CN114928263A - 具有功率半导体的改进温度确定的用于运行电动车辆驱动器的功率模块 - Google Patents

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Abstract

一种具有功率半导体的改进温度确定的用于运行电动车辆驱动器的功率模块，和一种用于测量功率模块的工作温度的方法，功率模块(10)包括多个半导体开关元件(14)和驱动电子设备(16)，其中半导体开关元件(14)可以通过驱动电子设备(16)而被切换，使得半导体开关元件(14)允许或中断负载电流以便将在输入侧馈送到所述功率模块(10)中的直流电转换为输出侧交流电，其中该方法包括测量在位于二极管(22)的一侧上的点处存在的电压，二极管与半导体开关元件(14)串联连接并且背离半导体开关元件(14)，其中该方法包括测量由电流源(18)产生的半导体开关元件(14)的漏源电流，其中该方法包括确定测得电压和测得电流之间的数学相关性。

Description

具有功率半导体的改进温度确定的用于运行电动车辆驱动器 的功率模块
技术领域
本发明涉及电动机动领域，特别是用于车辆的电动驱动器的运行的功率模块。
背景技术
功率模块，特别是集成功率模块，越来越多地应用于机动车辆中。例如，这种功率模块用于DC/AC逆变器中，其目的是为诸如电动马达之类的电机提供多相交流电。通过DC能量源(诸如，电池)产生的直流电在这里被转换为多相交流电。功率模块基于功率半导体，特别是晶体管，诸如IGBT、MOSFET以及HEMT。进一步的应用领域包括DC/DC转换器和AC/DC整流器以及变压器。
用于桥接电路的功率开关通常由功率半导体构成。常见示例是所谓的半桥，半桥包括高侧组件和低侧组件。高侧和低侧组件均包括一个或多个功率开关，即高侧功率开关和低侧功率开关。通过高侧和低侧功率开关的受控切换，在功率模块的输出端处产生的电流(输出电流)的方向可以在非常短的周期时间内在正电流方向和负电流方向之间改变。这实现了所谓的脉宽调制，以便在DC/AC逆变器的情况下，基于在功率模块的输入侧处馈入的直流电产生交流电。
针对所有这些应用，使用的功率开关的切换时间足够短是有利的。得益于功率半导体领域的进步，使用诸如SiC和GaN的所谓的宽带隙半导体可以实现短的切换时间。
功率开关的受控切换由驱动电子设备执行和实现。驱动电子设备通常包括：控制器组件，该控制器组件基于电动车辆驱动器和/或功率模块的运行状态产生控制信号；和驱动器组件，该驱动器组件与控制器组件通信，以基于控制信号驱动功率开关。
功率开关不超过使用的半导体材料的最大允许温度对于功率模块的运行很重要。超过最大允许温度导致功率开关损坏，因而也导致功率模块损坏。
从现有技术中已知用于确定功率开关的温度的各种概念。例如，使用具有负温度系数(NTC)或正温度系数(PTC)的温度传感器来确认功率开关的温度。由于温度传感器与相关的功率开关在空间上分离并电隔离，因此只能通过这种方式来估计功率开关的工作温度。然而，由于相应的温度传感器与正在测量的物体的距离大，所以这样的温度估计的精度不够高。由于仍然存在测量的不确定性，因此必须保护功率半导体免于过热，这引起附加成本。
发明内容
因此，本发明基于的目标是实现一种功率模块，在该功率模块中可以以更大精度执行功率开关的工作温度的确定。
该目标通过根据独立权利要求的一种功率模块和一种方法实现。
在本发明的背景下，功率模块用于车辆，特别是电动车辆和/或混合动力车辆的电驱动器的运行。功率模块优选地用在DC/AC逆变器中。功率模块尤其用于向电机，例如电动马达和/或发电机供电。DC/AC逆变器用于从通过诸如电池的能量源的DC电压产生的直流电产生多相交流电。
功率模块包括多个半导体开关元件(或功率开关)。这些基于半导体的功率开关用于通过基于在输入侧处馈入的直流电驱动各个半导体开关元件来在输出侧处产生交流电。半导体开关元件的驱动是通过驱动电子设备实现的，驱动电子设备包括大量电子组件所附接到的一个或多个电路板。驱动电子设备优选地包括：控制器组件，该控制器组件基于功率模块的运行状态产生控制信号；和驱动器组件，该驱动器组件基于控制信号驱动半导体开关元件。驱动优选地基于所谓的脉宽调制，通过脉宽调制为输出侧交流电的相应的相电流提供正弦曲线。
多个半导体开关元件优选地形成可以包括一个或多个桥接电路(诸如半桥)的桥接电路布置。每个桥接电路或半桥包括一个或多个并联连接的高侧半导体开关元件(HS开关)和一个或多个并联连接的低侧半导体开关元件(LS开关)。HS开关与LS开关串联连接。每个半桥在逆变器中被分配给多相交流电(输出电流)的一个电流相。各个半导体开关元件可以被设计成IGBT、MOSFET或HEMT。相应的半导体元件所基于的半导体材料优选地包括所谓的宽带隙半导体，诸如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)，但是可替选地或另外还包括硅。
为了冷却功率模块中的功率开关和其它电子组件，可以提供散热器，半导体开关元件热耦合到散热器。
功率模块进一步包括温度测量装置，温度测量装置被设计来执行一种用于测量功率模块的工作温度的方法。该方法包括测量在位于二极管的一侧上的点处存在的电压，二极管与半导体开关元件串联连接并且背离半导体开关元件。二极管优选地是去耦二极管。半导体开关元件和二极管与测量点一起，优选地参考源极或发射极电位，形成闭合网格。进一步优选地，测量点从去耦二极管和半导体开关元件获取串联电压。
此外，该方法包括测量由电流源产生的半导体开关元件的负载电流(例如，漏源电流)。另外，该方法包括确定测得电压和测得电流之间的数学相关性。
相关的半导体开关元件的工作温度可以从数学相关性中获得。例如，数学相关性将测得电压描述为测得电流的函数，其中，该方法进一步包括确定该函数关于测得电流的导数。优选地，可以基于半导体开关元件的电阻与其工作温度之间的预定关系来确认属于导数的值的半导体开关元件的工作温度。
可以用特别简单的电路系统以这种方式确定半导体开关元件的工作温度。与从现有技术已知的温度测量方法相比，根据本发明的方法特别准确，因为省略了仅(间接地)测量相应的半导体开关元件附近主要存在的温度的温度传感器。而是直接从与存在于相应的半导体开关元件处的电流和电压相关的测量数据确认该温度。因此，根据本发明的方法是直接的温度测量。
在从属权利要求中公开了有利实施例和发展。
附图说明
现在通过示例并参考附图描述实施例，在附图中：
图1示出了根据一个实施例的功率模块的示意图；以及
图2示出了用于测量功率模块的工作温度的方法的示意图。
附图中的相同附图标记指示相同或功能相似的参考组件。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的功率模块10的示意图。功率模块10包括多个半导体开关元件14(其中，为了清楚起见，图1中仅示出了单个半导体开关元件14)和驱动电子设备16。半导体开关元件14可以通过驱动电子设备16切换，使得半导体开关元件14允许或中断漏源电流，以便将馈送到功率模块10的输入侧直流电转换为输出侧交流电。半导体开关元件14形成一个或多个半桥，每个半桥包括高侧和低侧。高侧和低侧每个都包括一个或多个并联连接的半导体开关元件。通过半导体开关元件14的受控驱动，可以基于输入侧直流电产生相位彼此不同的三相电流。
为了确定半导体开关元件14中的一个半导体开关元件的温度，在根据本发明的步骤102(参见图2中测量方法的示意图)中，测量存在于点P1、P2处的电压，点P1、P2位于背离相关的半导体开关元件14并与半导体开关元件14串联连接的二极管22的一侧上。如图1中所示，第一点P1和第二点P2可以用于此。通过第一电压测量装置30在第一点P1测量第一电压V1。通过第二电压测量装置28在第二点测量第二电压V2。包括串联电阻器24和电容器26的滤波器电路被布置在第一点P1和第二点P2之间。在半导体开关元件侧上，二极管22连接到半导体开关元件14的漏极触点144，并且位于与半导体开关元件14串联的串联电阻器24旁边。串联电阻器24在下游连接到驱动电子设备16，半导体开关元件14的栅电极142也连接到驱动电子设备16。
第一电压V1、第二电压V2或从第一电压V1和第二电压V2计算得出的第三电压可以用作测得电压。在进一步的步骤104中，另外测量由电流源18产生并从半导体开关元件14的漏极触点144流到源极触点146的半导体开关元件14的漏源电流。
在进一步的步骤106中，确认测得电压和测量电流之间的数学相关性。例如，测得电压可以被相对于测得电流以图形方式绘制，以便获得特征电流-电压曲线。要确认的数学相关性优选地是根据测得电流描述测得电压的函数。测量方法可以进一步包括步骤108，其中，计算函数关于电流的一阶导数。该一阶导数对应于特征电流-电压曲线的梯度，并具有欧姆电阻的量纲。由于电路系统的拓扑结构，以这种方式确定的电阻等于半导体开关元件14的内部电阻。借助于正在考虑的半导体开关元件14的内部电阻与其工作温度之间的预先存储的关系，可以基于一阶导数或梯度推导出半导体开关元件14的当前工作温度。
二极管22可以是去耦二极管，例如，肖特基(Schottky)二极管，通过去耦二极管将施加的高电压与半导体开关元件14去耦。
根据进一步实施例，可以通过偏移来修正测得电压。偏移对应于特征电流-电压曲线与电压轴之间的交点处的电压值。通过该偏移修正的电压对应于实际存在于半导体开关元件14处的漏源电压。从定义的测量电流流过的二极管的特性曲线中找到偏移。以这种方式获得对应于二极管22的正向电压的偏移电压。数学方法可以确认该偏移电压，并将其计算出来。
附图标记列表
10 功率模块
14 半导体开关元件
16 驱动电子设备
18 电流源
20 电流测量仪
22 二极管
24 串联电阻器
26 电容器
30 第一电压测量装置
28 第二电压测量装置
32 接地
102-108 方法步骤
P1 第一点
P2 第二点

Claims (11)

1.一种用于测量功率模块(10)的工作温度的方法，所述功率模块用于运行电动车辆驱动器，所述功率模块(10)包括多个半导体开关元件(14)和驱动电子设备(16)，
其中，所述半导体开关元件(14)能够通过所述驱动电子设备(16)被切换，使得所述半导体开关元件(14)允许或中断负载电流，以便将在输入侧馈送到所述功率模块(10)中的直流电转换为输出侧交流电，
-其中，所述方法包括测量在位于二极管(22)的一侧上的点处存在的电压，所述二极管与所述半导体开关元件(14)串联连接并且所述二极管背离所述半导体开关元件(14)，
-其中，所述方法包括测量由电流源(18)产生的所述半导体开关元件(14)的漏源电流，
-其中，所述方法包括确定测得电压和测得电流之间的数学相关性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数学相关性将测得电压描述为测得电流的函数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述方法进一步包括确定所述函数关于测得电流的导数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法进一步包括基于所述半导体开关元件(14)的电阻与其工作温度之间的预定关系，确认属于所述导数的值的所述半导体开关元件(14)的工作温度。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其中，所述负载电流的测量通过电流测量装置(20)而发生，所述电流测量装置同时用于测量所述交流电的相电流。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括针对测得电流等于零的情况确定所述测得电压的电压偏移，其中，确定在通过所述电压偏移修正的测得电压与测得电流之间的数学相关性。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的方法，其中，所述方法包括测量第一电压和/或第二电压，
其中，所述第一电压存在于第一点(P1)处，所述第一点(P1)位于所述二极管(22)的背离半导体开关元件(14)的一侧上，
其中，所述第二电压存在于第二点(P2)处，所述第二点(P2)位于所述二极管(22)的背离半导体开关元件(14)的一侧上，
其中，所述第二点(P2)位于所述第一点(P1)的背离所述二极管(22)的一侧上。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，滤波器电路被布置在所述第一点(P1)与所述第二点(P2)之间。
9.根据权利要求7或8中的一项所述的方法，其中，所述方法包括确定一方面测得电流与另一方面所述第一电压或所述第二电压或从所述第一电压和所述第二电压计算得出的另一电压之间的数学相关性。
10.一种用于运行电动车辆驱动器的功率模块(10)，所述功率模块包括多个半导体开关元件(14)和驱动电子设备(16)，其中，所述半导体开关元件(14)能够通过所述驱动电子设备(16)被切换，使得所述半导体开关元件(14)允许或中断负载电流，以便将馈送到所述功率模块(10)的输入侧直流电转换为输出侧交流电，
其中，所述功率模块(10)包括温度测量装置，所述温度测量装置被设计成执行根据权利要求1至9中的一项所述的方法。
11.一种逆变器，所述逆变器包括根据权利要求10所述的功率模块(10)。
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