一体式涡旋压缩机及其变频器功耗减少的方法、装置与流程

本发明涉及一种一体式涡旋压缩机及其变频器功耗减少的方法、装置，属于车用空调涡旋压缩机的变频器散热及功耗减少领域。

背景技术：

一体化车用空调电动涡旋压缩机指涡旋式压缩机、驱动压缩机的永磁同步电机、控制电机的变频器全部安装在一个紧凑的铝制壳体内。24v变频器是指采用24v电池直流供电的变频器。车用空调的制冷功率比一般的家用空调大，但供电电压却小了一个数量级，导致其驱动电流比普通家用空调大一个数量级。与24v涡旋式压缩机匹配的变频器是一种低压大电流电路。

当采用24v电池供电时，涡旋压缩机的驱动电机一般采用直流无刷电机(bldc)，对应的驱动电路采用三相全桥，并采用功率场效应管(mosfet)作为功率开关元件，功率管由单片机采用脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，简称pwm)方式控制。受限于压缩机的外壳设计，对应的一体化变频器的电路板面积小于12cm*12cm，这是一种高功率密度结构。

当空调正常工作时，变频器自身也要消耗部分输入的电能，这种功率损耗主要由功率管造成，功率管自身的功率损耗最终转化为热的形式，导致驱动电路发热。功率管的总功率损耗wt可表示为wt＝wc+ws+wd，其中wc是导通损耗，即功率管开通时电流流过其内部电阻所引起的功率损耗；ws是开关损耗，即功率管由开变关或由关变开过程，由于电流无法突变所引起的损耗；wd是续流损耗，即三相全桥电路中当一个桥臂的上桥功率管或下桥功率管关断时，引起处于关断状态的对偶功率管中的续流二极管导通，电流通过二极管所产生的损耗。这三部分损耗随压缩机驱动电机的工作状态而变化，与脉冲宽度调制的占空比成正相关关系，即随着压缩机做功功率增大，脉冲宽度调制占空比也随之增大，三种功率损耗都增大，但其变化规律是复杂的非线性关系。显然电机所需的驱动功率变大，驱动电路的功率损耗也随之增大。

车用电动涡旋式压缩机有追求制冷功率最大化的趋势，即保持压缩机壳体不变、压缩机涡旋盘机械结构不变，仅通过提高驱动电机额定功率来提高制冷量。显然制冷量越大，变频器的功率损耗也增大，所以减少功率驱动电路功率损耗，给功率电路合适的散热，是提高空调机功率的关键，也是保证变频器可靠性的关键，功率场效应管工作在过热状态很容易损坏。

减小驱动电路发热可从减小导通损耗(wc)、开关损耗(ws)、续流损耗(wd)三方面着手。wc与工作电流和功率管内阻有关，当功率管型号确定后，这部分损耗就基本确定了，难以再减少；ws与pwm载波频率和功率管的开关速度有关，当功率管的前级放大电路确定后，其开关速度就定了，仅剩下通过降低载波频率这种减少ws的途径，但载波频率影响电机控制性能，并不能随意减小；wd与续流电流所流过的二极管正向压降有关，如果能改变续流路径就有可能减小续流损耗。

由变频器自身功率损耗所引起的发热是不可避免的，所以变频器必须有合适的散热途径，保证在各种极端工作条件下，功率管的温度在安全范围内。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于提供一种一体式涡旋压缩机，该压缩机可以使变频器起到很好的散热效果。

本发明的第二个目的在于提供一种一体式涡旋压缩机的变频器功耗减少的方法，该方法通过占空比控制以及离线自学习同步整流控制的方式，减小一体式涡旋压缩机的变频器自身功率损耗，保证即使增大了压缩机的制冷功率，变频器的功率管温度仍在安全范围内。

本发明的第三个目的在于提供一种一体式涡旋压缩机的变频器功耗减少的装置。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一体式涡旋压缩机，包括壳体、变频器和电机，所述变频器和电机设置在壳体内，所述变频器包括电路板、三相全桥功率管和三个扭簧端子，所述三相全桥功率管封装在电路板的正面，所述三个扭簧端子从电路板的正面插入，并从电路板的背面伸出，三个扭簧端子与电机的三相接线柱对准连接。

进一步的，所述壳体包括盒盖和底座，所述电机设置在底座内，所述电路板的背面中间区域设有硅胶垫，所述盒盖将电路板按压在硅胶垫上，并与底座可拆卸连接，盒盖与底座之间形成用于放置变频器的容纳腔。

进一步的，所述底座具有凸台阶面，所述电路板和硅胶垫一起放置在凸台阶面上；

所述三相全桥功率管包括三组上桥功率管和三组下桥功率管，所述三组上桥功率管的漏极焊接在电路板正面的直流母线上，所述电路板正面的直流母线上密布有多个金属化过孔，所述电路板背面的直流母线上喷有一层裸露的锡；所述三组下桥功率管焊接在电路板正面，并位于三个扭簧端子的旁边，三组下桥功率管的漏极经电路板正面的铜箔导线与三个扭簧端子一一对应连接。

进一步的，每组上桥功率管由两个功率管并联构成，每组下桥功率管由两个功率管并联构成。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一体式涡旋压缩机的变频器功耗减少的方法，所述方法包括：

控制脉冲宽度调制的占空比，减小三相全桥功率管中上桥功率管的开关损耗；

离线自学习同步整流控制，减小三相全桥功率管中所有功率管的续流损耗；

通过减少三相全桥功率管中上桥功率管的开关损耗，以及减小三相全桥功率管中所有功率管的续流损耗，从而减小变频器功率损耗。

进一步的，所述控制脉冲宽度调制的占空比，减小三相全桥功率管中上桥功率管的开关损耗，具体为：

当空调处于重负荷状态时，若脉冲宽度调制的占空比在(98％,100％)的区间内，则加大占空比至100％，将工作在脉冲开关状态的上桥功率管变为强制持续开通状态，同时退出转速反馈控制，改为强制定时换相控制，保持电机转速不变，大幅减少上桥功率管的开关次数，即减小上桥功率管所产生的开关损耗。

进一步的，所述离线自学习同步整流控制，减小三相全桥功率管中所有功率管的续流损耗，具体为：

根据电机的反电动势波形，在不同电机的工作电流与工作电压条件下，分别学习记录仅通过上桥功率管内部二极管续流时的第一续流时间和仅通过下桥功率管内部二极管续流时的第二续流时间；将第一续流时间和第二续流时间作为同步整流脉冲的持续时间，将同步整流控制分为上桥功率管同步整流控制和下桥功率管同步整流控制两种工况。

进一步的，所述上桥功率管同步整流控制，具体为：

当下桥功率管由开通状态变为关闭状态时，延迟一个死区时间，开通对偶的上桥功率管，续流电流改为从上桥功率管的源极经漏极流出，开通持续时间，即同步整流时间。

进一步的，所述下桥功率管同步整流控制，具体为：

当上桥功率管在脉冲宽度调制周期内最后一个脉冲宽度调制的脉冲关断后，延迟一个死区时间，开通对偶的下桥功率管，将续流电流改为由下桥功率管的漏极和源极内流过，开通持续时间，即同步整流时间。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一体式涡旋压缩机的变频器功耗减少的装置，所述装置包括：

占空比控制模块，用于控制脉冲宽度调制的占空比，减小三相全桥功率管中上桥功率管的开关损耗；

同步整流控制模块，用于离线自学习同步整流控制，减小三相全桥功率管中所有功率管的续流损耗；

变频器功率损耗减少模块，用于通过减少三相全桥功率管中上桥功率管的开关损耗，以及减小三相全桥功率管中所有功率管的续流损耗，从而减小变频器功率损耗。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的一体式涡旋压缩机将三个扭簧端子从电路板的正面插入，并从电路板的背面伸出，三个扭簧端子与电机的三相接线柱对准连接，可以将三个扭簧端子上的热量传导至电机的三相接线柱上，起到散热效果。

2、本发明的一体式涡旋压缩机中变频器的电路板背面中间区域设有硅胶垫，通过将盒盖将变频器的电路板按压在硅胶垫上，可以减少电机运转所产生的振动对电路板上元器件的振动冲击，从而提高变频器的抗振动性。

3、本发明的一体式涡旋压缩机中变频器的三组上桥功率管的漏极焊接在电路板正面的直流母线上，电路板正面的直流母线上密布有多个金属化过孔，上桥功率管工作时，其自身的功率损耗所产生的热量经过电路板正面直流母线上的金属化过孔传导至电路板背面的直流母线上，并且电路板背面的直流母线上喷了一层裸露的锡，由于直流母线为铜材质，裸露的铜锡合金面与硅胶垫接触，从而将上桥功率管产生的热量经硅胶垫传导至低温的凸台阶面上，以此对上桥功率管进行散热。

4、本发明的一体式涡旋压缩机中变频器的三组下桥功率管的漏极通过电路板正面的铜箔导线与扭簧端子一一对应连接，在下桥功率管工作时，铜箔导线可以将下桥功率管自身的功率损耗所产生的热量传导到低温的扭簧端子上，以此对下桥功率管进行散热。

5、本发明可以通过占空比控制以及离线自学习同步整流控制的方式，减小一体式涡旋压缩机的变频器自身功率损耗，保证即使增大了压缩机的制冷功率，变频器的功率管温度仍在安全范围内。

6、本发明在下桥某个功率管关断时，若不施加控制，原来流经该功率管的电流，由与其对偶的上桥功率管内的二极管续流，并逐步衰减至零，在这续流过程中，开通对偶的上桥功率管，续流电流改为流经上桥功率管的源极和漏极，由于功率管内阻小，从而大幅度减小续流损耗；在上桥某组功率管关断时，若不施加控制，原来流经该组功率管的电流，由与其对偶的下桥功率管内的二极管续流，逐步衰减至零，在这续流过程中，开通对偶的下桥功率管，续流电流改为由下桥功率管的源极和漏极内流过，功率管的内阻很小，从而大幅降低续流损耗；这两种控制方式被称为同步整流，通过测量续流期间电机的反电动势波形，严格控制三相全桥功率管的开通时刻与持续时间，以免对电机正常控制造成扰动。通过同步整流控制，减小三相全桥功率管的续流损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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方式，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的附图。

图1为本发明实施例1的一体式涡旋压缩机的平面结构图。

图2为图1的a-a剖视图。

图3为本发明实施例1的一体式涡旋压缩机的分解结构图。

图4为本发明实施例1的变频器的电路板元件布局的俯视图。

图5为本发明实施例1的变频器的电路板元件布局的侧视图。

图6为本发明实施例1的三相全桥功率管电路原理图。

图7为本发明实施例1的三相全桥功率管散热设计图。

图8为本发明实施例2的一体式涡旋压缩机的变频器功耗减少的方法流程图。

图9为本发明实施例2的脉冲宽度调制的占空比控制流程图。

图10为本发明实施例2的续流电流与反电动势波形关系图。

图11为本发明实施例2的同步整流控制时序图。

图12为本发明实施例3的一体式涡旋压缩机的变频器功耗减少的装置结构框图。

图1～图5中，1-壳体，101-盒盖，102-底座，1021-凸台阶面，103-容纳腔，2-变频器，201-电路板，2011-铜排，202-扭簧端子，203-硅胶垫，204-上桥功率管，205-下桥功率管，3-三相接线柱。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1～图3所示，本实施例提供了一种一体式涡旋压缩机，该压缩机包括壳体1、变频器2和电机，变频器2和电机设置在壳体1内，电机具有三相接线柱3，三相是指u相、v相和w相，下面不再重复说明。

所述壳体1包括盒盖101和底座102，电机设置在底座102内，盒盖101与底座101可拆卸连接，且形成用于放置变频器2的容纳腔103，容纳腔103的空间大小随盒盖101的大小而变化。

如图1～图5所示，所述变频器2为24v变频器，其包括电路板201、三相全桥功率管和三个扭簧端子202，电路板201上集成有单片机和铜排2011，该铜排2011具有导流功能，三相全桥功率管封装在电路板201的正面，三个扭簧端子202从电路板201的正面插入，并从电路板201的背面伸出，三个扭簧端子202与电机的三相接线柱3对准连接，具体地，将三个扭簧端子202对准电机的三相接线柱3，通过按压方式将三个扭簧端子202直接按压到电机的三相接线柱3上，具体地，电机的三相接线柱3大部分浸泡在低温的空调制冷剂内，小部分外露，外露部分插入扭簧端子202内部，与扭簧端子202的内部紧密接触，使扭簧端子202内部的扭簧自动与电机的三相接线柱3锁紧，在振动环境下也能保持最大接触面积，确保可以流过大电流，以实现变频器2与电机的大电流电气连接，同时可以将三个扭簧端子202上的热量传导至电机的三相接线柱3上，起到散热效果；其中，扭簧端子202和三相接线柱3均为金属材质。

为了减少电机运转所产生的振动对电路板201上元器件的振动冲击，本实施例的电路板101背面中间区域设有硅胶垫203，该硅胶垫203具有导热功能，并且具有弹性，通过将盒盖101将电路板201按压在硅胶垫203上，可以提高变频器2的抗振动性，由于电路板201上没有额外添加的金属散热器，使变频器2能够安装在容纳腔103内，因此只需使用较小的盒盖101即可安装变频器2；此外，底座102具有凸台阶面1021，电路板201和硅胶垫203一起放置在凸台阶面1021上。

所述三相全桥功率管包括三组上桥功率管(上半桥功率场效应管)204和三组下桥功率管(下半桥功率场效应管)205，如图1～图7所示，三组上桥功率管204分别为s1、s3和s5，为了提高额定电流容量，并减小导通内阻，s1、s3、s5实际是由mosfet功率管两两并联构成，三组下桥功率管分别为s2、s4和s6，为了提高额定电流容量，并减小导通内阻，s2、s4、s6实际是由mosfet功率管两两并联构成，mosfet功率管采用to-263-7的封装形式，结合图4，mosfet功率管的底面是金属块，同时也是mosfet功率管的漏极，三组上桥功率管204的mosfet功率管漏极焊接在电路板201正面的直流母线(正极导线)上，该直流母线上密布有多个金属化过孔，三组上桥功率管204的mosfet功率管工作时，其自身的功率损耗所产生的热量经过电路板201正面直流母线上的金属化过孔传导至电路板201背面的直流母线上，电路板201背面的直流母线没有喷阻焊漆，而是在电路板201背面的直流母线上喷了一层裸露的锡，由于直流母线为铜材质，裸露的铜锡合金面与硅胶垫203接触，从而将上桥功率管204产生的热量经硅胶垫203传导至低温的凸台阶面1021上，以此对上桥功率管204进行散热。

三组下桥功率管205所在电路板201的背面没有对应的硅胶垫202，因此下桥功率管205的漏极实际就是变频器的三相输出端，如图1～图7所示，三组下桥功率管焊接在电路板201正面，并位于三个扭簧端子202的旁边，三组下桥功率管205的漏极通过电路板201正面短而粗的铜箔导线与扭簧端子202一一对应连接，该连接方式为短接，这些短而宽的铜箔导线一方面可以流过大电流，另一方面在下桥功率管205工作时，可以将下桥功率管205自身的功率损耗所产生的热量传导到低温的扭簧端子202上，以此对下桥功率管204进行散热，由于扭簧端子202内部的扭簧自动与电机的三相接线柱3锁紧，因此扭簧端子202与电机的三相接线柱3同时也充当下桥功率管205的散热器。

实施例2：

如图8所示，本实施例提供了一种一体式涡旋压缩机的变频器功耗减少的方法，该方法主要通过变频器的单片机实现，包括以下步骤：

s801、控制脉冲宽度调制的占空比，减小三相全桥功率管中上桥功率管的开关损耗。

针对一体式涡旋压缩机的电机，采用120度pwm-on控制方式，即上桥功率管工作在快速通断的脉冲宽度调制方式，以调节电机的电流大小，变频器的单片机通过测算电机的实际转速，以电机的转速为反馈信号调节脉冲宽度调制的占空比大小，通过间接控制电机的电流来控制电机的转速，随着空调负荷加重，变频控制器中的单片机控制输出的脉冲宽度调制的占空比(dc)随之增大，最大可至100％；如图9所示，当空调处于重负荷状态时，若脉冲宽度调制的占空比小于98％时，采用转速反馈控制方式，若脉冲宽度调制的占空比在(98％,100％)的区间内，表示电机处于重负载状态，工作电流较大，将脉冲宽度调制方式变为on-off方式，此时人为向单片机输入加大的占空比请求，单片机响应该请求，加大占空比至100％，将工作在脉冲开关状态的上桥功率管变为强制持续开通状态，同时退出转速反馈控制，通过单片机软件改为强制定时换相控制，保持电机转速不变，大幅减少上桥功率管的开关次数，即减小上桥功率管所产生的开关损耗，在强制定时换相控制过程中，监视电机反电动势过零相位角，判断电机是否过调制(占空比太大)，相位角在安全范围内，就维持占空比恒定为100％，当相位角反映是过调制，则退出强制定时换相控制方式，并将占空比设置为97.8％，并回到正常的转速反馈控制。

s802、离线自学习同步整流控制，减小三相全桥功率管中所有功率管的续流损耗。

如图10所示，为电机u相的电流与反电动势波形图，从图中①处看出，当上桥功率管关断，对偶的下桥功率管内的二极管续流时，u相反电动势接近零，该状态持续时间如③所示；从图中②处看出，当下桥下桥功率管关断，对偶上桥功率管内的二极管续流时，u相反电动势电压接近直流母线电压，该状态持续时间如④所示，③与④脉冲的宽度就表示同步整流的脉冲宽度，此处的同步整流指当功率管内的二极管有续流电流流过，同时给该功率管的门极施加开通脉冲，使功率管由关变开，续流电流改为由功率管的源极流向漏极，电流流过功率管内阻所产生的功率损耗比电流流过二极管的损耗小很多，从而大幅降低续流损耗。续流脉冲宽度随电机工作电流和电池电压变化。为了准确实施同步整流控制，通过实验观察，先记录下不同电机工作电流、工作电压时的上桥功率管内部二极管续流时的第一续流时间表map1(i，batt)，下桥功率管内部二极管续流时的第二续流时间表map2(i，batt)，以备查表应用。

如图11所示，为同步整流控制时序图，分为上桥同步整流与下桥同步整流两种工况。具体的同步整流控制由对单片机内部的增强型脉冲宽度调制(epwm)控制模块编程实现，上桥同步整流控制由图11的a、b、c三个事件表示。a处表示脉冲宽度调制计数器到达脉冲宽度调制周期(120度周期)事件，该事件触发单片机软件中断任务a_task，在a_task中断服务程序中依据map1(i，batt)更新续流脉冲宽度数据；b处表示脉冲宽度调制计数器的值与脉冲宽度调制比较器的值相同事件，该事件触发脉冲宽度调制控制器关断上桥功率管；在延迟一个死区时间后，从c处开始，控制下桥同步整流的功率管开通，实现同步整流；下桥同步整流控制由图11中的d、e、f三个事件表示，d处表示脉冲宽度调制计数器递减为零，该事件触发单片机软件中断任务d_task，在d_task中断服务中依据map2(i，batt)更新续流脉冲宽度；e处表示脉冲宽度调制计数器与脉冲宽度调制比较器的值相同事件，该事件触发脉冲宽度调制控制器关断下桥功率管；在延迟一个死区时间后，从f处开始，控制上桥同步整流的功率管开通，实现同步整流；通过将同步整流的开通时刻与开通时间控制在最佳范围内，避免同步整流干扰电机的正常控制。

s803、通过减少三相全桥功率管中上桥功率管的开关损耗，以及减小三相全桥功率管中所有功率管的续流损耗，从而减小变频器功率损耗。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤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计算机可读存储介质中，存储介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、u盘、移动硬盘等介质。

实施例3：

如图12所示，本实施例提供了一种一体式涡旋压缩机的变频器功耗减少的装置，该装置包括占空比控制模块1201、同步整流控制模块1202和变频器功率损耗减少模块1203，各个模块的具体功能如下：

所述占空比控制模块1201，用于控制脉冲宽度调制的占空比，减小三相全桥功率管中上桥功率管的开关损耗。

所述同步整流控制模块1202，用于离线自学习同步整流控制，减小三相全桥功率管中所有功率管的续流损耗。

所述变频器功率损耗减少模块1203，用于通过减少三相全桥功率管中上桥功率管的开关损耗，以及减小三相全桥功率管中所有功率管的续流损耗，从而减小变频器功率损耗。

上述模块的具体实现参见上述实施例2，在此不再一一赘述；需要说明的是，上述实施例提供的装置仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

综上所述，本发明可以使一体式涡旋压缩机的变频器起到很好的散热效果，并且通过占空比控制以及离线自学习同步整流控制的方式，减小一体式涡旋压缩机的变频器自身功率损耗，保证即使增大了压缩机的制冷功率，变频器的功率管温度仍在安全范围内。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。