CN105784154A - 用于开关装置的温度感测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于开关装置的温度感测系统。温度感测系统包括：感测装置，其配置成感测开关装置的温度；和信号转换器，其配置成通过频率可变方法输出频率基于跨越感测装置的电压的数字信号，该频率可变方法当电流在温度传感器中流动时接收作为温度感测值的跨越感测装置的电压，以将模拟信号电平转换成数字信号频率。隔离器配置成与信号转换器的输出端子连接，以隔离并发送从信号转换器输出的数字信号。系统也包括控制器，控制器配置成由经由隔离器发送的数字信号的频率来识别温度。

Description

用于开关装置的温度感测系统
技术领域
本公开涉及用于开关装置的温度感测系统，并且更具体地，涉及温度感测系统，其能够通过使用安装在作为开关装置的IGBT中的二极管，利用二极管型IGBT温度感测来有效解决用于在相当高电压侧的IGBT模块与低电压侧的控制器之间的传输隔离的信号处理问题并增加温度感测的精度。
背景技术
一般而言，环保型车辆，如电动车、混合动力车以及燃料电池车配备有电动机系统，其包括用于驱动车辆的驱动电动机和用于将来自相当高电压电源的直流(DC)电压转变成交流(AC)电压以驱动电动机的逆变器。在这种结构中，驱动电动机由经由电缆从逆变器传送的3相电流来驱动，并且逆变器配置成随着控制器的脉冲宽度调制(PWM)信号切换开关装置，以将来自相当高电压电源的DC电压转换成AC电压。
在常规逆变器中用作功率模块的开关装置包括绝缘栅双极晶体管(在下文，称为“IGBT”)，其可以配置成即使当使用相当大功率时也能执行高速开关操作。在环保型车辆中，上述逆变器以及诸如已在车辆内各种电路中使用的直流-直流(DC-DC)转换器的电力转换设备利用IGBT作为功率开关装置。同时，由于在切换操作期间传递或切断的电流容量很大，所以由于在操作期间经历过热或过电流，IGBT模块会损坏。
因此，配置成测量温度并且可以防止IGBT模块由于过热、过电流等而损坏的温度传感器可以设置在IGBT模块内，并且具体地，可以设置在IGBT模块的直接覆铜(DBC)上。对于常规的温度传感器，诸如负温度系数(NTC)热敏电阻已被使用，其中电阻基于温度而连续变化。NTC热敏电阻可以配置成使用基于温度而改变的电阻值来执行温度感测。例如，温度可以通过在作为温度传感器的NTC热敏电阻与另一个电阻之间测量的电压差值来预测。
然而，当使用NTC热敏电阻时，如图1中所示，IGBT模块的温度可以被感测到并绘制为非线性曲线，并因此在需要精度的相当高温时，分辨率降低。因此，温度的精确感测会较为困难。NTC热敏电阻不直接感测IGBT装置的温度，而是，使用NTC热敏电阻安装在DBC上的间接感测方法，因此温度的精确测量会较为困难。其上设置有温度传感器的DBC的温度大致地与接触DBC底面的冷却器(具有设置在其中的冷却水循环路径的一类散热器)的温度相同，由此，产热的半导体芯片的结温无法准确测量，因此在IGBT模块内的电信号交换操作也无法准确测量。换言之，对于测量产生热的半导体芯片的结温的温度传感器，需要监测在接触DBC的冷却器内的冷却水的温度，这可能导致半导体芯片的不准确的结温测量。
为保护半导体芯片的结温，结温的计算是可取的。然而，在使用热模型来估计结温时，计算误差可能相当大，并且该模型的结构已经被证明是较难的。当计算出半导体芯片的结温时，所计算出的结温可以通过热模型和在正常驱动逆变器期间的热值估计来拟合结温的预测。然而，通过由逆变器调整驱动电动机的扭矩而用于防止车辆在上坡路向下倒退的坡道保持模式中，半导体芯片的结温估计可能较难，并且当逆变器的可变切换相当大量时在各个样本频率处发生错误，使得用于包括半导体芯片的IGBT模块的过热保护操作不能准确执行。代入到用于保护在电流传感器故障期间的过热和过电流的逻辑中的温度估计可能不准确，因此，过热保护可能无法正确适当地执行。因此，在驱动环保型车辆时IGBT模块会损坏，导致车辆的不安全行驶。
已经开发出用于在半导体芯片中嵌入温度传感器的方法，而不是在DBC基板上布置温度传感器的方法。换言之，模块的温度可以被直接感测，并且半导体结温可以通过在IGBT半导体装置中安装二极管(其可以解决NTC热敏电阻的非线性特性)而更精确地测量。然而，准确的温度感测可以通过安装在其中的二极管来执行，但仍然需要将IGBT(其为相当高电压侧)与控制元件(其为低电压侧)进行电隔离，使用用于t安全的感测信号来识别温度，从而改进在信号处理方面的传输隔离。
在此背景技术部分中公开的上述信息仅为增强对本发明背景的理解，因此其可能包含不形成该国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供用于开关装置的温度感测系统，其可以包括：感测装置，其配置成感测开关装置的温度；信号转换器，其配置成通过频率可变方法(frequencyvariablemethod)输出具有基于跨越温度传感器的电压的频率的数字信号，以将模拟信号的电平转换成数字信号的频率，频率可变方法当电流在感测装置中流动时接收作为温度感测值的跨越感测装置的电压；隔离器，其配置成与信号转换器的输出端子连接，以隔离并发送从信号转换器输出的数字信号；以及控制器，其配置成由经由隔离器发送的数字信号的频率来识别温度。
开关装置可以包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)，并且感测装置可以包括二极管。信号转换器可以包括压控振荡器(VCO)，其具有输出信号频率基于输入电压而改变的操作特性。隔离器可以是在信号转换器的输出端子与控制器的输入端子之间布置的光电耦合器，以将从信号转换器输出的数字信号隔离，并且将所隔离的数字信号发送给控制器。供电单元可以配置成将电流施加到感测装置并且将电力供给到信号转换器，并且可以包括配置成使电力平滑并将电力输出到输出端子的调节器以更稳定地将电力供给到二极管和VCO。此外，调节器可以是连接以将平滑的电力供给到二极管和VCO的低压降输出(LDO)装置。此外，供电单元可以包括配置成将来自电池的DC电压转换并输出为二极管和VCO中所需的不同DC电压电平的DC-DC转换器。
因此，根据本发明示例性实施方式的温度感测系统可以具有以下效果。
首先，可以通过将压控振荡器配置成接收跨越二极管的电压(其是温度感测模拟信号)以输出数字信号，从而保持由在IGBT中安装的二极管的方法提供的更准确的温度感测。数字信号可以是基于输入电压的频率可变PWM信号(通过频率变化，将模拟信号的电平转换成数字信号的频率)。此外，可以经由隔离器装置将频率可变PWM信号传输到控制器。此外，通过使用更准确的感测值，可以防止模块由于过热而损坏，并且通过准确的温度测量，可以保护IGBT免受过热，并且也可以使用IGBT的最大输出。
通过在IGBT模块(其为用于信号传输的高电压侧)与控制器(微机)(其为用于信号传输的低压侧)之间的隔离连接，可以保护控制器，并且可以通过提供用于数字信号的传输隔离的隔离器装置(诸如光电耦合器)，可以保护作为低电压侧的控制器(微机)。
附图说明
本发明的以上和其他目的、特征和其他优点将从结合附图的以下详细描述中更加清楚地理解，其中：
图1是示出根据现有技术的用作温度传感器的NTC热敏电阻的特性曲线的示例图；
图2是示出根据本发明的示例性实施方式的温度感测系统的示例图；
图3是示出根据本发明的示例性实施方式的用作感测装置的二极管的温度特性曲线的示例图；
图4是示出根据本发明的示例性实施方式的压控振荡器的输出特性的示例图；
图5是详细示出根据本发明的示例性实施方式的温度感测系统的电路配置的示例性电路图。
在附图中阐述的附图标记包括对以下进一步讨论的以下元件的提及：
10：IGBT
21：二极管
22：压控振荡器(VCO)
23：隔离器
24：微机(控制器)
应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。
在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其他代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。本文中提到的混合动力车是具有两种或更多种动力来源的车，例如同时为汽油动力和电动力的车。
尽管示例性实施方式被描述为使用多个单元以执行示例性进程，但应理解的是，示例性进程还可以由一个或多个模块执行。另外，应当理解的是，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置成对模块进行存储，处理器具体配置成执行该模块以执行将在以下进一步描述的一个或更多进程。
此外，本发明的控制逻辑可以具体表现为，在含有由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非瞬时性计算机可读介质。计算机可读介质的例子包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光数据存储装置。计算机可读记录介质也可以在连接网络的计算机系统中分布，从而计算机可读介质可以通过例如远程信息处理服务器或控制器局域网络(CAN)以分布方式进行存储并执行。
本文使用的术语仅为说明具体实施方式，而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种、该”也意在包括复数形式，除非上下文中另外明确指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括、包含、含有”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有结合。
除非特别指出或从上下文清晰得到，本文使用的术语“约”应理解为在本领域的正常容忍范围内，例如在均值的2个标准差内。“约”可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清晰得出，本文中提供的所有数值都被术语“约”修饰。
下面将详细参照本发明的多种示例性实施方式，实施方式的实施例在附图中示例说明并在以下描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明意在不仅涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其他实施方式。
本发明涉及用于开关装置的温度感测系统，并且可以提供能够通过使用安装在作为开关装置的IGBT中的二极管的实例，利用二极管型IGBT温度感测来有效解决用于在相当高电压侧的IGBT模块与低电压侧的控制器之间的传输隔离的信号处理问题并增加温度感测的精度。对于这个目的，本发明的示例性实施方式可以配置成使用压控振荡器(VCO)和频率可变PWM方法来将IGBT温度的模拟值转换成数字信号，并且然后对控制器或控制器内的微机执行传输隔离。
图2是示出根据本发明示例性实施方式的用于IGBT模块的温度感测的电路配置的示例图。如图2中所示，温度感测系统可以包括二极管21、压控振荡器(VCO)22、隔离器23和控制器24。首先，作为配置成感测IGBT10的温度的感测装置，一个二极管21或串联连接的多个二极管21可以安装在IGBT10中(在高电压侧布置)，并且电路可以配置成使得偏压电流从恒定电源Vcc经由电阻器R1在二极管21(即温度传感器)中流动。在上述电路中，二极管21可以在IGBT内的热生成部(例如在与半导体芯片相邻的位置等)集成，以用作配置成感测IGBT10的温度的感测装置，并且电源Vcc与电阻器R1之间为连接的，从而使得基本上恒定的电流在二极管21的输入端子中流动。
图3示出与三个二极管正向电流(IF)对应的几个温度特性曲线。在上述电路中，当电流在二极管21中流动时，如在图3的二极管温度特性曲线图中所示，IGBT10的温度越高，则跨越二极管21的电压越低，并且温度越低，则跨越二极管的电压越高。取决于二极管的温度特性，上述电路将IGBT装置的结温表示为模拟电压值。
根据本发明示例性实施方式的温度感测系统可以包括压控振荡器22(下文中称为“VCO”)，其可以配置成接收跨越二极管的电压以将模拟输入信号的电平转换成数字输出信号的频率。VCO22可以配置成运行为配置成将模拟信号转换成数字信号的信号转换器。此外，VCO可以配置成通过频率可变方法将模拟电压信号(即，感测的温度值)数字化(即，将模拟信号转换成数字信号)，并且输出数字信号，并且输出具有基于输入模拟电压值(即，跨越二极管的电压值)的频率的PWM信号。VCO22可以包括一般市售可得的集成电路(IC)，并且可以具有其频率基于经由“SET”端子(即输入端子)输入的IC输入电压而改变的输出特性。
图4是示出根据本发明示例性实施方式的VCOIC的输出特性的示例图，并且示出随着输入电压增加，输出数字信号具有降低的频率。例如，当跨越二极管的电压约是1.5V时，在约250kHz的PWM信号被输出，并且当跨越二极管的电压约是0.5V时，在约750kHz的PWM信号被输出。
频率可变的PWM信号可以由VCO22转换并输出为数字信号(即，频率基于跨越二极管的电压的PWM信号)。PWM信号可以是传输到控制器24的传输隔离信号。因此，数字隔离器23可以被应用。数字隔离器23是在高电压侧内的二极管21和VCO22与控制器24(其为低电压侧)之间隔离的组件，应指出的是，光电耦合器可以实施为隔离器23。隔离器23可以配置成提供在VCO22的输出端子与控制器24的输入端子之间的隔离连接和信号传输连接，并且向控制器24发送频率可变的PWM信号并将从VCO22输出的频率可变的PWM信号隔离。控制器24可以配置成通过使用计时器(或计数器)来识别经由隔离器23发送并输入的PWM信号的频率，并基于频率来识别IGBT10的温度值。
图5是更详细地示出根据本发明示例性实施方式的温度感测系统的电路配置的示例性电路图，并且示出用于驱动二极管21和VCO22的供电单元1的电路配置。如图所示，供电单元1可以配置成对二极管21(其为温度感测装置)施加电流，并且可以配置成供给用于驱动VCO22的功率。供电单元1可以包括可以配置成将来自辅助电池2的电力转换并且输出的DC-DC转换器3。DC-DC转换器3可以包括可配置成将来自辅助电池2的DC电压转换成具有在二极管21和VCO22中所需的预定电压电平的DC电压的变压器Tx。此外，除在附图中示出的配置之外，转换器3的电路配置可以进行多样地改变。
供电单元1可以包括调节器4，该调节器4配置成在输出端子处将DC-DC变换器3的输出功率平滑化，以更稳定地将DC电力供给到二极管21和VCO22，以输出基本上恒定的固定电压。调节器4可以包括作为商用IC的低压降输出(LDO)装置。LDO装置可以配置成将DC-DC转换器3的输出平滑化，以向二极管21和VCO施加基本上恒定的电压。在图5的电路配置中，电路可以配置成使用图5的电路配置中用于分压的电阻器R1、R2和R3，跨越二极管的电压可以输入到VCO22，并使得电流在二极管21中流动。
在图5的电路配置中，示出隔离器23的后级的电路配置。该电路配置包括电阻器R4和R5、电容器C、以及二极管D1和D2，作为驱动隔离器所需的电路配置的示例(这样的配置可以以多种方式改变，并且保持在本发明的范围之内)。因此，VCO可以配置成接收跨越二极管的电压(即，模拟温度检测信号)以输出数字信号(即，基于输入电压的频率变化的PWM信号)，并经由隔离器发送频率可变的PWM信号到控制器，以确保通过使用安装在IGBT中的二极管的方法所提供的温度的更准确感测。
通过使用更精确的感测值，可以防止模块由于过热而损坏，并且可以保护IGBT免受过热，并且通过准确的温度测量，可以使用IGBT的最大输出。也可以通过使用诸如提供数字信号的传输隔离的光电耦合器的隔离器装置，通过在IGBT模块与控制器之间设置隔离连接，从而保护控制器(微机)。
本发明已参考其示例性实施方式作了详细描述。然而，本领域技术人员将意识到，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以在这些示例性实施方式中做出改变，本发明的范围在所附权利要求及其等同物中限定。

Claims (20)

1.一种用于开关装置的温度感测系统，包括：
温度传感器，其配置成感测所述开关装置的温度；
信号转换器，其配置成通过频率可变方法输出具有基于跨越所述温度传感器的电压的频率的数字信号，在所述频率可变方法中，当电流在所述温度传感器中流动时接收与所感测的温度值对应的跨越所述温度传感器的电压，以将模拟信号的电平转换成所述数字信号的频率；
隔离器，其配置成与所述信号转换器的输出端子电连接，以隔离并发送从所述信号转换器输出的所述数字信号；以及
控制器，其配置成根据经由所述隔离器发送的所述数字信号的频率来识别温度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开关装置是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述温度传感器包括二极管。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述信号转换器包括具有输出信号的频率基于输入电压而改变的操作特性的压控振荡器(VCO)。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述隔离器包括在所述信号转换器的所述输出端子与所述控制器的输入端子之间设置的光电耦合器，以隔离从所述信号转换器输出的所述数字信号，并向所述控制器发送所隔离的数字信号。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括：
供电单元，其配置成向所述温度传感器施加电流并向所述信号转换器供给电力，
所述供电单元包括配置成使电力平滑并输出到输出端子以更稳定地向二极管和VCO供给电力的调节器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述调节器包括配置成向所述二极管和所述VCO施加已平滑的电力的低压降输出(LDO)装置。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述供电单元包括配置成将来自电池的第一DC电压转换为第二DC电压并输出的直流-直流(DC-DC)转换器，第二DC电平是所述二极管和所述VCO中所需的电压。
9.一种非暂时性计算机可读介质，其包含由用于温度感测系统的处理器所执行的程序指令，所述计算机可读介质包括：
操作配置成感测开关装置的温度的温度传感器的程序指令；
操作所述温度传感器以感测所述开关装置的温度的程序指令；
操作信号转换器以通过频率可变方法输出具有基于跨越所述温度传感器的电压的频率的数字信号的程序指令，在所述频率可变方法中，当电流在所述温度传感器中流动时接收与所感测的温度值对应的跨越所述温度传感器的电压以将模拟信号的电平转换成所述数字信号的频率；
操作与所述信号转换器的输出端子电连接的隔离器以隔离并发送从所述信号转换器输出的所述数字信号的程序指令；以及
根据经由所述隔离器发送的所述数字信号的频率来识别温度的程序指令。
10.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述开关装置包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
11.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述温度传感器包括二极管。
12.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述信号转换器包括具有输出信号的频率基于输入电压而改变的操作特性的压控振荡器(VCO)。
13.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述隔离器包括在所述信号转换器的输出端子与所述控制器的输入端子之间设置的光电耦合器，以隔离从所述信号转换器输出的所述数字信号，并向所述控制器发送所隔离的数字信号。
14.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，用于向所述温度传感器施加电流并向所述信号转换器供给电力的供电单元包括配置成使电力平滑并输出到输出端子以更稳定地向二极管和VCO供给电力的调节器。
15.根据权利要求14所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述调节器包括被连接以向所述二极管和所述VCO施加已平滑的电力的低压降输出(LDO)装置。
16.根据权利要求14所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述供电单元包括配置成将来自电池的第一DC电压转换为第二DC电压并输出的直流-直流(DC-DC)转换器，第二DC电平是所述二极管和所述VCO中所需的电压。
17.一种环保型车辆，其包括用于开关装置的温度感测系统，所述温度感测系统包括：
温度传感器，其配置成感测所述开关装置的温度；
信号转换器，其配置成通过频率可变方法输出具有基于跨越所述温度传感器的电压的频率的数字信号，在所述频率可变方法中，当电流在所述温度传感器中流动时接收与所感测的温度值对应的跨越所述温度传感器的电压，以将模拟信号的电平转换成所述数字信号的频率；
隔离器，其配置成与所述信号转换器的输出端子电连接，以隔离并发送从所述信号转换器输出的所述数字信号；以及
控制器，其配置成根据经由所述隔离器发送的所述数字信号的频率来识别温度。
18.根据权利要求17所述的环保型车辆，其中，所述开关装置是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
19.根据权利要求17所述的环保型车辆，其中，所述温度传感器包括二极管。
20.根据权利要求17所述的环保型车辆，其中，所述信号转换器包括具有输出信号的频率基于输入电压而改变的操作特性的压控振荡器(VCO)。
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