CN110487437A - 集成温度监控系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种集成温度监控系统，该系统包括多点温度检测模块，所述多点温度检测模块包括散热器和设置于所述散热器内部的多个温度检测部件，所述散热器用于与所述IGBT模块贴合，所述温度检测部件接触所述IGBT模块的表面，用于检测所述IGBT模块的温度数据；数据采集处理模块，与所述多点温度检测模块电连接，用于获取所述多点温度检测模块上每个温度检测部件检测的温度数据，并通过预设数据分析策略对所述温度数据进行分析，确定所述IGBT模块的温度值。通过上述系统，可以多点检测IGBT模块上的温度数据，并且对获取的温度数据进行修正，以确保数据的准确性，达到能够精确对IGBT模块进行温度监控的效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件检测技术领域，尤其涉及一种集成温度监控系统。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)是一种半导体功率器件，通过控制电路的开关来实现交流电压及频率的改变，应用广泛。IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上，IGBT模块在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。
IGBT模块的工作过程中经历着长时间的高电流、高电压的快速切换，会产生大量热量，当IGBT模块的温度高于一定范围时，需要对IGBT模块进行降温处理，以免影响IGBT模块的性能和寿命，因此对IGBT模块的温度监控显得尤为重要。
传统的温度监控方式采用温度器(如热电偶)贴片的形式对IGBT模块进行温度检测，但是热电偶一般贴装在散热器的某一位置，与IGBT模块存在一定间隔，无法实时及准确地监控模块的具体温度分布，且由于IGBT模块在升降温过程中会产生变形，导致模块背板与散热器分离而产生较大温度误差，因此传统的温度器贴片的方式检测精度不高，导致无法准确对IGBT模块进行温度监控。
发明内容
本发明实施例提供一种集成温度监控系统，可以准确对IGBT模块进行温度监控。
一种集成温度监控系统，用于监控IGBT模块的温度，包括：
多点温度检测模块，所述多点温度检测模块包括散热器和设置于所述散热器内部的多个温度检测部件，所述散热器用于与所述IGBT模块贴合，所述温度检测部件接触所述IGBT模块的表面，用于检测所述IGBT模块的温度数据；
数据采集处理模块，与所述多点温度检测模块电连接，用于获取所述多点温度检测模块上每个温度检测部件检测的温度数据，并通过预设数据分析策略对所述温度数据进行分析，确定所述IGBT模块的温度值。
可选的，在其中一个实施例中，所述多个温度检测部件根据所述IGBT模块的发热位置组装在所述散热器内，用于对所述IGBT模块进行多点温度检测。
可选的，在其中一个实施例中，所述温度检测部件包括第一机械组件、热敏电阻、弹性组件和第二机械组件，所述第一机械组件与第二机械组件配合形成中空的活塞结构，所述弹性组件设置于所述活塞结构内部以使得所述第一机械组件相对于第二机械组件伸缩运动；所述热敏电阻设于所述第一机械组件内靠近所述IGBT模块的位置，用于检测所述IGBT模块的温度数据。
可选的，在其中一个实施例中，还包括高导热硅脂，所述高导热硅脂设于所述多点温度检测模块与所述IGBT模块之间，用于形成所述IGBT模块与所述多个温度检测部件的传热路径。
可选的，在其中一个实施例中，所述数据采集处理模块包括由所述热敏电阻和分压电阻构成的分压网络、RC低通滤波器和微控制器，所述热敏电阻的电压经过所述RC低通滤波器进行滤波后，传输至所述微控制器，由所述微控制器根据所述热敏电阻的电压计算出所述IGBT模块的温度值。
可选的，在其中一个实施例中，所述分压网络包括热敏电阻和分压电阻，所述分压电阻的一端与直流电源连接、另一端与所述热敏电阻的一端连接，所述热敏电阻的另一端接地，所述分压网络用于获取所述热敏电阻的电阻值。
可选的，在其中一个实施例中，所述RC低通滤波器包括第一电阻、第一电容和第二电容，所述第一电容与所述热敏电阻并联，所述第一电阻的一端与所述第一电容的一端连接、另一端与所述第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端与所述第一电容的另一端连接，所述第二电容的两端分别与所述微控制器的ADC通道连接。
可选的，在其中一个实施例中，所述微控制器通过ADC通道接收所述热敏电阻的电压，将所述电压转换为数字信号电压，根据所述数字信号电压结合温度计算公式计算出所述IGBT模块的温度值。
可选的，在其中一个实施例中，所述微控制器根据所述IGBT模块的数据手册提供的热阻参数计算所述IGBT模块的热阻信息，根据所述热阻信息结合所述多点温度检测模块检测的温度数据对所述IGBT模块进行散热分析和评估。
可选的，在其中一个实施例中，当所述IGBT模块的温度值大于预设温度值时，对所述IGBT模块进行降温处理。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
上述集成温度监控系统，通过多点温度检测模块内的散热器与IGBT模块贴合，温度检测部件接触IGBT模块的表面，检测IGBT模块的温度数据；通过数据采集处理模块获取所述多点温度检测模块上每个温度检测部件检测的温度数据，并通过预设数据分析策略对所述温度数据进行分析，确定所述IGBT模块的温度值。通过上述系统，可以多点检测IGBT模块上的温度数据，并且对获取的温度数据进行修正，以确保数据的准确性，达到能够精确对IGBT模块进行温度监控的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为一个实施例中集成温度监控系统的结构框图；
图2为一个实施例中集成温度监控系统的结构示意图；
图3为一个实施例中另一角度的集成温度监控系统的结构示意图；
图4为一个实施例中温度检测部件的结构爆炸图；
图5为一个实施例中温度检测部件的结构剖面图；
图6为一个实施例中数据采集处理模块的电路示意图；
图7为一个实施例中温度检测部件的性能测试结果示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本申请。可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件称为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元器件，但其不是同一元器件。
图1为一个实施例中集成温度监控系统的结构框图，该集成温度监控系统，用于监控IGBT模块的温度，该IGBT模块具体可以是应用于地铁再生制动能量回收系统中的高功率模块。本实施例的集成温度监控系统可以准确对IGBT模块进行温度监控，如图1所示，该集成温度监控系统包括多点温度检测模块110和数据采集处理模块120，多点温度检测模块110包括散热器112和设置于散热器112内部的多个温度检测部件114，散热器112用于与IGBT模块贴合，温度检测部件114接触IGBT模块的表面，用于检测IGBT模块的温度数据。
具体的，参阅图2和图3所示，散热器与高功率IGBT模块紧密贴合，在散热器内部分布有多个温度检测部件，且温度检测部件接触高功率IGBT模块的表面，由于单点温度检测部件的小尺寸使得其能够直接贴附于高功率IGBT模块，同时又不会对系统的散热性能产生影响。通过采用不同数量的单点温度检测部件可以实现对高功率IGBT模块的多点温度监控。
进一步的，请继续参阅图1，数据采集处理模块120与多点温度检测模块110电连接，用于获取多点温度检测模块110上每个温度检测部件114检测的温度数据，并通过预设数据分析策略对所述温度数据进行分析，确定IGBT模块的温度值。数据采集处理模块120能够实时采集数据信号并转换为温度数值，以整合于系统数据平台中。
本实施例提供的集成温度监控系统，通过多点温度检测模块内的散热器与IGBT模块贴合，温度检测部件接触IGBT模块的表面，检测IGBT模块的温度数据；通过数据采集处理模块获取所述多点温度检测模块上每个温度检测部件检测的温度数据，并通过预设数据分析策略对所述温度数据进行分析，确定所述IGBT模块的温度值。可以多点检测IGBT模块上的温度数据，并且对获取的温度数据进行修正，以确保数据的准确性，达到能够精确对IGBT模块进行温度监控的效果。
在一个实施例中，多个温度检测部件可以根据所述IGBT模块的发热位置组装在所述散热器内，用于对所述IGBT模块进行多点温度检测。具体的，IGBT模块在工作过程中产生热量的部位主要在PN结处，表现为器件结温的上升，因此可以将温度检测部件设置在靠近IGBT模块的PN结的位置，实现对IGBT模块结温的有效检测，能够更精确的体现IGBT模块的发热温度，利于对IGBT模块的过温保护，降低器件失效的风险。需要说明的是，集成温度监控系统中温度检测部件的数量可以根据实际情况设置为一个或多个，例如本实施例中温度检测部件的数量为6个，在其他实施例中还可以设置为其他数量。
在一个实施例中，参阅图4所示，为一个实施例中温度检测部件的结构爆炸图，温度检测部件包括第一机械组件、热敏电阻、弹性组件和第二机械组件。第一机械组件与第二机械组件配合形成中空的活塞结构，所述弹性组件设置于所述活塞结构内部以使得所述第一机械组件相对于第二机械组件伸缩运动。可选的，温度检测部件还可以包括热电偶或电阻温度感测器，通过热电偶或电阻温度感测器进行温度检测。
具体的，第一机械部件可以嵌套在第二机械部件中，第一机械部件为圆柱体结构，第一机械部件的中间部位为半径小于两端的圆柱体，第二机械部件的开口处卡在第一机械部件的中间部位，形成活塞结构。弹性组件设置于所述活塞结构内部，更为具体的，该弹性组件为弹簧，可选的，该弹性组件也可以是其他具备弹性功能的组件，例如橡皮筋、气囊等。通过弹性组件的作用，以使得第一机械部件可以在嵌套在第二机械部件中进行伸缩运动。进一步的，第一机械组件与IGBT模块直接接触，将热敏电阻设于第一机械组件内靠近所述IGBT模块的位置，可以更准确地检测IGBT模块的温度数据。
参阅图5所示，为一个实施例中温度检测部件的结构剖面图，本实施例提供的温度检测部件，通过结构中弹簧的弹性来提供且维持集成温度监控系统与IGBT模块间的紧密贴合，以确保两者间的紧密贴合不会受到系统制作公差或是装配过程的影响。可选的，为了控制整个集成温度监控系统的尺寸，对不同的结构设计及材料选择进行尝试及试验，以开发出小尺寸下的可压缩的集成温度监测系统。通过本发明实施例提供的温度检测部件，由于存在伸缩结构，可以实时保持温度检测部件与IGBT模块背板之间的紧密贴合，而不受系统公差、装配过程及IGBT模块变形的影响，进而提升温度检测精度。并且，本发明实施例的集成温度监控系统中设置有多个温度检测部件，可以对IGBT模块的多个位置点进行温度检测，以对IGBT模块的整体温度分布做出精确的评估。
在一个实施例中，该集成温度监测系统还包括高导热硅脂，所述高导热硅脂设于所述多点温度检测模块与所述IGBT模块之间，用于形成所述IGBT模块与所述多个温度检测部件的传热路径。具体的，选择导热系数高且可以在常温下固化的导热硅脂以提供良好的传热路径，从而确保热敏电阻监测到准确的温度及实时跟踪IGBT模块的温度变化。
在一个实施例中，如图6所示，为一个实施例中数据采集处理模块的电路示意图，数据采集处理模块包括由所述热敏电阻RNTC和分压电阻Rbias构成的分压网络、RC低通滤波器和微控制器，热敏电阻RNTC的电压经过所述RC低通滤波器进行滤波后，传输至微控制器，由所述微控制器根据所述热敏电阻RNTC的电压计算出所述IGBT模块的温度值。
需要说明的是，本实施例中热敏电阻RNTC(负温度系数热敏电阻器)在温度越高时电阻值越低，也即其电阻值与温度变化成反比；在其他实施例中，热敏电阻还可以是正温度系数热敏电阻器(PTC)，其在温度越高时电阻值越大。
具体的，分压网络包括热敏电阻RNTC和分压电阻Rbias，分压电阻Rbias的一端与直流电源连接、另一端与所述热敏电阻RNTC的一端连接，所述热敏电阻RNTC的另一端接地，所述分压网络用于获取所述热敏电阻RNTC的电阻值。
RC低通滤波器包括第一电阻Rf1、第一电容Cf1和第二电容Cf2，第一电容Cf1与热敏电阻并联，第一电阻Rf1的一端与第一电容Cf1的一端连接、另一端与第二电容Cf2的一端连接，第二电容Cf2的另一端与第一电容Cf1的另一端连接，第二电容Cf2的两端分别与微控制器的ADC通道连接。
在集成温度监测系统工作时，不同位置点的温度检测部件的数据需要同时进行采集后处理，并且实时的传输给系统数据平台。热敏电阻RNTC上的电压经RC低通滤波器滤波后，传输至微控制器MSP430的ADC通道，以完成数据采集处理。
在一个实施例中，微控制器通过ADC通道接收所述热敏电阻的电压，将所述电压转换为数字信号电压，根据所述数字信号电压结合温度计算公式计算出所述IGBT模块的温度值。
具体的，热敏电阻上的模拟电压通过微控制器内的ADC通道，转换为12位的数字信号电压。可选的，为了获得更准确的数据并减少数据波动，各温度检测部件中的热敏电阻上的电压将连续采集20次，并计算其平均值。
举例说明，热敏电阻值的计算公式为：其中RNTC为热敏电阻值，Rbias为分压电阻值，ADC_value为微控制器获取的数字信号电压。
IGBT模块的温度值的计算公式为：
其中，Temp.(in degree Celsius)为IGBT模块的摄氏度值，RNTC为热敏电阻值。
在一个实施例中，微控制器根据所述IGBT模块的数据手册提供的热阻参数计算所述IGBT模块的热阻信息，根据所述热阻信息结合所述多点温度检测模块检测的温度数据对所述IGBT模块进行散热分析和评估。
具体的，对高功率IGBT模块的热性能进行分析，以确保得到更为精确的温度数据。采用数值分析方法对高功率IGBT模块进行热性能分析及验证，综合考虑导热热阻以及扩散热阻，通过与模块数据手册提供的结壳热阻及壳沉热阻进行对比，以确认数值分析方法及模型的准确性。进而用确认的数值方法对模块进行散热分析和评估，以确保小尺寸(5毫米的外径)的单点温度检测部件及多点温度检测部件对高功率IGBT模块的散热性能的影响可以忽略。
举例说明，系统热阻的计算公式为：Rth＝Rc+Rsp；
其中，Rth为系统热阻，Rc为导热热阻，Rsp为扩散热阻。
导热热阻的计算公式为：
其中，Rc为导热热阻，δ为材料层厚度，k为导热系数，A为材料层导热截面积。
扩散热阻的经验公式为：
其中，AS为热源的导热截面积，AL为材料层的导热截面积，δL为材料层的厚度，KL为材料层的导热系数，RCL为材料层的导热热阻，σ为位置系数，根据热源芯片在材料层上的位置不同而不同。
在一个实施例中，对温度检测部件的数据检测性能进行测试，将温度检测部件获取的温度数据与粘贴于加热平台的热电偶获取的温度数据进行对比，实验结果如图7所示，温度检测部件与粘贴于加热平台的热电偶有近乎相同的温度变化趋势，因此通过温度检测部件可以较好的追踪其所贴附的表面温度变化。
在一个实施例中，当所述IGBT模块的温度值大于预设温度值时，对所述IGBT模块进行降温处理。具体的，可以采用外部降温与内部降温的方式对IGBT模块进行降温处理，也即一方面可以控制IGBT模块停止工作以避免IGBT模块继续产生热量，另一方面可以通过散热器件对IGBT模块进行散热，如通过风扇、散热贴、水冷系统等对IGBT模块进行散热，以加快IGBT模块的散热过程，保护IGBT模块不因温度过高而受损，延长IGBT模块的使用寿命。
上述集成温度监控系统，可以多点检测IGBT模块上的温度数据，并且对获取的温度数据进行修正，以确保数据的准确性，达到能够精确对IGBT模块进行温度监控的效果。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种集成温度监控系统，用于监控IGBT模块的温度，其特征在于，包括：
多点温度检测模块，所述多点温度检测模块包括散热器和设置于所述散热器内部的多个温度检测部件，所述散热器用于与所述IGBT模块贴合，所述温度检测部件接触所述IGBT模块的表面，用于检测所述IGBT模块的温度数据；
数据采集处理模块，与所述多点温度检测模块电连接，用于获取所述多点温度检测模块上每个温度检测部件检测的温度数据，并通过预设数据分析策略对所述温度数据进行分析，确定所述IGBT模块的温度值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个温度检测部件根据所述IGBT模块的发热位置组装在所述散热器内，用于对所述IGBT模块进行多点温度检测。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述温度检测部件包括第一机械组件、热敏电阻、弹性组件和第二机械组件，所述第一机械组件与第二机械组件配合形成中空的活塞结构，所述弹性组件设置于所述活塞结构内部以使得所述第一机械组件相对于第二机械组件伸缩运动；所述热敏电阻设于所述第一机械组件内靠近所述IGBT模块的位置，用于检测所述IGBT模块的温度数据。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括高导热硅脂，所述高导热硅脂设于所述多点温度检测模块与所述IGBT模块之间，用于形成所述IGBT模块与所述多个温度检测部件的传热路径。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集处理模块包括由所述热敏电阻和分压电阻构成的分压网络、RC低通滤波器和微控制器，所述热敏电阻的电压经过所述RC低通滤波器进行滤波后，传输至所述微控制器，由所述微控制器根据所述热敏电阻的电压计算出所述IGBT模块的温度值。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述分压网络包括热敏电阻和分压电阻，所述分压电阻的一端与直流电源连接、另一端与所述热敏电阻的一端连接，所述热敏电阻的另一端接地，所述分压网络用于获取所述热敏电阻的电阻值。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述RC低通滤波器包括第一电阻、第一电容和第二电容，所述第一电容与所述热敏电阻并联，所述第一电阻的一端与所述第一电容的一端连接、另一端与所述第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端与所述第一电容的另一端连接，所述第二电容的两端分别与所述微控制器的ADC通道连接。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述微控制器通过ADC通道接收所述热敏电阻的电压，将所述电压转换为数字信号电压，根据所述数字信号电压结合温度计算公式计算出所述IGBT模块的温度值。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述微控制器根据所述IGBT模块的数据手册提供的热阻参数计算所述IGBT模块的热阻信息，根据所述热阻信息结合所述多点温度检测模块检测的温度数据对所述IGBT模块进行散热分析和评估。
10.根据权利要求1-9任一项所述的系统，其特征在于，当所述IGBT模块的温度值大于预设温度值时，对所述IGBT模块进行降温处理。
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