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一种电力 电子设备的热过载保护方法、装置及系统

阅读：381发布：2020-05-17

专利汇可以提供一种电力电子设备的热过载保护方法、装置及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种电力电子设备的热过载保护方法，通过确定待检测电力电子设备中IGBT的耗损、二极管的耗损、IGBT的热阻抗以及检测散热器的当前温度，其中，热阻抗包括所述IGBT结和外壳之间的热阻抗以及所述外壳和散热器之间的热阻抗。之后按照预设公式，计算得到所述待检测电力电子设备中IGBT的结温。最后，判断所述结温是否大于预设温度，如果是，则停止发送IGBT的驱动信号，所述IGBT停止工作。可见，本发明检测了IGBT结和外壳之间的热阻抗以及外壳和散热器之间热阻抗，相比于现有技术中通过检测散热器温度做IGBT模块的过温保护，检测结果更加准确，进而在IGBT过温时进行报警，避免了IGBT模块的烧毁。，下面是一种电力电子设备的热过载保护方法、装置及系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种电力电子设备的热过载保护方法，应用于电力电子设备，所述电力电子设备包括IGBT模块，所述IGBT模块包括并接的IGBT以及二极管，其特征在于，包括：
确定待检测电力电子设备中IGBT的耗损Pigbt和二极管的耗损Pdiode；
确定所述待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗Zigbt，所述热阻抗包括所述IGBT结和外壳之间的热阻抗Zjc-igbt以及所述外壳和散热器之间的热阻抗Zch；
检测所述散热器的当前温度Th；
根据所述待检测电力电子设备中IGBT的耗损Pigbt和二极管的耗损Pdiode、所述待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗Zigbt、所述散热器的当前温度Th，按照预设公式，计算得到所述待检测电力电子设备中IGBT的结温Tj-igbt；
判断所述结温Tj-igbt是否大于预设温度，如果是，则停止发送IGBT的驱动信号，所述IGBT停止工作。
2.根据权利要求1所述的电力电子设备的热过载保护方法，其特征在于，计算所述IGBT结温Tj-igbt的预设公式为：Tj-igbt=Th+（Pigbt+Pdiode）*Zch+Pigbt*Zjc-igbt。
3.根据权利要求1所述的电力电子设备的热过载保护方法，其特征在于，所述确定待检测电力电子设备中IGBT或二极管的耗损包括：
计算第一预设时间内，所述待检测电力电子设备中IGBT或二极管的平均耗损，所述平均耗损包括所述待检测电力电子设备中IGBT或二极管的导通耗损以及所述待检测电力电子设备中IGBT或二极管的开关耗损。
4.根据权利要求3所述的电力电子设备的热过载保护方法，其特征在于，所述待检测电力电子设备中IGBT的导通耗损为：
其中，Vce0为待检测
电力电子设备中IGBT的导通时发射极与集电极间的固定压降，ipeak为所述待检测电力电子设备中IGBT的最大电流，Rce0为待检测电力电子设备中IGBT在导通时发射极与集电极间的阻抗，m为调制比，为功率因数。
5.根据权利要求3所述的电力电子设备的热过载保护方法，其特征在于，所述待检测电力电子设备中IGBT的开关耗损为：其中，fsw为待检测
电力电子设备中IGBT的开关频率，Eon为待检测电力电子设备中IGBT导通时产生的损耗，Eoff为待检测电力电子设备中IGBT关断时产生的损耗，Inom为测试电流，Vdc为直流电压，Vnom为测试电压。
6.根据权利要求1所述的电力电子设备的热过载保护方法，其特征在于，所述确定待检测电力电子设备中IGBT或二极管的耗损包括：
计算所述待检测电力电子设备中IGBT或二极管在开关周期内的实时耗损，所述实时耗损包括待检测电力电子设备中IGBT或二极管的导通耗损以及待检测电力电子设备中IGBT或二极管的开关耗损。
7.根据权利要求6所述的电力电子设备的热过载保护方法，其特征在于，所述待检测电力电子设备中IGBT的导通耗损为：Pcond.igbt=（Vce0+Rce0i）*i*τ；其中，Vce0为待检测电力电子设备中IGBT的导通时发射极与集电极间的固定压降，Rce0为待检测电力电子设备中IGBT在导通时发射极与集电极间的阻抗，τ为外壳到散热器测试点热阻抗的时间常数。
8.根据权利要求6所述的电力电子设备的热过载保护方法，其特征在于，所述待检测电力电子设备中IGBT的开关耗损为：其中，fsw为待检测电
力电子设备中IGBT的开关频率，Eon为待检测电力电子设备中IGBT导通时产生的损耗，Eoff为待检测电力电子设备中IGBT关断时产生的损耗，Inom为测试电流，Vdc为直流电压，Vnom为测试电压。
9.一种电力电子设备的热过载保护装置，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于确定待检测电力电子设备中IGBT的耗损Pigbt和二极管的耗损Pdiode；
第二确定模块，用于确定所述待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗，所述热阻抗Zigbt包括所述IGBT结和外壳之间的热阻抗Zjc-igbt以及所述外壳和散热器之间的热阻抗Zch；
检测模块，用于检测所述散热器的当前温度Th；
处理模块，用于根据所述待检测电力电子设备中IGBT的耗损Pigbt和二极管的耗损Pdiode、所述待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗Zigbt、所述散热器的当前温度Th，按照预设公式，计算得到所述待检测电力电子设备中IGBT的结温Tj-igbt；
判断模块，用于判断所述结温是否大于预设温度，如果是，则停止发送IGBT的驱动信号，所述IGBT停止工作。
10.一种电力电子设备的热过载保护系统，其特征在于，包括电力电子设备以及如权利要求9所述的电力电子设备的热过载保护装置。

说明书全文

一种电力 电子设备的热过载保护方法、装置及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子技术领域，更具体的说，是涉及一种电力电子设备的热过载保护方法、装置及系统。

背景技术

[0002] 在电力电子装置中，IGBT模块已成为不可替代的功率开关器件，在工作过程中产生的热效应也是不可避免的。

[0003] 目前，IGBT模块的过热保护主要是通过热敏电阻采集IGBT模块的散热器温度，进而根据该温度实现过热保护。但发明人发现，由于不同材料的热特性不同，且IGBT模块的热响应速度较快，温度变化大，而散热器对热响应的速度慢、温度变化小，即散热器的温度并不能代表IGBT模块的实时温度。

[0004] 这样会导致在电力电子设备停机后启动瞬间，散热器温度较高、输出电流较大、输出频率较低，此时IGBT模块结温波动大，IGBT模块的实际结温很可能会超过额定值，而此时散热器温度并不等于IGBT模块的瞬时结温，使得测试结果不准确，甚至会导致IBGT模块烧毁或失效。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种电力电子设备的热过载保护方法，以克服现有技术中通过检测散热器温度代表IGBT的瞬时结温，测试结果不准确，导致IGBT模块烧毁的问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种电力电子设备的热过载保护方法，应用于电力电子设备，所述电力电子设备包括IGBT模块，所述IGBT模块包括并接的IGBT以及二极管，包括：

[0008] 确定待检测电力电子设备中IGBT的耗损Pigbt和二极管的耗损Pdiode；

[0009] 确定所述待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗Zigbt，所述热阻抗包括所述IGBT结和外壳之间的热阻抗Zjc-igbt以及所述外壳和散热器之间的热阻抗Zch；

[0010] 检测所述散热器的当前温度Th；

[0011] 根据所述待检测电力电子设备中IGBT的耗损Pigbt和二极管的耗损Pdiode、所述待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗Zigbt、所述散热器的当前温度Th，按照预设公式，计算得到所述待检测电力电子设备中IGBT的结温Tj-igbt；

[0012] 判断所述结温Tj-igbt是否大于预设温度，如果是，则停止发送IGBT的驱动信号，所述IGBT停止工作。

[0013] 优选的，计算所述IGBT结温Tj-igbt的预设公式为：Tj-igbt=Th+（Pigbt+Pdiode）*Zch+Pigbt*Zjc-igbt。

[0014] 优选的，所述确定待检测电力电子设备中IGBT或二极管的耗损包括：

[0015] 计算第一预设时间内，所述待检测电力电子设备中IGBT或二极管的平均耗损，所述平均耗损包括所述待检测电力电子设备中IGBT或二极管的导通耗损以及所述待检测电力电子设备中IGBT或二极管的开关耗损。

[0016] 优选的，所述待检测电力电子设备中IGBT的导通耗损为：其中，Vce0为待检测电力
电子设备中IGBT的导通时发射极与集电极间的固定压降，ipeak为所述待检测电力电子设备中IGBT的最大电流，Rce0为待检测电力电子设备中IGBT在导通时发射极与集电极间的阻抗，m为调制比，为功率因数。

[0017] 优选的，所述待检测电力电子设备中IGBT的开关耗损为：其中，fsw为待检测电力电子设备中IGBT的开关频率，Eon
为待检测电力电子设备中IGBT导通时产生的损耗，Eoff为待检测电力电子设备中IGBT关断时产生的损耗，Inom为测试电流，Vdc为直流电压，Vnom为测试电压。

[0018] 优选的，所述确定待检测电力电子设备中IGBT或二极管的耗损包括：

[0019] 计算所述待检测电力电子设备中IGBT或二极管在开关周期内的实时耗损，所述实时耗损包括待检测电力电子设备中IGBT或二极管的导通耗损以及待检测电力电子设备中IGBT或二极管的开关耗损。

[0020] 优选的，所述待检测电力电子设备中IGBT的导通耗损为：Pcond.igbt=（Vce0+Rce0i）*i*τ；其中，Vce0为待检测电力电子设备中IGBT的导通时发射极与集电极间的固定压降，Rce0为待检测电力电子设备中IGBT在导通时发射极与集电极间的阻抗，τ为外壳到散热器测试点热阻抗的时间常数。

[0021] 优选的，所述待检测电力电子设备中IGBT的开关耗损为：其中，fsw为待检测电力电子设备中IGBT的开关频率，Eon为
待检测电力电子设备中IGBT导通时产生的损耗，Eoff为待检测电力电子设备中IGBT关断时产生的损耗，Inom为测试电流，Vdc为直流电压，Vnom为测试电压。

[0022] 一种电力电子设备的热过载保护装置，包括：

[0023] 第一确定模块，用于确定待检测电力电子设备中IGBT的耗损Pigbt和二极管的耗损Pdiode；

[0024] 第二确定模块，用于确定所述待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗，所述热阻抗Zigbt包括所述IGBT结和外壳之间的热阻抗Zjc-igbt以及所述外壳和散热器之间的热阻抗Zch；

[0025] 检测模块，用于检测所述散热器的当前温度Th；

[0026] 处理模块，用于根据所述待检测电力电子设备中IGBT的耗损Pigbt和二极管的耗损Pdiode、所述待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗Zigbt、所述散热器的当前温度Th，按照预设公式，计算得到所述待检测电力电子设备中IGBT的结温Tj-igbt；

[0027] 判断模块，用于判断所述结温是否大于预设温度，如果是，则停止发送IGBT的驱动信号，所述IGBT停止工作。

[0028] 一种电力电子设备的热过载保护系统，包括电力电子设备以及上述的电力电子设备的热过载保护装置。

[0029] 经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种电力电子设备的热过载保护方法，通过确定待检测电力电子设备中IGBT的耗损、待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗以及检测散热器的当前温度，其中，热阻抗包括所述IGBT结和外壳之间的热阻抗以及所述外壳和散热器之间的热阻抗。之后按照预设公式，计算得到所述待检测电力电子设备中IGBT的结温。最后，判断所述结温是否大于预设温度，如果是，则停止发送IGBT的驱动信号，所述IGBT停止工作。可见，本发明检测了IGBT结和外壳之间的热阻抗以及外壳和散热器之间热阻抗，相比于现有技术中通过检测散热器温度做IGBT模块的过温保护，检测结果更加准确，进而在IGBT过温时进行报警，避免了IGBT模块的烧毁。附图说明

[0030] 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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

[0031] 图1为本发明提供的一种电力电子设备的热过载保护方法的流程图；

[0032] 图2为本发明提供的一种IGBT外壳到散热器的温升曲线；

[0033] 图3为本发明提供的一种电力电子设备的热过载保护装置的结构示意图。

具体实施方式

[0034] 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。

[0035] 请参阅附图1，为本发明提供的一种电力电子设备的热过载保护方法的流程图，该方法通过检测IGBT的结温以实现过载保护，包括下述步骤：

[0036] S101：确定待检测电力电子设备中IGBT的耗损Pigbt和二极管的耗损Pdiode。

[0037] 作为功率开关器件的IGBT模块通常是将IGBT芯片（以下简称为“IGBT”）和二极管一起封装，在使用时所述IGBT模块贴装于散热器上以散热。

[0038] S102：确定所述待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗Zigbt，所述热阻抗包括所述IGBT结和外壳之间的热阻抗Zjc-igbt以及所述外壳和散热器之间的热阻抗Zch。

[0039] 所述IGBT结指封装于IGBT模块内部的IGBT芯片，所述外壳指IGBT模块贴装于散热器时与散热器接触的基板。

[0040] S103：检测所述散热器的当前温度Th。

[0041] S104：根据所述待检测电力电子设备中IGBT的耗损Pigbt和二极管的耗损Pdiode、所述待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗Zigbt、所述散热器的当前温度Th，按照预设公式，计算得到所述待检测电力电子设备中IGBT的结温Tj-igbt。

[0042] S105：判断所述结温Tj-igbt是否大于预设温度，如果是，则停止发送IGBT的驱动信号，所述IGBT停止工作。

[0043] 可见，本发明检测了IGBT结和外壳之间的热阻抗以及外壳和散热器之间热阻抗，并且同时考虑了封装于IGBT模块中二极管发热对IGBT结温的影响，相比于现有技术中通过检测散热器温度做IGBT模块的过温保护，检测结果更加准确，进而在IGBT过温时进行报警，避免了IGBT模块的烧毁。

[0044] 在上述本发明提供的实施例的基础上，优选的，所述预设公式可以为：Tj-igbt=Th+（Pigbt+Pdiode）*Zch+Pigbt*Zjc-igbt。IGBT结温的计算公式为Tj=P*Z+Th，其中，Tj为待检测电力电子设备中IGBT的结温，P为待检测电力电子设备中IGBT的耗损，Z为待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗，Th为散热器的当前温度。

[0045] 如果直接采用上述方法获得IGBT结温，会使最终得到的IGBT的结温偏低。由于封装在IGBT模块中的二极管会在IGBT芯片不工作的时候导通而在IGBT芯片工作的时候关断，会产生一定的温升，会对IGBT芯片的温度产生一定的影响，因此只有同时考虑二极管对IGBT芯片的影响，最终得到的IGBT结温才是更接近其真实温度的，使电子设备的热过载保护更及时。综合考虑上述因素后，本发明采用了下述得到IGBT结温的方法：
Tj-igbt=Th+ΔTch+ΔTjc=Th+（Pigbt+Pdiode）*Zch+Pigbt*Zjc-igbt，其中ΔTch为外壳到散热器之间的温升，ΔTjc为IGBT结到外壳之间的温升。

[0046] 除此，本实施例还提供了两种确定待检测电力电子设备中IGBT和二极管耗损的具体实现方式。第一种为：计算第一预设时间内，所述待检测电力电子设备中IGBT和二极管的平均耗损，所述平均耗损包括所述待检测电力电子设备中IGBT和二极管的导通耗损以及所述待检测电力电子设备中IGBT和二极管的开关耗损。第二种为：计算所述待检测电力电子设备中IGBT和二极管在开关周期内的实时耗损，所述实时耗损包括待检测电力电子设备中IGBT和二极管的导通耗损以及待检测电力电子设备中IGBT和二极管的开关耗损。下面以电力电子设备中IGBT的耗损为例详述其计算方法，通过下述方法同样可以得到二极管的导通损耗Pcond.diode和二极管的恢复损耗Psw.diode。

[0047] 在第一种计算方式中，待检测电力电子设备中IGBT的导通耗损为：其中，Vce0为待检测电力
电子设备中IGBT的导通时发射极与集电极间的固定压降，ipeak为所述待检测电力电子设备中IGBT的最大电流，Rce0为待检测电力电子设备中IGBT在导通时发射极与集电极间的阻抗，m为调制比，为功率因数。

[0048] 所述待检测电力电子设备中IGBT的开关耗损为：其中，fsw为待检测电力电子设备中IGBT的开关频率，Eon
为待检测电力电子设备中IGBT导通时产生的损耗，Eoff为待检测电力电子设备中IGBT关断时产生的损耗，Inom为测试电流，Vdc为直流电压，Vnom为测试电压。

[0049] 在所述第二种检测方式中，所述待检测电力电子设备中IGBT的导通耗损为：Pcond.igbt=（Vce0+Rce0i）*i*τ；其中，Vce0为待检测电力电子设备中IGBT的导通时发射极与集电极间的固定压降。

[0050] 所述待检测电力电子设备中IGBT的开关耗损为：其中，fsw为待检测电力电子设备中IGBT的开关频率，Eon为待检测电力电子设备中IGBT导通时产生的损耗，Eoff为待检测电力电子设备中IGBT关断时产生的损耗，Inom为测试电流，Vdc为直流电压，Vnom为测试电压。

[0051] 除此，本实施例还提供了一种确定待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗的方式，具体为：根据IGBT的热阻抗曲线，可以得到热阻Rch和时间常数τ，这里需要说明的是，每个IGBT均有特定的热阻抗曲线，该热阻抗曲线一般为IGBT的厂商提供。则，待检测电力电子设备中IGBT的结和外壳之间的热阻抗的计算公式如下，下述公式中的参数R1、R2、R3、R4及t1、t2、t3、t4可以通过IGBT结壳热阻抗曲线得到：

[0052]

[0053] 待检测电力电子设备中IGBT的外壳与散热器之间的热阻抗为其中Rch为外壳到散热器之间的热阻，τ为外壳到散热器间热阻抗的时间常数，Rch及τ可根据热仿真计算得到。具体的，τ的计算过程为：根据IGBT外壳到散热器的温升曲线，如图2所示，利用电容充电原理可知，3τ要达到95%，从图2中可读取9.55s时正好达到稳定时的95%，因此τ=9.55/3=3.18s。

[0054] 从上述公式可以得出待检测电力电子设备中IGBT结和外壳之间的温升再根据具体单元的结构及风道设计，利用软件进行热仿真得到外壳到散热器测试点的温升曲线，利用该曲线计算出外壳到散热器间热阻Rch及时间常数τ，并得到外壳到散热器的温升
然后再根据以下公式:Tj-igbt=Th+ΔTch+ΔTjc=Th+（Pigbt+Pdiode）*Zch+Pigbt*Zjc-igbt，即可求出IGBT芯片实时结温。

[0055] 可见，本发明提供了一种电力电子设备的热过载保护方法，通过确定待检测电力电子设备中IGBT和二极管的耗损、待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗以及检测散热器的当前温度，其中，热阻抗包括所述IGBT结和外壳之间的热阻抗以及所述外壳和散热器之间的热阻抗。之后按照预设公式，计算得到所述待检测电力电子设备中IGBT的结温。最后，判断所述结温是否大于预设温度，如果是，则停止发送IGBT的驱动信号，所述IGBT停止工作。本发明检测了IGBT结和外壳之间的热阻抗以及外壳和散热器之间热阻抗，并且同时考虑了封装于IGBT模块中二极管发热对IGBT结温的影响，相比于现有技术中通过检测散热器温度做IGBT模块的过温保护，检测结果更加准确，进而在IGBT过温时进行报警，避免了IGBT模块的烧毁。

[0056] 上述本发明提供的实施例中详细描述了方法，对于本发明的方法可采用多种形式的装置实现，因此本发明还提供了一种装置，下面给出具体的实施例进行详细说明。

[0057] 请参阅图3，为本发明提供的一种电力电子设备的热过载保护装置的结构示意图，包括：

[0058] 第一确定模块101，用于确定待检测电力电子设备中IGBT的耗损Pigbt和二极管的耗损Pdiode。

[0059] 第二确定模块102，用于确定所述待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗Zigbt，所述热阻抗包括所述IGBT结和外壳之间的热阻抗Zjc-igbt以及所述外壳和散热器之间的热阻抗Zch。

[0060] 检测模块103，用于检测所述散热器的当前温度Th。

[0061] 处理模块104，用于根据所述IGBT的耗损Pigbt和二极管的耗损Pdiode、所述待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗Zigbt、所述散热器的当前温度Th，按照预设公式，计算得到所述待检测电力电子设备中IGBT的结温Tj-igbt。

[0062] 判断模块105，用于判断所述结温是否大于预设温度，如果是，则停止发送IGBT的驱动信号，所述IGBT停止工作。

[0063] 需要说明的是，本电力电子设备的热过载保护装置的工作原理参见方法实施例，再次不重复叙述。

[0064] 除此，本实施例还提供了一种IGBT温度检测系统，包括上述的电力电子设备的热过载保护装置。

[0065] 综上所述：本发明提供了一种电力电子设备的热过载保护方法，通过确定待检测电力电子设备中IGBT和二极管的瞬态耗损、待检测电力电子设备中IGBT的热阻抗以及检测散热器的当前温度，其中，热阻抗包括所述IGBT结和外壳之间的热阻抗以及所述外壳和散热器之间的热阻抗。之后按照预设公式，计算得到所述待检测电力电子设备中IGBT的结温。最后，判断所述结温是否大于预设温度，如果是，则停止发送IGBT的驱动信号，所述IGBT停止工作。可见，本发明检测了IGBT结和外壳之间的热阻抗以及外壳和散热器之间热阻抗，并且同时考虑了封装于IGBT模块中二极管发热对IGBT结温的影响，相比于现有技术中通过检测散热器温度做IGBT模块的过温保护，检测结果更加准确，进而在IGBT过温时进行报警，避免了IGBT模块的烧毁。

[0066] 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。对于实施例提供的装置而言，由于其与实施例提供的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

[0067] 对所提供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的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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提供的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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