電子裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供有電子裝置，其包括散熱裝置、耦合于該散熱裝置并且配置成向場激勵器提供電力的第一雙IGBT、耦合于該散熱裝置并且配置成向電池提供電力的第二雙IGBT和耦合于該散熱裝置并且是場激勵器和電池充電器所共有的第三雙IGBT。示范性電子裝置還包括：設置在散熱裝置中的單個溫度傳感器；控制器，其配置成從該單個溫度傳感器接收溫度讀數(shù)并且基于該溫度讀數(shù)估計第一、第二或第三雙IGBT中的至少一個的結(jié)溫。
【專利說明】電子裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的示范性實施例大體上涉及用于改進例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變器等電子裝置的功率處理能力的系統(tǒng)。此外，這樣的示范性實施例可涉及對絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變器的溫度建模、監(jiān)測和將其降低。
【背景技術(shù)】
[0002]例如機車等牽引車輛采用電動牽引馬達用于驅(qū)動車輛的輪子。在這些車輛中的一些中，馬達是交流(AC )馬達，其的速度和功率通過改變供應給馬達的場繞組的AC電力的頻率和電壓來控制。通常，電力在車輛系統(tǒng)中的某一點處作為DC電力供應并且之后被轉(zhuǎn)換成由例如逆變器(其包括一組開關(guān)，例如IGBT)等電路控制頻率和電壓幅度的AC電力。在一些系統(tǒng)中，電力可源自耦合于逆變器相臂的電池組。逆變器可配置成采用電池充電模式和電池放電模式操作。在電池充電模式期間，來自場繞組的電能用于對電池充電。在電池放電模式期間，存儲到電池的電能用于使馬達的場繞組通電。逆變器的功率處理能力至少部分受到IGBT耗散由IGBT中的電流生成的熱的能力的限制。因此，具有用于對逆變器中的IGBT的溫度建模的改進系統(tǒng)和方法，這將是有益的。改進的溫度建模技術(shù)可用于通過提高熱耗散來提高逆變器的功率處理能力。改進的溫度建模技術(shù)還可用于提供用于監(jiān)測操作期間的IGBT溫度的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]提供有電子裝置，其包括散熱裝置、耦合于該散熱裝置并且配置成向場激勵器提供電力的第一雙IGBT、耦合于該散熱裝置并且配置成向電池提供電力的第二雙IGBT和耦合于該散熱裝置并且是場激勵器和電池充電器所共有的第三雙IGBT。示范性電子裝置還包括:設置在散熱裝置中的單個溫度傳感器；控制器，其配置成從該單個溫度傳感器接收溫度讀數(shù)并且基于該溫度讀數(shù)估計第一、第二或第三雙IGBT中的至少一個的結(jié)溫。
[0004]在另一個示范性實施例中，提供有估計結(jié)溫的方法。該方法包括向雙H橋的IGBT提供信號來向馬達的場繞組和電池充電電路提供電流，其中IGBT耦合于散熱裝置。該方法還包括從設置在散熱裝置中的單個溫度傳感器接收溫度讀數(shù)。該方法還包括基于該溫度讀數(shù)估計IGBT中的至少一個的結(jié)溫。
[0005]在另一個示范性實施例中，提供有車輛的電力系統(tǒng)，其包括散熱裝置、耦合于該散熱裝置并且配置成向場激勵器提供電力的第一雙IGBT、耦合于該散熱裝置并且配置成向電池提供電力的第二雙IGBT ;和耦合于散熱裝置并且是場激勵器和電池充電器所共有的第三雙IGBT。電力系統(tǒng)還包括設置在散熱裝置中的單個溫度傳感器，和控制器，其配置成從該單個溫度傳感器接收溫度讀數(shù)并且基于該溫度讀數(shù)估計第一、第二或第三雙IGBT中的至少一個的結(jié)溫。
[0006]在另一個示范性實施例中，空氣施加到所述散熱裝置并且安置所述第二雙IGBT以與所述第一雙IGBT和所述第三雙IGBT相比接收施加于所述散熱裝置的空氣中的更多空氣。
[0007]在另一個示范性實施例中，所述第一、第二和第三雙IGBT關(guān)于空氣入口而設置使得所述第一雙IGBT最接近空氣入口，所述第三雙IGBT最遠離所述空氣入口，并且所述第二雙IGBT在所述第一與第三雙IGBT之間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]當下列詳細說明參考附圖(其中所有圖中類似的符號代表類似的部件)閱讀時，本發(fā)明的這些特征、方面和優(yōu)勢將變得更好理解，其中:
[0009]圖1是H橋轉(zhuǎn)換器的框圖；
[0010]圖2是根據(jù)實施例的雙H橋的框圖；
[0011]圖3是示出根據(jù)實施例的雙H橋的熱網(wǎng)絡的框圖；
[0012]圖4A-D是示出用于開發(fā)用于得到雙H橋的熱阻抗模型的數(shù)據(jù)的測試配置的框圖；
[0013]圖5是示出用于測量關(guān)于圖4和7論述的溫度的熱偶配置的框圖；
[0014]圖6A-F是示出使用在圖4D中示出的測試配置比較隨時間的測量溫度和計算機建模溫度的曲線圖；
[0015]圖7A和B是將估計的冷卻曲線與測量的冷卻曲線比較的曲線圖；
[0016]圖8是根據(jù)實施例使用雙H橋的系統(tǒng)的框圖；
[0017]圖9是階段A、階段B和階段C IGBT的輸出電壓的曲線圖；
[0018]圖10是在圖9的輸出電壓上疊加的預期輸出電流的曲線圖；
[0019]圖11是來自單個H橋的輸出電流的曲線圖；
[0020]圖12A和B是階段A或階段C IGBT的電流波形的曲線圖；
[0021]圖13A-C是示出階段B的IGBT104和二極管208的電流波形的曲線圖；
[0022]圖14是用于估計階段A和階段C IGBT和二極管中的功率損耗的電流和電壓波形的曲線圖；
[0023]圖15是用于估計階段B (共有)IGBT和二極管中的功率損耗的電流和電壓波形的曲線圖；
[0024]圖16是具有冷卻單元的雙H橋的框圖；
[0025]圖17是配置成提供實時散熱裝置溫度讀數(shù)的雙H橋的框圖；
[0026]圖18是操作期間雙H橋中的熱流的流程圖；
[0027]圖19A-C是對各種測試配置隨時間的估計TS_XX_Tinl和實際測量的TS_XX_Tinl的曲線圖；
[0028]圖20是用于估計雙H橋中的IGBT的結(jié)溫的電路的框圖；
[0029]圖21是基于估計的期望冷卻的量控制空氣流率的雙H橋的系統(tǒng)控制器的框圖；
[0030]圖22是基于估計的期望冷卻的量控制空氣流率的雙H橋的系統(tǒng)控制器的框圖；
[0031]圖23是根據(jù)實施例用于下調(diào)負載電流的控制回路的框圖；
[0032]圖24是根據(jù)實施例用于下調(diào)負載電流的控制回路的框圖；以及
[0033]圖25是根據(jù)本發(fā)明示范性實施例可采用逆變器控制電路的柴油電動機車的框圖?！揪唧w實施方式】
[0034]圖1是H橋轉(zhuǎn)換器的框圖。H橋轉(zhuǎn)換器100可用于將直流(DC)電壓轉(zhuǎn)換成方形交流(AC)波形并且在功率電子工業(yè)中有著多種應用。在從DC線路供應電力時廣泛地采用H橋逆變器100并且變壓器用于電路中的電壓降低和/或隔離。如在圖1中示出的，輸入電壓102饋送到一組四個電子開關(guān)104，例如IGBT。這些開關(guān)104的輸出被饋送到變壓器108的一次繞組106。H橋轉(zhuǎn)換器100的開關(guān)104對給定的輸入DC電壓102斬波來產(chǎn)生方形波形，其被饋送到變壓器108的一次繞組106。產(chǎn)生的方形波形具有等于輸入DC電壓102的峰值電壓。由于變壓器108的電感，變壓器108的二次繞組110的輸出112具有近似AC波形和等于輸入DC電壓102乘以變壓器108的匝數(shù)比的峰值電壓。通常，在變壓器108的二次繞組110中存在整流器，其將二次的近似AC波形整流成減少的幅度(與輸入DC電壓相比)的DC波形。
[0035]圖2是根據(jù)實施例的雙H橋的框圖。雙H橋200可以是轉(zhuǎn)換器，其包括具有一個共有相臂的兩個H橋并且提供兩個獨立H橋的功能性。在雙H橋200中，共有輸入電壓102被饋送到一組六個電子開關(guān)104 (例如IGBT)。開關(guān)104包括第一相臂(在本文稱為“階段A” 202)、第二相臂(在本文稱為“階段B”或“共有” 204)和第三相臂(在本文稱為“階段C”206)。每個相臂包括一對開關(guān)104。在實施例中，二極管208 (稱為“續(xù)流”或“反激”二極管)可與每個開關(guān)并聯(lián)地設置。階段A202和階段B204開關(guān)的輸出被饋送到第一變壓器210。階段B204和階段C206開關(guān)的輸出被饋送到第二變壓器212。在實施例中，第一變壓器210的輸出214用于對電池充電電路供電并且第二變壓器212的輸出216用于對場激勵器供電。雙H橋到電池充電電路和場激勵器的耦合在下文關(guān)于圖8進一步論述。
[0036]因為對應于三個階段的三個相臂202、204和206在雙H橋中使用，采用三相逆變器的硬件。雙H橋可在單個外殼中實現(xiàn)，該單個外殼使用單個散熱裝置來對開關(guān)104提供熱耗散。在實施例中，通過強制使空氣在散熱裝置上而冷卻散熱裝置。由于雙H橋拓撲，每個相臂中展現(xiàn)的功率損耗具有不同的功率損耗。此外，共有散熱裝置的強制空氣冷卻可以導致雙H橋的三個相臂周圍不均勻的冷卻空氣流，從而使熱阻與三個階段不均勻中的每個相關(guān)。雙H橋的功率處理能力大體上將受到最熱相臂的限制。從而，三個階段的不均勻功率分布和不均勻冷卻可使雙H橋的整體功率處理能力下降。根據(jù)實施例，開發(fā)用于分析雙H橋的熱響應的模型。
[0037]熱阻抗模型
[0038]圖3是示出根據(jù)實施例的雙H橋的熱網(wǎng)絡的框圖。如在圖3中示出的，熱網(wǎng)絡300包括包在雙模塊302中的三對IGBT，其中每個雙模塊302被包在套304中，該套304可以是例如由具有碳化硅微粒的鋁基組成的金屬基復合物。每個套304可耦合于具有導熱油脂層的散熱裝置。散熱裝置306可例如通過鰭310而與冷卻空氣流接觸。
[0039]每個雙模塊可包括一對IGBT，每個IGBT與它相應的二極管并聯(lián)耦合。如在圖3中示出的，P IGBT312代表在每個相應IGBT中轉(zhuǎn)換成熱的總功率，并且P 二極管314代表在每個相應二極管中轉(zhuǎn)換成熱的總功率。每個IGBT的結(jié)到套熱阻“Rth(IGBT j-c) ”由熱阻316表示，并且可近似是每瓦0.024開爾文(K/W)。每個二極管的結(jié)到套熱阻“Rth( 二極管j-c) ”由熱阻318表示，并且可近似是0.048K/W。散熱裝置與套之間的結(jié)的熱阻“Rth (c_h) ”由熱阻320表示并且可近似是0.018K/W。散熱裝置的熱阻“Rth (散熱裝置)”由熱阻322表示并且對于特定空氣流可近似是0.0218K/W。使用熱網(wǎng)絡300，可以分析不均勻冷卻散熱裝置306的熱行為來得到熱阻抗模型，其將在每個階段下最熱點到冷卻空氣的溫度之間的溫度差描述為空氣流的函數(shù)。所得結(jié)果可以在機車中實時使用。
[0040]圖4A-D是示出用于開發(fā)用于得到雙H橋的熱阻抗模型的數(shù)據(jù)的測試配置的框圖。如在圖4A-D中示出的，雙H橋的階段B在左邊，雙H橋的階段C在中間，并且雙H橋的階段A在右邊。電壓源208用于采用不同的組合向每個階段的IGBT提供穩(wěn)態(tài)電流Ιο，用于熱測試目的(在圖4A-D中示出)。如上文描述的，三個階段202、204和206中的每個熱耦合于相同的散熱裝置306。
[0041]圖4A示出測試配置，其中IGBT中的全部六個用相同的電流水平1供電。具體地，全部三個階段串聯(lián)電耦合在一起。圖4B示出測試配置，其中僅階段B和階段C串聯(lián)耦合并且由電流1供電。圖4C示出測試配置，其中僅階段C和階段A串聯(lián)耦合并且由電流1供電。圖4D示出測試配置，其中僅階段B由電流1供電并且階段C和階段A中的每個由1/2或用于對階段B供電的一半電流來供電。
[0042]對于圖4A-D中的每個測試配置，IGBT是全導通的并且不開關(guān)，因此，沒有電流流過二極管。溫度Ta代表在階段A202下套304中的最熱點處的溫度，如由標號210指示的。溫度Tb代表在階段B204下套304中的最熱點處的溫度，如由標號212指示的。溫度Tc代表在階段C206下套304中的最熱點處的溫度，如由標號214指示的。此外，Vce A+等于在階段A202中跨第一 IGBT的集電極到發(fā)射極電壓，Vce A-等于在階段B204中跨第二 IGBT的集電極到發(fā)射極電壓，并且對于階段中的每個都有這樣的一個。
[0043]考慮上文描述的模型，確定階段中的一個中的電流在雙H橋200中的階段中的每個的最熱點下對溫度所具有的熱效應，這是可能的。假設電流1施加到階段B的雙IGBT(其中兩個IGBT接通)，由IGBT對耗散的功率可以根據(jù)等式PB=1*(VceB++VceB-)來計算。由于由階段B耗散的功率，階段B的雙IGBT的最熱點下的溫度稱為TBl。溫差δ TBl可以計算為TBl減去空氣溫度Tair。如果電流1施加到階段C，由階段C IGBT耗散的功率可以根據(jù)等式PC=1*(VceC++VceC-)來計算并且由于階段C中的功率，階段B下最熱點處的溫度TB212稱為TB2。相似地，如果電流1施加到階段A，由階段A IGBT耗散的功率可以根據(jù)等式PA=1* (VceA++VceA-)來計算并且由于階段A中的功率，階段B下最熱點處的溫度TB212稱為TB3。
[0044]在階段B下由于階段B、C和A中的電流的熱阻提升溫度可以根據(jù)下面的等式來計算:
[0045]δ TB1=RB*PB
[0046]δ TB2=RBOPC
[0047]δ TB3=RBA*PA
[0048]在上文的等式中，RB是在階段B下由于階段B中的功率PB引起的熱阻提升溫度。RBC是在階段B下由于階段C中的功率PC引起的熱阻提升溫度。RBA是在階段B下由于階段A中的功率PA引起的熱阻提升溫度。因此，在階段B下的總溫差δΤΒ可以根據(jù)下面的等式來計算:
[0049]δ TB=RB*PB+RBC*PC+RBA*PA 等式 3.I[0050]對階段A和階段B重復相同的分析產(chǎn)生:
[0051]δ TC=RC*PC+RBC*PB+RCA* 等式 3.2
[0052]δ TA=RA*PA+RBA*PC+RBA*PB 等式 3.3
[0053]在上文的等式中，考慮RCB=RBC、RBA=RAB并且RCA=RAC。此外，熱阻大體上可表達為溫差除以功率，如在下文的等式3.4中示出的，其中X可以等于A、B或C。
[0054]RXt= δ ΤΧ/ΡΧ ;其中 Χ=Α、B 或 C 等式 3.4
[0055]將等式3.4帶入等式3.1、3.2和3.3產(chǎn)生:
[0056]RAt= δ TA/PA=RA+RCA* (PC/PA) +RBA* (PB/PA)等式 3.5
[0057]RBt= δ TB/PB=RB+RBA* (ΡΑ/ΡΒ) +RBC* (PC/PB)等式 3.6
[0058]RCt= δ TC/PC=RC+RBC* (PB/PC) +RCA* (PA/PC)等式 3.7
[0059]在上文的等式中，RAt代表階段A的有效熱阻，其如果乘以階段A的總功率(PA)將導致與等式3.3中的那個相同的δ TA，其中在三個階段之中的功率不同。相似的定義應用于RBt和RCt。使用上文描述的等式，熱測試可以使用在圖4A-C中示出的測試配置來實施。對于測試結(jié)果的分析，假設IGBT的部分到部分變化對Vce_sat具有可忽略的影響。因此，考慮在階段中的每個中耗散的功率由于電流1將近似相同并且在本文稱為Pphase。此外，Pphase是由電流1確定的已知值。為了確定δ TA、δ TB、δ TC,可使用在下文關(guān)于圖5示出的測試配置來進行溫度測量。
[0060]圖5是示出用于測量關(guān)于圖4和7論述的溫度的熱偶配置的框圖。如在圖5中示出的，熱偶500可在對應于階段Α202、階段Β204和階段C206的IGBT模塊中的每個下附連到套304。熱偶500標記為1-12。在下文描述的測試中，冷卻空氣流跨雙IGBT的全部三個均勻分布，如由箭頭502指示的。使用圖5的熱偶，可對在圖4A-C中示出的測試配置中的每個生成熱數(shù)據(jù)。在實施例中，四個熱偶設置在每個雙IGBT下以便識別階段下的最熱點。對于每個雙IGBT，由四個熱偶測量的最熱溫度可在分析中使用。
[0061]在圖4Α中示出的測試配置中，電流1施加到全部三個階段。因此，PA=PB=PC=Pphase。在到達穩(wěn)態(tài)后，可以測量在階段中的每個下的最熱點處的套304的溫度，并且流過散熱裝置的空氣的溫度可以控制在預選水平。使用功率數(shù)據(jù)和測量的溫度數(shù)據(jù)，熱阻RAt、RBt、RCt可以使用等式3.5、3.6和3.7來計算，其簡化成:
[0062]RAt_inv_TEST= δ TA/Pphase=RA+RBA+RCA 等式 3.8
[0063]RBt_inv_TEST= δ TB/Pphase=RB+RBA+RBC 等式 3.9
[0064]RCt_inv_TEST= δ TC/Pphase=RC+RBC+RCA 等式 3.10
[0065]在上文的等式中，RAt_inv_TEST、RBt_inv_TEST和 RCt_inv_TEST 是熱阻，對使用在圖4A中示出測試配置收集的數(shù)據(jù)計算RAt、RBt和RCt。對RAt_inv_TEST、RBt_inv_TEST的測試結(jié)果在表I和2中示出。如在表I和2中示出的，測試可以不同的電流水平和不同的空氣流率重復。
[0066]表1:RAt_inv_TEST
[0067]
【權(quán)利要求】
1.一種電子裝置，包括: 散熱裝置； 第一雙IGBT，其耦合于所述散熱裝置并且配置成向場激勵器提供電力； 第二雙IGBT，其耦合于所述散熱裝置并且配置成向電池提供電力； 第三雙IGBT，其耦合于所述散熱裝置并且對所述場激勵器和所述電池充電器是共有的； 單個溫度傳感器，其設置在所述散熱裝置中；以及 控制器，其配置成從所述單個溫度傳感器接收溫度讀數(shù)并且基于所述溫度讀數(shù)估計所述第一、第二或第三雙IGBT中的至少一個的結(jié)溫。
2.如權(quán)利要求1所述的電子裝置，其中，空氣施加到所述散熱裝置并且安置所述第二雙IGBT以與所述第一雙IGBT和所述第三雙IGBT相比接收施加于所述散熱裝置的空氣中的更多空氣。
3.如權(quán)利要求2所述的電子裝置，其中，所述第一、第二和第三雙IGBT關(guān)于空氣入口而設置使得所述第一雙IGBT最接近空氣入口，所述第三雙IGBT最遠離所述空氣入口，并且所述第二雙IGBT在所述第一與第三雙IGBT之間。
4.一種用于車輛的電力系統(tǒng)，包括: 散熱裝置； 第一雙IGBT，其耦合于所述散熱裝置并且配置成向場激勵器提供電力； 第二雙IGBT，其耦合于所述散熱裝置并且配置成向電池提供電力； 第三雙IGBT，其耦合于所述散熱裝置并且對所述場激勵器和所述電池充電器是共有的； 單個溫度傳感器，其設置在所述散熱裝置中；以及 控制器，其配置成從所述單個溫度傳感器接收溫度讀數(shù)并且基于所述溫度讀數(shù)估計所述第一、第二或第三雙IGBT中的至少一個的結(jié)溫。
5.如權(quán)利要求4所述的電力系統(tǒng)，其中，空氣施加到所述散熱裝置并且安置所述第二雙IGBT以與所述第一雙IGBT和所述第三雙IGBT相比接收施加于所述散熱裝置的空氣中的更多空氣。
【文檔編號】G06K1/12GK203733129SQ201290000321
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年2月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月28日
【發(fā)明者】D.約安尼季斯 申請人:通用電氣公司