一种用于全控H桥拓扑结构的新型主动温度控制策略制造技术

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，本发明专利技术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。

A New Active Temperature Control Strategy for Fully Controlled H-Bridge Topology

【技术实现步骤摘要】
一种用于全控H桥拓扑结构的新型主动温度控制策略
本专利技术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。
技术介绍
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，YoungjongKo等在标题为PowerRoutingforCascadedH-BridgeConverters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；
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术所述的一个全控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。本专利技术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，本专利技术涉及的方法包括：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；2.每个全控型开关管上连接一个温度传感器用来获取各个全控型开关管的壳温信息，当全控型开关管的壳温平均温度高于设定的阈值时，则将全控H桥的运行方式切换为相应的无桥运行方式；3.当上桥臂和下桥臂或左桥臂和右桥臂全控型开关管的温差超过设定的阈值时，对无桥运行方式进行对偶结构切换；4.当上桥臂和下桥臂或左桥臂和右桥臂的全控型开关管的温差小于设定的阈值时，则将H桥的调制方式恢复为全控H桥运行方式；5.本专利技术所涉及的无桥运行方式共有四种，控制器根据不同的无桥运行状态，为全控型开关管分配不同的控制信号。所述全控型开关管可以为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或IGCT(集成门极换流晶闸管)或MOSFET(电力场效应晶体管)。以上所述的主动温度控制策略适用于采用全控H桥拓扑结构的电力电子变换器，具体为能量单方向传输变换器或是工作在能量单方向传输状态的能量双向传输变换器。本专利技术所述全控H桥拓扑的主动温度控制策略具有如下特点和优势：1.无需增加额外的冗余器件，降低了硬件设计成本；2.对变换器的控制策略没有要求，只需对功率开关器件的控制信号进行相应调整；3.运行方式切换平滑，变换器自身的工作状态不受影响。附图说明图1为本专利技术一个实施例的全控H桥拓扑结构示意图；图2为根据本专利技术一个实施例的由占空比生成的PWM脉冲信号示意图；图3为根据本专利技术一个实施例的采用方式一所述的无桥运行方式示意图；图4为根据本专利技术一个实施例的采用方式二所述的无桥运行方式示意图；图5为根据本专利技术一个实施例的采用方式三所述的无桥运行方式示意图；图6为根据本专利技术一个实施例的采用方式四所述的无桥运行方式示意图；图7为根据本专利技术一个实施例的新型主动热控制方法流程图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参考附图来描述本专利技术实施例提出的全控H桥拓扑结构的主动温度控制策略。如图1所示，根据本专利技术实施例的全控H桥拓扑结构以及相应的主动温度控制系统，包括全控H桥拓扑结构、PWM信号发生器和主动温度控制器。主动温度控制器由PID控制器、温度检测模块组成。PWM信号发生器用来产生每个全控性开关管的驱动信号。在以下描述的实施例中，全控型功率开关器件的数量为四个，四个全控型开关管构成一个全控H桥电路拓扑。可以理解的是，根据实际需要，所述全控型开关管的数量可以进行适当的调整，而并不局限为四个。图1中，全控H桥拓扑结构端口电压为us，电路元件包括第一全控型开关管S1、第二全控型开关管S2、第三全控型开关管S3、第四全控型开关管S4，以及与相应全控型开关管对应的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4。us端口一端与第一全控型开关管S1的发射极和第二开关管S2的集电极相连，另一端与第三全控型开关管S3的发射极和第四全控型开关管S4的集电极相连；第一全控型开关管S1的集电极和第三全控型开关管S3的集电极相连，第二全控型开关管S2和第四全控型开关管S4的发射极相连。本专利技术实施例中的全控型开关管对应的二极管，不限定于全控型开关管的体二极管，也可以是与全控型开关管并联的二极管。不同的开关可组成以下四种桥臂：第一全控型开关管S1和第二全控型开关管S2组成全控H桥拓扑结构的左桥臂；第三全控型开关管S3和第四全控型开关管S4组成全控H桥拓扑结构的右桥臂；第一全控型开关管S1和第三全控型开关管S3组成全控H桥拓扑结构的上桥臂；第二全控型开关管S2和第四全控型开关管S4组成全控H桥拓扑结构的下桥臂。为对本专利技术所述的主动温度控制策略进行叙述，这里对出现的变量或符号进行说明。四个全控型开关管器件的驱动信号为第一全控型开关管S1栅极驱动脉冲G1，第二全控型开关管S2栅极驱动脉冲G2，第三全控型开关管S3栅极驱动脉冲G3，第四全控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于全控H桥拓扑结构的新型主动温度控制策略，其特征在于，新型主动温度控制系统包括全控H桥拓扑结构、主动温度控制器和PWM信号发生器；所述全控H桥拓扑结构端口电压为us，电路元件包括第一全控型开关管S1、第二全控型开关管S2、第三全控型开关管S3、第四全控型开关管S4，以及与相应全控型开关管对应的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；所述主动温度控制器，其特征在于，由PID控制器、温度检测模块组成；所述温度检测模块，其特征在于，每个全控型开关管上安装一个温度传感器，用于检测所述各个全控型开关管的壳温信息；所述PWM信号发生器，其特征在于，用于产生所述全控型开关管的驱动信号。

【技术特征摘要】
1.用于全控H桥拓扑结构的新型主动温度控制策略，其特征在于，新型主动温度控制系统包括全控H桥拓扑结构、主动温度控制器和PWM信号发生器；所述全控H桥拓扑结构端口电压为us，电路元件包括第一全控型开关管S1、第二全控型开关管S2、第三全控型开关管S3、第四全控型开关管S4，以及与相应全控型开关管对应的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；所述主动温度控制器，其特征在于，由PID控制器、温度检测模块组成；所述温度检测模块，其特征在于，每个全控型开关管上安装一个温度传感器，用于检测所述各个全控型开关管的壳温信息；所述PWM信号发生器，其特征在于，用于产生所述全控型开关管的驱动信号。2.根据权利要求1所述全控H桥拓扑结构，其特征在于，所述全控H桥变换器的全控型开关管须由独立的驱动信号进行控制，使所述变换器能够在多种运行方式下工作，所述上下桥臂的功率开关配置为互补导通状态以防止桥臂直通发生短路。3.根据权利要求2所述运行方式，其特征在于，依据驱动信号的配置不同可分为方式一、方式二、方式三和方式四共四种无桥运行方式；所述方式一，其特征在于，所述第一全控型开关管S1的栅极驱动信号G1被置为零，所述第二全控型开关管S2的栅极驱动信号G2被配置为所述第三全控型开关管S3的栅极驱动信号G3被置为零，所述第四全控型开关管S4的栅极驱动信号G4被配置为PWM2；所述方式二，其特征在于，所述第一全控型开关管S1的栅极驱动信号G1被配置为PWM2，所述第二全控型开关管...

【专利技术属性】
技术研发人员：程红，王聪，邓嘉卿，陈文博，武世炎，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11