阅读说明：本技术 实时igbt过载保护方法 (Real-time IGBT overload protection method ) 是由 丁习兵 高建涛 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电机驱动器的安全控制领域,提出了一种实时IGBT过载保护方法,旨在解决IGBT器件过载保护中,存在过温保护精度差,对快速过载响应慢的问题。该方法包括：获取与IGBT模块运行相关的信息,作为运行信息；根据上述运行信息分别确定出上述IGBT模块中IGBT开关管的热损耗和二极管的热损耗；根据上述IGBT开关管的热损耗和二极管的热损耗,计算出上述IGBT模块的结温和壳温；将上述结温和上述壳温所表示的温度值分别与预设的结温阈值和壳温阈值进行比较,在上述结温大于上述结温阈值,或上述壳温大于上述壳温阈值时,确定上述IGBT模块过载,对上述IGBT模块进行过载保护。本发明实现了对IGBT模块的实时过温保护和过载保护。(The invention relates to the field of safety control of motor drivers, provides a real-time IGBT overload protection method, and aims to solve the problems of poor over-temperature protection precision and slow response to rapid overload in the overload protection of an IGBT device. The method comprises the following steps: acquiring information related to the operation of the IGBT module as operation information; respectively determining the heat loss of an IGBT switching tube and the heat loss of a diode in the IGBT module according to the operation information; calculating the junction temperature and the shell temperature of the IGBT module according to the heat loss of the IGBT switching tube and the heat loss of the diode; and comparing the temperature values represented by the junction temperature and the shell temperature with a preset junction temperature threshold value and a preset shell temperature threshold value respectively, and determining that the IGBT module is overloaded when the junction temperature is greater than the junction temperature threshold value or the shell temperature is greater than the shell temperature threshold value, so as to perform overload protection on the IGBT module. The invention realizes the real-time over-temperature protection and overload protection of the IGBT module.)

实时IGBT过载保护方法

技术领域

本发明涉及电机驱动器的安全控制领域，特别涉及一种实时IGBT过载保护方法。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)是一种弱电控制强电的功率管器件。在电机的运行中，当电机驱动系统过载时，功率管器件会在较短时间内电流上升，造成电机失去控制，甚至引起火灾等造成人身或设备危害，需要及时的对IGBT进行保护。

目前，在电机驱动系统中对于IGBT器件的保护方法有：过温保护实现方式：变频器通过IGBT器件的NTC温度传感器实现过温保护，NTC一般集成在IGBT器件的铜基板上，反映的是IGBT器件壳的温度。但是NTC不能直接反映IGBT芯片的温度，并且由于热路径上热容的影响，通过NTC实现过温保护精度较差，在快速过载情况下，相应较慢，容易导致IGBT过温损坏。过载保护实现方式：通过反时限过载曲线，比如180％过载，60s报过载；150％过载，3分钟报过载。过载保护实现方式在单一过载工况下，能有效实现过载保护，但是在多种过载工况切换情况下，容易误报过载或者过温炸机。比如150％过载2分钟，未达到报过载要求，然后继续出现180％过载工况，由于前面150％过载导致散热器温度已经很高，继续出现180％过载60s之后才报过载，就会出现过温甚至炸机等问题。

因此，在现有的IGBT器件过载保护中，存在过温保护精度差，对快速过载响应慢的问题；对多种过载工况同时出现的情况，无法实现有效保护，容易过温甚至炸机的问题；电流设计等级高，增加了IGBT的成本等问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决当前IGBT器件过载保护中，存在过温保护精度差，对快速过载响应慢的问题；对多种过载工况同时出现的情况，无法实现有效保护，容易出现电机过温甚至炸机的问题；电流设计等级高，增加了IGBT的成本等问题。本发明采用以下技术方案以解决上述问题：

本申请提供了一种实时IGBT过载保护方法，该方法包括如下步骤：获取与IGBT模块运行相关的信息，作为运行信息，上述运行信息包括电流信息和电压信息；根据上述运行信息分别确定出上述IGBT模块中IGBT开关管的热损耗和二极管的热损耗；根据上述IGBT开关管的热损耗和二极管的热损耗，计算出上述IGBT模块的结温和壳温；将上述结温和上述壳温所表示的温度值分别与预设的结温阈值和壳温阈值进行比较，在上述结温大于上述结温阈值，或上述壳温大于上述壳温阈值时，确定上述IGBT模块过载，对上述IGBT模块进行过载保护。

在一些示例中，上述IGBT开关管的热损耗包括整流桥单元中IGBT开关管热损耗和逆变器单元中IGBT开关管热损耗，上述“根据上述运行信息分别确定出上述IGBT模块中IGBT开关管的热损耗和二极管的热损耗”的步骤包括：根据上述电流信息和调制比信息确定IGBT模块的整流单元中的IGBT开关管热耗；根据上述电流信息和与上述IGBT模块调制相关的信息确定上述IGBT模块的逆变单元中的IGBT开关管热损耗。

在一些示例中，上述“根据上述电流信息和调制比信息确定上述IGBT模块的整流单元中的IGBT开关管热耗”包括通过如下公式确定上述整流桥单元的IGBT开关管热损耗：

其中，P_loss(rec)表示整流单元的IGBT开关管热损耗，表示电机的功率因数，M表示调制比信息，I表示IGBT的输出电流，f(x)是表示热损耗与调制比、电流、功率因素关系的函数。

在一些示例中，上述“根据上述电流信息和与上述IGBT模块调制相关的信息确定上述IGBT模块的逆变单元中的IGBT开关管热损耗”包括通过如下公式确定在上述逆变单元中IGBT开关管热损耗：

其中，P_loss(inv)为在逆变单元中IGBT开关管热损耗，K_{Tmp_p}为温度系数，K_{vdc_p}为母线电压系数，K_{fsw_p}为载波频率系数，K_{f_p}输出频率系数，K_{M_p}为调制系数，为功率因数系数，g(I)为电流函数，表示损耗与电流之间的关系的函数。

在一些示例中，上述方法包括通过如下公式确定上述IGBT开关管的热损耗：

P_loss(IGBT)＝P_loss(inv)+P_loss(rec)

其中，P_loss(IGBT)为上述IGBT开关管的热损耗，P_loss(inv)为在逆变单元中上述GBT开关管的热损耗，P_loss(rec)为在整流单元中上述IGBT开关管的热损耗。

在一些示例中，上述IGBT模块的结温和壳温包括IGBT开关管的结温和壳温，上述“根据上述IGBT开关管的热损耗和二极管的热损耗，计算出上述IGBT模块的结温和壳温”包括计算上述IGBT模块的结温的步骤：根据上述IGBT开关管的热损耗和上述IGBT开关管芯片与散热器之间的热阻确定上述IGBT开关管芯片的发热温度；根据上述IGBT开关管芯片的发热温度和环境积温确定上述IGBT开关管的结温。

在一些示例中，上述IGBT模块的结温和壳温包括IGBT开关管的结温和壳温，上述“根据上述IGBT开关管的热损耗和二极管的热损耗，计算出上述IGBT模块的结温和壳温”包括计算上述IGBT开关管的壳温的步骤：根据上述IGBT开关管的热损耗和上述IGBT开关管壳体与散热器之间的热阻确定上述IGBT开关管壳体的发热温度；根据上述IGBT开关管壳体的发热温度和上述环境积温确定上述IGBT开关管的壳温。

在一些示例中，上述“计算上述IGBT模块的结温的步骤”包括利用如下公式计算上述IGBT模块的结温：

T_j(IGBT)＝T_h+P_loss(IGBT)R_jh(IGBT)

其中，T_j(IGBT)为上述IGBT开关管的结温，T_h为散热器温度，P_loss(IGBT)为上述IGBT开关管的热损耗，R_jh(IGBT)为上述IGBT开关管芯片与散热器之间的热阻。

在一些示例中，上述“计算上述IGBT模块的壳温的步骤”包括利用如下公式计算上述IGBT开关管的壳温：

T_q(IGBT)＝T_h+P_loss(IGBT)R_qh(IGBT)

其中，T_q(IGBT)为上述IGBT开关管的壳温，T_h为环境积温，P_loss(IGBT)为上述IGBT开关管的热损耗，R_qh(IGBT)为上述IGBT开关管壳体与散热器之间的热阻。

本申请提供的实时IGBT过载保护方法，通过获取到的IGBT开关管输出电流，确定IGBT模块的热损耗，并利用IGBT开关管芯片与散热器之间的热阻以及壳体与散热器之间的热阻计算出IGBT开关管的结温和壳温，将上述结温和壳温与预设的结温阈值和壳温阈值比较，判断上述IGBT模块是否热过载。本申请基于实时的电流信息以及温度信息，直接计算出IGBT模块的温度，在计算热损耗过程加入功率管累积的温度以及功率管所在环境温度对热损耗的影响因数，功率管的结温和壳温更接近真实的温度，因而实现对IGBT模块的过温保护和过载保护；在不增加电流设计等级情况下，降低成本，最大限度发挥IGBT的过载能力。

附图说明

图1是实时IGBT过载保护方法的实施例中的示例性系统架构示意图；

图2是根据本申请的实时IGBT过载保护方法的一个实施例中步骤示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了可以应用本申请的实时IGBT过载保护方法的实施例的示例性系统架构。如图1所示，该系统包括控制器、电机驱动器、电机和传感装置。其中，控制器通过CAN总线与电机驱动器和传感装置连接，并进行信息交换；电机与电机驱动器连接，通过电机驱动器的输出控制电机的运行。

需要说明的是，上述电机驱动器为电源进行电压、频率等变换的IGBT模块，通过IGBT模块的通断，控制施加到与其连接的电机的电压和频率的大小，实现电机的启动、停止、加减速等多种运行方式。上述IGBT模块包括壳体以及设置于壳体内的整流单元和逆变单元，整流单元和逆变单元的功率管主要由作为功率管的IGBT开关管和/或二极管构成。通过控制IGBT开关管和/或二极管的通断，控制IGBT模块输出电压和频率的大小。

上述传感装置可以是采集电梯系统中各个装置或设备的状态信息以及与电梯系统运行相关信息的各类传感器。如，采集电机转速的传感器、电机转矩传感器，采集IGBT模块输出电压的电压传感器、采集IGBT模块输出电流的电流传感器，采集IGBT模块温度的温度传感器等。

上述控制器可以是按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置；还可以是由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，完成协调和指挥整个计算机系统的操作装置。具体地，上述控制器可以是具有微处理器的控制系统，例如单片机控制系统、plc控制系统等。

进一步，需要说明的是，本申请中上述实时IGBT的过载保护为对上述IGBT模块的过温或过热保护，即，对上述IGBT模块中作为功率器件管的IGBT开关管和/或二极管进行过温或过热保护。

继续参考图，图2示出了应用于本申请中一种实时IGBT过载保护方法的实施例的步骤示意图。如图2所示，实时IGBT过载保护方法包括如下步骤：

步骤1，获取与IGBT模块运行相关的信息，作为运行信息。

在在本实施例中，上述控制器通过与其连接的传感装置获取与IGBT模块运行相关的信息，作为运行信息。上述运行信息包括电流信息和电压信息。上述电流信息可以为上述IGBT模块中逆变单元输出到电机的三相电流的信息，还可以是整流单元输出到直流母线上电流的信息；上述电压信息为上述IGBT模块输出到电机的电压的信息。上述运行信息还可以是温度信息，如，电机的温度信息、环境温度信息、上述IGBT模块散热器温度信息等。上述运行信息还可以是上述IGBT模块通断频率、当前结温、运行频率、调制系数等信息。

步骤2，根据上述运行信息分别确定出上述IGBT模块中IGBT开关管的热损耗和二极管的热损耗。

在本实施例中，基于步骤1中得到的IGBT模块的运行信息，上述控制器利用IGBT模块固有的系数以及上述运行信息，计算出上述IGBT模块中IGBT开关管的热损耗和二极管的热损耗。

上述IGBT模块热过载为整流单元和/或逆变单元的功率管的发热造成，具体地，是由作为功率管的IGBT开关管和/或二极管在工作过程中产生的热量不能及时排出或冷却，引起IGBT开关管和/或二极管器件过热导致IGBT模块无法正常工作或烧毁IGBT模块。

在本实施例的一些可选的实现方式中，上述IGBT开关管的热损耗包括整流器单元中IGBT开关管的热损耗和逆变单元中IGBT开关管的热损耗。上述“根据上述运行信息分别确定出上述IGBT模块中IGBT开关管的热损耗和二极管的热损耗”的步骤包括：

根据上述运行信息中的电流信息和调制比信息确定上述IGBT模块的整流单元中的IGBT开关管热损耗；根据上述电流信息和与上述IGBT模块调制相关的信息确定上述IGBT模块的逆变单元中的IGBT开关管热损耗。

上述与IGBT模块调制相关的信息是在上述IGBT开关管的接通或关断中与PWM信号相关的信息。如，开关器件的温度系数、母线电压系数、PWM信号的载波频率系数、PWM信号的调制系数、功率因素系数等信息。

在本实施例的一些可选的实现方式中，上述“根据上述电流信息和调制比信息确定上述整流单元中IGBT开关管热损耗”的步骤包括通过如下公式确定：

上述公式(1)中，P_loss(rec)表示整流单元中IGBT开关管热损耗，表示电机的功率因数，M表示调制比信息，I表示IGBT模块的输出电流，f(x)是表示热损耗与调制比、电流、功率因素关系的函数；与IGBT的参数有关，可以根据规格书的曲线拟合得到。

在本实施例的一些可选的实现方式中，上述“根据上述电流信息和与上述IGBT模块调制相关的信息确定上述IGBT模块的逆变单元中的IGBT开关管热损耗”包括通过如下公式确定逆变单元中上述IGBT开关管的热损耗：

上述公式(2)中，P_loss(inv)为逆变单元IGBT开关管的热损耗，K_{Tmp_p}为温度系数，K_{vdc_p}为母线电压系数，K_{fsw_p}为载波频率系数，K_{f_p}为输出频率系数，K_{M_p}为调制系数，为功率因数系数，g(I)为电流函数。具体地，上述电流函数g(I)为上述IGBT模块输出电流与IGBT开关管的损耗之间的函数关系，可以通过查询预先设置为表格或函数曲线得到，本实施例中通过IGBT规格书的曲线拟合得到。上述各个系数K_{Tmp_p}、K_{vdc_p}、K_{fsw_p}、K_{f_p}、K_{M_p}和是电机及IGBT模块固有的属性，可以通过电机及IGBT模块的参数获得。

在本实施例的一些可选的实现方式中，上述IGBT开关管的损耗为上述IGBT模块的逆变单元中IGBT开关管的总损耗和整流单元中IGBT开关管的总损耗之和。具体可以通过如下公式表示：

P_loss(IGBT)＝P_loss(inv)+P_loss(rec) (3)

上述公式(3)中，P_loss(IGBT)为上述IGBT模块中IGBT开关管的总热损耗，P_loss(inv)为逆变单元中IGBT开关管热损耗，P_loss(rec)为整流单元中IGBT开关管热损耗。

步骤3，根据上述IGBT开关管的热损耗和二极管的热损耗，计算出上述IGBT模块的结温和壳温。

在本实施例中，基于上述步骤2中所确定出IGBT开关管的热损耗和二极管的热损耗可以计算出上述IGBT模块中IGBT开关管的结温和壳温，以二极管的结温和壳温。这里，上述IGBT开关管的热损耗为IGBT模块中整流单元和逆变单元中IGBT开关管的热损耗之和。同样，上述二极管的热损耗为IGBT模块中整流单元和逆变单元中二极管的热损耗之和

在本实施例的一些可选的实现方式中，上述计算IGBT模块的结温和壳温的计算步骤为：根据上述IGBT开关管的热损耗和上述IGBT开关管芯片与散热器之间的热阻确定上述IGBT开关管芯片的发热温度；根据上述IGBT开关管芯片的发热温度和环境积温确定上述IGBT开关管的结温。具体地，可以通过如下的公式计算上述IGBT开关管的结温：

T_j(IGBT)＝T_h+P_loss(IGBT)R_jh(IGBT) (4)

其中，T_j(IGBT)为上述IGBT开关管的结温，T_h为环境积温，P_loss(IGBT)为上述IGBT开关管的热损耗，R_jh(IGBT)为上述IGBT开关管芯片与散热器之间的热阻。

可以通过如下的公式计算上述IGBT开关管的壳温：

T_q(IGBT)＝T_h+P_loss(IGBT)R_qh(IGBT) (5)

上述公式(5)中，T_q(IGBT)为所述IGBT开关管的壳温，T_h为环境积温，P_loss(IGBT)为上述IGBT模块中所有IGBT开关管的热损耗，R_qh(IGBT)为上述IGBT开关管壳体与散热器之间的热阻。

步骤4，将上述结温和上述壳温所表示的温度值分别与预设的结温阈值和壳温阈值进行比较，在上述结温大于上述结温阈值，或上述壳温大于上述壳温阈值时，确定上述IGBT模块过载，对上述IGBT模块进行过载保护。

在本实施例中，将上述步骤3中所确定出的结温和壳温分别与预设值比较。根据比较结果确定出上述IGBT模块过载是否过载，如果IGBT模块过载，则进行热保护。具体为，将上述结温和壳温分别与预设的结温阈值和壳温阈值比较，上述结温和壳温中任意之一的温度超出其预设阈值，则说明IGBT模块都有烧毁可能。因此，当上述结温大于上述结温阈值，或上述壳温大于上述壳温阈值时，确定上述IGBT模块过载，对上述IGBT模块进行过载保护。

需要说明的是，在本申请中IGBT模块的开关管装置可以全部由IGBT开关管组成完全可控的IGBT模块，也可以由IGBT开关管和二极管组成完全半可控的IGBT模块。在本申请的实施例中描述了上述IGBT模块中IGBT开关管的结温和壳温的计算过程。基于同样的计算过程，根据运行信息，确定出二极管的热损耗；可以根据公式(1)和公式(2)分别计算出上述IGBT模块中二极管的逆变单元总损耗和整流单元总损耗；利用公式(6)计算出二极管的热损耗P_loss(Diode)；其中，公式(4)为：

P_loss(Diode)＝P_loss(inv)+P_loss(rec) (6)

上述公式(6)中，P_loss(Diode)为二极管的热损耗，P_loss(inv)为逆变单元中二极管的热损耗，P_loss(rec)为整流单元中二极管热损耗。

根据二极管的热损耗以及环境温度和热阻计算二极管的结温和壳温；具体地，与IGBT开关管的结温和壳温的计算相似，可以通过如下公式确定出二极管的结温：

T_j(Diode)＝T_h+P_loss(Diode)R_jh(Diode) (7)

其中，上述公式(7)中，T_j(Diode)为二极管的结温，T_h为二极管所处环境积温，P_loss(Diode)为二极管作为功率管在开关管过程中的热损耗，R_jh(Diode)为二极管芯片与散热器之间的热阻。

同理，可以通过如下的公式计算上述二极管的壳温：

T_q(Diode)＝T_h+P_loss(Diode)R_qh(Diode) (8)

其中，上述公式(8)中，T_q(Diode)为二极管的壳温，T_h为二极管所处环境积温，P_loss(Diode)为二极管作为功率管在通断过程中的热损耗，R_qh(Diode)为二极管的壳体与散热器之间的热阻。

将通过上述公式(7)和公式(8)计算出的二极管结温和壳温分别与上述结温阈值和壳温阈值比较，如果上述二极管的结温大于结温阈值，或二极管的壳温大于壳温阈值，即可确定上述IGBT模块热过载。

在本申请中，上述环境积温T_h可以通过环境温度以及功率管器件与环境温度的温差确定，具体为：

其中，上述公式(9)中，T_h为环境积温，T_a为环境温度，ΔT_ha为环境温度与散热器之间温差，ΔT_ha(k)为第k阶环境温度与散热器之间温差，k为散热器到环境温度动态热阻阶数。具体地，程序中可以设置为2ms计算一次。

本申请实施例中，通过采集IGBT模块的输入和/或输出电流，确定IGBT模块的热损耗，利用计算出的热损耗和IGBT开关管芯片到散热器之间的热阻以及壳体与散热器之间的热阻计算出IGBT开关管的结温和壳温，将上述结温和壳温与预设的结温阈值和壳温阈值比较，判断上述IGBT模块是否热过载。与现有技术相比，本申请具有如下的有益效果：

基于实时的电流信息以及温度信息计算IGBT模块的热损耗，有上述热损耗直接计算出IGBT芯片的温度，实现对IGBT模块的过温保护和过载保护，在计算热损耗过程加入功率管累积的温度以及功率管所在环境温度对热损耗的影响因数，功率管的结温和壳温更接近真实的温度，因而；在不增加电流设计等级情况下，降低成本，最大限度发挥IGBT的过载能力。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。