CN115667948A - 分析功率半导体装置的操作 - Google Patents

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Abstract

分析功率半导体装置的操作，一种用于分析功率半导体装置(PS1，PS2，PS3)的操作的方法包括：确定装置(PS1，PS2，PS3)的参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合和电流(I1，…In，…IN)，并测量在预定的时间间隔内装置(PS1，PS2，PS3)的Nframe个导通状态电压(Vmeas(1)，…Vmeas(k)，…Vmeas(Nframe))和Nframe个对应的导通状态电流(Imeas(1)，…Imeas(k)，…Imeas(Nframe))，以获得Nframe个测量点(MP(1)，…MP(k)，…MP(Nframe))。通过对Nframe个测量点(MP(1)，…MP(k)，…MP(Nframe))进行最小二乘拟合，来调整参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合。经调整的参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合用于分析功率半导体装置(PS1，PS2，PS3)的操作。

Description

分析功率半导体装置的操作
本发明涉及用于分析功率半导体装置的操作的方法和电路以及包括这种电路的功率电子系统。
在功率电子系统中，例如在功率转换器中，功率半导体装置的结温是对系统操作设定限制的关键量。超过绝对极限可能被认为是灾难性的，并且系统的整个生命周期中的热行为会影响可靠性和劣化速率。但是，装置本身，例如绝缘栅双极晶体管、IGBT、MOSFET、晶闸管或二极管是“带电”的并且在电气高度嘈杂的环境中，因此结温的直接测量可能不可行。
但是，可以基于与半导体装置相关联的温度敏感的电气参数TSEP来估计结温。现有的方法在非常低的电流下根据TSEP估计结温，非常低的电流即在毫安范畴下，通常小于功率电子系统的额定电流的1％。因此，这种方法不适用于功率电子系统的大多数应用，并且可能仅在特定的实验室设置中有用。其它方法在高电流下估计结温，高电流例如是额定电流的10％至100％。在这种情况下，可以将查找表或方程拟合到在一系列结温和导通状态(即，正向)电流范围内测量的事先校准数据。但是，这需要在使用之前对每个系统进行详细且准确的校准，这对于工业应用是不切实际的。
因此，本发明的目的是提供用于分析功率半导体装置的操作的改进的概念，该概念在至少达到额定电流的导通状态电流处是适用的，并且不需要事先校准。
这一目的是由独立权利要求的主题实现的。进一步的实施方式和实施例是从属权利要求的主题。
改进的概念基于利用功率半导体装置的导通状态电压作为TSEP并有效地移除导通状态电压对导通状态电流的依赖性仅留下对结温的依赖性的想法。这是通过将测量点分配给预定义的箱(bin)并通过对访问的测量点进行最小二乘拟合来校正箱而实现的。这导致有效的在线校准，该校准是在正常操作期间进行的，这使得在使用过时之前进行实际校准。
根据改进的概念，提供了一种用于分析功率半导体装置的操作的方法。提供了装置的N个参考电压的集合和装置的N个对应参考电流的集合。N是等于或大于2的整数。在预定的时间间隔内测量装置的Nframe个导通状态电压和导通状态电流，测得的电压和电流表示Nframe个测量点。Nframe是等于或大于2的整数。通过对Nframe个测量点、特别是在测量点处的Nframe个测得的导通状态电压进行最小二乘拟合，来调整该参考电压的集合。原则上，任何最小二乘法都可以用于拟合，而增量最小二乘法是优选的。然后，经调整的参考电压的集合用于分析功率半导体装置的操作。
根据改进的概念的方法非常适用于至少达到额定电流的导通状态电流，并且可以避免事先校准。它提供了准确性和计算负载的有利权衡。由于使用了大量数据，因此可以大大减小误差。该方法可以应对DC电流或非常低频的AC电流，而许多已知的方法不能做到。
根据该方法的一些实施方式，对功率半导体装置的操作的分析包括基于经调整的参考电压的集合估计装置的结温。
根据一些实施方式，对功率半导体装置的操作的分析包括确定导通状态电压随时间的偏移。
导通状态电压的偏移表示功率半导体装置的电气劣化。这些实施方式特别适合于如果在功率半导体装置的电流-电压特性中存在温度不变点而参考电流之一对应于不变点的情况。
根据一些实施方式，对于最小二乘拟合，假定在每两个相邻测量点之间、特别是在测量点处的每两个相邻测得的导通状态电流之间的分段线性近似。与假定连续电压-电流近似的其它方法相比，通过当前的增量、分段线性近似可以将误差降低至最小值，同时维持低计算复杂性。
根据一些实施方式，最小二乘拟合包括为每个参考电流定义有效性因子，其中，有效性因子表示电流域中测得的导通状态电流与每个参考电流有多近。通常，如有效性因子所表示的，测量点与相应的参考电流和相关联的参考电压的接近性指示某个测量点、特别是某个测得的导通状态电流相对于某个参考电流如何有效或准确。因此，有效性因子表示加权因子，该加权因子可以用于根据其相应的有效性或准确性对测得的导通状态电压进行加权。定义有效性因子可以包括例如提供一个或多个方程来计算有效性因子，提供图表或查找表来读取有效性因子。
最小二乘拟合优选地进一步包括确定每个测量点、特别是每个测得的导通状态电流的有效性因子的集合，从而得到有效性因子的Nframe个集合。确定有效性因子的集合可以包括例如用一个或多个方程计算有效性因子，从图表或查找表中获取有效性因子。
根据一些实施方式，对于预定的时间间隔内的测量点，以如下方式定义有效性因子，使得当相关联的测量点的测得的导通状态电流等于某个参考电流时，与所述参考电流相关联的有效性因子等于1，而当相关联的测量点的测得的导通状态电流等于相邻的参考电流时，与所述参考电流相关联的有效性因子等于0。优选地，当相关联的测量点的测得的导通状态电流位于参考电流与相邻的参考电流之间时，与某个参考电流相关联的有效性因子为1与0之间的值。优选地，有效性因子以线性方式从访问的参考电流降低到相邻的参考电流。
根据一些实施方式，对于预定义的时间间隔内的测量点，通过以下方程组定义、即可以计算有效性因子：
Figure BDA0003823546560000031
对于I1≤Imeas(k)≤I2，以及 (1)
w1(k)＝0对于Imeas(k)＜I1和Imeas(k)＞I2； (2)
...
Figure BDA0003823546560000032
对于In-1≤Imeas(k)≤In， (3)
Figure BDA0003823546560000033
对于In≤Imeas(k)≤In+1，和 (4)
wn(k)＝0对于Imas(k)＜In-1和Imeas(k)＞In+1； (5)
...
Figure BDA0003823546560000041
对于IN-1≤Imeas(k)≤IN，和 (6)
wN(k)＝0对于Imeas(k)＜IN-1和Imeas(k)＞IN. (7)
根据一些实施方式，基于确定的有效性因子和测得的导通状态电压确定、特别是计算经调整的参考电压的集合。特别地，通过求解方程的线性系统、优选地包括N个经调整的参考电压的向量、Nframe个测得的导通阶段电压的向量以及包括或根据有效性因子计算得出的矩阵，来计算经调整的参考电压的集合。
根据一些实施方式，通过或者可以通过求解对于向量V的方程来计算经调整的参考电压的集合
Figure BDA0003823546560000042
V meas＝WV， (9)
其中V meas是时间间隔中测得的导通阶段电压的向量，W是从每个测量点处的测得的导通状态电流导出的时间间隔中的每个测量点处的每个参考电压的有效性因子的矩阵阵列，并且V是在当前时间间隔中拟合的参考电压的向量。每行V meas和W对应于不同的测量点。这表示最小二乘拟合的示例，具有已知的V meas和W以及未知的V。任何最小二乘法都可以例如使用伪逆、QR分解等用于计算每个时间间隔的V。
根据一些实施方式，可以通过(a)在时间间隔期间记录所有Nframe个测量点然后在时间间隔结束时执行所有最小二乘矩阵计算或者(b)在每个测量点处计算中间矩阵然后在时间间隔结束时执行最终矩阵计算(增量方法)，来进行经调整的参考电压的集合的计算。
根据一些实施方式，估计结温的步骤包括基于有效性因子的Nframe个集合确定平均有效性因子的集合以及基于平均有效性因子的集合估计结温。
根据一些实施方式，确定平均有效性因子的集合包括确定有效性因子的Nframe个集合中的对应有效性因子的相应时间平均值。优选地，可以通过以下方程计算平均有效性因子的集合：
Figure BDA0003823546560000051
在时间间隔中与特定参考电压Vn相对应的平均有效性因子Wn(av)有效地指示对参考电压估计的准确性的置信度。这可以由校准算法使用来确定如何在电气和热特性的识别中使用参考电压。
根据一些实施方式，估计结温的步骤包括基于结温的估计值与经调整的参考电压的集合中的一个经调整的参考电压之间的假定线性关系来计算结温的估计值。
根据一些实施方式，估计结温的步骤包括基于结温的每个估计值与经调整的参考电压的集合中的相应一个之间的相应假定线性关系来计算结温的多个估计值。根据平均有效性的集合中的相应平均有效性，对多个估计的结温中的每一个进行加权。然后可以将结温的加权估计值相加，并且例如归一化以获得结温的最终估计值。
根据改进的概念，还提供了用于分析功率半导体装置的操作的电路。该电路包括测量单元、存储单元和评估单元。测量单元被配置为测量在预定的时间间隔内装置的Nframe个导通状态电压和Nframe个对应的导通状态电流，以获得Nframe个测量点，其中Nframe是等于或大于2的整数。存储单元被配置为存储装置的参考电压的集合和装置的对应的参考电流的集合。存储单元还可以被配置为存储查找表、图表或算法，以确定有效性因子。
评估单元被配置为通过对Nframe个测量点、特别是对测量点处的Nframe个测得的导通状态电压进行最小二乘拟合，来调整参考电压的集合。评估单元被进一步配置为基于经调整的参考电压的集合来分析功率半导体装置的操作。
根据改进的概念，还提供了功率电子系统。功率电子系统包括根据改进的概念的电路和功率半导体装置。
根据一些实施方式，功率半导体装置包括二极管，特别是PIN二极管或肖特基二极管或晶闸管或场效应晶体管，例如MOSFET、JFET或HEMT或双极晶体管，例如IGBT或BJT。
根据功率电子系统的一些实施方式，功率电子系统包括功率转换器。功率转换器包括功率半导体装置。
根据改进的概念的电路的进一步实施方式容易从根据改进的概念的方法的各种实施方式中得出，反之亦然。根据改进的概念的功率电子系统的进一步实施方式容易从根据改进的概念的方法的各种实施方式中得出，反之亦然。
下面通过参考附图结合示例性实施方式对本发明进行详细解释。
在附图中
图1A示出了在两个不同的结温处的功率半导体装置的导通状态电流相对(versus)导通状态电压；
图1B示出了在不同的导通状态电流处的功率半导体装置的导通状态电压相对结温；
图2示出了根据改进的概念的方法的进一步示例性实施方式的流程图；
图3示出了表示根据改进的概念的方法的示例性实施方式的部分的I-V图；
图4示出了表示与依赖于测得的导通状态电流Imeas的示例性参考电流I1-I9相关联的有效性因子W1-W9的图；
图5示出了查找表，该查找表包括与依赖于测得的导通状态电流Imeas的参考电流I1-I9相关联的有效性因子W1-W9的值；和
图6示出了根据改进的概念的功率电子系统的示例性实施方式的框图。
图1A示出了在两个不同的结温处，即在25℃和125℃的结温Tj处，功率半导体装置的导通状态电流Io相对导通状态电压Vo的示例性曲线。曲线在交叉点CP处交叉。标记了在Tj＝25℃时的离散的六个电流I1、I2、…、I6的集合和对应的电压V1(25)、V2(25)、…、V6(25)。当然，六个电流的数量是任意的示例，并且可以是等于或大于2的任何数字。
图1B示出了电压V1(25)、…、V6(25)的Tj依赖性。可以看到，交叉点CP以下的电压示出负温度系数，即对于固定电流，随着Tj的增加而电压降低，而交叉点CP上方的电压示出正温度系数，即对于固定电流，随着Tj的增加而电压增加。
交叉点CP未示出Tj依赖性。对于一些功率半导体装置，例如一些PIN二极管，交叉点CP可能接近或高于额定电流。对于其它功率半导体装置，例如绝缘栅双极晶体管、IGBT，交叉点可能低于额定电流的10％。还有其它功率半导体装置可能没有单个交叉点CP，例如，由于导通状态电压的非线性温度依赖性。
由于所描述的温度依赖性，基于正向电压对功率半导体装置的操作的分析是复杂的。然而，根据改进的概念，可以进行有意义的分析，而无需事先校准并且对适用的电流范围没有显著限制，如上文和下文所述。
现在将关于图2至图5解释根据改进的概念的方法的示例性实施方式。
在图2的步骤100中，确定功率半导体装置的参考电压Vn、Vn+1、…VN、特别是参考导通状态电压的集合以及装置的对应的参考电流In、In+1、…IN、特别是参考导通状态电流的集合。例如，参考电压和电流可以是功率半导体装置在预定义的结温下的预定义标称量，例如在数据表中定义，或者它们可以是在定义的结温下测得的预定量。
在步骤200中，在预定的时间间隔内，测量装置的Nframe个导通状态电压Vmeas(1)、…Vmeas(k)、…Vmeas(Nframe)和Nframe个对应的导通状态电流Imeas(1)、…Imeas(k)、…Imeas(Nframe)，表示Nframe个测量点MP(1)、…MP(k)、…MP(Nframe)。Nframe是等于或大于2的整数，而k是对导通状态电压和电流测量的一定重复，得到相关联的测量点MP(k)。
图3示例性地示出了数个测量点MP以及五个参考电压V1至V5以及对应的参考电流I1至I5。参考电流I1至I5彼此之间的间隔相等，并且参考电压V1至v5是与参考电流I1至I5相对应的电压。图3还示出了每两个相邻的参考电流I1至I5与相关联的参考电压V1至V5之间的分段线性近似的I-V曲线。
在步骤300中，通过对测量点MP(1)、…MP(k)、…MP(Nframe)处的Nframe个测得的导通状态电压Vmeas(1)、…Vmeas(k)、…Vmeas(Nframe)进行最小二乘拟合，来调整参考电压V1、…Vn、…VN的集合。最小二乘拟合是基于测量点MP(1)、…MP(k)、…MP(Nframe)处每两个相邻测得的导通状态电流Imeas(1)、…Imeas(k)、…Imeas(Nframe)之间的分段线性近似的假定，如图3中所示。
对于每个参考电流I1、…In、…IN，最小二乘拟合需要有效性因子W1、…Wn、…WN的定义。有效性因子W1、…Wn、…WN表示在电流域中测得的导通状态电流Imeas(1)、…Imeas(k)、…Imeas(Nframe)与参考电流I1、…In、…IN中的每一个有多近，因此表示测得的导通状态电流Imeas(1)、…Imeas(k)、…Imeas(Nframe)相对于参考电流I1、…In、…IN中的任何一个如何有效。
在预定时间间隔内测量点MP(k)的有效性因子W1(k)、…Wn(k)、…WN(k)以如下方式定义，以使得当相关联的测量点MP(k)的测得的导通状态电流Imeas(k)等于某个参考电流(I1、…In、…IN)时，与所述参考电流I1、…In、…IN相关联的有效性因子W1(k)、…Wn(k)、…WN(k)等于1，而当相关联的测量点MP(k)的测得的导通状态电流Imeas(k)等于相邻的参考电流I2、…In+1、…IN-1时，与所述参考电流I1、…In、…IN相关联的有效性因子W1(k)、…Wn(k)、…WN(k)等于0。在参考电流I1、…In、…IN之间，有效性因子W1(k)、…Wn(k)、…WN(k)以线性方式从访问的参考电流I1、…In、…IN降低到相邻的参考电流I2、...In+1、...IN-1。
例如可以在以下方程组中指出该定义：
Figure BDA0003823546560000091
对于I1≤Imeas(k)≤I2，以及 (1)
w1(k)＝0对于Imeas(k)＜I1和Imeas(k)＞I2； (2)
...
Figure BDA0003823546560000092
对于In-1≤Imeas(k)≤In， (3)
Figure BDA0003823546560000093
对于In≤Imeas(k)≤In+1，和 (4)
wn(k)＝0对于Imeas(k)＜In-1和Imeas(k)＞In+1； (5)
...
Figure BDA0003823546560000094
对于
Figure BDA0003823546560000095
以及 (6)
wN(k)＝0对于Imeas(k)＜IN-1和Imeas(k)＞IN. (7)
可替代地，可以通过如图4中所示的图表的方式或如图5中所示的查找表的方式来指出有效性因子W1、...Wn、...WN的定义。在图5和图6中，举例来说，九个有效性因子W1至W9与九个参考电流I1至I9相关联地呈现，依赖于特定测量点MP的测得的导通状态电流Imeas，其中测得的导通状态电流以pu单位、即相对于额定电流(1.0pu意指测得的导通状态电流等于额定电流)来指出。例如，如果测得的导通状态电流等于0.37pu，则除W3＝0.3和W4＝0.7外，所有Wn＝0。注意，在此示例中，忽略了小于0.1pu和大于0.9pu的电流。
使用上述任何一个定义，用方程确定、即计算或从图表或表中读取每个测量点MP(1)、MP(k)、…MP(Nframe)、特别是每个测得的导通状态电流Imeas(1)、…Imeas(k)、…Imeas(Nframe)的有效性因子W1、…Wn、…WN的集合，得到有效性因子W1(1)、…Wn(k)、…WN(Nframe)的Nframe个集合。
然后，基于确定的有效性因子W1(1)、…Wn(k)、…WN(Nframe)和测得的导通状态电压Vmeas(1)、…Vmeas(k)、…Vmeas(Nframe)来确定经调整的参考电压V1、…Vn、…VN的集合。特别是，通过求解以下方程的矢量V来计算经调整的参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合
Figure BDA0003823546560000101
V meas＝WV， (9)
其中V meas是时间间隔中测得的导通阶段电压的向量，W是从每个测量点处的测得的导通状态电流导出的在时间间隔中每个测量点处的每个参考电压的有效性因子的矩阵，并且V是在当前时间间隔中拟合的参考电压的向量。可以通过诸如伪逆或QR分解之类的各种通用方法来求解向量V的该方程。
经调整的参考电压V1、…Vn、…VN可以用作测得的导通状态电压Vmeas的电流独立估计。
在步骤400中，在时间间隔结束时，可以根据以下公式针对经调整的参考电压V1、…Vn、…VN的集合的每个电压Vn来计算平均有效性因子Wn(av)
Figure BDA0003823546560000111
得到平均有效性因子W1(av)、…Wn(av)、…WN(av)的集合。
特定的经调整的参考电压Vn的平均有效性因子Wn(av)提供了对电压估计的准确性的置信度的指示。
样本时间间隔的持续时间可以例如选择作为实现改进的平均值的长持续时间与以便在整个时间间隔内的近似恒定结温Tj的假定有效的短持续时间之间的折衷。
在步骤500中，经调整的参考电压V1、…Vn、…VN的集合用于分析功率半导体装置的操作。
特别是，分析可能涉及从经调整的参考电压V1、…Vn、…VN的集合选择具有最大平均有效性因子Wn(av)的参考电压Vn，并基于结温Tj与所选择的参考电压Vn之间的假定线性关系来计算结温Tj的估计值。
例如，分析可能涉及基于经调整的参考电压V1、…Vn、…VN的集合的数个或全部参考电压Vn的所述假定线性关系来计算结温的相应估计值。然后，可以确定结温Tj的估计值的加权平均值。可以根据相应的平均有效性因子W1(av)、…Wn(av)、…WN(av)执行加权。
图6示出了根据改进的概念的功率电子系统的示例性实施方式的框图。特别是，功率电子系统被配置为执行如关于图2至图5所述的根据改进的概念的方法。
该系统包括根据改进的概念的电路C和耦合到电路C的功率电子装置，例如功率转换器PC。功率转换器PC包括一个或多个功率半导体装置PS1、PS2、…、PS6，例如IGBT。功率半导体装置的数量在图6中等于六个仅出于说明性原因，并且可以与六个不同。在图6的示例中，将装置PS1、…、PS6描绘为作为功率转换器的标准应用的六开关三相两电平逆变器的一部分。但是，这仅是为了说明，不会由该示例施加限制，因为改进的概念不依赖于这种结构。
尽管在图6中示出了耗尽类型的IGBT的电路符号，但这并不能以任何方式限制根据所涉及的概念的方法或电路或系统。特别是，功率半导体装置PS1、PS2、PS3可以包括增强类型的IGBT或其它晶体管、晶闸管或二极管。此外，功率转换器PC仅用作示例。特别是，它可以用另一个功率电子装置代替，另一个功率电子装置例如是固态断路器、固态继电器、静态VAR补偿器或开关模式音频放大器。
例如，功率转换器PC可以包括用于驱动和/或控制功率半导体装置PS1、PS2、PS3的驱动和控制单元DCU。
如图6中所示，电路C可以与功率转换器PC分开。可替代地，例如，功率转换器PC或驱动和控制单元DCU可以包括电路C。
该电路包括测量单元MU，该测量单元MU用于在预定的时间间隔内多次重复测量半导体装置PS1、PS2、PS3中的至少一个的导通状态电压和电流，以及与功率转换器PC通信。测量单元MU可以包括例如一个或多个模数转换器和/或现场可编程门阵列FPGA。可替代地，测量单元MU可以包括微控制器单元。
电路C进一步包括用于存储参考电压和参考电流的存储单元SU。SU还用于存储经调整的参考电压、有效性因子以及平均有效性因子。同样，用于确定有效性因子的方程、图表或查找表可以存储在SU中。
在一些实施方式(未示出)中，存储单元SU可以与测量单元MU结合例如在测量单元MU的FPGA或微控制器单元中。
电路C还包括评估单元EU，例如微处理器，该评估单元EU用于调整参考电压、将数据存储到存储单元SU并且可选地用于确定结温的估计值。特别是，评估单元EU可以被配置为执行关于图2至图5所述的所有计算步骤。评估单元EU也可以与存储单元SU和/或测量单元MU结合。
通过根据改进的概念的方法、电路或系统，可以在至少达到其额定电流处且无需在使用之前进行校准来分析功率半导体装置的操作。这是通过使用最小二乘方法例如在100ms或数百ms的量级有效地将参考电压的集合拟合到测量点来实现的。最小二乘拟合允许计算经调整的电压，这可以用于有效地在线执行校准，即在功率半导体装置或包括该装置的例如功率转换器的系统的正常操作期间在线执行校准。
改进的概念允许更好地权衡准确性与计算负载。例如，如果将使用简单的箱形，则将需要大量电流箱，在使用结果数据时增加计算负载，或者在结果电压中存在大错误。
根据改进的概念，可以使用对导通状态电压降的高电流测量值，以避免干扰正常转换器操作或需要向内切换和向外切换的特殊低电流源。
还可以避免复杂的查找表。
改进的概念可以大大降低测量误差，因为可以使用大量数据。
根据改进的概念的系统或电路可以应对DC电流或非常低频的AC电流。在这种情况下，只有两个参考电流将在导通状态电流近似恒定的特定的时间间隔中具有有效的数据。
根据改进的概念的实施方式可能涉及结温估计，这可能启用下一代“智能”功率转换器的数个特征，包括：动态评级控制(智能的超额/降额)，优化的平行逆变器堆栈电流共享，状况监测(检测磨损和异常操作，给出可预测维护)，温度周期计数和剩余的使用寿命估计，开发和类型测试期间逆变器堆栈设计的改进的验证，改进的过温检测。
功率转换器的制造商所得的好处可能包括优化的性能(例如电流评级或效率)相对成本，例如通过减少利润边际。功率转换器的最终用户的好处可能包括异常操作的早期检测以及可能降低操作成本。
以所述的类似方式，该方法还可以应用于其它电流依赖的TSEP，包括开关特性，诸如峰值二极管反向恢复电流、峰值过冲电压等。此外，对于基本上所有功率半导体装置来说不是通用的TSEP可以以类似的方式处理，例如栅极阈值电压或内部栅极电阻。一个关键方面是通过将操作点和温度依赖性的测量转换为仅温度依赖性的离散测量的集合，以移除操作点(例如电流)依赖性。
此外，该概念还可以用于分析功率电子装置以外的电气装备的操作，特别是当某种感兴趣的热点温度由于恶劣的环境而难以测量时。例如，这可能是功率变压器的情况，其中可能对变压器的热点温度或绕组温度感兴趣。
附图标记
PC 功率转换器
DCU 驱动和控制单元
PS1、PS2、PS3 功率半导体装置
C 电路
EU 评估单元
SU 存储单元
MU 测量单元
Io 导通状态电流
Vo 导通状态电压
Tj 结温
V1、…Vn、…VN 参考电压、经调整的参考电压
In、…In、…IN 参考电流
Imeas 测得的导通状态电流
Vmeas 测得的导通状态电压
MP 测量点
W1、…Wn、…WN 有效性因子
Wn(av)、…Wn(av)、…WN(av) 平均有效性因子

Claims (15)

1.一种用于分析功率半导体装置(PS1，PS2，PS3)的操作的方法，其中该方法包括
-提供装置(PS1，PS2，PS3)的参考电压(Vn，Vn+1，…VN)的集合和对应的参考电流(In，In+1，…IN)的集合；
-测量在预定的时间间隔内装置(PS1，PS2，PS3)的Nframe个导通状态电压(Vmeas(1)，…Vmeas(k)，…Vmeas(Nframe))和Nframe个对应的导通状态电流(Imeas(1)，…Imeas(k)，…(Imeas(Nframe))，以获得Nframe个测量点(MP(1)，…MP(k)，…MP(Nframe))，其中Nframe是等于或大于2的整数；
-通过对Nframe个测量点(MP(1)，…MP(k)，…MP(Nframe))进行最小二乘拟合，来调整参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合；以及
-使用经调整的参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合分析功率半导体装置(PS1，PS2，PS3)的操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，分析包括基于经调整的参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合来估计装置(PS1，PS2，PS3)的结温(Tj)。
3.根据权利要求1或2之一所述的方法，其中，对于最小二乘拟合，假定每两个相邻测量点(MP(1)，…MP(k)，…MP(Nframe))之间的分段线性近似。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，最小二乘拟合包括
-定义每个参考电流(I1，…In，…IN)的有效性因子(W1，…Wn，…WN)，其中有效性因子(W1，…Wn，…WN)表示测得的导通状态电流(Imeas(1)，…Imeas(k)，…Imeas(Nframe))与参考电流(I1，…In，…IN)中的每一个有多近；
-确定每个测量点(MP(1)，…MP(k)，…MP(Nframe))的有效性因子(W1，…Wn，…WN)的集合，得到有效性因子(Wn(1)，…Wn(k)，…WN(Nframe))的Nframe个集合。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，以如下方式定义有效性因子(W1，…Wn，…WN)，使得当测得的导通状态电流(Imeas(1)，…Imeas(k)，…Imeas(Nframe))等于某个参考电流(I1，…In，…IN)时，与所述参考电流(In，…In，…IN)相关联的有效性因子(W1，…Wn，…WN)等于1，而当测得的导通状态电流(Imeas(1)，…Imeas(k)，…Imeas(Nframe))等于相邻的参考电流(I2，…In+1，…IN-1)时，与所述参考电流(I1，…In，…IN)相关联的有效性因子(W1，…Wn，…WN)等于0。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，对于预定义的时间间隔内的测量点(MP(k))，由以下方程组定义有效性因子(W1，…Wn，…WN)：
Figure FDA0003823546540000021
对于I1≤Imeas(k)≤I2,以及
w1(k)＝0对于Imeas(k)＜I1和Imeas(k)＞I2；
...
Figure FDA0003823546540000022
对于In-1≤Imeas(k)≤In,
Figure FDA0003823546540000023
对于In≤Imeas(k)≤In+1,以及
wn(k)＝0对于Imcas(k)＜In-1和Imeas(k)＞In+1；
...
Figure FDA0003823546540000031
对于IN-1≤Imeas(k)≤IN,以及wN(k)＝0对于Imeas(k)＜IN-1和Imeas(k)＞IN。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的方法，其中，经调整的参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合是基于确定的有效性因子(W1(1)，…Wn(k)，…WN(Nframe))和测得的导通状态电压(Vmeas(1)，…Vmeas(k)，…Vmeas(Nframe))而确定的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过求解以下方程的矢量V来计算经调整的参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合
Figure FDA0003823546540000032
即:
V meas＝WV。
9.根据权利要求4至8中的任一项所述的方法，其中，估计结温(Tj)的步骤包括：基于有效性因子(W1(1)，…Wn(k)，…WN(Nframe))的Nframe个集合确定平均有效性因子(W1(av)，…Wn(av)，…WN(av))的集合，并基于平均有效性因子(W1(av)，Wn(av)，…WN(av))的集合来估计结温(Tj)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，确定平均有效性因子(W1(av)，…Wn(av)，…WN(av))的集合包括优选地通过以下方程确定有效性因子(W1(k)，…Wn(k)，…WN(Nframe))的Nframe个集合的对应的有效性因子的相应时间平均值：
Figure FDA0003823546540000041
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，估计结温(Tj)的步骤包括基于结温(Tj)的估计值与经调整的参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合中的一个经调整的参考电压之间的假定线性关系来计算结温(Tj)的估计值。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的方法，其中，估计结温(Tj)的步骤包括
-基于结温(Tj)的每个估计值与经调整的参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合中的相应一个之间的相应假定线性关系来计算结温(Tj)的多个估计值；
-根据平均有效性(W1(av)，…Wn(av)，…WN(av))的集合的相应平均有效性，对多个估计结温(Tj)中的每一个进行加权。
13.一种用于分析功率半导体装置(PS1，PS2，PS3)的操作的电路，包括
-测量单元(MU)，被配置为测量在预定的时间间隔内装置(PS1，PS2，PS3)的Nframe个导通状态电压(Vmeas(1)，…Vmeas(k)，…Vmeas(Nframe))和Nframe个对应的导通状态电流(Imeas(1)，…Imeas(k)，…Imeas(Nframe))，以获得Nframe个测量点(MP(1)，…MP(k)，…MP(Nframe))，其中Nframe是等于或大于2的整数；和
-存储单元(SU)，用于存储装置(PS1，PS2，PS3)的参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合和装置(PS1，PS2，PS3)的对应的参考电流(I1，…In，…IN)的集合；和
-评估单元(EU)，被配置为
-通过对Nframe个测量点(MP(1)，…MP(k)，…MP(Nframe))进行最小二乘拟合，来调整参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合；和
-基于经调整的参考电压(V1，…Vn，…VN)的集合，分析功率半导体装置(PS1，PS2，PS3)的操作。
14.一种功率电子系统，包括根据权利要求13所述的电路(C)和功率半导体装置(PS1，PS2，PS3)。
15.根据权利要求14所述的功率电子系统，包括功率转换器(PC)，该功率转换器(PC)包括功率半导体装置(PS1，PS2，PS3)。
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