一种功率半导体模块保护方法和保护系统与流程

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种功率半导体模块保护方法和保护系统。

背景技术：

结温是指功率半导体模块(例如igbt模块)内部管芯pn结的工作温度。结温越高，pn结寿命越短，当结温超过pn结所能承受的最高工作温度时，pn结就会失效。同时，结温上升过高会引起功率半导体模块封装材料的物理性能退化，出现绑定线翘起或开裂、晶圆和dcb焊接层分层、dcb和基板焊接层分层等问题。

受制于功率半导体模块的封装特性和工作环境，直接测量结温是非常困难的，一个方法是通过在功率半导体模块内部集成一个ntc温度传感器估计结温，但该方法只适用于估计稳态条件下的结温，而不适用于估计瞬态条件下的结温，这是因为功率半导体模块内部pn结较多且分散，pn结的热量传递到ntc温度传感器以及热量在ntc温度传感器上累积是需要一定时间的，当外界环境剧烈变化导致结温突增时，ntc温度传感器并不能够即时感知到，从而系统就无法在结温过高或结温上升过高时及时做出相应的保护动作。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种功率半导体模块保护方法和保护系统，以保障功率半导体模块不会发生结温过高或结温上升过高的问题。

一种功率半导体模块保护方法，包括：

获取功率半导体模块外界环境参数和内置ntc温度传感器的测量值，其中，所述环境参数突变会引起功率半导体模块的结温突变；

根据所述环境参数的变化情况判断功率半导体模块的结温的增长率是否超过第一预设值；

若是，调高功率半导体模块的散热系统的散热能力；

若否，在所述ntc温度传感器的测量值增长到第二预设值时，调高所述散热系统的散热能力。

可选的，所述调高功率半导体模块的散热系统的散热能力，包括：

根据所述环境参数的变化率的大小，动态调节功率半导体模块的散热系统的散热能力，其中，根据所述环境参数的变化情况判断出的功率半导体模块的结温的增长率越大，调节到的功率半导体模块的散热系统的散热能力越强。

可选的，所述调高功率半导体模块的散热系统的散热能力，包括：

将功率半导体模块的散热系统的散热能力调高到一固定不变的值。

可选的，当功率半导体模块应用于光伏逆变器中时，所述环境参数为光照强度；

对应的，所述根据所述环境参数的变化情况判断功率半导体模块的结温的增长率是否超过第一预设值，包括：判断所述光照强度的增长率是否超过第二预设值，若是，判定功率半导体模块的结温的增长率超过第一预设值。

可选的，当所述散热系统为风冷系统时，所述调高功率半导体模块的散热系统的散热能力包括：调高风冷系统的风速；

当所述散热系统为水冷系统时，所述调高功率半导体模块的散热系统的散热能力包括：加快水冷系统的水流速度。

一种功率半导体模块保护系统，包括：

环境参数获取模块，用于获取功率半导体模块外界环境参数，其中，所述环境参数突变会引起功率半导体模块的结温突变；

功率半导体模块内置的ntc温度传感器；

散热系统；

以及分别与所述环境参数获取模块、所述ntc温度传感器和所述散热系统相连的控制单元；所述控制单元用于根据所述环境参数的变化情况判断功率半导体模块的结温的增长率是否超过第一预设值，若是，调高功率半导体模块的散热系统的散热能力，若否，在所述ntc温度传感器的测量值增长到第二预设值时，调高所述散热系统的散热能力。

可选的，所述控制单元具体用于在根据所述环境参数的变化情况判定功率半导体模块的结温的增长率超过第一预设值时，根据所述环境参数的变化率的大小，动态调节功率半导体模块的散热系统的散热能力，其中，根据所述环境参数的变化情况判断出的功率半导体模块的结温的增长率越大，调节到的功率半导体模块的散热系统的散热能力越强。

可选的，所述控制单元具体用于在根据所述环境参数的变化情况判定功率半导体模块的结温的增长率超过第一预设值时，将功率半导体模块的散热系统的散热能力调高到一固定不变的值。

可选的，当功率半导体模块应用于光伏逆变器中时，所述环境参数获取模块为光强传感器；

对应的，所述控制单元具体用于判断所述光强传感器测得的光照强度的增长率是否超过第二预设值，若是，判定功率半导体模块的结温的增长率超过第一预设值。

可选的，所述散热系统为风冷系统或水冷系统。

从上述的技术方案可以看出，本发明实时检测外界环境参数的变化情况，在外界环境参数发生突变、且变化程度足以导致功率半导体模块的结温突增时，直接调高功率半导体模块的散热系统的散热能力；在外界环境参数未发生变化或变化程度很小可以忽略不计时，再根据ntc温度传感器的测量值去调节散热系统的散热能力，从而保障了功率半导体模块不论是在稳态条件还是瞬态条件下都不会发生结温过高或结温上升过高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。

图1为本发明实施例公开的一种功率半导体模块保护方法流程图；

图2为一种两电平逆变器结构示意图；

图3为一种光伏发电系统结构示意图；

图4为本发明实施例公开的一种应用于光伏逆变器中的功率半导体模块保护方法流程图；

图5为本发明实施例公开的一种功率半导体模块保护系统结构示意图；

图6为本发明实施例公开的又一种功率半导体模块保护系统结构示意图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例公开了一种功率半导体模块保护方法，包括：

步骤s01：获取功率半导体模块外界环境参数和内置ntc温度传感器的测量值，其中，所述环境参数突变会引起功率半导体模块的结温突变。

步骤s02：根据所述环境参数的变化情况判断功率半导体模块的结温的增长率是否超过第一预设值，若是，进入步骤s03；若否，进入步骤s04。

具体的，功率半导体模块是由多个功率半导体器件按一定的功能组合后再灌封成一体而成。mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)模块、igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极晶体管)模块等都是常见的功率半导体模块。例如，光伏逆变器中多采用的是igbt模块，如图2所示的两电平逆变器中共包含6个igbt，这6个igbt按一定的功能组合后再灌封成一个igbt模块。

当功率半导体模块处于稳态条件下(也就是功率半导体模块外界环境参数未发生突变，或者功率半导体模块外界环境参数虽然发生突变但变化程度很小可忽略不计)时，功率半导体模块的结温保持稳定，此时可以通过使用功率半导体模块内置的ntc温度传感器估计结温。ntc(negativetemperaturecoefficient，负温度系数)温度传感器是具有负温度系数的热敏电阻，其电阻值随着周围温度上升而迅速下降，利用这一特性，可通过测量ntc温度传感器的电阻值来确定ntc温度传感器周围的温度，进而根据ntc温度传感器周围温度估计结温。

而当功率半导体模块处于瞬态条件下(也就是功率半导体模块外界环境参数发生突变，并且变化程度较大、足以引起功率半导体模块的结温迅速发生明显改变)时，虽然功率半导体模块的结温已经随外界环境参数的突变发生了突变，但由于pn结的热量传递到ntc温度传感器以及热量在ntc温度传感器上累积需要一定时间，所以通过ntc温度传感器并不能即时反映当下真实的结温，也即通过ntc温度传感器估计的结温滞后于真实的结温。

以光伏逆变器中的igbt模块为例，如图3所示，光伏逆变器用于将光伏电池板输出的直流电转换成交流后送入电网，光伏逆变器的输入功率是太阳能经过光伏电池板转换而成，光照强度突增会使光伏逆变器输入功率突增，进而使光伏逆变器中的igbt模块内部管芯pn结的工作温度突增，但由于pn结的热量传递到ntc温度传感器以及热量在ntc温度传感器上累积是需要一定时间的，所以在光照强度突增时通过ntc温度传感器估计的结温滞后于真实结温。

可见，当功率半导体模块处于稳态条件下时，由于能够通过ntc温度传感器准确估计结温，因而系统在结温过高或结温上升过高时能及时做出相应的保护动作；但是当功率半导体模块处于瞬态条件下时，由于ntc温度传感器不能即时反映真实的结温，所以系统不能再依赖ntc温度传感器来决定何时做出相应的保护动作，否则功率半导体模块有结温过高或结温上升过高情况下失效的风险。

对此，在功率半导体模块处于瞬态条件下时，系统需要能够依赖其他方案及时察觉出功率半导体模块是否有结温过高或结温上升过高的情况。本发明实施例设定该方案为：由于功率半导体模块外界环境参数突变会引起功率半导体模块的结温突变，所述环境参数的变化率与功率半导体模块的结温的变化率之间存在一一对应关系，所以可以根据所述环境参数的变化情况判断功率半导体模块的结温的增长率是否超过第一预设值，若未超过第一预设值，说明功率半导体模块当前处于稳态条件，系统依赖ntc温度传感器适时做出相应的保护动作即可；而若是超过第一预设值，说明功率半导体模块外界环境参数的变化引起了功率半导体模块的结温迅速升高，此时需要立即做出相应的保护动作，否则功率半导体模块就有结温过高或结温上升过高情况下失效的风险。以光伏逆变器中的igbt模块为例，当光照强度增长率超过第三预设值时，视为功率半导体模块的结温的增长率超过了第一预设值，此时有必要及时做出相应的保护动作。

步骤s03：调高功率半导体模块的散热系统的散热能力，之后返回步骤s01。

具体的，功率半导体模块都配置有散热系统，所述散热系统可以是风冷系统，也可以是水冷系统，并不局限。对于风冷系统来说，其散热能力通过调节风速进行调节，风速越大，风冷系统的散热能力越强；对于水冷系统来说，其散热能力通过调节水流速度进行调节，水流速度越快，水冷系统的散热能力越强。当功率半导体模块有结温过高或结温上升过高情况下失效的风险时，调高功率半导体模块的散热系统的散热能力，使结温降低，是避免失效的有效手段。

可选的，当所述步骤s02中根据所述环境参数的变化情况判断得出功率半导体模块的结温的增长率超过第一预设值时，本发明实施例可以根据所述环境参数的变化率的大小，动态调节功率半导体模块的散热系统的散热能力，其中，根据所述环境参数的变化情况判断出的功率半导体模块的结温的增长率越大，调节到的功率半导体模块的散热系统的散热能力就越强。以光伏逆变器中的igbt模块为例，假设其采用的是风冷系统，如果光照强度增长率大于等于光强预设值1，那么控制风速大于等于风速预设值1，如果光照强度增长率大于光强预设值2，那么控制风速大于等于风速预设值2，如果光照强度增长率大于光强预设值3，那么控制风速大于等于风速预设值3，……。这些光强预设值、风速预设值在光伏逆变器最恶劣运行工况测试时获取，如光伏逆变器宣称最大运行工作环境温度下进行测试的值，以保证在光照强度突然变大过程中，igbt模块的结温绝对不会超过pn结所能承受的最高工作温度，同时确保igbt模块的结温变化不会太大，从而保证igbt模块长期寿命。

或者，为了将控制过程简单化，也可以在所述步骤s02中根据所述环境参数的变化情况判断得出功率半导体模块的结温的增长率超过第一预设值时，将功率半导体模块的散热系统的散热能力调高到一固定不变的值，而不必随所述环境参数的变化率的大小变化而变化。

步骤s04：在所述ntc温度传感器的测量值增长到第二预设值时，调高所述散热系统的散热能力，之后返回步骤s01。

具体的，当所述步骤s02中根据所述环境参数的变化情况判断得出功率半导体模块的结温的增长率未超过第一预设值时，ntc温度传感器能够准确反映当下真实的结温，此时可以依赖ntc温度传感器的测量值去调节散热系统的散热能力，当ntc温度传感器的测量值超过第二预设值时，本发明实施例认为功率半导体模块有结温过高或结温上升过高情况下失效的风险，此时调整散热系统的散热能力，从而达到避免结温过高或结温上升过高的目的。

由以上描述可知，本发明实施例实时检测外界环境参数的变化情况，在外界环境参数发生突变、且变化程度足以导致功率半导体模块的结温突增时，直接调高功率半导体模块的散热系统的散热能力；在外界环境参数未发生变化或变化程度很小可以忽略不计时，再根据ntc温度传感器的测量值调节散热系统的散热能力，从而保障了功率半导体模块不论是在稳态条件还是瞬态条件下都不会发生结温过高或结温上升过高的问题。

基于图1所示实施例，当功率半导体模块应用于光伏逆变器中时，对应的功率半导体模块保护方法如图4所示，包括：

步骤s21：获取光照强度和功率半导体模块内置ntc温度传感器的测量值。

步骤s22：判断光照强度的增长率是否超过第三预设值，若是，说明光照强度发生了突增，并且其增长程度会引起功率半导体模块的结温突增，此时进入步骤s23；若否，说明光照强度基本无变化，此时进入步骤s24。

步骤s23：调高功率半导体模块的散热系统的散热能力，之后返回步骤s21。

步骤s24：在所述ntc温度传感器的测量值增长到第二预设值时，调高所述散热系统的散热能力，之后返回步骤s21。

与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种功率半导体模块保护系统，如图5所示，包括：

环境参数获取模块10，用于获取功率半导体模块外界环境参数，其中，所述环境参数突变会引起功率半导体模块的结温突变；

功率半导体模块内置的ntc温度传感器20；

散热系统30；

以及分别与环境参数获取模块10、ntc温度传感器20和散热系统30相连的控制单元40，用于根据所述环境参数的变化情况判断功率半导体模块的结温的增长率是否超过第一预设值；若是，调高功率半导体模块的散热系统的散热能力；若否，在所述ntc温度传感器的测量值增长到第二预设值时，调高所述散热系统的散热能力。

可选的，控制单元40具体用于在根据所述环境参数的变化情况判定功率半导体模块的结温的增长率超过第一预设值时，根据所述环境参数的变化率的大小，动态调节功率半导体模块的散热系统的散热能力，其中，根据所述环境参数的变化情况判断出的功率半导体模块的结温的增长率越大，调节到的功率半导体模块的散热系统的散热能力越强。

可选的，控制单元40具体用于在根据所述环境参数的变化情况判定功率半导体模块的结温的增长率超过第一预设值时，将功率半导体模块的散热系统的散热能力调高到一固定不变的值。

可选的，对于上述公开的任一种功率半导体模块保护系统来说，当所述功率半导体模块应用于光伏逆变器中时，环境参数获取模块10采用光强传感器；

对应的，控制单元40具体用于判断所述光强传感器测得的光照强度的增长率是否超过第二预设值，若是，判定功率半导体模块的结温的增长率超过第一预设值。

其中，所述光强传感器的安装数量和安装位置根据现场实际情况确定，并不局限。当设置有多个光强传感器时，所述控制单元可以在获取各个光强传感器的测量值后，先剔除极端值，再求取剩余测量值的平均值作为最终的光强检测结果。

可选的，在上述公开的任一种功率半导体模块保护系统中，散热系统30可以为风冷系统或水冷系统。

可选的，在上述公开的任一种功率半导体模块保护系统中，如图6所示，所述功率半导体模块保护系统还包括控制面板50，控制面板50与控制单元40相连，用于在用户操作下设置、修改或删除控制单元40中存储的各项预设值大小，以及实时输出控制单元40的相关运行数据，方便工作人员查看。

综上所述，本发明实时检测外界环境参数的变化情况，在外界环境参数发生突变、且变化程度足以导致功率半导体模块的结温突增时，直接调高功率半导体模块的散热系统的散热能力；在外界环境参数未发生变化或变化程度很小可以忽略不计时，再根据ntc温度传感器的测量值去调节散热系统的散热能力，从而保障了功率半导体模块不论是在稳态条件还是瞬态条件下都不会发生结温过高或结温上升过高的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。