CN1670497A - 温度检测装置及方法、包含温度检测程序的计算机可读程序产品 - Google Patents

Abstract

计算在IGBT处产生的热值P[W]，并根据冷却系统的热阻计算在冷却系统中循环的冷却水的温度T_w [℃]和IGBT的温度T_j [℃]之间的温差ΔT’ _j [℃]。然后根据计算的温差ΔT’ _j [℃]计算消除了瞬变影响的温升ΔT_j [℃]，并计算IGBT的温度T_j [℃](＝T_w [℃]+ΔT_j [℃])。

Description

温度检测装置及方法、 包含温度检测程序的计算机可读程序产品

技术领域

本发明涉及用于检测半导体模块等的温度的温度检测装置、温度检测方法、以及包含温度检测程序的计算机可读的计算机程序产品。

背景技术

在电气车辆等应用中使用功率变换器，其中逆变器由半导体开关元件等构成。利用这种电变换器，需要检测半导体模块的温度，以便阻止半导体模块的温度快速地上升。在日本专利申请公开No.2000-134074中，对构成半导体模块的6个半导体元件的每一个提供有温度检测二极管和温度检测电路。

发明内容

不过，如果对作为温度检测对象的半导体元件提供温度检测元件和电路，将使温度检测装置伴随着零件数量的增加而引起尺寸和成本的增加。

本发明中的温度检测装置包括：冷却介质温度计算装置，用于计算在冷却系统中的冷却介质的温度，在所述冷却系统中，以预定的驱动比率被驱动的温度检测对象被冷却；以及温度计算装置，用于根据用于温度检测对象的驱动信息、在温度检测对象和冷却介质之间的热阻以及由所述冷却介质温度计算装置计算的冷却介质的温度来计算温度检测对象的温度。

本发明的温度检测方法包括以下步骤：计算在冷却系统中的冷却介质的温度，在所述冷却系统中，以预定的驱动比率被驱动的温度检测对象被冷却，以及根据用于温度检测对象的驱动信息、在温度检测对象和冷却介质之间的热阻以及所述冷却介质的温度来计算温度检测对象的温度。

在本发明中的一种计算机可读的计算机程序产品包含温度检测程序。所述温度检测程序包括用于计算温度检测对象的发热量的处理，用于根据计算的热量和在温度检测对象与冷却系统的冷却介质之间的热阻来计算在温度检测对象和冷却介质之间的温差的处理，在所述冷却系统中，所述温度检测对象被冷却，用于从计算的温差中除去所述冷却系统的瞬态响应分量的处理，以及通过把从中除去瞬态响应分量的温差加到冷却介质的温度上计算温度检测对象的温度的处理。

附图说明

图1是安装有按照本发明的第一实施例的温度检测装置的电气车辆的基本零件的结构图；

图2是用于说明半导体元件温度检测器的配置的方块图；

图3是表示在集电极电流和集电极-发射极电压之间的关系的图；

图4是表示在半导体元件温度和集电极-发射极电压之间的关系的图；

图5是表示在半导体元件温度和开关损失之间的关系的图；

图6是表示在电动机的转速和热阻之间的关系的一个例子的图；

图7是表示在从激励开始经过的时间和温升之间的关系的一个例子的图；

图8是安装有按照本发明的第二实施例的温度检测装置的电气车辆的基本零件的结构图；

图9是用于说明半导体元件温度检测器的配置的方块图；

图10是具有按照本发明的第四实施例的温度检测装置的车辆的基本零件的结构图；

图11是用于说明冷却水温度检测器的配置的方块图；

图12是具有按照本发明的第五实施例的温度检测装置的车辆的基本零件的结构图；

图13是用于说明冷却水温度检测器的配置的方块图；

图14是说明温度检测程序处理的流程图；以及

图15表示如何对个人计算机提供控制程序。

具体实施方式

第一实施例

图1是安装有按照本发明的第一实施例的温度检测装置的电气车辆的基本零件的图。在图1中，半导体模块由6个绝缘栅型双极晶体管(IGBT)Tua，Tub，Tva，Tvb，Twa，Twb配置而成。该半导体模块构成一个逆变器，用于向构成车辆的驱动器源的电动机5提供电功率。通过以规定的载波频率开关每个IGBT，把电池30的直流功率转换成三相电流功率。所述的三相相应于U，V，W相，由IGBT的Tua，Tub构成U相，IGBT的Tva，Tvb构成V相，IGBT的Twa，Twb构成W相。

电压传感器1检测施加于半导体模块的每相的直流电压。检测的电压值被传送给电流控制器7。U相电流传感器2检测在半导体模块的U相线中流动的电流。V相电流传感器3检测在半导体模块的V相线中流动的电流。W相电流传感器4检测在半导体模块的W相线中流动的电流。由每个电流检测器3-5检测的直流电流值被传送给电流控制器7。

位置传感器6检测电动机5的转子的位置。从位置传感器6输出的位置检测信号被发送给电流控制器7。电流控制器7按照电流目标值进行半导体模块的转换，并对电动机5进行驱动控制。具体地说，在半导体模块中的每相中流动的电流被分解为两个正交轴分量，分量id用于磁轴或感应性最小的轴，分量iq用于磁正交轴或感应性最大的轴，并进行作为一个矢量来控制电流的矢量控制。此时由d轴和q轴构成的正交座标系是一个和电动机5的旋转同步旋转的坐标系。

电流控制器7向半导体元件温度检测器8发送在半导体模块的每相中流动的电流值、施加于半导体模块的直流电压值、以及用于每个IGBT(Tua，Tub，Tva，Tvb，Twa，Twb)等的驱动信息(ON时间比率等)。

半导体模块被水冷型冷却系统(未示出)冷却。水温传感器9检测在冷却系统中再循环的冷却水的温度，特别是检测水温传感器9所在位置的冷却水的温度。由水温传感器9检测的温度然后被发送给半导体元件温度检测器8。水温传感器9的温度检测位置例如取在冷却水的流入附近，所述冷却水在半导体元件温度检测器的冷却系统中循环。

然后，半导体元件温度检测器8根据由电流控制器7发出的在半导体模块的每相中流动的电流值、施加于半导体模块的直流电压值、由水温传感器9检测的水温、以及由电流控制器7发送的用于每个IGBT的驱动信息来计算每个IGBT的温度。当IGBT的检测温度超过规定的判定门限值时，半导体元件温度检测器8向保护电路20发送异常温度信号。

当由半导体元件温度检测器8输入异常温度信号时，保护电路20执行故障保险操作，其向电流控制器7输出指令，使得降低载波频率并减少在IGBT中流动的电流。

本发明具有由半导体元件温度检测器8执行的特有的温度检测操作。在第一实施例中，半导体元件温度检测器8在相应于电动机5的转速范围的每个周期计算每个IGBT的温度。在检测直到达最大转速的情况下，每个载波周期(例如100微秒)都需要计算，在只检测低转速的情况下，可以使用比基于转速的载波周期较慢的周期计算。不过，这被取得比根据后面说明的过渡模型时间常数确定的最低的计算周期(例如50毫秒)较大。在这个例子中计算周期为100微秒。

图2是用于说明半导体元件温度检测器8的配置的方块图。在图2中，半导体元件温度检测器8包括发热(损耗)模型10，热阻模型11和瞬态(热容量)模型12。发热模型10计算由IGBT产生的热量，即计算IGBT的损耗。

根据在半导体模块的每相中流动的电流值、施加于半导体模块的直流电压值、用于每个IGBT的驱动信息以及上一次(在本例中，前100微秒)检测的IGBT的温度来计算发热值P[W]。所述电流值被用作对应于构成温度检测目标的IGBT的相电流。由温度检测目标构成的IGBT驱动信息被用作IGBT驱动信息。

发热值P[W]作为损耗P_sat和开关损失P_SW之和表示，如下式(1)所示。

P[W]＝P_sat+P_sw

                    (1)

公式(1)的第一项损耗P_sat[W]由下式(2)表示。

P_sat[W]＝i·V_ce·t_ON

                    (2)

其中，i[A]是构成温度检测目标的IGBT的集电极电流。按照由电流传感器检测的相电流(i’[A])的值取集电极电流i[A]如下。在构成温度检测目标的IGBT构成上臂的情况下，如果i’≥0，则取i＝i’，如果i’＜0，则取i＝0。在构成温度检测目标的IGBT构成下臂的情况下，如果i’≥0，则取i＝0，如果i’＜0，则取i＝-i’。其中，t_on是构成温度检测目标的IGBT的导通时间比率，其是从0到1的任何值。当电动机5以低速旋转时(当每单位时间的转数小于规定的数量时)，还可以取t_on是一个固定值0.5。电动机5的转速(转数)根据由位置传感器6输出的检测信号或者根据通过半导体模块流动的相电流的波动周期来检测。

在式(2)中IGBT的集电极和发射极之间的电压V_ce[V]由下式(3)表示。

$V_{\mathrm{ce}}\left[V\right]=V_{\mathrm{ce}0}+\frac{V_{\mathrm{ce}\left(\mathrm{sat}\right)}-V_{\mathrm{ce}0}}{k_0}\·i---\left(3\right)$

其中，V_ce0[V]是当集电极电流i＝0[A]时的集电极-发射极电压，V_ce(sat)[V]是当集电极电流i＝k₀[A]时的集电极-发射极电压。图3是表示在某个半导体元件温度下流动的集电极电流与由式(3)表示的集电极-发射极电压V_ce之间的关系的图。按照图3，集电极-发射极电压V_ce随集电极电流的增加而上升。

集电极-发射极电压V_ce根据半导体元件的温度而改变。图4是表示在某个半导体元件的温度下半导体元件的温度与集电极-发射极电压V_ce之间的关系的图。图4的纵轴的比例和图3的纵轴的比例不同。按照图4，集电极-发射极电压V_ce随半导体元件的温度增加而略有上升。

当包括在式(3)中的集电极-发射极电压V_ce被表示为半导体元件温度(即作为温度检测目标的IGBT的温度)的函数时，获得下式(4)。这个公式通过实验根据测量数据被获得，并被事先存储在半导体元件温度检测器8的存储器内。

V_ce0[V]＝k₂·T_j+k₃

                    (4)

k₂和k₃是通过实验获得的系数。T_j[℃]是前一次(在本例中是前100微秒)检测的IGBT的温度。然后半导体元件温度检测器8把式(4)的计算结果即V_ce0代入式(3)。通过使用半导体元件温度T_j(即前一次检测的IGBT的温度)进行式(4)的计算，半导体元件温度检测器8能够获得对应于半导体元件温度T_j的集电极-发射极电压V_ce0。

当包括在式(3)中的集电极-发射极电压V_ce(sat)被表示为半导体元件温度(即作为温度检测目标的IGBT的温度)的函数时，获得下式(5)。该式也由实验获得，并被存储在半导体元件温度检测器8的存储器内。

$V_{\mathrm{ce}\left(\mathrm{sat}\right)}\left[V\right]=k_4\·T_j^2+k_5\·T_j+k_6---\left(5\right)$

其中k₄，k₅，k₆是通过实验获得的系数。T_j[℃]是前一次(在本例中是前100微秒)检测的IGBT的温度。然后半导体元件温度检测器8把式(5)的计算结果即V_ce(sat)代入式(3)。通过使用半导体元件温度T_j(即前一次检测的IGBT的温度)进行式(5)的计算，半导体元件温度检测器8能够获得对应于半导体元件温度T_j的集电极-发射极电压V_ce(sat)。

在另一方面，作为公式(1)的第二项的开关损失P_SW可以由下式(6)表示。

$P_{\mathrm{sw}}\left[W\right]=f_c\·E_{\mathrm{sw}\left(\mathrm{sat}\right)}\·\frac{i}{k_1}---\left(6\right)$

其中f_c[Hz]是开关频率。E_sw(sat)[J]是当集电极电流i＝k₁[A]时的开关损失。开关损失具有随半导体元件温度的增加而增加的特征。图5是表示在半导体元件的温度和开关损失E_sw(sat)之间的关系的图。

图5所示的开关元件的E_sw(sat)在下式(7)中被表示为构成温度检测目标的IGBT的温度的函数。这个公式通过实验根据测量数据被获得，并被事先存储在半导体元件温度检测器8的存储器内。

$E_{\mathrm{sw}\left(\mathrm{sat}\right)}\left[J\right]=\{k_7\·e^{k_8\·T_j}\·V_{\mathrm{dc}}-(k_9\·T_j+k_{10})\}\×{10}^{-3}---\left(7\right)$

其中k₇，k₈，k₉，k₁₀是通过实验获得的系数。T_j[℃]是前一次(在本例中是前100微秒)检测的IGBT的温度。V_dc[V]是施加于半导体模块的直流电压值。然后半导体元件温度检测器8把式(7)的计算结果代入式(6)。

如上所述，半导体元件温度检测器8通过进行式(1)到式(7)的计算算出构成温度检测目标的IGBT的发热值P[W]。

热阻模型11基于构成温度检测目标的IGBT的发热值P[W]和冷却系统的热阻R[℃/W]计算在由水温传感器9检测的冷却水温T_w[℃]和构成温度检测目标的IGBT的温度之间的温差ΔT’_j[℃]。

热阻R[℃/W]是一个和电动机5的转速(每单位时间的转速)对应的值。图6是表示在转速和热阻R1之间的关系的例子的图。按照图6，热阻R1随转速的增加而升高，并且当达到规定的转速时，热阻成为一个基本上固定的值。如图6所示的取决于转速的热阻R1被事先测量，测量的数据被存储在半导体元件温度检测器8内的存储器(未示出)中。然后半导体元件温度检测器8从电流控制器7获得相应于电动机5的转速的信号，参照在存储器中存储的数据，并获得相应于该转速的热阻R1。

因为在热阻模型中存在误差，热阻R[℃/W]按照构成温度检测目标的IGBT的发热值P[W]而改变。在产生的热量(损耗)和热阻R2之间的关系的例子中，热阻R2随发热值P的增加而增加。取决于所产生的热量的热阻R2被预先测量，测量的数据被存储在半导体元件温度检测器8内的存储器(未示出)中。然后半导体元件温度检测器8使用利用发热(损耗)模型10计算的发热值P[W]参照在存储器中存储的数据，从而获得相应于该发热值P[W]的热阻R2。

为了容易说明，给出一个说明，其中在半导体元件温度检测器8分别提供有用于热阻R1的表格数据和用于热阻R2的表格数据。不过，实际上，对于热阻R1和热阻R2，配置一个二维的表。半导体元件温度检测器8根据电动机5的转速和发热值P参照这个二维的表，并获得对应于转速和发热值P的热阻R[℃/W]。

然后半导体元件温度检测器8通过进行下式(8)的计算算出由于发热值P[W]而发生的温差ΔT’_j[℃]。ΔT’_j[℃]被称为对于其温度被检测的IGBT获得的最后的温升。

ΔT_j′[℃]＝R·P

                    (8)

瞬态(热容量)模型12通过补偿在对半导体模块施加电流之后发生的温度检测装置的瞬态温度特性来计算作为温度检测目标的IGBT的温升ΔT_j[℃]。ΔT_j[℃]是一个通过从计算的温差ΔT’_j[℃]中消除施加电流之后的瞬变影响而获得的值。

在开始激励半导体模块之前，IGBT的温度和冷却水的温度是相同的。在对半导体模块施加电流开始之后，按照IGBT的发热值P[W]在IGBT和冷却水之间发生温差。当发热值P[W]被固定时，这个温差从开始施加电流时增加，并且在达到热平衡之后等于ΔT_j[℃]。

图7是表示在从施加电流开始经过的时间与温升之间的关系的例子的图。按照图7，正好在开始施加电流之后，温度的上升速率是高的，温度增加的速率随经过的时间而降低，然后收敛。在图7中，当在电动机5转速低的情况下的温度增加曲线和在电动机5转速高的情况下的温度增加曲线比较时，转速小的情况下的曲线比转速高的情况下的曲线收敛得更快。

图7所示的曲线是通过对预先测量的数据进行曲线拟合获得的。在IGBT的温升ΔT_j[℃]和最后的温升ΔT’_j[℃]之间满足下式(9)的关系。

$\mathrm{\Δ}{T}_j\left(s\right)=\frac{b_2{s}^2+b_{1}s+a_0}{s^2+a_{1}s+a_0}\mathrm{\Δ}{T}_j^{\′}\left(s\right)---\left(9\right)$

其中的“s”是拉普拉斯算子，a₁，a₀，b₀，b₁是通过实验获得的系数。半导体元件温度检测器8然后可以对上面计算的温差ΔT’_j[℃]进行由公式(9)表示的滤波器运算，并获得计及瞬变影响的温升ΔT_j[℃]。

公式(9)被事先存储在半导体元件温度检测器8内的存储器中。实际上，存储对应于电动机5的转速的多个公式。半导体元件温度检测器8按照电动机5的转速选择公式，并利用选择的公式获得温升ΔT_j[℃]。

半导体元件温度检测器8把由水温传感器9检测的水温T_w[℃]和对于构成温度检测目标的IGBT获得的温升ΔT_j[℃]相加，并获得构成温度检测目标的IGBT的温度T_j[℃]。

T_j[℃]＝T_w[℃]+ΔT_j[℃]        (10)

半导体元件温度检测器8在每个载波周期对每个IGBT重复上述的IGBT的温度计算，并把计算结果传送给保护电路20。在这些计算中获得的每个IGBT温度在下一次IGBT的温度检测计算中被使用(式(4)，(5)和(7))。

由第一实施例中的温度检测装置进行的温度检测方法被归纳如下。

(1)在温度检测装置中的半导体元件温度检测器8计算在构成温度检测目标的IGBT产生的发热值P[W](发热(损耗)模型10)，并根据冷却系统的热阻R[℃/W]计算在冷却系统中循环的冷却水的温度T_w[℃]和IGBT的温度T_j[℃]之间的温差ΔT_j[℃](热阻模型11)。发热值P[W]的计算根据在半导体模块每相中流动的电流值、施加于半导体模块的直流电压值、用于每个IGBT的驱动信息以及前一次(例如之前的100微秒)检测的IGBT的温度进行。按照这种方法，可以获得IGBT的温度而不用直接在IGBT提供温度传感器。因此，即使对于由多个IGBT构成的半导体模块也只需要提供一个温度传感器。这意味着和对每个IGBT提供温度传感器的情况相比，能够使得半导体模块较小和较便宜。

(2)公式(4)和公式(5)用这种方式被设置，即，使得在计算发热值P[W]时由于由IGBT的温度T_j的变化引起的集电极-发射极电压Vce的变化所导致的发热值的波动被补偿。因此，可以精确地计算发热值P[W]。结果，提高了温差ΔT’_j[℃]的计算精度，并且提高了计算IGBT的温度的精度。

(3)公式(7)用这种方式被设置，即，使得在计算发热值时由于由IGBT的温度T_j的变化引起的开关损失E_sw(sat)的变化所导致的发热值P[W]的波动被补偿。因此，可以精确地计算发热值P[W]。结果，提高了温差ΔT’_j[℃]的计算精度，并且提高了IGBT的温度的计算精度。

(4)热阻R也按照电动机5的转速和构成温度检测目标的IGBT的发热值P[W]的各自的变化而被补偿。结果，改善了温差ΔT’_j[℃]的计算精度，并且改善了IGBT的温度的计算精度。

(5)公式(9)用这种方式被设置，即，使得消除在对半导体模块开始施加电流之后的瞬变影响，从而获得从计算的温差ΔT’_j[℃]中消除了瞬变影响的温升ΔT_j[℃](瞬变(热容量)模型12)。因此，能够精确地获得在正好开始施加电流之后的IGBT的温度T_j[℃](＝T_w[℃]+ΔT_j[℃])。

(6)因为对每个IGBT都计算温度，因此能够精确地获得IGBT的温度T_j[℃]，即使由于电动机5的锁定而使得只有一个IGBT的瞬态温度升高时。

已经说明了一个使用水温传感器9检测在冷却系统中循环的冷却水的温度的例子中，其中水温传感器9用于检测流入半导体模块的冷却水的温度。不过，冷却水温度也可以在其它位置检测，例如在半导体模块或从半导体模块的流出侧。不过，为了排除由于半导体模块之外的热源或冷源而引起的冷却水温波动的位置，在冷却水通路上半导体模块的前侧或后侧上具有热源或冷源的情况下，最好在半导体模块侧而不是在冷却水通路上热源或冷源附近检测冷却水的温度。

第二实施例

图8是安装有按照本发明的第二实施例的温度检测装置的电气车辆的基本零件的结构图。在图8中，和图1相同的元件用相同的标号表示，并省略其详细说明。和图1的不同点在于，提供有半导体元件温度检测器8A代替半导体元件温度检测器8。

图9是用于说明半导体元件温度检测器8A的配置的方块图。在图9中，半导体元件温度检测器8A包括发热(损耗)模型10A，热阻模型11和瞬态(热容量)模型12。半导体元件温度检测器8A以根据瞬态模型的时间常数确定的各个最小操作周期(例如50毫秒)检测每个IGBT的温度。热阻模型11和瞬态(热容量)模型12具有分别和图2所示的相同的结构，因而省略其说明。

发热模型10A按照下述方式计算在IGBT产生的热量，即计算IGBT的损耗。按照下述方式根据d轴和q轴的电流值、d轴和q轴的电压值、施加于半导体模块上的直流电压值、以及上一次(在本例中为之前的10微秒)检测的IGBT的温度来计算发热值P[W]。应当注意，所述电流值作为对应于构成温度检测目标的IGBT的相电流用于进行计算。由温度检测的目标构成的IGBT驱动信息作为IGBT的驱动信息用于计算。

作为公式(1)的第一项的损失P_sat[W]可以由下式(11)表示。

$P_{\mathrm{sat}}\left[W\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}{i}_a\·V_{\mathrm{ce}0}\·(\frac{1}{2\mathrm{\π}}+\frac{D}{4\sqrt{3}}\·\cos \mathrm{\θ})$

$+\frac{2}{3}{i}_a^2\·\frac{V_{\mathrm{ce}\left(\mathrm{sat}\right)}-V_{\mathrm{ce}0}}{k_0}\·(\frac{1}{8}+\frac{2D}{3\sqrt{3}\mathrm{\π}}\·\cos \mathrm{\θ}-\frac{3D\·{(-1)}^n}{2(6n+1)(6n+3)(6n+5){\mathrm{\π}}^2}\cos \left(3(2n+1)\mathrm{\θ}\right))$

n＝0，1，2，……

                (11)

其中i_a是关于d轴和q轴的电流矢量的幅值，并由下式(12)表示。

V_ce0[V]是当集电极电流i＝0[A]时的集电极-发射极电压，V_ce(sat)[V]是当集电极电流i＝k₀[A]时的集电极-发射极电压。其中D是PWM比率，并由下式(13)表示。cosθ是功率因数，由下式(14)表示。V_ce0[V]和第一实施例的相同，并根据公式(4)计算。V_ce(sat)[V]和第一实施例的相同，并根据公式(5)计算。

$i_a=\sqrt{i_d^2+i_q^2}---\left(12\right)$

其中i_d是d轴电流值，i_q是q轴电流值。

$D=\frac{v_a}{\frac{V_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{2}}}---\left(13\right)$

其中v_a是关于d轴和q轴的电压矢量的幅值，由下式(14)表示。V_dc[V]是施加于半导体模块的直流电压值。

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{i_d{v}_d+i_q{v}_q}{i_a{v}_a}---\left(14\right)$

其中，v_d是d轴电压值，v_q是q轴电压值。

$v_a=\sqrt{v_d^2+v_q^2}---\left(15\right)$

作为公式(1)的第二项的开关损失P_sw可由下式(16)表示。

$P_{\mathrm{sw}}\left[W\right]=f_c\·E_{\mathrm{sw}\left(\mathrm{sat}\right)}\·\frac{\sqrt{\frac{2}{3}}{i}_a}{k_1}\·\frac{1}{\mathrm{\π}}---\left(16\right)$

其中f_c[Hz]是开关频率。E_sw(sat)[J]是当集电极电流i＝k₁[A]时的开关损失。E_sw(sat)[J]和第一实施例的相同，并根据公式(7)计算。

由第二实施例中的温度检测装置进行的温度检测方法被总结如下。

(1)温度检测装置中的半导体元件温度检测器8A计算在构成温度检测目标的IGBT产生的发热值P[W](发热(损耗)模型10A)，并根据冷却系统的热阻R[℃/W]计算在冷却系统中循环的冷却水的温度T_w[℃]与IGBT的温度T_j[℃]之间的温差ΔT’_j[℃](热阻模型11)。发热值P[W]根据由电流控制器7确定的关于d轴和q轴的电流值、关于d轴和q轴的电压值、施加于半导体模块的直流电压值、以及前一次(例如10微秒)检测的IGBT的温度进行计算。在第二实施例中，也可以获得IGBT的温度而不用直接在IGBT提供温度传感器。和第一实施例一样，即使在组合有多个IGBT的半导体模块的情况下，也能够使得半导体模块较小和较便宜。

(2)在第二实施例中，假定在电动机驱动频率的至少一个周期期间IGBT的温度基本上是固定的情况下进行计算。因此当转速不大于根据瞬态模型的时间常数确定的转速时，不能获得精确的结果。不过，也可以应用根据直到最大转速的瞬态模型的时间常数所确定的最低计算周期(例如50毫秒)。

(3)公式(4)和公式(5)用这种方式被设置，即，使得在计算发热值P[W]时由于由IGBT的温度T_j的变化引起的集电极-发射极电压Vce的变化所导致的发热值的波动被补偿。此外，公式(7)用这种方式被设置，即，使得由于由IGBT的温度T_j的变化引起的开关损失E_sw(sat)的变化所导致的发热值P[W]的波动被校正。结果，和第一实施例一样，提高了温差ΔT’_j[℃]的计算精度，也提高了IGBT的温度的计算精度。

第三实施例

在上述的第一实施例中的温度检测装置和在第二实施例中的温度检测装置也可以按照电动机5的转速(每单位时间的转速)被转换。在这种情况下，在电动机5的转速低于一个预定的速度时，进行在第一实施例中的温度检测，当电动机5的转速大于预定的速度时，进行第二实施例中的温度检测。

按照第三实施例，不管电动机5的转速如何，可以从低速到高速应用本发明，其中包括电动机被锁定(转速为0)的情况。

第四实施例

可以根据温度而不是根据冷却水的温度，不用水温传感器来计算冷却水的温度Tw[℃]。图10是安装有按照本发明的第四实施例的温度检测装置的的车辆的基本零件的结构图。在图10中，和图1相同的元件用相同的标号表示，并且省略其详细说明。和图1的不同之处在于，提供温度传感器13代替水温传感器9，并提供冷却水温度检测器14。温度传感器13检测半导体温度模块周边的温度(例如最接近6个IGBT当中的IGBT Twa的位置)。通过根据由温度传感器13检测的温度进行规定的计算，冷却水温度检测器14获得冷却水的温度。

图11是用于说明冷却水温度检测器14的配置的方块图。在图11中，冷却水检测器14包括发热(损耗)模型10B，热阻模型11B和瞬态(热容量)模型12B。冷却水温度检测器14以和第一实施例相同的周期(例如100微秒)检测冷却水的温度。

发热模型10B计算在IGBT Twa产生的热量，即计算IGBT Twa的损耗P_Twa[W]。其操作和由第一实施例中的发热(损耗)模型10进行的处理相同，因而省略其详细说明。

热阻模型11B基于IGBT T_wa的发热值P_Twa[W]和温度传感器13的安装位置的热阻R₁₃[℃/W]计算在温度传感器13的安装位置的温度T₁₃[℃]与冷却水的温度T_ww[℃]之间的温差ΔT’_ww[℃]。热阻R₁₃[℃/W]被预先测量并被存储在冷却水温度检测器14内的存储器(未示出)内。然后冷却水温度检测器14使用由发热(损耗)模型10B计算的发热值P_Twa[W]参照在存储器中存储的数据，并获得对应于发热值P_Twa[W]的热阻R13。

然后，冷却水温度检测器14借助于进行下式(17)的计算来计算由于发热值P_Twa[W]而发生的温差ΔT’_ww[℃]。

ΔT′_ww[℃]＝R₁₃[℃/W]×P_Twa[W]            (17)

瞬态(热容量)模型12B通过补偿在对半导体模块施加电流之后发生的温度检测装置的瞬态温度特性来计算冷却水的温差ΔT_ww[℃]。ΔT_ww[℃]是一个通过从计算的温差ΔT’_ww[℃]中消除在开始施加电流之后的瞬变影响而获得的值。

使用和用于式(9)相同的处理，使用拉普拉斯算子，在冷却水的温差ΔT_ww[℃]和包括瞬变影响的温差ΔT’_ww[℃]之间的关系可以用下式(18)表示。

$\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{ww}}\left(s\right)=\frac{d_2{s}^2+d_{1}s+c_0}{s^2+c_{1}s+c_0}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{ww}}^{\′}\left(s\right)---\left(18\right)$

其中的“s”是拉普拉斯算子，c₁，c₀，d₀，d₁是通过实验获得的系数。冷却水温度检测器14把计算的温差ΔT’_ww[℃]代入式(18)，因而获得不包括瞬变影响的温差ΔT_ww[℃]。

然后，冷却水温度检测器14把由温度传感器13检测的温度T₁₃[℃]和温差ΔT_ww[℃]相加，如式(19)所示，因此，获得冷却水的温度T_ww[℃]。

T_ww[℃]＝T₁₃[℃]+ΔT_ww[℃]            (19)

然后，冷却水温度检测器14向第一实施例中的半导体元件温度检测器8或第二实施例中的半导体元件温度检测器8A发送获得的温度T_ww[℃]。此外，半导体元件温度检测器8或半导体元件温度检测器8A计算作为温度检测目标的IGBT的温度，其中使用由冷却水温度检测器14计算的冷却水的温度T_ww[℃]代替上述的第一实施例(或第二实施例)中由冷却水传感器9检测的冷却水的温度T_w[℃]。

按照第四实施例中的温度检测装置，提供用于检测IGBT T_Wa附近的温度的温度传感器13代替水温传感器，并通过使用由温度传感器13检测的温度进行计算，以获得冷却水的温度。因此，不需要在冷却水中设置水温传感器。结果，可以消除在水温传感器发生的泄漏。

第五实施例

在第五实施例中，给出了一个根据冷却水的温度T_w[℃]进行操作的修改例子。图12是安装有第五实施例的温度检测装置的车辆的基本零件的结构图。在图12中，和图10(第四实施例)所示的相同的元件用相同的标号表示，并且省略其详细说明。和图10的区别在于，提供片上(on-chip)传感器15代替水温传感器13，并提供冷却水温度检测器14A。片上传感器15被设置为检测在半导体模块当中温度最高的IGBT(例如IGBT T_wa)芯片的中心的温度。冷却水温度检测器14A根据由片上传感器15检测的温度通过进行规定的计算获得冷却水的温度。

图13是用于说明冷却水温度检测器14A的配置的方块图。冷却水温度检测器14A包括发热(损耗)模型10C，热阻模型11C和瞬态(热容量)模型12C。冷却水温度检测器14A以和第一实施例中相同的周期(例如，100微秒)检测冷却水的温度。

发热模型10C计算在IGBT T_wa产生的热量，即计算IGBT T_wa的损耗P_Twa[W]。其操作处理和第一实施例中发热(损耗)模型10的处理相同，因而省略其详细说明。不过，使用由片上传感器15检测的IGBT T_wa的片上温度代替上一次检测的IGBT温度。

热阻模型11C基于IGBT T_wa的发热值P_Twa[W]和冷却系统的热阻R₁₅[℃/W]计算由片上传感器15检测的温度T₁₅[℃]和冷却水的温度T_ww[℃]之间的温差ΔT’_ww[℃]。热阻R₁₅[℃/W]被预先测量并被存储在冷却水温度检测器14A内的存储器(未示出)内。然后冷却水温度检测器14A使用由发热(损耗)模型10C计算的发热值P_Twa[W]参照在存储器中存储的数据，从而获得对应于发热值P_Twa[W]的热阻R15。

然后，冷却水温度检测器14A借助于进行下式(20)的计算来计算由于发热值P_Twa[W]而发生的温差ΔT’_ww[℃]。

ΔT′_ww[℃]＝R₁₅[℃/W]× P_Twa[W]            (20)

瞬态(热容量)模型12C通过补偿在对半导体模块施加电流之后发生的温度检测装置的瞬态温度特性来计算冷却水的温差ΔT_ww[℃]。ΔT_ww[℃]是一个通过从计算的温差ΔT’_ww[℃]中消除在开始施加电流之后的瞬变影响而获得的值。

使用和式(9)相同的处理，使用拉普拉斯算子，冷却水的温差ΔT_ww[℃]和包括瞬变影响的温差ΔT’_ww[℃]可以用上述式(18)表示。系数的实际值和第四实施例的不同。冷却水温度检测器14A把计算的温差ΔT’_ww[℃]代入式(18)，并获得不包括瞬变影响的温差ΔT_ww[℃]。

然后，冷却水温度检测器14A把由片上传感器15检测的温度T₁₅[℃]和温差ΔT_ww[℃]相加，如式(21)所示，因此，获得冷却水的温度T_ww[℃]。

T_ww[℃]＝T₁₅[℃]+ΔT_ww[℃]             (21)

然后，冷却水温度检测器14C向第一实施例中的半导体元件温度检测器8或第二实施例中的半导体元件温度检测器8A发送获得的温度T_ww[℃]。此外，半导体元件温度检测器8或半导体元件温度检测器8A计算作为温度检测目标的IGBT的温度，其中使用由冷却水温度检测器14计算的冷却水的温度T_ww[℃]代替上述的第一实施例(或第二实施例)中由冷却水传感器9检测的水温T_w[℃]。

按照第五实施例，提供用于检测IGBT T_Wa的芯片温度的片上传感器15代替水温传感器，并通过使用由片上传感器15检测的温度进行计算，以获得冷却水的温度。因此，和第四实施例一样，不需要设置水温传感器。

在第五实施例中，当提供有片上传感器15时，在计算中使用算出的冷却水温的半导体元件温度检测器8(或半导体元件温度检测器8A)省略了对于IGBT(例如IGBT Twa)的温度检测计算。即，由片上传感器15检测的温度可被用作IGBT Twa的温度。

此外，在第五实施例中，只有在电动机5旋转的情况下(未锁定)，使用算出的冷却水温度进行计算的半导体元件温度检测器8A才可以省略对每一个IGBT进行温度检测操作。在电动机5正在旋转的情况下，半导体温度模块内温度最高的IGBT是相同的(在本例中，IGBTT_wa)。因此其它的IGBT的温度可认为正常，只要IGBT T_wa的温度(最大温度)不是异常温度。

上述的实施例是一些例子，在不脱离本发明的范围和构思的情况下可以作出各种改变。例如，在上面的说明中，给出了在水冷系统的情况下用于检测IGBT的温度的例子，不过本发明也可以应用于使用例如气体或油作为冷却介质的其它冷却系统的情况。

给出了一个用于检测IGBT的温度的例子的说明，不过这绝不是用于限制本发明，本发明还可以应用于检测被导通和截止的电路元件的温度的情况。

本发明可以应用于这种情况(例如，检测的温度极高、温度检测对象极小、温度检测对象的形状复杂以及温度检测对象在不能设置温度传感器的环境中)，其中温度传感器不能直接地被安装在温度检测对象(在上述的例子中的IGBT)上。

在上面的说明中，给出的说明是在半导体元件温度检测器8中制备了一个关于电阻R1和电阻R2的两维的表。最好是对于每个IGBT都制备一个两维的表，但是也可以对于一个典型的IGBT制备一个两维表，在操作中用于所有的IGBT。一个典型的IGBT被认为是在半导体模块内温度最高的一个IGBT(即热阻值最大)。

制备一个用于以半导体元件温度检测器8(8A)进行温度检测操作的程序，这个程序可以用个人计算机等被读入，用作温度检测装置。在这种情况下，借助于把该程序装入个人计算机的数据存储装置中并执行该程序来构成温度检测装置。程序的装入可以通过在个人计算机中安装存储有所述程序的记录介质，或者通过网络把程序下载到个人计算机中来实现。

图14是说明温度检测程序处理的流程图。在步骤S11，计算机装置计算温度检测目标(IGBT)产生的发热值P[W]，然后操作进入步骤S12。

在步骤S12，计算机装置根据发热值P[W]和冷却系统的热阻R[℃/W]计算由温度传感器(水温传感器9)检测的温度(水的温度T_W[℃]和温度检测目标(IGBT)的温度T_j[℃]之间的温差ΔT’_j[℃]。

在步骤S12之后的步骤S13，计算机装置计算不包括在检测温度的对象激励之后(施加电流之后)的瞬态影响的温升ΔT_j[℃]，然后操作进入步骤S14。

在步骤S14，计算机装置把由温度传感器(水温传感器9)检测的温度T_W[℃](水的温度T_W[℃])和不包括瞬态影响的温升ΔT_j[℃]加在一起，从而计算对象的温度T_j[℃]。当算出对象的温度T_j[℃]时，操作进入步骤S15。

在步骤S15，计算机装置确定处理是否完成。当进行了完整操作时，计算机装置则在步骤S15作出肯定的判定，并且图14所示的流程图结束。在另一方面，当完整操作未被进行时，则操作返回步骤S11。

当使本发明适用于个人计算机或其类似物时，可以在记录介质例如CD-ROM或DVD-ROM上提供该控制程序，或者作为数据信号在互联网或其类似物上提供该控制程序。图15表示这是如何实现的。个人计算机100通过CD-ROM 104接收所述程序。此外，个人计算机100具有能够与通信线路101连接的功能。计算机102是一个服务器计算机，其提供在记录介质例如硬盘103中存储的程序。通信线路101可以是用于互联网通信、个人计算机通信或其类似物的通信线路，或者是专用的通信线路。计算机102从硬盘103读出程序，并通过通信线路101把程序传送给个人计算机100。即，程序作为数据信号被包含在载波上，并通过通信线路101传送。换句话说，程序可以作为计算机可读的计算机程序产品来分发，其可采用任何方式，例如记录介质和载波。

以下的在先申请被包括在此作为参考：

2004年3月19日申请的申请号为2004-81572的日本专利申请。

Claims (15)

1.一种温度检测装置，包括：

冷却介质温度计算装置，用于计算在冷却系统中的冷却介质的温度，在所述冷却系统中，以预定的驱动比率被驱动的温度检测对象被冷却；以及

温度计算装置，用来根据用于温度检测对象的驱动信息、在温度检测对象和冷却介质之间的热阻以及由所述冷却介质温度计算装置计算的冷却介质的温度来计算温度检测对象的温度。

2.如权利要求1所述的温度检测装置，还包括：

电流检测装置，用于检测通过温度检测对象流动的电流值；以及

电压检测装置，用于检测施加于温度检测对象的电压值，其中：

由电流检测装置检测的电流值、由电压检测装置检测的电压值以及用于温度检测对象的驱动比率信息包含在用于温度检测对象的驱动信息内。

3.如权利要求1所述的温度检测装置，还包括：

电压检测装置，用于检测施加于温度检测对象的电压值，其中：

由所述电压检测装置检测的电压值和用于温度检测对象的矢量控制信息包含在温度检测对象的驱动信息内。

4.一种温度检测装置，包括：

如权利要求2所述的第一温度检测装置，用于计算温度检测对象的温度，所述温度检测对象以这种方式被转换，即，使得产生提供给交流电动机的交流功率；

如权利要求3所述的第二温度检测装置，用于计算温度检测对象的温度；以及

控制装置，其在交流电动机的转速低于规定的速度时，选择由第一温度检测装置计算的温度，以及在交流电动机的转速高于该规定的速度时，选择由第二温度检测装置计算的温度。

5.如权利要求2所述的温度检测装置，其中：

冷却介质温度计算装置检测温度检测对象周围的温度，并根据由电流检测装置检测的电流值、由电压检测装置检测的电压值、用于温度检测对象的驱动比率信息、在检测温度的位置和冷却介质之间的热阻以及检测到的周围的温度来计算冷却介质的温度。

6.如权利要求3所述的温度检测装置，其中：

冷却介质温度计算装置检测温度检测对象周围的温度，并根据由电压检测装置检测的电压值、用于温度检测对象的矢量控制信息、在检测温度的位置和冷却介质之间的热阻以及检测到的周围的温度来计算冷却介质的温度。

7.如权利要求2所述的温度检测装置，其中：

具有多个温度检测对象，并且冷却介质温度计算装置检测多个温度检测对象当中的一个温度检测对象的温度，并根据由电流检测装置检测的电流值、由电压检测装置检测的电压值、用于该温度检测对象的驱动比率信息、在检测温度的位置和冷却介质之间的热阻以及该温度检测对象的检测到的温度来计算冷却介质的温度。

8.如权利要求3所述的温度检测装置，其中；

具有多个温度检测对象，并且冷却介质温度计算装置检测多个温度检测对象当中的一个温度检测对象的温度，并根据由电压检测装置检测的电压值、用于该温度检测对象的矢量控制信息、在检测温度的位置和冷却介质之间的热阻以及该温度检测对象的检测到的温度来计算冷却介质的温度。

9.如权利要求7或8所述的温度检测装置，其中：

冷却介质温度计算装置检测在所述多个温度检测对象当中具有最高温度的温度检测对象的温度。

10.如权利要求2或3所述的温度检测装置，其中：

温度计算装置计算在温度检测对象处的热量，根据计算的热量和热阻来计算温度检测对象和冷却介质之间的温差，进行计算以便从所计算的温差中消除冷却系统的瞬态响应分量，并通过把所述温差加于计算的冷却介质的温度来计算温度检测对象的温度。

11.如权利要求5-8中任何一个所述的温度检测装置，其中：

冷却介质温度计算装置计算在温度检测对象处的热量，根据计算的热量和热阻计算温度检测对象周围的检测到的温度和冷却介质的温度之间的温差，进行计算以便从计算的温差中消除冷却系统的瞬态响应分量，并通过把所述温差加于检测的温度来计算冷却介质的温度。

12.如权利要求10所述的温度检测装置，其中：

温度检测对象是开关元件，用于产生提供给所述交流电动机的交流电功率，以及

所述计算装置按照温度检测对象的温度校正所述热量，按照交流电动机的转速和所述热量校正所述热阻，并按照所述转速校正所述瞬态响应分量。

13.如权利要求11所述的温度检测装置，其中：

温度检测对象是开关元件，用于产生提供给所述交流电动机的交流电功率，以及

所述冷却介质温度计算装置按照温度检测对象的温度校正所述热量，按照交流电动机的转速和所述热量校正所述热阻，并按照所述转速校正所述瞬态响应分量。

14.一种温度检测方法，包括以下步骤：

计算在冷却系统中的冷却介质的温度，在所述冷却系统中，以预定的驱动比率被驱动的温度检测对象被冷却；以及

根据用于温度检测对象的驱动信息、在温度检测对象和冷却介质之间的热阻以及所述冷却介质的温度来计算温度检测对象的温度。

15.一种包含温度检测程序的计算机可读的计算机程序产品，所述温度检测程序包括：

计算在温度检测对象处发生的热量；

根据计算的热量以及在温度检测对象和冷却介质之间的热阻来计算在温度检测对象和冷却系统中的冷却介质之间的温差，在所述冷却系统中，所述温度检测对象被冷却；

从计算的温差中除去所述冷却系统的瞬态响应分量；以及

通过把从中除去了瞬态响应分量的温差加到冷却介质的温度上来计算温度检测对象的温度。

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