JP6106099B2 - 電子デバイスの電力操作を改善するシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
熱インピーダンスモデル
図3は、実施形態によるダブルHブリッジの熱回路網を示すブロック図である。図3に示すように、熱回路網300は、デュアルモジュール302に入れられた3対のIGBTを含み、各デュアルモジュール302はケース304内に密閉される。ケース304は、たとえば炭化ケイ素粒子を有するアルミニウムマトリックスからなる金属マトリックス複合材料とすることができる。各ケース304は、熱伝導性のグリース層308でヒートシンク306に結合することができる。ヒートシンク306は、たとえばフィン310を通じて、冷却空気の流れに接触することができる。
δTB2=RBC*PC
δTB3=RBA*PA
上記の等式で、RBは、位相Bの電力PBにより位相B下の温度を上昇させる熱抵抗である。RBCは、位相Cの電力PCにより位相B下の温度を上昇させる熱抵抗である。RBAは、位相Aの電力PAにより位相B下の温度を上昇させる熱抵抗である。したがって、位相B下の全温度差δTBは、以下の等式に従って算出することができる。
位相Aおよび位相Bに対して同じ分析を繰り返すことで、以下の式が得られる。
δTA=RA*PA+RBA*PC+RBA*PB 等式3.3
上記の等式では、RCB=RBC、RBA=RAB、およびRCA=RACであることが考慮される。さらに、熱抵抗は通常、以下の等式3.4に示すように、温度差を電力で割った値として表すことができ、ここでXはA、B、またはCに等しいものとすることができる。
等式3.1、等式3.2、および等式3.3に等式3.4を代入することで、以下の式が得られる。
RBt=δTB/PB=RB+RBA*(PA/PB)+RBC*(PC/PB) 等式3.6
RCt=δTC/PC=RC+RBC*(PB/PC)+RCA*(PA/PC) 等式3.7
上記の等式では、RAtは位相Aに対する実効熱抵抗を表し、位相Aの全電力(PA)を掛けた場合、3つの位相を流れる電力が異なる等式3.3の場合と同じδTAが得られる。同様の定義がRBtおよびRCtにも当てはまる。上記の等式を使用することで、図4A〜Cに示す試験構成を使用して熱試験を行うことができる。試験結果の分析のため、IGBTの部分ごとの変動は、Vce_satに無視できるほどの影響しか与えないものとする。したがって、電流Ioによりそれぞれの位相で放散される電力はほぼ同じであり、本明細書でPphaseと呼ばれることが考慮される。さらに、Pphaseは、電流Ioによって判定される既知の値である。温度δTA、δTB、δTCを判定するために、図5に関連して以下に示す試験構成を使用して、温度測定を行うことができる。
RBt_inv_TEST=δTB/Pphase=RB+RBA+ RBC 等式3.9
RCt_inv_TEST=δTC/Pphase=RC+RBC+RCA 等式3.10
上記の等式では、RAt_inv_TEST、RBt_inv_TEST、およびRCt_inv_TESTは、図4Aに示す試験構成を使用して収集されたデータに対して算出される熱抵抗RAt、RBt、およびRCtである。RAt_inv_TEST、RBt_inv_TESTに対する試験結果を、表1および表2に示す。表1および表2に示すように、試験は、異なる電流レベルおよび異なる空気流量で繰り返すことができる。
RCt_hb_CB=δTC/Pphase=RC+RBC+RCA 等式3.12
上記の等式では、RBt_hb_CBおよびRCt_hb_CBは、図4Bに示す試験構成を使用して収集されたデータに対して算出される熱抵抗RBtおよびRCtである。RBt_hb_CBに対する試験結果を、表3に示す。表3に示すように、試験は、図4Aの試験構成と同じ電流レベルおよび空気流量で繰り返すことができる。
RCt_hb_CA=δTC/Pphase=RC+RBC+RCA 等式3.14
上記の等式では、RAt_hb_CAおよびRCt_hb_CAは、図4Cに示す試験構成を使用して収集されたデータに対して算出される熱抵抗RAtおよびRCtである。RAt_hb_CAに対する試験結果を、表4に示す。表4に示すように、試験は、図4Aおよび図4Bの試験構成と同じ電流レベルおよび空気流量で繰り返すことができる。
RBt_inv=δTB/Pphase=RB+RBC 等式3.16
RCt_inv=δTC/Pphase=RC+RBC+RCA 等式3.17
RBt_hb_CB=δTB/Pphase=RB+RBC 等式3.18
RCt_hb_CB=δTC/Pphase=RC+RBC 等式3.19
RAt_hb_CA=δTA/Pphase=RA+RCA 等式3.20
RCt_hb_CA=δTC/Pphase=RC+RCA 等式3.21
等式3.15〜3.21を使用して、以下の等式3.22〜3.27を導出することができる。具体的には、等式3.17と等式3.19を組み合わせることで、以下の式が提供される。
等式3.20と等式3.22を組み合わせることで、以下の式が提供される。
等式3.21と等式3.22を組み合わせることで、以下の式が提供される。
等式3.17と等式3.21を組み合わせることで、以下の式が提供される。
等式3.18と等式3.25を組み合わせることで、以下の式が提供される。
また、認証チェックのために、等式3.19と等式3.25を組み合わせて、以下の式を提供することができる。
等式3.22〜3.25を使用して、熱試験結果からパラメータRA、RB、RC、RCB、およびRCAを導出することができる。上記の熱試験のそれぞれに対して、測定(熱電対)がヒートシンク上ではなくデュアルIGBTのケース上に位置していたため、算出された熱抵抗に補正係数を適用して、IGBTモジュール302のケース304とヒートシンク306との間の熱グリース308(図3)を相殺することができる。具体的には、上記のように、RXt_TEST(試験データから算出される熱抵抗)は、位相X下の最高温部のケース温度T_TESTから吸気温度Tairを引いた値を、位相Xの電力PXで割った値に等しく、ここでXはA、B、またはCとすることができる。したがって、Poが1つのIGBTおよび1つのダイオードの電力放散であり、Pdiode=0である場合、ケース温度T_TESTは、以下の式に従って表すことができる。
上式で、Rth_chはケースとヒートシンクの熱抵抗を表し、PoはPphase/2に等しい。PXに2*Poを代入し、T_TEST−Tairについて解くことで、以下の式が得られる。
したがって、以下の式が得られる。
図3に関連して上述したように、Rth_chは、0.018℃/ワット(℃/W)にほぼ等しいものとすることができる。したがって、上式に基づいて、RXtは、以下の式に従って判定することができ、XはA、B、またはCとすることができる。
等式3.28では、RXt_TESTは、以下の等式を使用して判定することができ、ここでMaxTcaseXは、ケースXの熱電対500(図5)から得られる最大温度を表す。
上記の補正係数は、試験データから算出される熱抵抗に適用することができる。これらの結果の概要を、以下の表5および表6に提供する。
Z=(USL−μ)/σ
上記の等式で、Zは、仕様上限と平均値との間に適合できる標準偏差の数を表し、USL、μo、およびσoは、200SCFMの特有の熱抵抗パラメータRA、RB、RC、RBC、RCAに対する仕様上限、平均、および標準偏差を表す。Z=3を使用し、USLについて解くことで、以下の式が提供される。
3のZ値を使用することで、ダブルHブリッジ設計が部分ごとの大きな変動に対応するのに十分に頑丈であることを確実にする。表21では、各熱抵抗(RA、RCA、RCなど)の平均(μo)および標準偏差(σo)は、200SCFMの冷却に対して識別されている。これらの値およびZ=3を使用することで、USLRXX_200SCFMを識別することができる。次いで、K1=μo/RXX200SCFM、K2=USLRXX200SCFM/RXX200SCFM、およびK3=σo/RXX200SCFMの比を識別することができる。これらの比、等式3.22〜3.27、ならびに表7、表9、表11、表13、および表21からのデータを使用することで、試験されたすべての冷却条件のUSLRXXを識別することができる。熱抵抗値RCAの例示的な計算を、以下で表22および表23に示す。この例では、表21からのデータを使用する熱抵抗RCAに対する統計的分析により、0.05092の200SCFMの平均(μo)および0.00153の200SCFMの標準偏差(σo)が提供された。これらの値は、以下で表22および表23に示す例示的な計算で使用された。
RA=−0.05826+0.5357/(1+((SCFM/10.98)^0.46)) 等式3.31
RC=−0.0145+0.394/(1+((SCFM/9.158)^0.568)) 等式3.32
RBC=−0.01547+0.7537/(1+((SCFM/2.198)^0.779)) 等式3.33
RB=0.045607+0.12515*exp(−SCFM/65.1)+0.291*exp(−SCFM/10.6) 等式3.34
一実施形態では、それぞれの位相に対する熱容量を判定することができる。各位相の熱容量を判定するために、図4Bおよび図5に記載の試験構成を使用して、熱試験温度を得ることができる。具体的には、図4Bに関連して記載した位相Bおよび位相CのデュアルIGBTモジュールに、電流Ioを印加することができる。空気流をヒートシンクへ引き続き供給しながら、電流Ioをオフにした後、温度測定を行うことができる。一実施形態では、熱冷却試験中の空気流量は、150SCFMおよびIo=200Aに設定することができる。熱試験測定は、1組の熱冷却曲線を定義する。150SCFMおよびIo=200Aの試験に対して熱冷却曲線を使用することで、位相Bの熱インピーダンスに対してヒートシンクの熱時定数τが151秒であることが識別された。次いで、以下の式を使用して、RBtと並列に位置する熱容量CBを判定することができる。
0.058868℃/Wの150SCFMの平均RBt値(RBt_hb_BC_TEST−0.009)を適用し、CBについて解くことで、以下の式が得られる。
上記の等式では、RBtの値はUSL値ではなく、表17に示す測定試験データであることに留意されたい。さらに、試験冷却曲線を時間の関数として記述する等式は、次のように表すことができる。
上式で、tは時間であり、δTBは、所与の時間tに対する位相Bの温度の変化を表す。試験データから、33.8℃は、t=0の開始温度であり、0.8℃は、冷却曲線の最終温度(オフセット)である。この式は、冷却曲線が指数形式を有するという仮定に基づく。上記の等式を使用して、位相Bの推定温度TBから吸気の温度Tinletを引いた値を時間tとともに表す推定冷却曲線を算出することができる。仮定した指数の挙動を証明するには、図7Aに示すように、この結果得られる曲線と、測定冷却曲線とを比較することができる。
熱容量Cthについて解くことで、以下の式が得られる。
ダブルHブリッジが異なる空気流量で動作される場合、各位相の熱容量Cthは一定のままであるが、τおよびRthは変化する。したがって、CBは任意の空気流量に対して2565J/℃に等しいが、RBtはRBt(150SCFM)から変化し、したがってτは151秒から変化する。150SCFMの空気流量で位相が異なる場合、τは151秒のままであることが分かる。RAtはRBtとは異なり、RBtはRCtとは異なるため、CBはCCとは異なり、CCはCAとは異なる。位相Cおよび位相Aの熱容量CCおよびCAについて解くことで、以下の式が得られる。
CA=τ/RAt_hb_CA_TEST−0.009=151/0.065987=2288J/℃
上記で展開させた熱インピーダンスモデルを使用することで、様々な負荷条件および空気流量でダブルHブリッジの位相のそれぞれに適用できる熱抵抗および熱容量に対する値を判定することができる。次いで、これらの値を使用して、正常動作中のダブルHブリッジの熱的挙動を予測することができる。動作中のダブルHブリッジの熱的挙動を予測できることで、ダブルHブリッジおよび関連する制御回路に対する複数の有用な改善を可能にすることができる。たとえば、図21〜24に関連して以下でさらに説明するように、改善された通気および温度過昇防止技法を展開させることができる。様々な関連する熱インピーダンスを推定する等式を識別した後、本発明者らは、各位相における電力放散を推定する処理を展開させ、2つを組み合わせることで、各位相におけるIGBTの接合温度を推定する。
接合温度推定モデル
図8は、実施形態によるダブルHブリッジを使用するシステムのブロック図である。図8に示すように、ダブルHブリッジの位相A202の出力は、変圧器804および1対のシリコン制御整流器(SCR)806を通って界磁巻線802に結合される。ダブルHブリッジの位相C206の出力は、変圧器810、ならびにダイオード812、キャパシタ814、およびインダクタ816などのバッテリ充電回路を通って、バッテリ808に結合される。位相Bの出力は、バッテリ808と界磁巻線802の両方に共通であり、両方の変圧器804および810に結合される。位相AのIGBTの出力電圧を、本明細書ではVaと呼び、位相BのIGBTの出力電圧を、本明細書ではVbと呼び、位相CのIGBTの出力電圧を、本明細書ではVcと呼ぶ。図8に示すダブルHブリッジ構成では、バッテリ808および界磁巻線802に対してDC入力電圧Vlinkの分離と低減の両方が提供されているが、界磁巻線802には電圧の低減のみが使用される。動作中、図9に示す波形を生成するように、IGBTを切り換えることができる。
上記の等式では、Ipr_averageは、変圧器804または810の1次巻線内の平均電流を表し、nは、変圧器の巻数比に等しく、Imagnは、変圧器804または810の磁化電流を表す。一実施形態では、バッテリ808に対応する変圧器810の場合、nは約2.875であり、界磁巻線802に対応する変圧器804の場合、nは約6.33である。さらに、磁化電流Imagnは、両方の変圧器804および810に対して約30アンペアとすることができる。変圧器804または810の1次巻線内の平均電流を、図11に線1102で示す。
b=di/dt=Vdc/[Lleak+Lmagn||Lload*n2] 等式4.3
上記の等式では、Lleakは、変圧器804(約29uH)または810(約23uH)の1次巻線の漏れインダクタンスを表し、Lmagnは、変圧器804(約26mH)または810(約4.9mH)の磁化インダクタンスであり、Lloadは、変圧器804(約0.22H)または810(約1mH)で見られる負荷のインダクタンスであり、nは、変圧器804または810の巻数比(図8参照)である。バッテリ808に対応する位相CのIGBTに対して算出される率aおよびbの一例を、表25に示す。界磁巻線802に対応する位相AのIGBTに対して算出される率aおよびbの一例を、表26に示す。
上記の等式では、IBaveは、位相Bを通る平均電流であり、Ioは、IxおよびIyの平均であり、ton中の位相AまたはCのIGBT内の平均電流である。Iodは、ダイオードがオンである時間中に位相AまたはCのダイオードを通る平均電流である。どちらの場合でも、この電流はまた位相BのIGBTを通る。
位相AおよびCのどちらの場合でも、Ipr_avに対するダイオード電流の寄与は、以下の式に従って判定することができる。
ダイオードを通る平均電流は、以下の等式を使用して判定することができる。
図13Cは、ダイオード電流に対する第3のシナリオを示し、tfはt3より大きい。図13Cに示すシナリオでは、t4はt3に等しく、Izはゼロ以外の値であり、これはT/2の終端で電流が残っていることを表し、この電流は、後にオフに切り換えられる電流である。位相AおよびCのどちらの場合でも、Ipr_avに対するIGBT電流の寄与は、上記の等式4.5に従って判定することができる。図13Cに示すシナリオでは、ダイオードを通る平均電流は、以下の等式を使用して判定することができる。
図13Cに示すシナリオでは、位相AおよびCのどちらの場合でも、Ipr_avに対するダイオード電流の寄与は、以下の式に従って判定することができる。
上記の3つのシナリオに基づいて、tfがt3以下である場合、t4はtfに等しいことを理解することができる。さらに、位相BのIGBTがゼロの電流でスイッチオフに切り換わる場合、スイッチオフ損失は生じず、位相Aまたは位相CのダイオードにはErr損失は生じない。
さらに、電流Iyはまた、以下の等式に示すように、Ioの関数として表すこともできる。
Ipr_av_diodeに関しては、tfがt3以下である場合、等式4.6および等式4.7から以下の式が得られる。
tfがt3より大きい場合、等式4.9から以下の式が得られる。
IyはIoの関数であり、定義によりIy−b*tf=0であるため、以下の等式を得ることができる。
上記の等式は、2つの未知数Ioおよびtonを有し、したがって上記に示した形式で解くことはできない。しかし、tf≧t3である場合、Ixのレベルおよび率bと組み合わせると、これはtonが十分に大きいことを示し、t3時間(T/2−ton)は、ダイオードを通る電流が2分の1の期間が終了する前に消滅するのに十分ではない。これは、低電圧で高電流の動作の場合であり、t4=t3であることが明らかである。他方では、tf<t3である場合、Ixのレベルおよび率b(したがって、Iy)と組み合わせると、これはtonが十分に大きくないことを示し、t3時間(T/2−ton)は、ダイオードを通る電流が2分の1の期間が終了する前に消滅するのに十分である。これは、高電圧の動作の場合であり、t4=tfであることが明らかである。
ton=(Vprim/Vdc)*0.5/fr 等式4.15
Vprim=Vload*n 等式4.16
例示的な実施形態では、Vload_batt=80VおよびT/2=1/1200秒(fr=600Hz)の場合、Vload_fieldは、以下の等式に従って算出することができる。
したがって、負荷内のIfieldおよびIbattのレベルを知ることで、等式4.16aを使用してVload_fieldまたはVload_batt=80Vを見つけることができ、これを使用することができる。等式4.15を通じてこれらの値を使用することで、バッテリと励磁ケースの両方に対してtonを判定することができる。Iy=Io+b*ton/2およびIy=Iod+b*t4/2を考えると、以下の式が得られる。
等式4.14を使用して、以下の式が得られる。
Iod=Io−(b/2))*[(1/(2*f)−2*ton] 等式4.18
等式4.5、等式4.9、等式および4.10から、以下の式が得られる。
等式4.18および等式4.14からのtfを代入することで、以下の式が得られる。
等式4.3を再び参照すると、以下のことが分かる。
等式4.1から、以下の式が得られる。
したがって、等式4.19は、1つの未知数Ioのみを有する。この式を操作し、Ioについて解くことで、以下の式が得られる。
Ik=Io/(2)−(b*f)*[(1/(2*f)−2*ton]*[(1/(2*f)−ton]→
Io=2*Ik+b*f*[(1/(2*f)−2*ton]*[(1/(2*f)−ton] 等式4.20
バッテリ充電例
等式4.2を使用することで、バッテリ808(図8)を含むバッテリ充電回路に対する定常仕様値を使用して、IxおよびIy(図13A〜C)に対する値を判定することができる。バッテリ充電回路に対する例示的な値を、以下で表27に示す。
励磁例
等式4.2を使用することで、界磁巻線802(図8)を含む励磁回路に対する定常値を使用して、IxおよびIy(図13A〜C)に対する値を判定することができる。バッテリ充電回路に対する例示的な値を、以下で表30に示す。
上記の等式では、PoAは、ton中は電力損失であり、残りの期間中はゼロである。したがって、全期間の平均電力に対して、次の式が得られる。
IGBT PswA:エネルギー/パルス=[Eon(Ix_A)+Eoff(Iy_A)]およびfr=パルス/秒→
PswA=[Eon(Ix_A)+Eoff(Iy_A)]*fr[ジュール/秒=ワット]
逆回復における位相Aおよび位相Cのダイオードに対する電力損失は、Err(Iz)を使用してIzから計算することができる。オンの間、ダイオード損失は、Idoの関数としてパラメータを使用して計算することができ、ここでIdo={(Iz+Iy)/2}であり、Err(Ido)を使用する。一例として位相Aを使用することで、次の式が得られる。
Diode PrrA=ErrA(IzA)*fr
図15は、位相B(共通)のIGBTおよびダイオード内の電力損失を推定するために使用される電流および電圧波形のグラフである。スイッチオンのとき、IGBT損失は、以下の式を使用して計算される。
スイッチオフのとき、IGBT損失は、以下から計算される。
オン(定常)の間、これらの損失は、図15に示すブロック5、6、7、および8の平均値から計算される。2つの変圧器804および810を通る平均電流がT/2にわたって位相Bを通過することを考慮して、以下の式が得られる。
上記の等式を使用することで、位相BのIGBTに対するスイッチオフ損失IGBT Poffは、以下の式を使用して算出することができる。
位相BのIGBTに対するスイッチオフ損失IGBT Ponは、以下の式を使用して算出することができる。
位相BのIGBTに対する定常損失(オン状態)IGBT Pssは、以下の式を使用して算出することができる。
さらに、位相Bでは、各IGBT104は、半サイクル全体にわたってオンである。したがって、位相Bのダイオードには電流が流れず、したがって、位相B内のダイオードに関連する損失は生じない。
ダブルHブリッジの最適化
図15および図16に関連して記載する等式、ならびに等式3.30〜3.34に記載するヒートシンクパラメータに基づいて、ダブルHブリッジの全熱的挙動に対するコンピュータモデルを構築することができる。このコンピュータモデルを使用してダブルHブリッジの熱特性を分析し、ダブルHブリッジの電力操作能力が、牽引車両または他の当該電気システムの仕様によって要求される性能を満たすかどうかを判定することができる。ダブルHブリッジにとって望ましい例示的な性能特性を、以下で表33および表34に示す。表33は、最大定常動作条件に対するGeneral Electric CompanyのEVOLUTION(登録商標)という機関車の例示的な仕様を示す。表34は、最大過渡条件に対するEVOLUTIONという機関車の例示的な仕様を示す。
ダブルHブリッジにおける接合温度の推定
図17は、リアルタイムのヒートシンク温度読取値を提供するように構成されたダブルHブリッジのブロック図である。図17に示すように、ダブルHブリッジ200は、ヒートシンク306内に配置されたサーミスタなどの温度センサ1700を含むことができる。一実施形態では、ヒートシンク内で位相Bおよび位相CのデュアルIGBT302間に、単一の温度センサ1700を配置することができる。温度センサ1700からの温度読取値は、ダブルHブリッジ200のシステムコントローラ1702へ送ることができる。温度センサの読取値に基づいて、システムコントローラ1702は、位相Aおよび位相BのデュアルIGBTに対する接合温度を算出することができる。このようにして、システムコントローラ1702は、接合温度が確実な動作に対する指定の温度基準範囲内であるかどうかを判定することができる。接合温度が指定の温度基準を超過する場合、システムコントローラ1702は、低減された出力電流を提供するようにデュアルIGBTへのコマンド信号を低下させることなどによって、IGBTを保護するステップをとることができる。単一のサーミスタの温度読取値に基づいて各位相に対する接合温度を判定する技法は、図17を参照するとよりよく理解することができる。
PB*RSairB+PC*RSairC+PA*RSairA 等式5.1
上記の等式では、TSairは、サーミスタ(センサ)位置の温度(TS)1802と冷却空気の温度(Tair)の温度差を表し、PB*RSairB、PC*RSairC、およびPA*RSairAは、センサ温度(TS)に対する位相B、C、およびAの寄与からTairを引いた値である。等式5.1から、TSairの値は、異なる試験構成に対して調べることができる。図4Aに示す試験構成では、PB=PC=PA=Pphの場合、以下の通りである。
TSair_inv/Pph=RSairB+RSairC+RSairA
上記の等式では、TSair_invは、図4Aの構成による試験におけるセンサ位置1802の温度からTairを引いた値を表す。上記の等式に基づいて、温度センサ位置と周囲空気との間の全体的な熱抵抗(RSair_inv)は、以下の等式から判定することができる。
図4Cに示す試験構成では、PC=PA=PphおよびPB=0(位相AおよびCのみ電力供給される)の場合、以下の通りである。
Tsair_AC/Pph=RSairC+RSairA
上記の等式では、TSair_ACは、図4Cの構成(位相AおよびCが電力供給される)による試験におけるセンサ位置1802の温度からTairを引いた値を表す。上記の等式に基づいて、温度センサ位置と周囲空気との間の全体的な熱抵抗(RSair_AC)は、以下の等式から判定することができる。
図4Bに示す試験構成では、PC=PB=PphおよびPA=0(位相BおよびCのみ電力供給される)の場合、以下の通りである。
TSair_BC/Pph=RSairC+RSairB
上記の等式では、TSair_BCは、図4Bの構成(位相BおよびCが電力供給される)による試験におけるセンサ位置1802の温度からTairを引いた値を表す。上記の等式に基づいて、温度センサ位置と周囲空気との間の全体的な熱抵抗(RSair_BC)は、以下の等式から判定することができる。
等式5.2〜5.4を組み合わせることで、等式5.1に対するパラメータを判定することができ、これらのパラメータを以下に示す。
RSairA=RSair_inv−RSair_BC 等式5.6
RSairC=RSair_BC−RSairB 等式5.7
RSairC=RSair_AC−RSairA 等式5.8
図4A〜4Cに示す試験構成のそれぞれに対して、温度センサ1700の上の熱電対を使用して熱測定を行うことができる。温度センサ1700からの測定熱データを使用することで、以下の等式を使用して、センサと周囲空気との間の熱抵抗を、各試験構成に対して判定することができる。
上記の等式では、RSair_configは、特定の試験構成に対する温度センサと周囲空気との間の熱抵抗である。各試験構成に対する例示的なRSair_config値を、以下で表39〜41に示す。
Z=3を使用し、USLについて解くことで、以下の式が提供される。
RSair_invのUSLの例示的な計算を、以下で表53および表54に示す。
表57に示すデータに曲線の当てはめ技法を適用することで、以下の式が得られる。
表58に示すデータに曲線の当てはめ技法を適用することで、以下の式が得られる。
一実施形態では、温度センサ位置の温度TS(1802)と冷却空気の温度(Tair)との間の熱容量を判定することができ、本明細書では、CSair_A、CSair_B、およびCSair_Cと呼ぶ。第1に、表58に示す150SCFMに対する平均試験データから、以下が得られる。
また、Zsair_CA=Rsair_CA||(1/CCA)であり、以下の式が得られる。
τ_BC=190秒
τ_CA=186秒
値TS_XX−Tinlは、以下の等式を使用して推定することができる。
次いで、図19A〜Cに示すように、TS_XX−Tinlに対する推定値と、試験データとを比較することができる。
また、τ=Rth*Cthを考慮することで、以下に示すように、表59からの150SCFMに対する平均試験データを使用して、熱容量を計算することができる。
CSair_A=190/0.0047253→CSair_A=40,209J/℃ 等式5.13
CSair_C=190/0.0236763→CSair_C=8,025J/℃ 等式5.14
上記のデータに基づいて、サーミスタが位相Bと位相Cとの間に位置するため、位相Aの熱容量がセンサの温度の変化に与える影響は、位相BおよびCからの熱容量の影響よりはるかに弱いことが理解されよう。
TB=PB*RB+PC*RBC+Tair
TC=PC*RC+PB*RBC+PA*RCA+Tair
上記の等式では、PA、PB、PCは、それぞれ位相A、B、CのIGBTとダイオードの両方による電力損失である。さらに、熱抵抗パラメータRA、RB、RC、RCA、およびRCBは、等式3.30〜3.34を使用して、空気流量に基づいて判定することができる。これらのパラメータに対するUSLの概要を、表24に示す。
TSair=RSairA*PA+RSairB*PB+RSairC*PC
これらの等式を組み合わせることで、以下の式が得られる。
位相Bに対するPBの寄与は、次の通り表すことができる。
位相Cから位相Bに対するPCの寄与は、次の通り表すことができる。
したがって、TBSに対する等式は、次の通り表すことができる。
同様に、TCSに関しては、本明細書に提供する説明に基づいて、次のことが分かる。
したがって、TCSは、次の通りになる。
位相Bから位相Cに対するPBの寄与は、次の通り表すことができる。
位相Cに対するPCの寄与は、次の通り表すことができる。
位相Aから位相Cに対するPAの寄与は、次の通り表すことができる。
したがって、TBSに対する等式は、次の通り表すことができる。
同様に、TASに関しては、本明細書に提供する説明に基づいて、次のことが分かる。
TSair=RSairA*PA+RSairB*PB+RSairC*PC
これらの等式を組み合わせることで、以下の式が得られる。
位相Aに対するPAの寄与は、次の通り表すことができる。
位相Cから位相Aに対するPCの寄与は、次の通り表すことができる。
したがって、TASに対する等式は、次の通り表すことができる。
上記に示す等式5.17、等式5.21、および等式5.24を認証するために、以下で表62および表63に示すように、RCA、RCB、RC、RB、RA、RSairB、RSairA、およびRSairCに対する試験値を使用して、RB_BS、RC_BCS、RC_CS、RB_CBS、RA_CAS、RA_AS、およびRA_ACSに対する値を得ることができる。
RC_BCS=−2.66E−2+0.5682*EXP(−SCFM/10.37)+0.0396*EXP(−SCFM/302) 等式5.26
RB_CBS=−0.00929+0.31975*EXP(−SCFM/7.8) 等式5.27
RC_CS=0.0299+0.0895*EXP(−SCFM/59.1)+0.087*EXP(−SCFM/13.5) 等式5.28
RA_CAS=−2.19E−3−0.0418*EXP(−SCFM/18)−0.018*EXP(−SCFM/46.29) 等式5.29
RA_AS=4.63E−02+0.1356*EXP(−SCFM/57)−0.0358*EXP(−SCFM/84.5) 等式5.30
RA_ACS=−1.84E−2+0.0338*EXP(−SCFM/200.6)+0.5032*EXP(−SCFM/11.4) 等式5.31
熱容量に関しては、150SCFMで190秒に等しい熱タイミング定数τおよび試験データに対して、表78に示すデータを提供することができる。
等式3.1では、dTBに対するPAの寄与がそれほどないため、RBAはゼロに等しい。したがって、以下の式が得られる。
等式3.2から、以下の式が得られる。
RCA、RA、RC、RBC、およびRBに対するUSL値を、表24に示す。RB*に対する算出を簡約するために、RB>>RBCであるため、電力Po=max(PB,PC)を使用して、所望のRthB_ha(所望のRB*)を推定することができる。この簡約化を適用することで、以下の式が得られる。
RB*について解くことで、以下の式が得られる。
したがって、以下の式が得られる。
同様に、RC*の場合、PA<max(PB,PC)であるため、RC*は次のように簡約することができる。
RB*およびRC*に対するUSL値を展開させることができ、それらを以下で表81および表82に示す。
reqSCFM_C=34.95+591.2*EXP(−RC*/0.0465) 等式7.4
上記の等式では、SCFM_BおよびSCFM_Cは、それぞれ位相BおよびCの確実な動作にとって望ましい空気流値である。図21に示すように、システムコントローラは、上記で示した回帰等式を適用して、ダブルHブリッジに印加される空気流をその制御下で制御するように構成することができる。
上記の等式では、dThaは、ヒートシンクと空気の温度差を表し、dTchは、IGBTケースとヒートシンクの温度差を表し、dTjcは、IGBTとそのケースの接合の温度差を表す。パラメータdThaおよびdTchは、次のように表すことができる。
dTch=(PX/2)*0.018=PX*0.009
したがって、TjXに対する等式は、次のように表すことができる。
RX*について解くことで、以下の式が得られる。
したがって、RB*およびRC*の値は、特定の適用分野に適した指定の最大熱サイクル基準に基づいて算出することができる。一実施形態では、位相Bの最大熱サイクル(TjX−Tair)は、約64.5℃になるように指定することができ、位相Cの最大熱サイクル(TjX−Tair)は、約68.5℃になるように指定することができ、それによって以下の式が得られる。
RC*=(68.5−dTCjc)/PC−0.009 等式7.8
使用されるサイクルレベル(64.5および68.5)の説明は、以下の表84および表85を参照されたい。
ダブルHブリッジのIGBTの熱保護
実施形態では、システムコントローラは、冷却空気を提供するブロワの故障、プレナム内の空気漏れ、トンネル動作などのシステム動作不良の場合にダブルHブリッジのIGBTを熱保護するように構成することができる。たとえば、下記のように負荷電流を低下させて、熱サイクルを低減させることができる。
76℃≦Tj−Tair<86℃、10℃サイズ
別の例では、Tamb=55℃の国の場合、ダブルHブリッジコントローラは、147℃でパルシングを停止するように構成することができ、最大δサイクルは、Tj−Tair=80℃になる。Tjに対する絶対USLは=150℃であることに留意されたい。これは、以下に示す低下範囲を提供する。
70℃≦Tj−Tair<80℃、10℃サイズ
本技法の実施形態は、以下の図23および図24を参照するとよりよく理解することができる。
102 入力電圧、入力DC電圧
104 電子スイッチ、IGBT
106 1次巻線
108 変圧器
110 2次巻線
112 出力
200 ダブルHブリッジ
202 位相A、第1のレッグ
204 位相B、共通、第2のレッグ
206 位相C、第3のレッグ
208 ダイオード
210 第1の変圧器
212 第2の変圧器
214 出力
216 出力
300 熱回路網
302 デュアルモジュール、IGBTモジュール
304 ケース
306 ヒートシンク
308 グリース層
312 P IGBT
314 P Diode
316 熱抵抗
318 熱抵抗
320 熱抵抗
322 熱抵抗
500 熱電対
502 冷却空気流
602 測定温度
604 コンピュータモデル化温度
702 TB−Tinletに対する測定冷却曲線
704 TB−Tinletに対する推定冷却曲線
802 界磁巻線
804 変圧器
806 シリコン制御整流器(SCR)
808 バッテリ
810 変圧器
812 ダイオード
814 キャパシタ
816 インダクタ
902 位相Bの電圧出力Vb+
904 位相AまたはBの電圧出力Vj+
906 変圧器の1次巻線内の電圧Vprim
908 出力波形の期間T
910 時間ton
1002 位相Bの電流出力Ib+
1004 位相AまたはBの電流出力Ij+
1006 変圧器の1次巻線内の電流Iprim
1102 1次巻線内の平均電流
1104 I_phase 1_average
1106 I phase_2 average
1108 IGBT104内の電流
1110 ダイオード208内の電流
1202 第1の部分
1204 第2の部分
1302 Ix
1304 Iy
1306 時間t3
1308 tf
1602 ファン
1604 冷却空気の流れ
1606 プレナム
1608 通路
1702 システムコントローラ
1802 サーミスタ
2300 新しいIbattコマンド
2302 元のIbattコマンド
2500 機関車
2502 駆動ホイール
2504 車軸
2506 装置室
2508 ヒートシンク
ALC 補助論理コントローラ
dTBjc 空気に対するケースBの温度差
dTCjc 空気に対するケースCの温度差
dTjc 所望の冷却レベル
Io 定常電流
P 電力
PA 位相Aの電力
PB 位相Bの電力
PC 位相Cの電力
Ta 温度
Tair 吸気温度
Tb 温度
Tc 温度
Tj 接合温度
TjA 接合温度
TjB 接合温度
TjC 接合温度
TS サーミスタ1802の温度
Va 位相AのIGBTの出力電圧
Vb 位相BのIGBTの出力電圧
Vc 位相CのIGBTの出力電圧
Claims (12)
- ヒートシンクと、
前記ヒートシンクに結合され、励磁器およびバッテリへ電力を送達するように構成された1組のIGBTと、
単一の温度センサと、
コントローラと、
を備え、
前記1組のIGBTが、
前記励磁器へ電力を提供するように構成された第1のデュアルIGBTと、
バッテリへ電力を提供するように構成された第2のデュアルIGBTと、
前記励磁器および前記バッテリに共通の第3のデュアルIGBTと、
を備え、
前記単一の温度センサが、前記ヒートシンク内の前記第2のデュアルIGBTと前記第3のデュアルIGBTとの間に配置され、
前記コントローラが、
前記単一の温度センサから温度読取値を受け取り、前記温度読取値に基づいて、前記第2のデュアルIGBTに対する第1の接合温度と前記第3のデュアルIGBTに対する第2の接合温度を判定し、
前記第1の接合温度または前記第2の接合温度が所定の閾温度を超えたときに、前記第1乃至第3のデュアルIGBTのそれぞれによって提供される出力電力を低下させる、
ように構成される、
電子デバイス。 - 前記所定の閾温度が摂氏約137度である、請求項1に記載の電子デバイス。
- 前記コントローラが、周囲空気の温度を判定し、前記第1の接合温度と前記周囲空気の前記温度の温度差に少なくとも部分的に基づいて、前記出力電力を低下させるように構成される、請求項1または2に記載の電子デバイス。
- 前記コントローラが、前記温度差が摂氏約76度より大きい場合、前記出力電力を低下させるように構成される、請求項3に記載の電子デバイス。
- 前記コントローラが、システムコントローラから受け取ったIGBTコマンドおよび前記第1または第2の接合温度に少なくとも部分的に基づいて、前記IGBTコマンドに置き換わる新しいIGBTコマンドを生成し、前記出力電力を低下させることを含む、請求項1乃至4のいずれか記載の電子デバイス。
- ヒートシンクと、
前記ヒートシンクに結合され、励磁器およびバッテリへ電力を送達するように構成された1組のIGBTと、
単一の温度センサと、
コントローラと、
を備え、
前記1組のIGBTが、
前記励磁器へ電力を提供するように構成された第1のデュアルIGBTと、
バッテリへ電力を提供するように構成された第2のデュアルIGBTと、
前記励磁器および前記バッテリに共通の第3のデュアルIGBTと、
を備え、
前記単一の温度センサが、前記ヒートシンク内の前記第2のデュアルIGBTと前記第3のデュアルIGBTとの間に配置され、
前記コントローラが、
前記単一の温度センサから温度読取値を受け取り、前記温度読取値に基づいて、前記第2のデュアルIGBTに対する第1の接合温度と前記第3のデュアルIGBTに対する第2の接合温度を判定し、
前記第1の接合温度または前記第2の接合温度が所定の閾温度を超えたときに、前記第1乃至第3のデュアルIGBTのそれぞれによって提供される出力電力を低下させる、
ように構成される、
車両用の電力システム。 - 前記所定の閾温度が摂氏約137度である、請求項6に記載の電力システム。
- 前記コントローラが、周囲空気の温度を判定し、前記第1の接合温度と前記周囲空気の前記温度の温度差に少なくとも部分的に基づいて、前記出力電力を低下させるように構成される、請求項6または7に記載の電力システム。
- 前記コントローラが、前記温度差が摂氏約76度より大きい場合、前記出力電力を低下させるように構成される、請求項8に記載の電力システム。
- 第1のデュアルIGBT、第2のデュアルIGBTおよび第3のデュアルIGBTを備える電子デバイス内の熱サイクルを低減させる方法であって、
ヒートシンク内の前記第2のデュアルIGBTと前記第3のデュアルIGBTとの間に配置された単一の温度センサから温度読取値をコントローラが受け取るステップと、
前記温度読取値に基づいて、少なくとも前記第2のデュアルIGBTおよび前記第3のデュアルIGBTの接合温度をコントローラが判定するステップと、
前記第2のデュアルIGBTまたは前記第3のデュアルIGBTの接合温度が所定の閾温度を超えたときに、前記第1乃至第3のデュアルIGBTのそれぞれによって提供される出力電力をコントローラが低下させるステップと、
を含み、
前記第1のデュアルIGBTは、励磁器へ電力を提供するように構成され、
前記第2のデュアルIGBTは、バッテリへ電力を提供するように構成され、
前記第3のデュアルIGBTは、前記励磁器および前記バッテリに共通する、
方法。 - 周囲空気の温度を判定するステップと、前記第2のデュアルIGBTの接合温度と前記周囲空気の前記温度の温度差に少なくとも部分的に基づいて、前記出力電力を低下させるステップとを含む、請求項10に記載の方法。
- システムコントローラからIGBTコマンドをコントローラが受け取るステップと、前記IGBTコマンドおよび前記第2のデュアルIGBTの接合温度に少なくとも部分的に基づいて、前記IGBTコマンドに置き換わる新しいIGBTコマンドをコントローラが生成し、前記出力電力を低下させるステップを含む、請求項10または11に記載の方法。
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