ES2692808T3

ES2692808T3 - Aparato de conversión de corriente y método de conversión de corriente

Info

Publication number: ES2692808T3
Application number: ES14827557.1T
Authority: ES
Inventors: Takahiko Kanai; Tetsuya Ono; Junya Ito
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: EP3084944B1; EP3084944A1; KR102254529B1; WO2015093623A1; US10966291B2; CN105850022B; US20170027025A1; US20190289680A1; EP3358730B1; EP3358730A1; US10356854B2; CN105850022A; KR20160100307A

Abstract

Un aparato de conversión de corriente (10) para un tratamiento térmico que comprende: un rectificador (11) configurado para convertir la corriente alterna en corriente continua; un filtro de regulación (12) configurado para controlar la corriente continua recibida desde el rectificador (11) para que sea constante; un inversor (13) configurado para convertir la corriente continua recibida desde el filtro de regulación (12) en corriente de alta frecuencia conectando y desconectando la corriente continua usando un dispositivo de conmutación; y una unidad de control (14) configurada para controlar el rectificador (11) y el inversor (13), caracterizado por que la unidad de control (14) está configurada para determinar un valor nominal de la corriente de salida del inversor (13) de acuerdo con una frecuencia de la salida de corriente de alta frecuencia del inversor (13), un tiempo de aplicación de corriente y una tasa de operación obtenida dividiendo el tiempo de aplicación de corriente por una suma del tiempo de aplicación de corriente y un tiempo de no aplicación de corriente, de tal manera que la temperatura de unión del dispositivo de conmutación no supere una temperatura dada, en el que el tiempo de aplicación de corriente es un tiempo durante el que la corriente de alta frecuencia se emite desde el inversor (13).

Description

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DESCRIPCION

Aparato de conversion de corriente y metodo de conversion de corriente Campo tecnico

La presente invencion se refiere a un aparato de conversion de corriente y un metodo de conversion de corriente. Antecedentes de la tecnica

Los metodos de calentamiento electricos para un tratamiento termico incluyen calentamiento por induccion y calentamiento electrico directo. En el tratamiento de endurecimiento en particular, que es un tipo de tratamiento termico que usa el calentamiento por induccion, se selecciona una frecuencia adecuada de acuerdo con la profundidad del tratamiento termico en una pieza de trabajo.

De acuerdo con un aparato de conversion de corriente de la tecnica relacionada para el tratamiento termico, la corriente continua se convierte en corriente de alta frecuencia realizando una conmutacion que usa un dispositivo semiconductor de potencia (vease, por ejemplo, folleto del transistor inversor MK16a, de Neturen Co., Ltd.,
www.k- neturen.cojp/eng/business/induction/pdf/MK16Aenglish.pdf). Los ejemplos del dispositivo de conmutacion de semiconductores de potencia incluyen un tiristor de menos de 10 kHz, un IGBT de 10 kHz a 100 kHz y un MOSFET de mas de 100 kHz.

Comparando la frecuencia de oscilacion de 10 kHz y la frecuencia de oscilacion de 100 kHz, el dispositivo semiconductor de potencia experimenta un aumento de temperatura muy diferente debido a una diferencia de 10 veces la frecuencia de conmutacion. Es decir, si se establece una capacidad (valor nominal maximo) de un inversor del aparato de conversion de corriente basandose en la frecuencia maxima de un intervalo operable del aparato, el aumento de temperatura es pequeno cuando la frecuencia de salida es baja y, por lo tanto, la operacion no es economica.

En un aparato de conversion de corriente que tiene un dispositivo semiconductor de potencia como se ha descrito anteriormente, la temperatura se controla de tal manera que la temperatura de union del dispositivo semiconductor de potencia no supera una temperatura dada. Mas especificamente, se conecta un termostato a la periferia del dispositivo semiconductor de potencia o se incorpora un termistor en el dispositivo semiconductor de potencia. La salida de la corriente se controla o suspende solo despues de que la temperatura real haya alcanzado la temperatura dada.

Otro aparato de la tecnica de conversion de corriente relacionado con la tecnica incluye un dispositivo semiconductor para realizar una conversion de corriente, unas aletas de radiacion de calor para irradiar el calor generado por el dispositivo semiconductor, un ventilador de refrigeracion para refrigerar las aletas de radiacion, una unidad de deteccion para detectar un parametro relativo al rendimiento de refrigeracion del ventilador de refrigeracion, y una unidad de control (vease, por ejemplo, el documento JP2012-39745A). En este aparato de conversion de corriente, se estima una temperatura de union del dispositivo semiconductor basandose en un resultado de deteccion de la unidad de deteccion, una perdida del dispositivo semiconductor y una temperatura ambiente del dispositivo semiconductor, y el dispositivo semiconductor se controla de manera tal que la temperatura de union estimada no supera una temperatura dada.

Sin embargo, de acuerdo con el metodo de control de temperatura descrito anteriormente, ya que la salida de corriente solo se suspende despues de que la temperatura real haya llegado a la temperatura dada, un rapido aumento de temperatura no puede abordarse debido a un retardo de respuesta de un sensor de temperatura, y puede conducir a un dano del dispositivo semiconductor. De acuerdo con el aparato de conversion de corriente de la tecnica relacionada descrito anteriormente, el dispositivo semiconductor se refrigera con aire, y la temperatura de union del dispositivo semiconductor se estima teniendo en cuenta el parametro relacionado con el rendimiento de refrigeracion con aire. Ademas, el sensor de temperatura esta conectado a la periferia del dispositivo semiconductor, y la temperatura de union del dispositivo semiconductor se estima basandose en la temperatura detectada por el sensor de temperatura. Sin embargo, el valor de temperatura medido varia en gran medida en funcion de la posicion en la que esta conectado el sensor de temperatura. En consecuencia, esta tecnica relacionada no puede controlar el dispositivo semiconductor con suficiente precision.

Sumario de la invencion

Es un objeto de la presente invencion proporcionar un aparato de conversion de corriente y un metodo de conversion de corriente economicos para el tratamiento termico que puede variar la salida dentro de un valor nominal de acuerdo con una condicion de uso.

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De acuerdo con un aspecto de la presente invencion, se proporciona un aparato de conversion de corriente para el tratamiento termico de acuerdo con la reivindicacion 1. El aparato de conversion de corriente incluye un rectificador configurado para convertir la corriente alterna a corriente continua, un filtro de regulacion configurado para controlar la corriente continua recibida desde el rectificador para que sea constante, un inversor configurado para convertir la corriente continua recibida desde el filtro de regulacion en corriente de alta frecuencia conectando y desconectando la corriente continua usando un dispositivo de conmutacion, y una unidad de control configurada para controlar el rectificador y el inversor. El valor nominal de la corriente de salida del inversor se determina de acuerdo con la frecuencia de la salida de corriente de alta frecuencia del inversor, un tiempo de aplicacion de corriente y una tasa de operacion obtenida dividiendo el tiempo de aplicacion de corriente por una suma del tiempo de aplicacion de corriente y un tiempo de no aplicacion de corriente.

La unidad de control puede tener unos datos que definen una relacion entre una frecuencia del dispositivo de conmutacion, el tiempo de aplicacion de corriente, la tasa de operacion, y la corriente de salida a una temperatura a la que puede operarse el dispositivo de conmutacion, y cuando se proporcionan el tiempo de aplicacion de corriente y la tasa de operacion, la unidad de control puede calcular una corriente maxima permitida basandose en los datos y puede suspender o controlar la corriente de salida.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invencion, se proporciona un metodo de conversion de corriente para un tratamiento termico de acuerdo con la reivindicacion 3. El metodo de conversion de corriente incluye la conversion de la corriente alterna a corriente continua y la conversion de la corriente continua en corriente de alta frecuencia conectando y desconectando la corriente continua usando un dispositivo de conmutacion. El metodo de conversion de corriente incluye ademas aumentar la corriente de salida maxima de acuerdo con la frecuencia de la salida de corriente de alta frecuencia del inversor, un tiempo de aplicacion de corriente y una tasa de operacion obtenida dividiendo el tiempo de aplicacion de corriente por una suma del tiempo de aplicacion de corriente y un tiempo de no aplicacion de corriente, de tal manera que una temperatura de union del dispositivo de conmutacion no supere una temperatura dada.

La corriente de salida maxima puede aumentarse hasta un limite superior de la temperatura de union del dispositivo de conmutacion que alcanza una temperatura nominal del dispositivo de conmutacion, obteniendose la temperatura de union a partir de la diferencia entre un aumento de temperatura debido a una perdida del dispositivo de conmutacion y una disminucion de temperatura debida a la refrigeracion del dispositivo de conmutacion.

La perdida del dispositivo de conmutacion puede determinarse basandose en la suma de una perdida de conduccion del dispositivo de conmutacion y una perdida por conmutacion del dispositivo de conmutacion.

El tiempo durante el que se aplica la corriente electrica al dispositivo de conmutacion es mas corto que el tiempo para cambiar y ajustar una pieza de trabajo a tratar termicamente.

De acuerdo con el aparato y el metodo descritos anteriormente, ya que el valor nominal se determina de acuerdo con la frecuencia, el tiempo de aplicacion de corriente y la tasa de operacion, la salida puede aumentarse dentro del valor nominal del dispositivo de conmutacion cuando se convierte en una corriente de baja frecuencia. En consecuencia, pueden proporcionarse un aparato y un metodo economicos.

Breve descripcion de los dibujos

La figura 1 es un diagrama que ilustra una configuracion de un aparato de conversion de corriente de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.

La figura 2 es un diagrama que ilustra la tasa de operacion.

La figura 3 es un diagrama que ilustra una parte de los datos almacenados en una unidad de control.

Las figuras 4A y 4B son unos diagramas que ilustran un concepto de diseno del aparato de conversion de corriente de acuerdo con una realizacion de la presente invencion; la figura 4A ilustra una forma de onda de corriente de colector y una forma de onda de tension colector-emisor de un dispositivo de conmutacion, y la figura 4B ilustra una forma de onda de perdida.

Las figuras 5A a 5C son diagramas que ilustran un metodo para calcular una temperatura de union del dispositivo de conmutacion basandose en una corriente de pulso rectangular que se repite regularmente.

Las figuras 6A y 6B son diagramas que ilustran los datos almacenados en la unidad de control, que muestran las relaciones entre la tasa de operacion y la corriente a 3 kHz y 50 kHz, respectivamente, siendo el tiempo de aplicacion de corriente un parametro.

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La figura 7 es un diagrama que ilustra una configuracion de un aparato de conversion de corriente de acuerdo con un ejemplo comparativo.

La figura 8 es un diagrama que ilustra un circuito de resistencia termica de un dispositivo semiconductor de potencia para refrigerar agua a traves de una base de metal y un disipador de calor en el aparato de conversion de corriente mostrado en la figura 7.

La figura 9 es un diagrama que muestra los datos almacenados en una unidad de control mostrada en la figura 7, que indica las caracteristicas del dispositivo semiconductor de potencia.

La figura 10 es un diagrama que ilustra un metodo por el que la unidad de control estima una temperatura de union del dispositivo semiconductor de potencia al cambiar la salida en respuesta a una instruccion de cambio de salida.

Descripcion de las realizaciones

En lo sucesivo en el presente documento, se describira en detalle una realizacion de la presente invencion haciendo referencia a las figuras 1 a 6B.

La figura 1 es un diagrama que ilustra una configuracion de un aparato de conversion de corriente de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. Como se muestra en la figura 1, un aparato de conversion de corriente 10 para un tratamiento termico (en lo sucesivo en el presente documento, el aparato de conversion de corriente 10) incluye un rectificador 11 configurado para convertir la corriente alterna en corriente continua, un filtro de regulacion 12 configurado para controlar la corriente continua recibida desde el rectificador 11 para que sea constante, un inversor 13 configurado para convertir la corriente continua recibida desde el filtro de regulacion 12 en una corriente de alta frecuencia conectando y desconectando un dispositivo de conmutacion a una frecuencia dada, y una unidad de control 14 configurada para controlar el rectificador 11 y el inversor 13.

El rectificador 11, tambien llamado convertidor, convierte la corriente alterna comercial en corriente continua rectificando la corriente alterna comercial. El rectificador 11 ajusta la magnitud de la corriente de salida del aparato de conversion de corriente 10 bajo el control de salida por la unidad de control 14.

Cuando el aparato de conversion de corriente 10 es de un tipo de corriente, el filtro de regulacion 12 regula las ondas en una salida de corriente electrica del rectificador 11 por medio de un reactor, y emite la corriente resultante al inversor 13. Cuando el aparato de conversion de corriente 10 es de un tipo de tension, el filtro de regulacion 12 regula las ondas en una salida de tension del rectificador 11 por medio de un condensador, y emite la tension resultante al inversor 13.

El dispositivo semiconductor de potencia, como el dispositivo de conmutacion, esta configurado para formar un circuito puente, y mediante la conmutacion del dispositivo semiconductor de potencia, el inversor 13 convierte la corriente continua en corriente de alta frecuencia y emite la corriente de alta frecuencia.

La unidad de control 14 controla el rectificador 11 enviando una senal de control de salida y una senal de instruccion de parada anormal al rectificador 11, y controla el inversor 13 enviando una senal de control de frecuencia y una senal de instruccion de parada anormal al inversor 13. La unidad de control 14 recibe senales de realimentacion desde el rectificador 11 y el inversor 13 respectivamente, y detecta las condiciones del rectificador 11 y el inversor 13.

De acuerdo con una realizacion de la invencion, la unidad de control 14 suspende o controla la salida del inversor 13 de acuerdo con la frecuencia de la salida de corriente de alta frecuencia del inversor 13, el tiempo de aplicacion de corriente, y la tasa de operacion. Con este fin, la unidad de control 14 tiene unos datos que definen una relacion entre la frecuencia del dispositivo de conmutacion, el tiempo de aplicacion de corriente, la tasa de operacion y la corriente de salida a una temperatura a la que puede operarse el dispositivo de conmutacion. Cuando se proporcionan el tiempo de aplicacion de corriente y la tasa de operacion, la unidad de control 14 calcula una corriente maxima permitida basandose en los datos anteriores. Cuando una corriente de salida del rectificador 11 detectada por una senal de realimentacion recibida desde el rectificador 11 supera la corriente maxima permitida que se calcula basandose en el tiempo de aplicacion de corriente, la tasa de operacion y la frecuencia, la unidad de control 14 suspende o disminuye la salida del inversor 13. La corriente maxima permitida se calcula basandose en los datos que definen la relacion entre la frecuencia del dispositivo de conmutacion, el tiempo de aplicacion de corriente, la tasa de operacion y la corriente a una temperatura a la que puede operarse el dispositivo de conmutacion, y es la corriente maxima que se permite fluir bajo las condiciones dadas. De esta manera, incluso durante la operacion del aparato de conversion de corriente 10, la unidad de control 14 suspende o controla la salida del aparato de conversion de corriente 10 basandose en un aumento de temperatura provocado por la operacion del dispositivo conmutador, con la corriente de salida maxima, es decir, clasificando la capacidad del inversor 13.

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A continuacion, se describira la tasa de operacion a haciendo referencia a la figura 2. En la figura 2, el eje horizontal representa el tiempo y el eje vertical representa la salida. La tasa de operacion a viene dada por la siguiente ecuacion.

Tasa de operacion a = Corriente - Tiempo de aplicacion de corriente tp / Ciclo t = Tiempo de aplicacion de corriente tp / (Tiempo de aplicacion de corriente + Tiempo no de aplicacion de corriente)

El tiempo de aplicacion de corriente tp es un tiempo durante el que la corriente de alta frecuencia se emite desde el inversor 13. El ciclo t es la suma del tiempo de aplicacion de corriente y el tiempo de no aplicacion de corriente y es un momento desde una salida de un pulso a una salida del siguiente pulso.

Los datos almacenados en la unidad de control 14 indican una relacion de la corriente que provoca un aumento de temperatura de union ATj del dispositivo de conmutacion con respecto a la tasa de operacion a, el tiempo de aplicacion de corriente tp, y la frecuencia. La figura 3 es un diagrama que ilustra una parte de los datos almacenados en la unidad de control 14. En la figura 3, el eje horizontal representa la tasa de operacion a (%) y el eje vertical representa la potencia (kW). Cuando la tasa de operacion es del 100 %, la potencia se fija en P1, proporcionando de este modo un valor nominal continuo. Cuando la tasa de operacion disminuye, la potencia aumenta. Cuando se acorta el tiempo de aplicacion de corriente, la cantidad de aumento de la potencia aumenta.

El concepto de diseno del aparato de conversion de corriente 10 de acuerdo con una realizacion de la invencion se describira haciendo referencia a las figuras 4A y 4B. La figura 4A muestra una forma de onda de corriente de colector Ic y una forma de onda de tension de colector-emisor Vce del dispositivo de conmutacion, y la figura 4B muestra una forma de onda de perdida. En las figuras 4A y 4B, ambos ejes horizontales representan el tiempo t. El valor nominal de la salida del aparato de conversion de corriente 10 esta determinado por las caracteristicas de temperatura del dispositivo de conmutacion y otras caracteristicas tales como una tension nominal y un equilibrio de temperatura. La temperatura del dispositivo de conmutacion se determina por la perdida y la refrigeracion del dispositivo de conmutacion. La perdida del dispositivo de conmutacion viene dada por lo siguiente.

Perdida del dispositivo = Perdida constante + Perdida de conmutacion

Como se muestra en las figuras 4A y 4B, cuando la corriente de colector Ic y la tension de colector-emisor Vce se muestran siendo el eje horizontal el tiempo, la corriente de colector Ic conduce la tension de colector-emisor Vce en fase. Este desplazamiento de fase entre estas formas de onda provoca una perdida por conmutacion en una cantidad correspondiente al producto de la corriente de colector Ic y a la tension de colector-emisor Vce.

La perdida de equilibrio es de una perdida que se provoca por una aplicacion de la corriente electrica al dispositivo de conmutacion, es decir, una perdida de conduccion del dispositivo de conmutacion, y depende de un valor de la corriente electrica a aplicar. Por otro lado, la perdida por conmutacion es proporcional al numero de conmutaciones (es decir, la frecuencia). Por lo tanto, incluso con la misma corriente, la perdida por conmutacion aumenta y, por lo tanto, la perdida de dispositivo aumenta a medida que la frecuencia aumenta.

A pesar de este hecho, los aparatos de conversion de corriente convencionales, tanto los aparatos de conversion de corriente para frecuencias de oscilacion alta como los aparatos de conversion de corriente para frecuencias de oscilacion bajas se clasifican con una frecuencia maxima a la que la perdida es la mas alta y con una suposicion de una operacion continua. Esto significa que, cuando una frecuencia es baja en un aparato de conversion de corriente para altas frecuencias, se hace fluir poca corriente aunque puede establecerse una corriente mas alta. Ademas, no se tiene en cuenta el hecho de que existe tiempo suficiente para enfriar el dispositivo de conmutacion en el caso de que se realice una activacion muy breve (por ejemplo, varios segundos hasta un poco mas de 10 segundos), en lugar de una activacion continua, como se hace, por ejemplo, en el caso del endurecimiento de alta frecuencia.

En vista de lo anterior, de acuerdo con una realizacion de la presente invencion, para cada frecuencia, la corriente de salida como el valor nominal se determina tomando en consideracion el tiempo de enfriamiento del dispositivo de conmutacion basandose en el tiempo de aplicacion de corriente y la tasa de operacion. Es decir, la unidad de control 14 determina, para cada frecuencia de oscilacion del aparato de conversion de corriente, la corriente de salida calculando una corriente a la que la temperatura de union no supera una temperatura dada de acuerdo con un tiempo de aplicacion de corriente tp y una tasa de operacion a sobre la base de las caracteristicas del dispositivo de conmutacion usado en el inversor 13. Si la corriente de salida del inversor 13 llega a ser mas grande que una corriente de referencia, la unidad de control 14 suspende la operacion del rectificador 11 y del inversor 13 y suspende la salida del inversor 13. De esta manera, la salida del aparato de conversion de corriente se clasifica para cada una de las frecuencias que se ajustan finamente, teniendo en cuenta una tasa de operacion y un tiempo de aplicacion de corriente. Esto permite hacer un buen uso de los margenes que estan disponibles en un intervalo de baja frecuencia.

De acuerdo con el metodo de conversion de corriente de la realizacion descrita anteriormente, al convertir la corriente alterna en corriente continua y al convertir despues la corriente continua en corriente de alta frecuencia conectando y desconectando la corriente continua usando el dispositivo de conmutacion, la corriente de salida maxima aumenta de acuerdo con la frecuencia despues de la conversion, el tiempo de aplicacion de corriente y la 5 tasa de operacion obtenidos dividiendo el tiempo de aplicacion de corriente por la suma del tiempo de aplicacion de corriente y el tiempo no de aplicacion de corriente, dentro de un intervalo en el que la temperatura de union del dispositivo de conmutacion no supera el valor dado.

Una temperatura de union del dispositivo de conmutacion se obtiene a partir de la diferencia entre un aumento de temperatura debido a la perdida del dispositivo de conmutacion y una disminucion de temperatura debida a la 10 refrigeracion del dispositivo de conmutacion, y la corriente de salida maxima se aumenta hasta que el limite superior de la temperatura de union del dispositivo de conmutacion alcanza la temperatura nominal del dispositivo de conmutacion. Esto hace posible realizar un tratamiento termico economico. En particular, la eficacia economica se mejora notablemente debido a que el tiempo durante el que se aplica la corriente electrica al dispositivo de conmutacion es mucho mas corto que el tiempo para cambiar y/o ajustar una pieza de trabajo a tratar termicamente.

15 A continuacion, se muestra un metodo de calculo de ejemplo de un valor de corriente de referencia basado en que la unidad de control 14 suspende la salida. Las figuras 5A a 5C ilustran un metodo para calcular una temperatura de union Tj del dispositivo de conmutacion basandose en una corriente en la que se producen pulsos rectangulares repetida y regularmente. Como se muestra en la figura 5A, el tiempo de aplicacion de corriente de la perdida de potencia Ptm esta representado por tp, y el ciclo del mismo esta representado por t, respectivamente. Un aumento 20 de temperatura se calcula haciendo una aproximacion de perdida de potencia promediando las perdidas de corriente de los impulsos distintos de los dos ultimos (vease la figura 5B) y aplicando el principio de superposicion al calculo de perdida de potencia (vease la figura 5C).

La temperatura de union Tj del dispositivo de conmutacion se calcula sobre la base de la corriente en la que se producen repetida y regularmente los pulsos rectangulares de acuerdo con la siguiente ecuacion

25 Tj = Tw + Ptm {(tp/t) • R (j - w) + (1 - tp/t) • R (j - w) (t + tp) - R (j - w) (t) + R (j - w) (tp)}.

Esta ecuacion se modifica de la siguiente manera.

Tj - Tw = (T~ + T3 - T2 + T1) • Ptm

T» = (tp/t) • R (j - w)

T3 = (1 - tp/t> R (j - w) (t + tp)

30 T2 = R (j - w) (t)

T1 = R (j - w) (tp).

T~ significa que la perdida Ptm se produce con la tasa de aplicacion de corriente tp/t para un tiempo infinito, y esta dada por una resistencia termica en el momento de un valor nominal continuo multiplicado por la tasa de aplicacion de corriente tp/t.

35 T3 significa que una parte correspondiente a la tasa de aplicacion de corriente tp/t se resta de la perdida del tiempo (t + tp).

-T2 significa que se resta una perdida de un tiempo t.

T1 significa que se suma una perdida de un tiempo tp.

t indica el tiempo de ciclo, y R (j-w) (t) indica una resistencia termica transitoria (°C/W) de un tiempo t. Tw indica la 40 temperatura (°C) del agua de refrigeracion.

La temperatura de union Tj se calcula de la manera descrita anteriormente. Cuando la temperatura de union del dispositivo de conmutacion del inversor 13 alcanza el valor de referencia, la unidad de control 14 suspende la operacion del rectificador 11 y del inversor 13 y, por lo tanto, controla la salida. Esto se debe a que cuando se opera el dispositivo de conmutacion, se produce una perdida al aplicar la corriente electrica, y cuando la temperatura de 45 union llega a ser superior a la temperatura de referencia, el dispositivo de conmutacion podria romperse. La perdida se obtiene, por ejemplo, a partir de la suma de una perdida constante y una perdida por conmutacion que se

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calculan de la siguiente manera.

La perdida constante se calcula determinando de antemano un valor de perdida a una cierta corriente y multiplicando el valor de perdida por un coeficiente de aumento de perdida debido a un aumento de corriente y a un coeficiente de aumento de corriente del dispositivo debido al aumento de corriente. Por otro lado, la perdida por conmutacion se calcula determinando de antemano un valor de perdida por kilohercio y multiplicandolo por una frecuencia con una consideracion adicional de un factor relacionado con el aumento de corriente.

Se mantiene la relacion de que una temperatura que se obtiene multiplicando la suma de una perdida constante calculada de este modo y una perdida por conmutacion por (T~ + T3 - T2 + T1) es menor o igual que una temperatura dada.

Ya que se determina la temperatura dada para el dispositivo de conmutacion, determinando una corriente (llamada corriente de referencia) que satisface la relacion anterior hace que sea posible aumentar la salida dentro de tal un intervalo que la corriente que fluye a traves del dispositivo de conmutacion no supera la corriente de referencia.

Los resultados que se obtuvieron por el metodo anterior se describiran a continuacion. Las figuras 6A y 6B son diagramas que ilustran unos datos que estan almacenados en la unidad de control 14 e indican una relacion entre la tasa de operacion a y la corriente a 3 kHz y 50 kHz, respectivamente, siendo el tiempo de aplicacion de corriente tp un parametro. En las figuras 6A y 6B, t1 a t4, que son valores de tp, satisfacen una relacion de t1 < t2 < t3 < t4.

En el aparato de conversion de corriente para un tratamiento termico, en el caso de emitir una corriente de alta frecuencia a la frecuencia de 3 kHz, el valor nominal se determina como se muestra en la figura 6A. La corriente puede aumentarse disminuyendo la tasa de operacion a. Para cada uno de los tiempos de aplicacion de corriente t2 a t4, la corriente de salida puede variarse de acuerdo con la tasa de operacion. Sin embargo, en el caso del tiempo de aplicacion de corriente t1, la corriente de salida no puede aumentarse incluso si la tasa de operacion disminuye por debajo de un cierto valor.

En el caso de emitir una corriente de alta frecuencia a la frecuencia de 50 kHz, el valor nominal se determina como se muestra en la figura 6B. La corriente puede aumentarse disminuyendo la tasa de operacion a. Para cada uno de los tiempos de aplicacion de corriente t1 a t4, la corriente de salida puede variarse de acuerdo con la tasa de operacion.

En el aparato de conversion de corriente producido de acuerdo con el mismo concepto de diseno como se ha descrito anteriormente, la corriente de salida puede variarse de acuerdo con la frecuencia y puede emitirse mas corriente a medida que disminuye la frecuencia.

Por lo tanto, en el aparato de conversion de corriente de acuerdo con la realizacion de la invencion, se establece un valor nominal individual para cada frecuencia de salida. Convencionalmente, el valor nominal de un aparato de conversion de corriente de alta frecuencia es el mismo que el valor nominal de un aparato de conversion de corriente de baja frecuencia. Por el contrario, de acuerdo con la realizacion de la invencion, su eficiencia economica puede mejorarse estableciendo un valor nominal grande para una baja frecuencia de acuerdo con el valor nominal del aparato de conversion de corriente. En funcion de la frecuencia de salida, puede ser necesario reemplazar el rectificador 11, el inversor 13 o la unidad de control 14 o cambiar las constantes de estos componentes. Sin embargo, la frecuencia de oscilacion puede cambiarse haciendo tales ajustes finos realizando una conmutacion usando un conmutador.

A continuacion, se describira un ejemplo comparativo haciendo referencia a las figuras 7 a 10.

La figura 7 es un diagrama que ilustra una configuracion de un aparato de conversion de corriente 10A de acuerdo con un ejemplo comparativo. Como se muestra en la figura 7, una fuente de alimentacion 31 esta acoplada a un lado de entrada del aparato de conversion de corriente 10A, y una carga 32 esta acoplada a un lado de salida del aparato de conversion de corriente 10A. El aparato de conversion de corriente 10A incluye una unidad de conversion de corriente 11 y una unidad de control 14A configurada para controlar la unidad de conversion de corriente 20.

La unidad de conversion de corriente 20 incluye un modulo 23 que tiene un dispositivo semiconductor de potencia 21 para convertir corriente y una base de metal 22 sobre la que esta montado el dispositivo semiconductor de potencia 21, y un disipador de calor 24 dispuesto para ponerse en contacto con la base de metal 22 del disipador de calor 24 para refrigerar el dispositivo semiconductor de potencia 21. En el modulo 23, una capa vasta 25 esta intercalada entre el dispositivo semiconductor de potencia 21 y la base de metal 22. El dispositivo semiconductor de potencia 21 en el interior de uno o mas modulos 23 forma un convertidor o un inversor de tal manera que la unidad de conversion de corriente 20 produce corriente para emitirse a la carga 32 a traves de la conversion. En este caso, el disipador de calor 24 se denomina disipador de calor de refrigeracion por agua, y esta configurado de tal manera que un tubo 24b a traves del que fluye el agua de refrigeracion esta dispuesto adyacente a una parte de disipacion

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de calor 24a. Ya que el disipador de calor 24 esta en contacto con la base de metal 22, el calor generado por el dispositivo semiconductor de potencia 21 puede transferirse al agua de refrigeracion w de manera eficaz.

Una pluralidad de sensores esta unida a la unidad de conversion de corriente 20. Un sensor de temperatura 26a mide una temperatura de la base de metal 22. Es preferible que el sensor de temperatura 26a este insertado en un rebaje formado en la base de metal 22 y dispuesto con el fin de estar en contacto con la base de metal 22. De esta manera, la temperatura de union puede monitorizarse independientemente de la posicion de union del sensor de temperatura 26a.

Los sensores de temperatura 26b y 26c se proporcionan respectivamente en un lado de flujo de entrada y en un lado de flujo de salida del tubo 24b, y miden la temperatura del agua de refrigeracion que fluye en el disipador de calor 24, asi como la temperatura del agua de refrigeracion que fluye fuera del disipador de calor 24. Un sensor de caudal 26d esta unido al tubo 24d para medir el caudal del agua de refrigeracion.

La unidad de control 14A obtiene una cantidad de calor que fluye desde el dispositivo semiconductor de potencia 21 al disipador de calor 24 como un aumento de temperatura del agua de refrigeracion w de acuerdo con la ecuacion (1) que se describira mas tarde, y estima una temperatura de union inicial del dispositivo semiconductor de potencia 21 a partir del valor real medido por el sensor de temperatura 26a. Ademas, la unidad de control 14A controla la unidad de conversion de corriente 20 al recibir una instruccion relacionada con la salida desde un puerto de entrada (no mostrado). Cuando la instruccion relacionada con la salida se recibe desde el puerto de entrada mientras la unidad de conversion de corriente 20 esta emitiendo corriente, la unidad de control 14A determina si responde a la instruccion realizando el siguiente procesamiento. Mas especificamente, tras recibir una instruccion de cambio de salida para aumentar la corriente a emitir desde la unidad de conversion de corriente 20, la unidad de control 14A obtiene una temperatura de union actualizada del dispositivo semiconductor de potencia 21 correspondiente a la corriente aumentada de la instruccion de cambio de salida. Cuando la unidad de control 14A determina que la temperatura de union actualizada alcanza una temperatura dada, la unidad de control 14A deja de responder a la instruccion y realiza un control tal que suspende la salida. De esta manera, se evita la destruccion termica del dispositivo semiconductor de potencia 21.

A continuacion, se hara una descripcion de como la unidad de control 14A estima una temperatura de union del dispositivo semiconductor de potencia 21 que corresponde a un cambio de la salida en respuesta a la instruccion de cambio de salida. La figura 8 muestra un circuito de resistencia termica desde el dispositivo semiconductor de potencia al agua de refrigeracion a traves de la base de metal y el disipador de calor. Hay una resistencia termica Rth (f-w) entre el agua de refrigeracion (w) y el disipador de calor (f), una resistencia termica Rth (c-f) entre el disipador de calor (f) y la base de metal (c), una resistencia termica Rth (j-c) entre la base de metal (c) y las uniones (j) del dispositivo semiconductor de potencia.

En primer lugar, en una primera etapa, se estima una temperatura de union actual (temperatura de union inicial) del dispositivo semiconductor de potencia 21 antes de cambiar de la salida en respuesta a una instruccion de cambio de salida. En este caso, se supone que el modulo 23 que incluye el dispositivo semiconductor de potencia 21 esta unido al disipador de calor 24 y que el calor generado por el dispositivo semiconductor de potencia 21 se transmite al disipador de calor 24 y se disipa por el agua de refrigeracion. Al obtener un aumento de temperatura del agua de refrigeracion, se mide la corriente del dispositivo semiconductor de potencia 21 debida a la corriente electrica que se esta aplicando, es decir, una perdida.

Es decir, una perdida P se obtiene multiplicando la diferencia entre la temperatura TW (salida) del agua de refrigeracion w en el lado de flujo de salida y la temperatura TW (entrada) del agua de refrigeracion w en el lado de flujo de entrada por el caudal de acuerdo con la ecuacion (1). El coeficiente "70" al final de la ecuacion (1) refleja las caracteristicas del agua de 20 °C como el agua de refrigeracion, tal como el calor y la densidad especificos. Los simbolos encerrados entre corchetes [] son unidades. Se supone que solo se monta un modulo 23 en el disipador de calor 24. Cuando se montan una pluralidad de modulos 23 en el disipador de calor 24, puede medirse una temperatura del lado de entrada y una temperatura del lado de salida del agua de refrigeracion para cada modulo 23 o el lado izquierdo de la ecuacion (1) puede modificarse con el fin de que sea la suma de las perdidas de los modulos respectivos 23.

Perdida P [W] = {TW (salida) [°C] - TW (entrada) [°C]} x - caudal [L/min] x 70 ... (1)

Una temperatura de union Tj del dispositivo semiconductor de potencia 21 en el circuito de resistencia termica mostrado en la figura 8 se determina de acuerdo con la ecuacion (2) sobre la base de la potencia P que se ha determinado de acuerdo con la ecuacion (1):

Temperatura de union Tj [°C] = perdida P x Rth (j - c) + temperatura de base de metal [°C] ... (2)

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

En la ecuacion (2), Rth (j-c) se ajusta con un valor de resistencia termica de catalogo (°C/W) del dispositivo semiconductor de potencia 21.

La temperatura de union Tj actual del dispositivo semiconductor de potencia 21 antes de cambiar de la salida en respuesta a una instruccion de cambio de salida se obtiene de acuerdo con la Ecuacion (2).

Posteriormente, en una segunda etapa, una temperatura de union (temperatura de union actualizada) del dispositivo semiconductor de potencia 21 en el momento de cambiar la salida en respuesta a una instruccion de cambio de salida se estima de acuerdo con lo siguiente. A continuacion, se realizara una descripcion de un metodo de ejemplo para estimar una temperatura de union del dispositivo semiconductor de potencia 21 en el momento de aumentar la corriente de salida de I1 a I2 en respuesta a una instruccion de cambio de salida.

La figura 9 es una grafica esquematica que muestra los datos que se almacenan en la unidad de control 14 e indica una caracteristica del dispositivo semiconductor de potencia 21. En este ejemplo, el dispositivo semiconductor de potencia 21 es un IGBT. El eje horizontal representa la tension colector-emisor Vce y el eje vertical representa la corriente de colector Ic. Y la temperatura de union Tj y la tension de puerta Vg son parametros. Es decir, Vce = f (IC, Tj, Vg). Ya que la tension de compuerta Vg es constante, la tension de colector-emisor Vce es una funcion de la corriente de colector Ic y de la temperatura de union Tj.

Cuando la corriente electrica aplicada aumenta de I1 a I2 en el dispositivo semiconductor de potencia 21 tiene un valor de temperatura de union Tj0, la curva Ic-Vce varia en funcion de la temperatura de union Tj. Por lo tanto, en primer lugar, se usa una curva Ic-Vce correspondiente al valor de temperatura de union Tj0 antes del aumento de corriente deseado (valor inicial). Se ve a partir de la curva Ic-Vce correspondiente al valor de temperatura de union Tj0 mostrado en la figura 9, que el aumento de corriente de I1 a I2 provoca que la tension colector-emisor Vce aumente a V2. Por lo tanto, se produce una perdida de I2 X V2. La temperatura de union Tj1 se calcula calculando un aumento de temperatura multiplicando la perdida de potencia I2 X V2 por la resistencia termica de modulo Rth (j-c) y sumando el aumento de temperatura calculado a Tj0.

Se observa a partir de la curva Ic-Vce correspondiente al valor de temperatura de union Tj1 que la tension colector- emisor Vce se convierte en V3 a I2. Por lo tanto, la perdida es I2 X V3. La temperatura de union Tj2 se calcula calculando un aumento de temperatura multiplicando la perdida de potencia I2 X V3 por la resistencia termica de modulo Rth (j-c) y sumando el aumento de temperatura calculado a Tj0.

Se observa a partir de la curva Ic-Vce correspondiente al valor de temperatura de union Tj2 que la tension colector- emisor Vce se convierte en V4 a I2. Por lo tanto, la perdida es I2 X V4. La temperatura de union Tj3 se calcula calculando un aumento de temperatura multiplicando la perdida de potencia I2 X V4 por la resistencia termica de modulo Rth (j-c) y sumando el aumento de temperatura calculado a Tj0.

A medida que se repite el calculo anterior, la temperatura de union calculada aumenta para acercarse a un valor real que se produzca. Como se muestra en la figura 10, el aumento de temperatura de union de cada calculo disminuye gradualmente. Y un valor de convergencia se considera la temperatura de union real Tj del dispositivo semiconductor de potencia 21.

Una temperatura de union que se produzca como resultado del cambio de la corriente puede calcularse repitiendo el calculo anterior. Que la corriente electrica pueda aumentarse, puede determinarse comparando la temperatura de union calculada Tj y el valor nominal del dispositivo.

Considerando que un aumento de la temperatura de union del dispositivo semiconductor de potencia 21 tarda varios segundos, los calculos de la primera etapa y de la segunda etapa pueden realizarse por un microcontrolador o similar en un tiempo muy corto que esta en el orden de 0,01 a 0,1 segundo. Por lo tanto, no hay problema si estos calculos se realizan antes de aumentar la temperatura de acuerdo con una instruccion de cambio de salida. Incluso si la salida se cambia de acuerdo con la instruccion de cambio de salida, no hay problema debido a que los calculos se realizan en el orden de 0,1 segundos o menos.

Una temperatura de union no se calcula con la consideracion adicional de la resistencia termica de contacto Rth (c-f) o la resistencia termica de disipador de calor Rth (f-w). Esto permite calculos mas precisos.

La perdida por conmutacion del dispositivo semiconductor de potencia puede calcularse de acuerdo con las siguientes ecuaciones con una suposicion de que la tension y la corriente cambian linealmente:

Perdida de conexion P = 1/6 x V x I x Tconexion/T

Perdida de desconexion P = 1/6 x V x I x Tdesconexion/T

donde Tconexion es el tiempo de conexion y Tdesconexion es el tiempo de desconexion y T es el ciclo.

Por lo tanto, una perdida total P puede calcularse como la suma de una perdida por conmutacion y una perdida constante.

De acuerdo con la realizacion de la invencion, puede evitarse danar el dispositivo semiconductor de potencia 5 determinando un aumento de la tension colector-emisor Vce debido al envejecimiento del dispositivo semiconductor de potencia basandose en la cantidad de calor que se obtiene a partir de un aumento de temperatura del agua de refrigeracion. Ademas, tambien puede tenerse en cuenta el deterioro del rendimiento de refrigeracion del disipador de calor debido a su envejecimiento.

En el aparato de conversion de corriente de acuerdo con la realizacion de la invencion, ya que se obtiene una 10 perdida del dispositivo semiconductor de potencia 21 basandose en el aumento de temperatura del agua de refrigeracion, la precision de la perdida calculada depende de la diferencia entre las temperaturas detectadas por los sensores de temperatura 26b, 26c y un caudal del agua de refrigeracion. Por lo tanto, la presente realizacion se aplica a un aparato de conversion de corriente que tiene una potencia de salida de aproximadamente 100 kW o mas.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

REIVINDICACIONES

1. Un aparato de conversion de corriente (10) para un tratamiento termico que comprende:

un rectificador (11) configurado para convertir la corriente alterna en corriente continua;

un filtro de regulacion (12) configurado para controlar la corriente continua recibida desde el rectificador (11) para que sea constante;

un inversor (13) configurado para convertir la corriente continua recibida desde el filtro de regulacion (12) en corriente de alta frecuencia conectando y desconectando la corriente continua usando un dispositivo de conmutacion; y

una unidad de control (14) configurada para controlar el rectificador (11) y el inversor (13), caracterizado por que la unidad de control (14) esta configurada para determinar un valor nominal de la corriente de salida del inversor (13) de acuerdo con una frecuencia de la salida de corriente de alta frecuencia del inversor (13), un tiempo de aplicacion de corriente y una tasa de operacion obtenida dividiendo el tiempo de aplicacion de corriente por una suma del tiempo de aplicacion de corriente y un tiempo de no aplicacion de corriente, de tal manera que la temperatura de union del dispositivo de conmutacion no supere una temperatura dada, en el que el tiempo de aplicacion de corriente es un tiempo durante el que la corriente de alta frecuencia se emite desde el inversor (13).
2. El aparato de conversion de corriente de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la unidad de control (14) tiene unos datos que definen una relacion entre una frecuencia del dispositivo de conmutacion, el tiempo de aplicacion de corriente, la tasa de operacion y la corriente de salida a una temperatura a la que puede operarse el dispositivo de conmutacion, y cuando se dan el tiempo de aplicacion de corriente y la tasa de operacion, la unidad de control (14) calcula una corriente maxima permisible basandose en los datos y suspende o controla la corriente de salida.
3. Un metodo de conversion de corriente para el tratamiento termico, comprendiendo el metodo de conversion de corriente:

convertir la corriente alterna en corriente continua; y

convertir la corriente continua en corriente de alta frecuencia conectando y desconectando la corriente continua usando un inversor que comprende un dispositivo de conmutacion,

caracterizado por que comprende ademas calcular un valor nominal de la corriente de salida del inversor de acuerdo con una salida de corriente de alta frecuencia del inversor, un tiempo de aplicacion de corriente y una tasa de operacion obtenida dividiendo el tiempo de aplicacion de corriente por una suma del tiempo de aplicacion de corriente y el tiempo de no aplicacion de corriente, de tal manera que la temperatura de union del dispositivo de conmutacion no supere una temperatura dada, en el que el tiempo de aplicacion de corriente es un tiempo durante el que se emite una corriente de alta frecuencia desde el inversor (13).
4. El metodo de conversion de corriente de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que la corriente de salida maxima aumenta hasta que un limite superior de la temperatura de union del dispositivo de conmutacion alcanza una temperatura nominal del dispositivo de conmutacion, obteniendose la temperatura de union a partir de una diferencia entre un aumento de temperatura debido a una perdida del dispositivo de conmutacion y una disminucion de temperatura debido a la refrigeracion del dispositivo de conmutacion.
5. El metodo de conversion de corriente para un tratamiento termico de acuerdo con la reivindicacion 4, en el que la perdida del dispositivo de conmutacion se determina basandose en la suma de una perdida de conduccion del dispositivo de conmutacion y una perdida por conmutacion del dispositivo de conmutacion.