基于驅(qū)動(dòng)電路自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功率模塊熱管理裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功率模塊熱管理領(lǐng)域，特別涉及一種基于改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路的功率模塊熱管理裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用，風(fēng)電變流器的可靠性受到了人們廣泛關(guān)注。由于風(fēng)電變流器是一個(gè)薄弱的子系統(tǒng)，風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生故障有很大部分原因是內(nèi)部變流器的故障。功率器件作為變流器的核心部件，成本高，而且易于受到復(fù)雜工況和事故的影響，因此也是最脆弱的部分。為降低裝置運(yùn)行和維護(hù)的成本，延長其使用壽命，需要提高其可靠性。
[0003]由于功率器件的可靠性受到很多因素影響，所以國內(nèi)外專家通過實(shí)驗(yàn)研宄得出了其表征量，即功率循環(huán)失效周期數(shù)，即在一定工況下，器件失效所需的循環(huán)周期數(shù)。隨著平均溫度Tm減小和溫度波動(dòng)△ T減小，失效周期數(shù)越大，即器件平均結(jié)溫越低，結(jié)溫波動(dòng)越小，其使用壽命越長。而且當(dāng)器件的平均結(jié)溫不超過額定溫度時(shí)，結(jié)溫波動(dòng)△T對功率器件的有效循環(huán)次數(shù)(即其使用壽命)影響更大，起支配作用。
[0004]目前，平滑結(jié)溫波動(dòng)的方法主要分為外部散熱設(shè)計(jì)和內(nèi)部損耗控制。其中外部散熱設(shè)計(jì)是通過改變外部散熱器設(shè)計(jì)，改變功率器件的散熱效果，進(jìn)行結(jié)溫控制，主要有水冷和風(fēng)冷兩種形式。內(nèi)部損耗控制是通過改變開關(guān)器件(IGBT)在硬開關(guān)狀態(tài)下的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，進(jìn)而改變損耗產(chǎn)生的溫度波動(dòng)。其中開關(guān)頻率的變化是通過改變單位時(shí)間內(nèi)開關(guān)次數(shù)來影響開關(guān)損耗，但是會(huì)對變流器設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，同時(shí)，因?yàn)槭菚r(shí)間上的積累，所以有一定的滯后。另一種是改變驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)，改變IGBT開通關(guān)斷時(shí)間，進(jìn)而改變開關(guān)損耗，改變結(jié)溫。這種方法，由于添加了額外電路，往往使得驅(qū)動(dòng)電路過于復(fù)雜，同時(shí)增加了無用損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路的功率模塊熱管理裝置及方法。
[0006]本發(fā)明的目的之一是提出一種基于改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路的功率模塊熱管理裝置；本發(fā)明的目的之二是提出一種基于改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路的功率模塊熱管理方法。
[0007]本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明提供的基于驅(qū)動(dòng)電路自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功率模塊熱管理裝置，包括設(shè)置于驅(qū)動(dòng)電路和IGBT柵極之間的DSP模擬電壓輸出電路、IBGT柵極充電控制回路和IGBT柵極放電控制回路；
[0009]所述IGBT柵極充電控制回路，用于給IGBT柵極寄生電容提供充電回路，同時(shí)控制充電電流峰值；所述IGBT柵極放電控制回路，用于給IGBT柵極寄生電容提供放電回路，同時(shí)控制放電電流峰值；所述DSP模擬電壓輸出電路，用于產(chǎn)生IBGT柵極充電控制回路和IGBT柵極放電控制回路的控制電壓。
[0010]進(jìn)一步，所述IBGT柵極充電控制回路包括第一三極管、第一集電極電阻和第一基極電阻；所述第一三極管的發(fā)射極連接于驅(qū)動(dòng)電路輸出端；所述第一三極管集電極串接電阻后連接于IGBT柵極；所述第一三極管管的基極串聯(lián)電阻后與DSP模擬電壓輸出電路連接。
[0011]進(jìn)一步，所述IGBT柵極放電控制回路包括第二三極管、第二集電極電阻和第二基極電阻；所述第二三極管的發(fā)射極連接于驅(qū)動(dòng)電路輸出端；所述第二三極管集電極串接電阻后與IGBT柵極連接；所述第二三極管的基極串聯(lián)電阻后與DSP模擬電壓輸出電路連接。
[0012]進(jìn)一步，所述DSP模擬電壓輸出電路包括運(yùn)算放大器、第一電容和第二電容；所述第一電容、第二電容分別與運(yùn)算放大器控制端連接；所述運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端連接；所述運(yùn)算放大器的輸出端與三極管基極控制電壓端連接；所述運(yùn)算放大器的同相輸入端與DSP的給定模擬電壓輸出端連接。
[0013]本發(fā)明的目的之二是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0014]本發(fā)明提供的一種基于驅(qū)動(dòng)電路自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功率模塊熱管理方法，包括以下步驟:
[0015]S1:設(shè)置溫度允許的波動(dòng)范圍；
[0016]S2:通過溫度傳感器來測量功率模塊底殼溫度獲取；
[0017]S3:計(jì)算實(shí)時(shí)溫度信息與溫度參考量之間的差值；
[0018]S4:根據(jù)差值來確定需要升溫控制還是降溫控制；當(dāng)差值為正時(shí)降溫；差值為負(fù)時(shí)升溫；
[0019]S5:按照以下方案，分別調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路中IGBT柵極電流的峰值:
[0020]在升溫過程中，減小DSP模擬電壓輸出電路輸出的IGBT柵極放電控制回路基極給定電壓，同時(shí)增加DSP模擬電壓輸出電路輸出的IBGT柵極充電控制回路基極給定電壓；[0021 ] 在降溫過程中，增加DSP模擬電壓輸出電路輸出的IGBT柵極放電控制回路基極給定電壓，同時(shí)減小DSP模擬電壓輸出電路輸出的IBGT柵極充電控制回路基極給定電壓；
[0022]S6:重復(fù)步驟S1-S5，直到達(dá)到溫度控制目標(biāo)值。
[0023]進(jìn)一步，所述IBGT柵極充電控制回路包括第一三極管、第一集電極電阻和第一基極電阻；
[0024]所述第一三極管的發(fā)射極連接于驅(qū)動(dòng)電路輸出端；
[0025]進(jìn)一步，所述第一三極管集電極串接電阻后連接于IGBT柵極；所述第一三極管管的基極串聯(lián)電阻后與DSP模擬電壓輸出電路連接。
[0026]進(jìn)一步，所述IGBT柵極放電控制回路包括第二三極管、第二集電極電阻和第二基極電阻；所述第二三極管的發(fā)射極連接于驅(qū)動(dòng)電路輸出端；所述第二三極管集電極串接電阻后與IGBT柵極連接；所述第二三極管的基極串聯(lián)電阻后與DSP模擬電壓輸出電路連接。
[0027]進(jìn)一步，所述DSP模擬電壓輸出電路包括運(yùn)算放大器、第一電容和第二電容；所述第一電容、第二電容分別與運(yùn)算放大器控制端連接；所述運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端連接；所述運(yùn)算放大器的輸出端與三極管基極控制電壓端連接；所述運(yùn)算放大器的同相輸入端與DSP的給定模擬電壓輸出端連接。
[0028]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明采用添加于驅(qū)動(dòng)信號與IGBT柵極之間DSP模擬電壓輸出電路，并通過調(diào)節(jié)DSP模擬電壓輸出電路的輸出模擬電壓調(diào)節(jié)IBGT柵極充電控制回路和IGBT柵極放電控制回路對應(yīng)三極管的基極電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)三極管的集電極電流，即IGBT的柵極峰值電流。當(dāng)IGBT的柵極峰值電流變化時(shí)，IGBT的開通和關(guān)斷時(shí)間就會(huì)隨之改變，所以對應(yīng)的開通關(guān)斷損耗也會(huì)改變，完成熱管理。本裝置電路簡單，可以在IGBT的每個(gè)開關(guān)周期進(jìn)行控制，動(dòng)態(tài)性能好，控制電路位于驅(qū)動(dòng)側(cè)對主電路及負(fù)載的影響較小，并且克服了驅(qū)動(dòng)電阻切換帶來的電路沖擊，及時(shí)間延遲難題；通過控制電路中的三極管的給定電壓，不需要額外驅(qū)動(dòng)電路。
[0029]控制快速，準(zhǔn)確:反饋信號為測得的溫度信息，控制信號為DSP的模擬電壓輸出，均能保證高速操作。輸出的電壓幅值為-1OV?1V能夠很好的保證輸出的電壓范圍以及精確度。控制電路與主電路隔離:控制電路在IGBT的驅(qū)動(dòng)側(cè)，與主電路隔離。同時(shí)，因?yàn)槿龢O管電流控制特性，不會(huì)使得IGBT的柵極電路產(chǎn)生振蕩，同時(shí)很好的解決了，用固態(tài)繼電器機(jī)械切換驅(qū)動(dòng)電阻所帶來的電路沖擊、時(shí)間延遲、以及穩(wěn)定性危害。
【附圖說明】
[0030]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
[0031]圖1是本發(fā)明的原理示意圖；
[0032]圖2是三極管控制電路的示意圖；
[0033]圖3是IGBT柵極放電回路增加DSP電壓給定模塊輸出電流能力的電壓跟隨器示意圖；
[0034]圖4是IGBT柵極充電回路增加DSP電壓給定模塊輸出電流能力的電壓跟隨器示意圖；
[0035]圖5是本發(fā)明中主電路示意圖；
[0036]圖6是添加控制前、后的結(jié)溫波形。
【具體實(shí)施方式】
[0037]以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0038]如圖所示，本發(fā)明提供的基于驅(qū)動(dòng)電路自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功率模塊熱管理裝置，包括設(shè)置于驅(qū)動(dòng)電路和IGBT柵極之間的DSP模擬電壓輸出電路、IBGT柵極充電控制回路和IGBT柵極放電控制回路；
[0039]所述IGBT柵極充電控制回路，用于給IGBT柵極寄生電容提供充電回路，同時(shí)控制充電電流峰值；所述IGBT柵極放電控制回路，用于給IGBT柵極寄生電容提供放電回路，同時(shí)控制放電電流峰值；所述DSP模擬電壓輸出電路，用于產(chǎn)生IBGT柵極充電控制回路和IGBT柵極放電控制回路的控制電壓。
[0040]所述IBGT柵極充電控制回路包括第一三極管、第一集電極電阻和第一基極電阻；
[0041]所述第一三極管的發(fā)射極連接于驅(qū)動(dòng)電路輸出端；
[0042]所述第一三極管集電極串接電阻后連接于IGBT柵極；
[0043]所述第一三極管管的基極串聯(lián)電阻后與DSP模擬電壓輸出電路連接。
[0044]所述IGBT柵極放電控制回路包括第二三極管、第二集電極電阻和第二