用于冷却一个或多个功率器件的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于冷却一个或多个功率器件的方法和装置，所述功率器件作为多个开关，用于产生三相输出交流电压。根据功率器件应力数据，可将一个或多个开关(与一相或多相的输出交流电压相关联)确定为比其他开关更需要冷却的开关。此外，通过对所有开关进行控制，在一个或多个输出交流电压区段的至少一部分内，向所述三相当中的每一相施加共模分量电压。该共模分量电压的最大幅度足以在所确定的相的交流电压趋向正电源轨电压或负电源轨电压时，将该相的交流输出电压钳位于所述正电源轨电压和/或负电源轨电压，以冷却所确定的开关。关。关。

Method and apparatus for cooling one or more power devices

【技术实现步骤摘要】
用于冷却一个或多个功率器件的方法和装置


[0001]本专利技术涉及一种用于冷却一个或多个功率器件(尤其是，产生对电气负载进行驱动的三相电压的功率器件)的方法，以及一种产生对电气负载进行驱动的三相电压的装置，如逆变器。

技术介绍

[0002]电源逆变器遍为人知。其中一例可见US8958222，该文的图1摘录于此，该图所示为用于将直流电源101转换为交流输出端103的三相电源逆变器100，所述交流输出端随后可连接至负载(未图示)。所述逆变器包括三个单独的相200，300，400(也分别称为U相、V相、W相)。每一相包括串联的两个开关：相200(U相)包括200a，200b；相300(V相)包括300a，300b；相400(W相)包括400a，400b。开关200a，300a，400a与正电源轨105连接(也可称为“上”开关)，开关200b，300b，400b与负电源轨107连接(也可称为“下”开关)。在图1中，每一开关可以为IGBT(绝缘栅双极晶体管)，而且针对每一IGBT，均可设置相应的反并联二极管(未图示)。然而，除此之外，也可使用任何具有快速切换能力的开关。控制系统(如处理器)(未图示)通过控制开关200a，200b，300a，300b，400a，400b的通断而控制逆变器100的交流输出。该电源逆变器还包括直流总线电容器102，用于提供更为稳定的直流电压，以限制逆变器偶然需要大电流时引起的波动。
[0003]通过对上述六个开关的通断状态进行组合，交流输出端103可产生正弦输出电流。然而，逆变器100的控制必须使得同一相的两个开关永不同时接通，以防止直流电源101发生短路。也就是说，如果200a接通，则200b必须关断，反之亦然；如果300a接通，则300b必须关断，反之亦然；如果400a接通，则400b必须关断，反之亦然。如此，使得逆变器共存在表1所示的八种可能通断矢量。在表1中，各矢量值为三个上开关200a，300a，400a以及三个下开关200b，300b，400b的通断状态，其中，上下开关的通断状态必须相反，以防止直流电源短路。
[0004]矢量200a300a400a200b300b400bV
UW
V
WV
V
VU V0＝{000}断断断通通通000零V1＝{100}通断断断通通+Vdc0
‑
Vdc有效V2＝{110}通通断断断通0+Vdc
‑
Vdc有效V3＝{010}断通断通断通
‑
Vdc+Vdc0有效V4＝{011}断通通通断断
‑
Vdc0+Vdc有效V5＝{001}断断通通通断0
‑
Vdc+Vdc有效V6＝{101}通断通断通断+Vdc
‑
Vdc0有效V7＝{101}通通通断断断000零
[0005]图2所示为表1中的六个有效矢量和两个零电压矢量绘成的逆变器电压通断六边形图。三相系统的此类矢量表示形式为本领域技术人员所熟知，因此不再赘述。总体上说，任何三相系统均能由图2所示的旋转矢量V
S
唯一表示。旋转矢量V
S
包含表1和图2所示的六个有效矢量。该方法即所谓的空间矢量调制(SVM)法。通过以脉冲宽度调制(PWM)技术改变零
电压矢量V0和V7与有效矢量V
S
(包括分量V1～V6)之比(调制系数)，可以调节交流输出端103的电压。
[0006]图3所示为现有技术中一个开关周期的脉冲宽度空间矢量调制示例。每一开关200a，300a，400a的开关功能均为开关导通时取值为1且开关关断时取值为0的时间波形。参考图3，在第一时间段t0/2内，所有的三个开关200a，300a，400a均关断(取值为0)，对应于表1中的矢量V0。由于V0为零电压矢量，因此该时间段为无效时间段。在第二时间段t1内，开关200a取值为1，开关300a和400a取值为0，对应于矢量V1，该矢量为有效矢量。在第三时间段t2内，开关200a和300a取值为1，开关400a取值为0，对应于矢量V2，该矢量也为有效矢量。最后，在第四时间段t0/2内，所有的三个开关200a，300a，400a均导通(取值为1)，对应于表1中的零电压矢量V7。因此，有效时间段为t1和t2，无效时间段为t0。总有效时间段(在该情形中为t1+t2)与总无效时间段(在该情形中为t0/2+t0/2＝t0)之比决定了交流输出端的输出电压。
[0007]图4所示为具有对称切换特性的相电压(相对于图1所示0V线路，该线路构成直流总线的一半)与输出电压角度(直流总线250V，峰值需求200V)关系图。图5所示为电机负载的相应线间电压。
[0008]图1逆变器的一种实际实现形式采用装于散热器上的多个功率器件，所述散热器置于由冷却液漫浸的腔室内。该腔室设于冷却液入口与出口之间，冷却液通过流过该腔室而冷却散热器，从而冷却所述多个功率器件。
[0009]每一开关(U_上200a，U_下200b，V_上300a，V_下300b，W_上400a，W_下400b)由多个功率器件构成。优选地，每一开关由7个功率器件构成，但不限于此。每一功率器件可包括碳化硅(SiC)晶片，但也可使用其他实施方案。由7个器件构成的每一组器件(即作为其中一个相开关200，300，400的每组功率器件)安装于两个散热器上。第一散热器对应于4个功率器件，第二散热器对应于3个器件。因此，共需12个散热器，其上交替设置4个和3个功率器件。
[0010]在将功率器件安装于冷却液漫浸的腔室内的此类设置方式中，虽然每一开关的损耗相同，但功率器件的冷却导致开关之间存在温度不均衡的现象。这一现象的原因通常在于，随着冷却液从一个开关流至另一开关，温度逐渐增大。如此，使得接收最低温度冷却液的开关与接收最高温度冷却液的开关之间存在温度差。
[0011]图6为基于设在冷却液漫浸腔室内的功率器件的温度图。随着冷却油从第一组的4个器件经冷却腔室流至第二组的3个器件，器件温度呈现变化。在该图中，开关设置顺序从左到右为U_上，U_下，V_上，V_下，W_上，W_下，而且该顺序同样为冷却液在冷却腔室内流过这些开关的顺序。图中的竖虚线表示冷却液所流经的12个散热器对应的各组器件，其中，冷却液流经的首组器件为U_上开关的4个器件。
[0012]设于同一散热器上的器件温度(即同一组内的器件温度)极为相似。随着冷却油在冷却腔室内从一个散热器流至另一散热器，冷却液被逐渐加热，从而使得散热器温度也随之增高。
[0013]在空间矢量调制(SVM)等调制方案的情形中，冷却液流经的最后一个散热器上的器件温度最高，其结温(晶片温度)大约为157℃。流经所有器件后，温度从约138℃变至约157℃，因此存在约19℃的温度差异。在利用上述设置方式设计系统时，根据最高器件结温计算器件寿命，以确定达到逆变器目标额定参数时需要使用多少器件。
[0014]因此，专利技术人意识到，需要一种减小所有功率器件之间温度差异本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于冷却一个或多个功率器件的方法，所述一个或多个功率器件设置为用于产生三相交流输出的多个开关，其特征在于，所述方法包括：从电压源接收输入电压，并在多个脉冲宽度调制周期内通过脉冲宽度调制对所述多个开关进行控制，以产生用于电气负载的三相交流输出，所述输入电压具有正电源轨电压和负电源轨电压，所述三相当中的每一相具有与所述正电源轨电压连接的一个或多个上开关以及与所述负电源轨电压连接的一个或多个下开关，每一所述三相交流输出具有在多个区段内变化的幅度和角度，每一所述区段代表角度位置时间段，每一所述三相交流输出均在角度上彼此偏移；接收功率器件应力数据，该功率器件应力数据指示所述多个功率器件中的一个或多个功率器件和/或一个或多个所述开关和/或所述电气负载的一项或多项操作参数；根据所接收的功率器件应力数据，确定所述开关中需冷却的一个或多个开关；确定与所确定的需冷却的一个或多个开关关联的一个或多个相；通过控制所述多个开关，在一个或多个所述区段的至少一部分中，向所述三相当中的每一相施加共模分量电压，其中，所述共模分量电压的最大幅度足以在与所确定的需冷却的一个或多个开关关联的各个相的交流输出电压趋向所述正电源轨电压或负电源轨电压时，将该相的交流输出电压钳位于所述正电源轨电压和/或负电源轨电压。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所确定的需冷却的开关包括所述三相中所确定的单相的一个或多个开关，所述共模分量电压在相应的所述区段内的所述最大幅度足以在所确定的单相的交流输出电压趋向所述正电源轨电压或负电源轨电压时，将所确定的单相的交流输出电压钳位于所述正电源轨电压和/或负电源轨电压。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所确定的单相的交流输出电压为所述三相交流输出电压当中的最大正值交流输出电压时，将所确定的单相的交流输出电压钳位于所述正电源轨电压；当所确定的单相的交流输出电压为所述三相交流输出电压当中的最大负值交流输出电压时，将所确定的单相的交流输出电压钳位于所述负电源轨电压。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所确定的需冷却的开关包括所述三相当中所确定的第一相的一个或多个第一开关以及所述三相当中所确定的第二相的一个或多个第二开关时，所述共模分量电压在相应的所述区段内的所述最大幅度足以在所确定的第一单相的交流输出电压趋向所述正电源轨电压或负电源轨电压时，将所确定的第一单相的交流输出电压钳位于所述正电源轨电压和/或负电源轨电压，以及所述共模分量电压在相应的所述区段内的所述最大幅度足以在所确定的第二单相的交流输出电压趋向所述正电源轨电压或负电源轨电压时，将所确定的第二单相的交流输出电压钳位于所述正电源轨电压和/或负电源轨电压。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一相和第二相的交流输出电压依次钳位于所述正电源轨电压和/或依次钳位于所述负电源轨电压。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所确定的第一相的交流输出电压在该第一相的交流输出电压为所述三相交流输出电压当中的最大正值交流输出电压时钳位于所述正电源轨电压，并且在该第一相的交流输出电压为所述三相交流输出电压当中的最大负值交流输出电压时钳位于所述负电源轨电压。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所确定的第二相交流输出电压在该第二相交流输出电压为所述三相交流输出电压当中的最大正值交流输出电压时钳位于所述正电源轨电压，并且在该第二相的交流输出电压为所述三相交流输出电压当中的最大负值交流输出电压时钳位于所述负电源轨电压。8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所确定的一个或多个第一开关相比于所确定的一个或多个第二开关是更加需要冷却的开关。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所确定的需冷却的开关包括一个或多个相各自的一个或多个上开关时，所述共模分量电压在相应的所述区段内的所述最大幅度足以将分别与所确定的一个或多个上开关关联的各相的交流输出电压钳位于所述正电源轨电压。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当与所确定的一个或多个所述上开关关联的相为两相以上时，所述共模分量电压在相应的所述区段内的所述最大幅度足以将该两相以上的交流输出电压中的每一者钳位于所述正电源轨电压。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述两相以上的交流输出电压依次钳位于所述正电源轨电压。12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，与所确定的一个或多个所述上开关关联的各个相的交流输出电压分别在该相的交流输出电压为所述三相交流输出电压当中的最大正值交流输出电压时钳位于所述正电源轨电压。13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所确定的需冷却的开关包括一个或多个相各自的一个或多个下开关时，所述共模分量电压在相应的所述区段内的所述最大幅度足以将分别与所确定的一个或多个所述下开关关联的各相的交流输出电压钳位于所述负电源轨电压。14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，当与所确定的一个或多个所述下开关关联的相为两相以上时，所述共模分量电压在相应的所述区段内的所述最大幅度足以将该两相以上的交流输出电压中的每一者钳位于所述负电源轨电压。15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述两相以上的交流输出电压依次钳位于所述负电源轨电压。16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，与所确定的一个或多个所述下开关关联的各个相的交流输出电压分别在该相的交流输出电压为所述三相交流输出电压当中的最大负值交流输出电压时钳位于所述负电源轨电压。17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率器件应力数据包括一相或多相交流输出的输出电流、一个或多个所述功率器件的温度、一个或多个所述开关的温度以及所述电气负载的工作状况当中的一者或多者。18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，接收所述功率器件应力数据包括：从一个或多个所述功率器件、一个或多个所述开关和/或所述电气负载接收该功率器件应力数据。19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，接收所述功率器件应力数据包括：接收来自模型的数据，所述模型定义了一个或多个所述功率器件、一个或多个所述开关和/或所述电气负载在多种工作状况下的多项操作参数。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，接收所述功率器件应力数据包括：根据所述一个或多个功率器件、所述一个或多个开关和/或所述电气负载的工作状况，从所述模型中选择数据。21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过压摆值使所述共模分量电压在相应的所述区段内变化所述最小值与所述最大值之间的角度，所述压摆值包括在该区段内处于相应的最小压摆值与相应的最大压摆值之间的可变标量值。22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述压摆值在每一所述区段内根据交流输出的角度位置在所述最小压摆值与所述最大压摆值之间变化。23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述压摆值在所述区段的与所确定的相的交流输出的相应上升沿或相应下降沿部分重合的部分内低于所述最大压摆值。24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述压摆值在所述区段的一部分内处于所述最大压摆值，以将所识别出的相的交流输出钳位至相应的所述电源轨。25.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述压摆值在所述最小压摆值与所述最大压摆值之间的跃迁具有由三角函数的一部分限定的形状。26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，对于所述区段第一部分内的交流输出电压的角度位置，该区段具有跨越30
°
的角度位置，在该第一部分内，所述压摆值的幅度由正弦曲线的处于所述最小压摆值与所述最大压摆值之间的上升部分限定。27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述区段的所述第一部分的持续时间基于压摆系数，该压摆系数为对所述最小压摆值与所述最大压摆值之间的所述跃迁的持续时间进行控制的标量值。28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述第一部分由所述交流输出电压限定，该交流输出电压的角度位置与所述压摆系数之积具有小于30
°
的角度。29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述第一部分的所述压摆值由正弦曲线限定，该正弦曲线的时间长度限定为所述交流输出电压的电气频率的6倍与所述压摆系数之积。30.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述第一部分的所述压摆值由压摆值＝
‑
0.5*cos(6*(压摆系数*γ))+0.5限定，其中，γ表示所述交流输出电压的角度位置。31.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述压摆系数值根据调制系数和/或所述输出交流电压的输出频率从多个值中选出。32.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述压摆值在相应的所述区段的第二部分内具有最大压摆值，该第二部分与所述第一部分接续。33.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，对于相应的所述区段的第一部分内的交流输出电压的角度位置，该区段具有跨越30
°
的角度位置，所述压摆值在所述第一部分内具有最大压摆值。34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，所述压摆值的形状由正弦曲线在所述第二部分内的处于所述最大压摆值与所述最小压摆值之间的下降部分限定，该第二部分与所述第一部分接续。35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述第二部分的持续时间基于压摆系
数，该压摆系数为对所述最小压摆值与所述最大压摆值之间的所述跃迁的持续时间进行控制的标量值。36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述第二部分的所述压摆值由正弦曲线限定，该正弦曲线的时间长度限定为所述交流输出电压的电气频率的6倍与所述压摆系数之积。37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，所述正弦曲线发生相移。38.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述压摆值由压摆值＝0.5*cos(6*(压摆系数*(γ
‑
压摆偏移量))+0.5限定，其中，γ表示所述交流输出电压的角度位置，所述压摆偏移量表示所述第二部分的起始角度。39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，所述第二部分的起始角度由所述交流输出电压限定，该交流输出电压的角度位置大于区段持续时间与该区段持续时间和所述压摆系数的商之差。40.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述压摆系数的值根据调制系数和/或所述输出交流电压的输出频率从多个值中选出。41.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述压摆值在所述最小压摆值与所述最大压摆值之间以线性方式、指数方式或对数方式进行跃迁。42.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共模分量电压在调制系数和/或所述输出电压的输出频率大于阈值时施加。43.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电气负载包括电动机或发电机。44.一种逆变器，用于产生为电气负载供电的三相电压，其特征在于，所述逆变器包括：输入端，用于接收输入电压，该输入电压具有正电源轨电压和负电源轨电压；三个交流输出端，每个相分配其中一个所述交流输出端，所述三个交流输出端用于输出为电气负载供电的三相交流输出电压；多个开关，连接于所述输入电压与所述三个交流输出端之间，且被布置为用于产生所述三相交流输出电压，每一所述开关包括一个或多个功率器件，所述三相当中的每一相具有与所述正电源轨电压连接的一个或多个上开关以及与所述负电源轨电压连接的一个或多个下开关；控制器，与所述多个开关连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：西蒙，
申请(专利权)人：YASA有限公司，
类型：发明
国别省市：