周仕平，陳權(quán)，王群京，何玉清，宋敏

（1.安徽大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，合肥230601；2.高節(jié)能電機及控制技術(shù)國家地方聯(lián)合實驗室（安徽大學(xué)），合肥230601；3.教育部電能質(zhì)量工程研究中心（安徽大學(xué)），合肥230601）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)發(fā)展速度的加快，無論作為供電方的電網(wǎng)還是作為用電方的用戶，對于電能在傳輸過程中的可靠性和質(zhì)量要求越來越高［1］。電能作為消費產(chǎn)品來看，它的質(zhì)量的好壞（電能質(zhì)量）評價標準應(yīng)該從客戶體驗來看，用電側(cè)的感受直接關(guān)乎著電能質(zhì)量的高低［2］。眾所周知，影響電能質(zhì)量的因素包含多個方面，如電壓暫降、閃變，三相不平衡等等。近些年，隨著新能源并網(wǎng)的快速發(fā)展，對電能質(zhì)量要求也越來越高，因此作為在電能傳輸過程中起著重要作用的電力電子器件，日益凸顯著它的研究價值。

在電力電子器件諸多方面的研究中，開關(guān)器件的損耗越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。開關(guān)器件的功率損耗與結(jié)溫呈正相關(guān)，測量和控制逆變器的結(jié)溫，不但對逆變器的安全穩(wěn)定運行有著重大的意義，還能對提高電能質(zhì)量有著很大作用。

對于逆變器中功率開關(guān)器件結(jié)溫的測量，傳統(tǒng)的方法主要是通過紅外熱成像儀等專用的設(shè)備來測量。文獻［3-4］中采用了基于 AT89C51和MLX90614的一種紅外測溫方式，缺點是這種MCU是8位的內(nèi)核，相對來說處理速度比較慢，由于不能同時驅(qū)動多路傳感器的缺點而不能同時采集溫度；文獻［5］采用紅外熱成像儀來測量結(jié)溫，缺點是設(shè)備成本較高，而且實時性差；文獻［6-7］提出一種基于STM32與DS18B20傳感器的測量方式，缺點是接觸式測溫，不能很好地保護被測目標的溫度場，而且沒有設(shè)計上位機，不能直觀明了的顯示目標實時溫度。

論文中設(shè)計了一種基于AVR32和MLX90614的無線紅外測溫裝置，與逆變器中功率開關(guān)器件結(jié)溫測量相結(jié)合，編寫Labview程序作為上位機軟件，搭建實驗平臺測量開關(guān)器件結(jié)溫。

1 NPC三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。每相橋臂在工作時可以輸出Ed／2、0、-Ed／2三種電平。論文中用 1、0、-1與三種開關(guān)狀態(tài)分別對應(yīng)。以A相為例，NPC三電平逆變器中在一個周期內(nèi)有四種工作狀態(tài)，分別對應(yīng) I、II、III、IV四個區(qū)域，如圖2所示。

圖1 NPC三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of three-level NPC inerter

圖2 開關(guān)器件電壓電流關(guān)系圖Fig.2 Relationship diagram between voltage and current of switch components

在區(qū)域I內(nèi)，調(diào)制電壓u＞0，負載電流i＞0，橋臂輸出狀態(tài)在1和0之間切換；在區(qū)域II內(nèi)，調(diào)制電壓u＜0，負載電流i＞0，橋臂輸出狀態(tài)在0和-1之間切換；在區(qū)域III內(nèi)，調(diào)制電壓u＜0，負載電流i＜0，橋臂輸出狀態(tài)在0和-1之間切換；在區(qū)域IV內(nèi)，調(diào)制電壓u＞0，負載電流i＜0，橋臂輸出狀態(tài)在0和1之間切換。

2 損耗的分析

IGBT和FRD為如今逆變器中常用的開關(guān)功率器件。根據(jù)逆變器工作狀態(tài)，IGBT損耗主要為通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。

2.1 通態(tài)損耗

由圖2可得開關(guān)器件導(dǎo)通波形的占空比如表1所示。

表1 開關(guān)器件導(dǎo)通占空比Tab.1 Duty cycle of switching components

EVal為功率管Val導(dǎo)通時的能量損耗，表達式為：

式中RVal＝（VCEN-VCEO）／ICN；ICN為IGBT額定集電極電流；VCEN為在ICN下的集-射極電壓；VCEO為集-射極電壓飽和值；Tc為載波周期。

將DP2代入式（1）可得通態(tài)損耗PVal為：同理可得出 Va2、VDa3（VDa4）和 VDa5的通態(tài)損耗表達式為：

2.2 開關(guān)損耗

IGBT在開通和關(guān)斷時都會產(chǎn)生開關(guān)損耗。能量損耗可通過函數(shù)關(guān)系進行修正，因此IGBT的開關(guān)損耗計算如下：

式中Xsw，va（X＝A、B、C）是二次擬合系數(shù)；Dsw，Va為測試電壓Ubase的修正系數(shù)；Uce為器件實際承受電壓；Ksw，Va為測試結(jié)溫Tbase的修正系數(shù)；Tvj，va為 IGBT的結(jié)溫；I為流過IGBT的瞬時電流值。

一個開關(guān)周期內(nèi)，IGBT的平均開關(guān)損耗為：

二極管的反向恢復(fù)損耗計算如下：

式中Xrec，VDa（X＝A、B、C）為二次擬合系數(shù)；Drec，VDa為測試電壓Ubase的修正系數(shù)；Uce為器件實際承受電壓；Krec，VDa為測試結(jié)溫Tbase的修正系數(shù)；Tvj，VDa為IGBT的結(jié)溫；I為流過二極管的瞬時電流值。

二極管在一個開關(guān)周期內(nèi)的反向恢復(fù)損耗平均值可表達為：

2.3 結(jié)溫計算

文獻［8-10］研究了器件的損耗及散熱，但由于結(jié)溫與損耗的相互影響，在損耗的計算中必須考慮結(jié)溫的計算。功率器件的損耗和IGBT模塊可以等效為如圖3的等效電路，根據(jù)此等效電路可以計算出各自的結(jié)溫。圖3中，RVa為IGBT損耗；PVDa為集成二極管損耗；Rth，Va、Rth，VDa分別為 IGBT與二極管到基板的等效熱阻；Rth3為散熱器與環(huán)境之間的等效熱阻；Rth2、Rth1為基板到散熱器和基板到環(huán)境的等效熱阻，其中由于Rth1阻值大小遠大于Rth2、Rth3，其值可忽略不計。Vvj，Va、Vvj，VDa分別表示 IGBT和二極管結(jié)溫；Tc、Th、Ta分別為基板溫度，散熱器溫度和環(huán)境溫度。

根據(jù)熱阻等效電路可得各自的結(jié)溫表達式：

圖3 熱阻等效電路Fig.3 Thermal resistance equivalent circuit

3 結(jié)溫采集系統(tǒng)設(shè)計

Labview不同于市場上常見的C／C++編程軟件。它使用G語言來編程，使使用界面更加直觀形象而且內(nèi)置了各種功能函數(shù)和協(xié)議，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)測控領(lǐng)域。

AT32UC3A0512利用Flash新技術(shù)，CPU工作頻率最高可達66 MHz；在3.3 V電壓下，工作電流約40 mA，待機電流則僅為30μA［11］。

MLX90614是一款紅外非接觸溫度計，測量的物體溫度范圍為-70℃～382.2℃，溫度分辨率0.01℃，環(huán)境溫度范圍是-40℃～125℃，具有較廣的測量范圍和良好的測量精度［12］。

所設(shè)計的下位機采用AVR32單片機驅(qū)動四路MLX90614紅外溫度傳感器，實時采集單相NPC逆變器的四個開關(guān)器件的結(jié)溫，將采集到的溫度數(shù)據(jù)處理運算后通過串口發(fā)送到上位機顯示。

3.1 下位機系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)由上位機和下位機組成，其中上位機部分主要是計算機和上位機軟件，下位機部分由下位機硬件和軟件構(gòu)成，下位機硬件電路主要由：USB供電電路、晶振電路、復(fù)位電路、液晶顯示電路、傳感器驅(qū)動電路、串口通信電路以及主電路組成，部分硬件原理圖如圖4所示。

圖4 下位機硬件原理圖Fig.4 Hardware schematic diagram of lower PC system

其中，USB供電電路是通過電腦USB接口引出5 V直流電源，對主電路控制芯片和四個傳感器供電，驅(qū)動硬件部分工作。傳感器電路中，每個傳感器除了5 V供電和接地之外，還有兩個引腳同單片機引腳連接，通過二線制的SMBUS協(xié)議同單片機通信。液晶顯示模塊電路的作用是驅(qū)動OLED顯示模塊，顯示相關(guān)信息。單片機的電平為TTL電平，TTL輸出大于2.4 V時為高電平，小于0.4 V時為低電平，而計算機上通常采用RS-232接口，采用負邏輯電平，-15 V～-3 V表示邏輯1，+15 V～+3 V表示邏輯0，串口通信電路的作用是通過MAX232芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，連接PC端和下位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。

下位機的軟件程序采用C語言編寫，包括傳感器驅(qū)動函數(shù)，顯示函數(shù)和串口通信函數(shù)。主要功能是驅(qū)動四個MLX90614溫度傳感器，采集溫度，將采集到的溫度值實時顯示在OLED顯示屏上，同時將數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送到上位機。程序框圖如圖5所示。

圖5 下位機軟件流程圖Fig.5 Software flowchart of the lower PC system

3.2 上位機系統(tǒng)設(shè)計

Labview串口通信是通過調(diào)用VISA中的串口通訊函數(shù)來實現(xiàn)。通過配置VISA中的函數(shù)，即可實現(xiàn)Labview軟件與下位機的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送處理。

程序框圖整體是一個順序結(jié)構(gòu)。程序分為三個部分，其中第一部分的作用是串口的初始化：設(shè)置串口號，設(shè)置波特率，數(shù)據(jù)位和校檢位，清空緩沖區(qū)。程序執(zhí)行完這部分后，進入第二部分。程序的第二部分是一個while循環(huán)，這個循環(huán)函數(shù)的作用是對緩沖區(qū)接收到的字符串進行索引處理，找到對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行后續(xù)的運算處理得到實際的每個傳感器對應(yīng)的溫度測量值，并將溫度測量值送入顯示控件中顯示，同時將實際得到的溫度值同設(shè)置的報警溫度值比較，當溫度值超過報警值的時候，報警指示燈點亮。程序的最后一部分是關(guān)閉串口，退出程序。上位機的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 上位機軟件流程圖Fig.6 Software flowchart of the upper PC system

4 仿真

本文在 MATLAB／Simulink仿真環(huán)境下搭建了NPC三電平逆變器仿真模型，仿真參數(shù)：直流電壓為200 V，濾波電容為1 000μF，輸出頻率為50 Hz，三相負載為電阻10Ω、電感40 mH。圖7為測得的A相所有功率器件的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，其中，綠色表示開關(guān)損耗，紅色表示導(dǎo)通損耗。

圖7 A相開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗Fig.7 Switch losses and conduct losses of phase A

根據(jù)公式（12）可計算功率器件的暫態(tài)溫升，如圖8所示。

5 實驗與分析

為了驗證文中所設(shè)計的結(jié)溫采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集逆變器中開關(guān)器件的結(jié)溫，根據(jù)圖1拓撲結(jié)構(gòu)搭建NPC三電平逆變器系統(tǒng)進行實驗，使用結(jié)溫采集系統(tǒng)和傳統(tǒng)的紅外熱成像儀分別獲取逆變器結(jié)溫。實驗所用NPC三電平逆變器實驗系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

圖8 功率器件的暫態(tài)溫升Fig.8 Transient temperature rise of power components

表2 逆變器實驗參數(shù)Tab.2 Parameters of experimental in inverter

紅外熱成像儀測量結(jié)果如圖9（a）所示，圖9（b）為結(jié)溫采集系統(tǒng)下位機液晶顯示屏顯示的溫度。

圖9 兩種測量方式結(jié)果對比Fig.9 Comparison of the two measuring methods

上位機Labview實時界面如圖10所示，四個儀表分別對應(yīng)四個傳感器，示波器圖標實時顯示單相三電平NPC逆變器四個IGBT模塊的結(jié)溫。由圖可知，上位機界面能實時的顯示結(jié)溫，顯示值同下位機液晶顯示模塊的顯示值一致，具有良好的實時性。

圖10 上位機軟件實時界面Fig.10 Real-time interface of the upper PC software

由兩種測量方式的結(jié)果對比可知，紅外熱成像儀每次只能測量出一個部位的溫度，精度只能精確到十分位。而論文中提出的基于Labview與AVR32的逆變器開關(guān)器件結(jié)溫采集系統(tǒng)，可以同時采集NPC三電平逆變器的四路IGBT實時結(jié)溫并顯示在上位機界面上，而且精度可以達到百分位，總體的價格只有紅外熱成像儀的15%～20%，性價比更高。

6 結(jié)束語

為了提高電網(wǎng)電能的供電質(zhì)量，論文分析了在其中起著重要作用的電力電子器件，在搭建三電平NPC逆變器平臺的基礎(chǔ)上，分析它的功率損耗與結(jié)溫之間的聯(lián)系，設(shè)計了一種基于Labview與AVR32單片機的紅外結(jié)溫度采集裝置，搭建了實驗平臺，對開關(guān)器件的結(jié)溫進行測量。對比了傳統(tǒng)紅外熱熱像儀測量結(jié)果和本文設(shè)計的采集裝置的測量結(jié)果，實驗證明，本文設(shè)計的采集系統(tǒng)精度高、反應(yīng)快、實時性好、性價比高，有很強的實用價值。