趙 品 ，于維平 ，蔣廣杰

（1.東方電子集團(tuán)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000；2.東方電子股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

電子元器件都有其工作溫度的上限，任何設(shè)計(jì)精良的電子設(shè)備在長(zhǎng)期過(guò)熱及不均勻熱應(yīng)力的情況下都會(huì)發(fā)生故障或失效［1-2］。電子器件的溫度每升高10℃，其可靠性就會(huì)降低50%［2-3］。目前，國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的大容量靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）散熱系統(tǒng)大多數(shù)采用風(fēng)冷循環(huán)，只有少數(shù)大容量裝置使用水冷循環(huán)系統(tǒng)［4-5］。風(fēng)冷循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)道對(duì)鏈節(jié)單元中的電力電子器件進(jìn)行降溫［6-7］。IGBT是STATCOM裝置的核心電力電子器件，其PN結(jié)工作溫度的上限一般是175℃，IGBT溫度過(guò)高后，PN結(jié)極易損壞，對(duì)裝置造成嚴(yán)重故障［8-10］。如何設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，使IGBT工作在適宜溫度且實(shí)現(xiàn)裝置的高性價(jià)比成為STATCOM裝置的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)之一［11-12］。

傳統(tǒng)的風(fēng)冷循環(huán)控制系統(tǒng)包括自動(dòng)控制和手動(dòng)控制2種模式［13］。自動(dòng)控制模式中，當(dāng)裝置檢測(cè)IGBT溫度超過(guò)設(shè)定閾值，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)；當(dāng)裝置檢測(cè)IGBT溫度低于設(shè)定閾值，風(fēng)機(jī)停止。手動(dòng)控制模式中，風(fēng)機(jī)一直工作在啟動(dòng)狀態(tài)［14-15］。由于風(fēng)機(jī)功率選擇大都是按鏈節(jié)單元最大功耗進(jìn)行設(shè)計(jì)的，傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)控制模式使風(fēng)機(jī)工作在停止和最大功率2種工作狀態(tài)，風(fēng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)不僅帶來(lái)較大的噪音，造成能源的浪費(fèi)［15］，還造成IGBT工作環(huán)境溫度波動(dòng)較大，縮短器件的使用壽命，極易出現(xiàn)設(shè)備故障［9］。

設(shè)計(jì)冷卻循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，主要由風(fēng)機(jī)、變頻器、溫度檢測(cè)單元和控制器構(gòu)成。溫度檢測(cè)單元安裝在鏈節(jié)單元中，用于IGBT溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過(guò)光纖上傳到控制器，控制器接收到溫度信號(hào)后，經(jīng)過(guò)計(jì)算直接控制變頻器的輸出頻率，從而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到對(duì)IGBT溫度的直接控制。

圖1 冷卻循環(huán)系統(tǒng)

1 鏈接單元結(jié)構(gòu)

冷卻循環(huán)系統(tǒng)鏈節(jié)單元結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊主要由A/D轉(zhuǎn)換模塊、溫度計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)編碼模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)溫度等其他模擬信號(hào)的采集、編碼并通過(guò)光纖上傳數(shù)據(jù)到控制器單元中。

1.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)IGBT內(nèi)部熱敏電阻阻值的采集，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。其中，通過(guò)電阻分壓電路，實(shí)現(xiàn)電阻電壓的轉(zhuǎn)換，通過(guò)AD7896采樣芯片實(shí)現(xiàn)電壓的采集。

1.2 溫度計(jì)算

由于采集到的信號(hào)是電壓信號(hào)，IGBT熱敏電阻呈現(xiàn)非線性，需要通過(guò)計(jì)算將電壓信號(hào)還原成溫度量。其中，熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系為

式中：T為當(dāng)前IGBT內(nèi)核溫度，℃；R25為熱敏電阻25℃時(shí)的基準(zhǔn)值，此處R25=5 kΩ；Rntc為當(dāng)前熱敏電阻的電阻值，Ω；B為熱敏電阻的材料常數(shù)，為一變參數(shù)，如表1所示；K25為25℃對(duì)應(yīng)的開(kāi)爾文溫度值，K25=298.15，K。

表1 變參數(shù)B與Rntc的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖2可知，AD采樣得到的電壓值為

式中：R77＝4.7 kΩ。

由式（1）和式（2）可得

1.3 數(shù)據(jù)編碼

由于信號(hào)通過(guò)光纖串行傳輸?shù)娇刂破?，考慮到鏈節(jié)單元需要傳輸多種數(shù)據(jù)，故對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編碼進(jìn)行傳輸。

其中，bit15～bit12為功能碼，bit11～bit0為數(shù)據(jù)區(qū)。具體信息如表2所示。

圖2 熱敏電阻端壓值采集電路

表2 數(shù)據(jù)編碼詳細(xì)列表

由表2可知，當(dāng)功能碼為0001時(shí)，此時(shí)數(shù)據(jù)代表溫度信號(hào)值，為增加溫度信號(hào)的精確度，此處傳遞的信號(hào)擴(kuò)大了10倍。

2 控制器風(fēng)速控制策略

2.1 控制器控制策略

控制器控制結(jié)構(gòu)與策略分別如圖1（b）和圖3所示。通過(guò)光纖接收鏈節(jié)單元IGBT溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算N個(gè)鏈節(jié)單元中IGBT溫度的平均值Tave并記錄鏈節(jié)IGBT溫度最大值Tmax和單元序號(hào)。當(dāng)Tmax與Tave的差值大于設(shè)定值Toff時(shí)，認(rèn)為此鏈節(jié)單元散熱部分出現(xiàn)異常，發(fā)出鏈節(jié)散熱故障信號(hào)?？刂破鞲鶕?jù)IGBT溫度計(jì)算風(fēng)速，從而計(jì)算出變頻器頻率值FHz。當(dāng)FHz超過(guò)頻率設(shè)定值Fset1時(shí)，發(fā)出清潔風(fēng)道信號(hào)，提醒用戶及時(shí)清洗風(fēng)道。當(dāng)FHz超過(guò)頻率設(shè)定值Fset2時(shí)，發(fā)出冷卻循環(huán)系統(tǒng)異常故障信號(hào)，提醒用戶冷卻循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)異常。

圖3 控制策略流程

2.2 變頻器頻率計(jì)算

鏈節(jié)單元IGBT溫度和多種因素都有關(guān)系，例如散熱片尺寸，風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口面積，風(fēng)機(jī)風(fēng)量等。不考慮IGBT本身和固定因素的影響，風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q可以用公式（4）來(lái)表示。

式中：Q為所需風(fēng)量，m3/h；v為鏈節(jié)單元散熱器出風(fēng)口最低風(fēng)速，m/s；s為鏈節(jié)單元散熱器截面積，m2；n為鏈節(jié)單元個(gè)數(shù)；k為風(fēng)道風(fēng)阻系數(shù)，一般取值為1.05～1.15。由于鏈節(jié)單元個(gè)數(shù)和鏈節(jié)單元散熱器截面積s已知（與硬件配置有關(guān)，可直接測(cè)量），IGBT散熱效果和鏈節(jié)單元散熱器出風(fēng)口風(fēng)速有直接關(guān)系。設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)備輸出最大容量時(shí)的功耗。通過(guò)式（4）可以得到風(fēng)機(jī)風(fēng)量。在理想情況下，風(fēng)機(jī)風(fēng)量正比于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，正比于變頻器輸出頻率，可以設(shè)計(jì)PI控制器，如圖4所示，計(jì)算得到變頻器輸出頻率FHz。

圖4 變頻器頻率控制器

3 數(shù)據(jù)對(duì)比

為了驗(yàn)證方案的有效性，在鏈節(jié)單元對(duì)沖試驗(yàn)時(shí)對(duì)方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)裝置如圖5所示。方案Ⅰ：風(fēng)機(jī)工作在自動(dòng)控制模式，當(dāng)IGBT溫度高于50℃時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)（風(fēng)機(jī)最低運(yùn)行時(shí)間為5 min），IGBT溫度低于45℃時(shí)，風(fēng)機(jī)停止，風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率固定在50 Hz。方案Ⅱ：采用本文設(shè)計(jì)的控制方案，控制IGBT溫度為50℃，風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率在［0～60 Hz］連續(xù)可調(diào)。在各個(gè)輸出容量下，記錄風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后連續(xù)工作2 h的數(shù)據(jù)。通過(guò)表3數(shù)據(jù)對(duì)比可知，由于方案Ⅰ風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定，IGBT溫度區(qū)間范圍較大。當(dāng)輸出容量小時(shí)，風(fēng)機(jī)啟停頻繁，噪音較大，此時(shí)，IGBT損耗較小，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)散熱通道對(duì)鏈節(jié)單元降溫，單元溫度會(huì)快速降低，IGBT溫度會(huì)很快得到控制；當(dāng)輸出容量大時(shí)，IGBT損耗增大，風(fēng)機(jī)短時(shí)啟動(dòng)不能快速降低IGBT溫度，風(fēng)機(jī)會(huì)一直運(yùn)行，IGBT溫度會(huì)慢慢升高，直到IGBT損耗和裝置散熱均衡，IGBT溫度穩(wěn)定在一個(gè)較高的溫度，會(huì)降低IGBT運(yùn)行的可靠性。由于方案Ⅱ風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，方案Ⅱ的IGBT溫度區(qū)間較小。當(dāng)輸出容量小時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，噪音較??；當(dāng)輸出容量大時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增高，IGBT溫度基本保持不變。

表3 冷卻方案不同，輸出不同容量時(shí)，數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5 STATCOM裝置和對(duì)沖試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)STATCOM風(fēng)冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)采取IGBT單元內(nèi)部熱敏電阻值計(jì)算IGBT溫度，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到對(duì)IGBT單元溫度的直接控制，確保IGBT工作在最佳溫度狀態(tài)；變頻器的引入避免了風(fēng)機(jī)的頻繁啟停，提高了風(fēng)機(jī)使用壽命，降低了裝置噪音。該冷卻循環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)在STATCOM上應(yīng)用，有效地降低了IGBT過(guò)溫引起的設(shè)備故障，對(duì)裝置風(fēng)道維護(hù)起到了一定的指導(dǎo)作用，對(duì)于風(fēng)冷循環(huán)設(shè)備有較高的參考價(jià)值。