CN107590295B - 用于功率模块的散热系统状况评估的方法及装置 - Google Patents

用于功率模块的散热系统状况评估的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于功率模块的散热系统状况评估的方法，所述功率模块包括至少一个开关器件、直流母排、散热系统和散热系统状况评估装置，所述方法包括：采集多个参数；根据采集的多个参数计算所述开关器件的损耗功率、所述开关器件的结点与环境之间的热阻、估算冷却流体流量；将所述开关器件的结点与环境之间的热阻与第一预设值进行比较，根据比较结果判断所述散热系统状况；根据所述开关器件的结点与环境之间的热阻及所述冷却流体流量的变化判断故障原因。本发明的用于功率模块的散热系统状况评估的方法及装置，能够进行功率模块散热系统状况评估，同时初步判断故障位置及原因。

Description

用于功率模块的散热系统状况评估的方法及装置
技术领域
本公开总体涉及电子电路技术领域，具体涉及一种用于功率模块的散热系统状况评估的方法及装置。
背景技术
在大功率电力电子产品中，由开关器件(包括但不限于绝缘栅双极型晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管等)所组成的功率模块是产品的核心部分，功率模块(powermodule)的性能表现和设计规格基本上决定了大功率电力电子产品的主要性能指标。
传统的由逆变器所组成的大功率电力电子装置中，变频器或变流器等设备占有较大比重，而这类电力电子装置的核心部件就是由开关器件所组成的逆变器。大功率的逆变器工作在高压大电流的环境下，对变流器系统的可靠性和可用性有很高的要求，如何设计便于维护，可靠性高，具有超高可利用率的功率模块，是电力电子设计中最重要的课题。
目前主流的功率模块设计方案中，只对开关器件周围某一点的温度进行过温判断，方案示意图如图1所示，通过检测晶体管内热敏电阻的温度或者散热器上靠近晶体管位置上的温度点，将采样到的温度值与一个固定值进行比较，当采样温度值高于某一固定值时，功率模块立即停止工作并上报过温故障。但是上报过温故障的原因很多，包含过功率输出，环境温度偏高，散热器积灰，散热器翅片不良或者冷却液流道阻塞，导热硅脂不良，采样保护电路受到干扰或者损坏导致误保护等，分析人员很难从过温故障这一个点判断出故障的具体原因，需要对功率模块从机器上拆下来检测，多次拆装测试才能查明原因，大大降低了模块的检修效率。
因此，针对功率模块的散热系统状况评估，需要一种新的方法。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开提供一种用于功率模块的散热系统状况评估的方法及装置，能够进行故障预警和初步判断故障位置。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的一个方面，提供一种用于功率模块的散热系统状况评估的方法，所述功率模块包括至少一个开关器件、直流母排、散热系统和散热系统状况评估装置，所述方法包括：
通过所述散热系统状况评估装置的采集模块采集所述功率模块的至少一个参数；
所述散热系统状况评估装置的处理模块根据所述至少一个参数计算所述开关器件的结点与环境之间的热阻；
所述散热系统状况评估装置的处理模块根据所述至少一个参数估算冷却流体流量；
所述散热系统状况评估装置的判断模块将所述开关器件的结点与环境之间的热阻与第一预设值进行比较，根据比较结果判断所述散热系统状况；
所述散热系统状况评估装置的判断模块根据所述开关器件的结点与环境之间的热阻及所述冷却流体流量的变化判断故障原因。
在本公开的一种示例性实施例中，所述至少一个参数包括以下一个或多个参数:所述功率模块所处的环境温度、所述开关器件的内部温度、所述开关器件的开关频率、所述功率模块的输出电流、所述直流母排的电压、所述散热系统的冷却组件的入口温度以及所述散热系统的冷却组件的出口温度。
在本公开的一种示例性实施例中，所述计算所述开关器件结点与环境之间的热阻包括：根据所述至少一个参数计算所述开关器件的损耗功率，根据下式计算所述开关器件结点与环境之间的热阻，
Figure BDA0001044597550000031
其中Ploss为所述开关器件的损耗功率，Tntc为所述开关器件内部温度，Ta为环境温度，Rjn为所述开关器件内部结点到热敏电阻之间的热阻，所述开关器件内部结点到热敏电阻之间的热阻Rjn为给定参数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述将所述开关器件的结点与环境之间的热阻与第一预设值进行比较，根据比较结果判断所述散热系统状况包括：当所述开关器件结点与环境之间的热阻小于所述第一预设值时，判断所述散热系统状况良好；当所述开关器件结点与环境之间的热阻大于所述第一预设值时，发出预警信号。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一预设值为所述功率模块满载运行，所述环境温度和所述开关器件结温为理想状态下的开关器件结点与环境之间的热阻。
在本公开的一种示例性实施例中，还包括：将所述开关器件结点与环境之间的热阻与第二预设值进行比较，当所述热阻超过所述第二预设值时，发出故障停机信号。
在本公开的一种示例性实施例中，估算冷却流体流量包括：根据所述至少一个参数计算所述开关器件的损耗功率,根据下式计算所述散热系统的冷却流体流量
Figure BDA0001044597550000032
其中Ploss为所述开关器件的损耗功率、Tin为所述冷却组件的入口温度，Tout为所述冷却组件的出口温度，C为冷却流体的比热容，λ为传导修正参数，所述冷却流体的比热容C和所述传导修正参数λ为给定参数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述根据所述开关器件结点与环境之间的热阻和所述流量的变化判断故障原因包括：
当所述开关器件结点与环境之间的热阻变大、所述流量变小时，发出预警信号，进一步判断是否是多个所述功率模块发出预警信号，如果是，则判断所述散热系统的共性部件出现异常，如果否，则判断报警模块的冷却组件出现阻塞异常；
当所述开关器件结点与环境之间的热阻变大、所述流量不变时，发出预警信号，判断所述散热系统中的冷却组件出现结构异常或者导热介质异常；
当所述开关器件结点与环境之间的热阻不变、所述流量变大时，发出预警信号，判断所述散热系统中的冷却组件出现结构异常或者导热介质异常。
在本公开的一种示例性实施例中，还包括通过外部通讯方式对给定参数分别进行调整。
在本公开的一种示例性实施例中，还包括：根据所述至少一个参数计算所述开关器件的损耗功率,根据下式计算所述开关器件内部结温，
Tj＝Ploss*Rja+Ta；
其中Ploss为所述开关器件的损耗功率、Rja为所述开关器件结点与环境之间的热阻，Ta为所述环境温度；
当所述开关器件内部结温超过第三预设值时，发出过温预警信号，当所述开关器件内部结温超过第四预设值时，发出过温故障信号。
根据本公开的一个方面，提供一种用于功率模块的散热系统状况评估的装置，所述散热系统状况评估的装置位于所述功率模块内，所述功率模块包括至少一个开关器件、直流母排、散热系统，所述装置包括：
采集模块，用于采集所述功率模块的至少一个参数；
处理模块，用于根据所述至少一个参数计算所述开关器件的结点与环境之间的热阻；根据所述至少一个参数估算冷却流体流量；
判断模块，用于将所述开关器件的结点与环境之间的热阻与第一预设值进行比较，根据比较结果判断所述散热系统状况；根据所述开关器件的结点与环境之间的热阻及所述冷却流体流量的变化判断故障原因。
在本公开的一种示例性实施例中，所述散热系统包括风冷式散热系统和/或水冷式散热系统，所述风冷式散热系统包括冷却组件和散热风扇；所述水冷式散热系统包括冷却组件和循环泵。
在本公开的一种示例性实施例中，所述至少一个参数包括以下一个或多个参数:所述功率模块所处的环境温度、所述开关器件的内部温度、所述开关器件的开关频率、所述功率模块的输出电流、所述直流母排的电压、所述散热系统的冷却组件的入口温度以及所述散热系统的冷却组件的出口温度。
在本公开的一种示例性实施例中，所述处理模块还用于：根据所述至少一个参数计算所述开关器件的损耗功率,根据下式计算所述开关器件结点与环境之间的热阻，
Figure BDA0001044597550000051
其中Ploss为所述开关器件的损耗功率，Tntc为所述开关器件内部温度，Ta为所述环境温度，Rjn为所述开关器件内部结点到热敏电阻之间的热阻，所述开关器件内部结点到热敏电阻之间的热阻Rjn为给定参数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述判断模块还用于：当所述开关器件结点与环境之间的热阻小于所述第一预设值时，判断所述散热系统状况良好；当所述开关器件结点与环境之间的热阻大于所述第一预设值时，发出预警信号。
在本公开的一种示例性实施例中，所述判断模块还用于：将所述开关器件结点与环境之间的热阻与第二预设值进行比较，当所述热阻超过所述第二预设值时，发出故障停机信号。
在本公开的一种示例性实施例中，所述处理模块还用于：根据所述至少一个参数计算所述开关器件的损耗功率,根据下式计算所述散热系统的冷却流体流量
Figure BDA0001044597550000052
其中Ploss为所述开关器件的损耗功率、Tin为所述冷却组件的入口温度，Tout为所述冷却组件的出口温度，C为冷却流体的比热容，λ为传导修正参数，所述冷却流体的比热容C和所述传导修正参数λ为给定参数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述判断模块还用于：
当所述开关器件结点与环境之间的热阻变大、所述流量变小时，发出预警信号，进一步判断是否是多个所述功率模块发出预警信号，如果是，则判断所述散热系统的共性部件出现异常，如果否，则判断报警模块的冷却组件出现阻塞异常；
当所述开关器件结点与环境之间的热阻变大、所述流量不变时，发出预警信号，判断所述散热系统中的冷却组件出现结构异常或者导热介质异常；
当所述开关器件结点与环境之间的热阻不变、所述流量变大时，发出预警信号，判断所述散热系统中的冷却组件出现结构异常或者导热介质异常。
在本公开的一种示例性实施例中，还包括通讯模块，用于对所述给定参数分别进行调整。
在本公开的一种示例性实施例中，所述处理模块还用于：根据下式计算所述开关器件内部结温，
Tj＝Ploss*Rja+Ta；
其中Ploss为所述开关器件的损耗功率、Rja为所述开关器件结点与环境之间的热阻，Ta为所述环境温度；
所述判断模块还用于：当所述开关器件内部结温超过第三预设值时，发出过温预警信号，当所述开关器件内部结温超过第四预设值时，发出过温故障信号。
本发明的用于功率模块的散热系统状况评估的方法及装置，能够进行功率模块散热系统状况评估，给出整体评估分数。同时还能够初步判断故障位置及原因，包括散热器积灰及管道阻塞预警，散热系统散热风扇或者循环泵异常预警，散热器其他异常预警，例如散热翅片脱落、散热管道受损等，散热器积灰及管道阻塞严重停机，开关器件过温预警、过温故障保护。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1示出现有技术中功率模块故障判断的示意图。
图2示出根据本公开示例实施方式的功率模块的拓扑结构以及参数采样点示意图。
图3示出功率模块三种拓扑结构的示意图。
图4示出根据本公开示例实施方式的一风冷式散热系统的示意图。
图5示出根据本公开示例实施方式的一水冷式散热系统的示意图。
图6示出本发明设计思路示意图。
图7示出根据本公开示例实施方式的一用于功率模块的散热系统状况评估的装置方框图。
图8示出根据本公开示例实施方式的一用于功率模块的散热系统状况评估的方法流程图。
图9示出根据本公开示例实施方式的散热系统状况评估分数曲线。
图10示出根据本公开示例实施方式的开关器件内部结温Tj与功率模块输出功率P、环境温度Ta的关系图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
图2示出根据本公开示例实施方式的功率模块的拓扑结构以及参数采样点示意图。如图2所示，功率模块200包含开关器件201、开关器件冷却组件202(包含水冷式冷却组件和/或风冷式冷却组件)、交流母排203、直流母排204、直流支撑电容205、驱动控制装置206、各类传感器和散热系统状况评估装置207。其中传感器包含测量模块输出电流参数的电流传感器208，测量直流母排两端电压的电压传感器209，测量开关器件内部温度的温度传感器210，测量开关器件冷却装置入口处温度的温度传感器211，测量开关器件冷却装置出口温度的温度传感器212、测量环境温度的温度传感器213。
图3示出功率模块三种拓扑结构的示意图。如图3所示，功率模块按相数可分为单相模块、双相模块和三相模块，双相模块及三相模块均是在单项模块的基础上衍生得到，为两个或三个单相模块并联，共用直流支撑电容及其相关组件。
功率模块200作为变流器(变频器)系统的功率输出模块，在开关器件201输出功率的同时必然会产生损耗，这些损耗直接转化为热量，当这些热量没有被及时的带走，将直接导致开关器件201内部温度的上升，如果开关器件201长期处于高温状态下工作，将会大大降低开关器件201的工作寿命，当开关器件201内部温度高于一个极限值后，将直接导致其失效。功率模块200中开关器件201产生的热量主要依靠开关器件冷却组件202将这些热量带走，使开关器件201处于一个良好的工作环境下，提高开关器件201的运行稳定性以及寿命。目前开关器件冷却组件202分为风冷式冷却组件和水冷式冷却组件。如图4所示，系统中散热风扇401与风冷式冷却组件组成风冷式散热系统，风冷式冷却组件包含导热硅脂402和风冷散热器403，风冷散热器403具有入风口404和出风口405，开关器件201设置于风冷散热器403的导热硅脂402之上。如图5所示，系统中循环水泵501与水冷式冷却组件组成水冷式散热系统，水冷式冷却组件包含导热硅脂502和水冷板503，水冷板503具有入水口504和出水口505，开关器件201设置于水冷板503的导热硅脂502之上。
风冷散热系统由于长时间运行或者在环境比较恶劣(多粉尘，风沙等环境)情况下运行，风冷散热器403中将积灰导致流过的风量减小，从而降低散热系统的散热能力。水冷散热系统由于水质、电腐蚀等原因，时间长了容易使得散热管道阻塞，从而降低水冷散热系统的散热能力。风冷散热器403积灰或者散热管道阻塞均会严重影响开关器件201的散热，从而使开关器件201长时间处在相对温度比较高的环境中工作，大大降低开关器件201的使用寿命。甚至当功率模块200输出功率P比较大的时候，由于散热系统散热能力的降低，导致开关器件201温度过高，从而出现过温保护，只能对功率模块200进行停机检修或者降载运行，大大降低了功率模块200的利用率。
本发明结合先前经验，基于功率模块散热系统故障原因的复杂性，综合考虑大功率逆变器功率模块智能化设计需求，提出一种用于功率模块的散热系统状况评估的方法及装置，设计思路如图6所示。在采集功率模块200各个部位的温度的基础上，结合功率模块200运行的实时参数，例如直流母排的电压、输出电流等，通过计算、分析、比较各个关键参数，得出散热系统状况综合评分。当这个综合评分低于一预定值时，散热系统状况评估装置207向系统发出亚健康预警信息，在预警状态下，功率模块200需适当的降载运行。当综合评分低于一个极限值时，散热系统状况评估装置207向系统发出异常信号，同时功率模块200主动停机。当各项指数中某一特征参数在极限标准之外时，例如，开关器件内部结温Tj超过一预定值时，功率模块200会主动停机并上报相应的故障信号。系统在收到功率模块200预警后，维护人员有足够的时间对其维护进行准备，当功率模块200发生保护停机时，可以通过先前的预警等信息，确定或者排除散热系统的问题，提高检修效率。
图7示出根据本公开示例实施方式的一用于功率模块的散热系统状况评估的装置方框图，结合图6和图7，散热系统状况评估装置207位于功率模块200内，包括：采集模块702，用于通过传感器采集功率模块200的直流母排204的电压，功率模块200的输出电流，功率模块200所处的环境温度Ta，功率模块200的冷却组件入口温度Tin，功率模块200的冷却组件出口温度Tout、开关器件201内部某点热敏电阻温度Tntc等。采集到的信号经过信号调理电路后，由数模采样模块将采集到的信号传送给处理模块。处理模块704可采用微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)或者专门设计的集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit；ASIC)。由功率模块200所在系统提供功率模块开关信号频率并传送给处理模块。处理模块可存储多个参数，根据所采用的开关器件冷却组件不同，可以对部分参数进行调整。可通过外部通讯的方式对需要调整的参数进行调整，可调整的参数包含功率模块开关器件内部结点到热敏电阻之间的热阻Rjn、冷却流体的比热容值C、传导修正系数λ、散热系统综合评分预警值、散热系统综合评分保护停机值及过温保护停机值。散热系统状况评估装置207通过采集到的直流母排的电压和输出电流实时计算出功率模块的输出功率P；通过直流母排的电压、输出电流和开关信号频率实时计算出开关器件的损耗功率Ploss；通过开关器件的损耗功率Ploss、开关器件内部热敏电阻温度Tntc和热阻Rjn计算出开关器件结温Tj；根据开关器件内部结点到热敏电阻之间的热阻Rjn、开关器件损耗功率Ploss、开关器件内部热敏电阻温度Tntc和环境温度Ta计算功率模块开关器件结点与环境之间的热阻Rja；根据开关器件冷却组件出口与入口温度的偏差ΔT、开关器件损耗功率Ploss、冷却流体的比热容C、传导修正参数λ估算出冷却流体流量Q。判断模块706，用于将开关器件的结点与环境之间的热阻Rja与第一预设值进行比较，当根据比较结果判断散热系统状况；根据开关器件的结点与环境之间的热阻Rja及冷却流体流量Q的变化判断故障原因。在一实施例中，判断模块706还用于将开关器件结点与环境之间的热阻Rja与第二预设值进行比较，当所述热阻超过所述第二预设值时，发出故障停机信号。
图8示出根据本公开示例实施方式的一用于功率模块的散热系统状况评估的方法流程图。
如图8所示，用于功率模块的散热系统状况评估的方法，该方法基于上述功率模块200的结构，包括步骤S802～S812：
在步骤S802中，采集功率模块200所处的环境温度Ta，开关器件内部热敏电阻温度Tntc、功率模块的输出电流、开关器件的开关频率、直流母排的电压、散热系统的冷却组件的入口温度Tin以及散热系统的冷却组件的出口温度Tout。
散热系统状况评估装置207通过传感器采集功率模块200所处的环境温度Ta，开关器件内部热敏电阻温度Tntc、功率模块的输出电流、直流母排的电压、散热系统的冷却组件的入口温度Tin以及散热系统的冷却组件的出口温度Tout。
在步骤S804中，根据直流母排的电压、功率模块的输出电流和开关器件的开关信号频率计算开关器件的损耗功率Ploss。
根据采集到的直流母排的电压、功率模块200的输出电流和由功率模块200所在系统提供的功率模块开关器件201的开关信号频率计算开关器件的损耗功率Ploss。现有技术中计算损耗功率Ploss的方法有很多，本发明不以具体的计算方法为限。
在步骤S806中，根据功率模块所处的环境温度Ta、开关器件内部热敏电阻温度Tntc、损耗功率Ploss及开关器件内部结点到热敏电阻之间的热阻Rjn计算开关器件的结点与环境之间的热阻Rja。
根据采集到的功率模块所处的环境温度Ta、开关器件内部热敏电阻温度Tntc、损耗功率Ploss及开关器件内部结点到热敏电阻之间的热阻Rjn计算开关器件的结点与环境之间的热阻Rja，其中具体的计算方法可有很多种，举例说明，可采用下式计算开关器件的结点与环境之间的热阻Rja，
Figure BDA0001044597550000111
在步骤S808中，根据散热系统的冷却组件的入口温度Tin、散热系统的冷却组件的出口温度Tout，损耗功率Ploss及冷却流体比热容C、传导修正参数λ估算冷却流体流量Q。
根据散热系统的冷却组件的入口温度Tin、散热系统的冷却组件的出口温度Tout，损耗功率Ploss及冷却流体比热容C、传导修正参数λ计算冷却流体流量Q，其中具体的计算方法可有很多种，举例说明，可采用下式计算冷却流体流量Q，
Figure BDA0001044597550000121
在步骤S810中，将开关器件的结点与环境之间的热阻Rja与第一预设值进行比较，当根据比较结果判断散热系统状况。
将开关器件的结点与环境之间的热阻Rja与第一预设值进行比较，如果小于该第一预设值，则散热系统状况良好，如果大于该第一预设值，则散热系统不正常，发出预警信号。该第一预设值可为功率模块200满载运行时，所处的环境温度Ta和开关器件结温Tj为理想状态下的开关器件结点与环境之间的热阻。
还可以将开关器件结点与环境之间的热阻Rja与第二预设值进行比较，当热阻Rja超过第二预设值时，发出故障停机信号。第一预设值和第二预设值可根据系统的状况和用户的具体需求自行设定和修改。
在步骤S812中，根据开关器件的结点与环境之间的热阻Rja及冷却流体流量Q的变化判断故障原因。
计算得出开关器件的结点与环境之间的热阻Rja及冷却流体流量Q后，可根据这两个参数的变化情况，初步判断发生故障的位置或者原因。
上述方法中，散热系统状况的评估指标是以功率模块开关器件结点与环境之间的热阻Rja为基础的。散热系统状况评估分数曲线如图9所示，理论上功率模块有设计的标准热阻Rja_s,当实际热阻Rja小于标准热阻Rja_s时，可能是因为散热系统中散热器部分正常，而散热风扇转速变大或者循环水泵水流量变大，这种情况下实际热阻Rja会比标准热阻Rja_s小，但是无论多小，均认为散热系统为理想状态，此时判定为散热系统状况分数D为100。当实际热阻Rja大于标准热阻Rja_s时，我们认为散热系统性能下降，随着实际热阻Rja值越来越大，状况分数D越来越低，当实际热阻Rja达到最大值Rjamax时，状况分数D为0。
在理想状态下，即整个散热系统均为标准状态下，开关器件内部结温Tj与热阻Rja之间的关系为
Figure BDA0001044597550000131
其中ξ为功率模块200满载运行状态下的功率损耗。在一实施例中，在满载运行条件下，环境温度为50℃的时候，开关器件内部结温Tj的理想温度为125℃，所对应的热阻Rja为标准热阻Rja_s。当开关器件内部结温Tj达到135℃时，所对应的热阻Rja为标准热阻Rja_w，功率模块200的状况分数D为60。当开关器件内部结温Tj达到150℃时，功率模块的状况分数D为0。功率模块200的状况分数D只与热阻Rja有关，与外部的环境温度没有关系。在进行散热系统状况评估计算时，是以热阻Rja为计算依据的，当热阻Rja小于等于标准热阻Rja_s时，整个散热系统处于一个比较理想的工作状态；当热阻Rja大于标准热阻Rja_s时，判断整个散热系统出现不同程度的异常，此时功率模块200会向系统发出亚健康预警，状况分数D越低，异常越严重，当热阻Rja增大到值Rja_w时，此时散热系统状况分数D为60分，即开关器件内部结温Tj大于135℃时，判断散热系统异常比较严重，实行自主关机。在一实施例中，可把标准热阻Rja_s设置为第一预定值，当达到第一预定值时进行预警，把值Rja_w设置为第二预定值，当达到第二预定值时进行停机保护，也可以根据需要设置成其他值。功率模块200的散热系统状况评估是根据散热系统中的散热器、导热硅脂、冷却介质流量、冷却介质质量等因素的综合评分，这些因素最终影响的都是热阻Rja，所以功率模块状况评估是根据计算出来的热阻Rja来实行评分。影响开关器件结点与环境之间的热阻Rja的因素有两个大类：第一个因素为流道因素，风冷散热系统的流道为散热空气流通的通道，水冷散热系统的流道为冷却液循环流经的通道，当功率模块200在长时间运行后，风冷散热系统的流道会由于积灰或者异物侵入等问题导致流道变窄，或者风冷散热器403由于积灰或者老化问题导致从风冷散热器403中吹出空气的流量变少，这两种情况将直接导致流过风冷散热器403的空气流量变少，从而引起开关器件结点与环境之间的热阻Rja变大。水冷散热器，例如水冷板503，存在电化学腐蚀现象，当长时间运行后，电化学的影响累加，导致水冷板503内部流道变小。电化学腐蚀后的细微颗粒掺杂在冷却液中，用户使用的冷却液质量不达标等问题，或者水冷系统循环水泵异常导致流过水冷板503的流量减小，这三种情况会导致开关器件结点与环境之间的热阻Rja变大。第二个因素为散热器或导热硅脂异常，风冷散热器403由于制造工艺的问题可能会出现散热翅片松动或者脱落等问题，水冷散热器可能会出现焊接不良等问题，都会使散热器的散热能力下降，从而影响热阻Rja。在风冷散热系统和水冷散热系统中均会使用导热硅脂，导热硅脂的涂层太厚或者太薄都会导致传导效果不好，从而影响热阻Rja。同时，导热硅脂随着时间的推移会出现变干的现象，并且因为地心引力的作用，导热硅脂会向地平面端缓慢的流动，这种流动会使得开关器件201底部导热硅脂分布不均，这些情况均会导致热阻Rja变大。
在散热系统异常故障的判断过程中，是以热阻Rja、预估冷却流体流量Q两个参数作为判断依据的。
根据能量守恒定律，一旦散热系统达到热平衡的时候，功率模块200内部各点的温度均达到平衡点，各点温度维持不变，此时开关器件201的损耗功率Ploss应该与散热系统的耗散功率相等，散热系统的耗散功率就是冷却流体在单位时间内带走的热量，在知道冷却流体在散热器入口处与出口的温升可估算处此时冷却流体的流量Q，在一实施例中，可以通过下式进行计算：
Figure BDA0001044597550000141
如果检测到热阻Rja变大，同时冷却流体流量Q变小，这种情况下可能存在两种原因：第一种为散热器内部积灰或者阻塞，这种情况会使散热器的散热效果变差，导致热阻Rja变大，同时，由于积灰或者阻塞的原因，散热器内部的流阻会变大，这会导致冷却流体的流量Q变小；第二种为散热系统的散热风扇风速变小或者循环泵的速率减小导致冷却流体的流量Q变小，这也会导致热阻Rja变大。这两种情况中任一种情况的发生，功率模块200会向系统发出散热系统异常预警，系统可以根据是多个模块上报散热系统异常预警还是单个模块上报散热系统异常预警，来判断是散热器积灰或者阻塞问题还是散热风扇或者循环泵的问题。如果系统接收到多个模块上报散热系统异常预警，那么说明是这个系统中多个功率模块出现的共性问题，这种情况下应该是功率模块散热的共性部件出现问题，则可判定为散热风扇或者循环泵异常；如果系统收到单个功率模块上报散热系统异常预警，那么说明是该功率模块的个性问题，则可判定为该功率模块的散热器积灰或者阻塞异常。
如果检测到热阻Rja变大，同时冷却流体流量Q基本不变的情况，则说明散热系统中的流体流量正常，那么可能出现的情况为散热器本身出现异常，此种异常也可以分为两种：导热硅脂异常或者散热器异常，此散热器异常为散热器结构异常，可能是散热翅片松动或者水冷散热器流道异常。这两种异常无法对其进行详细判别，所以将这两种异常归位一类。
如果检测到热阻Rja不变，同时冷却流体流量Q明显变大的情况，也要判定为导热硅脂异常或者散热器异常，因为Rja的判定标准值是在知道冷却流体流量Q值的基础上计算得到的，如果冷却流体流量Q变大，理论上热阻Rja变小，而此时热阻Rja与标准值基本不变，实际上热阻Rja已经大于实际的计算理论值，所以判定结果与热阻Rja变大，同时冷却流体流量Q基本不变的情况一致。
本实施方式的用于功率模块的散热系统状况评估的方法，能够进行功率模块散热系统状况评估，给出整体评估分数。同时还能够初步判断故障位置及原因，包括散热器积灰及管道阻塞预警，散热系统散热风扇或者循环泵异常预警，散热器其他异常预警，例如散热翅片脱落、散热管道受损等，散热器积灰及管道阻塞严重停机。
具有散热系统状况评估装置207的功率模块200除了向系统传输散热系统状况分数D以外，还具有过温预警、过温保护等功能，并通过指定的通信协议将这些信息传输给系统。
本发明的过温预警以及过温保护以开关器件内部结温Tj作为参考依据，在一实施例中，开关器件内部结温Tj的计算公式为Tj＝Ploss*Rja+Ta，开关器件内部结温Tj不仅与热阻Rja有关，还与此时功率模块200的功率损耗Ploss、所处的环境温度Ta有关。功率模块200的开关损耗Ploss与输出功率P近似成正比，在Rja理想的状况下，当功率模块200输出功率P超过额定功率时，开关器件201损耗也变大，从而导致在环境温度Ta比较高的时候，开关器件内部结温Tj就会超出125℃，此时就需要发出过温预警。在环境温度Ta比较低的情况下，功率模块200适当的超功率不会发出过温预警，在Rja理想的情况下，开关器件内部结温Tj与功率模块输出功率P、环境温度Ta的关系图如图10所示。在功率模块200实际运行过程中，可能存在热阻Rja比较大，但是由于环境温度比较低或者循环液温度比较低，从而使得开关器件内部结温Tj并不是很大，甚至比理想结温还要低，这种情况下功率模块200依然能够正常运行，但是由于热阻Rja比较大，已经说明散热系统出现问题，所以需要功率模块向系统发出预警。在一实施例中，当检测计算到开关器件内结温Tj超过过温预警值时，应该发出过温预警，提醒系统或者维护人员对功率模块200进行维护，此时功率模块200依然能够正常运行，不会进行自动关机保护。当开关器件内部结温Tj超过过温保护值时，功率模块200会向系统发出过温故障信号，同时自己主动关机。
采用本发明的方法让维护人员有充分的维护准备时间，同时大大减少停机时间，增加了运行效率。当接收到预警信号后，维护人员可以通过读取发出预警信号时，存在存储设备中的散热系统运行参数，来判定是功率模块散热系统中具体哪个环节出现异常，从而采用不同的维护措施。
关于上述实施方式中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施方式中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施方式。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (16)

1.一种用于功率模块的散热系统状况评估的方法，所述功率模块包括至少一个开关器件、直流母排、散热系统和散热系统状况评估装置，其特征在于，所述方法包括：
通过所述散热系统状况评估装置的采集模块采集所述功率模块的至少一个参数；
所述散热系统状况评估装置的处理模块根据所述至少一个参数计算所述开关器件的结点与环境之间的热阻；
所述散热系统状况评估装置的处理模块根据所述至少一个参数估算冷却流体流量；
所述散热系统状况评估装置的判断模块将所述开关器件的结点与环境之间的热阻与第一预设值进行比较，根据比较结果判断所述散热系统状况；
所述散热系统状况评估装置的判断模块根据所述开关器件的结点与环境之间的热阻及所述冷却流体流量的变化判断故障原因；
其中，所述根据所述开关器件结点与环境之间的热阻和所述流量的变化判断故障原因包括：
当所述开关器件结点与环境之间的热阻变大、所述流量变小时，发出预警信号，进一步判断是否是多个所述功率模块发出预警信号，如果是，则判断所述散热系统的共性部件出现异常，如果否，则判断发出预警信号的所述功率模块的冷却组件出现阻塞异常；
当所述开关器件结点与环境之间的热阻变大、所述流量不变时，发出预警信号，判断所述散热系统中的冷却组件出现结构异常或者导热介质异常；
当所述开关器件结点与环境之间的热阻不变、所述流量变大时，发出预警信号，判断所述散热系统中的冷却组件出现结构异常或者导热介质异常；
所述至少一个参数包括以下一个或多个参数：所述功率模块所处的环境温度、所述开关器件的内部温度、所述开关器件的开关频率、所述功率模块的输出电流、所述直流母排的电压、所述散热系统的冷却组件的入口温度以及所述散热系统的冷却组件的出口温度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述开关器件结点与环境之间的热阻包括：根据所述直流母排的电压、输出电流和开关信号频率计算所述开关器件的损耗功率，根据下式计算所述开关器件结点与环境之间的热阻，
Figure FDA0002814222460000021
其中Ploss为所述开关器件的损耗功率，Tntc为所述开关器件内部温度，Ta为环境温度，Rjn为所述开关器件内部结点到热敏电阻之间的热阻，所述开关器件内部结点到热敏电阻之间的热阻Rjn为给定参数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述开关器件的结点与环境之间的热阻与第一预设值进行比较，根据比较结果判断所述散热系统状况包括：当所述开关器件结点与环境之间的热阻小于所述第一预设值时，判断所述散热系统状况良好；当所述开关器件结点与环境之间的热阻大于所述第一预设值时，发出预警信号。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一预设值为所述功率模块满载运行，所述环境温度和所述开关器件结温为理想状态下的开关器件结点与环境之间的热阻。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：将所述开关器件结点与环境之间的热阻与第二预设值进行比较，当所述热阻超过所述第二预设值时，发出故障停机信号。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，估算冷却流体流量包括：根据所述直流母排的电压、输出电流和开关信号频率计算所述开关器件的损耗功率，根据下式计算所述散热系统的冷却流体流量
Figure FDA0002814222460000022
其中Ploss为所述开关器件的损耗功率、Tin为所述冷却组件的入口温度，Tout为所述冷却组件的出口温度，C为冷却流体的比热容，λ为传导修正参数，所述冷却流体的比热容C和所述传导修正参数λ为给定参数。
7.如权利要求2或6所述的方法，其特征在于，还包括通过外部通讯方式对给定参数分别进行调整。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：根据所述直流母排的电压、输出电流和开关信号频率计算所述开关器件的损耗功率，根据下式计算所述开关器件内部结温，
Tj＝Ploss*Rja+Ta；
其中Ploss为所述开关器件的损耗功率、Rja为所述开关器件结点与环境之间的热阻，Ta为所述环境温度；
当所述开关器件内部结温超过第三预设值时，发出过温预警信号，当所述开关器件内部结温超过第四预设值时，发出过温故障信号。
9.一种用于功率模块的散热系统状况评估的装置，所述散热系统状况评估的装置位于所述功率模块内，所述功率模块包括至少一个开关器件、直流母排、散热系统，其特征在于，所述装置包括：
采集模块，用于采集所述功率模块的至少一个参数；
处理模块，用于根据所述至少一个参数计算所述开关器件的结点与环境之间的热阻；根据所述至少一个参数估算冷却流体流量；
判断模块，用于将所述开关器件的结点与环境之间的热阻与第一预设值进行比较，根据比较结果判断所述散热系统状况；根据所述开关器件的结点与环境之间的热阻及所述冷却流体流量的变化判断故障原因；
其中，所述判断模块还用于：
当所述开关器件结点与环境之间的热阻变大、所述流量变小时，发出预警信号，进一步判断是否是多个所述功率模块发出预警信号，如果是，则判断所述散热系统的共性部件出现异常，如果否，则判断发出预警信号的所述功率模块的冷却组件出现阻塞异常；
当所述开关器件结点与环境之间的热阻变大、所述流量不变时，发出预警信号，判断所述散热系统中的冷却组件出现结构异常或者导热介质异常；
当所述开关器件结点与环境之间的热阻不变、所述流量变大时，发出预警信号，判断所述散热系统中的冷却组件出现结构异常或者导热介质异常；
所述至少一个参数包括以下一个或多个参数：所述功率模块所处的环境温度、所述开关器件的内部温度、所述开关器件的开关频率、所述功率模块的输出电流、所述直流母排的电压、所述散热系统的冷却组件的入口温度以及所述散热系统的冷却组件的出口温度。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述散热系统包括风冷式散热系统和/或水冷式散热系统，所述风冷式散热系统包括冷却组件和散热风扇；所述水冷式散热系统包括冷却组件和循环泵。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述处理模块还用于：根据所述直流母排的电压、输出电流和开关信号频率计算所述开关器件的损耗功率，根据下式计算所述开关器件结点与环境之间的热阻，
Figure FDA0002814222460000041
其中Ploss为所述开关器件的损耗功率，Tntc为所述开关器件内部温度，Ta为所述环境温度，Rjn为所述开关器件内部结点到热敏电阻之间的热阻，所述开关器件内部结点到热敏电阻之间的热阻Rjn为给定参数。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述判断模块还用于：当所述开关器件结点与环境之间的热阻小于所述第一预设值时，判断所述散热系统状况良好；当所述开关器件结点与环境之间的热阻大于所述第一预设值时，发出预警信号。
13.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述判断模块还用于：将所述开关器件结点与环境之间的热阻与第二预设值进行比较，当所述热阻超过所述第二预设值时，发出故障停机信号。
14.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述处理模块还用于：根据所述直流母排的电压、输出电流和开关信号频率计算所述开关器件的损耗功率，根据下式计算所述散热系统的冷却流体流量
Figure FDA0002814222460000042
其中Ploss为所述开关器件的损耗功率、Tin为所述冷却组件的入口温度，Tout为所述冷却组件的出口温度，C为冷却流体的比热容，λ为传导修正参数，所述冷却流体的比热容C和所述传导修正参数λ为给定参数。
15.如权利要求11或14所述的装置，其特征在于，还包括通讯模块，用于对所述给定参数分别进行调整。
16.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述处理模块还用于：根据下式计算所述开关器件内部结温，
Tj＝Ploss*Rja+Ta；
其中Ploss为所述开关器件的损耗功率、Rja为所述开关器件结点与环境之间的热阻，Ta为所述环境温度；
所述判断模块还用于：当所述开关器件内部结温超过第三预设值时，发出过温预警信号，当所述开关器件内部结温超过第四预设值时，发出过温故障信号。
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