CN105655984B - 一种变频器中igbt过温保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频器中IGBT过温保护方法，包括步骤：计算IGBT最高结温；对IGBT结温进行动态监控，一旦当前IGBT结温超过IGBT最高结温，则启动过温保护；IGBT最高结温的计算公式为T_jmax＝T_jav+0.5ΔT_j；其中，T_jmax为IGBT最高结温，T_jav为IGBT平均结温，ΔT_j为IGBT的结温波动；ΔT_j的计算公式为：其中，f为变频器输出频率，T₀为变频器频率周期；P_av为IGBT的平均功耗；P_max＝πP_av；Z(t)为瞬态热阻，其中τ为热阻时间常数，n为总共有几组时间常数，IGBT厂家会给出n。r为每个时间常数下对应的瞬态热阻值。本发明利用该最高结温进行过热保护，可有效地防止IGBT因结温过高而损坏。

Description

一种变频器中IGBT过温保护方法

技术领域

本发明涉及变频器温度保护研究领域，特别涉及一种变频器中IGBT过温保护方法。

背景技术

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映，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IGBT会因为结温过热而损坏。目前，多数厂家都是只对IGBT的平均结温进行热保护，而在实际过程中，IGBT的结温是波动的，其波动幅度取决于瞬态损耗和运行条件，特别是在低频大电流的情况下，IGBT的结温波动会更大，因此平均结温并不能很好地实现过温保护。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种变频器中IGBT过温保护方法，该方法给出了变频器最高结温的计算方法，通过该方法可以准确地得到变频器最高结温，利用该最高结温进行过热保护，可有效地防止IGBT因结温过高而损坏。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种变频器中IGBT过温保护方法，包括步骤：计算IGBT最高结温；对IGBT结温进行动态监控，一旦当前IGBT结温超过IGBT最高结温，则启动过温保护；

所述IGBT最高结温的计算公式如下：

T_jmax＝T_jav+0.5ΔT_j；

其中，T_jmax为IGBT最高结温，T_jav为IGBT平均结温，ΔT_j为IGBT的结温波动；

所述ΔT_j的计算公式如下：

其中，f为输出频率；P_max＝πP_av，P_av表示IGBT的平均功耗，；Z(t)表示瞬态热阻，τ表示热阻时间常数，n表示时间常数的组数，IGBT厂家会给出，r表示每个时间常数下对应的瞬态热阻值。

在现有技术中已经有多种求取平均结温的方法，本发明优选的，所述IGBT平均结温T_jav的计算公式如下：

T_jav＝P_avR_{th_jh}+T_h；

其中，P_av为IGBT的平均损耗，R_{th_jh}为IGBT结到壳的热阻，通过IGBT的数据手册查询得到，T_h为IGBT壳的温度，通过热敏电阻直接测量得到。

在现有技术中已经有多种求取平均损耗的方法，本发明优选的，所述IGBT的平均损耗P_av的计算公式如下：

P_av＝P_cond+P_sw；

其中，P_cond为IGBT的导通损耗，P_sw为IGBT的开关损耗；二者的计算公式如下：

其中，V_CEO表示饱和电压；表示电流峰值；r表示IGBT的等效阻抗；m表示一系数，采用1.1；表示功率因数；F表示开关频率；f表示输出频率；R_G表示IGBT外部的驱动电阻；E_on(R_G)表示IGBT在开关时的开通损耗；E_off(R_G)表示IGBT在开关时的关断损耗；I_nom表示流过IGBT的实际电流；V_dc表示母线电压；V_nom表示IGBT两端电压。相关参数均可从IGBT的数据手册中找到。

为了进一步降低实现的难度，减少计算量，本发明优选的，当所述P_av是一个确定值时，ΔT_j的计算公式为：

ΔT_j＝k·P_av；

其中，系数k是与输出频率f有关的一个参数，事先根据实验确定，在实际应用中查表得到。

同样的，为了进一步降低实现的难度，减少计算量，本发明优选的，当开关频率F和输出电流I一定时，预先通过实验建立不同的开关频率F、输出电流I和平均损耗P_av的对应关系表，将该关系表预存起来；在动态监控过程中，从表中直接调出数据进行计算。从而进一步提高实时性。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提出一种基于变频器最高结温的IGBT过温保护方法，相较于现有技术只对IGBT的平均结温进行热保护，本发明考虑了IGBT的结温波动，并具体给出了计算变频器最高结温的方法。本发明利用最高结温进行过热保护，可有效的防止IGBT因结温过高而损坏，更加安全。

2、本发明为了计算的方便，降低计算复杂度，还提供了一种简便的计算变频器最高结温的方法，通过该方法，可以提高IGBT过温保护的实时性。

附图说明

图1是本实施例方法流程图。

图2是本实施例中瞬态热阻模型示意图。

图3是变频器输出频率不同时，对应的IGBT结温曲线图。

图4是IGBT结温波动与输出频率关系图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1，本实施例提供了一种变频器中IGBT过温保护方法，该方法包括步骤：

1、计算IGBT最高结温。

2、对IGBT结温进行动态监控，一旦当前IGBT结温超过IGBT最高结温，则启动过温保护

下面对IGBT最高结温的计算方法具体说明如下。

IGBT最高结温T_jmax的计算公式为：

T_jmax＝T_jav+0.5ΔT_j (1)，

其中T_jav为IGBT平均结温，ΔT_j为IGBT的结温波动。本实施例中，采用计算公式(2)求取T_jav：

T_jav＝P_avR_{th_jh}+T_h (2)，

其中，

P_av：IGBT的平均损耗

R_{th_jh}：IGBT结到壳的热阻，通过IGBT的数据手册查询得到

T_h：IGBT壳的温度，通过热敏电阻直接测量得到

所述IGBT的平均损耗P_av的计算公式如下：

P_av＝P_cond+P_sw (3)；

其中，

P_cond：IGBT的导通损耗

P_sw：IGBT的开关损耗

IGBT并不是一个理想的开关，其主要体现在：

1)、IGBT在导通时有饱和电压-V_CEO；

2)、IGBT在开关时有开关损耗-E_on和E_off；

这是IGBT产生损耗的根源，V_CEO造成导通损耗，E_on和E_off造成开关损耗，即导通损耗+开关损耗＝IGBT总损耗。

而IGBT的开关损耗与导通损耗的计算方法较多，本实施例采用下面一种：

公式(4)可用于计算IGBT的导通损耗，公式(5)可用于计算IGBT的开关损耗，相关参数均可从IGBT的数据手册中找到。

实际运行中IGBT的结温是波动的，假设结温波动最大幅值为T_jmax，结温波动最小幅值为T_jmin，则定义IGBT的结温波动为ΔT_j＝T_jmax-T_jmin。当IGBT的损耗以周期性脉冲形式(方波/半波)存在时，模块表现出热容性，可用瞬态热阻Z来表示。Z是一个时间变量(瞬态损耗持续时间)，时间越长，Z值就越大；结温的波动ΔT_j的大小与Z有关，Z值越大，结温的波动幅度就越大。

瞬态热阻可用图2所示模型表示，并由以下公式计算而得：

其中，τ表示时间常数，n表示几组时间常数(图中为4组该常数即为4)，r表示热阻常数，r、τ_i均由IGBT厂家提供，例如表1即为某IGBT厂家给出对应于图2的瞬态热阻抗参数。

表1 IGBT厂家给出的瞬态热阻抗参数

i	1	2	3	4
					ri	0.02127	0.07321	0.2332	0.6651
τi	0.00001514	0.0004573	0.00619	0.0345

参见图3，IGBT的结温与变频器输出频率存在一定的对应关系，从图中可看到，IGBT的结温在低频时波动幅度很大，且输出电流越大结温波动幅度越大，所以，在实际使用时，IGBT会受到数次的热冲击，因此在过热保护时考虑IGBT的结温波动很有必要。

IGBT的结温波动ΔT_j的计算公式如下：

其中，f为变频器输出频率，即T₀为变频器频率周期。

P_av：IGBT的平均功耗

P_max＝πP_av

Z(t)：瞬态热阻。

由于IGBT的结温保护最终实现是由软件来完成的，若由(7)式直接完成，难度较大。参见图4，这里给出了结温波动与输出频率之间的关系，从图中可看到，当P_av是一个确定值时，ΔT_j是由输出频率f来决定的。因此，公式(7)可简化为：

ΔT_j＝k·P_av；

其中，系数k是与输出频率f有关的一个参数，在决定采用某一IGBT后，可以事先根据实验计算出k和f的对应关系表，将这一关系表预存起来，进而在动态监控过程中，只需要从表中调出数据进行计算即可，从而进一步提高实时性。例如，表2均为计算得到的某一IGBT的k与输出频率f的对应关系表。

表2某一IGBT的k与输出频率f的对应关系表

f(Hz)	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	NA
											k	0.449	0.449	0.448	0.447	0.446	0.445	0.444	0.442	0.440	NA
f(Hz)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											k	0.438	0.412	0.384	0.360	0.340	0.322	0.309	0.298	0.289	0.280
f(Hz)	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
											k	0.273	0.267	0.262	0.257	0.252	0.249	0.244	0.241	0.238	0.235
f(Hz)	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
											k	0.232	0.230	0.227	0.225	0.222	0.221	0.219	0.217	0.215	0.213
f(Hz)	31	32	33	34	35	36	37	38	39	40
											k	0.202	0.199	0.196	0.194	0.191	0.189	0.186	0.184	0.182	0.179
f(Hz)	41	42	43	44	45	46	47	48	49	50
											k	0.177	0.175	0.173	0.171	0.169	0.168	0.166	0.164	0.162	0.161

同样的道理，IGBT的平均损耗P_av主要跟输出电流和开关频率有关，当开关频率F和输出电流I一定时，功耗可以通过式(3)预先计算出。建立不同的开关频率F、输出电流I和平均损耗P_av的对应关系表，将该关系表预存起来，进而在动态监控过程中，只需要从表中调出数据进行计算即可，从而进一步提高实时性。例如，表3为计算得到的某一IGBT的开关频率F、输出电流I和平均损耗P_av的对应关系表。

表3某一IGBT的F、I和P_av的对应关系表

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种变频器中IGBT过温保护方法，其特征在于，包括步骤：计算IGBT最高结温；对IGBT结温进行动态监控，一旦当前IGBT结温超过IGBT最高结温，则启动过温保护；

所述IGBT最高结温的计算公式如下：

T_jmax＝T_jav+0.5ΔT_j；

其中，T_jmax为IGBT最高结温，T_jav为IGBT平均结温，ΔT_j为IGBT的结温波动；

所述ΔT_j的计算公式如下：

其中，f为输出频率；P_max＝πP_av，P_av表示IGBT的平均功耗，Z(t)表示瞬态热阻，τ表示热阻时间常数，n表示时间常数的组数，IGBT厂家会给出，r表示每个时间常数下对应的瞬态热阻值；

当开关频率F和输出电流I一定时，预先通过实验建立不同的开关频率F、输出电流I和平均损耗P_av的对应关系表，将该关系表预存起来；在动态监控过程中，从表中直接调出数据进行计算；

所述IGBT的平均损耗P_av的计算公式如下：

P_av＝P_cond+P_sw；

其中，P_cond为IGBT的导通损耗，P_sw为IGBT的开关损耗；二者的计算公式如下：

其中，V_CEO表示饱和电压；表示电流峰值；r表示IGBT的等效阻抗；m表示一系数，采用1.1；表示功率因数；F表示开关频率；f表示输出频率；R_G表示IGBT外部的驱动电阻；E_on(R_G)表示IGBT在开关时的开通损耗；E_off(R_G)表示IGBT在开关时的关断损耗；I_nom表示流过IGBT的实际电流；V_dc表示母线电压；V_nom表示IGBT两端电压。

2.根据权利要求1所述的变频器中IGBT过温保护方法，其特征在于，所述IGBT平均结温T_jav的计算公式如下：

T_jav＝P_avR_{th_jh}+T_h；

其中，P_av为IGBT的平均损耗，R_{th_jh}为IGBT结到壳的热阻，通过IGBT的数据手册查询得到，T_h为IGBT壳的温度，通过热敏电阻直接测量得到。

3.根据权利要求1所述的变频器中IGBT过温保护方法，其特征在于，当所述P_av是一个确定值时，ΔT_j的计算公式为：

ΔT_j＝k·P_av；

其中，系数k是与输出频率f有关的一个参数，事先根据实验确定，在实际应用中查表得到。