[发明专利]一种用于全控H桥拓扑结构的新型主动温度控制策略

说明书

全控H桥拓扑结构的主动温度控制策略，属于电力电子领域，本发明为了解决现有电力电子变换器功率开关器件温度控制策略所存在的影响系统性能和局限于被动散热的问题，公开了一种用于全控H桥拓扑结构的新型主动温度控制策略，包括全控H桥拓扑结构、主动温度控制器以及PWM信号发生器。通过检测每个全控型开关管的温度与设定阈值温度的动态关系，为各全控型开关管配置不同的驱动信号，控制变换器在H桥和无桥模式间切换运行，从而实现通过降低特定全控型开关管损耗的方式对开关管的温度进行主动控制。在主动温度控制策略实施期间，全控H桥拓扑能够继续正常运行，为传统被动式散热方式增加了主动性，并解决了现有方法会降低性能的问题。

技术领域

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，Youngjong Ko等在标题为Power Routing forCascaded H-Bridge Converters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；

发明内容

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；