CN110869779A - 借助发光测量功率电子部件的冷却路径的热退化的设备 - Google Patents

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Abstract

提出一种用于电能变换的设备(10)，设备包括至少一个进行连接的半导体构件(100)，用于冷却所述半导体构件(100)的冷却路径和用于确定冷却路径的退化的设备(200)，用于确定冷却路径的退化的设备基于流动通过构件的具有预先确定的电流强度的电流进行确定。所述设备(10)的特征在于，半导体构件(100)包括光学活性的半导体材料，当具有所述预先确定的电流强度的电流流过半导体构件(100)时，光学活性的半导体材料产生具有与半导体构件的温度相关的亮度的光，并且用于确定退化的设备(200)包括用于检测所产生的光的亮度的亮度传感器(210)。设备具有以下优点：用于确定所述退化的设备和构件固有地电隔离，并且能够以高的分辨率实现退化的确定。

Description

借助发光测量功率电子部件的冷却路径的热退化的设备
技术领域
本发明涉及一种用于变换电能的设备和一种用于借助发光(Lumineszenz)来确定冷却路径的退化(Degradierung)的方法。
背景技术
在许多功率电子设备中，进行连接的半导体构件用于能量变换。在此，借助冷却路径来冷却构件。这种设备的使用领域包括用作功率控制单元、用作逆变器或用作例如电动车辆、太阳能设备或风力发电装置中的直流变压器(DC/DC变换器)。因此，构件的正确的功能需要正确地起作用的冷却路径。因此，对于许多应用有益的或必要的是，对冷却路径的退化进行确定，以便避免或预防构件的功能性故障或故障。
在这种设备中使用的示例性半导体构件包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和可以以例如硅(Si)、碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)实施的二极管。
在以上所提及的设备中所使用的电子半导体构件用于连接，并且具有布置在关于进行连接的元件的截止方向上的续流路径(Freilaufpfad)，该续流路径通常相应于二极管。
金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)由其结构功能限定地包含这种续流路径，该续流路径一般作为体二极管(英语：Body-Diode)是已知的。
固有地不具有这种续流路径的进行连接的半导体构件、尤其绝缘栅双极晶体管(IGBT)通常以单独的续流二极管进行补充。出于电路优化的原因，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)也可以以单独的续流二极管进行补充，在这种情况下该续流二极管大多实施为肖特基二极管。
如果半导体构件中的p-n结在流动方向上运行并且电流流动通过该p-n结，则该p-n结可以发射光子(发光)。根据所使用的半导体并且根据p-n结的特性(掺杂浓度)，发射不同强度和波长的光。所发射的光的强度与通过p-n结的电流流动和构件的温度相关。
发明内容
根据本发明，提供一种根据权利要求1的用于变换电能的设备，该设备包括至少一个半导体构件、用于冷却的冷却路径和用于基于流动通过构件的、具有预先确定的电流强度的电流来确定冷却路径的退化的设备。该设备的特征在于，半导体构件包括光学活性的半导体结构，当具有预先确定的电流强度的电流流过半导体构件时，该光学活性的半导体结构产生具有与设备的温度相关的亮度的光；用于确定退化的设备包括用于检测所产生的光的亮度的亮度传感器。
根据权利要求10的本发明方法用于确定半导体构件的冷却路径的退化，其中，电子半导体构件包括光学活性的半导体结构，当具有预先确定的电流强度的电流流过半导体构件时，该光学活性的半导体结构产生具有与温度相关的亮度的光。根据本发明的方法包括：借助亮度传感器检测所产生的光的亮度，并基于流动的电流使用所检测的亮度来确定冷却路径的退化。
发明的优点
根据本发明的设备具有以下优点：用于确定电流强度的设备和构件固有地是电隔离的。即使没有电势隔离，也能够在低电压电平下实现信号分析处理。此外，根据本发明的设备具有小的结构体积和低的生产成本。此外本发明实现，用于变换电能的设备可以故障安全地(ausfallsicher)运行，例如通过在退化升高超过极限值时及时地替换构件。
在该设备的特别的实施方式中，设置光电二极管作为亮度传感器，从而能够以有利地方式实现亮度测量。
用于确定退化的设备可以构造成，在经过预先确定的持续时间之后确定退化，在该预先确定的持续时间期间具有预先确定的电流强度的电流流过构件。
这能够实现对于持续时间施加具有预先确定的电流强度的测量电流，该持续时间长到足够使得在构件中产生的损耗热量到达冷却路径，从而产生构件的与冷却路径的功能有效性相关的发热，并且因此产生对所发射的光的热影响。
用于确定退化的设备可以构造成通过在预先确定的时间段上对光电二极管的光电流强度进行求和来确定电荷。因此，可以简单地降低老化程度确定中的由构件中的初始热分布效应限定的误差。
用于确定退化的设备可以构造成使用确定的额定参量(电荷)和参考额定参量(参考电荷)来确定退化。
对于许多应用，仅需要了解相对于初始值的相对变化。更换构件尤其可以例如通过确定的额定参量(电荷)与参考额定参量(参考电荷)之间的预先确定的最小偏差来解决。
随着提高的光效率(Lichtausbeute)的优点，在另一实施方式中设置：具有续流路径的开关(Schalter)包含实施成至少部分透明的至少一个半导体构件。在此，功能限定的金属化部(例如漏极电极或源极电极)可以部分地开口和/或封装实施成透明，使得光可以从半导体和/或半导体的封装中射出。
优选地，为此使用半导体构件的固有透明的棱边(芯片棱边)，由此，必要时可以省去其他的单独的用于实现半导体构件的透明化的措施。
相关的半导体构件优选涉及具有体二极管和/或单独的反并联(antiparallel)的续流二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，或涉及具有反并联的续流二极管的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
为了产生光，使用体二极管或续流二极管，或在IGBT的情况下使用集电器的p-n结。
半导体构件可以包括用于产生光的光学活性的区域。因此，能够提高光效率并且改善亮度确定。
附加地或替代地，这可以通过以下方式实现：半导体构件包括提高光产生的掺杂。
设备可以包括光导元件，该光导元件如此布置，使得该光导元件将所产生的光引导到亮度传感器上。因此，同样能够提高光效率并且改善亮度确定。
设备可以是用于电动车辆的功率控制单元或逆变器。
在从属权利要求中说明并在说明书中描述本发明的有利扩展方案。
附图说明
根据附图和以下说明进一步阐述本发明的实施例。附图示出：
图1示意性地示出本发明的示例性实施方式；
图2以剖视图示出另一示例性实施方式；
图3在示例性的测量曲线上示出测量电流、构件的温度、对于完好的构件和具有退化的冷却路径的构件的光电二极管电流之间的关系。
具体实施方式
图1示意性地示出本发明的示例性实施方式。附图示出用于变换电能的设备10。这借助至少一个进行连接的半导体构件100实现。在所示出的示例中，进行连接的半导体构件是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，例如硅MOSFET、氮化镓MOSFET或碳化硅MOSFET，其中，二极管或MOSFET的体二极管110用于产生光。然而在不偏离本发明的情况下，可以替代地使用其他构件。使用经由冷却路径连接到构件100的冷却器400来冷却该构件。此外，设备10包括用于基于流过构件的电流来确定半导体构件100的冷却路径的退化的设备200。在此，电流的电流强度可以是预先确定的或遵循预先确定的特性。
半导体构件100包括高掺杂的衬底段120，该衬底段包括光学活性的半导体材料，并且与二极管110并联地经由单独的源极-体连接端(Source-Bulkanschluss)121连接在源极电极111和漏极电极112之间。光学活性的半导体材料构成半导体构件100的体二极管的一部分，并且当电流流过半导体构件100时，该光学活性的半导体材料产生与电流和温度相关的亮度的光。用于确定冷却路径的老化程度的设备200包括用于检测所产生的光的亮度的亮度传感器210。在所示的示例中，亮度传感器210是光电二极管，替代地或附加地，在不偏离本发明的情况下然而也可以使用其他亮度传感器。在一些示例性的实施方式中，亮度和温度之间的关系是互反的(reziprok)，在温度上升时亮度下降。
半导体构件100包括至少部分透明的电极和/或至少部分透明的封装，所产生的光能够穿过该封装从电子构件100中射出。
在另一示例性的实施方式中，构件在下侧包括部分透明的漏极金属化部。也能够在上侧上在源极金属化部或栅极金属化部旁开口。第三种可能性在于使用透明的芯片棱边。这使得专门的金属化部和/或开口变得多余。
设备10包括光导元件300，光导元件如此布置，使得将所产生的光引导到光电二极管210上。通过构件100和亮度传感器210之间的光学传输段，该构件和该亮度传感器的电势是隔离的。由此尤其有利于高电压应用。亮度传感器201还可以与构件100集成在一起。
在另一示例性的实施方式中，省去光导元件并直接分析处理散射光。
然后，借助亮度传感器能够检测在预给定的测量电流强度下所产生的光的亮度，并且使用所检测的亮度来确定冷却路径的老化程度。在此，可以使用在已知电流下发光的温度相关性。
在所示的示例中，可以通过在预给定的时间段上对流过光电二极管的电流的电流强度进行求和来确定额定参量/电荷。
图3在示例性的测量曲线上示出测量电流、构件的温度、对于完好的构件和具有退化的冷却路径的构件的光电二极管电流之间的关系。
在持续时间Δt上施加具有预先确定的电流强度的测量电流I测量。这由上方的曲线示出。因此，构件中的温度T在持续时间Δt内上升。在关断测量电流后，然后温度又下降。由于冷却路径退化，在此具有退化的冷却路径的部件的温度(虚线曲线)比完好的部件的温度(实线曲线)更强烈地上升。这由中间的曲线示出。不同的温度变化过程相应地导致不同的光电流I光电。在持续时间Δt上对光电流I光电的差进行求和可以得到曲线之间的面积，该面积相应于额定参量/电荷。
在该示例中，具有预先确定的电流强度的测量电流I测量是恒定的。然而也能够实现如下的测量电流I测量，该测量电流的电流强度在预先确定的时间段内以预先确定的方式进行变化。
流过光电二极管的电流可以在进行分析处理之前进行放大，转换成数字信号并且进行预处理。该预处理例如可以包括平滑、滤波和/或时间同步。
在该方法的一种示例性的实施方式中，测量通常需要在相同的条件下——具体地在相同的初始温度下——重复。例如在超过预先确定的冷却剂温度时，可以进行该重复。此外，系统包括用于校准额定参量的内部存储器。
在该方法的示例性实施方式中，例如在超过预先确定的冷却剂温度时，以预先确定的电流对半导体进行加热，直到已经发射预先确定的光量。测量为此所需的持续时间。该持续时间越短，半导体经由冷却路径的连接就越差。
因此，在其他示例性实施方式中设备包括放大器和/或模/数变换器和/或信号预处理元件。
图2以剖视图示出另一示例性的实施方式。
进行连接的半导体构件100在此布置在冷却器400上，以排出在连接过程时在构件100中产生的热量。与构件100的其上布置有冷却器400的侧的相对置地布置有构件100的对光学活性区域透明的封装。在此，透明的封装构成相对置的侧。在高掺杂的衬底段中所产生的光可以穿过透明的封装从构件100在光电二极管210的方向上射出。在该示例中，光电二极管210布置在印制电路200(英语：printed circuit board(PCB)，印制电路板)上。
在本发明的意义内的方法的一种示例性的实施方式中，对于预给定的、固定的持续时间Δt，给半导体的p-n结(例如场效应晶体管的体二极管)施加预给定的、恒定的不等于零的测量电流I测量。通过测量电流I测量加热半导体并激励半导体发光。在此，在经过持续时间Δt后，所引起的热流已经到达半导体的冷却路径(热连接)。
在持续时间上借助光敏感的传感器、在实施例中借助光电二极管来检测发光的强度作为合成的光电流。
在实施例中，在持续时间Δt期间对光电二极管的光电流进行求和，从而得到额定参量(例如电荷量)用于分析处理。在热连接部老化(其导致热阻抗增大)的情况下，在加热期间不能够良好地排出热量，从而阻挡层中的半导体的温度T更强烈地上升。由于温度升高，发光减少，从而得出确定的额定参量(例如确定的电荷量)与温度并且因此与冷却路径的老化之间的明显的相关性。
在实施例中，将确定的额定参量(例如确定的电荷量)从参考额定参量(例如在完好的半导体的情况下将会流动的预先确定的额定电荷量)中减去和/或对此按比例进行设置。这得出与参考额定参量(例如额定电荷)的相对偏差，并在该实施例中用作退化程度。
如果相对偏差的量值超过预定义的阈值(例如0.1(相应地相对于标准至少10％的漂移))，那么在该方法的示例性的扩展方案中，与半导体的基本的功能有效性无关地更换半导体。
冷却路径的退化在整个使用寿命期间相对较慢地进行，从而不需要在运行期间检测该状况。
因此，在该方法的该扩展方案或其他扩展方案中，在半导体的接通过程(包括半导体的系统的初始化，例如在开动车辆或启动包括半导体的车辆的发动机时)的范畴中和/或在关断过程(例如在关闭发动机或车辆时系统的关闭)的范畴中，该方法作为后台进程来执行。

Claims (10)

1.一种用于变换电能的设备(10)，所述设备包括：进行连接的至少一个半导体构件(100)、冷却路径和设备(200)，所述冷却路径用于冷却所述半导体构件(100)，所述设备(200)用于基于流过所述构件的、具有预先确定的电流强度的电流来确定所述冷却路径的退化，其特征在于，所述半导体构件(100)包括光学活性的半导体材料(120)，当具有所述预先确定的电流强度的电流流过所述半导体构件(100)时，所述光学活性的半导体材料产生具有与温度相关的亮度的光，并且所述用于确定退化的设备(200)包括亮度传感器(210)，所述亮度传感器用于检测所产生的光的亮度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述亮度传感器(210)包括光电二极管。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述用于确定退化的设备(200)构造成在经过预先确定的持续时间之后确定所述退化，在所述持续时间期间具有所述预先确定的电流强度的电流流过所述构件。
4.根据权利要求2和3所述的设备，其中，所述用于确定退化的设备(200)构造成通过在所述预先确定的时间段上对所述光电二极管的光电流强度进行求和来确定电荷量。
5.根据权利区域4所述的设备，其中，所述用于确定退化的设备(200)构造成使用所确定的电荷量和额定电荷量来确定所述退化。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述半导体构件(100)包括至少一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，所述至少一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)具有至少部分透明的源极电极(111)和/或具有至少部分透明的封装，所产生的光能够穿过所述封装从所述MOSFET中射出，其中，所述MOSFET是基于氮化镓的MOSFET或基于碳化硅的MOSFET，其中，使用二极管(110)或所述MOSFET的体二极管来产生光，其中，所述设备包括衬底段(120)，所述衬底段与所述二极管(110)并联地连接在所述源极电极(111)与漏极电极(112)之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述半导体构件(100)包括用于产生所述光的光学活性的区域(120)，和/或包括提高所述光产生的掺杂。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中，所述设备包括光导元件(300)，所述光导元件如此布置，使得所述光导元件将所产生的光引导到所述亮度传感器(210)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述设备是用于电动车辆的功率控制单元或逆变器。
10.一种用于确定半导体构件(100)的冷却路径的退化的方法，所述方法使用流过所述半导体构件(100)的、具有预先确定的电流强度的电流，其中，所述半导体构件(100)包括光学活性的半导体材料，当具有所述预先确定的电流强度的电流流过所述半导体构件(100)时，所述光学活性的半导体材料产生具有与温度相关的亮度的光，所述方法包括：借助亮度传感器(210)对所产生的光的亮度进行检测，并且使用所检测的亮度来确定所述退化。
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