CN101673999B - 半导体应力的减小 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种减小变频器中的半导体部件的热应力的方法、一种变频器中的布置结构以及一种变频器，其中半导体部件附着到用于冷却半导体部件的冷却元件，并且一个或多个电阻元件附着到冷却元件。在该方法中，通过将电流从变频器提供给附着到冷却元件的一个或多个电阻元件，由该一个或多个电阻元件加热冷却元件，以便获得半导体部件的升高的最低温度，并由此减小在变频器的使用期间半导体部件中的最高温度和最低温度之间的温度变化量。

Description

半导体应力的减小

技术领域

本发明涉及减小半导体应力，尤其涉及减小由半导体部件中的温度变化造成的半导体应力。

背景技术

变频器是一种可以用于向负载馈送频率可变的电压的电装置。变频器典型地与电动机一起使用来以变化的频率控制电动机，或者向电网回传送电力，在此情形下，变频器产生具有与电网频率对应的频率的电压。

当今，作为快速栅控部件的IGB晶体管(绝缘栅双极晶体管，IGBT)被典型地用作变频器的功率半导体，即，产生输出电压的开关部件。最大IGBT部件的电流承载能力是几百安培，且它们的最大电压是几千伏特。在变频器中，开关部件被单纯地用作开关，在此情形下，它们具有两个状态，即，完全导通和完全截止。在实践中，尽可能快地执行状态改变，以避免在部件中同时存在电压和电流。

这里提到的IGBT是由几个部分、同时亦是由具有不同热阻的几个构件组成的部件。半导体部件可认为是由基板、衬底和实际半导体元件即芯片构成的。基板的功能是将部件中产生的热量传导到冷却元件，如热沉等。衬底处在基板的顶上，且芯片固定到衬底。显然，作为电阻部件的芯片最快变热且加热程度最大，因为有电流流过该部件。而基板在各组成部分中最慢变热且加热程度最小，即，它具有最大的温度时间常数，这部分是因为冷却，部分是因为热量向大体积的基板散布。

半导体部件的不同部分不仅具有不同的温度时间常数，并且还具有不同的热膨胀系数。热膨胀系数表示由物体中的温度变化造成的膨胀的大小。由于半导体部件的各部分紧密地聚在一起(常常被焊接)，所以因膨胀的大小不同而在各部分之间出现机械力，该机械力使该部件发生应变并最终破坏该部件。

当功率半导体被周期性地施加负荷时，该热应力问题尤其严重。周期性负荷是指这样的负荷：其不是恒定的，而是由于功率半导体的负荷时大时小这一情况而形成的。这种负荷在功率半导体中产生大的温度变化，因为温度在大的负荷即电流期间剧烈上升且随着负荷的减小而下降。这种周期性负荷使功率半导体过早地老化。

逆变器的周期性驱动的例子包括起重机、离心机和电梯驱动。例如，在离心机驱动中，逆变器控制电动机以使离心机旋转，离心机需要大的扭矩来加速，这意味着半导体中大的电流和大的温度升高。在加速之后，离心机以工作速度旋转，在此情形下，随着所需扭矩的减小，逆变器的输出电流显著减小。在加速期间变热的半导体部件现在开始冷却。如果离心机又再生性地(即，通过将电动机用作发电机)变慢，则大电流再次流过开关部件并且开关部件变热。上述情况也适用于电梯和起重机驱动以及其它周期性驱动。

一种设计驱动的当前方法是基于由周期性负荷造成的半导体温度变化即幅度而实现的。半导体制造商指明作为温度变化的函数的、半导体能忍耐的大概周期数。随着温度变化的减小，允许的最大周期数增加。

当今，像其它电装置一样，变频器由风扇或通过液体冷却来主动地冷却。在这样的方案中，将热量从该装置中带走以冷却该装置中的变热的部件。一般来说，将功率半导体部件附着到冷却元件，如热沉等。此外，通过结合热沉使用强制空气或液体来保持低的温度。通常使用恒定的冷却，在此情形下，无论功率半导体的温度如何，冷却风扇或泵都以恒定的旋转速率工作。在一些方案中，还已知使用直接根据温度而变化的冷却，在此情形下，随着热量产生的增大，冷却功率也增大以限制最高温度。

显然，通过使用风扇来冷却部件，可降低部件的最高温度。因此，在设计功率半导体时考虑风扇的工作，使得部件的最高可允许温度不被超过。

然而，仅使用强制空气或液体冷却不能减小温度轮廓(即，部件的最高温度与最低温度之差)，从而不能避免尤其是周期性驱动中的温度变化所造成的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法、一种实施该方法的布置结构以及一种变频器，以便克服上述问题。本发明的目的是通过该方法、该布置结构和该变频器来实现的。此外，还公开了本发明的多个优选实施例。

本发明基于如下思想：通过使用电阻器加热冷却元件来减小温度变化。在部件的使用期间加热冷却元件，使得当在高功率下未使用变频器时，功率半导体部件仍然保持在特定温度，该特定温度高于在去除该加热的情况下部件将达到的温度。

本发明基于如下认识：为了最小化半导体应力，必须提升半导体部件的最低温度。功率半导体部件的最高可允许温度是用于设定部件的额定值的设计参数；不必过高设定部件的额定值就能使此温度不轻易地降低。

本发明的方法和装置的一个优点是可显著减小由温度变化造成的半导体应力。这通过最少地改变装置并且不必过高设定部件的冷却布置结构的额定值就能实现。对于其中由负荷变化造成的温度变化急剧缩短了部件的服务寿命的变频器的周期性使用来说，本发明的方法和装置是特别有利的。

附图说明

下面，通过优选实施例并参照附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了变频器；

图2至图5示出了其中实施了本发明的中间电压电路；以及

图6示出了温度曲线。

具体实施方式

图1示出了变频器的基本结构。变频器包括整流器1，整流器1对电源3的交流供电电压进行整流。经整流的电压被馈送给DC母线或DC中间电路5，DC母线或DC中间电路5包括用于存储和平滑经整流的电压的一个或多个电容器6。经整流的电压又被馈送给逆变器2，逆变器2能够将具有期望频率的交流电压提供给负载，如电动机4。在图1中，示出了电源3和负载4都是三相系统。

变频器的逆变器由控制部分7控制。控制部分7根据规定的控制方案控制逆变器的半导体开关，以便向电动机提供期望控制动作，即，例如期望速度或扭矩。该控制例如基于输出电流和电压的测量值。如果整流器1具有可向电网3回馈电力的类型，则控制部分7还可控制整流器的开关。

当控制负载时，功率半导体部件将中间电路的DC电压切换到负载，并输送负载电流。在切换电压并同时输送电流期间，半导体产生热量，该热量必须从部件中去除。为此，半导体部件附着到冷却元件如热沉，冷却元件将该热量散布到更大的质量，并从那里散布到周围介质，周围介质可以是强制冷却系统的空气或水。

在本发明中，一个或多个电阻元件附着到半导体部件所附着到的冷却元件。电阻元件用于加热冷却元件，以便设定冷却元件的最低温度。由电阻元件产生的热量将冷却元件保持在这样的温度：其高于无该额外加热时冷却元件将呈现的温度。优选地，冷却元件的最低温度至少升高10℃。这种提升的温度帮助提供有利的效果。

由于冷却元件如热沉与功率半导体部件处于良好的热接触以便输送部件中产生的热，所以部件也容易呈现冷却元件的利用电阻元件产生的温度。因此，当部件本身不产生热量时，由电阻元件为热沉设定的温度限定了半导体部件的温度。

与来自部件的热量相比，由电阻元件带给热沉的热量是小的。因此，该额外的热量不影响热沉或附着到热沉的半导体部件的最高温度，使得不必重新设计系统。因此，用于加热冷却元件的电力不显著影响部件或冷却系统的额定值。

根据本发明的一个实施例，附着到冷却元件的电阻元件是平衡电阻器。图2示出了变频器的中间电路，其中两个电容器25、26串联连接在DC母线的DC电压之间。与电容器25、26并联地提供两个电阻器21、22，用于以已知的方式平衡电容器之间的电压。电容器的电压被平衡为使得每个电容器具有相同的电压。电容器中的电压使得电流在电阻器中流动，并且因此电阻器21、22从电容器中缓慢地放电。图2中示出了电阻器位于电容器附近。然而，图2是电路图，且至少有一个物理电阻器元件附着到冷却元件。当给变频器供电并在DC母线上产生电压时，电流流过电阻器，从而在冷却元件中产生热量并提高冷却元件的最低温度。

如图2那样，图3也代表具有并联的电容器35和电阻器31的变频器的中间电路。电阻器31的目的是当以已知的方式关断变频器电源时对电容器进行放电。可以理解，只要电容器的电压不为零，就有电流流过电阻器。根据本发明的另一个实施例，该放电电阻器31被用作用于加热冷却元件的电阻元件。为此，放电电阻器附着到冷却元件，以便维持冷却元件中升高的最低温度。

与上述平衡电阻器(其对于使中间电路放电同样是有效的)一样，放电电阻器31使中间电压电路连续地放电。因此，电流连续地流过该电阻器，并且冷却元件被加热。

在使用放电电阻器和平衡电阻器的结构中，耗散功率是颇小的。由于在变频器工作期间中间电路的电压是已知的，所以可以以简单的方式设计电阻器中耗散的功率量。如果需要，可分别针对每个热沉计算耗散功率和最低升高的温度。另一方面，亦可通过试验确定或模拟电阻值和温度提高。应当注意，为了本发明的目的，放电电阻器和平衡电阻器可被选择为比无加热的工作时耗散更多的功率。因此，电阻器可设计成更有效地加热冷却元件。

根据本发明的一个实施例，通过使用以冷却介质(即空气或液体)的变速流进行的强制空气或强制液体冷却来进一步冷却冷却元件。根据驱动的负荷周期来控制冷却介质的流量。因此，在空气冷却的情形下，通过控制用于强制冷却的鼓风机的速度来控制该鼓风机。控制该速度以保持温度变化尽可能地低并且还保持低的温度变化率。

在实践中，这意味着当半导体部件的温度开始上升时，通过例如使用全部或接近全部的鼓风机容量采用强制冷却来阻止温度变化。当变频器的负荷下降时，由半导体部件产生的热量减少。这又意味着部件的温度开始降低。为了使温度变化及变化率最小化，鼓风机被控制在较小的旋转速率，并因此冷却得以减弱。

根据一个实施例，当半导体部件的温度上升时，强制冷却被控制在高值，而当所述温度下降时，强制冷却被控制在低值。如果在设计冷却元件时考虑强制冷却，即，如果确保半导体部件的温度不超过最高可允许温度，则应根据此设计来使用冷却。也就是说，尽管应用了本发明的方法，但也应注意不超过最高可允许温度。

上面参照空气冷却描述了受控强制冷却，在空气冷却中，流动介质是空气且鼓风机电动机受控制。类似地，可通过强制液体冷却来实现相同的方法，在强制液体冷却中，流动介质是液体且通过控制用于使液体循环的泵来实现控制。

在上述实施例中，对冷却的控制取决于温度和温度变化。基于对热连接到半导体部件的部件如热沉的温度测量结果，可容易地测量或确定半导体部件的温度。此外，可基于流过该部件的电流、该部件上的电压以及该部件的切换频率来计算半导体部件的温度。

就冷却元件的加热来说，上述受控冷却是非常有效的。该加热提升了最低可获得温度，并且上述受控冷却进一步最小化了温度变化。

根据本发明的另一方面，电阻元件被用来耗散能量，并在冷却元件中以可控的方式产生热量。因此，可选择性地接通和关断电阻元件中的电流。在变频器技术领域中，已知从中间电压电路中耗散能量，以便控制所述电路的电压。这种主动控制的电路被称为制动断路器(brake chopper)，其被用于在电力不能被馈送给负载或供电网络的情况下从中间电路中耗散该电力。该电力耗散降低了中间电路中的电压水平。在最简单的形式中，如图4中所示，制动断路器由连接在中间电压电路的轨之间的可控开关和电阻器的串联连接形成。

根据本发明的一个实施例，附着到冷却元件的电阻元件是制动断路器的电阻器41、51。如图5中所示，制动断路器中的电阻元件可由一个以上的电阻器构成。在这种情形下，可自由地并且与用于制动的电阻器52分开地设计附着到冷却元件的电阻器51的特性。当根据本发明将一个或所有制动电阻器用于向冷却元件供热时，可提高冷却元件的温度。通过在除了制动过程以外的情况下操作制动断路器，也可提高温度。例如，可在周期中的特定时间段内操作制动断路器的开关42，或者可基于冷却元件或半导体部件的测量或估计温度而操作它。制动电阻器被设计成耗散相当大量的功率。因此，在周期性地使用断路器来加热冷却元件时，各周期无需具有长的导通时段。

应当注意，实际制动操作优先于加热程序。这是为了确保变频器保持其工作能力而不跳到过电压。

如图5中所示，在本发明的一个实施例中，制动断路器由多个电阻器和分别用于该多个电阻器的可控开关53、54构成。我们假定电阻器51附着到冷却元件而电阻器52单独地用于制动。当需要制动动作即降低中间电压时，开动开关54。开关53用于控制冷却元件中的加热的量。由此，彼此独立地操作开关53、54。

结合电阻元件51使用可控开关53来在冷却元件中产生热量允许冷却元件的温度显著地变化。可例如使用脉宽调制来控制开关53，其中导通时段的长度设定冷却元件的温度提高。为了最小化半导体部件的温度变化，冷却元件的温度被提高。通过图5的实施例，可将冷却元件的温度设定在期望的水平，因为可精确地控制电阻器51中耗散的功率。该温度可通过使用来自测量或估计温度的反馈信号并根据测量值控制开关53的导通时段来进行设定。由于冷却元件的温度控制不需要很准确，所以该温度可通过使用开关53的导通时段和冷却元件的温度之间的预先计算或测量的依赖关系并且在使用期间改变开关的导通时段的持续时间来进行设定，以便获得期望的温度水平。

可在使用期间以简单的方式改变冷却元件中耗散的功率并因此改变冷却元件的温度。这允许了半导体应力减小过程的通用性。当半导体未被施加负荷时，可例如提升冷却元件的温度或将其保持在高水平，而当半导体被施加负荷时，可减弱由电阻器实现的加热。当冷却元件中的耗散功率的总和恒定时，冷却元件的温度也近似恒定。因此，当加热电阻器和半导体部件所耗散的总功率恒定时，冷却元件的温度也应当是恒定的。

然而，这将意味着在理想情形下，电阻元件将向冷却元件提供与功率半导体一样大的功率。这又要求当电流在半导体部件中开始流动时冷却元件的温度可像温度上升那样快地降低。如果这不能实现，则在负荷周期内，来自电阻部件的耗散功率会将部件温度提升到可接受的水平以上。因此，可取的是，保持冷却元件的最低温度以使得额外加热不显著升高部件所达到的最高温度。

与其它实施例一样，强制冷却亦主要用于将最高温度保持在特定界限以下。强制冷却亦可以是可控的，在此情形下，进一步最小化了半导体部件中的温度变化。

在本发明中，利用连接到变频器的中间电路的电阻装置产生冷却元件中的额外热量。电阻器中耗散的功率是从电系统(即，从供电电源、或者在再生性制动期间从电动机)取得的。相对于变频器本身的功率，加热所需的功率是极小的，并且转换成热量的功率不影响驱动的特性。

如果半导体部件的温度变化将被保持为尽可能低，则可以将最低温度升高例如50℃。这种温度上升量要求耗散功率应被控制为使得在负荷周期内该部件的最高温度不显著超过最高可允许温度。

除了最小化的温度变化以外，本发明还减慢了温度上升速率。这是因为环境和冷却元件之间有较大的温度差。较慢的温度变化率又减小了与热膨胀有关的风险，这是因为避免了突然变化。图6示出了关于传统冷却元件(曲线61)和关于升高的温度(曲线62)的、作为时间t的函数的冷却板的温度T。曲线62从升高的温度T_min开始，温度不下降到温度T_min以下。对于传统冷却元件，当变频器被施加负荷时，温度从温度T₀开始上升。关于图6应当注意，尽管只是通过举例来提供曲线，但是本发明大大减小了温度变化。图6还示出了：在相同的加热功率下，自较高起始温度起的温度变化小于自较低起始温度起的温度变化。因此，即使提高了最低温度，在较高温度下，该提高也是显著较小的。

本领域的技术人员应明白，随着技术的进步，可用各种方式实现本发明的概念。本发明及其实施例不局限于上面描述的例子，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (26)

1.一种减小变频器中的半导体部件的热应力的方法，其中，所述半导体部件附着到用于冷却所述半导体部件的冷却元件，并且一个或多个电阻元件附着到所述冷却元件，其中，在所述方法中：

通过将电流从所述变频器提供给附着到所述冷却元件的所述一个或多个电阻元件，由所述一个或多个电阻元件加热所述冷却元件，以便获得所述半导体部件的升高的最低温度，并由此减小在所述变频器的使用期间所述半导体部件中的最高温度和最低温度之间的温度变化量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，与不进行加热的情况下的温度相比，所述冷却元件的温度至少升高10℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述变频器包括中间电压电路，并且从所述变频器提供给所述一个或多个电阻元件的电流是从所述中间电压电路提供的。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述电阻元件是为了使所述变频器的所述中间电压电路放电而耦合的放电电阻器。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述电阻元件是为了平衡所述中间电压电路中的各电容器的电压而耦合的平衡电阻器中的一个或多个。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述变频器包括强制冷却，并且以可控的方式使用所述强制冷却以便减小所述温度变化量。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电阻元件是电阻器，并且所述方法包括由可控开关控制流过所述电阻器的电流的步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述变频器包括制动断路器，并且所述电阻器是所述制动断路器的电阻器。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，响应于所述冷却元件或所述半导体部件的测量或估计温度而控制流过所述电阻器的电流。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括使用强制冷却的步骤。

11.一种变频器中的布置结构，所述变频器包括功率半导体部件，所述功率半导体部件附着到用于冷却所述功率半导体部件的冷却元件，其中，一个或多个电阻元件附着到所述冷却元件，用于当电流被提供给所述一个或多个电阻元件时加热所述冷却元件，以便获得所述功率半导体部件的升高的最低温度，并由此减小在所述变频器的使用期间所述功率半导体部件中的最高温度和最低温度之间的温度变化量。

12.根据权利要求11所述的布置结构，其中，与不进行加热的情况下的温度相比，所述冷却元件的温度适于至少升高10℃。

13.根据权利要求11所述的布置结构，其中，附着到所述冷却元件的所述电阻元件是电容器放电电阻器，所述电容器是中间电压电路的电容器。

14.根据权利要求11所述的布置结构，其中，附着到所述冷却元件的所述电阻元件是为了平衡中间电压电路中的串联连接的各电容器的电压而耦合的电压平衡电阻器。

15.根据权利要求13或14所述的布置结构，其中，所述变频器包括强制冷却，并且以可控的方式使用所述强制冷却以便减小所述温度变化量。

16.根据权利要求11所述的布置结构，其中，所述布置结构包括与所述电阻元件串联地提供的可控开关，所述可控开关适于控制流过所述电阻元件的电流的量。

17.一种变频器，所述变频器包括功率半导体部件，所述功率半导体部件附着到用于冷却所述功率半导体部件的冷却元件，其中，一个或多个电阻元件附着到所述冷却元件，用于当电流被提供给所述一个或多个电阻元件时加热所述冷却元件，以便获得所述功率半导体部件的升高的最低温度，并由此减小在所述变频器的使用期间所述功率半导体部件中的最高温度和最低温度之间的温度变化量。

18.根据权利要求17所述的变频器，其中，与不进行加热的情况下的温度相比，所述冷却元件的温度适于至少升高10℃。

19.根据权利要求17所述的变频器，其中，所述变频器包括具有一个或多个电容器的中间电压电路，并且所述电阻元件被提供了中间电压电路或一个或多个电容器的电压。

20.根据权利要求17所述的变频器，其中，所述电阻元件是用于平衡中间电压电路中的串联连接的各电容器的电压的平衡电阻器。

21.根据权利要求17所述的变频器，其中，所述电阻元件是用于使中间电压电路的电容器放电的放电电阻器。

22.根据权利要求20或21所述的变频器，其中，所述变频器包括强制冷却，并且以可控的方式使用所述强制冷却以便减小所述温度变化量。

23.根据权利要求17所述的变频器，其中，所述电阻元件是电阻器，并且所述变频器包括与所述电阻器串联连接的可控开关，所述串联连接连接在中间电压电路之间，从而所述可控开关适于控制流过所述电阻器的电流。

24.根据权利要求23所述的变频器，其中，所述可控开关与所述电阻器的串联连接是制动断路器。

25.根据权利要求23所述的变频器，其中，所述可控开关与所述电阻器的串联连接与制动断路器并联连接。

26.根据权利要求17所述的变频器，其中，所述变频器包括与所述冷却元件结合使用的强制冷却，所述强制冷却被设置成是可控的。

Images