针对电气设备的热保护的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关专利申请的交叉引用
[0002] 本专利申请是主张要求于2013年10月14日提交的标题为"Thermal Protection for Electrical Device"的美国临时专利申请No.61/890378的权益的非临时申请，并且在 此通过引用将该专利申请的全文并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及被耦合到电动机的转换器/逆变器设备，并且更具体地涉及对转换器/ 逆变器设备中的功率半导体的热保护。
【背景技术】
[0004] 在具有被耦合到电动机的转换器/逆变器的电动机驱动应用中，功率半导体，例如 绝缘栅双极晶体管(IGBT)被用在工业逆变器和转换器中，并且要求进行冷却以避免由于超 温的故障。如果由于在冷却系统中的问题造成不存在诸如气体或液体的冷却介质，或者如 果环境温度太高，则功率设备可能由于超温而出现故障。电动机驱动被耦合到通常为三相 的电源，并且由例如微处理器或计算机的控制器进行控制。
[0005] 不应当仅仅由于在发明部分的背景中被提到就将在发明部分的背景中论述的主 题假设为现有技术。类似地，在发明部分的背景中提到的或者与发明部分的背景的主题相 关联的问题不应当被假设为先前在现有技术中已经被认识到。发明部分的背景中的主题仅 仅表示不同的途径，其本身也可以是本发明。
[0006] 本公开的装置也必须是既耐用又持久的构造，并且也应当在其整个操作寿命期间 要求由用户提供很少的维护或者无需维护。为了增强本公开的装置的市场吸引力，其也应 当是廉价的构造以从而提供它最宽广的可能市场。最后，目标也是在不招致任何大体相对 缺点的情况下来实现所有前述优点和目标。
【发明内容】
[0007] 提供一种用于保护电气设备的装置和方法。所述电气设备被耦合到电源和电负 载。
[0008] 所述装置包括传感器和控制器。所述传感器被耦合到电气设备，其中，所述传感器 被配置为检测如下中的一项:在预定时间段期间的电气设备的温度值的上升，和电气设备 的温度值。
[0009] 所述控制器被耦合到电气设备和传感器。所述控制器被配置为，如果电气设备的 温度超过在被耦合到控制器的数据库中存储的预定温度，则关闭电气设备。
[0010] 所述控制器也被配置为基于来自电气设备的耗散功率来确定对传感器到电气设 备的温度上升值的估计，并且将这样的值加到电气设备的温度值。所述控制器也被配置为 基于来自电气设备的耗散功率来确定环境到传感器的温度上升值以获得估计的环境温度 值。所述控制器也确定环境温度值的变化率(rate)。
[0011] 所述控制器将电气设备的估计的温度值与预定温度值进行比较，并且如果估计的 温度值超过预定温度值，则控制器将关闭电气设备。
[0012] 在另一实施例中，所述装置和方法提供控制器，所述控制器被配置为将环境温度 值的变化率与在数据库中存储的环境温度值的第一变化率和在数据库中存储的环境温度 值的第二变化率进行比较，如果任意时间段的环境温度值的变化率都超过环境温度的第一 变化率，则控制器将关闭电气设备；如果在比在数据库中存储的预定时间段更长的时间段 内的环境温度值的变化率超过环境温度值的第二变化率，则控制器将关闭电气设备。
[0013] 在所述装置和方法的另一实施例中，所述传感器是热敏电阻器，所述热敏电阻器 能够是负温度系数类型的热敏电阻器。
[0014] 在另一实施例中，所述装置和方法提供绝缘栅双极晶体管类型的电气设备。能够 在装置中利用超过一个电气设备，其中额外的电气设备是绝缘栅双极晶体管。
[0015] 本发明的装置是既耐用又持久的构建，并且在其整个操作寿命期间要求由用户提 供的很少的维护或者无需维护。最后，在不招致任何大体相对缺点的情况下来实现所有前 述优点和目标。
【附图说明】
[0016] 参考附图最好地理解本公开的这些和其他优点，在附图中：
[0017] 图1是包括被配置为保护电气设备免于由于热过载造成故障的控制器的电动机驱 动系统的示意图。
[0018] 图2是在图1中图示的转换器/逆变器的示意图，其中，逆变器部分包括在电动机设 备中的多个绝缘栅双极晶体管（IGBT)类型的电气设备，至少一个热敏电阻器类型的传感器 与电气设备中的至少一个相关联。
[0019] 图3是在图2中图示的装置中的IGBT、环境和传感器的温度之间的关系的示意图。
[0020] 图4是在图1中图示的控制器中的配置以基于在图3中图示的关系来防止由于热过 载造成在图2中图示的电气设备的故障的流程图图表。
[0021 ]图5是在图4中图示的方法和功能的示意图。
【具体实施方式】
[0022]功率半导体，例如绝缘栅双极晶体管（IGBT)，被用在工业逆变器和转换器中，并且 要求进行冷却以避免由于超温造成的故障。如果由于在冷却系统中的问题造成不存在诸如 气体或液体的冷却介质，或者如果环境温度太高，则功率设备可能由于超温而出现故障。本 公开被用于检测何时不存在冷却介质或者环境温度是否太高，从而能够在功率半导体的故 障之前关闭逆变器或转换器。
[0023]更新的IGBT配备有负温度系数热敏电阻器(ntchntc温度能够被用于估计结点温 度和环境温度。如果这些温度中的任一个超过最大值，或者如果环境增加太快，则逆变器将 故障、关闭或者被损坏。如果所述设备不提供温度反馈，则能够使用靠近所述设备的另一传 感器，但这可能不是那么好的。
[0024]所描述的热保护对如在图1中示出的一个的电动机驱动应用的逆变器部分进行保 护。系统100包括功率电子转换器和逆变器部分102,其由控制器114进行控制以将其三相功 率输入转换到dc链接，所述dc链接被转换以控制电负载110，例如电动机112。恰当的仪器仪 表被耦合到电动机驱动以监测各个部件的电流和电压，并且由控制器使用。
[0025]典型的逆变器部分106包括六个电气设备118，例如被用于转换dc链接以控制电动 机112的绝缘栅双极晶体管（IGBT)120<JGBT指定在其能够操作时的最大可允许结点温度。 当功率设备被用于转换功率时，其耗散功率130并且产生温度上升。如果该温度上升导致超 过最大可允许温度的绝对结点温度144，则IGBT将失效。
[0026] 所公开的保护装置100将使用温度传感器122,例如热敏电阻器124。当IGBT正在操 作时，存在从环境温度146到温度传感器122的温度上升128,以及从温度传感器122到IGBT 120的结点的温度上升126。所述结点温度能够通过将三个温度加在一起来计算:环境温度 146、环境到温度传感器的上升128以及温度传感器到结点的温度上升126。
[0027] 在图3中图示了在传感器温度144、结点温度142和环境温度146之间的关系。所述 关系取决于在设备120中耗散130的功率和功率130到环境146的流的阻抗。通过两个部分来 描述由于耗散功率130发生的温度上升：从传感器122到结点120 126的温度上升126,以及 从环境温度146到传感器122的温度上升128。如果功率是恒定的，则这些温度上升126、128 中的每个具有确定最终温度的稳态分量。这是热电阻并且通过电阻器132和136进行建模。 也存在确定温度如何动态地响应于耗散功率130的变化的部件，并且通过电容器134和138 进行建模。电阻器和电容器引起从传感器到结点126的温度上升以及从环境温度到传感器 128的温度上升对耗散功率130的变化的响应，作为一阶响应。很好理解，通过下式在频域中 描述一阶响应：
[0029] 其中，T(s)是温度上升（或126或128)，P(s)是耗散功率130，R是热电阻（或132或 136)，并且t是源于或（132和134)或（136和138)的电阻器和电容器组合的热时间常量。
[0030] 所提出的装置和方法采用检测或为液体或为气体的冷却剂的损耗或者在装置100 中的不可接受的环境温度146的四种方法。图4是解释被用于检测冷却剂的损耗或不可接受 的环境温度的方法的流程图。
[0031] 被用于检测冷却剂的损耗或不可接受的环境温度146的第一方法是计算结点温度 142并将其与存储在控制器114中的最大可允许结点温度进行比较。通常，由制造商或者由 装置100的用户设置IGBT 120的最大可允许温度120。为此，在图4的流程图中在160处计算 传感器到结点的温度上升126,并且在图4的流程图中在148处将其加到测量的传感器温度 144以确定结点温度142。这也在图5中示出，方框160,其中更早描述的一阶响应被用于基于 耗散功率130来计算从温度传感器到结点126的温度上升。图4,决策点164是将所计算的结 点温度142与存储在数据库116中的最大可允许结点温度进行比较的点，并且如果所计算的 结点温度142超过最大可允许结点温度，则逆变器106将关闭180。
[0032] 在图4的流程图中描述了被用于热保护的第二方法，步骤168和170。计算环境温度 到传感器的温度上升128,并将其用于估计环境温度146。图5在方框168中示出了先前描述 的一阶响应被用于基于耗散功率130来计算从环境温度到温度传感器128的温度上升。在图 4中的决策点172将估计的环境温度146与被存储在控制器114中的被允许的最大环境温度 进行比较，并且如果估计的环境温度146超过该最大环境温度，则逆变器106将关闭180。
[0033]图5描述了如何确定环境估计146。如由在图5中的方框图图示的，控制器114被配 置为令在测量的传感器温度144与传感器温度156的估计之间的差为零。这是通过利用比例 积分控制器来完成的。在图5中的节点150处确定在测量的温度传感器146与传感器温度156 的估计之间的误差或差。在157处该误差乘以比例项，并且在158处进行积分并乘以积分项。 在节点1