DE102014204648A1

DE102014204648A1 - Determination of an IGBT temperature

Info

Publication number: DE102014204648A1
Application number: DE102014204648.3A
Authority: DE
Inventors: Marco Denk; Mark-Matthias Bakran
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-09-17

Abstract

Ein System umfasst einen Treiber zur Bereitstellung einer ersten Steuerspannung am Gate eines IGBT und einen Steuerspannungsgenerator zur Bereitstellung einer zweiten Steuerspannung am Gate des IGBT, wobei der Treiber und der Steuerspannungsgenerator dazu eingerichtet sind, alternierend betrieben zu werden, sodass stets nur eine der Steuerspannungen am Gate anliegt. Dabei umfasst die zweite Steuerspannung einen Gleichspannungsanteil und einen überlagerten Wechselspannungsanteil derart, dass der IGBT im Sperrbetrieb gehalten ist. Ferner sind ein Stromsensor zur Bestimmung eines durch das Gate fließenden Stroms, während die zweite Steuerspannung am Gate anliegt, und eine Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Temperatur des IGBT auf der Basis des bestimmten Stroms vorgesehen.A system includes a driver for providing a first control voltage to the gate of an IGBT and a control voltage generator for providing a second control voltage to the gate of the IGBT, wherein the driver and the control voltage generator are configured to operate in alternation so that only one of the control voltages is applied to the gate is applied. In this case, the second control voltage comprises a DC voltage component and a superimposed AC voltage component such that the IGBT is kept in the blocking mode. Further, a current sensor for detecting a current flowing through the gate while the second control voltage is applied to the gate, and a processing means for determining the temperature of the IGBT are provided on the basis of the determined current.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft die Bestimmung einer Temperatur eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Insbesondere betrifft die Erfindung die Bestimmung der Temperatur der Sperrschicht des IGBT. The present invention relates to the determination of a temperature of an insulated gate bipolar transistor (IGBT). In particular, the invention relates to the determination of the temperature of the barrier layer of the IGBT.

Ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (engl.: Insulated Gate Bipolar Transistor; im Folgenden IGBT genannt) ist ein Halbleiterbauelement, das überwiegend in der Leistungselektronik verwendet wird. Zur verbesserten Ansteuerung und zum Schutz des IGBT gegen Übertemperatur ist es vorteilhaft, die Temperatur des IGBT, insbesondere an dessen Sperrschicht, zu bestimmen. An Insulated Gate Bipolar Transistor (hereinafter referred to as IGBT) is a semiconductor device used predominantly in power electronics. For improved control and protection of the IGBT against overtemperature, it is advantageous to determine the temperature of the IGBT, in particular at its barrier layer.

EP 2 541 220 A1 schlägt vor, zur Bestimmung des temperaturabhängigen Gatewiderstands eine hochfrequente Steuerspannung von einigen 100 kHz an ein Gate des IGBT anzulegen und eine Phasenverschiebung des durch das Gate fließenden Stroms zur Steuerspannung zu bestimmten. Die Phasenverschiebung ergibt sich aus einer Temperaturabhängigkeit eines Eingangswiderstands oder einer Eingangskapazität des IGBT. Nach dieser Methode muss die hochfrequente Steuerspannung jedoch sehr genau erzeugt werden und die Phasenverschiebung und ggf. auch Amplituden von Strom oder Spannung müssen genau bestimmt werden. Diese Vorgehendweise ist aufwendig und im laufenden Betrieb des IGBT häufig nicht durchführbar. EP 2 541 220 A1 Proposes to apply a high-frequency control voltage of some 100 kHz to a gate of the IGBT for determining the temperature-dependent gate resistance and to determine a phase shift of the current flowing through the gate to the control voltage. The phase shift results from a temperature dependence of an input resistance or an input capacitance of the IGBT. However, according to this method, the high-frequency control voltage must be generated very accurately and the phase shift and possibly also amplitudes of current or voltage must be precisely determined. This procedure is expensive and often not feasible during operation of the IGBT.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur Bestimmung der Temperatur eines IGBT bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung, eines Systems und eines Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder. The invention has for its object to provide an improved technique for determining the temperature of an IGBT. The invention achieves this object by means of a device, a system and a method having the features of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein System einen Treiber zur Bereitstellung einer ersten Steuerspannung am Gate eines IGBT und einen Steuerspannungsgenerator zur Bereitstellung einer zweiten Steuerspannung am Gate des IGBT, wobei der Treiber und der Steuerspannungsgenerator dazu eingerichtet sind, alternierend betrieben zu werden, sodass stets nur eine der Steuerspannungen am Gate anliegt. Die zweite Steuerspannung umfasst einen Gleichspannungsanteil und einen überlagerten Wechselspannungsanteil derart, dass der IGBT im Sperrbetrieb gehalten ist. Ferner sind ein Stromsensor zur Bestimmung eines durch das Gate fließenden Stroms, während die zweite Steuerspannung am Gate anliegt, und eine Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Temperatur des IGBT auf der Basis des bestimmten Stroms vorgesehen. According to a first aspect of the invention, a system comprises a driver for providing a first control voltage at the gate of an IGBT and a control voltage generator for providing a second control voltage at the gate of the IGBT, wherein the driver and the control voltage generator are adapted to be operated alternately, so that always only one of the control voltages is applied to the gate. The second control voltage comprises a DC voltage component and a superposed AC voltage component such that the IGBT is kept in the blocking mode. Further, a current sensor for detecting a current flowing through the gate while the second control voltage is applied to the gate, and a processing means for determining the temperature of the IGBT are provided on the basis of the determined current.

Durch die Messung auf der Basis der hochfrequenten Wechselspannung kann die Temperatur des IGBT bestimmt werden, ohne in den Halbleiteraufbau des IGBT oder den Aufbau eines Moduls, in dem der IGBT verbaut ist, einzugreifen. Das System kann in einer Vorrichtung verwendet werden, die den IGBT zur Leistungssteuerung verwendet, beispielsweise in einer Motorsteuerung oder einem Inverter. Die Bestimmung des Gatewiderstands erfolgt in einem Zustand bzw. Betriebspunkt des IGBT, in dem er sperrt, der IGBT also von einem durch ihn zu steuernden Leistungsstrom eines Lastkreises nicht durchflossen wird. Größen des Lastkreises wie der Laststrom, eine Zwischenkreisspannung oder eine Streuinduktivität können so auf den bestimmten Gate-Strom ohne Einfluss sein. Dadurch kann sich eine Kompensation von Einflüssen dieser Größen nach dem Messvorgang erübrigen und die Temperatur kann einfach auf der Basis des Gate-Stroms bestimmt werden. Die Bestimmung der Temperatur des IGBT kann rasch erfolgen, so dass sie leicht in einen üblichen Schaltbetrieb des IGBT mittels des Treibers integriert werden kann. By measuring on the basis of the high-frequency AC voltage, the temperature of the IGBT can be determined without interfering with the semiconductor structure of the IGBT or the structure of a module in which the IGBT is installed. The system can be used in a device that uses the IGBT for power control, for example, in a motor controller or an inverter. The determination of the gate resistance takes place in a state or operating point of the IGBT in which it blocks, ie, the IGBT is not traversed by a current to be controlled by him power circuit of a load circuit. Sizes of the load circuit such as the load current, an intermediate circuit voltage or a leakage inductance can thus be without influence on the specific gate current. As a result, a compensation of influences of these variables after the measurement process is unnecessary and the temperature can be determined easily on the basis of the gate current. The determination of the temperature of the IGBT can be made quickly, so that it can be easily integrated into a usual switching operation of the IGBT by means of the driver.

Der Steuerspannungsgenerator kann dazu eingerichtet sein, hochohmig mit dem Gate des IGBT verbunden zu sein, wenn die erste Steuerspannung am Gate anliegt, wobei der Treiber dazu eingerichtet ist, hochohmig mit dem Gate des IGBT verbunden zu sein, wenn die zweite Steuerspannung am Gate anliegt. Ein Durchlassbetrieb des IGBT mittels des Treibers und die Temperaturbestimmungsbetrieb mittels des Steuerspannungsgenerators können so alternierend ablaufen; die beiden Betriebsarten können sich nicht überlappen, sodass gegenseitige Störungen nicht zu befürchten sind. The control voltage generator may be configured to be high-resistance connected to the gate of the IGBT when the first control voltage is applied to the gate, wherein the driver is arranged to be connected in high impedance to the gate of the IGBT when the second control voltage is applied to the gate. A forward operation of the IGBT by means of the driver and the temperature determination operation by means of the control voltage generator can thus be performed alternately; the two operating modes can not overlap so that mutual interference is not to be feared.

In einer Ausführungsform umfasst der Treiber einen High-Side-Switch, um die erste Steuerspannung anzuheben, und einen Low-Side-Switch, um die erste Steuerspannung abzusenken, wobei der Treiber dazu eingerichtet ist, sowohl den High-Side-Switch als auch den Low-Side-Switch zu öffnen, während die zweite Steuerspannung am Gate des IGBT anliegt. Dadurch wird der mit dem Gate des IGBT verbundene Ausgang des Treibers hochohmig. Die angegebene Konstellation von High-Side- und Low-Side-Switch ist häufig in einem bekannten Treiber für einen IGBT anzutreffen, weshalb das beschriebene System dort mit nur geringen Änderungen realisiert werden kann. In one embodiment, the driver includes a high side switch to boost the first control voltage and a low side switch to lower the first control voltage, wherein the driver is configured to both the high side switch and the high side switch Low-side switch to open, while the second control voltage is applied to the gate of the IGBT. As a result, the output of the driver connected to the gate of the IGBT becomes high-impedance. The specified constellation of high-side and low-side switch is often found in a known driver for an IGBT, which is why the described system can be realized there with only minor changes.

Zwischen dem Steuerspannungsgenerator und dem Gate des IGBT kann eine Induktivität liegen, um zusammen mit dem IGBT einen Resonanzkreis zu bilden, dessen Resonanzfrequenz kleiner als die des IGBT ist. Die Frequenz der Wechselspannung kann so geringer sein, wodurch sie leichter bereitzustellen und zu verarbeiten sein kann. An inductance may be present between the control voltage generator and the gate of the IGBT to form, together with the IGBT, a resonant circuit whose resonant frequency is smaller than that of the IGBT. The frequency of the AC voltage can thus be lower, which makes it easier to provide and process.

In einer ersten Alternative ist die Frequenz der Wechselspannung kann so groß, dass ein Eingangswiderstand des IGBT deutlich größer als ein Blindwiderstand des IGBT ist. Insbesondere kann der Eingangswiderstand mehr als den zehnfachen oder hundertfachen Wert des kapazitiven Blindwiderstands betragen. Die Frequenz der Wechselspannung liegt bevorzugterweise jenseits einer maximalen Schaltfrequenz des IGBT. Üblicherweise wird ein IGBT bei Schaltfrequenzen von maximal ca. 2 kHz bis 50 kHz verwendet. In einigen Fällen kann die Schaltfrequenz bis auf ca. 200 kHz gesteigert sein. Die Frequenz der Wechselspannung beträgt bevorzugterweise wenigstens das zehnfache der maximalen Schaltfrequenz. Insbesondere kann die Wechselspannung im Megahertzbereich liegen. Beispielsweise kann die Wechselspannung eine Frequenz von ca. 1 bis 5 MHz, bevorzugt 2 bis 4 MHz, weiter bevorzugt ca. 3 MHz betragen. In a first alternative, the frequency of the alternating voltage can be so great that an input resistance of the IGBT is significantly greater than a reactance of the IGBT. In particular, the input resistance may be more than ten times or one hundred times the value of the capacitive reactance. The frequency of the alternating voltage is preferably beyond a maximum switching frequency of the IGBT. Usually, an IGBT is used at switching frequencies of a maximum of about 2 kHz to 50 kHz. In some cases, the switching frequency can be increased up to about 200 kHz. The frequency of the AC voltage is preferably at least ten times the maximum switching frequency. In particular, the AC voltage can be in the megahertz range. For example, the AC voltage may be a frequency of about 1 to 5 MHz, preferably 2 to 4 MHz, more preferably about 3 MHz.

In einer anderen Alternative ist die Frequenz der Wechselspannung so gewählt, dass ein Blindwiderstand des IGBT auf einen Eingangswiderstand des IGBT kompensiert ist. In another alternative, the frequency of the AC voltage is chosen so that a reactance of the IGBT is compensated for an input resistance of the IGBT.

In beiden Alternativen kann der IGBT kann mittels der zweiten Steuerspannung in Resonanz betrieben werden, wobei die Amplitude der Steuerspannung und der Gate-Strom im Wesentlichen phasengleich verlaufen, sodass ein Phasenunterschied nicht berücksichtigt werden muss. Die Temperatur des IGBT bzw. von dessen Sperrschicht kann dabei linear von der Amplitude des Gate-Stroms abhängig sein, sodass eine einfache und genaue Bestimmung der Temperatur möglich ist. Der Blindwiderstand des IGBT kann durch seinen Eingangswiderstand, seine Eingangskapazität und seine Eingangsinduktivität bestimmt sein. In both alternatives, the IGBT may be resonated by means of the second control voltage, wherein the amplitude of the control voltage and the gate current are substantially in phase so that a phase difference need not be taken into account. The temperature of the IGBT or its barrier layer can be linearly dependent on the amplitude of the gate current, so that a simple and accurate determination of the temperature is possible. The reactance of the IGBT may be determined by its input resistance, its input capacitance and its input inductance.

Der Stromsensor kann einen Längswiderstand, insbesondere einen Shunt oder einen Messwiderstand, und eine Abtasteinrichtung zur Bestimmung einer über dem Längswiderstand abfallenden Spannung umfassen, sodass die abfallende Spannung ein Maß für die Temperatur des IGBT darstellt. So kann auf einfache Weise eine Messspannung erzeugt werden, die von der Temperatur des IGBT abhängt und mit üblichen Methoden der Signalverarbeitung leicht weiterverarbeitet werden kann. The current sensor may comprise a series resistor, in particular a shunt or a measuring resistor, and a sampling device for determining a voltage drop across the series resistor so that the falling voltage represents a measure of the temperature of the IGBT. Thus, a measurement voltage can be generated in a simple manner, which depends on the temperature of the IGBT and can be easily further processed using conventional methods of signal processing.

In einer Ausführungsform ist ein Gleichrichter zur Gleichrichtung der abfallenden Messspannung vorgesehen. Aus der hochfrequenten Wechselspannung, die am Längswiderstand abfällt, kann so ein leichter verarbeitbares Gleichspannungssignal gewonnen werden. In one embodiment, a rectifier is provided for rectifying the falling measurement voltage. From the high-frequency alternating voltage, which drops at the series resistance, so a more easily processed DC signal can be obtained.

In einer Ausführungsform ist ein Tiefpass zur Mittelung des durch das Gate fließenden Stroms über eine Vielzahl Schwingungen der Wechselspannung vorgesehen. Der Tiefpass kann einen Kondensator und insbesondere ein RC-Glied nach Art eines Butterworth-Filters umfassen. Durch die Mittelung können kleine Ungenauigkeiten und Fluktuationen des Gate-Stroms über die Zeit gemittelt werden, sodass sie das Ergebnis nicht weiter verfälschen. Da die Wechselspannung vorteilhafterweise eine große Frequenz aufweist ist, kann die Bestimmung des Gate-Stroms trotzdem schnell durchgeführt werden. In one embodiment, a low pass is provided for averaging the current flowing through the gate through a plurality of oscillations of the AC voltage. The low-pass filter may comprise a capacitor and in particular a Butterworth filter type RC element. Averaging can average small inaccuracies and fluctuations in the gate current over time so that they do not further distort the result. Nevertheless, since the AC voltage advantageously has a high frequency, the determination of the gate current can be performed quickly.

Weiter kann ein Subtrahierer zur Subtraktion einer vorbestimmten Offset-Spannung von der abfallenden Spannung vorgesehen sein. Dadurch kann das Spannungssignal, das von der Temperatur des IGBT abhängig ist, auf einen Eingangsbereich einer weiterverarbeitenden Komponente angepasst werden. Diese Komponente kann insbesondere einen Analog-Digital-Wandler (ADC) umfassen und die Verarbeitung kann digital, etwa mittels eines programmierbaren Mikrocomputers, erfolgen. Further, a subtracter may be provided for subtracting a predetermined offset voltage from the falling voltage. As a result, the voltage signal, which depends on the temperature of the IGBT, can be adapted to an input range of a further processing component. In particular, this component may comprise an analog-to-digital converter (ADC) and the processing may be digital, such as by means of a programmable microcomputer.

In einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, die Offset-Spannung vorzugeben. Dadurch kann die Anpassung der Messspannung an dem Verarbeitungsbereich der weiterverarbeitenden Komponente dynamisch durchgeführt werden. Insbesondere kann so eine individuelle Anpassung an den individuellen IGBT durchgeführt werden. Eine Vorgehensweise, bei der ein Zusammenhang zwischen der Temperatur des IGBT und dem Gatewiderstand zunächst spezifisch für den verwendeten IGBT ermittelt wird, kann dadurch unterstützt werden. In one embodiment, the processing device is configured to specify the offset voltage. As a result, the adaptation of the measuring voltage to the processing area of the further processing component can be carried out dynamically. In particular, such an individual adaptation to the individual IGBT can be carried out. A procedure in which a relationship between the temperature of the IGBT and the gate resistance is first determined specifically for the IGBT used, can be supported.

In noch einer weiteren Ausführungsform ist der Treiber dazu eingerichtet, den IGBT in Abhängigkeit der bestimmten Temperatur anzusteuern. Das System kann insbesondere in einen Leistungssteller wie einen Stromrichter, ein Schaltnetzteil oder eine Motorsteuerung eingebettet sein. Das System kann mit geringem Aufwand an einer bekannten solchen Steuerung implementiert werden. Dadurch kann die Ansteuerung des IGBT im normalen Betrieb der Steuerung so erfolgen, dass beispielsweise eine Übertemperatur des IGBT verhindert wird. In einer weiteren Ausführungsform kann die Lebensdauer des IGBT anhand eines Verlaufs seiner Temperatur vorher bestimmt werden. In noch einer weiteren Ausführungsform kann eine Alterung des IGBT, etwa aufgrund von Temperatureinflüssen, bestimmt und gegebenenfalls auch kompensiert werden. In yet another embodiment, the driver is configured to drive the IGBT in response to the particular temperature. In particular, the system can be embedded in a power controller such as a power converter, a switching power supply or a motor controller. The system can be implemented with little effort on a known such controller. As a result, the control of the IGBT during normal operation of the controller can be done so that, for example, an excess temperature of the IGBT is prevented. In a further embodiment, the life of the IGBT may be predetermined based on a history of its temperature. In yet another embodiment, an aging of the IGBT, for example due to temperature influences, can be determined and optionally also compensated.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren Schritte des hochohmigen Verbindens einer ersten Steuerspannung mit dem Gate des IGBT, des niederohmigen Verbindens einer zweiten Steuerspannung mit dem Gate des IGBT, wobei die zweite Steuerspannung einen Gleichspannungsanteil und einen überlagerten Wechselspannungsanteil derart umfasst, dass der IGBT im Sperrbetrieb gehalten ist, des Bestimmens eines durch das Gate fließenden Stroms, während die zweite Steuerspannung niederohmig mit dem Gate verbunden ist, und des Bestimmens der Temperatur des IGBT auf der Basis des bestimmten Stroms. According to a further aspect of the invention, a method comprises steps of high-resistance connection of a first control voltage to the gate of the IGBT, low-resistance connection of a second control voltage to the gate of the IGBT, wherein the second control voltage comprises a DC voltage component and a superposed AC voltage component such that the IGBT in the Locking operation, the determining of a current flowing through the gate while the second control voltage is low-impedance connected to the gate, and determining the temperature of the IGBT based on the determined current.

Das Bestimmen der Temperatur auf der Basis des bestimmten Stroms kann insbesondere parametrisch, als Kennlinie oder in tabellarischer Form für diskrete Werte oder Bereiche vorgegeben sein. The determination of the temperature on the basis of the determined current can in particular be predetermined parametrically, as a characteristic or in tabular form for discrete values or ranges.

Ein Zusammenhang zwischen einem Eingangswiderstand des individuellen IGBT von dessen Temperatur kann in einem vorausgehenden Verfahren bestimmt werden. Ein Aufwand für das individuelle Bestimmen kann gering sein, sodass die Temperaturbestimmung preiswert geeicht werden kann. Außerdem kann die Temperaturbestimmung im Betrieb des IBGT nachjustiert werden, wenn aktualisierte Informationen zum beschriebenen Zusammenhang vorliegen. A relationship between an input resistance of the individual IGBT and its temperature can be determined in a previous method. An effort for the individual determination may be small, so that the temperature determination can be calibrated inexpensively. In addition, the temperature determination during operation of the IBGT can be readjusted if there is updated information on the relationship described.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, in denen: The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:

1 eine Prinzipdarstellung einer Bestimmung der Temperatur eines IGBT; 1 a schematic representation of a determination of the temperature of an IGBT;

2 eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur des IGBT von 1; 2 a device for determining a temperature of the IGBT of 1 ;

3 ein System mit einem IGBT und der Vorrichtung von 2; 3 a system with an IGBT and the device of 2 ;

4 zeitliche Abfolgen am System von 3; 4 temporal sequences on the system of 3 ;

5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der Temperatur des IGBT von 1; 5 a flowchart of a method for determining the temperature of the IGBT of 1 ;

6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Kennlinie des IGBT von 1 und 6 a flowchart of a method for determining a characteristic of the IGBT of 1 and

7 exemplarische zeitliche Verläufe am IGBT von 1 darstellen. 7 Exemplary temporal courses at the IGBT of 1 represent.

Ein IGBT ist ein Halbleiterbauelement, das überwiegend in der Leistungselektronik verwendet wird. Der Spannungsbereich eines IGBT kann zwischen mehreren 100 Volt und mehreren Kilovolt liegen, der Strombereich kann mehrere Kilo-Ampere übersteigen. IGBTs werden unter Anderem in Motorantrieben, Zugkraftsteuerungen, Schaltnetzteilen oder Stromrichtern, insbesondere Invertern, eingesetzt. Häufig sind einer oder mehrere IGBTs in einem Modul gekapselt, das ein elektrisches Anschließen erleichtert. An IGBT is a semiconductor device used predominantly in power electronics. The voltage range of an IGBT can be between several 100 volts and several kilovolts, the current range can exceed several kilo-amperes. IGBTs are used, inter alia, in motor drives, traction control systems, switching power supplies or power converters, in particular inverters. Often, one or more IGBTs are packaged in a module that facilitates electrical connection.

1 zeigt im oberen Bereich eine Schaltung 105 und im unteren Bereich einen Steuerspannungsverlauf 110. Gemäß der Schaltung 105 weist ein IGBT 115 drei nach außen zugängliche Anschlüsse auf, nämlich ein Gate 120, einen Kollektor 125 und einen Emitter 130. Der dargestellte IGBT 115 ist in exemplarischer Weise vom n-Kanal-Typ; die aufgezeigten Zusammenhänge gelten jedoch in entsprechender Weise unter Beachtung der geänderten Polarität auch auf einen IGBT vom p-Kanal-Typ. Von beiden Typen können sowohl normal leitende als auch auf normal sperrende Versionen verwendet werden. 1 shows in the upper part of a circuit 105 and at the bottom of a control voltage waveform 110 , According to the circuit 105 has an IGBT 115 three externally accessible connections, namely a gate 120 , a collector 125 and an emitter 130 , The illustrated IGBT 115 is of the n-channel type in an exemplary way; However, the relationships shown apply in a corresponding manner, taking into account the changed polarity also on an IGBT of the p-channel type. Both types can use both normally-conductive and normally-off versions.

Zwischen dem Gate 120 und dem Emitter 130 liegt eine Anordnung aus einer parasitären Eingangsinduktivität L_P 132, einem ohmschen Eingangswiderstand R_GI 135 und einer parasitären Eingangskapazität C_GE 140, wobei diese drei Elemente durch den Aufbau des IGBT 115 aus Halbleitermaterialien bedingt sind und in 1 nur symbolhaft als diskrete Bauelemente dargestellt sind. Nicht modelliert sind eine Millerkapazität und eine Kollektor-Emitter-Kapazität des IGBT 115, die für das im Folgenden vorgestellte Messprinzip vernachlässigbar sind. Between the gate 120 and the emitter 130 is an arrangement of a parasitic input inductance L _P 132 , an ohmic input resistance R _GI 135 and a parasitic input capacitance C _GE 140 , these three elements by the structure of the IGBT 115 are made of semiconductor materials and in 1 only symbolically represented as discrete components. Not modeled are a Miller capacitance and a collector-emitter capacitance of the IGBT 115 , which are negligible for the measuring principle presented below.

Das Durchlassverhalten des IGBT 115 für einen Strom zwischen dem Kollektor 125 und dem Emitter 130 wird mittels einer Gate-Spannung U_G 145 gesteuert, die zwischen dem Gate 120 und dem Emitter 130 angelegt wird. Dabei fließt ein Strom I_G durch das Gate 120, der von der Gate-Spannung U_G 145 und von der Größe des Eingangswiderstand 135 abhängig ist. Der IGBT 115 kann in einem Durchlassbetrieb, in dem ein Laststrom vom Kollektor 125 zum Emitter 130 fließen kann, und in einem Sperrbetrieb, in dem der Laststrom unterbrochen ist, betrieben werden. Zum Übergang zwischen den Betriebsarten bzw. Zuständen muss der IGBT 115 mittels der Steuerspannung 145 umgeladen werden. Im vorliegenden Fall führt eine Steuerspannung 145, die oberhalb eines vorbestimmten positiven Schwellenwerts liegt, zum Durchlassbetrieb, und eine Steuerspannung 145, die kleiner als der Schwellenwert ist, zum Sperrbetrieb des IGBT 115. The on-state behavior of the IGBT 115 for a current between the collector 125 and the emitter 130 is by means of a gate voltage U _G 145 controlled between the gate 120 and the emitter 130 is created. At this time, a current I _{G flows} through the gate 120 , which depends on the gate voltage U _G 145 and the size of the input resistance 135 is dependent. The IGBT 115 can be in a forward mode, in which a load current from the collector 125 to the emitter 130 can flow, and in a blocking operation in which the load current is interrupted, operated. For the transition between the operating modes or states, the IGBT 115 by means of the control voltage 145 be reloaded. In the present case, a control voltage leads 145 , which is above a predetermined positive threshold, for forward operation, and a control voltage 145 , which is smaller than the threshold, for the blocking operation of the IGBT 115 ,

Der Eingangswiderstand 135 ist abhängig von der Temperatur des IGBT 115 bzw. dessen Sperrschicht, die elektrisch zwischen dem Kollektor 125 und dem Emitter 130 liegt. Um die Temperatur des IGBT 115 zu bestimmen wird vorgeschlagen, die Steuerspannung 145 so zu wählen, dass sie zu einem Sperren des IGBT 115 führt, wobei der Steuerspannung 145 eine Wechselspannung U_GAC 155 überlagert ist, deren Amplitude bezüglich dem Mittelwert der Steuerspannung 145 klein ist, so dass der IGBT 115 im Sperrbetrieb verbleibt. Als Steuerspannung 145 wird also eine negative Wechselspannung verwendet, die eine negativen Gleichspannungskomponente und eine hochfrequente Wechselspannungskomponente umfasst. Die Wechselspannung 155 hat bevorzugterweise Sinusform und ihre Frequenz ist bevorzugterweise hoch, um den Fluss des Gate-Stroms 150 durch die parasitäre Kapazität 140 zu erleichtern. Insbesondere kann die Frequenz ein Mehrfaches einer maximalen Schaltfrequenz des IGBT 115 entsprechen, beispielsweise im Bereich zwischen dem Doppelten und dem Zehnfachen der Grenzfrequenz oder noch höher liegen. Um Ab- und Einstrahleffekte von Hochfrequenz in Grenzen zu halten ist es jedoch vorteilhaft, die Frequenz der Wechselspannung 155 nicht über einige Megahertz hinaus zu steigern. In einer Ausführungsform liegt die Frequenz der Wechselspannung 155 bei ca. 2–5 MHz, besonders bevorzugt bei ca. 3 MHz. The input resistance 135 depends on the temperature of the IGBT 115 or its barrier layer, which is electrically connected between the collector 125 and the emitter 130 lies. To the temperature of the IGBT 115 it is proposed to determine the control voltage 145 so choose to lock the IGBT 115 leads, taking the control voltage 145 an AC voltage U _GAC 155 is superposed whose amplitude with respect to the mean value of the control voltage 145 is small, so the IGBT 115 remains in lock mode. As control voltage 145 Thus, a negative AC voltage is used, which comprises a negative DC component and a high-frequency AC component. The AC 155 is preferably sinusoidal and its frequency is preferably high to the flow of the gate current 150 by the parasitic capacity 140 to facilitate. In particular, the frequency may be a multiple of a maximum switching frequency of the IGBT 115 correspond, for example, in the range between twice and ten times the cutoff frequency or even higher. In order to limit Ab- and Einstrahleffekte of high frequency within limits, it is advantageous, the frequency of the AC voltage 155 not to increase beyond a few megahertz. In one embodiment, the frequency of the alternating voltage 155 at about 2-5 MHz, more preferably at about 3 MHz.

Für die hohe Frequenz der Wechselspannung 155 ist die parasitäre Kapazität 140 durchlässig, so dass ein Gate-Strom 150 fließt, obwohl der IGBT 115 im Sperrzustand verbleibt. Der Gate-Strom 150 fließt durch den temperaturabhängigen Eingangswiderstand 135, sodass der Gate-Strom 150 bei einer vorbestimmten Steuerspannung 145 und einer vorbestimmten Amplitude der Wechselspannung 155 ein Maß für die Temperatur des IGBT 115 darstellt. Durch Auswerten des Gate-Stroms 150 kann daher die Temperatur des IGBT 115 bestimmt werden. For the high frequency of the AC voltage 155 is the parasitic capacity 140 permeable, leaving a gate current 150 flows though the IGBT 115 remains in the locked state. The gate current 150 flows through the temperature-dependent input resistance 135 so the gate current 150 at a predetermined control voltage 145 and a predetermined amplitude of the AC voltage 155 a measure of the temperature of the IGBT 115 represents. By evaluating the gate current 150 Therefore, the temperature of the IGBT can be 115 be determined.

Besonders vorteilhaft ist es, die Frequenz der Wechselspannung 155 so zu wählen, dass sich am IGBT 105 Resonanz einstellt, sodass Phasen der Wechselspannung 155 und des Gate-Stroms 150 im Wesentlichen gleich liegen. Die Sperrschichtspannung des IGBT 105, die von seiner Temperatur abhängig ist, steht dann in linearem Zusammenhang mit der Amplitude des Gate-Stroms 150. Zur Bestimmung des Eingangswiderstands 135 ist es daher ausreichend, die Amplitude des Gate-Stroms 150 zu bestimmen. Die Resonanzfrequenz des IGBT 105 kann von den Elementen 132, 135 und 140 abhängig sein. Üblicherweise ist die parasitäre Induktivität 132 so klein, dass sich Resonanz am IGBT 105 selbst erst bei sehr hohen Frequenzen, beispielsweise im Bereich von mehreren zehn Megahertz, einstellt. In einer Ausführungsform kann eine externe Induktivität in die Zuleitung zum Gate 120 geschaltet werden, um Resonanz auch bei einer kleineren Frequenz der Wechselspannung 155 zu erzielen, beispielsweise im Bereich von ca. 2–5 MHz. It is particularly advantageous, the frequency of the AC voltage 155 so choose that at the IGBT 105 Resonance sets, so that phases of AC voltage 155 and the gate current 150 are essentially the same. The junction voltage of the IGBT 105 , which is dependent on its temperature, then is linearly related to the amplitude of the gate current 150 , For determining the input resistance 135 Therefore, it is sufficient, the amplitude of the gate current 150 to determine. The resonant frequency of the IGBT 105 can from the elements 132 . 135 and 140 be dependent. Usually, the parasitic inductance 132 so small that resonates with the IGBT 105 even at very high frequencies, for example in the range of several tens of megahertz. In one embodiment, an external inductance may be introduced into the lead to the gate 120 be switched to resonance even at a smaller frequency of the AC voltage 155 to achieve, for example in the range of about 2-5 MHz.

Wie im Spannungsverlauf 110 im unteren Bereich von 1 dargestellt ist, beträgt die Steuerspannung 145 in einer beispielhaften Ausführungsform ca. 15 V, um den IGBT 115 in den Durchlassbetrieb zu bringen. Um den IGBT sicher in den Sperrbetrieb zu bringen, kann eine Steuerspannung 145 verwendet werden, die entgegengesetztes Vorzeichen aufweist, hier ca. –9 V. Störeinflüsse wie eine Einstreuung in eine zum Gate 120 führende Leitung können so kein unbeabsichtigtes Durchschalten des IGBT 115 bewirken. Die Wechselspannung 155, die der Steuerspannung 145 im Sperrbetrieb überlagert ist, weist dabei eine Amplitude von ca. 1 V auf. As in the voltage curve 110 at the bottom of 1 is shown, the control voltage is 145 in an exemplary embodiment, about 15V to the IGBT 115 to bring in the Durchlassbetrieb. To bring the IGBT safely in the blocking operation, a control voltage 145 can be used, which has opposite sign, here about -9 V. Interference such as interference in one to the gate 120 Leading line can thus no unintentional switching of the IGBT 115 cause. The AC voltage 155 that of the control voltage 145 is superimposed in the blocking mode, in this case has an amplitude of about 1 V on.

2 zeigt eine Vorrichtung 200 zur Bestimmung der Temperatur des IGBT 115 von 1. Die in 1 modellhaft dargestellten diskreten Elemente des Eingangswiderstands 135 und der Eingangskapazität 140 sind hier und im Folgenden nicht dargestellt. 2 shows a device 200 for determining the temperature of the IGBT 115 from 1 , In the 1 modeled discrete elements of the input resistance 135 and the input capacity 140 are not shown here and below.

Ein Steuerspannungsgenerator 205 stellt eine Steuerspannung 145 bereit, deren Polarität einem Sperrbetrieb des IGBT 115 zugeordnet ist. Dabei ist der Steuerspannung 145 eine hochfrequente Wechselspannung 155 überlagert, wie oben mit Bezug auf 1 näher erläutert wurde. Über einen Längswiderstand 210 wird die Spannung des Steuerspannungsgenerators 205 am Gate 120 des IGBT 115 bereitgestellt. In einer Ausführungsform ist zwischen den Steuerspannungsgenerator 205 und dem Längswiderstand 210 eine Induktivität 207 in Serie angeordnet, die die Resonanzfrequenz des IGBT 115 verringern, sodass der IGBT 115 mittels der Wechselspannung 155 verbessert in Resonanz betrieben werden kann. A control voltage generator 205 provides a control voltage 145 whose polarity is a blocking operation of the IGBT 115 assigned. Here is the control voltage 145 a high-frequency AC voltage 155 superimposed as above with respect to 1 was explained in more detail. About a series resistance 210 becomes the voltage of the control voltage generator 205 at the gate 120 of the IGBT 115 provided. In one embodiment, there is between the control voltage generator 205 and the series resistance 210 an inductance 207 arranged in series, which is the resonant frequency of the IGBT 115 decrease, so the IGBT 115 by means of the AC voltage 155 improved in resonance can be operated.

Zur Bestimmung der über dem Längswiderstand 210 abfallenden Spannung ist eine Abtasteinrichtung 215 vorgesehen, die beispielsweise durch einen Operationsverstärker gebildet sein kann, der als Subtrahierer beschaltet ist. Die Abtasteinrichtung 215 stellt zusammen mit dem Längswiderstand 210 eine zur Amplitude des Gate-Stroms 150 proportionale Wechselspannung bereit. Bevorzugterweise ist die Wechselspannung 155 sinusförmig, sodass auch die durch die Abtasteinrichtung 215 bereitgestellte Spannung sinusförmig ist. Andere Signalformen sind jedoch ebenfalls möglich. To determine the over the series resistance 210 decreasing voltage is a sampling device 215 provided, which may be formed for example by an operational amplifier, which is connected as a subtractor. The scanning device 215 puts together with the series resistance 210 one to the amplitude of the gate current 150 proportional AC voltage ready. Preferably, the AC voltage 155 sinusoidal, so that by the scanner 215 provided voltage is sinusoidal. Other waveforms are also possible.

Die Spannung der Abtasteinrichtung 215 kann mittels eines Gleichrichters 220 in eine Gleichspannung umgewandelt werden. Der Gleichrichter 220 kann einen Tiefpassfilter umfassen, um die Gleichspannung auf mehrere Perioden der von der Abtasteinrichtung bereitgestellten Wechselspannung basieren zu lassen. Der Gleichrichter kann insbesondere einen Kondensator oder ein RC-Filter umfassen. Anschließend kann ein Subtrahierer 225 eine vorbestimmte, konstante Offset-Spannung subtrahieren, die mittels eines entsprechenden Offset-Generators 230 bereitgestellt ist. Das aus der Subtraktion resultierende Signal kann mittels eines optionalen Verstärkers 235 verstärkt als Sensorspannung 240 weiterverarbeitet werden. Ferner kann ein Analog-Digital-Wandler 245 vorgesehen sein, um auf der Basis der Sensorspannung 240 einer Verarbeitungseinrichtung 250 ein digitales Signal bereitzustellen. Die Verarbeitungseinrichtung 250 kann dazu eingerichtet sein, den Offset-Generator 230 anzusteuern, um die Offset-Spannung anzupassen. The voltage of the scanner 215 can by means of a rectifier 220 be converted into a DC voltage. The rectifier 220 may include a low pass filter to base the DC voltage on multiple periods of the AC voltage provided by the sampler. The rectifier may in particular comprise a capacitor or an RC filter. Subsequently, a subtractor 225 Subtract a predetermined, constant offset voltage, which by means of a corresponding offset generator 230 is provided. The signal resulting from the subtraction can be obtained by means of an optional amplifier 235 amplified as a sensor voltage 240 be further processed. Furthermore, an analog-to-digital converter 245 be provided to on the basis of the sensor voltage 240 a processing device 250 to provide a digital signal. The processing device 250 can be set up the offset generator 230 to adjust the offset voltage.

Mittels der beschriebenen Vorrichtung 200 kann die Temperatur des IGBT 115 bestimmt werden, während sich der IGBT 115 im Sperrbetrieb befindet. Durch die hochfrequente Wechselspannung 155 kann die Messung rasch durchgeführt werden. Da der IGBT 115 im Rahmen einer üblichen Leistungsschaltung über vorbestimmbare Intervalle ohnehin in den Sperrbetrieb gebracht wird, kann während dieser Intervalle die Bestimmung der Sperrschichttemperatur mittels der Vorrichtung 200 erfolgen. Insbesondere dann, wenn der IGBT 115 mit einer vorbestimmten Frequenz abwechselnd in den leitenden und den sperrenden Betrieb überführt wird, etwa im Rahmen einer Pulsweitenmodulation, können die für die Bestimmung der Temperatur nutzbaren Intervalle bekannt sein und in der beschriebenen Weise genutzt werden. Eine Nutzapplikation, die den IGBT 115 zur Steuerung eines Stroms verwendet, kann durch die Vorrichtung 200 unbeeinflusst bleiben. By means of the described device 200 can the temperature of the IGBT 115 be determined while the IGBT 115 in lock mode. Due to the high-frequency AC voltage 155 the measurement can be carried out quickly. Since the IGBT 115 in the context of a conventional power circuit over predeterminable intervals anyway brought into the blocking operation, during these intervals, the determination of the junction temperature by means of the device 200 respectively. Especially if the IGBT 115 With a predetermined frequency is transferred alternately into the conducting and the blocking operation, for example in the context of a pulse width modulation, the usable for the determination of the temperature intervals can be known and used in the manner described. A payload application that uses the IGBT 115 used to control a current, may by the device 200 remain unaffected.

3 zeigt ein System 300, das die Vorrichtung 200 von 2 umfasst. Das System 300 ist mit einem IGBT 115 zur Steuerung eines Stroms verbunden und kann Teil einer komplexeren Vorrichtung sein, etwa eines Inverters (Wechselrichters). In beispielhafter Weise ist ein Treibersystem 305 vorgesehen, um eine erste die Steuerspannung 145 für den IGBT 115 bereitzustellen, während der IGBT 115 im System 300 zwischen dem Durchlass- und dem Sperrbetrieb umgeschaltet wird. Dazu ist ein Treiber 310 vorgesehen, der über einen optionalen externen Gatewiderstand 315 an das Gate 120 des IGBT 115 geführt ist. 3 shows a system 300 that the device 200 from 2 includes. The system 300 is with an IGBT 115 connected to the control of a current and may be part of a more complex device, such as an inverter (inverter). By way of example, a driver system is 305 provided a first the control voltage 145 for the IGBT 115 to provide during the IGBT 115 in the system 300 is switched between the pass and the blocking operation. This is a driver 310 provided by an optional external gate resistor 315 to the gate 120 of the IGBT 115 is guided.

Bevorzugterweise umfasst der Treiber 310 einen High-Side-Switch 312 und einen Low-Side-Switch 313, die alternativ angesteuert werden können, um den Ausgang des Treibers 310 entweder mit einem hohen Spannungspotential U_ON (+15 V im Beispiel von 1) oder mit einem niedrigen Spannungspotential U_OFF zu verbinden. Eine Steuerung 320 stellt passende Steuersignale für den Treiber 310 bereit. In der vorgestellten, rein exemplarischen Ausführungsform ist ein erstes Signal TRIN zur Bewirkung einer hohen oder niedrigen Steuerspannung 145 und ein zweites Signal TREN zum Freigeben des Treibers 310 vorgesehen. Mittels des Signals TREN können beispielsweise sowohl der High-Side-Switch 312 als auch der Low-Side-Switch 313 im Treiber 310 deaktiviert werden, sodass das Gate 120 nur noch hochohmig mit dem Treiber 310 verbunden ist und das Treibersystem 305 vom IGBT 115 abgekoppelt ist. Preferably, the driver includes 310 a high-side switch 312 and a low-side switch 313 , which can alternatively be driven to the output of the driver 310 either with a high voltage potential U _ON (+15 V in the example of 1 ) or with a low voltage potential U _OFF . A controller 320 provides appropriate control signals for the driver 310 ready. In the purely exemplary embodiment presented, a first signal TRIN is for effecting a high or low control voltage 145 and a second signal TREN for enabling the driver 310 intended. By means of the signal TREN, for example, both the high-side switch 312 as well as the low-side switch 313 in the driver 310 be deactivated so that the gate 120 only high impedance with the driver 310 connected and the driver system 305 from the IGBT 115 disconnected.

Die gleiche Steuerung 320 kann dazu verwendet werden, mittels eines zusätzlichen Signals, das hier exemplarisch als HFEN bezeichnet ist, die Vorrichtung 200 zu steuern. HFEN kann dazu verwendet werden, den Steuerspannungsgenerator 205 zu aktivieren oder zu deaktivieren. Außerdem kann HFEN eine Schalteinrichtung 325 ansteuern, die die durch den Steuerspannungsgenerator 205 bereitgestellte zweite Steuerspannung 145 an das Gate 120 des IGBT 115 durchschaltet oder von ihm trennt. Die Schalteinrichtung 325 kann insbesondere einen Feldeffekttransistor umfassen. HFEN wird bevorzugterweise nur dann aktiv geschaltet, wenn TREN den Treiber 310 deaktiviert hat, sodass das Gate 120 des IGBT 115 nur noch hochohmig mit dem Treiber 310 verbunden ist, um eine Überlagerung unterschiedlicher Steuerspannungen 145 am IGBT 115 zu verhindern. The same controller 320 can be used to, by means of an additional signal, which is exemplified here as HFEN, the device 200 to control. HFEN can be used to control the control voltage generator 205 to activate or deactivate. In addition, HFEN can be a switching device 325 which are controlled by the control voltage generator 205 provided second control voltage 145 to the gate 120 of the IGBT 115 goes through or disconnects from it. The switching device 325 may in particular comprise a field effect transistor. HFEN is preferably switched to active only when TREN the driver 310 has disabled, so the gate 120 of the IGBT 115 only high impedance with the driver 310 connected to a superposition of different control voltages 145 at the IGBT 115 to prevent.

Die durch den Steuerspannungsgenerator 205 bereitgestellte zweite Steuerspannung 145, die eine Gleichspannung mit einer überlagerten hochfrequenten Wechselspannung 155 umfasst, wird mittels der optionalen Induktivität 207 an die Schalteinrichtung 325 geleitet. Die Induktivität 207 hat keinen Einfluss auf den Betrieb des IGBT 115, so lange die Schalteinrichtung 325 geöffnet ist. Ein Betrieb des IGBT mittels des Treibers 310 wird daher durch die Induktivität 207 nicht beeinträchtigt. Zur Bestimmung des Gate-Stroms 150 ist die Wechselspannung 155 außerdem durch den Längswiderstand 210 geleitet, dessen Spannung mittels der Abtasteinrichtung 215 bestimmt werden kann. The by the control voltage generator 205 provided second control voltage 145 which has a DC voltage with a superposed high-frequency AC voltage 155 includes, by means of the optional inductance 207 to the switching device 325 directed. The inductance 207 has no influence on the operation of the IGBT 115 as long as the switching device 325 is open. Operation of the IGBT by means of the driver 310 is therefore due to the inductance 207 not impaired. For determining the gate current 150 is the AC voltage 155 also by the longitudinal resistance 210 passed, its voltage by means of the scanner 215 can be determined.

In einer weiteren Ausführungsform wird als Längswiderstand 210 der Gatewiderstand 310 verwendet. In diesem Fall ist der Ausgang der Schalteinrichtung 325 bevorzugterweise mit der vom IGBT 115 entfernten Seite des Gatewiderstands 315 verbunden und die Abtasteinrichtung 215 tastet die über dem Gatewiderstand 315 abfallende Spannung ab. In a further embodiment, the longitudinal resistance 210 the gate resistance 310 used. In this case, the output of the switching device 325 preferably with the IGBT 115 remote side of the gate resistor 315 connected and the scanner 215 scans the over the gate resistor 315 decreasing voltage.

In noch einer weiteren Ausführungsform wird die Verarbeitungseinrichtung 250 sowohl zur Verarbeitung des auf der Basis des Gate-Stroms 150 bestimmten Temperatursignals als auch zur Ansteuerung der Steuerung 320 verwendet, um den IGBT 115 in Abhängigkeit der bestimmten Temperatur ansteuern zu können. Umfasst das System 300 beispielsweise einen Inverter, kann etwa ein Tastverhältnis zwischen Sperrbetrieb und Durchlassbetrieb des IGBT 115 verändert werden, wenn die Temperatur des IGBT 115 einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. In einer weiteren Ausführungsform kann der IGBT 115 in diesem Fall auch abgeschaltet werden, um einem thermischen Schaden vorzubeugen. In yet another embodiment, the processing device 250 both for processing based on the gate current 150 certain temperature signal as well as to control the controller 320 used to the IGBT 115 to be able to control depending on the specific temperature. Includes the system 300 For example, an inverter, can be about a duty cycle between blocking operation and forward operation of the IGBT 115 be changed when the temperature of the IGBT 115 exceeds a predetermined threshold. In a further embodiment, the IGBT 115 In this case also be switched off to prevent thermal damage.

4 zeigt exemplarische zeitliche Abfolgen 400 am System 300 von 3. In horizontaler Richtung ist eine Zeit angetragen. In vertikaler Richtung sind von oben nach unten die Steuerspannung 145, der Gate-Strom 150 und ein Zustand 405 des IGBT 115 angetragen, wobei der Zustand 1 einem Durchlassbetrieb und der Zustand 0 einem Sperrbetrieb des IGBT 115 zugeordnet ist. die gezeigte Steuerspannung 145 setzt sich abwechselnd aus der ersten Steuerspannung 145 des Treibers 305 und der zweiten Steuerspannung 145 des Steuerspannungsgenerators 205 zusammen. Die angegebenen Strom- und Spannungswerte sind als exemplarisch zu verstehen. 4 shows exemplary time sequences 400 at the system 300 from 3 , In the horizontal direction is a time plotted. In the vertical direction are from top to bottom the control voltage 145 , the gate current 150 and a condition 405 of the IGBT 115 filed, the condition 1 a pass mode and state 0 a disable operation of the IGBT 115 assigned. the shown control voltage 145 alternately consists of the first control voltage 145 of the driver 305 and the second control voltage 145 of the control voltage generator 205 together. The specified current and voltage values are to be understood as exemplary.

Zu einem Zeitpunkt t1 wird die Steuerspannung 145 von 0 V auf 15 V angehoben, sodass der IGBT 115 vom Sperrbetrieb in den Durchlassbetrieb übergeht. Dazu muss der IGBT 115 intern umgeladen werden, sodass beim Umschalten kurzzeitig ein Gate-Strom 150 fließt. Zu einem Zeitpunkt t2 wird die Steuerspannung 145 auf einen negativen Wert von –9 V abgesenkt. Damit wird ein Übergang des IGBT 115 vom Durchlassbetrieb in den Sperrbetrieb bewirkt, der wieder einen kurzzeitigen Gate-Strom 150 bewirkt, wobei der Gate-Strom 150 umgekehrtes Vorzeichen zu dem am Zeitpunkt t1 aufweist. At a time t1, the control voltage 145 raised from 0V to 15V, leaving the IGBT 115 from the blocking operation to the forward operation. This requires the IGBT 115 internally reloaded, so when switching a short time a gate current 150 flows. At a time t2, the control voltage 145 lowered to a negative value of -9V. This will be a transition of the IGBT 115 from the pass mode to the blocking mode, which again causes a short-time gate current 150 causes, with the gate current 150 has the opposite sign to that at time t1.

Ist der Gate-Strom 150 zu einem Zeitpunkt t3 wieder auf 0 abgesunken, so wird der negativen Steuerspannung 145 bis zu einem Zeitpunkt t4 die Wechselspannung 155 überlagert. Dadurch ist der Gate-Strom 150 im Intervall zwischen t3 und t4 ebenfalls von einer Wechselspannung überlagert, die von der Temperatur des IGBT 115 abhängig ist. Die Überlagerung der Steuerspannung 145 mit der Wechselspannung 155 kann zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 während eines Messintervalls 410 beliebige Länge und zeitlicher Lage erfolgen, gegebenenfalls auch mehrfach. Die Frequenz der Wechselspannung 155 übersteigt bevorzugterweise die maximale Schaltfrequenz des IGBT 115 mehrfach, sodass auch bei kürzest möglichem Verbleiben des IGBT 115 im Sperrbetrieb eine Bestimmung des Gate-Stroms 150 über mehrere Zyklen der Wechselspannung 155 möglich ist. Is the gate current 150 at a time t3 has dropped back to 0, then the negative control voltage 145 until a time t4, the AC voltage 155 superimposed. This is the gate current 150 in the interval between t3 and t4 also superimposed by an alternating voltage that depends on the temperature of the IGBT 115 is dependent. The superimposition of the control voltage 145 with the AC voltage 155 may be between times t3 and t4 during a measurement interval 410 arbitrary length and temporal position take place, possibly also several times. The frequency of the AC voltage 155 preferably exceeds the maximum switching frequency of the IGBT 115 several times, so that even with the shortest possible retention of the IGBT 115 in the blocking operation, a determination of the gate current 150 over several cycles of AC voltage 155 is possible.

Zum Zeitpunkt t4 wird die Wechselspannung 155 abgeschaltet und die Steuerspannung 145 wird wieder auf einen positiven Wert von 15 V angehoben, um den IGBT 115 in den Durchlassbetrieb zu überführen. Wie zum Zeitpunkt t1 fließt dadurch erneut kurzzeitig ein Gate-Strom 150. At time t4, the AC voltage 155 shut off and the control voltage 145 is raised back to a positive value of 15V to the IGBT 115 in the Durchlassbetrieb to convict. As at time t1, a gate current flows again for a short time 150 ,

5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Bestimmen der Temperatur des IGBT 115 von 1. Das Verfahren 500 ist insbesondere zum Umsetzen mittels der Vorrichtung 200 eingerichtet. Wesentliche Teile des Verfahrens 500 können insbesondere auf der Verarbeitungseinrichtung 250 ausgeführt werden. 5 shows a flowchart of a method 500 for determining the temperature of the IGBT 115 from 1 , The procedure 500 is in particular for reacting by means of the device 200 set up. Essential parts of the procedure 500 especially on the processing device 250 be executed.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit befindet sich der IGBT 115 in einem Schritt 505 im Sperrbetrieb. Periodisch wird der IGBT 115 in einen Durchlassbetrieb 510 und von dort zurück in den Sperrbetrieb 505 überführt. Diese Übergänge können von einem anderen als dem Verfahren 500 gesteuert werden. Without restriction of generality is the IGBT 115 in one step 505 in lock mode. Periodically, the IGBT 115 in a transmission mode 510 and from there back to the lock mode 505 transferred. These transitions may be different from the procedure 500 to be controlled.

Zur Bestimmung der Temperatur des IGBT 115 wird, ausgehend vom Sperrbetrieb 505, in einem optionalen Schritt 515 das Treibersystem 305 vom IGBT 115 abgekoppelt. Anschließend wird in einem Schritt 520 eine Steuerspannung an den IGBT 115 angekoppelt, wie sie oben beispielsweise mit Bezug auf den unteren Teil von 1 beschrieben ist. Während die Steuerspannung und die Wechselspannung 155 mit dem Gate 120 des IGBT 115 verbunden sind, wird in einem Schritt 525 der Gate-Strom 150 bestimmt. Nach der Bestimmung wird in einem Schritt 530 die Steuerspannung wieder abgekoppelt und das Treibersystem 305 kann in einem Schritt 535 wieder an den IGBT 115 angekoppelt werden. Von diesem Punkt an kann der IGBT 115 in üblicher Weise weiter betrieben werden, insbesondere kann er mittels des Treibersystems 305 zwischen dem Sperrbetrieb 505 und dem Durchlassbetrieb 510 umgeschaltet werden. Dazu nebenläufig oder vorher können noch weitere Schritte der Auswertung bzw. Weiterverarbeitung bestimmter Messgrößen erfolgen. To determine the temperature of the IGBT 115 becomes, starting from the lock operation 505 in an optional step 515 the driver system 305 from the IGBT 115 decoupled. Subsequently, in one step 520 a control voltage to the IGBT 115 coupled, as above, for example, with respect to the lower part of 1 is described. While the control voltage and the AC voltage 155 with the gate 120 of the IGBT 115 connected in one step 525 the gate current 150 certainly. After the determination will be in one step 530 the control voltage disconnected again and the driver system 305 can in one step 535 back to the IGBT 115 be coupled. From this point on, the IGBT 115 in the usual way continue to operate, in particular he can by means of the driver system 305 between the blocking operation 505 and the transmission mode 510 be switched. For this purpose, in addition or in advance, further steps of the evaluation or further processing of specific measured variables can take place.

In einem Schritt 540 kann der bestimmte Gate-Strom 150 beispielsweise in eine dazu proportionale Spannung gewandelt werden. In einem nachfolgenden Schritt 545 kann die Spannung gleichgerichtet und in einem optionalen Schritt 550 tiefpassgefiltert werden. Die Tiefpassfilterung kann beispielsweise mittels einer entsprechenden elektrischen Schaltung erfolgen, die insbesondere einen Kondensator umfassen kann, oder zu einem späteren Zeitpunkt im Verfahren 500 mittels digitaler Verarbeitungstechnik, insbesondere der Verarbeitungseinrichtung 250, vorgenommen werden. In one step 540 can be the specific gate current 150 For example, be converted into a proportional voltage. In a subsequent step 545 The voltage can be rectified and in an optional step 550 be low-pass filtered. The low-pass filtering can be done, for example, by means of a corresponding electrical circuit, which may in particular comprise a capacitor, or at a later time in the method 500 by means of digital processing technology, in particular the processing device 250 , be made.

In einem Schritt 555 kann von der bestimmten Spannung ein Offset abgezogen werden, wobei der Offset durch die Verarbeitungseinrichtung 250 vorgegeben werden kann. Optional wird in einem Schritt 560 das Signal noch einer Verstärkung unterzogen, sodass die Sensorspannung 240 vorliegt, die in einem Schritt 565 noch in ein digitales Signal umgewandelt werden kann. In einem Schritt 570 wird die Temperatur des IGBT 115 auf der Basis des Gate-Stroms 150 bzw. eines daraus abgeleiteten Signals bestimmt. Die bestimmte Temperatur kann dazu verwendet werden, die Ansteuerung des IGBT 115 zu variieren, beispielsweise indem Zeitpunkte für Übergänge zwischen dem Sperrbetrieb 505 und dem Durchlassbetrieb 510 verschoben werden. In einer Pulsweitenmodulation kann etwa ein Tastverhältnis an die bestimmte Temperatur angepasst werden. In one step 555 can be deducted from the determined voltage an offset, wherein the offset by the processing means 250 can be specified. Optionally, in one step 560 the signal is still amplified, so the sensor voltage 240 present in one step 565 can still be converted into a digital signal. In one step 570 will be the temperature of the IGBT 115 based on the gate current 150 or a signal derived therefrom. The particular temperature can be used to drive the IGBT 115 to vary, for example, times for transitions between the lock operation 505 and the transmission mode 510 be moved. In a pulse width modulation, for example, a duty cycle can be adapted to the specific temperature.

6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Bestimmen einer Kennlinie des IGBT 115 von 1. Das Verfahren 600 kann einmalig oder regelmäßig durchgeführt werden, um einen Zusammenhang zwischen der Temperatur des IGBT 115 und dem Gate-Strom 150 zu bestimmen, während die oben beispielsweise mit Bezug auf den unteren Teil von 1 beschriebene Steuerspannung 145 am Gate 120 des IGBT 115 anliegt. Das Verfahren 600 dient zum Bestimmen individueller Parameter, die zwischen einzelnen Exemplaren des IGBT 115 einer Serie variieren können. Unterscheiden sich die Parameter nicht maßgeblich zwischen den Exemplaren, so kann das Verfahren nur einmal an einem stellvertretenden IGBT 115 durchgeführt werden. Sollte der Zusammenhang zwischen Temperatur und Größe des Eingangswiderstands 135 am IGBT 115 bereits anderweitig bekannt sein, etwa in Form einer Kennlinie oder einer Tabelle, so kann die Durchführung des Verfahrens 600 nicht erforderlich sein. 6 shows a flowchart of a method 600 for determining a characteristic of the IGBT 115 from 1 , The procedure 600 can be performed once or regularly to establish a relationship between the temperature of the IGBT 115 and the gate current 150 while the above, for example, with respect to the lower part of 1 described control voltage 145 at the gate 120 of the IGBT 115 is applied. The procedure 600 is used to determine individual parameters that exist between individual copies of the IGBT 115 a series can vary. If the parameters are not significantly different between the specimens, the procedure may only be performed once by a deputy IGBT 115 be performed. Should the relationship between temperature and size of the input resistance 135 at the IGBT 115 already be known elsewhere, such as in the form of a characteristic or a table, so the implementation of the method 600 not be required.

In einem ersten Schritt 605 wird eine vorbestimmte Temperatur am IGBT 115 erzeugt. In einem Schritt 610 wird dann der Eingangswiderstand 135 bzw. der Gate-Strom 150 bestimmt, während am Gate 120 des IGBT 115 die oben beschriebene, von der Wechselspannung 155 überlagerte Steuerspannung 145 anliegt. In einem Schritt 615 werden die Temperatur und der Eingangswiderstand 135 bzw. der Gate-Strom 150 zusammen mit der Temperatur abgelegt. Die Größen können auch zur Bestimmung einer Kennlinie, eines Kennfelds oder einer parametrischen Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Eingangswiderstand 135 bzw. Gate-Strom 150 unter den erwähnten Bedingungen dienen. In a first step 605 becomes a predetermined temperature on the IGBT 115 generated. In one step 610 then becomes the input resistance 135 or the gate current 150 certainly while at the gate 120 of the IGBT 115 the one described above, from the AC voltage 155 superimposed control voltage 145 is applied. In one step 615 become the temperature and the input resistance 135 or the gate current 150 stored together with the temperature. The quantities can also be used to determine a characteristic, a characteristic diagram or a parametric description of the relationship between temperature and input resistance 135 or gate current 150 serve under the conditions mentioned.

7 zeigt beispielhafte zeitliche Verläufe am IGBT 115 von 1. Die angegebenen Zahlenwerte sind dabei auf das Ausführungsbeispiel von 1 bezogen. Der oberen Darstellung liegt eine Sperrschichttemperatur des IGBT 115 von ca. 22 °C und der unteren Darstellung eine Sperrschichttemperatur von ca. 120 °C zu Grunde. In beiden Darstellungen stellt ein oberer Verlauf 705 die Steuerspannung 145 und ein unterer Verlauf 710 die Sensorspannung 240 dar, die beispielsweise in der Schaltung von 2 durch den Verstärker 235 bereitgestellt wird. Der Bereich der Sensorspannung 240 ist vorliegend durch Offset-Korrektur und Verstärkung auf einen Bereich von 0–5 V angepasst. Die Sensorspannung 240 ist groß, wenn die Steuerspannung 145 positiv ist und der IGBT 115 im Durchlassbetrieb 510 arbeitet, und klein, wenn die Steuerspannung 145 negativ ist und sich der IGBT 155 im Sperrbetrieb 505 befindet. Der negativen Steuerspannung 145 ist die hochfrequente Wechselspannung 155 aufgeprägt, sodass das Niveau der Sensorspannung 240 im Sperrbetrieb des IGBT auf die Temperatur des IGBT hinweist. 7 shows exemplary time courses at the IGBT 115 from 1 , The numerical values given are based on the exemplary embodiment of FIG 1 based. The upper illustration is a junction temperature of the IGBT 115 of about 22 ° C and the lower illustration, a junction temperature of about 120 ° C based. In both representations represents an upper course 705 the control voltage 145 and a lower course 710 the sensor voltage 240 which, for example, in the circuit of 2 through the amplifier 235 provided. The range of the sensor voltage 240 is here adjusted by offset correction and gain to a range of 0-5V. The sensor voltage 240 is great when the control voltage 145 is positive and the IGBT 115 in forward operation 510 works, and small when the control voltage 145 is negative and the IGBT 155 in lock mode 505 located. The negative control voltage 145 is the high frequency AC voltage 155 imprinted, so the level of the sensor voltage 240 indicates in the blocking operation of the IGBT on the temperature of the IGBT.

Während in der oberen Darstellung die Sensorspannung 240 im Sperrbetrieb des IGBT 115 Werte von ca. 0,1 V erreicht, beträgt sie in der unteren Darstellung ca. 2 V. Einer Änderung der Sperrschichttemperatur des IGBT 115 von ca. 98 °C ist also eine Änderung des Sensorsignals 240 von ca. 1,9 V zugeordnet. While in the upper illustration the sensor voltage 240 in the blocking operation of the IGBT 115 Values of approx. 0.1 V are approx. 2 V in the lower diagram. A change in the junction temperature of the IGBT 115 of about 98 ° C is thus a change in the sensor signal 240 of about 1.9 V assigned.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100: Prinzipdarstellung Schematic diagram
105 105: Schaltung circuit
110 110: Steuerspannungsverlauf Control voltage curve
115 115: IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor; Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode)IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor; Insulated Gate Bipolar Transistor)
120 120: Gate gate
125 125: Kollektor collector
130 130: Emitter emitter
132 132: Eingangsinduktivität L_P Input inductance L _P
135 135: Eingangswiderstand R_GI Input resistance R _GI
140 140: Eingangskapazität C_GE Input capacity C _GE
145 145: Steuerspannung U_G Control voltage U _G
150 150: Gate-Strom I_G Gate current I _G
155 155: Wechselspannung U_GAC AC voltage U _GAC
200 200: Vorrichtung contraption
205 205: Steuerspannungsgenerator Control voltage generator
207 207: Induktivität inductance
210 210: Längswiderstand (Shunt) Series resistance (shunt)
215 215: Abtasteinrichtung scanning
220 220: Gleichrichter rectifier
225 225: Subtrahierer subtractor
230 230: Offset-Generator Offset generator
235 235: Verstärker amplifier
240 240: Sensorspannung sensor voltage
245 245: Analog-Digital-Wandler (ADC) Analog-to-digital converter (ADC)
250 250: Verarbeitungseinrichtung processing device
300 300: System system
305 305: Treibersystem driving system
310 310: Treiber driver
312 312: High-Side-Switch High-side switch
313 313: Low-Side-Switch Low-side switch
315 315: Gatewiderstand gate resistor
320 320: Steuerung control
325 325: Schalteinrichtung switching device
400 400: Abfolge sequence
405 405: Zustand Status
410 410: Messintervall measuring interval
500 500: Verfahren method
505 505: Sperrbetrieb blocking operation
510 510: Durchlassbetrieb Forward operation
515 515: Treibersystem abkoppeln Disconnect the driver system
520 520: Steuerspannung ankoppeln Connect control voltage
525 525: Gate-Strom bestimmen Determine gate current
530 530: Steuerspannung abkoppeln Disconnect control voltage
535 535: Treibersystem ankoppeln Connect the driver system
540 540: Strom in Spannung wandeln Turn current into voltage
545 545: Spannung gleichrichten Rectify voltage
550 550: tiefpassfiltern low pass filter
555 555: Offset abziehen Pull off the offset
560 560: verstärken strengthen
565 565: A->D wandeln A-> D walk
570 570: Temperatur bestimmen Determine temperature
575 575: Ansteuerung variieren Control vary
600 600: Verfahren method
605 605: vorbestimmte Temperatur am IGBT erzeugen generate predetermined temperature at the IGBT
610 610: Eingangswiderstand bestimmen Determine input resistance
615 615: Kenngrößen abspeichern Save parameters
705 705: erster Verlauf (Steuerspannung) first course (control voltage)
710 710: zweiter Verlauf (Sensorspannung) second course (sensor voltage)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2541220 A1 [0003]

Claims

System ( 300 ), whereby the system ( 300 ) comprises the following elements: a driver ( 310 ) for providing a first control voltage ( 145 ) at the gate ( 120 ) of the IGBT ( 115 ); A control voltage generator ( 205 ) for providing a second control voltage ( 145 ) at the gate ( 120 ) of the IGBT ( 115 ); Where the driver ( 310 ) and the control voltage generator ( 205 ) are arranged to be operated alternately, so that only one of the control voltages ( 145 ) at the gate ( 120 ) is present; - wherein the second control voltage ( 145 ) comprises a DC voltage component and a superposed AC voltage component such that the IGBT ( 115 ) in lock mode ( 505 ) is held; A current sensor ( 210 . 215 ) for determining a through the gate ( 120 ) flowing stream ( 150 ) while the second control voltage ( 145 ) at the gate ( 120 ) is present; A processing device ( 250 ) for determining the temperature of the IGBT ( 115 ) based on the determined current ( 150 ).

System ( 300 ) according to claim 1, characterized in that - the control voltage generator ( 205 ) is set up with high resistance to the gate ( 120 ) of the IGBT ( 115 ) when the first control voltage ( 145 ) at the gate ( 120 ), and - the driver ( 310 ) is set up with high resistance to the gate ( 120 ) of the IGBT ( 115 ) when the second control voltage ( 145 ) at the gate ( 120 ) is present.

System ( 300 ) according to claim 2, wherein the driver ( 310 ) a high-side switch ( 312 ) to the first control voltage ( 145 ) and a low-side switch ( 313 ) to lower the first control voltage, the driver ( 310 ) is set to both the high-side switch ( 312 ) as well as the low-side switch ( 313 ) while the second control voltage ( 145 ) at the gate ( 120 ) of the IGBT ( 115 ) is present.

System ( 300 ) according to one of the preceding claims, wherein between the control voltage generator ( 205 ) and the gate ( 120 ) of the IGBT ( 115 ) an inductance ( 132 ), together with the IGBT ( 115 ) to form a resonant circuit whose resonant frequency is smaller than that of the IGBT ( 115 ).

System ( 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the frequency of the AC voltage ( 155 ) is so large that an input resistance ( 135 ) of the IGBT ( 115 ) significantly larger than a reactance of the IGBT ( 115 ).

System ( 300 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the frequency of the AC voltage ( 155 ) is selected so that a reactance of the IGBT ( 115 ) to an input resistance ( 135 ) of the IGBT ( 115 ) is compensated.

System ( 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the current sensor has a series resistance ( 210 ) and a scanner ( 215 ) for determining one above the series resistance ( 210 ), so that the decreasing voltage is a measure of the temperature of the IGBT ( 115 ).

System ( 300 ) according to claim 7, characterized by a rectifier ( 220 ) for rectifying the falling voltage.

System ( 300 ) according to one of the preceding claims, characterized by a low pass ( 220 ) for averaging the current flowing through the gate ( 150 ) via a plurality of oscillations of the AC voltage ( 155 ).

System ( 300 ) according to one of the preceding claims, characterized by a subtracter ( 225 ) for subtracting a predetermined offset voltage from the falling voltage.

System ( 300 ) according to claim 10, characterized in that the processing device ( 250 ) is set to specify the offset voltage.

System ( 300 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the driver ( 310 ) is adapted to the IGBT ( 115 ) depending on the specific temperature to control.

Procedure ( 500 ), the process ( 500 ) comprises the following steps: - high-resistance connection of a first control voltage ( 145 ) with the gate ( 120 ) of the IGBT ( 115 ); Low-resistance connection of a second control voltage ( 145 ) with the gate ( 120 ) of the IGBT ( 115 ), - wherein the second control voltage ( 145 ) comprises a DC voltage component and a superposed AC voltage component such that the IGBT ( 115 ) in lock mode ( 505 ) is held; - Determine ( 525 ) one through the gate ( 120 ) flowing stream ( 150 ) while the second control voltage ( 145 ) low impedance with the gate ( 120 ), and - determining ( 570 ) the temperature of the IGBT ( 115 ) based on the determined current ( 150 ).

Method according to claim 13, characterized by a preliminary determination ( 600 ) of a relationship between a Input resistance ( 135 ) of the individual IGBT ( 115 ) of its temperature.