CN113366747A - 确定半导体模块的剩余的常规可用性 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定半导体模块(24)的剩余的常规可用性的方法，该半导体模块与冷却装置(20)热耦联，其中，在由冷却装置(20)预设冷却的情况下为半导体模块(24)加载预设的电负荷(34)，至少针对半导体模块(24)的预设的电负荷(34)检测半导体模块(24)的半导体元件(28)的温度(36)，在第一比较中将检测的温度(36)与参照温度(40)比较，其中，在预设的冷却的情况下将参照温度(40)对应于预设的电负荷(34)，并且至少根据第一比较得出用于半导体模块(24)的剩余的常规可用性的直到可用性终点的预测数据(44)。

Description

确定半导体模块的剩余的常规可用性
技术领域
本发明涉及一种用于确定半导体模块的剩余的常规可用性的方法，该半导体模块与冷却装置热耦联。本发明还涉及一种用于运行与电机连接的能量转换器的方法，该能量转换器将电机与中间直流电路电耦联，为了电耦联的目的，至少一个与冷却装置热耦联的半导体模块与至少一个与半导体模块电耦联的储能器配合工作，并且该半导体模块运行用于在能预设的开关运行中的、中间直流电路与电机的电耦联。本发明还涉及一种用于控制至少一个与冷却装置热耦联的半导体模块的控制单元。最后，本发明还涉及一种用于与电机连接的能量转换器，该能量转换器具有至少一个半导体模块、与至少一个半导体模块热耦联的至少一个冷却装置、与至少一个半导体模块电耦联的至少一个储能器、用于电机的连接的连接触点、用于将能量转换器与中间直流电路连接的中间电路接头、以及与至少一个半导体模块电耦联的控制单元，该控制单元用于在能预设的开关运行中控制至少一个半导体模块，以将中间直流电路与电机互相电耦联。
背景技术
这种方法、控制单元以及能量转换器在现有技术中基本上是众所周知的，从而不需要为此特别列举证据。现有技术尤其涉及半导体模块的应用，该应用在现有技术中以各种各样的方式被使用，以便将电能以很不同的方式变换。通常借助于能量转换器实施电能的变换，该能量转换器例如能够设计为逆变器。
逆变器是能量转换器的一种形式，逆变器将中间直流电路与交流电网络以电能技术耦联，从而能够在中间直流电路与交流电网之间交换电能。为此通常提出，能量转换器具有至少一个开关元件，该开关元件与电能储存器配合工作。至少一个开关元件通常由半导体模块构成，该半导体模块能够包括一个或多个半导体开关元件。
在交流电压侧，交流电网络能够例如由电机、特别是多相电机构成。通过借助控制单元在开关运行中控制至少一个开关元件，能够实现逆变器或能量转换器的期望的转换功能，从而能够用电机实现期望的驱动功能。
为此，通常利用预设的时钟速率运行开关元件，该时钟速率显著高于交流电网络的至少一个相交流电压的频率。借助于特定的控制方法、如脉冲宽度调制(PWM)或者类似方法，由此能够产生期望的能量技术的耦联。为此，控制单元提供特定的开关信号用于至少一个开关元件或者多个开关元件中的每一个，以使至少一个开关元件或者多个开关元件能够在开关运行中以期望的方式运行。
已显示的是，半导体模块尤其根据功率模块的类型经受老化，该老化还取决于半导体元件的温度偏移，该温度偏移例如能够由改变的电负荷引起。在特定数量的与负荷变化有关的温度循环之后，达到用于半导体模块的常规可用性的可用性终点，并且可用性终点能够导致半导体模块故障。这还能由不同的结构层和连接层以及半导体元件到冷却装置的因此变差的热连接的分裂引起。半导体模块的故障、尤其是具有至少一个半导体模块的能量转换器的故障表明是干扰性的并且在某些情况下甚至能够导致危险状况。因此期望的是，提供关于半导体模块的剩余的常规可用性的信息，因此一方面能够在半导体模块的故障之前及时实施维护，并且另一方面当能预见可用性终点时，才需要进行维护。
为此，至今通常经由热模型确定半导体元件的温度。在此，在冷却装置处输出借助于温度传感器检测的温度，并且对半导体元件的实际温度进行近似值计算。能够基于以这种方式计算的半导体元件温度估计或计算半导体元件的相应的温度偏移。通过来自经验的研究借助于负荷变化实验针对至少一个半导体模块能够确定直到半导体模块故障的温度循环的数量。针对预设的相对大(例如大于70K)的温度偏移得出负荷变化强度。
然而，在半导体模块的常规运行中通常仅出现较小的温度偏移，其例如在大约10K到大约35K的范围内。仅偶尔出现较大的温度偏移。
用于确定剩余的可用性的上述热模型表明是不利的，因为当前的功率损耗被考虑为计算量，该功率损耗经由少量存储点得出。此外，该模型没有考虑半导体元件与冷却面之间的热阻能够随着半导体模块的渐进使用而变化，尤其变大。通过在大于70K的温度偏移中负荷变化能力的测量结合半导体模块的批次差异，借助确定当前损耗的有限准确性以及取决于常规可用性的热阻的改变，这些点导致非常不精确地得出可用性终点或者剩余的可用性。因此，通常即使实际上还能存在到可用性终点的足够距离，也在可用性终点之前明确地实施维护。这是高耗费的和昂贵的。
EP 3 054 306A1还公开用于确定功率半导体模块老化的方法以及装置和电路布置。JP 2011-196703 A还公开用于功率半导体模块的功率周期寿命估算。EP 3 203 250A1还公开用于估算功率半导体模块的损坏级别或者预期寿命的方法和装置。最后，US 2009/0046406 A1公开半导体装置。
发明内容
本发明的基本目的是，准确地确定半导体模块的可用性终点或者剩余的常规可用性。
本发明提出根据独立权利要求的方法、控制单元以及能量转换器作为解决方案。
有利的改进方案根据从属权利要求的特征给出。
关于这种方法，根据第一方面提出，在由冷却装置预设冷却的情况下，用预设的电负荷加载半导体模块，至少针对半导体模块的预设的电负荷来检测半导体模块的半导体元件的温度，在第一比较中将检测的温度与参照温度比较，其中，在预设的冷却的情况下将参照温度对应于预设的电负荷，并且至少根据第一比较得出用于半导体模块的剩余的常规可用性的直到可用性终点的预测数据。
关于这种方法，根据第二方面提出，在由冷却装置预设冷却的情况下，用预设的电负荷加载半导体模块，得出半导体模块的半导体元件与冷却装置之间的热阻，在第二比较中将得出的热阻与参考热阻比较，并且至少根据第二比较得出用于半导体模块的剩余的常规可用性的直到可用性终点的预测数据。
关于用于运行能量转换器的这种方法尤其提出，根据本发明来确定至少一个半导体模块的剩余的常规可用性。
关于这种控制单元，根据第一方面尤其提出，控制单元设计用于，在由冷却装置预设冷却的情况下，用预设的电负荷加载半导体模块，至少针对半导体模块的预设的电负荷检测半导体模块的半导体元件的温度，在第一比较中将检测的温度与参照温度比较，其中，在预设的冷却的情况下将参照温度对应于预设的电负荷，并且至少根据第一比较得出用于半导体模块的剩余的常规可用性的直到可用性终点的预测数据。
关于这种控制单元，根据第二方面尤其提出，控制单元设计用于，在由冷却装置预设冷却的情况下，用预设的电负荷加载半导体模块，得出半导体模块的半导体元件与冷却装置之间的热阻，在第二比较中将得出的热阻与参考热阻比较，并且至少根据第二比较确定用于半导体模块的剩余的常规可用性的直到可用性终点的预测数据。
关于这种能量转换器尤其提出，根据本发明设计控制单元。
本发明基于如下构思，即根据第一方面对半导体元件的温度的几乎直接或者直接的检测，或者根据第二方面对热阻的确定，能够比以前更精确地得出预测数据。在此，半导体模块或者半导体模块的半导体元件的特定属性能够被考虑，以便检测半导体元件的实际温度。因此，例如能够在IGBT中如下地实现温度检测，即借助于电压传感器检测IGBT的阈值电压。阈值电压通常取决于半导体元件的温度或者IGBT的半导体芯片的温度。此外，当然还能提出，半导体元件例如包括集成的PN结，该PN结能够用作温度传感器。在该背景中还参考欧洲电力电子及应用会议(EPE2016，ECCE欧洲，卡尔斯鲁厄，德国，2016年9月)的
Figure BDA0003186760740000051
M等人的出版物“基于栅极至发射极阈值电压在大功率4.5kV的IGBT模型中在线温度预估方法的应用问题(Application issues of an online temperature estimation method ina high-power 4.5kV IGBT module based on the gate-emitter threshold voltage)”。
本发明还利用如下认识，即尤其关于第一方面在预设电负荷并且由冷却装置预设冷却的情况下，检测的温度的升高或者检测的温度偏移的升高能够是用于老化进而用于半导体模块的剩余的常规可用性的程度。由该认识还能够以经验得出被考虑用于实施第一比较的参照温度。这例如能够通过实验室的实验尤其利用统计方法和/或类似方法实现。因此，预测数据根据对比能够被确定用于半导体模块的直到可用性终点的剩余的常规可用性。为此，能够例如根据检测的温度与参照温度之间的差得出预测数据。因此，检测的温度根据第一方面被考虑用于得出预测数据。
针对第二方面利用如下认识，即能够考虑半导体元件与冷却装置之间的热阻，以便得出预测数据。在此利用如下认识，即热阻同样能够取决于半导体模块的老化，因为热阻自身能够随半导体模块的老化的延长而增加。为此，热阻能够被用于在第二比较的范围内得出预测数据。为此确定被提供用于第二比较的参考热阻。同样能够通过实验室的实验尤其利用统计方法和/或类似方法确定参考热阻。因此，当得出了半导体元件与冷却装置之间的热阻时，同样可以通过第二比较得出预测数据。
为了能够提高准确性或者更好地考虑半导体模块的特定应用，两个方面当然因此还能彼此组合应用。
在本公开的范畴中，半导体模块尤其用于半导体开关元件的机械构造，其中，半导体元件与冷却面热耦联，冷却面在其侧能够与冷却装置耦联，以便能够排导在开关元件的常规运行期间产生的热量，该半导体元件例如能够由半导体芯片或类似物构成。为此，半导体元件通常借助于机械连接方法和/或机械连接机构与冷却面固定地连接，从而能够实现尽可能有利的过渡热阻。因此，半导体模块能够具有至少一个半导体元件。然而，根据需求，半导体模块还能够具有另外的半导体元件，另外的半导体元件能够具有分开的冷却面或者至少一部分共同与单独的冷却面连接。半导体模块通常包括壳体，该壳体提供冷却面。同时能够利用该壳体实现例如对外部大气的密封，以使该半导体元件或者多个半导体元件能够被保护免于外部机械和大气的影响。
能量转换器能够包括至少一个作为开关元件的单一的半导体模块。然而根据需求还能够设置多个半导体模块，以便能够实现期望的能量转换功能。为了能够实现能量转换器，能量转换器通常还包括电能储存器或者至少电耦联该类型的例如一个或多个电容器、一个或多个电线圈和/或类似物。当然，由此还能设置组合电路。能量转换器的能量转换功能借助于半导体模块与至少一个储能器配合实现。
形成能量转换器的至少一个开关元件的至少一个半导体模块相应具有至少一个控制接口以实现期望的开关功能，在该控制接口处能够加载由控制单元提供的开关信号，以能够实现半导体模块的期望的开关功能。开关信号能够是二进制的开关信号，二进制的开关信号能够占据至少两个状态值，以便能够提供半导体模块的期望的开关功能。开关信号例如能够由用于加载控制接口的脉冲序列形成。这主要在包括晶闸管和GTO的半导体模块中是有利的。此外在晶体管中能够设置矩形信号的开关信号，其中，开关元件或者半导体模块的相应的开关状态能够对应于矩形信号的电位之一。这种信号例如适用于晶体管，尤其用于双极型晶体管、场效应晶体管或者类似物。
在本公开的范畴中，开关元件通常设计用于半导体开关元件，在此优选是可控制的电子开关元件，比如是可控制的电子半导体开关、例如在开关操作中运行的晶体管、组合电路中的晶闸管、优选与反向二极管并联的组合或类似物的栅极关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)。然而，开关元件基本上还能由场效应晶体管、尤其是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)构成。
为了能量转换的目的，至少一个半导体模块通常运行在开关运行中。对于使用晶体管的半导体开关，开关运行表示在接通的开关状态中在晶体管的形成开关路径的接口之间提供非常小的电阻，从而在小的剩余电压中实现大电流。相反，在关断的开关状态中晶体管的开关路径是高阻值的，也就是说，开关路径提供了大电阻，从而在设在开关路径处的大电压中基本没有或者仅有非常小的、尤其可忽略的电流。这与在晶体管中的线性运行不同，其通常不用在这种能量转换器中。
控制单元提供用于产生开关信号的功能。还能由控制单元实现其他的功能、尤其关于能量转换器的功能、例如监控功能、安全功能和/或类似功能。为此，控制单元能够包括硬件电路和/或程序控制的计算单元或者类似物。控制单元当然能够设计用于分开的组件。然而，控制单元还能至少部分地被包括能量转换器的驱动装置的或能量转换器的上级控制器包括。
电机能够是直流电机或者交流电机。作为交流电机，电机能够是单相或者多相交流电机。电机能够例如是同步电机、异步电机或者类似物。当电机是同步电机时，同步电机例如能够设计为永磁电机。然而，同步电机还能够设计为他励电机或者类似物。当然还能考虑这些的组合，以便能够例如实现可能会影响磁通量的特定的驱动功能。
时钟频率基本对应于如下频率，利用该频率通过控制单元提供用于至少一个半导体模块的开关信号。在此能够提出，用于控制单个开关元件的脉冲与时钟频率同步，以为开关元件提供接通时段和关断时段。
至少一个半导体模块通常设计为功率半导体模块，其有时也称为功率模块，因此通过冷却装置在常规的运行中实现期望的冷却。根据在常规的运行中半导体模块的电负荷在半导体模块中产生热量，借助于冷却装置排导该热量，以避免半导体模块的过热。热量还如下地出现在常规运行中的半导体模块中，即电流被引导并因此产生通过损耗。热量还如下地产生，即在接通的开关状态与关断的开关状态之间的变换期间产生开关损耗。
预测数据为此能够用于提供相应的用于告知用户的说明。通过该说明能够告知用户，用于半导体模块的哪个预估使用寿命或者剩余的常规可用性还可用。该说明还能用于规划维护，以使半导体模块能够尽可能广泛地被使用到可用性终点，并且能够在半导体模块的故障之前及时实施相应的维护。由此，用于半导体模块以及使用半导体模块的装置(例如能量转换器或者类似物)的维护和运行的费用能够减少。
优选地，预测数据例如由电信号形成。预测数据能够例如包括数字的数据。然而，预测数据基本上还能够包括模拟的数据。预测数据能够由控制单元的处理单元确定或者得出。为此，处理单元例如能够包括电路、程序控制的计算装置、这些的组合或者类似物。处理单元能够设计用于控制单元的分开的组件。但是，控制单元基本上还能够被上级的控制单元所包括，上级的控制单元例如控制包括半导体模块的装置。
为了得出预测数据，比较结果被提供用于控制单元并且在这里尤其用于处理单元的至少第一比较和/或第二比较。为此，对比信号在实施相应的比较时被处理单元使用，以得出预测数据。预测数据的得出能够补充地在统计方法的使用中实现。为此，平均值、方差和/或类似物能够被得出。为此，另外的参考数据还能够被使用，例如能够被存储在控制单元的、尤其是处理单元的存储单元。此外，当然还能由外部存储装置至少部分地经由存储装置与控制单元或者处理单元之间的通信连接提供参考数据。由此存在如下可行方案，即集中提供参考数据，以使参考数据能够以简单方式被维护或更新。此外，参考数据因此还能够被提供用于多个不同控制单元或者处理单元。参考数据能够例如利用一个或多个参考半导体模块被确定。这能够例如在实验室研究中被确定。用于得出预测数据的不同可行方案当然还能彼此结合。
与预测数据对应的说明能够例如是电的、光学的、液压的、气压的或者触觉的信号。该说明还能是一个或者多个上述信号的组合。该说明能够由预测数据确定，通过将预测数据供应给加工单元、例如信号仪器或类似物，信号仪器因此根据相应的说明被确定，从而根据相应的说明能够提供相关信息的能由用户获知的显示。相应的说明尤其能够作为半导体元件的温度变化的预测数量和/或预测持续时间被提供用于剩余的常规可用性。例如参考热阻能够在半导体模块的常规可用性的开头被确定。如果得出的热阻达到超过参考热阻例如大约20％的值，这能够导致直接的即将到来的可用性终点。预测数据被相应地得出。
加工单元或者信号仪器能够被控制单元包括。然而，控制单元还能够设计为分开的加工单元或者与控制单元形成通信连接的分开的信号仪器，信号仪器。当然还能设置这些的组合。加工单元或者信号仪器加工预测数据，从而能够实现信息的期望的相应说明或者显示。这能够取决于信号仪器，并且尤其取决于信号仪器将哪种媒介用于信息的描述。因此，信号仪器例如能够设计用于信息的光学的、声学的和/或触觉的输出，其中，预测数据以适合的方式被加工，因此能够实现信息的期望的输出。在此能够提出，例如当信号仪器提供不同的输出可能时，信息的输出类型能够由用户设置。为此，相应的输入机构能够设计成使其能够由用户设置。
控制单元能够设计为分开的组件，该组件能够包括自己的壳体。然而，控制单元优选是装置的上级控制器的组成部分，该装置使用例如能量转换器或者类似物的半导体模块。
为了得出预测数据，在由冷却装置预设冷却的情况下用预设的电负荷加载半导体模块。能够通过预设的电负荷实现相应的预设的运行状态，从而能够确定半导体模块的相应的功率损耗。功率损耗能够对应于热功率，热功率能够由冷却装置排导，以保证半导体模块的常规运行。为此能够提出，预设的电负荷包括具有预设的电压负荷和/或电流负荷的预设的开关模式。由此，能够实现用于检测温度或者热阻的限定的框架条件，以便能够常规实施各自相应的比较。
常规可用性尤其包括用于实施电子控制功能的半导体模块的常规使用，半导体模块例如作为能量转换器中开关元件、能量分布装置和/或类似物中的开关元件。在此，常规可用性涉及：半导体模块在包括半导体模块的装置的常规运行期间运行在常规运行区域(安全运行区域，SOA)中。通常，该说明涉及厂家说明。优选地，用于半导体模块的常规可用性的可用性终点被相应如下地表征，即半导体模块的期望的或者需要的功能在运行条件下根据SOA能够不再被可靠提供，例如因为半导体模块根据半导体元件的故障不再可用或者类似原因。
优选地提出，一旦在预设的冷却的情况下得出预设的电负荷，在常规运行期间检测半导体模块的电负荷和冷却，并且执行比较。由此可行的是，还能够在半导体模块的常规运行期间得出预测数据。在此，其他改进方案基于如下构思，预设的负荷和预设的冷却在常规运行中在特定的时间点能够被反复实施，该时间点还能被设置。对这种情况，为了得出预测数据，分开的测试信号由此不需要被设置用于常规负荷和常规冷却。在该改进方案中，常规运行还能一同不受干扰地继续进行。
根据一个改进方案提出，在常规运行之外通过冷却装置和电负荷预设冷却。由此能够实现的是，能够在可预设的时间点得出预测数据。这能够例如在常规运行的实施之前或者还能在运行中断或者运行间歇时进行。当在半导体模块常规运行期间不实现或仅很少实现预设的电负荷和/或预设的电冷却时，该设计尤其适合。
还提出，将针对预设的负荷的、在预设的冷却的情况下检测的温度和/或得出的热阻存储。由此可行的是，记录半导体模块的老化并且同时通过补充的参数更准确地得出参照温度或者参考热阻，从而能够一同进一步改进对预测数据的得出。此外，由此存在的可行方案是，例如置入冷却装置并且加强冷却功能，从而能够根据老化效应减小半导体元件的升高温度。由此能够一同扩大半导体模块的常规应用。在这种情况下，优选相应匹配参照温度和/或参考热阻。
优选地，在达到用于半导体模块的常规可用性的可用性终点之前得出预测数据。由此，半导体模块的预测还可用的可用性能够通过预测数据借助于相应的说明被显示。优选地，因此能够连续地经由剩余的常规可用性告知用户，以使特定的需要半导体模块的可靠功能的应用场景必要时能够被相应规划。因此得出的预测数据能够不仅用于可用性终点。
还提出，检测的温度与参照温度之间的差和/或得出的热阻与参考热阻之间的差大于预设的参考值时，显示可用性终点。由此能够实现，半导体模块的可能的危险故障能够预先通过维护被消除。例如半导体模块能够为此被更换。尤其在半导体模块的安全相关的使用中，这可能是优点。参考值能够例如通过实验室的实验或者类似方式以经验确定。此外，还能在考虑统计的评价方法的情况下确定参考值。
根据一个改进方案提出，根据检测的温度与参照温度之间的差和/或得出的热阻与参考热阻之间的差，输出用于设置半导体模块的最大负荷的负荷信号。由此负荷减少例如能够由控制单元实现，因此包括半导体模块的装置的可用性能够被扩大。因此，可用性终点能够被延迟。此外还能实现的是，故障状态能够被维持至能够实施维护，以便例如更换半导体模块。由此能够一同改善可靠性。
作为能量转换器中的用于使电机电耦联中间直流电路的半导体模块的补充能够提出，根据矢量控制控制电机，并且对于电机将专门形成场的电流设置为能预设的电负荷。由此能够实现，在短时间内能够达到半导体元件的大的热负荷。因此，检测的温度和/或得出的热阻能够被用于得出预测数据，如上所述。因此在这种情况下，预测数据能够在存在的装置或者应用中被得出，在这方面无需额外干预。尤其表明有利的是，由于形成场的电流，电机不需要产生扭矩，从而不由电机产生不期望的影响。
优选的是，在电机的常规运行之外设置形成场的电流。由此实现预设的电负荷和预设的冷却几乎能够自由设置的条件，因为不需要考虑电机的运行。根据本发明的方法的应用能够由此被改进。
附图说明
根据附图由以下实施例得出另外的特征、优点和效果。在附图中相同的附图标记表示相同的特征和功能。附图示出：
图1示出了具有连接到逆变器的异步电机的驱动装置的电路示意图；
图2示出了布置在散热器上的IGBT模块在示意性截面中的截面示意图；并且
图3示出了针对根据图2的预设的IGBT模块的电负荷以及相应温度的图表示意图；并且
图4示出根据本发明的方法进程的流程示意图。
具体实施方式
图1示出具有作为能量转换器的逆变器14的驱动装置10的电路示意图，逆变器包括用于连接三相异步电机12的三个连接触点46。异步电机12包括相U、V、W。逆变器14还包括连接触点48，逆变器经由该连接触点连接到中间直流电路16，该中间直流电流具有中间电路电容器18。连接触点48形成中间电路接头。
逆变器14具有作为半导体模块的IGBT模块24或者开关元件，该开关元件以已知方式成对地在串联电路中被开关，开关元件的中心接头50连接到相应的连接触点46上。
逆变器14还包括为IGBT模块24提供开关信号的控制单元22，因此IGBT模块在开关运行中运行。由此能够以能预设的方式将异步电机12与中间直流电流16耦联。
控制单元22还连接显示单元30，能够经由显示单元显示驱动装置10、尤其是逆变器14的运行参数和实时运行数据。
图2示出IGBT模块24的示意性机械结构，如其在根据图1的逆变器14中所应用的那样。图2示出剖视图。可以看出的是，IGBT模块24具有壳体52，该壳体包括安装板26。安装板26设在连接到散热器20的连接面54上，该散热器提供散热装置。由散热器20实现预设的冷却。
为了针对IGBT模块24实现尽可能好的散热，安装板26和连接面54设计用于彼此匹配。由此实现特别有利或者小的过渡热阻。因此，安装板26提供冷却面。
半导体元件28固定在壳体内侧未描述的层状结构上方的安装板26上。层状结构用作半导体元件28和安装板26的热连接和机械连接。
半导体元件28提供实际的IGBT。关于半导体元件28和安装板26提供预设的过渡热阻。
还可以看出的是，半导体元件28具有与安装板26相对的接触面32，该接触面借助于已知的粘接与相应的未描述的IGBT模块24的连接触点连接。机械连接和相应的电连接能够以这种方式实现。
为了现在能够确定IGBT模块24的剩余的常规可用性，监控通过散热器20的冷却以及IGBT模块24的电负荷。如果得出符合曲线34(图3)的预设的电负荷，则半导体模块24同时根据曲线36(图3)检测半导体元件28的相应温度。之前已经针对根据曲线34预设的电负荷得出根据曲线40的参照温度。
在通过控制单元22实施的比较中，将根据曲线36检测的温度与根据曲线40得到的温度比较。然后根据比较得出预测数据(图4)，该预测数据被显示单元30处理，以使显示单元30说明剩余的可用性以及剩余的使用期。
在当前情况中，针对IGBT模块24通过IGBT模块24的阈值电压的测量得出温度。该电压根据相应的半导体芯片的温度已知，以使半导体元件28的实际温度能由该电压的得出值得出。在当前情况中，预测数据44(图4)因此取决于根据曲线36的检测温度与根据曲线40的参照温度之间的差。能够利用模型、统计评估方法和实验室的实验得出参照温度。
由图3还可看出，当通过冷却装置(在此为散热器20)因为设有例如空气过滤器或类似物而干扰冷却时，检测温度自身如何表现。这根据曲线38表示。可以看出，这种情况下上升速度小于曲线36所表示的。控制单元22由此能识别：通过散热器20的冷却是否还足够或者甚至被破坏。因此，控制单元22能够将该情况与可对应于老化的预测数据44区分开来。
图3示出示意性图表，在该图表中时间的横坐标以秒为单位布置。左侧的纵坐标是温度并以摄氏度为单位布置，并且右侧的纵坐标是功率并以瓦特为单位布置。曲线34展示相应的IGBT模块24的预设的电负荷。可以看出，预设的电负荷当前包括两个矩形脉冲，其中，时间上的第一矩形脉冲是时间上相对短暂的、具有大约300瓦特的功率的连续矩形脉冲。在短暂的功率中断之后，接下来是第二矩形脉冲，其持续大约160s的时间并且提供大于500W的功率。预设的电负荷根据曲线36引起IGBT模块24的半导体元件28的温度。
针对IGBT模块24的这种负荷的相应的参照温度，根据曲线40说明该IGBT模块完好如新。可以看出，随着日益老化，曲线36与曲线40之间的距离增大。曲线36与曲线40之间预设的最大距离被达到或者超过，这被确定为可用性终点。曲线36与曲线40之间的距离或者差能够因此用于确定或者预测剩余的常规可用性。为了这个目的，控制单元22包括未进一步描述的处理单元，该处理单元利用统计方法确定剩余的常规可用性并且提供相应的输出作为显示单元30的信号。处理单元评估被提供的信号，并且为用户提供相应的信息的输出。
图4示出根据本发明的方法进程的流程示意图。该方法在步骤56中开始。在相应的步骤34中检测预设的电负荷。之后，在步骤36中同时检测IGBT模块的温度。然后，检测的温度在比较步骤42中与参照温度40相比较。随后，在接下来的步骤44中根据比较得出预测数据。该方法在步骤58中结束。
利用本发明能够更可靠地警告驱动装置10的设备操作员，功率半导体的故障可能即将来临。因此能够及时地规划相应的维护，以能够避免逆变器14的较大损害和较长故障时间。由此，能够及时识别IGBT模块的故障，能在很大程度上避免驱动装置10的尤其在逆变器14上的较大的进一步损害。
当前的实施例仅用于解释本发明并且不应限制本发明。

Claims (14)

1.一种用于确定半导体模块(24)的剩余的常规可用性的方法，所述半导体模块与冷却装置(20)热耦联，其中：
-在由所述冷却装置(20)预设冷却的情况下，所述半导体模块(24)在常规运行中被加载预设的电负荷(34)，其中，预设的所述电负荷包括具有预设的电压负荷和/或电流负荷的预设的开关模式，
-至少针对所述半导体模块(24)的预设的所述电负荷(34)检测所述半导体模块(24)的半导体元件(28)的温度(36)，
-在第一比较中将检测的所述温度(36)与参照温度(40)比较，其中，在预设的所述冷却的情况下将所述参照温度(40)对应于预设的所述电负荷(34)，并且
-至少根据所述第一比较得出用于所述半导体模块(24)的剩余的常规可用性的、直到可用性终点的预测数据(44)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，得出所述半导体元件(24)与所述冷却装置(20)之间的热阻，并且在第二比较中将得出的所述热阻与参考热阻比较，其中，还补充性地根据所述第二比较得出所述预测数据(44)。
3.一种用于确定半导体模块(24)的剩余的常规可用性的方法，所述半导体模块与冷却装置(20)热耦联，其中：
-在由所述冷却装置(20)预设冷却的情况下，所述半导体模块(24)在常规运行中被加载预设的电负荷(34)，其中，预设的所述电负荷包括具有预设的电压负荷和/或电流负荷的预设的开关模式，
-得出所述半导体模块(24)的半导体元件(28)与所述冷却装置(20)之间的热阻，
-在第二比较中将得出的所述热阻与参考热阻比较，并且
-至少根据所述第二比较得出用于所述半导体模块的剩余的常规可用性的、直到可用性终点的预测数据(44)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在常规运行期间检测所述半导体模块(24)的所述电负荷(34)和所述冷却，并且一旦在预设的所述冷却的情况下得出预设的所述电负荷(34)就实施比较。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，储存在预设的所述冷却的情况下对于预设的负荷(34)检测的温度(36)和/或得出的热阻。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在达到用于所述半导体模块(24)的常规可用性的可用性终点之前，得出所述预测数据(44)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在检测的温度(36)与参照温度之间的差和/或得出的热阻与参考热阻之间的差大于预设的参考值时，显示所述可用性终点。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据检测的温度(36)与参照温度之间的差和/或得出的热阻与参考热阻之间的差，输出用于设置所述半导体模块(24)的最大负荷的负荷信号。
9.一种用于运行与电机(12)连接的能量转换器(14)的方法，所述能量转换器将电机(12)与中间直流电路(16)电耦联，为了所述电耦联的目的，至少一个与冷却装置(20)热耦联的半导体模块(24)和至少一个与所述半导体模块(24)电耦联的储能器(18)配合工作，并且所述半导体模块运行用于在能预设的开关运行中将所述中间直流电路(16)与所述电机(12)电耦联，其特征在于，根据前述权利要求中任一项来确定至少一个所述半导体模块(24)的剩余的常规可用性。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据矢量控制来控制所述电机(12)，并且对于所述电机(12)将专门形成场的电流设置为能预设的电负荷(34)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述电机(12)的常规运行之外设置形成场的所述电流。
12.一种用于控制至少一个半导体模块(24)的控制单元(22)，所述半导体模块与冷却装置(20)热耦联，其中，所述控制单元(22)为了确定所述半导体模块(24)的剩余的常规可用性而设计用于：
-在由所述冷却装置(20)预设冷却的情况下，所述半导体模块(24)在常规运行中被加载预设的电负荷(34)，其中，预设的所述电负荷包括具有预设的电压负荷和/或电流负荷的预设的开关模式，
-至少针对所述半导体模块(24)的预设的所述电负荷(34)检测所述半导体模块(24)的半导体元件(28)的温度(36)，
-在第一比较中将检测的所述温度(36)与参照温度(40)比较，其中，在预设的所述冷却的情况下将所述参照温度(40)对应于预设的所述电负荷(34)，并且
-至少根据所述第一比较得出用于所述半导体模块(24)的剩余的常规可用性的、直到可用性终点的预测数据(44)。
13.一种用于控制至少一个半导体模块(24)的控制单元(22)，所述半导体模块与冷却装置(20)热耦联，其中，所述控制单元(22)为了确定所述半导体模块(24)的剩余的常规可用性而设计用于：
-在由所述冷却装置(20)预设冷却的情况下，所述半导体模块(24)在常规运行中被加载预设的电负荷(34)，其中，预设的所述电负荷包括具有预设的电压负荷和/或电流负荷的预设的开关模式，
-得出所述半导体模块(24)的半导体元件(28)与所述冷却装置(20)之间的热阻，
-在第二比较中将得出的所述热阻与参考热阻比较，并且
-至少根据所述第二比较得出用于所述半导体模块(24)的剩余的常规可用性的、直到可用性终点的预测数据(44)。
14.一种用于与电机(12)连接的能量转换器(14)，所述能量转换器具有：
-至少一个半导体模块(24)，
-与至少一个所述半导体模块(24)热耦联的至少一个冷却装置(20)，
-与至少一个所述半导体模块(24)电耦联的至少一个储能器(18)，
-用于连接所述电机(12)的连接触点(46)，
-用于将所述能量转换器(14)与中间直流电路(16)连接的中间电路接头(48)，和
-与至少一个所述半导体模块(24)电耦联的控制单元(22)，所述控制单元用于在能预设的开关运行中控制至少一个所述半导体模块(24)，以将所述中间直流电路(16)与所述电机(12)互相电耦联，
其特征在于，根据权利要求12和/或权利要求13设计所述控制单元(22)。
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