半导体器件故障检测的装置的制作方法

本实用新型涉及到电子技术领域，特别是涉及到半导体器件故障检测的装置。

背景技术：

半导体器件对导通时的电流上升率敏感，尤其是GTO、GCT、IGCT等器件对导通时的电流上升率更加敏感。为了限制半导体器件导通时的电流上升率，公知的做法是在半导体回路中串联电流上升率限制电抗器。当半导体器件过流、短路、直通情况发生时，需要迅速将过流、短路、直通情况进行检测和判断，进而控制能量有序泄放，有效防止故障扩大。

快速、准确的检测和判断半导体过流、短路、直通情况是进行产品整体保护的关键点。现在通用的检测方法具有很大局限性：

(1)不具有实时性，检测通道都需要经过滤波、记忆和复位环节，导致桥臂发生直通故障后无法第一时间检测出来，在实际应用中检测不及时将导致不能快速启动保护，从而导致次生故障。

(2)不具有普遍适用性，半导体器件的电流上升率耐受值、桥臂电流上升率限制电抗器数值、检测通道滤波数值之间息息相关。实际应用中各个参数配合设计的复杂度很高。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的为提供一种半导体器件故障检测的装置，解决了现有半导体器件过流、短路、直通情况检测不具有实时性和普通适用性的问题。

本实用新型提出一种半导体器件故障检测的装置，所述装置包括由串联的至少一个半导体器件和桥臂电感构成的主功率模块、采集所述桥臂电感的电压并将采集的电压转换为低电压的电压处理模块、以及将所述转换后的低电压与预设的第一比较阈值、第二比较阈值进行比较，根据比较结果和预设条件判断所述半导体器件是否发生故障的判断模块；所述电压处理模块与所述桥臂电感并联，所述判断模块与所述电压处理模块连接，所述第一比较阈值小于或等于第二比较阈值。

进一步地，所述电压处理模块包括高阻分压电路和比例差分电路，所述高阻分压电路一端连接桥臂电感的输出，另一端连接比例差分电路，所述比例差分电路另一端连接判断模块。

进一步地，所述电压处理模块还包括加法电路，所述加法电路连接于比例差分电路和判断模块之间。

进一步地，所述判断模块包括比较电路和逻辑处理电路，所述比较电路一端连接电压处理模块的输出，另一端连接逻辑处理电路的输入，所述逻辑处理电路输出故障检测结果。

进一步地，所述第一比较阈值小于第二比较阈值时，所述比较电路包括并联的两个比较器第一比较器和第二比较器，所述第一比较器的比较电压为第一比较阈值，所述第二比较器的比较电压为第二比较阈值，第一比较器和第二比较器分别将比较结果输出至逻辑处理电路，供逻辑处理电路进行故障检测。

进一步地，所述第一比较阈值等于第二比较阈值时，所述比较电路包括一个第三比较器，所述第三比较器的比较电压为第一比较阈值，第三比较器将比较结果输出至逻辑处理电路，供逻辑处理电路进行故障检测。

进一步地，所述逻辑处理电路包括启动计时单元、停止计时单元和确定单元，其中：

当所述转换后的低电压的绝对值大于第二比较阈值时，所述启动计时单元启动计时；当所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阈值时，所述停止计时单元停止计时；

所述确定单元根据所述计时的时长，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通。

进一步地，所述确定单元包括判断所述时长是否超过预设的时间阈值的判断子单元和当所述时长超过预设的时间阈值时，判定所述半导体器件发生过流、短路或直通的第一判定子单元。

进一步地，所述确定单元包括根据所述时长计算所述半导体器件的电流的计算子单元、比较所述半导体器件的电流与预设的电流阈值的比较子单元和当所述半导体器件的电流大于所述电流阈值时，判定所述半导体器件发生过流、短路或直通的第二判定子单元。

进一步地，所述装置还包括保护模块，分别连接所述主功率模块和判断模块。

进一步地，所述保护模块包括光纤发送电路和驱动处理单元，所述光纤发送电路一端连接判断模块，另一端连接驱动处理单元，所述驱动处理单元的另一端连接所述主功率模块的半导体器件。

进一步地，所述判断模块包括启动充放电单元、储能单元、确定单元，其中：

当所述转换后的低电压的绝对值大于第二比较阈值时，所述启动充放电单元对储能单元进行能量储能；当所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阈值时，所述启动充放电单元对储能单元进行能量泄放；

所述储能单元在充放电单元充电启动时，储存充电能量；在充放电单元放电启动时，泄放储存的能量；

所述确定单元根据储能单元储存中能量的大小，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通。

本实用新型实施例通过实时检测与半导体器件串联的桥臂电感的电压，通过对桥臂电感电压的分析比较，根据比较结果和判断模块中的预设条件来判断半导体器件是否发生过流、短路、直通情况。本实用新型实施例的装置及方法适用于各种半导体器件和拓扑结构，具有普通适用性。

附图说明

图1是本实用新型实施例一提供的半导体器件故障检测的装置的结构图；

图2是本实用新型实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中主功率模块的结构图；

图3是本实用新型实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中主功率模块的另一结构图；

图4是本实用新型实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中主功率模块的又一结构图；

图5是本实用新型实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中主功率模块的又一结构图；

图6是本实用新型实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中电压处理模块的结构图；

图7是本实用新型实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中判断模块的结构图；

图8是本实用新型实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中逻辑处理电路的结构图；

图9是本实用新型实施例一提供的半导体器件故障检测的装置的另一结构图；

图10是本实用新型实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中判断模块的结构图；

图11是本实用新型实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中半导体器件的电流上升率的示意图；

图12是本实用新型实施例二提供的半导体器件故障检测的装置中判断模块的结构图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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。

实施例一

本实用新型实施例一提出一种半导体器件故障检测的装置。如图1所示，本实用新型实施例一的装置包括主功率模块10、电压处理模块20和判断模块30，主功率模块10包括串联的至少一个半导体器件11和桥臂电感12(图1以一个半导体器件11、一桥臂电感12为例，实际设计中可为两个或两个以上的桥臂电感12，但采集电压时仅需采集其中一个桥臂电感12的电压)，电压处理模块20与桥臂电感12并联，判断模块30与电压处理模块20连接。其中，

电压处理模块20，采集桥臂电感12的电压，并将采集的桥臂电感12的电压转换为低电压；

判断模块30，将转换后的低电压与预设的第一比较阈值、第二比较阈值进行比较，根据比较结果和预设条件来判断所述半导体器件是否发生故障。具体为，当比较结果满足预设条件时触发计时，并根据计时的时长判断半导体器件11是否发生故障，第一比较阈值小于或等于第二比较阈值。

其中，主功率模块10包括但不限于“I”型三电平拓扑电路(如图2所示)、“T”型三电平拓扑电路(如图3所示)、“Vienna-Like”三电平拓扑电路、两电平变换器拓扑电路(如图4所示)、能量泄放拓扑电路(如图5所示)等。

如图6所示，电压处理模块20包括高阻分压电路21和比例差分电路22，高阻分压电路21一端连接桥臂电感12的输出，另一端连接比例差分电路22，比例差分电路22另一端连接判断模块30。进一步地，电压处理模块还可包括加法电路(图未示出)，加法电路连接于比例差分电路和判断模块之间，将采集的实时电压转化为反相位(180°相位)不同幅值的波形。

如图7所示，判断模块30包括比较电路31和逻辑处理电路32，比较电路31一端连接电压处理模块20的输出，另一端连接逻辑处理电路32的输入，逻辑处理电路32输出故障检测结果。

进一步地，第一比较阈值小于第二比较阈值时，比较电路31包括并联的两个比较器第一比较器311和第二比较器312，第一比较器311的比较电压为第一比较阈值，第二比较器312的比较电压为第二比较阈值，第一比较器311和第二比较器312分别将比较结果输出至逻辑处理电路32，供逻辑处理电路32进行故障检测。

当第一比较阈值等于第二比较阈值时，比较电路31仅需要一个第三比较器(图未示出)即可，此时第三比较器将比较结果输出至逻辑处理电路，供逻辑处理电路进行故障检测。

进一步地，如图8所示，逻辑处理电路32包括启动计时单元321、停止计时单元322和确定单元323，其中：

启动计时单元321在转换后的低电压的绝对值大于第二比较阈值时，启动计时；停止计时单元322在所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阈值时，停止计时。

具体说，

转换后的低电压与实时电压同相时，当转换后的低电压大于第二比较阈值时，启动计时单元321启动计时；当转换后的低电压小于第一比较阈值时，停止计时单元322停止计时；

转换后的低电压与实时电压反相时，当转换后的低电压小于第一比较阈值时，启动计时单元321启动计时；当转换后的低电压大于第二比较阈值时，停止计时单元322停止计时；

确定单元323根据计时的时长，确定半导体器件11是否发生过流、短路或直通。

如图9、图10所示，本实用新型实施例一还可包括一保护模块40，当半导体器件11发生过流、短路或直通时，保护模块40启动对主功率模块10的保护。该保护模块40包括光纤发送电路41和驱动处理单元42，所述光纤发送电路41一端连接判断模块30，另一端连接驱动处理单元42，所述驱动处理单元42的另一端连接主功率模块10的半导体器件11。

如图11所示，图11为桥臂电感12两端的电压及流过桥臂电感12的电流示意图，其中，i_L为流过桥臂电感12的电流，u_L为桥臂电感12两端的电压。

在t₀～t₁时刻，当串联桥臂电感12的半导体器件11处于导通过程中时，流过桥臂的电流从0开始线性上升，电流上升斜率为同时，桥臂电感12两端的电压u_L的数值等于u₂：

其中，u₂为t₀～t₁时刻桥臂电感12两端的电压，l_δ为桥臂寄生感抗，为特定值，V_dc为主功率模块10中直流侧电压。由于桥臂电感12L₁远远大于l_δ，故桥臂电感12两端的电压接近半边母线电压。

在t₁～t₂时刻，当串联桥臂电感12的半导体器件11从关断状态到导通状态的过程结束时，换流也结束，半导体器件11已经完全导通，桥臂电感12的电流的斜率变为受到主功率模块10中直流侧电压、主功率模块10 中输出电感及外部电感等方面的影响，远远小于t₀到t₁时刻的桥臂电感12两端的电压u_L的数值等于u₁，桥臂电感12两端的电压u₁也远远小于u₂。u₁的计算公式为：

其中，u₁为t₁～t₂时刻桥臂电感12两端的电压，L₁为桥臂电感12，为特定值，为t₁～t₂时刻流过桥臂电感12的电流斜率。

具体地，电压处理模块20将桥臂电感12两端的高电压处理成为可供判断模块30使用的低电压u_c，此处，低电压u_c可以为与实时电压同相或者反相，图6所示的高阻分压电路21和比例差分电路22，将实时电压转化为同相位不同幅值的波形；也可以通过分压电路、比例差分电路以及与比例差分电路连接的加法电路，将实时电压转化为反相位(180°相位)不同幅值的波形。本实用新型实施方式中，以图6所示转化后同相位不同幅值的波形的低电压为例进行描述。

处理后的低电压u_c和桥臂电感12电压u_L的关系为：

u_c＝k₀*u_L，

其中，k₀为u_c和u_L之间的比例系数，数值小于1。

判断模块30将转换后的低电压u_c与预设的第一比较阈值V_ref_H₁、第二比较阈值V_ref_H₂进行比较，判断半导体器件11是否发生过流、短路或直通；第一比较阈值V_ref_H₁和第二比较阈值V_ref_H₂满足如下关系式：

k₀*u₂＞V_ref_H₂＞V_ref_H₁＞k₀*u₁。

判断模块30设置两个比较器第一比较器311和第二比较器312，假定u_c大于第一比较阈值V_ref_H₁时，第一比较器311输出低电平信号，反之，当u_c小于第二比较阈值V_ref_H₂时，第二比较器312输出高电平信号。则具体实现如下：

计时器不进行计时时，当第一比较器311输出低电平信号，第二比较器312输出低电平信号时，启动计时单元321触发计时器计时；

计时器正在计时时，当第一比较器311输出高电平信号，第二比较器312输出高电平信号时，停止计时单元322触发计时器停止计时。

需要说明的是，在本案的其他实施例中，也可以设定当u_c小于第一比较阈值V_ref_H₁时，第一比较器311输出低电平信号，反之，当u_c大于第二比较阈值V_ref_H₂时，第二比较器312输出高电平信号，逻辑规则则相应进行调整，在此不进行赘述。

确定单元323根据第一比较器311和第二比较器312的输出结果可以判断出半导体器件11的开关状态。当启动计时时，说明半导体器件11开始导通，此时，桥臂电感12电流按照斜率上升，同时，桥臂电感12两端电压为u₂。停止计时时，说明半导体器件11已经完全导通，此时，桥臂电感12电流按照斜率上升，同时，桥臂电感12两端电压为u₁。

确定单元323确定流过半导体器件11的状态可以通过如下两种方式进行：

其一是判断时长是否超过预设的时间阈值；当时长超过预设的时间阈值时，判定半导体器件11发生过流、短路或直通，此时，时间阈值是根据电气参数计算出的可以反应电流已经超出设计值的时间，其中的电气参数为母线电压、开关频率、滤波电感、逆变电压等级。

根据公知的理论，通过母线电压、开关频率、滤波电感、逆变电压等级可以得到逆变器的最大输出峰值电流I_p，通过I_p及桥臂电感12的感值，可以计算出桥臂电感12两端电压为时保持的最大时间其中，u_L为桥臂电感12两端的电压，L₁为桥臂电感12的数值，I_p为主功率模块10的最大输出峰值电流，k₁为大于1的系数，即为了防止误动作而设置的安全系数，一般设置该系数为1.2。

当时长t_c大于t_{u_max}时，说明逆变器输出电流已经超出设计值，半导体器件11处于过流、短路或者直通状态，判断模块30实时通过光纤上传故障信号到保护模块40。

其二是根据时长计算半导体器件11的电流，比较半导体器件11的电流与预设的电流阈值，当半导体器件11的电流大于电流阈值时，判定半导体器件11发生过流、短路或直通。

实时计算出的半导体器件11的电流数值为：

其中，t_c为逻辑处理器32实时的计时数值，通过桥臂电感12参数及母线电压计算得到。

根据计算出的半导体器件11的电流i_L1和预设的电流阈值I_comp进行比较，当i_L1大于I_comp时，判定半导体器件11处于过流、短路或直通，实时通过光纤上传故障信号到保护模块40。电流阈值I_comp计算如下：

I_comp＝k₂*I_p

其中，I_p为主功率模块10的最大输出峰值电流，k₂为大于1的系数，是为了防止误动作而设置的安全系数，一般设置该系数为1.2。

需要注意的是，本实用新型实施例一所指的故障指过流、短路或直通的故障情况。本实用新型只能粗略检测出半导体器件11发生故障，无法检测出发生的是过流、短路还是直通。

本实用新型实施例一通过实时检测与半导体器件11串联的桥臂电感12的电压，通过对桥臂电感12电压的分析比较，当比较的结果满足触发条件时则触发计时，并根据计时的时长实时监控半导体器件11是否发生过流、短路、直通情况。同时，与现有技术相比，本实用新型实施例一的装置中，对桥臂电感12的分压没有使用充放电的电容，而是实时采集桥臂电感12的电压并处理，因此不会造成延时，提高故障判断的实时性。

实施例二

本实用新型实施例二提出一种半导体器件故障检测的装置。与实施例一不同，如图12所示，本实用新型实施例二中，判断模块30还包括启动充放电单元34和储能单元35，

所述启动充放电单元34在转换后的低电压的绝对值大于第二比较阈值时，对储能单元35进行能量储能；当所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阈值时，对储能单元35进行能量泄放；

储能单元35在启动充放电单元34充电时，储存充电能量；在启动充放电单元34放电时，泄放储存的能量；

所述确定单元33根据储能单元34储存中能量的大小，确定半导体器件11是否发生过流、短路或直通。

需要注意是的，判断模块30可根据需要仅设置启动计时单元31、停止计时单元32、确定单元33或仅设置启动充放电单元34、储能单元35、确定单元33。具体地，在图12中，当第一比较电平和第二比较电平都置高时，与门输出高电平，驱动NPN三极管导通，为储能电容充电；当第一比较电平和第二比较电平都置低时，与门输出低电平，驱动PNP三极管导通，为储能电容放电；当第一比较电平和第二比较电平分别为10或01时，处于死区时间，PNP三极管和NPN三极管都关断，既不充电也不放电。当储能单元35输出的电压大于预设电压时，确定单元33输出判断信号。

本实用新型实施例二可实施根据储能单元35的能量大小判断半导体器件11的是否发生过流、短路、直通情况。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。