DE102013219373A1

DE102013219373A1 - Verfahren zum Erfassen der Temperatur eines Bauteils, Schaltung mit Erfassung der Temperatur eines Bauteils und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102013219373A1
Application number: DE201310219373
Authority: DE
Inventors: Karsten Handt; Harald Kuhn; Mirjam Mantel; Gerhard Mitic; Robin Voigt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-03-26

Abstract

Verfahren zum Erfassen der Temperatur eines Bauteils einer Schaltung mit wenigstens einem Transistor und wenigstens einem digitalen Gate-Treiber, der die Gatespannung des Transistors zwischen einem ersten Spannungspegel, der einem eingeschalteten Transistor entspricht, und einem zweiten Spannungspegel, der einem ausgeschalteten Transistor entspricht, schaltet, umfassend die Schritte: – Erfassen einer Messgröße zu wenigstens einem vorgegebenen Messzeitpunkt nach oder vor einem Schalten des Gate-Treibers für die am Bauteil oder an Hilfskontakten abfallende Spannung mit einer Spannungsmesseinrichtung und/oder für den das Bauteil durchfließenden Strom mit einer Strommesseinrichtung, – Berechnung wenigstens eines temperaturabhängigen Parameters des Bauteils aus zumindest der Messgröße, – Bestimmung eines Temperaturwertes aus zumindest dem Parameter und einem vorgegebenen Kalibrierdatensatz.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Temperatur eines Bauteils einer Schaltung mit wenigstens einem Transistor und wenigstens einem digitalen Gate-Treiber, der die Gatespannung des Transistors zwischen einem ersten Spannungspegel, der einem eingeschalteten Transistor entspricht, und einem zweiten Spannungspegel, der einem ausgeschalteten Transistor entspricht, schaltet.
In einer Vielzahl von Schaltungen, insbesondere in der Leistungselektronik, sind temperaturbedingte Ermüdungen der Schaltungen und Bauteile ein wesentlicher Grund für den Ausfall von Schaltungen. Daher soll die Temperatur von Bauteile häufig überwacht werden. Eine Temperaturüberwachung erfolgt typischerweise mit Thermistoren, also variablen elektrischen Widerständen, deren Wert sich mit der Temperatur reproduzierbar ändert. Diese werden in der Nähe der zu überwachenden Bauteile angebracht, um die Bauteiltemperatur zu erfassen. Durch die räumliche Entfernung der Thermistoren von den Bauteilen lassen sich jedoch keine exakten Bauteiltemperaturen erfassen. Insbesondere können keine kurzzeitigen Temperaturschwankungen erfasst werden und die so haltenden Temperaturen können daher nicht zu einer Abschätzung der bereits verbrauchten Lebensdauer des Bauteils genutzt werden.
Alternativ können thermische Modelle genutzt werden, um direkt auf die Temperatur von Bauteilen, insbesondere von Halbleitern zu schließen. Über eine Strom- bzw. Spannungsmessung bzw. über die Kenntnis eines Arbeitspunktes lassen sich elektrische Verluste von Bauteilen berechnen. Mithilfe eines thermischen Modells, das das Bauteil beschreibt, ist es dann möglich aus den Verlustleistungen auf die Temperaturen des Bauteils im Betrieb zu schließen. Aufgrund von thermomechanischen Veränderungen und Bauteilalterungen verändern sich die thermischen Übergänge, wie beispielsweise die Wärmeleitpaste und die Lötstellen jedoch im Betrieb, so dass das thermische Modell mit vorschreitendem Betrieb und mit vorschreitender Bauteilalterung fehlerhaft wird. Damit kann es zu erheblichen Abweichungen zwischen den berechneten Temperaturen und den tatsächlichen Temperaturen kommen und die so bestimmten Temperaturen erlauben damit ebenfalls keine Rückschlüsse auf Alterungsprozesse.
Prinzipiell ist es möglich, in integrierten Schaltkreisen Dioden zu integrieren, die nach einer Kalibrierung zur Messung der Bauteiltemperatur genutzt werden können. Eine solche Diode muss in dem Bauteil selbst jedoch bereits vorgesehen sein. Eine Nachrüstung eines Bauteils mit einer solchen Diode ist nicht möglich. Damit ist dieser Ansatz zur Temperaturmessung nur für bestimmte Bauteile möglich.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine verbesserte Temperaturbestimmung für Bauteile möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

– Erfassen einer Messgröße zu wenigstens einem vorgegebenen Messzeitpunkt nach oder vor einem Schalten des Gate-Treibers für die am Bauteil oder an Hilfskontakten abfallende Spannung mit einer Spannungsmesseinrichtung und/oder für den das Bauteil durchfließenden Strom mit einer Strommesseinrichtung,
– Berechnung wenigstens eines temperaturabhängigen Parameters des Bauteils aus zumindest der Messgröße,
– Bestimmung eines Temperaturwertes aus zumindest dem Parameter und einem vorgegebenen Kalibrierdatensatz.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, auszunutzen, dass eine Vielzahl von Bauteilen Parameter aufweist, die von der Bauteiltemperatur abhängig sind. Neben der Leitfähigkeit von metallischen Leitern sind insbesondere die Eigenschaften von Halbleitern stark temperaturabhängig. Diese Temperaturabhängigkeit der Halbleitereigenschaften führt auch zu Parametern von halbleiterbasierten Bauteilen, die deutlich temperaturabhängig sind. So sind die Stromsteilheit beim Schalten eines Transistors, die Einschaltverzögerung eines Transistors oder auch die sogenannte Reverse-Recovery-Ladung einer Diode, die die Menge der Ladungsträger beschreibt, die beim Wechsel von der Stromleitung in Durchlassrichtung zum Sperrverhalten als kurzer Strompuls in Sperrrichtung abfließen, stark temperaturabhängig. Erfindungsgemäß werden diese an sich nicht gewünschten Temperaturabhängigkeiten der Bauteileigenschaften ausgenutzt, um Informationen über die Bauteiltemperatur zu gewinnen.
Abhängig vom Parameter, der ausgewertet werden soll, werden dazu die am Bauteil oder Hilfskontakten abfallende Spannung und/oder der das Bauteil durchfließende Strom durch eine Spannungs- bzw. Strommesseinrichtung erfasst, und die derart erfassten Werte ausgewertet um einen temperaturabhängigen Parameter des Bauteils zu bestimmen. Als Messgröße kann hierbei direkt der Messwert genutzt werden, der durch die Strom- bzw. Spannungsmesseinrichtung erfasst wird, es ist jedoch auch möglich, die Messwerte analog oder digital zu filtern, über ein Zeitintervall zu mitteln oder andere bekannte Verfahren zu nutzen, um den Messfehler der Messgröße zu verringern. Dabei ist es vorteilhaft, dass Gate-Treiber häufig Messelektronik umfassen, um Ströme oder Spannungen zu messen.
Die Bestimmung eines Temperaturwerts aus einem oder mehreren Parametern ist durch Nutzung eines Kalibrierdatensatzes möglich. Ein solcher Kalibrierdatensatz kann am Bauteil selbst bestimmt werden, indem der Parameter am Bauteil selbst für verschiedene Temperaturen und insbesondere für verschiedene Ströme durch das Bauteil bestimmt wird. Dabei kann für temperaturabhängige Bauteilparameter davon ausgegangen werden, dass die Variation des Parameters über einen weiten Temperaturbereich monoton mit der Temperatur verläuft, das heißt, dass eine Erhöhung der Temperatur stets zu einer Erhöhung eines gewissen Parameters oder stets zu einer Erniedrigung des Parameters führt. Damit kann durch Nutzung der Kalibrierdaten, insbesondere durch Interpolation eines die Kalibrierdaten umfassenden Datensatzes, aus dem Wert des Parameters eindeutig ein Temperaturwert für die Bauteiltemperatur bestimmt werden.
Es kann auch möglich sein, den Kalibrierdatensatz für mehrere Bauteile durch Stichprobenmessungen an ausgewählten Bauteilen zu bestimmen. So können beispielsweise eine gewisse Menge von Bauteilen eines Bauteiltyps oder insbesondere einer Produktionscharge eines Bauteils zufällig gewählt und es können Kalibrierungsmessungen an diesen Bauteilen durchgeführt werden. Dabei können die Messungen an diesen Bauteilen statistisch ausgewertet werden, um beispielsweise frühzeitig zu erkennen, dass einzelne Bauteile große Abweichungen in der Temperaturabhängigkeit eines ihrer Parameter aufweisen.
Häufig werden durch einen Gate-Treiber getriebene Transistoren periodisch oder pseudo-periodisch geschaltet. In diesem Fall ist im erfindungsgemäßen Verfahren unter einer Messung nach dem Schalten des Gate-Treibers eine Messung zwischen dem Schaltzeitpunkt des Gate-Treibers und dem Zeitpunkt des nächsten Schaltens des Gate-Treibers zu verstehen. Damit wird ein Wert für den temperaturabhängigen Parameter jeweils während eines halben Schaltzyklus, also während eines durchgängigen Schaltzustandes des Gate-Treibers bestimmt. Alternativ wäre es auch möglich, die Messzeitpunkte so zu wählen, dass ein periodisches Schalten des Gate-Treibers derart ausgenutzt wird, dass Messungen in verschiedenen Schaltzyklen des Gate-Treibers jeweils eine Phase zugeordnet wird, die den Abstand vom jeweils vorangehenden Schalten der Gatespannung auf einen der Pegel beschreibt und als vorgegebener Messzeitpunkt eine vorgegebene Messphase genutzt wird. Bei dieser Art der Messung ist es möglich, auch dann eine Vielzahl von Messgrößen zur Bestimmung des temperaturabhängigen Parameters zu bestimmen, wenn die Messperiode, die zur Erfassung einer Messgröße notwendig ist, nicht um ein Vielfaches kürzer ist als die Schaltzeit.
Die temperaturabhängigen Parameter und damit auch die Temperaturwerte können für jeden Schaltzyklus des Gate-Treibers bestimmt werden, es ist jedoch auch möglich, die Bestimmung der Parameter und der Temperatur in vorgegebenen Abständen durchzuführen, die sich an der konkreten Anwendung und den thermischen Zeitkonstanten des Bauteils orientieren. Solche typischen Zeitabstände können im Bereich von wenigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden liegen.
Als temperaturabhängiger Parameter kann jede Größe genutzt werden, die sich aus am Bauteil oder an Hilfskontakten abfallenden Spannungen und/oder aus durch das Bauteil fließenden Strömen berechnen lässt und die temperaturabhängig ist. Es ist dabei nicht notwendig, dass der Parameter eine in der Literatur bekannte Eigenschaft des Bauteils, wie beispielsweise eine Schaltzeit oder Ähnliches, beschreibt, sondern es ist ausschließlich notwendig, dass eine Änderung des Parameters mit einer Änderung der Temperatur korreliert. Es ist sogar möglich einen Parameter zu nutzen, der sich nicht monoton mit der Temperatur ändert, also der beispielsweise innerhalb eines Temperaturbereichs mit einer Steigerung der Temperatur zunächst steigt und anschließend wieder fällt. In diesem Fall können beispielsweise mehrere Parameter genutzt werden die eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit zeigen. Damit ist auch in diesem Fall eine eindeutige Temperaturbestimmung aus den mehreren Parametern möglich.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren erfassten Temperaturen des Bauteils können direkt genutzt werden, beispielsweise indem eine Benutzerschnittstelle vorgesehen ist, über die die erfassten Temperaturen für einen Benutzer bereitgestellt werden. Häufig ist es jedoch vorteilhaft, die erfassten Temperaturen weiter zu verarbeiten, beispielsweise um eine verbleibende Lebenszeit eines Bauteils abzuschätzen und diese Information für einen Benutzer zur Verfügung zu stellen oder einen Betriebsparameter einer Schaltung anzupassen.
Es ist möglich, dass die Messgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten erfasst wird. Während es bereits durch Erfassen der Messgröße in einem einzelnen Messzeitpunkt möglich ist, Parameter des Bauteils zu bestimmen, die durch einen momentan durch das Bauteil fließenden Strom oder eine momentan am Bauteil oder an Hilfskontakten abfallende Spannung bestimmt werden können, beispielsweise den Widerstand eines Bauteils, erlaubt die Erfassung mehrerer zeitlich beabstandeter Messgrößen weitere Auswertungsmöglichkeiten. So kann insbesondere die zeitliche Ableitung einer Messgröße ausgewertet werden, um Änderungsraten eines Stroms oder einer Spannung zu bestimmen. Durch die Erfassung einer Messgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten ist es auch möglich, Zeitpunkte zu bestimmen, zu denen die Messgröße einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt oder unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt. Durch die Erfassung der Messgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten können jedoch auch periodische Schwingungen erkannt und Schwingungsperioden ermittelt werden, die Stärke eines Rauschens eines Signals erkannt werden oder das Frequenzspektrum der Messgröße analysiert werden.
Abhängig von der Art des Bauteils und den weiteren Bauteilen der Schaltung können all diese Informationen mit der Temperatur des Bauteils korrelieren.
Das Schalten kann ein Schalten der Gatespannung auf den ersten Spannungspegel sein. Insbesondere wenn das Bauteil ein Transistor ist, sind beim Einschalten des Transistors eine Vielzahl von Parametern des Transistors messbar, die eine deutliche Temperaturabhängigkeit aufweisen, wie beispielsweise die Einschaltverzögerung oder der Widerstand des Transistors im leitfähigen Zustand. Bei der Messung von Spannungen an oder Strömen durch weitere Bauteile der Schaltung zur Bestimmung deren Temperatur hängt es von der relativen Anordnung des Bauteils zum geschalteten Transistor ab, ob es vorteilhaft ist, die Messgröße nach dem Schalten der Gatespannung auf den ersten oder auf den zweiten Spannungspegel zu ermitteln.
Temperaturabhängige Parameter eines Bauteils können auf vielfältige Weise ermittelt werden. Ein temperaturabhängiger Parameter eines Transistors ist die sogenannte Einschaltverzögerung, die die Zeit beschreibt, die zwischen dem Schalten der Gatespannung und dem Wechsel des Transistors in den leitfähigen Zustand vergeht. Um diese zu messen ist es möglich, dass die Messgröße eine Spannung und das Bauteil der Transistor ist, die Messgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten erfasst wird und als Parameter eine Einschaltverzögerung als die Zeit nach dem Schalten des Gate-Treibers ermittelt wird, zu der die Messgröße unter einen vorgegebenen Wert fällt. Ist der Transistor ausgeschaltet und leitet damit nahezu keinen Strom zwischen Kollektor und Emitter bzw. zwischen Drain und Source, so entspricht dies einem ausgeschalteten Schalter und der Spannungsabfall am Transistor ist maximal. Wird der Transistor durch Veränderung der Basis bzw. Gatespannung eingeschaltet, so weist der Transistor nach einer kurzen Übergangszeit einen sehr geringen Widerstand auf und die am Transistor abfallende Spannung ist damit in typischen Schaltungen sehr klein. Ein Wechsel des Transistors von einem ausgeschalteten in einen eingeschalteten Zustand, der abhängig vom Transistortyp durch ein Erhöhen der Gatespannung oder durch ein Verringern der Gatespannung erfolgen kann, kann damit erkannt werden, indem der Verlauf der am Transistor oder an Hilfskontakten abfallenden Spannung wiederholt erfasst wird und der Zeitpunkt ermittelt wird, zu dem die am Transistor oder an Hilfskontakten abfallende Spannung unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt. Alternativ wäre es auch möglich, die Änderung des Widerstands des Transistors zu erfassen, indem die Zeitableitung der Spannungsmessgröße ausgewertet wird, wodurch es möglich ist, die Flanke des Zusammenbrechens der Spannung beim Einschalten des Transistors zu erkennen. Ergänzend oder alternativ kann auch eine Ausschaltverzögerung des Transistors gemessen werden, indem die Spannungsmessgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten nach dem Schalten der Gatespannung auf den zweiten Spannungspegel erfasst wird und ein Zeitpunkt erfasst wird, zudem die Zeitableitung der Messgröße oder die Messgröße selbst einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass die Messgröße ein Strom und das Bauteil der Transistor ist, die Messgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten erfasst wird und als Parameter eine Einschaltverzögerung als die Zeit nach dem Schalten des Gate-Treibers ermittelt wird, zu der die Messgröße über einen vorgegebenen Wert steigt. In diesem Fall wird das Einschalten des Transistors also dadurch erkannt, dass der Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter bzw. Drain und Source einen vorgegebenen Wert übersteigt. Es wird zum Feststellen des Einschaltzeitpunktes des Transistors und damit der Einschaltverzögerung also direkt der Zeitpunkt ausgewertet, zudem der Stromfluss einen vorgegebenen Mindeststromfluss erreicht.
Ein weiterer temperaturabhängiger Parameter eines Transistors ist der verbleibende Widerstand des Transistors im eingeschalteten Zustand. Dabei ist es möglich, dass der Stromfluss durch den Transistor bekannt ist, beispielsweise durch eine Messung der Ströme, die durch den Transistor fließen. Es ist auch möglich, dass der Stromfluss durch den Transistor durch die umgebende Schaltung vorgegeben und konstant ist, da die temperaturabhängige Widerstandsänderung des Transistors gegenüber den weiteren Impedanzen im System bei der Bestimmung des Stromflusses vernachlässigt werden kann. Dann ist der Widerstand des Transistors proportional zu der an dem Transistor abfallenden Spannung zwischen Drain und Source bzw. Kollektor und Emitter im eingeschalteten Zustand. Daher kann die am Transistor abfallende Spannung in vielen Schaltungen als guter temperaturabhängiger Parameter des Transistors betrachtet werden. Die Messgröße kann daher eine Spannung und das Bauteil der Transistor sein und der Messzeitpunkt vom Zeitpunkt des Schaltens der Gatespannung wenigstens durch ein vorgegebenes Zeitintervall beabstandet sein, das einer maximalen erwarteten Einschaltverzögerung des Transistors unter vorgegebenen Betriebsbedingungen entspricht, und als Parameter kann die am Transistor abfallende Spannung im eingeschalteten Zustand ermittelt werden, die der Messgröße entspricht.
Dabei ist es möglich, den Messzeitpunkt auch abhängig von weiteren, insbesondere komplexen, Impedanzen im System zu bestimmen, so dass zum Messzeitpunkt ein möglichst definierter Stromfluss durch den Transistor fließt. Wird die Gatespannung periodisch geschaltet, so ist es vorteilhaft den Messzeitpunkt kurz vor dem Schalten der Gatespannung auf den zweiten Spannungspegel zu wählen, so dass der Messzeitpunkt maximal vom Zeitpunkt des Schaltens der Gatespannung auf den ersten Spannungspegel beabstandet ist. Der Messzeitpunkt kann daher um wenigstens 70 % der Zeit, während der die Gatespannung einen ersten Spannungspegel aufweist, vom Schaltzeitpunkt der Gatespannung beabstandet sein. Als weiterer oder alternativer temperaturabhängiger Parameter können auch die Leckströme gemessen werden, die durch den Transistor fließen. Hierzu wird der durch den Transistor fließende Strom nach einem vorgegebenen Zeitintervall nach Schalten der Gatespannung auf dem zweiten Spannungspegel gemessen und als temperaturabhängiger Parameter ausgewertet.
Bei einer gegebenen Steilheit des Gatespannungssignals weist auch die Steilheit des Stromverlaufs beim Schalten des Transistors eine merkliche Temperaturabhängigkeit auf. Daher kann die Messgröße einen Strom und das Bauteil der Transistor sein, die Messgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten erfasst werden und als Parameter die Stromsteilheit beim Schalten des Transistors aus der Zeitableitung der Messewerte berechnet werden. Im einfachsten Fall kann die Stromsteilheit durch Messen des Stromwerts zu zwei beabstandeten Zeitpunkten und Berechnung der Stromsteilheit zwischen diesen Messpunkten ermittelt werden. In diesem Fall ist die ermittelte Stromsteilheit unter Umständen neben der Stromsteilheit selbst zusätzlich von der Einschaltverzögerung abhängig. Daher kann ergänzend die Einschaltverzögerung ermittelt werden. Bei einer dem Transistor angepassten Wahl der Messzeitpunkte ist es jedoch auch möglich, dass die zu ermittelnde Stromsteilheit trotz des zusätzlichen Einflusses der Einschaltverzögerung streng monoton von der Temperatur abhängt und damit problemlos als temperaturabhängiger Parameter im erfindungsgemäßen Verfahren genutzt werden kann. Werden Messgrößen zu mehr als zwei Messzeitpunkten erfasst, kann die Stromsteilheit auch unabhängig von einer Einschaltverzögerung ermittelt werden, indem bei der Ermittlung von mehreren Messgrößen Stromsteilheiten für mehrere Zeitintervalle zwischen den Messgrößen bestimmt werden und als Stromsteilheit insbesondere die maximale ermittelte Stromsteilheit gewählt wird. Alternativ kann an die Messgrößen auch eine Ausgleichskurve gefittet werden, die mit der Stromsteilheit parametrisiert ist, um die Stromsteilheit zu bestimmen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch die Temperaturen von Dioden erfasst werden. Dabei kann die Messgröße eine Spannung und das Bauteil eine Diode sein, die Messgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten erfasst werden und als Parameter die Reverse-Recovery-Ladung der Diode durch Summierung der den Messzeitpunkten zugeordneten Messgrößen berechnet werden. Diese sogenannte Reverse-Recovery-Ladung entspricht der Menge an Ladungsträgern, die beim Wechsel von einer Stromleitung in Durchlassrichtung zu einem Sperrverhalten der Diode als kurzer Strompuls in Sperrrichtung abfließt. Die Reverse-Recovery-Ladung von pn-Dioden und insbesondere pin-Dioden ist deutlich temperaturabhängig und kann damit zur Ermittlung der Temperatur der Diode genutzt werden.
Die temperaturabhängigen Parameter eines Bauteils sind häufig neben der Temperatur des Bauteils auch von dem Stromfluss durch das Bauteil abhängig. Daher kann aus Messgrößen der Strommesseinrichtung ein mittlerer Stromfluss durch das Bauteil in einem vorgegebenen Zeitintervall bestimmt werden und der mittlere Stromfluss kann bei der Bestimmung des Temperaturwertes berücksichtigt werden. Eine solche Berücksichtigung des Stromflusses durch das Bauteil ist insbesondere dadurch möglich, dass die Kalibrierdaten mit zwei Parametern aufgenommen sind, das heißt, dass der Parameter für unterschiedliche Stromflüsse durch das Bauteil jeweils bei unterschiedlichen Temperaturen ermittelt wurde. Abhängig von der Art des Bauteils und des Parameters ist es jedoch auch möglich, den Stromfluss ausschließlich als einen Offset und/oder einen Skalierungsfaktor für den Parameter zu nutzen.
Vorteilhaft können bei der Bestimmung des Temperaturwertes mehrere Parameter berücksichtigt werden. Dabei können beliebige Kombinationen aus den genannten oder weiteren temperaturabhängigen Parametern von Bauteilen und insbesondere ein Stromfluss durch das Bauteil genutzt werden. Dabei kann in den Kalibrierdaten für eine Temperatur und insbesondere einen Stromfluss jeweils ein Wert für jeden dieser Parameter gespeichert sein. Durch die Benutzung mehrerer Parameter kann dabei jeweils ein bestpassender Temperaturwert aus den Kalibrierdaten bestimmt werden. Dazu kann insbesondere ein RANSAC-Verfahren genutzt werden, bei dem zunächst Temperaturwerte für Untergruppen der Parameter bestimmt werden, für diese Temperaturwerte Fehler für die weiteren Parameter bestimmt werden und als Temperaturwert derjenige der Temperaturwerte gewählt wird, der zu den geringsten Fehlern führt. Häufig ist es jedoch einfacher für jeden der Parameter, insbesondere unter Berücksichtigung des Stromflusses durch das Bauteil, getrennt einen Temperaturwert zu bestimmen und den endgültigen Temperaturwert durch statistische Auswertung der Temperaturwerte, insbesondere Mittelwertbildung, aus diesen Werten zu bestimmen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren können zeitlich beabstandet mehrere Temperaturwerte bestimmt werden und nach einem vorgegebenen Zeitraum aus dem so bestimmten Temperaturverlauf ein Histogramm über die Anzahl von Temperaturzyklen in vorgegebenen Amplitudenbereichen der Temperaturschwankung bestimmt werden. Im Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Zyklenzählung einer zeitlich variierenden Messgröße bekannt. Bei der Zyklenzählung werden Temperaturzyklen, also jeweils ein Ansteigen und Abfallen der Temperatur, bestimmt und einem solchen Temperaturzyklus jeweils eine Amplitude zugeordnet. Dabei können komplexe Temperaturverläufe durch Verfahren wie „rainflow counting“ analysiert werden, im einfachsten Fall ist es jedoch möglich, jeweils Abschnitte zwischen einem lokalen Minimum und einem lokalen Maximum zu betrachten und diese als Halbzyklen auszuwerten. Zur Bildung eines Histogramms werden die derart ausgezählten Zyklen anschließend gewissen Amplitudenintervallen zugeordnet und damit für jedes Amplitudenintervall eine Anzahl von Zyklen innerhalb dieses Amplitudenintervalls bestimmt.
Zur Bestimmung einer Restlebensdauer des Bauteils kann im erfindungsgemäßen Verfahren aus dem Histogramm mithilfe vorgegebener Lebensdauerdaten eine verbleibende Restlebensdauer des Bauteils ermittelt werden. Dabei kann insbesondere von einer linearen Schadensakkumulation für das Bauteil und die Schaltung ausgegangen werden, wie sie beispielsweise die Palmgren-Miner-Regel beschreibt. Dabei wird davon ausgegangen, dass das Bauteil bei einer gegebenen Amplitude eines Temperaturzyklusses eine bestimmte Zahl dieser Temperaturzyklen durchlaufen kann, bis das Bauteil beschädigt wird. Im Modell der linearen Schadensakkumulation wird angenommen, dass damit jeweils eine Schädigung des Bauteils für einzelnen Temperaturzyklus mit gegebener Amplitude berechnet werden kann, die proportional zum Kehrwert der Zyklenzahl ist, nach der das Bauteil bei der gegebenen Amplitude des Temperaturzyklusses beschädigt wird. Mit dieser Annahme ist es möglich, jedem Amplitudenbereich des Histogramms einen Beschädigungswert zuzuordnen, mit dem die Zyklenzahl dieses Amplitudenbereichs gewichtet wird. Die Beschädigung eines Bauteils kann damit als gewichtete Summe der Zyklenzahlen im Histogramm berechnet werden, wobei der Gewichtungsfaktor jeweils der Beschädigungswert für diesen Amplitudenbereich ist.
Damit kann bestimmt werden, welcher Anteil der Lebenszeit eines Bauteils bereits verbraucht ist und es kann eine voraussichtliche Restlebenszeit des Bauteils bestimmt werden. Eine solche Restlebenszeit kann im einfachsten Fall als ein Bruchteil angegeben werden, also beispielsweise als zwei Drittel der Gesamtlebenszeit, es ist jedoch auch möglich die bisherige Nutzungszeit zu erfassen und eine voraussichtliche Restlebenszeit in Abhängigkeit dieser Nutzungszeit zu bestimmen.
Es ist auch möglich, dass ein Betriebsparameter der Schaltung in Abhängigkeit des ermittelten Temperaturwertes und/oder einer Anzahl von Temperaturzyklen für wenigstens einen Amplitudenbereich innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls und/oder einer ermittelten Restlebensdauer angepasst wird. Insbesondere kann die Anpassung des Betriebsparameters in Abhängigkeit einer gewichteten Summe über die Anzahl der Temperaturzyklen für unterschiedliche Amplitudenbereiche erfolgen. Es ist auch möglich, einen oder mehrere der Betriebsparameter bei über- oder unterschreiten eines Grenzwertes durch die genannten Größen anzupassen.
Insbesondere kann der Betriebsparameter die Flankensteilheit des Gatesignals sein. Diese kann besonders vorteilhaft in Abhängigkeit des ermittelten Temperaturwertes angepasst werden. Insbesondere IGBTs schalten im kalten Zustand deutlich schneller als bei höheren Temperaturen. Um eine leichtere Anpassung der weiteren Schaltung an das Schaltverhalten des IGBTs oder eines anderen Bauteils zu erreichen, kann daher mit einem sinkendem ermittelten Temperaturwert die Flankensteilheit des Gatesignals verringert werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schaltung mit Erfassung der Temperatur eines Bauteils der Schaltung mit wenigstens einem Transistor und wenigstens einem digitalen Gate-Treiber, einer Strommesseinrichtung und/oder einer Spannungsmesseinrichtung sowie einer Steuereinrichtung, wobei die Schaltung zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren ausgebildet ist. Dabei ist die Steuereinrichtung ausgebildet Messgrößen für durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannungen oder durch die Strommesseinrichtung gemessene Ströme zu erfassen, aus diesen Messgrößen den wenigstens einen temperaturabhängigen Parameter zu bestimmen und den Temperaturwert zumindest aus dem Parameter und einem vorgegebenen Kalibrierdatensatz zu ermitteln.
Dabei ist es möglich, dass die Steuereinrichtung und/oder die Strommesseinrichtung und/oder die Spannungsmesseinrichtung in den Gate-Treiber integriert sind. Gate-Treiber weisen häufig Strom- oder Spannungsmesseinrichtungen zu Diagnosezwecken auf und umfassen teilweise auch Mikrocontroller oder Ähnliches, die als Steuereinrichtung in der erfindungsgemäßen Schaltung genutzt werden können.
Die Schaltung kann dabei insbesondere ein Stromrichter sein. Stromrichter sind Schaltungen, in denen typischerweise wenigstens eine Diode und wenigstens ein Transistor genutzt werden, wobei der wenigstens eine Transistor periodisch durch eine Rechteckspannung angesteuert wird, die durch einen Gate-Treiber zur Verfügung gestellt wird. Die Erfassung der Temperatur von Bauteilen eines Stromrichters ist besonders vorteilhaft, da durch Stromrichter häufig große Ströme fließen und damit selbst bei geringen Verlusten am Stromrichter große Verlustleistungen dissipiert werden müssen. Daher können Bauteile eines Stromrichters besonders großen Temperaturschwankungen unterliegen. Der Stromrichter kann insbesondere ein Gleichspannungswandler sein.
Das Bauteil kann der Transistor oder eine Diode sein. Insbesondere kann das Bauteil ein Leistungshalbleiter sein, beispielsweise ein IGBT, MOSFET oder eine pin-Diode.
Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, umfassend wenigstens eine Schaltung mit einer Spannungsmesseinrichtung und/oder einer Strommesseinrichtung, sowie einem Gate-Treiber und einer Steuereinrichtung, die zur Erfassung einer Messgröße der Spannungsmesseinrichtung für die an einem Bauteil oder an Hilfskontakten abfallende Spannung und/oder einer Messgröße einer Strommesseinrichtung für den das Bauteil durchfließenden Strom zu wenigstens einem vorgegebenen Messzeitpunkt nach oder vor einem Schalten des Gate-Treibers und zur Berechnung wenigstens eines temperaturabhängigen Parameters des Bauteils aus zumindest der Messgröße ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung eine übergeordnete Steuereinrichtung umfasst und wobei entweder die übergeordnete Steuereinrichtung oder die Steuereinrichtung zur Bestimmung eines Temperaturwertes aus zumindest dem Parameter und einem vorgegebenen Kalibrierdatensatz ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann selbstverständlich mit den bezüglich des Verfahrens und/oder der Schaltung offenbarten Merkmalen weitergebildet werden.
Es ist auch möglich, dass die übergeordnete Steuereinrichtung ausgebildet ist, eine Restlebensdauer aus dem Parameter oder dem Temperaturwert zu berechnen oder bei Überschreiten eines Temperaturgrenzwertes durch den Temperaturwert eine Betriebsbedingung der Schaltung anzupassen. Hierzu können die obig erläuterten Verfahrensschritte zumindest teilweise durch die übergeordnete Steuereinrichtung durchgeführt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Ablaufdiagramm zum periodischen Schalten einer Gatespannung,
3 schematisch die Berechnung einer Restlebensdauer in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung, und
5 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Temperaturerfassung eines Bauteils, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel die Temperatur eines Transistors aus der Stromsteilheit beim Einschalten des Transistors bestimmt wird.
In Schritt S1 erfolgt ein Schalten des Transistors von einem ausgeschalteten in einen eingeschalteten Zustand. Hierzu wird durch den digitalen Gate-Treiber die Gatespannung am Gate bzw. an der Basis des Transistors von einem zweiten Spannungspegel, der an einem ausgeschalteten Transistor entspricht, auf einen ersten Spannungspegel, der einem eingeschalteten Transistor entspricht, geändert. Die Wahl der entsprechenden Spannungspegel ist von der Art des Transistors abhängig. Nach dem Schalten des Transistors in Schritt S1 wird in Schritt S2 ein vorgegebenes Zeitintervall gewartet. Dieses Warteintervall kann insbesondere einer vorgegebenen Taktung einer Strommesseinrichtung des Gate-Treibers entsprechend. In Schritt S3 wird anschließend eine erste Messgröße für den Strom ermittelt. Die Strommessung erfolgt durch eine Strommesseinrichtung wobei zur Ermittlung der Messgröße die Messwerte der Strommesseinrichtung gefiltert werden, um hochfrequente Änderungen der Messwerte durch ein Rauschen der Messung nicht zu berücksichtigen.
In Schritt S4 wird wiederum für ein vorgegebenes Warteintervall gewartet, das typischerweise dem Warteintervall aus Schritt S2 entspricht. Anschließend kann in Schritt S5 eine weitere Messgröße für den durch den Transistor fließenden Strom ermittelt werden. Die Schritte S4 und S5, also ein kurzes Warten und das Erfassen einer weiteren Strommessgröße, können anschließend mehrfach wiederholt werden, was durch den gestrichelten Pfeil angedeutet ist.
In Schritt S6 liegen damit mehrere zeitlich beabstandete Messgrößen für den den Transistor durchfließenden Strom vor. In Schritt S6 wird aus diesen Messgrößen eine Stromsteilheit beim Einschalten des Transistors bestimmt. Hierzu wird wenigstens eine Zeitableitung oder eine zu einer Zeitableitung proportionale Größe für die Messgrößen bestimmt. Im einfachsten Fall kann dies durch eine Subtraktion der im Schritt S3 ermittelten Messgröße von der im Schritt S5 ermittelten Messgröße erfolgen. Um die Stromsteilheit unabhängig von einer Einschaltverzögerung zu bestimmen, wird in Schritt S6 jedoch eine Vielzahl von Zeitableitungswerten bestimmt, indem jeweils die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgend bestimmten Messgrößen bestimmt. Aus diesen Differenzen wird die größte Differenz ausgewählt. Damit wird eine Größe bestimmt, die proportional zur größten Zeitableitung des Stroms im Messintervall ist.
Die in Schritt S6 ermittelte Stromsteilheit ist nicht nur von der Temperatur sondern auch vom maximalen Stromfluss durch den Transistor bestimmt. Daher wird in Schritt S7 der Stromfluss durch den Transistor erfasst. Die in Schritt S7 durchgeführte Erfassung des Stromflusses kann mehrmals wiederholt werden, was durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Die Messung des Stromflusses in Schritt S7 und die darauffolgenden Messungen erfolgen mit größerem Zeitabstand vom Schalten des Transistors in Schritt S1 als zumindest die ersten beiden Erfassungen der Strommessgröße zur Bestimmung der Stromsteilheit in den Schritten S3 und S5, da die Messung des Stromflusses in Schritt S7 der Bestimmung eines mittleren Stromflusses für ein Zeitintervall, in dem der Stromfluss durch den Transistor im Wesentlichen stabil ist, dient. Dieser mittlere Stromfluss wird in Schritt S8 durch Mittelwertbildung der in Schritt S7 und weiteren Messschritten gemessenen Strömen berechnet.
In Schritt S9 sind damit die maximale Stromsteilheit nach dem Schalten des Transistors sowie der mittlere Stromfluss für ein vorgegebenes Intervall nach dem Schalten des Transistors, in dem sich der Stromfluss bereits stabilisiert hat, bekannt. Durch Nutzung eines Kalibrierdatensatzes kann in Schritt S9 aus diesen beiden Daten ein Temperaturwert bestimmt werden. Dies ist möglich, da die Stromsteilheit eines Transistors typischerweise monoton mit der Temperatur des Transistors variiert. Liegt ein Kalibrierdatensatz vor, der die Stromsteilheit in Abhängigkeit eines den Transistor durchfließenden Stroms und einer Temperatur beschreibt, so kann bei Vorliegen der Stromsteilheit und des Stromflusses ein Temperaturwert aus dem Kalibrierdatensatz bestimmt werden. Damit wird in Schritt S9 ein Temperaturwert berechnet, der in Schritt S10 weiterverarbeitet werden kann.
Zur Weiterverarbeitung kann der Temperaturwert einem Benutzer über eine Benutzerschnittstelle bereitgestellt werden, einer Diagnoseeinrichtung zur Verfügung gestellt werden oder Ähnliches. In Abhängigkeit des Temperaturwertes kann auch ein Parameter des Gate-Treibers, insbesondere die Steilheit der Spannungsänderung bei einem Umschalten der Gatespannung, angepasst werden. Werden Temperaturwerte für mehrere Schaltzyklen bestimmt kann, wie im Folgenden mit Bezug auf 3 erläutert wird, auch eine voraussichtlich verbleibende Lebenszeit für das Bauteil bestimmt werden.
Das erläuterte Ausführungsbeispiel kann leicht zur Nutzung anderer temperaturabhängigen Parameter angepasst werden. Soll eine Einschaltverzögerung des Transistors durch Strommessung ermittelt werden, so muss die Bestimmung der Stromsteilheit in Schritt S6 mit einem Vergleich der in Schritt S3 und S5 sowie in den weiteren Messschritten ermittelten Stromwerte mit einem Grenzwert ersetzt werden. Für den zeitlich frühest gelegenen Wert, der einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird dann der Zeitabstand zum Schalten des Transistors in Schritt S1 ausgewertet.
Zur Bestimmung der Einschaltverzögerung eines Transistors aus der am Transistor abfallenden Spannung ist die Erfassung der Messgrößen für den Strom in den Schritten S3 und S5 sowie den folgenden Schritten, jedoch nicht in Schritt S7 und den nach Schritt S7 folgenden Schritten, durch eine Spannungsmessung zu ersetzen. In Schritt S6 wird die Spannung, wie im letzten Absatz für eine Bestimmung der Einschaltverzögerung aus dem Strom beschrieben, wiederum mit einem Grenzwert verglichen, wobei das Zeitintervall zwischen einem Unterschreiten eines Grenzwertes und dem schalten des Transistors in Schritt S1 bestimmt wird.
Das Verfahren lässt sich auch leicht zur Erfassung der Temperatur einer Diode anpassen. Auf die Schritte S7 und S8 kann in diesem Fall verzichtet werden und die Erfassung des Stroms in Schritt S3, S5 und den folgenden Messschritten erfolgt in einem Zweig der Schaltung, in dem auch die Diode angeordnet ist. Der Schaltvorgang in Schritt S1 ist in diesem Fall ein Schalten, das zu einem Spannungsabfall an der Diode in Sperrrichtung führt. In Schritt S6 werden in diesem Fall die in den Schritt S3, S5 und den folgenden Schritten gemessenen Werte aufsummiert, um ein Integral über die Rückstromspitze der Diode zu berechnen.
2 zeigt schematisch das periodische Schalten eines Transistors, beispielsweise in einem Gleichspannungswandler. In Schritt S11 wird der Transistor durch ein Schalten des Spannungspegels an der Basis bzw. dem Gate durch den Gate-Treiber eingeschaltet. Anschließend wird in Schritt S12 für ein vorgegebenes Zeitintervall gewartet. Der Transistor wird in dem Schritt S13 durch Änderung der Gate- bzw. Basisspannung auf den zweiten Spannungspegel durch Schalten des Gate-Treibers ausgeschaltet. In Schritt S14 wird für ein weiteres Zeitintervall gewartet und der Ablauf anschließend ab Schritt S11 wiederholt.
Eine Erfassung eines oder mehrerer temperaturabhängiger Parameter kann hierbei während dem Schritt S12 und/oder dem Schritt S14 erfolgen. Dabei können in Schritt S12 Parameter bestimmt werden, die nach dem Einschalten eines Transistors bestimmt werden, wie eine Einschaltverzögerung des Transistors, eine Stromsteilheit beim Einschalten eines Transistors und/oder die Reverse-Recovery-Ladung einer Diode, die in der Schaltung durch Einschalten des Transistors in Sperrrichtung vorgespannt wird. In Schritt S14 können hingegen Parameter ermittelt werden, die nach dem Ausschalten des Transistors ermittelt werden, wie beispielsweise eine Stromsteilheit des Stroms durch den Transistor beim Ausschalten des Transistors oder die Reverse-Recovery-Ladung einer Diode, die beim Ausschalten des Transistors in Sperrrichtung vorgespannt wird.
Jeder dieser Parameter kann für jeden der Schaltzyklen S11 bis S14 bestimmt werden, es ist jedoch auch möglich, den Parameter nur in bestimmten Abständen, beispielsweise bei jedem fünften, zwanzigsten oder hundertsten Schaltzyklus zu erfassen. Wird ein Gleichspannungswandler mit mehreren Kilohertz getaktet und ist von einer Temperaturänderung eines Bauteils auf einer Skala von mehreren hundert Millisekunden oder gar Sekunden auszugehen, ist es auch möglich, den Temperaturwert jeweils für mehrere Hundert oder mehrere Tausend Schaltzyklen einmalig zu bestimmen.
3 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm zur Bestimmung der Restlebenszeit eines Bauteils. In Schritt S15 wird ein Datensatz mit einer Vielzahl von Temperaturwerten bestimmt. Jeder der Temperaturwerte ist in einem der in 2 gezeigten Zyklen mit dem zu 1 erläuterten Vorgehen bestimmt. Die Temperaturwerte sind mit zeitlich konstanten Abständen bestimmt, wodurch der Temperaturwertedatensatz, der in Schritt S15 bestimmt wird, einen zeitlichen Verlauf der Temperaturwerte darstellt. In Schritt S16 werden die Temperaturzyklen des Temperaturwertedatensatzes aus Schritt S15 ausgezählt. Dies ist beispielsweise mit „rainflow counting“ möglich.
Als Resultat wird in Schritt S16 ein Histogramm ermittelt, das für eine Anzahl von vorgegebenen Amplitudenbereichen jeweils die Zahl der Zyklen angibt, die eine Amplitude in diesem Amplitudenbereich haben. Schematisch sind in 3 vier vorgegebene Temperaturbereiche durch die vier Pfeile zwischen Schritt S16 und Schritt S17 angedeutet. Ergebnis des Schritts S16 sind somit Zahlenwerte, die die Häufigkeit von Temperaturzyklen in jeweils einem vorgegebenen Amplitudenbereich angeben.
In Schritt S17 kann aus den in Schritt S16 ermittelten Häufigkeiten unter der Annahme einer linearen Schadensakkumulation für das Bauteil und Nutzung der Palmgren-Miner-Regel aus vorgegebenen Lebensdauerdaten eine verbleibende Restlebensdauer für das Bauteil berechnet werden. Dabei wird angenommen, dass für einen Temperaturzyklus einer gegebenen Amplitude der Teil der Lebenszeit verbraucht wird, der dem Kehrwert der Zyklen entspricht, die bei dieser Amplitude des Zyklusses durchgeführt werden könne, bevor das Bauteil beschädigt wird. Durch Testserien ist es nun möglich, für die verschiedenen Amplitudenbereiche jeweils eine typische Zyklenzahl bis zur Zerstörung des Bauteils oder einer Beschädigung der Schaltung, beispielsweise durch gebrochene Lötstellen, zu bestimmen. Damit kann jeweils ein Grad der Beschädigung, der durch einen einzelnen Zyklus bei dieser Amplitude dem Bauteil zugefügt wird, bestimmt werden. Damit kann die Beschädigung des Bauteils bzw. der Kontakte des Bauteils in Schritt S17 als eine gewichtete Summe über die Zahl der Zyklen für die Amplitudenbereiche im in Schritt S16 berechneten Histogramm berechnet werden, wobei die Gewichtungsfaktoren abhängig vom Kehrwert der Zyklenzahl, die in diesem Amplitudenbereich zu einer Beschädigung des Bauteils führen, sind.
In Schritt S18 wird die Lebenszeit zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt, wobei bei Unterschreiten eines Grenzwerts für die Restlebenszeit eine Hinweiseinrichtung aktiviert werden kann, ein Betriebsparameter der Schaltung angepasst werden kann oder Ähnliches.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung mit Erfassung der Temperatur eines Bauteils. Die Schaltung 1 ist als Abwärtswandler ausgeführt. Abwärtswandler sind Gleichspannungswandler und damit Stromrichter. Die Schaltung wird an den Anschlüssen 10, 11 mit einer Eingangsspannung versorgt und gibt an den Anschlüssen 12, 13 eine Ausgangsspannung aus. Das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und Eingangsspannung ist abhängig von einem Pulsbreitenverhältnis einer Rechtseckspannung, mit der der Transistor 2, der als IGBT ausgebildet ist, vom Gate-Treiber 6, der eine Steuereinrichtung umfasst, angesteuert wird. Neben Transistor 2 umfasst die Schaltung eine Diode 3, die als pin-Diode ausgebildet ist, einen Kondensator 4 sowie eine Spule 5. In der Schaltung sind zudem die Spannungsmesseinrichtung 7 sowie die Strommesseinrichtungen 8 und 9 angeordnet.
Die Spannungsmesseinrichtung 7 misst die am Transistor 2 zwischen Drain und Source abfallende Spannung, die Strommesseinrichtung 8 den durch Transistor 2 fließenden Strom und die Strommesseinrichtung 9 den durch die Diode 3 fließenden Strom. Die im Gate-Treiber 6 integrierte Steuereinrichtung erfasst die Messgrößen der Spannungsmesseinrichtung 7 sowie der Strommesseinrichtungen 8 und 9, was durch gestrichelte Linien angedeutet ist. In realen Schaltungen sind die Spannungsmesseinrichtung 7 sowie die Strommesseinrichtungen 8 und 9 häufig im Gate-Treiber 6 integriert. Die Darstellung als separate Bauteile erfolgt hier insbesondere aus Übersichtlichkeitsgründen. Die Erfassung der Messgrößen durch die Steuereinrichtung erfolgt periodisch, wobei die Messperiode derart gewählt ist, dass beide Schaltperioden des Transistors ganzzahlige Vielfache der Messperiode bilden. Damit weist jede Messgröße einen definierten Zeitabstand von dem vorangehenden Schalten des Transistors 2 auf.
In Schaltung 1 kann die Steuereinrichtung zahlreiche temperaturabhängige Parameter von Transistor 2 und Diode 3 bestimmen. Durch Auswertung der Spannungsmessgrößen der Spannungsmesseinrichtung 7 kann insbesondere eine Einschaltverzögerung des Transistors 2 durch Ermitteln des Zeitintervalls, bis die an Transistor 2 abfallende Spannung nach dem Schalten der Gatespannung auf einen Spannungspegel unter einem vorgegebenen Grenzwert fällt, ermittelt werden. Werden die Messgrößen der Spannungsmesseinrichtung 7 und der Strommesseinrichtung 8 durcheinander dividiert, kann zu jedem Messzeitpunkt der Widerstand des Transistors 2 bestimmt werden. Wird ein Messzeitpunkt gewählt, der ausreichend weit von einem Schalten der Gatespannung auf den ersten Spannungspegel beabstandet ist, so entspricht dies dem Widerstand des Transistors im leitfähigen Zustand. Auch dieser Parameter ist temperaturabhängig.
Die Messgrößen der Strommesseinrichtung 8 können zudem zeitlich abgeleitet werden, um eine Stromsteilheit beim Schalten des Transistors zu ermitteln. Insbesondere kann dabei die maximale Stromsteilheit nach dem Einschalten des Transistors 2 ermittelt werden. Auch dieser Parameter ist temperaturabhängig.
Die Messgrößen der Strommesseinrichtung 9 können insbesondere ausgewertet werden, um die temperaturabhängige Reverse-Recovery-Ladung der Diode 3 zu bestimmen. Bei einem Schalten der Gatespannung des Transistors 2 auf einen ersten Spannungspegel fällt an die Diode 3 eine Spannung in Sperrrichtung der Diode ab. Wechselt die Spannung an einer Diode von der Durchlassrichtung in die Sperrrichtung, so fließt zunächst kurzfristig ein Strom in die Sperrrichtung. Das Integral über diesen Strom ist die sogenannte Reverse-Recovery-Ladung. Durch Auswertung der Messgrößen der Strommesseinrichtung 9 nach dem Schalten des Transistors 2 in den eingeschalteten Zustand und Summieren der Messgrößen kann damit das Integral über die Rückstromspitze der Diode 3 und damit die Reverse-Recovery-Ladung bestimmt werden.
Für die genannten temperaturabhängigen Parameter sind in der Steuereinrichtung Kalibrierdaten hinterlegt, die Werte für diese Parameter in Abhängigkeit der Temperatur und des zeitlich gemittelten Stromflusses durch das Bauteil darstellen. Der zeitlich gemittelte Stromfluss durch das Bauteil kann für die Diode durch Messgrößen der Strommesseinrichtung 9 und für den Transistor 2 durch Messgrößen der Strommesseinrichtung 8 ermittelt werden. Damit ist es möglich, aus jedem der genannten temperaturabhängigen Parameter einen Temperaturwert zu ermitteln. Diese Temperaturwerte können anschließend gemittelt werden, um einen endgültigen Temperaturwert zu erreichen. Die Steuereinrichtung ist zudem zur Ermittlung der verbleibenden Lebenszeit des Transistors 2 und der Diode 3 ausgebildet, wobei die verbleibende Lebenszeit, wie mit Bezug auf 3 erläutert, bestimmt wird.
5 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 14, die drei Schaltungen 15, 16 und 17 umfasst, die jeweils ein Bauteil aufweisen, dessen Temperatur überwacht werden soll. Die Schaltungen 15, 16 und 17 umfassen jeweils eine Steuereinrichtung, die einen temperaturabhängigen Parameter des jeweils zu überwachenden Bauteils bestimmt. Der entsprechende Parameter wird der übergeordneten Steuereinrichtung 19 zur Verfügung stellt, die neben den Schaltungen 15, 16 und 17 weitere Schaltungen 18 steuert. Ist die Vorrichtung 14 ein Kraftfahrzeug, kann die übergeordnete Steuereinrichtung 19 beispielsweise als weitere Schaltung 18 eine Motorsteuerung oder Ähnliches steuern. Bei den Schaltungen 15, 16 und 17 kann es sich um diverse Stromwandler im Kraftfahrzeug handeln.
Die übergeordnete Steuereinrichtung 19 umfasst Kalibrierdaten für die zu überwachenden Bauteile der Schaltungen 15, 16 und 17. Mithilfe dieser Kalibrierdaten kann aus den durch die Steuereinrichtungen der Schaltungen 15, 16 und 17 bereitgestellten temperaturabhängigen Parametern jeweils ein Temperaturwert für die Bauteile bestimmt werden. Die übergeordnete Steuereinrichtung 19 ermittelt zudem erwartete Restlebenszeiten für die überwachten Bauteile, indem die Restlebenszeit wie zu 3 beschrieben berechnet wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Erfassen der Temperatur eines Bauteils einer Schaltung mit wenigstens einem Transistor und wenigstens einem digitalen Gate-Treiber, der die Gatespannung des Transistors zwischen einem ersten Spannungspegel, der einem eingeschalteten Transistor entspricht, und einem zweiten Spannungspegel, der einem ausgeschalteten Transistor entspricht, schaltet, umfassend die Schritte: – Erfassen einer Messgröße zu wenigstens einem vorgegebenen Messzeitpunkt nach oder vor einem Schalten des Gate-Treibers für die am Bauteil oder an Hilfskontakten abfallende Spannung mit einer Spannungsmesseinrichtung und/oder für den das Bauteil durchfließenden Strom mit einer Strommesseinrichtung, – Berechnung wenigstens eines temperaturabhängigen Parameters des Bauteils aus zumindest der Messgröße, – Bestimmung eines Temperaturwertes aus zumindest dem Parameter und einem vorgegebenen Kalibrierdatensatz.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten ein Schalten der Gatespannung auf den ersten Spannungspegel ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße eine Spannung und das Bauteil der Transistor ist, die Messgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten erfasst wird und als Parameter eine Einschaltverzögerung als die Zeit nach dem Schalten des Gate-Treibers ermittelt wird, zu der die Messgröße unter einen vorgegebenen Wert fällt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße eine Strom und das Bauteil der Transistor ist, die Messgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten erfasst wird und als Parameter eine Einschaltverzögerung als die Zeit nach dem Schalten des Gate-Treibers ermittelt wird, zu der die Messgröße über einen vorgegebenen Wert steigt.
Verfahren nach der Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße eine Spannung und das Bauteil der Transistor ist und der Messzeitpunkt vom Zeitpunkt des Schaltens der Gatespannung wenigstens durch ein vorgegebenes Zeitintervall beabstandet ist, das einer maximalen erwarteten Einschaltverzögerung des Transistors unter vorgegebenen Betriebsbedingungen entspricht, und als Parameter die am Transistors abfallende Spannung im eingeschalteten Zustand ermittelt wird, die der Messgröße entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße ein Strom und das Bauteil der Transistor ist, die Messgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten erfasst wird und als Parameter die Stromsteilheit beim Schalten des Transistors aus der Zeitableitung der Messwerte berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße eine Spannung und das Bauteil eine Diode ist, die Messgröße zu mehreren zeitlich beabstandeten Messzeitpunkten erfasst wird und als Parameter die Reverse-Recovery-Ladung der Diode durch Summierung der den Messzeitpunkten zugeordneten Messgrößen berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus Messgrößen der Strommesseinrichtung ein mittlerer Stromfluss durch das Bauteil in einem vorgegebenen Intervall bestimmt wird und der mittlere Stromfluss bei der Bestimmung des Temperaturwertes berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Temperaturwertes mehrere Parameter berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich beabstandet mehrere Temperaturwerte bestimmt werden und nach einem vorgegebenen Zeitraum aus dem so bestimmten Temperaturverlauf ein Histogramm über die Anzahl von Temperaturzyklen in vorgegebenen Amplitudenbereichen der Temperaturschwankung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Histogramm mit Hilfe vorgegebener Lebensdauerdaten eine verbleibende Restlebensdauer des Bauteils ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsparameter der Schaltung in Abhängigkeit des ermittelten Temperaturwertes und/oder einer Anzahl von Temperaturzyklen für wenigstens einen Amplitudenbereich innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls und/oder einer ermittelten Restlebensdauer angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter die Flankensteilheit des Gatesignals ist.
Schaltung mit Erfassung der Temperatur eines Bauteils (2, 3) der Schaltung (1) mit wenigstens einem Transistor und wenigstens einem digitalen Gate-Treiber (6), einer Strommesseinrichtung (8, 9) und/oder einer Spannungsmesseinrichtung (7) sowie einer Steuereinrichtung, wobei die Schaltung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Schaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung und/oder die Strommesseinrichtung (8, 9) und/oder die Spannungsmesseinrichtung (7) in den Gate-Treiber (6) integriert sind.
Schaltung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (1) ein Stromrichter ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2, 3) der Transistor oder eine Diode ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2, 3) ein Leistungshalbleiter ist.
Vorrichtung, umfassend wenigstens eine Schaltung (1, 15, 16, 17) mit einer Spannungsmesseinrichtung (7) und/oder einer Strommesseinrichtung (8, 9), sowie einem Gate-Treiber (6) und einer Steuereinrichtung, die zur Erfassung einer Messgröße der Spannungsmesseinrichtung (7) für die an einem Bauteil (2, 3) oder an Hilfskontakten abfallende Spannung und/oder einer Messgröße einer Strommesseinrichtung (8, 9) für den das Bauteil (2, 3) durchfließenden Strom zu wenigstens einem vorgegebenen Messzeitpunkt nach oder vor einem Schalten des Gate-Treibers (6) und zur Berechnung wenigstens eines temperaturabhängigen Parameters des Bauteils (2, 3) aus zumindest der Messgröße ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung eine übergeordnete Steuereinrichtung (19) umfasst und wobei entweder die übergeordnete Steuereinrichtung (19) oder die Steuereinrichtung zur Bestimmung eines Temperaturwertes aus zumindest dem Parameter und einem vorgegebenen Kalibrierdatensatz ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Steuereinrichtung (19) ausgebildet ist, eine Restlebensdauer aus dem Parameter oder dem Temperaturwert zu berechnen oder bei Überschreiten eines Temperaturgrenzwertes durch den Temperaturwert eine Betriebsbedingung der Schaltung (1, 15, 16, 17) anzupassen.