WO2010139530A1 - Procede de commande destine a la gestion de la temperature dans un convertisseur de puissance - Google Patents
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- WO2010139530A1 WO2010139530A1 PCT/EP2010/056381 EP2010056381W WO2010139530A1 WO 2010139530 A1 WO2010139530 A1 WO 2010139530A1 EP 2010056381 W EP2010056381 W EP 2010056381W WO 2010139530 A1 WO2010139530 A1 WO 2010139530A1
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- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
Definitions
- the present invention relates to a control method for the management of the temperature in an electric power converter for example of the speed variator type.
- the invention also relates to a system for managing the temperature in the electric power converter.
- a variable speed drive type electric power converter comprises one or more IGBT, MOSFET or JFET transistor type power semiconductor devices for supplying pulsed voltage to an electrical load.
- the semiconductor devices are enclosed in a housing ("baseplate” in English).
- a heat sink (“heatsink” in English) mounted on the housing allows to dissipate the heat generated by the devices in operation.
- each power semiconductor device is characterized by the temperature of its junction.
- Transistors are the most important and expensive components used in a drive controller and it is therefore necessary to preserve them.
- the absolute temperature of their junction must not exceed a limit value specified by the manufacturer and the temperature of the junction with respect to the housing must also be kept below a limit value.
- the limit value of the absolute temperature of the junction is 15O 0 C.
- the value The limit of the temperature of the junction with respect to the housing can be limited to 65 ° C. If one of these limit values is exceeded, the semiconductor component degrades, which can cause significant malfunctions in the drive controller.
- a conventional way of determining the temperature of the junction of a semiconductor device is to calculate in real time the dissipated power in the semiconductor device and injecting it into an n-order filter which models the thermal behavior of the semiconductor component.
- the calculation must be carried out for each of the devices. Depending on the frequency of the output current of the converter, the calculation should be performed very frequently and for the six devices at the same time.
- EP0792008 discloses a method and apparatus for protecting power semiconductor devices of a drive. The method consists in calculating the heat losses of the devices and the increase of the temperature of the junction. If the increase in temperature is above a certain limit value, the switching frequencies of the semiconductor devices are adjusted to reduce the output current of the drive.
- JP2005143232 also discloses a method for temperature management of power semiconductor devices in a drive controller. This method consists of controlling the flow of current through the drive according to the temperature of the junction of the devices.
- US 5,923,135 discloses an apparatus for controlling an electric motor having a control circuit having a plurality of semiconductor devices.
- This apparatus further comprises means for estimating the temperature of the junction of the components of each device from a measured temperature, means for comparing the temperature of the junction obtained with a limit value and means for adjusting the output. of the control circuit to regulate the temperature of the junction to a value less than or equal to the permissible limit value.
- This document proposes in particular a thermal model for each device.
- the object of the invention is to propose a new control method for managing the temperature in a power converter. This method does not require resorting to complex calculations and can be implemented in the converter without specific time constraints.
- a control method for the management of the temperature in an electric power converter said converter delivering an output current to an electrical load and comprising less a power semiconductor device mounted on a heat sink, said method being characterized in that it consists in particular in: measuring the frequency of the output current of the converter,
- junction peak temperature being determined from an average temperature of the junction of the semiconductor device and a stored peak factor according to said frequency of the measured current at the output of the converter, - comparing the peak temperature of the junction obtained with a reference temperature of the junction and controlling the converter according to the result of the comparison
- the peak temperature of the junction, the average temperature of the junction and the reference temperature of the junction are defined relative to the temperature of the dissipator.
- - DTjh_pic corresponds to the peak temperature of the junction with respect to the dissipator
- DTjh_avg corresponds to the average temperature of the junction with respect to the dissipator
- - pic_ratio is the crest factor
- the average temperature of the junction is determined from the average losses in conduction and switching of the semiconductor device.
- the average conduction and switching losses of the power semiconductor device in a power converter are determined from the values of the peak current, the switching frequency, the modulator type of the PWM control of the converter, the value of the modulation index, the power factor, the voltage measured on the converter bus, the frequency of the output current of the converter.
- controlling the converter to limit the rise in the temperature of the junction is to act on the switching frequency of the semiconductor devices or the output current of the converter.
- the invention also relates to a control system for managing the temperature in a power converter which comprises a plurality of semiconductor devices capable of supplying a pulsed voltage or current to an electrical load connected to the converter, the system comprising processing means associated with a memory and control means for regulating the temperature of the junction of the semiconductor devices, the system being characterized in that it is capable of implementing the control method defined in the one of the preceding claims.
- FIG. 1 represents a diagram of the operating principle of the invention
- FIG. 2 illustrates the conventional structure of a semiconductor device
- FIG. 3 illustrates the variation of the temperature of the junction of a semiconductor device as a function of time when the output current of the converter is at a frequency of 50 Hz or 5 Hz
- FIG. 4 represents the curve of variation of the peak factor as a function of the frequency of the output current of the converter
- FIG. 5 schematically represents a speed variator comprising three switching cells.
- a power semiconductor device comprises a transistor type semiconductor component, for example IGBT, MOSFET, JFET and optionally a freewheeling diode.
- the junction of the device corresponds to the junction of the transistor included in the device.
- a power semiconductor device 10 is present in a plastic casing provided with a metal base or base 100, for example made of copper.
- the semiconductor material component 101 also referred to as a chip, rests on a ceramic substrate 102, for example alumina or aluminum nitride, charged with electrical insulation with the base 100.
- the base 100 of the device is rendered integral with a dissipator 103 via screws, a grease 104 or thermal film being inserted between the base 100 and the dissipator 103.
- An alternative embodiment of the semiconductor device is to dispense with the metal base 100 and to directly fix the component 101 on the heatsink.
- the semiconductor device 10 is characterized by the temperature of the junction of the component.
- the temperature of the junction can be said to be absolute or said relative when it is defined with respect to the temperature of the housing or the cooler. When the temperature of the junction is relative, it therefore corresponds to the temperature difference between the junction and the reference, the reference being, for example, the dissipator 103.
- the temperature of the dissipator 103 is measured directly or indirectly with the aid of FIG.
- an SN sensor for example positioned on the dissipator 103.
- the invention applies to the same way to the absolute temperature of the junction, this being only the sum of the relative temperature of the junction and the temperature measured on the dissipator 103 with the SN sensor.
- the invention consists in implementing a control method for managing the temperature in the power converter in order to preserve the power semiconductor devices used in the converter.
- the power converter may be, for example, a variable speed drive, an active filter, a DC-DC converter, an active rectifier, etc.
- a variable speed drive 1 shown in FIG. 5 typically comprises a rectifier stage (not shown), a bus capacitor (not shown) and an inverter stage.
- the inverter stage comprises n switching cells, for example three switching cells C1, C2, C3, each carrying 2n semiconductor devices.
- Each semiconductor device comprises in particular a transistor for example of the IGBT type (T1-T6) and possibly a free-wheeling diode (D1-D6).
- the devices are for example all attached to a common sink 103 located at the rear of the frame of the drive.
- the structure of a variator being perfectly known to those skilled in the art, it is therefore not described in more detail.
- the control method of the invention is implemented thanks to a system integrated in the controller 1 comprising processing means 4 associated with at least one memory 40 and able to act on control means of the devices for effecting the regulation of the temperature.
- processing means 4 comprise in particular calculation means 41 for implementing the control method described below.
- the system further comprises means for measuring the output current of the converter to the load and means for determining the frequency of this current.
- the temperature variation between the junction and the dissipator in the semiconductor device can be modeled by a n-order low pass electrical filter in which n represents the number of thermal impedances separating the junction and the dissipator.
- the periodic output current of a switching cell produces average losses in a switching cell which are of the same value regardless of the frequency of the output current of the converter.
- the ratio between the peak value of the temperature of the junction and the average value of the temperature of the junction is constant.
- the ratio between the peak value of the temperature of the junction and its average value is therefore constant whatever the level of the output current of the converter.
- the invention consists in defining a peak factor Pic_ratio making it possible to directly obtain a theoretical maximum temperature of the junction at the frequency Fstat of the measured output current.
- This crest factor (Pic_ratio) is expressed by the following relation: DTih pic- DTjh avg
- the peak factor Pic_ratio varies according to the curve shown in FIG. 4. This curve shows the variation of the peak factor as a function of the frequency Fstat of the output current of the converter. This curve is independent of the value of the output current, the switching frequency Fs of the transistor, the modulation index and cos phi. The peak factor Pic_ratio depends only on the frequency Fstat of the output current of the converter.
- the values of the peak factor Pic_ratio are each associated with a frequency Fstat of the output current of the converter and stored in the converter. Crest factor values are determined in advance from vendor specifications.
- the output current of the converter is measured by the measuring means and according to the value of the frequency Fstat of this output current, the converter applies a peak factor Pic_ratio determined to predict the peak temperature of the junction of the device.
- the average temperature of the junction of a semiconductor device with respect to the dissipator DTjh avg is determined from the average losses in switching Psw and Pcon conduction of the transistor and the diode.
- the calculation of the average value of the losses in a semiconductor device comprising an IGBT type transistor and a freewheeling diode is carried out as follows:
- P ⁇ ⁇ J G BT represents the conduction losses of the IGBT transistor
- P SW J G BT represents the switching losses of the IGBT transistor
- P ⁇ n_dode represents the conduction losses of the diode
- - P sw _ d ⁇ ode represents the losses in switching of the diode
- V dc is the voltage measured on the DC bus of the variable speed drive
- V ce , V f0 , r ce and ⁇ are static parameters of an IGBT transistor (T1 - T6) and the freewheeling diode (D1 - D6), such as its threshold voltage and its resistance.
- Fs is the switching frequency of the IGBT transistor of the device
- m is the modulator of PWM control
- Vrated and ra ted are respectively the nominal voltage and the nominal current of the motor
- E 0N, E O FF and E n are of the IGBT switching energy specified in specifications of the device at rated current ⁇ mied and the rated voltage V rated, the op ⁇ c is the motor current peak calculated from current measurements motor on the three phases,
- - k MU is a factor expressing the type of modulator of the MLI command used.
- lopic which represents the peak value of the current present in one of the six transistors is calculated according to the root mean square of the instantaneous output currents on the three phases U, V, W:
- DT jh_IGBT_avg (P with _ IGBT + P sw_ IGBT ) R thjc_IGBT + (P con_IGBT + P sw _ IGBT + P con _ diode + P sw_diode ) R thc
- R thjcj GBT represents the thermal resistance between the junction and the housing
- Rthch represents the thermal resistance between the housing and the dissipator.
- the average temperature of the junction of the device with respect to the dissipator 103 can therefore be calculated from a polynomial equation in which the values of the peak lopic current, the switching frequency Fs, the value of the index of modulating m of the PWM command, the type of PWM modulator used as expressed by the factor k M u, the power factor Pf, the voltage measured on the bus Vdc, the frequency of the output current of the Fstat converter.
- the peak temperature of the junction with respect to the dissipator DTjh_pic which is obtained after calculation during the step E1 is compared with respect to a reference value DTjh_ref during a step E2.
- This reference value DTjh_ref is determined with respect to the temperature Th of the dissipator during a step E3. The lower the temperature Th of the dissipator, the greater the reference of the temperature of the junction.
- the converter can perform control and control actions if this peak temperature is too high.
- These actions making it possible to limit the rise in the peak temperature consist for example of:
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
L'invention concerne un procédé de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance électrique, ledit convertisseur délivrant un courant de sortie à destination d'une charge électrique et comportant au moins un dispositif semi-conducteur de puissance (10) monté sur un dissipateur thermique (103), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste notamment à prévoir une température crête de la jonction (DTjh pic) dans le dispositif semiconducteur (10) à la fréquence (Fstat) du courant mesuré en sortie du convertisseur, ladite température crête de la jonction (DTjh_pic) étant déterminée à partir d'une température moyenne de la jonction (DTjh avg) du dispositif semi-conducteur et d'un facteur de crête (Pic_ratio) mémorisé fonction de ladite fréquence du courant mesuré en sortie du convertisseur.
Description
Procédé de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance
La présente invention se rapporte à un procédé de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance électrique par exemple de type variateur de vitesse. L'invention concerne également un système destiné à la gestion de la température dans le convertisseur de puissance électrique.
Un convertisseur de puissance électrique de type variateur de vitesse comporte un ou plusieurs dispositifs semi-conducteurs de puissance de type transistor IGBT, MOSFET ou JFET permettant de fournir une tension puisée à une charge électrique. Typiquement, les dispositifs semi-conducteurs sont enfermés dans un boîtier ("baseplate" en anglais). Un dissipateur thermique ("heatsink" en anglais) monté sur le boîtier permet de dissiper la chaleur dégagée par les dispositifs en fonctionnement. De manière connue, chaque dispositif semi-conducteur de puissance est caractérisé par la température de sa jonction.
Les transistors sont les composants les plus importants et les plus chers employés dans un variateur de vitesse et il est donc nécessaire de les préserver. Pour cela, la température absolue de leur jonction ne doit pas dépasser une valeur limite spécifiée par le fabricant et la température de la jonction par rapport au boîtier doit également être maintenue sous une valeur limite. Par exemple, si le dispositif semiconducteur est en silicium, la valeur limite de la température absolue de la jonction est de 15O0C. Par ailleurs, pour obtenir une durée de vie suffisante quand le dispositif est soumis à des cycles de puissance, la valeur limite de la température de la jonction par rapport au boîtier peut être limitée à 650C. Si l'une de ces valeurs limites est dépassée, le composant semi-conducteur se dégrade ce qui peut entraîner des dysfonctionnements importants dans le variateur de vitesse.
Comme les dispositifs semi-conducteurs de puissance se trouvent intégrés dans des variateurs de plus en plus compacts, la dissipation thermique est de plus en plus difficile et la marge entre les températures de fonctionnement normales des dispositifs et les valeurs limites se trouve de plus en plus restreinte. Par conséquent il est nécessaire de mettre en œuvre dans le variateur une gestion de la température afin d'éviter toute surchauffe.
Un moyen classique de déterminer la température de la jonction d'un dispositif semi-conducteur consiste à calculer en temps réel la puissance dissipée
dans le dispositif semi-conducteur et à l'injecter dans un filtre d'ordre n qui modélise le comportement thermique du composant semi-conducteur. Dans un variateur de vitesse qui comporte par exemple six dispositifs semi-conducteurs, le calcul doit être effectué pour chacun des dispositifs. Selon la fréquence du courant de sortie du convertisseur, le calcul devra être effectué très fréquemment et pour les six dispositifs en même temps.
Des procédés de gestion de la température des dispositifs semi-conducteurs utilisés dans un variateur de vitesse ont déjà été proposés dans l'art antérieur.
Le document EP0792008 décrit une méthode et un appareil pour protéger les dispositifs semi-conducteurs de puissance d'un variateur. La méthode consiste à calculer les pertes calorifiques des dispositifs et l'augmentation de la température de la jonction. Si l'augmentation de la température est supérieure à une valeur limite déterminée, les fréquences de commutation des dispositifs semi-conducteurs sont ajustées de manière à réduire le courant de sortie du variateur. Le document JP2005143232 décrit également une méthode de gestion de la température des dispositifs semi-conducteurs de puissance dans un variateur de vitesse. Cette méthode consiste à commander le flux de courant à travers le variateur en fonction de la température de la jonction des dispositifs.
Le document US 5,923,135 décrit un appareil de commande d'un moteur électrique comportant un circuit de commande doté de plusieurs dispositifs semiconducteurs. Cet appareil comporte en outre des moyens d'estimation de la température de la jonction des composants de chaque dispositif à partir d'une température mesurée, des moyens pour comparer la température de la jonction obtenue avec une valeur limite et des moyens pour ajuster la sortie du circuit de commande en vue de réguler la température de la jonction à une valeur inférieure ou égale à la valeur limite autorisée. Ce document propose notamment un modèle thermique pour chaque dispositif.
Le but de l'invention est de proposer un nouveau procédé de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance. Ce procédé ne nécessite pas de recourir à des calculs complexes et pourra être mis en œuvre dans le convertisseur sans contrainte de temps spécifique.
Ce but est atteint par un procédé de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance électrique, ledit convertisseur délivrant un courant de sortie à destination d'une charge électrique et comportant au
moins un dispositif semi-conducteur de puissance monté sur un dissipateur thermique, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste notamment à : mesurer la fréquence du courant en sortie du convertisseur,
- prévoir une température crête de la jonction dans le dispositif semi- conducteur à la fréquence du courant mesuré en sortie du convertisseur, ladite température crête de la jonction étant déterminée à partir d'une température moyenne de la jonction du dispositif semi-conducteur et d'un facteur de crête mémorisé fonction de ladite fréquence du courant mesuré en sortie du convertisseur, - comparer la température crête de la jonction obtenue à une température de référence de la jonction et contrôler le convertisseur en fonction du résultat de la comparaison
- agir sur la fréquence de découpage en vue de limiter l'élévation de la température crête de la jonction. Selon une particularité, la température crête de la jonction, la température moyenne de la jonction et la température de référence de la jonction sont définies de manière relative par rapport à la température du dissipateur.
Selon une autre particularité, la température crête de la jonction du dispositif par rapport au dissipateur est calculée par la relation suivante : DTjh_pic = (l+pic_ratio) *DTjh_avg dans laquelle :
- DTjh_pic correspond à la température crête de la jonction par rapport au dissipateur,
- DTjh_avg correspond a la température moyenne de la jonction par rapport au dissipateur,
- pic_ratio correspond au facteur de crête.
Selon une autre particularité, la température moyenne de la jonction est déterminée à partir des pertes moyennes en conduction et en commutation du dispositif semi-conducteur. Selon une autre particularité, les pertes moyennes en conduction et en commutation du dispositif semi-conducteur de puissance dans un convertisseur de puissance sont déterminées à partir des valeurs du courant crête, de la fréquence de commutation, du type de modulateur de la commande MLI du convertisseur, de la valeur de l'index de modulation, du facteur de puissance, de la tension mesurée sur le bus du convertisseur, de la fréquence du courant de sortie du convertisseur.
Selon une autre particularité, contrôler le convertisseur pour limiter l'élévation de la température de la jonction consiste à agir sur la fréquence de commutation des dispositifs semi-conducteurs ou sur le courant de sortie du convertisseur.
L'invention concerne également un système de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance qui comporte plusieurs dispositifs semi-conducteurs aptes à fournir une tension ou un courant puisé à destination d'une charge électrique connectée au convertisseur, le système comprenant des moyens de traitement associés à une mémoire et à des moyens de commande pour réguler la température de la jonction des dispositifs semi- conducteurs, le système étant caractérisé en ce qu'il est susceptible de mettre en œuvre le procédé de commande défini dans l'une des revendications précédentes.
D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente un schéma du principe de fonctionnement de l'invention,
- la figure 2 représente la structure classique d'un dispositif semiconducteur, - la figure 3 illustre la variation de la température de la jonction d'un dispositif semi-conducteur en fonction du temps lorsque le courant de sortie du convertisseur est à une fréquence de 50 Hz ou 5Hz, la figure 4 représente la courbe de variation du facteur de crête en fonction de la fréquence du courant de sortie du convertisseur, - la figure 5 représente schématiquement un variateur de vitesse comportant trois cellules de commutation.
Dans la suite de la description, on considérera qu'un dispositif semiconducteur de puissance comporte un composant semi-conducteur de type transistor, par exemple IGBT, MOSFET, JFET et éventuellement une diode de roue libre. Dans la suite de la description, on considérera que la jonction du dispositif correspond à la jonction du transistor inclus dans le dispositif.
Classiquement, en référence à la figure 2, un dispositif semi-conducteur 10 de puissance se présente dans un boîtier plastique doté d'une semelle ou base 100 métallique, par exemple en cuivre. Le composant 101 en matériau semi-conducteur, appelé également puce, repose sur un substrat céramique 102, par exemple l'alumine ou le nitrure d'aluminium, chargé de l'isolation électrique avec la base 100. La base 100 du dispositif est rendue solidaire d'un dissipateur 103 par l'intermédiaire de vis, une graisse 104 ou film thermique étant inséré entre la base 100 et le dissipateur 103. Une variante de réalisation du dispositif semi-conducteur consiste à se passer de la base métallique 100 et à fixer directement le composant 101 sur le dissipateur. De manière connue, le dispositif semi-conducteur 10 est caractérisé par la température de la jonction du composant. La température de la jonction peut être dite absolue ou dite relative lorsqu'elle est définie par rapport à la température du boîtier ou du refroidisseur. Lorsque la température de la jonction est relative, elle correspond donc à l'écart de température entre la jonction et la référence, la référence étant par exemple le dissipateur 103. La température du dissipateur 103 est mesurée directement ou indirectement à l'aide d'un capteur SN, par exemple positionné sur le dissipateur 103. Dans la suite de la description, on fait référence à la température relative de la jonction par rapport au dissipateur 103. Bien entendu, il faut comprendre que l'invention s'applique de la même manière à la température absolue de la jonction, celle-ci n'étant que la somme de la température relative de la jonction et de la température mesurée sur le dissipateur 103 à l'aide du capteur SN.
L'invention consiste à mettre en œuvre un procédé de commande destiné à la gestion de la température dans le convertisseur de puissance afin de préserver les dispositifs semi-conducteurs de puissance utilisés dans le convertisseur. Le convertisseur de puissance peut être par exemple un variateur de vitesse, un filtre actif, un convertisseur DC-DC, un redresseur actif... Dans la suite de la description, on s'intéresse plus particulièrement à la mise en œuvre du procédé de commande dans un convertisseur de puissance de type variateur de vitesse 1. Un variateur de vitesse 1 représenté en figure 5, comporte typiquement un étage redresseur (non représenté), un condensateur de bus (non représenté) et un étage onduleur. L'étage onduleur comporte n cellules de commutation, par exemple trois cellules de commutation C1 , C2, C3, portant chacune 2n dispositifs semiconducteurs. Chaque dispositif semi-conducteur comporte notamment un transistor par exemple de type IGBT (T1-T6) et éventuellement une diode de roue libre (D1 -D6).
Les dispositifs sont par exemple tous fixés sur un dissipateur 103 commun situé à l'arrière de la carcasse du variateur. La structure d'un variateur étant parfaitement connue de l'Homme du métier, elle n'est donc pas décrite plus en détails.
Le procédé de commande de l'invention est mis en œuvre grâce à un système intégré au variateur 1 comportant des moyens de traitement 4 associés à au moins une mémoire 40 et aptes à agir sur des moyens de commande des dispositifs pour effectuer la régulation de la température. Ces moyens de traitement 4 comportent notamment des moyens de calcul 41 pour mettre en œuvre le procédé de commande décrit ci-dessous. Le système comporte en outre des moyens de mesure du courant en sortie du convertisseur à destination de la charge et des moyens pour déterminer la fréquence de ce courant.
Les considérations suivantes permettent de mieux comprendre l'objet de l'invention :
La variation de température entre la jonction et le dissipateur dans le dispositif semi-conducteur peut être modélisée par un filtre électrique passe bas d'ordre n dans lequel n représente le nombre d'impédances thermiques séparant la jonction et le dissipateur.
Le courant périodique de sortie d'une cellule de commutation produit des pertes moyennes dans une cellule de commutation qui sont de même valeur quelle que soit la fréquence du courant de sortie du convertisseur.
Le rapport entre la valeur crête de la température de la jonction et la valeur moyenne de la température de la jonction est constant. Pour une fréquence du courant de sortie Fstat déterminée, le rapport entre la valeur crête de la température de la jonction et sa valeur moyenne est donc constant quel que soit le niveau du courant de sortie du convertisseur. En référence à la figure 3, on remarque que l'ondulation de la température de la jonction d'un transistor IGBT augmente lorsque la fréquence Fstat du courant de sortie du convertisseur (appelée également fréquence statorique) baisse (Fstat = 5Hz ou 50Hz sur la figure 3).
II est ainsi possible d'estimer la valeur crête de la température de la jonction à la fréquence Fstat du courant de sortie du convertisseur. Pour cela, l'invention consiste à définir un facteur de crête Pic_ratio permettant d'obtenir directement une température maximale théorique de la jonction à la fréquence Fstat du courant de sortie mesurée. Ce facteur de crête (Pic_ratio) s'exprime par la relation suivante :
DTih pic- DTjh avg
Pic_ ratio = — ^-=± J—= — -
DTjh_avg
Dans cette relation, il est possible de connaître en temps réel le facteur de crête Pic_ratio et la température moyenne de la jonction par rapport au dissipateur DTjh_avg. Il est donc possible de prévoir la température crête de la jonction par rapport au dissipateur DTjh_pic.
Le facteur de crête Pic_ratio varie selon la courbe représentée en figure 4. Cette courbe montre la variation du facteur de crête en fonction de la fréquence Fstat du courant de sortie du convertisseur. Cette courbe est indépendante de la valeur du courant de sortie, de la fréquence Fs de commutation du transistor, de l'index de modulation et du cos phi. Le facteur de crête Pic_ratio ne dépend que de la fréquence Fstat du courant de sortie du convertisseur.
Dans le convertisseur, les valeurs du facteur de crête Pic_ratio sont chacune associées à une fréquence Fstat du courant de sortie du convertisseur et mémorisées dans le convertisseur. Les valeurs du facteur de crête sont déterminées préalablement à partir des spécifications des fournisseurs. Le courant de sortie du convertisseur est mesuré grâce aux moyens de mesure et selon la valeur de la fréquence Fstat de ce courant de sortie, le convertisseur applique un facteur de crête Pic_ratio déterminé afin de prévoir la température crête de la jonction du dispositif. La température moyenne de la jonction d'un dispositif semi-conducteur par rapport au dissipateur DTjh avg se détermine à partir des pertes moyennes en commutation Psw et en conduction Pcon du transistor et de la diode. Le calcul de la valeur moyenne des pertes dans un dispositif semi-conducteur comportant un transistor de type IGBT et une diode de roue libre est effectué de la manière suivante :
PCon_:oBτ - 0.5. (vceû .^+rce .^) +m.cosφ. (vceû .^+rce^)
PCon dlode -0.5. (vf0^+rf .^)-m.coSφ. (vf0 .^+rf .^) π 4 8 3π I ^cMLI
Dans lesquels :
P∞ΠJGBT représente les pertes en conduction du transistor IGBT, PSWJGBT représente les pertes en commutation du transistor IGBT, P∞n_dιode représente les pertes en conduction de la diode, - Psw_dιode représente les pertes en commutation de la diode,
Vdc est la tension mesurée sur le bus continu du variateur de vitesse, Vceo, Vf0, rce et η sont des paramètres statiques d'un transistor IGBT (T1 - T6) et de la diode de roue libre (D1 -D6), tels que sa tension seuil et sa résistance. Fs est la fréquence de commutation du transistor IGBT du dispositif, m est le modulateur de la commande MLI,
Vrated et lrated sont respectivement la tension nominale et l'intensité nominale du moteur,
E0N, EOFF et En sont les énergies de commutation du transistor IGBT précisées dans les spécifications du dispositif au courant nominal \mied et à la tension nominale Vrated, lopιc est le courant crête moteur calculé à partir de mesures des courants moteur sur les trois phases,
- kMU est un facteur exprimant le type de modulateur de la commande MLI employée.
La valeur de lopic qui représente la valeur crête du courant présent dans l'un des six transistors est calculée selon la moyenne quadratique des courants de sortie instantanés sur les trois phases U, V, W :
Ï2{ ? ? ? T -L/Λ * - — i l — T J-τ τ +~T J-τ + ' T J-ττ
Opic y 31 V U V W
On en déduit que la température moyenne de la jonction du dispositif semiconducteur par rapport au dissipateur DTjh_avg peut s'exprimer par la relation suivante :
DTjh_IGBT_avg = (Pcon _ IGBT + Psw_ IGBT ) Rthjc_IGBT + (Pcon_IGBT + Psw _ IGBT + Pcon _ diode + Psw_diode) Rthc
Dans laquelle :
RthjcjGBT représente la résistance thermique entre la jonction et le boîtier, Rthch représente la résistance thermique entre le boîtier et le dissipateur.
Bien entendu, selon la technologie du dispositif semi-conducteur employée, la relation reproduite ci-dessus peut être adaptée.
La température moyenne de la jonction du dispositif par rapport au dissipateur 103 peut donc être calculée à partir d'une équation polynomiale dans laquelle on injecte les valeurs du courant crête lopic, de la fréquence de commutation Fs, de la valeur de l'index de modulation m de la commande MLI, du type de modulateur de la commande MLI utilisée exprimé par le facteur kMu, du facteur de puissance Pf, de la tension mesurée sur le bus Vdc, de la fréquence du courant de sortie du convertisseur Fstat.
La température crête de la jonction par rapport au dissipateur s'exprime donc par la relation suivante :
DTjh_pic = (1 + pic_ratio) * DTjh_ avg
La température crête de la jonction par rapport au dissipateur DTjh_pic qui est obtenue après calcul lors de l'étape E1 est comparée par rapport à une valeur de référence DTjh_ref lors d'une étape E2. Cette valeur de référence DTjh_ref est déterminée par rapport à la température Th du dissipateur lors d'une étape E3. Plus la température Th du dissipateur a une valeur faible et plus la référence de la température de la jonction est importante.
En fonction de la comparaison effectuée, lors d'une étape E4, le convertisseur peut effectuer des actions de régulation et de contrôle si cette température crête est trop élevée. Ces actions permettant de limiter l'élévation de la température crête consistent par exemple à :
- agir sur la fréquence de découpage (Fs) ou agir sur le courant de sortie,
- déclencher une alarme et stopper le variateur si aucune autre action ne peut être menée (Fault). Comme représenté sur la figure 1 , II est ainsi possible de proposer une boucle de régulation dans laquelle on agit sur la fréquence de découpage Fs pour agir sur la valeur du facteur de crête Pic_ratio et donc sur la température crête de la jonction DTjhjDic, cette température crête étant comparée par rapport à la valeur de référence DTjh_ref pour déterminer une nouvelle fréquence de découpage à appliquer.
II est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents.
Claims
1. Procédé de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance électrique, ledit convertisseur délivrant un courant de sortie à destination d'une charge électrique et comportant au moins un dispositif semi-conducteur de puissance (10) monté sur un dissipateur thermique (103), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste notamment à :
- mesurer la fréquence du courant en sortie du convertisseur, - prévoir une température crête de la jonction (DTjh pic) dans le dispositif semi-conducteur (10) à la fréquence (Fstat) du courant mesuré en sortie du convertisseur, ladite température crête de la jonction (DTjh_pic) étant déterminée à partir d'une température moyenne de la jonction (DTjh avg) du dispositif semi-conducteur et d'un facteur de crête (Pic_ratio) mémorisé fonction de ladite fréquence du courant mesuré en sortie du convertisseur,
- comparer la température crête de la jonction (DTjh pic) obtenue à une température de référence de la jonction (DTjh ref) et contrôler le convertisseur en fonction du résultat de la comparaison,
- agir sur la fréquence de découpage (Fs) en vue de limiter l'élévation de la température crête de la jonction (DTjh _pic).
2. Procédé de commande selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la température crête de la jonction, la température moyenne de la jonction et la température de référence de la jonction sont définies de manière relative par rapport à la température (Th) du dissipateur (103).
3. Procédé de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que la température crête de la jonction du dispositif par rapport au dissipateur (103) est calculée par la relation suivante :
DTjh_pic = (1+ pic _ ratio) *DTjh_avg dans laquelle : - DTjh_pic correspond à la température crête de la jonction par rapport au dissipateur,
- DTjh avg correspond a la température moyenne de la jonction par rapport au dissipateur, - pic_ratio correspond au facteur de crête.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la température moyenne de la jonction est déterminée à partir des pertes moyennes en conduction et en commutation du dispositif semi-conducteur.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les pertes moyennes en conduction et en commutation du dispositif semi-conducteur de puissance (10) dans un convertisseur de puissance sont déterminées à partir des valeurs du courant crête (lopic), de la fréquence de commutation (Fs), du type de modulateur de la commande MLI du convertisseur (kMu), de la valeur de l'index de modulation (m), du facteur de puissance (Pf), de la tension mesurée sur le bus du convertisseur (Vdc), de la fréquence du courant de sortie du convertisseur (Fstat).
6. Procédé de commande selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que contrôler le convertisseur pour limiter l'élévation de la température de la jonction consiste à agir sur la fréquence de commutation (Fs) des dispositifs semi- conducteurs ou sur le courant de sortie du convertisseur.
7. Système de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance qui comporte plusieurs dispositifs semi-conducteurs (10) aptes à fournir une tension ou un courant puisé à destination d'une charge électrique connectée au convertisseur, le système comprenant des moyens de traitement (4) associés à une mémoire (40) et à des moyens de commande pour réguler la température de la jonction des dispositifs semi-conducteurs, le système étant caractérisé en ce qu'il est susceptible de mettre en œuvre le procédé de commande défini dans l'une des revendications précédentes.
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