专利名称：功率变换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率变换装置，特别涉及用电动机驱动移动体的功率变换装置。
背景技术：
在专利文献I记载的功率变换装置中，为了判定在混合动力型车辆中搭载的功率变换装置的功率用半导体元件的寿命，在驱动车辆前驱动功率晶体管，以便以预定期间向电动机供给预定值的电流。而且，运算功率晶体管的热阻值，并基于该热阻值来判定寿命。现有技术文献专利文献
专利文献I :特开2003-9541号公报
发明内容
发明要解决的课题但是，在专利文献I中，作为电流指令，通过流过不产生转矩的电流(d轴电流)来进行寿命判定，因此，根据电动机的磁极位置，能够测定的开关元件变动，因此，难以在特定的开关元件中流过恒定的电流。另外，磁极位置的状态不定，因此，根据条件有时产生几乎无法实施评价的开关元件。另外，记载了仅根据旋转坐标系的d轴的指令，对通过磁极位置选择的固定坐标系(UVW相)的元件流过电流，但是在磁极位置的状态不定的条件下难以始终流过恒定的电流值，针对评价判定的误差有可能增大。而且，根据磁极位置选择能够测定的开关元件，因此，认为前提是在全部开关元件中安装温度检测器，存在成本增加、装置安装复杂的问题。本发明的目的在于提供一种功率变换装置，其在确保安全性的基础上实施在特定的开关元件中流过恒定电流的控制，可以进行更准确的开关元件的寿命判定，并且可以削减温度检测器的数量。用于解决课题的手段为了达成上述课题，本发明提供一种功率变换装置，设置有逆变器主电路、通过该逆变器主电路驱动的电动机、用于制动该电动机的制动装置、运算用于驱动所述逆变器主电路的指令值的控制电路、使所述制动装置动作或者确认所述制动装置正在动作的机构、检测在所述逆变器主电路中安装的开关元件的温度的温度检测器，所述功率变换装置的特征在于，在使所述制动装置动作的状态下，从所述控制电路向所述逆变器主电路提供对特定的相流过预定电流的指令，使电流从所述逆变器主电路流向所述电动机，根据通过所述温度检测器检测出的温度信息评价所述开关元件的寿命。而且，本发明的特征在于，在功率变换装置中，在使所述制动装置动作的状态下对特定的相流过的预定电流是混合了励磁电流成分和转矩电流成分的电流，所述电动机通过该混合电流产生的转矩比所述制动装置的制动转矩小。而且，本发明的特征在于，在功率变换装置中，所述温度检测器是构成所述逆变器主电路的模块内的中央部芯片和位于最外周部的芯片这两个芯片。而且，本发明的特征在于，在功率变换装置中，流过所述预定电流的相是包含所述温度检测器检测温度的芯片的相，预定电流的大小与相的差异无关而为恒定值。而且，本发明的特征在于，在功率变换装置中，构成所述逆变器主电路的元件模块是安装了逆变器的全部三相的量的开关元件的6合I形态的模块，控制功率变换装置的驱动，使得在稳定状态下各相发生大致均等的损失。而且，本发明的特征在于，在功率变换装置中，检测出的温度值或温度上升值，在相对于正常时的履历增大预定量以上时，或者超过了预定的基准温度值或基准温度上升值时，显示在显示装置中，或者发送到管理中心。而且，本发明的特征在于，在功率变换装置中，检测出的温度值或温度上升值，在相对于正常时的履历大于预定量以上时，或者超过了预定的基准温度值或基准温度上升值 时，限制逆变器主电路的输出功率。而且，本发明的特征在于，在功率变换装置中，在移动体运转前、或者实施了预定的运转后的停止状态、或者预定时刻实施所述开关元件的寿命评价。另外，为了达成上述课题，本发明提供一种功率变换装置，具备逆变器主电路、通过所述逆变器主电路驱动的电动机、用于制动该电动机的制动装置、运算用于驱动所述逆变器主电路的指令值的控制电路、使所述制动装置动作或者确认所述制动装置正在动作的机构、在所述逆变器主电路中安装的开关元件的端子间的电压检测器，所述功率变换装置的特征在于，在使所述制动装置动作的状态下，从所述控制电路向所述逆变器主电路提供对连接有所述电压检测器的相流过预定电流的指令，使电流从所述逆变器主电路流向所述电动机，根据通过所述电压检测器检测出的电压信息来评价所述开关元件的寿命。而且，本发明的特征在于，在功率变换装置中，在使所述制动装置动作的状态下对特定的相流过的预定电流是混合了励磁电流成分和转矩电流成分的电流，所述电动机通过该混合电流产生的转矩比所述制动装置的制动转矩小。而且，本发明的特征在于，在功率变换装置中，在使所述制动装置动作的状态下对特定的相流过的预定电流是混合了励磁电流成分和转矩电流成分的电流，所述电动机通过该混合电流产生的转矩比所述制动装置的制动转矩小。而且，本发明的特征在于，在功率变换装置中，根据通过所述电压检测器检测出的电压运算热阻值，当运算出的热阻值相对于正常时的履历大于预定量以上时，或者超过了预定的基准热阻值时，显示在显示装置中，或者发送到管理中心。而且，本发明的特征在于，在功率变换装置中，根据通过所述电压检测器检测出的电压运算热阻值，当运算出的热阻值相对于正常时的履历大于预定量以上时，或者超过了预定的基准热阻值时，限制逆变器主电路的输出功率。而且，本发明的特征在于，在功率变换装置中，在移动体运转前、或者实施了预定的运转后的停止状态、或者预定时刻实施所述开关元件的寿命评价。发明的效果根据本发明，提供一种功率变换装置，其在确保安全性的基础上实施在特定的开关元件中流过恒定电流的控制，由此实现更准确的开关元件的寿命判定，并且削减了温度检测器的数量。
图I是表示本发明的第一实施例的结构图。图2是表示第一实施例中的元件模块内的芯片配置的例子的图。图3是图2的虚线部分的截面图。图4是与速度指令对应的结温度和芯片下温度的例子。图5是表示半导体元件的周期寿命特性的一例的图。图6是第一实施例中的主电路逆变器控制的框图。图7是第一实施例中的寿命评价的流程图。 图8是第一实施例中的寿命判定的例子。图9是表示本发明的第二实施例的结构图。图10是第二实施例中的寿命评价的流程图。图11是第二实施例中的寿命判定的例子。图12是在电梯中使用第一实施例或第二实施例的情况下的例子。图13是在电动汽车中使用第一实施例或第二实施例的情况下的例子。
具体实施例方式以下，参照
本发明的实施方式。实施例I图I是本发明的第一实施例的功率变换装置，由以下各部构成逆变器主电路101 ;通过所述逆变器主电路101驱动的电动机102 ;用于制动所述电动机102的制动装置103 ;检测所述电动机102的磁极位置以及旋转速度的旋转式编码器104 ;检测从所述逆变器主电路101向所述电动机102输出的电流的电流检测器105 ;实施利用来自所述旋转式编码器104的磁极位置信号以及来自所述电流检测器105的电流信号来控制所述逆变器主电路101的运算的控制电路106 ;实施所述制动装置103的动作/解除的制动器电路107 ；根据从所述逆变器主电路101输出的开关元件的信息评价其寿命的寿命评价电路108。在逆变器主电路101中使用了元件模块109，在第一实施例中使用了将输出的3相(UVff相)的6个开关元件搭载在一个模块中的所谓的6合I模块。图2是表示图I中的元件模块109的内部的芯片配置例的图。逆变器主电路的各相是串联连接了由IGBT、晶体管、MOS-FET等开关部分和二极管部分构成的开关元件的结构。例如，图I的U相正极侧的开关元件109UP如图2的虚线部分所示，由搭载了开关部分的芯片Tup和二极管部分的芯片Dup的基板构成，成为与同样构成的U相负极侧的搭载了开关部分的芯片Tun和二极管部分的芯片Dun的基板电气串联连接的结构。另外，关于V相正极侧的搭载了开关部分的芯片Tvp和二极管部分的芯片Dvp的基板以及V相负极侧的搭载了开关部分的芯片Tvn和二极管部分的芯片Dvn的基板、W相正极侧的搭载了开关部分的芯片Twp和二极管部分的芯片Dwp的基板以及V相负极侧的搭载了开关部分的芯片Twn和二极管部分的芯片Dwn的基板，也同样分别成为串联连接的结构。在图2中，以在左侧配置U相，在中央配置V相，在右侧配置W相的结构为例。图3是图2的虚线部分(搭载了开关部分的芯片Tup和二极管部分的芯片Dup的基板部分)的截面图的例子，在开关部分的芯片Tup以及二极管部分的芯片Dup的下部经由上侧焊锡层114a连接了金属图案111a。而且，金属图案Illa经由绝缘基板112a与金属图案Illb连接，金属图案Illb成为经由与全部基板连接的绝缘基板112b、下侧焊锡层114b与金属底板113连接的层叠构造。另外，开关部分的芯片Tup以及二极管部分的芯片Dup通过金属导线115与金属图案连接。开关元件的劣化现象，主要由于逆变器的运转/停止的重复所引起的温度变化，例如在金属底板113和下侧焊锡层114b中由于金属间的热膨胀率的差异而产生应力，如图3的下侧焊锡层114b那样产生裂纹。同样地，由于芯片上的温度变化，如图3的上侧焊锡层114a那样产生裂纹，或者发生金属导线115的剥落。这些裂纹现象或剥落现象导致散热的恶化，因此，温度变化量进一步增加，导致芯片损坏。图4是与速度指令对应的结温度和芯片下温度的例子。在此，结温度是芯片的温度，芯片下温度是芯片正下部分的金属底板113的温度。结温度，热变化的时间常数小，因此，在速度增加的加速区域(输出转矩大，流过比较大的电流的区域)温度增加，在恒定速度 区域以及减速区域温度降低。另一方面，芯片下温度，由于一般与热容量大的散热片等散热部件连接，因此热时间常数增大，在运转过程中温度慢慢增加。热时间常数大，温度的上升变缓慢，反之，停止时的温度的下降也变缓慢。因此，在运转和停止频繁连续的情况下，在停止时在芯片下温度下降到原来的温度之前改为上升，温度随着时间经过而上升。而且，以该上升量增加的形态，结温度的峰值也增加。一般来说，结温度的变化量ATj影响上侧焊锡层114a的裂纹或金属导线的剥落，芯片下温度的变化量ATc影响下侧焊锡层114b。图5是表示半导体元件的周期寿命特性的一例的图。开关元件的寿命与结温度的变化量ATj以及芯片下温度的变化量ATc成反比例地缩短。在着眼于下侧焊锡层114b的裂纹时，由于应力应变的关系，具有从下侧焊锡层114b的外周部分向中央发展的倾向。因此，从接近外周部的芯片(在图2的例子的情况下相当于Dup、Dun、Dwp、Dwn)散热不断恶化,相应的芯片上的温度上升增大。另一方面，在着眼于上侧焊锡层114a的裂纹或金属导线115的剥落时，容易从中央的芯片发生。其主要原因在于，逆变器的主电路自身一般各相都均等地发生热损失，但是在图2的芯片配置中受到其它相的发热的热干扰的影响，因此在金属底板113上中央部分成为最高温。其结果，中央部分的芯片部分(在图2的例子的情况下相当于Tvp、Tvn)的上侧焊锡层114a的裂纹或金属导线115的剥落变得显著。在上侧焊锡层114a的裂纹发生的情况下，与下侧焊锡层114b的情况同样地发生散热的恶化，因此，相应芯片的温度上升。另外，在金属导线115剥落的情况下电阻量也增加，因此，发生相应芯片的温度上升。因此，如图2所示，通过仅在中央部分的芯片和最外周部分的芯片上连接温度检测用二极管或热电偶等温度检测器IlOaUlOb来评价温度，可以检测出下侧焊锡层114b的劣化以及上侧焊锡层114a的劣化/金属导线115的剥落最显著的部分。接着，说明第一实施例中的逆变器主电路101的控制。图6是第一实施例中的主电路逆变器控制的框图。在图6中，通过3相/2相变换部116把从电流检测器5得到的固定坐标系的各相Uvw相)的电流信号变换为旋转坐标系(dq相)的信号(Idf，Iqf )。旋转坐标系的d轴和q轴垂直，一般来说，d轴成为处理电动机的励磁成分的轴，q轴成为处理电动机的转矩成分的轴。即，在电动机102的控制中，通过变换为旋转坐标系能够独立地控制励磁和转矩。为使所述旋转坐标系的信号(Idf，Iqf)跟踪电流指令值(IcT，Iq*)，将各自的差分输入d轴电流控制系统117d以及q轴电流控制系统117q。而且，通过将其输出结果(旋转坐标系中的电压指令)输入2相/3相变换部118，变换为固定坐标系，通过脉冲宽度调制变换部119生成控制了脉冲宽度的矩形波脉冲，作为逆变器主电路101的各元件的电压指令。为了实施准确的温度评价，有必要对特定的开关元件始终流过恒定的电流来进行评价。即，用于使在固定坐标系的特定的相的半导体开关中流过恒定电流的旋转坐标系中的电流指令值(IcT，Iq*)的决定方法是重要的。在[式I]中表示旋转坐标系和固定坐标系的关系式。[数学式I]
权利要求
1.一种功率变换装置，其设置有逆变器主电路、通过该逆变器主电路驱动的电动机、用于制动该电动机的制动装置、运算用于驱动所述逆变器主电路的指令值的控制电路、使所述制动装置动作或者确认所述制动装置正在动作的机构、检测在所述逆变器主电路中安装的开关元件的温度的温度检测器，所述功率变换装置的特征在于， 在使所述制动装置动作的状态下，从所述控制电路向所述逆变器主电路提供对特定的相流过预定电流的指令，使电流从所述逆变器主电路流向所述电动机，根据通过所述温度检测器检测出的温度信息评价所述开关元件的寿命。
2.根据权利要求I所述的功率变换装置，其特征在于， 在使所述制动装置动作的状态下对特定的相流过的预定电流是混合了励磁电流成分和转矩电流成分的电流，所述电动机通过该混合电流产生的转矩比所述制动装置的制动转矩小。
3.根据权利要求2所述的功率变换装置，其特征在于， 所述温度检测器是构成所述逆变器主电路的模块内的中央部芯片和位于最外周部的芯片这两个芯片。
4.根据权利要求2所述的功率变换装置，其特征在于， 流过所述预定电流的相是包含所述温度检测器检测温度的芯片的相，预定电流的大小与相的差异无关而为恒定值。
5.根据权利要求3所述的功率变换装置，其特征在于， 构成所述逆变器主电路的元件模块是安装了逆变器的全部三相的量的开关元件的6合I形态的模块，控制功率变换装置的驱动，使得在稳定状态下各相发生大致均等的损失。
6.根据权利要求I至5中任意一项所述的功率变换装置，其特征在于， 检测出的温度值或温度上升值，在相对于正常时的履历大于预定量以上时，或者超过了预定的基准温度值或基准温度上升值时，显示在显示装置中，或者发送到管理中心。
7.根据权利要求I至5中任意一项所述的功率变换装置，其特征在于， 检测出的温度值或温度上升值，在相对于正常时的履历增大预定量以上时，或者超过了预定的基准温度值或基准温度上升值时，限制逆变器主电路的输出功率。
8.根据权利要求I至7中任意一项所述的功率变换装置，其特征在于， 在移动体运转前、或者实施了预定的运转后的停止状态、或者预定时刻实施所述开关元件的寿命评价。
9.一种功率变换装置，其具备逆变器主电路、通过所述逆变器主电路驱动的电动机、用于制动该电动机的制动装置、运算用于驱动所述逆变器主电路的指令值的控制电路、使所述制动装置动作或者确认所述制动装置正在动作的机构、在所述逆变器主电路中安装的开关元件的端子间的电压检测器，所述功率变换装置的特征在于， 在使所述制动装置动作的状态下，从所述控制电路向所述逆变器主电路提供对连接有所述电压检测器的相流过预定电流的指令，使电流从所述逆变器主电路流向所述电动机，根据通过所述电压检测器检测出的电压信息来评价所述开关元件的寿命。
10.根据权利要求9所述的功率变换装置，其特征在于， 在使所述制动装置动作的状态下对特定的相流过的预定电流是混合了励磁电流成分和转矩电流成分的电流，所述电动机通过该混合电流产生的转矩比所述制动装置的制动转矩小。
11.根据权利要求9所述的功率变换装置，其特征在于， 在使所述制动装置动作的状态下对特定的相流过的预定电流是混合了励磁电流成分和转矩电流成分的电流，所述电动机通过该混合电流产生的转矩比所述制动装置的制动转矩小。
12.根据权利要求9至11中任意一项所述的功率变换装置，其特征在于， 根据通过所述电压检测器检测出的电压运算热阻值，当运算出的热阻值相对于正常时的履历大于预定量以上时，或者超过了预定的基准热阻值时，显示在显示装置中，或者发送到管理中心。
13.根据权利要求9至11中任意一项所述的功率变换装置，其特征在于， 根据通过所述电压检测器检测出的电压运算热阻值，当运算出的热阻值相对于正常时的履历增大预定量以上时，或者超过了预定的基准热阻值时，限制逆变器主电路的输出功率。
14.根据权利要求9至13中任意一项所述的功率变换装置，其特征在于， 在移动体运转前、或者实施了预定的运转后的停止状态、或者预定时刻实施所述开关元件的寿命评价
全文摘要
本发明提供一种功率变换装置，其在满足安全性的基础上实施在特定的开关元件中流过恒定电流的控制，可以进行更准确的开关元件的寿命判定，并且可以减少温度检测器的数量。为了解决上述课题，本发明设置了使制动装置动作或者确认制动机构正在动作的机构，在制动机构的制动转矩的范围内，在旋转坐标系的d轴和q轴上流过电流，对希望的元件提供希望的电流。而且，限于在上侧焊锡层的龟裂或线焊的剥落容易发生的部分的芯片和下侧焊锡层的龟裂容易发生的芯片中安装温度检测器。根据本发明，即使用少量的温度检测器也可以进行半导体模块的准确的寿命评价。
文档编号H02P23/00GK102783014SQ20108006451
公开日2012年11月14日 申请日期2010年3月10日 优先权日2010年3月10日
发明者国广真实, 小南勉, 小川和俊, 石川胜美, 绫野秀树 申请人:株式会社日立制作所