电力转换设备和电力转换方法

文档序号:10494672
电力转换设备和电力转换方法
【专利摘要】提供了一种电力转换装置和电力转换方法。电力转换装置包括:整流器,其被配置为将交流电转换为直流电;平滑滤波器,其被配置为控制从整流器接收到的直流电为恒定的;逆变器,其被配置为通过利用切换装置而接通和断开直流电而将从平滑滤波器接收到的直流电转换为高频电;以及控制单元,其被配置为控制整流器和逆变器。根据从逆变器输出的高频电的频率、通电时间、以及操作率,而判定来自逆变器的输出电力的额定值,操作率通过将通电时间除以通电时间与非通电时间的总和而获得。
【专利说明】
电力转换设备和电力转换方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种电力转换设备和电力转换方法。
【背景技术】
[0002]用于加热处理的电加热方法包括感应加热和直接电加热。特别在作为一种利用感应加热的加热处理的硬化处理中,根据在工件中的热处理的深度而选择适当的频率。
[0003]根据用于热处理的现有技术的电力转换设备,通过使用电力半导体装置进行切换而将直流电转换为高频电(参见,例如,pamphlet of MK16A Transistor Inverter ,Neturen C0., Ltd.,www.k_neturen.c0.jp/eng/business/induct1n/pdf/MK16Aenglish.pdf)。电力半导体切换装置的实例包括低于1kHz的半导体闸流管、1kHz至I OOkHz 的 IGBT 以及高于 I OOkHz 的 MOSFET。
[0004]比较1kHz的振荡频率和10kHz的振荡频率,由于切换频率的10倍差,电力半导体装置经受非常不同的温度升高。即,如果基于设备的可操作范围的最大频率而设定电力转换设备的逆变器的容量(最大额定值),则当输出频率低时温度升高是小的,并且因此,该操作不经济。
[0005]在具有如上所述的电力半导体装置的电力转换设备中,控制温度使得电力半导体装置的接点温度不超过指定的温度。更具体地,恒温器装接到电力半导体装置的周围,或者恒温器并入到电力半导体装置中。仅在实际温度已经到达指定温度之后控制或暂停电力的输出。
[0006]另一个现有技术的电力转换设备,包括:半导体装置,用于进行电力转换;热辐射风扇,用于辐射由半导体装置产生的热量;冷却风扇,用于冷却辐射风扇;检测单元,用于检测与冷却风扇的冷却性能相关的参数;以及控制单元(参见,例如JP2012-39745A)。在该电力转换设备中,基于检测单元的检测结果、半导体装置的损失以及半导体装置的周围温度,来估计半导体装置的接点温度,并且控制半导体装置使得所估计的接点温度不超过指定的温度。
[0007]然而,根据上述温度控制方法,因为仅在实际温度已经到达指定温度之后暂停电力的输出,所以由于温度传感器的响应延迟而不能够解决过快的温度升高,并且可能导致半导体装置的损坏。根据上述现有技术的电力转换设备,半导体装置是风冷式的,并且考虑与空气冷却性能相关的参数来估计半导体装置的接点温度。此外,温度传感器装接到半导体装置的周围,并且基于由温度传感器所检测到的温度,来估计半导体装置的接点温度。然而,测量的温度值根据温度传感器所装接到的位置而大幅改变。因此,该现有技术不能够以足够的精度控制半导体装置。

【发明内容】

[0008]本发明的目的是提供一种经济的用于热处理的电力转换设备和电力转换方法,其能够根据使用的情况而在额定值之内改变输出。
[0009]根据本发明的方面,提供了一种用于热处理的电力转换设备。电力转换设备包括:整流器,其被配置为将交流电转换为直流电;平滑滤波器,其被配置为控制从整流器接收到的直流电为恒定的;逆变器,其被配置为通过利用切换装置而接通和断开直流电而将从平滑滤波器接收到的直流电转换为高频电;以及控制单元,其被配置为控制整流器和逆变器。根据从逆变器输出的高频电的频率、通电时间、以及操作率,而判定来自逆变器的输出电力的额定值(rating),操作率通过将通电时间除以通电时间与非通电时间的总和而获得。
[0010]所述控制单元可以具有限定所述切换的频率、所述通电时间、所述操作率与在能够使用所述切换装置的温度处的所述输出电力之间的关系的数据,并且当给定所述通电时间和所述操作率时,所述控制单元可以基于所述数据计算最大容许电流,并且可以暂停或者控制所述输出电力。
[0011]根据本发明的另一方面,提供了一种用于热处理的电力转换方法。所述电力转换方法包括:将交流电转换成直流电,并且通过利用切换装置而接通和断开所述直流电而将所述直流电转换为高频电。所述电力转换方法还包括:根据从所述逆变器输出的所述高频电的频率、通电时间和操作率,增加最大输出电力,使得所述切换装置的接点温度(junct1n temperature)不超过指定的温度,所述操作率通过将所述通电时间除以所述通电时间与非通电时间的总和而获得。
[0012]所述最大输出电力可以增加,直至所述切换装置的所述接点温度的上限到达所述切换装置的额定温度,所述接点温度根据由于所述切换装置的损失而产生的温度升高与由于所述切换装置的冷却而产生的温度降低之间的差而获得。
[0013]基于所述切换装置的通电损失与所述切换装置的切换损失的总和,判定所述切换装置的所述损失。
[0014]电流供应到切换装置的时间小于用于改变和设定要热处理的工件的时间。
[0015]根据上述设备和方法,由于根据频率、通电时间和操作率来判定额定值,所以当转换为低频电力时输出能够在切换装置的额定值内增加。因此,能够提供经济的设备和方法。
[0016]本发明的另一个目的是提供一种电力转换设备和电力转换方法,其在即使当输出条件改变时也能够防止电力半导体装置的损坏。
[0017]根据本发明的另一个方面,电力转换设备包括:电力转换单元;装接到电力转换单元的多个传感器;以及控制单元,其被配置为控制电力转换单元。电力转换单元包括:模块,其具有进行电力转换的电力半导体装置以及金属基部,电力半导体装置安装在该基部上;以及散热器,其布置为与金属基部接触以冷却电力半导体装置。传感器布置为测量金属基部的温度和流入及流出散热器的冷却水的温度和流速。控制单元被配置为:通过基于由传感器测量的值获得从电力半导体装置流向散热器的热量,来估计电力半导体装置的初始接点温度。控制单元还被配置为:在接收到输出改变指令以增加从电力转换单元输出的电力时,获得与根据输出改变指令而增加的电力相对应的电力半导体装置的更新的接点温度。控制单元被配置为:当控制单元判定更新的接点温度到达指定温度时,变为不响应于输出改变指令。
[0018]控制单元可以具有表明对于各个接点温度的电力半导体装置的施加的电流与电压之间的关系的设备数据。当获得电力半导体装置的更新的接点温度时,控制单元可以从用于初始接点温度的装置数据获得与增加的电流相对应的电压,以基于增加的施加电流和对应的电压而获得电力损失和对应于电力损失的更新的接点温度。然后,控制单元可以重复如下步骤:从用于最新更新的接点温度的装置数据获得与增加的施加电流相对应的更新电压,以及基于增加的施加电流和更新的电压,获得更新的电力损失和与更新的电力损失相对应的另一个更新的接点温度。
[0019]多个传感器可以包括温度传感器,其被配置为测量金属基部的温度。温度传感器可以设置为接触金属基部或者插入到金属基部中。控制单元可以基于电力半导体装置的接点与金属基部之间的热阻电路,来估计电力半导体装置的初始接点温度。
[0020]根据本发明的另一方面,提供了一种电力转换方法。电力转换方法使用:模块,该模块具有电力半导体装置和金属基部,电力半导体装置安装在该金属基部上;以及散热器,其被布置为与金属基部接触以冷却电力半导体装置。通过电力半导体装置的操作而进行电力转换。电力转换方法包括:当电流施加到电力半导体装置时,通过测量从电力半导体装置流向散热器的热量,估计电力半导体装置的初始接点温度。电力转换方法还包括:当施加到电力半导体装置的电流增加时,基于增加的施加电流,获得电力半导体装置的更新的接点温度。电力转换方法还包括:当判定更新的接点温度到达指定的温度时,抑制施加到电力半导体装置的电流的增加。
[0021]获得电力半导体装置的更新的接点温度可以包括:根据基于初始接点温度的电力半导体装置的装置特性,获得与增加的施加电流相对应的电压,以基于增加的施加的电流和对应的电压,来获得电力损失和与电力损失相对应的更新的接点温度;而后重复如下一系列步骤:根据基于最新更新的接点温度的电力半导体装置的装置特性,获得与增加的施加电流相对应的更新的电压,以及基于增加的施加电流和更新的电压,获得更新的电力损失和与更新的电力损失相对应的另一个更新的接点温度。可以重复一系列步骤,直至更新的接点温度收敛。
[0022]根据上述电力半导体设备,通过基于冷却水的温差和流速获得从电力半导体装置流向散热器的热量,控制单元估计电力半导体装置的初始接点温度。在接收到增加输出的输出改变指令时,假定响应于输出改变指令而控制电力转换单元,控制单元获得电力半导体装置的温度升高,并且如果更新的接点温度超过指定的温度时,不允许与输出改变指令相对应的输出。即,控制单元控制或者暂停输出,使得电力半导体装置的接点的温度不超过指定的温度。从而,能够防止电力转换单元的电力半导体装置由于自身产生的热量而被损坏。
[0023]根据上述电力转换方法,当电流施加到电力半导体装置时,通过测量从电力半导体装置流向散热器的热的量,来估计电力半导体装置的初始接点温度。当施加到电力半导体装置的电流要增加时,获得与增加的施加电流相对应的电力半导体装置的更新的接点温度。如果判定计算的接点温度超过指定温度,则施加的电力半导体装置的电流不增加。从而,能够防止电力半导体装置由于其自身产生的热而被损坏。
【附图说明】
[0024]图1是图示出根据本发明的实施例的电力转换设备的构造的图。
[0025]图2是图示出操作率的图。
[0026]图3是图示出存储在控制单元中的数据的一部分的图。
[0027]图4A和4B是图示出根据本发明的实施例的电力转换设备的设计概念的图,图4A图示出切换装置的集电极电流波形和集电极发射极电压波形,并且图4B图示了损失波形。
[0028]图5A至5C是图示出基于规则地重复矩形脉冲电流而计算切换装置的接点温度的方法的图。
[0029]图6A和6B是图示出存储在控制单元中的数据的图,示出了在通电时间作为参数的情况下,分别在3kHz和50kHz处的操作率与电力之间的关系。
[0030]图7是图示出根据本发明的另一个实施例的电力转换设备的构造的图。
[0031]图8是图示出在图7所示的电力转换设备中从电力半导体装置经由金属基部和散热器到冷却水的热阻电路。
[0032]图9是图示出存储在图7所示的控制单元中的、表明了电力半导体装置的特性的数据的图。
[0033]图10是图示出在响应于输出改变指令而改变输出时控制单元估计电力半导体装置的接点温度的方法的图。
【具体实施方式】
[0034]后文中,将参考图1至6B具体描述本发明的实施例。
[0035]图1是图示出根据本发明的实施例的电力转换设备的构造的图。如图1所示,用于热处理的电力转换设备10(后文中,电力转换设备10)包括:整流器11,其被配置为将交流电转换为直流电;平滑滤波器12,其被配置为将从整流器11接收到的直流电控制为恒定的;逆变器13,其被配置为通过以指定的频率接通或者断开切换装置,而将从平滑滤波器12接收到的直流电转换为高频电;以及控制单元14,其被配置为控制整流器11和逆变器13。
[0036]还被称为转换器的整流器11通过整流商用的交流电,而将商用的交流电转换为直流电。整流器11在控制单元14的输出控制下调节电力转换设备10的输出电力的大小。
[0037]在电力转换设备10是电流式的电力转换设备的情况下,平滑滤波器12利用电抗器使从整流器11输出的电流中的波纹平滑,并且将得到的电流输出到逆变器13。在电力转换设备10是电压式的电力转换设备的情况下,平滑滤波器12利用电容器使从整电压器11输出的电压中的波纹平滑,并且将得到的电压输出到逆变器13。
[0038]作为切换装置的电力半导体装置被配置为形成桥式电路,并且通过电力半导体装置的切换,逆变器13将直流电转换为高频电,并且输出高频电。
[0039]控制单元14通过向整流器11发送输出控制信号和异常停止指令信号而控制整流器11,并且通过向逆变器13发送频率控制信号和异常停止指令信号而控制逆变器13。控制单元14接收分别来自整流器11和逆变器13的反馈信号,并且检测整流器11和逆变器13的情况。
[0040]根据本发明的实施例,控制单元14根据从逆变器13输出的高频电的频率、通电时间和操作率,而暂停或者控制从逆变器13的输出。为此,控制单元14具有如下数据:限定切换装置的频率、通电时间、操作率与在切换装置能够操作的温度处的输出电力之间的关系。当给定通电时间和操作率时,控制单元14基于以上数据来计算最大容许电流。当由从整流器11接收的电流反馈信号所检测到的整流器11的输出电流超过基于通电时间、操作率和频率计算的最大容许电流时,控制单元14暂停或者降低从逆变器13的输出。基于限定切换装置的频率、通电时间、操作率与在能够操作切换装置的温度处的电力之间的关系的数据,计算最大容许电流,并且最大容许电流是在给定的条件下允许流动的最大电流。以这种方式,即使在电力转换设备10的操作期间,基于由切换装置的操作所引起的温度升高,在最大输出电流,即,逆变器13的容量为额定的情况下,控制单元14暂停或者控制电力转换设备10的输出。
[0041]下面将参考图2描述操作率α。在图2中,横轴代表时间并且纵轴代表输出。利用以下等式得出操作率α。
[0042]操作率α =通电时间tp/周期τ
[0043]=通电时间tp/(通电时间+非通电时间)
[0044]通电时间tp是从逆变器13输出高频电的时间。周期τ是通电时间与非通电时间的总和,并且是从一个脉冲的输出到下一个脉冲的输出的时间。
[0045]存储在控制单元14中的数据表明了电力相对于操作率α、通电时间tp以及频率的关系,该电力引起切换装置的接点温度升高A Tj。图3是图示出存储在控制单元14中的数据的一部分的图。在图3中,横轴代表操作率α( %),并且纵轴代表电力(kW)。当操作率为100%时,电力固定为P1,从而提供了连续的额定值。当操作率下降时,电力增加。当通电时间缩短时,电力的增加量变大。
[0046]将参考图4A和4B描述根据本发明的实施例的电力转换设备10的设计概念。图4A示出了切换装置的集电极电流IC波形和集电极发射极电压Vce波形,并且图4B示出了损失波形。在图4A和4B中,两个横轴都表示时间t。利用切换装置的温度特性以及诸如额定电压和温度平衡这样的其它特性来判定电力转换设备10的输出的额定值。利用切换装置的损失和冷却来判定切换装置的温度。通过以下得出切换装置的损失。
[0047]装置的损失=稳定损失+切换损失
[0048]如图4A和4B所示,当在横轴为时间的情况下,示出了集电极电流Ic和集电极发射极电压VCE,集电极电流Ic在相位上领先集电极发射极电压VCE。这些波形之间的相移导致由与集电极电流IC和集电极发射极电压Vce的积相对应的量所产生的切换损失。
[0049]稳定损失是将电流供应到切换装置而产生的损失,S卩,切换装置的通电损失,并且依据要供应的电流的值。另一方面,切换损失与切换的次数(即,频率)成比例。因此,即使具有相同的电流,切换损失也增加,并且因此,随着频率变得更高,装置损失增加。
[0050]尽管如此,传统的电力转换设备、用于高振荡频率的电力转换设备和用于低振荡频率的电力转换设备两者都以最大频率并且在假设连续使用的情况下额定,在该最大频率处损失最高。这意味着,当在用于高频的电力转换设备中频率低时,虽然能够设定较高的电流但是使低电流流通。此外,例如,没有考虑如下事实:像在如高频淬火的情况下一样完成非常短的通电(例如,几秒至稍大于10秒)而不是连续通电的情况下存在用于冷却切换装置的充足的时间。
[0051]鉴于以上,根据本发明的实施例,对于各个频率,基于通电时间和操作率考虑切换装置的冷却时间,来判定作为额定的输出电力。即,对于电力转换设备的各个振荡频率,基于逆变器13中所使用的切换装置的装置特性,控制单元14通过根据通电时间tp和操作率α计算接点温度不超过指定温度的电流,而判定输出电力。如果逆变器13的输出电流变为大于基准电流,则控制单元14暂停整流器11和逆变器13的操作,并且暂停从逆变器13的输出。以这种方式,考虑操作率和通电时间,对于精细地设定的各个频率使电力转换设备的输出额定。这使得能够良好地利用在低频范围内能够利用的余裕。
[0052]根据上述实施例的电力转换方法,当将交流电转换成直流电而后通过使用切换装置而接通和断开直流电而将直流电转换成高频电时,在切换装置的接点温度不超过指定温度的范围内,最大输出电力根据转换之后的频率、通电时间和操作率而增加,该操作率通过将通电时间除以通电时间和非通电时间的总和而获得。
[0053]根据由于切换装置的损失而产生的温度升高与由于切换装置的冷却而产生的温度降低之间的差而获得切换装置的接点温度,并且最大输出电力增加,直至切换装置的接点温度的上限到达切换装置的额定温度。这使得能够实现经济的热处理。特别地,因为电流施加到切换装置的时间远小于用于改变和/或设定要热处理的工件的时间,所以显著地提高了经济效率。
[0054]接着,将描述基准电流值的计算方法的实例,控制单元14基于该方法而暂停输出。图5A至5C图示出基于矩形脉冲反复并且有规律地出现的电流而计算切换装置的接点温度Tj的方法。如图5A所示,分别地,电力损失Ptm的通电时间由tp表示,并且其周期由τ表示。通过对除了两个最近的脉冲(参见图5Β)之外的脉冲的电力损失进行平均而使电力损失近似、并且将叠加原理应用到电力损失计算(参见图5C),来计算温度升高。
[0055]根据以下等式基于矩形脉冲反复并且规律地出现的电流来计算切换装置的接点温度Tj。
[0056]Tj = Tw+Ptm{ (tp/τ).R( j-w) + (l~tp/τ).R( j-w) (x+tp)-R( j-w) (x)+R( j-w)
(tp)} O
[0057]该等式进行如下变形。
[0058]Tj-Tw= (T⑴+T3-T2+T1).Ptm
[0059]Τ°° = (?ρ/τ).R(j-w)
[0060]Τ3 = (1-?ρ/τ).R( j-w)(τ+tp)
[0061]T2 = R(j-w)(i)
[0062]Tl =R( j_w) (tp) o
[0063]Too意味着在无限长时间的通电率tp/τ的情况下产生损失ptm,并且通过在连续的额定值时的热阻抗乘以通电率tp/τ而得出。
[0064]T3意味着从时间(τ+tp)的损失减去与通电率tp/τ相对应的部分。
[0065]_T2意味着减去时间τ的损失。
[ΟΟ??] Tl意味着加上时间tp的损失。
[0067]τ表示周期时间,并且R( j-w) (t)表示时间t的瞬态热阻(TVW)t3Tw表示冷却水的温度(。。)。
[0068]以上述方式计算接点温度Tj。当逆变器13的切换装置的接点温度到达基准值时,控制单元14暂停整流器11和逆变器13的操作,并且从而控制输出。这是因为当切换装置操作时,通过施加电流而产生损失,并且当接点温度变得高于基准温度时,切换装置可能损坏。该损失例如根据以如下方式计算的稳定损失和的切换损失的总和而获得。
[0069]通过预先确定在某一电流处的损失值,并且将损失值乘以由于电流增加而导致的损失增加系数和由于电流增加而导致的装置的损失增加系数,来计算温度损失。另一方面,额外考虑与电流增加相关的因素,通过预先确定每千赫兹的损失值并且将其乘以频率,而计算切换损失。
[0070]维持如下关系:通过将如此计算的稳定损失和切换损失的总和乘以(TOO+T3-T2+Tl)而获得的温度低于或者等于指定的温度。
[0071]由于对切换装置确定指定温度,所以判定满足以上关系的电流(称为基准电流)使得能够在流经切换装置的电流不超过基准电流这样的范围内来增加输出。
[0072]下面将描述通过以上方法而获得的结果。图6A和6B是在图示出存储在控制单元14中的数据的图,并且该数据分别示出了在通电时间tp作为参数的情况下的3kHz和50kHz处的操作率α与电力之间的关系。在图6A和6B中,作为tp的值的tl至t4满足tl〈t2〈t3〈t4的关系O
[0073]在用于热处理的电力转换设备中,在以3kHz的频率输出高频电力的情况下,额定值如图6A所示地确定。通过降低操作率α而提高电力。对于通电时间t2至t4中的每个,输出电力能够根据操作率而变化。然而,在通电时间tl的情况下,即使操作率下降到一定值以下,输出电力也不能够增加。
[0074]在以50kHz的频率输出高频电力的情况下,额定值如图6B所示地确定。通过降低操作率α而提高电力。对于通电时间11至t4中的每个,输出电力能够根据操作率而变化。
[0075]在根据与上述相同的设计概念而制造的电力转换设备中,输出电力能够根据频率而变化,并且随着频率降低,能够输出更多的电力。
[0076]因此,在根据本发明的实施例的电力转换设备中,对于各个输出频率设定单独的额定值。传统地,高频电力转换设备的额定值已经与低频电力转换设备的额定值相同。相比之下,根据本发明的实施例,能够通过根据电力转换设备的额定值设定用于低频的大额定值而提高其经济效率。依据输出频率,可能需要替换整流器U、逆变器13或者控制单元14,或者改变这些元件的常量。然而,通过进行利用开关的切换而做出这样的细微的调整,能够改变振荡频率。
[0077]接着,将参考图7至10描述本发明的另一个实施例。
[0078]图7是图示出根据本发明的另一个实施例的电力转换设备1A的构造的图。如图7所示,电源31连结到电力转换设备1A的输入侧,并且负载32连结到电力转换设备1A的输出侧。电力转换设备1A包括电力转换单元11和控制单元14A,该控制单元14A被配置为控制电力转换单元20。
[0079]电力转换单元20包括:模块23,其具有用于电力转换的电力半导体装置21和金属基部22,电力半导体装置21安装在该基部22上;以及散热器24,其布置为与散热器24的基部22接触以冷却电力半导体装置21。在模块23中,绝缘层25夹置在电力半导体装置21与金属基部22之间。在一个或多个模块23内的电力半导体装置21形成转换器或逆变器,使得电力转换单元20产生电力以通过转换而输出到负载32。此处散热器24是所谓的水冷却散热器,并且被构造为使得冷却水流经的管24b被安置为与散热部24a相邻。由于散热器24与金属基部22进行接触,所以由电力半导体装置21所产生的热量能够有效地转移到冷却水W。
[0080]多个传感器装接到电力转换单元20。温度传感器26a测量金属基部22的温度。优选地,温度传感器26a插入到形成在金属基部22中的凹部内,或者安置为与金属基部22进行接触。以这种方式,能够监视接点温度,而不考虑温度传感器26a的装接位置。[0081 ] 温度传感器26b和26c分别设置在管24b的流入侧和流出侧处,并且测量流入到散热器24内的冷却水的温度,同时测量流出散热器24的冷却水的温度。流速传感器26d装接到管24d,以测量冷却水的流速。
[0082]控制单元14A根据将稍后描述的等式(I)获得从电力半导体装置21流向散热器24的热的量作为冷却水w的温度升高,并且根据由温度传感器26a测量的实际值,估计电力半导体装置21的初始接点温度。此外,控制单元14A在从输入口(未示出)接收到输出相关指令时控制电力转换单元20。当在电力转换单元20正输出电力的同时从输入口接受到输出相关指令时,控制单元14A判定是否通过进行以下处理而响应所述指令。更具体地,在接收到输出改变指令以增加从电力转换单元20输出的电力时,控制单元14A获得与输出改变指令的增加的电力相对应的电力半导体装置21的更新的接点温度。当控制单元14A判定更新的接点温度到达指定的温度时,控制单元14A变为不响应所述指令,并且进行诸如暂停输出这样的控制。以这种方式,防止电力半导体装置21的热损坏。
[0083]将对控制单元14A如何估计与响应于输出改变指令的输出的改变相对应的电力半导体装置21的接点温度进行描述。图8示出了从电力半导体装置经由金属基部和散热器到冷却水的热阻电路。存在冷却水(w)与散热器(f)之间的热阻Rth(fi)、散热器(f)与金属基部(c)之间的热阻Rth(c-f)、金属基部(c)与电力半导体装置的接点(j)之间的热阻Rth(j-
C) O
[0084]首先,在第一步骤,估计响应于输出改变指令而改变输出之前电力半导体装置21的当前接点温度(初始接点温度)。这里,假定包括电力半导体装置21的模块23装接到散热器24,并且由电力半导体装置21所产生的热量传送到散热器24并且由冷却水散失。通过获得冷却水的温度升高,测量由于施加的电流而导致的来自电力半导体装置21的电力,S卩,损失。
[0085]即,根据等式(I),通过将在流出侧处的冷却水w的温度TW(OUt)与在流入侧处的冷却水w的温度TW(in)之间的差乘以流速,而获得损失P。等式(I)的结尾处的系数“70”反映了作为冷却水的20°C的水的特性,诸如特定的热量或者密度。括号[]中包含的符号为单位。假定仅有一个模块23安装在散热器24上。在多个模块23安装在散热器24上的情况下,可以对每个模块23测量冷却水的流入侧温度和流出侧温度,或者等式(I)的左侧可以变形为各个模块23的损失的总和。
[0086]损失卩[们={1¥(0此)[。(:]-1¥(111)[。(:]}\流速[171^11]\70."(1)
[0087]基于已经根据等式(I)而判定的电力P,根据等式(2)来判定图8中示出的热阻电路中的电力半导体装置21的接点温度Tj:
[0088]接点温度Tj[0C]=损失P X Rth (j - c)+金属基部温度[°C ]…(2)
[0089]在等式(2)中,利用电力半导体装置21的目录热阻值(°C/W)设定Rth(j-c)。
[0090]根据等式(2)获得响应于输出改变指令而改变输出之前的电力半导体装置21的当前接点温度Tj。
[0091]随后,在第二步骤,根据以下估计在响应于输出改变指令而改变输出时的电力半导体装置21的接点温度(更新的接点温度)。在下文中,将进行如下实例方法的描述:估计在响应于输出改变指令而将输出电流从I1增加至I2时的电力半导体装置21的接点温度。
[0092]图9示出了存储在控制单元14中并且表明电力半导体装置21的特性的数据的示意图。在本实例中,电力半导体装置21是IGBT。横轴代表集电极发射极电压VCE,并且纵轴代表控制器电流1。。并且接点温度1^和门极电压¥(;是参数。即,^ = €(1^_^)。由于门极电压Vc是恒定的,所以集电极发射极电压Vce是集电极电流Ic和接点温度Tj的函数。
[0093]当在具有接点温度值TjO的电力半导体装置21中施加的电流从I1增加到I2时,Ic-Vce曲线依据接点温度Tj而变化。因此,首先,使用与在期望的电流增加之前的接点温度TjO(初始值)相对应的Ic-Vce曲线。从与图9所示的接点温度TjO相对应的Ic-Vce曲线可见,电流从I1增加至I2使得集电极发射极电压Vce增加至V2。因此,产生I2XV2的损失。通过将电力损失I2XV2乘以模块热阻Rth(j-c)而计算温度升高并且将所计算的温度升高与TjO相加,来计算接点温度Tjl。
[0094]从与接点温度Tjl相对应的Ic-Vce曲线可见,集电极发射极电压Vce在I2处变为V3。因此,损失为I2XV3。通过将电力损失I2XV3乘以模块热阻Rth(j-c)而计算温度升高并且将所计算的温度升高与TjO相加,来计算接点温度T j2。
[0095]从与接点温度Tj2相对应的Ic-Vce曲线可见,集电极发射极电压Vce在I2处变为V4。因此,损失为I2XV4。通过将电力损失I2XV4乘以模块热阻Rth(j-c)而计算温度升高并且将计算的温度升高与TjO相加,来计算接点温度T j3。
[0096]随着重复以上计算,计算的接点温度增加为接近产生的实际值。如图10所示,各个计算的接点温度升高逐渐降低。并且认为收敛值为电力半导体装置21的实际接点温度Tj。
[0097]由于改变电流而产生的接点温度能够通过重复上述计算而计算到。电流是否能够增加可以通过将计算得到的接点温度Tj与装置的额定值比较来判定。
[0098]然而电力半导体装置21的接点温度的增加需要几秒,第一步骤和第二步骤的计算能够利用微型控制器等在非常短的时间内,即,大约0.01至0.1秒来进行。因此,如果在根据输出改变指令提高温度之前进行这些计算,则不存在问题。即使根据输出改变指令而改变了输出,也因为在大约0.1秒或更短时间进行了计算而不存在问题。
[0099]不额外考虑接触热阻Rth(c-f)或者散热器热阻Rth(f-w)而计算接点温度。这使得能够实现更精确的计算。
[0100]能够在假定电压和电流线性改变的情况下,根据以下等式计算电力半导体装置的切换损失。
[0101]接通损失P = l/6XVXIXTon/T
[0102]断开损失P = l/6XVXIXToff/T
[0103]其中,Ton是接通时间,并且Toff是断开时间,并且T是周期。
[0104]因此,可以计算总的损失P作为切换损失和稳定损失的总和。
[0105]根据本发明的实施例,能够通过基于根据冷却水的温度升高而获得的热量来判定由于电力半导体装置的老化而产生的集电极发射极电压Vce的增加,来防止电力半导体装置的损坏。另外,还能够考虑由于其老化而导致的散热器的冷却性能的劣化。
[0106]在根据本发明的实施例的电力转换设备中,由于基于冷却水的温度升高而获得电力半导体装置21的损失,所以计算的损失的精度依据由温度传感器26b、26c所检测的温度之间的差和冷却水的流速。从而,本实施例应用到具有大约10kW以上的输出电力的电力半导体设备。
[0107]本申请基于2013年12月19日提交的日本专利申请N0.2013-263116和N0.2013- 263117,其全部内容通过引用并入本文。
【主权项】
1.一种用于热处理的电力转换设备,包括: 整流器,该整流器被配置为将交流电转换为直流电; 平滑滤波器,该平滑滤波器被配置为将从所述整流器接收到的所述直流电控制为恒定的; 逆变器,该逆变器被配置为通过利用切换装置接通和断开从所述平滑滤波器接收到的所述直流电,而使所述直流电转换为高频电;以及 控制单元,该控制单元被配置为控制所述整流器和所述逆变器, 其中,根据从所述逆变器输出的所述高频电的频率、通电时间、以及操作率,而判定来自所述逆变器的输出电力的额定值,所述操作率通过将所述通电时间除以所述通电时间与非通电时间的总和而获得。2.根据权利要求1所述的电力转换设备,其中,所述控制单元具有限定所述切换装置的频率、所述通电时间、所述操作率与在所述切换装置能够操作的温度下的所述输出电力之间的关系的数据,并且当给定所述通电时间和所述操作率时,所述控制单元基于所述数据计算最大容许电流,并且暂停或者控制所述输出电力。3.一种用于热处理的电力转换方法,所述电力转换方法包括: 将交流电转换成直流电; 通过利用切换装置而接通和断开所述直流电,而将所述直流电转换为高频电;以及 根据从所述逆变器输出的所述高频电的频率、通电时间和操作率,来增加最大输出电力,使得所述切换装置的接点温度不超过指定的温度,所述操作率通过将所述通电时间除以所述通电时间与非通电时间的总和而获得。4.根据权利要求3所述的电力转换方法,其中,所述最大输出电力增加,直至所述切换装置的所述接点温度的上限到达所述切换装置的额定温度,所述接点温度根据由于所述切换装置的损失而产生的温度升高与由于所述切换装置的冷却而产生的温度降低之差而获得。5.根据权利要求4所述的用于热处理的电力转换方法,其中,基于所述切换装置的通电损失与所述切换装置的切换损失的总和,来确定所述切换装置的所述损失。
【文档编号】H02M5/42GK105850022SQ201480069759
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年12月19日
【发明人】金井隆彦, 小野彻也, 伊藤淳哉
【申请人】高周波热錬株式会社
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