CN101147254A - 用于确定冷却体温度的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定热源的温度的方法和一种电子装置，它包括一装备有传感器的电路板和一冷却体，其中，所述传感器与冷却体导热地连接。

Description

用于确定冷却体温度的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种例如用于温度监控或温度确定的装置，以及一种用于确定、监控和/或记录冷却体或热源的温度的方法。
这种热源例如出现在功率半导体(Leistungshalbleiter)、冷却循环、燃烧室和反应室中。
背景技术
由EP0654176已知一种用于半导体电路元件的固定装置，在这种固定装置中，将安装在电路板上半导体电路元件压靠在一冷却体上。
由DE69209772已知一种用于功能构件的壳体结构，其中将电子电路布置在一空腔中，该空腔用电绝缘的流体填充。
由DE19807718已知一种电子结构组件，其中一压低保持件作用在电路载体上，并且所述压低保持件在壳体的一通孔中具有接线触点，所述接线触点与电路载体的导线线路相连。
由DE19920401已知一种用于估算温度的装置和方法，在所述装置和方法中，通过测量两个传感器的温度来提供电子装置的温度。
由德国Wuppertal的公司Quick-Ohm Kiipper&Co.GmbH在2005年3月16日的互联网出版物中，已知一种导热粘接剂，其热导率为7.5W/mK或更多。由Quick-Ohm Kiipper&Co.GmbH在2005年3月16日的互联网出版物已知一种导热膜，所述导热膜由碳纤维结合材料制成。
有荷兰埃因霍温的飞利浦半导体厂1998年3月26日的“KTY82-1”系列的数据表已知硅温度传感器，所述硅温度传感器具有正温度电阻系数，并可用于测量和控制系统中。
发明内容
本发明的目的是，在电子装置中使传感器尽可能好地达到冷却体的温度水平。
根据本发明，所述目的在根据权利要求1中给出的特征的电子装置中和根据权利要求15中给出的特征的用于确定功率半导体的温度的方法中来实现。
在电子装置方面，本发明的主要特征是，所述装置包括装备有传感器的电路板和冷却体，其中所述传感器与冷却体导热地连接。
这里优点是，可确定功率半导体或其它热源的温度，并由此可防止过热的危险。即特别是可以提高安全性。通过改善的温度确定还可以改善电子装置的调节特性。
在一种有利的实施形式中，电路板与冷却体特别是可拆卸地相连。这里优点是，不需要其它中间元件。
在一种有利的实施形式中，电路板是多层的，特别是一种多层电路板。由此可以实现不同层之间的导线线路之间的镀通孔(Durchkontaktierung)。以这种方式，可以实现电或热上有利的状态。
在一种有利的实施形式中，内层在空间上在传感器附近设置的金属区域与朝向冷却体的表面上的至少一个金属区域相连。这里有利的是，形成与冷却体导热良好的连接，并且所述金属区域具有比电路板载体材料高的热导率，特别是在内层的空间上在传感器附近的区域内实现与冷却体基本上相同的温度水平，所述区域到传感器部件与电路板的接触点的距离小于电路板的厚度。由此传感器可以更好地与冷却体的温度水平相耦合。
在一种有利的实施形式中，朝向冷却体的表面上的金属区域与冷却体导电地和/或至少导热地相连接。这里有利的是，例如可以采用导热软膏(W???rmeleitpaste)以改善热传递。但直接接触也可以实现足够的导热。以这种方式，不仅可以平衡/调整电势，而且也可以平衡温度。冷却体的热量可以导入电路板，和导线线路上的电流相类似，这里热量优选在金属的导线线路上流动。
在一种有利的实施形式中，为了进行连接而采用固定元件。这里优点是，可以采用廉价的元件，如螺钉等。
在一种有利的实施形式中，电连接部包括镀通孔。特别是传感器的接线元件借助于钎焊连接导电连接在朝向冷却体的表面上，其中借助于镀通孔传感器的所述接线元件与背离冷却体的表面的导线线路或与电路板的内层相连接。这里有利的是，在较短的路径上将传感器信号导出到另外的、具有大的到冷却体电势的爬电距离(Kriechstrecke)的导线线路上。但冷却体的热量也可以以简单的方式传输到内层，特别是用于在电路板的内层形成均匀的温度水平。
在一种有利的实施形式中，钎焊连接利用SMT技术实现。这里优点是，可以设想批量生产。
在一种有利的实施形式中，金属区域包括铜或基本上由铜组成，所述金属区域特别是电路板的导线线路。这里优点是，通过唯一的材料可实现高的导电和导热能力。
在一种有利的实施形式中，冷却体与功率半导体的冷却面导热地特别是直接或间接地连接，通过至少一个陶瓷板或其它可导热的材料例如导热膜间接或直接地连接。这里优点是，存在用于将功率半导体的热量导出到冷却体上的高热导率，但这里也可以实现冷却体和功率半导体之间的高绝缘距离。
在用于确定热源温度，特别是功率半导体温度的方法方面，本发明主要的特征是，热源与冷却体导热地连接，而传感器与冷却体导热地连接，其中
-确定传感器的温度，
-确定在一定时间段内温度升高的程度，
-由传感器温度和与属于温度升高的校正系数相乘的值的和确定热源的温度。
这里有利的是，这种方法可以特别简单地执行，特别是对其进行编程，并只需要极少量的存储资源和计算能力。
在一种有利的实施形式中，这样来确定在一定时间段内温度升高的值(Maβ)，确定最新的和此前最后测量的传感器温度的差，其中传感器温度测量之间的时间段始终相同，或基本上相同。在一相应的实施形式中，这样来确定在一定时间段内温度升高的值，确定传感器温度时间变化的斜率(Steigung)，即一阶时间导数。这里优点是，温度的确定的方式方法可简单快速地起作用，并且，尽管如此，在很多技术应用场合可以得出足够好的结果。
特别是在一种有利的实施形式中，代替校正系数，采用校正系数表，其中每个斜率值和/或每个环境温度值和/或其它参数都和一个校正系数相配，并相应地使用所述校正系数。这里优点是，可以进一步改进所述方法。
在另一个有利的实施形式中，在所述方法中，由变频器将所测得的温度用于电机供电中的调节和/或对所述温度进行记录。
在另一个有利的实施形式中，在所述方法中，当利用传感器测量的温度超过一规定的极值时，
-降低变频器的脉冲宽度调制频率和/或功率输入，
-关闭变频器，
-和/或向设备的操作者发出警告信号。
其它优点由从属权利要求中得出。
附图标记表
1    电路板，特别是多层电路板
2    用于可拆卸地连接的固定元件
3    导热软膏
4    传感器
5    接线脚
6    冷却体
7    绝缘区域
8    内部线路
9    镀通孔
10    孔
11    载体材料
20    用于导热粘接剂的区域
40    接线脚
41    接线线路
42    钻孔
43    绝缘区域
44    金属区域
45    内层
46    内部线路
47    部分区域
附图说明
下面借助于附图详细说明本发明。其中：
图1以剖视图示出根据本发明的装置，
图2以剖视图示出另一个根据本发明的装置，
图3以剖视图示出第三个根据本发明的装置，
图4a以俯视图示出第四个根据本发明的装置，
图4b以俯视图示出第四个根据本发明的装置的多层电路板的内层。
具体实施方式
在根据本发明的、按图1的装置中，电路板1设计成多层电路板，并因此包括多个其中可以设有铜制线路的平面。
利用作为用于可拆卸地连接的固定元件2的螺钉将电路板1与冷却体6相连。
在电路板1朝向冷却体的一侧上焊接有具有接线脚5的传感器4。这有利地按SMD(表面安装器件)技术进行。由钎焊接触部设置一种穿过电路板1所有层的镀通孔形式的电连接，以与电路板1上侧的导线线路相连。由此，传感器的测量信号也可以通过所述镀通孔传递到电路板1的上侧上，由此可在信号线路和导电的冷却体之间规定足够的绝缘距离。
以这种方式，还使得可以使位于传感器上方的其它平面中的、特别是多层电路板1的内层中的导线线路导电地并因此也导热地与电路板下侧上的、可直接与冷却体接触的铜区域相连。由此可以实现，通过电路板的内层还将冷却体的温度水平传递到传感器上。所述传感器可以说是被包围在或者被置入冷却体的温度水平中，尽管冷却体本身并没有包围传感器。
特别是所述固定元件2也用于实现热连接，所述固定元件将电路板1以及由此还有电路板下侧上的所述铜区域压靠在冷却体6上。
此外，所述固定元件2还用于使电路板1与冷却体6机械地连接。由此，电路板与冷却体的连接借助于用于使冷却体可拆卸地与电路板连接的固定元件实现，例如利用螺栓。
传感器4布置在冷却体6的一凹口内，所述凹口填充有导热软膏3。有利地可以在安装传感器4之前进行填充。
这样来设计所述凹口并确定其尺寸，即，保持必要的到传感器及其接线端的通风距离和爬电距离。
此外，电路板1在图1中不可见的区域内装备有功率半导体，如IGBT，所述功率半导体的冷却面与冷却体6导热地相连。为此所述冷却面直接与冷却体相连或通过陶瓷板间接地与其相连。
传感器4有利设计成用于监控功率半导体的温度传感器。通过温度测量使得可以更好地对功率半导体进行精确调节。
重要的是传感器良好导热地即以较小的传热阻力联结在冷却体6上。冷却体6直接或间接地良好导热地与功率半导体的冷却面相连。传感器4在空间上在功率半导体附近设置。从而从功率半导体流动通过冷却体的热量只需要较短的时间段。传感器上的温度变化以几秒钟的滞后时间跟随功率半导体内部的温度或功率半导体冷却面的温度。结构布置有利地设计成，使滞后时间在1秒钟到1分钟或3分钟之间。在滞后时间之后，如果规定功率半导体上具有恒定的损失功率，则传感器的温度在测量精度的范围内达到稳定的值。
在图2所示的实施例中，电路板1与冷却体6相连。这种连接通过螺钉2来形成。
在电路板1上在背离冷却体6的一侧安装有传感器4。
电路板1作为多层电路板包括在内层中的金属区域，即内部线路8，所述内部线路由于其高的热导率而将冷却体6的温度传递到电路板1中，特别是传递到空间上在传感器4附近的区域中。这里内部线路8的热导率明显高于多层电路板的载体材料11的热导率。将金属材料如铜或铜合金用于内部线路，以及将塑料材料如环氧树脂用于多层电路板的载体材料是有利的。
空间上在传感器附近(的区域)理解为所有这样的空间点的集合(Menge)，所述点距离传感器4—包括其接线脚5或接线装置的距离小于电路板1的厚度。
为了在冷却体6和内部线路8之间实现热连接(Anbindung)，至少还采用螺钉2。这里有利的是，用于螺钉2的孔按镀通孔的形式用电导体包裹，由此可以改善内部线路8到螺钉2以及由此到冷却体6上的热连接。此外有利的还是，电路板在朝向螺钉头的一侧设有金属面，所述金属面形成到电路板内层的良好的热接触。
为了在冷却体6和内部线路8之间实现热连接，还在电路板1与冷却体6接触的区域内，在电路板的表面上设置金属区域，所述金属区域至少通过金属包裹的孔10导电和导热地与内部线路8相连。由此对于与冷却体6和内部导线8之间的热传递可以实现非常高的导热系数。
内部线路8的高热导率使得在传感器4附近测得的温度基本上等于冷却体6的温度。由于内部线路8较小的热容量，该温度还跟随冷气体温度的变化。
所述两个温度相等的精确度取决于内部线路8在冷却体6上的热连接的物理特性以及内部线路的热容量。这里这样来选择内层的几何结构和电路板在冷却体上的机械连接，即，使相应的从冷却体6到传感器4的热容量和传热阻力较小。
这里到温度传感器4的热传导至少通过接线脚5和连接在接线脚上的传感器4内的导线进行。
在图2中示意性示出的内部线路8包括两个导线线路的层。这里有利的是，可以改善热连接。
电路板1的内部线路8与镀通孔9相连。由此，不同的内部线路8相互之间和/或与电路板1的金属表面导电和导热地连接，由此，内部线路8以改善的方式将冷却体6的温度传递到传感器4的附近。特别是可以有利地实现均匀的温度分布。
在电路板1朝向传感器4的表面上设有结构，包括绝缘区域7和电导体线路，通过所述结构传感器4通过接线脚5到电连接到未示出的分析处理单元上。这里所述导线线路这样分布，即特别是根据标准EN61800-5-1，保持到具有冷却体的电势的金属区域的、足够的绝缘距离。由此有利地实现，传感器4可以在与冷却体不同的电势上工作。因此，特别是传感器可以不需要复杂的电分离布置而接入一未示出的电路中。
在图3中示出的按本发明的实施例中，冷却体6在电路板1上的支承面不是在与位于电路板1背离冷却体的一侧上的传感器4相对的区域上延伸。传感器4因此安装在电路板的这样一个区域内，所述区域与冷却体和电路板的接触面的距离超过传感器4的长度数倍。这里有利的是，传感器4可以灵活地定位，并且仍然可以—特别是通过内部线路8—实现使传感器4非常好地热连接到冷却体的温度水平上。根据对于热连接质量的要求不同，传感器到冷却体和电路板的接触面的距离可以明显超过传感器长度的十倍。
在一种结构中，传感器4在到冷却体6的空间距离上按前面一段所述的方式布置，但布置在电路板1与冷却体6相同的一侧，这种结构同样包括在本发明中。
在图4a中所示的根据本发明的实施例中，示出一多层电路板1，在所述电路板上安装有传感器4。所述传感器4通过接线脚40与电路板1相连。通过电路板1上的连接线路41，传感器4连接在未示出的分析处理单元上。
优选采用飞利浦半导体厂的“KTY82-1”系列的硅温度传感器作为所述传感器。
冷却体6通过未示出的、穿过钻孔42的螺钉与电路板1相连。电路板1在其背离冷却体6的表面上具有一金属区域44，所述金属区域导电以及导热地连接到螺钉的头部上。
围绕传感器4形成一绝缘的区域43，该区域使传感器4与冷却体的电势实现电分离。绝缘的区域43的几何设计特别是根据标准EN-61800-5-1和传感器4与冷却体6之间的电势差来进行。
镀通孔9形成金属区域44到内层的金属区域—即电路板1的内部线路—的导电和还有导热的连接。
图4b以俯视图示出这种内层45。在所述内层上设有内部线路46，所述内部线路通过镀通孔9与表面上的金属区域44相连。所述内部线路46特别还在沿俯视图的观察方向设置在传感器4下方的部分区域47上延伸。由此，在电势差可靠地电绝缘的同时，还使得形成传感器4在冷却体6上非常好的热连接。
通过多个所使用的镀通孔9和内部线路，可以实现传感器4在冷却体6上非常好的热连接。
如果例如绝缘区域43提供了金属区域44到传感器4的接线脚40约为3mm的距离，并且如果多层电路板的内部线路46距离电路板的表面约为200μm，则在传感器4和冷却体6之间实现非常好的热连接的同时，还可以实现传感器4和冷却体6之间约为300V的电势差。
在本发明的另一个实施例中，冷却体具有凹口，所述凹口包围与传感器相连的电路板的部分。这里特别有利的是，对于电路板，冷却体部分地承担形成壳体的功能，并且电路板和冷却体之间传热阻力特别小。
在本发明的另一个实施例中，传感器4通过接线脚5、40按SMD技术与电路板1连接。
在本发明的另一个实施例中，传感器4是半导体传感器或例如为pt100或pt1000型的铂电阻传感器。
在本发明的另一个实施例中，冷却体非常好地导热地与至少一个功率半导体相连。这里有利的是，通过传感器可以确定功率半导体的温度的温度值。
在本发明的另一个实施例中，冷却体直接地或通过至少一个陶瓷板间接地与功率半导体的冷却面导热地相连。这里有利的是，一方面冷却体与功率半导体电绝缘，另一方面功率半导体和冷却体之间的热传递具有高的传热系数。
在本发明的另一个实施例中，代替用于连接电路板和冷却体的螺钉2，采用其它可拆卸或不可拆卸的连接形式。这里有利的是，采用材料结合(stoffschlüssig)的连接，例如粘结连接、钎焊连接或熔焊连接，和/或利用铆钉的连接，夹紧和/或卡扣的连接。
在本发明的另一个实施例中，传感器4与电路板1至少材料结合地连接，这里所述连接特别是包括粘接连接，其中特别是，电路板和传感器之间的粘结连接具有比传感器通过传感器的接线脚与电路板连接的情况低的传热阻力。由此，传感器可通过导热的粘接剂固定在电路板上。所述粘结剂特别施加在对应于图1至3中分别用20表示的区域的区域中。所述粘接剂具有7.5W/mK或更高的热导率。例如可以采用德国Wuppertal的公司Quick-Ohm Küpper&Co.GmbH的导热粘接剂Quick cool。在这种实施例中有利的是，可改善传感器4到冷却体6上的热连接，并且降低通过热处理导致的、传感器的接线脚在电路板上的钎焊连接的材料负荷/污染。
在本发明的另外的实施例中，所述电子装置是电视机、变频器、逆变器、变流器、音乐灯光装置(Lichtorgel)、相位截止控制装置，开关电源、直流调节器或一般地是具有半导体继电器或闸流管的装置。
在本发明的另一个实施例中，代替电气装置，设有一个具有热源的装置，所述热源与壳体件例如冷却体相连。这种冷却体与根据本发明的多层电路板相连。由此可以简单且可靠地监控热源。
在本发明的另一个实施例中，所述冷却体是内燃机壳体的一部分或与所述壳体良好导热地连接。这里有利的是，借助于传感器可以简单地监控内燃机的温度。
在本发明的另一个实施例中，所述冷却体是加热设备/供暖设备的组成部分。这里有利的是，可以利用传感器4确定和监控加热体和/或燃烧室的温度。
在本发明的另一个实施例中，所述冷却体用于进行化学反应的化学设别的组成部分。这里有利的是，利用传感器4可以确定和监控化学设备的容器的温度以及由此确定和监控参与化学反应的物质的温度。
在本发明的另一个实施例中，所述冷却体是例如发电厂中的冷却循环的组成部分。这里有利的是，可以以可靠、经济和易于维护的方式形成离散的温度监控范围/循环(Temperaturüberwachungskreis)。
现在已经证明，传感器确定的温度按以下方式用于检测功率半导体和/或冷却体的温度：
特别是在电子装置，如变频器等中，功率半导体优选脉冲宽度调制地运行。
由如电流和电压的电测量参数以及由确定脉冲宽度调制的参数，可以确定功率半导体的损失功率。作为电流特别可以设想使用由变频器供电的电机的电机电流。作为电压例如可以设想使用变频器的中间电路电压(Zwischenkreisspannung)。作为参数例如有脉冲宽度调制比例(Pulsweitenmodulationsverhltnis)。如果现在要进一步确定功率半导体和传感器之间以及冷却体和传感器之间的传热阻力，只要损失功率保持恒定，本领域的技术人员就能够由所测量的传感器温度确定功率半导体和/或传感器的温度。这里应注意滞后时间。
但在实践中已经证明，一种特别简单的方法是成功的。在这种方法中，确定传感器温度在时间上的温度变化的斜率。然后作为由传感器测量的温度和乘以一校正系数的所述斜率值的和形成半导体温度的模型量(Modellwert)。这里在实验室中一次性确定所述校正系数，并可以作为参数将其存入变频器中。以这种方式，就得到一种确定功率半导体温度的极为简单的方式。这种方法在(下面)这种应用场合中特别有效，在所述应用场合中，损失功率尽可能长时间地，但至少在滞后时间的时间段内保持恒定。例如启动一传送带并以电机的第一速度驱动该传送带，这里在10分钟或100分钟后才调整到另一个速度。例如在这样的升降机构中所述温度确定也足够好，该升降机构向上行驶5分钟，停止3分钟，然后再向下行驶3分钟。
电子装置所采用的部件的热容量越高，所述温度确定(方法)的作用就越不精确。因此，本领域的技术人员会将热容量和部件之间的距离选择得尽可能小，只要由此不会导致装置其它特性的恶化。
在本发明另外的实施例中，代替唯一一个校正系数，对于每个斜率值都存储并使用一个所属的校正系数。
在本发明另外的实施例中，代替唯一一个校正系数，在温度确定时，对于每个斜率值和每个环境温度都存储并使用一个所属的校正系数。
在本发明另外的实施例中，代替斜率，也可以确定和使用由传感器确定的温度的时间变化的一个或多个高阶时间导数，其中分别(为其)配设校正系数并在装置例如变频器的存储器中存储校正系数。

Claims (20)

1.装置，包括一装备有传感器的电路板和一冷却体，
其中，所述传感器与冷却体导热地连接，
其中，所述电路板与冷却体相连接，
其中，所述电路板是多层电路板，以及
其中，内层的金属区域与朝向冷却体的表面上的至少一个金属区域导电和导热地相连接。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述电路板和冷却体的连接借助于用于可拆卸地连接冷却体和电路板的固定元件，例如利用螺钉，来实现。
3.根据前述权利要求中任一项的装置，其特征在于，所述金属区域具有比电路板载体材料高的热导率，特别是用于在内层的、空间上在传感器附近的区域内实现与冷却体基本上相同的温度水平，所述区域到传感器部件与电路板的接触点的距离小于电路板的厚度。
4.根据前述权利要求中任一项的装置，其特征在于，朝向冷却体的表面上的金属区域与冷却体导电地和/或至少导热地相连接。
5.根据前述权利要求中任一项的装置，其特征在于，电连接部包括镀通孔，特别是用于在电路板的内层形成均匀的温度水平。
6.根据前述权利要求中任一项的装置，其特征在于，传感器的接线元件借助于钎焊连接导电地连接在朝向冷却体的表面上，其中借助于镀通孔，传感器的所述接线元件与背离冷却体的表面的导线线路或与电路板的内部线路相连接。
7.根据前述权利要求中任一项的装置，其特征在于，钎焊连接利用SMD技术实现。
8.根据前述权利要求中任一项的装置，其特征在于，
-所述传感器安装在电路板背离冷却体的一侧，和/或
-所述传感器安装在电路板朝向冷却体的一侧，和/或
-所述冷却体具有凹口，所述凹口包围与传感器相连的电路板的部分。
9.根据前述权利要求中任一项的装置，其特征在于，传感器安装在电路板的这样一个区域内，所述区域与冷却体和电路板的接触面的距离起过传感器长度的数倍。
10.根据前述权利要求中任一项的装置，其特征在于，传感器与电路板至少材料结合地连接，这里所述连接特别是包括粘接连接，其中特别是，电路板和传感器之间的粘结连接具有比传感器通过传感器的接线脚与电路板连接的情况低的传热阻力。
11.根据前述权利要求中的一项的装置，其特征在于，金属区域包括铜或由铜组成，和/或所述金属区域特别是电路板的导线线路。
12.根据前述权利要求中任一项的装置，其特征在于，冷却体与功率半导体的冷却面导热地连接，和/或冷却体与功率半导体直接地或通过至少一个陶瓷板和/或通过导热膜间接地相连接。
13.根据前述权利要求中任一项的装置，其特征在于，所述冷却体
-是内燃机壳体的一部分，
-和/或是加热设备的组成部分，
-和/或是用于进行化学反应过程的化学设备的组成部分，
-和/或是冷却循环的组成部分。
14.根据前述权利要求中的一项的装置，其特征在于，所述装置是电子装置，特别是逆变器、直接变频器、电压中间电路变频器或用于向电机供电的变频器。
15.用于确定热源，特别是功率半导体温度的方法，
其中，热源与冷却体导热地连接，而传感器与冷却体导热地连接，
其中，一多层电路板装有传感器，以及
其中
-确定传感器的温度，
-确定在一定时间段内温度升高的值，
-由传感器温度和与属于温度升高的校正系数相乘的所述值的和确定热源的温度。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于，这样来确定在一定时间段内温度升高的值，即，确定最新的和此前最后测量的传感器温度的差，其中传感器温度测量之间的时间段始终相同。
17.根据权利要求15或16的装置，其特征在于，这样来确定在一定时间段内温度升高的值，即，确定传感器温度时间变化的斜率，即一阶时间导数。
18.根据权利要求15至17中任一项的装置，其特征在于，代替校正系数，采用校正系数表，其中每个斜率值和/或每个环境温度值和/或其它参数都和一个校正系数相配，并相应地使用所述校正系数。
19.根据权利要求15至18中的一项的装置，其特征在于，由变频器使用和/或记录所测得的、用于电机供电中的调节的温度。
20.根据权利要求19的装置，其特征在于，当利用传感器测量的温度超过一规定的极限值时，
-降低脉冲宽度调制频率和/或变频器的功率输入，
-关闭变频器，
-和/或向设备的操作者发出警告信号。
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