具有电感电压状态检测的igct相模块电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电子技术，具体说涉及具有电感电压状态检测的IGCT相模块电 路。
【背景技术】
[0002] IGCT变频器中，系统对IGCT的故障状态的检测通常通过IGCT驱动的反馈光纤信 号进行，但由于门驱检测到GCT的故障有时可能需要很长时间，达到毫秒级，这种方法不能 保证系统能够100%将所有的故障都及时检测到。如果器件发生故障没能快速准确检测并 保护，则将对系统产生更大的损坏。
[0003] 电压型变频器中，功率开关器件都有一个反并联二极管，IGCT电压型变频器也是 如此。由于二极管是一种不可控元件，在工作过程中发生失效，二极管自身没有故障状态输 出，而只能依靠系统故障的进一步扩大发展成其他故障而进行系统保护，这将可能导致系 统出现严重损坏。甚至可能故障后失效二极管仍然没被检查出来，从而造成系统二次故障。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于检测功率半 导体器件的方法和装置。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
[0006] 根据本发明的一个方面，提供了一种具有故障检测功能的IGCT相模块电路，其包 括：
[0007] IGCT功率单元相桥臂电路，其包括IGCT功率器件和与所述功率器件反向并联的 换流二极管；
[0008] 电感，其串联在所述相桥臂电路上，用以限制所述桥臂电路中的IGCT功率器件开 通时的电流变化速度；
[0009] 箝位吸收电路，其连接在所述电感两端，用以吸收所述桥臂电路中的IGCT功率器 件关断时产生的过电压，以及
[0010] 故障检测单元，其与所述电感磁耦合，用以检测所述电感上的电压、相电流方向， 并基于所述功率器件的开关动作、所述电感上的电压方向和所述相电流方向对故障位置进 行逻辑判断。
[0011] 根据本发明的一个实施例，所述故障检测单元包括：
[0012] 电流传感器，用以检测相桥臂电流方向；
[0013] 反并联连接在所述电流传感器两端的发光二极管；
[0014] 分别与所述发光二极管串联的电阻和稳压管以及二极管；
[0015] 判断模块，其基于所述功率器件的开关动作、所述电感上的电压方向和所述相电 流方向对故障位置进行逻辑判断。
[0016] 根据本发明的一个实施例，所述判断模块在判断出相电流为流出时，进行第一功 率器件的开关动作的判断，如果第一功率器件为开通并且第一发光二极管发光，且发光时 间不大于最大正常换流时间，则第二换流二极管处于正常状态，否则，所述第二换流二极管 失效。
[0017] 根据本发明的一个实施例，如果第一功率器件为关断，并且第一发光二极管发光， 则第一功率器件处于正常状态，否则，第一功率器件失效。
[0018] 根据本发明的一个实施例，所述判断模块在判断出相电流为流入时，进行第二功 率器件的开关动作的判断，如果第二功率器件为开通并且第二发光二极管发光，且发光时 间不大于最大正常换流时间，则第一换流二极管处于正常状态，否则，所述第一换流二极管 失效。
[0019] 根据本发明的一个实施例，如果第二功率器件为关断并且第二发光二极管发光， 则第二功率器件处于正常状态，否则，所述第二功率器件失效。
[0020] 根据本发明的一个实施例，所述故障检测单元还包括并联在所述稳压管和所述发 光二极管上的电阻。
[0021] 本发明的有益效果：
[0022] 本发明通过引入电感电压状态信号、相桥臂开关脉冲动作以及电流方向信号实现 功率器件IGCT及快速恢复二极管FRD的故障检测功能，能够避免由于IGCT状态反馈信号 不及时导致IGCT故障不能及时检测而引起的故障扩大情况。同时，本发明还能够对不可控 元件二极管进行故障的实时检测，及时发现二极管的失效并准确定位，从而解决了不可控 元件故障不能实时检测的问题。
[0023] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利 要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：
[0025] 图1为本发明的IGCT相模块电路拓扑结构图；
[0026] 图2为根据本发明的一个实施例的用于IGCT相模块电路的故障检测单元电路 图；
[0027] 图3和图4显示了IGCT相模块电路中的电感上的电压波形；以及
[0028] 图5为根据本发明的实施例的用于实现IGCT相模块电路中故障元件的定位。
【具体实施方式】
[0029] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明 的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合， 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0030] IGCT，即集成门极换流晶闸管，其是一种应用于电力变换的大功率半导体开关器 件。由于IGCT具有导通电流大、通态压降低以及快速关断的特点，因此它是当前制造中高 压大功率变频器的主要功率开关器件。
[0031] 在电压型变频器中，开关器件都会有一个反并联二极管，对于电压型IGCT变频 器，也一样会设置一个反并联二极管。
[0032] 与IGCT配套使用的快恢复二极管FRD的反向恢复电流变化速度di/dt的承受能 力通常都小于IGCT自身开通时的电流变化速度di/dt的承受能力。因此在IGCT器件应用 中在功率单元相桥臂会配置一个限制IGCT开通时电流变化速度的电感。该电流变化速度 对应于同一时刻上换流二极管FRD的反向恢复电流变化速度。由于在IGCT关断时，电感的 电流不能突变，否则将产生非常高的瞬时过电压损坏IGCT。因此，在电感两端还设置有一个 RCD箝位吸收电路，通过电阻消耗电感上的能量，通过电容限制电感产生的过电压。因此， L、R、C、D就构成了IGCT相桥臂中的吸收电路，如附图1的部分所示。
[0033] 在IGCT开通换流时，负载电流由二极管换流到IGCT。在换流过程中，IGCT导通， 端电压为0V，二极管电流正在减小，但还未截止，因此二极管上的端电压也为0V。此时，中 间直流电压全部加在用于抑制电流变化率的电感及线路杂散电感上，电压持续的时间即为 换流过程所需的时间。
[0034] IGCT开通换流过程中换流二极管将经历反向恢复过程，这是二极管发生失效概率 最大的一种工况。如果此过程中二极管失效，则电感上的电压持续的时间将超过变频器正 常运行时换流时间。
[0035] 在IGCT关断换流时，IGCT关断，换流二极管导通，电感上的电流给电容充电，同时 经过电阻放电，最终达到稳定平衡，这个过程中在电感两端将产生一个反向电压。如果IGCT 关断失效，则电感上将不会产生反向电压。
[0036] 在当前的IGCT变频器应用中，虽然已有对桥臂直通故障进行检测和保护，但该功 能不能检测哪个二极管发生故障，不能对IGCT器件关断故障进行可靠检测及保护。
[0037] 因此，总体来说，如图1所示，根据本发明的一个实施例，提供了一种具有故障检 测功能的IGCT相模块电路。该电路一般包括IGCT功率单元相桥臂电路、电感、箝位吸收电 路以及故障检测单元。IGCT功率单元相桥臂电路包括IGCT功率器件VI，V2和与功率器件 反向并联的换流二极管Dl，D2。在相模块电路上还设置电感Ls，其串联在相桥臂电路上，用 以限制所述桥臂电路中的IGCT功率器件开通时的电流变化速度。为了吸收桥臂电路中的 IGCT功率器件关断时产生的过电压在电感Ls两端上连接箝位吸收电路。如图1所示，箝位 吸收电路包括电阻Rs、串联的肖特基二极管以及从电阻与二极管连接点引出的端子上连接 的电容Cel。
[0038] 此外，该相模块电路还包括故障检测单元。故障检测单元与电感Ls磁耦合，用以 检测电感Ls上的电压、相电流方向，并基于IGCT功率器件VI，V2的开关动作、电感上的电 压方向和相电流方向对故障位置进行逻辑判断。
[0039] 具体来说，本发明的故障检测单元利用IGCT变频器相桥臂的箝位电感电压信号、 开关管脉冲控制信号以及相桥臂电流方向检测信号，实时准确检测IGCT元件的故障，为 IGCT门驱故障检测判断做补充。同时实时准确检