CN103699152B - 一种基于温度曲线斜率控制的功率器件过温保护方法 - Google Patents

一种基于温度曲线斜率控制的功率器件过温保护方法 Download PDF

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一种基于温度曲线斜率控制的功率器件过温保护方法，包括如下步骤：1）在变频器内的功率器件外部的散热器上增设NTC热敏电阻，变频器上电后，检测NTC热敏电阻的初始温度；2）变频器运行后，求出NTC热敏电阻的温度值相对环境温度超出20℃时变频器运行nT时间段内NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值K1；3）以此类推获得第i个nT时间段内Ki；4）当Ki≤1时，判断风机正常运行，过温保护设定值取过温保护默认值；当Ki连续多次>1时，就判断风机没有运行，降低过温保护设定值；5）一旦检测到NTC热敏电阻温度超过过温保护设定值，变频器报出过温保护故障，封锁PWM输出，电机自由停机。本发明有效解决过温保护可靠性问题，还可以判断风机是否正常运行。

Description

一种基于温度曲线斜率控制的功率器件过温保护方法
技术领域
本发明涉及一种基于温度曲线斜率控制的功率器件过温保护方法，应用于所有基于NTC热敏电阻进行温度保护的功率器件。
背景技术
变频器产品开发过程中，经常需要用到IGBT或者晶闸管等功率器件，功率器件由于工作时通过较高的电压和较大的电流，再加上较高的载波频率，是变频器产品中最大的发热源，温升相对较高，功率器件的可靠性直接决定了整个变频器的可靠性，如果散热不好，将直接导致功率器件的损坏，因此功率器件在实际应用中，必须增加相应的过温保护功能。
传统的功率器件过温保护主要有两种方法：1、直接利用功率器件内部的NTC热敏电阻；2、通过在散热器上固定一个NTC热敏电阻(尽可能靠近功率器件)，NTC热敏电阻通过外部电路将电阻信号转换为电压信号后送入CPU的AD进行处理，将得到的温度值与过温保护设定值进行对比，如果检测值高于设定值，则认为过温，如果低于设定值，则认为正常。传统过温保护方法设计的过温保护设定值是固定不变的，通常是80℃，当检测到NTC热敏电阻温度达到80℃时，开始过温故障保护，封锁PWM（脉冲宽度调制）。
但是上述两种方法都有一定的弊端：1、前者的弊端主要体现在有些功率器件内部没有设置温度检测，即使内部有温度检测，也由于功率器件内部的安规问题，这些温度检测输出必须通过光耦隔离后才能送给CPU处理，这将增加电路设计的复杂性；2、后者的弊端主要体现在外部NTC热敏电阻与功率器件最热点之间有一定的距离，导致两者的温差与散热器的散热材料存在较大的关系，特别是当功率器件温度急剧上升时，由于热传递速度的限制，热量的传递有个过程，存在一个滞后，使得两者之间的温差将会更大，在某些工况下，如果功率器件温度急剧上升，此时仍然按照固定的过温保护点进行保护，可能导致过温保护失效。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对传统过温保护方法存在的上述不足，提供一种基于温度曲线斜率控制的功率器件过温保护方法，不但可以有效解决过温保护可靠性问题，而且还可以对风机是否正常运行进行判断处理。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于温度曲线斜率控制的功率器件过温保护方法，包括如下步骤：
1）在变频器内的功率器件外部的散热器上增设NTC热敏电阻，变频器上电后，检测NTC热敏电阻的初始温度作为环境温度；
2）变频器运行后，当检测到NTC热敏电阻的温度值相对环境温度超出20℃时，每隔一个周期T计算一次NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率，累计计算n（n取整）个点的NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率后，求出变频器运行nT时间段内NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值K1；
3）在下一个nT时间段内重新按照步骤2）计算变频器运行第二个nT时间段内NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值K2；以此类推获得变频器运行第i个nT时间段内NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值Ki，其中，i=3，4，5，…；
4）当检测到步骤3）中NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值Ki（i=1，2，3，…）≤1时，判断风机正常运行，过温保护设定值取过温保护默认值；当检测到NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值Ki连续多次>1时，就判断风机没有运行，同时根据实测的斜率平均值Ki的大小分档降低过温保护设定值：斜率平均值Ki相对1越大，过温保护设定值相对过温保护默认值降低的幅度越大（反之越小）；
5）根据步骤4）设置的过温保护设定值，一旦检测到NTC热敏电阻的温度超过过温保护设定值，变频器报出过温保护故障，封锁PWM输出，电机自由停机。
按上述方案，所述步骤4）中分档降低过温保护设定值，具体为：
a、当1<Ki≤2时，过温保护设定值取过温保护默认值减去5℃；
b、当2<Ki≤4时，过温保护设定值取过温保护默认值减去10℃；
c、当Ki>4时，过温保护设定值取过温保护默认值减去15℃。
按上述方案，所述步骤2）中周期T取2ms，n取100，时间段nT即为0.2s。
所述步骤4）中过温保护默认值设置为80℃。
本发明的工作原理：基于传统的通过在功率器件外部增设NTC热敏电阻来检测温度的硬件电路，通过检测功率器件的温度变化曲线的斜率对过温保护点进行处理，当检测到温度曲线的斜率平均值较低时，说明散热正常，功率器件在散热器的作用下，温度首先会逐渐上升，经过一段时间后，进入热平衡，温度值逐渐稳定下来，如果此时的温升满足设计要求，即认为设计合理，将过温保护设定值取过温保护默认值；当检测到温度曲线的斜率平均值较大时，说明散热不正常，由于温度急剧变化的原因就是风机没有正常工作，因此可以认为风机运行不正常，功率器件在散热器的作用下，温度将会急剧上升，无法进入热平衡，如果不能及时加以保护，功率器件就会热损坏，因此根据实测的斜率平均值的大小分档将过温保护设定值降低处理，这样大幅提升过温保护的可靠性。
本发明具有以下有益效果：通过检测NTC热敏电阻温度变化的斜率平均值大小对变频器内的功率器件进行过温保护，经过实验验证效果良好，在提高功率器件过温保护有效性的同时，也可以有效的判断风机是否正常工作，大大提升了产品的可靠性，非常值得在产品中推广应用。
附图说明
图1是本发明功率器件散热正常与不正常的温度与时间的关系示意曲线图；
图2是本发明实施例IGBT测试时风机正常工作及堵转情况下温度变化及温度曲线图；
图2中，曲线A-风机正常工作下IGBT温度变化率，曲线B-风机正常工作下NTC热敏电阻温度变化率，曲线C-风机堵转情况下IGBT温度变化率，曲线D-风机堵转情况下NTC热敏电阻温度变化率，曲线E-风机堵转情况下IGBT温度曲线，曲线F-风机堵转情况下NTC热敏电阻温度曲线，曲线G-风机正常工作下IGBT温度曲线，曲线H-风机正常工作下NTC热敏电阻温度曲线。
具体实施方式
参照图1～图2所示，本发明所述的基于温度曲线斜率控制的功率器件过温保护方法，包括如下步骤：
1）在变频器内的功率器件外部的散热器上增设NTC热敏电阻，变频器上电后，检测NTC热敏电阻的初始温度作为环境温度；
2）变频器运行后，当检测到NTC热敏电阻的温度值相对环境温度超出20℃时，每隔一个周期T计算一次NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率，累计计算n（n取整）个点的NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率后，求出变频器运行nT时间段内NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值K1；
3）在下一个nT时间段内重新按照步骤2）计算变频器运行第二个nT时间段内NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值K2；以此类推获得变频器运行第i个nT时间段内NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值Ki，其中，i=3，4，5，…（每下一次计算都是将前一次计算的温度变化曲线的斜率平均值清除，重新计算得到新的斜率平均值，也就是说，NTC热敏电阻在不同时段的温度变化曲线的斜率平均值Ki在运行中不停检测、实时刷新）；
4）当检测到步骤3）中NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值Ki（i=1，2，3，…）≤1时，判断风机正常运行，过温保护设定值取过温保护默认值；当检测到NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值Ki连续10次>1时，就判断风机没有运行，同时根据实测的斜率平均值Ki的大小分档降低过温保护设定值：斜率平均值Ki相对1越大，过温保护设定值相对过温保护默认值降低的幅度越大（反之越小），具体为：
a、当1<Ki≤2时，过温保护设定值取过温保护默认值减去5℃；
b、当2<Ki≤4时，过温保护设定值取过温保护默认值减去10℃；
c、当Ki>4时，过温保护设定值取过温保护默认值减去15℃；
5）根据步骤4）设置的过温保护设定值，一旦检测到NTC热敏电阻的温度超过过温保护设定值，变频器报出过温保护故障，封锁PWM输出，电机自由停机。
本发明实施例以IGBT作为功率器件进行监测，上述周期T取2ms，n取100，时间段nT即为0.2s，所述过温保护默认值设置为80℃，IGBT测试时风机正常工作及堵转情况下温度变化及温度曲线图如图2所示。环境温度（热敏电阻的初始温度）为22℃，检测到NTC热敏电阻的温度值相对环境温度超出20℃，即NTC热敏电阻的温度值超过42℃时，开始每隔2ms计算一次NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率，累计计算100个点的NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率后，求出变频器运行0.2s时间段内NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值Ki，当检测到NTC热敏电阻的温度曲线如曲线H所示、温度变化曲线如曲线B所示时，Ki≤1，判断风机正常运行，过温保护设定值取过温保护默认值；当检测到NTC热敏电阻的温度曲线如曲线F所示、温度变化曲线如曲线D所示时，Ki>4，就判断风机没有运行，同时根据实测的斜率平均值Ki相对1的大小分档降低过温保护设定值，Ki>4的情况下，过温保护设定值取过温保护默认值减去15℃，即过温保护设定值取80℃-15℃=65℃，一旦检测到NTC热敏电阻的温度超过过温保护设定值65℃，变频器报出过温保护故障，封锁PWM输出，电机自由停机。
本发明基于传统的通过在功率器件外部增设NTC热敏电阻来检测温度的硬件电路，通过检测功率器件的温度变化曲线的斜率对过温保护点进行处理，当检测到温度曲线的斜率平均值较低时，说明散热正常，功率器件在散热器的作用下，温度首先会逐渐上升，经过一段时间后，进入热平衡，温度值逐渐稳定下来，如果此时的温升满足设计要求，即认为设计合理，如图1中含有c和d示意的曲线，将过温保护设定值取过温保护默认值；当检测到温度曲线的斜率平均值较大时，说明散热不正常，由于温度急剧变化的原因就是风机没有正常工作，因此可以认为风机运行不正常，功率器件在散热器的作用下，温度将会急剧上升，如图1中含有a和b示意的曲线，无法进入热平衡，如果不能及时加以保护，功率器件就会热损坏，因此根据实测的斜率平均值的大小分档将过温保护设定值降低处理，这样大幅提升过温保护的可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于温度曲线斜率控制的功率器件过温保护方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）在变频器内的功率器件外部的散热器上增设NTC热敏电阻，变频器上电后，检测NTC热敏电阻的初始温度作为环境温度；
2）变频器运行后，当检测到NTC热敏电阻的温度值相对环境温度超出20℃时，每隔一个周期T计算一次NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率，累计计算n个点的NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率后，求出变频器运行nT时间段内NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值K1；
3）在下一个nT时间段内重新按照步骤2）计算变频器运行第二个nT时间段内NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值K2；以此类推获得变频器运行第i个nT时间段内NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值Ki，其中，i=3，4，5，…；
4）当检测到步骤3）中NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值Ki≤1时，判断风机正常运行，过温保护设定值取过温保护默认值；当检测到NTC热敏电阻的温度变化曲线的斜率平均值Ki连续多次>1时，就判断风机没有运行，同时根据实测的斜率平均值Ki的大小分档降低过温保护设定值：斜率平均值Ki相对1越大，过温保护设定值相对过温保护默认值降低的幅度越大；
5）根据步骤4）设置的过温保护设定值，一旦检测到NTC热敏电阻的温度超过过温保护设定值，变频器报出过温保护故障，封锁PWM输出，电机自由停机。
2.如权利要求1所述的功率器件过温保护方法，其特征在于：所述步骤4）中分档降低过温保护设定值，具体为：
a、当1<Ki≤2时，过温保护设定值取过温保护默认值减去5℃；
b、当2<Ki≤4时，过温保护设定值取过温保护默认值减去10℃；
c、当Ki>4时，过温保护设定值取过温保护默认值减去15℃。
3.如权利要求1所述的功率器件过温保护方法，其特征在于：所述步骤2）中周期T取2ms，n取100，时间段nT即为0.2s。
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