專利名稱：半導體功率轉換裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體功率轉換裝置，其使用多個半導體元件來驅動電動機，為了防止半導體元件熱損壞而采用調制控制方法。
背景技術：
在驅動電動機的情況下，作為功率轉換裝置大多使用搭載有半導體元件的PWM(Pulse Width Modulation)逆變器。在利用PWM逆變器驅動電動機的情況下，在例如極低頻率下的動作或電動機堵轉狀態等時，產生下述問題，即，電流集中流過上述逆變器內的多個半導體元件中的特定元件，使半導體元件熱損壞。針對上述問題，在專利文獻I中公開了一種方法，其著眼于半導體元件瞬間損耗 的大小存在差異這一情況，通過分配各半導體元件的接通率，使損耗最大的半導體元件的損耗由其它元件負擔，從而抑制發熱，防止元件的熱損壞。另外，在專利文獻2中公開了一種方法，S卩，在電動車輛的控制裝置中，具有溫度檢測部，該溫度檢測部對逆變器的各晶體管的溫度進行實際檢測。并且，為了使溫度最高的晶體管的溫度降低，以變得比施加在逆變器上的PWM波形的載波的中央值小的方式對調制波的中心值進行變更，或者對相位進行變更。專利文獻I :日本特開2003-189668號公報專利文獻2 :日本特開2009-171768號公報
發明內容
但是，在上述專利文獻I所示的技術中，僅簡單地使損耗最高的元件的損耗由其它元件負擔，有時使元件允許溫度較高的元件的損耗由元件允許溫度較低的元件負擔。例如產生下述課題，即，在對功率轉換裝置進行控制以使得電動機以低頻率運轉的情況下，由于功率轉換裝置內的一部分元件的輸出電流變大，所以僅該元件的溫度與其它元件相比變高，因此，相對于元件允許溫度來說，實施的并不一定是最佳的溫度控制，沒有充分解除熱損壞的風險。另外，在上述專利文獻2所示的技術中，與專利文獻I的情況相同地，僅簡單地使損耗最高的元件的損耗由其它元件負擔，有可能使元件允許溫度較高的元件的損耗由元件允許溫度較低的元件負擔。由此，存在下述課題，即，相對于元件允許溫度來說，實施的并不一定是最佳的溫度控制，沒有充分解除熱損壞的風險。本發明就是鑒于上述課題而提出的，其提供一種半導體功率轉換裝置，其針對該半導體功率轉換裝置所使用的各個元件，通過計算各元件的相對于允許溫度的溫度裕度，以使所述溫度裕度較低的元件的導通率下降的方式對半導體功率轉換裝置進行溫度控制，使半導體功率轉換裝置內所使用的元件的溫度上升均勻，從而防止半導體功率轉換裝置內的元件由于發熱而損壞。本發明的特征在于，具有功率轉換部，其具有半導體開關元件和半導體元件，該半導體開關元件根據指令進行接通或斷開動作，該半導體元件與所述半導體開關元件逆并聯地連接，限制使得電流沿規定方向流動，該功率轉換部通過所述半導體開關元件的接通、斷開動作而對來自外部的輸入電壓進行PWM控制，并向外部輸出電流；以及溫度控制部，其具有元件允許溫度存儲單元、元件溫度檢測單元、溫度裕度運算單元以及電壓指令單元，其中，該元件允許溫度存儲單元對用于使所述各元件正常動作的溫度允許值即允許溫度進行存儲，該元件溫度檢測單元對所述各元件的溫度進行檢測，該溫度裕度運算單元對所述元件允許溫度存儲單元所存儲的各元件的允許溫度和由所述元件溫度檢測單元檢測出的各元件的溫度之間的差值進行運算，該電壓指令單元對所述半導體開關元件發出指令，使得所述各元件中，由所述溫度裕度運算單元運算出的所述差值與其它元件相比較低的元件的導通率下降。發明的效果如上所述，根據本發明所涉及的半導體功率轉換裝置，針對所述半導體開關元件及所述半導體元件各自設定允許溫度，在針對各個元件計算出所述溫度裕度的基礎上，生成應向所述門信號輸出的電壓指令信號，以使得所述溫度裕度較低的元件的導通率下降。·即，針對該半導體功率轉換裝置所使用的各個元件，通過計算各元件的相對于允許溫度的溫度裕度，以使得所述溫度裕度較低的元件的導通率下降的方式控制半導體功率轉換裝置，使半導體功率轉換裝置內所使用的元件的溫度上升均勻，從而可以防止半導體功率轉換裝置內的元件由于發熱而損壞。
圖I是表示本發明的實施方式I中的半導體功率轉換裝置的結構的圖。圖2是表示在本發明的實施方式I中的半導體功率轉換裝置中，U相電流最大的情況下的U相半導體開關元件及U相半導體元件的元件溫度與各自的元件允許溫度之間的關系的一個例子的圖。圖3是表示在本發明的實施方式I中的半導體功率轉換裝置中，進行電壓指令的調制前的半導體開關元件及半導體元件的溫度裕度的圖。圖4是表示在本發明的實施方式I中的半導體功率轉換裝置中，進行電壓指令的調制前的電壓指令的圖。圖5是表示在本發明的實施方式I中的半導體功率轉換裝置中，進行電壓指令的調制前的電流的圖。圖6是表示在本發明的實施方式I中的半導體功率轉換裝置中，在進行了電壓指令的調制的情況下的某個元件的溫度和元件允許溫度之間的關系的圖。圖7是表示在本發明的實施方式I中的半導體功率轉換裝置中，在進行了電壓指令的調制的情況下的半導體開關元件及半導體元件的溫度裕度的圖。圖8是表示在本發明的實施方式I中的半導體功率轉換裝置中，進行了電壓指令的調制的情況下的電壓指令的圖。圖9是表示在本發明的實施方式I中的半導體功率轉換裝置中，進行了電壓指令的調制的情況下的電流的圖。圖10是表示本發明的實施方式2中的半導體功率轉換裝置的結構的圖。
圖11是表示本發明的實施方式3中的半導體功率轉換裝置的結構的一個例子的圖。
具體實施例方式下面，基于附圖，詳細說明本發明所涉及的半導體功率轉換裝置的實施方式。此外，本發明并不受本實施方式所限定。實施方式I圖I是表示本發明的實施方式I中的半導體功率轉換裝置的結構的圖。在圖I中，標號I是半導體功率轉換裝置，標號10是半導體功率轉換裝置的P側母線和N側母線之間所連接的直流電源裝置，標號2是通過來自半導體功率轉換裝置I的三相電壓輸出而驅動的電動機。此外，直流電源裝置10也可以是將交流電源進行整流及平滑后的電源。另外， 電動機2可以是感應電動機、永磁體型電動機等任意一種，電動機的種類可以是任意的。另外,標號5a至5f分別是U相、V相、W相的P側及N側的半導體開關元件,通過根據來自門信號生成器8a的門信號而對接通或斷開進行切換，從而切換其輸出電壓的接通或斷開。另外，標號6a至6f分別與半導體開關元件5a至5f逆并聯地連接，是限制使得電流沿規定方向流動的半導體元件。作為半導體開關元件5a至5f，大多使用作為Si半導體的IGBT或M0S-FET，作為半導體元件6a至6f，大多使用二極管。此外，作為半導體開關元件5a至5f及半導體元件6a至6f,也可以使用利用SiC或GaN等構成的寬帶隙半導體。此外，標號4示出將半導體開關元件5a至5f及半導體元件6a至6f封裝而成的模塊。在這里，將由半導體開關元件5a至5f和半導體元件6a至6f構成的部分稱為功率轉換部。半導體功率轉換裝置I利用電壓指令運算單元12及電壓指令單元13生成可變頻率的電壓指令，基于所述電壓指令而由門信號生成器8a生成針對半導體開關元件5a至5f的門信號，然后向該半導體開關元件輸出。并且，利用半導體開關元件5a至5f的輸出信號，對電動機2可變速地進行控制。作為電壓指令運算單元中的運算，大多使用例如V/F控制或矢量控制。在這里，在矢量控制中存在空間矢量控制、磁通矢量控制、無傳感器矢量控制等。另外，電壓指令的運算通常大多使用微型計算機(未圖示)進行。在這里，在門信號生成器8a中，對在其內部預先設定的、將三角波或鋸齒波等中的任意一個作為主要成分的載波波形，與從電壓指令單元13輸入的電壓指令之間進行大小比較，生成向半導體開關元件5a至5f輸出的門信號。具體地說，在電壓指令大于載波波形的情況下，生成用于使半導體元件的輸出導通(接通)的門信號，相反地，在電壓指令小于載波波形的情況下，生成用于將半導體元件的輸出截止(斷開)的門信號。利用該門信號，可以對半導體元件的接通/斷開進行切換，可以對電動機2可變速地進行驅動。下面，針對計算半導體開關元件5a至5f及半導體元件6a至6f各元件的元件溫度裕度，對電壓指令進行調制的方法，在下面詳細記述。標號16a至161是對半導體開關元件5a至5f及半導體元件6a至6f的元件溫度進行檢測的元件溫度檢測器。作為該元件溫度檢測器的結構，使例如熱電偶等可以檢測半導體元件的溫度的部件接合于所述半導體開關元件及半導體元件的附近，或者在所述半導體開關元件及半導體元件的內部內置溫度檢測二極管等具有溫度檢測功能的元件。根據該結構，可以準確地檢測所述半導體開關元件及半導體元件的溫度。
元件允許溫度存儲單元15是對半導體開關元件5a至5f及半導體元件6a至6f的元件允許溫度進行存儲的單元。該元件允許溫度是用于使半導體開關元件5a至5f及半導體元件6a至6f正常動作的元件允許溫度，也可以將所有元件的允許溫度設為相同溫度而存儲在元件允許溫度存儲單元15中。另外，如作為半導體開關元件而使用Si半導體元件、作為半導體元件而使用SiC半導體元件這種混合模塊等那樣，混雜有元件允許溫度各自不同的元件的情況下，也可以針對各個所述元件的種類而將單獨的元件允許溫度存儲在元件允許溫度存儲單元15中。此外，考慮到元件制造時的允許溫度的波動，也可以針對每一個元件而將單獨的元件允許溫度存儲在元件允許溫度存儲單元15中。元件裕度運算單元18a通過對元件溫度檢測器16a至161所檢測出的各元件的元件溫度、和存儲在元件允許溫度存儲單元15中的各元件的允許溫度進行比較，從而計算各元件的溫度裕度。該各元件的溫度裕度是通過從所述元件允許溫度中減去各元件的溫度而求出的。元件裕度運算單元18a例如可以與電壓指令運算單元12等相同地內置在微型計算機中，也可以形成獨立的電路。在這里，將由電壓指令單元13、元件允許溫度存儲單元15及元件裕度運算單元18a、以及元件溫度檢測器16a至161所構成的部分稱為溫度控制部。·
圖2是表示在U相電流最大的情況下，U相的半導體開關元件及U相半導體元件的元件溫度與它們各自的元件允許溫度之間的關系的一個例子的圖。在圖2中，示出U相上側的半導體開關元件即QUP(元件5a)、半導體元件即DUP(元件6a)、U相下側的半導體開關元件即QUN (元件5b)及半導體元件DUN (元件6b)、以及所述各個半導體開關元件和半導體元件的元件允許溫度隨時間的變化。如圖2所示，電動機驅動時的元件溫度周期性地變化。另外，特別在低頻運轉時，熱量集中在一部分元件中。圖3是表示所述半導體開關元件及半導體元件的溫度裕度的圖，圖3的時間軸與圖2的時間軸相同。由于各半導體開關元件或半導體元件各自的元件允許溫度不同，所以并不限于元件溫度最高的元件一定溫度裕度最小。具體地說，在圖3中，從O秒至O. 05秒為止，QUN(元件5b)的溫度裕度最小，從O. 05秒至O. 3秒附近為止，QUP (元件5a)的溫度裕度最小，另外，從O. 3秒至I秒為止，再次為QUN (元件5b)的溫度裕度最小。特別在從O. 6秒至O. 7秒的期間，由于QUN(元件5b)的溫度裕度小于或等于0，所以QUN(元件5b)有可能熱損壞。只要以使得所述溫度裕度最小的元件的導通率下降的方式，進行電壓指令的調制即可。電壓指令單元13對從電壓指令運算裝置12輸入來的電壓指令進行調制，以使得溫度裕度最低的元件的導通率下降。由于如果電壓指令是以不會破壞各相的電壓指令的相對關系的方式給出的，則可以與調制前的電壓指令相同地驅動電動機，所以，可以通過對調制前的電壓指令針對U相、V相、W相這三相分別加上或減去相同值，從而進行電壓指令的調制。例如，如果對U相電壓指令增加50V，相同地也對V相電壓指令和W相電壓指令增加50V,則U相和V相之間的相對關系不會被破壞。作為使溫度裕度最低的元件的導通率降低的調制方法的一個例子，存在使電壓指令增減至三角波的下限值和上限值的方法。在溫度裕度最低的元件為圖I的標號5a、6b、5c、6d、5e、6f的情況下,使電壓指令減少。相反地，在溫度裕度最低的兀件為圖I的標號6a、5b、6c、5d、6e、5f的情況下，使電壓指令增加。此時，作為使電壓指令增加或減少的值，在使電壓指令增加的情況下，是使得增加后的某電壓指令的最大值成為與三角波的最大值大致相等的值，另外，在使電壓指令減少的情況下，是使得減少后的電壓指令的某最小值成為與三角波的最小值大致相等的值。另外，有時通過調制，溫度裕度最小的元件的溫度裕度變大，但其它元件的溫度裕度變小。此外，通過上述方法，有時大于或等于兩個元件的溫度裕度成為相等的值。在此情況下，由于如果使一個元件的溫度裕度增加，則另一個元件的溫度裕度變小，所以使電壓指令增加至最大值的情況和使電壓指令值減少至最小值的條件以短時間間隔交替出現，因此，電壓指令發生振蕩。為了防止該情況，也可以在溫度裕度接近的情況下不進行調制。另外，在上述使電壓指令增減為三角波的下限值和上限值的調制方法之外，還存在與溫度裕度相對應而使電壓指令增減的方法。在該方法中，在不超過電壓指令的最大值的范圍內，在溫度裕度最小的元件的溫度裕度較小時，使電壓指令大幅增減，在溫度裕度較大時，小幅增減。另外，在溫度裕度最小的元件的溫度裕度特別大的情況下，也可以不進行調制。另外，存在對溫度裕度的推移進行預測而使電壓指令增減的方式。在此情況下，取得上一次測定的溫度裕度和本次測定的溫度裕度之差，與溫度裕度的變化量對應而使電壓 指令增減。上述調制手段都是通過使電壓指令增減而使得半導體開關元件或半導體元件的導通率變化。使用圖2至圖9，對通過電壓指令的調制而改善溫度裕度的改善效果的一個例子進行說明。在不進行電壓指令的調制的情況下，在某個半導體開關元件或半導體元件的溫度和元件允許溫度處于如圖2所示的關系時，溫度裕度如圖3所示。此時的電壓指令如圖4所示，電流如圖5所示。在這里，在圖3中，QUN的溫度裕度小于或等于0，有可能使元件熱損壞。此外，圖4的三角波為大約3Hz的周期，但實際上為幾kHz至幾十kHz。與此相對，在進行了電壓指令的調制的情況下，某個元件的溫度和元件允許溫度之間的關系成為圖6，溫度裕度成為圖7。此時的電壓指令成為圖8，電流成為圖9。此外，圖8的三角波為大約3Hz左右的周期，但實際上為幾kHz至幾十kHz。與未進行電壓指令的調制的情況相比，溫度裕度較小的元件的溫度裕度增加，相反地，溫度裕度較大的元件的溫度裕度減少。溫度裕度此前小于或等于O的QUN的溫度裕度增加至50°C左右，使元件熱損壞的可能性降低。相對地，DUP的溫度裕度減少。對于圖8的電壓指令，是針對溫度裕度最小的元件進行調制，電壓指令的其中一個增減至最大值或最小值。另外，存在大于或等于兩個的元件的溫度裕度值相等的期間，在該期間，電壓指令的增減至最大值和最小值的動作交替進行。在圖9的電流中，由于施加在電動機上的線間電壓在電壓指令的調制后也沒有發生變化，所以調制后的電流值沒有變化。如上所示，通過進行電壓指令的調制，可以使溫度裕度最小的半導體開關元件或半導體元件的導通率下降，因此，將溫度裕度平均化，其結果，可以使半導體功率轉換裝置以防止上述元件熱損壞的方式進行運轉。實施方式2圖10是表示本發明的實施方式2中的半導體功率轉換裝置的結構的圖。此外，對于與圖I相同的結構，標注相同的標號，省略對它們的說明。使用圖10，說明本發明的實施方式所涉及的動作。在圖10中，門信號生成器Sb進行與圖I的門信號生成器8a相同的動作，例如通過將三角波等載波波形與電壓指令進行大小比較，在電壓指令大于載波波形的情況下，生成使半導體開關元件導通的門信號(門接通信號)，在電壓指令小于載波波形的情況下，生成使半導體開關元件截止的門信號(門斷開信號)。與圖I的門信號生成器8a的不同點為，將門信號向元件溫度推定單元輸出。標號7a至7c為電流檢測器，對向電動機2輸出的電流值(U相電流值、V相電流值、W相電流值)進行檢測。將檢測出的值向后述的元件溫度推定單元輸出。作為所述電流檢測器，可以使用變流器，也可以使用分流電阻。元件溫度推定單元17將來自電流檢測器7a至7c的電流值和來自門信號生成器Sb的門信號作為輸入，通過計算而推定半導體開關元件5a至5f和半導體元件6a至6f的元件推定溫度，并向元件裕度運算單元18b輸出。作為元件推定溫度的計算方法，例如具有 下述方法，即，在元件溫度推定單元17內預先保存IGBT的Ic-Vce特性表、開關損耗表、旁路二極管(fly wheel diode)的Ic-Vce表、開關特性及元件的熱阻和熱容,根據由所述電流檢測器檢測出的電流和門信號，計算出半導體元件的損耗，根據上述值計算元件推定溫度。元件溫度推定單元17可以搭載于例如對電壓指令等進行運算的微型計算機中，也可以形成獨立的電路。通過將圖I中的溫度檢測單元變更為溫度推定單元，可以不需要安裝在半導體開關元件及半導體元件上的溫度檢測器，在可以得到與實施方式I相同的效果的基礎上，可以實現裝置的小型化及廉價化。實施方式3圖11是表示本發明的實施方式3中的半導體功率轉換裝置的結構的一個例子的圖。此外，對于與圖I及圖10相同的結構,標注相同的標號,省略對它們的說明。使用圖11，說明本發明的實施方式所涉及的動作。元件溫度檢測器16a及16b是分別對半導體開關元件5a及半導體元件6a的元件溫度進行檢測的元件溫度檢測器。作為該元件溫度檢測器的結構，使例如熱電偶等可以檢測半導體元件的溫度的部件接合于所述半導體開關元件及半導體元件的附近，或者在所述半導體開關元件及半導體元件的內部內置溫度檢測二極管等具有溫度檢測功能的元件。根據該結構，可以準確地檢測出所述半導體開關元件及半導體元件的溫度。此外，元件溫度檢測器16a及16b分別對半導體開關元件5a至5f及半導體元件6a至6f的哪組元件溫度進行測定均可，另外，也可以增減元件溫度檢測器的數量。元件溫度推定單元17c將來自電流檢測器7a至7c的電流值、來自元件溫度檢測器16a及16b的各元件的元件溫度、和來自門信號生成器Sb的門信號作為輸入，通過計算而推定半導體開關元件5a至5f和半導體元件6a至6f的元件推定溫度，并向元件裕度運算單元18b輸出。作為元件推定溫度的計算方法，例如具有下述方法，即，在元件溫度推定單元17c內預先保存IGBT的Ic-Vce特性表、開關損耗表、旁路二極管的Ic-Vce表、開關特性及元件的熱阻和熱容，根據由所述電流檢測器檢測出的電流和門信號，計算出半導體元件的損耗，根據上述值計算元件推定溫度，此外，根據實際的元件溫度和元件推定溫度的差，對所述計算出的元件推定溫度進行校正，從而提高精度。元件溫度推定單元17c可以搭載于例如對電壓指令等進行運算的微型計算機中，也可以形成獨立的電路。如上述所示，通過將由元件溫度檢測器產生的元件溫度的檢測結果向元件溫度推定單元輸入，與本發明的實施方式2中的情況相比，可以提高精度。此外,通過半導體開關元件5a至5f及半導體元件6a至6f中的至少一個使用SiC等的寬帶隙半導體，從而元件允許溫度變高。由此，在由于某些原因使電流向一個半導體開關元件或半導體元件集中而發熱增加的情況下，只要以使得電流流過使用所述寬帶隙半導 體構成的半導體開關元件或半導體元件的方式進行溫度控制即可，使本發明的實施方式I至3中的半導體功率轉換裝置的溫度控制變得容易。
權利要求
1.一種半導體功率轉換裝置，其具有 功率轉換部，其具有半導體開關元件和半導體元件，該半導體開關元件根據指令進行接通或斷開動作，該半導體元件與所述半導體開關元件逆并聯地連接，限制使得電流沿規定方向流動，該功率轉換部通過所述半導體開關元件的接通、斷開動作而對來自外部的輸入電壓進行PWM控制，并向外部輸出電流；以及 溫度控制部，其具有元件允許溫度存儲單元、元件溫度檢測單元、溫度裕度運算單元以及電壓指令單元，其中，該元件允許溫度存儲單元對用于使所述各元件正常動作的溫度允許值即允許溫度進行存儲，該元件溫度檢測單元對所述各元件的溫度進行檢測，該溫度裕度運算單元對所述元件允許溫度存儲單元所存儲的各元件的允許溫度和由所述元件溫度檢測單元檢測出的各元件的溫度之間的差值進行運算，該電壓指令單元對所述半導體開關元件發出指令，使得所述各元件中，由所述溫度裕度運算單元運算出的所述差值與其它元件相比較低的元件的導通率下降。
2.根據權利要求I所述的半導體功率轉換裝置，其特征在于， 所述元件溫度檢測單元是對所述各元件的溫度進行檢測的溫度檢測器。
3.根據權利要求I所述的半導體功率轉換裝置，其特征在于， 所述元件溫度檢測單元具有電流檢測器，其對所述功率轉換部的輸出電流值進行檢測；以及元件溫度推定單元，其根據所述電流檢測器的檢測結果和向所述半導體開關元件的門極端子輸入的信號，推定所述各元件的溫度。
4.根據權利要求I所述的半導體功率轉換裝置，其特征在于， 所述電壓指令單元進行電壓指令，使所述差值最小的元件的導通率下降。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的半導體功率轉換裝置，其特征在于， 所述半導體開關元件或半導體元件的至少其中一個由寬帶隙半導體形成。
全文摘要
本發明提供一種半導體功率轉換裝置的熱損壞保護裝置，其通過使半導體功率轉換裝置內所使用的元件的溫度上升均勻，從而防止半導體功率轉換裝置的元件由于發熱而損壞。在半導體功率轉換裝置中，針對該半導體功率轉換裝置所使用的各個元件，通過計算各元件的相對于允許溫度的溫度裕度，以使得所述溫度裕度較低的元件的導通率下降的方式控制半導體功率轉換裝置，使半導體功率轉換裝置內所使用的元件的溫度上升均勻。
文檔編號H02M7/5387GK102957333SQ201210040858
公開日2013年3月6日 申請日期2012年2月21日 優先權日2011年8月18日
發明者西村隼一, 今中晶, 原川雅哉 申請人:三菱電機株式會社