工頻電流變換器及其控制方法
【專利摘要】提供了一種工頻電流變換器及其控制方法，該工頻電流變換器輸入側(cè)或輸出側(cè)的電流為工頻電流。工頻電流變換器包括：開關(guān)器件和控制器；控制器發(fā)出一控制信號控制所述開關(guān)器件開通與關(guān)斷；控制器在半個工頻周期內(nèi)發(fā)出至少兩種不同頻率的固定控制信號使得開關(guān)器件的工作頻率至少發(fā)生兩次兩種不同頻率的固定控制信號的交替變化，從而降低半個工頻周期內(nèi)所述開關(guān)器件上的結(jié)溫溫度。采用本申請的技術(shù)方案，可以降低開關(guān)器件的結(jié)溫，從而減輕了對變換器造成的器件散熱壓力。
【專利說明】
工頻電流變換器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本申請涉及電源領(lǐng)域，尤其涉及一種工頻電流變換器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力電子變換器的應(yīng)用不斷增多，半導(dǎo)體開關(guān)器件也因此廣泛使用。這些 半導(dǎo)體開關(guān)器件主要包括絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT)、金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, M0SFET)、SiC MOSFET 等。
[0003] 在使用半導(dǎo)體開關(guān)器件的電力電子變換器中，很大一部分損耗都來自于半導(dǎo)體開 關(guān)器件的損耗。半導(dǎo)體開關(guān)器件的損耗包括開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗。其中半導(dǎo)體開關(guān)器件的 開關(guān)損耗與半導(dǎo)體開關(guān)器件開關(guān)頻率有關(guān)；開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大；開關(guān)頻率越低， 開關(guān)損耗也隨之減小。
[0004] 圖1示出了一個由采用IGBT的半橋電路（由開關(guān)器件Sl以及S2構(gòu)成）、LC濾 波器（由電感Lf以及電容Cf構(gòu)成）以及直流側(cè)電容Cl、C2構(gòu)成的常規(guī)逆變器系統(tǒng)。圖2 示出了該逆變器電路在額定負(fù)載工作時的輸出電壓Vout(t)與電流Io(t)的波形、開關(guān)器 件Sl的開關(guān)損耗Psl_sw(16kHz)以及導(dǎo)通損耗Psl_con的波開$、開關(guān)器件S2的開關(guān)損耗 Ps2_sw(16kHz)以及導(dǎo)通損耗Ps2_con的波形。
[0005] 根據(jù)圖2中給出的IGBT在100%負(fù)載（150kVA)的瞬時損耗，并結(jié)合IGBT到散熱 器的熱阻模型，可以得到如圖3所示的IGBT結(jié)溫Tj隨時間變化的曲線。設(shè)頂散熱器溫度 為80°C，其Λ Tj (半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)溫變化量）為8. 4°C，最高結(jié)溫Tjmax為127°C。當(dāng)逆變器 電路工作在短時150%過載時，其ATj會高達(dá)14°C，最高結(jié)溫Tjmax為159°C (如圖4所 示）。
[0006] IGBT的工作結(jié)溫最大值一般不超過150°C，以避免半導(dǎo)體芯片過熱損壞。Δ Tj也 不希望太高，因?yàn)檫^大的ATj會產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致壓焊線（bonding wire)產(chǎn)生累積性的變 形，在其與陶瓷覆銅板（direct bond copper，DBC)或半導(dǎo)體芯片的連接處斷裂或抬升斷開 連接，進(jìn)而導(dǎo)致半導(dǎo)體模塊損壞。因此在上述的逆變器的應(yīng)用中，短時過載會對系統(tǒng)造成很 大的器件散熱壓力和壽命損失。
[0007] 為了使半導(dǎo)體開關(guān)的工作最大結(jié)溫不超過150°C以及ATj較小，一般的方法是選 用更高標(biāo)稱電流的半導(dǎo)體開關(guān)，或更加高效的散熱設(shè)計(jì)，這些方法會增加整個系統(tǒng)的成本 以及體積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本申請?zhí)峁┮环N工頻電流變換器及其控制方法，以 降低半導(dǎo)體開關(guān)的結(jié)溫。
[0009] 本申請?zhí)峁┝艘环N工頻電流變換器，工頻電流變換器輸入側(cè)或輸出側(cè)的電流為工 頻電流。該工頻電流變換器包括：開關(guān)器件和控制器?？刂破靼l(fā)出一控制信號控制開關(guān)器 件開通與關(guān)斷。控制器在半個工頻周期內(nèi)發(fā)出至少兩種不同頻率的固定控制信號使得開關(guān) 器件的工作頻率至少發(fā)生兩次兩種不同頻率的固定控制信號的交替變化，從而降低半個工 頻周期內(nèi)所述開關(guān)器件上的結(jié)溫溫度。
[0010] 本申請還提供了一種工頻電流變換器的控制方法，該工頻電流變換器輸入側(cè)或輸 出側(cè)的電流為工頻電流，該控制方法包括：
[0011] 控制該工頻電流變換器在工頻電流的半個周期內(nèi)，至少以兩種不同的固定開關(guān)頻 率工作，以降低該開關(guān)器件工作時結(jié)溫溫度。
[0012] 在本申請?zhí)峁┑墓ゎl電流變換器中，控制器發(fā)出至少兩種不同頻率的固定控制信 號使得開關(guān)器件在半個工頻周期內(nèi)至少以兩種不同的開關(guān)頻率發(fā)生兩次交替變化，這樣開 關(guān)器件在一個工頻周期內(nèi)的開關(guān)損耗分配更加均勻，并且總損耗減小，而且該開關(guān)器件的 最大工作結(jié)溫以及工作結(jié)溫的變化量減小。從而，減輕了對工頻電流變換器造成的器件散 熱壓力，能夠延長壽命。因此，采用此種工頻電流變換器或此種工頻電流變換器的控制方 法，可以無需使用具有高標(biāo)稱電流的半導(dǎo)體開關(guān)或更高效的散熱設(shè)計(jì)，從而不會導(dǎo)致增加 成本或體積。
【附圖說明】
[0013] 圖1示出了傳統(tǒng)技術(shù)中的逆變器系統(tǒng)的框圖；
[0014] 圖2示出了圖1中逆變器電路在額定負(fù)載工作時的輸出電壓Vout(t)與電流 I〇(t)的波形、開關(guān)器件Sl的開關(guān)損耗Psl_sw(16kHz)以及導(dǎo)通損耗Psl_con的波形、開關(guān) 器件S2的開關(guān)損耗Ps2_sw(16kHz)以及導(dǎo)通損耗Ps2_con的波形；
[0015] 圖3示出IGBT結(jié)溫Tj隨時間變化的曲線；
[0016] 圖4示出逆變器電路工作在短時150%過載時結(jié)溫變化量以及最高結(jié)溫；
[0017] 圖5示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的工頻電流變換器的框圖；
[0018] 圖6示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的工頻電流變換器的框圖；
[0019] 圖7示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的工頻電流變換器的框圖；
[0020] 圖8示出如圖7所示滯環(huán)控制的流程圖；
[0021] 圖9示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的電流變換器的框圖；
[0022] 圖10示出了圖9所示系統(tǒng)的相關(guān)波形；
[0023] 圖11示出采用三種開關(guān)頻率的情況下的控制流程；
[0024] 圖12示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的工頻電流變換器的框圖；
[0025] 圖13示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的工頻電流變換器的框圖；
[0026] 圖14示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的工頻電流變換器的框圖；
[0027] 圖15示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的變換器的框圖；
[0028] 圖16示出圖15所示變換器中基于DSP的控制器內(nèi)部的控制流程；
[0029] 圖17示出如圖15所示的變換器的控制流程；
[0030] 圖18示出如圖15所示變換器的相關(guān)波形。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 圖5示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的工頻電流變換器的框圖。
[0032] 該工頻電流變換器具有輸入側(cè)11和輸出側(cè)12,該輸入側(cè)11或輸出側(cè)12的電流為 工頻電流。該工頻電流變換器可以是整流器或逆變器等將輸入電流轉(zhuǎn)換成所需輸出電流的 器件。該輸入側(cè)11例如可以包括用于輸入電流的電容、電感等被動元器件，輸出側(cè)12可以 包括用于輸出電流的電容、電感等被動元器件。
[0033] 該工頻電流變換器包括開關(guān)器件13和控制器14。開關(guān)器件13用于實(shí)現(xiàn)電流轉(zhuǎn) 換。例如，該開關(guān)器件可以是IGBT、MOSFET、SiC MOSFET等半導(dǎo)體開關(guān)器件。
[0034] 控制器14發(fā)出一控制信號控制開關(guān)器件13開通與關(guān)斷。該控制器14在半個工頻 周期內(nèi)可以發(fā)出至少兩種不同頻率的固定控制信號，使得開關(guān)器件13的以此兩種不同頻 率的固定控制信號發(fā)生兩次交替變化，從而降低半個工頻周期內(nèi)開關(guān)器件上的結(jié)溫溫度。
[0035] 例如以圖1所示拓?fù)鋱D為例，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，控制器發(fā)出至少兩種頻率 的固定控制信號使得開關(guān)器件在半個工頻周期內(nèi)以此兩種頻率的固定控制信號發(fā)生兩次 交替變化，這樣開關(guān)器件在一個工頻周期內(nèi)的開關(guān)損耗分配更加均勻，并且總損耗減小，而 且該開關(guān)器件的最大工作結(jié)溫以及工作結(jié)溫的變化量減小。這樣利于減輕對工頻交流變換 器造成的器件散熱壓力，能夠延長壽命；而且，無需使用具有高標(biāo)稱電流的半導(dǎo)體開關(guān)或更 高效的散熱設(shè)計(jì)，從而不會導(dǎo)致成本或體積增大。
[0036] 為便于描述，將此兩種頻率的固定控制信號分別稱作為第一控制信號和第二控制 信號。假設(shè)第一控制信號的頻率大于第二控制信號的頻率，那么在半個工頻周期內(nèi)，對應(yīng) 地，第二控制信號控制開關(guān)器件時的工頻電流大于第一控制信號控制所述開關(guān)器件時的工 頻電流。
[0037] 以下內(nèi)容例舉了幾種工頻交流變換器中控制器的實(shí)施例以用于闡述說明如何可 實(shí)現(xiàn)工頻交流變換器中開關(guān)器件在工頻電流的半周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩種頻率的固定控制信號之 間的交替變化。本發(fā)明的保護(hù)范圍并非以此例舉的實(shí)施例為限。
[0038] 第一實(shí)施例
[0039] 在該實(shí)施例中，第一控制信號和第二控制信號可以通過兩個頻率發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)， 如圖6所示。圖6示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的工頻電流變換器的框圖。控制器可以 包括第一頻率發(fā)生器141、第二頻率發(fā)生器142以及選取電路143。第一頻率發(fā)生器141可 以發(fā)出第一控制信號，第二頻率發(fā)生器142可以發(fā)出第二控制信號，第一控制信號的頻率 fA大于第二控制信號的頻率fB。具體而言，在開關(guān)器件13的工頻電流較大時，選取電路 143可以選取第二控制信號來控制開關(guān)器件13,在開關(guān)器件13的工頻電流較小時，選取電 路144可以采用第一控制信號來控制開關(guān)器件。
[0040] 該工頻電流變換器還可以包括采樣電路15,該采樣電路15采樣工頻電流并輸出 采樣電流。該控制器14還可以包括判斷比較模塊144,該判斷比較模塊144接收采樣電路 15輸出的采樣電流Isample以及一參考電流Ir，判斷采樣電流Isample和該參考電流Ir 的比較結(jié)果，根據(jù)比較結(jié)果，控制器14對應(yīng)輸出第一控制信號或第二控制信號。具體而言， 當(dāng)工頻電流較大時，即當(dāng)Isample 3 Ir時，選取電路143選擇第二頻率發(fā)生器142的第二 控制信號輸出給開關(guān)器件13 ;當(dāng)工頻電流較小時，即當(dāng)Isample〈Ir時，選取電路144選擇 第一頻率發(fā)生器141的第一控制信號輸出給開關(guān)器件13。
[0041] 例如，該判斷比較模塊144可以通過第一比較器Ul來實(shí)現(xiàn)，該選取電路143可以 通過第二比較器U2來實(shí)現(xiàn)，第一比較器Ul的輸出端連接至第二比較器U2的控制端。當(dāng) Isample蘭Ir時，第一比較器Ul輸出低電平，使得第二比較器U2采用輸入到其第二輸入端 2的第二頻率發(fā)生器142的第二控制信號作為控制信號輸出給開關(guān)器件13 ;當(dāng)Isample〈Ir 時，第一比較器Ul輸出高電平，使得第二比較器U2采用輸入到其第一輸入端1的第一頻率 發(fā)生器141的第一控制信號作為控制信號輸出給開關(guān)器件13。
[0042] 采用如圖6所示的變換器，采用兩個頻率發(fā)生器發(fā)出至少兩種不同頻率的固定控 制信號，對于工頻電流變換器的工頻電流來說，工頻電流的半個周期內(nèi)靠近波峰位置的電 流會較大，而兩端的電流則會較小，因此在此實(shí)施例中，開關(guān)器件在半波周期的開始階段則 會工作于第一控制信號的頻率，而在靠近波峰的某處則會由第一控制信號的頻率切換至第 二控制信號的頻率，而在半波周期的結(jié)尾階段工頻電流又在逐漸變小，則開關(guān)器件又會由 第二控制信號的頻率切換至第一控制信號的頻率從。這樣，在整個半波周期內(nèi)，開關(guān)器件在 半個工頻周期內(nèi)實(shí)則以此兩種頻率的控制信號發(fā)生了至少兩次交替變化，這樣開關(guān)器件在 一個工頻周期內(nèi)的開關(guān)損耗分配更加均勻，并且總損耗減小，而且該開關(guān)器件的最大工作 結(jié)溫以及工作結(jié)溫的變化量減小。
[0043] 第二實(shí)施例
[0044] 請參見圖7,其示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的工頻電流變換器的框圖。在該實(shí) 施例中，控制器包括滯環(huán)比較模塊145來代替圖6中的判斷比較模塊144,該滯環(huán)比較模塊 145接收采樣電路15輸出的采樣電流Isample，還接收第一子參考電流Irefl和第二子參 考電流Iref 2,該第一子參考電流Irefl大于第二子參考電流Iref 2。該滯環(huán)比較模塊145 判斷采樣電流Isample與第一子參考電流Irefl和第二子參考電流Iref2的比較結(jié)果而對 應(yīng)輸出第一控制信號或第二控制信號。
[0045] 例如，該滯環(huán)比較模塊145可以包括第一比較器U1、第一電阻RU第二電阻R2和 第三電阻R3。該第一比較器Ul的同相輸入端和反相輸入端分別連接第一電阻Rl和第三 電阻R3,同相輸入端與輸出端之間跨接第二電阻R2。采用該滯環(huán)方法引入了兩個電流參考 值
其中，UoH是第一比較 器Ul的輸出端的電壓，Iref是第一比較器Ul的同相輸入端輸入的參考電流。
[0046] 第一比較器Ul的輸出端也連接到第二比較器U2的控制端，使得第二比較器U2選 擇第一控制信號或第二控制信號輸出給開關(guān)器件。
[0047] 如圖7所示的變換器的滯環(huán)控制的具體過程如圖8所示。
[0048] -開始，將第一控制信號設(shè)定為開關(guān)器件的控制信號，也就是說開關(guān)器件的開關(guān) 頻率是第一控制信號的頻率fA (框102)。
[0049] 在對工頻電流進(jìn)行采樣期間，判斷采樣到的電流Isample是否大于或等于Irefl， 即Isample 3 Iref 1 (框104)，如果是，則轉(zhuǎn)到框106,選擇第二控制信號作為開關(guān)器件的控 制信號，即開關(guān)器件的開關(guān)頻率設(shè)定為fB ;如果否，則轉(zhuǎn)到框108。
[0050] 在框108,判斷采樣到的電流Isample是否小于Iref2(即，Isample〈Iref2)，如果 是，則轉(zhuǎn)到框110,選擇第一控制信號fA作為開關(guān)器件的控制信號，即開關(guān)器件的開關(guān)頻率 設(shè)定為fA ;如果否，則轉(zhuǎn)到框112。
[0051] 在框112,判斷當(dāng)前開關(guān)器件的開關(guān)頻率是否是fA ;如果是，則轉(zhuǎn)到框114,選擇第 一控制信號作為開關(guān)器件的控制信號，即當(dāng)前開關(guān)器件的開關(guān)頻率設(shè)定為fA ;如果否，則 轉(zhuǎn)到框116,選擇第二控制信號作為開關(guān)器件的控制信號，即當(dāng)前開關(guān)器件的開關(guān)頻率設(shè)定 為fB。
[0052] 第三實(shí)施例
[0053] 請參閱圖9,其示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的工頻電流變換器的框圖。該工頻 電流變換器是一個工頻逆變器，即輸出側(cè)為工頻電流。
[0054] 輸入側(cè)11包括電容CU C2。電感Lf和電容Cf構(gòu)成輸出側(cè)12。半導(dǎo)體器件包括 IGBT型的開關(guān)Sl、S2構(gòu)成的半橋開關(guān)電路。圖9所示采樣電路15包括霍爾元件H1、采樣 電阻Rsl、Rs2以及整流二極管Dsl、Ds2。第一比較器Ul構(gòu)成判斷比較模塊144。上文提到 的第一頻率發(fā)生器、第二頻率發(fā)生器以及選取電路144由基于數(shù)字信號處理（DSP)的控制 器146實(shí)現(xiàn)。
[0055] 如圖9所示，采樣電路15中霍爾元件Hl采樣輸出的工頻負(fù)載電流io,該采樣電流 通過電阻Rsl、Rs2得到一個對應(yīng)的電流反饋信號。該電流反饋信號經(jīng)過二極管Dsl、Ds2進(jìn) 行整流，得到負(fù)載電流采樣信號的絕對值Isample，該電流絕對值Isample會與通過比較器 Ul的同相輸入端輸入的參考電流Iref進(jìn)行比較。如果Isample〈Iref，則比較器Ul輸出高 電平，如果Isample 3 Iref，則比較器Ul輸出低電平。比較器Ul的輸出端連接至基于DSP 的控制器146的輸入端?；贒SP的控制器146根據(jù)其輸入信號選取對應(yīng)的開關(guān)頻率去驅(qū) 動半導(dǎo)體開關(guān)Sl和S2。
[0056] 具體而言，若基于DSP的控制器146的輸入信號（即從輸入端IN輸入的信號）為 高電平，則較高的開關(guān)頻率fA被選取作為開關(guān)器件Sl、S2的開關(guān)頻率，即選擇第一控制信 號作為開關(guān)器件S1、S2的控制信號；若基于DSP的控制器146輸入信號為低電平，則較低開 關(guān)頻率fB被選取作為開關(guān)器件SI、S2的開關(guān)頻率，即選擇第二控制信號作為開關(guān)器件Sl、 S2的控制信號。
[0057] 需要指出，本實(shí)施例中半橋電路可以改成其他拓?fù)潆娐罚缛珮螂娐吠負(fù)?、三?平電路拓?fù)涞取ｉ_關(guān)Sl或S2可以是幾個IGBT并聯(lián)得到或者是幾個IGBT串聯(lián)得到，也可 以是M0SFET，SiC MOSFET等。采樣方法除了使用霍爾元件之外，還可以采用串聯(lián)采樣電阻、 電流互感器、羅氏線圈等方法。開關(guān)頻率發(fā)生器除了可以由DSP內(nèi)部的計(jì)時器提供，也可以 通過在外部搭建壓控振蕩器或晶振實(shí)現(xiàn)，并不局限于在此例舉的實(shí)施例。
[0058] 圖10示出了圖9所示系統(tǒng)的相關(guān)波形。當(dāng)采樣電流Isample小于Iref時，第一 比較器Ul輸出電壓v3為高電平，IGBT的開關(guān)頻率設(shè)置為一個較高的開關(guān)頻率fA (16kHz)， 減小了周邊濾波器的尺寸；當(dāng)采樣電流Isample大于Iref時，第一比較器Ul的輸出電壓v3 為低電平，IGBT的開關(guān)頻率設(shè)置為一個較低的開關(guān)頻率fB (IOkHz)，減小了其開關(guān)損耗。圖 10同時給出了開關(guān)Sl的開關(guān)損耗曲線和導(dǎo)通損耗曲線、以及開關(guān)Sl的工作結(jié)溫曲線。此 時，開關(guān)Sl的最大結(jié)溫為147°C (比最初結(jié)溫降低12°C )，結(jié)溫的變化量為12°C (比最初 結(jié)溫變化量降低2°C )。從圖10可以看出，本方案對開關(guān)頻率的改變是一個基于工頻（line cycle)的改變，對動態(tài)響應(yīng)要求不高，實(shí)現(xiàn)簡單。
[0059] 另外，在其他實(shí)施例中，在半個工頻周期里也可采用三種固定開關(guān)頻率工作，該方 法流程圖如圖11所示。
[0060] -開始，將第一控制信號設(shè)定為開關(guān)器件的控制信號，也就是說開關(guān)器件的開關(guān) 頻率是第一控制信號的頻率fA (框202)。
[0061] 在對工頻電流進(jìn)行采樣期間，判斷采樣到的電流Isample是否大于或等于第一參 考電流Irl，即Isample 3 Irl (框204)，如果是，則轉(zhuǎn)到框206,選擇第三控制信號作為開關(guān) 器件的控制信號，即開關(guān)器件的開關(guān)頻率設(shè)定為fC ;如果否，則轉(zhuǎn)到框208。
[0062] 在框208,判斷采樣到的電流Isample是否小于第二參考電流Ir2 (即， Isample〈Ir2)，如果是，則轉(zhuǎn)到框210,選擇第一控制信號作為開關(guān)器件的控制信號，即開關(guān) 器件的開關(guān)頻率設(shè)定為fA ;如果否，則轉(zhuǎn)到框212,選擇第二控制信號作為開關(guān)器件的控制 信號，即當(dāng)前開關(guān)器件的開關(guān)頻率設(shè)定為fB(fA>fB>fC)。
[0063] 需要指出的是，在如圖11所示的流程中，第一參考電流Irl和第二參考電流Ir2 不同于參考圖7描述的實(shí)施例中的第一子參考電流Irefl和Iref2。參考電流Irl、Ir2 是為了實(shí)現(xiàn)半個工頻周期內(nèi)的三種頻率之間的切換而選擇的兩個參考電流，而子參考電流 Irefl和Iref2是由于采用滯環(huán)控制引發(fā)的兩個參考電流。
[0064] 圖12示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的工頻電流變換器的框圖。該工頻電流變 換器是一個逆變器。該實(shí)施例與圖9所示的實(shí)施例的不同之處在于采樣的信號不同。如圖 12所示，該變換器通過霍爾元件Hl采樣輸出濾波電感的電流。
[0065] 為了避免比較器Ul輸出的電壓v3受高頻紋波影響，圖12中判斷比較模塊部分也 可以采用圖7的滯環(huán)控制方法進(jìn)行判斷。
[0066] 在另一工頻電流變換器的實(shí)施例中，請參閱圖13,其示出根據(jù)本申請一示意性實(shí) 施例的工頻電流變換器的框圖。該實(shí)施例與如圖6所示的實(shí)施例的區(qū)別之處在于增加了濾 波電路16。該濾波電路16對采樣電路15采樣后的采樣電流中的干擾信號進(jìn)行濾除。
[0067] 對于如圖7、9和12所示的工頻電流變換器也可以增加濾波電路以對采樣電流中 的干擾信號進(jìn)行濾除。
[0068] 在又一工頻電流變換器的實(shí)施例中，參見圖14,其示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施 例的工頻電流變換器的框圖。該工頻電流變換器是一個整流器，即輸入側(cè)為工頻電流。該 整流器主功率電路是在不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS)應(yīng)用中最常用 的一種輸入整流主功率電路。AC電源的正半周電壓通過可控硅Tl整流至電感Lf31，負(fù)半 周電壓通過可控硅T2整流至電感Lf2,電感Lfl、Lf2構(gòu)成該整流器的輸入側(cè)。電感LfU開 關(guān)Sl以及D3構(gòu)成PFC電路，對AC電源正半周實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能；電感Lf2、開關(guān)S2 以及晶體管D4構(gòu)成PFC電路，對AC電源負(fù)半周實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能。電容CU C2分別 是濾波電容，減小直流側(cè)電壓紋波。電容C1、C2構(gòu)成輸出側(cè)。半導(dǎo)體開關(guān)包括IGBT型的開 關(guān)S1、S2，。霍爾元件H1、采樣電阻Rs構(gòu)成采樣電路；由比較器Ul構(gòu)成比較判斷模塊，基于 DSP的控制器146構(gòu)成選擇電路。
[0069] 如圖所示，霍爾元件Hl采樣電感Lf 1上的電流，該采樣電流通過電阻Rs得到一個 對應(yīng)的電流反饋信號。該電流反饋信號為直流信號，所以不需要做整流處理。該電流反饋 信號Isample會與Iref通過比較器Ul進(jìn)行比較，如果Isample〈Iref，則比較器Ul輸出高 電平，如果Isample 3 Iref，則比較器Ul輸出低電平。比較器Ul的輸出端連接至基于DSP 的控制器146的輸入端?；贒SP的控制器146根據(jù)其輸入信號選取對應(yīng)的開關(guān)頻率去驅(qū) 動半導(dǎo)體開關(guān)Sl、S2。具體的控制流程與前述實(shí)施例相同。
[0070] 需要指出，本實(shí)施例中整流電路可以改成其他拓?fù)潆娐吠瑯舆m用。開關(guān)管Sl和S2 可以是幾個IGBT并聯(lián)得到或者是幾個IGBT串聯(lián)得到，也可以是MOSFET，SiC MOSFET等。 采樣的電流信號也可以來自IGBT型開關(guān)S1、S2上流過的電流。采樣方法除了使用霍爾元 件之外，還可以采用串聯(lián)采樣電阻、電流互感器等方法。
[0071] 另一工頻電流變換器的實(shí)施例請參閱圖15,其示出根據(jù)本申請一示意性實(shí)施例的 變換器的框圖。在該實(shí)施例中，采樣電流包括采樣電流當(dāng)前值和采樣電流有效值。控制器 包括第一判斷比較模塊147和第二判斷比較模塊148。第一判斷比較模塊147接收一有效 值參考電流和采樣電流有效值，第二判斷比較模塊148接收一第一參考電流和采樣電流當(dāng) 前值。
[0072] 與圖14所示的實(shí)施例相比，本實(shí)施例中的變換器增加了一個判斷條件，即有效值 判斷。如圖15所示，經(jīng)過處理的工頻交流信號經(jīng)過整流得到電流采樣信號Isample(該電流 采樣信號Isample即是采樣電流當(dāng)前值），除了通過比較器Ul (比較器Ul是本實(shí)施例中第 二判斷比較模塊148的示例）將Isample與參考電流Ir比較之外，還經(jīng)過有效值計(jì)算模塊 U4獲取工頻交流信號的有效值信息iS_rms (即，采樣電流有效值）。再通過比較器U3 (比 較器U3是本實(shí)施例中第一判斷比較模塊147的示例）將is_rms與有效值參考電流Ir_ effective比較，若is_rms大于Ir_effective，則比較器U3的輸出信號v4為低電平，反之 則輸出高電平。比較器U3的輸出信號v4輸出至基于DSP的控制器146的輸入端IN2。
[0073] 基于DSP的控制器146的內(nèi)部流程圖如圖16所示。首先，判斷IN2輸入的信號是 否是高電平（框302)，如果IN2輸入的信號是高電平，即負(fù)載電流有效值小于有效值參考電 流，則轉(zhuǎn)到框304,即不改變開關(guān)頻率，開關(guān)頻率一直為較高開關(guān)頻率fA ;如果是低電平，即 負(fù)載電流有效值大于參考電流有效值，則轉(zhuǎn)到框306。在框306,判斷INl輸入的信號是否 是高電平。若INl輸入的信號是高電平，即采樣電流當(dāng)前值Isample低于參考電流Ir，則轉(zhuǎn) 到框304,使半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)頻率為較高開關(guān)頻率fA，若INl輸入的信號為低電平，即采 樣電流當(dāng)前值Isample高于參考電流Ir，則轉(zhuǎn)到框308,使半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)頻率為較低開 關(guān)頻率fB。
[0074] 圖17示出圖15所示系統(tǒng)的控制方法的流程圖。
[0075] 首先，變換器中開關(guān)Sl、S2的開關(guān)頻率被設(shè)置為較高開關(guān)頻率fA(框402);然 后變換器會采樣負(fù)載電流，將其處理得到電流信號Isample，并且對Isample求有效值，得 到 is_rms (框 404);判斷 is_rms 是否小于 Ineffective (框 406);若 is_rms 低于 Ir_ effective，則轉(zhuǎn)到框408,即將變換器中開關(guān)Sl、S2的開關(guān)頻率直接設(shè)定為較高開關(guān)頻率 fA ;若is_rms高于或等于Ir_effective，則轉(zhuǎn)到框410。在框410判斷Isample是否低于 Ir ;如果Isample低于Ir，則轉(zhuǎn)到框408,將變換器中開關(guān)Sl、S2的開關(guān)頻率設(shè)定為較高開 關(guān)頻率fA,;如果Isample高于或等于Ir_effective，則轉(zhuǎn)到框412,即將變換器中開關(guān)S1、 S2的開關(guān)頻率設(shè)定為較低開關(guān)頻率fB。
[0076] 圖15所示的實(shí)施例通過加入有效值判斷，轉(zhuǎn)換可以選擇在何種負(fù)載情形下使用 兩種工作頻率的切換：比如，當(dāng)負(fù)載較輕時，變換器散熱壓力不大，不需要動用開關(guān)頻率的 切換；但是當(dāng)負(fù)載變重時，變換器散熱壓力變大，芯片溫度變化量也變大，就需要動用開關(guān) 頻率的切換，以減小散熱壓力和芯片溫度變化量。
[0077] 根據(jù)一個實(shí)施例，有效值的取得可以采用連續(xù)采樣一個工頻周期內(nèi)的電流信號， 然后對其做有效值計(jì)算的方法，也可以根據(jù)采樣電流信號的瞬時值結(jié)合當(dāng)前的相位信息獲 取電流有效值，例如根據(jù)電流瞬時值除以當(dāng)前電流相位的正弦值再除以為即可以得到電 流的有效值。
[0078] 圖18給出了圖15所示變換器的相關(guān)波形圖。當(dāng)v4為高電平時，開關(guān)頻率一直為 較高頻率fA ;當(dāng)v4為低電平時，開關(guān)頻率受v3控制；當(dāng)v3為高電平時，開關(guān)頻率為較高頻 率fA，當(dāng)v3為低電平時，開關(guān)頻率為較低頻率fB。
[0079] 關(guān)于參考電流Ir以及有效值參考電流Ineffective，可以有多種設(shè)置方法。例 如，可以將Ir設(shè)置為對應(yīng)變換器裝置的輸入或輸出額定電流的瞬時峰值的10 %到100 %之 間的一個值，將Ineffective設(shè)置為對應(yīng)變換器裝置的輸入或輸出額定電流的有效值的 10%到200%之間的一個值，本申請對此不進(jìn)行限制。另外，參考電流Ir以及有效值參考電 流Ineffective的設(shè)定實(shí)際上也與在半個工頻周期內(nèi)，開關(guān)器件的工作頻率改變的次數(shù) 相關(guān)以及不同工作頻率的數(shù)目均相關(guān)，以上實(shí)施例實(shí)際上也已涉及，在此不再進(jìn)行過多描 述。
[0080] 本發(fā)明的另一方面也提供一種工頻電流變換器的控制方法，工頻電流變換器輸入 側(cè)或輸出側(cè)的電流為工頻電流，該控制方法包括：
[0081] 控制該工頻電流變換器在工頻電流的半個周期內(nèi)，該工頻電流變換器中一開關(guān)器 件至少以兩種不同的固定開關(guān)頻率工作，以降低該開關(guān)器件工作時結(jié)溫溫度。
[0082] 根據(jù)一個實(shí)施例，在工頻半波的半個周期內(nèi)：在第一區(qū)間（即工頻電流較大的區(qū) 間，例如如圖10所示的采樣電流Isample大于參考電流Ir的區(qū)間，以箭頭A表示），控制開 關(guān)器件工作于一第二工作頻率（即一較小工作頻率），在第二區(qū)間（即工頻電流較小的區(qū) 間，例如如圖10所示的采樣電流Isample小于或等于參考電流Ir的區(qū)間，以箭頭B表示）， 控制開關(guān)器件工作于一第一工作頻率，第一工作頻率大于所述第二工作頻率，第一區(qū)間內(nèi) 的工頻電流大于第二區(qū)間內(nèi)的工頻電流。
[0083] 其中，在工頻半波的半個周期內(nèi)，可以控制開關(guān)器件的開關(guān)頻率發(fā)生由第一工作 頻率變化至第二工作頻率的第一次改變；然后控制該開關(guān)器件的開關(guān)頻率發(fā)生由第二工作 頻率變化至第一工作頻率的第二次改變。
[0084] 具體的控制方法可以參考前述結(jié)合圖5-圖7、圖12-圖15進(jìn)行的描述，此處不再 贅述。
[0085] 雖然已參照幾個典型實(shí)施例描述了本申請，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語是說明和示 例性、而非限制性的術(shù)語。由于本申請能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)?質(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例不限于任何前述的細(xì)節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神 和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán) 利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種工頻電流變換器，所述工頻電流變換器輸入側(cè)或輸出側(cè)的電流為工頻電流，所 述工頻電流變換器包括：開關(guān)器件和控制器；所述控制器發(fā)出一控制信號控制所述開關(guān)器 件開通與關(guān)斷；所述控制器在半個工頻周期內(nèi)發(fā)出至少兩種不同頻率的固定控制信號使得 所述開關(guān)器件的工作頻率至少發(fā)生兩次所述兩種不同頻率的固定控制信號的交替變化，從 而降低半個工頻周期內(nèi)所述開關(guān)器件上的結(jié)溫溫度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器，其中，所述至少兩種不同頻率的固定控制信號為第 一控制信號和第二控制信號；所述第一控制信號的頻率大于所述第二控制信號的頻率，在 半個工頻周期內(nèi)，所述第二控制信號控制所述開關(guān)器件時的工頻電流大于所述第一控制信 號控制所述開關(guān)器件時的工頻電流。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的變換器，其中，所述工頻電流變換器還設(shè)有采樣電路，所述采 樣電路采樣工頻電流并輸出一采樣電流。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的變換器，其中，所述控制器還包括判斷比較模塊，所述判斷比 較模塊接收所述采樣電流和一參考電流，判斷所述采樣電流和所述參考電流的比較結(jié)果， 根據(jù)比較結(jié)果，所述控制器對應(yīng)輸出所述第一控制信號或所述第二控制信號。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的變換器，其中，所述控制器還包括滯環(huán)比較模塊，所述滯環(huán)比 較模塊接收所述采樣電流、第一參考電流和第二參考電流，所述第一參考電流大于所述第 二參考電流，所述滯環(huán)比較模塊判斷所述采樣電流與所述第一參考電流和所述第二參考電 流的比較結(jié)果而對應(yīng)輸出所述第一控制信號或所述第二控制信號。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的變換器，其中，所述采樣電流包括采樣電流當(dāng)前值和采樣電 流有效值，所述控制器還包括第一判斷比較模塊和第二判斷比較模塊，所述第一判斷比較 模塊接收一有效值參考電流和所述采樣電流有效值，所述第二判斷比較模塊接收一第一參 考電流和所述米樣電流當(dāng)前值； 當(dāng)所述采樣電流有效值大于所述有效值參考電流時，所述第二判斷比較模塊判斷比較 所述采樣電流當(dāng)前值與所述第一參考電流。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的變換器，其中，所述控制器根據(jù)所述第二判斷比較模塊的比 較結(jié)果對應(yīng)輸出所述第一控制信號和所述第二控制信號。8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的變換器，其中，所述采樣電路還包括：一濾波電路，濾除所述 采樣電流中干擾信號。9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的變換器，其中，所述采樣電路包括一電流互感器、霍爾元件、 采樣電阻和羅氏線圈之一。10. -種工頻電流變換器的控制方法，所述工頻電流變換器輸入側(cè)或輸出側(cè)的電流為 工頻電流，所述控制方法包括： 控制該工頻電流變換器在工頻電流的半個周期內(nèi)，該工頻電流變換器中一開關(guān)器件至 少以兩種不同的固定開關(guān)頻率工作，以降低該開關(guān)器件工作時結(jié)溫溫度。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的控制方法，其中，在工頻電流的半個周期內(nèi)：在第一區(qū)間， 控制所述開關(guān)器件工作于一第二工作頻率，在第二區(qū)間，控制所述開關(guān)器件工作于一第一 工作頻率，所述第一工作頻率大于所述第二工作頻率，所述第一區(qū)間內(nèi)的工頻電流大于所 述第二區(qū)間內(nèi)的工頻電流。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制方法，其中，在工頻電流的半個周期內(nèi)，第一次控制所 述開關(guān)器件的開關(guān)頻率發(fā)生由第一工作頻率切換至第二工作頻率；第二次控制所述開關(guān)器 件的工作頻率發(fā)生由第二工作頻率切換至第一工作頻率。
【文檔編號】H02M1/08GK106033927SQ201510119008
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月18日
【發(fā)明人】吳洪洋, 張偉強(qiáng), 徐立智, 官威
【申請人】臺達(dá)電子工業(yè)股份有限公司