一种变换器及其功率器件的均热控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种变换器及其功率器件的均热控制方法，该变换器还包括至少两个并联的功率模块，平均值确定模块，用于确定至少两个功率模块的电流或功率平均值；与每个功率模块相对应的给定值确定模块，用于根据相应功率模块的功率器件的散热信息及电流或功率平均值为相应功率模块确定电流或功率给定值；与每个功率模块相对应的反馈值确定模块，用于对相应功率模块的电流或功率进行采样，并将采样电流或功率作为相应功率模块的电流或功率反馈值；与每个功率模块相对应的调节器，用于根据相应功率模块的给定值及反馈值生成相应功率模块的控制信号。实施本发明的技术方案，可实现各个功率模块的功率器件的均热。
【专利说明】一种变换器及其功率器件的均热控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电能转换领域，尤其涉及一种变换器及其功率器件的均热控制方法。【背景技术】
[0002]现代变换器普遍采用多个功率模块并联的方法来增加输出电流和提高功率等级。直接并联而不加以控制会造成不均流，导致电流较大的功率模块发热严重、可靠性降低。并联的功率模块一般通过闭环控制的方式向每个功率模块输出PWM信号，从而实现每个功率模块均流，以保证并联的每个功率模块电流及功耗一致。
[0003]均流控制虽然保证了并联功率模块损耗一致，但是，在实际工程中，由于功率器件受结构、空间等限制，每个功率器件的散热条件差异可能很大。完全的均流控制会导致散热差的功率器件，如电感、开关器件等温升大，极端情况下可能导致器件过热损坏，而散热条件好器件不能完全发挥其能力。例如图1所示的Boost变换器，将输入的300V?700V的直流电升压到750V。电路原理图如下所示:以功率电感为例说明均热原理，IGBT等功率器件均热也同理。电感L1、L2为A组Boost电路中的电感，L3、L4为B组Boost电路中的电感。因受空间及结构限制，电感L1、L2放置在风道上风处，电感L3、L4放置于风道下风处。在A、B两组完全均流的情况下，电感L1、L2的温度比电感L3、L4低10°C?15°C。在重载情况下，电感L3、L4会过热，而电感L1、L2并不能完全发挥其能力。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术上述功率模块在并联时由于受空间、结构的影响而使功率器件要么过热损坏要么不能完全发挥其能力，提供一种。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种变换器，包括至少两个并联的功率模块，所述每个功率模块包括功率器件，所述变换器还包括:
[0006]平均值确定模块，用于确定至少两个功率模块的电流或功率平均值；
[0007]与每个功率模块相对应的给定值确定模块，用于根据相应功率模块的功率器件的散热信息及所述电流或功率平均值为相应功率模块确定电流或功率给定值；
[0008]与每个功率模块相对应的反馈值确定模块，用于对相应功率模块的电流或功率进行采样，并将采样电流或功率作为相应功率模块的电流或功率反馈值；
[0009]与每个功率模块相对应的调节器，用于根据相应功率模块的给定值及反馈值生成相应功率模块的控制信号，以实现每个功率模块的功率器件的均热。
[0010]在本发明所述的变换器中，所述给定值确定模块用于通过热试验的方式为每个功率模块确定电流或功率给定值。
[0011]在本发明所述的变换器中，所述给定值确定模块包括温度采样单元、温度调节器和确定单元，而且，所述变换器还包括计算模块，其中，
[0012]所述温度采样单元，用于对相应功率模块的功率器件进行温度采样；
[0013]所述计算模块，用于根据每个功率模块的功率器件的温度采样值，计算至少两个功率模块的功率器件的温度采样平均值；
[0014]所述温度调节器，用于根据相应功率模块的功率器件的温度采样值和所述温度采样平均值，生成相应功率模块的电流或功率差分值；
[0015]所述确定单元，用于根据所述电流或功率平均值和所述相应功率模块的电流或功率差分值，生成相应功率模块的电流或功率给定值。
[0016]在本发明所述的变换器中，所述电流调节器或所述温度调节器为PID调节器。
[0017]在本发明所述的变换器中，所述功率模块为整流模块、逆变模块、DC-DC变换模块或AC-AC变换模块。
[0018]在本发明所述的变换器中，所述功率器件为电感、开关管、二极管。
[0019]本发明还构造一种变换器的功率器件的均热控制方法，其特征在于，包括:
[0020]Sll.确定至少两个功率模块的电流或功率平均值；
[0021]S12.根据相应功率模块的功率器件的散热信息及所述电流或功率平均值为相应功率模块确定电流或功率给定值；
[0022]S13.对相应功率模块的电流或功率进行采样，并将采样电流或功率作为相应功率模块的电流或功率反馈值；
[0023]S14.根据相应功率模块的给定值及反馈值生成相应功率模块的控制信号，以实现每个功率模块的功率器件的均热。
[0024]在本发明所述的均热控制方法中，在所述步骤S12中，通过热试验的方式为每个功率模块确定电流或功率给定值。
[0025]在本发明所述的均热控制方法中，在所述步骤S12中，根据下面步骤确定电流或功率给定值:
[0026]对相应功率模块的功率器件进行温度采样；
[0027]根据每个功率模块的功率器件的温度采样值，计算至少两个功率模块的功率器件的温度采样平均值；
[0028]根据相应功率模块的功率器件的温度采样值和所述温度采样平均值，生成相应功率模块的电流或功率差分值；
[0029]根据所述电流或功率平均值和所述相应功率模块的电流或功率差分值，生成相应功率模块的电流或功率给定值。
[0030]在本发明所述的均热控制方法中，在所述步骤S14中，通过PI调节或P调节的方式生成相应功率模块的控制信号。
[0031]实施本发明的技术方案，由于电流或功率的给定值是根据散热信息和电流或功率平均值来确定的，假设某个功率模块的功率器件散热条件好，该功率模块的电流或功率给定值将大于电流或功率平均值，相反，则该功率模块的电流或功率给定值将小于电流或功率平均值。然后，在调节器的调节下，该功率模块的电流或功率反馈值始终跟随电流或功率给定值，从而使散热条件好的功率模块的功率器件的电流或功率较大，可较大限度地发挥其能力；而散热条件较差的功率模块的功率器件的电流或功率较小，可避免过热而损坏。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:[0033]图1是包含两个并联的功率模块的Boost变换器的电路图；
[0034]图2是本发明变换器实施例一的逻辑图；
[0035]图3是图2所示的变换器的工作原理的环路图；
[0036]图4是本发明变换器实施例二的逻辑图；
[0037]图5是图4所示的变换器的工作原理的环路图；
[0038]图6是本发明变换器的功率器件的均热控制方法实施例一的流程图；
[0039]图7是图6中步骤S12优选实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0040]图2是本发明变换器实施例一的逻辑图，首先说明的是，该变换器包括平均值确定模块10、至少两个并联的功率模块及与每个功率模块对应的给定值确定模块、反馈值确定模块和调节器，而且，每个功率模块包括有功率器件。应当说明的是，图2中虽然仅示出了 一个功率模块A、及与该功率模块A对应的给定值确定模块20、反馈值确定模块30和调节器40，但本领域技术人员应能理解，与其它功率模块相对应的给定值确定模块、反馈值确定模块和调节器的逻辑结构与给定值确定模块20、反馈值确定模块30和调节器40的逻辑结构相同。在该实施例中，平均值确定模块10用于确定至少两个功率模块的电流或功率平均值，例如，对于电流平均值的确定，可通过采样至少两个功率模块的总电流，并根据总电流和功率模块的总个数确定电流平均值，例如通过总电流与功率模块的数量相除的方式来获取平均电流值。对于功率平均值的确定，可通过分别采样每个功率模块的电流和电压，然后分别计算每个功率模块的功率，再将所有功率模块的功率相加得到总功率，最后将总功率除以功率模块的总数量，便可得到功率平均值。电流给定值确定模块20用于根据功率模块A的功率器件的散热信息及电流或功率平均值为功率模块A确定电流或功率给定值，例如，根据散热情况，分别为每个功率模块分配一大于O小于功率模块数量的系数，且散热情况好的功率模块的功率器件的系数大于散热情况差的功率模块的功率器件的系数，所有功率模块的系数相加功率模块的数量，则功率模块A的电流或功率给定值为电流或功率平均值乘以相应的系数；反馈值确定模块30用于对功率模块A的电流或功率进行采样，并将采样电流或功率作为相应功率模块的电流或功率反馈值；调节器40用于根据功率模块A的给定值及反馈值生成相应功率模块的控制信号，以实现每个功率模块的功率器件的均热。
[0041]下面说明该变换器是如何实现功率器件均热的:结合图3，图3仅仅示出了功率模块A的电流控制环路图，但本领域技术人员应能理解，其它功率模块的控制环路与功率模块A的电流控制环路相同，不再赘述。而且，本领域技术人员还应能理解，功率控制环路和电流控制环路类似，在此也不再赘述。在本发明的该实施例中，多个功率模块的电流给定值不一定等于平均电流值，例如，功率模块A的功率器件散热条件好，该功率模块A的电流给定值ΙΑ—μ将大于平均电流值，例如为平均电流乘以1.1的系数。在该变换器工作时，若该功率模块A的电流反馈值Ia小于电流给定值Ia μ，则在调节器(此处为电流调节器)的调节下，输出至该功率模块A的控制信号将会使功率模块A的电流增大，从而使电流反馈值Ia始终跟随电流给定值ΙΑ—μ (即1.1倍的平均电流)，这样的话，散热条件好的功率模块A的功率器件的能力就完全发挥出来了。相反，若功率模块A的功率器件散热较差，则可确定其电流给定值IA—%小于平均电流值，例如，电流平均值乘以0.85的系数，通过相应的电流调节器调节后，该功率模块A的电流反馈值Ia始终跟随电流给定值Ia Mf(即0.85倍的平均电流)，这样就减小了该功率模块A的电流，从而减小了该散热较差的功率模块的功率器件的发热。因此，通过上述方式可实现各个功率模块的功率器件的均热。
[0042]在图4所示的本发明变换器实施例二的逻辑图中，该实施例相比图2所示的实施例，所不同的仅是，该实施例的变换器还包括计算模块70，而且，给定值确定模块20具体包括:温度采样单元21、温度调节器22和确定单元23。其它相同的部分在此不做赘述。在该实施例中，温度采样单元21用于对该功率模块A的功率器件进行温度采样；计算模块70用于根据每个功率模块的功率器件的温度采样值，计算至少两个功率模块的功率器件的温度采样平均值；温度调节器22用于根据功率模块A的功率器件的温度采样值和温度采样平均值，生成功率模块A的电流或功率差分值；确定单元24用于根据电流或功率平均值和该功率模块A的电流或功率差分值，生成该功率模块A的电流或功率给定值。同样地，对于其它功率模块，其所对应的给定值确定模块也可具体包括相应的温度采样单元、温度调节器和确定单元，且温度采样单元、温度调节器和确定单元的逻辑结构与温度采样单元21、温度调节器22和确定单元23的逻辑结构相同，在此不做赘述。
[0043]下面结合图5说明该变换器是如何实现功率器件均热的:相比较于图3所示的实施例，所不同的仅是，增加了温度采样及调节部分，具体为:分别对每个功率模块的功率器件的温度进行采样，得到各个功率模块的温度采样值，例如功率模块A的功率器件的温度采样值为Vtomp (电压信号)。然后，根据各个功率模块的功率器件的温度采样值计算温度平均值VtMP，例如，对所有功率模块的功率器件的温度采样值求和后，再除以功率模块的数量。对于功率模块A，其功率器件的温度采样值VAt?p和温度平均值Vtraip通过温度调节器比较后，用于调整该功率模块A的电流给定值Ia Mf。假设功率模块A的功率器件的温度较高，说明其散热较差，则温度调节器输出负的电流差分值，然后该负的电流差分值与电流平均值Iavg相加，使该功率模块A的电流给定值Ia 值减小。在电流调节器的调节下，该功率模块A的电流反馈值Ia始终跟 随电流给定值IAMf，因此该功率模块A的电流也减小，从而可降低其功率器件的温度。反之，假设功率模块A的功率器件的温度较低，说明其散热条件较好，则温度调节器输出正的电流差分值，然后该正的电流差分值与电流平均值Iavg相加，使该功率模块A的电流给定值IA Mf值增大。在电流调节器的调节下，该功率模块A的电流反馈值Ia始终跟随电流给定值IA—Mf，因此该功率模块A的电流也增大，从而可提高其功率器件的温度，使该散热条件好的功率模块A的功率器件的能力完全发挥出来。同样地，其它功率模块的电流调节原理也与功率模块A的电流调节原理相同。通过这种方式的调节，若某个功率模块的功率器件的温度比温度的平均值高的越多，该功率模块的电流给定值越小，通过电流调节器调节后，该功率模块的电流越小，发热也越小，最終达到每个功率模块的功率器件发热一致的效果。而且，采用温度闭环控制，环境适应能力更强，能适应各种工况下的器件均热。
[0044]在本发明变换器的另一个实施例中，每个功率模块的电流给定值还可通过热试验的方式来确定，一般来讲，散热条件好的功率模块的电流给定值大，散热差的功率模块的电流给定值小。散热条件差异越大，电流给定值差异也越大。
[0045]在本发明变换器的一个优选实施例中，调节器或温度调节器为PID调节器，在此需说明的是，在使用PID调节器时，可根据需要选择其中的比例调节、积分调节或微分调节环节中的一个或多个。另外，上述实施例中的功率模块可为整流模块、逆变模块、DC-DC变换模块或AC-AC变换模块，例如BoostDC-DC变换模块。上述实施例中的功率器件可为电感、
开关管、二极管等。
[0046]图6是本发明变换器的功率器件的均热控制方法实施例一的流程图，结合图2，该变换器的功率器件的均热控制方法包括:
[0047]Sll.确定至少两个功率模块的电流或功率平均值；
[0048]S12.根据相应功率模块的功率器件的散热信息及所述电流或功率平均值为相应功率模块确定电流或功率给定值；
[0049]S13.对相应功率模块的电流或功率进行采样，并将采样电流或功率作为相应功率模块的电流或功率反馈值；
[0050]S14.根据相应功率模块的给定值及反馈值生成相应功率模块的控制信号，以实现每个功率模块的功率器件的均热。
[0051]在本发明变换器的功率器件的均热控制方法的一个优选实施例中，步骤S12可通过热实现的方法为每个功率模块确定电流给定值。
[0052]在本发明变换器的功率器件的均热控制方法的另一个优选实施例中，如图7所示，步骤S12根据下面步骤确定电流或功率给定值:
[0053]S121.对相应功率模块的功率器件进行温度采样；
[0054]S122.根据每个功率模块的功率器件的温度采样值，计算至少两个功率模块的功率器件的温度采样平均值；
[0055]S123.根据相应功率模块的功率器件的温度采样值和所述温度采样平均值，生成相应功率模块的电流或功率差分值；
[0056]S124.根据所述电流或功率平均值和所述相应功率模块的电流或功率差分值，生成相应功率模块的电流或功率给定值。
[0057]另外，上述实施例中，电流或功率的调节方式或温度调节的调节方式可为PID调节。
[0058]以上仅为本发明的优选实施例而已，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。
【权利要求】
1.一种变换器，包括至少两个并联的功率模块，所述每个功率模块包括功率器件，其特征在于，所述变换器还包括: 平均值确定模块，用于确定至少两个功率模块的电流或功率平均值； 与每个功率模块相对应的给定值确定模块，用于根据相应功率模块的功率器件的散热信息及所述电流或功率平均值为相应功率模块确定电流或功率给定值； 与每个功率模块相对应的反馈值确定模块，用于对相应功率模块的电流或功率进行采样，并将采样电流或功率作为相应功率模块的电流或功率反馈值； 与每个功率模块相对应的调节器，用于根据相应功率模块的给定值及反馈值生成相应功率模块的控制信号，以实现每个功率模块的功率器件的均热。
2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述给定值确定模块用于通过热试验的方式为每个功率模块确定电流或功率给定值。
3.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述给定值确定模块包括温度采样单元、温度调节器和确定单元，而且，所述变换器还包括计算模块，其中， 所述温度采样单元，用于对相应功率模块的功率器件进行温度采样； 所述计算模块，用于根据每个功率模块的功率器件的温度采样值，计算至少两个功率模块的功率器件的温度采样平均值； 所述温度调节器，用于根据相应功率模块的功率器件的温度采样值和所述温度采样平均值，生成相应功率模块的电流或功率差分值； 所述确定单元，用于根据所述电流或功率平均值和所述相应功率模块的电流或功率差分值，生成相应功率模块的电流或功率给定值。
4.根据权利要求3所述的变换器，其特征在于，所述电流调节器或所述温度调节器为PID调节器。
5.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述功率模块为整流模块、逆变模块、DC-DC变换模块或AC-AC变换模块。
6.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述功率器件为电感、开关管、二极管。
7.—种权利要求1所述的变换器的功率器件的均热控制方法，其特征在于，包括: 511.确定至少两个功率模块的电流或功率平均值； 512.根据相应功率模块的功率器件的散热信息及所述电流或功率平均值为相应功率模块确定电流或功率给定值； 513.对相应功率模块的电流或功率进行采样，并将采样电流或功率作为相应功率模块的电流或功率反馈值； 514.根据相应功率模块的给定值及反馈值生成相应功率模块的控制信号，以实现每个功率模块的功率器件的均热。
8.根据权利要求7所述的均热控制方法，其特征在于，在所述步骤S12中，通过热试验的方式为每个功率模块确定电流或功率给定值。
9.根据权利要求7所述的均热控制方法，其特征在于，在所述步骤S12中，根据下面步骤确定电流或功率给定值: 对相应功率模块的功率器件进行温度采样；根据每个功率模块的功率器件的温度采样值，计算至少两个功率模块的功率器件的温度采样平均值； 根据相应功率模块的功率器件的温度采样值和所述温度采样平均值，生成相应功率模块的电流或功率差分值； 根据所述电流或功率平均值和所述相应功率模块的电流或功率差分值，生成相应功率模块的电流或功率给定值。
10.根据权利要求7所述的均热控制方法，其特征在于，在所述步骤S14中，通过PID调节的方式生成相应功率模 块的控制信号。
【文档编号】H02M3/04GK103715863SQ201210370706
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年9月29日 优先权日:2012年9月29日
【发明者】罗劼, 陈坤鹏, 葛鹏霄, 潘伟才, 刘青移, 李庆辉, 蔡子海 申请人:艾默生网络能源有限公司