一种基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法

1.本发明属于电力电子变换控制应用领域，涉及一种基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法。


背景技术：

2.现阶段，电力电子装置大多数运行于非平稳工况，包括间歇式工作、动态负载，如数字功率放大器驱动大功率水下远程探测系统周期性发波。数字功率放大器输出具有高峰均比、大功率、高保真等特征，导致功率模块承受大幅度的任务周期与基波周期结温摆幅，这将降低功率模块的使用寿命。为同时保证数字功率放大器的高保真与热可靠性，对功率模块进行主动热控制抑制结温摆幅是必不可少。
3.基波周期结温摆幅抑制方法主要分为三类，第一类为驱动控制，其通过改变驱动电压、外接驱动电阻或改变驱动轨迹来改善结温摆幅，该类方法需要额外增加硬件电路，设计较为复杂且效果有限；第二类为特殊调制策略，如不连续脉宽调制，该类方法难以广泛应用各个场景并且需要牺牲较多的输出性能，无法满足本专利的应用要求总谐波失真度小于2％；第三类主要是控制开关频率、直流侧电压、输出电流、输出频率与功率因数五大变量，但是显然其中直流侧电压、输出电流、输出频率与功率因数取决于实际工况，在本专利应用中不允许改变或者降额运行，但是开关频率可以明显改变结温摆幅，所以既保证数字功率放大器的输出性能，又可大幅度提高数字功率放大器的热可靠性。
4.任务周期结温摆幅抑制方法主要在热阻网络参数设计方面，常见的有减小热阻和增大热容，其中减小热阻主要是在发热的过程中加速热能传递，但在间歇性、高峰均比的工况下，其利用率低以及无法有效应对短时过载的情况；使用相变材料增大热容可在数字功率放大器工作时存储热能保证结温不持续快速上升，保证散热器高效利用以及减小任务周期结温摆幅的同时保证数字功率放大器可短时过载。现有的相变型散热器大多采用传导通道，其适用于气液两相的相变材料，对密封性要求过高，会存在相变材料溢出的问题，并且该结构对于流动性较差的固液两相相变材料效果一般，不太适用于固液两相的相变材料；还存在将相变材料嵌入翅片中的散热器，该类散热器中相变材料用量因翅片厚度而受限，在本发明中功率大于50kw的应用中对周期性结温摆幅抑制效果一般。


技术实现要素：

5.针对现有技术不足，本发明提供一种基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法，以解决现有数字功率放大器工作于非平稳工况，功率模块承受大幅度的任务周期与基波周期结温摆幅等问题。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
7.一种基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法，包括如下步骤：
8.步骤一、根据功率放大器的输出波形质量要求下限确定功率模块开关频率fc的最小值f
cmin
，根据功率放大器的功率模块性能要求确定功率模块开关频率fc的最大值f
cmax
；以
δfc间隔对开关频率进行n等分分档得到f
c,i
，其中i＝1,2,
…
,n-1,n以及n＝(f
cmax-f
cmin
)/δfc；f
c,i
为第i档的开关频率；
9.步骤二、得到在k+1时刻第i档开关频率f
c.i
(k+1)下的功率放大器损耗值p
loss,i
(k+1)；
10.步骤三、得到k+1时刻第i档开关频率f
c.i
(k+1)下的功率放大器损耗值p
loss,i
(k+1)的结温摆福δt
j,i
(k+1)；
11.步骤四、将结温摆幅值δt
j,i
(k+1)代入代价函数g
t
，得到第i档开关频率下的代价函数值g
t,i
；
12.步骤五、从对f
c,i
自第1档至n挡取值，并且重复步骤2-4，得到使得代价函数值最小的开关频率，记为fc(k+1)；且限定fc(k+1)≥f
cmin
；
13.步骤六、根据开关频率fc(k+1)使用spwm单极倍频调制。
14.进一步的改进，所述步骤二中，p
loss,i
(k+1)＝p
con
(k+1)+p
sw,i
(k+1)；
[0015][0016][0017]
其中，p
con
(k+1)为k+1时刻的导通损耗，p
sw,i
(k+1)为k+1时刻的第i档开关损耗；r
ds
为功率器件导通电阻，io为功率放大器的输出电流幅值，m为调制度，为功率放大器的输出电流与输出电压相角差，u
dc
为直流电压，u
ref
为标定直流电压，e
on
为功率模块开通损耗值，e
off
为功率模块关断损耗值。
[0018]
进一步的改进，所述步骤三中，
[0019]
初始时刻时(即0时刻时)，
[0020]
第k+1刻时，k≥0。
[0021]
进一步的改进，所述步骤四中，代价函数如下：
[0022]gt,i
＝|δt
j,i
(k+1)-δt
j*
|
[0023]
其中，δt
j*
为设定的目标结温摆幅。
[0024]
进一步的改进，所述功率放大器底部安装有散热器，散热器的基底下表面挖槽，形成网格状槽结构，网格状槽结构内填充相变材料。
[0025]
进一步的改进，所述相变材料为液态金属。
[0026]
有益效果
[0027]
与现有技术相比，本发明提出一种基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法，包括相变型散热器与模型预测主动热控制，相变型散热器可使数字功率放大器短时过载运行，减小功率模块任务周期的结温摆幅；在各种环境下均能使用模型预测主动热控制，减小功率模块基波周期的结温摆幅，使其安全稳定运行。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]
图1为数字功率放大器拓扑结构图；
[0030]
图2为相变型散热器模型图；
[0031]
图3为相变型散热器工作原理图；
[0032]
图4为相变型散热器波形图；
[0033]
图5为模型预测主动热控制框图；
[0034]
图6为模型预测主动热控制波形图。
具体实施方式
[0035]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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的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。
[0036]
如图1所示，数字功率放大器拓扑结构采用单相全桥逆变电路，该电路由直流侧电容、功率模块和lc滤波器组成，其中两个功率模块组成一对桥臂，共两对桥臂，每对桥臂中点接无源lc滤波电路。
[0037]
如图2所示，本发明提出一种基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法，其中相变型散热器是主要组成部分之一。在散热器的基底下表面进行挖槽，其形状采用网格状，保证相变材料与散热器的充分接触，有利于热量传导，槽的体积为相变材料体积，即相变材料质量与密度的比值。
[0038]
如图3所示，考虑熔点、腐蚀性、潜热与热导率等因素，相变材料选择液态金属，液态金属的熔点根据功率模块工作温度选取，功率模块ccs050m12cm2壳温工作范围为-40℃到125℃，但是在90℃时通流能力降低32％，所以可根据需求选择液态金属在60℃或者80℃，液态金属所需质量为功率模块损耗与相变潜热比值；液态金属从固体到液体过程中吸收热量，在短时间内保持一定的工作温度，可使数字功率放大器短时过载运行，当其停止工作时，相变材料从液态变为固态将储存的热量释放。
[0039]
如图4所示，使用相变型散热器的温度波形，其中相变材料选择液态金属lm60，由图可知相变型散热器可使数字功率放大器短时过载维持60℃高达60s，能有效抑制功率模块任务周期的结温摆幅。
[0040]
如图5所示，本发明提出一种基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法，其中模型预测主动热控制是主要组成部分之一，控制开关频率可以明显改变结温摆幅且应用场景广泛，这样既保证数字功率放大器的输出性能，又可大幅度提高数字功率放大器的热可靠性。模型预测主动热控制具体步骤如下：
[0041]
步骤1：功率模块开关频率fc根据功率放大器的输出波形质量要求下限确定最小值f
cmin
，最大值f
cmax
取决于功率模块性能，以功率模块ccs050m12cm2为例，最大值一般取50khz，并以δfc间隔对开关频率进行n等分分档得到f
c,i
，其中i＝1,2,
…
,n-1,n以及n＝
(f
cmax-f
cmin
)/δfc；
[0042]
步骤2：功率放大器损耗值p
loss
根据步骤1中的k+1时刻第i档开关频率f
c.i
(k+1)与损耗计算公式得到k+1时刻第i档功率放大器损耗值p
loss,i
(k+1)；
[0043]
步骤3：结温摆幅值δtj根据步骤2中的k+1时刻第i档损耗值p
loss,i
(k+1)与热阻网络法得到k+1时刻第i档结温摆幅值δt
j,i
(k+1)；
[0044]
步骤4：可根据步骤3中的k+1时刻第i档结温摆幅值δt
j,i
(k+1)代入代价函数g
t
，得到第i档的代价函数值g
t,i
；
[0045]
步骤5：从i为0直到i为n重复步骤2-4，最终选出使得代价函数值最小的开关频率，记为fc(k+1)，并且该条件下的结温值tj也被记为tj(k+1)；
[0046]
步骤6：可根据步骤5选择的开关频率fc(k+1)使用spwm单极倍频调制。
[0047]
进一步地，所述步骤2中，k+1时刻第i档损耗值p
loss,i
(k+1)分为k+1时刻导通损耗p
con
(k+1)与k+1时刻第i档开关损耗p
sw,i
(k+1)，其表达式如下：
[0048]
p
loss,i
(k+1)＝p
con
(k+1)+p
sw,i
(k+1)
[0049][0050][0051]
上式中r
ds
为功率器件导通电阻，io为功率放大器的输出电流幅值，m为调制度，为功率放大器的输出电流与输出电压相角差，u
dc
为直流电压，u
ref
为标定直流电压，e
on
为功率模块开通损耗值与e
off
为功率模块关断损耗值。
[0052]
进一步地，所述步骤3中，k+1时刻第i档结温摆幅值δt
j,i
(k+1)表达式如下：
[0053][0054][0055]
上式中r
th
为传热途径热阻，τ
th
为传热途径热时间常数。
[0056]
进一步地，所述步骤4中，第i档代价函数g
t,i
表达式如下：
[0057]gt,i
＝|δt
j,i
(k+1)-δt
j*
|
[0058]
上式中，δt
j*
为设定的目标结温摆幅。
[0059]
如图6所示，数字功率放大器在1s时输出频率从5hz变为10hz，实线为未使用模型预测主动热控制的波形，虚线为使用模型预测主动热控制的的波形，两者对比可知模型预测主动热控制可将结温摆幅基本稳定在5℃，优化效果明显。
[0060]
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、根据功率放大器的输出波形质量要求下限确定功率模块开关频率f
c
的最小值f
c min
，根据功率放大器的功率模块性能要求确定功率模块开关频率f
c
的最大值f
c max
；以δf
c
间隔对开关频率进行n等分分档得到f
c,i
，其中i＝1,2,
…
,n-1,n以及n＝(f
c max-f
c min
)/δf
c
；f
c,i
为第i档的开关频率；步骤二、得到在k+1时刻第i档开关频率f
c.i
(k+1)下的功率放大器损耗值p
loss,i
(k+1)；步骤三、得到k+1时刻第i档开关频率f
c.i
(k+1)下的功率放大器损耗值p
loss,i
(k+1)的结温摆福δt
j,i
(k+1)；步骤四、将结温摆幅值δt
j,i
(k+1)代入代价函数g
t
，得到第i档开关频率下的代价函数值g
t,i
；步骤五、从对f
c,i
自第1档至n挡取值，并且重复步骤2-4，得到使得代价函数值最小的开关频率，记为f
c
(k+1)；且限定f
c
(k+1)≥f
c min
；步骤六、根据开关频率f
c
(k+1)使用spwm单极倍频调制。2.如权利要求1所述的基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法，其特征在于，所述步骤二中，p
loss,i
(k+1)＝p
con
(k+1)+p
sw,i
(k+1)；(k+1)；其中，p
con
(k+1)为k+1时刻的导通损耗，p
sw,i
(k+1)为k+1时刻的第i档开关损耗；r
ds
为功率器件导通电阻，i
o
为功率放大器的输出电流幅值，m为调制度，为功率放大器的输出电流与输出电压相角差，u
dc
为直流电压，u
ref
为标定直流电压，e
on
为功率模块开通损耗值，e
off
为功率模块关断损耗值。3.如权利要求1所述的基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法，其特征在于，所述步骤三中，初始时刻时，第k+1刻时，4.如权利要求1所述的基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法，其特征在于，所述步骤四中，代价函数如下：g
t,i
＝|δt
j,i
(k+1)-δt
j*
|其中，δt
j*
为设定的目标结温摆幅。5.如权利要求1所述的基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法，其特征在于，所述功率放大器底部安装有散热器，散热器的基底下表面挖槽，形成网格状槽结构，网格状槽结构内填充相变材料。
6.如权利要求5所述的基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法，其特征在于，所述相变材料为液态金属。

技术总结
本发明公开了一种基于相变型散热器的数字功率放大器主动热控制方法，包括相变型散热器与模型预测主动热控制。相变型散热器中的相变材料从固体到液体过程中吸收热量，在短时间内保持一定的工作温度，可使数字功率放大器短时过载运行，当数字功率放大器停止工作时，相变材料从液态变为固态将储存的热量释放；模型预测主动热控制根据不同工况选择功率模块的开关频率，通过调节开关频率使功率模块基波周期结温摆幅达到合理范围。采用本发明，相变型散热器可减小功率模块任务周期的结温摆幅；模型预测主动热控制可有效降低功率模块基波周期的结温摆幅，使其安全稳定运行。使其安全稳定运行。使其安全稳定运行。


技术研发人员：徐千鸣 唐成 郭鹏 韩蓉 李昱泽 陈燕东 何志兴 青卓 刘蕊 张立鑫 罗安
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2021.12.28
技术公布日：2022/3/8