DE112013007564B4

DE112013007564B4 - Leistungsumwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112013007564B4
Application number: DE112013007564.4T
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Chiba; Yukio Nakashima; Takashi Hozuki; Hisanori Yamasaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2033-11-02
Also published as: DE112013007564T5; JP5815161B2; JPWO2015063957A1; WO2015063957A1

Abstract

Leistungsumwandlungsvorrichtung, aufweisend:eine Leistungsumwandlungsschaltung (2), die mehrere Halbleitermodule (20) enthält;eine Gate-Signalgenerierungseinheit (104), die ein Gate-Signal zur Ein/AusSteuerung eines Schaltelements im Halbleitermodul anhand eines Ergebnisses eines Vergleichs zwischen einer Trägerwelle und einem Spannungsbefehl generiert;eine Trägergenerierungseinheit (103), die die Trägerwelle in Übereinstimmung mit einem Trägerbefehl generiert;eine Spannungsbefehlsgenerierungseinheit (102), die den Spannungsbefehl generiert;eine Steuerbefehlseinheit (101), die den Strombefehl und den Trägerbefehl generiert; undeine Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit (8), die, wenn eine Temperatur des Halbleitermoduls niedriger als ein Bestimmungsschwellenwert ist, ein Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal zum Erhöhen einer Temperatur des Schaltelements im Halbleitermodul generiert und an die Steuerbefehlseinheit ausgibt und eine Ausgabe des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals steuert, wobeiwenn das Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal von der Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit ausgegeben wird, die Steuerbefehlseinheit einen Strombefehl einstellt, um einen Temperaturanstiegsmodusstrom zu veranlassen, durch die Leistungsumwandlungsschaltung zu fließen, und einen Trägerbefehl zum Generieren einer Trägerwelle höherer Frequenz als während eines Normalbetriebs einstellt, undwenn die Leistungsumwandlerschaltung einen Wechselstrom-Rundläufer als Last antreibt und eine Drehzahl des Wechselstrom-Rundläufers gleich oder größer ist als ein Drehzahlbestimmungswert und ein Momentenbefehl ausgeschaltet ist, generiert die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit immer das Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal und gibt dieses der Steuerbefehlseinheit ein.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsumwandlungsvorrichtung.
Stand der Technik
In der Hauptschaltung, die als Leistungsumwandlungseinheit in einer Leistungsumwandlungsvorrichtung arbeitet, sind mehrere Halbleitermodule vorgesehen. Es ist bekannt, dass sich die „EIN“-Spannungscharakteristik von Halbleitermodulen abhängig von der Temperatur ändert und insbesondere bei niederen Temperaturen der Strom innerhalb des Normalstromnutzungsbereichs gesättigt ist und der Widerstandwert steigt. Wenn daher die Temperatur eines Halbleitermoduls selbst nieder ist oder wenn die Temperatur um das Halbleitermodul (Umgebungstemperatur) nieder ist, ist es wünschenswert, das Halbleitermodul im Voraus zu erwärmen, um ein Auftreten dieses Phänomens zu verhindern.
Zum Beispiel offenbart die unten angeführte Patentliteratur 1 eine Technologie für ein Inverterhubwerk, in dem eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Inverters vorgesehen ist. Wenn die Außenlufttemperatur gleich oder kleiner als die Betriebstemperatur des Inverters wird, wird die Heizvorrichtung erregt, um Wärme zum Erwärmen der Luft um den Inverter zu erzeugen.
Des Weiteren offenbart die Patentliteratur 2 entsprechend ihrer Zusammenfassung, dass eine Wechselrichtervorrichtung erhalten werden soll, die die Spannungstoleranz durch aktives Erhöhen der Temperatur eines Schaltelements erhöht, wodurch eine Zeitspanne verkürzt wird, bevor eine Wechselrichterhauptschaltung mit hoher Spannung betrieben werden kann. Dazu umfasst die Wechselrichtervorrichtung eine Frequenzsteuerschaltung, die die Trägerfrequenz von Schaltelementen erhöht, indem sie sich die Eigenschaft der Schaltelemente zunutze macht, dass die Spannungstoleranz zunimmt, wenn ihre Temperatur hoch wird, und eine Stromsteuerung Richtschaltung, die einen an einen Elektromotor gesendeten Blindstrom erhöht. Wenn die Temperatur der Schaltelemente niedriger als eine Referenztemperatur ist, erhöht die Frequenzsteuerschaltung die Trägerfrequenz, während die Stromsteuerrichtschaltung den Blindstrom erhöht, wodurch die Verluste der Schaltelemente ansteigen, wodurch die Temperatur der Schaltelemente aktiv angehoben wird.
Liste von Zitaten
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Gebrauchsmusterregistrierung Veröffentlichungsnr. JP 2 527 713 Y2
Patentliteratur 2: JP 2012- 222 949 A

Kurzdarstellung
Technisches Problem
In der Technologie jedoch, die in der oben angeführten Patentliteratur 1 beschrieben ist, ist es notwendig, spezielle Hardware, wie eine Heizvorrichtung, vorzusehen. Dies führt zu einem Problem erhöhter Größe und Kosten.
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der obengenannten Probleme gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer Leistungsumwandlungsvorrichtung, die eine Verwendung eines Halbleitermoduls innerhalb eines Bereichs einer verbesserten „EIN“-Spannungscharakteristik ermöglicht, ohne zusätzliche spezielle Hardware zu benötigen.
Problemlösung
Zur Lösung der oben genannten Probleme und um die Aufgabe zu erzielen ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, enthaltend: eine Leistungsumwandlungsschaltung, die mehrere Halbleitermodule enthält und die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umwandelt; eine Gate-Signalgenerierungseinheit, die ein Gate-Signal zur Ein/Aus-Steuerung eines Schaltelements im Halbleitermodul anhand eines Ergebnisses eines Vergleichs zwischen einer Trägerwelle und einem Spannungsbefehl generiert; eine Trägergenerierungseinheit, die die Trägerwelle in Übereinstimmung mit einem Trägerbefehl generiert; eine Spannungsbefehlsgenerierungseinheit, die den Spannungsbefehl in Übereinstimmung mit einem Strombefehl generiert; eine Steuerbefehlseinheit, die den Strombefehl und den Trägerbefehl generiert; und eine Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit, die, wenn eine Temperatur des Halbleitermoduls niedriger als ein Bestimmungsschwellenwert ist, ein Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal zum Erhöhen einer Temperatur des Schaltelements im Halbleitermodul generiert und an die Steuerbefehlseinheit ausgibt und eine Ausgabe des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals steuert, wobei, wenn das Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal von der Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit ausgegeben wird, die Steuerbefehlseinheit einen Strombefehl einstellt, um einen Temperaturanstiegsmodusstrom zu veranlassen, durch die Leistungsumwandlungsschaltung zu fließen, und einen Trägerbefehl zum Generieren einer Trägerwelle höherer Frequenz als während eines Normalbetriebs einstellt. Wenn die Leistungsumwandlerschaltung einen Wechselstrom-Rundläufer als Last antreibt und eine Drehzahl des Wechselstrom-Rundläufers gleich oder größer ist als ein Drehzahl-bestimmungswert und ein Momentenbefehl ausgeschaltet ist, generiert die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit immer das Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal und gibt dieses der Steuerbefehlseinheit ein.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Wirkung erzielt, dass es möglich ist, ein Halbleitermodul innerhalb eines Bereichs einer verbesserten „EIN“-Spannungscharakteristik zu verwenden, ohne eine zusätzliche spezielle Hardware zu benötigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration einer Steuerbefehlseinheit zeigt, die in einer Invertersteuereinheit vorgesehen ist.
3 ist eine schematische Darstellung, die ein typisches Layout-Beispiel von Halbleitermodulen zeigt, die eine Inverterhauptschaltung bilden.
4 ist eine schematische Darstellung, die Temperatureigenschaften eines MOSFET zeigt.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Betrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erklärt.
6 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel eines Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals zeigt.
7 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration einer Strombefehlsgenerierungseinheit zeigt.
8 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration einer Trägerbefehlsgenerierungseinheit zeigt.
9 ist ein Ablaufdiagramm, das ein anderes Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erklärt.
10 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erklärt.
11 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erklärt.
12 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erklärt.
13 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erklärt.
14 ist ein Temperaturanstiegssequenzbetriebsdiagramm in der ersten Ausführungsform.
15 ist ein Temperaturanstiegssequenzbetriebsdiagramm der Leistungsumwandlungsvorrichtung in der ersten Ausführungsform, das sich von dem Betriebsdiagramm in 14 unterscheidet.
16 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals zeigt, wenn das Ablaufdiagramm in 11 ausgeführt wird.
17 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
18 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Betrieb außerhalb der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform erklärt.
19 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Betrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform erklärt.
20 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
21 ist eine schematische Darstellung, die ein ausführliches Konfigurationsbeispiel einer Wandlersteuereinheit zeigt, die in 20 dargestellt ist.
22 ist eine schematische Darstellung, die ein Konfigurationsbeispiel zeigt, wenn die Konfiguration der zweiten Ausführungsform, in der Temperaturinformationen oder ein Modussignal von einer externen Quelle eingegeben werden, bei der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform angewendet wird.
23 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform erklärt.
24 ist ein Ablaufdiagramm, das ein anderes Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform erklärt.
25 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform erklärt.
26 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform erklärt.
27 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform erklärt.
28 ist ein Temperaturanstiegssequenzbetriebsdiagramm, wenn der Prozessablauf in 23 durchgeführt wird.
29 ist eine schematische Darstellung, die ein Konfigurationsbeispiel zeigt, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform bei einer Gleichstromlast angewendet wird.
30 ist eine schematische Darstellung, die ein Konfigurationsbeispiel zeigt, wenn eine Konfiguration, in der Temperaturinformationen oder ein Modussignal von einer externen Quelle eingegeben werden, bei der in 29 dargestellten Konfiguration angewendet wird.

Beschreibung von Ausführungsformen
Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird in der Folge ausführlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform.
1 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 dargestellt, enthält die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform eine Invertersteuereinheit 1, eine Inverterhauptschaltung 2, die eine Wechselstromlast antreibt, einen Basisthermistor 3, der ein Temperatursensor ist, eine Gleichstromleistungsversorgungseinheit 4, einen Stromwandler (in der Folge mit „SW“ abgekürzt) 5, der ein Stromsensor ist, und eine Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8. Die Invertersteuereinheit 1 enthält eine Steuerbefehlseinheit 101, eine Spannungsbefehlsgenerierungseinheit 102, eine Trägergenerierungseinheit 103 und eine Gate-Signalgenerierungseinheit 104. In 1 ist ein Induktionsmotor (dargestellt als „IM“, in der Folge „Motor“) 6 als ein Beispiel der Wechselstromlast dargestellt.
Die Inverterhauptschaltung 2 enthält Halbleitermodule, die später beschrieben werden. Die Inverterhauptschaltung 2 wandelt Gleichstromleistung, die zum Beispiel von der Gleichstromleistungsversorgungseinheit 4 zugeleitet wird, in eine Wechselstromleistung variabler Spannung, variabler Frequenz um und leitet diese Wechselstromleistung zum Motor 6, um den Motor 6 anzutreiben. Ein Leistungswandlungsbetrieb in der Inverterhauptschaltung 2 wird durch Steuern mehrerer Halbleitermodule, die die Inverterhauptschaltung 2 bilden, in Übereinstimmung mit dem Gate-Signal ausgeführt, das von der Gate-Signalgenerierungseinheit 104 generiert wird.
Wie zum Beispiel in 2 dargestellt, enthält die Steuerbefehlseinheit 101 eine Strombefehlsgenerierungseinheit 101a und eine Trägerbefehlsgenerierungseinheit 101b. Die Strombefehlsgenerierungseinheit 101a und die Trägerbefehlsgenerierungseinheit 101b generieren einen Strombefehl bzw. einen Trägerbefehl anhand des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals von der Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8, des Rastenbefehls (des Drehmomentbefehls) und der Drehzahl des Motors 6, der von einem Drehzahlsensor 7 erfasst wird.
Die Spannungsbefehlsgenerierungseinheit 102 generiert einen Spannungsbefehl anhand des Strombefehls von der Strombefehlsgenerierungseinheit 101a, der Drehzahl des Motors 6, des Inverterstroms, der vom SW 5 erfasst wird, und der Gleichspannung, die von der Gleichstromleistungsversorgungseinheit 4 an die Inverterhauptschaltung 2 angelegt wird (zum Beispiel eine Filterkondensatorspannung, in der Folge dargestellt als „EFC“). Dieser Spannungsbefehl ist ein Befehlswert, der mit der Amplitude, Phase und Frequenz der Wechselspannung verknüpft ist, die durch die Inverterhauptschaltung 2 an den Motor 6 angelegt wird. Die Trägergenerierungseinheit 103 generiert eine Trägerwelle basierend auf einer Sägezahnwelle oder einer Dreieckswelle in Übereinstimmung mit dem Trägerbefehl von der Trägerbefehlsgenerierungseinheit 101b. Das Trägersignal und der Spannungsbefehl (das Signal) werden in die Gate-Signalgenerierungseinheit 104 eingegeben. Die Gate-Signalgenerierungseinheit 104 vergleicht das Trägersignal mit dem Spannungsbefehlssignal, generiert ein Gate-Signal zur Ein/AusSteuerung der Schaltelemente im Halbleitermodul und gibt das Gate-Signal an die Inverterhauptschaltung 2 aus.
3 ist eine schematische Darstellung, die ein typisches Layout-Beispiel von Halbleitermodulen zeigt, die die Inverterhauptschaltung 2 bilden. Ein Halbleitermodul 20 enthält ein Transistorelement 20a, das zum Beispiel ein MOSFET ist, und ein Diodenelement 20b, das anti-parallel mit dem Transistorelement 20a verbunden ist. Die Kapazität des Transistorelements 20a und des Diodenelements 20b kann durch paralleles Verbinden der Transistorelemente 20a und paralleles Verbinden der Diodenelemente 20b erhöht werden, wie in 3 dargestellt. Wenn die Inverterhauptschaltung 2 eine Dreiphasenkonfiguration hat, sind sechs Halbleitermodule 20 an einem Basisabschnitt 22a eines Kühlers 22 vorgesehen, wie in 3 dargestellt. Der Basisthermistor 3 ist auch auf dem Basisabschnitt 22a vorgesehen.
4 ist eine schematische Darstellung, die Temperatureigenschaften eines MOSFET zeigt. 4 zeigt das Verhältnis zwischen einer Drain-Spannung VD (horizontale Achse) und einem Drain-Strom ID (vertikale Achse) mit der Chip-Temperatur als einen Parameter.
In 4 ist eine Gruppe A, die durch Punktlinien dargestellt ist, eine Gruppe, in der die Chip-Temperatur im Halbleitermodul zum Beispiel von -40°C bis -20°C reicht (in der Folge „Gruppe mit Niedertemperaturbereichseigenschaft“). Ebenso ist eine Gruppe B, die durch Volllinien dargestellt ist, eine Gruppe, in der die Chip-Temperatur im Halbleitermodul gleich wie oder höher als die normale Temperatur ist (zum Beispiel, 25°C, dargestellt durch Zeichen B1) (in der Folge „Gruppe mit Hochtemperaturbereichseigenschaft“). Eine gerade Linie C, die sich parallel zur horizontalen Achse erstreckt und durch eine dickere Punktlinie dargestellt ist, gibt einen oberen Grenzwert des Normalstromnutzungsbereichs an. Die Gruppe mit Niedertemperaturbereichseigenschaft A verschiebt sich und wird zur geraden Linie C parallel, wenn die Drain-Spannung VD zunimmt. Das heißt, wie im Abschnitt „Allgemeiner Stand der Technik“ beschrieben ist, sind die Temperatureigenschaften des Halbleitermoduls im Niedertemperaturbereich derart, dass der Strom innerhalb des Normalstromnutzungsbereichs gesättigt ist und der Widerstandwert steigt. Daher ist zur Stabilisierung des Betriebs der Leistungsumwandlungsvorrichtung bevorzugt, einen Betrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung in der Gruppe mit Niedertemperaturbereichseigenschaft A zu verhindern und die Leistungsumwandlungsvorrichtung in der Gruppe mit Hochtemperaturbereichseigenschaft B zu betreiben, der ein Bereich einer verbesserten „EIN“-Spannungscharakteristik ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Betriebsmodus wie oben beschrieben ohne zusätzliche Hardware erreicht.
Anschließend wird ein Betrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 1 bis 5 beschrieben. 5 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Betrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erklärt.
Eine Temperatur (eine Thermistortemperatur), die von einem oder mehreren Basisthermistor(en) 3 erfasst wird, wird in die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 eingegeben. Die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 schätzt die Chip-Temperatur anhand beispielsweise der niedrigsten Temperatur aus den eingegebenen Thermistortemperaturen (Schritt S101). Die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 vergleicht die geschätzte Chip-Temperatur (geschätzte Temperatur) mit dem Temperaturbestimmungswert, der ein Bestimmungsschwellenwert (Schritt S102) ist. Wenn die geschätzte Temperatur niedriger als der Temperaturbestimmungswert ist (NEIN in Schritt S102), gibt die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 ein Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal an die Steuerbefehlseinheit 101 aus (Schritt S103). Wenn im Gegensatz dazu die geschätzte Temperatur gleich wie oder höher als der Temperaturbestimmungswert ist (JA in Schritt S102), wechselt der Prozessablauf zu Schritt S107, der später beschrieben wird.
Während ein Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal empfangen wird, stellt die Steuerbefehlseinheit 101 einen Strombefehl und einen Trägerbefehl für einen Temperaturanstiegsmodus ein (Schritt S104). Spezielle eingestellte Werte sind zum Beispiel wie folgt und auch in 5 dargestellt.

• Strombefehl: Erregungskomponente-Strombefehlswert = Minutenwert, Drehmomentkomponente-Strombefehlswert = 0
• Trägerbefehl: Hochträgerfrequenz

Die oben eingestellten Werte werden beschrieben. Zunächst bezieht sich der Begriff „Minutenwert“ des Erregungskomponente-Strombefehlswerts auf einen Wert, der ausreichend ist, um die Schaltelemente im Halbleitermodul während der Temperaturanstiegsperiode zu erwärmen (zum Beispiel 100 bis 500 ms), so dass die Schaltelemente in den Bereich der Gruppe mit Hochtemperaturbereichseigenschaft B wechseln können, die in 4 dargestellt ist. Der Grund für eine Einstellung des Drehmomentkomponente-Strombefehlswerts auf null ist, dass der Motor 6, der ein Wechselstrom-Rundläufer ist, am Generieren eines Drehmoments gehindert wird. Der Begriff „Hochträgerfrequenz“ des Trägerbefehls bezieht sich auf eine Einstellung einer ausreichend höheren Frequenz (zum Beispiel etwa 2 bis 5 kHz) als die Trägerfrequenz während des Normalbetriebs (zum Beispiel, 1 kHz).
Im Temperaturanstiegsmodus stellt die Spannungsbefehlsgenerierungseinheit 102 bei Empfang des oben beschriebenen Strombefehls von der Strombefehlsgenerierungseinheit 101a die Grundwellenfrequenz auf zweimal so hoch wie die Motordrehfrequenz oder noch höher ein (Schritt S105).
Die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 überwacht die Temperaturanstiegszeit und vergleicht die Temperaturanstiegszeit mit der thermischen Chip-Zeitkonstante, die als Bestimmungsschwellenwert dient (Schritt S106). Diese thermische Chip-Zeitkonstante ist eine Zeitkonstante, die anhand der Wärmekapazität des Halbleitermoduls oder anderer Faktoren bestimmt wird.
Wenn die Temperaturanstiegszeit geringer als die thermische Chip-Zeitkonstante ist (NEIN in Schritt S106), fährt die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 mit der Überwachung der Temperaturanstiegszeit fort. Wenn im Gegensatz dazu die Temperaturanstiegszeit gleich wie oder größer als die thermische Chip-Zeitkonstante ist (JA in Schritt S106), stoppt die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 die Ausgabe des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals und wechselt in den Normalbetrieb (Schritt S107).
Ein Beispiel des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals ist wie in 6 dargestellt. Es ist ausreichend, wenn die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 ein Signal ausgibt, das nur während der Periode eingeschaltet wird, die als Temperaturanstiegsperiode eingestellt ist.
7 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration der Strombefehlsgenerierungseinheit 101 a zeigt. Die Strombefehlsgenerierungseinheit 101a enthält eine Temperaturanstiegsstrombefehlstabelle 101a1 und eine Normalstrombefehlstabelle 101a2. Die Strombefehlsgenerierungseinheit 101a kann zwischen diesen Tabellen wechseln und jede von ihnen in Übereinstimmung mit dem Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal verwenden.
8 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration der Trägerbefehlsgenerierungseinheit 101 b zeigt. Die Trägerbefehlsgenerierungseinheit 101b enthält eine Temperaturanstiegsträgerbefehlstabelle 101 b1 und eine Normalträgerbefehlstabelle 101b2. Die Trägerbefehlsgenerierungseinheit 101b kann zwischen diesen Tabellen wechseln und jede von ihnen in Übereinstimmung mit dem Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal verwenden.
Der Prozessablauf, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform in einem Temperaturanstiegsmodus arbeitet, wurde oben beschrieben. Aus verschiedenen Perspektiven ist es jedoch möglich, einen Teil der Prozesse zu ändern.
Zum Beispiel ist 9 ein Ablaufdiagramm, das ein anderes Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erklärt. In 9 sind die Prozesse, die mit jenen in 5 identisch oder äquivalent sind, mit denselben Schrittnummern dargestellt. Dasselbe gilt für die folgenden Ablaufdiagramme.
In 5 wird die Chip-Temperatur anhand der Thermistortemperatur geschätzt. Wie jedoch in Schritt S201 in 9 dargestellt, ist es auch angemessen, dass die Thermistortemperatur direkt zum Verwalten der Temperaturanstiegssequenz verwendet wird. Die Prozesse nach Schritt S201 sind mit jenen in 5 identisch oder äquivalent. Wenn in einem Bestimmungsprozess in Schritt S201 die Thermistortemperatur gleich wie oder höher als der Temperaturbestimmungswert ist (JA in Schritt S201), endet der Prozessablauf (der sich vom Prozessablauf in 5 unterscheidet). In 9 hat der Betrieb in der Prozessstufe von Schritt S201 noch nicht in den Temperaturanstiegsmodus gewechselt. Daher ist kein Prozess zum Stoppen des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals erforderlich.
10 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erklärt. In 5 wird anhand der Zeit verwaltet, ob der Betrieb in den Normalbetrieb wechselt. Wie jedoch in 10 dargestellt, kann die Zeitsteuerung für einen Wechsel in den Normalbetrieb auch anhand der Temperatur verwaltet werden. In 10 gibt die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 ein Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal aus (Schritt S103) und stellt einen Parameter, der sich auf den Strombefehl und den Trägerbefehl bezieht, ein (Schritte S104 und S105). Danach wechselt die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8, ohne eine Bestimmung der Temperaturanstiegszeit vorzunehmen, zu dem Prozess in Schritt S101, um die Chip-Temperatur aus der Thermistortemperatur zu schätzen. Danach führt die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 in Schritt S102 den Prozess zum Bestimmen der geschätzten Chip-Temperatur durch. Wenn die geschätzte Temperatur gleich wie oder höher als der Temperaturbestimmungswert ist, stoppt die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 die Ausgabe des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals und wechselt dann in den Normalbetrieb (Schritt S107).
11 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erklärt. In 5 wird abhängig davon, ob die geschätzte Temperatur des Halbleitermoduls höher oder niedriger als der Temperaturbestimmungswert ist, bestimmt, ob der Betrieb in den Temperaturanstiegsmodus wechselt. Wie jedoch in 11 dargestellt ist, kann auch abhängig von dem Vorhandensein oder Fehlen eines Rastensignals (Schritt S401) und abhängig davon, ob die Motordrehzahl höher oder niedriger als der Drehzahlbestimmungswert ist (Schritt S402), bestimmt werden, ob der Betrieb in den Temperaturanstiegsmodus wechselt. Zur Ausführung des Ablaufdiagramms in 11 ist die Leistungsumwandlungsvorrichtung konfiguriert, einen Rastenbefehl und ein Drehzahlsignal in die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 einzugeben, wie in 12 dargestellt ist. Mit dieser Konfiguration kann die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 zwei Bestimmungsprozesse in Schritten S401 und S402 durchführen.
13 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erklärt. In 5 wird abhängig davon, ob die geschätzte Temperatur des Halbleitermoduls höher oder niedriger als der Temperaturbestimmungswert ist, bestimmt, ob der Betrieb in den Temperaturanstiegsmodus wechselt. Wie jedoch in 13 dargestellt, ist es auch angemessen, dass die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 ein Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal bei jedem Starten, unabhängig von der erfassten Temperatur des Halbleitermoduls, ausgibt. Eine solche Steuerung, wie oben beschrieben, ist dahingehend vorteilhaft, dass, während ein Temperatursensor fehlerhaft ist oder schlecht funktioniert, die Leistungsumwandlungsvorrichtung nicht von einer falschen Erfassung der Temperatur oder anderen Problemen betroffen ist.
Wenn ein Kühler eine Druckluftkühlungsmethode anwendet, kann in den Ablaufdiagrammen in 5 bis 7 auch ein Prozess zum zwangsweisen Stoppen eines Kühlungsgebläses hinzugefügt werden. Wenn die geschätzte Temperatur niedriger als der Temperaturbestimmungswert ist, wird das Kühlungsgebläse zwangsweise gestoppt. Dies verhindert eine unnötige Kühlung und daher kann eine Verringerung in der Temperaturanstiegszeit erreicht werden.
Anschließend wird eine Temperaturanstiegssequenz der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 14 beschrieben. 14 ist ein Betriebsdiagramm der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform und ist insbesondere ein Temperaturanstiegssequenzbetriebsdiagramm, wenn der Prozessablauf in 5 durchgeführt wird. In 14 stellt die horizontale Achse die Zeit dar und die vertikale Achse stellt, von oben nach unten in der Figur, die Wellenform eines Strombefehlswerts (einen Erregungsstrom und einen Drehmomentstrom), eine Trägerfrequenz, eine Grundwellenfrequenz, einen Elementverlust und die Temperatur (Chip-Temperatur und Basistemperatur) dar.
Üblicherweise ist die Temperaturanstiegsperiode nicht eingestellt und nur die Erregungsperiode ist für den Betrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung eingestellt. In der vorliegenden Ausführungsform jedoch, wie in 14 dargestellt, wird vor der Erregungsperiode zum Beispiel die Temperaturanstiegsperiode von 100 bis 500 ms eingestellt. Der Betrieb während der Temperaturanstiegsperiode ist wie oben beschrieben. Daher wird auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet.
Aufgrund dieser Temperaturanstiegsperiode wird die Chip-Temperatur des Halbleitermoduls gleich wie oder höher als B1°C (zum Beispiel, 25°C (siehe 4)). Daher ist es möglich, das Halbleitermodul in der Gruppe mit Hochtemperaturbereichseigenschaft B zu betreiben, einem Bereich mit verbesserter „EIN“-Spannungscharakteristik (siehe 4). Ein Strombefehl im Temperaturanstiegsmodus zeigt einen Minutenwert nur der Erregungskomponente an. Obwohl die Chip-Temperatur steigt, steigt die Basistemperatur nicht so signifikant wie die Chip-Temperatur. Dies ermöglicht eine Minimierung des Elementverlusts während der Temperaturanstiegsperiode.
15 ist ein Betriebsdiagramm der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, das sich vom Betriebsdiagramm in 14 unterscheidet. Insbesondere ist 15 ein Temperaturanstiegssequenzbetriebsdiagramm, wenn der Prozessablauf in 11 durchgeführt wird. 16 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals zeigt, wenn das Ablaufdiagramm in 11 ausgeführt wird. 16 zeigt einen Fall des Ausgebens des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals nicht nur beim Starten, sondern auch zu anderen Zeitpunkten.
Wenn in dem Ablaufdiagramm in 11 ein Rastensignal auf „AUS“ ist (NEIN in Schritt S401) und die Motordrehzahl gleich wie oder höher als der Drehzahlbestimmungswert ist (JA in Schritt S402), gibt die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 ein Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal aus. Dieser Prozess beruht auf der Annahme, dass kein Drehmoment an den Motor angelegt wird (bekannt als „freilaufender Zustand“). Wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung in einem Schienenfahrzeug verwendet wird, ist dieser Prozess effektiv, da, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung in einem freilaufenden Zustand ist und auch wenn die Außenlufttemperatur nieder ist, eine Möglichkeit besteht, dass die Chip-Temperatur nieder ist.
Wie oben beschrieben, ist in der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit konfiguriert, die den Ausgang des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals zur Erhöhung der Temperatur der Schaltelemente im Halbleitermodul steuert. Wenn die Temperatur des Halbleitermoduls niedriger als der Bestimmungsschwellenwert ist, generiert die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit das Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal und gibt es in die Steuerbefehlseinheit ein. Die Steuerbefehlseinheit, in die das Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal eingegeben wurde, stellt einen Strombefehl ein, um einen Temperaturanstiegsmodusstrom zu veranlassen, durch die Inverterhauptschaltung zu gehen, und stellt einen Trägerbefehl zum Generieren einer Trägerwelle höherer Frequenz als während des Normalbetriebs ein. Daher kann die Temperatur der Schaltelemente im Halbleitermodul im Voraus erhöht werden. Dies ermöglicht die Verwendung des Halbleitermoduls mit den Normaltemperatureigenschaften beim Wechsel in den Normalbetrieb.
Es ist möglich, einen Basisthermistor als einen Temperatursensor, der die Temperatur des Halbleitermoduls erfasst, zu verwenden, der üblicherweise an einem Basisabschnitt eines Kühlers oder an anderen Stellen vorgesehen ist. Wenn in diesem Fall der Kühler mehrere Basisthermistoren hat, ist es ausreichend, wenn unter Verwendung der niedrigsten Temperatur aus den durch diese Basisthermistoren erfassten Temperaturen bestimmt wird, ob der Betrieb in den Temperaturanstiegsmodus wechselt. Durch die Verwendung der Basisthermistoren ist keine zusätzliche Hardware zum Erfassen der Chip-Temperatur erforderlich. Die Verwendung der niedrigsten Temperatur als Referenz ermöglicht eine zuverlässige Erhöhung der Temperatur aller Chips in den Halbleitermodulen auf den Bereich der Normaltemperatureigenschaften.
Als Temperatur des Halbleitermoduls kann auch die Chip-Temperatur von der Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit in Übereinstimmung mit der Temperatur geschätzt werden, die vom Basisthermistor erfasst wird. Durch die Verwendung der geschätzten Temperatur wird eine Wirkung erzielt, dass die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit die Temperaturanstiegssequenz exakter steuern kann.
Wenn die erfasste Temperatur oder geschätzte Temperatur des Halbleitermoduls auf eine Temperatur steigt, die gleich wie oder höher als der Bestimmungsschwellenwert ist, ist bevorzugt, die Ausgabe des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals zu stoppen. Mit einer solchen Steuerung wie oben beschrieben wird verhindert, dass ein Strom für einen Temperaturanstieg unnötig durch die Inverterhauptschaltung geht. Dadurch kann der Verlust im Temperaturanstiegsmodus effektiv unterdrückt werden.
Übrigens kann der Zeitpunkt, zu dem die Ausgabe des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals gestoppt wird, d.h. die Temperaturanstiegszeit für das Halbleitermodul, auch durch die thermische Zeitkonstante des Halbleitermoduls bestimmt werden. Mit einer solchen Steuerung wie oben beschrieben ist es möglich, eine Bestimmung der Temperaturanstiegszeit einfach auszuführen.
Falls die Last der Inverterhauptschaltung ein Wechselstrom-Rundläufer ist, kann die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit immer ein Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal generieren und in die Steuerbefehlsseinheit eingeben, wenn die Drehzahl des Wechselstrom-Rundläufers gleich wie oder höher als der Drehzahlbestimmungswert ist und der Drehmomentbefehl auf „Aus“ ist. Mit diesem Betrieb kann eine Senkung der Chip-Temperatur des Halbleitermoduls verhindert werden, wenn der Drehmomentbefehl auf „Aus“ ist.
Es ist bevorzugt, dass ein Temperaturanstiegsmodusstrom, der durch die Inverterhauptschaltung gehen soll, gleich wie oder kleiner als 1/2 des Sättigungsstromwerts bei einer niederen Temperatur des Halbleitermoduls ist. Durch Verwendung eines Wertes abseits des Sättigungsstrombereichs wird eine Wirkung erzielt, dass eine Temperaturanstiegsstromsteuerung passend ausgeführt wird.
Ferner ist bevorzugt, dass der Temperaturanstiegsmodusstrom, der durch die Inverterhauptschaltung gehen soll, ein Wechselstrom ist. Wenn ein Wechselstrom durch die Schaltelemente der Inverterhauptschaltung fließt, wird eine Wirkung erzielt, dass die Temperatur von Ober/Unterarm-Mehrphasenelementen gleichmäßig erhöht werden kann.
Wenn die Inverterhauptschaltung eine Druckluftkühlungsmethode anwendet, kann ein Kühlgebläse auch so gesteuert werden, dass es zwangsweise gestoppt wird, wenn die erfasste Temperatur oder geschätzte Temperatur des Halbleitermoduls niedriger als der Bestimmungsschwellenwert ist. Durch Stoppen des Kühlers wird eine Wirkung erzielt, dass die Temperaturanstiegswirkung verbessert werden kann.
Wenn die Last der Inverterhauptschaltung ein Wechselstrom-Rundläufer ist, ist bevorzugt, dass der Temperaturanstiegsmodusstrom, der durch die Inverterhauptschaltung gehen soll, ein Wechselstrom mit einer Frequenz ist, die zweimal so hoch wie die elektrische Drehwinkelfrequenz des Wechselstrom-Rundläufers oder noch höher ist. Wenn die Motordrehfrequenz nahe der Grundwellenfrequenz ist, wird ein Drehmoment generiert. Durch Verwendung eines solchen Wechselstroms wie oben beschrieben, wird die Grundwellenfrequenz auf zweimal so hoch wie die Motordrehfrequenz oder noch höher eingestellt. Daher wird eine Wirkung erzielt, dass ein Generieren eines Drehmoments verhindert werden kann.
Wenn die Last der Inverterhauptschaltung ein Wechselstrom-Rundläufer ist, ist bevorzugt, dass der Temperaturanstiegsmodusstrom, der durch die Inverterhauptschaltung gehen soll, ein Erregungskomponentenstrom für den Wechselstrom-Rundläufer ist. Wenn die Motordrehzahl nahe der Grundwellenfrequenz ist, wird ein Drehmoment generiert. Durch Verwendung eines Wechselstroms wie oben beschrieben, wird jedoch eine Wirkung erzielt, dass die Generierung eines Drehmoments verhindert werden kann.
Zweite Ausführungsform.
17 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. In der ersten Ausführungsform ist die Leistungsumwandlungsvorrichtung zum Eingeben der vom Basisthermistor 3 erfassten Temperatur in die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 konfiguriert. In der zweiten Ausführungsform, wie in 17 dargestellt, ist die Leistungsumwandlungsvorrichtung zum Eingeben von Temperaturinformationen, wie Außenlufttemperatur, die von einer Vorrichtung außerhalb der Leistungsumwandlungsvorrichtung erhalten werden, oder Eingeben eines Modussignals, das unter Verwendung der Temperaturinformationen generiert wird, in die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 konfiguriert. Andere Bestandteile sind in der vorliegenden Ausführungsform mit jenen, die in 1 dargestellt sind, identisch oder äquivalent und somit sind diese Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und auf deren wiederholte Beschreibung wird verzichtet.
In 17 werden beim Senden von Temperaturinformationen, wie Außenlufttemperatur, diese Temperaturinformationen als ein Funksignal von einer Signalsendevorrichtung 10 gesendet, die in einem System höherer Ordnung, wie in einer Fahrerkabine, oder in einem Bodensystem, wie einer Betriebsverwaltungsvorrichtung oder in einem zentralen Überwachungsraum vorgesehen ist. Das Funksignal wird von einer Signalempfangsvorrichtung 9 gewonnen und dann in die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 eingegeben.
Beim Senden eines Modussignals wird dieses Modussignal von der Signalsendevorrichtung 10 anhand von Temperaturinformationen, wie Außenlufttemperatur, generiert. Das Modussignal enthält zumindest Informationen darüber, ob der Betrieb in den Temperaturanstiegsmodus wechselt oder in den Normalmodus wechselt. Das generierte Modussignal wird als Funksignal von der Signalsendevorrichtung 10 gesendet. Ein Temperaturanstiegsmodussignal, das von der Signalempfangsvorrichtung 9 gewonnen wird, wird in die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 eingegeben.
Anschließend wird ein Betrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 17 bis 19 beschrieben.
18 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Betrieb außerhalb der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform erklärt. Die Signalsendevorrichtung 10 vergleicht Temperaturinformationen wie Außenlufttemperatur (in der Folge „Außentemperatur“) mit dem Temperaturbestimmungswert, der ein Bestimmungsschwellenwert ist (Schritt S501). Wenn die Außentemperatur niedriger als der Temperaturbestimmungswert ist (NEIN in Schritt S501), sendet die Signalsendevorrichtung 10 ein Normalmodussignal (Schritt S502). Wenn im Gegensatz dazu die Außentemperatur gleich wie oder höher als der Temperaturbestimmungswert ist (JA in Schritt S501), sendet die Signalsendevorrichtung 10 ein Temperaturanstiegsmodussignal (Schritt S503).
19 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Betrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform erklärt. Die Signalempfangsvorrichtung 9 empfängt ein Modussignal von der Signalsendevorrichtung 10 und sendet das Modussignal zur Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 (Schritt S601). Die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 führt eine Bestimmung des Modussignals durch (Schritt S602). Wenn das Modussignal in einem Temperaturanstiegsmodus ist, wechselt der Prozessablauf zu Schritt S103. Wenn das Modussignal in einem Normalmodus ist, wechselt der Prozessablauf zu Schritt S107. Die Prozesse in Schritten S103 bis S107 sind dieselben wie der Prozessablauf, der in 5 dargestellt ist, und daher wird auf deren Beschreibung verzichtet.
Wie oben beschrieben, schätzt die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform die Temperatur des Halbleitermoduls durch Verwendung von Temperaturinformationen von einer externen Quelle. Daher wird eine Wirkung erzielt, dass, selbst wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung keinen Temperatursensor enthält, eine Temperaturanstiegssteuerung gemäß der ersten Ausführungsform noch ausgeführt werden kann, ohne einen Temperatursensor vorzusehen.
Ferner, wie oben beschrieben, kann anstelle der Temperaturinformationen ein Modussignal, das Informationen enthält, die einen Normalmodus oder einen Temperaturanstiegsmodus anzeigen, zur Leistungsumwandlungsvorrichtung gesendet werden. Mit einer solchen Konfiguration kann durch Verwendung einer ausführlichen Datenbank, die am Boden oder an anderen Stellen vorgesehen ist, bestimmt werden, ob der Betrieb in den Temperaturanstiegsmodus oder den Normalmodus wechselt. Daher wird eine Wirkung erzielt, dass, wenn mehrere verwaltete Leistungsumwandlungsvorrichtungen vorhanden sind, die Temperaturanstiegssequenz dieser Leistungsumwandlungsvorrichtungen gleichzeitig und einheitlich verwaltet werden kann.
Dritte Ausführungsform.
20 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt. In der ersten Ausführungsform ist die Leistungsumwandlungsvorrichtung konfiguriert, Gleichstromleistung, die von der Gleichstromleistungsversorgungseinheit 4 zugeleitet wird, zum Motor 6 zu leiten. In der dritten Ausführungsform, wie in 20 dargestellt, ist die Leistungsumwandlungsvorrichtung konfiguriert, Gleichstromleistung, die in einer Gleichspannungszwischeneinheit 16 gehalten wird, zum Motor 6 zu leiten. Eine Wandlerhauptschaltung 12 wandelt Wechselstromleistung von einer Wechselstromleistungsversorgung 14 in Gleichstromleistung um und leitet diese Gleichstromleistung zur Gleichspannungszwischeneinheit 16, in der sie gehalten wird. Die Wechselstromleistungsversorgung 14 ist eine Wechselstromoberleitung, eine Einphasen-Wechselstromleistungsversorgung, eine Dreiphasen-Wechselstromleistungsversorgung oder dergleichen.
Ähnlich der Inverterhauptschaltung 2 ist die Wandlerhauptschaltung 12 mit einem Basisthermistor 13 versehen, der als Temperatursensor dient. Die Wandlerhauptschaltung 12 wird von einer Wandlersteuereinheit 11 gesteuert. Die Temperatur, die vom Basisthermistor 13 erfasst wird, wird in die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 eingegeben. Die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 generiert ein Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal unter Verwendung der Temperaturen, die vom Basisthermistor 3 bzw. vom Basisthermistor 13 erfasst werden.
Folgendes wird in die Wandlersteuereinheit 11 eingegeben: ein Wandlerstrom, der zwischen der Wandlerhauptschaltung 12 und der Wechselstromleistungsversorgung 14 fließt und der von einem SW 15 erfasst wird; eine Spannung EFC der Gleichspannungszwischeneinheit 16; die Drehzahl des Motors 6, die vom Drehzahlsensor 7 erfasst wird; und das Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal von der Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8. Anhand dieser Signale steuert die Wandlersteuereinheit 11 die Schaltelemente der Wandlerhauptschaltung 12. Andere Bestandteile in der vorliegenden Ausführungsform sind mit jenen, die in 1 dargestellt sind, identisch oder äquivalent und somit sind diese Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und auf deren wiederholte Beschreibung wird verzichtet.
21 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration der Wandlersteuereinheit 11 zeigt. Wie in 21 dargestellt, ist die Grundkonfiguration der Invertersteuereinheit 1 äquivalent. Die Wandlersteuereinheit 11 enthält eine Steuerbefehlseinheit 1101, eine Wandlerstromsteuereinheit 1102, eine Trägergenerierungseinheit 1103 und eine Gate-Signalgenerierungseinheit 1104.
In 20 und 21 sind die Wandlersteuereinheit 11 und die Invertersteuereinheit 1 zum Steuern der Wandlerhauptschaltung 12 bzw. der Inverterhauptschaltung 2 konfiguriert. Sowohl die vom Basisthermistor 13 erfasste Temperatur wie auch die vom Basisthermistor 3 erfasste Temperatur werden in die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 eingegeben. Daher können die Wandlersteuereinheit 11 und die Invertersteuereinheit 1 separat und unabhängig das Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal von der Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 steuern und können auch jeweils separat und unabhängig den Temperaturanstiegsmodusstrom steuern.
Wie in 22 dargestellt, ist es auch möglich, die Konfiguration der zweiten Ausführungsform, in der Temperaturinformationen oder ein Modussignal von einer externen Quelle eingegeben werden, bei der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform anzuwenden.
23 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform erklärt. Es ist möglich, die Temperaturanstiegssteuerung beim Halbleitermodul der Inverterhauptschaltung 2 in Übereinstimmung mit dem Ablaufdiagramm in 5 auszuführen. 23 ist ein erklärendes Diagramm der Temperaturanstiegssteuerung, die am Halbleitermodul der Wandlerhauptschaltung 12 durchgeführt wird. In 23 sind die Prozesse, die mit jenen in 5 identisch oder äquivalent sind, mit denselben Schrittnummern dargestellt. Ebenso wird, falls zutreffend, auf deren wiederholte Beschreibung verzichtet. Dasselbe gilt für die folgenden Ablaufdiagramme.
Die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit 8 gibt ein Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal an die Steuerbefehlseinheit 1101 der Wandlersteuereinheit 11 aus (Schritt S103). Während ein Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal empfangen wird, stellt die Steuerbefehlseinheit 1101 einen Strombefehl und einen Trägerbefehl für einen Temperaturanstiegsmodus ein (Schritt S701). Spezielle Einstellungswerte sind zum Beispiel wie folgt und sind auch in 23 dargestellt.

• Strombefehl: Reaktiver Strombefehlswert = Minutenwert, Aktiver Strombefehlswert = 0
• Trägerbefehl: Hochträgerfrequenz

Die obenstehenden Einstellwerte werden beschrieben. Zunächst bezieht sich der Begriff „Minutenwert“ des reaktiven Strombefehlswerts auf einen Wert, der zum Erwärmen der Schaltelemente im Halbleitermodul während der Temperaturanstiegsperiode ausreichend ist (zum Beispiel 100 bis 500 ms), so dass das Schaltelement in den Bereich der Gruppe mit Hochtemperaturbereichseigenschaft B wechseln kann, der in 4 dargestellt ist. Der Grund für die Einstellung des aktiven Strombefehlswerts auf null ist die Durchführung der Temperaturanstiegssteuerung, ohne einen Betrieb einer Wechselstrom last zu beeinträchtigen. Der Begriff „Hochträgerfrequenz“ des Trägerbefehls bezieht sich auf eine Einstellung einer Frequenz, die ausreichend höher ist als die Trägerfrequenz während des Normalbetriebs. Die anschließenden Prozesse sind dieselben wie in 5 und daher wird auf deren Beschreibung verzichtet.
24 ist ein Ablaufdiagramm, das ein anderes Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform erklärt. 24 ist ein Ablaufdiagramm zum Verwalten einer Temperaturanstiegssequenz durch direkte Verwendung einer Thermistortemperatur. Dieses Ablaufdiagramm kann durch Kombinieren der Prozesse in Schritten S103, S106, und S107, die in 5 dargestellt sind; in Schritt S201, der in 9 dargestellt ist; und in Schritt S701, der in 23 dargestellt ist, konstruiert werden.
25 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform erklärt. 25 ist ein Ablaufdiagramm zum Verwalten der Zeitsteuerung zum Wechseln in den Normalbetrieb nicht anhand der Zeit, sondern anhand der Temperatur. Dieses Ablaufdiagramm kann durch Kombinieren der Prozesse in Schritten S101 bis S103 und S107, die in 5 dargestellt sind, und in Schritt S701, der in 23 dargestellt ist, konstruiert werden.
26 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform erklärt. 26 ist ein Ablaufdiagramm zum Ausgeben eines Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals bei jedem Start, unabhängig von der erfassten Temperatur des Halbleitermoduls. Dieses Ablaufdiagramm kann durch Kombinieren der Prozesse in Schritten S103, S106 und S107, die in 5 dargestellt sind, und in Schritt S701, der in 23 dargestellt ist, konstruiert werden.
27 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Betriebsbeispiel der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform erklärt. 27 ist ein Ablaufdiagramm zum Empfangen eines Modussignals von einer externen Quelle und Senden des Modussignals zu einer Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit. Dieses Ablaufdiagramm kann durch Kombinieren der Prozesse in Schritten S103, S106 und S107, die in 5 dargestellt sind; in Schritten S601 und S602, die in 19 dargestellt sind; und in Schritt S701, der in 23 dargestellt ist, konstruiert werden. Ein Betrieb außerhalb der Leistungsumwandlungsvorrichtung wird wie durch das Ablaufdiagramm in 18 gezeigt, durchgeführt.
28 ist ein Temperaturanstiegssequenzbetriebsdiagramm gemäß der dritten Ausführungsform und ist insbesondere ein Temperaturanstiegssequenzbetriebsdiagramm, wenn der Prozessablauf in 23 durchgeführt wird. In 28 stellt die horizontale Achse die Zeit dar und die vertikale Achse stellt, von oben nach unten in der Figur, die Wellenform eines Strombefehlswerts (eines aktiven Stroms und eines reaktiven Stroms), die Trägerfrequenz, die Grundwellenfrequenz, den Elementverlust und die Temperatur (Chip-Temperatur und Grattemperatur) dar.
Üblicherweise ist die Temperaturanstiegsperiode nicht eingestellt und nur die Erregungsperiode ist für den Betrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung eingestellt. In der vorliegenden Ausführungsform jedoch, wie in 28 dargestellt, wird vor der Erregungsperiode zum Beispiel die Temperaturanstiegsperiode von 100 bis 500 ms eingestellt. Daher ist es zu Beginn der Erregungsperiode möglich, ein Halbleitermodul in der Gruppe mit Hochtemperaturbereichseigenschaft B zu betreiben, der ein Bereich mit verbesserter „EIN“-Spannungscharakteristik ist.
20 und 22 zeigen die Konfiguration als ein Beispiel, in dem der Motor 6, der als Wechselstromlast dient, mit der Inverterhauptschaltung 2 verbunden ist. Es ist jedoch offensichtlich, dass die Temperaturanstiegssteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform auch bei einer Konfiguration angewendet werden kann, in der eine Gleichstromlast 17 mit der Wandlerhauptschaltung 12 durch eine Gleichspannungsausgabeeinheit 18 verbunden ist, wie in 29 und 30 dargestellt ist.
Wie oben beschrieben, ist in der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform die Temperaturanstiegssteuerung, die an der Leistungsumwandlungsschaltung ausgeführt wird, die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umwandelt, um diese Wechselstromleistung zur Wechselstromlast zu leiten, auch bei der Leistungsumwandlungsschaltung anwendbar, die Wechselstromleistung in Gleichstromleistung umwandelt, um diese Gleichstromleistung zur Gleichstromlast zu leiten. Mit dieser Konfiguration kann die Temperatur des Halbleitermoduls in der Wandlerhauptschaltung im Voraus erhöht werden. Dies ermöglicht die Verwendung des Halbleitermoduls mit den Normaltemperatureigenschaften beim Wechseln in den Normalbetrieb.
Es ist bevorzugt, dass ein Temperaturanstiegsmodusstrom, der durch die Wandlerhauptschaltung gehen soll, ein reaktiver Strom für die Wandlerhauptschaltung ist. Durch Verwendung eines reaktiven Stroms wird eine Wirkung erzielt, bei der die Auswirkung auf die Last nahezu eliminiert werden kann.
In den obenstehenden Ausführungsformen ist es typischerweise etabliert, als Transistorelement und Diodenelement, die das Halbleitermodul der Inverterhauptschaltung und der Wandlerhauptschaltung bilden, einen auf Si basierenden Halbleiter zu verwenden, der aus einem Silizium(Si)-Material besteht. Es kann jedoch auch ein Halbleiter mit breiter Bandlücke (WBG), der aus einem Material wie Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder Diamant besteht, verwendet werden.
Ein Transistorelement und ein Diodenelement, das aus einem solchen WBG-Halbleiter wie oben beschrieben gebildet ist, haben eine hohe Wärmebeständigkeit und sind daher bei hoher Temperatur verwendbar. Wenn daher die Technologie der obenstehenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendet wird, ist es möglich, die Temperaturanstiegsperiode zu verringern und somit eine effiziente Temperaturanstiegssteuerung auszuführen.
Es ist wünschenswert, sowohl ein Transistorelement wie auch ein Diodenelement aus dem WBG-Halbleiter zu bilden. Es kann jedoch jedes der Elemente aus einem WBG-Halbleiter gebildet sein. Es ist immer noch möglich, die oben beschriebenen Wirkungen zu erzielen.
Die oben in der ersten und dritten Ausführungsform beschriebenen Konfigurationen sind nur Beispiele für die Konfiguration der vorliegenden Erfindung. Die Konfigurationen können mit anderen allgemein bekannten Technologien kombiniert werden und können modifiziert werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie einen Teil der Konfiguration auszulassen.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben, ist die vorliegende Erfindung als Leistungsumwandlungsvorrichtung nützlich, die die Verwendung eines Halbleitermoduls innerhalb eines Bereichs einer verbesserten „EIN“-Spannungscharakteristik ermöglicht, ohne eine zusätzliche spezielle Hardware zu benötigen.
Liste der Bezugszeichen
1 Invertersteuereinheit, 2 Inverterhauptschaltung, 3, 13 Basisthermistor, 4 Gleichstromleistungsversorgungseinheit, 6 Motor, 7 Drehzahlsensor, 8 Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit, 9 Signalempfangsvorrichtung, 10 Signalsendevorrichtung, 11 Wandlersteuereinheit, 12 Wandlerhauptschaltung, 16 Gleichspannungszwischeneinheit, 17 Gleichstromlast, 18 Gleichspannungsausgabeeinheit, 20a Transistorelement, 20b Diodenelement, 20 Halbleitermodul, 22a Basisabschnitt, 22 Kühler, 101, 1101 Steuerbefehlseinheit, 101a Strombefehlsgenerierungseinheit, 101a1 Temperaturanstiegsstrombefehlstabelle, 101a2 Normalstrombefehlstabelle, 101b Trägerbefehlsgenerierungseinheit, 101 b1 Temperaturanstiegsträgerbefehlstabelle, 101b2 Normalträgerbefehlstabelle, 102 Spannungsbefehlsgenerierungseinheit, 103 Trägergenerierungseinheit, 104 Gate-Signalgenerierungseinheit, 1102 Wandlerstromsteuereinheit, 1103 Trägergenerierungseinheit, 1104 Gate-Signalgenerierungseinheit.

Claims

Leistungsumwandlungsvorrichtung, aufweisend: eine Leistungsumwandlungsschaltung (2), die mehrere Halbleitermodule (20) enthält; eine Gate-Signalgenerierungseinheit (104), die ein Gate-Signal zur Ein/AusSteuerung eines Schaltelements im Halbleitermodul anhand eines Ergebnisses eines Vergleichs zwischen einer Trägerwelle und einem Spannungsbefehl generiert; eine Trägergenerierungseinheit (103), die die Trägerwelle in Übereinstimmung mit einem Trägerbefehl generiert; eine Spannungsbefehlsgenerierungseinheit (102), die den Spannungsbefehl generiert; eine Steuerbefehlseinheit (101), die den Strombefehl und den Trägerbefehl generiert; und eine Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit (8), die, wenn eine Temperatur des Halbleitermoduls niedriger als ein Bestimmungsschwellenwert ist, ein Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal zum Erhöhen einer Temperatur des Schaltelements im Halbleitermodul generiert und an die Steuerbefehlseinheit ausgibt und eine Ausgabe des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals steuert, wobei wenn das Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal von der Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit ausgegeben wird, die Steuerbefehlseinheit einen Strombefehl einstellt, um einen Temperaturanstiegsmodusstrom zu veranlassen, durch die Leistungsumwandlungsschaltung zu fließen, und einen Trägerbefehl zum Generieren einer Trägerwelle höherer Frequenz als während eines Normalbetriebs einstellt, und wenn die Leistungsumwandlerschaltung einen Wechselstrom-Rundläufer als Last antreibt und eine Drehzahl des Wechselstrom-Rundläufers gleich oder größer ist als ein Drehzahlbestimmungswert und ein Momentenbefehl ausgeschaltet ist, generiert die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit immer das Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal und gibt dieses der Steuerbefehlseinheit ein.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei, unabhängig von einer erfassten Temperatur jedes der mehreren Halbleitermodule (20), die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit (8) das Temperaturanstiegsmodusbetriebssignal bei jedem Start ausgibt.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit (8) eine Temperatur jedes der Halbleitermodule (20) durch Verwenden von Temperaturinformationen von einer externen Quelle schätzt.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Temperaturanstiegsmodusstrom gleich oder kleiner als 1/2 eines Sättigungsstromwerts bei einer niederen Temperatur des Halbleitermoduls ist (20).
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Leistungsumwandlerschaltung (2) eine Gleichstromleistung in Wechselstromleistung wandelt, die Spannungsbefehlsgenerierungseinheit (102) den Spannungsbefehl in Übereinstimmung mit dem Strombefehl geniert, und die Steuerbefehlseinheit (101) den Strombefehl generiert.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Temperaturanstiegsmodusstrom ein Wechselstrom ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Temperaturanstiegsmodusstrom ein Wechselstrom mit einer Frequenz ist, die zumindest zweimal so hoch wie eine elektrische Drehwinkelfrequenz des Wechselstrom-Rundläufers ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Temperaturanstiegsmodusstrom ein Erregungskomponentenstrom für den Wechselstrom-Rundläufer ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Leistungsumwandlungsschaltung (12) Wechselstromleistung in Gleichstromleistung wandelt, die Spannungsbefehlsgenerierungseinheit (1102) den Spannungsbefehl generiert in Übereinstimmung mit einem Gleichspannungsbefehl, und die Steuerbefehlseinheit (1101) den Gleichspannungsbefehl generiert.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Temperaturanstiegsmodusstrom ein reaktiver Strom für die Leistungsumwandlungsschaltung (2) ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Leistungsumwandlungsschaltung (2) einen Kühler (22) enthält, der jedes der mehreren Halbleitermodule (22) kühlt, und eine Temperatur jedes der Halbleitermodule mit einem Basisthermistor (3) erfasst wird, der an dem Kühler vorgesehen ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei mehrere weitere Basisthermistoren (3) an dem Kühler (22) vorgesehen sind, und die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit (8) eine niedrigste Temperatur aus Temperaturen, die von den weiteren Basisthermistoren erfasst werden, zur Bestimmung verwendet, ob ein Betrieb in einen Temperaturanstiegsmodus wechselt.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit (8) eine Chip-Temperatur des Halbleitermoduls (20) in Übereinstimmung mit einer Temperatur schätzt, die von den weiteren Basisthermistoren (3) erfasst wird.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei eine Ausgabezeit des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals durch eine thermische Zeitkonstante des Halbleitermoduls (20) bestimmt wird.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei, wenn eine Temperatur des Halbleitermoduls (20) auf eine Temperatur steigt, die gleich wie oder höher als ein Bestimmungsschwellenwert ist, die Temperaturanstiegssequenzverwaltungseinheit (8) die Ausgabe des Temperaturanstiegsmodusbetriebssignals stoppt.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Temperaturinformationen von einer externen Quelle von einem System höherer Ordnung oder einem Bodensystem gesendet werden.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Temperaturinformationen von einer externen Quelle über ein Funksignal gesendet und empfangen werden.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei, wenn eine erfasste Temperatur oder geschätzte Temperatur eines Halbleitermoduls (20) niedriger als ein Bestimmungsschwellenwert ist, wenn die Leistungsumwandlungsschaltung (2) eine Druckluftkühlungsmethode verwendet, die Leistungsumwandlungsvorrichtung ein Kühlungsgebläse so steuert, dass das Kühlungsgebläse zwangsweise gestoppt wird.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei zumindest eines von einem Transistorelement (20a) und einem Diodenelement (20b), die im Halbleitermodul (20) enthalten sind, aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke gebildet ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Halbleiter mit breiter Bandlücke ein Halbleiter ist, der aus Siliziumkarbid, einem Galliumnitridmaterial oder Diamant besteht.