CN117386656B - 一种多级风扇调速过温保护装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多级风扇调速过温保护装置及其控制方法，属于电力电子变换器安保技术领域，包括温度检测电路，风扇调速电路，功率放大电路，过温报警电路。温度检测电路由热敏电阻、分压电阻、运放组成，风扇调速电路包括迟滞比较器、比较器、电阻和电容，温度升高时，依次启动一级、二级……风扇调速，过温报警电路包括迟滞比较器、比较器，用于启动四级过温保护，封锁功率模组驱动，功率放大电路包括三极管。本发明在不占用CPU资源的情况下，完成功率模组温度检测、风扇调速和过温报警功能，达到保护IGBT功率模组目的。

Description

一种多级风扇调速过温保护装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换器安保技术领域，具体涉及种一种多级风扇调速过温保护装置及其控制方法。

背景技术

在电力电子设备的散热风扇控制系统中，散热风扇会随着被测功率模组温度变化迅速做出转速响应，虽然这种控制策略温控效果较好，但是也会导致散热风扇频繁控制转速而降低使用寿命。

同时由于用户对电力电子设备功能要求越来越多，有时CPU为了配置主要功能，无法再提供冗余硬件资源配置风扇调速这种辅助功能，且风扇调速程序加入主程序中也会导致控制程序更加复杂。

而且在大型电力电子设备中IGBT和散热风扇距离CPU较远，当发生过温故障时，经过温度检测电路检测到温度变化，再远距离传输给CPU，CPU程序控制风扇和IGBT做出响应，整个风扇控制周期长，可能会导致IGBT器件热损害。而且远距离传输和占用CPU硬件资源也会增加线束和硬件成本。

发明内容

本发明目的是提供一种多级风扇调速过温保护装置及其控制方法，不仅可以完成功率模组温度实时监测、降温和高温报警功能，而且不会占用CPU资源。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种多级风扇调速过温保护装置，包括一个或多个温度检测电路、一个或多个风扇调速电路和过温报警电路；

温度检测电路包括热敏电阻、分压电阻和电压跟随器，热敏电阻、分压电阻连接在电压跟随器的同相输入端，电压跟随器的输出为温度检测电路的输出，温度检测电路的输出连接风扇调速电路和过温报警电路的输入端；

风扇调速电路均包括调速迟滞比较器电路和调速比较器，调速迟滞比较器的反相输入端为风扇调速电路的输入，调速迟滞比较器的输出端与调速比较器的反相输入端连接，调速比较器的输出为风扇调速电路的输出，作为风扇控制器的驱动；

过温报警电路包括迟滞比较器和比较器，报警迟滞比较器的反相输入端为过温报警电路的输入，报警迟滞比较器的输出端与报警比较器的反相输入端连接，报警比较器的输出为过温报警电路的输出，作为报警开关管的驱动。

优选的，多级风扇调速过温保护装置还包括二级反向放大电路和功率放大电路；

二级反向放大电路包括两个依次连接的运算放大器U13A、U13B及其周边电路，U13A的反相输入端连接风扇调速电路的输出端，U13A的输出连接U13B的反相输入端，U13B的输出连接功率放大电路；

功率放大电路包括N型三极管，三极管基极与U13B的输出端连接，发射极与U13B的反相输入端连接。

进一步的，温度检测电路的热敏电阻R_ntc和分压电阻R串联分压12V，热敏电阻R_ntc和分压电阻R的连接点与跟随器同相输入端连接，跟随器的输出端与二极管D正极相连，二极管D的负极与风扇调速电路和过温报警电路的输入端连接。

进一步的，风扇调速电路还包括调速跟随器，过温报警电路还包括报警跟随器，调速跟随器和报警跟随器的同相输入端均分别通过电阻与温度检测电路输出端连接，调速跟随器的输出端通过电阻与调速迟滞比较器的反相输入端连接，报警跟随器的输出端通过电阻与报警迟滞比较器的反相输入端连接。

进一步的，12V高电平和GND之间串联电阻R4、R5，12V高电平与所述调速迟滞比较器的同相输入端之间串联电阻R6、R7，调速迟滞比较器的同相输入端与R4、R5的连接点连接，输出端与电阻R6、R7的连接点连接，调速比较器的反相输入端与调速迟滞比较器的输出端连接，12V高电平与GND之间串联有电阻R9、R10，调速比较器的同相输入端与电阻R9、R10的连接点连接，输出端经过电阻Ra与12V连接。

进一步的，运算放大器U13A的反相输入端与输出端连接有电阻Rb，运算放大器U13B的反相输入端与U13A的输出端之间连接有电阻R26，U13B的反相输入端与输出端之间连接有电阻R27，N型三极管的发射极连接与基极之间连接有二极管。

进一步的，调速迟滞比较器和报警迟滞比较器均为TL084运算放大器及其周边电路构成的迟滞比较器，调速比较器和报警比较器均为LM393比较器。

本发明还提出一种多级风扇调速过温保护控制方法，基于上述多级风扇调速过温保护装置实现，包括步骤：

设定多档位的温度控制阈值T₁、T₂……T_N，以及每档温度阈值对应的电压阈值U_T1、U_T2……U_TN，其中，T₁<T₂……T_N-1<T_N,，U_T1<U_T2……U_TN-1<U_TN，U_TN-1为风扇允许模拟调速的最大电压值，T_N是超温报警阈值，N为正整数；

定义第i个温度检测电路输出是U_Txi，i为正整数，取输出电压的最大值U_Tmax＝max{U_Txi}，U_Tmax为调速迟滞比较器和报警迟滞比较器的输入，当温度T升高时，温度检测电路输出电压升高；

第1、2……n-1级风扇调速电路中的调速迟滞比较器为U1A、U2A……Un-1A，调速比较器为U1B、U2B……Un-1B，报警迟滞比较器为UnA，报警比较器为UnB，U1A、U2A……UnA同相输入端的初始电压值分别为Ur1、Ur2……Urn，Urn＝U_Tn+1，n＝N-1；

温度检测电路输出电压最大值U_Tmax作为UiA反相输入端的输入，i＝1、2……n-1；

当U_Tmax<Uri＝U_Ti+1时，被测功率模组温度T<T_i+1，迟滞比较器UiA输出高电平，UiA输出电压UFi作为比较器UiB的反相输入电压大于比较器UiB的同相输入端电位，UiB输出低电平，风扇不启动调速；

当U_Tmax>Uri＝U_Ti+1时，T>T_i+1，迟滞比较器UiA输出低电平，迟滞比较器UiA同相端电压降为Uri’＝U_Ti，UiA输出电压UFi作为比较器UiB的反相输入电压小于比较器UiB的同相输入端电位，UiB输出高电平，风扇启动调速，如果被测功率模组温度始终大于T_i，则该级温度检测电路对应的风扇一直运行，如果被测功率模组温度低于T_i，则U_Tmax＜Uri’，迟滞比较器输出高电平，风扇停止运行；

当U_Tmax>Urn＝U_TN时，T>T_N，输出报警信号，封锁功率模组驱动，如果被测功率模组温度降低到小于T_n，则U_Tmax<Urn’＝U_Tn，报警迟滞比较器UnA输出高电平，报警比较器UnB反相输入端电压低于同相输入端电压，报警输出低电平，报警复位。

进一步的，温度检测电路的热敏电阻R_ntc和分压电阻R串联分压12V，温度值与电压的计算公式为：

其中，R_ntc为NTC负极性热敏电阻阻值，R为分压电阻阻值。

进一步的，当温度T升高时，温度检测电路输出电压升高，U_Tmax输入到风扇调速电路中；

当U_Tmax<Uri＝U_Ti+1，调速迟滞比较器UiA输出高电平Uri计算公式为：

迟滞比较器UiA输出电压U_Fi大于比较器UiB同相端电压，比较器UiB输出低电平，输出电压U_Fi为：

当U_Tmax＞Uri＝U_Ti+1，迟滞比较器UiA同相端电压降为Uri’＝U_Ti，计算公式为：

输出电压U_Fi变为：

风扇启动调速；

风扇调速电路总输出电压U_F为：

U_F为0时，风扇不启动调速，U_F不为0时，风扇启动调速。

本发明的优点在于：整个风扇三级调速和过温保护装置完全采用硬件方式处理风扇调速和过温保护过程，当温度超过控制阀值时，迅速将控制信号传递给散热风扇和功率器件驱动电路，实现IGBT功率模组快速散热和保护IGBT模组目的。

而且本系统与CPU无任何线束连接，最大限度节省了CPU资源和硬件成本，同时，当负载较轻时，风扇能够同时降低转速，降低系统功耗。

附图说明

图1为本发明实施例温度检测电路图；

图2为本发明实施例过温保护部分电路图；

图3为本发明实施例迟滞比较器输出高电平的等效电路；

图4为本发明实施例迟滞比较器输出低电平的等效电路。

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。

本实施例公开了一种四级风扇调速过温保护装置及其控制方法，包括温度检测电路、风扇三级调速电路、过温报警电路和功率放大电路。温度检测电路由NTC负极性热敏电阻、分压电阻、TL084运放组成，主要实现检测功率模组温度；风扇三级调速电路由TL084运放组成的迟滞比较器电路、LM393比较器、电阻和电容构成，主要实现温度升高时，依次启动一级、二级、三级风扇调速过程；功率放大电路由N型8050三极管构成，主要是提高控制信号输出驱动能力；过温报警电路由TL084迟滞比较器电路、LM393比较器构成，主要是实现当被测功率模组超过允许值时，启动四级过温保护，封锁功率模组驱动。

温度检测电路的具体连接方式请参照图1，为了准确测温，本实施例中采用两个温度检测电路，热敏电阻、分压电阻连接在电压跟随器的同相输入端，以第一个温度检测电路为例，温度检测电路的热敏电阻RT1和分压电阻R1串联分压12V，热敏电阻RT1和分压电阻R1的连接点与跟随器U11A的同相输入端连接，跟随器U11A的输出端与二极管D1正极相连，二极管D1的负极与风扇调速电路和过温报警电路的输入端连接，电压跟随器U11A、电压跟随器U11B的输出中的最大值U_Tmax即为温度检测电路的输出。

过温保护部分的电路具体连接方式请参照图2，包括风扇调速电路、过温报警电路和功率放大电路三部分，本实施例采用风扇三级调速和过温报警电路共四级调速。以风扇一级调速电路为例，U_Tmax经过电阻与跟随器U11C的同相输入端连接，跟随器U11C的输出端经过电阻与迟滞比较器U1A的反相输入端连接，12V高电平和GND之间串联电阻R4、R5，12V高电平与迟滞比较器U1A的同相输入端之间还串联电阻R6、R7，迟滞比较器U1A的同相输入端与R4、R5的连接点连接，输出端与电阻R6、R7的连接点连接，比较器U1B的反相输入端与迟滞比较器U1A的输出端连接，12V高电平与GND之间串联有电阻R9、R10，比较器U1B的同相输入端与电阻R9、R10的连接点连接，输出端经过电阻Ra与12V连接。

过温报警电路中比较器U4B的输出经过电阻R34与12V高电平连接，输出还通过电阻Ra直接作为报警输出驱动开关管。一级、二级和三级风扇调速电路的输出(即比较器U1B、U2B、U3B的输出)连接在一起，共同与运算放大器U13A的反相输入端连接，U13A的反相输入端与输出端连接有电阻Rb，同相输入端接地，运算放大器U13B的反相输入端与U13A的输出端之间连接有电阻R26，U13B的反相输入端与输出端之间连接有电阻R27，同相输入端接地，N型三极管的发射极连接与基极之间连接有二极管，二极管正极与发射极连接，N型三极管发射极还经过电阻R40、R41与运算放大器U13B的反相输入端连接，R40和R41的连接点为风扇控制器信号，即功率放大电路的输出U_F。

控制方法包括以下步骤：

步骤1、设定温度控制阀值对应T₁、T₂、T₃、T₄、T₅对应电压值U_T1、U_T2、U_T3、U_T4、U_T5，其中U_T1<U_T2<U_T3<U_T4<U_T5,其中U_T4风扇允许模拟调速的最大电压值，U_T5对应超温报警值。

温度值与电压计算公式为：

RT1为NTC负极性热敏电阻阻值，R1为分压电阻阻值。温度检测电路中NTC负极性热敏电阻检测被测功率模组温度，负极性热敏电阻随着温度升高阻值降低，分压电阻R1与热敏电阻RT1对12V进行分压，UT2计算同理，U_Tmax取两路输出中的最大值。

步骤2、四级风扇调速过温保护装置中，迟滞比较器U1A、U2A、U3A、U4A同相端初始电压对应Ur1＝U_T2，Ur2＝U_T3，Ur3＝U_T4，Ur4＝U_T5。当温度T升高时，温度检测电路输出电压升高。温度检测电路输出电压U_Tmax首先输入到一级风扇调速装置中，当U_Tmax<Ur1＝U_T2，迟滞比较器输出高电平，迟滞比较器等效电路如图3所示，Ur1计算公式为：

迟滞比较器输出电压U_F1大于LM393比较器同相端电压，比较器输出低电平，U_F输出电压为：

风扇不启动调速。

当U_Tx＞U_r1＝U_T2，迟滞比较器输出低电平，迟滞比较器U1A同相端电压降为Ur1’＝U_T1，迟滞比较器等效电路如图4所示，Ur1’计算公式为：

迟滞比较器输出电压U_F1大于LM393比较器同相端电压，比较器输出低电平，U_F输出电压为：

风扇启动一级调速。当风扇一级调速启动以后，如果被测功率模组温度维持在T1-T3之间，则风扇一直以一级风速运行。如果被测功率模组温度低于T1，则U_Tmax<Ur1’，迟滞比较器输出高电平，风扇停止运行。

步骤3、当风扇一级调速启动以后，若被测功率模组温度继续升高，T>T3，则U_Tmax>Ur2＝U_T3，迟滞比较器U2A输出低电平，且迟滞比较器U2A同相端电压降为Ur2’＝U_T2，其中Ur2和Ur2’计算方法与公式(2)和(4)一致。

迟滞比较器输出电压小于LM393比较器同相端电压U_F2，比较器输出高电平，U_F输出电压为：

风扇启动二级调速。

风扇启动二级调速后。如果被测功率模组温度维持在T2-T4之间，则风扇一直以二级风速运行。如果被测功率模组温度低于T2，则U_Tmax<Ur2’迟滞比较器输出高电平，风扇恢复一级风速运行。

步骤4、当风扇二级风速启动以后，若被测功率模组温度继续升高，T>T4，U_Tmax>Ur3＝U_T4，迟滞比较器输出低电平。迟滞比较器U3B同相端电压降为Ur3’＝U_T3，其中Ur3和Ur3’计算方法与公式(2)和(4)一致。

迟滞比较器输出电压小于LM393比较器同相端电压U_F3，比较器输出高电平，U_F输出电压为：

风扇启动三级调速。

风扇启动三级调速后。如果被测功率模组温度维持在T3-T5之间，则风扇一直以三级风速运行。如果被测功率模组温度低于T3，则U_Tmax<Ur3’迟滞比较器输出高电平，风扇恢复二级风速运行。

步骤5、当风扇三级风速启动以后，若被测功率模组温度继续升高，T>T5，U_Tmax>Ur4＝U_T5，迟滞比较器输出低电平。迟滞比较器U4A同相端电压降为Ur4’＝U_T4。其中Ur4和Ur4’计算方法与公式(2)和(4)一致。

迟滞比较器输出电压小于LM393比较器同相端电压U_F4，比较器输出高电平，输出超温报警信号。

输出超温报警信号以后，封锁功率模组驱动。如果被测功率模组温度降低到T4，U_Tmax<Ur4’＝U_T4，则迟滞比较器输出高电平，LM393反相端电压低于同相端电压，报警输出低电平，报警复位。

此外，功率放大电路通过一个N-三极管提高运放输出驱动能力。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多级风扇调速过温保护装置，其特征在于，包括一个或多个温度检测电路、一个或多个风扇调速电路和过温报警电路；

所述温度检测电路包括热敏电阻、分压电阻和电压跟随器，所述热敏电阻、分压电阻连接在电压跟随器的同相输入端，电压跟随器的输出为温度检测电路的输出，所述温度检测电路的输出连接风扇调速电路和过温报警电路的输入端；

所述风扇调速电路均包括调速迟滞比较器电路和调速比较器，调速迟滞比较器的反相输入端为风扇调速电路的输入，调速迟滞比较器的输出端与调速比较器的反相输入端连接，调速比较器的输出为风扇调速电路的输出，作为风扇控制器的驱动；

所述过温报警电路包括迟滞比较器和比较器，报警迟滞比较器的反相输入端为过温报警电路的输入，报警迟滞比较器的输出端与报警比较器的反相输入端连接，报警比较器的输出为过温报警电路的输出，作为报警开关管的驱动；

所述多级风扇调速过温保护装置还包括二级反向放大电路和功率放大电路：

所述二级反向放大电路包括两个依次连接的运算放大器U13A、U13B及其周边电路，U13A的反相输入端连接风扇调速电路的输出端，U13A的输出连接U13B的反相输入端，U13B的输出连接功率放大电路；

所述功率放大电路包括N型三极管，三极管基极与U13B的输出端连接，发射极与U13B的反相输入端连接；

所述温度检测电路的热敏电阻R_ntc和分压电阻R串联分压12V，热敏电阻R_ntc和分压电阻R的连接点与跟随器同相输入端连接，跟随器的输出端与二极管D正极相连，二极管D的负极与风扇调速电路和过温报警电路的输入端连接；

所述风扇调速电路还包括调速跟随器，所述过温报警电路还包括报警跟随器，调速跟随器和报警跟随器的同相输入端均分别通过电阻与温度检测电路输出端连接，调速跟随器的输出端通过电阻与调速迟滞比较器的反相输入端连接，报警跟随器的输出端通过电阻与报警迟滞比较器的反相输入端连接；

12V高电平和GND之间串联电阻R4、R5，12V高电平与所述调速迟滞比较器的同相输入端之间串联电阻R6、R7，调速迟滞比较器的同相输入端与R4、R5的连接点连接，输出端与电阻R6、R7的连接点连接，调速比较器的反相输入端与调速迟滞比较器的输出端连接，12V高电平与GND之间串联有电阻R9、R10，调速比较器的同相输入端与电阻R9、R10的连接点连接，输出端经过电阻Ra与12V连接；

所述运算放大器U13A的反相输入端与输出端连接有电阻Rb，所述运算放大器U13B的反相输入端与U13A的输出端之间连接有电阻R26，U13B的反相输入端与输出端之间连接有电阻R27，N型三极管的发射极连接与基极之间连接有二极管。

2.根据权利要求1所述多级风扇调速过温保护装置，其特征在于，所述调速迟滞比较器和报警迟滞比较器均为TL084运算放大器及其周边电路构成的迟滞比较器，所述调速比较器和报警比较器均为LM393比较器。

3.一种多级风扇调速过温保护控制方法，基于权利要求1或2所述多级风扇调速过温保护装置实现，其特征在于，包括步骤：

设定多档位的温度控制阈值T₁、T₂……T_N，以及每档温度阈值对应的电压阈值U_T1、U_T2……U_TN，其中，T₁<T₂……T_N-1<T_N,，U_T1<U_T2……U_TN-1 <U_TN，U_TN-1为风扇允许模拟调速的最大电压值，T_N是超温报警阈值，N为正整数；

定义第i个温度检测电路输出是U_Txi，i为正整数，取输出电压的最大值U_Tmax=max{U_Txi}，U_Tmax为调速迟滞比较器和报警迟滞比较器的输入，当温度T升高时，温度检测电路输出电压升高；

第1、2……n-1级风扇调速电路中的调速迟滞比较器为U1A、U2A……Un-1A，调速比较器为U1B、U2B……Un-1B，报警迟滞比较器为UnA，报警比较器为UnB，U1A、U2A……UnA同相输入端的初始电压值分别为Ur1、Ur2……Urn，Urn=U_Tn+1，n=N-1；

温度检测电路输出电压最大值U_Tmax作为UiA反相输入端的输入，i=1、2……n-1；

当U_Tmax<Uri=U_Ti+1时，被测功率模组温度T<T_i+1，迟滞比较器UiA输出高电平，UiA输出电压UFi作为比较器UiB的反相输入电压大于比较器UiB的同相输入端电位，UiB输出低电平，风扇不启动调速；

当U_Tmax>Uri=U_Ti+1时，T>T_i+1，迟滞比较器UiA输出低电平，迟滞比较器UiA同相端电压降为Uri’=U_Ti，UiA输出电压UFi作为比较器UiB的反相输入电压小于比较器UiB的同相输入端电位，UiB输出高电平，风扇启动调速，如果被测功率模组温度始终大于T_i，则该级温度检测电路对应的风扇一直运行，如果被测功率模组温度低于T_i，则U_Tmax＜Uri’，迟滞比较器输出高电平，风扇停止运行；

当U_Tmax>Urn=U_TN时，T>T_N，输出报警信号，封锁功率模组驱动，如果被测功率模组温度降低到小于T_n，则U_Tmax<Urn’=U_Tn，报警迟滞比较器UnA输出高电平，报警比较器UnB反相输入端电压低于同相输入端电压，报警输出低电平，报警复位。

4.根据权利要求3所述多级风扇调速过温保护控制方法，其特征在于，温度检测电路的热敏电阻R_ntc和分压电阻R串联分压12V，温度值与电压的计算公式为：

其中，R_ntc为NTC负极性热敏电阻阻值，R为分压电阻阻值。

5.根据权利要求3所述多级风扇调速过温保护控制方法，其特征在于：

当温度T升高时，温度检测电路输出电压升高，U_Tmax输入到风扇调速电路中；

当U_Tmax<Uri=U_Ti+1，调速迟滞比较器UiA输出高电平Uri计算公式为：

迟滞比较器UiA输出电压U_Fi大于比较器UiB同相端电压，比较器UiB输出低电平，输出电压U_Fi为：

当U_Tmax＞Uri=U_Ti+1，迟滞比较器UiA同相端电压降为Uri’=U_Ti，计算公式为：

输出电压U_Fi变为：

风扇启动调速；

风扇调速电路总输出电压U_F为：

U_F为0时，风扇不启动调速，U_F不为0时，风扇启动调速。