專利名稱：功率變換裝置以及使用該功率變換裝置的電梯裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括半導(dǎo)體開關(guān)元件的功率變換裝置以及使用該功率變換裝置 的電梯裝置。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等的半導(dǎo)體開關(guān)元件通常通 過錫焊固定在絕緣基板上。在半導(dǎo)體開關(guān)元件反復(fù)進(jìn)行接通和斷開的過程中，半導(dǎo)體開關(guān) 元件的溫度不斷上升和下降，由于半導(dǎo)體開關(guān)元件和絕緣基板之間的線膨脹系數(shù)的差異， 應(yīng)力集中在錫焊部分，從而會(huì)因?yàn)槠诙a(chǎn)生裂縫。隨著裂縫的增大，半導(dǎo)體開關(guān)元件的散 熱受到影響，最終因熱阻上升而導(dǎo)致半導(dǎo)體開關(guān)元件損壞。作為在半導(dǎo)體開關(guān)元件發(fā)生損 壞前檢測(cè)出熱阻上升的方法，例如在專利文獻(xiàn)1中公開了一種使用溫度檢測(cè)元件來檢測(cè)熱 阻上升的方法。此外，例如在專利文獻(xiàn)2中公開了一種通過安裝錫焊和電阻的層疊體來檢 測(cè)裂縫狀態(tài)的方法。此外，例如在專利文獻(xiàn)3公開中了一種方法，其在控制裝置中根據(jù)運(yùn)行指令來計(jì) 算損失，并根據(jù)上述計(jì)算的推測(cè)值與溫度變化率之間的關(guān)系來判斷正常還是異常，由此來 檢測(cè)因老化而引起的熱阻的增大。在上述現(xiàn)有技術(shù)中，專利文獻(xiàn)1需要使用溫度檢測(cè)元件，而專利文獻(xiàn)2則需要安裝 錫焊和電阻的層疊體，所以會(huì)影響半導(dǎo)體模塊的小型化。此外，在專利文獻(xiàn)3中，為了對(duì)損 失進(jìn)行運(yùn)算，需要設(shè)置昂貴的控制電路。另一方面，作為檢測(cè)溫度的方法，例如在專利文獻(xiàn)4中公開了一種利用由柵極電 阻的溫度而引起的電阻值的變化來檢測(cè)溫度的方法。此外，在專利文獻(xiàn)5中公開了在半導(dǎo) 體芯片上安裝柵極電阻的方法，根據(jù)安裝在半導(dǎo)體芯片上的柵極電阻的電阻值的變化，能 夠推測(cè)出半導(dǎo)體芯片的溫度。但是，即使知道了半導(dǎo)體芯片的溫度，但由于無法檢測(cè)到芯片 和殼體的熱阻，所以無法應(yīng)用在對(duì)裂縫進(jìn)展情況的檢測(cè)中。作為檢測(cè)在驅(qū)動(dòng)電梯用的功率變換裝置中使用的半導(dǎo)體模塊的熱阻變化的方法， 例如在專利文獻(xiàn)6中公開了一種方法，其檢測(cè)半導(dǎo)體模塊的殼體的溫度與散熱器溫度之間 的差值，并根據(jù)以特定的運(yùn)行模式使電梯運(yùn)行時(shí)的溫度差來判斷異常，此外，例如在專利文 獻(xiàn)7中公開了一種方法，其在半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部設(shè)置溫度傳感器，并且根據(jù)以預(yù)先設(shè)定的 運(yùn)行模式使電梯運(yùn)行時(shí)的溫度差與初始值相比增加了多少來檢測(cè)老化的程度。但在前者的 方法中無法檢測(cè)到半導(dǎo)體模塊內(nèi)部的焊錫裂縫，并且上述二種方法均需要在特定的運(yùn)行模 式下進(jìn)行溫度檢測(cè)，因此可能會(huì)降低電梯的服務(wù)質(zhì)量。另外，例如在專利文獻(xiàn)8中公開了一種方法，其用來檢測(cè)在電動(dòng)汽車或者混合動(dòng) 力汽車的驅(qū)動(dòng)用功率變換裝置中使用的半導(dǎo)體模塊的熱阻的變化。在該方法中，利用半導(dǎo) 體元件的電壓下降時(shí)的溫度特性，在車輛停止時(shí)進(jìn)行檢查以評(píng)價(jià)剩余的使用壽命。但是， 半導(dǎo)體元件的電壓下降在接通狀態(tài)下只有數(shù)伏特左右，而在斷開狀態(tài)下卻達(dá)到數(shù)百伏特以 上，所以難以進(jìn)行高精度的測(cè)量。此外，在該方法中，例如在測(cè)量上臂側(cè)的溫度上升時(shí)使下
3臂接通和斷開，但由于IGBT的接通電壓低，如果不使作為溫度測(cè)量對(duì)象的IGBT本身接通或 斷開，則無法使溫度上升到足夠的程度，因而難以進(jìn)行高精度的評(píng)價(jià)。另一方面，作為在正常的運(yùn)行時(shí)抑制IGBT的溫度上升的方法，例如在專利文獻(xiàn)9 中公開了一種方法，其設(shè)置有每隔一定期間使三相逆變器中的各相開關(guān)元件停止(例如上 臂側(cè)保持接通狀態(tài)而下臂側(cè)保持?jǐn)嚅_狀態(tài))來降低開關(guān)損失的二相調(diào)制模式，并且在逆變 器上安裝有溫度檢測(cè)元件，在判斷為溫度達(dá)到了規(guī)定溫度以上時(shí)切換為二相調(diào)制模式。但 是，上述方法雖然有助于避 免溫度超出容許溫度，但并不能判斷出老化的情況?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本國專利特開平9-148523號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本國專利特開2008-34707號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本國專利特開2003-134795號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4 日本國專利特開2000-124781號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)5 日本國專利特開2002-83964號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)6 日本國專利特開2007-269413號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)7 日本國專利特開2007-230728號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)8 日本國專利特開2002-119043號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)9 日本國專利特開2003-199381號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題而作出的，本發(fā)明的目的在于提供一 種能夠以比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)高精度地檢測(cè)出半導(dǎo)體模塊的老化的功率變換裝置以及使用該 功率變換裝置的電梯裝置。本發(fā)明的功率變換裝置，具有包括半導(dǎo)體開關(guān)元件的半導(dǎo)體模塊、使半導(dǎo)體開關(guān) 元件進(jìn)行接通或斷開的開關(guān)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)電路以及向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出接通或斷開指令信號(hào)的 控制裝置。并且本功率變換裝置還具有溫度檢測(cè)部分和老化判斷部分，所述溫度檢測(cè)部分 用于檢測(cè)半導(dǎo)體模塊的溫度，所述老化判斷部分根據(jù)溫度檢測(cè)部分的檢測(cè)結(jié)果來判斷半導(dǎo) 體模塊的老化，并且溫度檢測(cè)部分檢測(cè)使半導(dǎo)體開關(guān)元件的開關(guān)次數(shù)變化時(shí)的溫度。本發(fā)明的電梯裝置具有電梯轎廂、懸吊電梯轎廂的吊索以及驅(qū)動(dòng)吊索從而使所述 電梯轎廂升降的電動(dòng)機(jī)，并且使用上述本發(fā)明的功率變換裝置向電動(dòng)機(jī)供電。此外，在使開 關(guān)次數(shù)增大的期間，電梯轎廂的負(fù)載量為額定負(fù)載質(zhì)量的大約一半，具體來說是額定負(fù)載 質(zhì)量的0.3 0.7倍。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種能夠以比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)高精度地檢測(cè)出半導(dǎo)體模塊的 老化的功率變換裝置以及使用該功率變換裝置的電梯裝置。


圖1表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)。圖2表示第1實(shí)施方式的溫度曲線。圖3是第1實(shí)施方式的檢測(cè)方法的說明圖。
圖4表示第1實(shí)施方式的柵極電阻的溫度特性。圖5表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)。圖6表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式的檢測(cè)部分的結(jié)構(gòu)。圖7表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式的溫度曲線。圖8表示本發(fā)明的第5實(shí)施方式的適合檢測(cè)的范圍。符號(hào)說明1-逆變器；
2-PWM 整流器；3-柵極驅(qū)動(dòng)電路；4-老化判斷部分；5-控制裝置；6-電流傳感器；11 16、21 26-半導(dǎo)體模塊；31、32-柵極電阻；
43、46-電壓比較部分；44-檢測(cè)調(diào)整部分；45-檢測(cè)值存儲(chǔ)部分；47-判斷閾值；48-電壓比率比較部分；49-熱阻增大判斷部分；51-電梯控制部分；52-電流控制部分；53-調(diào)制方式切換部分；54-PWM載波產(chǎn)生部分；55-脈沖產(chǎn)生部分；56-脈沖發(fā)送部分；57-診斷結(jié)果輸出部分；58-診斷結(jié)果發(fā)送部分；71-商用電源；72-平滑電容器；73-電動(dòng)機(jī)；74-速度檢測(cè)器；81-電梯轎廂；82-負(fù)載傳感器；83-轉(zhuǎn)向滑輪；84-平衡重物；85-吊索；401-延遲電路；411、421-絕緣部分；
412,422-電壓檢測(cè)部分；
具體實(shí)施例方式圖1表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式的功率變換裝置以及使用該功率變換裝置進(jìn)行驅(qū) 動(dòng)控制的電梯裝置的大致結(jié)構(gòu)。在所述電梯裝置中，通過PWM整流器將來自商用電源71的 交流電2變換為直流電，并且通過平滑電容器72將該直流電供應(yīng)到逆變器1。在逆變器1 中將直流電變換為所需頻率的交流電，并將其供應(yīng)給由交流電驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)73。在電動(dòng)機(jī) 73、轉(zhuǎn)向滑輪83的兩側(cè)設(shè)置通過吊索85懸吊的電梯轎廂81和平衡重物84，通過使電動(dòng)機(jī) 73旋轉(zhuǎn)來使電梯轎廂81進(jìn)行升降。電梯裝置的控制由控制裝置5根據(jù)從電流傳感器6和 包括編碼器的速度檢測(cè)器74輸出的信號(hào)來進(jìn)行。在控制裝置5中，由電梯控制部分51根據(jù)速度檢測(cè)器74、電梯轎廂的負(fù)載傳感器 82以及未圖示的電梯的呼叫信息等來控制速度，并且在電流控制部分52中以達(dá)到所需轉(zhuǎn) 矩的方式控制電流。根據(jù)PWM載波產(chǎn)生部分54和電流控制部分52發(fā)出的指令，由脈沖產(chǎn) 生部分55產(chǎn)生PWM脈沖，并通過脈沖發(fā)送部分56向柵極驅(qū)動(dòng)電路3發(fā)送各個(gè)開關(guān)元件的 接通/斷開指令SG。柵極驅(qū)動(dòng)電路3將該接通/斷開指令信號(hào)變換為IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并 通過柵極電阻31、32施加?xùn)艠O電壓信號(hào)，由此來驅(qū)動(dòng)構(gòu)成逆變器1的各個(gè)半導(dǎo)體模塊11 16的半導(dǎo)體開關(guān)元件(在此為IGBT)。其中，在半導(dǎo)體模塊12的內(nèi)部，柵極電阻31安裝在 IGBT半導(dǎo)體芯片上，另一個(gè)柵極電阻32設(shè)置在與安裝有IGBT以及環(huán)流二極管的半導(dǎo)體芯 片的絕緣基 板121不同的另外的絕緣基板122上。柵極電阻31、32都具有電阻值隨著溫度 而變化的特性，所以能夠使用這些電阻來檢測(cè)溫度。在如圖1所示整流器側(cè)為PWM整流器2時(shí)，與逆變器1 一樣，使用了用于驅(qū)動(dòng)各個(gè) 半導(dǎo)體模塊21 26的半導(dǎo)體開關(guān)元件的控制電路以及柵極驅(qū)動(dòng)電路，由于其結(jié)構(gòu)與逆變 器相同，所以為了便于說明而省略了圖示?？刂蒲b置5具有用于在二相調(diào)制與三相調(diào)制之間進(jìn)行切換的調(diào)制式切換部分53， 脈沖產(chǎn)生部分55能夠根據(jù)切換部分53的切換指令產(chǎn)生二相調(diào)制開關(guān)以及三相調(diào)制開關(guān)的 脈沖。此外，還具有老化判斷部分4，從兩個(gè)柵極電阻31、32通過絕緣部分411以及421 由電壓檢測(cè)部分412以及422檢測(cè)柵極電阻的兩端電壓Vl以及V2，并通過電壓比較部分 43檢測(cè)電壓比V1/V2。作為對(duì)柵極電阻的兩端電壓進(jìn)行的檢測(cè)，檢測(cè)從柵極驅(qū)動(dòng)電路3供 給的柵極電流為最大值時(shí)的兩端電壓。圖3表示檢測(cè)的時(shí)序圖。如圖所示，從脈沖發(fā)送部分56發(fā)送到柵極驅(qū)動(dòng)電路3的 接通/斷開指令SG最初處于斷開狀態(tài)，而在時(shí)間點(diǎn)tlO處接到接通指令。由于柵極驅(qū)動(dòng)電 路3內(nèi)的例如光耦合器的延遲，柵極電流在時(shí)間點(diǎn)til處開始流過。柵極電壓由于柵極電 流流過而上升。柵極電流在時(shí)間點(diǎn)tl2達(dá)到峰值，此時(shí)，通過向電壓檢測(cè)部分412以及422 發(fā)送檢測(cè)指令SD來檢測(cè)柵極電阻的兩端電壓。從發(fā)出接通指令的時(shí)間點(diǎn)tlO到柵極電流 達(dá)到最大值的tl2為止的時(shí)間大致由柵極電源電壓和柵極電阻決定，所以能夠通過使時(shí)間 延遲該時(shí)間的延遲電路401施加檢測(cè)指令SD。由于柵極電流達(dá)到最大值時(shí)，柵極電阻的兩端電壓也達(dá)到最大值，所以也可以設(shè) 置成不使用從脈沖發(fā)送部分56發(fā)出的信號(hào)，而可以構(gòu)造成通過將逐次檢測(cè)出的數(shù)據(jù)與之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來獲取最大值，此時(shí)，由于柵極電流的變化速度快，所以優(yōu)選以高速進(jìn)行 比較運(yùn)算的處理。此后，柵極電壓Vge進(jìn)一步提高，并且在時(shí)間點(diǎn)tl3達(dá)到柵極閾值電壓，所以集極 電流Ic開始流過。由于集極電流Ic的上升，使得集極_射極電壓Vce降低與布線電感所 具有的電壓相應(yīng)大小的電壓。此后，Vce進(jìn)一步降低至接通恒定狀態(tài)。如此，由于在檢測(cè)到 柵極電阻的兩端電壓的時(shí)間點(diǎn)tl2，集極電流Ic以及集極-射極電壓Vce還沒有發(fā)生變化， 所以電位不發(fā)生變動(dòng)，從而不易發(fā)生雜波，因此能夠高精度地進(jìn)行檢測(cè)。此外，在時(shí)間點(diǎn)tl4 接到斷開指令后，在稍后的時(shí)間點(diǎn)tl5，柵極電流Ig開始朝著負(fù)的方向流動(dòng)，在時(shí)間點(diǎn)tl6， 電壓Vce開始上升而進(jìn)行斷開動(dòng)作。此時(shí)的柵極電阻的兩端電壓也能夠檢測(cè)到。以下參照?qǐng)D2對(duì)檢測(cè)由老化引起的熱阻增大的檢測(cè)方法進(jìn)行說明，圖2表示電梯 的運(yùn)行例的一部分，其表示了在時(shí)間點(diǎn)tl進(jìn)行加速并在時(shí)間點(diǎn)t2結(jié)束加速，此后以一定速 度進(jìn)行行駛時(shí)的速度ν、電動(dòng)機(jī)的電流i、半導(dǎo)體模塊12的半導(dǎo)體開關(guān)元件的損失P以及開 關(guān)元件的芯片與殼體之間的溫度差A(yù)Tj-c的變化。此外，電動(dòng)機(jī)的電流實(shí)際上是可變頻率 的正弦波狀的電流，但在此為了表示電流的大小，表示短時(shí)間的電流實(shí)際值。從時(shí)間點(diǎn)tl到時(shí)間點(diǎn)t2的期間為加速期間，此時(shí)速度ν增加。在加速中，由于慣 性的作用，時(shí)間點(diǎn)t2以后的恒定速度期間相比電流增大，所以損失也增大。此外，在實(shí)際的 電梯中，為了在加速期間中也能保持良好的乘坐舒適感而進(jìn)行加速度的變化等，所以速度 并不總是以線性方式增加，但在此為了便于說明，將加速度圖示為保持一定的加速度。在時(shí)間點(diǎn)t3為止的之前，以二相調(diào)制開關(guān)方式，也就是使三相中的一相按其大小 關(guān)系順序逐一停止開關(guān)的方式來降低開關(guān)損失，而在時(shí)間點(diǎn)t3到時(shí)間點(diǎn)t4的期間，切換為 使三相中的全部的相進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作的三相調(diào)制開關(guān)方式。由此，即使電流相同，損失也會(huì)增 大。在圖2的ATj-c中，以虛線表示半導(dǎo)體模塊的初始狀態(tài)，以實(shí)線表示因錫焊裂縫而出 現(xiàn)了老化時(shí)的狀態(tài)。在出現(xiàn)了老化的狀態(tài)下，由于熱阻增加，與初始狀態(tài)相比溫度上升。此 夕卜，采用二相調(diào)制開關(guān)方式的時(shí)間點(diǎn)t5和切換為三相調(diào)制開關(guān)方式后的時(shí)間點(diǎn)t6之間的 溫度差在劣化狀態(tài)下會(huì)增大(也就是ΔΤ> △ ΤΟ)。通常，為了對(duì)初始狀態(tài)和老化狀態(tài)進(jìn)行 直接比較，優(yōu)選在其他環(huán)境相一致的條件對(duì)兩者進(jìn)行比較，并且優(yōu)選將初始狀態(tài)存儲(chǔ)起來， 而在本實(shí)施方式中，能夠通過比較簡(jiǎn)單的電路或者方法來檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)t5與時(shí)間點(diǎn)t6的溫 度差。在一般的半導(dǎo)體模塊中，半導(dǎo)體芯片與殼體之間的熱阻以及殼體與散熱器之間的 熱阻成為恒定值大約需要1秒左右，另一方面，散熱器的熱時(shí)間常數(shù)的形成需要一分鐘到 數(shù)分鐘。所以，通過將時(shí)間點(diǎn)t3到時(shí)間點(diǎn)t4之間的時(shí)間設(shè)定為數(shù)秒，能夠使ATj-c產(chǎn)生 可以進(jìn)行檢測(cè)的充分的變化，并且散熱器的溫度幾乎不會(huì)上升。也就是說，通過將從二相調(diào) 制方式切換為三相調(diào)制方式后的增加開關(guān)次數(shù)的期間t3 t4設(shè)定為大于半導(dǎo)體芯片與 殼體之間的熱阻達(dá)到恒定值所需的時(shí)間，并且比半導(dǎo)體模塊的散熱器的熱時(shí)間常數(shù)短的時(shí) 間，能夠在不會(huì)降低散熱性能的情況下高精度地檢測(cè)到溫度Tc、Tj。此外，在樓層較高的建 筑物中，從入口樓層(例如1樓)直達(dá)觀光樓層的電梯中勻速保持時(shí)間在數(shù)十秒以上，所以能夠充分確保在該期間內(nèi)進(jìn)行從t3到t4的檢測(cè)所需的時(shí)間。以下對(duì)如何檢測(cè)因老化而引起的熱阻增大的方法進(jìn)行說明。圖4表示柵極電阻31以及32的溫度特性。在本實(shí)施方式所使用的柵極電阻中，125°C時(shí)的電阻值是25°C時(shí)的電阻值的2倍。在此，將柵極電阻31和32設(shè)定為相同的電阻值時(shí)，溫度為T時(shí)的電阻值R(T)由 式(1)表不。R(T) = RO · {1+(2R0-R0)/(125-25) · (T-25)}= RO · {1+R0 · (T_25)/100} ...(1)將安裝在半導(dǎo)體芯片上的柵極電阻31的電阻值設(shè)定為R1，將兩端電壓設(shè)定為VI， 將安裝在與安裝有半導(dǎo)體芯片的絕緣基板不同的其他絕緣基板上的柵極電阻32的電阻值 設(shè)定為R2，并且將兩端電壓設(shè)定為V2。其中，柵極電阻31的溫度為半導(dǎo) 體芯片的溫度Tj， 柵極電阻32的溫度為殼體溫度Tc。在本實(shí)施方式中，兩個(gè)電阻在25°C時(shí)的電阻值RO均為 1 Ω。
在圖2的時(shí)間點(diǎn)t5中，設(shè)殼體溫度Tc (t5) = 70°C，損失P (t5) = PO = IOOOw,并 且芯片與殼體之間的熱阻的標(biāo)準(zhǔn)值Rth(j-c) =0. 02[K/ff]時(shí)，Tj(t5)由式(2)表示。Tj (t5) = Tc (t5)+Rth (j-c) · P(t5) ... (2)= 70+0. 02 X 1000 = 90 °C由此，電阻值為，Rl (t5) = Rl (Τ = 90°C ) = 1 X {1+1 X (90-25)/100} = 1· 65 ΩR2 (t5) = R2(T = 70°C ) = 1 X {1+1 X (70-25)/100} = 1. 45 Ω設(shè)柵極電流的最大值為Ig(t5)時(shí)，各個(gè)柵極電阻的兩端電壓VI、V2如下所述。Vl (t5) = Ig (t5) · Rl (t5) = 1· 65 · Ig (t5)V2(t5) = Ig (t5) · R2 (t5) = 1. 45 · Ig (t5)通過圖1的電壓檢測(cè)部分412以及422來檢測(cè)出該電壓Vl (t5)以及V2(t5)，電壓 比較部分43的輸出滿足式(3)。(V1/V2) 115 = Vl (t5) /V2 (t5) = 1. 65/1. 45= 1. 138... (3)在檢測(cè)調(diào)整部分44中，在接收到由調(diào)制方式切換部分53在時(shí)間點(diǎn)t5發(fā)送的信號(hào) 后，將時(shí)間點(diǎn)t5時(shí)的V1/V2的值暫時(shí)存儲(chǔ)在檢測(cè)值容納部分45中。以下說明在圖2的時(shí)間點(diǎn)t6處芯片與殼體之間的熱阻Rth (j-c)沒有增加的情 況。假設(shè)相對(duì)于時(shí)間點(diǎn)t5處的損失P0，時(shí)間點(diǎn)t6處的損失為k倍。假設(shè)在時(shí)間點(diǎn)t6的 Tc中，半導(dǎo)體模塊的殼體與散熱器之間的熱阻為Rth(c-f) = 0.01 [K/W]，并由式(4)表示。 其中，將散熱器的溫度設(shè)定為Tfin。Tc(t6) = Tc (t5)+Rth (c-f) · (k_l) · PO+(Tfin (t6)-Tfin (t5))... (4)在此，由于從時(shí)間點(diǎn)t5到時(shí)間點(diǎn)t6的時(shí)間大致為數(shù)秒，所以散熱器的溫度變化可 以忽略。在損失方面，當(dāng)假設(shè)開關(guān)頻率為IOkHz左右時(shí)，開關(guān)損失的比率大于恒定損失，在 從二相調(diào)制變換為三相調(diào)制后，開關(guān)次數(shù)成為3/2 = 1. 5倍，在功率因數(shù)比較高(0. 9以上) 的情況下，在進(jìn)行二相調(diào)制時(shí)，在大電流值下進(jìn)行的開關(guān)動(dòng)作有時(shí)會(huì)停止，包括恒定損失在 內(nèi)的損失可能達(dá)到1. 5倍左右。在此，將損失的增大比率設(shè)定為k = 1. 5。Tc (t6) = 70+0. 01 X (1. 5-1) X 1000 = 75 °CTj (t6) = Tc (t6) +Rth (j-c) · P (t6)
= 75+0. 02X1. 5X1000 = 105°C由此，各個(gè)電阻值分別為Rl (t6) = 1 X {1+1 X (105-25)/100} = 1. 8 ΩR2 (t6) = 1 X {1+1 X (75-25)/100} = 1· 5 Ω因此，電壓比較部分43的輸出滿足式(5)。(V1/V2) 116 = Vl (t6) /V2 (t6) = 1. 8/1. 5 = 1. 2... (5)根據(jù)時(shí)間點(diǎn)t5處和時(shí)間點(diǎn)t6處的電壓比率，電壓比較部分46的式(3)和式(5) 之間的差通過以下的式(6)導(dǎo)出。(V1/V2) 116- (V1/V2) 115 = 1. 2-1. 138 = 0. 062 ...(6)以下對(duì)因老化而引起了熱阻增大時(shí)的情況進(jìn)行說明。在此，假設(shè)熱阻達(dá)到了 Y倍 時(shí)，老化后的熱阻Rth (j-c)’如式(7)所述。Rth(j-c)，= γ .Rth(j-c) ...(7)在此，假設(shè)Y=L 2、也就是芯片與殼體之間的熱阻為初期值的1. 2倍。首先，在假設(shè)損失為P，Rth (c-f)沒有發(fā)生老化的情況下，在時(shí)間點(diǎn)t5處的溫度與 沒有老化時(shí)相同，所以可以看作是1^(15)’=701。由于熱阻為Y倍，所以芯片溫度Tj可 由下式表示。Tj (t5)，= Tc(t5)，+Rth (j-c) · γ · PO= 70+0. 02 X 1· 2 X 1000 = 70+24 = 94°C為此，各個(gè)電阻值分別為Rl (t5)，= R1(T = 94°C ) = IX {1+1 X (94-25)/100}=1.69 ΩR2(t5)，= R2 (Τ = 70 °C ) = IX {1+1 X (70-25)/100}=1.45 Ω假設(shè)柵極電流的最大值為Ig(t5)，時(shí)，各個(gè)柵極電阻的兩端電壓VI、V2分別由下
式表不。Vl (t5)，= Ig (t5)，· Rl (t5)，= 1. 65 · Ig (t5)，V2 (t5)，= Ig (t5)，· R2 (t5)，= 1. 45 · Ig (t5)，通過圖1的電壓檢測(cè)部分412以及422來檢測(cè)出該電壓Vl(t5)’以及V2(t5)’，電 壓比較部分43的輸出由式(8)表示。(V1/V2) 115，= Vl (t5)，/V2 (t5)，= 1. 69/1. 45= 1. 166 ... (8)檢測(cè)調(diào)整部分44接收到調(diào)制方式切換部分53在時(shí)間點(diǎn)t5發(fā)送的信號(hào)后，將時(shí)間點(diǎn)t5處的V1/V2的值暫時(shí)容納在檢測(cè)值容納部分45中。以下對(duì)時(shí)間點(diǎn)t6的情況進(jìn)行說明。相對(duì)于時(shí)間點(diǎn)t5處的損失P0，時(shí)間點(diǎn)t6處 的損失為k倍。半導(dǎo)體模塊的殼體與散熱器之間的熱阻不發(fā)生變換而保持在Rth(c-f)= 0.01[K/W]，其由(9)表示。 Tc (t6)，= Tc (t5)，+Rth (c-f) · (k_l) · PO+ (Tfin (t6)，-Tfin (t5)，) ...(9)
在此，由于從時(shí)間點(diǎn)t5到時(shí)間點(diǎn)t6的時(shí)間大致為數(shù)秒，所以散熱器的溫度變化可 以忽略。
損失的增大比率與沒有發(fā)生老化時(shí)的情況相同，假設(shè)k = 1. 5時(shí)，Tc(t6)，= 70+0. 01 · (1. 5-1) · 1000 = 75 °CTj (t6)，= Tc(t6)，+Rth (j-c) · γ · P(t6)= 75+0. 02X1. 2X1. 5X1000 = 111°C由此，各個(gè)電阻值分別為Rl (t6)，= IX {1+1 X (111-25)/100} = 1. 86ΩR2(t6)，= IX {1+1 X (75-25)/100} = 1. 5Ω因此，電壓比較部分43的輸出滿足式(10)。 (V1/V2) t6，= Vl (t6)，/V2 (t6)，= 1. 86/1. 5 = 1. 24... (10)根據(jù)時(shí)間點(diǎn)t5處和時(shí)間點(diǎn)t6處的電壓比率，電壓比較部分46的式⑶和式(10) 之間的差通過下式(11)導(dǎo)出。(V1/V2) t6，-(V1/V2) t5，= 1. 24-1. 166 = 0.074... (11)在電壓比率比較部分48中，將老化前通過式(6)計(jì)算出的0.062以及老化時(shí)通過 式(11)計(jì)算出的0.074與判斷閾值47進(jìn)行比較。在此，通過將判斷閾值設(shè)定為0.070，能 夠檢測(cè)出熱阻的老化。在檢測(cè)出熱阻的老化時(shí)，從熱阻增大判斷部分49向控制裝置5內(nèi)的 電梯控制部分51傳送老化信息。老化信息49由診斷結(jié)果輸出部分57顯示，并且通過診斷 結(jié)果發(fā)送部分58發(fā)送到設(shè)置有未圖示的電梯的建筑物的管理室和電梯維修公司的遠(yuǎn)程監(jiān) 視室。由此，能夠使用圖2所示的損失增大時(shí)的溫度變化ΔΤ和ΔΤ0之間的差來檢測(cè)由 老化引起的熱阻的增大。在上述實(shí)施方式中，將熱阻的增大率、設(shè)定為1. 2，但也可以通過 改變判斷閾值47而設(shè)定為其他數(shù)值。此外，也可以在半導(dǎo)體模塊內(nèi)部設(shè)置老化判斷部分4，但為了實(shí)現(xiàn)功率變換裝置的 小型化，優(yōu)選使半導(dǎo)體模塊小型化。因此，優(yōu)選在半導(dǎo)體模塊中設(shè)置用于檢測(cè)柵極電阻31 以及32的兩端電壓的端子。上述實(shí)施方式適用于使功率變換裝置小型化，并且不需要使用昂貴的控制電路， 能夠在不降低電梯裝置的服務(wù)質(zhì)量的情況下檢測(cè)出半導(dǎo)體模塊的老化。圖5表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式的功率變換裝置以及使用該功率變換裝置的電梯 裝置。以下主要針對(duì)與圖1的實(shí)施方式不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。在本實(shí)施方式中，在圖2的時(shí)間點(diǎn)t5處改變開關(guān)頻率而使損失發(fā)生變化。在控制 裝置5中設(shè)置有與兩種開關(guān)頻率相對(duì)應(yīng)的PWM載波產(chǎn)生部分541和542，將其根據(jù)調(diào)制方式 切換部分53的指令由脈沖產(chǎn)生部分55進(jìn)行切換以決定使用哪個(gè)載波。由載波產(chǎn)生部分542產(chǎn)生的開關(guān)頻率被設(shè)定為比由載波產(chǎn)生部分541產(chǎn)生的開關(guān) 頻率更高。為此，通過在圖2的時(shí)間點(diǎn)t3 t4之間從載波產(chǎn)生部分541切換為載波產(chǎn)生 部分542，能夠與圖2的時(shí)間點(diǎn)t3 t4的狀態(tài)一樣地增大開關(guān)損失。此外，在本實(shí)施方式中，在溫度的檢測(cè)中沒有使用柵極電阻，而是根據(jù)設(shè)置在安裝 有開關(guān)元件的芯片的絕緣基板121上的溫度傳感器91以及測(cè)量殼體溫度的溫度傳感器92， 通過溫度檢測(cè)部分41以及42檢測(cè)出芯片溫度Tj和殼體溫度Tc，并通過溫度比較部分430 來檢測(cè)芯片溫度Tj和殼體溫度Tc之間的溫度差即溫度差A(yù)Tj-c。比較圖2中的時(shí)間點(diǎn) t5和時(shí)間點(diǎn)t6處的ATj-c，在兩者的差大于規(guī)定的閾值時(shí)，判斷熱阻在增大。在此，使用熱敏電阻等作為溫度傳感器。在本實(shí)施方式中，由于通過溫度傳感器直接檢測(cè)溫度，所以能夠使溫度差檢測(cè)部 分40的結(jié)構(gòu)變得更為簡(jiǎn)單。圖6表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式的功率變換裝置以及使用該功率變換裝置的電梯 裝置的一部分。此外，本圖中示出了圖1的逆變器1中的一個(gè)相。在一個(gè)半導(dǎo)體模塊IU中 包括上臂(11)和下臂(12)，在各個(gè)臂中并聯(lián)連接有多個(gè)(圖6中為3個(gè))半導(dǎo)體開關(guān)元 件。通過使上述半導(dǎo)體開關(guān)元件并聯(lián)連接來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體模塊的大容量化。此外，為了便于說 明，省略了上側(cè)臂(11)的圖示，但實(shí)際上上側(cè)臂中也并聯(lián)連接有相同數(shù)量的開關(guān)元件。此 夕卜，在此對(duì)下側(cè)臂(12)的半導(dǎo)體開關(guān)元件的溫度進(jìn)行檢測(cè)的理由是，由于上側(cè)臂(11)的半 導(dǎo)體開關(guān)元件的射極是連接在負(fù)載上的部分，其電位會(huì)因開關(guān)動(dòng)作而發(fā)生變動(dòng)，與此相比， 下側(cè)臂(12)的半導(dǎo)體開關(guān)元件的射極連接在負(fù)極上，其電位不會(huì)因開關(guān)動(dòng)作而發(fā)生變化， 因此雜波較少，能夠進(jìn)行高精度的檢測(cè)。針對(duì)與位于模塊中央部分的半導(dǎo)體開關(guān)元件1212連接的柵極電阻312檢測(cè)柵極 電壓。在半導(dǎo)體模塊中，電流在內(nèi)部的并聯(lián)元件之間被均勻分擔(dān)，各個(gè)元件的溫度大致相 同，但設(shè)置在半導(dǎo)體模塊的中央部分的元件的溫度容易上升，所以，為了提高老化檢測(cè)的可 靠性，在半導(dǎo)體模塊的中央部分進(jìn)行檢測(cè)。假設(shè)Tc = 70°C、Tj = 90°C時(shí)，Rl = R(90°C ) = 1· 65Ω，R2 = R(70°C ) = 1· 45Ω。 在此，假設(shè)流過柵極電阻32的柵極電流為Ig時(shí)，流過電阻312的電流中的柵極電流大致被 三等分而為Ig/3。因此，電阻的兩端電壓可由式(12)以及式(13)得到。Vl = Rl · Ig/3 = 1. 65/3 · Ig ... (12)V2 = R2 · Ig = 1. 45 · Ig— (13)為了與圖1的實(shí)施方式一樣地求出電壓比，對(duì)式(12)和式(13)中的電流值的差 值進(jìn)行修正。也就是說，通過并聯(lián)數(shù)修正部分414將電阻312的電壓檢測(cè)部分412的檢測(cè) 值乘以并聯(lián)數(shù)修正值413 (在此為3倍)，由此，在電壓比較部分43以后的部分能夠使用與 實(shí)施例1相同的電路以及計(jì)算方法。此外，在本實(shí)施方式中，將內(nèi)置在半導(dǎo)體芯片中的柵極電阻311 313的電阻值設(shè) 定成與設(shè)置在和上述柵極電阻不同的位置上的柵極電阻32的電阻值相同，但如果電阻值 不同，則只需根據(jù)電阻值以及并聯(lián)數(shù)量來變更并聯(lián)數(shù)修正值413的數(shù)值便可。圖7表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式的功率變換裝置以及使用該功率變換裝置的電梯 裝置中的熱阻增大的檢測(cè)方法。此外，圖7與第1實(shí)施方式的圖2相當(dāng)。在圖2中，通過增 加時(shí)間點(diǎn)t3到時(shí)間點(diǎn)t4之間的開關(guān)次數(shù)使損失增大，并根據(jù)損失增大時(shí)的溫度上升的變 化來檢測(cè)熱阻的增大，而在本實(shí)施方式中，則相反使時(shí)間點(diǎn)t3到時(shí)間點(diǎn)t4之間的開關(guān)次數(shù) 減少，并根據(jù)開關(guān)次數(shù)減少時(shí)的溫度差的變化來檢測(cè)熱阻的增大。溫度差△ T表示損失的 變化量ΔΡ與熱阻的積，所以，在因老化而引起的熱阻增大時(shí)，變化量也會(huì)增大。由此，與圖 2的使損失增大時(shí)的場(chǎng)合相同，能夠檢測(cè)到熱阻的增大。為了檢測(cè)熱阻的增大而增大損失時(shí)，需要注意不得讓Tj超過半導(dǎo)體開關(guān)元件的 容許溫度，但在本實(shí)施方式中可以不考慮容許溫度。圖8表示在本發(fā)明的第5實(shí)施方式的功率變換裝置以及使用該功率變換裝置的電 梯裝置中電梯進(jìn)行力行運(yùn)行時(shí)的電流和實(shí)際負(fù)載量相對(duì)于電梯額定負(fù)載質(zhì)量的負(fù)載率之間的關(guān)系。在一般的電梯中，平衡重物的重量被設(shè)定為在負(fù)載量為額定負(fù)載質(zhì)量的大約一 半時(shí)保持平衡。所以，在負(fù)載率約為0. 5時(shí)電流變得最小，在負(fù)載率為1. 0的情況下進(jìn)行上 升時(shí)以及在沒有負(fù)載的狀態(tài)下進(jìn)行下降時(shí)的電流增大。即使相對(duì)于負(fù)載率為1.0時(shí)的電流 值IO在2/3以下的范圍內(nèi)如圖2所示將二相調(diào)制方式變更為三相調(diào)制方式(開關(guān)次數(shù)達(dá) 到3/2倍)，由于損失不會(huì)超過電流值為IO時(shí)的損失，所以溫度Tj不會(huì)超過容許溫度。
如圖8所示，例如負(fù)載率為0. 3 0. 7，則即使將二相調(diào)制方式變更為三相調(diào)制方 式，電流也不會(huì)超出額定負(fù)載時(shí)的電流，所以，即使為了檢測(cè)熱阻而增大損失，半導(dǎo)體開關(guān) 元件的半導(dǎo)體芯片溫度也不會(huì)超出容許溫度。并且也可以設(shè)置成根據(jù)來自圖1或者圖5中 的負(fù)載傳感器82的信號(hào)，檢測(cè)負(fù)載率是否在能夠通過電梯控制部分51使損失增大的值的 范圍內(nèi)即0. 3 0. 7的范圍內(nèi)，并向調(diào)制方式切換部分53傳遞該信息來切換調(diào)制方式不言而喻，本發(fā)明并不僅限于以上的實(shí)施方式，在本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)可 以采用各種實(shí)施方式。例如，作為半導(dǎo)體開關(guān)元件，除了 IGBT以外，還可以使用功率MOSFET 等其他的半導(dǎo)體開關(guān)元件。此外，本發(fā)明并不僅限于逆變器，還可以運(yùn)用在使用半導(dǎo)體模塊 的轉(zhuǎn)換器和各種開關(guān)電源等中。進(jìn)而，本發(fā)明的功率變換裝置不僅可以應(yīng)用在電梯中，而且 還可以應(yīng)用在需要維持恒定電流狀態(tài)的其他裝置中，并且能夠得到相同的效果。
權(quán)利要求
一種功率變換裝置，其具有包括半導(dǎo)體開關(guān)元件的半導(dǎo)體模塊、使所述半導(dǎo)體開關(guān)元件進(jìn)行接通或斷開的開關(guān)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)電路以及向所述驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出接通或斷開指令信號(hào)的控制裝置，所述功率變換裝置的特征在于，具有溫度檢測(cè)部分和老化判斷部分，所述溫度檢測(cè)部分用于檢測(cè)所述半導(dǎo)體模塊的溫度，所述老化判斷部分根據(jù)所述溫度檢測(cè)部分的檢測(cè)結(jié)果來判斷所述半導(dǎo)體模塊的老化，所述溫度檢測(cè)部分檢測(cè)使所述半導(dǎo)體開關(guān)元件的開關(guān)次數(shù)變化時(shí)的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的功率變換裝置，其特征在于，所述控制裝置通過在二相調(diào)制和 三相調(diào)制之間切換開關(guān)調(diào)制模式來使所述開關(guān)次數(shù)變化。
3.如權(quán)利要求1所述的功率變換裝置，其特征在于，所述控制裝置通過改變開關(guān)頻率 來使所述開關(guān)次數(shù)變化。
4.如權(quán)利要求1至3中的任意一項(xiàng)所述的功率變換裝置，其特征在于，使所述開關(guān)次數(shù) 發(fā)生變化的期間比所述半導(dǎo)體模塊的所述半導(dǎo)體開關(guān)元件與殼體之間的熱阻達(dá)到恒定值 所需的時(shí)間長，但比所述半導(dǎo)體模塊的散熱器的熱時(shí)間常數(shù)小。
5.如權(quán)利要求1至3中的任意一項(xiàng)所述的功率變換裝置，其特征在于，所述溫度檢測(cè)部 分包括連接在所述半導(dǎo)體開關(guān)元件和所述驅(qū)動(dòng)電路之間的柵極電阻。
6.如權(quán)利要求5所述的功率變換裝置，其特征在于，所述溫度檢測(cè)部分具有電阻檢測(cè) 單元，在進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作時(shí)，該電阻檢測(cè)單元根據(jù)柵極電流高峰時(shí)的所述柵極電阻的兩端電 壓來檢測(cè)電阻值。
7.一種電梯裝置，其具有電梯轎廂、懸吊所述電梯轎廂的吊索、驅(qū)動(dòng)所述吊索以使所 述電梯轎廂進(jìn)行升降的電動(dòng)機(jī)以及向所述電動(dòng)機(jī)供電的功率變換裝置，所述電梯裝置的特 征在于，所述功率變換裝置具有包括半導(dǎo)體開關(guān)元件的半導(dǎo)體模塊、使所述半導(dǎo)體開關(guān)元件 進(jìn)行接通或斷開的開關(guān)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)電路以及向所述驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出接通或斷開指令信號(hào)的 控制裝置，并且還具有用于檢測(cè)所述半導(dǎo)體模塊的溫度的溫度檢測(cè)部分以及根據(jù)所述溫度 檢測(cè)部分的檢測(cè)結(jié)果來判斷所述半導(dǎo)體模塊的老化的老化判斷部分，此外，所述溫度檢測(cè)部分檢測(cè)使所述半導(dǎo)體開關(guān)元件的開關(guān)次數(shù)變化時(shí)的溫度，在使所述開關(guān)次數(shù)增加的期間，所述電梯轎廂的負(fù)載量為額定負(fù)載質(zhì)量的0. 3 0. 7倍。
全文摘要
提供一種能夠以比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)高精度地檢測(cè)出半導(dǎo)體模塊的老化的功率變換裝置以及使用該功率變換裝置的電梯裝置。該功率變換裝置具有包括半導(dǎo)體開關(guān)元件的半導(dǎo)體模塊、使所述半導(dǎo)體開關(guān)元件進(jìn)行接通或斷開的開關(guān)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)電路以及向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出接通或斷開指令信號(hào)的控制裝置，所述功率變換裝置還具有溫度檢測(cè)部分和老化判斷部分，該溫度檢測(cè)部分用于檢測(cè)半導(dǎo)體模塊的溫度，該老化判斷部分根據(jù)溫度檢測(cè)部分的檢測(cè)結(jié)果判斷半導(dǎo)體模塊的老化，溫度檢測(cè)部分檢測(cè)使半導(dǎo)體開關(guān)元件的開關(guān)次數(shù)變化時(shí)的溫度。
文檔編號(hào)H02M5/458GK101841245SQ20101011408
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者三田史明, 保立尚史, 大沼直人, 森和久, 石塚正人, 綾野秀樹, 蛭田清玄, 迫田友治 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所