半导体开关过流检测方法及变流器与流程

本发明涉及到电子技术领域，特别是涉及到半导体开关过流检测方法及变流器。

背景技术：

现代变流器等高压大功率装置中，大量采用GTO、GCT、IGBT、IGCT等半导体器件作为其主要的开关器件。图1为变流器的一般结构，拓扑结构选择交-直-交，三相交流电经过整流后变为直流电，直流回路采用电容器作为储能环节，经逆变器后直流变为交流输出给负载。

当变流器的负载过重、变流器控制参数设置不当或者外部电路短路，均会导致变流器过流，流经半导体开关的电流显着增大，如果没有迅速保护，就会导致半导体器件超过热极限，发生擎住效应、过热损坏等失效现象。因此必须采取过流保护措施。

过流保护分为检测和保护两部分，即先检测出流经半导体的电流过流，然后通过后级保护措施，避免电流进一步增大。图2至图4所示为一般变流器的通用结构，整流和逆变中间为直流电路，两侧为交流电路。现有的过流检测，大致可以分为两种方式：

一、直接检测电流。检测点一般在直流电路部分，即直流母线处如图2所示，或者交流电路部分，即逆变器输出侧进行如图3所示。采用的检测电流器件为电流互感器、霍尔传感器等，实时检测流过的电流大小，并和设定的电流值进行比较，当检测电流大于设定值时，判定出现过流，启动过流保护措施。

二、检测半导体通态端电压。如图4采用检测半导体器件的端电压来判断半导体是否过流，原理是在半导体导通时，本身流过的电流和两端的电压呈现一定的比例关系，当发生过流时，半导体两端电压会急剧上升，通过检测该电压并和设定值进行比较，即可判断出半导体开关是否处于过流状态。

以上检测方法存在以下缺陷。

1、直接检测电流方式存在检测电流过大问题。在大功率装置上，半导体本身流过的额定电流就很大，在过流发生时，会导致电流进一步提升，选择的电流检测组件需要具备较大量程，在增加器件成本的同时，也限制了可选择的电流检测方案。

2、在直流电路部分直接检测电流方式会引入较多杂散电感，使加载在半导体器件上的关断过电压增高。由于母线电容、铜排及器件本身都含有杂散电感，当关断电流时，因为di/dt很大，因此杂散电感上会感应出过电压，加载在半导体器件上，严重时会导致半导体器件高压击穿。而在直流母线或者桥臂上安装大的电流互感器等器件，会加大电流回路的杂散电感，进而进一步提升器件上的关断过电压，增大器件损坏风险。

3、通过逆变器交流输出侧电流来检测半导体过流的方法不直接，当发生桥臂直通故障时，短路电流直接通过桥臂半导体器件在变频器内部的正负母线间流动，随后再影响变频器输出侧电流，因此此方法无法及时发现半导体过流现象；

4、检测半导体通态端电压的方法受开关器件的工作特性影响，在某些情况下检测不准确。如图5所示，仅在电压u1和u2之间，电流和电压程线性关系，当达到饱和区时，电流的微小变动，都会引起端电压的大幅波动，无法准确检测过流。

技术实现要素：

本发明的主要目的为提供一种半导体开关过流检测方法及变流器，解决现有技术中检测电流过大且引入杂散电感较多的问题。

本发明提出一种变流器，包括并联的滤波单元和半导体器件，其特征在于，还包括相互连接的检测电容组和检测装置，所述检测电容组与所述滤波单元并联，所述检测电容组包括至少一电容。

进一步地，还包括保护控制单元，分别连接所述检测装置和半导体器件，接收所述检测装置的触发信号并启动对半导体器件的保护。

进一步地，所述检测电容组的电容值远小于所述滤波单元的电容值。

进一步地，所述检测装置包括相互连接的电流感应单元和电流判断单元；所述电流感应单元与所述检测电容组串联。

进一步地，所述电流感应单元包括但不限于电流互感器、霍尔电流传感器、内置电流线圈的电容、分流器、罗氏线圈。

进一步地，检测电容组包括一电容，或者至少一电容以及与该电容串联的电阻和/或电感。

本发明还提出一种半导体开关过流检测方法，用于上述变流器，所述方法包括：

检测装置获取所述检测电容组的检测电流；

根据所述检测电流计算所述半导体器件的电流；

根据所述半导体器件的电流判断是否过流。

进一步地，还包括：

当所述半导体器件发生过流时，发送触发信号至保护控制单元，触发过流保护。

进一步地，所述根据半导体器件的电流判断是否过流具体包括：

将所述半导体器件的电流与一预设的电流阈值比较；

当超过所述电流阈值时，判定所述半导体器件发生过流。

进一步地，所述根据检测电流计算所述半导体器件的电流的步骤具体为：

根据变流器的等效电路确定检测支路电容的支路电流和母线电流流出之和的比值公式；

根据检测电流以及比值公式计算获得母线电流流出之和；及

以计算获得的母线电流流出之和作为半导体器件的电流。

本发明实施例通过检测较小的电流，就可以实现半导体器件的过流、短路、直通检测，同时有能够有效避免在电流主回路中引入过多杂散电感，不会增加半导体器件关断时的过电压。本发明实施例的半导体开关过流检测方法及变流器具有普遍适用性，可以适用于多种半导体器件及多种拓扑。

附图说明

图1是现有技术中变流器的结构图；

图2是现有技术中变流器检测的结构图；

图3是现有技术中变流器检测的另一结构图；

图4是现有技术中变流器检测的又一结构图；

图5是现有技术中变流器检测的电流和电压线性关系图；

图6是本发明实施例一的变流器的结构图；

图7是本发明实施例一的变流器示例一的结构图；

图8是本发明实施例一的变流器示例一单母线的等效电路图；

图9是本发明实施例一的变流器示例一双母线的等效电路图；

图10是本发明实施例一的变流器示例二的结构图；

图11是本发明实施例一的变流器示例三的结构图；

图12是本发明实施例一的变流器示例四的结构图；

图13是本发明实施例二的半导体开关过流检测方法的示意图；

图14是本发明实施例二的半导体开关过流检测方法中计算步骤的示意图；

图15是本发明实施例二的半导体开关过流检测方法中检测步骤的示意图。

本发明目的的实现、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发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参照图6，本发明实施例一提出一种变流器，包括：并联的半导体变换器50、滤波单元10和半导体器件40，还包括相互连接的检测电容组20和检测装置30，所述检测电容组20与滤波单元10并联，所述检测电容组20包括至少一电容，构成检测支路，上述检测电容组20的电容值远小于滤波单元10的电容值。

本发明实施例一的变流器还包括保护控制单元60，分别连接检测装置30和半导体器件40，接收检测装置30的触发信号并启动对半导体器件40的保护。

上述检测装置30包括相互连接的电流感应单元和电流判断单元，其中，电流感应单元包括但不限于电流互感器、霍尔电流传感器、内置电流线圈的电容、分流器、罗氏线圈等。检测电容组20可包括一或至少两个电容，或者一或至少两个电容与该一或至少两个电容串联的电阻或电感，或者一或至少两个电容与该一或至少两个电容串联的电阻和电感。

本发明实施例一以两电平H桥拓扑、I型三电平拓扑、T型三电平拓扑和两电平三相全桥为例对本发明实施例一的变流器进行详细说明。

示例一：两电平H桥拓扑

当功率拓扑为全桥型两电平H桥拓扑时，电路拓扑结构如图7所示。该电路拓扑包括：半导体变换器50、第一母线电容直流滤波单元11(包括母线电容C₁～C_n)、同时跨接在母线上、和第一母线电容直流滤波单元11并联的检测电容组(包括检测支路电容C_k)、和检测支路电容C_k在同一支路串联的电流感应单元31，电流感应单元31将检测到的电流值发送给与其连接的电流判断单元32，当电流判断单元32判断出现过流时，将启动后级连接的保护控制单元60，保护控制单元60通过控制跨接在直流母线上的半导体器件40执行保护动作。

由于半导体上流过的电流都由并联在母线上的所有电容提供，因此当负载加重、输出短路或桥臂直通时，流过母线电容C₁～C_n以及并联的检测支路电容C_k的电流也会显着增大。而由于所有电容均并联在直流母线上，因此电容两端电压变化相同，且每个电容支路都含有等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL，等效图如图8所示，计算检测支路流过的电流如下式所示：

在优选的实施例中，当杂散电感和杂散电阻的等效阻抗远小于电容本身阻抗时，即：

则检测支路电容C_k支路电流和母线电流之比可简化为：

(1)当母线为单母线，即母线中的电容仅存在并联关系，检测支路电容C_k支路串联电阻R_k(图未示出)限流时，检测支路电容C_k支路电流和母线电流之比可简化为：

(2)当母线为单母线，即母线中的电容仅存在并联关系，检测支路电容C_k支路串联电感L_k(图未示出)限流时，检测支路电容C_k支路电流和母线电流之比可简化为：

(3)当母线为单母线，即母线中的电容仅存在并联关系，检测支路电容C_k支路串联电阻R_k及电感L_k限流时，检测支路电容C_k支路电流和母线电流之比可简化为：

(4)当母线为双母线时，如图9所示。即母线中的电容存在并联关系，同时又存在串联关系时，则需要两个检测支路，检测支路电容C_k1、C_k2均未串联电阻及电感，则C_k1、C_k2支路电流和上下母线电流之比为

(5)当母线为双母线时,即母线中的电容存在并联关系，同时又存在串联关系时，则需要两个检测支路，检测支路电容C_k1串联电阻R_k1限流，检测支路电容C_k2串联电阻R_k2限流时，则C_k1、C_k2支路电流和上下母线电流之比为

(6)当母线为双母线时,即母线中的电容存在并联关系，同时又存在串联关系时，则需要两个检测支路，检测支路电容C_k1串联电感L_k1限流，检测支路电容C_k2串联电感L_k2限流时，则C_k1、C_k2支路电流和上下母线电流之比为

(7)当母线为双母线时,即母线中的电容存在并联关系，同时又存在串联关系时，则需要两个检测支路，检测支路电容C_k1串联电阻R_k1及电感L_k1限流，检测支路电容C_k2串联电阻R_k2及电感L_k2限流时，则C_k1、C_k2支路电流和上下母线电流之比为：

U(s)为直流母线电压；I(s)为电容支路电流；R_ESR为电容支路等效串联电阻；L_ESL为电容支路等效串联电感；C为支路电容容值；s为拉普拉斯变换算子；

Resr为各电容支路的ESR；

Lesl为各电容支路的ESL；

R为电容C_n支路串联电阻；

L为电容C_n支路串联电感；

I₁…I_n为单母线中流过各个母线电容的电流；

I_k为单母线中流过检测支路电容的电流；

Ic为母线电容流出电流之和；

C₁…C_n为单直流母线上各个母线电容的容值。

C_k为单直流母线上检测支路电容的容值。

I_k1，I_k2为双直流母线时，流过上下两个检测支路电容的电流；

Ic1为双直流母线时上半边母线电容流出电流之和；

Ic2为双直流母线时下半边母线电容流出电流之和；

C_k1，C_k2为双直流母线时，上下两个检测支路的电容；

C₁…C_2n为双直流母线上下两边各个母线电容的容值。

因此，在直流母线上并联电容C_k，可以反映母线流出电流的大小变化。通过电流互感器检测电容组内电容C_k上流过的电流值，再乘以对应的比例系数，即可得到此刻流经半导体器件40的电流大小。该电流被输送至电流判断单元32，通过与预设设置的电流阈值I_H1进行比较，当超过电流该电流阈值I_H1时，判断半导体器件40发生过流，向保护控制单元60发出过流报警信号，再由保护控制单元60进行过流保护。

示例二：I型三电平拓扑

当功率拓扑为I型三电平时，电路拓扑结构如图10所示。该电路拓扑包括：半导体变换器50、第二母线电容直流滤波单元12(由串联后的电容C₁和电容C₂组成，实际应用中，电容C₁可以由多个电容串联组成，电容C₂亦可以由多个电容串联组成)、同时跨接在母线上且和第二母线电容直流滤波单元12并联的检测电容组20(由串联后的电容C_k1和电容C_k2组成，检测电容组20的电容值远小于第二母线电容直流滤波单元12的电容值，实际应用中C_k1可由多个电容串联组成，C_k2亦可以由多个电容串联组成)、和检测电容组20在同一支路串联的电流感应单元31，电流感应单元31将检测到的电流值发送给与其连接的电流判断单元32、当电流判断单元32判断出现过流时，将启动后级连接的保护控制单元60，保护控制单元60通过控制跨接在直流母线上的半导体器件40执行保护动作。

示例三：T型三电平拓扑

当功率拓扑为T型三电平时，电路拓扑结构如图11所示。该示例三与示例二的区别在于半导体器件的不同，其工作原理与示例二类似，此处不再赘述。

示例四：两电平三相全桥

当功率拓扑为两电平三相全桥时，电路拓扑结构如图12所示。该示例三与示例一的区别在于半导体器件的不同，其工作原理与示例一类似，此处不再赘述。

本发明实施例一的变流器能实时的检测和判断半导体器件的开关情况，通过逻辑判断实时的判断半导体器件是否存在过流、短路、直通情况，并将故障情况上传给保护控制单元，由保护控制单元采取关闭半导体器件、母线放电、旁路电流等措施对系统进行保护。

实施例二

本发明实施例二提出一种半导体开关过流检测方法，用于本发明实施例一的变流器。如图13所示，本发明实施例二的方法包括如下步骤：

S1、检测装置获取检测电容组的检测电流；

S2、根据检测电流计算半导体器件的电流；

S3、根据半导体器件的电流判断是否过流。

如图14所示，步骤S2具体包括：

S21、根据变流器的等效电路确定检测支路电容的支路电流和母线电流流出之和的比值公式；

S22、根据检测电流以及比值公式计算获得母线电流流出之和；及

以计算获得的母线电流流出之和作为半导体器件的电流。

如图15所示，步骤S3具体包括：

S31、将半导体器件的电流与一预设的电流阈值比较；

S32、当超过所述电流阈值时，判定半导体器件发生过流。

S4、当半导体器件发生过流时，发送触发信号至保护控制单元，触发过流保护。

具体地，由于在直流母线上并联检测电容组(该检测电容组包括至少一电容)，通过检测电容组可反映母线流出电流的变化，检测装置通过电流感应单元如电流互感器检测检测电容组内电容的电流值，计算出半导体器件的电流，并反馈至电流判断单元，由电流判断单元将半导体器件的电流与预设的电流阈值I_H1，当超过该电流阈值I_H1时，判定半导体器件发生过流，并启动过流保护。

本发明实施例二的方法通过并联在直线母线上的电容，判断半导体器件的电流是否发生过流，该方法不但可实时检测半导体器件的过流、短路、直通检测，同时有能够有效避免在电流主回路中引入过多杂散电感，不会增加半导体器件关断时的过电压。且该方法具有普遍适用性，可以适用于多种半导体器件及多种拓扑。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明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，均同理包括在本发明的专利保护范围内。