CN1183653C - 逆变器装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于解决一旦大幅度降低输出频率就无法达到对开关元件的确实保护。为了解决上述课题，为了防止逆变器装置的变换电路(3)的开关元件(Q1～Q6)的发热，设有散热器(6)。散热器(6)上连接温度检测器(7)。同检测温度相比较的允许温度不为固定值而由输出频率(fo)及开关频率(fc)进行修正。

Description

逆变器装置

技术领域

本发明涉及具有开关元件温度保护功能的逆变器装置。

背景技术

作为PWM逆变器的主开关元件常使用IGBT(绝缘栅场效应晶体管)等功率设备。这些元件存在正常损耗及开关性损耗(开/关时的损耗)，由于这种损耗使元件连接部的温度上升。元件连接部温度的允许值一般为150℃。为控制元件连接部温度的上升，常使用散热器或风扇。当散热器或风扇结构宽大时，必然造成装置的大型化且提高成本。为防止元件的损坏，常采用检测散热器或冷却用散热片的温度、停止对元件供电的方法，但若体积大则造成大型化且提高成本，若体积小又有损坏元件的隐患。

发明内容

本发明旨在提供一种能够合理地防止开关元件损坏的逆变器装置。

为解决上述课题、达到上述目的，本发明的方案1涉及逆变器装置，它是为对负载提供交流电力的逆变器装置，设有包括为变直流为交流的开关元件的变换电路；为对上述开关元件进行开关控制的控制电路；上述开关元件上安装的散热器；检测上述散热器或上述开关元件温度的温度检测器；发生表示上述散热器或上述开关元件的允许温度信号的允许温度发生装置；将上述温度检测器的输出与上述允许温度发生装置的输出进行比较，当上述温度检测器的输出所示的检测温度比上述允许温度发生装置所示的允许温度高时，控制上述变换电路为停止状态的停止装置。其特征在于，上述允许温度发生装置具有允许温度修正功能，它能将上述变换电路的低的输出频率时的允许温度变为比其高的频率时的允许温度更高，上述允许温度发生装置最好由下列部分组成，即，对表示上述变换电路输出频率(fo)的信号进行应答并发生与上述频率(fo)成正比变化的第1值a(fo)的装置；发生具有与上述输出频率(fo)成反比变化的值且比上述第1值a(fo)更小的值的第2值b(fo)的装置；发生具有与上述开关元件的开关频率(fc)成正比变化的值且比上述第1值a(fo)更小的值的第3值g(fc)的装置；发生与上述变换电路的输出电压的1周期中的上述开关元件的开/关动作期间成正比变化的第4值(k)的装置；发生表示上述变换电路输出电流I的信号的装置；通过公式

          Toh＝a(fo)-{b(fo)×g(fc)/k}I

运算，求允许温度Toh的运算装置。

根据本发明，不仅通过开关元件所附散热器温度的检测进行保护，还考虑到逆变器的输出频率、开关频率及输出电流进而确定允许温度。因此，本发明具有合理的允许温度值，从而提高了保护开关元件的可靠性。并且能够谋求减小允许温度的余量，实现逆变器装置小型化及低成本化。

又，能够通过运算装置容易得到具有合理值的允许温度。

附图的简单说明

图1所示为本发明的一个实施例的逆变器装置的电路图；

图2所示为图1的控制电路的详细图；

图3所示为图1的温度保护电路的详细图；

图4所示为输出频率与第1及第2的值的关系图；

图5所示为开关频率与第3的值的关系图；

图6所示为输出频率与散热器温度的关系图；

图7所示为开关频率与散热器温度的关系图；

图8所示为输出电流与散热器温度的关系图；

图9所示为开关元件集电极、发射极间的饱和电压与断开时的下降时间tf的关系图。

发明的具体实施方式

接下来，参照附图对本发明实施例进行说明。

图1所示的本发明的可变电压可变频率式逆变器装置设有接于直流电源I的第1及第2电源端子1a、1b；用于滤波和稳定化的电容器2；三相桥式变换电路3；第1、第2及第3交流输出端子4a、4b、4c；控制电路5；用于变换电路3的散热器6；温度检测器7；输出电流检测器8；温度保护电路9；电压检测电路10。

接于直流电源端子1a、1b与交流输出端子4a、4b、4c之间的变换电路3是常见的三相桥式逆变器电路，它将直流电压变为三相交流电压并将其供给作为接于输出端子4a、4b、4c的负载的交流电机11，由IGBT组成的第1、第2、第3、第4、第5、第6开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6和分别与它们反方向并联接续的保护用或反馈用第1、第2、第3、第4、第5、第6二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成。

第1～第6开关元件Q1～Q6及第1～第6二极管D1～D6设于散热性良好的金属制成的散热器6上，与散热器6热性结合。因而散热器6的温度具有与开关元件Q1～Q6的连接部温度成正比的关系。温度检测器7粘合在散热器6上，进行散热器6的温度检测并对开关元件Q1～Q6的连接部温度进行间接地检测，通过线路7a将温度检测信号Tf送至温度保护电路9。第1～第6二极管D1～D6也可以是第1～第6开关元件Q1～Q6的内藏式即寄生二极管。

电流检测器8接于变换电路3的输出线路上，检测出变换电路3的输出电流Io后通过线路8a送至温度保护电路9。

电压检测电路10接于第1、第2及第3输出端子4a、4b、4c，检测出逆变器输出电压Vo后通过线路10a将其送至控制电路5。

控制电路5通过线路9a、12、13、14接于温度保护电路9，且通过线路10a接于电压检测电路10，进而通过线路14～19接于第1～第6开关元件Q1～Q6的控制端子。

图2所示为控制电路5的详细图，由下列部分组成，即频率指令电路20；三相正弦波发生电路21；基准电压源22；误差放大器23；第1、第2及第3乘法器24、25、26；锯齿波发生电路27；第1、第2及第3比较器28、29、30；第1、第2及第3NOT电路31、32、33；滞后时间附加电路34。

频率指令电路20为了对变换电路3进行可变频率控制而发出可变频率指令fo。三相正弦波发生电路将具有频率指令fo指示频率的三相基准正弦波通过线路21a、21b、21c送出。

基准电压源22为了改变变换电路3的输出电压Vo而构成可变基准电压源。误差放大器23将表示线路10a的输出检测电压Vo与基准电压源22的基准电压Vr之差的误差信号ΔV进行输出。

第1、第2及第3乘法器24、25、26将误差信号ΔV同线路21a、21b、21c的第1、第2及第3相的正弦波基准电压进行乘法运算后振幅调整了的正弦波送至第1、第2及第3比较器28、29、30。

锯齿波发生电路27以比线路21a、21b、21c的基准正弦波频率fo更高的载波频率即开关频率fc(如20kHZ)发生锯齿波电压或三角波电压。又，锯齿波发生电路27将表示开关频率fc的信号通过线路13送出。

第1、第2及第3比较器28、29、30将乘法器24、25、26的输出与锯齿波电压相比较以常见的方结形成用于第1、第3及第5开关元件Q1、Q3、Q5的PWM脉冲。第1、2、3非电路31、32、33将第1、2、3比较器28、29、30的输出反相，用于形成第2、4、5开关元件Q2、Q4、Q6的PWM脉冲。

滞后时间附加电路34为防止第1及第2开关元件Q1、Q2同时呈开状态、第3及第4开关元件Q3、Q4同时呈开状态、第5及第6开关元件Q5、Q6同时呈开状态而进行控制信号调整，再将控制信号送至第1～第6开关元件Q1～G6。

温度保护信号线路9a接于作为开关元件Q1～Q6的开/关控制停止装置的由晶体管组成的开关9b。开关9b预接于锯齿波发生电路27，对来自线路9a的保护指令做出应答，中止锯齿波电压的发生。由此，第1、第2及第3比较器28、29、30便不发生PWM脉冲，第1～第6开关元件Q1～Q6呈关控制，变换电路3呈停止状态。

根据线路9a的温度保护指令信号能够进行误差放大器23的输入或输出；频率指令电路20、三相正弦波发生电路21、比较器28、29、30的输入或输出；以及变换电路3的直流输入线路的控制，还能进行开关元件Q1的禁止开控制。重要的是，当线路9发生温度保护指令后，最好采用某种方法将开关元件Q1～Q6即变换电路3控制为关。

温度保护电路9如图3所示，由存储装置40、运算装置41、温度保护判断装置42组成。

运算装置41是通过下式求散热器6的允许温度Toh的装置，

Toh＝a(f0)-{b(fo)×g(fc)/K}I...    (1)

这里，a(fo)为相对逆变器输出频率fo成正比变化的第1的值，亦为表示元件的最大连接温度的值。b(fo)为相对输出频率fo成反比变化的第2的值，亦为表示输出频率fo的温度变化ΔT的值。

又，g(fc)为对应开关频率fc变化的第3的值。此第3的值g(fc)

为表示开关频率fc的温度变化的值。

K为依存于调制系数即变换电路3的第1～第6开关元件Q1～Q6的PWM脉冲控制期间的第4的值，在将第1～第6开关元件Q1～Q6进行交流输出的1个周期(360度)的整个期间以PWM脉冲进行控制时其值为1，而仅在将第1～第6开关元件Q1～Q6进行交流输出的1个周期(360度)中的120度处以PWM脉冲进行控制时其值为0.8。

图4所示为前述式(1)中第1的值a(fo)及第2的值b(fo)与输出频率fo的关系图。第1的值a(fo)对应输出频率fo成正比变化，第2的值b(fo)对应输出频率fo成反比变化。第2的值b(fo)随输出频率(fo)变小而变大，当频率为0即为直流时变为最大。随此第2的值b(fo)的变大，散热器6的允许温度下降。

也就是说，如图6所示，随着输出频率fo下降散热器6的温度升高，因此散热器6的允许温度Toh必须与输出频率fo成正比地下降。从而，由图6的关系可实验性确定图4的第1及第2的值a(fo)及b(fo)。另外，可设定第1的值a(fo)比第2的值b(fo)更大。

图5表示开关频率fc与第3的值g(fc)具有正比关系。随着开关频率fc即锯齿波的频率变高，第3的值g(fc)变大。当开关频率fc变高时，散热器6的允许温度变低。

也就是说，如图7所示，散热器6的温度上升与开关频率fc成正比变化。从而，根据图3的特性可实验性确定图5的第3的值g(fc)。

图8所示为输出电流I与散热器6的温度上升的关系。开关元件Q1～Q6及散热器6的温度与输出电流I成正比且变高。

图9所示为第1～第6开关元件Q1～Q6的集电极、发射极间的饱和电压Vce(sat)与断开时的下降时间tf的关系。从图9可知，随着饱和电压Vce变大，开关元件Q1～Q6的断开时的下降时间tf变短。第1、第2、第3及第4的值a(fo)、b(fo)、g(fc)、K可参考图6、图7、图8的特性来确定。

(1)式的第1、第2、第3及第4的值a(fo)、b(fo)、g(fc)、K可实验性地预求，并存储于存储装置40的存储工作单元40a、40b、40c、40d。也就是说，工作单元40a中存储着每个如图4所示的横轴的多个输出频率fo的第1的值a(fo)。可由此工作单元40a将线路12的输出频率fo作为地址信号并读出与其对应了的第1的值a(fo)。又，工作单元40b中存储着图4所示的第2的值b(fo)。此第2的值b(fo)也可将输出频率fo作为地址信号读出。又，工作单元40c中存储着每个如图5所示的横轴的开关频率fc的第3的值g(fc)。可由此工作单元40c将线路13的开关频率fc作为地址信号并读出第3的值g(fc)。又，工作单元40d中存储着表示第4的值K的数据。工作单元40d的第4的值K可将区别后的线路14调制方式的信号M作为地址读出。另外，存储装置40设有对输入装置进行A/D变换的装置。

运算装置41使用根据输出频率fo、开关频率fc、调制形式M读出的第1、第2、第3及第4的值a(fo)、b(fo)、g(fc)、K和线路8a的输出电流I进行前述(1)式的运算，然后输出表示散热器6的允许温度Toh的信号。

散热器6的允许温度Toh不是恒定的，对应于输出频率fo、开关频率fo、输出电流I而变化。

温度保护判定装置42由比较器组成，将运算装置41得到的允许温度Toh与线路7a得到的散热器6的检测温度Tf相比较，若检测温度Tf超过允许温度Toh，则向线路9发出关指定信号。一旦关指令信号发生，控制电路5就将第1～第6开关元件Q1～Q6实行关控制、对其进行保护。

由此可知，因为本实施例中不令允许温度为固定值而形成考虑到输出频率fo、开关频率fc、调制系数和输出电流的可变值，所订能够合理地保护开关元件Q1～Q6。

本发明不限于上述实施例，还可以是诸如下列变化的形态。

(1)可以只考虑输出频率fo来进行允许温度Toh的可变控制。

(2)可以只考虑开关频率fc来进行允许温度Toh的可变控制。

(3)可以只考虑输出频率fo和开关频率fc二者来进行允许温度Toh的可变控制。

(4)可以不令第1的值a(fo)为可变值而为图4中虚线所示的固定值。(5)可以将变换电路3及控制电路5置换为别的形式的各种电路。(6)可以将开关元件Q1～Q6改用IGBT之外的晶体管、FET等半导体开关。

(7)可以将控制电路5及温度保护电路9的部分或全部换成数字电路。

Claims (1)

1.一种逆变器装置，它是对负载提供交流电力的逆变器装置，设有：包括为变直流为交流的开关元件的变换电路；

为对上述开关元件进行开关控制的控制电路；

上述开关元件上安装的散热器；

检测上述散热器或上述开关元件温度的温度检测器；

发生显示上述散热器或上述开关元件的允许温度信号的允许温度发生装置；

将上述温度检测器的输出与上述允许温度发生装置的输出进行比较，当上述温度检测器的输出所示的检测温度比上述允许温度发生装置所示的允许温度高时，控制上述变换电路为停止状态的停止装置，

其特征在于，所述允许温度发生装置由下列部分组成，即：

对表示上述变换电路输出频率fo的信号进行应答并发生与上述频率fo成正比变化的第1值a(fo)的装置；

发生具有与上述输出频率fo成反比变化的值且比上述第1值a(fo)更小的值的第2值b(fo)的装置；

发生具有与上述开关元件的开关频率fc成正比变化的值且比上述第1值a(fo)小的值的第3值g(fc)的装置；

发生与上述变换电路的输出电压的1周期中的上述开关元件的开/关动作期间成正比变化的第4值(k)的装置；

发生表示上述变换电路输出电流I的信号的装置；

通过公式

       Toh＝a(fo)-{b(fo)×g(fc)/k}×I运算，求允许温度Toh的运算装置。

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