一种功率器件双功能检测电路及保护电路的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种功率器件双功能检测电路及保护电路。


背景技术：

2.功率器件串联技术是提升电力电子变换器容量、电压等级的最直接技术手段，它可简化换流器主电路结构，大幅减少器件数量，降低控制复杂程度和直流电容器能量，从而大幅提升高压大容量电力电子装置功率密度及技术经济性，在超特高压灵活交流输电、柔性直流输电、可再生能源并网等领域有广泛的应用前景。然而，由于各串联功率器件内部参数以及开通关断驱动脉冲时间存在差异，串联器件之间会产生动态及稳态电压不均的问题，严重时将导致过电压而损坏设备，因此对功率器件的过压检测保护十分重要。但是传统的功率器件驱动电路仅具有短路检测及保护的功能，确没有过压检测保护。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的传统驱动电路无过压检测保护的缺陷，从而提供一种功率器件双功能检测电路及保护电路。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.第一方面，本发明实施例提供一种功率器件双功能检测电路，包括：短路检测电路、过压检测电路、控制模块及检测模块；短路检测电路及过压检测电路均与功率器件、控制模块、检测模块连接；当功率器件处于导通状态时，控制短路检测电路的第一开关电路闭锁、控制过压检测电路的第二开关电路解锁，且检测模块通过检测短路检测电路的电压判断功率器件是否短路；当功率器件处于关断状态时，控制短路检测电路的第一开关电路解锁、控制过压检测电路的第二开关电路闭锁，且检测模块通过检测过压检测电路的电压判断功率器件是否过压。
6.在一实施例中，功率器件双功能检测电路还包括：分压电路；功率器件通过分压电路分别与短路检测电路及过压检测电路连接。
7.在一实施例中，分压电路包括：由多个串联连接的分压电阻构成的电阻支路、多个串联连接的分压电容构成的电容支路；电阻支路分别与功率器件及短路检测电路连接；电容支路分别与功率器件及接地端连接。
8.在一实施例中，功率器件双功能检测电路还包括：稳压电路；分压电路通过稳压电路与过压检测电路连接。
9.在一实施例中，稳压电路包括：多个串联连接的稳压二极管。
10.在一实施例中，短路检测电路还包括：第一储能电路；第一储能电路分别与分压电路及接地端连接；第一开关电路分别与第一储能电路、控制模块及接地端连接；当功率器件处于关断状态时，控制模块控制第一开关电路导通；当功率器件处于导通状态时，控制模块控制第一开关电路关断，且检测模块通过检测第一储能电路的电压判断功率器件是否短
路。
11.在一实施例中，第一开关电路包括：第一上拉电阻及第一可控开关；第一可控开关的第一端通过第一上拉电阻与第一储能电路连接，第一可控开关的第二端与接地端连接，第一可控开关的控制端与控制模块连接；当功率器件处于关断状态时，控制模块控制第一可控开关导通；当功率器件处于导通状态时，控制模块控制第一可控开关关断。
12.在一实施例中，第一储能电路包括：第一接地电阻、短路检测电阻及短路检测电容；短路检测电阻的第一端与分压电路连接，短路检测电阻的第一端还通过第一接地电阻接地，短路检测电阻的第二端与第一开关电路连接，短路检测电阻的第二端还通过短路检测电容接地。
13.在一实施例中，过压检测电路还包括：第二储能电路；第二储能电路分别与稳压电路及接地端连接；第二开关电路分别与第二储能电路、控制模块及接地端连接；当功率器件处于导通状态时，控制模块控制第二开关电路导通；当功率器件处于关断状态时，控制模块控制第二开关电路关断，且检测模块通过检测第二储能电路的电压判断功率器件是否过压。
14.在一实施例中，第二开关电路包括：第二上拉电阻及第二可控开关；第二可控开关的第一端通过第二上拉电阻与第二储能电路连接，第二可控开关的第二端与接地端连接，第二可控开关的控制端与控制模块连接；当功率器件处于关断状态时，控制模块控制第二可控开关关断；当功率器件处于导通状态时，控制模块控制第二可控开关导通。
15.在一实施例中，第二储能电路包括：第二接地电阻、过压检测电阻及过压检测电容；过压检测电阻的第一端与稳压电路连接，过压检测电阻的第一端还通过第二接地电阻接地，过压检测电阻的第二端与第二开关电路连接，过压检测电阻的第二端还通过过压检测电容接地。
16.第二方面，本发明实施例提供一种功率器件的保护电路，包括：第一方面的双功能检测电路、保护电路本体；保护电路本体分别与功率器件、双功能检测电路连接；当双功能检测电路判断出功率器件短路或者过压时，保护电路本体执行相应的保护机制。
17.本发明技术方案，具有如下优点：
18.本发明提供的功率器件双功能检测电路，通过设置短路检测电路、过压检测电路、控制模块及检测模块；短路检测电路及过压检测电路均与功率器件、控制模块、检测模块连接；并且当功率器件处于导通状态时，控制短路检测电路的第一开关电路闭锁、控制过压检测电路的第二开关电路解锁，且检测模块通过检测短路检测电路的电压判断功率器件是否短路；当功率器件处于关断状态时，控制短路检测电路的第一开关电路解锁、控制过压检测电路的第二开关电路闭锁，且检测模块通过检测过压检测电路的电压判断功率器件是否过压。本发明通过并在功率器件不同状态下，将短路检测电路、过压检测电路设置在相应状态，从而实现仅通过一条回路实现双功能短路-过压检测保护，电路结构简单，易于实现。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前
提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的双功能检测电路的一个具体示例的组成图；
21.图2为本发明实施例提供的双功能检测电路的另一个具体示例的组成图；
22.图3为本发明实施例提供的双功能检测电路的具体电路结构图；
23.图4为本发明实施例提供的双功能检测电路的另一个具体示例的组成图；
24.图5为本发明实施例提供的双功能检测电路的另一个具体示例的组成图。
具体实施方式
25.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
29.实施例1
30.本发明实施例提供一种功率器件双功能检测电路，如图1所示，包括：短路检测电路1、过压检测电路2、控制模块3及检测模块6。
31.进一步地，图1中，短路检测电路1及过压检测电路2均与功率器件(t1)、控制模块3、检测模块6连接。
32.需要说明的是，图1中的功率器件以igbt为例，但仅以此举例，并不以此为限制。
33.进一步地，当功率器件处于导通状态时，控制短路检测电路1的第一开关电路闭锁、控制过压检测电路2的第二开关电路解锁，且检测模块6通过检测短路检测电路1的电压判断功率器件是否短路。
34.进一步地，当功率器件处于关断状态时，控制短路检测电路1的第一开关电路解锁、控制过压检测电路2的第二开关电路闭锁，且检测模块6通过检测过压检测电路2的电压判断功率器件是否过压。
35.具体地，由功率器件工作原理可知，短路故障仅发生在功率器件导通期间，而过压故障仅发生在功率器件关断期间，因此为了实现准确检测短路故障及过压故障，本技术实施例通过控制短路检测电路1的第一开关电路及过压检测电路2的第二开关电路的运行状态，使得在功率器件导通期间仅进行短路故障检测，在功率器件关断期间仅进行过压故障
检测。
36.具体地，如图1所示，本发明实施例，在功率器件导通期间，将过压检测电路2的第二开关电路解锁、短路检测电路1的第一开关电路闭锁，则此时仅有短路检测电路1执行检测工作；在功率器件关断期间，将过压检测电路2的第二开关电路闭锁、短路检测电路1的第一开关电路解锁，则此时仅有过压检测电路2执行检测工作。
37.需要说明的是，本发明实施例检测模块6通过监测短路检测电路1的电压(实则可以为短路检测电路的第一储能电路的电压)判断功率器件是否短路，并通过监测过压检测电路2的电压(实则可以为过压检测电路的第二储能电路的电压)判断功率器件是否过压，但仍然可以利用其它电气参数，来判断是否短路、过压，在此不再赘述。
38.进一步地，当检测模块6判定功率器件短路、过压时，可以将故障信息进行上报。
39.需要说明的是，本发明实施例的控制模块3可以包含功率器件的驱动电路，该驱动电路驱动功率器件的导通与关断。
40.在一具体实施例中，如图2所示，功率器件双功能检测电路还包括：分压电路4。
41.进一步地，如图2所示，功率器件通过分压电路4分别与短路检测电路1及过压检测电路2连接。
42.具体地，由于短路检测电路1及过压检测电路2内部元器件的电气特性，可以根据需要设置分压电路4，基于分压电压的基础上，实现短路检测、过压检测。
43.在一具体实施例中，分压电路4包括：
44.由多个串联连接的分压电阻构成的电阻支路、多个串联连接的分压电容构成的电容支路；电阻支路分别与功率器件及短路检测电路1连接；电容支路分别与功率器件及接地端连接。
45.具体地，本发明实施例采用多个分压单元串联连接方式构成分压电路4，每个分压电源均由分压电阻及分压电容构成。
46.可选地，如图3所示，分压电阻r1～rn串联连接构成电阻支路，分压电容c1～cp串联连接构成电容支路。
47.需要说明的是，图3所示还可以为其它结构，在此不作限制。
48.在一具体实施例中，如图4所示，功率器件双功能检测电路还包括：稳压电路5；分压电路4通过稳压电路5与过压检测电路2连接。
49.具体地，可能由于电压不稳导致功率器件过压，因此为了准确检测，本发明实施例设置稳压电路5，以实现维持电压恒定。此外，为了避免过压导致过压检测电路2的损坏，稳压电路5同时可以实现对过压进行降压后再进行判断。
50.在一具体实施例中，如图3所示，稳压电路5包括：多个串联连接的稳压二极管(d1～dn)。
51.需要说明的是，由于稳压管受温度影响较大，且不同电压等级稳压管具备不同温度特征，因此可以根据不同电压等级稳压管的温度特性进行匹配，实现整体稳压管电压不随温度变化而变化。
52.在一具体实施例中，如图5所示，短路检测电路1包括：第一开关电路11及第一储能电路12；第一储能电路12分别与分压电路4及接地端连接；第一开关电路11分别与第一储能电路12、控制模块3及接地端连接。
53.进一步地，当功率器件处于关断状态时，控制模块3控制第一开关电路11导通；当功率器件处于导通状态时，控制模块3控制第一开关电路11关断，且检测模块6通过检测第一储能电路12的电压判断功率器件是否短路。
54.具体地，在功率器件关断期间，控制模块3控制第一开关电路11导通，此时，电流不会流经第一储能电路12，不会为第一储能电路12充电；在功率器件导通期间，控制模块3控制第一开关电路11关断，此时，电流流经第一储能电路12，为第一储能电路12充电。当功率器件短路时，短路电流为第一储能电路12充电，从而检测模块6通过检测第一储能电路12的电压判断功率器件是否短路，其中判断方法不限于阈值比较方法。
55.在一具体实施例中，如图3所示，第一开关电路11包括：第一上拉电阻r
u1
及第一可控开关q1；第一可控开关q1的第一端通过第一上拉电阻r
u1
与第一储能电路12连接，第一可控开关q1的第二端与接地端连接，第一可控开关q1的控制端与控制模块3连接。
56.进一步地，当功率器件处于关断状态时，控制模块3控制第一可控开关q1导通；当功率器件处于导通状态时，控制模块3控制第一可控开关q1关断。
57.具体地，当功率器件处于关断状态时，控制模块3控制第一可控开关q1导通，功率器件的电流流经第一可控开关q1、不为第一储能电路12充电；当功率器件处于导通状态时，控制模块3控制第一可控开关q1关断，功率器件的电流不流经第一可控开关q1、为第一储能电路12充电。
58.需要说明的是，图3中的第一可控开关q1以igbt器件为例，但还可以其它可以可控的开关，在此不作限制。
59.在一具体实施例中，如图3所示，第一储能电路12包括：第一接地电阻r
g1
、短路检测电阻r
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及短路检测电容c
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；短路检测电阻r
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的第一端与分压电路4连接，短路检测电阻r
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的第一端还通过第一接地电阻r
g1
接地，短路检测电阻r
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的第二端与第一开关电路11连接，短路检测电阻r
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的第二端还通过短路检测电容接地。
60.具体地，第一储能电路12的储能元器件实则为短路检测电容，当功率器件处于关断状态时，控制模块3控制第一开关电路11导通，功率器件的电流流经第一可控开关q1、不为短路检测电容充电；当功率器件处于导通状态时，控制模块3控制第一开关电路11关断，功率器件的电流不流经第一可控开关q1、为短路检测电容充电，因此，通过监测短路检测电容电压判断功率器件是否短路。
61.基于图3所示短路检测电路1，本发明实施例的短路检测原理如下：
62.短路故障仅发生在igbt器件t1导通期间。igbt器件t1关断期间通过控制模块3控制第一可控开关q1使其处于开通状态，此时短路检测电容c
div_sc
不会被充电，不会出现误报短路故障；igbt器件t1开通期间，通过控制模块3控制第一可控开关q1关断，若t1开通期间无短路故障，短路检测电容c
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无电压；当t1开通期间发生短路故障，短路检测电容c
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被充电，因此可通过检测c
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电压来判断是否发生短路故障，通过将故障信息上传，实现对器件的短路保护。
63.在一具体实施例中，如图5所示，过压检测电路2包括：第二开关电路21及第二储能电路22；第二储能电路22分别与稳压电路5及接地端连接；第二开关电路21分别与第二储能电路22、控制模块3及接地端连接。
64.进一步地，当功率器件处于关断状态时，控制模块3控制第二开关电路21关断；当
功率器件处于导通状态时，控制模块3控制第二开关电路21导通，且检测模块6通过检测第二储能电路22的电压判断功率器件是否过压。
65.具体地，在功率器件关断期间，控制模块3控制第二开关电路21关断，此时，电流不会流经第二开关电路21，会为第二储能电路22充电；在功率器件导通期间，控制模块3控制第二开关电路21导通，此时，电流流经开关电路，不会为第二储能电路22充电。当功率器件过压时，过压电压为第二储能电路22充电，从而检测模块6通过检测第二储能电路22的电压判断功率器件是否过压，其中判断方法不限于阈值比较方法。
66.在一具体实施例中，如图3所示，第二开关电路21包括：第二上拉电阻r
u2
及第二可控开关q2；第二可控开关q2的第一端通过第二上拉电阻r
u2
与第二储能电路22连接，第二可控开关q2的第二端与接地端连接，第二可控开关q2的控制端与控制模块3连接。
67.进一步地，当功率器件处于关断状态时，控制模块3控制第二可控开关q2关断；当功率器件处于导通状态时，控制模块3控制第二可控开关q2导通。
68.具体地，在功率器件关断期间，控制模块3控制第二可控开关q2关断，此时，电流不会流经第二开关电路21，会为第二储能电路22充电；在功率器件导通期间，控制模块3控制第二可控开关q2导通，此时，电流流经开关电路，不会为第二储能电路22充电。
69.需要说明的是，图3中的第二可控开关q2以igbt器件为例，但还可以其它可以可控的开关，在此不作限制。
70.在一具体实施例中，如图3所示，第二储能电路22包括：第二接地电阻rg2、过压检测电阻r
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及过压检测电容c
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；过压检测电阻r
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的第一端与稳压电路5连接，过压检测电阻r
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的第一端还通过第二接地电阻rg2接地，过压检测电阻r
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的第二端与第二开关电路21连接，过压检测电阻r
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的第二端还通过过压检测电容c
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接地。
71.具体地，第二储能电路22的储能元器件实则为过压检测电容c
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，当功率器件处于关断状态时，控制模块3控制第二开关电路21关断，功率器件的电流不流经第二开关电路21、为过压检测电容c
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充电；当功率器件处于导通状态时，控制模块3控制第二开关电路21导通，功率器件的电流流经第二开关电路21、不为过压检测电容c
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充电，因此，通过监测过压检测电容c
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电压判断功率器件是否过压。
72.基于图3所示过压检测电路2，本发明实施例的过压检测原理如下：
73.过压故障仅发生在igbt器件t1关断期间。igbt器件t1开通期间通过控制模块3控制第二可控开关q2使其处于开通状态，此时过压检测电容c
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不会被充电，不会出现误报过压故障；igbt器件t1关断期间，通过控制模块3控制第二可控开关q2关断，通过对稳压二极管d1～dn的选型，可实现t1关断期间无过压故障时，过压检测电容c
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无电压；若t1关断期间发生过压故障，过压检测电容c
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被充电，因此可通过检测c
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电压来判断是否发生过压故障，通过将故障信息上传，实现对器件的过压保护。
74.实施例2
75.本发明实施例提供一种功率器件的保护电路，包括：实施例1的双功能检测电路、保护电路本体；保护电路本体分别与功率器件、双功能检测电路连接；当双功能检测电路判断出功率器件短路或者过压时，保护电路本体执行相应的保护机制。
76.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或
变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。