CN103852706A - 考虑退化地确定功率半导体的阻挡层温度的方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

考虑退化地确定功率半导体的阻挡层温度的方法及其实现装置。提出一种基于在功率半导体（201）的运行中测量的功率半导体（201）的损耗功率（Pv）以及损耗功率（Pv）与功率半导体（201）的取决于温度的阻抗（Zth）之间的关系来确定功率半导体（201）的阻挡层温度（Tj）的方法，其中基于在功率半导体（201）的运行中记录的升温曲线来确定取决于温度的阻抗（Zth）。本发明还包括用于实施这样的方法的装置。

Description

考虑退化地确定功率半导体的阻挡层温度的方法及其实现装置

技术领域

本发明涉及一种用于在考虑到功率半导体的退化的情况下确定该功率半导体的阻挡层温度的方法以及尤其是在机动车辆中的用于实现这种方法的装置。

背景技术

机动车辆电子系统中的功率半导体的主要任务是操控执行器，如加热电阻、磁调节器或电动机。对功率半导体的要求是低损耗功率、高可靠性、低成本和短的开关时间。功率半导体既不在接通状态下也不在关断状态下具有其最高损耗功率，而是在此之间具有其最高损耗功率。由此，以长过渡时间频繁地开关也影响损耗功率。

作为功率半导体可以使用晶闸管和晶体管。因为晶闸管具有长的开关时间并且其使用造成高成本，因此在机动车辆中几乎仅仅使用晶体管。在此，尤其是可以使用双极晶体管、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）以及作为其组合使用具有绝缘栅极的双极晶体管（IGBT）。双极晶体管在接通状态下具有小的电阻，MOSFET具有短的开关时间，并且用电压而不是电流来操控。由于在较新的MOSFET情况下接通电阻强烈下降，因此 MOSFET几乎取代了双极晶体管作为汽车应用中的功率半导体。尽管IGBT结合了双极晶体管和MOSFET的优点，但是IGBT在车辆中常常由于成本原因而淘汰（除了用于混合动力驱动的变频器）。

用在车辆中的晶体管在晶体管壳体中或者甚至在相同芯片上具有附加的功能，如过载保护、自我诊断以及制备操控信号。多个功率半导体常常与其智能一起组合成一个功率模块。

由于日益增加的混合动力化的趋势，尤其是用在混合动力车辆、在此例如变频器中的功率半导体受到强烈的温度上升以及附加的热负荷。这些是在设计和构思时应当考虑的。热负荷有显著的一部分取决于天气形势和驾驶员的类型和/或交通状况。因此，理想地必须根据驾驶员类型和使用领域使用单独的功率半导体，所述功率半导体动态地适配于当前交通状况。这从如今的角度来看是不可能的。但是可以通过在线监视分别确定功率半导体的瞬时损害状态。

热负荷多么强烈地损害功率半导体首先取决于阻挡层温度。为了确定阻挡层温度，可以使用不同的方法。公知的例如是基于热扩张的卷积方法、校准曲线和热模型。但是这些方法具有弱点，因为它们未考虑到或仅仅不足地考虑到功率半导体中的各个材料层的退化。该退化例如表现为损坏、脱层的形式或者表现为形成所谓的收缩孔。这些导致从阻挡层到冷却体的热路径的恶化，因为热由于减小的横截面而能被更差地排出。这导致在相同损耗功率的情况下阻挡层温度Tj的升高。

因此，此外还存在对确定尤其是机动车辆中的功率半导体的阻挡层温度进行改善的需求，所述确定考虑到所述阻挡层的退化。

发明内容

根据本发明，提出具有独立权利要求的特征的用于在运行期间在考虑到退化的情况下确定功率半导体的阻挡层温度的方法以及尤其是机动车辆中的用于实施这样的方法的装置。有利的构型是从属权利要求以及下面的描述的主题。

本发明优点

由于迄今为止使用的用于基于功率半导体的新状态并在运行期间确定功率半导体的阻挡层温度的热方法未进行适配，但是连接技术在运行中日益退化，因此产生系统误差。该误差表现为所确定的低阻挡层温度。因此，涉及对不可靠方面的估计。而根据本发明提出的方法使得阻抗矩阵形式的热模型能够适配于瞬时退化状态。由此可以单独地对驾驶员的驾驶方法以及所造成的组件退化作出反应。

术语“在线”和“离线”在本申请的范围内是指一方面在机动车辆的连续运行期间以及另一方面在机动车辆投入使用以前（例如在工厂中）执行方法或方法步骤。迄今为止所使用的用于确定功率半导体的阻挡层温度的热模型例如基于仅仅离线确定的升温曲线来工作。

借助于所提出的措施，可以在机动车辆的运行期间比迄今为止更可靠地调节阻挡层温度，并且因此明显延长相应功率半导体的寿命。如果作为故障标准例如规定20%的热阻恶化，则基于具有负荷变化测试的研究得出大致300％的寿命提高。

通过在机动车辆中的在线实施，也可以在关键的应用情况下实现所规定的寿命，并且原则上避免不受控的故障。因为分别确定功率半导体的瞬时热阻，因此可以根据退化状态和阻挡层温度来调节最大损耗功率，所述最大损耗功率保证了热稳定状态。因此，也可以避免过强的向下调节（Abregelung）。

机动车辆中、尤其是混合动力车辆情况下的变频器的根据本发明的计算单元、例如控制设备尤其是以编程技术设置为执行根据本发明的方法。因此，这样的计算单元是用于实施上面说明的和下面进一步阐述的方法的装置。

以软件形式实施本方法也是有利的，因为这尤其是在实施的计算单元还用于另外的任务并且因此总归存在时导致特别小的成本。用于提供计算机程序的合适数据载体尤其是磁盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD－ROM、DVD等。通过计算机网络（因特网、内联网等等）下载程序也是可能的。

本发明的另外的优点和构型从说明书和附图中得出。能够理解，前述和下面要阐述的特征不仅可以分别说明的组合的形式、而且可以其他组合的形式或单独地使用，而不脱离本发明的范围。

本发明根据附图中的实施例示意性示出，并且下面参考附图予以详尽描述。

附图说明

图1以示意图示出了在公知升温曲线的情况下借助于卷积确定功率半导体的阻挡层温度。

图2以示意图示出了根据本发明的一个实施方式的用于确定升温曲线的电路。

图3示出了在使用根据图2的电路的情况下确定升温曲线。

图4以示意图示出了调节策略，所述调节策略包括使用根据本发明的实施方式的方法。

具体实施方式

下面阐述基于开头提到的卷积方法的方法。原则上，在这样的方法中，离线地记录升温曲线并且将其存放在阻抗矩阵中。图1以图表A示出了升温曲线。图表B和C示出了升温曲线到所使用的卷积函数(Zth')的变换。另外，在线地（从开关损耗和导通损耗中）计算相应功率半导体处的损耗功率。这基本上在图1的图表D和E中示出。借助于包含所有功率半导体的升温曲线（根据图表A）和所述功率半导体之间的热交叉耦合的阻抗矩阵，可以从损耗功率中确定阻挡层温度，如在图1的图表F和G中所示的。

该方法例如像图1的图表A中所示的包括在运行期间的升温曲线记录。通过求导可以由此确定热阻抗Zth。在此情况下有Zth = dTj/dt成立。相应的曲线在图1的图表B中予以示出。通过变换，由此获得图1的图表C中所示的关于时间的阻抗曲线(Zth')。该曲线的特征参量被存放在所说明的阻抗矩阵中，所述阻抗矩阵由此涉及功率半导体的其中记录了升温曲线的状态、通常也即新状态。

在图1中，将损耗功率Pv的计算示为功能框D。相应地获得的图表用E表示。在图表F中示出了用来自图表C的阻抗曲线（或阻抗矩阵）计算来自图表E的损耗功率。在此，对于时刻t时的阻挡层温度Tj有Tj(t) = Zth * Pv成立。

为了考虑功率半导体的导通阻抗的温度依赖性，有利地将所计算的阻挡层温度Tj输送回到损耗功率计算（图表D和E）中，以便实现损耗功率的更精确的计算。这以图1的图表H的形式示出。在此，随着阻挡层温度Tj绘出了功率半导体的漏极与源极之间在接通状态RDS,on下的导通阻抗。

阻抗矩阵既考虑到三维热膨胀、又考虑到相应功率半导体模块的元件之间的热交叉耦合。在控制设备中，由此根据下面的等式1通过卷积计算阻挡层温度Tj。在此情况下，下标x描述所观察的功率半导体在功率半导体模块上的位置，n描述晶体管的数目。将冷却体温度THS与按照卷积所计算的温度相加。Zth给出温度感应的阻抗。

（1）。

通过运行时长得出实际热阻Rth的恶化并且由此得出在确定阻挡层温度时的系统误差。实际阻挡层温度随着退化增加而从所确定的温度中除去，直到热稳定性不再被保证并且功率半导体损坏。

根据本发明的一个实施方式，该系统计算误差通过动态地适配阻抗矩阵来防止。该动态适配通过更新阻抗矩阵中的热阻抗（对升温求导）来进行。下面参考图2和3来阐述该方法。

在此，图2以示意图示出了根据本发明的一个实施方式的用于确定升温曲线的电路。该电路总体上用200来表示。图3以图表3A和3B示出了在使用根据图2的相应电路200的情况下确定升温曲线。

电路200具有功率半导体201、在此示为MOSFET。功率半导体201连接在正电压接线端子B+（例如14V接线端子）与地接线端子（GND）之间与电阻R1、例如2Q电阻串联。两个连接点用P1和P2来表示。功率半导体201的栅极G可以通过开关S1与地接线端子GND连接，由此电流可以经由功率半导体201的漏极和源极（未表示出）从正电压接线端子B+流到地接线端子GND。该电流被称为负载电流。

替代于此地，开关S1可以被断开，并且另一开关S2可以被闭合。通过测试电流源202，现在可以接入测试电流，该测试电流流经开关S2、连接点P2、功率半导体201的体二极管（未表示出）和连接点P1（也即与负载电流方向相反）。在体二极管（以及由此整个功率半导体）上下降的电压可以用电压测量设备203来确定。

升温曲线的记录按如下方式进行：

功率半导体201首先在开关S1闭合并且开关S2断开的情况下被施加例如1至10A的恒定负载电流，直到出现功率半导体201的完全升温（热平衡状态）。这在图3的图表3A中予以示出。在图表3A中，相对x轴上以s为单位的时间t绘出了y轴上以V为单位的电压U。相应的电压曲线用300（在升温阶段310中）或301（参见下面）来表示。图3的图表3B（在图3A中以虚线示出）对应于图表3A的细节放大，其中附加地示出了阻挡层温度的变化曲线302（其从相应区域中的电压曲线301中计算出来）。阻挡层温度变化曲线302的y值例如对应于以℃为单位的温度T。

直至完全升温的时期在图表3A中对应于大致550至880s的升温阶段310（升温阶段310更早开始，但是在这里从大致550s起才被示出）。在阶段310中，温度上升由于负载电流而导致在功率半导体201被接通RDS,on的情况下漏极与源极之间的电阻升高。电压U相应地上升。在此，热平衡状态最迟在大致880s的时刻t＝0才达到。直至完全升温的时间取决于热容量的绝对值。

在时刻t＝0，负载电流被关断（开关S1断开），并且例如10－100mA的测量电流（通过闭合开关S2）被接入。这有利地进行，以考虑到在其他功率半导体201的情况下的热交叉耦合。如从图表3B中可以详细地看出的，在借助于电压测量设备203通过功率半导体201的体二极管进行测量的情况下，电压从时刻t＝0起随着功率半导体201的温度下降而增加，因为所述电压具有负温度系数（图3中的图表3A的阶段320）。因此，图表3B用电压曲线给出了通过测量电流感应的曲线301形式的电压。通过之前记录的校准曲线（其必然是针对小电流、例如所述10－100mA记录的，以便在组件中不生成自升温），功率半导体上的电压变化曲线可以换算成温度变化曲线或冷却曲线302。该冷却曲线302可以换算成 升温曲线（参见图1中的图表1A）。利用该升温曲线，可以更新阻抗矩阵。

为了在阻抗矩阵中考虑交叉耦合，在计算时在特定的时刻仅允许引入一个损耗功率，也就是说，仅允许给一个半导体施加负载电流（图3，图表3A，阶段301）。在接下来的测量阶段（阶段302或图表3B）中，仅仅测量未被施加负载电流的半导体。由此根据等式3得出简化的阻抗矩阵。在测量以前，必须建立起热稳定状态。

（2）。

在扩散过程（例如通过使用扩散捕捉器（Diffusionsfänger））仅仅起次要作用的条件下，可以放弃确定热容量Cth，因为热容近似保持恒定。在该假设下，不需要完整的曲线走向，而是仅需最大温度增量，该最大温度增量在图3的图表3B中303来表示。但是在扩散过程中，产生新的材料配对，所述材料配对可能具有其他材料特性并且因此具有不同的比热容。在连接技术中的损害机制占主导（例如焊剂退化）的情况下，在忽略扩散过程的情况下，在运行中、也即在线地根据图4在相应的边缘条件下确定的热阻首先发生变化。

(3)。

如果在相应功率半导体模块上存在温度传感器，可以进行所确定的热阻抗矩阵的验证，其方式是，附加地确定模块的所有芯片到温度传感器的热传递。接着，可以执行所计算的传感器温度与所测量的传感器温度之间的均衡。在此如果确定了所定义的公差带以外的偏差，则必须执行升温曲线的重新计算。为了减少测量信号中的噪声，有利地在车辆静止、例如在无载阶段时确定阻抗矩阵。

如果在确定阻挡层温度时借助于阻抗矩阵识别出阻挡层温度持续地升高，则可以在此基础上推断出退化增加。电流负载必需被减少，直到产生稳定温度变化曲线。电流负载可以通过不同的所谓的减额（Derating）策略、例如改变运行策略（例如通过降低功率）来进行。因此保证：半导体尽管热阻抗增大，但继续在所规定的温度范围内运行并且防止不受控的故障。

芯片因此可以总是在其瞬时热稳定极限处运行。

图4以示意图总体上用400表示地示出了调节策略，所述调节策略包括使用根据本发明的实施方式的方法。在此情况下示出了有利地参与相应在线监视的全部模块。

调节策略400的核心是方法步骤401，其中确定升温曲线Cth或仅仅确定热阻Rth。该方法步骤401之前参考图2和3被阐述。对此，如前所述的，需要在步骤402中至少确定校准曲线。在此，所述校准曲线作为恒定电流下的电压的函数Tj = f(U)给出阻挡层温度Tj。这事先被离线地确定。为了确定升温曲线，需要电压传感器403。

适配于退化的热阻Rth以及必要时热容量Cth进入到热阻抗矩阵中，该热阻抗矩阵存放在框404中。这已经参考等式2予以了阐述。

从阻抗矩阵中可以在步骤405中借助于卷积从瞬时损耗功率中确定阻挡层温度Tj。在步骤406中计算损耗功率。如所阐述那样，为了考虑功率半导体的导通电阻的温度依赖性，有利地将所计算的阻挡层温度Tj输送回到损耗功率计算中（步骤406），以便实现损耗功率的更精确的计算。在步骤407中，确定功率半导体的冷却体的温度。所述冷却体的温度如在等式1中所给出的那样进入到阻挡层温度Tj的计算中。

在步骤408或相应的监视单元中，连续地监视阻挡层温度Tj。如果如所述那样在步骤408中识别出阻挡层温度Tj持续地升高，则可以在此基础上推断出退化增加。在步骤409中，电流负载可以通过所述减额策略、如改变运行策略、例如通过降低功率来减小。因此，向下调节单元409作用于能量管理411。如果向下调节措施超过了事先定义的值，则通过诊断410开始预防性维护措施。通过能量管理411中的改变以及对阻挡层温度的调节，减小了退化速度414。这又可以用升温曲线来确定。

如果在相应的功率半导体模块上存在温度传感器，则也可以在步骤412中进行相应的温度测量并且在步骤413中进行在步骤404中所确定的热阻抗矩阵的验证，其方式是，附加地确定从模块的所有芯片到温度传感器的热传递。在此如果确定所定义的公差带以外的偏差，则必须执行升温曲线的重新计算。

Claims (14)

1.一种基于在功率半导体（201）的运行中测量的功率半导体（201）的损耗功率（Pv）以及损耗功率（Pv）与功率半导体（201）的取决于温度的阻抗（Zth）之间的关系来确定功率半导体（201）的阻挡层温度（Tj）的方法，其中基于在功率半导体（201）的运行中记录的升温曲线来确定取决于温度的阻抗（Zth）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中记录升温曲线包括：使功率半导体（201）发热，并且在给发热的功率半导体（201）施加测量电流的情况下通过冷却阶段（302）确定在功率半导体（201）上下降的电压（UDS）。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述发热通过如下方式进行：给功率半导体（201）施加负载电流直到达到功率半导体（201）的恒定温度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述负载电流为1至10A、尤其是10A和/或所述测量电流为10至100mA、尤其是100mA。

5.根据权利要求2至4之一所述的方法，其中从在功率半导体（201）上下降的电压（UDS）中基于校准曲线来确定所述功率半导体的温度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中借助于校准测量来确定所述校准曲线。

7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中至少两个功率半导体（201）的所记录的升温曲线及其交叉耦合以阻抗矩阵的形式给出。

8.根据权利要求7所述的方法，其中对功率半导体（201）的阻挡层温度（Tj）的确定从所述阻抗矩阵中借助于卷积方法进行。

9.一种用于机动车辆、尤其是混合动力车辆的调节方法（400），其中借助于根据前述权利要求之一所述的方法来确定至少一个功率半导体（201）的阻挡层温度（Tj），并且基于所述阻挡层温度（Tj）来确定所述至少一个功率半导体（201）的退化。

10.根据权利要求9所述的调节方法（400），其中基于所述至少一个功率半导体（201）的退化来适配用于所述至少一个功率半导体（201）的操控方法。

11.根据权利要求9或10所述的调节方法（400），其中基于所述至少一个功率半导体（201）的退化进行所述至少一个功率半导体（201）的向下调节，使得不实现阻挡层温度（Tj）的持续升高。

12.一种计算单元，尤其是机动车辆、尤其是混合动力车辆的控制设备，其被设置为执行根据前述权利要求之一所述的方法。

13.一种具有程序代码装置的计算机程序，所述程序代码装置在其在根据权利要求12所述的计算单元、尤其是控制设备上执行时促使计算单元执行根据权利要求1至11之一所述的方法。

14.一种具有存储在其上的根据权利要求13所述的计算机程序的机器可读存储介质。

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