一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法及装置

技术领域

本发明涉及电力电子与高压测量技术领域，特别涉及一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法及装置。

背景技术

门极换流晶闸管具有阻断电压高、通流能力强、导通压降低等特点，在直流电网、机车牵引及冶炼化工等领域有广阔的应用前景。门极换流晶闸管是一种电流控制型器件，门极驱动电路较为复杂。通常将门极换流晶闸管与其驱动电路集成到一起，构成集成门极换流晶闸管(IGCT)。集成门极换流晶闸管除了晶闸管芯片外，还包含数量众多的电子元器件，这在一定程度上制约了该类型器件的可靠性水平。为了实现器件的长期安全可靠运行，需要对其自身的关键特征参量进行实时状态监测。

在集成门极换流晶闸管中，门极电压是反映器件自身状态的重要特征参量，对器件结温预测、换流特性评估，甚至老化、失效都有直接的参考价值。工程应用中，对门极电压的测量精度有较高要求，如在器件结温预测等场合，通常要达到毫伏，甚至百微伏量级，才能对实际应用有参考价值。在线测量时，还要求响应时间快，至少达到微秒量级。由于集成门极换流晶闸管通常工作在高压、大电流工况，并且时刻处在高速开/关切换状态，自身及所在空间电磁干扰相当严重，实现在线准确测量门极电压难度极大。

针对门极电压测量，通常的处理方式是先采用分压器分压，再引入ADC测量。这种方式的主要缺点是：由于导通时的电压较低(～0.6V)，分压后直接采样(假设分压比设置为8，则导通时为0.075V，关断时为2.5V)，则导通时的电压将无法充分利用ADC的量程，进而导致很大的测量误差。通常情况下，还需考虑实际工况中的强电磁干扰问题，因此这种方式仅能实现数十毫伏量级的测量精度。此外，针对在线测量时对响应时间的要求，目前尚缺乏完善的处理手段。

综上所述，集成门极换流晶闸管门极电压是反映器件自身状态的重要特征参量，但目前尚缺乏实时、准确的在线测量方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法及装置，为了解决集成门极换流晶闸管门极电压实时、准确的在线测量难题。

第一方面，本发明提供了一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置，包括：集成门极换流晶闸管、同步控制模块、差分放大模块、延时控制模块，以及采样保持和AD采样模块；

集成门极换流晶闸管的门极G通过电阻R

同步控制模块第一输入端连接模拟开关Q

模拟开关Q

差分放大模块输出端连接采样保持和AD采样模块第一输入端，延时控制模块输出端连接采样保持和AD采样模块第二输入端。

进一步的，差分放大模块第一输入端经过并联的电容C

差分放大器引脚1经过并联的电容C

差分放大器引脚5经过电阻R

进一步的，采样保持和AD采样模块的第一输入端连接采样保持器引脚2；采样保持器接地引脚接地；

采样保持和AD采样模块的第二输入端连接采样保持器引脚7；

采样保持器引脚8连接模拟数字转换器第一输入端，采样保持器引脚7连接模拟数字转换器第二输入端。

进一步的，延时控制模块输入端连接单稳态触发器引脚10；单稳态触发器引脚5作为延时控制模块输出端；

电容C

进一步的，同步控制模块第一输入端经过电阻R

比较器引脚1和引脚3之间并联有电阻R

比较器引脚4经过电阻R

缓冲驱动器输出端经过非门后作为同步控制模块输出端v

第二方面，本发明提供了一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法，采用上述的一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置；

通过同步控制模块控制延时控制模块，通过延时控制模块控制采样保持和AD采样模块；

模拟开关Q

本发明至少具备以下有益效果：

本发明采用模拟开关，差分放大电路以及AD采样电路，配合采样触发控制和高速采样保持电路，实现对门极电压的实时、准确测量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例门极电压在线测量实现电路；

图2为同步控制模块和延时控制模块的时序图；

图3为延时控制模块与差分放大模块输出v

图4为差分放大模块电路；

图5为采样保持和AD采样模块的电路图；

图6为延时控制模块的电路图；

图7为同步控制模块电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，集成门极换流晶闸管门极电压是反映器件自身状态的重要特征参量，但目前尚缺乏实时、准确的在线测量方法。

本发明本发明针对集成门极换流晶闸管门极电压的准确测量难题，提出了解决该问题的两种措施：一是在高速模拟开关的配合下，阻断IGCT器件关断期间施加于门极的负20V电压，仅使器件导通时的待测微弱信号进入放大电路，经放大处理后进入后续采样电路，这样就可以充分利用ADC芯片的量程，提高转换精度；二是在器件导通瞬间，在同步信号控制下实施高速采样保持和多次高速采样，进一步提升特定时刻门极电压的测量准确度。由于所选器件均为高速器件，在实现准确测量的同时，还可以在一定程度上保证测量的实时性。

第一方面，本发明提供了一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置，包括：集成门极换流晶闸管、同步控制模块、差分放大模块、延时控制模块，以及采样保持和AD采样模块；

集成门极换流晶闸管的门极G通过电阻R

同步控制模块第一输入端连接模拟开关Q

模拟开关Q

差分放大模块输出端连接采样保持和AD采样模块第一输入端，延时控制模块输出端连接采样保持和AD采样模块第二输入端。

本实施例中，差分放大模块第一输入端经过并联的电容C

差分放大器引脚1经过并联的电容C

差分放大器引脚5经过电阻R

本实施例中，采样保持和AD采样模块的第一输入端连接采样保持器引脚2；采样保持器接地引脚接地；

采样保持和AD采样模块的第二输入端连接采样保持器引脚7；

采样保持器引脚8连接模拟数字转换器第一输入端，采样保持器引脚7连接模拟数字转换器第二输入端。

本实施例中，延时控制模块输入端连接单稳态触发器引脚10；单稳态触发器引脚5作为延时控制模块输出端；

电容C

本实施例中，同步控制模块第一输入端经过电阻R

比较器引脚1和引脚3之间并联有电阻R

比较器引脚4经过电阻R

缓冲驱动器输出端经过非门后作为同步控制模块输出端v

具体实施时，反向并联的二极管D

第二方面，本发明提供了一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法，采用上述的一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置；

通过同步控制模块控制延时控制模块，通过延时控制模块控制采样保持和AD采样模块；

模拟开关Q

具体实施时，图1中的G和K分别对应IGCT的门极和阴极，门极电压即G和K之间的电压。将G和K分别通过R

为使本领域的技术人员能更好的理解本发明，结合附图对本发明的原理阐述如下：

本发明针对集成门极换流晶闸管门极电压的准确测量难题，提出了解决该问题的两种措施：一是在高速模拟开关的配合下，阻断IGCT器件关断期间施加于门极的负20V电压，仅使器件导通时的待测微弱信号进入放大电路，经放大处理后进入后续采样电路，这样就可以充分利用ADC芯片的量程，提高转换精度；二是在器件导通瞬间，在同步信号控制下实施高速采样保持和多次高速采样，进一步提升特定时刻门极电压的测量准确度。由于所选器件均为高速器件，在实现准确测量的同时，还可以在一定程度上保证测量的实时性。

图1为门极电压在线测量实现电路。其中，Q

图1中的G和K分别对应IGCT的门极和阴极，门极电压即G和K之间的电压。将G和K分别通过R

同步控制模块和延时控制模块的时序如图2所示。

图2中，v

设置持续时间Δt

图3中的v

图4为图1中差分放大模块的实现电路。A

图5为采样保持和AD采样模块的电路图。图中，A

图6为延时控制模块的电路图，输入来自v

图7为同步控制模块的实现电路图。门极电压通过图1中的R

图中A

使用本发明的方法，门极电压测量可达到百微伏量级。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。