CN108981951A - 一种igbt温度检测电路及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种IGBT温度检测电路及其方法，包括NTC电路模块、VF转换模块、光纤隔离收发模块、CPU采集模块；所述NTC电路模块采集RN电阻两端输出电压信号至VF转换模块；所述VF转换模块将接收到的电压信号转换成频率信号并且输出至光纤隔离收发模块；所述光纤隔离收发模块将信号传输至CPU采集模块；所述CPU采集模块计算出此时对应的电阻值。本方法采用的频率检索精度高，对电磁抗干扰能力也很强，NTC采样的精度也大大提高，能够减少了ADC端口的需求，节约了系统的资源和成本，准确度更好，也更可靠。
Description
技术领域
本发明涉及温度检测电路，具体涉及一种IGBT温度检测电路及其检测方法。
背景技术
随着新能源为代表的分布式电源渗透率不断增加，电力电子技术的日新月异，用户供电可靠性的要求却在不断提高；因此，随着技术的进步，对IGBT等开关器件的温度保护提出了更为严格的要求。早期IGBT过温保护常用做法是在根据模块热阻或在模块表面安装温度传感器，当检测点温度超过设定的门槛值时，软件会封锁IGBT的输入脉冲信号使IGBT关断来达到使其停止工作的目的。而在实际工作中，散热器表面和IGBT模块基板之间的热阻在生产组装过程中存在着较大的不一致性，且安装的温度传感器的测试点也可能因外界条件而非散热器的温度最高点，以上原因可能会导致测试点温度与IGBT实际结温相差较大而致使过温保护电路工作不正常。近年来一些新封装结构的IGBT模块内部封装有温度传感(NTC)，可以有效地检测模块的稳态壳温，且因其温度传感器(NTC)封装在模块内部，检测一致性很高，检测出的结温准确度也很高。对应这类内部封装有温度传感器(NTC)的IGBT模块，现有的通用做法是通过温度传感器(NTC)将温度转化为模拟信号，并通过线性光耦隔离后传输到逻辑控制部分，由软件判断其温度状态是否需要进行保护。该方法虽然简单，但是存在如下几个缺点：1） 由于采用线性光耦进行隔离，而光耦器件线性区间窄，测量精度不高，不适合高精度的温度检测； 2）采样时一般采用电阻值转成电压值，由于IGBT经常工作在强电磁环境，易造成采样电压受干扰；3）传统的NTC检测电路一般需送到CPU，CPU需采用ADC芯片（CPU内置或者外置）获取温度信号，占用ADC引脚资源，因此导致成本高。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于频率测量的IGBT温度检测电路及其方法。通对对NTC电阻RN阻值的两端的电压采集，并将电压转变为频率信号进行传输并进行温度分析的电路。本方法采用的电路频率检索精度高，抗电磁干扰能力强，NTC采样的精度高，安全可靠。
2、技术方案：
一种IGBT温度检测电路，包括NTC电路模块、VF转换模块、光纤隔离收发模块、CPU采集模块；所述NTC电路模块采集RN电阻两端输出电压信号至VF转换模块；所述VF转换模块将接收到的电压信号转换成频率信号并且输出至光纤隔离收发模块；所述光纤隔离收发模块将信号传输至CPU采集模块；所述CPU采集模块通过查表计算出此时对应的电阻值。
包括所述NTC电路模块包括RN电阻、分压器电路；所述分压器电路包括与RN电阻串联的两个分压电阻R49与R57；所述RN电阻的两端电压信号输入高精度差分芯片INA105后转换为VNTC电压的变化输出。
所述VF转换模块包括芯片LM331N；所述VNTC电压的变化输出通过R52与C52组成的低通滤波电路输入到芯片LM331N，所述LM331N输出转换后的频率信号。
所述光纤隔离收发模块的发送端包括光纤转换芯片SN75451；所述LM331N输出的频率信号通过芯片SN75451送入光纤头发送；光纤隔离收发模块的接收端接收到光信号后转换成电信号。
所述CPU采集模块输入光纤隔离收发模块接收端输出的电信号，通过查表法得到具体的IGBT的温度值。
进一步地，所述NTC电路模块子中RN电阻两端并联电容C53进行滤波。
进一步地，所述VNTC电压的变化输出通过R52与C52组成的低通滤波电路输入到芯片LM331N的7脚，所述芯片LM331N的3脚输出转换后的频率信号。
一种IGBT温度检测方法，包括以下步骤：步骤一：NTC电路模块采集IGBT的温度信号转换成电压信号。步骤二：VF转换模块将步骤一中采集的电压信号转换成频率信号。步骤三：光纤隔离收发模块将步骤二中的频率信号转换成光信号传输至接收端，接收端将光信号转换成电信号。步骤三：CPU采集模块接收光纤隔离收发模块的接收端传输的频率信号，根据频率信号判断出此时IGBT的温度，并根据频率信号发出控制指令，从而控制IGBT做过温保护或者温度显示。
进一步地，步骤三中根据频率信号判断出此时IGBT的温度为查表法或者根据温度与输出的频率建立的线性关系进行判断。
3、有益效果：
（1）本方法采用是通过将NTC电阻两端的电压信号转化为频率信号，产生的频率信号一般在几百KHZ 范围，而常用的CPU比如FPGA的主频在30M，通过倍频可到100M以上，所以采用频率检索精度高。
（2）本方法中采用的频率信号相比较于电压信号，对电磁抗干扰能力也很强。
（3）由于温度能够直接与输出的频率建立了线性关系，因此NTC采样的精度也大大提高。
（4）由于光纤隔离收发模块发送端发出的频率信号可以直接送入IO口中，从而减少了ADC端口的需求，节约了系统的资源和成本。
（5）本发明中的NTC检测保护全部在FPGA设备内完成，由于FPGA为硬件级设备，保护动作时间更短，准确度更好，也更可靠。
附图说明
图1为本发明的NTC电路模块的电路图；
图2为本发明的VF转换模块的电路图；
图3为本发明的VF转换模块的芯片LM331N的内部框图；
图4为本发明的光纤隔离收发模块的结构图；
图5为实施例的CPU采集模块信号频率输入与控制信号输出的接口；
图6为本发明的整体结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的说明。
如附图6所示，一种IGBT温度检测电路，包括NTC电路模块、VF转换模块、光纤隔离收发模块、CPU采集模块；所述NTC电路模块采集RN电阻两端输出电压信号至VF转换模块；所述VF转换模块将接收到的电压信号转换成频率信号并且输出至光纤隔离收发模块；所述光纤隔离收发模块将信号传输至CPU采集模块；所述CPU采集模块计算出此时对应的电阻值。
如附图1所示为NTC电路模块的电路图。图中NTC的电阻为RN电阻，在RN电阻的两端串联分压电阻R49与R57进行分压。由于NTC随着温度的变化而变化，RN两端的电压也随着变化。RN两端的电压NTC1与NTC2分别输入与高精度差分芯片INA105的3脚与2脚；高精度差分芯片INA105输出VNTC电压的变化。
如附图2为VF转换模块的电路图。上述VNTC电压的变化信号输入R52与C52组成的低通滤波电路，然后输入到芯片LM331N。如附图3所示为芯片LM331N的内部框图。由于NTC随着温度的变化而变化，分压器出来的电压也随着变化。LM331芯片通过6脚和7脚的差分信号采进。由图3中可以看出：如果7脚信号较高，电压比较器就会较高，电压比较器就会触发单稳态定时器。定时器的输出就会开启频率输出晶体管和开关电流源，开启的时间周期为t=1.1RtCt。在周期内，从开关电流源流出的电流i将会在单位时间内提供固定数量的电荷Q=i*t，这些电荷存储在电容CL中。这将使Vx升高，并超过V1。在定时的周期结束时，电流I会被关断，定时器也会将自身复位。在没有电流从第1脚流入时，电容CL通过RL逐步放电，直到VX降低到V1的电平。这时，比较器将触发定时器开始下一个周期工作。电流流入CL时严格遵循IAVE=i*（1.1*RtCt）*f；电流流出CL时，严格遵循Vx：RL=VDS:RL。如果VLS加倍，频率也加倍以维持平衡。因此即使一个简单的压频转换器也可以在很宽的频率范围内提供输入电压和频率的精确比例对应关系。
如附图4本发明的光纤隔离收发模块的结构图。VF转换模块的输出信号送入光纤收发隔离模块。光纤收发隔离模块利用电信号转成光信号，通过光纤完成远距离通讯，后面再通过光信号转成电信号。如图3所示。具体如下：VF输出信号通过数据DATA脚送入，通过75451逻辑芯片推动三极管送入光纤头，接收端再通过光纤转成电信号。
如附图5所示，为CPC采用EMP1270T144C芯片输入的接线口与输出控制信号的接口的示意图。其中接线口IGBTA、IBGTB、IGBTC输入光纤收发隔离模块的接收端传输过来的频率信号；接线口输出控制IGBT的信号值，从而完成关断PWM驱动，实现IGBT过温保护。其中CPC可以通过DSP或者FPGA的IO口采集光纤输出信号，并不局限于图中的芯片。
综上所述，本发明采用检测IGBT温度的检测方法为IGBT采用温度转成电压，电压通过电路（不限于某些具体芯片）转成频率可变的信号，频率信号经过光信号隔离后送入高速信号处理器（不限于CPLD FPGA等CPU），通过查表法可以得到具体的IGBT温度值。根据实际需要能够对IGBT做过温保护或者温度显示。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的，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，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (5)
1.一种IGBT温度检测电路，其特征在于：包括NTC电路模块、VF转换模块、光纤隔离收发模块、CPU采集模块；所述NTC电路模块采集RN电阻两端输出电压信号至VF转换模块；所述VF转换模块将接收到的电压信号转换成频率信号并且输出至光纤隔离收发模块；所述光纤隔离收发模块将信号传输至CPU采集模块；所述CPU采集模块通过查表计算出此时对应的电阻值；
包括所述NTC电路模块包括RN电阻、分压器电路；所述分压器电路包括与RN电阻串联的两个分压电阻R49与R57；所述RN电阻的两端电压信号输入高精度差分芯片INA105后转换为VNTC电压的变化输出；
所述VF转换模块包括芯片LM331N；所述VNTC电压的变化输出通过R52与C52组成的低通滤波电路输入到芯片LM331N，所述LM331N输出转换后的频率信号；
所述光纤隔离收发模块的发送端包括光纤转换芯片SN75451；所述LM331N输出的频率信号通过芯片SN75451送入光纤头发送；光纤隔离收发模块的接收端接收到光信号后转换成电信号；
所述CPU采集模块输入光纤隔离收发模块接收端输出的电信号，通过查表法得到具体的IGBT的温度值。
2.根据权利要求1所述的一种IGBT温度检测电路，其特征在于： 所述NTC电路模块子中RN电阻两端并联电容C53进行滤波。
3.根据权利要求1 所述的一种IGBT温度检测电路，其特征在于：所述VNTC电压的变化输出通过R52与C52组成的低通滤波电路输入到芯片LM331N的7脚，所述芯片LM331N的3脚输出转换后的频率信号。
4.一种IGBT温度检测方法，采用如权利要求1-3所述任一权利要求所述的一种IGBT温度检测电路，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：NTC电路模块采集IGBT的温度信号转换成电压信号；
步骤二：VF转换模块将步骤一中采集的电压信号转换成频率信号；
步骤三：光纤隔离收发模块将步骤二中的频率信号转换成光信号传输至接收端，接收端将光信号转换成电信号；
步骤三：CPU采集模块接收光纤隔离收发模块的接收端传输的频率信号，根据频率信号判断出此时IGBT的温度，并根据频率信号发出控制指令，从而控制IGBT做过温保护或者温度显示。
5.根据权利要求4所述的一种IGBT温度检测方法，其特征在于：步骤三中根据频率信号判断出此时IGBT的温度为查表法或者根据温度与输出的频率建立的线性关系进行判断。
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