CN104977520A - 用于记录功率半导体的温度循环的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了用于记录功率半导体(5、6)的温度循环的方法和装置，其中，在第一步骤(11)中连续得出功率半导体(5、6)的当前的温度，其中，在第二步骤(14)中，在与连续得出的温度相应的温度曲线中借助过滤算法连续得出温度极值，其中，在第三步骤(17)中基于所得出的温度极值，借助雨流算法连续得出温度循环并进行参数化，其中，将参数化的温度循环在第四步骤(22)中分类存储。

Description

用于记录功率半导体的温度循环的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于记录功率半导体的温度循环的方法。此外，本发明还涉及用于执行该方法的装置。

背景技术

例如应用在电的或混合的驱动变换器中的功率半导体模块的使用寿命拟定方案设计基本上通过对应用特异性的负载型廓与模块特异性的使用寿命模型的比较来实现。因此，准确的使用寿命计算的前提是准确获知并绘制出在负载型廓中所有的在运行中所期望的负荷。所能实现的绘制准确性依赖于应用。困难的是，例如得出对于集成在混合的传动系中的半导体模块来说具有代表性的负荷型廓，这是因为该负荷型廓极为依赖于驾驶员类型、车辆使用、混合策略以及变化的环境条件。

在现有技术中，由文献DE 10 2010 021 171 A1公知了用于得出电子结构的剩余使用寿命的方法和装置。此外，由文献DE 10 2011 087764 A1公知了用于得出电的整流器的至少一个功率半导体元件的使用寿命消耗的方法和系统。

问题是，在已公知的方法和装置中，在经由所获取的温度循环来得出功率半导体的实际上的热负荷的范围内，通常需要高的计算能力和/或存储器能力，该计算能力和/或存储器能力在功率半导体的运行环境中有时仅难以提供。在此，通常仅将剩余使用寿命以百分比，也就是说数字进行储存。这就不能够实现关于模块所执行的运行功率的推论并且提高不了用于使用寿命计算和使用寿命优化的认知水平。

发明内容

由此出发，本发明的任务在于，提供用于记录功率半导体的温度循环的方法和装置，该方法和装置为此有利地需要较少的花费。

根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求10的特征的装置来解决。

本发明的另外有利的设计方案和改进方案在另外的权利要求中得以说明。

根据本发明，提出了用于记录，尤其是计算和存储功率半导体的温度循环的方法。该功率半导体优选是电的变换器的，尤其是逆变器的，此外优选是混合的或电气化的传动系的，首选是机动车的变换器的功率半导体。在本发明的意义中的功率半导体例如可以是IGBT、晶闸管、功率MOSFET、二极管或者多种功率半导体的组合，尤其是功率半导体模块。

在方法的尤其是在功率半导体的运行期间，即在线地得到应用的第一步骤中，连续地得出功率半导体的当前的温度，尤其是阻挡层温度和/或壳体温度，优选是功率半导体的底板温度。为了得出温度，尤其是(瞬变的)温度曲线，在第一步骤中可以设置计算或评估，例如基于模型地，例如经由传感器、热电偶元件或者温度电阻，或者不同措施的组合的在测量技术上的获取。

在根据本发明的方法的尤其紧接着第一步骤的第二步骤中，在与连续得出的温度相对应的温度曲线中借助过滤算法连续得出温度极值，即最大温度和最小温度。在本发明的范围中，为此设置的过滤算法优选为三点过滤算法，该三点过滤算法尤其具有能有利地进行调节的过滤温度。通过该三点过滤算法能够实现，从温度曲线中滤出转折点，这些转折点对使用寿命计算具有忽略不计的影响，结果必然有利地降低了对用于使方法实现的在硬件方面的计算要求和存储器要求。优选地，此外将在第一步骤中得出的温度在限定的时间间隔内交付给过滤算法。这同样为减少系统资源的要求做出有利贡献。

在根据本发明的方法的尤其紧接着第二步骤的第三步骤中，基于借助过滤算法得出的温度极值，借助雨流(Rainflow)算法，尤其在线地，即借助在线雨流算法连续得出温度循环并进行参数化。在本发明的范围中，在此，温度极值优选地利用该温度极值的温度值以及该温度极值的相对于之前的温度极值的时间差在第三步骤中交付给用于得出温度循环，尤其是封闭的温度循环的雨流算法。尤其地，在在线雨流的范围中交付时间差能够有利地与使用寿命的在线分析相结合地利用较少的花费提供较少的存储器深度。根据本发明，对所得出的温度循环进行参数化(参量化)优选地利用所得出的温度循环的幅度、所得出的温度循环的绝对温度，尤其是最小温度以及相应的温度循环的加热时间来实现。

在根据本发明的方法的紧接着的第四步骤中，将相应的经参数化的温度循环依赖于温度循环的参数进行分类并进行存储。

在分类的范围中，可以将每个经参数化的温度循环配属给特定的温度类级。这种温度类级可以存储一定数量的具有相同的幅度和绝对温度，尤其是最小温度的温度循环。在这里尤其还设置，在第四步骤中将经分类的温度循环以频率分布的方式进行存储，此外，在分类的范围中，温度类级优选地与加热时间相关。

在该方法的第五步骤中，现在可以基于所存储的温度循环得出功率半导体的使用寿命，例如通过与储存的使用寿命模型或使用寿命曲线进行比较。适宜地，使用寿命不必也在线一起计算，而是可以由所存储的循环例如在诊断阶段中进行计算。

优选地，至少第一至连同第四在内的方法步骤利用变换器的或逆变器的控制设备来实施。为此，尤其设置有例如逆变器的、逆变器的驱动板的或也有逆变器的半导体模块的控制器板的或者说操控板的微控制器。这就能够有利地在没有附加的硬件的情况下实现使所提出的方法的履行。备选地，该方法也可以利用独立的装置，尤其计算机化地实施。

还提出了用于记录功率半导体的温度循环的装置，其中，该装置设置成用于实施以上阐述的至少根据1至连同4在内的方法步骤的方法。此外，该装置可以设置成用于得出使用寿命，或者为此为了读出所存储的温度循环而具有例如接口，例如诊断接口。

尤其是形式为以上所述的控制装置的装置可以具有用于得出功率半导体的温度的第一功能单元，此外还具有第二功能单元，该第二功能单元借助过滤算法得出在温度曲线中连续的温度极值。可以设置有装置的第三功能单元，用以借助雨流算法基于所得出的温度极值连续地得出温度循环并进行参数化，可以设置第四功能单元，用以紧接着的进行分类的数据存储。在此，相应的功能单元可以具有或者利用存储器、计算单元，或者例如用于将数据交付给紧接着的单元的数据接口。

在本发明的范围中，还提出了计算机程序产品，其包含程序代码，该程序代码适合于执行该方法。

本发明的另外的特征和优点从下面结合示出了本发明主要的细节的附图对本发明实施例的描述以及从权利要求中得出。在本发明的变型方案中，各个特征都可以各自单个地本身实现或者以多种任意的组合实现。

附图说明

下面结合附图详细阐述本发明的优选实施方案。其中：

图1示例性且示意性地示出了如下图解，其说明了用于执行根据本发明可能的设计方案的方法的装置。

图2示例性且示意性地示出用于说明根据本发明的方法的组织结构图解。

图3示例性且示意性地示出了用于说明三点过滤算法的功能的图像。

图4示例性且示意性地示出如下框图，其详细说明了根据本发明的雨流算法。

图5示例性且示意性地示出了用于说明累积的时间差存储的图示。

图6示例性且示意性地示出了用于阐述消除工作储存器溢出的图解。

图7示例性且示意性地示出了如下图表，其说明了利用频率分布进行分类的数据存储。

具体实施方式

在下面的描述和图示中，相同的附图标记相应于具有相同或类似功能的元件。

图1示例性且示意性地示出了变换器，尤其是逆变器1，其中，逆变器1是机动车的例如牵引驱动器的混合的驱动系统2的组成部分。混合的驱动系统2包括控制单元3，例如上级的控制部，基于控制单元所探测到的输入，尤其是驾驶员意愿，以及储存的混合策略，能经由与电机连接的逆变器1对内燃机(VM)和/或电机(EM)进行驱控。

逆变器1包括功率末级4，该功率末级借助功率半导体5，例如大量的IGBT 5a和空载二极管5b形成，它们集合在一起例如成为功率半导体模块或IGBT模块6。功率半导体5经由逆变器1的驱动板7进行驱控，该驱动板布置在逆变器1的控制板8上。经由逆变器1的控制板8或者说布置于该控制板上的控制单元9，尤其是CPU或者微控制器，对传感器信号进行评估，并提供用以对电机EM进行磁场定向的调节(FOR)。

此外，逆变器1具有用于执行根据本发明的方法的装置10，借助该方法分类地记录逆变器1的功率半导体5a、5b、6的至少之一的温度循环，结果必然从中能有利地精确得出使用寿命。在此，装置10尤其也可以以如下方式进行设计，即，能够记录多个或全部功率半导体5a、5b、6的温度循环，例如设计用于多次地，尤其是并行地对方法进行实施。

可以在逆变器1的控制单元9中，备选地例如在控制板8或驱动板7上的独立的微控制器中或例如也在功率半导体模块6的壳体上提供尤其计算机化地形成的装置10。在此，优点可以在于例如考虑在模块内部的、能量自给的并且无电缆地履行。

现在也参照图2详细阐述能利用装置10实施的根据本发明的方法。在尤其能利用装置10的第一功能单元12实施的第一方法步骤11中，连续得出应当记录其温度循环的逆变器1的功率半导体5a、5b、6的当前的温度T(t)，也就是说(瞬变的)温度曲线。在得出温度的范围中，可以例如得出阻挡层温度和/或壳体温度。

得出温度可以基于模型，例如通过具有虚拟的传感装置的第一功能单元12，见图1，必要时也应用逆变器1的存在有温度信息的温度传感器，例如提供用于磁场定向调节的传感器，参见图1的附图标记13。此外，可以为了确定温度而考虑功率半导体5、6的对温度敏感的参数。在后者的情况下，优点在于考虑到半导体5、6以及所获知的温度曲线的明确的同属性。

紧接着，在根据本发明的方法的尤其利用装置10的为此提供的第二功能单元15来执行的第二方法步骤14中，现在借助过滤算法，即通过过滤温度曲线来连续得出在第一步骤11中所得出的温度曲线中的温度极值。为此，以例如0.01s的优选限定的时间间隔地将出自第一步骤11中的各个当前的温度值T(t)交付给过滤算法，见附图标记16。

在本发明的范围中，过滤算法尤其是修改过的三点过滤算法。三点过滤算法连续地对所获知的温度曲线监测转折点的出现，也就是说，在得出温度极值，即最大值和最小值的范围中。三点过滤算法的功能在下面参照图3详细说明。

在寻找或得出温度最大值的范围中，首先将当前的温度值T(t)与变量TS进行比较。如果在比较的范围中得知，当前的温度值T(t)大于TS，则被视为TS＝T(t)，并且将温度值的时间值存储在变量tS＝t中。因此，两个变量TS、tS均相应于当前的温度值，直到该当前的温度值进一步减小。每个紧接着的温度值都将被检验或者它小于TS-TF，其中，TF表示能调节的过滤温度。如果满足上述条件，则在TS和tS中存储的值实际上代表温度最大值。如果不满足该条件，因此亦即温度曲线在到达所需的温度差之前又开始上升，则变量TS和tS跟随温度值T(t)。也就是说：

寻找最大值：

如果T(t)>TS→TS＝T(t)；tS＝t；

如果T(t)<TS-TF→(TS、tS)为最大值

根据所找到的温度最大值，过滤算法以互补的方式寻找最小值。在本发明的范围中，在此，能调节的过滤温度能够有利地实现滤出对使用寿命计算具有忽略不计的影响的转折点，转折点例如凭经验得出。

再次参见图2，现在在根据本发明的方法的第三步骤17中，尤其是在装置的第三功能单元18中实现地，借助雨流算法得出温度循环并进行参数化，也就是说，基于所得出的温度极值，为此，将这些温度极值交付给第三功能单元18，附图标记19。雨流算法尤其被设计成在线雨流算法，并且从经查明的温度极值中连续地计算或得出(封闭的)温度循环，为此温度极值每个都利用所属的或者说温度极值的温度值T_J,Ext以及相对之前极值的所属的或者说温度极值的时间差Δt_Ext交付给在线雨流算法。此外，在本发明的范围中，雨流算法利用温度循环的幅度ΔT_J、温度循环的绝对温度，尤其是温度循环的最小温度T_J,Min以及温度循环的加热温度t_on对所得出的温度循环进行参数化。

图4详细说明根据本发明的雨流算法的功能，尤其是以与极值温度T_J,Ext的工作存储器20以及用于时间差Δt_Ext的相对应的工作存储器共同作用的方式。

随着新的极值的出现一起地，两个工作存储器20、21的内容，即针对极值温度T_J,Ext以及极值的时间差Δt_Ext，被平移了一个位置，也就是说，在图4中向左，并且新的极值的温度值T_J,Ext被写入位置E3上，新的极值的时间差Δt_Ext被写入位置t_E3上。如果在工作存储器20、21中包含多于两个极值，那么每个新的极值的出现都将导致对循环条件或温度循环条件的检验。当极值E2和E3的差的绝对值大于或等于极值E1和极值E2的差的绝对值(|E2-E3|≥|E2-E1|)时，得知了完整的或者说封闭的温度循环。此外，温度循环的用于对其参数化的幅度ΔT_J由E1和E2的差的绝对值得出。

现在将两个值E1、E2和t_E1、t_E2从向量或工作存储器20、21清除，从而使存储的极值推进到位置E1和E2，也就是说，在图4中向右推进了两个位置。重新检验循环条件，只要新的极值可以同时闭合多个循环。如果不能满足循环条件，则放弃雨流功能。

通过在本发明的范围中设置的将时间差Δt_Ext交付给在线雨流算法，就这点而言有利地提供了如下的可能性，即，为了对功率半导体的在时间上不受限的负载型廓进行连续分析，仅必须提供有利地少的存储单元深度，尤其是仅8比特。

结合图5，详细说明了对形式为在线雨流法的累积时间差存储的时间差进行存储。

新的极值的时间差Δt_Ext被加和到所有存在于工作存储器21中的时间值上。对于如下情况，即，该加和导致时间值>255时，将时间值设定为255。因此，温度循环的最大加热时间为255秒。鉴于例如在CIPS使用寿命模型中将15秒作为最大指定的加热时间，这是不成问题的。

此外，从图4与图5组合地可以看出，在针对温度循环的参数化而计算循环参数的范围中，加热时间t_on可以根据(t_E2-t_E1)得出，绝对温度或最小温度T_J,Min作为E1或E2，并且幅度为ΔT_J＝|E1-E2|。

只要基频温度循环的曲线导致一定数量的值被安置于工作存储器20、21中，那么在本发明范围中的在线雨流算法还包含溢出例行程序。借助其功能性在图6中被详细说明的溢出例行程序引起工作存储器20、21的人为的排空，一旦工作存储器的内容超过极值的预定的数量N_{E_max}，例如N_{E_max}＝8就如此。通过将要消除的中间序列的最小温度值插入到E3位置引起对工作存储器20、21的排空。因此重复多次地满足雨流-循环条件，结果必然将工作存储器20、21排空。

优选地，将经参数化的温度循环在方法的尤其能由装置10的第四功能单元23实施的第四步骤22中分类地进行存储，也参见图2。在此，将每个温度循环参数化地交付给第四功能单元23，附图标记24，并且依赖于温度循环的参数ΔT_J、T_J,Min首先配属给特定的温度类级。在此，每个温度类级存储了数量N的具有相同的幅度ΔT_J和最小温度T_J,Min的温度循环。

为了考虑温度循环的参数加热时间t_on，此外在本发明的范围中优选地为每个温度类级储存了对加热时间的频率分布。图7示例性地示出了在考虑对温度类级进行频率分布和示例性的时间分类的情况下的以如此方式进行分类的数据存储。

在紧接着的步骤25中，参见图2，现在可以基于以如此方式进行存储的温度循环来计算使用寿命，也就是说，功率半导体5、6的已消耗的使用寿命，备选地例如剩余使用寿命。为此，可以设置，将一个或多个储存的使用寿命曲线或模型与经分类存储的温度循环进行比较，也就是说，在另一个功能单元26中进行比较。对于为了得出使用寿命而读出经分类存储的温度循环，装置10可以具有接口27，例如诊断接口。于是，得出使用寿命可以例如关于装置10在外部地实现，例如借助形式为高功率计算机或微控制器的功能单元26实现。

下面的表1说明了所提出的用于阻挡层温度和壳体温度的温度循环的存储设计方案。为了以>99％的存储精度存储阻挡层温度循环和壳体温度循环，利用根据本发明的方法，需要仅约8千字节的存储容量。

表1：用于阻挡层温度循环和壳体温度循环的存储设计方案

利用以上所述的根据本发明的方法(相应于温度循环记录方法)，可以以明显降低的花费实现温度循环存储和使用寿命计算。该方法可以有利地利用提供了仅很少的系统资源的控制设备，尤其是微控制器来执行。尤其地，利用该方法应当读出循环分布，接着应当执行所经历的模型负荷的识别。此外，应当对使用寿命拟定方案设计的负载型廓进行验证和优化，用以执行经验基础的建立。

附图标记

1     变换器

2     驱动系统

3     控制单元

4     功率末级

5     功率半导体

5a    IGBT

5b    二极管

6     功率半导体模块

7     驱动级

8     控制板

9     控制单元

10    装置

11    第一步骤

12    第一功能单元

13    交付

14    第二步骤

15    第二功能单元

16    交付

17    第三步骤

18    第三功能单元

19    交付

20    工作存储器

21    工作存储器

22    第四步骤

23    第四功能单元

24    交付

25    第五步骤

26    功能单元

27    接口

Claims (12)

1.用于记录功率半导体(5、6)的温度循环的方法，其中，在第一步骤(11)中连续得出在所述功率半导体(5、6)上的当前的温度，其中，在第二步骤(14)中，在与所述连续得出的温度相应的温度曲线中借助过滤算法连续得出温度极值，其中，在第三步骤(17)中基于所述得出的温度极值，借助雨流算法连续得出并参数化温度循环，其中，将所述经参数化的温度循环在第四步骤(22)中分类存储。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度极值在所述第二步骤(14)中借助三点过滤算法得出。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助所述过滤算法能调节过滤温度(TF)和/或滤出对所述功率半导体(5、6)的寿命具有小的影响的温度极值。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述借助过滤算法在第二步骤(14)中得出的温度极值利用所属的温度值(T_J,Ext)和相对之前的温度极值的时间差(Δt_Ext)被交付给用于在所述第三步骤(17)中得出温度循环的所述雨流算法。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述雨流算法将在第三步骤(17)中利用所属的幅度(ΔT_J)和/或所属的绝对温度(T_J,Min)和/或所属的加热时间(t_on)得出的温度循环进行参数化。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述雨流算法得出封闭的温度循环。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，经分类的温度循环在所述第四步骤(22)中在考虑所述加热时间(t_on)的情况下以频率分布的方式进行存储。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在第五步骤(25)中基于所述存储的温度循环得出所述功率半导体(5、6)的使用寿命。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，至少所述方法步骤1至4或者也包括所述第五步骤(25)利用变换器(1)的或逆变器(1)的控制设备(9)实施。

10.用于记录功率半导体(5、6)的温度循环的装置(10)，其特征在于，所述装置(10)被设置用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。

11.根据权利要求10所述的装置(10)，其特征在于，所述装置具有用于得出在所述功率半导体(5、6)上的温度的第一功能单元(12)，其中，所述装置(10)还具有第二功能单元(15)，所述第二功能单元借助过滤算法在温度曲线中连续得出温度极值，其中，所述装置(10)具有第三功能单元(18)，所述第三功能单元借助雨流算法基于所述经得出的温度极值连续得出并参数化温度循环，并且其中，所述装置(10)具有第四功能单元(23)，所述第四功能单元将所述经参数化的温度循环分类存储。

12.计算机程序产品，其包括具有程序语句的计算机可读介质，所述程序语句能通过计算机实施，并且所述程序语句被设置用于根据权利要求1至9中任一项所述的方法得出功率半导体的温度循环记录。