[發明專利]一種功率變換器中功率器件的熱管理方法及裝置

在審

• 申請號: 202211343062.3
• 申請日: 2022-10-31
• 公開（公告）號: CN115580126A
• 公開（公告）日: 2023-01-06
• 發明（設計）人: 楊雁勇;張品佳;丁曉峰
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;清華大學
• 主分類號: H02M1/32
• 分類號: H02M1/32;H02M1/08;H02M1/084;H02M1/088;H02M7/5387
• 代理公司: 北京中創云知識產權代理事務所(普通合伙) 11837
• 代理人: 肖佳

本發明實施例涉及電力電子及其測量技術領域，具體涉及一種功率變換器中功率器件的熱管理方法及裝置，所述方法包括：采集功率變換器的母線電壓穩定值及各相交流電流值，從而得到各個功率器件的工作電壓值和電流值，并根據該電壓值和電流值獲得功率器件開關頻率的限幅值；根據該母線電壓穩定值及各相交流電流值，計算各功率器件的實時結溫；根據結溫計算橋臂開關頻率值，將該橋臂開關頻率值輸入限幅器以根據所述限幅值進行限幅；根據限幅器輸出的開關頻率值對功率器件的開關頻率進行調整。本發明實施例的技術方案，通過對功率變換器中功率器件的熱管理，解決了變換器中器件溫度高頻波動抑制以及各個器件之間溫度不平衡的問題。

技術領域

本發明實施例涉及電力電子及其測量技術領域，尤其涉及一種功率變換器中功率器件的熱管理方法及裝置。

背景技術

功率變換器在工業、生活中有著廣泛的應用。隨著電力電子技術的迅猛發展，以電力電子變換器為核心的新能源系統逐漸成為經濟發展和產業革命的新動力，引起了廣泛關注。根據電力電子系統可靠性調研報告，在風力發電、光伏發電、混合動力汽車、動車組牽引變流器等各類應用場合，電力電子變換器的故障率是最高的。電力電子功率變換器的運行可靠性直接影響著整個系統的安全穩定運行。電力電子器件是功率變換器的核心部件，也是變換器中最容易發生故障的部件。電力電子器件的失效會直接導致變換器的故障，其可靠性直接影響著變換器的安全穩定運行。

熱應力是影響電力電子器件失效退化和系統安全運行的主要因素。在各類失效因素中，約55%的電力電子系統失效主要由溫度因素誘發，熱應力是電力電子器件承受的應力中最為突出的部分。電力電子器件在實際運行中產生的通態損耗以及開關損耗會使得器件遭受著頻繁的熱應力。

以IGBT器件為例，隨著功率的波動以及外部環境的變化，IGBT器件受到頻繁的熱循環沖擊并產生溫度波動是導致功率器件失效的重要原因。IGBT器件所承受的熱應力主要包括平均結溫與結溫波動。已有研究表明，IGBT器件壽命受結溫波動影響更大。IGBT器件模塊內部的多層結構以及不同材料間熱膨脹系數的不匹配，會使得產生交變的熱應力，長期遭受應力會使得IGBT模塊發生老化，進而壽命縮短。溫度波動越大，器件的老化越快，且存在一定的累積效應。另一方面，一個變換器往往含有多個IGBT器件。對于三相變流器來說，每一相的負載相對獨立，這導致不可避免地會出現三相負載不平衡。另外，對于三相變換器的三相橋臂的IGBT模塊，其熱阻很難完全一致。三相負載不平衡與熱阻不均勻引起三相IGBT半橋模塊的熱應力出現差異，使得出現系統的熱短板效應。

發明內容

基于現有技術的上述情況，本發明實施例的目的在于提供一種功率變換器中功率器件的熱管理方法及裝置，通過對電力電子器件進行熱管理，尤其是通過抑制結溫波動和消除變換器系統中的熱短板效應使系統熱應力趨于平衡，延長了電力電子功率器件的壽命，提高了功率變換器的可靠性。

為達到上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種功率變換器中功率器件的熱管理方法，所述方法包括：

S102、采集功率變換器母線電壓穩定值及各相交流電流值，從而得到各個功率器件的工作電壓值和電流值，并根據該電壓值和電流值獲得功率器件開關頻率的限幅值；

S104、根據該母線電壓穩定值及各相交流電流值，計算各功率器件的實時結溫；

S106、判斷各功率器件的結溫波動幅度是否超過第一閾值，若超過，則通過計算得到第一開關頻率值；同時判斷各相橋臂的功率器件的最大結溫和最小結溫之間的差異是否超過第二閾值，若超過，則通過計算得到第二開關頻率值；

S108、根據所述第一開關頻率值和第二開關頻率值得到橋臂開關頻率值，將該橋臂開關頻率值輸入限幅器以根據所述限幅值進行限幅；

S110、根據限幅器輸出的開關頻率值對功率器件的開關頻率進行調整。

進一步的，根據該電壓值和電流值獲得功率器件開關頻率的限幅值，包括：

根據該電壓值和電流值通過查表獲得功率器件開關頻率的限幅值。