[发明专利]一种功率器件结温控制电路及主动热管理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种变流器功率器件的热管理领域，特别涉及一种功率器件结温控制电路及基于缓冲吸收电路参数调整的变流器功率模块主动热管理方法。

背景技术

工业界的反馈信息表明，与发电机等常规电力设备相比，功率变流器具有较低的可靠性。尤其在可再生能源发电中，系统要求功率变流器具有和发电机，变压器等常规电力设备相近的可靠性。由于可再生能源发电难于直接并网，因而功率变流器在系统中不可或缺。变流器在可再生能源发电中是连接发电机和公用电网的桥梁，担负着电能变换的重要作用。因此，提高变流器的可靠性是一个亟需解决的现实问题。

功率变流器可靠性低下与其工作特点密切相关。变流器常常运行在处理功率大幅度随机波动的场合，其处理的是能量密度极高的脉冲电磁功率，在运行过程中功率模块持续承受巨大的热应力循环冲击，从而加速变流器的疲劳老化失效，缩短设备的使用寿命。器件结温越高，使用寿命越短，结温变化幅度越大，使用寿命也越短。但当器件的平均结温不超过额定工作温度时，温度变化的幅度对功率器件的寿命影响更大，起主要支配作用。实际上，功率器件的许多其他失效原因，其本质也与结温息息相关。如过电气应力失效的本质就是雪崩电压击穿时产生的热量累积引起结温不断上升，最终导致的热击穿失效。

半导体功率器件在运行过程中会产生功率损耗，主要包括开通损耗，关断损耗，以及导通损耗，这些损耗会引起器件发热。功率器件运行过程中的结温及其产生的热应力冲击，是影响器件可靠性的一个十分重要的因素，需要采取措施减小或平滑这种热冲击，即对器件结温进行调节，通常以降低平均结温，减小结温波动幅度为控制目标。采用合适的控制策略抑制器件的热应力冲击，在不影响变流器功率处理能力的前提下，使系统运行在可靠性较高的模式，该方法是一种主动的寿命延长技术。功率模块的热应力控制包括器件内部结温控制和外部热管理两类，结温控制的本质是器件损耗控制，具有响应速度快，控制精度较高等优势；外部热管理的本质是热阻控制，属于传统热管理的范畴，响应速度较慢。现有为数不多的有关器件内部结温控制仅限于开关频率调节，调制方式调整，以及负载电流调节等少数方法。在实际功率变流器中，开关频率的变化范围有限，调节开关频率对电能质量有影响。而通过负载电流调节温度的方式，在绝大多数场合都不被允许，因此该方法的实际应用受到诸多限制。空间矢量调制方式对调节器件结温具有较好的效果，该方法的本质仍然是开关频率调整。

因此，为实现变流器功率模块热管理的控制目标，解决现有结温控制方法存在的问题和缺陷，需要探索更多可行的热应力控制方案。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种功率器件结温控制电路及基于缓冲吸收电路参数调整的变流器功率模块主动热管理方法。

本发明的目的之一是提出一种功率器件结温控制电路；本发明的目的之二是提出一种基于功率器件结温控制电路的主动热管理方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种功率器件结温控制电路，包括缓冲电容、充电控制电路和放电控制电路；所述缓冲电容，用于抑制器件关断瞬间的电压尖峰，减小集射极电压上升速率，同时存储功率器件关断时的能量；所述充电控制电路，用于给缓冲电容提供一个充电电流可调的充电通路；所述放电控制电路，用于给缓冲电容提供一个放电电流可调的放电通路，吸收缓冲电容释放的能量；所述缓冲电容和充电控制电路串联后连接于功率器件的集射极之间；所述放电控制电路与充电控制电路并联。

进一步，所述放电控制电路还包括单独放电回路；所述单独放电回路包括温控开关Son和吸收电阻Ron；所述温控开关Son，用于给缓冲电容设置单独的放电回路，在降温控制且功率器件开通时启用；所述吸收电阻Ron与温控开关Son串联，用于吸收缓冲电容放电能量；所述温控开关Son和吸收电阻Ron串联后连接于缓冲电容两端。

进一步，所述充电控制电路为基极驱动电流可调节的三极管。

进一步，所述放电控制电路为基极驱动电流可调节的三极管。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的基于功率器件结温控制电路的主动热管理方法，包括以下步骤：

S1：设置温度控制目标值；

S2：获取变流器中功率模块的温度信息；

S3：计算实时温度信息与温度参考量之间的差值；

S4：根据差值来确定需要升温控制还是降温控制；当差值为正时降温；差值为负时升温；

S5：按以下方式调节充电控制电路和放电控制电路中的电流大小：