用于高壓大電流特種電源的溫度檢測裝置設計

陳改霞 ， 楊亞洲 ，藺滿強

（1．天水電氣傳動研究所集團有限公司，甘肅天水741020；2．大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅天水741020）

隨著國家大科學工程項目的發展，我國科學事業發展和基礎研究也得到了快速推進。蘭州重離子加速器裝置HIRFL是目前我國規模最大，加速離子種類最多，能量最高的重離子研究裝置［1］。蘭州重離子加速器在實現重要的科學目標的同時，以重離子醫用加速器產業和甜高粱種植產業等新興產業驅動西部地區的經濟發展與轉型，以醫療、教育和人才培養方面的貢獻帶動西部地區的社會發展［2］。電源系統作為加速器裝置的動力來源，其精度、穩定度的要求一般較高［3］，本文所述高壓大電流特種電源是應用于蘭州重離子加速器裝置的各種類型電源，包括直流電源，脈沖電源等。

在高壓大電流特種電源系統中，傳統的溫度測量方法是依靠雙金屬溫度開關對電源重要器件的散熱模塊進行溫度保護，只有在器件的溫度達到預設報警值時，溫度開關才會動作，從而發出報警或切斷主回路電源。這樣容易造成器件損壞，甚至造成安全事故。另外一種溫度的實時監測方法是靠人工手持紅外測溫儀隨時抽查，這種方法存在不確定性［4］。

但是IGBT是組成電源功率模塊的核心器件，電容組是電源儲能模塊，其溫度的變化能反應電源的工作狀態，實時監測這二者的溫度能夠提前預知電源是否發生故障，避免造成大的事故。因此在一些安全和精度要求比較高的場合，需要能夠實時監測電源系統重要部件的發熱情況，并將各溫度信息上傳至電源系統主控制器進行相關計算和顯示。

基于上述需求，本文設計了一種可實時監測特種電源系統多路IGBT和儲能電容溫度檢測裝置，該檢測裝置能夠快速、準確地檢測電源系統溫度，避免傳統測溫方法帶來的不確定性和安全故障。

1 電源系統的溫度檢測

1．1 功率模塊IGBT溫度的檢測

功率模塊是電源系統的核心器件，其安全有效地運行是電源系統正常工作的必要條件。而IGBT的溫度是其重要參數之一，為了檢測IGBT的溫度，英飛凌公司在IGBT模塊內部安裝了熱敏電阻NTC，用來監測模塊穩態工作時的溫度。這里需要注意的是，由于熱量并不是瞬間變化的，而時間常數太小，因此安裝在DCB上的NTC不能監測由短路產生的瞬時溫度變化，用于短路保護［5］。

NTC測溫原理是利用如圖1所示的分壓電路實現的。由NTC的熱特性圖公式（1）可用解析方法近似得到NTC的熱特性圖。

其中，B25／100＝3433K，R25＝5kΩ，T1＝298．15K，T2為當前實際溫度。

根據圖1所示分壓電路可知:

圖1 分壓電路

從而可以推導出實際溫度T2的表達式:

由上面的公式（1）（2）（3）可知，需要知道某個時刻IGBT的溫度，根據測量得到的UR可計算出RNTC的值，最終計算出當前的溫度值T2。

1．2 儲能電容溫度的檢測

電解電容是電源系統的儲能模塊，溫度是電解電容的重要參數，其影響電容的工作性能和壽命，因此監測電容的溫度是衡量電容系統是否正常工作和安全工作的重要手段。為了檢測電容工作時的溫度，可將K型熱電偶安裝在電容內部，或者采用可安裝在電容表面的熱電偶，利用K型熱電偶來采集電容工作時的溫度信息。

K型熱電偶測溫原理是利用熱電效應［6］。如圖2所示為熱電偶測溫電路，1為熱電偶絲，2為連接補償導線，3為顯示儀表。K型熱電偶正極為Ni:Cr＝90:10，負極為Ni:Si＝97:3，當正極和負極存在溫度差，由于熱電效應，會在其接點處產生接觸電勢，且接觸電勢只與溫度有關，K型熱電偶的接觸電勢和溫度近似線性關系。因此通過測量該接觸電勢即可得到溫度值。

圖2 熱電偶測溫電路

2 溫度檢測裝置硬件及軟件設計

2．1 硬件設計

溫度檢測裝置以單片機位控制芯片，圖3實線框內為其原理，包括IGBT模擬量通道選擇及高壓線性隔離電路模塊、電容組模擬量通道選擇及K型熱電偶數字轉換器電路模塊、單片機最小系統、數碼管溫度顯示模塊、串口通信模塊、報警輸出模塊。

圖3 溫度檢測裝置原理框圖

單片機最小系統采用51內核的STC12C5A60S2系列單片機，此芯片是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8－12倍，內部集成MAX810專用復位電路，8路高速10位AD轉換，雙串口，支持ISP，無需專用編程器，可通過串口直接下載程序［7］。

IGBT模擬量通道選擇及高壓線性隔離電路模塊，采用8選1多用復用模擬量通道選擇芯片74HC4051對8路IGBT的NTC溫度進行選擇，高壓線性隔離電路采用IL300對電源系統電氣主回路和溫度檢測裝置進行電氣隔離。模擬量通道選擇信號為上文圖1所述分壓電路中的電壓UR，將UR的值給單片機A／D模塊的模擬量輸入端接口，以備單片機進行相關的計算處理從而得到溫度信息［8］［9］。

電容組模擬量通道選擇及K型熱電偶數字轉換器電路模塊，電容組溫度的測量使用K型熱電偶，而K型熱電偶輸出的是毫伏級的微弱信號，因此選擇開通阻抗低、導通電流小的多路復用模擬量通道選擇芯片ADG726，其導通阻抗Ron為4Ω，ID（ON）約為0．5nA，因此其導通壓降2nV，對于毫伏級的K型熱電偶信號影響可忽略［10］。本文采用K型熱電偶專用數字轉換芯片MAX6675，該芯片內部具有信號調節放大器、12位的AD熱電偶轉換器、冷端補償傳感和校正、數字控制器、1個SPI接口和一個相關的邏輯控制［11］。

數碼管溫度顯示模塊，采用一個兩位數碼管顯示溫度的編號信息，一個四位數碼管顯示溫度信息，溫度信息帶一位小數點［12］。

串口通信模塊，設計RS485串口用來和上位機通信［13］；報警輸出模塊，備用開關量輸出接口。

2．2 軟件設計

溫度檢測裝置的軟件程序由Keil軟件編寫，程序按功能分為五個模塊:主程序模塊、數碼管溫度顯示模塊、NTC溫度采集AD轉換模塊、K型熱電偶溫度采集 SPI通信模塊、串口通信模塊［14］［15］。

圖4所示為主程序流程圖，功能是完成系統初始化，溫度信息的循環顯示和相關子程序的調用。程序開始先初始化AD轉換、串口以及相關使能端口，然后進入主循環，主循環中調用AD采樣子程序獲取IGBT溫度信息，調用SPI子程序獲取電容組熱電偶溫度信息，同時調用顯示子程序循環顯示溫度信息，在24路溫度信息獲取完成后，若接到上位機命令，則將溫度信息通過串口上傳。

圖4 主程序流程圖

圖5所示為數碼管溫度顯示模塊程序流程圖，功能為實現2位通道信息、4位溫度信息每隔2S動態循環顯示在6位數碼管上。采用定時器0定時1mS動態掃描，累計到2S時切換到下一通道溫度顯示。

圖5 顯示模塊流程圖

圖6所示為AD轉換子程序流程圖，功能是完成對上文分壓電路中UR的值轉換成數字量，并采用數字濾波法對該數字量進行濾波。這里需要注意的是AD轉換相關寄存器的設置，并且為了提高轉換精度，在進行AD轉換時最好關閉其它中斷。

圖6 AD轉換流程圖

熱電偶的溫度轉換采用SPI串口，軟件設計和AD轉換類似，也采用中位值濾波法對采集數據進行數字濾波。

3 試驗調試

溫度檢測裝置的試驗調試按模塊化測試、系統測試分步進行。在完成PCB設計、器件焊接后，對溫度檢測裝置的各個模塊進行逐個調試。

A、電源模塊測試

電源采用LM2576系列電流輸出降壓開關型集成穩壓電路，輸入電壓7～40V；輸出直流電壓:DC－5V／3A。

經示波器對電源模塊輸出電壓進行監測，輸出電壓波形穩定，幅值滿足設計要求。

在電源滿足要求的基礎上，給板子上電，單片機最小系統正常起振，檢查各個芯片供電電壓滿足需求。

B、數碼管顯示模塊測試

數碼管顯示采用兩位和四位數碼管分別顯示通道號和溫度信息，從通道0到通道23每個通道的溫度信息每隔兩秒循環顯示，圖7所示為通道0、溫度72．2℃，通道 9、溫度 24．2℃。

圖7 數碼管溫度信息

C、K型熱電偶溫度采集模塊測試

電容組的溫度測試是利用MAX6675的SPI串口與單片機通信，圖7中通道1波形為SPI的數據輸出SPISO，通道2波形為時鐘信號SPICK。圖中為5個時鐘周期后采集到的5組溫度信息。由于程序中采用了軟件濾波，故電容組溫度的采集是連續49次，同8中的5組SPI輸出信息是一致的。

D、IGBT溫度AD轉換模塊測試

圖8 SPI通信波形

本文共有8路IGBT溫度的檢測，圖9所示為輸入到單片機AD模塊模擬量輸入通道的信號波形，分別為2．38V、1．6V、2．3V、1．6V、1．1V、1．8V、2．3V、2．3V，通過查看數碼管上顯示的溫度值，可知軟件計算程序是正確的。

圖9 IGBT熱電偶溫度AD采集波形

E、串口通信模塊測試

如圖10所示，采用串口調試助手給溫度檢測裝置的串口發送命令數據:6A 04 90 A6，檢測裝置回復數據:C6 04 90 47 09 47 66 3D 14 14 F0 17 17 17 23 22 23 23 22 23 22 23 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 6C，這36個數據中，包含四位命令幀，32位數據幀，C6 04 90為回復數據幀的固定幀首，6C為幀尾，47 09 47 66 3D 14 14 F0這八個數據為8路IBGT溫度，17 17 17 23 22 23 23 22 23 22 23 0000000000這16個數據為16路電容組的溫度，后面8個00 00 00 00 00 00 00 00位為備用數據幀。

圖10 串口通信數據

4 結束語

本文通過分析目前特種電源系統溫度檢測的現狀，設計了一款可應用于高壓大電流特種電源的溫度檢測裝置，填補了市場上特種電源系統無溫度實時監測裝置的空白。然后從硬件和軟件兩方面對溫度檢測裝置進行了詳細闡述，經過實驗調試，表明該裝置能夠實時監測特種電源關鍵器件IGBT和儲能電容的實時溫度，溫度顯示精確到小數點后一位，經實驗驗證溫度誤差可控制在2℃以內，該溫度檢測裝置也可應用于其它需要實時監測溫度的工業場合。