一種變流器功率二極管結(jié)溫測量系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及二極管溫度測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種變流器功率二極管結(jié)溫測量的系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)溫是電力電子器件的重要狀態(tài)變量，能直接反映器件安全裕量、健康狀態(tài)以及運行性能等。然而由于器件的封裝結(jié)構(gòu)、芯片尺寸小以及溫度分布不均等原因，結(jié)溫測量十分困難。電力電子器件是變流器的核心器件，因此研發(fā)簡便，準(zhǔn)確、安全的器件結(jié)溫測量技術(shù)對于變流器性能評估，優(yōu)化設(shè)計以及狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷具有重要工程意義。
[0003]作為變流器中最常見的電力電子器件，準(zhǔn)確測量功率二極管結(jié)溫十分重要。某些情況下，變流器中功率二極管可能承受比其它器件更高的熱應(yīng)力。例如:雙饋風(fēng)電機組在超同步運行或電網(wǎng)對稱故障低電壓穿越時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中功率二極管的溫度波動高于其它器件；在中性點鉗位式三電平大功率風(fēng)電變流器中，鉗位二極管的運行溫度會明顯高于其它器件。
[0004]目前，對功率電力電子器件的結(jié)溫監(jiān)測主要分為兩類:1)基于傳感器的直接測量法，如:利用熱電偶、光纖以及集成二極管等測溫方法；2)基于溫敏電參數(shù)的間接測量法，如:利用導(dǎo)通壓降、開關(guān)延遲時間、內(nèi)部門極電阻等器件溫敏參數(shù)的測溫方法。前者對傳感器的安放位置有較高要求，還存在響應(yīng)速度慢，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及絕緣安全等問題。溫敏參數(shù)法具有非侵入式測量的特點，無需改變功率器件的硬件結(jié)構(gòu)，因此成為結(jié)溫測量技術(shù)發(fā)展的一個主要方向。
[0005]文南犬“Determinat1n of junct1n temperature of laser d1de arraysoperating under quasi continuous condit1ns，，(A.Kozlowska, A.Malag, S.ffrobel, Proc.Lasers and Electro-Optics Europe Conference, pp.148，22_27Jun.2003)提出了一種發(fā)光二極管結(jié)溫測量的方法，該方法根據(jù)發(fā)光二極管光譜波長與結(jié)溫間的定量關(guān)系，通過測量二極管光譜波長的偏移量確定二極管的結(jié)溫。該方法僅適用于發(fā)光二極管的結(jié)溫測量，無法應(yīng)用于變流器中的功率二極管。此外二極管光譜波長的精確測量對設(shè)備要求很高，只能在實驗室中進行。
[0006]文南犬“Junct1n temperature measurement of light-emittingd1des by vo It age-temperature relat1n method”(Y.K.Yang, W.C.Lien, Y.C.Huang, N.C.Chen, Proc.Lasers and Electro-Optics-Pacific RimConference, pp.1-2, 26-3IAug.2007)提出了一種基于導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系的二極管結(jié)溫測量方法，該方法在測溫過程中向二極管中注入一個恒定幅值的小電流并測量二極管通態(tài)壓降，根據(jù)小電流條件下二極管導(dǎo)通壓降與結(jié)溫間的定量關(guān)系T,= f (Vf)，獲取二極管結(jié)溫信息。由于額外注入測量用小電流會影響變流器系統(tǒng)正常運行，因此該方法只能在實驗室中進行，無法在現(xiàn)場對功率二極管運行結(jié)溫進行測量。
[0007]文南犬“Measurement of junct1n temperature of a semiconductor laserd1de” (A.Karim, Proc.1NMIC, pp.659-662，Dec.2004)提出的方法同樣是利用導(dǎo)通壓降對二極管結(jié)溫進行測量。該方法在變流器正常運行過程中同時監(jiān)測二極管導(dǎo)通壓降與電流，根據(jù)結(jié)溫與它們之間的定量關(guān)系T,= f (VF，Id)直接獲取二極管運行結(jié)溫的信息。然而該方法也存在一定的局限性。首先，二極管導(dǎo)通壓降在一定電流范圍內(nèi)對溫度不敏感，因此該方法無法在所有運行區(qū)間內(nèi)對結(jié)溫進行測量；此外，由于導(dǎo)通壓降很小(通常在I?2V)而關(guān)斷壓降很大(通常在幾百伏)，因此高頻開關(guān)工作條件下二極管導(dǎo)通壓精確測量十分困難。
[0008]專利US006060792A提出了一種利用電壓變化率測量電力電子器件結(jié)溫的方法，該方法在系統(tǒng)正常開關(guān)運行過程中通過監(jiān)測器件關(guān)斷時的電壓變化率與電流獲取器件運行結(jié)溫信息，但目前該方法僅適用于IGBT器件，無法直接應(yīng)用于二極管結(jié)溫測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種適用于現(xiàn)場在線測量、測量簡便準(zhǔn)確的變流器功率二極管結(jié)溫測量系統(tǒng)及方法。
[0010]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0011]一種變流器功率二極管結(jié)溫測量系統(tǒng)，包括:
[0012]信號監(jiān)測單元，與變流器連接，采集變流器的輸出相電壓和輸出相電流，獲取各輸出相電壓的電壓變化率；
[0013]結(jié)溫計算單元，與信號監(jiān)測單元連接，存儲有預(yù)先獲得的結(jié)溫特性三維表格，根據(jù)所述輸出相電流、電壓變化率及結(jié)溫特性三維表格計算變流器中各功率二極管的運行結(jié)溫。
[0014]所述信號監(jiān)測單元包括電壓探頭、電流探頭和示波器，所述示波器分別連接電壓探頭、電流探頭和結(jié)溫計算單元。
[0015]所述信號監(jiān)測單元包括信號測量與調(diào)理電路。
[0016]所述結(jié)溫計算單元為上位機或變流器主控器。
[0017]所述電壓變化率為功率二極管關(guān)斷時變流器各輸出相電壓從90% Vd。變化到10%Vd。過程中的電壓變化率，V d。為直流電壓。
[0018]所述變流器為由基本Buck單元電路組成的變流器。
[0019]—種變流器功率二極管結(jié)溫測量方法，包括:
[0020]標(biāo)定步驟，通過標(biāo)定實驗獲得變流器中功率二極管結(jié)溫1與電壓變化率dv/dt以及輸出相電流i的定量關(guān)系dv/dt = (Tj, i)，形成結(jié)溫特征三維表格；
[0021]信號監(jiān)測步驟，在變流器正常工作時，獲取變流器電壓變化率及輸出相電流；
[0022]結(jié)溫計算步驟，根據(jù)所述輸出相電流、電壓變化率及結(jié)溫特性三維表格計算變流器中各功率二極管的運行結(jié)溫。
[0023]所述標(biāo)定實驗包括以下步驟:
[0024]I)加熱變流器使其溫度到達指定值并達到熱平衡，測量此時變流器的殼溫即為功率二極管的結(jié)溫Tj;
[0025]2)通過雙脈沖實驗測量功率二極管關(guān)斷時變流器電壓變化率dv/dt及輸出相電流i ;
[0026]3)重復(fù)步驟I)-2)，獲得電壓變化率dv/dt與不同功率二極管結(jié)溫T,以及輸出相電流i的定量關(guān)系dv/dt = (Tj, i) ο
[0027]所述電壓變化率為功率二極管關(guān)斷時變流器各輸出相電壓從90% Vd。變化到10%Vd。過程中的電壓變化率，V d。為直流電壓。
[0028]所述變流器為由基本Buck單元電路組成的變流器。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0030](I)測量范圍寬:與現(xiàn)有技術(shù)采用二極管導(dǎo)通壓降作為溫敏參數(shù)相比，本發(fā)明方法不存在對溫度不敏感的電流范圍，能在所有運行區(qū)間內(nèi)對二極管運行結(jié)溫進行測量。
[0031](2)適用于現(xiàn)場在線測量:相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明方法不僅可用于實驗室，同樣可在工業(yè)現(xiàn)場變流器正常運行過程中對功率二極管結(jié)溫進行在線測量。
[0032](3)測量簡便:與現(xiàn)有技術(shù)必須監(jiān)測每個二極管的導(dǎo)通壓降相比，本發(fā)明方法僅需監(jiān)測變流器每相輸出電壓，有效降低了監(jiān)測信號的數(shù)量。
[0033](4)測量準(zhǔn)確:本發(fā)明方法采用二極管關(guān)斷電壓變化率作為溫敏參數(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)采用導(dǎo)通壓降等溫敏參數(shù)相比，本發(fā)明方法具有溫敏參數(shù)靈敏度高、線性度好、結(jié)溫測量精度高的優(yōu)點。
[0034](5)適用廣泛:本發(fā)明不僅適用于三相變流器，且適用于所有由基本Buck單元電路組成的變流器。
【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明結(jié)溫測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖2為本發(fā)明電壓變化率定義示意圖，其中，(2a)為變流器輸出相電壓、相電流的曲線示意圖，(2b)為二極管D1*斷過程示意圖，圖2中電壓電流正方向如圖1所示；
[0037]圖3為本發(fā)明結(jié)溫測量方法的流程示意圖；
[0038]圖4為基本Buck單兀電路不意圖；
[0039]圖5為二極管關(guān)斷時電壓變化率隨溫度變化特性示意圖；
[0040]圖6為標(biāo)定實驗測得的結(jié)溫特性三維表格示意圖；
[0041 ] 圖7為380V/7.5kff三相變頻器功率二極管結(jié)溫測量結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
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