CN113056180B - 通过损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统，系统包括：微控制器、信号采集电路、传感器、串口通信电路、上位机、功率变换器、冷却风扇、受控电压源。其中，微控制器连接功率变换器，并通过信号采集电路、串口通信电路和受控电压源分别与传感器、上位机和冷却风扇相连接。该系统通过采集的功率变换器中功率器件电流和壳温，计算出功率器件的实时结温波动幅值，并以结温波动幅值为控制量，通过控制功率器件的开关频率和电流来间接调节其损耗，通过控制冷却风扇来调节功率变换器的环境对流，将两方面进行协同调节来抑制结温波动。本发明解决了低频大功率循环工况下功率器件老化速度过快的问题，延长功率变换器的使用寿命。

Description

通过损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统

技术领域

本发明属于功率变换器的热管理领域，具体涉及一种通过损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，功率变换器在工业变频器、可再生能源并网、以及电机驱动等多个领域，得到了极为广泛的应用。由于其应用领域的不断扩大，功率变换器的运行工况也日趋复杂，将引起功率器件结温产生不同程度的波动。经研究表明，结温波动会导致功率器件的老化，结温波动幅值变大直接加快功率器件的老化速度；且由功率器件老化失效导致的系统故障比例越来越高。因此，为了减小结温对功率器件造成的影响，常需要对功率变换器进行热管理。

目前，功率变换器的热管理方式分为被动热管理和主动热控制。传统的被动热管理方式，主要包含了外部散热和过温保护，外部散热旨在减小功率变换器的环境热阻；过温保护是一种保护措施，通过直接关闭功率变换器输出或将输出减半的操作，防止功率器件的结温过高。被动热管理在使用时需要保守地设定功率变换器的额定电流，因此对功率变换器的输出能力挖掘地不够充分。为了克服被动热管理存在的不足，近年来，主动热控制方法被提出。主动热控制是一种温度闭环控制方法，该方法主要根据系统反馈的功率器件结温，通过对功率器件的功率损耗进行调节，实现对功率器件结温的间接控制。然而，在低频大功率循环的运行工况下，功率器件将产生幅值较大的低频结温波动，对器件的使用寿命影响程度较为明现。采用被动热管理只能简单的防止器件结温过高，对结温波动的抑制效果并不好；而仅将器件损耗作为降低结温波动的手段，调节方式单一，对低频结温波动的平滑能力也有限。因此，该工况导致的低频结温波动对功率器件使用寿命的影响仍旧很大，缩短功率变换器的使用年限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统，以解决低频大功率循环工况下功率器件老化速度过快的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种通过功率损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统，包括微控制器、信号采集电路、传感器模块、串口通信电路、上位机、功率变换器、受控电源和冷却风扇；

所述传感器模块用于功率器件的电流反馈值I_fdb、功率器件的壳温T_c和功率变换器的冷却风速V_{fw_fdb}信号的采集，并输出电压信号；

所述信号采集电路用于转换传感器模块输出的电压信号，将电压调节到微控制器管脚的安全电压范围之内；

所述上位机用于设定结温波动幅值的参考值ΔT_j1 ^*、ΔT_j2 ^*、ΔT_j3 ^*，并通过串口通信电路传输给微控制器；

所述微控制器用于接受信号采集电路输出包含电流、风速、温度信息的电压信号和上位机设定的结温波动幅值的参考值ΔT_j1 ^*、ΔT_j2 ^*、ΔT_j3 ^*；通过提取电压信号得到功率器件的电流反馈值I_fdb和壳温T_c，以及功率变换器的冷却风速V_{fw_fdb}；根据功率器件的电流反馈值I_fdb和壳温T_c计算结温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}；温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}和结温波动幅值的参考值ΔT_j1 ^*、ΔT_j2 ^*、ΔT_j3 ^*用于结温波动幅值的闭环控制，分别生成功率器件的电流限制值I_{lim_Tj}和开关频率f_pwm1，以及风速参考值V_fw ^*；电流限制值I_{lim_Tj}用于给定的期望电流I_req的饱和限幅，并生成电流参考值I_obj；电流参考值I_obj和电流反馈值I_fdb用于功率器件电流的闭环控制，生成第一占空比D_pwm1；风速参考值V_fw ^*和冷却风速V_{fw_fdb}用于风速的闭环控制，生成第二占空比D_pwm2；第一占空比D_pwm1和开关频率f_pwm1用于生成第一PWM信号；第二占空比D_pwm2用于生成第二PWM信号；最终输出两路PWM信号；

其中第一PWM信号用于控制功率变换器的功率输出，第二PWM信号用于控制受控电源的电压，进一步控制冷却风扇的冷却风速V_{fw_fdb}。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明对负载功率循环变化引起的低频结温波动拥有更强的抑制能力，可充分降低低频结温波动对功率器件造成的疲劳损耗，从而延缓功率器件的老化，延长功率变换器的更新周期。

附图说明

图1为功率变换器热管理系统图。

图2为功率损耗与环境对流协同调节控制框图。

图3为结壳热网络模型图。

图4为电流传感器及电流采集电路图。

图5为热敏电阻及温度采集电路图。

图6为风速传感器及风速采集电路图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

如图1所示，一种通过功率损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统，包括微控制器2、信号采集电路3、传感器模块4、串口通信电路5、上位机6、功率变换器7、受控电源8和冷却风扇9；

所述传感器模块4用于功率器件的电流反馈值I_fdb、第一功率器件71的壳温T_cFdb和功率变换器7的冷却风速V_{fw_fdb}信号的采集，并输出电压信号；

所述信号采集电路3用于转换传感器模块4输出的电压信号，将电压调节到微控制器2管脚的安全电压范围之内；

所述上位机6用于设定结温波动幅值的参考值ΔT_j1 ^*、ΔT_j2 ^*、ΔT_j3 ^*，并通过串口通信电路5传输给微控制器2；

所述微控制器2用于接受信号采集电路3输出包含电流、风速、温度信息的电压信号，接受上位机传输的结温波动幅值的参考值ΔT_j1 ^*、ΔT_j2 ^*、ΔT_j3 ^*，输出第一PWM和第二PWM信号。

所述功率变换器7的功率电路主要包含了若干个功率器件，功率变换器7根据微控制器2输出的第一PWM信号进行功率输出；受控电源8被控信号为PWM类型信号，根据微控制器2输出的第二PWM信号控制冷却风扇9电压V的大小；所述冷却风扇9用于功率变换器7的散热，根据受控电源8输出的控制电压V调节冷却风速V_{fw_fdb}。

所述传感器模块4包括电流传感器41、热敏电阻42和风速传感器43，其输出均为电压信号。电流传感器41用于测量功率变换器7中功率器件的电流反馈值I_fdb；热敏电阻42用于测量功率变换器7中第一功率器件71的壳温T_cFdb；风速传感器43用于测量功率变换器7的冷却风速V_{fw_fdb}。

所述信号采集电路3包括电流采集电路31、温度采集电路32和风速采集电路33。电流采集电路31用于转换电流传感器41输出的电压信号、温度采集电路32用于转换电流传感器42输出的电压信号、风速采集电路33用于转换电流传感器43输出的电压信号；

如图4所示，所述电流采集电路31包括第一分压电阻311、第一调压电阻312、第一滤波电路313、第一管脚保护电路314。其中，第一分压电阻311的一端连接电流传感器41，另一端连接于第一调压电阻312和第一滤波电路313，连接点为V1，第一调压电阻312另一端接地，第一滤波电路313的另一端连接微控制器2的AD管脚和第一管脚保护电路314。第一分压电阻311与第一调压电阻312连接构成分压电路，使V1点的电压信号处于微控制器2可采集范围之内，同时，可通过微调第一调压电阻312以保证所设计V1点到地之间阻值精度；第一滤波电路313对V1点的电压信号进行滤波，使信号干扰更少；第一管脚保护电路314防止电压毛刺损坏微控制器2。

如图5所示，所述的温度采集电路32包括3.3v电源321、第二调压电阻322、第二滤波电路323和第二管脚保护电路324。其中，第二调压电阻322的一端连接热敏电阻42和第二滤波电路323，连接点为V2，第二调压电阻322的另一端连接3.3v电源321，热敏电阻42的另一端连接地，第二滤波电路323另一端连接微控制器2的AD管脚和第二管脚保护电路324。第二调压电阻322和热敏电阻42连接构成分压电路，使V2点的电压信号处于微控制器2可采集范围之内，同时，可通过微调第二调压电阻322以满足第二调压电阻322两端阻值精度需求；第二滤波电路323对V2点的电压信号进行滤波，使信号干扰更少；第二管脚保护电路324防止电压毛刺损坏微控制器2。

如图6所示，所述风速采集电路33包括第二分压电阻331、第三调压电阻332、第三滤波电路333、第三管脚保护电路334。第二分压电阻331一端连接风速传感器43，第二分压电阻331另一端连接第三调压电阻332和第三滤波电路333，连接点为V3，第二调压电阻332另一端与地连接，第三滤波电路333的另一端连接微控制器2的AD管脚和第三管脚保护电路334。第二分压电阻331与第三调压电阻332连接构成分压电路，使V3点的电压信号处于微控制器2可采集范围之内，同时，可通过微调第三调压电阻332以保证所设计V3点到地之间阻值精度；第三滤波电路333对V3点的电压信号进行滤波，使信号干扰更少；第三管脚保护电路334防止电压毛刺损坏微控制器2。

如图2所示，所述微控制器2设有数据采集模块101、功率器件损耗模型102、结壳热网络模型103、低通滤波器104、电流限幅控制器105、频率限幅控制器106、风速限幅控制器107、电流限幅模块108、电流PI控制器109、脉宽调制模块110、风速控制模块111；

所述数据采集模块101用于获取冷却风速V_{fw_fdb}，第一功率器件71的壳温T_cFdb及其电流反馈值I_fdb；作为微控制器2的采集量。

所述功率器件损耗模型102用于计算功率器件损耗功率P_loss；该功率器件损耗功率P_loss作为结壳热网络模型103计算功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}时的一个已知条件。计算过程如下：

将功率器件的电流反馈值I_fdb，前一时刻的开关频率f(k-1)和结温反馈值T_{j_fdb}(k-1)代入到公式(1)，可计算出功率器件损耗功率P_loss：

其中，I为功率器件电流，在计算时使用功率器件的电流反馈值I_fdb，f为功率器件的开关频率，在计算时使用前一时刻的开关频率f(k-1)，T_j为功率器件结温，在计算时使用前一时刻的结温反馈值T_{j_fdb}(k-1)，p_a,b,c为拟合系数，a、b、c分别为功率器件电流I、功率器件的开关频率f、以及功率器件结温T_j的指数。

所述结壳热网络模型103用于计算功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}；该值作为低通滤波器104的滤波对象，同时用于计算结温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}。计算过程如下：

如图3所示，所述的结壳热网络模型103采用二阶Cauer结构模型，其中，P_loss为功率器件损耗功率，T_j为功率器件结温，T_c为功率器件壳温，T₁为结壳之间热网络节点1的温度，C₁和C₂分别为热网络节点的热容，R₁和R₂分别为热网络节点间的热阻，由功率器件手册提供。由该模型推导得到的离散形式数学表达式如公式(2)和(3)所示：

其中，T_j(k)为当前时刻待求结温值，同时也作为功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}，T₁(k)为当前时刻结壳之间热网络节点1的温度，T_j(k-1)为前一时刻结温值，T₁(k-1)为前一时刻结壳之间热网络节点1的温度，T_c(k)为当前时刻的功率器件壳温值，在计算时使用功率器件的壳温T_c，P(k)为当前时刻的功率器件损耗功率，在计算时使用功率器件损耗功率P_loss，Δt为离散时间。

将功率器件损耗功率P_loss与第一功率器件71的壳温T_cFdb代入到公式(2)和(3)，可计算得到功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}，并传输给系统。

所述低通滤波器104用于通过滤波获取结温平均值T_jm；具体处理过程如下：对功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}进行滤波，可获取结温平均值T_jm。功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}与结温平均值T_jm作差得到结温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}。

所述电流限幅控制器105用于计算输出电流限制值I_{lim_Tj}；该值用于给定的期望电流I_req的饱和限幅。计算过程如下：

首先将功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}与结温平均值T_jm作差得到结温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}，然后将结温波动幅值的参考值ΔT_j1 ^*与反馈值ΔT_{j_fdb}作差，并将差值输入到电流限幅控制器105中，采用PI控制算法，对电流限制值I_{lim_Tj}进行控制。

所述频率限幅控制器106用于控制输出第一PWM信号的开关频率f_pwm1；具体处理过程如下：将结温波动幅值的参考值ΔT_j2 ^*与反馈值ΔT_{j_fdb}作差，并将差值输入到频率限幅控制器106中，采用滞环控制算法，对开关频率f_pwm1进行调节。

所述风速限幅控制器107用于计算输出风速参考值V_fw ^*；具体处理过程如下：将结温波动幅值的参考值ΔT_j3 ^*与反馈值ΔT_{j_fdb}作差，并将差值输入到风速限幅控制器107中，采用PI控制算法，对风速参考值V_fw ^*进行控制，该值作为调节冷却风速V_{fw_fdb}的参考值。

所述电流限幅模块108用于对给定的期望电流I_req限幅得到电流参考值I_obj；具体过程为：比较电流限制值I_{lim_Tj}与期望电流I_req的大小，输出其中较小值作为输出电流参考值I_obj。

所述电流PI控制器109用于计算出第一PWM信号的占空比D_pwm1；具体过程为：将功率器件的电流反馈值I_fdb与电流参考值I_obj作差，并将差值输入到电流PI控制器109中，计算出第一PWM信号的占空比D_pwm1。

所述风速控制模块111用于计算出第二PWM信号的占空比D_pwm2；具体过程为：将风速参考值V_fw ^*与冷却风速V_{fw_fdb}作差，并将差值输入到风速控制模块111中，采用PI控制算法，计算输出第二PWM信号的占空比D_pwm2。

所述脉宽调制模块110用于生成第一PWM信号和第二PWM信号；根据开关频率f_pwm1和占空比D_pwm1，对微控制器2固有的PWM信号生成模块进行参数设置，以生成第一PWM信号；同理根据占空比D_pwm2，可生成第二PWM信号，供微控制器2输出。

Claims (7)

1.一种通过功率损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统，其特征在于，包括微控制器、信号采集电路、传感器模块、串口通信电路、上位机、功率变换器、受控电源和冷却风扇；

所述传感器模块用于功率器件的电流反馈值I_fdb、功率器件的壳温T_c和功率变换器的冷却风速V_{fw_fdb}信号的采集，并输出电压信号；

所述信号采集电路用于转换传感器模块输出的电压信号，将电压调节到微控制器管脚的安全电压范围之内；

所述上位机用于设定结温波动幅值的参考值ΔT_j1 ^*、ΔT_j2 ^*、ΔT_j3*，并通过串口通信电路传输给微控制器；

所述微控制器用于接受信号采集电路输出包含电流、风速、温度信息的电压信号和上位机设定的结温波动幅值的参考值ΔT_j1 ^*、ΔT_j2 ^*、ΔT_j3 ^*；通过提取电压信号得到功率器件的电流反馈值I_fdb和壳温T_c，以及功率变换器的冷却风速V_{fw_fdb}；根据功率器件的电流反馈值I_fdb和壳温T_c计算结温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}；温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}和结温波动幅值的参考值ΔT_j1 ^*、ΔT_j2 ^*、ΔT_j3 ^*用于结温波动幅值的闭环控制，分别生成功率器件的电流限制值I_{lim_Tj}和开关频率f_pwm1，以及风速参考值V_fw ^*；电流限制值I_{lim_Tj}用于给定的期望电流I_req的饱和限幅，并生成电流参考值I_obj；电流参考值I_obj和电流反馈值I_fdb用于功率器件电流的闭环控制，生成第一占空比D_pwm1；风速参考值V_fw ^*和冷却风速V_{fw_fdb}用于风速的闭环控制，生成第二占空比D_pwm2；第一占空比D_pwm1和开关频率f_pwm1用于生成第一PWM信号；第二占空比D_pwm2用于生成第二PWM信号；最终输出两路PWM信号；

其中第一PWM信号用于控制功率变换器的功率输出，第二PWM信号用于控制受控电源的电压，进一步控制冷却风扇的冷却风速V_{fw_fdb}；

所述微控制器包括功率器件损耗模型和结壳热网络模型，所述功率器件损耗模型根据功率器件的电流反馈值I_fdb，前一时刻的结温反馈值T_{j_fdb}(k-1)，计算功率器件损耗功率P_loss；

所述结壳热网络模型根据功率器件损耗功率P_loss和壳温T_c，计算输出功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}，将结温反馈值T_{j_fdb}作为低通滤波器的滤波对象，同时用于计算结温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}；

所述功率器件损耗模型计算功率器件损耗功率P_loss的过程如下：

将功率器件的电流反馈值I_fdb，前一时刻的开关频率f(k-1)和结温反馈值T_{j_fdb}(k-1)代入到公式(1)，可计算出功率器件损耗功率P_loss；

其中，I为功率器件电流，在计算时使用功率器件的电流反馈值I_fdb，f为功率器件的开关频率，在计算时使用前一时刻的开关频率f(k-1)，T_j为功率器件结温，在计算时使用前一时刻的结温反馈值T_{j_fdb}(k-1)，p_a,b,c为拟合系数，a、b、c分别为功率器件电流I、功率器件的开关频率f、以及功率器件结温T_j的指数；

所述结壳热网络模型用于计算功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}；计算过程如下：

将功率器件的损耗功率P_loss与功率器件的壳温T_c代入到公式(2)和(3)，计算得到功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}；

其中，T_j(k)为当前时刻待求结温值，同时也作为功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}，T₁(k)为当前时刻结壳之间热网络节点1的温度，T_j(k-1)为前一时刻结温值，T₁(k-1)为前一时刻结壳之间热网络节点1的温度，T_c(k)为当前时刻的功率器件壳温值，在计算时使用功率器件的壳温T_c，P(k)为当前时刻的功率器件损耗功率，在计算时使用功率器件损耗功率P_loss，Δt为离散时间。

2.根据权利要求1所述的功率变换器热管理系统，其特征在于，所述微控制器还包括设有数据采集模块、低通滤波器、电流限幅控制器、频率限幅控制器、风速限幅控制器、电流限幅模块电流PI控制器、脉宽调制模块、风速控制模块；

所述数据采集模块用于获取冷却风速V_{fw_fdb}，功率器件的壳温T_c及其电流反馈值I_fdb，作为微控制器的采集量；

所述低通滤波器通过对功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}滤波，得到结温平均值T_jm，功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}与结温平均值T_jm作差得到结温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}；

所述电流限幅控制器根据设定结温波动幅值的参考值ΔT_j1 ^*与结温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}之间的差值，控制输出电流限制值I_{lim_Tj}；

所述频率限幅控制器根据设定结温波动幅值的参考值ΔT_j2 ^*与结温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}之间的差值，控制输出开关频率f_pwm1；

所述风速限幅控制器根据设定结温波动幅值的参考值ΔT_j3 ^*与结温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}之间的差值，控制输出风速参考值V_fw ^*；

所述电流限幅模块将电流限制值I_{lim_Tj}作为上限值，对给定的期望电流I_req饱和限幅，得到电流参考值I_obj；

电流PI控制器根据电流参考值I_obj与电流反馈值I_fdb之间的差值，控制输出第一PWM信号的第一占空比D_pwm1；

所述风速控制模块根据风速参考值V_fw ^*与冷却风速V_{fw_fdb}之间的差值，计算出第二PWM信号的第二占空比D_pwm2；

所述脉宽调制模块根据开关频率f_pwm1和第一占空比D_pwm1、第二占空比D_pwm2，对微控制器固有的PWM信号生成模块进行参数设置，分别生成第一PWM信号和第二PWM信号，作为微控制器的输出。

3.根据权利要求1所述的功率变换器热管理系统，其特征在于，所述微控制器输出2路PWM信号，其中第一PWM信号用于控制功率变换器的输出功率，实现对功率器件损耗功率P_loss调节；第二PWM信号用于控制受控电源的电压，进一步控制冷却风扇的冷却风速，实现对功率变换器的环境对流冷却能力的调节；从功率器件损耗功率P_loss和功率变换器的环境对流冷却能力两方面进行协同调节，达到平滑功率器件结温的目的。

4.根据权利要求1所述的功率变换器热管理系统，其特征在于，所述信号采集电路包括电流采集电路、温度采集电路和风速采集电路；所述电流采集电路用于转换电流传感器输出的电压信号、温度采集电路用于转换电流传感器输出的电压信号、风速采集电路用于转换电流传感器输出的电压信号。

5.根据权利要求4所述的功率变换器热管理系统，其特征在于，所述电流采集电路包括第一分压电阻、第一调压电阻、第一滤波电路、第一管脚保护电路；所述第一分压电阻的一端连接电流传感器，另一端连接于第一调压电阻和第一滤波电路，第一调压电阻另一端接地，第一滤波电路的另一端连接微控制器的AD管脚和第一管脚保护电路；第一分压电阻与第一调压电阻连接构成分压电路。

6.根据权利要求4所述的功率变换器热管理系统，其特征在于，所述温度采集电路包括电源、第二调压电阻、第二滤波电路和第二管脚保护电路；所述第二调压电阻的一端连接热敏电阻和第二滤波电路，第二调压电阻的另一端连接电源，热敏电阻的另一端连接地，第二滤波电路另一端连接微控制器的AD管脚和第二管脚保护电路；所述第二调压电阻和热敏电阻连接构成分压电路。

7.根据权利要求4所述的功率变换器热管理系统，其特征在于，所述风速采集电路包括第二分压电阻、第三调压电阻、第三滤波电路、第三管脚保护电路；所述第二分压电阻一端连接风速传感器，第二分压电阻另一端连接第三调压电阻和第三滤波电路，第二调压电阻另一端与地连接，第三滤波电路的另一端连接微控制器的AD管脚和第三管脚保护电路；第二分压电阻与第三调压电阻连接构成分压电路。

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