AT518115B1

AT518115B1 - Method for determining the thermal load on semiconductor components

Info

Publication number: AT518115B1
Application number: ATA51077/2015A
Authority: AT
Inventors: Thalinger Dipl Ing Friedrich
Original assignee: Schneider Electric Power Drives Gmbh
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2020-12-15
Also published as: AT518115A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung von Maximalwerten (Tp) der thermischen Belastung eines Halbleiterbauelements, insbesondere eines Leistungsschalters, einer mit Schaltungsparametern (Si) wie etwa Zwischenkreisspannung, Schaltfrequenz oder Leistungsfaktor mit periodischen Stromänderungen betriebenen Schaltung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem ersten Schritt aus den Schaltungsparametern (Si) eine über die Stromperiode gemittelte Verlustleistung (P) errechnet wird, und aus der Verlustleistung (P) mithilfe an sich bekannter thermischer Simulationsmodelle ein über die Stromperiode gemittelter Durchschnittswert (Tm) der thermischen Belastung ermittelt wird, und in einem zweiten Schritt aus einer vorgegebenen Interpolationsfunktion (K(Si)) für die Schaltungsparameter (Si) ein Korrekturwert (K) für den über die Stromperiode gemittelten Durchschnittswert (Tm) der thermischen Belastung zu einem Maximalwert (Tp) der thermischen Belastung während der Stromperiode ermittelt wird, wobei der Maximalwert (Tp) der thermischen Belastung die Summe oder das Produkt des über die Stromperiode gemittelten Durchschnittswerts (Tm) der thermischen Belastung und des Korrekturwerts (K) ist.Method for determining maximum values (Tp) of the thermal load on a semiconductor component, in particular a power switch, a circuit operated with circuit parameters (Si) such as intermediate circuit voltage, switching frequency or power factor with periodic current changes. According to the invention it is provided that in a first step a power loss (P) averaged over the current period is calculated from the circuit parameters (Si), and an average value (Tm) averaged over the current period is calculated from the power loss (P) with the aid of known thermal simulation models thermal load is determined, and in a second step from a predetermined interpolation function (K (Si)) for the circuit parameters (Si) a correction value (K) for the average value (Tm) of the thermal load averaged over the current period to a maximum value (Tp) the thermal load during the current period is determined, the maximum value (Tp) of the thermal load being the sum or the product of the mean value (Tm) of the thermal load averaged over the current period and the correction value (K).

Description

description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Maximalwerten der thermischen Belastung eines Halbleiterbauelements, insbesondere eines Leistungsschalters, einer mit Schaltungsparametern wie etwa Zwischenkreisspannung, Schaltfrequenz oder Leistungsfaktor mit periodischen Stromänderungen betriebenen Schaltung, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. The invention relates to a method for determining maximum values of the thermal load of a semiconductor component, in particular a circuit breaker, a circuit operated with circuit parameters such as intermediate circuit voltage, switching frequency or power factor with periodic current changes, according to the preamble of claim 1.

[0002] Verfahren zur Ermittlung der thermischen Belastung von Halbleiterbauelementen werden in der EP 2579441 A1, US 8,260,473 B1, EP 2 562 896 A2, US 5,712,802 A und US 2013088805 A1 beschrieben. [0002] Methods for determining the thermal loading of semiconductor components are described in EP 2579441 A1, US Pat. No. 8,260,473 B1, EP 2 562 896 A2, US Pat. No. 5,712,802 A and US 2013088805 A1.

[0003] Bei der Verwendung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Leistungsschaltern, ergeben sich in vielen Anwendungen Probleme aufgrund der thermischen Belastung durch Leitungs- und Schaltverluste, die die Lebensdauer der Halbleiterbauteile reduzieren und bis zum Ausfall des betreffenden Halbleiterbauteiles fuhren können. Ein Beispiel sind etwa Umrichterschaltungen für Motoren oder Generatoren. Die thermischen Belastungen eines Halbleiterbauelements, insbesondere die Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters, sind dabei einerseits von den Betriebsbedingungen jener Schaltung abhängig, in der das betreffende Halbleiterbauelement betrieben wird, und andererseits von der Auslegung des Halbleiterbauelements selbst. Die Sperrschichttemperatur eines beispielsweise in einem Umrichter geschalteten Leistungsschalters ist unter anderem eine Funktion der Umgebungstemperatur, der Wärmeleitfähigkeit der im Halbeiterbauelement verwendeten Materialien, der Zwischenkreisspannnung, des Leistungsfaktors des Stromrichterstroms sowie der Schaltfrequenz des Halbleiterbauelements. Da die Belastungen der Halbleiterbauelemente in der Regel zeitlich, d.h. über eine Stromperiode variieren, zeigt auch die Sperrschichttemperatur eine Zeitabhängigkeit, die in weiterer Folge auch als Wechselbelastung bezeichnet wird. Da Halbleiterbauelemente aus Materialien mit verschiedenen thermischen Eigenschaften, insbesondere verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, hergestellt werden, kann es aufgrund der Wechselbelastung zu mechanischen Spannungszuständen kommen, die das Bauelement belasten. Eine zyklische thermische Belastung kann folglich mechanische Beschädigungen, wie etwa Schichtablösung, Ablösung von Anschlüssen oder Ermüdungsbrüche bewirken. When using semiconductor components, in particular power switches, problems arise in many applications due to the thermal load caused by conduction and switching losses, which reduce the life of the semiconductor components and can lead to failure of the semiconductor component in question. One example are converter circuits for motors or generators. The thermal loads on a semiconductor component, in particular the junction temperature of a power switch, are dependent on the one hand on the operating conditions of the circuit in which the semiconductor component in question is operated and on the other hand on the design of the semiconductor component itself. The junction temperature of a power switch connected in a converter, for example, is below a function of the ambient temperature, the thermal conductivity of the materials used in the semiconductor component, the intermediate circuit voltage, the power factor of the converter current and the switching frequency of the semiconductor component. Since the loads on the semiconductor components are usually temporal, i.e. vary over a current period, the junction temperature also shows a time dependency, which in the following is also referred to as alternating load. Since semiconductor components are made from materials with different thermal properties, in particular different thermal expansion coefficients, the alternating load can lead to mechanical stress states that stress the component. A cyclical thermal load can consequently cause mechanical damage such as delamination, delamination of connections or fatigue fractures.

[0004] Seitens der Hersteller von Halbleiterbauelementen werden daher Belastungsgrenzen in Form maximal zulässiger Sperrschichttemperaturen sowie der Anzahl der thermischen Zyklen in Abhängigkeit des thermischen Hubs und der Sperrschichttemperatur vorgegeben. Seitens des Anwenders muss jedoch sichergestellt werden, dass diese Belastungsgrenzen bei einem Betrieb mit konkreten Schaltungsparametern wie etwa Leistungsfaktor, Zwischenkreisspannung oder Schaltfrequenz nicht erreicht oder sogar überschritten werden. [0004] The manufacturers of semiconductor components therefore specify load limits in the form of maximum permissible junction temperatures and the number of thermal cycles as a function of the thermal stroke and the junction temperature. However, the user must ensure that these load limits are not reached or even exceeded when operating with specific circuit parameters such as power factor, intermediate circuit voltage or switching frequency.

[0005] Eine Möglichkeit hierfür besteht freilich in einer ausreichend großen Dimensionierung der Halbleiterbauelemente. Diese Möglichkeit ist aber in der Praxis aus Kosten- und Platzgründen limitiert. Des Weiteren könnte eine Temperaturmessung erfolgen, um bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperaturgrenze Maßnahmen zur Abkühlung ergreifen zu können. Die maßgebliche Sperrschichttemperatur ist aber keiner unmittelbaren Temperaturmessung zugänglich. Stattdessen müsste andernorts eine für die Sperrschichttemperatur möglichst repräsentative Temperatur gemessen werden, um in weiterer Folge auf die Sperrschichttemperatur rückschließen zu können. Hierfür kann sich der Anwender auf thermische Modelle stützen. Um die Sperrschichttemperatur genau bestimmen zu können, würde aber ein detailliertes thermisches Modell benötigt werden, welches mit der Schaltfrequenz, also mit einer Updaterate von mehreren kHz, neu berechnet werden müsste. Dies ist zwar möglich, benötigt jedoch eine sehr hohe Rechenleistung, welche üblicherweise in den verwendeten Prozessoren nicht zur Verfügung gestellt werden kann. Vereinfachte thermische Modelle mit geringeren Updateraten hingegen besitzen durch die gewählten Vereinfachungen nur begrenzte Genauigkeiten. Außerdem werden in einer Schaltung mitunter eine Vielzahl unterschiedlicher Halbleiterbauelemente verwendet, für die jeweils laufende Temperaturmessungen während des Betriebes vorgenommen werden müssten, um eine für das jeweilige Element passende Abschätzung der Sperrschichttemperatur vorzunehmen. [0005] One possibility for this is of course to dimension the semiconductor components sufficiently large. In practice, however, this option is limited for reasons of cost and space. Furthermore, a temperature measurement could take place in order to be able to take cooling measures when a predetermined temperature limit is exceeded. However, the relevant junction temperature is not accessible to any direct temperature measurement. Instead, a temperature that is as representative as possible of the junction temperature would have to be measured elsewhere in order to be able to draw conclusions about the junction temperature. For this, the user can rely on thermal models. In order to be able to determine the junction temperature precisely, a detailed thermal model would be required, which would have to be recalculated with the switching frequency, i.e. with an update rate of several kHz. Although this is possible, it requires a very high computing power, which usually cannot be made available in the processors used. Simplified thermal models with lower update rates, on the other hand, have only limited accuracies due to the chosen simplifications. In addition, a number of different semiconductor components are sometimes used in a circuit, for which current temperature measurements would have to be carried out during operation in order to make a suitable estimate of the junction temperature for the respective element.

Der praktische Aufwand hierfür wird rasch unzumutbar, sofern keine Vereinfachungen vorgenommen werden, unter denen aber wiederum die Genauigkeit leidet. The practical effort for this quickly becomes unreasonable if no simplifications are made, which in turn affect the accuracy.

[0006] Es ist daher das Ziel der Erfindung Verfahren für die Ermittlung der thermischen Belastung von Halbleiterbauelementen bereitzustellen, die einerseits hinreichend genau sind, um das Halbleiterbauelement thermisch bestmöglich auszunutzen, und andererseits auch ausreichend einfach durchgeführt werden können, um während des Betriebes der Schaltung laufend Belastungsevaluierungen durchführen zu können. Dieses Ziel wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. It is therefore the aim of the invention to provide a method for determining the thermal load of semiconductor components, which on the one hand are sufficiently accurate to utilize the semiconductor component thermally as best as possible, and on the other hand can also be carried out easily enough to run continuously during operation of the circuit To be able to carry out stress evaluations. This aim is achieved by the features of claim 1.

[0007] Anspruch 1 bezieht sich dabei auf ein Verfahren zur Ermittlung von Maximalwerten der thermischen Belastung eines Halbleiterbauelements, insbesondere eines Leistungsschalters, einer mit Schaltungsparametern wie etwa Zwischenkreisspannung, Schaltirequenz oder Leistungsfaktor mit periodischen Stromänderungen betriebenen Schaltung. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass in einem ersten Schritt aus den Schaltungsparametern eine über die Stromperiode gemittelte Verlustleistung errechnet wird, und aus der Verlustleistung mithilfe an sich bekannter thermischer Simulationsmodelle ein über die Stromperiode gemittelter Durchschnittswert der thermischen Belastung ermittelt wird, und in einem zweiten Schritt aus vorgegebenen Interpolationsfunktionen für die Schaltungsparameter ein Korrekturwert für den über die Stromperiode gemittelten Durchschnittswert der thermischen Belastung zu einem Maximalwert der thermischen Belastung während der Stromperiode ermittelt wird, wobei der Maximalwert der thermischen Belastung die Summe oder das Produkt des über die Stromperiode gemittelten Durchschnittswerts der thermischen Belastung und des Korrekturwerts ist. Claim 1 relates to a method for determining maximum values of the thermal load of a semiconductor component, in particular a power switch, a circuit operated with circuit parameters such as intermediate circuit voltage, switching frequency or power factor with periodic current changes. According to the invention, in a first step, a power loss averaged over the current period is calculated from the circuit parameters, and an average value of the thermal load averaged over the current period is determined from the power loss with the aid of known thermal simulation models, and in a second step from predetermined interpolation functions for the circuit parameters a correction value for the mean value of the thermal load averaged over the current period to a maximum value of the thermal load during the current period is determined, the maximum value of the thermal load being the sum or the product of the mean value of the thermal load averaged over the current period and of the correction value.

[0008] Vorzugsweise wird die Verlustleistung aus den über eine Stromperiode im Wesentlichen zeitunabhängigen Schaltungsparametern ermittelt. The power loss is preferably determined from the circuit parameters that are essentially time-independent over a current period.

[0009] Zur Erstellung der Interpolationsfunktionen können vorzugsweise mithilfe an sich bekannter thermischer Simulationsmodelle für Kombinationen zu erwartender Schaltungsparameter die maximale Abweichung der thermischen Belastung vom Mittelwert punktweise errechnet und durch Vergleich mit dem Mittelwert ein Korrekturwert ermittelt werden, wobei ausgewählte Korrekturwerte für ausgewählte Kombinationen der Schaltungsparameter die Stützpunkte der Interpolationsfunktionen sind. To create the interpolation functions, the maximum deviation of the thermal load from the mean value can preferably be calculated point by point with the aid of known thermal simulation models for combinations of expected circuit parameters and a correction value can be determined by comparison with the mean value, with selected correction values for selected combinations of the circuit parameters The interpolation functions are interpolation points.

[0010] Das erfindungsgemäße Verfahren behält einerseits die Genauigkeit von an sich bekannten thermischen Simulationsmodellen weitest gehend bei, vermeidet allerdings die Notwendigkeit hoher Rechenleistungen während des Betriebes der Schaltung. Stattdessen sind während des Betriebes der Schaltung lediglich die Verlustleistung aus im Wesentlichen zeitunabhängigen Mittelwerten der Schaltungsparameter, sowie in weiterer Folge ein Mittelwert der thermischen Belastung zu errechnen, wobei es sich dabei um vergleichsweise einfache Rechenoperationen handelt. Für eine hinreichend genaue Abschätzung der thermischen Belastung sind allerdings auch die oben erwähnten Wechselbelastungen zu berücksichtigen. Diese Wechselbelastungen werden erfindungsgemäß mithilfe von Interpolationsfunktionen erfasst, die vorher (off-line) für jeden für die Wechselbelastung relevanten Schaltungsparameter bestimmt wurden und für jedes Halbleiterbauelement in einer Speichereinheit eines entsprechenden Prozessors, der bei Leistungsschaltungen in der Regel ohnehin vorgesehen ist, abgespeichert sind. Dabei wird aber die Wechselbelastung nicht in ihrer Zeitabhängigkeit nachvollzogen, sondern lediglich ausgehend von einem Mittelwert ein Korrekturwert zur Berechnung des Maximalwerts ermittelt, indem mithilfe an sich bekannter thermischer Simulationsmodelle für Kombinationen zu erwartender Schaltungsparameter die maximale (positive) Abweichung der thermischen Belastung vom Mittelwert punktweise errechnet und als Stützwerte einer Interpolationsfunktion in Bibliotheken bereit gestellt wird. Während des Betriebes der Schaltung wird für konkrete Schaltungsparameter mithilfe dieser Interpolationsfunktionen der Korrekturwert zur Berechnung des Maximalwerts ermittelt. Auch dieser Vorgang kann vergleichsweise rasch und ohne große Rechenleistung während des Betriebes der Schaltung erfolgen. On the one hand, the method according to the invention largely retains the accuracy of known thermal simulation models, but avoids the need for high computing power during operation of the circuit. Instead, during the operation of the circuit, only the power loss has to be calculated from essentially time-independent mean values of the circuit parameters, as well as a mean value of the thermal load, which are comparatively simple arithmetic operations. For a sufficiently accurate estimate of the thermal load, however, the alternating loads mentioned above must also be taken into account. According to the invention, these alternating loads are recorded with the aid of interpolation functions that were previously determined (off-line) for each circuit parameter relevant to the alternating load and are stored for each semiconductor component in a memory unit of a corresponding processor, which is usually provided in power circuits anyway. Here, however, the alternating load is not reproduced in terms of its time dependency, but rather a correction value for calculating the maximum value is determined based on an average value by calculating the maximum (positive) deviation of the thermal load from the average value point by point with the help of known thermal simulation models for combinations of expected circuit parameters and is made available as support values of an interpolation function in libraries. During operation of the circuit, the correction value for calculating the maximum value is determined for specific circuit parameters with the aid of these interpolation functions. This process can also take place comparatively quickly and without great computing power during the operation of the circuit.

[0011] Als Korrekturwert könnte ein Differenzwert zwischen dem Mittelwert der thermischen Belastung und dem Maximalwert ermittelt werden. Vorzugsweise wird aber vorgeschlagen, dass es A difference value between the mean value of the thermal load and the maximum value could be determined as a correction value. However, it is preferably proposed that it

sich bei dem Korrekturwert um den Quotienten des Maximalwerts der thermischen Belastung während der Stromperiode und dem über die Stromperiode gemittelten Durchschnittswert der thermischen Belastung handelt, und im zweiten Schritt der Maximalwert der thermischen Belastung als Produkt des über die Stromperiode gemittelten Durchschnittswerts der thermischen Belastung und des Korrekturwerts errechnet wird. Der Mittelwert der thermischen Belastung und die Wechselbelastung hängen nämlich in gleicher Weise von den Schaltparametern ab. Das bedeutet, dass für den Hub nicht unbedingt ein absoluter Differenzwert bestimmt werden muss, sondern der Mittelwert der thermischen Belastung mit einem Faktor multipliziert werden kann um die maximale thermische Belastung zu ermitteln. Bei diesem Faktor handelt es sich um den oben genannten Quotienten. The correction value is the quotient of the maximum value of the thermal load during the current period and the average value of the thermal load averaged over the current period, and in the second step the maximum value of the thermal load as the product of the average value of the thermal load averaged over the current period and the correction value is calculated. The mean value of the thermal load and the alternating load depend in the same way on the switching parameters. This means that an absolute differential value does not necessarily have to be determined for the stroke, but the mean value of the thermal load can be multiplied by a factor in order to determine the maximum thermal load. This factor is the quotient mentioned above.

[0012] Aufgrund des geringen Rechenaufwandes während des Betriebes der Schaltung besteht mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auch die Möglichkeit, die thermische Belastung eines jeden Halbleiterbauelements zu bestimmen. Daher wird auch vorgeschlagen, dass für jedes Halbleiterbauelement der Schaltung der ihm jeweils zugeordnete Maximalwert der thermischen Belastung während der Stromperiode ermittelt wird. Auf diese Weise kann jedes Halbleiterbauelement thermisch bestmöglich ausgenutzt werden. Due to the low computational complexity during operation of the circuit, the method according to the invention also makes it possible to determine the thermal load on each semiconductor component. It is therefore also proposed that for each semiconductor component of the circuit the maximum value of the thermal load assigned to it is determined during the current period. In this way, each semiconductor component can be optimally utilized thermally.

[0013] Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auch auf einen Umrichter mit einem Prozessor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein erfindungsgemäßer Umrichter wird dabei in der Regel einen Prozessor aufweisen, auf dem entsprechende Softwaremodule zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrensmerkmale implementiert sind. The invention also relates to a converter with a processor for performing the method according to the invention. A converter according to the invention will generally have a processor on which appropriate software modules for carrying out the method features according to the invention are implemented.

[0014] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen die The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with the aid of the accompanying figures. Here show the

[0015] Fig. 1 beispielhaft eine Umrichterschaltung mit unterschiedlichen Halbleiterbauelementen, 1 shows an example of a converter circuit with different semiconductor components,

[0016] Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Illustration von Konstantanteil und Wechselbelastungen einer thermischen Beanspruchung von Halbleiterbauelementen, 2 shows a schematic representation to illustrate the constant component and alternating loads of thermal stress on semiconductor components,

[0017] Fig. 3 eine Blockdarstellung zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens, 3 shows a block diagram to illustrate the method according to the invention,

[0018] Fig. 4 eine Blockdarstellung zur Illustration einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und die 4 shows a block diagram to illustrate a further embodiment of the method according to the invention, and FIG

[0019] Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Interpolationsfunktion. 5 shows a schematic representation of an interpolation function.

[0020] Die Fig. 1 zeigt exemplarisch eine Ausführungsform eines Umrichters als Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren. In der Figur 1 ist netzseitig ein Neutralpunkt N, das Massen-Potential des Netzes, dargestellt. Am gleichstromseitigen Ausgang ist mit den Ausgangsleitungen +uo/2 und -uog/2 eine Last verbunden. Des Weiteren sind am gleichstromseitigen Ausgang zwischen den Ausgangsleitungen +uo/2 und -uog/2 üblicherweise Ausgangskondensatoren Cop und Con vorgesehen. Die Last kann auch eine weitere elektronische Schaltung, etwa ein weiterer Stromumrichter, sein, wobei die dargestellte Gleichrichterschaltung dann als sogenannter Gleichrichter mit Spannungszwischenkreis verwendet wird. Des Weiteren weist die Schaltung gemäß Figur 1 am netzseitigen Eingang mit den Phasen U,V,W verbundene, sternförmig angeordnete Filterkondensatoren Cr auf. Die Phasenströme iu,h,Iiw Sind entsprechend eines Drehstromnetzes phasenverschoben. Die Stromperiode der Schaltung ist dabei durch die Netzperiode gegeben. Die Gleichrichtanordnung wird aus sechs Leistungsschaltern (IGBTs) T; +1, Ti2, T13, T2 1, T2 2 und T2 3 gebildet. Des Weiteren sind in der gezeigten Ausführungsform rückwärtssperrende Leistungsschalter (IGBTs) T3 1, T4 1, T3 2, T4 2, Sowie T3 3 und Ta 3 zu jeder Phase U, V, W zuschaltbar und mit einem gemeinsamen Mittelpunktanschluss der Ausgangskondensatoren C0p und COn verbunden. Schaltungen gemäß der Fig. 1 verfügen des Weiteren über einen Prozessor (in der Fig. 1 nicht ersichtlich) zur Steuerung der verwendeten Leistungsschalter. 1 shows an example of an embodiment of a converter as an application example for the method according to the invention. In FIG. 1, a neutral point N, the ground potential of the network, is shown on the network side. At the output on the DC side, a load is connected to the output lines + uo / 2 and -uog / 2. In addition, output capacitors Cop and Con are usually provided at the output on the DC side between the output lines + uo / 2 and -uog / 2. The load can also be a further electronic circuit, for example a further current converter, the rectifier circuit shown then being used as a so-called rectifier with a voltage intermediate circuit. Furthermore, the circuit according to FIG. 1 has filter capacitors Cr, which are arranged in a star shape and connected to the phases U, V, W at the mains input. The phase currents iu, h, Iiw are phase-shifted according to a three-phase network. The current period of the circuit is given by the mains period. The rectifier arrangement is made up of six power switches (IGBTs) T; +1, Ti2, T13, T2 1, T2 2 and T2 3 formed. Furthermore, in the embodiment shown, reverse blocking power switches (IGBTs) T3 1, T4 1, T3 2, T4 2, and T3 3 and Ta 3 can be switched on for each phase U, V, W and are connected to a common center connection of the output capacitors C0p and COn . Circuits according to FIG. 1 also have a processor (not visible in FIG. 1) for controlling the circuit breakers used.

[0021] Die in der Gleichrichterschaltung gemäß der Fig. 1 verwendeten Halbleiterbauelemente, nämlich die Leistungsschalter T+;_+1, Ti_2, T13, T2 1, T2 2, T2 3 und deren jeweils zugeordnete Freilaufdioden, sowie die rückwärtssperrenden Leistungsschalter Ts 1, Ta 1, T3 2, T4 2, Sowie T3 3 und The semiconductor components used in the rectifier circuit according to FIG. 1, namely the power switches T +; _ + 1, Ti_2, T13, T2 1, T2 2, T2 3 and their associated free-wheeling diodes, as well as the reverse blocking power switch Ts 1, Ta 1, T3 2, T4 2, and T3 3 and

Ta4 3, Sind jeweils unterschiedlichen thermischen Belastungen ausgesetzt, die sich für die Schaltung gemäß der Fig. 1 je nach Betriebsmodus, also ob sie motorisch oder generatorisch verwendet wird, insbesondere aus der Höhe der Zwischenkreisspannung (Modulationsrate), dem Spitzenstrom des Netzstromes (I) und dem Leistungsfaktor (cos-phi) sowie der Schaltfrequenz ergeben. Diese Betriebsbedingungen werden im Folgenden als Schaltungsparameter S; bezeichnet. Eine Abschätzung dieser thermischen Belastungen wird aufgrund der unterschiedlichen Halbleitertechnologien und der damit verbundenen unterschiedlichen Grenzwerte erschwert. Ta4 3, Are in each case exposed to different thermal loads, which arise for the circuit according to FIG. 1 depending on the operating mode, i.e. whether it is used as a motor or generator, in particular from the level of the intermediate circuit voltage (modulation rate), the peak current of the mains current (I) and the power factor (cos-phi) as well as the switching frequency. These operating conditions are hereinafter referred to as circuit parameters S; designated. An estimate of these thermal loads is made difficult due to the different semiconductor technologies and the associated different limit values.

[0022] Im Falle einer Gleichrichterschaltung werden über eine Netzperiode die einzelnen Halbleiterbauelemente nicht konstant sondern nur zu einem bestimmten Teil während dieser Netzperiode belastet. Die auftretenden Verluste wechseln daher zeitlich zwischen den einzelnen Halbleiterbauelementen über eine Netzperiode. Bei der thermischen Belastung kann somit ein zeitunabhängiger Anteil Tm sowie eine um diesen zeitunabhängigen Anteil variierende Wechselbelastung identifiziert werden, wie anhand der Fig. 2 veranschaulicht wird. Die Wechselbelastung weist dabei einen Maximalwert T, auf, der für einen sicheren Betrieb des betreffenden Halbleiterelements unterhalb eines herstellerseitig vorgegebenen Grenzwerts Tmax liegen muss. In the case of a rectifier circuit, the individual semiconductor components are not constantly loaded over a network period but only to a certain extent during this network period. The losses that occur therefore change over time between the individual semiconductor components over a network period. In the case of the thermal load, a time-independent component Tm and an alternating load varying by this time-independent component can thus be identified, as is illustrated with reference to FIG. The alternating load has a maximum value T 1, which must be below a limit value Tmax specified by the manufacturer for reliable operation of the semiconductor element in question.

[0023] Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt den Maximalwert T, auf rasche und vergleichsweise einfache Weise. Hierfür wird der Maximalwert T, mithilfe eines zeitunabhängigen Anteils Tm und einem Korrekturwert K rekonstruiert. Die Ermittlung dieser beiden Größen wird in weiterer Folge anhand der Fig. 3 bis 5 erläutert. The method according to the invention determines the maximum value T in a quick and comparatively simple manner. For this purpose, the maximum value T is reconstructed with the aid of a time-independent component Tm and a correction value K. The determination of these two variables is explained below with reference to FIGS. 3 to 5.

[0024] Zunächst wird auf die Fig. 3 Bezug genommen. Ausgehend von den über eine Netzperiode im Wesentlichen zeitunabhängigen Schaltungsparametern S:, S2, Ss und S4, die den über die Netzperiode konstanten Anteil der thermischen Belastung hauptsächlich hervorrufen, wird zunächst mithilfe an sich bekannter Rechenverfahren für ein bestimmtes Halbleiterelement unter Berücksichtigung der jeweiligen Halbleitertechnologie und des aktuellen Betriebsmodus (motorisch/generatorisch) eine Verlustleistung P berechnet, die je nach Betriebszustand des Halbleiterbauelements durch Leitverluste (im leitenden Zustand), durch Verluste aufgrund von Leckströmen (im sperrenden Zustand) oder durch Schaltverluste gegeben ist. Die Auswahl dieser Schaltungsparameter hängt freilich von der jeweiligen Schaltung ab. Für die in der Fig. 1 gezeigten Schaltung wird es sich dabei etwa um den Spitzenstrom I des Netzstromes handeln, die Zwischenkreisspannung, den Leistungsfaktor und die Schaltfrequenz. Für andere Schaltungen könnten aber auch andere Schaltparameter S;, weniger als vier Schaltparameter S; oder auch mehr als vier Schaltparameter Si gewählt werden. First of all, reference is made to FIG. On the basis of the circuit parameters S :, S2, Ss and S4, which are essentially time-independent over a network period and which mainly cause the proportion of the thermal load that is constant over the network period, a calculation method known per se is initially used for a specific semiconductor element, taking into account the respective semiconductor technology and the The current operating mode (motor / generator) calculates a power loss P which, depending on the operating state of the semiconductor component, is given by conduction losses (in the conductive state), by losses due to leakage currents (in the blocking state) or by switching losses. The selection of these circuit parameters depends of course on the respective circuit. For the circuit shown in FIG. 1, it will be about the peak current I of the mains current, the intermediate circuit voltage, the power factor and the switching frequency. For other circuits, however, other switching parameters S;, less than four switching parameters S; or more than four switching parameters Si can be selected.

[0025] Aus der so ermittelten Verlustleistung P kann in weiterer Folge ein Mittelwert Tm der thermischen Belastung des betreffenden Halbleiterbauelements errechnet werden. Dieser Vorgang ist in der Fig. 3 durch eine Tiefpasskonfiguration dargestellt um anzudeuten, dass der so errechnete Mittelwert Tm der thermischen Belastung eine geringe Zeitabhängigkeit aufweist und über die Netzfrequenz gemittelt jedenfalls als zeitunabhängig betrachtet werden kann. Diese Berechnungen sind für jedes Halbleiterbauelement der betreffenden Schaltung durchzuführen, wobei es sich aber um vergleichsweise einfache Rechenoperationen handelt, die für die Halbleiterbauelemente rasch und ohne aufwändige Rechenleistung durchgeführt werden können. From the power loss P determined in this way, a mean value Tm of the thermal load on the semiconductor component in question can subsequently be calculated. This process is shown in FIG. 3 by a low-pass configuration to indicate that the mean value Tm of the thermal load calculated in this way has a low time dependency and, averaged over the network frequency, can in any case be regarded as time-independent. These calculations are to be carried out for each semiconductor component of the circuit in question, but these are comparatively simple arithmetic operations that can be carried out for the semiconductor components quickly and without complex computing power.

[0026] Wie bereits erwähnt wurde sind für eine hinreichend genaue Abschätzung der thermischen Belastung eines Halbleiterbauelements allerdings auch Wechselbelastungen zu berücksichtigen, die sich in der Fig. 2 als zeitabhängige Variationen um den Mittelwert Tm zeigen. Diese Wechselbelastungen werden wie in Fig. 5 schematisch dargestellt erfindungsgemäß mithilfe von Interpolationsfunktionen K(S;) aus jenen Schaltungsparametern Si bestimmt, welche die zeitabhängigen Variationen bestimmen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wären das neben den oben erwähnten vier Schaltparametern S+;, S>, Sa und S4 etwa auch die Schaltparameter Ss und Se, zum Beispiel hinsichtlich Netzfrequenz, Stromform oder Modulation. Diese Interpolationsfunktionen K(Si) werden vor dem Betrieb der betreffenden Schaltung erstellt und in einer Speichereinheit des Schaltungsprozessors gespeichert. Zur Erstellung dieser Interpolationsfunktionen K(Si;) werden mithilfe an sich bekannter thermischer Simulationsmodelle für Kombinationen zu erwartender Schaltungsparameter Si; die maximale (positive) Abweichung der thermischen Be-As already mentioned, for a sufficiently accurate estimate of the thermal load on a semiconductor component, alternating loads must also be taken into account, which are shown in FIG. 2 as time-dependent variations around the mean value Tm. As shown schematically in FIG. 5, these alternating loads are determined according to the invention with the aid of interpolation functions K (S;) from those circuit parameters Si which determine the time-dependent variations. In the exemplary embodiment shown in FIG. 3, in addition to the above-mentioned four switching parameters S + ;, S>, Sa and S4, these would also be the switching parameters Ss and Se, for example with regard to the mains frequency, current shape or modulation. These interpolation functions K (Si) are created before the circuit in question is operated and stored in a memory unit of the circuit processor. To create these interpolation functions K (Si;), known thermal simulation models for combinations of expected circuit parameters Si; the maximum (positive) deviation of the thermal

lastung vom Mittelwert Tm punktweise errechnet und als Differenzwert D gespeichert (Fig. 3). Falls hierfür sechs Schaltungsparameter S;, S2, Ss, Sa, Ss und Se zu berücksichtigen sind, so handelt es sich beim maßgeblichen Differenzwert D um das Maximum der thermischen Belastung für eine bestimmte Wahl dieser sechs Parameter. Werden diese sechs Parameter in weiterer Folge variiert, so können für unterschiedliche Kombinationen jeweilige Differenzwerte D im Vorhinein errechnet werden. Die Abhängigkeit dieses Differenzwerts D von der unterschiedlichen Wahl dieser sechs Parameter zeigt jedoch Gesetzmäßigkeiten, die es ermöglichen lediglich einige wenige Differenzwerte D als Stützpunkte einer Interpolationsfunktion K(S;) zu verwenden. Diese Stützpunkte sind in den Fig. 3 und 5 als Punkte angedeutet und im Prozessor der Schaltung gespeichert. load from mean value Tm calculated point by point and stored as difference value D (Fig. 3). If six circuit parameters S 1, S 2, S s, Sa, S s and Se are to be taken into account for this, the relevant difference value D is the maximum of the thermal load for a specific choice of these six parameters. If these six parameters are varied in a further sequence, then respective difference values D can be calculated in advance for different combinations. The dependence of this difference value D on the different choice of these six parameters shows, however, regularities which make it possible to use only a few difference values D as support points of an interpolation function K (S;). These support points are indicated as points in FIGS. 3 and 5 and are stored in the processor of the circuit.

[0027] Während des Betriebes der Schaltung können nun für die aktuellen Schaltungsparameter Si anhand dieser Interpolationsfunktion K(S;) Näherungswerte des aktuell zutreffenden Differenzwertes D ermittelt werden, wie in der Fig. 5 durch den mittels Kreuz eingezeichneten Punkt angedeutet wurde. Dieser mittels Interpolation ermittelte Differenzwert D wird in weiterer Folge zum Mittelwert Tm der thermischen Belastung addiert (siehe Fig. 3), um dem Maximalwert T, der thermischen Belastung zu erhalten. Dieser Vorgang wird ebenfalls für jedes Halbleiterbauelement während des Betriebes der Schaltung vollzogen, wobei es sich aber wiederum um eine vergleichsweise einfache Operation handelt, die rasch und ohne nennenswerte Rechenleistung ausgeführt werden kann. During the operation of the circuit, approximate values of the currently applicable difference value D can now be determined for the current circuit parameters Si using this interpolation function K (S;), as indicated in FIG. 5 by the point marked with a cross. This difference value D determined by means of interpolation is then added to the mean value Tm of the thermal load (see FIG. 3) in order to obtain the maximum value T 1 of the thermal load. This process is also carried out for each semiconductor component during the operation of the circuit, but this is again a comparatively simple operation that can be carried out quickly and without significant computing power.

[0028] In der Fig. 4 wird eine alternative Ausführungsform zur Bestimmung eines Korrekturwerts K gezeigt. Hierbei wird vorgeschlagen, dass es sich bei dem Korrekturwert K um den Quotienten Q des Maximalwerts T, der thermischen Belastung während der Netzperiode und dem über die Netzperiode gemittelten Durchschnittswert Tm der thermischen Belastung handelt. Wie bereits erwähnt wurde, hängt nämlich der Mittelwert Tm der thermischen Belastung und die Wechselbelastung in gleicher Weise von den Schaltparametern Si; ab. Das bedeutet, dass zur Bestimmung des Maximalwerts T, nicht unbedingt ein absoluter Differenzwert D bestimmt werden muss, sondern der Mittelwert Tm der thermischen Belastung mit einem Faktor multipliziert werden kann um den Maximalwert T, der thermischen Belastung zu ermitteln. Bei diesem Faktor handelt es sich um den oben genannten Quotienten Q. Diese Vorgangsweise bietet den großen Vorteil, dass für die Ermittlung eines solchen Korrekturfaktors über einen Quotienten Q nur mehr die über die Stromperiode variierenden Schaltungsparameter S; relevant sind. In der gezeigten Ausführungsform gemäß der Fig. 4 werden hierfür die Schaltungsparameter Ss und Se herangezogen. Die Anzahl und Auswahl dieser Schaltungsparameter ist wiederum schaltungsabhängig. Diese Schaltungsparameter Ss und Se und die Interpolationsfunktionen K(Si;) für den Quotienten Q müssen vor dem eigentlichen Betrieb der Schaltung („off-line“) bestimmt werden und in einer Tabelle des Schaltungsprozessors abgelegt werden. An alternative embodiment for determining a correction value K is shown in FIG. It is proposed here that the correction value K is the quotient Q of the maximum value T, the thermal load during the network period and the average value Tm of the thermal load averaged over the network period. As already mentioned, the mean value Tm of the thermal load and the alternating load depend in the same way on the switching parameters Si; from. This means that to determine the maximum value T, an absolute difference value D does not necessarily have to be determined, but the mean value Tm of the thermal load can be multiplied by a factor in order to determine the maximum value T, the thermal load. This factor is the quotient Q mentioned above. This procedure offers the great advantage that for the determination of such a correction factor via a quotient Q only the circuit parameters S; which vary over the current period; are relevant. In the embodiment shown according to FIG. 4, the circuit parameters Ss and Se are used for this. The number and selection of these circuit parameters is again dependent on the circuit. These circuit parameters Ss and Se and the interpolation functions K (Si;) for the quotient Q must be determined before the actual operation of the circuit ("off-line") and stored in a table of the circuit processor.

[0029] Während des Betriebes der Schaltung wird zunächst wie in der Fig. 3 erläutert ausgehend von den über eine Netzperiode im Wesentlichen zeitunabhängigen Schaltungsparametern S+;, Sz, Ss und Ss, die den über die Netzperiode konstanten Anteil der thermischen Belastung hauptsächlich hervorrufen, mithilfe an sich bekannter Rechenverfahren für ein bestimmtes Halbleiterelement unter Berücksichtigung der jeweiligen Halbleitertechnologie und des aktuellen Betriebsmodus (motorisch/generatorisch) eine Verlustleistung P berechnet. Aus der so ermittelten Verlustleistung P kann in weiterer Folge ein Mittelwert Tm der thermischen Belastung des betreffenden Halbleiterbauelements errechnet werden. Diese Berechnungen sind wiederum für jedes Halbleiterbauelement der betreffenden Schaltung durchzuführen, wobei es sich aber um vergleichsweise einfache Rechenoperationen handelt, die für die Halbleiterbauelemente rasch und ohne aufwändige Rechenleistung durchgeführt werden können. During operation of the circuit, as explained in FIG. 3, starting from the circuit parameters S +, Sz, Ss and Ss, which are essentially time-independent over a network period and mainly cause the proportion of thermal load that is constant over the network period, using Calculation methods known per se for a specific semiconductor element, taking into account the respective semiconductor technology and the current operating mode (motor / generator), calculate a power loss P. A mean value Tm of the thermal load on the relevant semiconductor component can subsequently be calculated from the power loss P determined in this way. These calculations are in turn to be carried out for each semiconductor component of the circuit in question, but these are comparatively simple arithmetic operations that can be carried out for the semiconductor components quickly and without complex computing power.

[0030] In weiterer Folge werden die Wechselbelastungen wie in Fig. 5 schematisch dargestellt mithilfe von Interpolationsfunktionen K(S;) bestimmt. Da der Mittelwert Tm und der Wechselanteil der thermischen Belastung in gleicher Weise von den über eine Stromperiode im Wesentlichen konstanten Schaltungsparametern Ip, Sı1, Sz, Sa und Sı abhängen, muss für den Hub nicht unbedingt ein absoluter Differenzwert D bestimmt werden. Stattdessen muss lediglich der Mittelwert Tm mit einem Korrekturfaktor multipliziert werden, um den Maximalwert T, der thermischen Be-As a further consequence, the alternating loads are determined as shown schematically in FIG. 5 with the aid of interpolation functions K (S;). Since the mean value Tm and the alternating component of the thermal load depend in the same way on the circuit parameters Ip, Sı1, Sz, Sa and Sı, which are essentially constant over a current period, an absolute difference value D does not necessarily have to be determined for the stroke. Instead, only the mean value Tm has to be multiplied by a correction factor in order to obtain the maximum value T, the thermal load

lastung zu ermitteln. Für die Ermittlung eines solchen Korrekturfaktors über einen Quotienten Q sind nur mehr die über die Stromperiode varlierenden Schaltungsparameter S; relevant. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 4 wären das die Schaltungsparameter Ss und Se. Diese Interpolationsfunktionen K(Si;) werden vor dem Betrieb der betreffenden Schaltung erstellt und in einer Speichereinheit des Schaltungsprozessors gespeichert. Zur Erstellung dieser Interpolationsfunktionen K(S;) werden wiederum mithilfe an sich bekannter thermischer Simulationsmodelle für Kombinationen zu erwartender Schaltungsparameter S; Maximalwerte T, der thermischen Belastung punktweise errechnet und als Quotient Q zwischen dem Maximalwert T, und dem Mittelwert Tm gespeichert (Fig. 4). Falls hierfür zwei Schaltungsparameter Ss und Se zu berücksichtigen sind, so handelt es sich beim maßgeblichen Maximalwert T, um das Maximum der thermischen Belastung für eine bestimmte Wahl dieser beiden Parameter. Werden diese zwei Parameter in weiterer Folge variiert, so können für unterschiedliche Kombinationen jeweilige Quotienten Q als Korrekturwert K im Vorhinein errechnet werden. Die Abhängigkeit dieses Quotienten Q von der unterschiedlichen Wahl dieser zwei Schaltungsparameter zeigt jedoch Gesetzmäßigkeiten, die es ermöglichen lediglich einige wenige Korrekturwerte K als Stützpunkte einer Interpolationsfunktion K(Si) zu verwenden. Diese Stützpunkte sind in den Fig. 4 und 5 als Punkte angedeutet und im Prozessor der Schaltung gespeichert. to determine the load. To determine such a correction factor using a quotient Q, only the circuit parameters S; which vary over the current period are required. relevant. In the exemplary embodiment shown in FIG. 4, these would be the circuit parameters Ss and Se. These interpolation functions K (Si;) are created before the circuit in question is operated and stored in a memory unit of the circuit processor. To create these interpolation functions K (S;), in turn, with the aid of known thermal simulation models for combinations of expected circuit parameters S; Maximum values T of the thermal load calculated point by point and stored as the quotient Q between the maximum value T and the mean value Tm (FIG. 4). If two circuit parameters Ss and Se are to be taken into account for this, the relevant maximum value T is the maximum of the thermal load for a specific choice of these two parameters. If these two parameters are varied in a further sequence, the respective quotients Q can be calculated in advance as a correction value K for different combinations. However, the dependence of this quotient Q on the different choice of these two circuit parameters shows regularities which make it possible to use only a few correction values K as support points of an interpolation function K (Si). These support points are indicated as points in FIGS. 4 and 5 and are stored in the processor of the circuit.

[0031] Die Erfindung bietet somit ein Verfahren für die Ermittlung der thermischen Belastung von Halbleiterbauelementen, das einerseits hinreichend genau ist, um das Halbleiterbauelement thermisch bestmöglich auszunutzen, und andererseits auch ausreichend einfach durchgeführt werden kann, um während des Betriebes der Schaltung laufend Belastungsevaluierungen durchführen zu können. The invention thus offers a method for determining the thermal load of semiconductor components, which on the one hand is sufficiently accurate to utilize the semiconductor component thermally in the best possible way, and on the other hand can also be carried out easily enough to continuously carry out load evaluations during operation of the circuit can.

Claims

1. A method for determining maximum values (T,) of the thermal load of a semiconductor component, in particular a power switch, a circuit operated with circuit parameters (Si) such as intermediate circuit voltage, switching frequency or power factor with periodic current changes, characterized in that in a first step from the Circuit parameters (Si) a power loss (P) averaged over the current period is calculated, and an average value (Tm) of the thermal load averaged over the current period is determined from the power loss (P) using known thermal simulation models, and in a second step predetermined interpolation functions (K (S;)) for the circuit parameters (Si) a correction value (K) for the mean value (Tm) averaged over the current period of the thermal load to a maximum value (T,) of the thermal load during the current period is determined, wherein the maximum value ( T,) of the thermal load is the sum or the product of the mean value (Tm) of the thermal load averaged over the current period and the correction value (K).

2, method according to claim 1, characterized in that to create the interpolation functions K (S :) using known thermal simulation models for combinations of expected circuit parameters (Si) the maximum deviation of the thermal load from the mean value (Tm) is calculated point by point and by comparison a correction value (K) is determined with the mean value (Tm), selected correction values (K) for selected combinations of the circuit parameters (Si) being the interpolation points of the interpolation functions K (Si).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the correction value (K) is the quotient of the maximum value (T,) of the thermal load during the current period and the mean value (Tm) of the thermal load averaged over the current period , and in the second step the maximum value (T,) of the thermal load is calculated as the product of the mean value (Tm) of the thermal load averaged over the current period and the correction value (K).

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that for each semiconductor component of the circuit, the maximum value (T 1) assigned to it of the thermal load during the current period is determined.

5. Converter with a processor for performing the method according to one of claims 1 to 4.

For this purpose 2 sheets of drawings