DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法及电子装置

技术领域

本申请涉及电气参数测量技术领域，具体而言，涉及一种DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法及电子装置。

背景技术

近年来，随着石油资源的减少和大气环境严重污染，电动汽车的发展成为了汽车工业发展的必然趋势。然而纯电动汽车续航里程的忧虑问题也随之诞生。

目前，纯电动汽车主要有整车充电和电池更换两种能源补给模式。其中，对常见电动乘用车换电电源模块系统而言，PWM整流器电路和双向直流转直流电路是系统中必不可少的部分。双向直流转直流电路通常采用LLC、CLLC、CLLLC作为电路的主拓扑，通过谐振电感、谐振电容之间的谐振，可以实现功率半导体器件的零电压开通和零电流关断，从而可以很大程度上降低器件损耗、提高直流转直流电路运行效率。

然而在实际使用时，由于工作场景的多样化，换电电源模块在全生命周期可能会遇到散热劣化(水温、流速异常等)的异常工况。因此，通过在线监测电源模块中ACDC、DCDC电路的功率半导体器件结温及功率半导体器件的使用寿命，对提高电源模块的可靠性、降低模块电源产品失效率就显得尤为重要。

发明内容

本发明提出了一种DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法及电子装置，解决了现有技术中由于开关模块监测不到位造成接电电源模块中DC-DC电路可靠性差、失效率高的问题。

第一方面，本发明提供一种DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法，包括：

计算所述开关模块在当前工况下的总损耗；

获取所述开关模块所处环境的温度值；

将所述总损耗以及环境的温度值输入预设热仿真模型得到所述开关模块的结温，其中所述预设热仿真模型为开关模块的结温与总损耗、环境的温度值以及开关模块的热阻值的函数关系，其中所述热阻值为从开关模块的结至开关模块所处环境的热阻值。

进一步，所述计算所述开关模块在当前工况下的总损耗，包括：

计算所述开关模块在当前工况下的开通损耗、关断损耗以及导通损耗；将所述开通损耗、关断损耗以及导通损耗相加得到所述总损耗。

进一步，所述DC-DC开关电源包括：

变压器；

设置在所述变压器原边侧的桥结构和谐振电路，其中原边侧桥结构由多个所述开关模块构成，原边侧谐振电路由电容和电感构成，所述原边侧桥结构通过所述原边侧谐振电路连接到所述变压器原边绕组；

设置在所述变压器副边侧的桥结构和谐振电路，其中副边侧桥结构由多个所述开关模块构成，副边侧谐振电路由电容和电感构成，所述副边侧桥结构通过所述副边侧谐振电路连接到所述变压器副边绕组；

所述计算所述开关模块在当前工况下的开通损耗，包括：

获取开关模块在当前工况下的输出电压和输出电流；

根据所述输出电压和输出电流计算直流输出阻抗；

获取开关模块在当前工况下的开关频率；

根据所述开关频率计算原边侧谐振电路、变压器以及副边侧谐振电路的阻抗；

根据原边侧谐振电路、变压器以及副边侧谐振电路的阻抗计算所述DC-DC开关电源的总阻抗；

获取开关模块在当前工况下的输入电压；

根据所述输入电压和所述总阻抗得到谐振电流有效值；

根据所述谐振电流有效值得到所述开关模块的开通损耗。

进一步，所述计算所述开关模块在当前工况下的关断损耗，包括：

根据所述总阻抗计算阻抗相位角；

根据所述阻抗相位角及谐振电流有效值计算开关模块的关断电流；

根据所述关断电流得到所述开关模块的关断损耗。

进一步，所述DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法还包括：

构建初始热仿真模型，其中在所述初始热仿真模型中，开关模块的结温Tj＝开关模块在预设工况下的总损耗Ptot*开关模块的热阻值+开关模块在预设工况下的环境的温度值；

计算开关模块在额定工况下的总损耗；

获取开关模块在额定工况下环境的温度值；

设置初始开关模块的热阻值；

将所述开关模块在额定工况下环境的温度值、开关模块在额定工况下的总损耗以及初始开关模块的热阻值输入所述初始热仿真模型，得到开关模块在额定工况下的结温计算值；

获取开关模块在额定工况下的结温测量值；

比较所述结温测量值和所述结温计算值的差值是否小于第一预设温度阈值；

若所述结温测量值和所述结温计算值的差值小于第一预设温度阈值，则实现所述初始热仿真模型在额定工况下的校准；

若所述结温测量值和所述结温计算值的差值不小于第一预设温度阈值，则将所述初始开关模块的热阻值进行改变，得到更新的结温计算值并与所述结温测量值进行比较，直到更新的结温计算值与所述结温测量值的差值小于所述第一预设温度阈值。

进一步，所述DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法还包括：

计算开关模块在非额定工况下的总损耗；

获取开关模块在非额定工况下环境的温度值；

根据开关模块在非额定工况下的总损耗、开关模块在非额定工况下环境的温度值以及在额定工况下的校准的初始热仿真模型，得到开关模块在非额定工况下的结温计算值；

获取开关模块在所述非额定工况下的结温测量值；

比较所述非额定工况下的结温测量值和所述非额定工况下的结温计算值的差值是否小于第二预设温度阈值；

若所述非额定工况下的结温测量值和所述非额定工况下的结温计算值的差值小于第二预设温度阈值，则实现所述初始热仿真模型在非额定工况下的校准；

若所述非额定工况下的结温测量值和所述非额定工况下的结温计算值的差值不小于第二预设温度阈值，则继续调整所述开关模块的热阻值，得到在所述非额定工况下更新的结温计算值并与所述非额定工况下的结温测量值进行比较，直到所述非额定工况下更新的结温计算值与所述非额定工况下的结温测量值的差值小于所述第二预设温度阈值。

进一步，所述DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法还包括：

从校准后的初始热仿真模型中获取开关模块在预设工况下的总损耗、开关模块的热阻值以及开关模块在预设工况下的环境的温度值；

使用最小二乘法得到开关模块的结温与开关模块在预设工况下的总损耗、开关模块的热阻值以及开关模块在预设工况下的环境的温度值的最佳函数关系；

将所述预设工况遍历多种工况，得到多种工况下的开关模块的结温计算值；

针对所述多种工况下的开关模块的结温测量值和计算值的差值，采用卡尔曼滤波进行最优估计，直到开关模块的结温测量值和计算值的差值小于第三预设温度阈值，以得到所述预设热仿真模型。

进一步，所述DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法还包括：

若计算得到的所述开关模块在当前工况下的结温超过预设结温阈值，则降低所述开关模块的功率输出。

第二方面，本发明提供一种计算机可读的存储介质，所述计算机可读的存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时执行所述DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法。

第三方面，本发明提供一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为通过所述计算机程序执行所述DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法。

本发明的工作原理和有益效果为：

本发明中，针对DC-DC开关电源电路，通过计算仿真能够得到开关模块在当前工况下的总损耗，通过测量获取开关模块所处的环境温度值，然后将总损耗和环境温度值输入到具有开关模块结温、总损耗、环境温度值和开关模块热阻值之间函数关系的预设热仿真模型中，得到开关模块的结温。通过对开关模块温度的监测，避免了接电电源模块中DC-DC电路可靠性差、失效率高的问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明DC-DC开关电源电路的拓扑布图；

图2为根据本发明一个实施例的开关模块的结温估算方法的流程图；

图3为根据本发明一个实施例的计算开关模块开通损耗和关断损耗的流程图；

图4为根据本发明一个实施例的额定工况下热仿真模型校准的流程图；

图5为根据本发明一个实施例的非额定工况下热仿真模型校准的流程图；

图6为根据本发明一个实施例的一种电子装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提供一种DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法、存储介质及电子装置。其中，在一个具体实施例中，所述DC-DC开关电源包括：

变压器；

设置在所述变压器原边侧的桥结构和谐振电路，其中原边侧桥结构由多个所述开关模块构成，原边侧谐振电路由电容和电感构成，所述原边侧桥结构通过所述原边侧谐振电路连接到所述变压器原边绕组；

设置在所述变压器副边侧的桥结构和谐振电路，其中副边侧桥结构由多个所述开关模块构成，副边侧谐振电路由电容和电感构成，所述副边侧桥结构通过所述副边侧谐振电路连接到所述变压器副边绕组；

在一个实施例中，如图1所示，所述DC-DC开关电源为全桥结构，所述原边侧桥结构包括开关模块Q7、Q8、Q9和Q10，其中开关模块Q7、Q8、Q9和Q10以H桥形式连接，开关模块Q7和Q8作为上桥臂，开关模块Q9和Q10作为下桥臂，原边侧谐振电路包括电感Lr1和电容Cr1，电感Lr1的一端连接开关模块Q7和Q9的连接点，另一端连接变压器的第一原边侧，电容Cr1的一端连接开关模块Q8和Q10的连接点，另一端连接变压器的第二原边侧。

所述副边侧桥结构包括开关模块Q11、Q12、Q13和Q14，其中开关模块Q11、Q12、Q13和Q14以H桥形式连接，开关模块Q11和Q12作为上桥臂，开关模块Q13和Q14作为下桥臂，副边侧谐振电路包括电感Lr2和电容Cr2，电感Lr2的一端连接开关模块Q11和Q13的连接点，另一端连接变压器的第一副边侧，电容Cr2的一端连接开关模块Q12和Q14的连接点，另一端连接变压器的第二副边侧。

在一个实施例中，每个开关模块包括一个MOS管和一个二极管，因为MOS管的栅极是由二氧化硅与另两个电极隔离的，其电阻极高，容易感应静电，导致击穿烧毁，为了防止静电的积累并联一个二极管，也叫寄生二极管，当电压超过一定值时寄生二极管反向击穿释放电荷，从而起到保护MOS管的作用。寄生二极管的反向击穿是可逆的、可恢复的，自身不会损坏。

如图2所示，本实施例提供一种DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法，包括以下步骤：

步骤一：计算所述开关模块在当前工况下的总损耗；

在本实施例中，开关模块在当前工况下的总损耗包括，开关模块在当前工况下的开通损耗、关断损耗以及导通损耗；将所述开通损耗、关断损耗以及导通损耗相加得到所述总损耗。

在一个实施例中，如图3所示，计算所述开关模块在当前工况下的开通损耗，包括：

获取开关模块在当前工况下的输出电压和输出电流；

根据所述输出电压和输出电流计算直流输出阻抗；

获取开关模块在当前工况下的开关频率；

根据所述开关频率计算原边侧谐振电路、变压器以及副边侧谐振电路的阻抗；

根据原边侧谐振电路、变压器以及副边侧谐振电路的阻抗计算所述DC-DC开关电源的总阻抗；

获取开关模块在当前工况下的输入电压；

根据所述输入电压和所述总阻抗得到谐振电流有效值；

根据所述谐振电流有效值得到所述开关模块的开通损耗。

在一个实施例中，计算所述开关模块在当前工况下的关断损耗，包括：

根据所述总阻抗计算阻抗相位角；

根据所述阻抗相位角及谐振电流有效值计算开关模块的关断电流；

根据所述关断电流得到所述开关模块的关断损耗。

步骤二：获取所述开关模块所处环境的温度值；

步骤三：将所述总损耗以及环境的温度值输入预设热仿真模型得到所述开关模块的结温，其中所述预设热仿真模型为开关模块的结温与总损耗、环境的温度值以及开关模块的热阻值的函数关系，其中所述热阻值为从开关模块的结至开关模块所处环境的热阻值。

在一个实施例中，DC-DC开关电源还包括散热器，所述热阻值为开关模块结到封装壳之间的热阻、壳到散热器之间的热阻和散热器到环境之间的热阻之和。当DC-DC开关电源包括冷却液管路时，参照的环境温度为冷却液温度，当DC-DC开关电源没有包括冷却液管路时，参照的环境温度为环境空气温度。其中所述冷却液用于将来自散热器的热量带走，起到降温的作用。

步骤四：若计算得到的所述开关模块在当前工况下的结温超过预设结温阈值，则降低所述开关模块的功率输出。

进一步，如图4所示，在本实施例中，预设热仿真模型的构建包括：

步骤1：构建初始热仿真模型，其中在所述初始热仿真模型中，开关模块的结温Tj＝开关模块在预设工况下的总损耗Ptot*开关模块的热阻值+开关模块在预设工况下的环境的温度值；

步骤2：计算开关模块在额定工况下的总损耗；

步骤3：获取开关模块在额定工况下环境的温度值；

步骤4：设置初始开关模块的热阻值；

步骤5：将所述开关模块在额定工况下环境的温度值、开关模块在额定工况下的总损耗以及初始开关模块的热阻值输入所述初始热仿真模型，得到开关模块在额定工况下的结温计算值；

步骤6：获取开关模块在额定工况下的结温测量值；

在一个实施例中，开关模块在额定工况下的结温测量值，是通过在开关模块芯片几何中心位置，增加热电偶，实际测量得到的，用于校核初始热仿真模型。

步骤7：比较所述结温测量值和所述结温计算值的差值是否小于第一预设温度阈值；

若所述结温测量值和所述结温计算值的差值小于第一预设温度阈值，则实现所述初始热仿真模型在额定工况下的校准；

若所述结温测量值和所述结温计算值的差值不小于第一预设温度阈值，则将所述初始开关模块的热阻值进行改变，得到更新的结温计算值并与所述结温测量值进行比较，直到更新的结温计算值与所述结温测量值的差值小于所述第一预设温度阈值。

在一个实施例中，第一预设温度阈值可以设置为3℃，通过判断初始热仿真模型得到的结温计算值和通过热电偶直接得到的结温测量值之间的温度差，来判断初始热仿真模型是否准确，不准确的情况下，通过改变开关模块的热阻值进行重新校准。

进一步，如图5所示，考虑到DC-DC电路工作的各种工况，所述预设热仿真模型的构建还包括：

步骤8：计算开关模块在非额定工况下的总损耗；

步骤9：获取开关模块在非额定工况下环境的温度值；

步骤10：根据开关模块在非额定工况下的总损耗、开关模块在非额定工况下环境的温度值以及在额定工况下开关模块的热阻值输入到初始热仿真模型，得到开关模块在非额定工况下的结温计算值；

步骤11：获取开关模块在所述非额定工况下的结温测量值；

步骤12：比较所述非额定工况下的结温测量值和所述非额定工况下的结温计算值的差值是否小于第二预设温度阈值；

若所述非额定工况下的结温测量值和所述非额定工况下的结温计算值的差值小于第二预设温度阈值，则实现所述初始热仿真模型在非额定工况下的校准；

若所述非额定工况下的结温测量值和所述非额定工况下的结温计算值的差值不小于第二预设温度阈值，则继续调整所述开关模块的热阻值，得到在所述非额定工况下更新的结温计算值并与所述非额定工况下的结温测量值进行比较，直到所述非额定工况下更新的结温计算值与所述非额定工况下的结温测量值的差值小于所述第二预设温度阈值。

在一个实施例中，非额定工况包括DC-DC电路工作在过载工况和半载工况。两种非额定工况的热仿真校准步骤相同，都可以通过步骤8-步骤12来实现，在具体应用时，可以将步骤8-步骤12执行两遍，第一遍用于在过载工况下的热仿真校准，第二遍用于在板载工况下的热仿真校准。

在一个实施例中，所述第二预设温度阈值可以设置为和第一预设温度阈值相等，例如3℃。通过判断初始热仿真模型得到的结温计算值和通过热电偶直接得到的结温测量值之间的温度差，来判断初始热仿真模型是否准确，不准确的情况下，通过改变开关模块的热阻值进行重新校准。

进一步，为了使预设热仿真模型的构建更加准确，引入智能算法，所述预设热仿真模型的构建还包括：

步骤13：从校准后的初始热仿真模型中获取开关模块在预设工况下的总损耗、开关模块的热阻值以及开关模块在预设工况下的环境的温度值；

步骤14：使用最小二乘法得到开关模块的结温与开关模块在预设工况下的总损耗、开关模块的热阻值以及开关模块在预设工况下的环境的温度值的最佳函数关系；

本实施例中，最小二乘法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。

步骤15：将所述预设工况遍历多种工况，得到多种工况下的开关模块的结温计算值；

步骤16：针对所述多种工况下的开关模块的结温测量值和计算值的差值，采用卡尔曼滤波进行最优估计，直到开关模块的结温测量值和计算值的差值小于第三预设温度阈值，以得到所述预设热仿真模型。

本实施例中，卡尔曼滤波是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。

需要说明的是，上述方案尽管以图1所示的DC-DC开关电源中开关模块进行的说明，然而，本发明不限于此，本领域技术人员能够根据本发明所述的方法应用于其他DC-DC开关电源。

本领域技术人员能够理解的是，本发明实现上述一实施例的方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器、随机存取存储器、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读存储介质不包括电载波信号和电信信号。

本发明还提出一种计算机可读的存储介质，所述计算机可读的存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时执行所述DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法。

在根据本发明的一个计算机可读存储介质实施例中，计算机可读存储介质可以被配置成存储执行上述方法实施例的DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法的程序，该程序可以由处理器加载并运行以实现上述方法。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。该计算机可读存储介质可以是包括各种电子设备形成的存储装置设备，可选的，本发明实施例中计算机可读存储介质是非暂时性的计算机可读存储介质。

如图6所示，本实施例提供一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为通过所述计算机程序执行所述DC-DC开关电源中开关模块的结温估算方法。

在一个实施例中，所述电子装置被设置为DSP。

为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。该电子装置可以是包括各种电子器件形成的控制设备。

进一步，应该理解的是，由于各个模块的设定仅仅是为了说明本发明的装置的功能单元，这些模块对应的物理器件可以是处理器本身，或者处理器中软件的一部分，硬件的一部分，或者软件和硬件结合的一部分。因此，图中的各个模块的数量仅仅是示意性的。

本领域技术人员能够理解的是，可以对装置中的各个模块进行适应性地拆分或合并。对具体模块的这种拆分或合并并不会导致技术方案偏离本发明的原理，因此，拆分或合并之后的技术方案都将落入本发明的保护范围内。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。