DE102010000875B4

DE102010000875B4 - Verfahren zur Messung der Junction-Temperatur bei Leistungshalbleitern in einem Stromrichter

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Publication number: DE102010000875B4
Application number: DE201010000875
Authority: DE
Inventors: Dr. Lutz Josef; Jörg Zill; Stephan Paul
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: DE102010000875A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur (Tj) eines Leistungstransistors (T1top) in einem Stromrichter; das Verfahren umfasst folgende Schritte: Stoppen des Stromrichterbetriebs für mindestens eine Messzeitdauer; Leitendes Ansteuern des Leistungstransistors (T1top); Einspeisen eines Stroms (iQ) in einen Laststrompfad des Leistungstransistors (T1top); Messen des Spannungsabfalls (VCE) über dem Laststrompfad des Leistungstransistors (T1top); Berechnen der Sperrschichttemperatur (Tj) aus dem Spannungsabfall (VCE); wobei das Einspeisen des Stroms (iT) folgendes umfasst: Messen eines durch den Leistungstransistor (T1top) fließenden Ruhestroms (iM) in einer mit dem Leistungstransistor verbundenen Versorgungsleitung (VCC); Einstellen der Höhe des einzuspeisenden Stroms (iQ) derart, dass dieser der Differenz zwischen einem vordefinierten, konstanten Teststrom (iT) und dem gemessenen Ruhestrom (iM) entspricht; und Einspeisen des Stromes (iQ), sodass der in dem Leistungstransistor (T1top) fließende Summenstrom dem vordefinierten, konstanten Teststrom (iT) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Junction-Temperatur (Sperrschichttemperatur) bei Leistungshalbleitern in einem Stromrichter sowie ein dazu verwendetes Verfahren zur Durchführung einer Strommessung für kleiner Ströme in Strompfaden mit hohem Nennstrom und geeignete Schaltungsanordnung.
Die Messung von kleinen Strömen in Strompfaden mit hohem Nennstrom (z. B. kleine Ströme in der Größenordnung von 0,01% eines Nennstroms von z. B. 100 A) mit ausreichender Genauigkeit (z. B. 0,1% bis 1% des Messwertes) ist oft problematisch, da die Messeinrichtung auf den Nennstrom ausgelegt werden muss, um diese nicht zu überlasten. Um bei der Strommessung eine maximale relative Messabweichung von nur einem Prozent eines Messwertes, der nur 0,01% des Nennstroms (Messbereichsendwert) beträgt, zu garantieren, dürfte die Messeinrichtung eine maximale auf den Messbereichsendwert bezogene Messabweichung von nur 1 ppm aufweisen. Eine derartige Genauigkeit zur gewährleisten, würde einen enormen messtechnischen Aufwand erfordern, der in vielen Anwendungen nicht möglich oder nicht wirtschaftlich ist.
Insbesondere bei integrierten Leistungshalbleiterschaltungen, wie sie beispielsweise in Stromrichtern eingesetzt werden, ist eine Messung mit der oben erwähnten Genauigkeit problematisch. Stromrichter werden häufig als vorgefertigte Leistungshalbleitermodule gefertigt, die eine bestimmte Basisfunktionalität zur Verfügung stellen und vom Anwender in unterschiedlichen Applikationen verwendet und an diese angepasst werden können. Während früher ein Leistungshalbleitermodul im Wesentlichen nur die für die Stromrichterfunktion essentiellen Leistungstransistoren und die zum Betrieb notwendige Ansteuerelektronik (abgeschlossen in einem gekühlten Modulgehäuse) umfasste, stellen moderne Leistungshalbleitermodule zusätzliche Funktionen zur Überwachung des Stromrichterbetriebs sowie zur Fehlerdiagnose zur Verfügung. Derartige Leistungshalbleitermodule mit erweiterter Funktionalität werden deshalb auch als ”intelligente Leistungshalbleitermodule” (abgekürzt: IPM – intelligent power module) bezeichnet.
Eine Funktion, die ein IPM neben der eigentlichen Stromrichterfunktion zur Verfügung stellt, ist z. B. die Messung der Sperrschichttemperatur (Junction-Temperatur) eines Leistungshalbleiterschalters (z. B. IGBT, MOSFET) zu Diagnosezwecken, wie z. B. zur Erkennung von Alterungserscheinung der Leistungselektronik und zur Prognose der Restlebensdauer des Moduls.
In DE 10 351 843 A1 und DE 43 24 982 A1 werden derartige Verfahren zum Messen der Sperrschichttemperatur eines Leistungstransistors bzw. eines GTO-Thyristors beschrieben.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur genauen Messung kleiner Ströme in Strompfaden mit hohen Nennströmen zur Verfügung zu stellen, insbesondere um eine einfache Messung der Sperrschichttemperatur eines Leistungstransistors zu ermöglichen, um daraus Aussagen über die den Fortschritt des Alterungsprozesses des Transistors und die Restlebensdauer machen zu können.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch die Schaltungsanordnungen gemäß den Ansprüchen 3 und 10 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungstransistors in einem Stromrichter offenbart. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Stoppen des Stromrichterbetriebs für mindestens eine Messzeitdauer; Leitendes Ansteuern des Leistungstransistors; Einspeisen eines Stroms in einen Laststrompfad des Leistungstransistors; Messen des Spannungsabfalls über dem Laststrompfad des Leistungstransistors; Berechnen der Sperrschichttemperatur aus dem Spannungsabfall. Das Einspeisen des Stroms umfasst dabei folgendes: Messen eines durch den Leistungstransistor fließenden Ruhestroms in einer mit dem Leistungstransistor verbundenen Versorgungsleitung; Einstellen der Höhe des einzuspeisenden Stroms derart, dass diese der Differenz zwischen einem vordefinierten, konstanten Teststrom und dem gemessenen Ruhestrom entspricht; und Einspeisen des Stromes, sodass der in dem Leistungstransistor fließende Summenstrom dem vordefinierten, konstanten Teststrom entspricht.
Des Weiteren wird eine Stromrichteranordnung offenbart, die geeignet ist, das oben zusammengefasste Verfahren zu realisieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert. Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf die folgenden in den Abbildungen dargestellten Figuren:
1 ist ein Schaltbild eines Teils eines Dreiphasen-Stromrichters mit drei parallel geschalteten Leistungstransistor-Halbbrücken (sog. ”Six-Pack”);
2 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung umfassend eine Stromquellenanordnung sowie eine Mess- und Auswerteeinheit zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungstransistors;
3 zeigt in einem Diagramm den funktionalen Zusammenhang zwischen der Laststreckenspannung eines Transistors und dessen Sperrschichttemperatur bei einem vorgegebenen konstanten Teststrom durch den betreffenden Transistor;
4 ist ein Schaltbild, in dem die Stromquellenanordnung aus 2 detaillierter dargestellt ist.
5 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Strommesseinrichtung zur Messung des durch Sperrströme verursachten Ruhestroms in der Versorgungsleitung der Transistoren aus 1; und
6 zeigt ein zur 5 alternatives Ausführungsbeispiel.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bzw. Signale mit gleicher Bedeutung.
Wie eingangs erwähnt, besteht eine Funktion, die ein IPM neben der eigentlichen Stromrichterfunktion zur Verfügung stellt, z. B. in der Messung der Sperrschichttemperatur (Junction-Temperatur) eines Leistungshalbleiterschalters (z. B. IGBT, MOSFET) zu Diagnosezwecken, was zur Erkennung von Alterungserscheinung der Leistungselektronik und zur Prognose der Restlebensdauer des Moduls verwendet werden kann. Eine sehr einfache und aus diesem Grund wirtschaftlich interessante Methode, die Sperrschichttemperatur eines Leistungstransistors während des Betriebs eines Leistungshalbleiterschalters zu messen, ist eine indirekte Messung, bei der zuerst – bei vorgegebenem Teststrom als Laststrom – die Spannung über der Laststrecke des interessierenden Transistors (Drain-Source-Spannung bei MOSFETs oder die Kollektor-Emitter-Spannung bei IGBTs) ermittelt und daraus die gesuchte Sperrschichttemperatur berechnet wird. Da der vorgegebene Teststrom typischerweise in der gleichen Größenordnung liegen muss wie die Sperrströme der Leistungshalbleiterschalter und die Sperrströme stark temperaturabhängig sind, müssen in vielen Anwendungen die Sperrströme gemessen werden, um sie bei der Einstellung des vorgegebenen Teststroms berücksichtigen zu können.
Der konstante Teststrom muss dabei so gering sein, dass er zu keiner nennenswerten Eigenwärmung des Transistors beiträgt. Deshalb steht man auch bei der Messung der Sperrschichttemperatur vor dem oben erläuterten Problem, im Laststromzweig des Halbleitermoduls (z. B. in der Versorgungsleitung zwischen Leistungstransistor und Zwischenkreis eines Stromrichters) mit Nennströmen über 100 A Sperrströme in der Größenordnung von wenigen Milliampere zu messen. Zuerst soll jedoch anhand eines Beispiels das Messprinzip der Sperrschichttemperaturmessung erläutert werden.
Die 1 zeigt anhand eines Schaltbilds den typischen Aufbau des Leistungselektronikteils eines 3-Phasen-Stromrichters 100. Der Stromrichter 100 umfasst für jede Phase eine Halbbrücke (Halbbrücke 1, Halbbrücke 2, Halbbrücke 3), wobei jede der Halbbrücken 1, 2 und 3 aus je zwei in Serie geschalteten Leistungstransistoren (T_1top, T_1bat; T_2top, T_2bot; T_3top, T_3bot) besteht. Die Halbbrücken sind jeweils zwischen eine erste Versorgungsleitung L_HI mit dem Potential V_CC und eine zweite Versorgungsleitung L_LO mit dem Potential V_EE geschaltet, wobei die Differenz V_CC – V_EE = U_ZK als Zwischenkreisspannung bezeichnet wird. Die Zwischenkreisspannung U_ZK wird in den meisten Fällen von einem parallel zu den Halbbrücken 1, 2 und 3 geschalteten Zwischenkreiskondensator C_ZK bereitgestellt, der über einen Gleichrichter (nicht dargestellt) oder aus einem Gleichspannungsnetz gespeist wird. Als Leistungstransistoren T_1top, T_1bot, T_2top, T_2bot, T_3top, T_3bot werden im vorliegenden Beispiel IGBTs verwendet. Es können in gleicher Weise jedoch auch andere Arten von Transistoren, insbesondere MOSFETs verwendet werden. Die in 1 dargestellte Anordnung von sechs Transistoren in drei Halbbrücken wird auch als ”Six-Pack” bezeichnet. Die Steueranschlüsse der Transistoren T_1top, T_1bot, T_2top, T_2bot, T_3top, T_3bot werden in an sich bekannter Weise durch eine Steuerschaltung (nicht dargestellt) derart angesteuert, dass die die Ausgangsströme i_OUT1, i_OUT2, i_OUT3 (auch als Phasenströme bezeichnet) der drei Halbbrücken einem bestimmten Soll-Verlauf entsprechen. Die Ausgangsströme i_OUT1, i_OUT2, i_OUT3 der Halbbrücken dienen üblicherweise zum Ansteuern einer Last, z. B. einer Asynchronmaschine, welche in Dreieckschaltung sowie in Sternschaltung mit dem Stromrichter verbunden sein kann. Wird als Ausgangsstrom lediglich ein einfacher (einphasiger) Wechselstrom benötigt, umfasst der Leistungselektronikteil des Stromrichters nur eine einzige Transistorhalbbrücke.
In leistungselektronischen Schaltungsanordnungen, wie z. B. in Stromrichtern wird in den Leistungstransistoren eine hohe Verlustleistung P_V umgesetzt. Dies hat entsprechend hohe Sperrschichttemperaturen T_J (Junction-Temperaturen) zur Folge, wobei die maximal zulässige Sperrschichttemperatur T_J eines Transistors die maximal zulässige Verlustleistung P_V und somit dessen Einsatzmöglichkeiten bestimmt.
Der Wärmewiderstand R_TH eines Leistungstransistors, d. h. der Wärmewiderstand zwischen der aktiven Halbleiterzone (in der die Verlustleistung umgesetzt wird) und der Umgebung mit einer Umgebungstemperatur T_U bestimmt die Temperaturdifferenz T_J – T_U zwischen der aktiven Halbleiterzone und der kühleren Umgebung. Für die Sperrschichttemperatur T_J gilt näherungsweise der folgende mathematische Zusammenhang: T_J – T_U = R_TH·P_V, (1) wobei P_V die im Transistor umgesetzte Verlustleistung und R_TH der oben erwähnte Wärmewiderstand ist. Der wirksame Wärmewiderstand R_TH kann also wie folgt berechnet werden: R_TH = (T_J – T_U)/P_V, (2) wobei die Verlustleistung P_V im normalen Betrieb des Stromrichters bekannt ist oder gemessen werden kann.
Ein Ansteigen des Wärmewiderstandes R_TH im Laufe der Lebensdauer einer leistungselektronischen Einrichtung (wie z. B. eines Stromrichters) kennzeichnet die Ermüdung von Lotschichten in diversen Komponenten des mechanischen Aufbaus des leistungselektronischen Teils der Schaltung. Die Kenntnis einer Veränderung des Wärmewiderstands R_TH erlaubt dem Anwender Rückschlüsse betreffend die Alterung der Bauelemente und ermöglicht so beispielsweise den rechtzeitigen Austausch der betroffenen Komponenten im Rahmen von Servicearbeiten. Dahingegen wäre ein Ausfall einer oder mehrerer leistungselektronischer Bauelemente während des Betriebs problematisch für die Sicherheit (insbesondere bei der Ansteuerung von Rotationsmaschinen), verursacht jedoch zumindest hohe Folgekosten, die bei rechtzeitiger Kennung des Alterungsprozesses vermieden werden könnten.
Es ist bekannt, die Sperrschichttemperatur T_J aus den Lastspielen eines Stromrichters zu abzuschätzen. Ein Messverfahren für die Sperrschichttemperatur T_J ist abgesehen von der direkten Messung mit Hilfe integrierter Temperatursensoren bisher nicht bekannt.
2 zeigt anhand eines Schaltbildes jene Schaltungskomponenten, die gemäß einem Beispiel der Erfindung für die Messung der Sperrschichttemperatur T_J benötigt werden. Der Transistor, dessen Sperrschichttemperatur gemessen werden soll, ist in 2 allgemein mit T₁ bezeichnet. Das beschriebene Messverfahren sowie die dazugehörigen Schaltungsanordnungen zur Durchführung der Messung sind jedoch auf einen beliebigen Leistungstransistor anwendbar, insbesondere bei jedem der sechs in 1 dargestellten Transistoren T_1top, T_1bot, T_2top, T_2bot, T_3top, T_3bot. Das Messprinzip beruht auf der Tatsache, dass für einen konstanten und vorgegebenen Teststrom i_T in der Laststrecke (Kollektor-Emitter-Strompfad bei einem IGBT bzw. Drain-Source-Strompfad bei MOSFETs) des Transistors T₁ dessen Sperrschichttemperatur T_J einen annähernd linearen Zusammenhang mit der durch den Teststrom i_T bewirkten Laststreckenspannung (Kollektor-Emitterspannung bzw. Drain-Source-Spannung) V_CE des Transistors aufweist. Der Teststrom i_T muss dabei konstant, temperaturunabhängig und derart gering sein, dass er zu keiner zusätzlichen Erwärmung des Transistors beiträgt. Die gemessene Laststreckenspannung V_CE des Transistors T_i kann dann über den bekannten linearen funktionalen Zusammenhang T_J(V_DE) = f(V_CE) direkt in die Sperrschichttemperatur umgerechnet werden. Der experimentell ermittelte lineare Zusammenhang zwischen Laststreckenspannung V_CE und Sperrschichttemperatur T_J ist beispielhaft in dem in 3 dargestellten Diagramm gezeigt.
Die in 2 dargestellte Schaltungsanordnung zur Messung der Sperrschichttemperatur T_J benötigt also eine Stromquellenanordnung 13 zur Erzeugung eines konstanten Teststroms i_T durch die Laststrecke des interessierenden Transistors T₁ sowie eine Mess- und Auswerteeinheit 20 zur Messung des durch den Teststrom i_T bewirkten Spannungsabfalls V_CE über der Laststrecke des Transistors T₁, wobei der gemessene Spannungswert direkt in einen die Sperrschichttemperatur repräsentierenden Messwert umgerechnet werden kann. Die Mess- und Auswerteschaltung 20 kann z. B. einen Verstärker 22 zur Verstärkung der Laststreckenspannung V_CE enthalten. Dem Eingang des Verstärkers können z. B. ein Tiefpassfilter 23 sowie ein Spannungsbegrenzer 21 vorgeschaltet sein.
Der in 3 dargestellte lineare Zusammenhang zwischen der Sperrschichttemperatur T_J und der Laststreckenspannung V_CE des Leistungstransistors T₁ aus 2 gilt nur für den Fall, dass der Transistor T₁ leitend angesteuert ist und der im Laststrompfad fließende Teststrom i_T einen definierten und konstanten Wert aufweist: T_J = f(V_CE) = –p₁·V_CE + p₂, für i_T = konst., (3) wobei p_i und p₂ positive, vom Teststrom i_T abhängige Parameter der in 3 dargestellten Regressionsgeraden sind. Der der Stromquellenanordnung 13 sowie einem Ruhestrom i_M, der im Wesentlichen auf die Sperrströme der übrigen mit dem Transistor verbundenen Leistungstransistoren des Stromrichters (siehe 1) sowie auf Leckströme und dgl. zurückzuführen ist.
Dieser Ruhestrom i_M ist jedoch stark temperaturabhängig, so dass der Quellstrom i_Q der Stromquellenanordnung 13 abhängig von dem Ruhestrom i_M geregelt werden muss, um einen temperaturunabhängigen, d. h. konstanten Teststrom i_T durch den Transistor T₁ zu erhalten.
Der Regelkreis sowie eine detaillierte Darstellung der Stromquellenanordnung 13 ist in 4 gezeigt. Die Schaltung aus 4 ist jedoch lediglich als Beispiel zu betrachten, da viele unterschiedliche Möglichkeiten existieren, die Funktionalität der in 4 dargestellten Schaltung in Hardware zu implementieren. Die Stromquellenanordnung 13 gemäß 4 umfasst beispielsweise eine temperaturstabilisierte Konstantstromquelle Q₁, welche den Teststrom i_T zur Verfügung stellt. Desweiteren ist eine Strommesseinrichtung 30 in der mit einem Lastanschluss des Transistors T1 verbundenen Versorgungsleitung L_HI zur Messung des oben erwähnten Ruhestroms i_M vorgesehen. Der gemessene Ruhestrom i_M wird von dem von der Konstantstromquelle Q₁ zur Verfügung gestellten Teststrom i_T subtrahiert (Subtrahiereinheit 14), wobei das Subtraktionsergebnis der Quellstrom i_Q der Stromquellenanordnung 13 ist, welcher dem Differenzstrom i_Q = i_T – i_M zwischen Teststrom i_T und gemessenem Ruhestrom i_M entspricht. Der Quellstrom i_Q wird am Lastanschluss des Transistors T₁ mit dem Ruhestrom i_M aus der Versorgungsleitung überlagert, so dass im Laststrompfad des Transistors der temperaturunabhängig Summenstrom i_T = i_Q + i_M (d. h. der Teststrom) fließt. Aufgrund der Rückkopplung des temperaturabhängigen Ruhestroms i_M zu der Stromquellenanordnung 13 wird ein temperaturunabhängiger Teststrom i_T im Laststrompfad des Transistors T1 ermöglicht. Die von dem Teststrom i_T bewirkte Spannung V_CE über dem Laststrompfad (Kollektor-Emitter-Spannung bzw. Drain-Source-Spannung) kann unter Berücksichtigung des in 3 dargestellten funktionalen Zusammenhangs als Maß für die Sperrschichttemperatur T_J verwendet werden.
Die zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur T_J notwendige Spannung V_CE über der Laststrecke des Transistors T₁ kann direkt am Transistor abgegriffen werden. Die Spannungsmessung ist folglich unproblematisch. Es kann ein einfacher Messverstärker 22 verwendet werden, um das Spannungssignal zu verstärken und weiter zu verarbeiten (siehe 2). Alternativ ist eine digitale Verarbeitung der Laststreckenspannung V_CE möglich. Schwieriger ist die Messung des Ruhestroms i_M, der sich im Wesentlichen aus den Sperrströmen der neben dem Transistor T₁ vorhandenen Leistungstransistoren und aus Leckströmen zusammensetzt. Während die Last- bzw. Betriebsströme des Stromrichters durch die Leistungstransistoren T_1top, T_1bot, T_2top, T_2bot, T_3top, T_3bot (und damit auch in den Versorgungsleitungen L_HI, L_LO) weit über 100 Ampere betragen können, beträgt bei der Temperaturmessung der zu messende Ruhestrom in der Versorgungsleitung in der Regel nur wenige Milliampere. Die Messeinrichtung 30 (siehe 4) kann jedoch nicht auf den maximalen Betriebsstrom (> 100 A) durch den Transistor ausgelegt werden, da in diesem Fall, wie eingangs bereits erwähnt, der Messfehler zu hoch werden würde.
Um das Problem der Messung sehr kleiner Ströme (Sperrströme) im Laststrompfad, d. h. in der Versorgungsleitung, mit Nennströmen, die um einen Faktor größer 10³, größer 10⁴ oder auch größer 10⁵ höher sind als die zu messenden Ströme, wird die Versorgungsleitung in einen Messstrompfad 11 und einen zum Messstrompfad 11 parallel verlaufenden Betriebsstrompfad 12 aufgespalten (siehe 5 und 6). Die Strommesseinrichtung 30 ist im Messstrompfad angeordnet. Der Betriebsstrompfad 12 ist während einer Strommessung unterbrochen, dient jedoch während des Betriebs des Stromrichters sozusagen als „Bypass-Leitung” für den Messstrompfad 11, um die Messeinrichtung 30 vor einer Überlastung zu schützen. Die Messeinrichtung 30 kann beispielsweise in die Versorgungsleitung zwischen Zwischenkreiskondensator C_ZK und dem Leistungselektronikteil des Stromrichters (Halbbrücken 1, 2, 3) angeordnet sein. Dieser Fall ist in den 5 und 6 dargestellt. In dem in 5 gezeigten Beispiel ist die Messeinrichtung 30 durch den Shunt-Widerstand R_M symbolisiert, wobei die Spannung U_M am Shunt-Widerstand R_M den zu messenden Strom i_M repräsentiert. Optional kann parallel zu dem Shunt-Widerstand auch ein Kondensator C₁ geschaltet sein. Der Kondensator C₁ wird vor allem dann benötigt, wenn das Strommesssignal (z. B. Spannung UM am Shunt-Widerstand R_M) tiefpassgefiltert werden soll. Solange der Strom in der Versorgungsleitung L_HI einen vorgegebenen Schwellenwert i_SW nicht überschreitet, fließt der Strom durch den Messstrompfad 11. Dieser Schwellenwert i_SW liegt typischerweise in der Größenordnung von wenigen Milliampere und ist im normalen Betrieb des Stromrichters praktisch immer überschritten. In diesem Fall fließt nahezu der gesamte Betriebsstrom (i_OUT1, i_OUT2, i_OUT3) über den Betriebsstrompfad 12 an dem Messstrompfad 11 vorbei. Bei Überschreiten des oben genannten Schwellenwertes i_SW schließt ein Schaltelement den Betriebsstrompfad, wodurch der Messstrompfad 11 praktisch kurzgeschlossen wird. Das Schaltelement kann z. B. zwei anti-parallel geschaltete Dioden D1, D2 aufweisen, wie dies in dem in 5 gezeigten Beispiel der Fall ist. Alternativ kann auch ein gesteuerter Schalter, z. B. ein Halbleiterschalter S₂, in dem Betriebsstrompfad 12 angeordnet sein, wobei der Schalter S₂ während des normalen Stromrichterbetriebs geschlossen ist und bei einer Temperaturmessung geöffnet wird. Zusätzlich kann auch im Messstrompfad 11 ein weiterer gesteuerter Schalter S₁ angeordnet sein, der genau gegenphasig zu dem Schalter S₂ gesteuert wird. Diese Situation ist in 6 dargestellt. Aufgrund der in den 5 und 6 dargestellten Zweiteilung der Versorgungsleitung kann im Messstrompfad 11 die Messeinrichtung 30 (Shunt-Widerstand R_M) für einen geringen Messbereich ausgelegt werden, d. h. für einen maximalen Messstrom i_M in der Größenordnung des oben genannten Schwellenwertes i_SW, wohingegen im Stromrichterbetrieb der Betriebsstrom, welcher mehrere Zehnerpotenzen größer ist als der maximale Messstrom, im Betriebsstrompfad 12 an der Messeinrichtung 30 vorbeigeführt wird.
Das in 5 gezeigte Beispiel mit den Dioden D₁, D₂ im Betriebsstrompfad hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Ansteuerung für Halbleiterschalter notwendig ist. Der oben erwähnte Strom-Schwellenwert i_SW ist in diesem Fall näherungsweise i_SW = U_F/R_M, (4) wobei U_F die Flussspannung der verwendeten Dioden D₁, D₂ ist. Bei einem Shunt-Widerstand R_M von 10 Ohm und bei Verwendung von Schottky-Dioden mit einer Flussspannung U_F von rund 400 mV ist der oben genannte Strom-Schwellwert i_SW folglich ca. 40 mA. D. h. bei Strömen größer 40 mA im Laststrompfad des Stromrichters, wird die Messeinrichtung 30 mit Hilfe der Dioden D₁, D₂ praktisch kurzgeschlossen.
Im Folgenden wird ein beispielhaft ein Messverfahren zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungstransistors in einem Stromrichter kurz Zusammengefasst. Das Verfahren ermöglicht eine Temperaturmessung während des Betriebs eines Stromrichters.
Zuerst wird der Stromrichterbetriebs gestoppt bzw. für mindestens eine Messzeitdauer unterbrochen. Diese Unterbrechung soll in der Größenordnung von einer Millisekunde oder einigen wenigen Millisekunden liegen. Die Unterbrechung kann durch sperrendes Ansteuern sämtlicher Lasttransistoren mit Ausnahme des interessierenden Transistors erfolgen, dessen Temperatur gemessen werden soll. Damit die Transistoren nicht abkühlen, erfolgt der eigentliche Messvorgang während dieser kurzen Unterbrechung unmittelbar nach dem Stoppen des Stromrichterbetriebs. Wie oben bereits beschrieben wird der interessierende Leistungstransistor leitend angesteuert und ein Strom i_Q in einen Laststrompfad des Leistungstransistors eingespeist. Der resultierende Spannungsabfall V_CE über dem Laststrompfad des Leistungstransistors wird gemessen. Anschließend kann daraus mittels einem bekannten funktionalen Zusammenhang (siehe z. B. 3) die Sperrschichttemperatur T_J berechnet werden. Das oben erwähnte Einspeisen des Stroms i_Q erfolgt dabei wie im Folgenden dargestellt.
Ein durch den Leistungstransistor fließenden Ruhestroms i_M wird in einer mit dem Leistungstransistor verbundenen Versorgungsleitung gemessen. Die Höhe des einzuspeisenden Stroms i_Q wird derart eingestellt, dass diese der Differenz i_T – i_M zwischen einem vordefinierten, konstanten Teststrom i_T und dem gemessenen Ruhestrom i_M entspricht. Durch das Einspeisen des Stromes i_Q fließt in dem Leistungstransistor ein Summenstrom i_Q + i_M, der dem vordefinierten, konstanten Teststrom i_T entspricht.
Im Anschluss an die Messung kann der Stromrichterbetrieb wieder aufgenommen werden. Aus der Sperrschichttemperatur kann wie oben erwähnt der Wärmewiderstand des Transistors ermittelt werden und daraus Rückschlüsse über die verbleibende Lebensdauer gezogen werden. Kurze Unterbrechungen des Stromrichterbetriebs in der Größenordnung von 1 ms zum Messen der Sperrschichttemperatur sind in vielen Anwendungen unproblematisch.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur (T_j) eines Leistungstransistors (T_1top) in einem Stromrichter; das Verfahren umfasst folgende Schritte: Stoppen des Stromrichterbetriebs für mindestens eine Messzeitdauer; Leitendes Ansteuern des Leistungstransistors (T_1top); Einspeisen eines Stroms (i_Q) in einen Laststrompfad des Leistungstransistors (T_1top); Messen des Spannungsabfalls (V_CE) über dem Laststrompfad des Leistungstransistors (T_1top); Berechnen der Sperrschichttemperatur (T_j) aus dem Spannungsabfall (V_CE); wobei das Einspeisen des Stroms (i_T) folgendes umfasst: Messen eines durch den Leistungstransistor (T_1top) fließenden Ruhestroms (i_M) in einer mit dem Leistungstransistor verbundenen Versorgungsleitung (V_CC); Einstellen der Höhe des einzuspeisenden Stroms (i_Q) derart, dass dieser der Differenz zwischen einem vordefinierten, konstanten Teststrom (i_T) und dem gemessenen Ruhestrom (i_M) entspricht; und Einspeisen des Stromes (i_Q), sodass der in dem Leistungstransistor (T_1top) fließende Summenstrom dem vordefinierten, konstanten Teststrom (i_T) entspricht.
verfahren gemäß Anspruch 1, das zusätzlich aufweist: Wiederaufnehmen des Stromrichterbetriebs, wobei im Stromrichterbetrieb der Betriebesstrom (i_out) an einer zum Messen des Ruhestroms (i_M) vorgesehenen Strommesseinrichtung (R_M) vorbeigeleitet wird.
Stromrichteranordnung, die folgendes aufweist: zumindest eine Halbbrücke zum Schalten eines Betriebsstroms (i_OUT)_, wobei die Halbbrücke einen ersten Leistungstransistor (T_1top) und einem zweiten Leistungstransistor (T_1bot) mit jeweils einem ersten und einem zweiten Lastanschluss aufweist; eine Versorgungsleitung, die mit einem der Lastanschlüsse des ersten Leistungstransistors (T_1top) verbunden ist wobei ein Abschnitt der Versorgungsleitung einen Messstrompfad (11) und parallel zu diesem einen Betriebsstrompfad (12) aufweist; eine in dem Messstrompfad (11) angeordnete Strommesseinrichtung (R_M) mit einem maximalen Messstrom (i_M), der wesentlich kleiner ist als der Betriebsstrom (i_OUT1), wobei die Strommesseinrichtung (R_M) dazu ausgebildet ist, einen im wesentlichen durch einen Sperrstrom von zumindest einem der Leistungstransistoren (T_1top, T_1bot) bestimmten Ruhestrom (i_M) in der Versorgungsleitung zu messen; mindestens ein in dem Betriebsstrompfad (12) angeordnetes Schaltelement (D₁, D₂; S₂), das dazu ausgebildet ist, den Betriebsstrom an der Messeinrichtung vorbei zu leiten; eine Stromquellenanordnung (13), die dazu ausgebildet ist, einen Quellstrom (I_Q), dessen Wert der Differenz zwischen einem gegebenen, konstanten Teststroms (i_T) und dem Ruhestrom (I_M) entspricht, an einem Lastanschluss des ersten Leistungstransistors (T_1bot) in diesen einzuspeisen, sodass der im Transistor fließende Strom dem konstanten Teststrom (i_T) entspricht; und eine Mess- und Auswerteeinheit (20), die dazu ausgebildet ist, an den Lastanschlüssen eines der Leistungstransistoren (T_1top, T_1bot) eine durch den Teststrom (i_T) bewirkte Spannung (V_CE) zu messen und diese in mit Hilfe eines bekannten funktionalen Zusammenhangs einen die Sperrschichttemperatur (T_j) repräsentierenden Messwert umzurechnen.
Stromrichteranordnung gemäß Anspruch 3, bei der die Strommesseinrichtung (R_M) im Messstrompfad einen Shunt-Widerstand (R_M) aufweist, zu dem im Betriebsstrompfad mindestens ein Schaltelement (S₂, D₁) parallel geschaltet ist.
Stromrichteranordnung gemäß Anspruch 4, bei dem parallel zu dem Shunt-Widerstand (R_M) ein Kondensator geschaltet ist.
Stromrichteranordnung gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem das Schaltelement (D₁; S₂) derart ausgebildet oder derart angesteuert ist, dass es immer dann leitet, wenn der Strom (i_M) im Messstrompfad einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
Stromrichteranordnung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Mess- und Auswerteeinheit (20) am Eingang einen Spannungsbegrenzer (21) und des weiteren einen Verstärker (22) zum Verstärken des Spanungsabfalls (V_CE) am ersten Leistungstransistor (T_1top) aufweist.
Stromrichteranordnung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem die Stromquellenanordnung (13) eine gesteuerte Stromquelle (Q_i) umfasst, die derart angesteuert ist, dass der Quellstrom ₍ _IQ ₎ der Stromquelle (Q_i) der Differenz zwischen dem Ruhestrom (R_M) und dem Teststrom (i_T) entspricht.
Stromrichteranordnung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem sich der Ruhestrom (I_M) aus dem Sperrstrom (i_S) eines oder mehrerer Leistungstransistoren zusammensetzt.
Schaltungsanordnung, die aufweist: zumindest einen Leistungstransistor (T_1top) mit einem ersten und einem zweiten Lastanschluss zum Schalten eines Laststroms (i_OUT); eine Versorgungsleitung, die mit elnem der Lastanschlüsse des Leistungstransistors (T_1top) verbunden ist, wobei ein Abschnitt der Versorgungsleitung einen Messstrompfad (11) und parallel zu diesem einen Betriebsstrompfad (12) aufweist; eine in dem Messstrompfad (11) angeordnete Strommesseinrichtung (R_M) mit einem maximalen Messstrom (I_M), der wesentlich kleiner ist als der Laststrom (i_OUT1); mindestens ein in dem Betriebsstrompfad (12) angeordnetes Schaltelement (D₁, D₂; S₂), das dazu ausgebildet ist, den Laststrom (i_OUT1) an der Messeinrichtung vorbei zu leiten; und eine Stromquellenanordnung (13), die dazu ausgebildet ist, einen Stromquellenstrom (i_Q) an einem der Lastanschlüsse in den Leistungstransistor (T_1top) einzuspeisen, wobei die Höhe des Stromquellenstroms (i_Q) der Differenz zwischen einem konstanten Teststrom (i_T) und dem Messstrom (I_M) entspricht, sodass durch den Leistungstransistor (T_1top) als Summenstrom der Teststrom (i_T) fließt und dieser einen Spannungsabfall (V_CE) zwischen den Lastanschlüssen bewirkt.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 10, bei der das mindestens eine Schaltelement eine Diode (D₁) oder ein gesteuerter Halbleiterschalter (S₂) ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 10 oder 11, die weiter aufweist: eine Mess- und Auswerteschaltung (20), die dazu ausgebildet ist, den Spannungsabfall (V_CE) zwischen den Lastanschlüssen zu messen und ein davon abhängiges Ausgangssignal (U_A) zur Verfügung zu stellen.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 12, bei der die Mess- und Auswerteschaltung (20) weiter dazu ausgebildet ist, unter Verwendung einer Kalibrierkurve den Spannungsabfall (V_CE) zwischen den Lastanschlüssen in ein Temperatursignal umzurechnen, das die Sperrschichttemperatur (T_j) des Transistors (T_1top) repräsentiert.