基于NTC热敏电阻的温度实时在线监测技术研究*

王蓓蓓 ，张良 ，武丹 ，董亮，张加林

(1.中电普瑞电力工程有限公司，北京 102200；2.北京市直流输配电工程技术研究中心，北京 102200)

0 引言

常见的IGBT 结温的采集方法主要有热传感器测量法、红外探测法、电参数间接测量法、电—热耦合仿真分析法等[7]。但热传感器测量法属于接触式，响应速度慢，不能实时测温；红外探测法属于非接触式，可以实时测量温度，但所需要的测量设备较为昂贵，芯片发射率的修正方法较为复杂[8]；电参数法可以实现温度的实时测量，但属于对IGBT 温度等效参数的粗略估算，精确度不高[9]；电—热耦合仿真分析法是基于IGBT 模块的电模型和热模型建立起来的，但该种方法在仿真中较为适用，在实际工程中，不能实现对温度的实时测量[10]。

文献[11]提出了一种利用光纤传感器实测结温的热阻测量法，但该种方法需要将光纤探头植入IGBT 模块内部，这对工艺要求较高，并不实用。文献[12-13]在考虑IGBT 结温、导通压降、导通电流相互影响的基础上，对其V-I 特性曲线进行拟合，从而将IGBT 等效为符合欧姆定律的电阻模型来对温度进行监测，但该种方法需要考虑因素较多，计算较为复杂。

本文提出了一种采用IGBT 模块内部自带的负温度系数热敏电阻(NTC)来进行温度实时在线监测的技术，从而实现IGBT 结温的实时显示。先对NTC 热敏电阻的温度特性进行曲线拟合，得出NTC 等效电阻与温度的关系表达式；然后对温度实时在线监测技术的原理进行详细介绍，将NTC 等效电阻转化为频率信号，并计算出频率与温度的关系表达式；然后针对上传给逻辑处理芯片(CPLD)的频率信号给出逻辑处理的程序流程；最后搭建温度实时在线监测技术的工程样机，配合电力电子装置的功率运行试验，对不同温度下的频率值进行测量，验证该技术的有效性。

1 NTC 热敏电阻

负温度系数热敏电阻(Negative Temperature Coefficient，NTC)是一种随温度升高电阻值下降的敏感元器件，具有温度测量、温度控制和温度补偿的功能[14]。目前市面上成熟的IGBT 模块内部均封装有NTC 热敏电阻，该电路与IGBT 模块的其他电气部分绝缘。因此可以使用该电阻的温度特性来监测IGBT 的结温。

依据IGBT 制造厂商所给出的不同温度下对应的NTC 等效电阻值，可以绘制出NTC 等效电阻对温度的特性曲线，如图1 所示，其中，温度取20 ℃～125 ℃范围。

图1 NTC 等效电阻与温度特性曲线

图1 中，实线为供应商给定的NTC 等效电阻值，利用最小二乘法，对该曲线进行拟合[15]，得出NTC 等效电阻与温度的逻辑表达式，如式(1)所示：

式中，RT为NTC 的等效电阻，单位为kΩ；T 为温度，单位为℃。

其次，基础设施建设具有初期资金需求量大、建设周期冗长等特点，这决定了亚投行成立之初就面临巨大的融资压力，要回应如何引入大体量资金的问题。因此，亚投行必须引进公私伙伴关系模式（PPP），通过公私合作，引入大量私有资金弥补缺口。2017年亚投行投资运营局局长潘于恩明确表示，亚投行引入PPP模式。为了促进PPP模式发展，应当充分利用亚投行平台，推出丰富的融资项目和产品，让私人资本有多种选择；亚投行还应当推进基础设施资产证券化，为私人小额资本参与基础设施建设提供渠道。

图1 中，短划线为根据式(1)绘制出的NTC 等效电阻与温度的特性曲线，可以看出，在温度小于30 ℃时，拟合曲线的准确度不高，但大于30 ℃时，拟合曲线的准确度较高，可以利用式(1)进行后续温度实时在线监测的相关计算。

2 温度实时在线监测技术

在电力电子装置进行大功率运行试验时，为避免电磁干扰对温度信号的影响，需要将NTC 等效电阻所表示的温度信号通过温度实时在线监测技术转换为频率信号，从而实现信号的隔离以及远距离传送等功能[16]，保证温度信号传输的准确性。

2.1 实时在线监测技术

温度实时在线监测技术主要包含5 部分功能电路：电阻分压电路、滤波电路、压频变换电路、光纤发送接收电路、逻辑处理电路，功能框图如图2 所示。

图2 温度实时在线监测技术的功能电路框图

其中，电阻分压电路通过采用电压源、固定电阻与NTC 热敏电阻串联，将其转换为电平信号；滤波电路采用阻容RC 低通滤波器，对上一级的电平信号进行滤波；压频变换电路主要采用LM331 压频变换芯片来实现，将电平信号转化为频率信号；光纤发送接收电路将频率信号进行隔离、远距离传输后，传至逻辑处理电路；逻辑处理电路采用CPLD 芯片，对接收到的频率信号进行逻辑控制处理，转换为温度信号，上传至上位机，实现温度的实时显示。

图3 是以LM331 芯片为主的压频变换电路，输入电压Vin为NTC 等效电阻经过分压电路后的电压值，经过RC 滤波后进入到LM331 芯片的输入引脚，配合外围的Rt与Ct、RL与CL的谐振电路，便可实现引脚3 的频率信号输出。

图3 压频变换电路示意图

参照LM331 的数据手册，得出输出频率fout与输入电压Vin之间的关系表达式，如式(2)所示。

式中，Vin为压频变换的输入电压值，单位为V；Rs、RL、Rt为LM331 外围电路的谐振电阻，单位为Ω；Ct为LM331外围电路的谐振电容，单位为pF。

2.2 频率-温度曲线拟合

结合式(1)、式(2)以及分压电路的比例，参照图3 电路中的参数，可以计算出不同温度下的频率值，绘制出频率—温度曲线，如图4 所示。

图4 频率-温度特性曲线

其中，实线为根据实际数据计算出的频率-温度特性曲线。对该曲线进行拟合，可以得出表达式如式(3)所示。

图4 中短划线为依据式(3)所绘制出的，可以看出，在小于110 ℃的温度下，用式(3)来表示频率-温度特性曲线准确度较高。

2.3 逻辑控制流程

采用逻辑处理芯片CPLD 对接收到的频率信号进行计数、平均值计算、温度值计算以及数值超范围报错处理，具体程序实现流程如图5 所示。

图5 温度显示逻辑控制流程图

在CPLD 接收到频率信号进行消抖处理后，逻辑控制流程启动，先在1 s 的时间内对频率信号的上升沿进行计数，便可得到频率值，同时对该数值是否溢出进行判断，当溢出时，直接报故障上传，当无溢出后，进行4个数据的平均处理，再依据式(3)将所得的频率值折算成对应的温度值。结合实际应用场合的环境温度、IGBT的安全裕度以及频率温度曲线的准确率等因素，上传至上位机的数据仅显示20 ℃～110 ℃的温度范围。因此在程序中需要对折算后的温度值进行超范围报错判断，当温度值大于110 ℃时，上位机显示温度值为110 ℃并报错；当小于20 ℃时，上位机显示温度值为20 ℃并报错。

3 试验验证

搭建温度实时在线监测技术的工程样机试验平台，编写相应的逻辑控制程序，并配合电力电子装置的功率试验，观测不同功率条件下所显示的实时温度，测量其对应的频率值，来验证该温度实时在线监测技术的有效性。

3.1 室温下的频率波形

搭建好工程样机试验平台后，在电力电子装置不上主电的情况下，测试室温时上传至CPLD 的频率波形，如图6 所示。

图6 室温下的频率波形

其中，测试时的室温为21 ℃，频率为12.83 kHz，与理论计算值相符。

3.2 频率—温度特性曲线

在电力电子装置不同的运行功率下，观察上位机显示的温度值，并记录此时的频率值，并与频率理论值进行对比，如表1 所示。

从表1 的数据可以看出，试验的频率值与理论计算值的误差在频率理论值的2%以内，吻合度很好，说明该温度实时在线监测技术能够有效测量并显示IGBT 的温度。

表1 不同温度的频率试验值与理论值对比

4 结论

本文提出了一种温度实时在线监测技术，利用IGBT模块内部封装的NTC 热敏电阻来反映IGBT 温度。该技术以压频变换为主要电路功能，将NTC 热敏电阻转换为频率信号进行传输，具有抗电磁干扰能力强、传输距离远等优点。同时采用逻辑处理芯片对接收到的频率信号进行逻辑控制处理，并在上位机进行实时显示，从而能够有效直观地查看到IGBT 的实时温度。搭建该监测技术的工程样机试验平台，试验结果表明，上传至逻辑处理芯片的频率信号与理论计算值相符，能够有效监测并显示IGBT 的实时温度。