CN102192845A - 散热***诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种散热***的诊断方法，该诊断方法的特征在于包括：获取与散热***正常工作时的热阻值相关的温度值；利用***的功率损失，基于***的数学模型计算与设计的理想热阻值相关的温度值；将所获取的值与所计算的值相比较；以及如果所获取的值与所计算的值之间的差值超过一预定阈值，则确定该散热***工作不正常。由此，通过本发明的诊断方法，可以事先确定散热***的工作状况，以便根据工作实现安排散热***的维护和修理。

Description

散热***诊断方法

技术领域

本发明涉及一种对散热***进行诊断的方法，并尤其涉及使用简单方法检测散热***故障，以便为散热***的维护和更新做准备。

背景技术

随着功率电气设备的散热增加以及整体形状因数的减小，热管理变得越来越重要。

功率电气设备的性能可靠性和寿命与设备各器件的温度成反比。典型的，硅半导体器件的可靠性和工作温度之间的关系表明温度降低对应于半导体器件的可靠性和寿命增加。因此，通过有效地控制器件的工作温度可以实现各器件的寿命增长和可靠性增加。由此，通常要保证该功率电气设备的各器件在设计的阈值温度之下工作。

散热器被经常用来从发热器件的热的表面将热量耗散到周围环境中，例如，空气。在本实施例中，以空气为例，但是可以是其他介质，如油。为了提高散热器的散热效率，通常的方法是增加散热器与冷却剂，即空气相接触的表面面积，或者使用风扇来提高空气流动速度。

但是随着使用时间增加，散热器会由于灰尘的沉积等出现堵塞，并且风扇也会出现老化，从而使得散热***的总体效率下降，不能够保证主要电气部分得到充分冷却。而众所周知，温度过高会导致电气部分过快老化，减少电气部分的寿命，并且有可能导致电气部分出现故障。

为了避免电气部分由于高温而受到损坏，在通常的电气设备中，例如在变频器中，在功率模块处设置有温度传感器，在温度传感器所测量的温度超过一个预定值时，则停止变频器的工作。

但是，由于目前没有一种方法来对散热***进行诊断，从而无法预测何时散热***出现问题，因此，由于过热会导致无准备的停机，从而造成不可弥补和不必要的的损失。

例如如果在纺织行业应用中，可能由于应用环境中的纤维或者丝状物堵塞散热器或者风扇，使得散热效果下降，变频器停机。如果能通过***检测提前知道风扇或者散热***出现问题，提示客户提前清理或者换风扇，可以避免不可预测的停机。或者停机之后也可以很快找到停机的原因，很快采取相关处理措施。(换新风扇或者清理散热器)

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明。因此，本发明的目的在于提供一种散热***的诊断方法，利用该方法，可以随时对散热***进行诊断，并可以根据诊断结构预先安排散热***的维护时间和更换时间。

为了实现本发明的目的，根据本发明，提供了一种散热***的诊断方法，该诊断方法的特征在于包括：获取与散热***正常工作时的热阻值相关的温度值；利用***的功率损失，基于***的数学模型计算与设计的理想热阻值相关的温度值；将所获得的值与所计算的值相比较；以及如果所获取的值与所计算的值之间的差值超过一预定阈值，则确定该散热***工作不正常。所述散热***工作不正常包括风扇老化，风扇故障或者散热器被堵塞。

由此，通过本发明的诊断方法，可以事先确定散热***的工作状况，以便根据工作实现安排散热***的维护和修理。

优选的是，所述获取与散热***的当前的实际热阻值相关的值的步骤包括获得要被散热的发热元件的温度与环境温度之间的差，而所述计算与设计的理想热阻值相关的值包括以下公式：

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{ca}}\left(t\right)=P_{\mathrm{AV}}\·{\mathrm{Rth}}_{\mathrm{ca}}\·(1-e^{\left(\frac{-t}{\mathrm{\τ}}\right)}),$

其中：ΔT_ca(t)为利用设计的理想热阻值计算的发热元件的温度与环境温度之间的差；

P_AV为***的平均功率损失；

Rth_ca为设计的理想热阻值；

τ为散热***的时间常数，为τ＝Rth_ca·Cth_ca。

优选的是，所述获取散热***的当前的实际热阻值相关的值的步骤包括测量要被散热的发热元件的温度，并计算该温度的时间导数，而所述与设计的理想热阻值相关的值包括以下公式：

$\frac{d\·T_c\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{P_{\mathrm{AV}}}{{\mathrm{Cth}}_{\mathrm{ca}}}\·e^{\left(\frac{-t}{\mathrm{\τ}}\right)}$

其中：

为根据理想热阻值计算的发热元件的温度的时间导数；

P_AV为***的平均功率损失；

Cth为散热***的热容；

τ为散热***的时间常数，τ＝Rth_ca·Cth_ca。

通过上述方法，可以避免为了测量环境温度而额外增加一个温度传感器，而是可以利用散热***中现有的温度传感器，并将该温度传感器的测量结果进行信号处理，即可以实现对散热***的诊断。由此，降低了整个方法的成本。

附图说明

下面，参照附图详细描述根据本发明的优选实施例，但是，要指出的是下面的描述仅仅是示例性的，而不构成对本发明的限制，图中：

图1是表示热阻、温升等参数之间的关系的曲线；

图2示出在海平面处，在具有风扇的散热***中，热阻与流过散热器的空气速度的关系曲线；

图3示出在2500米海拔高度处，在具有风扇的散热***中，热阻和空气速度的关系的曲线；

图4示出在海平面处，在没有风扇的散热***中热阻与功率损失的关系曲线；

图5A到5C是示出散热***的模型的视图；

图6是示出根据本发明的诊断方法的第一实施例的控制图；以及

图7是示出对第一实施例的改进的控制图。

具体实施方式

下面，参照附图，描述本发明的优选实施方式。在此要指出的是，虽然本发明以变频器的功率模块为例进行描述，但是本发明决不局限于变频器，而是可以应用到任何使用散热***进行冷却的场合。

在描述本发明的散热***诊断方法之前，先给出一些参数的定义：

P：散热的总功率或散热率，或电气设备的功率损失，单位为W，表示在工作过程中电气部件所耗散的热量速率。也可以称作电气设备的功率损失，因为电气设备所损失的功率将变成热量，而这部分热量正是需要散热的总功率。为了选择散热器，使用最大工作功率耗散；

Tj：电气部件的最大结温，单位为摄氏度，在典型的电气设备中，可允许的Tj在从120度的范围内，并且对于最大的工作温度，有可能到170度；

Tc：电气部件的壳体温度，单位为摄氏度，由于电气设备的壳体温度取决于测量位置，它通常代表壳体的最大局部温度；

Th：散热器温度，单位为摄氏度，这个参数表示在散热器最靠近电气部件的位置处散热器的最大温度；

Ta：环境温度，单位为摄氏度。

利用上述参数，两个不同位置之间热传递效率可以表示为：

ΔT_ca＝Rth·P

ΔT_ca＝T_c-T_a

其中，Rth为热阻。

以变频器的功率模块为例，Tj是指功率模块的芯片处的温度，Tc是指功率模块壳体处的温度，Ta是指变频器所工作的环境的环境温度。

τ：热时间常数，在物体被均匀加热或冷却时采用这一参数。在这种情况下，在给定时间内从物体向周围环境的热传递正比于物体于周围环境中间的温度差

τ＝Rth_ca·Cth_ca

其中Cth_ca是热质量，也称为热容量，对于散热器来说，该热容量Cth_ca是散热器材料和散热器体积的函数。

图1是表示热阻、温升等参数之间的关系的曲线。图1的曲线是两个单独曲线的组合，它们组合在图1中。假设要被冷却的装置被正确安装，且相对于气流方向(从底向上)，散热器处于通常使用的安装取向。从左下到右上的曲线表示散热器温升的自然对流曲线。自然对流现象是非线性的。

从左上到右下的曲线是热阻相对于气流速度的强制对流曲线。在强制对流中，ΔTca与P成线性比例，由此Rth_ca与P无关，且仅为流速的函数。

另一个需要考虑的参数是海拔高度效应。虽然室内环境的空气温度通常可以被控制并且不受高度变化的影响，但是室内空气压力会随着高度而变化。由于很多变频器安装在不同的海拔高度处，需要考虑到：在较高海拔高度处，气压降低且空气密度降低，由此散热器的散热效率会受到影响，下表1示出海拔高度对散热器效率降低参数。表1中示出在不同海拔高度处对不同散热器的降低参数。例如，为了确定在海平面以外的海拔高度处散热器的实际热性能，从性能曲线中读出的热阻值在与所需的热阻相比较之前要被这些降低因数除。

表1：海拔高度降低因数

海拔高度m/ft	降低因数
		0，海平面	1.00
1000/3000	0.95
		1500/5000	0.90
2000/7000	0.86
		3000/10000	0.80
3500/12000	0.75

通过研究，发明人发现在不同条件下热阻的关系：

在具有风扇的情况下，热阻Rth-ha是空气速度的函数；

在具有风扇的情况下，热阻Rth-ha是海拔高度的函数；

在没有风扇的情况下，热阻Rth-ha是功率损失的函数；

在没有风扇的情况下，热阻Rth-ha是海拔高度的函数。

图2示出在海平面处，即，气压为1个大气压的情况下，在具有风扇的散热***中，热阻与流过散热器的空气速度的关系。从图2中可以看出，在空气速度为3.0m/s时，即在风扇处于正常工作状态或者散热器没有被堵塞时，热阻值大约为0.4℃/W，而随着风扇老化或者散热器被灰尘等堵塞，热阻值增大，并且在空气速度为0.5m/s时，热阻值大约为0.9℃/W，这就表明散热***已经出现问题，并且需要及时维护或更换。

图3示出在不同海拔高度处，在具有风扇的散热***中，热阻和空气速度的关系的曲线。如图3所示，在海拔高度为2500m时，空气压力为0.737个大气压，此时，在风扇处于正常工作状态下，即空气速度为3m/s时，热阻值为0.46℃/W，稍高于在海平面处的热阻值，也就是说，此时测量的热阻值需要通过上述降低因数进行修整。

图4示出在海平面处，在没有风扇的散热***中热阻与功率损失的关系。从图4可以看出，在散热器处于良好状态下时，热阻值为1.4℃/W，而在散热器堵塞时，热阻值为3℃/W。

从上面的分析可以看出，通过根据散热***的热阻值，可以对整个散热***进行诊断，也就是说，判断目前散热***的热阻值是否超过一预定值，如果超过，则确定需要维护或者更换散热***，由此，用户可以根据诊断结果预先安排设备停机时间，对散热***进行维护和修理。

下面，将借助于优选实施例来详细描述本发明的诊断方法。

优选实施例

图5是变频器的功率模块散热***的热回路图，其中，参考RC电路的分析方法，从功率模块的芯片到散热器的热回路可以等价于图5B和5C。其中Rth表示热阻，而Zth表示热阻抗。

如图5所示，在这个模型中，热量从芯片处串联地通过芯片与焊料的界面、焊料与电路板的布线铜层的界面、电路板与底板的界面、底板与散热器的界面(在中间夹置导热脂的情况下，也包括底板与导热脂的界面以及导热脂与散热器的界面)等流向散热器，然后从散热器耗散到空气中。

对于这个模型的响应时间，对于一个输入的阶跃的功率损失P，从芯片到底板的响应时间很快，大约为100微秒，而从底板到散热器的响应时间大约为几分钟，但是从散热器到周围环境(空气)的响应时间大约为几个小时，因此可以将周围环境的响应时间认为是无限大，则可以将周围环境的温度Ta认为是恒定不变的一个恒定量。

将功率模块看作一个整体，则整个模型简化为如图5C所示。

类似于欧姆定律，U＝R×I，U类似于本***的ΔTca，R类似于本***的Rthca，而I类似于本***中的P(功率损失)，如果向RC电路施加一个电流阶跃，则电容器C两端的电压U将逐渐升高，最终电压将满足上述欧姆定律。本发明的模型类似于上述***。

对上述模型进行建模，以获得该模型的实时状态方程：

P(t)＝P_Rth(t)+P_Cth(t)      (1)

类似于RC电路的实时分析方程：

I(t)＝I_r(t)+I_c(t)

I_r(t)＝U(t)/R

I_c(t)＝C·d/dt(U(t))

上述公式(1)可以推导成：

$P\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{ca}}\left(t\right)}{{\mathrm{Rth}}_{\mathrm{ca}}}+{\mathrm{Cth}}_{\mathrm{ca}}\·\frac{d}{\mathrm{dt}}\·{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{ca}}\left(t\right)---\left(2\right)$

对于一个输入P的阶跃信号，进行拉普拉斯变换，得到：

$\frac{P\left(s\right)}{s}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{ca}}\left(s\right)}{{\mathrm{Rth}}_{\mathrm{ca}}}+{\mathrm{Cth}}_{\mathrm{ca}}\·s\·{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{ca}}\left(s\right)---\left(3\right)$

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{ca}}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{Rth}}_{\mathrm{ca}}\·\frac{1}{{\mathrm{Rth}}_{\mathrm{ca}}\·{\mathrm{Cth}}_{\mathrm{ca}}}}{s\·(s+\frac{1}{{\mathrm{Rth}}_{\mathrm{ca}}\·{\mathrm{Cth}}_{\mathrm{ca}}})}\·P\left(s\right)---\left(4\right)$

如上所述，τ＝Rth_ca·Cth_ca

拉普拉斯反变换，得到

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{ca}}\left(t\right)=P_{\mathrm{AV}}\·{\mathrm{Rth}}_{\mathrm{ca}}(1-e^{\left(\frac{-1}{{\mathrm{Rth}}_{\mathrm{ca}}\·{\mathrm{Cth}}_{\mathrm{ca}}}\right)})=P_{\mathrm{AV}}\·{\mathrm{Rth}}_{\mathrm{ca}}\·(1-e^{\left(\frac{-t}{\mathrm{\τ}}\right)})---\left(5\right)$

从公式(5)可以看出，在散热***正常工作情况下，通过设计散热器，可以获得理想的Rth，并且散热器的Cth也是已知的，因此，只要计算出功率损失P即可以获得ΔTca。

另外，可以将定义为整个散热***的热阻抗Zth_ca(t)，则得到如下公式(5-1)：

ΔT_ca(t)＝Zth_ca(t)·P_ca(t)       (5-1)

通常，变频器的功率损失是这样计算的，首先，假设：输出电流(电机电流)是正弦波并且是对称的，平均PWM(功率宽度调制)是正弦波。

对于U相的电机电流和PWM的调制系数等于：

$m_U\left(t\right)=\frac{1}{2}(1+M\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right))$

其中，I_PEAK是最大电机电流I_U，它是从三相电机的电流测量值中计算得出，ω₀是电机的角频率(定子电机频率的函数)，且

是电机电流的相移。在逆变器中的平均功率损失为：

$P_{\mathrm{mv}\_\mathrm{AV}}\≅I_{\mathrm{PEAK}}(\frac{1}{\mathrm{\π}}(V_{\mathrm{CE}0}+V_{\mathrm{DF}0})+\frac{2(E_{\mathrm{ON}}+E_{\mathrm{OFF}}+E_{\mathrm{QN}})}{\mathrm{\π}{V}_N{I}_N}{V}_{\mathrm{BUS}}{f}_{\mathrm{SW}}+I_{\mathrm{PEAK}}\left(\frac{(r_{\mathrm{CE}}+r_D)}{4}\right))$

其中：

V_CE0、V_DF0、r_CE和r_D是IGBT和续流二极管的静态参数；

V_BUS是测得的DC汇流排电压；

f_SW是逆变器开关频率；

V_N和I_N分别是电机的额定电压和额定电流；

E_ON、E_OFF和E_QN是对于IN和VN来说，IGBT的开关损耗。

变频器的总的平均功率损失为：

P_AV＝P_{inv_AV}+P_{rec_AV}

其中，P_{rec_AV}是二极管整流器的功率损失，在供电网络具有短路能力的情况下，P_{rec_AV}大约是P_{inv_AV}的10％到20％。

从而，将经过上述方法计算的P代入到公式(5)中，可以求得理想情况下的ΔTca。

参见图6，图6示出根据本发明的诊断方法的第一实施例的控制图。从图6可以看出，首先测量Ta和Tc，得到实际的ΔTca，并且同时，根据公式(5)算出理想的ΔTca，将理想的ΔTca与实际测量的ΔTca相比较，得出二者的差，并且在二者的差超过一预定阈值时，确定此时的散热器堵塞或者风扇老化。

也就是说，由于此时由于散热器被堵塞或者由于风扇老化，实际的散热***的Rth已经与设计Rth相比增大，因此，散热***的散热效率降低，使得实际的ΔTca增大，并且在增大量超过预定阈值时，证明此时的散热***需要维护或更换。

由于在现有技术的变频器中，已经设置有温度传感器来测量Tc，因此，为了实现第一实施例的方法，需要另外设置一个温度传感器来测量环境温度Ta并且需要精确计算变频器的功率损失。

改进实施例

为了避免增加一个温度传感器来测量Ta，如图7所示，由于在上面提到的Ta基本上可以看作一个恒定值，因此，对ΔTca求导数，这样可以避免增加一个温度传感器来测量Ta。

得到如下公式(5-2)：

$\frac{d\·{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{ca}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{d\·T_c\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{P_{\mathrm{AV}}}{{\mathrm{Cth}}_{\mathrm{ca}}}\·e^{\left(\frac{-t}{\mathrm{\τ}}\right)}---(5-2)$

通过这样改进，可以避免增加一个温度传感器来测量环境温度Ta，并由此增加了***的鲁棒性。

上面，通过优选实施例描述了本发明，由此可以看出，本发明的主要精髓在于通过热阻Rth作为衡量参数来诊断散热***是否存在老化或者堵塞，并且通过利用已经存在的温度传感器获得发热部件的温度信号，该温度(或经过适当处理后得到的值)作为实际热阻Rth的一个中介参数，并将中介参数与通过设计热阻(理想热阻)Rth计算而获得的阈值相比较，在中介参数大于该阈值时，表明该散热***需要维护或者更换，由此，本发明实现了对散热***的诊断，而使得用户可以在不增加任何成本的情况下对散热***进行实时诊断，以便及时发现散热***的问题，而进行有计划的维护和修理。

Claims (7)

1.一种散热***的诊断方法，该诊断方法的特征在于包括：

获取与散热***正常工作时的热阻值相关的温度值；

利用***的功率损失，基于***的数学模型计算与设计的理想热阻值相关的温度值；

将所获得的值与所计算的值相比较；以及

如果所获取的值与所计算的值之间的差值超过一预定阈值，则确定该散热***工作不正常。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述散热***工作不正常包括风扇老化，风扇故障或者散热器被堵塞。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述***的功率损失是通过经验获得或通过计算获得。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中：

所述获取与散热***的当前的实际热阻值相关的值的步骤包括：

获得要被散热的发热元件的温度；

测量环境温度；以及

计算发热元件的温度与环境温度之间的差。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述计算与设计的理想热阻值相关的值包括以下公式：

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{ca}}\left(t\right)=P_{\mathrm{AV}}\·{\mathrm{Rth}}_{\mathrm{ca}}\·(1-e^{\left(\frac{-t}{\mathrm{\τ}}\right)}),$

其中：ΔT_ca(t)为利用设计的理想热阻值计算的发热元件的温度与环境温度之间的差；

P_AV为***的平均功率损失；

Rth_ca为设计的理想热阻值；

τ为散热***的时间常数，为τ＝Rth_ca·Cth_ca。

6.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述获取散热***的当前的实际热阻值相关的值的步骤包括：

测量要被散热的发热元件的温度；以及

计算该温度的时间导数。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述与设计的理想热阻值相关的值包括以下公式：

$\frac{d\·T_c}{\mathrm{dt}}=\frac{P_{\mathrm{AV}}}{{\mathrm{Cth}}_{\mathrm{ca}}}\·e^{\left(\frac{-t}{\mathrm{\τ}}\right)}$

其中：

为根据理想热阻值计算的发热元件的温度的时间导数；

P_AV为***的平均功率损失；

Cth为散热***的热容；

τ为散热***的时间常数，τ＝Rth_ca·Cth_ca。

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