SE535841C2

SE535841C2 - Converter device and method for measuring temperature in such device

Info

Publication number: SE535841C2
Application number: SE1100209A
Authority: SE
Inventors: Waldemar A Belwon; Andreas Loefgren
Original assignee: Bombardier Transp Gmbh
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2013-01-08
Also published as: SE1100209A1

Description

15 20 25 30 35 535 841 mer av uppfinningen finns angivna i de icke självständiga patent- kraven. 15 20 25 30 35 535 841 more of the invention are set out in the independent claims.

Med en anordning enligt föreliggande uppfinning kan temperatu- ren hos enskilda IGBT-moduler övervakas med en styresdrivkrets ansluten till konventionella styres- och emitteranslutningar, där- med möjliggörande detektering av variationer i temperatur som kan uppkomma i enskilda IGBT-moduler. Dessutom är reaktions- tiden hos temperaturmätningen förbättrad jämfört med den nuva- rande temperaturmätningslösningen med en temperaturavkän- nare monterad på kylaren hos strömriktaranordningen.With a device according to the present invention, the temperature of individual IGBT modules can be monitored with a control drive circuit connected to conventional control and emitter connections, thereby enabling the detection of variations in temperature that may occur in individual IGBT modules. In addition, the reaction time of the temperature measurement is improved compared to the current temperature measurement solution with a temperature sensor mounted on the radiator of the converter device.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Med hänvisning till de bifogade ritningarna följer nu en detaljerad beskrivning av utföringsformer av uppfinningen i form av exem- pel.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS With reference to the accompanying drawings, a detailed description of embodiments of the invention in the form of examples now follows.

Pá ritningarna: Fig 1 är ett schematiskt kretsschema för en första utförings- form av strömriktaranordningen.In the drawings: Fig. 1 is a schematic circuit diagram of a first embodiment of the converter device.

Fig 2 är ett schematiskt kretsschema för en andra utförings- form av strömriktaranordningen.Fig. 2 is a schematic circuit diagram of a second embodiment of the converter device.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Strömriktaranordningen 1 schematiskt visad i figur 1 innefattar en styresdrivkrets 2 och en IGBT-modul 3 innefattande en IGBT 4.DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION The converter device 1 schematically shown in Figure 1 comprises a control drive circuit 2 and an IGBT module 3 comprising an IGBT 4.

Styresdrivkretsen innefattar två spänningskällor 11 på +/- 15 V, en spänningsavkännare 5, här i form av en spänningskomparator, och medel för tidsmätning. Medlen för tidsmätning är här inklude- rade i en digital processenhet 6. |GBT:n innefattar en kollektor C, en emitter E och ett styre (gate) G och därtill hörande kollektoranslutning 8, emitteranslutning 9 och styresanslutning 10 15 20 25 30 35 535 841 10. Mellan styresanslutningen och emitteranslutningen är en temperaturberoende resistor eller termistor 7 monterad. Styres- drivkretsen är ansluten till lGBT:n via styre-emitterkabel.The control drive circuit comprises two voltage sources 11 of +/- 15 V, a voltage sensor 5, here in the form of a voltage comparator, and means for time measurement. The means for measuring time are here included in a digital process unit 6. The GBT comprises a collector C, an emitter E and a gate G and associated collector connection 8, emitter connection 9 and control connection 10 15 20 25 30 35 535 841 10. A temperature-dependent resistor or thermistor 7 is mounted between the control connection and the emitter connection. The control drive circuit is connected to the lGBT via control emitter cable.

Spänningskällorna 11 matar styret hos lGBT:n 4. I spärrat till- stånd (IGBT frànlåge) är styret vid samma potential som, eller lägre, än emittern och ingen ström flyter från kollektor till emitter.The voltage sources 11 supply the control of the IGBT 4. In the locked state (IGBT off position), the control is at the same potential as, or lower, than the emitter and no current flows from the collector to the emitter.

När spänningen som läggs på styret relativt emittern (hädanefter kallad styresspänning) ökas över en tröskelspänning börjar ström flyta mellan kollektor och emitter (IGBT tilläge). Spänningskäl- lorna håller styresspänningen på en konstant nivå under tilläge och frânläge. Ingen signifikant styresström går in i lGBT:n under till- och frånläge.When the voltage applied to the handlebar relative to the emitter (hereinafter referred to as the control voltage) is increased above a threshold voltage, current begins to flow between the collector and the emitter (IGBT supplement). The voltage sources keep the control voltage at a constant level during on and off mode. No significant control current enters the lGBT during on and off mode.

För mätning av temperaturen hos lGBT:n 4 visad i figur 1 slås spänningskällan 11, vilken för tillfället matar styret G hos lGBT:n, från av styresdrivkretsen 2. En tidsmätning initieras. Den interna ingångskapacitansen hos lGBT:n börjar ladda ur genom termis- torn 7 och styresspänningens magnitud minskar. Eftersom resi- stansen hos termistorn är temperaturberoende och termistorn är i termisk kontakt med lGBT:n beror urladdningstiden på tempera- turen hos lGBT:n. Då styresspänningen når en särskild förutbe- stämd nivå, såsom indikerad av spänningsavkännaren 5, stoppas tidsmätningen, spänningskällan slås till igen och temperaturen beräknas från tiden som gått under urladdningsprocessen. Bero- ende på typen av termistor som används antingen ökar eller minskar urladdningstiden då temperaturen ökar.To measure the temperature of the IGBT 4 shown in Figure 1, the voltage source 11, which currently supplies the control G of the IGBT, is turned off by the control drive circuit 2. A time measurement is initiated. The internal input capacitance of the lGBT starts to discharge through the thermistor 7 and the magnitude of the control voltage decreases. Since the resistance of the thermistor is temperature dependent and the thermistor is in thermal contact with the lGBT, the discharge time depends on the temperature of the lGBT. When the control voltage reaches a particular predetermined level, as indicated by the voltage sensor 5, the time measurement is stopped, the voltage source is switched on again and the temperature is calculated from the time elapsed during the discharge process. Depending on the type of thermistor used, either increases or decreases the discharge time as the temperature increases.

IGBT-modulen 3 kan innefatta ett flertal enskilda IGBT:s 4. En typisk IGBT-modul som används i en strömriktare innehåller sex separata substrat, vardera innehållande fyra IGBT-chip och tvà diodchip. De fyra lGBT-chipen är parallellkopplade med dioderna som antiparallella frihjulsdioder. De sex substraten är i sin tur parallellkopplade i par, med tre kollektoranslutningar och tre emitteranslutningar externt pâ modulen. Parallellkopplingen av multipla chip möjliggör för större strömmar att passera genom lGBT:n medan strömmen genom varje chip hålls måttlig. Utöver 10 15 20 25 30 35 535 841 de huvudsakliga kollektor- och emitteranslutningarna har modu- len även ytterligare kollektor- och emitteranslutningar för övervakning såväl som en extern huvudstyresanslutning för switchstyrning.The IGBT module 3 may comprise a plurality of individual IGBTs 4. A typical IGBT module used in a converter contains six separate substrates, each containing four IGBT chips and two diode chips. The four lGBT chips are connected in parallel with the diodes as antiparallel freewheel diodes. The six substrates are in turn connected in parallel in pairs, with three collector connections and three emitter connections externally on the module. The parallel connection of multiple chips allows for larger currents to pass through the lGBT while keeping the current through each chip moderate. In addition to the main collector and emitter connections, the module also has additional collector and emitter connections for monitoring as well as an external main control connection for switch control.

Termistorn 7 som används kan vara antingen en termistor med negativ temperaturkoefficient (NTC), normalt använd för tempe- raturmätnings- och -kompensationstillämpningar, eller en ter- mistor med positiv temperaturkoefficient (PTC), vanligen använd för överströms- eller temperaturskyddstillämpningar. Även en linjär PTC-termistor kan användas. En NTC-termistor med brant resistanskaraktäristik kan fördelaktigen användas vid tempera- turmätning i en IGBT-modul 3 innefattande parallellkopplade IGBT:s 4 i IGBT-modulen såsom visat i figur 2. Flera termistorer 7 kan monteras inuti en IGBT-modul och parallellkopplas, vilket möjliggör övervakning av olika sektioner hos modulen.The thermistor 7 used can be either a negative temperature coefficient (NTC) thermistor, normally used for temperature measurement and compensation applications, or a positive temperature coefficient (PTC) thermistor, commonly used for overcurrent or temperature protection applications. A linear PTC thermistor can also be used. An NTC thermistor with steep resistance characteristics can be advantageously used in temperature measurement in an IGBT module 3 comprising parallel connected IGBTs 4 in the IGBT module as shown in figure 2. Several thermistors 7 can be mounted inside an IGBT module and connected in parallel, which enables monitoring of different sections of the module.

Spänningskällan eller källorna 11 kan t ex vara spänningskällor med fälteffekttransistorer av typen metalloxidhalvledare (MOS- FET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). Mag- nituden hos matarspänningen är självklart anpassad till typen av strömriktaranordning. Spänningsavkännaren 5 är fördelaktigen en eller flera spänningskomparatorer, men kan också vara en spänningsmätkrets.The voltage source or sources 11 may be, for example, voltage sources with field oxide transistors of the metal oxide semiconductor type (MOS-FET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). The magnitude of the supply voltage is of course adapted to the type of converter device. The voltage sensor 5 is advantageously one or more voltage comparators, but can also be a voltage measuring circuit.

Samma trådar som används för IGBT tilllfrànstyrning kan således användas för mätning av temperaturen i lGBT-modulen, utan be- hov av en extra temperaturavkännare monterad på kylaren. Tem- peraturmätningen kan utföras både under strömriktarens spärr- tillstånd, dvs när lGBT:n är i konstant frànläge, och under det att strömriktning pågår, det vill säga när lGBT:n är i ett switchtills- tänd. När |GBT:n är i switchtillstànd alternerar den mellan tilläge och frånläge.The same wires used for IGBT control can thus be used to measure the temperature in the lGBT module, without the need for an additional temperature sensor mounted on the radiator. The temperature measurement can be performed both during the inverter blocking state, ie when the lGBT is in constant off position, and while the current direction is in progress, ie when the lGBT is in a switch on state. When the | GBT is in switch mode, it alternates between on and off mode.

Mätnoggrannheten hos temperaturmätningsförfarandet beskrivet ovan kan förbättras genom att, under lGBT:ns tillslagningspro- cess. mäta lGBT:ns laddning vid styret. För relevanta driftsvär- 535 841 den av styresspänningen är laddningen vid styret inte tempera- turkänslig. Mätning av styrets laddning i kombination med ur- laddningstiden för IGBT:n förbättrar noggrannheten. Under från- slagningsprocessen bör även kollektor-emitterspänníngen, vilken påverkar styrets laddning, mätas för förbättrad mätnoggrannhet.The measurement accuracy of the temperature measurement method described above can be improved by, during the IGBT shutdown process. measure the charge of the lGBT at the handlebars. For relevant operating values of the control voltage, the charge at the control is not temperature sensitive. Measuring the handlebar charge in combination with the IGBT discharge time improves accuracy. During the shut-off process, the collector-emitter voltage, which affects the handlebar charge, should also be measured for improved measurement accuracy.

Claims

A converter device (1) comprising: a control drive circuit (2), which includes at least one voltage source (11), a voltage sensor (5) and means for measuring time; and an isolated control bipolar transistor module (IGBT module) (3) which includes at least one IGBT (4), at least one control terminal (10), at least one collector terminal (8) and at least one emitter terminal (9); where the control drive circuit is connected to a control terminal and an emitter terminal of the IGBT module, and where the at least one voltage source supplies the at least one control terminal of the IGBT module, characterized in that the device also comprises at least one thermistor (7), which is connected between at least a control connection and at least one emitter connection of the IGBT module and which is mounted in thermal contact with the IGBT module. Converter device (1) according to claim 1, characterized in that the thermistor (7) and the control drive circuit (2) are connected to the same control connection (10) and emitter connection (9). Converter device (1) according to Claim 1 or 2, characterized in that the thermistor (7) is a thermistor with a negative temperature coefficient (NTC) or a thermistor with a positive temperature coefficient (PTC). Converter device (1) according to claim 1 or 2, in that the voltage sensor (5) is a voltage comparator. Converter device according to one of the preceding claims, characterized in that the IGBT module (3) comprises at least one chip on which at least one IGBT (4) is mounted. 10 15 20 25 30 10. 535 84 '| Converter device (1) according to claim 5, characterized in that the IGBT module (3) comprises more than one chip connected in parallel. Converter device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermistor (7) is integrated with the IGBT module (3). Method for measuring temperature in at least one bipolar transistor module with isolated control (IGBT module) (3) included in a converter device (1) according to any one of the preceding claims, comprising the steps of:, switching off the voltage source (11) which is currently supplies the control connection (10) of the IGBT module; initiate a time measurement; discharging the IGBT module through the thermistor (7), thereby reducing the magnitude of the control voltage; monitor the control voltage using the voltage sensor (5); at a predetermined control voltage level, stop the time measurement; and calculate the temperature of the IGBT module from the time elapsed during the discharge step. A method according to claim 8, wherein the temperature measurement is performed in a switch state of the IGBT module. A method according to claim 9, wherein the temperature measurement is performed in a constant off position of the IGBT module.