DE10250731A1 - Method for monitoring junction temperatures of power semiconductors in multiphase inverters or rectifiers e.g. for road vehicles, involves using phase current of at least one selected bridge branch - Google Patents

Method for monitoring junction temperatures of power semiconductors in multiphase inverters or rectifiers e.g. for road vehicles, involves using phase current of at least one selected bridge branch Download PDF

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DE10250731A1 DE2002150731 DE10250731A DE10250731A1 DE 10250731 A1 DE10250731 A1 DE 10250731A1 DE 2002150731 DE2002150731 DE 2002150731 DE 10250731 A DE10250731 A DE 10250731A DE 10250731 A1 DE10250731 A1 DE 10250731A1
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Abstract

A method for monitoring junction temperature of power semiconductors where a power loss of the power semiconductor and a thermal RC- equivalent circuit are called on for calculating the actual junction temperature. To calculate the actual junction temperature of the power semiconductor (T1-T6 and D1-D6) at one output frequency of the inverter (1) or rectifier, a phase current (ir(t)) of at least one selected bridge branch (br) at an output frequency of the inverter(1) or rectifier lying above a threshold value, is called on for determining the power loss (Pv).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Sperrschichttemperatur von Leistungshalbleitern in mehrphasigen Wechselrichtern oder Gleichrichtern in Brückenschaltung, wobei eine Verlustleistung der Leistungshalbleiter und ein thermisches RC-Ersatzschaltbild wenigstens eines Teiles eines ausgebildeten Brückenzweigs zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiter herangezogen werden.The invention relates to a method for monitoring the junction temperature of power semiconductors in multiphase Inverters or rectifiers in bridge circuit, with a power dissipation the power semiconductor and a thermal RC equivalent circuit diagram at least part of a trained bridge branch for calculating the current junction temperatures of the power semiconductors used become.
  • Für elektrische Antriebe, z.B. in elektrischen oder hybriden Straßenfahrzeugen werden häufig spannungsgespeiste Wechselrichter benutzt. Bei Straßenfahrzeugen tritt der Betrieb mit hohen Strömen bei kleinen Drehzahlen auf und stellt eine thermische Gefährdung der Leistungshalbleiter des Wechselrichters dar.For electric drives, e.g. in electric or hybrid road vehicles are often tense Inverter used. In road vehicles, the operation occurs with high currents at low speeds and poses a thermal hazard to the Power semiconductor of the inverter is.
  • Bei leistungselektronischen Geräten wie beispielsweise spannungsgespeisten Wechselrichtern treten in den Leistungshalbleitern Verluste auf, die zu einer Erwärmung der Halbleiter führen. Die Halbleiterhersteller geben maximale Sperrschichttemperaturen an, bis zu denen der Halbleiter betrieben werden darf, z.B. 150°C. Auch ein nur kurzfristiges Überschreiten dieser maximalen Sperrschichttemperatur kann zu einer dauerhaften Schädigung des Halbleiters bzw. des Gerätes in dem der Halbleiter angeordnet ist (z.B. in einem Wechselrichter) führen. Um nun die Halbleiterbaulelemente wirksam vor Übertemperatur schützen bzw. bei einer drohenden Überhitzung entsprechend reagieren (z.B. Kühlung etc.) zu können, müssen deren aktuelle Sperrschichttemperaturen möglichst genau bestimmt werden.For power electronic devices such as For example, voltage-fed inverters enter the Power semiconductors losses, leading to a warming of the Lead semiconductor. Semiconductor manufacturers give maximum junction temperatures to which the semiconductor is allowed to operate, e.g. 150 ° C. Also a only short-term crossing This maximum junction temperature can become permanent damage of the semiconductor or the device in which the semiconductor is arranged (e.g., in an inverter) to lead. In order to effectively protect the Halbleiterbaulelemente from over-temperature or in case of impending overheating accordingly react (e.g., cooling etc.), have to their current junction temperatures are determined as accurately as possible.
  • Ein gattungsgemäßes Schutzkonzept ist beispielsweise in S. Konrad et al., Electro-thermal Model for Simulating Chip Temperature in PWM Inverters, PCIM 1995 – Official Proceedings of the thirtieth International Power Conversion Conference, 20.–22. Juni 1995 Nürnberg beschrieben. Darin wird anhand der Belastung des Wechselrichters, z.B. anhand der Motorströme, die in den Halbleitern auftretende Verlustleistung während des Betriebes berechnet und mit einer Nachbildung des thermischen Widerstandes der Halbleiter die Erwärmungen ermittelt. Zusammen mit einer gemessenen Kühler- oder Kühlmitteltemperatur die eine geeignete Kühlung des Wechselrichters erlaubt, ergibt sich daraus die Sperrschichttemperatur. Die thermischen Widerstände vom Halbleiter zum Kühlmittel, z.B. von Luft oder Wasser, sind durch die Materialien und den Aufbau des Leistungsteiles gegeben und können z.B. durch ein RC-Ersatzschaltbild nachgebildet werden. Ein derartiges RC-Ersatzschaltbild enthält mehrere thermische Widerstände Rth und Wärmekapazitäten Cth. Das Verhalten einer solchen Parallelschaltung von Rth und Cth ist durch eine Exponentialfunktion mit der Zeitkonstanten τth beschrieben. Die jeweils zusammengehörigen Widerstände und Kapazitäten ergeben die Zeitkonstanten τth1 = Rth1 × Cth1. Dabei handelt es sich beispielsweise um sieben Paare Rth und Cth, deren Zeitkonstanten im Bereich einer 100 μs bis einige 10 s liegen. Aus dem Strom und der Modulation einer Phase kann auf die jeweiligen Verlustleistungen in den IGBTs und den Dioden geschlossen werden. Aus den thermischen Modellen ergeben sich dann die jeweiligen Erwärmungen dieser Bauelemente. Die Bauelemente kühlen sich zwar in den Augenblicken, in denen sie keine Verlustleistung umsetzen, wieder ab, jedoch erfolgt eine stetige langsame Erwärmung des gesamten Aufbaus. Die Erwärmung pulsiert auch mit der Ausgangsfrequenz.A generic protection concept is, for example in S. Konrad et al., Electro-thermal Model for Simulating Chip Temperature in PWM Inverters, PCIM 1995 - Official Proceedings of the Thirtieth International Power Conversion Conference, 20th-22nd June 1995 Nuremberg described. This is based on the load of the inverter, e.g. based on the motor currents, the power dissipation occurring in the semiconductors during the Operation calculated and with a replica of the thermal resistance the semiconductor the warmings determined. Together with a measured radiator or coolant temperature the appropriate cooling of the inverter, this results in the junction temperature. The thermal resistances of Semiconductors to the coolant, e.g. of air or water, are due to the materials and the structure of the Power parts given and can e.g. through an RC equivalent circuit diagram be reproduced. Such an RC equivalent circuit diagram contains several thermal resistances Rth and heat capacity Cth. The Behavior of such a parallel circuit of Rth and Cth is through an exponential function with the time constant τth described. The respectively belonging together resistors and capacities give the time constants τth1 = Rth1 × Cth1. These are, for example, seven pairs Rth and Cth, whose time constants are in the range of 100 μs to a few 10 s. Out the current and the modulation of a phase can be applied to the respective Power losses in the IGBTs and the diodes are closed. From the thermal models then arise the respective warming of these components. The components cool in the moments, in which they implement no power loss, again off, but done a steady slow warming of the whole construction. The warming pulsates also with the output frequency.
  • Da ein Wechselrichter mit drei Brückenzweigen beispielsweise sechs IGBTs und sechs Dioden enthält, wäre für einen wirksamen Schutz gegenüber Temperatur die Berechnung von insgesamt zwölf Verlustleistungen und zwölf Erwärmungen notwendig. Dies gestaltet sich unter anderem deshalb schwierig, da sich die Zeitkonstanten der RC-Glieder über mehrere Zehnerpotenzen erstrecken und somit eine Berechnung in getrennten Zeitschleifen erfordern, da es sonst zu unumgänglichen Problemen der numerischen Genauigkeit kommt.As an inverter with three bridge branches For example, containing six IGBTs and six diodes would provide effective protection against temperature the calculation of a total of twelve power losses and twelve warming necessary. This is why, among other things, this is difficult since the time constants of the RC elements over several orders of magnitude extend and thus a calculation in separate time loops otherwise it becomes inevitable Problems of numerical accuracy comes.
  • Eine mögliche Vereinfachung (für Frequenzen > 0) ist, nur einen der drei (oder mehr) Brückenzweige zu berechnen, da die Ausgangsströme der drei Phasen grundsätzlich einander gleichen und nur einen zeitlichen Versatz aufweisen. Sinnvoller Weise wird zur Überwachung der Brückenzweig mit den kritischsten Kühlbedingungen herangezogen, beispielsweise derjenige, der von einer vorbeiströmenden Kühlflüssigkeit als letzter gekühlt wird (die Kühlflüssigkeit hat sich u.U. bereits geringfügig erwärmt).One possible simplification (for frequencies> 0) is just one the three (or more) bridge branches because the output currents of the three phases in principle are the same and have only a temporal offset. Meaningful way is for monitoring the bridge branch with the most critical cooling conditions used, for example, that of a flowing past coolant cooled last becomes (the coolant u.U. already slightly heated).
  • Da die positive Halbwelle der negativen Halbwelle des Phasenstroms betragsmäßig gleicht, kann eine weitere Verbesserung dadurch erreicht werden, dass ein Wechselrichter mit nur zwei thermischen Modellen, eines für den IGBT und eines für die gegenüberliegende Diode eines Brückenzweiges geschützt wird.Because the positive half wave of the negative half wave of the phase current is equal in magnitude, can Another improvement can be achieved by having an inverter with only two thermal models, one for the IGBT and one for the opposite Diode of a bridge branch protected becomes.
  • Wenn jedoch die Ausgangsfrequenz sehr niedrig oder gleich null ist, z.B. wenn der Motor vom Stillstand aus Drehmoment liefern soll, reichen diese Schutzkonzepte allein nicht aus. In diesem Fall nimmt die Schwankungsbreite der Temperaturen sehr stark zu und es kann zu einer Überschreitung der zulässigen Temperatur in einem Brückenzweig kommen, während das Modell einen anderen Brückenzweig überwacht. Verschärft wird diese Problematik dadurch, dass bei einem drei- oder mehrphasigen Wechselrichter vorher nicht feststeht, welche Phase bei einer Ausgangsfrequenz nahe null den höchsten Strom führt. Ebenso ist vorher nicht bekannt, ob das Vorzeichen des größ ten Stromes positiv oder negativ ist, was dazu führen kann, dass in einem Teil des Brückenzweiges eine Übertemperatur herrschen kann, während der andere Teil des Brückenzweiges, der vom thermischen Modell überwacht wird, keine Verlustleistung verursacht.However, if the output frequency is very low or zero, eg if the motor is to deliver torque from standstill, these protection concepts alone are not sufficient. In this case, the fluctuation range of the temperatures increases very much, and it may come to exceed the allowable temperature in a bridge branch, while the model monitors another bridge branch. This problem is exacerbated by the fact that in a three- or multi-phase inverter is not known beforehand, which phase at an output frequency near zero leads the highest current. Likewise, it is not known beforehand whether the sign of the largest current is positive or negative, which can lead to an over-temperature in one part of the bridge branch while the other part of the bridge branch, which is monitored by the thermal model, does not cause power loss.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung der Sperrschichttemperaturen von Leistungshalbleitern in mehrphasigen Wechselrichtern oder Gleichrichtern der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das die Nachteile des Standes der Technik löst, insbesondere eine einfache, sichere und genaue Möglichkeit zur Temperaturüberwachung aller eingesetzten Leistungshalbleiter liefert.The present invention is therefore the object of a method for monitoring the junction temperatures of power semiconductors in polyphase inverters or rectifiers the aforementioned To create a kind that solves the disadvantages of the prior art, in particular a simple, safe and accurate way to monitor temperature supplies all power semiconductors used.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiter bei einer über einem Grenzwert liegenden Ausgangsfrequenz des Wechselrichters oder Gleichrichters ein Phasenstrom des wenigstens einen ausgewählten Brückenzweigs zur Bestimmung der Verlustleistung herangezogen wird, wobei bei einer unter dem Grenzwert liegenden Ausgangsfrequenz der jeweils größte Betrag eines der Phasenströme der Brückenzweige zur Bestimmung der Verlustleistung herangezogen wird.According to the invention, this object is achieved solved, that for calculating the current junction temperatures of the power semiconductors at one over a limiting output frequency of the inverter or Rectifier a phase current of the at least one selected bridge branch used to determine the power loss, with at a lower than the limit output frequency of the largest amount one of the phase currents the bridge branches used to determine the power loss.
  • Demzufolge wird unterschieden zwischen einem Betrieb, bei dem die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters groß genug ist, dass zwei thermische Modelle (z.B. eines IGBT und einer Diode eines Brückenzweiges) zur Überwachung des gesamten Wechselrichters ausreichen, und einem Betrieb mit einer darunter liegenden Ausgangsfrequenz, bei dem jedoch anstelle des Phasenstroms des zu überwachenden Brückenzweiges der jeweils größte Betrag eines Phasenstroms zur Berechnung der Verlustleistungen in der Nachbildung herangezogen wird. Damit wird in einfacher und vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die Verlustleistung der Phase, die den größten Strom führt (worst case) verwendet wird. Des weiteren wird durch die Betragsbildung sichergestellt, dass immer der dadurch belastete Teil des Brückenzweigs nachgebildet wird (ein negativer Strom könnte in einem Teil des Brückenzweigs keinerlei Verluste verursachen, während er in einem anderen Teil des Brückenzweigs zu einer Übertemperatur führt). Somit können mit nur zwei thermischen Modellen, eines für einen IGBT und eines für eine Diode eines Brückenzweigs, alle Brückenzweige eines drei- oder mehrphasigen Wechselrichters geschützt werden. Es wird auch für kleine Ausgangsfrequenzen oder den Betrieb mit einer Ausgangsfrequenz null (z.B. Stillstand des Motors beim Anfahren) ein sicherer Schutz realisiert, unabhängig davon, in welcher Phase der größte Strom fließt und welches Vorzeichen dieser Strom hat.Consequently, a distinction is made between an operation where the output frequency of the inverter big enough is that two thermal models (e.g., an IGBT and a diode a bridge branch) for monitoring sufficient for the entire inverter, and for one operation with one underlying output frequency, but instead of the Phase current of the monitored bridge branch the largest amount of one Phase current for calculating the power losses in the replica is used. This is in a simple and advantageous way Ensures that the power loss of the phase, which is the largest current leads (worst case) is used. Furthermore, by the amount formation ensures that always the part of the bridge branch loaded by it is simulated (a negative stream could be in a part of the bridge branch cause no losses while in another part of the bridge branch leads to an over-temperature). Thus can with only two thermal models, one for an IGBT and one for a diode a bridge branch, all bridge branches a three-phase or multi-phase inverter. It will also be for small output frequencies or operation with an output frequency zero (e.g., motor stall when starting) provides safe protection realized, independent of which, in which phase the largest current flows and what sign this stream has.
  • Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass die Motordrehzahl zur Bestimmung der Ausgangsfrequenz verwendet wird.According to the invention, it may further be provided that the engine speed used to determine the output frequency becomes.
  • In einfacher und vorteilhafter Weise kann somit unter Vernachlässigung des Schlupfes auf die Ausgangsfrequenz des Wechsel- oder Gleichrichters geschlossen werden.In a simple and advantageous way can thus be neglected of the slip on the output frequency of the AC or rectifier closed become.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.Advantageous embodiments and Further developments of the invention will become apparent from the other dependent claims and from that described in principle below with reference to the drawing Embodiment.
  • Es zeigt:It shows:
  • 1 ein Schaltbild eines dreiphasigen Wechselrichters der einen Motor versorgt gemäß dem Stand der Technik; 1 a circuit diagram of a three-phase inverter powered by a motor according to the prior art;
  • 2 ein prinzipmäßiges Schaubild der Verläufe der Motorphasenströme gemäß dem Stand der Technik; 2 a schematic diagram of the curves of the motor phase currents according to the prior art;
  • 3 ein prinzipmäßiges RC-Ersatzschaltbild mit thermischen Widerständen und Wärmekapazitäten gemäß dem Stand der Technik; 3 a principle RC equivalent circuit diagram with thermal resistances and heat capacities according to the prior art;
  • 4 ein prinzipmäßiges Diagramm der jeweiligen Verlustleistungen in IGBTs und Dioden gemäß dem Stand der Technik; 4 a schematic diagram of the respective power losses in IGBTs and diodes according to the prior art;
  • 5 ein prinzipmäßigs Diagramm des Temperaturverlaufs der Leistungshalbleiter gemäß dem Stand der Technik; 5 a schematic diagram of the temperature profile of the power semiconductor according to the prior art;
  • 6 ein prinzipmäßiges Schaubild des jeweils größten Betrages eines Phasenstroms; und 6 a schematic diagram of the largest amount of a phase current; and
  • 7 ein prinzipmäßiges Flußdiagramm eines Systems in welchem das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung findet. 7 a schematic flow diagram of a system in which the inventive method is applied.
  • Wie aus 1 ersichtlich, weist ein dreiphasiger durch die Spannung Ud gespeister Wechselrichter 1 zur Versorgung eines Motors 2 mit den Phasenströmen ir, is, it drei Brückenzweige br, bs, bt mit Leistungshalbleitern, nämlich IGBTs T1 bis T6 und Dioden D1 bis D6 auf. In den Leistungshalbleitern T1 bis T6, D1 bis D6, treten Verluste auf, die zu deren Erwärmung führen. Die Halbleiterhersteller geben maximale Sperrschichttemperaturen Tchip an, bis zu denen die Halbleiter T1 bis T6, D1 bis D6 betrieben werden dürfen, beispielsweise 150°C.How out 1 can be seen, has a three-phase powered by the voltage U d inverter 1 to supply an engine 2 with the phase currents ir, is, it three bridge branches br, bs, bt with power semiconductors, namely IGBTs T1 to T6 and diodes D1 to D6. In the power semiconductors T1 to T6, D1 to D6, losses occur which lead to their heating. The semiconductor manufacturers specify maximum junction temperatures T chip up to which the semiconductors T1 to T6, D1 to D6 may be operated, for example 150 ° C.
  • Wird diese Temperaturgrenze auch nur kurzfristig überschritten, kann es zu einer dauerhaften Schädigung des Halbleiters T1 bis T6, D1 bis D6 bzw. des Wechselrichters 1 kommen.If this temperature limit is only exceeded for a short time, permanent damage to the semiconductor T1 to T6, D1 to D6 or to the inverter can occur 1 come.
  • Der Stand der Technik schlägt eine Möglichkeit zur Überwachung der Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiter T1 bis T6, D1 bis D6 vor, bei der durch die Belastung des Wechselrichters 1 anhand der Phasenströme ir(t), is(t), it(t) (Verläufe in 2 skizziert), die in den Halbleitern T1 bis T6, Dl bis D6 eine Verlustleistung Pv während des Betriebes hervorrufen und mit Hilfe eines thermischen Modells der Halbleiter T1 bis T6, D1 bis D6 die Erwärmungen berechnet wird. Zusammen mit einer gemessenen Kühler- oder Kühlmittel temperatur ergibt sich daraus die aktuelle Sperrschichttemperatur Tchip der Halbleiter T1 bis T6, D1 bis D6.The prior art proposes a way to monitor the junction temperatures of the power semiconductors T1 to T6, D1 to D6, in which by the load of the inverter 1 based on the phase currents ir (t), is (t), it (t) (curves in 2 sketched), which cause a power loss P v during operation in the semiconductors T1 to T6, Dl to D6 and the heating is calculated using a thermal model of the semiconductor T1 to T6, D1 to D6. Together with a measured radiator or coolant temperature results from the current junction temperature T chip of Halblei T1 to T6, D1 to D6.
  • Thermische Modelle vom Halbleiter T1 bis T6, Dl bis D6 zum Kühlmittel (nicht dargestellt), z.B. Luft oder Wasser, sind durch die Materialien und den Aufbau des Leistungsteiles gegeben und werden jeweils in Form eines in 3 prinzipmäßig dargestellten RC-Ersatzschaltbildes 3 nachgebildet. wie aus 3 ersichtlich, weist das RC-Ersatzschaltbild 3 mehrere thermische Widerstände Rth1 bis Rthn und Wärmekapazitäten Cth1 bis Cthn auf. Eine derartige Parallelschaltung von thermischen Widerständen Rth1 bis Rthn und Wärmekapazitäten Cth1 bis Cthn kann im Verhalten durch eine Exponentialfunktion mit der Zeitkonstanten τth beschrieben werden. Beispielsweise ergibt sich die Zeitkonstante τthl aus dem Produkt von Rth1 und Cth1. Die Zeitkonstanten der thermischen Widerstände Rth1 bis Rthn und der Wärmekapazitäten Cth1 bis Cthn liegen im Bereich einiger hundert μs bis einige zehn s. Nun kann aus dem Phasenstrom ir(t) , is(t) , it(t) und der Modulation (Aussteuerung) einer Phase r, s, t auf die jeweiligen Verlustleistungen Pvi(t) in den IGBTs T1 bis T6 und Pvd(t) in den Dioden D1 bis D6 geschlossen werden. Anhand der thermischen Modelle ergeben sich dann die Erwärmungen STin und STdn dieser Bauelemente (siehe 5). Wie aus 5 ersichtlich kühlen sich die Bauelemente T1 bis T6, D1 bis D6 in den Augenblikken, in denen sie keine Verlustleistung Pv umsetzen, wieder ab. Es ist ebenfalls ersichtlich, dass die Erwärmung mit der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters pulsiert. Es erfolgt eine allmähliche stetige Erwärmung des gesamten Aufbaus.Thermal models of semiconductors T1 to T6, Dl to D6 to the coolant (not shown), eg air or water, are given by the materials and the structure of the power unit and are each in the form of an in 3 principle shown RC equivalent circuit diagram 3 simulated. like out 3 can be seen, the RC equivalent circuit diagram 3 a plurality of thermal resistances Rth1 to Rthn and heat capacities Cth1 to Cthn. Such a parallel connection of thermal resistances Rth1 to Rthn and heat capacities Cth1 to Cthn can be described in the behavior by an exponential function with the time constant τth. For example, the time constant τthl results from the product of Rth1 and Cth1. The time constants of the thermal resistances Rth1 to Rthn and the heat capacities Cth1 to Cthn are in the range of several hundred μs to several tens of seconds. Now, from the phase current ir (t), is (t), it (t) and the modulation (modulation) of a phase r, s, t to the respective power losses P vi (t) in the IGBTs T1 to T6 and P vd (t) are closed in the diodes D1 to D6. Based on the thermal models, then the heating STi n and STd n of these components arise (see 5 ). How out 5 seen, the components cool T1 to T6, D1 to D6 in the Augenblikken in which they implement no power loss P v, again. It can also be seen that the heating pulsates with the output frequency of the inverter. There is a gradual continuous heating of the entire structure.
  • Im Stand der Technik werden Vereinfachungen (für Ausgangsfrequenzen größer als null) vorgeschlagen, bei denen nur einer der drei Brückenzweige br, bs, bt überwacht wird, da die Phasenströme ir(t), is(t), it(t) einander gleichen (siehe 2) und nur einen zeitlichen Versatz aufweisen. Der Wechselrichter 1 weist zwölf Leistungshalbleiter T1 bis T6, D1 bis D6 auf. Somit wäre die Berechnung von zwölf Verlustleistungen Pv und zwölf Erwärmungen notwendig. Dies gestaltet sich insbesondere deshalb schwierig, da sich die Zeitkonstanten τth1 bis τthn der RC-Glieder Rth1 bis Rthn, Cth1 bis Cthn der RC-Ersatzschaltbilder 3 über mehrere Zehnerpotenzen erstrecken und somit die Berechnung in getrennten Zeitschleifen erforderlich machen, da es sonst unweigerlich zu numerischen Genauigkeitsproblemen kommt.Simplifications (for output frequencies greater than zero) are proposed in the prior art in which only one of the three bridge arms br, bs, bt is monitored, since the phase currents ir (t), is (t), it (t) are equal to each other ( please refer 2 ) and only have a temporal offset. The inverter 1 has twelve power semiconductors T1 to T6, D1 to D6. Thus, the calculation of twelve power losses P v and twelve warming would be necessary. This is particularly difficult because the time constants τth1 to τthn of the RC elements Rth1 to Rthn, Cth1 to Cthn of the RC equivalent circuits 3 extend over several orders of magnitude and thus make the calculation in separate time loops required, otherwise there inevitably comes to numerical accuracy problems.
  • Der Stand der Technik schlägt eine weitere Vereinfachung vor, die sich daraus ergibt, dass die positiven Halbwellen den negativen Halbwellen der Phasenströme ir(t), is(t), it(t) der negativen Halbwelle betragsmäßig gleichen. Wenn beispielsweise die positive Halbwelle von ir(t) (siehe 2) Verluste in T1 und D2 verursacht, so wird die negative Halbwelle gleiche Verluste in T2 und Dl verursachen. Dadurch kann eine Wechselrichter 1 mit nur zwei thermischen Modellen eines für einen IGBT T1 bis T6 und eines für die gegenüberliegende Diode D1 bis D6 einen Brückenzweiges br, bs, bt geschützt werden. Problematisch ist diese Vorgehensweise jedoch, wenn der Motor 2 beispielsweise im Stillstand Drehmoment liefern soll und somit die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 1 sehr niedrig oder null wird. Dann reicht dieser Schutz nicht aus. In diesem Fall nimmt die Schwankungsbreite der Temperaturen sehr stark zu, wobei es zu einer Überschreitung der zulässigen Sperrschichttemperaturen Tchip in den nicht überwachten Brückenzweigen br, bs, bt, kommen kann, während das thermische Modell einen anderen Brückenzweig br, bs, bt überwacht. Des weiteren wird diese Problematik dadurch verschlechtert, dass bei einem dreiphasigen Wechselrichter 1 nicht von vornherein feststeht, welche Phase r, s, t bei einer Ausgangsfrequenz nahe null den höchsten Phasenstrom ir(t), is(t), it(t) führt. Wird beispielsweise der Strom ir(t) zur Berechnung der Verlustleistung Pv und der Erwärmung herangezogen, der größte Ausgangsstrom is(t) fließt jedoch in Phase s, kann es zu einer Zerstörung der Halbleiter T3, T4, D3, D4 im Brückenzweig bs kommen, ohne dass das thermische Modell des Brückenzweigs r eine Übertemperatur erkennen kann.The prior art proposes a further simplification which results from the fact that the positive half-waves are equal in magnitude to the negative half-waves of the phase currents ir (t), is (t), it (t) of the negative half-wave. For example, if the positive half-wave of ir (t) (see 2 ) Causes losses in T1 and D2, the negative half wave will cause equal losses in T2 and Dl. This can be an inverter 1 with only two thermal models of one for an IGBT T1 to T6 and one for the opposite diode D1 to D6 a bridge branch br, bs, bt be protected. However, this procedure is problematic if the engine 2 for example, to deliver torque at standstill and thus the output frequency of the inverter 1 becomes very low or zero. Then this protection is not enough. In this case, the fluctuation range of the temperatures increases very much, which may exceed the allowable junction temperatures T chip in the unsupervised bridge branches br, bs, bt while the thermal model monitors another bridge branch br, bs, bt. Furthermore, this problem is worsened by the fact that in a three-phase inverter 1 it is not known in advance which phase r, s, t will result in the highest phase current ir (t), is (t), it (t) at an output frequency near zero. If, for example, the current ir (t) is used to calculate the power loss P v and the heating, but the largest output current is (t) flows in phase s, destruction of the semiconductors T3, T4, D3, D4 in the bridge branch bs may occur without the thermal model of the bridge branch r being able to detect an excess temperature.
  • Des weiteren ist vorher nicht bekannt, ob das Vorzeichen des größten Phasenstromes ir(t), is(t), it(t) positiv oder negativ ist. Ein negativer Strom ir(t) (siehe 1) verursacht beispielsweise keine Verluste in T1 oder D2.Furthermore, it is not known in advance whether the sign of the largest phase current ir (t), is (t), it (t) is positive or negative. A negative current ir (t) (see 1 ) causes, for example, no losses in T1 or D2.
  • Erfindungsgemäß wird unterschieden zwischen einem Betrieb, bei dem die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 1 groß genug ist, das ein thermisches Modell des IGBTs T1 und ein thermisches Modell der Diode D2 des Brückenzweiges br zur Überwachung des gesamten Wechselrichters 1 ausreichen und einen Betrieb mit einer darunter liegenden Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 1, wobei die gleichen thermischen Modelle benutzt werden, jedoch anstelle ir(t) der jeweils größte Betrag eines Phasenstroms im(t) (siehe 6) zur Berechnung der Verlustleistung Pv der Nachbildung von T1 und D2 herangezogen wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Brückenzweig br derjenige mit den kritischsten Kühlbedingungen.According to the invention, a distinction is made between an operation in which the output frequency of the inverter 1 large enough, that is a thermal model of the IGBT T1 and a thermal model of the diode D2 of the bridge branch br to monitor the entire inverter 1 sufficient and an operation with an underlying output frequency of the inverter 1 , where the same thermal models are used, but instead of ir (t) the largest amount of a phase current in (t) (see 6 ) is used to calculate the power loss P v of the replica of T1 and D2. In the present embodiment, the bridge branch br is the one with the most critical cooling conditions.
  • In 7 ist ein System 4 zur Überwachung eines Wechselrichters 1, der einen Motor 2 versorgt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren prinzipmäßig dargestellt. Das System 4 weist ein Modul 5 zur Berechnung der Verlustleistung Pv auf. Das Modul 5 erhält als Eingabe die Motordrehzahl M, sowie den Phasenstrom ir(t) des überwachten Brückenzweigs br und den von einem Modul 6 gelieferten größten Betrag im(t) der Phasenströme ir(t), is(t), it(t). In Modul 5 wird anhand der Motordrehzahl M, die (unter Vernachlässigung des Schlupfes) gleich der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 1 geteilt durch die Polpaarzahl des Motors 2 ist, verglichen mit einem zuvor festgelegten Grenzwert, entweder der Phasenstrom ir(t) oder der größte Betrag eines Phasenstroms im(t) aus Modul 6 zur Berechnung der Verlustleistung Pv herangezogen. Die anschließend in Modul 5 ermittelte Verlustleitung Pv dient als Eingabe für ein weiteres Modul 7 zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperaturen Tchip der Leistungshalbleiter T1 bis T6 und D1 bis D6 anhand der thermischen Modelle bestehend aus entsprechenden RC-Ersatzschaltbildern 3 des IGBTs T1 und der Diode D2. Das Modul 7 liefert als Ausgabe die aktuellen Sperrschichttemperaturen Tchip der Leistungshalbleiter T1 und D2 stellvertretend für alle Leistungshalbleiter T1 bis T6 und D1 bis D6. Anhand dieser Sperrschichttemperaturen Tchip können dann bei einer drohenden Überhitzung entsprechende Maßnahmen ergriffen werden.In 7 is a system 4 for monitoring an inverter 1 who has a motor 2 supplied in accordance with the inventive method in principle. The system 4 has a module 5 for calculating the power loss P v . The module 5 receives as input the engine speed M, as well as the phase current ir (t) of the monitored bridge branch br and that of a module 6 delivered largest amount in (t) of the phase currents ir (t), is (t), it (t). In module 5 is based on the engine speed M, which (ignoring the slip) equal to the output frequency of the inverter 1 divided by the number of pole pairs of the motor 2 is, compared to a predetermined threshold, either the phase current ir (t) or the largest amount of a phase current in (t) of module 6 used to calculate the power loss P v . The following in module 5 determined loss line P v serves as input for another module 7 for calculating the current junction temperatures T chip of the power semiconductors T1 to T6 and D1 to D6 on the basis of the thermal models consisting of corresponding RC equivalent circuit diagrams 3 of the IGBT T1 and the diode D2. The module 7 provides as output the current junction temperatures T chip of the power semiconductors T1 and D2 representative of all power semiconductors T1 to T6 and D1 to D6. Based on these junction temperatures T chip appropriate measures can then be taken in the event of impending overheating.
  • Durch das System 4 wird sichergestellt, dass die Verlustleistung Pv der Phase r, s, t, die den größten Phasenstrom ir(t), is(t), it(t) führt (worst Gase) zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperatur Tchip herangezogen wird. Des weiteren wird durch die Betragsbildung gewährleistet, dass immer der dadurch belastete IGBT T1 bis T6 und die Diode D1 bis D6 nachgebildet wird.Through the system 4 ensures that the power loss P v of the phase r, s, t, the largest phase current ir (t), is (t), it (t) leads (worst gases) is used to calculate the current junction temperature T chip . Furthermore, the magnitude formation ensures that the IGBT T1 to T6 thus burdened with it and the diode D1 to D6 are always reproduced.
  • Demzufolge können in einfacher und vorteilhafter Weise mit nur einem thermischen Modell für den IGBT T1 und einem thermischen Modell für die Diode D2 die Leistungshalbleiter T1 bis T6 und D1 bis D6 aller Brückenzweige r, s, t des dreiphasigen Wechselrichters 1 wirksam geschützt werden. Es wird auch für kleine Ausgangsfrequenzen oder den Betrieb mit einer Ausgangsfrequenz null (im Stillstand des Motors 2 beim Anfahren) ein sicherer Schutz gewährleistet, unabhängig davon in welcher Phase r, s, t der größte Phasenstrom ir(t), is(t), it(t) fließt und welches Vorzeichen dieser Phasenstrom ir(t), is(t), it(t) hat.Accordingly, in a simple and advantageous manner with only one thermal model for the IGBT T1 and a thermal model for the diode D2, the power semiconductors T1 to T6 and D1 to D6 of all the bridge branches r, s, t of the three-phase inverter 1 be effectively protected. Safe protection is ensured even for small output frequencies or operation with an output frequency of zero (when the motor 2 is at standstill), irrespective of which phase r, s, t the largest phase current ir (t), is (t), it (t) flows and which sign has this phase current ir (t), is (t), it (t).

Claims (4)

  1. Verfahren zur Überwachung der Sperrschichttemperatur von Leistungshalbleitern in mehrphasigen Wechselrichtern oder Gleichrichtern in Brückenschaltung, wobei eine Verlustleistung der Leistungshalbleiter und ein thermisches RC-Ersatzschaltbild wenigstens eines Teils eines ausgewählten Brückenzweigs zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiter herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperaturen (Tchip) der Leistungshalbleiter (T1 bis T6 und D1 bis D6) bei einer über einem Grenzwert liegenden Ausgangsfrequenz des Wechselrichters (1) oder Gleichrichters ein Phasenstrom (ir(t)) des wenigstens einen ausgewählten Brückenzweigs (br) zur Bestimmung der Verlustleistung (Pv) herangezogen wird, wobei bei einer unter dem Grenzwert liegenden Ausgangsfrequenz der jeweils größte Betrag (im(t)) eines der Phasenströme (ir(t),is(t),it(t)) der Brückenzweige (r,s,t) zur Bestimmung der Verlustleistung (Pv) herangezogen wird.A method for monitoring the junction temperature of power semiconductors in polyphase inverters or bridge rectifiers, wherein a power dissipation of power and an RC thermal equivalent circuit of at least a portion of a selected bridge branch are used to calculate the current junction temperatures of the power semiconductors, characterized in that the current Junction temperatures (T chip ) of the power semiconductors (T1 to T6 and D1 to D6) at an output frequency of the inverter above a limit ( 1 ) or rectifier, a phase current (ir (t)) of the at least one selected bridge branch (br) is used to determine the power loss (P v ), wherein at a lower than the limit output frequency of the respective largest amount (im (t)) one of Phase currents (ir (t), is (t), it (t)) of the bridge branches (r, s, t) is used to determine the power loss (P v ).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Motordrehzahl (M) zur Bestimmung der Ausgangsfrequenz verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that the engine speed (M) is used to determine the output frequency becomes.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Ersatzschaltbilder der Leistungshalbleiter (T1,D2) des Brückenzweigs (br) mit den schlechtesten Kühlbedingungen zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperaturen (Tchip) verwendet werden.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the thermal equivalent circuit diagrams of the power semiconductors (T1, D2) of the bridge branch (br) are used with the worst cooling conditions for calculating the current junction temperatures (T chip ).
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine direkte Flüssigkeitskühlung eingesetzt wird.Method according to claim 1, 2 or 3, characterized that used a direct liquid cooling becomes.
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