专利名称：可调速驱动器寿命的改进方法
技术领域：
本发明一般涉及电功率变换器和逆变器领域。具体而言，本发明涉及用于防止或预防由于过热所导致的电动机驱动电路故障的技术。
背景技术：
功率逆变器和变换器通常采用功率模块来生成期望的输出电流波形，该输出电流波形用于向诸如电动机和其它装备的各种装置供电。例如，该输出电流波形的频率和振幅可以诸如通过改变电动机的速度和转矩来影响这些装置的运行。一些功率模块通过脉宽调制生成期望的输出电流波形，其中，按照特定的次序使得诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 的功率半导体开关快速地接通和关断，从而生成近似正弦的输出电流波形。此外，高的晶体管开关速度易于产生在一些应用中可能期望的较平滑的、更理想的正弦波形。例如，在加热、通风和空调系统中，较平滑的正弦波形将降低系统噪声和振动。然而，较高的晶体管开关速度会促使晶体管的接合处温度(junction temperature)增加，这会导致更多的机械应力和随时间增加的晶体管故障率。已经尝试通过限制最大绝对晶体管接合处温度来降低晶体管故障。然而，这些技术未考虑启动状况或低速状况下易于发生的增加的应力，其中，晶体管在低输出频率易于经历高电流。因此，提供一种用于降低IGBT热应力的系统和方法会是有利的，该系统和方法在启动状况和低速、高电流的状况下尤其有效。具体地，提供一种用于降低晶体管接合处 (艮P，半导体芯片自身)以及壳体(即，包含半导体芯片的封装)的温度变化的方法会是有利的。
发明内容
本发明一般涉及被设计为解决这些需求的晶体管保护机械配置。实施例包括用于降低逆变器模块的开关频率和/或输出电流以防止接合线上的高接合处温度变化和应力的系统和方法。实施例还包括用于估计预期的接合处温度变化的方法。
当参照附图阅读以下详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有的附图中，相似的符号表示相似的部分，在附图中图1是根据本技术实施例的、采用可以包括可调速逆变器的风力变换器系统形式的、用于变频驱动的示例性应用的框图；图2图示了根据本技术实施例的、图1的示例性应用中的逆变器的示意图；图3是根据本技术实施例的、表示在保持特定的逆变器寿命的同时针对不同开关频率的输出电流和运行频率之间的关系的曲线图；图4是根据本技术实施例的、概括用于改变开关频率和/或输出电流以运行逆变器从而使得可以维持逆变器的特定寿命的处理的流程图5是根据本技术实施例的、表示维持或延长逆变器的寿命的运行状况的曲线图；图6是根据本技术实施例的、表示可以具有变化的开关频率以维持或延长逆变器的寿命的运行状况的曲线图；以及图7是根据本技术实施例的、表示可以具有变化的开关频率和/或输出电流以维持逆变器的特定寿命的运行状况的曲线图。
具体实施例方式本发明的实施例涉及降低诸如IGBT的固态开关器件上的由于接合处的大的温度变化而导致的机械应力。由于晶体管封装内的各种材料的不同膨胀率会导致线焊中的线裂纹生长和相似的触点，所以大的接合处温度变化会产生特别高水平的机械应力。因此，降低接合处温度变化会产生更持久的逆变器模块。在本发明的实施例中，通过控制开关频率来控制接合处温度变化。由于最高的接合处温度变化易于发生在启动状况或低速、高电流状况期间，因此，可以仅对启动期间的短时间降低开关频率，在该时间之后可以增加开关频率以提供更平滑的正弦波形。返回附图，图1描绘了根据本公开内容的、采用可以包括可调速逆变器的风力系统10的形式的示例性应用。应注意，提供风力系统10作为可以实现用于调节逆变器的速度以预防逆变器故障的本技术的一个示例。在各实施例中，能够以具有逆变器模块的任何电子系统(不限于风力系统)实现本技术。再次参照图1中提供的示例，风力系统10可适于使用涡轮叶片12从风捕获动力并将所捕获的风力转化为机械力，并且将该机械力转化为电力。系统10可以包括与涡轮叶片12的涡轮转子14连接的变速箱16。变速箱16可以使涡轮转子14的相对低的速度与发电机18的相对高的速度相适应。发电机18可以将机械力转化为电力，并且可以是例如感应发电机或同步发电机。 例如，图1所示的发电机18可以是双馈感应发电机(DFIG)，发电机18包括转子绕组20和定子绕组22。发电机18的定子绕组22可以连接至变压器观，变压器28通过感应耦合的导体将电力转换成用于电网30的适合的电压水平。电网30可以是将电力输送至各种其它电力器件或网络的互联网络。通过将机械频率和电频率去耦(例如，使得能够变速运行) 的变换器M和逆变器沈，发电机18的转子绕组20可以连接至电网30。系统10可以包括具有三相AC-DC变换器M和三相DC-AC逆变器沈的变换器和逆变器模块。可以由DC电容器电池32来连接变换器M和逆变器沈。变换器M可以连接至发电机18的转子绕组20，并且还可以被称为转子侧变换器对。逆变器沈可以由变压器28连接至电网30，并且还可以被称为电网侧逆变器26。双向变换器和逆变器MJ6可以使得能够对输送至电网30的有功和无功功率进行向量控制，并且还可以增加电力质量和角稳定性并降低被引入电网30的谐波含量(例如，经由滤波器)。变换器M和逆变器沈可被用于改变功率控制的水平，并且有时可以输出相对高的功率(电压和电流)。变换器M和逆变器沈可以包括用于切换和转换这种电压的晶体管和反向并联的二极管。在一些实施例中，系统10可以包括一个或多个用于控制逆变器沈的操作的处理器34。例如，如将讨论的，处理器34可以改变逆变器沈中的晶体管的开关频率或输出电流，以降低功率损耗和会影响逆变器中的晶体管的操作的接合处温度变化。处理器34还可适于执行算法并计算与逆变器的操作相关联的参数。图2提供了一些实施例中的逆变器沈的一个示例。逆变器沈可以包括多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)40和功率二极管42，每个二极管42被配置为与各IGBT 40反向并联。利用接合线44将IGBT 40和功率二极管42接合到正或负DC线(适当地)和输出线 a、b或C。例如，输出46的输出线a、b和c可以输出三相电压va、Vb和ν。。用以在输出46 处产生离散化三相输出电流波形的IGBT 40的快速接通和断开切换会导致传导损耗和开关损耗，传导损耗和开关损耗会导致IGBT 40处更高的接合处温度。这种接合处温度会导致接合线44的应变和/或变形，这会缩短逆变器沈的寿命。尽管图2中提供的逆变器沈的示例一般涉及风力系统10的逆变器，但是由于高接合处温度可以使典型逆变器的晶体管和/或接合线应变和/或变形，所以本实施例可以应用于具有开关晶体管的任何逆变器模块。如这里使用的，逆变器沈可以引用电子系统中的任何逆变器模块，并且IGBT 40可以引用任何类型的开关晶体管(并且不限于IGBT)。因此，本发明的实施例包括用于估计逆变器模块中的峰值接合处温度的方法。在一些实施例中，估计的峰值接合处温度可以基于IGBT 40的估计的功率损耗。此外，IGBT 40的估计的功率损耗可以基于IGBT 40的估计的运行状况。例如，如根据下面的等式所计算的，峰值IGBT 40接合处温度估计可以基于估计的传导损耗和开关损耗
权利要求
1.一种运行逆变器的方法，所述方法包括 计算所述逆变器的故障参数；如果所述故障参数在用于实现所述逆变器的估计寿命的第一阈值参数以上，则将所述逆变器中的多个晶体管的命令开关频率改变为更低的开关频率；以及如果所述故障参数在所述阈值参数以上并且所述更低的开关频率是所述逆变器的最小开关频率，则改变所述多个晶体管的输出电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述故障参数包括计算到所述逆变器的估计故障的逆变器周期的数目。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述故障参数包括计算所述逆变器中的接合线的接合处温度变化。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一阈值参数是基于所述命令开关频率、以及关于所述参数的运行频率的逆变器的最大输出电流的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述命令开关频率改变为更低的开关频率产生第二阈值参数，所述第二阈值参数是基于所述更低的开关频率、以及关于所述参数的运行频率的逆变器的最大输出电流的。
6.一种系统，包括 发电机；耦合至所述发电机的变换器；耦合至所述变换器的逆变器，其中，所述逆变器包括多个晶体管；以及耦合至所述逆变器的处理器，其中，所述处理器被配置成计算所述逆变器的故障参数并改变所述多个晶体管的命令开关频率和输出电流。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理器被配置成计算到所述逆变器的故障的周期的数目和所述逆变器的运行参数的每秒老化，以计算所述逆变器的故障参数。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理器被配置成将所述故障参数与阈值参数进行比较，并且如果所述故障参数在所述阈值参数以上，则所述处理器被配置成降低所述命令开关频率。
9.一种用于将电力输送至负载的方法，所述方法包括在命令开关频率下开关电子系统的逆变器中的多个晶体管，其中，所述多个晶体管输出第一电流水平的电流；基于所述命令开关频率和所述第一电流水平，确定所述多个晶体管的故障参数； 如果所述故障参数在阈值以上，则降低所述命令开关频率；以及如果所述故障参数在所述阈值以上并且如果所述命令开关频率与所述最小开关频率近似相等，则降低所述逆变器的所述第一电流水平。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，确定所述故障参数包括确定所述多个晶体管处的接合处温度变化。
全文摘要
本发明包括运行逆变器以维持逆变器的寿命的方法和系统。在一些实施例中，可以改变逆变器的开关频率和/或输出电流，使得可以对逆变器的逆变器接合线减小应力。更具体地，实施例包含针对逆变器的特定运行状况计算老化参数，并且确定该运行状况是否导致将逆变器老化至使逆变器的寿命降低至低于期望寿命的点。如果该运行状况使逆变器寿命降低至低于期望寿命，则可以将开关频率降低至逆变器的更低的或最小开关频率，和/或可以将逆变器的输出电流降低至最小开关频率下的最大输出电流。
文档编号H02M7/48GK102263519SQ20111013998
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者拉塞尔·J·克尔克曼, 理查德·A·卢卡谢夫斯基, 韦立祥 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司