CN110829610A - 一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅mosfet的精确结温闭环控制方法 - Google Patents

一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅mosfet的精确结温闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法，其步骤包括：确定结温控制的目标温度，粗调阶段判断是否有负载的接入或切除来改变高频逆变电路里缓冲电路中电容的大小，以此增加或减少碳化硅功率器件的开关损耗，从而升高或降低碳化硅MOSFET的结温，精调阶段通过采集碳化硅MOSFET当前温度，与目标温度作比较，当大于目标温度时提升碳化硅MOSFET的开通和关断电压，以此降低开关损耗从而降低器件结温，当前温度小于目标温度时降低碳化硅MOSFET的开通和关断电压，以此提升开关损耗从而提升碳化硅MOSFET结温。本发明能够实现单独调整某一个碳化硅MOSFET的结温，并且不会降低整个系统的输出质量，降低了碳化硅MOSFET的热疲劳失效机率。

Description

一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结 温闭环控制方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，具体涉及一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法。
背景技术
无线电能传输技术是一种安全灵活的充电方式，适用于移动设备、电动汽车等设备的供电。宽禁带器件的应用预示着无线电能系统中的频率和功率将会提高到更高的等级，那么伴随而来的可靠性问题不容忽视，同时整个系统的功率波动会导致碳化硅MOSFET的结温波动，极易导致碳化硅MOSFET的热疲劳失效，大幅减小了碳化硅MOSFET的寿命期望，使整个高频大功率的无线电能系统的安全性和稳定性产生致命隐患，因此需要采取一定措施稳定功率波动所带来的的结温波动。
功率波动同时存在于静态无线充电系统与动态无线充电系统，在静态无线充电系统中如：接受线圈与发射线圈发生偏移或移位、多负载无线充电系统中负载数量的变化等；在动态无线充电系统中如：如由于路面发射端和车载接收端之间磁场耦合程度随着电动汽车的行驶将处于频繁且剧烈的波动状态，从而导致接收功率明显波动等。因此，无线电能传输系统中碳化硅功率器件易受功率波动影响而发生结温波动。相关研究中通过调节开关频率进行结温控制，此方法不能单独调整某一特定的碳化硅MOSFET的结温，而且会降低变流器的输出质量，同时使得无线电能系统偏离谐振频率。另外对碳化硅MOSFET结温的调节也会存在效果不明显，响应慢，结温控制不够精确的缺点。
发明内容
本发明的目的为克服上述存在的问题，提出了一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法，在不改变变流器输出质量基础上，使用较低的硬件成本，实现多负载无线电能传输系统发射端高频逆变器中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制。
为了实现上述目的，本发明所述的一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法基于多负载无线电能传输系统的开环电路，所述多负载无线电能传输系统的开环电路包括直流电源、高频逆变电路、原边谐振网络、多个副边谐振网络、整流电路、负载电路，直流电源、高频逆变电路、原边谐振网络、多个副边谐振网络依次相连接，每个副边谐振网络后依次连接整流电路和负载电路。
本发明所述的一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法，包括以下步骤：
步骤1：确定结温控制的目标温度，碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制分为粗调阶段和精调阶段；
步骤2：粗调阶段判断是否有负载的接入或切除来改变高频逆变电路里缓冲电路中电容的大小，以此增加或减少碳化硅功率器件的开关损耗，从而升高或降低了器件的结温；
步骤3：精调阶段通过采集碳化硅MOSFET当前温度，与目标温度作比较，当前温度大于目标温度时提升碳化硅MOSFET的开通和关断电压，以此降低开关损耗从而降低器件结温，当前温度小于目标温度时降低碳化硅MOSFET的开通和关断电压，以此提升开关损耗从而提升器件结温，从而抑制结温大幅度波动。
进一步，所述多负载无线电能传输系统中，负载增加或者切除时会导致系统功率的波动，反应到高频逆变中，即为碳化硅MOSFET承受此功率波动，从而引起每个器件的结温波动，导致碳化硅MOSFET可靠性降低。确定碳化硅MOSFET的目标温度的具体操作为：
进一步，在多负载的无线电能传输系统中，通过选取某特定负载数量下的碳化硅MOSFET温度作为想要稳定到的目标温度，负载数量的增加或者减小导致碳化硅MOSFET的结温在目标温度附近上下波动。
当检测到多负载无线电能传输系统有负载接入或切除时，系统首先进行结温粗调,具体操作为：
(1)设定某数量负载个数情况下的多负载无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的结温为目标温度；
(2)实时读取系统所增加或者减少的负载个数，调节碳化硅MOSFET的缓冲电路中电容的大小，每增加一个负载，系统功率上升，碳化硅MOSFET结温上升，此时缓冲电路中增加一次电容的大小，减少此时的开关损耗；每减少一个负载，系统功率下降，碳化硅结温下降，缓冲电路中减少一次电容的大小，增加此时的开关损耗。
进一步，系统进行结温粗调时，缓冲电路中电容的大小增减通过开关的投切使得电容并联或切除于原来的电容，每个并联支路上由一个开关和一个电容串联构成。
当系统完成碳化硅MOSFET结温粗调后,进入结温精调阶段，具体操作为：
(1)获取无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的当前温度值；
(2)逆变器控制器根据碳化硅MOSFET结温的目标温度与碳化硅MOSFET的当前温度进行两路的PID运算，然后对两路PID运算的结果限定幅值后分别作为碳化硅MOSFET开通和关断电压的变化量；
(3)获取当前开通电压与关断电压的绝对值后，碳化硅MOSFET开通电压的变化量与当前开通电压相减取绝对值得到新的开通电压，碳化硅MOSFET关断电压的变化量与当前关断电压的绝对值相减得到新的关断电压；
(4)测量此时的碳化硅MOSFET的结温，若未达到目标温度，重复步骤(1)至(3)，直到达到目标温度。
进一步，碳化硅MOSFET进行精调时是通过开通或关断的电压的改变来实现结温的变化，结温上升时，增加开通电压与关断电压的绝对值来降低开关损耗，以此降低结温；结温下降时，减小开通电压与关断电压的绝对值来增加开关损耗，以此升高结温。
特别的，本发明中碳化硅MOSFET的结温通过温度传感器获得。
相对于现有技术，本发明的技术效果如下：1)本发明提出的一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法，分为粗调阶段和精调阶段，通过调节缓冲电路中电容的大小，以及碳化硅MOSFET开通电压和关断电压，增加或减小开关损耗从而精确控制碳化硅结温，当系统存在功率频繁波动时，稳定结温的波动，避免了热疲劳失效的发生；2)传统方法通过调节开关频率进行结温控制，此方法不能单独调整某一特定的碳化硅MOSFET的结温，而且会降低变流器的输出质量，同时使得无线电能系统偏离谐振频率。本发明能够实现单独调整某一个碳化硅MOSFET的结温，并且不会影响变流器的功率处理能力，不会降低整个系统的输出质量，降低了碳化硅MOSFET的失效机率，所提出的闭环控制方法精确度和稳定性较高，响应速度较快，效果明显；3)本发明所提出的碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法可以广泛应用于任何静态无线充电系统和动态无线充电系统等可靠性要求较高的领域，提高无线充电系统设备的长时间运行可靠性，具有较好结温波动抑制效果，适用性强；4)本发明所提出的碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法可以广泛地应用于对变流器可靠性有极高要求的场合；5)本发明所提出闭环控制方法的控制回路由模拟电路和数字处理器同时实现，因此可以同时实现数字控制的灵活性和模拟电路的快速性。
附图说明
图1为本发明所述的无线电能传输系统的开环主电路图；
图2为本发明所述的用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法流程图；
图3为本发明所述的用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法的总体运行控制框图；
图4为本发明所述的用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法中粗调阶段控制框图；
图5为本发明所述的用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法中精调阶段控制框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：本发明所述多负载无线电能传输系统的开环电路如图1所示，系统的能量传输由直流电源电压经过高频逆变电路逆变为高频交流电压，其中高频逆变电路采用H桥式，即共含有4个碳化硅MOSFET，并且每个碳化硅MOSFET各并联1个RC缓冲电路，高频交流电压驱动LCC型原边谐振网络，各个副边接受线圈感应出高频电感电压，经过LC串联的S型副边谐振网络及整流桥将交流电压整流成为直流电压，作用于各自的负载上。
参见图2，为本发明所述的一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法的流程图，包括以下步骤：
(1)确定结温控制的目标温度Tref，设定某数量负载个数n0情况下的多负载无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的结温为目标温度；
(2)粗调阶段判断是否有负载的接入或切除来改变高频逆变电路里缓冲电路中电容Cn的大小，以此增加或减少碳化硅功率器件的开关损耗，从而升高或降低了器件的结温。具体实现方式为：如图3所示，当有负载增加时或者切除时，整流桥控制器采集任意负载当前的输入电压UBT和输入电流IBT，进行乘法运算的到单个负载功率PBT，通过2.4GHz的无线射频模块将负载单个负载当前功率PBT发送到逆变器控制器中，逆变器控制器采集直流电压源的输出电压U和输出电流I，进行乘法运算得到当前系统的输入功率P，通过公式n1＝P/PBT可以计算出当前系统的负载个数，n＝n1-n0为正数时表示应增加的缓冲电容的个数，n为负数时表示应减小的缓冲电容的个数。实时读取系统所增加或者减少的负载个数，调节碳化硅MOSFET的缓冲电路中电容的Cn大小，每增加一个负载，系统功率上升，碳化硅MOSFET结温T1上升，此时缓冲电路中增加一次电容的大小，减少此时的开关损耗；每减少一个负载，系统功率下降，碳化硅结温下降，缓冲电路中减少一次电容的大小，增加此时的开关损耗。缓冲电路中电容的大小增减通过开关的投切使得电容并联或切除于原来的电容，每个并联支路上由一个开关和一个电容串联构成，如图4所示；
(3)精调阶段通过采集粗调后碳化硅MOSFET温度T2，与目标温度Tref作比较，当前温度大于目标温度时提升碳化硅MOSFET的开通和关断电压，以此降低开关损耗从而降低器件结温，当前温度小于目标温度时降低碳化硅MOSFET的开通和关断电压，以此提升开关损耗从而提升器件结温，从而抑制结温大幅度波动。具体操作为：
1)通过温度传感器Tsensor采集无线电能传输系统中碳化硅MOSFET经过粗调后的温度值T2；
2)逆变器控制器根据碳化硅MOSFET结温的目标温度Tref与每一个碳化硅MOSFET的当前温度T2进行两路的PID运算，然后对两路PID运算的结果限定幅值后分别作为每一个碳化硅MOSFET开通和关断电压的变化量，即绝对值|Ubon|和|Uboff|，如图5所示；
3)获取当前开通电压与关断电压的绝对值|Ubon|和|Uboff|后，碳化硅MOSFET开通电压的变化量|Ubon|与当前开通电压Uon相减取绝对值得到新的开通电压U’on＝||Ubon|-Uon|，碳化硅MOSFET关断电压的变化量|Uboff|与当前关断电压的绝对值|Uoff|相减得到新的关断电压U’off＝|Uboff|-|Uoff|；
4)测量此时每个碳化硅MOSFET的结温T3，若未达到目标温度Tref，重复步骤1)至3)，直到达到目标温度。
碳化硅MOSFET进行精调时是通过开通或关断的电压的改变来实现结温的变化，结温上升时，增加开通电压与关断电压的绝对值来降低开关损耗，以此降低结温；结温下降时，减小开通电压与关断电压的绝对值来增加开关损耗，以此升高结温。
至此，完成多负载无线电能传输系统中，由功率波动引起碳化硅MOSFET结温波动的粗调和精调阶段，使碳化硅MOSFET的结温稳定在参考温度附近，能够实现单独调整某一个碳化硅MOSFET的结温，并且不会影响变流器的功率处理能力，不会降低整个系统的输出质量，同时降低了碳化硅MOSFET的热疲劳失效机率，所提出的闭环控制方法精确度和稳定性较高，响应速度较快，效果明显。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，以上实施列对本发明不构成限定，相关工作人员在不偏离本发明技术思想的范围内，所进行的多样变化和修改，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法，其特征在于，基于多负载无线电能传输系统的开环电路，所述无线电能传输系统的开环电路包括直流电源、高频逆变电路(包含缓冲电路)、原边谐振网络、多个副边谐振网络、整流桥和负载依次连接；包括以下步骤：
步骤1：确定结温控制的目标温度，碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制分为粗调阶段和精调阶段；
步骤2：粗调阶段判断是否有负载的接入或切除来改变高频逆变电路中缓冲电路中电容的大小，以此增加或减少碳化硅MOSFET的开关损耗，从而升高或降低碳化硅MOSFET的结温；
步骤3：精调阶段通过采集碳化硅MOSFET当前温度，与目标温度作比较，当前温度大于目标温度时提升碳化硅MOSFET的开通和关断电压，以此降低开关损耗从而降低碳化硅MOSFET结温，当前温度小于目标温度时降低碳化硅MOSFET的开通和关断电压，以此提升开关损耗从而提升碳化硅MOSFET结温，从而抑制结温大幅度波动。
2.根据权利要求1所述的一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法，其特征在于，步骤1中：确定碳化硅MOSFET的目标温度的具体操作为：
在多负载的无线电能传输系统中，通过选取某特定负载数量下的碳化硅MOSFET温度作为想要稳定到的目标温度，负载数量的增加或者减小导致碳化硅MOSFET的结温在目标温度附近上下波动。
3.根据权利要求2所述的一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法，其特征在于，步骤2中，当检测到多负载无线电能传输系统有负载接入或切除时，系统首先进行结温粗调,具体操作为：
(1)设定特定负载个数情况下的多负载无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的结温为目标温度；
(2)实时读取系统所增加或者减少的负载个数，调节碳化硅MOSFET的缓冲电路中电容的大小，每增加一个负载，系统功率上升，碳化硅MOSFET结温上升，此时缓冲电路中增加一次电容的大小，减少此时的开关损耗；每减少一个负载，系统功率下降，碳化硅结温下降，缓冲电路中减少一次电容的大小，增加此时的开关损耗。
4.根据权利要求1所述的一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法，其特征在于，系统进行结温粗调时，缓冲电路中电容的大小增减通过开关的投切使得电容并联或切除于原来的电容，每个并联支路上由一个开关和一个电容串联构成。
5.根据权利要求4所述的一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法，其特征在于，步骤3中，系统完成碳化硅MOSFET结温粗调后,进入结温精调阶段，具体操作为：
(1)获取无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的当前温度值；
(2)逆变器控制器根据碳化硅MOSFET结温的目标温度与碳化硅MOSFET的当前温度进行两路的PID运算，然后对两路PID运算的结果限定幅值后分别作为碳化硅MOSFET开通和关断电压的变化量；
(3)获取当前开通电压与关断电压的绝对值后，碳化硅MOSFET开通电压的变化量与当前开通电压相减取绝对值得到新的开通电压，碳化硅MOSFET关断电压的变化量与当前关断电压的绝对值相减得到新的关断电压；
(4)测量此时的碳化硅MOSFET的结温，若未达到目标温度，重复步骤(1)至(3)，直到达到目标温度。
6.根据权利要求5所述的一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法，其特征在于，碳化硅MOSFET进行精调时是通过开通或关断的电压的改变来实现结温的变化，结温上升时，增加开通电压与关断电压的绝对值来降低开关损耗，以此降低结温；结温下降时，减小开通电压与关断电压的绝对值来增加开关损耗，以此升高结温。
7.根据权利要求6所述的一种用于高性能无线电能传输系统中碳化硅MOSFET的精确结温闭环控制方法，其特征在于，碳化硅MOSFET的结温通过温度传感器获得。
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