一种多并联IGBT模块温度采样检测系统及方法与流程

本发明涉及一种多并联igbt模块温度采样检测系统及方法，属于电力电子技术应用领域。

背景技术：

igbt作为电力电子变流器核心器件，广泛应用于光伏并网逆变器、风电变流器、变频器和电能质量治理装置中，其是实现电力电子功率变换的关键元器件，是关乎变流器设备性能和可靠性的关键因素。温度是igbt模块的敏感参数，温度会直接影响到半导体的载流子迁移率和载流子浓度等，进而会影响到igbt的击穿电压、开关时间、开关损耗等。因此，在电力电子变流器，尤其是大功率电力电子变流器中igbt模块的温度采样极其重要，通常igbt模块厂商会预置负温度系数电阻ntc在模块中，以便于检测igbt模块的温度。在大功率变流器场合，经常会采用多模块并联的技术方案提高功系统的容量，而目前多采用的并联模块温度采样方案主要包括：只采单只模块的温度、多模块温度最大值采样和所有并联模块温度多通道采样。

常见的多并联igbt模块ntc温度采样方案存在如下缺点：

1、单只模块温度采样方案不能监控到所有igbt模块的温度，也难以预期检测到温度最高的igbt模块，系统可靠性不高。

2、多模块温度最大值采样方案虽然可以较低的成本检测到电流应力最大或者散热最差的模块，但难以通过单一数据判断模块的并联均流特性和多并联模块的散热状况。

3、所有并联模块温度多通道采样方案可以实现所有模块的温度采样，但多通道采样电路会重复相同的硬件资源(比如隔离光耦和压频转换芯片等)、占用多路的信号通道和控制器i/o口资源，整体成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是：利用单数据母线实现所有多并联igbt模块的温度实时采样检测，解决上述常见多并联igbt模块ntc温度采样方案存在的缺点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种多并联igbt模块温度采样检测系统，其特征在于：包括多路电阻分压网络、多路移相脉冲生成电路、多路模拟开关选择器电路、多路反相器电路、压频转换电路、光电转换电路和fpga控制电路；

所述多路电阻分压网络用于生成igbt模块中负温度系数电阻ntc上的电压信号并传输给多路模拟开关选择器电路；

所述多路移相脉冲生成电路用于生成多路占空比固定的周期性移相脉冲信号并传输给多路模拟开关选择器电路；

所述多路模拟开关选择器电路通过所述多路移相脉冲信号控制，分时选通负温度系数电阻ntc上的电压信号形成单路模拟数据母线并传输给压频转换电路；

所述多路反相器电路用于将多路移相脉冲信号反相和线与运算得到时分信号并传输给压频转换电路；

所述压频转换电路用于将单路模拟数据母线转换为相应的频率信号，结合时分信号形成单路数字数据母线；

所述光电转换电路，用于隔离所述单路数字数据母线与fpga控制电路；

所述fpga控制电路，用于对所述单路数字数据母线进行解调。

优选地，其特征在于：所述多路移相脉冲生成电路包括逻辑脉冲发生器电路和计时器电路，所述计时器电路包括多个串联的定时器芯片，第一个定时器芯片输出初始脉冲信号，其他每两个定时器芯片以前一个脉冲信号为输入信号输出一个移相脉冲信号。

优选地，所述电阻分压网络包括电源，电源连接电阻r1的一端，电阻r1的另一端分别连接负温度系数电阻ntc和多路模拟开关选择器电路的输入端，负温度系数电阻ntc的另一端接地。

本发明的另外一个技术方案是提供了一种多并联igbt模块温度采样检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、获取多并联igbt模块中的负温度系数电阻ntc上的电压信号；

步骤二、分时调制多路负温度系数电阻ntc上的电压信号到单路模拟数据母线；

步骤三、将单路模拟数据母线转换为单路数字数据母线；

步骤四、使用fpga控制电路解析单路数字数据母线，获取不同igbt模块的负温度系数电阻ntc的温度值。

优选地，所述步骤一具体为通过将多路igbt模块的ntc接入多路电阻分压网络，进而获取负温度系数电阻ntc上的电压信号。

优选地，所述步骤二中使用多路占空比固定的移相脉冲信号控制多路模拟开关选择器电路分时选通多路负温度系数电阻ntc上的电压信号，形成单路模拟数据母线。

优选地，所述步骤三中通过压频转换电路将单路模拟数据母线转换为相应的频率信号，将时分信号接入压频转换电路输出持续低电平信号，进而形成单路数字数据母线。

优选地，所述时分信号由多路移相脉冲信号反相和线与运算得到。

优选地，所述fpga控制电路对单路数字数据母线的持续低电平时间计时，同时对单路数字数据母线的频率信号计频率，根据计时数据和计频率数据通过查表获取不同igbt模块对应的温度值。

优选地，所述移相脉冲信号相移的时间依次为2t+dt、3t+2dt、…、nt+(n-1)dt，其中t为最小的时分信号时间，d为脉冲占空比，t为igbt模块温度采样周期。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的多并联igbt模块温度采样检测系统及方法基于基本的逻辑电路实现多路信号的分时调制，没有使用数字控制器，易于模块化集成且具有较大的成本优势，开发周期短；通过单数据母线实现了多并联igbt模块温度的实时采样和持续监控，简化了系统接线，降低了系统成本，并提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的一种多并联igbt模块温度采样检测系统的结构原理框图；

图2为本发明提供的多路移相脉冲生成电路对应的电路原理图；

图3为本发明的提供的多路移相脉冲波形图；

图4为本发明的提供的多路模拟开关选择器电路对应的电路原理图；

图5为本发明的提供的多路igbt模块温度分时调制原理波形图；

图6为本发明的提供的一种多并联igbt模块温度采样检测方法的原理框图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示为本发明提供的一种多并联igbt模块温度采样检测系统，主要包括：多路电阻分压网络、多路移相脉冲生成电路、多路模拟开关选择器电路、多路反相器电路、压频转换电路、光电转换电路和fpga控制电路。

多路电阻分压网络如图1所示，用于将多路igbt模块中的负温度系数电阻ntc与固定阻值的电阻串联形成电阻分压网络，进而得到相应ntc上的电压，实现多并联igbt模块中ntc的接入。具体为多路高精度的电阻(r1、r2···rn)通过vcc5v电源分别与多路igbt模块中的ntc串联分压，生成多路电压信号vtemp_1、vtemp_2···vtemp_n。

多路移相脉冲生成电路如图2所示，通过逻辑脉冲发生器电路和计时器电路生成多路占空比固定、相移不一致的脉冲信号。具体为使用一颗na555定时器芯片生成占空比为d、频率为f的脉冲信号m_1，其中f＝1/t。然后使用n-1个na556芯片生成n-1路和脉冲信号m_1移相时间分别为2t+dt、3t+2dt···nt+(n-1)dt的脉冲信号。如图2和3所示，基于u1(na555)芯片的无稳态触发器电路生成脉冲m_1，基于u2a(na556)的单稳态触发器电路生成移相控制脉冲m_12，然后使用移相控制脉冲信号m_12触发基于u2b(na556)的单稳态触发器电路，进而生成脉冲信号m_2，通过参数设置使得脉冲信号m_2的占空比为d、频率为f。最终依次生成占空比为d、频率为f的移相脉冲m_1、m_2、m_3···m_n，其中移相脉冲m_2与m_1相移时间为2t+dt，移相脉冲m_3与m_2相移时间为3t+dt，移相脉冲m_n与m_n-1相移时间为nt+dt。

其中，t为采样周期，f为采样频率，t为最小的时分信号时间。首先可以根据应用需要设定好采样周期t，然后设置最小时分信号时间t和每路温度数据频率串占用的时间为dt，最终满足t＝n*dt+(1+n)*n*t/2。

以4路igbt模块并联为例，设定采样周期t＝2ms，则采样频率为f＝500hz，最小时分信号时间可以设定为t＝100us，则d＝0.125，那么每路温度数据频率串占用的时间为dt＝250us。则移相脉冲的高电平持续时间均为250us，移相脉冲m_2与m_1相移时间为2t+dt＝450us，移相脉冲m_3与m_2相移时间为3t+dt＝550us，移相脉冲m_4与m_3相移时间为4t+dt＝650us。

多路模拟开关选择器电路，通过多路移相脉冲信号控制选通多路电阻分压网络中相应ntc上的电压。具体为采用n/4个(除不尽时取整加1个)sn74hc4066四路双边模拟开关，如图4所示将多路电阻分压网络的采样电压vtemp_1、vtemp_2···vtemp_n依次接入模拟开关芯片us1a、us1b···us1nx的1a、2a···na引脚，多路移相脉冲信号m_1、m_2、···m_n依次接入模拟开关芯片的控制引脚1c、2c···nc，通过周期性的移相脉冲控制信号分时选通多路电阻分压网络到并联的引脚1b、2b···nb，进而形成分时复用的模拟数据母线mn_bus。

多路反相器电路，通过多路反相缓冲器电路实现多路移相脉冲信号m_1、m_2、···m_n的反相，然后将所有反相后的信号线与运算得到如图5所示的时分信号m_s。

压频转换电路，用于将被选通的模拟电压信号转换为相应的频率信号，结合时分信号生成单路数字数据母线。具体为使用lm231n压频转换芯片将被选通的电阻分压网络中ntc的电压转换为频率信号，而在未选通任何电阻分压网路的时间段，通过时分信号m_s的高电平有效将压频转换电路置于设备功能模式，此时压频转换不输出频率信号，持续低电平输出。最终将分时复用的模拟数据母线mn_bus转换为分时复用的数字母线信号d_bus，转换结果如图5所示，一个脉冲周期内的多路阴影区域分别代表多路电阻分压网路的数据串ds_1、ds_2、···ds_n，数据串对应不同的频率信号f1、f2···fn，多路不同频率的数据串分别由多路移相脉冲信号m_1、m_2、···m_n分时选择性载入，通过不同的移相时间将数据母线依次空闲出时间段t、时间段2t···时间段nt，即不同的时分信号。

所述n个时分信号在数据母线上以不同的低电平持续时间体现，该优选实施例为便于阐述，首先设定最小时分信号t，然后递增设定出2t、3t···nt不同的时分信号。时分信号以便于fpga计时区分识别不同igbt模块为目标，不受上述递增关系约束，可以根据需要设定。

光电转换电路为隔离光耦tlp2362，实现压频转换所得数据母线与后级fpga控制电路的电气隔离。

fpga控制电路，用于实现单数据母线上的多频率信号解析。具体将单数据母线上的n串频率信号解析为多路与igbt模块对应的频率值f1、f2···fn，然后通过查表得到对应igbt模块的温度值t1、t2··tn。

本发明还提供了一种基于单数据母线的多并联igbt模块温度采样检测方法，如图6所示，主要包括：检测多路并联igbt模块中的ntc的温度信息，即电压值；分时调制多路ntc电压信息到单路模拟数据母线；将单路模拟数据母线转换为单路数字数据母线；使用fpga控制电路解析单路数字数据母线，进而获取不同igbt模块的ntc温度。

检测多路igbt模块中的ntc的温度信息，具体为通过将多路igbt模块的ntc接入多路电阻分压网络，进而获取多路igbt模块中的ntc的温度信息。

分时调制多路ntc电压信息到单路模拟数据母线，具体为使用多路占空比固定的移相脉冲和多路模拟开关选择器分时选通多并联igbt模块中ntc上的电压到同一模拟数据母线上。

将单路模拟数据母线转换为单路数字数据母线，具体为使用单通道压频转换电路将分时复用的模拟数据母线上的电压信号转换频率信号，进而形成单路数字数据母线。

使用fpga控制电路解析单路数字数据母线获取不同igbt模块的ntc温度，具体为通过fpga控制电路对单数据母线上的持续低电平时间计时，获得时分数据t、2t···nt；同时对单数据母线上的数据串ds_1、ds_2、···ds_n频率信号计频率，获得数据串信号频率f1、f2···fn，再根据时分数据和频率数据通过查表获取不同igbt模块对应的温度值。其中的数据表包括两个，其一为时分数据和igbt模块关系对照表，其二为频率数据和温度对照表。

检测方法具体原理描述为通过脉冲发生器电路和计时器电路生成多路占空比固定的移相脉冲，并通过多路移相脉冲控制多路模拟开关选通不同的电阻分压网络，进而生成分时复用模拟数据母线，然后通过单通道压频转换电路将分时复用模拟数据母线转化为分时复用的数字数据母线，进而使用基本的逻辑电路实现多路信号的调制，最后再通过fpga控制电路的数据解析实现信号的解调。

本发明不局限于上述具体实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明公开的内容进行多种实施方式。应理解上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。