[发明专利]逆变器中的方法和装置

说明书

发明背景

本发明涉及一种在逆变器中用于减小与半导体元件的温度变化有关的影响的方法和装置。

背景技术

逆变器是一种在其中有可能生成具有可变频率的电压的电子器件。逆变器典型地在电动机中以交变频率或当把电功率传送回网络时控制电动机，在这种情形下逆变器生成其频率相应于网络频率的电压。这种给网络供电的逆变器通常称为网络逆变器。

今天，作为快速的、栅极控制元件的IGB晶体管（绝缘栅双极性晶体管，IGBT），典型地被用作逆变器的功率半导体，即用来生成输出电压的开关元件。最大的IGBT元件的电流承载能力是几百安培，它们的最大电压是几千伏。在逆变器中，开关元件被纯粹地用作为开关，在这种情形下，它们实际上具有两个状态，即完全导通和完全阻断。改变状态要尽可能快地完成，以避免在元件中出现并存的电压和电流。

这里提到的IGBT是由几个部分组成的元件，并且同时是由具有不同热电阻的几场组成的。半导体元件可被看作为是由基板、基片和实际的半导体单元，即芯片构成的。基板的作用是把元件中生成物的热量传导到散热片等等。基片在基板之上，并且在其上固定有芯片。显然，作为电阻性元件的芯片由于渡过元件的电流而发热最快和最多。而基板在各元件部分中发热最慢且最少，即它部分地由于冷却和部分地由于热量分布到基板的大的体积上而具有最高的温度时间常数。

半导体元件的不同部分不单具有不同的温度时间常数，而且具有不同的热膨胀系数。热膨胀系数表示在一个部件中由温度改变造成的膨胀的大小。因为半导体元件的各部分常常紧密地被焊接在一起，所以在它们之间由于不同尺寸的膨胀而出现了机械力，机械力使得元件张紧（strain）并且不久以后将破坏它。

当使功率循环地加载时，这种热应力的问题特别大。循环加载是指不均匀的、但是是在功率负载在一段时间为高但此后为低的情形下所形成的负载。这样的负载在功率半导体中生成许多温度变化，在高负载（即大电流）期间温度猛烈地上升，而在负载减小时温度下降。循环加载使得功率半导体过早地老化。

逆变器中循环驱动的例子是起重机、离心机和电梯驱动。例如，在离心机驱动中，逆变器控制电动机来旋转离心机，离心机需要很大的转矩来加速，这意味着在半导体中的大的电流和高的温度增加。在加速后，离心机以运转速度旋转，在这种情形下，当需要的转矩降低时，逆变器的输出电流显著下降。在加速期间加热的半导体元件此刻开始冷却。如果离心机进一步被再生地（regeneratively）减慢，即通过使用电动机作为发电机，则再次有大电流渡过开关元件，并且该元件加热。相同的情形应用于电梯和起重机驱动以及其它循环驱动。

今天，像其它电子设备一样，逆变器通过风扇或液体冷却来主动地冷却。在这样的解决方案中，热量被从设备中传出，以便冷却发热的设备的元件。通常，这是通过持续的冷却进行的，在这种情形下，不管功率半导体的温度如何，冷却风扇或泵以恒定的旋转速度运转。在某些解决方案中，也已知使用根据温度而直接改变的冷却，在这种情形下，当热量的产生增加时，冷却功率增加，以便限制温度的增加。

显然，通过使用风扇来冷却元件，元件的最高温度可以被降低。然而，仅仅使用风扇使得不可能降低元件的温度分布（profile）以便避免特别是在循环驱动中由于温度改变而造成的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种在逆变器中的方法和装置，以及一种逆变器，以使得避免上述的缺点，并使能以一种减小由于循环加载造成的热应力且从而提高逆变器的使用寿命的方式来控制逆变器。这个目的是通过本发明的一种方法和装置来实现的。

根据本发明的一种用于逆变器以减小逆变器中的功率半导体元件由于循环加载引起的热应力的方法，该逆变器包括几个功率半导体元件和一个用来控制它们的控制设备，所述控制设备被安排成响应于用于生成输出电压的控制量来控制所述功率半导体元件，该方法包括以下步骤：

确定一个或多个功率半导体元件的温度，

确定一个或多个功率半导体元件的漫谈的改变，以及

响应于用于生成输出电压的控制量和功率半导体元件的温度的改变速率，利用控制设备来控制功率半导体元件，以便通过，当温度增加时减慢温度增加速率，以及当温度下降时减慢温度下降速率来减小温度变化，其特征在于，确定功率半导体元件温度包括以下步骤：

确定流过该元件的电流的大小写和该元件上的电压的大小，

确定在功率切换的次数，以及