一種變換器及其功率器件的均熱控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種變換器及其功率器件的均熱控制方法,該變換器還包括至少兩個并聯的功率模塊,平均值確定模塊,用于確定至少兩個功率模塊的電流或功率平均值;與每個功率模塊相對應的給定值確定模塊,用于根據相應功率模塊的功率器件的散熱信息及電流或功率平均值為相應功率模塊確定電流或功率給定值;與每個功率模塊相對應的反饋值確定模塊,用于對相應功率模塊的電流或功率進行采樣,并將采樣電流或功率作為相應功率模塊的電流或功率反饋值;與每個功率模塊相對應的調節器,用于根據相應功率模塊的給定值及反饋值生成相應功率模塊的控制信號。實施本發明的技術方案,可實現各個功率模塊的功率器件的均熱。
【專利說明】一種變換器及其功率器件的均熱控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電能轉換領域,尤其涉及一種變換器及其功率器件的均熱控制方法。【背景技術】
[0002]現代變換器普遍采用多個功率模塊并聯的方法來增加輸出電流和提高功率等級。直接并聯而不加以控制會造成不均流,導致電流較大的功率模塊發熱嚴重、可靠性降低。并聯的功率模塊一般通過閉環控制的方式向每個功率模塊輸出PWM信號,從而實現每個功率模塊均流,以保證并聯的每個功率模塊電流及功耗一致。
[0003]均流控制雖然保證了并聯功率模塊損耗一致,但是,在實際工程中,由于功率器件受結構、空間等限制,每個功率器件的散熱條件差異可能很大。完全的均流控制會導致散熱差的功率器件,如電感、開關器件等溫升大,極端情況下可能導致器件過熱損壞,而散熱條件好器件不能完全發揮其能力。例如圖1所示的Boost變換器,將輸入的300V?700V的直流電升壓到750V。電路原理圖如下所示:以功率電感為例說明均熱原理,IGBT等功率器件均熱也同理。電感L1、L2為A組Boost電路中的電感,L3、L4為B組Boost電路中的電感。因受空間及結構限制,電感L1、L2放置在風道上風處,電感L3、L4放置于風道下風處。在A、B兩組完全均流的情況下,電感L1、L2的溫度比電感L3、L4低10°C?15°C。在重載情況下,電感L3、L4會過熱,而電感L1、L2并不能完全發揮其能力。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題在于,針對現有技術上述功率模塊在并聯時由于受空間、結構的影響而使功率器件要么過熱損壞要么不能完全發揮其能力,提供一種。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:構造一種變換器,包括至少兩個并聯的功率模塊,所述每個功率模塊包括功率器件,所述變換器還包括:
[0006]平均值確定模塊,用于確定至少兩個功率模塊的電流或功率平均值;
[0007]與每個功率模塊相對應的給定值確定模塊,用于根據相應功率模塊的功率器件的散熱信息及所述電流或功率平均值為相應功率模塊確定電流或功率給定值;
[0008]與每個功率模塊相對應的反饋值確定模塊,用于對相應功率模塊的電流或功率進行采樣,并將采樣電流或功率作為相應功率模塊的電流或功率反饋值;
[0009]與每個功率模塊相對應的調節器,用于根據相應功率模塊的給定值及反饋值生成相應功率模塊的控制信號,以實現每個功率模塊的功率器件的均熱。
[0010]在本發明所述的變換器中,所述給定值確定模塊用于通過熱試驗的方式為每個功率模塊確定電流或功率給定值。
[0011]在本發明所述的變換器中,所述給定值確定模塊包括溫度采樣單元、溫度調節器和確定單元,而且,所述變換器還包括計算模塊,其中,
[0012]所述溫度采樣單元,用于對相應功率模塊的功率器件進行溫度采樣;
[0013]所述計算模塊,用于根據每個功率模塊的功率器件的溫度采樣值,計算至少兩個功率模塊的功率器件的溫度采樣平均值;
[0014]所述溫度調節器,用于根據相應功率模塊的功率器件的溫度采樣值和所述溫度采樣平均值,生成相應功率模塊的電流或功率差分值;
[0015]所述確定單元,用于根據所述電流或功率平均值和所述相應功率模塊的電流或功率差分值,生成相應功率模塊的電流或功率給定值。
[0016]在本發明所述的變換器中,所述電流調節器或所述溫度調節器為PID調節器。
[0017]在本發明所述的變換器中,所述功率模塊為整流模塊、逆變模塊、DC-DC變換模塊或AC-AC變換模塊。
[0018]在本發明所述的變換器中,所述功率器件為電感、開關管、二極管。
[0019]本發明還構造一種變換器的功率器件的均熱控制方法,其特征在于,包括:
[0020]Sll.確定至少兩個功率模塊的電流或功率平均值;
[0021]S12.根據相應功率模塊的功率器件的散熱信息及所述電流或功率平均值為相應功率模塊確定電流或功率給定值;
[0022]S13.對相應功率模塊的電流或功率進行采樣,并將采樣電流或功率作為相應功率模塊的電流或功率反饋值;
[0023]S14.根據相應功率模塊的給定值及反饋值生成相應功率模塊的控制信號,以實現每個功率模塊的功率器件的均熱。
[0024]在本發明所述的均熱控制方法中,在所述步驟S12中,通過熱試驗的方式為每個功率模塊確定電流或功率給定值。
[0025]在本發明所述的均熱控制方法中,在所述步驟S12中,根據下面步驟確定電流或功率給定值:
[0026]對相應功率模塊的功率器件進行溫度采樣;
[0027]根據每個功率模塊的功率器件的溫度采樣值,計算至少兩個功率模塊的功率器件的溫度采樣平均值;
[0028]根據相應功率模塊的功率器件的溫度采樣值和所述溫度采樣平均值,生成相應功率模塊的電流或功率差分值;
[0029]根據所述電流或功率平均值和所述相應功率模塊的電流或功率差分值,生成相應功率模塊的電流或功率給定值。
[0030]在本發明所述的均熱控制方法中,在所述步驟S14中,通過PI調節或P調節的方式生成相應功率模塊的控制信號。
[0031]實施本發明的技術方案,由于電流或功率的給定值是根據散熱信息和電流或功率平均值來確定的,假設某個功率模塊的功率器件散熱條件好,該功率模塊的電流或功率給定值將大于電流或功率平均值,相反,則該功率模塊的電流或功率給定值將小于電流或功率平均值。然后,在調節器的調節下,該功率模塊的電流或功率反饋值始終跟隨電流或功率給定值,從而使散熱條件好的功率模塊的功率器件的電流或功率較大,可較大限度地發揮其能力;而散熱條件較差的功率模塊的功率器件的電流或功率較小,可避免過熱而損壞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明,附圖中:[0033]圖1是包含兩個并聯的功率模塊的Boost變換器的電路圖;
[0034]圖2是本發明變換器實施例一的邏輯圖;
[0035]圖3是圖2所示的變換器的工作原理的環路圖;
[0036]圖4是本發明變換器實施例二的邏輯圖;
[0037]圖5是圖4所示的變換器的工作原理的環路圖;
[0038]圖6是本發明變換器的功率器件的均熱控制方法實施例一的流程圖;
[0039]圖7是圖6中步驟S12優選實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0040]圖2是本發明變換器實施例一的邏輯圖,首先說明的是,該變換器包括平均值確定模塊10、至少兩個并聯的功率模塊及與每個功率模塊對應的給定值確定模塊、反饋值確定模塊和調節器,而且,每個功率模塊包括有功率器件。應當說明的是,圖2中雖然僅示出了 一個功率模塊A、及與該功率模塊A對應的給定值確定模塊20、反饋值確定模塊30和調節器40,但本領域技術人員應能理解,與其它功率模塊相對應的給定值確定模塊、反饋值確定模塊和調節器的邏輯結構與給定值確定模塊20、反饋值確定模塊30和調節器40的邏輯結構相同。在該實施例中,平均值確定模塊10用于確定至少兩個功率模塊的電流或功率平均值,例如,對于電流平均值的確定,可通過采樣至少兩個功率模塊的總電流,并根據總電流和功率模塊的總個數確定電流平均值,例如通過總電流與功率模塊的數量相除的方式來獲取平均電流值。對于功率平均值的確定,可通過分別采樣每個功率模塊的電流和電壓,然后分別計算每個功率模塊的功率,再將所有功率模塊的功率相加得到總功率,最后將總功率除以功率模塊的總數量,便可得到功率平均值。電流給定值確定模塊20用于根據功率模塊A的功率器件的散熱信息及電流或功率平均值為功率模塊A確定電流或功率給定值,例如,根據散熱情況,分別為每個功率模塊分配一大于O小于功率模塊數量的系數,且散熱情況好的功率模塊的功率器件的系數大于散熱情況差的功率模塊的功率器件的系數,所有功率模塊的系數相加功率模塊的數量,則功率模塊A的電流或功率給定值為電流或功率平均值乘以相應的系數;反饋值確定模塊30用于對功率模塊A的電流或功率進行采樣,并將采樣電流或功率作為相應功率模塊的電流或功率反饋值;調節器40用于根據功率模塊A的給定值及反饋值生成相應功率模塊的控制信號,以實現每個功率模塊的功率器件的均熱。
[0041]下面說明該變換器是如何實現功率器件均熱的:結合圖3,圖3僅僅示出了功率模塊A的電流控制環路圖,但本領域技術人員應能理解,其它功率模塊的控制環路與功率模塊A的電流控制環路相同,不再贅述。而且,本領域技術人員還應能理解,功率控制環路和電流控制環路類似,在此也不再贅述。在本發明的該實施例中,多個功率模塊的電流給定值不一定等于平均電流值,例如,功率模塊A的功率器件散熱條件好,該功率模塊A的電流給定值ΙΑ—μ將大于平均電流值,例如為平均電流乘以1.1的系數。在該變換器工作時,若該功率模塊A的電流反饋值Ia小于電流給定值Ia μ,則在調節器(此處為電流調節器)的調節下,輸出至該功率模塊A的控制信號將會使功率模塊A的電流增大,從而使電流反饋值Ia始終跟隨電流給定值ΙΑ—μ (即1.1倍的平均電流),這樣的話,散熱條件好的功率模塊A的功率器件的能力就完全發揮出來了。相反,若功率模塊A的功率器件散熱較差,則可確定其電流給定值IA—%小于平均電流值,例如,電流平均值乘以0.85的系數,通過相應的電流調節器調節后,該功率模塊A的電流反饋值Ia始終跟隨電流給定值Ia Mf(即0.85倍的平均電流),這樣就減小了該功率模塊A的電流,從而減小了該散熱較差的功率模塊的功率器件的發熱。因此,通過上述方式可實現各個功率模塊的功率器件的均熱。
[0042]在圖4所示的本發明變換器實施例二的邏輯圖中,該實施例相比圖2所示的實施例,所不同的僅是,該實施例的變換器還包括計算模塊70,而且,給定值確定模塊20具體包括:溫度采樣單元21、溫度調節器22和確定單元23。其它相同的部分在此不做贅述。在該實施例中,溫度采樣單元21用于對該功率模塊A的功率器件進行溫度采樣;計算模塊70用于根據每個功率模塊的功率器件的溫度采樣值,計算至少兩個功率模塊的功率器件的溫度采樣平均值;溫度調節器22用于根據功率模塊A的功率器件的溫度采樣值和溫度采樣平均值,生成功率模塊A的電流或功率差分值;確定單元24用于根據電流或功率平均值和該功率模塊A的電流或功率差分值,生成該功率模塊A的電流或功率給定值。同樣地,對于其它功率模塊,其所對應的給定值確定模塊也可具體包括相應的溫度采樣單元、溫度調節器和確定單元,且溫度采樣單元、溫度調節器和確定單元的邏輯結構與溫度采樣單元21、溫度調節器22和確定單元23的邏輯結構相同,在此不做贅述。
[0043]下面結合圖5說明該變換器是如何實現功率器件均熱的:相比較于圖3所示的實施例,所不同的僅是,增加了溫度采樣及調節部分,具體為:分別對每個功率模塊的功率器件的溫度進行采樣,得到各個功率模塊的溫度采樣值,例如功率模塊A的功率器件的溫度采樣值為Vtomp (電壓信號)。然后,根據各個功率模塊的功率器件的溫度采樣值計算溫度平均值VtMP,例如,對所有功率模塊的功率器件的溫度采樣值求和后,再除以功率模塊的數量。對于功率模塊A,其功率器件的溫度采樣值VAt?p和溫度平均值Vtraip通過溫度調節器比較后,用于調整該功率模塊A的電流給定值Ia Mf。假設功率模塊A的功率器件的溫度較高,說明其散熱較差,則溫度調節器輸出負的電流差分值,然后該負的電流差分值與電流平均值Iavg相加,使該功率模塊A的電流給定值Ia 值減小。在電流調節器的調節下,該功率模塊A的電流反饋值Ia始終跟 隨電流給定值IAMf,因此該功率模塊A的電流也減小,從而可降低其功率器件的溫度。反之,假設功率模塊A的功率器件的溫度較低,說明其散熱條件較好,則溫度調節器輸出正的電流差分值,然后該正的電流差分值與電流平均值Iavg相加,使該功率模塊A的電流給定值IA Mf值增大。在電流調節器的調節下,該功率模塊A的電流反饋值Ia始終跟隨電流給定值IA—Mf,因此該功率模塊A的電流也增大,從而可提高其功率器件的溫度,使該散熱條件好的功率模塊A的功率器件的能力完全發揮出來。同樣地,其它功率模塊的電流調節原理也與功率模塊A的電流調節原理相同。通過這種方式的調節,若某個功率模塊的功率器件的溫度比溫度的平均值高的越多,該功率模塊的電流給定值越小,通過電流調節器調節后,該功率模塊的電流越小,發熱也越小,最終達到每個功率模塊的功率器件發熱一致的效果。而且,采用溫度閉環控制,環境適應能力更強,能適應各種工況下的器件均熱。
[0044]在本發明變換器的另一個實施例中,每個功率模塊的電流給定值還可通過熱試驗的方式來確定,一般來講,散熱條件好的功率模塊的電流給定值大,散熱差的功率模塊的電流給定值小。散熱條件差異越大,電流給定值差異也越大。
[0045]在本發明變換器的一個優選實施例中,調節器或溫度調節器為PID調節器,在此需說明的是,在使用PID調節器時,可根據需要選擇其中的比例調節、積分調節或微分調節環節中的一個或多個。另外,上述實施例中的功率模塊可為整流模塊、逆變模塊、DC-DC變換模塊或AC-AC變換模塊,例如BoostDC-DC變換模塊。上述實施例中的功率器件可為電感、
開關管、二極管等。
[0046]圖6是本發明變換器的功率器件的均熱控制方法實施例一的流程圖,結合圖2,該變換器的功率器件的均熱控制方法包括:
[0047]Sll.確定至少兩個功率模塊的電流或功率平均值;
[0048]S12.根據相應功率模塊的功率器件的散熱信息及所述電流或功率平均值為相應功率模塊確定電流或功率給定值;
[0049]S13.對相應功率模塊的電流或功率進行采樣,并將采樣電流或功率作為相應功率模塊的電流或功率反饋值;
[0050]S14.根據相應功率模塊的給定值及反饋值生成相應功率模塊的控制信號,以實現每個功率模塊的功率器件的均熱。
[0051]在本發明變換器的功率器件的均熱控制方法的一個優選實施例中,步驟S12可通過熱實現的方法為每個功率模塊確定電流給定值。
[0052]在本發明變換器的功率器件的均熱控制方法的另一個優選實施例中,如圖7所示,步驟S12根據下面步驟確定電流或功率給定值:
[0053]S121.對相應功率模塊的功率器件進行溫度采樣;
[0054]S122.根據每個功率模塊的功率器件的溫度采樣值,計算至少兩個功率模塊的功率器件的溫度采樣平均值;
[0055]S123.根據相應功率模塊的功率器件的溫度采樣值和所述溫度采樣平均值,生成相應功率模塊的電流或功率差分值;
[0056]S124.根據所述電流或功率平均值和所述相應功率模塊的電流或功率差分值,生成相應功率模塊的電流或功率給定值。
[0057]另外,上述實施例中,電流或功率的調節方式或溫度調節的調節方式可為PID調節。
[0058]以上僅為本發明的優選實施例而已,并不用于限制本發明,對于本領域的技術人員來說,本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發明的權利要求范圍之內。
【權利要求】
1.一種變換器,包括至少兩個并聯的功率模塊,所述每個功率模塊包括功率器件,其特征在于,所述變換器還包括: 平均值確定模塊,用于確定至少兩個功率模塊的電流或功率平均值; 與每個功率模塊相對應的給定值確定模塊,用于根據相應功率模塊的功率器件的散熱信息及所述電流或功率平均值為相應功率模塊確定電流或功率給定值; 與每個功率模塊相對應的反饋值確定模塊,用于對相應功率模塊的電流或功率進行采樣,并將采樣電流或功率作為相應功率模塊的電流或功率反饋值; 與每個功率模塊相對應的調節器,用于根據相應功率模塊的給定值及反饋值生成相應功率模塊的控制信號,以實現每個功率模塊的功率器件的均熱。
2.根據權利要求1所述的變換器,其特征在于,所述給定值確定模塊用于通過熱試驗的方式為每個功率模塊確定電流或功率給定值。
3.根據權利要求1所述的變換器,其特征在于,所述給定值確定模塊包括溫度采樣單元、溫度調節器和確定單元,而且,所述變換器還包括計算模塊,其中, 所述溫度采樣單元,用于對相應功率模塊的功率器件進行溫度采樣; 所述計算模塊,用于根據每個功率模塊的功率器件的溫度采樣值,計算至少兩個功率模塊的功率器件的溫度采樣平均值; 所述溫度調節器,用于根據相應功率模塊的功率器件的溫度采樣值和所述溫度采樣平均值,生成相應功率模塊的電流或功率差分值; 所述確定單元,用于根據所述電流或功率平均值和所述相應功率模塊的電流或功率差分值,生成相應功率模塊的電流或功率給定值。
4.根據權利要求3所述的變換器,其特征在于,所述電流調節器或所述溫度調節器為PID調節器。
5.根據權利要求1所述的變換器,其特征在于,所述功率模塊為整流模塊、逆變模塊、DC-DC變換模塊或AC-AC變換模塊。
6.根據權利要求1所述的變換器,其特征在于,所述功率器件為電感、開關管、二極管。
7.—種權利要求1所述的變換器的功率器件的均熱控制方法,其特征在于,包括: 511.確定至少兩個功率模塊的電流或功率平均值; 512.根據相應功率模塊的功率器件的散熱信息及所述電流或功率平均值為相應功率模塊確定電流或功率給定值; 513.對相應功率模塊的電流或功率進行采樣,并將采樣電流或功率作為相應功率模塊的電流或功率反饋值; 514.根據相應功率模塊的給定值及反饋值生成相應功率模塊的控制信號,以實現每個功率模塊的功率器件的均熱。
8.根據權利要求7所述的均熱控制方法,其特征在于,在所述步驟S12中,通過熱試驗的方式為每個功率模塊確定電流或功率給定值。
9.根據權利要求7所述的均熱控制方法,其特征在于,在所述步驟S12中,根據下面步驟確定電流或功率給定值: 對相應功率模塊的功率器件進行溫度采樣;根據每個功率模塊的功率器件的溫度采樣值,計算至少兩個功率模塊的功率器件的溫度采樣平均值; 根據相應功率模塊的功率器件的溫度采樣值和所述溫度采樣平均值,生成相應功率模塊的電流或功率差分值; 根據所述電流或功率平均值和所述相應功率模塊的電流或功率差分值,生成相應功率模塊的電流或功率給定值。
10.根據權利要求7所述的均熱控制方法,其特征在于,在所述步驟S14中,通過PID調節的方式生成相應功率模 塊的控制信號。
【文檔編號】H02M3/04GK103715863SQ201210370706
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年9月29日 優先權日:2012年9月29日
【發明者】羅劼, 陳坤鵬, 葛鵬霄, 潘偉才, 劉青移, 李慶輝, 蔡子海 申請人:艾默生網絡能源有限公司