CN104485805B - 开关管动态频率调节方法及系统 - Google Patents
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Abstract
开关管动态频率调节方法包括根据当前的开关管电流、开关管压降和门极驱动电压的占空比获取开关管的当前通态损耗；根据当前的母线电压，开关管电流和上一次获取的开关管结温获取当前一次开关损耗；根据当前一次开关损耗和上一次获取的开关频率获取当前的总开关损耗；根据当前的通态损耗和当前的总开关损耗获取当前的总损耗；根据当前的总损耗、开关管散热器温度以及预设的开关管结至散热器之间的热阻获取当前的开关管结温；根据当前开关管结温对应调节开关频率，以驱动开关管。上述发明可大大减少重负载时总损耗，同时优化系统在轻负载时的动态特性即灵活性，而且能够保证开关管的各参数始终位于稳定和安全范围内。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关管动态频率调节方法及系统。
背景技术
逆变焊机中的逆变器由开关管如IGBT或MOSFET等组成，是逆变焊机的核心能量转换元件之一，用于将直流转换为交流，其实际工作中的损耗往往对整机的效率，性能，可靠性和成本起着决定性的作用。实际应用中，逆变器的开关管损耗主要是由芯片结温、母线电压及流过开关管的电流和开关频率几项因素决定。目前逆变焊机领域多采用固定频率调脉宽的控制方法。采用该种控制系统在频率设计时必须保证最大负载输出时的开关管功耗，从而保证在最严酷的条件下，即最大输出负载，在规定的各种母线电压下，开关管的结温不超过厂家保证的最大值。为了保证产品的可靠性及寿命，通常开关管的结温还需留足余量。在保证输出电流特性的前提下，大负载时，开关管的开关频率应该尽量选择低一点以保证低开关损耗。
但是，当输出负载没有达到最大，特别是在较小的输出负载下，例如，在CO2气体保护焊中小电流焊接时，开关管的开关频率低的话，不能保证系统具有较高的动态/稳态转换特性。因此，在固定频率调脉宽的系统中，很难兼顾大负载时的损耗和低负载时的快速动态/稳态的转换特性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在于提供一种可解决上述技术问题的开关管动态频率调节方法及系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种开关管动态频率调节方法，其包括以下步骤：
步骤A：实时获取当前的开关管电流，并根据当前的开关管电流、该电流对应的开关管压降和门极驱动电压的占空比获取开关管的当前通态损耗；
步骤B：实时获取当前的母线电压，并根据当前的母线电压，开关管电流和上一次获取的开关管结温获取当前一次开关损耗；
步骤C：根据当前一次开关损耗、上一次获取的开关频率和公式III获取当前的总开关损耗，其中，公式III为Ps＝Es*f，Ps为总开关损耗，Es为当前一次开关损耗，f为上一次获取的开关频率；
步骤D：根据当前的通态损耗、当前的总开关损耗和公式IV获取当前的总损耗，其中，公式IV为Ptotal＝Pon+Ps，Ptotal为当前的总损耗,Pon为当前的通态损耗。
步骤E：实时获取开关管散热器温度，并根据当前的总损耗、开关管散热器温度、预设的开关管结至散热器之间的热阻和公式V获取当前的开关管结温，其中，公式V为Tj＝Ptotal*Rj-h+Th，Tj为当前的开关管结温，Rj-h为开关管结至散热器之间的热阻，Th为开关管散热器温度；
步骤F：判断当前的开关管结温是否在预设的结温阈值范围之内，若是，执行步骤G；若高于结温阈值上限，执行步骤H；若低于结温阈值下限，执行步骤I；
步骤G：根据上一开关频率驱动开关管；
步骤H：根据预设的第一比例降低上一开关频率，以驱动开关管；以及
步骤I：根据预设的第二比例升高上一开关频率，以驱动开关管。
优选地，步骤A包括以下子步骤：
步骤A1：实时获取当前的开关管电流；
步骤A2：根据当前的开关管电流和预存的开关管电流和开关管压降映射表获取对应的开关管压降；以及
步骤A3：根据当前的开关管电流，该电流对应的开关管压降和对应的门极驱动电压的占空比通过公式I计算获取开关管的当前通态损耗；公式I为Pon＝V*I*D，其中，Pon为当前通态损耗，I为当前开关管电流，V为对应的开关管压降，D为对应门极驱动电压的占空比。
优选地步骤B包括以下子步骤：
步骤B1：根据当前母线电压、开关管电流和上一次获取的开关管结温，结合预先存储的导通损耗与母线电压的映射表、导通损耗与开关管电流映射表以及导通损耗与开关管结温的映射表获取对应的当前一次导通损耗；
步骤B2：根据当前母线电压、开关管电流和上一次获取的开关管结温，结合预先存储的关断损耗与母线电压的映射表、关断损耗与开关管电流映射表以及关断损耗与开关管结温的映射表获取对应的当前一次关断损耗；以及
步骤B3：根据当前一次导通损耗和当前一次关断损耗通过公式II计算获取开关管的当前一次开关损耗，公式II为Es＝Eon+Eoff，其中，Es为当前一次开关损耗，Eon为当前一次导通损耗，Eoff为当前一次关断损耗。
一种开关管动态频率调节系统，其包括以下模块：
模块A：实时获取当前的开关管电流，并根据当前的开关管电流、该电流下对应的开关管压降和门极驱动电压的占空比获取开关管的当前通态损耗；
模块B：实时获取当前的母线电压，并根据当前的母线电压，开关管电流和上一次获取的开关管结温获取当前一次开关损耗；
模块C：根据当前一次开关损耗、上一次获取的开关频率和公式III获取当前的总开关损耗，其中，公式III为Ps＝Es*f，Ps为总开关损耗，Es为当前一次开关损耗，f为上一次获取的开关频率；
模块D：根据当前的通态损耗、当前的总开关损耗和公式IV获取当前的总损耗，其中，公式IV为Ptotal＝Pon+Ps，Ptotal为当前的总损耗，Pon为当前的通态损耗。模块E：实时获取开关管散热器温度，并根据当前的总损耗、开关管散热器温度、预设的开关管结至散热器之间的热阻和公式V获取当前的开关管结温，其中，公式V为Tj＝Ptotal*Rj-h+Th，Tj为当前的开关管结温，Rj-h为开关管结至散热器之间的热阻，Th为开关管散热器温度；
模块F：判断当前的开关管结温是否在预设的结温阈值范围之内，若是，执行模块G；若高于结温阈值上限，执行模块H；若低于结温阈值下限，执行模块I；
模块G：根据上一开关频率驱动开关管；
模块H：根据预设的第一比例降低上一开关频率，以驱动开关管；以及
模块I：根据预设的第二比例升高上一开关频率，以驱动开关管。
优选地，模块A包括以下子模块：
模块A1：实时获取当前的开关管电流；
模块A2：根据当前的开关管电流和预存的开关管电流与开关管压降映射表获取对应的开关管压降；以及
模块A3：根据当前的开关管电流，该电流对应的开关管压降和对应门极驱动电压的占空比通过公式I计算获取开关管的当前通态损耗；公式I为Pon＝V*I*D，其中，Pon为当前通态损耗，I为当前开关管电流，V为对应的开关管压降，D为对应门极驱动电压的占空比。
优选地，模块B包括以下子模块：
模块B1：根据当前母线电压、开关管电流和上一次获取的开关管结温，结合预先存储的导通损耗与母线电压的映射表、导通损耗与开关管电流映射表以及导通损耗与开关管结温的映射表获取对应的当前一次导通损耗；
模块B2：根据当前母线电压、开关管电流和上一次获取的开关管结温，结合预先存储的关断损耗与母线电压的映射表、关断损耗与开关管电流映射表以及关断损耗与开关管结温的映射表获取对应的当前一次关断损耗；以及
模块B3：根据当前一次导通损耗和当前一次关断损耗通过公式II计算获取开关管的当前一次开关损耗，公式II为Es＝Eon+Eoff，其中，Es为当前一次开关损耗，Eon为当前一次导通损耗，Eoff为当前一次关断损耗。
本发明的有益效果至少如下：
上述发明根据输出负载动态调节开关管的开关频率，以将开关管的结温动态保持在阈值范围内，相对于现有的固定频率控制技术，可大大减少重负载下的总损耗，同时优化系统在低负载时的动态特性即灵活性，而且能够保证开关管的各参数始终位于稳定和安全范围内。
附图说明
图1为本发明开关管动态频率调节方法的较佳实施方式的主要流程图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
请参见图1，本发明涉及一种开关管动态频率调节方法，其较佳实施方式包括以下步骤：
步骤A：实时获取当前的开关管电流，并根据当前的开关管电流、该电流下对应的开关管压降和门极驱动电压的占空比获取开关管的当前通态损耗；例如，可通过霍尔电流传感器感应开关管的电流。
本实施例中，步骤A包括以下子步骤：
步骤A1：实时获取当前的开关管电流；
步骤A2：根据当前的开关管电流和预存的开关管电流与开关管压降映射表获取对应的开关管压降；以及
步骤A3：根据当前的开关管电流，该电流对应的开关管压降和对应门极驱动电压的占空比通过公式I计算获取开关管的当前通态损耗；公式I为Pon＝V*I*D，其中，Pon为当前通态损耗，I为当前开关管电流，V为对应的开关管压降，D为对应门极驱动电压的占空比。
步骤B：实时获取当前的母线电压，并根据当前的母线电压，开关管电流和上一次获取的开关管结温获取当前一次开关损耗；
本实施例中，步骤B包括以下子步骤:
步骤B1：根据当前母线电压、开关管电流和上一次获取的开关管结温，结合预先存储的导通损耗与母线电压的映射表、导通损耗与开关管电流映射表以及导通损耗与开关管结温的映射表获取对应的当前一次导通损耗；
步骤B2：根据当前母线电压、开关管电流和上一次获取的开关管结温，结合预先存储的关断损耗与母线电压的映射表、关断损耗与开关管电流映射表以及关断损耗与开关管结温的映射表获取对应的当前一次关断损耗；以及
步骤B3：根据当前一次导通损耗和当前一次关断损耗通过公式II计算获取开关管的当前一次开关损耗，公式II为Es＝Eon+Eoff，其中，Es为当前一次开关损耗，Eon为当前一次导通损耗，Eoff为当前一次关断损耗。
其中，在本方法初始运行时，初始开关管结温接近环境温度，故，初始运行时，可将环境温度作为上一次开关管结温，之后，便可将上一次循环运行获取的开关结温作为上一次获取的开关管结温。
步骤C：根据当前一次开关损耗、上一次获取的开关频率和公式III获取当前的总开关损耗，其中，公式III为Ps＝Es*f，Ps为总开关损耗，Es为当前一次开关损耗，f为上一次获取的开关频率。
步骤D：根据当前的通态损耗、当前的总开关损耗和公式IV获取当前的总损耗，其中，公式IV为Ptotal＝Pon+Ps，Ptotal为当前的总损耗，Pon为当前的通态损耗。
步骤E：实时获取开关管散热器温度，并根据当前的总损耗、开关管散热器温度、预设的开关管结至散热器之间的热阻和公式V获取当前的开关管结温，其中，公式V为Tj＝Ptotal*Rj-h+Th，Tj为当前的开关管结温，Rj-h为开关管结至散热器之间的热阻，Th为开关管散热器温度。
步骤F：判断当前的开关管结温是否在预设的结温阈值范围之内，若是，执行步骤G；若高于结温阈值上限，执行步骤H；若低于结温阈值下限，执行步骤I。
步骤G：根据上一开关频率驱动开关管。
步骤H：根据预设的第一比例降低上一开关频率，以驱动开关管。
步骤I：根据预设的第二比例升高上一开关频率，以驱动开关管。
如此，在开关管结温较低时，可将开关频率升高，使得系统动态特性即灵活性设计的更高，从而使小电流段的短路过渡更加完美，最终实现少飞溅或无飞溅的工艺特征。
随着输出负载增大，开关管电流也随之增大，使得当前通态损耗和开关损耗同时增大，开关管结温也升高，进而自动降低开关频率，以动态调节开关管结温保持在阈值范围内，同时有效降低开关损耗。比如全桥电路，芯片结温150℃，当逆变器处理50A的电流，在每个IGBT的占空比为40％，因存在两组IGBT，输出占空比实际为80％，频率为20kHz时的通态损耗为30W，开关损耗为为228W，总损耗258W，开关损耗占总损耗的88.4％。所以，当频率降到10kHz时，总损耗为144W，总损耗降低了44.2％。
也就是说，开关管的开关损耗会因为开关频率的变化而产生变化，最终系统会稳定工作在某个工作频率之下，保证开关管的结温在合理的范围之内。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种开关管动态频率调节方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤A：实时获取当前的开关管电流，并根据当前的开关管电流、该电流对应的开关管压降和门极驱动电压的占空比获取开关管的当前通态损耗；
步骤B：实时获取当前的母线电压，并根据当前的母线电压，开关管电流和上一次获取的开关管结温获取当前一次开关损耗；
步骤C：根据当前一次开关损耗、上一次获取的开关频率和公式III获取当前的总开关损耗，其中，公式III为Ps＝Es*f，Ps为总开关损耗，Es为当前一次开关损耗，f为上一次获取的开关频率；
步骤D：根据当前的通态损耗、当前的总开关损耗和公式IV获取当前的总损耗，其中，公式IV为Ptotal＝Pon+Ps，Ptotal为当前的总损耗,Pon为当前的通态损耗；
步骤E：实时获取开关管散热器温度，并根据当前的总损耗、开关管散热器温度、预设的开关管结至散热器之间的热阻和公式V获取当前的开关管结温，其中，公式V为Tj＝Ptotal*Rj-h+Th，Tj为当前的开关管结温，Rj-h为开关管结至散热器之间的热阻，Th为开关管散热器温度；
步骤F：判断当前的开关管结温是否在预设的结温阈值范围之内，若是，执行步骤G；若高于结温阈值上限，执行步骤H；若低于结温阈值下限，执行步骤I；
步骤G：根据上一开关频率驱动开关管；
步骤H：根据预设的第一比例降低上一开关频率，以驱动开关管； 以及
步骤I：根据预设的第二比例升高上一开关频率，以驱动开关管。
2.如权利要求1所述的开关管动态频率调节方法，其特征在于：步骤A包括以下子步骤：
步骤A1：实时获取当前的开关管电流；
步骤A2：根据当前的开关管电流和预存的开关管电流与开关管压降映射表获取对应的开关管压降；以及
步骤A3：根据当前的开关管电流，该电流对应的开关管压降和对门极驱动电压的占空比通过公式I计算获取开关管的当前通态损耗；公式I为Pon＝V*I*D，其中，Pon为当前通态损耗，I为当前开关管电流，V为对应的开关管压降，D为对应门极驱动电压的占空比。
3.如权利要求1或2所述的开关管动态频率调节方法，其特征在于：步骤B包括以下子步骤：
步骤B1：根据当前母线电压、开关管电流和上一次获取的开关管结温，结合预先存储的导通损耗与母线电压的映射表、导通损耗与开关管电流映射表以及导通损耗与开关管结温的映射表获取对应的当前一次导通损耗；
步骤B2：根据当前母线电压、开关管电流和上一次获取的开关管结温，结合预先存储的关断损耗与母线电压的映射表、关断损耗与开关管电流映射表以及关断损耗与开关管结温的映射表获取对应的当前一次关断损耗；以及
步骤B3：根据当前一次导通损耗和当前一次关断损耗通过公式II计算获取开关管的当前一次开关损耗，公式II为Es＝Eon+Eoff，其中，Es为当前一次开关损耗，Eon为当前一次导通损耗，Eoff为当前一次关断损耗。
4.一种开关管动态频率调节系统，其特征在于：其包括以下模块：
模块A：实时获取当前的开关管电流，并根据当前的开关管电流、该电流下对应的开关管压降和门极驱动电压的占空比获取开关管的当前通态损耗；
模块B：实时获取当前的母线电压，并根据当前的母线电压，开关管电流和上一次获取的开关管结温获取当前一次开关损耗；
模块C：根据当前一次开关损耗、上一次获取的开关频率和公式III获取当前的总开关损耗，其中，公式III为Ps＝Es*f，Ps为总开关损耗，Es为当前一次开关损耗，f为上一次获取的开关频率；
模块D：根据当前的通态损耗、当前的总开关损耗和公式IV获取当前的总损耗，其中，公式IV为Ptotal＝Pon+Ps，Ptotal为当前的总损耗，Pon为当前的通态损耗；
模块E：实时获取开关管散热器温度，并根据当前的总损耗、开关管散热器温度、预设的开关管结至散热器之间的热阻和公式V获取当前的开关管结温，其中，公式V为Tj＝Ptotal*Rj-h+Th，Tj为当前的开关管结温，Rj-h为开关管结至散热器之间的热阻，Th为开关管散热器温度；
模块F：判断当前的开关管结温是否在预设的结温阈值范围之内， 若是，执行模块G；若高于结温阈值上限，执行模块H；若低于结温阈值下限，执行模块I；
模块G：根据上一开关频率驱动开关管；
模块H：根据预设的第一比例降低上一开关频率，以驱动开关管；以及
模块I：根据预设的第二比例升高上一开关频率，以驱动开关管。
5.如权利要求4所述的开关管动态频率调节系统，其特征在于：模块A包括以下子模块：
模块A1：实时获取当前的开关管电流；
模块A2：根据当前的开关管电流和预存的开关管电流与开关管压降映射表获取对应的开关管压降；以及
模块A3：根据当前的开关管电流，该电流对应的开关管压降和对应的门极驱动电压的占空比通过公式I计算获取开关管的当前通态损耗；公式I为Pon＝V*I*D，其中，Pon为当前通态损耗，I为当前开关管电流，V为对应的开关管压降，D为对应门极驱动电压的占空比。
6.如权利要求4或5所述的开关管动态频率调节系统，其特征在于：模块B包括以下子模块：
模块B1：根据当前母线电压、开关管电流和上一次获取的开关管结温，结合预先存储的导通损耗与母线电压的映射表、导通损耗与开关管电流映射表以及导通损耗与开关管结温的映射表获取对应的当前一次导通损耗；
模块B2：根据当前母线电压、开关管电流和上一次获取的开关管结温，结合预先存储的关断损耗与母线电压的映射表、关断损耗与开关管电流映射表以及关断损耗与开关管结温的映射表获取对应的当前一次关断损耗；以及
模块B3：根据当前一次导通损耗和当前一次关断损耗通过公式II计算获取开关管的当前一次开关损耗，公式II为Es＝Eon+Eoff，其中，Es为当前一次开关损耗，Eon为当前一次导通损耗，Eoff为当前一次关断损耗。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder |