CN103986319B - 一种基于开关频率调节的提升机变频器igbt超温闭环保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开关频率调节的提升机变频器IGBT超温闭环保护方法，其步骤为：步骤一：IGBT结电阻检测；步骤二：计算IGBT结温；步骤三：开关频率调节；本发明直接检测IGBT结电阻，针对NPC三电平变频器精确计算结温，能够更真实反应IGBT内部的温度；本发明制定出一个温度闭环，通过调节IGBT开关频率来独立实时动态调节整流器和逆变器的IGBT温度使其在安全温度范围内工作，并控制变频器使提升机转速降低保证转矩不变，系统处于慢速稳定运行阶段；本发明是可视化结温显示，便于操作人员判断并执行相应操作；本发明既能精确检测IGBT芯片真实温度又能实现不停机保护。

Description

一种基于开关频率调节的提升机变频器IGBT超温闭环保护 方法

技术领域

本发明涉及一种基于开关频率调节的提升机变频器IGBT超温闭环保护方法，属于电力电子与电力传动领域。

背景技术

为了节能的目的，变频器在各行各业应用越来越多，其安全性也逐渐引起人们的关注。影响其安全性的重要环节就是变频器内部整流器和逆变器的IGBT超温问题，因为IGBT超温不仅降低了功率器件的使用寿命，还严重威胁变频器的稳定性和安全性。为了解决这个问题有些方法已经被提出，并取得一定效果。

较为常见的IGBT保护电路有基于IGBT壳体温度或者IGBT基板温度设计的过温电路，然后制定针对壳体的温度预警的；有基于检测IGBT开关频率和IGBT导通时电流的IGBT结温检测装置及方法的；有基于自动检测IGBT温度并实施分段报警和控制的；其余方法要么只检测IGBT结温不予保护，且需要检测IGBT开关频率，操作麻烦；要么检测的是IGBT的壳温，精确度不够；要么只检测IGBT温度并报警和控制，未给出有效的不停机情况下降低IGBT温度的控制方法，只能简单停机操作；针对提升机变流器尚无温度闭环的IGBT超温保护方法。经检索，现有技术中：《一种电力电子设备的热过载保护方法、装置及系统》(申请号：201310754113.6)，该发明申请中也应用到了热阻抗检测、结温计算等，但其保护措施就是停发IGBT脉冲，该方法结温计算方法不同，且存在保护时需要停机的弊端，没有形成温度闭环，不是正常运行状态下降低IGBT开关频率，实现对功率器件损耗的动态调节。就现阶段的变频器技术状况来说，需要一种既能精确检测IGBT芯片真实温度又能实现不停机保护的控制方法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于开关频率调节的提升机变频器IGBT超温闭环保护方法，直接检测IGBT结电阻，针对NPC三电平变频器精确计算结温，更真实反应IGBT内部的温度，本发明制定出一个温度闭环，通过调节IGBT开关频率来独立实时动态调节整流器和逆变器的IGBT温度使其在安全温度范围内工作，并控制变频器使提升机转速降低保证转矩不变，系统处于慢速稳定运行阶段，本发明是可视化结温显示，便于操作人员判断并执行相应操作。

本发明的技术解决方案是：一种基于开关频率调节的提升机变频器IGBT超温闭环保护方法，其步骤为：步骤一：IGBT结电阻的检测；步骤二：计算IGBT结温；步骤三：开关频率调节。

所述IGBT结电阻检测步骤就是引出IGBT自带的结电阻测量接线端，通过采样整流器和逆变器内全部IGBT电阻值，然后比较大小，取其中的最小值，分别标记为R_jA和R_jB。

所述IGBT结温的计算：IGBT的损耗由导通损耗和开关损耗组成，即

P_T＝P_con,T+P_sw,T

初始饱和压降表示为：

v_0,T＝v_{0,T_25℃}+K_v0,T(T_vj,T-25℃)

导通电阻表示为：

r_T＝r_{T_25℃}+K_r,T(T_vj,T-25℃)

导通损耗表示为：

P_con,T＝v_0,TI+r_TI²

式中，所述v_{0,T_25℃}为IGBT在25℃结温下的初始饱和压降；所述r_{T_25℃}为IGBT在25℃结温下的导通电阻；所述K_v0,T为IGBT初始饱和压降的温度修正系数，为负值；所述K_r,T为IGBT导通电阻的温度修正系数，为负值；所述T_vj,T为IGBT的结温；所述I为流过IGBT的瞬时电流值。

当变频器稳定工作时，散热装置热容一定，即P_conT恒定，而稳定状态下流过IGBT的电流大小恒定，由导通损耗计算公式可以看出，此时的P_conT与T_vj.T呈唯一线性相关性、r_T与T_vj.T呈唯一线性相关性，由此可以看出R_jA和R_jB分别对应此时结温的最大值，通过拟合曲线的方法依据IGBT官方数据可以查到对应此时的结温数值T_jA和T_jB。

IGBT的开关能量损耗可表示为

式中，所述A_sw,X和B_sw,X和C_sw,X为测试条件下开关能量损耗随电流变化的二次拟合曲线系数；所述D_sw,X为测试电压U_base的修正系数；所述K_sw,T为测试结温T_base的修正系数；所述U_ce为器件实际承受电压。

在一个开关周期内，IGBT的平均开关损耗为

P_sw,T＝f_swE_sw,T(I)

式中，f_sw为开关频率。

所述开关频率调节式中当整流器和逆变器最高结温T_jA和T_jB超出安全阈值时，即T_jA>T_sA或T_jB>T_sB时，可以在不停机的状况下，通过分别或同时降低整流器和逆变器IGBT的开关频率，即f_sw来降低功率器件损耗，进而起到超温保护的作用，具体如下：提升机变频器的中央处理单元实时采样温度环中降低IGBT开关频率控制信号发出的IGBT温度控制信号T_rc和T_ic的电平状态，当输入为高电平也即降低IGBT开关频率的时候，中央处理单元以响应外部中断的形式开始执行低于此时IGBT运行开关频率的频率中断程序，直到降低IGBT开关频率控制信号的电平状态恢复低电平，跳出中断，继续执行稳态运行时程序。

其中，E_on,T(I)表示IGBT开通损耗；E_off,T(I)表示IGBT关断损耗；T_sA表示整流器结温安全阈值；T_sB表示逆变器结温安全阈值。

计算出的IGBT结温数值可以通过IGBT结温显示装置进行显示，比如7段式数码管或者液晶显示屏进行结温显示，便于操作人员进行可视化操作，如有必要可以进行手动停机。

附图说明

图1为本发明IGBT温度闭环控制示意图。

图2为本发明IGBT频率调节控制示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本发明技术方案做进一步的说明。

如图1、图2所示，图1为本发明IGBT温度闭环控制示意图；图2为本发明IGBT频率调节控制示意图。

本实施例的基于开关频率调节的提升机变频器IGBT超温闭环保护方法，其步骤为：步骤一：IGBT结电阻的检测；步骤二：计算IGBT结温；步骤三：开关频率调节。

所述IGBT结电阻检测步骤就是引出IGBT自带的结电阻测量接线端，通过采样整流器和逆变器内全部IGBT电阻值，然后比较大小，取其中的最小值，分别标记为R_jA和R_jB。

所述IGBT结温的计算：IGBT的损耗由导通损耗和开关损耗组成，即

P_T＝P_con,T+P_sw,T

初始饱和压降表示为：

v_0,T＝v_{0,T_25℃}+K_v0,T(T_vj,T-25℃)

导通电阻表示为：

r_T＝r_{T_25℃}+K_r,T(T_vj,T-25℃)

导通损耗表示为：

P_con,T＝v_0,TI+r_TI²

式中，所述v_{0,T_25℃}为IGBT在25℃结温下的初始饱和压降；所述r_{T_25℃}为IGBT在25℃结温下的导通电阻；所述K_v0,T为IGBT初始饱和压降的温度修正系数，为负值；所述K_r,T为IGBT导通电阻的温度修正系数，为负值；所述T_vj,T为IGBT的结温；所述I为流过IGBT的瞬时电流值。

当变频器稳定工作时，散热装置热容一定，即P_conT恒定，而稳定状态下流过IGBT的电流大小恒定，由导通损耗计算公式可以看出，此时的P_conT与T_vj.T呈唯一线性相关性、r_T与T_vj.T呈唯一线性相关性，由此可以看出R_jA和R_jB分别对应此时结温的最大值，通过拟合曲线的方法依据IGBT官方数据可以查到对应此时的结温数值T_jA和T_jB。

IGBT的开关能量损耗可表示为

式中，所述A_sw,X和B_sw,X和C_sw,X为测试条件下开关能量损耗随电流变化的二次拟合曲线系数；所述D_sw,X为测试电压U_base的修正系数；所述K_sw,T为测试结温T_base的修正系数；所述U_ce为器件实际承受电压。

在一个开关周期内，IGBT的平均开关损耗为

P_sw,T＝f_swE_sw,T(I)

式中，f_sw为开关频率。

所述开关频率调节式中当整流器和逆变器最高结温T_jA和T_jB超出安全阈值时，即T_jA>T_sA或T_jB>T_sB时，可以在不停机的状况下，通过分别或同时降低整流器和逆变器IGBT的开关频率，即f_sw来降低功率器件损耗，进而起到超温保护的作用，具体如下：提升机变频器的中央处理单元实时采样温度环中降低IGBT开关频率控制信号发出的IGBT温度控制信号T_rc和T_ic的电平状态，当输入为高电平也即降低IGBT开关频率的时候，中央处理单元以响应外部中断的形式开始执行低于此时IGBT运行开关频率的频率中断程序，直到降低IGBT开关频率控制信号的电平状态恢复低电平，跳出中断，继续执行稳态运行时程序。

计算出的IGBT结温数值可以通过IGBT结温显示装置进行显示，比如7段式数码管或者液晶显示屏进行结温显示，便于操作人员进行可视化操作，如有必要可以进行手动停机。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于开关频率调节的提升机变频器IGBT超温闭环保护方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一：IGBT结电阻的检测；

步骤二：计算IGBT结温；

其公式为：IGBT损耗由导通损耗和开关损耗组成，即P_T＝P_con,T+P_sw,T；初始饱和压降表示为：v_0,T＝v_{0,T_25℃}+K_v0,T(T_vj,T-25℃)，导通电阻表示为：r_T＝r_{T_25℃}+K_r,T(T_vj,T-25℃)；导通损耗表示为：P_con,T＝v_0,TI+r_TI²，IGBT的开关能量损耗表示为：

在一个开关周期内，IGBT的平均开关损耗表示为：P_sw,T＝f_swE_sw,T(I)；

E_on,T(I)表示IGBT开通损耗；E_off,T(I)表示IGBT关断损耗；

所述v_{0,T_25℃}为IGBT在25℃结温下的初始饱和压降；所述r_{T_25℃}为IGBT在25℃结温下的导通电阻；所述K_v0,T为IGBT初始饱和压降的温度修正系数，为负值；所述K_r,T为IGBT导通电阻的温度修正系数，为负值；所述T_vj,T为IGBT的结温；所述I为流过IGBT的瞬时电流值；所述A_sw,T和B_sw,T和C_sw,T为测试条件下开关能量损耗随电流变化的二次拟合曲线系数；所述D_sw,T为测试电压U_base的修正系数；所述K_sw,T为测试结温T_base的修正系数；所述U_ce为器件实际承受电压；所述f_sw为开关频率；

步骤三：开关频率调节。

2.根据权利要求1所述的基于开关频率调节的提升机变频器IGBT超温闭环保护方法，其特征在于：所述IGBT结电阻检测步骤是引出IGBT自带的结电阻测量接线端，通过采样整流器和逆变器内全部IGBT电阻值，比较其大小，取其中的最小值，分别标记为R_jA和R_jB。

3.根据权利要求1所述的基于开关频率调节的提升机变频器IGBT超温闭环保护方法，其特征在于：由所述导通损耗计算公式得出，当变频器稳定工作时，P_con,T恒定，IGBT的电流大小恒定，P_con,T与T_vj.T呈唯一线性相关性、r_T与T_vj.T呈唯一线性相关性，从而得到R_jA和R_jB对应此时结温的最大数值T_jA和T_jB。

4.根据权利要求1所述的基于开关频率调节的提升机变频器IGBT超温闭环保护方法，其特征在于：所述开关频率调节步骤是指在T_jA>T_sA或T_jB>T_sB时，在不停机的状况下，降低整流器和逆变器IGBT的开关频率，f_sw降低功率器件损耗；T_sA表示整流器结温安全阈值；T_sB表示逆变器结温安全阈值。

5.根据权利要求1所述的基于开关频率调节的提升机变频器IGBT超温闭环保护方法，其特征在于：IGBT结温数值通过IGBT结温显示装置进行显示。