电力电子模块绝缘栅双极型晶体管保护方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种电力电子模块绝缘栅双极型晶体管保护方法和系统。本发明专利技术还提供一种用于将功率传递给负载的方法，包括：以指定的开关频率激活和去激活固态开关，以生成输出电流波形；确定所述固态开关的结温度变化；和基于所述结温度变化来减小所述开关频率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及功率转换器和逆变器领域。更具体地，本专利技术涉及用于防止过热所导致的电动机驱动电路的故障。
技术介绍
功率逆变器和转换器通常采用功率模块来创建期望的输出电流波形，以对各种设 备(例如电动机和其它装置)供电。例如，输出电流波形的频率和幅度可通过例如改变电 动机的速度或转矩而影响设备的工作。 一些功率模块通过脉宽调制来创建期望的输出电流 波形，其中，使得功率半导体开关(例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT))按特定顺序快速导通 和截止，从而创建近似正弦输出电流波形。此外，高IGBT开关速度易产生更平滑更理想的 正弦波形，在一些应用中可能期望如此。例如，在加热系统、通风系统以及空调系统中，更平 滑的正弦波形将减小系统噪声和振动。 然而，高IGBT开关速度可易提高IGBT的结温，这可能随着时间导致更大的机械应 力以及增加的IGBT故障率。已经尝试通过限制最大绝对IGBT结温来减少IGBT故障。然 而，这些技术未能解决在启动条件或低速条件下易出现的增加的应力，其中，IGBT在低输出 频率时易经历高电流。 因此，有利的是，提供一种在启动条件和低速高电流条件下尤其有效的减小IGBT 热应力的系统和方法。具体地，有利地，提供一种减小IGBT结(即半导体芯片自身)以及 外壳(即包含半导体芯片的封装)的温度变化的方法。
技术实现思路
本专利技术一般地涉及一种设计用于解决上述需求的IGBT保护机制配置。实施例包 括用于减小逆变器模块的开关频率以避免高结温变化的系统和方法。实施例还包括用于估 计预期的结温变化的方法。附图说明 参照附图阅读以下详细描述，可更好地理解本专利技术的这些和其它特征、方面和优 点，在各图中，相似的标号表示相似的部分，其中 图1是根据本专利技术实施例的采用用于防止高结温变化的电路的电动机驱动系统 的框图； 图2是示出图1的电动机驱动系统的逆变器模块的简化电路图； 图3是图2所示的逆变器模块的IGBT的侧视图，示出与之关联的故障模式； 图4描述图2所示的逆变器模块的热网络模型； 图5示出相对于输出电流的结温变化； 图6示出作为开关频率和输出频率的函数的最大结温变化； 图7是描述对逆变器模块的开关频率进行控制的一种方法的流程图。具体实施例方式本专利技术实施例涉及减小结温的大变化所导致的IGBT上的机械应力。大的结温变 化可有助于特别高级别的机械应力，原因在于，IGBT封装内的各种材料的不同膨胀率可能 导致引线键合以及相似的接触件中引线损伤增长。因此，减小结温变化可导致较长寿命的 逆变器模块。在本专利技术实施例中，通过控制开关频率来控制结温变化。因为最高结温变化 易在启动或低速、高电流条件下出现，所以可仅在启动期间内的短时间内减小开关频率，此 后可以增加开关频率，以提供更平滑的正弦波形。 图1示出示例性电动机控制系统IO，其采用了用于在各种工作条件下防止极端的 结温变化的电路。三相电源12将三相电压波形以恒定频率提供给整流器14，并且可以得自 发生器或外部电网。整流器14执行三相电压波形的全波整流，将直流(DC)电压输出到逆 变器模块16。 逆变器模块16接受来自整流器电路14的DC电压的正线和负线，并且输出具有独 立于三相电源12的频率的期望频率的离散三相波形。驱动器电路18向逆变器模块16提 供适当的信号，使得逆变器模块16能够输出波形。所得三相波形此后可驱动负载(例如电 动机20)。 控制电路22可从远程控制电路24接收命令，使用所述命令来使驱动器电路18能 够正确地控制逆变器模块16。在一些实施例中，电动机控制系统可以包括一个或多个用于 检测工作温度、电压、电流等的传感器26。采用来自传感器26的反馈数据，控制电路22可 保持对于使逆变器模块16可工作的各种条件的详细跟踪。反馈数据可进一步允许控制电 路22确定逆变器模块16何时可能接近高温度，从而允许控制电路实现预防性措施。 参照图2，逆变器模块16可包括多个IGBT 28和电力二极管30。 IGBT28和电力 二极管30通过键合引线32(适当地)结合到正或负DC线以及输出线a、b或c。由于IGBT 28快速导通和截止而在输出34处产生离散的三相输出电流波形，热循环的应力的变形的 结果是张力施加在键合引线32上。 图3示出逆变器模块16的一部分的侧视图，表现出因源于热应力的累积变形而导 致的键合引线故障。逆变器模块16可包括直接覆铜(DBC)衬底38，其可包括陶瓷基底40、 铜层42以及铜接触件44和46。在DBC衬底38之上，铜44通过焊料48而结合到硅IGBT 28。键合引线52将IGBT28结合到铜触点46。高结温可易使得DBC衬底38和键合引线52 受热并且不均匀膨胀，在键合引线52上——尤其在焊料连接处——产生张力。随着IGBT 28与DBC衬底38之间的温差的增加，键合引线52上的张力也因键合引线52和DBC衬底38 的不同热膨胀率而增加。因此，IGBT 28的结温变化可对逆变器模块的寿命具有显著影响。 如以下将进一步讨论的，结温变化在启动或低速、高电流条件时可易达到最大。在很多功率 周期施加于IGBT 28之后，键合引线52的变形可易在键合引线52中产生根部损伤54。此 外，键合引线52可因提离56而开始与硅芯片46或金属板50分离。当根部损伤54或提离 56完全对键合引线52起作用时，IGBT28可变得不可操作。 图4示出热网络模型58，示出结到外壳的热阻抗Zj。 60。结到外壳的热阻抗Zj。 60 包括串联的四个热阻抗，每一热阻抗均与图3所示的各物理层之一对应。每一热阻抗包括 并联的热阻和热容。热阻包括R!62、 R264、 R366和&68，热容包括CJO、 C272、 C374和C476，它们的值通常可以从逆变器模块16制造商所提供的数据表来获得。如以下将进一步解释 的，热网络可用于估计固态IGBT的结与安装了 IGBT的外壳之间的温度差。应理解，热网络 58对于不同逆变器模块可以是不同的，并且可以包括更多或更少的热阻抗元件。 图5描述了示出典型逆变器模块16关于时间的结温变化的图58，叠加有逆变器 模块16的电流输出。图78包括表示时间的水平轴80、以及两个垂直轴82和84。右侧的 垂直轴82表示电流，左侧的垂直轴84表示温度。曲线86表示逆变器模块的一个相的电流 输出。应注意，因为电流输出绕零点变化，可利用两个IGBT 28，一个用于正极性，而另一个 用于负极性。曲线88表示产生曲线86所描述的电流输出的一个IGBT 28的结温。还应注 意，因为所表示的IGBT 28在负极性电流输出期间处于截止状态，所以IGBT 28在该时间段 期间连续冷却，如曲线88所示。应理解，在二极管30上生成的电流也将产生相似的温度特 性。 如图78可见，结温在输出电流的每一周期期间达到峰值90，并且在每个半周期之 后达到谷值91。结温变化被定义为峰值90温度与谷值91温度之间的差。应理解，当结温 达到峰值90时，上述热应力可为最大的。因此，一些实施例可包括对输出电流的一个周 期，估计峰值IGBT 28结温。其它实施例可包括对输出电流的一个周期，估计峰值二极管 30温度。 为了估计IGBT 28结温变化，以上结合图4所描述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将功率传递给负载的方法，包括：以指定的开关频率激活和去激活固态开关，以生成输出电流波形；确定所述固态开关的结温度变化；和基于所述结温度变化来减小所述开关频率。

【技术特征摘要】
US 2008-9-30 12/241,766一种用于将功率传递给负载的方法，包括以指定的开关频率激活和去激活固态开关，以生成输出电流波形；确定所述固态开关的结温度变化；和基于所述结温度变化来减小所述开关频率。2. 如权利要求1所述的方法，包括如果所述结温度变化低于指定的低温度，则增加所述开关频率。3. 如权利要求2所述的方法，其中，如果温度差高于60摄氏度，则减小所述开关频率，而如果所述温度差低于约55摄氏度，则增加所述开关频率。4. 如权利要求1所述的方法，其中，确定所述固态开关的结温度变化包括估计所述固态开关的功率损耗。5. —种用于操作逆变器模块的方法，包括以下步骤以开关频率激活和去激活固态开关，以生成输出电流波形，其中，所述固态开关并联地电耦合到二极管；禾口基于所述固态开关或所述二极管的估计温度来改变所述开关频...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦立祥，津吉政广，理查德A卢卡萨维斯基，
申请(专利权)人：洛克威尔自动控制技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]