CN109855758A - 一种用于igbt模块的温度检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于IGBT模块的温度检测电路，包括：热敏电阻Rt，安装在IGBT模块内部；模拟量转换成脉冲量芯片U1，与热敏电阻Rt连接，用于将热敏电阻Rt的阻值变化的模拟量转换成脉冲宽度变化的数字量；FPGA，与模拟量转换成脉冲量芯片U1连接，用于检测脉冲宽度或者占空比，算出NTC电阻值再通过查表法，读出与之对应的IGBT模块结温温度。与现有技术相比，本发明具有线性度好、精度高、带安全隔离等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度检测电路，尤其是涉及一种用于IGBT模块的温度检测电路。
背景技术
随着现代工业的飞速发展，电力电子技术也得到突飞猛进，功率半导体是其重中之重器件，是功率模块被广泛应用于电力电子变换领域中，尤为突出的在新能源汽车、储能、变频器、有源滤波器、SVG等热门行业中功率模块发挥着极其重要的作用。在实际应用过程中，由于基板散热不均和内部过流等引起的IGBT结温过高是模块失效的主要原因之一，制约半导体应用的一个重要因素也是它们的最大结温Tvj，因此无论是应用开发人员还是管理其运行的用户,IGBT模块结温的测量都非常重要，这直接影响到设备的可靠性和寿命，如果IGBT模块结温温度检测设计不合理，严重时机器设备不能正常工作甚至会出现炸机的风险。
随着IGBT技术的逐渐发展成熟，许多厂家在IGBT模块内部都集成了NTC热敏电阻，如英飞凌、富士、西门康等功率模块都有集成NTC，NTC是负温度系数热敏电阻，安装在模块内部硅片附近以实现紧密的热耦合，将热敏电阻阻值与之对应的温度值匹配，作为一个温度传感器以简化精确的温度测量设计，它可以有效地检测功率模块的稳态壳温(Tc)，各厂家模块内封装的NTC参数基本相近。目前常见的NTC检测电路有电阻分压法、比较器比较法、间接测量法，然而这几种方法都存在不足的地方:
1、电阻分压法，结合单片机技术能够很方便的实现温度测量。但是由于NTC传感器的特性是阻值会随不同温度的变化而变化，变化范围可达千倍以上，常见单片机的AD采样位数通常为十位，加上采集过程中的系统噪声，测量的误差难以满足全温度范围内高精度温度测量要求。
2、比较器比较法，电路简单，只能作为设置IGBT最大温度的过温保护判断，不能线性的测量出模块结温温度。
3、间接测量法，不是直接测量芯片的实际温度,而是测量系统中其他参考点的温度，通常是检测IGBT模块的基板或散热器温度，不能准确真实有效的测量模块结温温度。
而且这几种方法都不带隔离检测，线性度和精度都不高。
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线性度好、精度高、带安全隔离的用于IGBT模块的温度检测电路，。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于IGBT模块的温度检测电路，包括：
热敏电阻Rt，安装在IGBT模块内部；
模拟量转换成脉冲量芯片U1，与热敏电阻Rt连接，用于将热敏电阻Rt的阻值变化的模拟量转换成脉冲宽度变化的数字量；
FPGA，与模拟量转换成脉冲量芯片U1连接，用于检测脉冲宽度或者占空比，算出NTC电阻值再通过查表法，读出与之对应的IGBT模块结温温度。
优选地，所述的电路还包括限流电阻Ra和充放电电容C，所述的限流电阻Ra一端分别与模拟量转换成脉冲量芯片U1的7号管脚和热敏电阻Rt连接，另一端通过分别与模拟量转换成脉冲量芯片U1的2号管脚、充放电电容C一端连接，所述的充放电电容C另一端接地。
优选地，所述的热敏电阻Rt、限流电阻Ra和充放电电容C构成充电电路，此时所述的模拟量转换成脉冲量芯片U1的7号管脚放电管断开，3号管脚输出高电平。
优选地，所述的限流电阻Ra和充放电电容C构成放电电路，此时所述的模拟量转换成脉冲量芯片U1的7号管脚放电管闭合，3号管脚输出低电平。
优选地，所述的电路还包括隔离光耦U2，该隔离光耦U2一端与模拟量转换成脉冲量芯片U1连接，另一端与FPGA连接。
优选地，所述的隔离光耦U2的1号管脚经上拉电阻R2接Vcc，3号管脚接模拟量转换成脉冲量芯片U1的脉冲信号输出，并接下拉电阻R3接DGND，4号管脚接GND，6号管脚将隔离后的脉冲送入FPGA，通过上拉电阻R1接直流电源Vdd，并经退耦电容C1接GND。
优选地，所述的电路还包括隔离电源U3，该隔离电源U3的2号管脚接Vdd并经退偶电容接GND，1号管脚接GND，5号管脚为高压侧提供电源Vcc并经旁路C3接到DGND，4号管脚接DGND。
优选地，所述的模拟量转换成脉冲量芯片U1采用NA555芯片。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)安全性：本设计采用了高速光耦隔离和电源供电隔离，IGBT模块NTC虽在内部设计上留有安全间距，这是功能上的隔离，但耦合在同一模块里且距离很近，在高压大电流运行情况下出现故障炸管时会出现拉弧导致高压窜出现象，增加高速光耦对信号隔离，同时给NA555芯片供电也用DC/DC做电源隔离,真正意义上的将高压侧与低压侧分开，设计更为安全。
2)可靠性：本设计采用IGBT模块NTC热敏电阻阻值变化的模拟量转化为脉冲宽度变化的数字量，在软件上检测更容易实现，在系统信号传输中抗干扰性更强，实际使用中更为可靠。
3)可调性：本设计中引入了限流电阻Ra，NTC是一个负温度系数的热敏电阻，对流过它的电流要求Imax≤3.77mA，加了限流电阻后可以满足在不同供电电源Vcc下能够正常的使用；引入充放电电容C，选择电容的大小可以控制充放电时间和输出侧的脉冲宽度，这样的设计自由度很高。
4)高效实用性：本电路的工艺设计简便，并且能很好的达到理想的使用效果，易于量产，也便于后期维护。
附图说明
图1为本发明的具体电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明设计了一种线性度好、精度高、带安全隔离的IGBT模块结温检测电路，分为以下三种方式：
(1)基于NA555设计电路将NTC热敏电阻值变化转换为脉冲宽度的变化；
(2)输出侧引入隔离器件将脉冲隔离后再送入FPGA；
(3)FPGA检测脉宽或者占空比采用查表方式可以准确的测出结温。
以上三种方式结合使用能够有效解决IGBT模块结温检测问题，从而达到防止IGBT模块因过温故障导致炸机风险。
新型IGBT模块温度检测电路的设计如下：
1)基于NA555设计电路将NTC阻值变化的模拟量转换为脉冲宽度变化的数字量，NTC阻值变化转换为脉冲宽度变化电路包括：充电电路、放电电路、模拟量转换为数字量电路，设计中通过调整外围电阻电容，热敏电阻值变化转化为脉宽的变化，检测脉冲宽度即可测出与之对应温度。
2)安全隔离，此处将NA555输出的脉冲通过高速光耦隔离后再送入控制芯片检测，供电电源也采用DC/DC隔离，使NTC高压侧与人体易接触的低压侧分离，提高使用的安全性。
3)FPGA检测脉冲宽度或者占空比，算出NTC电阻值再通过查表法，读出与之对应的IGBT模块结温温度经过内部通讯上传到人机界面，可以便捷读出模块的实时温度。
本发明的IGBT模块温度检测电路的工作原理如下：
NTC阻值变化转换为脉冲宽度变化电路，见附图所示,上电瞬间,电容器C上的电压为0,引脚2和引脚6的电位均小于1/3Vcc，由NA555的原理可知,输出Vo＝Vcc,定时器内部放电管截止，此后，电源Vcc通过热敏电阻Rt和限流电阻Ra对电容C充电,引脚2和引脚6的电位逐渐升高,当升高到2/3Vcc时,输出端跳变为低电平Vo＝0,这时芯片内部放电管导通,C通过Ra和放电管放电,引脚2和引6的电位逐渐降低，当降低到1/3Vcc时，输出端又跳变为高电平，芯片内部放电管截止，这样周而复始振荡，输出端电平也在周期性变化，输出的脉冲通过高速光耦进行安全隔离后送入FPGA，FPGA读出脉冲宽度算出热敏电阻阻值通过查表法得出IGBT模块的结温温度，同时将检测的温度通讯给人机界面，人们可以简单准确的读出模块温度。其中在FPGA逻辑中可设置最大温度比较器，若超过最大温度，要封锁IGBT的PWM脉冲，使机器设备降额运行或者停止运行；另外可以采用这个IGBT模块检测的温度来调控风机的运转速度，温度越高给风机控制的脉冲越宽，温度越低给的脉冲越窄，以实现智能化控制，降低噪声和节约能源。
通过NA555芯片的特性，可以得到电容的充电时间和放电时间如下式：
式中：tH——电容充电时间，也是对应的高电平时间；
tL——电容放电时间，也是对应的低电平时间；
Rt——IGBT模块NTC热敏电阻阻值；
Ra——外接充放电电阻；
C——外接充放电电容。
由(1)(2)可以得出，脉冲的周期为：
T＝tH+tL＝0.693(Rt+2Ra)*C (3)
有(3)可得出热敏电阻阻值为：
因此只要读出周期T，即可得出热敏电阻阻值，再查表即可得出IGBT模块结温温度。
图1为本发明的具体电路图，图中隔离光耦为高速光耦，其1号管脚Anode经上拉电阻R2接Vcc，3号管脚Cathode经NA555的脉冲信号输出，并接下拉电阻R3接DGND，4号管脚接GND，6号管脚将隔离后的脉冲送入FPGA，通过上拉电阻R1接直流电源Vdd，并经退耦电容C1接GND；Vdd来自开关电源，开关电源的直流电压经低通LC滤波滤除其中的纹波；Vcc来自于隔离电源，给高压侧供电，隔离电源的2脚接Vdd并经退偶电容接GND，1脚接GND，5脚为高压侧提供电源Vcc并经旁路C3接到DGND，4脚接DGND；芯片的1脚接DGND，NA555的2脚、6脚与Ra和C相连，NTC电阻Rt一端连Vcc另一端与7脚、Ra相连，3脚为输出接到U2的3脚，4脚接Vcc并经电容C4接DGND，5脚经C6接DGND，8脚接Vcc并经C5退偶接DGND；
充电电路由Rt、Ra、C组成，此时NA555的7脚放电管断开，3脚输出高电平。
放电电路由Ra、C组成，此时NA555的7脚放电管闭合，3脚输出低电平。
隔离电路由U2、U3组成。
具体实施例：
1、首先电容电压为0，U1内部放电管断开，电源Vcc经过Rt和Ra给C充电，当C的电压达到1/3Vcc时，3脚输出高电平，直到电容C两端电压达到2/3Vcc时，U1的内部放电管闭合，电容C经过电阻Ra放电，3脚输出低电平，当电容C放电两端电压达到1/3Vcc时，U1内部放电管断开。这样周而复始的给电容C充电放电，U1的3脚输出对应的高低电平，从而将IGBT模块热敏电阻Rt的阻值变化转换成了脉冲宽度的变化。
2、U1输出的脉冲经过高速光耦U2隔离后送入FPGA进行计算，读出脉冲宽度，通过查表法得出与之对应的IGBT模块结温温度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种用于IGBT模块的温度检测电路，其特征在于，包括：
热敏电阻Rt，安装在IGBT模块内部；
模拟量转换成脉冲量芯片U1，与热敏电阻Rt连接，用于将热敏电阻Rt的阻值变化的模拟量转换成脉冲宽度变化的数字量；
FPGA，与模拟量转换成脉冲量芯片U1连接，用于检测脉冲宽度或者占空比，算出NTC电阻值再通过查表法，读出与之对应的IGBT模块结温温度。
2.根据权利要求1所述的一种用于IGBT模块的温度检测电路，其特征在于，所述的电路还包括限流电阻Ra和充放电电容C，所述的限流电阻Ra一端分别与模拟量转换成脉冲量芯片U1的7号管脚和热敏电阻Rt连接，另一端通过分别与模拟量转换成脉冲量芯片U1的2号管脚、充放电电容C一端连接，所述的充放电电容C另一端接地。
3.根据权利要求2所述的一种用于IGBT模块的温度检测电路，其特征在于，所述的热敏电阻Rt、限流电阻Ra和充放电电容C构成充电电路，此时所述的模拟量转换成脉冲量芯片U1的7号管脚放电管断开，3号管脚输出高电平。
4.根据权利要求2所述的一种用于IGBT模块的温度检测电路，其特征在于，所述的限流电阻Ra和充放电电容C构成放电电路，此时所述的模拟量转换成脉冲量芯片U1的7号管脚放电管闭合，3号管脚输出低电平。
5.根据权利要求1所述的一种用于IGBT模块的温度检测电路，其特征在于，所述的电路还包括隔离光耦U2，该隔离光耦U2一端与模拟量转换成脉冲量芯片U1连接，另一端与FPGA连接。
6.根据权利要求5所述的一种用于IGBT模块的温度检测电路，其特征在于，所述的隔离光耦U2的1号管脚经上拉电阻R2接Vcc，3号管脚接模拟量转换成脉冲量芯片U1的脉冲信号输出，并接下拉电阻R3接DGND，4号管脚接GND，6号管脚将隔离后的脉冲送入FPGA，通过上拉电阻R1接直流电源Vdd，并经退耦电容C1接GND。
7.根据权利要求1所述的一种用于IGBT模块的温度检测电路，其特征在于，所述的电路还包括隔离电源U3，该隔离电源U3的2号管脚接Vdd并经退偶电容接GND，1号管脚接GND，5号管脚为高压侧提供电源Vcc并经旁路C3接到DGND，4号管脚接DGND。
8.根据权利要求1所述的一种用于IGBT模块的温度检测电路，其特征在于，所述的模拟量转换成脉冲量芯片U1采用NA555芯片。
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