CN100589315C - 具有过热检测功能的电动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

车辆用控制装置具有：检测插入在包含大功率半导体元件的逆变器装置的直流侧的滤波器电容器的电压的电压检测单元；检测上述逆变器装置的输出电流的电流检测单元；以及设置在上述大功率半导体元件的冷却装置上的温度检测单元，其特征为：根据上述检测单元输出，逐次计算因上述大功率半导体元件的开关动作而产生的损耗，在根据该损耗计算出的大功率半导体元件的结温达到允许温度时，进行过热检测。

Description

具有过热检测功能的电动机控制装置
技术领域
本发明涉及使用大功率半导体元件的电动机控制装置的过热检测方式。
背景技术
近年来，在铁道车辆用、电驱动汽车用等的电动机控制中，通过利用大功率半导体元件的逆变器装置进行所希望的功率控制的方式是主流方式。
对于这样的功率控制中使用的大功率半导体元件，为了防止因过热而产生的故障，多数情况下采用具有过热保护功能的智能功率模块(IPM)。该IPM的过热保护功能例如在特开2004-96318公报(参照专利文献1)中看到的那样，具有检测大功率半导体元件的IGBT芯片及二极管芯片附近的温度的温度检测器、以及对上述芯片的各芯片根据该温度相应使开关速度变化的开关速度可变电路，在上述芯片的温度超过一定大小时，改变芯片的开关速度，防止过度的温升。
图10所示为上述智能功率模块(IPM)的内部结构图的一个例子。在图中，在绝缘基板20上设置IGBT芯片、二极管芯片21、以及温度传感器22，另外该绝缘基板20设置在底板23上。另外，在上方设置控制基板24，在它上面安装IGBT进行开关所必需的栅极驱动器电路25。全部这些元器件的外周用壳体26覆盖。形成的结构是：对IGBT及二极管通过电流用的主电路端27及通过对IGBT进行开关所必需的控制信号用的控制电路端28从上述壳体26向外部引出。
由上述结构可知，使用大功率半导体元件的IPM，是通过在IGBT、二极管芯片的附近设置温度传感器18，检测大功率半导体元件的IGBT芯片、二极管芯片附近的温度，从而推定IGBT、二极管的结温，而不是测定IGBT、二极管的结温本身。
专利文献1：特开2004-96318号公报
但是，判断大功率半导体元件是否因过热而产生故障，由于是由结温来决定，因此为了正确进行大功率半导体元件的过热检测，必须在半导体芯片部分的结部(junction部)设置温度传感器。然而，大功率半导体元件的半导体芯片是高压部，若设置温度传感器，则还必须施加绝缘，形成极其复杂、高价的结构，不实用。
本发明的目的在于提供一种过热检测方式，该过热检测方式不在结部(junction部)另外设置温度传感器，而通过掌握结温本身，能够进行更正确的过热检测。
发明内容
本发明的具有过热检测功能的电动机控制装置，具有：通过对大功率半导体元件的控制来对车辆上设置的电动机的驱动功率进行控制的逆变器装置，所述大功率半导体元件是由开关元件及与该开关元件反并联连接的二极管构成的；检测插入在上述逆变器装置的直流侧的滤波器电容器的电压的电压检测单元；检测上述逆变器装置的输出电流的电流检测单元；设置在上述大功率半导体元件的冷却装置上的温度检测单元；根据来自上述各检测单元的检测信号，逐次计算伴随上述大功率半导体元件的开关动作而产生的损耗，并根据该损耗计算值来计算上述大功率半导体元件的结温的结温计算单元；以及在上述结温计算单元的输出达到规定的允许温度时，产生过热检测输出的比较单元，由所述结温计算单元进行的损耗的计算是利用构成大功率半导体元件的开关元件中流过电流时的导通损耗、定常损耗、断开损耗的每个脉冲的累计与二极管中流过电流时的定常损耗、恢复损耗的每个脉冲的累计的相加计算来进行。
根据本发明的具有过热检测功能的电动机控制装置，由于能够逐次计算因大功率半导体元件的开关动作而产生的损耗，并在根据该损耗算出的大功率半导体元件的结温(junction温度)达到允许温度时，进行过热检测，因此具有的效果是：不在结部直接设置温度传感器，就能够进行正确的过热检测。
附图说明
图1所示为根据本发明实施形态的车辆用控制装置的系统构成图。
图2所示为根据本发明实施形态的构成车辆用控制装置的大功率半导体元件一个桥臂部分的基本结构概念图。
图3为说明本发明实施形态有关的大功率半导体元件的IGBT中流过的电流、电压、以及损耗的说明图。
图4为说明本发明实施形态有关的大功率半导体元件的二极管中流过的电流、电压、以及损耗的说明图。
图5为说明本发明实施形态有关的大功率半导体元件中流过的电流的说明图。
图6所示为本发明实施形态有关的VSAT(IGBT)与IIGBT的曲线图。
图7所示为本发明实施形态有关的进行温度计算用的热阻分布图。
图8为说明本发明实施形态有关的比较单元的详细构成的方框图。
图9为说明本发明实施形态有关的驱动控制单元的详细构成的方框图。
图10所示为以往的智能功率模块(IPM)的内部结构图。
标号说明
1逆变器装置，2直流电源电压，3电动机，4大功率半导体元件，5二极管，6滤波器电容器，7驱动控制单元，8电压检测单元，9电流检测单元，10温度检测单元，11结温计算单元，12比较单元，13、14比较器，15或门，16开关，17乘法器，18一阶延迟环节，19比较单元
具体实施方式
实施形态1
图1所示为根据本发明实施形态1的车辆用控制装置的系统构成图。在图中，1是逆变器装置，将从直流电源2供给的直流功率变换为交流，并提供给电动机3。逆变器装置1由6个大功率半导体元件4例如栅极绝缘型双极型晶体管(IGBT)及与它反并联连接的二极管5构成，上述IBGT利用驱动控制单元7进行开关控制。另外，在直流电源2与逆变器装置1之间插入滤波器电容器6。利用电压检测单元8检测上述滤波器电容器6的电压，另外利用电流检测单元9检测流过大功率半导体元件4的电流。
对于冷却大功率半导体元件用的冷却散热片等冷却装置(未图示)，为了检测该部分的温度，设置了温度检测单元10。将上述电压检测单元8、电流检测单元9、以及温度检测单元10的信息输入结温计算单元11。结温计算单元11取入上述信息，按照以下详细说明的方法来计算结温。用比较单元12比较用该结温计算单元11计算的结温的信息与允许温度(基准温度)，将该比较单元12的信息输入上述驱动控制单元7，利用该驱动控制单元7的输出信号，来控制上述逆变器装置1的输出功率。
另外，为了计算结温，该驱动控制单元7的信号也传送给结温计算单元11。另外，电动机3是例如铁道车辆、电驱动汽车等的驱动用动力源。
在图1那样构成的电动机控制装置中，为了计算结温，对结温计算单元11输入来自电流检测单元9的信号(Iu、Iv、Iw)、温度检测单元10的冷却散热片的温度信号(TFIN)、电压检测单元8的滤波器电容器电压EFC、以及来自驱动控制单元7的表示大功率半导体元件的开关状态的信号(Sw)和输出频率(Fsw)的信息。
以下，说明大功率半导体元件中产生损耗的机理。
图2所示为构成上述逆变器装置1的大功率半导体元件一个桥臂部分的基本结构概念图。大功率半导体元件如上所述，由IGBT4及二极管5构成。设流过IGBT4的电流为IIGBT，流过二极管5的电流为IDIODE。另外，设大功率半导体元件的端子间电压为VCE。由于电流流过大功率半导体元件的IBGT4或二极管5，因此产生损耗(热量)。
图3(a)所示为IGBT4导通及断开时的流过IGBT4的电流IIGBT、与IGBT的端子间电压VCE(IGBT)。通过将电流IIGBT与端子间电压VCE(IGBT)相乘，能够得到图3(b)所示那样的损耗波形。其中，将IGBT导通时产生的损耗称为导通损耗PON。另外，若IGBT的开关处于饱和区，则IGBT产生定常损耗PSAT(IGBT)。这是由流过IGBT的电流IIGBT与IGBT的饱和电压VSAT(IGBT)产生的。再有，若IGBT断开，则在IGBT两端的电压VCE(IGBT)产生大的尖峰电压。将由该尖峰电压产生的损耗称为断开损耗POFF。
另外，图4(a)所示为二极管导通及断开时的流过二极管的电流IDIODE、与二极管的端子间电压VCE(DIODE)。通过将电流IDIODE与端子间电压VCE(DIODE)相乘，能够得到图4(b)所示那样的损耗波形。如图4(a)(b)所示，若二极管断开，则流过瞬间大的反向电流。将该电流称为恢复电流IRR，将那时产生的损耗称为恢复损耗PRR。另外，二极管的定常损耗PSAT与IGBT相同，由流过二极管的电流IDIODE与饱和电压VSAT(DIODE)产生。由上可知，在大功率半导体元件中，在IGBT中流过电流时，存在导通损耗PON、定常损耗PSAT(IGBT)、及断开损耗POFF，在二极管中流过电流时，存在定常损耗PSAT、以及恢复损耗PRR。
下面，说明上述损耗的计算方法。
如前所述，利用电流检测单元9检测流过电动机的电流，将该检测的电流值输入结温计算单元11。图5所示为利用该电流检测单元9检测的电流波形的一个例子。在图5中仅表示一相的波形，分别利用3个电流检测单元，能够得到相位各相差120度的3个电动机电流信号(IU、IV、IW)。另外，图3及图4所示的IGBT及二极管的电流及电压波形是每1个脉冲的波形。
车辆用控制装置的输出频率Fsw随电动机的转速而相应变化。在电动机转速较小时，即输出频率较小时，脉冲数增多；在电动机转速较大时，即输出频率较大时，脉冲数减少。图5是它的一个例子，表示5个脉冲的情况。
图5所示的实线部分表示电流流过IGBT的状态，虚线部分表示电流流过二极管的状态。以下，根据从电流检测单元9得到的电流信号，计算损耗。
IGBT的导通损耗
如图5所示，设IGBT导通的相位为θ1。相位θ1时的电流可由电流检测单元9得到，设该电流为IIGBT(θ1)。另外，设θ1时的滤波器电容器电压为EFC(θ 1)，该电压可由电压检测单元8得到。根据这些得到的信息，利用下式可计算导通损耗。
PON(IGBT)＝K1×IIGBT(θ1)×EFC(θ1)
K1为预先输入结计算单元的信息。
IGBT的定常损耗的计算
如图5所示，设IGBT断开前的相位为θ2。用电流检测单元9从θ1到θ2逐次得到电流信号，将该信息输入结温计算单元11。用结温计算单元11，根据该得到的电流信号，按照图6所示那样预先设定的函数，利用逐次计算，算出IGBT的饱和电压VSAT(IGBT)。该函数预先置入结温计算单元11。
VSAT(IGBT)＝fSAT(IIGBT)
接着，用结温计算单元11进行下式所示的计算，得到IGBT的定常损耗PSAT(IGBT)。
[式1]
P SAT ( IGBT ) = ∫ θ 1 θ 2 I IGBT × V SAT ( IGBT ) · dθ
IGBT的断开损耗的计算
如上所述，设IGBT断开前的相位为θ2。设那时得到的电流值为IIGBT(θ2)。另外，设θ2时的滤波器电容器电压为EFC(θ2)，该电压可由电压检测单元8得到。根据这些得到的信息，利用下式可计算断开损耗。
POFF(IGBT)＝K2×IIGBT(θ2)×EFC(θ2)
K2为预先输入结计算单元的信息。
IGBT的每1个脉冲的损耗
如上所述，能够得到IGBT的每1个脉冲的导通损耗、定常损耗、断开损耗。因而，IGBT的每1个脉冲的总损耗可由下式得到。
PIGBT(1Pulse)＝PON(IGBT)+PSAT(IGBT)+POFF(IGBT)
IGBT的1周期间的损耗
若脉冲数在1周期间有N个脉冲，则上述方法在1周期间内重复N次。因而，1周期间内IGBT产生的损耗PIGBT如下式所示。
[式2]
P IQBT = Σ k = 1 N P IQBT ( kPulse )
二极管的定常损耗的计算
如图5所示，设二极管每1个脉冲通电的期间为θ2到θ3。另外，设该期间内流过二极管的电流为IDIODE。
用电流检测单元9从θ2到θ3逐次得到电流信号，将该信息输入结温计算单元11。用结温计算单元11，根据该得到的电流信号，按照下式那样，利用逐次计算，算出二极管的饱和电压VSAT(DIODE)。
VSAT(DIODE)＝gSAT(IDIODE)
另外，用结温计算单元11进行下式所示的计算，得到二极管的定常损耗PSAT(DIODE)。
[式3]
P SAT ( DIODE ) = ∫ θ 2 θ 3 I DIODE × V SAT ( DIODE ) · dθ
二极管的恢复损耗的计算
接着如上所述，设二极管断开的相位为θ3。设那时得到的电流值为IDIODE(θ 3)。使用得到的电流值IDIODE(θ3)。另外，设θ3时的滤波器电容器电压为EFC(θ3)，该电压可由电压检测单元8得到。根据这些得到的信息，利用下式可计算导通损耗。
PRR(DIODE)＝K3×IDIODE(θ3)×EFC(θ3)
K1为预先输入结计算单元的信息。
二极管的每1个脉冲的损耗
如上所述，能够得到二极管的定常损耗、恢复损耗。因而，二极管的每1个脉冲的损耗可由下式得到。
PDIODE(1Pulse)＝PSAT(DIODE)+PRR(DIODE)
二极管的1周期间的损耗
若脉冲数在1周期间有N个脉冲，则上述方法在1周期间内重复N次。因而，1周期间内二极管产生的损耗PDIODE如下式所示。
[式4]
P DIODE = Σ k = 1 N P DIODE ( kPulse )
IGBT的结温的计算
根据得到的损耗，来计算结温。这里，若设利用上述方法得到的IGBT的损耗为PIGBT，二极管的损耗为PDIODE，则大功率半导体元件的损耗P可用下式得到。
P＝PIGBT+PDIODE
接着，根据构成上述大功率半导体元件的IGBT及二极管的损耗，计算这些IGBT及二极管的结温。
这里，若设从IGBT的结到壳体的温差为ΔTJ-C(IGBT)，则该温差可利用下式算出。
ΔTJ-C(IGBT)＝PIGBT×RTH(J-C)IGBT
式中，RTH(J-C)IGBT被称为热阻，是元件固有的特性值，该数值预先置入结温计算单元11。图7所示为进行温度计算用的热阻的分布图。
接着，若设从大功率半导体元件的壳体到冷却器的温差为ΔTC-F，则该温差可利用下式表示。
ΔTC-F＝P×RTH(C-F)
式中，RTH(C-F)与上述相同，被称为热阻，是元件固有的数值。另外，该数值也预先输入结温计算单元11。
进而，从温度检测单元10得到冷却器的温度信息。设该冷却器的温度为TFIN。
根据这些计算或得到的信息，IGBT的结温TJ(IGBT)可利用下式表示。
TJ(IGBT)＝TFIN+ΔTC-F+ΔTJ-C(IGBT)
二极管的结温
接着，若设从二极管的结到壳体的温差为ΔTJ-C(DIODE)，则该温差可利用下式表示。
ΔTJ-C(DIODE)＝PDIODE×RTH(J-C)DIODE
式中，该RTH(J-C)DIODE也被称为热阻，是大功率半导体元件固有的数值，该热阻信息同样预先置入结温计算单元11。
接着，若设从二极管的壳体到冷却器的温差为ΔTC-F，则该温差可利用下式表示。
ΔTC-F＝P×RTH(C-F)
进而，从温度检测单元10得到冷却器的温度信息。设该冷却器的温度为TFIN。
这样，二极管的结温TJ(DIODE)可利用下式表示。
TJ(DIODE)＝ΔTJ-C(DIODE)+ΔTC-F+TFIN
这样，能够得到IGBT及二极管的结温。另外，这些计算是用微型计算机进行计算。
图8是说明比较单元12的详细构成的方框图。如上所述，将用结温计算单元11得到的信息，输入到比较单元12。在该比较单元12中，进行得到的结温与允许值的比较。该比较单元12具有比较器13及比较器14，设IGBT的结温TJ(IGBT)为A1，IGBT的结温的允许值为B1，分别将它们输入比较器13，设二极管的结温TJ(DIODE)为A2，二极管的结温的允许值为B2，分别将它们输入比较器14，还具有将这些比较器13及14的各自的输出作为输入的或门15。
如图8所示，用比较器13比较IGBT的结温A1与IGBT的结温的允许值B1，在A1为B1以上时，判定为过热检测X1。另外，用比较器14比较二极管的结温A2与二极管的结温的允许值B2，在A2为B2以上时，判定为过热检测X2。
在检测出上述过热检测X1或X2的任一项过热检测时，作为比较单元12的输出，则从或门15输出过热检测X。即，即使在IGBT或二极管的任一方过热检测时，大功率半导体元件如作为过热检测。
图9为说明驱动控制单元7的详细构成的方框图。表示如上所述将过热检测的结果用于电动机3的输出转矩限制动作的情况。在图中，16为在过热检测时改变与最大转矩指令值相乘的一定比例用的开关，随着过热检测X的输入信号，从定常比例切换为降低比例。降低比例与定常比例相比的比例是小于1的值。该降低比例用乘法器17与最大转矩限制值相乘，通过一阶延迟环节18输入比较器19。
在比较器19中，比较通过一阶延迟环节18输入的信号与转矩指令值，将两个输入的较小的一方输出。该输出是转矩控制信号。将该信号作为控制信号输入逆变器装置1的IGBT，通过这样进行控制，以便抑制电动机3的输出转矩，
另外，一阶延迟环节18在过热检测后使转矩值下降，没有过热检测时，返回定常比例，但若立即返回定常比例，则瞬态电流流过电动机3，大功率半导体元件有可能因该瞬态电流而损坏。
上述一阶延迟环节18是为了防止这样转矩值立即转变、防止大功率半导体元件损坏而插入的环节。
在上述图9中，是说明对于过热检测的结果来进行大功率半导体元件的开关控制、以降低输出转矩的例子，但不限于此，也可以对于过热检测的结果进行控制，使开关速度提高，包含其它所有的应用例子。

Claims (4)

1.一种具有过热检测功能的电动机控制装置，其特征在于，所述电动机控制装置具有：
通过对大功率半导体元件的控制来对车辆上设置的电动机的驱动功率进行控制的逆变器装置，所述大功率半导体元件是由开关元件及与该开关元件反并联连接的二极管构成的；
检测插入在所述逆变器装置的直流侧的滤波器电容器的电压的电压检测单元；
检测所述逆变器装置的输出电流的电流检测单元；
设置在所述大功率半导体元件的冷却装置上的温度检测单元；
根据来自所述各检测单元的检测信号，逐次计算伴随所述大功率半导体元件的开关动作而产生的损耗，并根据该损耗计算值来计算所述大功率半导体元件的结温的结温计算单元；以及
在所述结温计算单元的输出达到规定的允许温度时，产生过热检测输出的比较单元，
由所述结温计算单元进行的损耗的计算是利用构成大功率半导体元件的开关元件中流过电流时的导通损耗、定常损耗、断开损耗的每个脉冲的累计与二极管中流过电流时的定常损耗、恢复损耗的每个脉冲的累计的相加计算来进行。
2.如权利要求1所述的具有过热检测功能的电动机控制装置，其特征在于，
使用从所述大功率半导体元件的结到所述温度检测单元的热阻值与所述损耗计算值，求出从所述大功率半导体元件的结到所述温度检测单元的温差从而得到由所述结温计算单元计算的结温。
3.如权利要求1所述的具有过热检测功能的电动机控制装置，其特征在于，
所述比较单元包含：进行所述开关元件的过热检测的第一比较器；
进行所述二极管的过热检测的第二比较器；以及
检测所述第一比较器及第二比较器的某一方的过热检测，并作为过热检测输出的或门。
4.如权利要求3所述的具有过热检测功能的电动机控制装置，其特征在于，
所述电动机控制装置还具有对所述大功率半导体元件进行开关控制的驱动控制单元，以便根据所述过热检测输出来限制电动机的输出转矩。
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