CN105928631B - 用于估算晶体管的温度的方法 - Google Patents

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Abstract

检测器测量晶体管的集电极和发射极之间的相对于时间变化的关断电压变化，和晶体管在集电极处的峰值电压。基于关断电压变化和峰值电压，电子数据处理器确定关断电流、开启电流和开态电压降的中间参数。基于晶体管的集电极和发射极之间的关断电流、开启电流和开态电压降，数据处理器确定晶体管在一个开关循环内的功率损耗或能量损耗。数据处理器估算晶体管在开关循环内的相关联的平均管芯温度。

Description

用于估算晶体管的温度的方法
本文根据35U.S.C.119(e)，要求基于2015年2月27日提交、名称为“METHOD FORESTIMATING A TEMPERATURE OF A TRANSISTOR”且序号为62/126,041的美国临时申请的优先级。
技术领域
本公开内容涉及用于估算晶体管的温度的方法，更具体地涉及用于估算晶体管的结温(iunction temperature)或管芯温度(die temperature)的方法。
背景技术
在半导体装置中，某些现有温度感测方案使用与半导体管芯隔开的热敏电阻器，以提供足够的电绝缘并且减少与半导体开关装置相关联的噪声。在使用热敏电阻器(如，具有负温度系数的电热调节器)的晶体管的稳态操作过程中，与在瞬态操作过程中相比，晶体管的估算结温是更精确的，但是对于用于驱动电动马达的逆变器的一些控制应用而言，仍然是不足够精确的。因而，需要用于实时估算晶体管的结温或管芯温度的、便于改进精度的改进方法。
发明内容
根据一个实施例，用于估算(双极结型晶体管的)结温、(场效应晶体管的)沟道温度或半导体开关装置的大致管芯温度的系统和方法测量逆变器的相中的晶体管的集电极和发射极(或漏极和源极，分别地)之间的相对于时间变化的关断电压变化(例如，电压升高的速率或dvce/dt)。检测器测量晶体管的集电极和发射极(或漏极和源极，分别地)之间的峰值电压(例如，vcepeak)。基于关断电压变化(例如，dvce/dt)和峰值电压(例如，vcepeak)，电子数据处理器确定关断电流(例如，iceturnoff)、开启电流(例如，iceturnon)和开态电压降(例如，vceon)的中间参数。基于晶体管的集电极和发射极(或漏极和源极，分别地)之间的关断电流(例如，iceturnoff)、开启电流(例如，iceturnon)和开态电压降(例如，vceon)，数据处理器确定晶体管在一个开关循环内的功率损耗或能量损耗。基于确定的能量损耗、用于冷却逆变器的逆变器系统的观察温度(例如，冷却剂系统中的冷却剂的冷却剂温度)和用于逆变器的逆变器系统(例如，液冷式系统的热阻)的热特性，数据处理器估算晶体管在开关循环内的相关联的平均结温或管芯温度。
附图说明
图1是用于估算晶体管的结温或管芯温度的系统的示意图。
图2是用于计算开态功率损耗并且在开态过程中测量晶体管电压的系统的示意图。
图3是与逆变器中的晶体管相关联的波形的示意图，所述示意图图示了完整的开关循环。
图4是用于估算晶体管的结温或管芯温度的方法的一个实施例的流程图。
图5是用于估算晶体管的结温或管芯温度的方法的另一实施例的流程图。
图6是用于估算晶体管的结温或管芯温度的方法的又一实施例的流程图。
图6A是示出图6中的方法的步骤中的一部分的流程图。
图6B是示出图6中的方法的步骤中的另一部分的流程图。
图7是用于感测通过晶体管的镜像电流的系统的示意图。
图8是为逆变器保留的功率循环的数量与它的晶体管的温度变化之间的关系的图表。
具体实施方式
结温应用于双极晶体管的结。管芯温度表示双极晶体管的结温，或场效应晶体管的耗尽型沟道或增强型沟道的沟道温度，或任何其它晶体管或半导体装置的管芯温度。可以在整个开关循环中或在开关循环过程中的任一瞬时时间测量结温或管芯温度。在开关循环过程中，管芯温度在一段时间内可能改变，其中，例如，在固定电载荷(例如，来自在范围限制内或以恒定的转子速率和转矩驱动电动马达的逆变器载荷)和静态环境温度下的稳态操作过程中，温度变化被减少。
在本文的全部中使用以下术语：
晶体管电压：(1)vceon表示集电极(41、51)和发射极(43、53)(或漏极和源极，分别地)之间的开态电压降或电势(例如，开态、稳态电压降)，(2)vce_turnon表示在开启过程中晶体管两端的电势，表示在开启过程中在集电极(41、51)和发射极(43、53)(或漏极和源极，分别地)之间的电压降，并且vce_turnon(t)表示相对于时间的电压降波形；(3)vcepeak表示晶体管在集电极(41、51)和发射极(43、53)(或漏极和源极，分别地)之间的峰值电压，(4)dvce/dt表示逆变器50的相中放入晶体管在集电极(41、51)和发射极(43、53)(或漏极和源极，分别地)之间的相对于时间的电压变化；以及(5)vge表示栅极和发射极(43、53)之间或基极和发射极(43、53)之间的电势。
晶体管电流：(1)iceturnoff或iigbt_turnoff表示关断电流；(2)iceturnon或iigbt_turnon表示晶体管的开启电流；类似地，并且(3)Tjoff或Tj_turnoff表示在关断过程中的结温或管芯温度，(4)ia是第一相电流(ia)，或更一般地，是逆变器50的一个相(例如，第一相90、第二相92或第三相94)的流过晶体管的集电极-发射极路径或源极-漏极路径的电流(ia，，ib，，ic)。
图1是用于估算晶体管的结温或管芯温度的系统的示意图。图1的温度估算系统可以同等地应用于双极结型晶体管或场效应晶体管。此外，该估算系统可以应用于逆变器50，逆变器50使用与液冷式冷却剂系统(例如，泵和散热器)或气冷式系统协作的一个或多个晶体管。
在图1中，该系统包括驱动器模块18。在一个实施例中，驱动器模块18包括一个或多个栅极驱动级20或基极驱动器，以驱动逆变器50的每个相(例如，第一相90、第二相92和第三相94)的(例如，在栅极或基极70处的)对应输入端子。在图1中示出了用于第一高压侧晶体管61(S1)的栅极驱动级20的说明性示例。栅极驱动级20具有连接到(例如在基极或栅极70处的)驱动器输出节点的一组电阻器(24、26、28)。该输出节点又连接到第一高压侧晶体管61(S1)的栅极或基极70。关于栅极驱动器模块18，与栅极驱动级20类似，其它的栅极驱动级可以以类似方式连接到其在逆变器50中的对应的晶体管(62、63、64、65、66)。
虽然图1的逆变器50的特征为三个相(90、92、94)，但是应理解，在其它的实施例中，落入随附权利要求的范围中的是，逆变器50可以使用或被构造成用于单个相或多个相。逆变器50的每个相都包括一对晶体管，所述一对晶体管可以称为低压侧晶体管(62、64、66)和高压侧晶体管(61、63、65)。高压侧晶体管(61、63、65)具有连接到高压侧或正直流总线端子67(VDC)的集电极51或漏极。低压侧晶体管(62、64、66)具有连接到低压侧或负直流总线端子(例如，接地30)的发射极43或源极。每个相(90、92、94)都具有低压侧输入端子(72)，所述低压侧输入端子是低压侧晶体管(62、64、66)的由栅极驱动器模块18馈给信号和控制的基极或栅极。栅极模块18的输出端可以使用一个或多个电阻器来限制驱动电流或用于与逆变器50的功率晶体管(61、62、63、64、65、66)的阻抗匹配。每个相(90、92、94)都具有高压侧输入端子，所述高压侧输入端子是高压侧晶体管(61、63、65)的由栅极驱动器模块18馈给信号和控制的基极或栅极。每个相(90、92、94)都具有输出节点(80、82、84)，所述输出节点形成在一个晶体管的发射极53和单个相的该对晶体管中的另一个晶体管的集电极41的结或连接处。在说明性实施例中，可选择的保护二极管68可以连接在每个晶体管的集电极(41、51)和发射极(43、53)之间，或连接在任一场效应晶体管的漏极和源极之间。
在图1中，与逆变器50的每个相(90、92、94)相关联的有低压侧晶体管电感(21、23、35)、高压侧晶体管电感(31、33、35)、输出电抗(13、15、17)。在一个实施例中，输出电抗(13、15、17)包括输出电缆电阻和输出电缆电感。低压侧晶体管电感(21、23、35)、高压侧晶体管电感(31、33、35)、输出电抗(13、15、17)表示用于对电机52(例如，马达)以及互连逆变器50和电机52的电导体(例如，电缆)进行建模的建模值(或数学表示)。因此，在图1中，用于低压侧晶体管电感(21、23、35)、高压侧晶体管电感(31、33、35)、输出电抗(13、15、17)的建模值和其相应的电气符号在该系统的工作实施例中并不是物理地或实体地表示为电感器、电阻器或其它电气部件，并且这种相应的电气符号可以从用于估算晶体管的结温或管芯温度的系统和方法的其它实施例或该实施例的某些表示中去除。此处，用于建模值的电气符号和模块仅被包括以用于说明性目的，其中它们的物理实现(在本范围内)是在输出相端子和电机52之间的晶体管和电缆的固有特征或特性。
如图所示，电机52可以包括具有多个相的马达或发电机。每个相的输出节点(80、82、84)连接到电机52的对应端子。电机52可以包括电动马达或发电机。例如，电机52可以包括永磁马达或感应马达。电机52能够以电动机驱动模式、发电模式或二者中操作。在电动机驱动模式中，电机52提供控制信号，如脉宽调制信号或其它交流信号，以控制马达的转矩、转子速度、加速度。在发电模式中，逆变器50将生成的交流转换成直流。
马达或电机52可以与转子位置传感器54或编码器相关联，以用于检测转子或电机52的转子的位置。转子位置传感器54向控制器10提供转子位置数据以用于处理。
在一个实施例中，控制器10可以包括一个或多个数据处理器12、数据总线14、数据存储装置16和一个或多个数据端口207。数据处理器12可以包括微控制器、微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLA)、可编程门阵列(PGA)、或其它电子数据处理装置。数据处理器12能够执行存储在数据存储装置16中或从数据存储装置16检索的软件指令或软件，以根据本公开内容描述的方法和系统来估算晶体管的结温或管芯温度。数据存储装置16可以包括存储器、随机存取电存储器、非易失性电存储器、磁存储器装置、光学存储装置或其电子数据存储装置。
数据存储装置16可以用于存储软件、软件指令、测量数据或其它数据，如用于逆变器50系统(例如，其液冷或气冷式系统)的热特性数据205和本文中的若干方程或查找表参考。
在一个实施例中，逆变器系统温度传感器209可以经由数据端口向控制器10提供温度数据或传感器数据。例如，温度传感器209可以包括电热调节器或另一温度传感器，所述电热调节器或另一温度传感器为逆变器提供液冷式冷却剂系统的冷却剂温度，或为逆变器提供气冷式系统的壳体温度。
在数据端口207处，控制器10还经由检测器47接收峰值电压测量数据和电压升高数据，检测器47(直接地或间接地)连接到逆变器的相(90、92、94)中的至少一个。虽然一个检测器47被示出为在集电极51或漏极处连接到高压侧晶体管61(S1)，但是应该理解，每个相或每个晶体管都可以与对应的检测器相关联(或被复用以共用单个检测器)，以便于对与该相相关联的相应晶体管进行温度估算。
在可替换的实施例中，控制器10进一步包括可选择的计数器77，计数器77被以虚线示出，以表示计数器77是可选择的并且可以在某些构造中去除。可选择的计数器77可以用于对驱动晶体管(61、62、63、64、65、66)的驱动器模块18的一个或多个输出端的相应波形300(在图3中)的完整功率循环、脉冲或周期(316)的数量进行计数。
检测器47与辅助检测电路60相关联。在检测电路60的一个实施例中，阻塞二极管(blocking diode)32(DBLK)连接到与箝位电阻器34(RCLAMP)串联的高压侧晶体管61的(例如在栅极70处的)高压侧输入端。一组雪崩二极管、击穿二极管或其它多模二极管(36、38、40、42)串联地级联。例如，多模二极管可以包括齐纳二极管或瞬态电压抑制(TVS)二极管。
单向TVS二极管是以下雪崩二极管或多模二极管：(a)如果被正向偏压，则所述雪崩二极管或多模二极管以常规整流器模式操作，(b)如果被反向偏压到击穿电压以下，则所述雪崩二极管或多模二极管以直流阻塞模式操作，以及(c)如果被反向偏压并且在击穿电压以上，则所述雪崩二极管或多模二极管以可以将电压钳位在大致固定电压处的电压钳位模式操作，其中在没有损坏电压钳位模式的情况下，该二极管可以分流和经受非常大的峰值电流或瞬态电流。齐纳二极管是可以呈现齐纳击穿和雪崩击穿但是不支持与TVS二极管相同水平的电流瞬态的浪涌抑制的二极管。齐纳二极管或多模二极管进行以下操作：(a)如果被正向偏压，则所述齐纳二极管或多模二极管以常规电流阻塞模式操作，(b)如果被反向偏压到击穿电压以下，则所述齐纳二极管或多模二极管以直流阻塞模式操作，并且(c)如果被反向偏压并且在击穿电压以上，则所述齐纳二极管或多模二极管以将电压钳位在大致固定电压处的钳位模式操作。
此处，利用绝缘栅极双极晶体管(IGBT)(例如，PNPN构造，如图示用于说明目的，而没有将晶体管极性限制用于系统的常规应用)，第一多模二极管36的阴极连接到集电极51或漏极。在其它的实施例中，晶体管(61、62、63、64、65、66)可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、除了IGBT的晶体管或其它半导体。最后一个多模二极管42串联连接到箝位电阻器34。箝位电阻器34又连接到给检测器47馈给信号的分压电压电阻网络(44、46)。齐纳二极管48与电阻网络(44、46)的接地电阻器并联。
在一个实施例中，阻塞二极管32连接在驱动器模块18和箝位电阻器34或电阻网络(44、46)之间。如果高逻辑电平从驱动器模块18施加到阻塞二极管32，则阻塞二极管32被反向偏压并且防止在测量电阻器46(R2)或电阻分压器两端之间形成电势。然而，一旦电阻网络(44、46)处于峰值电压处或附近，则阻塞二极管32可以被正向偏压，并且驱动器模块18的输出端位于低逻辑电平处，以将测量电阻器R2两端之间的测量电压放电到低逻辑信号或接地30。当在晶体管61的端子51和53之间具有过大电压时，TVS二极管(36、38、40、42)、钳位电阻(34)和阻塞二极管(32)共同起作用以对晶体管61的栅极-源极电容充电。由于栅极-源极电容的充电，因而端子51和53两端之间的电压被止住(这表示电压不超过额定电压值)。因此，TVS二极管(36、38、40、42)、钳位电阻(34)和阻塞二极管(32)构成的电路用作有效钳位电路。
在一个构造中，由在栅极(例如，70)处从驱动器模块18施加的、用于关断有效晶体管(例如，61)的电压降或vge的降落触发检测器(47)对相对于时间变化的关断电压变化(或速率或电压升高)(dvce/dt)的测量。一旦在栅极(70、72)处由驱动器模块18的施加的电压降或vge的降落关断有效晶体管(例如，61)，则经由一系列级联多模二极管(36、38、40、42)，检测器47经由向包括测量电阻器46(R2)的电阻分压器(44、46)供给信号的一系列级联多模二极管测量晶体管(例如，61)的集电极电压。测量电阻器46与齐纳二极管48串联，以限制测量电阻器46中的电压幅值。
类似地，在一个构造中，由在栅极(70、72)处从驱动器模块18施加的、用于关断有效晶体管(例如，61)的电压降或vge的降落，触发对晶体管的峰值电压(vcepeak)的测量。一旦在栅极(70、72)处从驱动器模块18施加的电压降或vge的降落关断有效晶体管(例如，61)，则检测器47经由向包括测量电阻器46(R2)的电阻分压器(44、46)供给信号的一系列级联多模二极管(36、38、40、42)测量晶体管(例如，61)的集电极电压的变化(例如，脉冲或瞬时峰值电压)。
在可替换的实施例中，检测器可以连接到驱动器模块18的输出端以触发测量电压或脉冲的变化的收集。
如图1所示，电阻器46(R2)两端之间的电压变化的速率表示在晶体管关断期间晶体管关断电压的升高速率(例如，晶体管关断电压的变化或dvce/dt)，或第一晶体管参数。电阻器46(R2)两端之间的电压的峰值表示在关断事件(例如，vcepeak)期间晶体管(例如，61)两端之间产生的瞬时电压峰值或电压脉冲的峰值，或第二晶体管参数。在一个构造中，晶体管(例如，61)由从负40℃到正175℃的晶体管结温范围内的dvce/dt速率和涉及每个dvce/dt速率和关断期间的晶体管结温(Tjoff)的关断时间(toff)表征；该dvce/dt速率和对应的温度以任何适当的数据结构被存储在查找表、文件、倒向文件、数据库或记录中(例如，存储在用于由处理器12参照或检索的数据存储装置16中)。
图2是用于计算开态功率损耗和测量开态期间的晶体管电压的系统201的示意图。图2的开态损耗电路可以与图1图示的逆变器50的任一个晶体管(例如，低压侧晶体管(62、64、66))结合使用，以在该晶体管处于栅极72或基极与发射极43之间的电压降(vge)时，分别地确定集电极41和发射极43之间或漏极和源极之间的电压降(vce_on)。可选择的保护二极管68连接到该晶体管。图1和图2中的类似附图标记表示类似的元件。
该晶体管的集电极41端子与二极管202相关联。例如，晶体管(62、64、66)的集电极41端子或漏极连接到二极管202的阴极，并且二极管202的阳极与电阻器(R3)204串联连接。电压源(VCC)串联连接到电阻器208(R4)和电容器206(C1)。电阻器208(R4)和电容器206(C1)之间的节点218连接到电阻器(R3)，以经由可选的信号调节器200和数据端口207向数据处理器12提供vce_on测量值。在图2中，当晶体管(62、64、66)开启或接通时，电容器206(C1)两端之间的电压将表示晶体管两端之间的开态电压降，该开态电压降被表示为vce_on。在晶体管(62、64、66)的基极或栅极72端子处测量参数vge。
在一个实施例中，可选的信号调节器200被放置在到与数据处理器12相关联的数据端口207的开态损耗电路输出端和输入端之间。可选的信号调节器200被表示为可选择的，因为信号调节器200显示为虚线并且在某些实施例中可以省略。可选的信号调节器200可以包括滤波器(例如，低通滤波器)、寄存器、触发器、锁存器或存储器装置。信号调节器200可以滤除测量信号中的噪声或波动，和/或(在锁存器、触发器或存储器装置中)保持和采样由开态损耗电路提供的电压参数(例如，vceon和vge)，用于由数据处理器12进一步处理。
图1的数据处理器12可以在控制器10的一个或多个数据端口207处接收某些电压参数(例如，vce_on，vge，vDC)。数据处理器12可以确定或计算其它的电流参数(例如，iigbt_turnoff，iigbt_turnon)，如本文中所述。数据处理器12可以使用上述电压参数(例如，vceon和vge)来估算对应的晶体管(62、64、66)的开态功率/能量损耗。
在图3中示出晶体管(例如，低压侧或高压侧晶体管(61、63、65))的一个开关周期(T)316内的多个波形，其中竖直轴线表示每个波形的振幅并且水平轴线表示时间。如图所示，所述波形沿着时间轴线彼此同步或对准，以示出波形与时间的相对关系。
第一波形300表示在总循环或周期T中具有有效间隔314(TON)和无效间隔312(TOFF)的晶体管基极或栅极电压(vge)。对于在说明性示例中的NPN或PNPN晶体管，晶体管在无效间隔中关闭或断开并且在有效间隔中开启或接通。
第二波形302表示通过发射极(43、53)和集电极(41、51)或源极和漏极的晶体管电流(iigbt)，其中在开启事件(iigbt_turnon)期间具有第一数值318，并且在关断(iigbt_turnoff)事件期间具有第二数值320。第二波形302在以下时间时具有转折点：t0、t1和t2。
第三波形304在晶体管两端之间提供电压，包括作为vDC的关态电压和作为vce_on的开态电压。第四波形308图示了图1中的电阻(R2)两端之间的电压(并且该电压可以称为vR2)。第五波形310图示了晶体管的开启时间(ton)和关断时间(toff)。开启持续时间(ton)和关断持续时间(toff)与图3的其他波形一致，并且仅表示根据本公开内容的晶体管的可能波形。
根据一个实施例，图4图示了用于估算晶体管的结温或管芯温度的方法的一个实施例的流程图。
在步骤S100中，检测器47单独地或与检测电路60协同地测量逆变器50的相(90、92、94)中的晶体管(61、62、63、64、65、66)的集电极(41、51)和发射极(43、53)之间(或在漏极和源极之间)的相对于时间变化的关断电压变化(dvce/dt)。关断电压变化还可以被称为逆变器50的相中的晶体管的集电极(41、51)和发射极(43、53)之间(或在漏极和源极之间)的电压升高的速率。在一个实施例中，响应于来自驱动器模块18的栅极驱动信号，用于关断有效晶体管的vge的变化或降落触发检测器47测量相对于时间变化的关断电压变化(或脉冲或瞬时峰值的速率或电压升高)(dvce/dt)；并且触发检测器47经由一系列级联多模二极管(36、38、40、42)和电阻分压器(44、46)测量晶体管的集电极(41、51)和发射极(43、53)之间或漏极和源极之间的电势(vce)。例如，检测器47可以在电阻器46处或两端测量相对于时间变化的关断电压变化(或脉冲或瞬时峰值的速率或电压升高)(dvce/dt)。
在步骤S102中，检测器47单独地或与检测电路60协同地测量晶体管在集电极(41、51)和发射极(43、53)之间或在源极和漏极之间的峰值电压(vcepeak)。例如，响应于来自驱动器模块18的栅极驱动信号，用于关闭有效晶体管(61、62、63、64、65、66)的vge的变化或降落触发检测器47，以经由一系列级联多模二极管(36、38、40、42)和电阻分压器(44、46)测量晶体管的脉冲或瞬态尖峰的峰值电压(vcepeak)。例如，检测器47可以测量测量电阻器46处或两端之间的瞬态尖峰或脉冲的峰值电压(vcepeak)的关断电压变化。
在步骤S111中，基于关断电压变化(dvce/dt)和峰值电压(vcepeak)，电子数据处理器12确定关断电流(iceturnoff)、开启电流(iceturnon)和开态电压降(vceon)的中间参数，以能够估算一个循环内的平均功率损耗或能量损耗。
在步骤S112中，在晶体管的集电极(41、51)和发射极(43、53)之间或漏极和源极之间，基于关断电流(iceturnoff)、开启电流(iceturnon)和开态电压降(vceon)，数据处理器12确定用于晶体管的一个开关循环的功率损耗或能量损耗。
在步骤S114中，基于所确定的能量损耗、用于冷却逆变器50的逆变器系统的观察温度(例如，冷却剂系统中的冷却剂的冷却剂温度)和用于逆变器50的逆变器系统的热特性(例如，液冷式系统的热阻)，数据处理器12估算晶体管(61、62、63、64、65、66)在开关循环(例如，周期316)内的相关联的平均结温或平均管芯温度。平均结温或管芯温度可以表示结温或管芯温度均值、结温或管芯温度中值或结温或管芯温度众值。这种方法或温度估算可以应用于逆变器50，逆变器50使用与液冷式冷却剂系统(例如，泵和散热器)或气冷式系统结合的一个或多个晶体管。对于液冷式系统，温度传感器209提供冷却剂温度，然而对于气冷式系统，温度传感器209提供逆变器50的壳体温度。液冷式系统可以与第一组热特性数据205(例如，第一热阻)相关联，而气冷式系统可以与第二组热特性数据205(例如，第二热阻)相关联，其中第一组热特性数据与第二组热特性数据不同。热特性数据205被存储在数据存储装置16中，用于由数据处理器12检索和处理。
根据一个实施例，图5图示了用于估算晶体管的结温或管芯温度的方法的另一实施例的流程图。图5的方法类似于图4的方法，除了图5的方法以步骤S104、S106、S108和S110替代图4的步骤S111。类似的附图标记表示类似的步骤或程序。
在步骤S100中，检测器47单独地或与检测电路60协同地分别测量逆变器50的相(90、92、94)中的晶体管(61、62、63、64、65、66)的集电极(41、51)和发射极(43、53)之间或在漏极和源极之间的相对于时间变化的关断电压变化(或电压升高的速率)(dvce/dt)。
在步骤S102中，检测器47单独地或与检测电路60协同地测量晶体管在集电极(41、51)和发射极(43、53)之间测量的峰值电压(vcepeak)。
在步骤S104中，基于测量到的关断电压变化(dvee/dt)，数据处理器12估算晶体管(61、62、63、64、65、66)在步骤S100中的关断期间的结温或管芯温度(Tjoff或Tj_turnoff)。如方程式1所表述的那样计算晶体管的结温：
在一个构造中，晶体管由在晶体管结温或管芯温度操作范围(例如，从约负40℃到约正175℃)内的dvce/dt速率表征。例如，在执行步骤S104之前或在执行图5的方法之前，晶体管由以下参数中的一个或多个表征：(1)涉及每个dvce/dt速率的相应的关断时间(toff)和(2)涉及每个dvce/dt速率的、在关断期间的对应的晶体管结温或管芯温度(Tjoff)。dvce/dt速率、相应的关断时间(toff)和管芯温度(Tjoff)可以以任何适当的数据结构存储在数据存储装置16中的查找表、文件、倒向文件、数据库或记录中，以用于检索以执行方程式1。
在步骤S106中，基于相对于时间变化的关断电压变化(dvce/dt)并且基于关断期间的估算结温(Tjoff)，数据处理器12确定晶体管的关断时间(toff)。晶体管的依赖于结温的关断时间在方程式2中被表述为：
可以根据可以被分别地或累积地应用的多种技术执行步骤S106。在第一种技术下，方程式2中的上述功能是基于晶体管的离线特性的多项式方程。例如，离线特性(off-line characterization)表示在将晶体管商业分布在逆变器50中之前或在由最终用户操作晶体管之前，(例如，在工厂、实验室或电子测试设备处或从晶体管制造商)获得或收集特性数据或特性。该特性数据或特性可以被存储在数据存储装置16中，用于由数据处理器12检索和处理。
在第二种技术下，方程式2中的上述功能被如下确定。例如，在执行步骤S106之前或在执行图5的方法之前，晶体管被以下参数中的一个或多个表征：(1)涉及每个dvce/dt速率的相应的关断时间(toff)和(2)涉及每个dvce/dt速率的、在关断期间的对应的晶体管结温(Tjoff)。dvce/dt速率、相应的关断时间(toff)和管芯温度(Tjoff)可以以任何适当的数据结构存储在数据存储装置16中的查找表、文件、倒向文件、数据库或记录中，以用于由数据处理器12检索和处理以执行方程式2。
在步骤S108中，基于关断时间(toff)和峰值电压(vcepeak)，数据处理器12确定关断电流(iceturnoff)。一旦在关断事件期间使用dv/dt速率和结温确定关断时间(toff)，则按照方程式3确定关断事件期间的晶体管申流：
在方程式3中，vcepeak是在关断期间晶体管两端之间的峰值电压，vDC是逆变器50的直流(DC)总线电压，并且LsIGBT是与晶体管相关联的电感(例如，包括电路路径的杂散电感(stray inductance)，所述电路路径具有到集电极(41、51)端子或漏极端子的逆变器直流(DC)总线和晶体管中的内部母线)。
在步骤S110中，数据处理器12基于关断电流(iceturnoff)、逆变器50参数、马达参数和马达电压确定开启电流(iceturnon)。为计算在开启事件期间的晶体管电流，可以使用方程式11和12。方程式11和12假设，与图3中的波形300和302一致，图1中的A相高压侧晶体管(61、63、65)，例如，晶体管S1，约在时刻t2时被关断并且约在时刻t1时被开启。在执行步骤S110时，可以针对ia以下述方式求解方程式(10)：
出于背景目的，基于以下方程式4到9得到可以用于步骤S110中的方程式10到12，在得到方程式10到12之后，方程式4到9不需要被再次使用：
在方程式(4)中，ia是通过晶体管(S1或S4)的A相电流，Ea是A相反EMF(电动势)并且R和L由如下所述的电缆和电机绕组电参数获得：
R＝Rcab+RS (5)
L＝Lcab+LS (6)
其中，Rcab是相输出端子和电机52之间的电缆电阻，并且Lcab是相输出端子和电机52之间的电缆电感，Rs是晶体管的在集电极(41、51)端子处的电阻，并且Ls是晶体管的在集电极(41、51)端子处的电感。
因为与电机参数相比，电缆电气参数更小，因此，
和
电机52被假设是PMSM(永磁体正弦曲线机器)。用于a、b和c相的反EMF(Ea、Eb和Ec，分别地)被限定在方程式8中。
在方程式8中，ωe是转子的以弧度/秒为单位的电学转速，Ψm是磁通量的振幅并且该参数在转子温度的范围内对于马达控制系统来说是已知的，并且θe是电机52的电机转子的电学位置。θe是可使用如图1所示的传感器获得的转子位置。此外，按照方程式9表示ωe。
使用方程式5-9，如在方程式10中表述的那样，修改方程式4。
在执行步骤S110时，可以针对ia以如下方式求解方程式10：
使用方程式11和12，可以获得在时刻t1时的ia(t)，在晶体管的开关循环中的开启事件(iigbt_turnon)期间，ia(t)可以是晶体管电流。
在步骤S112中，基于在晶体管的集电极(41、51)和发射极(43、53)之间或在晶体管的漏极和源极之间的关断电流(iceturnoff)、开启电流(iceturnon)和开态电压降(vceon)，数据处理器12确定晶体管在一个开关循环内的功率损耗或能量损耗。一旦晶体管开启电流被确定，则使用多项式计算晶体管开启时间，并且该多项式基于晶体管的依赖于开启结温的预表征数据(pre-characterize data)。
ton＝fn(iigbt_turnon和Tj(n-1)) (13)
应注意到，晶体管两端之间的电压将以由晶体管的开启时间，例如ton，确定的速率下降。因此，在开启期间，晶体管两端之间的电压的下降速率被以如下方式限定：
晶体管中的功率损耗的确定
分别地按照方程式15、16和17表述开启、关断和开态事件期间的晶体管能量损耗。
开启开关能量损耗(Eon)：按照方程式(15)表述Eon：
Eon＝vDC×iigbt_turnon×ton (15)
开启开关能量损耗(Eoff)：按照方程式16表述Eoff：
Eoff＝vDC×iigbt_turnoff×toff (16)
在一个开关周期中，晶体管电流按照图3图示的简化波形而变化。
开态能量损耗(Eon_state)：按照方程式17如下表述Eon_state：
Eon_state＝vce_on×(0.5×iigbt_turnoff+0.5×iigbt_turnoff)×TON (17)
应注意到，开启电流(iigbt_turnon)和关断电流(iigbt_turnoff)的平均值被认为用于确定晶体管中的开态能量损耗。
晶体管在一个开关周期期间的总能量损耗是开启转换能量、关断转换能量和开态能量损耗的总和。
ELoss＝k1(vDC×iigbt_turnon×ton)+k2(vDC×iigbt_turnoff×toff)+0.5k3(vce_on×(iigbt_turnoff+iigbt_turnoff)×TON (18)
在方程式(18)中，通过表征在逆变器50中或在逆变器驱动电机系统中适用的晶体管来确定常数k1、k2和k3。
在一个开关间隔期间，晶体管中的平均功率损耗被以如下方式表述：
PLoss＝ELoos/T
在开关损耗被计算之前，重要的是，描述晶体管的开关周期内的开关波形。
在步骤S114中，基于所确定的能量损耗、用于冷却逆变器50的逆变器系统的观察温度(例如，冷却剂系统中的冷却剂的冷却剂温度)和用于逆变器50的逆变器系统的热特性(例如，液冷式系统的热阻)，数据处理器12估算晶体管的在开关循环内的相关联的平均结温或平均管芯温度。平均结温或管芯温度可以表示结温或管芯温度均值、结温或管芯温度中值或结温或管芯温度众值。该方法或温度估算可以应用于逆变器50，逆变器50使用与液冷式冷却剂系统(例如，泵和散热器)或气冷式系统结合的一个或多个晶体管。对于液冷式系统，温度传感器209提供冷却剂温度，而对于气冷式系统，温度传感器209提供逆变器50的壳体温度。液冷式系统可以与第一组热特性数据205(例如，第一热阻)相关联，然而气冷式系统可以与第二组热特性数据205(例如，第二热阻)相关联，其中第一组热特性数据与第二组热特性数据不同。
在一个实施例中，晶体管热管理的热阻(Rjc)被假设为X0C/Watt。对于液冷式功率电子系统，X可以在0.1到0.3的范围内改变。晶体管的在一个开关周期中的平均结温被以如下方式表述：
Ti＝Tcoolant+PLossRjc
通过温度传感器209或通过逆变器控制系统或通过车辆控制单元提供冷却剂温度，其中逆变器50被配置成控制车辆驱动或牵引系统。如果车辆控制单元或发动机控制器10提供冷却剂温度，则冷却剂温度可以经由车辆数据总线14(例如，控制器区域网络(CAN)数据总线、以太网或另一数据总线)传递到控制器10。
图6是用于估算晶体管的结温或管芯温度的方法的又一实施例的流程图，图6A是示出图6中的方法的步骤中的一部分的流程图，图6B是示出图6中的方法的步骤中的另一部分的流程图。除了一些额外的细节被呈现，该方法类似于图5的方法。图6的流程图表示用于确定估算晶体管能量损耗所需要的参数和参量的算法。
在步骤S600中，针对估算晶体管结温所需要的系统参量，数据处理器12开始参数估算程序。
在步骤S602中，当晶体管栅极电压(vge)从高(H)逻辑电平改变成低(L)逻辑电平时，读取以下参数：来自转子位置传感器54的转子位置(θe)、来自电压测量电路(例如，比较器)的直流总线电压(VDC)和图1中的电阻器(R2)两端之间的电压(VR2)。
在步骤S604中，检测器47测量或确定dvce/dt和vcepeak。例如，检测器47单独地或与检测电路协同地根据步骤S100和vcepeak并且根据步骤S102测量或确定dvce/dt。
在步骤S606中，基于所确定的dvce/dt，数据处理器12使用第一查找表、第一文件或第一数据结构来确定晶体管结温(Tjoff)，其中查找表限定vcepeak和关断事件期间的结温(Tjoff)之间的关系。第一查找表、第一文件或第一数据结构可以被存储在数据存储装置16中，并且可以在执行图6的方法之前，基于晶体管的特性被预定或确定。
在步骤S608中，基于dvce/dt和晶体管结温Tjoff，数据处理器12确定晶体管关断时间(toff)。
在步骤S610中，数据处理器12对用于iight_turnoff的方程式(例如，方程式3)进行求解。例如，用于iight_turnoff的方程式基于以下积分，其中该积分是从t等于0到t等于来自步骤S608的toff的时间周期内获得的。
在步骤S612中，数据处理器12考虑由逆变器50驱动的负载或电机52，逆变器50包括逆变器50的每个相的两个晶体管。例如，电机52可以被表征为以下方程式(例如，方程式10)：
在步骤S614中，根据以下方程式(例如，方程式11和12)，数据处理器12确定一相在晶体管关断时刻(t2)时的电流和该相在晶体管开启时刻(t1)时的电流。
在步骤S616中，数据处理器12使用基于第二查找表、第二文件或第二数据结构的多项式函数以下述函数获得晶体管的开启时间(ton)：ton＝fn(iigbt_turnon，Tj(n-1)).第二查找表、第二文件或第二数据结构可以被存储在数据存储装置16中，并且可以在执行图6的方法之前，基于晶体管的特性被预定或确定。
在步骤S618中，数据处理器12输出参数或参量ton、toff、iigbt_turnon和iigbt_turnoff，以用于确定循环期间的晶体管能量损耗。来自步骤S618的参量可以用于步骤S112和S114中，以估算晶体管在开关循环内的相关联的平均结温或管芯温度。
图7是用于感测通过晶体管700的镜像电流(iigbt_sense)的系统的示意图，其中晶体管700可以例如被图1中的任一晶体管(61、62、63、64、65、66)替代。图7的电流镜电路(例如，702、704、706)便于交叉检查根据图4、图5或图6的方法确定的iigbt_turnoff和iigbt_turnon电流的值。图7的电流镜电路需要晶体管700，所述晶体管700被制造成具有与集电极到发射极路径或漏极到源极路径相关联的电流镜。该电流镜产生镜像电流或次级电流(iigbt_sense)，所述镜像电流或次级电流为流过晶体管700的集电极41和发射极43之间的主电流(iigbt_main)的较小部分(例如，小于一个百分比)。电流镜可以被建模为电源704，其中该电源704提供的电流值与流过晶体管700的主电流(iigbt_main)成比例。经由晶体管700上的附加端子702能够访问与电源704相关联的镜像电流。
镜像电流流过合适尺寸的(欧姆值和瓦特等级的)电阻器706(Rshunt)。电阻器Rshunt两端之间的电压(例如，在端子710处)被测量并且与镜像电流(例如，iigbt_sense)成比例。在IGBT关断期间的镜像电流iigbt_sense与主断电流iigbt_turnoff成比例，并且在IGBT开启期间，镜像电流与主开启电流iigbt_turnon成比例。数据处理器12可以经由一个或多个数据端口207，或连接到数据端口207的信号调节器，接收观察到的镜像电流(或电阻器706两端之间的对应的电压)。在一个实施例中，根据本文中公开的任一方法、步骤或过程，数据处理器12使用晶体管700的观察到的镜像电流来交叉检查估算的iigbt_turnoff，和iigbt_turnon的正确性和精度。例如，根据本文中公开的任一方法、步骤或过程，数据处理器12可以确定对应的镜像电流值和估算的iigbt_turnoff以及iigbt_turnon之间的相关性(或任一比例常数的偏差)。
在一个实施例中，数据处理器12测量开启镜像电流和关断镜像电流，从而通过诸如来自步骤S111或S108和S110的组合的(在相应的镜像电流和对应的确定开启电流以及关断电流之间的)相关性，或通过(在相应的镜像电流和对应的确定开启电流以及关断电流之间的)任一比例常数的偏差程度(例如，平均数、均值、众值、中值数偏差)，交叉检查基于关断电流(iceturnoff)确定的开启电流(iceturnon)的精度和正确性。
图8公开了逆变器的功率循环801(开关晶体管(61、62、63、64、65)的完整开启和关断循环)的数量(在垂直轴线上)与该逆变器的晶体管的累积温度变化(ΔTj)802之间的关系的图表。功率循环801的数量可以与逆变器50的操作的持续时间成比例。与图8的功率循环曲线803相关联的功率循环数据可以被计算为数据文件、查找表、二次方程式或图表。功率循环数据包括相对于温度(ΔTj)的累积变化的功率循环的累积数量，其作为晶体管寿命估算器的输入，所述输入被存储在数据存储装置16中并且被数据处理器12执行。可以通过计数器77、计时器或与栅极驱动器18或控制器10相关联的数据处理器12对功率循环801进行计数；根据本文中公开的任一方法、步骤或过程确定累积温度变化(ΔTj)。
一旦晶体管管芯温度或结温被确定，则数据处理器12可以使用管芯温度用于针对累积Δ温度(ΔTj)的每个增加来实时估算每个晶体管中的损坏。图8的功率循环数据可以由数据处理器估算或被提供到数据处理器，以预测晶体管或逆变器的剩余使用时间或寿命。例如，逆变器的被预测的剩余使用时间或寿命可以用于车辆上的逆变器或电力驱动系的定期维护。
在一个实施例中，可选的计数器77对逆变器50中的一组晶体管或晶体管(61、62、63、64、65、66)的功率循环的数量进行计数。数据处理器12确定用于该功率循环的晶体管或逆变器50中的一组晶体管的累积温度变化。通过参照查找表、数据库、文件或存储在数据存储装置16中的其它记录，基于功率循环的被计数数量和所确定的累积温度变化，数据处理器12预测晶体管或相关联逆变器的剩余使用时间或寿命。
本公开的方法和系统非常适合于在逆变器馈送信号的电动马达/发电机的稳态和瞬态操作条件期间，对晶体管温度的快速、精确估算。因为本发明的方法和系统不要求用于电流测量的常规电流传感器，因而由电流传感器导致的任何误差被消除。来自诸如霍耳效应传感器的电流传感器的典型误差可以包括电流测量值中的任何温度相关漂移。
本公开的方法和系统可以在晶体管的结的宽的操作温度范围(例如，40℃至175℃)内操作；所述操作温度范围可以是与可从热敏电阻器或电热调节器获得的操作范围相比更大的操作范围。例如，因为热敏电阻器的限制，由于缺乏对0℃以下和95℃以上的读数的任何分辨，因而0℃以下的感测温度可能被认为是寒冷的，并且95℃以上的感测温度可能被认为是热的。因此，本发明的方法和系统非常适合于由碳化硅(SiC)功率半导体装置或预期操作达到200℃结温的其它宽带隙半导体材料进行的操作。在某些应用中，常规的温度传感器(例如，电热调节器)可能不能够在-40℃至200℃的范围内保持精度和线性。在该情况下，本公开的方法和系统可能便于在感测宽空隙半导体的结的温度时在可接受水平精度的情况下，获得线性范围。
因为仅流过图1中的RCLAMP的第一电流需要实施温度感测方案，因而该方法和系统具有较低的或最小的开关损耗，其中第一电流比晶体管的输出端处的电流低许多。检测电路60便于在关断事件期间在过电压下停止或耗散晶体管。例如，根据检测电路，晶体管两端之间的过电压通常小于200纳秒，然而，晶体管两端持续约200纳秒的dv/dt足以确定在关断事件期间的结温(Tjoff)。该温度估算系统和方法不要求将温度传感器(电热调节器或负温度系数装置)布置成与晶体管的结或沟道更接近地隔开，否则将将温度传感器布置成与晶体管的结或沟道更接近地隔开会降低所需要的电绝缘/隔离；因此，降低半导体装置或逆变器的可靠性。因此，该温度估算系统和方法很适合用于促进对半导体装置和逆变器的热性能、密集封装的功率输出和安全的管理。
虽然示例性实施例被如此描述，但将会明显的是，可以以许多方式改变示例性实施例。这种改变不被认为违反示例性实施例的精神和范围，并且对本领域的技术人员来将是明显的所有的这种修改旨在被包括在权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种用于估算逆变器系统的晶体管的结温或管芯温度的方法，所述方法包括下述步骤：
测量逆变器的相中的晶体管的集电极和发射极之间的相对于时间变化的关断电压变化；
测量晶体管的集电极和发射极之间的峰值电压；
基于关断电压变化和峰值电压，确定关断电流、开启电流和开态电压降的中间参数；
基于晶体管的集电极和发射极之间的关断电流、开启电流和开态电压降，确定晶体管的一个开关循环内的功率损耗或能量损耗；以及
基于已确定的能量损耗、观察到的逆变器系统温度和逆变器系统的热特性，估算晶体管在开关循环内的相关联的平均结温或管芯温度，其中逆变器系统温度传感器测量用于冷却逆变器的冷却剂系统中的冷却剂温度或逆变器壳体的壳体温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定中间参数的步骤进一步包括：
基于测量到的关断电压变化，估算晶体管在关断期间的结温或管芯温度；
基于相对于时间变化的关断电压变化，并且基于关断期间的估算结温，确定关断时间；
基于关断时间和峰值电压，确定关断电流；以及
基于关断电流、逆变器参数、马达参数和马达电压，确定开启电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
通过在有效状态中施加到晶体管的基极或栅极的电压降，触发对相对于时间变化的关断电压变化的测量；并且
一旦触发，则经由一系列级联多模二极管和电阻分压器测量晶体管的集电极电压中的瞬时峰值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中：
通过在有效状态中施加到晶体管的基极或栅极的电压降，触发对晶体管在切换后的端子之间的峰值电压的测量；并且
一旦触发，则经由一系列级联多模二极管和电阻分压器测量晶体管的集电极电压中的瞬时峰值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中：
逆变器系统温度包括冷却剂温度，并且其中所述热特性包括与逆变器系统相关联的热阻。
6.根据权利要求1所述的方法，其中：
逆变器系统温度包括逆变器壳体的壳体温度，并且其中所述热特性包括与逆变器系统相关联的热阻。
7.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述中间参数的步骤进一步包括：
在经由电阻器和二极管连接到集电极的电容器处，对晶体管的集电极和发射极之间的电压进行采样或测量；以及
经由一个或多个数据端口向数据处理器提供采样电压或测量电压，以便于估算晶体管的开态功率损耗。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
对晶体管的基极或栅极处的电压进行采样或测量，以便于估算晶体管的开态功率损耗。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
通过相应的镜像电流与对应的已确定的开启电流和关断电流之间的相关性，或通过从比例常数偏差的程度，测量晶体管的观察到的镜像电流，以交叉检查或核实已确定的晶体管关断电流和已确定的晶体管开启电流的正确性和精度。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
对晶体管的多个功率循环计数；
确定晶体管在所述功率循环内的累积温度变化；
基于功率循环的计数数量和已确定的累积温度变化，预测晶体管或相关联的逆变器的剩余使用时间或寿命。
11.一种用于估算逆变器系统的晶体管的结温或管芯温度的方法，所述方法包括下述步骤：
测量逆变器的相中的晶体管的集电极和发射极之间的相对于时间变化的关断电压变化(dvce/dt)；
测量晶体管在集电极和发射极之间的峰值电压(vcepeak)；
基于关断电压变化(dvce/dt)和峰值电压(vcepeak)，确定关断电流(iceturnoff)、开启电流(iceturnon)和开态电压降(vceon)的中间参数；
基于晶体管的集电极和发射极之间的关断电流(iceturnoff)、开启电流(iceturnon)和开态电压降(vceon)，确定晶体管在一个开关循环内的功率损耗或能量损耗；以及
基于已确定的能量损耗、观察到的逆变器系统温度和逆变器系统的热特性，估算晶体管在开关循环内的相关联的平均结温或管芯温度，其中逆变器系统温度传感器测量用于冷却逆变器的冷却剂系统中的冷却剂温度或逆变器壳体的壳体温度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中确定中间参数的步骤进一步包括：
基于测量的关断电压变化(dvce/dt)，估算晶体管在关断期间的结温或管芯温度(Tjoff)；
基于相对于时间变化的关断电压变化(dvce/dt)，并且基于关断期间的估算结温(Tjoff)，确定关断时间(toff)；
基于关断时间(toff)和峰值电压(vcepeak)，确定关断电流(iceturnoff)；以及
基于关断电流(iceturnoff)、逆变器参数、马达参数和马达电压，确定开启电流(iceturnon)。
13.根据权利要求11所述的方法，其中：
通过在有效状态中施加到晶体管的基极或栅极的电压降或vge的降落，触发对相对于时间变化的关断电压变化(dvce/dt)的测量；并且一旦触发，则经由一系列级联多模二极管和电阻分压器测量晶体管的集电极电压中的瞬时峰值。
14.根据权利要求11所述的方法，其中：
通过在有效状态中施加到晶体管的基极或栅极的电压降或vge的降落，触发对晶体管的峰值电压(vcepeak)的测量；并且一旦触发，则经由一系列级联多模二极管和电阻分压器测量晶体管的集电极电压中的瞬时峰值。
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