JP2010124606A - Simulation method for estimating loss/temperature of semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To calculate the maximum value Tjmax of junction temperature of a semiconductor device in a short time when the inverter output frequency changes in the one cycle of operation pattern of a variable speed PWM inverter apparatus from start to stop. <P>SOLUTION: Configuration or operation pattern of an inverter is input (201). According to the operational conditions of an inverter thus input, average generation loss of a semiconductor element is calculated in each section (202). T(c-f) and T(f-a) are calculated from the waveform of average generation loss thus calculated (204). Moveover, the maximum value T(j-c)max of temperature between junction and case is calculate while taking account of the output frequency (205-207). From the value of the Tc and the value of the T(j-c)max, time-series data of the maximum value Tjmax of junction temperature is obtained (208). A transient response correction is made with a lapse of time t immediately after switching the section, and the ultimate maximum value Tjmax of junction temperature is obtained by estimation (209). <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、可変速PWMインバータ装置の設計に関わるシミュレーション方法に関し、特に、半導体素子の発生損失および温度を推定するシミュレーション方法に関するものである。   The present invention relates to a simulation method related to the design of a variable speed PWM inverter device, and more particularly to a simulation method for estimating a generated loss and temperature of a semiconductor element.

図7は、インバータ装置の代表的な回路構成を示す図であり、図示例は三相交流を出力する三相ブリッジインバータ装置に係るものである。ヒートシンク103上に複数の半導体素子101が複数個設置されて構成されている。半導体素子101は、直流母線間で2素子が直列に接続され、各半導体素子101の結合点から三相交流u,v,wの各相が出力される構成となっている。また直流母線間に配設された平滑用の電解コンデンサには、図示せざるDCリンク(結合)電圧102が印加される。   FIG. 7 is a diagram showing a typical circuit configuration of an inverter device, and the illustrated example relates to a three-phase bridge inverter device that outputs a three-phase alternating current. A plurality of semiconductor elements 101 are installed on the heat sink 103. The semiconductor element 101 is configured such that two elements are connected in series between DC buses, and each phase of the three-phase alternating currents u, v, and w is output from the connection point of the semiconductor elements 101. A DC link (coupling) voltage 102 (not shown) is applied to a smoothing electrolytic capacitor disposed between the DC buses.

図8は、一般的なインバータ装置の運転動作例を示す図である。区間1は加速期間であり、例えば150%の負荷電流で出力周波数fが0 Hzから定格周波数まで変化している。区間2は定常運転期間であり、100%負荷で定格周波数で動作している。区間3は減速区間であり、130%の負荷電流で出力周波数fが定格周波数から0 Hzまで変化している。   FIG. 8 is a diagram illustrating an operation example of a general inverter device. Section 1 is an acceleration period, and the output frequency f changes from 0 Hz to the rated frequency at a load current of 150%, for example. Section 2 is a steady operation period and operates at the rated frequency with 100% load. Section 3 is a deceleration section, and the output frequency f changes from the rated frequency to 0 Hz with a load current of 130%.

インバータ装置の設計において、このような動作パターンにおける、半導体素子のジャンクション温度Tjを計算し、ジャンクション温度Tjが半導体素子の最大定格値以内に収まるように設計する必要がある。   In designing the inverter device, it is necessary to calculate the junction temperature Tj of the semiconductor element in such an operation pattern so that the junction temperature Tj falls within the maximum rated value of the semiconductor element.

図9は、図8に示す加速運転時の出力電流,発生損失,ジャンクション温度Tjの各波形を示す図である。出力電流の実効値Iが一定の時、発生損失の平均値Pは一定である。しかし出力周波数fによってジャンクション温度Tjは変化しており、周波数が低いほど大きくなっている。このとき、ジャンクション温度Tjとケース温度Tcの差の最大値T(j-c)maxは図5に示すように、反比例の関係にある。   FIG. 9 is a diagram showing waveforms of output current, generated loss, and junction temperature Tj during the acceleration operation shown in FIG. When the effective value I of the output current is constant, the average value P of the generated loss is constant. However, the junction temperature Tj varies depending on the output frequency f, and increases as the frequency decreases. At this time, the maximum value T (j−c) max of the difference between the junction temperature Tj and the case temperature Tc is in an inversely proportional relationship as shown in FIG.

従来の損失・温度の計算方法として特許文献1に示す計算方法が知られているが、インバータ装置の出力周波数による温度リップルを考慮していないので、素子温度上昇の推定値に大きな誤差が生じる。   As a conventional loss / temperature calculation method, the calculation method shown in Patent Document 1 is known. However, since the temperature ripple due to the output frequency of the inverter device is not taken into consideration, a large error occurs in the estimated value of the element temperature rise.

また特許文献2には、周波数指令及びトルク指令に基づくインバータ部の出力電流、出力電流周波数と、電流出力時間とを変数として、温度異常判定関数記憶部に記憶されている関数を参照してインバータ主回路を構成するスイッチング素子の温度が正常か異常かを判定する温度異常判定部を備えてスイッチング素子の熱破壊保護機能を持つエレベータ用制御マイコンが開示されている。そして温度異常判定関数記憶部は、ケース-接合部ジャンクション温度変換演算部を備え、出力電流周波数データ、スイッチング素子発生損失演算部にて演算された素子発生損失及び適用素子データ入力部によって入力された適用素子特性データに基づいて、ジャンクション温度変化を演算し、出力周波数が低くなるにつれて、スイッチング素子のケースとチップ接合部との間の温度上昇ピーク値が高くなる特性を持つ関数式を記憶することが開示されている。   Further, in Patent Document 2, the inverter current and output current frequency based on the frequency command and the torque command, and the current output time are used as variables to refer to the function stored in the temperature abnormality determination function storage unit. There is disclosed an elevator control microcomputer that includes a temperature abnormality determination unit that determines whether the temperature of a switching element constituting a main circuit is normal or abnormal and has a function of protecting the switching element from thermal destruction. The temperature abnormality determination function storage unit includes a case-junction junction temperature conversion calculation unit, and is input by the output current frequency data, the element generation loss calculated by the switching element generation loss calculation unit, and the applied element data input unit. Calculate the junction temperature change based on the applicable element characteristic data, and memorize a functional equation with the characteristic that the temperature rise peak value between the case of the switching element and the chip junction increases as the output frequency decreases. Is disclosed.

また、発生損失から温度を計算する方法として、図3に示すようなジャンクション-ケース間,ケース-ヒートシンク間,ヒートシンク-周囲間の温度上昇モデルを等価的な一次遅れ回路とみなして計算する方法がある。この手法では、発生損失がPのときのt秒後の温度変化ΔTは、定常熱抵抗値をRth,一次遅れ時定数をTthとして、以下の式(1)で求めることができる。   In addition, as a method of calculating the temperature from the generated loss, a method of calculating the temperature rise model between the junction and case, between the case and the heat sink, and between the heat sink and the surrounding as shown in Fig. 3 as an equivalent first-order lag circuit. is there. In this method, the temperature change ΔT after t seconds when the generated loss is P can be obtained by the following equation (1), where Rth is the steady thermal resistance value and Tth is the first-order lag time constant.

ΔT = P×Rth {1−exp ( t / Tth ) } (1)
特開2007−043783号公報 特開2002−302359号公報(段落0016,0023)
ΔT = P × Rth {1-exp (t / Tth)} (1)
JP 2007-043783 A JP 2002-302359 A (paragraphs 0016, 0023)

温度上昇モデルを等価的な一次遅れ回路とみなして計算する方法は、発生損失Pが一定の場合に限定される。Pが連続して変化するような場合には、Pが一定とみなせるごく短い期間にtを分割して繰り返しΔTの計算を行う必要がある。したがって、インバータ装置が運転を開始してから加速・減速を繰り返し、停止するまでの運転パターンを計算する場合において、インバータ出力周波数による温度リップルを正確に計算する場合には、計算量が膨大になってしまう欠点がある。   A method of calculating the temperature rise model as an equivalent first-order lag circuit is limited to a case where the generated loss P is constant. When P changes continuously, it is necessary to divide t into very short periods where P can be considered constant and repeatedly calculate ΔT. Therefore, when calculating the operation pattern from when the inverter device starts operation until acceleration / deceleration is repeated until it stops, the calculation amount becomes enormous if the temperature ripple due to the inverter output frequency is calculated accurately. There is a drawback.

また上記式(1)を用いずに、周期関数によって半導体素子のジャンクション温度Tjを計算する方法もある。例えば、上記特許文献1には、運転パターンにおける発生損失をフーリエ変換によって周波数領域に分解し、各周波数成分の温度上昇を算出し、その後で逆フーリエ変換によって時間領域の温度上昇を求める方法が記載されている。周期関数を用いることで少ない計算量で運転パターンにおける温度上昇計算が可能である。しかしながら、この方法には出力周波数が考慮されていないため、素子温度上昇を正確に計算できないという欠点がある。   There is also a method of calculating the junction temperature Tj of the semiconductor element by a periodic function without using the above formula (1). For example, Patent Document 1 describes a method of decomposing a loss generated in an operation pattern into a frequency domain by Fourier transform, calculating a temperature rise of each frequency component, and then obtaining a temperature rise in the time domain by inverse Fourier transform. Has been. By using the periodic function, it is possible to calculate the temperature rise in the operation pattern with a small amount of calculation. However, since this method does not take the output frequency into consideration, there is a disadvantage that the element temperature rise cannot be calculated accurately.

本発明では、上記課題を解決するために、可変速PWMインバータ装置の運転を開始してから停止するまでの1サイクルの運転パターンにおける、インバータ出力周波数が変化するときの半導体素子のジャンクション温度の最大値Tjmaxを少ない演算時間で正確に算出するシミュレーション方法を提供することを目的とする。   In the present invention, in order to solve the above-described problem, the maximum junction temperature of the semiconductor element when the inverter output frequency changes in the one-cycle operation pattern from the start to the stop of the operation of the variable speed PWM inverter device. An object of the present invention is to provide a simulation method for accurately calculating the value Tjmax with a small calculation time.

本発明は、インバータ装置を構成する半導体素子を選択する工程と、インバータ装置が運転を開始してから加速、減速運転し、停止するまでを1サイクルとして、この1サイクル中の周囲温度Ta,ヒートシンクの過渡熱抵抗値Zth(f-a),出力負荷電流値I,出力周波数f,キャリア周波数fc,制御率λ,力率φ,半導体素子のゲート抵抗Rgの時系列データを入力する工程と、半導体素子の損失特性およびジャンクション-ケース間過渡熱抵抗値Zth(j-c)とケース-ヒートシンク間過渡熱抵抗値Zth(c-f)を記憶したデータベースと、前記選択された半導体素子の損失特性と前記入力された値に基づいて半導体素子の発生損失の時系列データを算出する工程と、前記算出した発生損失と前記ケース-ヒートシンク間過渡熱抵抗値Zth(c-f)と前記ジャンクション-ケース間過渡熱抵抗値Zth(f-a)とに基づいてケース-ヒートシンク間温度上昇T(c-f),ヒートシンク-周囲間温度上昇T(f-a)を算出する工程と、インバータ出力周波数が連続的に変化する期間の半導体素子のジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の最大値T(j-c)maxを求めるために、その期間内の2つの出力周波数での1周期におけるT(j-c)maxを算出し、これら2つのT(j-c)maxの値から出力周波数とT(j-c)maxの特性関数を求めて、全ての周波数におけるT(j-c)maxを算出する工程と、前記算出した半導体素子のジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の最大値T(j-c)max,ケース-ヒートシンク間温度上昇T(c-f),ヒートシンク-周囲間温度上昇T(f-a),周囲温度Taからジャンクション温度の最大値Tjmaxを計算する工程と、を含んで成る半導体素子温度を正確に推定するシミュレーション方法である。   In the present invention, a process for selecting a semiconductor element constituting an inverter device, an acceleration, a deceleration operation, and a stop from the start of operation of the inverter device to one cycle are regarded as one cycle, and the ambient temperature Ta, heat sink in this cycle. A step of inputting time series data of transient thermal resistance value Zth (fa), output load current value I, output frequency f, carrier frequency fc, control factor λ, power factor φ, and gate resistance Rg of the semiconductor device, Loss characteristics and junction-case transient thermal resistance value Zth (jc) and database storing case-heatsink transient thermal resistance value Zth (cf), loss characteristics of the selected semiconductor element and the input value Calculating the time series data of the generated loss of the semiconductor element based on the above, the calculated generated loss, the transient thermal resistance value Zth (cf) between the case and the heat sink, and the junction-case Based on the transient thermal resistance value Zth (fa), the process of calculating the temperature rise T (cf) between the case and the heat sink, the temperature rise T (fa) between the heat sink and the ambient temperature, and the period during which the inverter output frequency continuously changes In order to obtain the maximum value T (jc) max of the junction-case temperature rise T (jc) of the semiconductor element, T (jc) max in one cycle at two output frequencies within the period is calculated. The step of calculating the output frequency and the characteristic function of T (jc) max from the value of two T (jc) max, calculating T (jc) max at all frequencies, and the calculated junction-case temperature of the semiconductor element Step of calculating the maximum value Tjmax of junction temperature from the maximum value T (jc) max of the rise T (jc), the temperature rise T (cf) between the case and the heat sink, the temperature rise T (fa) between the heat sink and the ambient temperature, and the ambient temperature Ta A simulation method for accurately estimating the temperature of a semiconductor device comprising Is the law.

本発明によれば、インバータ装置の動作パターンを考慮した半導体素子のジャンクション温度の最大値を、インバータ出力周波数を考慮して正確に算出することができる。また、計算回数が従来に比較して少ないので、損失・温度の計算量並びにインバータ装置設計の負担を軽減することができる。   According to the present invention, the maximum value of the junction temperature of the semiconductor element in consideration of the operation pattern of the inverter device can be accurately calculated in consideration of the inverter output frequency. In addition, since the number of calculations is smaller than in the prior art, the amount of calculation of loss and temperature and the burden of inverter device design can be reduced.

以下、発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るシミュレーション方法によるジャンクション温度計算のための処理の流れを説明する図である。また図2,図3は、本発明のジャンクション温度計算で用いるインバータ装置の半導体チップ、ケース及びヒートシンクの構成並びにその熱抵抗モデルを示す図である。
The best mode for carrying out the invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining a flow of processing for calculating a junction temperature by a simulation method according to an embodiment of the present invention. 2 and 3 are diagrams showing the configuration of the semiconductor chip, case, and heat sink of the inverter device used in the junction temperature calculation of the present invention, and the thermal resistance model thereof.

図2は、インバータ装置の半導体チップ、ケース及びヒートシンクの構成概要を示す図であり、一つのヒートシンク103上に一つのケース104が設置され、また一つのケース104の上に一つ以上の半導体チップ105が内蔵される構成であり、これらに対して周囲106が存在する。図3に示す熱抵抗モデルにおいて、周囲温度をTaとしたときの、ジャンクション温度Tj,ケース温度Tc,ヒートシンク温度Tfを計算する。以下、図3に示される熱抵抗モデルに基づいて図1に示すシミュレーション方法によるジャンクション温度計算の処理の流れを説明する。   FIG. 2 is a diagram showing an outline of the configuration of the semiconductor chip, case, and heat sink of the inverter device. One case 104 is installed on one heat sink 103, and one or more semiconductor chips are provided on one case 104. 105 is built in, and there is a surrounding 106 for these. In the thermal resistance model shown in FIG. 3, the junction temperature Tj, case temperature Tc, and heat sink temperature Tf when the ambient temperature is Ta are calculated. Hereinafter, the flow of processing for calculating the junction temperature by the simulation method shown in FIG. 1 will be described based on the thermal resistance model shown in FIG.

図1に示す201は、インバータ装置の構成や動作運転パターンの入力部である。インバータ動作条件,運転パターン入力部201では、インバータ装置に適用する半導体素子を選択し、周囲温度Ta,インバータ装置の出力負荷電流値I,出力周波数f,DCリンク電圧Vdc,PWMキャリア周波数fc,PWM制御率λ,力率φ,半導体素子のオンゲート抵抗Rg(on),オフゲート抵抗Rg(off)を時系列データとして入力する。   201 shown in FIG. 1 is an input unit for the configuration of an inverter device and an operation operation pattern. In the inverter operation condition and operation pattern input unit 201, a semiconductor element to be applied to the inverter device is selected, the ambient temperature Ta, the output load current value I of the inverter device, the output frequency f, the DC link voltage Vdc, the PWM carrier frequency fc, PWM The control factor λ, the power factor φ, the on-gate resistance Rg (on) and the off-gate resistance Rg (off) of the semiconductor element are input as time series data.

まず、図8に示すように、出力周波数fが0 Hzから定格周波数まで変化する加速期間(区間1),定常運転期間(区間2),出力周波数fが定格周波数から0 Hzまで変化する減速区間(区間3)をPWMインバータの運転の1サイクルとする。   First, as shown in FIG. 8, the acceleration period (section 1) in which the output frequency f changes from 0 Hz to the rated frequency, the steady operation period (section 2), and the deceleration section in which the output frequency f changes from the rated frequency to 0 Hz. (Section 3) is one cycle of PWM inverter operation.

そして、平均発生損失演算部202では、入力された各区間でのインバータ運転条件により、各区間の半導体素子での平均発生損失を算出する。発生損失は、出力負荷電流値I,出力周波数f,PWMキャリア周波数fc,PWM制御率λ,力率φ,半導体素子のゲート抵抗Rgの関数によって半導体素子毎に表され、これらの関数は予め実験などにより取得しておき、データベース203に登録しておく。データベース203に示される「IGBT」は、図7に示すようなインバータ装置に使用されることが多い半導体素子であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor :絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)についての実験結果データが一例として格納されていることを示している。   Then, the average generated loss calculation unit 202 calculates the average generated loss in the semiconductor elements in each section based on the inverter operating conditions in each section input. The generated loss is expressed for each semiconductor element by a function of the output load current value I, the output frequency f, the PWM carrier frequency fc, the PWM control factor λ, the power factor φ, and the gate resistance Rg of the semiconductor element. Or the like and registered in the database 203. The “IGBT” shown in the database 203 stores experimental result data of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), which is a semiconductor element often used in an inverter device as shown in FIG. 7, as an example. It has been shown.

図1に示すT(c-f),T(f-a)演算部204では、上記平均発生損失演算部202で算出された平均発生損失の波形から、ケース-ヒートシンク間温度T(c-f),ヒートシンク-周囲温度間温度T(f-a)を計算する。発生損失の波形をフーリエ変換によって周波数分解し、それぞれの周波数成分にケース-ヒートシンク間過渡熱抵抗値Zth(c-f),ヒートシンク-周囲間過渡熱抵抗値Zth(f-a)を乗算し、ケース-ヒートシンク間温度T(c-f)とヒートシンク-周囲温度間温度T(f-a)の周波数成分毎の値を得る。それらの値を逆フーリエ変換することでケース-ヒートシンク間温度T(c-f)とヒートシンク-周囲温度間温度T(f-a)の時間領域のデータを得る。さらに以下に示す式(2)および式(3)により、ケース温度Tc,ヒートシンク温度Tfについての時系列データを得る。   In the T (cf) and T (fa) calculation unit 204 shown in FIG. 1, the case-heat sink temperature T (cf), the heat sink-ambient temperature are calculated from the average generated loss waveform calculated by the average generation loss calculation unit 202. Calculate the inter-temperature T (fa). The generated loss waveform is frequency-decomposed by Fourier transform, and each frequency component is multiplied by the case-heatsink transient thermal resistance value Zth (cf) and the heatsink-ambient transient thermal resistance value Zth (fa). A value is obtained for each frequency component of the temperature T (cf) and the temperature T (fa) between the heat sink and the ambient temperature. The time domain data of the case-heat sink temperature T (c-f) and the heat sink-ambient temperature T (f-a) are obtained by inverse Fourier transforming these values. Furthermore, time series data on the case temperature Tc and the heat sink temperature Tf is obtained by the following equations (2) and (3).

Tf = T(f-a) + Ta (2)
Tc = T(c-f) + Tf (3)
インバータ運転パターンのある区間内において、インバータ出力周波数が変化する場合には、図1に示す205〜207において、出力周波数を考慮したジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxの計算を行う。出力周波数が変化しない場合には、区間内で最大周波数時のT(j-c)max演算部205の計算のみを行い、区間内で最小周波数時のT(j-c)max演算部206,T(j-c)max周波数依存性演算部207での計算は行わない。
Tf = T (fa) + Ta (2)
Tc = T (cf) + Tf (3)
When the inverter output frequency changes within a certain section of the inverter operation pattern, the maximum value T (jc) max of the junction-case temperature considering the output frequency is calculated in 205 to 207 shown in FIG. . When the output frequency does not change, only the calculation of the T (jc) max calculation unit 205 at the maximum frequency in the interval is performed, and the T (jc) max calculation unit 206, T (jc) at the minimum frequency in the interval The calculation by the max frequency dependence calculation unit 207 is not performed.

一般に、発生損失が一定のとき、半導体素子固有の時定数でジャンクション温度Tjは上昇する。したがって、出力周波数が高いほど1周期でのジャンクション温度上昇値は小さくなり、図5に示すジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxと出力周波数fとの関係は、以下の式(4)で表される。   In general, when the generated loss is constant, the junction temperature Tj rises with a time constant unique to the semiconductor element. Therefore, the higher the output frequency, the smaller the junction temperature rise value in one cycle, and the relationship between the maximum value T (jc) max of the junction-case temperature and the output frequency f shown in FIG. ).

T(j-c)max = a / f + b (4)
上記式(4)における定数a,bを求めることで、全ての周波数でのジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxを算出することができる。
T (jc) max = a / f + b (4)
By obtaining the constants a and b in the above equation (4), the maximum value T (jc) max of the junction-case temperature at all frequencies can be calculated.

まず図1に示す、区間内で最大周波数時のT(j-c)max演算部205では、その区間内での最大出力周波数でのジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の最大値T(j-c)maxを計算する。1周期の出力電流波形は正弦波とみなし、インバータ出力電流実効値I,出力周波数f,PWMキャリア周波数fc,DCリンク電圧Vdc,ゲート抵抗値Rg,PWM制御率λ,力率φと、データベース203に記憶された半導体素子の発生損失特性をもとに、図4の波形に示すような1出力周期でのスイッチングによる発生損失の瞬時値を計算する。算出された損失の波形をフーリエ変換し、周波数成分に分解する。各周波数成分に半導体素子のジャンクション-ケース間の過渡熱抵抗値Zth(j-c)を乗算し、ジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の周波数領域のデータを得る。算出されたジャンクション-ケース間温度上昇の周波数領域のデータを逆フーリエ変換し、時間領域のジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の時系列データを算出し、ジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxを得る。   First, in the T (jc) max calculation unit 205 at the maximum frequency in the section shown in FIG. 1, the maximum value T (jc) of the junction-case temperature rise T (jc) at the maximum output frequency in the section. Calculate max. The output current waveform of one cycle is regarded as a sine wave, and the inverter output current effective value I, output frequency f, PWM carrier frequency fc, DC link voltage Vdc, gate resistance value Rg, PWM control factor λ, power factor φ, and database 203 4 is used to calculate the instantaneous value of the generated loss due to switching in one output cycle as shown in the waveform of FIG. The calculated loss waveform is Fourier-transformed and decomposed into frequency components. Each frequency component is multiplied by the junction-to-case transient thermal resistance value Zth (j-c) of the semiconductor element to obtain frequency domain data of the junction-to-case temperature rise T (j-c). Calculate the time-series data of the junction-case temperature rise T (jc) in the time domain by performing inverse Fourier transform on the calculated junction-case temperature rise frequency domain data, and calculate the maximum junction-case temperature T (jc) Get max.

つぎに図1に示す、区間内で最小周波数時のT(j-c)max演算部206では、その区間内での最小出力周波数でのジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxを算出する。つづいて図1に示す、T(j-c)max周波数依存性演算部207において、上記205,206より求めた2組の出力周波数fとジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxの値から、上記式(4)の連立方程式より、定数a,bを得る。求めた定数a,bを再び式(4)に代入し、周波数が変化する区間内でのジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxの時系列データを得る。   Next, the T (jc) max calculation unit 206 at the minimum frequency in the section shown in FIG. 1 calculates the maximum value T (jc) max of the junction-case temperature at the minimum output frequency in the section. . Next, in the T (jc) max frequency dependence calculation unit 207 shown in FIG. 1, the two sets of output frequencies f obtained from 205 and 206 and the maximum value T (jc) max of the junction-case temperature are obtained. The constants a and b are obtained from the simultaneous equations of the above equation (4). The obtained constants a and b are substituted again into the equation (4) to obtain time series data of the maximum value T (j-c) max of the junction-case temperature in the section where the frequency changes.

各区間毎に、上記205〜207における演算を繰り返して計算を行い、全ての区間のジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxの時系列データを得る。
図1に示すTj演算部208では、上記T(c-f),T(f-a)演算部204より求めたケース温度Tcの値とジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxの値より、以下の式(5)より、
Tjmax = T(j-c)max + Tc (5)
これによりジャンクション温度の最大値Tjmaxの時系列データを得る。
For each section, calculations are repeated by repeating the operations in 205 to 207, and time series data of the maximum junction-case temperature T (jc) max in all sections is obtained.
In the Tj calculation unit 208 shown in FIG. 1, the case temperature Tc obtained from the T (cf) and T (fa) calculation unit 204 and the maximum junction-case temperature value T (jc) max are calculated as follows. From equation (5),
Tjmax = T (jc) max + Tc (5)
Thus, time series data of the maximum junction temperature Tjmax is obtained.

図1に示す、Tjmaxの過渡応答補正演算部209は、以上の手順で求めたジャンクション温度の最大値Tjmaxに過渡応答補正を加える演算部である。先の計算手順で求めたジャンクション温度の最大値Tjmaxは、繰り返し動作における定常状態での値である。したがって、区間が切り替わり、運転モードが変わった直後は、過渡状態であるので、算出した温度上昇値までは至らない。そこで、区間切替直後から時間t経過後に過渡応答補正を加え、最終的なジャンクション温度の最大値Tjmaxとし、これを計算結果出力部210より出力する。   The Tjmax transient response correction calculation unit 209 shown in FIG. 1 is a calculation unit that adds transient response correction to the maximum junction temperature Tjmax obtained by the above procedure. The maximum value Tjmax of the junction temperature obtained by the previous calculation procedure is a value in a steady state in the repetitive operation. Therefore, immediately after the section is switched and the operation mode is changed, it is in a transient state, and thus the calculated temperature rise value is not reached. Therefore, transient response correction is performed after the elapse of time t immediately after the section switching to obtain a final maximum junction temperature Tjmax, which is output from the calculation result output unit 210.

区間切替直後の温度上昇波形は、式(1)より求める。
区間開始時の値をTjmax ( 0 )とし、上記Tj演算部208において求めた値をTjmax ( sat )とし、データベース203に記憶されている半導体素子固有の温度上昇時定数をTthとし、これらを式(1)に代入することで、過渡応答補正後のTjmaxを算出する以下の式(6)が得られる。そして式(6)による計算結果を図6に示す。
The temperature rise waveform immediately after the section switching is obtained from equation (1).
The value at the start of the interval is Tjmax (0), the value obtained in the Tj calculation unit 208 is Tjmax (sat), the temperature rise time constant specific to the semiconductor element stored in the database 203 is Tth, By substituting into (1), the following equation (6) for calculating Tjmax after transient response correction is obtained. And the calculation result by Formula (6) is shown in FIG.

Tjmax = Tjmax(sat){1 -(1 -(Tjmax(0)/ Tjmax(sat)) exp(-t / Tth)}・・(6)
図6に示す波形から分かるように、過渡応答補正前のTjmaxに対して、区間切替直後から時間t経過後に過渡応答補正を加えることで、最終的なジャンクション温度の最大値Tjmaxをシミュレーションにより正確に推定して求めることができる。
Tjmax = Tjmax (sat) {1-(1-(Tjmax (0) / Tjmax (sat)) exp (-t / Tth)} (6)
As can be seen from the waveform shown in FIG. 6, the final maximum junction temperature Tjmax can be accurately obtained by simulation by adding the transient response correction after the time t has passed immediately after the section switching to the Tjmax before the transient response correction. It can be estimated.

なお、上記の例では、図8に示すように、出力周波数fが0 Hzから定格周波数まで変化する加速期間(区間1),定常運転期間(区間2),出力周波数fが定格周波数から0 Hzまで変化する減速区間(区間3)をPWMインバータの運転の1サイクルとして説明した。これは、「停止〜定格、定格、定格〜停止」というような区間が最も単純な例で説明するためのものである。   In the above example, as shown in FIG. 8, the acceleration period (section 1) in which the output frequency f changes from 0 Hz to the rated frequency, the steady operation period (section 2), and the output frequency f is 0 Hz from the rated frequency. The deceleration section (section 3) that changes up to is explained as one cycle of PWM inverter operation. This is for explaining an example in which a section such as “stop to rating, rating, rating to stop” is the simplest.

この例に限らず、「停止〜定格、減速、再加速、定格、定格〜停止」というような区間が3つ以上になる複雑なパターンをPWMインバータの運転の1サイクルとする場合であっても、平均発生損失演算部202では、入力された各区間でのインバータ運転条件により、各区間の半導体素子での平均発生損失を算出することができる。以後の算出方法は、同様である。   Not only in this example, even when a complicated pattern with three or more sections such as “stop to rating, deceleration, reacceleration, rating, rating to stop” is defined as one cycle of PWM inverter operation The average generated loss calculation unit 202 can calculate the average generated loss in the semiconductor elements in each section based on the inverter operating conditions in each input section. The subsequent calculation method is the same.

このように、区間ごとに半導体素子での平均発生損失を算出することができるので、区間が3つ以上になる複雑なパターンのサイクルであっても、インバータ装置の動作パターンを考慮した半導体素子のジャンクション温度の最大値を、インバータ出力周波数を考慮して正確に算出することができる。また、従来に比して少ない計算回数で、損失・温度の計算量並びにインバータ装置設計の負担を軽減することができる。   In this way, since the average generated loss in the semiconductor element can be calculated for each section, even in the case of a complex pattern cycle with three or more sections, the semiconductor element considering the operation pattern of the inverter device The maximum junction temperature can be accurately calculated in consideration of the inverter output frequency. Further, the amount of calculation of loss and temperature and the burden of designing the inverter device can be reduced with a smaller number of calculations than in the past.

本発明の実施形態に係るシミュレーション方法によるジャンクション温度計算のための処理の流れを説明する図である。It is a figure explaining the flow of the process for junction temperature calculation by the simulation method which concerns on embodiment of this invention. インバータ装置の半導体チップ、ケース及びヒートシンクの構成概要を示す図である。It is a figure which shows the structure outline | summary of the semiconductor chip of an inverter apparatus, a case, and a heat sink. 本実施形態で採用する熱抵抗モデルを示す図である。It is a figure which shows the thermal resistance model employ | adopted by this embodiment. 1周期の電流波形,損失波形,ジャンクション-ケース間温度波形を示す図である。It is a figure which shows the current waveform of 1 period, a loss waveform, and a junction-case temperature waveform. T(j-c)maxの周波数依存性を示す図である。It is a figure which shows the frequency dependence of T (j-c) max. 本実施形態で実行するTjmaxの過渡応答補正を示す図である。It is a figure which shows the transient response correction | amendment of Tjmax performed in this embodiment. インバータ装置を構成する代表的な回路構成を示す図である。It is a figure which shows the typical circuit structure which comprises an inverter apparatus. インバータ装置の一般的な運転動作例を示す図である。It is a figure which shows the example of a general driving | running operation | movement of an inverter apparatus. 図8に示す加速運転時のインバータ出力電流,発生損失,ジャンクション温度Tjの各波形を示す図である。It is a figure which shows each waveform of the inverter output current at the time of acceleration operation shown in FIG. 8, generation | occurrence | production loss, and junction temperature Tj.

符号の説明Explanation of symbols

101 インバータ装置を構成する半導体素子
102 DCリンク電圧
103 ヒートシンク
201 インバータ動作条件,運転パターン入力部
202 各区間での半導体素子の平均発生損失演算部
203 半導体素子特性データベース
204 T(c-f),T(f-a)演算部
205 区間内で最大周波数時のT(j-c)max演算部
206 区間内で最小周波数時のT(j-c)max演算部
207 T(j-c)max周波数依存性演算部
208 Tj演算部
209 Tjmaxの過渡応答補正演算部
210 計算結果出力部
101 Semiconductor elements constituting the inverter device
102 DC link voltage
103 heat sink
201 Inverter operation condition and operation pattern input section
202 Semiconductor element average generated loss calculation section in each section
203 Semiconductor Device Characteristics Database
204 T (cf), T (fa) calculation unit
205 T (jc) max calculation section at maximum frequency in the interval
206 T (jc) max calculation section at minimum frequency in the interval
207 T (jc) max frequency dependence calculator
208 Tj operation part
209 Tjmax transient response compensation calculator
210 Calculation result output section

Claims (3)

複数の半導体素子とヒートシンクから構成される可変速PWMインバータ装置の運転を開始してから停止するまでの1サイクルの運転パターンにおける、前記インバータ装置の構成要素の温度上昇値を算出するシミュレーション方法において、
前記インバータ装置を構成する半導体素子を選択する工程と、
前記1サイクル中の周囲温度Ta,ヒートシンクの過渡熱抵抗値Zth(f-a),出力負荷電流値I,出力周波数f,キャリア周波数fc,制御率λ,力率φ,半導体素子のゲート抵抗Rgの時系列データを入力する工程と、
半導体素子の損失特性およびジャンクション-ケース間過渡熱抵抗値Zth(j-c)とケース-ヒートシンク間過渡熱抵抗値Zth(c-f)を記憶したデータベースと、前記選択された半導体素子の損失特性と前記入力された運転パターンとに基づいて半導体素子の発生損失の時系列データを算出する工程と、
前記算出した発生損失と前記ケース-ヒートシンク間過渡熱抵抗値Zth(c-f)と前記ジャンクション-ケース間過渡熱抵抗値Zth(f-a)とに基づいてケース-ヒートシンク間温度上昇T(c-f),ヒートシンク-周囲間温度上昇T(f-a)を算出する工程と、
インバータ出力周波数が連続的に変化する期間の半導体素子のジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の最大値T(j-c)maxを求めるために、その期間内の2つの出力周波数での1周期におけるT(j-c)maxを算出し、これら2つのT(j-c)maxの値から出力周波数とT(j-c)maxの特性関数を求めて、全ての周波数におけるT(j-c)maxを算出する工程と、
前記算出した半導体素子のジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の最大値T(j-c)max,ケース-ヒートシンク間温度上昇T(c-f),ヒートシンク-周囲間温度上昇T(f-a),周囲温度Taからジャンクション温度の最大値Tjmaxを計算する工程と、
を含むことを特徴とするシミュレーション方法。
In the simulation method for calculating the temperature rise value of the components of the inverter device in the operation pattern of one cycle from the start to the stop of the operation of the variable speed PWM inverter device composed of a plurality of semiconductor elements and a heat sink,
Selecting a semiconductor element constituting the inverter device;
When the ambient temperature Ta, the heat sink transient thermal resistance value Zth (fa), the output load current value I, the output frequency f, the carrier frequency fc, the control factor λ, the power factor φ, and the gate resistance Rg of the semiconductor element during one cycle. A process of inputting series data;
Semiconductor element loss characteristics, junction-case transient thermal resistance value Zth (jc) and case-heatsink transient thermal resistance value Zth (cf), database of the selected semiconductor element loss characteristics and the input Calculating time series data of the generated loss of the semiconductor element based on the operating pattern,
Based on the calculated generated loss, the case-heatsink transient thermal resistance value Zth (cf), and the junction-case transient thermal resistance value Zth (fa), the case-heatsink temperature rise T (cf), the heatsink- Calculating the ambient temperature rise T (fa);
In order to obtain the maximum value T (jc) max of the junction-to-case temperature rise T (jc) of the semiconductor element during the period in which the inverter output frequency changes continuously, in one cycle at two output frequencies within that period Calculating T (jc) max, obtaining a characteristic function of the output frequency and T (jc) max from these two T (jc) max values, and calculating T (jc) max at all frequencies;
Maximum value T (jc) max of junction-case temperature rise T (jc) of the calculated semiconductor element, case-heat sink temperature rise T (cf), heat sink-ambient temperature rise T (fa), ambient temperature Ta Calculating the maximum junction temperature Tjmax from
A simulation method comprising:
前記ジャンクション-ケース間温度上昇の最大値T(j-c)maxの計算において、インバータ装置の出力周波数とT(j-c)maxの特性関数を、a,bを定数として、
T(j-c)max = a/f + b
として算出することを特徴とする請求項1に記載のシミュレーション方法。
In calculating the maximum value T (jc) max of the junction-case temperature rise, the characteristic function of the output frequency of the inverter device and T (jc) max, where a and b are constants,
T (jc) max = a / f + b
The simulation method according to claim 1, wherein the calculation method is as follows.
前記ジャンクション温度の最大値Tjmaxの計算において、運転パターンの動作条件が変化した直後の温度変化を、インバータ構成要素の熱抵抗モデルを等価的な一次遅れ回路とみなして計算することを特徴とする請求項1に記載のシミュレーション方法。   In the calculation of the maximum value Tjmax of the junction temperature, the temperature change immediately after the operation condition of the operation pattern changes is calculated by regarding the thermal resistance model of the inverter component as an equivalent first-order lag circuit. Item 2. The simulation method according to Item 1.
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