变频空调室外控制器的功率器件散热方法与流程

1.本说明书一个或多个实施例涉及空调技术领域，尤其涉及一种变频空调室外控制器的功率器件散热方法。


背景技术：

2.目前，变频技术因其所具有的节能、舒适的特点已经成为白色家电产品发展的主要方向，尤其是空调新能效标准于2020年7月正式实施后，家用空调将全面变频化。为满足电流谐波要求，变频空调室外变频控制器需搭载pfc(全称为power factor correction，中文为功率因数校正)功能电路，通常采用boost pfc升压电路，该电路包括电感、开关管、快恢复二极管、大电解电容等器件，其中开关管和快恢复二极管有大电流流过，必须进行散热处理。在变频空调变频板中，通常将整流桥、开关管、快恢复二极管等功率器件安装在同一个散热器上进行散热，由室外风机运转将热量散走，但是这种方式的散热效果并不好。


技术实现要素：

3.本说明书一个或多个实施例描述了一种变频空调室外控制器的功率器件散热方法。
4.本发明提供了一种变频空调室外控制器的功率器件散热方法，包括：
5.在所述室外控制器上电后，获取空调内机的运行模式；
6.若所述运行模式为制冷模式，则获取所述室外控制器搭载的pfc功能电路的交流输入电压值，并实时判断所述交流输入电压值是否小于预设电压值；
7.在所述交流输入电压值小于所述预设电压值时，实时检测所述室外控制器的当前环境温度，并实时判断所述当前环境温度与预设高温区间的关系；
8.在所述当前环境温度落在所述预设高温区间内时，通过pwm信号发生器控制所述pfc功能电路中的igbt开关管的导通占空比降低；
9.在所述当前环境温度大于所述预设高温区间的上限值时，通过pwm信号发生器控制所述pfc功能电路中的igbt开关管的导通占空比降低，且通过pwm信号发生器控制所述pfc功能电路中的igbt开关管的开关频率降低。
10.本说明书实施例提供的一种变频空调室外控制器的功率器件散热方法，在交流输入电压值小于预设电压值时，根据当前环境温度和预设高温区间的关系采取不同的降低损耗的方式，从而降温，避免温度过高引起器件损伤等问题。本发明中降低损耗的方式为降低igbt开关管的导通占空比和降低igbt开关管的开关频率，降低导通占空比可以降低igbt开关管的通态损耗，降低igbt开关管的开关频率可以降低igbt开关管的开通损耗和关断损耗、快恢复二极管的开通损耗和关断损耗，从而降低pfc功能电路中功率器件的总损耗。由于这种通过降低损耗的方式不需要增大散热器，也不需要改变散热风道，即不增加额外成本，不改变硬件方案，就可以解决在交流风机超低输入电压工况下功率器件温度过高的问题，即解决在交流风机在高温低压散热能力不足的情况下导致功率器件温度够高的问题，
保证pfc功能电路的正常性能不受影响。
附图说明
11.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
12.图1是本说明书一个实施例中变频空调室外控制器的功率器件散热方法的流程示意图；
13.图2是本说明书一个实施例中igbt开关管在不同阶段的电压、电流、瞬时损耗功率和损耗能量的变化示意图；
14.图3是本说明书一个实施例中pfc功能电路和pfc控制模块的连接示意图；
15.图4是本说明书一个实施例中纹波检测电路的电路示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图，对本说明书提供的方案进行描述。
17.第一方面，本发明提供一种变频空调室外控制器的功率器件散热方法，本方法由室外控制器中的pfc控制模块执行，如图1所示，方法包括如下步骤：
18.s100、在所述室外控制器上电后，获取空调内机的运行模式；
19.其中，运行模式包括制冷模式、制热模式、除湿模式等。
20.在具体实施时，空调内机上可以搭载有wifi模块，可以通过wifi模块获取空调内机的运行模式。
21.s200、若所述运行模式为制冷模式，则获取所述室外控制器搭载的pfc功能电路的交流输入电压值，并实时判断所述交流输入电压值是否小于预设电压值；
22.可理解的是，一般环境温度较高时才开启制冷模式，此时环境温度较高，不利于室外控制器上功率器件的散热，所以在制冷模式下进行后续步骤。而如果发现当前运行模式为制热模式，则保持原来的运行模式不变，继续工作。
23.其中，pfc功能电路中的pfc的英文全称为“power factor correction”，意思是“功率因数校正”，即功率因数校正功能电路。该电路的功能是升压以及处理谐波等。参见图3，在pfc功能电路中包括整流桥、电感、igbt开关管、快恢复二极管、稳压电容。该pfc功能电路实际上是boost升压电路。
24.由于室外交流风机因其高性价比，在能效要求不高的情况下有明显成本优势，故在外销市场或者内销3级能效整机上运用广泛。但是交流风机有个缺陷，即交流电压越低，转速也越低，如220v交流供电时，转速是900转/分钟，而165v交流供电时，转速为600转/分钟。转速低，交流风机散热能力差，功率器件的产生热量没法及时散走，导致温度越来越高，超过一定标准时将影响器件可靠性，更有甚者损坏器件。外销市场中，还需考虑部分地区电力供应不稳，有时需要在交流电压145v、环境温度达52度时空调仍要正常工作，所以在该步骤s200中获取当前的交流输入电压值，通过该交流输入电压值判断当前的转速是否能够及时带走功率器件中的热量。如果交流输入电压值较低，则转速较低，是不能及时带走功率器
件的热量的，会导致功率器件温度升高。而如果交流输入电压值较高，则转速较高，完全可以通过风机的转动将功率器件的热量带走，不需要执行后续步骤。
25.其中，预设电压值是判断风机转动能够带走功率器件热量的分界值，当交流输入电压值低于预设电压值，则风机转动不能及时带走功率器件的热量，导致功率器件的温度很高。例如，可以选择150v作为预设电压值，当前还可以选择其它值作为预设电压值，具体可以根据实际情况设置。
26.可理解的是，对交流输入电压值的检测是实时进行的，只要检测到交流输入电压值低于预设电压值就会进入后续的步骤。
27.s300、在所述交流输入电压值小于所述预设电压值时，实时检测所述室外控制器的当前环境温度，并实时判断所述当前环境温度与预设高温区间的关系；
28.可理解的是，功率器件的温度除了由于自身损耗导致发热之外，还与环境温度相关，功率器件温度过高一般会出现在高环温工况下。因此这里对当前环境温度进行判断。当前环境温度低于预设高温区间的下限值时，说明此时当前环境温度还比较低，说明此时功率器件的温度不会过高。而如果当前环境温度高于预设高温区间的下限值时且低于上限值，说明环境温度比较高，会导致功率器件的温度也比较高。而如果当前环境温度高于预设高温区间的上限值，说明环境温度很高，会导致功率器件的温度也很高。
29.其中，预设高温区间可以根据需要选择，例如，下限值为48摄氏度，上限值为52摄氏度。
30.当前环境温度和预设高温区间之间存在三种关系：(1)当前环境温度低于下限值；(2)当前环境温度高于下限值且低于上限值；(3)当前环境温度高于上限值。针对第(1)种情况，暂时不需要对当前的制冷策略进行改变。实时观察，只有在当前环境温度出现后两种情况时才执行后续步骤。针对后两种情况，说明当前环境温度达到了比较高的水平，需要对当前的制冷策略做出改变，否则功率器件过高有可能出现故障，空调无法正常运行。
31.可理解的是，对当前环境温度的检测是实时进行的，只要检测到当前环境温度出现上述后两种情况之后，就会进入后续的步骤。
32.s400、在所述当前环境温度落在所述预设高温区间内时，通过pwm信号发生器控制所述pfc功能电路中的igbt开关管的导通占空比降低；
33.针对pfc功能电路中的igbt开关管，其损耗由3部分组成：开通损耗p
on
、通态损耗p
con
及关断损耗p
off
。参见图2，展示了igbt开关管在开通、通态和关断三个阶段的电压和电流、瞬时损耗功率、损失能量的变化示意图。在图2中，igbt开关管在开通和关断时，电压变化和电流变化不是同步变化的，在开通和关断时，igbt开关管的瞬时功率先上升后下降，损耗能量逐渐上升，导致开通损耗和关断损耗。可见，igbt开关管的开关频率越大，开通损耗p
on
和关断损耗p
off
越大。igbt开关管在导通中，因有饱和压降和电流，对应有能量损耗，p
con
＝饱和压降*电流*导通占空比d。可见，在导通状态下，导通占空比越大，通态损耗p
con
越大。在负载不变情况下，igbt开关管的总损耗为(p
on
p
con
p
off
)，总损耗正比于igbt的开关频率和导通占空比。
34.针对快恢复二极管，损耗也是由3部分组成：开通损耗p
don
、通态损耗p
dcon
及关断损耗p
doff
，通过对boost pfc电路中开关器件的损耗分析与计算，发现在负载不变情况下，开通损耗p
don
和关断损耗p
doff
也是正比于igbt开关管的开关频率。
35.可见，针对两个主要功率器件，可以从igbt开关管的开关频率和导通占空比这两个方面进行损耗控制，从而降低因损耗而引起的高温。
36.其中，导通占空比是指在一个信号周期内igbt开关管的导通时间所占的比例。pwm信号发生器可以通过控制igbt开关管的开关频率，即控制igbt开关管的一个信号周期的长短，也可以控制在一个信号周期内导通时间所占的比例，即导通占空比。
37.可理解的是，若当前环境温度落在预设高温区间内，即出现了第(2)种情况，此时当前环境温度是比较高的。此时，可以通过降低igbt开关管的导通占空比的方式降低igbt开关管的通态损耗，进而降低器件温度。实际中，可以通过pwm信号发生器控制所述pfc功能电路中的igbt开关管的导通占空比。
38.在具体实施时，本发明可以采用第一公式计算所述导通占空比的降低值，所述第一公式包括：
[0039][0040]
式中，a和b为权重系数，δp为所述导通占空比的降低值，v0为所述预设电压值，v为所述交流输入电压值，t1为所述预设高温区间的下限值，t为所述当前环境温度，p0为所述导通占空比的初始值。
[0041]
在上述第一公式中，依据预设高温区间的下限值和当前环境温度、预设电压值和交流输入电压值计算导通占空比的降低值，这样对于不同的当前环境温度和不同的交流输入电压值，可以得到不同的导通占空比降低值。通过实验验证，根据上述第一公式计算出来的降低值来降低导通占空比，可以使得igbt开关管的通态损耗可以下降至合适的水平，不会引起器件损伤，而且也不会对负载的正常工作造成较大影响，可见上述第一公式可以实现根据实际情况计算匹配的导通占空比降低值。
[0042]
s500、在所述当前环境温度大于所述预设高温区间的上限值时，通过pwm信号发生器控制所述pfc功能电路中的igbt开关管的导通占空比降低，且通过pwm信号发生器控制所述pfc功能电路中的igbt开关管的开关频率降低。
[0043]
可理解的是，若当前环境温度高于预设高温区间的上限值，说明出现了第(3)种情况，此时当前环境温度是非常高的，因此此时在降低导通占空比的基础上，降低igbt开关管的开关频率降低，从而降低igbt开关管的开通损耗和关断损耗，同时也降低了快恢复二极管的开通损耗和关断损耗。
[0044]
在具体实施时，仍可以采用上述第一公式计算导通占空比的降低值。
[0045]
在具体实施时，可以采用第二公式计算所述开关频率的降低值，所述第二公式包括：
[0046][0047]
式中，c、d和r均为权重系数，δk为所述开关频率的降低值，k0为所述开关频率的初始值，v0为所述预设电压值，v为所述交流输入电压值，t2为所述预设高温区间的上限值，t为所述当前环境温度，δp为所述导通占空比的降低值。
[0048]
在上述第二公式中，依据预设高温区间的上限值和当前环境温度、预设电压值和交流输入电压值计算开关频率的降低值，这样针对不同的当前环境温度和不同的交流输入电压值，可以得到不同的开关频率的降低值。同时在第二公式中考虑到了导通占空比的降低值，也就是说，导通占空比的降低值越大，经过反推说明此时的当前环境温度越高或交流输入电压值越低，需要快速的降温，否则功率器件很容易出现损伤，引起空调故障。所以当导通占空比的降低值越大时，在其它参数不变的情况下，开关频率的降低值也越大，这样通过双重措施快速降低损耗，快速降温，避免器件损伤。通过实验验证，根据上述第二公式计算出来的降低值来降低开关频率，可以使得功率损耗可以快速下降至合适的水平，避免引起器件损伤。
[0049]
当然，还可以采用更为简单的方式，例如开关频率的初始值为40khz，在需要降低开关频率时，直接将开关频率下降至30khz。
[0050]
在具体实施时，本发明提供的方法还可以包括：
[0051]
s600、在通过pwm信号发生器仅控制所述导通占空比降低后，若所述交流输入电压值升高至大于等于所述预设电压值，则通过pwm信号发生器控制所述pfc功能电路中的igbt开关管的导通占空比恢复至占空比初始值。
[0052]
也就是说，刚开始处于上述第(2)种情况，当交流输入电压值升高到大于等于预设电压值之后，通过风机的转动就可以实现降温，因此通过pwm信号发生器控制导通占空比恢复至占空比初始值。
[0053]
当然，在具体实施时，本发明提供的方法还可以包括：
[0054]
s700、在通过pwm信号发生器控制所述导通占空比降低和开关频率降低后，若所述交流输入电压值升高至大于等于所述预设电压值，则通过pwm信号发生器控制所述pfc功能电路中的igbt开关管的导通占空比恢复至占空比初始值，且通过pwm信号发生器控制所述pfc功能电路中的igbt开关管的开关频率恢复至频率初始值。
[0055]
也就是说，刚开始处于第(3)种情况，当交流输入电压值升高到大于等于预设电压值之后，通过风机的转动就可以实现降温，因此通过pwm信号发生器控制导通占空比恢复至占空比初始值，igbt开关管的开关频率恢复至频率初始值，保证负载恢复到原来的工作状态。
[0056]
当然，如果在通过pwm信号发生器仅控制所述导通占空比降低后，当前环境温度下降至低于上述下限值，则此时也可以通过pwm信号发生器控制所述pfc功能电路中的igbt开关管的导通占空比恢复至占空比初始值，保证负载恢复到原来的工作状态。
[0057]
当然，如果在通过pwm信号发生器控制所述导通占空比降低和开关频率降低后，当前环境温度下降至低于上述下限值，则此时也可以通过pwm信号发生器控制导通占空比恢复至占空比初始值，igbt开关管的开关频率恢复至频率初始值，保证负载恢复到原来的工作状态。
[0058]
参见图3，在pfc控制模块中，通过交流输入电压值检测单元获取交流输入电压值，通过环境温度检测单元获取当前环境温度，通过pwm发生器对导通占空比和开关频率进行调节，当然还可以通过电流检测单元获取pfc电路电流，通过输出直流电压检测单元获取输出的直流电压，从而实现对电流和电压的监测。
[0059]
在具体实施时，s200中获取所述室外控制器搭载的pfc功能电路的交流输入电压
值之前，本发明提供的方法还可以包括：
[0060]
获取所述pfc功能电路的输出端的第一分压信号经过纹波检测电路后得到的纹波电压，并判断所述纹波电压是否小于预设纹波电压上限；若是，则允许执行所述获取所述室外控制器搭载的pfc功能电路的交流输入电压值的步骤.其中，所述预设纹波电压上限为所述pfc功能电路中的稳压电容达到使用寿命的80％时，所述稳压电容在所述pfc功能电路的输出端产生的最大纹波电压的第一分压信号经过纹波检测电路后得到的纹波电压；所述第一分压信号为所述输出端的电压在预设分压位置的电压信号。
[0061]
可理解的是，pfc功能电路的输出端的一个分压(即上述第一分压信号)输入至纹波检测电路后，会得到一个纹波电压，若该纹波电压小于预设纹波电压上限，说明pfc功能电路中的稳压电容还不接近使用寿命，可以继续使用该稳压电容，进入后续的步骤。而当该纹波电压大于等于预设纹波电压上限时，则认为pfc功能电路中的稳压电容接近使用寿命，不能再使用了，需要更换稳压电容。
[0062]
其中，预设纹波电压上限，为稳压电容达到使用寿命的80％时，pfc功能电路的输出端产生的最大纹波电压的第一分压信号输入至纹波检测电路后得到的纹波电压。
[0063]
在具体实施时，所述纹波检测电路可以采用多种结构实现，下面提供一种：参见图4，所述纹波检测电路包括：交流耦合电容c1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、二极管d1和模数转换单元adc；其中，所述交流耦合电容的一端与所述预设分压位置p连接，所述交流耦合电容的另一端与所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端分别与所述第二电阻的一端和所述二极管的正极连接，所述二极管的负极分别与所述第三电阻的一端和所述模数转换单元连接，所述第二电阻和所述第三电阻的另一端均接地，所述模数转换单元的输出端输出所述纹波电压。
[0064]
也就是说，交流耦合电容提取出预设分压位置的第一交流信号，然后经过第一电阻和第二电阻后，在第一电阻和第二电阻的连接点得到分压信号，即第二交流信号。第二交流信号经过二极管后，去掉了第二交流信号中的负端部分，得到第三交流信号，第三交流信号经过模数转换单元后，将第三交流信号转化为数字信号，即得到纹波电压。
[0065]
在具体实施时，依据上述纹波检测电路，可以采用如下第三公式计算所述预设纹波电压上限，所述第三公式包括：
[0066]
u
max
‑
th
＝h*u
max
*(r2/(r1 r2))
‑
v
fm
[0067]
式中，u
max
‑
th
为所述预设纹波电压上限，h为所述预设分压位置的分压比例，u
max
为所述最大纹波电压，r1为所述第一电阻，r2为所述第二电阻，v
fm
为所述二极管的正向导通压降。
[0068]
在具体实施时，所述最大纹波电压的计算过程可以包括：确定所述室外控制器对应空调的额定输入功率以及所述稳压电容达到使用寿命的80％时的剩余容量；根据所述剩余容量和所述额定输入功率，计算所述最大纹波电压。
[0069]
其中，额定输入功率可以从空调的说明书中查找到，额定输入功率为1500w。当稳压电容达到使用寿命的80％时的剩余容量，可以通过同型号同容量的电容进行多次实验得到。
[0070]
其中，可以采用第四公式计算所述最大纹波电压，所述第四公式包括：
[0071][0072]
式中，u
max
为所述最大纹波电压，l0为所述额定输入功率，f为所述pfc功能电路的交流输入电压值的频率，c1为所述剩余容量，u0为所述pfc功能电路的输出电压。
[0073]
可见，本发明在s200中获取所述室外控制器搭载的pfc功能电路的交流输入电压值之前，对pfc功能电路中的稳压电容进行判断，判断是否达到使用寿命，只有在稳压电容未接近使用寿命时才进行后续的步骤，否则需要对稳压电容进行更换后再进行后续步骤，保证pfc功能电路的正常功能，避免pfc功能电路无法正常工作时影响后续对功率器件散热方法的执行。
[0074]
本发明提供的变频空调室外控制器的功率器件散热方法，在制冷模式下，在交流输入电压值小于预设电压值时，根据当前环境温度和预设高温区间的关系采取不同的降低损耗的方式，从而降温，避免温度过高引起器件损伤等问题。本发明中降低损耗的方式为降低igbt开关管的导通占空比和降低igbt开关管的开关频率，降低导通占空比可以降低igbt开关管的通态损耗，降低igbt开关管的开关频率可以降低igbt开关管的开通损耗和关断损耗、快恢复二极管的开通损耗和关断损耗，从而降低pfc功能电路中功率器件的总损耗。由于这种通过降低损耗的方式不需要增大散热器，也不需要改变散热风道，即不增加额外成本，不改变硬件方案，就可以解决在交流风机超低输入电压工况下功率器件温度过高的问题，即解决在交流风机在高温低压散热能力不足的情况下导致功率器件温度够高的问题，保证pfc功能电路的正常性能不受影响。
[0075]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0076]
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件、软件、挂件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。
[0077]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。