一种功率变换器中功率器件的热管理方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例涉及电力电子及其测量技术领域，具体涉及一种功率变换器中功率器件的热管理方法及装置，所述方法包括：采集功率变换器的母线电压稳定值及各相交流电流值，从而得到各个功率器件的工作电压值和电流值，并根据该电压值和电流值获得功率器件开关频率的限幅值；根据该母线电压稳定值及各相交流电流值，计算各功率器件的实时结温；根据结温计算桥臂开关频率值，将该桥臂开关频率值输入限幅器以根据所述限幅值进行限幅；根据限幅器输出的开关频率值对功率器件的开关频率进行调整。本发明专利技术实施例的技术方案，通过对功率变换器中功率器件的热管理，解决了变换器中器件温度高频波动抑制以及各个器件之间温度不平衡的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种功率变换器中功率器件的热管理方法及装置


[0001]本专利技术实施例涉及电力电子及其测量
，尤其涉及一种功率变换器中功率器件的热管理方法及装置。

技术介绍

[0002]功率变换器在工业、生活中有着广泛的应用。随着电力电子技术的迅猛发展，以电力电子变换器为核心的新能源系统逐渐成为经济发展和产业革命的新动力，引起了广泛关注。根据电力电子系统可靠性调研报告，在风力发电、光伏发电、混合动力汽车、动车组牵引变流器等各类应用场合，电力电子变换器的故障率是最高的。电力电子功率变换器的运行可靠性直接影响着整个系统的安全稳定运行。电力电子器件是功率变换器的核心部件，也是变换器中最容易发生故障的部件。电力电子器件的失效会直接导致变换器的故障，其可靠性直接影响着变换器的安全稳定运行。
[0003]热应力是影响电力电子器件失效退化和系统安全运行的主要因素。在各类失效因素中，约55%的电力电子系统失效主要由温度因素诱发，热应力是电力电子器件承受的应力中最为突出的部分。电力电子器件在实际运行中产生的通态损耗以及开关损耗会使得器件遭受着频繁的热应力。
[0004]以IGBT器件为例，随着功率的波动以及外部环境的变化，IGBT器件受到频繁的热循环冲击并产生温度波动是导致功率器件失效的重要原因。IGBT器件所承受的热应力主要包括平均结温与结温波动。已有研究表明，IGBT器件寿命受结温波动影响更大。IGBT器件模块内部的多层结构以及不同材料间热膨胀系数的不匹配，会使得产生交变的热应力，长期遭受应力会使得IGBT模块发生老化，进而寿命缩短。温度波动越大，器件的老化越快，且存在一定的累积效应。另一方面，一个变换器往往含有多个IGBT器件。对于三相变流器来说，每一相的负载相对独立，这导致不可避免地会出现三相负载不平衡。另外，对于三相变换器的三相桥臂的IGBT模块，其热阻很难完全一致。三相负载不平衡与热阻不均匀引起三相IGBT半桥模块的热应力出现差异，使得出现系统的热短板效应。

技术实现思路

[0005]基于现有技术的上述情况，本专利技术实施例的目的在于提供一种功率变换器中功率器件的热管理方法及装置，通过对电力电子器件进行热管理，尤其是通过抑制结温波动和消除变换器系统中的热短板效应使系统热应力趋于平衡，延长了电力电子功率器件的寿命，提高了功率变换器的可靠性。
[0006]为达到上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种功率变换器中功率器件的热管理方法，所述方法包括：S102、采集功率变换器母线电压稳定值及各相交流电流值，从而得到各个功率器件的工作电压值和电流值，并根据该电压值和电流值获得功率器件开关频率的限幅值；S104、根据该母线电压稳定值及各相交流电流值，计算各功率器件的实时结温；
S106、判断各功率器件的结温波动幅度是否超过第一阈值，若超过，则通过计算得到第一开关频率值；同时判断各相桥臂的功率器件的最大结温和最小结温之间的差异是否超过第二阈值，若超过，则通过计算得到第二开关频率值；S108、根据所述第一开关频率值和第二开关频率值得到桥臂开关频率值，将该桥臂开关频率值输入限幅器以根据所述限幅值进行限幅；S110、根据限幅器输出的开关频率值对功率器件的开关频率进行调整。
[0007]进一步的，根据该电压值和电流值获得功率器件开关频率的限幅值，包括：根据该电压值和电流值通过查表获得功率器件开关频率的限幅值。
[0008]进一步的，采用以下步骤计算各功率器件的实时结温：根据各相电流的方向以及所在半桥臂的初态和次态确定结温监测时刻；在结温监测时刻监测直流母线电压，作为该功率器件对应的直流母线振铃峰值电压；基于直流母线振铃峰值电压、直流母线电压稳定值、以及相电流确定功率器件的结温。
[0009]进一步的，采用以下方法计算功率器件的结温波动幅度：通过功率器件在预定周期内的结温最大值与结温最小值作差，得到功率器件的结温波动幅度；以及，采用滞环比较各相桥臂的功率器件的最大结温和最小结温之间的差异。
[0010]进一步的，所述步骤S106还包括：若各功率器件的结温波动幅度超过第一阈值，则采用PID方法计算不同负载电流下的开关频率值作为第一开关频率值；若各功率器件的结温波动幅度未超过第一阈值，则返回步骤S104继续计算。
[0011]进一步的，所述步骤S106还包括：若各相桥臂的功率器件的最大结温和最小结温之间的差异超过第二阈值，则采用PID方法计算各相桥臂的开关频率值作为第二开关频率值；若各相桥臂的功率器件的最大结温和最小结温之间的差异未超过第二阈值，则返回步骤S104继续计算。
[0012]进一步的，根据以下公式计算桥臂开关频率值：其中，为第一开关频率值的相对倍数，为第二开关频率值的相对倍数，为基础频率。
[0013]进一步的，根据限幅器输出的开关频率值对功率器件的开关频率进行调整，还包括：当功率器件的结温差异超过第二阈值时，优先降低高温功率器件的开关频率；当降低高温功率器件的开关频率使得输出电流的总谐波失真THD大于第三阈值时，升高低温功率器件的开关频率。
[0014]根据本专利技术的第二个方面，提供了一种功率变换器中功率器件的热管理装置，包括：
电压电流采集模块，用于采集功率变换器母线电压稳定值及各相交流电流值，从而得到各个功率器件的工作电压值和电流值；限幅值计算模块，用于根据该电压值和电流值计算功率器件开关频率的限幅值；实时结温计算模块，根据该母线电压稳定值及各相交流电流值，获得各功率器件的实时结温；开关频率值计算模块，用于判断各功率器件的结温波动幅度是否超过第一阈值，若超过，则通过计算得到第一开关频率值；同时判断各相桥臂的功率器件的最大结温和最小结温之间的差异是否超过第二阈值，若超过，则通过计算得到第二开关频率值；限幅模块，用于根据所述第一开关频率值和第二开关频率值得到桥臂开关频率值，将该桥臂开关频率值输入限幅器以根据所述限幅值进行限幅；开关频率调整模块，用于根据限幅器输出的开关频率值对功率器件的开关频率进行调整。
[0015]根据本专利技术的第三个方面，提供了一种电子设备，包括：处理器；和 存储器，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被处理器执行时，执行如本专利技术第一个方面所述的方法。
[0016]综上所述，本专利技术实施例提供了一种功率变换器中功率器件的热管理方法及装置，所述方法包括：采集功率变换器母线电压稳定值及各相交流电流值，从而得到各个功率器件的工作电压值和电流值，并根据该电压值和电流值获得功率器件开关频率的限幅值；根据该母线电压稳定值及各相交流电流值，计算各功率器件的实时结温；判断各功率器件的结温波动幅度是否超过第一阈值，若超过，则通过计算得到第一开关频率值；同时判断各相桥臂的功率器件的最大结温和最小结温之间的差异是否超过第二阈值，若超过，则通过计算得到第二开关频率值；根据所述第一开关频率值和第二开关频率值得到桥臂开关频率值，将该桥臂开关频率值输入限幅器以根据所述限幅值进行限幅；根据限幅器输出的开关频率值对功率器件的开关频率进行调整。本专利技术实施例的技术方案，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率变换器中功率器件的热管理方法，其特征在于，所述方法包括：S102、采集功率变换器的母线电压稳定值及各相交流电流值，从而得到各个功率器件的工作电压值和电流值，并根据该电压值和电流值获得功率器件开关频率的限幅值；S104、根据该母线电压稳定值及各相交流电流值，计算各功率器件的实时结温；S106、判断各功率器件的结温波动幅度是否超过第一阈值，若超过，则通过计算得到第一开关频率值；同时判断各相桥臂的功率器件的最大结温和最小结温之间的差异是否超过第二阈值，若超过，则通过计算得到第二开关频率值；S108、根据所述第一开关频率值和第二开关频率值得到桥臂开关频率值，将该桥臂开关频率值输入限幅器以根据所述限幅值进行限幅；S110、根据限幅器输出的开关频率值对功率器件的开关频率进行调整。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据该电压值和电流值获得功率器件开关频率的限幅值，包括：根据该电压值和电流值通过查表获得功率器件开关频率的限幅值。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用以下步骤计算各功率器件的实时结温：根据各相电流的方向以及所在半桥臂的初态和次态确定结温监测时刻；在结温监测时刻监测直流母线电压，作为该功率器件对应的直流母线振铃峰值电压；基于直流母线振铃峰值电压、直流母线电压稳定值、以及相电流确定功率器件的结温。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，采用以下方法计算功率器件的结温波动幅度：通过功率器件在预定周期内的结温最大值与结温最小值作差，得到功率器件的结温波动幅度；以及，采用滞环比较各相桥臂的功率器件的最大结温和最小结温之间的差异。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S106还包括：若各功率器件的结温波动幅度超过第一阈值，则采用PID方法计算不同负载电流下的开关频率值作为第一开关频率值；若各功率器件的结温波动幅度未超过第一阈值，则返回步骤S104继续计算。6.根据权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雁勇，张品佳，丁晓峰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：