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CN101681179A - 电力开关的温度监视 - Google Patents

电力开关的温度监视 Download PDF

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CN101681179A CN200880009386.5A CN200880009386A CN101681179A CN 101681179 A CN101681179 A CN 101681179A CN 200880009386 A CN200880009386 A CN 200880009386A CN 101681179 A CN101681179 A CN 101681179A
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Abstract

本发明涉及一种用于确定及/或监视至少两个电子电力开关特别是半导体电力开关的温度的方法，该电子电力开关与共同的冷却体(1)耦合或配置在其上，该电子电力开关基于各分配给一开关的温度模型来进行温度确定及/或监视，在该温度模型中处理开关及操作参数还有温度测量值，以计算相关开关中的温度及/或温度差，其中来自温度传感器的温度测量值用作该温度模型的输入参数，温度传感器在空间上设置在至少两个开关的中央并与该冷却体传热连接。本发明还涉及用于执行这种方法的提供温度的电子电力开关配置，尤其是供电力传动装置用的逆变器或其他变流器。

Description

电力开关的温度监视
技术领域
本发明涉及一种用于确定及/或监视至少两个特别是由半导体制成的电子电力开关的温度的方法。此外，两个开关模块与共同的冷却体耦合或配置在其上。温度确定及/或监视是基于各分配给一开关或开关模块的温度模型进行的。在该分配给一个开关的温度模型中处理开关及操作参数，以计算相关开关中的温度及/或温度差。
本发明还涉及一种提供温度的电子电力开关配置，其尤其可以是供电力传动装置的逆变器或其他变流器。该配置适于执行上述方法并且具有两个或多个开关，特别是半导体电力开关，其与共同的冷却体耦合或配置在其上。计算装置计算各开关的温度模型，并且经由接口接收关于开关及操作参数的信号以及温度测量值。依此方式，利用在计算装置内启动的温度模型来计算相关开关中的温度及/或温度差。
背景技术
由EP 1193756A1已知用于具有上述类型的功率半导体的逆变器的方法及配置。在此使用至少计算围绕冷却体及/或供应至冷却体的空气的温度、操作参数及单元参数的温度模型，并计算温度差及/或温度。在逆变器的冷却链中，在不同位置测量两个温度，并视图藉由有关电力开关损耗的温度模型来计算这两处的温度。建议将两温度传感器设置在不同处，使得第一位置比第二温度测量位置提供实质上较低的热阻给开关。事实上，在第一位置中的温度传感器测量半导体电力开关的温度，而在第二位置的温度传感器测量由风扇带入并导向冷却体以抽取热的供气的温度。然而，这样的缺点为，假设在冷却媒体内(亦即在风扇供气中)以及冷却体中的温度分布以均匀的方式分布，并进一步假设逆变器的所有半导体电力开关具有相同的温度以及一样的温度改变。
由DE 19860762A1已知一种用于保护末端区域不过热的方法，其中末端区域为内燃机用的控制器的一部分。末端区域的电力开关的损耗及因此其的温度假设与接通时间成正比。由至少把控制器构件的内损耗纳入考量之中的温度模型来确定温度。从控制时间评定个别末端区域的实际损耗。
由DE 3536098A1已知一种用于监视晶闸管的温度的机构，由冷却体及环境空气冷却该晶闸管。为了不超过晶闸管半导体上的最大温度，记录下环境空气的温度及晶闸管的损耗。通过“功率半导体、冷却体、至环境空气的冷却媒体”热模型，确定在晶闸管的温度。
从SEMIKRON公司的应用手册2005/12第135页开始的章节3.2描述功率半导体开关模块，尤其是IGBT模块的热特性。在此特别描述IGBT的晶体管及续流二极管的损耗的计算，以及遵守预定的150℃的最大允许阻挡层温度。此外，第145页显示用于计算阻挡层温度的详细的热等效图。然而，此公司文献并未显示针对具有多个功率半导体开关模块的配置(此常见于逆变器中)，该如何有效率地进行温度确定及监视。
发明内容
因此本发明的目的在于，针对具有多个电子电力开关的配置的温度监视，以尽可能少的额外努力提高在所有开关处的温度检测的可靠度及准确性。
根据由如权利要求1所述的温度确定及/或监视方法以及如权利要求10所述的提供温度的电子电力开关配置的发明来解决此问题。从属权利要求中可得到本发明的进一步的实施例。
本发明的思想的特征在于，在电力开关监视中设计并使用温度传感器，使得在温度检测及评估中系统性考虑多个或优选所有的电力开关。当在本发明的框架中每一电力开关与至少一个温度传感器热作用连接时，可以在温度监视中通过温度传感器的信号输出而将原则上所有电力开关的温度纳入考量之中。
根据本发明的思想，可解决实际上冷却媒体或冷却剂的温度分布不均的问题。事实上，尤其当电力开关或由此形成的逆变器承受较大负载时，入口及出口气流间的温差非常大，因为必须通过冷却媒体排出相应的高损耗。此外，冷却体亦在各种不同位置及不同区域中呈现出大的温差。当设计成较高功率的逆变器有大的机械尺寸及膨胀时，或当输出频率或马达基础振动频率大约为零时尤其如此。当输出频率或马达基础振动频率为零时，不同电力开关的损耗极为不同。
利用开篇所述背景技术的方法不能借助于温度模型准确计算各个电力开关的温度并相对于温度保护电力开关，因为总是假设实际上不存在的均匀的温度分布。相反地，根据本发明具有以下优点，由于精确的监视而可在热学上更佳利用电力开关，也就是需要提供较小的备用电源。藉由本发明，可利用温度传感器上的最小额外努力来非常精确地确定多个电力开关的温度(电力开关例如是具有非常大机械尺寸及/或以非常小输出频率或马达基础振动频率操作的逆变器)，并且基于此可更好地利用热容量。
根据本发明的一个可选的优选实施例，彼此同步控制及/或彼此串联设置的两开关一起作用，使得可在位于它们之间的节点上检测多相交流电系统尤其是三相电流系统的一个交流电流或一个相。特别在以已知方式由被供应了直流电压的电力开关配置特别是逆变器产生的三相电流系统的情况中，实现本发明的一个优选实施例，其中每一交流电流相位或三相电流相位的开关被分配有至少一个共同的温度传感器。该温度传感器可通过彼此相对的开关而将温度信息提供至用于计算温度模型的计算装置，其中相关温度传感器设置在所述彼此相对的开关之间。
适于作为分配给一个或多个开关的温度模型的输入参数的是操作参数(如流经开关的电流、在一个或多个开关上的电压，尤其是逆变器的中间电路的直流电压)及/或对开关进行控制的频率。此外，可将设备特定的参数(例如相关开关内部或冷却体中的热阻或热容)并入相关温度模型之中。基于此温度模型，一方面可导出热时间常数，其作用于冷却体及电力开关模块底板之间的温度传输，而另一方面可计算模块底板或者电力开关的外壳或底板的温度。此外基于冷却体及外壳温度，通过已知的温度模型可以计算例如通行的电力开关模块的晶体管及二极管的阻挡层温度的时间发展(见上述SEMIKROM公司文献，尤其是第146页)，以控制遵循最大允许阻挡层温度。此外，上述SEMIKROM公司文献给出了用于确定例如电力开关模块的晶体管及二极管的损耗的方法。
当使用电力开关温度监视来操作三相电动马达时，会面临到马达不仅会运动(也就是由三相电场穿过)，亦会静止不动的问题。在第一种情况中，亦即输出或马达基础振动频率超过约五赫兹的情况中，尚能令相关电力开关的损耗的平均值为电流平均值，并将此平均值供温度模型使用。在第二种情况中，也就是在输出或马达基础振动频率小于约五赫兹的情况中，优选使用公式及方法来计算相关开关损耗的瞬间值(见上述SEMIKROM公司文献)。
本发明的提供温度的电子电力开关配置的特征在于将一个温度传感器分配给每至少两个电力开关，其中因为有介于其间的中央温度传感器配置，检测及监视电力开关温度所需的温度传感器的数目仅为电力开关的数量的约一半。依此方式，针对用于具有六个电力开关的三相马达的传统逆变器，三个温度传感器即足够，其优选设置在交流电流相位的两个开关之间的中央。
此外，根据本发明的一个可选的优选实施例，在超过两个电力开关的情况中，相应的多个温度传感器优选均匀地分布在冷却体的表面上。替代地或额外地，沿着冷却体的优选中央对称线放置多个温度传感器。在例如用于产生三相电流网络的六个电力开关的情况中，相应的三个温度传感器可各自位于两个电力开关之间的中央，其中对称线例如代表冷却体的中央纵轴。
附图说明
将从本发明的一优选实施例的详细说明及附图得到根据本发明的进一步的细节、特征、特征结合、效果及优点，其中：
图1：具有逆变器及空气冷却的功率部件以及用于温度监视的数字信号处理器的框图：
图2：产生用于电力传动装置的三相电流系统的逆变器开关结构的原理图：以及
图3：以功率半导体实现的开关模块的简化热等效图。
具体实施方式
根据图1，六个半导体电力开关S1-S6直接装配在略长的也就是矩形的冷却体上。它们配置成平行的或彼此相邻分布的两排S1-S3与S4-S6，各排可在冷却体的一半上沿着冷却体的纵向方向延伸。在图2中，以本领域熟知的方式显示开关S1-S6的详细组成(见上述SEMIKRON公司文献第68、69及139页)。尤其明显地，各电力开关S1-S6已分配有一续流或反向二极管D1-D6。在每两个串联连接并各产生三相电流系统的一个相位U、V、W的电力开关S1、S4；S2、S5；S3、S6之间，测量到正弦形交流电压并且例如将其供应至三相马达的定子的线圈L1、L2、L3。
根据图1，在三相马达5的三个相带进行电流测量4。透过风扇2供应空气给冷却体1以减少热量。电流测量4的信号输出被供应至计算装置8，例如数字信号处理器(DSP)，其用来处理并评估传感器输入信号及基于编程并实施于计算装置中的温度模型来监视温度。此外，计算单元7例如通过模/数转换器连接至用来测量中间电路电压12的机构，以进一步评估。由电网电压10供应的整流器11用来产生中间电路电压。正如已知的，从电网电压10藉由整流器11获得的直流电压12经由逆变器9转变成三相系统，以供应给三相马达5。在脉宽调制(PWM)方法的辅助下，由计算单元8藉由控制信号7来控制或操作电力开关S1-S6，以在定子线圈L1、L2及L3产生与三相系统的三相相应的适合的电压Uu、Uv、Uw，以及产生正弦形交流电流。对于较高功率的逆变器，必须使用离散的电力开关，其机械尺寸因其本质而颇大。
在操作期间这些电力开关S1-S6中出现取决于电力开关的各种操作参数及设备技术参数的损耗功率。操作参数可例如为流经电力开关并可由电流测量4记录的电流、可由电压测量6记录的中间电路电压12、电力开关的切换频率及三相马达5的操作类型或基础振动频率。电力开关的制造商一般知道电力开关的参数。电力开关损耗功率转移至冷却体1，而冷却体1周围的供气3作为冷却媒体而将耗散功率散热到外部环境。在计算单元中，可实施包括对于电力开关的热等效图的方法，以计算开关的损耗功率及/或阻挡层温度，在后者的情况中假设利用功率半导体实现。
电力开关S1-S6的温度因而取决于整体电力区域的损耗功率及各种热参数，而它们则取决于机械构造。这些设备参数为电力开关S1-S6及冷却体1的热阻与热容。半导体制造商已知电力开关的热阻与热容(见上述SEMIKRON公司文献)，并可藉由各种电力区域的测量来确定冷却体的热阻与热容。为了监视电力开关的允许的最大阻挡层温度，使用与各电力开关关联的用来计算阻挡层温度的温度模型(见上述SEMIKRON公司文献等)。在图3的热等效图中出现的缩写如下：
PVD：反向二极管的损耗功率
RjcD：芯片与模块底板间的二极管的过渡热阻
CjD：二极管芯片的热容
PVT：晶体管的损耗功率
RjcT：芯片与模块底板间的晶体管的过渡热阻
CjT：晶体管的热容
Rch：模块底板及冷却体之间的过渡热阻
CC：模块底板的热容
TjD：二极管阻挡层的温度
TjT：晶体管阻挡层的温度
TC：模块底板的温度
Th：冷却体的温度，Thu例如为针对相位U
在利用三相电流操作期间，流经各个电力开关S1-S6的电流为正弦形，并且其振幅周期性地在零与最大值之间改变。损耗功率也在电力开关中周期性改变。在逆变器9的输出频率大于五赫兹的情况中，可使用因热时间常数的影响所造成的损耗功率的中间值来粗略计算功率半导体阻挡层的温度。在例如至多5赫兹的较低输出频率的情况中，应使用损耗功率的瞬间或瞬时值。有关于损耗功率的计算需参照上述SEMIKRON公司文献。
根据图1，藉由温度传感器Thu、Thv及Thw来针对每一三相电流相位U、V及W进行测量。选择测量位置，使得相位W的电力开关(例如S1(或S4))的阻挡层的温度与分配给其他相位U及V的电力开关(例如相位V的S2或S5)的损耗功率几乎不相干，并可在计算单元8中计算。同样，具有特定交流电相位的电力开关(例如具有相位W的S1)的损耗功率亦与分配给此相位W的第二开关S4的损耗功率几乎不相干地得到计算。针对所有开关S1-S6，可基于温度传感器Thu、Thv及Thw的输出信号，针算相关阻挡层温度。
根据图1，选择上述温度传感器的测量位置，使得即使冷却体上及/或各个电力开关S1-S6之间温度分布不均匀也不会不利地影响各个电力开关的温度监视。针对此，温度传感器Thu、Thv及Thw分别确切位于分配给三个相位U、V及W之一的两个开关S1、S4；S2、S5；S3、S6之间的正中。由此得到温度传感器在共同的一排中设置在开关S1-S3及S4-S6两排之间，与冷却体1的纵向方向相对应。根据图1，三个温度传感器Thu、Thv及Thw各自沿着一对称线配置在三相电流相位之一的两开关的电力开关对之间，该对称线尤其是冷却体1的中央纵轴。
在实践中，通过测试确定对于每一类电力区域的热时间常数Tch＝Rch*CC，其代表电力开关的模块底板及冷却体1之间的热过渡并且在温度模型中用于形成相对于温度传感器测量值的输入侧。
当已计算的阻挡层温度或者电力开关的阻挡层与模块底板之间的温差超过特定限值时，启动至少一个安全动作。此类安全动作的范例为：
声音及/或光学信号
电流减小
切换频率或基础马达振动频率减小
阻止逆变器。
亦可建立多个限制或阈值，以相应触动各种不同动作。
附图标记列表
1：冷却体
2：风扇
3：供气
4：电流测量
5：马达
6：中间电路电压(ZKS)的测量
7：控制信号
8：监视及评估用的DSP
9：逆变器
10：电网电压
11：整流器
12：中间电路电压(ZKS)
S1、S4：相位W的半导体电力开关
S2、S5：相位V的半导体电力开关
S3、S6：相位U的半导体电力开关
D1、D4：相位W的反向二极管或续流二极管
D2、D5：相位V的反向二极管或续流二极管
D3、D6：相位U的反向二极管或续流二极管
Thu：相位U的温度传感器
Thv：相位V的温度传感器
Thw：相位W的温度传感器

Claims (15)

1.用于确定及/或监视至少两个电子电力开关(S1-S6)特别是半导体电力开关的温度的方法，所述电子电力开关与共同的冷却体(1)耦合或设置在共同的冷却体(1)上，该方法基于各分配给一个开关(S1-S6)的温度模型来进行温度确定及/或温度监视，在该温度模型中处理开关参数及操作参数还有温度测量值，以计算相关开关(S1-S6)内的温度及/或温度差，其特征在于，将来自温度传感器(Thu，Thv，Thw)的温度测量值用作所述温度模型的输入参数，该温度传感器在空间上设置在至少两个开关(S1-S6)之间的中央并与所述冷却体(1)传热连接。
2.如权利要求1所述的方法，其中将该至少两个开关(S1-S6)成对地协调及/或彼此同时地匹配，以由直流电压产生二、三或多相交流电系统特别是三相电流系统(USU，USV，USW)的一个交变电流或一个相位(U，V，W)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中为了产生二、三或多相交流电系统或者三相电流系统(USU，USV，USW)而使用多于两个开关(S1-S6)，这些开关分别与所述共同的冷却体(1)耦合，其中使用来自温度传感器(Thu，Thv，Thw)的温度测量值作为对于每个开关(S1-S6)的温度模型的输入参数，该温度传感器在冷却体(1)上在空间上设置在两个彼此相邻及/或最紧邻的开关(S1-S6)之间的中央。
4.如权利要求3所述的方法，其中每一交流电流相位或三相电流相位(U，V，W)的开关(S1，S4；S2，S5；S3，S6)各自被分配有至少一个共同的温度传感器(Thu，Thv，Thw)。
5.如前述任一权利要求所述的方法，其中作为对于一个或多个温度模型的输入参数，使用流经开关(S1-S6)的电流、在一个或多个开关(S1-S6)上的电压，开关的切换频率，及/或开关(S1-S6)及/或冷却体(1)的热阻及/或热容。
6.如前述任一权利要求所述的方法，其中使用半导体电力开关，其中对于每一半导体电力开关，利用温度模型来计算一个或多个阻挡层温度及/或计算阻挡层温度与该半导体电力开关的外壳温度或底板温度之间的至少一个温度差，以及当超过特定温度阈值时通过已计算的温度或温度差触发安全措施。
7.如前述任一权利要求所述的方法，其中使用半导体电力开关，其中在温度模型中处理一个或多个有源开关元件，例如该半导体电力开关的晶体管及/或二极管的损耗功率的值。
8.如权利要求6或7所述的方法，其中在输出或基础振动频率超过5Hz的情况，为了计算一个或多个阻挡层温度而使用相关损耗功率的中间值。
9.如权利要求6或7所述的方法，其中在输出或基础振动频率至多为5Hz的情况，为了计算一个或多个阻挡层温度而使用相关损耗功率的当前值或瞬时值。
10.提供温度的电子电力开关配置，特别是用于电力传动装置的逆变器(9)或其他变流器，用于执行如前述任一权利要求所述的方法，该配置具有两个或多个开关(S1，S2，S3)，特别是半导体电力开关，这些开关与共同的冷却体(1)耦合或配置在共同的冷却体(1)上，该配置还具有计算装置(8)，该计算装置适用于实施关于每一开关(S1-S6)的温度模型并且具有用于接收关于开关参数及操作参数以及温度测量值的信号的接口，以利用温度模型来计算相关开关(S1-S6)内的温度及/或温度差，其特征在于，在两个或每两个开关(S1，S4；S2，S5；S3，S6)之间的中央设置一个温度传感器(Thu，Thv，Thw)，该温度传感器与所述冷却体(1)传热连接并且在输出侧与所述计算装置(8)耦合。
11.如权利要求10所述的配置，其中所述温度传感器(Thu，Thv，Thw)直接安装在冷却体(1)上。
12.如权利要求10或11所述的配置，其中所述多个温度传感器(Thu，Thv，Thw)沿着冷却体(1)的中央对称线设置。
13.如权利要求10～12之一所述的配置，其中所述多个温度传感器(Thu，Thv，Thw)均匀地分布在冷却体(1)的表面上。
14.如权利要求10～13之一所述的配置，其中为了产生二、三或多相交流电系统(U，V，W)，多于两个开关(S1-S6)定位在冷却体(1)上并可被控制，其中对于每一交流电流相位(U，V，W)在两个开关(S1-S6)之间的中央设置一个温度传感器(Thu，Thv，Thw)。
15.如权利要求14所述的配置，其中为了产生一个三相电流系统(U，V，W)，至少六个开关(S1-S6)定位在冷却体(1)上并可被控制，其中每两个开关(S1，S4；S2，S5；S3，S6)用于产生一个三相电流相位(U，V，W)并且彼此相对地设置，其中对于每一三相电流相位(U，V，W)在两个相对放置的开关(S1，S4；S2，S5；S3，S6)之间的中央设置一个温度传感(Thu，Thv，Thw)。
CN200880009386.5A 2007-03-22 2008-03-20 电力开关的温度监视方法和装置 Expired - Fee Related CN101681179B (zh)

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