CN111487911A - 一种电力电子系统功能安全控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力电子系统功能安全控制装置和方法。该装置包括电力电子开关管、电力电子开关管驱动电路，其特征在于，还包括过载控制模块、上位机和主控电路，其中，所述过载控制模块分别与所述电力电子开关管、所述电力电子开关管驱动电路、所述上位机和所述主控电路具有通信连接，所述过载控制模块基于来自于所述上位机的操控命令以及采集的所述电力电子开关管的温度数据确定安全电流或安全功率，以调节所述主控电路产生相应脉宽调制波来驱动所述电力电子开关管。本发明可实时计算最优的安全电流或安全功率，从而保证电力电子设备在过载运行的同时，温度不超过安全范围。

Description

一种电力电子系统功能安全控制装置和方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地，涉及一种电力电子系统功能安全控制装置和方法。

背景技术

现有电机驱动器、电源、整流器、逆变器等电力电子系统的额定电流或功率均为电力电子器件(开关管)可长时间运行于温度限值以下时，电力电子系统所对应的电流或功率。然而，在实际使用时，由于使用环境温度、设备启停频率、负载满载运行时间方面的不同，电力电子设备的额定运行电流和功率会存在较大的余量。这些余量导致电气电子设备开关管的额定电流或功率偏大，同时也导致电力电子设备的体积和重量偏大，从而使得整体产品产生了很多不必要的开销和成本。

目前尚无能够精确控制电力电子设备过载运行的装置或设备，设计电力电子设备时，往往采用过于保守的电力电子开关管选型和控制方案，例如，按照负载的额定电流或功率并留有一定余量，当电力电子开关管温度过高时，采取停机的手段使设备冷却。因此现有方案使得最终产品增加了很多额外的开支和成本，并且影响了产品性能。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种电力电子系统功能安全控制装置和方法，在保证电力电子开关管温度不大于最高运行温度的情况下，最大限度的提升系统的过载性能。

根据本发明的第一方面，提供一种电力电子系统功能安全控制装置。该装置包括电力电子开关管、电力电子开关管驱动电路、过载控制模块、上位机和主控电路，其中，所述过载控制模块分别与所述电力电子开关管、所述电力电子开关管驱动电路、所述上位机和所述主控电路具有通信连接，所述过载控制模块基于来自于所述上位机的操控命令以及采集的所述电力电子开关管的温度数据确定安全电流I_max或安全功率P_{e_max}，以调节所述主控电路产生相应脉宽调制波经由所述电力电子开关管驱动电路驱动所述电力电子开关管。

在一个实施例中，在所述上位机发送的操控命令指示电流小于I_max或功率小于P_{e_max}的情况下，所述过载控制模块将所述上位机的操控命令直接传递给所述主控电路，所述主控电路产生相应频率和占空比的脉宽调制波来驱动所述电力电子开关管。

在一个实施例中，在所述上位机的发送的操控命令指示电流大于I_max或功率大于P_{e_max}的情况下，所述过载控制模块将接收的将所述上位机的操控命令发送给所述主控电路并指示所述上位机降低功率或电流。

在一个实施例中，所述过载控制模块被配置为根据以下方式确定安全电流I_max：

设置预测时间范围和预测时间步长，基于不同预测时间步长内所述电力电子开关管耗散的热量获取预测时间范围内所述电力电子开关管的总散热量

基于总散热量

确定所述电力电子开关管在预测时间范围内吸收的最大能量

根据获得的

和所述电力电子开关管的温度变化信息，确定

对应的安全电流I_max。

在一个实施例中，所述过载控制模块被配置为基于限值PI控制器来确定所输出的电流或功率，包括：

将所述电力电子开关管的温度限制T_lim与温度测量值T_S的差值输入限值PI控制器；

在T_lim大于等于T_S的情况下，限制PI控制器的输出为0，将PI控制器的输出加上所述上位机指示的电流或功率，作为所述过载控制模块的输出，并输出至所述主控电路用于生成相应的脉宽调制波；

在T_lim小于T_S的情况下，限制PI控制器的输出是负值，限制PI控制器的输出将减小所述上位机指示的电流或功率并减少所述过载控制模块的输出，直到T_lim大于等于T_S为止。

在一个实施例中，将所述过载控制模块设置为独立模块，或以子模块形式集成在所述上位机或所述主控电路中。

根据本发明的第二方面，提供一种电力电子系统功能安全控制方法，该方法包括：实时采集电力电子开关管的温度数据；根据所采集的电力电子开关管的温度数据确定安全电流或安全功率，以调节主控电路产生相应脉宽调制波来驱动所述电力电子开关管。

与现有技术相比，本发明的优点在于，通过监控电力电子开关管温度和电流并通过对电力电子器件进行过载控制，实现对电力电子系统电流或功率的调控，在保证电力电子开关管温度不大于最高运行温度的情况下，最大限度的提升系统的过载性能。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一个实施例的电力电子系统功能安全控制装置的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的过载控制模块对上位机所传达的电流或功率命令的处理流程图；

图3是根据本发明一个实施例的基于模型预测控制计算安全电流或安全功率的原理图；

图4是根据本发明一个实施例的基于PI控制器求解安全电流或安全功率的原理图；

图5是根据本发明一个实施例的过载控制模块的原理图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供一种电力电子系统功能安全控制装置，参见图1所示，该装置包括电力电子开关管120(或简称开关管)、电力电子开关管驱动电路140、上位机130和过载控制模块110(或称电力电子系统过载运行控制装置)。上位机130用于控制电力电子系统，例如，上位机130是直接发送操控命令的计算机，屏幕上可显示多种信号变化。过载控制模块110可以多种形式存在，例如设置为独立模块、或以子模块形式集成在主控电路或集成在上位机中等，例如，过载控制模块110可串接于电力电子驱动电路和主控电路的控制器之间，或集成于控制器之内。过载控制模块110通过监控电力电子开关管120的温度和电流，并通过过载控制算法实现对电力电子系统电流或功率的调控，在保证开关管温度不大于最高运行温度的情况下，最大限度的提升电力电子系统的过载性能。

具体地，结合图1和图2所示，上位机首先将电流或功率等命令发送给本发明的过载控制模块，同时过载控制模块也会实时采集被控电力电子开关管的电流、温度等数据。根据所采集的电力电子开关管的电流、温度等信息，过载控制模块可计算出最优的安全电流(I_max)或安全功率(P_{e_max})，本发明所述的最优安全电流或安全功率是指在保证开关管温度不大于最高运行温度的情况下，电力电子系统所能承载的最大电流或最大功率。

在一种情况下，当上位机的电流或功率等命令小于I_max或P_{e_max}时，过载控制模块将上位机的电流、功率等命令直接传递给电力电子设备主控电路，该主控电路会依照电流或功率命令产生一定频率和一定占空比(或调制比)的PWM波(脉宽调制波)。所生成的PWM波将会被发送给电力电子开关管驱动电路，从而驱动电力电子开关导通或闭合，实现对电能的调控。

在另一种情况下，当上位机发送的电流命令大于I_max或功率命令大于P_{e_max}时，过载控制模块会将I_max或P_{e_max}发送给主控电路，并通知上位机，令上位机根据实际情况降低功率、电流命令和动作频率，对系统进行冷却。

需要说明的是，由于电力电子系统的额定功率和电流是系统长时间工作时，电力电子开关管温度不超过安全值的最大电流或功率，因此本发明提供的过载控制模块所计算出的I_max或P_{e_max}会始终大于或等于系统的额定电流和功率。因此本发明能够保证电力电子系统在安全的情况下(温度不超过最高温度)充分利用电力电子过载运行所提供的额外功率的能力，从而提升系统的功率密度。

本发明提供的过载控制模块可采用多种方式计算I_max和P_{e_max}，例如包括但不限于基于模型预测控制方式或通过PI控制器调节方式。

1)关于基于模型预测控制方式

将电力电子开关管视为集总参数节点，根据比热容的定义，电力电子开关管的温升可表示为：

其中，Q_in为电力电子开关管发出的热量，即由于开通损耗、关断损耗、导通损耗等产生的热量；W_in为每个时间步长Δt内该开关管产生热量的功率；Q_out为通过传导，辐射和对流从该开关管传导到散热器或环境的散热量；C为等效比热容，m为该开关管的等效质量，散热功率W_out可近似表示为：

其中，T_S为该开关管温度，T_amb为周围环境温度，R_T为等效热阻，等效热阻可以通过基于公式(1)和公式(2)的稳态实验获得，并存储于输入为该开关管开关频率和电流幅值，输出为等效热阻的数据表中。由此，R_T即可表示W_out和开关管温度之间的非线性关系。

假设模型预测控制的预测范围中的时间步数为N，并且每个预测时间步长的该开关管温升是相同的。根据公式(2)，在不同时间步长内耗散的热量可以预测为：

…

其中，上式(3)至(6)中的上标表示时间步骤的序列号，ΔT_S是每个预测步长内该开关管的温升，则预测范围内的总散热量可以表示为：

模型预测控制的控制目标是在电力电子系统过载运行时，自适应地将开关管温度限制在预设温度值T_lim以下。在极端条件下，开关管温度在稳态下应该等于T_lim。因此，该开关管在预测时间范围内吸收的最大能量

可以表示为：

其中，T_S为该开关管温度，开关管的等效热量m可以通过实验获得或根据该开关管封装尺寸计算。由此，每个预测步骤中相应的开关管的最大温升是：

通过测量T_S，即可根据公式(8)和公式(10)代入公式(9)，得出

根据所得到的开关管在预测时间范围内吸收的最大能量

可基于开关管损耗与开关频率、电流等因素的关系，反推出

所对应的最大电流值和相应的开关频率。由于

与开关频率和电流值均有关系，而开关频率又由负载特性决定。因此首先应该根据负载特性确定满足工作性能的最小开关频率，再在此基础上，确定最大的电流幅值。

图3是基于模型预测控制计算I_max或P_{e_max}的原理框图。图3中的T_lim和N分别为开关管的温度限值和预测范围中的时间步数。T_S和T_amb分别为开关管温度测量值及环境温度值。I_max是在稳态下保证开关管温度不超过T_lim的最大电流。由于开关管的最小PWM开关频率由负载特性决定，因此在确定了最小开关频率后，可基于

获得I_max。假设在每个预测步长中，电流以相同幅度ΔI_a增大或减小，基于

即可求出在一个时间步长内的最大电流幅度变化量

即图3中的

将所有预测步长中的

与当前测量的电流I_a相加，即可得I_max。应理解的是，在获得I_max后，可根据电流和功率的关系，进一步计算出P_{e_max}。

2)关于通过PI控制器调节的方式

图4是基于PI控制器求解I_max或P_{e_max}的原理图，PI控制器用于根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。具体地，将T_lim与开关管温度T_S的差值输入限值PI控制器。若T_lim大于等于T_S，则限制PI控制器的输出为0，否则为一个负值。将PI控制器的输出加上上位机的电流命令I_{a_ref}，即为所发明的过载控制模块的输出，并输出给电力电子设备主控电路用于生成相应的PWM。由图5可知，当T_lim小于T_S时(即开关管的实际温度大于其所允许的最高温度限制)，限制PI控制器的输出将减小上位机的电流命令I_{a_ref}和所提出的过载控制模块的输出，直到T_lim大于等于T_S为止。若T_lim大于等于T_S，则限制PI控制器的输出为0，过载控制的输出等于上位机的命令I_{a_ref}。应理解的是，图4中的I_{a_ref}和I_max也可以是上位机的功率命令P_{e_ref}及P_{e_max}。

为进一步理解本发明，图5示出了过载控制模块的硬件结构框图，包括模拟数字信号转换器(AD)、微控制单元(MCU)、与上位机通信的通信接口、与电力电子开关管驱动电路通信的通信接口，其中电力电子开关管温度、电流信息也可以直接由微控制单元通过通信接口发送给本发明的过载控制模块，微控制单元主要用于实现本发明的过载控制算法。

需说明的是，本发明涉及的公式中的参数单位是通常使用的标准单位，例如功率单位是瓦特(W)，电流单位安培(A)等，再此不再赘述。并且涉及的电子电路器件如PI控制器、开关管、电力电子开关管驱动电路等可以是通用器件或专用器件，本发明对此不进行限制。

经仿真验证，本发明提供的过载控制模块通过与上位机、电力电子开关管、电力电子开关管驱动电路、电力电子设备主控电路等协同工作，可实时计算最优的安全电流(I_max)、安全功率(P_{e_max})以及相对应的电力电子开关管安全PWM开关频率等，并将其用于限制上位机所输出的电流、功率命令或其他与负载有关的命令，用于协助上位机对电力电子系统运行状况进行规划，从而保证电力电子设备在过载运行的同时，温度不超过安全范围。本发明的过载控制模块所实时计算出来的开关管安全电流(I_max)、安全功率(P_{e_max})以及相对应的PWM开关频率信息可以实时发送给上位机，用于协助上位机对电力电子系统运行状况进行规划，并将经上位机限制后的PWM命令传递给电电力电子开关管驱动电路，用于驱动开关管导通或关断，使得开关管温度始终不超过最高温度。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。

这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种电力电子系统功能安全控制装置，包括电力电子开关管、电力电子开关管驱动电路，其特征在于，还包括过载控制模块、上位机和主控电路，其中，所述过载控制模块分别与所述电力电子开关管、所述电力电子开关管驱动电路、所述上位机和所述主控电路具有通信连接，所述过载控制模块基于来自于所述上位机的操控命令以及采集的所述电力电子开关管的温度数据确定安全电流I_max或安全功率P_{e_max}，以调节所述主控电路产生相应脉宽调制波经由所述电力电子开关管驱动电路驱动所述电力电子开关管。

2.根据权利要求1所述的电力电子系统功能安全控制装置，其特征在于，在所述上位机发送的操控命令指示电流小于I_max或功率小于P_{e_max}的情况下，所述过载控制模块将所述上位机的操控命令直接传递给所述主控电路，所述主控电路产生相应频率和占空比的脉宽调制波来驱动所述电力电子开关管。

3.根据权利要求1所述的电力电子系统功能安全控制装置，其特征在于，在所述上位机发送的操控命令指示电流大于I_max或功率大于P_{e_max}的情况下，所述过载控制模块将接收的将所述上位机的操控命令发送给所述主控电路并指示所述上位机降低功率或电流。

4.根据权利要求1所述的电力电子系统功能安全控制装置，其特征在于，所述过载控制模块被配置为根据以下方式确定安全电流I_max：

设置预测时间范围和预测时间步长，基于不同预测时间步长内所述电力电子开关管耗散的热量获取预测时间范围内所述电力电子开关管的总散热量

基于总散热量

确定所述电力电子开关管在预测时间范围内吸收的最大能量

根据获得的

和所述电力电子开关管的温度变化信息，确定

对应的安全电流I_max。

5.根据权利要求4所述的电力电子系统功能安全控制装置，其特征在于，所述电力电子开关管的总散热量

表示为：

所述电力电子开关管在预测时间范围内吸收的最大能量

表示为：

结合所述电力电子开关管的总散热量

所述电力电子开关管的最大温升以及所述电力电子开关管在预测时间范围内吸收的最大能量

确定对应的安全电流I_max；

其中，所述电力电子开关管的最大温升表示为

T_S是电力电子开关管的测量温度，m是电力电子开关管的等效质量，T_amb是周围环境温度，R_T是等效热阻，N是预测时间范围中的时间步数，ΔT_S是每个预测时间步长内电力电子开关管的温升，C是等效比热容。

6.根据权利要求1所述的电力电子系统功能安全控制装置，其特征在于，所述过载控制模块被配置为基于限值PI控制器来确定所输出的电流或功率，包括：

将所述电力电子开关管的温度限制T_lim与温度测量值T_S的差值输入限值PI控制器；

在T_lim大于等于T_S的情况下，限制PI控制器的输出为0，将PI控制器的输出加上所述上位机指示的电流或功率，作为所述过载控制模块的输出，并输出至所述主控电路用于生成相应的脉宽调制波；

在T_lim小于T_S的情况下，限制PI控制器的输出是负值，限制PI控制器的输出将减小所述上位机指示的电流或功率并减少所述过载控制模块的输出，直到T_lim大于等于T_S为止。

7.根据权利要求1所述的电力电子系统功能安全控制装置，其特征在于，所述过载控制模块包括模拟数字信号转换器、微控制单元，所述模拟数字信号转换器用于将接收的电力电子开关管的温度信息或电流信息转换为数字信号，所述微控制单元配置为根据所述模拟数字信号转换器的输出确定安全电流I_max或安全功率P_{e_max}，并且所述微控制单元设有与所述上位机通信的通信接口、以及与所述电力电子开关管驱动电路通信的通信接口。

8.根据权利要求1所述的电力电子系统功能安全控制装置，其特征在于，将所述过载控制模块设置为独立模块，或以子模块形式集成在所述上位机或所述主控电路中。

9.一种电力电子系统功能安全控制方法，包括：

实时采集电力电子开关管的温度数据；

根据所采集的电力电子开关管的温度数据确定安全电流I_max或安全功率P_{e_max}，以调节主控电路产生相应脉宽调制波来驱动所述电力电子开关管。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现权利要求8所述的电力电子系统功能安全控制方法的步骤。

Images