CN211402616U - 功率半导体模块和逆变器装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种功率半导体模块和逆变器装置，包括：功率半导体器件；饱和压降检测单元，与所述功率半导体器件电性连接，以用于检测所述功率半导体器件的饱和压降VCESAT；以及寿命提示单元，与所述饱和压降检测单元相连接，并能够根据所述饱和压降VCESAT发出提示信息，所述提示信息指示所述功率半导体器件的使用寿命，由于影响功率半导体器件寿命的主要原因是功率半导体器件材料结合部连接劣化，一般主要发生在绑定线与芯片结合处、芯片与DBC绝缘基板焊锡层、DBC绝缘基板与铜底板焊锡层，以上三处的连接劣化(松脱或剥离)都会导致连接处的电阻升高，进而导致饱和压降VCESAT的升高，通过对饱和压降VCESAT的检测，测算功率半导体器件的使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体功率器件封装技术领域，更详细地说，本实用新型涉及一种功率半导体模块和逆变器装置。
背景技术
功率半导体器件主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)，由于功率半导体各个组成材料的热膨胀系数(CTE)有所差异，在循环负荷变化的工况下长期工作或经常发生剧烈的负荷变动，可能会产生材料结合部连接劣化，该劣化一般发生在绑定线与芯片结合处、芯片与DBC 绝缘基板焊锡层以及DBC绝缘基板与铜底板焊锡层，材料结合部连接劣化也成为影响功率半导体模块的寿命的主要原因，现有的逆变器装置基本上只是在设计阶段采集典型的运行工况来进行结温变动幅值及循环次数的计算或实测，通过对比器件厂商给出的典型功率循环寿命曲线来进行寿命的推算，由于厂家给出的功率循环寿命曲线只是特定条件下的实验值，与客户的实际运行工况差别较大，而且实验的样本很少，因此，按照此曲线来推测的功率循环寿命精度很低，有可能在推测寿命前模块就已损坏从而导致异常停机或者早于模块寿命之前就更换模块从而导致不必要的浪费
因此，有必要对现有的功率半导体模块加以改进。
实用新型内容
鉴于现有技术中功率半导体模块存在的模块寿命难于准确预测的问题，本实用新型提供了一种功率半导体模块，包括：功率半导体器件；饱和压降检测单元，与所述功率半导体器件电性连接，以用于检测所述功率半导体器件的饱和压降VCESAT；以及寿命提示单元，与所述饱和压降检测单元相连接，并能够根据所述饱和压降VCESAT发出提示信息，所述提示信息指示所述功率半导体器件的使用寿命。
由于影响功率半导体器件寿命的主要原因是功率半导体器件材料结合部连接劣化，一般主要发生在绑定线与芯片结合处、芯片与DBC绝缘基板焊锡层、DBC绝缘基板与铜底板焊锡层，以上三处的连接劣化(松脱或剥离)都会导致连接处的电阻升高，进而导致饱和压降VCESAT的升高，因此，可以通过对饱和压降VCESAT的检测，测算功率半导体器件的使用寿命。
虽然功率半导体器件在购入时，厂家会给出典型功率循环寿命曲线以供用户对功率半导体器件的使用寿命进行测算，但是由于厂家给出的功率循环寿命曲线只是特定条件下的实验值，和使用者的实际运行工况差别较大，本实用新型所提供的功率半导体器件的使用寿命信息，相比较于厂家给出的功率循环寿命曲线，更接近于功率半导体器件实际应用的工况，提高功率半导体器件使用寿命推测的精度，避免了在推测寿命前功率半导体器件就已损坏导致的异常停机和早于推测寿命前更换功率半导体器件导致的不必要浪费。
在本实用新型的较优技术方案中，所述寿命提示单元包括：压降比较单元，与所述饱和压降检测单元电性连接，将所述饱和压降检测单元检测到的所述饱和压降VCESAT与饱和压降阈值VCESAT(TH)进行比较。
在本实用新型的较优技术方案中，所述寿命提示单元还包括：警报单元，与所述压降比较单元的输出端相连接，以在VCESAT＞VCESAT(TH)时发送警报信号。
在该技术方案中，由于当VCESAT＞VCESAT(TH)时，功率半导体器件工作于过流状态，并很可能会导致功率半导体器件的损坏，此时及时的发出警报，能够使得使用者及时发现问题，解决问题，以减少因功率半导体器件发生故障而导致应用该功率半导体器件的设备突发宕机而产生的损失。
在本实用新型的较优技术方案中，所述寿命提示单元还包括：存储单元，与所述饱和压降检测单元电性连接，用于存储所述饱和压降检测单元检测的所述饱和压降VCESAT的历史数据。
在该技术方案中，存储单元能够存储饱和压降检测单元检测的饱和压降VCESAT的数据，使用者可以定期下载数据并根据该数据分析功率半导体器件的使用寿命，具体地，使用者可以根据饱和压降VCESAT的历史数据绘制饱和压降VCESAT随时间变化而相应增长的增长曲线(理论上随着功率半导体器件在循环负荷变化的工况下长期工作饱和压降VCESAT将不断升高)，并将该增长曲线中饱和压降VCESAT的最大值与该功率半导体器件的最大饱和压降VCESAT(TH)进行比较，并据此测算饱和压降VCESAT增长至最大饱和压降VCESAT(TH)的时间，该时间即为该功率半导体器件的使用寿命，使用者可以根据功率半导体器件的使用寿命判断是否需要将功率半导体器件进行更换，如此设置，能够对功率半导体器件的使用寿命进行监控，特别是当设备中具有多个功率半导体器件时，可以将多个功率半导体器件1 同时连接至存储单元，实现对多个功率半导体器件的同时监控。
在本实用新型的较优技术方案中，还包括：电流检测电路，分别与所述饱和压降检测单元以及所述功率半导体器件的输出端电性连接，响应于所述电流检测电路检测到所述功率半导体器件的输出端的电流达到阈值，所述饱和压降检测单元检测所述功率半导体器件当前的饱和压降 VCESAT。
在该技术方案中，由于功率半导体器件的输出端的电流达到一定阈值时，判定为具有该功率半导体器件的设备正在运行，在该条件下启动饱和压降检测单元对功率半导体器件当前的饱和压降进行检测，能够节约能源，并避免检测到无效的数据。
在本实用新型的较优技术方案中，所述饱和压降检测单元包括：饱和压降检测电路，与所述功率半导体器件电性连接；采样电路，与所述饱和压降检测电路电性连接以对所述饱和压降VCESAT进行采样；屏蔽时间设置电路，与所述采样电路电性连接，以使所述采样电路经过预设时间T 后开始采样，以确保所述采样电路进行采样时所述功率半导体器件工作在饱和区。
在本实用新型的较优技术方案中，所述饱和压降检测电路包括：串联于所述功率半导体器件的集电极和发射极之间的电阻R、二极管D以及稳压二极管ZD，其中，所述电阻R的一端与所述集电极相连接，另一端与所述二极管D的正极相连接，所述稳压二极管ZD的负极与所述二极管D 的负极相连接，所述稳压二极管ZD的正极与所述发射极相连接。
在本实用新型的较优技术方案中，所述采样电路的两个输入端分别连接于所述二极管D的正极和所述稳压二极管ZD的正极。
以功率半导体器件为IGBT进行说明，起初IGBT芯片处于关断状态，施加于IGBT芯片两端的电压通过电阻R、二极管D以及稳压二极管ZD形成回路，回路的电流由电阻R来限制，采样电路此时采集的是稳压二极管ZD 两端的电压值；当电源向IGBT芯片的栅极施加预定幅值和脉宽的电压时，当进入稳定状态时，IGBT芯片的集电极和发射极之间的压降变为饱和压降VCESAT，此时IGBT芯片与输出端的负载形成回路，电阻R、二极管D以及稳压二极管ZD不再有电流流过，采样电路所采集的电压即为饱和压降 VCESAT。
在本实用新型的较优技术方案中，所述采样电路为隔离型模数转换电路。
在该技术方案中，采样电路采用隔离型模数转换电路，在一些替代性技术方案中，采样电路也可以为示波器或其它可以采集电压信息的器件。
在本实用新型的较优技术方案中，所述功率半导体器件为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
在该技术方案中，功率半导体器件为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，仅是作为示例进行说明，本实用新型所提供的技术方案，也可以用作其他种类的功率半导体器件的使用寿命的测算。
为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种逆变器装置，包括上述的功率半导体模块。
附图说明
图1是本实用新型的较优技术方案中半导体功率模块的示意图；
图2是图1中半导体功率模块的局部接线图；
图3是图1中半导体功率模块的饱和压降检测电路的电路图；
图4是IGBT芯片的电流电压时间曲线图；
图5是FWD芯片的电流电压时间曲线图。
附图说明：100-功率半导体模块；1-功率半导体器件，11-IGBT芯片，12-FWD芯片；2-饱和压降检测单元，21-饱和压降检测电路，22- 采样电路，23-屏蔽时间设置电路；3-寿命提示单元；4-压降比较单元； 5-警报单元；6-存储单元；7-电流检测电路；R-电阻；D-二极管；ZD- 稳压二极管。
具体实施方式
下面参照附图来描述本实用新型的优选技术方案。本领域技术人员应当理解的是，这些技术方案仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非旨在限制本实用新型的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其做出调整，以便适应具体的应用场合。
需要说明的是，在本实用新型的优选实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或组成部分必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
由于影响功率半导体器件1寿命的主要原因是功率半导体器件1材料结合部连接劣化，一般主要发生在绑定线与芯片结合处、芯片与DBC绝缘基板焊锡层、DBC绝缘基板与铜底板焊锡层，以上三处的连接劣化(松脱或剥离)都会导致连接处的电阻升高，进而导致饱和压降VCESAT的升高，因此，可以通过对饱和压降VCESAT的检测，测算功率半导体器件1的使用寿命。
具体地，如图1和图2所示，本实施方式提供了一种功率半导体模块 100，至少包括：功率半导体器件1；饱和压降检测单元2；以及寿命提示单元3；其中，饱和压降检测单元2与功率半导体器件1电性连接，并能够检测功率半导体器件的饱和压降VCESAT，寿命提示单元3，与饱和压降检测单元2相连接，并能够根据饱和压降VCESAT发出提示信息，提示信息指示功率半导体器件1的使用寿命。
虽然功率半导体器件1在购入时，厂家会给出典型功率循环寿命曲线以供用户对功率半导体器件1的使用寿命进行测算，但是由于厂家给出的功率循环寿命曲线只是特定条件下的实验值，和使用者的实际运行工况差别较大，本实施方式所提供的功率半导体器件1的使用寿命信息，相比较于厂家给出的功率循环寿命曲线，更接近于功率半导体器件实际应用的工况，提高功率半导体器件使用寿命推测的精度，避免了在推测寿命前功率半导体器件就已损坏导致的异常停机和早于推测寿命前更换功率半导体器件导致的不必要浪费。
其中，功率半导体器件1也称为电力电子器件(Power Electronic Device)，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)，功率半导体器件1的种类较多，按能够被控制电路信号所控制的程度分类可以分为半控性器件(例如晶闸管)、全控型器件(例如绝缘栅双极晶体管)以及不可控器件(例如电力二极管)；按照驱动电路加在功率半导体器件控制端和公共端之间信号的性质分类可以分为电压驱动型器件(例如静电感应晶闸管)以及电流驱动型器件(例如晶闸管)；根据驱动电路加在功率半导体器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类可以分为脉冲触发型(例如晶闸管)以及电子控制型(例如绝缘栅双极晶体管)；根据功率半导体器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类可以分为双极型器件(例如电力二极管)、单极型器件(例如肖特基势垒二极管)以及复合型器件(例如绝缘栅双极晶体管)。
本实施方式中，以功率半导体器件1为绝缘栅双极晶体管，也即IGBT (InsulatedGate Bipolar Transistor)为例进行说明，绝缘栅双极晶体管是由一种由BJT(双极性三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，作为一种常见的电子器件已经广泛应用在各种电子设备上,如图3所示，IGBT器件的等效电路可以看作是IGBT芯片11和FWD芯片12的并联，其中，FWD(Freewheeling diode) 即续流二极管，FWD在电路中一般用来保护器件不被感应电压击穿或烧坏，以并联的方式接到产生感应电动势的器件两端，并与其形成回路，使其产生的高电动势在回路以续电流方式消耗，从而起到保护电路中的器件不被损坏的作用。
需要说明的是，本实施方式中，功率半导体器件1为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，仅是作为示例进行说明，本实施方式中所提供的技术方案，也可以用作其他种类的功率半导体器件1的使用寿命的测算。
本实施方式中，饱和压降VCESAT是指IGBT芯片11工作在饱和区时其集电极和发射极之间的压降。
在本实施方式的较优技术方案中，寿命提示单元3包括：压降比较单元4，压降比较单元4与饱和压降检测单元2电性连接，将饱和压降检测单元检测2到的饱和压降VCESAT与饱和压降阈值VCESAT(TH)进行比较，其中，饱和压降阈值VCESAT(TH)为功率半导体器件1的最大饱和压降，该最大饱和压降可以由功率半导体器件1的工作手册中获得并设定在压降比较单元4中。
在本实施方式的较优技术方案中，寿命提示单元3还包括：警报单元5，警报单元5与压降比较单元4的输出端相连接，以在VCESAT＞VCESAT(TH)时发送警报信号，具体地，当VCESAT＞VCESAT(TH)时，也即功率半导体器件1 工作于过流状态，并很可能会导致功率半导体器件1的损坏，此时及时的发出警报，能够使得使用者及时发现问题，解决问题，以减少因功率半导体器件1发生故障而导致应用该功率半导体器件1的设备突发宕机而产生的损失。
上述实施方式实际上是给出了如何在功率半导体器件1的寿命将尽时及时的发现这一问题的方案，而为了能够在功率半导体器件1发生故障前就测算出功率半导体器件1的使用寿命，以便提前做出对策，例如，在定期PM时，提前将功率半导体器件1更换，这样就可以避免具有该功率半导体器件1的设备突发宕机状况。
为了实现这一功能，在本实施方式的较优技术方案中，寿命提示单元3还包括：存储单元6，存储单元6与饱和压降检测单元2电性连接，用于存储饱和压降检测单元2检测的饱和压降VCESAT的历史数据，在该实施方式中，存储单元6能够存储饱和压降检测单元2检测的饱和压降VCESAT的数据，使用者可以定期下载数据并根据该数据分析功率半导体器件1的使用寿命，具体地，使用者可以根据饱和压降VCESAT的历史数据绘制饱和压降 VCESAT随时间变化而相应增长的增长曲线(理论上随着功率半导体器件1 在循环负荷变化的工况下长期工作饱和压降VCESAT将不断升高)，并将该增长曲线中饱和压降VCESAT的最大值与该功率半导体器件1的最大饱和压降VCESAT(TH)进行比较，并据此测算饱和压降VCESAT增长至最大饱和压降VCESAT(TH)的时间，该时间即为该功率半导体器件1的使用寿命，使用者可以根据功率半导体器件1的使用寿命判断是否需要将功率半导体器件1进行更换，如此设置，能够对功率半导体器件1的使用寿命进行监控，特别是当设备中具有多个功率半导体器件1时，可以将多个功率半导体器件1同时连接至存储单元6，实现对多个功率半导体器件1的同时监控。
在本实施方式的较优技术方案中，还包括：电流检测电路7，电流检测电路7分别与饱和压降检测单元2以及功率半导体器件1的输出端电性连接，响应于电流检测电路7检测到功率半导体器件1的输出端的电流达到阈值，饱和压降检测单元2检测功率半导体器件1当前的饱和压降 VCESAT。
在该技术方案中，由于功率半导体器件1的输出端的电流达到一定阈值时，判定为具有该功率半导体器件1的设备正在运行，在该条件下启动饱和压降检测单元2对功率半导体器件1当前的饱和压降进行检测，能够节约能源，并避免检测到无效的数据。
在本实施方式的较优技术方案中，参考图3饱和压降检测单元2包括：饱和压降检测电路21，与功率半导体器件1电性连接；采样电路22，与饱和压降检测电路21电性连接以对饱和压降VCESAT进行采样；屏蔽时间设置电路23，与采样电路22电性连接，以使采样电路22经过预设时间T后开始采样，以确保采样电路22进行采样时功率半导体器件1工作在饱和区。
由于在实际使用过程中，功率半导体器件1不是瞬时进入饱和区的，如图4所示，因为前期的寄生效应，Vge(栅极和发射极之间的压降)并不是平滑曲线，故在进入饱和区前，如果对IGBT芯片11的集电极和发射极之间的压降进行测量，将会得到无效的数据，因此，需要设置屏蔽时间设置电路23，其能够使功率半导体器件1工作在饱和区之后(Vge稳定后)，再使采样电路22进行采样，如此设置，能够得到更为准确的饱和压降VCESAT检测数值。
另外，如图5所示，本实施方式所提供的技术方案还能够对FWD芯片 12的正向导通压降VF进行检测，同样的，FWD芯片12的正向导通也不是瞬时完成的，因此，也需要设置屏蔽时间设置电路23，使其在正向导通后，再经采样电路22进行采样，以获得其准确的正向导通压降VF，其中，图5 中的Vak代表FWD芯片12两端的电压，Ia代表FWD芯片12流过的电流，当续流进行预订时间后，开始对VF进行采样，能够得到更为准确的FWD芯片12 的正向导通压降VF。
具体地，通常屏蔽时间设置电路23设置的屏蔽时间T＞10μs。
在本实施方式的较优技术方案中，继续参考图3，具体地，功率半导体器件1为N型IGBT，饱和压降检测电路21包括：串联于功率半导体器件1的集电极和发射极之间的电阻R、二极管D以及稳压二极管ZD，其中，电阻R的一端与集电极相连接，另一端与二极管D的正极相连接，稳压二极管ZD的负极与二极管D的负极相连接，稳压二极管ZD的正极与发射极相连接，进一步的，采样电路22的两个输入端分别连接于二极管D的正极和稳压二极管ZD的正极。
下面对饱和压降VCESAT的检测方法进行说明，起初IGBT芯片11处于关断状态，施加于IGBT芯片11两端的电压通过电阻R、二极管D以及稳压二极管ZD形成回路，回路的电流由电阻R来限制，采样电路22此时采集的是稳压二极管ZD两端的电压值；当电源(未图示)向IGBT芯片的栅极施加预定幅值和脉宽的电压时，当进入稳定状态时，IGBT芯片的集电极和发射极之间的压降变为饱和压降VCESAT，此时IGBT芯片与输出端的负载形成回路，电阻R、二极管D以及稳压二极管ZD不再有电流流过，采样电路 22所采集的电压即为饱和压降VCESAT。
在本实施方式的较优技术方案中，采样电路22为隔离型模数转换电路，在一些替代性实施方式中，采样电路22也可以为示波器或其它可以采集电压信息的器件。
本实施方式还提供了一种功率半导体模块100的使用寿命检测方法，用于对上述功率半导体模块100的使用寿命进行检测，寿命检测方法包括步骤：获取功率半导体器件1的饱和压降VCESAT；根据功率半导体器件1 的饱和压降VCESAT测算功率半导体器件1的使用寿命。
需要说明的是，由于功率半导体模块100的使用寿命主要取决于功率半导体器件1的使用寿命，故对功率半导体器件1的使用寿命的检测也可以认为是对功率半导体模块100的使用寿命的检测。
本实施方式还提供了一种逆变器装置(未图示)，包括上述的功率半导体模块100。
至此，已经结合附图描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体技术方案。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种功率半导体模块，其特征在于，包括：
功率半导体器件；
饱和压降检测单元，与所述功率半导体器件电性连接，以用于检测所述功率半导体器件的饱和压降VCESAT；以及
寿命提示单元，与所述饱和压降检测单元相连接，并能够根据所述饱和压降VCESAT发出提示信息，所述提示信息指示所述功率半导体器件的使用寿命。
2.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述寿命提示单元包括：
压降比较单元，与所述饱和压降检测单元电性连接，将所述饱和压降检测单元检测到的所述饱和压降VCESAT与饱和压降阈值VCESAT(TH)进行比较。
3.如权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于，所述寿命提示单元还包括：
警报单元，与所述压降比较单元的输出端相连接，以在VCESAT＞VCESAT(TH)时发送警报信号。
4.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述寿命提示单元还包括：
存储单元，与所述饱和压降检测单元电性连接，用于存储所述饱和压降检测单元检测的所述饱和压降VCESAT的历史数据。
5.如权利要求1-4任意一项所述的功率半导体模块，其特征在于，还包括：电流检测电路，分别与所述饱和压降检测单元以及所述功率半导体器件的输出端电性连接，响应于所述电流检测电路检测到所述功率半导体器件的输出端的电流达到阈值，所述饱和压降检测单元检测所述功率半导体器件当前的饱和压降VCESAT。
6.如权利要求1-4任意一项所述的功率半导体模块，其特征在于，所述饱和压降检测单元包括：
饱和压降检测电路，与所述功率半导体器件电性连接；
采样电路，与所述饱和压降检测电路电性连接以对所述饱和压降VCESAT进行采样；
屏蔽时间设置电路，与所述采样电路电性连接，以使所述采样电路经过预设时间T后开始采样，以确保所述采样电路进行采样时所述功率半导体器件工作在饱和区。
7.如权利要求6所述的功率半导体模块，其特征在于，所述饱和压降检测电路包括：
串联于所述功率半导体器件的集电极和发射极之间的电阻R、二极管D以及稳压二极管ZD，其中，所述电阻R的一端与所述集电极相连接，另一端与所述二极管D的正极相连接，所述稳压二极管ZD的负极与所述二极管D的负极相连接，所述稳压二极管ZD的正极与所述发射极相连接。
8.如权利要求7所述的功率半导体模块，其特征在于，所述采样电路的两个输入端分别连接于所述二极管D的正极和所述稳压二极管ZD的正极。
9.如权利要求6所述的功率半导体模块，其特征在于，所述采样电路为隔离型模数转换电路。
10.一种逆变器装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的功率半导体模块。
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| CN201921871709.3U CN211402616U (zh) | 2019-11-01 | 2019-11-01 | 功率半导体模块和逆变器装置 |
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| CN201921871709.3U CN211402616U (zh) | 2019-11-01 | 2019-11-01 | 功率半导体模块和逆变器装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112781174A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-11 | 青岛海信日立空调系统有限公司 | 一种变频空调及变频空调寿命监测控制方法 |
-
2019
- 2019-11-01 CN CN201921871709.3U patent/CN211402616U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112781174A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-11 | 青岛海信日立空调系统有限公司 | 一种变频空调及变频空调寿命监测控制方法 |
| CN112781174B (zh) * | 2020-12-31 | 2023-11-21 | 青岛海信日立空调系统有限公司 | 一种变频空调及变频空调寿命监测控制方法 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |