基于NTC熱敏電阻的溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究*

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(shù)研究中心，北京 102200)

0 引言

常見的IGBT 結(jié)溫的采集方法主要有熱傳感器測(cè)量法、紅外探測(cè)法、電參數(shù)間接測(cè)量法、電—熱耦合仿真分析法等[7]。但熱傳感器測(cè)量法屬于接觸式，響應(yīng)速度慢，不能實(shí)時(shí)測(cè)溫；紅外探測(cè)法屬于非接觸式，可以實(shí)時(shí)測(cè)量溫度，但所需要的測(cè)量設(shè)備較為昂貴，芯片發(fā)射率的修正方法較為復(fù)雜[8]；電參數(shù)法可以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，但屬于對(duì)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(shí)際工程中，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量[10]。

文獻(xiàn)[11]提出了一種利用光纖傳感器實(shí)測(cè)結(jié)溫的熱阻測(cè)量法，但該種方法需要將光纖探頭植入IGBT 模塊內(nèi)部，這對(duì)工藝要求較高，并不實(shí)用。文獻(xiàn)[12-13]在考慮IGBT 結(jié)溫、導(dǎo)通壓降、導(dǎo)通電流相互影響的基礎(chǔ)上，對(duì)其V-I 特性曲線進(jìn)行擬合，從而將IGBT 等效為符合歐姆定律的電阻模型來對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但該種方法需要考慮因素較多，計(jì)算較為復(fù)雜。

本文提出了一種采用IGBT 模塊內(nèi)部自帶的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)來進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)IGBT 結(jié)溫的實(shí)時(shí)顯示。先對(duì)NTC 熱敏電阻的溫度特性進(jìn)行曲線擬合，得出NTC 等效電阻與溫度的關(guān)系表達(dá)式；然后對(duì)溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理進(jìn)行詳細(xì)介紹，將NTC 等效電阻轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，并計(jì)算出頻率與溫度的關(guān)系表達(dá)式；然后針對(duì)上傳給邏輯處理芯片(CPLD)的頻率信號(hào)給出邏輯處理的程序流程；最后搭建溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的工程樣機(jī)，配合電力電子裝置的功率運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)不同溫度下的頻率值進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證該技術(shù)的有效性。

1 NTC 熱敏電阻

負(fù)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(cè)量、溫度控制和溫度補(bǔ)償?shù)墓δ躘14]。目前市面上成熟的IGBT 模塊內(nèi)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(cè)IGBT 的結(jié)溫。

依據(jù)IGBT 制造廠商所給出的不同溫度下對(duì)應(yīng)的NTC 等效電阻值，可以繪制出NTC 等效電阻對(duì)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(shí)線為供應(yīng)商給定的NTC 等效電阻值，利用最小二乘法，對(duì)該曲線進(jìn)行擬合[15]，得出NTC 等效電阻與溫度的邏輯表達(dá)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有初期資金需求量大、建設(shè)周期冗長(zhǎng)等特點(diǎn)，這決定了亞投行成立之初就面臨巨大的融資壓力，要回應(yīng)如何引入大體量資金的問題。因此，亞投行必須引進(jìn)公私伙伴關(guān)系模式（PPP），通過公私合作，引入大量私有資金彌補(bǔ)缺口。2017年亞投行投資運(yùn)營(yíng)局局長(zhǎng)潘于恩明確表示，亞投行引入PPP模式。為了促進(jìn)PPP模式發(fā)展，應(yīng)當(dāng)充分利用亞投行平臺(tái)，推出豐富的融資項(xiàng)目和產(chǎn)品，讓私人資本有多種選擇；亞投行還應(yīng)當(dāng)推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)證券化，為私人小額資本參與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(shí)，擬合曲線的準(zhǔn)確度不高，但大于30 ℃時(shí)，擬合曲線的準(zhǔn)確度較高，可以利用式(1)進(jìn)行后續(xù)溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的相關(guān)計(jì)算。

2 溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

在電力電子裝置進(jìn)行大功率運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)，為避免電磁干擾對(duì)溫度信號(hào)的影響，需要將NTC 等效電阻所表示的溫度信號(hào)通過溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離以及遠(yuǎn)距離傳送等功能[16]，保證溫度信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

2.1 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)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(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)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(zhuǎn)換為電平信號(hào)；濾波電路采用阻容RC 低通濾波器，對(duì)上一級(jí)的電平信號(hào)進(jìn)行濾波；壓頻變換電路主要采用LM331 壓頻變換芯片來實(shí)現(xiàn)，將電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)；光纖發(fā)送接收電路將頻率信號(hào)進(jìn)行隔離、遠(yuǎn)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(duì)接收到的頻率信號(hào)進(jìn)行邏輯控制處理，轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)，上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)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(jīng)過分壓電路后的電壓值，經(jīng)過RC 濾波后進(jìn)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(shí)現(xiàn)引腳3 的頻率信號(hào)輸出。

圖3 壓頻變換電路示意圖

參照LM331 的數(shù)據(jù)手冊(cè)，得出輸出頻率fout與輸入電壓Vin之間的關(guān)系表達(dá)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L(zhǎng)M331 外圍電路的諧振電阻，單位為Ω；Ct為L(zhǎng)M331外圍電路的諧振電容，單位為pF。

2.2 頻率-溫度曲線擬合

結(jié)合式(1)、式(2)以及分壓電路的比例，參照?qǐng)D3 電路中的參數(shù)，可以計(jì)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(shí)線為根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算出的頻率-溫度特性曲線。對(duì)該曲線進(jìn)行擬合，可以得出表達(dá)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(zhǔn)確度較高。

2.3 邏輯控制流程

采用邏輯處理芯片CPLD 對(duì)接收到的頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)、平均值計(jì)算、溫度值計(jì)算以及數(shù)值超范圍報(bào)錯(cuò)處理，具體程序?qū)崿F(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(hào)進(jìn)行消抖處理后，邏輯控制流程啟動(dòng)，先在1 s 的時(shí)間內(nèi)對(duì)頻率信號(hào)的上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，便可得到頻率值，同時(shí)對(duì)該數(shù)值是否溢出進(jìn)行判斷，當(dāng)溢出時(shí)，直接報(bào)故障上傳，當(dāng)無溢出后，進(jìn)行4個(gè)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(duì)應(yīng)的溫度值。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的環(huán)境溫度、IGBT的安全裕度以及頻率溫度曲線的準(zhǔn)確率等因素，上傳至上位機(jī)的數(shù)據(jù)僅顯示20 ℃～110 ℃的溫度范圍。因此在程序中需要對(duì)折算后的溫度值進(jìn)行超范圍報(bào)錯(cuò)判斷，當(dāng)溫度值大于110 ℃時(shí)，上位機(jī)顯示溫度值為110 ℃并報(bào)錯(cuò)；當(dāng)小于20 ℃時(shí)，上位機(jī)顯示溫度值為20 ℃并報(bào)錯(cuò)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的工程樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，編寫相應(yīng)的邏輯控制程序，并配合電力電子裝置的功率試驗(yàn)，觀測(cè)不同功率條件下所顯示的實(shí)時(shí)溫度，測(cè)量其對(duì)應(yīng)的頻率值，來驗(yàn)證該溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的有效性。

3.1 室溫下的頻率波形

搭建好工程樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)后，在電力電子裝置不上主電的情況下，測(cè)試室溫時(shí)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(cè)試時(shí)的室溫為21 ℃，頻率為12.83 kHz，與理論計(jì)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(yùn)行功率下，觀察上位機(jī)顯示的溫度值，并記錄此時(shí)的頻率值，并與頻率理論值進(jìn)行對(duì)比，如表1 所示。

從表1 的數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)的頻率值與理論計(jì)算值的誤差在頻率理論值的2%以內(nèi)，吻合度很好，說明該溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠有效測(cè)量并顯示IGBT 的溫度。

表1 不同溫度的頻率試驗(yàn)值與理論值對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出了一種溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用IGBT模塊內(nèi)部封裝的NTC 熱敏電阻來反映IGBT 溫度。該技術(shù)以壓頻變換為主要電路功能，將NTC 熱敏電阻轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)進(jìn)行傳輸，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)采用邏輯處理芯片對(duì)接收到的頻率信號(hào)進(jìn)行邏輯控制處理，并在上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，從而能夠有效直觀地查看到IGBT 的實(shí)時(shí)溫度。搭建該監(jiān)測(cè)技術(shù)的工程樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)結(jié)果表明，上傳至邏輯處理芯片的頻率信號(hào)與理論計(jì)算值相符，能夠有效監(jiān)測(cè)并顯示IGBT 的實(shí)時(shí)溫度。