基于Labview與AVR32的逆變器結溫采集系統研究*

周仕平，陳權，王群京，何玉清，宋敏

（1.安徽大學電氣工程與自動化學院，合肥230601；2.高節能電機及控制技術國家地方聯合實驗室（安徽大學），合肥230601；3.教育部電能質量工程研究中心（安徽大學），合肥230601）

0 引 言

隨著電力系統發展速度的加快，無論作為供電方的電網還是作為用電方的用戶，對于電能在傳輸過程中的可靠性和質量要求越來越高［1］。電能作為消費產品來看，它的質量的好壞（電能質量）評價標準應該從客戶體驗來看，用電側的感受直接關乎著電能質量的高低［2］。眾所周知，影響電能質量的因素包含多個方面，如電壓暫降、閃變，三相不平衡等等。近些年，隨著新能源并網的快速發展，對電能質量要求也越來越高，因此作為在電能傳輸過程中起著重要作用的電力電子器件，日益凸顯著它的研究價值。

在電力電子器件諸多方面的研究中，開關器件的損耗越來越受到國內外學者的重視。開關器件的功率損耗與結溫呈正相關，測量和控制逆變器的結溫，不但對逆變器的安全穩定運行有著重大的意義，還能對提高電能質量有著很大作用。

對于逆變器中功率開關器件結溫的測量，傳統的方法主要是通過紅外熱成像儀等專用的設備來測量。文獻［3-4］中采用了基于 AT89C51和MLX90614的一種紅外測溫方式，缺點是這種MCU是8位的內核，相對來說處理速度比較慢，由于不能同時驅動多路傳感器的缺點而不能同時采集溫度；文獻［5］采用紅外熱成像儀來測量結溫，缺點是設備成本較高，而且實時性差；文獻［6-7］提出一種基于STM32與DS18B20傳感器的測量方式，缺點是接觸式測溫，不能很好地保護被測目標的溫度場，而且沒有設計上位機，不能直觀明了的顯示目標實時溫度。

論文中設計了一種基于AVR32和MLX90614的無線紅外測溫裝置，與逆變器中功率開關器件結溫測量相結合，編寫Labview程序作為上位機軟件，搭建實驗平臺測量開關器件結溫。

1 NPC三電平逆變器拓撲結構

逆變器拓撲結構如圖1所示。每相橋臂在工作時可以輸出Ed／2、0、-Ed／2三種電平。論文中用 1、0、-1與三種開關狀態分別對應。以A相為例，NPC三電平逆變器中在一個周期內有四種工作狀態，分別對應 I、II、III、IV四個區域，如圖2所示。

圖1 NPC三電平逆變器拓撲結構Fig.1 Topology structure of three-level NPC inerter

圖2 開關器件電壓電流關系圖Fig.2 Relationship diagram between voltage and current of switch components

在區域I內，調制電壓u＞0，負載電流i＞0，橋臂輸出狀態在1和0之間切換；在區域II內，調制電壓u＜0，負載電流i＞0，橋臂輸出狀態在0和-1之間切換；在區域III內，調制電壓u＜0，負載電流i＜0，橋臂輸出狀態在0和-1之間切換；在區域IV內，調制電壓u＞0，負載電流i＜0，橋臂輸出狀態在0和1之間切換。

2 損耗的分析

IGBT和FRD為如今逆變器中常用的開關功率器件。根據逆變器工作狀態，IGBT損耗主要為通態損耗和開關損耗。

2.1 通態損耗

由圖2可得開關器件導通波形的占空比如表1所示。

表1 開關器件導通占空比Tab.1 Duty cycle of switching components

EVal為功率管Val導通時的能量損耗，表達式為：

式中RVal＝（VCEN-VCEO）／ICN；ICN為IGBT額定集電極電流；VCEN為在ICN下的集-射極電壓；VCEO為集-射極電壓飽和值；Tc為載波周期。

將DP2代入式（1）可得通態損耗PVal為：同理可得出 Va2、VDa3（VDa4）和 VDa5的通態損耗表達式為：

2.2 開關損耗

IGBT在開通和關斷時都會產生開關損耗。能量損耗可通過函數關系進行修正，因此IGBT的開關損耗計算如下：

式中Xsw，va（X＝A、B、C）是二次擬合系數；Dsw，Va為測試電壓Ubase的修正系數；Uce為器件實際承受電壓；Ksw，Va為測試結溫Tbase的修正系數；Tvj，va為 IGBT的結溫；I為流過IGBT的瞬時電流值。

一個開關周期內，IGBT的平均開關損耗為：

二極管的反向恢復損耗計算如下：

式中Xrec，VDa（X＝A、B、C）為二次擬合系數；Drec，VDa為測試電壓Ubase的修正系數；Uce為器件實際承受電壓；Krec，VDa為測試結溫Tbase的修正系數；Tvj，VDa為IGBT的結溫；I為流過二極管的瞬時電流值。

二極管在一個開關周期內的反向恢復損耗平均值可表達為：

2.3 結溫計算

文獻［8-10］研究了器件的損耗及散熱，但由于結溫與損耗的相互影響，在損耗的計算中必須考慮結溫的計算。功率器件的損耗和IGBT模塊可以等效為如圖3的等效電路，根據此等效電路可以計算出各自的結溫。圖3中，RVa為IGBT損耗；PVDa為集成二極管損耗；Rth，Va、Rth，VDa分別為 IGBT與二極管到基板的等效熱阻；Rth3為散熱器與環境之間的等效熱阻；Rth2、Rth1為基板到散熱器和基板到環境的等效熱阻，其中由于Rth1阻值大小遠大于Rth2、Rth3，其值可忽略不計。Vvj，Va、Vvj，VDa分別表示 IGBT和二極管結溫；Tc、Th、Ta分別為基板溫度，散熱器溫度和環境溫度。

根據熱阻等效電路可得各自的結溫表達式：

圖3 熱阻等效電路Fig.3 Thermal resistance equivalent circuit

3 結溫采集系統設計

Labview不同于市場上常見的C／C++編程軟件。它使用G語言來編程，使使用界面更加直觀形象而且內置了各種功能函數和協議，被廣泛應用在工業測控領域。

AT32UC3A0512利用Flash新技術，CPU工作頻率最高可達66 MHz；在3.3 V電壓下，工作電流約40 mA，待機電流則僅為30μA［11］。

MLX90614是一款紅外非接觸溫度計，測量的物體溫度范圍為-70℃～382.2℃，溫度分辨率0.01℃，環境溫度范圍是-40℃～125℃，具有較廣的測量范圍和良好的測量精度［12］。

所設計的下位機采用AVR32單片機驅動四路MLX90614紅外溫度傳感器，實時采集單相NPC逆變器的四個開關器件的結溫，將采集到的溫度數據處理運算后通過串口發送到上位機顯示。

3.1 下位機系統設計

系統由上位機和下位機組成，其中上位機部分主要是計算機和上位機軟件，下位機部分由下位機硬件和軟件構成，下位機硬件電路主要由：USB供電電路、晶振電路、復位電路、液晶顯示電路、傳感器驅動電路、串口通信電路以及主電路組成，部分硬件原理圖如圖4所示。

圖4 下位機硬件原理圖Fig.4 Hardware schematic diagram of lower PC system

其中，USB供電電路是通過電腦USB接口引出5 V直流電源，對主電路控制芯片和四個傳感器供電，驅動硬件部分工作。傳感器電路中，每個傳感器除了5 V供電和接地之外，還有兩個引腳同單片機引腳連接，通過二線制的SMBUS協議同單片機通信。液晶顯示模塊電路的作用是驅動OLED顯示模塊，顯示相關信息。單片機的電平為TTL電平，TTL輸出大于2.4 V時為高電平，小于0.4 V時為低電平，而計算機上通常采用RS-232接口，采用負邏輯電平，-15 V～-3 V表示邏輯1，+15 V～+3 V表示邏輯0，串口通信電路的作用是通過MAX232芯片實現電平轉換，連接PC端和下位機，實現數據的通信。

下位機的軟件程序采用C語言編寫，包括傳感器驅動函數，顯示函數和串口通信函數。主要功能是驅動四個MLX90614溫度傳感器，采集溫度，將采集到的溫度值實時顯示在OLED顯示屏上，同時將數據通過串口通信發送到上位機。程序框圖如圖5所示。

圖5 下位機軟件流程圖Fig.5 Software flowchart of the lower PC system

3.2 上位機系統設計

Labview串口通信是通過調用VISA中的串口通訊函數來實現。通過配置VISA中的函數，即可實現Labview軟件與下位機的通信，實現數據的傳送處理。

程序框圖整體是一個順序結構。程序分為三個部分，其中第一部分的作用是串口的初始化：設置串口號，設置波特率，數據位和校檢位，清空緩沖區。程序執行完這部分后，進入第二部分。程序的第二部分是一個while循環，這個循環函數的作用是對緩沖區接收到的字符串進行索引處理，找到對應的數據進行后續的運算處理得到實際的每個傳感器對應的溫度測量值，并將溫度測量值送入顯示控件中顯示，同時將實際得到的溫度值同設置的報警溫度值比較，當溫度值超過報警值的時候，報警指示燈點亮。程序的最后一部分是關閉串口，退出程序。上位機的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 上位機軟件流程圖Fig.6 Software flowchart of the upper PC system

4 仿真

本文在 MATLAB／Simulink仿真環境下搭建了NPC三電平逆變器仿真模型，仿真參數：直流電壓為200 V，濾波電容為1 000μF，輸出頻率為50 Hz，三相負載為電阻10Ω、電感40 mH。圖7為測得的A相所有功率器件的開關損耗和導通損耗，其中，綠色表示開關損耗，紅色表示導通損耗。

圖7 A相開關損耗和導通損耗Fig.7 Switch losses and conduct losses of phase A

根據公式（12）可計算功率器件的暫態溫升，如圖8所示。

5 實驗與分析

為了驗證文中所設計的結溫采集系統能夠實時采集逆變器中開關器件的結溫，根據圖1拓撲結構搭建NPC三電平逆變器系統進行實驗，使用結溫采集系統和傳統的紅外熱成像儀分別獲取逆變器結溫。實驗所用NPC三電平逆變器實驗系統參數如表2所示。

圖8 功率器件的暫態溫升Fig.8 Transient temperature rise of power components

表2 逆變器實驗參數Tab.2 Parameters of experimental in inverter

紅外熱成像儀測量結果如圖9（a）所示，圖9（b）為結溫采集系統下位機液晶顯示屏顯示的溫度。

圖9 兩種測量方式結果對比Fig.9 Comparison of the two measuring methods

上位機Labview實時界面如圖10所示，四個儀表分別對應四個傳感器，示波器圖標實時顯示單相三電平NPC逆變器四個IGBT模塊的結溫。由圖可知，上位機界面能實時的顯示結溫，顯示值同下位機液晶顯示模塊的顯示值一致，具有良好的實時性。

圖10 上位機軟件實時界面Fig.10 Real-time interface of the upper PC software

由兩種測量方式的結果對比可知，紅外熱成像儀每次只能測量出一個部位的溫度，精度只能精確到十分位。而論文中提出的基于Labview與AVR32的逆變器開關器件結溫采集系統，可以同時采集NPC三電平逆變器的四路IGBT實時結溫并顯示在上位機界面上，而且精度可以達到百分位，總體的價格只有紅外熱成像儀的15%～20%，性價比更高。

6 結束語

為了提高電網電能的供電質量，論文分析了在其中起著重要作用的電力電子器件，在搭建三電平NPC逆變器平臺的基礎上，分析它的功率損耗與結溫之間的聯系，設計了一種基于Labview與AVR32單片機的紅外結溫度采集裝置，搭建了實驗平臺，對開關器件的結溫進行測量。對比了傳統紅外熱熱像儀測量結果和本文設計的采集裝置的測量結果，實驗證明，本文設計的采集系統精度高、反應快、實時性好、性價比高，有很強的實用價值。