[发明专利]通过损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统

权利要求书

1.一种通过功率损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统，其特征在于，包括微控制器、信号采集电路、传感器模块、串口通信电路、上位机、功率变换器、受控电源和冷却风扇；

所述传感器模块用于功率器件的电流反馈值I_fdb、功率器件的壳温T_c和功率变换器的冷却风速V_{fw_fdb}信号的采集，并输出电压信号；

所述信号采集电路用于转换传感器模块输出的电压信号，将电压调节到微控制器管脚的安全电压范围之内；

所述上位机用于设定结温波动幅值的参考值ΔT_j1^*、ΔT_j2^*、ΔT_j3*，并通过串口通信电路传输给微控制器；

所述微控制器用于接受信号采集电路输出包含电流、风速、温度信息的电压信号和上位机设定的结温波动幅值的参考值ΔT_j1^*、ΔT_j2^*、ΔT_j3^*；通过提取电压信号得到功率器件的电流反馈值I_fdb和壳温T_c，以及功率变换器的冷却风速V_{fw_fdb}；根据功率器件的电流反馈值I_fdb和壳温T_c计算结温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}；温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}和结温波动幅值的参考值ΔT_j1^*、ΔT_j2^*、ΔT_j3^*用于结温波动幅值的闭环控制，分别生成功率器件的电流限制值I_{lim_Tj}和开关频率f_pwm1，以及风速参考值V_fw^*；电流限制值I_{lim_Tj}用于给定的期望电流I_req的饱和限幅，并生成电流参考值I_obj；电流参考值I_obj和电流反馈值I_fdb用于功率器件电流的闭环控制，生成第一占空比D_pwm1；风速参考值V_fw^*和冷却风速V_{fw_fdb}用于风速的闭环控制，生成第二占空比D_pwm2；第一占空比D_pwm1和开关频率f_pwm1用于生成第一PWM信号；第二占空比D_pwm2用于生成第二PWM信号；最终输出两路PWM信号；

其中第一PWM信号用于控制功率变换器的功率输出，第二PWM信号用于控制受控电源的电压，进一步控制冷却风扇的冷却风速V_{fw_fdb}；

所述微控制器包括功率器件损耗模型和结壳热网络模型，所述功率器件损耗模型根据功率器件的电流反馈值I_fdb，前一时刻的结温反馈值T_{j_fdb}(k-1)，计算功率器件损耗功率P_loss；

所述结壳热网络模型根据功率器件损耗功率P_loss和壳温T_c，计算输出功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}，将结温反馈值T_{j_fdb}作为低通滤波器的滤波对象，同时用于计算结温波动幅值的反馈值ΔT_{j_fdb}；

所述功率器件损耗模型计算功率器件损耗功率P_loss的过程如下：

将功率器件的电流反馈值I_fdb，前一时刻的开关频率f(k-1)和结温反馈值T_{j_fdb}(k-1)代入到公式(1)，可计算出功率器件损耗功率P_loss；

其中，I为功率器件电流，在计算时使用功率器件的电流反馈值I_fdb，f为功率器件的开关频率，在计算时使用前一时刻的开关频率f(k-1)，T_j为功率器件结温，在计算时使用前一时刻的结温反馈值T_{j_fdb}(k-1)，p_a,b,c为拟合系数，a、b、c分别为功率器件电流I、功率器件的开关频率f、以及功率器件结温T_j的指数；

所述结壳热网络模型用于计算功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}；计算过程如下：

将功率器件的损耗功率P_loss与功率器件的壳温T_c代入到公式(2)和(3)，计算得到功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}；

其中，T_j(k)为当前时刻待求结温值，同时也作为功率器件的结温反馈值T_{j_fdb}，T₁(k)为当前时刻结壳之间热网络节点1的温度，T_j(k-1)为前一时刻结温值，T₁(k-1)为前一时刻结壳之间热网络节点1的温度，T_c(k)为当前时刻的功率器件壳温值，在计算时使用功率器件的壳温T_c，P(k)为当前时刻的功率器件损耗功率，在计算时使用功率器件损耗功率P_loss，Δt为离散时间。