CN113258912B - 一种开关管的控制装置、方法和电器设备 - Google Patents

一种开关管的控制装置、方法和电器设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关管的控制装置、方法和电器设备，该装置包括：采样单元，在开关管上电的情况下，检测开关管上的电压，得到检测电压；并检测开关管上的电流，得到检测电流；驱动控制单元，确定检测电压是否在预设的电压阈值范围内，若检测电压在电压阈值范围内，则控制开关管启动；确定检测电流是否小于或等于预设的电流阈值，若检测电流小于或等于电流阈值，则控制开关管启动；以及，在开关管启动的情况下，确定开关管的结温，并根据结温控制开关管的开关频率。该方案，通过根据开关管的损耗及结温，对开关管的开关频率进行控制，从而提供开关管控制的安全性。

Description

一种开关管的控制装置、方法和电器设备
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种开关管的控制装置、方法和电器设备，尤其涉及一种具有多功能保护的开关管驱动控制装置、方法和电器设备。
背景技术
开关管，如金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等，作为大功率开关器件，广泛运用于电力电子行业之中。为了保证开关管按设定的大功率稳定输出，开关管往往要通过大电流、大电压，电网的不稳定性可能会带来极高的尖峰电压，开关管容易造成过压或过流损坏，而且长时间运行在大电流、大电压的情况下，开关管的温升也会持续升高，不加以控制会因过温损坏。可见，开关管在大功率输出时，往往会造成开关管的损坏。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种开关管的控制装置、方法和电器设备，以解决开关管在大功率输出时会损坏，影响了开关管控制的安全性的问题，达到通过根据开关管的损耗及结温，对开关管的开关频率进行控制，从而提供开关管控制的安全性的效果。
本发明提供一种开关管的控制装置，包括：采样单元和驱动控制单元；其中，所述采样单元，被配置为在所述开关管上电的情况下，检测所述开关管上的电压，得到检测电压；并检测所述开关管上的电流，得到检测电流；所述驱动控制单元，被配置为确定所述检测电压是否在预设的电压阈值范围内，若所述检测电压在所述电压阈值范围内，则控制所述开关管启动；确定所述检测电流是否小于或等于预设的电流阈值，若所述检测电流小于或等于所述电流阈值，则控制所述开关管启动；以及，在所述开关管启动的情况下，确定所述开关管的当前结温，并根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率。
在一些实施方式中，所述采样单元，包括：电压采样模块；所述电压采样模块，设置在所述开关管的集电极与所述开关管的发射极之间；所述采样单元，检测所述开关管上的电压，得到检测电压，包括：采用所述电压采样模块，采样所述开关管的集电极上的电压，得到检测电压；所述采样单元，还包括：电流采样模块；所述电流采样模块，设置在所述开关管的发射极与地之间；所述采样单元，检测所述开关管上的电流，得到检测电流，包括：采用所述电流采样模块，采样所述开关管的发射极上的电流，得到检测电流。
在一些实施方式中，所述驱动控制单元，确定所述开关管的当前结温，包括：获取所述开关管的当前开关频率、所述开关管的开通能量、所述开关管的关断能量、以及所述开关管的设定系数；根据所述开关管的当前开关频率、所述开关管的开通能量、所述开关管的关断能量、以及所述开关管的设定系数，确定所述开关管的当前损耗功率；根据设定损耗功率和设定结温之间的对应关系，将所述对应关系中与所述当前损耗功率相同的设定损耗功率所对应的设定结温，确定为与所述当前损耗功率对应的当前结温，作为所述开关管的当前结温。
在一些实施方式中，所述驱动控制单元，根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率，包括：基于所述开关管的当前结温，确定所述当前结温是否超过预设工作温度；若所述当前结温未超过所述预设工作温度，则确定所述开关管的当前最佳频率，并控制所述开关管按所述当前最佳频率运行；若所述当前结温超过所述预设工作温度，则对所述开关管进行温度保护。
在一些实施方式中，所述驱动控制单元，确定所述开关管的当前最佳频率，包括：基于所述开关管的当前结温，根据设定结温与设定最佳开关频率之间的对应关系，将所述对应关系中与所述当前结温相同的设定结温所对应的设定最佳开关频率，确定为与所述当前结温对应的当前最佳开关频率。
在一些实施方式中，所述驱动控制单元，对所述开关管进行温度保护，包括：在所述当前结温超过所述预设工作温度的情况下，确定所述开关管的当前结温与所述预设温度阈值之间的温度差，是否小于或等于预设控制温度；若所述温度差小于或等于所述预设控制温度，则在所述开关管正常工作的情况下，减小所述开关管的当前开关频率；若所述温度差大于所述预设控制温度，则执行预设的过温保护机制，控制所述开关管关机。
与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种电器设备，包括：以上所述的开关管的控制装置。
与上述电器设备相匹配，本发明再一方面提供一种开关管的控制方法，包括：在所述开关管上电的情况下，检测所述开关管上的电压，得到检测电压；并检测所述开关管上的电流，得到检测电流；确定所述检测电压是否在预设的电压阈值范围内，若所述检测电压在所述电压阈值范围内，则控制所述开关管启动；确定所述检测电流是否小于或等于预设的电流阈值，若所述检测电流小于或等于所述电流阈值，则控制所述开关管启动；以及，在所述开关管启动的情况下，确定所述开关管的当前结温，并根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率。
在一些实施方式中，其中，检测所述开关管上的电压，得到检测电压，包括：采用所述电压采样模块，采样所述开关管的集电极上的电压，得到检测电压；检测所述开关管上的电流，得到检测电流，包括：采用所述电流采样模块，采样所述开关管的发射极上的电流，得到检测电流。
在一些实施方式中，确定所述开关管的当前结温，包括：获取所述开关管的当前开关频率、所述开关管的开通能量、所述开关管的关断能量、以及所述开关管的设定系数；根据所述开关管的当前开关频率、所述开关管的开通能量、所述开关管的关断能量、以及所述开关管的设定系数，确定所述开关管的当前损耗功率；根据设定损耗功率和设定结温之间的对应关系，将所述对应关系中与所述当前损耗功率相同的设定损耗功率所对应的设定结温，确定为与所述当前损耗功率对应的当前结温，作为所述开关管的当前结温。
在一些实施方式中，根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率，包括：基于所述开关管的当前结温，确定所述当前结温是否超过预设工作温度；若所述当前结温未超过所述预设工作温度，则确定所述开关管的当前最佳频率，并控制所述开关管按所述当前最佳频率运行；若所述当前结温超过所述预设工作温度，则对所述开关管进行温度保护。
在一些实施方式中，确定所述开关管的当前最佳频率，包括：基于所述开关管的当前结温，根据设定结温与设定最佳开关频率之间的对应关系，将所述对应关系中与所述当前结温相同的设定结温所对应的设定最佳开关频率，确定为与所述当前结温对应的当前最佳开关频率。
在一些实施方式中，对所述开关管进行温度保护，包括：在所述当前结温超过所述预设工作温度的情况下，确定所述开关管的当前结温与所述预设温度阈值之间的温度差，是否小于或等于预设控制温度；若所述温度差小于或等于所述预设控制温度，则在所述开关管正常工作的情况下，减小所述开关管的当前开关频率；若所述温度差大于所述预设控制温度，则执行预设的过温保护机制，控制所述开关管关机。
由此，本发明的方案，通过在开关管上电的情况下，对开关管进行电压检测和电流检测，在检测到的电压在电压阈值范围内、且检测到的电流小于电流阈值的情况下，开启开关管，并在开关管开启的情况下，计算开关管的损耗，根据开关管的损耗确定开关管的结温，根据开关管的结温控制开关管的开关频率；从而，通过根据开关管的损耗及结温，对开关管的开关频率进行控制，从而提供开关管控制的安全性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的开关管的控制装置的一实施例的结构示意图；
图2为一种开关管驱动电路的一实施例的结构示意图；
图3为本发明的开关管驱动电路的一实施例的结构示意图；
图4为本发明的具有多功能保护的开关管驱动控制方法的一实施例的控制流程示意图；
图5为本发明的开关管的控制方法的一实施例的流程示意图；
图6为本发明的方法中确定所述开关管的当前结温的一实施例的流程示意图；
图7为本发明的方法中根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率的一实施例的流程示意图；
图8为本发明的方法中对所述开关管进行温度保护的一实施例的流程示意图。
结合附图，本发明实施例中附图标记如下：
102-采样单元；104-驱动控制单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、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做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。
根据本发明的实施例，提供了一种开关管的控制装置。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。该开关管的控制装置可以包括：采样单元102和驱动控制单元104。开关管，如开关管Q1。驱动控制单元104，如驱动控制中心。在开关管的控制单元的控制信号发出后，再设置一个开关管Q1的驱动控制中心，来驱动开关管Q1。
其中，所述采样单元102，被配置为在所述开关管上电的情况下，检测所述开关管上的电压，得到检测电压；并检测所述开关管上的电流，得到检测电流。所述检测电压，是所述开关管的集电极上的电压。所述检测电流，是所述开关管的发射极上的电流。
在一些实施方式中，所述采样单元102，包括：电压采样模块。所述电压采样模块，设置在所述开关管的集电极与所述开关管的发射极之间。所述电压采样模块，包括：第一分压电阻如电阻R1，以及第二分压电阻如电阻R2。
所述采样单元102，检测所述开关管上的电压，得到检测电压，包括：采用所述电压采样模块，采样所述开关管的集电极上的电压，得到检测电压。
具体地，采用电阻R1和电阻R2，对开关管Q1进行电压检测。利用电阻R1和电阻R2，分压检测输入电压。由电阻R1和电阻R2分压检测到的输入电压，输入驱动控制中心，进行欠压、过压监控。例如：在开关管Q1开通前，通过电阻R1、电阻R2分压检测的方式，进行欠压、过压检测，由电阻R1、电阻R2分压检测到的电压值符合预设的启动电压范围时，开启开关管Q1。
所述采样单元102，还包括：电流采样模块。所述电流采样模块，设置在所述开关管的发射极与地之间。所述电流采样模块，包括：电阻RS1。
所述采样单元102，检测所述开关管上的电流，得到检测电流，包括：采用所述电流采样模块，采样所述开关管的发射极上的电流，得到检测电流。
具体地，采用电阻RS1，对开关管Q1进行电流检测。由电阻RS1检测得到的电流，输入驱动控制中心进行过流监控。通过采样电阻检测通过电流输入驱动中心，将采样电流与设置阈值电流对比，大于阈值电流时，驱动中心断掉过流开关管控制电压，再次检测采样电流大小判断过流状态已过，开通对该开关管的控制。
所述驱动控制单元104，被配置为确定所述检测电压是否在预设的电压阈值范围内，若所述检测电压在所述电压阈值范围内，则控制所述开关管启动。当然，所述驱动控制单元104，还被配置为若所述检测电压不在所述电压阈值范围内，则执行预设的电压保护机制，控制开关管Q1关机。其中，预设的电压保护机制，包括预设的欠压保护机制或预设的过压保护机制。
所述驱动控制单元104，还被配置为确定所述检测电流是否小于或等于预设的电流阈值，若所述检测电流小于或等于所述电流阈值，则控制所述开关管启动。当然，若检测到的电流大于预设的电流阈值，则执行预设的电流保护机制，控制开关管Q1关机。以及，
所述驱动控制单元104，还被配置为在所述开关管启动的情况下，确定所述开关管的当前结温，并根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率。其中，所述开关管的当前结温，是三极管Q1中二极管的PN结上的温度。
具体地，在对开关管的过压、欠压保护方面，通过在开关管上电的情况下，检测开关管上的电压，若检测到的开关管上的电压在预设的启动电压范围(即电压阈值范围)内，则开启开关管，并在开关管开启的情况下，计算开关管的损耗，根据开关管的损耗确定开关管的结温，根据开关管的结温控制开关管的开关频率。在对开关管的过流保护方面，通过在开关管上电的情况下，检测开关管上的电流，若检测到的开关管上的电流小于或等于预设的电流阈值，则开启开关管，并在开关管开启的情况下，计算开关管的损耗，根据开关管的损耗确定开关管的结温，根据开关管的结温控制开关管的开关频率。
由此，在过压、欠压、过流等保护的前提下，通过迭代计算方法，计算开关管的损耗及其结温，进而对开关管的开关频率进行控制，能够大大提高控制的安全性，即提高开关管的使用安全性，从而解决了开关器件因过温、过压、过流而导致损坏失效的问题。进而，由于开关管控制的安全性提高了，可以减少由于开关管损耗而需要维护的情况，从而提高开关管的控制效率，也即提高了开关管的使用效率，解决了高压大功率条件下开关管的使用效率低的问题。
在一些实施方式中，所述驱动控制单元104，在所述开关管启动的情况下，确定所述开关管的当前结温，包括：
所述驱动控制单元104，具体还被配置为获取所述开关管的当前开关频率、所述开关管的开通能量、所述开关管的关断能量、以及所述开关管的设定系数。其中，所述开关管的设定系数，包括：开关管的直流电压系数KV(Vdc)，开关管对应的经验系数εCsw_Tr，以及开关管的为栅极电阻Rg对开关能量损耗的影响系数KR(Rg)。
所述驱动控制单元104，具体还被配置为根据所述开关管的当前开关频率、所述开关管的开通能量、所述开关管的关断能量、以及所述开关管的设定系数，确定所述开关管的当前损耗功率。
例如：利用以下公式，对开关管Q1的损耗功率Pt与开关管Q1的开关频率θt建立数学模型。
其中，fsw为开关频率，Eon为开关管开通能量，Eoff为开关管关断能量，KV(Vdc)为直流电压系数，εCsw_Tr为开关管对应的经验系数，KR(Rg)为栅极电阻Rg对开关能量损耗的影响系数，ω为角频率，为初相角，D(t)开关管占空比，X为调制度，取值范围为[0，1]。
所述驱动控制单元104，具体还被配置为根据设定损耗功率和设定结温之间的对应关系，将所述对应关系中与所述当前损耗功率相同的设定损耗功率所对应的设定结温，确定为与所述当前损耗功率对应的当前结温，作为所述开关管的当前结温。
具体地，计算出开关管Q1每个开关周期的损耗功率Pt和此时对应的结温，进而通过根据开关管Q1每个开关周期的损耗功率Pt和此时对应的结温，控制开关管Q1的开关频率。通过采集开关管各时刻的电压、电流，将采集到的电压和电流，以及开关管占空比和环境温度输入驱动控制中心，采用迭代计算方法计算结温，从结温控制开关管，能够解决开关管在大功率运行下易造成过压、过流、过温的问题，从而提高开关器件的使用安全性、效率。
在一些实施方式中，所述驱动控制单元104，根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率，包括：
所述驱动控制单元104，具体还被配置为基于所述开关管的当前结温，确定所述当前结温是否超过预设工作温度。预设工作温度，如安全工作范围的上限。
所述驱动控制单元104，具体还被配置为若所述当前结温未超过所述预设工作温度，则确定所述开关管的当前最佳频率，并控制所述开关管按所述当前最佳频率运行。
在一些实施方式中，所述驱动控制单元104，确定所述开关管的当前最佳频率，包括：所述驱动控制单元104，具体还被配置为基于所述开关管的当前结温，根据设定结温与设定最佳开关频率之间的对应关系，将所述对应关系中与所述当前结温相同的设定结温所对应的设定最佳开关频率，确定为与所述当前结温对应的当前最佳开关频率。
所述驱动控制单元104，具体还被配置为若所述当前结温超过所述预设工作温度，则对所述开关管进行温度保护。
具体地，在计算得到开关管Q1的损耗功率Pt和结温后，判断开关管的结温是否在预设的安全工作范围内。若是，则确保在安全结温下，调整开关管Q1的开关频率，使得开关管Q1的损耗最小，完整开关管Q1的开关频率的调整。否则，判断开关管Q1的结温超过安全工作范围的温度是否在可控范围内。
在一些实施方式中，所述驱动控制单元104，对所述开关管进行温度保护，包括：
所述驱动控制单元104，具体还被配置为在所述当前结温超过所述预设工作温度的情况下，确定所述开关管的当前结温与所述预设温度阈值之间的温度差，是否小于或等于预设控制温度。预设控制温度，如可控温度范围的上限。
所述驱动控制单元104，具体还被配置为若所述温度差小于或等于所述预设控制温度，则在所述开关管正常工作的情况下，减小所述开关管的当前开关频率。
所述驱动控制单元104，具体还被配置为若所述温度差大于所述预设控制温度，则执行预设的过温保护机制，控制所述开关管关机。
具体地，判断开关管Q1的结温超过安全工作范围的温度是否在可控范围内。若是，则保证开关管Q1的正常工作状态，减小开关管Q1的开关频率，使开关管Q1的结温降低至安全温度，完整开关管Q1的开关频率的调整。否则，执行预设的过温保护机制，控制开关管Q1关机。
由此，通过使用迭代计算方法计算开关管的损耗功率Pt和最佳运行频率点，对比预先设定的最佳频率点的开关管结温与此时结温，从而调整开关管运行频率，使得开关管运行在最佳效率点及安全温度下，如果此时结温不在预设可控温度范围内，立马进行过温保护。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过在开关管上电的情况下，对开关管进行电压检测和电流检测，在检测到的电压在电压阈值范围内、且检测到的电流小于电流阈值的情况下，开启开关管，并在开关管开启的情况下，计算开关管的损耗，根据开关管的损耗确定开关管的结温，根据开关管的结温控制开关管的开关频率。从而，通过根据开关管的损耗及结温，对开关管的开关频率进行控制，从而提供开关管控制的安全性。
根据本发明的实施例，还提供了对应于开关管的控制装置的一种电器设备。该电器设备可以包括：以上所述的开关管的控制装置。
开关管的损坏，本身就是一种损失。另外，在复查开关管的过程中，也很难判断开关管具体是因为什么原因损坏；再者，即使已复查出开关管损坏的原因，以开关管当前的驱动电路，也无法避免下次不再因过温或过压或过流而导致器件的损坏，又造成复查人员的资源浪费。
在一些实施方式中，本发明的方案，提供了一种具有多功能保护的开关管驱动控制方法，通过对开关管过压、欠压启动保护，过流监控，过温采样，计算调整开关管的驱动控制方法，从而提高开关管的运行可靠性，也使得开关管的使用效率最优化。
具体地，本发明的方案，在过压、欠压、过流等保护的前提下，通过迭代计算方法，计算开关管的损耗及其结温，进而对开关管的开关频率进行控制，能够大大提高控制的安全性，即提高开关管的使用安全性，从而解决了开关器件因过温、过压、过流而导致损坏失效的问题。进而，由于开关管控制的安全性提高了，可以减少由于开关管损耗而需要维护的情况，从而提高开关管的控制效率，也即提高了开关管的使用效率，解决了高压大功率条件下开关管的使用效率低的问题。
可见，本发明的方案，通过采集开关管各时刻的电压、电流，将采集到的电压和电流，以及开关管占空比和环境温度输入驱动控制中心，采用迭代计算方法计算结温，从结温控制开关管，能够解决开关管在大功率运行下易造成过压、过流、过温的问题，从而提高开关器件的使用安全性、效率。其中，本发明的方案，是基于空调控制的，开关管占空比和环境温度都是预先获取的。
下面结合图2至图4所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。
图2为一种开关管驱动电路的一实施例的结构示意图。如图2所示，开关管驱动电路，包括：电阻R63、电阻R71、电阻R72和电阻R73，电容C70、C71、C72，二极管D15，以及驱动芯片U14。驱动芯片U14的输入引脚(即VIN引脚1)，经电阻R71后接地，经电容C72后接地，还经电阻R63后接PWM驱动信号的输入端子PWM_13。驱动芯片U14的公共引脚(即COM引脚2)接地。驱动芯片U14的电源引脚(即VCC引脚5)，接直流电源+15V，经电容C71后接地，还经电容C70后接地。驱动芯片U14的输出引脚(如OUT引脚3、4)，经电阻R72后接PWM驱动信号的输入端子PWM_3，还经电阻R73后连接至二极管D15的阴极。二极管D15的阳极接PWM驱动信号的输入端子PWM_3。
在图2所示的例子中，开关管驱动电路仅有隔离作用，无法对驱动的开关管进行保护，对开关频率的调节也是根据整机运行需求来控制的，无法根据开关管的实际情况(如损耗和结温等)对开关频率进行调节，不利于对开关管进行保护。
图3为本发明的开关管驱动电路的一实施例的结构示意图。如图3所示，开关管驱动电路，包括：电阻R1、电阻R2，驱动单元(如驱动控制中心)，开关管Q1，电容C1和电感L1。电容C1和电感L1并联。电容C1和电感L1的第一端，接直流电源VDC；电容C1和电感L1的第二端，连接至开关管Q1的集电极，还经电阻R1和电阻R2后连接至开关管Q1的发射极。开关管Q1的基极，连接至驱动单元的第一连接端。开关管Q1的发射极，还经电阻RS1后接地。驱动单元的第二连接端，连接至电阻R1和电阻R2的公共端(即VDET端)。驱动单元的第三连接端接直流电源VCC，驱动单元的第四连接端用于接收驱动信号PWM。VDET端的电压，表示经过采样电阻进入驱动控制中心的电压。
在图3所示的例子中，在控制单元的控制信号(即PWM信号)发出后，再设置一个开关管Q1的驱动控制中心，来驱动开关管Q1。控制单元，可以选用数字信号处理(DSP)器。
在图3所示的例子中，利用电阻R1和电阻R2，分压检测输入电压。由电阻R1和电阻R2分压检测到的输入电压，输入驱动控制中心，进行欠压、过压监控。
在图3所示的例子中，利用电阻RS1进行电流检测。由电阻RS1检测得到的电流，输入驱动控制中心进行过流监控。
在图3所示的例子中，电容C1和电感L1，可根据开关管Q1的参数和PCB布线方式选取。电容C1和电感L1构成LC电路，LC电路的具体参数可根据开关管Q1的开关频率选取参数、滤波、抑制谐振。
使用本发明的方案提供的驱动控制方法，在开关管Q1开通前，通过电阻R1、电阻R2分压检测的方式，进行欠压、过压检测，由电阻R1、电阻R2分压检测到的电压值符合预设的启动电压范围时，开启开关管Q1，使得开关管Q1正常运行，利用以下公式，对开关管Q1的损耗功率Pt与开关管Q1的开关频率θt建立数学模型。
其中，fsw为开关频率，Eon为开关管开通能量，Eoff为开关管关断能量，KV(Vdc)为直流电压系数，εCsw-Tr为开关管对应的经验系数，KR(Rg)为栅极电阻Rg对开关能量损耗的影响系数，ω为角频率，为初相角，D(t)开关管占空比，X为调制度，取值范围为[0，1]。调制度＝调制波幅值/载波幅值，是已调波的一个重要参数，Pt是损耗功率，θt是结温。占空比用于计算开关周期中IGBT的结温。
采用公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)，使用迭代计算方法可以计算出开关管Q1每个开关周期的损耗功率Pt和此时对应的结温，进而通过根据开关管Q1每个开关周期的损耗功率Pt和此时对应的结温，控制开关管Q1的开关频率。例如：把IGBT进行热模型处理，采用等效RC热网络法，然后再用迭代计算方法计算第n个开关周期的结温：
其中，Δθtj(n)为IGBT热网络模型中第j个RC并联单元的温差；Δθch(n)为管壳到散热器的温差；Δθha(m)为散热器到环境的温差；θa为环境温度。可以求n个开关周期的结温，再对应结温带入公式(1)、(2)、(3)中求出开关损耗。
图4为本发明的具有多功能保护的开关管驱动控制方法的一实施例的控制流程示意图。如图4所示，具有多功能保护的开关管驱动控制方法，包括：
步骤1、在开关管Q1关机后重新上电的情况下，分别执行步骤2的开关管的控制和步骤3的电流检测，之后再执行步骤4。
步骤2、采用电阻R1和电阻R2，对开关管Q1进行电压检测。判断检测到的电压是否在预设的电压阈值范围内，若是，则计算出此时开关管Q1的损耗功率Pt和结温；否则，则执行预设的电压保护机制，控制开关管Q1关机。其中，预设的电压保护机制，包括预设的欠压保护机制或预设的过压保护机制。
步骤3、采用电阻RS1，对开关管Q1进行电流检测。判断检测到的电流是否大于预设的电流阈值，若是，则执行预设的电流保护机制，控制开关管Q1关机；否则，计算出此时开关管Q1的损耗功率Pt和结温。
步骤4、在计算得到开关管Q1的损耗功率Pt和结温后，判断开关管的结温是否在预设的安全工作范围内。若是，则确保在安全结温下，调整开关管Q1的开关频率，使得开关管Q1的损耗最小，完整开关管Q1的开关频率的调整。否则，判断开关管Q1的结温超过安全工作范围的温度是否在可控范围内；若是，则保证开关管Q1的正常工作状态，减小开关管Q1的开关频率，使开关管Q1的结温降低至安全温度，完整开关管Q1的开关频率的调整；否则，执行预设的过温保护机制，控制开关管Q1关机。
使用迭代计算方法计算开关管的损耗功率Pt和最佳运行频率点，对比预先设定的最佳频率点的开关管结温与此时结温，从而调整开关管运行频率，使得开关管运行在最佳效率点及安全温度下，如果此时结温不在预设可控温度范围内，立马进行过温保护；同时，通过采样电阻检测通过电流输入驱动中心，将采样电流与设置阈值电流对比，大于阈值电流时，驱动中心断掉过流开关管控制电压，再次检测采样电流大小判断过流状态已过，开通对该开关管的控制，具体控制流程参见图3所示的例子。
综上，本发明的方案提供的开关管驱动控制方法，在过压、欠压、过流和过温保护的前提下，通过迭代计算方法计算开关管的周期损耗及其结温，保证温度安全的前提下，调整至最佳开关频率点，进而对开关管的开关频率进行控制，大大提高控制的安全性，又进一步提高控制效率。
由于本实施例的电器设备所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过在开关管上电的情况下，对开关管进行电压检测和电流检测，在检测到的电压在电压阈值范围内、且检测到的电流小于电流阈值的情况下，开启开关管，并在开关管开启的情况下，计算开关管的损耗，根据开关管的损耗确定开关管的结温，根据开关管的结温控制开关管的开关频率，能够大大提高控制的安全性，即提高开关管的使用安全性。
根据本发明的实施例，还提供了对应于电器设备的一种开关管的控制方法，如图5所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。该开关管的控制方法可以包括：步骤S110至步骤S140。
在步骤S110处，在所述开关管上电的情况下，检测所述开关管上的电压，得到检测电压；并检测所述开关管上的电流，得到检测电流。开关管，如开关管Q1。驱动控制单元104，如驱动控制中心。在开关管的控制单元的控制信号发出后，再设置一个开关管Q1的驱动控制中心，来驱动开关管Q1。所述检测电压，是所述开关管的集电极上的电压。所述检测电流，是所述开关管的发射极上的电流。
在一些实施方式中，步骤S110中检测所述开关管上的电压，得到检测电压，包括：采用所述电压采样模块，采样所述开关管的集电极上的电压，得到检测电压。电压采样模块，设置在所述开关管的集电极与所述开关管的发射极之间。所述电压采样模块，包括：第一分压电阻如电阻R1，以及第二分压电阻如电阻R2。
具体地，采用电阻R1和电阻R2，对开关管Q1进行电压检测。利用电阻R1和电阻R2，分压检测输入电压。由电阻R1和电阻R2分压检测到的输入电压，输入驱动控制中心，进行欠压、过压监控。例如：在开关管Q1开通前，通过电阻R1、电阻R2分压检测的方式，进行欠压、过压检测，由电阻R1、电阻R2分压检测到的电压值符合预设的启动电压范围时，开启开关管Q1。
在一些实施方式中，步骤S110中检测所述开关管上的电流，得到检测电流，包括：采用所述电流采样模块，采样所述开关管的发射极上的电流，得到检测电流。电流采样模块，设置在所述开关管的发射极与地之间。所述电流采样模块，包括：电阻RS1。
具体地，采用电阻RS1，对开关管Q1进行电流检测。由电阻RS1检测得到的电流，输入驱动控制中心进行过流监控。通过采样电阻检测通过电流输入驱动中心，将采样电流与设置阈值电流对比，大于阈值电流时，驱动中心断掉过流开关管控制电压，再次检测采样电流大小判断过流状态已过，开通对该开关管的控制。
在步骤S120处，确定所述检测电压是否在预设的电压阈值范围内，若所述检测电压在所述电压阈值范围内，则控制所述开关管启动。当然，所述驱动控制单元104，还被配置为若所述检测电压不在所述电压阈值范围内，则执行预设的电压保护机制，控制开关管Q1关机。其中，预设的电压保护机制，包括预设的欠压保护机制或预设的过压保护机制。
在步骤S130处，确定所述检测电流是否小于或等于预设的电流阈值，若所述检测电流小于或等于所述电流阈值，则控制所述开关管启动。当然，若检测到的电流大于预设的电流阈值，则执行预设的电流保护机制，控制开关管Q1关机。以及，
在步骤S140处，在所述开关管启动的情况下，确定所述开关管的当前结温，并根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率。其中，所述开关管的当前结温，是三极管Q1中二极管的PN结上的温度。
具体地，在对开关管的过压、欠压保护方面，通过在开关管上电的情况下，检测开关管上的电压，若检测到的开关管上的电压在预设的启动电压范围(即电压阈值范围)内，则开启开关管，并在开关管开启的情况下，计算开关管的损耗，根据开关管的损耗确定开关管的结温，根据开关管的结温控制开关管的开关频率。在对开关管的过流保护方面，通过在开关管上电的情况下，检测开关管上的电流，若检测到的开关管上的电流小于或等于预设的电流阈值，则开启开关管，并在开关管开启的情况下，计算开关管的损耗，根据开关管的损耗确定开关管的结温，根据开关管的结温控制开关管的开关频率。
由此，在过压、欠压、过流等保护的前提下，通过迭代计算方法，计算开关管的损耗及其结温，进而对开关管的开关频率进行控制，能够大大提高控制的安全性，即提高开关管的使用安全性，从而解决了开关器件因过温、过压、过流而导致损坏失效的问题。进而，由于开关管控制的安全性提高了，可以减少由于开关管损耗而需要维护的情况，从而提高开关管的控制效率，也即提高了开关管的使用效率，解决了高压大功率条件下开关管的使用效率低的问题。
在一些实施方式中，在所述开关管启动的情况下，步骤S140中确定所述开关管的当前结温的具体情况，参见以下示例性说明。
下面结合图6所示本发明的方法中确定所述开关管的当前结温的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S140中确定所述开关管的当前结温的具体过程，包括：步骤S210至步骤S230。
步骤S210，获取所述开关管的当前开关频率、所述开关管的开通能量、所述开关管的关断能量、以及所述开关管的设定系数。其中，所述开关管的设定系数，包括：开关管的直流电压系数KV(Vdc)，开关管对应的经验系数εCsw_Tr，以及开关管的为栅极电阻Rg对开关能量损耗的影响系数KR(Rg)。
步骤S220，根据所述开关管的当前开关频率、所述开关管的开通能量、所述开关管的关断能量、以及所述开关管的设定系数，确定所述开关管的当前损耗功率。
例如：利用以下公式，对开关管Q1的损耗功率Pt与开关管Q1的开关频率θt建立数学模型。
其中，fsw为开关频率，Eon为开关管开通能量，Eoff为开关管关断能量，KV(Vdc)为直流电压系数，εCsw_Tr为开关管对应的经验系数，KR(Rg)为栅极电阻Rg对开关能量损耗的影响系数，ω为角频率，为初相角，D(t)开关管占空比，X为调制度，取值范围为[0，1]。
步骤S230，根据设定损耗功率和设定结温之间的对应关系，将所述对应关系中与所述当前损耗功率相同的设定损耗功率所对应的设定结温，确定为与所述当前损耗功率对应的当前结温，作为所述开关管的当前结温。
具体地，计算出开关管Q1每个开关周期的损耗功率Pt和此时对应的结温，进而通过根据开关管Q1每个开关周期的损耗功率P1和此时对应的结温，控制开关管Q1的开关频率。通过采集开关管各时刻的电压、电流，将采集到的电压和电流，以及开关管占空比和环境温度输入驱动控制中心，采用迭代计算方法计算结温，从结温控制开关管，能够解决开关管在大功率运行下易造成过压、过流、过温的问题，从而提高开关器件的使用安全性、效率。
在一些实施方式中，结合图7所示本发明的方法中根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S140中根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率的具体过程，包括：步骤S310至步骤S330。
步骤S310，基于所述开关管的当前结温，确定所述当前结温是否超过预设工作温度。预设工作温度，如安全工作范围的上限。
步骤S320，若所述当前结温未超过所述预设工作温度，则确定所述开关管的当前最佳频率，并控制所述开关管按所述当前最佳频率运行。
在一些实施方式中，步骤S320中确定所述开关管的当前最佳频率，包括：基于所述开关管的当前结温，根据设定结温与设定最佳开关频率之间的对应关系，将所述对应关系中与所述当前结温相同的设定结温所对应的设定最佳开关频率，确定为与所述当前结温对应的当前最佳开关频率。
步骤S330，若所述当前结温超过所述预设工作温度，则对所述开关管进行温度保护。
具体地，在计算得到开关管Q1的损耗功率Pt和结温后，判断开关管的结温是否在预设的安全工作范围内。若是，则确保在安全结温下，调整开关管Q1的开关频率，使得开关管Q1的损耗最小，完整开关管Q1的开关频率的调整。否则，判断开关管Q1的结温超过安全工作范围的温度是否在可控范围内。
在一些实施方式中，结合图8所示本发明的方法中对所述开关管进行温度保护的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S330中对所述开关管进行温度保护的具体过程，包括：步骤S410至步骤S430。
步骤S410，在所述当前结温超过所述预设工作温度的情况下，确定所述开关管的当前结温与所述预设温度阈值之间的温度差，是否小于或等于预设控制温度。预设控制温度，如可控温度范围的上限。
步骤S420，若所述温度差小于或等于所述预设控制温度，则在所述开关管正常工作的情况下，减小所述开关管的当前开关频率。
步骤S430，若所述温度差大于所述预设控制温度，则执行预设的过温保护机制，控制所述开关管关机。
具体地，判断开关管Q1的结温超过安全工作范围的温度是否在可控范围内。若是，则保证开关管Q1的正常工作状态，减小开关管Q1的开关频率，使开关管Q1的结温降低至安全温度，完整开关管Q1的开关频率的调整。否则，执行预设的过温保护机制，控制开关管Q1关机。
由此，通过使用迭代计算方法计算开关管的损耗功率Pt和最佳运行频率点，对比预先设定的最佳频率点的开关管结温与此时结温，从而调整开关管运行频率，使得开关管运行在最佳效率点及安全温度下，如果此时结温不在预设可控温度范围内，立马进行过温保护。
由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述电器设备的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过在开关管上电的情况下，对开关管进行电压检测和电流检测，在检测到的电压在电压阈值范围内、且检测到的电流小于电流阈值的情况下，开启开关管，并在开关管开启的情况下，计算开关管的损耗，根据开关管的损耗确定开关管的结温，根据开关管的结温控制开关管的开关频率，可以减少由于开关管损耗而需要维护的情况，从而提高开关管的控制效率。
综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种开关管的控制装置，其特征在于，包括：采样单元和驱动控制单元；其中，
所述采样单元，被配置为在所述开关管上电的情况下，检测所述开关管上的电压，得到检测电压；并检测所述开关管上的电流，得到检测电流；
所述驱动控制单元，被配置为确定所述检测电压是否在预设的电压阈值范围内，若所述检测电压在所述电压阈值范围内，则控制所述开关管启动；
确定所述检测电流是否小于或等于预设的电流阈值，若所述检测电流小于或等于所述电流阈值，则控制所述开关管启动；以及，
在所述开关管启动的情况下，确定所述开关管的当前结温，并根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率；
其中，利用以下公式，对开关管Q1的损耗功率Pt与开关管Q1的开关频率θt建立数学模型：
（1）；
（2）；
（3）；
（4）；
其中，为开关频率，/>为开关管开通能量，/>为开关管关断能量，/>为直流电压系数，/>为开关管对应的经验系数，/>为栅极电阻/>对开关能量损耗的影响系数，/>为角频率，/>为初相角，/>开关管占空比，X为调制度，取值范围为[0, 1]；
计算出开关管Q1每个开关周期的损耗功率Pt和此时对应的结温，进而通过根据开关管Q1每个开关周期的损耗功率Pt和此时对应的结温，控制开关管Q1的开关频率。
2.根据权利要求1所述的开关管的控制装置，其特征在于，所述采样单元，包括：电压采样模块；所述电压采样模块，设置在所述开关管的集电极与所述开关管的发射极之间；
所述采样单元，检测所述开关管上的电压，得到检测电压，包括：
采用所述电压采样模块，采样所述开关管的集电极上的电压，得到检测电压；
所述采样单元，还包括：电流采样模块；所述电流采样模块，设置在所述开关管的发射极与地之间；
所述采样单元，检测所述开关管上的电流，得到检测电流，包括：
采用所述电流采样模块，采样所述开关管的发射极上的电流，得到检测电流。
3.根据权利要求1所述的开关管的控制装置，其特征在于，所述驱动控制单元，确定所述开关管的当前结温，包括：
获取所述开关管的当前开关频率、所述开关管的开通能量、所述开关管的关断能量、以及所述开关管的设定系数；
根据所述开关管的当前开关频率、所述开关管的开通能量、所述开关管的关断能量、以及所述开关管的设定系数，确定所述开关管的当前损耗功率；
根据设定损耗功率和设定结温之间的对应关系，将所述对应关系中与所述当前损耗功率相同的设定损耗功率所对应的设定结温，确定为与所述当前损耗功率对应的当前结温，作为所述开关管的当前结温。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的开关管的控制装置，其特征在于，所述驱动控制单元，根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率，包括：
基于所述开关管的当前结温，确定所述当前结温是否超过预设工作温度；
若所述当前结温未超过所述预设工作温度，则确定所述开关管的当前最佳频率，并控制所述开关管按所述当前最佳频率运行；
若所述当前结温超过所述预设工作温度，则对所述开关管进行温度保护。
5.根据权利要求4所述的开关管的控制装置，其特征在于，所述驱动控制单元，确定所述开关管的当前最佳频率，包括：
基于所述开关管的当前结温，根据设定结温与设定最佳开关频率之间的对应关系，将所述对应关系中与所述当前结温相同的设定结温所对应的设定最佳开关频率，确定为与所述当前结温对应的当前最佳开关频率。
6.根据权利要求4所述的开关管的控制装置，其特征在于，所述驱动控制单元，对所述开关管进行温度保护，包括：
在所述当前结温超过所述预设工作温度的情况下，确定所述开关管的当前结温与预设温度阈值之间的温度差，是否小于或等于预设控制温度；
若所述温度差小于或等于所述预设控制温度，则在所述开关管正常工作的情况下，减小所述开关管的当前开关频率；
若所述温度差大于所述预设控制温度，则执行预设的过温保护机制，控制所述开关管关机。
7.一种电器设备，其特征在于，包括：如权利要求1至6中任一项所述的开关管的控制装置。
8.一种开关管的控制方法，其特征在于，包括：
在所述开关管上电的情况下，检测所述开关管上的电压，得到检测电压；并检测所述开关管上的电流，得到检测电流；
确定所述检测电压是否在预设的电压阈值范围内，若所述检测电压在所述电压阈值范围内，则控制所述开关管启动；
确定所述检测电流是否小于或等于预设的电流阈值，若所述检测电流小于或等于所述电流阈值，则控制所述开关管启动；以及，
在所述开关管启动的情况下，确定所述开关管的当前结温，并根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率；
其中，利用以下公式，对开关管Q1的损耗功率Pt与开关管Q1的开关频率θt建立数学模型：
（1）；
（2）；
（3）；
（4）；
其中，为开关频率，/>为开关管开通能量，/>为开关管关断能量，/>为直流电压系数，/>为开关管对应的经验系数，/>为栅极电阻/>对开关能量损耗的影响系数，/>为角频率，/>为初相角，/>开关管占空比，X为调制度，取值范围为[0, 1]；
计算出开关管Q1每个开关周期的损耗功率Pt和此时对应的结温，进而通过根据开关管Q1每个开关周期的损耗功率Pt和此时对应的结温，控制开关管Q1的开关频率。
9.根据权利要求8所述的开关管的控制方法，其特征在于，其中，
检测所述开关管上的电压，得到检测电压，包括：
采用电压采样模块，采样所述开关管的集电极上的电压，得到检测电压；
检测所述开关管上的电流，得到检测电流，包括：
采用电流采样模块，采样所述开关管的发射极上的电流，得到检测电流。
10.根据权利要求8所述的开关管的控制方法，其特征在于，确定所述开关管的当前结温，包括：
获取所述开关管的当前开关频率、所述开关管的开通能量、所述开关管的关断能量、以及所述开关管的设定系数；
根据所述开关管的当前开关频率、所述开关管的开通能量、所述开关管的关断能量、以及所述开关管的设定系数，确定所述开关管的当前损耗功率；
根据设定损耗功率和设定结温之间的对应关系，将所述对应关系中与所述当前损耗功率相同的设定损耗功率所对应的设定结温，确定为与所述当前损耗功率对应的当前结温，作为所述开关管的当前结温。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的开关管的控制方法，其特征在于，根据所述当前结温控制所述开关管的开关频率，包括：
基于所述开关管的当前结温，确定所述当前结温是否超过预设工作温度；
若所述当前结温未超过所述预设工作温度，则确定所述开关管的当前最佳频率，并控制所述开关管按所述当前最佳频率运行；
若所述当前结温超过所述预设工作温度，则对所述开关管进行温度保护。
12.根据权利要求11所述的开关管的控制方法，其特征在于，确定所述开关管的当前最佳频率，包括：
基于所述开关管的当前结温，根据设定结温与设定最佳开关频率之间的对应关系，将所述对应关系中与所述当前结温相同的设定结温所对应的设定最佳开关频率，确定为与所述当前结温对应的当前最佳开关频率。
13.根据权利要求11所述的开关管的控制方法，其特征在于，对所述开关管进行温度保护，包括：
在所述当前结温超过所述预设工作温度的情况下，确定所述开关管的当前结温与预设温度阈值之间的温度差，是否小于或等于预设控制温度；
若所述温度差小于或等于所述预设控制温度，则在所述开关管正常工作的情况下，减小所述开关管的当前开关频率；
若所述温度差大于所述预设控制温度，则执行预设的过温保护机制，控制所述开关管关机。
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