电压调节方法、装置及双IPM模块驱动器与流程

本发明涉及智能家电领域，尤其涉及一种电压调节方法、装置及双IPM模块驱动器。

背景技术：

IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)，亦称IPM模块，是一种把功率开关器件及驱动电路集成在一起的电路模块，其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，已被广泛应用于变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动领域。例如目前市场上多款变频家电产品都采用了双IPM模块驱动器。

图1为现有技术中一种双IPM模块驱动器的结构拓扑图。如图1所示，一般变频家电中的双IPM模块驱动器包括整流侧可控IPM模块及逆变侧可控IPM模块。现有技术中，三相输入的交流电压经PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)控制电路，转换为整流侧可控IPM模块中各晶体管的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制信号，以控制整流侧可控IPM模块中各晶体管的通断。整流侧可控IPM模块将直流母线电压提升至恒定值，一般为650V，650V直流母线电压经过逆变侧可控IPM模块，转换为压缩机负载的驱动电压，用于驱动压缩机工作。由于压缩机负载的离散性，直流母线电压的大小直接影响压缩机电流纹波大小、母线电压利用率、IPM开关损耗、过载能力、弱磁控制，元器件应力等性能。现有技术中恒定的直流母线电压将导致双IPM模块驱动器的损耗大，从而降低电器的可靠性。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种电压调节方法、装置及双IPM模块驱动器，能降低双IPM模块驱动器的功率损耗，提升可靠性。

本发明公开了一种电压调节方法，应用于双IPM模块驱动器，所述双IPM模块驱动器包括第一IPM模块及第二IPM模块，所述电压调节方法包括：

按照预设时间间隔分别计算第一电压和第二电压，其中第一电压为第一IPM模块的三相输入电压对应的直流母线电压，第二电压为压缩机负载的反电动势电压；

比较所述第一电压和所述第二电压的大小，确定所述第一电压和所述第二电压中的较大值；

根据所述较大值调节所述第二IPM模块的输入电压。

作为一种实施方式，每次确定所述第一电压和所述第二电压中的较大值之后，所述电压调节方法还包括：

根据当前较大值与上一较大值之间的差值，计算平滑因子；

所述根据所述较大值调节所述第二IPM模块的输入电压，具体为：

根据所述当前较大值、所述上一较大值及所述平滑因子，调节所述第二IPM模块的输入电压。

作为一种实施方式，所述根据当前较大值与上一较大值之间的差值，计算平滑因子，包括：

获取所述差值所在的预设范围对应的比例因子；

计算所述差值与其对应的比例因子的乘积，作为所述平滑因子。

作为一种实施方式，所述根据所述当前较大值、所述上一较大值及所述平滑因子，调节所述第二IPM模块的输入电压，包括：

判断所述平滑因子是否为零，是则将所述第二IPM模块的输入电压调整为所述当前较大值；

否则将所述第二IPM模块的输入电压调整为所述上一较大值与所述平滑因子之和。

作为一种实施方式，所述按照预设时间间隔分别计算第一电压和第二电压之前，所述电压调节方法还包括：

调节所述第一IPM模块的三相输入电压为最小值；

调节所述第二IPM模块的输入电压为最大值；

根据预设时长内所述双IPM模块驱动器的损耗情况判断所述双IPM模块驱动器是否合格。

本发明还公开了一种电压调节装置，应用于双IPM模块驱动器，所述双IPM模块驱动器包括第一IPM模块及第二IPM模块，所述电压调节装置包括：

第一计算模块，用于按照预设时间间隔分别计算第一电压和第二电压，其中第一电压为第一IPM模块的三相输入电压对应的直流母线电压，第二电压为压缩机负载的反电动势电压；

比较模块，用于比较所述第一电压和所述第二电压的大小，确定所述第一电压和所述第二电压中的较大值；

调节模块，用于根据所述较大值调节所述第二IPM模块的输入电压。

作为一种实施方式，所述电压调节装置还包括：

第二计算模块，用于在每次确定所述第一电压和所述第二电压中的较大值之后，根据当前较大值与上一较大值之间的差值，计算平滑因子；

所述调节模块，还用于根据所述当前较大值、所述上一较大值及所述平滑因子，调节所述第二IPM模块的输入电压。

作为一种实施方式，所述第二计算模块包括：

获取单元，用于获取所述差值所在的预设范围对应的比例因子；

计算单元，用于计算所述差值与其对应的比例因子的乘积，作为所述平滑因子。

作为一种实施方式，所述调节模块包括判断单元与处理单元，

所述判断单元用于判断所述平滑因子是否为零，是则由所述处理单元将所述第二IPM模块的输入电压调整为所述当前较大值；否则由所述处理单元将所述第二IPM模块的输入电压调整为所述上一较大值与所述平滑因子之和。

作为一种实施方式，所述调节模块还用于：调节所述第一IPM模块的三相输入电压为最小值；以及，调节所述第二IPM模块的输入电压为最大值；

上述电压调节装置还包括：判断模块，用于根据预设时长内所述双IPM模块驱动器的损耗情况判断所述双IPM模块驱动器是否合格。

上述电压调节方法、装置及双IPM模块驱动器，能够根据三相输入电压和压缩机负载的反电动势电压的比较结果，调节双IPM模块驱动器中第二IPM模块的输入电压，从而降低双IPM模块驱动器的功率损耗，提高其使用寿命。还能提高控制器的效率，减小压缩机电流畸变。

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地介绍，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得其他实施例的附图。

图1为现有技术中一种双IPM模块驱动器的结构拓扑图；

图2为本发明一实施例的电压调节方法的流程示意图；

图3为本发明电压调节方法与现有技术恒定直流母线电压方法的功率损耗对比示意图；

图4为本发明另一实施例的电压调节方法的流程示意图；

图5为本发明又一实施例的电压调节方法的流程示意图；

图6为本发明又一实施例的电压调节方法的流程示意图；

图7为本发明一实施例的电压调节装置块结构示意图；

图8为本发明另一实施例的电压调节装置中第二计算模块的结构示意图；

图9为本发明一实施例的双IPM模块驱动器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

下面结合附图描述根据本发明实施例的电压调节方法、装置及双IPM模块驱动器。其中，所述电压调节方法及装置应用于双IPM模块驱动器，所述双IPM模块驱动器包括第一IPM模块及第二IPM模块，例如，所述第一IPM模块为整流侧可控IPM模块，所述第二IPM模块为逆变侧可控IPM模块。

例如，所述双IPM模块驱动器的工作原理如下：三相电源R、S、T输入的电源电压，经过三个电抗器L_r、L_s、L_t输入到整流侧可控IPM模块(即第一IPM模块)，经整流侧可控IPM模块整流后的电压，由电容组C1平波为直流母线电压，该直流母线电压作为逆变侧可控IPM模块(即第二IPM模块)的输入电压，经逆变侧可控IPM模块逆变输出至负载，例如负载为PMSM(permanent magnet synchronous motor，永磁同步电机)。其中电阻R1～R12、运放OP1～OP4组成采样电路，用于对电流I_r、电流I_s、电压V_tr及电压V_rs进行采样。DSP(数字信号处理器，Digital Signal Processor)输出第一IPM模块和第二IPM模块中各晶体管的PWM(脉冲宽度调制，Pulse Width Modulation)控制信号，用于控制各晶体管的占空比，从而控制第一IPM模块和第二IPM模块的输出电压。

例如，本发明一实施例的电压调节方法包括以下步骤：按照预设时间间隔分别计算第一电压和第二电压，其中第一电压为第一IPM模块的三相输入电压对应的直流母线电压，第二电压为压缩机负载的反电动势电压；比较所述第一电压和所述第二电压的大小，确定所述第一电压和所述第二电压中的较大值；根据所述较大值调节所述第二IPM模块的输入电压，例如将所述第二IPM模块的输入电压调节为所述较大值。

请参阅图2，其为本发明一实施例的电压调节方法的流程示意图，所述电压调节方法应用于双IPM模块驱动器。例如，所述电压调节方法由外部电压调节装置执行，用以调节双IPM模块驱动器的电压，例如，所述电压调节方法由双IPM模块驱动器中的部电压调节装置执行。如图2所示，所述电压调节方法包括以下步骤：

S110，按照预设时间间隔分别计算第一电压和第二电压。例如，预设时间间隔为0.1、0.2、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、5、8、10、15、20、30或60秒；例如，每隔若干秒分别计算第一电压和第二电压；例如，每隔1s分别计算第一电压和第二电压。

其中，第一电压为第一IPM模块的三相输入电压对应的直流母线电压，第二电压为压缩机负载的反电动势电压，反电动势指的是有反抗电流发生改变的趋势而产生电动势，即压缩机线圈的感应电动势。在本实施例中，第一电压根据第一IPM模块的三相输入电压计算得到，例如第一电压V_dc＝A×V_rst，其中A为输入电压和母线电压的换算系数，可根据实际情况设置或修改，例如A＝2.45；V_rst为第一IPM模块的三相输入电压，例如该三相输入电压V_rst根据电流I_r、电流I_s、电压V_tr及电压V_rs计算得到。

在本实施例中，第二电压根据压缩机负载的一些电学参数计算得到。例如，根据压缩机的电子电阻、转子电感、转子电流、转子速度等参数计算得到。又如，第二电压V_s为：

其中，R_s为压缩机定子电阻，L_d为压缩机转子的d轴(直轴)电感，L_q为压缩机转子的q轴(交轴)电感，i_d为压缩机转子的d轴电流，i_q为压缩机转子的q轴电流，ω_r为压缩机的转子速度，K_e为压缩机的反电动势系数。

S130，比较所述第一电压和所述第二电压的大小，确定所述第一电压和所述第二电压中的较大值。

每次计算第一电压和第二电压之后，比较两者大小，确定其中的较大值。例如，所述第一电压V_d和所述第二电压V_s中的较大值记为V_dc，则V_dc＝max(V_d，V_s)。

S150，根据所述较大值调节所述第二IPM模块的输入电压。

例如，将所述第二IPM模块的输入电压调节为所述较大值。又如，对上述较大值进行平滑化处理，将所述第二IPM模块的输入电压调节为平滑化处理后的电压值。

例如，调节所述第一IPM模块中各晶体管的PWM占空比，使三相输入电压V_rst经第一IPM模块整流之后，提升至上述较大值或上述平滑化处理后的电压值。又如，按照SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)规律调节所述第一IPM模块中各晶体管的PWM占空比。

以空调中的双IPM模块驱动器为例，现有技术中，前级整流侧可控IPM模块进行三相PFC升压控制，通常将直流母线电压恒定为650V。一般空调中双IPM模块驱动器的三相输入电压V_rst在160v～280v之间，对应的折算直流母线电压(第一电压)为391.8v～685.7v。例如，当三相输入电压V_rst为160v，压缩机在0.8倍额定负载情况下运行时，对应的折算直流母线电压即第一电压为391.8v，第二电压为446V，根据上述电压调节方法，将第二IPM模块的输入电压调节为446V，只需将母线电压升高54.2V，对应的占空比为17.2％。而现有技术将母线电压恒定为650V，需要将母线电压升高258.2v，对应的占空比接近最大限幅值96％。由于IPM模块功率损耗主要为开关损耗和通态损耗，其中载波频率固定导致开关损耗固定，因此通态损耗的变化主要由PWM控制信号的占空比决定，占空比越大，通态损耗越大。上述电压调节方法对应的占空比较小，从而减少IPM模块的功率损耗。此外，在空调轻负载情况下，后级逆变侧可控IPM模块进行压缩机的PMSM控制时，压缩机电流纹波大、母线电压利用率低，此时将母线电压提升到650V并无必要，反而造成浪费。

在同等条件下，对上述电压调节方法和现有的恒定母线电压方法进行损耗测试，测试结果如图3所示，由图3可见，上述电压调节方法相比现有的恒定母线电压方法，能大大降低IPM模块的功率损耗。

上述电压调节方法，能够根据三相输入电压和压缩机负载的反电动势电压的比较结果，调节双IPM模块驱动器中第二IPM模块的输入电压，从而降低双IPM模块驱动器的功率损耗，提高其使用寿命。还能提高控制器的效率，减小压缩机电流畸变。

在一个实施例中，每次执行步骤S130之后，还执行如下步骤：根据当前较大值与上一较大值之间的差值，计算平滑因子。其中，平滑因子小于上述差值。

例如，如图4所示，根据如下步骤计算平滑因子：

S141，获取所述差值所在的预设范围对应的比例因子。

在本实施例中，预先设置多个范围及其对应的比例因子。每次计算当前较大值与上一较大值之间的差值之后，判断该差值所属的范围及获取对应的比例因子。

作为一种实施方式，所述差值还可以是当前较大值与上一次调节第二IPM模块的输入电压时第二IPM模块的实际输入电压之差。

S143，计算所述差值与其对应的比例因子的乘积，作为所述平滑因子。

例如，上述差值记为ΔV，上述平滑因子记为G(n)，预先设置的多个范围包括：ΔV<10V，对应比例因子f1，G(n)＝ΔV×f1；10V≤ΔV＜60V，对应比例因子f2，G(n)＝ΔV×f2；60V≤ΔV＜100V，对应比例因子f3，G(n)＝ΔV×f3；100V≤ΔV＜200V，对应比例因子f4，G(n)＝ΔV×f4；ΔV＞200V，对应比例因子f5，G(n)＝ΔV×f5。其中，上述比例因子大于0且不大于1，上述差值越大，对应的比例因子越小，例如，0＜f5＜f4＜f3＜f2＜f1≤1，例如，f1＝1，f2＝0.8；f3＝0.6；f4＝0.4；f5＝0.2。

又如，当ΔV<10V时，G(n)＝0；当10V≤ΔV＜60V时，G(n)＝ΔV/20ms；当60V≤ΔV＜100V时，G(n)＝ΔV/40ms；当100V≤ΔV＜200V时，G(n)＝ΔV/100ms；当ΔV＞200V时，G(n)＝ΔV/200ms。

相应地，步骤S150具体为：根据所述当前较大值、所述上一较大值及所述平滑因子，调节所述第二IPM模块的输入电压。

例如，如图5所示，根据如下步骤调节所述第二IPM模块的输入电压：

S151，判断所述平滑因子是否为零，是则执行步骤S153，否则执行步骤S155。

S153，将所述第二IPM模块的输入电压调整为所述当前较大值。

在本实施例中，若所述平滑因子为零，表示当前较大值与上一较大值之间的差值较小，无需进行平滑，因此将所述第二IPM模块的输入电压调整为所述当前较大值。

S155，将所述第二IPM模块的输入电压调整为所述上一较大值与所述平滑因子之和。

若所述第二IPM模块的输入电压在短时间内迅速提高，会对第二IPM模块造成大电流冲击，容易造成元器件损坏。在本实施例中，若所述平滑因子不为零，表示当前较大值与上一较大值之间的差值较大，此时将所述第二IPM模块的输入电压调整为所述上一较大值与所述平滑因子之和，由于平滑因子小于上述差值，即，第二IPM模块的输入电压小于当前较大值，因此能避免对第二IPM模块造成大电流冲击，延长双IPM模块驱动器的实用寿命。

在一个实施例中，步骤S110之前，还对上述双IPM模块驱动器的可靠性进行评估。例如，在电子设备出厂之前，对上述双IPM模块驱动器的可靠性进行评估。新出厂的电子设备都会做标准的可靠性试验，现有技术中，人工进行电子元器件破坏性试验和元器件参数测试及筛选，这样费时、费力。在本实施例中，例如，如图6所示，在步骤S110之前，还执行如下步骤：

S101，调节所述第一IPM模块的三相输入电压为最小值。

其中，上述最小值为三相输入交流电压范围内的最小值。例如，若双IPM模块应用于变频空调，而变频空调的实际三相输入电压范围为160～280v，则将第一IPM模块的三相输入电压V_rst调节为160V。

S103，调节所述第二IPM模块的输入电压为最大值。

其中，上述最大值为三相输入电压对影的直流母线电压、以及所述第二IPM模块的推荐电压范围中的最大值。例如，变频空调的实际三相输入电压范围为160～280v，对应的直流母线电压为392～686v，而上述双IPM模块驱动器厂家推荐的母线电压范围为350V～800V，则调节所述第二IPM模块的输入电压为800V。

例如，调节所述第一IPM模块中各晶体管的PWM占空比，使上述三相输入电压的最小值经第一IPM模块整流之后，提升至上述第二IPM模块的输入电压的最大值。例如，调节所述第一IPM模块中各晶体管的PWM占空比，使160V交流电经第一IPM模块后，提升为800V的直流母线电压，作为第二IPM模块的输入电压。这样，第一IPM模块需要提升的电压值最大，对应各晶体管的占空比最大，相应的IPM模块的损耗也最大，使得以接近极限参数来运行双IPM模块驱动器，进行标准可靠性试验。

作为一种实施方式，在接近极限参数的条件下，使双IPM模块驱动器在不同负载情况下运行来验证可靠性。例如，双IPM模块驱动器应用于变频空调，则在变频空调的0.1倍额定负载至2倍额定负载情况下，以接近极限参数的上述最小值和最大值，反复运行双IPM模块驱动器。例如，调节第一IPM模块的三相交流输入电压为160V交流电压，该160V交流电压经第一IPM模块以PFC控制算法控制母线电压(即第二IPM模块的输入电压)提升至800V(折算为327v交流电压)，此时，对应IPM模块控制的PWM占空比最大，相应的IPM模块的损耗也最大。假设0.1倍额定负载时，需要60V交流电压，2倍额定负载时需要260V交流电压，则800V的母线电压经过逆变侧可控IPM模块的PMSM算法，降压到60V交流电压和260V交流电压，在此过程中，对应IPM模块的PWM占空比由最大到最小，IPM模块的损耗也以此规律变化。

S105，根据预设时长内所述双IPM模块驱动器的损耗情况判断所述双IPM模块驱动器是否合格。

例如，在运行过程中，如果出现双IPM模块驱动器或者电子元器件损坏，判断为双IPM模块驱动器可靠性不合格，否则合格。例如，若判断所述双IPM模块驱动器不合格，则在电子设备出厂前更换双IPM模块驱动器。

上述电压调节方法，通过调整双IPM模块的输入电压，以接近极限参数双运行IPM模块驱动器，进行空调的标准可靠性试验，验证元器件选型、散热系统、压缩机的带负载能力和电压调节方法的可靠性，大大节省设计成本。

本发明实施例还公开了一种电压调节装置，上述电压调节装置应用于包括第一IPM模块及第二IPM模块的双IPM模块驱动器。例如，上述电压调节装置为用于调节双IPM模块驱动器输入电压的外部电压调节装置，例如，上述电压调节装置为双IPM模块驱动器内的装置，例如，上述电压调节装置由双IPM模块驱动器的DSP实现。例如，上述电压调节装置采用上述任一实施例的电压调节方法实现。例如，如图7所示，上述电压调节装置100包括：

第一计算模块110，用于按照预设时间间隔分别计算第一电压和第二电压，其中第一电压为第一IPM模块的三相输入电压对应的直流母线电压，第二电压为压缩机负载的反电动势电压；

比较模块130，用于比较所述第一电压和所述第二电压的大小，确定所述第一电压和所述第二电压中的较大值；

调节模块150，用于根据所述较大值调节所述第二IPM模块的输入电压。

在一个实施例中，上述电压调节装置100还包括：第二计算模块170，用于在每次确定所述第一电压和所述第二电压中的较大值之后，根据当前较大值与上一较大值之间的差值，计算平滑因子；

所述调节模块150，还用于根据所述当前较大值、所述上一较大值及所述平滑因子，调节所述第二IPM模块的输入电压。

在一个实施例中，如图8所示，第二计算模块170包括获取单元171及计算单元173，其中：

获取单元171，用于获取所述差值所在的预设范围对应的比例因子；

计算单元173，用于计算所述差值与其对应的比例因子的乘积，作为所述平滑因子。

在一个实施例中，所述调节模块150包括判断单元与处理单元，所述判断单元用于判断所述平滑因子是否为零，是则由所述处理单元将所述第二IPM模块的输入电压调整为所述当前较大值；否则由所述处理单元将所述第二IPM模块的输入电压调整为所述上一较大值与所述平滑因子之和。

在一个实施例中，所述调节模块150还用于调节所述第一IPM模块的三相输入电压为最小值；以及，用于调节所述第二IPM模块的输入电压为最大值；

所述电压调节装置还包括：判断模块，用于根据预设时长内所述双IPM模块驱动器的损耗情况判断所述双IPM模块驱动器是否合格。

本发明又一实施例是，一种电压调节装置，其采用上述任一实施例所述电压调节方法；例如，一种电压调节装置，其采用上述任一实施例所述电压调节方法实现；又如，一种电压调节装置，其具有上述任一实施例所述电压调节方法所对应的功能模块。

上述电压调节装置，能够根据三相输入电压和压缩机负载的反电动势电压的比较结果，调节双IPM模块驱动器中第二IPM模块的输入电压，从而降低双IPM模块驱动器的功率损耗，提高其使用寿命。还能提高控制器的效率，减小压缩机电流畸变。

本发明实施例还提供了一种双IPM模块驱动器，所述双IPM模块驱动器采用上述任一实施例所述电压调节方法或电压调节装置实现。如图9所示，上述双IPM模块驱动器200包括第一IPM模块210、第二IPM模块230及上述任一实施例所述的电压调节装置100，电压调节装置100分别与第一IPM模块210及IPM模块230连接。其中，第一IPM模块210为整流侧可控IPM模块，第二IPM模块230为逆变侧可控IPM模块。

上述双IPM模块驱动器，能够根据三相输入电压和压缩机负载的反电动势电压的比较结果，调节双IPM模块驱动器中第二IPM模块的输入电压，从而降低双IPM模块驱动器的功率损耗，提高其使用寿命。还能提高控制器的效率，减小压缩机电流畸变。

应该说明的是，上述装置实施例中，所包括的各个模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于可读取存储介质中，所述存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。