一种变流器IGBT温度控制方法与流程

一种变流器igbt温度控制方法
技术领域
1.本发明涉及变流器技术领域，尤其涉及一种变流器igbt温度控制方法。


背景技术：

2.以igbt为代表的半导体功率器件是变流器的核心部件之一，也是主要的发热部件之一，其热管理极其重要，在很大程度上影响着器件的寿命和变流器的可使用年限。热主要从两个温度方面影响igbt器件寿命，一是允许温度，当前工业类的igbt器件最高允许温度大多为150℃，小部分为175℃，超过允许温度，器件可靠性得不到保证，很容易失效；二是温度波动或者叫温度循环，因为igbt器件内部包含多种材料，而每种的材料热膨胀率不一样,温度波动使得器件反复地膨胀和收缩，而不同材料的膨胀和收缩程度不一样，频繁的温度波动会带来igbt器件因热疲劳而失效的问题。igbt器件允许温度在当前的变流器中都会被关注，并且产品设计时会留有一定裕量；而温度波动在很多时候被较少关注，即使关注温度波动，也主要考虑避免波动时的igbt结温超过允许温度，而不是关注温度循环寿命，因为温度波动造成的器件热疲劳与波动的频率和幅值密切相关，是一个的长期积累的过程。
3.以英飞凌公司公布的其工业igbt模块温度波动对寿命影响测试数据为例，在达到相同的失效率情况下，壳温波动幅值为30℃时的允许的循环次数几乎为幅值40℃时的10倍(见图1)，也就是说减小波动幅值可明显延长igbt模块的寿命。
4.风冷作为主要散热方式之一，在变流器领域具有广泛的应用。它通过散热风扇强迫功率器件散热器周围的空气流动，带走热量；对于风冷散热方式的变流器，目前主流方案是散热风扇采用定频风扇，或者有限档位调速风扇，大多工作在砰-砰控制模式，即在变流器工作期间，若检测到的温度超过设定的温度上限值时，风扇全速运行；低于设定的温度下限值时，风扇停止。这种散热控制方式简单、实用，但存在功率半导体功器件温度波动特别是器件壳温波动大的问题，降低了器件的温度循环寿命，另外定频风扇效率低，频繁启停和全功率运行增加了变流器散热系统的能耗，而且频繁启停对风扇的寿命也不利。
5.为此，亟需一种可以降低igbt器件壳温波动，改善igbt功率器件的温度循环寿命，延长器件使用时间，降低变流器运行与维护成本，降低变流器散热系统用电量，提高效率，避免散热风扇的频繁启停，延长散热风扇的使用寿命的变流器igbt温度控制方法。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是提出一种变流器igbt温度控制方法，该变流器igbt温度控制方法可以降低igbt器件壳温波动，改善igbt功率器件的温度循环寿命，延长器件使用时间，降低变流器运行与维护成本，降低变流器散热系统用电量，提高效率，避免散热风扇的频繁启停，延长散热风扇的使用寿命。
7.为解决上述技术问题，本发明提供变流器igbt温度控制方法，所述变流器包含散热风扇、温度传感器及与所述温度传感器对应的温度控制单元，其特征在于，所述方法包括：
8.获取所述变流器所处的环境温度、igbt壳温、散热器实时温度数据及变流器实时功率数据；
9.根据所述的环境温度、变流器实时功率数据和igbt壳到环境热阻，计算得出igbt壳温目标值；
10.根据所述igbt壳温实时温度数据与所述igbt壳温目标值的差异调节散热风扇转速，使得igbt壳温维持在目标范围之内。
11.优选地，所述散热风扇为变频调速风扇，能够接收转速控制指令并输出给定的转速，而且其转速可以根据指令在其允许在的最低转速和最高转速之间连续可调。
12.优选地，所述环境温度由安装在变流器进风口的温度传感器测得。
13.优选地，所述散热器温度由靠近igbt安装在散热器上的温度传感器测得。
14.优选地，所述igbt壳温由igbt内部的温度传感器测得，当igbt无温度传感器时，其壳温由散热器温度近似代替。
15.优选地，所述igbt壳到环境热阻数据，是预先根据变流器测试测得。
16.优选地，所述“根据所述散热器实时温度数据与所述散热器温度目标值的差异调节散热风扇转速”，其中的转速调节采用比例-积分调节器，而比例-积分的上及下限对应变频风扇的最高和最低转速。
17.优选地，所述变流器为风电变流器、光伏逆变器、传动变频器、静止无功发生器及直流充电桩中的任一种。
18.采用上述方法之后，获取所述变流器所处的环境温度、igbt壳温、散热器实时温度数据及变流器实时功率数据；根据所述的环境温度、变流器实时功率数据和igbt壳到环境热阻，计算得出igbt壳温目标值；根据所述igbt壳温实时温度数据与igbt壳温目标值的差异调节散热风扇转速，使得igbt壳温维持在目标范围之内；该变流器igbt温度控制方法可以降低igbt器件壳温波动，改善igbt功率器件的温度循环寿命，延长器件使用时间，降低变流器运行与维护成本，降低变流器散热系统用电量，提高效率，避免散热风扇的频繁启停，延长散热风扇的使用寿命。
附图说明
19.图1为本发明变流器igbt温度控制方法的控制流程图；
20.图2为本发明变流器igbt温度控制方法的壳温波动与igbt温度循环寿命关系曲线图；
21.图3为本发明变流器igbt温度控制方法的转速调节所采用的比例-积分调节器在阶跃输入时的转速输出特性关系图。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅是用于解释本发明，并不用于限定本发明。
23.实施例一
24.请参阅图1及图2，图1为本发明变流器igbt温度控制方法的控制流程图；图2为本
发明变流器igbt温度控制方法的壳温波动与igbt温度循环寿命关系曲线图；本实施例公开了一种变流器igbt温度控制方法，所述变流器包括散热风扇、温度传感器及与所述温度传感器对应的温度控制单元，所述方法包括：获取所述变流器所处的环境温度、igbt壳温及变流器实时功率数据；
25.根据所述的环境温度、变流器实时功率数据和igbt壳到环境热阻，计算得出igbt壳温目标值；
26.根据所述igbt壳温实时温度数据与所述igbt壳温目标值之间的差异调节散热风扇转速，使得散热器温度维持在目标范围之内；
27.其中，所述温度传感器为二组传温度感器，二组温度传感器分别用于测量变流器环境温度、igbt壳温，其中igbt壳温传感器是igbt模块内部的负温度系数热敏电阻器，其测量结果反映出igbt的壳温，而环境温度传感器安装在变流器的进风口附近。
28.散热风扇的作用是给igbt功率模组的散热器散热，该散热风扇能够接收温度控制单元发送的转速控制指令并输出给定的转速，其转速通过变频控制方式能够在风扇允许最大值和最小值之间进行无级调速。
29.温度控制单元以dsp或者mcu作为控制运算核心，该控制单元可以是变流器内部专门用来做温度控制的微处理单元，或者是在变流器主控制器单元增加了温度控制功能。
30.请参阅图3，图3为本发明变流器igbt温度控制方法的温差-转速时间特性曲线关系图。温度控制单元需采集变流器环境温度、igbt壳温、散热器温度、变流器的实时功率数据，综合采集到数据并根据igbt壳到环境热阻得到igbt壳温目标值，然后据所述igbt壳温实测值与目标值的差异，采用比例-积分调节器来调节散热风扇转速，使得散热器温度维持在目标范围之内，使得igbt壳温维持相对稳定，以此减少igbt壳温波动；而比例-积分的上及下限对应变频风扇的最高和最低转速。
31.实施例二
32.请参阅图1，图1为本发明变流器igbt温度控制方法的控制流程图；本实施例公开了一种变流器igbt温度控制方法，所述变流器包括散热风扇、温度传感器及与所述温度传感器对应的温度控制单元，所述方法包括：获取所述变流器所处的环境温度、散热器实时温度数据及变流器实时功率数据；
33.根据所述的环境温度、变流器实时功率数据和散热器到环境热阻，计算得出散热器温度目标值；
34.根据所述散热器实时温度数据与所述散热器温度目标值的差异调节散热风扇转速，使得散热器温度维持在目标范围之内；
35.本实施例中的变流器包含至少两组传温度感器、变频调速散热风扇和温度控制单元，两组温度传感器分别用于测量变流器环境温度、散热器温度，其中散热器温度传感器安装在igbt附近的散热器上，以此来反映出igbt壳温，而环境温度传感器安装在变流器的进风口附近。
36.本实施例的散热器温度传感器并不是igbt内部的温度传感器，本实施例主要针对器件其内部没有测量壳温的温度传感器器的igbt，所述散热器上的温度传感器可以近似测得igbt壳温。
37.测量变流器环境温度的温度传感器安装在变流器的进风口附近。
38.散热风扇的作用是给igbt功率模组的散热器散热，该变频风扇能够接收温度控制单元发送的转速控制指令并输出给定的转速，其转速通过变频控制方式能够在风扇允许最大值和最小值之间进行无级调速。
39.温度控制单元以dsp或者mcu作为控制运算核心，该控制单元可以是变流器内部专门用来做温度控制的微处理单元，也可以是在变流器主控制器单元增加了温度控制功能，而且后者更为优选。
40.在变流器工作过程中，温度控制单元在采集到变流器环境温度、变流器的实时功率数据之后，综合采集的数据并根据散热器到环境的热阻得到散热器温度目标值，然后根据所述散热器实时温度数据与所述散热器温度目标值的差异，采用比例-积分调节器来调节散热风扇转速，使得散热器温度维持在目标范围之内，使得散热器温度维持相对稳定，以此减少igbt壳温波动。
41.该变流器igbt温度控制方法，可以降低igbt器件壳温波动，改善igbt功率器件的温度循环寿命，延长器件使用时间，降低变流器运行与维护成本，降低变流器散热系统用电量，提高效率，避免散热风扇的频繁启停，延长散热风扇的使用寿命。
42.应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。