CN102957333A

CN102957333A - 半导体功率转换装置

Info

Publication number: CN102957333A
Application number: CN2012100408581A
Authority: CN
Inventors: 西村隼一; 今中晶; 原川雅哉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: CN102957333B; JP2013042611A; JP5500136B2

Abstract

本发明提供一种半导体功率转换装置的热损坏保护装置，其通过使半导体功率转换装置内所使用的元件的温度上升均匀，从而防止半导体功率转换装置的元件由于发热而损坏。在半导体功率转换装置中，针对该半导体功率转换装置所使用的各个元件，通过计算各元件的相对于允许温度的温度裕度，以使得所述温度裕度较低的元件的导通率下降的方式控制半导体功率转换装置，使半导体功率转换装置内所使用的元件的温度上升均匀。

Description

半导体功率转换装置

技术领域

本发明涉及一种半导体功率转换装置，其使用多个半导体元件来驱动电动机，为了防止半导体元件热损坏而采用调制控制方法。

背景技术

在驱动电动机的情况下，作为功率转换装置大多使用搭载有半导体元件的PWM(Pulse Width Modulation)逆变器。在利用PWM逆变器驱动电动机的情况下，在例如极低频率下的动作或电动机堵转状态等时，产生下述问题，即，电流集中流过上述逆变器内的多个半导体元件中的特定元件，使半导体元件热损坏。

针对上述问题，在专利文献1中公开了一种方法，其着眼于半导体元件瞬间损耗的大小存在差异这一情况，通过分配各半导体元件的接通率，使损耗最大的半导体元件的损耗由其它元件负担，从而抑制发热，防止元件的热损坏。

另外，在专利文献2中公开了一种方法，即，在电动车辆的控制装置中，具有温度检测部，该温度检测部对逆变器的各晶体管的温度进行实际检测。并且，为了使温度最高的晶体管的温度降低，以变得比施加在逆变器上的PWM波形的载波的中央值小的方式对调制波的中心值进行变更，或者对相位进行变更。

专利文献1：日本特开2003-189668号公报

专利文献2：日本特开2009-171768号公报

发明内容

但是，在上述专利文献1所示的技术中，仅简单地使损耗最高的元件的损耗由其它元件负担，有时使元件允许温度较高的元件的损耗由元件允许温度较低的元件负担。例如产生下述课题，即，在对功率转换装置进行控制以使得电动机以低频率运转的情况下，由于功率转换装置内的一部分元件的输出电流变大，所以仅该元件的温度与其它元件相比变高，因此，相对于元件允许温度来说，实施的并不一定是最佳的温度控制，没有充分解除热损坏的风险。

另外，在上述专利文献2所示的技术中，与专利文献1的情况相同地，仅简单地使损耗最高的元件的损耗由其它元件负担，有可能使元件允许温度较高的元件的损耗由元件允许温度较低的元件负担。由此，存在下述课题，即，相对于元件允许温度来说，实施的并不一定是最佳的温度控制，没有充分解除热损坏的风险。

本发明就是鉴于上述课题而提出的，其提供一种半导体功率转换装置，其针对该半导体功率转换装置所使用的各个元件，通过计算各元件的相对于允许温度的温度裕度，以使所述温度裕度较低的元件的导通率下降的方式对半导体功率转换装置进行温度控制，使半导体功率转换装置内所使用的元件的温度上升均匀，从而防止半导体功率转换装置内的元件由于发热而损坏。

本发明的特征在于，具有：功率转换部，其具有半导体开关元件和半导体元件，该半导体开关元件根据指令进行接通或断开动作，该半导体元件与所述半导体开关元件逆并联地连接，限制使得电流沿规定方向流动，该功率转换部通过所述半导体开关元件的接通、断开动作而对来自外部的输入电压进行PWM控制，并向外部输出电流；以及温度控制部，其具有元件允许温度存储单元、元件温度检测单元、温度裕度运算单元以及电压指令单元，其中，该元件允许温度存储单元对用于使所述各元件正常动作的温度允许值即允许温度进行存储，该元件温度检测单元对所述各元件的温度进行检测，该温度裕度运算单元对所述元件允许温度存储单元所存储的各元件的允许温度和由所述元件温度检测单元检测出的各元件的温度之间的差值进行运算，该电压指令单元对所述半导体开关元件发出指令，使得所述各元件中，由所述温度裕度运算单元运算出的所述差值与其它元件相比较低的元件的导通率下降。

发明的效果

如上所述，根据本发明所涉及的半导体功率转换装置，针对所述半导体开关元件及所述半导体元件各自设定允许温度，在针对各个元件计算出所述温度裕度的基础上，生成应向所述门信号输出的电压指令信号，以使得所述温度裕度较低的元件的导通率下降。即，针对该半导体功率转换装置所使用的各个元件，通过计算各元件的相对于允许温度的温度裕度，以使得所述温度裕度较低的元件的导通率下降的方式控制半导体功率转换装置，使半导体功率转换装置内所使用的元件的温度上升均匀，从而可以防止半导体功率转换装置内的元件由于发热而损坏。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1中的半导体功率转换装置的结构的图。

图2是表示在本发明的实施方式1中的半导体功率转换装置中，U相电流最大的情况下的U相半导体开关元件及U相半导体元件的元件温度与各自的元件允许温度之间的关系的一个例子的图。

图3是表示在本发明的实施方式1中的半导体功率转换装置中，进行电压指令的调制前的半导体开关元件及半导体元件的温度裕度的图。

图4是表示在本发明的实施方式1中的半导体功率转换装置中，进行电压指令的调制前的电压指令的图。

图5是表示在本发明的实施方式1中的半导体功率转换装置中，进行电压指令的调制前的电流的图。

图6是表示在本发明的实施方式1中的半导体功率转换装置中，在进行了电压指令的调制的情况下的某个元件的温度和元件允许温度之间的关系的图。

图7是表示在本发明的实施方式1中的半导体功率转换装置中，在进行了电压指令的调制的情况下的半导体开关元件及半导体元件的温度裕度的图。

图8是表示在本发明的实施方式1中的半导体功率转换装置中，进行了电压指令的调制的情况下的电压指令的图。

图9是表示在本发明的实施方式1中的半导体功率转换装置中，进行了电压指令的调制的情况下的电流的图。

图10是表示本发明的实施方式2中的半导体功率转换装置的结构的图。

图11是表示本发明的实施方式3中的半导体功率转换装置的结构的一个例子的图。

具体实施方式

下面，基于附图，详细说明本发明所涉及的半导体功率转换装置的实施方式。此外，本发明并不受本实施方式所限定。

实施方式1

图1是表示本发明的实施方式1中的半导体功率转换装置的结构的图。在图1中，标号1是半导体功率转换装置，标号10是半导体功率转换装置的P侧母线和N侧母线之间所连接的直流电源装置，标号2是通过来自半导体功率转换装置1的三相电压输出而驱动的电动机。此外，直流电源装置10也可以是将交流电源进行整流及平滑后的电源。另外，电动机2可以是感应电动机、永磁体型电动机等任意一种，电动机的种类可以是任意的。

另外，标号5a至5f分别是U相、V相、W相的P侧及N侧的半导体开关元件，通过根据来自门信号生成器8a的门信号而对接通或断开进行切换，从而切换其输出电压的接通或断开。另外，标号6a至6f分别与半导体开关元件5a至5f逆并联地连接，是限制使得电流沿规定方向流动的半导体元件。作为半导体开关元件5a至5f，大多使用作为Si半导体的IGBT或MOS-FET，作为半导体元件6a至6f，大多使用二极管。此外，作为半导体开关元件5a至5f及半导体元件6a至6f，也可以使用利用SiC或GaN等构成的宽带隙半导体。此外，标号4示出将半导体开关元件5a至5f及半导体元件6a至6f封装而成的模块。在这里，将由半导体开关元件5a至5f和半导体元件6a至6f构成的部分称为功率转换部。

半导体功率转换装置1利用电压指令运算单元12及电压指令单元13生成可变频率的电压指令，基于所述电压指令而由门信号生成器8a生成针对半导体开关元件5a至5f的门信号，然后向该半导体开关元件输出。并且，利用半导体开关元件5a至5f的输出信号，对电动机2可变速地进行控制。作为电压指令运算单元中的运算，大多使用例如V/F控制或矢量控制。在这里，在矢量控制中存在空间矢量控制、磁通矢量控制、无传感器矢量控制等。另外，电压指令的运算通常大多使用微型计算机(未图示)进行。

在这里，在门信号生成器8a中，对在其内部预先设定的、将三角波或锯齿波等中的任意一个作为主要成分的载波波形，与从电压指令单元13输入的电压指令之间进行大小比较，生成向半导体开关元件5a至5f输出的门信号。具体地说，在电压指令大于载波波形的情况下，生成用于使半导体元件的输出导通(接通)的门信号，相反地，在电压指令小于载波波形的情况下，生成用于将半导体元件的输出截止(断开)的门信号。利用该门信号，可以对半导体元件的接通/断开进行切换，可以对电动机2可变速地进行驱动。

下面，针对计算半导体开关元件5a至5f及半导体元件6a至6f各元件的元件温度裕度，对电压指令进行调制的方法，在下面详细记述。

标号16a至16l是对半导体开关元件5a至5f及半导体元件6a至6f的元件温度进行检测的元件温度检测器。作为该元件温度检测器的结构，使例如热电偶等可以检测半导体元件的温度的部件接合于所述半导体开关元件及半导体元件的附近，或者在所述半导体开关元件及半导体元件的内部内置温度检测二极管等具有温度检测功能的元件。根据该结构，可以准确地检测所述半导体开关元件及半导体元件的温度。

元件允许温度存储单元15是对半导体开关元件5a至5f及半导体元件6a至6f的元件允许温度进行存储的单元。该元件允许温度是用于使半导体开关元件5a至5f及半导体元件6a至6f正常动作的元件允许温度，也可以将所有元件的允许温度设为相同温度而存储在元件允许温度存储单元15中。另外，如作为半导体开关元件而使用Si半导体元件、作为半导体元件而使用SiC半导体元件这种混合模块等那样，混杂有元件允许温度各自不同的元件的情况下，也可以针对各个所述元件的种类而将单独的元件允许温度存储在元件允许温度存储单元15中。此外，考虑到元件制造时的允许温度的波动，也可以针对每一个元件而将单独的元件允许温度存储在元件允许温度存储单元15中。

元件裕度运算单元18a通过对元件温度检测器16a至16l所检测出的各元件的元件温度、和存储在元件允许温度存储单元15中的各元件的允许温度进行比较，从而计算各元件的温度裕度。该各元件的温度裕度是通过从所述元件允许温度中减去各元件的温度而求出的。元件裕度运算单元18a例如可以与电压指令运算单元12等相同地内置在微型计算机中，也可以形成独立的电路。在这里，将由电压指令单元13、元件允许温度存储单元15及元件裕度运算单元18a、以及元件温度检测器16a至16l所构成的部分称为温度控制部。

图2是表示在U相电流最大的情况下，U相的半导体开关元件及U相半导体元件的元件温度与它们各自的元件允许温度之间的关系的一个例子的图。在图2中，示出U相上侧的半导体开关元件即QUP(元件5a)、半导体元件即DUP(元件6a)、U相下侧的半导体开关元件即QUN(元件5b)及半导体元件DUN(元件6b)、以及所述各个半导体开关元件和半导体元件的元件允许温度随时间的变化。如图2所示，电动机驱动时的元件温度周期性地变化。另外，特别在低频运转时，热量集中在一部分元件中。

图3是表示所述半导体开关元件及半导体元件的温度裕度的图，图3的时间轴与图2的时间轴相同。由于各半导体开关元件或半导体元件各自的元件允许温度不同，所以并不限于元件温度最高的元件一定温度裕度最小。具体地说，在图3中，从0秒至0.05秒为止，QUN(元件5b)的温度裕度最小，从0.05秒至0.3秒附近为止，QUP(元件5a)的温度裕度最小，另外，从0.3秒至1秒为止，再次为QUN(元件5b)的温度裕度最小。特别在从0.6秒至0.7秒的期间，由于QUN(元件5b)的温度裕度小于或等于0，所以QUN(元件5b)有可能热损坏。只要以使得所述温度裕度最小的元件的导通率下降的方式，进行电压指令的调制即可。

电压指令单元13对从电压指令运算装置12输入来的电压指令进行调制，以使得温度裕度最低的元件的导通率下降。由于如果电压指令是以不会破坏各相的电压指令的相对关系的方式给出的，则可以与调制前的电压指令相同地驱动电动机，所以，可以通过对调制前的电压指令针对U相、V相、W相这三相分别加上或减去相同值，从而进行电压指令的调制。例如，如果对U相电压指令增加50V，相同地也对V相电压指令和W相电压指令增加50V，则U相和V相之间的相对关系不会被破坏。

作为使温度裕度最低的元件的导通率降低的调制方法的一个例子，存在使电压指令增减至三角波的下限值和上限值的方法。在温度裕度最低的元件为图1的标号5a、6b、5c、6d、5e、6f的情况下，使电压指令减少。相反地，在温度裕度最低的元件为图1的标号6a、5b、6c、5d、6e、5f的情况下，使电压指令增加。此时，作为使电压指令增加或减少的值，在使电压指令增加的情况下，是使得增加后的某电压指令的最大值成为与三角波的最大值大致相等的值，另外，在使电压指令减少的情况下，是使得减少后的电压指令的某最小值成为与三角波的最小值大致相等的值。另外，有时通过调制，温度裕度最小的元件的温度裕度变大，但其它元件的温度裕度变小。此外，通过上述方法，有时大于或等于两个元件的温度裕度成为相等的值。在此情况下，由于如果使一个元件的温度裕度增加，则另一个元件的温度裕度变小，所以使电压指令增加至最大值的情况和使电压指令值减少至最小值的条件以短时间间隔交替出现，因此，电压指令发生振荡。为了防止该情况，也可以在温度裕度接近的情况下不进行调制。

另外，在上述使电压指令增减为三角波的下限值和上限值的调制方法之外，还存在与温度裕度相对应而使电压指令增减的方法。在该方法中，在不超过电压指令的最大值的范围内，在温度裕度最小的元件的温度裕度较小时，使电压指令大幅增减，在温度裕度较大时，小幅增减。另外，在温度裕度最小的元件的温度裕度特别大的情况下，也可以不进行调制。

另外，存在对温度裕度的推移进行预测而使电压指令增减的方式。在此情况下，取得上一次测定的温度裕度和本次测定的温度裕度之差，与温度裕度的变化量对应而使电压指令增减。

上述调制手段都是通过使电压指令增减而使得半导体开关元件或半导体元件的导通率变化。

使用图2至图9，对通过电压指令的调制而改善温度裕度的改善效果的一个例子进行说明。在不进行电压指令的调制的情况下，在某个半导体开关元件或半导体元件的温度和元件允许温度处于如图2所示的关系时，温度裕度如图3所示。此时的电压指令如图4所示，电流如图5所示。在这里，在图3中，QUN的温度裕度小于或等于0，有可能使元件热损坏。此外，图4的三角波为大约3Hz的周期，但实际上为几kHz至几十kHz。

与此相对，在进行了电压指令的调制的情况下，某个元件的温度和元件允许温度之间的关系成为图6，温度裕度成为图7。此时的电压指令成为图8，电流成为图9。此外，图8的三角波为大约3Hz左右的周期，但实际上为几kHz至几十kHz。

与未进行电压指令的调制的情况相比，温度裕度较小的元件的温度裕度增加，相反地，温度裕度较大的元件的温度裕度减少。温度裕度此前小于或等于0的QUN的温度裕度增加至50℃左右，使元件热损坏的可能性降低。相对地，DUP的温度裕度减少。

对于图8的电压指令，是针对温度裕度最小的元件进行调制，电压指令的其中一个增减至最大值或最小值。另外，存在大于或等于两个的元件的温度裕度值相等的期间，在该期间，电压指令的增减至最大值和最小值的动作交替进行。在图9的电流中，由于施加在电动机上的线间电压在电压指令的调制后也没有发生变化，所以调制后的电流值没有变化。

如上所示，通过进行电压指令的调制，可以使温度裕度最小的半导体开关元件或半导体元件的导通率下降，因此，将温度裕度平均化，其结果，可以使半导体功率转换装置以防止上述元件热损坏的方式进行运转。

实施方式2

图10是表示本发明的实施方式2中的半导体功率转换装置的结构的图。此外，对于与图1相同的结构，标注相同的标号，省略对它们的说明。使用图10，说明本发明的实施方式所涉及的动作。

在图10中，门信号生成器8b进行与图1的门信号生成器8a相同的动作，例如通过将三角波等载波波形与电压指令进行大小比较，在电压指令大于载波波形的情况下，生成使半导体开关元件导通的门信号(门接通信号)，在电压指令小于载波波形的情况下，生成使半导体开关元件截止的门信号(门断开信号)。与图1的门信号生成器8a的不同点为，将门信号向元件温度推定单元输出。

标号7a至7c为电流检测器，对向电动机2输出的电流值(U相电流值、V相电流值、W相电流值)进行检测。将检测出的值向后述的元件温度推定单元输出。作为所述电流检测器，可以使用变流器，也可以使用分流电阻。

元件温度推定单元17将来自电流检测器7a至7c的电流值和来自门信号生成器8b的门信号作为输入，通过计算而推定半导体开关元件5a至5f和半导体元件6a至6f的元件推定温度，并向元件裕度运算单元18b输出。作为元件推定温度的计算方法，例如具有下述方法，即，在元件温度推定单元17内预先保存IGBT的Ic-Vce特性表、开关损耗表、旁路二极管(fly wheel diode)的Ic-Vce表、开关特性及元件的热阻和热容，根据由所述电流检测器检测出的电流和门信号，计算出半导体元件的损耗，根据上述值计算元件推定温度。元件温度推定单元17可以搭载于例如对电压指令等进行运算的微型计算机中，也可以形成独立的电路。

通过将图1中的温度检测单元变更为温度推定单元，可以不需要安装在半导体开关元件及半导体元件上的温度检测器，在可以得到与实施方式1相同的效果的基础上，可以实现装置的小型化及廉价化。

实施方式3

图11是表示本发明的实施方式3中的半导体功率转换装置的结构的一个例子的图。此外，对于与图1及图10相同的结构，标注相同的标号，省略对它们的说明。使用图11，说明本发明的实施方式所涉及的动作。

元件温度检测器16a及16b是分别对半导体开关元件5a及半导体元件6a的元件温度进行检测的元件温度检测器。作为该元件温度检测器的结构，使例如热电偶等可以检测半导体元件的温度的部件接合于所述半导体开关元件及半导体元件的附近，或者在所述半导体开关元件及半导体元件的内部内置温度检测二极管等具有温度检测功能的元件。根据该结构，可以准确地检测出所述半导体开关元件及半导体元件的温度。此外，元件温度检测器16a及16b分别对半导体开关元件5a至5f及半导体元件6a至6f的哪组元件温度进行测定均可，另外，也可以增减元件温度检测器的数量。

元件温度推定单元17c将来自电流检测器7a至7c的电流值、来自元件温度检测器16a及16b的各元件的元件温度、和来自门信号生成器8b的门信号作为输入，通过计算而推定半导体开关元件5a至5f和半导体元件6a至6f的元件推定温度，并向元件裕度运算单元18b输出。

作为元件推定温度的计算方法，例如具有下述方法，即，在元件温度推定单元17c内预先保存IGBT的Ic-Vce特性表、开关损耗表、旁路二极管的Ic-Vce表、开关特性及元件的热阻和热容，根据由所述电流检测器检测出的电流和门信号，计算出半导体元件的损耗，根据上述值计算元件推定温度，此外，根据实际的元件温度和元件推定温度的差，对所述计算出的元件推定温度进行校正，从而提高精度。元件温度推定单元17c可以搭载于例如对电压指令等进行运算的微型计算机中，也可以形成独立的电路。

如上述所示，通过将由元件温度检测器产生的元件温度的检测结果向元件温度推定单元输入，与本发明的实施方式2中的情况相比，可以提高精度。

此外，通过半导体开关元件5a至5f及半导体元件6a至6f中的至少一个使用SiC等的宽带隙半导体，从而元件允许温度变高。由此，在由于某些原因使电流向一个半导体开关元件或半导体元件集中而发热增加的情况下，只要以使得电流流过使用所述宽带隙半导体构成的半导体开关元件或半导体元件的方式进行温度控制即可，使本发明的实施方式1至3中的半导体功率转换装置的温度控制变得容易。

Claims

1.一种半导体功率转换装置，其具有：

功率转换部，其具有半导体开关元件和半导体元件，该半导体开关元件根据指令进行接通或断开动作，该半导体元件与所述半导体开关元件逆并联地连接，限制使得电流沿规定方向流动，该功率转换部通过所述半导体开关元件的接通、断开动作而对来自外部的输入电压进行PWM控制，并向外部输出电流；以及

温度控制部，其具有元件允许温度存储单元、元件温度检测单元、温度裕度运算单元以及电压指令单元，其中，该元件允许温度存储单元对用于使所述各元件正常动作的温度允许值即允许温度进行存储，该元件温度检测单元对所述各元件的温度进行检测，该温度裕度运算单元对所述元件允许温度存储单元所存储的各元件的允许温度和由所述元件温度检测单元检测出的各元件的温度之间的差值进行运算，该电压指令单元对所述半导体开关元件发出指令，使得所述各元件中，由所述温度裕度运算单元运算出的所述差值与其它元件相比较低的元件的导通率下降。

2.根据权利要求1所述的半导体功率转换装置，其特征在于，

所述元件温度检测单元是对所述各元件的温度进行检测的温度检测器。

3.根据权利要求1所述的半导体功率转换装置，其特征在于，

所述元件温度检测单元具有：电流检测器，其对所述功率转换部的输出电流值进行检测；以及元件温度推定单元，其根据所述电流检测器的检测结果和向所述半导体开关元件的门极端子输入的信号，推定所述各元件的温度。

4.根据权利要求1所述的半导体功率转换装置，其特征在于，

所述电压指令单元进行电压指令，使所述差值最小的元件的导通率下降。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体功率转换装置，其特征在于，

所述半导体开关元件或半导体元件的至少其中一个由宽带隙半导体形成。