大功率整流元件的温度监测与保护

张 宁

（保定莱特整流器股份有限公司，河北 保定 071051）

在大功率电力电子设备中，大功率电子元器件（如晶闸管、硅二极管、IGBT等各种器件）往往由于运行温度过高而损坏，目前，在整流设备中对整流元件的保护方法一般是对各整流元件的工作电流进行检测，当个别整流元件的电流过大时，保护装置发出警报，采取保护措施，防止硅整流元件因电流过大引起温度过高而烧坏。但是，对于采用水冷却的硅整流元件，特别是同一桥臂上有多支整流元件并联的水冷元件，虽然均流检测可以监测各支元件在运行中的实际电流，但是在均流良好的条件下，如果冷却水路发生问题，同样会由于冷却不良而导致个别整流元件温度过高，造成烧毁整流元件的事故。所以监测各只整流元件的运行温度是一种最直接和综合的监测方法。

1 结构说明

1.1 整体结构

整流元件温度监测与保护装置，由直流电源、温度检测电路、多通道A/D转换器U5、CPU以及保护执行电路组成（见图1）。

图1

1.2 温度检测电路的组成

温度检测电路由六个结构完全相同的温度检测单元组成，每个温度检测单元均由温度传感器Rt和电位器W2串联而成，其串接点的输出信号接多通道A/D转换器U5的输入端，六个温度检测单元的输出信号分别接多通道A/D转换器U5的A0－A5输入端；多通道A/D转换器U5的输出端Dout接CPU的P00端，保护执行电路接CPU的输出端，温度传感器Rt安装于硅整流元件的散热器上（见图2）。

图2

1.3 直流电源的结构组成

直流电源由变压器（T）、二极管（D2）、二极管（D3）、电容（C3）、电容（C4）以及三端稳压器（U2）组成，其中，变压器（T）、二极管（D2）、二极管（D3）接成全波整流电路，电容（C4）为其滤波电容，全波整流电路的输出接三端稳压器(U2)的 Vin与 GND端，电容（C3）为三端稳压器(U2)的输出端的滤波电容（见图2）。

1.4 保护执行电路的结构组成

保护执行电路由继电器J构成，继电器J的线圈接CPU的一个输出端，其常闭触点串联于整流电路主回路中。CPU与继电器J之间增设PLC，PLC的RXD、TXD端分别接CPU的TXD、RXD端，继电器J的线圈接PLC输出端P10。CPU与PLC之问增设光电隔离电路GL，CPU的TXD、RXD端经光电隔离电路GL与上位机的RXD、TXD端连接。

2 核心技术

2.1 温度检测

应用于大功率整流元件的温度检测与其他应用场合的温度检测有着本质的不同。大功率整流元件的温度检测的测点全部处于整流电路的主电路高电压位置，根据IEC标准，通常主电路对控制电路之间以及对地和对工频电源均应该有不低于 2000Vrms（持续1分钟）的耐压强度，对于高电压输出的整流器就有更高的耐压要求（见参考文献IEC标准和我国国家标准）。

本文提出两种方案来实现大功率整流元件的温度监测。

方案一，使用模拟量的线性光电隔离和传输技术，要求设计的电路在电压的模拟量方面能够线性地传输到光隔的后级，更重要的是保证光电隔离的前后级之间有足够的电绝缘耐压强度.本设计能够保证温度传感器 Rt的输出电压，线性地传到 CPU模块的A/D转换器端口，而电绝缘耐压强度完全由所选的光隔器件决定。

方案二，由变压器承担整流设备主回路与提供温度采样模块的工频电源之间的电绝缘,温度采样模块的本体部份（传感器、CPU、A／D芯片）通过光电隔离以数字量的形式与数据采集模块进行联系。因为不同几何位置的温度传感器可处于不同的主电源电平上，只有处于同一主电源电平的传感器才能合用同一变压器和同一温度采样模块（A／D转换器）。

2.2 A/D转换

A/D转换电路和温度检测电路在物理上实际是同一块印刷电路板，A/D转换电路可以选用各种品牌和型号来实现，如同CPU芯片可以选各种不同型号一样，这并不影响本技术的实施。

AD转换后的数据仅仅是表达了温度传感器的输出电压。它所代表的实际温度，要根据实际选用的传感器的温度电阻特性曲线，再结合电路运算得到。在传感器型号选定以后，换算成一张电压转换为温度的表格，置入CPU软件中，然后按照普通的查表法就可以很方便地得到温度值。

2.3 数据收集

A/D转换后的数据存放于温度采集模块CPU内部RAM中，此数据通过CPU的TXD和RXD口线，向数据收集模块汇报。所有子模块的TXD口线完全直接并联，所有子模块的 RXD口线也完全直接并联，子模块的TXD口线与数据收集模块的RXD口线连接，子模块的RXD口线与数据收集模块的TXD口线连接（见图3）。

为了区别不同几何位置的整流元件的数据，不同子模块要有不同编号，数据收集模块根据子模块编号将数据存放于数据收集模块CPU不同的RAM地址中。

最后数据收集模块可以将全部数据通过 RS485端口送到PLC、上位机或显示模块，具体软件设计可以根据具体工程需要而定。

图3

3 工艺选择

温度传感器的结构对于整个温度监测系统是至关重要的环节。除了要求热阻小，热传递时间常数小以外，更要求传感头与外表面的导热面之间有足够的电绝缘强度。本技术选择的是NTC型温度传感器，NTC型传感器是一种非线性电阻元件，其电阻值与其当时所处点的温度成反比，由于NTC材料本质上属于半导体材料，所以其电阻的温度系数不同于一般金属材料那样成线性关系。因为其体积小，而且电阻随温度而变化的灵敏度比较高，因此更适合作为整流元件温度检测之用。

实际应用中温度传感器的外壳对整流元件散热器（阴极/阳极），在结构上还是要保证2000Vrms（持续1分钟）的绝缘强度，必须考虑温度传感器本体的耐压，不能将传感器的绝缘作为主绝缘使用，这是设计中应该着重考虑的基本安全要求。

4 结论

本技术利用温度检测电路采集整流元件的温度模拟信号，此信号经多通道A/D转换器U5转换为数字信号后，进入CPU进行处理，得到温度值，最后信号被送到PLC或上位机。当某整流元件因工作电流过大或冷却不良或其它原因引起温度过高时，PLC或上位机向继电器发出控制信号，切断主回路，对整流元件实施保护，防止整流元件烧毁；本监测保护装置中，处于不同的主电源电平上的电路通过直流电源中的变压器、光隔离器件实现与其它电路之间的隔离，保证了装置的安全运行。本技术不仅适用于保护整流设备中的整流元件，也适用于保护其它设备中的大功率电力电子元器件，能避免硅整流元件或其它大功率电力电子元器件因电流过大或冷却不良致使温度过高而烧坏，可有效保护大功率电力电子设备中的大功率电力电子元器件，使设备能够安全运行。

[1]电子设备连接器.试验和测量.第 4-1部分:电压应力试验.试验 4a:耐电压 IEC 60512-4-1-2003,中国标准出版社.

[2]机床电气、电子和可编程电子控制系统耐压试验规范GB/T 26676-2011.中国标准出版社.

[3]工业机械电气设备耐压试验规范 GB/T 24344-2009.中国标准出版社.