工频电流变换器及其控制方法技术

提供了一种工频电流变换器及其控制方法，该工频电流变换器输入侧或输出侧的电流为工频电流。工频电流变换器包括：开关器件和控制器；控制器发出一控制信号控制所述开关器件开通与关断；控制器在半个工频周期内发出至少两种不同频率的固定控制信号使得开关器件的工作频率至少发生两次两种不同频率的固定控制信号的交替变化，从而降低半个工频周期内所述开关器件上的结温温度。采用本申请的技术方案，可以降低开关器件的结温，从而减轻了对变换器造成的器件散热压力。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及电源领域，尤其涉及一种工频电流变换器及其控制方法。
技术介绍
随着电力电子变换器的应用不断增多，半导体开关器件也因此广泛使用。这些半导体开关器件主要包括绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)、SiC MOSFET等。在使用半导体开关器件的电力电子变换器中，很大一部分损耗都来自于半导体开关器件的损耗。半导体开关器件的损耗包括开关损耗与导通损耗。其中半导体开关器件的开关损耗与半导体开关器件开关频率有关；开关频率越高，开关损耗越大；开关频率越低，开关损耗也随之减小。图1示出了一个由采用IGBT的半桥电路(由开关器件S1以及S2构成)、LC滤波器(由电感Lf以及电容Cf构成)以及直流侧电容C1、C2构成的常规逆变器系统。图2示出了该逆变器电路在额定负载工作时的输出电压Vout(t)与电流Io(t)的波形、开关器件S1的开关损耗Ps1_sw(16kHz)以及导通损耗Ps1_con的波形、开关器件S2的开关损耗Ps2_sw(16kHz)以及导通损耗Ps2_con的波形。根据图2中给出的IGBT在100％负载(150kVA)的瞬时损耗，并结合IGBT到散热器的热阻模型，可以得到如图3所示的IGBT结温Tj随时间变化的曲线。设顶散热器温度为80℃，其ΔTj(半导体开关结温变化量)为8.4℃，最高结温Tjmax为127℃。当逆变器电路工作在短时150％过载时，其ΔTj会高达14℃，最高结温Tjmax为159℃(如图4所示)。IGBT的工作结温最大值一般不超过150℃，以避免半导体芯片过热损坏。ΔTj也不希望太高，因为过大的ΔTj会产生热应力，导致压焊线(bonding
wire)产生累积性的变形，在其与陶瓷覆铜板(direct bond copper，DBC)或半导体芯片的连接处断裂或抬升断开连接，进而导致半导体模块损坏。因此在上述的逆变器的应用中，短时过载会对系统造成很大的器件散热压力和寿命损失。为了使半导体开关的工作最大结温不超过150℃以及ΔTj较小，一般的方法是选用更高标称电流的半导体开关，或更加高效的散热设计，这些方法会增加整个系统的成本以及体积。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本申请提供一种工频电流变换器及其控制方法，以降低半导体开关的结温。本申请提供了一种工频电流变换器，工频电流变换器输入侧或输出侧的电流为工频电流。该工频电流变换器包括：开关器件和控制器。控制器发出一控制信号控制开关器件开通与关断。控制器在半个工频周期内发出至少两种不同频率的固定控制信号使得开关器件的工作频率至少发生两次两种不同频率的固定控制信号的交替变化，从而降低半个工频周期内所述开关器件上的结温温度。本申请还提供了一种工频电流变换器的控制方法，该工频电流变换器输入侧或输出侧的电流为工频电流，该控制方法包括：控制该工频电流变换器在工频电流的半个周期内，至少以两种不同的固定开关频率工作，以降低该开关器件工作时结温温度。在本申请提供的工频电流变换器中，控制器发出至少两种不同频率的固定控制信号使得开关器件在半个工频周期内至少以两种不同的开关频率发生两次交替变化，这样开关器件在一个工频周期内的开关损耗分配更加均匀，并且总损耗减小，而且该开关器件的最大工作结温以及工作结温的变化量减小。从而，减轻了对工频电流变换器造成的器件散热压力，能够延长寿命。因此，采用此种工频电流变换器或此种工频电流变换器的控制方法，可以无需使用具有高标称电流的半导体开关或更高效的散热设计，从而不会导致增加成本或体积。附图说明图1示出了传统技术中的逆变器系统的框图；图2示出了图1中逆变器电路在额定负载工作时的输出电压Vout(t)与电流Io(t)的波形、开关器件S1的开关损耗Ps1_sw(16kHz)以及导通损耗Ps1_con的波形、开关器件S2的开关损耗Ps2_sw(16kHz)以及导通损耗Ps2_con的波形；图3示出IGBT结温Tj随时间变化的曲线；图4示出逆变器电路工作在短时150％过载时结温变化量以及最高结温；图5示出根据本申请一示意性实施例的工频电流变换器的框图；图6示出根据本申请一示意性实施例的工频电流变换器的框图；图7示出根据本申请一示意性实施例的工频电流变换器的框图；图8示出如图7所示滞环控制的流程图；图9示出根据本申请一示意性实施例的电流变换器的框图；图10示出了图9所示系统的相关波形；图11示出采用三种开关频率的情况下的控制流程；图12示出根据本申请一示意性实施例的工频电流变换器的框图；图13示出根据本申请一示意性实施例的工频电流变换器的框图；图14示出根据本申请一示意性实施例的工频电流变换器的框图；图15示出根据本申请一示意性实施例的变换器的框图；图16示出图15所示变换器中基于DSP的控制器内部的控制流程；图17示出如图15所示的变换器的控制流程；图18示出如图15所示变换器的相关波形。具体实施方式图5示出根据本申请一示意性实施例的工频电流变换器的框图。该工频电流变换器具有输入侧11和输出侧12，该输入侧11或输出侧12的电流为工频电流。该工频电流变换器可以是整流器或逆变器等将输入电流转换成所需输出电流的器件。该输入侧11例如可以包括用于输入电流的电容、电感等被动元器件，输出侧12可以包括用于输出电流的电容、电感等被动元器件。该工频电流变换器包括开关器件13和控制器14。开关器件13用于实现电流转换。例如，该开关器件可以是IGBT、MOSFET、SiC MOSFET等半导体开关器件。控制器14发出一控制信号控制开关器件13开通与关断。该控制器14在半个工频周期内可以发出至少两种不同频率的固定控制信号，使得开关器件13的以此两种不同频率的固定控制信号发生两次交替变化，从而降低半个工频周期内开关器件上的结温温度。例如以图1所示拓扑图为例，在本专利技术的一实施例中，控制器发出至少两种频率的固定控制信号使得开关器件在半个工频周期内以此两种频率的固定控制信号发生两次交替变化，这样开关器件在一个工频周期内的开关损耗分配更加均匀，并且总损耗减小，而且该开关器件的最大工作结温以及工作结温的变化量减小。这样利于减轻对工频交流变换器造成的器件散热压力，能够延长寿命；而且，无需使用具有高标称电流的半导体开关或更高效的散热设计，从而不会导致成本或体积增大。为便于描述，将此两种频率的固定控制信号分别称作为第一控制信号和第二控制信号。假设第一控制信号的频率大于第二控制信号的频率，那么在半个工频周期内，对应地，第二控制信号控制开关器件时的工频电流大于第一控制信号控制所述开关器件时的工频电流。以下内容例举了几种工频交流变换器中控制器的实施例以用于阐述说明如何可实现工频交流变换器中开关器件在工频电流的半周期内实现两种频率的固定控制信号之间的交替变化。本专利技术的保护范围并非以此例举的实施例为限。第一实施例在该实施例中，第一控制信号和第二控制信号可以通过两个频率发生器来实现，如图6所示。图6示出根据本申请一示意性实施例的工频电流变换器的框图。控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工频电流变换器，所述工频电流变换器输入侧或输出侧的电流为工频电流，所述工频电流变换器包括：开关器件和控制器；所述控制器发出一控制信号控制所述开关器件开通与关断；所述控制器在半个工频周期内发出至少两种不同频率的固定控制信号使得所述开关器件的工作频率至少发生两次所述两种不同频率的固定控制信号的交替变化，从而降低半个工频周期内所述开关器件上的结温温度。

【技术特征摘要】
1.一种工频电流变换器，所述工频电流变换器输入侧或输出侧的电流为工频电流，所述工频电流变换器包括：开关器件和控制器；所述控制器发出一控制信号控制所述开关器件开通与关断；所述控制器在半个工频周期内发出至少两种不同频率的固定控制信号使得所述开关器件的工作频率至少发生两次所述两种不同频率的固定控制信号的交替变化，从而降低半个工频周期内所述开关器件上的结温温度。2.根据权利要求1所述的变换器，其中，所述至少两种不同频率的固定控制信号为第一控制信号和第二控制信号；所述第一控制信号的频率大于所述第二控制信号的频率，在半个工频周期内，所述第二控制信号控制所述开关器件时的工频电流大于所述第一控制信号控制所述开关器件时的工频电流。3.根据权利要求2所述的变换器，其中，所述工频电流变换器还设有采样电路，所述采样电路采样工频电流并输出一采样电流。4.根据权利要求3所述的变换器，其中，所述控制器还包括判断比较模块，所述判断比较模块接收所述采样电流和一参考电流，判断所述采样电流和所述参考电流的比较结果，根据比较结果，所述控制器对应输出所述第一控制信号或所述第二控制信号。5.根据权利要求3所述的变换器，其中，所述控制器还包括滞环比较模块，所述滞环比较模块接收所述采样电流、第一参考电流和第二参考电流，所述第一参考电流大于所述第二参考电流，所述滞环比较模块判断所述采样电流与所述第一参考电流和所述第二参考电流的比较结果而对应输出所述第一控制信号或所述第二控制信号。6.根据权利要求3所述的变换器，其中，所述采样电流包括采样电流当前值和采样电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴洪洋，张伟强，徐立智，官威，
申请(专利权)人：台达电子工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71