CN113765058A - 一种斩波电路保护方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种斩波电路保护方法，包括：对斩波电路的输入端电压进行实时采样，基于此，结合斩波电路的开通电压和关断电压，计算斩波电路内的IGBT在预设时间段内的损耗功率；获得IGBT在稳态壳温环境下的热阻抗参数，根据热阻抗参数和损耗功率，利用预设的IGBT热阻抗等效模型，计算IGBT的瞬态温升，而后根据瞬态温升和壳温，得到IGBT的当前结温；将当前结温与预设的温度阈值进行对比，以利用对比结果判断是否需要对斩波电路进行保护。本发明能快速得到IGBT准确结温，对斩波电路的保护动作更加及时。

Description

一种斩波电路保护方法及系统
技术领域
本发明涉及斩波电路控制技术领域，尤其是涉及一种斩波电路保护方法及系统。
背景技术
在电力运用中，出于特定场合的需要，会将部分能量通过斩波电路释放掉。对斩波电路传统的保护方式有：基于IGBT内置NTC电阻的测温保护、以及基于斩波电阻热容量保护。
基于IGBT内置NTC电阻的测温保护，是IGBT利用自身内置的NTC电阻，根据NTC电阻的实时数值折算出NTC出的温度，再通过查询预先测量的IGBT结温与NTC电阻温度关系曲线，间接预估了结温，最后，通过设置一定的结温保护门槛，就可以通过NTC的阻值来保护IGBT，从而保护斩波电路。但这种方式的不足之处在于，IGBT结温与NTC电阻温度关系曲线是在斩波电路所属电力系统处于热稳定状态后测量的，忽略了系统热时间常数的影响。由于实际应用过程中，在电力系统为强迫风冷系统时的热时间常数大约为几分钟；在电力系统为水冷系统时的热时间常数大约为30到60秒等等，NTC电阻需要较长的时间才能响应电力系统的负载工况的变化。另外，斩波电路不同于功率模块，是需要对瞬时状况作出响应的，整个电力系统在难以快速处于热稳定状态的情况下，采用此方法保护斩波电路存在保护动作响应滞后的问题。
基于斩波电阻热容量的保护方式，是在输入斩波开通及关断电压、斩波电阻阻值、以及斩波开通时间后，计算出流经斩波电阻的热量，以斩波电阻额定热容量为门槛，对斩波电阻进行有效保护。但这种方式的不足之处在于，由于流经斩波电阻的能量跟IGBT结温没有量化成线性关系，IGBT芯片同时也受到其他热源的耦合的影响。虽然，这种方法可以有效保护斩波电阻，却难以精准地保护斩波电路内的IGBT器件。
综上所述，现有的基于IGBT内置NTC电阻的测温保护，忽略了系统的热时间常数的影响，在热能量瞬态变化的情况下采用NTC电阻采样来进行对斩波电路的保护，难以对真实的IGBT结温作出及时响应，从而无法对斩波电路进行有效保护。另外，对于基于斩波电阻热容量的保护，需要精准的考虑斩波电阻热容量与IGBT结温的匹配，否则很难通过斩波电阻热容量来反应IGBT结温的高低，从而无法对斩波电路及其内部IGBT器件进行整体性的有效保护。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种斩波电路保护方法，所述方法包括：对所述斩波电路的输入端电压进行实时采样；根据所述输入端电压，结合所述斩波电路的开通电压和关断电压，计算所述斩波电路内的IGBT在预设时间段内的损耗功率；获取所述IGBT在稳态壳温环境下的热阻抗参数，根据所述热阻抗参数和所述损耗功率，利用预设的IGBT热阻抗等效模型，计算所述IGBT的瞬态温升，而后根据所述瞬态温升和所述壳温，得到所述IGBT的当前结温；将所述当前结温与预设的温度阈值进行对比，以利用对比结果判断是否需要对所述斩波电路进行保护。
优选地，在获取所述IGBT在稳态壳温环境下的热阻抗参数，根据所述热阻抗参数和所述损耗功率，利用预设的IGBT热阻抗等效模型，计算所述IGBT的瞬态温升，而后根据所述瞬态温升和所述壳温，得到所述IGBT的当前结温步骤中，包括：根据采集到的所述IGBT的内置NTC电阻阻值，确定所述NTC电阻的温度，并将该温度作为所述IGBT的壳温；获取初始热阻抗信息，结合所述壳温，得到在当前壳温环境下所述IGBT对应的所述热阻抗参数；根据所述热阻抗参数和所述损耗功率，利用所述IGBT热阻抗等效模型，得到所述瞬态温升，进一步结合所述壳温得到所述当前结温。
优选地，利用如下表达式计算所述IGBT的所述当前结温：
T＝Pth×(Z1+Z2+..+Zn)+Tc
其中，T表示所述当前结温，Pth表示所述损耗功率，Z1、Z2......Zn分别表示所述热阻抗参数中的若干组热阻抗数据，Tc表示所述壳温。
优选地，所述预设时间段为所述IGBT的完整通断周期，所述损耗功率包括开通损耗功率、通态损耗功率和关断损耗功率，其中，利用如下表达式计算所述损耗功率：
Figure BDA0002522749900000021
式中，Pth表示所述损耗功率，Eon表示开通损耗能量，Pon-state表示所述通态损耗功率，t表示开通时间，Eoff表示关断损耗能量。
优选地，利用如下表达式计算所述通态损耗功率：
Pon-state＝idb×Von+idb×ron 2
其中，Von表示所述IGBT的管压降，ron表示所述IGBT为通态时的器件等效电阻，idb表示通过所述斩波电路内每个所述IGBT的通态电流，
Figure BDA0002522749900000031
Udb表示斩波电路开通后的实时输出电压，Rdb表示斩波电阻的阻值，Idb表示过斩波电路电流。
优选地，所述IGBT热阻抗等效模型优选为Foster热网络模型。
优选地，在将所述当前结温与预设的温度阈值进行对比，以利用对比结果判断是否需要对所述斩波电路进行保护步骤中，包括：在所述当前结温达到或超过预设的第一温度阈值时，生成用于提示所述斩波电路的被保护负载停机的指示指令，并将所述指示指令发送至所述被保护负载的控制模块内；在所述当前结温达到或超过预设的第二温度阈值时，对所有所述IGBT进行封脉冲控制。
另一方面，本发明还提出了一种斩波电路保护系统，所述系统利用上述所述的方法实现基于IGBT结温的斩波电路快速保护功能，所述系统包括：采样及控制模块，其用于对所述斩波电路的输入端电压进行实时采样，以及将所述当前结温与预设的温度阈值进行对比，以利用对比结果判断是否需要对所述斩波电路进行保护；运算模块，其用于根据所述输入端电压，结合所述斩波电路的开通电压和关断电压，计算所述斩波电路内的IGBT在预设时间段内的损耗功率，以及获取所述IGBT在稳态壳温环境下的热阻抗参数，根据所述热阻抗参数和所述损耗功率，利用预设的IGBT热阻抗等效模型，计算所述IGBT的瞬态温升，而后根据所述瞬态温升和所述壳温，得到所述IGBT的当前结温。
优选地，所述采样及控制模块和/或所述运算模块集成于与所述斩波电路连接的被保护负载的控制模块内。
优选地，所述运算模块，包括：IGBT环境温度生成单元，其用于根据采集到的所述IGBT的内置NTC电阻阻值，确定所述NTC电阻的温度，并该温度作为所述IGBT的壳温；IGBT热阻抗参数生成单元，其用于获取初始热阻抗信息，结合所述壳温，得到在当前壳温环境下所述IGBT对应的所述热阻抗参数；IGBT结温生成单元，其用于根据所述热阻抗参数和所述损耗功率，利用所述IGBT热阻抗等效模型，得到所述瞬态温升，进一步结合所述壳温得到所述当前结温。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明实施例提出了一种斩波电路保护方法及系统。该方法及系统基于斩波电路在未开通状态下的NTC电阻温度即为IGBT壳温的原理，在斩波电路开通时，先计算出斩波电路内IGBT在完整通断周期内的损耗功率，再根据利用IGBT热阻抗等效模型获得在当前壳温环境下的IGBT热阻抗参数，从而在IGBT因开通而实际未达到热稳定状态之前，便直接模拟出IGBT的瞬时上升温度值，继而得到准确的IGBT结温，继而对当前斩波电路的保护。本发明根据热阻抗模型计算出IGBT结温，受热时间常数影响较小，更能快速得到芯片准确结温，而后再进行保护动作决策和执行，使得对斩波电路的保护动作更加及时。另外，本法明通过计算出IGBT器件的瞬时温升情况，还能够更好的保护IGBT器件，延长使用寿命；通过对斩波电路输入端直流电压的采样，无需额外增加其他硬件设备。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本申请实施例的斩波电路保护方法的步骤图。
图2为本申请实施例的斩波电路保护方法的流程图。
图3为本申请实施例的斩波电路保护方法中IGBT等效热阻抗模型的示意图。
图4为本申请实施例的斩波电路保护系统的结构框图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
在电力运用中，出于特定场合的需要，会将部分能量通过斩波电路释放掉。对斩波电路传统的保护方式有：基于IGBT内置NTC电阻的测温保护、以及基于斩波电阻热容量保护。
基于IGBT内置NTC电阻的测温保护，是IGBT利用自身内置的NTC电阻，根据NTC电阻的实时数值折算出NTC出的温度，再通过查询预先测量的IGBT结温与NTC电阻温度关系曲线，间接预估了结温，最后，通过设置一定的结温保护门槛，就可以通过NTC的阻值来保护IGBT，从而保护斩波电路。但这种方式的不足之处在于，IGBT结温与NTC电阻温度关系曲线是在斩波电路所属电力系统处于热稳定状态后测量的，忽略了系统热时间常数的影响。由于实际应用过程中，在电力系统为强迫风冷系统时的热时间常数大约为几分钟；在电力系统为水冷系统时的热时间常数大约为30到60秒等等，NTC电阻需要较长的时间才能响应电力系统的负载工况的变化。另外，斩波电路不同于功率模块，是需要对瞬时状况作出响应的，整个电力系统在难以快速处于热稳定状态的情况下，采用此方法保护斩波电路存在保护动作响应滞后的问题。
基于斩波电阻热容量的保护方式，是在输入斩波开通及关断电压、斩波电阻阻值、以及斩波开通时间后，计算出流经斩波电阻的热量，以斩波电阻额定热容量为门槛，对斩波电阻进行有效保护。但这种方式的不足之处在于，由于流经斩波电阻的能量跟IGBT结温没有量化成线性关系，IGBT芯片同时也受到其他热源的耦合的影响。虽然，这种方法可以有效保护斩波电阻，却难以精准地保护斩波电路内的IGBT器件。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于IGBT结温的斩波电路保护方法及系统。该方法及系统，首先通过实时采集斩波电路的输入端电压、和斩波电路的输出端电压，计算斩波电路内每个IGBT在完整通断周期内的(瞬态)损耗功率；而后，将测量到的IGBT内置NTC电阻的阻值所对应的温度，作为当前IGBT器件的瞬态变化前的稳态温度；接着，利用预先构建好的可将IGBT电参数转换为热参数的等效热阻抗模型，确定IGBT器件在完整通断周期内的瞬态温升，并结合稳态温度，得到能够快速响应到IGBT瞬态变化的IGBT结温；最后利用与当前斩波电路所在系统的状态实时动态变化的IGBT结温，对斩波电路进行保护动作的决策和执行。这样，本发明对斩波电路的保护能够对斩波电路所在系统状态进行快速响应，受时间常数影响较小，利用在可编程逻辑器件对保护动作进行快速控制的情况下，对斩波电路及斩波电路的被保护负载的双重保护更加及时、有效。
图1为本申请实施例的斩波电路保护方法的步骤图。图2为本申请实施例的斩波电路保护方法的流程图。下面结合图1和图2，对本发明所述的斩波电路保护方法进行详细说明。
首先，步骤S110(在斩波电路开始开通时)，对斩波电路内的输入端电压进行实时采样，从而进入到步骤S120中。需要说明的是，本发明所述的斩波电路保护方法是需要在斩波电路处于开通时立即启动执行的，因此，本发明在步骤S110实时之前包括步骤S100。步骤S100对斩波电路的输出端电压进行实时采样并检测，结合步骤S110的斩波电路内的输入端电压，判断当前是否需要控制斩波电路处于开通状态，在当前斩波电路需要开通时，立即进入步骤S110中，以通过步骤S110～步骤S130对斩波电路内的IGBT结温进行确定。
步骤S120根据实时采样得到的斩波电路输入端电压，结合(瞬态温升前的)斩波电阻的阻值、斩波电路的开通电压和关断电压，计算斩波电路内的IGBT在预设时间段内的损耗功率。
具体地，在步骤S120中，在对上述斩波电路输入端电压和斩波电路输出端电压进行实时采集过程中，还需要按照预设的采样频率，对这些采集信号进行实时采样，每个采样周期得到一组包括上述两类信息的采样数据，从而利用这些采样数据，计算IGBT在预设时间段内的功率损耗。
在实际应用过程中，斩波电路通常是处于未开通状态，在斩波电路开通后，会依次经过开通时间段、通态维持时间段以及关断时间段，对于IGBT器件来说每个时间段都会产生一定的功率损耗，因此，在本发明实施例中计算的IGBT损耗功率是上述三个时间段的任意顺序连续组合的总损耗。换句话说，上述预设时间段优选为IGBT一个完整的通断周期，包括：IGBT开通时间、IGBT通态维持时间以及IGBT关断时间。进一步，上述IGBT的损耗功率包括：开通损耗功率、通态损耗功率和关断损耗功率。其中，利用如下表达式计算IGBT在完整通断周期内的损耗功率：
Figure BDA0002522749900000061
式(1)中，Pth表示IGBT在完整通断周期内的损耗功率，Eon表示IGBT的开通损耗能量，Pon-state表示IGBT的通态损耗功率，t表示IGBT的开通维持时间，Eoff表示IGBT的关断损耗能量。其中，IGBT的通态损耗功率利用如下表达式计算：
Pon-state＝idb×Von+idb×ron 2 (2)
式(2)中，Von表示IGBT的管压降，ron表示IGBT为通态时的器件等效电阻，idb表示通过斩波电路内每个IGBT的通态电流，
Figure BDA0002522749900000062
Udb表示斩波电路的开通后的实时电压(由斩波电路的开通电压和关断电压计算得到)，Rdb表示斩波电阻的阻值，Idb表示总斩波电流(过斩波电路电流)，m表示斩波电路内的IGBT器件的总个数。其中，上述IGBT的开通损耗能量、IGBT的关断损耗能量可以参考IGBT使用手册提供的信息进行计算或测量得到，也可以参考IGBT使用手册提供的信息进行实时计算并调整，这些参数的计算方法是较为成熟的技术，本发明实施例对此不作赘述。
需要说明的是，在实际应用过程中，斩波电路内包括有若干个IGBT器件，在对斩波电路进行整体性的开关控制时，斩波电路中需要控制的每个IGBT都需要依次经过上述开通、通态维持以及关断过程，相应的，每个IGBT器件的瞬态损耗功率是相同或相近的，故每个IGBT器件在其完整通断周期内的(瞬态)损耗功率计算过程都需要按照上述步骤S120所述的方法实施。
在完成上述步骤S120的IGBT瞬态损耗功率计算后，进入到步骤S130中，来计算每个IGBT器件的结温。由于每个IGBT的结温计算过程是相同的，故本发明实施例仅以一个IGBT结温计算过程为例，对步骤S130进行说明。参考图2，步骤S130获取IGBT在稳态壳温环境下的热阻抗参数，根据热阻抗参数和步骤S120得到的损耗功率，利用预设的IGBT热阻抗等效模型，计算IGBT的瞬态温升，而后根据当前瞬态温升情况和IGBT的壳温，得到IGBT的当前结温。
在实际应用过程中，斩波电路通常是处于未开通状态，对于这种长时间处于未开通状态的(热能)稳定情况，IGBT器件内置的NTC电阻的温度是接近于IGBT芯片外壳温度(壳温)的。在本发明实施例中，当对斩波电路进行开通控制时，直接将斩波电路内的IGBT在未开通状态下的壳温当作是瞬态温升(动态)变化前的温度起始点。也就是说，将未开通前的稳态温度作为瞬态变化的初始温度值。
由此，在步骤S130中，首先需要确定出IGBT的稳态温度，即IGBT壳温(步骤S1301)。具体地，采集IGBT内置NTC电阻的当前阻值(初始温度值对应的阻值)，利用预设的NTC阻值与NTC温度关系曲线，通过查表法，确定出当前NTC电阻阻值对应的温度值，并将NTC电阻温度作为IGBT的壳温。其中，NTC阻值与NTC温度关系曲线可从IGBT使用手册中获得。
而后，在本发明实施例中，要想计算出IGBT在预设时间段内准确的瞬态温升数据，对IGBT需要构建出相应的热结构模型，利用所得热阻抗参数，来确定IGBT瞬态温升情况。具体地，在进行对IGBT热结构模型构建时，采用集总参数法，需要将电参数转换为相应的热力学参数，如表2所示。
表2电参数转换热力学参数表
电参数 热参数
电势差U(V) 温度差T(K)
电流I(A) 热流P(W)
电荷量Q(C) 热量Q<sub>th</sub>(J)
电阻R(Ω) 热阻R<sub>th</sub>(K/W)
电容C(F) 热容C<sub>th</sub>(J/K)
进一步，在计算IGBT(在稳态壳温环境下的)热阻抗参数之前，需要预先建立出IGBT的热阻抗等效模型。在本发明一具体实施例中，IGBT热阻抗等效模型优选为Foster热网络模型。图3为本申请实施例的斩波电路保护方法中IGBT等效热阻抗模型的示意图。具体地，基于集总参数法，采用热阻抗等效电路的形式，建立IGBT的Foster热网络模型。其中，Z1、Z2......Zn分别表示热网络模型中的多组热阻抗数据，Tc表示IGBT的壳温(稳态温度)，Pth表示IGBT的损耗功率。
进一步，在得到IGBT热阻抗等效模型后，(步骤S1302)需要获取初始热阻抗信息，结合IGBT当前壳温，利用IGBT热阻抗等效模型，得到在当前壳温环境下IGBT对应的热阻抗参数。如图3所示，IGBT热阻抗等效模型是将IGBT器件看作是一个热能均匀分布的器件，由多个结构体串联构成，每个结构体为并联RC结构，并且每个结构体对应有一组热阻抗数据。首先，可以从IGBT使用手册中得到有限数量(一般为3或4组)的热阻抗信息(例如：ri、ci，i＝1、2、3)，每组热阻抗数据(一个结构体)对应有一条环境温度与热阻抗参数变化曲线，由此，根据步骤S1201得到的IGBT当前壳温得到上述有限数量的热阻抗数据(例如：Z1、Z2、Z3)，即初始热阻抗信息；而后，采用集总参数法，扩展出多组(n组)结构体，并得到每组结构体对应的(在当前壳温环境下)热阻抗数据Z1、Z2......Zn，从而生成IGBT在稳态壳温环境下的热阻抗参数。
接着，在得到IGBT壳温和热阻抗参数后，(步骤S1303)根据IGBT在稳态壳温环境下的热阻抗参数和IGBT在完整通断周期内的损耗功率，利用IGBT热阻抗等效模型，得到IGBT在完整通断周期内的瞬态温升，进一步结合壳温得到当前结温。其中，利用如下表达式计算IGBT的当前结温：
T＝Pth×(Z1+Z2+..+Zn)+Tc (3)
其中，TC表示由NTC电阻阻值得到的IGBT芯片壳温(芯片内部环境温度)，T表示当前IGBT结温，Z1、Z2......Zn分别表示热阻抗参数中的若干组热阻抗数据。
由此本发明通过上述步骤S130快速响应出IGBT在其完整通断周期内的瞬态温升情况，并得到相应的IGBT结温，从而进入到步骤S140中，以利用当前IGBT结温对斩波电路的保护动作时机进行诊断。
步骤S140将当前IGBT结温与预设的温度(保护)阈值进行对比，以利用对比结果判断是否需要对斩波电路进行保护。
进一步，在本发明一具体实施例中，在当前IGBT结温达到或超过第一温度保护阈值时，生成用于提示斩波电路的被保护负载停机的指示指令，并将当前指示指令发送至与当前斩波电路连接的被保护负载的控制模块内。由于斩波电路的开通一般是根据斩波电路两端(输入端和输出端)的电压被动开通的，所以，保护斩波电路也需要对斩波电路的被保护负载实施相应的保护动作。根据IGBT结温，就可以为被保护负载的保护动作提供一定的时间，从而保护斩波电路，保护时间取决于被保护负载的控制模块(例如：DSP、FPGA等)的计算周期，一般都可以在100微秒级别内，完成从开始开通到保护动作执行的完整保护动作，能够起到快速保护作用。
更进一步地说，在本发明另一具体实施例中，在当前IGBT结温达到或超过第二温度保护阈值时，对斩波电路内的所有IGBT进行封脉冲控制。其中，第二温度保护阈值大于第一温度保护阈值。斩波电路作为一种保护电路，斩波电路的开通电压、关断电压，根据被保护负载的控制模块而得到。在实际应用过程中，如果斩波电路中没有其它保护装置的话，斩波电路一般不能先于被保护负载而停机，所以可以设立两个温度保护阈值。在达到第一温度保护阈值时，把表示斩波电路即将过温的提示指示指令，反馈给斩波电路的上一级被保护负载(内的控制模块)，由该控制模块主动控制被保护负载停机；当达到第二温度保护阈值时，斩波电路的上一级被保护负载还没有停机，此时，对斩波电路内的所有IGBT进行封脉冲处理，以将斩波电路与上一级被保护负载进行隔离。这样，因斩波电路的过温故障，而触发对被保护负载的控制模块进行故障保护，从而达到即不影响斩波电路功能，又起到保护斩波电路的作用。
进一步，在本发明一具体实施例中，在当前IGBT结温未达到上述第一温度保护阈值时，继续保持当前斩波电路的开通状态，直到检测到斩波电路需要处于断开状态。
另一方面，基于上述斩波电路保护方法，本发明还提出了一种斩波电路保护系统。该系统利用上述斩波电路保护方法实现基于IGBT结温的斩波电路快速保护功能。图4为本申请实施例的斩波电路保护系统的结构框图。如图4所示，本发明所述的斩波电路保护系统包括：采样及控制模块41和运算模块42。其中，采样及控制模块41按照上述步骤S110所述的方法实施，配置为在斩波电路开始开通时，对斩波电路的输入端电压进行实时采样。运算模块42按照上述步骤S120和步骤S130所述的方法实施，配置为根据采样及控制模块41输出的斩波电路的输入端电压，结合斩波电路的开通电压和关断电压，计算斩波电路内的IGBT在预设时间段内的损耗功率，以及获取IGBT在稳态壳温环境下的热阻抗参数，根据热阻抗参数和损耗功率，利用预设的IGBT热阻抗等效模型，计算IGBT的瞬态温升，而后根据瞬态温升和IGBT的壳温，得到IGBT的当前结温。最后，上述采样及控制模块42还按照上述步骤S140所述的方法实施，配置为将运算模块42得到的当前结温与预设的温度阈值进行对比，以利用对比结果判断是否需要对斩波电路进行保护。
进一步，为了提高本发明实施例的运算效率和保护动作响应效率，上述采样及控制模块41和/或运算模块42集成于与斩波电路连接的被保护负载的控制模块内，与被保护负载的控制模块共用。
进一步，在一具体实施例中，采样及控制模块41可以集成于被保护负载内的可编程控制器件，运算模块42集成于被保护负载内的DSP器件。需要说明的是，本发明实施例对采样及控制模块41和/或运算模块42的集成优选方式不作具体限定，与被保护负载的控制模块共用的其他结构形式均落入本发明保护范围内。其中，可编程控制器件优选为FPGA。
进一步，上述运算模块42包括：IGBT损耗功率生成单元421、IGBT环境温度生成单元422、IGBT热阻抗参数生成单元423和IGBT结温生成单元424。其中，IGBT损耗功率生成单元421配置为计算斩波电路内的IGBT在预设时间段内的损耗功率；IGBT环境温度生成单元422配置为根据采集到的IGBT的内置NTC电阻阻值，确定NTC电阻的温度，并将NTC电阻温度作为IGBT的壳温；IGBT热阻抗参数生成单元423配置为获取初始热阻抗信息，结合IGBT环境温度生成单元421输出的壳温，得到在当前壳温环境下IGBT对应的热阻抗参数；IGBT结温生成单元424配置为根据IGBT热阻抗参数生成单元423输出的热阻抗参数和IGBT损耗功率生成单元421输出的损耗功率，利用IGBT热阻抗等效模型，得到瞬态温升，进一步结合上述壳温，得到IGBT当前结温。
本发明提出了一种斩波电路保护方法及系统。该方法及系统基于斩波电路在未开通状态下的NTC电阻温度即为IGBT壳温的原理，在斩波电路开通时，先计算出斩波电路内IGBT在完整通断周期内的损耗功率，再根据利用IGBT热阻抗等效模型获得获得在当前壳温环境下的IGBT热阻抗参数，从而在IGBT因开通而实际未达到热稳定状态之前，便直接模拟出IGBT的瞬时上升温度值，继而得到准确的IGBT结温，继而对当前斩波电路的保护。本发明先根据热阻抗模型计算出IGBT结温，受热时间常数影响较小，更能快速得到芯片准确结温，而后再进行保护动作决策和执行，使得对斩波电路的保护动作更加及时。另外，本法明通过计算出IGBT器件的瞬时温升情况，还能够更好的保护IGBT器件，延长使用寿命。
此外，本发明通过对斩波电路输入端直流电压的采样，并且这一采样操作通常由斩波电路前端被保护负载实施，可以共用此电压，因此，本发明无需额外增加其他硬件设备便能够对斩波电路进行及时、有效的保护。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种斩波电路保护方法，其特征在于，所述方法包括：
对所述斩波电路的输入端电压进行实时采样；
根据所述输入端电压，结合所述斩波电路的开通电压和关断电压，计算所述斩波电路内的IGBT在预设时间段内的损耗功率；
获取所述IGBT在稳态壳温环境下的热阻抗参数，根据所述热阻抗参数和所述损耗功率，利用预设的IGBT热阻抗等效模型，计算所述IGBT的瞬态温升，而后根据所述瞬态温升和所述壳温，得到所述IGBT的当前结温；
将所述当前结温与预设的温度阈值进行对比，以利用对比结果判断是否需要对所述斩波电路进行保护。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取所述IGBT在稳态壳温环境下的热阻抗参数，根据所述热阻抗参数和所述损耗功率，利用预设的IGBT热阻抗等效模型，计算所述IGBT的瞬态温升，而后根据所述瞬态温升和所述壳温，得到所述IGBT的当前结温步骤中，包括：
根据采集到的所述IGBT的内置NTC电阻阻值，确定所述NTC电阻的温度，并将该温度作为所述IGBT的壳温；
获取初始热阻抗信息，结合所述壳温，得到在当前壳温环境下所述IGBT对应的所述热阻抗参数；
根据所述热阻抗参数和所述损耗功率，利用所述IGBT热阻抗等效模型，得到所述瞬态温升，进一步结合所述壳温得到所述当前结温。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用如下表达式计算所述IGBT的所述当前结温：
T＝Pth×(Z1+Z2+..+Zn)+Tc
其中，T表示所述当前结温，Pth表示所述损耗功率，Z1、Z2......Zn分别表示所述热阻抗参数中的若干组热阻抗数据，Tc表示所述壳温。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，所述预设时间段为所述IGBT的完整通断周期，所述损耗功率包括开通损耗功率、通态损耗功率和关断损耗功率，其中，利用如下表达式计算所述损耗功率：
Figure FDA0002522749890000021
式中，Pth表示所述损耗功率，Eon表示开通损耗能量，Pon-state表示所述通态损耗功率，t表示开通时间，Eoff表示关断损耗能量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用如下表达式计算所述通态损耗功率：
Pon-state＝idb×Von+idb×ron 2
其中，Von表示所述IGBT的管压降，ron表示所述IGBT为通态时的器件等效电阻，idb表示通过所述斩波电路内每个所述IGBT的通态电流，
Figure FDA0002522749890000022
Udb表示斩波电路开通后的实时输出电压，Rdb表示斩波电阻的阻值，Idb表示过斩波电路电流。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述IGBT热阻抗等效模型优选为Foster热网络模型。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，在将所述当前结温与预设的温度阈值进行对比，以利用对比结果判断是否需要对所述斩波电路进行保护步骤中，包括：
在所述当前结温达到或超过预设的第一温度阈值时，生成用于提示所述斩波电路的被保护负载停机的指示指令，并将所述指示指令发送至所述被保护负载的控制模块内；
在所述当前结温达到或超过预设的第二温度阈值时，对所有所述IGBT进行封脉冲控制。
8.一种斩波电路保护系统，其特征在于，所述系统利用如权利要求1～7中任一项所述的方法实现基于IGBT结温的斩波电路快速保护功能，所述系统包括：
采样及控制模块，其用于对所述斩波电路的输入端电压进行实时采样，以及将所述当前结温与预设的温度阈值进行对比，以利用对比结果判断是否需要对所述斩波电路进行保护；
运算模块，其用于根据所述输入端电压，结合所述斩波电路的开通电压和关断电压，计算所述斩波电路内的IGBT在预设时间段内的损耗功率，以及获取所述IGBT在稳态壳温环境下的热阻抗参数，根据所述热阻抗参数和所述损耗功率，利用预设的IGBT热阻抗等效模型，计算所述IGBT的瞬态温升，而后根据所述瞬态温升和所述壳温，得到所述IGBT的当前结温。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述采样及控制模块和/或所述运算模块集成于与所述斩波电路连接的被保护负载的控制模块内。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述运算模块，包括：
IGBT环境温度生成单元，其用于根据采集到的所述IGBT的内置NTC电阻阻值，确定所述NTC电阻的温度，并该温度作为所述IGBT的壳温；
IGBT热阻抗参数生成单元，其用于获取初始热阻抗信息，结合所述壳温，得到在当前壳温环境下所述IGBT对应的所述热阻抗参数；
IGBT结温生成单元，其用于根据所述热阻抗参数和所述损耗功率，利用所述IGBT热阻抗等效模型，得到所述瞬态温升，进一步结合所述壳温得到所述当前结温。
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