CN1290058A - 探测倒相器的功率晶体管的过热装置和探测方法 - Google Patents

Abstract

一种探测功率晶体管过热的装置和方法,该装置包含一个设置在电源到功率晶体管所形成的电流通路上电阻件,一个用于对从电阻件的二端所产生的电压信号减去第一参考信号后所得到的剩余信号进行积分的积分器,一个用于输出在将积分器的输出信号与第二参考信号比较之后所获得的结果的比较部分,一个用于在测定从比较部分输出的相应于过热信号的信号时断开功率晶体管控制部分,可防止功率晶体管过热和获得经济利益。

Description

探测倒相器的功率晶体管的过热装置和探测方法

本发明涉及探测倒相器的功率晶体管的过热装置和探测方法，尤其是，一种用于探测倒相器的功率晶体管的过热装置，以防止由于最终温度增加造成对功率晶体管的损坏，以及探测装置的探测方法。

通常，空调的倒相器将直流电DC变换产交流电AC，以驱动空调的负载，例如压缩器的马达等。电流的变换通过多个功率晶体管的选择开关进行。

由于不良的，或不适当的线路，或者空调操作时的过载均会引起过流使温度增加，致使功率晶体管受到损坏。

因此，新的倒相器型的空调器采用一种保护装置，用于防止对空调器的功率晶体管的任何损坏。

图1表示传统功率晶体管的过电流探测器的电路图。

参见图1，倒相器20与一个直流变换区10连接，所述的直流变换区将交流AC电压1变换成直流DC电压。

倒相器20包含多个晶体管Q1-Q6，用于将DC变换区10的电源切换到压缩器的马达21。

当马达21受到驱动时，由控制区50以一种由功率晶体管Q1-Q6将三相AC电加到马达21的方式有选择地驱动功率晶体管Q1-Q6。

倒相器20的输入端连接到过流探测电路，其中，将连接到倒相器20的输入端的第一和第三引线L1和L3连接到参考电压产生区30，而第二引线L2连接到比较区40。

第二和第三引线L2和L3连接到倒相器20的各个端部，用于探测流过功率晶体管Q1-Q6的电流。

参考电压产生区30包含连接在第一和第三引线L1和L3之间的第一到第四电阻R1-R4，用于限制电流源。还有，参考电压产生区30包含一个连接到第一到第四电阻R1-R4的Zener二极管ZD1，第一电容器C1，用于充电，而第七和第八电阻R7和R8，用于对在第一电容器C1充电的电压进行分压，并将被分的电压输入到比较器41的反相输入端。

比较区40的比较器41对通过第二引线L2连接的第九和第十电阻器R9和R10分压并通过无反相的终端输入的电压与从参考电压产生区30到反相终端输入的电压进行比较，并输出比较后的最终信号。

控制区50按照由比较区40输出的信号来控制马达的驱动。所述的控制区50包含一个连接到比较器41的输出端的光电耦合器PC1，连接到光电耦合器PC1的第十二电阻器R12和第八电容器C8，以及微机50A。

下面将介绍具有上述结构的传统功率晶体管的过电流探测电路的操作。

首先，DC变换区10将AC电压源1变换成DC电压源。利用微机50A有选择地切换，倒相器20通过功率晶体管Q1-Q6变换由DC变换区10产生的DC电压，并把AC电压加到压缩机的马达21。于是，可以在马达21运转时进行空调的加热或冷却操作。

这里，需将第一到第三引线的电压信号L1，L2和L3加到过电流探测电路。

过电流探测电路的参考电压产生区30产生一个相应于在第一和第三引线L1和L3处的电压，并把它加到比较器41的输入端。

比较器41将通过反相输入端从参考电压产生区30输入的电压与相应于在一个无反相端输入的倒相器20的电流探测电阻R20处的电压降进行比较。

比较器41在输入到无反相终端的电压大于输入到反相终端的电压时输出一个HIGH-信号。微机50A在倒相器20的过电流信号通过光电耦合器PC1从比较器41输入时仃止压缩机的马达运转。

然而，由于传统的过电流探测电路只探测超过某一个最大允许度的过电流，比如34A，它不能探测某一程度的电流，比如28A-34A，他们仍能引起过流晶体管Q1-Q6的温度增加。因此，在电流28A-34A连续的加到压缩机的马达21上时，功率晶体管Q1-Q6的温度增加。

因此，功率晶体管Q1-Q6的温度一直上升超过某一度数，引起电流容量下降，最终当电流容量低于28A时功率晶体管Q1-Q6被击穿。

为了克服上述的问题，可以降低过电流的参照度。然而，在将过电流下降到28A以下时，间断的过电流，这种过电流不会引起功率晶体管Q1-Q6的突然温度增加，但也处于过电流范围之内，它将在正常操作时最终引起压缩机的马达21停止工作。

于是，近来已有建议，可以采用温度传感器来探测断续的和连续的加到功率晶体管Q1-Q6的过电流，通过探测功率晶体管Q1-Q6的温度来控制压缩机的马达21，以阻止任何对功率晶体管的损坏。

然而，采用温度传感器仍然存在价格的问题，这将增加材料的成本。其它的问题是，由于温度传感器只能探测功率晶体管Q1-Q6的表面温度，所以在电路内部的温度改变不容易探测，这就使得精确的和有效的控制得不到保证。

因此，本发明对于克服已有技术中存在的上述问题进行了研究，本发明的目的在于提供一种装置，用于探测功率晶体管的过热，通过即时地探测功率晶体管内部的温度变化来阻止功率晶体管的过热，还提供探测的方法。

上述目的可以采用一种探测装置实现，该装置对加上荷载的电源按照本发明的控制信号输入进行on／off切换的方式探测与电源连接的倒相器的功率晶体管的过热，该装置包括：一个电阻件，设置在电源到功率晶体管所形成的电流通路上；一个积分器，用于对从电阻件的二端产生的电压信号减去第一参考信号后所得到的剩余信号进行积分；一个比较部分，用于输出在将从积分器的输出信号与第二参考信号比较之后所获得的结果；以及一个控制部分，用于在测定从比较部分输出的相应于过热信号的信号时断开功率晶体管。

最好，所述的积分器包含：一个运算放大器，具有第一输入终端，通过该终端输入从电阻件产生的电压信号，还具有一个第二输入终端，通过该终端输入第一参考信号；一个连接在运算放大器的输出端和第一输入端之间的电容器；和一个与电容器并联连接的电阻件。

同样最好，将第一参考信号设置成等于，在相对于功率晶体管预定的额定电流流过电阻件时，由电阻件二端产生的电压信号。同样，最好将第二参考信号设置成，在功率晶体管的温度到达一个预定的过热参考度时，等于积分器的输出值。

上述的目的也可以采用一种探测方法实现，该方法对加上荷载的电源按照本发明的控制信号输入进行on／off切换的方式探测与电源连接的倒相器的功率晶体管的过热，该方法包含下述步骤：在预定度以上的电流从电源流到功率晶体管时产生一个相应于过量电流的第一信号；对第一信号按时间进行积分；将积分信号与预定的过热参考信号进行比较；在积分信号超过过热参考信号时对功率晶体管进行切换。

在积分步骤不产生第一信号时，最好包含按照预定的放电速率对积分的电压进行放电。

本发明的上述目的和特点将参见附图和优选实施例的详细描述变得更明白，其中：

图1表示传统的功率晶体管的过电流探测装置的电路图；

图2表示按照本发明的倒相器的功率晶体管的过热探测装置的电路图；

图3表示按照本发明探测倒相器的功率晶体管的过热过程的流程图；

图4表示根据一个实例在驱动图2的功率晶体管时所输出的积分器的输出值和随后的功率晶体管的温度改变关系的曲线图；

图5表示根据另一个实例在驱动功率晶体管时所输出的积分器的输出值和随后的功率晶体管的温度改变关系的曲线图。

下面将参见附图详细地介绍本发明优选实施例的倒相器的过热探测装置和探测方法。

图2是表示根据本发明的倒相器的功率晶体管的过热探测装置的电路图。

如图2所示，倒相器200被连接到DC变换部分100，由该部分将通常使用的AC电压101变换成DC电压，并从DC变换部分100接收电功率。

倒相器200包含多个功率晶体管Q1-Q6，用于切换从DC变换部分100到压缩机的马达210的电源。

在马达210受到驱动时，功率晶体管的栅极端(a-f)由控制部分600以一种将司相AC功率加到马达210的方式有选择地予以切换。即，奇数功率晶体管Q1，Q3和Q5中的一个，以及偶数功率晶体管Q2，Q4和Q6被成对地切换。

按照本发明的功率晶体管Q1-Q6的过热探测装置包括一个电阻件R30，第一参考信号产生部分300，积分器400，第二参考信号产生部分450，比较部分500。和控制部分600。

所述的电阻件R30被设置在从DC变换部分到马达210的电流供给通路上。

所述的第一参考信号产生部分300将第一参考信号V0输入到积分器400的第二输入端，即，倒相端，所述的第一参考信号是由与电源Vcc1串联连接的分压电阻R15和R16产生的。

最好，将第一参考信号V0设置成与额定电流相当，这种设定对于作为功率晶体管Q1-Q6的电源是可以接受的。例如，在功率晶体管Q1-Q6的额定电流是20A时，电阻件R30的电阻值是0．02，而将电源参考信号产生部分300构成为可以产生的第一参考信号V0为0．4V。

积分器400包含一个运算放大器410，一个电阻器R0和一个电容器C0。所述的电阻器R0和电容器C0互相并联连接在运算放大器410的输出端和非倒相端，即，运算放大器410的第一输入端之间。

运算放大器410的非倒相端连接到电流探测电阻件R30，以接收相应于电阻件R30的电压降的电压信号。

通过运算放大器410的第二输入端，即，通过倒相端，输入从第一参考信号产生部分300输出的第一参考信号。

最好，由连接到积分器400的非倒相端的电阻器R41和电容器C0测定的积分速率等于或稍大于与对马达210供电时的电流相应的功率晶体管Q1-Q6的温度增加速率。

与电容器C0并联的电阻器R0在功率晶体管Q1-Q6断开期间即，在电流不流过电阻件R30时，对在电容器荷电的电压进行放电。于是，在所有的功率晶体管Q1-Q6断开时，由于电容器C0通过电阻件R0的放电，使积分器400的输出Vs下降。在电源停止对马达210供电的某一时间之后，重新设定积分器400的输出电压Vs。

最好，电容器C0和放电电阻件R0的时间常数等于在加到马达210的电源被停止的切断期间的功率晶体管Q1-Q6的温度下降的速率。

所述的第二参考信号产生部分450产生第二参考电压Vt，该电压是由与电源Vcc1串联的分压电阻R17和R18产生的。最好，使第二参考电压Vt等于积分器400的输出值，它是在由于电流连续或不连续的施加而使功率晶体管Q1-Q6的温度达到某一个预定的过热温度时输出的值。

比较部分500的比较器510将积分器400的输出信号Vs与从第二参考信号产生部分450输出的第二参考信号Vt进行比较，然后输出比较的结果。

根据比较部分500的输出信号，控制部分600测定是否功率晶体管Q1-Q6过热，并按照它的测定控制功率晶体管Q1-Q6的驱动。

控制部分600通过光电耦合器PC2接收来自比较部分的输出信号。

在比较部分500的输出信号是一个高信号时，通过切断光电耦合器PC2将该高信号(Vcc3电压信号)加到微机600A。相反，在比较部分500的输出信号是一个低信号时，该低信号通过接通光电耦合器PC2加到微机600A。从比较部分500加到微机600A的高信号相当于所述的过热信号。

同时，控制部分600其构成可以直接接收来自比较部分500的输出信号，或通过任何其它转换系统而不是光电耦合器PC2来接收。

甚至在功率晶体管切换控制下由电源电路对负载供能的情况下，即，采用不同于本实施例所示的功率转换方法的情况下也可以采用所述的过热探测装置。尤其，在负载是一个单相的AC马达的情况下，唯一的区别是晶体管的数目下降(下降到4个)，而采用的是相同的过热探测装置。还有，甚至在采用具有功率晶体管的电路将电压切换到负载的情况下，即，由DC电源直接驱动的情况下，也可以采用过热探测电路。

下面将参见图3说明过热探测方法。

首先根据负载驱动条件，控制部分600驱动负载(步骤S220)，即，将可比的AC功率加到马达210，而控制部分600有选择地切换功率晶体管Q1-Q6。

在负载驱动步骤S220，相应于通过功率晶体管Q1-Q6对负载施加的电流的电压信号Va受到探测(步S222)。这里，电压信号Va是通过积分器400的电阻R14产生的，它相应于在电流探测电阻件R30的二端处由电压降所产生的电压信号。

接着，控制部分600测定是否所述的探测电压信号Va超过电压参考电压信号Vo(S224)。

当测定到在测定步骤S224中所探测的电压信号Va低于第一参考信号Vo时，根据预定的放电速率对积分电压Vs进行放电。

相反，当测定到在测定步骤S224中所探测的电压信号Va超过第一参考信号Vo时，通过对超过值Va-Vo对积分Vs进行计算(步骤S228)。这里，超过值Va-Vo相当于低于信号。

于是，测定是否在积分计算步骤S228中所计算的积分Vt超过第二参考信号Vt(步骤S230)，并且控制部分600在所测定的积分Vs超过第二参考信号Vt(步骤S232)时，通过断开功率晶体管Q1-Q6来停止马达210的运转。

下面，将参见附图4和5介绍利用本发明的探测功率晶体管Q1-Q6过热的装置和探测方法来驱动倒相器的实例。

图4表示在功率晶体管Q1-Q6按照一种实例受到驱动，以及随后功率晶体管Q1-Q6的温度改变时积分器400的输出值的曲线图。

曲线图4(A)是一个表示在控制部分600以电流的方式有选择地驱动功率晶体管Q1-Q6时电流流过电阻件R30的波形，所述的电流是一个相应于第一参考信号的额定电流和可以击穿功率晶体管Q1-Q6的过流(I峰值)之间的中间值，并被加到负载，而所加的电源的on／off驱动速率是足以逐步地增加功率晶体管Q1-Q6的温度。

曲线4(B)表示相应于图4(A)的电流波形的积分器400的输出值，而图4(C)表示在按照如图4(A)的曲线驱动功率晶体管时所探测到的功率晶体管Q1-Q6的温度。

如图4中的曲线所示，从积分器400输出的Vs逐步地以正比于功率晶体管Q1-Q6温度增加的速率增加。虽然作为负载的马达210在某一时间停转，但由于这种OFF时间相比于ON时间是相当短的，所以积分器400的电容器C0的放电所可以忽略的。通过上述的反复驱动，除了功率晶体管Q1-Q6的温度增加外，积分器400的输出值Vs也上升，并到达预定的第二参考电压Vt，之后，控制部分600利用由比较部分500输出的过热信号停止马达210运转。当马达210停止时，被断开的功率晶体管Q1-Q6的温度下降到低于击穿参考温度之下，积分器400的输出值也由于电容器C0的放电而下降。

图5表示在图2的功率晶体管Q1-Q6按照另一种实例受到驱动，以及随后功率晶体管Q1-Q6的温度改变时积分器400的输出值的曲线图。

曲线5(A)是表示在相对于功率晶体管Q1-Q6的驱动ON-时间的驱动OFF-时间相对地图4(A)所示的情况时电流流过电阻件R30的波形。

功率晶体管Q1-Q6在受到如图5(A)的条件下驱动时，在预定的击穿参考温度下功率晶体管Q1-Q6的温度增加或下降的情形。又如图5(B)所示，积分器400的输出值同样在过热测定的信号，即在第二参考信号Vt的情况下，相应于功率晶体管Q1-Q6的温度增加或降低而降低或增加的情况。在电流不流过电阻件R30时，积分器400的积分Vs通过电容器C0的放电以功率晶体管Q1-Q6的下降速率成比例地下降。在驱动OFF-时间足够长时，尤其需要重新设置积分器400的输出值。于是，在施加断续的电流时，由于积分器400的电压积分通过并联连接到电容器C0的放电电阻R0而下降相应于电流不加上时所引起的功率晶体管Q1-Q6的温度下降，所以根据功率晶体管Q1-Q6的驱动状态，相应于温度改变的信号从积分器400输出。

如上所述，在根据本发明探测倒相器的功率晶体管过热的这种和探测的方法中，利用成本低于温度传感器的积分器400有利于相应于功率晶体管Q1-Q6内温度改变的信号，并更有利于阻止功率晶体管Q1-Q6的可能的过热，同时还可以取得经济利益。

Claims (6)

1．一种过热探测装置，该装置采用对加上负载的电源按照控制信号输入进行on／off切换的方式探测与电源连接的倒相器的功率晶体管的过热，该装置包括：

一个电阻件，设置在电源到功率晶体管所形成的电流通路上；

    一个积分器，用于对从电阻件的二端所产生的电压信号减去第一参考信号后所得到的剩余信号进行积分；

    一个比较部分，用于输出在将积分器的输出信号与第二参考信号比较之后所获得的结果；

以及一个控制部分，用于在测定从比较部分输出的相应于过热信号的信号时断开功率晶体管。

2．如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的积分器包含：

一个运算放大器，通过其第一输入端输入由电阻件产生的电压信号，并通过第二输入端输入一个第一参考信号；

一个比较器，连接在运算放大器的输出端和第一输入端之间；

一个电阻件，该电阻件与电容器并联连接。

3．如权利要求2所述的装置，其特征在于，设定第一参考信号等于在相对于功率晶体管预定的，流过电阻件的额定电流时，在电阻件的二端所产生的电压信号。

4．如权利要求2所述的装置，其特征在于，在功率晶体管的温度到达一个预定的过热参考度时，设定第二参考信号为积分器的一个输出值。

5．一种按照控制信号输入对加载的电源进行切换的方式探测与电源相连接的倒相器的功率晶体管的过热的方法，该方法包含下述步骤：

在从电源流到功率晶体管的电流超过预定的程度时，产生一个相当于一个过剩电流的第一信号；

将第一信号随时间积分；

将积分信号与预定的过热参考信号进行比较；

在积分信号超过过热参考信号时切换功率晶体管。

6．如权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包含在第一信号不是在积分步骤产生时，按照预定的放电速率对积分电压进行放电的步骤。

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