晶閘管短路故障在線檢測裝置與方法

2023-05-20 13:11:06

專利名稱：晶閘管短路故障在線檢測裝置與方法
技術領域：
本發明一般涉及晶閘管(可控矽)應用領域，特別涉及用於對晶閘管短路故障進行在線檢測的裝置與方法。
背景技術：
作為一種大功率半導體器件，晶閘管只需用幾十至幾百毫安的電流，就可以控制幾百至幾千安培的大電流，實現弱電對強電的控制。由於具有體積小、重量輕、損耗小、控制特性好、能夠耐受較高電壓及較大浪湧電流等特點，晶間管與其他電力電子器件配合，廣泛應用於可控整流、逆變、電機調速、電機勵磁、無觸點開關以及自動控制等多個領域。例如，靜態轉換開關STS (Static lransfer Switch)常常用於 UPS-UPS、UPS-發電機、UPS-市電、市電-市電等不同輸入電源之間的不間斷轉換。圖1示出了靜態轉換開關 STS，其中，當第一路電源Sourcel出現故障後，STS自動切換到第二路電源SourCe2為負載 &供電，同樣地，如果第二路電源SourCe2發生故障，STS自動切換到第一路電源Sourcel， 由此實現系統電源二選一自動切換。為了實現交流切換控制並滿足快速切換和高可靠性等要求，STS使用兩組反並聯晶閘管作為開關器件。在靜態轉換開關的運行邏輯中，在任何時刻上，只能允許一路電源對負載供電，也就是說，當某一路電源連接到負載時，另一路電源必須從負載切除，兩路電源同時開通將產生電源之間的環流，帶來災難性的後果，例如電源或晶閘管的毀壞。為避免兩路電源共通， 高可靠性靜態轉換開關必須具有這樣的功能如果發現某個晶閘管發生短路，則將負載死鎖到與該晶閘管對應的電源而不再進行切換。因此，迅速、可靠地檢測出晶閘管短路故障對於靜態轉換開關的運行性能來說非常重要。通過檢測晶閘管陽極與陰極之間的電壓來判斷晶閘管載流狀態的方法是已知的 (例如，可參照授予 James M. Galm 等人的美國專利 No. 5，814，904 「Matic Switch Method and Apparatus」，圖4B)。這種方法對晶閘管陽極A與陰極K間的電壓進行採樣，如果A、K之間的電壓在某個範圍內，則判斷為晶閘管導通。然而，這種方法的缺點在於，由於晶閘管的陽極、陰極分別與電源端、負載端相連，陽極端子與陰極端子上的電壓存在相當大的波動， 容易導致誤判斷；同時，由於A、K間電壓的變化範圍很大，通常難以用同一檢測電路兼顧對較高電壓和較低電壓的精確檢測；另外，在負載電流較小的情況下，也容易產生誤判斷。美國專利No. 4，357，645、No. 6，791，852、No. 7，378，816 中公開了另外的晶閘管狀態檢測方法，它們通過檢測處於非導通區的晶閘管中是否存在電流來判斷是否發生短路。 由於這些方法只能在開機自檢時檢測晶閘管短路故障，不能在晶閘管工作的同時進行實時檢測，應用受到局限。由此可見，在晶閘管短路故障檢測方面，存在改進的空間。

發明內容
開發本發明以克服上文提到的缺點。本發明提供了一種晶閘管短路故障檢測裝置和方法，其能以較小的硬體成本實現迅速、可靠的在線檢測。在一個實施形態中，本發明提供了一種用於對電路中晶閘管的短路故障進行在線檢測的裝置，該晶閘管被布置為經由串聯連接的匹配電阻在門極上接收來自微處理器的驅動信號，並被布置為與電流傳感器耦合，所述裝置包含短路故障特徵信號提取單元，該單元對在匹配電阻遠離晶閘管門極的一端與晶閘管陰極端子之間的電壓進行採樣，從中提取短路故障特徵信號並將之傳送給微處理器。電流傳感器被配置為測量晶間管陽極電流，並將測量得到的晶間管陽極電流傳送給微處理器。微處理器被配置為在從短路故障特徵信號提取單元接收到短路故障特徵信號時，判斷來自電流傳感器的晶閘管陽極電流是否大於或等於晶閘管擎住電流，如果是，判斷為晶閘管發生短路故障。在另一實施形態中，本發明提供了一種用於對電路中晶閘管的短路故障進行在線檢測的方法，驅動信號經由串聯連接的匹配電阻被供到該晶閘管的門極，所述方法包含對在匹配電阻遠離晶閘管門極的一端與晶閘管陰極端子之間的電壓進行採樣，在採樣得到的電壓中提取短路故障特徵信號；測量晶閘管陽極電流，如果測量得到的陽極電流大於或等於晶閘管擎住電流，判斷為晶閘管發生短路故障。結合附圖，通過閱讀對本發明的優選實施例的詳細介紹，可以明了本發明的上述以及其他目的和優點。


附圖併入說明書並構成說明書的一部分，在附圖中圖1為使用靜態轉換開關實現的電源二選一自動切換系統的示意圖；圖2A、2B為晶閘管及其結構的示意圖；圖3原理性地示出了包含晶閘管的靜態轉換開關的結構；圖4A示出了晶閘管驅動信號，圖4B、4C示出了晶閘管開始工作後所通過的電流大於擎住電流時分別在晶閘管完好與短路兩種狀態下測得的Vdk電壓波形；圖5為根據本發明一實施例的晶閘管短路故障檢測裝置的主要部件的原理圖；圖6原理性地示出了根據本發明一實施例在微處理器中進行的晶閘管短路故障檢測過程的流程圖。
具體實施例方式下面將結合附圖詳細說明本發明的具體實施方式
。除非明確地另有說明，否則，這裡所使用的「一」、「一個」、「該」、「所述」等表述也將一個以上數量的所指對象的情況包括在內。「部件被『連接(耦合)』在一起」的表述意味著這些部件被直接連接(耦合)在一起或通過一個或一個以上的中間部件連接(耦合)在一起。「一部件與另一部件連接(耦合)」 或「一部件被連接(耦合)到另一部件」的表述意味著這些部件直接連接(耦合)在一起或通過一個或一個以上的中間部件連接(耦合)在一起。在對根據本發明的晶閘管短路故障檢測裝置和方法所作的介紹中，為避免混淆本發明的重點，不再對本領域技術人員已經公知的內容詳細進行介紹。晶閘管的示意圖如圖2A、2B所示，其為四層(P1,N1,P2,N2)三端(A、G、K)器件。晶閘管為一種單向可控開關元件，在承受正向陽極電壓時，通過對門極和陰極兩端提供觸發電壓和電流，可控制晶閘管的導通。下面將以靜態轉換開關中的晶閘管為例，具體介紹根據本發明的晶閘管短路故障檢測裝置和方法。圖3原理性地示出了連接在負載與兩個交流電源AC1、AC2之間的靜態轉換開關，其在微處理器(μΡ)的控制下，將電源AC1、AC2中的一個與負載接通。每個電源與一組反並聯連接的晶閘管SCR1、SCR2，或SCR3、SCR4)相對應，微處理器通過隔離模塊、邏輯模塊、門極驅動模塊向各個晶閘管提供驅動信號，驅動信號的頻率可以在17-22kHz的範圍內。另外，多個電壓傳感器和電流傳感器(例如VT1-2、CT1_4)對電路中多個點的電壓、電流信號進行檢測，並將檢測結果提供給微處理器。在晶閘管陽極與陰極之間發生短路後，由於內部阻抗很小，電流流過晶閘管產生的壓降很小，與門極相連接的P2區到陰極的壓降也很小。當驅動電流信號為0時，門極到陰極的內阻上的電壓為0，門極與陰極之間的壓降為0。與此形成對比的是，對於完好的晶閘管來說，此時，門極到陰極的壓降為一個PN結的壓降而不為零。圖4A、4B、4C示出了施加到晶閘管的驅動信號以及分別在晶閘管完好與短路兩種狀態下測得的Vdk電壓波形。可以看出，如果晶閘管短路，Vdk波形在高於某一閾值和等於零兩種狀態之間交替；相反，如果晶閘管完好，Vdk 一直保持為高於該閾值而不存在等於零的階段。同時，需要注意的是，當陽極電流小於晶閘管擎住電流時，處於正常狀態的晶閘管在門極驅動信號為低電平的時間段內不導通，這時，Vdk的最小值也為零。此時，晶閘管處於沒有正常工作的狀態，不能分辨短路還是完好，並且，由於這種狀態是安全的，也不必判斷是否發生短路。為了將這種情況排除在外，還需要將晶閘管陽極電流與擎住電流進行比較。本發明即基於這樣的認識作出。對晶閘管門極施加觸發信號，通過將電壓Vdk在高於閾值和等於零兩種狀態之間交替以及晶閘管陽極電流大於擎住電流作為判斷依據，實現晶閘管短路故障的實時檢測。圖5為根據本發明一實施例的晶閘管短路故障檢測裝置的主要部件的原理圖。如圖5所示，Vdk信號與閾值電壓(基準電壓)一起被輸入到電壓比較器電路。閾值電壓設置為晶閘管中一個PN結的壓降，可在0. 4——0. 7V的範圍內選擇，其可通過分壓電路從電壓比較器供電電壓中取得，也可通過本領域技術人員慣常採用的多種替代方式取得。電壓比較器將Vdk與閾值電壓進行比較，並將比較結果經由光電耦合器提供給微處理器。當晶閘管出現短路故障時，Vdk波形在高於閾值電壓和低於閾值電壓(等於零)兩種狀態之間交替，故比較器輸出為在高低電平之間交替的脈衝，該脈衝信號在經光電耦合器反相之後輸入微處理器；而在晶間管完好的情況下，Vdk持續高於閾值電壓，比較器輸出電平持續為高，在光電耦合器輸出端得到持續為低的電平。需要注意的是，高、低電平的相對表述僅僅是針對圖5所示的電路配置而言，儘管這裡具體將高電平信號用作對施加驅動信號的情況下電壓Vdk等於零的這種狀態進行表徵的短路故障特徵信號，取決於電路的具體配置，本領域技術人員可以將低電平信號或其他形式的信號用作短路故障特徵信號。此外，本領域技術人員可以容易地想到用運算放大器電壓比較器以外的其它方式實現Vdk與閾值電壓的比較，或用光電耦合器以外的其它方式實現絕緣和/或隔離。由於故障檢測和保護在各種應用中具有高的優先級，短路故障的判斷和保護採用中斷子程序的形式，以便保證迅速反應。對於圖5所示的配置來說，如果晶閘管是完好的， 微處理器接收到一直為低電平的輸入信號，如果晶間管出現短路故障，高低交替的脈衝被輸入微處理器，且微處理器被設置為由高電平信號觸發中斷。圖6原理性地示出了根據本發明一實施例在微處理器中進行的晶閘管短路故障子程序的流程圖。在步驟SlO中，該過程由於高電平信號觸發中斷而開始。在步驟S20中， 首先判斷中斷是否第一次被觸發。如果在步驟S20中的判斷結果為是，退出短路故障子程序；相反地，如果不是第一次觸發，則過程繼續進行到步驟S30。在步驟S30中，判斷由電流傳感器測量得到的晶閘管陽極電流是否至少為擎住電流。如果在步驟S30中的判斷結果為是，判斷為晶閘管發生短路(S40)，這時可進一步採取預先設置的保護動作(S50)，反之，如果晶閘管陽極電流小於擎住電流，則退出短路故障子程序而不採取保護動作。在圖6所示的流程圖中，兩次檢測到高電平中斷觸發信號時才進一步進行晶閘管陽極電流是否大於擎住電流的判斷，這樣做的目的是為了避免誤判斷。本領域技術人員可以想到，可在故障檢測的可靠性和迅速採取保護動作之間進行折中選擇，在第一次檢測到高電平中斷觸發信號時即進入關於晶閘管陽極電流的進一步判斷，或在更多次檢測到高電平中斷觸發信號時進行關於晶閘管陽極電流的進一步判斷。與現有技術中的故障檢測方法相比，根據本發明的故障檢測方法用小的硬體成本實現了晶閘管短路故障的在線檢測，並且，與在相當大範圍內變化的AK間電壓相比，GK (或 DK)之間電壓的變化範圍很小，這使得檢測精度大大提高且不容易受到幹擾，提高了故障檢測的可靠性。上文對本發明實施方式的具體介紹僅僅是說明性和示例性的，不是限制性的。在不脫離本發明的一般設計構思的情況下，可對上面介紹的具體實施例的細節進行多種修改和替代。例如，儘管以靜態轉換開關為例介紹了晶間管短路故障檢測裝置和方法，該裝置和方法同樣適用於晶閘管的多種其他應用場合。又如，觸發電流在圖2B中被示為經由驅動電阻Rd流入晶閘管門極，驅動電阻Rd在這裡起到匹配的作用，使得能夠在不改變檢測電路的情況下適應門極與陰極之間不同的內阻，本領域技術人員可以想到，可以省略驅動電阻 Rd(即Rd = 0Ω)。因此，這裡所公開的特定布置不對本發明的範圍進行限制，本發明的範圍由所附權利要求及其任何等價內容的全部廣度給出。
權利要求
1.一種用於對電路中晶閘管的短路故障進行在線檢測的裝置，該晶閘管被布置為經由串聯連接的匹配電阻在門極上接收來自微處理器的驅動信號，並被布置為與電流傳感器耦合，所述裝置的特徵在於包含短路故障特徵信號提取單元，該單元對在匹配電阻遠離晶閘管門極的一端與晶閘管陰極端子之間的電壓進行採樣，從中提取短路故障特徵信號並將之傳送給微處理器，電流傳感器被配置為測量晶閘管陽極電流，並將測量得到的晶閘管陽極電流傳送給微處理器，且微處理器被配置為在從短路故障特徵信號提取單元接收到短路故障特徵信號時，判斷來自電流傳感器的晶閘管陽極電流是否大於或等於晶閘管擎住電流，如果是，判斷為晶閘管發生短路故障。
2.根據權利要求1的裝置，其中，短路故障特徵信號提取單元包含基準單元與比較單元，基準單元產生基準電壓，並將之提供給比較單元，比較單元將在匹配電阻遠離晶間管門極的一端與晶閘管陰極端子之間的電壓與基準電壓進行比較，並將比較結果傳送給微處理器。
3.根據權利要求1的裝置，其中，微處理器進一步被配置為在至少兩次從短路故障特徵信號提取單元接收到短路故障特徵信號時，判斷來自電流傳感器的晶閘管陽極電流是否大於或等於晶閘管擎住電流。
4.根據權利要求1的裝置，其中，微處理器經由邏輯模塊和門極驅動模塊供給驅動信號。
5.根據權利要求1的裝置，其中，匹配電阻的電阻值為零。
6.根據權利要求1的裝置，其還包含隔離單元，該單元被布置在短路故障特徵信號提取單元與微處理器之間。
7.根據權利要求1-6中任意一項的裝置，其中，所述電路為靜態轉換開關。
8.一種用於對電路中晶閘管的短路故障進行在線檢測的方法，驅動信號經由串聯連接的匹配電阻被供到該晶閘管的門極，所述方法的特徵在於包含對在匹配電阻遠離晶閘管門極的一端與晶閘管陰極端子之間的電壓進行採樣，在採樣得到的電壓中提取短路故障特徵信號；以及測量晶閘管陽極電流，如果測量得到的陽極電流大於或等於晶閘管擎住電流，判斷為晶閘管發生短路故障。
9.根據權利要求8的方法，其中，提取短路故障特徵信號的步驟包括至少兩次提取出短路故障特徵信號。
10.根據權利要求8的方法，其中，匹配電阻的電阻值為零。
11.根據權利要求8-10中任意一項的方法，其中，所述電路為靜態轉換開關。
全文摘要
本發明涉及對晶閘管短路故障進行在線檢測的裝置，晶閘管被布置為經由串聯連接的匹配電阻在門極上接收來自微處理器的驅動信號並與電流傳感器耦合。故障檢測裝置包含短路故障特徵信號提取單元，該單元對在匹配電阻遠離晶閘管門極的一端與晶閘管陰極端子之間的電壓進行採樣，從中提取短路故障特徵信號並將之傳送給微處理器。電流傳感器測量晶閘管陽極電流，並將測量得到的晶閘管陽極電流傳送給微處理器。在從短路故障特徵信號提取單元接收到短路故障特徵信號時，微處理器判斷來自電流傳感器的晶閘管陽極電流是否大於或等於晶閘管擎住電流，如果是，判斷為晶閘管發生短路故障。本發明還涉及用於對電路中晶閘管的短路故障進行在線檢測的方法。
文檔編號G01R19/165GK102279335SQ20101020486
公開日2011年12月14日 申請日期2010年6月11日 優先權日2010年6月11日
發明者張波, 李嶽輝, 陽嶽豐, 顧亦磊 申請人:山特電子(深圳)有限公司