CN1875479A - 逆变器中的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种与逆变器有关的方法和装置，该逆变器包括几个功率半导体元件和一个用来控制它们的控制设备，所述控制设备被安排成响应于控制量而控制所述功率半导体元件以生成输出电压。该方法包括以下步骤：确定一个或多个功率半导体元件的温度的改变或影响该温度的量的改变，以及响应于用来生成输出电压的控制量和功率半导体元件的温度的改变速率或影响该温度的量的改变速率而用所述控制设备来控制功率半导体元件以减小温度改变和改变速率。

Description

逆变器中的方法和装置

                        发明背景

本发明涉及一种在逆变器中用于减小与半导体元件的温度变化有关的影响的方法和装置。

逆变器是一种在其中有可能生成具有可变频率的电压的电子器件。逆变器典型地在电动机中被使用来以交变频率或当把电功率传送回网络时控制电动机，在这种情形下逆变器生成其频率相应于网络频率的电压。这种给网络供电的逆变器通常称为网络逆变器。

今天，作为快速的、栅极控制元件的IGB晶体管(绝缘栅双极性晶体管，IGBT)，典型地被用作逆变器的功率半导体，即用来生成输出电压的开关元件。最大的IGBT元件的电流承载能力是几百安培，它们的最大电压是几千伏。在逆变器中，开关元件被纯粹地用作为开关，在这种情形下，它们实际上具有两个状态，即完全导通和完全阻断。改变状态要尽可能快地完成，以避免在元件中出现并存的电压和电流。

这里提到的IGBT是由几个部分组成的元件，并且同时是由具有不同热电阻的几块组成的。半导体元件可被看作为是由基板、基片和实际的半导体单元，即芯片构成的。基板的作用是把元件中生成的热量传导到散热片等等。基片在基板之上，并且在其上固定有芯片。显然，作为电阻性元件的芯片由于流过元件的电流而发热最快和最多。而基板在各元件部分中发热最慢且最少，即它部分地由于冷却和部分地由于热量分布到基板的大的体积上而具有最高的温度时间常数。

半导体元件的不同部分不单具有不同的温度时间常数，而且具有不同的热膨胀系数。热膨胀系数表示在一个部件中由温度改变而造成的膨胀的大小。因为半导体元件的各部分常常紧密地被焊接在一起，所以在它们之间由于不同尺寸的膨胀而出现了机械力，机械力使得元件张紧(strain)并且不久以后将破坏它。

当使功率半导体按循环地加载时，这种热应力的问题特别大。循环加载是指不均匀的、但是是在功率半导体的负载在一段时间为高但此后为低的情形下所形成的负载。这样的负载在功率半导体中生成许多温度变化，在高负载(即大电流)期间温度猛烈地上升，而在负载减小时温度下降。循环加载使得功率半导体过早地老化。

逆变器中循环驱动的例子是起重机、离心机、和电梯驱动。例如，在离心机驱动中，逆变器控制电动机来旋转离心机，离心机需要很大的转矩来加速，这意味着在半导体中的大的电流和高的温度增加。在加速后，离心机以运转速度旋转，在这种情形下，当需要的转矩降低时，逆变器的输出电流显著地下降。在加速期间加热的半导体元件此刻开始冷却。如果离心机进一步被再生地(regeneratively)减慢，即通过使用电动机作为发电机，则再次有大电流流过开关元件，并且该元件加热。相同的情形应用于电梯和起重机驱动以及其它循环驱动。

一种当前的量度驱动大小的方法是根据由于循环加载造成的半导体温度变化(即振幅)来进行的。半导体制造商指示出半导体所容忍的可能的循环数目作为温度变化的函数。当温度变化下降时，许可的最大循环数目增加。

今天，像其它电子设备一样，逆变器通过风扇或液体冷却来主动地冷却。在这样的解决方案中，热量被从设备中传出，以便冷却发热的设备的元件。通常，这是通过持续的冷却进行的，在这种情形下，不管功率半导体的温度如何，冷却风扇或泵以恒定的旋转速度运转。在某些解决方案中，也已知使用根据温度而直接改变的冷却，在这种情形下，当热量的产生增加时，冷却功率增加，以便限制温度的增加。

显然，通过使用风扇来冷却元件，元件的最高温度可以被降低。然而，仅仅使用风扇使得不可能降低元件的温度分布(profile)以便避免特别是在循环驱动中由于温度改变而造成的问题。

                     发明内容

本发明的目的是提供一种在逆变器中的方法和装置，以及一种逆变器，以使得避免上述的缺点，并使能以一种减小由于循环加载造成的热应力且从而提高逆变器的使用寿命的方式来控制逆变器。这个目的是通过本发明的一种方法和装置来实现的，该方法和装置的特征在于独立权利要求1和9中所陈述的。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。

本发明是基于这样的概念：在逆变器中，通过在高负载时主动减小和在低负载时主动增加半导体中的瞬时损耗而使功率半导体元件中的损耗校平。通过元件损耗的受控制的改变和基于元件温度的冷却控制可以显著地限制元件的温度改变的速率和大小。

本发明的解决方案提供了以下优点：通过管理功率半导体的温度，元件的使用寿命可以显著地延长，特别是在与循环使用有关时，在循环使用中当使用现有技术时由于温度变化的结果，会使功率半导体被相当大地张紧。另外，通过利用本发明，可以使设备的热尺寸量度比以前更优化，即不需要过量度(over-dimension)该设备的尺寸。当使用于逆变器时，本发明的解决方案对于被耦合到逆变器的电动机的性状没有影响，并且电动机能够以正常的方式被加载。

                      附图说明

现在藉助于优选实施例并参考附图来更详细地描述本发明，其中：

图1显示本发明的解决方案的总体框图；以及

图2显示本发明的方法的应用的示例性曲线。

                     具体实施方式

图1在总体级别上显示了实施本发明方法的本发明装置的框图。该装置与一逆变器相结合地被显示，对于该逆变器没有示出具体的应用目标。因此，显然地本方法和装置可被利用于任何使用逆变器的应用。

图1显示了处理器单元1如何按照在处理器中的控制算法来控制门驱动器GD1、GD2、GD3。门驱动器被相应地连接来控制功率半导体2，在图1上只显示了两个功率半导体，即一个开关对，它典型地形成单相(onephase)。在常规的三相系统中，有三个这种类型的开关对。

按照本发明的方法，确定一个或多个功率半导体元件2的温度T或影响该温度的电量。温度的确定最简单地可以通过用适当的传感器测量元件的温度而完成。然而，藉助于现代的快速处理器，可以由程序通过使用由功率半导体元件组成的热模型来十分精确地计算出温度，由此可以实时地得到功率半导体的不同部分的温度信息。当使用热模型时，不需要测量温度的单独的传感器；只要测量参考点(例如基板)的温度就足够了。

当知道流过半导体元件的电流的大小I、在元件上的电压的大小U和切换频率f_SW(即每个单位时间切换的次数)时，半导体元件的温度T可以通过使用热模型以本身已知的方式被确定。在半导体元件中，温度是由功率损耗形成的，而功率损耗是由接通状态损耗和切换损耗形成的。流过元件的电流的大小I影响接通状态损耗的大小，而影响切换损耗大小的不单有电流的大小I而且还有元件上的电压的大小U，自然还有切换频率f_SW。按照本发明的优选实施例，元件温度的确定包括确定元件的电流和电压的大小，从而通过使用由元件构成的温度模型来确定温度的步骤。

因为元件的温度作为流过元件的负载电流的函数而改变，所以温度的量值可以通过负载电流被近似到某种程度。然而，从电流的大小不可能推断出元件中的实际的温度。对于几个转矩控制的逆变器，有可能通过机器的转矩来估计温度的情况。可以在逆变器的控制电路中可靠地计算这个转矩。按照本发明的实施例，该转矩被使用来表示温度改变。该转矩可以是由被控制的机器提供的实际的转矩信息，它是依据机器的通量和电流计算出来的，或者它可以是给予机器的转矩指令—如果该机器是转矩控制的话。相应地，当机器是电流控制的时，电流指令或由电流指令生成的量可被用作表示温度改变的信号。

按照本方法，进一步确定一个或多个功率半导体元件的温度上的改变，或影响该温度的量上的改变。通过例如把规定的温度值存储到位于处理器中的存储器内，温度上的改变可以被确定。然而，对于实施本方法来说，存储在存储器中的温度值的数目不需要很大。而且，如果不是确定实际的温度，而是确定影响温度的量，诸如电流或转矩，则这些值也被存储到存储器中，并且确定这个量的改变。

而且，按照本发明的方法，控制设备1GD1、GD2、GD3响应于用以生成输出电压的控制量和功率半导体元件的温度的改变速率或影响该温度的量的改变速率而控制半导体元件2来减小温度的改变速率。控制设备以本身已知的方式接收控制量作为输入，控制量例如可以是想要的输出电压、电流、或转矩。控制设备的主要任务自然是确保实施按照控制量的控制。在本发明的解决方案中，控制设备也接收有关功率半导体元件的温度改变速率或有关影响它的量的信息作为输入。控制设备然后按照本发明来控制半导体元件，以这样的方式使温度改变和改变速率最小化。

按照本发明方法的优选实施例，响应于功率半导体元件的温度的改变速率或影响该温度的量的改变速率，而控制逆变器的功率半导体元件的冷却单元3来减小温度改变速率。在这种情形下，当温度开始显著增加时，冷却单元3(比如优选地是一个风扇)的旋转速率增加，因此提高冷却以减小温度增加速率。相应地，当功率半导体元件的温度下降时，将大大地减少冷却，或甚至完全停止冷却。

在功率半导体元件的输出电流显著下降的情形下，元件开始快速地冷却。在这样的情形下，冷却元件的单元首先被控制来减小冷却功率，并且利用了增加半导体的温度的程序解决方案。在程序解决方案中，控制半导体的控制设备以这样的方式改变调制，使得在半导体中产生更多的耗散功率，由此元件的温度不能快速下降。

通过程序来管理功率半导体元件的温度分布，可以通过例如更改与交流驱动有关的负载的无功电流电平而被实施。增加无功电流电平会增加元件中的电流，但不会以任何方式影响用作为负载的电动机的工作特性。增加无功电流电平是简单的计划性过程，在该过程中电压或电流指令被更改，以这样的方式使磁化水平增加。

用于通过程序来管理温度分布的另一个替换例是增加把输出功率半导体元件切换到负载的切换频率。由于增加切换频率的结果，每个时间单位在半导体元件中切换的次数增加，这又导致每个时间单位在切换期间的损耗增加。

在本发明的装置中，控制设备响应于控制量和元件的温度来控制输出功率半导体。这个控制可以以这样的方式由程序来实施，使得控制量的实施成为主要任务，在此以后，软件影响元件的耗散功率数量以控制温度改变速率。控制设备还以这样的方式控制冷却单元，使在那里产生的、诸如空气那样的冷却媒介的流动可按需要进行改变。

在许多应用中，温度分布的均衡可以抢先(proactively)开始；换句话说，以这样的方式，使得开始均衡并不需要有关温度改变的实际信息。可以例如根据进入到控制设备的电流或电压指令中的改变、或通过有关这些指令中即将到来的改变的信息而起动抢先的动作。在循环驱动中，抢先的行动甚至可以比这个更有效地被实施，因为许多的循环使用是持续一个特定的时间周期。例如，在离心机驱动中，常常可得到有关离心或对离心速度的加速进行多长时间的精确的信息。同样地，在电梯驱动中，电梯厢的加速在每种情形下花费基本上相同数量的时间。另外，在电梯驱动中，电梯的可能的最短距离也是已知的。在电梯驱动方面，也可以利用关于呼叫电梯的信息来执行抢先的行动，因为典型地，从呼叫电梯到电梯实际运动要花费几秒钟。那么有可能在电动机需要很大转矩之前已经开始增加控制电梯电动机的逆变器的温度，因此，按照本发明，温度分布可以被校平。在电梯驱动中，还有可能在基本循环中训练均衡该温度改变的系统到抢先的行动，基本循环是加速、恒速和减速。以恒速行进的距离自然取决于行进的楼层的数目，这仅仅在电梯被呼叫后或当电梯被使用时才知道。然而，在不同长度的距离内存在有限次数的可能的循环。所以，风扇和逆变器的切换频率的控制可以对于不同的楼层距离事先被编程。

基于这个信息，有可能在循环驱动中以这样的方式使用本方法和装置的解决方案，使得温度的改变速率尽可能有效地最小化。

使用本方法的例子是图2中以曲线图解地显示的状况，在其中逆变器应用本方法来控制在循环驱动中的电动机，所述循环驱动在本例中是离心机驱动。图上显示了驱动电动机的旋转速率、所产生的转矩的绝对值、受控风扇的旋转速率、逆变器的切换频率、和功率半导体元件的温度。

一开始，离心机从零开始加速。为了达到有效的加速度，以最大转矩进行加速。当逆变器产生很大的转矩时，显然地功率元件趋于猛烈加热。因为，为了提高元件的强度，本发明力图减慢快速的温度改变，所以风扇被命令去提供强的冷却，它以最好的可能的方式限制元件的温度增加。这个强的冷却在图2上被显示为风扇的旋转速率。同时，逆变器被控制成使用产生尽可能低的损耗的调制，即逆变器的切换频率被降低。

当电动机被加速到全运转速度时，所需要的转矩的大小显著地下降。因为该运转速度和加速期间的瞬时速度是已知的，所以可以例如依据该运转速度和瞬时速度之间的差值来预见到转矩的下降。另一个可能的预见方式是事先确定在循环中使用的切换频率和风扇的旋转速率。在离心机驱动中，负载的惯性矩是已知的，所以有可能根据机器产生的转矩来事先计算出加速所需要的时间。

当达到该运转速度时，或当预见到它时，就可以开始将温度下降速率减小的步骤。在图2的例子中，以这样的方式完成了上述这一点，使得通过减小风扇的旋转速率而减少冷却，并且通过程序对于损耗数量起作用，以便增加损耗，即增加开关元件的切换频率。应当记得，不断地获得有关元件温度的实时信息，这使得有可能进行温度控制。如果必要的话，冷却的减少和所有计划性地利用的措施可以同时被使用。图2的例子使用了受控风扇和改变切换频率这两者。当以运转速度来运转离心机时，功率半导体趋于快速冷却，因为半导体中电流的大小也快速地下降。

在以恒定速率的离心完成后，对离心机进行减速以停止它。减速常常是利用电动机来完成的，由此电动机需要相反的转矩来加速。功率半导体然后再次趋于相当大地加热。在减速期间，再次使用低损耗的调制以在元件中产生尽可能小的耗散功率。冷却也被增强，以限制温度增加速率，如图2所示。

应当指出，本发明的解决方案不打算降低元件的最高温度，而只是降低温度改变和改变速率，这在循环使用中对于提高利用功率半导体的设备的使用寿命来说是决定性因素。换句话说，本发明的方法力图保持设备的温度尽可能地恒定。

还应当指出，尽管本发明在上面具体地是结合IGBT元件来描述的，但本发明的解决方案适用于在逆变器中使用的所有的功率开关。

对于本领域技术人员来说，显然本发明的基本概念可以以许多不同的方式来实施。本发明和它的实施例因此不限于以上描述的例子，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (10)

1.一种与逆变器有关的方法，该逆变器包括几个功率半导体元件和一个用来控制它们的控制设备，所述控制设备被安排成响应于用于生成输出电压的控制量来控制所述功率半导体元件，该方法包括以下步骤：

确定一个或多个功率半导体元件的温度或影响该温度的电量，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

确定一个或多个功率半导体元件的温度的改变或影响该温度的电量的改变，以及

响应于用于生成输出电压的控制量和功率半导体元件的温度的改变速率或影响该温度的量的改变速率，而用控制设备来控制功率半导体元件去以这样的方式减小温度变化，即：使得当温度或影响温度的量增加时减慢温度增加速率，以及当温度或影响温度的量下降时减慢温度下降速率。

2.如权利要求1中要求的方法，其中逆变器还包括一个被安排来冷却功率半导体元件的冷却单元，其特征在于，该冷却单元是可控制的冷却单元，以及该方法还包括以下步骤：

响应于功率半导体元件的温度的改变速率或影响该温度的量的改变速率，而控制逆变器的功率半导体元件的冷却单元来减小温度改变和改变速率。

3.如权利要求1或2中要求的方法，其特征在于，确定功率半导体元件的温度包括以下步骤：

确定流过该元件的电流的大小和该元件上的电压的大小，

确定在功率半导体元件中切换的次数，以及

通过使用功率半导体元件的事先制定的温度模型，根据所确定的电流和电压的大小以及切换的次数，计算功率半导体元件的温度。

4.如权利要求1或2中要求的方法，其特征在于，响应于功率半导体元件的温度的改变速率或影响该温度的量的改变速率而控制功率半导体元件来减小温度改变和改变速率包括以下步骤：响应于功率半导体元件的温度的或影响该温度的量的下降，而增加功率半导体元件的切换频率，或响应于功率半导体元件的温度的或影响该温度的量的增加，而降低功率半导体元件的切换频率。

5.如权利要求1、2或4中要求的方法，其特征在于，响应于功率半导体元件的温度的改变速率或影响该温度的量的改变速率而控制功率半导体元件来减小温度改变和改变速率包括以下步骤：响应于功率半导体元件的温度的或影响该温度的量的下降，而增加功率半导体元件的无功电流电平，或响应于功率半导体元件的温度的或影响该温度的量的增加，而降低功率半导体元件的无功电流电平。

6.如权利要求2到5的任一项中要求的方法，其中冷却单元是电动机运转的风扇，其特征在于，响应于功率半导体元件的温度的改变速率或影响该温度的量的改变速率而控制冷却单元包括以下步骤：响应于功率半导体元件的温度的或影响该温度的量的增加，而增加电动机运转的风扇的旋转速率，或响应于功率半导体元件的温度的或影响该温度的量的下降，而降低电动机运转的风扇的旋转速率。

7.如权利要求1到6的任一项中要求的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：预见到导致温度改变的控制量的将来的改变，并响应于所述的预见而采取步骤来减小温度改变。

8.如权利要求1到7的任一项中要求的方法，其特征在于，所述影响温度的量是机器的转矩、电流或电压指令、或规定的转矩、电流或电压。

9.一种与逆变器有关的装置，该逆变器包括几个功率半导体元件和一个用来控制它们的控制设备，所述控制设备被安排成响应于用于生成输出电压的控制量而控制所述功率半导体元件，该装置包括：

用于确定一个或多个功率半导体元件的温度或影响该温度的电量的装置，其特征在于，该方法还包括：

用于确定一个或多个功率半导体元件的温度或影响该温度的电量的装置，以及

一个控制设备，响应于用于生成输出电压的控制量和功率半导体元件的温度或影响该温度的量而控制功率半导体元件来以这样的方式减小温度变化，即：使得当温度或影响温度的量增加时减慢温度增加速率，以及当温度或影响温度的量下降时减慢温度下降速率。

10.如权利要求9中要求的装置，其中所述逆变器还包括一个被安排来冷却功率半导体元件的冷却单元，其特征在于，该冷却单元是可控制的冷却单元，以及该装置还包括：

用于响应于功率半导体元件的温度的改变速率或影响该温度的量的改变速率而控制逆变器的功率半导体元件的冷却单元来减小温度改变和改变速率的装置。

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