CN111953197B - 多路交错pfc控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多路交错PFC控制系统及方法，该系统包括微控制器、整流电路、负载电路以及PFC电路，PFC电路包括至少两条PFC支路，并联连接于整流电路和负载电路之间；每一PFC支路包括储能电感、支路二极管和IGBT开关管；微控制器用于在一PFC支路的IGBT开关管处于负载波动状态时，开启任一PFC支路的IGBT开关管。所述方法应用在上述的控制系统中，先保证第一额定PFC支路处于额定状态工作，最大限度的先保证第一额定PFC支路的IGBT开关管处于发热和散热平衡，保证PFC功能，当出现负载波动后启动第一负载PFC支路，以降低对IGBT开关管的损耗，延长IGBT开关管的使用寿命。

Description

多路交错PFC控制系统和方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种多路交错PFC控制系统和方法。

背景技术

绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)作为风力发电、光伏太阳能发电、核能发电、家用电器等产业的主要电力转换器件，在很多场合都有广发应用。为了解决设备系统对电网谐波干扰，及各国政府强制标准要求；同时为了升高电路系统电压，降低系统电流和电力损耗，在很多电路中使用功率因素矫正(Power FactorCorrection，简称PFC)。

PFC电路主要由储能电感、IGBT、二极管构成。为了降低IGBT载流量，通常很多设计工程师会采用多路交错式PFC分路电流。然而，由于耗能负载转速、电流、扭矩的波动性和随机性，使得PFC电路的IGBT承受着间歇性功能，从而导致IGBT发热温度变化并持续高温。因材料往复热胀冷缩、膨胀收缩导致材料属性退化变形，最终使得IGBT功能失效甚至永久性损坏，影响PFC电路寿命和安全性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种多路交错PFC控制系统及方法，解决现有的PFC电路的IGBT容易功能失效甚至永久性损坏的问题。

本发明提供一种多路交错PFC控制系统，包括微控制器、整流电路、负载电路以及PFC电路，所述PFC电路包括至少两条PFC支路，至少两条所述PFC支路并联连接于所述整流电路和所述负载电路之间；

每一所述PFC支路包括储能电感、支路二极管和IGBT开关管，所述储能电感的第一端与所述整流电路连接，所述储能电感的第二端与所述支路二极管的正极连接，所述支路二极管的负极与所述负载电路连接，所述IGBT开关管的门极与所述微控制器连接，所述IGBT开关管的集电极与所述储能电感和所述支路二极管的连接点连接，所述IGBT开关管的发射极接地；

所述微控制器用于在一所述PFC支路的IGBT开关管处于负载波动状态时，开启任一所述PFC支路的IGBT开关管。

根据本发明提出的多路交错PFC控制系统，具有以下有益效果：本发明在整流电路和负载电路之间设置至少两条的PFC支路，微控制器在一PFC支路的IGBT开关管处于负载波动状态，开启另一PFC支路的IGBT开关管进行分流，以避免某个IGBT开关管发生过分损耗的问题，有效的控制IGBT的电流大小和发热情况，增加PFC电路中的IGBT使用寿命。

另外，根据本发明提供的多路交错PFC控制系统，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述负载电路包括储能电容和负载电阻，所述储能电容的第一端分别与所述支路二极管的负极和所述负载电阻的第一端连接，所述储能电容的第二端接地，所述负载电阻的第二端接地。

进一步地，所述整流电路包括交流电源单元及与所述交流电源连接的整流桥单元，所述整流桥单元包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管和第四整流二极管，所述第一整流二极管的正极与所述第二整流二极管的负极连接，所述第二整流二极管的正极分别和所述第三整流二极管的正极连接及接地，所述第三整流二极管的负极与所述第四整流二极管的正极连接，所述第四整流二极管的负极分别与所述储能电感的第一端和所述第一整流二极管的负极连接。

进一步地，所述交流电源单元的第一端与所述第一整流二极管和所述第二整流二极管的连接点连接，第二端与所述第三整流二极管和第四整流二极管的连接点连接。

本发明还提供一种多路交错PFC控制方法，所述方法应用于上述的多路交错PFC控制系统；

所述方法包括以下步骤：

在至少两条所述PFC支路中任选一条作为第一额定PFC支路，开启所述第一额定PFC支路的IGBT开关管，并保持额定状态工作；

所述微控制器获取所述第一额定PFC支路的IGBT开关管的工作状态信息，所述工作状态信息包括所述第一额定PFC支路的IGBT开关管的工作时长、工作电流和工作温度；

根据所述工作状态信息确定所述第一额定PFC支路的IGBT开关管处于负载波动状态，开启第一负载PFC支路，所述第一负载PFC支路为至少两条所述PFC支路中的任一条。

根据本发明提出的多路交错PFC控制方法，具有以下有益效果：本发明的多条PFC支路采用电流非均匀分配的方案，先保证第一额定PFC支路处于额定状态工作，最大限度的先保证第一额定PFC支路的IGBT开关管处于发热和散热平衡，保证PFC功能，当出现负载波动后启动第一负载PFC支路，通过调整第一负载PFC支路的电流，以降低对第一额定PFC支路的IGBT开关管的损耗，延长IGBT开关管的使用寿命，从而提高电力系统整体安全性和寿命。

进一步地，所述开启第一负载PFC支路的步骤之后，还包括：

所述微控制器获取所述第一额定PFC支路的IGBT开关管的第一损耗信息和所述第一负载PFC支路的IGBT开关管的第二损耗信息，所述第一损耗信息和所述第二损耗信息分别包括对应的IGBT开关管的结温、温升△T和循环的温升△T次数；

根据所述第一损耗信息获得所述第一额定PFC支路的IGBT开关管的第一损耗系数；

根据所述第二损耗信息获得所述第一负载PFC支路的IGBT开关管的第二损耗系数；

对所述第一损耗系数和所述第二损耗系数进行排序，判断最高损耗系数是否大于预设阈值；

若判断最高损耗系数不大于预设阈值，则保持当前工作状态。

进一步地，所述判断最高损耗系数是否大于预设阈值的步骤具体还包括：

若判断最高损耗系数大于预设阈值，则选取最低损耗系数对应的PFC支路作为第二额定PFC支路，开启所述第二额定PFC支路的IGBT开关管，并保持额定状态工作；

开启第二负载PFC支路，所述第二负载PFC支路为至少两条所述PFC支路中的任一条。

进一步地，所述判断最高损耗系数是否大于预设阈值的步骤具体还包括：

若判断最高损耗系数大于预设阈值，则将最高损耗系数对应的PFC支路的IGBT开关管关闭。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明第一实施例的多路交错PFC控制系统的电路图；

图2是本发明第一实施例的多路交错PFC控制系统的PFC电路的电路图；

图3是本发明第二实施例的多路交错PFC控制方法的流程图；

附图标号：10、微控制器；20、整流电路；30、负载电路；40、PFC电路；41、第一额定PFC支路；42、第一负载PFC支路；43、第二负载PFC支路。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

请参照图1和图2，本发明的第一实施例提供一种多路交错PFC控制系统，包括微控制器10、整流电路20、负载电路30以及PFC电路40，所述PFC电路40包括三条PFC支路，在本发明的其他实施例中，PFC支路可以设置为两条、四条、五条至n条，三条所述PFC支路并联连接于所述整流电路20和所述负载电路30之间。

每一所述PFC支路包括储能电感L1、支路二极管D1和IGBT开关管Q1，所述储能电感L1的第一端与所述整流电路20连接，所述储能电感L1的第二端与所述支路二极管D1的正极连接，所述支路二极管D1的负极与所述负载电路30连接，所述IGBT开关管Q1的门极与所述微控制器10连接，所述IGBT开关管Q1的集电极与所述储能电感L1和所述支路二极管D1的连接点连接，所述IGBT开关管Q1的发射极接地；

所述微控制器10用于在一所述PFC支路的IGBT开关管Q1处于负载波动状态时，开启任一所述PFC支路的IGBT开关管Q1。

本发明在整流电路20和负载电路30之间设置至少两条的PFC支路，微控制器10在一PFC支路的IGBT开关管Q1处于负载波动状态时，开启另一PFC支路的IGBT开关管Q1进行分流，以避免某个IGBT开关管Q1发生过分损耗的问题，有效的控制IGBT的电流大小和发热情况，增加PFC电路40中的IGBT使用寿命。

具体的，所述负载电路30包括储能电容C和负载电阻R，所述储能电容C的第一端分别与所述支路二极管D1的负极和所述负载电阻R的第一端连接，所述储能电容C的第二端接地，所述负载电阻R的第二端接地。

具体的，所述整流电路20包括交流电源单元AC及与所述交流电源连接的整流桥单元，所述整流桥单元包括第一整流二极管D2、第二整流二极管D3、第三整流二极管D4和第四整流二极管D5，所述第一整流二极管D2的正极与所述第二整流二极管D3的负极连接，所述第二整流二极管D3的正极分别和所述第三整流二极管D4的正极连接及接地，所述第三整流二极管D4的负极与所述第四整流二极管D5的正极连接，所述第四整流二极管D5的负极分别与所述储能电感L1的第一端和所述第一整流二极管D2的负极连接。所述整流桥单元用于对外部施加的交流电源进行整流。

具体的，所述交流电源单元AC的第一端与所述第一整流二极管D2和所述第二整流二极管D3的连接点连接，第二端与所述第三整流二极管D4和第四整流二极管D5的连接点连接。

请参照图3，本发明的第二实施例还提供一种多路交错PFC控制方法，所述方法应用于上述的多路交错PFC控制系统中，在本发明的实施例中，PFC电路包括三条PFC支路；

所述方法包括以下步骤：

步骤S101、在三条所述PFC支路中任选一条作为第一额定PFC支路41，开启所述第一额定PFC支路41的IGBT开关管Q1，并保持额定状态工作；

步骤S101为第一次运行，先保证第一额定PFC支路41处于额定状态工作，最大限度的先保证第一额定PFC支路41的IGBT开关管Q1处于发热和散热平衡，保证PFC功能。

步骤S102、所述微控制器10获取所述第一额定PFC支路41的IGBT开关管Q1的工作状态信息，所述工作状态信息包括所述第一额定PFC支路41的IGBT开关管Q1的工作时长、工作电流和工作温度；

步骤S103、根据所述工作状态信息确定所述第一额定PFC支路41的IGBT开关管Q1处于负载波动状态，开启第一负载PFC支路42，所述第一负载PFC支路42为剩余两条所述PFC支路中的任一条。

第一额定PFC支路41的IGBT开关管Q1工作一段时间后，工作时长超过规定的最大时长，工作电流过大，工作温度过高，说明此时IGBT开关管Q1处于负载波动状态，损耗较大，此时开启第一负载PFC支路42，通过调整第一负载PFC支路42的电流，以降低对第一额定PFC支路41的IGBT开关管Q1的损耗，延长IGBT开关管Q1的使用寿命，从而提高电力系统整体安全性和寿命。

具体的，在本发明的第二实施例中，所述开启第一负载PFC支路42的步骤之后，还包括：

步骤S104、所述微控制器10获取所述第一额定PFC支路41的IGBT开关管Q1的第一损耗信息和所述第一负载PFC支路42的IGBT开关管Q1的第二损耗信息，所述第一损耗信息和所述第二损耗信息分别包括对应的IGBT开关管Q1的结温、温升△T和循环的温升△T次数；

步骤S105、根据所述第一损耗信息获得所述第一额定PFC支路41的IGBT开关管Q1的第一损耗系数A1；

根据所述第二损耗信息获得所述第一负载PFC支路42的IGBT开关管Q1的第二损耗系数A2；

步骤S106、对所述第一损耗系数A1和所述第二损耗系数A2进行排序，判断最高损耗系数是否大于预设阈值；

步骤S1061、若判断最高损耗系数不大于预设阈值，则保持当前工作状态。

具体的，所述判断最高损耗系数是否大于预设阈值的步骤具体还包括：

步骤S1062、若判断最高损耗系数大于预设阈值，则选取最低损耗系数对应的PFC支路作为第二额定PFC支路，开启所述第二额定PFC支路的IGBT开关管Q1，并保持额定状态工作；

步骤S107、开启第二负载PFC支路43，所述第二负载PFC支路43为剩余的一条所述PFC支路。

步骤S1062为第二次运行，依据第一次运行的情况，选取损耗系数最低的IGBT开关管Q1处于额定状态工作，损耗系数较大的IGBT开关管Q1关闭或工作分流，让多路中的IGBT开关管Q1间歇性的工作，可以最大化降低IBGT器件电损耗，延长其使用寿命。

具体的，所述判断最高损耗系数是否大于预设阈值的步骤具体还包括：

步骤S1063、若判断最高损耗系数大于预设阈值，则将最高损耗系数对应的PFC支路关闭。让损耗系数最高的IGBT开关管Q1关闭，以降低IBGT器件电损耗，延长其使用寿命。

根据负载电路30中电机的电流、负载扭矩情况，可以推出PFC电路40的工作电压和工作电流，一般来说PFC工作电压是定值常数，工作电流随负载波动较大。随着电力负载波动，IGBT开关管Q1发热后器件温度频繁升降，温升△T次数为IGBT开关管Q1工作温度超过环境温度的次数，根据环境温度，IGBT开关管Q1工作电压、工作电流、工作时间，从而计算出IGBT开关管Q1结温情况，再根据IGBT开关管Q1的结温、温升△T和循环的温升△T次数计算出IGBT开关管Q1损耗系数A。所述第一损耗系数A1和所述第二损耗系数A2进行大小排序，值最大的作为最高损耗系数，当最高损耗系数不大于预设阈值，则保持开启的第一额定PFC支路41和第一负载PFC支路42的工作状态。

具体的，损耗系数的计算公式为：W＝k*(T结温*△T变化率*n循环)/TAV间隔时间；

上式中，W：损耗总量，k：损耗系数，T结温：最高结温温度，△T变化率：单位时间内温升变化率，n循环：器件被循环使用总次数，TAV间隔时间：两次使用该器件的间隔时间平均值。

例如，第一额定PFC支路在第一次运行和第二次运行中都有开启工作，损耗总量为第一次运行和第二次运行之和，循环次数n＝2，TAV间隔时间为两次运行的间隔时间。

在本发明的其他实施例中，所述PFC支路的条数可以为4条，5条，6条或n条，以此类推，在第t次运行时，依据第(t-1)次情况，微控制器10会对已开启的PFC支路的IGBT开关管Q1进行损耗系数排序，然后根据损耗系数排序结果，若最高损耗系数大于预设阈值，选取最低的损耗系数的PFC支路的IGBT开关管Q1保持额定的状态工作，使损耗系数较高的PFC支路的IGBT开关管Q1关闭或者工作分流。

综上所述，本发明提供一种多路交错PFC控制系统、方法、可读存储介质及设备，有益效果在于：所述控制系统在整流电路20和负载电路30之间设置至少两条的PFC支路，微控制器10在一PFC支路的IGBT开关管Q1处于负载波动状态，开启另一PFC支路的IGBT开关管Q1进行分流，以避免某个IGBT开关管Q1发生过分损耗的问题，有效的控制IGBT的电流大小和发热情况，增加PFC电路40中的IGBT使用寿命。

所述方法的多条PFC支路采用电流非均匀分配的方案，先保证第一额定PFC支路41处于额定状态工作，最大限度的先保证第一额定PFC支路41的IGBT开关管Q1处于发热和散热平衡，保证PFC功能，当出现负载波动后启动第一负载PFC支路42，通过调整第一负载PFC支路42的电流，以降低对第一额定PFC支路41的IGBT开关管Q1的损耗，延长IGBT开关管Q1的使用寿命，从而提高电力系统整体安全性和寿命。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种多路交错PFC控制系统，其特征在于，包括微控制器、整流电路、负载电路以及PFC电路，所述PFC电路包括至少两条PFC支路，至少两条所述PFC支路并联连接于所述整流电路和所述负载电路之间；

每一所述PFC支路包括储能电感、支路二极管和IGBT开关管，所述储能电感的第一端与所述整流电路连接，所述储能电感的第二端与所述支路二极管的正极连接，所述支路二极管的负极与所述负载电路连接，所述IGBT开关管的门极与所述微控制器连接，所述IGBT开关管的集电极与所述储能电感和所述支路二极管的连接点连接，所述IGBT开关管的发射极接地；

所述微控制器用于在一所述PFC支路的IGBT开关管处于负载波动状态时，开启任一所述PFC支路的IGBT开关管。

2.根据权利要求1所述的多路交错PFC控制系统，其特征在于，所述负载电路包括储能电容和负载电阻，所述储能电容的第一端分别与所述支路二极管的负极和所述负载电阻的第一端连接，所述储能电容的第二端接地，所述负载电阻的第二端接地。

3.根据权利要求1所述的多路交错PFC控制系统，其特征在于，所述整流电路包括交流电源单元及与所述交流电源连接的整流桥单元，所述整流桥单元包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管和第四整流二极管，所述第一整流二极管的正极与所述第二整流二极管的负极连接，所述第二整流二极管的正极分别和所述第三整流二极管的正极连接及接地，所述第三整流二极管的负极与所述第四整流二极管的正极连接，所述第四整流二极管的负极分别与所述储能电感的第一端和所述第一整流二极管的负极连接。

4.根据权利要求3所述的多路交错PFC控制系统，其特征在于，所述交流电源单元的第一端与所述第一整流二极管和所述第二整流二极管的连接点连接，第二端与所述第三整流二极管和第四整流二极管的连接点连接。

5.一种多路交错PFC控制方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1～4任一项所述的多路交错PFC控制系统；

所述方法包括以下步骤：

在至少两条所述PFC支路中任选一条作为第一额定PFC支路，开启所述第一额定PFC支路的IGBT开关管，并保持额定状态工作；

所述微控制器获取所述第一额定PFC支路的IGBT开关管的工作状态信息，所述工作状态信息包括所述第一额定PFC支路的IGBT开关管的工作时长、工作电流和工作温度；

根据所述工作状态信息确定所述第一额定PFC支路的IGBT开关管处于负载波动状态，开启第一负载PFC支路，所述第一负载PFC支路为至少两条所述PFC支路中的任一条。

6.根据权利要求5所述的多路交错PFC控制方法，其特征在于，所述开启第一负载PFC支路的步骤之后，还包括：

所述微控制器获取所述第一额定PFC支路的IGBT开关管的第一损耗信息和所述第一负载PFC支路的IGBT开关管的第二损耗信息，所述第一损耗信息和所述第二损耗信息分别包括对应的IGBT开关管的结温、温升△T和循环的温升△T次数；

根据所述第一损耗信息获得所述第一额定PFC支路的IGBT开关管的第一损耗系数；

根据所述第二损耗信息获得所述第一负载PFC支路的IGBT开关管的第二损耗系数；

对所述第一损耗系数和所述第二损耗系数进行排序，判断最高损耗系数是否大于预设阈值；

若判断最高损耗系数不大于预设阈值，则保持当前工作状态。

7.根据权利要求6所述的多路交错PFC控制方法，其特征在于，所述判断最高损耗系数是否大于预设阈值的步骤具体还包括：

若判断最高损耗系数大于预设阈值，则选取最低损耗系数对应的PFC支路作为第二额定PFC支路，开启所述第二额定PFC支路的IGBT开关管，并保持额定状态工作；

开启第二负载PFC支路，所述第二负载PFC支路为至少两条所述PFC支路中的任一条。

8.根据权利要求7所述的多路交错PFC控制方法，其特征在于，所述判断最高损耗系数是否大于预设阈值的步骤具体还包括：

若判断最高损耗系数大于预设阈值，则将最高损耗系数对应的PFC支路的IGBT开关管关闭。