大功率整流元件的溫度監(jiān)測與保護(hù)

張 寧

（保定萊特整流器股份有限公司，河北 保定 071051）

在大功率電力電子設(shè)備中，大功率電子元器件（如晶閘管、硅二極管、IGBT等各種器件）往往由于運(yùn)行溫度過高而損壞，目前，在整流設(shè)備中對(duì)整流元件的保護(hù)方法一般是對(duì)各整流元件的工作電流進(jìn)行檢測，當(dāng)個(gè)別整流元件的電流過大時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)出警報(bào)，采取保護(hù)措施，防止硅整流元件因電流過大引起溫度過高而燒壞。但是，對(duì)于采用水冷卻的硅整流元件，特別是同一橋臂上有多支整流元件并聯(lián)的水冷元件，雖然均流檢測可以監(jiān)測各支元件在運(yùn)行中的實(shí)際電流，但是在均流良好的條件下，如果冷卻水路發(fā)生問題，同樣會(huì)由于冷卻不良而導(dǎo)致個(gè)別整流元件溫度過高，造成燒毀整流元件的事故。所以監(jiān)測各只整流元件的運(yùn)行溫度是一種最直接和綜合的監(jiān)測方法。

1 結(jié)構(gòu)說明

1.1 整體結(jié)構(gòu)

整流元件溫度監(jiān)測與保護(hù)裝置，由直流電源、溫度檢測電路、多通道A/D轉(zhuǎn)換器U5、CPU以及保護(hù)執(zhí)行電路組成（見圖1）。

圖1

1.2 溫度檢測電路的組成

溫度檢測電路由六個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的溫度檢測單元組成，每個(gè)溫度檢測單元均由溫度傳感器Rt和電位器W2串聯(lián)而成，其串接點(diǎn)的輸出信號(hào)接多通道A/D轉(zhuǎn)換器U5的輸入端，六個(gè)溫度檢測單元的輸出信號(hào)分別接多通道A/D轉(zhuǎn)換器U5的A0－A5輸入端；多通道A/D轉(zhuǎn)換器U5的輸出端Dout接CPU的P00端，保護(hù)執(zhí)行電路接CPU的輸出端，溫度傳感器Rt安裝于硅整流元件的散熱器上（見圖2）。

圖2

1.3 直流電源的結(jié)構(gòu)組成

直流電源由變壓器（T）、二極管（D2）、二極管（D3）、電容（C3）、電容（C4）以及三端穩(wěn)壓器（U2）組成，其中，變壓器（T）、二極管（D2）、二極管（D3）接成全波整流電路，電容（C4）為其濾波電容，全波整流電路的輸出接三端穩(wěn)壓器(U2)的 Vin與 GND端，電容（C3）為三端穩(wěn)壓器(U2)的輸出端的濾波電容（見圖2）。

1.4 保護(hù)執(zhí)行電路的結(jié)構(gòu)組成

保護(hù)執(zhí)行電路由繼電器J構(gòu)成，繼電器J的線圈接CPU的一個(gè)輸出端，其常閉觸點(diǎn)串聯(lián)于整流電路主回路中。CPU與繼電器J之間增設(shè)PLC，PLC的RXD、TXD端分別接CPU的TXD、RXD端，繼電器J的線圈接PLC輸出端P10。CPU與PLC之問增設(shè)光電隔離電路GL，CPU的TXD、RXD端經(jīng)光電隔離電路GL與上位機(jī)的RXD、TXD端連接。

2 核心技術(shù)

2.1 溫度檢測

應(yīng)用于大功率整流元件的溫度檢測與其他應(yīng)用場合的溫度檢測有著本質(zhì)的不同。大功率整流元件的溫度檢測的測點(diǎn)全部處于整流電路的主電路高電壓位置，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，通常主電路對(duì)控制電路之間以及對(duì)地和對(duì)工頻電源均應(yīng)該有不低于 2000Vrms（持續(xù)1分鐘）的耐壓強(qiáng)度，對(duì)于高電壓輸出的整流器就有更高的耐壓要求（見參考文獻(xiàn)IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)）。

本文提出兩種方案來實(shí)現(xiàn)大功率整流元件的溫度監(jiān)測。

方案一，使用模擬量的線性光電隔離和傳輸技術(shù)，要求設(shè)計(jì)的電路在電壓的模擬量方面能夠線性地傳輸?shù)焦飧舻暮蠹?jí)，更重要的是保證光電隔離的前后級(jí)之間有足夠的電絕緣耐壓強(qiáng)度.本設(shè)計(jì)能夠保證溫度傳感器 Rt的輸出電壓，線性地傳到 CPU模塊的A/D轉(zhuǎn)換器端口，而電絕緣耐壓強(qiáng)度完全由所選的光隔器件決定。

方案二，由變壓器承擔(dān)整流設(shè)備主回路與提供溫度采樣模塊的工頻電源之間的電絕緣,溫度采樣模塊的本體部份（傳感器、CPU、A／D芯片）通過光電隔離以數(shù)字量的形式與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行聯(lián)系。因?yàn)椴煌瑤缀挝恢玫臏囟葌鞲衅骺商幱诓煌闹麟娫措娖缴希挥刑幱谕恢麟娫措娖降膫鞲衅鞑拍芎嫌猛蛔儔浩骱屯粶囟炔蓸幽K（A／D轉(zhuǎn)換器）。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換電路和溫度檢測電路在物理上實(shí)際是同一塊印刷電路板，A/D轉(zhuǎn)換電路可以選用各種品牌和型號(hào)來實(shí)現(xiàn)，如同CPU芯片可以選各種不同型號(hào)一樣，這并不影響本技術(shù)的實(shí)施。

AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)僅僅是表達(dá)了溫度傳感器的輸出電壓。它所代表的實(shí)際溫度，要根據(jù)實(shí)際選用的傳感器的溫度電阻特性曲線，再結(jié)合電路運(yùn)算得到。在傳感器型號(hào)選定以后，換算成一張電壓轉(zhuǎn)換為溫度的表格，置入CPU軟件中，然后按照普通的查表法就可以很方便地得到溫度值。

2.3 數(shù)據(jù)收集

A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放于溫度采集模塊CPU內(nèi)部RAM中，此數(shù)據(jù)通過CPU的TXD和RXD口線，向數(shù)據(jù)收集模塊匯報(bào)。所有子模塊的TXD口線完全直接并聯(lián)，所有子模塊的 RXD口線也完全直接并聯(lián)，子模塊的TXD口線與數(shù)據(jù)收集模塊的RXD口線連接，子模塊的RXD口線與數(shù)據(jù)收集模塊的TXD口線連接（見圖3）。

為了區(qū)別不同幾何位置的整流元件的數(shù)據(jù)，不同子模塊要有不同編號(hào)，數(shù)據(jù)收集模塊根據(jù)子模塊編號(hào)將數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)收集模塊CPU不同的RAM地址中。

最后數(shù)據(jù)收集模塊可以將全部數(shù)據(jù)通過 RS485端口送到PLC、上位機(jī)或顯示模塊，具體軟件設(shè)計(jì)可以根據(jù)具體工程需要而定。

圖3

3 工藝選擇

溫度傳感器的結(jié)構(gòu)對(duì)于整個(gè)溫度監(jiān)測系統(tǒng)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。除了要求熱阻小，熱傳遞時(shí)間常數(shù)小以外，更要求傳感頭與外表面的導(dǎo)熱面之間有足夠的電絕緣強(qiáng)度。本技術(shù)選擇的是NTC型溫度傳感器，NTC型傳感器是一種非線性電阻元件，其電阻值與其當(dāng)時(shí)所處點(diǎn)的溫度成反比，由于NTC材料本質(zhì)上屬于半導(dǎo)體材料，所以其電阻的溫度系數(shù)不同于一般金屬材料那樣成線性關(guān)系。因?yàn)槠潴w積小，而且電阻隨溫度而變化的靈敏度比較高，因此更適合作為整流元件溫度檢測之用。

實(shí)際應(yīng)用中溫度傳感器的外殼對(duì)整流元件散熱器（陰極/陽極），在結(jié)構(gòu)上還是要保證2000Vrms（持續(xù)1分鐘）的絕緣強(qiáng)度，必須考慮溫度傳感器本體的耐壓，不能將傳感器的絕緣作為主絕緣使用，這是設(shè)計(jì)中應(yīng)該著重考慮的基本安全要求。

4 結(jié)論

本技術(shù)利用溫度檢測電路采集整流元件的溫度模擬信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)多通道A/D轉(zhuǎn)換器U5轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，進(jìn)入CPU進(jìn)行處理，得到溫度值，最后信號(hào)被送到PLC或上位機(jī)。當(dāng)某整流元件因工作電流過大或冷卻不良或其它原因引起溫度過高時(shí)，PLC或上位機(jī)向繼電器發(fā)出控制信號(hào)，切斷主回路，對(duì)整流元件實(shí)施保護(hù)，防止整流元件燒毀；本監(jiān)測保護(hù)裝置中，處于不同的主電源電平上的電路通過直流電源中的變壓器、光隔離器件實(shí)現(xiàn)與其它電路之間的隔離，保證了裝置的安全運(yùn)行。本技術(shù)不僅適用于保護(hù)整流設(shè)備中的整流元件，也適用于保護(hù)其它設(shè)備中的大功率電力電子元器件，能避免硅整流元件或其它大功率電力電子元器件因電流過大或冷卻不良致使溫度過高而燒壞，可有效保護(hù)大功率電力電子設(shè)備中的大功率電力電子元器件，使設(shè)備能夠安全運(yùn)行。

[1]電子設(shè)備連接器.試驗(yàn)和測量.第 4-1部分:電壓應(yīng)力試驗(yàn).試驗(yàn) 4a:耐電壓 IEC 60512-4-1-2003,中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[2]機(jī)床電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)耐壓試驗(yàn)規(guī)范GB/T 26676-2011.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[3]工業(yè)機(jī)械電氣設(shè)備耐壓試驗(yàn)規(guī)范 GB/T 24344-2009.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.