CN112147427A - 功率模块的故障检测方法及故障检测电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种功率模块的故障检测方法及故障检测电路。该功率模块的故障检测方法包括：控制第一检测电路中的第一开关单元在第一时刻关断，控制功率模块中的第一功率单元在不早于第一时刻的第二时刻导通，使第一功率单元提供的充电电流在第一功率单元的开通暂态过程中对第一检测电路中的第一充放电单元进行充电；采集第一充放电单元的充电电压，根据第一充放电单元的充电电压，确定第一功率单元的开通暂态过程中第一功率单元的辅助端子和功率端子之间的第一电压差；根据第一电压差判断第一功率单元是否存在故障。

Description

功率模块的故障检测方法及故障检测电路

技术领域

本申请涉及功率模块技术领域，具体而言，本申请涉及一种功率模块的故障检测方法及故障检测电路。

背景技术

随着风力发电机组容量的不断提升，风电变流器系统的功率也越来越大。在低压风电变流器领域，一般通过功率器件的并联应用来实现风电变流器容量的扩展。

在功率器件的并联应用中，当其中一个功率器件不受PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)脉冲控制时，无法正常工作(表现为无法正常导通)，剩余的功率器件仍然正常工作，此时通过功率器件的电流重新分配。不受控制的功率器件不工作，不导通电流，受控制的功率器件平均分配总的电流，当受控制的功率器件的平均分配电流超出单个功率器件的设计电流后，功率器件会发生过温现象。

在功率器件的并联应用过程中，需要对功率器件是否受控制进行识别，以判断功率器件的故障情况。由于并联功率器件的功率端子直接并联在一起，并联端子的电压保持一致，因而无法通过电压不同来识别不受控制的功率器件。

若在并联功率器件的每个AC(Alternating Current，交流)输出端子分别增加电流采样及处理装置，通过控制器的处理判断，可以分析出不受控制的功率器件，但需要的电流采样及处理装置的数量过多，对于变流器的成本以及可靠性都会带来影响。

发明内容

本申请针对现有方式的缺点，提出一种功率模块的故障检测方法及故障检测电路，用以解决现有技术无法可靠地进行故障检测的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种功率模块的故障检测方法，包括：

控制第一检测电路中的第一开关单元在第一时刻关断，控制功率模块中的第一功率单元在不早于第一时刻的第二时刻导通，使第一功率单元提供的充电电流在第一功率单元的开通暂态过程中对第一检测电路中的第一充放电单元进行充电；

采集第一充放电单元的充电电压，根据第一充放电单元的充电电压，确定第一功率单元的开通暂态过程中第一功率单元的辅助端子和功率端子之间的第一电压差；

根据第一电压差判断第一功率单元是否存在故障。

第二方面，本申请实施例提供了一种功率模块的故障检测电路，包括控制电路和第一检测电路；

第一检测电路包括：第一开关单元、第一充放电单元和第一单向导通单元；

控制电路的第一控制端、第二控制端分别与功率模块中第一功率单元的控制端、第一开关单元的控制端电连接；

第一开关单元的第一端、第二端分别与第一充放电单元的第一端、第二端电连接；

第一充放电单元的第三端与第一功率单元的功率端子电连接；

第一单向导通单元的第一端、第二端分别与第一功率单元的辅助端子、第一充放电单元的第一端电连接；

控制电路用于：控制第一检测电路中的第一开关单元在第一时刻关断，控制功率模块中的第一功率单元在不早于第一时刻的第二时刻导通，使第一功率单元提供的充电电流在第一功率单元的开通暂态过程中对第一检测电路中的第一充放电单元进行充电；采集第一充放电单元的充电电压，根据第一充放电单元的充电电压，确定第一功率单元的开通暂态过程中第一功率单元的辅助端子和功率端子之间的第一电压差；根据第一电压差判断第一功率单元是否存在故障。

本申请实施例提供的技术方案，至少具有如下有益效果：

通过在第一功率单元的辅助端子和功率端子之间设置控制电路和第一检测电路，控制功率单元和检测电路中的第一开关单元的通断，可实现对开通暂态过程中第一功率单元的辅助端子和功率端子之间的电势差的快速检测，基于该电势差可快速、准确地判断第一功率单元是否受控，从而快速、准确地识别出第一功率单元的故障，提高故障检测的可靠性。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有的一种功率单元并联的电气原理示意图；

图2为本申请实施例提供的一种功率模块的故障检测电路的电气原理示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种功率模块的故障检测电路的电气原理示意图；

图4为本申请实施例提供的又一种功率模块的故障检测电路的电气原理示意图；

图5为本申请实施例提供的功率模块的故障检测电路所适用的一种三电平的功率模块的电气原理示意图；

图6为本申请实施例提供的一种功率模块的故障检测方法的流程示意图；

图7为本申请实施例提供的另一种功率模块的故障检测方法的流程示意图；

图8为本申请实施例提供的又一种功率模块的故障检测方法的部分流程示意图；

图9为本申请实施例提供的再一种功率模块的故障检测方法的部分流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请，本申请实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

图1示出了一种功率单元并联的电气示意图，以IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)为例，图1所示的电气结构包括连接于DC+(DirectCurrent+，正直流母线)和DC-(Direct Current-，负直流母线)之间的功率单元T1、T2、T3和T4(分别包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT)，其中T1和T2并联，T3和T4并联。T1至T4的交流输出端均并联到AC交流端子，T1的功率端子Co1(第一IGBT的集电极)和T2的功率端子Co2(第二IGBT的集电极)并联后连接至DC+母排上，T1的功率端子E1(第一IGBT的发射极)和T2的功率端子E2(第二IGBT的发射极)并联后连接至AC交流端子；图1中的T1和T2还分别包括控制端G1(第一IGBT的栅极)和控制端G2(第二IGBT的栅极)。

本申请的发明人进行研究发现，由于IGBT的内部特性，图1的辅助端子e1(第一IGBT的辅助发射极)和功率端子E1(第一IGBT的发射极)之间存在杂散电感(如图1中T1部分的电感符号所示的等效电感)，同样辅助端子e2(第二IGBT的辅助发射极)和功率端子E2(第二IGBT的发射极)之间也存在杂散电感。当IGBT处于开通稳态时，杂散电感的影响基本可忽略，e1电位等于E1电位，e2电位等于E2电位；当功率单元处于开通暂态时，受杂散电感的影响，e1电位不等于E1电位，e2电位不等于E2电位。

在IGBT开通瞬间的暂态过程中，IGBT的电流变化率di/dt一般可以达到3A/ns(安/纳秒)以上，IGBT内部的杂散电感L一般大于5nH(纳亨)，则e1和E1之间的电势差最少可以达到L×di/dt＝(3A/us)×(5nH)＝15V，e2和E2同理；在IGBT的开通稳态过程中，可以认为e1和E1之间的电势差约为0V(实际上e1和E1之间存在引线电阻，稳态情况下的电势差大约在0.3V～0.7V之间)。

然而IGBT的开通暂态过程的持续时间较短，一般在100ns以下，开通暂态过程之后迅速进入了开通稳态阶段，很难直接在暂态过程中进行e1和E1之间电势差的检测。

现有的增加电流采样及处理装置的检测方法对于均流性的要求非常高，在每个AC输出端子增加电流采样及处理装置需要额外增加一段AC交流铜排，会极大的影响并联的均流设计。

本申请提供的功率模块的故障检测方法及故障检测电路，可对开通暂态过程中的e1和E1之间的电势差进行检测，进而实现检测功率模块故障的目的。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

本申请实施例提供了一种功率模块的故障检测电路，如图2所示，该故障检测电路包括：控制电路201和第一检测电路202，第一检测电路202包括第一开关单元、第一充放电单元和第一单向导通单元。

控制电路201的第一控制端、第二控制端分别与功率模块中第一功率单元T1的控制端、第一开关单元的控制端电连接；第一开关单元的第一端、第二端分别与第一充放电单元的第一端、第二端电连接；第一充放电单元的第三端与第一功率单元T1的功率端子E1电连接；第一单向导通单元的第一端、第二端分别与第一功率单元T1的辅助端子e1、第一充放电单元的第一端电连接。

控制电路201用于：控制第一检测电路202中的第一开关单元在第一时刻关断，控制功率模块中的第一功率单元T1在不早于第一时刻的第二时刻导通，使第一功率单元T1提供的充电电流在第一功率单元T1的开通暂态过程中对第一检测电路202中的第一充放电单元进行充电；采集第一充放电单元的充电电压，根据第一充放电单元的充电电压，确定第一功率单元T1的开通暂态过程中第一功率单元T1的辅助端子e1和功率端子E1之间的第一电压差；根据第一电压差判断第一功率单元T1是否存在故障。

在一个可选的实施方式中，控制电路201包括栅极驱动器(Gate Driver)，栅极驱动器的第一驱动端、第二驱动端分别作为控制电路201的第一控制端、第二控制端，分别与第一功率单元T1的控制端、第一开关单元的控制端电连接。

在另一个可选的实施方式中，控制电路201包括电连接的控制器和栅极驱动器，栅极驱动器的第一驱动端、第二驱动端分别作为控制电路201的第一控制端、第二控制端，分别与第一功率单元T1的控制端、第一开关单元的控制端电连接；控制器可向栅极驱动器输出控制信号，栅极驱动器根据该控制信号驱动第一功率单元T1或第一开关单元。

在图2所示的示例中，第一功率单元T1的功率端子E1和第二功率单元T2的功率端子E2并联连接，功率端子E1和E2的电位相等；控制电路201和第一功率单元T1的辅助端子e1之间存在驱动电阻Re1，控制电路201和第二功率单元T2的辅助端子e2之间存在驱动电阻Re2，因此辅助端子e1和e2的电位可以不相等。

可选的，如图3或图4所示，本申请实施例提供的功率模块的故障检测电路还包括至少一个第二检测电路203；功率模块中的至少一个第二功率单元T2均与第一功率单元T1并联，每个第二功率单元T2的控制端均与控制电路201的第一控制端电连接；第二检测电路203包括第二开关单元、第二充放电单元和第二单向导通单元。

控制电路201还用于对至少一个第二功率单元T1中的任意一个第二功率单元T1，执行以下操作：

控制第二检测电路203中的第二开关单元在第三时刻关断，控制功率模块中的第二功率单元T1在不早于第三时刻的第四时刻导通，使第二功率单元T1提供的充电电流在第二功率单元T1的开通暂态过程中对第二检测电路203中的第二充放电单元进行充电；采集第二充放电单元的充电电压，根据第二充放电单元的充电电压，确定开通暂态过程中第二功率单元T1的辅助端子和功率端子E1之间的第二电压差；根据第二电压差判断第二功率单元T1是否存在故障。

图3和图4均示出了一个第二功率单元T2和对应的一个第二检测电路203的情形，两个以上的第二功率单元T2和对应的两个以上第二检测电路203的情形类似。

在一个可选的实施方式中，第二开关单元的控制端与控制电路201的第二控制端电连接，第二开关单元的第一端、第二端分别与第二充放电单元的第一端、第二端电连接；第二充放电单元的第三端与第二功率单元T2的功率端子E2电连接；第二单向导通单元的第一端、第二端分别与第二功率单元T2的辅助端子e2、第二充放电单元的第一端电连接。

可选的，如图3所示，第一充放电单元包括第一电容C1和第一电阻R1，第二充放电单元包括第二电容C2和第二电阻R2。

第一电容C1的第一端作为第一充放电单元的第一端，第一电阻R1的第一端作为第一充放电单元的第二端，第一电容C1的第二端和第一电阻R1的第二端均作为第一充放电单元的第三端；第二电容C2的第一端作为第二充放电单元的第一端，第二电阻R2的第一端作为第二充放电单元的第二端，第二电容C2的第二端和第二电阻R2的第二端均作为第二充放电单元的第三端。

在另一个可选的实施方式中，第二开关单元的控制端与控制电路201的第一控制端电连接，第二开关单元的第一端、第二端分别与第二充放电单元的第一端、第一充放电单元的第二端电连接；第二充放电单元的第二端分别与第二功率单元T2的功率端子E2电连接；第二单向导通单元的第一端、第二端分别与第二功率单元T2的辅助端子e2、第二充放电单元的第一端电连接。

可选的，如图4所示，第一充放电单元包括第一电容C1和第一电阻R1，第二充放电单元包括第二电容C2。

第一电容C1的第一端作为第一充放电单元的第一端，第一电阻R1的第一端作为第一充放电单元的第二端，第一电容C1的第二端和第一电阻R1的第二端均作为第一充放电单元的第三端；第二电容C2的两端分别作为第二充放电单元的第一端和第二端。

可选的，本申请实施例中的第一开关单元包括如图3或图4所示的第一MOSFET管S1，该第一MOSFET管S1一般为N沟道增强型，此时其栅极作为第一开关单元的控制端与控制电路201的第二控制端电连接，其漏极作为第一开关单元的第一端与第一电容C1的第一端电连接，其源极作为第一开关单元的第二端与第一电阻R1的第一端电连接。

可选的，本申请实施例中的第一单向导通单元包括如图2或图3所示的第一二极管D1，该第一二极管D1的正极作为第一单向导通单元的第一端与第一功率单元T1的辅助端子e1电连接，该第一二极管D1的负极作为第一单向导通单元的第二端与第一电容C1的第一端连接。

在一个可选的实施方式中，本申请实施例中的第二开关单元包括如图3所示的第二MOSFET管S2，该第二MOSFET管S2一般为N沟道增强型，此时其栅极、源极和漏极的连接方式与MOSFET管S1同理。

在另一个可选的实施方式中，本申请实施例中的第二开关单元包括如图4所示的第二MOSFET管S2，该第二MOSFET管S2一般为N沟道增强型，此时其栅极作为第二开关单元的控制端与控制电路201的第二控制端电连接，其漏极作为第二开关单元的第一端与第二电容C2的第一端电连接，其源极作为第二开关单元的第二端与第一电阻R1的第一端电连接。

可选的，本申请实施例中的第二单向导通单元包括如图3和图4所示的第二二极管D2，该第二二极管D2的连接方式与第一二极管D1同理，此处不再赘述。

在一个可选的实施方式中，本申请实施例提供的功率模块的故障检测电路还可适用于如图3或图4所示的两电平的功率模块，此时第一功率单元T1包括第一开关器件，第二功率单元T2包括第二开关器件。

该第一开关器件可以是如图3或图4所示的IGBT(下称“第一IGBT”)，第二开关器件可以是如图3或图4所示的IGBT(下称“第二IGBT”)。

在另一个可选的实施方式中，本申请实施例提供的功率模块的故障检测电路还可适用于如图5所示的三电平的功率模块，此时第一功率单元T1包括第一三电平桥臂模块中的第一桥臂，第二功率单元T2包括第二三电平桥臂模块中的第一桥臂。

第一桥臂可以是三电平桥臂模块中的零电平桥臂，也可以是非零电平桥臂的上半桥臂或下半桥臂，零电平桥臂和非零电平桥臂均可由如图5所示的IGBT组成，在图5所示的三电平桥臂模块中，位于虚线框内与NP(Neutral Point，中性点母线)电连接的桥臂为零电平桥臂，连接于DC+和DC-之间的桥臂为非零电平桥臂，NP以上的部分为上半桥臂，NP以下的部分为下半桥臂。

本申请实施例提供的功率模块的故障检测电路的具体原理，将在后文的方法实施例中详述，此处不作赘述。

需要说明的是，本申请实施例中图2至图4的示例中，功率单元T1至T4的结构与图1相同，均包括图中的IGBT符号和电感符号(用来表示杂散电感而非实际电感器件)两部分，在图2至图4中为免线条繁杂省略了用于标注T1至T4结构范围的虚线框。

基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种功率模块的故障检测方法，可应用于本申请实施例提供的功率模块的故障检测电路中的控制电路201，如图6所示，该故障检测方法包括：

S601，控制第一检测电路202中的第一开关单元在第一时刻关断，控制功率模块中的第一功率单元T1在不早于第一时刻的第二时刻导通，使第一功率单元T1提供的充电电流在第一功率单元T1的开通暂态过程中对第一检测电路202中的第一充放电单元进行充电。

第二时刻不早于第一时刻，可使得在第一功率单元T1关断的同时第一开关单元同步导通，或在第一功率单元T1关断之前第一开关单元提前导通，以使得检测电路可以及时检测到第一功率单元T1的充电电流，并进行充电。

以图3所示的故障检测电路为例(图4同理)，在第一IGBT的关断状态下，控制电路通过其第一控制端输出高电平信号控制第一IGBT导通进入开通暂态阶段，并通过第二控制端输出低电平信号同步控制第一MOSFET管S1关断，当第一IGBT处于开通暂态阶段时，其辅助发射极e1和发射极E1之间产生电势差，该电势差产生的充电电流经过第一二极管D1向第一电容C1充电。

S602，采集第一充放电单元的充电电压，根据第一充放电单元的充电电压，确定第一功率单元T1的开通暂态过程中第一功率单元T1的辅助端子e1和功率端子E1之间的第一电压差。

可选地，采集第一功率单元T1的开通暂态过程中第一充放电单元中第一电容两端的实时电压差；在确定第一电容两端的实时电压差达到稳定值时，确定第一功率单元T1处于开通稳态过程，并将第一电容两端的实时电压差作为第一电压差。

以图3所示的故障检测电路为例(图4同理)，栅极驱动器采集第一电容C1两端的实时电压差，在确定该实时电压差达到稳定值时，可判断此时第一IGBT处于开通稳态阶段，其辅助发射极e1和发射极E1之间电势差忽略不计，则该稳定值即可反映开通暂态过程中辅助发射极e1和发射极E1之间的电势差(即第一电压差)。

在第一电容C1的电容值足够小的情况下，其两端的电压可以达到

S603，根据第一电压差判断第一功率单元T1是否存在故障。

可选地，在检测到第一电压差低于预设的电压差阈值时，确定第一功率单元T1存在故障；在检测到第一电压差不低于预设的电压差阈值时，确定第一功率单元T1不存在故障。

电压差阈值可根据经验值或实际需求设置，对于不同的半导体功率器件，可设置不同的电压差阈值；电压差阈值可设置为一个较低的数值，以提高第一检测电路202的可靠性。

以图3所示的故障检测电路为例(图4同理)，当检测到开通暂态过程中辅助发射极e1和发射极E1之间的电势差低于预设的IGBT的电压差阈值时，可确定第一IGBT在不受控状态(即故障状态)，否则，则可确定第一IGBT在受控状态(即正常工作状态)。

可选地，如图7所示，本申请实施例提供的功率模块的故障检测方法，在上述步骤S601至S603的基础上，还包括如下步骤：

S604，控制第一开关单元导通，控制第一功率单元T1关断，使第一充放电单元放电。

第一功率单元T1的导通和关断频率与第一开关单元的关断和导通频率相同。当第一功率单元T1包括第一IGBT时，该第一IGBT的导通和判断频率一般为3kHz(千赫兹)，一个导通和关断的周期约为300μs(微秒)。

以图3所示的故障检测电路为例(图4同理)，在第一IGBT的开通稳态过程中，控制电路201通过其第一控制端输出低电平信号驱动第一IGBT关断，并通过第二控制端输出高电平信号同步控制第一MOSFET管S1导通，第一电容C1通过第一MOSFET管S1和第一电阻R1放电，第一电容C1两端的电压差逐渐降为零。

可选地，如图8所示，本申请实施例提供的功率模块的故障检测方法，在上述步骤S601至S603的基础上，还包括对于功率模块中至少一个第二功率单元T2中的任意一个第二功率单元T2，执行如下步骤S801-S803：

S801，控制第二检测电路203中的第二开关单元在第三时刻关断，控制功率模块中的第二功率单元T2在不早于第三时刻的第四时刻导通，使第二功率单元T2提供的充电电流在第二功率单元T2的开通暂态过程中对第二检测电路203中的第二充放电单元进行充电。

步骤S801的具体原理与步骤S601的原理相似，此处不再赘述。

S802，采集第二充放电单元的充电电压，根据第二充放电单元的充电电压，确定第二功率单元T2的开通暂态过程中第二功率单元T2的辅助端子e2和功率端子E2之间的第二电压差。

可选地，采集第二功率单元T2的开通暂态过程中第二充放电单元中第二电容两端的实时电压差；在确定第二电容两端的实时电压差达到稳定值时，确定第二功率单元T2处于开通稳态过程，并将第二电容两端的实时电压差作为第二电压差。

步骤S802的具体原理与步骤S602的原理相似，此处不再赘述。

S803，根据第二电压差判断第二功率单元T2是否存在故障。

可选地，在检测到第二电压差低于预设的电压差阈值时，确定第二功率单元T2存在故障；在检测到第二电压差不低于预设的电压差阈值时，确定第二功率单元T2不存在故障。

步骤S803的具体原理与步骤S603的原理相似，此处不再赘述。

可选地，如图9所示，本申请实施例提供的功率模块的故障检测方法，在上述步骤S801至S803的基础上，还包括如下步骤：

S804，控制第二开关单元导通，控制第二功率单元T2关断使第二充放电单元放电。

第二功率单元T2的导通和关断频率与第二开关单元的关断和导通频率相同。

本申请实施例对步骤S601-S604与步骤S801-S804的先后顺序不作限定，步骤S601-S604可在步骤S801-S804之前或之后执行，也可与步骤S801-S804同步执行。

可选的，在步骤S603和步骤S803之前，本申请实施例提供的功率模块的故障检测方法还包括：

确定第一电压差和第二电压差的差值；在检测到第一电压差和第二电压差的差值大于预设的差值阈值时，确定第一功率单元T1或第二功率单元T2存在故障；在检测到第一电压差和第二电压差的差值不大于预设的差值阈值时，确定第一功率单元T1和第二功率单元T2均不存在故障，并停止当前检测周期的故障检测。

通过对第一电压差和第二电压差进行比较，可初步判断并联的两个功率单元中是否有一个存在故障，在初步判断并联的两个功率单元中存在故障时，可执行步骤S603和S803进一步判断两个功率单元中哪一个出现了故障，两种检测方式结合可实现精确的故障检测。

本申请实施例提供的功率模块的故障检测方法可适用于一个检测周期，对于多个检测周期的故障检测，在每个检测周期内均可执行本申请实施例提供的功率模块的故障检测方法；一个检测周期与第一功率单元T1或第二功率单元T2的导通和关断的周期一致，也与控制电路对第一功率单元T1或第二功率单元T2的控制脉冲周期一致。在一个检测周期内，在初步判断两个功率单元均不存在故障时，可停止当前检测周期的故障检测流程，进入下一个检测周期的故障检测流程。

以图3所示的故障检测电路为例，在第二IGBT的开通稳态过程中，栅极驱动器通过其第一驱动端输出低电平信号驱动第二IGBT关断，并通过第二驱动端输出高电平信号同步驱动第二MOSFET管S2导通，第二电容C2通过第二MOSFET管S2和第二电阻R2放电，第二电容C2两端的电压差逐渐降为零。

以图4所示的故障检测电路为例，在第二IGBT的开通稳态过程中，栅极驱动器通过其第一驱动端输出低电平信号驱动第二IGBT关断，并通过第二驱动端输出高电平信号同步驱动第二MOSFET管S2导通，第二电容C2通过第二MOSFET管S2和第一电阻R1放电，第二电容C2两端的电压差逐渐降为零。

本申请实施例提供的功率模块的故障检测方法还可以对图3或图4中的功率单元T3和T4进行检测，其检测原理与对T1和T2的检测同理，即将T3和T4分别作为T1和T2，在T1的辅助端子e1和功率端子E1之间连接上述第一检测电路，在T2的辅助端子e2和功率端子E2之间连接上述第二检测电路203，采用上述检测方法进行检测，此处不再赘述。

应用本申请实施例提供的技术方案，至少可以实现如下有益效果：

1)通过在功率单元(第一功率单元或第二功率单元)的辅助端子和功率端子之间设置控制电路和检测电路(第一检测电路或第二检测电路)，控制功率单元和检测电路中的开关单元(第一开关单元或第二开关单元)的通断，可实现对开通暂态过程中辅助端子和功率端子之间的电势差的快速检测，基于该电势差可快速判断功率单元是否受控，从而识别出功率单元的故障(如热失效)；

2)本申请实施例可通过检测功率单元开通稳态过程中的电容电压，实现对开通暂态过程中辅助端子和功率端子之间的电势差的检测，解决了由于开通暂态时间较短不便于检测辅助端子和功率端子之间的电势差的问题；

3)本申请实施例可采用同一控制电路对同一检测电路中的功率单元和开关单元进行控制，使两个单元对应的导通或关断，从而使检测电路中的电容能够感应功率单元提供的充电电流并在该充电电流的作用下充电，从而实现对开通暂态过程中辅助端子和功率端子之间的电势差的快速检测，避免延迟检测。

4)本申请实施例提供的第一检测电路和第二检测电路均由低压元器件构成，且用于检测故障的电压差阈值可设置为较低的数值，以提高第一检测电路和第二检测电路的可靠性，较好地控制成本；

5)本申请实施例提供的第一检测电路和第二检测电路的电流较小且电压较低，可以集成在驱动电路板上，可进一步降低成本；本申请实施例提供的检测电路所采用的器件较现有的电流采样及处理装置少，需要设置的AC铜排数量较少，减少了如现有技术中对均流性的影响，同时本申请实施例采用基于电压的故障检测，规避了均流性对故障检测可靠性的影响。

本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (15)

1.一种功率模块的故障检测方法，其特征在于，包括：

控制第一检测电路中的第一开关单元在第一时刻关断，控制所述功率模块中的第一功率单元在不早于所述第一时刻的第二时刻导通，使所述第一功率单元提供的充电电流在所述第一功率单元的开通暂态过程中对所述第一检测电路中的第一充放电单元进行充电；

采集所述第一充放电单元的充电电压，根据所述第一充放电单元的充电电压，确定所述第一功率单元的开通暂态过程中所述第一功率单元的辅助端子和功率端子之间的第一电压差；

根据所述第一电压差判断所述第一功率单元是否存在故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

控制所述第一开关单元导通，控制所述第一功率单元关断，使所述第一充放电单元放电；

所述第一功率单元的导通和关断频率与所述第一开关单元的关断和导通频率相同。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集所述第一充放电单元的充电电压，根据所述第一充放电单元的充电电压，确定所述第一功率单元的开通暂态过程中所述第一功率单元的辅助端子和功率端子之间的第一电压差，包括：

采集所述第一功率单元的开通暂态过程中所述第一充放电单元中第一电容两端的实时电压差；

在确定所述第一电容两端的实时电压差达到稳定值时，确定所述第一功率单元处于开通稳态过程，并将所述第一电容两端的实时电压差作为所述第一电压差。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一电压差判断所述第一功率单元是否存在故障，包括：

在检测到所述第一电压差低于预设的电压差阈值时，确定所述第一功率单元存在故障；

在检测到所述第一电压差不低于预设的所述电压差阈值时，确定所述第一功率单元不存在故障。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括对所述功率模块中至少一个第二功率单元中的任意一个所述第二功率单元，执行以下操作：

控制第二检测电路中的第二开关单元在第三时刻关断，控制所述功率模块中的第二功率单元在不早于所述第三时刻的第四时刻导通，使所述第二功率单元提供的充电电流在所述第二功率单元的开通暂态过程中对所述第二检测电路中的第二充放电单元进行充电；

采集所述第二充放电单元的充电电压，根据所述第二充放电单元的充电电压，确定所述第二功率单元的开通暂态过程中所述第二功率单元的辅助端子和功率端子之间的第二电压差；

根据所述第二电压差判断所述第二功率单元是否存在故障。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述第一电压差判断所述第一功率单元是否存在故障、以及根据所述第二电压差判断所述第二功率单元是否存在故障之前，还包括：

确定所述第一电压差和所述第二电压差的差值；

在检测到所述第一电压差和所述第二电压差的差值大于预设的差值阈值时，确定所述第一功率单元或所述第二功率单元存在故障；

在检测到所述第一电压差和所述第二电压差的差值不大于预设的所述差值阈值时，确定所述第一功率单元和所述第二功率单元均不存在故障，并停止当前检测周期的故障检测。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

控制所述第二开关单元导通，控制所述第二功率单元关断使所述第二充放电单元放电；

所述第二功率单元的导通和关断频率与所述第二开关单元的关断和导通频率相同。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述采集所述第二充放电单元的充电电压，根据所述第二充放电单元的充电电压，确定所述第二功率单元的开通暂态过程中所述第二功率单元的辅助端子和功率端子之间的第二电压差，包括：

采集所述第二功率单元的开通暂态过程中所述第二充放电单元中第二电容两端的实时电压差；

在确定所述第二电容两端的实时电压差达到稳定值时，确定所述第二功率单元处于开通稳态过程，并将所述第二电容两端的实时电压差作为所述第二电压差。

9.根据权利要求5-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二电压差判断所述第二功率单元是否存在故障，包括：

在检测到所述第二电压差低于预设的电压差阈值时，确定所述第二功率单元存在故障；

在检测到所述第二电压差不低于预设的所述电压差阈值时，确定所述第二功率单元不存在故障。

10.一种功率模块的故障检测电路，其特征在于，包括控制电路和第一检测电路；

所述第一检测电路包括：第一开关单元、第一充放电单元和第一单向导通单元；

所述控制电路的第一控制端、第二控制端分别与所述功率模块中第一功率单元的控制端、所述第一开关单元的控制端电连接；

所述第一开关单元的第一端、第二端分别与所述第一充放电单元的第一端、第二端电连接；

所述第一充放电单元的第三端与所述第一功率单元的功率端子电连接；

所述第一单向导通单元的第一端、第二端分别与所述第一功率单元的辅助端子、所述第一充放电单元的第一端电连接；

所述控制电路用于：控制第一检测电路中的第一开关单元在第一时刻关断，控制所述功率模块中的第一功率单元在不早于所述第一时刻的第二时刻导通，使所述第一功率单元提供的充电电流在所述第一功率单元的开通暂态过程中对所述第一检测电路中的第一充放电单元进行充电；采集所述第一充放电单元的充电电压，根据所述第一充放电单元的充电电压，确定所述第一功率单元的开通暂态过程中所述第一功率单元的辅助端子和功率端子之间的第一电压差；根据所述第一电压差判断所述第一功率单元是否存在故障。

11.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，还包括至少一个第二检测电路；所述功率模块中的至少一个第二功率单元均与所述第一功率单元并联，每个所述第二功率单元的控制端均与所述控制电路的第一控制端电连接；

所述第二检测电路包括：第二开关单元、第二充放电单元和第二单向导通单元；

所述第二开关单元的控制端与所述控制电路的第二控制端电连接，所述第二开关单元的第一端、第二端分别与所述第二充放电单元的第一端、第二端电连接；

所述第二充放电单元的第三端与所述第二功率单元的功率端子电连接；

所述第二单向导通单元的第一端、第二端分别与所述第二功率单元的辅助端子、所述第二充放电单元的第一端电连接；

所述控制电路还用于对至少一个所述第二功率单元中的任意一个所述第二功率单元，执行以下操作：

控制第二检测电路中的第二开关单元在第三时刻关断，控制所述功率模块中的第二功率单元在不早于所述第三时刻的第四时刻导通，使所述第二功率单元提供的充电电流在所述第二功率单元的开通暂态过程中对所述第二检测电路中的第二充放电单元进行充电；采集所述第二充放电单元的充电电压，根据所述第二充放电单元的充电电压，确定所述第二功率单元的开通暂态过程中所述第二功率单元的辅助端子和功率端子之间的第二电压差；根据所述第二电压差判断所述第二功率单元是否存在故障。

12.根据权利要求11所述的电路，其特征在于，所述第一充放电单元包括第一电容和第一电阻，所述第二充放电单元包括第二电容和第二电阻；

所述第一电容的第一端作为所述第一充放电单元的第一端，所述第一电阻的第一端作为所述第一充放电单元的第二端，所述第一电容的第二端和所述第一电阻的第二端均作为所述第一充放电单元的第三端；

所述第二电容的第一端作为所述第二充放电单元的第一端，所述第二电阻的第一端作为所述第二充放电单元的第二端，所述第二电容的第二端和所述第二电阻的第二端均作为所述第二充放电单元的第三端。

13.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，还包括至少一个第二检测电路；所述功率模块中的至少一个第二功率单元均与所述第一功率单元并联，每个所述第二功率单元的控制端均与所述控制电路的第一控制端电连接；

所述第二检测电路包括：第二开关单元、第二充放电单元和第二单向导通单元；

所述第二开关单元的控制端与所述控制电路的第一控制端电连接，所述第二开关单元的第一端、第二端分别与所述第二充放电单元的第一端、所述第一充放电单元的第二端电连接；

所述第二充放电单元的第二端分别与所述第二功率单元的功率端子电连接；

所述第二单向导通单元的第一端、第二端分别与所述第二功率单元的辅助端子、所述第二充放电单元的第一端电连接；

所述控制电路还用于对至少一个所述第二功率单元中的任意一个所述第二功率单元，执行以下操作：

控制第二检测电路中的第二开关单元在第三时刻关断，控制所述功率模块中的第二功率单元在不早于所述第三时刻的第四时刻导通，使所述第二功率单元提供的充电电流在所述第二功率单元的开通暂态过程中对所述第二检测电路中的第二充放电单元进行充电；采集所述第二充放电单元的充电电压，根据所述第二充放电单元的充电电压，确定所述第二功率单元的开通暂态过程中所述第二功率单元的辅助端子和功率端子之间的第二电压差；根据所述第二电压差判断所述第二功率单元是否存在故障。

14.根据权利要求13所述的电路，其特征在于，所述第一充放电单元包括第一电容和第一电阻，所述第二充放电单元包括第二电容；

所述第一电容的第一端作为所述第一充放电单元的第一端，所述第一电阻的第一端作为所述第一充放电单元的第二端，所述第一电容的第二端和所述第一电阻的第二端均作为所述第一充放电单元的第三端；

所述第二电容的两端分别作为所述第二充放电单元的第一端和第二端。

15.根据权利要求11或13所述的电路，其特征在于，所述第一功率单元包括第一开关器件，所述第二功率单元包括第二开关器件；

或，所述第一功率单元包括第一三电平桥臂模块中的第一桥臂，所述第二功率单元包括第二三电平桥臂模块中的第一桥臂。

Images