专利名称：晶闸管短路故障在线检测装置与方法
技术领域：
本发明一般涉及晶闸管(可控硅)应用领域，特别涉及用于对晶闸管短路故障进行在线检测的装置与方法。
背景技术：
作为一种大功率半导体器件，晶闸管只需用几十至几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大电流，实现弱电对强电的控制。由于具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好、能够耐受较高电压及较大浪涌电流等特点，晶间管与其他电力电子器件配合，广泛应用于可控整流、逆变、电机调速、电机励磁、无触点开关以及自动控制等多个领域。例如，静态转换开关STS (Static lransfer Switch)常常用于 UPS-UPS、UPS-发电机、UPS-市电、市电-市电等不同输入电源之间的不间断转换。图1示出了静态转换开关 STS，其中，当第一路电源Sourcel出现故障后，STS自动切换到第二路电源SourCe2为负载 &供电，同样地，如果第二路电源SourCe2发生故障，STS自动切换到第一路电源Sourcel， 由此实现系统电源二选一自动切换。为了实现交流切换控制并满足快速切换和高可靠性等要求，STS使用两组反并联晶闸管作为开关器件。在静态转换开关的运行逻辑中，在任何时刻上，只能允许一路电源对负载供电，也就是说，当某一路电源连接到负载时，另一路电源必须从负载切除，两路电源同时开通将产生电源之间的环流，带来灾难性的后果，例如电源或晶闸管的毁坏。为避免两路电源共通， 高可靠性静态转换开关必须具有这样的功能如果发现某个晶闸管发生短路，则将负载死锁到与该晶闸管对应的电源而不再进行切换。因此，迅速、可靠地检测出晶闸管短路故障对于静态转换开关的运行性能来说非常重要。通过检测晶闸管阳极与阴极之间的电压来判断晶闸管载流状态的方法是已知的 (例如，可参照授予 James M. Galm 等人的美国专利 No. 5，814，904 “Matic Switch Method and Apparatus”，图4B)。这种方法对晶闸管阳极A与阴极K间的电压进行采样，如果A、K之间的电压在某个范围内，则判断为晶闸管导通。然而，这种方法的缺点在于，由于晶闸管的阳极、阴极分别与电源端、负载端相连，阳极端子与阴极端子上的电压存在相当大的波动， 容易导致误判断；同时，由于A、K间电压的变化范围很大，通常难以用同一检测电路兼顾对较高电压和较低电压的精确检测；另外，在负载电流较小的情况下，也容易产生误判断。美国专利No. 4，357，645、No. 6，791，852、No. 7，378，816 中公开了另外的晶闸管状态检测方法，它们通过检测处于非导通区的晶闸管中是否存在电流来判断是否发生短路。 由于这些方法只能在开机自检时检测晶闸管短路故障，不能在晶闸管工作的同时进行实时检测，应用受到局限。由此可见，在晶闸管短路故障检测方面，存在改进的空间。

发明内容
开发本发明以克服上文提到的缺点。本发明提供了一种晶闸管短路故障检测装置和方法，其能以较小的硬件成本实现迅速、可靠的在线检测。在一个实施形态中，本发明提供了一种用于对电路中晶闸管的短路故障进行在线检测的装置，该晶闸管被布置为经由串联连接的匹配电阻在门极上接收来自微处理器的驱动信号，并被布置为与电流传感器耦合，所述装置包含短路故障特征信号提取单元，该单元对在匹配电阻远离晶闸管门极的一端与晶闸管阴极端子之间的电压进行采样，从中提取短路故障特征信号并将之传送给微处理器。电流传感器被配置为测量晶间管阳极电流，并将测量得到的晶间管阳极电流传送给微处理器。微处理器被配置为在从短路故障特征信号提取单元接收到短路故障特征信号时，判断来自电流传感器的晶闸管阳极电流是否大于或等于晶闸管擎住电流，如果是，判断为晶闸管发生短路故障。在另一实施形态中，本发明提供了一种用于对电路中晶闸管的短路故障进行在线检测的方法，驱动信号经由串联连接的匹配电阻被供到该晶闸管的门极，所述方法包含对在匹配电阻远离晶闸管门极的一端与晶闸管阴极端子之间的电压进行采样，在采样得到的电压中提取短路故障特征信号；测量晶闸管阳极电流，如果测量得到的阳极电流大于或等于晶闸管擎住电流，判断为晶闸管发生短路故障。结合附图，通过阅读对本发明的优选实施例的详细介绍，可以明了本发明的上述以及其他目的和优点。


附图并入说明书并构成说明书的一部分，在附图中图1为使用静态转换开关实现的电源二选一自动切换系统的示意图；图2A、2B为晶闸管及其结构的示意图；图3原理性地示出了包含晶闸管的静态转换开关的结构；图4A示出了晶闸管驱动信号，图4B、4C示出了晶闸管开始工作后所通过的电流大于擎住电流时分别在晶闸管完好与短路两种状态下测得的Vdk电压波形；图5为根据本发明一实施例的晶闸管短路故障检测装置的主要部件的原理图；图6原理性地示出了根据本发明一实施例在微处理器中进行的晶闸管短路故障检测过程的流程图。
具体实施例方式下面将结合附图详细说明本发明的具体实施方式
。除非明确地另有说明，否则，这里所使用的“一”、“一个”、“该”、“所述”等表述也将一个以上数量的所指对象的情况包括在内。“部件被‘连接(耦合)’在一起”的表述意味着这些部件被直接连接(耦合)在一起或通过一个或一个以上的中间部件连接(耦合)在一起。“一部件与另一部件连接(耦合)” 或“一部件被连接(耦合)到另一部件”的表述意味着这些部件直接连接(耦合)在一起或通过一个或一个以上的中间部件连接(耦合)在一起。在对根据本发明的晶闸管短路故障检测装置和方法所作的介绍中，为避免混淆本发明的重点，不再对本领域技术人员已经公知的内容详细进行介绍。晶闸管的示意图如图2A、2B所示，其为四层(P1,N1,P2,N2)三端(A、G、K)器件。晶闸管为一种单向可控开关元件，在承受正向阳极电压时，通过对门极和阴极两端提供触发电压和电流，可控制晶闸管的导通。下面将以静态转换开关中的晶闸管为例，具体介绍根据本发明的晶闸管短路故障检测装置和方法。图3原理性地示出了连接在负载与两个交流电源AC1、AC2之间的静态转换开关，其在微处理器(μΡ)的控制下，将电源AC1、AC2中的一个与负载接通。每个电源与一组反并联连接的晶闸管SCR1、SCR2，或SCR3、SCR4)相对应，微处理器通过隔离模块、逻辑模块、门极驱动模块向各个晶闸管提供驱动信号，驱动信号的频率可以在17-22kHz的范围内。另外，多个电压传感器和电流传感器(例如VT1-2、CT1_4)对电路中多个点的电压、电流信号进行检测，并将检测结果提供给微处理器。在晶闸管阳极与阴极之间发生短路后，由于内部阻抗很小，电流流过晶闸管产生的压降很小，与门极相连接的P2区到阴极的压降也很小。当驱动电流信号为0时，门极到阴极的内阻上的电压为0，门极与阴极之间的压降为0。与此形成对比的是，对于完好的晶闸管来说，此时，门极到阴极的压降为一个PN结的压降而不为零。图4A、4B、4C示出了施加到晶闸管的驱动信号以及分别在晶闸管完好与短路两种状态下测得的Vdk电压波形。可以看出，如果晶闸管短路，Vdk波形在高于某一阈值和等于零两种状态之间交替；相反，如果晶闸管完好，Vdk 一直保持为高于该阈值而不存在等于零的阶段。同时，需要注意的是，当阳极电流小于晶闸管擎住电流时，处于正常状态的晶闸管在门极驱动信号为低电平的时间段内不导通，这时，Vdk的最小值也为零。此时，晶闸管处于没有正常工作的状态，不能分辨短路还是完好，并且，由于这种状态是安全的，也不必判断是否发生短路。为了将这种情况排除在外，还需要将晶闸管阳极电流与擎住电流进行比较。本发明即基于这样的认识作出。对晶闸管门极施加触发信号，通过将电压Vdk在高于阈值和等于零两种状态之间交替以及晶闸管阳极电流大于擎住电流作为判断依据，实现晶闸管短路故障的实时检测。图5为根据本发明一实施例的晶闸管短路故障检测装置的主要部件的原理图。如图5所示，Vdk信号与阈值电压(基准电压)一起被输入到电压比较器电路。阈值电压设置为晶闸管中一个PN结的压降，可在0. 4——0. 7V的范围内选择，其可通过分压电路从电压比较器供电电压中取得，也可通过本领域技术人员惯常采用的多种替代方式取得。电压比较器将Vdk与阈值电压进行比较，并将比较结果经由光电耦合器提供给微处理器。当晶闸管出现短路故障时，Vdk波形在高于阈值电压和低于阈值电压(等于零)两种状态之间交替，故比较器输出为在高低电平之间交替的脉冲，该脉冲信号在经光电耦合器反相之后输入微处理器；而在晶间管完好的情况下，Vdk持续高于阈值电压，比较器输出电平持续为高，在光电耦合器输出端得到持续为低的电平。需要注意的是，高、低电平的相对表述仅仅是针对图5所示的电路配置而言，尽管这里具体将高电平信号用作对施加驱动信号的情况下电压Vdk等于零的这种状态进行表征的短路故障特征信号，取决于电路的具体配置，本领域技术人员可以将低电平信号或其他形式的信号用作短路故障特征信号。此外，本领域技术人员可以容易地想到用运算放大器电压比较器以外的其它方式实现Vdk与阈值电压的比较，或用光电耦合器以外的其它方式实现绝缘和/或隔离。由于故障检测和保护在各种应用中具有高的优先级，短路故障的判断和保护采用中断子程序的形式，以便保证迅速反应。对于图5所示的配置来说，如果晶闸管是完好的， 微处理器接收到一直为低电平的输入信号，如果晶间管出现短路故障，高低交替的脉冲被输入微处理器，且微处理器被设置为由高电平信号触发中断。图6原理性地示出了根据本发明一实施例在微处理器中进行的晶闸管短路故障子程序的流程图。在步骤SlO中，该过程由于高电平信号触发中断而开始。在步骤S20中， 首先判断中断是否第一次被触发。如果在步骤S20中的判断结果为是，退出短路故障子程序；相反地，如果不是第一次触发，则过程继续进行到步骤S30。在步骤S30中，判断由电流传感器测量得到的晶闸管阳极电流是否至少为擎住电流。如果在步骤S30中的判断结果为是，判断为晶闸管发生短路(S40)，这时可进一步采取预先设置的保护动作(S50)，反之，如果晶闸管阳极电流小于擎住电流，则退出短路故障子程序而不采取保护动作。在图6所示的流程图中，两次检测到高电平中断触发信号时才进一步进行晶闸管阳极电流是否大于擎住电流的判断，这样做的目的是为了避免误判断。本领域技术人员可以想到，可在故障检测的可靠性和迅速采取保护动作之间进行折中选择，在第一次检测到高电平中断触发信号时即进入关于晶闸管阳极电流的进一步判断，或在更多次检测到高电平中断触发信号时进行关于晶闸管阳极电流的进一步判断。与现有技术中的故障检测方法相比，根据本发明的故障检测方法用小的硬件成本实现了晶闸管短路故障的在线检测，并且，与在相当大范围内变化的AK间电压相比，GK (或 DK)之间电压的变化范围很小，这使得检测精度大大提高且不容易受到干扰，提高了故障检测的可靠性。上文对本发明实施方式的具体介绍仅仅是说明性和示例性的，不是限制性的。在不脱离本发明的一般设计构思的情况下，可对上面介绍的具体实施例的细节进行多种修改和替代。例如，尽管以静态转换开关为例介绍了晶间管短路故障检测装置和方法，该装置和方法同样适用于晶闸管的多种其他应用场合。又如，触发电流在图2B中被示为经由驱动电阻Rd流入晶闸管门极，驱动电阻Rd在这里起到匹配的作用，使得能够在不改变检测电路的情况下适应门极与阴极之间不同的内阻，本领域技术人员可以想到，可以省略驱动电阻 Rd(即Rd = 0Ω)。因此，这里所公开的特定布置不对本发明的范围进行限制，本发明的范围由所附权利要求及其任何等价内容的全部广度给出。
权利要求
1.一种用于对电路中晶闸管的短路故障进行在线检测的装置，该晶闸管被布置为经由串联连接的匹配电阻在门极上接收来自微处理器的驱动信号，并被布置为与电流传感器耦合，所述装置的特征在于包含短路故障特征信号提取单元，该单元对在匹配电阻远离晶闸管门极的一端与晶闸管阴极端子之间的电压进行采样，从中提取短路故障特征信号并将之传送给微处理器，电流传感器被配置为测量晶闸管阳极电流，并将测量得到的晶闸管阳极电流传送给微处理器，且微处理器被配置为在从短路故障特征信号提取单元接收到短路故障特征信号时，判断来自电流传感器的晶闸管阳极电流是否大于或等于晶闸管擎住电流，如果是，判断为晶闸管发生短路故障。
2.根据权利要求1的装置，其中，短路故障特征信号提取单元包含基准单元与比较单元，基准单元产生基准电压，并将之提供给比较单元，比较单元将在匹配电阻远离晶间管门极的一端与晶闸管阴极端子之间的电压与基准电压进行比较，并将比较结果传送给微处理器。
3.根据权利要求1的装置，其中，微处理器进一步被配置为在至少两次从短路故障特征信号提取单元接收到短路故障特征信号时，判断来自电流传感器的晶闸管阳极电流是否大于或等于晶闸管擎住电流。
4.根据权利要求1的装置，其中，微处理器经由逻辑模块和门极驱动模块供给驱动信号。
5.根据权利要求1的装置，其中，匹配电阻的电阻值为零。
6.根据权利要求1的装置，其还包含隔离单元，该单元被布置在短路故障特征信号提取单元与微处理器之间。
7.根据权利要求1-6中任意一项的装置，其中，所述电路为静态转换开关。
8.一种用于对电路中晶闸管的短路故障进行在线检测的方法，驱动信号经由串联连接的匹配电阻被供到该晶闸管的门极，所述方法的特征在于包含对在匹配电阻远离晶闸管门极的一端与晶闸管阴极端子之间的电压进行采样，在采样得到的电压中提取短路故障特征信号；以及测量晶闸管阳极电流，如果测量得到的阳极电流大于或等于晶闸管擎住电流，判断为晶闸管发生短路故障。
9.根据权利要求8的方法，其中，提取短路故障特征信号的步骤包括至少两次提取出短路故障特征信号。
10.根据权利要求8的方法，其中，匹配电阻的电阻值为零。
11.根据权利要求8-10中任意一项的方法，其中，所述电路为静态转换开关。
全文摘要
本发明涉及对晶闸管短路故障进行在线检测的装置，晶闸管被布置为经由串联连接的匹配电阻在门极上接收来自微处理器的驱动信号并与电流传感器耦合。故障检测装置包含短路故障特征信号提取单元，该单元对在匹配电阻远离晶闸管门极的一端与晶闸管阴极端子之间的电压进行采样，从中提取短路故障特征信号并将之传送给微处理器。电流传感器测量晶闸管阳极电流，并将测量得到的晶闸管阳极电流传送给微处理器。在从短路故障特征信号提取单元接收到短路故障特征信号时，微处理器判断来自电流传感器的晶闸管阳极电流是否大于或等于晶闸管擎住电流，如果是，判断为晶闸管发生短路故障。本发明还涉及用于对电路中晶闸管的短路故障进行在线检测的方法。
文档编号G01R19/165GK102279335SQ20101020486
公开日2011年12月14日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者张波, 李岳辉, 阳岳丰, 顾亦磊 申请人:山特电子(深圳)有限公司