高压大功率半导体实时测温系统及方法与流程

1.本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种高压大功率半导体实时测温系统及方法。


背景技术：

2.随着大功率电力电子技术的不断成熟，高压直流输电系统在大容量、远距离输送方面的经济性、稳定性和灵活性等优势日益突出。高电压大功率半导体是这一技术的基石，但受限于高绝缘耐压ntc电阻的发展，这种大功率半导体芯温的测量一直是行业期待解决的难题。
3.传统的半导体测温方法是检测半导体散热器ntc电阻温度，然后根据绝核算的损耗与芯～散热器热阻参数来计算芯片实时结温。该方法已在传统的电力电子产品上大量应用，但对于高电压大功率半导体存在2个问题，一是市面上没有绝缘耐压超过3000v的ntc电阻，二是如此大电流的ntc电阻直接安装于半导体上散热器会带来强烈的干扰从而造成控制板控制故障。
4.综上，目前缺乏一种高压大功率半导体实时测温方法。


技术实现要素：

5.本发明实施例提出一种高压大功率半导体实时测温系统，能够进行高压大功率半导体实时测温，可解决ntc电阻耐压不足的问题以及引入ntc电阻后带来的控制器干扰问题，该系统包括：
6.散热器、压占转换电路和控制器；其中，压占转换电路包括ntc电阻；
7.所述ntc电阻与高压大功率半导体安装在散热器上，且高压大功率半导体的发射极与散热器连接；
8.所述压占转换电路的两端连接测温电压，且所述ntc电阻的正极与测温电压连接；
9.所述压占转换电路、ntc电阻、高压大功率半导体、散热器及测温电压共地；
10.所述压占转换电路用于：获取ntc电阻值，并将ntc电阻值转换为占空比信息；
11.所述控制器与压占转换电路连接，用于根据实时测得的占空比信号，在控制器中通过算法计算实时的高压大功率半导体的芯温值。
12.本发明实施例提出一种高压大功率半导体实时测温方法，应用于上述高压大功率半导体实时测温系统，能够进行高压大功率半导体实时测温，可解决ntc电阻耐压不足的问题以及引入ntc电阻后带来的控制器干扰问题，该方法包括：
13.获取ntc电阻值；
14.将ntc电阻值转换为占空比信息；
15.根据实时测得的占空比信号，获得实时的高压大功率半导体的芯温。
16.在本发明实施例中，散热器、压占转换电路和控制器；其中，压占转换电路包括ntc电阻；所述ntc电阻与高压大功率半导体安装在散热器上，且高压大功率半导体的发射极与
散热器连接；所述压占转换电路的两端连接测温电压，且所述ntc电阻的正极与测温电压连接；所述压占转换电路、ntc电阻、高压大功率半导体、散热器及测温电压共地；所述压占转换电路用于：获取ntc电阻值，并将ntc电阻值转换为占空比信息；所述控制器与压占转换电路通过隔离电路连接，用于根据实时测得的占空比信号，获得实时的高压大功率半导体的芯温。在上述过程中，所述ntc电阻与高压大功率半导体安装在散热器上，且高压大功率半导体的发射极与散热器连接；所述压占转换电路的两端连接测温电压，且所述ntc电阻的正极与测温电压连接；所述压占转换电路、ntc电阻、高压大功率半导体、散热器及测温电压共地，这样，可以规避ntc电阻绝缘耐压不足的问题；另外，由于测温电压不来自于控制器，解决了引入ntc电阻后带来的控制器干扰问题。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
18.图1为本发明实施例中高压大功率半导体实时测温系统的示意图一；
19.图2为本发明实施例中高压大功率半导体实时测温系统的示意图二；
20.图3为本发明实施例中高压大功率半导体实时测温系统的示意图三；
21.图4为本发明实施例中驱动电源的电路图；
22.图5为本发明实施例中压占转换电路的电路图；
23.图6为本发明实施例中高压大功率半导体实时测温系统的示意图四；
24.图7为本发明实施例中控制器计算测温值的流程图；
25.图8为本发明实施例中高压大功率半导体实时测温方法的流程图。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
27.在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本技术的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
28.首先，对本发明实施例涉及的术语进行解释。
29.igbt：insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。
30.igct：集成门极换流晶闸管igct(integrated gate-commutated thyristor)有的厂家也称为gct(gate-commutated thyristor)，即门极换流晶闸管。
31.图1为本发明实施例中高压大功率半导体实时测温系统的示意图一，其中，高压大功率半导体实时测温系统包括：散热器、压占转换电路和控制器；其中，压占转换电路包括ntc电阻；
32.所述ntc电阻与高压大功率半导体安装在散热器上，且高压大功率半导体的发射极与散热器连接；
33.所述压占转换电路的两端连接测温电压，且所述ntc电阻的正极与测温电压连接；
34.所述压占转换电路、ntc电阻、高压大功率半导体、散热器及测温电压共地；
35.所述压占转换电路用于：获取ntc电阻值，并将ntc电阻值转换为占空比信息；
36.所述控制器与压占转换电路连接，用于根据实时测得的占空比信号，获得实时的高压大功率半导体的芯温。
37.在上述实施例中，所述ntc电阻与高压大功率半导体安装在散热器上，且高压大功率半导体的发射极与散热器连接；所述压占转换电路的两端连接测温电压，且所述ntc电阻的正极与测温电压连接；所述压占转换电路、ntc电阻、高压大功率半导体、散热器及测温电压共地，这样，可以规避ntc电阻绝缘耐压不足的问题；另外，由于测温电压不来自于控制器，解决了引入ntc电阻后带来的控制器干扰问题。
38.具体地，高压大功率半导体包括igbt、igct等。高压大功率半导体的芯温就是高压大功率半导体的温度值，散热器可以是水冷散热器。测温电压为5v。压占转换电路中分压电阻与测温电压连接，ntc电阻与分压电阻连接。
39.图2为本发明实施例中高压大功率半导体实时测温系统的示意图二，在一实施例中，所述系统还包括变压器，所述变压器包括原边、第一副边和第二副边；
40.所述原边的两端连接控制器电源电路；
41.所述第一副边的两端与高压大功率半导体的驱动电路连接，输出高压大功率半导体的驱动正压；
42.所述第二副边的两端与高压大功率半导体的驱动电路连接，输出高压大功率半导体的驱动负压。
43.图3为本发明实施例中高压大功率半导体实时测温系统的示意图三，在一实施例中，所述系统还包括与高压大功率半导体的驱动正压连接的电压转换电路，用于将驱动正压转换为测温电压。此处测温电压，驱动地，高压大功率半导体发射级以及ntc电阻所安装的散热器共地。
44.将测温电压(5v)通过压占转换电路中的分压电阻供给ntc电阻，当温度不同时，ntc电阻的电压也不相同，最后压占转换电路输出不同的占空比。
45.在一实施例中，所述驱动电源电路采用正激电源。图4为本发明实施例中正激电源的电路图，通过一个带有中心抽头的正激变压器将原边稳定的电压转变为副边稳定的正负电压，作为高压大功率半导体的驱动正压和驱动负压。
46.需要说明的是，一般高压大功率半导体都安装在散热器上，同时该散热器也与高压大功率半导体的发射级相连，该散热器也就与驱动供电的gnd为同一电动势。此时，将ntc电阻安装在散热器上，然后给压占转换电路供+5v的测温电压。这样设计可以规避ntc电阻
绝缘耐压不足的问题。
47.图5为本发明实施例中压占转换电路的电路图，该电路将ntc电阻值转换为占空比信号。压占转换电路主要构成为555芯片，分压电阻r_a阻值固定，ntc电阻温度不同表现出的阻值也不相同，因此输入给555芯片的电压也不相同，此时表现为输出的占空比也就会不同。在一实施例中，所述压占转换电路的占空比计算公式为：
[0048][0049]
其中，d为占空比信息；r
ntc
为ntc电阻值；ra为压占转换电路中的分压电阻值。
[0050]
图6为本发明实施例中高压大功率半导体实时测温系统的示意图四，在一实施例中，所述系统还包括分别与压占转换电路和控制器连接的高压隔离电路，用于：对压占转换电路输出的占空比信息进行高压隔离；
[0051]
控制器具体用于：根据高压隔离后的占空比信号，获得实时的高压大功率半导体的芯温。
[0052]
在一实施例中，所述高压隔离电路的隔离方式包括容隔、光隔和电磁隔离中的其中一种或任意组合。
[0053]
在一实施例中，所述压占转换电路设于驱动板，所述控制器设于控制板。
[0054]
由于压占转换电路设于驱动板，所述控制器设于控制板，且由于高压隔离电路对压占转换电路输出的占空比信息进行高压隔离，使得由于测温电压不来自于控制器，解决了引入ntc电阻后带来的控制器干扰问题。
[0055]
图7为本发明实施例中控制器计算测温值的流程图，在一实施例中，控制器具体用于：
[0056]
步骤701，将高压隔离后的占空比信号存入fifo中，并剔除高压隔离后的占空比信号中的异常数据，获得筛选后的占空比信号；
[0057]
步骤702，对筛选后的占空比信号进行滑窗滤波，获得稳定的占空比数据；
[0058]
步骤703，基于占空比数据与ntc电阻的温度值的对应关系，获得稳定的占空比数据对应的ntc电阻的温度值；
[0059]
步骤704，根据ntc电阻的温度值、高压大功率半导体的热阻参数和当前工况下的损耗值，计算实时的高压大功率半导体的芯温。
[0060]
具体的，对筛选后的占空比信号进行滑窗滤波，获得稳定的占空比数据，就是求取fifo中筛选后的占空比信号的最近的256个数据的平均值。
[0061]
由于所述ntc电阻与高压大功率半导体安装在散热器上，ntc电阻的温度值即散热器的实时温度值，且根据散热器的实时温度值可以获得高压大功率半导体的芯温，可以采用如下公式，计算实时的高压大功率半导体的芯温：
[0062]
t
x
＝t
ntc
+p
·r[0063]
其中，t
x
为高压大功率半导体的芯温；t
ntc
为ntc电阻的温度值；p为高压大功率半导体在当前工况下的损耗值；r为高压大功率半导体的热阻参数。
[0064]
本发明实施例还提出一种高压大功率半导体实时测温方法，应用于上述高压大功率半导体实时测温系统，图8为本发明实施例中高压大功率半导体实时测温方法的流程图，包括：
[0065]
步骤801，获取ntc电阻值；
[0066]
步骤802，将ntc电阻值转换为占空比信息；
[0067]
步骤803，根据实时测得的占空比信号，获得实时的高压大功率半导体的芯温。
[0068]
综上所述，本发明实施例提出的系统和方法具有以下有益效果：
[0069]
第一，解决高压大功率半导体温度无法实时测量的问题，电路简单，成本小，可靠性高，实用性佳，能有效的填补此领域的空白；
[0070]
第一，可解决市面上ntc电阻耐压不足的问题；
[0071]
第三，可解决引入ntc电阻后带来的控制器干扰问题。
[0072]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。