CN102263519A - 可调速驱动器寿命的改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括运行逆变器以维持逆变器的寿命的方法和系统。在一些实施例中，可以改变逆变器的开关频率和/或输出电流，使得可以对逆变器的逆变器接合线减小应力。更具体地，实施例包含针对逆变器的特定运行状况计算老化参数，并且确定该运行状况是否导致将逆变器老化至使逆变器的寿命降低至低于期望寿命的点。如果该运行状况使逆变器寿命降低至低于期望寿命，则可以将开关频率降低至逆变器的更低的或最小开关频率，和/或可以将逆变器的输出电流降低至最小开关频率下的最大输出电流。

Description

可调速驱动器寿命的改进方法

技术领域

本发明一般涉及电功率变换器和逆变器领域。具体而言，本发明涉及用于防止或预防由于过热所导致的电动机驱动电路故障的技术。

背景技术

功率逆变器和变换器通常采用功率模块来生成期望的输出电流波形，该输出电流波形用于向诸如电动机和其它装备的各种装置供电。例如，该输出电流波形的频率和振幅可以诸如通过改变电动机的速度和转矩来影响这些装置的运行。一些功率模块通过脉宽调制生成期望的输出电流波形，其中，按照特定的次序使得诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的功率半导体开关快速地接通和关断，从而生成近似正弦的输出电流波形。此外，高的晶体管开关速度易于产生在一些应用中可能期望的较平滑的、更理想的正弦波形。例如，在加热、通风和空调系统中，较平滑的正弦波形将降低系统噪声和振动。

然而，较高的晶体管开关速度会促使晶体管的接合处温度(junctiontemperature)增加，这会导致更多的机械应力和随时间增加的晶体管故障率。已经尝试通过限制最大绝对晶体管接合处温度来降低晶体管故障。然而，这些技术未考虑启动状况或低速状况下易于发生的增加的应力，其中，晶体管在低输出频率易于经历高电流。

因此，提供一种用于降低IGBT热应力的系统和方法会是有利的，该系统和方法在启动状况和低速、高电流的状况下尤其有效。具体地，提供一种用于降低晶体管接合处(即，半导体芯片自身)以及壳体(即，包含半导体芯片的封装)的温度变化的方法会是有利的。

发明内容

本发明一般涉及被设计为解决这些需求的晶体管保护机械配置。实施例包括用于降低逆变器模块的开关频率和/或输出电流以防止接合线上的高接合处温度变化和应力的系统和方法。实施例还包括用于估计预期的接合处温度变化的方法。

附图说明

当参照附图阅读以下详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有的附图中，相似的符号表示相似的部分，在附图中：

图1是根据本技术实施例的、采用可以包括可调速逆变器的风力变换器系统形式的、用于变频驱动的示例性应用的框图；

图2图示了根据本技术实施例的、图1的示例性应用中的逆变器的示意图；

图3是根据本技术实施例的、表示在保持特定的逆变器寿命的同时针对不同开关频率的输出电流和运行频率之间的关系的曲线图；

图4是根据本技术实施例的、概括用于改变开关频率和/或输出电流以运行逆变器从而使得可以维持逆变器的特定寿命的处理的流程图；

图5是根据本技术实施例的、表示维持或延长逆变器的寿命的运行状况的曲线图；

图6是根据本技术实施例的、表示可以具有变化的开关频率以维持或延长逆变器的寿命的运行状况的曲线图；以及

图7是根据本技术实施例的、表示可以具有变化的开关频率和/或输出电流以维持逆变器的特定寿命的运行状况的曲线图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及降低诸如IGBT的固态开关器件上的由于接合处的大的温度变化而导致的机械应力。由于晶体管封装内的各种材料的不同膨胀率会导致线焊中的线裂纹生长和相似的触点，所以大的接合处温度变化会产生特别高水平的机械应力。因此，降低接合处温度变化会产生更持久的逆变器模块。在本发明的实施例中，通过控制开关频率来控制接合处温度变化。由于最高的接合处温度变化易于发生在启动状况或低速、高电流状况期间，因此，可以仅对启动期间的短时间降低开关频率，在该时间之后可以增加开关频率以提供更平滑的正弦波形。

返回附图，图1描绘了根据本公开内容的、采用可以包括可调速逆变器的风力系统10的形式的示例性应用。应注意，提供风力系统10作为可以实现用于调节逆变器的速度以预防逆变器故障的本技术的一个示例。在各实施例中，能够以具有逆变器模块的任何电子系统(不限于风力系统)实现本技术。

再次参照图1中提供的示例，风力系统10可适于使用涡轮叶片12从风捕获动力并将所捕获的风力转化为机械力，并且将该机械力转化为电力。系统10可以包括与涡轮叶片12的涡轮转子14连接的变速箱16。变速箱16可以使涡轮转子14的相对低的速度与发电机18的相对高的速度相适应。

发电机18可以将机械力转化为电力，并且可以是例如感应发电机或同步发电机。例如，图1所示的发电机18可以是双馈感应发电机(DFIG)，发电机18包括转子绕组20和定子绕组22。发电机18的定子绕组22可以连接至变压器28，变压器28通过感应耦合的导体将电力转换成用于电网30的适合的电压水平。电网30可以是将电力输送至各种其它电力器件或网络的互联网络。通过将机械频率和电频率去耦(例如，使得能够变速运行)的变换器24和逆变器26，发电机18的转子绕组20可以连接至电网30。

系统10可以包括具有三相AC-DC变换器24和三相DC-AC逆变器26的变换器和逆变器模块。可以由DC电容器电池32来连接变换器24和逆变器26。变换器24可以连接至发电机18的转子绕组20，并且还可以被称为转子侧变换器24。逆变器26可以由变压器28连接至电网30，并且还可以被称为电网侧逆变器26。双向变换器和逆变器24、26可以使得能够对输送至电网30的有功和无功功率进行向量控制，并且还可以增加电力质量和角稳定性并降低被引入电网30的谐波含量(例如，经由滤波器)。

变换器24和逆变器26可被用于改变功率控制的水平，并且有时可以输出相对高的功率(电压和电流)。变换器24和逆变器26可以包括用于切换和转换这种电压的晶体管和反向并联的二极管。在一些实施例中，系统10可以包括一个或多个用于控制逆变器26的操作的处理器34。例如，如将讨论的，处理器34可以改变逆变器26中的晶体管的开关频率或输出电流，以降低功率损耗和会影响逆变器中的晶体管的操作的接合处温度变化。处理器34还可适于执行算法并计算与逆变器的操作相关联的参数。

图2提供了一些实施例中的逆变器26的一个示例。逆变器26可以包括多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)40和功率二极管42，每个二极管42被配置为与各IGBT 40反向并联。利用接合线44将IGBT 40和功率二极管42接合到正或负DC线(适当地)和输出线a、b或c。例如，输出46的输出线a、b和c可以输出三相电压v_a、v_b和v_c。用以在输出46处产生离散化三相输出电流波形的IGBT 40的快速接通和断开切换会导致传导损耗和开关损耗，传导损耗和开关损耗会导致IGBT 40处更高的接合处温度。这种接合处温度会导致接合线44的应变和/或变形，这会缩短逆变器26的寿命。尽管图2中提供的逆变器26的示例一般涉及风力系统10的逆变器，但是由于高接合处温度可以使典型逆变器的晶体管和/或接合线应变和/或变形，所以本实施例可以应用于具有开关晶体管的任何逆变器模块。如这里使用的，逆变器26可以引用电子系统中的任何逆变器模块，并且IGBT 40可以引用任何类型的开关晶体管(并且不限于IGBT)。

因此，本发明的实施例包括用于估计逆变器模块中的峰值接合处温度的方法。在一些实施例中，估计的峰值接合处温度可以基于IGBT 40的估计的功率损耗。此外，IGBT 40的估计的功率损耗可以基于IGBT 40的估计的运行状况。例如，如根据下面的等式所计算的，峰值IGBT 40接合处温度估计可以基于估计的传导损耗和开关损耗：

$P_c(f,I_{\mathrm{RMS}})=(\frac{1}{2\·\mathrm{\π}}+\frac{M\left(F\right)\·\mathrm{PF}}{8})\·V_t\·\sqrt{2}\·I_{\mathrm{RMS}}+(\frac{1}{8}+\frac{M\left(f\right)\·\mathrm{PF}}{3\·\mathrm{\π}})\·R_t\·2\·{I_{\mathrm{RMS}}}^2---\left(1\right),$

$P_s(f_s,I_{\mathrm{RMS}})=\frac{1}{\mathrm{\π}}\·f_s\·E_{\mathrm{onoff}}\·\left(\frac{\sqrt{2}\·I_{\mathrm{RMS}}}{I_{\mathrm{nom}}}\right)\·\left(\frac{V_{\mathrm{DC}}}{V_{\mathrm{nom}}}\right)---\left(2\right),$ 以及

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

其中，P_c是作为基频f和驱动器的输出均方根电流I_RMS的函数的估计的传导功率损耗；P_S是作为开关频率f_s和驱动器的输出均方根电流I_RMS的函数的估计的开关功率损耗，并且P(f，f_s，I_RMS)等于IGBT 40的总的估计功率损耗。在等式(1)中，M(f)表示调制指数并且PF表示由逆变器26驱动的负载的功率因数。在等式(1)中，V_t表示在小的或接近零的正向电流时的近似IGBT 40的传导电压，并且R_t表示近似的斜率电阻。V_t和R_t均可以从针对逆变器26中使用的晶体管(例如，IGBT 40)的制造商数据表中得到。在等式(2)中，E_onoff表示在IGBT 40的额定电压V_nom(IGBT额定电压的一半)和额定电流I_nom(额定的IGBT模块电流)下接通和断开IGBT 40所需的总能量。可以从制造商数据表中获得E_onoff、V_nom和I_nom三者。I_RMS和V_DC表示IGBT 40的估计的输出电流和总线电压。

因此，输出电流I_RMS和开关频率f_s两者均可以用作应用于构成总功率损耗P的开关损耗值的比例系数。总功率损耗P可以影响降低逆变器26的寿命的接合处温度变化(ΔT_j)。例如，总功率损耗P可被用于使用以下描述的等式计算接合处温度变化ΔT_j。

在一些实施例中，可以通过假定壳体的温度变化可忽略来近似(approximate)接合处温度变化ΔT_j的计算。如此，可以首先根据下面的等式计算“增强因子(boost factor)”(BF(f))：

$\mathrm{BF}\left(f\right)=1+\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{R_i}{R_{\mathrm{jc}}}\·\frac{\mathrm{\π}-1}{\sqrt{1+{(2\mathrm{\π}\·f\·{\mathrm{\τ}}_i)}^2}}---\left(4\right),$

其中，R_i和τ_i等于逆变器26的热网络的热电阻和电容，并且R_ic等于接合处和壳体之间的总的热电阻。此外，根据以下等式，可以根据增强因子来近似中间值BF ΔT_j：

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

BF_ΔT_j(f)＝BF(f)              如果BF(f)≥2  (6)。

获得了估计的功率损耗和促进因子，然后可以根据下面的公式近似估计的接合处温度变化ΔT_j：

ΔT_j(f，f_s，I_rms)＝PI(f，f_s，I_rms)·BF_ΔT_j(f)·R_j(7)，

其中，ΔT_j表示在逆变器模块的一个输出周期之后的接合处温度变化。

可以理解在仍然落入本发明的范围的情况下，可以做出上述公式的变形。另外，在一些实施例中，例如，可以测量诸如I_RMS、E_onoff或V_DC的一个或更多个变量。替选地，也可以基于典型逆变器模块或特定的逆变器模块的平均已知的运行状况估计这些变量。另外，在一些实施例中，可以估计二极管42的接合处温度变化，而不是IGBT 40的接合处温度变化。

可以使用负温度系数(NTC)传感器计算平均接合处温度T_m。通常，NTC温度传感器被嵌入在IGBT模块内部或IGBT模块附近的散热器上。当NTC温度传感器被嵌入IGBT 40附近时，可以通过下面的等式近似IGBT 40的平均接合处温度：

$T_m=T_{\mathrm{ntc}}+\mathrm{PI}\·\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{R_i}{1+s{R}_i{C}_i}+\mathrm{PI}\·\frac{R_{\mathrm{ii}}}{1+s{R}_{\mathrm{ii}}{C}_{\mathrm{ii}}}+\mathrm{PI}\·\frac{R_{\mathrm{di}}}{1+s{R}_{\mathrm{di}}{C}_{\mathrm{di}}}---\left(8\right),$

其中，R_i和C_i分别表示热电阻和电容。R_ii和C_ii分别表示IGBT功率以及IGBT壳体层和NTC传感器之间的温度差之间的热耦合电阻和热耦合电容。R_di和C_di表示二极管功率以及IGBT基层和NTC传感器之间的温度差之间的热耦合电阻和电容。T_ntc表示由NTC传感器测量的驱动器的温度。参数R_ii、C_ii、R_di和C_di可以是从逆变器26提取的参数。

在一些实施例中，可以使用不同的算法估计到IGBT的故障的周期的数目(N_f)。例如，美国专利申请第20090276165号提供了一种用于如何估计到故障的周期的数目的示例。在其它实施例中，还可以使用不同的方法来估计到故障的周期的数目，并且可以基于逆变器和/或电子系统的参数。

一个或更多个实施例包括用于调节IGBT 40的开关频率和/或输出电流使得可增加逆变器26的寿命的技术。例如，可以通过图4中的处理60的流程图表示一种技术。可以通过基于先前讨论的等式计算(块62)到故障的周期的数目开始该处理。然后可以基于计算出的到故障的周期的数目来计算(块64)逆变器26的每秒老化(aging per second)。例如，可以通过下面的等式计算驱动器的老化速度：

每秒老化＝1/N_f(ΔT_j，T_jmin)/f    (9)。

在一些实施例中，IGBT 40的每秒老化还可以被表征为开关频率f_s、驱动器运行频率f和输出电流I_o的函数。

基于计算出的逆变器26中的IGBT 40的每秒老化(等式(9))可以改变开关频率(f_s)和/或输出电流(I_RMS)。在一些实施例中，处理器34或风力系统10的任何其它适合的处理器可以执行算法以计算到故障的周期的数目和/或逆变器26的每秒老化。处理器34还可被用于基于计算出的结果控制逆变器26的运行(例如，改变IGBT 40的开关频率或输出电流)。

在一些实施例中，计算出的逆变器26的每秒老化可以由三种情形表征，这三种情形分别在图5、6和7中表示为曲线图78、82和86。再次参照图4，处理60可以包括确定(块66)每秒老化是否在IGBT 40的命令的开关频率(f_s，cmd)以及该命令的开关频率f_s，cmd下的最大运行电流(I_RMS)以下。例如，参照图5的曲线图78，如果由轨迹52表示的、命令开关频率f_s，cmd为4kHz，则由点80表示的、命令参数下的每秒老化不会增加逆变器26的老化率超过逆变器26的期望寿命。因此，参照图4，可以不改变(块68)对逆变器26的操作。

然而，参照图6的曲线图82，如果由轨迹52表示的、命令开关频率f_s，cmd为4kHz，则由点84表示的、命令参数下的每秒老化会在该命令开关频率下的最大电流56之上，这会导致增加的功率损耗、增加的接合处温度变化、增加的逆变器老化和降低的逆变器寿命。在一些实施例中，处理60(图4)可以包含确定(块70)计算出的命令参数的每秒老化是否在当前命令开关频率f_s，cmd以上，但在逆变器26的最小开关频率(f_s，min)以下。然后处理可以将命令的开关频率f_s，cmd改变(块72)为更低的开关频率。例如，可以将命令的开关频率f_s，cmd改变(块72)为如轨迹50所示的、逆变器的最小开关频率f_s，min(例如2kHz)。通过将f_s，cmd设置为更低的频率f_s，min，点84的运行参数可以在逆变器26的运行范围内以实现逆变器26的期望寿命。

参照图7的曲线图86，如果由轨迹50表示的、命令开关频率f_s，cmd为2kHz，则由点88所表示的、命令参数下的每秒老化会在命令开关频率下的最大电流56以上。此外，由于命令开关频率f_s，cmd可能已经是逆变器26的最小开关频率f_s，min，因此，降低开关频率可能不能改进运行参数的每秒老化。因此，在一些实施例中，可以改变开关频率f_s和输出电流I_RMS两者。例如，处理60(图4)可以包含确定(块74)计算出的命令参数的每秒老化是否在当前命令开关频率f_s，cmd以上，并且还在逆变器26的最小开关频率(f_s，nin)以上。然后，处理60可以将输出电流命令I_RMS改变(块76)为最小开关频率f_s，min下的最大输出电流，如通过将点88至点90的调节所示。在一些实施例中，如果命令开关频率f_s，cmd已不在最小开关频率f_s，min，则还可以将命令开关频率f_s，cmd设置为最小开关频率f_s，min。因此，点90的运行参数可以在逆变器26的运行范围内以实现逆变器26的期望寿命。

在一些实施例中，可以动态地执行或间隔地执行处理60。例如，能够以设定的时间间隔执行处理60，或能够在系统10中发生运行改变的任何时间执行处理60。通过连续地应用处理60，可以针对逆变器26的IGBT40选择适当的开关频率和/或输出电流以维持逆变器26的期望寿命。

尽管这里仅示出和描述了本发明的某些特征，然而，本领域的技术人员将会想到很多修改和变型。因此，应理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和变型。

关于包括以上各实施例的实施方式，还公开下述附记：

附记：

1.一种运行逆变器的方法，所述方法包括：

计算所述逆变器的故障参数；

如果所述故障参数在用于实现所述逆变器的估计寿命的第一阈值参数以上，则将所述逆变器中的多个晶体管的命令开关频率改变为更低的开关频率；以及

如果所述故障参数在所述阈值参数以上并且所述更低的开关频率是所述逆变器的最小开关频率，则改变所述多个晶体管的输出电流。

2.根据附记1所述的方法，其中，计算所述故障参数包括计算到所述逆变器的估计故障的逆变器周期的数目。

3.根据附记1所述的方法，其中，计算所述故障参数包括计算所述逆变器中的接合线的接合处温度变化。

4.根据附记1所述的方法，其中，计算所述故障参数包括计算所述逆变器的疲劳函数。

5.根据附记1所述的方法，其中，所述第一阈值参数是基于所述命令开关频率、以及关于所述参数的运行频率的逆变器的最大输出电流的。

6.根据附记1所述的方法，其中，将所述命令开关频率改变为更低的开关频率导致第二阈值参数，所述第二阈值参数是基于所述更低的开关频率、以及关于所述参数的运行频率的逆变器的最大输出电流的。

7.根据附记1所述的方法，其中，在所述逆变器的运行期间动态地执行所述方法。

8.根据附记1所述的方法，其中，在所述逆变器的运行期间以设定的时间间隔执行所述方法。

9.根据附记1所述的方法，其中，在所述逆变器的运行参数改变导致对不同的故障参数进行计算的任何时间，执行所述方法。

10.一种系统，包括：

发电机；

耦合至所述发电机的变换器；

耦合至所述变换器的逆变器，其中，所述逆变器包括多个晶体管；以及

耦合至所述逆变器的处理器，其中，所述处理器被配置成计算所述逆变器的故障参数并改变所述多个晶体管的命令开关频率和输出电流。

11.根据附记10所述的系统，其中，所述发电机是双馈感应发电机DFIG。

12.根据附记10所述的系统，其中，所述多个晶体管包含多个绝缘栅双极型晶体管IGBT。

13.根据附记12所述的系统，其中，所述多个晶体管包括与所述多个绝缘栅双极型晶体管IGBT反向并联的多个二极管。

14.根据附记10所述的系统，其中，所述处理器被配置成计算到所述逆变器的故障的周期的数目和所述逆变器的运行参数的每秒老化，以计算所述逆变器的故障参数。

15.根据附记10所述的系统，其中，所述处理器被配置成将所述故障参数与阈值参数进行比较，并且如果所述故障参数在所述阈值参数以上，则所述处理器被配置成降低所述命令开关频率。

16.根据附记15所述的系统，其中，所述处理器被配置成将所述命令开关频率与最小开关频率进行比较，并且如果所述命令开关频率与所述最小开关频率近似相同，则所述处理器将输出电流降低至所述最小开关频率的最大输出电流。

17.一种用于将电力输送至负载的方法，所述方法包括：

以命令开关频率开关电子系统的逆变器中的多个晶体管，其中，所述多个晶体管输出第一电流水平的电流；

基于所述命令开关频率和所述第一电流水平，确定所述多个晶体管的故障参数；

如果所述故障参数在阈值以上，则降低所述命令开关频率；以及

如果所述故障参数在所述阈值以上并且如果所述命令开关频率与所述最小开关频率近似相等，则降低所述逆变器的所述第一电流水平。

18.根据附记17所述的方法，其中，确定所述故障参数包括确定所述多个晶体管处的接合处温度变化。

19.根据附记17所述的方法，其中，确定所述故障参数包括计算在所述命令开关频率下运行的并以所述第一电流水平输出的逆变器的每秒老化。

20.根据附记17所述的方法，其中，降低所述逆变器的所述第一电流水平包括将所述第一电流水平降低至所述最小开关频率的最大电流水平。

21.一种包括用于执行如下步骤的代码的计算机可读介质：

计算逆变器的故障参数；以及

如果所述故障参数在用于实现所述逆变器的估计寿命的第一阈值参数以上，则将所述逆变器中的多个晶体管的命令开关频率改变为更低的开关频率。

22.根据附记21所述的计算机可读介质，包括如下代码：如果所述故障参数在所述阈值参数以上并且如果所述更低的开关频率是所述逆变器的最小开关频率，则该代码用于改变所述多个晶体管的输出电流。

Claims (10)

1.一种运行逆变器的方法，所述方法包括：

计算所述逆变器的故障参数；

如果所述故障参数在用于实现所述逆变器的估计寿命的第一阈值参数以上，则将所述逆变器中的多个晶体管的命令开关频率改变为更低的开关频率；以及

如果所述故障参数在所述阈值参数以上并且所述更低的开关频率是所述逆变器的最小开关频率，则改变所述多个晶体管的输出电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述故障参数包括计算到所述逆变器的估计故障的逆变器周期的数目。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述故障参数包括计算所述逆变器中的接合线的接合处温度变化。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一阈值参数是基于所述命令开关频率、以及关于所述参数的运行频率的逆变器的最大输出电流的。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述命令开关频率改变为更低的开关频率产生第二阈值参数，所述第二阈值参数是基于所述更低的开关频率、以及关于所述参数的运行频率的逆变器的最大输出电流的。

6.一种系统，包括：

发电机；

耦合至所述发电机的变换器；

耦合至所述变换器的逆变器，其中，所述逆变器包括多个晶体管；以及

耦合至所述逆变器的处理器，其中，所述处理器被配置成计算所述逆变器的故障参数并改变所述多个晶体管的命令开关频率和输出电流。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理器被配置成计算到所述逆变器的故障的周期的数目和所述逆变器的运行参数的每秒老化，以计算所述逆变器的故障参数。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理器被配置成将所述故障参数与阈值参数进行比较，并且如果所述故障参数在所述阈值参数以上，则所述处理器被配置成降低所述命令开关频率。

9.一种用于将电力输送至负载的方法，所述方法包括：

在命令开关频率下开关电子系统的逆变器中的多个晶体管，其中，所述多个晶体管输出第一电流水平的电流；

基于所述命令开关频率和所述第一电流水平，确定所述多个晶体管的故障参数；

如果所述故障参数在阈值以上，则降低所述命令开关频率；以及

如果所述故障参数在所述阈值以上并且如果所述命令开关频率与所述最小开关频率近似相等，则降低所述逆变器的所述第一电流水平。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，确定所述故障参数包括确定所述多个晶体管处的接合处温度变化。

Images