逆变器中的方法和装置制造方法及图纸

一种与逆变器有关的方法和装置，该逆变器包括几个功率半导体元件和一个用来控制它们的控制设备，所述控制设备被安排成响应于控制量而控制所述功率半导体元件以生成输出电压。该方法包括以下步骤：确定一个或多个功率半导体元件的温度的改变或影响该温度的量的改变，以及响应于用来生成输出电压的控制量和功率半导体元件的温度的改变速率或影响该温度的量的改变速率而用所述控制设备来控制功率半导体元件以减小温度改变和改变速率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术涉及一种在逆变器中用于减小与半导体元件的温度变化有关的影响的方法和装置。逆变器是一种在其中有可能生成具有可变频率的电压的电子器件。逆变器典型地在电动机中被使用来以交变频率或当把电功率传送回网络时控制电动机，在这种情形下逆变器生成其频率相应于网络频率的电压。这种给网络供电的逆变器通常称为网络逆变器。今天，作为快速的、栅极控制元件的IGB晶体管(绝缘栅双极性晶体管，IGBT)，典型地被用作逆变器的功率半导体，即用来生成输出电压的开关元件。最大的IGBT元件的电流承载能力是几百安培，它们的最大电压是几千伏。在逆变器中，开关元件被纯粹地用作为开关，在这种情形下，它们实际上具有两个状态，即完全导通和完全阻断。改变状态要尽可能快地完成，以避免在元件中出现并存的电压和电流。这里提到的IGBT是由几个部分组成的元件，并且同时是由具有不同热电阻的几块组成的。半导体元件可被看作为是由基板、基片和实际的半导体单元，即芯片构成的。基板的作用是把元件中生成的热量传导到散热片等等。基片在基板之上，并且在其上固定有芯片。显然，作为电阻性元件的芯片由于流过元件的电流而发热最快和最多。而基板在各元件部分中发热最慢且最少，即它部分地由于冷却和部分地由于热量分布到基板的大的体积上而具有最高的温度时间常数。半导体元件的不同部分不单具有不同的温度时间常数，而且具有不同的热膨胀系数。热膨胀系数表示在一个部件中由温度改变而造成的膨胀的大小。因为半导体元件的各部分常常紧密地被焊接在一起，所以在它们之间由于不同尺寸的膨胀而出现了机械力，机械力使得元件张紧(strain)并且不久以后将破坏它。当使功率半导体按循环地加载时，这种热应力的问题特别大。循环加载是指不均匀的、但是是在功率半导体的负载在一段时间为高但此后为低的情形下所形成的负载。这样的负载在功率半导体中生成许多温度变化，在高负载(即大电流)期间温度猛烈地上升，而在负载减小时温度下降。循环加载使得功率半导体过早地老化。逆变器中循环驱动的例子是起重机、离心机、和电梯驱动。例如，在离心机驱动中，逆变器控制电动机来旋转离心机，离心机需要很大的转矩来加速，这意味着在半导体中的大的电流和高的温度增加。在加速后，离心机以运转速度旋转，在这种情形下，当需要的转矩降低时，逆变器的输出电流显著地下降。在加速期间加热的半导体元件此刻开始冷却。如果离心机进一步被再生地(regeneratively)减慢，即通过使用电动机作为发电机，则再次有大电流流过开关元件，并且该元件加热。相同的情形应用于电梯和起重机驱动以及其它循环驱动。一种当前的量度驱动大小的方法是根据由于循环加载造成的半导体温度变化(即振幅)来进行的。半导体制造商指示出半导体所容忍的可能的循环数目作为温度变化的函数。当温度变化下降时，许可的最大循环数目增加。今天，像其它电子设备一样，逆变器通过风扇或液体冷却来主动地冷却。在这样的解决方案中，热量被从设备中传出，以便冷却发热的设备的元件。通常，这是通过持续的冷却进行的，在这种情形下，不管功率半导体的温度如何，冷却风扇或泵以恒定的旋转速度运转。在某些解决方案中，也已知使用根据温度而直接改变的冷却，在这种情形下，当热量的产生增加时，冷却功率增加，以便限制温度的增加。显然，通过使用风扇来冷却元件，元件的最高温度可以被降低。然而，仅仅使用风扇使得不可能降低元件的温度分布(profile)以便避免特别是在循环驱动中由于温度改变而造成的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在逆变器中的方法和装置，以及一种逆变器，以使得避免上述的缺点，并使能以一种减小由于循环加载造成的热应力且从而提高逆变器的使用寿命的方式来控制逆变器。这个目的是通过本专利技术的一种方法和装置来实现的，该方法和装置的特征在于独立权利要求1和9中所陈述的。本专利技术的优选实施例在从属权利要求中公开。本专利技术是基于这样的概念在逆变器中，通过在高负载时主动减小和在低负载时主动增加半导体中的瞬时损耗而使功率半导体元件中的损耗校平。通过元件损耗的受控制的改变和基于元件温度的冷却控制可以显著地限制元件的温度改变的速率和大小。本专利技术的解决方案提供了以下优点通过管理功率半导体的温度，元件的使用寿命可以显著地延长，特别是在与循环使用有关时，在循环使用中当使用现有技术时由于温度变化的结果，会使功率半导体被相当大地张紧。另外，通过利用本专利技术，可以使设备的热尺寸量度比以前更优化，即不需要过量度(over-dimension)该设备的尺寸。当使用于逆变器时，本专利技术的解决方案对于被耦合到逆变器的电动机的性状没有影响，并且电动机能够以正常的方式被加载。附图说明现在藉助于优选实施例并参考附图来更详细地描述本专利技术，其中图1显示本专利技术的解决方案的总体框图；以及图2显示本专利技术的方法的应用的示例性曲线。具体实施例方式图1在总体级别上显示了实施本专利技术方法的本专利技术装置的框图。该装置与一逆变器相结合地被显示，对于该逆变器没有示出具体的应用目标。因此，显然地本方法和装置可被利用于任何使用逆变器的应用。图1显示了处理器单元1如何按照在处理器中的控制算法来控制门驱动器GD1、GD2、GD3。门驱动器被相应地连接来控制功率半导体2，在图1上只显示了两个功率半导体，即一个开关对，它典型地形成单相(onephase)。在常规的三相系统中，有三个这种类型的开关对。按照本专利技术的方法，确定一个或多个功率半导体元件2的温度T或影响该温度的电量。温度的确定最简单地可以通过用适当的传感器测量元件的温度而完成。然而，藉助于现代的快速处理器，可以由程序通过使用由功率半导体元件组成的热模型来十分精确地计算出温度，由此可以实时地得到功率半导体的不同部分的温度信息。当使用热模型时，不需要测量温度的单独的传感器；只要测量参考点(例如基板)的温度就足够了。当知道流过半导体元件的电流的大小I、在元件上的电压的大小U和切换频率fSW(即每个单位时间切换的次数)时，半导体元件的温度T可以通过使用热模型以本身已知的方式被确定。在半导体元件中，温度是由功率损耗形成的，而功率损耗是由接通状态损耗和切换损耗形成的。流过元件的电流的大小I影响接通状态损耗的大小，而影响切换损耗大小的不单有电流的大小I而且还有元件上的电压的大小U，自然还有切换频率fSW。按照本专利技术的优选实施例，元件温度的确定包括确定元件的电流和电压的大小，从而通过使用由元件构成的温度模型来确定温度的步骤。因为元件的温度作为流过元件的负载电流的函数而改变，所以温度的量值可以通过负载电流被近似到某种程度。然而，从电流的大小不可能推断出元件中的实际的温度。对于几个转矩控制的逆变器，有可能通过机器的转矩来估计温度的情况。可以在逆变器的控制电路中可靠地计算这个转矩。按照本专利技术的实施例，该转矩被使用来表示温度改变。该转矩可以是由被控制的机器提供的实际的转矩信息，它是依据机器的通量和电流计算出来的，或者它可以是给予机器的转矩指令—如果该机器是转矩控制的话。相应地，当机器是电流控制的时，电流指令或由电流指令生成的量可被用作表示温度改变的信号。按照本方法，进一步确定一个或多个功率半导体元件的温度上的改变，或影响该温度的量上的改变。通过例如把规定的温度值存储到位于处理器中的存储器内，温度上的改变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种与逆变器有关的方法，该逆变器包括几个功率半导体元件和一个用来控制它们的控制设备，所述控制设备被安排成响应于用于生成输出电压的控制量来控制所述功率半导体元件，该方法包括以下步骤：确定一个或多个功率半导体元件的温度或影响该温度的电量 ，其特征在于，该方法还包括以下步骤：确定一个或多个功率半导体元件的温度的改变或影响该温度的电量的改变，以及响应于用于生成输出电压的控制量和功率半导体元件的温度的改变速率或影响该温度的量的改变速率，而用控制设备来控制功率半导体 元件去以这样的方式减小温度变化，即：使得当温度或影响温度的量增加时减慢温度增加速率，以及当温度或影响温度的量下降时减慢温度下降速率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：T龙凯宁，V许韦里宁，P思蒂宁，
申请(专利权)人：ABB有限公司，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]