一种晶闸管结温在线检测系统及检测方法

1.本发明涉及电力电子器件检测技术领域，特别涉及一种晶闸管结温在线检测系统及检测方法。


背景技术：

2.晶闸管是目前耐压水平最高、输出容量最大的电力电子器件，同时具有正向和反向电压阻断能力，被广泛的应用在柔性高压直流输电领域，是高压直流输电工程中的核心元件，在当前的大容量高压直流输电工程中，绝大多数采用晶闸管换流阀。
3.据工业调查显示，在功率变换器系统中，功率半导体器件的失效率高达21％，并且在其失效原因分析中发现，因温度引起的半导体器件失效占比55％。在电力电子装置中，功率器件的工作结温是最重要的参数，功率器件的工作结温每升高10℃，其使用寿命就会减少一半。为此，实现晶闸管工作结温的在线监测，对晶闸管换流阀乃至整个高压直流输电系统具有重要意义。
4.高压大容量晶闸管通常采用压接式的封装结构，由于其独特的封装结构，目前其结温监测方法主要有红外测温仪法、热阻抗模型法以及数学计算法等。其中红外测温仪法存在较大的测量误差，只能粗略的检测晶闸管的结温，而不能准确地测得结温进行晶闸管的过负荷能力分析；热阻抗模型法的难点在于晶闸管热网络模型的准确建立，同时还需要测量晶闸管的壳温进行反推结温，当热网络模型或壳温测量存在误差时，会导致结温计算结果与真实值有较大偏差；数学计算法是根据传热学中热量传递的基本规律来计算晶闸管结温的方法，虽然计算精度高，但是计算过程复杂、成本高。高压大容量晶闸管在实际运行工作中，往往在高压、大电流的环境下开通和关断，对其在线检测技术提出较高了要求，所以如何实现高压大容量晶闸管的工作结温在线检测充满挑战。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种晶闸管结温在线检测系统及检测方法。本发明可以实时检测晶闸管工作结温，具有较高的精度和分辨率。
6.本发明的技术方案：一种晶闸管结温在线检测系统，包括主电路单元，与晶闸管相连，用于为晶闸管提供直流母线电压和导通电流；
7.驱动单元，与晶闸管相连，用于控制晶闸管的导通过程；
8.温控单元，用于调控晶闸管在结温标定和实际工作中的环境温度；
9.采样单元，与主电路单元和温控单元连接；
10.结温检测单元，存储有数据库和函数模型，与采样单元、驱动单元和晶闸管相连。
11.上述的晶闸管结温在线检测系统，所述的主电路单元包括直流电压源v、二极管d、储能电容c、限流电阻r2、继电器s、泄放电阻r1和同轴电阻r；所述直流电压源v的正极与二极管d的阳极相连，二极管d的阴极与储能电容c的一端、继电器s的一端以及限流电阻r2一端相连；所述继电器s的另一端和泄放电阻r1的一端相连；所述限流电阻r2的另一端与晶闸管
阳极相连，晶闸管阴极与同轴电阻r相连；所述储能电容c的、泄放电阻r1以及同轴电阻r与直流电压源v的阴极相连。
12.前述的晶闸管结温在线检测系统，所述驱动单元包括晶闸管的驱动电路和供电直流电源；其中，晶闸管的驱动电路为晶闸管由关断状态变为导通状态提供所需的驱动电流；供电直流电源为晶闸管的驱动电路正常工作提供所需的工作电压。
13.前述的晶闸管结温在线检测系统，所述结温检测单元包括晶闸管门极电压测量模块和结温计算模块，所述晶闸管门极电压测量模块用于测量晶闸管由关断状态切换至导通状态过程中的门极和阴极两端之间的电压；所述结温计算模块内存有各种运行工况下有关于直流母线电压、晶闸管导通电流、驱动电流、晶闸管的工作结温以及晶闸管门极和阴极两端之间的电压的数据表格和函数模型。
14.前述的晶闸管结温在线检测系统，所述的晶闸管门极电压测量模块包括电阻r0、电阻r3、电阻r4、电阻r
es
、二极管d1、二极管d2、二极管d3、电容c0、运算放大器u1、稳压芯片u2、信号mosfet s0；所述二极管d2的阴极连接晶闸管的门极，二极管d2的阳极连接二极管d1的阴极和二极管d3的阳极；所述二极管d1的阴极和二极管d3的阳极连接运算放大器u1的同相输入端；所述二极管d1的阳极和二极管d3的阴极连接在电阻r3和电阻r
es
之间；所述电阻r3的另一端连接电阻r4的一端和运算放大器u1的反相输入端；所述电阻r4的另一端连接在运算放大器u1的输出端和电阻r0之间；所述电阻r0的一端连接电容c0；所述电容c0的另一端连接晶闸管的阴极；所述信号mosfet s0的漏极连接供电端，信号mosfet s0的源极连接稳压芯片u2的输入端；所述稳压芯片u2的调节端连接电阻r
es
的一端，稳压芯片u2的输出端连接电阻r
es
的另一端。
15.前述的晶闸管结温在线检测系统，所述的结温计算模块通过数字信号处理或现场可编程门阵列实现。
16.前述的晶闸管结温在线检测系统的检测方法，包括以下步骤：
17.步骤1、由采样单元采集晶闸管的直流母线电压v
dc
、晶闸管导通电流i
ak
、驱动电流ig，由结温检测单元采集晶闸管门极电压v
gk
；
18.步骤2、根据直流母线电压v
dc
、晶闸管导通电流i
ak
、驱动电流ig以及晶闸管门极电压v
gk
，通过查询数据库或函数模型计算反推得到晶闸管的工作结温。
19.前述的晶闸管结温在线检测系统的检测方法，所述数据库和函数模型的建立包括如下步骤：
20.步骤2.1、在晶闸管规定的额定电流范围内，以δi为间隔，选取n个晶闸管导通电流值，即i
ak-n
×
δi到i
ak
；
21.步骤2.2、在晶闸管规定的额定电压范围内，以δu为间隔，选取m个直流母线电压值，即v
dc-m
×
δu到v
dc
；
22.步骤2.3、在晶闸管规定的触发电流范围内，以δig为间隔，选取k个驱动电流值，即i
ak-k
×
δig到ig；
23.步骤2.4、在晶闸管规定的结温范围内，以δt为间隔，选取p个工作温度值，即t
jmax-p
×
δt到t
jmax
；
24.步骤2.5、在步骤2.1-步骤2.4中选定的晶闸管导通电流值、直流母线电压值、驱动电流值和工作温度值的范围内，选择一组参数进行标定实验；
25.步骤2.6、采用遍历实验法，依次对各规定范围内的参数进行结温标定实验，测量晶闸管门极电压v
gk
；
26.步骤2.7、通过标定实验，得到n
×m×k×
p个数据点，最终得到u
ak-i
ak-i
g-t
j-v
gk
数据库和函数模型。
27.前述的晶闸管结温在线检测系统的检测方法，所述晶闸管门极电压表示为：
[0028]vgk
＝uf ur；
[0029]
式中：uf表示为晶闸管内部pn结的正向电压；ur表示为晶闸管的下管壳等效电阻上的电压。
[0030]
与现有技术相比，本发明提供了一种晶闸管结温在线检测系统，该在线检测系统包括主电路单元、驱动单元、温控单元、采样单元和结温检测单元，本发明的主电路单元用于为晶闸管提供直流母线电压和导通电流，驱动单元用于控制晶闸管的导通过程，温控单元用于调控晶闸管在结温标定和实际工作中的环境温度，采样单元通过与主电路单元和温控单元连接用于数据的采集，而结温检测单元通过存储有数据库和函数模型，并接受采样单元的数据以及自身采集的晶闸管门极电压，从而通过查询数据库或由函数模型计算得到相应的工作结温，本发明利用了晶闸管内部门极和阴极之间pn结的结构，利用pn结的正向导通压降与pn结温度之间近似线性关系，通过测量晶闸管的门极电压来得到晶闸管的工作结温，这种方式更加的方便和简单，而且具有较好的计算精度和分辨率。
附图说明
[0031]
图1是本发明的检测系统电路示意图；
[0032]
图2是晶闸管门极电压测量模块的电路示意图；
[0033]
图3是晶闸管内部的示意图；
[0034]
图4是晶闸管压接式封装内部结构示意图；
[0035]
图5是晶闸管压接式封装内部结构的等效电路图；
[0036]
图6是本发明的检测方法步骤流程图；
[0037]
图7是数据库和函数模型的建立步骤流程图；
[0038]
图8是晶闸管导通过程中的门极电压的波形示意图；
[0039]
图9是晶闸管工作结温与门极电压之间的关系图。
具体实施方式
[0040]
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0041]
实施例：一种晶闸管结温在线检测系统，如图1所示，包括主电路单元，与晶闸管相连，用于为晶闸管提供直流母线电压和导通电流；所述的主电路单元包括直流电压源v、二极管d、储能电容c、限流电阻r2、继电器s、泄放电阻r1和同轴电阻r；所述直流电压源v的正极与二极管d的阳极相连，二极管d的阴极与储能电容c的一端、继电器s的一端以及限流电阻r2一端相连；所述继电器s的另一端和泄放电阻r1的一端相连；所述限流电阻r2的另一端与晶闸管阳极相连，晶闸管阴极与同轴电阻r相连；所述储能电容c的、泄放电阻r1以及同轴电阻r与直流电压源v的阴极相连。
[0042]
驱动单元，与晶闸管相连，用于控制晶闸管的导通过程；所述驱动单元包括晶闸管
的驱动电路和供电直流电源；其中，晶闸管的驱动电路为晶闸管由关断状态变为导通状态提供所需的驱动电流；供电直流电源为晶闸管的驱动电路正常工作提供所需的工作电压。
[0043]
温控单元，用于调控晶闸管在结温标定和实际工作中的环境温度；
[0044]
采样单元，与主电路单元和温控单元连接；采样单元采集晶闸管的直流母线电压v
dc
、晶闸管导通电流i
ak
和驱动电流ig；同时温控单元的控制温度t以及晶闸管的工作结温也由采样单元采集；
[0045]
结温检测单元，存储有数据库和函数模型，与采样单元、驱动单元和晶闸管相连。所述结温检测单元包括晶闸管门极电压测量模块和结温计算模块，所述晶闸管门极电压测量模块用于测量晶闸管由关断状态切换至导通状态过程中的门极和阴极两端之间的电压；所述结温计算模块内存有各种运行工况下有关于直流母线电压、晶闸管导通电流、驱动电流、晶闸管的工作结温以及晶闸管门极和阴极两端之间的电压的数据表格和函数模型。所述的结温计算模块通过数字信号处理或现场可编程门阵列实现。
[0046]
如图2所示，所述的晶闸管门极电压测量模块包括电阻r0、电阻r3、电阻r4、电阻r
es
、二极管d1、二极管d2、二极管d3、电容c0、运算放大器u1、稳压芯片u2、信号mosfet s0；所述二极管d2的阴极连接晶闸管的门极，二极管d2的阳极连接二极管d1的阴极和二极管d3的阳极；所述二极管d1的阴极和二极管d3的阳极连接运算放大器u1的同相输入端；所述二极管d1的阳极和二极管d3的阴极连接在电阻r3和电阻r
es
之间；所述电阻r3的另一端连接电阻r4的一端和运算放大器u1的反相输入端；所述电阻r4的另一端连接在运算放大器u1的输出端和电阻r0之间；所述电阻r0的一端连接电容c0；所述电容c0的另一端连接晶闸管的阴极；所述信号mosfet s0的漏极连接供电端，信号mosfet s0的源极连接稳压芯片u2的输入端；所述稳压芯片u2的调节端连接电阻r
es
的一端，稳压芯片u2的输出端连接电阻r
es
的另一端。
[0047]
基于以上晶闸管结温在线检测系统，由于晶闸管内部是一个p-n-p-n的结构，如图3所示，门极和阴极之间就是一个pn结的结构，本发明提出的结温检测方法就是利用pn结的正向导通压降与pn结温度之间近似线性关系，通过测量晶闸管的门极电压来得到晶闸管的工作结温。原理如下：
[0048]
对于一个理想的pn结而言，正向电流if和正向电压uf的关系为：
[0049][0050]
式中：is为pn结反向饱和电流，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷的绝对值，t为绝对温度；
[0051]
由(1)式可知，正向电流密度j与正向电压uf的关系为：
[0052][0053]
式中：js为pn结反向饱和电流密度；
[0054]
通过对(2)式两端同时取对数，得到正向电压uf的表达式为：
[0055][0056]
由于正向电流密度远远大于反向饱和电流密度，即j＞＞js，所以(3)式可以化简为：
[0057][0058]
pn结反向饱和电流密度的函数表达式为：
[0059][0060]
式中：ni为本征浓度，d
p
为p区扩散系数，l
p
为扩散宽度，nd为n区掺杂浓度；
[0061]
半导体本征浓度的函数表达式为：
[0062][0063]
式中：nc、nv为导带、价带的态密度，eg为半导体的禁带宽度；
[0064]
将(5)(6)式代入到(4)式中可以得到：
[0065][0066]
由(7)式可知，在pn结正向电流一定的情况下，pn结的正向压降与结温之间存在一定关系；
[0067]
半导体的禁带宽度函数表达式为：
[0068][0069]
式中：eg(0)、α、β为半导体材料参数；
[0070]
对(8)式两端同时对温度t求导得到：
[0071][0072]
对(8)式两端同时对温度t继续求导得到：
[0073][0074]
由于晶闸管芯片是硅基半导体芯片，带入硅半导体材料在t＝300k情况下的参数得到：
[0075]e′g|
t＝300k
＝-2.55
×
10-4
ev；
ꢀꢀ
(11)
[0076]e″g|
t＝300k
＝-4.37
×
10-7
ev；
ꢀꢀ
(12)
[0077]
由(11)(12)式可知，禁带宽度近似为一个常数；
[0078]
根据半导体材料可知，nc、nv、d
p
和l
p
∝
t
∝
，所以则有：
[0079][0080]
式中，γ为非常小的常数；
[0081]
通过对(13)式在t＝300k情况下求导得到：
[0082]
(γtlnt)
′
|
t＝300k
＝6.7γ；
ꢀꢀ
(14)
[0083][0084]
由上式可知，在pn结正向电流一定的情况下，pn结正向电压与温度t近似线性关系；
[0085]
结合晶闸管压接式封装内部结构(如图4所示，等效电路图如图5所示)可知，在晶
闸管芯片的阴极下方有一个厚度较大的圆柱形铜凸台(下管壳)，所以实际的晶闸管门极电压v
gk
为：
[0086]vgk
＝uf ur；
ꢀꢀ
(16)
[0087]
式中：ur为铜凸台(下管壳)等效电阻r
sk
上的电压；
[0088]
铜材料的电阻率表达式为：
[0089]
ρ＝ρ0(1 at)；
ꢀꢀ
(17)
[0090]
式中：ρ0是铜在0℃时的电阻率，a是电阻温度系数，t是摄氏温度；
[0091]
由(17)式可知，铜的电阻率随温度近似线性变化；
[0092]
可见晶闸管门极电压v
gk
随晶闸管的工作温度增加而近似线性变化。
[0093]
进一步地，基于以上检测系统和工作原理，如图6所示，本实施例提供的检测方法包括如下步骤：
[0094]
步骤1、由采样单元采集晶闸管的直流母线电压v
dc
、晶闸管导通电流i
ak
、驱动电流ig，由结温检测单元采集晶闸管门极电压v
gk
；
[0095]
步骤2、根据直流母线电压v
dc
、晶闸管导通电流i
ak
、驱动电流ig以及晶闸管门极电压v
gk
，通过查询数据库或函数模型计算反推得到晶闸管的工作结温。
[0096]
其中，如图7所示，所述数据库和函数模型的建立包括如下步骤：
[0097]
步骤2.1、在晶闸管规定的额定电流范围内，以δi为间隔，选取n个晶闸管导通电流值，即i
ak-n
×
δi到i
ak
；
[0098]
步骤2.2、在晶闸管规定的额定电压范围内，以δu为间隔，选取m个直流母线电压值，即v
dc-m
×
δu到v
dc
；
[0099]
步骤2.3、在晶闸管规定的触发电流范围内，以δig为间隔，选取k个驱动电流值，即i
ak-k
×
δig到ig；
[0100]
步骤2.4、在晶闸管规定的结温范围内，以δt为间隔，选取p个工作温度值，即t
jmax-p
×
δt到t
jmax
；
[0101]
步骤2.5、在步骤2.1-步骤2.4中选定的晶闸管导通电流值、直流母线电压值、驱动电流值和工作温度值的范围内，选择一组参数进行标定实验；
[0102]
步骤2.6、采用遍历实验法，依次对各规定范围内的参数进行结温标定实验，测量晶闸管门极电压v
gk
；
[0103]
步骤2.7、通过标定实验，得到n
×m×k×
p个数据点，最终得到u
ak-i
ak-i
g-t
j-v
gk
数据库和函数模型。
[0104]
经过实验，导通过程中的门极电压v
gk
的波形示意图如图8所示，晶闸管工作结温与门极电压之间的关系如图9所示。图8表现出了晶闸管在电压、电流相同温度不同情况下，导通过程中的门极电压vgk的波形。图9表现出了电压相同电流不同的情况下，晶闸管工作结温与门极电压v
gk
的关系图。从图8和图9可以验证本发明提出的结温检测方法，利用pn结的正向导通压降与pn结温度之间的近似线性关系，通过测量晶闸管的门极电压v
gk
可以得到晶闸管的具有一定精度和分辨度的工作结温，而且更加的方便和简单。
[0105]
综上所述，本发明提供了一种晶闸管结温在线检测系统，该在线检测系统包括主电路单元、驱动单元、温控单元、采样单元和结温检测单元，本发明的主电路单元用于为晶闸管提供直流母线电压和导通电流，驱动单元用于控制晶闸管的导通过程，温控单元用于
调控晶闸管在结温标定和实际工作中的环境温度，采样单元通过与主电路单元和温控单元连接用于数据的采集，而结温检测单元通过存储有数据库和函数模型，并接受采样单元的数据以及自身采集的晶闸管门极电压，从而通过查询数据库或由函数模型计算得到相应的工作结温。本发明可以实时检测晶闸管工作结温，具有较高的精度和分辨率。