本發(fā)明涉及脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種串聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)中開關(guān)短路故障的指示燈電路，用于解決在串聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)中各級開關(guān)發(fā)生短路時(shí)不能及時(shí)故障定位的問題。

背景技術(shù)：

脈沖功率技術(shù)是將相對較長時(shí)間內(nèi)存儲起來的能量在極短的時(shí)間內(nèi)迅速釋放出來的一門科學(xué)。當(dāng)前，脈沖功率技術(shù)在國防科研項(xiàng)目、高新技術(shù)研究和民用工業(yè)等領(lǐng)域均得到很廣泛的應(yīng)用。在產(chǎn)生高功率脈沖的裝置中，開關(guān)是最重要的部件之一，它起著連接儲能單元與負(fù)載單元的作用。由于半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷過程依靠載流子的轉(zhuǎn)移，無機(jī)械觸點(diǎn)，因此具有可關(guān)斷、高重頻、在耐壓范圍內(nèi)工作電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，近年來在脈沖功率裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，Metal-Oxide-Semiconductor type Field Effect Transistor)和IGBT(絕緣柵雙極性晶體管，Insulated Gate Bipolar Transistors)是現(xiàn)代快脈沖技術(shù)發(fā)展的主力半導(dǎo)體開關(guān)器件。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其工作電壓和工作電流越來越高，截止2016年，單只MOSFET的最大耐壓約為1.2kV，單只IGBT最大耐壓約為6.5kV。

在數(shù)十至上百千伏這樣的高壓脈沖輸出應(yīng)用中，單只的半導(dǎo)體開關(guān)的耐壓遠(yuǎn)不能滿足需求，因此有必要將其進(jìn)行串聯(lián)使用，形成串聯(lián)開關(guān)模塊。若干只開關(guān)串聯(lián)使用時(shí)，可以承受比單只開關(guān)更高的電壓，但必須保證串聯(lián)開關(guān)模塊中每只開關(guān)兩端承受的電壓基本相等。因此，廣泛使用的方法是在每只開關(guān)兩端并聯(lián)阻值相等的靜態(tài)均壓電阻，電阻的阻值遠(yuǎn)大于開關(guān)的等效內(nèi)阻，這樣每只開關(guān)兩端的電壓基本等于靜態(tài)均壓電阻兩端的分壓，可以保證每只開關(guān)兩端電壓基本相等。

但是，在實(shí)際工作時(shí)，由于負(fù)載端反射、回路雜散參數(shù)，或者開關(guān)導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)刻不一致等原因都會導(dǎo)致開關(guān)發(fā)生“過電壓”而擊穿損壞，并且通常表現(xiàn)為“短路”狀態(tài)。如果串聯(lián)開關(guān)中的某一只開關(guān)發(fā)生短路損壞，這一只開關(guān)表現(xiàn)為低阻抗通路狀態(tài)，可能整個(gè)串聯(lián)開關(guān)模塊仍可以正常工作，但剩下的開關(guān)要承受比設(shè)計(jì)值更高的電壓，極易相繼發(fā)生過壓擊穿損壞。

對于由單只IGBT開關(guān)組成的應(yīng)用場合，可以通過多種檢測電路方便地判斷IGBT是否發(fā)生短路故障。但在IGBT串聯(lián)模塊中，由于每一級IGBT基本都是懸浮在高電位工作，并且電位各有差異。例如，在輸出150kV的高壓脈沖應(yīng)用中，如果采用100只開關(guān)串聯(lián)，則每只開關(guān)懸浮電壓從0kV、1.5kV、3.0kV、…，一直持續(xù)到148.5kV，所以必須有100組相互隔離，并且對地電位能達(dá)到相應(yīng)隔離電壓的電源給各級檢測電路供電，而高電壓隔離供電本身就是串聯(lián)開關(guān)組合應(yīng)用中一個(gè)困難的問題。因此那些需要供電才能工作的檢測電路在串聯(lián)開關(guān)模塊應(yīng)用中給系統(tǒng)帶來了極大的復(fù)雜性。為便于維修和使用，并且避免給檢測電路進(jìn)行高耐壓隔離供電，能夠通過目視的方法及早發(fā)現(xiàn)發(fā)生短路故障的半導(dǎo)體開關(guān)是設(shè)計(jì)串聯(lián)開關(guān)模塊中一個(gè)必要輔助功能。

半導(dǎo)體開關(guān)包括、但不限于MOSFET和IGBT，本文以IGBT為例來闡述本

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
不會對發(fā)明內(nèi)容產(chǎn)生影響，因此下文均以IGBT為例來詳細(xì)說明。

《西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)》2012年刊登的論文《IGBT高壓串聯(lián)組件的失效檢測與恢復(fù)策略》提出采用復(fù)雜的邏輯電路判斷IGBT的開路故障，與本發(fā)明檢測短路狀態(tài)不同。通過中國專利局查詢，由浙江大學(xué)申請的專利《一種基于V_CE的IGBT短路保護(hù)自適應(yīng)優(yōu)化單元及方法》，以及由日本株式會社日立制作所申請的專利《功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的保護(hù)裝置以及保護(hù)方法》均是討論負(fù)載短路時(shí)對IGBT的過流保護(hù)，不是檢測IGBT的本身的短路故障。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種通過目視直接判斷串聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)模塊中已經(jīng)發(fā)生了短路故障的開關(guān)的電路及方法。該電路在串聯(lián)開關(guān)模塊每一級原有的靜態(tài)均壓電阻的基礎(chǔ)上，增加一只電阻和一個(gè)發(fā)光二極管，通過觀察發(fā)光二極管是否被點(diǎn)亮來判斷當(dāng)前這一級半導(dǎo)體開關(guān)是否發(fā)生短路故障。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種串聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)短路故障的指示電路，包括若干級串聯(lián)為一體的IGBT開關(guān)，所述每一級IGBT開關(guān)兩端并聯(lián)一個(gè)靜態(tài)均壓電阻，所述每一級IGBT開關(guān)上的靜態(tài)均壓電阻包括一個(gè)串聯(lián)的均壓電阻和輔助均壓電阻，所述輔助均壓電阻的兩端并聯(lián)一個(gè)發(fā)光二極管；

所述輔助均壓電阻兩端的電壓不小于發(fā)光二級管的前向管壓降，均壓電阻的阻值大于輔助均壓電阻的阻值，所述發(fā)光二級管上的電流不大于均壓電阻與輔助均壓電阻的電流差。

在上述技術(shù)方案中，所述每一級IGBT開關(guān)兩端的電壓分壓值相等。

在上述技術(shù)方案中，所每一級IGBT開關(guān)的等效內(nèi)阻的阻值大于靜態(tài)均壓電阻阻值一個(gè)數(shù)量級。

在上述技術(shù)方案中，所述均壓電阻的阻值遠(yuǎn)大于輔助均壓電阻的阻值，所述輔助均壓電阻的阻值不大于0.1倍均壓電阻的阻值。

一種串聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)短路故障的指示電路的故障判斷方法，當(dāng)在串聯(lián)IGBT開關(guān)端施加較低的電壓，確保電壓使得此時(shí)每一級開關(guān)的發(fā)光二極管能被點(diǎn)亮，觀察所有的發(fā)光二極管，如果某一個(gè)發(fā)光二極管沒有被點(diǎn)亮，則可判定這一級對應(yīng)的IGBT開關(guān)發(fā)生了短路故障。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明只需增加一只電阻和一只發(fā)光二極管即可通過目視的方法判斷出串聯(lián)開關(guān)模塊中各級IGBT是否發(fā)生短路故障，電路簡單可靠、無需拆卸電路、無需額外供電，便于在現(xiàn)場快速維修和更換故障器件。

附圖說明

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1是由IGBT半導(dǎo)體開關(guān)及靜態(tài)均壓電阻組成的串聯(lián)開關(guān)模塊電路原理圖；

圖2是本發(fā)明對串聯(lián)開關(guān)模塊中某一級單元的改進(jìn)電路原理圖。

具體實(shí)施方式

串聯(lián)開關(guān)模塊每一級IGBT開關(guān)的集電極和射極通常并聯(lián)一只靜態(tài)均壓電阻；本發(fā)明將靜態(tài)均壓電阻替換為“主均壓電阻”和“輔助均壓電阻”兩只電阻串聯(lián)，并且在輔助均壓電阻的兩端并聯(lián)一只高亮度的發(fā)光二極管(LED)。主均壓電阻的阻值遠(yuǎn)大于另一只輔助均壓電阻，這樣串聯(lián)電阻仍具備靜態(tài)均壓電阻的功能。當(dāng)在串聯(lián)開關(guān)模塊兩端施加一定的測試電壓時(shí)，每一級IGBT均承受相應(yīng)的分壓，如果IGBT功能正常，則LED會被點(diǎn)亮；如果某只IGBT發(fā)生短路故障，則其兩端的電壓分壓基本為零，LED不會被點(diǎn)亮，即可判定它對應(yīng)的這一級IGBT已經(jīng)發(fā)生了短路故障。

圖1是半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián)模塊的原理圖。串聯(lián)開關(guān)模塊由n級組成，分別為編號為1、2、3、…、n。每一級為一個(gè)基本單元，如虛線方框內(nèi)所示?；締卧捎|發(fā)電路Vi、半導(dǎo)體開關(guān)Qi和靜態(tài)均壓電阻Ri組成，其中i為第i級單元的編號。半導(dǎo)體開關(guān)的等效內(nèi)阻由它的工作電壓與漏電流的比值決定，一般情況下為數(shù)十至上百M(fèi)Ω。為實(shí)現(xiàn)各級IGBT兩端的分壓值基本相等，靜態(tài)均壓電阻一般可比等效內(nèi)阻小一個(gè)數(shù)量級，這樣IGBT兩端的分壓值就主要由靜態(tài)均壓電阻決定。各級單元的靜態(tài)均壓電阻選用相同的阻值，保證各級IGBT的分壓值基本相同，防止分壓不均勻?qū)е履承㊣GBT過壓擊穿。

圖2是本發(fā)明對串聯(lián)開關(guān)模塊中某一級單元的改進(jìn)電路原理圖，串聯(lián)開關(guān)模塊中其它各單元的改進(jìn)方法與此完全相同的。

如果開關(guān)Q沒有發(fā)生短路故障，在其兩端逐漸增加一定的電壓進(jìn)行觀察。設(shè)開關(guān)Q兩端的電壓為U_Q、電阻R_b兩端的電壓為U_D、發(fā)光二極管LED導(dǎo)通發(fā)光時(shí)前向管壓降為U_F，當(dāng)U_D＜U_F時(shí)，發(fā)光二極管不亮，可以把LED看作開路狀態(tài)，此時(shí)滿足公式(1)。

$U_D=\frac{R_b}{R_a+R_b}{U}_Q\mathrm{...}\left(1\right)$

隨著U_Q的增加，U_D也在增加，當(dāng)U_D≥U_F后，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，兩端的電壓被箝位在U_F并且基本保持不變。

如果串聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)中某一單元或某幾級單元的開關(guān)發(fā)生了短路故障，發(fā)生故障的開關(guān)等效電阻基本為0，兩端的電壓基本為0，不會隨串聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)模塊兩端的電壓而變化。因此，對應(yīng)單元的LED不會被點(diǎn)亮。

因此，判斷發(fā)生短路故障的開關(guān)的方法是：在串聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)模塊兩端施加較低的電壓，保證此時(shí)正常單元的LED能被點(diǎn)亮。觀察所有的LED燈，如果某些LED沒有被點(diǎn)亮，則可判定這些單元對應(yīng)的半導(dǎo)體開關(guān)發(fā)生了短路故障。

每級單元元器件參數(shù)的選取方法如下：在n級串聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)模塊兩端施加測試電壓U_M、并且U_M不能超過單只開關(guān)的最大耐壓，以防止損壞開關(guān)。如果某一級開關(guān)正常，則其分得的電壓至少為U_M/n。當(dāng)滿足公式(2)時(shí)，即電阻R_b兩端的電壓大于等于LED前向管壓降U_F時(shí)，正常狀態(tài)單元的LED燈才會被點(diǎn)亮。

$\frac{R_b}{R_a+R_b}\·\frac{U_M}{n}\≥U_F\mathrm{...}\left(2\right)$

如果眼睛能夠觀察到LED發(fā)光需要流過LED的最小電流為I_F，則必須滿足式(3)。

$\frac{\frac{U_M}{n}-U_F}{R_a}-\frac{U_F}{R_b}\≥I_F\mathrm{...}\left(3\right)$

由于需要R_b＜＜R_a，工程上可按公式(4)選取。

R_b≤0.1R_a……………………………………………(4)

當(dāng)同時(shí)滿足式(2)、(3)、(4)時(shí)，正常單元的LED會被點(diǎn)亮，IGBT短路單元的LED不會被點(diǎn)亮。

舉例說明：根據(jù)半導(dǎo)體開關(guān)的特性，如果設(shè)計(jì)中選擇靜態(tài)均壓電阻的阻值約為2MΩ，由于R_b＜＜R_a則可認(rèn)為R_a＝2MΩ；如果串聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)模塊共有n＝8級、兩端施加的電壓U_M＝1000V；發(fā)光二極管導(dǎo)通的前向壓降U_F＝1.6V、可觀察到發(fā)光的最小電流I_F＝40μA；則根據(jù)公式(2)、(3)、(4)可計(jì)算出71kΩ≤R_b≤200kΩ。在設(shè)計(jì)電路的過程中，可綜合考慮各項(xiàng)參數(shù)，使之滿足上述條件。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。