CN104053976B - 包括功率晶体管的电子控制电路和监控功率晶体管的使用寿命的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电气设备的电子控制电路(1)，尤其是设计为EC电机(M)的整流电子系统(2)，其具有多个在工作模式下被控制用来控制所述设备的功率晶体管(T1-T6)。一个附加的、类似的、在所述功率晶体管(T1-T6)的工作模式下不带电的参考晶体管(Ttest)和所述功率晶体管(T1-T6)一起被设置或形成在一个共用的支撑物或基底上。所述电路还包括在测试模式下分别向所述参考晶体管(Ttest)和至少一个所述功率晶体管(T1-T6)施加测试电流的装置，测量各个关联饱和电压(UCE？sat)的装置，以及估计由测量的参考晶体管(Ttest)和各个功率晶体管(T1-T6)的饱和电压(UCE？sat)产生的饱和电压差的装置，考虑测量期间的支撑物/基底的温度，作为所述功率晶体管(T1-T6)的老化过程和预期剩余使用寿命的判据。本发明还涉及一种监控所述类型电子控制电路(1)的功率晶体管的预期剩余使用寿命的方法。

Description

包括功率晶体管的电子控制电路和监控功率晶体管的使用寿命的方法
技术领域
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种用于电气设备的电子控制电路，尤其是设计为EC电机的整流电子系统，所述电子控制电路具有多个在工作模式下被控制用来控制所述设备的功率晶体管。
此外，本发明还涉及一种新颖的方法，用于监控所述类型的电子控制电路的功率晶体管的使用寿命。
背景技术
电子控制电路在很多设计中是已知的。在优选配置的情形下，作为EC电机，例如无刷电子整流电机的整流电子设备，通常将四个或六个功率晶体管连接到一个桥式功率放大器上，所述功率放大器由DC电压中间电路供电。单个功率晶体管由控制单元控制，因此，在某种意义上依靠电机的旋转位置控制所述电机绕组，以这样的方式生成用于旋转电机的旋转磁场。在这方面，所述功率放大器实际上担当逆变器，其还可能产生用于速度调整的PWM时钟。
控制电路通常作为用于其它用途的逆变器或者变频器也是已知的。
所述功率晶体管可以作为分立元件被设置在支撑物，例如电路板上，或者可被整合在共用基底的一个模块中。而且，所述功率晶体管可被设置在散热器上，并且被设计为双极晶体管，例如IGBT或者MOSFET。
理论上，半导体元件不受使用寿命的任何限制。然而，实际上，功率晶体管的老化过程和彻底失效确实会发生，例如从经验中可知半导体组件在实际使用中具有有限的使用寿命。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种装置，该装置可以监控功率晶体管的老化过程，确定和指示即将结束的使用寿命。
依照本发明，在根据独立权利要求1的控制电路的情况下可以实现上述目的，独立权利要求1的控制电路依靠一个附加的、类似的参考晶体管，所述参考晶体管在所述功率晶体管的工作模式下是不带电的，并和所述功率晶体管一起被设置或形成在一个共用的支撑物或基底上，独立权利要求1的控制电路还利用装置在测试模式下向所述参考晶体管和至少一个所述功率晶体管施加测试电流，独立权利要求1的控制电路还利用装置测量每一个的饱和电压，以及利用装置估计由测量的参考晶体管和各个功率晶体管的饱和电压产生的饱和电压差，参照经验值，考虑测量期间的支撑物/基底的主要温度来作为所述功率晶体管的老化过程和预期剩余使用寿命的判据。
在本发明的一个有利改进中，提供附加装置来记录和估计在各个连续的测试模式下记录的饱和电压差的变化率，作为老化过程进展的补充判据。在该过程中，考虑每一个时间单元或每一个负载变化的变化率。
用于监控所述类型电子控制电路的功率晶体管的预期剩余使用寿命的新颖方法是独立权利要求10的主题，根据独立权利要求10，在所述控制电路的测试模式下，测量其中的至少一个功率晶体管的饱和电压，为了与所述功率晶体管的饱和电压进行比较，在相同的环境条件下同样地测量一个附加的、类似的参考晶体管的饱和电压，所述参考晶体管在所述控制电路的工作模式下是不带电的，并和所述功率晶体管一起被设置或形成在一个共用的支撑物或基底上，估计结果饱和电压差，基于先前计算和存储的基于经验的经验值，考虑测量期间的支撑物(例如散热器)或者基底的温度来作为所述功率晶体管的老化过程的进展和预期剩余使用寿命的判据。更可取地，在连续执行的各个测试模式下的变化率也被记录和估计用来作为剩余使用寿命的判据。
在各个从属权利要求3-9和12-17以及下述说明书中包括了本发明的其它的有利实施例和改进。
本发明是基于这样的知识，即，尤其是将半导体芯片嵌入壳体中并且将所述芯片电连接到实际的外部组件连接是影响使用寿命的实质因素。在所述过程中的两个主要因素，一方面是所谓的焊接到所述芯片的上表面，而另一方面是将所述芯片焊接连接到导电的“衬底”，所述衬底例如可以是引线框架或者铜层状复合陶瓷。这些焊接连接在每一个负荷循环受到来自芯片、焊接和各个衬底的应力。在一个负荷循环期间，芯片中的温度上升的越快，在焊接连接区域的机械应力负荷就越大，对这些连接的使用寿命的影响就越强。反复的应力负荷导致半导体芯片从所述衬底脱层，所述脱层在所述芯片的下面从芯片的边缘朝向中心推进。日益增加的脱层导致焊接连接的热阻显著增加。因此，随着负荷循环数目的增加，所述芯片的绝对温度在均匀的功耗上持续增加。如果所述温度超过了最大的可允许的芯片温度，通常是150-175℃，会导致毁坏所述半导体芯片。此外，已经明白的是，所述饱和电压，即在晶体管的满载状态下的集电极-发射机电压，直接由电流和温度而定。芯片温度越高，饱和电压也就越高。
依照本发明，因此，在为在所述控制电路的实际操作之外的目的特定提供的每一个测试阶段，测量所述饱和电压并且将其与一个初始值进行比较，从而因此记录在运行和使用寿命期间发生的变化，所述变化被用作上面描述的老化过程的判据并且具体地参照经验值，所述经验值事先被以经验为主地计算并被存储在控制单元中。更可取地，在相同的环境条件下测量的所述参考晶体管的各个当前饱和电压在这里被用作初始值。既然所述饱和电压当然是基于温度的，涉及所述参考组件的测量值的比较有利地节省了记录单个组件的高精度温度的必要。更可取地，因此，所述温度的“大致”记录就足够了；在所述记录中简单地建立各个测量期间所述支撑物，例如已有的散热器或者共用的基底的温度的温度范围就足够了。在控制单元中存储的经验值被赋值到具体的温度范围，因为饱和电压和记录的差当然是基于温度的。因此，在低温度下的差和在较高温度下的差是不同的(取决于其饱和电压所使用的组件的温度系数)。然后从存储的表格中获取用于各个温度范围的以经验为根据的使用寿命值，参考各个计算的饱和电压差，更可取的还参考每一个时间单元或每一个负荷循环的各个变化率，考虑所述预期剩余使用寿命的估计和指示。
此外，依照本发明，假设在使用寿命期间，控制电路的功率晶体管的饱和电压或多或少地均匀变化，但是由于工作负载的显著降低或者不存在，参考晶体管几乎保持在其初始值，因此被认为在控制电路的使用寿命期间处于新的条件下。
因此，依照本发明，在测量和估计中仅仅考虑多个已有的功率晶体管中的一个原则上是足够的。然而，最好是在测试中包括全部或者不止一个功率晶体管，对于老化过程的进展和功率晶体管的预期剩余使用寿命以至于整个电路，具有最大的饱和电压差和/或最高的变化率的功率晶体管被认为是决定性的，当然是因为如果仅仅一个功率晶体管失效，整个控制电路就会失效。
测量的饱和电压被提供给例如一个微控制器以用于估计。测量的饱和电压及其变化率之间的像这样测量的差提供了关于芯片和衬底之间的焊接连接的老化过程的进展的信息，即关于脱层。然后，经验值确定使用寿命的即将邻近的结束或者预期的剩余使用寿命。
本发明的条件是：
所述功率晶体管和所述参考晶体管必须被整合为共用基底的一个模块，或者作为一个共用电路板上的单独组件。
所述功率晶体管和所述参考晶体管在相同的环境条件下必须是不变的，例如温度、振动和冲击负荷。
依照本发明，例如可以在控制电路的每一个实际的工作模式之前进行所述测试模式，和/或通过中断工作模式按照预先确定的常规甚至是不定期地进行所述测试模式。每次经由控制单元来触发或者进行所述测试模式。另外，记录整个装置的温度以在估计中包括所述温度，即在估计过程中组合性地包括各个组件、基底或者散热器的温度。
附图说明
在下文中将利用EC电机的控制电路的示例以及参照附图对本发明进行更为详细的描述，其中：
图1示出了依据本发明的具有附加的参考晶体管的控制电路的电路图，
图2和图3示出了连续进行饱和电压测量的类似于图1的电路图的两个不同变形，以及
图4和图5示出了同时进行饱和电压测量的附加电路图的两个不同变形。
在附图中，不同图中的相同的部件总是被分配相同的附图标记。
具体实施方式
对于下述的描述明确强调，本发明并不局限于所述实施例，并且不局限于这个过程中所描述的特征组合的全部或者不止一个特征，而是所述/每个实施例的每一个单独的子特征还具有本质上与所有的其它子特征拆开的创造性的意义，所述其它子特征与其相结合，并还与另一个实施例的任何特征、特征的组合以及后面引用的权利要求的进行独立结合。
在所示的实施例中，电子控制电路1被设计为EC电机M的整流电子系统2，所述电机M可以是具有三个电机或者定子绕组U、V、W的三相电机。原则上，单相设计也是可以的。在附图中并没有示出电机M的其它组件，例如转子。
在三相设计的情况下，如示例所示的，绕组U、V、W可被连接到一个三角形连接上，当然可选的还可以被连接到一个星形连接上。为了控制它，在这里为桥式功率放大器提供六个功率晶体管T1-T6，两个功率晶体管串接地位于三个平行的桥支路的每一个上，所述绕组U、V、W的每一个被连接在桥支路的两个功率晶体管之间。正如仅由图1的箭头4所指示的非常简单的形式，由电子控制单元6来控制所述功率晶体管T1-T6以用于整流，从而产生电机的旋转磁场。此外，还可以产生PWM时钟以用于调整或者控制所述电机。这种整流控制通常是已知的，在这里并不需要做任何进一步的解释。
所述绕组U、V、W通常经由所述功率放大器从DC电压中间电路ZK供电，可以经由整流器8从单相或三相电源电压UN提供中间电路电压UZK。具有功率晶体管T1-T6的功率放大器因此担当受控的逆变器。
为了完整性，应该提到的是，对于单相电机，在两个桥支路上设计具有四个功率晶体管的桥式电路就足够了。
依照本发明，控制电路1除了具有功率晶体管T1-T6之外，还具有一个附加的、类似的功率晶体管来担当参考晶体管Ttest。所述参考晶体管Ttest在控制电路1的正常工作模式下不起作用，因此其是不带电的，所以也不会遭受任何与应力相关的老化。然而，所述参考晶体管Ttest和所述功率晶体管T1-T6一起被设置在一个共用的支撑物，例如基底、电路板和/或散热器上，即，所述参考晶体管Ttest可以被整合到同一个陶瓷的一个功率模块中，或者可以作为相同的支撑物上的一个单独的组件。因此，所述参考晶体管Ttest和所述功率晶体管T1-T6经受相同的环境条件，例如，尤其是温度和机械影响。
此外，控制单元6被布置，从而在控制电路1的测试模式下–在真实的工作模式之前或者中断所述工作模式–其控制所述参考晶体管Ttest和至少一个所述功率晶体管T1-T6，并为他们中的每一个提供测试电流，以用来测量各个饱和电压以及在满载状态下的特定的集电极-发射机电压UCE。通过比较所述测量值，计算饱和电压差，所述饱和电压差–参照存储在控制单元6中的以经验为主地先前确定的经验值–被估计为用于所述功率晶体管T1-T6的老化过程\和预期剩余使用寿命的判据。更可取地，还经由不止一个连续测试阶段确定每一个时间单元或每一个负荷循环的变化率，各个饱和电压差以所述变化率变化，所述各个变化率还被包括在估计中作为用于老化过程的补充的重要判据。
在依照图2-图5的实施例的情况下，测量不止一个功率晶体管的各个饱和电压，并且特定的尤其是测量每一个桥支路的至少一个功率晶体管的各个饱和电压。更可取地，由于更简单的可测性，在所谓的低侧晶体管T4、T5和T6上进行所述测量。因此，测量饱和电压UCET4、UCET5和UCET6，并将它们与所述参考晶体管Ttest的饱和电压UCEtest进行比较。如果在测量和估计中包括了不止一个甚至是全部现有的功率晶体管，那么，对于老化过程的进展，在其中检测到最大的饱和电压差和/或最高的变化率的功率晶体管被认为是决定性的，当然因为当仅仅一个最差的功率晶体管失效时，整个控制电路就会失效。
在依照图2的实施例中，各个晶体管被连接到一个恒定电流源10，从而能够为所述晶体管提供测试电流。在依照图2的实施例中，经由整流器12连续地进行所述测量。
在依照图3的实施例中，经由电阻R将各个晶体管连接到DC电压中间电路ZK，从而能够为所述晶体管提供测试电流，和图2一样，依照图3，经由整流器12连续地进行所述测量。
依照图4所示的另一个变形，经由多路开关14为所有要被测量的晶体管同时提供各个测试电流，为每一个晶体管提供单独的类似的恒定电流源10。
最后，在依照图5的实施例中，还提供了经由多路开关14的同时测量，经由相同的电阻R从中间电路ZK为每一个晶体管提供测试电流。
依照图4和图5的实施例涉及到能够同时确定各个饱和电压和电压差的并行的多路测量。
控制电路6具有用于特定的饱和电压差的经验值的表格项的存储装置，并且更可取地是，用于每一个时间单元或每一个负荷循环的变化率的表格项的存储装置(未示出)，在测量过程中将它们分配到基底/散热器温度，以及将它们分配到所述功率晶体管T1-T6的老化过程的特定阶段。因此，可以产生关于老化过程的阶段和关于预期的剩余工作寿命的映射，所述剩余工作寿命是参照在所述/每一个测试模式下确定的各个饱和电压差和/或在不止一个测试模式期间确定的变化率，并且考虑各个温度。
依照本发明的控制电路具有方便的装置来显示剩余的使用寿命和/或产生关于至少一个所述功率晶体管T1-T6即将失效的视觉和/或听觉警告信号，
本发明并不局限于所示出和描述的实施例，还覆盖了与本发明起着同样作用的所有实施例。明确强调的是所述实施例并不局限于所有特征的组合，而是即使与所有其它子特征分离，每一个单独的子特征本质上也可以具有创造性的意义。此外，到目前为止，本发明并没有被局限于各个独立权利要求所定义的特征的组合，而是可以通过某些特征的任意其它组合或所有公开的单个特征来限定。这意味着，原则上，各个独立权利要求的几乎每一个单独的特征都可以被省略或通过至少一个在本申请的其它地方公开的单独的特征替代。在这方面，权利要求仅仅是被理解作为阐述本发明的首次尝试。

Claims (17)

1.一种电气设备的电子控制电路(1)，其具有多个在工作模式下被控制用来控制所述设备的功率晶体管(T1‐T6)，
其特征在于一个附加的参考晶体管(Ttest)，所述参考晶体管(Ttest)在所述功率晶体管(T1‐T6)的工作模式下是不带电的，并和所述功率晶体管(T1‐T6)一起被设置或形成在一个共用的支撑物或基底上，在测试模式下分别向所述参考晶体管(Ttest)和至少一个所述功率晶体管(T1‐T6)施加测试电流的装置，测量各个关联的饱和电压(UCEsat)的装置，以及估计由测量的参考晶体管(Ttest)和各个功率晶体管(T1‐T6)的饱和电压(UCEsat)产生的饱和电压差的装置，其考虑测量期间的支撑物/基底的主要温度，作为所述功率晶体管(T1‐T6)的老化过程和预期剩余使用寿命的判据。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于提供了附加装置，用于估计在各个连续的测试模式的每一个中记录的饱和电压差的变化率。
3.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于电子控制单元(6)，用于触发和执行各个测试模式。
4.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于所述各个功率晶体管(T1-T6)和所述参考晶体管(Ttest)可被连接到恒定电流源(10)以为其提供测试电流，或者经由电阻(R)被连接到DC电压中间电路(ZK)。
5.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于可以经由整流器(12)为所述晶体管(T1-T6，Ttest)单独地且连续地提供测试电流。
6.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于可以经由多路开关(14)为所述晶体管(T1-T6，Ttest)同时地提供各个测试电流。
7.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于存储装置，用于存储饱和电压差的某些经验值，并且存储所述饱和电压差的变化率，将它们分配给所述功率晶体管(T1-T6)的老化过程的某些阶段，并考虑所述支撑物/基底的温度。
8.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于显示剩余的使用寿命和/或产生关于至少一个所述功率晶体管(T1-T6)的即将失效的警告信号。
9.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于四个或六个功率晶体管(T1-T6)被布置为成对的串联在桥式电路的各个桥支路上，所述各个桥支路互相平行，在所述/每一个测试模式下测量每一条桥支路上的两个功率晶体管(T4-T6)中的至少一个的饱和电压，所述饱和电压包含在所述估计中。
10.一种监控电气设备的电子控制电路的功率晶体管(T1‐T6)的预期剩余使用寿命的方法，其中，在控制电路(1)的测试模式下测量至少一个功率晶体管(T1‐T6)的饱和电压(UCE)，将所述饱和电压(UCE)与一个附加的、类似的参考晶体管(Ttest)的饱和电压(UCEtest)进行比较，所述参考晶体管在所述控制电路(1)的工作模式下是不带电的，并和所述功率晶体管(T1‐T6)一起被设置或形成在一个共用的支撑物或基底上，在相同的条件下对所述参考晶体管进行同样地测量，其中，估计结果饱和电压差，考虑测量期间的支撑物/基底的主要温度来作为所述功率晶体管(T1‐T6)的老化过程的进展和预期剩余使用寿命的判据。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，还记录了在各个连续执行的测试模式下的饱和电压差的变化率，所述变化率被估计作为剩余使用寿命的判据。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，考虑支撑物/基底的主要温度，将分别确定的饱和电压差及其变化率当作存储的表示老化过程的经验值。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其中，当达到饱和电压差和/或其变化率的特定值时，参照各个饱和电压的估计，生成显示所述功率晶体管(T1-T6)的剩余使用寿命和/或即将结束的使用寿命的信号。
14.根据权利要求10或11所述的方法，其中，在控制单元(1)的每一个操作之前和/或在操作期间的特定时间间隔，通过从工作模式的切换来触发和执行控制单元(6)的测试模式，其中，切换到工作模式与所述/每一个测试模式同时发生。
15.根据权利要求10或11所述的方法，其中，在测试模式下测量控制单元(1)的多个功率晶体管(T4,T5,T6)中的每一个的饱和电压(UCE)，其中，对于功率晶体管(T1-T6)的老化过程的进展和预期剩余使用寿命，具有最大的饱和电压差和/或最高的变化率的功率晶体管被认为是决定性的。
16.根据权利要求10或11所述的方法，其中连续地或同时地测量功率晶体管(T4-T6)以及参考晶体管(Ttest)的饱和电压(UCE)。
17.根据权利要求10或11任何一项所述的方法，其中，从恒定电流源(10)或经由电阻(R)从DC电压中间电路(ZK)为各个功率晶体管(T4-T6)和所述参考晶体管(Ttest)提供测试电流。
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