CN113253084A - 一种igbt模块温度采样检测系统及误差优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种IGBT模块温度采样检测系统及误差优化方法，检测系统包括NTC采样电路、光耦隔离和FPGA。NTC采样电路包括由上至下串联的NTC电阻R1、电阻R2、电容C1，还包括555芯片，NTC电阻R1为IGBT模块内部的温度采样电阻，NTC电阻R1和电阻R2串联的中间点连接至555芯片的模拟信号输入端，电阻R2与电容C1串联的中间点连接至555芯片的充放电路的触发端，555芯片的输出端为NTC采样电路的输出端，连接光耦隔离的输入端，光耦隔离的输出端连接至FPGA芯片的输入。通过FPGA高速运行的特点，利用放电时电容值得误差比较算法，运用新的周期运算时间就可以的非常准确的IGBT温度，进而控制SVG设备的散热系统，保证SVG设备的可靠运行，能够提高IGBT模块的温度检测的精度。

Description

一种IGBT模块温度采样检测系统及误差优化方法

技术领域

本发明涉及高低压SVG技术领域，特别涉及一种IGBT模块温度采样检测系统及误差优化方法。

背景技术

随着电力电子技术的快速发展，无功补偿SVG，光伏并网、风电变流及其它电力电子设备等在电网中应用越来越多，这其中，IGBT是实现电力电子功率变换的关键元器件，是关乎系统性能和可靠运行的关键因素。温度作为IGBT模块的敏感参数，会直接影响IGBT的内部载流子，进而会影响到IGBT的击穿电压、开关时间、开关损耗等一系列关键参数。因此，IGBT模块的温度采样极其重要，目前主流的IGBT模块厂商会预置负温度系数电阻NTC在模块中，以便于检测IGBT模块的温度。

目前IGBT的温度测试方式有如下几种:

电阻分压法，然后通过单片机采样实现温度测量。但是由于NTC阻值变化范围可达千倍以上，常见单片机的AD采样难以满足全温度范围内高精度温度测量要求。

比较器比较法，这种电路比较简单，可以作为温度保护开关，当温度到达指定温度后，温度开关动作进行保护，但不能线性的测量出模块结温温度。

外加热敏电阻测量法，通过采用热敏电阻检测IGBT模块的基板或散热器温度，由于散热片不同位置和IGBT有一定的温差，不能准确真实有效的测量模块结温温度。

另外上面几种方法IGBT和测试系统都没有完全隔离，由于IGBT的开关频率都在KHz级别，采样系统容易受到IGBT器件的干扰。因此需要一种新型的IGBT温度采样电路来解决上述问题。

另外，在采用芯片555进行采样的电路应用中，由于脉冲频率数f与振荡电容C1成反比，而振荡电容C1受环境温度影响，因此，检测误差是一个不容忽略的因素。

发明内容

为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种IGBT模块温度采样检测系统及误差优化方法，通过FPGA高速运行的特点，利用放电时电容值的误差比较算法，运用新的周期运算时间就可以得到非常准确的IGBT温度，进而控制SVG设备的散热系统，保证SVG设备的可靠运行。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种IGBT模块温度采样检测系统，包括NTC采样电路、光耦隔离和FPGA。

所述的NTC采样电路包括由上至下串联的NTC电阻R1、电阻R2、电容C1，还包括555芯片，NTC电阻R1为IGBT模块内部的温度采样电阻，NTC电阻R1的上端连接电源VCC，电容C1的下端接地，NTC电阻R1和电阻R2串联的中间点连接至555芯片的模拟信号输入端，电阻R2与电容C1串联的中间点连接至555芯片的充放电路的触发端，555芯片的输出端为NTC采样电路的输出端，连接光耦隔离的输入端，光耦隔离的输出端连接至FPGA芯片的输入。

所述的一种IGBT模块温度采样检测系统的检测误差优化方法，包括如下：

步骤一、初始计算：

在由NTC电阻R1，电阻R2，电容C1构成多谐振荡器的充放电电路中，设电容C1的充放电时间分别为T_H和T_L，由RC电路对阶跃激励的全响应方程为：

u_c(t)＝V₀e^t/τ+E(1-e^t/τ) (1)

其中：

E＝V_CC，τ＝(R₁+R₂)C₁，将上式整理得：

对等式两边同时取以e为底的自然对数，得到充电时间为：

T_H＝(R₁+R₂)C₁*Ln2 (3)

同理，得到放电时间为：

T_L＝R₂C₁Ln2 (4)

将充电时间和放电时间合在一起，得到振荡周期T和频率f分别为：

T＝T_H+T_L＝(R₁+2R₂)C₁*Ln2 (5)

f＝1/((R₁+2R₂)C₁*Ln2) (6)

在公式(3)中，R1作为NTC的采样电阻，R2，C1作为常量，因此，通过不同的NTC电阻R1的和周期T中充放电时间的关系，得到NTC电阻R1的值，从而得出IGBT的温度值；

步骤二、检测误差优化

1)在FPGA中，检测FPGA的采样输入端口的脉冲长度，得出实时的新的放电时间和周期T_Lnew和T_new；

2)由新的放电时间T_Lnew通过公式(4)得计算出新的电容值C_1new；

3)通过FPGA的算法公式(7)得到优化后的振荡周期T_new1(abs为对括号绝对值)；

4)公式(7)计算出的振荡周期T_new1通过公式(5)进一步计算出对应优化后的IGBT电阻R_1new，进而得到优化后的IGBT的温度。

进一步地，还包括电阻R2和电容C1的优化选型方法，具体如下：

优化选型原则是电阻R2的电阻越小越好，电容C1电容的越大越好，但电容C1过大，会引起充放电电流过大，损坏555芯片，电阻R2和电容C1的增大也会影响系统响应时间，因此在实际的系统中，需要综合考虑各个方面选取合适的电阻和电容；

1)采样频率选择，由于FPGA内部有锁相环，采样频率范围设置为1M-200M；

2)依据NTC电阻R1的变化范围，NTC电阻R1选最大值，电阻R2分别取500Ω、5000Ω、50000Ω，由公式(8)可分别得到电容C1的值：

3)根据电容C1的值，通过matlab画出电阻R2分别取500Ω、5000Ω、50000Ω时NTC电阻R1、充放电电阻R2和采样频率变化曲线图；

4)根据电阻R2分别取500Ω、5000Ω、50000Ω时NTC电阻R1、充放电电阻R2和采样频率变化曲线图，选取线性度最好的电阻R2的值作为电阻R2的最终选型；

5)电阻R2的最终选型确定后，电容C1的最终选型值即为公式(8)中对应的电容C1的值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)555将NTC电阻模拟信号变化转换为数字信号变化，这样可以省去模拟采样的电路开销，而数据信号变化更有利于FPGA芯片进行滤波和信号处理。

2)通过FPGA高速运行的特点，利用放电时电容值得误差比较算法，运用新的周期运算时间就可以的非常准确的IGBT温度，当电容C1的容值随外界干扰出现变化时，原来的振荡周期通过本发明的方法都能修正为正确的周期值，进而得到正确的IGBT的NTC温度值，进而控制SVG设备的散热系统，保证SVG设备的可靠运行，提高IGBT模块的温度检测的精度。

附图说明

图1是本发明的IGBT模块温度采样检测系统电路图；

图2是本发明的NTC电阻R1、充放电电阻R2和采样频率变化曲线图；

图3是本发明的充放电电容C1和充放电周期的变化曲线图；

图4是本发明的NTC采样电阻为5K，C1充电电容为0.57uf,充放电时间及光耦端波形；

图5是本发明的NTC采样电阻为2K，C1充电电容为0.57uf,充放电时间及光耦端波形；

图6是本发明的NTC采样电阻为5K，C1充电电容为0.92uf,充放电时间及光耦端波形；

图7是本发明的NTC采样电阻为2K，C1充电电容为0.92uf,充放电时间及光耦端波形；

图8是本发明的NTC采样电阻为5K，C1充电电容为1.12uf,充放电时间及光耦端波形；

图9是本发明的NTC采样电阻为2K，C1充电电容为1.12uf,充放电时间及光耦端波形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

一、电路结构

如图1所示，NTC采样电路包括由上至下串联的NTC电阻R1、电阻R2、电容C1，还包括555芯片，NTC电阻R1为IGBT模块内部的温度采样电阻，NTC电阻R1的上端连接电源VCC，电容C1的下端接地，NTC电阻R1和电阻R2串联的中间点连接至555芯片的模拟信号输入端，电阻R2与电容C1串联的中间点连接至555芯片的充放电路的触发端，555芯片的输出端为NTC采样电路的输出端，连接光耦隔离的输入端，光耦隔离的输出端连接至FPGA芯片的输入。

二、基于555的IGBT的NTC电阻检测原理

在IGBT技术领域，由常识公式

可知：

通过IGBT官网(例如英飞凌官网)可查询对应的IGBT手册，得到B值，R₀，T₀，通过IGBT的NTC电阻可以得到对应的温度。

基于555的IGBT温度采样电路如图1所示，电容C1、电阻R2和IGBT内部NTC电阻R1构成芯片振荡器的充放电元器件。通过IGBT温度变化，导致内部NTC热敏电阻的温度变化，使得由555构成的振荡电路输出高电平的时间产生变化，最终导致555输出的矩形波的频率跟随温度的变化而变化。

电流/脉宽转换功能由555芯片实现，555芯片的引脚定义：PIN1为接地端，PIN2和PIN6为RC充放电路的触发端，PIN3为数字信号输出端，PIN4和PIN7为IGBT的NTC电阻的模拟信号的输入端。PIN5为备用端，PIN8为芯片供电VCC端。

三、电阻R2和电容C1的优化选型，方法具体如下：

优化选型原则是电阻R2的电阻越小越好，电容C1电容的越大越好，但电容C1过大，会引起充放电电流过大，损坏555芯片，电阻R2和电容C1的增大也会影响系统响应时间，因此在实际的系统中，需要综合考虑各个方面选取合适的电阻和电容；

1)采样频率选择，由于FPGA内部有锁相环，采样频率范围设置为1M-200M；

2)依据NTC电阻R1的变化范围，NTC电阻R1选最大值，电阻R2分别取500Ω、5000Ω、50000Ω，由公式(8)可分别得到电容C1的值：

3)根据电容C1的值，通过matlab画出电阻R2分别取500Ω、5000Ω、50000Ω时NTC电阻R1、充放电电阻R2和采样频率变化曲线图；

4)根据电阻R2分别取500Ω、5000Ω、50000Ω时NTC电阻R1、充放电电阻R2和采样频率变化曲线图，如图2所示，选取线性度最好的电阻R2的值作为电阻R2的最终选型；

5)电阻R2的最终选型确定后，电容C1的最终选型值即为公式(8)中对应的电容C1的值。

具体实施例：

本次设计FPGA采样频率100M来进行计算:

选定温度每100ms更新一次，以英飞凌的IGBT为例，其NTC电阻变化范围为100Ω-100KΩ，通过matlab画出R2分别取500Ω,5000Ω,50000Ω时f和R1的曲线图，见图2，R＝5000Ω测试系统具有非常好线性度，电阻R2选5KΩ，NTC电阻选最大值100KΩ，由公式可得：

最终选取电容C1为0.92uF的电容器,电阻R2为5KΩ的精密电阻器。

四、检测误差优化

在采用芯片555进行采样的电路应用中，由于脉冲频率数f与振荡电容C1成反比，而振荡电容C1受环境温度影响，因此，检测误差是一个不容忽略的因素。如图3所示，当电容值由0.47uF到1.39uF变化时，C1充电电容值和周期的关系曲线，周期误差可达到10ms左右。本发明通过FPGA高速运行的特点，利用放电时电容值得误差比较算法，运用新的周期运算时间就可以的非常准确的IGBT温度，进而控制SVG设备的散热系统，保证SVG设备的可靠运行。

本发明的的一种IGBT模块温度采样检测系统的检测误差优化方法，包括如下：

步骤一、初始计算：

在由NTC电阻R1，电阻R2，电容C1构成多谐振荡器的充放电电路中，设电容C1的充放电时间分别为T_H和T_L，由RC电路对阶跃激励的全响应方程为：

u_c(t)＝V₀e^t/τ+E(1-e^t/τ) (1)

其中：

E＝V_CC，τ＝(R₁+R₂)C₁，将上式整理得：

对等式两边同时取以e为底的自然对数，得到充电时间为：

T_H＝(R₁+R₂)C₁*Ln2 (3)

同理，得到放电时间为：

T_L＝R₂C₁Ln2 (4)

将充电时间和放电时间合在一起，得到振荡周期T和频率f分别为：

T＝T_H+T_L＝(R₁+2R₂)C₁*Ln2 (5)

f＝1/((R₁+2R₂)C₁*Ln2) (6)

在公式(3)中，R1作为NTC的采样电阻，R2，C1作为常量，因此，通过不同的NTC电阻R1的和周期T中充放电时间的关系，得到NTC电阻R1的值，从而得出IGBT的温度值；

步骤二、检测误差优化

1)在FPGA中，检测FPGA的采样输入端口的脉冲长度，得出实时的新的放电时间和周期T_Lnew和T_new；

2)由新的放电时间T_Lnew通过公式(4)得计算出新的电容值C_1new；

3)通过FPGA的算法公式(7)得到优化后的振荡周期T_new1(abs为对括号绝对值)；

4)公式(7)计算出的振荡周期T_new1通过公式(5)进一步计算出对应优化后的IGBT电阻R_1new，进而得到优化后的IGBT的温度。

下面通过实际测试中，NTC测温电阻R1选定为2K(对应46度)、5K(对应25度)，将充放电容C1电容由(0.47uf+0.1uf)到(0.92uf+0.1uf)容值进行变化，通过示波器观测结果图，通道4为555芯片数字信号输出端，通道3为C1充电电容的充放电时间，通道1为光耦隔离输出的送给FPGA信号端的数字信号，同时观测FPGA采集到的温度值。

如图4所示，NTC采样电阻为5K，C1充电电容为0.57uf,抓取的示波器截图，此时FPGA端计算温度为25度，充电时间6.406ms,放电时间2.040ms。

如图5所示，NTC采样电阻为2K，C1充电电容为0.57uf,抓取的示波器截图，此时FPGA端计算温度为46度，充电时间5.014ms,放电时间2.042ms。

如图6所示，NTC采样电阻为5K，C1充电电容为0.92uf,抓取的示波器截图，此时FPGA端计算温度为25度，充电时间10.41ms,放电时间3.34ms。

如图7所示，NTC采样电阻为2K，C1充电电容为0.92uf,抓取的示波器截图，此时FPGA端计算温度为46度，充电时间8.30ms,放电时间3.34ms。

如图8所示，NTC采样电阻为5K，C1充电电容为0.92uf,抓取的示波器截图，此时FPGA端计算温度为25度，充电时间11.30ms,放电时间3.70ms。

如图9所示，NTC采样电阻为2K，C1充电电容为0.92uf,抓取的示波器截图，此时FPGA端计算温度为46度，充电时间11.30ms,放电时间3.70ms。

实验表明，通过FPGA高速运行的特点，利用放电时电容值得误差比较算法，运用新的周期运算时间就可以的非常准确的IGBT温度，进而控制SVG设备的散热系统，保证SVG设备的可靠运行。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (3)

1.一种IGBT模块温度采样检测系统，其特征在于，包括NTC采样电路、光耦隔离和FPGA；

所述的NTC采样电路包括由上至下串联的NTC电阻R1、电阻R2、电容C1，还包括555芯片，NTC电阻R1为IGBT模块内部的温度采样电阻，NTC电阻R1的上端连接电源VCC，电容C1的下端接地，NTC电阻R1和电阻R2串联的中间点连接至555芯片的模拟信号输入端，电阻R2与电容C1串联的中间点连接至555芯片的充放电路的触发端，555芯片的输出端为NTC采样电路的输出端，连接光耦隔离的输入端，光耦隔离的输出端连接至FPGA芯片的输入。

2.权利要求1所述的一种IGBT模块温度采样检测系统的检测误差优化方法，其特征在于，包括如下：

步骤一、初始计算：

在由NTC电阻R1，电阻R2，电容C1构成多谐振荡器的充放电电路中，设电容C1的充放电时间分别为T_H和T_L，由RC电路对阶跃激励的全响应方程为：

u_c(t)＝V₀e^t/τ+E(1-e^t/τ) (1)

其中：

E＝V_CC，τ＝(R₁+R₂)C₁，将上式整理得：

对等式两边同时取以e为底的自然对数，得到充电时间为：

T_H＝(R₁+R₂)C₁*Ln2 (3)

同理，得到放电时间为：

T_L＝R₂C₁Ln2 (4)

将充电时间和放电时间合在一起，得到振荡周期T和频率f分别为：

T＝T_H+T_L＝(R₁+2R₂)C₁*Ln2 (5)

f＝1/((R₁+2R₂)C₁*Ln2) (6)

在公式(3)中，R1作为NTC的采样电阻，R2，C1作为常量，因此，通过不同的NTC电阻R1的和周期T中充放电时间的关系，得到NTC电阻R1的值，从而得出IGBT的温度值；

步骤二、检测误差优化

1)在FPGA中，检测FPGA的采样输入端口的脉冲长度，得出实时的新的放电时间和周期T_Lnew和T_new；

2)由新的放电时间T_Lnew通过公式(4)得计算出新的电容值C_1new；

3)通过FPGA的算法公式(7)得到优化后的振荡周期T_new1，abs为对括号绝对值；

4)公式(7)计算出的振荡周期T_new1通过公式(5)进一步计算出对应优化后的IGBT电阻R_1new，进而得到优化后的IGBT的温度。

3.根据权利要求2所述的一种IGBT模块温度采样检测系统的检测误差优化方法，其特征在于，还包括电阻R2和电容C1的优化选型方法，具体如下：

优化选型原则是电阻R2的电阻越小越好，电容C1电容的越大越好，但电容C1过大，会引起充放电电流过大，损坏555芯片，电阻R2和电容C1的增大也会影响系统响应时间，因此在实际的系统中，需要综合考虑各个方面选取合适的电阻和电容；

1)采样频率选择，由于FPGA内部有锁相环，采样频率范围设置为1M-200M；

2)依据NTC电阻R1的变化范围，NTC电阻R1选最大值，电阻R2分别取500Ω、5000Ω、50000Ω，由公式(8)可分别得到电容C1的值：

3)根据电容C1的值，通过matlab画出电阻R2分别取500Ω、5000Ω、50000Ω时NTC电阻R1、充放电电阻R2和采样频率变化曲线图；

4)根据电阻R2分别取500Ω、5000Ω、50000Ω时NTC电阻R1、充放电电阻R2和采样频率变化曲线图，选取线性度最好的电阻R2的值作为电阻R2的最终选型；

5)电阻R2的最终选型确定后，电容C1的最终选型值即为公式(8)中对应的电容C1的值。

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