CN111406220A

CN111406220A - 建立功率半导体装置中的电连接的劣化状态的诊断装置和方法

Info

Publication number: CN111406220A
Application number: CN201880076377.1A
Authority: CN
Inventors: N·德格雷纳; J·C·布兰德勒罗
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: EP3492935B1; JP6972331B2; JP2020527729A; US20200256912A1; EP3492935A1; CN111406220B; US11169201B2; WO2019107075A1

Abstract

一种建立功率半导体装置(1)中的电连接的劣化状态的方法包括：‑针对相同的温度值在两个相应电流值下测量至少两个电压降值。两个电流值严格不同，或者在晶体管的两个不同的栅极电平(G)下进行测量；‑保存所测量的值作为校准数据；‑监测所述功率半导体装置的操作条件；‑在相应与前述相同的电流值下并且在所监测的操作条件对应于与操作状态和公共温度有关的两个相应预定义的标准集合的两个相应时刻测量至少两个电压降值；‑保存至少两个值作为操作数据；‑以估计所述功率半导体装置(1)的劣化状态的方式计算数值指标。

Description

建立功率半导体装置中的电连接的劣化状态的诊断装置和方法

技术领域

本发明涉及功率半导体装置的技术领域。更具体地，本发明涉及一种评估这种功率半导体装置的状态的方法以及被布置为实现这种方法的诊断装置。

背景技术

通常，在功率半导体装置操作期间，引线接合以及其它互连(例如，金属化和焊料)受包括高热变化和振动的热机械应力影响。互连、引线接合和/或金属化的劣化表现为电流路径中的电阻的增加(ΔR)。电阻可被测量为电压降的增长。在引线接合故障的情况下，所述电压降会是逐渐的和/或突然的。可通过测量功率电子装置的外部或直接所述互连处的电压来检测电压降。因此，测量这种电压的增加可用于估计引线接合和/或金属化的健康状态。

然而，这种电压很大程度上取决于包括温度的操作条件。将操作条件对所测量的电压的影响与劣化的影响区分/隔离开来是困难的。

另外，这些功率电子装置通常在使用中难以接近(例如，当被密封到不可移除的密封壳体中时)。物理检查各个装置在经济上是不明智的，特别是当许多装置配备使用中的整个车队(类似火车)或者难以接近的风车时。通常，对于集合中的所有装置，理论寿命周期是任意固定的。仅在有效且意外的故障之后或者当超过任意寿命周期时更换它们，而不管装置的真实状态如何。

一些现有的测试装置的方法被规划为在稳定和/或受控的条件下在测试台上实施。这些方法无法被转换到使用中的功率电子装置上。这意味着要中断功率电子装置操作以测试它。这是不令人满意的。

现有技术中没有充分解决这些问题以便于在线实施。

发明内容

本发明改进了这种情况。

申请人提出了一种建立功率半导体装置中的电连接的劣化状态的方法。该方法包括以下步骤：

a)当所述功率半导体装置处于经受第一电流值(I_{on_1})和第一温度值的第一状态时，至少测量所述功率半导体装置的第一电压降值；

b)当所述功率半导体装置处于经受第二电流值和第二温度值的第二状态时，至少测量所述功率半导体装置的第二电压降值，所述第二温度值等于第一温度值±5℃，满足以下两个条件中的至少一个：

-第一电流值等于第一阈值并且第二电流值(I_{on_2})等于第二阈值，第二阈值严格大于第一阈值，

-第一状态和第二状态至少相对于所述功率半导体装置的一个晶体管或一组晶体管的栅极电平彼此不同；

c)保存至少两个值作为校准数据；

d)在操作条件下监测电流以及表示所述功率半导体装置的操作状态的至少一个参数；

e)在以下条件下至少测量所述功率半导体装置的第三电压降值

-在等于第一电流值±所述功率半导体装置的标称电流的5％的电流下，并且

-在所监测的至少一个参数对应于与所述功率半导体装置的操作状态和所述功率半导体装置的第三温度值有关的第一预定义的标准集合的时刻；

f)在以下条件下至少测量所述功率半导体装置的第四电压降值

-在等于第二电流值±所述功率半导体装置的标称电流的5％的电流下，并且

-在所监测的至少一个参数对应于与所述功率半导体装置的操作状态和功率半导体装置的等于第三温度值±5℃的第四温度值有关的第二预定义的标准集合的时刻；

g)保存至少两个值作为操作数据；

h)以估计所述功率半导体装置(1)的劣化状态的方式根据校准数据和操作数据来计算数值指标。

这种方法允许监测数值健康指标(例如，电阻增加ΔR)以估计功率半导体装置的健康状态和剩余寿命。这种方法的结果与操作温度无关。这种方法可使用单个电压传感器来实现。这种方法是低成本的。这种方法不需要离线校准。因此，旧的功率半导体装置可配备根据本发明的系统以实现所述方法。由于所使用的高电流以及类似操作温度的操作参数对所测量的电压的高影响，该方法特别适合于在包括二极管、IGBT和/或MOSFET的功率半导体装置上实现。

在本发明的第二方面，申请人提出了一种诊断装置，该诊断装置包括在操作上与至少一个存储介质关联的至少一个处理器以及能够插入到功率半导体装置的一组插头。该诊断装置被设置为在被插入到所述功率半导体装置时实现根据前述的方法。

在本发明的另一方面，申请人提出了一种可由处理器以软件代理的形式执行的程序产品，其包括至少一个软件模块，这些软件模块包括实现根据上文的方法的指令，以及一种非暂时性计算机可读存储介质，其包括存储在其上并且可由处理器以软件代理的形式执行的程序产品，该程序产品包括至少一个软件模块，这些软件模块包括实现根据上文的方法的指令。

该方法和/或装置可包括以下特征(单独地或彼此组合)：

-功率半导体装置包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、二极管组件或这些元件的组合。对于这些装置，该方法给出特别好的结果。

-测量所述功率半导体装置的电压降值的步骤连续地或以预定频率实施，而不仅在所监测的至少一个参数对应于所述功率半导体装置的预定义的操作状态的时刻实施。这使得能够确保连续监测健康演变并快速地检测任何异常情况。

-第二阈值大于或等于第一阈值(X％×I_nom)的两倍。在两个非常不同的电流值下测量电压降使得能够构造更实际的模型。指标计算的准确度增加。

-根据以下假设通过外推来计算数值指标：两个校准数据均对应于数值指标具有与所述功率半导体装置的电连接完全没有劣化对应的值的情况。因此，校准数据测量可在装置的寿命开始时进行，而操作数据稍后在装置的真实操作条件下测量。

-监测步骤包括至少监测所述电流的频率。这样做使得即使当温度本身无法直接测量时也能够确保对于两个电压降测量，温度基本上相同。

-第一预定义的标准集合和第二预定义的标准集合包括大于或等于20Hz的频率。并且至少测量第三电压降值和第四电压降值的步骤在电流的公共周期的两个分别的时刻进行。这使得即使当温度本身由于装置的热惯性而无法直接测量时也能够确保对于两个电压降测量，温度基本上相同。

-所监测的参数对应于功率半导体装置的与所述功率半导体装置的一个晶体管或一组晶体管的栅极电平相关的状态，对于功率半导体装置的与所述栅极电平相关的状态，第一预定义的标准集合和第二预定义的标准集合包括彼此不同的标准。这使得能够确保对于两个电压降测量，装置的两个状态不同。另外，如果两个测量紧接在相对于栅极电平的状态改变前后进行，则即使当温度本身无法直接测量时，也可确定对于两个电压降测量，温度基本上相同。

-在该方法中，

-所述第一电压降值和第二电压降值的测量步骤a)和b)在相互分开至多50毫秒的两个分别的时刻进行；和/或

-所述第三电压降值和第四电压降值的测量步骤e)和f)在相互分开至多50毫秒的两个分别的时刻进行。这使得即使当温度本身由于装置的热惯性而无法直接测量时也能够确保对于两个电压降测量，温度基本上相同。

-在该方法中，

-至少测量第一电压降值的步骤还包括测量第一温度值，和/或

-至少测量第二电压降值的步骤还包括测量第二温度值；

-保存步骤还包括保存与相应电压降值关联的各个所述温度值作为校准数据，并且

-计算数值指标的步骤还包括根据校准数据和相应操作数据来计算温度。在可直接测量温度的情况下，模型的构造和/或指标计算更准确。

-在监测步骤期间监测的表示所述功率半导体装置的操作状态的所述至少一个参数被去除所测量的温度。并且操作数据被去除所测量的温度值以用于计算所述数值指标的步骤。可使用其它可用参数，例如当前频率和/或功率半导体装置相对于栅极电平的状态。因此，即使在装置的操作寿命期间温度测量困难或无法进行，也可改进方法。

-该方法还包括根据当数值指标等于零时的电流值来构造至少两个电压降之间的关系的模型的步骤，所述模型然后用于根据校准数据和操作数据计算所述数值指标。构造这种模型使得能够避免温度的任何直接测量。即使在装置的操作寿命期间温度测量困难或无法进行，该方法和结果仍可实现。

-该方法还包括以下步骤：

i)通过按照估计电子装置的寿命结束的方式外推数值指标的演变来构造所述功率半导体装置的劣化模型。这种补充步骤使得能够方便装置或整个类似装置群的维护调度。

其它特征、细节和优点将在以下详细描述中和附图上示出。

附图说明

[图1]

-图1是功率半导体装置中的相互关联的技术影响的逻辑图。

[图2]

-图2是示出根据与IGBT反并联放置的二极管的发射极-集电极电压的发射极电流的图。

[图3]

-图3是示出根据IGBT的集电极电流的集电极-发射极饱和电压的图。

[图4]

-图4示出IGBT的行为。

[图5]

-图5示出二极管的行为。

[图6]

-图6示出二极管的行为。

[图7]

-图7示出IGBT的行为。

[图8]

-图8示出二极管或IGBT的行为。

[图9]

-图9是由两个半桥腿组成的全桥配置。

[图10]

-图10示出根据本发明的系统。

[图11]

-图11是两个电流值的测量的示例。

具体实施方式

附图和以下详细描述基本上包含一些确切的元素。它们可用于增强对本发明的理解，并且如果需要，还限定本发明。应该理解，附图以外难以详尽地描述装置的三维结构的一些细节。

在下文中，词语“[两个值]基本上相等”必须根据技术上下文来解释。对于两个电流值，误差范围取决于装置及其功率环境。例如，“[两个电流值]基本上相等”可被理解为两个电流值在使用中的功率半导体装置的参考电流或标称电流I_nom的±5％、±4％、±3％、±2％或±1％内相等。对于两个温度值，误差范围取决于期望的测量精度。例如，“[两个温度值]基本上相等”可被理解为两个温度值在±5℃、±4℃、±3℃、±2℃或±1℃内相等。

以下描述的方法解决为了健康状态和/或剩余有用寿命估计而监测功率半导体装置的状况和健康的课题，特别是对于功率半导体装置。例如，该方法可在包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、二极管或这些元件的组合的装置上实现。作为非限制性示例，已使用了申请人所商业化的以下模块：“CM150TX-24S1-Highpower switching use insulated type”。包括此模块的详细特征的技术通告可免费公开获得。

在下文中，引用为V_on的“电压降值”对应于“导通状态电压降”(等同于IGBT的集电极-发射极电压V_ce、二极管的阳极至阴极电压V_ak、正向模式下的MOSFET的漏极-源极电压V_ds或反向模式下的MOSFET的漏极-源极电压V_sd)或“引线接合电压降”(IGBT的Kelvin至功率发射极V_ke之间以及Kelvin至电源V_ks之间)，这取决于在功率开关装置/模块(二极管组件、MOSFET和/或IGBT)中测试的电子构件的性质。“电压降”必须被理解为功率半导体装置的预定义输入V_in处的电压测量与功率半导体装置的预定义输出V_out处的电压测量之间的差。在此上下文中，输入和输出未必是整个功率半导体装置的一般输入和输出，而可以是包括在功率半导体装置中的电子构件的中间输入/输出。优选地，使用装置的一般输入和输出，特别是当功率半导体装置是封装装置时。对于各个实施方式，输入和输出对于方法的各个部分是相同的，使得所测量的值之间的任何差异不会归因于测量位置。在下文中，“电压降”被引用为“V_on”，并且必须被理解为V_out与V_in之差(V_on＝V_out-V_in)。

图1是与功率半导体装置中的引线接合故障和焊料故障有关的正反馈回路。根据图1，可通过在转换器操作期间监测电阻演变ΔR来检测引线接合故障。可通过监测电压降V_on来监测电阻演变ΔR。然而，电压降V_on不仅取决于接合故障，而且取决于诸如温度T_j和电流I_on的其它参数。因此，知道电压降V_on无法直接推断出精确的电阻，因此无法直接推断出关于功率半导体装置的精确的引线接合劣化和相关健康信息。

以下将描述建立功率半导体装置1中的电连接的劣化状态的方法。这种方法可使用如图10上表示的诊断装置100来实现。诊断装置100包括在操作上与至少一个存储介质关联的至少一个处理器以及能够插入到功率半导体装置1的输入和输出以监测它的一组插头。诊断装置100被设置为在被插入到功率半导体装置1的输入和输出时实现以下所描述的方法。

该方法包括以下步骤：

a)当功率半导体装置处于经受第一电流值(I_{on_1})和第一温度值(T_{1_calibration})的第一状态时，至少测量功率半导体装置的第一电压降值(V_{on_1_calibration})；

b)当功率半导体装置处于经受第二电流值(I_{on_2})和第二温度值(T_{2_calibration})的第二状态时，至少测量功率半导体装置的第二电压降值(V_{on_2_calibration})，第二温度值(T_{2_calibration})基本上等于第一温度值(T_{1_calibration})，满足以下两个条件中的至少一个：

-第一电流值(I_{on_1})等于第一阈值(X％×I_nom)并且第二电流值(I_{on_2})等于第二阈值(Y％×I_nom)，第二阈值(Y％×I_nom)严格大于第一阈值(X％×I_nom)，

-第一状态和第二状态至少相对于功率半导体装置的一个晶体管或一组晶体管的栅极电平彼此不同；

c)保存至少两个值(V_{on_1_calibration},V_{on_2_calibration})作为校准数据；

d)在操作条件下监测电流(I)以及表示功率半导体装置的操作状态的至少一个参数(T,F_mod,G)；

e)在以下条件下至少测量功率半导体装置的第三电压降值(V_{on_1_test})

-在基本上等于第一电流值(I_{on_1})的电流(I_{1_test})下，并且

-在所监测的至少一个参数(T,F_mod,G)对应于与功率半导体装置的操作状态和功率半导体装置的第三温度值(T_{1_test})有关的第一预定义的标准集合的时刻；

f)在以下条件下至少测量功率半导体装置的第四电压降值(V_{on_2_test})

-在等于第二电流值(I_{on_2})的电流(I_{2_test})下，并且

-在所监测的至少一个参数(T,F_mod,G)对应于与功率半导体装置的操作状态和功率半导体装置(1)的基本上等于第三温度值(T_{1_test})的第四温度值(T_{2_test})有关的第二预定义的标准集合的时刻；

g)保存至少两个值(V_{on_1_test},V_{on_2_test},)作为操作数据；

h)以估计功率半导体装置的劣化状态的方式根据校准数据(V_{on_1_calibration},V_{on_2_calibration})和操作数据(V_{on_1_test}；V_{on_2_test})来计算数值指标(ΔR)。

可选地，该方法还包括以下步骤：

i)通过按照估计电子装置的寿命结束的方式外推数值指标(ΔR)的演变来构造所述功率半导体装置1的劣化模型。

步骤a)至c)可被视为应用于功率半导体装置1的方法的校准阶段，而步骤e)至h)可被视为诊断的活动阶段。可针对各个功率半导体装置1执行步骤a)至c)一次(例如，在功率半导体装置1的操作寿命开始时或者甚至在其操作寿命之前在测试台上)。

在保存校准数据的(步骤c)之后，可连续地或重复地执行步骤d)至h)，而无需重复步骤a)至c)。例如，可在功率半导体装置1的整个寿命期间连续地执行监测步骤d)。在这种情况下，不仅在检测到功率半导体装置1的预定义的操作状态的时刻期间，可连续地或重复地执行测量步骤e)和f)。在这种情况下，保存相关值作为操作数据的步骤g)可被视为包括在全部可用的测量数据当中选择以仅记录相关数据作为操作数据的步骤。步骤a)和b)的测量也可连续地或重复地执行。在这种情况下，保存相关值作为校准数据的步骤c)可被视为包括在全部可用的测量数据当中选择以仅记录相关数据作为操作数据的步骤。

校准数据的保存步骤c)可被视为在温度近似相同的同时选择与功率半导体装置1的两个不同的运行模式对应的至少两个电压降值。操作数据的保存步骤g)可被视为在功率半导体装置1的操作运行期间选择获取数据的最佳时刻，所述操作条件尽可能与测量校准数据的条件对应。

步骤a)和b)能够获得至少两个值：例如I_{on_1}下的V_{on_1_calibration}和I_{on_2}下的V_{on_2_calibration}。在一些示例中，I_{on_1}是低电流，而I_{on_2}是高电流。在上下文中，“低”和“高”必须被理解为与功率半导体装置1的两个不同的运行模式对应。可选择多个标准以确保具有两个不同的运行模式：

-第一电流值I_{on_1}等于第一阈值并且第二电流值I_{on_2}等于第二阈值。第二阈值严格大于第一阈值(I_{on_2}>I_{on_1})。

-在更精确的实施方式中，第一阈值等于参考电流(例如，标称电流值I_nom)的X％，第二阈值等于所述参考电流的Y％，其中Y严格大于X(Y>X)。例如，X＝20％并且Y＝80％，或者X＝30％并且Y＝60％，或者X＝20％并且Y＝60％。

-第二电流值I_{on_2}大于或等于第一电流值的两倍(I_{on_2}/I_{on_1}≥2)。

本领域技术人员将知道如何根据应用来调整关于阈值电流的标准以与功率半导体装置1的两个不同的运行模式对应。优选使两个电流值尽可能不同。

在其它示例中，至少相对于功率半导体装置1的一个晶体管或一组晶体管的栅极电平G在两个不同的状态下获得校准数据。在这些示例中，获取校准数据V_{on_1_calibration}和V_{on_2_calibration}的电流值I_{on_1}和I_{on_2}可相等或彼此不同。例如，电子元件的通过/阻挡状态(或行为)可相对于栅极电平G容易地定义。换言之，当功率半导体装置1的元件的控制电流分别大于和小于栅极电平G时可获得至少两个校准数据V_{on_1_calibration}和V_{on_2_calibration}。

可在功率半导体装置1操作之前(例如，在制造之后的一致性测试期间)获得校准值。在这种情况下，功率半导体装置1可在输入处被自愿地提供电流I_{on_1}和I_{on_2}的两个不同的所选值。

通过测量V_in和V_out来确定电压降值V_{on_1_calibration}、V_{on_2_calibration}。可重复一对电压降值V_{on_1_calibration}、V_{on_2_calibration}的测量。在这种情况下，获得多对电压降值V_{on_1_calibration_i}、V_{on_2_calibration_i}，其中“i”是迭代索引。如果测量多对，则优选在高频F_mod下进行测量，但其它操作条件不同，例如不同的热沉(或壳体)温度、不同的负载电流I_load(但仍有I_load≥max(I_{on_1},I_{on_2}))、不同的开关频率和/或不同的调制频率。温度优选在同一对的两个电压降值V_{on_1_calibration_i}、V_{on_2_calibration_i}之间尽可能恒定，但温度优选在两对V_{on_1_calibration_i}、V_{on_2_calibration_i}；V_{on_1_calibration_j}、V_{on_2_calibration_j}(i≠j)之间尽可能不同。

测试阶段(步骤d)至h))可在校准阶段(步骤a)至c))之后长时间利用不同的设备和/或由不同的人进行。换言之，两个阶段可被视为两个不同的方法。在这种情况下，可从另一来源提供校准数据以实现测试阶段。

在该方法的另一实施方式中，当功率半导体装置1操作时(例如，功率半导体装置1一在线就)可实现步骤a)和/或b)。

在需要少量校准数据的方法的实施方式中，可仅测量两个值。在下文中，两个电压降值V_{on_1_calibration}、V_{on_2_calibration}之间的关系具有曲线形式。使用这两个值来完成曲线V_{on_2}＝f(V_{on_1},ΔR＝0)。如果在不同的温度下测量了多对，则构造所测量的对那么多的曲线。在与高电流和低电流下获得的校准数据对应的示例中，可获得低电流I_{on_1}下的电压降V_{on_1_calibration}与高电流I_{on_2}下的电压降V_{on_2_}calibration之间的理论关系。

在允许精确、容易且快速地建立校准的方法的优选实施方式中，测量并过滤多个点以建立曲线V_{on_2}＝f(V_{on_1},ΔR＝0,变量T)。例如，测量的数量和执行测量的周期可以是固定的持续时间或者足够长以获得足够的数据的持续时间。测量越多，就越能以表征功率半导体装置1的标称操作的方式精确地定义所述关系。

然后，注册所测量的值(步骤c))。其可包括直接保存成对的所测量的值。在其它实施方式中，可在保存之前处理/分析所测量的值。因此，保存从处理/分析得到的校准曲线V_{on_2}＝f(V_{on_1},ΔR＝0,变量T)，因此节省了校准数据内存。

在一些实施方式中，测量步骤a)和/或b)还包括测量或推导温度(分别为T_{1_calibration}和T_{2_calibration})以检查温度实际上基本上相等(T_{1_calibration}≈T_{2_calibration})。优选地，测量T_{1_calibration}，因为在低电流下更容易测量温度。在这些情况下，保存温度值T_{1_calibration}和/或T_{2_calibration}作为校准数据的一部分。换言之，校准数据可具有例如以下形式：

-V_{on_1_calibration_i}(一个或多个测量的值)，_{Ion_1}(一个预定义的值)；V_{on_2_calibration_i}(一个或多个测量的值)，I_{on_2}(一个预定义的值)；

-V_{on_1_calibration}，I_{on_1}，T_{1_calibration}；V_{on_2_calibration}，I_{on_2}，T_{2_calibration}；

-模型V_{on_2_calibration}＝f(V_{on_1_calibration},ΔR＝0,T变量)

-模型V_{on_2_calibration}＝f(V_{on_1_calibration},ΔR＝0,T变量)和模型V_{on_1_calibration}＝f(T,ΔR＝0)

因此，数值指标的计算步骤(步骤h))包括计算电阻ΔR，并且可选地可包括计算温度T，如下文中将描述的。

最初，当功率半导体装置1是新的(未使用)时，连接和引线接合可被认为是完好无损的。连接的电阻可被定义为参考并且虚拟地设定为ΔR＝0。可例如按以下形式建立低电流I_{on_1}下的电压降V_{on_1_calibration}与高电流I_{on_2}下的电压降V_{on_2_calibration}之间的理论关系：V_{on_2_calibration}＝f(V_{on_1_calibration})。可通过求解以下简单的解析方程来获得任何ΔR≥0的这种关系：

V_{on_2_calibration}＝V_{on_2_calibration}(ΔR＝0,T变量)+ΔR×I_{on_2}

V_{on_1_calibration}＝V_{on_1_calibration}(ΔR＝0,T变量)+ΔR×I_{on_1}，

然后，可建立以下关系：ΔR＝f(V_{on_1},V_{on_2})

这些关系可具有曲线形式(参见例如图4和图5)。校准阶段允许以查找表的形式或作为解析(物理或经验)方程(图4至图7上的虚线)来确定此关系。例如，图4示出IGBT在低电流I_{on_1}下的电压降V_{on_1}和在高电流I_{on_2}下的V_{on_2}。图5针对二极管组件示出相同内容。

形成校准数据的所测量的值可直接和/或以建立的关系的形式保存(步骤c))。

二极管、IGBT和MOSFET的导通状态电压以及引线接合连接两端的电压降通常取决于电流I和温度T。在引线接合劣化的情况下，电阻增加还导致总电压降V_on增加。图2(二极管组件)和图3(IGBT)是表征功率半导体装置的行为的示例。例如，图2示出对于IGBT功率模块中的二极管，对于多个温度T_j，根据阳极-阴极饱和电压V_AC(伏特)的阳极电流I_A(安培)。在示例中，图2示出申请人的引用为“CM150TX-24S1”的装置中的二极管布置的负温度系数(NTC)行为。例如，图3示出对于多个温度T_j，根据集电极电流I_C(安培)的集电极-发射极饱和电压V_ECsat(伏特)，栅极-发射极电压V_GE固定为15伏特。在示例中，图3示出低于40A的电流I_c(“低电流”)的负温度系数(NTC)和高于40A的电流I_c(“高电流”)的正温度系数(PTC)。这对应于申请人的引用为“CM150TX-24S1”的装置中的IGBT的行为。

由于引线接合的电阻(引用为R_wb)增加，这可形成引线接合的温度(引用为T_wb)的局部升高。引线接合的材料(例如，铝)的净电阻率可能略微增加并且导致观察到明显更高的电阻增加。电阻增加ΔR的这种自放大效果通常可忽略不计，因为它相对在小范围内，不会分布到整个装置。可形成以下关系：

V_{on_measured}＝(R_wb(T_wb)+ΔR)×I_on+V_{on_DIE}(T_j,I_on)

根据功率半导体装置1，导通状态电流I_on可为：

-IGBT的集电极(或发射极)电流，

-二极管组件的阳极(或阴极)电流，或

-MOSFET的漏极(或源极)电流。

所测量的数据可从传感器(例如，霍尔效应传感器或分流传感器)获得。所测量的数据可从功率半导体装置的控制器获得(例如，控制器的参考电流)。在一些现有功率半导体装置中，出于控制目的在转换器中存在传感器。所测量的数据可从可用数据推导/估计(可选地，通过改进处理，例如通过应用增益或偏移去除)。

如果校准数据包括温度数据或将电压降V_{on_1_calibration}与ΔR＝0的温度T相关联的数据，则也可估计温度T。在没有用于温度的特定传感器的情况下，这种校准难以在线实现。在没有特定传感器的情况下，可在功率半导体装置组装之前离线执行这种校准。可不时地估计电阻率ΔR。当调制频率F_mod高时(对于IGBT和二极管组件)这是优选的。在这种情况下，由于热惯性，温度T可被认为在交流电(AC)的四分之一周期(T_mod/4)期间是恒定的。图6、图7和图8示出温度T与电压降V_on之间曲线形式的相关数据的示例。例如，图6和图7分别示出二极管组件和IGBT在高电流I_{on_2}下的电压降V_on。例如，图8示出二极管组件和IGBT在低电流I_{on_1}下的电压降V_on。

在功率半导体装置是封装装置的一些实施方式中，导通状态电压降V_on是处于导通状态的封装装置两端的电压降。例如，使用由电压钳、信号调节器和模数转换器(ADC)组成的电路来测量导通状态电压降V_on。

在步骤d)的上下文中，所监测的表示功率半导体装置1的操作状态的值可包括例如负载电流I_load和/或调制频率F_mod。在一些实施方式中，调制频率F_mod因此是接收或估计电压降V_on的有用参数。根据功率半导体装置的操作应用，所述装置中的一些与交流电(AC)一起(例如，与电机组合)使用。在这种情况下，负载电流I_load具有周期性形状(例如，正弦行为)。调制频率F_mod是可变的，例如介于1Hz和1kHz之间。例如，在用作连接到同步电机的转换器的装置的情况下，调制频率与电机的旋转速度成比例。一个示例是电动车辆。在这种应用中，当车辆缓慢行驶时，调制频率F_mod低，当汽车快速行驶时，调制频率F_mod高。调制频率F_mod可从电流值和电压值推导。其也可由外部控制器提供。

步骤a)、b)、c)、e)、f)和g)被布置为在最佳时刻执行以获得至少一对的两个相关电压降(V_{on_1_calibration}和V_{on_2_calibration})和(V_{on_1_test}和V_{on_2_test})的相关测量。相应地选择测量步骤e)和f)的第一预定义的标准集合和第二预定义的标准集合。优选地，彼此一致选择第一预定义的标准集合和第二预定义的标准集合。

例如，最佳时刻可优选是当测量两个电压降V_{on_1}和V_{on_2}时温度T基本上相同时。例如，在连续的时刻测量两个电压降V_{on_1}和V_{on_2}。例如，可选择第一标准集合和第二标准集合以改进分开至多5毫秒的两个时刻的两个测量。例如，在AC电流的同一四分之一周期(T_mod/4)中并且对于高调制频率F_mod(例如，大于Z的调制频率，其中Z等于20Hz、30Hz或50Hz)测量两个电压降V_{on_1}和V_{on_2}。图11示出在彼此分开小于四分之一周期T的两个连续的时刻在两个不同的电流值I_{on_1}和I_{on_2}下测量不同的电压降值V_{on_1}和V_{on_2}。

表示功率半导体装置1的操作状态的所监测的至少一个值可包括功率半导体装置1所经受的电流I_on本身。在这种情况下，标准集合可包括关于所述电流I_on本身的标准。这使得能够改进在关于电流I_on的两个不同的情况下(例如，在低电流和高电流下)的测量。例如，第一预定义的标准集合包括监测的电流值I小于第一阈值。第二预定义的标准集合包括监测的电流值I大于第二阈值。例如，第二阈值被选择为大于第一阈值。例如，阈值被定义为标称电流值I_nom的一部分：第一阈值等于标称电流值I_nom的X％，第二阈值等于标称电流值I_nom的Y％。例如，X等于20、30或40％。例如，Y等于60、70或80％。这些值可被定义为功率半导体装置1的标称电流值I_nom的函数，并且还取决于应用的类型和电流传感器的特征(精度和准确度)。在满足第一电流值I_{on_1}和第二电流值I_{on_2}的条件(一个严格大于另一个)的实施方式中，步骤e)、f)的标准集合可与步骤a)、b)的条件相同。

表示功率半导体装置1的操作状态的所监测的至少一个值可包括功率半导体装置1所经受的电流I_on本身以及功率半导体装置1的一个晶体管或一组晶体管的栅极电平G。在这种情况下，标准集合可如下：

-第一预定义的标准集合包括栅极电平的低电平，并且

-第二预定义的标准集合包括栅极电平的高电平。

可在同一实施方式中组合关于步骤a)和b)之间的不同电流值I_{on_1}和I_{on_2}的条件与步骤e)和f)的与相对于栅极电平定义的操作状态有关的两个标准集合，反之亦然。

包括条件(步骤a)和b))和/或关于栅极电平的标准(步骤e)和f))的实施方式特别适合于没有外部反并联二极管的MOSFET。当MOSFET导通(高栅极电平)时针对电流I_{on_1}测量电压(V_{on_1_calibration}和/或V_{on_1_test})。当MOSFET截止(低栅极电平)并且内部体二极管导通时针对电流I_{on_2}测量电压(V_{on_2_calibration}和/或V_{on_2_test})。电流值I_{on_1}和I_{on_2}可相等并且为负(从源极流到漏极)。

由于可能不需要非常频繁地估计健康状态，所以对于至少一些实施方式，可决定对特定操作时间停用健康估计。

在其它实施方式中，功率半导体装置1的电压降值V_{on_1}和V_{on_2}的测量以及功率半导体装置1所经受的电流值I_{on_1}和I_{on_2}的测量连续地或以预定频率实施，而不仅在所监测的至少一个值(例如，F_mod和/或I_load)对应于功率半导体装置1的第一或第二预定义的操作状态的时刻(当遵守标准集合时)实施。换言之，可连续地监测电压降V_on和电流I_on，并且通过后处理定义操作数据V_{on_1_test}、I_{on_1}、V_{on_2_test}、I_{on_2}，或者当电流等于I_{on_1}和I_{on_2}时触发监测。

包括仅当电流等于I_{on_1}和I_{on_2}时才触发的实施方式特别适合于类似IGBT和二极管的双极装置，包括体二极管MOSFET。这些实施方式与低电流I_{on_1}和高电流I_{on_2}下的测量(参见上面的示例)组合特别有利。

标准的上述示例可彼此组合。

在计算数值指标的步骤h)中，包括所测量的电压V_{on_1_test}和V_{on_2_test}的操作数据与校准数据V_{on_1_calibration}、I_{on_1}和/或T_{1_calibration}、V_{on_2_calibration}、I_{on_2}和/或T_{2_calibration}一起使用以估计电阻增加ΔR以及可选地温度T(如果校准数据包括根据电流降V_on估计温度的数据的话)。

在另一角度来看，该方法可分解如下：

1)接收或生成校准数据；

2)接收或测量关于操作条件的信息；

3)决定健康状态估计和/或温度估计的时刻；

4)在电流I_on1下接收或测量第一电压降测量V_on1；

5)在电流I_on2下接收或测量第二电压降测量V_on2；

6)处理数据，包括：

a.使用先前估计的ΔR来估计结温，和/或

b.估计电阻增加ΔR。

在申请人所测试的示例中，在针对温度T校准之后建立模型。收敛得到以下关系：

V_on＝(0.001+ΔR)×I_on+[(1–0.004×T)+0.015×I_on]

在这样的方程中，第一部分是连接电阻(引线接合)，第二部分是管芯电压降。

在下文中，使用此关系来估计ΔR和T

1.目的：T估计

我们认为ΔR＝0，因为模块是新的(未使用)。

F_mod不需要高，因此T1≠T2。

可使用上述方程以及所测量的V_{on_1_test}和V_{on_2_test}来估计T1和T2。

假设真实温度T1real＝80℃和T2real＝90℃，如果上述方程正确，则V_{on_1_test}和V_{on_2_test}的测量允许准确地估计T1和T2

a.低电流(I_{on_1}＝2A)，所测量的V_{on_1_test}＝0.712V得到估计的温度80℃。

b.高电流(I_{on_2}＝100A)，所测量的V_{on_2_test}＝2.24V得到估计的温度90℃。

因此，方程是正确的。

2.目的；T估计

由于劣化，电阻增加5mΩ，但这是未知的(假设ΔR＝0mΩ)

由于ΔR的错误估计导致的误差会影响T2的估计。

ΔRreal＝5mΩ，T估计(真实＝80℃和90℃)

a.低电流(I_{on_1}＝2A)，所测量的V_on＝0.713V得到估计的温度79.75℃，而非80℃。

b.高电流(I_{on_2}＝100A)，所测量的V_on＝2.29得到估计的温度77.5℃，而非90℃。

因此，必须更新ΔR的值。

3.目的；高F_mod下的ΔR估计

ΔRreal＝5mΩ，ΔR估计(真实＝80℃)

a.低电流(I_{on_1}＝2A)，所测量的V_on＝0.713V得到估计的温度79.75℃，而非80℃。这里，我们仅估计温度。

b.高电流(I_{on_2}＝100A)，所测量的V_on＝2.33V(在真实80℃下，因为高F_mod)得到估计的ΔR为4.9mΩ(根据模型，79.75℃)。这里，估计ΔR。

在ΔR估计之后，再使用它来估计温度和损坏，导致T和ΔR测量二者收敛。

在下文中，根据功率半导体装置的各种类型/配置来描述实施方式的一些示例。

在第一示例中，功率半导体装置1具有半桥配置。例如，图9示出由两个半桥腿组成的全桥配置。二极管与IGBT反并联连接。横跨该组合感测电压。感测负载中的电流。根据负载电流，所测量的电压降是IGBT(正电压)两端或二极管(负电压)两端的电压降。例如，在随后的半调制周期期间执行各个装置的监测。

在第二示例中，功率半导体装置1用作栅极电压灵敏度。对于一些IGBT和MOSFET，V_on(I_on)曲线的温度灵敏度取决于栅极电压。这修改了曲线V_{on_2}(V_{on_1})和V_on(T_j)，如图4至图8所示。因此对于仅估计ΔR的方法和估计ΔR和T_j的方法二者，可控制栅极电压以增加灵敏度。这涉及控制栅极电压的特殊手段。在这种情况下，需要利用适当的栅极电压建立将V_{on_1}与V_{on_2}以及(ΔR或V_on)与(T_j、I_on和ΔR)相关联的模型。

在第三示例中，该方法用于估计功率半导体装置1的健康状态。电阻增加ΔR可直接用于估计健康状态。例如，1mΩ的增加可指示50％的损坏程度。详细预校准数据。

在第四示例中，该方法用于使用应力计数来估计功率半导体装置1的健康状态。在线估计的结温可用作诸如“rainflow”算法的温度循环计数算法的输入。诸如Coffin-Manson模型或组合Coffin-Manson和Arrhenius模型的所谓损坏模型可用于估计各个循环所造成的损坏。然后使用诸如线性累积规律的损坏累积规律，可估计总损坏。

在第五示例中，该方法用于使用热阻参数来估计功率半导体装置1的健康状态。可利用具有输入I_on、V_on的损耗模型来估计管芯中的功率损耗P_loss。可使用T_j估计和壳体温度T_c来估计管芯与基板之间的温度差ΔT。可使用P_loss和ΔT＝T_j-T_c来估计热阻R_th。

在包括可选步骤i)的第六示例中，该方法用于估计功率半导体装置1的寿命结束(或剩余有用寿命RUL)。这需要参数的时间上外推。该参数可以是健康状态和/或电阻增加ΔR和/或热阻增加。可能需要这些参数的演变模型以执行外推。模型的一个物理启发示例是：

这是假设金属化的电阻率线性增加和引线接合中的线性裂纹蔓延的简化模型。这种模型可被识别/拟合，然后外推。与阈值的交叉点提供寿命结束。

前述示例可彼此组合以及与上述实施方式组合。建立功率半导体装置1中的电连接的劣化状态及其健康的方法可应用于各种技术领域中的各种功率模块，特别是牵引设备、风能、工厂自动化或汽车领域中。

作为一种方法描述了本发明。在另一方面，本发明也可被视为诊断装置100(图10所示)，其包括在操作上与至少一个存储介质关联的至少一个处理器以及能够插入到功率半导体装置1的一组插头。这种诊断装置100被设置为在被插入到功率半导体装置1时实现根据前述的方法。本发明还可具有套件形式，该套件例如包括能够在操作上彼此联接以形成操作组件的功率半导体装置1和诊断装置100。

本发明不限于这里所描述的装置、组件、套件和处理，这些仅是示例。本发明涵盖在以下权利要求的范围内本领域技术人员可以想到的每一种替代。

Claims

1.一种建立功率半导体装置中的电连接的劣化状态的方法，该方法包括以下步骤：

a)当所述功率半导体装置处于经受第一电流值(I_{on_1})和第一温度值(T_{1_calibration})的第一状态时，至少测量所述功率半导体装置的第一电压降值(V_{on_1_calibration})；

b)当所述功率半导体装置处于经受第二电流值(I_{on_2})和第二温度值(T_{2_calibration})的第二状态时，至少测量所述功率半导体装置的第二电压降值(V_{on_2_calibration})，所述第二温度值(T_{2_calibration})等于所述第一温度值(T_{1_calibration})±5℃，满足以下两个条件中的至少一个：

-所述第一电流值(I_{on_1})等于第一阈值(X％×I_nom)并且所述第二电流值(I_{on_2})等于第二阈值(Y％×I_nom)，所述第二阈值(Y％×I_nom)严格大于所述第一阈值(X％×I_nom)，

-所述第一状态和所述第二状态至少相对于所述功率半导体装置的一个晶体管或一组晶体管的栅极电平(G)彼此不同；

d)在操作条件下监测电流(I)以及表示所述功率半导体装置的操作状态的至少一个参数(T,F_mod,G)；

e)在以下条件下至少测量所述功率半导体装置的第三电压降值(V_{on_1_test})：

-在等于所述第一电流值(I_{on_1})±所述功率半导体装置的标称电流(I_nom)的5％的电流(I_{1_test})下，并且

-在所监测的所述至少一个参数(T,F_mod,G)对应于与所述功率半导体装置的操作状态和所述功率半导体装置的第三温度值(T_{1_test})有关的第一预定义的标准集合的时刻；

f)在以下条件下至少测量所述功率半导体装置的第四电压降值(V_{on_2_test})：

-在等于所述第二电流值(I_{on_2})±所述功率半导体装置的所述标称电流(I_nom)的5％的电流(I_{2_test})下，并且

-在所监测的所述至少一个参数(T,F_mod,G)对应于与所述功率半导体装置的操作状态和所述功率半导体装置的等于所述第三温度值(T_{1_test})±5℃的第四温度值(T_{2_test})有关的第二预定义的标准集合的时刻；

g)保存至少两个值(V_{on_1_test},V_{on_2_test},)作为操作数据；

h)以估计所述功率半导体装置的劣化状态的方式根据所述校准数据(V_{on_1_calibration},V_{on_2_calibration})和所述操作数据(V_{on_1_test}；V_{on_2_test})来计算数值指标(ΔR)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述功率半导体装置包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、二极管组件或这些元件的组合。

3.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，测量所述功率半导体装置的电压降值(V_{on_1_test},V_{on_2_test})的步骤连续地或以预定频率实施，而不仅在所监测的所述至少一个参数(F_mod,G)对应于所述功率半导体装置的预定义的操作状态的时刻实施。

4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述第二阈值(Y％×I_nom)大于或等于所述第一阈值(X％×I_nom)的两倍。

5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，根据以下假设通过外推来计算所述数值指标(ΔR)：两个所述校准数据(V_{on_1_calibration},V_{on_2_calibration})均对应于所述数值指标具有与所述功率半导体装置的所述电连接完全没有劣化对应的值(ΔR＝0)的情况。

6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，监测步骤包括至少监测所述电流(I)的频率(F_mod)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一预定义的标准集合和所述第二预定义的标准集合包括大于或等于20Hz的频率(F_mod)，并且至少测量所述第三电压降值和所述第四电压降值(V_{on_1_test},V_{on_2_test})的步骤在所述电流(I)的公共周期的两个分别的时刻进行。

8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所监测的参数对应于所述功率半导体装置的与所述功率半导体装置的一个晶体管或一组晶体管的栅极电平(G)相关的状态，对于所述功率半导体装置的与所述栅极电平(G)相关的状态，所述第一预定义的标准集合和所述第二预定义的标准集合包括彼此不同的标准。

9.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，

-所述第一电压降值和所述第二电压降值(V_{on_1_calibration},V_{on_2_calibration})的测量步骤a)和b)在相互分开至多50毫秒的两个分别的时刻进行；并且/或者

-所述第三电压降值和所述第四电压降值(V_{on_1_test},V_{on_2_test})的测量步骤e)和f)在相互分开至多50毫秒的两个分别的时刻进行。

10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，至少测量所述第一电压降值(V_{on_1_calibration})的步骤还包括测量所述第一温度值(T_{1_calibration})，并且/或者

其中，至少测量所述第二电压降值(V_{on_2_calibration})的步骤还包括测量所述第二温度值(T_{2_calibration})；

其中，保存步骤还包括保存与相应电压降值(V_{on_1_calibration},V_{on_2_calibration})关联的各个所述温度值(T_{1_calibration},T_{2_calibration})作为校准数据，并且

其中，计算数值指标的步骤还包括根据所述校准数据(V_{on_1_calibration},T_{1_calibration}；V_{on_2_calibration},T_{2_calibration})和相应操作数据(V_{on_1_test},V_{on_2_test})来计算温度(T_{1_test}；T_{2_test})。

11.根据权利要求1至9中的一项所述的方法，其中，在监测步骤期间监测的表示所述功率半导体装置的操作状态的所述至少一个参数(F_mod,G)被去除所测量的温度(T)；所述操作数据(V_{on_1_test}；V_{on_2_test})被去除所测量的温度值以用于计算所述数值指标(ΔR)的步骤。

12.根据前述权利要求中的一项所述的方法，该方法还包括根据当所述数值指标(ΔR)等于零时的电流值(I_{on_1},I_{on_2})来构造所述至少两个电压降(V_{on_1_calibration},V_{on_2_calibration})之间的关系的模型的步骤，所述模型然后用于根据所述校准数据(V_{on_1_calibration},V_{on_2_calibration})和所述操作数据(V_{on_1_test}；V_{on_2_test})来计算所述数值指标(ΔR)。

13.根据前述权利要求中的一项所述的方法，该方法还包括以下步骤：

i)通过按照估计电子装置的寿命结束的方式外推所述数值指标(ΔR)的演变来构造所述功率半导体装置的劣化模型。

14.一种诊断装置，该诊断装置包括在操作上与至少一个存储介质关联的至少一个处理器以及能够插入到功率半导体装置的一组插头，该诊断装置被设置为在被插入到所述功率半导体装置时实现根据前述权利要求中的一项所述的方法。

15.一种非暂时性计算机可读存储介质，该非暂时性计算机可读存储介质包括存储在其上并且能够由处理器以软件代理的形式执行的程序产品，该程序产品包括至少一个软件模块，所述至少一个软件模块包括实现根据权利要求1至13中的一项所述的方法的指令。