專利名稱：保護(hù)逆變器的開關(guān)元件使其不過熱的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及保護(hù)逆變器所用多個(gè)開關(guān)元件使其不過熱的裝置及方法，本發(fā)明裝置和方法可用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)。
當(dāng)用逆變器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，在逆變器的一個(gè)臂上的上位或下位開關(guān)元件中的任一個(gè)就被通電(接通)。在以低頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，在驅(qū)動(dòng)期間上位或下位開關(guān)元件中任一個(gè)的持續(xù)時(shí)間變得較長(zhǎng)，從而開關(guān)元件之一的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)上的溫度波動(dòng)也變大。詳細(xì)地說，如果開關(guān)元件之一的總損耗不變的話，當(dāng)逆變器的輸出頻率變低時(shí)，元件內(nèi)部結(jié)點(diǎn)的溫度就變高。
附圖5A和5B示出在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)(較高頻率驅(qū)動(dòng))時(shí)，逆變器輸出電流和開關(guān)元件的結(jié)溫的溫度波動(dòng)變化圖形。
附圖5C和5D示出當(dāng)輸出電流的有效值與附圖5A情況相等時(shí)，在低溫驅(qū)動(dòng)該電動(dòng)機(jī)期間逆變器輸出電流和開關(guān)元件接頭溫度波動(dòng)變化圖形。
如從附圖5A至5D所示那樣，當(dāng)開關(guān)元件在接通狀態(tài)期間，開關(guān)元件的結(jié)溫變高；而當(dāng)開關(guān)元件在斷開狀態(tài)下，它的結(jié)溫就低。也就是說，每一個(gè)輸出頻率的半周期重復(fù)溫度的升降。在最高溫度和最低溫度之間的溫度差異就稱之為溫度波動(dòng)。就低頻驅(qū)動(dòng)如附圖5B所示來說，在一個(gè)開關(guān)元件被導(dǎo)通或斷開時(shí)間的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，從而溫度波動(dòng)就變大。
在1995年10月3日公開的日本專利申請(qǐng)第一次公開的特開平7-255166(平成7年)例示了一種逆變器所用功率開關(guān)元件的保護(hù)方法。
在該公開的功率開關(guān)元件的保護(hù)方法中，從逆變器到負(fù)荷(感應(yīng)電動(dòng)機(jī))的輸出電流用電流檢測(cè)器來檢測(cè)，以便保護(hù)開關(guān)元件不被過熱；還安裝了逆變器用的控制器，在該控制器中對(duì)每一個(gè)開關(guān)元件進(jìn)行通-斷控制，從而使輸出電流不超過預(yù)定電流值。
例如，控制開關(guān)元件的通-斷所用的每一個(gè)開關(guān)元件的時(shí)間限制特性是當(dāng)時(shí)間過去時(shí)其輸出電流(負(fù)荷電流)變小，也就是說，通過對(duì)逆變器輸出電流大小和輸出電流持續(xù)時(shí)間的限制來保護(hù)每一個(gè)開關(guān)元件免受過熱。
然而，在上述日本專利申請(qǐng)公開說明書中，由于僅檢測(cè)和讀出開關(guān)元件之一的輸出電流的大小和外殼溫度，因此，在如上述如此低的頻率和大電流驅(qū)動(dòng)情況下，不能充分地保護(hù)每一個(gè)開關(guān)元件免受過熱。
本發(fā)明目的在于提供一種特別是在低頻驅(qū)動(dòng)期間，保護(hù)逆變器所用多個(gè)相同開關(guān)元件使其不過熱的方法和裝置。
按照本發(fā)明的第一方面，提供一種保護(hù)逆變器所用多個(gè)相同半導(dǎo)體開關(guān)元件使其不過熱的方法，該方法包括如下步驟a)檢測(cè)所述逆變器的輸出電流；b)讀出輸出電流、逆變器的輸出電壓相位θ、逆變器的輸出頻率和控制因子a；c)在讀出的輸出電流、輸出電壓相位θ、輸出頻率和控制因子a的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出開關(guān)元件之一的開關(guān)元件的結(jié)溫升高；d)確定該開關(guān)元件的溫度升高是否超過預(yù)定限值，在該預(yù)定限值之上時(shí)，該相應(yīng)的開關(guān)元件之一會(huì)被過熱；e)減少向每個(gè)開關(guān)元件供應(yīng)的門信號(hào)的接通脈沖占空比，以便限制逆變器的輸出電流。
按照本發(fā)明另一方面，提供一種保護(hù)逆變器所用的多個(gè)相同半導(dǎo)體元件使其不過熱的裝置，該裝置包括一個(gè)傳感器和一個(gè)逆變器脈寬調(diào)制控制器(inverter PWM controller)，其中，所安裝的傳感器用于檢測(cè)所述逆變器的輸出電流；所安裝的逆變器PWM控制器用于讀出逆變器的輸出電流、逆變器的輸出電壓相位θ、逆變器的輸出頻率以及控制因子a，在讀出的輸出電流、輸出電壓相位θ、輸出頻率和控制因子的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出開關(guān)元件的結(jié)溫升高，確定開關(guān)元件的溫度升高是否超過預(yù)定限值，在該預(yù)定限值之上時(shí)，該相應(yīng)的開關(guān)元件之一會(huì)被過熱，并且減少向每個(gè)開關(guān)元件供應(yīng)的門信號(hào)的接通脈沖占空比，以便限制逆變器的輸出電流。
以下就本發(fā)明最佳實(shí)施例并配合以附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，以便對(duì)本發(fā)明有更好的了解附

圖1示出通過PWM逆變器來控制三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的本發(fā)明裝置實(shí)施例電路方塊圖，對(duì)該裝置可使用本發(fā)明保護(hù)逆變器中的多個(gè)開關(guān)元件使不被過熱的方法。
附圖2A和2B是在一個(gè)開關(guān)元件(附圖1中的IGBT和FWD)中實(shí)際(功率)損耗(附圖2A)以及在附圖2A中的損耗的離散矩形波形(附圖2B)的釋義性時(shí)間圖。
附圖3是解釋在示于附圖1的控制器中執(zhí)行本發(fā)明方法第一個(gè)最佳實(shí)施例的操作流程圖。
附圖4是解釋在示于附圖1的控制器中執(zhí)行本發(fā)明方法第二個(gè)最佳實(shí)施例的操作流程圖。
附圖5A、5B、5C、5D分別示出在以上背景技術(shù)一段所述正常驅(qū)動(dòng)和低頻驅(qū)動(dòng)期間的輸出電流和溫度波動(dòng)的波形圖。
附圖1示出用于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(IM)的常用逆變器的電路方塊圖，對(duì)該逆變器可使用本發(fā)明保護(hù)逆變器中的多個(gè)開關(guān)元件使不被過熱的方法的第一個(gè)最佳實(shí)施例。
如附圖1所示，標(biāo)號(hào)1表示三臂橋電路型的逆變器部分，每個(gè)臂具有二個(gè)串聯(lián)的開關(guān)元件IGBT(絕緣門脈沖二極晶體管)，每個(gè)IGBT具有集電極端、發(fā)散極端和柵極端，每一個(gè)IGBT的集電極端連接到續(xù)流二極管(FWD)的陰極端，而其發(fā)散極端則連接到FWD的陽極端。
在上位IGBT和下位IGBT之間的每一臂的接點(diǎn)與負(fù)載諸如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(IM)相連接。令人注意的是，一只電流檢測(cè)器(一般的電流互感器)2A插入三相電壓線(Vu)，而另一只電流檢測(cè)器2B則插入另一三相電壓線(Vw)。
市電交流電源與變換器(交流-直流變換)、功率發(fā)生電路和逆變器相連接。令人注意的是，就用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(交流伺服電動(dòng)機(jī))的矢量控制系統(tǒng)而言，將脈沖編碼器(PP)聯(lián)結(jié)到感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上，用來檢測(cè)電動(dòng)機(jī)(IM)轉(zhuǎn)子的速度，而使脈沖編碼器(PP)聯(lián)結(jié)到PWM控制器3上，則用來計(jì)算差頻等。上述矢量控制系統(tǒng)是由美國(guó)專利5,341,081作過示范的(本發(fā)明在這里引其內(nèi)容作為參考)。
將門驅(qū)動(dòng)(電路)插于控制器3和逆變器部分1的IGBT的每一個(gè)柵極端之間。(正弦波)PWM逆變器包括輸入端口、該輸入端口接受指令例如轉(zhuǎn)矩指令和電流檢測(cè)器2(2A、2B)所檢測(cè)過的電流輸出；中央處理機(jī)(CPU)；存儲(chǔ)器；與門驅(qū)動(dòng)(電路)相連接的輸出端口以及母線。
不管怎樣，必須降低功率損耗，以便抑制IGBT元件的溫度升高，因?yàn)?，在IGBT元件中的溫度升高是由于在IGBT元件中的功率損耗所造成。這個(gè)道理用于另一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件也同樣適用。
到達(dá)第一個(gè)臂上位和下位IGBT元件以及與其連接的FWD的PWM信號(hào)的占空比變化如下IBGT元件ΔQ1/Δθ＝1/2(1+asinθ)---(1)，ΔQ4/Δθ＝1/2(1-asinθ)---(2)。
令人注意的是，在FWD部分中的PWM占空比變化與方程式(2)相同。
在方程式(1)和(2)中，ΔQ1表示IGBT的第一個(gè)上位開關(guān)元件的接通時(shí)間間隔；Δθ表示三角形波周期的一個(gè)角度，該三角形波是PWM逆變器1的載波頻率，ΔQ4表示IGBT第一個(gè)下位開關(guān)元件的接通時(shí)間間隔，a表示控制因子(或調(diào)制速率)，θ表示逆變器1的輸出電壓相位。
其次，第一臂上位IGBT開關(guān)元件的功率損耗以及第一臂FWD開關(guān)元件的功率損耗表示如下(第一臂上位)IGBT部分PT＝PTON+PTSW＝Vce(sat)(@I)xIx(1+asinθ)/2+PTSW---(3)，(∵PTSW＝ωcAq/2π2·Im+ωcBq/8π·Im，其中，Im表示輸出電流(Iu或Iw)的最大值，ωc表示載波頻率，Aq和Bq表示損耗系數(shù)(相應(yīng)開關(guān)元件所固有的開關(guān)損耗參數(shù))，Vce(sat)(@I)表示當(dāng)輸出電流I流動(dòng)時(shí)，在飽和區(qū)的集流極-發(fā)射極電壓，PT表示在IGBT部分的功率損耗，PTON表示IGBT部分的穩(wěn)態(tài)損耗。
(第一臂上位)FWD部分PD＝VF(@I)xIx(1-asinθ)/2 ---(4)，其中，PD表示IGBT部分的損耗、VF(@I)表示當(dāng)輸出電流I流動(dòng)時(shí)，在FWD部分的正向電壓降。
令人注意的是，方程式(1)到(4)曾記述于1991年出版的日本“電加庫倫D”(Dengakuron D)(電工研究所)(T.IEE)的日本論文(會(huì)刊)、第III冊(cè)、第9號(hào)(741～750頁)(名稱是用于PWM逆變器的短路電流抑制和功率損耗評(píng)估的改進(jìn))。
因此，確定功率損耗的變數(shù)(因子)包括開關(guān)元件特性、輸出電流I、控制因子a和輸出電壓相位θ(相應(yīng)于載波頻率ωc內(nèi)含項(xiàng))。
參照附圖3，在步驟S1中，PWM控制器1的CPU讀出該輸出電流(Iu)、輸出頻率ωc、輸出電壓相位θ以及控制因子a。令人注意的是，只要輸出電流I從存儲(chǔ)器被讀出，就可讀出輸出頻率(fc或ωc)、輸出電壓相位θ和控制因子各參數(shù)，因?yàn)榭刂破?計(jì)算這些參數(shù)來控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。這些計(jì)算已在美國(guó)專利5,581,452和5,341,081和5,481,173中例示過(各該專利的公布內(nèi)容在這里被引作參考)。
在下一個(gè)步驟S2中，CPU使用方程式(1)到(4)計(jì)算IGBT元件和與其連接的FWD元件的功率損失并且計(jì)算IGBT元件和與其連接的FWD元件的溫度上升(例如第一臂上位IGBT和與其相連結(jié)的FWD元件)。在此實(shí)施例中，使功率損耗從示于附圖2A的半正弦形接近于示于附圖2B的矩形。
也就是說，在半正弦形內(nèi)的每一個(gè)功率損耗在時(shí)間t0，t1，t2，…，ti…，tn是離散數(shù)字形式。每一功率損耗被計(jì)算為P0，P1，P2，…，Pi…，Pn。
然后，以前存儲(chǔ)于PWM控制器1的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元中的瞬態(tài)熱阻抗被讀出，并使用下式(S)計(jì)算IGBT元件(和與其相連接的FWD元件)的溫度升高。Tn=Σi=1nPi{Zth(tn-ti-1)-Zth(tn-ti)}---(5)]]>其中Zth表示瞬態(tài)熱阻抗[℃/W]。
因此，在開關(guān)元件中元件的結(jié)溫升高受損耗和在該損耗發(fā)生期間的時(shí)間持續(xù)的影響。
令人注意的是，以逆變器1的載波頻率的周期(Tp)作為變數(shù)，按照開關(guān)元件固有的熱阻曲線，開關(guān)元件的瞬時(shí)熱阻抗已經(jīng)被確定并被存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元之中。
例如，假定載波頻率ωc(fc)是10KHz(Tp＝100μS)，①t；0～10msecΔZth(i)＝Zth(tn-ti-1)-Zth(tn-ti)＝0.837[(Tpxi)0.473-{Tpx(i-1)0.473}](℃/W).
②t；10.1msec～100msecΔZth(i)＝Zth(tn-ti-1)-Zth(tn-ti)＝0.606[(Tpxi)0.402-{Tpx(i-1)0.402}](℃/W).
③t；100.1msec～100msecΔZth(i)＝Zth(tn-ti-1)-Zth(tn-ti)＝0.319[(Tpxi)0.123-{Tpx(i-1)0.123}](℃/W).
④t；800msec或更多Zth(i)＝0(℃/W)。令人注意的是，時(shí)間t①到④可從(Tpxi)值選擇。再令人注意的是，在瞬時(shí)熱阻抗中的上述各參數(shù)是用其產(chǎn)品號(hào)為MBB100AS6的IGBT開關(guān)元件導(dǎo)出的。
其次，在步驟S4，CPU決定Tn是否大于Tnref，Tnref表示相應(yīng)開關(guān)元件在該值以上被過熱的預(yù)定極限值(IGBT開關(guān)元件或與其相連接的FWD元件的二者之一的結(jié)溫標(biāo)稱值)。
也就是說，按照用于逆變器的開關(guān)元件導(dǎo)出Tn。如果第一上臂位置由IGBT和FWD所構(gòu)成，則Tn是IGBT開關(guān)元件的結(jié)溫。如果第一上臂位置僅由IGBT元件構(gòu)成，則Tn不需方程式(2)的計(jì)算即可導(dǎo)出。
如果在步驟S4時(shí)，Tn＞Tnref，則程序進(jìn)入步驟S6，在該步驟中，達(dá)到IGBT元件的各柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被取消或者每個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的空占比被降低(增加斷開比)。如果Tn≤Tnref(在步驟S4是“否”)，則程序進(jìn)入步驟S5，在該步驟中，程序回到主程序中。
因此，可精確地控制開關(guān)元件過熱的發(fā)生。
特別是，在低頻驅(qū)動(dòng)期間易于發(fā)生的過熱可精確地被防止，因?yàn)橐褜WM逆變器1的輸出頻率考慮進(jìn)去了。令人注意的是，第一臂上位IGBT元件已被考慮進(jìn)去，因?yàn)橥瑯拥拈_關(guān)元件被連接到三臂逆變器1的其它臂位置上。
第二個(gè)實(shí)施例附圖4是用于說明本發(fā)明第二個(gè)最佳實(shí)施例的操作流程圖。
在第二實(shí)施例中，逆變器1的CPU已經(jīng)將結(jié)溫升高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于在PWM控制器1中存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元中，該數(shù)值是以輸出頻率ωc、輸出電壓相位θ和控制因子a作為變數(shù)而被確定出來的。
然后，在負(fù)載如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(IM)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，CPU在步驟S1讀出上述的各變數(shù)，并且在步驟S7從存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元檢索元件接頭之一的溫度升高數(shù)據(jù)。
這樣，在驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)期間、PWM控制器1的CPU為計(jì)算上述方程式的負(fù)載就可被解除了。
令人注意的是，盡管當(dāng)時(shí)間的預(yù)定期間過去時(shí)附圖3和附圖4都能隨時(shí)作為中斷程序來執(zhí)行，但是使用上述變數(shù)[和方程式(3)和(5)(方程式(4)的使用依FWD元件是否被使用而定)]也可施行另外的執(zhí)行方法來決定開關(guān)元件是否過熱。
而且，本發(fā)明還可應(yīng)用于具有功率MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)、GTR(閘門電路斷開晶閘管)的開關(guān)元件或其它半導(dǎo)體開關(guān)元件。
權(quán)利要求
1.保護(hù)逆變器所用的多個(gè)相同半導(dǎo)體開關(guān)元件使其不過熱的方法，其特征在于包括如下步驟a)檢測(cè)所述逆變器的輸出電流；b)讀出輸出電流、逆變器的輸出電壓相位θ、逆變器的輸出頻率以及控制因子a；c)在讀出的輸出電流、輸出電壓相位θ、輸出頻率和控制因子a的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出開關(guān)元件之一的開關(guān)元件結(jié)溫升高；d)確定該開關(guān)元件的溫度升高是否超過預(yù)定限值，在該預(yù)定限值之上時(shí)，該相應(yīng)的開關(guān)元件之一會(huì)被過熱；e)減少向每個(gè)開關(guān)元件供應(yīng)的門信號(hào)的接通脈沖占空比，以便限制逆變器的輸出電流。
2.按照權(quán)利要求1所述保護(hù)逆變器所用的多個(gè)相同半導(dǎo)體開關(guān)元件使其不過熱的方法，其特征在于還包括如下步驟f)存儲(chǔ)相應(yīng)的一個(gè)元件的穩(wěn)態(tài)接通損耗、開關(guān)損耗、瞬態(tài)熱阻抗以及進(jìn)入控制器存儲(chǔ)器的每個(gè)相應(yīng)存儲(chǔ)單元之一的開關(guān)損耗計(jì)算公式；g)使用所存儲(chǔ)的開關(guān)損耗計(jì)算公式，從讀出的逆變器輸出電流、輸出電壓相位、控制因子、存儲(chǔ)的穩(wěn)態(tài)接通損耗以及所存儲(chǔ)的開關(guān)損耗來計(jì)算每一個(gè)開關(guān)元件的損耗，以及h)使用所存儲(chǔ)的瞬態(tài)熱阻抗和所計(jì)算的開關(guān)損耗來計(jì)算開關(guān)元件的結(jié)溫升高。
3.按照權(quán)利要求1所述保護(hù)逆變器所用的多個(gè)相同半導(dǎo)體開關(guān)元件使其不過熱的方法，其特征在于所述步驟c)包括步驟f)和步驟g)，其中，f)步驟是以輸出電流、輸出電壓相角、輸出頻率和控制因子為變量，存儲(chǔ)關(guān)于開關(guān)元件的結(jié)溫升高的多個(gè)數(shù)據(jù)；g)步驟是從依照在步驟a)中所檢測(cè)的檢測(cè)輸出電流和讀出的輸出電壓相位、輸出頻率以及在步驟b)中所讀出的控制因子而存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)來檢索其數(shù)據(jù)中之一。
4.按照權(quán)利要求2所述為保護(hù)逆變器所用的多個(gè)相同半導(dǎo)體開關(guān)元件使其不過熱的方法，其特征在于每一個(gè)所述開關(guān)元件由一個(gè)絕緣柵二極晶體管和與其交叉相連接的一個(gè)續(xù)流二極管所構(gòu)成，并且三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)連接到逆變器上。
5.按照權(quán)利要求4所述保護(hù)用逆變器所用的多個(gè)相同半導(dǎo)體開關(guān)元件使其不過熱的方法，其特征在于所檢測(cè)的逆變器的輸出電流接近于矩形波形，每一個(gè)開關(guān)元件的開關(guān)損耗接近另一矩形波形，并且在時(shí)間為t時(shí)，開關(guān)元件的結(jié)溫升高Tn以Tn=Σi=1nPi{Zth(tn-ti-1)-Zth(tn-ti)},]]>表示，其中，t＝to，…ti…，tn，Zth表示瞬時(shí)熱阻抗。
6.保護(hù)逆變器所用的多個(gè)相同半導(dǎo)體開關(guān)元件使其不過熱的裝置，其特征在于含有一個(gè)傳感器和一個(gè)逆變器脈寬調(diào)制控制器，其中所安裝的傳感器用于檢測(cè)所述逆變器的輸出電流；所安裝的逆變器脈寬調(diào)制控制器用于讀出逆變器的輸出電流、逆變器的輸出電壓相位θ、逆變器的輸出頻率以及控制因子a，在讀出的輸出電流、輸出電壓相位θ、輸出頻率和控制因子a的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出開關(guān)元件的結(jié)溫升高，確定開關(guān)元件的溫度升高是否超過預(yù)定限值，在該預(yù)定限值之上時(shí)，該相應(yīng)的開關(guān)元件之一會(huì)被過熱，并且減少向每個(gè)開關(guān)元件供應(yīng)的門信號(hào)的接通脈沖占空比，以便限制逆變器的輸出電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及保護(hù)PWM逆變器所用的多個(gè)相同半導(dǎo)體開關(guān)元件使其不過熱的方法及其設(shè)備。在逆變器的輸出頻率ωc、逆變器的輸出電流I和控制因子a的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出開關(guān)元件之一的結(jié)溫升高T
文檔編號(hào)H02H7/122GK1161588SQ9710198
公開日1997年10月8日 申請(qǐng)日期1997年2月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月21日
發(fā)明者堤裕彥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社明電舍