王蓓蓓 ，張良 ，武丹 ，董亮，張加林

(1.中電普瑞電力工程有限公司，北京 102200；2.北京市直流輸配電工程技術研究中心，北京 102200)

0 引言

常見的IGBT 結溫的采集方法主要有熱傳感器測量法、紅外探測法、電參數(shù)間接測量法、電—熱耦合仿真分析法等[7]。但熱傳感器測量法屬于接觸式，響應速度慢，不能實時測溫；紅外探測法屬于非接觸式，可以實時測量溫度，但所需要的測量設備較為昂貴，芯片發(fā)射率的修正方法較為復雜[8]；電參數(shù)法可以實現(xiàn)溫度的實時測量，但屬于對IGBT 溫度等效參數(shù)的粗略估算，精確度不高[9]；電—熱耦合仿真分析法是基于IGBT 模塊的電模型和熱模型建立起來的，但該種方法在仿真中較為適用，在實際工程中，不能實現(xiàn)對溫度的實時測量[10]。

文獻[11]提出了一種利用光纖傳感器實測結溫的熱阻測量法，但該種方法需要將光纖探頭植入IGBT 模塊內部，這對工藝要求較高，并不實用。文獻[12-13]在考慮IGBT 結溫、導通壓降、導通電流相互影響的基礎上，對其V-I 特性曲線進行擬合，從而將IGBT 等效為符合歐姆定律的電阻模型來對溫度進行監(jiān)測，但該種方法需要考慮因素較多，計算較為復雜。

本文提出了一種采用IGBT 模塊內部自帶的負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)來進行溫度實時在線監(jiān)測的技術，從而實現(xiàn)IGBT 結溫的實時顯示。先對NTC 熱敏電阻的溫度特性進行曲線擬合，得出NTC 等效電阻與溫度的關系表達式；然后對溫度實時在線監(jiān)測技術的原理進行詳細介紹，將NTC 等效電阻轉化為頻率信號，并計算出頻率與溫度的關系表達式；然后針對上傳給邏輯處理芯片(CPLD)的頻率信號給出邏輯處理的程序流程；最后搭建溫度實時在線監(jiān)測技術的工程樣機，配合電力電子裝置的功率運行試驗，對不同溫度下的頻率值進行測量，驗證該技術的有效性。

1 NTC 熱敏電阻

負溫度系數(shù)熱敏電阻(Negative Temperature Coefficient，NTC)是一種隨溫度升高電阻值下降的敏感元器件，具有溫度測量、溫度控制和溫度補償?shù)墓δ躘14]。目前市面上成熟的IGBT 模塊內部均封裝有NTC 熱敏電阻，該電路與IGBT 模塊的其他電氣部分絕緣。因此可以使用該電阻的溫度特性來監(jiān)測IGBT 的結溫。

依據(jù)IGBT 制造廠商所給出的不同溫度下對應的NTC 等效電阻值，可以繪制出NTC 等效電阻對溫度的特性曲線，如圖1 所示，其中，溫度取20 ℃～125 ℃范圍。

圖1 NTC 等效電阻與溫度特性曲線

圖1 中，實線為供應商給定的NTC 等效電阻值，利用最小二乘法，對該曲線進行擬合[15]，得出NTC 等效電阻與溫度的邏輯表達式，如式(1)所示：

式中，RT為NTC 的等效電阻，單位為kΩ；T 為溫度，單位為℃。

其次，基礎設施建設具有初期資金需求量大、建設周期冗長等特點，這決定了亞投行成立之初就面臨巨大的融資壓力，要回應如何引入大體量資金的問題。因此，亞投行必須引進公私伙伴關系模式（PPP），通過公私合作，引入大量私有資金彌補缺口。2017年亞投行投資運營局局長潘于恩明確表示，亞投行引入PPP模式。為了促進PPP模式發(fā)展，應當充分利用亞投行平臺，推出豐富的融資項目和產品，讓私人資本有多種選擇；亞投行還應當推進基礎設施資產證券化，為私人小額資本參與基礎設施建設提供渠道。

圖1 中，短劃線為根據(jù)式(1)繪制出的NTC 等效電阻與溫度的特性曲線，可以看出，在溫度小于30 ℃時，擬合曲線的準確度不高，但大于30 ℃時，擬合曲線的準確度較高，可以利用式(1)進行后續(xù)溫度實時在線監(jiān)測的相關計算。

2 溫度實時在線監(jiān)測技術

在電力電子裝置進行大功率運行試驗時，為避免電磁干擾對溫度信號的影響，需要將NTC 等效電阻所表示的溫度信號通過溫度實時在線監(jiān)測技術轉換為頻率信號，從而實現(xiàn)信號的隔離以及遠距離傳送等功能[16]，保證溫度信號傳輸?shù)臏蚀_性。

2.1 實時在線監(jiān)測技術

溫度實時在線監(jiān)測技術主要包含5 部分功能電路：電阻分壓電路、濾波電路、壓頻變換電路、光纖發(fā)送接收電路、邏輯處理電路，功能框圖如圖2 所示。

圖2 溫度實時在線監(jiān)測技術的功能電路框圖

其中，電阻分壓電路通過采用電壓源、固定電阻與NTC 熱敏電阻串聯(lián)，將其轉換為電平信號；濾波電路采用阻容RC 低通濾波器，對上一級的電平信號進行濾波；壓頻變換電路主要采用LM331 壓頻變換芯片來實現(xiàn)，將電平信號轉化為頻率信號；光纖發(fā)送接收電路將頻率信號進行隔離、遠距離傳輸后，傳至邏輯處理電路；邏輯處理電路采用CPLD 芯片，對接收到的頻率信號進行邏輯控制處理，轉換為溫度信號，上傳至上位機，實現(xiàn)溫度的實時顯示。

圖3 是以LM331 芯片為主的壓頻變換電路，輸入電壓Vin為NTC 等效電阻經過分壓電路后的電壓值，經過RC 濾波后進入到LM331 芯片的輸入引腳，配合外圍的Rt與Ct、RL與CL的諧振電路，便可實現(xiàn)引腳3 的頻率信號輸出。

圖3 壓頻變換電路示意圖

參照LM331 的數(shù)據(jù)手冊，得出輸出頻率fout與輸入電壓Vin之間的關系表達式，如式(2)所示。

式中，Vin為壓頻變換的輸入電壓值，單位為V；Rs、RL、Rt為LM331 外圍電路的諧振電阻，單位為Ω；Ct為LM331外圍電路的諧振電容，單位為pF。

2.2 頻率-溫度曲線擬合

結合式(1)、式(2)以及分壓電路的比例，參照圖3 電路中的參數(shù)，可以計算出不同溫度下的頻率值，繪制出頻率—溫度曲線，如圖4 所示。

圖4 頻率-溫度特性曲線

其中，實線為根據(jù)實際數(shù)據(jù)計算出的頻率-溫度特性曲線。對該曲線進行擬合，可以得出表達式如式(3)所示。

圖4 中短劃線為依據(jù)式(3)所繪制出的，可以看出，在小于110 ℃的溫度下，用式(3)來表示頻率-溫度特性曲線準確度較高。

2.3 邏輯控制流程

采用邏輯處理芯片CPLD 對接收到的頻率信號進行計數(shù)、平均值計算、溫度值計算以及數(shù)值超范圍報錯處理，具體程序實現(xiàn)流程如圖5 所示。

圖5 溫度顯示邏輯控制流程圖

在CPLD 接收到頻率信號進行消抖處理后，邏輯控制流程啟動，先在1 s 的時間內對頻率信號的上升沿進行計數(shù)，便可得到頻率值，同時對該數(shù)值是否溢出進行判斷，當溢出時，直接報故障上傳，當無溢出后，進行4個數(shù)據(jù)的平均處理，再依據(jù)式(3)將所得的頻率值折算成對應的溫度值。結合實際應用場合的環(huán)境溫度、IGBT的安全裕度以及頻率溫度曲線的準確率等因素，上傳至上位機的數(shù)據(jù)僅顯示20 ℃～110 ℃的溫度范圍。因此在程序中需要對折算后的溫度值進行超范圍報錯判斷，當溫度值大于110 ℃時，上位機顯示溫度值為110 ℃并報錯；當小于20 ℃時，上位機顯示溫度值為20 ℃并報錯。

3 試驗驗證

搭建溫度實時在線監(jiān)測技術的工程樣機試驗平臺，編寫相應的邏輯控制程序，并配合電力電子裝置的功率試驗，觀測不同功率條件下所顯示的實時溫度，測量其對應的頻率值，來驗證該溫度實時在線監(jiān)測技術的有效性。

3.1 室溫下的頻率波形

搭建好工程樣機試驗平臺后，在電力電子裝置不上主電的情況下，測試室溫時上傳至CPLD 的頻率波形，如圖6 所示。

圖6 室溫下的頻率波形

其中，測試時的室溫為21 ℃，頻率為12.83 kHz，與理論計算值相符。

3.2 頻率—溫度特性曲線

在電力電子裝置不同的運行功率下，觀察上位機顯示的溫度值，并記錄此時的頻率值，并與頻率理論值進行對比，如表1 所示。

從表1 的數(shù)據(jù)可以看出，試驗的頻率值與理論計算值的誤差在頻率理論值的2%以內，吻合度很好，說明該溫度實時在線監(jiān)測技術能夠有效測量并顯示IGBT 的溫度。

表1 不同溫度的頻率試驗值與理論值對比

4 結論

本文提出了一種溫度實時在線監(jiān)測技術，利用IGBT模塊內部封裝的NTC 熱敏電阻來反映IGBT 溫度。該技術以壓頻變換為主要電路功能，將NTC 熱敏電阻轉換為頻率信號進行傳輸，具有抗電磁干擾能力強、傳輸距離遠等優(yōu)點。同時采用邏輯處理芯片對接收到的頻率信號進行邏輯控制處理，并在上位機進行實時顯示，從而能夠有效直觀地查看到IGBT 的實時溫度。搭建該監(jiān)測技術的工程樣機試驗平臺，試驗結果表明，上傳至邏輯處理芯片的頻率信號與理論計算值相符，能夠有效監(jiān)測并顯示IGBT 的實時溫度。