本公開涉及一種用于估計(jì)逆變器的開關(guān)元件的溫度的參數(shù)確定設(shè)備。

背景技術(shù)：

通常，多用逆變器被配置有整流單元、直流(dc)鏈路電容器和逆變器單元，并且逆變器單元被配置有功率半導(dǎo)體模塊。這種功率半導(dǎo)體模塊在逆變器操作時(shí)導(dǎo)通和斷開電流，從而產(chǎn)生熱量。

當(dāng)功率半導(dǎo)體模塊的溫度上升超過預(yù)定溫度時(shí)，構(gòu)成功率半導(dǎo)體模塊的開關(guān)元件被損壞，使得溫度升高是選擇功率半導(dǎo)體模塊的主要考慮因素。

圖1是用于描述常規(guī)功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的截面圖。

功率半導(dǎo)體模塊200被布置在印刷電路板(pcb)100上，并且散熱器300布置在pcb100下方以散發(fā)從功率半導(dǎo)體模塊200產(chǎn)生的熱量。多個(gè)芯片形狀的開關(guān)元件220布置在功率半導(dǎo)體模塊200內(nèi)的內(nèi)部基板210上。開關(guān)元件220中的每一個(gè)例如是絕緣柵雙極型晶體管(igbt)。在這樣配置的功率半導(dǎo)體模塊200中，最高溫度的加熱點(diǎn)是開關(guān)元件220內(nèi)部的結(jié)點(diǎn)a，但是結(jié)點(diǎn)a位于功率半導(dǎo)體模塊200的內(nèi)部，使得不能直接測(cè)量溫度。因此，間接地估計(jì)開關(guān)元件220的結(jié)點(diǎn)a的溫度，并且余量被增加到估計(jì)的溫度，從而防止結(jié)點(diǎn)a的溫度上升。

用于間接估計(jì)結(jié)點(diǎn)a的溫度的方法在于基于在其處可以溫度測(cè)量的位置(例如，圖1的b)的溫度來計(jì)算損耗。然后，使用計(jì)算出的損耗和在其處測(cè)量溫度的位置與開關(guān)元件220的結(jié)點(diǎn)之間的熱阻來計(jì)算溫度差，從而估計(jì)結(jié)點(diǎn)的溫度。當(dāng)在這樣的過程期間計(jì)算損耗時(shí)，使用開關(guān)元件220的固有參數(shù)，并且該固有參數(shù)由每個(gè)制造商在實(shí)驗(yàn)上提供。也就是說，使用在根據(jù)溫度變化而變化的參數(shù)中的特定條件下的參數(shù)來估計(jì)損耗。

為了估計(jì)開關(guān)元件的結(jié)點(diǎn)的溫度，計(jì)算開關(guān)元件220的損耗的過程如下。將描述其中開關(guān)元件220是igbt的情況。

換句話說，通過將開關(guān)元件220的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗與igbt的反并聯(lián)二極管的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗相加并通過將相加的結(jié)果乘以從制造商提供的熱阻來計(jì)算溫度差，然后將來自測(cè)量的參考溫度的溫度差與計(jì)算的溫度差相加，以估計(jì)igbt的結(jié)點(diǎn)的溫度。在這一點(diǎn)上，使用以下等式。

[等式1]

[等式2]

在等式1和2中，vceo、rce、eon、eoff是從制造商提供的功率半導(dǎo)體模塊200的參數(shù)。在這一點(diǎn)上，可以根據(jù)從制造商提供的如圖2所示的曲線圖來確定初始集電極-發(fā)射極電壓vceo和初始集電極-發(fā)射極電阻rce，其是在等式1中用于計(jì)算導(dǎo)電損耗pc_igbt的參數(shù)。

圖2是從制造商提供的根據(jù)溫度的igbt的特性曲線圖，并且圖3是用于描述確定圖2中的參數(shù)的過程的示例圖。

因?yàn)樵谟?jì)算傳導(dǎo)損耗中使用的參數(shù)是非線性的，所以從圖2所示的曲線圖獲得與條件對(duì)應(yīng)的值，或者通過如圖3所示的線性化獲得構(gòu)成一階函數(shù)的斜率值(電阻)和x截距(vceo)，從而獲得該參數(shù)。

如圖2所示，在損耗計(jì)算中使用的參數(shù)根據(jù)溫度而變化。因此，制造商提供基于三個(gè)溫度(例如，25℃、125℃和150℃)的參數(shù)。當(dāng)從曲線圖直接獲得參數(shù)時(shí)，可以根據(jù)溫度確定適當(dāng)點(diǎn)，而當(dāng)通過處理器獲得參數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)提供關(guān)于參數(shù)的所有信息，以便獲得適當(dāng)值。

此外，甚至當(dāng)使用圖3時(shí)，用于配置關(guān)于適當(dāng)溫度的曲線圖所需的參數(shù)應(yīng)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并且通過適于相應(yīng)溫度的參數(shù)而線性化的方程也應(yīng)當(dāng)被存儲(chǔ)。

因此，存在的問題在于要在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量被增加以便考慮溫度變化，并且數(shù)據(jù)的計(jì)算過程是復(fù)雜的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本公開的目的是提供一種用于估計(jì)逆變器的開關(guān)元件的溫度的參數(shù)確定設(shè)備，其能夠根據(jù)溫度變化來用公式表示參數(shù)變化，以減少要存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)量并簡化計(jì)算過程。

為了實(shí)現(xiàn)本公開的目的，本公開的一個(gè)實(shí)施例的參數(shù)確定設(shè)備可以包括：逆變器單元，其包括配置被有至少一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件的功率半導(dǎo)體模塊，以及控制單元，其被配置為通過線性化所述至少一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件中的每一個(gè)在特定溫度下的集電極-發(fā)射極電壓來確定所述至少一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件中的每一個(gè)的初始集電極-發(fā)射極電壓及其每一個(gè)的集電極-發(fā)射極電阻。

在本公開的一個(gè)實(shí)施例中，控制單元可以確定在參考電流區(qū)域處指定為第一電流和第二電流的電流區(qū)域，并且使用所述至少一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件中的每一個(gè)在預(yù)定的第一溫度和第二溫度中的每一個(gè)下的相對(duì)于所述第一電流和所述第二電流的集電極-發(fā)射極電壓(第一電壓和第二電壓)來確定所述至少一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件中的每一個(gè)在所述第一電流和所述第二電流和特定溫度下的集電極-發(fā)射極電壓(第三電壓和第四電壓)，從而線性化所述至少一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件中的每一個(gè)在所述特定溫度下的集電極-發(fā)射極電壓。

在本公開的一個(gè)實(shí)施例中，控制單元可以在第一電流下使用第二溫度和第一溫度之間的差相對(duì)于所述特定溫度和所述第一溫度之間的差的比率等于所述第二電壓和所述第一電壓之間的差相對(duì)于第三電壓和所述第一電壓之間的差的比率來確定所述第三電壓。

在本公開的一個(gè)實(shí)施例中，控制單元可以在第二電流下使用第二溫度和第一溫度之間的差相對(duì)于所述特定溫度和所述第一溫度之間的差的比率等于所述第二電壓和所述第一電壓之間的差相對(duì)于第四電壓和所述第一電壓之間的差的比率來確定第四電壓。

在本公開的一個(gè)實(shí)施例中，控制單元可以使用(第一電流、第三電壓)和(第二電流、第四電壓)來執(zhí)行線性化。

此外，為了實(shí)現(xiàn)本公開的目的，根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的用于估計(jì)包括被配置有至少一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件的功率半導(dǎo)體模塊的逆變器中的開關(guān)元件的溫度的參數(shù)確定方法可以包括：線性化所述至少一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件中的每一個(gè)在特定溫度下的集電極-發(fā)射極電壓，以及確定所述至少一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件中的每一個(gè)的初始集電極-發(fā)射極電壓以及其每一個(gè)的集電極-發(fā)射極電阻。

在本公開的一個(gè)實(shí)施例中，線性化可以包括確定在參考電流區(qū)域處指定為第一電流和第二電流的電流區(qū)域，使用所述至少一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件中的每一個(gè)在預(yù)定的第一溫度和第二溫度中的每一個(gè)下的相對(duì)于所述第一電流和所述第二電流的集電極-發(fā)射極電壓(第一電壓和第二電壓)來確定所述至少一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件中的每一個(gè)在所述第一電流和所述第二電流和特定溫度下的集電極-發(fā)射極電壓(第三電壓和第四電壓)，以及線性化所述至少一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件中的每一個(gè)在所述特定溫度下的集電極-發(fā)射極電壓。

在本公開的一個(gè)實(shí)施例中，可以在第一電流下使用第二溫度和第一溫度之間的差相對(duì)于所述特定溫度和所述第一溫度之間的差的比率等于所述第二電壓和所述第一電壓之間的差相對(duì)于第三電壓和所述第一電壓之間的差的比率來確定所述第三電壓。

在本公開的一個(gè)實(shí)施例中，可以在第二電流下使用第二溫度和第一溫度之間的差相對(duì)于所述特定溫度和所述第一溫度之間的差的比率等于所述第二電壓和所述第一電壓之間的差相對(duì)于第四電壓和所述第一電壓之間的差的比率來確定所述第四電壓。

如上所述，本公開提供了以下效果，其中通過線性化和簡化根據(jù)等式中的溫度的參數(shù)的變化而不將參數(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中以獲得適當(dāng)?shù)膙ce或執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算以便獲得vce來減小存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量和減小程序的大小。

此外，根據(jù)本公開，存在這樣的效果，其中根據(jù)溫度變化的參數(shù)變化被數(shù)學(xué)化為一階函數(shù)，使得其中使用簡化方程校正根據(jù)溫度的變化的參數(shù)可以被計(jì)算。

附圖說明

圖1是用于描述常規(guī)功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的截面圖。

圖2是從制造商提供的根據(jù)溫度的絕緣柵雙極型晶體管(igbt)的特性曲線圖。

圖3是用于描述確定圖2中的參數(shù)的過程的示例圖。

圖4是根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的用于估計(jì)逆變器的開關(guān)元件的溫度的參數(shù)確定設(shè)備的框圖。

圖5是從制造商提供的根據(jù)溫度的igbt的特性曲線圖。

圖6是根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的用于描述估計(jì)圖5中的參數(shù)的過程的示例圖。

圖7是用于描述在本公開的一個(gè)實(shí)施例中確定用于估計(jì)逆變器的開關(guān)元件的溫度的參數(shù)的過程的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。

具體實(shí)施方式

本公開可以進(jìn)行各種修改并且將具有各種實(shí)施例，使得具體實(shí)施例將在附圖中被示例并將詳細(xì)描述。然而，本文公開的具體實(shí)施例在某種意義上不是用于將本公開限制于這些實(shí)施例，而是為了解釋本發(fā)明，并且應(yīng)當(dāng)理解，許多其它的替代、等同物和替代將落入本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。

在下文中，將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本公開的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。

圖4是根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的用于估計(jì)逆變器的開關(guān)元件的溫度的參數(shù)確定設(shè)備的框圖。圖5是從制造商提供的根據(jù)溫度的絕緣柵雙極型晶體管(igbt)的特性曲線圖。此外，圖6是根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的用于描述估計(jì)圖5中的參數(shù)的過程的一個(gè)示例圖。

根據(jù)本公開的參數(shù)確定設(shè)備用于估計(jì)在配置有整流單元10、平滑單元20和逆變器單元30的逆變器中構(gòu)成逆變器單元30的開關(guān)元件的結(jié)點(diǎn)的溫度，并且可以包括控制單元40。

如圖1所示，逆變器單元30可以被配置為包括功率半導(dǎo)體模塊并且功率半導(dǎo)體模塊可以被配置有布置在其中的多個(gè)開關(guān)元件。在本公開的一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)元件將被示例和描述為igbt，但是本公開不限于此，并且對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以根據(jù)逆變器的配置來使用各種半導(dǎo)體開關(guān)元件。

控制單元40例如可以是在逆變器內(nèi)部設(shè)置的微控制器單元(mcu)，并且可以通過將在下面描述的過程從制造商提供的參數(shù)獲得在實(shí)際溫度下的參數(shù)。

根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的控制單元40可以從制造商提供的參數(shù)中選擇作為參考的電流，如圖5所示。在這一點(diǎn)上，被選擇的電流區(qū)域可以根據(jù)逆變器單元30的額定電流而變化，并且在本公開的一個(gè)實(shí)施例中可以被定義為由電流ia和ib指定的區(qū)域。

施加到逆變器單元30的電流范圍是電流ia和ib之間的區(qū)域。如果假設(shè)電流范圍是線性的，則其可以以一階函數(shù)的形式表示，如圖6所示。

由制造商提供的圖5的曲線圖提供關(guān)于有限溫度(例如，分別為25℃、125℃、150℃)的參數(shù)。這里，關(guān)于兩個(gè)溫度(本公開的一個(gè)實(shí)施例中的25℃和150℃)的線性近似的結(jié)果如圖6所示。

在圖5和圖6中，黑色實(shí)線表示在25℃下根據(jù)電流變化的vce，黑色虛線表示在150℃下根據(jù)電流變化的vce，藍(lán)色實(shí)線表示在25℃下根據(jù)電流變化的vce的線性化，紅色實(shí)線表示在150℃下根據(jù)電流變化的vce的線性化，以及淺綠色實(shí)線表示在特定溫度tk下根據(jù)電流變化的vce的線性化。

參數(shù)的結(jié)果和線性近似的結(jié)果(其中每一個(gè)對(duì)應(yīng)于每個(gè)溫度)示出除了當(dāng)電流非常小時(shí)之外彼此類似，如從圖5可以看出的。如圖5和圖6所示，在本公開的一個(gè)實(shí)施例中，假設(shè)根據(jù)溫度變化的參數(shù)變化的產(chǎn)生是一階線性函數(shù)。

當(dāng)參考電流ic為ia和ib時(shí)，對(duì)應(yīng)于25℃和150℃的vce是vce_a25、vce_a150、vce_b25和vce_b150，并且在特定溫度下的vce是vce_atk和vce_btk，vce是相對(duì)于參考電流的交點(diǎn)，如圖5所示。參考圖5和圖6，如果參數(shù)的變化被假設(shè)為相對(duì)于溫度是線性的，則vce_btk可以如下式計(jì)算。

[等式3]

類似地，當(dāng)溫度為tk時(shí)，可以如下計(jì)算相對(duì)于電流ia的vce。

[等式4]

參考電流ia和ib下的vce在溫度tk下分別是vce_atk和vce_btk，并且將vce_atk連接到vce_btk的直線是表示在溫度tk下根據(jù)電流的vce的一階函數(shù)，使得可以看到該直線是圖5和圖6中的淺綠色曲線。因此，從(ia，vce_atk)和(ib，vce_btk)的兩點(diǎn)計(jì)算線性方程，以被表示如下。

[等式5]

vce＝rce_tkic+vce0-tk

在等式5中，ic是在逆變器單元30處實(shí)際流動(dòng)的電流的大小。也就是說，當(dāng)電流ic在溫度tk下流動(dòng)時(shí)，vce可以從等式5計(jì)算。等式5的rce_tk和vce0_tk可以表示為以下等式。

[等式6]

因此，，控制單元40可以使用等式3至等式6從vce_a25、vce_a150、vce_b25和vce_b150的參數(shù)輸入確定在溫度tk下的當(dāng)電流為ic時(shí)的vce。

如上所述，根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例，通過線性化和簡化在等式中根據(jù)溫度的參數(shù)的變化而不在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)參數(shù)以獲得適當(dāng)?shù)膙ce或執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算以便獲得vce，可以減小存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量，并且可以減小程序的大小。

圖7是用于描述在本公開的一個(gè)實(shí)施例中確定用于估計(jì)逆變器的開關(guān)元件的溫度的參數(shù)的過程的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。

如圖7所示，本公開的一個(gè)實(shí)施例的控制單元40基于能夠在其處測(cè)量逆變器單元30的溫度的點(diǎn)的溫度來計(jì)算損耗。此外，使用所計(jì)算的損耗和在其處測(cè)量溫度的點(diǎn)和逆變器30的結(jié)點(diǎn)之間的熱阻來計(jì)算溫度差，并使用等式1和2估計(jì)結(jié)點(diǎn)的溫度。

在這一點(diǎn)上，為了確定開關(guān)元件的初始集電極-發(fā)射極電壓vceo及其集電極-發(fā)射極電阻rce(其為在特定溫度下的參數(shù))，在操作s71中可以確定施加到逆變器單元30的電流的區(qū)域。也就是說，分別是電流的區(qū)域的上值和下值的ia和ib可以從圖5的曲線圖中確定，該圖5表示電流和電壓之間的關(guān)系且從制造商提供。可以根據(jù)逆變器的額定電壓來確定ia和ib。

利用這樣的操作，在操作s72中，控制單元40可以獲得作為從制造商提供的曲線圖確定的在溫度(例如，25℃和150℃)下相對(duì)于電流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來確定在特定溫度tk下對(duì)應(yīng)于電流ia和ib的交叉點(diǎn)vce_atk和vce_btk，并且在操作s74中，可以從兩點(diǎn)(ia、vce_atk)和(ib、vce_btk)計(jì)算在特定溫度tk下對(duì)應(yīng)于vce的線性等式，如等式5。

之后，在操作s75中，控制單元40可以使用等式6來確定在特定溫度tk下用于估計(jì)逆變器單元30的開關(guān)元件的結(jié)點(diǎn)的溫度的參數(shù)rce_tk和vce0_tk。

因此，可以使用由控制單元40(未示出)確定的參數(shù)rce_tk和vce0_tk來計(jì)算等式1的傳導(dǎo)損耗。

將如上所述確定的傳導(dǎo)損耗與使用單獨(dú)的參數(shù)確定的開關(guān)損耗相加，并將相加的結(jié)果乘以從制造商提供的熱阻，然后可以計(jì)算在開關(guān)元件的結(jié)點(diǎn)和可以在其處測(cè)量逆變器單元30的功率半導(dǎo)體模塊的溫度的點(diǎn)之間的溫度差，并且將溫度差加到所測(cè)量的參考溫度，使得可以估計(jì)開關(guān)元件的結(jié)點(diǎn)的溫度。

根據(jù)本公開，根據(jù)溫度變化的參數(shù)變化被數(shù)學(xué)化為一階函數(shù)，使得其中使用簡化等式來校正根據(jù)溫度的變化的參數(shù)可以被計(jì)算。

已經(jīng)參考附圖中所示的實(shí)施例描述了本公開，但是本公開僅僅是說明性的，并且應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)出許多其它修改和等同的其他實(shí)施例。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍應(yīng)由所附權(quán)利要求限定。

[附圖標(biāo)記的說明]

10：整流單元20：平滑單元

30：逆變器單元40：控制單元