TW591879B - Motor controller - Google Patents

Description

591879 五、發明說明（1) [發明所屬之技術領域] 制# t發明為關於對電動機實行可變速度控制之電動機控 [先前技術] 關於使用如換流器（i n v e r t e r )裝置等之電力用半導雕 ^件的，動機控制裝置，於該裝置的運轉時其電力用半$ 詈，^ ^熱而使晶片之接合部（iUnCt i〇n)溫度上升，該裝 的i轉：^ 熱停止而使接合部溫度下降。又由於電動機 之輸出命、、☆:，運轉停止時，以及負荷有急變化時其裝置 严声亦Γ:大幅變化，其電力遽用半導體元件之接合部 π二=^田變化。因此由於運轉與停止的重複及速度_ 何之急遽變化的舌$ 〜反Α負 複熱膨脹與熱收縮？。，使電力用半導體兀件之晶片部分重 不同之種用半導體元件-般為使用熱膨脹係數 力用半導體元件ϋ勒特別是線焊（wire b〇nding)部或電 度上升時，由於熱部（heat spreader)之接合部的溫 徐使線焊部由晶;二!!覆蓋（coating)劑之熱膨服應力徐 數之差異引起之或由於晶片與散熱部之熱膨脹係 勞。由於運轉與停止：應力使接合材料開始發生金屬疲 重複，最後將使線焊!^複及速度以及負荷之急遽變化的 後構成電力用半導全剝離成為斷路的狀態。亦即最 膨脹應力至完全制；：：的不良或破壞。1述線焊部因熱 周期稱為功率周期（二成不良或破壞之熱膨脹與熱收縮的 V Dower cycle)。 591879 五、發明說明 因此 驅動等運 負荷變動 體元件的 專利 功率周期 前把握電 力用半導 監視裝置 專利 體元件在 電力用半 推定換流 的功率周 數，於計 值超過第 器裝置停 (2) 將換流器裝置使用於AC伺服裝置或升 轉與停止重複頻率高的F置，式^ 柃之馬達 I垆的爿士 ¥日士山 灰用方；如壓縮機等 了遽的I置时，由於功率周期特別使電 哥命縮短，因而需要某種對策。 i ί ΓΛ特用開丰平·8'5 1 7 6 8號公報)揭示有由監視 !it2 i元件的壽命以在壽命用盡之 力用半V體兀件的維護時期，由以提 體元件之破壞為目的的電力用半導體；件的壽命 〇 文獻1為對於使用在換流器裝置等的電力用半導 到達功率周期的壽命前執行保護為目#，因而由 件t接合部溫度差與功率周期之相關關係 為衷置之電力用半導體元件的接合部溫度差對應 ，為其壽命，用計數器計數換流器裝置的運轉次 异值越過第1基準值時輸出警報訊號，而於計算 2基準值時輸出斷開（trip)訊號而強制的使換流 止0

、、依專利文獻1其接合部溫度差之值通常會變化，然於 上迟推疋日可，接合部溫度差之值為選用裝置之運轉與停止 ^表的-點而為固定值，因此不能求得希望的推定壽命 專利文獻2 (日本特開平8 _ 1 2 6 3 3 7號公報）揭示有關 二f用半導體兀件達到壽命以前改善使用方法等以實行 印處理的換流器農置

591879 五、發明說明（3) 專利文獻2記載有由依據電力用半導體元件之推定溫 度的變化幅度演算之溫度變化幅熱應力次數及依據電力用 半導體元件之推定溫度的變化之比率所演算的溫度變化率 熱應力次數所求得的應力次數超過容許熱應力次數時實行 警報顯示指令等之警報處理的方法，由熱應力次數及容許 熱應力次數求出剩餘壽命時間而實施顯示指令的方法，由 每設定時間之溫度變化幅熱應力次數及每設定時間之溫度 變化率熱應力次數求得之每設定時間之熱應力次數超過設 定時間份之容許熱應力次數時，則以設定時間的運轉將不 能得到期待壽命時間的運轉，由而實行警報顯示指示等之 警報處理的方法，以及由設定時間之運轉求出運轉可能壽 命而實行顯示指令的方法。 依專利文獻2由熱應力實行壽命推定而顯示達到疲勞 的零件使作業者不但能容易判斷且可防故障於未然，並由 設定時間的運轉推定是否可實行期待壽命時間的運轉，作 業者可由換流器裝置的使用方法或負荷狀況及使用頻度的 改善實行延命處理，然如作業者未能檢查顯示部確認顯示 或警報以媒認署命判定結果或哥命推定結果，則未能實行 延命處理，如未注意到顯示或警報時，未能實施延命處 理，以致換流器裝置因壽命判定而停止輸出，構成系統發 生異常停止的問題。 本發明為解決上述的課題，第1目的為提供能實行高 精確度壽命推定之電動機控制裝置。 第2目的為提供由自動的減小半導體元件之溫度變化

314535.ptd 第8頁 591879 五、發明說明（4) 巾田度使能滿万兮§定之髮日注士人 [發明内容]°疋心寺寿命的電動機控制裝置。 二本發明之電動機控制裝置係具有：具有功率電晶體及 ，違.功率.電晶體並聯連接之二極體等半導體元件的轉換 二。w i t c h i n g )電路，依據運轉頻率設定部設定之運轉頻率 =，及載波（carrier)頻率設定部設定之載波頻率訊號而 、驅動脈衝的控制部；以及將控制部輸出之驅動脈衝放 2 3轉換電路之功率電晶體實行0N/0FF (開/關）控制之 二二路，而將直流電力變換為可變頻率、可變電壓的交 裝置，電動機實行可變控制之電動機控制 T，=演算出之輪出電流訊號大於電流：輪出電 ΛΓ1 / #輸^電流限制值訊號時對控制^ =訊號之電流演算，；依據該輸出電流：輪出電 二〜^及載波頻率訊號而推定半導體元件的、運轉頰 :异溫度變化幅度之溫度變化推定部；用：二變化以 全化幅度與半導體元件之功率周期壽命之 2表示溫度 身料之功率周期曲線資料記憶部；根據以功率周期 將溫度變化推定部所演算出之溫度變ί:力率周期 ΓΠΐ體元件之功率周期壽命的功率周；L度換算 之熱應力演算部；以及依據該熱芯」並演算 貝示部，#算出設定時間份内之壽；時；：=號輪出至 較’於壽命時間比期待壽命小時將壽命判；命比 成唬當作警報 591879 五、發明說明（5) 輸出至顯示部的壽命推定部，因此能實行高精確度的壽命 推定。 又寿命推定部為將哥命推定結果訊號及哥命判定訊號 輸出至電流限制準位調節部，並且電流限制準位調節部於 寿命推定結果訊號含有警報資訊，或有哥命判定訊號輸入 時實行自動調整以使輸出至電流演算部之電流限制值訊號 減小，因此能自動地將半導體元件的溫度變化幅度減小， 以滿足設定的期待哥命。 又寿命推定部為將寿命推定結果訊號及寿命判定訊號 輸出至載波頻率設定部，並且載波頻率設定部於壽命推定 結果訊號含有警報貧訊，或有哥命判定訊號輸入時，實行 自動調整使載波頻率的上限值降低然後將載波頻率訊號輸 出至前述控制部，因此能自動地將半導體元件的溫度變化 幅度減小，以滿足設定的期待壽命。 [實施方式] 第1實施形態 第1圖表示本發明第1實施形態之電動機控制裝置的構 成圖。如該圖所示，控制部1為依據運轉頻率設定部2設定 之運轉頻率訊號1 〇 〇及載波頻率設定部3a設定之載波頻率 訊號1 0 1產生驅動脈衝1 0 2輸出於驅動電路4。驅動電路4將 驅動脈衝1 0 2放大而產生驅動脈衝1 0 3以控制構成轉換電路 5之功率電晶體6使其ON/OFF，由此將直流電力變換為可變 頻率及可變電壓的交流電力以對負荷之電動機8實行可變 控制。7為並聯連接於功率電晶體6之二極體。

314535.ptd 第10頁 591879 五、發明說明（6) 電流演算部9由電流檢測器1 〇檢測的電流檢測訊號1 〇 4 · 演算輸出電流而將輸出電流訊號1 0 5輸出於溫度變化推定 部1 1。又電流演算部9將演算所得輸出電流訊號1 〇 5與由電 流限制準位調節部1 2a為保護功率電晶體6及二極體7等的 半導體元件及電動機8發生過電流所設定之電流限制值訊 號1 0 6比較，而於輸出電流訊號1 0 5超過電流限制值訊號 1 0 6時為對控制部1輸出電流切斷訊號1 〇 7。 皿度變化推定部1 1依據運轉頻率設定部2设定之運轉 頻率訊號1 〇 〇，載波頻率設定部3 a設定之載波頻率訊號1 0 1 及電流演算部9演算之輸出電流訊號1 〇 5推定電力電晶體6 及二極體7等之半導體元件的溫度變化而演算溫度變化幅 度。 以下說明溫度變化推定部1 1之溫度變化推定處理。 第2圖表示功率電晶體及二極體等半導體元件之正常 損^失J丨寺性例。如圖所示’橫轴表示輸出電流1 (電流演算部 9j寅算之輸出電流訊號1 〇 5 )，縱軸表示正常損失PS。正常 損失Ps具有隨輸出電流I的增加而增加的特性。 第3圖表示功率電晶體及二極體等之半導體元件的轉 f 失特性例。如圖所示，橫軸表示輸出電流1 (電流演算 4 鼻之輸出電流訊號1 0 5 )，縱軸表示轉換損失Psw。轉 換損失Psw具有隨輸出電流I的增加而增加的特性。 回 首先以電流演算部9演算之輪出電流訊號105(第2、3 表示為輸出電流I )由第2圖所示正常損失特性求得正 吊知失Ps，由第3圖之轉換損失特性求得轉換損失Psw。其

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591879 五、發明說明（7) 次用正常損失Ps，轉換損失Psw，載波頻率設定部3a設定 之載波頻率訊號1 0 1的載波頻率f c，及演算周期△ 7依（1 ) 式求出構成轉換電路5之功率電晶體6及二極體7等之半導 體元件的發熱量Q。 Q = Ps(I) + Psw(I)x f cx Δ 7 · · · (1) 演算時間△ τ間之溫度變化量△ 0可由功率電晶體6 及二極體7之發熱量Q，以及功率電晶體6與二極體7之實製 狀態所決定之過渡熱電阻Rth(t)求出，對溫度變化量△ 0 實行精算演算求出溫度變化，抽出其極大點及極小點以計 算溫度變化幅度△ T 1，當做溫度變化幅度訊號1 0 8輸出至 熱應力演算部1 3。 第4圖表示半導體元件之一溫度變化例。第4圖中，△ t為設定時間，△ Π、△ T2、△ T3、△ T4、△ Τη為溫度變 化幅度，△ Tmax為於設定時間△ t之最大溫度變化幅度。 由於半導體元件之溫度上升的周期以致變成不良之熱膨脹 與熱收縮的周期稱為功率周期。 熱應力演算部1 3由記存於功率周期曲線資料記憶部1 4 之溫度變化幅度及表示半導體元件之功率周期壽命之關係 的功率周期曲線資料演算對應於溫度變化幅度訊號1 0 9之 功率周期壽命並輸出為功率周期數訊號1 1 0。 第5圖表示第1實施形態之電動機控制裝置其記存於功 率周期曲線資料記憶部之一功率周期曲線的特性例。第5 圖中，橫軸表示温度變化幅度△ T (熱應力演算部1 3輸出之 溫度變化幅度訊號1 0 9 )，縱轴表示半導體元件之功率周期

314535.ptd 第12頁 591879 五、發明說明（8) 壽命之功率周期數S (輸出至熱應力演算部1 3之功率周期數 訊號1 1 0 )。溫度變化幅度與半導體元件之功率周期壽命有 其相關關係，溫度變化幅度越大（△ T 1 >△ T2 )則功率周期 壽命越短（S1<S2)。 又熱應力演算部1 3將對應於溫度變化幅度△ T 1求得之 功率周期數S 1當做功率周期數訊號1 1 0輸入，依（2 )式演算 熱應力係數X 1， XI 二 1/S卜· · （2) 其結果為熱應力訊號1 1 1而輸入壽命推定部1 5 a。 其後為同樣的由功率周期曲線資料記憶部1 4輸入對應 於溫度變化幅度ΔΤ2、ΔΤ3、ΔΤ4、· · ·之功率周期數 S2、S3、S4· · ·，演算熱應力係數 X2( = l/S2)、 X3( = l/S3)、X4( = l/S4)，當做熱應力訊號1 1 1輸入壽命推 定部1 5 a。 壽命推定部1 5 a以熱應力訊號1 1 1輸入熱應力係數，然 後由（3 )式將其加算以得積算熱應力係數X， X二X0(前次值）+Χ1+Χ2 + Χ3 + Χ4+· · · (3) 並當做壽命推定結果訊號1 1 2輸入顯示部1 6。 積算熱應力係數X = 1時相當於其壽命，因此積算熱應 力係數X接近於1時，以壽命推定結果訊號1 1 2將警報輸出 至顯示部16，通知作業者裝置已近其壽命。 又壽命推定部1 5 a將運轉時間設定部1 7設定之設定時 間△ t當做設定時間訊號1 1 3輸入，僅在設定時間△ t的期 間從熱應力演算部1 3輸出之熱應力訊號1 1 1輸入並積算熱

314535.ptd 第13頁 591879 五、發明說明（9) 應力係數X卜X2、X3， · · · Xn，依（4)式求得設定時間 △ t份内之熱應力係數X t。

Xt=Xl+X2+· · · + Χη· · · (4) 再由（5 )式算出壽命時間t L， tL= △ tlx (1/Xt) · · · (5) 然後將期待壽命設定部丨8設定之期待壽命t e的期待壽命訊 號1 1換（5 )式算出之壽命時間t l比較，於t L < t e時以壽命 判定訊號1 1 5為警報輸出於顯示部1 6促使作業者實行延命 處理。

如上所述依第1實施形態為對於溫度變化推定部演算 之每溫度變化幅度，由參照半導體元件固有之功率周期曲 線資料具出功率周期壽命，因此對於溫度變化的幅度亦能 依其幅度將重量之熱應力演算予以積算，由此能實行高精 確度的壽命推定及期待壽命的判定。 第 2實

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591879 五、發明說明（10) "" 動調整以使輸出至電流演算部9之電流限制值訊號106減 小〇 士於功率電晶體6及二極體7等之半導體元件的壽命減短 時，則自動調整而使電流限制值訊號i 〇 6減小的將輸出電 流I減低，因此可減小第2圖，第3圖所示之正常損失。及 轉換損失Psw，由而能抑制半導體元件的發熱量q。由於 此’即使作業者未檢查電動機控制裝置實施延命處理，亦 月匕自動调整以滿足期待壽命設定部1 8設定之半導體元件的 期待壽命。 又載波頻率設定部3 b於輸入之壽命推定結果訊號1 J 2 含有之積算熱應力係數X延於1時，或輸入有壽命時間tL在 期待哥命t e以下時輸出之壽命判定訊號1丨5時，則自動調 整以使載波頻率的上限值降下的將載波頻率訊號1 〇丨輸出 至控制部1。 於功率電晶體6及二極體7等的半導體元件的壽命減短 時，由於自動調整以降低載波頻率的上限值，因此能減小 用於求付半導體元件之發熱量此（丨）式中的轉換損失Pa 項，由而旎抑制半導體元件的發熱量Q。由而能使作業者 未檢查電動機控制裝置實施延命處理，亦能自動調整以滿 足期待壽命設定部18設定之半導體元件之期待壽命。 又方、，判斷半導體元件的壽命減短而由自動調整以降低 載波頻率時，由於電動機的輕音增力口，得以知會作業者半 導體兀件接近其壽命’而在半導體元件達到其壽命影起故 障以致系統發生異常停止之前，可由作業者實施電動機裝

314535.ptd 第15頁 591879 五、發明說明（11) 置之更換處理。 依第2實施形態於半導體元件的壽命減短時，由於自 動調整以使電流限制訊號1 0 6減小，又由自動調整以使載 波頻率的上限值降低以抑制半導體元件的發熱量Q，因此 例如對於負荷變動大之壓縮機等，由於其輸出電流的急遽 變動而因熱應力以致半導體元件急速的到達壽命時，亦能 在作業者檢查顯示於顯示部1 6之警報之前防止系統的停 止。又即使作業者未檢查電動機控制裝置而實施延命處理 時，亦能由自動調整以滿足期待壽命設定部1 8設定之半導 體元件的期待壽命。 產業上之利用可能性 如以上所述，本發明之電動機控制裝置由於能實現以 高精度推定壽命及判定期待壽命，因此適合使用於起動· 停止控制頻繁的用途。又於作業者未檢查顯示部而實施延 命處理時，亦由於能實行自動調整以滿足期待壽命設定部 設定之半導體元件的期待壽命，因此本發明適用於對指令 速度能容許運轉速度降低的用途。

314535.ptd 第16頁 591879 圖式簡單說明 [圖式簡單說明] 第1圖表示本發明第1實施形態之電動機控制裝置的構 成圖。 第2圖表示功率電晶體及二極體等之半導體元件的正 常損失特性例。 第3圖表示功率電晶體及二極體等之半導體元件的轉 換損失特性例。 第4圖表示半導體元件之一溫度變化例。 第5圖表示第1實施形態之電動機控制裝置其記存於功 率周期曲線資料記憶部1 4之一功率周期曲線特性例。 第6圖表示本發明第2實施形態之電動機控制裝置的構 成圖。 1 控 制 部 2 運 轉 頻 率 -i-TL δ又 定 部 3a、 3b 載 波 頻 率 設 定 部 4 馬區 動 電 路 5 轉 換 電 路 6 功 率 電 晶 體 7 二 極 體 8 電 動 機 9 電 流 演 算 部 10 電 流 檢 測 器 11 溫 度 變 化 推 定 部 12a、 12b 電 流 限 制 準 位 調節 部 13 熱 應 力 演 算 部 14 功 率 周 期 曲 線 資料 記憶 部 15a、 15b 壽 命 推 定 部 16 顯 示 部 17 運 轉 時 間 設 定 部 18 期 待 壽 命 設 定 部

314535.ptd 第17頁 591879 圖式簡單說明 100 102、 103 105 107 108、 109 110 112 113 115 運轉頻率訊 驅動脈衝 輸出電流訊 電流切斷訊 溫度變化幅 功率周期數 壽命推定結 設定時間訊 寿命推定訊 號 101 104 號 106 號 度訊號 訊號 111 果訊號 號 114 號 載波頻率訊號 電流檢測訊號 電流限定值訊號 熱應力訊號 期待哥命訊號

314535.ptd 第18頁

Claims (1)

1. 591879 六、申請專利範圍 1. 一種電動機控制裝置，係具有： 具有功率電晶體及與此功率電晶體並聯連接之二 極體等半導體元件之轉換電路； 依據運轉頻率設定部設定之運轉頻率訊號及載波 頻率設定部設定之載波頻率訊號而產生驅動脈衝之控 制部；以及 將前述控制部輸出之前述驅動脈衝放大以控制前 述轉換電路之功率電晶體的ΟΝ/OFF (開/關）之驅動電 路，而將直流電力變換為可變頻率、可變電壓之交流 電力以對作為負荷之電動機實施可變控制之電動機控 制裝置，其中具備： 由流通於前述半導體元件之電流演算出輸出電 流，並於演算出之輸出電流訊號大於電流限制準位調 節部輸出之電流限制值訊號時對前述控制部輸出電流 切斷訊號之電流演算部； 依據該輸出電流訊號，前述運轉頻率訊號及前述 載波頻率訊號而推定前述半導體元件之溫度變化以演 算溫度變化幅度之溫度變化推定部； 用以儲存表示溫度變化幅度與半導體元件之功率 周期壽命的關係之功率周期曲線資料的功率周期曲線 資料記憶部； 根據前述功率周期曲線資料將前述溫度變化推定 部所演算出之溫度變化幅度換算為作為半導體元件之 功率周期壽命的功率周期數，並演算熱應力訊號之熱

   314535.ptd 第19頁 591879 六、申請專利範圍 應力演算部；以及 依據該熱應力訊號推定前述半導體元件的壽命， 以結果作為哥命推定結果訊號輸出至顯示部，再算出 設定時間份内之壽命時間而與期待壽命比較，於壽命 時間小於期待壽命時將壽命判定訊號當作警報輸出至 前述顯示部之壽命推定部。 2. 如申請專利範圍第1項之電動機控制裝置，其中前述壽 命推定部為將前述壽命推定結果訊號及前述壽命判定 訊號輸出至前述電流限制準位調節部，並且 前述電流限制準位調節部於前述壽命推定結果訊 號含有警報資訊時，或有前述壽命判定訊號輸入時， 實行自動調整以使輸出至前述電流演算部之電流限制 值訊號減小。 3. 如申請專利範圍第1項之電動機控制裝置，其中前述壽 命推定部為將前述壽命推定結果訊號及前述壽命判定 訊號輸出至前述載波頻率設定部，並且 前述載波頻率設定部於前述壽命推定結果訊號含 有警報資訊時，或有前述壽命判定訊號輸入時，實行 自動調整使前述載波頻率之上限值降低然後將載波頻 率訊號輸出至前述控制部。

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