CN213693453U - 一种功率开关故障自检电路、变频器及空调设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种功率开关故障自检电路、变频器及空调设备。其中，该电路包括多个采样模块和主控芯片，采样模块与功率开关一一对应连接，其第一输入端输入第一电压，第二输入端输入第二电压，第三输入端连接功率开关的漏极，第四输入端输入所述栅极驱动信号；用于根据功率开关的通断状态以及栅极驱动信号生成指示信号，其中，指示信号用于指示功率开关是否发生故障；主控芯片，其输入端连接采样模块的输出端，用于根据指示信号判断所述功率开关是否发生故障，并在功率开关发生故障时控制所述栅极驱动信号封锁。通过本实用新型，能够实现在功率开关投入使用前进行故障自检，提升安全性和可靠性。

Description

一种功率开关故障自检电路、变频器及空调设备

技术领域

本实用新型涉及电子电力技术领域，具体而言，涉及一种功率开关故障自检电路、变频器及空调设备。

背景技术

目前的变频器(例如光伏变频器)中包括整流模块与逆变模块，，图1为现有的变频器的电路结构图，其中整流模块与逆变模块中均包括功率开关(例如绝缘栅双极型晶体管，IGBT)，随着效率要求不断提高，市面上逐渐出现三电平、五电平变频器。随着这些变频器的出现，对于功率开关的需求越来越多，同时功率开关的安全性和可靠性能越来越被重视。目前的变频器，或者其他使用功率开关的器件中，在实际运行前一般都不进行功率开关故障自检，当长时间远距离运输，或者长时间不稳定运行后会对模块造成损坏，导致功率开关出现故障，如果下次使用前不进行检测直接投入运行，很可能造成巨大安全事故。

针对现有技术中功率开关投入使用前不进行检测，易带来安全隐患的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型实施例中提供一种功率开关故障自检电路、变频器及空调设备，以解决现有技术中功率开关投入使用前不进行检测，易带来安全隐患的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种功率开关故障自检电路，应用于变频器，所述变频器中包括多个功率开关，该电路包括：多个采样模块和主控芯片；

所述采样模块，与所述功率开关一一对应连接，其第一输入端输入第一电压，其第二输入端输入第二电压，其第三输入端连接功率开关的漏极，其第四输入端输入所述功率开关的栅极驱动信号；所述采样模块用于根据所述功率开关的通断状态以及所述栅极驱动信号生成指示信号；其中，所述指示信号用于指示所述功率开关是否发生故障；

所述主控芯片，其输入端连接所述采样模块的输出端，用于根据所述指示信号判断所述功率开关是否发生故障，并在所述功率开关发生故障时封锁所述栅极驱动信号。

进一步地，所述采样模块包括：

分压单元，其第一端输入所述第一电压，其第二端连接所述功率开关的漏极；所述分压单元用于对所述第一电压进行分压，生成第三电压后输出至比较器；

所述比较器，其第一输入端连接所述分压单元的输出端，其第二输入端输入所述第二电压，用于在所述第三电压大于所述第二电压时输出高电平，在所述第三电压小于所述第二电压时，输出低电平；

同或逻辑芯片，其第一输入端连接所述比较器的输出端，其第二输入端输入所述栅极驱动信号，用于在所述比较器的输出信号与所述栅极驱动信号一致时，输出高电平的指示信号，在所述比较器的输出信号与所述栅极驱动信号不一致时，输出低电平的指示信号。

进一步地，所述分压单元包括：

第一电阻与第二电阻，所述第一电阻与所述第二电阻串联后构成串联支路，所述串联支路的第一端输入所述第一电压，第二端连接所述功率开关的漏极，所述第一电阻与所述第二电阻之间的线路连接所述比较器的第一输入端。

进一步地，所述采样模块还包括：

第三电阻，设置在所述比较器的第一输入端与所述分压单元的输出端之间，用于限制所述比较器的第一输入端的电流；

第四电阻，设置在所述比较器的第二输入端，用于限制所述比较器的第二输入端的电流。

进一步地，所述采样模块还包括：

至少一个单向元件，所述单向元件串联接入所述分压单元的第二端与所述功率开关管的漏极之间，用于控制电流方向。

进一步地，所述电路还包括：

电源模块，其输入端连接供电电源，其输出端连接所述采样模块，用于输出所述第一电压和所述第二电压。

进一步地，所述电路还包括：

报警模块，其输入端连接所述主控芯片，用于在所述功率开关发生故障时被触发，发出警报。

进一步地，所述主控芯片的输出端连接所述变频器中的第一断路器和第二断路器，用于封锁所述第一断路器和/或所述第二断路器的控制信号。

本实用新型还提供一种变频器，所述变频器包括上述功率开关故障自检电路。

本实用新型还提供一种空调设备，所述空调设备包括上述变频器。

应用本实用新型的技术方案，通过与功率开关一一对应连接设置的多个采样模块，根据每个功率开关的通断状态以及栅极驱动信号生成指示信号，以指示功率开关是否发生故障；通过主控芯片，根据指示信号判断功率开关是否发生故障，并在功率开关发生故障时控制栅极驱动信号封锁，能够实现在功率开关投入使用前进行故障自检，提升安全性和可靠性。

附图说明

图1为现有的变频器的电路结构图；

图2为根据本实用新型实施例的功率开关故障自检电路的结构图；

图3为根据本实用新型实施例的采样模块的结构图；

图4为根据本实用新型实施例的功率开关故障自检电路的局部结构图；

图5为根据本实用新型另一实施例的功率开关故障自检电路的结构图；

图6为根据本实用新型实施例的功率开关故障自检电路的结构框图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本实用新型实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述电阻，但这些电阻不应限于这些术语。这些术语仅用来将不同电阻区分开。例如，在不脱离本实用新型实施例范围的情况下，第一电阻也可以被称为第二电阻，类似地，第二电阻也可以被称为第一电阻。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

下面结合附图详细说明本实用新型的可选实施例。

实施例1

本实施例提供一种功率开关故障自检电路，应用于变频器，如上文中提及的图1中所示，改变频器主要包括整流电路与逆变电路，其中，整流电路中包括功率开关Q1～Q6，逆变电路中包括功率开关Q7～Q12，上述功率开关两两串联后并联，组成整流桥或者逆变桥，每个开关管均包括漏极D、栅极G以及源极S。整流电路的输入端连接三相交流电源，整流电路与三相交流电源之间设置有第一断路器K1，整流电路与逆变电路之间通过直流母线连接，该直流母线上设置有第二断路器K2，断开断第一断路器K1和第二断路器K2，能够禁止交流电压电网与或者光伏电压输入，是现在必要时，关断变流器，提高设备安全性和可靠性。

图2为根据本实用新型实施例的功率开关故障自检电路的结构图，如图2所示，该电路包括：多个采样模块和主控芯片；

所述采样模块1与功率开关Q1～Q12一一对应连接，采样模块1的第一输入端输入第一电压V1，第二输入端输入第二电压V2，第三输入端连接功率开关的漏极D，第四输入端输入功率开关的栅极驱动信号；采样模块1用于根据功率开关的通断状态以及栅极驱动信号生成指示信号，其中，该指示信号用于指示功率开关是否发生故障；功率开关的源极S输入源极驱动信号，栅极G输入栅极驱动信号，通过源极驱动信号和栅极驱动信号之间形成的压差，驱动功率开关导通或者关断，驱动功率开关导通时，源极驱动信号为0V，栅极驱动信号为正电压，驱动功率开关关断时，源极驱动信号为0V，栅极驱动信号为0V，源极驱动信号为12V。

主控芯片2，其输入端连接采样模块1的输出端，用于根据采样模块1输出的指示信号判断功率开关是否发生故障，并在功率开关发生故障时封锁功率开关的栅极驱动信号。

如图2所示，每个功率开关的漏极都与对应的采样模块1的输入端连接，每个采样模块1均与主控芯片2连接，用于获取功率开关的栅极驱动信号，同时，向主控芯片2反馈指示信号。

本实施例的功率开关故障自检电路，通过与功率开关一一对应连接设置的多个采样模块，根据每个功率开关的通断状态以及栅极驱动信号生成指示信号，以指示功率开关是否发生故障；通过主控芯片，根据指示信号判断功率开关是否发生故障，并在功率开关发生故障时控制栅极驱动信号封锁，能够实现在功率开关投入使用前进行故障自检，提升安全性和可靠性。

实施例2

本实施例提供另一种功率开关故障自检电路，图3为根据本实用新型实施例的采样模块的结构图，为了实现根据功率开关的通断状态以及栅极驱动信号生成指示信号，如图3所示，采样模块1包括：

分压单元11，其第一端输入第一电压V1，其第二端连接功率开关的漏极D；分压单元用于对第一电压V1进行分压，生成第三电压V3后输出；

比较器A，其第一输入端连接分压单元11的输出端，其第二输入端输入第二电压V2，用于在第三电压V3大于第二电压V2时输出高电平，在第三电压小于第二电压时，输出低电平。在功率开关导通或者关断下，分压单元11的连接到导通情况不同，因此，输出的第三电压V3的值不同，进而导致比较器的输出信号不同，通过比较器A的输出信号，能够反映出功率开关管的通断状态。

同或逻辑芯片IC，其第一输入端连接比较器A的输出端，其第二输入端输入栅极驱动信号，用于根据比较器A的输出信号和栅极驱动信号，输出指示信号。具体地，如果比较器A的输出信号与栅极驱动信号一致，则输出的指示信号为高电平，如果比较器A的输出信号与栅极驱动信号不一致，则输出的指示信号为低电平，其中，一致是指均为高电平或者均为低电平，通过同或逻辑芯片IC输出的指示信号，能够反应出功率开关管的通断状态与其栅极输入的栅极驱动信号是否匹配，进而判断出功率开关管是否发生故障。

具体地，分压单元11包括：第一电阻R1与第二电阻R2，第一电阻R1与第二电阻R2串联后构成串联支路，串联支路的第一端输入第一电压V1，第二端连接功率开关的漏极，第一电阻R1与第二电阻R2之间的线路连接比较器A的第一输入端。在功率开关管导通时，第一电压V1经过第一电阻R1、第二电阻R2以及功率开关管后接地，第一电阻R1与第二电阻R2分压之后的第三电压V3输入比较器A的第一输入端，通过设置第一电阻R1与第二电阻R2以及第二电压V2的值，使此时第三电压V3小于第二电压V2，比较器A输出低电平，在功率开关管关断时，第一电压V1经过第一电阻R1分压之后生成第三电压V3，输入比较器A的第一输入端，由于没有第二电阻的分压作用，此时第三电压V3上升至大于第二电压V2，比较器A输出高电平。

由于比较器A必须工作在一定电流值以下，为了实现限流作用，采样模块还包括：

第三电阻R3，设置在比较器A的第一输入端与分压单元11的输出端之间，用于限制比较器A的第一输入端的电流；第四电阻R4，设置在比较器A的第二输入端，用于限制比较器A的第二输入端的电流，优选地，第三电阻R3与第四电阻R4阻值相等。

为保证第一电阻R1、第二电阻R2、比较器A的功能正常，电流只能由第二电阻R2流向功率开关的漏极D，因此，为了实现这一目的，上述采样模块1还包括：至少一个单向元件D1，单向元件串联接入第二电阻R2与功率开关管的漏极D之间，其阳极连接第二电阻R2，阴极连接功率开关管的漏极D，用于控制电流由第二电阻R2流向功率开关的漏极D。为了保证控制效果，还可以再串联设置单向元件D2、单向元件D3。单向元件D1、D2、D3均可以为二极管。

图4为根据本实用新型实施例的功率开关故障自检电路的局部结构图，为了提供第一电压以及第二电压，如图4所示，该功率开关故障自检电路还包括：

电源模块3，其输入端连接供电电源，其输出端包括第一输出端子和第二输出端子，其第一输出子连接采样模块1的第一输入端，用于输出第一电压V1，第二输出端子连接才采样模块的第二输入端，用于输出第二电压V2。

图5为根据本实用新型另一实施例的功率开关故障自检电路的结构图，在检测到功率开关故障后，为了能够提醒维修人员及时对故障进行处理，如图5所示，该功率开关故障自检电路还包括：报警模块4，其输入端连接主控芯片2的输出端，报警模块4用于在功率开关发生故障时被触发，发出警报。

为了使变流器断电更彻底，避免整流电路或逆变电路在故障状态下误触发，如图5所示，主控芯片2的输出端还连接变频器中的第一断路器K1和第二断路器K2，用于封锁第一断路器和第二断路器的控制信号。

实施例3

本实施例提供一种功率开关故障自检电路，应用于变频器，图6为根据本实用新型实施例的功率开关故障自检电路的结构框图，如图6所示，该功率开关故障自检电路，包括：采样模块1、主控芯片2，其中，主控芯片2连接功率开关(IGBT)，用于接收采样模块1输出的指示信号，根据指示信号封锁功率开关的栅极驱动信号以及变频器的断路器(第一断路器K1和第二断路器K2)的控制信号。

如上文中提及的图3中所示，上述采样模块1包括第一电阻R1、第二电阻R2构成的分压单元，第二电阻R2与功率开关的漏极之间串联设置单向元件D1，单向元件D1的作用是为了控制电流只能由第二电阻R2流向功率开关的漏极，为了保证控制效果，还可以再串联设置单向元件D2、单向元件D3。单向元件D1、D2、D3均可以为二极管。还包括比较器A，比较器A的第一输入端设置第三电阻R3、第二输入端设置第四电阻R4，还包括同或逻辑芯片IC。

上述功率开关故障自检电路还包括电源模块3，该电源模块3可以使用隔离芯片或隔离变压器等进行电源隔离与地隔离，电源模块3的输出端包括第一输出端子和第二输出端子，分别用于输出第一电压和第二电压。

以功率开关Q1为例说明，控制Q1关断时，需令功率开关的栅极和源极之间的电压为-12V，即此时栅极驱动信号VG1为0V，功率开关的源极电压为12V。在上文提及的图3中所示，检测模块输入第一电压V1，经分压后生成第三电压V3，输入比较器A的第一输入端(同相输入端)，比较器A的，同时输入比较器A的第一输入端输入第二电压V2，通过设置第一电阻R1和第二电阻R2的阻值，令功率开关关断时，第三电压V3大于第二电压V2，比较器输出高电平，而功率开关导通时，第三电压V3小于第二电压V2，比较器输出低电平。

上文提及的图3中，VG1＝0V，VE1＝+12V，VG1为低电平。如果功率开关未发生故障，其应该是关断状态，此时，V3＝V1-V_R1，其中，V_R1为第一电阻R1两端电压，由于比较器A的内部电阻极大，因此V_R1相对于V1的值来说很小，可以忽略不计，因此，V3＝V1，设计时另V1＞V2电压，则V3＞V2，比较器A的同相输入端电压大于反相输入端电压，输出高电平；比较器A的输出电压Vout与功率开关Q1的栅极驱动信号VG1同或逻辑运算，即同或逻辑芯片的两个输入端输入的电平信号一低一高，则输出的指示信号Vwarn1为低电平，主控板检测到该低电平，控制故障标志位保持为初始状态下的0，即指示信号Vwarn1为低电平，指示功率开关未发生故障。

当功率开关发生故障，而呈导通状态时，V3＝VD+R2/(R1+R2)×(V1-VD)，其中，VD为单向元件D1、D2、D3的压降与功率开关Q1的导通压降之和，VD的值相对于V1来说很小，则V3近似表示为：V3＝第二电阻R2的阻值/(第一电阻R1的阻值+第二电阻R2的阻值)×V1；此时，V3＜V2，比较器A的同相输入端电压小于反相输入端电压，输出低电平；比较器A的输出电压Vout与功率开关Q1的栅极驱动信号VG1同或逻辑运算，即同或逻辑芯片的两个输入端输入的电平信号均为低，则输出的指示信号Vwarn1为高电平，主控板检测到该高电平，控制故障标志位切换为1，即指示信号Vwarn1为高电平，指示功率开关发生故障。

控制Q1导通时，需令功率开关的栅极和源极之间的电压为+12V，即此时栅极驱动信号VG1为12V，源极S输入的驱动信号为0V。在上文提及的图3中所示，检测模块输入第一电压V1，经分压后生成第三电压V3，输入比较器A的第一输入端(同相输入端)，比较器A的，同时输入比较器A的第一输入端输入第二电压V2，通过设置第一电阻R1和第二电阻R2的阻值，令功率开关关断时，第三电压V3大于第二电压V2，比较器输出高电平，而功率开关导通时，第三电压V3小于第二电压V2，比较器输出低电平。

上文提及的图3中，VG1＝12V，VE1＝0V，VG1为高电平。如果功率开关未发生故障，其应该是导通状态，此时，V3＝VD+第二电阻R2的阻值/(第一电阻R1的阻值+第二电阻R2的阻值)×(V1-VD)，其中，VD为单向元件D1、D2、D3的压降与功率开关Q1的导通压降之和，VD的值相对于V1来说很小，则V3近似表示为：V3＝第二电阻R2的阻值/(第一电阻R1的阻值+第二电阻R2的阻值)×V1；此时，V3＜V2，比较器A的同相输入端电压小于反相输入端电压，输出低电平；比较器A的输出电压Vout与功率开关Q1的栅极驱动信号VG1同或逻辑运算，因为此时同或逻辑芯片的两个输入端输入的电平信号一高一低，则输出的指示信号Vwarn1为低电平，主控板检测到该低电平，控制故障标志位保持为初始状态下的0，即指示信号Vwarn1为低电平，指示功率开关未发生故障。

当功率开关发生故障，而呈关断状态时，V3＝V1-V_R1，其中，V_R1为第一电阻R1两端电压，由于比较器A的内部电阻极大，因此V_R1相对于V1的值来说很小，可以忽略不计，因此，V3＝V1，设计时另V1＞V2电压，则V3＞V2，比较器A的同相输入端电压大于反相输入端电压，输出高电平；比较器A的输出电压Vout与功率开关Q1的栅极驱动信号VG1同或逻辑运算，即同或逻辑芯片的两个输入端输入的电平信号均为高，则输出的指示信号Vwarn1为高电平，主控板检测到该高电平，控制故障标志位切换为1，即指示信号Vwarn1为高电平，指示功率开关发生故障。

实施例4

本实施例提供一种变频器，包括功率开关，该变频器还包括上述实施例中的功率开关故障自检电路。用于在变频器投入使用前进行功率开关故障自检，提升整个变频器的安全性和可靠性。

实施例5

本实施例提供一种空调设备，包括实施例4所述的变频器，用于提升整个空调设备的安全性和可靠性。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种功率开关故障自检电路，应用于变频器，所述变频器中包括多个功率开关，其特征在于，所述电路包括：多个采样模块和主控芯片；

所述采样模块，与所述功率开关一一对应连接，其第一输入端输入第一电压，其第二输入端输入第二电压，其第三输入端连接功率开关的漏极，其第四输入端输入所述功率开关的栅极驱动信号；所述采样模块用于根据所述功率开关的通断状态以及所述栅极驱动信号生成指示信号；其中，所述指示信号用于指示所述功率开关是否发生故障；

所述主控芯片，其输入端连接所述采样模块的输出端，用于根据所述指示信号判断所述功率开关是否发生故障，并在所述功率开关发生故障时封锁所述栅极驱动信号。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述采样模块包括：

分压单元，其第一端输入所述第一电压，其第二端连接所述功率开关的漏极；所述分压单元用于对所述第一电压进行分压，生成第三电压后输出至比较器；

所述比较器，其第一输入端连接所述分压单元的输出端，其第二输入端输入所述第二电压，用于在所述第三电压大于所述第二电压时输出高电平，在所述第三电压小于所述第二电压时，输出低电平；

同或逻辑芯片，其第一输入端连接所述比较器的输出端，其第二输入端输入所述栅极驱动信号，用于在所述比较器的输出信号与所述栅极驱动信号一致时，输出高电平的指示信号，在所述比较器的输出信号与所述栅极驱动信号不一致时，输出低电平的指示信号。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述分压单元包括：

第一电阻与第二电阻，所述第一电阻与所述第二电阻串联后构成串联支路，所述串联支路的第一端输入所述第一电压，第二端连接所述功率开关的漏极，所述第一电阻与所述第二电阻之间的线路连接所述比较器的第一输入端。

4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述采样模块还包括：

第三电阻，设置在所述比较器的第一输入端与所述分压单元的输出端之间，用于限制所述比较器的第一输入端的电流；

第四电阻，设置在所述比较器的第二输入端，用于限制所述比较器的第二输入端的电流。

5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述采样模块还包括：

至少一个单向元件，所述单向元件串联接入所述分压单元的第二端与所述功率开关管的漏极之间，用于控制电流方向。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：

电源模块，其输入端连接供电电源，其输出端连接所述采样模块，用于输出所述第一电压和所述第二电压。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：

报警模块，其输入端连接所述主控芯片，用于在所述功率开关发生故障时被触发，发出警报。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述主控芯片的输出端连接所述变频器中的第一断路器和第二断路器，用于封锁所述第一断路器和/或所述第二断路器的控制信号。

9.一种变频器，其特征在于，所述变频器包括权利要求1至8中任一项所述的功率开关故障自检电路。

10.一种空调设备，其特征在于，所述空调设备包括权利要求9所述的变频器。

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