DE102014206621A1

DE102014206621A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufzeichnung von Temepraturzyklen eines Leistungshalbleiters

Info

Publication number: DE102014206621A1
Application number: DE102014206621.2A
Authority: DE
Inventors: Marco Denk; Mark-Matthias Bakran
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2015-10-08
Also published as: CN104977520A; CN104977520B

Abstract

Vorgeschlagen werden ein Verfahren zur Aufzeichnung von Temperaturzyklen eines Leistungshalbleiters (5, 6), wobei in einem ersten Schritt (11) fortlaufend eine aktuelle Temperatur am Leistungshalbleiter (5, 6) ermittelt wird, wobei in einem Temperaturverlauf, welcher der fortlaufend ermittelten Temperatur entspricht, in einem zweiten Schritt (14) fortlaufend Temperaturextrema mittels eines Filteralgorithmus ermittelt werden, wobei in einem dritten Schritt (17) mittels eines Rainflow-Algorithmus basierend auf den ermittelten Temperaturextrema fortlaufend Temperaturzyklen ermittelt und parametriert werden, wobei die parametrierten Temperaturzyklen in einem vierten Schritt (22) klassiert gespeichert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufzeichnung von Temperaturzyklen eines Leistungshalbleiters. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Lebensdauerprojektierung eines Leistungshalbleitermoduls, welche Leistungshalbleitermodule zum Beispiel in elektrischen oder hybriden Antriebsumrichtern verwendet werden, erfolgt im Wesentlichen durch Vergleich eines applikationsspezifischen Lastprofiles mit einem modulspezifischen Lebensdauermodell. Voraussetzung einer genauen Lebensdauerberechnung ist damit die genaue Kenntnis und Abbildung aller im Betrieb zu erwartenden Belastungen in einem Lastprofil. Die erzielbare Abbildungsgenauigkeit ist applikationsabhängig. Schwierig ist beispielsweise die Ermittlung eines repräsentativen Belastungsprofils für ein innerhalb eines hybriden Antriebsstrangs integrierten Halbleitermodules, da dieses stark von dem Fahrertyp, der Fahrzeugnutzung, der Hybridstrategie und variierenden Umgebungsbedingungen abhängig ist.
Im Stand der Technik sind aus der Druckschrift DE 10 2010 021 171 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Restlebensdauerermittlung an einem elektronischen Aufbau bekannt. Aus der Druckschrift DE 10 2011 087 764 A1 sind weiterhin ein Verfahren und ein System zum Ermitteln des Lebensdauerverbrauchs von mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement eines elektrischen Stromrichters bekannt.
Problematisch bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist regelmäßig die erforderliche hohe Rechen- und/oder Speicherleistung im Rahmen einer Ermittlung der tatsächlichen thermischen Belastung des Leistungshalbleiters über erfasste Temperaturzyklen, welche sich in den Betriebsumgebungen der Leistungshalbleiter mitunter nur schwer bereitstellen lässt. Hierbei wird regelmäßig lediglich die Restlebensdauer in Prozent, d.h. eine Zahl gespeichert. Dies ermöglicht keinen Rückschluss auf die Betriebsleistungen, welche das Modul durchgeführt hat und erhöht nicht den Erkenntnisstand zur Lebensdauerberechnung und -optimierung.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufzeichnung von Temperaturzyklen eines Leistungshalbleiters bereitzustellen, welche hierfür vorteilhaft geringen Aufwand erfordern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 10 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Aufzeichnung, insbesondere Berechnung und Speicherung, von Temperaturzyklen eines Leistungshalbleiters. Der Leistungshalbleiter ist bevorzugt ein Leistungshalbleiter eines elektrischen Umrichters, insbesondere eines Wechselrichters, weiterhin bevorzugt eines Umrichters eines hybridisierten oder elektrifizierten Antriebsstrangs, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs. Ein Leistungshalbleiter im Sinne der Erfindung kann zum Beispiel ein IGBT, ein Thyristor, ein Leistungs-MOSFET, eine Diode oder eine Kombination mehrerer Leistungshalbleiter, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul sein.
In einem ersten Schritt des Verfahrens, welches insbesondere während des Betriebs des Leistungshalbleiters, i.e. online, zur Anwendung gelangt, wird fortlaufend eine aktuelle Temperatur am Leistungshalbleiter ermittelt, insbesondere eine Sperrschichttemperatur und/oder eine Gehäusetemperatur, bevorzugt eine Bodenplattentemperatur des Leistungshalbleiters. Zur Ermittlung der Temperatur, insbesondere eines – transienten – Temperaturverlaufs, im ersten Schritt kann eine Berechnung oder Abschätzung vorgesehen sein, zum Beispiel modellbasiert, eine messtechnische Erfassung, z.B. über einen Sensor, ein Thermoelement oder einen Temperaturwiderstand, oder eine Kombination verschiedener Methoden.
In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, welcher dem ersten Schritt insbesondere nachfolgt, werden in einem Temperaturverlauf, welcher mit der fortlaufend ermittelten Temperatur korrespondiert, fortlaufend Temperaturextrema mittels eines Filteralgorithmus ermittelt, i.e. Temperaturmaxima und Temperaturminima. Der hierzu vorgesehene Filteralgorithmus ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt ein Dreipunkt-Filteralgorithmus, mit insbesondere einer vorteilhaft einstellbaren Filtertemperatur. Durch diesen Dreipunkt-Filteralgorithmus wird es ermöglicht, Wendepunkte aus dem Temperaturverlauf auszufiltern, welche einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Lebensdauerberechnung haben, mithin die Rechen- und Speicheranforderungen an die Hardware zur Implementierung des Verfahrens vorteilhaft zu reduzieren. Bevorzugt wird die im ersten Schritt ermittelte Temperatur weiterhin in definierten Zeitabständen an den Filteralgorithmus übergeben. Dies trägt ebenfalls vorteilhaft zu einer verminderten Beanspruchung von Systemressourcen bei.
In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, welcher insbesondere dem zweiten Schritt nachfolgt, werden basierend auf den mittels des Filteralgorithmus ermittelten Temperaturextrema fortlaufend Temperaturzyklen mittels eines Rainflow-Algorithmus ermittelt und parametriert, insbesondere online, i.e. mittels eines Online-Rainflow-Algorithmus. Die Temperaturextrema werden im Rahmen der Erfindung hierbei bevorzugt mit ihrem Temperaturwert und ihrer Zeitdifferenz zum vorhergehenden Temperaturextremum an den Rainflow-Algorithmus für die Ermittlung von Temperaturzyklen, insbesondere geschlossener Temperaturzyklen, im dritten Schritt übergeben. Insbesondere die Übergabe von Zeitdifferenzen im Rahmen des Online-Rainflow ermöglicht vorteilhaft geringe Speichertiefen verbunden mit der Möglichkeit eine Online-Analyse der Lebensdauer mit geringem Aufwand bereitstellen zu können. Die Parametr(is)ierung der ermittelten Temperaturzyklen erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt mit deren Amplitude, deren absoluter Temperatur, insbesondere Minimaltemperatur, und der Aufheizzeit des jeweiligen Temperaturzyklus.
In einem nachfolgenden vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein jeweiliger parametrierter Temperaturzyklus in Abhängigkeit seiner Parameter klassiert und abgespeichert.
Im Rahmen einer Klassierung kann jeder parametrierte Temperaturzyklus einer bestimmten Temperaturklasse zugeordnet werden. Eine solche Temperaturklasse kann die Anzahl von Temperaturzyklen mit gleicher Amplitude und Absoluttemperatur, insbesondere Minimaltemperatur, speichern. Hierbei ist insbesondere auch vorgesehen, dass die klassierten Temperaturzyklen im vierten Schritt in einer Häufigkeitsverteilung abgespeichert werden, im Rahmen derer die Temperaturklassen weiterhin bevorzugt mit Aufheizzeiten korreliert sind.
In einem fünften Schritt des Verfahrens kann nunmehr die Lebensdauer des Leistungshalbleiters basierend auf den gespeicherten Temperaturzyklen ermittelt werden, z.B. durch Vergleich mit hinterlegten Lebensdauermodellen oder -kurven. Zweckmäßig muss die Lebensdauer nicht online mitgerechnet werden, sondern kann aus den gespeicherten Zyklen z.B. in einer Diagnosephase berechnet werden.
Bevorzugt werden zumindest der erste bis einschließlich vierte Verfahrensschritt mit einer Kontrolleinrichtung eines Umrichters oder Wechselrichters ausgeführt. Hierzu ist insbesondere ein Mikrocontroller vorgesehen, zum Beispiel des Controller- bzw. -Steuerboards eines Wechselrichters, dessen Treiberboard oder auch dessen Halbleitermodul. Dies ermöglicht eine Implementierung des vorgeschlagenen Verfahrens vorteilhaft günstig ohne zusätzliche Hardware. Alternativ kann das Verfahren auch mit einer separaten Vorrichtung, insbesondere computerisiert, ausgeführt werden.
Vorgeschlagen wird auch eine Vorrichtung zur Aufzeichnung von Temperaturzyklen eines Leistungshalbleiters, wobei die Vorrichtung zur Ausführung des vorstehend erläuterten Verfahrens gemäß zumindest der Verfahrensschritte 1 bis einschließlich 4 eingerichtet ist. Die Vorrichtung kann weiterhin zur Lebensdauerermittlung eingerichtet sein oder hierzu für ein Auslesen der gespeicherten Temperaturzyklen z.B. eine Schnittstelle aufweisen, z.B. eine Diagnoseschnittstelle.
Die Vorrichtung, insbesondere in Form einer wie vorstehend bezeichneten Kontrolleinrichtung, kann eine erste Funktionseinheit zur Ermittlung einer Temperatur am Leistungshalbleiter aufweisen, weiterhin eine zweite Funktionseinheit, welche mittels des Filteralgorithmus in dem Temperaturverlauf fortlaufend Temperaturextrema ermittelt. Eine dritte Funktionseinheit der Vorrichtung kann dazu vorgesehen sein, mittels des Rainflow-Algorithmus basierend auf den ermittelten Temperaturextrema fortlaufend die Temperaturzyklen zu ermitteln und zu parametrieren, eine vierte Funktionseinheit kann zur nachfolgenden klassierten Datenspeicherung eingerichtet sein. Eine jeweilige Funktionseinheit kann hierbei einen Speicher, eine Recheneinheit oder z.B. eine Datenschnittstelle zur Datenübergabe an eine nachfolgende Einheit aufweisen oder nutzen.
Vorgeschlagen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, welches Programmcode beinhaltet, welcher zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 exemplarisch und schematisch ein Schaubild, welches eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht.
2 exemplarisch und schematisch ein Strukturschaubild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 exemplarisch und schematisch eine Abbildung zur Veranschaulichung der Funktion des Dreipunkt-Filteralgorithmus.
4 exemplarisch und schematisch ein Blockschaltbild, welches den Rainflow-Algorithmus gemäß der vorliegenden Erfindung näher veranschaulicht.
5 exemplarisch und schematisch eine Darstellung zur Veranschaulichung der kumulativen Zeitdifferenzspeicherung.
6 exemplarisch und schematisch ein Schaubild zur Erläuterung des Abbaus eines Arbeitsspeicherüberlaufs.
7 exemplarisch und schematisch ein Diagramm, welches die klassierte Datenspeicherung mit einer Häufigkeitsverteilung veranschaulicht.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
1 zeigt exemplarisch und schematisch einen Umrichter, insbesondere einen Wechselrichter 1, wobei der Wechselrichter 1 Bestandteil eines hybridisierten Antriebssystems 2 eines zum Beispiel Traktionsantriebs eines Kraftfahrzeugs ist. Das hybridisierte Antriebssystem 2 umfasst eine Kontrolleinheit 3, zum Beispiel eine übergeordnete Steuerung, basierend auf deren detektierter Eingaben, insbesondere Fahrerwunsch, und der hinterlegten Hybridstrategie ein Verbrennungsmotor (VM) und/oder eine Elektromaschine (EM) über den mit der Elektromaschine verbundenen Wechselrichter 1 ansteuerbar ist.
Der Wechselrichter 1 umfasst eine Leistungsendstufe 4, welche mittels Leistungshalbleitern 5, zum Beispiel einer Mehrzahl von IGBTs 5a und Freilaufdioden 5b, gebildet ist, welche zum Beispiel zu einem Leistungshalbleiter- bzw. IGBT-Modul 6 zusammengeführt sind. Die Leistungshalbleiter 5 werden über ein Treiberboard 7 des Wechselrichters 1 angesteuert, welches an einem Steuerboard 8 des Wechselrichters 1 angeordnet ist. Über das Steuerboard 8 bzw. eine daran angeordnete Kontrolleinheit 9 des Wechselrichters 1, insbesondere eine CPU bzw. ein Mikrocontroller, werden Sensorsignale ausgewertet und für eine feldorientierte Regelung (FOR) der Elektromaschine EM bereitgestellt.
Der Wechselrichter 1 weist weiterhin eine Vorrichtung 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf, mittels welchem Temperaturzyklen wenigstens eines der Leistungshalbleiter 5a, 5b, 6 des Wechselrichters 1 klassiert aufgezeichnet werden, mithin daraus eine Lebensdauer vorteilhaft exakt ermittelbar ist. Dabei kann die Vorrichtung 10 insbesondere auch derart ausgestaltet sein, die Temperaturzyklen mehrerer oder sämtlicher Leistungshalbleiter 5a, 5b, 6 aufzeichnen zu können, zum Beispiel zu einer mehrfachen, insbesondere parallel ablaufenden, Ausführung des Verfahrens ausgestaltet sein.
Die insbesondere computerisiert gebildete Vorrichtung 10 kann in der Kontrolleinheit 9 des Wechselrichters 1 bereitgestellt sein, alternativ zum Beispiel in einem separaten Microcontroller auf dem Steuerboard 8 oder Treiberboard 7 oder zum Beispiel auch an einem Gehäuse des Leistungshalbleitermodules 6. Vorteile können sich hierbei zum Beispiel im Hinblick auf eine modulinterne, energieautarke und kabellose Implementierung ergeben.
Nunmehr auch auf 2 bezugnehmend wird das erfindungsgemäße Verfahren, welches mit der Vorrichtung 10 ausführbar ist, näher erläutert. In einem ersten Verfahrensschritt 11, welcher insbesondere mit einer ersten Funktionseinheit 12 der Vorrichtung 10 ausführbar ist, wird fortlaufend eine aktuelle Temperatur T(t) an dem Leistungshalbleiter 5a, 5b, 6 des Wechselrichters 1 ermittelt, dessen Temperaturzyklen aufgezeichnet werden sollen, das heißt ein – transienter – Temperaturverlauf. Im Rahmen der Temperaturermittlung kann z.B. eine Sperrschicht- und/oder eine Gehäusetemperatur ermittelt werden.
Die Temperaturbestimmung kann modellbasiert sein, zum Beispiel via eine erste Funktionseinheit 12 mit einer virtuellen Sensorik, siehe 1, ggf. auch unter Verwendung von Temperaturinformation vorhandener Temperatursensoren des Wechselrichters 1, z.B. von Sensoren, welche für die feldorientierte Regelung bereitgestellt sind, s. 1, Bezugszeichen 13. Weiterhin können zur Temperaturbestimmung temperatursensitive Parameter der Leistungshalbleiter 5, 6 herangezogen werden. Vorteile können sich bei letzterem im Hinblick auf die eindeutige Zusammengehörigkeit von Halbleiter 5, 6 und erfasstem Temperaturverlauf ergeben.
In einem zweiten Schritt 14 des erfindungsgemäßen Verfahrens, welcher insbesondere mit einer dazu bereitgestellten zweiten Funktionseinheit 15 der Vorrichtung 10 durchgeführt wird, werden nachfolgend nunmehr fortlaufend Temperaturextrema in dem im ersten Schritt 11 ermittelten Temperaturverlauf mittels eines Filteralgorithmus ermittelt, i.e. durch Filterung des Temperaturverlaufs. Hierzu wird der jeweils aktuelle ermittelte Temperaturwert T(t) aus dem ersten Schritt 11 in bevorzugt definierten Zeitabständen von zum Beispiel 0,01 s an den Filteralgorithmus übergeben, Bezugszeichen 16.
Der Filteralgorithmus ist im Rahmen der Erfindung insbesondere ein – modifizierter – Dreipunkt-Filteralgorithmus. Der Dreipunkt-Filteralgorithmus überwacht den erfassten Temperaturverlauf fortlaufend auf das Auftreten von Wendepunkten, d.h. im Rahmen der Ermittlung von Temperaturextrema, i.e. Maxima und Minima. Dessen Funktion wird nachfolgend anhand von 3 näher veranschaulicht.
Im Rahmen der Suche bzw. Ermittlung eines Temperaturmaximums wird zunächst der aktuelle Temperaturwert T(t) mit einer Variablen TS verglichen. Wird im Rahmen des Vergleichs erkannt, dass der aktuelle Temperaturwert T(t) größer ist als TS gilt TS = T(t) und der Zeitwert des Temperaturwertes wird in der Variablen tS = t gespeichert. Beide Variablen TS, tS entsprechen damit so lange dem aktuellen Temperaturwert, bis dieser sich wieder verkleinert. Jeder nachfolgende Temperaturwert wird überprüft oder er kleiner als TS-TF ist, wobei TF eine einstellbare Filtertemperatur bezeichnet. Ist vorstehende Bedingung erfüllt, stellen die in TS und tS gespeicherten Werte tatsächlich ein Temperaturmaximum dar. Wird die Bedingung nicht erfüllt, gleichbedeutend damit, dass der Temperaturverlauf vor dem Erreichen der erforderlichen Temperaturdifferenz wieder zu steigen beginnt, folgen die Variablen TS und tS dem Temperaturwert T(t). Das heißt:
Suche Maximum:

Falls T(t) > TS → TS = T(t); tS = t;
Falls T(t) < TS-TF → (TS, tS) war Maximum

Nach einem gefundenen Temperaturmaximum sucht der Filteralgorithmus auf komplementäre Weise ein Minimum. Die einstellbare Filtertemperatur ermöglicht im Rahmen der Erfindung hierbei vorteilhaft die Ausfilterung von Wendepunkten mit vernachlässigbarem Einfluss auf die Lebensdauerberechnung, welche z.B. empirisch ermittelt werden.
In einem dritten Schritt 17 des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nunmehr, s. wieder 2, insbesondere implementiert in einer dritten Funktionseinheit 18 der Vorrichtung, Temperaturzyklen mittels eines Rainflow-Algorithmus ermittelt und parametriert, d.h. basierend auf ermittelten Temperaturextrema, die hierzu an die dritte Funktionseinheit 18 übergeben werden, Bezugszeichen 19. Der Rainflow-Algorithmus ist insbesondere als Online-Rainflow-Algorithmus ausgestaltet und berechnet bzw. ermittelt fortlaufend – geschlossene – Temperaturzyklen aus den identifizierten Temperaturextrema, welche hierzu je mit einem zugehörigen bzw. deren Temperaturwert T_J,Ext und einer zugehörigen bzw. deren Zeitdifferenz Δt_Ext zum vorherigen Extremum an den Online-Rainflow-Algorithmus übergeben werden. Die ermittelten Temperaturzyklen parametriert der Rainflow-Algorithmus im Rahmen der vorliegenden Erfindung weiterhin mit deren Amplitude ΔT_J, deren Absoluttemperatur, insbesondere deren Minimaltemperatur T_J,Min, und deren Aufheizzeit t_on.
4 veranschaulicht die Funktion des erfindungsgemäßen Rainflow-Algorithmus näher, insbesondere im Zusammenwirken mit einem Arbeitsspeicher 20 für die Extrematemperaturen T_J,Ext und einem korrespondierenden Arbeitsspeicher 21 für die Zeitdifferenzen Δt_Ext.
Mit dem Auftreten eines neuen Extremums wird der Inhalt beider Arbeitsspeicher 20, 21, i.e. für die Extrematemperaturen T_J,Ext als auch für die Zeitdifferenzen der Extrema Δt_Ext, um eine Position verschoben, d.h. nach links in 4, und der Temperaturwert T_J,Ext des neuen Extremums wird an die Position E3, die Zeitdifferenz Δt_Ext des neuen Extremums an die Position t_E3 geschrieben. Falls mehr als zwei Extrema im Arbeitsspeicher 20, 21 enthalten sind, führt das Auftreten jedes neuen Extremums zur Überprüfung der Zyklus- bzw. Temperaturzyklusbedingung. Ein voller bzw. geschlossener Temperaturzyklus wird hiernach erkannt, wenn der Betrag der Differenz der Extrema E2 und E3 größer bzw. gleich dem Betrag der Differenz des Extremums E1 und des Extremums E2 ist (│E2 – E3 │≥ │E2 – E1│). Die Amplitude ΔT_J des Temperaturzyklus für dessen Parametrisierung wird ferner aus dem Betrag der Differenz von E1 und E2 ermittelt.
Beide Werte E1, E2 und t_E1, t_E2 werden nun vom Vektor bzw. Arbeitsspeicher 20, 21 gelöscht, so dass gespeicherte Extrema an die Positionen E1 und E2 nachrücken, d.h. um zwei Positionen nach rechts in 4. Die Zyklenbedingung wird erneut geprüft, insoweit als ein neues Extremum gleichzeitig mehrere Zyklen schließen kann. Kann die Zyklenbedingung nicht erfüllt werden, wird die Rainflow-Funktion verlassen.
Durch die im Rahmen der Erfindung vorgesehene Übergabe von Zeitdifferenzen Δt_Ext an den Online-Rainflow-Algorithmus wird insoweit vorteilhaft die Möglichkeit geschaffen, für eine fortlaufende Analyse zeitlich unbegrenzter Lastprofile des Leistungshalbleiters nur eine vorteilhaft geringe Speicherzellentiefe, insbesondere von lediglich 8 Bit, bereitstellen zu müssen.
Anhand 5 wird die Speicherung von Zeitdifferenzen in Form einer Kumulativen-Zeitdifferenzspeicherung des Online-Rainflow näher veranschaulicht.
Die Zeitdifferenz Δt_Ext eines neuen Extremums wird auf alle sich im Arbeitsspeicher 21 befindlichen Zeitwerte addiert. Für den Fall, dass die Addition zu einem Zeitwert > 255 führen würde, wird der Zeitwert auf 255 gesetzt. Hiermit kann die maximale Aufheizzeit eines Temperaturzyklus 255 Sekunden betragen. In Anbetracht der zum Beispiel im CIPS-Lebensdauermodell als maximal spezifizierten Aufheizzeit von 15 Sekunden ist dies unproblematisch.
Aus 4 in Zusammenschau mit 5 ist weiterhin ersichtlich, dass im Rahmen der Berechnung der Zyklusparameter für die Parametrisierung der Temperaturzyklen die Aufheizzeit t_on gemäß (tE2 – tE1) ermittelbar ist, die absolute Temperatur bzw. Minimaltemperatur T_J,Min als E1 oder E2 und die Amplitude zu ΔT_J = │E1 – E2│.
Insoweit als der Verlauf grundfrequenter Temperaturzyklen zu einem Aufbau einer Anzahl von Werten im Arbeitsspeicher 20, 21 führt, enthält der Online-Rainflow-Algorithmus im Rahmen der Erfindung bevorzugt weiterhin eine Überlaufroutine. Mittels der Überlaufroutine, deren Funktionalität in 6 näher veranschaulicht ist, wird eine künstliche Leerung des Arbeitsspeichers 20, 21 bewirkt, sobald dessen Inhalt eine vorbestimmte Anzahl von Extrema NE_max, z.B. NE_max = 8, überschreitet. Die Leerung des Arbeitsspeichers 20, 21 wird bewirkt durch das Einfügen des kleinsten Temperaturwertes der abzubauenden Zwischensequenz an die E3-Position. Somit wird die Rainflow-Zyklen-Bedingung wiederholte Male erfüllt, mithin der Arbeitsspeicher 20, 21 geleert.
Bevorzugt werden die parametrierten Temperaturzyklen in einem vierten Schritt 22 des Verfahrens, s. auch 2, welcher insbesondere von einer vierten Funktionseinheit 23 der Vorrichtung 10 ausführbar ist, klassiert gespeichert. Hierbei wird jeder Temperaturzyklus parametriert an die vierte Funktionseinheit 23 übergeben, Bezugszeichen 24, und in Abhängigkeit seiner Parameter ΔT_J, T_J,Min zunächst einer bestimmten Temperaturklasse zugeordnet. Jede Temperaturklasse speichert hierbei die Anzahl N von Temperaturzyklen mit gleicher Amplitude ΔT_J und Minimaltemperatur T_J,Min.
Zur Berücksichtigung des Parameters Aufheizzeit t_on der Temperaturzyklen ist jeder Temperaturklasse im Rahmen der Erfindung weiterhin bevorzugt eine Häufigkeitsverteilung der Aufheizzeit hinterlegt. 7 zeigt exemplarisch eine derartige klassierte Datenspeicherung unter Berücksichtigung der Häufigkeitsverteilung der Temperaturklassen und einer exemplarischen Zeitklasse.
In einem nachfolgenden Schritt 25, s. 2, kann nunmehr basierend auf den derart gespeicherten Temperaturzyklen eine Lebensdauer berechnet werden, d.h. eine verbrauchte Lebensdauer des Leistungshalbleiters 5, 6, alternativ z.B. eine Restlebensdauer. Hierzu kann vorgesehen sein, eine oder mehrere hinterlegte Lebensdauerkurven oder – modelle mit den klassiert gespeicherten Temperaturzyklen zu vergleichen, d.h. in einer weiteren Funktionseinheit 26. Für ein Auslesen der klassiert gespeicherten Temperaturzyklen für eine Lebensdauerermittlung kann die Vorrichtung 10 eine Schnittstelle aufweisen 27, z.B. eine Diagnoseschnittstelle. Die Lebensdauerermittlung kann dann z.B. in Bezug auf die Vorrichtung 10 extern erfolgen, z.B. mittels einer Funktionseinheit 26 in Form eines leistungsfähigen Computers oder Mikrocontrollers.

Nachfolgende Tabelle 1 veranschaulicht vorgeschlagene Speicherkonzepte für Temperaturzyklen der Sperrschicht- und Gehäusetemperatur. Zur Speicherung von Sperrschicht- und Gehäusetemperaturzyklen mit einer Speichergenauigkeit von > 99% ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Speicherkapazität von lediglich ca. 8 Kilobyte erforderlich.

	Bereich	Auflösung	Max. Amplitudenzahl
Temperaturamplitude ∆TJ	0...200°C	5°C	3 Byte (17e6)
Absoluttemperatur TJ,Min	–50...50°C	20°C	3 Byte (17e6)
Aufheizzeit ton	1...4s	2s (+15s)	2 Byte (66e3)
Speicherkapazität	7600 Byte ≈ 7,4 kByte
Speichergenauigkeit	> 99 %

	Bereich	Auflösung	Max. Amplitudenzahl
Temperaturamplitude ∆TJ	0...50°C	5°C	3 Byte (17e6)
Absoluttemperatur TJ,Min	–50...00°C	20°C	3 Byte (17e6)
Aufheizzeit ton	1...4s	2s (+15s)	2 Byte (66e3)
Speicherkapazität	675 Byte
Speichergenauigkeit	> 99 %

Tabelle 1: Speicherkonzepte für Sperrschicht- und Gehäusetemperaturzyklen

Mit dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren – entsprechend einem Temperaturzyklen-Rekorder-Verfahren – kann eine Temperaturzyklenspeicherung und eine Lebensdauerberechnung mit deutlich verringertem Aufwand erfolgen. Das Verfahren kann vorteilhaft mit Kontrolleinrichtungen, insbesondere Mikrocontrollern, durchgeführt werden, welche über nur geringe Systemressourcen verfügen. Insbesondere soll mit dem Verfahren die Zyklenverteilung ausgelesen werden, anschließend soll eine Identifikation der erfahrenden Modellbelastungen durchgeführt werden. Außerdem soll eine Validierung und Optimierung des Lastprofils der Lebensdauerprojektierung zum Aufbau einer Erfahrungsbasis durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Umrichter
2: Antriebssystem
3: Kontrolleinheit
4: Leistungsendstufe
5: Leistungshalbleiter
5a: IGBT
5b: Diode
6: Leistungshalbleitermodul
7: Treiberstufe
8: Steuerboard
9: Kontrolleinheit
10: Vorrichtung
11: erster Schritt
12: erste Funktionseinheit
13: Übergabe
14: zweiter Schritt
15: zweite Funktionseinheit
16: Übergabe
17: dritter Schritt
18: dritte Funktionseinheit
19: Übergabe
20: Arbeitsspeicher
21: Arbeitsspeicher
22: vierter Schritt
23: vierte Funktionseinheit
24: Übergabe
25: fünfter Schritt
26: Funktionseinheit
27: Schnittstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010021171 A1 [0003]
DE 102011087764 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Aufzeichnung von Temperaturzyklen eines Leistungshalbleiters (5, 6), wobei in einem ersten Schritt (11) fortlaufend eine aktuelle Temperatur am Leistungshalbleiter (5, 6) ermittelt wird, wobei in einem Temperaturverlauf, welcher der fortlaufend ermittelten Temperatur entspricht, in einem zweiten Schritt (14) fortlaufend Temperaturextrema mittels eines Filteralgorithmus ermittelt werden, wobei in einem dritten Schritt (17) mittels eines Rainflow-Algorithmus basierend auf den ermittelten Temperaturextrema fortlaufend Temperaturzyklen ermittelt und parametriert werden, wobei die parametrierten Temperaturzyklen in einem vierten Schritt (22) klassiert gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturextrema im zweiten Schritt (14) mittels eines Dreipunkt-Filteralgorithmus ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Filteralgorithmus eine Filtertemperatur (TF) einstellbar ist und/oder eine Ausfilterung von Temperaturextrema geringen Einflusses auf die Lebensdauer des Lesitungshalbleiters (5, 6) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels des Filteralgorithmus im zweiten Schritt (14) ermittelten Temperaturextrema mit einem zugehörigen Temperaturwert (T_J,Ext) und einer Zeitdifferenz (Δt_Ext) zum vorhergehenden Temperaturextremum an den Rainflow-Algorithmus für die Ermittlung von Temperaturzyklen im dritten Schritt (17) übergeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rainflow-Algorithmus die im dritten Schritt (17) ermittelten Temperaturzyklen mit einer zugehörigen Amplitude (ΔT_J) und/oder einer zugehörigen Absoluttemperatur (T_J,Min) und/oder einer zugehörigen Aufheizzeit (t_on) parametriert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rainflow-Algorithmus geschlossene Temperaturzyklen ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die klassierten Temperaturzyklen im vierten Schritt (22) unter Berücksichtigung der Aufheizzeiten (t_on) häufigkeitsverteilt abgespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem fünften Schritt (25) eine Lebensdauer des Leistungshalbleiters (5, 6) basierend auf den gespeicherten Temperaturzyklen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Verfahrensschritte 1 bis 4 oder auch der fünfte Schritt (25) mit einer Kontrolleinrichtung (9) eines Umrichters (1) oder Wechselrichters (1) ausgeführt werden.
Vorrichtung (10) zur Aufzeichnung von Temperaturzyklen eines Leistungshalbleiters (5, 6), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine erste Funktionseinheit (12) zur Ermittlung einer Temperatur am Leistungshalbleiter (5, 6) aufweist, wobei die Vorrichtung (10) weiterhin eine zweite Funktionseinheit (15) aufweist, welche mittels des Filteralgorithmus in dem Temperaturverlauf fortlaufend Temperaturextrema ermittelt, wobei die Vorrichtung (10) eine dritte Funktionseinheit (18) aufweist, welche mittels des Rainflow-Algorithmus basierend auf den ermittelten Temperaturextrema fortlaufend Temperaturzyklen ermittelt und parametriert und wobei die Vorrichtung (10) eine vierte Funktionseinheit (23) aufweist, welche die parametrierten Temperaturzyklen klassiert abspeichert.
Computerprogrammprodukt, welches ein computerlesbares Medium mit Programmanweisungen umfasst, die durch einen Computer ausführbar sind und die vorgesehen sind zur Ermittlung der Aufzeichnung der Temperaturzyklen eines Leistungshalbleiters gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.