CN104303411A - 用于电机的变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于电机（103）的变换器（100），具有用于变换电压的与至少一个接触部（105-1）连接的半导体器件（107-1）、用于测量所述半导体器件（107-1）上的电压降UDS的电压测量装置（101）和用于控制所述半导体器件（107-1）的控制设备，其中所述控制设备被构造用于借助所测量的电压降UDS确定所述接触部（105-1）的状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电机的变换器。
背景技术
在电机中在发电机式运行模式中可以产生正弦形的交流电压。为了给车载电网供应能量，通过功率电子桥电路将所述交流电压转换成直流电压。为此通常使用二极管。
为了可以附加地提供电动机式运行状态并且同时通过有效的整流改善发电机运行的效率，可以通过MOSFET或IGBT代替这些二极管。MOSFET或IGBT的合适的操控可以实现电动机式以及发电机式运行状态。晶体管的建造与连接技术（AVT）例如由于焊剂的增加的分裂或接合连接中的裂缝而随着运行持续时间退化并且因此对整个系统是失效风险。
发明内容
本发明所基于的任务是说明一种变换器，该变换器降低失效风险。
该任务通过具有根据独立权利要求的特征的主题来解决。本发明的有利的实施方式是图、说明书和从属权利要求的主题。
本发明基于以下认识，即有利的是检测电子器件的接触部的状态，以便必要时可以引入对策。
本发明优点
根据本发明的一个方面，根据本发明的任务通过用于电机的变换器来解决，其具有用于变换电压的与接触部连接的半导体器件、用于测量半导体器件上的电压降的电压测量装置和用于控制半导体器件的控制设备，其中该控制设备被构造用于借助所测量的电压降确定半导体器件的接触部的状态。一般该变换器可以包括一个或多个半导体器件，所述半导体器件与一个或多个接触部热和电连接。通过变换器的该一般形式例如实现以下优点，即至少一个或多个任意半导体器件处的焊剂的退化可以利用简单的技术装置通过电压降来检测，使得可以采取合适的措施，以便避免变换器的失效。
在一种有利的实施方式中，该半导体器件是半导体开关。由此例如实现以下技术优点，即可控的半导体开关被用于变换电压。半导体开关是用于开关并且放大电信号的可控的电子器件，诸如晶体管。
在另一种有利的实施方式中，该半导体器件是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或具有绝缘栅电极的双极型晶体管（IGBT）。由此例如实现以下技术优点，即特别合适的器件被用于变换高电流。
在另一种有利的实施方式中，电压测量装置与MOSFET的漏极端子和源极端子电连接或电压测量装置与IGBT的集电极和发射极电连接。由此实现以下技术优点，即可以监控变换器的受热负荷的端子和接触部。
在另一种有利的实施方式中，变换器包括用于测量经过半导体器件的电流的电流测量装置。由此例如实现以下技术优点，即除了电压降之外，经过半导体器件的电流作为附加的参数被确定并且确定接触部状态的精度改善。
在另一种有利的实施方式中，电流测量装置包括分路电阻。由此例如实现以下技术优点，即电流可以以特别合适的方式并且利用简单的技术装置被确定。
在另一种有利的实施方式中，变换器包括用于测量半导体器件的温度的温度测量装置。由此例如同样实现以下技术优点，即作为附加的参数，半导体器件的温度被确定并且确定接触部状态的精度改善。此外可以确保，在确定的温度时检测电压降，使得所确定的值的可比较性改善。
在另一种有利的实施方式中，变换器包括与第一接触部连接的第一半导体器件和与第二接触部连接的第二半导体器件并且电压测量装置被构造用于测量该第一半导体器件上的第一电压降和该第二半导体器件上的第二电压降。由此例如实现以下技术优点，即可以同时监控多个接触部。
在另一种有利的实施方式中，变换器被构造用于比较第一电压降和第二电压降。由此例如实现以下技术优点，即通过两个接触部的直接比较可以确定，接触部中的哪个具有临界状态。
在另一种有利的实施方式中，控制设备被构造用于根据半导体器件的运行时间确定半导体器件上的电压降的电压变化过程曲线。由此例如同样实现以下技术优点，即确定器件状态的精度改善进并且关于运行持续时间的趋势可以被探测。
在另一种有利的实施方式中，控制设备被构造用于确定电压变化过程曲线的时间导数值。由此例如实现以下技术优点，即可以确定热阻抗，该热阻抗可以被考虑为另外的评价标准。
在另一种有利的实施方式中，控制设备包括用于存储电压变化过程曲线和在确定时间点的电压降值的存储器。由此例如实现以下技术优点，即在控制设备中在变换器的较长运行时间段上的值被检测并且数据库增加。
在另一种有利的实施方式中，控制设备被构造用于比较在不同时间点存储在存储器中的电压变化过程曲线或电压降。由此例如实现以下技术优点，即借助数据库可以识别焊剂的时间变化过程和缓慢的退化或测量的异常测值被识别。
在另一种有利的实施方式中，参考电压曲线被预先存储在存储器中。由此例如实现以下技术优点，即在所测量的电压降曲线与参考曲线偏离的情况下可以确定出焊剂的退化。
在另一种有利的实施方式中，变换器包括以下可能性，即将当前状态传输给上一级的调节单元，该调节单元与此相应地对此作出反应并且引入对应措施。由此例如实现以下技术优点，即在焊剂的开始的（ansetzend）退化情况下可以减小半导体器件的载荷。
根据本发明的另一方面，根据本发明的任务通过用于利用具有与至少一个接触部连接的半导体器件的用于电机的变换器来变换电压的方法来解决，具有以下步骤：测量半导体器件上的电压降、借助所测量的电压降确定接触部的状态和根据所确定的接触部状态控制半导体器件。由此实现与通过相应的装置实现的技术优点相同的技术优点。
附图说明
本发明的实施例在附图中被示出并且在下文中进一步被描述。
图1示出根据本发明的变换器的示意视图；
图2示出在运行半导体器件期间电压降的变化过程；以及
图3示出在运行半导体器件期间电压降的变化过程和与总运行时间有关的起始电压的变化过程。
具体实施方式
图1示出具有用于测量半导体器件107-1上的电压降UDS的电压测量装置101的用于三相电机103的变换器100的示意视图。
逆变器100例如将由车辆电池所输送的输入电压转换成用于电机103的三相交流电压。为了该目的，该逆变器100包括六个半导体器件107-1、107-2。这些器件107-1、107-2例如由MOSFET或由IGBT构成，所述MOSFET或IGBT由未被示出的控制单元这样来开关，使得形成三相交流电。本发明不局限于所示出的逆变器，而是一般可以被用于每种任意的变换器。
半导体器件107-1、107-2利用另外的电路与接触点或连接点105-1、105-2、105-3、105-4电、机械和热连接。与接触点105-1、105-2、105-3、105-4的电或机械连接通过合适的建造与连接技术（AVT）实现。
半导体器件107-1、107-2例如与在印刷电路板或电路板上的另外的组件共同地被焊接在接触点105-1、105-2、105-3、105-4上，使得实现相应组件的电接触。具有不同特性的焊剂可以被用于焊接组件。该焊剂是金属合金，该金属合金根据使用目的由诸如铅、锡、锌、银和铜的金属的确定的混合比例组成。
然而，半导体器件的建造与连接技术例如可能由于热波动或其它的环境影响而由于焊剂的增加的分裂或接合连接中的裂缝随着运行持续时间退化。该情况对于整个系统是失效风险。
建造与连接技术超过逆变器100的运行持续时间的退化导致机械接触部的减小并且因此导致热阻抗的可觉察到的增大。因为由此半导体器件107-1、107-2的热量不充分地被导出，所以对于半导体器件107-1、107-2形成附加的热载荷。
该热载荷在具有正温度系数的半导体器件107-1、107-2情况下导致附加的变热，因为这些半导体器件随着增加的温度拥有更大的导通电阻。由此损耗功率以及要从半导体器件107-1、107-2导出的热量又上升。如果所述热量不被导出，那么形成反馈，该反馈导致半导体器件107-1、107-2的越来越强烈的变热。所描述的反馈效应导致半导体器件的伴随提早失效的快速老化或损毁，因为该半导体器件的允许的极限温度被超过。这样的失效经常突然并且出乎意料地发生。
出于该原因有利的是，及时识别建造与连接技术的临界状态并且通过合适的措施延缓退化过程。为了该目的，在运行逆变器100期间监控建造与连接技术的状态。当晶体管的连接或接触部的状态变坏时，就被探测到。一般在此涉及焊剂层的变坏。连接中的变化可以通过以下方式被识别，即热量可能更差地从半导体内部被引出并且因此形成更高的电压。
连接或接触部的状态通过连接或接触部可以导出热量的能力给出。状态变坏例如可能由于焊剂中的裂缝或由于氧化引起。如果通过诊断系统识别出增加的退化，那么可以通过调节对该诊断作出反应。这可以是传统的调节措施、诸如电动机式和发电机式运行状态的最大功率的减小或最大持续时间的减少（回收（Rekuperation）/加速（Boost））或运行策略的适配，其减小温度偏移（Temperaturhübe）并且因此减小半导体元件的载荷。因此可以延迟失效时间点。
混合动力系统中的适配可以意味着，已经在更高的充电状态（SOC，State
of Charge）的情况下使用传统的发电机运行并且因此一方面提高车载电网的电压水平并且另一方面在诸如回收的事件中限制最大的能量流量。电压水平的提高导致在相同功率情况下更小的电流并且因此导致芯片中的更少的损耗功率项，这与最大能量流量的限制同样地导致温度偏移的减小并且一般不如传统的调节策略强烈地减小CO2潜力（Potential）。在运行策略适配的还另外的实施方式中可以限制电动机式运行状态的使用。以与减小最大允许的发电机电流相同方式，这些适配具有以下效应，即减小注入的损耗能量以及由此形成的温度偏移。
由此以合适的措施对建造与连接技术的增加的变坏作出反应并且例如延缓焊剂分裂的过程。
此外可以在车辆中提示排队等候的修理措施，缩短服务间隔和/或引入紧急情况运行（跛行回家模式（Limp-Home）策略）。
为了确定建造与连接技术的状态，使用用于确定MOSFET的漏极源极端子上的或集电极发射极端子的电压降的传感装置。在一种有利的实施方式中，例如通过使用分路电阻附加地确定流经半导体器件107-1的电流。在另一种实施方式中，温度传感器存在于半导体器件附近。该措施在此可以取决于：所确定的测量值多强烈地偏离参考值。
如果在一个或多个半导体器件107-1、107-2中在相同的测量电流的情况下测量到升高的电压降，那么在那里较高的损耗功率被注入（einprägen）。因为例如随着焊剂分裂增加或接合连接退化增加，半导体器件处的接触电阻增大，所以可以由此推断出建造与连接技术的退化。
为了确定半导体器件、诸如MOSFET或IGBT的建造与连接技术的退化度，充分利用电机在运行周期期间的不活跃的阶段。如果高压电池足够地被充电，那么电机处于不活跃的阶段。出于能量效率的原因，在该情形下等待用于回收制动能量的可能性，以便给车载电网供应能量。在不活跃的阶段期间，所定义的电流通过桥电路的相应的MOSFET或IGBT晶体管被引导并且漏极和源极或集电极和发射极上所形成的电压被测量并且相互被进行比较。在所有晶体管的均匀的退化的情况下在所有组件上出现相同的电压降。
图2根据运行时间t示出在运行半导体器件期间在老化的状态（圆圈）和未使用的、新的状态（交叉）下电压降UDS的变化过程。该变化过程曲线分别由半导体器件上的电压降UDS的多个以时间间隔TA的离散的测量点组成。
简化地示出针对仅仅一个作为半导体器件107-1的晶体管的物理量UDS。但是该关系一般适用于所有在变换器100中所使用的半导体器件107-1和107-2。
建造与连接技术的老化由于接触面的减小导致更高的热阻抗。这造成变慢的热量导出并且因此也造成半导体器件107-1上的更慢下降的电压曲线UDS。电压曲线的时间上的下降因此是用于半导体器件的热阻抗的尺度。
具有未老化的建造与连接技术的半导体器件107-1因此具有电压曲线UDS的快速的下降（交叉），而具有老化的建造与连接技术的半导体器件107-1具有电压曲线UDS的缓慢的下降（圆圈）。
图3示出在运行半导体器件107-1期间电压降UDS的在图2中所示出的变化过程和起始电压P1根据总运行时间的变化过程。
为了确定连接技术的一般的老化或状态考虑电压值，所述电压值例如分别在运行时间的起始、如在桥电路的带端测量时或目标系统中的电动机/发电机的首次运行时被确定。在确定这些电压值的情况下，借助温度传感器所确定的周围环境温度应该处于与在比较或参考测量情况下类似的范围内。
假设所有半导体器件遇到类似的周围环境条件，那么周围环境条件中的区别可以相比于参考测量通过以下方式被补偿，即半导体器件之间的电压降的变化例如通过在电流输入之后形成电压降的变化的中值被比较。因此可以识别并且相应地分析总水平的推移。
起始电压在此是在图3中所示出的电压变化过程的第一测量点P1。该值在下面部分中在半导体器件的总运行持续时间上被绘制。如果总运行持续时间超过临界的值时，则该起始电压降UDS上升。从超过电压参考值起，可以引入上面所描述的对策之一。
鉴于半导体器件107-1和107-2的热物质的变热应该确保，尽可能一致的测量条件占优势。这些条件取决于建造与连接技术并且可以预先在计算上被确定。在分别不同的运行条件下的多个被预先存储在存储器中的参考曲线在此导致运行中的扩展的比较可能性。该存储器例如可以是计算机存储器、诸如电子RAM存储器、ROM存储器、闪存或者还有磁性存储器。该存储器可以被设置在用于控制半导体器件107-1的控制设备中。
此外可以通过温度传感器确定温度，在该温度时进行电压降的测量。
电压曲线的时间上的下降直接反映热阻抗和建造与连接技术的状态。为了使在测量时不考虑异常测值，可以通过存储电压曲线来存放建造与连接技术的状态的趋势。因此可以进一步改善建造与连接技术的状态的确定精度。
通过在电流输入之后立即相继地确定多个电压值并且产生测量曲线或在寿命上跟踪趋势，可以提高关于建造与连接技术的状态的表现力。
由此不仅可以通过在不同半导体107-1和107-2之间电压降UDS的比较而且可以与半导体107-1的经历相比监控退化变化过程。由此可以考虑，晶体管的原始状态由于制造公差不同。
一般应该适用于所使用的测量方法论的是，不进行误差图像（Fehlerbild）的附加的激励，在电机中不发生力矩形成和电压供应的显著的载荷不发生。这些前提例如可以通过输入短的、定义的电流沿来满足。注入的电流的合理化可以通过存在的电流传感器实现。
本发明可以在车辆中被用在加速-回收系统（BRS，Boost-Rekuperationssystem）中。在起动电动机和发电机（SG）中的使用同样是可设想的。然而，在使用桥电路的情况下本发明原则上可以应用在任意的车辆混合动力系统和发电机和电动机操控装置中。
本发明的所有在说明书中所阐述的并且在图中所示出的单特征可以以任意有意义的方式和方法相互组合，以便同时实现本发明的有利的效果。
Claims (15)
1.用于电机（103）的变换器（100），具有用于变换电压的与至少一个接触部（105-1）连接的半导体器件（107-1）、用于测量所述半导体器件（107-1）上的电压降（UDS）的电压测量装置（101）和用于控制所述半导体器件（107-1）的控制设备，其中所述控制设备被构造用于借助所测量的电压降（UDS）确定所述接触部（105-1）的状态。
2.根据权利要求1所述的变换器（100），其中所述半导体器件（107-1）是半导体开关。
3.根据上述权利要求之一所述的变换器（100），其中所述半导体器件（107-1）是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或具有绝缘栅电极的双极型晶体管（IGBT）。
4.根据上述权利要求之一所述的变换器（100），其中所述电压测量装置（101）与半导体场效应晶体管（MOSFET）的漏极端子（D）和源极端子（S）电连接或所述电压测量装置（101）与具有绝缘栅电极的双极型晶体管（IGBT）的集电极和发射极电连接。
5.根据上述权利要求之一所述的变换器（100），其中所述变换器（100）具有用于测量经过所述半导体器件（107-1）的电流的电流测量装置（111）。
6.根据权利要求5所述的变换器（100），其中所述电流测量装置（111）具有分路电阻。
7.根据上述权利要求之一所述的变换器（100），其中所述变换器（100）具有用于测量所述半导体器件（107-1）的温度的温度测量装置。
8.根据上述权利要求之一所述的变换器（100），其中所述变换器（100）具有用于确定从所述半导体器件（107-1）接收的功率的功率确定装置。
9.根据上述权利要求之一所述的变换器（100），其中所述变换器（100）具有与第一接触部（105-1）连接的第一半导体器件（107-1）和与第二接触部（105-3）连接的第二半导体器件（107-2）并且所述电压测量装置（101）被构造用于测量所述第一半导体器件（107-1）上的第一电压降和所述第二半导体器件（107-2）上的第二电压降。
10.根据权利要求9所述的变换器（100），其中所述控制设备被构造用于比较所述第一电压降和所述第二电压降。
11.根据上述权利要求之一所述的变换器（100），其中所述控制设备被构造用于根据所述半导体器件（107-1）的运行时间确定所述半导体器件（107-1）上的电压降（UDS）的电压变化过程曲线。
12.根据权利要求11所述的变换器（100），其中所述控制设备被构造用于确定所述电压变化过程曲线的时间导数值。
13.根据权利要求11或12之一所述的变换器（100），其中所述控制设备具有用于存储电压变化过程曲线或在确定时间点的电压降值的存储器。
14.根据权利要求13所述的变换器（100），其中所述控制设备被构造用于比较在不同时间点存储在存储器中的电压变化过程曲线或电压降值。
15.用于利用具有与至少一个接触部（105-1）连接的半导体器件（107-1）的用于电机（103）的变换器（100）来变换电压的方法，具有以下步骤：
－测量所述半导体器件上的电压降（UDS）；
－借助所测量的电压降（UDS）确定所述接触部（105-1）的状态；以及
－根据所述接触部（105-1）的所确定的状态控制所述半导体器件（107-1）。
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