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CN107305146A - 用于估计逆变器的开关元件的温度的参数确定设备 - Google Patents

用于估计逆变器的开关元件的温度的参数确定设备 Download PDF

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CN107305146A CN201611073781.2A CN201611073781A CN107305146A CN 107305146 A CN107305146 A CN 107305146A CN 201611073781 A CN201611073781 A CN 201611073781A CN 107305146 A CN107305146 A CN 107305146A
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Abstract

公开了一种用于估计逆变器的开关元件的温度的参数确定设备。本公开的参数确定设备包括：逆变器单元，其包括被配置有至少一个或多个开关元件的功率半导体模块；以及控制单元，其被配置为通过线性化多个开关元件中的每一个在特定温度下的集电极‑发射极电压来确定多个开关元件中的每一个的初始集电极‑发射极电压及其每一个的集电极‑发射极电阻。

Description

用于估计逆变器的开关元件的温度的参数确定设备
技术领域
本公开涉及一种用于估计逆变器的开关元件的温度的参数确定设备。
背景技术
通常，多用逆变器被配置有整流单元、直流(DC)链路电容器和逆变器单元，并且逆变器单元被配置有功率半导体模块。这种功率半导体模块在逆变器操作时导通和断开电流，从而产生热量。
当功率半导体模块的温度上升超过预定温度时，构成功率半导体模块的开关元件被损坏，使得温度升高是选择功率半导体模块的主要考虑因素。
图1是用于描述常规功率半导体模块的结构的截面图。
功率半导体模块200被布置在印刷电路板(PCB)100上，并且散热器300布置在PCB100下方以散发从功率半导体模块200产生的热量。多个芯片形状的开关元件220布置在功率半导体模块200内的内部基板210上。开关元件220中的每一个例如是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。在这样配置的功率半导体模块200中，最高温度的加热点是开关元件220内部的结点A，但是结点A位于功率半导体模块200的内部，使得不能直接测量温度。因此，间接地估计开关元件220的结点A的温度，并且余量被增加到估计的温度，从而防止结点A的温度上升。
用于间接估计结点A的温度的方法在于基于在其处可以温度测量的位置(例如，图1的B)的温度来计算损耗。然后，使用计算出的损耗和在其处测量温度的位置与开关元件220的结点之间的热阻来计算温度差，从而估计结点的温度。当在这样的过程期间计算损耗时，使用开关元件220的固有参数，并且该固有参数由每个制造商在实验上提供。也就是说，使用在根据温度变化而变化的参数中的特定条件下的参数来估计损耗。
为了估计开关元件的结点的温度，计算开关元件220的损耗的过程如下。将描述其中开关元件220是IGBT的情况。
换句话说，通过将开关元件220的传导损耗和开关损耗与IGBT的反并联二极管的传导损耗和开关损耗相加并通过将相加的结果乘以从制造商提供的热阻来计算温度差，然后将来自测量的参考温度的温度差与计算的温度差相加，以估计IGBT的结点的温度。在这一点上，使用以下等式。
[等式1]
[等式2]
在等式1和2中，VCEO、RCE、Eon、Eoff是从制造商提供的功率半导体模块200的参数。在这一点上，可以根据从制造商提供的如图2所示的曲线图来确定初始集电极-发射极电压VCEO和初始集电极-发射极电阻RCE，其是在等式1中用于计算导电损耗PC_IGBT的参数。
图2是从制造商提供的根据温度的IGBT的特性曲线图，并且图3是用于描述确定图2中的参数的过程的示例图。
因为在计算传导损耗中使用的参数是非线性的，所以从图2所示的曲线图获得与条件对应的值，或者通过如图3所示的线性化获得构成一阶函数的斜率值(电阻)和x截距(VCEO)，从而获得该参数。
如图2所示，在损耗计算中使用的参数根据温度而变化。因此，制造商提供基于三个温度(例如，25℃、125℃和150℃)的参数。当从曲线图直接获得参数时，可以根据温度确定适当点，而当通过处理器获得参数时，应当提供关于参数的所有信息，以便获得适当值。
此外，甚至当使用图3时，用于配置关于适当温度的曲线图所需的参数应存储在存储器中，并且通过适于相应温度的参数而线性化的方程也应当被存储。
因此，存在的问题在于要在存储器中存储的数据量被增加以便考虑温度变化，并且数据的计算过程是复杂的。
发明内容
为了解决上述问题，本公开的目的是提供一种用于估计逆变器的开关元件的温度的参数确定设备，其能够根据温度变化来用公式表示参数变化，以减少要存储在存储器中的数据量并简化计算过程。
为了实现本公开的目的，本公开的一个实施例的参数确定设备可以包括：逆变器单元，其包括配置被有至少一个或多个开关元件的功率半导体模块，以及控制单元，其被配置为通过线性化所述至少一个或多个开关元件中的每一个在特定温度下的集电极-发射极电压来确定所述至少一个或多个开关元件中的每一个的初始集电极-发射极电压及其每一个的集电极-发射极电阻。
在本公开的一个实施例中，控制单元可以确定在参考电流区域处指定为第一电流和第二电流的电流区域，并且使用所述至少一个或多个开关元件中的每一个在预定的第一温度和第二温度中的每一个下的相对于所述第一电流和所述第二电流的集电极-发射极电压(第一电压和第二电压)来确定所述至少一个或多个开关元件中的每一个在所述第一电流和所述第二电流和特定温度下的集电极-发射极电压(第三电压和第四电压)，从而线性化所述至少一个或多个开关元件中的每一个在所述特定温度下的集电极-发射极电压。
在本公开的一个实施例中，控制单元可以在第一电流下使用第二温度和第一温度之间的差相对于所述特定温度和所述第一温度之间的差的比率等于所述第二电压和所述第一电压之间的差相对于第三电压和所述第一电压之间的差的比率来确定所述第三电压。
在本公开的一个实施例中，控制单元可以在第二电流下使用第二温度和第一温度之间的差相对于所述特定温度和所述第一温度之间的差的比率等于所述第二电压和所述第一电压之间的差相对于第四电压和所述第一电压之间的差的比率来确定第四电压。
在本公开的一个实施例中，控制单元可以使用(第一电流、第三电压)和(第二电流、第四电压)来执行线性化。
此外，为了实现本公开的目的，根据本公开的一个实施例的用于估计包括被配置有至少一个或多个开关元件的功率半导体模块的逆变器中的开关元件的温度的参数确定方法可以包括：线性化所述至少一个或多个开关元件中的每一个在特定温度下的集电极-发射极电压，以及确定所述至少一个或多个开关元件中的每一个的初始集电极-发射极电压以及其每一个的集电极-发射极电阻。
在本公开的一个实施例中，线性化可以包括确定在参考电流区域处指定为第一电流和第二电流的电流区域，使用所述至少一个或多个开关元件中的每一个在预定的第一温度和第二温度中的每一个下的相对于所述第一电流和所述第二电流的集电极-发射极电压(第一电压和第二电压)来确定所述至少一个或多个开关元件中的每一个在所述第一电流和所述第二电流和特定温度下的集电极-发射极电压(第三电压和第四电压)，以及线性化所述至少一个或多个开关元件中的每一个在所述特定温度下的集电极-发射极电压。
在本公开的一个实施例中，可以在第一电流下使用第二温度和第一温度之间的差相对于所述特定温度和所述第一温度之间的差的比率等于所述第二电压和所述第一电压之间的差相对于第三电压和所述第一电压之间的差的比率来确定所述第三电压。
在本公开的一个实施例中，可以在第二电流下使用第二温度和第一温度之间的差相对于所述特定温度和所述第一温度之间的差的比率等于所述第二电压和所述第一电压之间的差相对于第四电压和所述第一电压之间的差的比率来确定所述第四电压。
如上所述，本公开提供了以下效果，其中通过线性化和简化根据等式中的温度的参数的变化而不将参数存储在存储器中以获得适当的VCE或执行复杂的计算以便获得VCE来减小存储器存储容量和减小程序的大小。
此外，根据本公开，存在这样的效果，其中根据温度变化的参数变化被数学化为一阶函数，使得其中使用简化方程校正根据温度的变化的参数可以被计算。
附图说明
图1是用于描述常规功率半导体模块的结构的截面图。
图2是从制造商提供的根据温度的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的特性曲线图。
图3是用于描述确定图2中的参数的过程的示例图。
图4是根据本公开的一个实施例的用于估计逆变器的开关元件的温度的参数确定设备的框图。
图5是从制造商提供的根据温度的IGBT的特性曲线图。
图6是根据本公开的一个实施例的用于描述估计图5中的参数的过程的示例图。
图7是用于描述在本公开的一个实施例中确定用于估计逆变器的开关元件的温度的参数的过程的一个实施例的流程图。
具体实施方式
本公开可以进行各种修改并且将具有各种实施例，使得具体实施例将在附图中被示例并将详细描述。然而，本文公开的具体实施例在某种意义上不是用于将本公开限制于这些实施例，而是为了解释本发明，并且应当理解，许多其它的替代、等同物和替代将落入本发明的精神和范围内。
在下文中，将参照附图详细描述根据本公开的一个优选实施例。
图4是根据本公开的一个实施例的用于估计逆变器的开关元件的温度的参数确定设备的框图。图5是从制造商提供的根据温度的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的特性曲线图。此外，图6是根据本公开的一个实施例的用于描述估计图5中的参数的过程的一个示例图。
根据本公开的参数确定设备用于估计在配置有整流单元10、平滑单元20和逆变器单元30的逆变器中构成逆变器单元30的开关元件的结点的温度，并且可以包括控制单元40。
如图1所示，逆变器单元30可以被配置为包括功率半导体模块并且功率半导体模块可以被配置有布置在其中的多个开关元件。在本公开的一个实施例中，开关元件将被示例和描述为IGBT，但是本公开不限于此，并且对于本领域技术人员显而易见的是，可以根据逆变器的配置来使用各种半导体开关元件。
控制单元40例如可以是在逆变器内部设置的微控制器单元(MCU)，并且可以通过将在下面描述的过程从制造商提供的参数获得在实际温度下的参数。
根据本公开的一个实施例的控制单元40可以从制造商提供的参数中选择作为参考的电流，如图5所示。在这一点上，被选择的电流区域可以根据逆变器单元30的额定电流而变化，并且在本公开的一个实施例中可以被定义为由电流IA和IB指定的区域。
施加到逆变器单元30的电流范围是电流IA和IB之间的区域。如果假设电流范围是线性的，则其可以以一阶函数的形式表示，如图6所示。
由制造商提供的图5的曲线图提供关于有限温度(例如，分别为25℃、125℃、150℃)的参数。这里，关于两个温度(本公开的一个实施例中的25℃和150℃)的线性近似的结果如图6所示。
在图5和图6中，黑色实线表示在25℃下根据电流变化的VCE，黑色虚线表示在150℃下根据电流变化的VCE，蓝色实线表示在25℃下根据电流变化的VCE的线性化，红色实线表示在150℃下根据电流变化的VCE的线性化，以及浅绿色实线表示在特定温度TK下根据电流变化的VCE的线性化。
参数的结果和线性近似的结果(其中每一个对应于每个温度)示出除了当电流非常小时之外彼此类似，如从图5可以看出的。如图5和图6所示，在本公开的一个实施例中，假设根据温度变化的参数变化的产生是一阶线性函数。
当参考电流IC为IA和IB时，对应于25℃和150℃的VCE是VCE_A25、VCE_A150、VCE_B25和VCE_B150，并且在特定温度下的VCE是VCE_ATK和VCE_BTK，VCE是相对于参考电流的交点，如图5所示。参考图5和图6，如果参数的变化被假设为相对于温度是线性的，则VCE_BTK可以如下式计算。
[等式3]
类似地，当温度为TK时，可以如下计算相对于电流IA的VCE。
[等式4]
参考电流IA和IB下的VCE在温度TK下分别是VCE_ATK和VCE_BTK，并且将VCE_ATK连接到VCE_BTK的直线是表示在温度TK下根据电流的VCE的一阶函数，使得可以看到该直线是图5和图6中的浅绿色曲线。因此，从(IA，VCE_ATK)和(IB，VCE_BTK)的两点计算线性方程，以被表示如下。
[等式5]
VCE＝RCE_TKIC+VCE0-TK
在等式5中，IC是在逆变器单元30处实际流动的电流的大小。也就是说，当电流IC在温度TK下流动时，VCE可以从等式5计算。等式5的RCE_TK和VCE0_TK可以表示为以下等式。
[等式6]
因此，，控制单元40可以使用等式3至等式6从VCE_A25、VCE_A150、VCE_B25和VCE_B150的参数输入确定在温度TK下的当电流为IC时的VCE。
如上所述，根据本公开的一个实施例，通过线性化和简化在等式中根据温度的参数的变化而不在存储器中存储参数以获得适当的VCE或执行复杂的计算以便获得VCE，可以减小存储器存储容量，并且可以减小程序的大小。
图7是用于描述在本公开的一个实施例中确定用于估计逆变器的开关元件的温度的参数的过程的一个实施例的流程图。
如图7所示，本公开的一个实施例的控制单元40基于能够在其处测量逆变器单元30的温度的点的温度来计算损耗。此外，使用所计算的损耗和在其处测量温度的点和逆变器30的结点之间的热阻来计算温度差，并使用等式1和2估计结点的温度。
在这一点上，为了确定开关元件的初始集电极-发射极电压VCEO及其集电极-发射极电阻RCE(其为在特定温度下的参数)，在操作S71中可以确定施加到逆变器单元30的电流的区域。也就是说，分别是电流的区域的上值和下值的IA和IB可以从图5的曲线图中确定，该图5表示电流和电压之间的关系且从制造商提供。可以根据逆变器的额定电压来确定IA和IB。
利用这样的操作，在操作S72中，控制单元40可以获得作为从制造商提供的曲线图确定的在温度(例如，25℃和150℃)下相对于电流IA和IB的VCE的VCE_A25、VCE_A150、VCE_B25和VCE_B150。
此后，在操作S73中，可以使用等式3和等式4来确定在特定温度TK下对应于电流IA和IB的交叉点VCE_ATK和VCE_BTK，并且在操作S74中，可以从两点(IA、VCE_ATK)和(IB、VCE_BTK)计算在特定温度TK下对应于VCE的线性等式，如等式5。
之后，在操作S75中，控制单元40可以使用等式6来确定在特定温度TK下用于估计逆变器单元30的开关元件的结点的温度的参数RCE_TK和VCE0_TK。
因此，可以使用由控制单元40(未示出)确定的参数RCE_TK和VCE0_TK来计算等式1的传导损耗。
将如上所述确定的传导损耗与使用单独的参数确定的开关损耗相加，并将相加的结果乘以从制造商提供的热阻，然后可以计算在开关元件的结点和可以在其处测量逆变器单元30的功率半导体模块的温度的点之间的温度差，并且将温度差加到所测量的参考温度，使得可以估计开关元件的结点的温度。
根据本公开，根据温度变化的参数变化被数学化为一阶函数，使得其中使用简化等式来校正根据温度的变化的参数可以被计算。
已经参考附图中所示的实施例描述了本公开，但是本公开仅仅是说明性的，并且应当理解，本领域技术人员可以设计出许多其它修改和等同的其他实施例。因此，本发明的技术范围应由所附权利要求限定。
[附图标记的说明]
10：整流单元 20：平滑单元
30：逆变器单元 40：控制单元

Claims (9)

1.一种参数确定设备，包括：
逆变器单元，其包括被配置有至少一个或多个开关元件的功率半导体模块；和
控制单元，其被配置为通过线性化所述至少一个或多个开关元件中的每一个在特定温度下的集电极-发射极电压来确定所述至少一个或多个开关元件中的每一个的初始集电极-发射极电压及其每一个的集电极-发射极电阻。
2.根据权利要求1所述的参数确定设备，其中，所述控制单元确定在参考电流区域处指定为第一电流和第二电流的电流区域，并且使用所述至少一个或多个开关元件中的每一个在预定的第一温度和第二温度中的每一个下的相对于所述第一电流和所述第二电流的集电极-发射极电压(第一电压和第二电压)来确定所述至少一个或多个开关元件中的每一个在所述第一电流和所述第二电流和特定温度下的集电极-发射极电压(第三电压和第四电压)，从而线性化所述至少一个或多个开关元件中的每一个在所述特定温度下的集电极-发射极电压。
3.根据权利要求2所述的参数确定设备，其中，所述控制单元在第一电流下使用第二温度和第一温度之间的差相对于所述特定温度和所述第一温度之间的差的比率等于所述第二电压和所述第一电压之间的差相对于第三电压和所述第一电压之间的差的比率来确定所述第三电压。
4.根据权利要求2所述的参数确定设备，其中，所述控制单元在第二电流下使用第二温度和第一温度之间的差相对于所述特定温度和所述第一温度之间的差的比率等于所述第二电压和所述第一电压之间的差相对于第四电压和所述第一电压之间的差的比率来确定第四电压。
5.根据权利要求1所述的参数确定设备，其中，所述控制单元使用(第一电流、第三电压)和(第二电流、第四电压)两个点来执行所述线性化。
6.一种用于估计包括被配置有至少一个或多个开关元件的功率半导体模块的逆变器中的开关元件的温度的参数确定方法，包括：
线性化所述至少一个或多个开关元件中的每一个在特定温度下的集电极-发射极电压；和
确定所述至少一个或多个开关元件中的每一个的初始集电极-发射极电压及其每一个的集电极-发射极电阻。
7.根据权利要求6所述的参数确定方法，其中，所述线性化包括：
确定在参考电流区域处指定为第一电流和第二电流的电流区域；
使用所述至少一个或多个开关元件中的每一个在预定的第一温度和第二温度中的每一个下的相对于所述第一电流和所述第二电流的集电极-发射极电压(第一电压和第二电压)来确定所述至少一个或多个开关元件中的每一个在所述第一电流和所述第二电流和特定温度下的集电极-发射极电压(第三电压和第四电压)；和
线性化所述至少一个或多个开关元件中的每一个在所述特定温度下的集电极-发射极电压。
8.根据权利要求7所述的参数确定方法，其中，在第一电流下使用第二温度和第一温度之间的差相对于所述特定温度和所述第一温度之间的差的比率等于所述第二电压和所述第一电压之间的差相对于第三电压和所述第一电压之间的差的比率来确定所述第三电压。
9.根据权利要求7所述的参数确定方法，其中，在第二电流下使用第二温度和第一温度之间的差相对于所述特定温度和所述第一温度之间的差的比率等于所述第二电压和所述第一电压之间的差相对于第四电压和所述第一电压之间的差的比率来确定所述第四电压。
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