CN117351685A - 接收和处理遥测信息的电子器件和电子系统 - Google Patents

接收和处理遥测信息的电子器件和电子系统 Download PDF

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CN117351685A CN202310809784.1A CN202310809784A CN117351685A CN 117351685 A CN117351685 A CN 117351685A CN 202310809784 A CN202310809784 A CN 202310809784A CN 117351685 A CN117351685 A CN 117351685A
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Abstract

本公开的一个或多个实施例涉及接收和处理遥测信息的电子器件和电子系统。电子器件包括：接口，被配置为接收一个或多个功率半导体器件的遥测信息；以及数据采集和处理单元。数据采集和处理单元可以被配置为基于在一个或多个功率半导体器件的使用期间收集并且在接口处接收的遥测信息来周期性地更新一个或多个功率半导体器件的剩余寿命的估计。数据采集和处理单元可以被配置为调整已经达到由遥测信息确定的预定退化水平的一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件的一个或多个操作参数。还描述了包括该电子器件的电子系统。

Description

接收和处理遥测信息的电子器件和电子系统
背景技术
实现为分立器件或功率模块的功率电子器件在由电气和/或机械组件的退化引起的即时硬(灾难性)故障或寿命终止故障方面是不可预测的。通常，只有安全操作区域的寿命曲线和对应的应用注释可供考虑。退化的真实状态和个体内部物理极限是未知的。因此，功率电子器件经常被过早地更换，这导致较高的成本、不必要的操作中断以及环境浪费。对使用中的功率电子器件的实际剩余物理寿命的指示不可用，因为功率电子器件内部和周围的系统不测量必要的值并计算实际剩余物理寿命。而且，检测临界电路状况通常太慢而不能防止系统/组件故障。相反，功率电子器件通常被设计成具有大的安全裕度和过度谨慎的操作区域，只要不发生显著的组件退化，这些操作区域对于80％或更多的寿命而言是不必要的。
因此，需要针对功率电子器件的临界状况检测和处理能力。
发明内容
根据电子器件的实施例，该电子器件包括：接口，被配置为接收一个或多个功率半导体器件的遥测信息；以及数据采集和处理单元，被配置为基于在一个或多个功率半导体器件的使用期间收集并在接口处接收的遥测信息来周期性地更新一个或多个功率半导体器件的剩余寿命的估计。
根据电子系统的实施例，该电子系统包括：一个或多个功率半导体器件，被配置为驱动一个或多个负载；栅极驱动器，被配置为驱动一个或多个功率半导体器件；控制器，被配置为控制栅极驱动器；一个或多个传感器，被配置为提供一个或多个功率半导体器件的遥测信息；以及数据采集和处理单元，被配置为基于在一个或多个功率半导体器件的使用期间收集的遥测信息来周期性地更新一个或多个功率半导体器件的剩余寿命的估计。
根据电子器件的另一实施例，该电子器件包括：接口，被配置为接收一个或多个功率半导体器件的遥测信息；以及数据采集和处理单元，被配置为调整已经达到由遥测信息确定的预定退化水平的一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件的一个或多个操作参数。
本领域技术人员在阅读以下详细描述并在参考附图时将认识到附加的特征和优点。
附图说明
附图的元件不必相对于彼此是按比例绘制的。相同的附图标记表示对应的相同部分。除非它们相互排斥，各个所示实施例的特征可以进行组合。在附图中描绘了实施例并且在以下描述中对实施例进行了详细描述。
图1图示了包括用于实现一个或多个临界状况检测和处理能力的数据采集和处理单元的电子系统的实施例的框图。
图2图示了数据采集和处理单元可以对其实现临界状况检测和处理能力中的一个或多个的功率模块的侧面透视图。
图3图示了数据采集和处理单元可以对其实现临界状况检测和处理能力中的一个或多个的离散功率半导体裸片的前透视图和后透视图。
图4图示了包括数据采集和处理单元的电子系统的另一实施例的框图。
图5至图10各自图示了由数据采集和处理单元实现的临界状况检测和处理能力的实施例的流程图。
图11图示了数据采集和处理单元的软件模块组件的实施例。
图12图示了包括数据采集和处理单元的电子系统的另一实施例的框图。
具体实施方式
本文描述的实施例提供针对功率电子器件的临界状况检测和处理能力，功率电子器件可以被实现为功率器件分立功率器件或功率模块。例如，功率模块可以包括诸如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、HEMT(高电子迁移率晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)等的功率开关、任选的续流二极管和另外的电路，任选地配备有栅极驱动器、电源、传感器、致动器、控制电路和可以以软件/固件实现的算法、通信电路以及提供临界状况处理能力的数据采集和处理单元。在功率模块的情况下，功率电子器件的部件集成在相同模块中。在分立的情况下，功率电子器件的组件被提供为分立组件，该分立组件例如可以附接到系统板。
不管物理功率电子器件实现如何，数据采集和处理单元可以被配置为实现状况监控、预测维护、过程优化和/或额外性能与寿命的折中。数据采集和处理单元可以包括用于实现以下能力中的一个、多于一个但不是全部、或每个的硬件和/或软件。数据采集和处理单元可以检测即将到来的临界状况，诸如短路或过载状况，并在这种状况变得临界之前采取动作。由数据采集和处理单元采取的动作可以包括限制由功率电子器件提供的电流、限制电流转换速率、限制功率电子器件的开关频率、和/或将功率电子器件设置处于安全状态，这可以涉及至少暂时关闭功率电子器件。
单独地或组合地，数据采集和处理单元可以提供用户可选择的模式，例如，作为一组参数，诸如最大效率、最大寿命、最大速度、最大动态特性、最小EMC(电磁兼容性)，以安全地操作功率电子器件等。这些参数可以被预先定义为功率电子器件设计的一部分或者通过技术方案自优化，例如，使用关于诸如寿命退化的个体状况和趋势的AI(人工智能)算法。
单独地或组合地，并且如果通过检测即将到来的临界状况并且在这种状况变得临界之前动作来避免即时硬(灾难性)故障，则数据采集和处理单元就可以增大最大输出电流，只要功率电子器件的内部温度确实超过指定极限。数据采集和处理单元可以接近或甚至暂时超过功率电子器件的指定物理极限。在这种情况下，可以使用结温或热阻、输入/输出相电流和/或电压的内部测量来确定操作的实际物理边界，甚至考虑到个体器件公差和实际退化状态。虽然较高的输出功率可以在功率电子器件上引起较高的应力，这可以导致较快的寿命消耗，但是这种过度使用对于其中临时较高功率与总寿命之间的折中是有益的应用可能是有益的。
下面参考附图描述针对功率电子器件的临界状况检测和处理能力和并入该功率电子器件的功率电子系统的实施例。
图1图示了诸如DC/AC逆变器、DC/DC转换器、AC/DC转换器、DC/AC转换器、AC/AC转换器、多相逆变器、H桥等的电子系统100的实施例。电子系统100包括用于驱动一个或多个负载104的一个或多个功率半导体器件102、用于驱动一个或多个功率半导体器件102的栅极驱动器106、用于控制每个栅极驱动器106的控制器108以及提供关于一个或多个功率半导体器件102的遥测信息的一个或多个传感器110。传感器110在图1中未示出但在其它附图中图示。
由传感器110提供的遥测信息可以包括功率器件温度、功率器件输出电流、功率器件输出电压、过电流信息、欠电流信息、过电压信息、欠电压信息等。传感器110可以被包括在功率半导体器件102、栅极驱动器106和/或控制器108中。也就是说，本文描述的感测能力可以跨电子系统100的多于一种组件类型(例如，功率半导体器件102和栅极驱动器106)分布，或者可以由电子系统100的单个组件类型(例如，功率半导体器件102或栅极驱动器106)执行。
电子系统100还包括数据采集和处理单元112，该数据采集和处理单元112可配置为实现本文描述的临界状况检测和处理能力中的一个或多个。数据采集和处理单元112可以跨电子系统100的多于一种组件类型分布，或者可以被包括在电子系统100的单个组件类型中。例如，数据采集和处理单元112可以跨功率半导体器件102和/或栅极驱动器106和/或控制器和/或诸如中央分析单元114和/或云计算资源116中的其它地方分布，其中中央分析单元114与控制器108和每个功率半导体器件102分离。或者，数据采集和处理单元112可以仅在功率半导体器件102中、仅在栅极驱动器106中、仅在控制器中、仅在中央分析单元114中、或仅在云计算资源116中实现。在每种情况下，包括数据采集和处理单元112的全部或部分的电子设备具有用于接收一个或多个功率半导体器件102的遥测信息的接口118，并且基于该遥测信息，数据采集和处理单元112采取一个或多个动作。
在一个实施例中，并且不管数据采集和处理单元112是跨电子系统100的多于一个组件类型分布还是被包括在电子系统100的单个组件类型中，数据采集和处理单元112都可以基于在一个或多个功率半导体器件102的使用期间收集的遥测信息来周期性地更新一个或多个功率半导体器件102的剩余寿命的估计。单独地或另外地，数据采集和处理单元112可以调整已经达到由遥测信息确定的预定退化水平的每个功率半导体器件102的一个或多个操作参数。单独地或另外地，数据采集和处理单元112可以基于从云计算资源116接收的信息来修改由数据采集和处理单元112使用的模型以估计一个或多个功率半导体器件102的剩余寿命。
数据采集和处理单元112可以包括用于实现本文描述的临界状况检测和处理能力中的一个或多个的软件120(例如固件)和/或硬件122。稍后将更详细地描述可以由数据采集和处理单元112基于一个或多个功率半导体器件102的遥测信息实现的临界状况检测和处理能力。
如以上所描述的，功率电子器件102可以被实现为功率器件分立功率器件或功率模块。例如，图2示出了实现为功率模块200的功率电子器件102的示例，功率模块200可以包括诸如IGBT、MOSFET、HEMT、JFET等的功率开关、任选的续流二极管和另外的电路。功率模块200包括用于从电源114输入功率并向对应负载104输出功率的功率端子202。功率模块200可以任选地包括对应的栅极驱动器106、电源、传感器110中的一些或全部、致动器、控制电路和可以以软件/固件实现的算法以及通信电路。功率模块200可以包括提供本文描述的临界状况处理能力中的一个或多个的数据采集和处理单元112的部分或全部。在该功率模块的情况下，功率电子器件的部件集成在相同模块中。
在分立的情况下，功率电子器件的组件被提供为分立组件，该分立组件例如可以附接到系统板。例如，图3示出了分立功率半导体裸片300的示例。分立功率半导体裸片300可以包括IGBT、MOSFET、HEMT、JFET、续流二极管等。分立功率半导体裸片300在裸片300的一侧或两侧处具有功率和控制端子302。分立功率半导体裸片300可以包括提供本文描述的临界状况处理能力中的一个或多个的数据采集和处理单元112的部分或全部。
图4图示了可以向数据采集和处理单元112提供关于一个或多个功率半导体器件102的遥测信息的传感器110的实施例。一个传感器400可以感测每个功率半导体器件102的DC输入电流和/或DC输入电压并将其报告给数据采集和处理单元112。另一传感器402可以感测个体晶体管电流，例如包括在每个功率半导体器件102中的IGBT的个体集电极电流或MOSFET的个体漏极电流，并将其报告给数据采集和处理单元112。另一传感器404可以感测每个功率半导体器件102的温度数据，例如诸如结温、热阻等，并将其报告给数据采集和处理单元112。另一传感器406可以例如基于每个功率半导体器件102的AC输出电流408来感测每个功率半导体器件102的电压转换速率(dv/dt)并将其报告给数据采集和处理单元112。另一传感器410可以例如基于每个功率半导体器件102的AC输出电流408来感测饱和电压，例如包括在每个功率半导体器件102中的IGBT的集电极-发射极(VCE_SAT)饱和电压或MOSFET的漏极-源极(VDS_SAT)饱和电压，并将其报告给数据采集和处理单元112。另一个传感器412可以例如基于每个功率半导体器件102的AC输出电流408来感测每个功率半导体器件102的电流转换速率(di/dt)并将其报告给数据采集和处理单元112。还可以使用其它类型的传感器110来提供指示一个或多个功率半导体器件102的操作健康和剩余寿命的遥测信息。
数据采集和处理单元112使用由一个或多个传感器110提供的遥测信息来实现本文描述的临界状况检测和处理能力中的一个或多个。控制器108、云计算资源116、诸如对控制器408具有支配的控制板的实体414等可以类似地将遥测信息提供给数据采集和处理单元112以实现本文描述的临界状况检测和处理能力和/或通知数据采集和处理单元112关于响应于所报告的遥测信息可以采取哪些校正动作(如果有的话)的附加信息。数据采集和处理单元112可以经由有线和/或无线通信通道与传感器110、控制器108、云计算资源116、对控制器408具有支配的实体414等通信。
图5图示了临界状况检测和处理能力的实施例，数据采集和处理单元112被配置为基于由包括在数据采集和处理单元112中或与数据采集和处理单元112相关联的接口118接收的遥测信息来实现该临界状况检测和处理能力。根据该实施例，所接收的遥测信息包括一个或多个功率半导体器件退化指示符(框500)。数据采集和处理单元112基于包括在遥测信息中的功率半导体器件退化信息来确定功率半导体器件102中的任何是否已经达到预定退化水平。例如，由温度传感器404、电压转换速率传感器406、饱和电压传感器410和电流转换速率传感器412感测的参数可以基于对应感测参数的变化来指示功率半导体器件退化。
数据采集和处理单元112基于由数据采集和处理单元112接收的对应器件退化信息来确定每个功率半导体器件102的退化水平(框502)。如果至少一个功率半导体器件102达到预定退化水平“X”(框504)，则数据采集和处理单元112可以通知控制器108、云计算资源116、对控制器408具有支配的实体414等(框506)，并将至少一些电流从该功率半导体器件102转移到尚未达到预定退化水平X的功率半导体器件102中的一个或多个(框508)。换句话说，当至少一个功率半导体器件102达到预定退化水平X时，数据采集和处理单元112可以有意地强制功率半导体器件102之间的电流不平衡。因此，较低的负载电流负荷被置于达到预定退化水平X的每个功率半导体器件102上，而较高的负载电流负荷被置于尚未达到预定退化水平X的功率半导体器件102中的一个或多个上。可以允许电流不平衡继续，例如，直到达到预定退化水平X的每个功率半导体器件102被替换。控制器108可以替代地实现图5中图示的算法，或者数据采集和处理单元112可以执行该算法的一部分并且控制器108可以执行该算法的另一部分。
图6图示了临界状况检测和处理能力的另一实施例，数据采集和处理单元112被配置为基于由包括在数据采集和处理单元112中或与数据采集和处理单元112相关联的接口118接收的遥测信息来实现该临界状况检测和处理能力。根据该实施例，所接收的遥测信息包括一个或多个功率半导体器件102的一个或多个阻断电压能力指示符(框600)。数据采集和处理单元112基于包括在遥测信息中的一个或多个阻断电压能力指示符来确定一个或多个功率半导体器件102中的任何的阻断电压能力是否已经下降到预定水平以下。例如，由晶体管电流传感器402和饱和电压传感器410感测的参数可以基于对应感测参数的变化来指示阻断电压能力的降低。
数据采集和处理单元112基于由数据采集和处理单元112接收的对应阻断电压能力信息来确定每个功率半导体器件102的阻断电压(框602)。如果至少一个功率半导体器件102的阻断电压能力已经下降到预定水平“Y”以下(框604)，则数据采集和处理单元112可以通知控制器108、云计算资源116、对控制器408具有支配的实体414等(框606)，并且调整具有降低的阻断电压能力的每个功率半导体器件102的最大允许饱和电压VCE_SAT/VDS_SAT(框608)。例如，数据采集和处理单元112可以降低具有下降到预定水平Y以下的阻断电压能力的每个功率半导体器件102的允许电流转换速率di/dt。
通过减小切换斜率(di/dt)，任何杂散电感中的感应电压更低，这继而减小泄漏电流。单独地或组合地，控制器108和/或数据采集和处理单元112可以针对具有下降到预定水平Y以下的阻断电压能力的每个功率半导体器件102调整对栅极驱动器106的控制。控制器108可以替代地实现图6中图示的算法，或者数据采集和处理单元112可以执行该算法的一部分并且控制器108可以执行该算法的另一部分。
图7图示了临界状况检测和处理能力的另一实施例，数据采集和处理单元112被配置为基于由包括在数据采集和处理单元112中或与数据采集和处理单元112相关联的接口118接收的遥测信息来实现该临界状况检测和处理能力。根据该实施例，数据采集和处理单元112存储一个或多个功率半导体器件102的多个操作模式简档，并基于所接收的遥测信息和/或基于从云计算资源116接收的信息来更新操作模式简档中的一个或多个。数据采集和处理单元112可以将每个更新的操作模式简档报告给控制器108和/或对控制器108具有支配的实体414。
例如，数据采集和处理单元112可以对每个功率半导体器件102的不同类型的负载循环(例如，全负载、部分负载、低功率等)进行分类(框700)。数据采集和处理单元112可以执行对每个寿命消耗类别的查找(框702)，并对每个功率半导体器件102的每个类别的负载循环进行计数(框704)。利用该信息(每个设备的每个类别的总循环)，数据采集和处理单元112可以确定每个功率半导体器件102的剩余寿命(框706)，并且数据采集和处理单元112可以将每个功率半导体器件102的剩余寿命的最近估计报告给控制器108和/或对控制器108具有支配的实体414。
电子系统100可以按照预定维护日程表进行操作，并且每个功率半导体器件102在其计算的寿命结束时被替换或维修。然而，一些功率半导体器件102可能比第一次投入使用时预测的更早地发生故障。数据采集和处理单元112可以包括一个或多个算法，例如，如图7所示，其利用每个功率半导体器件102，刚好直到意外早期故障之前的最后时刻(例如，几天或几周)。预期比第一次投入使用时预测的更早地紧急发生故障的任何功率半导体器件102被替换或维修以最大化器件使用，而不牺牲针对意外寿命终止故障的安全保护。
在另一实施例中，数据采集和处理单元112基于所接收的遥测信息来计算每个功率半导体器件102的操作循环的运行总数。数据采集和处理单元112基于操作循环的运行总数来周期性地更新每个功率半导体器件102的剩余寿命的估计。控制器108可以替代地实现图7中图示的算法，或者数据采集和处理单元112可以执行该算法的一部分并且控制器108可以执行该算法的另一部分。
单独地或组合地，控制器108和/或数据采集和处理单元112可以基于对对应功率半导体器件102的剩余寿命的估计来调整对每个栅极驱动器106的控制。例如，数据采集和处理单元112可以将每个功率半导体器件102的剩余寿命的最近估计报告给控制器108，并且控制器108可以基于由数据采集和处理单元112报告的剩余寿命的最近估计来调整对每个栅极驱动器106的控制。单独地或组合地，数据采集和处理单元112可以基于从云计算资源116接收的信息来修改由数据采集和处理单元112使用的模型以估计每个功率半导体器件102的剩余寿命。
图8图示了临界状况检测和处理能力的另一实施例，数据采集和处理单元112被配置为基于由包括在数据采集和处理单元112中或与数据采集和处理单元112相关联的接口118接收的遥测信息来实现该临界状况检测和处理能力。根据该实施例，所接收的遥测信息包括一个或多个功率半导体器件102的热阻信息(框800)。数据采集和处理单元112基于包括在遥测信息中的热阻信息来确定功率半导体器件102中的任何是否已经达到预定退化水平。例如，每个功率半导体器件102的热阻信息可以由温度传感器404提供。
数据采集和处理单元112基于由数据采集和处理单元112接收的对应热阻信息来确定每个功率半导体器件102的退化水平(框802)。如果至少一个功率半导体器件102达到预定热阻退化水平‘Z’(框504)，则数据采集和处理单元112可以通知控制器108、云计算资源116、对控制器408具有支配的实体414等(框806)，并且调整已经达到预定热阻退化水平Z的每个功率半导体器件102的允许最大电流‘Imax’和/或允许最大结温‘Tvjmax’和/或允许最大电压‘VCE/VDS max’(框808)。如果功率半导体器件102的热阻随时间增大，则该功率半导体器件102不能像在器件102的寿命开始时那样硬地驱动负载104。减小Imax、Tvjmax和/或VCE/VDS max使得能够继续使用受影响的功率半导体器件102。数据采集和处理单元112可以基于实际测量和/或使用数据来计算受影响的功率半导体器件102的剩余寿命，例如，如前面结合图7所述。控制器108可以替代地实现图8中图示的算法，或者数据采集和处理单元112可以执行该算法的一部分并且控制器108可以执行该算法的另一部分。
图9图示了临界状况检测和处理能力的另一实施例，数据采集和处理单元112被配置为基于由包括在数据采集和处理单元112中或与数据采集和处理单元112相关联的接口118接收的遥测信息来实现该临界状况检测和处理能力。根据该实施例，所接收的遥测信息包括每个功率半导体器件102的电流转换速率信息‘di/dt’(框800)。数据采集和处理单元112调整已经达到由包括在遥测信息中的当前转换速率信息确定的预定退化水平‘A’的每个功率半导体器件102的一个或多个操作参数。例如，每个功率半导体器件102的电流转换速率信息可以由图4中示出的传感器412提供。
当电流突然且快速地增大时，电流转换速率预示早期短路状况。如果至少一个功率半导体器件102的当前转换速率信息超过预定极限‘A’(框902)，则数据采集和处理单元112可以通知控制器108、云计算资源116、对控制器408具有支配的实体414等(框904)，并将栅极电压VG增大量ΔVG，使得经调整的栅极电压超过最大允许水平(框906)。数据采集和处理单元112等待预定时间量‘M’(框908)，然后基于新的当前转换速率信息来重新评估(框900到906)。控制器108可以替代地实现图9中图示的算法，或者数据采集和处理单元112可以执行该算法的一部分并且控制器108可以执行该算法的另一部分。
图10图示了临界状况检测和处理能力的另一实施例，数据采集和处理单元112被配置为基于由包括在数据采集和处理单元112中或与数据采集和处理单元112相关联的接口118接收的遥测信息来实现该临界状况检测和处理能力。根据该实施例，所接收的遥测信息包括每个功率半导体器件102的结温信息‘Tvj’(框1000)。例如，每个功率半导体器件102的结温信息可以由图4中示出的温度传感器404提供。数据采集和处理单元112可以通知控制器108、云计算资源116、对控制器408具有支配的实体414等所接收的结温信息Tvj(框1002)。
如果至少一个功率半导体器件102的结温信息Tvj超过预定极限‘B’(框1004)，则数据采集和处理单元112将栅极电压VG增大量ΔVG，使得经调整的栅极电压超过最大允许水平(框1006)。增大功率半导体器件102的栅极电压VG降低该器件102的开关损耗，但是使功率半导体器件102更容易受到短路状况的影响。
为了降低对短路状况的易感性，数据采集和处理单元112等待预定时间量‘N’(框1008)，然后重新评估相同功率半导体器件102的新接收的结温信息Tvj是否已经下降到预定极限B以下(框1004)。如果不是，则数据采集和处理单元112再次等待预定时间量N(框1008)，并且每当新的结温信息Tvj变得可用时再次检查(框1010)。如果功率半导体器件102的新接收的结温信息Tvj低于预定极限B，则数据采集和处理单元112将栅极电压VG返回到低于最大允许水平的标称值VG,nom，以降低短路易感性(框1012)。控制器108可以替代地实现图10中图示的算法，或者数据采集和处理单元112可以执行该算法的一部分并且控制器108可以执行该算法的另一部分。
如上所述，数据采集和处理单元112可以包括用于实现本文描述的临界状况检测和处理能力中的一个或多个的软件120(例如固件)和/或硬件122。图11图示了数据采集和处理单元112的软件(SW)模块1100组件的实施例。软件模块1100可以包括允许与另一软件模块或程序通信的应用程序接口(API)1102、防止未授权访问的许可管理器1104、限制未授权分析的受保护代码1106以及用于基于关于包括在电子系统中的半导体器件102的处理的遥测信息来实现本文的临界状况检测和处理能力中的任何的算法和/或边缘AI 1108。边缘AI使得能够使用云计算资源116将本文的临界状况检测和处理能力中的任何能力部署到远程定位设备。
图12图示了电子系统1200的另一实施例，其中每个功率半导体器件102形成逆变器系统1202。根据该实施例，中央分析单元114的功能被集成到为电子系统1200提供操作管理、用户界面和紧急处理能力的系统1204中。栅极驱动器106、控制器108、数据采集和处理单元112以及遥测接口118的功能可以集成在每个逆变器系统1202中。
数据采集和处理单元112可以跨电子系统120的多于一个组件类型分布，或者可以被包括在电子系统120的单个组件类型中。例如，数据采集和处理单元112可以跨逆变器系统1202和/或提供操作管理、用户界面和紧急处理能力的系统1204和/或云计算资源116分布。例如，可以在中央分析系统114内本地进行一些分析，其中可以从测量的遥测数据中提取某些参数，并且例如通过重新编程驱动器106或通过指示逆变器控制器108在分析单元内采取本地动作。通过云计算资源116可以进行其它分析，例如，可以为每个功率半导体器件102存储温度并分析数年内的温度。
云计算资源116可以执行长期分析以跟踪数月或甚至数年内的趋势，并向逆变器系统1202提供反馈并指导逆变器系统1202以不同方式操作相应的功率半导体器件102。可以通过向诸如中央分析单元114的边缘设备提供一些遥测数据来丰富测量，并且可以为基于云的学习提供云连接性，以使功率半导体器件设计更准确，从而提高寿命预测能力。例如，中央分析单元114可以具有基于参数输入来预测每个功率半导体器件102的剩余寿命的功率半导体器件模型。由中央分析单元114使用的寿命预测模型可以基于云学习而随时间改进。数据可以来自相关/类似器件，例如来自表征环境。在实际使用期间，传感器110可以实时地进行测量，以更新模型或采取进一步的动作。可以在现场进行一些处理，并且通过云计算资源116在“云”中进行其它处理。
本文描述的实施例使得具有功率晶体管开关、二极管和相关功率电子器件的功率半导体器件能够具有以下附加功能：(1)内置短路检测和紧急关闭，例如经由减速或限流器，其可以是无源或有源栅极控制单元，例如作为栅极驱动器的一部分；(2)所有相上的内置电流和电压测量，其足够准确以确定任何即将到来的临界事件，诸如短路和/或过电压，从而避免器件破坏，例如在外部过电流事件的情况下，受影响的相可以像恒流源一样操作而不是闭锁关断；(3)内置结温测量，例如使用准确、接近且足够快的片内/片上传感器，以确定诸如MOSFET、IGBT、二极管等的温度敏感组件的实际温度；(4)所测量的遥测参数可以用于监测、处理、表征和/或计数每个单个切换循环/事件，并跟踪这种发生以提供真实的寿命指示符；(5)所测量的遥测参数可以用于确定个体器件在寿命内的公差和退化状态，使得可以估计每个个体器件的剩余寿命；(6)在器件中可以存储预先设置的以不同模式操作功率半导体器件的不同器件参数，并将其提供给客户用于个人和情境选择；(7)所测量的遥测参数可以是动态的并且根据个体功率半导体器件和可能的其它系统组件的个体状况、趋势和退化由期望的技术方案来调整；(8)每个功率半导体器件可以被操作到最高可能寿命，在器件寿命结束时具有可预测的受控故障；(9)模式可以在接近物理器件极限的当前情形下启用最大输出功率，其中这样的物理极限可以表示为结温、电流、电压和其它相关参数的组合，并且可以仅在系统的特定状况和特定功率半导体器件允许的情况下启用；(10)这些模式中的一些可以自主地自激活以确保安全寿命终止管理和/或最大能量效率，并且可以覆盖诸如DC链路的其它系统组件退化，以在发生器件退化时提供安全系统缩小；(11)可以基于过去的数据来估计新的或不同的负载和切换简档，并且可以预测系统中未来的功率器件行为；(12)可以向最终用户提议特定推荐以关于技术或财务优化进一步操作系统；(13)可以使用技术仪表板或消息服务来向最终用户显示关于维护、系统设置、修理或其它必要交互的精确建议，以确保准许的操作以及没有或有限的应用的计划外停机时间；(14)系列测量结果可以在数据采集和处理单元中和/或外部可用(例如，存储)，并且可以影响用于寿命预测的AI、安全操作区域、参数预先设置等；(15)可以分析所测量的遥测数据，并且可以提取表示器件应力因子的特性特征，其中特性特征用于确定功率半导体器件的实际‘消耗’寿命；(16)附加功能(例如，感测、分析等)的一部分可以嵌入到功率半导体器件中、附接到功率半导体器件、和/或位于功率半导体器件附近的单独器件中；(17)分析功能(例如，算法)的一部分可以被实现为软件，该软件被许可给功率半导体器件的用户，例如逆变器制造商，并且该软件可以被嵌入到逆变器的控制代码中，可以被供应来自功率半导体器件的测量数据，并且可以经由API提供专用分析信息(例如，在适当的使用合同下)；(18)可以使用专用连接器，例如通过调制现有接口(例如功率和栅极端子)上的信号或通过非接触式通信(例如RF、光、电容、电感等)进行传感器数据、分析结果、使用推荐等的通信；(19)所测量的遥测数据可以作为原始或压缩数据存储在安全存储设备中用于后续分析，并且该存储可以在循环缓冲器中进行以限制所需的存储空间；(20)所测量的遥测数据不仅可以用于确定功率半导体器件的健康状态，而且可以提供对总体系统健康状态(例如逆变器中的DC链路电容器、链接到电机驱动器的机械元件等)的洞察。
尽管本公开不受此限制，但是以下编号的示例展示本公开的一个或多个方面。
示例1.一种电子器件，包括：接口，其被配置为接收一个或多个功率半导体器件的遥测信息；以及数据采集和处理单元，其被配置为基于在所述一个或多个功率半导体器件的使用期间收集并在所述接口处接收的所述遥测信息来周期性地更新所述一个或多个功率半导体器件的剩余寿命的估计。
示例2.根据示例1所述的电子器件，其中所述遥测信息包括一个或多个功率半导体器件退化指示符，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于包括在所述遥测信息中的所述一个或多个功率半导体器件退化指示符来确定所述一个或多个功率半导体器件中的任何是否已经达到预定退化水平。
示例3.根据示例1或2所述的电子器件，其中所述遥测信息包括所述一个或多个功率半导体器件的一个或多个阻断电压能力指示符，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于包括在所述遥测信息中的所述一个或多个阻断电压能力指示符来确定所述一个或多个功率半导体器件中的任何的阻断电压能力是否已经下降到预定水平以下。
示例4.根据示例1至3中任一项所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为基于所述遥测信息来计算所述一个或多个功率半导体器件的操作循环的运行总数，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于所述操作循环的运行总数来周期性地更新所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命的所述估计。
示例5.根据示例1至4中任一项所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为将所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命的最新估计报告给所述一个或多个功率半导体器件的控制器和/或对所述控制器具有支配的实体。
示例6.根据示例1至5中任一项所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为调整已经达到由所述遥测信息确定的预定退化水平的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的一个或多个操作参数。
示例7.根据示例6所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为减小已经达到由所述遥测信息确定的所述预定退化水平的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的最大电流。
示例8.根据示例6或7所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为减小已经达到由所述遥测信息确定的所述预定退化水平的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的最大温度。
示例9.根据示例6至8中任一项所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为减小已经达到由所述遥测信息确定的所述预定退化水平的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的最大饱和电压。
示例10.根据示例1至9中任一项所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为将具有超过由所述遥测信息确定的预定水平的电流转换速率的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的栅极电压增大到最大允许电平以上，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为随后在从所述栅极电压被增大时起经过预定时间量之后将所述栅极电压降低到所述最大允许电平以下。
示例11.根据示例1至10中任一项所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为将具有超过由所述遥测信息确定的预定水平的温度的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的栅极电压增大到最大允许电平以上，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为随后在从所述栅极电压被增大时起经过预定时间量之后在所述温度低于所述预定水平的情况下将所述栅极电压降低到所述最大允许电平以下。
示例12.根据示例1至11中任一项所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为存储所述一个或多个功率半导体器件的多个操作模式简档，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于所述遥测信息和/或基于从云计算资源接收的信息来更新所述操作模式简档中的一个或多个。
示例13.根据示例12所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为将一个或多个更新的操作模式简档中的每个报告给所述一个或多个功率半导体器件的控制器和/或对所述控制器具有支配的实体。
示例14.根据示例1至13中任一项所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为基于从云计算资源接收的信息来修改由所述数据采集和处理单元使用的模型以估计所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命。
示例15.一种电子系统，包括：一个或多个功率半导体器件，其被配置为驱动一个或多个负载；栅极驱动器，其被配置为驱动所述一个或多个功率半导体器件；控制器，其被配置为控制所述栅极驱动器；一个或多个传感器，其被配置为提供所述一个或多个功率半导体器件的遥测信息；以及数据采集和处理单元，其被配置为基于在所述一个或多个功率半导体器件的使用期间收集的所述遥测信息来周期性地更新所述一个或多个功率半导体器件的剩余寿命的估计。
示例16.根据示例15所述的电子系统，其中所述遥测信息包括一个或多个功率半导体器件退化指示符，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于包括在所述遥测信息中的所述一个或多个功率半导体器件退化指示符来确定所述一个或多个功率半导体器件中的任何是否已经达到预定退化水平。
示例17.根据示例16所述的电子系统，其中所述控制器被配置为将至少一些电流从达到所述预定退化水平的所述一个或多个功率半导体器件转移到尚未达到所述预定退化水平的功率半导体器件中的一个或多个。
示例18.根据示例15至17中任一项所述的电子系统，其中所述控制器和/或所述数据采集和处理单元被配置为基于对所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命的所述估计来调整对所述栅极驱动器的控制。
示例19.根据示例15至18中任一项所述的电子系统，其中所述遥测信息包括所述一个或多个功率半导体器件的一个或多个阻断电压能力指示符，其中所述数据采集和处理单元被配置为基于包括在所述遥测信息中的所述一个或多个阻断电压能力指示符来确定所述一个或多个功率半导体器件中的任何的阻断电压能力是否已经下降到预定水平以下，并且其中所述控制器和/或所述数据采集和处理单元被配置为针对具有低于所述预定水平的阻断电压能力的所述一个或多个功率半导体器件中的每个调整对所述栅极驱动器的控制。
示例20.根据示例15至19中任一项所述的电子系统，其中所述数据采集和处理单元被配置为基于所述遥测信息来计算所述一个或多个功率半导体器件的操作循环的运行总数，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于所述操作循环的运行总数来周期性地更新所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命的所述估计。
示例21.根据示例15至20中任一项所述的电子系统，其中所述数据采集和处理单元被配置为将所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命的最新估计报告给所述控制器，并且其中所述控制器被配置为基于由所述数据采集和处理单元报告的所述剩余寿命的所述最新估计来调整对所述栅极驱动器的控制。
示例22.根据示例15至21中任一项所述的电子系统，其中所述数据采集和处理单元被配置为将所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命的最近估计报告给所述控制器和/或对所述控制器具有支配的实体。
示例23.根据示例15至22中任一项所述的电子系统，其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为调整已经达到由所述遥测信息确定的预定退化水平的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的一个或多个操作参数。
示例24.根据示例23所述的电子系统，其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为减小已经达到由所述遥测信息确定的所述预定退化水平的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的最大电流。
示例25.根据示例23或24所述的电子系统，其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为降低已经达到由所述遥测信息确定的所述预定退化水平的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的最大温度。
示例26.根据示例23至25中任一项所述的电子系统，其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为减小已经达到由所述遥测信息确定的所述预定退化水平的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的最大饱和电压。
示例27.根据示例15至26中任一项所述的电子系统，其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为将具有超过由所述遥测信息确定的预定水平的电流转换速率的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的栅极电压增大到最大允许电平以上，并且其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为随后在从所述栅极电压被增大时起经过预定时间量之后将所述栅极电压降低到所述最大允许电平以下。
示例28.根据示例15至27中任一项所述的电子系统，其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为将具有超过由所述遥测信息确定的预定水平的温度的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的栅极电压增大到最大允许电平以上，并且其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为随后在从所述栅极电压被增大时起经过预定时间量之后在所述温度低于所述预定水平的情况下将所述栅极电压降低到所述最大允许电平以下。
示例29.根据示例15至28中任一项所述的电子系统，其中所述数据采集和处理单元被配置为存储所述一个或多个功率半导体器件的多个操作模式简档，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于所述遥测信息和/或基于从云计算资源接收的信息来更新所述操作模式简档中的一个或多个。
示例30.根据示例29所述的电子系统，其中所述数据采集和处理单元被配置为将一个或多个更新的操作模式简档中的每个报告给所述控制器和/或对所述控制器具有支配的实体。
示例31.根据示例15至30中任一项所述的电子系统，其中，所述数据采集和处理单元被包括在所述控制器或所述一个或多个功率半导体器件中。
示例32.根据示例15至31中任一项所述的电子系统，其中所述数据采集和处理单元被包括在与所述控制器和所述一个或多个功率半导体器件分离的中央分析单元中。
示例33.根据示例15至32中任一项所述的电子系统，其中所述数据采集和处理单元被配置为基于从云计算资源接收的信息来修改由所述数据采集和处理单元使用的模型以估计所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命。
示例34.一种电子器件，包括：接口，其被配置为接收一个或多个功率半导体器件的遥测信息；以及数据采集和处理单元，其被配置为调整已经达到由所述遥测信息确定的预定退化水平的所述一个或多个功率半导体器件中的每个的一个或多个操作参数。
诸如“第一”、“第二”等术语用于描述各种元件、区、区段等，并且也不旨在为限制性的。在整个说明书中，相同的术语指代相同的元件。
如本文所使用的，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，其指示所陈述的元件或特征的存在，但不排除附加的元件或特征。词语“一”、“一个”和“该”旨在包括复数以及单数，除非上下文另外清楚地指示。
应当理解，除非另外特别指出，本文描述的各种实施例的特征可以被彼此组合。
尽管本文已经说明和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，能够用各种替换和/或等同实现来替代所示出和描述的特定实施例。本申请旨在涵盖本文讨论的特定实施例的任何调整或变型。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等同物限制。

Claims (25)

1.一种电子器件，包括：
接口，被配置为接收用于一个或多个功率半导体器件的遥测信息；以及
数据采集和处理单元，被配置为基于在所述一个或多个功率半导体器件的使用期间收集并且在所述接口处接收的所述遥测信息，来周期性地更新所述一个或多个功率半导体器件的剩余寿命的估计。
2.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述遥测信息包括一个或多个功率半导体器件退化指示符，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于包括在所述遥测信息中的所述一个或多个功率半导体器件退化指示符，来确定所述一个或多个功率半导体器件中的任一个功率半导体器件是否已经达到预定退化水平。
3.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述遥测信息包括用于所述一个或多个功率半导体器件的一个或多个阻断电压能力指示符，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于包括在所述遥测信息中的所述一个或多个阻断电压能力指示符，来确定所述一个或多个功率半导体器件中的任一个功率半导体器件的阻断电压能力是否已经下降到预定水平以下。
4.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为基于所述遥测信息来计算用于所述一个或多个功率半导体器件的操作循环的运行总数，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于所述操作循环的所述运行总数来周期性地更新所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命的所述估计。
5.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为将所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命的最新估计报告给用于所述一个或多个功率半导体器件的控制器和/或对所述控制器具有支配的实体。
6.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为调整已经达到由所述遥测信息确定的预定退化水平的用于所述一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件的一个或多个操作参数。
7.根据权利要求6所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为减小已经达到由所述遥测信息确定的所述预定退化水平的用于所述一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件的最大电流。
8.根据权利要求6所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为减小已经达到由所述遥测信息确定的所述预定退化水平的用于所述一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件的最大温度。
9.根据权利要求6所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为减小已经达到由所述遥测信息确定的所述预定退化水平的用于所述一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件的最大饱和电压。
10.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为将具有超过由所述遥测信息确定的预定水平的电流转换速率的用于所述一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件的栅极电压增大到最大允许电平以上，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为在从所述栅极电压被增大时起经过预定时间量之后，随后将所述栅极电压降低到所述最大允许电平以下。
11.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为将具有超过由所述遥测信息确定的预定水平的温度的所述一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件的栅极电压增大到最大允许电平以上，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为在从所述栅极电压被增大时起经过预定时间量之后，随后在所述温度低于所述预定水平的情况下，将所述栅极电压降低到所述最大允许电平以下。
12.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为存储所述一个或多个功率半导体器件的多个操作模式简档，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于所述遥测信息和/或基于从云计算资源接收的信息来更新所述操作模式简档中的一个或多个操作模式简档。
13.根据权利要求1所述的电子器件，其中所述数据采集和处理单元被配置为基于从云计算资源接收的信息来修改由所述数据采集和处理单元使用的模型以估计所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命。
14.一种电子系统，包括：
一个或多个功率半导体器件，被配置为驱动一个或多个负载；
栅极驱动器，被配置为驱动所述一个或多个功率半导体器件；
控制器，被配置为控制所述栅极驱动器；
一个或多个传感器，被配置为提供所述一个或多个功率半导体器件的遥测信息；以及
数据采集和处理单元，被配置为基于在所述一个或多个功率半导体器件的使用期间收集的所述遥测信息来周期性地更新所述一个或多个功率半导体器件的剩余寿命的估计。
15.根据权利要求14所述的电子系统，其中所述遥测信息包括一个或多个功率半导体器件退化指示符，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于包括在所述遥测信息中的所述一个或多个功率半导体器件退化指示符来确定所述一个或多个功率半导体器件中的任一个功率半导体器件是否已经达到预定退化水平。
16.根据权利要求14所述的电子系统，其中所述控制器和/或所述数据采集和处理单元被配置为基于对所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命的所述估计来调整对所述栅极驱动器的控制。
17.根据权利要求14所述的电子系统，其中所述遥测信息包括用于所述一个或多个功率半导体器件的一个或多个阻断电压能力指示符，其中所述数据采集和处理单元被配置为基于包括在所述遥测信息中的所述一个或多个阻断电压能力指示符来确定所述一个或多个功率半导体器件中的任一个功率半导体器件的阻断电压能力是否已经下降到预定水平以下，并且其中所述控制器和/或所述数据采集和处理单元被配置为针对具有低于所述预定水平的阻断电压能力的用于所述一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件，来调整对所述栅极驱动器的控制。
18.根据权利要求14所述的电子系统，其中所述数据采集和处理单元被配置为基于所述遥测信息来计算用于所述一个或多个功率半导体器件的操作循环的运行总数，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于所述操作循环的运行总数来周期性地更新所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命的所述估计。
19.根据权利要求14所述的电子系统，其中所述数据采集和处理单元被配置为将所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命的最近估计报告给所述控制器和/或对所述控制器具有支配的实体。
20.根据权利要求14所述的电子系统，其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为调整已经达到由所述遥测信息确定的预定退化水平的用于所述一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件的一个或多个操作参数。
21.根据权利要求14所述的电子系统，其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为将具有超过由所述遥测信息确定的预定水平的电流转换速率的用于所述一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件的栅极电压增大到最大允许电平以上，并且其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为随后在从所述栅极电压被增大时起经过预定时间量之后将所述栅极电压降低到所述最大允许电平以下。
22.根据权利要求14所述的电子系统，其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为将具有超过由所述遥测信息确定的预定水平的温度的用于所述一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件的栅极电压增大到最大允许电平以上，并且其中所述控制器或所述数据采集和处理单元被配置为随后在从所述栅极电压被增大时起经过预定时间量之后在所述温度低于所述预定水平的情况下将所述栅极电压降低到所述最大允许电平以下。
23.根据权利要求14所述的电子系统，其中所述数据采集和处理单元被配置为存储用于所述一个或多个功率半导体器件的多个操作模式简档，并且其中所述数据采集和处理单元被配置为基于所述遥测信息和/或基于从云计算资源接收的信息来更新所述操作模式简档中的一个或多个。
24.根据权利要求14所述的电子系统，其中所述数据采集和处理单元被配置为基于从云计算资源接收的信息来修改由所述数据采集和处理单元使用的模型以估计所述一个或多个功率半导体器件的所述剩余寿命。
25.一种电子器件，包括：
接口，被配置为接收用于一个或多个功率半导体器件的遥测信息；以及
数据采集和处理单元，被配置为调整已经达到由所述遥测信息确定的预定退化水平的用于所述一个或多个功率半导体器件中的每个功率半导体器件的一个或多个操作参数。
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