DE102007042586A1

DE102007042586A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Regeln eines Betriebs eines Halbleiter-Bauelements

Info

Publication number: DE102007042586A1
Application number: DE102007042586A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. Kulka; Oliver Reimann; Frank Schremmer; Jens Konstantin Schwarzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-03-26
Also published as: WO2009033999A3; WO2009033999A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Betriebs von wenigstens einem Halbleiter-Bauelement, wie einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), zum Einsatz bei Stromrichtern, mit den Schritten: a) Ermitteln eines Ist-Temperaturwertes des Halbleiterbauelementes, b) Vergleichen des in Schritt a) erfassten Ist-Temperaturwertes mit einem Soll-Temperaturwert und c) Betätigen eines Stellgliedes einer Temperaturregelungseinrichtung für das Halbleiterbauelement zur Nachführung des Temperatur-Istwertes an den Soll-Temperaturwert aufgrund eines Ergebnisses von Schritt b).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln eines Betriebs von wenigstens einem Halbleiterbauelement, wie einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate, zum Einsatz bei Stromrichtern.
Beispielsweise Hochleistungs-Traktionsstromrichter finden ihre Anwendung bei Schienenfahrzeugen, insbesondere elektrisch angetriebenen Lokomotiven, und umfassen regelmäßig als Halbleiterbauelemente sog. "IGBT" (Isolated Gate Bipolar Transistor), d. h. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate.
Solche IGBTs sind aufgrund von Fahrzyklen, die typischerweise eine Anfahrzeit, eine Rollzeit, eine Bremszeit und eine Haltezeit umfassen, damit einhergehenden Wärmehüben unterzogen, die eine Alterung dieses Halbleiterbauelementes bewirken.
Aus der EP 0 971 573 B1 ist eine Kühlmitteltemperaturregelung für einen Stromrichter eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bekannt, bei der darauf abgestellt wird, eine Kühlwassertemperatur für dort eingesetzte Halbleiterbauelemente konstant zu halten. Mit einer solchen Vorgehensweise lassen sich jedoch nur langzeitig wirkende Temperaturänderungen durch entsprechende Regelung vermindern.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Betriebs eines Halbleiterbauelements anzugeben, bei denen die Halbleiterbauelemente selbst geringeren Temperaturschwankungen unterzogen werden, wobei eine Anwendbarkeit insbesondere auch bei Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, wie sie als Schaltelemente in Traktionsstromrichtern eingesetzt werden, gegeben sein soll.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens gelöst durch ein Verfahren zum Regeln eines Betriebs von wenigstens einem Halbleiter-Bauelement, wie einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate, zum Einsatz bei Stromrichtern, mit den Schritten: a) Ermitteln eines Ist-Temperaturwertes des Halbleiterbauelementes, b) Vergleichen des in Schritt a) erfassten Ist-Temperaturwertes mit einem Soll-Temperaturwert und c) Betätigen eines Stellgliedes einer Temperaturregelungseinrichtung für das Halbleiterbauelement zur Nachführung des Temperatur-Istwertes an den Soll-Temperaturwert aufgrund eines Ergebnisses von Schritt b).
Auf die vorgeschlagene Weise wird es ermöglicht, eine Ist-Temperatur des Halbleiter-Bauelementes auf direktem Wege zu regeln, so dass dessen Temperaturschwankungen auch im Hinblick auf kurzzeitige Einflüsse wirksam vermindert werden können. Beispielsweise kann die Temperaturregelungseinrichtung so ausgelegt sein, dass Abweichungen von 5°C des Ist-Temperaturwertes des Halbleiterbauelementes vom Soll-Temperaturwert nicht überschritten werden Bevorzugt kann in Schritt a) der Ist-Temperaturwert des Halbleiterbauelementes aufgrund eines Temperatur-Modells berechnet werden, in das eine gemessene Temperatur eines an dem Halbleiterbauelement angebrachten Kühlkörpers der Temperaturregelungseinrichtung eingeht.
Da sich der Kühlkörper unmittelbar an dem Halbleiterbauelement befindet, lässt sich sein Temperaturwert mit Hilfe eines geeigneten Temperaturmodells derart auswerten, dass auf eine innere Temperatur des Halbleiterbauelementes, beispielsweise eines IGBT, rückgeschlossen werden kann. Dieser Wert für die Ist-Temperatur des Halbleiterbauelementes gibt die tatsächliche Temperatur wesentlich zeitnaher wieder als beispielsweise, wie im Stand der Technik bekannt, die Kühlwassertemperatur einer Temperaturregelungseinrichtung.
Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens kann in Schritt a) vorgesehen sein, dass in das Temperaturmodell zusätzlich ein Wert für eine Verlustleistung des Halbleiterbauelements eingeht.
Gerade für den Anwendungsfall bei einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate kann die Verlustleistung durch eine Summe aus einer Transistorverlustleistung und einer Diodenverlustleistung wiedergegeben werden.
Wie bereits angesprochen, ist es günstig, als den Soll-Temperaturwert einen zeitlich konstanten Wert zu verwenden, so dass die unerwünschten Temperaturschwankungen für das Halbleiterbauelement vermindert werden.
Zum Einsatz bei dem Verfahren kann die Temperaturregelungseinrichtung als Wasserkühlung oder Luftkühlung verwirklicht sein.
Die oben bezeichnete Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 9, deren bevorzugte Ausführungsformen aus den Ansprüchen 10 bis 13 hervor gehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Antriebsstromrichters, bei dem Halbleiterbauelemente, wie Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, eingesetzt werden und
2 eine schematische Einzelansicht eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate und zugehöriger Kühlplatte.
Die Übersichtsdarstellung von 1 zeigt einen Wasserkühlkreislauf, der zum Kühlen von Halbleiterbauelementen in Antriebsstromrichterkomponenten dient. Die in 1 dargestellte Antriebsstromrichterschaltung weist vier zueinander parallel angeordnete Kühlkörper, KK1, KK2, KK3, KK4 (zugeordnet IGBTs von Vierquadrantensteller) auf, die jeweils mit einem in 1 nicht näher dargstellten Bipolartransistor mit isoliertem Gate ausgestattet sind. Auf einer Eingangsseite des Kühlwasserkreislaufs passiert ein Kühlwasserstrom eine Flussanzeige FA und erreicht danach eine Verzweigung zu einem Dreiwegeventil DW1, das mit Hilfe eines Elektromotors M1 einstellbar ist.
Das Dreiwegeventil DW1 besitzt zwei Ausgänge, von denen einer mit einer jeweiligen Eingangsseite der Kühlkörper KK1, ... KK4 und damit mit zugehörigen Kühlplatten, die unmittelbar an den IGBTs angebracht sind verbunden ist. Der andere Ausgang des Dreiwegeventils DW1 ist als Bypass B1 ausgestaltet.
Jeweilige Ausgangsseiten der Kühlkörper KK1, ... KK4, sind strömungstechnisch mit der Ausgangsseite der Bypass-Leitung B1 verbunden und münden auf einer Eingangsseite eines zweiten Dreiwegeventils DW2, das zur Regelung einer Betriebstemperatur von Halbleiterbauelementen auf vier weiteren Kühlkörpern KK5, KK6, KK7 und KK8 (zugeordnet IGBTs von Pulswechselrichter, Bremssteller) vorgesehen ist. Die Halbleiterbauelemente sind auch in diesem Fall Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, die als Schalter eingesetzt werden.
Auch das zweite Dreiwegeventil DW2 besitzt zwei Ausgangsleitungen, von denen die eine als Bypass-Leitung B2 ausgebildet ist, während sich die andere Ausgangsleitung auf die vier Eingänge der Wasserkühlung für die Kühlkörper KK5 ... KK8 verteilt.
Im Anschluss an das vorgestellte Leitungssystem wird sämtliches Kühlwasser wieder zusammengeführt. Parallel zu den dargestellten Kühlkörper-Anordnungen sind weitere zu kühlende Komponenten KK9 bis KK11 (zugeordnet Hilfsbetriebeumrichter, Batterieladegerät, Filter) vorgesehen.
Die Motoren M1, M2, welche die Durchflussmengen der jeweils vorgesehenen zwei Ventile innerhalb der Dreiwegeventile DW1, DW2 regeln, werden so gesteuert, dass auf die jeweilige maximale Solltemperatur geregelt wird. Dies geschieht zum einen für die Kühlkörper KK1, ... KK4 mit Hilfe des Dreiwegeventils DW1 und zum anderen für die vier weiteren Kühlkörper KK5, KK6, KK7 und KK8 mit Hilfe des Dreiwegeventils DW2.
Eine jeweils zugehörige Temperaturregelungseinrichtung umfasst eine Steuereinrichtung S1, S2, in der jeweilige Soll-Temperaturwerte der IGBTs hinterlegt sind, welche zeitlich konstant sind.
Als Erfassungseinrichtung für den Ist-Temperaturwert eines IGBTs ist ein Temperatur-Sensor T1 vorgesehen, der an einem der Kühlkörper KK angebracht ist.
Für die Zwecke der Temperaturregelung wird der von dem Temperatursensor T1 erfasste Temperaturwert unter Zugrundelegung eines Modells in eine Gehäusetemperatur des IGBTs umgerechnet. In diesem Modell werden die Verlustleistungen des Transistors und der Diode der IGBTs berücksichtigt. Aufgrund dessen berechnet die jeweilige Temperaturregeleinrichtung eine Regelabweichung und steuert daraufhin die Motoren M1, M2 geeignet an.
Aus 2 geht die Darstellung eines beispielhaften IGBTs auf einem Kühlkörper KK mit zugehöriger Sensorik hervor
Der in 2 veranschaulichte Bipolartransistor mit isoliertem Gate IGBT wird in üblicher Weise über ein Gate G gesteuert und ist innerhalb eines Gehäuses GH untergebracht. An einer Seite des Gehäuses befindet sich ein Kühlkörper in unmittelbarer Anlage zu dem Gehäuse GH. Der Kühlkörper KK steht in thermischer Verbindung zu einer Kühlleitung KL, deren Eingangsseite auf einer Ausgangsseite beispielsweise des Dreiwegeventils DW1 oder des Dreiwegeventils DW2 mündet.
Ein Temperatursensor T1 misst die Temperatur des Kühlkörpers KK und dient unter Zuhilfenahme eines Temperaturmodells zur Berechnung einer inneren Temperatur des IGBTs.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0971573 B1 [0004]

Claims

Verfahren zum Regeln eines Betriebs von wenigstens einem Halbleiter-Bauelement, wie einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), zum Einsatz bei Stromrichtern, mit den Schritten: a) Ermitteln eines Ist-Temperaturwertes des Halbleiterbauelementes, b) Vergleichen des in Schritt a) erfassten Ist-Temperaturwertes mit einem Soll-Temperaturwert und c) Betätigen eines Stellgliedes einer Temperaturregelungseinrichtung für das Halbleiterbauelement zur Nachführung des Temperatur-Istwertes an den Soll-Temperaturwert aufgrund eines Ergebnisses von Schritt b).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Schritt a) der Ist-Temperaturwert des Halbleiterbauelementes aufgrund eines Temperaturmodells berechnet wird, in das eine gemessene Temperatur eines an dem Halbleiterbauelement angebrachten Kühlkörpers (KK) eingeht.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in Schritt a) in das Temperatur-Modell zusätzlich ein Wert für eine Verlustleistung des Halbleiterbauelements eingeht.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Verlustleistung durch eine Summe aus einer Transistorverlustleistung und einer Diodenverlustleistung wiedergegeben wird.
Verfahren nach einer der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in Schritt b) als der Soll-Temperaturwert ein zeitlich vorgegebener Wert verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in Schritt b) als der Stellwert die Differenz aus Soll- und Istwert verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in Schritt c) für die Temperaturregelungseinrichtung eine Wasserkühlung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in Schritt c) für die Temperaturregelungseinrichtung eine Luftkühlung eingesetzt wird.
Vorrichtung zum Regeln eines Betriebes von wenigstens einem Halbleiterbauelement, wie einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate, zum Einsatz bei Stromrichtern mit einer Erfassungseinrichtung für einen Ist-Temperaturwert des Halbleiterbauelements, einer Steuereinrichtung (S1, S2) zum Vergleichen des erfassten Ist-Temperaturwertes mit einem Soll-Temperaturwert für das Halbleiterbauelement und zum Nachführen des Ist-Temperaturwertes aufgrund eines gelieferten Differenzsignals.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Erfassungseinrichtung für den Ist-Temperaturwert eine Berechnungseinrichtung umfasst, in der ein Temperaturmodell für das Halbleiterbauelement enthalten ist, in das eine gemessene Temperatur eines an dem Halbleiterbauelement angebrachten Kühlkörpers (KK) der Temperaturregelungseinrichtung eingeht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei dem in das Temperaturmodell eine Verlustleistung des Halbleiterbauelements eingeht.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Verlustleistung des Halbleiterbauelementes durch eine Summe aus einer Verlustleistung eines Transistors und einer Verlustleistung einer Diode des Halbleiterbauelementes wiedergegeben ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der die Steuerungseinrichtung mit einem zeitlich vorgegebenen Wert für die Soll-Temperatur arbeitet.