[发明专利]电力电子模块绝缘栅双极型晶体管保护方法和系统

说明书

技术领域

本发明一般地涉及功率转换器和逆变器领域。更具体地，本发明涉及用于防止过热所导致的电动机驱动电路的故障。

背景技术

功率逆变器和转换器通常采用功率模块来创建期望的输出电流波形，以对各种设备(例如电动机和其它装置)供电。例如，输出电流波形的频率和幅度可通过例如改变电动机的速度或转矩而影响设备的工作。一些功率模块通过脉宽调制来创建期望的输出电流波形，其中，使得功率半导体开关(例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT))按特定顺序快速导通和截止，从而创建近似正弦输出电流波形。此外，高IGBT开关速度易产生更平滑更理想的正弦波形，在一些应用中可能期望如此。例如，在加热系统、通风系统以及空调系统中，更平滑的正弦波形将减小系统噪声和振动。

然而，高IGBT开关速度可易提高IGBT的结温，这可能随着时间导致更大的机械应力以及增加的IGBT故障率。已经尝试通过限制最大绝对IGBT结温来减少IGBT故障。然而，这些技术未能解决在启动条件或低速条件下易出现的增加的应力，其中，IGBT在低输出频率时易经历高电流。

因此，有利的是，提供一种在启动条件和低速高电流条件下尤其有效的减小IGBT热应力的系统和方法。具体地，有利地，提供一种减小IGBT结(即半导体芯片自身)以及外壳(即包含半导体芯片的封装)的温度变化的方法。

发明内容

本发明一般地涉及一种设计用于解决上述需求的IGBT保护机制配置。实施例包括用于减小逆变器模块的开关频率以避免高结温变化的系统和方法。实施例还包括用于估计预期的结温变化的方法。

附图说明

参照附图阅读以下详细描述，可更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在各图中，相似的标号表示相似的部分，其中：

图1是根据本发明实施例的采用用于防止高结温变化的电路的电动机驱动系统的框图；

图2是示出图1的电动机驱动系统的逆变器模块的简化电路图；

图3是图2所示的逆变器模块的IGBT的侧视图，示出与之关联的故障模式；

图4描述图2所示的逆变器模块的热网络模型；

图5示出相对于输出电流的结温变化；

图6示出作为开关频率和输出频率的函数的最大结温变化；

图7是描述对逆变器模块的开关频率进行控制的一种方法的流程图。

具体实施方式

本发明实施例涉及减小结温的大变化所导致的IGBT上的机械应力。大的结温变化可有助于特别高级别的机械应力，原因在于，IGBT封装内的各种材料的不同膨胀率可能导致引线键合以及相似的接触件中引线损伤增长。因此，减小结温变化可导致较长寿命的逆变器模块。在本发明实施例中，通过控制开关频率来控制结温变化。因为最高结温变化易在启动或低速、高电流条件下出现，所以可仅在启动期间内的短时间内减小开关频率，此后可以增加开关频率，以提供更平滑的正弦波形。

图1示出示例性电动机控制系统10，其采用了用于在各种工作条件下防止极端的结温变化的电路。三相电源12将三相电压波形以恒定频率提供给整流器14，并且可以得自发生器或外部电网。整流器14执行三相电压波形的全波整流，将直流(DC)电压输出到逆变器模块16。

逆变器模块16接受来自整流器电路14的DC电压的正线和负线，并且输出具有独立于三相电源12的频率的期望频率的离散三相波形。驱动器电路18向逆变器模块16提供适当的信号，使得逆变器模块16能够输出波形。所得三相波形此后可驱动负载(例如电动机20)。

控制电路22可从远程控制电路24接收命令，使用所述命令来使驱动器电路18能够正确地控制逆变器模块16。在一些实施例中，电动机控制系统可以包括一个或多个用于检测工作温度、电压、电流等的传感器26。采用来自传感器26的反馈数据，控制电路22可保持对于使逆变器模块16可工作的各种条件的详细跟踪。反馈数据可进一步允许控制电路22确定逆变器模块16何时可能接近高温度，从而允许控制电路实现预防性措施。

参照图2，逆变器模块16可包括多个IGBT 28和电力二极管30。IGBT28和电力二极管30通过键合引线32(适当地)结合到正或负DC线以及输出线a、b或c。由于IGBT 28快速导通和截止而在输出34处产生离散的三相输出电流波形，热循环的应力的变形的结果是张力施加在键合引线32上。