CN103427670B - 一种智能功率模块的温度控制方法及变频设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能功率模块的温度控制方法及变频设备，检测智能功率模块的内部温度Tc，并在所述温度Tc接近设定的安全阈值Tmax时，控制智能功率模块的输出频率降低或者维持当前频率，以限制智能功率模块的温升。本发明通过控制智能功率模块在其内部温度达到保护检出温度前进行禁升频或者降频动作，从而可以将智能功率模块的温度始终控制在安全范围内而不进行保护检出，在保证智能功率模块在安全可靠的温度下稳定运行的同时，也确保了系统运行的连贯性，提高了变频家电用户使用的舒适性。

Description

一种智能功率模块的温度控制方法及变频设备

技术领域

本发明属于变频系统技术领域，具体地说，是涉及一种用于控制智能功率模块温升的方法以及采用该温度控制方法设计的变频设备。

背景技术

在目前的变频空调或者其他变频类的家电产品中，经常会用到智能功率模块IPM，其作用是在输入控制信号的作用下将直流电源转换成交流电源加载到压缩机或者电机等被控对象上，驱动压缩机或者电机运转，并通过改变施加到压缩机或者电机上的交流电源的频率，实现对压缩机或者电机转速的自动控制。由于这种智能功率模块往往工作在大电流和高温下，从而使得其在长时间的运行过程中容易发生过热损坏等故障。

目前，解决智能功率模块过热损坏最常见的方法是：在智能功率模块内部植入热敏电阻，根据热敏电阻的阻值变化定时检测出智能功率模块的内部温度Tc，然后将检测到的温度Tc发送给控制芯片或者控制电路等控制端，控制端根据接收到的温度Tc的大小判断是否执行保护检出动作，并在温度Tc超过安全温度值时，通过控制系统停止运转来限制温度Tc的升高，达到对智能功率模块过热保护的目的。

采用这种保护措施，一旦智能功率模块的内部温度Tc过高导致系统执行保护检出动作时，往往造成系统运转的不连贯，从而给家电产品的使用者造成使用上的困扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能功率模块的温度控制方法，通过控制智能功率模块在其内部温度到达保护检出前，对被控对象进行禁升频或者降频处理，从而确保了智能功率模块的内部温度能够尽量地控制在安全范围内，避免了系统由于执行保护检出动作而造成的运转不连贯的问题发生。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种智能功率模块的温度控制方法，检测智能功率模块的内部温度Tc，并在所述温度Tc接近设定的安全阈值Tmax时，控制智能功率模块的输出频率降低或者维持当前频率，以限制智能功率模块的温升。

为了最大程度地发挥被控对象的输出能力，所述安全阈值Tmax优选设定为智能功率模块执行过热保护动作所对应的安全温度值。

优选的，所述智能功率模块在其内部温度Tc到达Tmax-△T至Tmax区间内时，执行降频或者维持当前频率的动作；其中，△T在3℃~10℃之间取值。

进一步的，所述温度Tc通过设置于智能功率模块内部或者外部的热敏电阻检测获得，根据热敏电阻的温阻曲线获得温阻曲线在温度点为Tmax处的曲线斜率；根据所述曲线斜率确定△T的取值，并遵循曲线斜率的绝对值越大，△T的取值越大的原则。

优选的，所述智能功率模块在其内部温度Tc到达Tmax-△T1至Tmax区间内时，执行降频动作，所述△T1在3℃~5℃之间取值。

优选的，所述智能功率模块在其内部温度Tc到达Tmax-△T1-△T2至Tmax-△T1区间内时，若温度Tc呈上升趋势，则对智能功率模块的输出频率不进行限制；若温度Tc呈下降趋势，则维持智能功率模块当前的输出频率；其中，所述△T2在3℃~5℃之间取值。

进一步的，所述智能功率模块在其内部温度Tc低于Tmax-△T1-△T2时，对智能功率模块的输出频率不进行限制。

优选的，所述△T1、△T2的取值原则遵循△T的取值原则，即根据热敏电阻的温阻曲线确定△T1、△T2的取值，并遵循曲线斜率的绝对值越大，△T1、△T2的取值越大的原则。

再进一步的，所述智能功率模块在执行降频动作时，按照设定的降频速率△H降频；所述降频速率△H在0.05~0.5Hz/s的范围内取值，且遵循热敏电阻的温阻曲线在温度点为Tmax处的曲线斜率的绝对值越大，△H的取值越大的原则。

为了避免智能功率模块过热损坏，所述智能功率模块在其内部温度Tc高于Tmax时，停止其交流电源的输出。

基于上述温度控制方法，本发明还提出了一种采用所述温度控制方法设计的变频设备，包括智能功率模块和控制芯片，所述控制芯片连接智能功率模块，采集智能功率模块的内部温度Tc，并在所述温度Tc接近设定的安全阈值Tmax时，控制智能功率模块的输出频率降低或者维持当前频率，以限制智能功率模块的温升。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过控制智能功率模块在其内部温度达到保护检出温度前进行禁升频或者降频动作，从而可以将智能功率模块的温度始终控制在安全范围内而不进行保护检出，在保证智能功率模块在安全可靠的温度下稳定运行的同时，也确保了系统运行的连贯性，提高了变频家电用户使用的舒适性。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的智能功率模块的温度控制方法的一种实施例的控制逻辑图；

图2是智能功率模块的温度采样电路的一种实施例的电路原理图；

图3是负温度系数热敏电阻的温阻曲线图；

图4是基于正温度系数热敏电阻的智能功率模块的温度保护控制逻辑图；

图5是基于负温度系数热敏电阻的智能功率模块的温度保护控制逻辑图；

图6是本发明所提出的变频设备中变频控制器的一种实施例的电路设计原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

本实施例为了限制智能功率模块的内部温升，使其能够始终工作在安全的温度范围内，以保证系统运行的连贯性，提出了一种通过限制智能功率模块的输出频率来降低智能功率模块温升的控制策略，即通过定时地检测智能功率模块的内部温度Tc，并在其内部温度Tc接近设定的安全阈值Tmax时，采用控制智能功率模块的输出频率降低或者维持当前频率的方式，来达到限制智能功率模块温升的目的。

具体来讲，可以针对智能功率模块的温度响应特点，设计一种温度保护控制逻辑，根据温度的上升趋势和下降趋势划分控制区域，当智能功率模块的内部温度Tc和温度变化趋势处于不同的控制区域时，对被控对象(比如压缩机、电机等)的运行频率进行相应地控制，从而在确保智能功率模块的内部温度Tc始终处于安全阈值Tmax以下的同时，也能最大程度地发挥被控对象的输出能力。

为了最大程度地提高智能功率模块的输出频率，以尽可能地发挥被控对象的最大运行能力，所述安全阈值Tmax优选设定为智能功率模块执行过热保护检出动作时所对应的安全温度值。结合该安全温度值，确定出控制区域的划分界限，即在智能功率模块的内部温度Tc到达Tmax-△T至Tmax区间内时，执行温升控制策略，对智能功率模块输出的频率进行限制，例如执行降频或者维持当前频率等禁升频处理，以避免智能功率模块的内部温度Tc持续上升，超出安全阈值Tmax而导致保护检出情况的发生。而当智能功率模块的内部温度Tc低于Tmax-△T以下时，则不对智能功率模块的输出频率进行限制，保持自由状态，输出合适频率的交流电源，以满足被控对象的运行要求。

在本实施例中，所述△T为正数，其取值针对不同型号的智能功率模块会略有不同，优选设定在3℃~10℃之间，应主要考虑其温度变化趋势，温度变化越快，△T的取值越大；相反，温度变化越慢，△T的取值则可以适当地减小。

作为本实施例的一种优选设计方案，本实施例将控制区域划分成7个部分，每个部分的控制方式各不相同，具体参见图1所示。首先，确定三个温度点T1、T2、T3，其中，T1=Tmax，即智能功率模块的最大安全温度值；T2=Tmax-△T1，△T1优选在3℃~5℃之间取值；T3=T2-△T2=Tmax-△T1-△T2，△T2优选在3℃~5℃之间取值。然后，根据不同温度区间内温度的不同变化趋势确定7个控制区域内的控制状态，具体列表如下：

温度变化趋势	温度范围	控制状态	被控对象动作模式
				上升	Tc≤T2	自由状态	可以升频
上升	T2<Tc≤T1	降频状态	以设定的速率△H (Hz/s)降频运行
				上升	Tc>T1	保护检出状态	停止运行
下降	Tc>T1	保护检出状态	停止运行
				下降	T2<Tc≤T1	降频状态	以设定的速率△H (Hz/s)降频运行
下降	T3<Tc≤T2	禁升频状态	维持当前频率运行
				下降	Tc≤T3	自由状态	可以升频

具体说明如下：

①当智能功率模块的内部温度Tc在T2以下，且温度变化呈上升趋势时，不对智能功率模块的输出频率进行限制，保持其自由状态。此时，被控对象既可以升频运行，也可以降频运行，完全取决于当前运行的实际值与目标值之间的对应关系。

②当智能功率模块的内部温度Tc处于T2~T1之间，且温度变化呈上升趋势时，对智能功率模块进行降频处理，即按照设定的降频速率△H(Hz/s)降低其输出的交流电源的频率，以控制被控对象降频运行。

③当智能功率模块的内部温度Tc高于安全阈值T1，且温度变化呈上升趋势时，则智能功率模块执行保护检出动作，停止其交流电源的输出，控制被控对象停止运行，以避免智能功率模块发生过热损坏故障。

④当智能功率模块的内部温度Tc高于安全阈值T1，且温度变化呈下降趋势时，则智能功率模块立即执行保护检出动作，停止其交流电源的输出，控制被控对象停止运行，以避免智能功率模块发生过热损坏故障。

⑤当智能功率模块的内部温度Tc处于T2~T1之间，且温度变化呈下降趋势时，对智能功率模块进行降频处理，即按照设定的降频速率△H(Hz/s)降低其输出的交流电源的频率，以控制被控对象降频运行，避免智能功率模块的内部温升冲过安全阈值T1。

⑥当智能功率模块的内部温度Tc处于T3~T2之间，且温度变化呈下降趋势时，对智能功率模块进行禁升频处理，维持当前的输出频率，控制被控对象按照当前频率继续运行，以保证被控对象能够维持最大的能力输出。

⑦当智能功率模块的内部温度Tc在T3以下，且温度变化呈下降趋势时，由于Tc距离安全阈值Tmax尚远，因此可以不对智能功率模块的输出频率进行限制，保持其自由状态。此时，被控对象既可以升频运行，也可以降频运行，以运行在满足用户设定要求的状态为准。

需要说明的是：对于不同类型、不同厂家生产的智能功率模块来说，T1、T2、T3和降频速率△H的取值可能各不相同，需根据智能功率模块自身的温升特点有针对性地选择确定。

在本实施例中，考虑到目前的智能功率模块都是采用内置热敏电阻的方式来感测智能功率模块的内部温度Tc，因此，可以根据智能功率模块手册所提供的温阻曲线（R-T曲线）以及具体测试来确定出T1、T2、T3和降频速率△H的取值。

当然，对于没有内置热敏电阻的智能功率模块来说，也可以采用在智能功率模块附近的电路板上外置热敏电阻的方式来检测智能功率模块的温升。此时，可以利用所述热敏电阻规格书中提供的温阻曲线（R-T曲线）结合具体测试，来合理地确定T1、T2、T3和降频速率△H的取值。

目前的热敏电阻分为负温度系数的热敏电阻（NTC型热敏电阻）和正温度系数的热敏电阻（PTC型热敏电阻）两种。其中，NTC型热敏电阻的阻值随温度的升高而降低，其温阻曲线如图3所示；PTC型热敏电阻的阻值随温度的升高而升高，其温阻曲线刚好与NTC型热敏电阻的温阻曲线相反。由于温阻曲线表达了温度与阻值之间的一一对应关系，因此，可以利用温阻曲线在安全阈值Tmax点的曲线斜率来确定T1、T2、T3和X的取值。具体原则为：温阻曲线在温度点为Tmax处的曲线斜率的绝对值越大，△T1和△T2的取值越大，即T1与T2之间的差值以及T2与T3之间的差值越大，例如：可以设定△T1和△T2分别在4℃~5℃之间取值，加大回差温度；反之，若温阻曲线在温度点为Tmax处的曲线斜率较小，则按照曲线斜率的绝对值越小，△T1和△T2的取值也越小的原则确定，即T1与T2之间的差值以及T2与T3之间的差值越小，例如：可以设定△T1和△T2分别在3℃~4℃之间取值，以减小回差温度。

同样的，对于△T的取值也即遵循同样的取值原则，即遵循温阻曲线在温度点为Tmax处的曲线斜率的绝对值越大，△T的取值越大的原则。

对于降频速率△H的取值，本实施例优选在0.05~0.5Hz/s的范围内取值，并遵循上述原则，即热敏电阻的温阻曲线在温度点为Tmax处的曲线斜率的绝对值越大，△H的取值越大的原则。

作为本实施例的一种优选设计方案，可以首先将回差温度△T1和△T2的取值固定，然后根据温阻曲线在温度点为Tmax处的曲线斜率来确定△H的取值。例如：设定△T1=5℃，△T2=5℃，若T1=95℃，则T2=90℃，T3=85℃；观察温阻曲线在温度点为95℃处的曲线斜率，曲线斜率的绝对值越大，△H的取值越大，即通过加快降频速度来防止智能功率模块的内部温度Tc冲过安全阈值Tmax，而导致模块进入保护检出状态，影响系统运行的连贯性；反之，曲线斜率的绝对值越小，△H的取值越小，即降频速率放缓，以尽可能地发挥被控对象的最大输出能力。

当然，也可以首先将降频速率△H的取值固定下来，然后根据温阻曲线在温度点为Tmax处的曲线斜率来确定回差温度△T1和△T2的取值。例如：设定△H=0.1Hz/s，若T1=95℃，则观察温阻曲线在温度点为95℃处的曲线斜率，曲线斜率的绝对值越大，则△T1和△T2的取值越大，例如△T1=5℃，△T2=4℃，此时T2=90℃，T3=86℃，通过增大回差温度，以尽量防止智能功率模块的内部温度Tc冲过安全阈值Tmax，而导致模块进入保护检出状态，影响系统运行的连贯性；反之，曲线斜率的绝对值越小，则△T1和△T2的取值越小，例如△T1=4℃，△T2=3℃，此时T2=91℃，T3=88℃，通过减小回差温度，在确保智能功率模块运行在安全温度范围内的前提下，尽可能地发挥被控对象的最大输出能力。

图2示出了一种智能功率模块的温度采样电路原理图，其中，R1为热敏电阻，可以内置于智能功率模块内部，也可以外设在临近智能功率模块的系统电路板上。将热敏电阻R1的一端接地，另一端通过分压电阻R2连接直流电源VCC，例如+5V的直流电源，通过检测热敏电阻R1与分压电阻R2之间的分压节点处的电压值V_RTH，利用关系式：V_RTH=VCC*R1/(R1+R2)，换算出热敏电阻R1的阻值，进而利用该热敏电阻R1的温阻曲线，得到该阻值所对应的温度值，即智能功率模块的内部温度Tc，完成对智能功率模块内部温度Tc的检测过程。

当然，出于简化程序设计方面的考虑，可以事先根据热敏电阻R1的温阻曲线将每个温度值所对应分压节点处的电压值V_RTH计算出来，然后建立起温度值与电压值V_RTH之间的对应关系表，写入系统的控制芯片。将所述的控制芯片连接智能功率模块，二者组合构建形成变频控制器，参见图6所示，利用该控制芯片对智能功率模块的输出频率进行控制。在系统日后的运行过程中，控制芯片只需根据采集到的电压值V_RTH即可查找出与之对应的温度值，即智能功率模块的内部温度Tc，以加快温度检测速度，进而利用其内部运行的控制程序，快速生成合适的控制信号输出至智能功率模块，从而实现对智能功率模块输出频率的迅速调整，避免其内部温度Tc超出安全阈值Tmax，导致系统运行的不连贯。

这样，利用温度值与电压值V_RTH之间的对应关系，结合图1所示的温度控制逻辑，即可转换生成不同类型热敏电阻所对应的以电压值V_RTH为参变量的保护控制逻辑图，参见图4、图5所示。其中，图4为基于PTC型智能功率模块的温度保护控制逻辑图；图5为基于NTC型智能功率模块的温度保护控制逻辑图。图中，V1是温度T1所对应的电压值V_RTH；V2是温度T2所对应的电压值V_RTH；V3是温度T3所对应的电压值V_RTH。

本实施例通过设计一种控制逻辑，在智能功率模块的内部温度Tc达到保护检出前进行系统禁升频或者降频动作，从而可以将Tc温度始终控制在安全范围内不进行保护检出，保证智能功率模块在安全可靠的温度下运行的同时，也确保了系统运转的连贯性。该温度控制方法可以适用于任何变频设备中，使用户在使用变频设备时能够获得更加舒适的感受。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种智能功率模块的温度控制方法，其特征在于：检测智能功率模块的内部温度Tc，并在所述温度Tc到达Tmax-△T至Tmax区间内时，控制智能功率模块的输出频率降低或者维持当前频率，以限制智能功率模块的温升；所述Tmax为安全阈值，所述△T在3℃~10℃之间取值；

其中，所述温度Tc通过设置于智能功率模块内部或者外部的热敏电阻检测获得，根据热敏电阻的温阻曲线获得温阻曲线在温度点为Tmax处的曲线斜率；根据所述曲线斜率确定△T的取值，并遵循曲线斜率的绝对值越大，△T的取值越大的原则。

2.根据权利要求1所述的智能功率模块的温度控制方法，其特征在于：所述安全阈值Tmax为智能功率模块执行过热保护动作所对应的安全温度值。

3.根据权利要求1所述的智能功率模块的温度控制方法，其特征在于：所述智能功率模块在其内部温度Tc到达Tmax-△T1至Tmax区间内时，执行降频动作，所述△T1在3℃~5℃之间取值。

4.根据权利要求3所述的智能功率模块的温度控制方法，其特征在于：所述智能功率模块在其内部温度Tc到达Tmax-△T1-△T2至Tmax-△T1区间内时，若温度Tc呈下降趋势，则维持智能功率模块当前的输出频率；其中，所述△T2在3℃~5℃之间取值。

5.根据权利要求4所述的智能功率模块的温度控制方法，其特征在于：所述智能功率模块在其内部温度Tc低于Tmax-△T1-△T2时，对智能功率模块的输出频率不进行限制。

6.根据权利要求4所述的智能功率模块的温度控制方法，其特征在于：所述△T1、△T2的取值遵循热敏电阻的温阻曲线在温度点为Tmax处的曲线斜率的绝对值越大，△T1、△T2的取值越大的原则。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的智能功率模块的温度控制方法，其特征在于：所述智能功率模块在执行降频动作时，按照设定的降频速率△H降频；所述降频速率△H在0.05~0.5Hz/s的范围内取值，且遵循热敏电阻的温阻曲线在温度点为Tmax处的曲线斜率的绝对值越大，△H的取值越大的原则。

8.一种变频设备，包括智能功率模块和控制芯片，其特征在于：所述控制芯片连接智能功率模块，采集智能功率模块的内部温度Tc，并在所述温度Tc到达Tmax-△T至Tmax区间内时，控制智能功率模块的输出频率降低或者维持当前频率，以限制智能功率模块的温升；所述Tmax为安全阈值，所述△T在3℃~10℃之间取值；

其中，所述温度Tc通过设置于智能功率模块内部或者外部的热敏电阻检测获得，所述控制芯片根据热敏电阻的温阻曲线获得温阻曲线在温度点为Tmax处的曲线斜率，根据所述曲线斜率确定△T的取值，并遵循曲线斜率的绝对值越大，△T的取值越大的原则。