一种带热敏电阻的IGBT模块结温监测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种IGBT模块结温监测装置和方法，尤其涉及连铸加工领域中，位于电磁搅拌用变频电源中的、具有热敏电阻（尤其是负温度系数的热敏电阻）的IGBT模块的结温监测装置和检测方法。

背景技术

在连铸加工领域，需对电磁搅拌用变频电源中的IGBT模块的结温进行监测，以保证生产安全。

现有技术中，一般通过IGBT模块中内置的NTC热敏电阻（即负温度系数热敏电阻）将结温转换为电阻值。即NTC热敏电阻将IGBT模块的结温转换为电阻值，再将电阻值转换为其他电信号传送到电磁搅拌系统的主控制板（即对电磁搅拌系统整体控制的控制板）。当监测到结温大于某个设定值时，利用主控制板及时令电磁搅拌用变频电源停止工作。大容量电磁搅拌用变频电源（即电磁搅拌系统的电源）中的构成逆变电路的IGBT模块一般与电磁搅拌系统的主控制板（也作为电磁搅拌系统的电源的控制端）具有一定的物理结构距离，远距离传输信号的线缆可能存在断开的问题。当变频电源工作时，若主控制板监测到电信号为0（例如0V或0mA），则无法判断线缆传输的实际电信号为0还是线缆已断开。如果因线缆断开导致主控制板接收到的信号为0时误判为线缆传输的实际电信号为0，则会导致主控制板无法对变频电源中的IGBT模块的结温及时监测。

另外，随着连铸钢种特别是硅钢、汽车板材钢以及不锈钢连铸尺寸的不断扩大，同时国内锻造风电、高速列车轮、石化和工程机械的不断高速发展，市场上对断面更大、质量更可靠、产品性能更高的大断面需求日趋迫切，这就要求电磁搅拌器中心具有更大的磁场强度，更大的磁场强度需要电磁搅拌用变频电源能够输出更大电流的能力，目前国内某钢厂最大的1400mm直径的超大方圆坯电磁搅拌器最大的需求电流大小已经达到有效值1600A。因此，电磁搅拌电源过大的输出电流会对电磁搅拌用变频电源中的IGBT模块的结温远距离采集系统造成极大电磁干扰；而且往往大容量电磁搅拌用变频电源中的IGBT模块一般与电磁搅拌系统的主控制板具有一定的物理结构距离，使得在远距离信号传递过程中，信号也极易受到电磁搅拌用变频电源输出的大电流和高电压强烈的磁场和电场干扰，大大影响IGBT模块结温的监测精度（可能会使得监测精度大于5°C）。

对于NTC热敏电阻的电阻值的处理，现有技术一般采用如下三种形式：

（1）电压源激励。电压源激励形式中，将热敏电阻的阻值转换为电压信号，再将电压信号通过远距离传输线传递到电磁搅拌系统的主控制板，通过热敏电阻上的电压压降大小来计算出实时的NTC热敏电阻的电阻值，根据电阻值计算出IGBT模块结温的大小。该形式仅适合电磁搅拌用变频电源中构成逆变电路的IGBT模块与电磁搅拌系统的主控制板距离较近的场合。当电磁搅拌用变频电源与电磁搅拌系统的主控制板距离较远时，因强电磁干扰的原因以及传输导线自身带来压降的问题，使得主控制板接收到的电压信号与初始传递的电压信号相差较大，无法对结温进行有效监测。

（2）电流源激励。电流源激励形式中，检测流过热敏电阻的电流信号，再将电流信号通过远距离传输线传递到电磁搅拌系统的主控制板，通过流过热敏电阻的电流、施加在热敏电阻两端的恒定电压大小来计算出实时的NTC热敏电阻的电阻值，根据电阻值计算出IGBT模块结温的大小。但是，IGBT模块的结温监测一般要求至少为-20°C-110°C的温度范围。在0℃以下时，IGBT模块的NTC热敏电阻的阻值非常大，甚至可能达到几十KΩ，导致此时流过NTC热敏电阻上的电流非常小。而温度大于0°C且温度较高时，热敏电阻的阻值又非常小，导致此时流过NTC热敏电阻上的电流非常大。在电磁搅拌系统的主控制板对远距离传送的电流信号进行处理时，往往仍通过采样电阻将电流信号再转换为电压信号，使得电压信号处理电路不仅需具备非常大的电压输入范围，还需要具备较高的电压检测精度，从而使得结温监测装置的电路复杂度和成本大大提高。

（3）专利申请CN 109855758 A中首先将采集的NTC热敏电阻的电阻值模拟信号经发送端处理器转换为频率信号（即压频转换），然后在接收端处理器通过输入捕获识别发送端的频率大小，最终根据预先构造公式计算出IGBT的内核结温大小。该方式需要2个独立并且隔离供电的高性能处理器同时工作，同时还需采用光纤介质传输信号，需要考虑到发送端、光纤传输线缆和接收端等光纤介质和硬件成本，系统复杂且成本非常高，而且随着IGBT模块结温采样路数的增加，压频转换会占用主控制板的处理器大量的资源，对电磁搅拌系统的整体控制造成干扰。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有技术中对电磁搅拌用变频电源中的、具有热敏电阻的IGBT模块的结温监测时，如果因线缆断开导致主控制板接收到的信号为0时误判为线缆传输的实际电信号为0导致无法对变频电源中的IGBT模块的结温及时监测的问题，提供一种带热敏电阻的IGBT模块结温监测装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种带热敏电阻的IGBT模块结温监测装置，包括与所述热敏电阻串联的至少一个电阻，所述至少一个电阻、热敏电阻构成电阻分压子电路，所述电阻分压子电路的输入端与第一电源的输出端电连接：

所述IGBT模块结温监测装置还包括依次电连接的电压比较子电路、电压/电流转换子电路、电流/电压转换子电路、信号处理器电连接。

所述热敏电阻阻值与信号处理器采集电压信号的理论值的对应关系根据IGBT模块结温监测装置的实际电路确定、且为已知。根据信号处理器采集电压信号、热敏电阻阻值与信号处理器采集电压信号的理论值的对应关系、热敏电阻阻值与热敏电阻所在环境温度（也即结温）的关系，即可得到结温或结温所在温度范围。

所述电压比较子电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第一二极管、第二二极管；

所述第一运算放大器一个输入端、另一个输入端、输出端分别与参考电压供电端、第一电阻一端、第一二极管正极电连接, 参考电压供电端的电压大于0；

所述第二运算放大器一个输入端、另一个输入端、输出端分别与电阻分压子电路的输出端、第二电阻一端、第二二极管正极电连接；

所述第一电阻另一端、第一二极管负极、第二电阻另一端、第二二极管负极相互电连接，从而构成电压比较子电路输出端；

当所述热敏电阻为负温度系数热敏电阻时，所述热敏电阻在电阻分压子电路中位于所述电阻分压子电路的输入端与所述电阻分压子电路的输出端之间；

当所述热敏电阻为正温度系数热敏电阻时，所述热敏电阻在电阻分压子电路中位于所述电阻分压子电路的接地端与所述电阻分压子电路的输出端之间。

根据上述技术方案：

当所述热敏电阻为负温度系数热敏电阻时：若结温小于某个预设值，则热敏电阻阻值较大，使得位于所述电阻分压子电路的接地端与所述电阻分压子电路的输出端之间的电阻分压较小，使得第二运算放大器一个输入端的电压较小、且小于参考电压供电端的电压，使得第一二极管为导通状态、第一运算放大器正常工作、流过第一电阻的电流极小，即电压比较子电路输出端的输出为参考电压供电端的电压值，而此时第二二极管为截止状态、流过第二电阻的电流较大，即第二运算放大器输出端为0V；若结温大于该预设值，则热敏电阻阻值在电阻分压子电路中所占阻值比例使得第二运算放大器一个输入端的电压（即电阻分压子电路输出电压）大于参考电压供电端的电压，使得第二二极管为导通状态、第二运算放大器正常工作、流过第二电阻的电流极小，即电压比较子电路输出端的输出为电阻分压子电路的输出端的电压值，而此时第一二极管为截止状态、流过第一电阻的电流较大，即第一运算放大器输出端为0V；若结温等于该预设值，则热敏电阻阻值在电阻分压子电路中所占电阻比例使得第二运算放大器一个输入端的电压（即电阻分压子电路输出电压）等于参考电压供电端的电压，则第一二极管、第二二极管均为导通状态，第一运算放大器、第二运算放大器均正常工作，即电压比较子电路输出端的输出为电阻分压子电路的输出端的电压值（也即参考电压供电端的电压）。

当所述热敏电阻为正温度系数热敏电阻时：若结温小于某个预设值，则热敏电阻阻值较小，使得位于所述电阻分压子电路的接地端与所述电阻分压子电路的输出端之间的热敏电阻分压较小，使得第二运算放大器一个输入端的电压较小、且小于参考电压供电端的电压，使得第一二极管为导通状态、第一运算放大器正常工作、流过第一电阻的电流极小，即电压比较子电路输出端的输出为参考电压供电端的电压值，而此时第二二极管为截止状态、流过第二电阻的电流较大，即第二运算放大器输出端为0V；若结温大于该预设值，则热敏电阻阻值在电阻分压子电路中所占阻值比例使得第二运算放大器一个输入端的电压（即电阻分压子电路输出电压）大于参考电压供电端的电压，使得第二二极管为导通状态、第二运算放大器正常工作、流过第二电阻的电流极小，即电压比较子电路输出端的输出为电阻分压子电路的输出端的电压值，而此时第一二极管为截止状态、流过第一电阻的电流较大，即第一运算放大器输出端为0V；若结温等于该预设值，则热敏电阻阻值在电阻分压子电路中所占电阻比例使得第二运算放大器一个输入端的电压（即电阻分压子电路输出电压）等于参考电压供电端的电压，则第一二极管、第二二极管均为导通状态，第一运算放大器、第二运算放大器均正常工作，即电压比较子电路输出端的输出为电阻分压子电路的输出端的电压值（也即参考电压供电端的电压）。

由于参考电压供电端的电压大于0，即使得电压比较子电路输出端的输出至少大于0V，使得后续传递的信号不会为0V或0mA，从而在后续由电压/电流转换子电路向电流/电压转换子电路传输电流信号时，如果电流/电压转换子电路接收到0mA信号，则信号处理器的信号输入端会接收到0V信号（如果信号处理器直接接收电压信号），则可以明确判断是线缆断开，从而可以避免因线缆断开导致主控制板接收到的信号为0时误判为线缆传输的实际电信号为0的情况，保证安全。

上述技术方案中，所述电压/电流转换子电路的输出电流与输入电压的关系、电流/电压转换子电路的输出电压与输入电流的关系均为线性关系。

本发明中，通过上述设置，从而方便确定热敏电阻阻值与信号处理器采集信号（可为电压信号或数字信号）的理论值的对应关系，从而便于根据电信号得到结温值或结温所属温度范围。

上述技术方案中，所述电压/电流转换子电路包括第三运算放大器、第三电阻、第四电阻、NMOS管；

所述第三运算放大器一个输入端、输出端分别与电压比较子电路输出端、第三电阻一端对应电连接；

所述NMOS管栅极与第三电阻另一端电连接，所述NMOS管源极、所述第三运算放大器另一个输入端、第四电阻一端相互电连接，所述第四电阻另一端接地；

所述NMOS管漏极为所述电压/电流转换子电路输出端。

本发明中，通过上述设置将电压转换为电流，从而可在利用长距离线缆传输电流信号，从而将信号由电磁搅拌用变频电源的IGBT模块所在位置传递到电磁搅拌系统的主控制板所在位置。通过长距离线缆传输电流信号，可以避免长距离线缆传输电流信号时在电缆上造成的压降，且可尽量降低磁场和电场干扰对传输的电信号的影响。

上述技术方案中，所述电流/电压转换子电路通过电压处理子电路与信号处理器电连接；所述电流/电压转换子电路包括采样电阻。所述采样电阻两端之间电压为电流/电压转换子电路的输出电压。所述电压处理子电路的输入端、所述采样电阻一端与第二电源的输出端电连接，所述采样电阻另一端、NMOS管漏极、第三电源的参考地相互电连接，第二电源的参考地与第一电源的参考地电连接；

所述电压处理子电路输入侧的供电端、输入侧的接地端分别与第三电源的输出端、第三电源的参考地对应电连接，所述第三电源与第二电源为不同电源，所述第二电源的参考地、第三电源的参考地相互独立（即第二电源、第三电源不共地）；所述电压处理子电路为光隔离电压放大子电路或A/D转换器。

本发明中，采用光隔离形式的光隔离电压放大子电路提高了IGBT模块结温监测装置的抗电磁干扰能力。

在一种优选实施方式中，所述IGBT模块构成电磁搅拌系统电源的逆变电路，所述第一电源、第二电源、电阻分压子电路、电压比较子电路、电压/电流转换子电路靠近所述IGBT模块设置，所述电流/电压转换子电路、电压处理子电路、信号处理器靠近或位于电磁搅拌系统的主控制板设置。

通过上述设置，当电磁搅拌系统电源与电磁搅拌系统的主控制板距离较远时，通过各个子电路的布置位置的设置，使得电压/电流转换子电路的输出电流通过远距离线缆，将电流信号传输到电流/电压转换子电路，使得传输的电流信号受到电磁干扰、线缆压降的影响较小。

在一种优选实施方式中，所述第二电源与第一电源为相同电源。通过上述设置，从而减少电源使用数量，简化电路结构。

在一种优选实施方式中，所述A/D转换器、信号处理器相互独立设置，或所述A/D转换器集成在信号处理器中。

上述技术方案中，所述光隔离电压放大子电路包括线性光耦、第四运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻；

所述线性光耦输入端为光隔离电压放大子电路输入端，所述线性光耦输入侧为光隔离电压放大子电路输入侧，所述线性光耦输入端、采样电阻一端、第二电源的输出端相互电连接；

所述线性光耦正输出端、负输出端分别与第五电阻一端、第六电阻一端对应电连接；所述第四运算放大器一个输入端与第五电阻另一端电连接，所述第四运算放大器另一个输入端、第六电阻另一端、第七电阻一端相互电连接；所述第七电阻另一端与第四运算放大器输出端，从而构成光隔离电压放大子电路输出端；

所述线性光耦输入侧的供电端与第三电源的输出端电连接，所述线性光耦输入侧的接地端与第三电源的参考地电连接，所述线性光耦输出侧的供电端、第四运算放大器供电端与第四电源的输出端电连接，所述线性光耦输出侧的接地端、第四运算放大器的接地端与第四电源的参考地电连接；

所述第二电源、第三电源、第四电源为不同电源，所述第二电源的参考地、第三电源的参考地、第四电源的参考地相互独立（即第二电源、第三电源、第四电源均为独立接地）。

本发明中，采用光隔离形式的线性光耦将电压信号转换为差分输出信号，差分输出信号通过第四运算放大器后进行放大（例如1：1放大）后得到单端输出信号。采用线性光耦提高了IGBT模块结温监测装置的抗电磁干扰能力，而采用差分放大结构大大提高了抗共模干扰的能力。

上述技术方案中，所述光隔离电压放大子电路的输出电压与输入电压的关系为线性关系；优选地，所述光隔离电压放大子电路的输出电压与输入电压的比例为1：1。

通过上述设置，从而方便确定热敏电阻阻值与信号处理器采集信号的理论值的对应关系。

上述技术方案中，所述IGBT模块结温监测装置还包括第八电阻、第九电阻，所述第八电阻、第九电阻、热敏电阻串联构成所述电阻分压子电路；

当所述热敏电阻为负温度系数热敏电阻时，所述热敏电阻一端为电阻分压子电路的输入端，所述热敏电阻另一端依次通过第八电阻、第九电阻与第一电源的参考地电连接，所述第八电阻与第九电阻的连接端为电阻分压子电路的输出端；

当所述热敏电阻为正温度系数热敏电阻时，所述第八电阻一端为电阻分压子电路的输入端，所述第八电阻另一端依次通过第九电阻、热敏电阻与第一电源的参考地电连接，所述第八电阻与第九电阻的连接端为电阻分压子电路的输出端。

上述技术方案中，当热敏电阻所在环境温度值（即结温）小于Ta时，电阻分压子电路的输出端电压小于参考电压供电端的电压，当热敏电阻（R3）所在环境温度值大于等于Ta时，电阻分压子电路的输出端电压大于等于参考电压供电端的电压，其中，[Ta,Tb]为预设的监测温度范围；或者

当热敏电阻所在环境温度值小于等于Ta时，电阻分压子电路的输出端电压小于等于参考电压供电端的电压，当热敏电阻（R3）所在环境温度值大于Ta时，电阻分压子电路的输出端电压大于参考电压供电端的电压，其中，[Ta,Tb]为预设的监测温度范围。

优选地，参考电压供电端的电压为2.5V。

上述技术方案中，各个电源均为隔离电源。通过采用隔离电源，从而提高了IGBT模块结温监测装置的抗电磁干扰能力。

本发明还提供一种利用上述IGBT模块结温监测装置的结温监测方法，所述结温监测方法包括：根据热敏电阻所在环境温度值与热敏电阻阻值的对应关系、热敏电阻阻值与信号处理器采集信号的理论值的对应关系、以及所述信号处理器实际采集的信号Ux，得到IGBT模块的结温Tj或结温Tj所属温度范围；所述信号处理器采集的信号为电压信号或数字信号。

当信号处理器集成了A/D转换模块时，信号处理器采集的信号为A/D转换模块采集的电压信号。若信号处理器未集成A/D转换模块或采用外置A/D转换电路或芯片，则信号处理器接收的为数字信号。

上述技术方案中，所述信号处理器采集信号的理论值与热敏电阻所在环境温度值的对应关系为：温度值Ta、Ta+△T、Ta+2△T、……、Ta+n△T、Tb分别与采集信号的理论值Ua、Uc(1)、Uc(2)、……、Uc(n)、Ub一一对应；

其中，△T为预设的温度增量，0.5°C≤△T≤2°C；[Ta,Tb]为预设的监测温度范围；Tb=Ta+(n+1)△T或Ta+n△T＜Tb＜Ta+(n+1)△T；

所述根据热敏电阻所在环境温度值与热敏电阻阻值的对应关系、热敏电阻阻值与信号处理器采集信号的理论值的对应关系、以及所述信号处理器实际采集的信号Ux，得到IGBT模块的结温Tj或结温Tj所属温度范围的步骤包括：

若Ux=Ua，则判断Tj≤Ta；

若Ux＞Ub，则判断Tj＞Tb；

若Ua＜Ux≤Uc(1)，则判断Ta＜Tj≤Ta+△T或判断Tj=Ta；

若Uc(n)＜Ux≤Ub，则判断Ta+n△T＜Ux≤Tb或判断Tj=Tb。

1、该方案所需元器件种类和数量少，而且可采用通用型电子元器件，因此该方案硬件成本低；

2、该方案对信号处理器（即主控制板的处理器，例如MCU）的性能处理能力要求较低，且占用信号处理器的资源较少；

3、热敏电阻的取样转换端与信号处理器采样端采用线性隔离光耦光隔离方式和隔离电源供电的隔离方式进行了电气隔离，大大提高了带热敏电阻的IGBT模块结温监测装置的电磁干扰能力。另外，采用差分放大结构，还可以大大提高抗共模干扰的能力；

4、该方案既利用了电压源不用担心热敏电阻在低温时表现的大电阻阻值的特性和电流源传输信号时的强抗电磁干扰能力优点，又避免了电压源传输不适应强电磁干扰的特性和电流源不适应热敏电阻在低温时的表现出的大电阻阻值的特性。本申请在适应远距离传输信号需求的同时，保证大容量IGBT模块结温监测装置的精度，且保证该装置的抗电磁干扰的能力；

5、该方案中，远距离传输时最小传输电路信号大于0mA，避免电气传输过程中电流信号如果断裂缺而却误判断为0mA的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1的IGBT模块结温监测装置的结构框图。

图2是本发明实施例1的IGBT模块结温监测装置的一部分电路结构的电路示意图；

图3是本发明实施例1的IGBT模块结温监测装置的另一部分电路结构的电路示意图；

图4是本发明实施例1的线性光耦的输入信号与输出信号对照关系图；

图5-1、图5-2、图5-3、图5-4分别是本发明实施例1的第一电源、第三电源、第四电源、第五电源的电路原理图，其中第二电源可采用与第一电源相同的电路结构；

图6是本发明实施例2的部分电路结构示意图；

图7是本发明实施例3的IGBT模块结温监测装置的另一部分电路结构的电路示意图（即替换实施例1的图3中电路结构）。

具体实施方式

下面将结合本申请的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1：负温度系数的热敏电阻

考虑到电磁搅拌用变频电源的自身具有远距离传送NTC热敏电阻采集信号物理结构，主控制板的采集电路又会受到大功率电磁搅拌变频电源的自身输出电流强磁场和高电压的电场干扰，为了保证采样精度避免受到NTC热敏电阻阻值高、远距离传送信号极易受电磁干扰、系统成本高且结构复杂的限制情况下，本发明公开了一种适用于电磁搅拌用变频电源的大容量IGBT的NTC热敏电阻结温检测装置和方法。

如图1-图4、图5-1至图5-4所示，本实施例1提供一种带热敏电阻的IGBT模块结温监测装置，包括与所述热敏电阻R3串联的至少一个电阻，所述至少一个电阻、热敏电阻R3构成电阻分压子电路1，所述电阻分压子电路1的输入端与第一电源（24V）的输出端电连接。

所述IGBT模块结温监测装置还包括依次电连接的电压比较子电路2、电压/电流转换子电路3、电流/电压转换子电路4；

所述电流/电压转换子电路4输出端与信号处理器U6的信号输入端I1电连接，所述热敏电阻R3阻值与信号输入端I1采集信号的理论值的对应关系根据IGBT模块结温监测装置的实际电路确定、且为已知；

所述电压比较子电路2包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第一电阻R2、第二电阻R6、第一二极管D1、第二二极管D2；

所述第一运算放大器U1同相输入端、反相输入端、输出端分别与参考电压供电端、第一电阻R2一端、第一二极管D1正极电连接，参考电压供电端的电压大于0；

所述第二运算放大器U2同相输入端、反相输入端、输出端分别与电阻分压子电路1的输出端、第二电阻R6一端、第二二极管D2正极电连接；

所述第一电阻R2另一端、第一二极管D1负极、第二电阻R6另一端、第二二极管D2负极相互电连接，从而构成电压比较子电路2输出端。

本实施例1中，电压比较子电路2的作用是：比较第二运算放大器U2同相输入端的电压、第一运算放大器U1同相输入端的电压的大小，从而输出第二运算放大器U2同相输入端的电压，或输出第一运算放大器U1同相输入端的电压。

本实施例1中，所述热敏电阻R3为负温度系数热敏电阻，所述热敏电阻在电阻分压子电路1中位于所述电阻分压子电路1的输入端与所述电阻分压子电路1的输出端之间。

所述IGBT模块结温监测装置还包括为参考电压供电端提供参考电压（本实施例1可为2.5V）的稳压管W1。所述稳压管W1的阴极形成参考电压供电端，所述稳压管W1的阳极与第一电源的参考地DGND电连接。

所述电压/电流转换子电路3的输出电流与输入电压的关系、电流/电压转换子电路4的输出电压与输入电流的关系均为线性关系。

所述电压/电流转换子电路3包括第三运算放大器U3、第三电阻R7、第四电阻R8、NMOS管Q1；

所述第三运算放大器U3同相输入端、输出端分别与电压比较子电路2输出端、第三电阻R7一端对应电连接；

所述NMOS管Q1栅极与第三电阻R7另一端电连接，所述NMOS管Q1源极、所述第三运算放大器U3反相输入端、第四电阻R8一端相互电连接，所述第四电阻R8另一端接地；

所述NMOS管Q1漏极为所述电压/电流转换子电路3输出端。

所述电流/电压转换子电路4通过电压处理子电路与信号处理器U6信号输入端I1电连接。所述电流/电压转换子电路4包括采样电阻R9，所述采样电阻R9两端之间电压为电流/电压转换子电路4的输出电压。

本实施例中，第二电源与第一电源为相同电源。所述电压处理子电路的输入端、采样电阻R9一端、第二电源（本实施例中与第一电源24V电源相同）的输出端相互电连接，所述采样电阻R9另一端、NMOS管Q1漏极、第三电源的参考地GND1相互电连接。

所述电压处理子电路输入侧的供电端、输入侧的接地端分别与第三电源的输出端5V1、第三电源的参考地GND1对应电连接，所述第三电源与第二电源为不同电源，所述第二电源的参考地DGND与第三电源的参考地GND1相互独立（即不共地）。

本实施例中，所述电压处理子电路为光隔离电压放大子电路5。信号处理器U6可为单片机、DSP等。信号处理器U6可由第五电源供电。第五电源的供电端为3.3V、接地端为GND。本实施例1中，信号处理器U6即集成了A/D转换模块，即信号处理器可直接接收电压信号。

所述IGBT模块构成电磁搅拌系统电源的逆变电路，所述第一电源、第二电源、电阻分压子电路1、电压比较子电路2、电压/电流转换子电路3靠近所述IGBT模块设置。即第一电源、第二电源、电阻分压子电路1、电压比较子电路2、电压/电流转换子电路3与电磁搅拌系统的主控制板的距离较远，而与IGBT模块的距离较近。

如图2、图3所示，第二电源（本实施例即第一电源）输出端也靠近IGBT模块设置。对于本实施例，当电磁搅拌系统电源的逆变电路中的IGBT模块与电磁搅拌系统的主控制板所在位置距离较远时，设置两个长距离线缆（即第一线缆、第二线缆）。即在电磁搅拌系统的主控制板所在位置，采样电阻R9一端与线性光耦U4输入端电连接，采样电阻R9另一端、第三电源（输出为+5V1）的参考地相互电连接。第一线缆将第二电源（本实施例即第一电源）输出端与采样电阻R9一端（也即线性光耦U4输入端）连接，第二线缆将NMOS管Q1漏极与采样电阻R9另一端（也即第三电源的参考地）连接。

第一线缆和第二线缆传输的是电流信号，虽然长距离线缆传输电流信号时在电缆上造成的压降，但线性光耦U4测量的是采样电阻R9两端的电压差，而R9靠近线性光耦U4设置，而不会受到线缆的压降的干扰，且电流信号传输可尽量降低电磁干扰对传输的电信号的影响。

所述电流/电压转换子电路4、电压处理子电路、信号处理器U6靠近或位于电磁搅拌系统的主控制板设置。电磁搅拌系统电源可为变频电源，为电磁搅拌领域的已有技术。

所述光隔离电压放大子电路5包括线性光耦U4、第四运算放大器U5、第五电阻R10、第六电阻R11、第七电阻R13；

所述线性光耦U4输入端为光隔离电压放大子电路5输入端，所述线性光耦U4输入端、采样电阻R9一端、第二电源的输出端相互电连接；

所述线性光耦U4正输出端、负输出端分别与第五电阻R10一端、第六电阻R11一端对应电连接；所述第四运算放大器U5同相输入端与第五电阻R10另一端电连接，所述第四运算放大器U5反相输入端、第六电阻R11另一端、第七电阻R13一端相互电连接；所述第七电阻R13另一端与第四运算放大器U5输出端，从而构成光隔离电压放大子电路5输出端；

所述线性光耦U4输入侧的供电端与第三电源的输出端5V1电连接，所述线性光耦U4输入侧的接地端与第三电源的参考地GND1电连接，所述线性光耦U4输出侧的供电端、第四运算放大器U5供电端与第四电源的输出端5V电连接，所述线性光耦U4输出侧的接地端、第四运算放大器U5的接地端与第四电源的参考地GND电连接；

所述第二电源、第三电源、第四电源为不同电源，所述第二电源的参考地DGND、第三电源的参考地GND1、第四电源的参考地GND相互独立设置（即不共地）。

所述光隔离电压放大子电路5的输出电压与输入电压的关系为线性关系；优选地，所述光隔离电压放大子电路5的输出电压与输入电压的比例为1：1。

所述IGBT模块结温监测装置还包括第八电阻R4、第九电阻R5，所述第八电阻R4、第九电阻R5、热敏电阻R3串联构成所述电阻分压子电路1；

所述热敏电阻R3一端为电阻分压子电路1的输入端，所述热敏电阻R3另一端依次通过第八电阻R4、第九电阻R5与第一电源的参考地电连接，所述第八电阻R4与第九电阻R5的连接端为电阻分压子电路1的输出端。

当热敏电阻R3所在环境温度值小于Ta时，电阻分压子电路1的输出端电压小于参考电压供电端的电压，当热敏电阻R3所在环境温度值大于等于Ta时，电阻分压子电路1的输出端电压大于等于参考电压供电端的电压，其中，[Ta,Tb]为预设的监测温度范围；或者

当热敏电阻R3所在环境温度值小于等于Ta时，电阻分压子电路1的输出端电压小于等于参考电压供电端的电压，当热敏电阻R3所在环境温度值大于Ta时，电阻分压子电路1的输出端电压大于参考电压供电端的电压，其中，[Ta,Tb]为预设的监测温度范围。

本发明还提供一种利用上述IGBT模块结温监测装置的结温监测方法，所述结温监测方法包括：根据热敏电阻R3所在环境温度值与热敏电阻R3阻值的对应关系、热敏电阻R3阻值与信号输入端I1采集信号的理论值的对应关系、以及所述信号输入端I1实际采集的信号Ux，得到IGBT模块10的结温Tj。

所述信号输入端I1采集信号的理论值与热敏电阻R3所在环境温度值的对应关系为：温度值Ta、Ta+△T、Ta+2△T、……、Ta+n△T、Tb分别与采集信号的理论值Ua、Uc(1)、Uc(2)、……、Uc(n)、Ub一一对应；

其中，△T为预设的温度增量，0.5°C≤△T≤2°C；[Ta,Tb]为预设的监测温度范围；Tb=Ta+(n+1)△T或Ta+n△T＜Tb＜Ta+(n+1)△T；

所述根据热敏电阻R3所在环境温度值与热敏电阻R3阻值的对应关系、热敏电阻R3阻值与信号输入端I1采集信号的理论值的对应关系、以及所述信号输入端I1实际采集的信号Ux，得到IGBT模块10的结温Tj或结温Tj所属温度范围的步骤包括：

若Ux=Ua，则判断Tj≤Ta；

若Ux＞Ub，则判断Tj＞Tb；

若Ua＜Ux≤Uc(1)，则判断Ta＜Tj≤Ta+△T或判断Tj=Ta；

若Uc(n)＜Ux≤Ub，则判断Ta+n△T＜Ux≤Tb或判断Tj=Tb。

以下对本发明实施例1方案进一步详细说明：

本发明提出系统由电压源的电阻分压原理即插即用的驱动NTC电阻采样电路、V-I转换电路、电流源远距离传送、I-V转换电路、线性隔离差分放大以及核心处理器MCU的模数转换采集电路组成，系统的原理图如下图1所示。详细电路图如下图2、图3所示。其中图2的A1点、A2点与图3中的A1点、A2点分别对应为相同点。

虚线左边为NTC热敏电阻的取样转换端，其中包含电压源驱动的NTC热敏电阻的即插即用电压源的NTC热敏电阻采样处理电路和电流源转换处理电路组成。电阻R1、R2、热敏电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、贴片电容C1、C2、C3、稳压管W1、肖特基二极管D1、D2以及运算放大器U1、U2为电压源驱动的NTC热敏电阻的即插即用电压源的NTC热敏电阻采样处理电路。运算放大器U3、电阻R7、电阻R8、MOS管Q1、贴片电容C4为电流源转换处理电路。这一部分电路设计安装在离IGBT的内部NTC热敏电阻附近，离IGBT的NTC热敏电阻越近越好（也即IGBT模块附近）。其中电阻R1为10KΩ、电阻R2为2KΩ、电阻R4为3925Ω、电阻R5为4480Ω、电阻R6和R7为2KΩ，电阻R8为625Ω，全部为2512封装并且精度为±0.1%的精度，热敏电阻R3为IGBT内部封装的负温度系统热敏电阻，稳压管W1型号为TI公司的TL432AQDBZR，运算放大器U1、U2、U3型号都为TI公司的OPA171AIDBVT。MOS管Q1为N沟道增强型MOS管2N7002。二极管D1、D2为威世公司的SS16肖特基二极管。

NTC热敏电阻的取样转换端的电路工作原理如下：运算放大器U1的同向输入端恒定为2.5V输入电压。假设IGBT模块结温为-20℃，此时负温度系数NTC热敏电阻R3的阻值为34.6KΩ（从表1中可以查询可知），经公式计算运算放大器U2的同向输入端电压V

图2、图3组合后的电路的虚线右边（即图3中的电路部分）为NTC热敏电阻信号采集端，这一部分电路集成在主控制板上，由电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、贴片电容C5、贴片电容C6、贴片电容C7、线性光耦U4、运算放大器U5以及处理器U6组成。其中贴片电容C5、C6、C7为100000pF耐压50V的芯片退耦电容。U4为安华高公司的线性隔离光耦，型号为ACPL-C87B-500E。+5V1、GND1为光耦原边供电电压，分别接入U4的第1引脚、第4引脚。U4的第2、第3引脚为隔离光耦的电压输入端。U4端的输入端电压为采样电阻R9上电压差信号。U4的第8、第4引脚为U4的副边供电电压，分别连接5V、GND。U4的第7、第6引脚为副边差分输出电压。U4的第2引脚、第3引脚输入与第6引脚、第7引脚的输出关系如下图4所示。电阻R10、R11、R12、R13和运算放大器U5组成的1:1的差分放大电路，差分放大电路输出直接送至核心处理器的ADC模数转换接口。差分放大电路的放大倍数计算公式为V

NTC热敏电阻信号采集端的工作原理如下：当电阻R9上流经4-20mA的电流时，电阻R9上面产生0.4-2V的电压，0.4-2V的电压送入U4的输入端后在U4的输出端产生0.4-2V的差分电压，0.4-2V的差分电压经差分运算放大电路后输出0.4-2V的电压直接送至处理器MCU的ADC模数转换接口

考虑NTC热敏电阻值与真实温度值之间的换算关系式：R

具体逻辑判断为：

当12.833mA＜I

当13.005mA＜I

当13.177mA＜I

当13.350mA＜I

当13.522mA＜I

根据表1中的每5℃经典的热敏电阻对应的电阻值，在-20℃~25℃（-20℃~-15℃、……、20℃~25℃）和30℃~140℃（30℃~35℃、……、135℃~140℃）之间所有的其他温度值计算都可以按照这种计算方式处理即可，可以大大减少处理器的计算任务。

电磁搅拌用变频电源一般安装连铸生产线旁边的专门电气室内，电气室内一般配有工业空调，常年保持电气室内的温度为20℃左右，如果电磁搅拌用变频电源工作时，一般大容量IGBT工作时的内核结温大概为50~110℃，只有当强迫散热系统出现故障时，IGBT模块结温会上升到120℃甚至以上，那么当检测到IGBT的内核结温超过120度，变频电源的控制系统立即停机或降低功率，让IGBT的内核结温降下来。所以本文将IGBT模块-20℃~140℃的温度信号转换为4-20mA的电流信号，再经采样电阻将4-20mA的电流信号转换为0.4-2V电压信号，0.4-2V的电压信号经1:1的线性隔离差分放大后送入电磁搅拌用变频电源的核心处理器MCU的ADC采集足以满足电磁搅拌用变频电源在钢厂电气室内正常的结温范围检测。

本实施例1中：

第一电源可为24V电源，第一电源的参考地为DGND。

第二电源可为与第一电源相同的24V电源。第二电源也可选择36V电源（附图未示出）。第一电源、第二电源共地。即第二电源的参考地也为DGND。

第三电源可为+5V电源（图中标识为5V1），第三电源的参考地为GND1。

第四电源可为+5V电源（图中标识为5V），第四电源的参考地为GND。

第五电源可为3.3V电源，第五电源的参考地为GND。

其中，第一电源可由直流母线电压（例如110V直流电压）转换得到。第三电源、第四电源可由第一电源转换得到，第五电源可由第四电源转换得到。

采集电路的供电电源设计思路，可采用四组独立隔离的电源（即第一电源、第二电源为相同电源），其中24V、DGND这一组电源由直流母线电压经磁隔离开关电源转换得到；5V、GND由24V、DGND经开关电源磁隔离变换得到；5V1、GND1由24V、DGND经开关电源磁隔离变换得到；3.3V、GND由5V、GND经线性电源得到。电源部分的详细原理图如下图5-1、图5-2、图5-2、图5-4所示。

将本发明所提的方案应用于某公司的电磁搅拌用变频电源中进行实验验证，证明了其准确性。实验所选用的IGBT型号为富士公司的2MBI1400VXB-120P-50，实验输出电流有效值为800A输出频率为8Hz。

IGBT模块内部的NTC负温度系数的温度与阻值对应表如下表1所示。

表1 IGBT内部负温度系数NTC热敏电阻的阻值与温度对应表

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实施例2：A/D转换器方案

图2、图5-1、图5-2、图5-3、图5-4、图6构成本实施例2的电路结构。其中，图2中的A1点、A2点分别与图6中的A1点、A2点对应为同一点。

本实施例3与实施例1的区别在于：所述电压处理子电路为A/D转换器6。本实施例中，所述A/D转换器6、信号处理器U6相互独立设置。另外，所述A/D转换器6也可集成在信号处理器U6中，即A/D转换器6为信号处理器U6中的A/D转换模块。本实施例3的其他结构，可参考实施例1。

实施例3：正温度系数的热敏电阻

图3、图5-1、图5-2、图5-3、图5-4、图7构成本实施例3的电路结构。

本实施例4与实施例1的区别在于：所述热敏电阻R3为正温度系数热敏电阻时，所述热敏电阻在电阻分压子电路1中位于所述电阻分压子电路1的接地端与所述电阻分压子电路1的输出端之间。

本实施例中，第一电源24V依次通过相互串联的第八电阻R4、第九电阻R5、热敏电阻R3与第一电源的供电端DGND电连接。即第八电阻R4与第一电源24V连接的一端为电阻分压子电路1的输入端，第八电阻R4与第九电阻R5连接的位置为电阻分压子电路1的输出端。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。