CN102963257A - 用于热保护电驱动的车辆中的晶体管的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于电驱动的移动机器（10）的电子系统（14），包括散发热量的至少一个晶体管（16）、生成压力信号的压力检测器（26）、提供指示所检测到的第一温度和晶体管（16）的或大致邻近晶体管（16）处的第二温度的第一温度信号的温度检测器（24）、以及控制器（22），该控制器（22）构造成基于第一温度信号和压力信号来确定温度保护设定点，并且当第一温度信号指示第一温度达到温度保护设定点时执行用于热保护晶体管（16）的控制策略。

Description

用于热保护电驱动的车辆中的晶体管的系统和方法

技术领域

本专利公开文本总体上涉及包括诸如绝缘栅双极晶体管（“IGBT”）之类的晶体管的电力电子元件，且更具体地涉及热保护电驱动的车辆中的晶体管的系统和方法。

背景技术

电动车辆利用诸如绝缘栅双极晶体管（“IGBT”）之类的电力电子元件来提供高效和快速的动力切换。IGBT、IGBT模块和其它晶体管通常将发热，如果未经检查，这可能妨碍装置的可靠性。结果，在各种应用中通常利用过热保护来确保最佳操作可靠性。

电阻式温度检测器（“RTD”）通常用于过热保护系统中。由于难以在接合部或冲压区域内将温度检测器最佳地定位在IGBT模块中，温度检测器通常靠近IGBT的基板定位在IGBT模块的散热片上。这样定位的RTD提供了散热片处的温度（Tfin）的读数。作为防范措施，基于将测定的散热片温度（Tfin）加上接合部（Tj）与散热片（Tfin）之间的最大温差（△Tjf）来计算接合部本身（tj）处的估计温度。

为了保护IGBT，通常将RTD设定值或阈值确立为触发指标。当RTD读数达到该值时，接合部温度（Tj）也将接近其最大允许值；然后启动其它保护，其形式通常为确立进一步的动作的算法。为了提供用于IGBT的热保护的接合的充分机会，RTD设定值或阈值通常被设定的温度小于将指示接合部温度（Tj）已达到或者正接近潜在地损坏IGBT的温度的散热片温度（Tfin）。散热片处的温度与触发热保护的设定值或阈值之间的这种差别通常是基于对所包含的元件和待启动的热保护的经验确立的设定值。

虽然该程序总体上有效，但它在通常热保护算法无法确保昂贵的IGBT模块的热保护的高海拔下遇到了一定的困难。在空气冷却系统中，空气密度可能随着海拔例如从海平面变成5000米而急剧改变。结果，在高海拔下冷却没有那么有效。在恒定的设定值或阈值下，如果电动机器被置于较高海拔应用中，则热保护算法可能要么频繁地起动（trip），要么无法起动，即使接合部温度达到所允许的最大值。

授予Vanek的美国专利5,446,362描述了一种用于通过风机冷却的AC电机的热保护系统。该专利描述了由于海拔和环境温度变化而实行空气密度调节以计算风机速度要求。然而，至今没有用于IGBT模块和晶体管的热保护系统能够针对这种海拔变化进行调节。

发明内容

一方面，本发明描述了一种用于电驱动的移动机器的电子系统。该系统包括散发热量的至少一个晶体管、配置成检测压力并生成压力信号的至少一个压力检测器、配置成检测第一温度并提供指示所检测到的第一温度的第一温度信号的至少一个温度检测器、和控制器。第一温度信号还指示晶体管的或大致邻近晶体管处的第二温度。控制器构造成基于第一温度信号和压力信号来确定温度保护设定点。控制器还构造成当第一温度信号指示第一温度已达到温度保护设定点时执行用于热保护所述至少一个晶体管的控制策略。

另一方面，本发明描述了一种用于控制电驱动的移动机器中的发热的晶体管的热保护应用的方法。该方法包括以下步骤：在电驱动的移动机器中设置晶体管，检测大致指示机器周围的空气压力的压力，并基于所检测到的压力来生成压力信号，检测第一温度，并提供指示所检测到的第一温度和晶体管的或大致邻近晶体管处的第二温度的第一温度信号，基于第一温度信号和压力信号来确定温度保护设定点，并且当第一温度信号指示第一温度已达到温度保护设定点时生成用于热保护所述至少一个发热晶体管的控制策略。

在又一方面，本发明描述了一种用于控制电驱动的移动机器中的至少一个发热的晶体管的热保护的控制器。该控制器包括计算机可读的存储器，该存储器上具有计算机可执行的指令，所述指令包括：用于接收基于所检测到的压力的压力信号的指令、用于接收指示所检测到的第一温度和发热晶体管的或大致邻近发热晶体管处的第二温度的第一温度信号的指令、用于基于第一温度信号和压力信号来确定温度保护设定点的指令、和用于当第一温度信号指示第一温度已达到温度保护设定点时执行用于热保护所述至少一个发热晶体管的控制策略的指令。

附图说明

图1是根据本发明的机器的示意图。

图2是根据本发明的示例性保护系统曲线的图表。

图3是根据本发明的第一方法的框图。

图4-6是根据本发明的第二方法的框图。

具体实施方式

本发明涉及电动机器，且更具体地带有使用基于一个或多个晶体管的产品如绝缘栅双极晶体管（“IGBT”）的空气冷却式逆变器系统的电动机器。参照图1，示意性地示出了电动机器10，该电动机器10包括多个原动机12（如履带或所示的车轮）以及电子系统14。电子系统14可包括具有一个或多个IGBT 16的IGBT模块15，其具有配置在散热片18上的基板17。应理解，虽然在此说明了IGBT 16，但本发明同样可适用于基于一个或多个其它晶体管的产品，诸如晶闸管、二极管和金属-氧化层-半导体场效应晶体管（“MOSFET”）。

为了确保最佳操作可靠性，机器10可采取一个或多个措施来使IGBT16过热的机会最小化，所述过热可潜在地引起故障。机器10可采取选择性的措施来按需向电子系统14的IGBT和其它构件提供冷却。这种冷却措施可包括例如接合冷却系统20以向IGBT 16提供冷却。替代地或另外，可利用这样的方法，所述方法例如提供一系列步骤，包括在最终停止机器10的操作前的通知或警报，如下文将说明的。

电子系统14还包括控制器22和一个或多个温度检测器24。所示的控制器22可构造成接收各种信号，例如来自（多个）温度检测器24的信号，执行特定操作，例如启动警报系统或冷却系统20的操作，并向其它机器构件提供信号。

所示的温度检测器24定位在IGBT模块15的散热片18上，靠近IGBT16的基板17。结果，所示的温度检测器24配置成测量散热片18的温度（Tfin）并向控制器22发送指示散热片18的测定温度（Tfin）的温度信号。这样，该温度信号不仅指示测定的第一温度或温度（Tfin），而且指示第二温度，即IGBT 16的基板17与散热片18的接合部处的温度（Tj）。温度检测器24可属于适合于在高海拔操作的任何合适的设计。例如，温度检测器24可以是电阻式温度检测器（“RTD”）。

根据本发明的一个特征，热保护程序的运行不仅基于由温度检测器24检测到的温度（Tfin），而且基于机器10正运行的海拔。亦即，温度保护设定点是基于机器10正运行的海拔来确定的。当测定温度（Tfin）或第一温度达到该温度保护设定点时，控制器22执行用于IGBT 16的热保护的指令。

为了确定机器10正运行的海拔，设置了至少一个压力检测器26。可属于任何适当设计的压力检测器26可配置成使得它测量机器10所位于的大气的压力。在运行中，压力检测器26向控制器22发送与测定压力对应的信号。

基于测定的压力，亦即，基于与测定的压力对应的海拔，控制器22利用在机器10正运行的物理条件下适合的温度保护设定点。换言之，控制器22利用一个或多个基于海拔的曲线来确定启动冷却程序的温度保护设定点。虽然在此说明的示出了示例性曲线的图表识别海拔，但应理解，所述曲线替代地或同样基于压力，因为在这些情况下的压力和海拔彼此指示。当测定的温度（Tfin）达到基于适用曲线识别的温度保护设定点时，控制器22提供信号初始步骤以热保护IGBT 16。

图2的图表中提供了这样一组典型的用于具有作为相模块（phasemodule）（未具体示出）的一部分设置的至少一个IGBT和/或作为斩波器模块（未具体示出）的一部分设置的至少一个IGBT的给定实施例的曲线。在图2中，两个曲线针对多个海拔提供了分别作为相模块和斩波器模块设置的IGBT的适当温度保护设定点的指示。

本领域的技术人员应理解，所示曲线仅借助于示例而提供并且将取决于给定的布置方案——包括例如IGBT 16的物理部署和温度检测器24与IGBT 16之间的距离——的细节。由于海拔是基于所测定的压力来确定的，所以还应理解，图2的图表的[X]轴可替代地或另外识别压力，而不是得到的海拔，或者一者指示另一者。还应理解，（多个）曲线也可由（i）海拔和/或压力以及（ii）相关的温度设定点的多个相关值表示。

参照图2，例如，当海拔基于来自压力检测器26的信号是海平面之上A2米时，那么对于作为斩波器模块的一部分设置的IGBT而言温度保护设定点将是CMT1°C，而对于在A1米的海拔运行的机器上相同的IGBT而言温度保护设定点将是CMT2°C。同样，当海拔基于来自压力检测器26的信号是海平面之上A2米时，对于作为相模块的一部分设置的IGBT而言温度保护设定点将是PMT1°C，而对于位于A1米的海拔的相同机器而言温度保护设定点将是PMT2°C。

参照图3，提供了根据本发明的方法的简化图形表示。如图3所示，来自温度检测器24和压力检测器26的信号被提供给控制器22。控制器22基于压力信号和诸如在图2中陈述的给定曲线或曲线组来确定温度保护设定点。然后，控制器将由温度信号表示的测定温度（Tfin）与所识别的温度设定点进行比较。

如果温度Tfin还没有到达所确定的温度保护设定点，则该方法返回比较步骤。如果机器10在不同的海拔运行作，则该方法可返回基于压力信号——即海拔——和所识别的曲线来确定温度保护设定点的步骤。

相反，如果温度Tfin已达到所确定的温度保护设定点，则控制器22启动热保护IGBT 16的步骤。这种保护步骤可包括例如冷却系统20的结合，和/或被动步骤，比如向操作人员提供警告，和/或主动步骤，比如使机器停止。

参照图4-6，提供了提供多个用于热保护IGBT的级别的方法的更详细的图形表示。与图3的方法一样，基于压力信号——即海拔——和所识别的（多个）曲线来确定温度保护设定点，所述曲线可由压力和/或海拔以及温度保护设定点的相应值表示。然而，在图4-6的方法中，确定了多个温度保护设定点的级别。可基于与基于压力信号——即海拔——和所识别的曲线确定的温度保护设定点的设定差别来识别不同的级别。替代地，可对每个级别提供单独的曲线。

参照图4，然后将所确定的第一级温度保护设定点与对应于测定温度（Tfin）的温度信号进行比较。如果测定温度（Tfin）还没有达到第一级温度保护设定点，则该方法返回前面的比较步骤。相反，如果测定温度（Tfin）已达到第一级温度保护设定点，则可启动第一级热保护。第一级热保护可包括例如诸如通过警告信号或其它信号的发光来向操作人员传达信息。

来看图5，然后将所确定的第二级温度保护设定点与对应于测定温度（Tfin）的温度信号进行比较。应理解，第二级比较步骤可在第一级和/或第三级比较的启动后或与启动同时或者在第一级热保护的启动前交替地进行。如果测定温度（Tfin）还没有达到第二级温度保护设定点，则该方法返回前面的比较步骤。在一替代实施例中，如果已达到第一级温度保护设定点但还没有达到第二级温度保护设定点，则可启动IGBT的第一级热保护。相反，如果测定温度（Tfin）已达到第二级温度保护设定点，则可启动第二级热保护。第二级热保护可包括诸如通过异常停机的警告、警报的启动、或指示担忧级别提高的另一个信号的结合来向操作人员传达信息。

来看图6，然后将所确定的第三级温度保护设定点与对应于测定温度（Tfin）的温度信号进行比较。应理解，第三级比较步骤可在第一级和/或第二级比较的启动后或与所述启动同时或者在第一级和/或第二级热保护的启动前交替地进行。如果测定温度（Tfin）还没有达到第三级温度保护设定点，则该方法返回前面的比较步骤。在一替代实施例中，如果已达到第二级温度保护设定点但还没有达到第三级温度保护设定点，则可启动IGBT的第二级热保护。相反，如果测定温度（Tfin）已达到第三级温度保护设定点，则可启动第三级热保护。第三级热保护可包括多个极端步骤，诸如使机器10停机。

在如图4-6所示的实施例中，与图3的实施例一样，如果机器10在不同的海拔运行，则该方法可包括在任何时间（诸如当测定温度还没有达到所识别的级别的温度保护设定点时）返回基于压力信号（即海拔）和所识别的曲线来确定温度保护设定点的步骤。

控制器22可包括处理器（未示出）和存储构件（未示出）。处理器可以是微处理器或如本领域中公知的其它处理器。在一些实施例中，处理器可由多个处理器组成。处理器可执行用于启动热保护的指令，诸如文中描述的方法或其它方法。这种指令可被读入或加入计算机可读媒介如存储构件中或者被提供到处理器外部。在替代实施例中，可使用硬连线电路来代替软件指令或者与软件指令结合，以实行热保护。因此，实施例并不限于硬件电路与软件的任何特定结合。

如文中所用的术语“计算机可读媒介”指的是参与向处理器提供指令以便执行的任何媒介或媒介的结合。这种媒介可采取多种形式，包括但不限于非易失性媒介、易失性媒介和传输媒介。非易失性媒介包括例如光盘或磁盘。易失性媒介包括动态存储器。传输媒介包括同轴电缆、铜线和光纤，并且也能够采用诸如在无线电波和红外线数据通信期间生成的声波或光波的形式。

计算机可读媒介的通常形式包括例如软盘、软磁盘、硬盘、磁带、或任何其它磁性媒介、CD-ROM、DVD、任何其它光学媒介、穿孔卡、纸带、带孔图案的任何其它物理媒介、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EEPROM、任何其它存储芯片或存储磁带、如下文所述的载波、或计算机或处理器能够读取的任何其它媒介。

存储构件可包括如上所述的任何形式的计算机可读媒介。存储构件可包括多个存储构件。

控制器22可被封装在单个壳体中。在一替代实施例中，控制器22可包括可操作地连接并封装在多个壳体中的多个构件。控制器22可以机载方式位于发动机28上。在另一实施例中，控制器22可以机载方式位于移动机器10上。在再其它实施例中，控制器可位于多个可操作地连接的位置，包括发动机上的位置、移动机器上的位置和远程位置。

控制器22可以可操作地联接到温度检测器24以接收温度信号。控制器22可以可操作地联接到压力检测器26以接收压力信号。

工业实用性

本发明适用于电动机器，尤其是用于高海拔应用的这种机器。

本发明可用于防止电子晶体管且尤其是IGBT过热的机会或者使其最小化。本发明也可用于在高海拔应用中增强用于这种电子晶体管的热保护的可靠性。结果，可使停机时间以及修理和更换成本最小化。

应该理解，前面的描述提供所公开的系统和技术的示例。然而，可以设想的是，本发明的其它实施方案可在细节方面可不同于前述示例。其所有参考物或示例旨在提供就这一点讨论的具体示例的参考，并且并非意图在更一般的意义上暗示对本发明的范围的任何限制。关于特定特征的所有区分和贬低的语言旨在表示并不优选那些特征，而非将其从本发明彻底排除在外，除非另外指出。

除非文中另外指出，文中值的范围的叙述仅旨在用作单独提及处于该范围内的每个单独值的简便方法；并且将每个单独值结合在说明书中，就像它在文中被单独述及一样。文中所述的所有方法均能以任何合适的次序执行，除非文中另外指出或否则与上下文明显抵触。

因此，如适用的法律允许，本发明包括所附权利要求书中述及的主题的所有变型和等同物。此外，本发明包含上述元件在其所有可能变型中的任何结合，除非文中另外指出或否则会与上下文明显抵触。

Claims (20)

1.一种用于电驱动的移动机器的电子系统，所述系统包括：

散发热量的至少一个晶体管；

配置成检测压力并生成压力信号的至少一个压力检测器；

配置成检测第一温度并提供指示所检测到的第一温度的第一温度信号的至少一个温度检测器，所述第一温度信号还指示所述晶体管的或大致邻近所述晶体管处的第二温度；

控制器，所述控制器构造成基于所述第一温度信号和所述压力信号来确定温度保护设定点，并且当所述第一温度信号指示所述第一温度已达到所述温度保护设定点时执行用于热保护所述至少一个晶体管的控制策略。

2.根据权利要求1所述的电子系统，其中，所述控制器构造成基于根据曲线将压力与温度相关联的预定数据来确定所述温度保护设定点。

3.根据权利要求1所述的电子系统，其中，所述控制器构造成基于所检测到的压力来确定海拔，并且基于将海拔与温度相关联的预定数据来确定所述温度保护设定点。

4.根据权利要求1所述的电子系统，其中，所述至少一个晶体管包括绝缘栅双极晶体管。

5.根据权利要求4所述的电子系统，其中，所述至少一个温度检测器包括电阻式温度检测器。

6.根据权利要求5所述的电子系统，其中，所述第一温度和所述第二温度大致相同。

7.根据权利要求5所述的电子系统，还包括散热片，所述绝缘栅双极晶体管配置在所述散热片上，以提供与所述散热片的接合，所述至少一个温度检测器配置成检测所述散热片处的第一温度，所述第二温度指示接合部处的温度。

8.一种用于控制电驱动的移动机器中的发热的晶体管的热保护的施加的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述晶体管设置在所述电驱动的移动机器中；

检测大致指示所述机器周围的空气压力的压力，并基于所检测到的压力来生成压力信号；

检测第一温度，并提供指示所检测到的第一温度的第一温度信号，所述第一温度信号还指示所述晶体管的或大致邻近所述晶体管处的第二温度；

基于所述压力信号和根据曲线将压力与温度相关联的预定数据来确定温度保护设定点；和

当所述第一温度信号指示所述第一温度已达到所述温度保护设定点时，生成用于热保护所述至少一个发热晶体管的控制策略。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述确定步骤包括基于所检测到的压力来确定海拔。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述晶体管包括至少一个绝缘栅双极晶体管，并且检测第一温度的步骤包括将至少一个电阻式温度检测器配置成检测所述第一温度。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，确定温度保护设定点的步骤包括针对相应的热保护级别确定多个级别的温度保护设定点的步骤，并且生成控制策略包括当所述第一温度信号指示所述第一温度已达到所述相应级别的温度保护设定点时生成用于以逐步上升的级别热保护所述至少一个发热晶体管的控制策略。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述晶体管包括至少一个绝缘栅双极晶体管，配置步骤将所述绝缘栅双极晶体管配置在散热片上，并且所述方法还包括以下步骤：将所述至少一个压力检测器配置成检测指示所述机器周围的空气压力的压力，并且将所述至少一个电阻式温度检测器配置成检测所述散热片处的所述第一温度，所述第二温度指示所述散热片与所述绝缘栅双极晶体管之间的接合部处的温度。

13.根据权利要求8所述的方法，还包括执行所述控制策略以热保护所述晶体管的步骤。

14.一种用于控制电驱动的移动机器中的至少一个发热的晶体管的热保护的控制器，所述控制器包括计算机可读的存储器，所述存储器上具有计算机可执行的指令，所述指令包括：

用于接收基于所检测到的压力的压力信号的指令；

用于接收指示所检测到的第一温度的第一温度信号的指令，所述第一温度信号还指示所述发热晶体管的或大致邻近所述发热晶体管处的第二温度；

用于基于所述第一温度信号和所述压力信号来确定温度保护设定点的指令；和

用于当所述第一温度信号指示所述第一温度已达到所述温度保护设定点时生成用于热保护所述至少一个发热晶体管的控制策略的指令。

15.根据权利要求14所述的控制器，其中，所述发热的晶体管是绝缘栅双极晶体管。

16.根据权利要求14所述的控制器，其中，温度信号是由电阻式温度检测器提供的。

17.根据权利要求14所述的控制器，其中，用于确定温度保护设定点的指令包括用于基于根据曲线将压力与温度相关联的预定数据来确定温度保护设定点的指令。

18.根据权利要求14所述的控制器，还包括用于基于所述压力信号来确定海拔的指令，并且用于确定所述温度保护设定点的指令包括用于基于所述第一温度信号和基于所述压力信号确定的海拔来确定温度保护设定点的指令。

19.根据权利要求18所述的控制器，其中，所述发热晶体管是绝缘栅双极晶体管，并且温度信号是由电阻式温度检测器提供的。

20.根据权利要求14所述的控制器，其中，可不使用操作人员接口而执行指令。

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