用于降低功率半导体开关的热应力的方法、电转换器单元和电梯技术

一种电转换器单元和一种用于降低电转换器单元的功率半导体开关(例如IGBT)的热应力的方法，该电转换器单元至少包括栅极控制电路，其中，该电转换器单元控制电马达。该方法包括确定负载和基于确定的负载和/或预定的速度曲线估计所需的马达电流。电转换器单元至少具有第一操作状态和第二操作状态。如果满足预定准则，则使用第二操作状态，该预定准则涉及以下至少一个：估计的所需电流、测量的马达速度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度模型。在第二操作状态下，使用比第一操作状态下更低的功率半导体开关的开关频率，并且在第二操作状态下，使用比第一操作状态下更高的功率半导体开关的开关速度。体开关的开关速度。体开关的开关速度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于降低功率半导体开关的热应力的方法、电转换器单元和电梯


[0001]本专利技术总体上涉及功率半导体开关，例如IGBT。特别而不排他地，本专利技术涉及降低功率半导体开关的热应力。

技术介绍

[0002]电转换器单元和控制系统用于控制电马达。这些单元和控制系统用于通过例如改变马达输入频率和电压来控制马达速度和扭矩。在不同类型的环境中，对电转换器单元和控制系统有不同的要求。
[0003]例如电梯环境的特征是，相对于额定速度下的所需电流，加速期间的所需电流较高。在电梯环境中，希望加速平稳地进行。在这种情况下，在加速开始时，马达的相电流主要集中在逆变器桥的一个开关上。电流的集中会导致该特定开关的端子的温度发生较大变化。随着端子温度的变化，热膨胀系数的差异会对器件的材料界面产生机械应力。机械应力最终导致界面中的应力断裂。
[0004]在电梯环境中，当电梯轿厢满载并被提升时，上述问题最为严重。如果驱动期间的行进高度也保持为较短，则加速电流的持续时间会比额定驱动期间的电流长。
[0005]逆变器引起的电磁干扰(EMI)的大小与功率半导体被导通的开关频率和开关速度有关。为了使损耗最小化，应该用低开关频率和高开关速度来控制半导体。低开关频率对EMI有正面影响，但对马达产生的噪声有负面影响。高开关速度对系统产生的EMI有负面影响。
[0006]存在已知的用于降低功率半导体开关的热应力效应的解决方案。在现有技术的系统中，由热循环引起的应力通过设计半导体的尺寸来减小，使得它们可以承受一定数量的加速度。这种基于尺寸设计的解决方案是简单的，但是半导体越大，半导体的开关损耗也越大。在诸如IGBT等双极器件中，连接电压保持不变，主要电阻部分减少。因此，简单来说，使用这种解决方案时，损耗保持为基本相似，但是分布到更大的区域。这种解决方案的问题在于，增加半导体的面积也会增加器件的价格。
[0007]根据另一种已知的解决方案，也可以改变开关频率，使得在马达低速时，即在加速的开始以及减速的结束时，使用更小的开关频率，而在其他情况下开关频率更高。这种途径的问题是开关频率的变化可以被容易地感测到。开关频率越低，感受到的噪声干扰越大。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种降低功率半导体的热应力的解决方案。
[0009]本专利技术的目的通过由相应的独立权利要求限定的方法、电转换器和电梯单元来实现。
[0010]与现有技术的解决方案不同，在本专利技术的解决方案中，通过基于预定的准则，降低半导体开关(例如IGBT)的损耗来降低半导体开关中的温度变化。这样，半导体开关的温度
变化降低功能可以仅在需要时被激活。
[0011]根据第一方面，提供了一种用于降低诸如IGBT的功率半导体的热应力的方法。该方法包括确定负载和基于确定的负载和/或预定的速度曲线估计所需的马达电流。电转换器单元至少具有第一操作状态和第二操作状态，其中，如果满足预定准则，则使用第二操作状态，预定准则涉及以下至少一个：估计的所需电流、测量的马达速度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度模型。在第二操作状态下，使用比第一操作状态下更低的功率半导体开关的开关频率，并且在第二操作状态下，使用比第一操作状态下更高的功率半导体开关的开关速度。
[0012]根据第二方面，提供了一种电转换器单元。电转换器单元被配置为至少执行根据第一方面或其任何实施例的方法。
[0013]因此，电转换器单元可以至少包括功率半导体开关，例如IGBT，以及门控制电路，其中电转换器单元被配置为确定负载，并且基于所确定的负载和/或预定的速度曲线来估计所需的马达电流。电转换器单元至少具有第一操作状态和第二操作状态。电转换器单元被配置为如果满足预定准则则使用第二操作状态，该预定准则涉及以下至少一个：估计的所需电流、测量的马达速度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度、功率半导体开关和/或电转换器单元的温度模型。电转换器单元被配置为在第二操作状态下使用比在第一操作状态下更低的功率半导体开关的开关频率，并且在第二操作状态下使用比在第一操作状态下更高的功率半导体开关的开关速度。
[0014]根据第三方面，提供了一种电梯。该电梯包括电梯轿厢、配置为移动电梯轿厢的电梯马达、用于操作电梯马达的电转换器单元和配置为至少执行根据第一方面或其任何实施例的方法的控制单元。
[0015]在各种实施例中，电转换器单元可以包括转换器设备，例如频率转换器或逆变器。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，如果马达速度低于某个预定阈值并且估计的所需电流值高于某个预定阈值，则使用第二操作状态。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，功率半导体开关和/或电转换器单元的内部温度被测量和/或模拟，并且如果除了达到预定的马达速度和预定的估计的所需电流值之外，还达到某个测量的和/或模拟的温度阈值极限，则操作状态从第一状态改变到第二状态。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，功率半导体开关和/或电转换器单元的内部温度被测量和/或模拟，仅当达到某个测量的和/或模拟的温度阈值极限时，操作状态才从第一状态改变到第二状态，而不管马达速度和估计的所需电流值如何。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，当驱动开始时，优选地在高负载下，并且马达速度低时，和/或当马达减速并且马达速度低时，操作状态从第一状态改变到第二状态。例如当驱动以高于预定负载值的负载启动，并且马达速度较低或低于预定速度时，和/或当马达减速并且马达速度较低或低于预定速度时，操作状态可以从第一状态改变到第二状态。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，电转换器单元包括第一栅极电阻值、第二栅极电阻值和用于在第一栅极电阻值和第二栅极电阻值之间切换的装置，其中第一栅极电阻值高于第二栅极电阻值。
[0021]在本专利技术的一个实施例中，通过使用功率半导体开关的较低栅极电阻值来提高功率半导体开关的开关速度。
[0022]在本专利技术的一个实施例中，第二电阻值用于第二操作状态，第一电阻值用于第一状态。
[0023]在本专利技术的一个实施例中，电转换器单元包括第一栅极控制电压、第二栅极控制电压和用于在第一栅极控制电压和第二栅极控制电压之间切换的装置，其中第一栅极控制电压低于第二栅极控制电压。
[0024]在本专利技术的一个实施例中，通过增加功率半导体开关的栅极控制电压来增加功率半导体开关的开关速度。
[0025]在本专利技术的一个实施例中，第一栅极控制电压用于第一操作状态，第二栅极控制电压用于第二操作状态。
[0026]在本专利技术的一个实施例中，电马达是电梯的电梯马达。
[0027]在各种实施例中，电马达可以是以下之一：同步磁阻马达、永磁马达、永磁线性马达、永磁辅助同步磁阻马达、线性开关磁阻马达。
[0028]本专利技术提供了优于现有技术解决方案的优点。利用本专利技术的解决方案，可以实现热循环幅度的显著降低。降低开关频率同时补偿了通过更高的开关速度而增加的EMI水平。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于降低电转换器单元(14)的功率半导体开关的热应力的方法，所述功率半导体开关例如IGBT，所述电转换器单元(14)至少包括栅极控制电路，其中，所述电转换器单元(14)控制电马达(12)，其特征在于，所述方法包括：
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确定负载，
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基于所确定的负载和/或预定的速度曲线来估计所需的马达电流，
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其中，所述电转换器单元(14)至少具有第一操作状态和第二操作状态，
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其中，如果满足预定准则，则使用所述第二操作状态，所述预定准则涉及以下至少一个：估计的所需电流、测量的马达速度、所述功率半导体开关和/或电转换器单元的温度、所述功率半导体开关和/或电转换器单元(14)的温度模型，
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其中，在所述第二操作状态下，使用比所述第一操作状态下更低的所述功率半导体开关的开关频率，以及在所述第二操作状态下，使用比在所述第一操作状态中更高的所述功率半导体开关的开关速度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果马达速度低于某个预定阈值，并且估计的所需电流值高于某个预定阈值，则使用所述第二操作状态。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述功率半导体开关和/或电转换器单元(14)的内部温度进行测量和/或模拟，并且如果除了达到预定的马达速度和预定的估计的所需电流值之外，还达到某个测量和/或模拟的温度阈值极限，则将操作状态从第一状态改变到第二状态。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量和/或模拟所述功率半导体开关和/或电转换器单元(14)的内部温度，仅当达到某个测量和/或模拟的温度阈值极限时，操作状态才从第一状态改变到第二状态，而不管所述马达速度和估计的所需电流值如何。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当驱动以高于预定负载值的负载启动并且马达速度较低时，例如低于预定速度时，和/或当马达减速并且所述马达的速度较低时，例如低于某个预定速度时，操作状态从第一状态改变到第二状态。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电转换器单元包括第一栅极电阻值、第二栅极电阻值和用于在所述第一栅极电阻值和所述第二栅极电阻值之间切换的装置，其中，所述第一栅极电阻值高于所述第二栅极电阻值。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过使用所述功率半导体开关的较低栅极电阻值来增加所述功率半导体开关的所述开关速度。8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述第二电阻值用于所述第二操作状态，所述第一电阻值用于所述第一状态。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电转换器单元包括第一栅极控制电压、第二栅极控制电压和用于在所述第一栅极控制电压和所述第二栅极控制电压之间切换的装置，其中，所述第一栅极控制电压低于所述第二栅极控制电压。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过增加所述功率半导体开关的栅极控制电压来增加所述功率半导体开关的开关速度。11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述第一栅极控制电压用于所述第一操作状态，所述第二栅极控制电压用于所述第二操作状态。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电马达(12)是电梯(100)的电梯马达(12)。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电马达(12)是以下之一：同步磁阻马达、永磁马达、永磁线性马达、永磁辅助同步磁阻马达、线性开关磁阻马达。14.一种电转换器单元(14)，至少包括功率半导体开关，例如IGBT，以及栅极控制电路，其中，所述电转换器单元(14)被配置为控制电马达(12)，其特征在于，所述电控制器单元被配置为：
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确定负载，
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基于所确定的负载和/或预定的速度曲线来估计所需的马达电流，
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其中，所述电转换器单元(14)至少具有第一操作状态和第二操作状态，
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其中，所述电转换器单元(14)被配置为如果满足预定准则，则使用所述第二操作状态，所述预定准则涉及以下至少一个：估计的所需电流、测量的马达速度、所...

【专利技术属性】
技术研发人员：M帕基宁，L斯托尔特，T考皮宁，
申请(专利权)人：通力股份公司，
类型：发明
国别省市：