一种温度控制方法，温度计算方法及驱动器的制造方法

一种温度控制方法，温度计算方法及驱动器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种温度控制方法，温度计算方法及驱动器，所述温度控制方法用于控制驱动器的变频器模块上第一半导体器件的温度，其中，所述驱动器用于驱动电机。该方法包括：计算至少所述第一半导体器件的至少一种功耗的至少一个谐波分量；利用至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量计算所述第一半导体器件的温度；如果计算出的所述第一半导体器件的温度不满足预先确定的温度条件，发出命令控制所述驱动器的操作，使所述第一半导体器件的温度改变为满足所述预先确定的温度条件。
【专利说明】一种温度控制方法，温度计算方法及驱动器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种温度控制方法，温度计算方法及驱动器，尤其是一种用于控制驱动器的变频器模块上第一半导体器件的温度控制方法，一种用于控制驱动器的变频器模块上多个半导体器件的子集的温度控制方法，一种用于控制驱动器的变频器模块上多个半导体器件中选定的半导体器件的温度控制方法，一种用于计算驱动器的变频器模块上第一半导体器件的温度的计算方法及驱动器。可用于阻止变频器模块上的半导体器件在使用中过热。
【背景技术】
[0002]驱动器(又称为“驱动单元”）用于驱动并控制电动机。大多数驱动器包括变频器，用于向所述电动机提供AC输出。变频器包括多个半导体器件(例如晶体管和二极管)。当驱动器用于提供高功率输出和/或低输出频率时，一个或多个半导体器件可能会因为器件内的功耗而产生过热的风险，从而导致驱动器发生故障。为确保可靠地使用驱动器，应避免出现此类过热现象。
[0003]为避免过热，最简单的方法是将驱动器的最大功率输出限制在保守水平。然而，这可能会导致过度补偿且会导致在驱动器的功率输出进行不必要的限制。因此，需要更准确地确定这些半导体器件的温度，从而能够达到可能的最大功率输出，同时又能够确保驱动器安全、可靠的运行。
[0004]因此建立了评估半导体器件的结点温度的热模型，从而将结点温度限制到最大值以下。大多数变频器使用包含多个绝缘栅双极晶体管和二极管等总计为N个器件的单一包。在此类包中，由于其中一个器件与该包中的其他器件邻近，因此该器件的热量会传递给其他器件，所以该器件的功耗会影响该器件以及包内其他每个器件的温度。
[0005]由于不能直接测量各个半导体器件的结点温度（Tj),因此，通过时域中的实时热模型，可以预计到这些器件其中一个器件的结点与测量到的参考温度（U之间的温升。在每个器件中同时使用热阻抗矩阵和瞬时功耗，以计算每个器件的结点与测量到的参考温度之间的温度，其中，瞬时功耗与相电流成正比。热阻抗矩阵包括每个器件的自热阻抗和变频器中相对于每个器件而言的其他器件的互热阻抗。对于具有六个绝缘栅双极晶体管、六个二极管的三相变频器，该矩阵包括144个元素。阻止在驱动器中自由实现所述方法的主要限制在于实现该完整的热阻抗矩阵需要大量的处理器资源。为实施此类模型，处理器需在每个采样周期进行大量的计算，由于是在时域中进行这些计算，采样率将足够高以便当变频器以高输出频率运行时可阻止混叠，因此需要相当多的计算资源来实现此目的。因而到目前为止，该方法在商用驱动器控制系统中仍是不可用的。
[0006]因此，在简化该完整的热阻抗矩阵方面进行了尝试，例如，减少矩阵中需计算的元素的数量，然而，这些尝试通常会导致较大的温度误差，及驱动器动力不足或不可靠。此类简化操作是在时域中进行的。发明人认为由于温度峰值与器件的电流成正比，因此限于在时域中进行可能的简化操作。当输出频率不为零时，其中一个输出相位的电流为正弦波形，且每个器件仅导通半个周期的时间。如果输出频率降低为零，当器件中没有电流通过时，由于自热阻抗导致的功耗和温升也将为零。因此，不可能通过预估单个器件的温度来简化模型，因为在这种情形下不能保护该变频器。
[0007]发明人发现在频域中，器件的稳态温度峰值可由温度响应的谐波确定，从而可将热阻抗矩阵减少至一个或两个器件。与上述时域中的实现方式相比，该方法具有明显的优势，而且允许通过当前驱动器的可用处理器资源实现该热模型。在稳态运行状态中，此类模型不会受到混叠的影响，且可以通过中等采样频率实现。此外，由于只计算最热的绝缘栅双极晶体管和二极管的温度峰值，从而能够保护变频器中的所有器件。在频域中实现的模型中，未使用三相瞬时电流，相反，使用了电流幅度和输出频率。
[0008]此外，还提供了通过谐波计算温度峰值的方法，为指定的状态选择最热器件，并结合自热阻抗以进一步简化该模型。

【发明内容】

[0009]下文将进一步说明本发明的具体内容。 [0010]一方面，本发明提供了一种温度控制方法，用于控制驱动器的变频器模块上第一半导体器件的温度，所述驱动器用于驱动电机，所述方法包括：
[0011]计算至少所述第一半导体器件的至少一种功耗的至少一个谐波分量；
[0012]利用至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量计算所述第一半导体器件的温度；以及
[0013]如果计算出的所述第一半导体器件的温度不满足预先确定的温度条件，发出命令控制所述驱动器的操作，使所述第一半导体器件的温度改变为满足所述预先确定的温度条件。
[0014]一些实施例中，至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量是在所述变频器的一个完整输出周期中计算出的。
[0015]一些实施例中，至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量包括至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的至少两个谐波分量。
[0016]一些实施例中，至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗包括至少所述第一半导体器件的开关功耗。
[0017]一些实施例中，至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗包括至少所述第一半导体器件的导通功耗。
[0018]一些实施例中，至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗包括至少所述第一半导体器件的至少两种功耗。
[0019]一些实施例中，至少所述第一半导体器件包括至少一个设置在所述变频器模块上的其他半导体器件。
[0020]一些实施例中，所述温度为所述第一半导体器件的结点温度。
[0021]一些实施例中，所述温度为所述第一半导体器件在所述变频器的完整输出周期中的温度峰值。
[0022]一些实施例中，对所述第一半导体器件的温度的计算包括使用至少一个热阻抗。
[0023]一些实施例中，所述至少一个热阻抗包括所述第一半导体器件的自热阻抗。[0024]一些实施例中，所述至少一个热阻抗包括由所述变频器模块上至少一个其他半导体器件引起的、所述第一半导体器件的互热阻抗。
[0025]一些实施例中，所述至少一个热阻抗与至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量一起用于计算所述第一半导体器件的温度的至少一个谐波分量。
[0026]一些实施例中，对所述第一半导体器件的温度的计算包括计算所述第一半导体器件的温度的所述至少一个谐波分量的峰值。
[0027]—些实施例中，所述第一半导体器件为晶体管。
[0028]一些实施例中，所述第一半导体器件为二极管。
[0029]一些实施例中，所述变频器模块包括热敏器件，用于提供参考温度，以便计算所述第一半导体器件的温度。
[0030]一些实施例中，所述预先确定的温度条件对应于一个温度范围。
[0031]一些实施例中，所述温度范围包括为所述分量预先确定的、安全运行的温度范围。
[0032]一些实施例中，当计算出的所述分量的温度超过预先确定的阈值，则不满足所述预先确定的温度条件；当计算出的所述分量的温度低于所述阈值，则满足所述条件。
[0033]一些实施例中，所述电机为发动机。
[0034]第二方面，本发明提供了一种温度控制方法，用于控制驱动器的变频器模块上多个半导体器件的子集的温度，所述驱动器用于驱动电机，所述方法包括：
[0035]将第一方面所述的方法应用于所述子集中的每个半导体器件，以控制所述子集中每个半导体器件的温度，其中，所述子集中的每个半导体器件分别对应第一方面所述的第一半导体器件。
[0036]一些实施例中，所述子集仅包括两个半导体器件，所述多个半导体器件包括其他半导体器件。
[0037]第三方面，本发明提供了一种温度控制方法，用于控制驱动器的变频器模块上多个半导体器件中选定的半导体器件的温度，所述驱动器用于驱动电机，所述方法包括：
[0038]评估所述变频器模块的当前状态；
[0039]基于所述评估结果，从所述多个半导体器件中选择一个已预先确定为在对应于当前状态的条件下预估具有最高温度的半导体器件；
[0040]应用以上第一方面所述的方法，控制所述选定的半导体器件的温度，其中，所述选定的半导体器件对应于上述第一方面所述的第一半导体器件。
[0041]一些实施例中，所述方法包括：在一段预先确定的时期后，重复前述的步骤，可引起后续控制的是另一个半导体器件的温度，而不是原始选定的半导体器件的温度。
[0042]第四方面，本发明提供了一种温度计算方法，用于计算驱动器的变频器模块上第一半导体器件的温度，所述驱动器用于驱动电机，所述方法包括：
[0043]计算至少所述第一半导体器件的至少一种功耗的至少一个谐波分量；
[0044]利用至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量计算所述第一半导体器件的温度。
[0045] 第五方面，本发明提供了一种驱动器，用于控制所述驱动器的变频器模块上第一半导体器件的温度，所述驱动器用于驱动电机，所述驱动器还用于：[0046]计算至少所述第一半导体器件的至少一种功耗的至少一个谐波分量；
[0047]利用至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量计算所述第一半导体器件的温度；
[0048]如果计算出的所述第一半导体器件的温度不满足预先确定的温度条件，发出命令以控制所述驱动器的操作，使所述第一半导体器件的温度改变为满足所述预先确定的温度条件。
【专利附图】

【附图说明】
[0049]通过以下对附图的描述，本发明实施方式的特征和优点将变得更加容易理解，其中
[0050]图I为一种典型电源模块的布局图；
[0051]图2为实现三相变频器的绝缘栅双极晶体管频率模型的控制流程图；
[0052]图3示出了绝缘栅双极晶体管和反并联二极管中的相电流；
[0053]图4a和图4b分别示出了一个开关频率周期中，绝缘栅双极晶体管和二极管的开关功耗； [0054]图5为绝缘栅双极晶体管和二极管在变频器的一个完整输出周期中测量开关损耗和近似开关损耗的对比图；
[0055]图6a和图6b示出了在变频器的一个完整输出周期中计算出的器件开关损耗，图6a为正弦模型和频率模型的响应，图6b为频率响应和正弦响应的差异（a =1弧度）；
[0056]图7示出了 Simulink正弦开关损耗模型；
[0057]图8a为正弦模型与频率模型在输出频率为O. IHz时的温度响应对比图及图8b为最大温度与输出频率的对比图；
[0058]图9示出了一个开关频率周期中的导通功耗；
[0059]图IOa为调制指数为I时，SVM(Alt-Rev)与三阶谐波的调制方案的对比图；
[0060]图IOb为调制指数为I时，三阶谐波与正弦近似法的调制方案的对比图；
[0061]图11示出了 Simulink正弦传导损耗模型；
[0062]图12a示出了正弦模型与频率模型在输出频率为O. IHz时绝缘栅双极晶体管的温度响应；
[0063]图12b示出了正弦模型与频率模型在输出频率为O. IHz时反并联二极管的温度响应；
[0064]图13a示出了输出角度为ω t= π/2时带纹波峰值的纹波温度的泰勒级数近似值；
[0065]图13b示出了输出角度为和《t=0时带纹波峰值的纹波温度的泰勒级数近似值；
[0066]图14a示出了谐波分量峰值之间的角度的泰勒级数近似值，及图14b示出了用以对齐峰值纹波和原始纹波的偏移角的泰勒级数近似值；
[0067]图15a为使用频率模型和瞬时正弦近似法计算出绝缘栅双极晶体管（τ th=ls)在输出频率为OHz (静止矢量状态）时的温度峰值的对比图；
[0068]图15b为使用频率模型和瞬时正弦近似法计算出绝缘栅双极晶体管（τ th=ls)在输出频率为IHz时的温度峰值的对比图；[0069]图16a为电流、占空比和功耗在超前和滞后位移功率因数为O. 5时的对比图；
[0070]图16b为变频器的一个输出周期中的由功耗所导致的温升在超前和滞后位移功率因数为O. 5时的对比图；
[0071]图17为自热阻抗和互热阻抗的迭加图；
[0072]图18a示出了位移功率因数和调制指数为I时所选择的最大稳态结点到热敏电阻温度的温度峰值；
[0073]图18b示出了最大稳态结点到热敏电阻温度在针对所有运行状态时计算出的温度峰值；
[0074]图19示出了在具有固定功耗的静止矢量状态中运行时产生温度峰值的器件；
[0075]图20为在静止矢量状态中运行时频率模型的预计温度与最大稳态温度的对比图；
[0076]图21a示出了在调制指数为I时，为k建立的单一器件模型，结点到热敏电阻温度的对比图； [0077]图21b示出了在调制指数为I时，为&建立的单一器件模型，误差百分率；
[0078]图22a为单一器件模型运行在静止矢量状态中绝缘栅双极晶体管模型的误差的示意图；
[0079]图22b为单一器件模型运行在静止矢量状态中并联实现的绝缘栅双极晶体管模型和二极管模型的误差的示意图；
[0080]图23a为单一器件模型在静止矢量状态中进行热耦合的绝缘栅双极晶体管模型的误差图；
[0081]图23b为单一器件模型在静止矢量状态中进行热耦合的并联实现的绝缘栅双极晶体管模型和二极管模型的误差图；
[0082]图24为具有相同时间常数和偏移角的网元的结合的示意图；
[0083]图25a为在调制指数为I的静止矢量状态中运行时，通过原始网络参数和常用时间常数计算出的阶跃响应的对比图；
[0084]图25b为相应的响应间温度差的对比图。
【具体实施方式】
[0085]下面对优选实施方式的描述仅仅是示范性的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。在各个附图中采用相同的附图标记来表示相同的部件，因此相同部件的构造将不
再重复描述。
[0086]以下结合附图以及【具体实施方式】对本发明的技术方案做进一步说明。
[0087]图I示出了一种典型的、包括多个器件的变频器模块。这些器件包括多个二极管、多个绝缘栅双极晶体管（IGBT)。在如图所示的变频器模块中，有六个二极管、六个绝缘栅双极晶体管。该变频器模块的一端设有热敏电阻，作为反馈器件，用于提供参考温度。该热敏电阻的温度可用于预估该变频器模块中的器件的温度。
[0088]由于周边器件具有互热阻抗，因此预估一个器件的温度时，其周边器件的温度也是相关的。当前的任务是仅通过热敏电阻的一个可用参考温度，预估多个器件的温度。为特定的变频器模块建立模型时，应将器件的位置关系考虑在内，以确保模型能够准确地预估器件的互热阻抗。不同模块中热敏电阻的位置可能不同，因此还应考虑因各个器件相对于热敏电阻的位置所产生的影响。
[0089]使用如方程式0.1所示的热阻抗矩阵进行计算。
[0090]
【权利要求】
1.一种温度控制方法，用于控制驱动器的变频器模块上第一半导体器件的温度，所述驱动器用于驱动电机，其特征在于，所述方法包括： 计算至少所述第一半导体器件的至少一种功耗的至少一个谐波分量； 利用至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量计算所述第一半导体器件的温度；以及 如果计算出的所述第一半导体器件的温度不满足预先确定的温度条件，发出命令控制所述驱动器的操作，使所述第一半导体器件的温度改变为满足所述预先确定的温度条件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量是在所述变频器的一个完整输出周期中计算出的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量包括至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的至少两个谐波分量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗包括至少所述第一半导体器件的开关功耗。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗包括至少所述第一半导体器件的传导功耗。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗包括至少所述第一 半导体器件的至少两种功耗。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少所述第一半导体器件包括至少一个设置在所述变频器模块上的其他半导体器件。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度为所述第一半导体器件的结点温度。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度为所述第一半导体器件在所述变频器的一个完整输出周期中的峰值温度。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述第一半导体器件的温度的计算包括使用至少一个热阻抗。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述至少一个热阻抗包括所述第一半导体器件的自热阻抗。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述至少一个热阻抗包括由所述变频器模块上至少一个其他半导体器件引起的、所述第一半导体器件的互热阻抗。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述至少一个热阻抗与至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量一起用于计算所述第一半导体器件的温度的至少一个谐波分量。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，对所述第一半导体器件的温度的计算包括计算所述第一半导体器件的温度的所述至少一个谐波分量的峰值。
15.如权利要求1-14任一所述的方法，其特征在于，所述第一半导体器件为晶体管。
16.如权利要求1-14任一所述的方法，其特征在于，所述第一半导体器件为二极管。
17.如权利要求1-14任一所述的方法，其特征在于，所述变频器模块包括热敏器件，用于提供参考温度，以计算所述第一半导体器件的温度。
18.如权利要求1-14任一所述的方法，其特征在于，所述预先确定的温度条件对应于一个温度范围。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述温度范围包括为所述第一半导体器件预先确定的、安全运行的温度范围。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，当计算出的所述温度超过预先确定的阈值，则不满足所述预先确定的温度条件；当计算出的所述温度低于所述阈值，则满足所述温度条件。
21.如权利要求1-14任一所述的方法，其特征在于，所述电机为发动机。
22.一种温度控制方法，用于控制驱动器的变频器模块上多个半导体器件的子集的温度，所述驱动器用于驱动电机，其特征在于，所述方法包括: 将权利要求1至21任一所述的方法应用于所述子集中的每个半导体器件，以控制所述子集中每个半导体器件的温度，其中，所述子集中的每个半导体器件分别对应权利要求1至21所述的第一半导体器件。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述子集仅包括两个半导体器件，所述多个半导体器件包括附加的半导体器件。
24.一种温度控制方法，用于控制驱动器的变频器模块上多个半导体器件中选定的半导体器件的温度，所述驱动器用于驱动电机，其特征在于，所述方法包括: 评估所述变频器模块的当前 状态； 基于所述评估结果，从所述多个半导体器件中选择一个已预先确定为在对应于当前状态的条件下预估具有最高温度的半导体器件；以及 应用权利要求1至21任一所述的方法，控制所述选定的半导体器件的温度，所述选定的半导体器件对应于权利要求1至21所述的第一半导体器件。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法包括:在一段预先确定的时期后，重复权利要求24所述的步骤，可引起后续控制的是另一个半导体器件的温度，而不是原始选定的半导体器件的温度。
26.一种温度计算方法，用于计算驱动器的变频器模块上第一半导体器件的温度，所述驱动器用于驱动电机，其特征在于，所述方法包括: 计算至少所述第一半导体器件的至少一种功耗的至少一个谐波分量； 利用至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量计算所述第一半导体器件的温度。
27.—种驱动器，其特征在于，被配置用于控制所述驱动器的变频器模块上第一半导体器件的温度，所述驱动器用于驱动电机，所述驱动器还被配置为: 计算至少所述第一半导体器件的至少一种功耗的至少一个谐波分量； 利用至少所述第一半导体器件的所述至少一种功耗的所述至少一个谐波分量计算所述第一半导体器件的温度； 如果计算出的所述第一半导体器件的温度不满足预先确定的温度条件，发出命令控制所述驱动器的操作，使所述第一半导体器件的温度改变为满足所述预先确定的温度条件。
28.—种驱动器，其特征在于，所述驱动器用于驱动电机，并被配置用于执行如权利要求I至26任一所述的方法。
【文档编号】H02M1/00GK104020801SQ201410073311
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2013年2月28日
【发明者】迈克尔·凯德, 加雷思·克里斯托弗·詹姆斯 申请人:控制技术有限公司