CN105158667B - 一种变流器功率二极管结温测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变流器功率二极管结温测量系统及方法，所述的结温测量系统包括：信号监测单元，与变流器连接，采集变流器的输出相电压和输出相电流，获取各输出相电压的电压变化率；结温计算单元，与信号监测单元连接，存储有预先获得的结温特性三维表格，根据所述输出相电流、电压变化率及结温特性三维表格计算变流器中各功率二极管的运行结温。与现有技术相比，本发明能在所有运行区间内对二极管运行结温进行测量，不仅可用于实验室，同样可在工业现场变流器正常运行过程中对功率二极管结温进行在线测量，具有测量简便、测量结果准确等优点。

Description

一种变流器功率二极管结温测量系统与方法

技术领域

本发明涉及二极管温度测量技术领域，尤其是涉及一种变流器功率二极管结温测量的系统与方法。

背景技术

结温是电力电子器件的重要状态变量，能直接反映器件安全裕量、健康状态以及运行性能等。然而由于器件的封装结构、芯片尺寸小以及温度分布不均等原因，结温测量十分困难。电力电子器件是变流器的核心器件，因此研发简便，准确、安全的器件结温测量技术对于变流器性能评估，优化设计以及状态监测与故障诊断具有重要工程意义。

作为变流器中最常见的电力电子器件，准确测量功率二极管结温十分重要。某些情况下，变流器中功率二极管可能承受比其它器件更高的热应力。例如：双馈风电机组在超同步运行或电网对称故障低电压穿越时，转子侧变流器中功率二极管的温度波动高于其它器件；在中性点钳位式三电平大功率风电变流器中，钳位二极管的运行温度会明显高于其它器件。

目前，对功率电力电子器件的结温监测主要分为两类：1)基于传感器的直接测量法，如：利用热电偶、光纤以及集成二极管等测温方法；2)基于温敏电参数的间接测量法，如：利用导通压降、开关延迟时间、内部门极电阻等器件温敏参数的测温方法。前者对传感器的安放位置有较高要求，还存在响应速度慢，硬件结构复杂以及绝缘安全等问题。温敏参数法具有非侵入式测量的特点，无需改变功率器件的硬件结构，因此成为结温测量技术发展的一个主要方向。

文献“Determination of junction temperature of laser diode arraysoperating under quasi continuous conditions”(A.Kozlowska,A.Malag,S.Wrobel,Proc.Lasers and Electro-Optics Europe Conference，pp.148,22-27Jun.2003)提出了一种发光二极管结温测量的方法，该方法根据发光二极管光谱波长与结温间的定量关系，通过测量二极管光谱波长的偏移量确定二极管的结温。该方法仅适用于发光二极管的结温测量，无法应用于变流器中的功率二极管。此外二极管光谱波长的精确测量对设备要求很高，只能在实验室中进行。

文献“Junction temperature measurement of light-emitting diodes byvoltage-temperature relation method”(Y.K.Yang,W.C.Lien,Y.C.Huang,N.C.Chen,Proc.Lasers and Electro-Optics-Pacific Rim Conference,pp.1-2,26-31Aug.2007)提出了一种基于导通压降与结温关系的二极管结温测量方法，该方法在测温过程中向二极管中注入一个恒定幅值的小电流并测量二极管通态压降，根据小电流条件下二极管导通压降与结温间的定量关系T_j＝f(V_F)，获取二极管结温信息。由于额外注入测量用小电流会影响变流器系统正常运行，因此该方法只能在实验室中进行，无法在现场对功率二极管运行结温进行测量。

文献“Measurement of junction temperature of a semiconductor laserdiode”(A.Karim,Proc.INMIC,pp.659-662,Dec.2004)提出的方法同样是利用导通压降对二极管结温进行测量。该方法在变流器正常运行过程中同时监测二极管导通压降与电流，根据结温与它们之间的定量关系T_j＝f(V_F,I_D)直接获取二极管运行结温的信息。然而该方法也存在一定的局限性。首先，二极管导通压降在一定电流范围内对温度不敏感，因此该方法无法在所有运行区间内对结温进行测量；此外，由于导通压降很小(通常在1～2V)而关断压降很大(通常在几百伏)，因此高频开关工作条件下二极管导通压精确测量十分困难。

专利US006060792A提出了一种利用电压变化率测量电力电子器件结温的方法，该方法在系统正常开关运行过程中通过监测器件关断时的电压变化率与电流获取器件运行结温信息，但目前该方法仅适用于IGBT器件，无法直接应用于二极管结温测量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于现场在线测量、测量简便准确的变流器功率二极管结温测量系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种变流器功率二极管结温测量系统，包括：

信号监测单元，与变流器连接，采集变流器的输出相电压和输出相电流，获取各输出相电压的电压变化率；

结温计算单元，与信号监测单元连接，存储有预先获得的结温特性三维表格，根据所述输出相电流、电压变化率及结温特性三维表格计算变流器中各功率二极管的运行结温。

所述信号监测单元包括电压探头、电流探头和示波器，所述示波器分别连接电压探头、电流探头和结温计算单元。

所述信号监测单元包括信号测量与调理电路。

所述结温计算单元为上位机或变流器主控器。

所述电压变化率为功率二极管关断时变流器各输出相电压从90％V_dc变化到10％V_dc过程中的电压变化率，V_dc为直流电压。

所述变流器为由基本Buck单元电路组成的变流器。

一种变流器功率二极管结温测量方法，包括：

标定步骤，通过标定实验获得变流器中功率二极管结温T_j与电压变化率dv/dt以及输出相电流i的定量关系dv/dt＝(T_j,i)，形成结温特征三维表格；

信号监测步骤，在变流器正常工作时，获取变流器电压变化率及输出相电流；

结温计算步骤，根据所述输出相电流、电压变化率及结温特性三维表格计算变流器中各功率二极管的运行结温。

所述标定实验包括以下步骤：

1)加热变流器使其温度到达指定值并达到热平衡，测量此时变流器的壳温即为功率二极管的结温T_j；

2)通过双脉冲实验测量功率二极管关断时变流器电压变化率dv/dt及输出相电流i；

3)重复步骤1)-2)，获得电压变化率dv/dt与不同功率二极管结温T_j以及输出相电流i的定量关系dv/dt＝(T_j,i)。

所述电压变化率为功率二极管关断时变流器各输出相电压从90％V_dc变化到10％V_dc过程中的电压变化率，V_dc为直流电压。

所述变流器为由基本Buck单元电路组成的变流器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)测量范围宽：与现有技术采用二极管导通压降作为温敏参数相比，本发明方法不存在对温度不敏感的电流范围，能在所有运行区间内对二极管运行结温进行测量。

(2)适用于现场在线测量：相比于现有技术，本发明方法不仅可用于实验室，同样可在工业现场变流器正常运行过程中对功率二极管结温进行在线测量。

(3)测量简便：与现有技术必须监测每个二极管的导通压降相比，本发明方法仅需监测变流器每相输出电压，有效降低了监测信号的数量。

(4)测量准确：本发明方法采用二极管关断电压变化率作为温敏参数，与现有技术采用导通压降等温敏参数相比，本发明方法具有温敏参数灵敏度高、线性度好、结温测量精度高的优点。

(5)适用广泛：本发明不仅适用于三相变流器，且适用于所有由基本Buck单元电路组成的变流器。

附图说明

图1为本发明结温测量系统的结构示意图；

图2为本发明电压变化率定义示意图，其中，(2a)为变流器输出相电压、相电流的曲线示意图，(2b)为二极管D₁关断过程示意图，图2中电压电流正方向如图1所示；

图3为本发明结温测量方法的流程示意图；

图4为基本Buck单元电路示意图；

图5为二极管关断时电压变化率随温度变化特性示意图；

图6为标定实验测得的结温特性三维表格示意图；

图7为380V/7.5kW三相变频器功率二极管结温测量结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供一种变流器功率二极管结温测量系统10，与变流器30连接，所述变流器30与电机20连接，变流器30上连接有直流电压V_dc。

以三相变流器为例，变流器功率二极管结温测量系统10包括信号监测单元11和结温计算单元12，信号监测单元11与变流器30连接，采集变流器30的输出相电压v_a、v_b、v_c和输出相电流i_a、i_b、i_c，获取各输出相电压的电压变化率dv_a/dt、dv_b/dt、dv_c/dt；结温计算单元12与信号监测单元11连接，存储有预先获得的结温特性三维表格，根据所述输出相电流、电压变化率及结温特性三维表格计算变流器中各功率二极管的运行结温。

上述变流器功率二极管结温测量系统测量结温的基本原理是：二极管关断时的电压变化率受反向恢复过程影响会随结温发生变化，通过监测电压变化率可以实现结温的测量。

如图2所示，电压变化率为功率二极管关断时变流器各输出相电压从90％V_dc变化到10％V_dc过程中的电压变化率，V_dc为直流电压。当输出电流大于零时，变流器各相半桥中下桥臂二极管导通工作，利用输出电压上升沿的电压变化率可以测量下桥臂二极管的运行结温；当输出电流小于零时，利用输出电压的下降沿可相应地测得上桥臂二极管的运行结温。

上述结温测量系统10中，信号监测单元11的一种实施例为由高压差分电压探头与高频直流电流探头加高速示波器组成，另一种实施例为采用专门设计的信号测量与调理电路实现对变流器电压变化率和电流的监测。结温计算单元12可由上位机或变流器主控器实现。

如图3所示，本发明还提供一种变流器功率二极管结温测量方法，包括：

标定步骤，通过标定实验获得变流器中电压变化率dv/dt与功率二极管结温T_j(此处，j表示junction的缩写，T_j表示器件的结温)以及输出相电流i的定量关系dv/dt＝(T_j,i)，形成结温特征三维表格；

信号监测步骤，在变流器正常工作时，获取变流器电压变化率及输出相电流；

结温计算步骤，将测量得到的变流器电压变化率及电流数据带入标定实验获得的结温特性三维表格，通过线性插值法计算出待测二极管的运行结温。

标定实验包括变流器加热与双脉冲实验，具体如下：

1)加热变流器使其温度到达指定值，保持一段时间(约0.1s～10s)使功率模块内部达到热平衡，测量此时变流器的壳温即为待测功率二极管的结温T_j。实际系统中可根据现场条件采用被动加热或控制变流器电流自加热等方式进行加热。变流器壳温可利用功率模块中集成的温度传感器进行测量。

2)通过双脉冲实验测量功率二极管关断时变流器电压变化率dv/dt及输出相电流i。双脉冲实验可利用变流器负载电感通过合理控制IGBT触发信号现场实施。

3)重复步骤1)-2)，获得不同结温、不同电流下的变流器电压变化率，并得出结温特性三维表格。

上述结温测量系统及测量方法利用二极管关断时的电压变化率对结温进行测量，不仅限于三相变流器，本发明提出的方法适用于所有由如图4所示的基本Buck单元电路组成的变流器。

以上述测量系统及方法对功率模块FF50R12RT4中的功率二极管进行结温测量，具体实验过程为：

(1)加热变频器达到指定温度，保持一段时间让功率模块内部达到热平衡，测量此时模块壳温作为待测二极管D₁的结温T_{j_D1}。

(2)控制变频器触发脉冲对待测二极管D₁进行双脉冲实验。具体过程为：首先保持T₃管导通而其余IGBT管(T₁、T₅、T₄、T₆)保持关断状态，然后对T₂施加双脉冲进行测试(此处，T是transistor的缩写，表示IGBT器件，数字下标1、2…是IGBT管的编号)。利用电压、电流探头与示波器测量并记录A相电压及相电流波形。

(3)分析步骤2)记录的电压及电流波形，计算得到二极管D₁关断时对应的电压变化率dv_a/dt＝80％V_DC/ΔT及对应的稳态相电流i_a。

(4)重复步骤(1)～(3)，获得不同结温、不同电流下的电压变化率，并得到图6所示的结温特性三维表格dv_a/dt＝f(T_{j_D1},i_a)。

(5)控制变频器正常运行，测量并记录运行过程中A相电压及电流波形。

(6)分析步骤5)测得的电压及电流数据，获得待测功率二极管D₁关断时的电压变化率dv_a/dt及电流i_a。将这些数据带入标定实验(步骤(1)～(4))获得的结温特性三维表格dv_a/dt＝f(T_{j_D1},i_a)，通过线性插值法计算出待测二极管的运行结温。

利用基于PLECS软件的电热仿真与实验测量结果进行比较，如图7所示，仿真结果与实验结果基本一致，验证了本发明方法的正确性。

Claims (8)

1.一种变流器功率二极管结温测量系统，其特征在于，包括：

信号监测单元，与变流器连接，采集变流器的输出相电压和输出相电流，获取各输出相电压的电压变化率，所述电压变化率为功率二极管关断时变流器各输出相电压从90％V_dc变化到10％V_dc过程中的电压变化率，V_dc为直流电压；

结温计算单元，与信号监测单元连接，存储有预先获得的结温特性三维表格，根据所述输出相电流、电压变化率及结温特性三维表格计算变流器中各功率二极管的运行结温。

2.根据权利要求1所述的变流器功率二极管结温测量系统，其特征在于，所述信号监测单元包括电压探头、电流探头和示波器，所述示波器分别连接电压探头、电流探头和结温计算单元。

3.根据权利要求1所述的变流器功率二极管结温测量系统，其特征在于，所述信号监测单元包括信号测量与调理电路。

4.根据权利要求1-3中任一所述的变流器功率二极管结温测量系统，其特征在于，所述结温计算单元为上位机或变流器主控器。

5.根据权利要求1所述的变流器功率二极管结温测量系统，其特征在于，所述变流器为由基本Buck单元电路组成的变流器。

6.一种变流器功率二极管结温测量方法，其特征在于，包括：

标定步骤，通过标定实验获得变流器中功率二极管结温T_j与电压变化率dv/dt以及输出相电流i的定量关系dv/dt＝(T_j,i)，形成结温特征三维表格，所述电压变化率为功率二极管关断时变流器各输出相电压从90％V_dc变化到10％V_dc过程中的电压变化率，V_dc为直流电压；

信号监测步骤，在变流器正常工作时，获取变流器电压变化率及输出相电流；

结温计算步骤，根据所述输出相电流、电压变化率及结温特性三维表格计算变流器中各功率二极管的运行结温。

7.根据权利要求6所述的变流器功率二极管结温测量方法，其特征在于，所述标定实验包括以下步骤：

1)加热变流器使其温度到达指定值并达到热平衡，测量此时变流器的壳温即为功率二极管的结温T_j；

2)通过双脉冲实验测量功率二极管关断时变流器电压变化率dv/dt及输出相电流i；

3)重复步骤1)-2)，获得电压变化率dv/dt与不同功率二极管结温T_j以及输出相电流i的定量关系dv/dt＝(T_j,i)。

8.根据权利要求6所述的变流器功率二极管结温测量方法，其特征在于，所述变流器为由基本Buck单元电路组成的变流器。