專利名稱：保護逆變器的開關元件使其不過熱的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及保護逆變器所用多個開關元件使其不過熱的裝置及方法，本發明裝置和方法可用于感應電動機的矢量控制系統。
當用逆變器驅動感應電動機時，在逆變器的一個臂上的上位或下位開關元件中的任一個就被通電(接通)。在以低頻驅動電動機時，在驅動期間上位或下位開關元件中任一個的持續時間變得較長，從而開關元件之一的內部結點上的溫度波動也變大。詳細地說，如果開關元件之一的總損耗不變的話，當逆變器的輸出頻率變低時，元件內部結點的溫度就變高。
附圖5A和5B示出在感應電動機正常運轉(較高頻率驅動)時，逆變器輸出電流和開關元件的結溫的溫度波動變化圖形。
附圖5C和5D示出當輸出電流的有效值與附圖5A情況相等時，在低溫驅動該電動機期間逆變器輸出電流和開關元件接頭溫度波動變化圖形。
如從附圖5A至5D所示那樣，當開關元件在接通狀態期間，開關元件的結溫變高；而當開關元件在斷開狀態下，它的結溫就低。也就是說，每一個輸出頻率的半周期重復溫度的升降。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。就低頻驅動如附圖5B所示來說，在一個開關元件被導通或斷開時間的持續時間變長，從而溫度波動就變大。
在1995年10月3日公開的日本專利申請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元件的保護方法。
在該公開的功率開關元件的保護方法中，從逆變器到負荷(感應電動機)的輸出電流用電流檢測器來檢測，以便保護開關元件不被過熱；還安裝了逆變器用的控制器，在該控制器中對每一個開關元件進行通-斷控制，從而使輸出電流不超過預定電流值。
例如，控制開關元件的通-斷所用的每一個開關元件的時間限制特性是當時間過去時其輸出電流(負荷電流)變小，也就是說，通過對逆變器輸出電流大小和輸出電流持續時間的限制來保護每一個開關元件免受過熱。
然而，在上述日本專利申請公開說明書中，由于僅檢測和讀出開關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動情況下，不能充分地保護每一個開關元件免受過熱。
本發明目的在于提供一種特別是在低頻驅動期間，保護逆變器所用多個相同開關元件使其不過熱的方法和裝置。
按照本發明的第一方面，提供一種保護逆變器所用多個相同半導體開關元件使其不過熱的方法，該方法包括如下步驟a)檢測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的基礎上，導出開關元件之一的開關元件的結溫升高；d)確定該開關元件的溫度升高是否超過預定限值，在該預定限值之上時，該相應的開關元件之一會被過熱；e)減少向每個開關元件供應的門信號的接通脈沖占空比，以便限制逆變器的輸出電流。
按照本發明另一方面，提供一種保護逆變器所用的多個相同半導體元件使其不過熱的裝置，該裝置包括一個傳感器和一個逆變器脈寬調制控制器(inverter PWM controller)，其中，所安裝的傳感器用于檢測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上，導出開關元件的結溫升高，確定開關元件的溫度升高是否超過預定限值，在該預定限值之上時，該相應的開關元件之一會被過熱，并且減少向每個開關元件供應的門信號的接通脈沖占空比，以便限制逆變器的輸出電流。
以下就本發明最佳實施例并配合以附圖對本發明進一步說明，以便對本發明有更好的了解附
圖1示出通過PWM逆變器來控制三相感應電動機的本發明裝置實施例電路方塊圖，對該裝置可使用本發明保護逆變器中的多個開關元件使不被過熱的方法。
附圖2A和2B是在一個開關元件(附圖1中的IGBT和FWD)中實際(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)的釋義性時間圖。
附圖3是解釋在示于附圖1的控制器中執行本發明方法第一個最佳實施例的操作流程圖。
附圖4是解釋在示于附圖1的控制器中執行本發明方法第二個最佳實施例的操作流程圖。
附圖5A、5B、5C、5D分別示出在以上背景技術一段所述正常驅動和低頻驅動期間的輸出電流和溫度波動的波形圖。
附圖1示出用于三相感應電動機(IM)的常用逆變器的電路方塊圖，對該逆變器可使用本發明保護逆變器中的多個開關元件使不被過熱的方法的第一個最佳實施例。
如附圖1所示，標號1表示三臂橋電路型的逆變器部分，每個臂具有二個串聯的開關元件IGBT(絕緣門脈沖二極晶體管)，每個IGBT具有集電極端、發散極端和柵極端，每一個IGBT的集電極端連接到續流二極管(FWD)的陰極端，而其發散極端則連接到FWD的陽極端。
在上位IGBT和下位IGBT之間的每一臂的接點與負載諸如感應電動機(IM)相連接。令人注意的是，一只電流檢測器(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)、功率發生電路和逆變器相連接。令人注意的是，就用于感應電動機(交流伺服電動機)的矢量控制系統而言，將脈沖編碼器(PP)聯結到感應電動機的轉子上，用來檢測電動機(IM)轉子的速度，而使脈沖編碼器(PP)聯結到PWM控制器3上，則用來計算差頻等。上述矢量控制系統是由美國專利5,341,081作過示范的(本發明在這里引其內容作為參考)。
將門驅動(電路)插于控制器3和逆變器部分1的IGBT的每一個柵極端之間。(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矩指令和電流檢測器2(2A、2B)所檢測過的電流輸出；中央處理機(CPU)；存儲器；與門驅動(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，因為，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。這個道理用于另一個半導體開關元件也同樣適用。
到達第一個臂上位和下位IGBT元件以及與其連接的FWD的PWM信號的占空比變化如下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的第一個上位開關元件的接通時間間隔；Δθ表示三角形波周期的一個角度，該三角形波是PWM逆變器1的載波頻率，ΔQ4表示IGBT第一個下位開關元件的接通時間間隔，a表示控制因子(或調制速率)，θ表示逆變器1的輸出電壓相位。
其次，第一臂上位IGBT開關元件的功率損耗以及第一臂FWD開關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(相應開關元件所固有的開關損耗參數)，Vce(sat)(@I)表示當輸出電流I流動時，在飽和區的集流極-發射極電壓，PT表示在IGBT部分的功率損耗，PTON表示IGBT部分的穩態損耗。
(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)表示當輸出電流I流動時，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(會刊)、第III冊、第9號(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估的改進)。
因此，確定功率損耗的變數(因子)包括開關元件特性、輸出電流I、控制因子a和輸出電壓相位θ(相應于載波頻率ωc內含項)。
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，因為控制器1計算這些參數來控制感應電動機的驅動。這些計算已在美國專利5,581,452和5,341,081和5,481,173中例示過(各該專利的公布內容在這里被引作參考)。
在下一個步驟S2中，CPU使用方程式(1)到(4)計算IGBT元件和與其連接的FWD元件的功率損失并且計算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和與其相連結的FWD元件)。在此實施例中，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，在半正弦形內的每一個功率損耗在時間t0，t1，t2，…，ti…，tn是離散數字形式。每一功率損耗被計算為P0，P1，P2，…，Pi…，Pn。
然后，以前存儲于PWM控制器1的存儲器的存儲單元中的瞬態熱阻抗被讀出，并使用下式(S)計算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表示瞬態熱阻抗[℃/W]。
因此，在開關元件中元件的結溫升高受損耗和在該損耗發生期間的時間持續的影響。
令人注意的是，以逆變器1的載波頻率的周期(Tp)作為變數，按照開關元件固有的熱阻曲線，開關元件的瞬時熱阻抗已經被確定并被存儲于存儲器的存儲單元之中。
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，時間t①到④可從(Tpxi)值選擇。再令人注意的是，在瞬時熱阻抗中的上述各參數是用其產品號為MBB100AS6的IGBT開關元件導出的。
其次，在步驟S4，CPU決定Tn是否大于Tnref，Tnref表示相應開關元件在該值以上被過熱的預定極限值(IGBT開關元件或與其相連接的FWD元件的二者之一的結溫標稱值)。
也就是說，按照用于逆變器的開關元件導出Tn。如果第一上臂位置由IGBT和FWD所構成，則Tn是IGBT開關元件的結溫。如果第一上臂位置僅由IGBT元件構成，則Tn不需方程式(2)的計算即可導出。
如果在步驟S4時，Tn＞Tnref，則程序進入步驟S6，在該步驟中，達到IGBT元件的各柵極的驅動信號被取消或者每個驅動信號的空占比被降低(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，可精確地控制開關元件過熱的發生。
特別是，在低頻驅動期間易于發生的過熱可精確地被防止，因為已將PWM逆變器1的輸出頻率考慮進去了。令人注意的是，第一臂上位IGBT元件已被考慮進去，因為同樣的開關元件被連接到三臂逆變器1的其它臂位置上。
第二個實施例附圖4是用于說明本發明第二個最佳實施例的操作流程圖。
在第二實施例中，逆變器1的CPU已經將結溫升高數據存儲于在PWM控制器1中存儲器的存儲單元中，該數值是以輸出頻率ωc、輸出電壓相位θ和控制因子a作為變數而被確定出來的。
然后，在負載如感應電動機(IM)的實際運轉中，CPU在步驟S1讀出上述的各變數，并且在步驟S7從存儲器的存儲單元檢索元件接頭之一的溫度升高數據。
這樣，在驅動感應電動機期間、PWM控制器1的CPU為計算上述方程式的負載就可被解除了。
令人注意的是，盡管當時間的預定期間過去時附圖3和附圖4都能隨時作為中斷程序來執行，但是使用上述變數[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)]也可施行另外的執行方法來決定開關元件是否過熱。
而且，本發明還可應用于具有功率MOS(金屬氧化物半導體)、GTR(閘門電路斷開晶閘管)的開關元件或其它半導體開關元件。
權利要求
1.保護逆變器所用的多個相同半導體開關元件使其不過熱的方法，其特征在于包括如下步驟a)檢測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的基礎上，導出開關元件之一的開關元件結溫升高；d)確定該開關元件的溫度升高是否超過預定限值，在該預定限值之上時，該相應的開關元件之一會被過熱；e)減少向每個開關元件供應的門信號的接通脈沖占空比，以便限制逆變器的輸出電流。
2.按照權利要求1所述保護逆變器所用的多個相同半導體開關元件使其不過熱的方法，其特征在于還包括如下步驟f)存儲相應的一個元件的穩態接通損耗、開關損耗、瞬態熱阻抗以及進入控制器存儲器的每個相應存儲單元之一的開關損耗計算公式；g)使用所存儲的開關損耗計算公式，從讀出的逆變器輸出電流、輸出電壓相位、控制因子、存儲的穩態接通損耗以及所存儲的開關損耗來計算每一個開關元件的損耗，以及h)使用所存儲的瞬態熱阻抗和所計算的開關損耗來計算開關元件的結溫升高。
3.按照權利要求1所述保護逆變器所用的多個相同半導體開關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，存儲關于開關元件的結溫升高的多個數據；g)步驟是從依照在步驟a)中所檢測的檢測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的數據來檢索其數據中之一。
4.按照權利要求2所述為保護逆變器所用的多個相同半導體開關元件使其不過熱的方法，其特征在于每一個所述開關元件由一個絕緣柵二極晶體管和與其交叉相連接的一個續流二極管所構成，并且三相感應電動機連接到逆變器上。
5.按照權利要求4所述保護用逆變器所用的多個相同半導體開關元件使其不過熱的方法，其特征在于所檢測的逆變器的輸出電流接近于矩形波形，每一個開關元件的開關損耗接近另一矩形波形，并且在時間為t時，開關元件的結溫升高Tn以Tn=Σi=1nPi{Zth(tn-ti-1)-Zth(tn-ti)},]]>表示，其中，t＝to，…ti…，tn，Zth表示瞬時熱阻抗。
6.保護逆變器所用的多個相同半導體開關元件使其不過熱的裝置，其特征在于含有一個傳感器和一個逆變器脈寬調制控制器，其中所安裝的傳感器用于檢測所述逆變器的輸出電流；所安裝的逆變器脈寬調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的基礎上，導出開關元件的結溫升高，確定開關元件的溫度升高是否超過預定限值，在該預定限值之上時，該相應的開關元件之一會被過熱，并且減少向每個開關元件供應的門信號的接通脈沖占空比，以便限制逆變器的輸出電流。
全文摘要
本發明涉及保護PWM逆變器所用的多個相同半導體開關元件使其不過熱的方法及其設備。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的基礎上，導出開關元件之一的結溫升高T
文檔編號H02H7/122GK1161588SQ9710198
公開日1997年10月8日 申請日期1997年2月21日 優先權日1996年2月21日
發明者堤裕彥 申請人:株式會社明電舍