[發明專利]一種基于實時溫度和溫升速率的散熱方法

在審

• 申請號: 202210146067.0
• 申請日: 2022-02-17
• 公開（公告）號: CN114859990A
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 王江濤;王琪;張澤楠;葉傅華;陳國棟;趙英序;劉超
• 申請（專利權）人: 上海電氣集團股份有限公司
• 主分類號: G05D23/19
• 分類號: G05D23/19;H05K7/20
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;陳金

本申請公開了一種基于實時溫度和溫升速率的散熱方法，其特征在于，用于對使用IGBT的系統進行散熱，包括以下步驟：步驟一：系統運行在不同工況下達到穩態時的溫度因環境溫度變化有所不同，在不同環境溫度下為實時溫度設計與之相對應的散熱級別；散熱級別直接對應相應風扇輸出功率，每上升一個散熱級別，風扇輸出功率相應提高20％；步驟二：系統在不同環境溫度下的溫升速率會有所不同，為不同環境溫度下的溫升速率制定與其對應的散熱級別；步驟三：系統運作時，采集IGBT實時溫度，并求得溫升速率，并結合環境溫度和實時溫度判斷是否需要進行散熱；步驟四：如果經判斷需要散熱，選擇溫升速率和實時溫度分別對應的散熱級別中最高的散熱級別進行散熱。

技術領域

本申請涉及一種基于實時溫度和溫升速率的散熱方法，基于IGBT溫升速率和溫度檢測相結合的溫度控制，屬于IGBT溫度控制技術領域。

背景技術

目前，隨著電力電子技術的不斷發展，包括IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，絕緣柵雙極型晶體管)模塊在內的電力電子功率元器件作為電力電子變流器系統中的關鍵器件，其可靠性和壽命與系統的安全可靠運行息息相關。根據統計結果，功率器件失效約占整個變流器系統故障的21％。在系統運行的過程中，有很多因素導致了功率器件失效，主要包括溫度、濕度、振動、污染和灰塵等，其中最主要的失效原因為由溫度因素引起的失效，約占整體功率器件失效的55％。因為在IGBT模塊正常工作的過程中，流經IGBT的電流和電壓會隨著工況變化反復波動，同時引起結溫波動，一般IGBT的平均結溫為60～80℃，造成的結溫差可以達到70～90℃，甚至更高。當溫度發生波動時，IGBT模塊中各層材料會發生受熱膨脹和冷卻收縮，由于各層材料之間熱膨脹系數并不完全一致，這種熱膨脹系數之間的差異會使得IGBT模塊在溫度反復變化時經受熱應力的反復作用，從而引起模塊的互連結構損傷，并導致IGBT模塊電熱特性發生改變，甚至造成永久性失效。

綜上所述，溫度是導致IGBT失效的主要因素，對系統的長期運行穩定性有較大的影響。現市面上的技術對于實現IGBT的溫度控制，一般是通過直接檢測模塊實時溫度，然后當模塊達到一定的溫度閾值后啟動散熱系統進行散熱，這樣的溫度控制系統由于功耗考慮，不能設置較低的散熱閾值，且無法靈活地應對環境溫度，由于設備在正常運行時會受到環境溫度和實際使用功耗的影響，不會持續在理想環境下運行。因此，較高的散熱閾值會導致IGBT無法充份進行散熱，導致IGBT模塊溫度的反復劇烈變化從而影響IGBT使用壽命。如果降低散熱閾值，僅有一檔的散熱閾值判定會帶來系統功耗增加的問題。

因此，為了保證IGBT的長期可靠運行，有必要研究一種可靠的溫度控制方法。

發明內容

本申請的目的在于綜合IGBT溫升速率和溫度檢測，采用不同的散熱等級進行散熱，保證在擁有最合適散熱效果的前提下，降低在不同工況下的系統能耗。

為了達到上述目的，本申請的技術方案是提供了一種基于實時溫度和溫升速率的散熱方法，其特征在于，用于對使用IGBT的系統進行散熱，包括以下步驟：

步驟一：系統運行在不同工況下達到穩態時的溫度因環境溫度變化有所不同，在不同環境溫度下為實時溫度設計與之相對應的散熱級別；散熱級別直接對應相應風扇輸出功率，每上升一個散熱級別，風扇輸出功率相應提高20％；

步驟二：系統在不同環境溫度下的溫升速率會有所不同，為不同環境溫度下的溫升速率制定與其對應的散熱級別；

步驟三：系統運作時，采集IGBT實時溫度，并求得溫升速率，并結合環境溫度和實時溫度判斷是否需要進行散熱；

步驟四：如果經判斷需要散熱，選擇溫升速率和實時溫度分別對應的散熱級別中最高的散熱級別進行散熱。

步驟一和步驟二中，將常用的環境溫度分為三檔，具體環境溫度與其對應的各散熱級別見表1、表2和表3；

表1.環境溫度為零攝氏度時各散熱級別