CN1161588A - 保护逆变器的开关元件使其不过热的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及保护PWM逆变器所用的多个相同半导体开关元件使其不过热的方法及其设备。在逆变器的输出频率ωc、逆变器的输出电流I和控制因子a的基础上，导出开关元件之一的结温升高Tn，当Tn>Tnref时，在相应的开关元件上发生过热。因此，对每一个开关元件不输入门信号或者增加在门信号的脉冲占空比方面的PWM断电占空比，以便限制逆变器的输出电流。

Description

保护逆变器的开关元件使其不过热的方法及装置
本发明涉及保护逆变器所用多个开关元件使其不过热的装置及方法，本发明装置和方法可用于感应电动机的矢量控制系统。
当用逆变器驱动感应电动机时，在逆变器的一个臂上的上位或下位开关元件中的任一个就被通电(接通)。在以低频驱动电动机时，在驱动期间上位或下位开关元件中任一个的持续时间变得较长，从而开关元件之一的内部结点上的温度波动也变大。详细地说，如果开关元件之一的总损耗不变的话，当逆变器的输出频率变低时，元件内部结点的温度就变高。
附图5A和5B示出：在感应电动机正常运转(较高频率驱动)时，逆变器输出电流和开关元件的结温的温度波动变化图形。
附图5C和5D示出：当输出电流的有效值与附图5A情况相等时，在低温驱动该电动机期间逆变器输出电流和开关元件接头温度波动变化图形。
如从附图5A至5D所示那样，当开关元件在接通状态期间，开关元件的结温变高；而当开关元件在断开状态下，它的结温就低。也就是说，每一个输出频率的半周期重复温度的升降。在最高温度和最低温度之间的温度差异就称之为温度波动。就低频驱动如附图5B所示来说，在一个开关元件被导通或断开时间的持续时间变长，从而温度波动就变大。
在1995年10月3日公开的日本专利申请第一次公开的特开平7-255166(平成7年)例示了一种逆变器所用功率开关元件的保护方法。
在该公开的功率开关元件的保护方法中，从逆变器到负荷(感应电动机)的输出电流用电流检测器来检测，以便保护开关元件不被过热；还安装了逆变器用的控制器，在该控制器中对每一个开关元件进行通-断控制，从而使输出电流不超过预定电流值。
例如，控制开关元件的通-断所用的每一个开关元件的时间限制特性是当时间过去时其输出电流(负荷电流)变小，也就是说，通过对逆变器输出电流大小和输出电流持续时间的限制来保护每一个开关元件免受过热。
然而，在上述日本专利申请公开说明书中，由于仅检测和读出开关元件之一的输出电流的大小和外壳温度，因此，在如上述如此低的频率和大电流驱动情况下，不能充分地保护每一个开关元件免受过热。
本发明目的在于：提供一种特别是在低频驱动期间，保护逆变器所用多个相同开关元件使其不过热的方法和装置。
按照本发明的第一方面，提供一种保护逆变器所用多个相同半导体开关元件使其不过热的方法，该方法包括如下步骤：
a)检测所述逆变器的输出电流；
b)读出输出电流、逆变器的输出电压相位θ、逆变器的输出频率和控制因子a；
c)在读出的输出电流、输出电压相位θ、输出频率和控制因子a的基础上，导出开关元件之一的开关元件的结温升高；
d)确定该开关元件的温度升高是否超过预定限值，在该预定限值之上时，该相应的开关元件之一会被过热；
e)减少向每个开关元件供应的门信号的接通脉冲占空比，以便限制逆变器的输出电流。
按照本发明另一方面，提供一种保护逆变器所用的多个相同半导体元件使其不过热的装置，该装置包括：一个传感器和一个逆变器脉宽调制控制器(inverter PWM controller)，其中，所安装的传感器用于检测所述逆变器的输出电流；所安装的逆变器PWM控制器用于读出逆变器的输出电流、逆变器的输出电压相位θ、逆变器的输出频率以及控制因子a，在读出的输出电流、输出电压相位θ、输出频率和控制因子的基础上，导出开关元件的结温升高，确定开关元件的温度升高是否超过预定限值，在该预定限值之上时，该相应的开关元件之一会被过热，并且减少向每个开关元件供应的门信号的接通脉冲占空比，以便限制逆变器的输出电流。
以下就本发明最佳实施例并配合以附图对本发明进一步说明，以便对本发明有更好的了解：
附图1示出通过PWM逆变器来控制三相感应电动机的本发明装置实施例电路方块图，对该装置可使用本发明保护逆变器中的多个开关元件使不被过热的方法。
附图2A和2B是在一个开关元件(附图1中的IGBT和FWD)中实际(功率)损耗(附图2A)以及在附图2A中的损耗的离散矩形波形(附图2B)的释义性时间图。
附图3是解释在示于附图1的控制器中执行本发明方法第一个最佳实施例的操作流程图。
附图4是解释在示于附图1的控制器中执行本发明方法第二个最佳实施例的操作流程图。
附图5A、5B、5C、5D分别示出在以上背景技术一段所述正常驱动和低频驱动期间的输出电流和温度波动的波形图。
附图1示出用于三相感应电动机(IM)的常用逆变器的电路方块图，对该逆变器可使用本发明保护逆变器中的多个开关元件使不被过热的方法的第一个最佳实施例。
如附图1所示，标号1表示三臂桥电路型的逆变器部分，每个臂具有二个串联的开关元件IGBT(绝缘门脉冲二极晶体管)，每个IGBT具有集电极端、发散极端和栅极端，每一个IGBT的集电极端连接到续流二极管(FWD)的阴极端，而其发散极端则连接到FWD的阳极端。
在上位IGBT和下位IGBT之间的每一臂的接点与负载诸如感应电动机(IM)相连接。令人注意的是，一只电流检测器(一般的电流互感器)2A插入三相电压线(Vu)，而另一只电流检测器2B则插入另一三相电压线(Vw)。
市电交流电源与变换器(交流-直流变换)、功率发生电路和逆变器相连接。令人注意的是，就用于感应电动机(交流伺服电动机)的矢量控制系统而言，将脉冲编码器(PP)联结到感应电动机的转子上，用来检测电动机(IM)转子的速度，而使脉冲编码器(PP)联结到PWM控制器3上，则用来计算差频等。上述矢量控制系统是由美国专利5,341,081作过示范的(本发明在这里引其内容作为参考)。
将门驱动(电路)插于控制器3和逆变器部分1的IGBT的每一个栅极端之间。(正弦波)PWM逆变器包括：输入端口、该输入端口接受指令例如转矩指令和电流检测器2(2A、2B)所检测过的电流输出；中央处理机(CPU)；存储器；与门驱动(电路)相连接的输出端口以及母线。
不管怎样，必须降低功率损耗，以便抑制IGBT元件的温度升高，因为，在IGBT元件中的温度升高是由于在IGBT元件中的功率损耗所造成。这个道理用于另一个半导体开关元件也同样适用。
到达第一个臂上位和下位IGBT元件以及与其连接的FWD的PWM信号的占空比变化如下：
IBGT元件：ΔQ1/Δθ＝1/2(1+asinθ)    ---(1)，
          ΔQ4/Δθ＝1/2(1-asinθ)    ---(2)。
令人注意的是，在FWD部分中的PWM占空比变化与方程式(2)相同。
在方程式(1)和(2)中，ΔQ1表示IGBT的第一个上位开关元件的接通时间间隔；Δθ表示三角形波周期的一个角度，该三角形波是PWM逆变器1的载波频率，ΔQ4表示IGBT第一个下位开关元件的接通时间间隔，a表示控制因子(或调制速率)，θ表示逆变器1的输出电压相位。
其次，第一臂上位IGBT开关元件的功率损耗以及第一臂FWD开关元件的功率损耗表示如下：
(第一臂上位)IGBT部分：PT＝PTON+PTSW
       ＝Vce(sat)(@I)xIx(1+asinθ)/2+PTSW    ---(3)，
      (∵PTSW＝ωcAq/2π2·Im+ωcBq/8π·Im，其中，Im表示输出电流(Iu或Iw)的最大值，ωc表示载波频率，Aq和Bq表示损耗系数(相应开关元件所固有的开关损耗参数)，Vce(sat)(@I)表示当输出电流I流动时，在饱和区的集流极-发射极电压，PT表示在IGBT部分的功率损耗，PTON表示IGBT部分的稳态损耗。
(第一臂上位)FWD部分：PD＝VF(@I)xIx(1-asinθ)/2  ---(4)，
其中，PD表示IGBT部分的损耗、VF(@I)表示当输出电流I流动时，在FWD部分的正向电压降。
令人注意的是，方程式(1)到(4)曾记述于1991年出版的日本“电加库伦D”(Dengakuron D)(电工研究所)(T.IEE)的日本论文(会刊)、第III册、第9号(741～750页)(名称是：用于PWM逆变器的短路电流抑制和功率损耗评估的改进)。
因此，确定功率损耗的变数(因子)包括：开关元件特性、输出电流I、控制因子a和输出电压相位θ(相应于载波频率ωc内含项)。
参照附图3，在步骤S1中，PWM控制器1的CPU读出该输出电流(Iu)、输出频率ωc、输出电压相位θ以及控制因子a。令人注意的是，只要输出电流I从存储器被读出，就可读出输出频率(fc或ωc)、输出电压相位θ和控制因子各参数，因为控制器1计算这些参数来控制感应电动机的驱动。这些计算已在美国专利5,581,452和5,341,081和5,481,173中例示过(各该专利的公布内容在这里被引作参考)。
在下一个步骤S2中，CPU使用方程式(1)到(4)计算IGBT元件和与其连接的FWD元件的功率损失并且计算IGBT元件和与其连接的FWD元件的温度上升(例如第一臂上位IGBT和与其相连结的FWD元件)。在此实施例中，使功率损耗从示于附图2A的半正弦形接近于示于附图2B的矩形。
也就是说，在半正弦形内的每一个功率损耗在时间t0，t1，t2，…，ti…，tn是离散数字形式。每一功率损耗被计算为P0，P1，P2，…，Pi…，Pn。
然后，以前存储于PWM控制器1的存储器的存储单元中的瞬态热阻抗被读出，并使用下式(S)计算IGBT元件(和与其相连接的FWD元件)的温度升高。 T n = Σ i = 1 n Pi { Z th ( t n - t i - 1 ) - Z th ( t n - t i ) } - - - ( 5 ) 其中Zth表示瞬态热阻抗[℃/W]。
因此，在开关元件中元件的结温升高受损耗和在该损耗发生期间的时间持续的影响。
令人注意的是，以逆变器1的载波频率的周期(Tp)作为变数，按照开关元件固有的热阻曲线，开关元件的瞬时热阻抗已经被确定并被存储于存储器的存储单元之中。
例如，假定载波频率ωc(fc)是10KHz(Tp＝100μS)，
①t；0～10msec：
ΔZth(i)＝Zth(tn-ti-1)-Zth(tn-ti)
        ＝0.837[(Tpxi)0.473-{Tpx(i-1)0.473}](℃/W).
②t；10.1msec～100msec：
ΔZth(i)＝Zth(tn-ti-1)-Zth(tn-ti)
        ＝0.606[(Tpxi)0.402-{Tpx(i-1)0.402}](℃/W).
③t；100.1msec～100msec
ΔZth(i)＝Zth(tn-ti-1)-Zth(tn-ti)
        ＝0.319[(Tpxi)0.123-{Tpx(i-1)0.123}](℃/W).
④t；800msec或更多
Zth(i)＝0(℃/W)。令人注意的是，时间t①到④可从(Tpxi)值选择。再令人注意的是，在瞬时热阻抗中的上述各参数是用其产品号为MBB100AS6的IGBT开关元件导出的。
其次，在步骤S4，CPU决定Tn是否大于Tnref，Tnref表示相应开关元件在该值以上被过热的预定极限值(IGBT开关元件或与其相连接的FWD元件的二者之一的结温标称值)。
也就是说，按照用于逆变器的开关元件导出Tn。如果第一上臂位置由IGBT和FWD所构成，则Tn是IGBT开关元件的结温。如果第一上臂位置仅由IGBT元件构成，则Tn不需方程式(2)的计算即可导出。
如果在步骤S4时，Tn＞Tnref，则程序进入步骤S6，在该步骤中，达到IGBT元件的各栅极的驱动信号被取消或者每个驱动信号的空占比被降低(增加断开比)。如果Tn≤Tnref(在步骤S4是“否”)，则程序进入步骤S5，在该步骤中，程序回到主程序中。
因此，可精确地控制开关元件过热的发生。
特别是，在低频驱动期间易于发生的过热可精确地被防止，因为已将PWM逆变器1的输出频率考虑进去了。令人注意的是，第一臂上位IGBT元件已被考虑进去，因为同样的开关元件被连接到三臂逆变器1的其它臂位置上。
第二个实施例
附图4是用于说明本发明第二个最佳实施例的操作流程图。
在第二实施例中，逆变器1的CPU已经将结温升高数据存储于在PWM控制器1中存储器的存储单元中，该数值是以输出频率ωc、输出电压相位θ和控制因子a作为变数而被确定出来的。
然后，在负载如感应电动机(IM)的实际运转中，CPU在步骤S1读出上述的各变数，并且在步骤S7从存储器的存储单元检索元件接头之一的温度升高数据。
这样，在驱动感应电动机期间、PWM控制器1的CPU为计算上述方程式的负载就可被解除了。
令人注意的是，尽管当时间的预定期间过去时附图3和附图4都能随时作为中断程序来执行，但是使用上述变数[和方程式(3)和(5)(方程式(4)的使用依FWD元件是否被使用而定)]也可施行另外的执行方法来决定开关元件是否过热。
而且，本发明还可应用于具有功率MOS(金属氧化物半导体)、GTR(闸门电路断开晶闸管)的开关元件或其它半导体开关元件。

Claims (6)

1.保护逆变器所用的多个相同半导体开关元件使其不过热的方法，其特征在于包括如下步骤：
a)检测所述逆变器的输出电流；
b)读出输出电流、逆变器的输出电压相位θ、逆变器的输出频率以及控制因子a；
c)在读出的输出电流、输出电压相位θ、输出频率和控制因子a的基础上，导出开关元件之一的开关元件结温升高；
d)确定该开关元件的温度升高是否超过预定限值，在该预定限值之上时，该相应的开关元件之一会被过热；
e)减少向每个开关元件供应的门信号的接通脉冲占空比，以便限制逆变器的输出电流。
2.按照权利要求1所述保护逆变器所用的多个相同半导体开关元件使其不过热的方法，其特征在于还包括如下步骤：
f)存储相应的一个元件的稳态接通损耗、开关损耗、瞬态热阻抗以及进入控制器存储器的每个相应存储单元之一的开关损耗计算公式；
g)使用所存储的开关损耗计算公式，从读出的逆变器输出电流、输出电压相位、控制因子、存储的稳态接通损耗以及所存储的开关损耗来计算每一个开关元件的损耗，以及
h)使用所存储的瞬态热阻抗和所计算的开关损耗来计算开关元件的结温升高。
3.按照权利要求1所述保护逆变器所用的多个相同半导体开关元件使其不过热的方法，其特征在于所述步骤c)包括步骤f)和步骤g)，其中，f)步骤是以输出电流、输出电压相角、输出频率和控制因子为变量，存储关于开关元件的结温升高的多个数据；g)步骤是从依照在步骤a)中所检测的检测输出电流和读出的输出电压相位、输出频率以及在步骤b)中所读出的控制因子而存储的数据来检索其数据中之一。
4.按照权利要求2所述为保护逆变器所用的多个相同半导体开关元件使其不过热的方法，其特征在于：每一个所述开关元件由一个绝缘栅二极晶体管和与其交叉相连接的一个续流二极管所构成，并且三相感应电动机连接到逆变器上。
5.按照权利要求4所述保护用逆变器所用的多个相同半导体开关元件使其不过热的方法，其特征在于：所检测的逆变器的输出电流接近于矩形波形，每一个开关元件的开关损耗接近另一矩形波形，并且在时间为t时，开关元件的结温升高Tn以 T n = Σ i = 1 n Pi { Zth ( tn - ti - 1 ) - Z th ( t n - t i ) } , 表示，其中，t＝to，…ti…，tn，Zth表示瞬时热阻抗。
6.保护逆变器所用的多个相同半导体开关元件使其不过热的装置，其特征在于含有一个传感器和一个逆变器脉宽调制控制器，其中所安装的传感器用于检测所述逆变器的输出电流；所安装的逆变器脉宽调制控制器用于读出逆变器的输出电流、逆变器的输出电压相位θ、逆变器的输出频率以及控制因子a，在读出的输出电流、输出电压相位θ、输出频率和控制因子a的基础上，导出开关元件的结温升高，确定开关元件的温度升高是否超过预定限值，在该预定限值之上时，该相应的开关元件之一会被过热，并且减少向每个开关元件供应的门信号的接通脉冲占空比，以便限制逆变器的输出电流。
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