CN108450018A - 用于探测包括半导体构件的功率电子设备的老化的方法和设备以及功率电子系统 - Google Patents
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Abstract
用于探测包括至少一个半导体构件(104)的功率电子设备(102)的老化的方法包括：激励信号(110)的提供步骤，激励信号被构造成用于为了将损耗功率引入半导体构件(104)中而使至少近似半正弦状的激励电流(112)穿流过半导体构件(104)；温度信号(114)的读入步骤，温度信号反映出半导体构件(104)的温度在时间上的变化曲线；以及在使用温度信号(114)的情况下对代表功率电子设备(102)的老化的老化值(118)的确定步骤。
Description
技术领域
本发明涉及用于探测包括半导体构件的功率电子设备的老化的方法和设备以及涉及功率电子系统。
背景技术
功率半导体模块，尤其是IGBT功率半导体模块(IGBT＝insulated-gate bipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)是当前发展趋势的关键部件，例如是电的或混合电动的驱动技术的或在获得来自可再生能源的(例如来自风能的)能量情况下的关键部件。基于由运行所导致的和外部的影响，这些功率模块会受到持续的老化过程的影响，经过较长时间的老化过程可能会导致功率模块的由老化所导致的故障。为了确保一定的目标使用寿命，用于此的计算方案包含有安全裕度“稳健性裕度(Robustness Margin)”，其可能会导致功率模块的规格过大。越来越高的功率密度要求功率模块在其负载极限附近运行并要求降低安全裕度。因此确保特定的目标使用寿命是困难的。
发明内容
在此背景下，本发明根据独立权利要求提供了改进的方法和改进的设备用来探测包括至少一个半导体构件的功率电子设备的老化，以及提供了改进的功率电子系统。有利的设计方案由从属权利要求和以下描述得到。
包括至少一个半导体构件的功率电子设备的老化可以有利地经由对半导体构件的半正弦状的激励来分析。
用于探测包括至少一个半导体构件的功率电子设备的老化的相应的方法包括以下步骤：
提供激励信号，该激励信号被构造成用于为了将损耗功率引入半导体构件中而使至少近似半正弦状的激励电流穿流过半导体构件；
读入温度信号，该温度信号反映出半导体构件的温度的时间上的变化曲线；以及
在使用温度信号的情况下确定代表功率电子设备的老化的老化值。
功率电子设备可以被理解为如下电路，其包括例如形式为晶体管或二极管的至少一个半导体构件。半导体构件可以是如下功率半导体构件，例如其被用在功率电子器件中。老化会涉及功率电子设备内部的电的或热的接触部。由于老化例如可能会使这种接触部的电阻或热阻提升。通过老化值，例如可以相应于预先限定的刻度来显示老化的程度或这种接触部的状态。激励信号可以被理解为电信号，通过该电信号，可以如下这样地直接驱控半导体构件或功率电子设备的至少一个另外的结构元件，即，使半导体构件被半正弦状的激励电流穿流。替选地，激励信号也可以是激励电流。至少近似半正弦状的可以被理解为激励电流的变化曲线，这可以被视为半振荡。为了使激励电流可以流过半导体构件，半导体构件可以沿流通方向运行。激励电流可以具有例如最大值超过50A的在功率电子器件中常见的变量。激励电流的频率可以例如在0.5Hz与2Hz之间。频率可以相应于或近似于基底的尤其是陶瓷基底的低通频率，半导体构件被钎焊到基底上。
通过激励电流，可以向半导体构件输送至少近似半正弦状的损耗功率，这将导致半导体构件的温度变化。通过半正弦状的激励电流可以导致在温度变化曲线中的振荡。温度可以被理解为在半导体构件内部的温度，例如阻挡层温度(其也被称为结温)。温度信号可以在执行适当的测量方法的情况下来确定。在此，当半导体构件被激励电流穿流期间，可以检测温度。
所述方案能够实现对例如被安装到逆变器中的功率模块的老化状态进行鉴别和监控。通过评估老化值，可以有利地避免由老化导致的、突发的模块故障。由此可以节省成本并提高运行安全性。根据实施方式能够实现用于确定功率电子系统(“机载(Onboard)”)内部的功率模块和冷却系统的老化状态的适合批量生产的解决方案。
根据实施方式，在确定的步骤中，可以在使用温度信号的幅度的情况下来确定老化值。温度信号的振荡的幅度可以很容易地被检测到，并且有利地与半导体元件上的老化有关。附加或替选地，在确定的步骤中，可以在使用温度信号的最小值的情况下来确定老化值。温度信号的最小值同样可以很容易地被检测到，并且有利地与半导体元件的散热部处的老化有关。
例如在确定的步骤中，可以通过幅度与参考幅度之间的比较来确定老化值。附加或替选地，可以通过最小值与参考最小值之间的比较来确定老化值。参考幅度和参考最小值可以是配属于预先确定的老化状态的参考值。也可以提供多个参考幅度和多个参考最小值作为比较值，以便能够非常精确地确定老化的程度。
在此，在确定的步骤中，当幅度大于参考幅度时，则可以确定指示出半导体构件上的老化的第一老化值。附加或替选地，当最小值大于参考最小值时，可以确定指示出功率电子设备的冷却装置的老化的第二老化值。以该方式，可以分开确定并显示涉及半导体构件的老化和涉及冷却装置的老化。
在确定的步骤中也可以通过热阻和参考热阻之间的比较来确定老化值。在此，可以在使用幅度、最小值和引入半导体构件中损耗功率的情况下来确定局部热阻。以该方式可以直接从功率电子设备内部的热阻的值来确定老化。
在确定的步骤中，可以在使用平均的幅度的情况下并且附加或替选地在使用温度信号的平均的最小值的情况下来确定老化值。可以在多个半波上进行求平均。由此得到了较大的时间常数，通过该时间常量可以提高确定老化的准确度。
根据实施方式，当温度信号具有稳态时，在确定的步骤中确定老化值。稳态是限定的测量状态，从而能够对在不同时刻确定的老化值进行相互比较。
在读入的步骤中，可以经由通向集成在半导体构件中的电阻器的接口读入温度信号。这种电阻器能够实现对在半导体构件内部的温度进行非常准确的检测。有利的是，半导体构件通常装备有例如形式为栅极电阻器的这种电阻器，并且可以利用公知的方法来在使用这种电阻器的情况下检测温度。
根据实施方式，半导体构件可以是晶体管。在提供的步骤中，可以将激励信号提供给晶体管的控制输入端。有利地，可以以该方式直接在使用半导体构件的情况下来调整激励电流。
功率电子设备可以包括至少一个另外的半导体构件。在提供的步骤中可以提供如下激励信号，该激励信号可以被构造成用于使另外的半正弦状的激励电流穿流过另外的半导体构件来将另外的损耗功率引入另外的半导体构件中。在读入的步骤中，可以读入另外的温度信号，其反映出另外的半导体构件的温度的时间上的变化曲线。在确定的步骤中，可以在使用另外的温度信号的情况下来确定代表功率电子设备的老化的另外的老化值。以该方式，可以针对功率电子设备的每个半导体构件来确定配属于各自的半导体构件的老化值。根据不同的实施例，并且将一个且同一激励信号提供给半导体构件，或者激励信号可以包括多个提供给半导体构件的部分激励信号。部分激励信号可以如下这样地彼此相协调，即，使其中每个半导体构件都被半正弦状的激励电流穿流。这例如在由至少两个半导体构件构成的桥接电路中提供。各个半导体构件的激励电流在此可以彼此相同或不同，例如彼此相移。
用于探测包括至少一个半导体构件的功率电子设备的老化的设备具有以下特征：
用于提供激励信号的提供装置，激励信号被构造成用于导致至少近似半正弦状的激励电流穿流过半导体构件来将损耗功率引入半导体构件中；
用于读入温度信号的读入装置，该温度信号反映出半导体构件的温度的在时间上的变化曲线；以及
用于在使用温度信号的情况下确定代表功率电子设备的老化的老化值的确定装置。
根据实施方式，提供装置可以是本来就需要的用于运行半导体构件的驱动电路。这种驱动电路的示例是逆变器的脉宽调制驱动器。
该设备可以包括如下装置，其被构造成用于付诸实施所述的用于探测包括至少一个半导体构件的功率电子设备的老化的方法的实施方式的步骤。设备可以是处理例如传感器信号的电信号并且依赖于此地输出控制信号的电仪器。设备可以具有一个或多个适当的接口，其可以按照硬件和/或软件来构成。在按照硬件的构造方案中，接口例如可以是集成电路的一部分，在其中付诸实施设备的功能。接口也可以是自己的经集成的开关回路，或者至少部分地由离散的结构元件构成。在按照软件的构造方案中，接口可以是软件模块，其例如在微控制器上位于其他软件模块旁边。
具有包括至少一个半导体构件的功率电子设备的相应的功率电子系统具有所述的用于探测功率电子设备的老化的设备。有利地，该设备可以有利地作为补充被集成到公知的功率电子系统中。
这种功率电子系统的示例是逆变器。有利地，半正弦状的激励电流是逆变器内部的邻近的系统激励。因此，可以动用本来就处于逆变器中的驱动电路来提供激励信号。
根据实施方式，半导体构件可以是双极型晶体管，尤其是具有绝缘栅电极的双极型晶体管。激励电流可以代表在双极型晶体管的发射极与集电极之间流动的电流。此外，半导体构件可以代表场效应晶体管，并且激励电流可以代表在场效应晶体管的漏极与源极之间流动的电流。所述方案在此并不限于晶体管，而是也能够应用于其他的半导体构件中。例如，半导体构件可以代表二极管，并且激励电流可以代表在二极管的阳极与阴极之间流动的电流。因此，不需要用于热激励半导体的分开的电源或加热源。
根据实施方式，功率电子设备可以包括载体、用于半导体构件在载体上的热接驳的基底和冷却体。在此，半导体构件可以经由钎焊连接部与基底连接，并且冷却体可以经由能导热的层与载体连接。老化值可以显示钎焊连接部的老化，并且附加或替选地可以显示能导热的层的老化。载体可以被理解为基板或底板。基底可以由电绝缘的材料，例如由陶瓷制成。以该方式可以与功率电子系统的典型的结构相关地使用所述方案。
具有程序代码的计算机程序产品也是有利的，程序代码可以被存储在机器可读的载体上，如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上，并且当在计算机或设备上实施程序时，被用于执行根据前述实施方式中任一项所述的方法。
附图说明
图1示出根据实施例的功率电子系统的示意图；
图2示出根据实施例的用于探测功率电子设备的老化的方法的流程图表；
图3示出根据实施例的具有半导体构件的功率电子设备的示意图；
图4示出根据实施例的具有多个半导体构件的功率电子系统的示意图；
图5示出根据实施例的半正弦状的激励电流的图示；
图6示出对根据实施例的功率电子系统的激励的示意图；
图7示出未老化的根据实施例的功率电子设备的温度信号；
图8示出老化的根据实施例的功率电子设备的温度信号；以及
图9示出根据实施例的用于探测功率电子设备的老化的方法的流程图表。
在下面的对本发明的优选实施例的描述中，相同或相似的附图标记用于在不同的附图中所示的并且作用类似的元件，其中，省略了对这些元件的重复描述。
具体实施方式
图1示出了根据实施例的功率电子系统100的示意图。功率电子系统100包括具有半导体构件104的功率电子设备102和用于探测功率电子设备102上的老化的设备106。
设备106被构造成用于经由接口将激励信号110提供给功率电子设备102，激励信号适用于导致对半导体构件104的半正弦状的激励。尤其地，激励信号110适用于使半正弦状的激励电流112穿流过半导体构件104，并且因此导致将半正弦状的损耗功率引入半导体构件中。
当半导体构件104是晶体管时，激励电流112可以在发射极端子与集电极端子之间或在漏极端子与源极端子之间流动。在该情况下，激励信号110根据实施例可以被认为是提供给半导体构件104的控制输入端的控制信号。
当半导体构件104是二极管时，激励电流112可以在半导体构件104的阳极端子与阴极端子之间流动。在该情况下，激励信号110根据实施例可以相应于激励电流112，可以表示在半导体构件104上下降的激励电压，通过该激励电压导致了激励电流112通过半导体构件104，或者可以表示如下控制信号，该控制信号如下这样地驱控功率电子设备的元件，即，使半导体构件104被激励电流112穿流。
经由激励电流112将损耗功率输送给半导体构件104。因此，激励电流112导致半导体构件104发热。在半导体构件104中出现的热通过热辐射或散热从半导体构件104排出。由于激励电流的半正弦状的变化曲线，使半导体构件104内部的温度以交替的方式提升和下降。
设备106被构造成用于经由通向功率电子设备102的接口读入温度信号114。温度信号114反映出在半导体构件104的内部的温度。根据实施例，在使用集成在半导体构件104中的温度测量电阻器116的情况下来检测温度信号114。
设备106被构造成用于在使用温度信号114的情况下来确定功率电子设备102的涉及功率电子设备102的老化的状态。根据实施例，设备100被构造成用于提供老化值118，该老化值指示出是否存在还是不存在功率电子设备102的老化。
根据该实施例，设备106具有提供装置120、读入装置122和确定装置124。
提供装置120被构造成用于提供激励信号110。根据不同的实施例，提供装置120例如可以实施为用于驱控半导体构件104或另外的电路元件的驱动装置、实施为用于提供激励电流112的能源，或仅实施为用于引导激励电流112的线路。根据实施例，提供装置120是如下装置，该装置本来就被要求用于运行电子功率设备102并且作为附加功能或在正常运行的范围内实施提供激励电流。根据实施例，提供装置120被构造成用于在功率电子设备102的正常运行期间并且尤其是在半导体构件104的正常运行期间提供激励信号110。因此，根据实施例，激励电流112是如下电流，半导体构件104在正常运行期间被该电流穿流。根据替选的实施例，半导体构件104处于正常运行之外的测试模式下期间提供激励信号110。
读入装置122被构造成用于读入温度信号114。根据实施例，读入装置122还包括检测装置，其被构造成用于检测温度信号114。
确定装置124被构造成用于在执行适当的确定规则的情况下从温度信号114确定老化值118，或者从由温度信号114所获知的值来确定老化值。为此，确定装置124例如具有比较装置或查找表格。
设备106的其中至少一个装置120、122、124可以被集成在功率电子设备102中。尤其地，其中至少一个装置120、122、124可以至少部分地通过本来就被要求用于运行功率电子设备102的装置来实现。
根据实施例，确定装置124被构造成用于评估温度信号114的幅度以确定老化值118。为了能够非常准确地确定老化值118，确定装置124根据实施例被构造成用于基于处在稳态下的温度信号114的至少一个幅度来确定老化值118。为了提升老化值118的准确度，确定装置124根据实施例被构造成用于基于温度信号114的平均的幅度来确定老化值118。以该方式确定的老化值118例如适用于显示在半导体构件104的钎焊连接部的区域中的老化。
根据实施例，确定装置124被附加或替选地构造成用于评估温度信号114的最小值以确定老化值118。为了能够非常准确地确定老化值118，确定装置124根据实施例被构造成用于基于处于稳态下的温度信号114的最小值来确定老化值118。为了提升老化值118的准确度，确定装置124根据实施例被构造成用于基于温度信号114的平均的最小值来确定老化值118。以该方式确定的老化值118例如适用于显示在半导体构件104的冷却装置的区域中的老化。
根据实施例，确定装置124被构造成用于提供两个老化值，其中，其中一个老化值在使用幅度的情况下来提供，而另一个老化值在使用温度信号114的最小值的情况下来提供。
图2示出了根据实施例的用于探测包括至少一个半导体构件的功率电子设备的老化的方法的流程图表。
该方法包括步骤220，在其中提供激励信号，经由该激励信号导致了将具有至少近似半正弦状的变化曲线的损耗功率引入半导体构件中。尤其地，经由激励信号导致了至少近似半正弦状的激励电流穿流过半导体构件。在步骤224中，读入温度信号。温度信号反映出温度的，尤其是在半导体构件内部的温度的在时间上的变化曲线。在步骤226中，确定代表功率电子设备的老化的老化值。该老化值在使用温度信号的情况下来确定。
方法的步骤220、222、224例如可以在使用结合图1所述的用于探测功率电子设备的老化的设备的装置的情况下付诸实施，或者在使用结合图1所述的功率电子设备的装置的情况下付诸实施。
图3示出了根据实施例的具有半导体构件104的功率电子设备102的示意图。其可以是公知的功率电子设备，如其例如与逆变器相关地使用。
例如形式为芯片的半导体构件104经由钎焊连接部330与基底332连接。基底332被布置在载体上，在此是也被称为基板的底板334上。根据该实施例，基底332实施为陶瓷基底并且被用于绝缘并被用于使半导体构件104与底板234建立热接驳。在底板334的远离基底332的侧上，经由例如形式为导热膏的能导热的层338将冷却体336布置在底板334上。根据该实施例，冷却体336具有用于引过冷却液的通道340。
根据实施例，由于将损耗功率引入半导体构件104中而在半导体构件104中生成的热经由钎焊连接部330、基底332、底板334和能导热的层338被排向被用作散热部的冷却体336。
在使用这里所描述的方法的情况下，尤其可以识别出在钎焊连接部330的区域中的老化和在能导热的层338的区域中的老化。
根据实施例，相邻于半导体构件104地布置有至少一个另外的半导体构件104，其经由另外的基底与底板334连接。
图4示出了根据实施例的具有包括多个半导体构件104、404、405、406、407、408的功率电子设备102的功率电子系统100的示意图。半导体构件104、404、405、406、407、408例如在B6桥接电路中互连。根据实施例，半导体构件104、404、405、406、407、408是如结合前面的附图所述的元件。
根据实施例，半导体构件104、404、405、406、407、408实施为被实施成逆变器的功率电子设备102的晶体管。功率电子设备102具有两个输入端子410和三个输出端子412。在功率电子设备102的正常运行中，在输入端子410之间施加有直流电压，通过对半导体构件104、404、405、406、407、408的适当的驱控从直流电压发生了三相交流电压并提供给输出端子412。
为了获知电子功率设备102的老化，设置有提供装置120，其被构造成用于将根据该实施例包括多个部分激励信号的激励信号110提供给半导体构件104、404、405、406、407、408的控制端子。经由激励信号110如下这样地驱控半导体构件104、404、405、406、407、408，即，使它们在使用施加到输入端子410上的直流电压的情况下分别被至少近似半正弦状的激励电流穿流。在此，半导体构件104、404、405、406、407、408被不同的、例如彼此相移的激励电流穿流。根据实施例，使用PWM驱动电路作为提供装置120，其在实施为逆变器的功率电子设备102的正常运行期间被用于驱控半导体构件104、404、405、406、407、408。
设置有读入装置122，以便读入根据本实施例包括多个部分温度信号的温度信号114。各个部分温度信号反映出在各个半导体构件104、404、405、406、407、408中的温度。
设置有确定装置124，以便在使用温度信号114的情况下确定功率电子设备102的老化。由于存在温度信号，使得确定装置124根据实施例被构造成用于确定并提供配属于各个半导体构件104、404、405、406、407、408的老化值。
根据替选的实施例，功率电子设备102是整流器，其被构造成用于将施加到端子412上的交流电压转换成直流电压并将其提供给端子410。在该情况下，半导体构件104、404、405、406、407、408可以是二极管。激励信号可以在该情况下被认为是施加到端子412上的交流电压，并且提供装置例如可以包括具有与半导体构件104、404、405、406、407、408连接的线路的端子412。
图5示出了根据实施例的半正弦状的激励，尤其是半正弦状的激励电流112的图示。示出了如下图表，在其中，在横坐标上绘制了单位为秒的时间t，并且在纵坐标上绘制了单位为指示灯的电流I直流。所示的电流I直流具有在-200A与+200A之间振荡的正弦状的变化曲线。电流的正半波作为激励电流112输送给也被称为“在测器件(device under test)”(DUT)的半导体构件，以便导致对半导体构件的近芯片的热阻的激励。
图6示出了对根据实施例的功率电子设备102的激励的示意图。如例如结合图3所述地，功率电子设备102具有在此形式为芯片的半导体构件104、基底332和冷却系统636，冷却系统例如可以包括被冷却剂穿流的冷却体。半导体构件104和基底332的布置也可以被称为功率半导体模块或功率模块。
如例如结合图5所示，经由激励电流向半导体构件104输送损耗功率PV，损耗功率影响了半导体构件104的内部中的温度，在此为阻挡层温度TJ。给半导体构件104配属了第一热阻Rth1，并且给基底332配属了第二热阻Rth2。根据实施例，通过激励电流实现了对近芯片的热阻Rth1的半正弦状的激励。热能借助具有温度T流体的冷却剂从冷却系统636排出。
下面结合形式为用于对功率半导体模块104、332和冷却系统636进行机载老化鉴别的方法的实施例来描述所述方案。
功率模块104、332的已知的故障现象是键合线材的脱离和模块内部的如示意性地在图3中作为钎焊连接部示出的钎焊连接部的老化。键合缺陷会导致供电线路阻抗提高，并且可以通过在限定的集电极电流的情况下的对集电极-发射极电压UCE的测量来进行监控。在此，由于一个线材发生也被称为“剥离(lift-off)”的脱离而加速了另外的线材的脱离，由此使模块104、332会在很短的时间内发生故障。因此，UCE测量往往仅能够实现“报废(End-Of-Life)”鉴别。
而在使用这里描述的用于检查半导体构件104的激励电流的情况下能够得到关于模块状态的结论以及对剩余寿命的判断。基于这样的结论，可以决定模块104、332是否要进行预防性地更换，或者是否能够坚持到后续检验。
钎焊连接部的老化将导致稳定的热阻Rth发生较为缓慢的提高，并且因此能够实现较长的预警时间。
附加地，如图3中示意性作为能导热的层示出的冷却系统636或导热膏的老化也将导致稳定的热阻的提高。
为了可选择缺陷地确定功率模块104、332和冷却系统636的老化，也可以附加地在使用UCE措施的情况下执行对热阻抗Zth的测量。为此，功率模块以直流(DC)加热电流被加热，并在其突然被关断之后测量冷却曲线。尽管该用于Rth和Zth测量的方法能够在独立的诊断阶段的范围内，也就是说例如在车辆中的正式的逆变器运行以外，例如在交通灯处停车时执行，但是由于所需的整套装备和测量精度使得其仍不太适合被集成在车辆变流器或风力设施的变流器中。
为了对在应用中的功率模块104、332进行老化鉴别，附加地可以用加热脉冲对功率半导体104进行加温，加热脉冲例如可以通过桥接短路以降低的控制电压来实现。又可以用UCE措施测量冷却曲线并推断出功率模块的老化。该措施的优点是对半导体104的加热时间短，而诸如基底332和底板的较低位置的材料层并不经历温度提高。因此，在钎焊层上出现较大的温度差，这改善了测量精确度。对冷却系统状态的鉴别却是不可能的。此外，出于安全原因取消了在变流器中实现桥接短路。
替代地，可以使用矩形的加热电流型廓，其利用附加的加热电流源来实现。在三次加热脉冲之后，用UCE措施来测量阻挡层温度TJ。为了鉴别临界的老化状态，将该测量值与在系统交付时所存储的测量值进行比较。然而，为此，需要具有附加的加热电流源的更大的实施花费，并且仅发生了对温度的单点测量，而对冷却系统的监控却是不可能的。
这种方法可以作为补充被用于在此所述的在使用半正弦状的激励的情况下的方案。不同于基于跃变式的、脉冲式的或矩形的系统激励和利用UCE措施进行对在时域中的冷却特性的测量的老化鉴别的方法地，根据在此所述的在使用半正弦状的激励的情况下的方案取消了对精确的实验室测量技术的需求和对附加的加热电流源的需求。此外，还得到了相对外部干扰和影响的高度稳固性。在此所述的在使用半正弦状的激励的情况下的方案提供了用于对例如集成在车辆变流器或风力设施变流器中的功率模块104、302和冷却系统636的“机载”老化鉴别的可实施的并适合批量生产的解决方案。
不同于跃变式的、脉冲式的或矩形的系统激励和在时域中的温度测量地，在此所述的方案是具有较小的电频率f电～1Hz的半正弦状的激励。该频率如下这样地选择，即，在随着芯片焊料的退化而提升的热阻Rth1(参见图6中的热考尔(Cauer)等效电路图)上周期性地得到了特别大的温度差，由此改善了Rth1监控的测量灵敏度。在传统构建的功率模块104、332中，该频率在陶瓷基底332的低通频率(Rth2、Cth2)中又处于f电～1Hz的范围内。
频率激励的优点是可以对在较长的时间期内的测量变量求平均。此外，所述的半正弦状的激励能够在没有附加的加热电流源或桥接短路的情况下通过对逆变器的简单控制，例如用的功率因数来实现。因此，在系统激励期间只有无功电流流动并且在电机上不出现转矩。
在图5中勾画出了示范性的相电流I直流，其正半波穿流过形式为IGBT(“在测器件”)的半导体构件104，并导致在IGBT中的半正弦状的损耗功率PV。在脉冲逆变器中，因此能够同时激励和测量所有的半导体构件104，即例如所有的IGBT。
在下面的图中示出了示例性的对半正弦状的激励的系统响应。
图7示出了未老化的根据实施例的功率电子设备的温度信号114。其可以是结合之前的附图所描述的功率电子设备。温度信号114具有相继的温度提升和温度下降的循环的变化曲线。在此，在横坐标上绘制了单位为秒的时间t，并且在纵坐标上绘制了单位为℃的温度TJ。在所示的大约六秒的时间段内，温度信号114具有在此示例性地为TJ,最小＝42℃的最小值750。温度信号114在所示的时间段内具有大约七次振荡，其具有在此示例性地为ΔTJ＝37℃的幅度752。温度信号114处于稳态，从而温度信号114的振荡的各个循环至少近似相等。
图8示出了老化的根据实施例的功率电子设备的温度信号114。温度信号114不同于图7中所示的在温度信号在于其幅度752。在所示的又是大约六秒的时间段内，温度信号114具有TJ,最小＝42℃的幅度750。温度信号114在所示的时间段内具有大约七次振荡，这些振荡具有ΔTJ＝44℃的幅度752。温度信号114处于稳态下，从而温度信号114的振荡的各个循环至少近似相等。
因此，新的和老化的例如形式为功率模块的功率电子设备的通过温度信号114示出的温度循环的不同之处在于，老化的功率电子设备的温度信号具有更大的幅度752。
结合图7和8，下面将描述对根据不同的实施例的用作系统响应的或具有系统响应的温度信号114的评估。
作为系统响应，根据实施例测量幅度752ΔTJ和由系统激励造成的温度循环的最小的阻挡层温度750TJ,最小。特别有利的是，在达到稳态的热状态之后在较长时间期内，例如超过30秒地测量这些变量。这就能够实现对在多个温度循环内的幅度752和最小温度750的求平均，并导致对这些变量的非常准确和稳固的测量。
为了测量阻挡层温度并进而用于产生温度信号114，可以使用适当的驱动电路，如其与在半导体构件的温度测量电阻器上进行的温度测量相关地使用。
幅度752ΔTJ的增加象征着功率模块的老化，尤其是在功率模块中所使用的至少一个钎焊连接部的老化，而最小温度750TJ,最小随着导热膏和/或冷却系统的老化而提高。图7和8结合温度信号114示出了处于稳态的热状态下的新的和在此是人为老化的功率模块的阻挡层温度。
示出了由老化所导致的幅度752ΔTJ从37℃至44℃的增加，即提升了+19％。这与人为老化中使用的Rth提升20％的中断标准相一致。未变化的最小温度750TJ,最小＝42℃可以推断出导热膏和冷却系统并未老化。冷却剂体积流量例如从10l/最小降低至5l/最小，这相当于冷却体被污染或导热膏老化，这导致最小温度750TJ,最小例如提升到46℃，而温度循环的幅度不受此影响。对幅度752和最小温度750的评估因此能够实现对功率模块和冷却系统的老化状态可选择缺陷的鉴别。
为了监控老化，幅度752和最小温度750根据实施例在常规的诊断阶段中获知，并且例如与在系统交付时所存储的值进行比较。
替选地，可以从引入的损耗功率和测得的阻挡层温度计算局部热阻并进行监控。
图9示出了根据实施例的用于探测功率电子设备的老化的方法的流程图表。该方法是诊断阶段的范围内执行。该方法作为机载老化鉴别的流程图示出。
在方法的开始901之后，首先在步骤903中例如在使用具有和I直流＝200A的PWR控制的情况下进行具有大约1Hz的频率f电的半正弦状的系统激励。
在步骤905中，进行对在热的稳态下的1Hz温度循环的幅度ΔTJ和最小温度TJ,最小的测量或确定。
在步骤907中，对在多个循环中的幅度ΔTJ和最小温度TJ,最小求平均。
在步骤909中，提供了针对幅度和最小温度的在系统交付时所存储的参考值ΔTJ,参考和TJ,最小,参考。
在步骤911中，判断功率模块和/或冷却系统是否老化。这根据实施例相应于以下标准来进行：
当ΔTJ>ΔTJ,参考，则得出功率模块老化。
当ΔTJ,参考>TJ,最小,参考，则得出冷却系统老化。
当ΔTJ>ΔTJ,参考并ΔTJ,参考>TJ,最小,参考，则得出功率模块和冷却系统老化。
作为在步骤911中的判断的结果，输出功率模块和冷却系统的老化状态913。
根据实施例，步骤903在结合图2描述的提供的步骤的范围内实施。步骤905可以在时间上在结合图2描述的读入的步骤之前通过如下方式来实施，即，测量半导体构件的温度。替选地，步骤905可以与可选的步骤907以及步骤911一起在结合图2所述的确定的步骤的范围内通过如下方式实施，即，首先从温度信号确定幅度和最小温度，并且然后用于确定老化状态913。老化状态913可以被认为是结合图2描述的老化值。
以下将结合图9详细描述用于探测形式为逆变器的功率电子设备的老化的方法的实施例。
在诊断阶段中，首先在步骤903中开始进行系统激励，其具有半正弦状的损耗功率型廓，该损耗功率型廓具有f电～1Hz的较小的电频率和例如I直流＝200A的经限定的相电流，如例如在图5中所示。该系统激励的实现例如能够通过对具有的功率因数的逆变器的控制来实现。因此，在脉冲逆变器中，所有的IGBT都以相同的方式进行激励。因此，在一次性实施诊断阶段期间就可以鉴别所有IGBT的老化状态。
在步骤905中，在达到热的稳态之后测量、读入或确定每个IGBT的阻挡层温度的温度循环的幅度ΔTJ和最小值TJ,最小作为系统响应。针对幅度ΔTJ和最小值TJ,最小的示例性的值例如结合图7和8提及。为了测量阻挡层温度例如可以使用适当的IGBT驱动器概念。
有利地，在步骤907中可选地执行对在多个正弦半波、例如15个半波上所测得的幅度ΔTJ和最小值TJ,最小求平均。这能够实现在没有精确的实验室测量技术的情况下对老化状态的非常准确且稳固的测量。
为了监控老化，根据实施例，在常规的诊断阶段中获知幅度和最小温度并且例如与在系统交付时所存储的或事后输送的参考值ΔTJ,参考和TJ,最小,参考进行比较。替选，从引入的损耗功率PV和测得的幅度和最小温度计算局部热阻Rth,i，并与参考值Rth,i,参考进行比较。
根据实施例的诊断阶段以限定的时间间隔(如维护或检验区间)进行开始901。功率模块的和/或冷却系统的老化状态913例如作为数字的值或作为数字的数据可以进行输出。例如，老化状态913也可以以指示灯的形式显示。
因此，所述方法根据实施例使用诊断阶段，在其中，所要检查的功率模块以具有较小的电频率的半正弦状的损耗功率型廓或相电流型廓来激励，并且在此测量所造成的温度循环的幅度和最小温度。
如果实施例在第一特征与第二特征之间包括“和/或”作为连接词，那么这就可以如此解读，即，该实施例根据实施方式不仅具有第一特征而且也具有第二特征，并且根据另一实施方式要么只具有第一特征要么只具有第二特征。
附图标记列表
100 功率电子系统
102 功率电子设备
104 半导体构件
106 用于探测老化的设备
110 激励信号
112 激励电流
114 温度信号
116 温度测量电阻器
118 老化值
120 提供装置
122 读入装置
124 确定装置
220 提供的步骤
222 读入的步骤
224 确定的步骤
330 钎焊连接部
332 基底
334 底板
336 冷却体
338 能导热的层
340 通道
404 半导体构件
405 半导体构件
406 半导体构件
407 半导体构件
408 半导体构件
410 输入端子
412 输出端子
636 冷却系统
750 最小温度
752 幅度
901 开始
903 系统激励的步骤
905 测量的步骤
907 求平均的步骤
909 提供参考值的步骤
911 判断的步骤
913 老化状态
Claims (15)
1.用于探测包括至少一个半导体构件(104)的功率电子设备(102)的老化的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
提供(220)激励信号(110)，所述激励信号被构造成用于为了将损耗功率引入所述半导体构件(104)中而使至少近似半正弦状的激励电流(112)穿流过所述半导体构件(104)；
读入(222)温度信号(114)，所述温度信号反映出所述半导体构件(104)的温度在时间上的变化曲线；以及
在使用所述温度信号(114)的情况下确定(224)代表所述功率电子设备(102)的老化的老化值(118；913)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定(224)的步骤中，在使用所述温度信号(114)的幅度和/或最小值的情况下确定所述老化值(118；913)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在确定(224)的步骤中，通过所述幅度与参考幅度之间的比较和/或所述最小值与参考最小值之间的比较来确定所述老化值(118；913)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在确定(224)的步骤中，当所述幅度大于参考幅度时，则确定指示出所述半导体构件(104)上的老化的第一老化值(118；913)，并且/或者当所述最小值大于参考最小值时，则确定指示出所述功率电子设备(102)的冷却装置的老化的第二老化值(118；913)。
5.根据权利要求2或3中任一项所述的方法，其特征在于，在确定(224)的步骤中，通过热阻与参考热阻之间的比较来确定所述老化值(118；913)，其中，在使用所述幅度、所述最小值和引入所述半导体构件(104)中的损耗功率的情况下确定局部热阻。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，在确定(224)的步骤中，在使用所述温度信号(114)的平均幅度和/或平均最小值的情况下确定所述老化值(118；913)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在确定(224)的步骤中，当所述温度信号(114)具有稳态时，确定所述老化值(118；913)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在读入(222)的步骤中，经由通向集成在所述半导体构件(104)中的电阻器(116)的接口读入所述温度信号(114)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述半导体构件(104)是晶体管，并且在提供(220)的步骤中将所述激励信号(110)提供给所述晶体管的控制输入端。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述功率电子设备(102)包括至少一个另外的半导体构件(404)，并在提供的步骤中提供所述激励信号(110)，所述激励信号被构造成用于为了将另外的损耗功率引入所述另外的半导体构件(404)中而使另外的半正弦状的激励电流(112)穿流过所述另外的半导体构件(404)，在读入的步骤中，读入另外的温度信号(114)，所述另外的温度信号反映出所述另外的半导体构件(104)的温度在时间上的变化曲线，并且在确定(224)的步骤中，在使用所述另外的温度信号(114)的情况下确定代表所述功率电子设备(102)的老化的另外的老化值(118；913)。
11.用于探测包括至少一个半导体构件(104)的功率电子设备(102)的老化的设备(106)，其中，所述设备(102)具有以下特征：
用于提供激励信号(110)的提供装置(120)，所述激励信号被构造成用于为了将损耗功率引入所述半导体构件(104)中而使至少近似半正弦状的激励电流(112)穿流过所述半导体构件(104)；
用于读入温度信号(114)的读入装置(122)，所述温度信号反映出所述半导体构件(104)的温度在时间上的变化曲线；以及
用于在使用所述温度信号(114)的情况下确定代表所述功率电子设备(102)的老化的老化值(118；913)的确定装置(124)。
12.功率电子系统(100)，所述功率电子系统具有：包括至少一个半导体构件(104)的功率电子设备(102)以及用于探测所述功率电子设备(102)的老化的根据权利要求11所述的设备(106)。
13.根据权利要求12所述的功率电子系统(100)，其特征在于，所述功率电子系统(100)实施为逆变器。
14.根据权利要求12或13所述的功率电子系统(100)，其特征在于，所述半导体构件(104)代表双极型晶体管，并且激励电流(112)代表在发射极与集电极之间流动的电流；所述半导体构件(104)代表场效应晶体管，并且激励电流(112)代表在漏极与源极之间流动的电流；或者所述半导体构件(104)代表二极管，并且激励电流(112)代表在阳极与阴极之间流动的电流。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的功率电子系统(100)，其特征在于，所述功率电子设备(102)具有载体(334)、用于所述半导体构件(104)在所述载体(334)上的热接驳的基底(332)以及冷却体(336)，其中，所述半导体构件(104)经由钎焊连接部(330)与所述基底(332)连接，并且所述冷却体(336)经由能导热的层(338)与所述载体(334)连接，并且其中，老化值(118；913)指示出所述钎焊连接部(330)的老化和/或所述能导热的层(338)的老化。
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