DE10250731A1 - Method for monitoring junction temperatures of power semiconductors in multiphase inverters or rectifiers e.g. for road vehicles, involves using phase current of at least one selected bridge branch - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Sperrschichttemperatur von Leistungshalbleitern in mehrphasigen Wechselrichtern oder Gleichrichtern in Brückenschaltung, wobei eine Verlustleistung der Leistungshalbleiter und ein thermisches RC-Ersatzschaltbild wenigstens eines Teiles eines ausgebildeten Brückenzweigs zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiter herangezogen werden.The invention relates to a method for monitoring the junction temperature of power semiconductors in multiphase Inverters or rectifiers in bridge circuit, with a power dissipation the power semiconductor and a thermal RC equivalent circuit diagram at least part of a trained bridge branch for calculating the current junction temperatures of the power semiconductors used become.
Für elektrische Antriebe, z.B. in elektrischen oder hybriden Straßenfahrzeugen werden häufig spannungsgespeiste Wechselrichter benutzt. Bei Straßenfahrzeugen tritt der Betrieb mit hohen Strömen bei kleinen Drehzahlen auf und stellt eine thermische Gefährdung der Leistungshalbleiter des Wechselrichters dar.For electric drives, e.g. in electric or hybrid road vehicles are often tense Inverter used. In road vehicles, the operation occurs with high currents at low speeds and poses a thermal hazard to the Power semiconductor of the inverter is.
Bei leistungselektronischen Geräten wie beispielsweise spannungsgespeisten Wechselrichtern treten in den Leistungshalbleitern Verluste auf, die zu einer Erwärmung der Halbleiter führen. Die Halbleiterhersteller geben maximale Sperrschichttemperaturen an, bis zu denen der Halbleiter betrieben werden darf, z.B. 150°C. Auch ein nur kurzfristiges Überschreiten dieser maximalen Sperrschichttemperatur kann zu einer dauerhaften Schädigung des Halbleiters bzw. des Gerätes in dem der Halbleiter angeordnet ist (z.B. in einem Wechselrichter) führen. Um nun die Halbleiterbaulelemente wirksam vor Übertemperatur schützen bzw. bei einer drohenden Überhitzung entsprechend reagieren (z.B. Kühlung etc.) zu können, müssen deren aktuelle Sperrschichttemperaturen möglichst genau bestimmt werden.For power electronic devices such as For example, voltage-fed inverters enter the Power semiconductors losses, leading to a warming of the Lead semiconductor. Semiconductor manufacturers give maximum junction temperatures to which the semiconductor is allowed to operate, e.g. 150 ° C. Also a only short-term crossing This maximum junction temperature can become permanent damage of the semiconductor or the device in which the semiconductor is arranged (e.g., in an inverter) to lead. In order to effectively protect the Halbleiterbaulelemente from over-temperature or in case of impending overheating accordingly react (e.g., cooling etc.), have to their current junction temperatures are determined as accurately as possible.
Ein gattungsgemäßes Schutzkonzept ist beispielsweise in S. Konrad et al., Electro-thermal Model for Simulating Chip Temperature in PWM Inverters, PCIM 1995 – Official Proceedings of the thirtieth International Power Conversion Conference, 20.–22. Juni 1995 Nürnberg beschrieben. Darin wird anhand der Belastung des Wechselrichters, z.B. anhand der Motorströme, die in den Halbleitern auftretende Verlustleistung während des Betriebes berechnet und mit einer Nachbildung des thermischen Widerstandes der Halbleiter die Erwärmungen ermittelt. Zusammen mit einer gemessenen Kühler- oder Kühlmitteltemperatur die eine geeignete Kühlung des Wechselrichters erlaubt, ergibt sich daraus die Sperrschichttemperatur. Die thermischen Widerstände vom Halbleiter zum Kühlmittel, z.B. von Luft oder Wasser, sind durch die Materialien und den Aufbau des Leistungsteiles gegeben und können z.B. durch ein RC-Ersatzschaltbild nachgebildet werden. Ein derartiges RC-Ersatzschaltbild enthält mehrere thermische Widerstände Rth und Wärmekapazitäten Cth. Das Verhalten einer solchen Parallelschaltung von Rth und Cth ist durch eine Exponentialfunktion mit der Zeitkonstanten τth beschrieben. Die jeweils zusammengehörigen Widerstände und Kapazitäten ergeben die Zeitkonstanten τth1 = Rth1 × Cth1. Dabei handelt es sich beispielsweise um sieben Paare Rth und Cth, deren Zeitkonstanten im Bereich einer 100 μs bis einige 10 s liegen. Aus dem Strom und der Modulation einer Phase kann auf die jeweiligen Verlustleistungen in den IGBTs und den Dioden geschlossen werden. Aus den thermischen Modellen ergeben sich dann die jeweiligen Erwärmungen dieser Bauelemente. Die Bauelemente kühlen sich zwar in den Augenblicken, in denen sie keine Verlustleistung umsetzen, wieder ab, jedoch erfolgt eine stetige langsame Erwärmung des gesamten Aufbaus. Die Erwärmung pulsiert auch mit der Ausgangsfrequenz.A generic protection concept is, for example in S. Konrad et al., Electro-thermal Model for Simulating Chip Temperature in PWM Inverters, PCIM 1995 - Official Proceedings of the Thirtieth International Power Conversion Conference, 20th-22nd June 1995 Nuremberg described. This is based on the load of the inverter, e.g. based on the motor currents, the power dissipation occurring in the semiconductors during the Operation calculated and with a replica of the thermal resistance the semiconductor the warmings determined. Together with a measured radiator or coolant temperature the appropriate cooling of the inverter, this results in the junction temperature. The thermal resistances of Semiconductors to the coolant, e.g. of air or water, are due to the materials and the structure of the Power parts given and can e.g. through an RC equivalent circuit diagram be reproduced. Such an RC equivalent circuit diagram contains several thermal resistances Rth and heat capacity Cth. The Behavior of such a parallel circuit of Rth and Cth is through an exponential function with the time constant τth described. The respectively belonging together resistors and capacities give the time constants τth1 = Rth1 × Cth1. These are, for example, seven pairs Rth and Cth, whose time constants are in the range of 100 μs to a few 10 s. Out the current and the modulation of a phase can be applied to the respective Power losses in the IGBTs and the diodes are closed. From the thermal models then arise the respective warming of these components. The components cool in the moments, in which they implement no power loss, again off, but done a steady slow warming of the whole construction. The warming pulsates also with the output frequency.
Da ein Wechselrichter mit drei Brückenzweigen beispielsweise sechs IGBTs und sechs Dioden enthält, wäre für einen wirksamen Schutz gegenüber Temperatur die Berechnung von insgesamt zwölf Verlustleistungen und zwölf Erwärmungen notwendig. Dies gestaltet sich unter anderem deshalb schwierig, da sich die Zeitkonstanten der RC-Glieder über mehrere Zehnerpotenzen erstrecken und somit eine Berechnung in getrennten Zeitschleifen erfordern, da es sonst zu unumgänglichen Problemen der numerischen Genauigkeit kommt.As an inverter with three bridge branches For example, containing six IGBTs and six diodes would provide effective protection against temperature the calculation of a total of twelve power losses and twelve warming necessary. This is why, among other things, this is difficult since the time constants of the RC elements over several orders of magnitude extend and thus a calculation in separate time loops otherwise it becomes inevitable Problems of numerical accuracy comes.
Eine mögliche Vereinfachung (für Frequenzen > 0) ist, nur einen der drei (oder mehr) Brückenzweige zu berechnen, da die Ausgangsströme der drei Phasen grundsätzlich einander gleichen und nur einen zeitlichen Versatz aufweisen. Sinnvoller Weise wird zur Überwachung der Brückenzweig mit den kritischsten Kühlbedingungen herangezogen, beispielsweise derjenige, der von einer vorbeiströmenden Kühlflüssigkeit als letzter gekühlt wird (die Kühlflüssigkeit hat sich u.U. bereits geringfügig erwärmt).One possible simplification (for frequencies> 0) is just one the three (or more) bridge branches because the output currents of the three phases in principle are the same and have only a temporal offset. Meaningful way is for monitoring the bridge branch with the most critical cooling conditions used, for example, that of a flowing past coolant cooled last becomes (the coolant u.U. already slightly heated).
Da die positive Halbwelle der negativen Halbwelle des Phasenstroms betragsmäßig gleicht, kann eine weitere Verbesserung dadurch erreicht werden, dass ein Wechselrichter mit nur zwei thermischen Modellen, eines für den IGBT und eines für die gegenüberliegende Diode eines Brückenzweiges geschützt wird.Because the positive half wave of the negative half wave of the phase current is equal in magnitude, can Another improvement can be achieved by having an inverter with only two thermal models, one for the IGBT and one for the opposite Diode of a bridge branch protected becomes.
Wenn jedoch die Ausgangsfrequenz sehr niedrig oder gleich null ist, z.B. wenn der Motor vom Stillstand aus Drehmoment liefern soll, reichen diese Schutzkonzepte allein nicht aus. In diesem Fall nimmt die Schwankungsbreite der Temperaturen sehr stark zu und es kann zu einer Überschreitung der zulässigen Temperatur in einem Brückenzweig kommen, während das Modell einen anderen Brückenzweig überwacht. Verschärft wird diese Problematik dadurch, dass bei einem drei- oder mehrphasigen Wechselrichter vorher nicht feststeht, welche Phase bei einer Ausgangsfrequenz nahe null den höchsten Strom führt. Ebenso ist vorher nicht bekannt, ob das Vorzeichen des größ ten Stromes positiv oder negativ ist, was dazu führen kann, dass in einem Teil des Brückenzweiges eine Übertemperatur herrschen kann, während der andere Teil des Brückenzweiges, der vom thermischen Modell überwacht wird, keine Verlustleistung verursacht.However, if the output frequency is very low or zero, eg if the motor is to deliver torque from standstill, these protection concepts alone are not sufficient. In this case, the fluctuation range of the temperatures increases very much, and it may come to exceed the allowable temperature in a bridge branch, while the model monitors another bridge branch. This problem is exacerbated by the fact that in a three- or multi-phase inverter is not known beforehand, which phase at an output frequency near zero leads the highest current. Likewise, it is not known beforehand whether the sign of the largest current is positive or negative, which can lead to an over-temperature in one part of the bridge branch while the other part of the bridge branch, which is monitored by the thermal model, does not cause power loss.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung der Sperrschichttemperaturen von Leistungshalbleitern in mehrphasigen Wechselrichtern oder Gleichrichtern der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das die Nachteile des Standes der Technik löst, insbesondere eine einfache, sichere und genaue Möglichkeit zur Temperaturüberwachung aller eingesetzten Leistungshalbleiter liefert.The present invention is therefore the object of a method for monitoring the junction temperatures of power semiconductors in polyphase inverters or rectifiers the aforementioned To create a kind that solves the disadvantages of the prior art, in particular a simple, safe and accurate way to monitor temperature supplies all power semiconductors used.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiter bei einer über einem Grenzwert liegenden Ausgangsfrequenz des Wechselrichters oder Gleichrichters ein Phasenstrom des wenigstens einen ausgewählten Brückenzweigs zur Bestimmung der Verlustleistung herangezogen wird, wobei bei einer unter dem Grenzwert liegenden Ausgangsfrequenz der jeweils größte Betrag eines der Phasenströme der Brückenzweige zur Bestimmung der Verlustleistung herangezogen wird.According to the invention, this object is achieved solved, that for calculating the current junction temperatures of the power semiconductors at one over a limiting output frequency of the inverter or Rectifier a phase current of the at least one selected bridge branch used to determine the power loss, with at a lower than the limit output frequency of the largest amount one of the phase currents the bridge branches used to determine the power loss.
Demzufolge wird unterschieden zwischen einem Betrieb, bei dem die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters groß genug ist, dass zwei thermische Modelle (z.B. eines IGBT und einer Diode eines Brückenzweiges) zur Überwachung des gesamten Wechselrichters ausreichen, und einem Betrieb mit einer darunter liegenden Ausgangsfrequenz, bei dem jedoch anstelle des Phasenstroms des zu überwachenden Brückenzweiges der jeweils größte Betrag eines Phasenstroms zur Berechnung der Verlustleistungen in der Nachbildung herangezogen wird. Damit wird in einfacher und vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die Verlustleistung der Phase, die den größten Strom führt (worst case) verwendet wird. Des weiteren wird durch die Betragsbildung sichergestellt, dass immer der dadurch belastete Teil des Brückenzweigs nachgebildet wird (ein negativer Strom könnte in einem Teil des Brückenzweigs keinerlei Verluste verursachen, während er in einem anderen Teil des Brückenzweigs zu einer Übertemperatur führt). Somit können mit nur zwei thermischen Modellen, eines für einen IGBT und eines für eine Diode eines Brückenzweigs, alle Brückenzweige eines drei- oder mehrphasigen Wechselrichters geschützt werden. Es wird auch für kleine Ausgangsfrequenzen oder den Betrieb mit einer Ausgangsfrequenz null (z.B. Stillstand des Motors beim Anfahren) ein sicherer Schutz realisiert, unabhängig davon, in welcher Phase der größte Strom fließt und welches Vorzeichen dieser Strom hat.Consequently, a distinction is made between an operation where the output frequency of the inverter big enough is that two thermal models (e.g., an IGBT and a diode a bridge branch) for monitoring sufficient for the entire inverter, and for one operation with one underlying output frequency, but instead of the Phase current of the monitored bridge branch the largest amount of one Phase current for calculating the power losses in the replica is used. This is in a simple and advantageous way Ensures that the power loss of the phase, which is the largest current leads (worst case) is used. Furthermore, by the amount formation ensures that always the part of the bridge branch loaded by it is simulated (a negative stream could be in a part of the bridge branch cause no losses while in another part of the bridge branch leads to an over-temperature). Thus can with only two thermal models, one for an IGBT and one for a diode a bridge branch, all bridge branches a three-phase or multi-phase inverter. It will also be for small output frequencies or operation with an output frequency zero (e.g., motor stall when starting) provides safe protection realized, independent of which, in which phase the largest current flows and what sign this stream has.
Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass die Motordrehzahl zur Bestimmung der Ausgangsfrequenz verwendet wird.According to the invention, it may further be provided that the engine speed used to determine the output frequency becomes.
In einfacher und vorteilhafter Weise kann somit unter Vernachlässigung des Schlupfes auf die Ausgangsfrequenz des Wechsel- oder Gleichrichters geschlossen werden.In a simple and advantageous way can thus be neglected of the slip on the output frequency of the AC or rectifier closed become.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.Advantageous embodiments and Further developments of the invention will become apparent from the other dependent claims and from that described in principle below with reference to the drawing Embodiment.
Es zeigt:It shows:
Wie aus
Wird diese Temperaturgrenze auch
nur kurzfristig überschritten,
kann es zu einer dauerhaften Schädigung
des Halbleiters T1 bis T6, D1 bis D6 bzw. des Wechselrichters
Der Stand der Technik schlägt eine
Möglichkeit
zur Überwachung
der Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiter T1 bis T6,
D1 bis D6 vor, bei der durch die Belastung des Wechselrichters
Thermische Modelle vom Halbleiter
T1 bis T6, Dl bis D6 zum Kühlmittel
(nicht dargestellt), z.B. Luft oder Wasser, sind durch die Materialien
und den Aufbau des Leistungsteiles gegeben und werden jeweils in
Form eines in
Im Stand der Technik werden Vereinfachungen
(für Ausgangsfrequenzen
größer als
null) vorgeschlagen, bei denen nur einer der drei Brückenzweige
br, bs, bt überwacht
wird, da die Phasenströme ir(t),
is(t), it(t) einander gleichen (siehe
Der Stand der Technik schlägt eine
weitere Vereinfachung vor, die sich daraus ergibt, dass die positiven
Halbwellen den negativen Halbwellen der Phasenströme ir(t),
is(t), it(t) der negativen Halbwelle betragsmäßig gleichen. Wenn beispielsweise
die positive Halbwelle von ir(t) (siehe
Des weiteren ist vorher nicht bekannt,
ob das Vorzeichen des größten Phasenstromes
ir(t), is(t), it(t) positiv oder negativ ist. Ein negativer Strom
ir(t) (siehe
Erfindungsgemäß wird unterschieden zwischen
einem Betrieb, bei dem die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters
In
Durch das System
Demzufolge können in einfacher und vorteilhafter
Weise mit nur einem thermischen Modell für den IGBT T1 und einem thermischen
Modell für
die Diode D2 die Leistungshalbleiter T1 bis T6 und D1 bis D6 aller
Brückenzweige
r, s, t des dreiphasigen Wechselrichters
Claims (4)
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---|---|---|---|
DE2002150731 DE10250731A1 (en) | 2002-10-31 | 2002-10-31 | Method for monitoring junction temperatures of power semiconductors in multiphase inverters or rectifiers e.g. for road vehicles, involves using phase current of at least one selected bridge branch |
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Publication Number | Publication Date |
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ID=32115013
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