大功率整流元件的溫度監測與保護

張 寧

（保定萊特整流器股份有限公司，河北 保定 071051）

在大功率電力電子設備中，大功率電子元器件（如晶閘管、硅二極管、IGBT等各種器件）往往由于運行溫度過高而損壞，目前，在整流設備中對整流元件的保護方法一般是對各整流元件的工作電流進行檢測，當個別整流元件的電流過大時，保護裝置發出警報，采取保護措施，防止硅整流元件因電流過大引起溫度過高而燒壞。但是，對于采用水冷卻的硅整流元件，特別是同一橋臂上有多支整流元件并聯的水冷元件，雖然均流檢測可以監測各支元件在運行中的實際電流，但是在均流良好的條件下，如果冷卻水路發生問題，同樣會由于冷卻不良而導致個別整流元件溫度過高，造成燒毀整流元件的事故。所以監測各只整流元件的運行溫度是一種最直接和綜合的監測方法。

1 結構說明

1.1 整體結構

整流元件溫度監測與保護裝置，由直流電源、溫度檢測電路、多通道A/D轉換器U5、CPU以及保護執行電路組成（見圖1）。

圖1

1.2 溫度檢測電路的組成

溫度檢測電路由六個結構完全相同的溫度檢測單元組成，每個溫度檢測單元均由溫度傳感器Rt和電位器W2串聯而成，其串接點的輸出信號接多通道A/D轉換器U5的輸入端，六個溫度檢測單元的輸出信號分別接多通道A/D轉換器U5的A0－A5輸入端；多通道A/D轉換器U5的輸出端Dout接CPU的P00端，保護執行電路接CPU的輸出端，溫度傳感器Rt安裝于硅整流元件的散熱器上（見圖2）。

圖2

1.3 直流電源的結構組成

直流電源由變壓器（T）、二極管（D2）、二極管（D3）、電容（C3）、電容（C4）以及三端穩壓器（U2）組成，其中，變壓器（T）、二極管（D2）、二極管（D3）接成全波整流電路，電容（C4）為其濾波電容，全波整流電路的輸出接三端穩壓器(U2)的 Vin與 GND端，電容（C3）為三端穩壓器(U2)的輸出端的濾波電容（見圖2）。

1.4 保護執行電路的結構組成

保護執行電路由繼電器J構成，繼電器J的線圈接CPU的一個輸出端，其常閉觸點串聯于整流電路主回路中。CPU與繼電器J之間增設PLC，PLC的RXD、TXD端分別接CPU的TXD、RXD端，繼電器J的線圈接PLC輸出端P10。CPU與PLC之問增設光電隔離電路GL，CPU的TXD、RXD端經光電隔離電路GL與上位機的RXD、TXD端連接。

2 核心技術

2.1 溫度檢測

應用于大功率整流元件的溫度檢測與其他應用場合的溫度檢測有著本質的不同。大功率整流元件的溫度檢測的測點全部處于整流電路的主電路高電壓位置，根據IEC標準，通常主電路對控制電路之間以及對地和對工頻電源均應該有不低于 2000Vrms（持續1分鐘）的耐壓強度，對于高電壓輸出的整流器就有更高的耐壓要求（見參考文獻IEC標準和我國國家標準）。

本文提出兩種方案來實現大功率整流元件的溫度監測。

方案一，使用模擬量的線性光電隔離和傳輸技術，要求設計的電路在電壓的模擬量方面能夠線性地傳輸到光隔的后級，更重要的是保證光電隔離的前后級之間有足夠的電絕緣耐壓強度.本設計能夠保證溫度傳感器 Rt的輸出電壓，線性地傳到 CPU模塊的A/D轉換器端口，而電絕緣耐壓強度完全由所選的光隔器件決定。

方案二，由變壓器承擔整流設備主回路與提供溫度采樣模塊的工頻電源之間的電絕緣,溫度采樣模塊的本體部份（傳感器、CPU、A／D芯片）通過光電隔離以數字量的形式與數據采集模塊進行聯系。因為不同幾何位置的溫度傳感器可處于不同的主電源電平上，只有處于同一主電源電平的傳感器才能合用同一變壓器和同一溫度采樣模塊（A／D轉換器）。

2.2 A/D轉換

A/D轉換電路和溫度檢測電路在物理上實際是同一塊印刷電路板，A/D轉換電路可以選用各種品牌和型號來實現，如同CPU芯片可以選各種不同型號一樣，這并不影響本技術的實施。

AD轉換后的數據僅僅是表達了溫度傳感器的輸出電壓。它所代表的實際溫度，要根據實際選用的傳感器的溫度電阻特性曲線，再結合電路運算得到。在傳感器型號選定以后，換算成一張電壓轉換為溫度的表格，置入CPU軟件中，然后按照普通的查表法就可以很方便地得到溫度值。

2.3 數據收集

A/D轉換后的數據存放于溫度采集模塊CPU內部RAM中，此數據通過CPU的TXD和RXD口線，向數據收集模塊匯報。所有子模塊的TXD口線完全直接并聯，所有子模塊的 RXD口線也完全直接并聯，子模塊的TXD口線與數據收集模塊的RXD口線連接，子模塊的RXD口線與數據收集模塊的TXD口線連接（見圖3）。

為了區別不同幾何位置的整流元件的數據，不同子模塊要有不同編號，數據收集模塊根據子模塊編號將數據存放于數據收集模塊CPU不同的RAM地址中。

最后數據收集模塊可以將全部數據通過 RS485端口送到PLC、上位機或顯示模塊，具體軟件設計可以根據具體工程需要而定。

圖3

3 工藝選擇

溫度傳感器的結構對于整個溫度監測系統是至關重要的環節。除了要求熱阻小，熱傳遞時間常數小以外，更要求傳感頭與外表面的導熱面之間有足夠的電絕緣強度。本技術選擇的是NTC型溫度傳感器，NTC型傳感器是一種非線性電阻元件，其電阻值與其當時所處點的溫度成反比，由于NTC材料本質上屬于半導體材料，所以其電阻的溫度系數不同于一般金屬材料那樣成線性關系。因為其體積小，而且電阻隨溫度而變化的靈敏度比較高，因此更適合作為整流元件溫度檢測之用。

實際應用中溫度傳感器的外殼對整流元件散熱器（陰極/陽極），在結構上還是要保證2000Vrms（持續1分鐘）的絕緣強度，必須考慮溫度傳感器本體的耐壓，不能將傳感器的絕緣作為主絕緣使用，這是設計中應該著重考慮的基本安全要求。

4 結論

本技術利用溫度檢測電路采集整流元件的溫度模擬信號，此信號經多通道A/D轉換器U5轉換為數字信號后，進入CPU進行處理，得到溫度值，最后信號被送到PLC或上位機。當某整流元件因工作電流過大或冷卻不良或其它原因引起溫度過高時，PLC或上位機向繼電器發出控制信號，切斷主回路，對整流元件實施保護，防止整流元件燒毀；本監測保護裝置中，處于不同的主電源電平上的電路通過直流電源中的變壓器、光隔離器件實現與其它電路之間的隔離，保證了裝置的安全運行。本技術不僅適用于保護整流設備中的整流元件，也適用于保護其它設備中的大功率電力電子元器件，能避免硅整流元件或其它大功率電力電子元器件因電流過大或冷卻不良致使溫度過高而燒壞，可有效保護大功率電力電子設備中的大功率電力電子元器件，使設備能夠安全運行。

[1]電子設備連接器.試驗和測量.第 4-1部分:電壓應力試驗.試驗 4a:耐電壓 IEC 60512-4-1-2003,中國標準出版社.

[2]機床電氣、電子和可編程電子控制系統耐壓試驗規范GB/T 26676-2011.中國標準出版社.

[3]工業機械電氣設備耐壓試驗規范 GB/T 24344-2009.中國標準出版社.