一種溫度控制方法，溫度計算方法及驅動器的製造方法
2023-12-12 08:01:22 2
一種溫度控制方法，溫度計算方法及驅動器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種溫度控制方法，溫度計算方法及驅動器，所述溫度控制方法用於控制驅動器的變頻器模塊上第一半導體器件的溫度，其中，所述驅動器用於驅動電機。該方法包括：計算至少所述第一半導體器件的至少一種功耗的至少一個諧波分量；利用至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量計算所述第一半導體器件的溫度；如果計算出的所述第一半導體器件的溫度不滿足預先確定的溫度條件，發出命令控制所述驅動器的操作，使所述第一半導體器件的溫度改變為滿足所述預先確定的溫度條件。
【專利說明】一種溫度控制方法，溫度計算方法及驅動器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種溫度控制方法，溫度計算方法及驅動器，尤其是一種用於控制驅動器的變頻器模塊上第一半導體器件的溫度控制方法，一種用於控制驅動器的變頻器模塊上多個半導體器件的子集的溫度控制方法，一種用於控制驅動器的變頻器模塊上多個半導體器件中選定的半導體器件的溫度控制方法，一種用於計算驅動器的變頻器模塊上第一半導體器件的溫度的計算方法及驅動器。可用於阻止變頻器模塊上的半導體器件在使用中過熱。
【背景技術】
[0002]驅動器(又稱為「驅動單元」）用於驅動並控制電動機。大多數驅動器包括變頻器，用於向所述電動機提供AC輸出。變頻器包括多個半導體器件(例如電晶體和二極體)。當驅動器用於提供高功率輸出和/或低輸出頻率時，一個或多個半導體器件可能會因為器件內的功耗而產生過熱的風險，從而導致驅動器發生故障。為確保可靠地使用驅動器，應避免出現此類過熱現象。
[0003]為避免過熱，最簡單的方法是將驅動器的最大功率輸出限制在保守水平。然而，這可能會導致過度補償且會導致在驅動器的功率輸出進行不必要的限制。因此，需要更準確地確定這些半導體器件的溫度，從而能夠達到可能的最大功率輸出，同時又能夠確保驅動器安全、可靠的運行。
[0004]因此建立了評估半導體器件的結點溫度的熱模型，從而將結點溫度限制到最大值以下。大多數變頻器使用包含多個絕緣柵雙極電晶體和二極體等總計為N個器件的單一包。在此類包中，由於其中一個器件與該包中的其他器件鄰近，因此該器件的熱量會傳遞給其他器件，所以該器件的功耗會影響該器件以及包內其他每個器件的溫度。
[0005]由於不能直接測量各個半導體器件的結點溫度（Tj),因此，通過時域中的實時熱模型，可以預計到這些器件其中一個器件的結點與測量到的參考溫度（U之間的溫升。在每個器件中同時使用熱阻抗矩陣和瞬時功耗，以計算每個器件的結點與測量到的參考溫度之間的溫度，其中，瞬時功耗與相電流成正比。熱阻抗矩陣包括每個器件的自熱阻抗和變頻器中相對於每個器件而言的其他器件的互熱阻抗。對於具有六個絕緣柵雙極電晶體、六個二極體的三相變頻器，該矩陣包括144個元素。阻止在驅動器中自由實現所述方法的主要限制在於實現該完整的熱阻抗矩陣需要大量的處理器資源。為實施此類模型，處理器需在每個採樣周期進行大量的計算，由於是在時域中進行這些計算，採樣率將足夠高以便當變頻器以高輸出頻率運行時可阻止混疊，因此需要相當多的計算資源來實現此目的。因而到目前為止，該方法在商用驅動器控制系統中仍是不可用的。
[0006]因此，在簡化該完整的熱阻抗矩陣方面進行了嘗試，例如，減少矩陣中需計算的元素的數量，然而，這些嘗試通常會導致較大的溫度誤差，及驅動器動力不足或不可靠。此類簡化操作是在時域中進行的。發明人認為由於溫度峰值與器件的電流成正比，因此限於在時域中進行可能的簡化操作。當輸出頻率不為零時，其中一個輸出相位的電流為正弦波形，且每個器件僅導通半個周期的時間。如果輸出頻率降低為零，當器件中沒有電流通過時，由於自熱阻抗導致的功耗和溫升也將為零。因此，不可能通過預估單個器件的溫度來簡化模型，因為在這種情形下不能保護該變頻器。
[0007]發明人發現在頻域中，器件的穩態溫度峰值可由溫度響應的諧波確定，從而可將熱阻抗矩陣減少至一個或兩個器件。與上述時域中的實現方式相比，該方法具有明顯的優勢，而且允許通過當前驅動器的可用處理器資源實現該熱模型。在穩態運行狀態中，此類模型不會受到混疊的影響，且可以通過中等採樣頻率實現。此外，由於只計算最熱的絕緣柵雙極電晶體和二極體的溫度峰值，從而能夠保護變頻器中的所有器件。在頻域中實現的模型中，未使用三相瞬時電流，相反，使用了電流幅度和輸出頻率。
[0008]此外，還提供了通過諧波計算溫度峰值的方法，為指定的狀態選擇最熱器件，並結合自熱阻抗以進一步簡化該模型。
【發明內容】
[0009]下文將進一步說明本發明的具體內容。 [0010]一方面，本發明提供了一種溫度控制方法，用於控制驅動器的變頻器模塊上第一半導體器件的溫度，所述驅動器用於驅動電機，所述方法包括：
[0011]計算至少所述第一半導體器件的至少一種功耗的至少一個諧波分量；
[0012]利用至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量計算所述第一半導體器件的溫度；以及
[0013]如果計算出的所述第一半導體器件的溫度不滿足預先確定的溫度條件，發出命令控制所述驅動器的操作，使所述第一半導體器件的溫度改變為滿足所述預先確定的溫度條件。
[0014]一些實施例中，至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量是在所述變頻器的一個完整輸出周期中計算出的。
[0015]一些實施例中，至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量包括至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的至少兩個諧波分量。
[0016]一些實施例中，至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗包括至少所述第一半導體器件的開關功耗。
[0017]一些實施例中，至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗包括至少所述第一半導體器件的導通功耗。
[0018]一些實施例中，至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗包括至少所述第一半導體器件的至少兩種功耗。
[0019]一些實施例中，至少所述第一半導體器件包括至少一個設置在所述變頻器模塊上的其他半導體器件。
[0020]一些實施例中，所述溫度為所述第一半導體器件的結點溫度。
[0021]一些實施例中，所述溫度為所述第一半導體器件在所述變頻器的完整輸出周期中的溫度峰值。
[0022]一些實施例中，對所述第一半導體器件的溫度的計算包括使用至少一個熱阻抗。
[0023]一些實施例中，所述至少一個熱阻抗包括所述第一半導體器件的自熱阻抗。[0024]一些實施例中，所述至少一個熱阻抗包括由所述變頻器模塊上至少一個其他半導體器件引起的、所述第一半導體器件的互熱阻抗。
[0025]一些實施例中，所述至少一個熱阻抗與至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量一起用於計算所述第一半導體器件的溫度的至少一個諧波分量。
[0026]一些實施例中，對所述第一半導體器件的溫度的計算包括計算所述第一半導體器件的溫度的所述至少一個諧波分量的峰值。
[0027]—些實施例中，所述第一半導體器件為電晶體。
[0028]一些實施例中，所述第一半導體器件為二極體。
[0029]一些實施例中，所述變頻器模塊包括熱敏器件，用於提供參考溫度，以便計算所述第一半導體器件的溫度。
[0030]一些實施例中，所述預先確定的溫度條件對應於一個溫度範圍。
[0031]一些實施例中，所述溫度範圍包括為所述分量預先確定的、安全運行的溫度範圍。
[0032]一些實施例中，當計算出的所述分量的溫度超過預先確定的閾值，則不滿足所述預先確定的溫度條件；當計算出的所述分量的溫度低於所述閾值，則滿足所述條件。
[0033]一些實施例中，所述電機為發動機。
[0034]第二方面，本發明提供了一種溫度控制方法，用於控制驅動器的變頻器模塊上多個半導體器件的子集的溫度，所述驅動器用於驅動電機，所述方法包括：
[0035]將第一方面所述的方法應用於所述子集中的每個半導體器件，以控制所述子集中每個半導體器件的溫度，其中，所述子集中的每個半導體器件分別對應第一方面所述的第一半導體器件。
[0036]一些實施例中，所述子集僅包括兩個半導體器件，所述多個半導體器件包括其他半導體器件。
[0037]第三方面，本發明提供了一種溫度控制方法，用於控制驅動器的變頻器模塊上多個半導體器件中選定的半導體器件的溫度，所述驅動器用於驅動電機，所述方法包括：
[0038]評估所述變頻器模塊的當前狀態；
[0039]基於所述評估結果，從所述多個半導體器件中選擇一個已預先確定為在對應於當前狀態的條件下預估具有最高溫度的半導體器件；
[0040]應用以上第一方面所述的方法，控制所述選定的半導體器件的溫度，其中，所述選定的半導體器件對應於上述第一方面所述的第一半導體器件。
[0041]一些實施例中，所述方法包括：在一段預先確定的時期後，重複前述的步驟，可引起後續控制的是另一個半導體器件的溫度，而不是原始選定的半導體器件的溫度。
[0042]第四方面，本發明提供了一種溫度計算方法，用於計算驅動器的變頻器模塊上第一半導體器件的溫度，所述驅動器用於驅動電機，所述方法包括：
[0043]計算至少所述第一半導體器件的至少一種功耗的至少一個諧波分量；
[0044]利用至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量計算所述第一半導體器件的溫度。
[0045] 第五方面，本發明提供了一種驅動器，用於控制所述驅動器的變頻器模塊上第一半導體器件的溫度，所述驅動器用於驅動電機，所述驅動器還用於：[0046]計算至少所述第一半導體器件的至少一種功耗的至少一個諧波分量；
[0047]利用至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量計算所述第一半導體器件的溫度；
[0048]如果計算出的所述第一半導體器件的溫度不滿足預先確定的溫度條件，發出命令以控制所述驅動器的操作，使所述第一半導體器件的溫度改變為滿足所述預先確定的溫度條件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0049]通過以下對附圖的描述，本發明實施方式的特徵和優點將變得更加容易理解，其中
[0050]圖I為一種典型電源模塊的布局圖；
[0051]圖2為實現三相變頻器的絕緣柵雙極電晶體頻率模型的控制流程圖；
[0052]圖3示出了絕緣柵雙極電晶體和反並聯二極體中的相電流；
[0053]圖4a和圖4b分別示出了一個開關頻率周期中，絕緣柵雙極電晶體和二極體的開關功耗； [0054]圖5為絕緣柵雙極電晶體和二極體在變頻器的一個完整輸出周期中測量開關損耗和近似開關損耗的對比圖；
[0055]圖6a和圖6b示出了在變頻器的一個完整輸出周期中計算出的器件開關損耗，圖6a為正弦模型和頻率模型的響應，圖6b為頻率響應和正弦響應的差異（a =1弧度）；
[0056]圖7示出了 Simulink正弦開關損耗模型；
[0057]圖8a為正弦模型與頻率模型在輸出頻率為O. IHz時的溫度響應對比圖及圖8b為最大溫度與輸出頻率的對比圖；
[0058]圖9示出了一個開關頻率周期中的導通功耗；
[0059]圖IOa為調製指數為I時，SVM(Alt-Rev)與三階諧波的調製方案的對比圖；
[0060]圖IOb為調製指數為I時，三階諧波與正弦近似法的調製方案的對比圖；
[0061]圖11示出了 Simulink正弦傳導損耗模型；
[0062]圖12a示出了正弦模型與頻率模型在輸出頻率為O. IHz時絕緣柵雙極電晶體的溫度響應；
[0063]圖12b示出了正弦模型與頻率模型在輸出頻率為O. IHz時反並聯二極體的溫度響應；
[0064]圖13a示出了輸出角度為ω t= π/2時帶紋波峰值的紋波溫度的泰勒級數近似值；
[0065]圖13b示出了輸出角度為和《t=0時帶紋波峰值的紋波溫度的泰勒級數近似值；
[0066]圖14a示出了諧波分量峰值之間的角度的泰勒級數近似值，及圖14b示出了用以對齊峰值紋波和原始紋波的偏移角的泰勒級數近似值；
[0067]圖15a為使用頻率模型和瞬時正弦近似法計算出絕緣柵雙極電晶體（τ th=ls)在輸出頻率為OHz (靜止矢量狀態）時的溫度峰值的對比圖；
[0068]圖15b為使用頻率模型和瞬時正弦近似法計算出絕緣柵雙極電晶體（τ th=ls)在輸出頻率為IHz時的溫度峰值的對比圖；[0069]圖16a為電流、佔空比和功耗在超前和滯後位移功率因數為O. 5時的對比圖；
[0070]圖16b為變頻器的一個輸出周期中的由功耗所導致的溫升在超前和滯後位移功率因數為O. 5時的對比圖；
[0071]圖17為自熱阻抗和互熱阻抗的迭加圖；
[0072]圖18a示出了位移功率因數和調製指數為I時所選擇的最大穩態結點到熱敏電阻溫度的溫度峰值；
[0073]圖18b示出了最大穩態結點到熱敏電阻溫度在針對所有運行狀態時計算出的溫度峰值；
[0074]圖19示出了在具有固定功耗的靜止矢量狀態中運行時產生溫度峰值的器件；
[0075]圖20為在靜止矢量狀態中運行時頻率模型的預計溫度與最大穩態溫度的對比圖；
[0076]圖21a示出了在調製指數為I時，為k建立的單一器件模型，結點到熱敏電阻溫度的對比圖； [0077]圖21b示出了在調製指數為I時，為&建立的單一器件模型，誤差百分率；
[0078]圖22a為單一器件模型運行在靜止矢量狀態中絕緣柵雙極電晶體模型的誤差的示意圖；
[0079]圖22b為單一器件模型運行在靜止矢量狀態中並聯實現的絕緣柵雙極電晶體模型和二極體模型的誤差的示意圖；
[0080]圖23a為單一器件模型在靜止矢量狀態中進行熱耦合的絕緣柵雙極電晶體模型的誤差圖；
[0081]圖23b為單一器件模型在靜止矢量狀態中進行熱耦合的並聯實現的絕緣柵雙極電晶體模型和二極體模型的誤差圖；
[0082]圖24為具有相同時間常數和偏移角的網元的結合的示意圖；
[0083]圖25a為在調製指數為I的靜止矢量狀態中運行時，通過原始網絡參數和常用時間常數計算出的階躍響應的對比圖；
[0084]圖25b為相應的響應間溫度差的對比圖。
【具體實施方式】
[0085]下面對優選實施方式的描述僅僅是示範性的，而絕不是對本發明及其應用或用法的限制。在各個附圖中採用相同的附圖標記來表示相同的部件，因此相同部件的構造將不
再重複描述。
[0086]以下結合附圖以及【具體實施方式】對本發明的技術方案做進一步說明。
[0087]圖I示出了一種典型的、包括多個器件的變頻器模塊。這些器件包括多個二極體、多個絕緣柵雙極電晶體（IGBT)。在如圖所示的變頻器模塊中，有六個二極體、六個絕緣柵雙極電晶體。該變頻器模塊的一端設有熱敏電阻，作為反饋器件，用於提供參考溫度。該熱敏電阻的溫度可用於預估該變頻器模塊中的器件的溫度。
[0088]由於周邊器件具有互熱阻抗，因此預估一個器件的溫度時，其周邊器件的溫度也是相關的。當前的任務是僅通過熱敏電阻的一個可用參考溫度，預估多個器件的溫度。為特定的變頻器模塊建立模型時，應將器件的位置關係考慮在內，以確保模型能夠準確地預估器件的互熱阻抗。不同模塊中熱敏電阻的位置可能不同，因此還應考慮因各個器件相對於熱敏電阻的位置所產生的影響。
[0089]使用如方程式0.1所示的熱阻抗矩陣進行計算。
[0090]
【權利要求】
1.一種溫度控制方法，用於控制驅動器的變頻器模塊上第一半導體器件的溫度，所述驅動器用於驅動電機，其特徵在於，所述方法包括： 計算至少所述第一半導體器件的至少一種功耗的至少一個諧波分量； 利用至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量計算所述第一半導體器件的溫度；以及 如果計算出的所述第一半導體器件的溫度不滿足預先確定的溫度條件，發出命令控制所述驅動器的操作，使所述第一半導體器件的溫度改變為滿足所述預先確定的溫度條件。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量是在所述變頻器的一個完整輸出周期中計算出的。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量包括至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的至少兩個諧波分量。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗包括至少所述第一半導體器件的開關功耗。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗包括至少所述第一半導體器件的傳導功耗。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗包括至少所述第一 半導體器件的至少兩種功耗。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，至少所述第一半導體器件包括至少一個設置在所述變頻器模塊上的其他半導體器件。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述溫度為所述第一半導體器件的結點溫度。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述溫度為所述第一半導體器件在所述變頻器的一個完整輸出周期中的峰值溫度。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，對所述第一半導體器件的溫度的計算包括使用至少一個熱阻抗。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述至少一個熱阻抗包括所述第一半導體器件的自熱阻抗。
12.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述至少一個熱阻抗包括由所述變頻器模塊上至少一個其他半導體器件引起的、所述第一半導體器件的互熱阻抗。
13.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述至少一個熱阻抗與至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量一起用於計算所述第一半導體器件的溫度的至少一個諧波分量。
14.如權利要求13所述的方法，其特徵在於，對所述第一半導體器件的溫度的計算包括計算所述第一半導體器件的溫度的所述至少一個諧波分量的峰值。
15.如權利要求1-14任一所述的方法，其特徵在於，所述第一半導體器件為電晶體。
16.如權利要求1-14任一所述的方法，其特徵在於，所述第一半導體器件為二極體。
17.如權利要求1-14任一所述的方法，其特徵在於，所述變頻器模塊包括熱敏器件，用於提供參考溫度，以計算所述第一半導體器件的溫度。
18.如權利要求1-14任一所述的方法，其特徵在於，所述預先確定的溫度條件對應於一個溫度範圍。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述溫度範圍包括為所述第一半導體器件預先確定的、安全運行的溫度範圍。
20.如權利要求17所述的方法，其特徵在於，當計算出的所述溫度超過預先確定的閾值，則不滿足所述預先確定的溫度條件；當計算出的所述溫度低於所述閾值，則滿足所述溫度條件。
21.如權利要求1-14任一所述的方法，其特徵在於，所述電機為發動機。
22.一種溫度控制方法，用於控制驅動器的變頻器模塊上多個半導體器件的子集的溫度，所述驅動器用於驅動電機，其特徵在於，所述方法包括: 將權利要求1至21任一所述的方法應用於所述子集中的每個半導體器件，以控制所述子集中每個半導體器件的溫度，其中，所述子集中的每個半導體器件分別對應權利要求1至21所述的第一半導體器件。
23.如權利要求22所述的方法，其特徵在於，所述子集僅包括兩個半導體器件，所述多個半導體器件包括附加的半導體器件。
24.一種溫度控制方法，用於控制驅動器的變頻器模塊上多個半導體器件中選定的半導體器件的溫度，所述驅動器用於驅動電機，其特徵在於，所述方法包括: 評估所述變頻器模塊的當前 狀態； 基於所述評估結果，從所述多個半導體器件中選擇一個已預先確定為在對應於當前狀態的條件下預估具有最高溫度的半導體器件；以及 應用權利要求1至21任一所述的方法，控制所述選定的半導體器件的溫度，所述選定的半導體器件對應於權利要求1至21所述的第一半導體器件。
25.如權利要求24所述的方法，其特徵在於，所述方法包括:在一段預先確定的時期後，重複權利要求24所述的步驟，可引起後續控制的是另一個半導體器件的溫度，而不是原始選定的半導體器件的溫度。
26.一種溫度計算方法，用於計算驅動器的變頻器模塊上第一半導體器件的溫度，所述驅動器用於驅動電機，其特徵在於，所述方法包括: 計算至少所述第一半導體器件的至少一種功耗的至少一個諧波分量； 利用至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量計算所述第一半導體器件的溫度。
27.—種驅動器，其特徵在於，被配置用於控制所述驅動器的變頻器模塊上第一半導體器件的溫度，所述驅動器用於驅動電機，所述驅動器還被配置為: 計算至少所述第一半導體器件的至少一種功耗的至少一個諧波分量； 利用至少所述第一半導體器件的所述至少一種功耗的所述至少一個諧波分量計算所述第一半導體器件的溫度； 如果計算出的所述第一半導體器件的溫度不滿足預先確定的溫度條件，發出命令控制所述驅動器的操作，使所述第一半導體器件的溫度改變為滿足所述預先確定的溫度條件。
28.—種驅動器，其特徵在於，所述驅動器用於驅動電機，並被配置用於執行如權利要求I至26任一所述的方法。
【文檔編號】H02M1/00GK104020801SQ201410073311
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2013年2月28日
【發明者】麥可·凱德, 加雷思·克里斯多福·詹姆斯 申請人:控制技術有限公司