一种串联半导体开关短路故障的指示电路制造技术

技术编号:14316069 阅读:82 留言:0更新日期:2016-12-30 20:11
本实用新型专利技术公开了一种串联半导体开关短路故障的指示电路,包括若干级串联为一体的IGBT开关,所述每一级IGBT开关两端并联一个静态均压电阻,所述每一级IGBT开关上的静态均压电阻包括一个串联的均压电阻和辅助均压电阻,所述辅助均压电阻的两端并联一个发光二极管;所述辅助均压电阻两端的电压不小于发光二级管的前向管压降,均压电阻的阻值大于辅助均压电阻的阻值,所述发光二级管上的电流不大于均压电阻与辅助均压电阻的电流差。本实用新型专利技术只需增加一只电阻和一只发光二极管即可通过目视的方法判断出串联开关模块中各级IGBT是否发生短路故障,电路简单可靠、无需拆卸电路、无需额外供电,便于在现场快速维修和更换故障器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及脉冲功率
,具体涉及一种串联半导体开关中开关短路故障的指示灯电路,用于解决在串联半导体开关中各级开关发生短路时不能及时故障定位的问题。
技术介绍
脉冲功率技术是将相对较长时间内存储起来的能量在极短的时间内迅速释放出来的一门科学。当前,脉冲功率技术在国防科研项目、高新技术研究和民用工业等领域均得到很广泛的应用。在产生高功率脉冲的装置中,开关是最重要的部件之一,它起着连接储能单元与负载单元的作用。由于半导体开关的导通和关断过程依靠载流子的转移,无机械触点,因此具有可关断、高重频、在耐压范围内工作电压范围宽等优点,近年来在脉冲功率装置中得到了广泛的应用。MOSFET(金属氧化物半导体场效应管,Metal-Oxide-Semiconductor type Field Effect Transistor)和IGBT(绝缘栅双极性晶体管,Insulated Gate Bipolar Transistors)是现代快脉冲技术发展的主力半导体开关器件。随着电力电子技术的发展,其工作电压和工作电流越来越高,截止2016年,单只MOSFET的最大耐压约为1.2kV,单只IGBT最大耐压约为6.5kV。在数十至上百千伏这样的高压脉冲输出应用中,单只的半导体开关的耐压远不能满足需求,因此有必要将其进行串联使用,形成串联开关模块。若干只开关串联使用时,可以承受比单只开关更高的电压,但必须保证串联开关模块中每只开关两端承受的电压基本相等。因此,广泛使用的方法是在每只开关两端并联阻值相等的静态均压电阻,电阻的阻值远大于开关的等效内阻,这样每只开关两端的电压基本等于静态均压电阻两端的分压,可以保证每只开关两端电压基本相等。但是,在实际工作时,由于负载端反射、回路杂散参数,或者开关导通及关断时刻不一致等原因都会导致开关发生“过电压”而击穿损坏,并且通常表现为“短路”状态。如果串联开关中的某一只开关发生短路损坏,这一只开关表现为低阻抗通路状态,可能整个串联开关模块仍可以正常工作,但剩下的开关要承受比设计值更高的电压,极易相继发生过压击穿损坏。对于由单只IGBT开关组成的应用场合,可以通过多种检测电路方便地判断IGBT是否发生短路故障。但在IGBT串联模块中,由于每一级IGBT基本都是悬浮在高电位工作,并且电位各有差异。例如,在输出150kV的高压脉冲应用中,如果采用100只开关串联,则每只开关悬浮电压从0kV、1.5kV、3.0kV、…,一直持续到148.5kV,所以必须有100组相互隔离,并且对地电位能达到相应隔离电压的电源给各级检测电路供电,而高电压隔离供电本身就是串联开关组合应用中一个困难的问题。因此那些需要供电才能工作的检测电路在串联开关模块应用中给系统带来了极大的复杂性。为便于维修和使用,并且避免给检测电路进行高耐压隔离供电,能够通过目视的方法及早发现发生短路故障的半导体开关是设计串联开关模块中一个必要辅助功能。半导体开关包括、但不限于MOSFET和IGBT,本文以IGBT为例来阐述本
技术实现思路
不会对
技术实现思路
产生影响,因此下文均以IGBT为例来详细说明。《西安理工大学学报》2012年刊登的论文《IGBT高压串联组件的失效检测与恢复策略》提出采用复杂的逻辑电路判断IGBT的开路故障,与本专利技术检测短路状态不同。通过中国专利局查询,由浙江大学申请的专利《一种基于VCE的IGBT短路保护自适应优化单元及方法》,以及由日本株式会社日立制作所申请的专利《功率半导体开关元件的保护装置以及保护方法》均是讨论负载短路时对IGBT的过流保护,不是检测IGBT的本身的短路故障。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种通过目视直接判断串联半导体开关模块中已经发生了短路故障的开关的电路及方法。该电路在串联开关模块每一级原有的静态均压电阻的基础上,增加一只电阻和一个发光二极管,通过观察发光二极管是否被点亮来判断当前这一级半导体开关是否发生短路故障。为实现上述目的,本专利技术采用如下技术方案:一种串联半导体开关短路故障的指示电路,包括若干级串联为一体的IGBT开关,所述每一级IGBT开关两端并联一个静态均压电阻,所述每一级IGBT开关上的静态均压电阻包括一个串联的均压电阻和辅助均压电阻,所述辅助均压电阻的两端并联一个发光二极管;所述辅助均压电阻两端的电压不小于发光二级管的前向管压降,均压电阻的阻值大于辅助均压电阻的阻值,所述发光二级管上的电流不大于均压电阻与辅助均压电阻的电流差。在上述技术方案中,所述每一级IGBT开关两端的电压分压值相等。在上述技术方案中,所每一级IGBT开关的等效内阻的阻值大于静态均压电阻阻值一个数量级。在上述技术方案中,所述均压电阻的阻值远大于辅助均压电阻的阻值,所述辅助均压电阻的阻值不大于0.1倍均压电阻的阻值。一种串联半导体开关短路故障的指示电路的故障判断方法,当在串联IGBT开关端施加较低的电压,确保电压使得此时每一级开关的发光二极管能被点亮,观察所有的发光二极管,如果某一个发光二极管没有被点亮,则可判定这一级对应的IGBT开关发生了短路故障。综上所述,由于采用了上述技术方案,本专利技术的有益效果是:本专利技术只需增加一只电阻和一只发光二极管即可通过目视的方法判断出串联开关模块中各级IGBT是否发生短路故障,电路简单可靠、无需拆卸电路、无需额外供电,便于在现场快速维修和更换故障器件。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明,其中:图1是由IGBT半导体开关及静态均压电阻组成的串联开关模块电路原理图;图2是本专利技术对串联开关模块中某一级单元的改进电路原理图。具体实施方式串联开关模块每一级IGBT开关的集电极和射极通常并联一只静态均压电阻;本专利技术将静态均压电阻替换为“主均压电阻”和“辅助均压电阻”两只电阻串联,并且在辅助均压电阻的两端并联一只高亮度的发光二极管(LED)。主均压电阻的阻值远大于另一只辅助均压电阻,这样串联电阻仍具备静态均压电阻的功能。当在串联开关模块两端施加一定的测试电压时,每一级IGBT均承受相应的分压,如果IGBT功能正常,则LED会被点亮;如果某只IGBT发生短路故障,则其两端的电压分压基本为零,LED不会被点亮,即可判定它对应的这一级IGBT已经发生了短路故障。图1是半导体开关串联模块的原理图。串联开关模块由n级组成,分别为编号为1、2、3、…、n。每一级为一个基本单元,如虚线方框内所示。基本单元由触发电路Vi、半导体开关Qi和静态均压电阻Ri组成,其中i为第i级单元的编号。半导体开关的等效内阻由它的工作电压与漏电流的比值决定,一般情况下为数十至上百MΩ。为实现各级IGBT两端的分压值基本相等,静态均压电阻一般可比等效内阻小一个数量级,这样IGBT两端的分压值就主要由静态均压电阻决定。各级单元的静态均压电阻选用相同的阻值,保证各级IGBT的分压值基本相同,防止分压不均匀导致某些IGBT过压击穿。图2是本专利技术对串联开关模块中某一级单元的改进电路原理图,串联开关模块中其它各单元的改进方法与此完全相同的。如果开关Q没有发生短路故障,在其两端逐渐增加一定的电压进行观察。设开关Q两端的电压为UQ、电阻Rb两端的电压为UD、发光二极管LED导通发光时前向管压降为UF,当UD<UF时,发光二极管不亮,可以把L本文档来自技高网
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一种串联半导体开关短路故障的指示电路

【技术保护点】
一种串联半导体开关短路故障的指示电路,包括若干级串联为一体的IGBT开关,所述每一级IGBT开关两端并联一个静态均压电阻,其特征在于所述每一级IGBT开关上的静态均压电阻包括一个串联的均压电阻和辅助均压电阻,所述辅助均压电阻的两端并联一个发光二极管;所述辅助均压电阻两端的电压不小于发光二级管的前向管压降,均压电阻的阻值大于辅助均压电阻的阻值,所述发光二级管上的电流不大于均压电阻与辅助均压电阻的电流差。

【技术特征摘要】
1.一种串联半导体开关短路故障的指示电路,包括若干级串联为一体的IGBT开关,所述每一级IGBT开关两端并联一个静态均压电阻,其特征在于所述每一级IGBT开关上的静态均压电阻包括一个串联的均压电阻和辅助均压电阻,所述辅助均压电阻的两端并联一个发光二极管;所述辅助均压电阻两端的电压不小于发光二级管的前向管压降,均压电阻的阻值大于辅助均压电阻的阻值,所述发光二级管上的电流不大于均压电阻与辅助均压电阻的电流差。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员:丁明军任丹欧阳艳晶齐卓筠冯宗明蓝欣任青毅黄斌李玺钦王兰陈敏李晏敏叶超贾兴
申请(专利权)人:中国工程物理研究院流体物理研究所
类型:新型
国别省市:四川;51

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