CN107209222A - 用于确定功率半导体模块的老化的方法以及设备和电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于表征具有至少一个功率半导体元件(2)的功率半导体模块(1)的方法，具有步骤：在参考时间点确定功率半导体模块(1)的热模型(4)，根据功率半导体模块(1)的热模型(4)确定参考温度(Tj,zth)，在功率半导体模块(1)运行时在相对于参考时间点稍后的至少一个时间点测量功率半导体模块(1)的至少一个温度敏感的电气参数(TSEP)，根据测量的功率半导体模块(1)的至少一个温度敏感的电气参数(TSEP)确定功率半导体模块(1)的当前温度(Tj,tsep)，确定当前温度(Tj,tsep)和参考温度(Tj,zth)之间的温度差(ΔT)，以及根据所确定的温度差(ΔT)确定功率半导体模块(1)的老化。

Description

用于确定功率半导体模块的老化的方法以及设备和电路装置
技术领域
本发明涉及一种用于表征具有至少一个功率半导体元件的功率半导体模块的方法。此外，本发明涉及一种设备以及电路装置。
背景技术
功率半导体模块从现有技术中已经是已知的，并且例如可以包括逆变器或者转换器。功率半导体模块通常包括至少一个功率半导体芯片或功率半导体元件，其特别是被设计用于控制和切换大的电流和电压。这种功率半导体元件例如可以是功率金属氧化物场效应晶体管(功率MOSFET)、功率二极管或者具有绝缘栅电极的双极晶体管(绝缘栅双极晶体管，简称为IGBT)。功率半导体元件通常被焊接在基板上，以形成功率半导体模块，并且通过粘合连接彼此电连接。
功率半导体模块可以经由其寿命表征。功率半导体模块的寿命是直至功率半导体模块停止工作或功能失效的时间。在功率半导体模块运行期间，功率半导体模块的剩余寿命、即所谓的功率半导体模块的残余寿命例如可能由于功率半导体模块的老化而改变。在此，特别是认为功率模块老化地越快，功率半导体模块的残余寿命越短。
通常在功率半导体模块可能遭受热和机械负荷的运行期间，功率半导体模块的老化加速。功率半导体模块的这些热和机械负荷可能导致功率半导体模块的所谓的热机械疲劳，其结果可能是功率半导体模块停止工作或功能失效，寿命由此结束。热负荷例如可以是由于功率半导体模块的电气运行而产生的温度变化负荷，其特别是可能由于功率半导体模块中的材料的不同的热膨胀系数而导致电连接点、例如芯片焊料和系统焊料的粘合连接和焊接连接的疲劳。由于连接点的疲劳，例如粘合连接或者焊接连接可能松动，这导致半导体芯片的温度提高。因此，总体上来说，功率半导体模块的热机械疲劳使功率半导体模块的老化加速，这可能导致功率半导体模块的残余寿命缩短并且导致提前停止工作。
为了保证功率半导体模块在其应用领域内可靠地运行，希望预测功率半导体模块的寿命。根据现有技术，为了预测功率半导体模块的寿命，根据寿命曲线和预先给定的负载简档以计算机支持的方式进行寿命计算。为此，例如通过例如将热敏电阻与功率半导体元件一起焊接在基板上，来监视功率半导体模块的温度。然而，由于热敏电阻在空间上远离功率半导体元件，因此不能准确地采集芯片的准确瞬时温度，由此不能进行准确的寿命计算。
从现有技术中还已知建立功率半导体模块的热等效电路图，根据其可以间接地推断功率半导体元件的温度。经由对功率半导体模块的电流和电压测量或者经由对功率半导体模块的工作点的认识，能够计算IGBT和二极管的电气损耗。由此，虽然可以计算运行中的功率半导体元件的温度，但是通常在热等效电路图中不考虑功率半导体元件的老化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种解决方案，通过其能够更可靠地确定功率半导体模块的老化，由此更准确地预测功率半导体模块的残余寿命。
根据本发明，上述技术问题通过具有根据各个独立权利要求的特征的方法、设备以及电路装置来解决。本发明的有利实施方式是从属权利要求、说明书和附图的内容。
根据本发明的方法用于表征具有至少一个功率半导体元件的功率半导体模块。在所述方法中，在参考时间点确定功率半导体模块的热模型，根据功率半导体模块的热模型确定参考温度，在功率半导体模块运行时在相对于参考时间点稍后的至少一个时间点测量功率半导体模块的至少一个温度敏感的电气参数(TSEP)，根据测量的功率半导体模块的至少一个温度敏感的电气参数确定功率半导体模块的当前温度，确定当前温度和参考温度之间的温度差，并且根据所确定的温度差确定功率半导体模块的老化。
功率半导体模块例如可以包括逆变器或者转换器，并且优选具有IGBT作为至少一个功率半导体元件。现在，为了预测功率半导体模块的寿命，确定功率半导体模块的老化或老化的发展。为此，针对功率半导体模块，在参考时间点确定表征功率半导体模块的热模型。热模型用于描述功率半导体模块的热性能。在热模型中特别地考虑功率半导体模块内的热源或者热沉。优选经由可以根据电流和电压测量确定的功率半导体模块的损耗功率来计算这些热源。
在确定热模型的参考时间点，功率半导体模块具有未老化的状态，其也称为功率半导体模块的健康状态，其中，功率半导体模块特别是未示出疲劳现象或者劳损现象。该参考时间点优选处于功率半导体模块开始使用之前。这意味着，功率半导体模块尚未遭受通常导致功率半导体模块疲劳或加速老化的热机械负荷。在参考时间点建立的该热模型因此表示功率半导体模块的初始状态。
根据该热模型，确定对应于所谓的结温的功率半导体模块的参考温度。该参考温度表征功率半导体模块的未老化状态或健康状态。例如，在经由损耗功率表征功率半导体模块的热模型中，可以根据损耗功率和温度之间的已知关系直接计算参考温度。
在确定参考温度之后，在时间上处于参考时间点之后的稍后的时间点，在功率半导体模块运行时，例如在具有逆变器的功率半导体模块的逆变器运行时，测量功率半导体模块的至少一个温度敏感的电气参数。在运行期间，即在功率半导体模块的常规使用期间，功率半导体模块遭受热机械负荷，由于其，功率半导体模块可能老化。测量可以在功率半导体模块运行期间连续地或者在预先确定的测量时间点进行。
为了测量功率半导体模块的至少一个温度敏感的电气参数，例如可以提供对应的测量电路。也可以设置为，功率半导体模块或者至少一个功率半导体元件具有集成的测量装置、例如二极管，借助其可以对功率半导体模块进行温度监视。
根据至少一个温度敏感的电气参数，确定或计算当前温度、即功率半导体模块在相应的测量时间点具有的温度。将该当前温度与参考温度进行比较，并且确定参考温度和当前温度之间的温度差。
本发明基于如下认识：在功率半导体模块例如由于劳损现象、特别是由于已经描述的粘接或焊接连接松动而老化期间，功率半导体模块的温度与功率半导体模块在健康状态下的参考温度相比发生改变。由于焊接连接松动，例如功率半导体元件在运行时产生的热不再能够或者仅能够不良地经由焊接连接散热。由此，在运行时，功率半导体模块的当前温度可能升高。
根据温度差，可以估计或确定功率半导体模块的老化。在未老化状态下，该温度差大约为零。随着老化的发展以及劳损现象的增加，温度差逐渐增大，其中，温度差的相对变化提供老化的功率半导体模块的指示。
因此，借助根据本发明的方法，可以以特别简单的方式通过确定温度差，来确定功率半导体模块的老化，由此预测半导体模块的残余寿命或可用性。由此能够保证功率半导体模块在相应的应用领域中可靠地运行。通过在功率半导体模块运行期间或运行阶段期间确定老化，能够以有利的方式避免功率半导体模块的运行中断。因此，所述方法被设计为特别用户友好。
附加地，通过确定老化，可以对功率半导体模块提供温度差相关的功率调节，以避免运行温度和温度改变负荷提高。例如，可以提供控制装置，其根据所确定的温度差针对功率半导体模块的高效运行进行对应的功率调节。由此，通过功率半导体模块的高效运行，能够反作用于功率半导体模块的老化的发展，由此反作用于提前停止工作。
特别优选为了建立热模型，确定功率半导体模块的描述功率半导体模块的热通路的热阻抗。在功率半导体模块具有初始状态或未老化状态的参考时间点确定或测量功率半导体模块的热阻抗。借助热阻抗，可以描述功率半导体模块的热通路或将其参数化。热阻抗是在功率半导体模块中在通过热流时形成的温度差异的热特征值和度量。在具有连接在一起的多个功率半导体元件的功率半导体模块中，功率半导体模块的热阻抗由各个功率半导体元件的热阻抗构成。热阻抗例如可以根据热等效电路图计算。为此，可以将描述热性能的特征参量转换为电参量。利用这些电参量可以建立电气网络，其可以通过分析或者借助电路仿真器计算。通过确定热阻抗，可以确定特别准确并且可靠的功率半导体模块的模型。
为了建立热模型，优选确定功率半导体模块的损耗功率或热功率。特别是在功率半导体模块的工作点，通过测量功率半导体模块的输出电压和输出电流并且求得输出电压和输出电流的积，来计算热功率或损耗功率。借助确定功率半导体模块的热功率，可以以特别简单的方式建立热模型。
为了建立热模型，优选在功率半导体模块运行时采集功率半导体模块的散热体的温度。该散热体例如可以是散热板，在功率半导体模块运行时测量其温度。因此，在热模型中也可以考虑作为热源或热沉的散热体，由此特别准确并且可靠地设计热模型。
优选测量以下参量中的至少一个，作为优选具有IGBT作为至少一个功率半导体元件的功率半导体模块的至少一个温度敏感的电气参数：门限电压、即栅极-发射极电压，米勒平台(Millerplateau)，功率半导体模块的导通延迟时间，功率半导体模块的关断延迟时间，电流上升速度，阻断延迟电荷，表征功率半导体模块的关断损耗的拖尾电流，功率半导体模块在导通过程期间的电压峰值，功率半导体模块的导通持续时间或者功率半导体模块的关断持续时间。因为这些参量中的每一个都与温度相关，因此可以根据这些参量的测量值以特别简单的方式确定功率半导体模块的当前温度。
在本发明的一个实施方式中，确定功率半导体模块的特征曲线，借助其将至少一个温度敏感的电气参数的每一个值相应地与一个温度值相关联，其中，依据测量的温度敏感的电气参数，将温度值中的一个确定为当前温度。特别是在校准时间点，例如在功率半导体模块的健康状态下，特别是一次性地确定该特征曲线。在该特征曲线中，关于温度绘制至少一个温度敏感的电气参数的值。在稍后的时间点，可以根据该预先给定的特征曲线特别快速地在没有大的计算开销的情况下，将与在运行时测量的温度敏感的电气参数的值对应的温度确定为当前温度。在功率半导体模块运行时连续测量温度敏感的电气参数的情况下，由此可以进行特别是温度差的实时测量，由此进行在线寿命监视。由此能够提前识别功率半导体模块的老化的发展。
优选通过预先给定功率半导体模块的温度值，将功率半导体模块的温度调节或设置为相应的温度值，并且在预先给定的温度值下测量至少一个温度敏感的电气参数的相应的值，来确定特征曲线。换句话说，这意味着，将功率半导体模块的温度主动地设置为预先给定的温度值。为了设置温度，在本发明的一个实施方式中提供加热装置，借助其可以将功率半导体模块加热到相应的预先给定的温度值。
为了在不同的预先给定的温度值下确定至少一个温度敏感的电气参数的值，可以借助加热装置逐级地提高功率半导体模块的温度。一旦功率半导体模块在由加热装置提供的温度下以预先给定的温度值处于热振荡状态，则测量至少一个温度敏感的电气参数的相应的值。由此，可以将每一个温度值唯一地与相应的温度敏感的电气参数的值相关联。通过温度敏感的电气参数的这种校准，可以在稍后的时间点特别快速并且简单地确定或者从特征曲线中读出功率半导体模块在运行时的当前温度。
特别优选借助双脉冲测量电路依据预先给定的温度测量至少一个温度敏感的电气参数，以确定特征曲线。这种双脉冲测量电路例如从“Halbleiter-Leistungsbauelemente”(Josef Lutz,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006,S.126/127)中已知。在此，在功率半导体模块的热振荡状态下，在IGBT的栅极-发射极接线端处产生两个电压脉冲，采集IGBT的导通和关断过程，随后依据预先给定的温度分析温度敏感的电气参数(TSEP)。
本发明还包括一种用于在功率半导体模块运行时表征功率半导体模块的设备，具有：测量装置，用于测量功率半导体模块的至少一个温度敏感的电气参数；以及计算装置，用于根据至少一个温度敏感的电气参数确定当前温度，并且计算预先给定的参考温度和当前温度之间的温度差。所述设备用于在线监视温度差，即用于连续监视温度差，由此用于连续监视功率半导体模块在运行时的剩余寿命。
包括具有至少一个功率半导体元件的功率半导体模块和根据本发明的用于确定功率半导体模块的老化的装置的电路装置也属于本发明。
优选功率半导体模块包括逆变器和至少一个散热体，其中，逆变器具有至少一个IGBT作为至少一个功率半导体元件。
根据所述电路装置的一个扩展方案，所述电路装置包括控制装置，其被设计用于根据所确定的温度差调节功率半导体模块的功率。
参考根据本发明的方法说明的优选实施方式和其优点对应地适用于根据本发明的设备以及根据本发明的电路装置。
附图说明
现在，下面根据优选实施例以及参考附图详细说明本发明。
图1示出了执行根据本发明的用于确定功率半导体模块的老化的方法的实施方式的功率半导体模块的示意性图示；
图2示出了用于测量功率半导体元件的温度敏感的电气参数的测量电路的示意性图示以及所属的功率半导体元件的特征曲线；以及
图3示出了用于进行双脉冲试验的双脉冲测量电路的示意性图示与所属的输入和输出特征曲线。
具体实施方式
下面说明的实施例是本发明的一个优选实施方式。但是在该实施例中，所描述的实施方式的成分分别是本发明的被视为相互独立的各个特征，其也分别相互独立地扩展本发明，由此也可以单独或者以与所示出的组合不同的组合视为本发明的组成部分。此外，也可以通过本发明的已经描述的特征中的其它特征来补充所描述的实施方式。
图1示意性地示出了这里具有多个功率半导体元件2的功率半导体模块1。此外，这里功率半导体模块1具有散热体3，功率半导体元件2布置在散热体3上，并且散热体3用于在功率半导体模块1运行时冷却功率半导体元件2。在此，散热体3的几何尺寸通常大于连接在一起的功率半导体元件2的几何尺寸。功率半导体模块1例如可以构造为转换器或逆变器。功率半导体元件2例如可以是IGBT。
在功率半导体模块1运行时，功率半导体模块1例如遭受热负荷，由于其，功率半导体模块1老化。这种老化可能导致功率半导体模块1的寿命或功能优异性缩短，并且导致功率半导体模块1提前停止工作。下面描述的方法的目标是，在功率半导体模块1运行时确定功率半导体模块1的老化，由此预测功率半导体模块1的剩余寿命或可用性。
在功率半导体模块1具有健康的未老化状态的参考时间点，确定功率半导体模块1的热模型4。这里的热模型4包括包含传输函数的矩阵GS和GZ。这些传输函数描述功率半导体模块1的热通路，并且可以根据测量的功率半导体元件2的热阻抗来计算。此外，这里的热模型4包括功率半导体模块1内的热源或热沉，其在这里经由损耗功率P或热功率以及经由散热体3的散热体温度TC给出或表征。热通路也可以包括壳体温度以及导热胶。损耗功率P可以在功率半导体模块1的工作点根据在参考时间点测量的输出电压并且根据在参考时间点测量的输出电流计算。在功率半导体模块1运行时测量散热体温度TC。
根据热模型4确定参考温度Tj,zth。参考温度Tj,zth可以借助以下等式来确定：
Tj,zth＝G S*P+G Z*TC，
其中，*是卷积运算符。
在时间上处于参考时间点之后的稍后的时间点，例如可以借助测量电路5在功率半导体模块1运行时确定至少一个温度敏感的电气参数TSEP。该温度敏感的电气参数TSEP例如可以是功率半导体模块1的门限电压(栅极-发射极电压)、米勒平台、导通延迟时间、关断延迟时间、电流上升速度、阻断延迟电荷、拖尾电流、导通过程期间的发射极和辅助发射极之间的电压峰值以及导通和关断持续时间。
根据所确定的温度敏感的电气参数TSEP，确定功率半导体模块1的当前温度Tj,tsep。当前温度Tj,tsep的确定例如可以借助预先给定的特征曲线6进行。在特征曲线6中，关于温度绘制了温度敏感的电气参数的值。例如可以在特别是在功率半导体模块1开始使用之前的校准时间点确定特征曲线6。为此，将功率半导体模块1设置、例如加热到预先给定的温度值，在所设置的预先给定的温度值下测量对应的温度敏感的电气参数，并且在特征曲线6中示出各个值对。
最后，当在运行时例如借助测量电路5采集了至少一个温度敏感的电气参数TSEP时，可以借助预先给定的特征曲线6以特别简单并且快速的方式确定功率半导体模块1的当前温度Tj,tsep。至少一个温度敏感的电气参数TSEP的采集例如可以在功率半导体模块1运行期间连续地或者在预先给定的测量时间点进行。
根据当前温度Tj,tsep和参考温度Tj,zth求得温度差ΔΤ，其中，ΔT＝|Tj,tsep-Tj,tsep|。根据温度差ΔΤ可以确定功率半导体模块1的老化，因为当前温度Tj,tsep例如由于功率半导体模块1处的劳损现象而发生变化。在未老化状态下，温度差ΔΤ为零，即ΔT＝0。随着老化的发展，温度差ΔΤ逐渐增大。温度的相对变化因此给出关于老化的功率半导体模块1的信息。在连续地采集温度敏感的电气参数TSEP并且连续地确定温度差ΔΤ的情况下，可以连续地监视功率半导体模块1的老化，并且提前识别功率半导体模块1的可能即将到来的停止工作。
为了延长残余寿命，例如可以向控制装置7提供温度差ΔΤ，控制装置7被设计用于依据温度差ΔΤ调节功率半导体模块1的功率。由此能够避免运行温度和温度改变负荷提高，由此避免功率半导体模块1的老化发展。
图2示出了用于测量功率半导体元件2的温度敏感的电气参数TSEP的测量电路5的示例以及两个特征曲线8和9。在上面的特征曲线8中示出了功率半导体元件2的导通过程中的电流曲线I。在下面的特征曲线9中示出了功率半导体元件2的发射极接线端E和半导体功率元件2的所谓的辅助发射极E'之间的杂散电感Lst处的电压降UEE'。借助测量电路5，这里将功率半导体元件2的导通过程期间的最大电流上升速度dI/dt|max和由其得到的电压峰值UEE'max，确定为温度敏感的电气参数TSEP。
图3示出了具有输入特征曲线11以及两个输出特征曲线12和13的用于执行双脉冲试验的双脉冲测量电路10。该测量电路10以及特征曲线11、12和13从“Halbleiter-Leistungsbauelemente”(Josef Lutz,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006,S.126/127)从已知。双脉冲试验例如可以用于在用于建立特征曲线6的预先给定的温度下测量温度敏感的电气参数TSEP、例如反向电流峰值14。
双脉冲测量电路10包括作为IGBT形成的半导体功率元件2、电容器C、形成欧姆电感负载的电阻R和线圈L、续流二极管FWD以及由于电容器C、半导体功率元件2和二极管FWD之间的导线而形成的寄生电感Lpar。
为了进行测量，在半导体功率元件2的输入端处产生第一电压脉冲U1，其以在特征曲线11中关于时间t绘制的方式示出。以在特征曲线12中关于时间t绘制的方式示出了半导体功率元件2在第一电压脉冲U1期间的电流曲线I1。在半导体功率元件2关断之后，即在第一电压脉冲U1之后，续流二极管FWD接收电流IFWD,1，其电流曲线以在特征曲线13中关于时间t绘制的方式示出。在半导体功率元件2接下来导通时，即在半导体功率元件2的输入端处具有第二电压脉冲U2时，二极管FWD换向，并且半导体功率元件2在导通时接收二极管FWD的附加的反向电流14，在预先给定的温度下采集其作为温度敏感的电气参数TSEP。

Claims (14)

1.一种用于表征具有至少一个功率半导体元件(2)的功率半导体模块(1)的方法，具有步骤：
-在参考时间点确定功率半导体模块(1)的热模型(4)，
-根据功率半导体模块(1)的热模型(4)确定参考温度(Tj,zth)，
-在功率半导体模块(1)运行时在相对于参考时间点稍后的至少一个时间点测量功率半导体模块(1)的至少一个温度敏感的电气参数(TSEP)，
-根据测量的功率半导体模块(1)的至少一个温度敏感的电气参数(TSEP)确定功率半导体模块(1)的当前温度(Tj,tsep)，
-确定当前温度(Tj,tsep)和参考温度(Tj,zth)之间的温度差(ΔT)，以及
-根据所确定的温度差(ΔT)确定功率半导体模块(1)的老化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，为了建立热模型(4)，确定功率半导体模块(1)的描述功率半导体模块(1)的热通路的热阻抗。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，为了建立热模型(4)，确定功率半导体模块(1)的损耗功率(P)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了建立热模型(4)，在功率半导体模块(1)运行时采集功率半导体模块(1)的散热体(3)的温度(Tc)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，表征具有IGBT作为至少一个功率半导体元件(2)的功率半导体模块(1)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，作为至少一个温度敏感的电气参数(TSEP)，测量门限电压和/或米勒平台和/或导通延迟时间和/或关断延迟时间和/或最大电流上升速度(dI/dt|max)和/或阻断延迟电荷和/或拖尾电流和/或导通过程期间的电压峰值(UEE'max)和/或导通持续时间和/或关断持续时间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定特征曲线(6)，借助其将至少一个温度敏感的电气参数(TSEP)的每一个值与一个温度值相关联，其中，依据所测量的温度敏感的电气参数(TSEP)，将温度值中的一个确定为当前温度(Tj,tsep)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，为了确定特征曲线(6)，预先给定功率半导体模块(1)的温度值，将功率半导体模块(1)的温度调节为相应的预先给定的温度值，并且在预先给定的温度值下测量至少一个温度敏感的电气参数(TSEP)的相应的值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，为了设置温度值，提供加热装置，借助其将功率半导体模块(1)的温度逐级地提高到相应的预先给定的温度值。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，用于建立特征曲线(6)的至少一个温度敏感的电气参数(TSEP)的测量在相应的预先给定的温度值下借助双脉冲测量电路(10)进行。
11.一种用于在功率半导体模块运行(1)时表征功率半导体模块(1)的设备，具有：测量装置，用于测量功率半导体模块(1)的至少一个温度敏感的电气参数(TSEP)；以及计算装置，用于根据至少一个温度敏感的电气参数(TSEP)确定当前温度(Tj,tsep)，并且计算预先给定的参考温度(Tj,zth)和当前温度(Tj,tsep)之间的温度差(ΔT)。
12.一种电路装置，包括具有至少一个功率半导体元件(2)的功率半导体模块(1)和根据权利要求10所述的设备。
13.根据权利要求12所述的电路装置，其中，功率半导体模块(1)包括逆变器和至少一个散热体(3)，其中，逆变器具有至少一个IGBT作为至少一个功率半导体元件(2)。
14.根据权利要求12或13所述的电路装置，其中，所述电路装置具有控制装置(7)，其被设计用于依据所确定的温度差(ΔT)调节功率半导体模块(2)的功率。
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