CN109842274B

CN109842274B - 电力变换系统

Info

Publication number: CN109842274B
Application number: CN201811408102.1A
Authority: CN
Inventors: 后藤晶子
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2038-11-23
Also published as: DE102018212472A1; US20190165664A1; JP6848832B2; US10305364B1; JP2019103158A; CN109842274A

Abstract

本发明涉及电力变换系统。减少流过并联连接的多个功率模块的电流的波动。多个校正部(9、10)分别基于多个校正值对向多个驱动电路(7、8)输入的输入信号进行校正。温度检测部(3)对多个功率模块(1、2)的动作温度进行测定。运算部(12)基于测定出的动作温度和多个功率模块的通断特性的温度依赖性对多个功率模块(1、2)的当前的通断特性进行推定，基于推定出的当前的通断特性，对多个校正值进行运算，以减少流过多个功率模块(1、2)的电流的波动。

Description

电力变换系统

技术领域

本发明涉及能够减少流过并联连接的多个功率模块的电流的波动的电力变换系统。

背景技术

在逆变器设备等电力变换系统中，通过将搭载了IGBT或MOSFET等开关元件的多个功率模块并联连接而进行通断动作，从而得到所需的输出容量。已知如果由于多个功率模块的特性波动而导致电流分担不均衡，则除了系统的动作不良或对特性造成影响之外，还引起与电流集中相伴的温度上升或故障、装置寿命下降。提出了下述方法，即，基于根据试验结果而创建的开关元件的电特性信息，调整并联连接的多个开关元件进行接通/断开(ON/OFF)的定时(timing)(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2009－225531号公报

但是，并联连接的功率模块的通断特性并非仅由各开关元件的特性决定。例如，由于冷却系统之上的功率模块的配置的影响而产生温度波动，因此，存在在实际使用中产生流过多个功率模块的电流的波动，通断特性不一致的问题。

发明内容

本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于，得到能够减少流过并联连接的多个功率模块的电流的波动的电力变换系统。

本发明涉及的电力变换系统，其特征在于，具备：并联连接的多个功率模块；多个驱动电路，它们分别基于输入信号对所述多个功率模块进行驱动；多个校正部，它们分别基于多个校正值对向所述多个驱动电路输入的所述输入信号进行校正；温度检测部，其对所述多个功率模块的动作温度进行测定；以及运算部，其基于测定出的所述动作温度和所述多个功率模块的通断特性的温度依赖性，对所述多个功率模块的当前的通断特性进行推定，基于推定出的所述当前的通断特性，对所述多个校正值进行运算，以减少流过所述多个功率模块的电流的波动。

发明的效果

在本发明中，基于测定出的动作温度和通断特性的温度依赖性对多个功率模块的当前的通断特性进行推定，基于推定出的当前的通断特性，对多个校正值进行运算，以减少流过多个功率模块的电流的波动。并且，分别基于多个校正值对向多个驱动电路输入的输入信号进行校正。由此，能够减少流过并联连接的多个功率模块的电流的波动。

附图说明

图1是表示实施方式1涉及的电力变换系统的图。

图2是表示基于输入信号V_IN所驱动的开关元件的集电极电流Ic以及集电极-发射极间电压Vce的图。

图3是表示通断特性的推定方法的图。

图4是表示2个功率模块的ON的定时不一致的情况下的通电电流的图。

图5是表示使2个功率模块的ON的定时一致的情况下的通电电流的图。

图6是表示实施方式2涉及的电力变换系统的图。

图7是表示实施方式3涉及的电力变换系统的图。

标号的说明

1、2功率模块，3温度检测部，7、8驱动电路，9、10校正部，11、13记录部，12运算部，SW1、SW2开关元件

具体实施方式

参照附图，对实施方式涉及的电力变换系统进行说明。对相同或对应的结构要素，标注相同标号，有时省略重复说明。

实施方式1.

图1是表示实施方式1涉及的电力变换系统的图。并联连接的多个功率模块1、2作为同一相进行动作。各功率模块1、2是具有IGBT或MOSFET等2个开关元件SW1、SW2的半桥电路。续流二极管D1、D2分别与开关元件SW1、SW2逆并联连接。

在各功率模块1、2设置温度检测部3，该温度检测部3将相应的功率模块的动作温度输出。温度检测部3是例如在电流路径或开关元件SW1、SW2的附近设置的热敏电阻等、在开关元件SW1、SW2之上设置的温度感应二极管等。

控制部4对功率模块1、2的开关元件SW1进行控制，控制部5对功率模块1、2的开关元件SW2进行控制。下面对控制部4的结构进行说明，但控制部5的结构也是相同的。在控制部4中，CPU等输入信号生成部6生成输入信号。多个驱动电路7、8分别基于输入信号对多个功率模块1、2的开关元件SW1进行驱动。

图2是表示基于输入信号V_IN所驱动的开关元件的集电极电流Ic以及集电极-发射极间电压Vce的图。tr是升高时间，也称为上升时间，是指例如在将ON状态的通电电流设为100％时，通电电流从其10％增加至90％为止的时间。tf是降低时间，也称为下降时间，是指例如通电电流从90％减少至10％为止的时间。tc(on)是导通所耗费的时间，是指例如在将ON状态的通电电流设为100％、将OFF状态的施加电压设为100％时，从通电电流增加至10％到施加电压减少至10％为止所耗费的时间。tc(off)是截止所耗费的时间，是指例如从施加电压增加至10％到通电电流减少至10％为止所耗费的时间。td(on)是导通延迟时间，是指例如从输入信号成为ON状态到流过的通电电流成为10％为止所耗费的时间。td(off)是截止延迟时间，是指例如从输入信号成为OFF状态到通电电流减少至90

％为止所耗费的时间。ton是td(on)和tr的合计值。toff是td(off)和tf的合计值。

多个校正部9、10分别基于多个校正值对向多个驱动电路7、8输入的输入信号进行校正。校正部9、10是与校正值对应地使输入信号延迟或提前的延迟电路等。

记录部11将实施了出厂检查的多个功率模块1、2的通断特性的检查结果和该检查时的动作温度即检查温度，作为出厂检查结果进行记录。另外，将汇集了通断特性和动作温度的相关性而得到的矩阵(matrix)数据作为运算表而记录于记录部11。此外，运算表能够使用由功率模块厂家提供的登记有动作温度和通电电流的代表性的通断特性信息来创建。不限于此，也可以在实际的电力变换系统搭载功率模块，对在所设想的动作温度、施加电压、通电电流的范围内的实际使用中的通断特性的温度依赖性进行确认，基于确认出的结果来创建运算表。

作为出厂检查，通常是在DC通电试验(静态特性评价)、绝缘试验、L负载半桥电路时的单发或多发脉冲通电下的通断试验等。所检查的通断特性是tr、tf、tc(on)、tc(off)、td(on)、td(off)、ton、toff中的至少1个。对于功率模块，通过标记批号、流水号等识别编号而与出厂检查结果的数个值一对一地关联而出厂。

运算部12基于出厂检查结果对多个功率模块1、2的通断特性的温度依赖性进行推定，基于测定出的动作温度和推定出的通断特性的温度依赖性对多个功率模块1、2的当前的通断特性进行推定。此外，由于功率模块1、2的通断特性的温度依赖性是功率模块固有的，是不变的，因此，也可以将它们保存至记录部11而缩短运算时间。

图3是表示通断特性的推定方法的图。如果功率模块1的通断特性具有第1温度依赖性，功率模块1的动作温度为T1，则功率模块1的当前的通断特性被推定为升高时间tr1。相同地，如果功率模块2的通断特性具有第2温度依赖性，功率模块2的动作温度为T2，则功率模块2的当前的通断特性被推定为升高时间tr2。

图4是表示2个功率模块的ON的定时不一致的情况下的通电电流的图。虽然向2个功率模块共通地输入输入信号V_IN，但由于两者的升高时间tr1、tr2不同，所以ON的定时不一致。在该情况下，通电电流过渡性地集中流过先启动的功率模块。然后，如果另一个功率模块启动，则与两者的栅极的打开情况、外部配线或内部配线的电感成分、两者的电容成分等对应地，向2个功率模块分配通电电流。此时，di/dt以及dv/dt变动。另外，因过渡性的电流集中而产生比设想大的通断损耗，通过这种情况的反复出现，有可能发生功率模块的温度上升以及寿命的极端降低。

因此，运算部12基于推定出的当前的通断特性，对多个校正值进行运算，以使得多个功率模块1、2的通断的ON/OFF的定时一致，减少流过多个功率模块1、2的电流的波动。在这里，将推定出的功率模块1、2的升高时间的差Δt作为校正值而使用。

图5是表示使2个功率模块的ON的定时一致的情况下的通电电流的图。对向2个功率模块分别输入的输入信号V_IN1、V_IN2的延迟量进行调整而使ON的定时一致。在2个功率模块这两者成为ON的稳定状态之后，以使得两者通电时的电压降恒定的方式对通电电流进行分配。由此，通电电流不会集中于一个功率模块，因此能够防止通断损耗的增大和与此相伴的开关元件的温度上升以及寿命的极端降低。另外，由于抑制了通电电流的过度的集中，所以元件温度的波动也变小，作为结果，di/dt以及dv/dt的波动也变小。

在运算部12为计时器型的情况下，以固定期间为单位再次读入温度信息而重新对校正值进行运算。在运算部12为事件型的情况下，在从上次运算时起动作温度上升或下降了一定量例如5℃的定时，重新对校正值进行运算。由于重新运算出的校正值需要在OFF状态或通电电流为0A等状况下应用，因此，进行下述处理，即，与下一个或任意的输入信号的施加相匹配，将此前保存的旧的校正值废弃而变更为新的校正值。另外，在某个动作温度下对各功率模块的通断特性进行推定而求出校正值的情况下，也可以将该校正值保存一定时间，简易地持续对PWM(Pulse Width Modulation)信号等输入信号进行校正。由此，能够在不增高运算负载的状态下对实际使用中的通断特性进行反馈。

如以上的说明所示，在本实施方式中，基于测定出的动作温度和通断特性的温度依赖性对多个功率模块1、2的当前的通断特性进行推定，基于推定出的当前的通断特性，对多个校正值进行运算，以减少流过多个功率模块1、2的电流的波动。并且，分别基于多个校正值对向多个驱动电路7、8输入的多个输入信号进行校正。由此，能够减少流过并联连接的多个功率模块1、2的电流的波动。

通断特性根据动作温度、施加电压、通电电流、电路条件等而变动。但是，通常与由施加电压以及通电电流引起的变动相比，由主电极或信号配线的绕引等电路条件以及温度引起的变动更大。因此，在如逆变器这样施加电压以及通电电流的范围已确定的电力变换系统的情况下，能够基于测定出的动作温度和通断特性的温度依赖性来推定功率模块的当前的通断特性。

如果将相对于通电电流或施加电压变动大的通断特性作为出厂检查结果，则存在下述担心，即，在例如启动时或高负载时等通电电流或施加电压大幅度变动的情况下，校正的精度下降。因此，优选通断特性是tr、tf、tc(on)、tc(off)、td(on)、td(off)、ton、toff中的至少1个。由于上述通断时间的由电流、电压引起的变动小，所以能够通过简易的运算更准确地对通断的定时进行校正，改善电流不均衡。此外，虽然通常通断时间的电流依赖性小，但电流依赖性根据IGBT或MOSFET等开关元件的构造、Si或SiC等材料而不同。因此，需要与该特性相匹配地选择出厂检查结果。在搭载了例如Si材料的IGBT的功率模块中，通常td(on)、td(off)、ton、toff等的电流依赖性小，适于作为出厂检查结果。另外，在向功率模块搭载驱动电路的情况下，由于td(on)、td(off)、ton、toff包含驱动电路的延迟时间，所以具有下述优点，即，能够将该特性波动考虑在内而进行校正。

运算部12由执行存储于存储器的程序的CPU、系统LSI等处理电路而实现。另外，也可以是多个处理电路协作而执行上述功能。虽然也可以使用运算部12以软件的方式对输入信号进行校正，但利用校正部9、10以硬件的方式对输入信号进行校正更能够减少运算部12的负载以及输出引脚数量。

由于功率模块1、2内的开关元件SW1、SW2的配置、并联连接的功率模块1、2彼此的配置、相对于电源或电解电容器等直流电压源的位置、主配线或信号配线等外部配线的长度或绕引等的影响，而产生通电电流的波动。并且，由于由冷却系统之上的功率模块的配置引起的温度波动的影响，而使通断特性产生波动。在这样的情况下，期望改善开关元件或功率模块的配置、信号配线的绕引等。但是，有时由于装置限制而无法均等地配置。因此，优选通过电力变换系统的初始产品评价等来确认由于开关元件或功率模块的配置、配线的绕引等而对通断特性的影响，反映至运算表。通过将该影响向基于动作温度和出厂检查结果而推定出的各功率模块的特性进行叠加，从而能够更准确地计算出各功率模块的校正值。

在例如将具有6个开关元件的2个功率模块并联连接而构成三相逆变器电路的情况下，在使用共通的运算表计算出各相的开关元件的校正值之后，根据相对于主电极的位置和信号配线的绕引等电路条件而实施校正。因此，即便出厂检查结果和动作温度相同，有时校正值在各相间变化。

作为功率模块1、2，也可以使用装入1个元件或装入6个元件的功率模块、单相逆变器或三相逆变器电路等功率模块。也可以设置过热保护、短路保护、电源低电压保护等保护电路。另外，虽然独立于运算部12而设置了输入信号生成部6，但也可以使用运算部12和记录部11以软件的方式对输入信号进行激励。虽然针对每个开关元件而连接有驱动电路，但也可以使用例如LVIC等驱动电路对1个功率模块内的多个开关元件进行通断，或通过共通的驱动电路对多个功率模块1、2进行通断。也可以使用HVIC等驱动电路对输入信号进行电平移位，通过共通的驱动电路对同一相的P侧(高电位侧)和N侧(低电位侧)、或P侧全部相等多个相进行通断。

实施方式2.

图6是表示实施方式2涉及的电力变换系统的图。在本实施方式中，在功率模块1、2分别设置有记录部13。在记录部13中记录有相应的功率模块的出厂检查结果。由此，能够简单且可靠地以一对一的方式对功率模块和其出厂检查结果进行对应。控制部4在初次启动时或每次启动时从功率模块1、2读入出厂检查结果，记录至记录部11。由于不需要在组装电力变换系统时将各功率模块1、2的出厂检查结果输入至控制部4的记录部11，因此，能够简化产品组装工序。另外，也可以在电力变换系统出厂之后，在设置场所作为现场维护而进行功率模块的更换或变更。在该情况下，只要在维护之后进行重置、重新读入即可。此外，在初次启动时由控制部4的记录部11保存出厂检查结果的情况下，只要在现场维护之后进行重置、重新读入即可。

实施方式3.

图7是表示实施方式3涉及的电力变换系统的图。在本实施方式中，在功率模块1不仅设置有记录部13，还设置有HVIC、LVIC等驱动电路7以及校正部9。相同地在功率模块2设置有驱动电路8以及校正部10。在记录部13不仅记录有出厂检查结果，还记录有运算出的校正值。

在通断变为OFF的定时，驱动电路7每次都从记录部13读取校正值或每数次从记录部13读取一次校正值。驱动电路7与该校正值对应地选择校正部9的延迟电路，校正部9对特定的相或全部的相的输入信号进行校正。此外，也可以按照来自控制部4的运算部12的指示，在改写了校正值的定时或输入信号为三相都成为OFF的定时，读取校正值。

如上所述，通过在功率模块1、2的内部对输入信号进行校正，从而使得施加至功率模块1、2的输入信号是共通的。因此，控制部4内的配线的绕引变得简单，因此，作为控制部4能够使用设计简单且廉价的配线基板以及信号配线。

此外，也可以在功率器件内设置对校正部9的延迟电路进行选择的控制电路。在由于温度条件变更等而对校正值进行变更的情况下，只要向记录部13的相同地址覆盖新的校正值即可。可以从功率模块1、2的外部的控制部4等的微型计算机、CPU、DSP等运算部，向记录部13读入、写入。也可以在驱动电路7之中搭载校正部9和记录部13中的至少1个，由此能够提高精度、减少传送延迟时间。

校正部9不限于是以硬件的方式对输入信号进行校正的延迟电路，也可以是以软件的方式对输入信号进行校正的微型计算机。在以软件的方式对输入信号进行校正的情况下，在实施方式1、2中，针对每个功率模块1、2计算、输出校正后的输入信号，因此，微型计算机的输出数量与并联数量对应地增加。另一方面，在实施方式3中，由于向功率模块1、2施加的输入信号是共通的，因此，不需要增加微型计算机等的输出数量。在例如对2个装入有6个元件的功率器件进行并联驱动的三相PWM控制方式的情况下，对于微型计算机的输出数量，在实施方式1、2中需要6个元件×2＝12个引脚，但在实施方式3中为6个引脚即可。因此，基板配线的设计变得简单，能够使用更廉价的PCB基板。

不限于针对每个开关元件SW1、SW2而连接记录部13和驱动电路7的结构，也可以设为下述结构，即，向多个开关元件或多个相连接共通的记录部和驱动电路。另外，也可以设为下述结构，即，通过HVIC等驱动电路对输入信号进行电平移位，对同一相的P侧(高电位侧)和N侧(低电位侧)、或P侧全部相等多个相，通过共通的存储器和驱动电路进行通断。

此外，开关元件SW1、SW2不限于由硅形成，也可以由与硅相比带隙更大的宽带隙半导体形成。宽带隙半导体例如是碳化硅、氮化镓类材料或金刚石。由这样的宽带隙半导体形成的元件，由于耐电压性、容许电流密度高，所以能够小型化。通过使用该实现了小型化的元件，从而能够使组装有该元件的电力变换系统也小型化、高集成化。另外，由于元件的耐热性高，所以能够使散热器的散热鳍片小型化，能够将水冷部空冷化，因此能够进一步将电力变换系统小型化。另外，由于元件的电力损耗低且高效，因此能够使电力变换系统高效化。

另外，如果驱动功率模块，则产生导通损耗和通断损耗，温度上升。如果温度升高，则电阻增高、电流的流动变得困难，因此，并联连接的多个功率模块的电流不均衡有改善倾向。另一方面，搭载了碳化硅开关元件的功率模块与硅的情况相比，导通损耗和通断损耗特别低。在例如使用了相同额定电流的功率模块的逆变器动作中，在使用了碳化硅开关元件的情况下，损耗与硅的情况相比为3成左右，温度上升与硅的情况相比变低。因此，在使用了碳化硅开关元件的情况下，无法期待由温度带来的电流不均衡的改善，因此，需要如本实施方式所示减少流过多个功率模块的电流的波动。

另外，有时温度越升高开关元件的电阻越降低，电流变得容易流动。在该情况下，容易引起电流集中，也无法期待通过温度上升而带来的改善，因此，需要如本实施方式所示减少流过多个功率模块的电流的波动。

另外，使用了新材料和构造的碳化硅开关元件与硅开关元件相比，晶片等部件的品质稳定性、制造限制、芯片构造等技术以及技术诀窍的积累还不充分。因此，担心稳态特性或通断特性的波动。根据本实施方式，只要对通断特性的波动进行校正，就能够缓和功率模块的产品规格，有助于制造成品率的提高和稳定的生产，能够提供、使用更廉价的碳化硅功率模块。

Claims

1.一种电力变换系统，其特征在于，具备：

并联连接的多个功率模块；

多个驱动电路，它们分别基于输入信号对所述多个功率模块进行驱动；

多个校正部，它们分别基于多个校正值对向所述多个驱动电路输入的所述输入信号进行校正；

温度检测部，其对所述多个功率模块的动作温度进行测定；以及

运算部，其基于测定出的所述动作温度和所述多个功率模块的通断特性的温度依赖性，对所述多个功率模块的当前的通断特性进行推定，基于推定出的所述当前的通断特性，对所述多个校正值进行运算，以减少流过所述多个功率模块的电流的波动，

所述通断特性是升高时间、降低时间、导通所耗费的时间、截止所耗费的时间、导通延迟时间、截止延迟时间、导通延迟时间和升高时间的合计值、截止延迟时间和降低时间的合计值中的至少1个。

2.一种电力变换系统，其特征在于，具备：

并联连接的多个功率模块；

温度检测部，其对所述多个功率模块的动作温度进行测定；

运算部，其基于测定出的所述动作温度和所述多个功率模块的通断特性的温度依赖性，对所述多个功率模块的当前的通断特性进行推定，基于推定出的所述当前的通断特性，对所述多个校正值进行运算，以减少流过所述多个功率模块的电流的波动；以及

记录部，其将所述多个功率模块的通断特性的检查结果和检查温度作为出厂检查结果进行记录，

所述运算部基于所述出厂检查结果对所述多个功率模块的通断特性的温度依赖性进行推定。

3.根据权利要求2所述的电力变换系统，其特征在于，

所述记录部具有多个记录部，该多个记录部分别设置于所述多个功率模块，记录有相应的功率模块的所述出厂检查结果。

4.根据权利要求3所述的电力变换系统，其特征在于，

所述多个驱动电路以及所述多个校正部分别设置于所述多个功率模块，

在所述多个记录部分别记录有运算出的所述多个校正值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电力变换系统，其特征在于，

所述多个功率模块具有分别由宽带隙半导体形成的多个开关元件。