CN220525956U - 固态断路器故障检测装置和包含其的固态断路器 - Google Patents

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刘海晨
王骋
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本实用新型提供一种用于固态断路器的故障检测装置以及包含故障检测装置的固态断路器，所述固态断路器包括功率半导体，所述故障检测装置包括比较器，其中，所述比较器的正输入端被配置为连接至所述功率半导体的输入端，所述比较器的负输入端经由电流路径连接至参考电压，所述电流路径被配置为能够为所述比较器的负输入端提供第一阈值电压，其中，所述第一阈值电压对应于所述功率半导体导通的情况下发生过流过温故障时所述功率半导体两端的电压，所述比较器输出用于指示所述功率半导体发生故障的信号。

Description

固态断路器故障检测装置和包含其的固态断路器
技术领域
本实用新型属于固态断路器领域，尤其涉及一种固态断路器故障检测装置和包含其的固态断路器。
背景技术
断路器是指能够关合(也称导通)、承载和开断(也称关断)正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置，异常回路条件例如短路、过载或其它紧急情况。
固态断路器(SSCB)是断路器智能化形式之一，其能够代替传统的机械断路器进行电路保护。固态断路器是无触点开关设备，与传统断路器有所不同，其导通与关断通过对半导体功率器件(也称为“功率半导体”)内部的载流子以及载流子的通道的控制来实现。在导通状态，器件内部形成载流子通道，载流子被大量激发，器件导通电流的能力增强；在关断状态，器件内部的载流子通道消失，器件阻隔电流的流通。
实用新型内容
因此，本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于固态断路器的故障检测装置，所述固态断路器包括功率半导体，所述故障检测装置包括比较器，其中，所述比较器的正输入端被配置为连接至所述功率半导体的输入端，所述比较器的负输入端经由电流路径连接至参考电压，所述电流路径被配置为能够为所述比较器的负输入端提供第一阈值电压，其中，所述第一阈值电压对应于所述功率半导体导通的情况下发生过流过温故障时所述功率半导体两端的电压，所述比较器输出用于指示所述功率半导体发生故障的信号。
根据本实用新型的故障检测装置，优选地，所述电流路径还被配置为能够为所述比较器的负输入端提供第二阈值电压，其中，所述第二阈值电压对应于所述功率半导体关断的情况下发生击穿故障时所述功率半导体两端的电压。
根据本实用新型的故障检测装置，优选地，所述电流路径包括晶体管，所述晶体管控制所述比较器的负输入端的输入电压为所述第一阈值电压或者所述第二阈值电压。
根据本实用新型的故障检测装置，优选地，当所述晶体导通时，所述比较器的负输入端的输入电压为所述第一阈值电压；以及当所述晶体管关断时，所述比较器的负输入端的输入电压为所述第二阈值电压。
根据本实用新型的故障检测装置，优选地，所述晶体管的控制极连接至所述功率半导体的栅极。
根据本实用新型的故障检测装置，优选地，还包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，其中，所述第二电阻和所述第三电阻串联连接在辅助电源和所述参考电压之间，所述第二电阻和所述第三电阻之间的节点连接至所述比较器的负输入端，所述晶体管与所述第一电阻串联并且并联连接至所述第三电阻。
根据本实用新型的故障检测装置，优选地，所述晶体管为三极管，所述第一电阻连接至所述三极管的发射极。
根据本实用新型的故障检测装置，优选地，所述晶体管为三极管，所述第一电阻连接至所述三极管的集电极。
根据本实用新型的故障检测装置，优选地，还包括二极管和上拉电阻，所述二极管反向设置在所述比较器的正输入端和所述功率半导体的输入端之间，以及所述上拉电阻设置在所述比较器的正输入端和所述二极管的阳极之间的节点与所述辅助电源之间。
本实用新型还提供了一种固态断路器，包括：
功率半导体，其能够被设置在电流回路中以导通或断开电流；
能量吸收器，其并联至所述功率半导体；
驱动器，其用于驱动所述功率半导体的导通和关断；
辅助电源，其被配置为给所述驱动器供电；和
根据本实用新型的故障检测装置。
与现有技术相比，本实用新型的故障检测装置能够检测功率半导体导通过程中的过温和过热故障以及功率半导体关断过程中的击穿故障，从而保证功率半导体的正常工作，结构简单、操作方便。
附图说明
以下参照附图对本实用新型实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本实用新型实施例的固态断路器的结构框图；
图2a-2c示出不同的功率半导体的电特性与结区温度的关系；
图3为根据本实用新型的一个实施例的故障检测装置的电路示意图；
图4为根据本实用新型的另一个实施例的故障检测装置的电路示意图；
图5为根据本实用新型的另一个实施例的故障检测装置的电路示意图；
图6为根据本实用新型的又一个实施例的故障检测装置的电路示意图；
图7为根据本实用新型的另一个实施例的故障检测装置的电路示意图；以及
图8为根据本实用新型实施例的包含故障检测装置的固态断路器的结构框图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
参见图1所示的根据本实用新型实施例的固态断路器的结构框图，其包括功率半导体100、能量吸收器102、驱动器104和辅助电源106，其中，功率半导体100和能量吸收器102并联连接在电流回路中，驱动器104用于驱动功率半导体100的导通或关断动作，辅助电源106用于给驱动器104供电。当电流回路异常时，驱动器104驱动功率半导体100关断以切断电流回路，能量吸收器102用于吸收关断功率半导体100时电流回路中积聚的大量的感性能量，从而实现电路保护功能。
固态断路器包括基于纯功率半导体的纯固态断路器或者基于功率半导体和机械接触器的组合的混合式固态断路器，其中，功率半导体可以例如是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、集成门极换流晶闸管(IGCT)或其组合。作为SSCB的主要部件，功率半导体的可靠工作对于电路保护功能的实现非常重要。特别是导通状态下功率半导体的过温或过流以及关断状态下功率半导体的击穿，会造成功率半导体无法正常工作。因此，有必要对功率半导体的故障进行检测和监控。
然而，固态断路器应用中的功率半导体的工作特性明显不同于功率变换应用(例如逆变器、DC-DC变换器)中的功率半导体的工作特性，因此，通常使用的保护方法，例如米勒钳位保护、有源过压钳位保护和去饱和保护不能直接应用至固态断路器应用中。
为了实现对固态断路器应用中的功率半导体进行故障检测和监控，本发明人对多种不同的功率半导体的电特性进行研究。本发明人经研究发现，功率半导体两端的电压能够反映功率半导体的电流和温度变化，因此可用作过温和过流指示。例如，参见图2a-2c所示的三种不同的功率半导体MOSFET、IGBT和IGCT的电特性与结区温度的关系，其中，图2a为MOSFET的通态电阻RDSOn随结区温度TJ的变化曲线，测试条件为主电流IDS＝75A，门极电压VGS＝15V，测试过程的脉冲持续时间tp<200μs，可以看出，主电流不变时，通态电阻随着结区温度的增加而增加，也即，MOSFET两端的电压随着结区温度的增加而增加；图2b为IGBT在不同的结区温度Tvj，主电流Ic随其集电极和发射极之间的电压VCE的变化曲线，其中，门极电压VGE＝15V，可以看出，电压VCE随着电流的增加而增加，也随着结区温度的增加而增加；图2c为IGCT在不同的结区温度(包括标准结区温度和最大结区温度)的通态峰值电压VT随通态峰值电流IT的变化曲线，可以看出，通态峰值电压随着电流的增加而增加，也随着结区温度的增加而增加。结合图2a-2c可以看出，功率半导体两端的电压均随着电流和温度的增加而增加。例如，当功率半导体在电流运行边界内工作时，其两端电压的异常就反映过温故障；当功率半导体在恒定温度下工作时，其两端电压的异常就反映过流故障。通过对功率半导体两端的电压进行检测和监控，就能识别电流回路的故障，从而保证SSCB的正常工作。
本实用新型的一个实施例提供了一种用于功率半导体的故障检测装置以检测功率半导体的过温和过流故障。参见图3所示的该实施例的故障检测装置的电路示意图，其包括比较器U1，其中，比较器U1的正电源端由辅助电源106供电，特别地连接至辅助电源106的供电端口VDD，负电源端接地，比较器U1的正输入端连接至功率半导体的输入端Port+，负输入端被提供第一阈值电压V1，在该实施例中，功率半导体的输出端Port-接地，功率半导体的输入端Port+的电压就等于功率半导体两端的电压，当功率半导体两端的电压超过第一阈值电压V1时，比较器U1的输出端FB的信号从低变为高，从而指示功率半导体过温和过流故障。根据本实用新型的其他实施例，功率半导体的输出端Port-并非必须接地，只要该端的电压固定，例如输入一个固定的参考值，功率半导体的输入端Port+的电压的变化就能够反映功率半导体两端的电压的变化。在本实用新型的实施例中，如果功率半导体的输出端Port-接地，那么提供至比较器U1的负输入端的第一阈值电压V1被设置为等于功率半导体发生过温过流故障时两端的电压；如果功率半导体的输出端Port-的电压被锁定为参考值VR，那么提供至比较器U1的负输入端的第一阈值电压V1被设置为在功率半导体发生过温过流故障时两端的电压的基础上加上参考值VR。总之，第一阈值电压V1对应于功率半导体发生过温过流故障时两端的电压。
优选地，参见图4所示的根据本实用新型的另一个实施例的故障检测装置的电路示意图，其中，比较器U1的正输入端和功率半导体的输入端Port+之间连接有反向二极管D1，即二极管D1的阳极连接至比较器U1的正输入端，阴极连接至功率半导体的输入端Port+，从而防止输入端Port+的高压击穿比较器U1，另外，比较器U1的正输入端还通过上拉电阻R0连接至电源，特别地连接至辅助电源的供电端口VDD。在这种情况下，当功率半导体导通时，其输入端Port+和输出端Port-之间低阻，二极管D1的阴极的电位与Port-的电位差别不大，而VDD相比Port-的电位高很多，因此二极管D1正向导通，二极管D1的阳极的电位(即比较器U1的正输入端的电位)等于Port+的电位加上二极管D1的电压降。因此，比较器U1的正输入端的电压能够反映Port+的电压，即功率半导体两端的电压，当功率半导体两端的电压超过第一阈值电压V1时，比较器U1的输出端FB的信号从低变为高，说明功率半导体不再是低阻态，其导通出现问题，从而指示功率半导体过温和过流故障。
根据本实用新型的另一个实施例，如图5所示的该实施例的故障检测装置的电路示意图，与图4所示的电路示意图相比，该实施例的故障检测装置还包括第一电阻R1和第二电阻R2，其中，比较器U1的负输入端连接至第一电阻R1和第二电阻R2之间的节点，第一电阻的另一端连接至功率半导体的输出端Port-并接地，第二电阻R2的另一端连接至辅助电源106的供电端口VDD。通过设置R1和R2的阻值，就能够设置比较器U1的负输入端的输入电压，即能够通过调节R1和R2将负输入端的电压设置为第一阈值电压V1。当功率半导体发生过温或过流故障时，比较器U1的正输入端的电压超过负输入端输入的第一阈值电压V1时，其输出端FB的信号从低变为高。
根据本实用新型的又一个实施例，如图6所示的该实施例的故障检测装置的电路示意图，与图5所示的电路示意图相比，该实施例的故障检测装置还包括三极管Q1和第三电阻R3，其中，第一电阻R1的另一端通过三极管Q1接地，具体地，第一电阻R1的另一端连接至三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极连接至功率半导体的栅极G_P；另外，第三电阻R3的一端连接至比较器U1的负输入端，另一端接地。可替代地，在该实施例中，第一电阻R1连接在三极管Q1的发射极和地线之间。
继续参照图6讨论该实施例的故障检测装置的工作原理。
当功率半导体通过栅极G_P信号而导通时，功率半导体的栅极G_P信号同时驱动三极管Q1导通，此时，通过预先设置电阻R1、R2和R3的值，使得比较器U1的负输入端的输入电压恰好为第一阈值电压V1。另外，如上所述比较器U1的正输入端的电压等于功率半导体的输入端Port+的电压加上二极管D1上的电压降，功率半导体的输出端Port-接地，所以，比较器U1的正输入端的电压反映功率半导体两端的电压。当功率半导体正常工作时，U1的正输入端的电压低于第一阈值电压V1，比较器U1的输出端FB的信号为低。当功率半导体发生过温或过流时，U1的正输入端的电压会达到第一阈值电压V1，比较器U1的输出端FB的信号从低变为高，从而指示功率半导体导通过程中的过流或过温故障。
当功率半导体关断时，由于其栅极G_P无信号输入，因此，三极管Q1断开，此时，比较器U1的负输入端的电压取决于第二电阻R2和第三电阻R3的设置，通过设置R2和R3的阻值，可以将U1的负输入端的电压设置在第二阈值电压V2。正常情况下，Port+与Port-之间为高阻态，当外部高电压加到功率半导体上时，Port+的电位(即二极管D1的阴极的电位)非常高，二极管反向截止，漏电流很小，二极管D1的阳极的电位相当于VDD的电位加上R0上的电压降，由于漏电流极小，所以R0上通过的电流也极小，所述二极管D1的阳极的电位略高于VDD的电位，即U1的正输入端输入与Port+类似的高电压，U1的正输入端输入显著高于功率半导体一般导通时的电压，即可代表功率半导体高阻态的电压，其高于第二阈值电压V2，因此，比较器U1的输出端FB的信号为高。当功率半导体击穿故障时，Port+与Port-之间短路，Port+的电位变低，二极管D1正向导通，其阳极电位比阴极电位仅高出二极管D1的电压降，U1的正输入端的电压为与Port+类似的低电压，低于第二阈值电压V2，因此，比较器U1的输出端FB的信号从高变为低，说明功率半导体的Port+和Port-之间不再是高阻态，从而指示功率半导体关断状态的击穿故障。
根据本实用新型的另一个实施例，如图7所示的该实施例的故障检测装置的电路示意图，相比图6所示的电路示意图，该实施例的故障检测装置还包括第四电阻R4以及第一至第四电容C1-C4，其中，第四电阻R4连接在三极管Q1的基极和功率半导体的栅极之间，用作驱动三极管Q1的基极电阻；第一电容C1连接在比较器U1的正输入端和地线之间，第二电容C2连接在三极管Q1的基极和地线之间，第三电容C3连接在比较器U1的负相输入端和地线之间，以及第四电容C4连接在比较器U1的输出端FB和地线之间，分别用作滤波电容。
本领域技术人员能够理解，第四电阻R4以及第一至第四电容C1-C4并非必须同时设置在同一个电路结构中，本领域技术人员可以根据实际需要在电路中设置其中的一个或多个。
在本实用新型的实施例中，三极管Q1可以用本领域公知的任意的晶体管来代替，例如IGBT、MOSFET等，只要将晶体管的控制极连接至功率半导体的栅极，就能够实现与前述类似的故障检测逻辑。
根据本实用新型实施例的功率半导体故障检测装置通过简单的电路设计就能够检测功率半导体导通过程中的过温和过热故障，还能够检测功率半导体关断过程中的击穿故障，从而保证功率半导体的正常工作。
本实用新型的实施例还提供了一种固态断路器，如图8所示的该实施例的固态断路器的结构框图，其包括功率半导体200、能量吸收器202、驱动器204、辅助电源206以及故障检测单元208，其中，功率半导体200和能量吸收器202并联连接在电流回路中，功率半导体的200的输入端为Port+、输出端为Port-，并且输出端Port-接地，驱动器204用于给功率半导体200的栅极G_P提供驱动信号，辅助电源206的供电端为VDD用于给驱动器204供电。该实施例的故障检测单元208可以为前述实施例中的故障检测装置的任意一种，故障检测单元208被配置为能够连接至辅助电源206的供电端VDD、驱动器204的驱动端G_P、以及功率半导体200的输入端和输出端Port+和Port-，故障检测单元208的输出端FB将输出信号反馈给驱动器204。
在本实用新型的实施例中，故障检测单元208的输出端FB可以连接至驱动器器204的模拟ADC端口、可编程故障检测装置端口或者预留的GPIO端口，驱动器器204可以识别功率半导体200的状态或者将功率半导体200的状态信息传输给中央控制器，从而实现保护和监测功能。
根据本实用新型的其他实施例，功率半导体采用集成门集环流晶闸管IGCT，其驱动器204包括局域微控制器和换流芯片，很容易将故障检测单元208的输出端FB连接至局域微控制器来实现监测和保护功能。
根据本实用新型的其他实施例，驱动器204采用传统驱动器芯片，常规驱动芯片不具备直接连接至FB端的端口。在这种情况下，可以直接将FB端直接连接至传统驱动芯片的去饱和端，然后利用外部硬件实现过温和过流保护。还可以直接将FB端连接至单独的微控制器来实现所有功能。
根据本实用新型的其他实施例，故障检测装置中的比较器采用额外的电源供电。
虽然本实用新型已经通过优选实施例进行了描述，然而本实用新型并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本实用新型范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种用于固态断路器的故障检测装置，所述固态断路器包括功率半导体，所述故障检测装置包括比较器，其中，所述比较器的正输入端被配置为连接至所述功率半导体的输入端，所述比较器的负输入端经由电流路径连接至参考电压，所述电流路径被配置为能够为所述比较器的负输入端提供第一阈值电压，其中，所述第一阈值电压对应于所述功率半导体导通的情况下发生过流过温故障时所述功率半导体两端的电压，所述比较器输出用于指示所述功率半导体发生故障的信号。
2.根据权利要求1所述的故障检测装置，其中，所述电流路径还被配置为能够为所述比较器的负输入端提供第二阈值电压，其中，所述第二阈值电压对应于所述功率半导体关断的情况下发生击穿故障时所述功率半导体两端的电压。
3.根据权利要求2所述的故障检测装置，所述电流路径包括晶体管，所述晶体管控制所述比较器的负输入端的输入电压为所述第一阈值电压或者所述第二阈值电压。
4.根据权利要求3所述的故障检测装置，其中，当所述晶体导通时，所述比较器的负输入端的输入电压为所述第一阈值电压；以及当所述晶体管关断时，所述比较器的负输入端的输入电压为所述第二阈值电压。
5.根据权利要求3所述的故障检测装置，其中，所述晶体管的控制极连接至所述功率半导体的栅极。
6.根据权利要求3所述的故障检测装置，还包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，其中，所述第二电阻和所述第三电阻串联连接在辅助电源和所述参考电压之间，所述第二电阻和所述第三电阻之间的节点连接至所述比较器的负输入端，所述晶体管与所述第一电阻串联并且并联连接至所述第三电阻。
7.根据权利要求6所述的故障检测装置，其中，所述晶体管为三极管，所述第一电阻连接至所述三极管的发射极。
8.根据权利要求6所述的故障检测装置，其中，所述晶体管为三极管，所述第一电阻连接至所述三极管的集电极。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的故障检测装置，还包括二极管和上拉电阻，所述二极管反向设置在所述比较器的正输入端和所述功率半导体的输入端之间，以及所述上拉电阻设置在所述比较器的正输入端和所述二极管的阳极之间的节点与所述辅助电源之间。
10.一种固态断路器，包括：
功率半导体，其能够被设置在电流回路中以导通或断开电流；
能量吸收器，其并联至所述功率半导体；
驱动器，其用于驱动所述功率半导体的导通和关断；
辅助电源，其被配置为给所述驱动器供电；和
根据权利要求1-9中任一项所述的故障检测装置。
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