CN112910282A - 基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法，用以解决现有驱动整流器控制技术提高复杂度，降低驱动整流器性能问题。本发明步骤为：搭建高压永磁电机的驱动系统；利用温度传感器实时检测驱动整流器中全控型开关管的壳温信息，并将壳温信息传送至损耗控制器；当全控型开关管的平均壳温高于设定的阈值或主动开启控制时，将驱动整流器的运行方式切换为无桥运行模态；根据全控型开关管的温度，PWM信号发生器配置不同的驱动信号，实现无桥运行模态的动态时空分布。本发明无需增加额外的冗余器件，降低了硬件设计成本；对整流器的运行模态进行时空重组，具有更好的适应性；无桥运行模态切换平滑，整流器的输出性能不受影响。

Description

基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法

技术领域

本发明涉及整流器损耗优化的技术领域，尤其涉及一种基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法，高压永磁电机驱动系统中用于整流作用的电力电子变换器装置的损耗优化方法，通过自适应形式动态调节运行模式的控制策略。

背景技术

高压永磁电机在装备制造业的大型机械装备中应用广泛，可明显减少由低速大扭矩和大转动惯量等问题造成的能量损耗和维护成本。同时，由于高压永磁电机运行时电流冲击较大，对电机驱动系统的可靠性会造成不利影响，尤其是驱动系统的整流器。对于驱动整流器来说，较大的电流冲击以及热损耗累积都会加剧功率器件的老化速度，相关的文献研究也指出，电力电子系统中功率器件的故障率约为32％，而随着功率等级的提升，其故障率甚至能增长到82.5％。驱动整流器作为高压永磁电机驱动的电能转换装置，一旦发生故障，轻则造成设备停机、停产，重则会造成灾难性事故，给人民生命财产和社会带来巨大损失。如何提高驱动整流器功率器件的可靠性，即在驱动整流器正常运行时主动降低功率器件的损耗，是当前高压永磁电机驱动系统可靠性的重要研究内容。

目前，高压永磁电机驱动整流器大多采用全控桥变换器结构，对于该类变换器的损耗优化方法主要从以下两个方面入手：一种方式是通过调节全控桥的传输功率，多用于模块化或级联结构等具有重复冗余结构的整流器；另一种则是通过调节功率开关器件自身的运行参数实现，主要包括开关频率、调制方式以及驱动技术等。例如，Youngjong Ko等在标题为Power Routing for Cascaded-Bridge Converters的文章中通过注入三次谐波的方法来动态调整各全控桥模块温度，均衡各子模块间的老化程度；中国专利授权公告号为CN104731124B中提出了在变换器温度高于设定阈值时，通过将输出电流减半的方式来降低变换器的温度。但通过分析可以发现，这些已有方案还存在以下问题或缺陷：

1.采用额外冗余结构的方式提高了硬件成本；

2.通过改变运行参数来控制损耗的方式降低了驱动整流器的性能。

发明内容

针对现有高压永磁电机驱动整流器控制技术提高了复杂度，降低了驱动整流器性能的技术问题，本发明提出一种基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法，基于温度的无桥运行模态时空分布动态控制，可以降低驱动整流器的运行损耗，并且不会额外增加输出直流电压的纹波含量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法，其步骤如下：

步骤1：搭建高压永磁电机的驱动系统，驱动系统的控制器包括PWM信号发生器和损耗控制器，损耗控制器与驱动整流器相连接，损耗控制器与PWM信号发生器相连接，PWM信号发生器与驱动整流器相连接，驱动整流器与三相逆变器的直流母线相连接，三相逆变器的输出端与高压永磁电机相连接；

步骤2：利用温度传感器实时检测驱动整流器中全控型开关管的壳温信息，并将壳温信息实时传送至损耗控制器；

步骤3：当全控型开关管的平均壳温高于设定的阈值或主动开启控制时，将驱动整流器的运行方式切换为无桥运行模态；根据全控型开关管的温度，PWM信号发生器配置不同的驱动信号，实现无桥运行模态的动态时空分布，从而降低驱动整流器的损耗，提高驱动系统的效率。

所述驱动整流器的无桥运行模态是四种运行方式的任意组合，四种运行方式根据PWM信号发生器产生的驱动信号配置；所述驱动整流器为全控桥拓扑结构，全控桥拓扑结构的全控型开关管由独立的驱动信号进行控制，上桥臂和下桥臂的全控型开关管的驱动信号为互补导通状态。

所述全控桥拓扑结构包括第一全控型开关管S₁、第二全控型开关管S₂、第三全控型开关管S₃和第四全控型开关管S₄，第一全控型开关管S₁的发射极和第二开关管S₂的集电极相连且通过电感L与端口电压的一端相连接，第三全控型开关管S₃的发射极和第四全控型开关管S₄的集电极与端口电压的另一端相连接；所述第一全控型开关管S₁的集电极和第三全控型开关管S₃的集电极相连接，第二全控型开关管S₂和第四全控型开关管S₄的发射极相连接，第三全控型开关管S₃的集电极和第四全控型开关管S₄的发射极之间并联有滤波电容C，滤波电容C与三相逆变器相连接；所述全控桥拓扑结构的全控型开关管组成四种桥臂：

第一全控型开关管S₁和第二全控型开关管S₂组成全控桥拓扑结构的左桥臂；

第三全控型开关管S₃和第四全控型开关管S₄组成全控桥拓扑结构的右桥臂；

第一全控型开关管S₁和第三全控型开关管S₃组成全控桥拓扑结构的上桥臂；

第二全控型开关管S₂和第四全控型开关管S₄组成全控桥拓扑结构的下桥臂。

所述四种运行方式包括方式一、方式二、方式三和方式四，

所述方式一的驱动整流器的第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被置为脉冲信号PWM2，驱动整流器的第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被配置为零，驱动整流器的第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被配置为脉冲信号

驱动整流器的第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被配置为零；其中，

为脉冲信号PWM1的互补脉冲信号；

所述方式二中，第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被配置为零，第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被置为脉冲信号

第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被配置为零，第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被置为脉冲信号PWM2；

所述方式三中，第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被置为零，第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被置为零，第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被配置为脉冲信号

第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被配置为脉冲信号PWM2；

所述方式四中，第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被配置为脉冲信号PWM2，第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被配置为脉冲信号

第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被置为零，第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被置为零。

所述驱动整流器的上桥臂和下桥臂或左桥臂和右桥臂的全控型开关管的温差超过设定的阈值时，驱动整流器的无桥运行模态的运行方式进行对偶结构切换，即方式一和方式二切换，方式三和方式四切换。

所述损耗控制器通过计算给出下一时刻驱动整流器的运行方式的步骤为：

步骤一：判断驱动整流器的第一全控型开关管S₁、第二全控型开关管S₂、第三全控型开关管S₃和第四全控型开关管S₄的平均温度T_avg是否大于温度阈值T_ta，如果是，则进入步骤二，否则第一全控型开关管S₁、第二全控型开关管S₂、第三全控型开关管S₃和第四全控型开关管S₄继续以全控桥方式运行；其中，温度阈值T_ta为平均温度的阈值；

步骤二：判断四个全控型开关管中温度最高的开关管，若S_Tmax＝S₁，判断第二全控型开关管S₂的温度T₂是否大于第三全控型开关管S₃的温度T₃，若为是，则执行步骤六，若为否，则执行步骤四；若S_Tmax＝S₂判断，第一全控型开关管S₁的温度T₁是否大于第三全控型开关管S₄的温度T₄，若为是，则执行步骤六，若为否，则执行步骤三；若S_Tmax＝S₃，判断温度T₁是否大于温度T₄，若为是，则执行步骤四，若为否，则执行步骤五；若S_Tmax＝S₄，判断温度T₂是否大于温度T₃，若为是，则执行步骤三，若为否，则执行步骤五；其中，S_Tmax为温度最高的全控型开关管；

步骤三：执行方式一，判断上桥臂和下桥臂的温度差ΔT_ver是否大于温度阈值T_tb，若为是，则执行方式二，若为否，则继续执行方式一；执行方式二之后，判断温度差ΔT_ver是否小于温度阈值–T_tb，若为是，则执行方式一，若为否，则继续执行方式二；

步骤四：执行方式二，判断左桥臂和右桥臂的温度差ΔT_or是否大于温度阈值T_tb，若为是，则执行方式一，若为否，则继续执行方式二；执行方式一之后，判断温度差ΔT_or是否小于温度阈值–T_tb，若为是，则执行方式二，若为否，则继续执行方式一；其中，温度阈值T_tb是上桥臂、下桥臂以及左桥臂、右桥臂的平均温度差阈值；

步骤五：执行方式三，判断温度差ΔT_ver是否大于温度阈值T_tb，若为是，则执行方式四，若为否，则继续执行方式三；执行方式四之后，判断温度差ΔT_ver是否小于温度阈值–T_tb，若为是，则执行方式三，若为否，则继续执行方式四；

步骤六：执行方式四，判断温度差ΔT_or是否大于温度阈值T_tb，若为是，则执行方式三，若为否，则继续执行方式四；执行方式三之后，判断温度差ΔT_or是否小于温度阈值–T_tb，若为是，则执行方式四，若为否，则继续执行方式三。

与现有技术相比，本发明的有益效果：根据全控型开关器件的损耗与温度呈正相关特性，通过优化全控型开关器件壳温，能够实现优化高压永磁电机驱动整流器的损耗优化目的。本发明首先测量各全控型开关器件的壳温，采用平均温度作为判定条件，当各全控型开关器件的平均壳温超过设定的温度阈值，触发开启损耗优化控制方法。之后，驱动整流器基于该方法以四种无桥运行方式为基础，通过重组驱动整流器运行模态的时空分布方式，使驱动变换器在任意时刻仅由两个全控型开关器件在运行，另两个全控型开关器件处于非工作状态，降低驱动整流器的开关损耗和导通损耗。

本发明适用于采用全控桥拓扑结构的高压永磁电机驱动整流器，具有如下特点和优势：

1.无需增加额外的冗余器件，降低了硬件设计成本；

2.对驱动整流器的运行模态进行时空重组属于调制信号的再分配，具有更好的适应性；

3.无桥运行模态切换平滑，整流器的输出性能不受影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的高压永磁电机驱动系统的结构示意图。

图2为本发明占空比生成的PWM脉冲信号的示意图。

图3为本发明四种无桥运行方式的示意图。

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法，其步骤如下：

步骤一：搭建高压永磁电机的驱动系统，驱动系统的控制器包括PWM信号发生器和损耗控制器，损耗控制器与驱动整流器相连接，损耗控制器与PWM信号发生器相连接，PWM信号发生器与驱动整流器相连接，驱动整流器与三相逆变器的直流母线相连接，三相逆变器的输出端与高压永磁电机相连接，如图1所示。

本发明适用于高压永磁电机驱动系统，驱动系统的三相逆变器在输入端连接一个驱动整流器即全控型PWM整流器，其功能是对交流电源进行整流和调压，同时还具有功率因数校正作用；三相逆变器的输出端连接一个高压永磁电机。驱动整流器的PWM信号由数字控制器根据电机状态输出；损耗控制器为一组多路数字信号选择器，根据数字控制器输出的逻辑信号对PWM信号进行时空重构。

所述驱动整流器为全控桥拓扑结构，全控桥拓扑结构的全控型开关管由独立的驱动信号进行控制，使整流器能够在多种运行方式下工作，上下桥臂的全控型开关管的驱动信号为互补导通状态，以防止桥臂直通发生短路。本发明基于全控桥拓扑自身的开关状态冗余特性设计，不仅适用于单个模块组成的整流器，也适用于多个全控桥串联级联构成的级联式整流器。

全控桥拓扑结构的端口电压为u_s，电路元件包括第一全控型开关管S₁、第二全控型开关管S₂、第三全控型开关管S₃、第四全控型开关管S₄以及与相应全控型开关管对应的第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄。第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄分别并联在第一全控型开关管S₁、第二全控型开关管S₂、第三全控型开关管S₃、第四全控型开关管S₄的发射极和集电极，二极管用作续流功能。端口电压u_s包含电感L，电感L一端与第一全控型开关管S₁的发射极和第二开关管S₂的集电极相连、另一端与第三全控型开关管S₃的发射极和第四全控型开关管S₄的集电极相连；第一全控型开关管S₁的集电极和第三全控型开关管S₃的集电极相连，第二全控型开关管S₂和第四全控型开关管S₄的发射极相连，输出端包含滤波电容C，滤波电容C一端和第三全控型开关管S₃的集电极相连、另一端和第四全控型开关管S₄的发射极相连。滤波电容C与三相逆变器相连接，滤波电容C的两端为输出电压U_d。

不同的功率开关器件可组成以下四种桥臂：

第一全控型开关管S₁和第二全控型开关管S₂组成全控桥拓扑结构的左桥臂；

第三全控型开关管S₃和第四全控型开关管S₄组成全控桥拓扑结构的右桥臂；

第一全控型开关管S₁和第三全控型开关管S₃组成全控桥拓扑结构的上桥臂；

第二全控型开关管S₂和第四全控型开关管S₄组成全控桥拓扑结构的下桥臂。

四个全控型开关管器件的驱动信号分别为：第一全控型开关管S₁栅极驱动脉冲为驱动信号G₁，第二全控型开关管S₂栅极驱动脉冲为驱动信号G₂，第三全控型开关管S₃栅极驱动脉冲为驱动信号G₃，第四全控型开关管S₄栅极驱动脉冲为驱动信号G₄。

将数字控制器根据电机状态计算输出的调制波信号记为d。脉冲信号PWM1为一个由调制波信号d与三角载波比较生成的驱动脉冲信号，而

为PWM1的互补脉冲信号；脉冲信号PWM2为由调制波信号1-d与三角载波比较生成的驱动脉冲信号，

为PWM2的互补脉冲信号，如图2所示。全控桥拓扑结构在默认状态运行时，第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被配置为脉冲信号PWM1，第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被配置为

第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被配置为脉冲信号

第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被配置为脉冲信号PWM1。

步骤二：在全控型开关管表面设置温度传感器，利用温度传感器实时检测驱动整流器中全控型开关管的壳温信息，并将壳温信息实时传送至数字控制器，经计算将控制逻辑输出至损耗控制器。

第一全控型开关管S₁的温度为T₁，第二全控型开关管S₂的温度为T₂，第三全控型开关管S₃的温度为T₃，第四全控型开关管S₄的温度为T₄，四个全控型开关管的平均温度为T_avg，环境温度为T_a，平均温度的阈值为T_ta。全控型桥拓扑结构的上桥臂和下桥臂的全控型开关管的平均温度差为ΔT_ver(正值代表上桥臂温度高于下桥臂温度，负值代表下桥臂温度高于上桥臂温度)，全控型桥拓扑结构的左桥臂和右桥臂的全控型开关管的平均温度差为ΔTo_r(正值代表左桥臂温度高于右桥臂温度，负值代表右桥臂温度高于左桥臂温度)，上桥臂、下桥臂以及左桥臂、右桥臂的平均温度差阈值为T_tb。温度阈值T_ta和T_tb一般由驱动整流器全控型开关的加速老化实验获取。

步骤三：当全控型开关管的平均壳温高于设定的阈值或主动开启控制时，将驱动整流器的运行方式切换为无桥运行模态；根据全控型开关管的温度，PWM信号发生器配置不同的驱动信号，实现无桥运行模态的动态时空分布，从而通过损耗控制器优化高压永磁电机驱动整流器的损耗。

根据功率开关器件的温度进行计算，确定无桥运行模态的动态时空分布。本发明区别于开关状态调制优化等方法，驱动整流器的无桥运行模态具有非周期性和随机性，非周期性体现于驱动整流器损耗分布的非均匀性，使PWM信号发生器通过损耗控制器输出的无桥运行模态在模态构成和持续时间上具有非周期性；随机性体现于高压永磁电机负载的不可预见突变，使PWM信号发生器通过损耗控制器输出的无桥运行模态在模态构成和持续时间上具有随机性。

所述驱动整流器的无桥运行模态是四种运行方式的任意组合，四种运行方式根据PWM信号发生器产生的驱动信号配置；损耗控制器根据不同的温度分布情况和高压永磁电机运行状态，为全控桥分配不同的无桥运行模态时空组合形式。本发明采用功率器件的温度间接表征损耗，当变换器功率器件的平均温度达到设定阈值时，通过改变运行模态将其转换成不同无桥模态的时空组合，实现降低驱动整流器整体损耗的目标，同时对驱动整流器本身的运行状态不产生影响。

如图3所示，全控桥拓扑结构由PWM信号发生器和损耗控制器组成的控制器控制，工作于四种运行模态即四种无桥运行方式，四种运行方式分别为方式一、方式二、方式三和方式四与无桥模式A、无桥模式B、无桥模式C和无桥模式D一一对应。无桥运行方式与全桥运行方式在电流输入方向和大小、电压输出方向和大小均一致。

所述方式一中，驱动整流器的第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被配置为脉冲信号PWM2，第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被置为零，第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被配置为脉冲信号

第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被置为零。此时，驱动整流器工作在无桥模式A状态，第二全控型开关S₂和第四全控型开关管S₄不工作。

所述方式二中，驱动整流器的第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被置为零，驱动整流器的第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被配置为脉冲信号

驱动整流器的第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被置为零，驱动整流器的第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被配置为脉冲信号PWM2。此时，驱动整流器工作在无桥模式B状态，第一全控型开关S₁和第三全控型开关管S₃不工作。

所述方式三中，驱动整流器的第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被置为零，第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被置为零，第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被配置为脉冲信号

第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被配置为脉冲信号PWM2。此时，驱动整流器工作在无桥模式C状态，第一全控型开关S₁和第二全控型开关管S₂不工作。

所述方式四中，驱动整流器的第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被配置为脉冲信号PWM2，第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被配置为脉冲信号

第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被置为零，第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被置为零。此时，驱动整流器工作在无桥模式D状态，第三全控型开关S₃和第四全控型开关管S₄不工作。

所述驱动整流器的上桥臂和下桥臂或左桥臂和右桥臂的全控型开关管的温差超过设定的阈值时，驱动整流器的无桥运行模态的运行方式进行对偶结构切换，即无桥模式A和无桥模式B切换，无桥模式C和无桥模式D切换。

根据四个全控型开关管的平均温度T_avg、温度阈值T_ta与T_tb、上桥臂和下桥臂的温度差ΔT_ver、左桥臂和右桥臂的温度差ΔT_or等变量之间的关系，选择合适的运行方式，可以实现对全控桥拓扑结构的第一全控型开关管S₁、第二全控型开关管S₂、第三全控型开关管S₃、第四全控型开关管S₄的损耗优化控制目的。

如图4所示，损耗控制器通过计算给出下一时刻驱动整流器的运行方式，即全控桥拓扑结构的主动温度控制方法的步骤为：

步骤一：判断驱动整流器的第一全控型开关管S₁、第二全控型开关管S₂、第三全控型开关管S₃和第四全控型开关管S₄的平均温度T_avg是否大于温度阈值T_ta，如果是，则进入步骤二，否则第一全控型开关管S₁、第二全控型开关管S₂、第三全控型开关管S₃和第四全控型开关管S₄继续以全控桥方式运行。

步骤二：判断四个全控型开关管中温度最高的开关管，若S_Tmax＝S₁，判断第二全控型开关管S₂的温度T₂是否大于第三全控型开关管S₃的温度T₃，若为是，则执行步骤六，通过方式三和方式四交替运行降低驱动整流器的损耗；若为否，则执行步骤四，通过方式一和方式二交替运行降低驱动整流器的损耗。若S_Tmax＝S₂，判断第一全控型开关管S₁的温度T₁是否大于第三全控型开关管S₄的温度T₄，若为是，则执行步骤六，通过方式三和方式四交替运行降低驱动整流器的损耗；若为否，则执行步骤三，通过方式一和方式二交替运行降低驱动整流器的损耗。若S_Tmax＝S₃，判断温度T₁是否大于温度T₄，若为是，则执行步骤四，通过方式一和方式二交替运行降低驱动整流器的损耗；若为否，则执行步骤五，通过方式三和方式四交替运行降低驱动整流器的损耗。若S_Tmax＝S₄，判断温度T₂是否大于温度T₃，若为是，则执行步骤三，通过方式一和方式二交替运行降低驱动整流器的损耗；若为否，则执行步骤五，通过方式三和方式四交替运行降低驱动整流器的损耗。其中，S_Tmax为温度最高的全控型开关管。

步骤三：执行方式一，判断上桥臂和下桥臂的温度差ΔT_ver是否大于温度阈值T_tb，若为是，则执行方式二，若为否，则继续执行方式一；执行方式二之后，判断温度差ΔT_ver是否小于温度阈值–T_tb，若为是，则执行方式一，若为否，则继续执行方式二。通过执行该步骤，第二全控型开关管S₂、第四全控型开关管S₄与第一全控型开关管S₁、第三全控型开关管S₃交替工作，从而降低驱动整流器的损耗，并使四个全控型开关管的温度保持均衡。

步骤四：执行方式二，判断左桥臂和右桥臂的温度差ΔT_or是否大于温度阈值T_tb，若为是，则执行方式一，若为否，则继续执行方式二；执行方式一之后，判断温度差ΔT_or是否小于温度阈值–T_tb，若为是，则执行方式二，若为否，则继续执行方式一。通过执行该步骤，第二全控型开关管S₁、第四全控型开关管S₃与第一全控型开关管S₂、第三全控型开关管S₄交替工作，从而降低驱动整流器的损耗，并使四个全控型开关管的温度保持均衡。

步骤五：执行方式三，判断温度差ΔT_ver是否大于温度阈值T_tb，若为是，则执行方式四，若为否，则继续执行方式三；执行方式四之后，判断温度差ΔT_ver是否小于温度阈值–T_tb，若为是，则执行方式三，若为否，则继续执行方式四。通过执行该步骤，第二全控型开关管S₃、第四全控型开关管S₄与第一全控型开关管S₁、第三全控型开关管S₂交替工作，从而降低驱动整流器的损耗，并使四个全控型开关管的温度保持均衡。

步骤六：执行方式四，判断温度差ΔT_or是否大于温度阈值T_tb，若为是，则执行方式三，若为否，则继续执行方式四；执行方式三之后，判断温度差ΔT_or是否小于温度阈值–T_tb，若为是，则执行方式四，若为否，则继续执行方式三。通过执行该步骤，第二全控型开关管S₁、第四全控型开关管S₂与第一全控型开关管S₃、第三全控型开关管S₄交替工作，从而降低驱动整流器的损耗，并使四个全控型开关管的温度保持均衡。

综上所述，通过分析、判断四个全控型开关管的平均温度T_avg、设定的温度阈值T_ta与温度阈值T_tb、上、下桥臂的全控型开关管的平均温度差ΔT_ver以及左、右桥臂的全控型开关管的温度差ΔT_or之间的关系，从而确定高压永磁电机驱动整流器全控桥的运行模态，改变不同无桥运行方式的时空分布规律，使驱动整流器在正常运行的同时全控型开关管的温度应力保持相对均衡，进而实现整流器的损耗优化目的，降低了驱动变换器的故障率，提高了运行可靠性和寿命。本发明与传统方案相比具有更强的主动性和自由度，并且本发明在结构上没有引入额外的电路或元器件，不增加额外的硬件成本或损耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤1：搭建高压永磁电机的驱动系统，驱动系统的控制器包括PWM信号发生器和损耗控制器，损耗控制器与驱动整流器相连接，损耗控制器与PWM信号发生器相连接，PWM信号发生器与驱动整流器相连接，驱动整流器与三相逆变器的直流母线相连接，三相逆变器的输出端与高压永磁电机相连接；

步骤2：利用温度传感器实时检测驱动整流器中全控型开关管的壳温信息，并将壳温信息实时传送至损耗控制器；

步骤3：当全控型开关管的平均壳温高于设定的阈值或主动开启控制时，将驱动整流器的运行方式切换为无桥运行模态；根据全控型开关管的温度，PWM信号发生器配置不同的驱动信号，实现无桥运行模态的动态时空分布，从而降低驱动整流器的损耗，提高驱动系统的效率。

2.根据权利要求1所述的基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法，其特征在于，所述驱动整流器的无桥运行模态是四种运行方式的任意组合，四种运行方式根据PWM信号发生器产生的驱动信号配置；所述驱动整流器为全控桥拓扑结构，全控桥拓扑结构的全控型开关管由独立的驱动信号进行控制，上桥臂和下桥臂的全控型开关管的驱动信号为互补导通状态。

3.根据权利要求3所述的基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法，其特征在于，所述全控桥拓扑结构包括第一全控型开关管S₁、第二全控型开关管S₂、第三全控型开关管S₃和第四全控型开关管S₄，第一全控型开关管S₁的发射极和第二开关管S₂的集电极相连且通过电感L与端口电压的一端相连接，第三全控型开关管S₃的发射极和第四全控型开关管S₄的集电极与端口电压的另一端相连接；所述第一全控型开关管S₁的集电极和第三全控型开关管S₃的集电极相连接，第二全控型开关管S₂和第四全控型开关管S₄的发射极相连接，第三全控型开关管S₃的集电极和第四全控型开关管S₄的发射极之间并联有滤波电容C，滤波电容C与三相逆变器相连接；所述全控桥拓扑结构的全控型开关管组成四种桥臂：

第一全控型开关管S₁和第二全控型开关管S₂组成全控桥拓扑结构的左桥臂；

第三全控型开关管S₃和第四全控型开关管S₄组成全控桥拓扑结构的右桥臂；

第一全控型开关管S₁和第三全控型开关管S₃组成全控桥拓扑结构的上桥臂；

第二全控型开关管S₂和第四全控型开关管S₄组成全控桥拓扑结构的下桥臂。

4.根据权利要求2或3所述的基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法，其特征在于，所述四种运行方式包括方式一、方式二、方式三和方式四，

所述方式一的驱动整流器的第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被置为脉冲信号PWM2，驱动整流器的第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被配置为零，驱动整流器的第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被配置为脉冲信号

驱动整流器的第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被配置为零；其中，

为脉冲信号PWM1的互补脉冲信号；

所述方式二中，第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被配置为零，第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被置为脉冲信号

第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被配置为零，第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被置为脉冲信号PWM2；

所述方式三中，第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被置为零，第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被置为零，第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被配置为脉冲信号

第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被配置为脉冲信号PWM2；

所述方式四中，第一全控型开关管S₁的栅极驱动信号G₁被配置为脉冲信号PWM2，第二全控型开关管S₂的栅极驱动信号G₂被配置为脉冲信号

第三全控型开关管S₃的栅极驱动信号G₃被置为零，第四全控型开关管S₄的栅极驱动信号G₄被置为零。

5.根据权利要求4所述的基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法，其特征在于，所述驱动整流器的上桥臂和下桥臂或左桥臂和右桥臂的全控型开关管的温差超过设定的阈值时，驱动整流器的无桥运行模态的运行方式进行对偶结构切换，即方式一和方式二切换，方式三和方式四切换。

6.根据权利要求5所述的基于温度控制的高压永磁电机驱动整流器损耗优化方法，其特征在于，所述损耗控制器通过计算给出下一时刻驱动整流器的运行方式的步骤为：

步骤一：判断驱动整流器的第一全控型开关管S₁、第二全控型开关管S₂、第三全控型开关管S₃和第四全控型开关管S₄的平均温度T_avg是否大于温度阈值T_ta，如果是，则进入步骤二，否则第一全控型开关管S₁、第二全控型开关管S₂、第三全控型开关管S₃和第四全控型开关管S₄继续以全控桥方式运行；其中，温度阈值T_ta为平均温度的阈值

步骤二：判断四个全控型开关管中温度最高的开关管，若S_Tmax＝S₁，判断第二全控型开关管S₂的温度T₂是否大于第三全控型开关管S₃的温度T₃，若为是，则执行步骤六，若为否，则执行步骤四；若S_Tmax＝S₂判断，第一全控型开关管S₁的温度T₁是否大于第三全控型开关管S₄的温度T₄，若为是，则执行步骤六，若为否，则执行步骤三；若S_Tmax＝S₃，判断温度T₁是否大于温度T₄，若为是，则执行步骤四，若为否，则执行步骤五；若S_Tmax＝S₄，判断温度T₂是否大于温度T₃，若为是，则执行步骤三，若为否，则执行步骤五；其中，S_Tmax为温度最高的全控型开关管；

步骤三：执行方式一，判断上桥臂和下桥臂的温度差ΔT_ver是否大于温度阈值T_tb，若为是，则执行方式二，若为否，则继续执行方式一；执行方式二之后，判断温度差ΔT_ver是否小于温度阈值–T_tb，若为是，则执行方式一，若为否，则继续执行方式二；

步骤四：执行方式二，判断左桥臂和右桥臂的温度差ΔT_or是否大于温度阈值T_tb，若为是，则执行方式一，若为否，则继续执行方式二；执行方式一之后，判断温度差ΔT_or是否小于温度阈值–T_tb，若为是，则执行方式二，若为否，则继续执行方式一；其中，温度阈值T_tb是上桥臂、下桥臂以及左桥臂、右桥臂的平均温度差阈值；

步骤五：执行方式三，判断温度差ΔT_ver是否大于温度阈值T_tb，若为是，则执行方式四，若为否，则继续执行方式三；执行方式四之后，判断温度差ΔT_ver是否小于温度阈值–T_tb，若为是，则执行方式三，若为否，则继续执行方式四；

步骤六：执行方式四，判断温度差ΔT_or是否大于温度阈值T_tb，若为是，则执行方式三，若为否，则继续执行方式四；执行方式三之后，判断温度差ΔT_or是否小于温度阈值–T_tb，若为是，则执行方式四，若为否，则继续执行方式三。

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