一种用于全控H桥拓扑结构的新型主动温度控制策略的制作方法

本发明涉及电力电子变换器可靠性研究领域中的全控h桥拓扑结构的主动温度控制策略，尤其涉及一种通过改变拓扑调制方式实现的主动温度控制策略。

背景技术：

全控h桥拓扑结构在电力电子变换器中的应用极为广泛，如pwm整流器、dc/dc变换器、级联多电平变换器以及模块化多电平变换器等。采用全控h桥结构的电力电子变换器能够实现更高的模块化程度，使整个系统的冗余度、可扩展性以及容错能力都大大提高。近年来，随着功率开关器件的数量以及功率密度的提升，电力电子变换器的可靠性逐渐成为研究热点。对于功率开关器件来说，高频的电压冲击以及热损耗累积都会加剧器件的老化速度，相关的文献研究也指出，电力电子系统中功率器件的故障率约为32％，而随着器件数量的增加，其故障率甚至能增长到82.5％。电力电子变换器作为广泛使用的电能转换装置，一旦发生故障，轻则造成设备停机、停产，重则会造成灾难性事故，给人民生命财产和社会带来巨大损失。如何降低功率开关器件的老化速度，即在功率开关器件发生故障前就主动降低其热应力，是当前电力电子变换器可靠性研究的重要内容。

目前，对于应用了全控h桥拓扑变换器的主动温度控制策略研究主要从以下两个方面入手：一种方式是通过调节h桥模块的传输功率，多用于模块化或级联结构等具有重复冗余结构的变换器；另一种则是通过调节功率开关器件自身的运行参数实现，主要包括开关频率、调制方式以及驱动技术等。例如，youngjongko等在标题为powerroutingforcascadedh-bridgeconverters的文章中通过注入三次谐波的方法来动态调整各h桥模块温度，均衡各子模块间的老化程度；中国专利cn104731124b中提出了在变换器温度高于设定阈值时，通过将输出电流减半的方式来降低变换器的温度。但通过分析可以发现，这些已有方案还存在以下问题或缺陷：

1.采用额外冗余结构的方式提高了硬件成本；

2.通过改变运行参数来控制温度的方式降低了变换器性能；

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有主动温度控制方法的缺陷，提出一种基于改进调制方式的主动温度控制策略，适用于基于全控h桥拓扑的能量单方向传输应用的电力电子变换器。

本发明所述的新型主动温度控制策略是基于全控h桥拓扑自身的开关状态冗余特性设计，在任意数量全控h桥模块的变换器中都能够适用，不需要额外的备份或冗余模块，对变换器性能也不会产生影响。

本发明所述的新型主动温度控制策略系统包括全控h桥拓扑结构、主动温度控制器和pwm信号发生器。

本发明所述的一个全控h桥拓扑结构由四个全控型开关管组成，可用于pwm整流器或者与dc/dc变换器组合构成pfc变换器等能量单方向传输的电力电子变换器。本发明所述的新型主动温度控制策略可描述为：当变换器的全控型开关管的平均温度达到设定阈值时，通过改变调制策略将其转换成无桥或h桥运行模式，通过降低特定功率开关器件损耗的方法实现对其温度的主动控制，同时对变换器本身的运行状态不产生影响。为实现以上目的，本发明涉及的方法包括：

1.全控h桥拓扑结构的全控型开关管须由独立的驱动信号进行控制，使变换器能够在多种运行方式下工作，上下桥臂的全控型开关管的驱动信号为互补导通状态以防止桥臂直通发生短路；

2.每个全控型开关管上连接一个温度传感器用来获取各个全控型开关管的壳温信息，当全控型开关管的壳温平均温度高于设定的阈值时，则将全控h桥的运行方式切换为相应的无桥运行方式；

3.当上桥臂和下桥臂或左桥臂和右桥臂全控型开关管的温差超过设定的阈值时，对无桥运行方式进行对偶结构切换；

4.当上桥臂和下桥臂或左桥臂和右桥臂的全控型开关管的温差小于设定的阈值时，则将h桥的调制方式恢复为全控h桥运行方式；

5.本发明所涉及的无桥运行方式共有四种，控制器根据不同的无桥运行状态，为全控型开关管分配不同的控制信号。

所述全控型开关管可以为igbt(绝缘栅双极型晶体管)或igct(集成门极换流晶闸管)或mosfet(电力场效应晶体管)。

以上所述的主动温度控制策略适用于采用全控h桥拓扑结构的电力电子变换器，具体为能量单方向传输变换器或是工作在能量单方向传输状态的能量双向传输变换器。本发明所述全控h桥拓扑的主动温度控制策略具有如下特点和优势：

1.无需增加额外的冗余器件，降低了硬件设计成本；

2.对变换器的控制策略没有要求，只需对功率开关器件的控制信号进行相应调整；

3.运行方式切换平滑，变换器自身的工作状态不受影响。

附图说明

图1为本发明一个实施例的全控h桥拓扑结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的由占空比生成的pwm脉冲信号示意图；

图3为根据本发明一个实施例的采用方式一所述的无桥运行方式示意图；

图4为根据本发明一个实施例的采用方式二所述的无桥运行方式示意图；

图5为根据本发明一个实施例的采用方式三所述的无桥运行方式示意图；

图6为根据本发明一个实施例的采用方式四所述的无桥运行方式示意图；

图7为根据本发明一个实施例的新型主动热控制方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来描述本发明实施例提出的全控h桥拓扑结构的主动温度控制策略。

如图1所示，根据本发明实施例的全控h桥拓扑结构以及相应的主动温度控制系统，包括全控h桥拓扑结构、pwm信号发生器和主动温度控制器。主动温度控制器由pid控制器、温度检测模块组成。pwm信号发生器用来产生每个全控性开关管的驱动信号。在以下描述的实施例中，全控型功率开关器件的数量为四个，四个全控型开关管构成一个全控h桥电路拓扑。可以理解的是，根据实际需要，所述全控型开关管的数量可以进行适当的调整，而并不局限为四个。图1中，全控h桥拓扑结构端口电压为us，电路元件包括第一全控型开关管s1、第二全控型开关管s2、第三全控型开关管s3、第四全控型开关管s4，以及与相应全控型开关管对应的第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4。us端口一端与第一全控型开关管s1的发射极和第二开关管s2的集电极相连，另一端与第三全控型开关管s3的发射极和第四全控型开关管s4的集电极相连；第一全控型开关管s1的集电极和第三全控型开关管s3的集电极相连，第二全控型开关管s2和第四全控型开关管s4的发射极相连。

本发明实施例中的全控型开关管对应的二极管，不限定于全控型开关管的体二极管，也可以是与全控型开关管并联的二极管。

不同的开关可组成以下四种桥臂：

第一全控型开关管s1和第二全控型开关管s2组成全控h桥拓扑结构的左桥臂；

第三全控型开关管s3和第四全控型开关管s4组成全控h桥拓扑结构的右桥臂；

第一全控型开关管s1和第三全控型开关管s3组成全控h桥拓扑结构的上桥臂；

第二全控型开关管s2和第四全控型开关管s4组成全控h桥拓扑结构的下桥臂。

为对本发明所述的主动温度控制策略进行叙述，这里对出现的变量或符号进行说明。四个全控型开关管器件的驱动信号为第一全控型开关管s1栅极驱动脉冲g1，第二全控型开关管s2栅极驱动脉冲g2，第三全控型开关管s3栅极驱动脉冲g3，第四全控型开关管s4栅极驱动脉冲g4。

控制系统所输出的调制波信号为d。pwm1为一个由调制波信号d生成的驱动脉冲信号，而为pwm1的互补脉冲信号；pwm2为由调制波信号1-d生成的驱动脉冲信号，为pwm2的互补脉冲信号，以上内容如图2所示。

第一全控型开关管的温度为t1，第二全控型开关管的温度为t2，第三全控型开关管的温度为t3，第四全控型开关管的温度为t4，四个全控型开关管的平均温度为tavg，环境温度为ta，平均温度的阈值为ttha。全控型h桥拓扑结构的上桥臂和下桥臂的全控型开关管的平均温度差为δtver(正值代表上桥臂温度高于下桥臂温度，负值代表下桥臂温度高于上桥臂温度)，全控型h桥拓扑结构的左桥臂和右桥臂的全控型开关管的平均温度差为δthor(正值代表左桥臂温度高于右桥臂温度，负值代表右桥臂温度高于左桥臂温度)，上、下桥臂以及左、右桥臂的平均温度差阈值为tthb。

全控h桥拓扑结构在默认状态运行时，第一全控型开关管s1的栅极驱动信号g1被配置为pwm1，第二全控型开关管s2的栅极驱动信号g2被配置为第三全控型开关管s3的栅极驱动信号g3被配置为第四全控型开关管s4的栅极驱动信号g4被配置为pwm1。

如图3至图6所示，本发明实施例的全控型h桥拓扑结构主动热控制的控制方法包括以下四种无桥运行方式：

方式一：第一全控型开关管s1的栅极驱动信号g1被置为零，第二全控型开关管s2的栅极驱动信号g2被配置为第三全控型开关管s3的栅极驱动信号g3被置为零，第四全控型开关管s4的栅极驱动信号g4被配置为pwm2。

方式二：第一全控型开关管s1的栅极驱动信号g1被配置为pwm2，第二全控型开关管s2的栅极驱动信号g2被置为零，第三全控型开关管s3的栅极驱动信号g3被配置为第四全控型开关管s4的栅极驱动信号g4被置为零。

方式三：第一全控型开关管s1的栅极驱动信号g1被置为零，第二全控型开关管s2的栅极驱动信号g2被置为零，第三全控型开关管s3的栅极驱动信号g3被配置为第四全控型开关管s4的栅极驱动信号g4被配置为pwm2。

方式四：第一全控型开关管s1的栅极驱动信号g1被配置为pwm2，第二全控型开关管s2的栅极驱动信号g2被配置为第三全控型开关管s3的栅极驱动信号g3被置为零，第四全控型开关管s4的栅极驱动信号g4被置为零。

为避免方式三和方式四中存在的桥臂直通现象，根据端口电压us极性的不同，全控型开关管的栅极驱动信号需经过额外的逻辑电路处理。

根据四个全控型开关管的平均温度tavg、温度阈值ttha与tthb、上桥臂和下桥臂的温度差δtver、左桥臂和右桥臂的温度差δthor等变量之间的关系，选择合适的运行方式，可以实现对全控h桥拓扑结构的第一全控型开关管s1、第二全控型开关管s2、第三全控型开关管s3、第四全控型开关管s4的主动温度控制目的。

具体而言，根据本发明的一个实施例，如图7所示，上述的全控h桥拓扑结构的主动温度控制方法包括以下步骤：

步骤一：判断四个全控型开关管的平均温度tavg是否大于ttha。如果是，则实施步骤二，否则继续以全控h桥方式运行。

步骤二：记stmax为温度最高的全控型开关管。判断四个全控型开关管中温度最高的开关管，若stmax＝s1，需再判断t2是否大于t3，若为是，则执行步骤六，若为否，则执行步骤四；若stmax＝s2，需再判断t1是否大于t4，若为是，则执行步骤六，若为否，则执行步骤三；若stmax＝s3，需再判断t1是否大于t4，若为是，则执行步骤四，若为否，则执行步骤五；若stmax＝s4，需再判断t2是否大于t3，若为是，则执行步骤三，若为否，则执行步骤五。

步骤三：执行方式一，判断δtver是否大于tthb，若为是，则执行方式二，若为否，则继续执行方式一；执行方式二之后，判断δtver是否小于–tthb，若为是，则执行方式一，若为否，则继续执行方式二。

步骤四：执行方式二，判断δthor是否大于tthb，若为是，则执行方式一，若为否，则继续执行方式二；执行方式一之后，判断δthor是否小于–tthb，若为是，则执行方式二，若为否，则继续执行方式一。

步骤五：执行方式三，判断δtver是否大于tthb，若为是，则执行方式四，若为否，则继续执行方式三；执行方式四之后，判断δtver是否小于–tthb，若为是，则执行方式三，若为否，则继续执行方式四。

步骤六：执行方式四，判断δthor是否大于tthb，若为是，则执行方式三，若为否，则继续执行方式四；执行方式三之后，判断δthor是否小于–tthb，若为是，则执行方式四，若为否，则继续执行方式三。

本发明实施例所描述的过程或方法可以不按照所讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。

此外，本发明中所描述的“pid控制器”应该理解为包括比例、微分、积分控制及其各种组合形式。

在本发明中的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表达比必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构或者特点可以再任一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

综上所述，通过采集四个全控型开关管的温度并进行比较，然后根据四个全控型开关管的平均温度tavg、温度阈值ttha与tthb、上、下桥臂的全控型开关管的平均温度差δtver、左、右桥臂的全控型开关管的温度差δthor之间的关系进行判断，从而选择全控型h桥的运行方式，使其能够在正常运行过程中实现全控h桥拓扑结构的全控型开关管s1、s2、s3、s4的温度应力相对均衡，从而降低变换器或系统的故障率，提高系统的运行可靠性和寿命，与传统的被动式散热冷却系统相比具有更强的主动性和自由度，并且本发明在结构上没有引入额外的电路或元器件，不增加额外的硬件成本或损耗。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中的工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入奔放的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。