CN110729875B - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力转换装置，即使包括多个具有功率组件的单元，也能够使多个单元的有效寿命均匀。求出功率组件的温度与周围温度的差，以多个单元中的第一单元的功率组件的流动电流与差相应地减少的方式控制该第一单元的驱动电路，以上述多个单元中的第二单元的功率组件的流动电流与差相应地增加的方式控制该第二单元的驱动电路。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及即使包括多个具有功率组件的单元、也使多个单元的有效寿命均匀的电力转换装置。
背景技术
电力转换装置多用于UPS(Uninterruptible Power-supply System：不间断电源装置)、PCS(Power Conditioning System：功率调整系统)、AC驱动器等工业用电力转换装置、混合动力车、电动车等车载用电力转换装置、以及家电用电力转换装置。
而且，作为电力转换装置，已知由对于安装了作为电力转换用功率器件的MOSFET和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的功率组件、组合了功率器件的驱动电路的单元构成的电力转换装置。
这种电力转换装置中要求长寿命化，例如，在专利文献1中，公开了为了使并联工作的多个晶体管等开关元件的有效寿命均匀，而基于多个晶体管的平均温度与各个晶体管的测定温度的温度差，以使各晶体管热平衡的方式控制通电电流的电力转换装置。
进而，随着电力转换装置的长寿命化，在专利文献2中，公开了为了正确地评价构成电力转换装置的逆变器、转换器的开关元件的劣化度，而求出开关元件的构成部件之间的热阻并评价构成部件的劣化度，根据与温度、热阻的关系判断劣化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-159712号公报
专利文献2：日本特开2009-225541号公报
发明内容
发明要解决的课题
因为组合多个具备功率组件的单元，即使使电力转换装置大容量化，也存在如果单元的一部分的功率组件劣化则必须更换单元本身的课题。于是，要求在多个单元之间以使功率组件的热疲劳均等地进展的方式来使电力转换装置工作，但这并不容易，以往并未进行。
本发明目的在于提供一种即使具备多个具备功率组件的单元、也使多个单元的有效寿命均匀的电力转换装置。
解决课题的技术这群
为了达成上述目的，一种将多个具有功率组件的单元并联连接而成的电力转换装置，其特征在于，所述多个单元各自包括：用于检测所述功率组件的温度的第一温度传感器；用于检测周围温度的第二温度传感器；所述功率组件的驱动电路；驱动电路，其通过对所述功率组件的栅极提供调整后的电压来控制在该功率组件中流动的电流；和控制电路，其基于所述第一温度传感器的输出信号和所述第二温度传感器的输出信号来控制所述驱动电路，所述控制电路，对所述多个单元分别求取所述功率组件的温度与所述周围温度的差，以使得所述多个单元中的第一单元的功率组件的流动电流与该差值相应地减少的方式控制该第一单元的驱动电路，以所述多个单元中的第二单元的功率组件的流动电流与该差值相应地增加的方式控制该第二单元的驱动电路。
发明效果
根据本发明，即使具备多个具备功率组件的单元，也能够使多个单元的有效寿命均匀，由此能够提高电力转换装置的性能。
附图说明
图1是本发明的电力转换装置中应用的功率组件的实施方式的电路图的一例。
图2是对图1的功率组件从上方俯瞰的立体图。
图3是图2的A-A＇截面图。
图4是单元(电力转换单元)的示意图的一例。
图5是对电力转换单元的安装品从斜上方俯瞰的立体图。
图6是电力转换单元的框图的一例。
图7是电力转换装置的框图的一例。
图8是控制电路的功能模块图的一例。
图9是控制电路的动作流程图的一例。
图10是对功率组件进行电流控制用的管理表的一例。
图11是功率组件的栅极电压调整前后的功率组件的特性变化的曲线图。
具体实施方式
接着，对于本发明的实施方式进行说明。图1是安装多个功率器件的、用作逆变器的功率组件的电路图的一例，图2是对功率组件从上方俯瞰的立体图，图3是图2的A-A＇截面图。
图1中，功率组件100在上下具有将作为功率器件的IGBT102与二极管104反向平行地电连接的臂。上臂106的发射极电极122与下臂108的集电极电极124在功率组件内部电连接。
并且，对于上臂的集电极电极126、下臂的发射极电极128、和上臂的发射极电极122(下臂的集电极电极124)，通过以能够与功率组件外部连接的方式用铜条等引出，而分别形成P端子(正极端子)110、N端子(负极端子)114、AC端子(中间电源端子)112。对于IGBT的栅极电极130，也用铜条等引出，形成能够输入来自驱动电路的驱动信号的栅极信号端子120。
进而，功率组件100具备监视功率组件内的温度的热敏电阻等温度传感器116。对于温度传感器116以能够与功率组件外部连接的方式用铜条等引出，形成温度信号端子118。
如图2所示，在矩形底板200上形成功率器件，对其用封装外壳202包覆或密封。在封装外壳202的平面上，P端子(正极端子)110、N端子(负极端子)114、AC端子(中间电源端子)112露出。另外，省略了栅极信号端子和温度信号端子的图示。
如图3所示，在底板200上叠层有绝缘基板302。然后，在绝缘基板302上形成有配线图案300，在配线图案上形成有上臂106和下臂108。304是将配线图案与上臂106的电极连接的金属线，306是将配线图案与下臂108的电极连接的金属线。温度传感器116载置在底板200上，监视封装外壳202内的温度。
图4表示在桥梁状的散热器400的平面402上、并联连接了多个功率组件100U、100V、100W的单元(电力转换单元)410的示意图。图4是对电力转换单元从斜上方俯瞰的立体图。在散热器400的平面402的一部分上，设置有检测散热器400的温度的温度传感器406。
从散热器400的底面起，多个散热用的翅片404垂直地突出。散热器400的温度相对于功率组件的温度(温度传感器116)，是周围温度，散热器400的温度(温度传感器406)与功率组件100的温度(温度传感器116)的差值是功率组件100的上升温度、即温度负荷。
通过对功率组件的外壳内温度与周围温度进行比较，能够准确地评价功率组件100的实际温度上升量。
图5是对电力转换单元410的安装品从斜上方俯瞰的立体图。从电力转换单元410输出三相交流，附图标记508U是功率组件100U的U相交流的输出部，附图标记508V是功率组件100V的V相交流的输出部，附图标记508W是功率组件100W的W相交流的输出部。
附图标记506表示对多个功率组件输出栅极信号的驱动电路。驱动电路506经由驱动信号传递配线510U对功率组件100U、经由驱动信号传递配线510V对功率组件100V、经由驱动信号传递配线510W对功率组件100W分别输出栅极信号。
驱动电路506与转换单元外的控制电路经由配线502连接。附图标记500是主电路用配线，在其侧端具备P端子用的端子520和N端子用的端子522。附图标记504是使从转换器输出的直流电压平滑化的电容器。从散热器的温度传感器406输出的温度检测信号、以及从功率组件100U、100V、100W各自的温度传感器116输出的温度检测信号经由驱动电路506对电力转换单元外的控制电路输出。
图6是电力转换单元410的框图的一例。如上所述，电力变化单元具备3个功率组件，3个功率组件100U、100V、100W分别发挥负责U相、V相、W相的三相逆变器的功能。驱动电路506具备栅极电压调整电路600和温度检测电路602。栅极电压调整电路600基于来自上级电路(控制电路610)的控制信号对功率组件100U、100V、100W分别提供驱动信号，功率组件100U、100V、100W分别使从P极110和N极114输入的直流电功率通过UVW相而转换为三相交流电功率。
进而，温度检测电路602从功率组件100U、100V、100W各自的温度信号端子118接收温度检测信号，将其对控制电路610输出。散热器400的温度传感器406的输出也被供给至温度检测电路602。
作为温度检测电路602，通过利用驱动电路506的剩余区域，不需要新设置温度检测用的电路。
图7表示电力转换装置700的框图的一例。电力转换装置700将多个电力转换单元(第一电力转换单元410)、第二电力转换单元4102、……第n电力转换单元410n并联连接。电力转换装置700通过使各电力转换单元的同相的交流电功率在连接点702合成，能够输出大容量化的三相交流电功率。
此处，对于功率组件的热劣化进行说明。随着功率器件的动作，功率器件反复高温状态和低温状态时，功率组件被施加热循环而使功率组件劣化。构成功率组件的多个层分别由热膨胀系数彼此不同的多种材料、例如铜配线、焊锡、硅芯片、树脂等绝缘部件、铝等金属外壳等构成，所以因热膨胀、热收缩反复进行而引起的热应力的发生，而在焊锡中产生裂纹、或绝缘层的剥离等物理故障，功率组件的绝缘特性、散热特性(也可以称为热阻特性)降低或劣化。
将对底板200(图3)与绝缘层302之间的焊锡层施加的热疲劳称为热循环疲劳，将对功率器件106、108与配线300之间施加的热疲劳称为功率循环疲劳。
功率器件的品质和输出责任，因为功率器件的制造上的误差等初期原因、和功率器件的周围温度等设置环境的不均等而不是均匀的。电流在特定的功率器件中集中时，具备该功率器件的功率组件的热疲劳进展，进而使具备该功率组件的特定的电力转换单元的寿命降低。
将使输出电力容量标准化的电力转换单元并联连接而进行大容量化的电力转换装置(图7)中，多个电力转换单元各自的寿命存在不均时，存在电力转换单元发生故障的时机分散、结果电力转换装置的寿命受到寿命最短的电力转换单元限制这一课题。
于是，控制电路610执行使特定的电力转换单元的热疲劳的进展缓和、使电力转换装置的多个电力转换单元的寿命变得均等的控制。控制电路610在进行该控制的过程中，优选不使具备多个电力转换单元的电力转换装置的电力容量降低。
图8是控制电路610的功能框图的一例。控制电路610可以由微型计算机构成。控制电路610具备运算模块800和存储区域802。运算模块通过CPU(控制器)执行存储器的程序而实现。存储区域存在于存储器内。运算模块800具备温度差运算子模块804、温度差平衡判断模块806和栅极信号生成子模块808。对于运算模块800的动作，兼作各子模块的说明地，基于图9的流程图进行说明。运算模块每规定时间反复执行图9的流程图。
温度差运算子模块804对于电力转换单元1(U1)，导入输出U相的交流电功率的功率组件(PU)的温度传感器116的检测信号(Tc)(900)，并且导入U1的散热器的温度传感器406的检测信号(Tf)(902)，基于这些信号，运算PU的温度与U1的散热器的温度的差值(ΔTU1)(904)，将其登记在存储区域内的管理表(图10)中。
温度差运算子模块804对于U1，导入输出V相的交流电功率的功率组件(PV)的温度传感器的检测信号(Tf)(902)，运算PV的温度与U1的散热器的温度的差值(ΔTV1)(904)，将其登记在存储区域内的管理表(图10)中。
进而，温度差运算子模块804对于U1，导入输出W相的交流电功率的功率组件(PW)的温度传感器的检测信号(Tf)，运算PW的温度与U1的散热器的温度的差值(ΔTW1)，将其登记在存储区域内的管理表(图10)中。
温度差运算子模块804对于构成电力转换装置的其余电力转换单元(U2……Un)的U相、V相、W相各自的功率组件执行该差值计算、和对管理表的登记。
接着，温度差平衡判断子模块806顺次扫描管理表(图10)的记录信息，对温度差值与阈值进行比较(906)。温度差平衡判断子模块804对于阈值以上的功率组件，设置用于使功率组件的流动电流减少的标志(流动电流减少标志)。通过对温度差值与阈值进行比较，能够高精度地判断温度差值是否在必须使电流减少的范围中。
管理表(图10)例如示出了对于电力转换单元1(U1)的U相的功率组件、电力转换单元3(U3)的V相的功率组件、电力转换单元2(U2)的W相的功率组件分别设定流动电流减少标志。
接着，温度差平衡判断子模块806对于为了弥补设定了流动电流减少标志的功率组件的电流减少量、而要使流动电流增加的、同相的功率组件设置标志(流动电流增加标志)。图10示出了对电力转换单元6(U6)的U相的功率组件、电力转换单元1(U1)的V相的功率组件/电力转换单元5(U5)的V相的功率组件、电力转换单元8(U8)的W相的功率组件分别设定流动电流增加标志。另外，在不同相的功率组件之间进行电流的增减时，即使增减幅度都相同，也存在电力容量与规定值相比发生变化的风险。只要在同相的功率组件之间进行电流的增减，并且增减幅度都相同，就能够使电力容量维持在规定值。
设定流动电流增加标志的功率组件，只要是设定了流动电流减少标志的功率组件所属的电力转换单元以外的电力转换单元的同相的功率组件，就不特别限定。例如，可以是属于同相的多个功率组件中温度差值最小的功率组件、或者温度差值在规定值以下的功率组件。进而，例如也可以选择流动电流的增加处理的历史记录最少的功率组件。
栅极信号生成子模块808在属于同相的功率组件中，对于设定了流动电流减少标志的功率组件的栅极电极，参照存储区域802的电流-栅极电压数据表810，生成并发送调整成了用于使电流减少的栅极电压值的PWM信号，对于设定了流动电流增加标志的功率组件的栅极电极，参照电流-栅极电压数据表810，生成并发送调整为用于使电流增加的栅极电压值的PWM信号(908)。
栅极信号生成子模块808使功率组件的电流的减少量与功率组件的电流的增加量相同，使合计的电流量在栅极电压的调整前后不变，使多个电力转换单元并联连接而得到的合计的电力容量不变化即可。
在电流减少的功率组件中，热疲劳得到缓和，另一方面，在电流增加的功率组件中存在热疲劳进展的风险，但通过每规定时间反复执行图9的流程图，热疲劳的进展受到抑制，所以同相的多个功率组件的热疲劳变得均等，结果，多个电力转换单元的寿命均质化。
接着，用图11说明功率组件的栅极电压调整前后的功率组件的特性变化。(1)是说明功率组件的温度差的变化的曲线图，(2)是说明功率组件的电流的变化的曲线图。1100是设定流动电流减少标志的功率组件的特性，1102是设定流动电流增加标志的功率组件的曲线图。
功率组件1100、1102中，在t1以前，流动了相同值的电流(图11(2))，随着电力转换的进展，功率组件1100的上述温度差逐渐增加(图11(1))，在t1时达到第一阈值(C1)以上时，功率组件1100的电流被减少至I2(图11(2))，功率组件1102的电流被增加至I3。
功率组件1100的电流减少时功率组件1100的温度差不会达到第二阈值C2，而是达到峰值P，之后逐渐减小至低于第一阈值C1(图11(2))。另一方面，功率组件1102的温度差在电压增加后逐渐增加，功率组件1100的温度差变得低于功率组件1102的温度差。
另外，不使功率组件1100的电流值减小时，功率组件1100的温度差超过第一阈值C1而达到第二阈值C2。功率组件1100的温度差达到第二阈值C2时，判断功率组件1100寿命已尽，将具备功率组件1100的电力转换单元分类为更换对象。
图11(2)中，I4表示功率组件1100与功率组件1102的合计的电流值。电流的减少幅度与电流的增加幅度是相同值(±ΔI)，所以合计的电流值在功率组件的电流增减前后没有变化。进而，I5是电流的合计值的上限，合计的电流值被调整为不超过它。
另外，对于一个设定了流动电流标志的功率组件，可以存在多个设定了流动电流增加标志的功率组件。该情况下，例如电流的增加量可以对于多个功率组件均等分割。
上述实施例中，在底板200上设置了功率组件的温度传感器116(图3)。也可以代替它、或者与其一起，作为温度传感器，例如在功率器件的芯片上设置为了取得半导体元件的结温而能够作为片上型应用的温度传感器元件、例如硅二极管温度传感器。
结温与导线接合与功率器件的接合部的热疲劳、和功率器件与铜条的接合部的热疲劳即功率循环疲劳密切相关。从而，通过基于结温与散热器温度的差值，进行功率组件的电流的增减，能够抑制导线接合与功率器件的接合部、和功率器件与铜条的接合部这样对于热疲劳敏感的场所的疲劳，更明确地推定电力转换装置的剩余寿命，并且能够提供一种提高了剩余寿命的电力转换装置。
另外，本发明不限定于上述实施方式，包括各种变形例。例如，上述实施方式是为了易于理解地说明本发明而详细说明的，并不限定于必须具备说明的全部结构。另外，能够将某个实施方式的结构的一部分置换为其他实施方式的结构，也能够在某个实施方式的结构上添加其他实施方式的结构。另外，对于各实施方式的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。
附图标记说明
100，100U，100V，100W：功率组件
116：温度传感器(功率组件)
400：散热器
406：温度传感器(散热器)
410：电力转换单元
506：驱动电路
610：控制电路。

Claims (6)

1.一种将多个具有功率组件的单元并联连接而成的电力转换装置，其特征在于：
所述多个单元各自包括：
用于检测所述功率组件的温度的第一温度传感器；
用于检测周围温度的第二温度传感器；
所述功率组件的驱动电路；
驱动电路，其通过对所述功率组件的栅极提供调整后的电压来控制在该功率组件中流动的电流；和
控制电路，其基于所述第一温度传感器的输出信号和所述第二温度传感器的输出信号来控制所述驱动电路，
所述控制电路，
对所述多个单元分别求取所述功率组件的温度与所述周围温度的差，
在所述多个单元中的第一单元的功率组件的所述差逐渐增加而达到第一阈值以上时，以使得所述第一单元的功率组件的流动电流与该差的值相应地减少的方式控制该第一单元的驱动电路，以所述多个单元中的第二单元的功率组件的流动电流与该差的值相应地增加的方式控制该第二单元的驱动电路，
当所述第一单元的功率组件的所述差超过所述第一阈值而达到第二阈值时，判断所述第一单元的功率组件寿命已尽。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述单元具有能够支承所述多个功率组件的散热器，
所述第二温度传感器检测所述散热器的温度作为所述周围温度。
3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述多个单元各自包括：
将直流电功率转换为U相的交流电功率的第一功率组件；
将直流电功率转换为V相的交流电功率的第二功率组件；和
将直流电功率转换为W相的交流电功率的第三功率组件，
所述第一单元的通电电流减少的功率组件和所述第二单元的通电电流增加的功率组件，将所述直流电功率转换为同相的交流电流。
4.如权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于：
所述第一单元的功率组件中的通电电流的减少幅度与所述第二单元的功率组件中的通电电流的增加幅度相等。
5.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
来自所述第一温度传感器的温度检测信号和来自所述第二温度传感器的温度检测信号经由所述驱动电路输出至所述控制电路。
6.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述第一温度传感器检测所述功率组件的外壳温度和/或结温。
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