CN104737430B - 峰值功率操作中的过载限制 - Google Patents

Abstract

用于操作转换器（3）来向负载（2）供应电力的方法，其包括以下步骤：‑对于提供的过载时间来控制转换器（3），使得向负载（2）施加过载功率；以及‑对于提供的休眠时间来控制转换器（3），使得向负载（2）施加休眠功率；其中过载功率高于对应于转换器（3）的稳态操作限制的标称功率，其中休眠功率低于标称功率。

Description

峰值功率操作中的过载限制

技术领域

本发明涉及功率转换器，特别地涉及用于采用增压模式操作功率转换器的方法。

背景技术

功率转换器用于驱动所有种类的电力器具，例如马达或类似物。这样的功率转换器通过它们的标称功率来规定，该标称功率指示在没有使其中使用的半导体装置（例如MOSFET、晶闸管、IGBT及类似物）过热或其他损坏的风险的情况下在永久的基础上供应的功率的量。半导体装置的标称功率通常限定为这样的功率，其在供应时促使半导体装置内的温度不超过由半导体装置的半导体结的最大可允许温度所限定的温度限制。

从2006年3-4月IEEE Transactions on industry applications卷42、第2期552-558页的Murdock，D.A.等人的文献“Active Thermal Control of Power ElectronicModules（功率电子模块的主动热控制）”获悉功率电子模块通过热控制来控制稳态操作用于达到最大可能连续操作。

文献WO 2009/033 999 A2公开这样的方法，其中确定半导体部件的实际温度值并且基于该实际温度值和目的温度值来致动温度控制装置（例如，马达冷却系统）的致动器以调整实际温度值。实际温度值基于温度模型而确定。

文献JP 2011223678 A公开具有保护单元的装置。计算单元计算开关元件的结温和终端电阻的邻近单元的温度及其热时间常数。校正单元基于温度之间的差异来校正开关元件的结温。控制栅极驱动电路或控制单元使得被校正开关元件的结温不超过温度限制值。

文献WO 2006/087618 A1公开具有温度检测单元来检测逆变器的温度的调节器。限制温度设置单元将限制温度设置成通过在检测温度的改变值低于预设值时对检测温度执行平滑过程而获得的平滑温度。操作单元在指示温度增加时限制逆变器的操作。

文献SU 1 410 179 A公开用于操作转换器的方法，其中将与晶闸管的p-n结的温度成比例的信号与这样的固定设定值比较，其与最大容许温度成比例。如果p-n结的温度超过最大容许温度，致动器将使逆变器脱扣或限制通过晶闸管的电流。

文献US 5,373,205提供限定电流限制的控制方法，该电流限制默认为峰值电流，并且响应于检测的温度（其超过最大可允许温度），设置标称电流限制。在检测到温度低于最大可允许温度预定幅值之后，电流限制复位被复位成峰值电流。

文献EP 0 971 573 B1公开对于牵引驱动器的调节器，该牵引驱动器凭借冷却介质而冷却，其中根据需要的温度控制用于冷却调节器的冷却介质的量。

文献EP 1 816 733 A2公开用于操作具有定期改变负载特性的频率转换器的方法。在新的时期开始时，预测频率转换器的关键部件（例如功率半导体）的温度。如果预测到关键部件过热，仅允许频率转换器的负载减少使得在负载周期期间可以防止过热。

本发明的目的是对具有超过功率转换器的标称功率的功耗的电器具提供过热保护操作。

发明内容

上文的目的由根据权利要求1的用于操作功率转换器以用于向电器具提供电能的方法和根据另外的独立权利要求的设备和系统实现。

另外的实施例在从属子权利要求中指示。

根据第一方面，提供有用于操作转换器来向负载供应电力的方法，其包括以下步骤：

-对于提供的过载时期来控制转换器使得向负载施加过载功率；以及

-对于提供的休眠时期来控制转换器使得向负载施加休眠功率；

-其中过载功率高于对应于转换器的稳态操作限制的标称功率，其中休眠功率低于该标称功率。

-其中响应于外部提供的信息来控制转换器（3），其中外部提供的信息一促使转换器（3）对于超出指定最大过载时期来提供过载功率就限制施加到负载（2）的功率，

-其中在最大过载时期后，要施加到负载（2）的功率根据限制函数来限制，该限制函数提供根据预定时间特性使可允许功率从过载功率减少到标称功率的限制值。

本发明的一个思想是允许操作功率转换器使得可以对于特定过载时期来提供超过标称功率的过载功率，只要随后操作该功率转换器来供应低于或等于特定休眠时期期间的标称功率的休眠功率即可。该操作方案允许使用具有功率转换器的电器具，即使这些电器具具有超越连接于此的功率转换器的标称功率的短期功耗也如此。因此，在对于整个系统存在后续休眠时期例如来冷却或安置的条件下，允许功率转换器在它的标称操作点上增压并且允许对于特定过载时期的过载操作。过载功率操作可对于作为时间和过载功率的函数的过载能力允许的概况之后的过载时期设计。

根据本发明，响应于外部提供的信息来控制转换器，其中外部提供的信息一促使转换器对于超出指定最大过载时期并且在最大过载时期之后提供过载功率就限制施加到负载的功率，要施加到负载的功率可根据限制函数来限制，该限制函数提供根据预定时间特性使可允许功率从过载功率减少到标称功率的限制值。

用于操作转换器的该方法具有转换器可以在任何过载功率条件（其之前不必是已知的）下操作这一优势。转换器特别地可以对之前未知的过载功率条件作出反应。

此外，可设置休眠功率和休眠期使得至少一个参数、特别是转换器的温度在过载期开始时回到它的初始值。

可规定设置过载功率和过载时期使得至少一个参数、特别是转换器的温度未超过过载时间期间的限制。

此外，休眠时期可直接紧跟时间过载期。

此外，过载时期和休眠时期可定期重复。

最大过载时期可以是这样的时期，其中转换器中的温度达到预定最大温度限制。

此外，预定时间特性可限定从过载功率到标称功率的线性或指数斜率。

根据另外的方面，提供有用于操作转换器来向负载供应电力的设备，其包括控制单元，该控制单元配置成：

-对于提供的过载时间来控制转换器，使得向负载施加过载功率；以及

-对于提供的休眠时间来控制转换器，使得向负载施加休眠功率；

其中过载功率高于对应于转换器的稳态操作限制的标称功率，其中休眠功率低于标称功率。

根据另一个方面，提供有系统，其包括负载、用于向该负载供应电力的转换器和上文的设备。

附图说明

本发明的优选实施例结合附图更详细描述，其中：

图1示出具有功率转换器以对电器具供应电能的系统；

图2示出这样的图，其图示根据图1的系统的功率转换器的功率输出和功率转换器中的半导体开关的所得结温；以及

图3示出这样的图，其图示根据图1的系统的功率转换器的功率输出、功率限制以及功率转换器的半导体开关装置的所得结温。

具体实施方式

图1示出用于向负载（电驱动单元）2提供电能的系统1。该负载2可以是制造设施的一部分并且用于定期驱动工具部件。例如，负载2可以是功率驱动器或相似的负载。

凭借功率转换器3向负载2提供电能，该功率转换器3包括开关装置31用于向负载2提供预定量的电力。开关装置31可配置为功率半导体装置，例如功率MOSFET、晶闸管、IGBT、IGCT及类似物。开关装置可采用例如功率逆变器、半桥配置、全桥配置或类似物等驱动器配置来设置。

由于开关装置的热敏性，功率转换器3具有有限的温度操作范围，其的上限由其中使用的半导体装置的最大p-n结温确定。因为超过最大可允许结温可影响半导体开关装置的可操作性和/或寿命时间，必须不超过最大可允许温度。

对于功率转换器3，从而限定有标称功率，其代表功率转换器3在连续操作基础上的功率输出，其中标称功率指示功率转换器3的最大功率输出，在该最大功率输出处半导体装置的结温接近或达到通常预定义环境条件下的最大可允许温度。

负载2可配置成消耗超过功率转换器3采用非连续方式（即，定期或间歇地）的标称功率输出的功率。

如在图2的图中示出的，允许电器具2对于特定过载时期来消耗过载功率。过载功率可以是例如多达标称功率以上的40%，其限定在将过载时期设置成预定持续时间（其可被固定设置或可取决于负载所请求的过载功率的量）时的稳态操作限制。

在向负载2供应过载功率期间的过载时期之后，功率输出减少到低于特定休眠时期的标称功率的功率水平。可修改休眠功率和休眠时期使得半导体装置可以冷却到这样的预定温度，其低于最大可允许温度。在供应过载功率和休眠功率的定期操作的情况下，修改休眠期和休眠功率使得在休眠期结束时，结温达到这样的初始温度，在下一个（后续）过载期期间施加过载功率时温度可从该初始温度增加。

提供控制单元4，其根据控制信号CS控制功率转换器3。控制信号CS根据预定义方案在外部提供的信号E之后生成，该外部提供的信号E可由过程控制或类似物提供。外部提供的信号E指示实际将操作负载2所处的功率。

此外，提供监管单元5，其永久、常规地或周期性地分别从功率转换器3或控制单元4接收供应给负载2的实际功率量。如果对于超过预定过载期阈值的过载时期来向负载2施加过载功率，监管单元5主要通过相应地命令转换器单元3来施加功率限制。通过向功率转换器3提供限制值L来执行限制，使得功率转换器3根据限制值L来限制它的功率输出。

如在图3的图中示出的，如果需要对于超过预定最大过载时期TP的过载功率，限制将起作用，如由图3的图中的曲线K1（需要的功率）指示的。最大过载时期TP由这样的时期限制，在该时期中结温达到在过载时期（将对该过载时期施加过载功率）起始时从初始温度开始时的温度限制。

根据限制曲线K2（限制函数）进行限制，该限制曲线K2可在最大过载时期TP后提供从过载功率到标称功率的斜降，使得结温可保持在温度限制处并且不再增加。提供过载功率到标称功率之间的转变可以成形为线性斜率或具有指数特性来限制负载2的电力供应以回到标称功率。从过载功率水平降至标称功率的斜率的梯度可取决于附连的负载2的种类、过载功率的量、过载期的持续时间或类似物。基本上，由于例如连接线中的反射、电磁干扰及类似物等不可取效应，应避免施加到负载2的功率的逐步（急剧）减少。

功率限制可通过限制功率转换器3的输出电流、通过限制功率转换器3的输出电压、通过限制（或减少）功率转换器3的开关频率或类似物来执行。

标号列表

1	系统	2	负载
				3	功率转换器	4	控制单元
5	监管单元	31	半导体装置

Claims (9)

1.一种用于操作功率转换器（3）来向负载（2）供应电力的方法，所述负载是制造设施的一部分，所述方法包括以下步骤：

-对于提供的过载时期来控制所述转换器（3），使得向所述负载（2）施加过载功率；以及

-对于提供的休眠时期来控制所述转换器（3），使得向所述负载（2）施加休眠功率；

其中所述过载功率高于对应于所述转换器（3）的稳态操作限制的标称功率，其中所述休眠功率低于所述标称功率，

-其中响应于外部提供的信息来控制所述转换器（3），其中一旦所述外部提供的信息促使所述转换器（3）提供过载功率超出一个指定的最大过载时期，就限制施加到所述负载（2）的功率，

-其中在所述最大过载时期后，要施加到所述负载（2）的功率根据限制函数来限制，所述限制函数提供根据预定时间特性使可允许功率从所述过载功率减少到所述标称功率的限制值。

2.如权利要求1所述的方法，其中设置所述休眠功率和休眠时期使得至少一个参数在所述过载时期开始时回到初始值。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述至少一个参数为所述转换器（3）的温度。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中设置所述过载功率和过载时期使得至少一个参数不超过所述过载时期期间的限制。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述至少一个参数为所述转换器（3）的温度。

6.如权利要求1、2或3所述的方法，其中所述休眠时期直接紧跟所述过载时期。

7.如权利要求1、2或3所述的方法，其中所述过载时期和所述休眠时期定期重复。

8.如权利要求1、2或3所述的方法，其中所述最大过载时期是这样的时期，在该时期中所述转换器（3）中的温度达到预定最大温度限制。

9.如权利要求1、2或3所述的方法，其中所述预定时间特性限定从所述过载功率到所述标称功率的线性或指数斜率。