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功率变换器的热管理控制方法及系统

申请号 CN202410159636.4 申请日 2024-02-04 公开(公告)号 CN117955320A 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 科威尔技术股份有限公司; 发明人 陈亚东; 蔡振鸿; 曹世明; 秦起朴;
摘要 本 发明 公开一种功率变换器的 热管 理控制方法及系统,方法包括采集每个功率模 块 内关键发热器件的 温度 ;对各关键发热器件的温度进行标幺化处理,得到处理后的温度值;将处理后的温度值调制成控制各对应 风 机转速的PWM波,以驱动各风机在相应转速下运行;接收各风机反馈的运行状态信息,并根据所述运行状态信息确定对应风机是否异常;本发明对于多个功率模块内的关键发热器件的温度进行标幺化处理,根据处理后的温度实时调整各对应风机的转速,主功率器件的温度可以控制在安全范围内,整个装置可以安全可靠的运行,且控制可扩展性强便于增减功率模块。
权利要求

1.一种功率变换器的热管理控制方法,其特征在于,所述方法包括:
采集每个功率模内关键发热器件的温度
对各关键发热器件的温度进行标幺化处理,得到处理后的温度值;
将处理后的温度值调制成控制各对应机转速的PWM波,以驱动各风机在相应转速下运行;
接收各风机反馈的运行状态信息,并根据所述运行状态信息确定对应风机是否异常。
2.如权利要求1所述的功率变换器的热管理控制方法,其特征在于,所述采集每个功率模块内关键发热器件的温度,包括:
利用热敏电阻采集每个所述功率模块内关键发热器件的温度,并转换成数字量
3.如权利要求1所述的功率变换器的热管理控制方法,其特征在于,所述对各关键发热器件的温度进行标幺化处理,得到处理后的温度值,包括:
将各所述关键发热器件的温度分别乘以一个相对应的系数,得到处理后的温度。
4.如权利要求1所述的功率变换器的热管理控制方法,其特征在于,所述将处理后的温度值调制成控制各对应风机转速的PWM波,以驱动各风机在相应转速下运行,包括:
当处理后的温度值小于温度阈值T1时,控制风机以占空比D1对应的转速运行;
当处理后的温度值处于Tn至Tn‑1区间内时,控制风机在占空比Dn至Dn‑1区间内线性对应的转速运行。
5.如权利要求1所述的功率变换器的热管理控制方法,其特征在于,所述接收各风机反馈的运行状态信息,并根据所述运行状态信息确定对应风机是否异常,包括:
通过风机故障反馈电路获取各风机的运行状态信息,在根据所述运行状态信息确定对应风机异常时,控制各功率模块停止工作并上报风机故障信息。
6.如权利要求1所述的功率变换器的热管理控制方法,其特征在于,在所述关键发热器件的温度超过设定阈值时,发出警告信息;
若监测到关键发热器件的温度仍然继续上升,则通知功率模块停止工作或者降额输出。
7.一种功率变换器的热管理控制系统,其特征在于,所述系统包括处理器、驱动和反馈电路,各功率模块经通讯线路与所述处理器连接,所述处理器的输出经所述驱动和反馈电路与各风机连接;所述处理器包括:
采集模块,用于采集每个功率模块内关键发热器件的温度;
温度处理模块,用于对各关键发热器件的温度进行标幺化处理,得到处理后的温度值;
温度转换模块,用于将处理后的温度值调制成控制各对应风机转速的PWM波,以驱动各风机在相应转速下运行;
反馈信息接收模块,用于接收所述驱动和反馈电路反馈的各风机的运行状态信息,并根据所述运行状态信息确定对应风机是否异常。
8.如权利要求7所述的功率变换器的热管理控制系统,其特征在于,所述温度处理模块,具体用于将各所述关键发热器件的温度分别乘以一个相对应的系数,得到处理后的温度。
9.如权利要求7所述的功率变换器的热管理控制系统,其特征在于,所述温度转换模块,具体用于:
当处理后的温度值小于温度阈值T1时,控制风机以占空比D1对应的转速运行;
当处理后的温度值处于Tn至Tn‑1区间内时,控制风机在占空比Dn至Dn‑1区间内线性对应的转速运行。
10.如权利要求7所述的功率变换器的热管理控制系统,其特征在于,所述驱动和反馈电路包括与各风机对应的各采集子电路,各所述采集子电路并联后经第一防护二极管接入光耦,光耦的输出接入第二防护二极管。

说明书全文

功率变换器的热管理控制方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电电子变换器技术领域,具体涉及一种功率变换器的热管理控制方法及系统。

背景技术

[0002] 在电力电子技术领域,功率变换器是电力电子企业必不可少的装置,在实际应用中为了扩展电压电流、功率会采用多个功率模串并的方式,就要求每个功率模块均能够可靠、高效、安全运行,所以功率变换器的散热系统就显得尤为重要。
[0003] 强制冷是目前常用的散热方式,而大功率电力电子变换器的功率器件产生热的位置比较多,且在不同工况下产生的热量也不尽相同,导致目前常用的风机恒速运行的方式不能满足要求,所以需要采用智能风机控制在变换器不同的工况下均能可靠、高效、安全的运行。对发热器件而言,如果自身产生的热没有散出去,就会出现上述元器件失效、爆炸、燃烧等情况;同样,如果发热器件在不产生热量或者产生很少热量时风机保持在很高速运转,会产生很大的噪声,且风机本身会消耗电能。所以功率变换器实现大功率、高功率密度设计同时,还要保证安全、高效、稳定的运行。
[0004] 由于功率变换器的热管理不合理,限制了多个功率模块串并的这种扩展电压、电流、功率的方式,另一方面也无法保障功率变换器能够安全、高效、安全运行,不够智能、不易扩展设计。
[0005] 在相关技术中,公布号为CN107154771A的专利申请文献公开了一种用于电力电子变换器的风机变频调速系统,通过采样散热器和电抗器的温度,将散热器和电抗器的温度信号转换成对应的频率信号,通过频率信号控制变频器,把直流源的直流电压变换成交流电压进而控制风机工作;但由于各个功率变换器及关键元器件产生热、温升、温度耐受不一样,热分布复杂,该方案并不适应对多个功率变换器进行热管理。
[0006] 公布号为CN103618435A的专利申请文献公开了一种基于大功率变流器的热管理电路,采样多个绝缘栅双极型晶体管的温度并通过电路取一个最大值,当温度超过一定值时控制顶部风机工作,达到降温效果;但在实际应用中,由于不同器件的耐受温度不一样,采用最高温度控制的方式对多个功率变换器进行控制不合理,可能会导致器件损毁。

发明内容

[0007] 本发明所要解决的技术问题在于如何实现对多个功率模块的散热管理。
[0008] 本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的:
[0009] 提出了一种功率变换器的热管理控制方法,所述方法包括:
[0010] 采集每个功率模块内关键发热器件的温度;
[0011] 对各关键发热器件的温度进行标幺化处理,得到处理后的温度值;
[0012] 将处理后的温度值调制成控制各对应风机转速的PWM波,以驱动各风机在相应转速下运行;
[0013] 接收各风机反馈的运行状态信息,并根据所述运行状态信息确定对应风机是否异常。
[0014] 进一步地,所述采集每个功率模块内关键发热器件的温度,包括:
[0015] 利用热敏电阻采集每个所述功率模块内关键发热器件的温度,并转换成数字量
[0016] 进一步地,所述对各关键发热器件的温度进行标幺化处理,得到处理后的温度值,包括:
[0017] 将各所述关键发热器件的温度分别乘以一个相对应的系数,得到处理后的温度。
[0018] 进一步地,所述将处理后的温度值调制成控制各对应风机转速的PWM波,以驱动各风机在相应转速下运行,包括:
[0019] 当处理后的温度值小于温度阈值T1时,控制风机以占空比D1对应的转速运行;
[0020] 当处理后的温度值处于Tn至Tn‑1区间内时,控制风机在占空比Dn至Dn‑1区间内线性对应的转速运行。
[0021] 进一步地,所述接收各风机反馈的运行状态信息,并根据所述运行状态信息确定对应风机是否异常,包括:
[0022] 通过风机故障反馈电路获取各风机的运行状态信息,在根据所述运行状态信息确定对应风机异常时,控制各功率模块停止工作并上报风机故障信息。
[0023] 进一步地,在所述关键发热器件的温度超过设定阈值时,发出警告信息;
[0024] 若监测到关键发热器件的温度仍然继续上升,则通知功率模块停止工作或者降额输出。
[0025] 此外,本发明还提出了一种功率变换器的热管理控制系统,所述系统包括处理器、驱动和反馈电路,各功率模块经通讯线路与所述处理器连接,所述处理器的输出经所述驱动和反馈电路与各风机连接;所述处理器包括:
[0026] 采集模块,用于采集每个功率模块内关键发热器件的温度;
[0027] 温度处理模块,用于对各关键发热器件的温度进行标幺化处理,得到处理后的温度值;
[0028] 温度转换模块,用于将处理后的温度值调制成控制各对应风机转速的PWM波,以驱动各风机在相应转速下运行;
[0029] 反馈信息接收模块,用于接收所述驱动和反馈电路反馈的各风机的运行状态信息,并根据所述运行状态信息确定对应风机是否异常。
[0030] 进一步地,所述温度处理模块,具体用于将各所述关键发热器件的温度分别乘以一个相对应的系数,得到处理后的温度。
[0031] 进一步地,所述温度转换模块,具体用于:
[0032] 当处理后的温度值小于温度阈值T1时,控制风机以占空比D1对应的转速运行;
[0033] 当处理后的温度值处于Tn至Tn‑1区间内时,控制风机在占空比Dn至Dn‑1区间内线性对应的转速运行。
[0034] 进一步地,所述驱动和反馈电路包括与各风机对应的各采集子电路,各所述采集子电路并联后经第一防护二极管接入光耦,光耦的输出接入第二防护二极管。
[0035] 本发明的优点在于:
[0036] (1)对于多个功率模块内的关键发热器件的温度进行标幺化处理,并根据处理后的温度调制成PWM信号,进而控制风机转速使得功率变换器安全可靠工作,使得机器内的热能够及时散出去,主功率器件的温度可以控制在安全范围内,整个装置可以安全可靠的运行,且控制可扩展性强便于增减功率模块,硬件电路易于实现。
[0037] (2)本发明使用的风机和硬件电路适用PWM脉宽调制,通过调节PWM的占空比大小来调整风速,并不是相关技术中的通过调节PWM的频率大小来调整风速。
[0038] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。附图说明
[0039] 图1是本发明一实施例提出的一种功率变换器的热管理控制方法的流程示意图;
[0040] 图2是本发明一实施例中温度标幺化处理原理图;
[0041] 图3是本发明一实施例中温度‑占空比线性关系图;
[0042] 图4是本发明一实施例提出的一种功率变换器的热管理控制系统的结构示意图;
[0043] 图5是本发明一实施例中驱动和反馈电路的结构示意图。

具体实施方式

[0044] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0045] 如图1所示,本发明第一实施例公开了一种功率变换器的热管理控制方法,所述方法包括以下步骤:
[0046] S10、采集每个功率模块内关键发热器件的温度;
[0047] S20、对各关键发热器件的温度进行标幺化处理,得到处理后的温度值;
[0048] S30、将处理后的温度值调制成控制各对应风机转速的PWM波,以驱动各风机在相应转速下运行;
[0049] S40、接收各风机反馈的运行状态信息,并根据所述运行状态信息确定对应风机是否异常。
[0050] 需要说明的是,采集每个功率模块内关键发热器件的温度之后,由于各个功率模块内的关键发热器件的温度耐受不一样,如图2所示,本实施例对采集得到的关键发热器件的温度进行标幺化处理即乘以一个系数(例如器件1的温度耐受是80℃,器件2的温度耐受是100℃,处理器件2的温度数据时需要乘以80/100),即等效看待每个器件的温度耐受相同,为保证每个器件均能安全运行,从标幺化处理过的数据取一个最大值,然后调制控制对应功率模块的风机的PWM波,PWM波的占空越大风机的转速越高。
[0051] 在一实施例中,所述步骤S10:采集每个功率模块内关键发热器件的温度,具体包括:
[0052] 利用热敏电阻采集每个所述功率模块内关键发热器件的温度,并转换成数字量。
[0053] 本实施例具体通过热敏电阻采集各功率模块内的关键发热器件的温度通并转换成数字量,通过CAN、RS‑485、SPI等通讯方式传送给微处理器
[0054] 在一实施例中,所述步骤S20:对各关键发热器件的温度进行标幺化处理,得到处理后的温度值,包括:
[0055] 将各所述关键发热器件的温度分别乘以一个相对应的系数,得到处理后的温度。
[0056] 需要说明的是,本实施例根据实际关键发热器件的温度耐受来确定温度系数,利用温度系数对关键发热器件的温度进行标幺化处理时,实际风机风速通过“实际温度乘系数”实际温度乘系数来调制,通过最大值调制PWM信号出来控制风机,风机以最低的转速保证每个器件可以安全可靠工作。各个器件需要乘的温度系数可以开放出来,这样可以在不改动程序的情况下修改参数,便于测试与维护。
[0057] 在一实施例中,所述步骤S30:将处理后的温度值调制成控制各对应风机转速的PWM波,以驱动各风机在相应转速下运行,包括:
[0058] 当处理后的温度值小于温度阈值T1时,控制风机以占空比D1对应的转速运行;
[0059] 当处理后的温度值处于Tn至Tn‑1区间内时,控制风机在占空比Dn至Dn‑1区间内线性对应的转速运行。
[0060] 需要说明的是,整个功率变换器有很多器件组成,需要监控温度的是发热比较多的功率半导体、功率磁性元等器件,当然也有发热量比较小的芯片、CPU、贴片阻容等,这些发热较小的器件比较多且体积较小不会一一采样温度调控,但是这些器件同样也需要散热,所以设定风机有一个很小基础转速。在保证发热量比较小器件可以安全工作,兼顾风机噪声、耗能来确定一个温度阈值T1,并调制成对应的占空比D1。
[0061] 具体地,如图3所示,功率器件的温度在T1以下时风机以占空比D1对应的转速运行,既要能保障器件安全工作,又兼得风机产生的声噪尽量小,此时风机的功耗也较低。功率器件的温度在Tn和Tn‑1区间风机在占空比Dn和Dn‑1区间线性对应的转速运行,根据实际情况调整Tn与Dn对应的值,也可以根据实际需要调整分段的区间和数量。
[0062] 由于功率变换器在待机或者小功率输出工作时功率器件损耗少温升也较小,此时控制、显示、通讯、辅助电源等电路均在正常工作的,相关电路中的器件会有一定的温升也需要散热。如图3所示,温度在T1以内要保证其能够安全工作,同时也要节能、控制风机噪声,所以在温度T1内要设定一个基础转速。装置在待机、低功率输出或者环境温度较低时风机保持低速运行,这样风机可以根据温度高效运行,噪音也控制的比较小。
[0063] 需要说明的是,Tn和Dn可以开放出来,这样可以在不改动程序的情况下修改参数,便于测试与维护。
[0064] 在一实施例中,所述步骤S40:接收各风机反馈的运行状态信息,并根据所述运行状态信息确定对应风机是否异常,包括:
[0065] 通过风机故障反馈电路获取各风机的运行状态信息,在根据所述运行状态信息确定对应风机异常时,控制各功率模块停止工作并上报风机故障信息。
[0066] 本实施例中,使用的风机在转速和控制转速的PWM的占空比不是对应关系、故障停机、堵转等情况下会反馈一个高电平信号,CUP的IO口收到这个信号就判定风机异常。
[0067] 在一实施例中,在所述关键发热器件的温度超过设定阈值时,发出警告信息;
[0068] 若监测到关键发热器件的温度仍然继续上升,则通知功率模块停止工作或者降额输出。
[0069] 需要说明的是,本实施例还可对各个关键发热器件的温度进行显示。
[0070] 此外,如图4所示,本发明第二实施例还公开了一种功率变换器的热管理控制系统,所述系统包括处理器、驱动和反馈电路,各功率模块经通讯线路与所述处理器连接,所述处理器的输出经所述驱动和反馈电路与各风机连接;所述处理器包括:
[0071] 采集模块,用于采集每个功率模块内关键发热器件的温度;
[0072] 温度处理模块,用于对各关键发热器件的温度进行标幺化处理,得到处理后的温度值;
[0073] 温度转换模块,用于将处理后的温度值调制成控制各对应风机转速的PWM波,以驱动各风机在相应转速下运行;
[0074] 反馈信息接收模块,用于接收所述驱动和反馈电路反馈的各风机的运行状态信息,并根据所述运行状态信息确定对应风机是否异常。
[0075] 需要说明的是,ARM、DSP、FPGA等微处理器管理各个功率模块的工作,每个功率模块内的关键发热器件温度通过热敏电阻采得并转换成数字量,通过CAN、RS‑485、SPI等通讯方式传送给微处理器,微处理器根据各个关键发热器件的温度调制成控制各个风机转速的PWM波,然后通过硬件电路来驱动风机在相应转速下运行。
[0076] 在一实施例中,所述温度处理模块,具体用于将各所述关键发热器件的温度分别乘以一个相对应的系数,得到处理后的温度。
[0077] 在一实施例中,所述温度转换模块,具体用于:
[0078] 当处理后的温度值小于温度阈值T1时,控制风机以占空比D1对应的转速运行;
[0079] 当处理后的温度值处于Tn至Tn‑1区间内时,控制风机在占空比Dn至Dn‑1区间内线性对应的转速运行。
[0080] 在一实施例中,如图5所示,所述驱动和反馈电路包括与各风机对应的各采集子电路,各所述采集子电路并联后经第一防护二极管接入光耦,光耦的输出接入第二防护二极管。
[0081] 具体地,每路采集子电路包括二极管、电容及电阻,其中风机反馈的运行状态信号接入电阻的一端、电容的一端以及二极管的阳极,电阻的另一端接电压VCC,电容的另一端接地,二极管的阴极接入至所述第一防护二极管。其中,每路采集子电路中设置的电容起钳位作用。
[0082] 具体地,第一防护二极管的输出分别就电阻R3和电阻R4,电阻R3的另一端与电阻R4的另一端之间连接有电容C3,电容C3的两端接入光耦,所述光耦的输出端分别电阻R5和电阻R6,电阻R6的两端并联有电容C4,电容C4的两端接入第二防护二极管。其中,[0083] 任意一个风机故障电路会产生一个FAN_ERR信号,此信号送给ARM芯片的IO口,第一防护二极管D3和第二防护二极管D4起到防护作用,光耦OP1起到隔离作用。
[0084] 在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0085] 此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
[0086] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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