CN118265883A - 用于在热负荷快速变化的条件下控制制冷回路膨胀阀流量和压缩机转速的***和方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于热控制单元的混合控制器，所述热控制单元用于控制被测器件(DUT)的温度，所述混合控制器利用来自独立的热注入控制回路的信息作为用于DUT测试头负荷的相对变化的快速响应代替物。该信息为制冷子***的控制器提供额外的反馈，从而在较宽范围的设定点温度且DUT头负荷快速变化的情况下，实现对DUT进行温度控制的整体***目标。

Description

用于在热负荷快速变化的条件下控制制冷回路膨胀阀流量和 压缩机转速的***和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2022年1月24日提交的标题为“在热负荷快速变化的条件下控制制冷回路膨胀值流量和压缩机转速”的美国临时申请No.63/302,495的权益，其全部内容在此通过引用并入。

技术领域

当前公开的实施方案大体上涉及用于保持被测器件的设定点温度的***和方法，更具体地，涉及用于在热负荷快速变化的条件下控制制冷回路膨胀阀流量和压缩机转速的***和方法。

背景技术

诸如集成电路(IC)的电子器件可能需要经过各种形式的测试，以确保器件在期望的运行条件(例如，一系列环境温度条件)下以预期方式运行的可靠性、适用性和能力。此类测试可以包括控制被测器件(DUT)的温度条件，以覆盖期望的或设计的环境温度的范围。已经开发了各种装置和方法以控制DUT的温度，从而模拟DUT的设计的环境温度条件。

热控制单元(Thermal Control Unit，TCU)是下述装置的示例，该装置用于在DUT放置于TCU的测试头时，在DUT的表面或DUT的内部保持受控传感器温度的设定点温度。受控传感器温度受TCU的测试头的表面温度的影响。在DUT(其热传导地连接至TCU测试头)产生未知且快速变化的热量的情况下必须保持受控传感器温度。

在具体的实施方案中，TCU可以具有制冷***，所述制冷***具有可变的膨胀阀和可变的压缩机转速。为了控制膨胀阀流量和压缩机转速，当膨胀阀和压缩机的一者或两者支持可变控制时，典型的制冷***可以使用制冷回路中的传感器作为对阀控制器和压缩机控制器的反馈。在以控制DUT(该DUT经历快速且较大的发热量变化(TCU的热负荷变化))的温度为目标的***中，利用制冷回路中的传感器作为对控制器的唯一反馈会导致制冷子***的冷却性能发生相对缓慢但稳定的变化。这种典型的制冷控制响应导致控制DUT温度的整体***目标在对DUT中的动态热负荷变化的响应速度方面受到限制。因此，需要对此类***进行改进。

发明内容

根据本发明的实施方案，描述了一种混合控制器，其利用来自独立的热注入控制回路的信息作为用于DUT测试头负荷的相对变化的快速响应代替物。该信息为制冷子***的控制器提供额外的反馈，从而在较宽范围的设定点温度且DUT头负荷快速变化的情况下，实现对DUT进行温度控制的整体***目标。

正如下面将进一步解释的那样，使用额外的制冷子***反馈可以用于在制冷控制中产生异常快速的变化，作为对DUT热负荷快速变化的响应。对于DUT热负荷的类似相对变化，这种控制响应可以是有界的且一致的，并且在净冷却与净加热条件之间切换也可以无缝地运行而没有特殊情况。与传统***相比，在本发明中描述的混合控制器可以始终提供更低的生产成本、更低的***复杂性和更高的性能，同时消除了减损现场预防性维护的需求。

附图说明

图1是现有技术的具有可变膨胀阀流量和可选的可变压缩机转速的制冷子***的示意性框图；

图2是现有技术的热控制单元测试头的示意性框图，该热控制单元测试头具有与其热连接的被测器件；

图3是根据本发明的多回路控制***的实施方案的示意图；

图4是图3的多回路控制***的加热器控制器的实施方案的示意性框图；

图5是图3的多回路控制***的膨胀阀流量控制器的实施方案的示意性框图；

图6是图3的多回路控制***的压缩机转速控制器的实施方案的示意性框图；

图7是当使用根据本发明的多回路控制***的实施方案时，在改变DUT热负荷的情况下，DUT受控温度、加热器百分比、压缩机转速百分比、膨胀阀流量百分比和蒸发器过热温度随时间变化的表图；

图8是根据本发明的多回路控制***的实施方案的示意图；以及

图9是图8的多回路控制***的压缩机转速控制器的实施方案的示意性框图。

具体实施方式

在本文中用于描述特定示例的目的而使用的术语不用于限制进一步的示例。每当使用诸如“一”、“一个”和“该”的单数形式以及仅使用单个元件既未明确也未隐含地定义为强制性时，进一步的示例也可以使用复数个元件实现相同的功能。同样，当功能随后被描述为使用多个元件实现时，进一步的示例可以使用单个的元件或处理实体来实现相同的功能。应进一步理解的是，当使用术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”时，表示存在所述特征、数值、步骤、操作、过程、行为、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一种或更多种其他特征、数值、步骤、操作、过程、行为、元件、组件和/或其任意组合。

可以理解的是，当一个元件被称为“连接”或“接合”至另一元件时，这些元件可以直接地连接或接合，或者可以经由一个或更多个中间元件连接或接合。如果两个元件A和B利用“或”进行组合，则应将其理解为公开所有可能的组合，即，仅A、仅B、以及A和B。相同组合的替代措词是“A和B的至少一者”。这同样适用于两个以上元件的组合。

相应地，虽然进一步的示例能够进行各种修改和替代形式，一些特定示例在附图中示出并且将随后进行详细描述。然而，这种详细的描述并不将进一步的示例限制为描述的特定形式。进一步的示例可以涵盖落入本发明的范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。相同的附图标记在整个附图的描述中指代相同或相似的元件，当彼此进行比较时，所述元件可以以相同或修改的形式实现，同时提供相同或相似的功能。

一个或更多个示例实施方案的细节在所附附图和以下描述中阐述。其它可能的示例特征和/或可能的示例优势将从说明书、附图和权利要求中变得明显。一些实施方案可能不具有这些可能的示例特征和/或可能的示例优势，并且一些实施方案不一定需要这种可能的示例特征和/或可能的示例优势。

根据本发明的在热负荷快速变化的条件下控制制冷回路膨胀阀流量和压缩机转速的示例性方法、设备和计算机程序产品参考所附附图进行描述，从图1开始。图1示出了具有可变膨胀阀流量和可选的可变压缩机转速的典型制冷子***的框图。

基本的制冷循环包括四个主要元件：压缩机、冷凝器、计量装置(例如，热膨胀阀)和蒸发器。当制冷剂通过包括这四种元件的回路时，产生冷却效果。当制冷剂以低压、中温、气态形式进入压缩机时，循环开始。制冷剂由压缩机压缩至高温高压气态。然后，高温高压气体进入冷凝器。冷凝器通过将热量传递至温度较低的介质(通常是环境空气)而对高温高压气体进行冷却，从而使其冷凝为高压液体。

为了通过高压液体产生冷却效果，通过膨胀阀限制进入蒸发器的制冷剂的流量，从而降低压力并且使得回到气相的等焓膨胀在较低的温度下发生。膨胀阀可以具有感温温包，所述感温温包充满热力学特性与制冷剂的热力学特性相似的液体。所述感温温包热连接至蒸发器的输出，从而可以感测离开蒸发器的制冷剂的温度。感温温包中的气体压力提供打开膨胀阀的力，因此动态调节蒸发器内制冷剂的流量，从而调节离开蒸发器的制冷剂所获得的过热度。也可以使用其他类型的膨胀阀。

过热度是蒸气超出蒸发压力下的沸点的温度。没有过热度表明制冷剂未在蒸发器内完全汽化，并且液体最终会再循环至压缩机。另一方面，过大的过热度表明流经蒸发器盘管(evaporator coil)的制冷剂不足，因此其较大一部分不包含要蒸发的任何液态制冷剂并且该部分不提供显著的冷却。因此，通过将过热度调整为较小的值(通常只有几摄氏度(℃))，蒸发器的热传递将接近最佳，而不会有过多的饱和制冷剂返回至压缩机。

为了进一步解释，图2示出了示例TCU测试头的热框图。DUT热传导地接合至测试头，并且可以在DUT与***的加热器和蒸发器之间产生双向热流。受控温度传感器热传导地接合至测试头并且向TCU控制器提供感测的温度值。加热器和蒸发器在TCU控制器的控制下运行，以在DUT产生的较宽范围的热负荷下保持测试头的各种设定点温度中的任意一者。

图3示意性地示出了多回路控制***100的一个实施方案，所述多回路控制***100包括加热器子***102和制冷子***104。在图3的实施方案中，加热器子***102的加热器控制器106控制注入到TCU测试头的加热器功率。加热器控制器106具有与整体TCU***目标相同的目标：控制DUT受控温度。在该示例中，加热器控制器106生成加热器注入信号108，加热器注入信号108指示经由热传导地接合至TCU测试头的直接加热器增加的热量。加热器控制器106的输入包括DUT设定点温度与感测的DUT受控温度之间的差。加热器控制器106不直接使用来自制冷子***104的任何传感器输入。然而，加热器控制器106间接地受制冷子***104的影响，因为感测的DUT受控温度受制冷子***104的影响。加热器控制器106能够通过试图保持DUT受控温度所需的加热器注入信号108的变化来快速地估算相对的DUT热负荷变化。

加热器控制器106的一个实施方案在图4示意性地示出。加热器控制器106使用诸如比例-积分-微分(PID)控制器110的调谐反馈控制器，在此仅作为一个非限制性示例。在一个实施方案中，加热器注入信号可以是控制加热器的占空比的信号。

制冷子***104不具有整体TCU***的设定点温度，但是被间接地引导为快速调节TCU测试头的冷却，以在较宽范围的DUT热负荷下协助加热器控制器106这样做。在图3的示例中，制冷子***104包括膨胀阀流量控制器112，所述膨胀阀流量控制器112控制膨胀阀的液态制冷剂的流量。膨胀阀流量控制器112包括非常规输入，所述非常规输入是加热器注入信号108(由加热器控制器106确定)与标称(目标)加热器注入信号状态(例如，25％加热器)相比的偏差。可以选择标称加热器注入，以平衡整体TCU***功耗与支持的DUT热负荷变化的范围。

在一个实施方案中，膨胀阀流量控制器112算法的一个非常规部分是调节膨胀阀流量，以试图通过加热器控制器106获得标称加热器注入信号。膨胀阀流量控制器112还可以包括常规输入，所述常规输入是标称制冷剂状态与测量的制冷剂状态的偏差(例如，蒸发器过热温度)。这可以用作检查以修改最终控制器输出，从而确保膨胀阀流量控制器112不会将制冷子***104驱动成可能在压缩机吸入管路处形成液态制冷剂的不良状态。然而，仅将此输入用于膨胀阀流量控制器112算法将导致制冷子***104对DUT热量变化的响应慢于所需的响应。

膨胀阀流量控制器112的一个实施方案在图5中示意性示出。膨胀阀流量控制器112使用诸如比例-积分-微分(PID)控制器的两个调谐反馈控制器112a和112b，在此仅作为一个非限制性示例。在一个实施方案中，膨胀阀流量控制器112的输出是阀流量驱动信号，可以是控制可变流量膨胀阀的信号。

在图3的示例中，制冷子***104包括可选的压缩机转速控制器114，所述压缩机转速控制器114控制压缩机的转速。与膨胀阀流量控制器112一样，压缩机转速控制器114也具有非常规输入，所述非常规输入为加热器注入信号108(由加热器控制器106确定)与标称(目标)加热器注入信号状态(例如，25％加热器，在此仅作为一个非限制性示例)相比的偏差。由于可选的压缩机转速控制器114独立于膨胀阀流量控制器112运行，但是至少在部分时间内具有相同的目标，因此存在由竞争的控制器112、114引起的振荡的可能性。为了避免这种情况，压缩机转速控制器114可以在一些实施方案中通过滤波或调谐成为不太占主导地位的控制器，使其与膨胀阀流量控制器112相比具有更慢的响应。

压缩机转速控制器114的一个实施方案在图6中示意性地示出。压缩机转速控制器114使用诸如比例-积分-微分(PID)控制器116的调谐反馈控制器，在此仅作为一个非限制性示例。压缩机转速控制器114在一些实施方案中包括诸如过滤器118(例如，指数平滑器)的输出滤波器，在此仅作为一个非限制性实施方案。在一个实施方案中，压缩机转速控制器114的输出可以是控制可变转速压缩机的转速的信号。

在该示例中，通过依靠这种独立的控制回路，可以更快地确定DUT测试头负荷的变化，所述独立的控制回路迫使加热器控制DUT受控传感器温度。试图保持设定点温度的独立回路的变化是相对于制冷冷却***容量的当前状态的DUT测试头负荷的代替物。如上所述，传统的制冷子***控制器(膨胀阀流量控制器、可选的压缩机转速控制器)仅使用来自制冷回路状态测量的反馈。通过向这些控制器提供额外的反馈信息，实现了混合制冷控制器，从而可以更快速地调节制冷***的膨胀阀流量以及可选的压缩机转速，以能够响应DUT热负荷的大幅变化。这种混合控制器100能够实现更好的整体***目标的性能：在DUT发热量快速变化的情况下的DUT受控传感器温度。

在具体实施方案中，由于必须迫使测试头使用上述代替物来确定DUT热负荷所需的额外热量，该控制方法比传统的制冷***控制器消耗更多的功率。这种方法在TCU设计中是有悖常理的，因为在净冷却操作(net cooling operation)期间增加热量不是***设计目标。然而，这种方法的优势在于以***功耗为代价获得更好的DUT温度控制性能。

为了进一步解释，图7示出了测试数据曲线，所述测试数据曲线显示了作为对DUT热负荷快速变化的反应的膨胀阀流量的快速变化。在图7的示例中，加热器控制器、膨胀阀流量控制器和压缩机转速控制器协作效果，以在DUT热负荷快速变化的情况下将DUT控制器温度恢复到整体TCU目标设定的25摄氏度。

多回路控制***的另一实施方案在图8中示意性地示出，并且大体上以200表示。控制***包括与图3的加热器子***102相同的加热器子***102。图8的控制***还包括制冷子***204，所述制冷子***204包括可选的压缩机转速控制器214，所述压缩机转速控制器214避免了过高的过热值，从而降低了压缩机的过高的温度。

制冷子***204的压缩机转速控制器214具有两个输入。第一输入是蒸发器过热温度偏差信号(蒸发器过热温度-目标最大阈值过热温度)，其中，蒸发器过热温度可以通过以下方式进行估算：感测压缩机吸入入口附近的温度(T suction)，感测蒸发器膨胀阀出口附近的温度(Tevap)，并且执行计算：(T superheat)＝(T suction)-(T evap)；目标最大阈值过热温度(T superheat)，其中，高于该值应引发一些纠正控制措施，以试图避免(Tsuperheat)在延长的时间内过分地高于该值。该措施用于纠正压缩机转速控制器214的第二输入信号会引起这样的控制响应的可能性：将压缩机转速提高至制冷状态可能对***有害的点(具体地，由于过大的负荷导致压缩机过热)。

压缩机转速控制器214的一个实施方案在图9中示意性地示出。压缩机转速控制器214包括第一控制器214a和第二控制器214b。控制器214a是调谐为在响应速度、过冲/下冲、稳定性和无振荡之间提供所需的平衡的反馈控制器。在一些实施方案中，控制器214a的调谐应执行为具有不太激进的响应，从而使来自控制器214a的措施成为对控制器214b的有效检查，避免过高的蒸发器过热值，同时使其对限制由控制器214b提供的冷却能力的快速变化的影响最小化，只要该快速变化不会导致过高的过热值。

压缩机转速控制器214的第二输入与膨胀阀流量控制器112的第二输入相同：加热器功率偏差信号＝(加热器功率％–目标加热器功率％)。第二输入施加至控制器214b，调谐为在响应速度、过冲/下冲、稳定性和无振荡之间提供所需的平衡的反馈控制器。对于控制器214b，应执行调谐以具有足够快的响应，从而保持足够的制冷剂流动以跟上膨胀阀流量的变化，并且仍由控制器214a进行有效检查，以避免有害的过大的压缩机负荷和相关温度的可能性。

压缩机转速控制器214在一些实施方案中包括可选的输出滤波器216。压缩机转速控制器214对制冷冷却的影响应该作用地比膨胀阀流量的控制慢。因此，调谐控制器214b应具有比膨胀阀流量控制器112更慢的响应。或者，调谐可以更激进，但是具有可以有效地使响应在时间上不那么激进的滤波器216的额外输出级。这种滤波器216的布置(例如，指数平滑器，在此仅作为一个非限制性示例)在图9的框图中示出。

压缩机转速控制器214的输出是压缩机转速驱动信号，其确定可变转速压缩机的主动压缩机转速设置。它计算为来自控制器214a和控制器214b的输出的差异，由此，如果没有来自过高的压缩机温度的影响并且具有正值，控制器214b是所需的响应，控制器214a用于有效监测并避免控制器214b的可能的过度并且具有用于抵消控制器214b的负值。

图9示出了所有以％为单位的缩放比例，其中，对于只应为正值的信号，范围为0％至100％，对于仅应为负值的信号，范围为(-100)％至0％，对于可以为负值或正值的信号，范围为(-100)％至+100％。对于压缩机转速控制器214，0％表示适合***的最小转速(不是零，因为总是需要一些压缩机转速)，+100％通常表示可能的最大压缩机转速。缩放比例单位不是描述该控制器的基础，但此处使用百分比是为了简化解释。实现的压缩机转速控制器214必须将缩放比例与制冷子***的实际驱动能力相匹配，考虑到必须保证的最小压缩机转速。

根据本发明的至少一个实施方案，基于制冷的TCU可以包括以下设计特征：

·控制具有可变膨胀阀流量和可能的可变压缩机转速的制冷***的方法。

·由辅助热注入控制回路提供的额外的热负荷反馈信息。

·在较宽范围的设定点温度、在热负荷快速变化的情况下，通过对差别很大的控制场景(净冷却、净加热)的无缝控制，实现整体TCU***控制的改善。

在本文中参考根据本发明的实施方案的方法、设备(***)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本发明的方面。可以理解，流程图和/或框图的每个块以及流程图和/或框图中的块组合可以通过计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机的处理器或其它可编程数据处理设备以生产机器，使得经由计算机的处理器或其他可编程数据处理设备执行的指令创建用于实现流程图和/或框图块中指定的功能/操作的手段。这些计算机可读程序指令也可以存储在计算机可读存储介质中，所述计算机可读存储介质可以指示计算机、可编程数据处理设备和/或其他设备以特定的方式工作，使得具有存储在其中的指令的计算机可读存储介质包括制造物，所述制造物包括实现流程图和/或框图块中指定的功能/操作的方面的指令。

计算机可读程序指令还可以加载到计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置，以引起将在计算机、其它可编程设备或其它装置上执行的一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，使得在计算机、其它可编程设备、或其他装置上执行的指令实现流程图和/或框图块中指定的功能/操作。

附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各种实施方案的***、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个块可以表示指令的模块、段或部分，所述指令包括用于实现指定的逻辑功能的一个或更多个可执行指令。在一些替代实施方案中，记录在块中的功能可以不按记录在附图中的顺序产生。例如，根据所涉及的功能，连续示出的两个块实际上可以基本上同时执行，或者块有时可以以相反的顺序执行。还要注意的是，框图和/或流程图的每个块以及框图和/或流程图中的块的组合可以由基于专用硬件的***来实现，基于专用硬件的***执行指定功能或操作，或者执行专用硬件和计算机指令的组合。

从上述描述中可以理解，可以在不脱离真正精神的情况下对本发明的各种实施方案进行修改和改变。本说明书中的描述仅用于说明的目的并且不以限制性意义进行解释。本发明的范围仅受所附权利要求的语言的限制。

Claims (2)

1.一种用于控制被测器件的温度的设备，所述设备包括：

加热器子***，其包括加热器控制器，所述加热器控制器配置为提供用于控制加热器的加热器注入信号；

制冷子***，其包括膨胀阀流量控制器，所述膨胀阀流量控制器配置为基于加热器注入信号与标称加热器注入信号相比的偏差，控制可变流量膨胀阀的液态制冷剂的流量。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述制冷子***包括压缩机转速控制器，所述压缩机转速控制器配置为基于热注入信号与标称加热器注入信号相比的偏差，控制压缩机的转速。