一种IGBT模块并联温度检测电路论文和设计-刘苏成

全文摘要

本实用新型具体涉及一种IGBT模块并联温度检测电路，包括分压电路将并联的IGBT模块的NTC电阻分别电阻串联分压并输出两组IGBT模块温度信号电压值；比较器电路将两组温度信号电压值进行比较选择高的温度信号状态，将高的温度信号状态传输至模拟开关电路；模拟开关电路再将温度高的信号电压值输送到采样跟随调理电路。将经过采样跟随调理电路后的温度高的信号电压值通过压流线性隔离转换电路转化为等比的电流，最后再通过调理输出电路将电流值转换成一个可供DSP的A\/D处理的模拟电压值。本方法可以解决IGBT并联后两个模块的温度都能得到在不多一路采样电路、不多占DSP采样资源情况下进行实时监测。

主设计要求

1.一种IGBT模块并联温度检测电路，用于检测两路并联的IGBT模块的温度，其特征在于：包括分压电路、比较器电路、模拟开关电路、采样跟随调理电路，压流线性隔离转换电路，调理输出电路；所述分压电路将并联的两个IGBT模块的NTC电阻分别与一个固定电阻串联分压并输出两组并联的IGBT模块温度信号电压值；比较器电路将输入的两组温度信号电压值进行比较选择其中高的温度信号状态，并将高的温度信号状态传输至模拟开关电路，从而控制模拟开关的选择通道；模拟开关电路再将温度高的信号电压值输送到采样跟随调理电路；将经过采样跟随调理电路后的温度高的信号电压值通过压流线性隔离转换电路转化为等比的电流，最后再通过调理输出电路将电流值转换成一个可供DSP的A\/D处理的模拟电压值。

设计方案

1.一种IGBT模块并联温度检测电路，用于检测两路并联的IGBT模块的温度，其特征在于：包括分压电路、比较器电路、模拟开关电路、采样跟随调理电路，压流线性隔离转换电路，调理输出电路；

所述分压电路将并联的两个IGBT模块的NTC电阻分别与一个固定电阻串联分压并输出两组并联的IGBT模块温度信号电压值；

比较器电路将输入的两组温度信号电压值进行比较选择其中高的温度信号状态，并将高的温度信号状态传输至模拟开关电路，从而控制模拟开关的选择通道；模拟开关电路再将温度高的信号电压值输送到采样跟随调理电路；

将经过采样跟随调理电路后的温度高的信号电压值通过压流线性隔离转换电路转化为等比的电流，最后再通过调理输出电路将电流值转换成一个可供DSP的A\/D处理的模拟电压值。

2.根据权利要求1所述的一种IGBT模块并联温度检测电路，其特征在于：所述分压电路、比较器电路以及模拟开关电路具体电路为：所述分压电路为：NTC电阻R1与分压电阻R6串联得到电压值TEMP_1，NTC电阻R2与分压电阻R7串联得到电压值TEMP_2；串联后的电路NTC电阻端连接至电源，分压电阻端接地；

所述比较器电路具体为：将分压电路采集电压值TEMP_1、电压值TEMP_2分别传输至差动比较器U1的第一、第三输入口；差动比较器U1的第四输出口与模拟开关U2的6脚相连；

所述模拟开关电路具体为：模拟开关U2的1脚连接电压值TEMP_2，模拟开关的第三脚连接电压值TEMP_1;所述模拟开关的第四脚输出筛选出的电压值TEMP_12。

3.根据权利要求2所述的一种IGBT模块并联温度检测电路，其特征在于：所述采样跟随调理电路，压流线性隔离转换电路，调理输出电路具体电路为：筛选出的电压值TEMP_12连接至运算放大器U3的1脚正端输入，运算放大器U3的3脚负端连接到4脚输出端形成跟随电路；运算放大器U3的4脚输出端与电阻R9串联后一端连接到光耦隔离芯片D1的3脚，另一端连接运算放大器U4的3脚；电容C1并接在运算放大器U4的3脚和4脚上；运算放大器U4输出脚4脚串接电阻R8连接到光耦隔离芯片D1的1脚；光耦隔离芯片D1的6脚与5脚分别连接在运算放大器U5的3脚和1脚上；电阻R10和电容通C2并联到运算放大器U5的输入输出端3,4脚形成负反馈电路；运算放大器U5的输出脚4脚连接电阻R11,电容C3滤波后最终输出电流值。

4.根据权利要求3所述的一种IGBT模块并联温度检测电路，其特征在于：所述差动比较器U1D 型号为TL331KDBVR；模拟开关U2的型号为SN74LVC1G3157；运算放大器U3、运算放大器U4型号以及运算放大器U5均为轨至轨输出运算放大器LMV321M5；光耦隔离芯片D1的型号为HCNR201。

设计说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种IGBT模块并联温度检测电路。

背景技术

IGBT广泛应用于新型的电力电子变换领域，而在IGBT模块应用技术中，最关键的参数之一是IGBT芯片的温度，目前大多IGBT模块内部封装有温度传感器（NTC），这样对于IGBT温度的检测和保护提供更可靠的方案。随着电力电子装置的功率等级的不断提升，降低成本要求的加大限制，IGBT并联方案得到行业的更多使用，然而受限温度采样电路成本及空间的要求，现行业中大多在并联IGBT方案中只对一个单模块进行温度检测，或增加一路采样成本，压缩电路空间做两模块的温度检测。

上述两种检测方案有如下几个缺点：1）只对一个单模块进行温度检测，导致并联的另一个模块温度检测处于失控状态；2）增加一路采样，因对目前IGBT温度检测安全性、抗电磁干扰能力强等要求采用隔离检测方案，会多一路的采样成本，三相IGBT电路就自然多三路；3）由于空间受限，在无法增加空间的情况下就要减少电路电子元件间空间，增加三路采样处理调理电路，在对电磁干扰以及检测响应时间等都有明显的增加。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

针对上述的技术问题，本发明提出一种IGBT模块并联温度检测电路；本电路是用单个隔离通道采样电路，但能够实现两个IGBT并联的温度检测。本方法中通过硬件电路将两个IGBT温度转换成电压值，把温度高的电压值传送到采样调理电路。这样既能满足两个IGBT温度都能检测到，也能通过硬件来快速判断温度高的值输送到采样电路。从而能够快速对IGBT的温度进行监测并进行相应保护措施，更进一步提高设备运行可靠性。

2.技术方案：

一种IGBT模块并联温度检测电路，用于检测两路并联的IGBT模块的温度，其特征在于：包括分压电路、比较器电路、模拟开关电路、采样跟随调理电路，压流线性隔离转换电路，调理输出电路。

所述分压电路将并联的两个IGBT模块的NTC电阻分别与一个固定电阻串联分压并输出两组并联的IGBT模块温度信号电压值。

比较器电路将输入的两组温度信号电压值进行比较选择其中高的温度信号状态，并将高的温度信号状态传输至模拟开关电路，从而控制模拟开关的选择通道；模拟开关电路再将温度高的信号电压值输送到采样跟随调理电路。

进一步地，所述分压电路、比较器电路以及模拟开关电路具体电路为：所述分压电路为：NTC电阻R1与分压电阻R6串联得到电压值TEMP_1，NTC电阻R2与分压电阻R7串联得到电压值TEMP_2；串联后的电路NTC电阻端连接至电源，分压电阻端接地。

所述比较器电路具体为：将分压电路采集电压值TEMP_1、电压值TEMP_2分别传输至差动比较器U1的第一、第三输入口；差动比较器U1的第四输出口与模拟开关U2的6脚相连。

所述模拟开关电路具体为：模拟开关U2的1脚连接电压值TEMP_2，模拟开关的第三脚连接电压值TEMP_1;所述模拟开关的第四脚输出筛选出的电压值TEMP_12。

进一步地，所述采样跟随调理电路，压流线性隔离转换电路，调理输出电路具体电路为：筛选出的电压值TEMP_12连接至运算放大器U3的1脚正端输入，运算放大器U3的3脚负端连接到4脚输出端形成跟随电路；运算放大器U3的4脚输出端与电阻R9串联后一端连接到光耦隔离芯片D1的3脚，另一端连接运算放大器U4的3脚；电容C1并接在运算放大器U4的3脚和4脚上；运算放大器U4输出脚4脚串接电阻R8连接到光耦隔离芯片D1的1脚；光耦隔离芯片D1的6脚与5脚分别连接在运算放大器U5的3脚和1脚上；电阻R10和电容通C2并联到运算放大器U5的输入输出端3,4脚形成负反馈电路；运算放大器U5的输出脚4脚连接电阻R11,电容C3滤波后最终输出电流值。

进一步地，所述差动比较器U1D 型号为TL331KDBVR；模拟开关U2的型号为SN74LVC1G3157；运算放大器U3、运算放大器U4以及运算放大器U5型号均为轨至轨输出运算放大器LMV321M5；光耦隔离芯片D1的型号为HCNR201。

3.有益效果：

（1）采用本方案后，可以解决IGBT并联后两个模块的温度都能得到在不多一路采样电路、不多占DSP采样资源情况下进行实时监测，也能在异常状态下迅速启动保护机制，从而达到通过温度对IGBT进行保护的有效条件。

（2）本电路方案在不修改任何电路参数的情况下同时也能使用在单IGBT的的温度检测，因为在一路悬空不接时，分压电路只有接地电阻，相当于0V输入，接入的一路分压值定大于0V，相当于此路电压高于不接的一路，故传输到采样电路的电压值必然就此路温度转换的电压值。

附图说明

图1为本发明中的温度筛选电路；

图2为本发明中的采样电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

一种IGBT模块并联温度检测电路，用于检测两路并联的IGBT模块的温度，其特征在于：包括分压电路、比较器电路、模拟开关电路、采样跟随调理电路，压流线性隔离转换电路，调理输出电路。其中分压电路、比较器电路、模拟开关电路为如附图1所示的温度筛选电路；采样跟随调理电路，压流线性隔离转换电路，调理输出电路。为如附图2所示的采样电路。

所述分压电路将并联的两个IGBT模块的NTC电阻分别与一个固定电阻串联分压并输出两组并联的IGBT模块温度信号电压值。

本发明采用了的方法是将电路分为两个大部分即：温度筛选电路与采样电路。

温度筛选电路，将并联IGBT的NTC分别串联连接固定电阻，通过串联电阻分压将温度值转换成电压值。由于NTC的特性，即随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。在分压电路上可设计成，温度值越高，对应的电压值就越高。通过分压得到的两组电压值通过比较器来控制将高的电压值输送到采样电路，这里需要两个器件：一个器件是比较器，型号为TL331KDBVR。例如并联IGBT的A模块和B模块，A的温度比B的高，比较器输出高。若A的温度比B的低，比较器输出低。这样就得到一个输出控制信号，高电平就是A的温度高，低电平就是B的温度高；另一个器件就是一通道2:1模拟开关，型号为SN74LVC1G3157。通过通道选择脚连接到比较器的输出信号。高电平时将A的电压值输送到采样电路，低电平时将B的电压值输送到采样电路。通过这两个器件就可以直接让温度高的电压值输送到采样电路，而不需要两个采样电路通过软件采样计算来判断IGBT工作异常而导致的温度高于正常工作阈值。

采样电路是一种带隔离的模拟电压采集电路；将获得的温度转换电压值通过调理、隔离电路输出得到一个可供DSP的A\/D处理的模拟值（也可以选用其他可适用的MCU）。这里也需要两个器件：一个器件是轨对轨高精度运放，型号为LMV321M5。用来做模拟电压值的滤波，调理得到一个可采样的范围值。以DSP为例，DSP的模拟通道输入值为0~3VDC值。那么就可将温度的最高有效值对应3VDC的采样值。另一个器件就是线性光耦隔离芯片，型号为HCNR201。为了减少大功率器件的电磁干扰、环境噪声等对检测电路的影响，确保测量结果的准确性，往往将被测电路与测试电路在电气上进行隔离。所以采样隔离电路采用高精度隔离方案。

进一步地，所述分压电路、比较器电路以及模拟开关电路具体电路为：所述分压电路为：NTC电阻R1与分压电阻R6串联得到电压值TEMP_1，NTC电阻R2与分压电阻R7串联得到电压值TEMP_2；串联后的电路NTC电阻端连接至电源，分压电阻端接地。如图1分压电路中R1和R2分别为并联IGBT的NTC热敏电阻，R6和R7为精度1%的1KΩ贴片厚膜电阻，R6和R7的电阻取值主要根据对应NTC在可变化或可检测的温度范围对应电阻阻值而选取的基准值。基准电源5VREF的电压要求精度较高，不能因为负载电阻值的变化，电压值出现上升跌落现象。R1与R6串联分压连接到电压值TEMP_1，R2与R7串联分压等到电压值TEMP_2。举例说明：根据NTC特性，若R1对应的IGBT的同一工作时刻温度高于R2对应的IGBT，那么R1的电阻值必然低于R2，图中net点TEMP_1的电压值高于net点TEMP_2。

所述比较器电路具体为：将分压电路采集电压值TEMP_1、电压值TEMP_2分别传输至差动比较器U1的第一、第三输入口；差动比较器U1的第四输出口与模拟开关U2的6脚相连。比较器电路中选用单路差动比较器U1,型号为TL331KDBVR，体积小，响应速度快。根据该芯片使用说明，输入电压值如果IN-比IN+高，则比较器输出为低；如果IN+比IN-高，则比较器输出为高。TEMP_1通过电阻R5串接到比较器U1的3脚，TEMP_2通过电阻R4串接到比较器U1的1脚，U1的4脚通过R3上拉到电源5VA1，5脚接电源5VA1，2脚接电源地AGND1。以上例，TEMP_1的电压值高于TEMP_2，即IN+比IN-高，那么U1输出（4脚）为高电平。

所述模拟开关电路具体为：模拟开关U2的1脚连接电压值TEMP_2，模拟开关的第三脚连接电压值TEMP_1;所述模拟开关的第四脚输出筛选出的电压值TEMP_12。模拟开关电路中选用一通道2:1模拟开关U2，型号为SN74LVC1G3157。体积小，单刀双掷切换速度快。根据该芯片使用说明，当通道选择脚S（6脚）为高电平时，B2（1脚）与输出脚A（4脚）连通；当通道选择脚S（6脚）为低电平时，B1（1脚）与输出脚A（4脚）连通。U2的控制脚6脚S连接到U1的输出脚4脚,R1和R6串联分压值TEMP_1连接到U2的1脚B2，R2和R7串联分压值TEMP_2连接到U2的3脚B1，U2的输出脚4脚A为筛选出的电压值TEMP_12，U2的5脚接到电源5VA1，2脚接电源地AGND1。以上例，TEMP_1连接B2,TEMP_2连接B1，比较器U1输出4脚（4脚）连接S。S为高，那么TEMP_1与输出脚连通。故将R1对应的IGBT温度高的电压值得到筛选最终输送到采样电路。

采样跟随调理电路中运放U3、U4型号为轨至轨输出运算放大器LMV321M5，体积小，精度高。模拟电压值TEMP_12直接连接到U3的1脚正端输入，3脚负端连接到4脚输出端形成跟随电路，输出电压值等于输入值。

压流线性隔离转换电路，光耦隔离芯片型号为HCNR201，该芯片由高性能发光二极管 LED 及具有严格比例关系的光电二极管 PD1 和 PD2 构成，光耦隔离芯片 HCNR201 原理图如图 2 所示。U3的4脚输出串联R9后一端连接到D1的3脚，另一端连接U4的3脚，C1并接在U4的输入和输出脚上。U4输出脚4脚串接电阻R8连接到U1的1脚。LED 发出的光被 PD1、PD2接收，其中 PD2 用于产生输出电流；PD1 用于伺服反馈上，通过运放U4对发光 LED 的导通电流予以补偿，改善输入与输出电路间的线性和温度特性，这种结构保证了线性光耦的高稳定性和高线性度。补偿电容C1用于于改进电路稳定性、减小电路输出噪声及限制电路的工作带宽。采样输入值TEMP_12除以R9得到PD1电流值，又 PD2 与 PD1 成严格比例关系，同样 IPD2得到同比例电流值。

调理输出电路中将线性隔离光耦PD2得到的电流，即U1的5,6脚分别连接到负反馈运发U5的1,3脚，R10和C2并联到运算U5的输入输出端3,4脚形成负反馈电路，U5的输出脚4脚连接R11,C3滤波后最终输出，电流值乘以电阻R10得到最终输出到DSP的A\/D采样接口。电路中C2、R11、C3同样用于于改进电路稳定性、减小电路输出噪声。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

设计图

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