TW201802485A - 用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

本案公開一種用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法，該功率模組包括至少一個開關器件、直流匯流排、散熱系統和散熱系統狀況評估裝置，該方法包括：採集多個參數；根據採集之多個參數計算該開關器件之損耗功率、該開關器件之結點與環境之間之熱阻、估算冷卻流體流量；將該開關器件之結點與環境之間之熱阻與第一預設值進行比較，根據比較結果判斷該散熱系統狀況；根據該開關器件之結點與環境之間之熱阻及該冷卻流體流量之變化判斷故障原因。本案之用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法及裝置，能夠進行功率模組散熱系統狀況評估，同時初步判斷故障位置及原因。

Description

用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法及裝置
本公開總體涉及電子電路技術領域，具體涉及一種用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法及裝置。
在大功率電力電子產品中，由開關器件（包括但不限於絕緣柵雙極型電晶體、金屬-氧化物半導體場效應電晶體等）所組成之功率模組是產品之核心部分，功率模組（power module）之性能表現和設計規格基本上決定了大功率電力電子產品之主要性能指標。
傳統之由逆變器所組成之大功率電力電子裝置中，變頻器或變流器等設備佔有較大比重，而這類電力電子裝置之核心部件就是由開關器件所組成之逆變器。大功率之逆變器工作在高壓大電流之環境下，對變流器系統之可靠性和可用性有很高之要求，如何設計便於維護，可靠性高，具有超高可利用率之功率模組，是電力電子設計中最重要之課題。
目前主流之功率模組設計方案中，只對開關器件周圍某一點之溫度進行過溫判斷，方案示意圖如圖1所示，通過檢測電晶體內熱敏電阻之溫度或者散熱器上靠近電晶體位置上之溫度點，將採樣到之溫度值與一個固定值進行比較，當採樣溫度值高於某一固定值時，功率模組立即停止工作並上報過溫故障。但是上報過溫故障之原因很多，包含過功率輸出，環境溫度偏高，散熱器積灰，散熱器翅片不良或者冷卻液流道阻塞，導熱矽脂不良，採樣保護電路受到干擾或者損壞導致誤保護等，分析人員很難從過溫故障這一個點判斷出故障之具體原因，需要對功率模組從機器上拆下來檢測，多次拆裝測試才能查明原因，大大降低了模組之檢修效率。
因此，針對功率模組之散熱系統狀況評估，需要一種新的方法。在該背景技術部分公開之上述資訊僅用於加強對本公開之背景之理解，因此它可以包括不構成對本領域普通技術人員已知之現有技術之資訊。
本公開提供一種用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法及裝置，能夠進行故障預警和初步判斷故障位置。
本公開之其他特性和優點將通過下面之詳細描述變得顯然，或部分地通過本公開之實踐而習得。
根據本公開之一個方面，提供一種用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法，該功率模組包括至少一個開關器件、直流匯流排、散熱系統和散熱系統狀況評估裝置，該方法包括： 通過該散熱系統狀況評估裝置之採集模組採集該功率模組之至少一個參數； 該散熱系統狀況評估裝置之處理模組根據該至少一個參數計算該開關器件之結點與環境之間之熱阻； 該散熱系統狀況評估裝置之處理模組根據該至少一個參數估算冷卻流體流量； 該散熱系統狀況評估裝置之判斷模組將該開關器件之結點與環境之間之熱阻與第一預設值進行比較，根據比較結果判斷該散熱系統狀況； 該散熱系統狀況評估裝置之判斷模組根據該開關器件之結點與環境之間之熱阻及該冷卻流體流量之變化判斷故障原因。
在本公開之一種示例性實施例中，該至少一個參數包括以下一個或多個參數:該功率模組所處之環境溫度、該開關器件之內部溫度、該開關器件之開關頻率、該功率模組之輸出電流、該直流匯流排之電壓、該散熱系統之冷卻元件之入口溫度以及該散熱系統之冷卻元件之出口溫度。
在本公開之一種示例性實施例中，該計算該開關器件結點與環境之間之熱阻包括：根據該至少一個參數計算該開關器件之損耗功率，根據下式計算該開關器件結點與環境之間之熱阻，
Figure TW201802485AD00001
； 其中Ploss 為該開關器件之損耗功率，Tntc 為該開關器件內部溫度，Ta 為環境溫度，Rjn 為該開關器件內部結點到熱敏電阻之間之熱阻，該開關器件內部結點到熱敏電阻之間之熱阻Rjn 為給定參數。
在本公開之一種示例性實施例中，將該開關器件之結點與環境之間之熱阻與第一預設值進行比較，根據比較結果判斷該散熱系統狀況包括：當該開關器件結點與環境之間之熱阻小於該第一預設值時，判斷該散熱系統狀況良好；當該開關器件結點與環境之間之熱阻大於該第一預設值時，發出預警信號。
在本公開之一種示例性實施例中，該第一預設值為該功率模組滿載運行，該環境溫度和該開關器件結溫為理想狀態下之開關器件結點與環境之間之熱阻。
在本公開之一種示例性實施例中，還包括：將該開關器件結點與環境之間之熱阻與第二預設值進行比較，當該熱阻超過該第二預設值時，發出故障停機信號。
在本公開之一種示例性實施例中，估算冷卻流體流量包括：根據該至少一個參數計算該開關器件之損耗功率,根據下式計算該散熱系統之冷卻流體流量
Figure TW201802485AD00002
； 其中Ploss 為該開關器件之損耗功率、Tin 為該冷卻元件之入口溫度，Tout 為該冷卻元件之出口溫度，C為冷卻流體之比熱容，λ為傳導修正參數，該冷卻流體之比熱容C和該傳導修正參數λ為給定參數。
在本公開之一種示例性實施例中，該根據該開關器件結點與環境之間之熱阻和該流量之變化判斷故障原因包括： 當該開關器件結點與環境之間之熱阻變大、該流量變小時，發出預警信號，進一步判斷是否是多個該功率模組發出預警信號，如果是，則判斷該散熱系統之共性部件出現異常，如果否，則判斷報警模組之冷卻元件出現阻塞異常； 當該開關器件結點與環境之間之熱阻變大、該流量不變時，發出預警信號，判斷該散熱系統中之冷卻元件出現結構異常或者導熱介質異常； 當該開關器件結點與環境之間之熱阻不變、該流量變大時，發出預警信號，判斷該散熱系統中之冷卻元件出現結構異常或者導熱介質異常。
在本公開之一種示例性實施例中，還包括通過外部通訊方式對給定參數分別進行調整。
在本公開之一種示例性實施例中，還包括：根據該至少一個參數計算該開關器件之損耗功率,根據下式計算該開關器件內部結溫，
Figure TW201802485AD00003
； 其中Ploss 為該開關器件之損耗功率、Rja 為該開關器件結點與環境之間之熱阻，Ta 為該環境溫度； 當該開關器件內部結溫超過第三預設值時，發出過溫預警信號，當該開關器件內部結溫超過第四預設值時，發出過溫故障信號。
根據本公開之一個方面，提供一種用於功率模組之散熱系統狀況評估之裝置，該散熱系統狀況評估之裝置位於該功率模組內，該功率模組包括至少一個開關器件、直流匯流排、散熱系統，該裝置包括： 採集模組，用於採集該功率模組之至少一個參數； 處理模組，用於根據該至少一個參數計算該開關器件之結點與環境之間之熱阻；根據該至少一個參數估算冷卻流體流量； 判斷模組，用於將該開關器件之結點與環境之間之熱阻與第一預設值進行比較，根據比較結果判斷該散熱系統狀況；根據該開關器件之結點與環境之間之熱阻及該冷卻流體流量之變化判斷故障原因。
在本公開之一種示例性實施例中，該散熱系統包括風冷式散熱系統和/或水冷式散熱系統，該風冷式散熱系統包括冷卻元件和散熱風扇；該水冷式散熱系統包括冷卻元件和迴圈泵。
在本公開之一種示例性實施例中，該至少一個參數包括以下一個或多個參數:該功率模組所處之環境溫度、該開關器件之內部溫度、該開關器件之開關頻率、該功率模組之輸出電流、該直流匯流排之電壓、該散熱系統之冷卻元件之入口溫度以及該散熱系統之冷卻元件之出口溫度。
在本公開之一種示例性實施例中，該處理模組還用於：根據該至少一個參數計算該開關器件之損耗功率,根據下式計算該開關器件結點與環境之間之熱阻，
Figure TW201802485AD00004
； 其中Ploss 為該開關器件之損耗功率，Tntc 為該開關器件內部溫度，Ta 為該環境溫度，Rjn 為該開關器件內部結點到熱敏電阻之間之熱阻，該開關器件內部結點到熱敏電阻之間之熱阻Rjn 為給定參數。
在本公開之一種示例性實施例中，該判斷模組還用於：當該開關器件結點與環境之間之熱阻小於該第一預設值時，判斷該散熱系統狀況良好；當該開關器件結點與環境之間之熱阻大於該第一預設值時，發出預警信號。
在本公開之一種示例性實施例中，該判斷模組還用於：將該開關器件結點與環境之間之熱阻與第二預設值進行比較，當該熱阻超過該第二預設值時，發出故障停機信號。
在本公開之一種示例性實施例中，該處理模組還用於：根據該至少一個參數計算該開關器件之損耗功率,根據下式計算該散熱系統之冷卻流體流量
Figure TW201802485AD00005
； 其中Ploss 為該開關器件之損耗功率、Tin 為該冷卻元件之入口溫度，Tout 為該冷卻元件之出口溫度，C為冷卻流體之比熱容，λ為傳導修正參數，該冷卻流體之比熱容C和該傳導修正參數λ為給定參數。
在本公開之一種示例性實施例中，該判斷模組還用於： 當該開關器件結點與環境之間之熱阻變大、該流量變小時，發出預警信號，進一步判斷是否是多個該功率模組發出預警信號，如果是，則判斷該散熱系統之共性部件出現異常，如果否，則判斷報警模組之冷卻元件出現阻塞異常； 當該開關器件結點與環境之間之熱阻變大、該流量不變時，發出預警信號，判斷該散熱系統中之冷卻元件出現結構異常或者導熱介質異常； 當該開關器件結點與環境之間之熱阻不變、該流量變大時，發出預警信號，判斷該散熱系統中之冷卻元件出現結構異常或者導熱介質異常。
在本公開之一種示例性實施例中，還包括通訊模組，用於對該給定參數分別進行調整。
在本公開之一種示例性實施例中，該處理模組還用於：根據下式計算該開關器件內部結溫，
Figure TW201802485AD00006
； 其中Ploss 為該開關器件之損耗功率、Rja 為該開關器件結點與環境之間之熱阻，Ta 為該環境溫度； 該判斷模組還用於：當該開關器件內部結溫超過第三預設值時，發出過溫預警信號，當該開關器件內部結溫超過第四預設值時，發出過溫故障信號。
本案之用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法及裝置，能夠進行功率模組散熱系統狀況評估，給出整體評估分數。同時還能夠初步判斷故障位置及原因，包括散熱器積灰及管道阻塞預警，散熱系統散熱風扇或者迴圈泵異常預警，散熱器其他異常預警，例如散熱翅片脫落、散熱管道受損等，散熱器積灰及管道阻塞嚴重停機，開關器件過溫預警、過溫故障保護。
應當理解的是，以上之一般描述和後文之細節描述僅是示例性的，並不能限制本公開。
現在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限於在此闡述之範例；相反，提供這些實施方式使得本公開將更加全面和完整，並將示例實施方式之構思全面地傳達給本領域之技術人員。附圖僅為本公開之示意性圖解，並非一定是按比例繪製。圖中相同之附圖標記表示相同或類似之部分，因而將省略對它們之重複描述。
此外，所描述之特徵、結構或特性可以以任何合適之方式結合在一個或更多實施方式中。在下面之描述中，提供許多具體細節從而給出對本公開之實施方式之充分理解。然而，本領域技術人員將意識到，可以實踐本公開之技術方案而省略該特定細節中之一個或更多，或者可以採用其它之方法、組元、步驟等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結構、方法、實現或者操作以避免喧賓奪主而使得本公開之各方面變得模糊。
附圖中所示之一些方框圖是功能實體，不一定必須與物理或邏輯上獨立之實體相對應。可以採用軟體形式來實現這些功能實體，或在一個或多個硬體模組或積體電路中實現這些功能實體，或在不同網路和/或處理器裝置和/或微控制器裝置中實現這些功能實體。
圖2示出根據本公開示例實施方式之功率模組之拓樸結構以及參數採樣點示意圖。如圖2所示，功率模組200包含開關器件201、開關器件冷卻元件202（包含水冷式冷卻元件和/或風冷式冷卻組件）、交流匯流排203、直流匯流排204、直流支撐電容205、驅動控制裝置206、各類感測器和散熱系統狀況評估裝置207。其中感測器包含測量模組輸出電流參數之電流感測器208，測量直流匯流排兩端電壓之電壓感測器209，測量開關器件內部溫度之溫度感測器210，測量開關器件冷卻裝置入口處溫度之溫度感測器211，測量開關器件冷卻裝置出口溫度之溫度感測器212、測量環境溫度之溫度感測器213。
圖3示出功率模組三種拓樸結構之示意圖。如圖3所示，功率模組按相數可分為單相模組、雙相模組和三相模組，雙相模組及三相模組均是在單項模組之基礎上衍生得到，為兩個或三個單相模組並聯，共用直流支撐電容及其相關元件。
功率模組200作為變流器（變頻器）系統之功率輸出模組，在開關器件201輸出功率之同時必然會產生損耗，這些損耗直接轉化為熱量，當這些熱量沒有被即時的帶走，將直接導致開關器件201內部溫度之上升，如果開關器件201長期處於高溫狀態下工作，將會大大降低開關器件201之工作壽命，當開關器件201內部溫度高於一個極限值後，將直接導致其失效。功率模組200中開關器件201產生之熱量主要依靠開關器件冷卻元件202將這些熱量帶走，使開關器件201處於一個良好之工作環境下，提高開關器件201之運行穩定性以及壽命。目前開關器件冷卻元件202分為風冷式冷卻元件和水冷式冷卻元件。如圖4所示，系統中散熱風扇401與風冷式冷卻元件組成風冷式散熱系統，風冷式冷卻元件包含導熱矽脂402和風冷散熱器403，風冷散熱器403具有入風口404和出風口405，開關器件201設置於風冷散熱器403之導熱矽脂402之上。如圖5所示，系統中迴圈水泵501與水冷式冷卻元件組成水冷式散熱系統，水冷式冷卻元件包含導熱矽脂502和水冷板503，水冷板503具有入水口504和出水口505，開關器件201設置於水冷板503之導熱矽脂502之上。
風冷散熱系統由於長時間運行或者在環境比較惡劣（多粉塵，風沙等環境）情況下運行，風冷散熱器403中將積灰導致流過之風量減小，從而降低散熱系統之散熱能力。水冷散熱系統由於水質、電腐蝕等原因，時間長了容易使得散熱管道阻塞，從而降低水冷散熱系統之散熱能力。風冷散熱器403積灰或者散熱管道阻塞均會嚴重影響開關器件201之散熱，從而使開關器件201長時間處在相對溫度比較高之環境中工作，大大降低開關器件201之使用壽命。甚至當功率模組200輸出功率P比較大的時候，由於散熱系統散熱能力之降低，導致開關器件201溫度過高，從而出現過溫保護，只能對功率模組200進行停機檢修或者降載運行，大大降低了功率模組200之利用率。
本案結合先前經驗，基於功率模組散熱系統故障原因之複雜性，綜合考慮大功率逆變器功率模組智慧化設計需求，提出一種用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法及裝置，設計思路如圖6所示。在採集功率模組200各個部位之溫度之基礎上，結合功率模組200運行之即時參數，例如直流匯流排之電壓、輸出電流等，通過計算、分析、比較各個關鍵參數，得出散熱系統狀況綜合評分。當這個綜合評分低於一預定值時，散熱系統狀況評估裝置207向系統發出亞健康預警資訊，在預警狀態下，功率模組200需適當之降載運行。當綜合評分低於一個極限值時，散熱系統狀況評估裝置207向系統發出異常信號，同時功率模組200主動停機。當各項指數中某一特徵參數在極限標準之外時，例如，開關器件內部結溫Tj 超過一預定值時，功率模組200會主動停機並上報相應之故障信號。系統在收到功率模組200預警後，維護人員有足夠之時間對其維護進行準備，當功率模組200發生保護停機時，可以通過先前之預警等資訊，確定或者排除散熱系統之問題，提高檢修效率。
圖7示出根據本公開示例實施方式之一用於功率模組之散熱系統狀況評估之裝置方框圖，結合圖6和圖7，散熱系統狀況評估裝置207位於功率模組200內，包括：採集模組702，用於通過感測器採集功率模組200之直流匯流排204之電壓，功率模組200之輸出電流，功率模組200所處之環境溫度Ta ，功率模組200之冷卻元件入口溫度Tin ，功率模組200之冷卻元件出口溫度Tout 、開關器件201內部某點熱敏電阻溫度Tntc 等。採集到之信號經過信號調理電路後，由數模採樣模組將採集到之信號傳送給處理模組。處理模組704可採用微控制單元(Microcontroller Unit；MCU)或者專門設計之積體電路（Application Specific Integrated Circuit；ASIC）。由功率模組200所在系統提供功率模組開關信號頻率並傳送給處理模組。處理模組可存儲多個參數，根據所採用之開關器件冷卻元件不同，可以對部分參數進行調整。可通過外部通訊之方式對需要調整之參數進行調整，可調整之參數包含功率模組開關器件內部結點到熱敏電阻之間之熱阻Rjn 、冷卻流體之比熱容值C、傳導修正參數λ、散熱系統綜合評分預警值、散熱系統綜合評分保護停機值及過溫保護停機值。散熱系統狀況評估裝置207通過採集到之直流匯流排之電壓和輸出電流即時計算出功率模組之輸出功率P；通過直流匯流排之電壓、輸出電流和開關信號頻率即時計算出開關器件之損耗功率Ploss ；通過開關器件之損耗功率Ploss 、開關器件內部熱敏電阻溫度Tntc 和熱阻Rjn 計算出開關器件結溫Tj ；根據開關器件內部結點到熱敏電阻之間之熱阻Rjn 、開關器件損耗功率Ploss 、開關器件內部熱敏電阻溫度Tntc 和環境溫度Ta 計算功率模組開關器件結點與環境之間之熱阻Rja ；根據開關器件冷卻元件出口與入口溫度之偏差ΔT、開關器件損耗功率Ploss 、冷卻流體之比熱容C、傳導修正參數λ估算出冷卻流體流量Q。判斷模組706，用於將開關器件之結點與環境之間之熱阻Rja 與第一預設值進行比較，當根據比較結果判斷散熱系統狀況；根據開關器件之結點與環境之間之熱阻Rja 及冷卻流體流量Q之變化判斷故障原因。在一實施例中，判斷模組706還用於將開關器件結點與環境之間之熱阻Rja 與第二預設值進行比較，當該熱阻超過該第二預設值時，發出故障停機信號。
圖8示出根據本公開示例實施方式之一用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法流程圖。
如圖8所示，用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法，該方法基於上述功率模組200之結構，包括步驟S802～S812：
在步驟S802中，採集功率模組200所處之環境溫度Ta ，開關器件內部熱敏電阻溫度Tntc 、功率模組之輸出電流、開關器件之開關頻率、直流匯流排之電壓、散熱系統之冷卻元件之入口溫度Tin 以及散熱系統之冷卻元件之出口溫度Tout 。
散熱系統狀況評估裝置207通過感測器採集功率模組200所處之環境溫度Ta ，開關器件內部熱敏電阻溫度Tntc 、功率模組之輸出電流、直流匯流排之電壓、散熱系統之冷卻元件之入口溫度Tin 以及散熱系統之冷卻元件之出口溫度Tout 。
在步驟S804中，根據直流匯流排之電壓、功率模組之輸出電流和開關器件之開關信號頻率計算開關器件之損耗功率Ploss 。
根據採集到之直流匯流排之電壓、功率模組200之輸出電流和由功率模組200所在系統提供之功率模組開關器件201之開關信號頻率計算開關器件之損耗功率Ploss 。現有技術中計算損耗功率Ploss 之方法有很多，本案不以具體之計算方法為限。
在步驟S806中，根據功率模組所處之環境溫度Ta 、開關器件內部熱敏電阻溫度Tntc 、損耗功率Ploss 及開關器件內部結點到熱敏電阻之間之熱阻Rjn 計算開關器件之結點與環境之間之熱阻Rja 。
根據採集到之功率模組所處之環境溫度Ta 、開關器件內部熱敏電阻溫度Tntc 、損耗功率Ploss 及開關器件內部結點到熱敏電阻之間之熱阻Rjn 計算開關器件之結點與環境之間之熱阻Rja ，其中具體之計算方法可有很多種，舉例說明，可採用下式計算開關器件之結點與環境之間之熱阻Rja ，
Figure TW201802485AD00007
。
在步驟S808中，根據散熱系統之冷卻元件之入口溫度Tin 、散熱系統之冷卻元件之出口溫度Tout ，損耗功率Ploss 及冷卻流體比熱容C、傳導修正參數λ估算冷卻流體流量Q。
根據散熱系統之冷卻元件之入口溫度Tin 、散熱系統之冷卻元件之出口溫度Tout ，損耗功率Ploss 及冷卻流體比熱容C、傳導修正參數λ計算冷卻流體流量Q，其中具體之計算方法可有很多種，舉例說明，可採用下式計算冷卻流體流量Q，
Figure TW201802485AD00008
。
在步驟S810中，將開關器件之結點與環境之間之熱阻Rja 與第一預設值進行比較，當根據比較結果判斷散熱系統狀況。
將開關器件之結點與環境之間之熱阻Rja 與第一預設值進行比較，如果小於該第一預設值，則散熱系統狀況良好，如果大於該第一預設值，則散熱系統不正常，發出預警信號。該第一預設值可為功率模組200滿載運行時，所處之環境溫度Ta 和開關器件結溫Tj 為理想狀態下之開關器件結點與環境之間之熱阻。
還可以將開關器件結點與環境之間之熱阻Rja 與第二預設值進行比較，當熱阻Rja 超過第二預設值時，發出故障停機信號。第一預設值和第二預設值可根據系統之狀況和使用者之具體需求自行設定和修改。
在步驟S812中，根據開關器件之結點與環境之間之熱阻Rja 及冷卻流體流量Q之變化判斷故障原因。
計算得出開關器件之結點與環境之間之熱阻Rja 及冷卻流體流量Q後，可根據這兩個參數之變化情況，初步判斷發生故障之位置或者原因。
上述方法中，散熱系統狀況之評估指標是以功率模組開關器件結點與環境之間之熱阻Rja 為基礎的。散熱系統狀況評估分數曲線如圖9所示，理論上功率模組有設計之標準熱阻Rja_s ,當實際熱阻Rja 小於標準熱阻Rja_s 時，可能是因為散熱系統中散熱器部分正常，而散熱風扇轉速變大或者迴圈水泵水流量變大，這種情況下實際熱阻Rja 會比標準熱阻Rja_s 小，但是無論多小，均認為散熱系統為理想狀態，此時判定為散熱系統狀況分數D為100。當實際熱阻Rja 大於標準熱阻Rja_s 時，我們認為散熱系統性能下降，隨著實際熱阻Rja 值越來越大，狀況分數D越來越低，當實際熱阻Rja 達到最大值Rjamax 時，狀況分數D為0。
在理想狀態下，即整個散熱系統均為標準狀態下，開關器件內部結溫Tj 與熱阻Rja 之間之關係為
Figure TW201802485AD00009
，其中
Figure TW201802485AD00010
為功率模組200滿載運行狀態下之功率損耗。在一實施例中，在滿載運行條件下，環境溫度為50℃的時候，開關器件內部結溫Tj 之理想溫度為125℃，所對應之熱阻Rja 為標準熱阻Rja_s 。當開關器件內部結溫Tj 達到135℃時，所對應之熱阻Rja 為標準熱阻Rja_w ，功率模組200之狀況分數D為60。當開關器件內部結溫Tj 達到150℃時，功率模組之狀況分數D為0。功率模組200之狀況分數D只與熱阻Rja 有關，與外部之環境溫度沒有關係。在進行散熱系統狀況評估計算時，是以熱阻Rja 為計算依據的，當熱阻Rja 小於等於標準熱阻Rja_s 時，整個散熱系統處於一個比較理想之工作狀態；當熱阻Rja 大於標準熱阻Rja_s 時，判斷整個散熱系統出現不同程度之異常，此時功率模組200會向系統發出亞健康預警，狀況分數D越低，異常越嚴重，當熱阻Rja 增大到值Rja_w 時，此時散熱系統狀況分數D為60分，即開關器件內部結溫Tj 大於135℃時，判斷散熱系統異常比較嚴重，實行自主關機。在一實施例中，可把標準熱阻Rja_s 設置為第一預定值，當達到第一預定值時進行預警，把值Rja_w 設置為第二預定值，當達到第二預定值時進行停機保護，也可以根據需要設置成其他值。
功率模組200之散熱系統狀況評估是根據散熱系統中之散熱器、導熱矽脂、冷卻介質流量、冷卻介質品質等因素之綜合評分，這些因素最終影響之都是熱阻Rja ，所以功率模組狀況評估是根據計算出來之熱阻Rja 來實行評分。影響開關器件結點與環境之間之熱阻Rja 之因素有兩個大類：第一個因素為流道因素，風冷散熱系統之流道為散熱空氣流通之通道，水冷散熱系統之流道為冷卻液迴圈流經之通道，當功率模組200在長時間運行後，風冷散熱系統之流道會由於積灰或者異物侵入等問題導致流道變窄，或者風冷散熱器403由於積灰或者老化問題導致從風冷散熱器403中吹出空氣之流量變少，這兩種情況將直接導致流過風冷散熱器403之空氣流量變少，從而引起開關器件結點與環境之間之熱阻Rja 變大。水冷散熱器，例如水冷板503，存在電化學腐蝕現象，當長時間運行後，電化學之影響累加，導致水冷板503內部流道變小。電化學腐蝕後之細微顆粒摻雜在冷卻液中，用戶使用之冷卻液品質不達標等問題，或者水冷系統迴圈水泵異常導致流過水冷板503之流量減小，這三種情況會導致開關器件結點與環境之間之熱阻Rja 變大。第二個因素為散熱器或導熱矽脂異常，風冷散熱器403由於製造工藝之問題可能會出現散熱翅片鬆動或者脫落等問題，水冷散熱器可能會出現焊接不良等問題，都會使散熱器之散熱能力下降，從而影響熱阻Rja 。在風冷散熱系統和水冷散熱系統中均會使用導熱矽脂，導熱矽脂之塗層太厚或者太薄都會導致傳導效果不好，從而影響熱阻Rja 。同時，導熱矽脂隨著時間之推移會出現變乾之現象，並且因為地心引力之作用，導熱矽脂會向地平面端緩慢之流動，這種流動會使得開關器件201底部導熱矽脂分佈不均，這些情況均會導致熱阻Rja 變大。
在散熱系統異常故障之判斷過程中，是以熱阻Rja 、預估冷卻流體流量Q兩個參數作為判斷依據的。
根據能量守恆定律，一旦散熱系統達到熱平衡的時候，功率模組200內部各點之溫度均達到平衡點，各點溫度維持不變，此時開關器件201之損耗功率Ploss 應該與散熱系統之耗散功率相等，散熱系統之耗散功率就是冷卻流體在單位時間內帶走之熱量，在知道冷卻流體在散熱器入口處與出口之溫升可估算處此時冷卻流體之流量Q，在一實施例中，可以通過下式進行計算：
Figure TW201802485AD00011
如果檢測到熱阻Rja 變大，同時冷卻流體流量Q變小，這種情況下可能存在兩種原因：第一種為散熱器內部積灰或者阻塞，這種情況會使散熱器之散熱效果變差，導致熱阻Rja 變大，同時，由於積灰或者阻塞之原因，散熱器內部之流阻會變大，這會導致冷卻流體之流量Q變小；第二種為散熱系統之散熱風扇風速變小或者迴圈泵之速率減小導致冷卻流體之流量Q變小，這也會導致熱阻Rja 變大。這兩種情況中任一種情況之發生，功率模組200會向系統發出散熱系統異常預警，系統可以根據是多個模組上報散熱系統異常預警還是單個模組上報散熱系統異常預警，來判斷是散熱器積灰或者阻塞問題還是散熱風扇或者迴圈泵之問題。如果系統接收到多個模組上報散熱系統異常預警，那麼說明是這個系統中多個功率模組出現之共性問題，這種情況下應該是功率模組散熱之共性部件出現問題，則可判定為散熱風扇或者迴圈泵異常；如果系統收到單個功率模組上報散熱系統異常預警，那麼說明是該功率模組之個性問題，則可判定為該功率模組之散熱器積灰或者阻塞異常。
如果檢測到熱阻Rja 變大，同時冷卻流體流量Q基本不變之情況，則說明散熱系統中之流體流量正常，那麼可能出現之情況為散熱器本身出現異常，此種異常也可以分為兩種：導熱矽脂異常或者散熱器異常，此散熱器異常為散熱器結構異常，可能是散熱翅片鬆動或者水冷散熱器流道異常。這兩種異常無法對其進行詳細判別，所以將這兩種異常歸位一類。
如果檢測到熱阻Rja 不變，同時冷卻流體流量Q明顯變大之情況，也要判定為導熱矽脂異常或者散熱器異常，因為Rja 之判定標準值是在知道冷卻流體流量Q值之基礎上計算得到的，如果冷卻流體流量Q變大，理論上熱阻Rja 變小，而此時熱阻Rja 與標準值基本不變，實際上熱阻Rja 已經大於實際之計算理論值，所以判定結果與熱阻Rja 變大，同時冷卻流體流量Q基本不變之情況一致。
本實施方式之用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法，能夠進行功率模組散熱系統狀況評估，給出整體評估分數。同時還能夠初步判斷故障位置及原因，包括散熱器積灰及管道阻塞預警，散熱系統散熱風扇或者迴圈泵異常預警，散熱器其他異常預警，例如散熱翅片脫落、散熱管道受損等，散熱器積灰及管道阻塞嚴重停機。
具有散熱系統狀況評估裝置207之功率模組200除了向系統傳輸散熱系統狀況分數D以外，還具有過溫預警、過溫保護等功能，並通過指定之通信協定將這些資訊傳輸給系統。
本案之過溫預警以及過溫保護以開關器件內部結溫Tj 作為參考依據，在一實施例中，開關器件內部結溫Tj 之計算公式為
Figure TW201802485AD00012
，開關器件內部結溫Tj 不僅與熱阻Rja 有關，還與此時功率模組200之功率損耗Ploss 、所處之環境溫度Ta 有關。功率模組200之開關損耗Ploss 與輸出功率P近似成正比，在Rja 理想之狀況下，當功率模組200輸出功率P超過額定功率時，開關器件201損耗也變大，從而導致在環境溫度Ta 比較高的時候，開關器件內部結溫Tj 就會超出125℃，此時就需要發出過溫預警。在環境溫度Ta 比較低之情況下，功率模組200適當之超功率不會發出過溫預警，在Rja 理想之情況下，開關器件內部結溫Tj 與功率模組輸出功率P、環境溫度Ta 之關係圖如圖10所示。在功率模組200實際運行過程中，可能存在熱阻Rja 比較大，但是由於環境溫度比較低或者迴圈液溫度比較低，從而使得開關器件內部結溫Tj 並不是很大，甚至比理想結溫還要低，這種情況下功率模組200依然能夠正常運行，但是由於熱阻Rja 比較大，已經說明散熱系統出現問題，所以需要功率模組向系統發出預警。在一實施例中，當檢測計算到開關器件內結溫Tj 超過過溫預警值時，應該發出過溫預警，提醒系統或者維護人員對功率模組200進行維護，此時功率模組200依然能夠正常運行，不會進行自動關機保護。當開關器件內部結溫Tj 超過過溫保護值時，功率模組200會向系統發出過溫故障信號，同時自己主動關機。
採用本案之方法讓維護人員有充分之維護準備時間，同時大大減少停機時間，增加了運行效率。當接收到預警信號後，維護人員可以通過讀取發出預警信號時，存在存放裝置中之散熱系統運行參數，來判定是功率模組散熱系統中具體哪個環節出現異常，從而採用不同之維護措施。
關於上述實施方式中之裝置，其中各個模組執行操作之具體方式已經在有關該方法之實施方式中進行了詳細描述，此處將不做詳細闡述說明。
以上具體地示出和描述了本公開之示例性實施方式。應可理解的是，本公開不限於這裡描述之詳細結構、設置方式或實現方法；相反，本公開意圖涵蓋包含在所附申請專利範圍之精神和範圍內之各種修改和等效設置。
200‧‧‧功率模組
201‧‧‧開關器件
202‧‧‧開關器件冷卻元件
203‧‧‧交流匯流排
204‧‧‧直流匯流排
205‧‧‧直流支撐電容
206‧‧‧驅動控制裝置
207‧‧‧各類感測器和散熱系統狀況評估裝置
208‧‧‧電流感測器
209‧‧‧電壓感測器
210至213‧‧‧溫度感測器
401‧‧‧系統中散熱風扇
402‧‧‧導熱矽脂
403‧‧‧風冷散熱器
404‧‧‧入風口
405‧‧‧出風口
501‧‧‧迴圈水泵
502‧‧‧導熱矽脂
503‧‧‧水冷板
504‧‧‧入水口
505‧‧‧出水口
702‧‧‧採集模組
704‧‧‧處理模組
706‧‧‧判斷模組
S802至S812‧‧‧功率模組之散熱系統狀況評估之方法之步驟
圖1示出現有技術中功率模組故障判斷之示意圖。 圖2示出根據本公開示例實施方式之功率模組之拓樸結構以及參數採樣點示意圖。 圖3示出功率模組三種拓樸結構之示意圖。 圖4示出根據本公開示例實施方式之一風冷式散熱系統之示意圖。 圖5示出根據本公開示例實施方式之一水冷式散熱系統之示意圖。 圖6示出本案設計思路示意圖。 圖7示出根據本公開示例實施方式之一用於功率模組之散熱系統狀況評估之裝置方框圖。 圖8示出根據本公開示例實施方式之一用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法流程圖。 圖9示出根據本公開示例實施方式之散熱系統狀況評估分數曲線。 圖10示出根據本公開示例實施方式之開關器件內部結溫Tj 與功率模組輸出功率P、環境溫度Ta 之關係圖。
200‧‧‧功率模組
201‧‧‧開關器件
202‧‧‧開關器件冷卻元件
203‧‧‧交流匯流排
204‧‧‧直流匯流排
205‧‧‧直流支撐電容
206‧‧‧驅動控制裝置
207‧‧‧各類感測器和散熱系統狀況評估裝置
208‧‧‧電流感測器
209‧‧‧電壓感測器
210至213‧‧‧溫度感測器

Claims (20)

  1. 一種用於功率模組之散熱系統狀況評估之方法，該功率模組包括至少一個開關器件、直流匯流排、散熱系統和散熱系統狀況評估裝置，其特徵在於，該方法包括： 通過該散熱系統狀況評估裝置之採集模組採集該功率模組之至少一個參數； 該散熱系統狀況評估裝置之處理模組根據該至少一個參數計算該開關器件之結點與環境之間之熱阻； 該散熱系統狀況評估裝置之處理模組根據該至少一個參數估算冷卻流體流量； 該散熱系統狀況評估裝置之判斷模組將該開關器件之結點與環境之間之熱阻與第一預設值進行比較，根據比較結果判斷該散熱系統狀況； 該散熱系統狀況評估裝置之判斷模組根據該開關器件之結點與環境之間之熱阻及該冷卻流體流量之變化判斷故障原因。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵在於，該至少一個參數包括以下一個或多個參數:該功率模組所處之環境溫度、該開關器件之內部溫度、該開關器件之開關頻率、該功率模組之輸出電流、該直流匯流排之電壓、該散熱系統之冷卻元件之入口溫度以及該散熱系統之冷卻元件之出口溫度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵在於，該計算該開關器件結點與環境之間之熱阻包括：根據該至少一個參數計算該開關器件之損耗功率，根據下式計算該開關器件結點與環境之間之熱阻，； 其中Ploss 為該開關器件之損耗功率，Tntc 為該開關器件內部溫度，Ta 為環境溫度，Rjn 為該開關器件內部結點到熱敏電阻之間之熱阻，該開關器件內部結點到熱敏電阻之間之熱阻Rjn 為給定參數。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵在於，該將該開關器件之結點與環境之間之熱阻與第一預設值進行比較，根據比較結果判斷該散熱系統狀況包括：當該開關器件結點與環境之間之熱阻小於該第一預設值時，判斷該散熱系統狀況良好；當該開關器件結點與環境之間之熱阻大於該第一預設值時，發出預警信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其特徵在於，該第一預設值為該功率模組滿載運行，該環境溫度和該開關器件結溫為理想狀態下之開關器件結點與環境之間之熱阻。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵在於，還包括：將該開關器件結點與環境之間之熱阻與第二預設值進行比較，當該開關器件結點與環境之間之熱阻超過該第二預設值時，發出故障停機信號。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵在於，估算冷卻流體流量包括：根據該至少一個參數計算該開關器件之損耗功率,根據下式計算該散熱系統之冷卻流體流量； 其中Ploss 為該開關器件之損耗功率、Tin 為該冷卻元件之入口溫度，Tout 為該冷卻元件之出口溫度，C為冷卻流體之比熱容，λ為傳導修正參數，該冷卻流體之比熱容C和該傳導修正參數λ為給定參數。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵在於，該根據該開關器件結點與環境之間之熱阻和該流量之變化判斷故障原因包括： 當該開關器件結點與環境之間之熱阻變大、該流量變小時，發出預警信號，進一步判斷是否是多個該功率模組發出預警信號，如果是，則判斷該散熱系統之共性部件出現異常，如果否，則判斷報警模組之冷卻元件出現阻塞異常； 當該開關器件結點與環境之間之熱阻變大、該流量不變時，發出預警信號，判斷該散熱系統中之冷卻元件出現結構異常或者導熱介質異常； 當該開關器件結點與環境之間之熱阻不變、該流量變大時，發出預警信號，判斷該散熱系統中之冷卻元件出現結構異常或者導熱介質異常。
  9. 如申請專利範圍第3或7項所述之方法，其特徵在於，還包括通過外部通訊方式對給定參數分別進行調整。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵在於，還包括：根據該至少一個參數計算該開關器件之損耗功率,根據下式計算該開關器件內部結溫，； 其中Ploss 為該開關器件之損耗功率、Rja 為該開關器件結點與環境之間之熱阻，Ta 為該環境溫度； 當該開關器件內部結溫超過第三預設值時，發出過溫預警信號，當該開關器件內部結溫超過第四預設值時，發出過溫故障信號。
  11. 一種用於功率模組之散熱系統狀況評估之裝置，該散熱系統狀況評估之裝置位於該功率模組內，該功率模組包括至少一個開關器件、直流匯流排、散熱系統，其特徵在於，該裝置包括： 採集模組，用於採集該功率模組之至少一個參數； 處理模組，用於根據該至少一個參數計算該開關器件之結點與環境之間之熱阻；根據該至少一個參數估算冷卻流體流量； 判斷模組，用於將該開關器件之結點與環境之間之熱阻與第一預設值進行比較，根據比較結果判斷該散熱系統狀況；根據該開關器件之結點與環境之間之熱阻及該冷卻流體流量之變化判斷故障原因。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其特徵在於，該散熱系統包括風冷式散熱系統和/或水冷式散熱系統，該風冷式散熱系統包括冷卻元件和散熱風扇；該水冷式散熱系統包括冷卻元件和迴圈泵。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其特徵在於，該至少一個參數包括以下一個或多個參數:該功率模組所處之環境溫度、該開關器件之內部溫度、該開關器件之開關頻率、該功率模組之輸出電流、該直流匯流排之電壓、該散熱系統之冷卻元件之入口溫度以及該散熱系統之冷卻元件之出口溫度。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其特徵在於，該處理模組還用於：根據該至少一個參數計算該開關器件之損耗功率,根據下式計算該開關器件結點與環境之間之熱阻，； 其中Ploss 為該開關器件之損耗功率，Tntc 為該開關器件內部溫度，Ta 為該環境溫度，Rjn 為該開關器件內部結點到熱敏電阻之間之熱阻，該開關器件內部結點到熱敏電阻之間之熱阻Rjn 為給定參數。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其特徵在於，該判斷模組還用於：當該開關器件結點與環境之間之熱阻小於該第一預設值時，判斷該散熱系統狀況良好；當該開關器件結點與環境之間之熱阻大於該第一預設值時，發出預警信號。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其特徵在於，該判斷模組還用於：將該開關器件結點與環境之間之熱阻與第二預設值進行比較，當該熱阻超過該第二預設值時，發出故障停機信號。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其特徵在於，該處理模組還用於：根據該至少一個參數計算該開關器件之損耗功率,根據下式計算該散熱系統之冷卻流體流量； 其中Ploss 為該開關器件之損耗功率、Tin 為該冷卻元件之入口溫度，Tout 為該冷卻元件之出口溫度，C為冷卻流體之比熱容，λ為傳導修正參數，該冷卻流體之比熱容C和該傳導修正參數λ為給定參數。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其特徵在於，該判斷模組還用於： 當該開關器件結點與環境之間之熱阻變大、該流量變小時，發出預警信號，進一步判斷是否是多個該功率模組發出預警信號，如果是，則判斷該散熱系統之共性部件出現異常，如果否，則判斷報警模組之冷卻元件出現阻塞異常； 當該開關器件結點與環境之間之熱阻變大、該流量不變時，發出預警信號，判斷該散熱系統中之冷卻元件出現結構異常或者導熱介質異常； 當該開關器件結點與環境之間之熱阻不變、該流量變大時，發出預警信號，判斷該散熱系統中之冷卻元件出現結構異常或者導熱介質異常。
  19. 如申請專利範圍第14或17項所述之裝置，其特徵在於，還包括通訊模組，用於對該給定參數分別進行調整。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其特徵在於，該處理模組還用於：根據下式計算該開關器件內部結溫，； 其中Ploss 為該開關器件之損耗功率、Rja 為該開關器件結點與環境之間之熱阻，Ta 為該環境溫度； 該判斷模組還用於：當該開關器件內部結溫超過第三預設值時，發出過溫預警信號，當該開關器件內部結溫超過第四預設值時，發出過溫故障信號。
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