DE102014200496B3

DE102014200496B3 - Power module with a heat error detection

Info

Publication number: DE102014200496B3
Application number: DE201410200496
Authority: DE
Inventors: Christoph Kammer; Michele Hirsch; Carmen Faust-Ellsaesser; Jan Homoth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2034-01-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul. Das Leistungsmodul umfasst wenigstens einen Leistungshalbleiter und eine Wärmesenke, wobei der Leistungshalbleiter mit der Wärmesenke, insbesondere einem Kühlkörper, wärmeleitfähig verbunden ist. Erfindungsgemäß weist das Leistungsmodul der eingangs genannten Art eine Steuereinheit auf, wobei die Steuereinheit mit dem Leistungshalbleiter verbunden und ausgebildet ist, ein Steuersignal zum Erzeugen eines Stromflusses durch den Leistungshalbleiter zu erzeugen und ein Aufheizzeitintervall und ein Abkühlzeitintervall zu erzeugen und in dem Aufheizzeitintervall ein von einem Temperatursensor erzeugtes Temperatursignal zu erfassen und einen eine Aufheizkurve repräsentierenden Temperaturverlauf zu ermitteln und darauf folgend einen eine Abkühlkurve repräsentierenden Temperaturverlauf zu ermitteln. Die Steuereinheit ist weiter ausgebildet, eine Differenzkurve als eine Differenz aus der Aufheizkurve und der Abkühlkurve zu erzeugen, und in Abhängigkeit der Differenzkurve ein Fehlersignal zu erzeugen und auszugeben.The invention relates to a power module. The power module comprises at least one power semiconductor and a heat sink, wherein the power semiconductor is connected to the heat sink, in particular a heat sink, thermally conductive. According to the invention, the power module of the aforementioned type has a control unit, wherein the control unit is connected to the power semiconductor and configured to generate a control signal for generating a current flow through the power semiconductor and to generate a heating time interval and a cooling time interval and in the heating time interval from a temperature sensor to detect generated temperature signal and to determine a heating curve representing a temperature profile and subsequently to determine a cooling curve representing a temperature profile. The control unit is further configured to generate a difference curve as a difference between the heating curve and the cooling curve, and to generate and output an error signal as a function of the difference curve.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul. Das Leistungsmodul umfasst wenigstens einen Leistungshalbleiter und eine Wärmesenke, wobei der Leistungshalbleiter mit der Wärmesenke, insbesondere einem Kühlkörper, wärmeleitfähig verbunden ist.The invention relates to a power module. The power module comprises at least one power semiconductor and a heat sink, wherein the power semiconductor is connected to the heat sink, in particular a heat sink, thermally conductive.

Bei Leistungsmodulen, insbesondere bei Leistungsmodulen, bei denen viele Leistungstransistoren zueinander parallel geschaltet sind, führt eine fehlerhafte Wärmeanbindung eines Bereichs des Leistungshalbleiters langfristig zu einem Ausfall des Leistungshalbleiters, insbesondere eines Transistors, welcher schlechter wärmeleitfähig angebunden ist als andere Transistoren des Leistungsmoduls. Solche Defekte können beispielsweise mittels einer Wärmeleitimpedanz erfasst werden, wobei zum Bestimmen der Wärmeleitimpedanz eine vorbestimmte, bekannte Wärmeleistung in den Leistungshalbleiter eingeprägt wird, welche dann zu einer Erwärmung des Leistungshalbleiters und auch der Wärmesenke führt.In the case of power modules, in particular in the case of power modules in which many power transistors are connected in parallel to each other, faulty heat connection of a region of the power semiconductor will in the long run lead to a failure of the power semiconductor, in particular of a transistor which is connected with poorer heat conductivity than other transistors of the power module. Such defects can be detected for example by means of a Wärmeleitimpedanz, wherein for determining the Wärmeleitimpedanz a predetermined, known heat output is impressed in the power semiconductor, which then leads to a heating of the power semiconductor and the heat sink.

Solch ein Verfahren ist beispielsweise in der DE 19723080 A1 beschrieben.Such a method is for example in DE 19723080 A1 described.

Problematisch ist jedoch die Erfassung eines Defekts, wenn zueinander parallel geschaltete Wärmeanbindungen eines Leistungshalbleiters im Mittelwert über eine Fläche des Leistungshalbleiters, insbesondere einer Fläche der Wärmeanbindung des Leistungshalbleiters an die Wärmesenke, sich von einer korrekten Wärmeanbindung nicht unterscheidet und somit durch eine Messung des Wärmewiderstandes nicht erfassbar ist. Solche Fehler können sich beispielsweise dadurch ergeben, dass der Leistungshalbleiter nicht parallel, also schräg zu einer flachen Erstreckung der Wärmesenke mit der Wärmesenke – beispielsweise mittels einer Wärmeleitpaste – gekoppelt ist und so Bereiche des Leistungshalbleiters mit einer besseren Wärmeanbindung, also einem kleineren Wärmeübergangswiderstand, an die Wärmesenke gekoppelt sind, als dazu benachbarte Bereiche. Eine weitere Möglichkeit einer lokal schlechten Wärmeanbindung, die zu einem Hot-Spot beim Betrieb des Leistungshalbleiters führt, sind Lufteinschlüsse, beispielsweise Lunker, in der Wärmeanbindung zwischen dem Leistungshalbleiter und der Wärmesenke.The problem, however, is the detection of a defect when connected in parallel thermal bonds of a power semiconductor in the average over an area of the power semiconductor, in particular an area of heat connection of the power semiconductor to the heat sink, does not differ from a correct heat connection and thus not detectable by measuring the thermal resistance is. Such errors may arise, for example, in that the power semiconductor is not parallel, ie obliquely to a flat extension of the heat sink with the heat sink - for example by means of a thermal paste - coupled and so areas of the power semiconductor with better heat input, ie a smaller heat transfer resistance to the Heat sink are coupled as adjacent thereto areas. Another possibility of a locally poor heat connection, which leads to a hot spot during operation of the power semiconductor, are air pockets, such as voids, in the heat connection between the power semiconductor and the heat sink.

Die Schrift DE 102 37 112 A1 beschreibt ein Leistungsmodul mit Halbleiterschaltung und ein Verfahren zur Überwachung einer Lötstrecke auf thermische Integrität an einem Leistungsmodul. Dabei wird mittels eines Stroms der Leistungshalbleiter, der in Durchlassrichtung betrieben wird, in Bereichen mit voraussichtlich hohen mechanischen Spannungen aufgeheizt und anschließend mit einem Messtrom die Kollektoremitterspannung gemessen. Deren Temperaturabhängigkeit beschreibt den Zeitverlauf des Abklingens der Transistortemperatur und gibt Aufschluss über die thermische Integrität.The font DE 102 37 112 A1 describes a semiconductor power module and method for monitoring a solder path for thermal integrity on a power module. In this case, by means of a current of the power semiconductor, which is operated in the forward direction, heated in areas with presumably high mechanical stresses and then measured with a measuring current, the collector emitter voltage. Their temperature dependence describes the time course of the decay of the transistor temperature and provides information about the thermal integrity.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß weist das Leistungsmodul der eingangs genannten Art eine Steuereinheit auf, wobei die Steuereinheit mit dem Leistungshalbleiter verbunden und ausgebildet ist, ein Steuersignal, insbesondere ein Einschaltsignal, zum Erzeugen eines Stromflusses durch den Leistungshalbleiter zu erzeugen. Das Leistungsmodul weist einen Temperatursensor auf, wobei der Leistungshalbleiter mit dem Temperatursensor verbunden ist.According to the invention, the power module of the aforementioned type has a control unit, wherein the control unit is connected to the power semiconductor and is designed to generate a control signal, in particular a switch-on signal, for generating a current flow through the power semiconductor. The power module has a temperature sensor, wherein the power semiconductor is connected to the temperature sensor.

Die Steuereinheit ist ausgebildet, ein Aufheizzeitintervall und ein Abkühlzeitintervall zu erzeugen und in dem Aufheizzeitintervall ein von dem Temperatursensor erzeugtes Temperatursignal zu erfassen. Die Steuereinheit ist weiter ausgebildet, einen eine Aufheizkurve repräsentierenden Temperaturverlauf zu ermitteln und darauf folgend einen eine Abkühlkurve repräsentierenden Temperaturverlauf zu ermitteln. Die Steuereinheit ist bevorzugt weiter ausgebildet, eine Differenzkurve als eine Differenz aus der Aufheizkurve und der Abkühlkurve zu erzeugen, und in Abhängigkeit der Differenzkurve ein Fehlersignal zu erzeugen und auszugeben.The control unit is configured to generate a heating time interval and a cooling time interval and to detect a temperature signal generated by the temperature sensor in the heating time interval. The control unit is further configured to determine a temperature curve representing a heating curve and subsequently to determine a temperature profile representing a cooling curve. The control unit is preferably further configured to generate a difference curve as a difference between the heating curve and the cooling curve, and to generate and output an error signal as a function of the difference curve.

Die Steuereinheit ist bevorzugt durch einen Mikroprozessor, einen Microcontroller oder ein FPGA (FPGA = Field-Programmable-Gate-Array) gebildet.The control unit is preferably formed by a microprocessor, a microcontroller or an FPGA (FPGA = Field Programmable Gate Array).

Es wurde nämlich herausgefunden, dass zu einem Beginn des Aufheizens, wenn die Temperaturen sämtlicher mit dem Leistungshalbleiter verbundenen Komponenten gleich sind, wenn sich das Leistungsmodul also im thermodynamischen Gleichgewicht befindet, sich ein zeitabhängiger Temperaturverlauf während des Aufheizens ergibt, wobei eine von Null verschiedene Wärmestromdichte, nur durch einen relativ kleinen räumlichen Bereich des Bauteils, insbesondere im Bereich des geheizten Leistungshalbleiters einstellt.Namely, it has been found that at the beginning of the heating, when the temperatures of all the components connected to the power semiconductor are the same, when the power module is in thermodynamic equilibrium, a time-dependent temperature profile during heating results, wherein a non-zero heat flux density, only by a relatively small spatial area of the component, in particular in the range of the heated power semiconductor adjusts.

Das Temperaturfeld, insbesondere eine räumliche Verteilung der Temperatur innerhalb des Leistungsmoduls, ist daher auch nur auf einen kleinen räumlichen Bereich in der Nähe des geheizten Leistungshalbleiters beschränkt, wobei die Temperatur des zu heizenden Leistungshalbleiters nur durch zu dem Leistungshalbleiter nahe angeordnete Elemente des Leistungsmoduls im thermischen Pfad bestimmt ist. Somit repräsentiert die Aufheizkurve den Wärmetransport entlang des thermischen Pfades, auch entlang von Störstellen und Fehlern in dem Leistungshalbeitermodul.The temperature field, in particular a spatial distribution of the temperature within the power module, is therefore limited only to a small spatial area in the vicinity of the heated power semiconductor, wherein the temperature of the power semiconductor to be heated only by close to the power semiconductor elements of the power module in the thermal path is determined. Thus, the heating curve represents the heat transport along the thermal path, also along with impurities and defects in the power semiconductor module.

Nach einem Abschalten des Leistungshalbleiters, wenn also der Leistungshalbleiter nicht mehr geheizt wird, kühlt das Leistungsmodul aus einem thermodynamischen Nicht-Gleichgewichtszustand ab. Beginnend von dem Abschaltzeitpunkt fließt der Wärmestrom das gesamte Leistungsmodul, bis hin zur Wärmesenke, wo die in dem Leistungsmodul, insbesondere dem Leistungshalbleiter, der Wärmeleitpaste und der Wärmesenke gespeicherte Wärme abgeführt wird. Dieser Zustand kann auch als quasi-stationärer Gleichgewichtszustand beschrieben werden. Sämtliche Bestandteile des Leistungsmoduls, welche vorher während des Aufheizzeitintervalls erwärmt wurden, können nun während des Abkühlzeitintervalls gleichmäßig abkühlen. After switching off the power semiconductor, that is, when the power semiconductor is no longer heated, the power module cools from a thermodynamic non-equilibrium state. Starting from the turn-off point, the heat flow flows through the entire power module, as far as the heat sink, where the heat stored in the power module, in particular the power semiconductor, the thermal paste and the heat sink, is dissipated. This condition can also be described as a quasi-stationary equilibrium state. All components of the power module which were previously heated during the heating time interval can now cool evenly during the cooling time interval.

Die Temperatur des geheizten Leistungshalbleiters wird in diesem Zustand durch sämtliche Elemente im thermischen Pfad, insbesondere sämtliche geheizten Bestandteile des Leistungsmoduls, bestimmt. Sowohl von Hot-Spots in dem Leistungshalbleiter als auch in dazu benachbarten Bereichen kann die Wärme gleichmäßig abfließen. Wird nun mittels der zuvor beschriebenen Steuereinheit eine Differenz, insbesondere eine Differenz der Temperaturen der Aufheizkurve und der Abkühlkurve zu jeweils entsprechenden Zeitpunkten gebildet, so beinhaltet diese so gebildete Differenzkurve eine neue Information über den thermischen Pfad, die in einer Einzelmessung, insbesondere in einer Messung des thermischen Widerstandes, nicht erfasst werden kann. Wird dann – bevorzugt mittels der Steuereinheit – die so ermittelte Differenzkurve mit einer Standarddifferenzkurve, welche einem korrekten Leistungsmodul entspricht verglichen, so kann im Falle eines fehlerhaften Leistungsmoduls eine Differenz zwischen der Differenzkurve, welche an dem fehlerhaften Modul erfasst wurde und der Differenzkurve, welche an einem nicht fehlerhaften Modul erfasst wurde, ermittelt werden.The temperature of the heated power semiconductor is determined in this state by all elements in the thermal path, in particular all heated components of the power module. Both hot spots in the power semiconductor and in adjacent areas, the heat can flow off evenly. If a difference, in particular a difference between the temperatures of the heating curve and the cooling curve, is formed at respectively corresponding points in time by means of the control unit described above, then this difference curve thus formed contains new information about the thermal path which can be obtained in a single measurement, in particular in a measurement of thermal resistance, can not be detected. If then-preferably by means of the control unit-the difference curve thus determined is compared with a standard difference curve which corresponds to a correct power module, then, in the case of a faulty power module, a difference between the difference curve detected at the faulty module and the difference curve at one not faulty module was detected.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Aufheizzeitintervall gleich dem Abkühlzeitintervall. So brauchen die Intervalle, welche beispielsweise jeweils durch einen Datensatz umfassend eine zeitliche Folge von Temperaturerfassungswerten repräsentieren, schrittweise vom Anfang bis zum Ende des Datensatzes zur Differenzbildung herangezogen werden.In a preferred embodiment, the heating time interval is equal to the cooling time interval. Thus, the intervals, which represent, for example, in each case by a data record comprising a temporal sequence of temperature detection values, are used stepwise from the beginning to the end of the data set for subtraction.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Leistungsmodul einen Diskriminator und einen Speicher für wenigstens einen den Referenzwert einer Referenzdifferenzkurve repräsentierenden Referenzdatensatz auf. Der Diskriminator ist bevorzugt ausgebildet, den Referenzdatensatz mit der Differenzkurve zu vergleichen und in Abhängigkeit eines Vergleichsergebnisses ein Fehlersignal zu erzeugen und auszugeben. So kann vorteilhaft nur ein bestimmter Temperaturwert zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der Aufheizkurve beziehungsweise der Abkühlkurve zur Fehlerermittlung herangezogen werden. Es wurde nämlich erkannt, dass die von dem Leistungshalbleiter erzeugte Verlustwärme nach dem Einschalten zu Beginn des Aufheizzeitintervalls von Leistungshalbleiter, weiter über eine fehlerhafte Wärmeanbindung, zur Wärmesenke fließt. Zum Zeitpunkt, an dem die Wärme die fehlerhafte Wärmeanbindung überbrücken muss, steigt die Temperatur des Leistungshalbleiters – eine weitere Wärmeerzeugung der Verlustwärme vorausgesetzt – weiter an, wenn die Wärme, geleitet innerhalb des Leistungsmoduls, an dem fehlerbehafteten Ort des Wärmeübergangs angekommen ist. Daher kann es in bestimmten Fällen ausreichend sein, zur Ermittlung von häufig auftretenden Fehlern an demselben Wärmeübergangsort in dem Leistungsmodul nur einen bestimmten Temperaturwert zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Aufheizzeitintervalls zur Fehlerermittlung heranzuziehen.In a preferred embodiment, the power module has a discriminator and a memory for at least one reference data record representing the reference value of a reference difference curve. The discriminator is preferably designed to compare the reference data record with the difference curve and to generate and output an error signal as a function of a comparison result. Thus, it is advantageous to use only a specific temperature value at a specific point in time within the heating curve or the cooling curve for error detection. It was in fact recognized that the loss heat generated by the power semiconductor flows after switching on the beginning of the heating time interval of power semiconductors, further on a faulty heat connection to the heat sink. At the time when the heat has to bridge the faulty heat connection, the temperature of the power semiconductor - assuming further heat generation of the heat loss - continues to rise when the heat, conducted within the power module, has arrived at the faulty location of the heat transfer. Therefore, in certain cases, it may be sufficient to use only a specific temperature value at a specific time within the heating time interval for error detection to determine frequent errors at the same heat transfer location in the power module.

In einer bevorzugten Ausführungsform repräsentiert der Referenzdatensatz eine Referenzkurve. So kann vorteilhaft das Leistungsmodul entlang des vollständigen Wärmeleitungspfades vom Leistungshalbleiter bis hin zur Wärmesenke auf Fehlerstellen überprüft werden.In a preferred embodiment, the reference data set represents a reference curve. Thus, advantageously, the power module along the entire heat conduction path from the power semiconductor to the heat sink can be checked for flaws.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuereinheit einen Integrator auf, welcher ausgebildet ist, einen von der Fehlerkurve umschlossenen Flächeninhalt zu ermitteln und in Abhängigkeit des Flächeninhalts das Fehlersignal zu erzeugen und auszugeben. Weiter bevorzugt weist das Leistungsmodul, insbesondere die Steuereinheit, einen Speicher für wenigstens einen Referenzflächenwert repräsentierenden Referenzflächendatensatz auf, wobei der Diskriminator ausgebildet ist, den Referenzflächendatensatz mit dem Wert des Flächeninhalts der Differenzkurve, insbesondere einen Fehler repräsentierenden Differenzkurve, zu vergleichen und in Abhängigkeit eines Vergleichsergebnisses ein Fehlersignal zu erzeugen und auszugeben. Dadurch kann vorteilhaft auf einfache Weise ein mittlerer Fehler ermittelt werden und weiter vorteilhaft im Falle einer entsprechenden Abweichung oder bei Überschreitung einer vorbestimmten Abweichung der Flächeninhalte voneinander in einem weiteren Schritt eine detaillierte Fehlerlokalisation erfolgen.In a preferred embodiment, the control unit has an integrator which is designed to determine an area enclosed by the error curve and to generate and output the error signal as a function of the area. More preferably, the power module, in particular the control unit, a memory for at least one reference surface value representing reference surface data set, wherein the discriminator is adapted to compare the reference surface data set with the value of the surface area of the difference curve, in particular a fault-representing difference curve, and in dependence on a comparison result Generate and output error signal. As a result, a mean error can advantageously be determined in a simple manner and further advantageously in the case of a corresponding deviation or if a predetermined deviation of the surface contents from each other is exceeded, a detailed error localization takes place in a further step.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind in dem Speicherwenigstens zwei zueinander verschiedene Bestromungsmuster vorrätig gehalten und die Steuereinheit ist ausgebildet, den Leistungshalbleiter während des Aufheizzeitintervalls mit einem ausgewählten, in dem Speicher vorrätig gehaltenen Bestromungsmuster anzusteuern. So kann die Steuereinheit vorteilhaft Bestromungsmuster, welche zum Betrieb des Leistungshalbleiters von der Steuereinheit an den Leistungshalbleiter zu dessen Ansteuerung gesendet werden, zum Testen des Leistungshalbleiters heranziehen.In a preferred embodiment, at least two mutually different energization patterns are kept in stock in the memory and the control unit is designed to control the power semiconductor during the heat-up time interval with a selected energization pattern held in the memory. Thus, the control unit can advantageously Bestromungsmuster, which for the operation of the power semiconductor from the control unit to the power semiconductor to its control are used to test the power semiconductor.

In einer anderen Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, vor einem Betrieb des Leistungshalbleiters, im Falle eines Elektrofahrzeugs beispielsweise vor einem Start eines Inverters, welcher einen Elektromotor zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes bestromen kann, die Leistungshalbleiter des Inverters zu testen, um so eine fehlerhafte Wärmeanbindung des Leistungshalbleiters an die Wärmesenke zu erfassen.In another embodiment, before operation of the power semiconductor, in the case of an electric vehicle, for example, prior to start of an inverter capable of energizing an electric motor for generating a rotating magnetic field, the control unit is adapted to test the power semiconductors of the inverter so as to cause faulty thermal connection of the inverter Semiconductor power to capture the heat sink.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, die Differenzkurve während eines Normalbetriebs des Leistungsmoduls zu erfassen. So kann vorteilhaft – insbesondere mittels der in dem Speicher vorrätig gehaltenen Ansteuermuster zum Betrieb des Elektromotors – während eines Fahrbetriebs des Elektrofahrzeugs die Wärmeankopplung des Inverters an die Wärmesenke getestet werden, indem während des Betriebs die Aufheizkurve und die Abkühlkurve erfasst werden.In a preferred embodiment, the control unit is designed to detect the difference curve during normal operation of the power module. Thus, during a driving operation of the electric vehicle, the heat coupling of the inverter to the heat sink can advantageously be tested-in particular by means of the drive pattern held in the memory in order to operate the electric motor-by detecting the heating curve and the cooling curve during operation.

Bevorzugt sind in dem Speicher wenigstens ein oder mehrere Referenzansteuermuster vorrätig gehalten, welche jeweils einen Normalbetrieb des Leistungsmoduls repräsentieren.Preferably, at least one or more reference drive patterns are held in the memory, each representing a normal operation of the power module.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuereinheit einen Lock-In-Analysator auf, wobei der Lock-In-Analysator ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Referenzdifferenzkurve und der Differenzkurve, gemäß einer Kreuzkorrelationsfunktion ein Ausgangssignal zu erzeugen und das Fehlersignal in Abhängigkeit des Ausgangssignals zu erzeugen. Auf diese Weise kann vorteilhaft – insbesondere beim Betrieb des Leistungsmoduls – kontinuierlich die Wärmeanbindung des Leistungshalbleiters erfasst werden, insoweit das Ausgangssignal die Wärmeankopplung des Leistungshalbleiters an die Wärmesenke repräsentiert. Die Kreuzkorrelation von zwei zueinander identischen Signalen entspricht beispielsweise einem Wert 1, die Kreuzkorrelation von zwei zueinander völlig verschiedenen, nicht korrelierten Signalen beträgt Null. Weiter bevorzugt kann der Lock-In-Analysator ausgebildet sein, das Ausgangssignal zeitkontinuierlich zu erzeugen und dazu ein zeitkontinuierliches Summensignal, umfassend zeitlich aufeinanderfolgende Differenzsignale, als Eingangssignal zu erzeugen.In a preferred embodiment, the control unit has a lock-in analyzer, wherein the lock-in analyzer is designed to generate an output signal according to the reference difference curve and the difference curve according to a cross-correlation function and to generate the error signal as a function of the output signal. In this way, it is advantageous - especially during operation of the power module - to continuously detect the thermal connection of the power semiconductor, insofar as the output signal represents the heat coupling of the power semiconductor to the heat sink. For example, the cross-correlation of two identical signals corresponds to a value of 1, the cross-correlation of two mutually completely different uncorrelated signals is zero. More preferably, the lock-in analyzer can be designed to generate the output signal continuously over time and to generate a continuous-time sum signal comprising time-sequential differential signals as an input signal.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Temperatursensor durch eine Diode eines Halbleiterschalters des Leistungshalbleiters, insbesondere einer Body-Diode eines Feldeffekttransistors, oder eine Parallel-Diode eines Insulated-Gate-Bipolar-Transistors gebildet. So kann vorteilhaft eine in dem Leistungshalbleiter ohnehin enthaltene Diode als Temperatursensor mitverwendet werden.In a preferred embodiment, the temperature sensor is formed by a diode of a semiconductor switch of the power semiconductor, in particular a body diode of a field effect transistor, or a parallel diode of an insulated gate bipolar transistor. Thus, advantageously, a diode contained in the power semiconductor anyway be used as a temperature sensor.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erfassen einer defekten thermischen Ankopplung eines Leistungshalbleiters an eine Wärmesenke, bei dem ein Leistungshalbleiter während eines Aufheizzeitintervalls bestromt wird und durch eine dadurch erzeugte Verlustleistung erwärmt wird. Weiter wird bis zum Erreichen eines Temperaturwertes, insbesondere Temperaturendwertes, ein Temperaturverlauf des Aufheizens erfasst. Weiter wird nach Erreichen des Temperaturwertes der Leistungshalbleiter abgeschaltet ein Temperaturverlauf des Abkühlens erfasst und ein Differenztemperaturverlauf aus den Temperaturverläufen erzeugt. Weiter wird in Abhängigkeit des Differenztemperaturverlaufes ein Fehlersignal erzeugt.The invention also relates to a method for detecting a defective thermal coupling of a power semiconductor to a heat sink, in which a power semiconductor is energized during a heating time interval and is heated by a power loss generated thereby. Furthermore, a temperature profile of the heating up is detected until a temperature value, in particular temperature end value, is reached. Furthermore, after the temperature value of the power semiconductor has been reached, a temperature profile of the cooling is detected and a difference temperature profile is generated from the temperature profiles. Furthermore, an error signal is generated as a function of the differential temperature profile.

Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben.The invention will now be described below with reference to figures and further embodiments.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Leistungsmodul mit einer Steuereinheit, welche ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines erfassten Temperaturverlaufes eine defekte Wärmeanbindung eines Leistungshalbleiters zu erfassen; 1 shows an exemplary embodiment of a power module with a control unit, which is designed to detect a defective heat connection of a power semiconductor as a function of a detected temperature profile;

2 zeigt Aufheiz- und Abkühlkurven, zu dem in 1 gezeigten Leistungsmodul; 2 shows heating and cooling curves, to which in 1 shown power module;

3 zeigt Differenz-Temperaturkurven, in Abhängigkeit derer das in 1 gezeigte Leistungsmodul einen Fehler in der Wärmeanbindung des Leistungshalbleiters erfassen kann. 3 shows difference-temperature curves, depending on which in 1 shown power module can detect a fault in the heat connection of the power semiconductor.

1 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für ein Leistungsmodul 1. Das Leistungsmodul 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgangsseitig mit einer elektrischen Maschine 2 verbunden. Die elektrische Maschine 2 weist einen Rotor 3, insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor, und einen Stator umfassend drei Statorspulen, nämlich eine Statorspule 4, eine Statorspule 5 und eine Statorspule 6 auf. 1 shows - schematically - an embodiment of a power module 1 , The power module 1 is in this embodiment, the output side with an electric machine 2 connected. The electric machine 2 has a rotor 3 , in particular permanent magnetically formed rotor, and a stator comprising three stator coils, namely a stator coil 4 , a stator coil 5 and a stator coil 6 on.

Das Leistungsmodul 1 weist einen Leistungshalbleiter 7 auf, welcher in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Inverter, gebildet ist. Der Leistungshalbleiter 7 ist mit einer Wärmesenke, gebildet durch einen Kühlkörper 8, wärmeleitfähig verbunden.The power module 1 has a power semiconductor 7 on, which is formed in this embodiment by an inverter. The power semiconductor 7 is with a heat sink, formed by a heat sink 8th , thermally conductive connected.

Der Kühlkörper 8 weist in diesem Ausführungsbeispiel wenigstens einen Fluidkanal wie den Fluidkanal 9 auf, welcher zum Führen eines Kühlfluides ausgebildet ist. Der Kühlkörper 8 ist mittels eines Wärmeleitmittels, in diesem Ausführungsbeispiel einer Wärmeleitpaste 10, mit dem Leistungshalbleiter, insbesondere dem Inverter 7, verbunden.The heat sink 8th has in this embodiment at least one fluid channel as the fluid channel 9 which is designed to guide a cooling fluid. The heat sink 8th is by means of a heat conduction, in this embodiment, a thermal paste 10 , with the power semiconductor, in particular the inverter 7 , connected.

Der Inverter 7 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Temperatursensor 11 auf, welcher ausgebildet ist, eine Temperatur des Inverters 7 zu erfassen und ein die Temperatur repräsentierendes Temperatursignal zu erzeugen und ausgangsseitig auszugeben.The inverter 7 has a temperature sensor in this embodiment 11 on which is formed, a temperature of the inverter 7 to capture and produce a temperature signal representing the temperature and output on the output side.

Der Inverter 7 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Halbleiterschalter-Halbbrücken auf, wobei die Halbleiterschalter-Halbbrücken in diesem Ausführungsbeispiel jeweils zwei Feldeffekttransistoren aufweisen.The inverter 7 has in this embodiment, a plurality of semiconductor switch half-bridges, wherein the semiconductor switch half-bridges in this embodiment each have two field effect transistors.

Die Transistoren der Halbbrücken weisen jeweils eine Parallel-Diode auf, von denen eine Parallel-Diode 12 beispielhaft bezeichnet ist. Die Parallel-Diode 12 bildet in diesem Ausführungsbeispiel einen Temperatursensor, welcher ausgebildet ist, eine Temperatur des Inverters 7 zu erfassen und ein die Temperatur repräsentierendes Temperatursignal zu erzeugen.The transistors of the half bridges each have a parallel diode, of which a parallel diode 12 is designated by way of example. The parallel diode 12 forms in this embodiment, a temperature sensor, which is formed, a temperature of the inverter 7 and to generate a temperature signal representing the temperature.

Das Leistungsmodul 1 weist auch eine Steuereinheit 13 auf. Die Steuereinheit 13 ist eingangsseitig über eine Verbindungsleitung 23 mit dem Temperatursensor 11 und über eine Verbindungsleitung 22 mit der Paralleldiode 12 als Temperatursensor verbunden.The power module 1 also has a control unit 13 on. The control unit 13 is on the input side via a connecting line 23 with the temperature sensor 11 and via a connection line 22 with the parallel diode 12 connected as a temperature sensor.

Das Leistungsmodul 1 kann den Temperatursensor 11 und/oder den Temperatursensor 12 aufweisen.The power module 1 can the temperature sensor 11 and / or the temperature sensor 12 exhibit.

Mittels des Temperatursensors 11 kann vorteilhaft eine Temperatur des Inverters 7 während eines Betriebs, in diesem Ausführungsbeispiel eines Ansteuerns der elektrischen Maschine 2, erfolgen.By means of the temperature sensor 11 may advantageously be a temperature of the inverter 7 during operation, in this embodiment of driving the electric machine 2 , respectively.

Der Temperatursensor 11 ist beispielsweise durch einen NTC-Widerstand (NTC = Negative-Temperature-Coefficient) gebildet. Die Steuereinheit 13 ist eingangsseitig mit einem Zeitgeber 17 verbunden, welcher beispielsweise durch einen Schwingquarz gebildet ist. Die Steuereinheit 13 weist auch einen Analog-Digitalwandler 14 auf, welcher eingangsseitig mit dem Temperatursensor 11 und/oder mit dem Temperatursensor 12 verbunden ist. Der Analog-Digitalwandler 14 ist ausgebildet, in Abhängigkeit eines von dem Zeitgeber 17 erzeugten Zeitsignals ein Aufheizzeitintervall zu erzeugen und in dem Aufheizzeitintervall ein von dem Temperatursensor, insbesondere dem Temperatursensor 11 erzeugtes Temperatursignal, zu empfangen und einen eine Aufheizkurve repräsentierenden Temperaturverlauf zu ermitteln und einen die Aufheizkurve repräsentierenden Datensatz zu erzeugen. Die Steuereinheit 13 ist ausgangsseitig über eine elektrische Verbindung 21 mit dem Inverter 7 verbunden und ist ausgebildet, den Inverter 7 zum Bestromen der elektrischen Maschine 2 – insbesondere mittels eines in einem Speicher 18 vorrätig gehaltenen Bestromungsmusters 52 – anzusteuern und dazu ein das Bestromungsmuster repräsentierendes Steuersignal 49 zu erzeugen. Zum Erzeugen eines Aufheizstromes können dazu die Statorspulen 4, 5 und 6 gleichzeitig mittels des Steuersignals 49 angesteuert werden, sodass in der elektrischen Maschine 2 Verlustleistung erzeugt wird, jedoch kein magnetisches Drehfeld.The temperature sensor 11 is formed, for example, by an NTC resistor (NTC = Negative-Temperature-Coefficient). The control unit 13 is input side with a timer 17 connected, which is formed for example by a quartz crystal. The control unit 13 also has an analog-to-digital converter 14 on which input side with the temperature sensor 11 and / or with the temperature sensor 12 connected is. The analog-to-digital converter 14 is formed depending on one of the timer 17 generated time signal to generate a heating time interval and in the heating time interval one of the temperature sensor, in particular the temperature sensor 11 generated temperature signal to receive and to determine a heating curve representing a temperature profile and to generate a record representing the heating curve. The control unit 13 is the output side via an electrical connection 21 with the inverter 7 connected and is trained, the inverter 7 for energizing the electric machine 2 - In particular by means of a memory 18 In stock held Bestromungsmusters 52 - To control and to a current control signal representing the control signal 49 to create. To generate a heating current can to the stator coils 4 . 5 and 6 simultaneously by means of the control signal 49 be controlled, so in the electric machine 2 Power loss is generated, but no magnetic rotating field.

In einer anderen Ausführungsform kann das Bestromungsmuster 52 einem Normalbetrieb der Maschine 2 entsprechen, wobei das Bestromungsmuster ein Aufheizen des Inverters von einem Gleichgewichtszustand bis hin zu einer Temperatursättigung hin bewirken kann.In another embodiment, the Bestromungsmuster 52 a normal operation of the machine 2 wherein the energization pattern may cause the inverter to heat up from an equilibrium state to a temperature saturation.

Zum Ende des Aufheizzeitintervalls, wenn sich die von dem Temperatursensor 11 erfasste Temperatur nicht mehr in Abhängigkeit der Zeit ändert, kann die Steuereinheit 13 den Inverter 7 abschalten, sodass mit dem Abschaltzeitpunkt – in Abhängigkeit des von dem Zeitgeber 17 erzeugten Zeitsignals – der Temperaturverlauf während des Abkühlens des Inverters 7 erfasst werden kann und während eines Abkühlzeitintervalls die Abkühlkurve ermittelt, und ein die Abkühlkurve repräsentierender Datensatz erzeugt werden kann. Zum Abschalten kann die Steuereinheit beispielsweise kein Steuersignal 49 mehr an den Inverter 7 senden.At the end of the heating time interval, when the temperature of the sensor 11 detected temperature no longer changes as a function of time, the control unit can 13 the inverter 7 turn off, so with the shutdown - depending on the timer 17 generated time signal - the temperature profile during the cooling of the inverter 7 can be detected and during a Abkühlzeitintervalls the cooling curve determined, and a Abkühlkurve representing the record can be generated. For switching off, the control unit, for example, no control signal 49 more to the inverter 7 send.

Die Steuereinheit 13 ist ausgebildet, eine Differenzkurve als eine Differenz aus der Aufheizkurve und der Abkühlkurve – insbesondere unter Anpassung eines Offset und weiter unter Bildung eines Betrages der zuvor vom Digital-Analogwandler 14 erfassten zeitdiskreten Temperaturwerte – zu erzeugen und weiter einen Differenz-Datensatz, welcher die Differenzkurve repräsentiert, aus dem die Aufheizkurve repräsentierenden Datensatz und dem die Abkühlkurve repräsentierenden Datensatz zu erzeugen und in einem Speicher 18 des Leistungsmoduls 1 abzuspeichern.The control unit 13 is formed, a difference curve as a difference between the heating curve and the Abkühlkurve - in particular with adjustment of an offset and further to form an amount previously from the digital-to-analog converter 14 detected discrete-time temperature values - to generate and further a differential data set representing the difference curve, from the data representing the heating curve data set and the cooling curve representing record to generate and in a memory 18 of the power module 1 save.

In dem Speicher 18 sind in diesem Ausführungsbeispiel Referenz-Differenzdatensätze abgespeichert, von denen der Referenz-Differenzdatensatz 19 beispielhaft bezeichnet ist. Die Steuereinheit 13 kann den Differenzdatensatz mit einem aus dem Speicher 18 ausgelesenen Referenz-Differenzdatensatz wie den Referenz-Differenzdatensatz 19 vergleichen und in Abhängigkeit eines Vergleichsergebnisses – insbesondere bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes einer Abweichung – ein Fehlersignal 50 erzeugen und dieses ausgangsseitig an einem Ausgang 24 ausgeben.In the store 18 In this embodiment, reference differential data records are stored, of which the reference differential data record 19 is designated by way of example. The control unit 13 can read the difference record with one from memory 18 read reference differential data set as the reference differential data set 19 compare and, depending on a comparison result - in particular when exceeding a predetermined threshold value of a deviation - an error signal 50 generate and output this at an output 24 output.

Die Steuereinheit 13 weist in diesem Ausführungsbeispiel zum Erzeugen des Vergleichsergebnisses und zum Vergleichen des Referenz-Differenzdatensatzes mit dem Differenzdatensatz einen Lock-In-Analysator 15 auf.The control unit 13 In this embodiment, to generate the comparison result and compare the reference difference data set with the difference data set, a lock-in analyzer is provided 15 on.

Der Lock-In-Analysator 15 ist ausgebildet, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches eine Kreuzkorrelation des Referenzdatensatzes 19 und des Differenzdatensatzes repräsentiert und dieses auszugeben. The lock-in analyzer 15 is configured to generate an output signal which cross-correlates the reference data set 19 and the differential data set and output this.

Der Lock-In-Analysator 15 ist ausgangsseitig mit einem Diskriminator 16 verbunden. Der Diskriminator 16 ist ausgebildet, das Ausgangssignal des Lock-In-Analysators 15 mit einem Schwellwert zu vergleichen, welcher beispielsweise in dem Speicher 18 vorrätig gehalten ist und ein Fehlersignal zu erzeugen und ausgangsseitig am Ausgang 24 zur Verfügung zu stellen.The lock-in analyzer 15 is output with a discriminator 16 connected. The discriminator 16 is formed, the output signal of the lock-in analyzer 15 to compare with a threshold, which for example in the memory 18 is kept in stock and to generate an error signal and the output side at the output 24 to provide.

Zusätzlich oder unabhängig von dem Lock-In-Analysator kann die Steuereinheit ausgebildet sein, einen Flächeninhalt der Differenzkurve zu ermitteln und mit einem durch einen in dem Speicher 18 vorrätig gehaltenen, eine Referenz-Differenzfläche repräsentierenden Referenzflächendatensatz 51 zu vergleichen, und das Fehlersignal 50 in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses zu erzeugen.In addition to or independent of the lock-in analyzer, the control unit may be configured to determine an area of the difference curve and one by one in the memory 18 in stock, a reference differential area representing reference surface data set 51 compare and the error signal 50 depending on the comparison result.

Die Wirkungsweise des in 1 dargestellten Leistungsmoduls wird nun im Folgenden an in den 2 und 3 dargestellten Simulationsergebnissen einer Finite-Elemente-Simulation näher erläutert.The mode of action of in 1 shown power module will now be in the following 2 and 3 illustrated simulation results of a finite element simulation explained in more detail.

2 zeigt ein Diagramm 45, mit einer Zeitachse 46, welche einen Zeitverlauf eines Aufheizzeitintervalls 41 und eines Abkühlzeitintervalls 42 repräsentiert. Der Zeitverlauf ist auf der Zeitachse 24 logarithmisch dargestellt. 2 shows a diagram 45 , with a timeline 46 which shows a time course of a heating time interval 41 and a cooling time interval 42 represents. The time course is on the time axis 24 shown logarithmically.

Das Aufheizzeitintervall 41 und das Abkühlzeitintervall 42 sind in diesem Ausführungsbeispiel gleich lang ausgebildet und sind in 2 übereinander dargestellt, sodass ein Beginn des Aufheizzeitintervalls mit einem Beginn des Abkühlzeitintervalls zusammenfällt.The heating time interval 41 and the cooling time interval 42 are formed in this embodiment the same length and are in 2 one above the other so that a start of the heating time interval coincides with a beginning of the cooling time interval.

Dargestellt ist auch eine Standardaufheizkurve 26, eine Standardabkühlkurve 27, welche jeweils mittels einer Standardsimulation erzeugt worden sind. Die Standardabkühlkurve kann bei einem Leistungsmodul für ein Elektrofahrzeug – beispielsweise während der ersten Tausend Kilometer – ermittelt werden. Tritt dann im Laufe des weiteren Betriebsverlaufes des Leistungsmoduls ein Wärmeübergangsfehler, beispielsweise durch teilweise Ablösung der Wärmesenke von dem Leistungshalbleiter auf, so kann dieser Fehler in Abhängigkeit der ermittelten Differenzkurve und der zuvor erzeugten Standard-Differenzkurve erfasst werden.Shown is also a standard heating curve 26 , a standard cooling curve 27 , which have each been generated by means of a standard simulation. The standard cooling curve can be determined for a power module for an electric vehicle, for example during the first thousand kilometers. Occurs then in the course of the further course of operation of the power module, a heat transfer error, for example, by partial detachment of the heat sink of the power semiconductor, this error can be detected in dependence of the determined difference curve and the previously generated standard difference curve.

Dargestellt ist auch eine Aufheizkurve 28 und eine Abkühlkurve 29, welche jeweils eine Simulation eines Aufheizens beziehungsweise Abkühlens einer gleichmäßigen, insbesondere homogenen Anbindung des Leistungshalbleiters, beispielsweise des in 1 dargestellten Inverters 7, insbesondere eine Wärmekontaktfläche 43 des Inverters 7, an den eine Wärmesenke bildenden Kühlkörper 8 repräsentiert.Shown is also a heating curve 28 and a cooling curve 29 , which in each case a simulation of a heating or cooling of a uniform, in particular homogeneous connection of the power semiconductor, for example of the in 1 illustrated inverter 7 , in particular a heat contact surface 43 of the inverter 7 to the heatsink forming a heat sink 8th represents.

2 zeigt auch eine Aufheizkurve 30 und eine Abkühlkurve 31, welche jeweils eine Simulation einer fehlerhaften Ankopplung des Inverters 7, insbesondere der Wärmekontaktfläche 43 des Inverters 7 an dem Kühlkörper 8 repräsentiert. Die fehlerhafte Ankopplung wird in diesem Ausführungsbeispiel – wie in 1 dargestellt – durch einen Lunker 20, insbesondere eine Luftblase in der Wärmeleitpaste 10, oder eine teilweise Ablösung des Kühlkörpers 8 von dem Inverter 7, bewirkt. 2 also shows a heating curve 30 and a cooling curve 31 , which each have a simulation of a faulty coupling of the inverter 7 , in particular the thermal contact surface 43 of the inverter 7 on the heat sink 8th represents. The faulty coupling is in this embodiment - as in 1 represented - by a blowhole 20 , in particular an air bubble in the thermal paste 10 , or a partial detachment of the heat sink 8th from the inverter 7 , causes.

Die in dem Diagramm in 2 gezeigten Kurven repräsentieren jeweils einen leistungsnormierten zeitlichen Temperaturverlauf, wobei eine Amplitudenachse 47 des in 2 dargestellten Diagramms eine von dem Temperatursensor 11 und/oder dem Temperatursensor 12 in 1 erfasste, leistungsnormierte Temperatur in der Einheit Kelvin pro Watt repräsentiert.The in the diagram in 2 The curves shown each represent a power normalized temporal temperature profile, wherein an amplitude axis 47 of in 2 shown diagram of the temperature sensor 11 and / or the temperature sensor 12 in 1 measured, normalized temperature in units of Kelvin per watt represented.

3 zeigt ein Diagramm 35, welches eine Zeitachse 36 und eine Amplitudenachse 37 aufweist. Die Zeitachse 36 repräsentiert ein Zeitintervall 48, welches die gleiche Länge aufweist wie die in 2 dargestellten Zeitintervalle 41 und 42. 3 shows a diagram 35 which is a timeline 36 and an amplitude axis 37 having. The timeline 36 represents a time interval 48 , which has the same length as in 2 illustrated time intervals 41 and 42 ,

3 zeigt eine Standard-Differenzkurve 38, welche eine Differenz von Temperaturwerten der Standardaufheizkurve 26 und den Temperaturwerten der Standardabkühlkurve 27 repräsentiert. 3 shows a standard difference curve 38 , which is a difference of temperature values of the standard heating curve 26 and the temperature values of the standard cooling curve 27 represents.

Eine Kurve 39 repräsentiert eine Differenz der diskreten Temperaturwerte der entsprechenden Zeitpunkte der in 2 dargestellten Aufheizkurve 28 mit den entsprechenden, zeitdiskreten Temperaturwerten der Abkühlkurve 29.A curve 39 represents a difference of the discrete temperature values of the respective times of in 2 shown heating curve 28 with the corresponding time-discrete temperature values of the cooling curve 29 ,

Eine Kurve 40 repräsentiert eine Differenzkurve zu der in 1 dargestellten fehlerhaften Wärmeanbindung des Inverters 7 an den Kühlkörper 8, bewirkt durch den Lunker 20. Die Differenzkurve 40 weist in einem Zeitintervall 44 jeweils zu entsprechenden Zeitpunkten zu der Standard-Differenzkurve 38 verschiedene Temperaturen auf. Zu einem Zeitpunkt 33, nämlich zehn Millisekunden, beträgt eine Temperaturdifferenz 34 zwischen einem von der Standard-Differenzkurve 38 repräsentierten Differenztemperaturwert und einem von der Differenzkurve 40 repräsentierten Differenztemperaturwert von etwa 0,007 Kelvin pro Watt.A curve 40 represents a difference curve to the in 1 illustrated incorrect heat connection of the inverter 7 to the heat sink 8th , caused by the voids 20 , The difference curve 40 points in a time interval 44 at respective times to the standard difference curve 38 different temperatures. At a time 33 , namely ten milliseconds, is a temperature difference 34 between one of the standard difference curves 38 represented difference temperature value and one of the difference curve 40 represented differential temperature value of about 0.007 Kelvin per watt.

Der in 1 dargestellte Diskriminator 16 kann beispielsweise das Fehlersignal in Abhängigkeit des Differenztemperaturwertes 34 erzeugen.The in 1 illustrated discriminator 16 For example, the error signal depending on the difference temperature value 34 produce.

Die Differenzkurve 39, welche die homogene Anbindung des Inverters 7 an den Kühlkörper 8 – insbesondere ohne den Lunker 20 – repräsentiert, weist insbesondere im Zeitintervall 44 eine erheblich geringere Abweichung von der Standard-Differenzkurve 38 auf. Mittels der so ausgebildeten Steuereinheit 13 in 1 können vorteilhaft fehlerhafte Wärmeanbindungen eines Leistungshalbleiters an eine Wärmesenke, insbesondere den in 1 dargestellten Kühlkörper 8, erfasst werden. Die Differenzkurve 39 repräsentiert in diesem Ausführungsbeispiel eine simulierte Anwendung einer homogen gleichmäßig verteilten Wärmeleitpaste 10 mit einer Wärmeleitfähigkeit von zwei Watt pro Millikelvin. Die Differenzkurve 40 repräsentiert eine simulierte Wärmeanbindung der in 1 gezeigten Leistungsendstufe 7 an den Kühlkörper 8, wobei ein Drittel der Wärmekoppelfläche 43 mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,9 Watt pro Millikelvin angebunden ist und zwei Drittel der Wärmekoppelfläche 43 mit einer Wärmeleitpaste mit einem Wärmeleitwert von 3,2 Watt pro Millikelvin an den Kühlkörper 8 angekoppelt ist.The difference curve 39 which the homogeneous connection of the inverter 7 to the heat sink 8th - Especially without the voids 20 - represents, points in particular in the time interval 44 a significantly smaller deviation from the standard difference curve 38 on. By means of the thus formed control unit 13 in 1 can advantageous heat bonds of a power semiconductor to a heat sink, in particular the in 1 shown heatsink 8th , are recorded. The difference curve 39 represents in this embodiment a simulated application of a homogeneously uniformly distributed thermal compound 10 with a thermal conductivity of two watts per millikelvin. The difference curve 40 represents a simulated heat connection of in 1 shown power output stage 7 to the heat sink 8th , wherein one third of the heat coupling surface 43 connected with a thermal conductivity of 0.9 watts per millivolt and two thirds of the heat coupling surface 43 with a thermal paste with a thermal conductivity of 3.2 watts per millikelvin to the heat sink 8th is coupled.

Der mittlere Wärmeübergangswiderstand, welcher der Differenzkurve 39 zugrunde liegt, entspricht dabei dem mittleren Wärmeübergangswiderstand, welcher der Kurve 40 zugrunde liegt. Dabei wurde in einer Simulation berücksichtigt, dass Randbereiche der Wärmekoppelfläche 43 schwächer erwärmt werden als Bereiche die durch Hot-Spots gebildet sind, so dass der mittlere Wärmeübergangswiderstand geringer ist als ein rechnerisches Mittel gebildet aus den vorab angegebenen Wärmeleitwerten, mit denen die Wärmekoppelfläche 43 an den Kühlkörper 8 angebunden ist.The mean heat transfer resistance, which is the difference curve 39 underlying, corresponds to the average heat transfer resistance, which of the curve 40 underlying. It was taken into account in a simulation that edge regions of the heat coupling surface 43 are heated weaker than areas which are formed by hot spots, so that the average heat transfer resistance is less than a calculated means formed from the previously specified thermal conductivities, with which the heat coupling surface 43 to the heat sink 8th is connected.

Der in 1 dargestellte Anbindungsfehler des Inverters 7 an die Wärmesenke, bewirkt durch den Lunker 20, kann somit mit einer bloßen Erfassung eines Wärmeübergangswiderstandes nicht erfasst werden. Der Lunker 20 kann jedoch mittels der in 1 dargestellten Steuereinheit 13, wie in 3 weiter sichtbar erläutert, erfasst werden.The in 1 illustrated connection error of the inverter 7 to the heat sink, caused by the voids 20 , Thus, can not be detected with a mere detection of a heat transfer resistance. The blowhole 20 However, by means of in 1 shown control unit 13 , as in 3 further explained, be recorded.

Claims

Power module ( 1 ) comprising at least one power semiconductor ( 7 ) and a heat sink ( 8th ), wherein the power semiconductor ( 7 ) with the heat sink ( 8th ) is thermally conductive, characterized in that the power module ( 1 ) a control unit ( 13 ), which with the power semiconductor ( 7 ) is connected and formed, a control signal ( 49 ), in particular switch-on signal for generating a current flow through the power semiconductor ( 7 ), wherein the power semiconductor ( 7 ) with a temperature sensor ( 11 . 12 ), and the control unit ( 13 ) is formed in a heating time interval ( 41 ) one of the temperature sensor ( 11 . 12 ) and a heat-up curve ( 26 . 28 . 30 ) and in a subsequent cooling time interval ( 42 ) a cooling curve ( 27 . 29 . 31 ) and a difference curve ( 38 . 39 . 40 ) as a difference from the heating curve ( 26 . 28 . 30 ) and the cooling curve ( 27 . 29 . 30 ), the control unit ( 13 ) is formed, depending on the difference curve ( 38 . 39 . 40 ) an error signal ( 50 ) to generate and output.

Power module ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the power module ( 1 ) a discriminator ( 16 ) and a memory ( 18 ) at least a reference value of a reference difference curve ( 38 ) reference difference data set ( 19 ) and the discriminator ( 16 ), the reference data set ( 19 ) with the difference curve ( 38 . 39 . 40 ) and, depending on a comparison result, an error signal ( 50 ) to generate and output.

Power module ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the reference difference data set ( 19 ) a reference difference curve ( 38 ).

Power module ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit ( 13 ) has an integrator, which is formed, one of the difference curve ( 38 . 39 . 40 ) to determine the area enclosed and, depending on the surface area, the error signal ( 50 ) to generate and output.

Power module ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the control unit ( 13 ) a discriminator ( 16 ) and a memory ( 18 ) for at least a reference area value representing reference area data set ( 51 ) and the discriminator ( 16 ), the reference area data set ( 51 ) with the value of the area of the difference curve ( 39 . 40 ) and, depending on a comparison result, the error signal ( 50 ) to generate and output.

Power module ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in the memory ( 18 ) at least two different energization patterns ( 52 ) and the control unit ( 13 ), the power semiconductor ( 7 ) during the heating interval ( 41 ) with a selected energization pattern.

Power module ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit ( 13 ) is formed, the Difference curve ( 38 . 39 . 40 ) during normal operation of the power module ( 1 ) capture.

Power module ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit ( 13 ) a lock-in analyzer ( 15 ), which is formed from the reference difference curve ( 38 ) and the difference curve ( 39 . 40 ) generate an output signal according to a cross-correlation function and the error signal ( 50 ) in response to the output signal.

Power module ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature sensor ( 12 ) by a diode of a semiconductor switch of the power semiconductor ( 7 ), in particular a body diode of a field effect transistor, or a parallel diode of an insulated gate bipolar transistor is formed.

Method for detecting a defective thermal coupling of a power module, in which a power semiconductor ( 7 ) during a heating time interval ( 41 ) is energized and is heated by a generated power loss and until reaching a temperature end value, a temperature profile of the heating ( 26 . 28 . 30 ) is detected and turned off after reaching the temperature end of the power semiconductors and a temperature profile of the cooling ( 27 . 29 . 31 ) and a difference temperature profile ( 38 . 39 . 40 ) is generated from the temperature curves and in dependence of the difference temperature curve ( 38 . 39 . 40 ) an error signal ( 50 ) is produced.