CN106230239A

CN106230239A - 通过开关频率来减少温度变化以提高半导体的寿命

Info

Publication number: CN106230239A
Application number: CN201610392675.4A
Authority: CN
Inventors: D·史密斯; R·G·瓦戈纳
Original assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2036-04-01
Also published as: US20160291613A1; EP3133727B1; EP3133727A1; CA2925250A1; US9625921B2; BR102016007347A2; CN106230239B

Abstract

本发明涉及一种通过开关频率来减少温度变化以提高半导体的寿命。提供了一种系统，该系统包括温度调节器和峰值检测器，该温度调节器包括与转换器中的半导体进行通信的至少一个调节器部件，并且该峰值检测器与该转换器内的半导体进行通信并且被配置为识别各半导体的最高温度。还提供了一种用于调节半导体部件的温度变化的方法，其包括检测半导体温度，当该半导体被激活时确定参考温度，将第一半导体温度和该参考温度进行求和以产生第一温度总和，比较该第一温度总和与冷却剂温度以产生第一温度差。该方法还包括使得被配置在系统中的流体进行循环，从而对该第一温度差进行调节。

Description

通过开关频率来减少温度变化以提高半导体的寿命

技术领域

本发明通常涉及延长功率半导体的使用寿命。更具体地，本发明涉及当半导体作为可再生能源应用中的电子开关操作时，延长该半导体的使用寿命。

背景技术

从自然现象例如太阳光和风力中获得的可再生能源，已在能源服务和发电领域取代了常规燃料。例如半导体的电力设备将从例如太阳能和风力的可再生能源中获得的能量从DC或频率变化的AC转换为市电(电网)频率。通常通过脉宽调制(PWM)技术来高频切换多个半导体的导通和关断以合成正弦波电压，从而来实现该转换。

在电气应用中，例如为绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和晶闸管的三端半导体通常用作开关器件。主要用于低电压应用中的MOSFET可通过将多个器件并联布置来增加开关的电流额定值。主要用于高电压应用中的晶闸管，在阳极再次被正偏压之前、晶闸管电流熄灭后需要一个有限的时间延迟并将晶闸管保持在关断状态。IGBT将高电压器件在导通状态下的性能与高阻抗相结合，从而在发电应用中成为一个普遍的选择。

由于切换事件期间在每个IGBT中消耗功率，每个IGBT从导通状态至关断状态的转换都会导致热的产生，反之亦然。导通或关断的电流越大，导致的损耗就越多，因此，所产生的热量就越多。随着电流的增加，各IGBT的导通损耗也增加。由于来自可再生能源的功率在一天之内通常会有所变化，因此在IGBT中消耗的损耗也会有变化。因此，IGBT的温度随着可再生能源输出的改变而改变。在数分钟或数小时内发生可能会发生热循环，随着时间的推移，由于材料的疲劳其可能会导致机械应变以及增加IGBT故障率。

由于热循环，IGBT的寿命可能会降低。特别是在底板和开关键合线的热循环，与其他因素一起，导致设备疲劳。与高温和低温之间的微小变化相比，高温和低温之间的极端变化会更加降低IGBT的使用寿命。

之前尝试增加半导体内的疲劳公差是本领域公知的。例如，传统的方法包括改变半导体表面以延长该设备的使用寿命的变化。然而这种方法并不能防止裂纹扩展到临界尺寸，例如，这可能最终导致折断。

发明内容

鉴于上述提及的问题，需要一种通过减少由可再生能源发电的变化所导致的温度循环来延长半导体的寿命的系统和方法。该系统和方法可防止由于反复的温度循环所导致的裂缝形成。

在本技术中，为了保持IGBT的热损耗，防止其随着可再生能源发电的减少而成比例的下降，转换器可增加PWM开关(斩波)频率。转换器根据电流的大小反比例调节PWM开关频率。本领域技术人员应当理解PWM开关频率的无限变化是不切实际的。然而，大约为2到1(2∶1）的范围至10到1(10∶1)的范围则是可行的。

在一个方面，本技术公开了一种系统，其用于调节转换器中半导体部件的温度变化，包括(i)温度调节器，其包括与转换器内的至少一个半导体通信的至少一个调节部件，其中该温度调节器与该转换器内的至少一个半导体和功率源进行通信，以及(ii)与该转换器内的至少一个半导体进行通信的峰值检测器，其被配置为确定各半导体的最大温度。

该实施例，例如，有助于降低半导体中的温度变化。在一些示出的实施例中，峰值检测器可被配置以当半导体传导低电流时更准确地识别温度的变化。

在其他实施例中，控制器可以被配置以采用温度调节器来将半导体的最高温度改变至能够增加半导体使用寿命的温度。

在另一个方面，本技术公开了一种方法，其用于确定转换器中的半导体部件的温度变化，包括(i)通过温度调节器测量在位于半导体部件上的结点处的第一半导体温度，(ii)计算参考温度来确定当半导体传导高电流时的最高温度，以及当半导体传导低电流时的最低温度，(iii)将该第一半导体温度和参考温度进行求和，以产生第一温度总和，以及(iv)对该第一温度总和与冷却剂温度进行比较，以产生第一温度差。

在另一个方面，本技术公开了一种方法，其用于改变转换器中半导体部件的温度变化，包括(i)通过温度调节器测量在位于半导体部件上的结点处的第一半导体温度，(ii)采用峰值检测器来计算参考温度，该峰值检测器被配置为确定当半导体传导高电流时的最高温度，以及当半导体传导低电流时的最低温度，(iii)对该第一半导体温度和参考温度进行求和，(iv)将该第一温度总和与冷却剂温度进行比较，以产生第一温度差，以及(v)迭代该第一半导体温度以产生最终的半导体温度，其被配置为根据从功率源传输至该转换器的功率来调节该第一温度差。

本发明的其他特征和优点以及本发明不同实施例的结构和操作将在下文中参照附图详细进行描述。应当注意本发明不限于这里所描述的具体实施例。在这里给出的这些实施例仅是出于示例性目的。根据这里所包含的教导，另外的实施例对本领域技术人员将是显而易见的。

技术方案1：用于调节转换器中半导体部件的温度变化的系统，包括：

温度调节器，其包括与(i)转换器内至少一个半导体和(ii)功率源进行通信的至少一个调节部件，所述温度调节器包括被配置为采用PWM开关频率来最小化所述至少一个半导体中的热循环的控制器；以及峰值检测器，其与所述转换器内的所述至少一个半导体进行通信，并且被配置为当所述半导体传导高电流时识别各个半导体的最高温度。

技术方案2：如技术方案1所述的系统，其中所述至少一个调节部件被配置为调节所述至少一个半导体的最高温度。

技术方案3：如技术方案1所述的系统，其中所述温度调节器进一步包括被配置为最小化所述至少一个半导体中的热循环以降低传送至电网的温度变化的控制器。

技术方案4：如技术方案3所述的系统，其中所述控制器被配置为通过处理器执行计算机介质指令，所述计算机介质指令评估与所述温度调节器进行通信的所述半导体的温度。

技术方案5：如技术方案1所述的系统，其中所述峰值检测器包括足以达到所述半导体期望温度的放电时间。

技术方案6：如技术方案1所述的系统，其中所述峰值检测器进一步被配置为识别温度变化，所述温度变化作为当该半导体传导小电流时所述半导体的最高温度和所述半导体的最低温度之间的差被计算。

技术方案7：如技术方案6所述的系统，其中所述控制器被配置为采用温度调节器来将所述至少一个半导体的最高温度改变至增加所述半导体使用寿命的温度。

技术方案8：如技术方案6所述的系统，其中控制器计算所述转换器的PWM开关频率的修改。

技术方案9：如技术方案8所述的系统，其中所述修改有助于所述功率源至所述转换器的切换。

技术方案10：如技术方案1所述的系统，其中所述峰值检测器进一步被配置为识别温度变化，所述温度变化作为当所述半导体传导高电流时所述半导体的所述最高温度和所述半导体的最低温度之间的差被计算。

技术方案11：一种用于确定转换器内半导体部件的温度变化的方法，包括：

由包括处理器的温度调节器测量在位于该半导体部件上的结点处的第一半导体温度；

由该处理器采用峰值检测器来计算参考温度，该峰值检测器被配置为确定当该半导体传导高电流时的最高温度和当半导体传导低电流时的最低温度；

由该处理器对该第一半导体温度和该参考温度进行求和，以产生第一温度总和；

由该处理器比较该第一温度总和与冷却剂温度以产生第一温度差；以及

在系统内采用该温度调节器来调节PWM开关频率，以使得第一温度差根据由功率源传输至转换器的能量量而被调节。

技术方案12：技术方案11中的方法，其中进行计算的操作生成修改，该修改有助于采用该温度调节器根据功率源传输至转换器的功率来调节各半导体传导低电流的速率。

技术方案13：技术方案12中的方法，其中该修改通过该温度调节器与该发电机相通信，从而功率源可调节以改变传输至至少一个半导体的功率。

技术方案14：技术方案11中的方法，进一步包括：

在系统内调节该第一半导体温度以生成第二半导体温度；

由处理器将该第二半导体温度和该参考温度进行求和，以产生第二温度总和；

由处理器比较该第二温度总和与冷却剂温度以生成第二温度差；以及

在系统内采用温度调节器来调节PWM开关频率，以使得第一温度差根据功率源传输给转换器的能量量而被调节。

技术方案15：技术方案11中的方法，其中该PWM开关频率被该温度调节器中预定的事件所解除。

技术方案16：一种用于修改变换器内半导体部件的温度变化的方法，包括：

由该处理器比较该第一温度总和与冷却温度以产生第一温度差；

在系统内采用该温度调节器来调节PWM开关频率，以使得第一温度差根据从功率源传输至转换器的能量量而被调节；以及

由该处理器迭代该第一半导体温度以产生最终的半导体温度，其被配置成根据从功率源传输到该转换器的功率来调节该第一温度差。

技术方案17：技术方案16中的方法，其中进行计算的操作生成修改，该修改有助于采用该温度调节器根据该功率源传输至该转换器的功率来调节各半导体传导低电流的速率。

技术方案18：技术方案17中的方法，其中该修改使用该温度调节器与该发电机进行通信，从而功率源可调节以改变传输至至少一个半导体的功率。

技术方案19：技术方案18中的方法，进一步包括：

在该系统内调节该半导体传导低电流的速率以使得该第一温度差根据从该功率源传输至转换器的功率而被调节。

技术方案20：技术方案19中的方法，进一步包括：

在该系统内调节该半导体传导低电流的速率以使得该第二温度差根据从该功率源传输至转换器的功率而被调节。

附图说明

在此附图并入说明书并且形成说明书的一部分，其示出本发明并且与说明书一起进一步用来说明本发明的原理，以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明。

图1是示出了用于可变频率的示例性应用的方框图，其采用风电转换系统的形式。

图2是示出了图1的示例性应用中逆变器的原理图。

图3是表示在不同温度下运行的图2的半导体器件故障的平均时间图。

图4是图1的数据集成系统的控制器的方框图。

图5是示出了与图4的控制器相关联的方法的流程图。

图6是示出了用于可变频率的示例性应用的方框图，其采用太阳能转换系统的形式。

具体实施方式

虽然这里利用特定应用的说明性实施例来描述本发明，但是应当理解，本发明不限于此。得到本文中所提供的教导的本领域技术人员会意识到本发明范围内的另外的变型、应用和实施例以及本发明具有重要的效用的另外的领域。

除非另作定义，本文中使用的技术术语或者科学术语具有与本发明所属技术领域内普通技术人员所理解的通常意义相同的含义。本文中使用的术语“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的元件。同样的，术语“一个”或者“一”并不表示数量限制，而是表示存在至少一个相关的项。术语“或”的含义是包括，其表示包括任一、任意、多个或全部所列出的项。

本文中的“包括”、“包含”或者“具有”等类似的词语的使用意指包括在其后所列举出的项及其等同项以及其他项。术语“连接”或者“耦合”并非限定于物理的或者机械的连接或耦合，而是可以包括直接或间接的电性连接或耦合。术语“电路”和“控制器”可包括单一组件或者为主动部件和/或被动部件并且可选择的连接或以其他方式耦合在一起的多个部件，以提供所描述的功能。

图1描绘了以风力发电系统100为形式的示例性应用，其适合采用涡轮叶片102从风中捕获功率。系统100可包括连接到涡轮叶片102的涡轮转子104的齿轮箱110。齿轮箱110使得涡轮转子104的相对低的速度与发电机120的相对高的速度相适配。

发电机120(例如，感应发电机或同步发电机)将机械功率转换成电功率。例如，图1中所示的发电机120可为双馈感应发电机(DFIG)，其包括转子绕组130和定子绕组140。

在图1所示的实施例中，定子绕组140被连接到变压器115，其通过感应耦合导体将电力转换为适合于电网的电压电平。转子绕组130可通过转换器和逆变器模块(例如，转换器150)连接到电网，该转换器和逆变器模块使得机电频率去耦合(例如，能够进行变速操作)。

系统100的转换器和逆变器模块可包括两个三相转换器150。一个转换器150可被连接到转子绕组130，并且第二变换器150可由变压器115连接到电网。由定子绕组140产生的电压和由转子绕组130产生的电压的比率被称为SR比率，其可用于确定转换器150的定性因素，例如但不限于，转换器内的温度。

图2是变换器150的示例性配置，其包括一个或一个以上的半导体。转换器150可包括多个IGBT 152和功率二极管154。每个二极管154与对应的IGBT 152反向并联。每个IGBT152和二极管154被连接到正或负的DC线和具有键合线156的输出线I，II或III。从图2的示例性拓扑中可看出，输出线I，II和III可以输出三相电压v_I，v_II和v_III。用于在输出158处产生三相输出电流波形的IGBT 152输出电流的变化可能会导致功率损耗，其导致在IGBT 152处会产生更高的结温。这样的结温可能导致键合线156的机械应变和/或变形，从而缩短了转换器150的使用寿命。

由于极端高温或低温导致的累积损伤(C)基于热循环次数来确定半导体的故障，并可以由下列关系表示：

C = \frac{n_{1}}{N_{1}} + \frac{n_{2}}{N_{2}} + ... + \frac{n_{i}}{N_{i}},

其中n_i是在i^th应力水平下的周期(cycle)次数，Ni是在i^th应力水平下故障的周期次数。

图3是示出了半导体寿命曲线的图表，其中沿x轴示出半导体器件从ON到OFF的温度变化。沿y轴示出直到失败的周期次数。

如图3所示，约10℃的温度变化(ΔT)的降低从两个因素提高了半导体的使用寿命。例如，将ΔT从80℃改变至70℃，能够将寿命从100000周期次数提高到近200000周期次数。类似地，ΔT从70℃减小至60℃将寿命从约200000周期次数提高到了超过400000周期次数。

返回参照图1，为了有助于对转换器150内的ΔT进行调节，系统100可包括额外的部件，如峰值检测器170和温度调节器180，以控制转换器150的一个或多个操作。

峰值检测器170可被实现为二极管和电容的串联连接(未示出)以输出一个等于施加的交流(AC)信号的峰值的直流(DC)电压。交流电压源施加到峰值检测器170上以将电容充电至输入峰值。二极管导通正“半周期”，将电容充电到波峰。当输入波形低于存储在电容上的直流“峰值”时，二极管被反向偏置，从而阻止电流从电容返回到功率源。因此，即使波形降至零，电容仍然会保持在峰值。

峰值检测器170可以在多通道上近乎同时的执行自动检测。所测量的结果可以用于显示数据(例如，以图形形式的线段)或将数据传输到另一个程序以用于其它用途(例如，传输至另一个程序)。峰值检测器170还可以检测正向峰值(例如，最大波长高度)或负向峰值(例如，最小波高度)。将结合附图5在下面进一步的详细描述峰值检测器170。

温度调节器180减小转换器150中的温度变化。当功率源变小时，PWM开关频率的增加使得IGBT不会被冷却太多。

在一些实施例中，当涡轮机转子104的速度超过正常操作范围，附加调节部件，如风扇，加热器和泵(未示出)，与温度调节器180相协作，以允许冷却剂的温度上升。当功率源消失时，随着冷却剂的温度升高，PWM开关频率可被降低，并且转换器150内的IGBT桥可被关断。

在这种情况下，加热器可以被用于提高冷却剂的温度。可替代的，可调节泵的速度和/或可使用防冷凝系统的操作来提高冷却剂的温度。

在一些实施例中，一个或多个控制器可以操作温度调节器180和/或其他调节部件(例如，冷却风扇和/或加热器)，一个或多个控制器例如是将在下面联系图4进行描述的控制器400。

控制器400可包括处理器以监控电网侧转换器150的PWM开关频率。控制器400还包括存储器410。存储器410可以被配置用于存储多个类别的软件，固件和数据，包括应用程序420，数据库430，操作系统(OS)440和I/O设备驱动器450。

如本领域技术人员可以理解的，OS 440可以是数据处理系统所使用的任何操作系统。I/O设备驱动器450可以包括各种程序，其可通过应用程序420被OS 440访问从而与设备和某些存储器部件进行通信。

应用程序420作为可执行的指令存储在存储器410和/或固件(未示出)中，并且可以由处理器460来执行。

该应用程序420包括各种程序，例如迭代温度序列502，当由处理器460执行时，其处理温度调节器180中接收到的数据。

应用程序420可被施加于存储在数据库430的数据，如指定的参数，以及例如从I/O数据端口470接收到的数据。数据库430代表了由可驻留在存储器410的应用程序420，OS440，I/O设备驱动器450，以及其他软件程序所使用的静态和动态数据。

虽然存储器410被示为邻近处理器460设置，但应当理解的是，存储器410的至少一部分可以是远程访问的存储系统，例如，通信网络上的服务器。例如，通信网络可包括局域网络(LAN)，城域网(MAN)或广域网(WAN)。

应当理解的是，图4和以上描述意在提供对本公开的一些实施例的各个方面可以被实施的适当环境的简要概括性描述。虽然描述涉及计算机可读指令，本公开的实施例也可以由附加至计算机可读指令的或者替代计算机可读指令的其他程序模块的组合和/或硬件和软件的组合来实现。

图5是示出了由控制器400执行的示例型应用的流程图。该应用可被配置为执行迭代温度序列502，到IGBT 152(见图2)的温度是否位于预定的温度范围内。如果IGBT 152处于预定的温度范围内，迭代温度序列502重复。但是，如果IGBT 152不在预定温度范围内时，转换器150的PWM开关频率被改变。

应该理解的是，虽然应用程序以PWM开关频率来进行讨论。然而，可以预期的是，该应用可能使用另一种类型的开关频率(例如，产生由负荷感知的平滑的最终波形的开关频率)来执行。

还应当理解的是，应用的步骤并不一定要以任何特定次序来呈现，并且以替代的顺序来执行某些步骤或者全部步骤也是可能的并且也是可预期的。

该软件可以通过端口由控制器400通信“接合响应模式”指令消息而接合，其发送初始请求以测量转换器150内的IGBT 152的起始温度，如在迭代温度序列502中所描述的。

当在步骤510控制器400检测转换器内一个或多个IGBT 152的起始温度T₁时，序列502开始。IGBT的起始温度可通过任何已知的检测装置来测量，检测装置例如但不限于，温度计和计量器。

在步骤515，序列502继续，控制器400确定参考温度T_ref，其为IGBT温度的期望值。

在一个实施例中，T_ref可采用峰值检测器170测得。峰值检测器170可被配置以确定当IGBT 152传导高电流时的最高温度以及当IGBT 152传导小电流时的最低温度。峰值检测器170可包括一个平缓的电容放电率，其也被称为缓慢衰变。另外，转换器150在轻负载下长时间的运行也可引起缓慢衰变。放电率包括足以达到期望温度的放电时间。由于IGBT 152的加热是变换器负载的副产品，T_ref可为由转换器150的运行所产生的最大或最小(峰值)温度点。

迭代温度序列502将步骤510的起始温度T₁与步骤515确定的T_ref进行求和，以在步骤520产生温度总和T_sum。例如，在该初始温度序列期间，该温度总和可被表示为：

T_sum＝T₁+T_ref

其中T₁是起始温度。在随后的序列迭代中，温度总和可被表示为：

T_sum＝T_2....N+T_ref

其中T₂是迭代序列502中IGBT 152的第一调节温度，并且T_n是与PWM开关频率的n^th次迭代相关联的温度。

在步骤525计算T_sum和冷却剂温度(T_coolant)之间的温度差(ΔT)。在步骤530，同样在迭代温度序列502中来确定ΔT是否处于预定范围内。该预定范围是如上所述的使得IGBT152的使用寿命将降低其由于温度相关故障所导致的故障的范围。例如，ΔT的值可以是10℃。

当ΔT处于预定范围内时(例如，路径532)，控制器400可返回到步骤510，其检测IGBT 152的温度。当ΔT不在预定范围内时(例如，路径534)，控制器400可以在步骤540中修改转换器150内各IGBT 152的PWM开关频率。

该PWM开关频率可以在系统100内进行改变，直到关闭事件发生。该关闭事件可以是预定的停止IGBT 152的PWM开关频率的任何事件。例如，经过预定的时间。当一个关闭事件发生时，控制器400将检测PWM开关频率的修改对IGBT 152的温度的影响。具体地，在步骤510检测调节后的温度T₂。

控制器400可以改变PWM开关频率和迭代序列直到ΔT处于预定范围内。例如，控制器400可以包括多达“n”次的迭代。

图6中所示出的例如为太阳能发电系统101的可再生能源的替代形式，可以利用所公开的本发明的多个实施例。在这些实施例中，太阳能通过使用与该转换器150连接的电池190转换成电能。

系统101可以另外包括充电控制器195，以调节输送给电池190或从电池190中汲取的电流的速率，以及AC和/或DC隔离设备(未示出)。隔离设备允许在例如电气故障或设备维修的情况下将太阳能功率源(例如，太阳能电池板)断开。

应理解详细描述部分，而非发明内容或摘要部分，其被用于意图阐释权利要求书。发明内容和摘要部分可能描述了一个或多个，但不是全部，由发明人构思的本发明的示例性实施例，由此，不能以任何形式来意图限制本发明和附带的权利要求。

Claims

1.用于调节转换器中半导体部件的温度变化的系统，包括：

温度调节器，其包括与(i)转换器内至少一个半导体和(ii)功率源进行通信的至少一个调节部件，所述温度调节器包括被配置为采用PWM开关频率来最小化所述至少一个半导体中的热循环的控制器；以及

峰值检则器，其与所述转换器内的所述至少一个半导体进行通信，并且被配置为当所述半导体传导高电流时识别各个半导体的最高温度。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个调节部件被配置为调节所述至少一个半导体的最高温度。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述温度调节器进一步包括被配置为最小化所述至少一个半导体中的热循环以降低传送至电网的温度变化的控制器。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述控制器被配置为通过处理器执行计算机介质指令，所述计算机介质指令评估与所述温度调节器进行通信的所述半导体的温度。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述峰值检测器包括足以达到所述半导体期望温度的放电时间。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述峰值检测器进一步被配置为识别温度变化，所述温度变化作为当该半导体传导小电流时所述半导体的最高温度和所述半导体的最低温度之间的差被计算。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述控制器被配置为采用温度调节器来将所述至少一个半导体的最高温度改变至增加所述半导体使用寿命的温度。

8.如权利要求6所述的系统，其中控制器计算所述转换器的PWM开关频率的修改。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述修改有助于所述功率源至所述转换器的切换。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述峰值检测器进一步被配置为识别温度变化，所述温度变化作为当所述半导体传导高电流时所述半导体的所述最高温度和所述半导体的最低温度之间的差被计算。