一种功率器件主动结温控制系统及方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种融合结壳温度控制、散热链路壳温控制技术，实现对变流器功率器件的主动结温水平及结温波动幅值有效控制的功率器件主动结温控制系统及方法。

背景技术：

近年来，作为轨道交通领域的关键装备-牵引变流器在国内得到了迅速发展。特定的应用领域要求变流器具备高可靠性，其中，功率变流器作为变流器的核心组件，其可靠性决定了应用的安全性。目前，来自轨道交通应用领域大量牵引系统故障的统计结果表明，变流器故障占据整个牵引系统故障中一个很大的比重，而变流器故障很大程度上是归因于其功率器件，如：igbt(insulatedgatebipolartranslator，绝缘栅双极型晶体管的简写)的失效。

排除过电压、过电流等异常极端情况，功率器件(如：igbt)在应用过程中发生的失效，其主要原因是受工作过程中热循环应力累积和冲击的影响，反映到功率器件的热学表征参数，则对应为器件的工作平均结温(tm/℃)和结温波动(△tj/k)范围。功率器件(如：igbt)的组成材料类似三明治的堆叠结构，在变流器功率输出温度循环过程中，各层材料的热膨胀系数存在差异，导致材料的交接处承受不同程度的热应力，长期累积后使器件的性能发生退化，最终因材料疲劳导致器件失效。综上所述，变流器可靠性及寿命，主要受变流器控制策略、散热系统控制、应用工况等因素的影响。在现有技术中，主要有以下一篇文献与本发明申请相关：

该现有技术为重庆大学于2015年01月14日申请，并于2015年05月20日公开，公开号为cn104635806a的中国发明申请《一种功率器件结温控制电路及主动热管理方法》。该发明公开了一种功率器件结温控制电路及主动热管理方法，温度控制电路主要包括缓冲电容，充电控制电路，放电控制电路三部分。通过利用缓冲吸收电路参数调整实现变流器中功率器件结温调节，可同时实现升温和降温功能，响应速度快，能同时实现开关周期、工频周期和低频功率波动周期三个时间尺度段的结温控制。其基本原理是：在功率器件关断瞬间，原本流过器件的电流转移至缓冲电容通路，从而改变了集射极电压的上升速率，减小了器件关断损耗，降低了器件结温。而在功率器件开通后，存储在缓冲电容上的电荷通过吸收电路和功率器件放电，一部分能量消耗在吸收电路上，另一部分能量消耗在器件上，使得器件结温升高，从而实现功率器件的结温能升能降。

虽然该发明申请可以通过调节功率器件的结温进行主动热管理，但是通过电路控制方式无法对功率器件的结温进行粗调，控制质量也不甚理想。同时，该发明申请的功率器件结温控制电路，包括缓冲电容、充电控制电路、放电控制电路，分别通过充电控制电路、放电控制电路对缓冲电容进行充放电控制，以此实现功率器件的结温控制。这种方式不但电路结构复杂，结温控制精度不高，而且控制速度慢响应时间长。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率器件主动结温控制系统及方法，以解决功率器件工作平均结温水平过高，结温波动幅值过大引起变流器整体可靠性和寿命降低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明具体提供了一种功率器件主动结温控制系统的技术实现方案，功率器件主动结温控制系统，包括：结温控制单元、结壳温度控制链路、壳温控制链路、功率器件及散热器。所述结温控制单元根据功率器件的实时结温与给定结温的差值计算并输出控制量至所述结壳温度控制链路和壳温控制链路。所述结壳温度控制链路根据功率器件的实时结温与给定结温的差值及牵引控制输入信号计算输出至所述功率器件的牵引控制信号，通过对功率器件的结壳间温度进行主动控制，降低所述功率器件的平均结温和结温波动幅值。所述功率器件安装在散热器上，所述壳温控制链路根据功率器件的实时结温与给定结温的差值计算输出至变频水泵的控制值，通过调节所述变频水泵的出水流量对散热器的热阻进行主动控制，通过壳温主动控制降低所述功率器件的平均壳温和壳温波动幅值。

进一步的，所述结温控制单元获取并根据所述功率器件的工作电流、工作电压，以及壳温，计算所述功率器件的实时结温。

进一步的，所述结温控制单元通过采集所述功率器件的基板温度获取所述功率器件的壳温。

进一步的，所述结壳温度控制链路进一步包括牵引控制单元和spwm单元，所述牵引控制单元根据所述功率器件的实时结温与给定结温的差值及牵引控制输入信号得出所述功率器件的牵引控制信号，所述spwm单元对牵引控制信号进行spwm调制后输出至所述功率器件。

进一步的，所述壳温控制链路进一步包括低通滤波单元、散热控制单元及变频水泵，所述低通滤波单元对所述功率器件的实时结温与给定结温的差值进行曲线平滑处理后输出至散热控制单元，所述散热控制单元根据平滑处理后的实时结温与给定结温的差值对变频水泵进行控制，以调节所述散热器的进水流量。

本发明还另外具体提供了一种功率器件主动结温控制方法的技术实现方案，功率器件主动结温控制方法，包括以下步骤：

s11)根据功率器件的实时结温与给定结温的差值及牵引控制输入信号计算输出至所述功率器件的牵引控制信号，通过对功率器件运用过程中的主动结壳温度控制，降低所述功率器件的平均结温和结温波动幅值；

s12)根据功率器件的实时结温与给定结温的差值计算输出至变频水泵的控制值，通过调节所述变频水泵的出水流量对散热器的热阻进行主动控制，通过壳温主动控制降低所述功率器件的平均壳温和壳温波动幅值；

所述步骤s11)和步骤s12)并行、循环执行。

进一步的，在所述步骤s11)与步骤s12)之前包括：

获取并根据所述功率器件的工作电流、工作电压，以及壳温，计算所述功率器件的实时结温。

进一步的，所述步骤s11)包括：

根据所述功率器件的实时结温与给定结温的差值及牵引控制输入信号得出所述功率器件的牵引控制信号，再对牵引控制信号进行spwm调制后输出至所述功率器件，通过牵引控制对所述功率器件的结壳间温度进行快速的细调。

进一步的，所述步骤s12)包括：

对所述功率器件的实时结温与给定结温的差值进行曲线平滑处理后，再根据平滑处理后的实时结温与给定结温的差值对变频水泵进行控制，以调节所述散热器的进水流量，通过散热控制对所述功率器件的实时结温进行粗调。

进一步的，通过采集所述功率器件的基板温度获取所述功率器件的壳温。

通过实施上述本发明提供的功率器件主动结温控制系统及方法的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明能够解决功率器件工作平均结温水平过高，结温波动幅值过大引起变流器整体可靠性和寿命降低的技术问题；

(2)本发明从两方面来实现寿命提升，一方面从tcu系统控制角度，另一方面从变流器散热系统控制角度，能够降低功率器件的结温波动水平，提高变流器的整体可靠性和寿命；

(3)本发明通过tcu系统控制可以快速控制igbt的结温，反应快、调节时间短，对结温进行细调，而通过散热系统可以进一步保证控制质量，对结温进行粗调；

(4)本发明不但优化了控制策略，还从变流器散热系统控制的角度，通过调节系统散热链路热阻的方式，对功率器件运用过程结温波动实施主动干预，降低了功率器件壳温的波动水平。

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的介绍。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取其它的实施例。

图1是现有技术中功率器件工作时结温波动的波形示意图；

图2是现有技术中功率器件的寿命曲线示意图；

图3是本发明功率器件主动结温控制系统一种具体实施例的系统结构框图；

图4是本发明功率器件主动结温控制方法一种具体实施例的程序流程图；

图中：1-结温控制单元，2-结壳温度控制链路，21-牵引控制单元，22-spwm单元，3-壳温控制链路，31-低通滤波单元，32-散热控制单元，33-变频水泵，4-功率器件，5-散热器。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

igbt：insulatedgatebipolartranslator，绝缘栅双极型晶体管的简写；

spwm：sinusoidalpwm，正弦脉宽调制的缩写；

tcu：tractioncontrolunit，牵引控制单元的简写；

tj：junctiontemperature，功率器件的结温；

tc：casetemperature，功率器件的壳温；

tjc：junctiontocasetemperature，功率器件的结壳间温度；

变频水泵：一种采用变频调速电机带动的节能型水泵。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图4所示，给出了本发明功率器件主动结温控制系统及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

变流器中功率器件的可靠性与寿命，主要受其工作过程中电应力、热应力和机械振动应力的综合影响。其中，热应力对功率器件的可靠性影响最大。在变流器实现功率输出时，功率器件(如：igbt元件，也可以为其它的功率器件)如果存在功率损耗，会反映为igbt的平均结温tm和结温波动幅值△t随着应用工况的变化而变化，其波形示意图如附图1所示。图中，黑色实线代表结温tj随时间(time)变化的曲线，△t表示在一段时间内结温tj的最大值与最小值的差值，或采用温升表示，tm表示结温tj的平均值。

结温高低(即结温tj的平均值tm)及其波动大小(即结温tj的波动幅度)对igbt的可靠性与寿命有较大的影响，tm控制在合理范围内时，△t越小对igbt越有利。igbt的寿命一般采用工作循环次数数值来表征。平均结温tm及结温波动幅值△t对功率器件4寿命的影响，可采用igbt制造厂家提供的寿命曲线图来进行说明，如附图2所示。其中，a为平均结温值为90度时功率器件4的寿命循环次数随结温波动幅值变化的曲线；b为平均结温值为80度时功率器件4的寿命循环次数随结温波动幅值变化的曲线；c为平均结温值为60度时功率器件4的寿命循环次数随结温波动幅值变化的曲线；d为平均结温值为40度时功率器件寿命4的循环次数随结温波动幅值变化的曲线；e为平均结温值为20度时功率器件4的寿命循环次数随结温波动幅值变化的曲线。

由附图2可知，功率器件4工作的平均结温tm越高，器件的寿命循环次数nf越小。同时，当功率器件4工作的结温波动幅值△t越大，器件的寿命循环次数越小。

本发明下述具体实施例主要针对热应力的影响，从控制和散热的角度，对功率器件4承受的热应力实施主动干预，减少或降低热应力对功率器件4可靠性的影响，以延长整个变流器的服役寿命。

实施例1

通过如附图3所示的实施例，来减小结温波动幅值△t并将平均结温tm控制在合理范围内。一种功率器件主动结温控制系统，具体包括：结温控制单元1、结壳温度控制链路2、壳温控制链路3、功率器件4及散热器5。结温控制单元1根据功率器件4的实时结温tj与给定结温tjref的差值tjerr计算并输出控制量至结壳温度控制链路2和壳温控制链路3。结壳温度控制链路2根据功率器件4的实时结温tj与给定结温tjref的差值tjerr及牵引控制输入信号pref计算输出至功率器件4的牵引控制信号，通过对功率器件4的结壳间温度tjc(即功率器件4从结到壳的温度，如功率器件4的结温为70度，壳温为50度，则从结到壳的温度为20度，结壳间温度控制即是控制功率器件4结壳间的温度差为20度不变)进行主动控制，降低功率器件4的平均结温tm和结温波动幅值△tj。功率器件4安装在散热器5上，壳温控制链路3根据功率器件4的实时结温tj与给定结温tjref的差值tjerr计算输出至变频水泵33的控制值，通过调节变频水泵33的出水流量对散热器5的热阻进行主动控制，通过壳温主动控制降低功率器件4的平均壳温和壳温波动幅值△tc。图中，tc代表igbt的壳温，ic代表igbt的工作电流，vce代表igbt的c-e(集电极-发射极)间电压，即igbt的工作电压，tjref代表经过试验得出的igbt最佳运行结温，tjerr代表功率器件4的实时结温tj与给定结温tjref的差值，pref代表牵引控制输入信号。

其中，结温控制单元1获取并根据反馈的功率器件4的工作电流ic、工作电压vce，以及壳温tc，计算功率器件4的实时结温tj。结温控制单元1进一步通过采集功率器件4的基板温度获取功率器件4的壳温tc。实时结温tj计算的具体方法可以采用查表法，预先建立功率器件4相应工作电流ic、工作电压vce，以及壳温tc所对应(实时)结温tj的表格。具体应用时，输入功率器件4相应的工作电流ic、工作电压vce，以及壳温tc，通过查找表即可得到功率器件4相应的(实时)结温tj。

结壳温度控制链路2进一步包括牵引控制单元21和spwm单元22，牵引控制单元21根据功率器件4的实时结温tj与给定结温tjref的差值tjerr及牵引控制输入信号pref得出功率器件4的牵引控制信号，spwm单元22对牵引控制信号进行spwm调制后输出至功率器件4。牵引控制的具体方法可以采用根据功率器件4的实时结温tj与给定结温tjref的差值tjerr，再结合牵引控制输入信号pref，动态调整功率器件4的开关频率，以改变功率器件4的开关损耗，进而控制功率器件4的实时结温tj，并通过功率器件4的工作电流ic、工作电压vce，以及壳温tc的反馈不断地进行修正与控制，直到功率器件4的结壳间温度tjc控制在预设的范围。本实施例通过tcu(tractioncontrolunit，牵引控制单元)系统控制可以快速地控制igbt元件的结壳间温度tjc，不但反应快、调节时间短，还能够对igbt元件的结壳间温度tjc进行细调。

壳温控制链路3进一步包括低通滤波单元31和散热控制单元32，低通滤波单元31对功率器件4的实时结温tj与给定结温tjref的差值tjerr进行曲线平滑处理后输出至散热控制单元32，散热控制单元32根据平滑处理后的实时结温tj与给定结温tjref的差值tjerr对变频水泵33进行控制，通过调节散热器5的进水流量来进行散热调节。通过对散热系统的控制可以保证控制质量，对功率器件4的实时结温tj进行粗调。由于计算得出的igbt结温变化剧烈，因此可以通过低通滤波单元31(即lpf，lowpassfilter)使曲线平滑。检测散热器5的温度，反馈并用于功率器件4的结温控制。在本实施例中，整个控制分为两个分支，目标是使功率器件4的实时结温tj稳定，一方面，从tcu系统控制角度，通过优化控制策略，实施对功率器件4整体运用过程中结壳间温度tjc的主动控制，降低其平均结温tm及结温波动幅值△t。另一方面，从变流器散热系统的控制角度，通过对系统散热链路热阻进行主动调节的方式，对功率器件4运用过程中的壳温波动实施主动干预，从而降低功率器件4的平均壳温和壳温波动幅值△tc。

本实施例描述的功率器件主动结温控制系统通过优化控制策略实施对功率器件整体运用过程中结壳间温度tjc的主动控制，降低功率器件4的平均结温tm及结温波动幅值△t。本实施例除了优化控制策略，还从变流器散热系统的控制角度，通过调节系统散热链路热阻的方式，对功率器件4运用过程中的壳温波动实施主动干预，降低功率器件4的平均壳温及壳温波动幅值△tc。本实施例描述的功率器件主动结温控制系统从两方面来实现寿命提升，一方面从tcu系统控制角度，另一方面从变流器散热系统控制角度，降低了功率器件4的结温波动水平，提高了变流器的整体可靠性和寿命。

实施例2

如附图4所示，一种功率器件主动结温控制方法的实施例，具体包括以下步骤：

s11)根据功率器件4的实时结温tj与给定结温tjref的差值tjerr及牵引控制输入信号pref计算输出至功率器件4的牵引控制信号，通过对功率器件4运用过程中的结壳间温度tjc进行主动控制，降低功率器件4的平均结温tm和结温波动幅值△tj；

s12)根据功率器件4的实时结温tj与给定结温tjref的差值tjerr计算输出至变频水泵33的控制值，通过调节变频水泵33的出水流量对散热器5的热阻进行主动控制，通过壳温主动控制降低功率器件4的平均壳温和壳温波动幅值△tc；

步骤s11)和步骤s12)并行、循环执行。

在步骤s11)与步骤s12)之前进一步包括：

获取并根据功率器件4的工作电流ic、工作电压vce，以及壳温tc，计算功率器件4的实时结温tj。作为本发明一种典型的具体实施例，进一步通过采集功率器件4的基板温度获取功率器件4的壳温tc。

步骤s11)进一步包括：

根据功率器件4的实时结温tj与给定结温tjref的差值tjerr及牵引控制输入信号pref得出功率器件4的牵引控制信号，再对牵引控制信号进行spwm调制后输出至功率器件4，通过牵引控制对功率器件4的结壳间温度tjc进行快速的细调。

步骤s12)进一步包括：

对功率器件4的实时结温tj与给定结温tjref的差值tjerr进行曲线平滑处理后，再根据平滑处理后的实时结温tj与给定结温tjref的差值tjerr对变频水泵33进行控制，以调节散热器5的进水流量，通过散热控制对功率器件4的实时结温tj进行粗调。

当变流器采用不同的牵引策略，或散热控制策略时，控制效果使得功率器件的功耗、实时结温，以及结温波动幅值将存在较大的差异，这将直接影响功率器件的长期可靠性与寿命。本实施例描述的功率器件主动结温控制方法，能够降低功率器件工作平均结温水平，特别针对夏季高温季节，能够提高变流器的整体可靠性和寿命。同时，本实施例能够减少功率器件的结温波动幅值，特别针对变流器间歇应用场景和昼夜温差变化较大的季节，能够进一步提高变流器的整体可靠性和寿命。本实施例融合结壳温度控制和散热链路控制技术，实现对变流器功率器件的主动结温水平及结温波动幅值的有效控制，提高了功率器件应用的可靠性和寿命。

通过实施本发明具体实施例描述的功率器件主动结温控制系统及方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的功率器件主动结温控制系统及方法，能够解决功率器件工作平均结温水平过高，结温波动幅值过大引起变流器整体可靠性和寿命降低的技术问题；

(2)本发明具体实施例描述的功率器件主动结温控制系统及方法，从两方面来实现寿命提升，一方面从tcu系统控制角度，另一方面从变流器散热系统控制角度，能够降低功率器件的结温波动水平，提高变流器的整体可靠性和寿命；

(3)本发明具体实施例描述的功率器件主动结温控制系统及方法，通过tcu系统控制可以快速控制igbt的结温，反应快、调节时间短，对结温进行细调，而通过散热系统可以进一步保证控制质量，对结温进行粗调；

(4)本发明具体实施例描述的功率器件主动结温控制系统及方法，不但优化了控制策略，还从变流器散热系统控制的角度，通过调节系统散热链路热阻的方式，对功率器件运用过程结温波动实施主动干预，降低了功率器件壳温的波动水平。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。