CN110044510A - Igbt模块测温电路、测温方法及计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种IGBT模块测温电路、测温方法及计算机可读存储介质，其中电路部分包括比较器U1、电源端口Vcc、电容C1、第一MOSFET管Q1以及参考电阻；所述电源端口Vcc分别与第一节点、比较器U1的反向输入端电连接；所述电源端口Vcc还与比较器U1的电源端电连接；除与电源端口Vcc电连接外，所述第一节点还分别与比较器U1的同向输入端、电容C1、第一MOSFET管Q1的源极电连接；所述第一MOSFET管Q1的漏极与信号地电连接；所述第一MOSFET管Q1的栅极与比较器U1的输出端电连接；所述电容C1一端与第一节点电连接，另一端与信号地电连接；所述比较器U1的接地端与信号地电连接；所述参考电阻设置在所述IGBT模块测温电路的设定位置。
Description
技术领域
本发明涉及IGBT模块温度测量技术领域，具体地，涉及一种IGBT模块测温电路、测温方法及计算机可读存储介质，尤其涉及一种用于检测IGBT模块内部NTC电阻温度的IGBT模块测温电路、测温方法及计算机可读存储介质。
背景技术
在当今对供电质量要求日益严格的大背景下，用户对电力电子设备的可靠性要求也日益提高。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块是目前大功率电力电子设备采用的主流开关器件，也是大功率电力电子设备中最重要的元件，它的可靠性是大功率电力电子设备可靠性的重要保证，所以，提高它的可靠性成为提高大功率电力电子设备可靠性的首要途径。
IGBT模块失效的主要原因有3：过压；过流；过温。由于电压和电流是电力电子设备必须要采集的信号，所以，过压或过流可以通过软件或硬件电路来预防。因此，过温成为IGBT模块失效的主要原因。
防止IGBT模块过温的瓶颈在于如何实时、准确的获得IGBT模块内部管芯的温度，IGBT模块内部靠近管芯的地方通常都会放置NTC测温电阻，此电阻和IGBT管芯的温差一般在10℃以内，因此，实时、准确的获得此NTC电阻的阻值是其中的关键。
目前获取NTC电阻阻值的方式主要有2类：一类是以AD(模拟/数字)转换为基础的温度检测电路，例如，专利文献CN204241124U公开的一种宽量程NTC测温装置，利用一个恒值电阻和NTC电阻串联并接在直流电源两端，形成一个分压电路，将NTC电阻上分得的电压信号送入AD转换器转换为数字信号，然后通过查表的方式获得温度值。这种电路的缺点有2个，一是直流电压的稳定性和精度决定了温度采样的精度；二是需要用AD转换电路，而这种电路通常都比较昂贵，因而实现的成本高。
另一类是以VF(电压/频率)转换为基础的温度检测电路，例如，专利文献CN203965065U公开的一种IGBT管芯的测温电路，VF转换电路有2种，一种采用LM331作为VF转换电路的控制芯片，其电路如图3所示，该电路输出的频率为：
从这里可以看出，输出的频率不仅和NTC电阻的阻值有关，还和供电电源电压Vcc及电容Ct的容值有关，所以温度检测的精度也取决于供电电源电压Vcc及电容Ct的精度。因此，要得到准确的温度值，需要采用高精度的供电电源及高精度的电容，尤其是电容，对于大容量电容，其精度通常仅有20％，因此对温度检测的精度造成很大影响。
该专利阐述的另外一个VF转换电路采用AD7740作为控制芯片，此控制芯片为同步VF变换控制器，其输出信号和其时钟信号同步(如图5所示)，当时钟信号的频率和输出信号的频率不成整数倍时，其输出的频率将出现波动，例如，它要输出的频率为时钟平率的3/10倍的时候，其输出的频率在时钟频率的1/4到1/3之间波动，所以，当处理器获得输出信号的频率之后，还需要经过截止频率很低的低通滤波器才能获得准确的输出频率，而这降低了温度检测的实时性。
如图4所示，该电路的输出频率为：
从该式可以看出，其输出频率和时钟信号频率fCLKIN相关，由于时钟信号产生于晶体，所以精度很高，但是，其输出频率仍然和供电电源电压Vcc有关，因此其温度采样精度取决于其供电电源电压精度。
综上，提供一种新型的IGBT模块测温电路、测温方法及计算机可读存储介质具有较高的必要性和应用价值。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种IGBT模块测温电路、测温方法及计算机可读存储介质。
根据本发明提供的一种IGBT模块测温电路，包括比较器U1、电源端口Vcc、电容C1、第一MOSFET管Q1以及参考电阻；
所述电源端口Vcc分别与第一节点、比较器U1的反向输入端电连接；所述电源端口Vcc还与比较器U1的电源端电连接；
除与电源端口Vcc电连接外，所述第一节点还分别与比较器U1的同向输入端、电容C1、第一MOSFET管Q1的源极电连接；
所述第一MOSFET管Q1的漏极与信号地电连接；所述第一MOSFET管Q1的栅极与比较器U1的输出端电连接；
所述电容C1一端与第一节点电连接，另一端与信号地电连接；
所述比较器U1的接地端与信号地电连接；
所述参考电阻设置在所述IGBT模块测温电路的设定位置。
优选地，所述IGBT模块测温电路还包括IGBT模块待测温元件；所述IGBT模块待测温元件设置在电源端口Vcc和第一节点之间，包括热敏电阻。
优选地，所述第一节点和比较器U1的同向输入端之间还设置有第二节点；所述参考电阻包括标准电阻Rref；
所述标准电阻Rref设置在第一节点与第二节点之间；
所述电容C1一端依次通过第二节点、标准电阻Rref与第一节点电连接，另一端与信号地电连接。
优选地，所述参考电阻还包括第四电阻R4；所述比较器U1的输出端还通过第四电阻R4与电源端口Vcc电连接。
优选地，所述参考电阻还包括第一电阻R1；所述电源端口Vcc与比较器U1的反向输入端之间还设置有第三节点；所述第一电阻R1设置在电源端口Vcc与第三节点之间。
优选地，所述参考电阻还包括第二电阻R2；所述第三节点除分别与第一电阻R1、比较器U1的反向输入端电连接外，还通过第二电阻R2与信号地电连接。
优选地，所述IGBT模块测温电路还包括第二MOSFET管Q2；所述第二MOSFET管Q2的源极与第三节点电连接；所述第二MOSFET管Q2的漏极与信号地电连接；所述第二MOSFET管Q2的栅极与比较器U1的输出端电连接。
优选地，所述参考电阻还包括第三电阻R3；所述第三电阻R3设置在第三节点和第二MOSFET管Q2的源极之间。
根据本发明提供的一种IGBT模块测温方法，包括如下步骤：
步骤1：测量电容C1的充电时间TH；
步骤2：测量电容C1的放电时间TL；
步骤3：计算TH/TL，并根据TH/TL，查看设定的﹣温度表格，获得对应的温度值。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的IGBT模块测温方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的IGBT模块测温电路，具有结构简单、可靠性高、泛用性好的优点；
2、本发明提供的IGBT模块测温电路，具有极低的材料成本，经统计，除去NTC电阻，量产后材料成本仅为0.28元人民币(以2016年物料价格为准)；
3、本发明提供的IGBT模块测温电路，在极低的材料成本下，在0-150℃的测温范围内，仍然能够保持1℃的测温精度，足够IGBT模块测温使用；
4、本发明提供的IGBT模块测温电路、测温方法及计算机可读存储介质，对电源及电容的精度没有要求，在生产过程中也不需要校准、整定，容易实现量产，降低人工成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的IGBT模块测温电路优选例的电路示意图；
图2为本发明提供的IGBT模块测温电路优选例中比较器同相输入端、反相输入端、输出端波形的示意图；
图3为现有技术中采用LM331的温度检测电路电路图；
图4为现有技术中采用AD7740的温度检测电路电路图；
图5为现有技术中采用AD7740的温度检测电路的输出波形。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种IGBT模块测温电路，包括比较器U1、电源端口Vcc、电容C1、第一MOSFET管Q1以及参考电阻；所述电源端口Vcc分别与第一节点、比较器U1的反向输入端电连接；所述电源端口Vcc还与比较器U1的电源端电连接；除与电源端口Vcc电连接外，所述第一节点还分别与比较器U1的同向输入端、电容C1、第一MOSFET管Q1的源极电连接；所述第一MOSFET管Q1的漏极与信号地电连接；所述第一MOSFET管Q1的栅极与比较器U1的输出端电连接；所述电容C1一端与第一节点电连接，另一端与信号地电连接；所述比较器U1的接地端与信号地电连接；所述参考电阻设置在所述IGBT模块测温电路的设定位置。
具体地，所述IGBT模块测温电路还包括IGBT模块待测温元件；所述IGBT模块待测温元件设置在电源端口Vcc和第一节点之间，包括热敏电阻。所述第一节点和比较器U1的同向输入端之间还设置有第二节点；所述参考电阻包括标准电阻Rref；所述标准电阻Rref设置在第一节点与第二节点之间；所述电容C1一端依次通过第二节点、标准电阻Rref与第一节点电连接，另一端与信号地电连接。所述参考电阻还包括第四电阻R4；所述比较器U1的输出端还通过第四电阻R4与电源端口Vcc电连接。所述参考电阻还包括第一电阻R1；所述电源端口Vcc与比较器U1的反向输入端之间还设置有第三节点；所述第一电阻R1设置在电源端口Vcc与第三节点之间。
更具体地，所述参考电阻还包括第二电阻R2；所述第三节点除分别与第一电阻R1、比较器U1的反向输入端电连接外，还通过第二电阻R2与信号地电连接。所述IGBT模块测温电路还包括第二MOSFET管Q2；所述第二MOSFET管Q2的源极与第三节点电连接；所述第二MOSFET管Q2的漏极与信号地电连接；所述第二MOSFET管Q2的栅极与比较器U1的输出端电连接。所述参考电阻还包括第三电阻R3；所述第三电阻R3设置在第三节点和第二MOSFET管Q2的源极之间。
根据本发明提供的一种IGBT模块测温方法，包括如下步骤：
步骤1：测量电容C1的充电时间TH；
步骤2：测量电容C1的放电时间TL；
步骤3：计算TH/TL，并根据TH/TL，查看设定的﹣温度表格，获得对应的温度值。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的IGBT模块测温方法的步骤。
进一步地，本发明优选例的技术关键点为：
1、通过检测脉宽比值来测量热敏电阻的阻值；
2、检测的精度不受电源电压和电容精度的影响，仅取决于电阻的精度。
针对现有技术的问题，本发明的优选例提出一种基于脉宽比值检测的NTC测温电路，该电路可以避免使用高精度电源，以及高精度电容器，并且所用元件成本低廉，电路稳定可靠，适合于批量生产。该电路的主要原理是利用NTC电阻参与电路震荡形成脉冲，正脉冲宽度和NTC电阻阻值成正比，负脉冲宽度和标准电阻阻值成正比，计算出正负脉冲宽度的比值，就能计算出温度值。本发明的测温精度仅取决于电阻的精度，而电阻的精度通常很容易做得比较高，因此本发明电路具有较高的测温精度。
本发明优选例的电路包括热敏电阻NTC、电阻Rref、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、比较器U1，所述热敏电阻NTC一端和电源相连，另一端和MOSFET管Q1的源极相连，MOSFET管Q1的漏极和信号地相连，栅极和比较器U1的输出端相连，所述的电阻Rref的一端和MOSFET管Q1的源极相连，另一端和比较器U1同相输入端相连，所述的电容C1一端和比较器U1同相输入端相连，另一端和信号地相连，所述的电阻R1一端和电源相连，另一端和比较器U1反相输入端相连，所述的电阻R2一端和比较器U1反相输入端相连，另一端和信号地相连，所述的电阻R3一端和比较器U1反相输入端相连，另一端和MOSFET管Q2的源极相连，MOSFET管Q2的漏极和信号地相连，栅极和比较器U1的输出端相连，所述的电阻R4一端和电源相连，另一端和比较器U1的输出端相连，所述的比较器U1的电源端和电源相连，接地端和信号地相连。
更进一步地，本发明优选例的测温电路如图1所示，比较器U1和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、MOSFET管Q2构成施密特触发器。当比较器输出为0时，MOSFET管Q2关断，易知比较器反相端电压为：
此时MOSFET管Q1关断，Vcc通过NTC电阻及电阻Rref向电容C1充电，直到电容C1上电压刚刚超过V-，比较器U1输出为高阻态，电阻R4将Vo上拉为Vcc，MOSFET管Q2导通，易知此时比较器反相端电压为：
同时，MOSFET管Q1导通，电容C1通过电阻Rref及开关管Q1放电，当电容C1上电压刚刚低于V-，比较器输出翻转为0，周而复始形成震荡。
如图2所示，本发明优选电路工作波形，Vp为比较器U1同相输入端波形，Vn为比较器反相输入端波形，也是电容C1两端波形，Vo为比较器U1输出端波形。
当电路进入稳定状态，电容C1两端电压波形为V-至V+之间的三角波，当比较器U1输出为0时，MOSFET管Q1关断，Vcc通过NTC电阻及电阻Rref向电容C1充电，将电容C1的电压从V-充到V+，充电时间为：
当比较器输出为高阻态时，电阻R4将Vo上拉为Vcc，MOSFET管Q1导通，电容C1通过电阻Rref及开关管Q1放电，将电容C1的电压从V+放到V-，放电时间为：
计算充电时间及放电时间的比值：
其中：
易见，充电时间及放电时间的比值D仅和NTC电阻及电阻Rref、电阻R1、电阻R2、电阻R3有关，和电源电压Vcc及电容C1都没有关系，这样，不需要精确的供电电源电压及电容，而精确的电阻很容易获得，因此，只需要精确计算充电时间及放电时间的比值D，就能够得到准确的NTC电阻阻值，从而得到准确的温度值。
而要得到准确的充电时间及放电时间的比值D，只需要提供频率足够高的计数时钟及足够位数的计数器就可以实现，因此通过本发明电路可以获得足够准确的温度值。
经济效益：
综上所述，本发明电路具有较高的测温精度，经实验测试，本发明电路在0-150℃的测温范围内，具有1℃的测温精度，足够IGBT模块测温使用，同时，本发明电路对电源及电容的精度没有要求，在生产过程中也不需要校准、整定，容易实现量产，最后，本发明电路具有极低的材料成本，经统计，除去NTC电阻，本发明电路量产后材料成本仅为0.28元人民币(以2016年物料价格为准)，如果考虑其它发明采用高精度电源和、或高精度电容，成本将更有优势。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种IGBT模块测温电路，其特征在于，包括比较器U1、电源端口Vcc、电容C1、第一MOSFET管Q1以及参考电阻；
所述电源端口Vcc分别与第一节点、比较器U1的反向输入端电连接；所述电源端口Vcc还与比较器U1的电源端电连接；
除与电源端口Vcc电连接外，所述第一节点还分别与比较器U1的同向输入端、电容C1、第一MOSFET管Q1的源极电连接；
所述第一MOSFET管Q1的漏极与信号地电连接；所述第一MOSFET管Q1的栅极与比较器U1的输出端电连接；
所述电容C1一端与第一节点电连接，另一端与信号地电连接；
所述比较器U1的接地端与信号地电连接；
所述参考电阻设置在所述IGBT模块测温电路的设定位置。
2.根据权利要求1所述的IGBT模块测温电路，其特征在于，所述IGBT模块测温电路还包括IGBT模块待测温元件；所述IGBT模块待测温元件设置在电源端口Vcc和第一节点之间，包括热敏电阻。
3.根据权利要求2所述的IGBT模块测温电路，其特征在于，所述第一节点和比较器U1的同向输入端之间还设置有第二节点；所述参考电阻包括标准电阻Rref；
所述标准电阻Rref设置在第一节点与第二节点之间；
所述电容C1一端依次通过第二节点、标准电阻Rref与第一节点电连接，另一端与信号地电连接。
4.根据权利要求3所述的IGBT模块测温电路，其特征在于，所述参考电阻还包括第四电阻R4；所述比较器U1的输出端还通过第四电阻R4与电源端口Vcc电连接。
5.根据权利要求4所述的IGBT模块测温电路，其特征在于，所述参考电阻还包括第一电阻R1；所述电源端口Vcc与比较器U1的反向输入端之间还设置有第三节点；所述第一电阻R1设置在电源端口Vcc与第三节点之间。
6.根据权利要求5所述的IGBT模块测温电路，其特征在于，所述参考电阻还包括第二电阻R2；所述第三节点除分别与第一电阻R1、比较器U1的反向输入端电连接外，还通过第二电阻R2与信号地电连接。
7.根据权利要求6所述的IGBT模块测温电路，其特征在于，所述IGBT模块测温电路还包括第二MOSFET管Q2；所述第二MOSFET管Q2的源极与第三节点电连接；所述第二MOSFET管Q2的漏极与信号地电连接；所述第二MOSFET管Q2的栅极与比较器U1的输出端电连接。
8.根据权利要求7所述的IGBT模块测温电路，其特征在于，所述参考电阻还包括第三电阻R3；所述第三电阻R3设置在第三节点和第二MOSFET管Q2的源极之间。
9.一种IGBT模块测温方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：测量电容C1的充电时间TH；
步骤2：测量电容C1的放电时间TL；
步骤3：计算TH/TL，并根据TH/TL，查看设定的温度表格，获得对应的温度值。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求9所述的IGBT模块测温方法的步骤。
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