CN102636291B - 一种igbt结温检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种IGBT结温检测装置及其方法，其中所述方法包括检测IGBT的开关频率和IGBT导通时的电流，然后根据预定模型计算IGBT的结温升，然后将IGBT的结温升加上IGBT散热器的温度，两者之和作为IGBT的结温，这样可以更好地反映IGBT的结温。因此，本发明获得的IGBT的结温比现有技术中通过检测IGBT的极板温度或散热器的温度间接估计IGBT的结温更精确。

Description

一种IGBT结温检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及温度检测技术领域，特别涉及一种IGBT结温检测装置及其方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)是由双极型三极管(BJT，Bipolar Junction Transistor)和绝缘栅型场效应管(MOS，MetalOxid Semiconductor)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOS的高输入阻抗和巨型晶体管(GTR，Giant Transistor)的低导通压降两方面的优点。

IGBT具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高(10-40kHz)的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。IGBT广泛应用于变频电源、调速电机、不间断电源及逆变焊机当中。

IGBT的结温是IGBT工作状态的最直观反应，第三代IGBT的结温是125℃，在正常工作中，要保证IGBT的结温不能超过这个温度，否则会损坏IGBT。目前，没有一个较好的办法来直接测量IGBT的结温，大多是通过测量IGBT的基板温度或者检测IGBT的散热器温度间接估计IGBT的结温，但是这两种方式均不能准确的测量IGBT的结温。所以，为了更安全、高效的使用IGBT，更精确的测量IGBT的结温是本领域需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种IGBT结温检测装置及其方法，能够准确检测IGBT的结温。

本发明提供一种IGBT结温检测装置，包括：散热器温度检测单元、电流检测单元、频率检测单元、IGBT结温升获得单元以及加法单元；

所述散热器温度检测单元，用于检测IGBT散热器的温度；

所述电流检测单元，用于检测IGBT导通时流过IGBT的电流；

所述频率检测单元，用于检测IGBT的开关频率；

所述IGBT结温升获得单元，用于由所述IGBT的电流和IGBT的开关频率根据预定模型计算IGBT结温升；

所述加法单元，用于将所述IGBT散热器的温度和所述IGBT结温升相加，获得IGBT的结温。

优选地，所述预定模型的公式为：

T_j＝K_cond×I_phase+K_switch×I_phase×f_switch

其中，T_j为IGBT的结温升；

K_cond为IGBT导通时的系数；

I_phase是IGBT导通时流过IGBT的电流；

K_switch是IGBT的开关过程中的系数；

f_switch是IGBT的开关频率。

优选地，还包括电压频率转换单元、隔离单元和频率电压转换单元；

所述电压频率转换单元，用于将所述散热器温度检测单元检测的IGBT散热器的温度转换为频率信号，发送给所述隔离单元；

所述隔离单元，用于对所述频率信号进行隔离，将隔离后的频率信号发送给频率电压转换单元；

所述频率电压转换单元，用于将隔离后的频率信号转换为电压信号发送给所述加法单元。

优选地，当需要检测两个或两个以上IGBT的结温时，所述电流检测单元的个数与IGBT的个数相同，还包括与每个所述电流检测单元连接的电流最大值选择单元，用于选择电流检测单元输出的最大电流值，发送该最大电流值给所述IGBT结温升获得单元。

优选地，还包括过温比较单元，用于将所述加法单元获得的IGBT的结温与过温点进行比较，如果所述IGBT的结温超过所述过温点，则发出过温故障信号。

本发明提供一种IGBT结温检测方法，包括：

检测IGBT散热器的温度；

检测IGBT导通时流过IGBT的电流；

检测IGBT的开关频率；

由所述IGBT的电流和IGBT的开关频率根据预定模型计算IGBT结温升；

将所述IGBT散热器的温度和所述IGBT结温升相加，获得IGBT的结温。

优选地，所述预定模型的公式为：

T_j＝K_cond×I_phase+K_switch×I_phase×f_switch

其中，T_j为IGBT的结温升；

K_cond为IGBT导通时的系数；

I_phase是IGBT导通时流过IGBT的电流；

K_switch是IGBT的开关过程中的系数；

f_switch是IGBT的开关频率。

优选地，所述检测IGBT的开关频率，具体为：

检测IGBT的PWM驱动信号，所述PWM驱动信号与IGBT的开关频率成线性关系。

优选地，检测IGBT散热器的温度，具体为：

通过温度传感器检测IGBT散热器的温度，将温度传感器采集的电压信号转换为频率信号，对该频率信号进行光耦隔离，然后将光耦隔离输出的频率信号转换为电压信号。

优选地，还包括将所述IGBT的结温与过温点比较，如果所述IGBT的结温超过所述过温点，则发出过温故障信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的IGBT结温检测装置及其方法，检测IGBT的开关频率和IGBT导通时的电流，然后根据预定模型计算IGBT的结温升，然后将IGBT的结温升加上IGBT散热器的温度，两者之和作为IGBT的结温，这样可以更好地反映IGBT的结温。因此，本发明获得的IGBT的结温比现有技术中通过检测IGBT的极板温度或散热器的温度间接估计IGBT的结温更精确。

附图说明

图1是本发明提供的IGBT结温检测装置实施例一结构图；

图2是本发明提供的IGBT结温检测装置实施例二结构图；

图3是本发明提供的散热器温度检测单元对应的电路图；

图4是本发明提供的电压频率转换单元对应的电路图；

图5是本发明提供的隔离单元和频率电压转换单元对应的电路图；

图6是本发明提供的频率检测单元和IGBT结温升获得单元对应的电路图；

图7是本发明提供的电流检测单元对应的电路图；

图8是本发明提供的过温比较单元对应的电路图；

图9是本发明提供的IGBT结温检测方法实施例一流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图1，该图为本发明提供的IGBT结温检测装置实施例一结构图。

本实施例提供的IGBT结温检测装置，包括：散热器温度检测单元101、电流检测单元102、频率检测单元103、IGBT结温升获得单元104、加法单元105；

所述散热器温度检测单元101，用于检测IGBT散热器的温度；

需要说明的是，该散热器温度检测单元101可以由温度传感器来完成，优选地，可以采用热敏电阻作为温度传感器。热敏电阻将温度变化量转换为电阻变化量，再把电阻变化量转换为电压变化量，输出电压信号。

所述电流检测单元102，用于检测IGBT导通时流过IGBT的电流；

该电流检测单元102可以由电流传感器来实现，具体地，电流传感器将IGBT导通时的电流大小转换为电压信号，然后可以经过放大电路将电压信号发送给IGBT结温升获得单元104。

所述频率检测单元103，用于检测IGBT的开关频率；

所述IGBT结温升获得单元104，用于由所述IGBT的电流和IGBT的开关频率根据预定模型计算IGBT结温升；

所述加法单元105，用于将所述IGBT散热器的温度和所述IGBT结温升相加，获得IGBT的结温。

本发明提供的IGBT结温检测装置，检测IGBT的开关频率和IGBT导通时的电流，从而根据预定模型计算IGBT的结温升，然后将IGBT的结温升加上IGBT散热器的温度，两者之和作为IGBT的结温，这样可以更好地反映IGBT的结温。因此，本发明获得的IGBT的结温比现有技术中通过检测IGBT的极板温度或散热器的温度间接估计IGBT的结温更精确。。

参见图2，该图为本发明提供的IGBT结温检测装置实施例二结构图。

所述预定模型的公式为：

T_j＝K_cond×I_phase+K_switch×I_phase×f_switch

其中，T_j为IGBT的结温升；

K_cond为IGBT导通时对应的系数；

I_phase是IGBT导通时流过IGBT的电流；

K_switch是IGBT开关过程中对应的系数；

f_switch是IGBT的开关频率。

由于IGBT的工作环境大部分是强电环境，例如，逆变器中的IGBT。一般逆变器为三相，每相需要两个IGBT，一个逆变器中一般需要六个IGBT。强电环境将对弱电环境产生干扰，因此，本发明提供的IGBT结温检测装置为了避免强电对弱电信号的干扰，对检测的散热器温度进行了处理。

本实施例提供的IGBT结温检测装置还包括电压频率转换单元201、隔离单元202和频率电压转换单元203；

所述电压频率转换单元201，用于将所述散热器温度检测单元101检测的IGBT散热器的温度转换为频率信号，发送给所述隔离单元202；

所述隔离单元202，用于对所述频率信号进行隔离，将隔离后的频率信号发送给频率电压转换单元203；

所述频率电压转换单元203，用于将隔离后的频率信号转换为电压信号发送给所述加法单元105。

由于检测的散热器的温度是电压信号，因此，将电压信号转换为频率信号后，对该频率信号进行光耦隔离，滤除干扰信号，然后再将滤除干扰信号后的频率信号转换为电压信号。

由于IGBT大部分情况下都是多个一起使用，因此，当需要检测两个或两个以上IGBT的结温时，所述电流检测单元102的个数与IGBT的个数相同，本实施例提供的IGBT结温检测装置还包括与每个所述电流检测单元102连接的电流最大值选择单元204，用于选择电流检测单元102输出的最大电流值，发送该最大电流值给所述IGBT结温升获得单元104。

本实施例提供的IGBT结温检测装置还包括过温比较单元205，用于将所述加法单元105获得的IGBT的结温与过温点进行比较，如果所述IGBT的结温超过所述过温点，则发出过温故障信号。

本实施例提供的IGBT结温检测装置通过检测IGBT导通时对应的电流最大值作为计算条件，最终得到IGBT的结温，当IGBT的结温超过过温点时，进行过温报警，从而停止IGBT的工作，这样可以保证IGBT的安全。

需要说明的是，本实施例提供的IGBT结温检测装置还包括电源单元，用于为整个装置提供电源，电源单元输出+15V电源、-15V电源和+15V隔离电源，其中+15V隔离电源可以由DC15-15隔离电源提供。

下面结合具体电路图介绍每个单元的实现方式。

参见图3，该图为本发明提供的散热器温度检测单元对应的电路图。

图3中是以六个IGBT为例设计的散热器温度检测单元，该散热器温度检测单元包括六个温度采集单元和一个零点确定单元。

六个温度采集单元的结构相同，分别测量六个IGBT的散热器的温度，如图中的X41、X42、X43、X44、X45和X46是六个温度传感器。

六个温度采集单元的输出端均连接零点确定单元的输入端。

零点确定单元用于确定零点，例如，将负40℃作为零点，对应输出零伏电压。如图3中整个散热器温度检测单元的输出信号为V_to_F。

参见图4，该图为本发明提供的电压频率转换单元对应的电路图。

本实施例提供的电压频率转换单元是以LM231N为功能主体设计的，目的是将电压信号转换为频率信号，经高隔离耐压光耦进行隔离传输，该电路的频率与电压的关系式为：

其中，f_out是输出信号的频率，V_IN是输入电压，电阻R₁₀₃、R₁₀₅、R₉₉和电容C₂₉₇如图4所示。

该电压频率转换单元的输入信号为散热器温度检测单元的输出信号V_to_F，如图4所示，V_to_F连接LM231N芯片的第七管脚。

LM231N的输出端为第三管脚FO，输出信号是O2经过一个电阻R98形成另一个输出信号O1。这两个输出信号分别连接光耦隔离的两个输入端。

参见图5，该图为本发明提供的隔离单元和频率电压转换单元对应的电路图。

隔离单元如图5中的光耦U17，由光耦来实现信号的隔离。

光耦17的输出端3和4直接连接频率电压转换单元的输入端。

本实施例中以频率电压转换单元是以LM231N为功能主体设计的，目的是将频率信号转换为电压信号，与图3所示的电压频率转换单元的工作过程恰好相反。

该频率电压转换单元的输出端是LM231N的第一管脚CO，输出信号是代表散热器温度的电压信号Temp_V。该电路中频率与电压的关系式为：

$V_{\mathrm{OUT}}=f_{\mathrm{in}}\×2.09V\×\frac{R_{108}}{R_{107}}\×R_{106}{C}_{125}$

其中，V_OUT是频率转换后的电压，fin是输入的频率信号。电阻R106、R107和R108，以及电容C125如图5所示。

参见图6，该图为本发明提供的频率检测单元和IGBT结温升获得单元对应的电路图。

本实施例中的IGBT的开关频率检测是通过检测驱动IGBT的PWM驱动信号来实现的，如图6所示DRIVE_UT来自PWM驱动信号。

本实施例中引入一路PWM驱动信号作为IGBT开关频率信号的输入，然后经过转换电路输出一个稳定的电压信号给IGBT结温升获得单元，该电压信号与IGBT的开关频率成线性关系，比例系数优选为1.35，表达式为：V＝1.35×f_switch。

I_phase来自电流检测单元，对应的是IGBT导通时流过IGBT的电流。

图6所示的电路根据IGBT的开关频率和IGBT导通时的电流计算IGBT的结温升，即实现该公式T_j＝K_cond×I_phase+K_switch×I_phase×f_switch的计算。如图6中的输出信号T_j。

参见图7，该图为本发明提供的电流检测单元对应的电路图。

需要说明的是，图7仅示出了一个IGBT的电流检测单元，可以理解的是，当需要测量多个IGBT的结温时，可以设计多个图7所示的电流检测单元，结构相同即可。

该电路的输入信号是M_IALEM和I_IN，输出信号是I_phase。

参见图8，该图为本发明提供的过温比较单元对应的电路图。

其中，该过温比较单元的输入信号是加法单元的输出信号V_Tout和过温点Vref。

比较器U3-3用于比较V_Tout和Vref，当V_Tout大于Vref时，输出过温故障信号/OT_ERR_1。

基于上述IGBT结温检测装置，本发明还提供了IGBT结温检测方法，下面结合具体实施例来详细说明其工作过程。

参见图9，该图为本发明提供的IGBT结温检测方法实施例一流程图。

本实施例提供的IGBT结温检测方法包括以下步骤：

S901：检测IGBT散热器的温度；

需要说明的是，可以由温度传感器来检测IGBT散热器的温度，优选地，可以采用热敏电阻作为温度传感器。热敏电阻将温度变化量转换为电阻变化量，再把电阻变化量转换为电压变化量，输出电压信号。

S902：检测IGBT导通时流过IGBT的电流；

可以由电流传感器来检测IGBT导通时流过IGBT的电流，具体地，电流传感器将IGBT导通时的电流大小转换为电压信号。

S903：检测IGBT的开关频率；

S904：由所述IGBT的电流和IGBT的开关频率根据预定模型计算IGBT结温升；

S905：将所述IGBT散热器的温度和所述IGBT结温升相加，获得IGBT的结温。

本发明提供的IGBT结温检测方法，检测IGBT的开关频率和IGBT导通时的电流，从而根据预定模型计算IGBT的结温升，然后将IGBT的结温升加上IGBT散热器的温度，两者之和作为IGBT的结温，这样可以更好地反映IGBT的结温。因此，本发明获得的IGBT的结温比现有技术中通过检测IGBT的极板温度或散热器的温度间接估计IGBT的结温更精确。。

所述预定模型的公式为：

T_j＝K_cond×I_phase+K_switch×I_phase×f_switch

其中，T_j为IGBT的结温升；

K_cond为IGBT导通时的系数；

I_phase是IGBT导通时流过IGBT的电流；

K_switch是IGBT的开关过程中的系数；

f_switch是IGBT的开关频率。

本实施例由IGBT散热器的温度和计算得到的IGBT结温升以一定比例系数综合后，得到IGBT结的温度，这样更接近IGBT结的实际温度。

所述检测IGBT的开关频率，具体为：

检测IGBT的PWM驱动信号，所述PWM驱动信号与IGBT的开关频率成线性关系。比例系数优选为1.35，表达式为：V＝1.35×f_switch。

由于IGBT工作于强电环境中，因此，检测的是弱电信号，容易收到强电的干扰，本实施例提供了避免干扰的措施，对检测的散热器的温度进行了处理。

检测IGBT散热器的温度，具体为：

通过温度传感器检测IGBT散热器的温度，将温度传感器采集的电压信号转换为频率信号；对该频率信号进行光耦隔离；然后将光耦隔离输出的频率信号转换为电压信号。

为了使IGBT在安全的情况下工作，因此当IGBT的结温超过过温点时，进行报警，停止IGBT的工作。即：将所述IGBT的结温与过温点比较，如果所述IGBT的结温超过所述过温点，则发出过温故障信号。

本实施例提供的IGBT结温检测方法可以更加准确地反映IGBT结的准确温度，从而对IGBT的工作状态进行监控，当IGBT的结温超过过温点时进行报警，同时停止IGBT的工作。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种IGBT结温检测装置，其特征在于，包括：散热器温度检测单元、电流检测单元、频率检测单元、IGBT结温升获得单元以及加法单元；

所述散热器温度检测单元，用于检测IGBT散热器的温度；

所述电流检测单元，用于检测IGBT导通时流过IGBT的电流；

所述频率检测单元，用于检测IGBT的开关频率；

所述IGBT结温升获得单元，用于由所述IGBT的电流和IGBT的开关频率根据预定模型计算IGBT结温升；

当需要检测两个或两个以上IGBT的结温时，所述电流检测单元的个数与IGBT的个数相同，还包括与每个所述电流检测单元连接的电流最大值选择单元，用于选择电流检测单元输出的最大电流值，发送该最大电流值给所述IGBT结温升获得单元；

所述加法单元，用于将所述IGBT散热器的温度和所述IGBT结温升相加，获得IGBT的结温。

2.根据权利要求1所述的IGBT结温检测装置，其特征在于，所述预定模型的公式为：

T_j＝K_cond×I_phase＋K_switch×I_phase×f_switch

其中，T_j为IGBT的结温升；

K_cond为IGBT导通时的系数；

I_phase是IGBT导通时流过IGBT的电流；

K_switch是IGBT的开关过程中的系数；

f_switch是IGBT的开关频率。

3.根据权利要求1所述的IGBT结温检测装置，其特征在于，还包括电压频率转换单元、隔离单元和频率电压转换单元；

所述电压频率转换单元，用于将所述散热器温度检测单元检测的IGBT散热器的温度转换为频率信号，发送给所述隔离单元；

所述隔离单元，用于对所述频率信号进行隔离，将隔离后的频率信号发送给频率电压转换单元；

所述频率电压转换单元，用于将隔离后的频率信号转换为电压信号发送给所述加法单元。

4.根据权利要求1所述的IGBT结温检测装置，其特征在于，还包括过温比较单元，用于将所述加法单元获得的IGBT的结温与过温点进行比较，如果所述IGBT的结温超过所述过温点，则发出过温故障信号。

5.一种IGBT结温检测方法，其特征在于，包括：

检测IGBT散热器的温度；

检测IGBT导通时流过IGBT的电流；

检测IGBT的开关频率；

由所述IGBT的电流和IGBT的开关频率根据预定模型计算IGBT结温升；当需要检测两个或两个以上IGBT结温时，获得流过所有IGBT的最大电流，由该最大电流计算IGBT结温升；

将所述IGBT散热器的温度和所述IGBT结温升相加，获得IGBT的结温。

6.根据权利要求5所述的IGBT结温检测方法，其特征在于，所述预定模型的公式为：

T_j＝K_cond×I_phase＋K_switch×I_phase×f_switch

其中，T_j为IGBT的结温升；

K_cond为IGBT导通时的系数；

I_phase是IGBT导通时流过IGBT的电流；

K_switch是IGBT的开关过程中的系数；

f_switch是IGBT的开关频率。

7.根据权利要求5所述的IGBT结温检测方法，其特征在于，所述检测IGBT的开关频率，具体为：

检测IGBT的PWM驱动信号，所述PWM驱动信号与IGBT的开关频率成线性关系。

8.根据权利要求5所述的IGBT结温检测方法，其特征在于，检测IGBT散热器的温度，具体为：

通过温度传感器检测IGBT散热器的温度，将温度传感器采集的电压信号转换为频率信号，对该频率信号进行光耦隔离，然后将光耦隔离输出的频率信号转换为电压信号。

9.根据权利要求6所述的IGBT结温检测方法，其特征在于，还包括将所述IGBT的结温与过温点比较，如果所述IGBT的结温超过所述过温点，则发出过温故障信号。

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