CN114365404A - 用于降低功率半导体开关的热应力的方法、电转换器单元和电梯 - Google Patents

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Abstract

一种电转换器单元和一种用于降低电转换器单元的功率半导体开关(例如IGBT)的热应力的方法，该电转换器单元至少包括栅极控制电路，其中，该电转换器单元控制电马达。该方法包括确定负载和基于确定的负载和/或预定的速度曲线估计所需的马达电流。电转换器单元至少具有第一操作状态和第二操作状态。如果满足预定准则，则使用第二操作状态，该预定准则涉及以下至少一个：估计的所需电流、测量的马达速度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度模型。在第二操作状态下，使用比第一操作状态下更低的功率半导体开关的开关频率，并且在第二操作状态下，使用比第一操作状态下更高的功率半导体开关的开关速度。

Description

用于降低功率半导体开关的热应力的方法、电转换器单元和 电梯
技术领域
本发明总体上涉及功率半导体开关，例如IGBT。特别而不排他地，本发明涉及降低功率半导体开关的热应力。
背景技术
电转换器单元和控制系统用于控制电马达。这些单元和控制系统用于通过例如改变马达输入频率和电压来控制马达速度和扭矩。在不同类型的环境中，对电转换器单元和控制系统有不同的要求。
例如电梯环境的特征是，相对于额定速度下的所需电流，加速期间的所需电流较高。在电梯环境中，希望加速平稳地进行。在这种情况下，在加速开始时，马达的相电流主要集中在逆变器桥的一个开关上。电流的集中会导致该特定开关的端子的温度发生较大变化。随着端子温度的变化，热膨胀系数的差异会对器件的材料界面产生机械应力。机械应力最终导致界面中的应力断裂。
在电梯环境中，当电梯轿厢满载并被提升时，上述问题最为严重。如果驱动期间的行进高度也保持为较短，则加速电流的持续时间会比额定驱动期间的电流长。
逆变器引起的电磁干扰(EMI)的大小与功率半导体被导通的开关频率和开关速度有关。为了使损耗最小化，应该用低开关频率和高开关速度来控制半导体。低开关频率对EMI有正面影响，但对马达产生的噪声有负面影响。高开关速度对系统产生的EMI有负面影响。
存在已知的用于降低功率半导体开关的热应力效应的解决方案。在现有技术的系统中，由热循环引起的应力通过设计半导体的尺寸来减小，使得它们可以承受一定数量的加速度。这种基于尺寸设计的解决方案是简单的，但是半导体越大，半导体的开关损耗也越大。在诸如IGBT等双极器件中，连接电压保持不变，主要电阻部分减少。因此，简单来说，使用这种解决方案时，损耗保持为基本相似，但是分布到更大的区域。这种解决方案的问题在于，增加半导体的面积也会增加器件的价格。
根据另一种已知的解决方案，也可以改变开关频率，使得在马达低速时，即在加速的开始以及减速的结束时，使用更小的开关频率，而在其他情况下开关频率更高。这种途径的问题是开关频率的变化可以被容易地感测到。开关频率越低，感受到的噪声干扰越大。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低功率半导体的热应力的解决方案。
本发明的目的通过由相应的独立权利要求限定的方法、电转换器和电梯单元来实现。
与现有技术的解决方案不同，在本发明的解决方案中，通过基于预定的准则，降低半导体开关(例如IGBT)的损耗来降低半导体开关中的温度变化。这样，半导体开关的温度变化降低功能可以仅在需要时被激活。
根据第一方面，提供了一种用于降低诸如IGBT的功率半导体的热应力的方法。该方法包括确定负载和基于确定的负载和/或预定的速度曲线估计所需的马达电流。电转换器单元至少具有第一操作状态和第二操作状态，其中，如果满足预定准则，则使用第二操作状态，预定准则涉及以下至少一个：估计的所需电流、测量的马达速度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度模型。在第二操作状态下，使用比第一操作状态下更低的功率半导体开关的开关频率，并且在第二操作状态下，使用比第一操作状态下更高的功率半导体开关的开关速度。
根据第二方面，提供了一种电转换器单元。电转换器单元被配置为至少执行根据第一方面或其任何实施例的方法。
因此，电转换器单元可以至少包括功率半导体开关，例如IGBT，以及门控制电路，其中电转换器单元被配置为确定负载，并且基于所确定的负载和/或预定的速度曲线来估计所需的马达电流。电转换器单元至少具有第一操作状态和第二操作状态。电转换器单元被配置为如果满足预定准则则使用第二操作状态，该预定准则涉及以下至少一个：估计的所需电流、测量的马达速度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度模型。电转换器单元被配置为在第二操作状态下使用比在第一操作状态下更低的功率半导体开关的开关频率，并且在第二操作状态下使用比在第一操作状态下更高的功率半导体开关的开关速度。
根据第三方面，提供了一种电梯。该电梯包括电梯轿厢、配置为移动电梯轿厢的电梯马达、用于操作电梯马达的电转换器单元和配置为至少执行根据第一方面或其任何实施例的方法的控制单元。
在各种实施例中，电转换器单元可以包括转换器设备，例如频率转换器或逆变器。
在本发明的一个实施例中，如果马达速度低于某个预定阈值并且估计的所需电流值高于某个预定阈值，则使用第二操作状态。
在本发明的一个实施例中，功率半导体开关和/或电转换器单元的内部温度被测量和/或模拟，并且如果除了达到预定的马达速度和预定的估计的所需电流值之外，还达到某个测量的和/或模拟的温度阈值极限，则操作状态从第一状态改变到第二状态。
在本发明的一个实施例中，功率半导体开关和/或电转换器单元的内部温度被测量和/或模拟，仅当达到某个测量的和/或模拟的温度阈值极限时，操作状态才从第一状态改变到第二状态，而不管马达速度和估计的所需电流值如何。
在本发明的一个实施例中，当驱动开始时，优选地在高负载下，并且马达速度低时，和/或当马达减速并且马达速度低时，操作状态从第一状态改变到第二状态。例如当驱动以高于预定负载值的负载启动，并且马达速度较低或低于预定速度时，和/或当马达减速并且马达速度较低或低于预定速度时，操作状态可以从第一状态改变到第二状态。
在本发明的一个实施例中，电转换器单元包括第一栅极电阻值、第二栅极电阻值和用于在第一栅极电阻值和第二栅极电阻值之间切换的装置，其中第一栅极电阻值高于第二栅极电阻值。
在本发明的一个实施例中，通过使用功率半导体开关的较低栅极电阻值来提高功率半导体开关的开关速度。
在本发明的一个实施例中，第二电阻值用于第二操作状态，第一电阻值用于第一状态。
在本发明的一个实施例中，电转换器单元包括第一栅极控制电压、第二栅极控制电压和用于在第一栅极控制电压和第二栅极控制电压之间切换的装置，其中第一栅极控制电压低于第二栅极控制电压。
在本发明的一个实施例中，通过增加功率半导体开关的栅极控制电压来增加功率半导体开关的开关速度。
在本发明的一个实施例中，第一栅极控制电压用于第一操作状态，第二栅极控制电压用于第二操作状态。
在本发明的一个实施例中，电马达是电梯的电梯马达。
在各种实施例中，电马达可以是以下之一：同步磁阻马达、永磁马达、永磁线性马达、永磁辅助同步磁阻马达、线性开关磁阻马达。
本发明提供了优于现有技术解决方案的优点。利用本发明的解决方案，可以实现热循环幅度的显著降低。降低开关频率同时补偿了通过更高的开关速度而增加的EMI水平。
如果选择具有减小的热应力的操作模式将仅依赖于马达的电流和速度的测量，则在减小热应力的适当操作模式可以被选择之前，半导体器件就可能在加速开始时产生损耗并且变热。为此，预测加速度和/或减速度并至少部分基于预测的加速度、减速度和/或所需的马达电流来选择操作模式是有利的。
除了电梯之外，本发明的方法可以用于不同的循环应用中。本发明的方法还可以用于例如拓宽频率转换器的工作温度范围，例如通过将功率半导体开关(例如IGBT)的内部温度测量和/或温度模型添加到用于频率转换器的过热保护的频率转换器逻辑中。根据本发明的一些实施例，使用温度应力减小功能(即，第二操作模式)的决定在一些应用中可以仅基于温度测量和/或温度模型。这类应用的例子是泵和鼓风机。
此外，电梯环境温度测量和/或开关的温度模型的估计温度，例如IGBT芯片温度，可以用于本发明的一些实施例中。例如，当操作环境的温度较低时，如果芯片温度的估计增加将维持在较低，则可能没有必要降低温度应力。
基于以下详细描述，各种其他优点对于本领域技术人员来说将变得清楚。
表述“数个”在本文中可以指从一(1)开始的任何正整数，即至少为一。
表述“多个”可以指分别从二(2)开始的任何正整数，即至少为二。
术语“第一”、“第二”和“第三”在本文中用于将一个元件与另一个元件区分开来，而不是为了对它们进行特别的优先化或排序，除非另有明确说明。
本文中呈现的本发明的示例性实施例不应被解释为对所附权利要求的适用性构成限制。动词“包括”在本文中用作开放式限制，不排除未列举特征的存在。除非另有明确说明，从属权利要求中所述的特征可以相互自由组合。
被认为是本发明的特征的新颖特征在所附权利要求中特别阐述。然而，当结合附图阅读时，从下面对具体实施例的描述中，将最好地理解本发明本身，包括其构造和操作方法，以及其附加的目的和优点。
附图说明
在附图中，本发明的一些实施例以示例的方式而非限制的方式示出。
图1A-1C示意性地示出了根据本发明一些实施例的电转换器单元。
图2示意性地示出了根据本发明实施例的电转换器单元的某些部分的示例性实现方式。
图3示意性地示出了根据本发明实施例的电梯。
图4示意性地示出了根据本发明实施例的电梯。
图5A和5B呈现了如何在电梯环境中改变操作模式的示例性实施例。
图6A和6B示意性地示出了根据本发明一些实施例的电转换器单元的某些部分。
具体实施方式
图1A示意性地示出了根据本发明实施例的电转换器单元14。电转换器单元14可以包括频率转换器或逆变器，或者具体地，其功率转换电路14B。此外，电转换器单元14可以包括电流确定装置14C和/或电压确定装置(未示出)，用于确定流入或流出电马达12的电流，例如三个瞬时相电流，或者马达相之间或马达相与地/参考/中性电位(例如马达12的星形点)之间分别存在的电压。优选地，电流确定装置14C和/或电压确定装置可以与控制单元14A结合布置，用于向控制单元14A提供关于所述电流/电压的信息。优选地，电转换器单元14可以被配置为至少在正常操作条件下控制所述电流/电压，用于控制马达12的运行，例如马达12的转子的旋转或运动。
此外，电转换器单元14可以包括控制单元14A，该控制单元14A与转换器设备14D(例如频率转换器或逆变器，包括其功率转换电路14B)靠近地布置，例如布置在同一外壳内。还可以存在布置到电转换器单元14的外部连接15，用于从与电转换器单元14连接的外部系统，或者具体地与其控制单元14A连接的外部系统，提供例如测量、控制信号和/或电力。外部系统可以是例如车辆、工业过程或电梯，如图3和图4所示。
图1B示意性地示出了根据本发明实施例的电转换器单元14。图1B中的电转换器单元14在其他方面类似于在图1A中示出并描述的电转换器单元，除了控制单元14A相对于转换器设备14D分开地布置，例如在其外壳的外部。因此，控制单元14A可以被布置为仅与转换电路14B连接。控制单元14A可以是例如包括电转换器单元14的外部系统的控制单元的一部分。
图1C示意性地示出了根据本发明实施例的电转换器单元14。在图1C中，电转换器单元14可以包括具有能量存储器24的频率转换器，该能量存储器24例如是电容器(组)或电池，其被布置到其中间电路23，或者在电池的情况下，至少与中间电路23连接。频率转换器可以布置为在电网20和电马达12之间供应电力。频率转换器可以包括连接到电马达12的负载桥22，用于在电马达12和负载桥22之间供应电力。负载桥22可以包括可控固态开关，例如形成三相两电平或三电平逆变器的功率转换电路。电马达12的供应电压可以通过利用负载桥22的控制单元14A用例如脉宽调制(PWM)技术控制负载桥22的固态开关而形成。频率转换器可以包括电流14C和/或电压确定装置，例如电流或电压传感器，其可以被布置为与马达12的定子绕组的供电电缆连接，用于测量定子电流和/或电压。
上文中参照图1A-1C所描述的电转换器单元14可以被配置为控制电马达12的运行，例如，通过本领域技术人员已知的场定向控制或矢量控制方法。
在本发明的各种实施例中，在图1A-1C的任何一个附图中示出并结合所述附图被描述的电转换器单元14，或者具体地，其控制单元14A，可以被配置为执行根据本发明的方法的至少一个实施例。
因此，在各种实施例中，控制单元14A可以至少包括处理单元，例如处理器或微控制器，用于例如进行计算和/或执行计算机程序代码，以及包括用于存储这种代码、测量数据等的存储器。
在各种实施例中，电马达12可以是以下之一：同步磁阻马达、永磁马达、永磁线性马达、永磁辅助同步磁阻马达、线性开关磁阻马达。
转换器单元14可以包括转换器设备14D，例如频率转换器或逆变器，例如包括固态半导体开关。图2示意性地示出了负载桥的可控固态开关的示例性实现方式。开关可以是例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或碳化硅结场效应晶体管。在一个实施例中，电转换器单元14的负载桥22(见图1C)的控制单元例如根据本发明的解决方案控制负载桥的固态开关，其中使用第一操作状态和第二操作状态。图2的负载桥是两电平转换器的负载桥。本发明不仅局限于两电平转换器，而是还可以应用于更高电压电平的转换器。
负载桥(逆变器)被配置为将中间电路直流电压逆变为例如可变频率的三相交流电压。频率转换器可以为例如三相交流马达供电。逆变器可以包括例如六个二极管D1、D3、D5、D7、D9、D11和六个IGBT：Q1、Q3、Q5、Q7、Q9、Q11，如图2的示例。逆变器按照一定的顺序将每个马达相连接到DC总线的负极或正极。例如，通过调节电压脉冲的宽度和数量，可以实现供应给马达的AC电压的期望幅度和频率。
如前所述，例如在电梯环境中的特征是，相对于额定速度下的所需电流，加速期间的所需电流更高。在这种情况下，在加速开始时，马达的相电流主要集中在逆变器桥的一个开关上。电流的集中会导致该特定开关的端子的温度发生较大变化。随着端子温度的变化，热膨胀系数的差异会对器件的材料界面产生机械应力。机械应力可以最终导致界面的应力断裂。借助于本发明，可以减小这些器件上的应力。
图3示意性地示出了根据本发明实施例的电梯100。电梯100可以包括经由绳索19、皮带或类似物联接到配重17的电梯轿厢10。绳索19或类似物可以围绕驱动滑轮18行进，电马达12被配置为对驱动滑轮18产生力到驱动滑轮18中，用于使电梯轿厢10响应于电马达12的运行而移动。具体地，电梯轿厢10可以被布置为响应于马达12的转子11的运动(例如旋转)而运动。
可以布置至少一个电梯制动器16，即一个、两个或若干个，使得当通过断电来控制时，其被配置为与驱动滑轮18会合，并且以这种方式制动马达12的运动，特别是其转子11的运动，并且因此制动电梯轿厢10，或者保持电梯轿厢10在竖井中静止。当制动器16通电时，制动器16打开，从而允许电梯轿厢10移动。替代地，电梯100可以在没有配重17的情况下实现。替代地，马达12可以是线性马达的形式，其具有沿着电梯竖井延伸的定子和联接到电梯轿厢10的转子或“推进器”，如图4所示。
电梯100可以包括用于控制电梯100运行的电梯控制单元1000。电梯控制单元1000可以是单独的设备，或者可以包含在电梯100的其他部件中，例如在电驱动器14中或者作为电驱动器14的一部分。电梯控制单元1000也可以以分布式方式实现，使得例如电梯控制单元1000的一部分可以包含在电驱动器14中，例如在其控制单元14A中，而另一部分包含在电梯轿厢10中。电梯控制单元1000也可以以分布式方式布置在多于两个位置或多于两个设备中。
电梯控制单元1000和/或控制单元14A可以包括一个或多个处理器、一个或多个易失性或非易失性存储器，用于存储计算机程序代码的部分和任何数据值，并且可以包括一个或多个用户接口单元。所提到的元件可以用例如内部总线彼此通信地联接。
电梯控制单元1000的处理器和/或控制单元14A可以至少被配置为实现本发明的至少一些方法步骤。该方法的实现可以通过安排处理器执行存储在存储器中的计算机程序代码的至少某个部分来实现，该计算机程序代码使得处理器以及因此电梯控制单元1000和/或控制单元14A实现本发明的一个或多个方法步骤。因此，处理器可以被安排为访问存储器，并从存储器中检索和存储任何信息和向存储器中检索和存储任何信息。为了清楚起见，本文中的处理器指的是适于处理信息和控制电梯控制单元1000和/或控制单元14A的操作以及其他任务的任何单元。这些操作也可以用具有嵌入式软件的微控制器解决方案来实现。类似地，存储器不仅限于特定类型的存储器，而是适合于存储所描述的信息片段的任何存储器类型都可以应用于本发明的上下文中。
图4示意性地示出了根据本发明实施例的电梯100。电梯100可以包括在电梯竖井13或电梯轿厢路径13中移动的至少一个或多个电梯轿厢10。电梯轿厢10可以包括电转换器单元14，例如包括转换器设备14D，例如频率转换器或逆变器，和/或第二能量存储器，例如一个或多个电池。电转换器单元14可用于操作布置到电梯轿厢10上的推进器11，以沿着电梯竖井13移动轿厢10。在电梯轿厢10中还可以有其他电操作设备，例如照明、门、用户接口、紧急救援设备等。电转换器单元14或另外的转换器，例如逆变器或整流器，可以用于操作电梯轿厢10的所述其它设备中的一个或若干个。优选地，第二能量存储器可以电联接到电转换器单元14，例如电联接到其中间电路23，用于向电转换器单元14提供电力和/或用于存储由电转换器单元14或另一转换器或其他电源提供的电力。电梯100可以优选地包括电梯控制单元1100和/或控制单元14A，例如结合图3描述的控制单元或与其类似的控制单元。
可以有一个或若干个推进器11联接到电梯轿厢10中的一个或每一个。根据线性电马达12的结构，例如定子梁12A的数量，推进器11的数量可以变化。
优选地，在电梯100中可以包括具有层站楼层门25或开口25的至少两个层站楼层。电梯轿厢10中也可以包括门。尽管在图4中示出了存在两个水平分开的组或“列”的竖直对齐的层站楼层，但是也可以像在传统电梯中那样只有一列，或者多于两列，例如三列。
关于电梯竖井13，它可以是例如限定基本上封闭的容积，电梯轿厢10适于并配置为在该容积中移动。壁可以是例如混凝土、金属或至少部分玻璃，或者其任意组合。本文中的电梯竖井13基本上是指电梯轿厢10被配置为沿着其移动的任何结构或路径。
从图4中可以看出，关于多轿厢电梯100，一个或多个电梯轿厢10可以根据定子梁12A的方向沿着电梯竖井13竖直和/或水平地移动。根据在这方面类似于图3中实施例的实施例，一个或多个电梯轿厢10可以被配置为沿着数个竖直和/或水平的定子梁移动，例如，如图4中的两个梁。定子梁12A是电梯100的线性电马达的一部分，用于在电梯竖井13中移动一个或多个电梯轿厢10。定子梁12A可以优选地以固定方式布置，即相对于电梯竖井13固定，例如通过紧固部分固定到竖井的壁上，紧固部分可以布置为在电梯轿厢10的方向改变位置处可旋转。
在本发明的解决方案中，减小了电转换器单元的功率半导体开关(例如IGBT)的热应力。在本发明的解决方案中，测量或确定负载，并且基于测量或确定的负载和/或预定的速度曲线，估计所需的马达电流。电转换器单元至少具有第一操作状态和第二操作状态。如果满足预定准则，则使用第二操作状态，该预定准则涉及以下至少一个：估计的所需电流、测量的马达速度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度模型。在第二操作状态下，使用比第一操作状态下更低的功率半导体开关的开关频率，并且在第二操作状态下，使用比第一操作状态下更高的功率半导体开关的开关速度。
例如，如果马达速度低于某个预定阈值并且估计的所需电流值高于某个预定阈值，则可以使用第二操作状态。在本发明的一个实施例中，当以较高负载启动驱动且马达速度较低时和/或当马达减速且马达速度较低且负载较高时，操作状态从第一状态改变到第二状态。在这种情况下，马达的相电流主要集中在逆变器桥的一个开关上，因为马达速度较低。
在本发明的一个实施例中，通过使用功率半导体开关的较低栅极电阻值来提高功率半导体开关的开关速度。在本发明的一个实施例中，电转换器单元包括第一栅极电阻值、第二栅极电阻值和用于在第一栅极电阻值和第二栅极电阻值之间切换的装置，其中第一栅极电阻值高于第二栅极电阻值。在本发明的一个实施例中，第二电阻值用于第二操作状态，第一电阻值用于第一状态。
在本发明的一个实施例中，通过增加功率半导体开关的栅极控制电压来增加功率半导体开关的开关速度。在本发明的一个实施例中，电转换器单元包括第一栅极控制电压、第二栅极控制电压和用于在第一栅极控制电压和第二栅极控制电压之间切换的装置，其中第一栅极控制电压低于第二栅极控制电压。在本发明的一个实施例中，第一栅极控制电压用于第一操作状态，第二栅极控制电压用于第二操作状态。
在本发明的解决方案中，可以直接或间接地确定负载。负载可以例如通过电梯轿厢中、绳索中和/或与绳索的附接点相关的秤来确定。此外，重量传感器可以用于确定负载。在本发明的一个实施例中，负载确定可以基于马达扭矩，例如当电梯轿厢在释放制动器之后保持稳定时。
在本发明的一个实施例中，功率半导体开关和/或电转换器单元的内部温度被测量和/或模拟，并且如果除了达到预定的马达速度和预定的估计的所需电流值之外，还达到某个测量的和/或模拟的温度阈值极限，则操作状态从第一状态改变到第二状态。当温度低于温度阈值极限时，操作状态可以从第二状态变回第一状态。
在本发明的一个实施例中，功率半导体开关和/或电转换器单元的内部温度被测量和/或模拟，仅当达到某个测量的和/或模拟的温度阈值极限时，操作状态才从第一状态改变到第二状态，而不管马达速度和估计的所需电流值如何。当温度低于温度阈值极限时，操作状态可以从第二状态变回第一状态。
在本发明的一个实施例中，温度确定可以用作在第一操作模式和第二操作模式之间改变操作模式的准则。在一个实施例中，确定负载和基于确定的负载和/或预定的速度曲线估计所需的马达电流的步骤不是必须执行的。在该实施例中，例如，如果温度(测量的和/或模拟的)高于某个温度极限，则操作状态可以改变到第二操作状态。在这种情况下，例如当马达速度较低时，可以使用第二操作模式。如果马达速度较低，但是温度没有超过预定的极限，则系统可以在第一操作状态下操作，因为温度应力不需要改变操作模式。
图5A和5B呈现了如何在电梯环境中改变操作模式以及在选择操作模式时可以利用何种信息的示例。在这个示例中，具有配重的电梯被用作电梯。在这些图中，在图的顶部示出电梯运动期间的马达速度以及阈值水平，在该阈值水平的情况下，如果需要高电流，半导体开关上的温度应力可能成为问题。在马达速度坐标图的下方，用阈值电流水平示出了所需的电流水平，该阈值电流水平是能够在半导体开关上引起应力的最小电流水平，尤其是当马达速度也较低时。接下来的两个坐标图呈现了马达速度在哪个时刻低于阈值，以及所需电流在哪个时刻高于阈值。最后三个坐标图呈现了使用的是哪个工作状态，使用更高还是更低的栅极电阻值，以及使用更高还是更低的开关频率。
图5A呈现了电梯轿厢以满载被提升的情况。在开始时，需要较高电流来加速电梯轿厢，同时马达的速度较低。在这种情况下，使用功率半导体开关上热应力减小的操作模式。随着电梯轿厢的速度增加，马达速度也增加，并且操作模式可以改变回具有更高开关频率和更慢开关速度的操作模式，因为功率半导体开关的热应力不再是问题。
图5B呈现了电梯轿厢以空载被提升的情况。在提升开始时，只需要较低的电流来加速电梯轿厢。在这种情况下，可以使用具有更高开关频率和更慢开关速度的操作模式，因为电流需求较低，且因此功率半导体开关的热应力不是问题。当电梯接近期望的楼层时，它开始减速，并且这种减速也需要更高的电流。此外，当电梯减速时，马达速度降低。在这种情况下，当马达速度等于或低于阈值马达速度值并且所需电流等于或高于电流阈值时，操作模式改变为功率半导体开关上热应力减小的操作模式，使得功率半导体开关上的应力可以保持较低。
在本发明的一个实施例中，当估计的所需电流高于预定阈值极限和/或马达速度为零或低于某个阈值时，可以进行从第一操作状态到第二操作状态的改变。这是例如当马达速度从零开始加速时的情况，例如当满载的电梯轿厢开始被提升时。
在本发明的一个实施例中，从第一操作状态到第二操作状态的改变可以在马达速度被减速并且马达速度降低到某个阈值以下并且估计的所需电流超过某个预定阈值限制时进行。例如当马达必须制动和减速空载的电梯时就是这种情况。
在本发明的一个实施例中，如果温度超过某个阈值水平，则从第一操作状态到第二操作状态的改变可以基于测量的温度和/或基于温度模型的估计温度来进行。在这种情况下，估计所需的马达电流和/或马达速度可以用作附加准则。在这种情况下，仅当估计所需的马达电流、马达速度和温度满足改变状态所需的准则时，才改变操作状态。在本发明的一个实施例中，可以仅基于温度来改变操作状态，例如，不考虑其他准则，如估计的所需电流和马达速度。
在本发明的一个实施例中，当马达速度超过某个预定的阈值极限时，可以进行从第二操作状态到第一操作状态的改变。这是例如当马达速度增加到某个速度时的情况，例如当电梯达到某个速度时。
在本发明的一个实施例中，当估计的所需电流低于某个阈值时，即使马达速度为零或低于某个阈值，也可以使用第一操作状态。例如，如果马达负载保持较低，例如，如果半空的电梯轿厢被提升，就是这种情况。
在本发明的一个实施例中，如果温度低于某个阈值水平，则从第二操作状态到第一操作状态的改变可以基于测量的温度和/或基于温度模型的估计温度而进行。在这种情况下，估计所需的马达电流和/或马达速度可以用作附加准则。在这种情况下，仅当估计所需的马达电流、马达速度和温度满足改变状态所需的准则时，才改变操作状态。在本发明的一个实施例中，可以仅基于温度来改变操作状态，例如，不考虑其他准则，如估计的所需电流和马达速度。
本发明的解决方案可以在电转换器单元中以许多不同的方式实现。图6A和6B示意性地示出了作为示例实现方式实施例的电转换器单元的驱动电路。
在图6A的示例实施例中，通过使用场效应晶体管Q2来实现IGBT Q1的减少的开关时间，场效应晶体管Q2的漏极连接到关断栅极电阻器R2的第一极。场效应晶体管Q2的源极连接到要控制的IGBT Q1的栅极G。关断栅极电阻器R2的第二极连接到主栅极控制器的输出端U1。场效应晶体管Q2的栅极连接到单独的辅助栅极控制器的输出端U2。放电电阻器R3可以连接在场效应晶体管Q2的栅极和源极之间。放电电阻器R4可以连接在要控制的IGBT的辅助发射极和栅极之间。辅助发射极的电流输出能力基于场效应晶体管Q2而确定，对于该场效应晶体管Q2，导通只需要相当低的电流。
在该示例中，分开的两级控制电压，例如+15V/-15V，可以以传统方式通过用二极管桥BR1整流dc方波来产生。整流后的电压可以由电容器C1和C2滤波，电容器C1和C2的中心极接地到要控制的IGBT的辅助发射极AE。
当CTRL_ON信号有效并且2ND_OPER_STATE_ON无效时，+15V控制电压经由栅极电阻器R1被引导至IGBT的栅极。当CTRL_ON信号有效并且2ND_OPER_STATE_ON有效时，+15V控制电压经由栅极电阻器R1以及与栅极电阻器R1并联的辅助栅极电阻器R2和场效应晶体管Q2的串联连接被引导到IGBT的栅极。因此，从主栅极控制器的输出端U1供应的电流在栅极电阻器R1和辅助栅极电阻器R2之间分配。
当IGBT Q1被控制关断时，CTRL_ON信号无效，并且2ND_OPER_STATE_ON信号无效，栅极电荷经由栅极电阻器R1、场效应晶体管Q2的寄生二极管以及辅助栅极电阻器R2放电。当CTRL_ON信号无效且2ND_OPER_STATE_ON有效时，IGBT的栅极电荷经由栅极电阻器R1、辅助栅极电阻器R2以及场效应晶体管Q2的开路沟道放电。
控制信号CTRL_ON和2ND_OPER_STATE_ON可以处于控制电压的电压电位。2ND_OPER_STATE_ON可以针对逆变器的每个开关单独调整和/或针对所有开关同时调整。CTRL_ON控制信号是逆变器的每个开关的单独信号。
图6B的示例实施例在其他方面与之前的示例类似，但是可调节的DC-DC转换器PSU1被添加到电路中，在这种情况下，更高级别的控制系统可以用CTRL_UGE控制信号来改变控制电压指令。DC-DC转换器PSU1基于其接收的指令调整和调节两级控制电压。
这里描述的与图6B相关的控制电压电平调节特征可以在没有之前示例的可选栅极电阻器值的情况下实现，或者可以作为具有可选栅极电阻器值的解决方案的添加而实现，例如如图6A中所示。
上面给出的描述中提供的具体示例不应该被解释为限制所附权利要求的适用性和/或解释。上面给出的描述中提供的示例列表和示例组不是穷举的，除非另有明确说明。

Claims (28)

1.一种用于降低电转换器单元(14)的功率半导体开关的热应力的方法，所述功率半导体开关例如IGBT，所述电转换器单元(14)至少包括栅极控制电路，其中，所述电转换器单元(14)控制电马达(12)，其特征在于，所述方法包括：
-确定负载，
-基于所确定的负载和/或预定的速度曲线来估计所需的马达电流，
-其中，所述电转换器单元(14)至少具有第一操作状态和第二操作状态，
-其中，如果满足预定准则，则使用所述第二操作状态，所述预定准则涉及以下至少一个：估计的所需电流、测量的马达速度、所述功率半导体开关和/或电转换器单元的温度、所述功率半导体开关和/或电转换器单元(14)的温度模型，
-其中，在所述第二操作状态下，使用比所述第一操作状态下更低的所述功率半导体开关的开关频率，以及
在所述第二操作状态下，使用比在所述第一操作状态中更高的所述功率半导体开关的开关速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果马达速度低于某个预定阈值，并且估计的所需电流值高于某个预定阈值，则使用所述第二操作状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述功率半导体开关和/或电转换器单元(14)的内部温度进行测量和/或模拟，并且如果除了达到预定的马达速度和预定的估计的所需电流值之外，还达到某个测量和/或模拟的温度阈值极限，则将操作状态从第一状态改变到第二状态。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量和/或模拟所述功率半导体开关和/或电转换器单元(14)的内部温度，仅当达到某个测量和/或模拟的温度阈值极限时，操作状态才从第一状态改变到第二状态，而不管所述马达速度和估计的所需电流值如何。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当驱动以高于预定负载值的负载启动并且马达速度较低时，例如低于预定速度时，和/或当马达减速并且所述马达的速度较低时，例如低于某个预定速度时，操作状态从第一状态改变到第二状态。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电转换器单元包括第一栅极电阻值、第二栅极电阻值和用于在所述第一栅极电阻值和所述第二栅极电阻值之间切换的装置，其中，所述第一栅极电阻值高于所述第二栅极电阻值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过使用所述功率半导体开关的较低栅极电阻值来增加所述功率半导体开关的所述开关速度。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述第二电阻值用于所述第二操作状态，所述第一电阻值用于所述第一状态。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电转换器单元包括第一栅极控制电压、第二栅极控制电压和用于在所述第一栅极控制电压和所述第二栅极控制电压之间切换的装置，其中，所述第一栅极控制电压低于所述第二栅极控制电压。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过增加所述功率半导体开关的栅极控制电压来增加所述功率半导体开关的开关速度。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述第一栅极控制电压用于所述第一操作状态，所述第二栅极控制电压用于所述第二操作状态。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电马达(12)是电梯(100)的电梯马达(12)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电马达(12)是以下之一：同步磁阻马达、永磁马达、永磁线性马达、永磁辅助同步磁阻马达、线性开关磁阻马达。
14.一种电转换器单元(14)，至少包括功率半导体开关，例如IGBT，以及栅极控制电路，其中，所述电转换器单元(14)被配置为控制电马达(12)，其特征在于，所述电控制器单元被配置为：
-确定负载，
-基于所确定的负载和/或预定的速度曲线来估计所需的马达电流，
-其中，所述电转换器单元(14)至少具有第一操作状态和第二操作状态，
-其中，所述电转换器单元(14)被配置为如果满足预定准则，则使用所述第二操作状态，所述预定准则涉及以下至少一个：估计的所需电流、测量的马达速度、所述功率半导体开关和/或电转换器单元的温度、所述功率半导体开关和/或电转换器单元(14)的温度模型，
-其中，所述电转换器单元(14)被配置为，在所述第二操作状态下，使用比在所述第一操作状态下更低的所述功率半导体开关的开关频率，并且
在所述第二操作状态下，使用比在所述第一操作状态下更高的所述功率半导体开关的开关速度。
15.根据权利要求14所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电转换器单元(14)被配置为，如果马达速度低于某个预定阈值并且估计的所需电流值高于某个预定阈值，则所述电转换器单元(14)使用所述第二操作状态。
16.根据权利要求15所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电转换器单元(14)被配置为测量和/或模拟所述功率半导体开关和/或电转换器单元(14)的内部温度，并且如果除了达到所述预定的马达速度和预定的估计的所需电流值之外，还达到某个测量和/或模拟的温度阈值极限，则所述电转换器单元(14)将操作状态从第一状态改变到第二状态。
17.根据权利要求14所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电转换器单元(14)被配置为测量和/或模拟所述功率半导体开关和/或电转换器单元(14)的内部温度，并且仅当达到某个测量和/或模拟的温度阈值极限时，所述电转换器单元(14)将操作状态从第一状态改变到第二状态，而不管所述马达速度和估计的所需电流值如何。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电转换器单元(14)被配置为，当驱动以高于预定负载值的负载启动并且马达速度较低，例如低于预定速度时，和/或当马达减速并且所述马达速度较低，例如低于预定速度时，所述电转换器单元(14)将操作状态从第一状态改变到第二状态。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电转换器单元(14)包括第一栅极电阻值、第二栅极电阻值以及用于在所述第一栅极电阻值和所述第二栅极电阻值之间进行切换的装置，其中，所述第一栅极电阻值高于所述第二栅极电阻值。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电转换器单元(14)被布置为通过使用所述功率半导体开关的较低栅极电阻值来增加所述功率半导体开关的开关速度。
21.根据权利要求19或20所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电转换器单元(14)被配置为在所述第二操作状态下使用所述第二电阻值，并且在所述第一状态下使用所述第一电阻值。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电转换器单元(14)包括第一栅极控制电压、第二栅极控制电压和用于在所述第一栅极控制电压和所述第二栅极控制电压之间切换的装置，其中，所述第一栅极控制电压低于所述第二栅极控制电压。
23.根据权利要求14至22中任一项所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电转换器单元(14)被配置为通过增加所述功率半导体开关的栅极控制电压来增加所述功率半导体开关的开关速度。
24.根据权利要求22或23所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电转换器单元(14)被配置为在所述第一操作状态下使用所述第一栅极控制电压，并且在所述第二操作状态下使用所述第二栅极控制电压。
25.根据权利要求14至24中任一项所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电马达(12)是电梯(100)的电梯马达(12)。
26.根据权利要求14至25中任一项所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电马达(12)是以下之一：同步磁阻马达、永磁马达、永磁直线马达、永磁辅助同步磁阻马达、直线开关磁阻马达。
27.根据权利要求14至26中任一项所述的电转换器单元(14)，其特征在于，所述电转换器单元包括转换器设备(14D)，例如频率转换器。
28.一种电梯(100)，包括
电梯轿厢(10)，
电梯马达(12)，配置为移动所述电梯轿厢(10)，
电转换器单元(14)，用于操作所述电梯马达(12)，以及
控制单元(1000；14A)，配置为控制所述电梯和/或所述电转换器单元(14)，
其特征在于：
所述电转换器单元(14)是根据前述的权利要求14至27中任一项所述的电转换器单元(14)。
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