CN101714824A

CN101714824A - 电力电子模块绝缘栅双极型晶体管保护方法和系统

Info

Publication number: CN101714824A
Application number: CN200910177657A
Authority: CN
Inventors: 韦立祥; 津吉政广; 理查德·A·卢卡萨维斯基
Original assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Current assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2010-05-26
Also published as: US8148929B2; CN105846757A; CN105846757B; US20100080024A1

Abstract

本发明提供一种电力电子模块绝缘栅双极型晶体管保护方法和系统。本发明还提供一种用于将功率传递给负载的方法，包括：以指定的开关频率激活和去激活固态开关，以生成输出电流波形；确定所述固态开关的结温度变化；和基于所述结温度变化来减小所述开关频率。

Description

电力电子模块绝缘栅双极型晶体管保护方法和系统

技术领域

本发明一般地涉及功率转换器和逆变器领域。更具体地，本发明涉及用于防止过热所导致的电动机驱动电路的故障。

背景技术

功率逆变器和转换器通常采用功率模块来创建期望的输出电流波形，以对各种设备(例如电动机和其它装置)供电。例如，输出电流波形的频率和幅度可通过例如改变电动机的速度或转矩而影响设备的工作。一些功率模块通过脉宽调制来创建期望的输出电流波形，其中，使得功率半导体开关(例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT))按特定顺序快速导通和截止，从而创建近似正弦输出电流波形。此外，高IGBT开关速度易产生更平滑更理想的正弦波形，在一些应用中可能期望如此。例如，在加热系统、通风系统以及空调系统中，更平滑的正弦波形将减小系统噪声和振动。

然而，高IGBT开关速度可易提高IGBT的结温，这可能随着时间导致更大的机械应力以及增加的IGBT故障率。已经尝试通过限制最大绝对IGBT结温来减少IGBT故障。然而，这些技术未能解决在启动条件或低速条件下易出现的增加的应力，其中，IGBT在低输出频率时易经历高电流。

因此，有利的是，提供一种在启动条件和低速高电流条件下尤其有效的减小IGBT热应力的系统和方法。具体地，有利地，提供一种减小IGBT结(即半导体芯片自身)以及外壳(即包含半导体芯片的封装)的温度变化的方法。

发明内容

本发明一般地涉及一种设计用于解决上述需求的IGBT保护机制配置。实施例包括用于减小逆变器模块的开关频率以避免高结温变化的系统和方法。实施例还包括用于估计预期的结温变化的方法。

附图说明

参照附图阅读以下详细描述，可更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在各图中，相似的标号表示相似的部分，其中：

图1是根据本发明实施例的采用用于防止高结温变化的电路的电动机驱动系统的框图；

图2是示出图1的电动机驱动系统的逆变器模块的简化电路图；

图3是图2所示的逆变器模块的IGBT的侧视图，示出与之关联的故障模式；

图4描述图2所示的逆变器模块的热网络模型；

图5示出相对于输出电流的结温变化；

图6示出作为开关频率和输出频率的函数的最大结温变化；

图7是描述对逆变器模块的开关频率进行控制的一种方法的流程图。

具体实施方式

本发明实施例涉及减小结温的大变化所导致的IGBT上的机械应力。大的结温变化可有助于特别高级别的机械应力，原因在于，IGBT封装内的各种材料的不同膨胀率可能导致引线键合以及相似的接触件中引线损伤增长。因此，减小结温变化可导致较长寿命的逆变器模块。在本发明实施例中，通过控制开关频率来控制结温变化。因为最高结温变化易在启动或低速、高电流条件下出现，所以可仅在启动期间内的短时间内减小开关频率，此后可以增加开关频率，以提供更平滑的正弦波形。

图1示出示例性电动机控制系统10，其采用了用于在各种工作条件下防止极端的结温变化的电路。三相电源12将三相电压波形以恒定频率提供给整流器14，并且可以得自发生器或外部电网。整流器14执行三相电压波形的全波整流，将直流(DC)电压输出到逆变器模块16。

逆变器模块16接受来自整流器电路14的DC电压的正线和负线，并且输出具有独立于三相电源12的频率的期望频率的离散三相波形。驱动器电路18向逆变器模块16提供适当的信号，使得逆变器模块16能够输出波形。所得三相波形此后可驱动负载(例如电动机20)。

控制电路22可从远程控制电路24接收命令，使用所述命令来使驱动器电路18能够正确地控制逆变器模块16。在一些实施例中，电动机控制系统可以包括一个或多个用于检测工作温度、电压、电流等的传感器26。采用来自传感器26的反馈数据，控制电路22可保持对于使逆变器模块16可工作的各种条件的详细跟踪。反馈数据可进一步允许控制电路22确定逆变器模块16何时可能接近高温度，从而允许控制电路实现预防性措施。

参照图2，逆变器模块16可包括多个IGBT 28和电力二极管30。IGBT28和电力二极管30通过键合引线32(适当地)结合到正或负DC线以及输出线a、b或c。由于IGBT 28快速导通和截止而在输出34处产生离散的三相输出电流波形，热循环的应力的变形的结果是张力施加在键合引线32上。

图3示出逆变器模块16的一部分的侧视图，表现出因源于热应力的累积变形而导致的键合引线故障。逆变器模块16可包括直接覆铜(DBC)衬底38，其可包括陶瓷基底40、铜层42以及铜接触件44和46。在DBC衬底38之上，铜44通过焊料48而结合到硅IGBT 28。键合引线52将IGBT28结合到铜触点46。高结温可易使得DBC衬底38和键合引线52受热并且不均匀膨胀，在键合引线52上——尤其在焊料连接处——产生张力。随着IGBT 28与DBC衬底38之间的温差的增加，键合引线52上的张力也因键合引线52和DBC衬底38的不同热膨胀率而增加。因此，IGBT 28的结温变化可对逆变器模块的寿命具有显著影响。如以下将进一步讨论的，结温变化在启动或低速、高电流条件时可易达到最大。在很多功率周期施加于IGBT 28之后，键合引线52的变形可易在键合引线52中产生根部损伤54。此外，键合引线52可因提离56而开始与硅芯片46或金属板50分离。当根部损伤54或提离56完全对键合引线52起作用时，IGBT28可变得不可操作。

图4示出热网络模型58，示出结到外壳的热阻抗Z_jc 60。结到外壳的热阻抗Z_jc 60包括串联的四个热阻抗，每一热阻抗均与图3所示的各物理层之一对应。每一热阻抗包括并联的热阻和热容。热阻包括R₁62、R₂64、R₃66和R₄68，热容包括C₁70、C₂72、C₃74和C₄76，它们的值通常可以从逆变器模块16制造商所提供的数据表来获得。如以下将进一步解释的，热网络可用于估计固态IGBT的结与安装了IGBT的外壳之间的温度差。应理解，热网络58对于不同逆变器模块可以是不同的，并且可以包括更多或更少的热阻抗元件。

图5描述了示出典型逆变器模块16关于时间的结温变化的图58，叠加有逆变器模块16的电流输出。图78包括表示时间的水平轴80、以及两个垂直轴82和84。右侧的垂直轴82表示电流，左侧的垂直轴84表示温度。曲线86表示逆变器模块的一个相的电流输出。应注意，因为电流输出绕零点变化，可利用两个IGBT 28，一个用于正极性，而另一个用于负极性。曲线88表示产生曲线86所描述的电流输出的一个IGBT 28的结温。还应注意，因为所表示的IGBT 28在负极性电流输出期间处于截止状态，所以IGBT 28在该时间段期间连续冷却，如曲线88所示。应理解，在二极管30上生成的电流也将产生相似的温度特性。

如图78可见，结温在输出电流的每一周期期间达到峰值90，并且在每个半周期之后达到谷值91。结温变化被定义为峰值90温度与谷值91温度之间的差。应理解，当结温达到峰值90时，上述热应力可为最大的。因此，一些实施例可包括：对输出电流的一个周期，估计峰值IGBT 28结温。其它实施例可包括：对输出电流的一个周期，估计峰值二极管30温度。

为了估计IGBT 28结温变化，以上结合图4所描述的热网络58可用峰值结温来表示，如下所述。相应地，本发明实施例还包括一种估计峰值结温的方法。在一些实施例中，估计的峰值结温可基于估计的IGBT 28的功率损失。此外，估计的IGBT 28的功率损失可基于估计的IGBT 28的工作条件。例如，峰值IGBT 28结温的估计可基于根据以下公式计算出的估计传导损失和开关损失：

P_{c} (f, I_{RMS}) = (\frac{1}{2 \cdot π} + \frac{M (f) \cdot PF}{8}) \cdot V_{t} \cdot \sqrt{2} \cdot I_{RMS} + (\frac{1}{8} + \frac{M (f) \cdot PF}{3 \cdot π}) \cdot R_{t} \cdot 2 \cdot {I_{RMS}}^{2} - - - (1);

P_{s} (f_{s}, I_{RMS}) = \frac{1}{π} \cdot f_{s} \cdot E_{onoff} \cdot (\frac{\sqrt{2} \cdot I_{RMS}}{I_{nom}}) \cdot (\frac{V_{DC}}{V_{nom}}) - - - (2);

P(f，f_s，I_RMS)＝P_c(f，I_RMS)+P_s(f_s，I_RMS) (3)；

其中，P_c等于作为基频f和驱动的输出RMS电流I_RMS的函数的估计传导功率损失；P_s等于作为开关频率f_s和驱动的输出RMS电流I_RMS的函数的估计开关功率损失；P(f，f_s，I_RMS)等于IGBT 28的总的估计功率损失。在公式(1)中，M(f)表示调制指数，PF表示由逆变器模块16驱动的负载的功率系数。在公式(1)中，V_t表示在较小或接近于零的前向电流时的近似IGBT 28传导电压，R_t表示近似斜率电阻。V_t和R_t二者皆可以得自制造商数据表。在公式(2)中，E_onoff表示在IGBT 28的额定电压V_nom(IGBT额定电压的一半)和电流I_nom(额定IGBT模块电流)时使IGBT28导通和截止所需的总能量。E_onoff、V_nom以及I_nom三者皆可以从制造商数据表而获得。I_RMS和V_DC表示IGBT 28的估计的工作电流和总线电压。因此，I_RMS/I_nom和V_DC/V_nom二者皆充当应用于开关损失值E_onoff的比例系数，可以从制造商数据表而获得。总功率损失P于是可用于通过使用热网络16来计算结温变化，如下所述。

在一些实施例中，通过假设外壳的温度变化可忽略，结温变化(ΔT_j)的计算可以简化。这样，可首先根据以下公式基于热网络58计算“提升系数(boost factor)”(BF(f))：

BF (f) = 1 + Σ_{i = 1}^{4} \frac{R_{i}}{R_{jc}} \cdot \frac{π - 1}{\sqrt{1 + {(2 π \cdot f \cdot τ_{i})}^{2}}} - - - (4);

其中，R_i和τ_i等于热网络的热阻和热容，如图4所示，R_ic等于结与外壳之间的总热阻。此外，可以根据以下公式由提升系数计算出中间值BF_ΔT_j：

BF_ΔT_j(f)＝1.85·(BF(f)-1)若BF(f)＜2 (5)；

BF_ΔT_j(f)＝BF(f) 若BF(f)≥2 (6)；

获得了估计的功率损失和提升系数的情况，就可以根据以下方程式来近似估计的结温变化ΔT_j：

ΔT_j(f，f_s，I_rms)＝PI(f，f_s，I_rms)·BF_ΔT_j(f)·R_j (15)

其中，ΔT_j表示在逆变器模块的一个输出周期之后的结温变化。

应理解，在仍然落入本发明范围的同时，可以对上述方程式进行变化。此外，在一些实施例中，例如，可以测量变量(例如I_RMS、E_onoff或V_DC)中的一个或多个。或者，也可基于典型逆变器模块或特定逆变器模块的一般公知操作条件来估计这些变量。此外，在一些实施例中，可估计二极管30的结温变化，而非IGBT的结温变化。

现转向图6，图92示出典型逆变器模块的结温变化ΔT_j。具体地，图92在IGBT开关频率4kHz(曲线98)、8kHz(曲线100)和12kHz(曲线102)下相对于基频(即逆变器模块的输出频率)描述了ΔT_j。

如图92可见，当逆变器模块工作在低基频时，ΔT_j易较大，而在DC条件下是最大的。这可能是由于：当逆变器工作在较低输出频率时，电流易在单个IGBT 28上集中较长时间。因为典型电动机驱动器可在启动期间以较低速度工作，在启动期间也可出现较高结温变化。

此外，如图92还可见，对于较高的开关频率，ΔT_j易较大。这可能是由于：IGBT 28中的大多数功率损失产生于使IGBT 28导通或截止时的短暂过渡时间。因此，较高的开关频率易导致较高的结温和较高的结温变化。

还应理解，IGBT 28通常在启动时传导较高级别的电流，这部分地是由于在此条件下电动机绕组的较低频率和较低阻抗，其中，电动机绕组是磁化的。所有以上因素可对启动条件期间较高级别的逆变器模块磨损，如上所述，这可最终导致故障。因此，为了减小启动时过多的逆变器模块磨损，本发明实施例包括：暂时减小逆变器模块16的开关频率，由此减小IGBT 28上的结温变化和热应力。

图7描述了根据本发明实施例的用于减小开关频率(图7中示为“f_s”)的过程104的流程图。在一些实施例中，过程104可以在结合图1所讨论的控制电路22中得以实现。首先，在步骤106，可使用上述公式(3)估计IGBT 28的功率损失。在一些实施例中，在步骤106所估计的功率损失可基于已知的或估计的工作值和条件。在其它实施例中，一个或多个值(例如RMS电流)可基于测量(例如由传感器26(见图1)执行的并传递回到控制电路22的测量)。

接下来，在步骤108，功率损失可用于计算估计的结温变化ΔT_j。其后，在步骤110-116，估计的结温变化用于确定开关频率。本发明实施例可使得开关频率在两个交替的值——支配频率(command frequency，表示为“f_cmd”)和低频率(表示为“f_low”)——之间转换。支配频率是逆变器模块在多数条件下易得以操作的开关频率。例如，支配频率可为相对高的开关频率，量级在四千至一万两千赫兹，以创建平滑正弦波形，这样可以在一些系统中噪声最小。低频率是用于使得IGBT应力最小的暂时开关频率。例如，在一些实施例中，低频率可为近似两千赫兹。支配频率和低频率二者皆可编程到驱动器电路18或控制电路22中，并且可由用户通过例如远程控制电路24(见图1)来指定。

在步骤110，确定开关频率(f_s)是否等于低频率(f_low)。如果在步骤110开关频率等于低频率，则过程104进入分支步骤116和118，其中，开关频率可增加到支配频率(f_cmd)。具体地，如果在步骤116ΔT_j小于指定温度(在本例中，五十五摄氏度)，则过程104进入步骤118，此时开关频率被设置为支配频率。然而，如果在步骤110开关频率并不等于低频率，则过程104进入分支步骤112-114，其中，开关频率可减小到低频率。具体地，如果在步骤112ΔT_j大于指定温度(在本例中，六十摄氏度)，则过程104进入步骤114，此时开关频率被设置为低频率。过程104可从步骤106开始重复。

根据过程104，如果结温变化超过大于六十摄氏度，则开关频率将减小。此后，如果结温变化下降到小于五十五摄氏度，则开关频率将增加回到支配频率。参照图6，应理解，上述过程104的结果是：开关频率可仅在启动之后的短时间内是低的。

还应理解，在落入本发明范围内的同时，上述过程可以变化。例如，一些实施例可以包括：根据估计的结温变化，在三个或更多频率值之间改变逆变器模块的开关频率。另外例如，一些实施例可以包括：对于给定的工作条件或给定的逆变器模块，预先确定预期的结温变化。此外，开关频率可初始地设置为在启动时低频率，并在逆变器模块16的基频大于指定频率时增加到支配频率，该指定频率是基于对于该基频的预期的结温变化而选取的。此外，在其它实施例中，二极管30结温变化可取代IGBT结温变化用于减小开关频率。

方案1，一种用于将功率传递给负载的方法，包括：

以指定的开关频率激活和去激活固态开关，以生成输出电流波形；

确定所述固态开关的结温度变化；和

基于所述结温度变化来减小所述开关频率。

方案2，如方案1所述的方法，包括：如果所述结温度变化低于指定的低温度，则增加所述开关频率。

方案3，如方案2所述的方法，其中，如果温度差高于60摄氏度，则减小所述开关频率，而如果所述温度差低于约55摄氏度，则增加所述开关频率。

方案4，如方案1所述的方法，其中，确定所述固态开关的结温度变化包括：估计所述固态开关的功率损耗。

方案5，如方案1所述的方法，其中，确定所述固态开关的结温度变化包括：确定所述固态开关与安装了所述固态开关的外壳之间的热阻抗。

方案6，如方案1所述的方法，其中，确定所述结温度变化包括：计算提升系数。

方案7，如方案1所述的方法，其中，确定结温度变化包括：对输出电流波形的一个周期估计峰值结温度。

方案8，一种操作逆变器模块的方法，包括以下步骤：

以开关频率激活和去激活固态开关，以生成输出电流波形，其中，所述固态开关并联地电耦合到二极管；和

基于所述固态开关或所述二极管的估计温度来改变所述开关频率。

方案9，如方案8所述的方法，其中，基于所述固态开关的估计温度来改变所述开关频率包括：基于所述固态开关的估计温度变化来改变所述开关频率。

方案10，如方案9所述的方法，其中，改变所述开关频率包括：如果估计的温度变化小于低温度阈值，则将所述开关频率设置为指定的高频率，如果估计的温度变化大于高温度阈值，则将所述开关频率设置为指定的低频率。

方案11，如方案10所述的方法，其中，所述高温度阈值是约60摄氏度，所述低温度阈值是约55摄氏度。

方案12，如方案8所述的方法，包括：生成所述固态开关的估计温度。

方案13，如方案12所述的方法，其中，生成所述固态开关的估计温度包括：估计所述固态开关的功率损耗。

方案14，如方案9所述的方法，包括：生成所述固态开关的估计温度变化。

方案15，如方案14所述的方法，其中，生成所述固态开关的估计温度变化包括：确定所述固态开关与安装了所述固态开关的外壳之间的热阻抗。

方案16，如方案14所述的方法，其中，生成所述固态开关的估计温度变化包括：估计所述输出电流波形的一个周期的结温度变化。

方案17，一种电动机控制系统，包括：

逆变器模块，其包括耦合到外壳的固态开关，所述逆变器模块被配置为生成输出电流波形；和

控制电路，其耦合到所述逆变器模块，并被配置为基于所述固态开关的估计结温度来改变所述逆变器模块的开关频率。

方案18，如方案17所述的电动机控制系统，包括：结温度确定电路，其被配置为确定所述固态开关的所述估计结温度。

方案19，如方案18所述的电动机控制系统，其中，所述结温度确定电路被配置为通过估计所述固态开关的功率损耗来确定所述结温度。

方案20，如方案17所述的电动机控制系统，其中，所述控制电路被配置为基于所述固态开关在输出电流波形的一个周期的估计结温度变化来改变所述逆变器模块的开关频率。

方案21，如方案20所述的电动机控制系统，包括：结温度确定电路，其被配置为确定所述固态开关在输出电流波形的一个周期的所述估计结温度变化。

方案22，如方案21所述的电动机控制系统，其中，所述结温度确定电路被配置为用所述固态开关的结与所述外壳之间的热阻抗来表示所述结温度。

方案23，如方案20所述的电动机控制系统，其中，所述控制电路被配置为：如果所述固态开关的所述估计结温度变化小于指定的低温度，则增加所述逆变器模块的所述开关频率，如果所述固态开关的所述估计结温度变化大于指定的高温度，则减小所述逆变器模块的所述开关频率。

方案24，如方案23所述的电动机控制系统，其中，所述指定的高温度是约60摄氏度，所述指定的低温度是约55摄氏度。

虽然在此仅示出并描述了本发明特定特征，但对于本领域技术人员来说，可做出许多修改和改变。因此，应理解，所附权利要求意欲覆盖所有落入本发明的真实精神的这些修改和改变。

Claims

1.一种用于将功率传递给负载的方法，包括：

确定所述固态开关的结温度变化；和

基于所述结温度变化来减小所述开关频率。

2.如权利要求1所述的方法，包括：如果所述结温度变化低于指定的低温度，则增加所述开关频率。

3.如权利要求2所述的方法，其中，如果温度差高于60摄氏度，则减小所述开关频率，而如果所述温度差低于约55摄氏度，则增加所述开关频率。

4.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述固态开关的结温度变化包括：估计所述固态开关的功率损耗。

5.一种用于操作逆变器模块的方法，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的方法，其中，基于所述固态开关的估计温度来改变所述开关频率包括：基于所述固态开关的估计温度变化来改变所述开关频率。

7.如权利要求6所述的方法，其中，改变所述开关频率包括：如果估计的温度变化小于低温度阈值，则将所述开关频率设置为指定的高频率，如果估计的温度变化大于高温度阈值，则将所述开关频率设置为指定的低频率。

8.一种电动机控制系统，包括：

9.如权利要求8所述的电动机控制系统，包括：结温度确定电路，其被配置为确定所述固态开关的所述估计结温度。

10.如权利要求9所述的电动机控制系统，其中，所述结温度确定电路被配置为通过估计所述固态开关的功率损耗来确定所述结温度。