[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

说明书

本发明公开了一种通过损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统，系统包括：微控制器、信号采集电路、传感器、串口通信电路、上位机、功率变换器、冷却风扇、受控电压源。其中，微控制器连接功率变换器，并通过信号采集电路、串口通信电路和受控电压源分别与传感器、上位机和冷却风扇相连接。该系统通过采集的功率变换器中功率器件电流和壳温，计算出功率器件的实时结温波动幅值，并以结温波动幅值为控制量，通过控制功率器件的开关频率和电流来间接调节其损耗，通过控制冷却风扇来调节功率变换器的环境对流，将两方面进行协同调节来抑制结温波动。本发明解决了低频大功率循环工况下功率器件老化速度过快的问题，延长功率变换器的使用寿命。

技术领域

本发明属于功率变换器的热管理领域，具体涉及一种通过损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，功率变换器在工业变频器、可再生能源并网、以及电机驱动等多个领域，得到了极为广泛的应用。由于其应用领域的不断扩大，功率变换器的运行工况也日趋复杂，将引起功率器件结温产生不同程度的波动。经研究表明，结温波动会导致功率器件的老化，结温波动幅值变大直接加快功率器件的老化速度；且由功率器件老化失效导致的系统故障比例越来越高。因此，为了减小结温对功率器件造成的影响，常需要对功率变换器进行热管理。

目前，功率变换器的热管理方式分为被动热管理和主动热控制。传统的被动热管理方式，主要包含了外部散热和过温保护，外部散热旨在减小功率变换器的环境热阻；过温保护是一种保护措施，通过直接关闭功率变换器输出或将输出减半的操作，防止功率器件的结温过高。被动热管理在使用时需要保守地设定功率变换器的额定电流，因此对功率变换器的输出能力挖掘地不够充分。为了克服被动热管理存在的不足，近年来，主动热控制方法被提出。主动热控制是一种温度闭环控制方法，该方法主要根据系统反馈的功率器件结温，通过对功率器件的功率损耗进行调节，实现对功率器件结温的间接控制。然而，在低频大功率循环的运行工况下，功率器件将产生幅值较大的低频结温波动，对器件的使用寿命影响程度较为明现。采用被动热管理只能简单的防止器件结温过高，对结温波动的抑制效果并不好；而仅将器件损耗作为降低结温波动的手段，调节方式单一，对低频结温波动的平滑能力也有限。因此，该工况导致的低频结温波动对功率器件使用寿命的影响仍旧很大，缩短功率变换器的使用年限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过损耗与环境对流协同调节的功率变换器热管理系统，以解决低频大功率循环工况下功率器件老化速度过快的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

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，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；