專利名稱：功率變換裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及功率變換裝置，特別涉及用電動機驅動移動體的功率變換裝置。
背景技術：
在專利文獻I記載的功率變換裝置中，為了判定在混合動力型車輛中搭載的功率變換裝置的功率用半導體元件的壽命，在驅動車輛前驅動功率晶體管，以便以預定期間向電動機供給預定值的電流。而且，運算功率晶體管的熱阻值，并基于該熱阻值來判定壽命。現(xiàn)有技術文獻專利文獻
專利文獻I :特開2003-9541號公報

發(fā)明內容
發(fā)明要解決的課題但是，在專利文獻I中，作為電流指令，通過流過不產生轉矩的電流(d軸電流)來進行壽命判定，因此，根據(jù)電動機的磁極位置，能夠測定的開關元件變動，因此，難以在特定的開關元件中流過恒定的電流。另外，磁極位置的狀態(tài)不定，因此，根據(jù)條件有時產生幾乎無法實施評價的開關元件。另外，記載了僅根據(jù)旋轉坐標系的d軸的指令，對通過磁極位置選擇的固定坐標系(UVW相)的元件流過電流，但是在磁極位置的狀態(tài)不定的條件下難以始終流過恒定的電流值，針對評價判定的誤差有可能增大。而且，根據(jù)磁極位置選擇能夠測定的開關元件，因此，認為前提是在全部開關元件中安裝溫度檢測器，存在成本增加、裝置安裝復雜的問題。本發(fā)明的目的在于提供一種功率變換裝置，其在確保安全性的基礎上實施在特定的開關元件中流過恒定電流的控制，可以進行更準確的開關元件的壽命判定，并且可以削減溫度檢測器的數(shù)量。用于解決課題的手段為了達成上述課題，本發(fā)明提供一種功率變換裝置，設置有逆變器主電路、通過該逆變器主電路驅動的電動機、用于制動該電動機的制動裝置、運算用于驅動所述逆變器主電路的指令值的控制電路、使所述制動裝置動作或者確認所述制動裝置正在動作的機構、檢測在所述逆變器主電路中安裝的開關元件的溫度的溫度檢測器，所述功率變換裝置的特征在于，在使所述制動裝置動作的狀態(tài)下，從所述控制電路向所述逆變器主電路提供對特定的相流過預定電流的指令，使電流從所述逆變器主電路流向所述電動機，根據(jù)通過所述溫度檢測器檢測出的溫度信息評價所述開關元件的壽命。而且，本發(fā)明的特征在于，在功率變換裝置中，在使所述制動裝置動作的狀態(tài)下對特定的相流過的預定電流是混合了勵磁電流成分和轉矩電流成分的電流，所述電動機通過該混合電流產生的轉矩比所述制動裝置的制動轉矩小。而且，本發(fā)明的特征在于，在功率變換裝置中，所述溫度檢測器是構成所述逆變器主電路的模塊內的中央部芯片和位于最外周部的芯片這兩個芯片。而且，本發(fā)明的特征在于，在功率變換裝置中，流過所述預定電流的相是包含所述溫度檢測器檢測溫度的芯片的相，預定電流的大小與相的差異無關而為恒定值。而且，本發(fā)明的特征在于，在功率變換裝置中，構成所述逆變器主電路的元件模塊是安裝了逆變器的全部三相的量的開關元件的6合I形態(tài)的模塊，控制功率變換裝置的驅動，使得在穩(wěn)定狀態(tài)下各相發(fā)生大致均等的損失。而且，本發(fā)明的特征在于，在功率變換裝置中，檢測出的溫度值或溫度上升值，在相對于正常時的履歷增大預定量以上時，或者超過了預定的基準溫度值或基準溫度上升值時，顯示在顯示裝置中，或者發(fā)送到管理中心。而且，本發(fā)明的特征在于，在功率變換裝置中，檢測出的溫度值或溫度上升值，在相對于正常時的履歷大于預定量以上時，或者超過了預定的基準溫度值或基準溫度上升值 時，限制逆變器主電路的輸出功率。而且，本發(fā)明的特征在于，在功率變換裝置中，在移動體運轉前、或者實施了預定的運轉后的停止狀態(tài)、或者預定時刻實施所述開關元件的壽命評價。另外，為了達成上述課題，本發(fā)明提供一種功率變換裝置，具備逆變器主電路、通過所述逆變器主電路驅動的電動機、用于制動該電動機的制動裝置、運算用于驅動所述逆變器主電路的指令值的控制電路、使所述制動裝置動作或者確認所述制動裝置正在動作的機構、在所述逆變器主電路中安裝的開關元件的端子間的電壓檢測器，所述功率變換裝置的特征在于，在使所述制動裝置動作的狀態(tài)下，從所述控制電路向所述逆變器主電路提供對連接有所述電壓檢測器的相流過預定電流的指令，使電流從所述逆變器主電路流向所述電動機，根據(jù)通過所述電壓檢測器檢測出的電壓信息來評價所述開關元件的壽命。而且，本發(fā)明的特征在于，在功率變換裝置中，在使所述制動裝置動作的狀態(tài)下對特定的相流過的預定電流是混合了勵磁電流成分和轉矩電流成分的電流，所述電動機通過該混合電流產生的轉矩比所述制動裝置的制動轉矩小。而且，本發(fā)明的特征在于，在功率變換裝置中，在使所述制動裝置動作的狀態(tài)下對特定的相流過的預定電流是混合了勵磁電流成分和轉矩電流成分的電流，所述電動機通過該混合電流產生的轉矩比所述制動裝置的制動轉矩小。而且，本發(fā)明的特征在于，在功率變換裝置中，根據(jù)通過所述電壓檢測器檢測出的電壓運算熱阻值，當運算出的熱阻值相對于正常時的履歷大于預定量以上時，或者超過了預定的基準熱阻值時，顯示在顯示裝置中，或者發(fā)送到管理中心。而且，本發(fā)明的特征在于，在功率變換裝置中，根據(jù)通過所述電壓檢測器檢測出的電壓運算熱阻值，當運算出的熱阻值相對于正常時的履歷大于預定量以上時，或者超過了預定的基準熱阻值時，限制逆變器主電路的輸出功率。而且，本發(fā)明的特征在于，在功率變換裝置中，在移動體運轉前、或者實施了預定的運轉后的停止狀態(tài)、或者預定時刻實施所述開關元件的壽命評價。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，提供一種功率變換裝置，其在確保安全性的基礎上實施在特定的開關元件中流過恒定電流的控制，由此實現(xiàn)更準確的開關元件的壽命判定，并且削減了溫度檢測器的數(shù)量。


圖I是表示本發(fā)明的第一實施例的結構圖。圖2是表示第一實施例中的元件模塊內的芯片配置的例子的圖。圖3是圖2的虛線部分的截面圖。圖4是與速度指令對應的結溫度和芯片下溫度的例子。圖5是表示半導體元件的周期壽命特性的一例的圖。圖6是第一實施例中的主電路逆變器控制的框圖。圖7是第一實施例中的壽命評價的流程圖。 圖8是第一實施例中的壽命判定的例子。圖9是表示本發(fā)明的第二實施例的結構圖。圖10是第二實施例中的壽命評價的流程圖。圖11是第二實施例中的壽命判定的例子。圖12是在電梯中使用第一實施例或第二實施例的情況下的例子。圖13是在電動汽車中使用第一實施例或第二實施例的情況下的例子。
具體實施例方式以下，參照

本發(fā)明的實施方式。實施例I圖I是本發(fā)明的第一實施例的功率變換裝置，由以下各部構成逆變器主電路101 ;通過所述逆變器主電路101驅動的電動機102 ;用于制動所述電動機102的制動裝置103 ;檢測所述電動機102的磁極位置以及旋轉速度的旋轉式編碼器104 ;檢測從所述逆變器主電路101向所述電動機102輸出的電流的電流檢測器105 ;實施利用來自所述旋轉式編碼器104的磁極位置信號以及來自所述電流檢測器105的電流信號來控制所述逆變器主電路101的運算的控制電路106 ;實施所述制動裝置103的動作/解除的制動器電路107 ；根據(jù)從所述逆變器主電路101輸出的開關元件的信息評價其壽命的壽命評價電路108。在逆變器主電路101中使用了元件模塊109，在第一實施例中使用了將輸出的3相(UVff相)的6個開關元件搭載在一個模塊中的所謂的6合I模塊。圖2是表示圖I中的元件模塊109的內部的芯片配置例的圖。逆變器主電路的各相是串聯(lián)連接了由IGBT、晶體管、MOS-FET等開關部分和二極管部分構成的開關元件的結構。例如，圖I的U相正極側的開關元件109UP如圖2的虛線部分所示，由搭載了開關部分的芯片Tup和二極管部分的芯片Dup的基板構成，成為與同樣構成的U相負極側的搭載了開關部分的芯片Tun和二極管部分的芯片Dun的基板電氣串聯(lián)連接的結構。另外，關于V相正極側的搭載了開關部分的芯片Tvp和二極管部分的芯片Dvp的基板以及V相負極側的搭載了開關部分的芯片Tvn和二極管部分的芯片Dvn的基板、W相正極側的搭載了開關部分的芯片Twp和二極管部分的芯片Dwp的基板以及V相負極側的搭載了開關部分的芯片Twn和二極管部分的芯片Dwn的基板，也同樣分別成為串聯(lián)連接的結構。在圖2中，以在左側配置U相，在中央配置V相，在右側配置W相的結構為例。圖3是圖2的虛線部分(搭載了開關部分的芯片Tup和二極管部分的芯片Dup的基板部分)的截面圖的例子，在開關部分的芯片Tup以及二極管部分的芯片Dup的下部經(jīng)由上側焊錫層114a連接了金屬圖案111a。而且，金屬圖案Illa經(jīng)由絕緣基板112a與金屬圖案Illb連接，金屬圖案Illb成為經(jīng)由與全部基板連接的絕緣基板112b、下側焊錫層114b與金屬底板113連接的層疊構造。另外，開關部分的芯片Tup以及二極管部分的芯片Dup通過金屬導線115與金屬圖案連接。開關元件的劣化現(xiàn)象，主要由于逆變器的運轉/停止的重復所引起的溫度變化，例如在金屬底板113和下側焊錫層114b中由于金屬間的熱膨脹率的差異而產生應力，如圖3的下側焊錫層114b那樣產生裂紋。同樣地，由于芯片上的溫度變化，如圖3的上側焊錫層114a那樣產生裂紋，或者發(fā)生金屬導線115的剝落。這些裂紋現(xiàn)象或剝落現(xiàn)象導致散熱的惡化，因此，溫度變化量進一步增加，導致芯片損壞。圖4是與速度指令對應的結溫度和芯片下溫度的例子。在此，結溫度是芯片的溫度，芯片下溫度是芯片正下部分的金屬底板113的溫度。結溫度，熱變化的時間常數(shù)小，因此，在速度增加的加速區(qū)域(輸出轉矩大，流過比較大的電流的區(qū)域)溫度增加，在恒定速度 區(qū)域以及減速區(qū)域溫度降低。另一方面，芯片下溫度，由于一般與熱容量大的散熱片等散熱部件連接，因此熱時間常數(shù)增大，在運轉過程中溫度慢慢增加。熱時間常數(shù)大，溫度的上升變緩慢，反之，停止時的溫度的下降也變緩慢。因此，在運轉和停止頻繁連續(xù)的情況下，在停止時在芯片下溫度下降到原來的溫度之前改為上升，溫度隨著時間經(jīng)過而上升。而且，以該上升量增加的形態(tài)，結溫度的峰值也增加。一般來說，結溫度的變化量ATj影響上側焊錫層114a的裂紋或金屬導線的剝落，芯片下溫度的變化量ATc影響下側焊錫層114b。圖5是表示半導體元件的周期壽命特性的一例的圖。開關元件的壽命與結溫度的變化量ATj以及芯片下溫度的變化量ATc成反比例地縮短。在著眼于下側焊錫層114b的裂紋時，由于應力應變的關系，具有從下側焊錫層114b的外周部分向中央發(fā)展的傾向。因此，從接近外周部的芯片(在圖2的例子的情況下相當于Dup、Dun、Dwp、Dwn)散熱不斷惡化,相應的芯片上的溫度上升增大。另一方面，在著眼于上側焊錫層114a的裂紋或金屬導線115的剝落時，容易從中央的芯片發(fā)生。其主要原因在于，逆變器的主電路自身一般各相都均等地發(fā)生熱損失，但是在圖2的芯片配置中受到其它相的發(fā)熱的熱干擾的影響，因此在金屬底板113上中央部分成為最高溫。其結果，中央部分的芯片部分(在圖2的例子的情況下相當于Tvp、Tvn)的上側焊錫層114a的裂紋或金屬導線115的剝落變得顯著。在上側焊錫層114a的裂紋發(fā)生的情況下，與下側焊錫層114b的情況同樣地發(fā)生散熱的惡化，因此，相應芯片的溫度上升。另外，在金屬導線115剝落的情況下電阻量也增加，因此，發(fā)生相應芯片的溫度上升。因此，如圖2所示，通過僅在中央部分的芯片和最外周部分的芯片上連接溫度檢測用二極管或熱電偶等溫度檢測器IlOaUlOb來評價溫度，可以檢測出下側焊錫層114b的劣化以及上側焊錫層114a的劣化/金屬導線115的剝落最顯著的部分。接著，說明第一實施例中的逆變器主電路101的控制。圖6是第一實施例中的主電路逆變器控制的框圖。在圖6中，通過3相/2相變換部116把從電流檢測器5得到的固定坐標系的各相Uvw相)的電流信號變換為旋轉坐標系(dq相)的信號(Idf，Iqf )。旋轉坐標系的d軸和q軸垂直，一般來說，d軸成為處理電動機的勵磁成分的軸，q軸成為處理電動機的轉矩成分的軸。即，在電動機102的控制中，通過變換為旋轉坐標系能夠獨立地控制勵磁和轉矩。為使所述旋轉坐標系的信號(Idf，Iqf)跟蹤電流指令值(IcT，Iq*)，將各自的差分輸入d軸電流控制系統(tǒng)117d以及q軸電流控制系統(tǒng)117q。而且，通過將其輸出結果(旋轉坐標系中的電壓指令)輸入2相/3相變換部118，變換為固定坐標系，通過脈沖寬度調制變換部119生成控制了脈沖寬度的矩形波脈沖，作為逆變器主電路101的各元件的電壓指令。為了實施準確的溫度評價，有必要對特定的開關元件始終流過恒定的電流來進行評價。即，用于使在固定坐標系的特定的相的半導體開關中流過恒定電流的旋轉坐標系中的電流指令值(IcT，Iq*)的決定方法是重要的。在[式I]中表示旋轉坐標系和固定坐標系的關系式。[數(shù)學式I]
權利要求
1.一種功率變換裝置，其設置有逆變器主電路、通過該逆變器主電路驅動的電動機、用于制動該電動機的制動裝置、運算用于驅動所述逆變器主電路的指令值的控制電路、使所述制動裝置動作或者確認所述制動裝置正在動作的機構、檢測在所述逆變器主電路中安裝的開關元件的溫度的溫度檢測器，所述功率變換裝置的特征在于， 在使所述制動裝置動作的狀態(tài)下，從所述控制電路向所述逆變器主電路提供對特定的相流過預定電流的指令，使電流從所述逆變器主電路流向所述電動機，根據(jù)通過所述溫度檢測器檢測出的溫度信息評價所述開關元件的壽命。
2.根據(jù)權利要求I所述的功率變換裝置，其特征在于， 在使所述制動裝置動作的狀態(tài)下對特定的相流過的預定電流是混合了勵磁電流成分和轉矩電流成分的電流，所述電動機通過該混合電流產生的轉矩比所述制動裝置的制動轉矩小。
3.根據(jù)權利要求2所述的功率變換裝置，其特征在于， 所述溫度檢測器是構成所述逆變器主電路的模塊內的中央部芯片和位于最外周部的芯片這兩個芯片。
4.根據(jù)權利要求2所述的功率變換裝置，其特征在于， 流過所述預定電流的相是包含所述溫度檢測器檢測溫度的芯片的相，預定電流的大小與相的差異無關而為恒定值。
5.根據(jù)權利要求3所述的功率變換裝置，其特征在于， 構成所述逆變器主電路的元件模塊是安裝了逆變器的全部三相的量的開關元件的6合I形態(tài)的模塊，控制功率變換裝置的驅動，使得在穩(wěn)定狀態(tài)下各相發(fā)生大致均等的損失。
6.根據(jù)權利要求I至5中任意一項所述的功率變換裝置，其特征在于， 檢測出的溫度值或溫度上升值，在相對于正常時的履歷大于預定量以上時，或者超過了預定的基準溫度值或基準溫度上升值時，顯示在顯示裝置中，或者發(fā)送到管理中心。
7.根據(jù)權利要求I至5中任意一項所述的功率變換裝置，其特征在于， 檢測出的溫度值或溫度上升值，在相對于正常時的履歷增大預定量以上時，或者超過了預定的基準溫度值或基準溫度上升值時，限制逆變器主電路的輸出功率。
8.根據(jù)權利要求I至7中任意一項所述的功率變換裝置，其特征在于， 在移動體運轉前、或者實施了預定的運轉后的停止狀態(tài)、或者預定時刻實施所述開關元件的壽命評價。
9.一種功率變換裝置，其具備逆變器主電路、通過所述逆變器主電路驅動的電動機、用于制動該電動機的制動裝置、運算用于驅動所述逆變器主電路的指令值的控制電路、使所述制動裝置動作或者確認所述制動裝置正在動作的機構、在所述逆變器主電路中安裝的開關元件的端子間的電壓檢測器，所述功率變換裝置的特征在于， 在使所述制動裝置動作的狀態(tài)下，從所述控制電路向所述逆變器主電路提供對連接有所述電壓檢測器的相流過預定電流的指令，使電流從所述逆變器主電路流向所述電動機，根據(jù)通過所述電壓檢測器檢測出的電壓信息來評價所述開關元件的壽命。
10.根據(jù)權利要求9所述的功率變換裝置，其特征在于， 在使所述制動裝置動作的狀態(tài)下對特定的相流過的預定電流是混合了勵磁電流成分和轉矩電流成分的電流，所述電動機通過該混合電流產生的轉矩比所述制動裝置的制動轉矩小。
11.根據(jù)權利要求9所述的功率變換裝置，其特征在于， 在使所述制動裝置動作的狀態(tài)下對特定的相流過的預定電流是混合了勵磁電流成分和轉矩電流成分的電流，所述電動機通過該混合電流產生的轉矩比所述制動裝置的制動轉矩小。
12.根據(jù)權利要求9至11中任意一項所述的功率變換裝置，其特征在于， 根據(jù)通過所述電壓檢測器檢測出的電壓運算熱阻值，當運算出的熱阻值相對于正常時的履歷大于預定量以上時，或者超過了預定的基準熱阻值時，顯示在顯示裝置中，或者發(fā)送到管理中心。
13.根據(jù)權利要求9至11中任意一項所述的功率變換裝置，其特征在于， 根據(jù)通過所述電壓檢測器檢測出的電壓運算熱阻值，當運算出的熱阻值相對于正常時的履歷增大預定量以上時，或者超過了預定的基準熱阻值時，限制逆變器主電路的輸出功率。
14.根據(jù)權利要求9至13中任意一項所述的功率變換裝置，其特征在于， 在移動體運轉前、或者實施了預定的運轉后的停止狀態(tài)、或者預定時刻實施所述開關元件的壽命評價
全文摘要
本發(fā)明提供一種功率變換裝置，其在滿足安全性的基礎上實施在特定的開關元件中流過恒定電流的控制，可以進行更準確的開關元件的壽命判定，并且可以減少溫度檢測器的數(shù)量。為了解決上述課題，本發(fā)明設置了使制動裝置動作或者確認制動機構正在動作的機構，在制動機構的制動轉矩的范圍內，在旋轉坐標系的d軸和q軸上流過電流，對希望的元件提供希望的電流。而且，限于在上側焊錫層的龜裂或線焊的剝落容易發(fā)生的部分的芯片和下側焊錫層的龜裂容易發(fā)生的芯片中安裝溫度檢測器。根據(jù)本發(fā)明，即使用少量的溫度檢測器也可以進行半導體模塊的準確的壽命評價。
文檔編號H02P23/00GK102783014SQ20108006451
公開日2012年11月14日 申請日期2010年3月10日 優(yōu)先權日2010年3月10日
發(fā)明者國廣真實, 小南勉, 小川和俊, 石川勝美, 綾野秀樹 申請人:株式會社日立制作所