CN109946576A - 一种驱动器用igbt模块的寿命预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法，通过驱动器上面的采集电路采集NTC热敏电阻上的电压信号，计算出当前时刻IGBT模块的温度T_j，与设定的温度最高值T_max比较而进行过温保护，片外存储器记录每次的温度波动ΔT_j，当IGBT模块温度波动ΔT_j总次数达到预设的最高值Nfmax时驱动器报警提示该模块已达预期使用寿命，进行更换新的IGBT模块。本发明IGBT模块寿命预警方法能准确得到IGBT模块的运行温度，从而实现更准确的IGBT模块过温保护和IGBT模块寿命预警功能，确保带IGBT模块的设备能安全稳定运行。

Description

一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法

技术领域

本发明属于IGBT模块驱动器的技术领域，具体涉及一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法。

背景技术

IGBT模块由绝缘栅双极型晶体管和续流二极管通过特定的电路桥接封装而成的半导体模块，封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上；IGBT模块的运行温度是非常重要的参数，关乎设备的正常运行。IGBT模块1通常由桥接的6个绝缘栅双极型晶体管和一个NTC热敏电阻构成，通过NTC热敏电阻3可实时监测IGBT模块的运行温度。目前市面上IGBT驱动板都没有设计过热保护和寿命预警功能，只是在靠近IGBT模块的散热器上安装一个温度传感器，把温度信号采集到处理器中，通过采样值算出散热器表面温度来估算IGBT内部的温度；用这种方法所测出来的温度不是很可靠，温度传感器在散热器上的安装位置、热阻等因素对采样值影响很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法，解决现有驱动器不能实现对IGBT模块过温保护和寿命预警的问题。

本发明采用的技术方案是，一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法，驱动器的主控单元FPGA信号连接IGBT模块，IGBT模块包括NTC热敏电阻，NTC热敏电阻电连接有NTC电压采集电路，NTC电压采集电路的输出端连接有V-F转换单元，V-F转换单元电连接有可将频率信号转化为光信号的发送单元，发送单元输出端连接有可将光信号还原为频率信号的接收单元，主控单元FPGA的输入端具有CAP捕获接口，CAP捕获接口与接收单元的输出端通信连接；

IGBT模块寿命预警的方法包括以下步骤：

步骤1，NTC电压采集电路采集IGBT模块中NTC热敏电阻上电流为4mA左右时热敏电阻的电压信号；

步骤2，V-F转换单元将步骤1的电压信号转换为频率信号F_j；

步骤3，主控单元FPGA根据步骤2的频率信号F_j计算出IGBT模块的当前时刻温度T_j，其中j＝1，2，3，……，n表示不同时刻；

步骤4，将当前时刻温度T_j与设定的结温最高值T_max进行比较，在温度T_j高于结温最高值T_max时，对IGBT模块进行过温保护，T_max为IGBT模块能正常工作的最高温度；

步骤5，记录IGBT模块工作时的结温波动ΔT_j，结温波动ΔT_j表达式如下：

ΔT_j＝T_jmax-T_jmin

式中，T_jmax是记录的IGBT模块一次工作时的最高温度，T_jmin是记录的IGBT模块一次工作时的最低温度；

步骤6，记录IGBT模块结温波动ΔT_j大于预设结温波动ΔT的总次数，待所述总次数达到预设的结温波动次数最高值Nfmax时，驱动器的主控单元FPGA报警提示该IGBT模块已达预期使用寿命。

本发明的技术特征还在于，

其中，步骤1中采用电阻串联分压使IGBT模块中NTC热敏电阻上电流为4mA左右。

步骤2中，电压信号通过具有转换芯片和外围电路的V-F转换单元按1V∶1KHz的比例转换为频率信号F_j。

步骤3的具体方法包括：

步骤3.1，发送单元将步骤2的频率信号F_j转换为光信号；

步骤3.2，接收单元将步骤3.1的光信号还原为频率信号F_j；

步骤3.3，主控单元FPGA获取频率信号F_j的频率，根据该频率计算出IGBT模块的当前时刻温度T_j；

步骤3.2的具体过程为，发送单元将步骤3.1的光信号通过光纤传送给接收单元，接收单元将接收的光信号还原为频率信号F_j。

结温波动次数最高值Nfmax通过IGBT模块老化试验获得。

预设结温波动ΔT的表达式为：

ΔT＝T_m-T_i

其中，T_m为设定的IGBT模块一次工作的最高温度，T_i为设定的IGBT模块一次工作的最低温度，T_m和T_i可通过IGBT模块的老化试验获得。

本发明的有益效果是，通过电阻串联分压使通过NTC热敏电阻的电流基本为4mA，使采集电路只需采集NTC热敏电阻上的电压信号，减少了驱动器上的采集装置要采集的数据量；克服了传统IGBT模块过温保护的缺陷，准确得到IGBT模块的运行温度，还增加了IGBT模块的寿命预警功能，从而实现更准确的IGBT模块过温保护和IGBT模块寿命预警功能，确保带IGBT模块的设备能安全稳定运行；采用光纤传输信号，抗电磁干扰能力强，很适合应用在电磁干扰要求较高的场合；通过驱动器上的片外存储器记录每次的温度波动ΔTj，当IGBT模块的工作温度波动次数等于预设的最高值Nfmax，驱动器报警提示IGBT模块已到预期使用寿命，进行更换新的IGBT模块以确保IGBT模块设备的正常运行。

附图说明

图1是本发明中驱动器的电路结构示意图；

图2是本发明中IGBT模块的全桥电路拓扑示意图。

图中，1.IGBT模块，2.绝缘栅双极型晶体管，3.热敏电阻，4.主控单元FPGA，5.驱动结构，6.控制信号，7.光纤隔离器，8.短脉冲抑制电路，9.驱动与保护抑制电路，10.NTC电压采集电路，11.V-F转换单元，12.发送单元，13.接收单元，14.退饱和保护电路，15.比较器a，16.di/dt检测，17.比较器b，18.Vce过压保护器，19.Vge过压保护器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不局限于该具体实施方式。

参照图1，本发明一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法，其中的驱动器包括IGBT模块1和主控单元FPGA4，控制信号6通过光纤隔离器7输送至主控单元FPGA4的输入端；主控单元FPGA4双向电连接有短脉冲抑制电路8、驱动与保护抑制电路9；主控单元FPGA4的输出端通过驱动结构5连接有IGBT模块1输入端；IGBT模块1包括六个桥接的绝缘栅双极型晶体管2和一个NTC热敏电阻3(见图2)，NTC热敏电阻3经三端稳压器与电源连接，NTC热敏电阻3还电连接有NTC电压采集电路10，NTC电压采集电路10的输出端连接有V-F转换单元11，即电压频率转换器，V-F转换单元电连接有发送单元12，即光电转换器，发送单元可将频率信号转化为光信号；发送单元输出端通过光纤连接有光信号接收单元13，即光电转换器，接收单元可将光信号还原为频率信号；主控单元FPGA4的输入端具有CAP捕获接口，CAP捕获接口与接收单元的输出端通信连接。

IGBT模块1输出端连接有退饱和保护电路14，退饱和保护电路14输出端连接有比较器a15输入端，比较器a15输出端连接主控单元FPGA的输入端；IGBT模块1输出端连接有di/dt检测16输入端，di/dt检测16输出端电连接有比较器b17，比较器b17输出端连接主控单元FPGA的输入端。IGBT模块1输出端连接有Vce过压保护器18和Vge过压保护器19。

一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法，具体包括以下步骤：

步骤1，采用电阻串联分压使IGBT模块中NTC热敏电阻上电流为4mA左右时，通过NTC电压采集电路10采集NTC热敏电阻的电压信号；

步骤2，V-F转换单元11将步骤1的电压信号通过具有转换芯片和外围电路的V-F转换单元按1V∶1KHz的比例转换为频率信号F_j；

步骤3，主控单元FPGA4根据步骤2的频率信号F_j计算出IGBT模块的当前时刻温度Tj，其中j＝1，2，3，……，n表示不同时刻；

步骤3的具体方法包括：

步骤3.1，发送单元将步骤2的频率信号F_j转换为光信号；

步骤3.2，接收单元将步骤3.1的光信号通过光纤传送给接收单元，接收单元将接收的光信号还原为频率信号F_j；

步骤3.3，主控单元FPGA获取频率信号F_j的频率，根据频率计算出IGBT模块的当前时刻温度T_j；

其中，

V_IN＝V_cc×R′/(R_t+1.5) (2)

式中，f_CLKIN＝32.768kHz，V_cc＝V_REF＝5V，T是常温的开尔文温度，即T＝273.15+25；R是NTC热敏电阻在常温T下的标称阻值，B值是NTC热敏电阻的参数，R和B值可从NTC热敏电阻说明书中获得；

步骤4，将当前时刻温度T_j与设定的结温最高值T_max进行比较，在温度T_j高于结温最高值T_max时，对IGBT模块进行过温保护，T_max为IGBT模块能正常工作的最高温度；

步骤5，记录IGBT模块工作时的结温波动ΔT_j，结温波动ΔT_j表达式如下：

ΔT_j＝T_jmax-T_jmin (5)

式中，T_jmax是记录的IGBT模块一次工作时的最高温度，T_jmin是记录的IGBT模块一次工作时的最低温度；

步骤6，记录IGBT模块结温波动ΔT_j大于预设结温波动ΔT的总次数，待所述总次数达到预设的结温波动次数最高值Nfmax时，驱动器报警提示所述IGBT模块已达预期使用寿命，即完成IGBT模块寿命预警，其中ΔT＝T_m-T_i，T_m为设定的IGBT模块一次工作的最高温度，T_i为设定的IGBT模块一次工作的最低温度，结温波动次数最高值Nfmax、T_m和T_i均可通过IGBT模块老化试验获得。

实施例

以Infineon生产的1200V/50A的F4-50R12KS4模块为例，IGBT模块驱动器使用NTC热敏电阻的来实现IGBT模块的过温保护和寿命预警，具体包括以下步骤：

步骤1，将NTC热敏电阻3经三端稳压器与电源连接，再用电阻串联分压使通过NTC热敏电阻的电流基本为4mA；IGBT模块驱动板上的采集电路采集NTC热敏电阻上的电压信号；

步骤2，将步骤1的电压信号通过具有转换芯片和外围电路的V-F转换单元按1V∶1KHz的比例转换为频率信号F_j；

步骤3，驱动器中的发送单元将步骤2的频率信号F_j转换为光信号，再将光信号通过光纤传送至接收单元；然后接收单元先将光信号还原为频率信号，再将频率信号传送至主控单元FPGA，主控单元FPGA先检测该频率信号的频率，再根据该频率计算出IGBT模块的当前时刻温度T_j；

其中，

V_IN＝V_cc×R′/(R_t+1.5)

式中，f_CLKIN＝32.768kHz，V_cc＝V_REF＝5V，T是常温的开尔文温度，即T＝273.15+25；R是NTC热敏电阻在常温T下的标称阻值，B值是NTC热敏电阻的参数，R和B值可从NTC热敏电阻说明书中获得，本实施例中所用NTC热敏电阻的R值为5000Ω，B值为3270；

步骤4，将当前时刻温度T_j与设定的结温最高值T_max(125℃)进行比较，在温度T_j高于结温最高值T_max时，对IGBT模块进行过温保护，T_max为IGBT模块能正常工作的最高温度，每一个IGBT模块都一个它的SOA(安全工作区)，对于温度也有它的安全工作区，超过它的安全工作区就会器件失效，T_max就是IGBT模块安全工作区的最高温度，每个IGBT模块生产厂家由于生产工艺的不同其器件承受的最高温度也不相同，这个值可以在IGBT模块的数据手册上查到，本实施例所用IGBT模块的T_max为125℃；

步骤5，记录IGBT模块工作时的结温波动ΔT_j，结温波动ΔT_j表达式如下：

ΔT_j＝T_jmax-T_jmin

式中，T_jmax是记录的IGBT模块一次工作时的最高温度，T_jmin是记录的IGBT模块一次工作时的最低温度；

步骤6，记录IGBT模块结温波动ΔT_j大于预设结温波动ΔT的总次数，待所述总次数达到预设的结温波动次数最高值Nfmax(47900)时，驱动器报警提示该IGBT模块已达预期使用寿命，即完成IGBT模块寿命预警；

其中ΔT＝T_m-T_i，T_m为设定的IGBT模块一次工作的最高温度，T_i为设定的IGBT模块一次工作的最低温度。本实施例所用IGBT模块的T_i为25℃、T_m为80℃，则ΔT为55℃，结温波动次数最高值Nfmax、T_m和T_i均通过IGBT模块老化试验获得。

Claims (7)

1.一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法，驱动器的主控单元FPGA(4)信号连接IGBT模块(1)，IGBT模块(1)包括NTC热敏电阻(3)，其特征在于，所述NTC热敏电阻(3)电连接有NTC电压采集电路(10)，NTC电压采集电路(10)的输出端连接有V-F转换单元(11)，V-F转换单元(11)电连接有将频率信号转化为光信号的发送单元(12)，发送单元(12)输出端连接有将光信号还原为频率信号的接收单元(13)，主控单元FPGA(4)的输入端具有CAP捕获接口，CAP捕获接口与接收单元(13)的输出端通信连接；

所述IGBT模块(1)寿命预警的方法包括以下步骤：

步骤1，NTC电压采集电路(10)采集NTC热敏电阻(3)上电流为4mA左右时热敏电阻的电压信号；

步骤2，V-F转换单元(11)将步骤1的电压信号转换为频率信号F_j；

步骤3，主控单元FPGA(4)根据步骤2的频率信号F_j计算出IGBT模块(1)的当前时刻温度T_j，其中j＝1，2，3，……，n表示不同时刻；

步骤4，将当前时刻温度T_j与设定的结温最高值T_max进行比较，在温度T_j高于结温最高值T_max时，对IGBT模块(1)进行过温保护，T_max为IGBT模块(1)能正常工作的最高温度；

步骤5，记录IGBT模块(1)工作时的结温波动ΔT_j，结温波动ΔT_j表达式如下：

ΔT_j＝T_jmax-T_jmin

式中，T_jmax是记录的IGBT模块(1)一次工作时的最高温度，T_jmin是记录的IGBT模块(1)一次工作时的最低温度；

步骤6，记录IGBT模块(1)结温波动ΔT_j大于预设结温波动ΔT的总次数，待所述总次数达到预设的结温波动次数最高值Nfmax时，驱动器的主控单元FPGA(4)报警提示所述IGBT模块(1)已达预期使用寿命。

2.根据权利要求1所述的一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法，其特征在于，所述步骤1中采用电阻串联分压使IGBT模块(1)中NTC热敏电阻(3)上电流为4mA左右。

3.根据权利要求1所述的一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法，其特征在于，所述步骤2中，电压信号通过具有转换芯片和外围电路的V-F转换单元(11)按1V∶1KHz的比例转换为频率信号F_j。

4.根据权利要求1所述的一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法，其特征在于，所述步骤3的具体方法包括：

步骤3.1，发送单元(12)将步骤2的频率信号F_j转换为光信号；

步骤3.2，接收单元(13)将步骤3.1的光信号还原为频率信号F_j；

步骤3.3，主控单元FPGA(4)获取频率信号F_j的频率，根据所述频率计算出IGBT模块(1)的当前时刻温度T_j。

5.根据权利要求4所述的一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法，其特征在于，所述步骤3.2的具体过程为，发送单元(12)将步骤3.1的光信号通过光纤传送给接收单元(13)，接收单元(13)将接收的光信号还原为频率信号F_j。

6.根据权利要求1所述的一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法，其特征在于，所述结温波动次数最高值Nfmax通过IGBT模块(1)老化试验获得。

7.根据权利要求1所述的一种驱动器用IGBT模块的寿命预警方法，其特征在于，所述预设结温波动ΔT的表达式为

ΔT＝T_m-T_i

其中，T_m为设定的IGBT模块一次工作的最高温度，T_i为设定的IGBT模块一次工作的最低温度，T_m和T_i可通过IGBT模块的老化试验获得。