CN208000357U - 半导体器件故障检测装置以及变换器 - Google Patents

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李海龙
王武华
霍明
郑大鹏
周党生
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Abstract

本实用新型公开一种半导体器件故障检测装置以及变换器，所述装置包括：主功率模块、电压处理模块和逻辑控制模块；主功率模块包括储能单元和功率变换单元，功率变换单元包括半导体器件；电压处理模块，用于采集功率变换单元的预设节点之间的电压；将预设节点之间的电压转换为电压状态信号；对电压状态信号进行光电隔离处理后输出低电压信号；逻辑控制模块，用于获取电压处理模块输出的低电压信号；根据功率变换单元的驱动控制信号和低电压信号确定半导体器件是否发生故障。本实用新型通过电压处理模块和逻辑控制模块，可实时检测半导体器件故障；解决了现有的半导体器件故障的检测不具有实时性、高抗扰性以及隔离较差的问题。

Description

半导体器件故障检测装置以及变换器
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种半导体器件故障检测装置以及变换器。
背景技术
半导体器件作为功率变换单元中的核心部件，在发生故障后，其两端电压会发生改变，导致功率变换单元的关键节点的电压状态也会发生改变；另一方面，半导体器件在发生故障前，其本身特性会产生异常，导致两端的电压也会和正常动作时的电压产生差别，同样会导致功率变换单元的关键节点的电压状态产生改变。通过检测功率变换单元中关键节点两端的电压状态，就可以判断出功率变换单元中的半导体是否异常。判断出异常后，及时进行保护动作，可以防止次生故障以及故障扩大。
快速、准确的检测和判断半导体过流、短路、直通是进行产品整体保护的关键点。现有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)、不具有高抗扰性。现有的检测电路通过电气信号传输，在高压环境下抗扰性较差。
3)、隔离较差。现有的检测电路通过电气信号传输，与高压电路无法实现可靠隔离，安全性较差。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种半导体器件故障检测装置以及变换器，以解决现有的半导体器件过流、短路、直通的检测不具有实时性、高抗扰性以及隔离较差的问题。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
根据本实用新型的一个方面，提供的一种半导体器件故障检测装置，所述装置包括：主功率模块、电压处理模块和逻辑控制模块；
所述主功率模块包括储能单元和功率变换单元，所述功率变换单元包括半导体器件；
所述电压处理模块，用于采集所述功率变换单元的预设节点之间的电压；将所述预设节点之间的电压转换为电压状态信号；对所述电压状态信号进行光电隔离处理后输出低电压信号；
所述逻辑控制模块，用于获取所述电压处理模块输出的低电压信号；根据所述功率变换单元的驱动控制信号和所述低电压信号确定所述半导体器件是否发生故障。
根据本实用新型的一个方面，提供的一种变换器，所述变换器包括上述的半导体器件故障检测装置。
本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置以及变换器，通过电压处理模块和逻辑控制模块，可实时检测半导体器件故障；解决了现有的半导体器件故障的检测不具有实时性、高抗扰性以及隔离较差的问题。
附图说明
图1为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置结构示意图；
图2为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置中主功率模块结构示意图；
图3为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置中功率变换单元另一结构示意图；
图4为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置中主功率模块和电压处理模块结构示意图；
图5为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置中逻辑控制模块结构示意图；
图6为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置另一结构示意图；
图7为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置中保护模块结构示意图；
图8为本实用新型实施例的时序结构示意图。
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
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。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。
第一实施例
如图1所示，本实用新型第一实施例提供一种半导体器件故障检测装置，所述装置包括：主功率模块10、电压处理模块20和逻辑控制模块30；
所述主功率模块10包括储能单元11和功率变换单元12，所述功率变换单元12包括半导体器件(附图未示出)。
如图2所示，在本实施例中，储能单元11可由电容C1和电容C2串联构成。需要说明的是，电容的数量在此不作限制，串联和或并联都可以实现。
在本实施例中，功率变换单元12包括但不限于“I”型三电平拓扑电路
(图2所示)、“T”型三电平拓扑电路(图3所示)、“Vienna-Like”三电平拓扑电路、两电平变换器拓扑电路、能量泄放拓扑电路等。功率变换单元12的数量在此不作限制。
所述电压处理模块20，用于采集所述功率变换单元12的预设节点之间的电压；将所述预设节点之间的电压转换为电压状态信号；对所述电压状态信号进行光电隔离处理后输出低电压信号。
在本实施例中，所述电压处理模块20输出的低电压信号为高电平信号或者低电平信号。
请参考图4所示，在本实施例中，所述电压处理模块20包括高阻分压电路21、比例差分电路22以及光电隔离电路23；
所述高阻分压电路21并联于所述功率变换单元12的预设节点的两端，所述比例差分电路22与高阻分压电路21连接，所述光电隔离电路23的一端与所述比例差分电路22连接，另一端与所述逻辑控制模块30连接。
所述高阻分压电路21，用于采集所述功率变换单元12的预设节点之间的电压。高阻分压电路21可由限流电阻和分压电阻构成。
如图2或者图4所示，以所述功率变换单元12为“I”型三电平拓扑电路的示例，预设节点可以为功率变换单元12中的直流侧中点N和功率变换侧中点L，通过采集N和L两端之间的电压，来确定所述半导体器件是否发生故障。在实际应用中，包括但不限于此两点之间电压。
所述比例差分电路22，用于将所述预设节点之间的电压转换为电压状态信号。比例差分电路22并联在高阻分压电路21的分压电阻的两端，可由稳压二极管和滤波电路构成。在其他实施方式中，滤波电路也可以省略。
所述光电隔离电路23，用于对所述电压状态信号进行光电隔离处理后输出低电压信号。
在本实施例中，所述光电隔离电路23包括发光模块和受光模块，发光模块和受光模块通过光纤连接。
发光模块用于将所述电压状态信号转换为光信号；光纤用于将发光模块转换的光信号传输给受光模块；受光模块用于将光纤传输的光信号转换为所述低电压信号。
在本实施例中，通过光电隔离电路23的隔离处理，即电气隔离，可满足安规要求。
所述逻辑控制模块30，用于获取所述电压处理模块20输出的低电压信号；根据所述功率变换单元12的驱动控制信号和所述低电压信号确定所述半导体器件是否发生故障。
请参考图5所示，在本实施例中，所述逻辑控制模块30包括驱动控制单元31和确定单元32；
所述驱动控制单元31，用于根据预设的控制策略输出所述驱动控制信号到所述功率变换单元12；
所述确定单元32，用于获取所述电压处理模块20输出的低电压信号、以及所述驱动控制信号；根据所述驱动控制信号和所述低电压信号确定所述半导体器件是否发生故障。
进一步地，请再参考图5所示，所述逻辑控制模块30还包括发波控制单元33；
所述发波控制单元33，用于若所述确定单元32确定所述半导体器件发生故障，则禁止所述驱动控制单元31输出所述驱动控制信号到所述功率变换单元12；否则允许所述驱动控制单元31输出所述驱动控制信号到所述功率变换单元12。
所述发波控制单元33，还用于若所述确定单元32确定所述半导体器件发生故障，输出预设的驱动信号到所述功率变换单元12。用于防止功率变换单元 12出现次生故障或出现故障扩大化。
请参考图6所示，在一种实施方式中，所述装置还包括保护模块40；
所述保护模块40，用于若所述逻辑控制模块30确定所述半导体器件发生故障，则对所述半导体器件进行保护。
请参考图7所示，在该实施方式中，所述保护模块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41一端与所述逻辑控制模块30连接，另一端与所述驱动处理单元42的一端连接；所述驱动处理单元42的另一端与所述功率变换单元12连接。
为了更好地理解本实施例，以下结合图2和图8对半导体器件故障的判断过程进行说明：
如图2所示，所述功率变换单元12为“I”型三电平拓扑电路的，预设节点为功率变换单元12中的直流侧中点N和功率变换侧中点L，通过采集N和 L两端之间的电压VLN，来确定所述半导体器件是否发生故障。
如图8所示，驱动控制信号中的“0”代表功率变换单元12中功率开关管 (T1-T4)的关断信号，“1”代表功率开关管(T1-T4)的开通信号；“0110”即代表功率开关管T2和功率开关管T3开通，功率开关管T1和功率开关管T4 关闭；同理，“1100”代表T1和T2开通，T3和T4关闭。
在t0时刻，驱动控制单元31输出驱动控制信号1100，即驱动控制信号从 0110变化为1100，功率变换单元12实际上需要关闭T3，开通T1。此时VLN电压从0电平变化为电平。
比例差分电路22将功率变换单元12的高电压转化为与预设电压阈值Uref匹配的比较电压Ucmp，Ucmp＝kcmp*VLN，其中kcmp为电压转换系数。预设电压阈值Uref可以设置为
比较电压Ucmp与预设电压阈值Uref进行比较，根据比较结果输出高电平信号或者低电平信号。
如图8所示，当功率变换单元12中N和L两端之间的电压VLN等于时，Ucmp大于Uref，光电隔离电路23中发光模块的光信号为发光状态，光纤将光信号传输后送入受光模块，受光模块将接收到的光信号转换为高电平；当功率变换单元12中N和L两端之间的电压VLN等于0时，Ucmp小于Uref，光电隔离电路23中发光模块的光信号为不发光状态，光纤中无光信号传输，受光模块检测到光纤中无光信号传输时，输出为低电平。
因此，当逻辑控制模块30中接收到光电隔离电路23输出为高电平时，功率变换单元12中N和L两端之间的电压VLN等于代表功率开关管T1和 T2开通，电流流过T1和T2；当逻辑控制模块30中接收到光电隔离电路23 输出为低电平时，功率变换单元12中N和L两端之间的电压VLN等于0，代表功率开关管T2或T3开通，或T2和T3同时开通。
逻辑控制模块30的确定单元32通过不断检测功率变换单元12中N和L 两端之间的电压VLN，实时与驱动控制单元31输出的驱动控制信号进行比较，判断二者是否匹配，如果不匹配，说明功率变换单元12中出现半导体器件故障；如果二者匹配，说明功率变换单元12中半导体器件工作正常。
本实用新型实施例的半导体器件故障检测装装置，通过电压处理模块和逻辑控制模块，可实时检测半导体器件故障；解决了现有的半导体器件故障的检测不具有实时性、高抗扰性以及隔离较差的问题。
第二实施例
本实用新型第二实施例提供一种变换器，所述变换器包括第一实施例所述的半导体器件故障检测装置。半导体器件故障检测装置可参考前述内容，在此不作赘述。
本实用新型实施例的变换器，通过电压处理模块和逻辑控制模块，可实时检测半导体器件故障；解决了现有的半导体器件故障的检测不具有实时性、高抗扰性以及隔离较差的问题。
以上参照附图说明了本实用新型的优选实施例，并非因此局限本实用新型的权利范围。本领域技术人员不脱离本实用新型的范围和实质，可以有多种变型方案实现本实用新型，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本实用新型的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本实用新型的权利范围之内。

Claims (11)

1.一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述装置包括：主功率模块、电压处理模块和逻辑控制模块；
所述主功率模块包括储能单元和功率变换单元，所述功率变换单元包括半导体器件；
所述电压处理模块，用于采集所述功率变换单元的预设节点之间的电压；将所述预设节点之间的电压转换为电压状态信号；对所述电压状态信号进行光电隔离处理后输出低电压信号；
所述逻辑控制模块，用于获取所述电压处理模块输出的低电压信号；根据所述功率变换单元的驱动控制信号和所述低电压信号确定所述半导体器件是否发生故障。
2.根据权利要求1所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述电压处理模块包括高阻分压电路、比例差分电路以及光电隔离电路；
所述高阻分压电路并联于所述功率变换单元的预设节点的两端，所述比例差分电路与高阻分压电路连接，所述光电隔离电路的一端与所述比例差分电路连接，另一端与所述逻辑控制模块连接；
所述高阻分压电路，用于采集所述功率变换单元的预设节点之间的电压；
所述比例差分电路，用于将所述预设节点之间的电压转换为电压状态信号；
所述光电隔离电路，用于对所述电压状态信号进行光电隔离处理后输出低电压信号。
3.根据权利要求2所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述比例差分电路包括稳压二极管。
4.根据权利要求3所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述比例差分电路还包括与稳压二极管连接的滤波电路。
5.根据权利要求2所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述光电隔离电路包括发光模块、光纤以及受光模块；所述发光模块和所述受光模块通过所述光纤连接；
所述发光模块，用于将所述电压状态信号转换为光信号；
所述光纤，用于将所述发光模块转换的光信号传输给所述受光模块；
所述受光模块，用于将所述光纤传输的光信号转换为所述低电压信号。
6.根据权利要求1所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述逻辑控制模块包括驱动控制单元和确定单元；
所述驱动控制单元，用于根据预设的控制策略输出所述驱动控制信号到所述功率变换单元；
所述确定单元，用于获取所述电压处理模块输出的低电压信号、以及所述驱动控制信号；根据所述驱动控制信号和所述低电压信号确定所述半导体器件是否发生故障。
7.根据权利要求6所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述逻辑控制模块还包括发波控制单元；
所述发波控制单元，用于若所述确定单元确定所述半导体器件发生故障，则禁止所述驱动控制单元输出所述驱动控制信号到所述功率变换单元；否则允许所述驱动控制单元输出所述驱动控制信号到所述功率变换单元。
8.根据权利要求7所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述发波控制单元，还用于若所述确定单元确定所述半导体器件发生故障，输出预设的驱动信号到所述功率变换单元。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述装置还包括保护模块；
所述保护模块，用于若所述逻辑控制模块确定所述半导体器件发生故障，则对所述半导体器件进行保护。
10.根据权利要求9所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，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与所述逻辑控制模块连接，另一端与所述驱动处理单元的一端连接；所述驱动处理单元的另一端与所述功率变换单元连接。
11.一种变换器，其特征在于，所述变换器包括权利要求1-10任一所述的半导体器件故障检测装置。
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CN111650489A (zh) * 2019-01-30 2020-09-11 劳斯莱斯有限公司 监测基于晶体管的功率转换器的工作条件

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