TW200903208A - Temperature monitoring of power switches - Google Patents

Description

200903208 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於偵測及/或監視尤其由半導體材料製成 之至少兩電子電力開關之溫度的方法。此外，這兩切換模 組與共同冷卻體親合在一起，例如位在該共同冷卻體之上 。藉由溫度模型進行溫度偵測及/或監視，各與開關或切 換模組之一關聯。在與開關之一關聯的溫度模型中，處理 切換及操作參數以計算相關開關中之溫度及/或溫度差。 本發明進一步關於溫度散發電子電力開關組件，其可 尤其由電性驅動器用之轉換器或另一轉換器所構成。此配 置適合進行上述方法，並備有兩或更多開關，尤其係電力 半導體開關，其與共同冷卻體耦合，例如位在共同冷卻體 上。計算器計算各開關之溫度模型，並且經由介面記錄代 表切換及操作參數之信號以及溫度測量値。依此方式，藉 由在計算器內啓動之溫度模型來計算相關開關中的溫度及 /或溫度差。 【先前技術】 具有上述類型之電力半導體之轉換器的方法及配置可 見於歐洲專利案EP 1 193 75 6 A1。在此使用至少計算圍 繞冷卻體及/或供應至冷卻體之空氣的溫度、操作參數及 單元參數之溫度模型，並計算溫度差及/或溫度。在轉換 器的冷卻鏈中，在不同位置測量兩個溫度，並試圖藉由有 關電力開關損耗之溫度模型來計算這兩處之溫度。建議將 -4- 200903208 兩溫度感測器設置在不同處，使得第一位置比第二溫度測 量位置提供實質上較低的阻導熱性給開關。事實上，在第 一位置中之溫度感測器測量電力半導體開關之溫度，而在 第二位置的溫度感測器測量由風扇帶入並導向冷卻體以抽 取熱之供氣的溫度。然而，這個的一項缺點爲假設在冷卻 媒體內’亦即在風扇供氣中以及冷卻體中之溫度分佈係以 均勻的方式分佈，並進一步假設轉換器的所有半導體電力 開關會在相同的溫度並受到一樣的溫度改變。 用於保戶末端區域不過熱的一種方法可見於德國專利 案DE 198 60 7 62 A1中，藉此未端區域爲燃機用之控制器 的一部分。末端區域之電力開關的損耗，及因此其之溫度 ，係假設與接通（s w i t c h ο η )時間成正比。由至少把控制 器構件之內損耗納入考量之中的溫度模型來偵測溫度。從 控制時間計算個別末端區域之實際損耗。 用於監視閘流器之溫度的一種機構可見於德國專利案 DE 3 5 3 6 098 Α1，由冷卻體及周遭空氣冷卻該閘流器。爲 了不超過閘流器半導體上的最大溫度，記錄下周遭空氣的 溫度及閘流器的損耗。在一種稱爲「電力半導體、冷卻體 、至周遭空氣的冷卻媒體」之熱模型的輔助下，判斷在閘 流器的溫度。 從思米康（SEMIKRON)公司的應用手冊2005/ 1 2之 第135頁開始的章節3_2描述半導體切換模組，尤其係 IGBT的熱特性。在此特別描述IGBT之電晶體及自由二極 體之損耗的計算，以及對預定之150°C的最大允許阻障層 -5- 200903208 溫度的嚴守。此外，第1 4 5頁顯示用於計算阻障層溫度之 詳細的熱取代流程圖。然而，此公司資訊並未顯示針對具 有多個半導體電力切換模組之配置，此常見於轉換器中， 該如何有效率地進行溫度記錄及監視。 因此本發明之目的在於，針對具有數個電子電力開關 之配置的溫度監視，以所有開關最小可能的額外努力來增 加所有開關的溫度記錄之可靠度及準確性。 【發明內容】 根據藉由如申請專利範圍第1項中所述的溫度記錄及 /或監視方法以及如申請專利範圍第1 0項中所述的溫度散 發電子電力切換配置的發明來解決此問題。從附屬項中可 得到本發明之進一步的較佳實施例。 本發明之一般教示的特徵在於設計並使用用於監視電 力開關的溫度感測器，使得數個或較佳所有的電力開關系 統性倂入溫度記錄及評估中。當各電力開關在本發明的背 景中實際上以熱方式與至少一溫度感測器連接時，可透過 溫度感測器的信號輸出而原則上將所有電力開關的溫度納 入考量之中’以供溫度監視用。 藉由本發明之一般教示’可解決實際上冷卻媒體內的 溫度分佈不均的問題。事實上’尤其當電力開關承受較大 負載時，入口及出口氣流間的溫差較高’甚至在電力開關 形成的轉換器中非常大’因爲高損耗相應地必須透過冷卻 媒體輸出。此外’冷卻體亦在各種不同位置及不同區域中 -6- 200903208 呈現出大的溫差。當設計成尚能力之轉換器有大的機械尺 寸及擴展時，或當輸出頻率或基礎馬達振動頻率大約爲零 時尤其係如此。當輸出頻率或基礎馬達振動頻率爲零，不 同電力開關之損耗極爲不同。 上述先前技術之方法無法藉由溫度模型的輔助來準確 地計算各個電力開關之溫度，併保護電力開關不過熱，因 爲總是假設實際上不存在的均勻之溫度分佈。相反地，藉 由本發明，因爲能夠精確地熱監視電力開關而可更佳利用 電力開關，例如以較低的電力儲存利用電力開關。藉由本 發明可透過溫度感測器以最小額外的努力來非常精確地偵 測數個電力開關的溫度，例如具有非常大機械尺寸及/或 在非常小輸出頻率或基礎馬達振動頻率操作的轉換器之那 些電力開關，基於此可更有效地使用熱能力。 根據本發明之一非必要的較佳實施例，以同步方式控 制及/或串連定位之兩開關一起作用，使得可在位於兩開 關之間的第二節點測量交流電或多相交流電，尤其係三相 電流之一相。特別在以已知方式創造之三相電流系統的情 況中，其中具有尤其供轉換器用之供應有直流電的電力開 關配置，實現本發明之一較佳實施例，其中各交流或三相 電力相位的開關分配有至少一共同的溫度感測器。此可接 著供應溫度資訊至計算器，以藉由位在相關溫度感測器相 對側的開關來計算溫度模型。 分配給開關或多個開關的溫度模型之適合的輸入參數 爲操作參數，如流經開關的電性電流、供應至一或更多開 200903208 關之電性電流，尤其係轉換器之過渡電路的直流電，及/ 或切換控制器的頻率或間隔。此外，可將單元特定之參數 倂入相關溫度模型之中，如相關開關內部或冷卻體中的熱 電阻器或電容器。藉由此溫度模型，一方面可導出熱時間 常數，其作用於冷卻體及電力開關模組底板之間的溫度傳 輸，而另一方面可計算模組底板之溫度，如電力開關之機 殼或底板。此外並基於冷卻體及機殼溫度，藉由其本身中 已知的溫度模型來計算例如傳統電力開關模組之電晶體及 二極體的阻障層溫度之時間上的發展（見上述SEMIKROM 公司文獻，尤其係第146頁），以控制對最大允許阻障層 溫度之嚴守。此外，上述SEMIKROM公司文獻描述偵測 例如電力開關模組之電晶體及二極體的損耗之方法。 當使用電力開關溫度監視器來操作電性三相馬達時， 會面臨到馬達不僅會運動，例如由電性三相場穿過，亦會 靜止不動。在第一種情況中，亦即輸出或基礎馬達振動頻 率超過約五赫茲，尙能假設平均電流値，即相關電力開關 之損耗的中間値，並將此中間値供溫度模型用。在第二種 情況中’例如輸出或基礎馬達振動頻率小於約五赫茲，較 佳使用公式及方法來計算相關開關損耗之瞬間値（見上述 SEMIKROM公司文獻）。 本發明之電性電力及溫度散發開關配置之特徵在於將 溫度感測器分配給至少兩電力開關，藉此與電力開關的數 量相比僅需約一半的溫度感測器數量，因爲有介於其中之 中央溫度感測器配置。依此方式，針對具有六個電力開關 -8 - 200903208 之傳統三相馬達，三個溫度感測器即足夠’其較佳中央定 位在三相電力相位的兩個開關之間。 此外，在超過兩個電力開關的情況中’根據本發明之 一進一步的較佳實施例，相關數量之溫度感測器可較佳均 勻地分佈在冷卻體的整個表面上。替代地或額外地，沿著 冷卻體之較佳中央對稱線定位數個溫度感測器較有用。在 例如產生三相電流網路之六個電力開關的情況中，可在兩 個電力開關間中央設置三個相關的感測器，藉此對稱線則 例如代表冷卻體之中央縱軸。 【實施方式】 根據第1圖’六個電力半導體開關S1至S6直接設置 在稍微矩形的冷卻體上。它們配置成兩平行排，S 1至S3 與S4至S6並排’各排可沿著冷卻體的一半朝縱向方向延 伸。在第2圖中’以業界熟知的方式顯示開關S i至S 6的 詳細組成（見上述SEMIKRON公司資訊；第 68、69及 139頁）。尤其明顯地，各電力開關31至36已分配有一 自由例如返回二極體〇丨至D6。在串連切換並各產生三相 電流系統之相位U、V及w的兩電力開關S 1與S 4、S 2與 S 5 & S 3與S 6之間’測量正弦形交流電並且例如供應至 二相馬達之齒條的線圏L 1、l 2及L 3。 在三相馬達5的三相絞進行電流測量4。透過風扇2 供Μ空氣給冷卻體〗以減少熱量。電流測量4的信號輸出 係供應至計算器8 ’例如數位信號處理器（DSP )，其用 200903208 來處理並評估感測器輸入信號，及在編程並實施於計算器 中之溫度模型的輔助下用來監視溫度等等。此外，計算器 8例如連接至用來測量過渡電路電壓1 2之機構，以經由類 比/數位轉換器進一步評估。由網路電壓1 0供應之整流器 11用來產生過渡電路電壓。從網路電壓10藉由整流器H 衍生而來直流電1 2 —般已知經由變壓器9轉變成三相系 統，以供應給三相馬達5。在脈寬調變（PWM )方法的輔 助下，由計算器8藉由控制信號7來控制，例如啓動電力 開關S1至S6，以產生與在齒條線圈LI、L2及L3的三相 系統之三相對齊之適合的電壓Uu、Uv、Uw，以及產生正 弦形交流電。針對較高能力之變壓器，必須使用離散電力 開關，其之機械尺寸因其之本質而頗大。 在操作期間這些電力開關S 1至S 6中發生的損耗會取 決於電力開關之各種操作參數及單元技術參數。操作參數 可例如爲流經電力開關並可由電流測量4記錄的電性電流 、可由電壓測量6記錄之過渡電路電壓、電力開關之切 換頻率及操作類型或三相馬達5之基礎振動頻率。電力開 關之製造商一般知道電力開關之參數。電力開關損耗轉移 至冷卻體1，而周遭空氣3透過冷卻媒體抽取損耗至空氣 。在包括可實施以計算開關之損耗及/或阻障層溫度的電 力開關用之熱取代流程圖的計算器方法中，在後者的情況 中假設具有電力半導體之實現。 電力開關S1至S6的溫度因而取決於整體電力區域之 損耗及各種的熱參數，其則取決於機械構造。這些單元參 -10- 200903208 數爲電力開關S1至S6及冷卻體1的熱電阻器與熱電容器 。半導體製造商已知電力開關的熱電阻器與熱電容器（見 上述SEMIKRON公司資訊），並可藉由各種電力區域判 斷冷卻體1的那些。爲了監視電力開關之允許的最大阻障 層溫度，使用與各電力開關關聯的溫度模型’其用來計算 阻障層溫度（見上述SEMIKRON公司資訊及其他）°在 第3圖之熱取代流程圖中出現的縮寫如下： PVD:返回二極體的損耗

Rj cD :晶片與模組底板間之二極體的熱過渡電阻 Cj D :二極體晶片之熱能力 P V T :電晶體的損耗

RjcT:晶片與模組底板間之電晶體的熱過渡電阻 CjT:電晶體之熱能力

Rch :模組底板及冷卻體之間的熱過渡電阻 C c :模組底板的熱能力

TjD:二極體阻障層之溫度

TjT:電晶體阻障層之溫度

Tc:模組底板之溫度

Th:冷卻體之溫度，Thu例如爲針對相位U 在三相電流的操作期間，流經相關電力開關S 1至S 6 電流爲正弦形，以及其之振幅週期性在零與最大値之間改 變。電力開關中之損耗因此亦週期性改變。在變壓器9的 輸出頻率大於五赫茲的情況中，可使用因熱時間常數的效 應所造成之損耗的中間値來約略計算電力半導體阻障層之 -11 - 200903208 溫度。在低輸出頻率例如上至五赫茲的情況中’應使用損 耗之瞬間例如片刻値。有關於損耗的計算請參照上述 SEMIKRON公司資訊。 根據第1圖，藉由溫度感測器Thu、Thv及Thw來針 對三相位U、V及W的每一個進行測量。選擇測量位置， 使得相位W之電力開關（例如S1 (或S 4 ))之阻障層的 溫度與分配給其他相位U及V的電力開關（例如相位V 的S2或S5)之損耗幾乎不相干，並可在計算器8中計算 。同時，具有特定交流電相位之電力開關（例如具有相位 W之S 1 )的損耗亦與分配給此相位w之第二開關s 4的損 耗幾乎不相干。針對所有開關S 1至S6，可在溫度感測器 Thu、Thv及Thw的輸出信號輔助下，計算相關阻障層溫 度。 根據第1圖，選擇溫度感測器之測量位置，使得即使 不均勻溫度分佈也不會不利地影響冷卻體及/或電力開關 S 1至S6之間的個別電力開關之溫度監視。針對此，溫度 感測器Thu、Thv及Thw各確切位在分配給三個個別的相 位U、V及W的兩個之開關S 1與S4、S2與S5及S3與 S6之間的中間中。從此，在開關S1至S3及S4至S6兩 排之間的同排中的溫度感測器之配置會產生冷卻體之縱向 方向。根據第1圖，三個溫度感測器Thu、Thv及Thw的 配置’各在三相位之一的兩開關的電力開關對之間，係沿 著一對稱線’尤其係冷卻體1的中央縱軸。 在測試的輔助下，偵測真實世界中各類電力區域之熱 -12- 200903208 時間常數Tch = Rch*Cc ’其代表模組底板及電力開關及冷 卻體1之間的熱過渡，以及用於形成計算溫度感測器測量 値之輸入側的溫度模型。 當已計算的阻障層溫度或阻障層與電力開關的模組底 板之間的溫差超過特定限値時，觸動至少一安全動作。此 種安全動作的範例爲： 聲音及/或光學信號 減少電力 減少切換頻率或基礎馬達振動頻率 阻止變壓器 亦可裝設多個限制，如限値，以觸動各種不同動作。 【圖式簡單說明】 將從本發明之一較佳實施例的詳細說明及附圖得到根 據本發明之進一步的細節、特徵、特徵結合、效果及優點 ，藉此： 第1圖顯示具有轉換器及空氣冷卻之電力區域以及溫 度監視用之數位信號處理器的單元技術區塊圖； 第2圖顯示用於產生電力驅動之三相電流系統之轉換 器切換組態之原理流程圖；以及 第3圖顯示以電力半導體實現之切換模組的簡化熱取 代流程圖。 【主要元件符號說明】 -13- 200903208 1 :冷卻體 2 :風扇 3 :供氣 4 :電流測量 5 :馬達 6 =過渡電路電壓之測量 7 :控制信號 8 :監視及評估用之數位信號處理器 9 :變壓器 1 〇 :網路電壓 1 1 :整流器 1 2 :過渡電路電壓 S 1、S 4 :相位W之半導體電力開關 S 2、S 5 :相位V之半導體電力開關 S 3、S 6 :相位U之半導體電力開關

Dl、D4:相位W之返回，例如自由二極體 D2、D 5 :相位V之返回，例如自由二極體 D 3、D 6 :相位U之返回，例如自由二極體

Thu :相位U之溫度感測器

Thv :相位V之溫度感測器

Thw :相位W之溫度感測器 -14 -

Claims (1)

1. 200903208 十、申請專利範圍 1 _ 一種偵測及/或監視至少兩電子電力開關（s 1至 S 6 )之溫度的方法，尤其係與共同冷卻體（1 )耦合’例 如配置在該共同冷卻體（1)上之半導體電力開關’藉此 由各分配給一開關（S 1至S 6 )的溫度模型來進行溫度偵 測及/或監視，其中處理開關及操作參數還有溫度測量値 ，以計算相關開關（S 1至s 6 )中之溫度及/或溫度差，其 特徵在於來自一溫度感測器（Thu、Thv及Thw )的溫度 測量値用作該溫度模型的輸入參數，其設置在至少兩開關 (S 1至S 6 )之間的中央，並位在與該冷卻體（1 )的熱傳 送連結上。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中將該至少兩 開關（s 1至S6 )互相平行協調及/或時控，以產生二、三 或多相交流電系統，尤其係來自直流電之三相系統（Usu 、Usv及Usw)之一交流電或相位（U、V及W)。 3. 如申請專利範圍第1項之方法，藉此超過兩開關 (S 1至S6 )係用來產生二、三或多相交流或三相系統（ Usu、Usv犮Usw)，其各與該共同冷卻體（1)耦合，其 中每個開關（S 1至S6 )使用來自該溫度感測器（Thu、 Thv及Thw )之一溫度測量値作爲該溫度模型的輸入參數 ，該溫度感測器位在兩相鄰定位及/或相鄰配置的開關（ S 1至S 6 )之間的中央之冷卻體（1 )上。 4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中各交流或三 相電流相位（U、V及W )之該些開關（S 1與s 4、S 2與 -15- 200903208 S5及S3與S6)分配有至少一共同的溫度感測器（Thu、 Thv 及 Thw )。 5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中流經該些開 關（S1至S6)之電性電流、供應至一或更多開關（S1至 S6)之電性電壓、該些開關之切換頻率或間隔及/或該些 開關（S1至S6 )及/或該冷卻體（1 )的熱電阻及/或電容 用作該（些）溫度模型之輸入參數。 ~ 6. 如申請專利範圍第1項之使用半導體電力開關的 方法，其中藉由針對各半導體電力開關之該溫度模型來計 算一或更多阻障層溫度及/或一阻障層溫度及該半導體電 力開關的機殼或底板溫度之間的至少一溫度差，以及藉由 已計算之溫度或溫度差當超過特定溫度臨限値時觸發安全 措施。 7 ·如申請專利範圍第1項之使用半導體電力開關的 方法’其中藉由該溫度模型處理一或更多主動可切換元件 ，例如該半導體電力開關之電晶體及/或二極體的損耗値 〇 8 ·如申請專利範圍第6及7項之方法，其中該些相 關損耗之中間値用來計算針對超過5 Hz之輸出或基礎振 動頻率的一或更多阻障層溫度。 9.如申請專利範圍第6及7項之方法，其中該些相 關損耗的目前或瞬間値用來計算針對高達5 Hz之輸出或 基礎振動頻率的一或更多阻障層溫度。 1 0 · —種電子溫度散發電力開關配置，尤其係電性驅 -16- 200903208 動器或其他蕾< 、$力整流器用之用來進行如上述申請專利範圍 之任項的方法之變壓器（9)，具有兩或更多開關（si 、S 2 及 S3〉 ’尤其係與共同冷卻體（1 )耦合或配置在其 (1 )上之半導體電力開關’以及具有適合實施並執行藉 由母開關（sl至S6)之各一溫度模型的計算器（8)， 以及用來接收代表開關及操作參數還有溫度測量値之信號 的介面’以藉由該溫度模型來計算該相關開關（S 1至S6 )內之溫度及/或溫度差，其特徵在於—溫度感測器（Thu ' Thv及Thw )設置在兩開關之間的中央或每兩開關（s j 與S4、S2與S5及S3與S6)之間的中央，其連接在與該 冷卻體（1)的熱傳送通道之中，並且與該計算器（8)的 輸出側耦合。 11·如申請專利範圍第10項之配置，其中該（些） 溫度感測器（Thu、Thv及Thw)直接安裝至該冷卻體（1 )° 1 2 ·如申請專利範圍第1 〇項之配置，其中該數個溫 度感測器（Thu、Thv及Thw )沿著該冷卻體（1 )的中央 對稱線配置。 1 3 .如申請專利範圍第1 0項之配置，其中該數個溫 度感測器（Thu、Thv及Thw )均勻分佈在該冷卻體（1) 的整個表面上。 1 4.如申請專利範圍第1 0項之配置，藉此超過兩開 關（S1至S6)定位在該冷卻體（1)上，以產生二、三或 多相交流電系統（U、V及W)，並可在該冷卻體（1 )上 -17- 200903208 加以控制 在每一交 間的中央 15. 開關（S 1 控制，以 S1 與 S4 V及W) 感測器（ 開關（S 1 ，其中一溫度感測器（Thu、Thv及Thw )定位 流電相位（U、V及W)之兩開關（S1至S6)之 〇 如申請專利範圍第14項之配置，其中至少六個 至S6)定位在該冷卻體（1)上並可在其上加以 產生三相電流系統（U、V及 W )，其中兩個（ 、S2與S5及S3與S6 )用來產生三相電流（U、 ，其中針對每一三相電流（U、V及W )，溫度 Thu、Thv及Thw )各定位在互相相對之兩相對 與S4、S2與S5及S3與S6)之間的中央。 -18 -