DE102015225909A1

DE102015225909A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung und leistungelektronisches System

Info

Publication number: DE102015225909A1
Application number: DE102015225909.9A
Authority: DE
Inventors: Marco Denk; Mark-Matthias Bakran
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2017-06-22
Also published as: US11480605B2; JP2019502913A; JP6899828B2; CN108450018B; US20220034958A1; WO2017102262A1; CN108450018A

Abstract

Ein Verfahren zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement (104) umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung (102) umfasst einen Schritt des Bereitstellens eines Anregungssignals (110), das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement (104) einen Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms (112) durch das Halbleiterbauelement (104) zu bewirken, einen Schritt des Einlesens eines Temperatursignals (114), das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Halbleiterbauelements (104) abbildet, und einen Schritt des Bestimmens eines die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung (102) repräsentierenden Alterungswerts (118) unter Verwendung des Temperatursignals (114).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung sowie auf ein leistungselektronisches System.
Leistungshalbleitermodule, insbesondere IGBT-Leistungshalbleitermodule (IGBT = insulated-gate bipolar transistor) sind die Schlüsselkomponente aktueller Entwicklungstrends, wie etwa der elektrischen oder hybridelektrischen Antriebstechnik oder bei der Gewinnung von Energie aus regenerativen Quellen, beispielsweise aus Windenergie. Aufgrund betriebsbedingter und äußerer Einflüsse unterliegen diese Leistungsmodule einem stetigen Alterungsprozess, welcher über einen längeren Zeitraum zum alterungsbedingten Ausfall des Leistungsmoduls führen kann. Um eine gewisse Ziellebensdauer zu gewährleisten, enthält der hierzu verwendete Berechnungsansatz Sicherheitsaufschläge „Robustness Margin“, welche zur Überdimensionierung des Leistungsmoduls führen können. Immer höhere Leistungsdichten fordern den Betrieb eines Leistungsmoduls nahe dessen Belastungsgrenze und die Reduktion der Sicherheitszuschläge. Die Gewährleistung einer bestimmten Ziellebensdauer ist damit schwierig.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung sowie ein verbessertes leistungselektronisches System gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung kann vorteilhaft über eine halbsinusförmige Anregung des Halbleiterbauelements analysiert werden.
Ein entsprechendes Verfahren zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines Anregungssignals, das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement einen Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms durch das Halbleiterbauelement zu bewirken;
Einlesen eines Temperatursignals, das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Halbleiterbauelements abbildet; und
Bestimmen eines die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung repräsentierenden Alterungswerts unter Verwendung des Temperatursignals.
Unter einer leistungselektronischen Vorrichtung kann eine Schaltung verstanden werden, die zumindest ein Halbleiterbauelement, beispielsweise in Form eines Transistors oder einer Diode umfasst. Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich um ein Leistungshalbleiterbauelement handeln, wie es in der Leistungselektronik verwendet wird. Die Alterung kann eine elektrische oder thermische Kontaktierung innerhalb der leistungselektronischen Vorrichtung betreffen. Durch die Alterung kann beispielsweise ein elektrischer oder thermischer Widerstand einer solchen Kontaktierung steigen. Durch den Alterungswert kann beispielsweise ein Maß der Alterung oder ein Zustand einer solchen Kontaktierung entsprechend einer vordefinierten Skala angezeigt werden. Unter dem Anregungssignal kann ein elektrisches Signal verstanden werden, durch den das Halbleiterbauelement direkt, oder zumindest ein weiteres Bauelement der leistungselektronischen Vorrichtung so angesteuert werden kann, das das Halbleiterbauelement von dem halbsinusförmigen Anregungsstrom durchflossen wird. Alternativ kann das Anregungssignal auch den Anregungsstrom darstellen. Unter zumindest näherungsweise halbsinusförmig kann ein Verlauf des Anregungsstroms verstanden werden, der als Halbschwingung angesehen werden kann. Damit der Anregungsstrom durch das Halbleiterbauelement fließen kann, kann das Halbleiterbauelement in Durchlassrichtung betrieben werden. Der Anregungsstrom kann eine in der Leistungselektronik übliche Größe, beispielsweise einen Maximalwert von über 50 A aufweisen. Eine Frequenz des Anregungsstroms kann beispielsweise zwischen 0,5 Hz und 2 Hz liegen. Die Frequenz kann einer Tiefpassfrequenz eines Substrats, insbesondere eines Keramiksubstrats, auf das das Halbleiterbauelement aufgelötet ist, entsprechen oder angenähert sein.
Durch den Anregungsstrom kann dem Halbleiterbauelement eine zumindest annähernd halbsinusförmige Verlustleistung zugeführt werden, die zu einer Veränderung der Temperatur des Halbleiterbauelements führt. Durch den halbsinusförmigen Anregungsstrom kann eine Schwingung in dem Verlauf der Temperatur bewirkt werden. Unter der Temperatur kann eine Temperatur im Inneren des Halbleiterbauelements, beispielsweise eine Sperrschichttemperatur, auch als Junction Temperature bezeichnet, verstanden werden. Das Temperatursignal kann unter Durchführung eines geeigneten Messverfahrens bestimmt werden. Die Temperatur kann dabei erfasst werden, während das Halbleiterbauelement von dem Anregungsstrom durchflossen wird.
Der beschriebene Ansatz ermöglicht eine Identifikation und eine Überwachung des Alterungszustandes eines beispielsweise in einen Wechselrichter verbauten Leistungsmoduls. Durch eine Auswertung des Alterungswertes kann vorteilhafterweise ein alterungsbedingter, spontaner Modulausfall vermieden werden. Dadurch können Kosten eingespart und die Betriebssicherheit erhöht werden. Gemäß einer Ausführungsform wird eine serientaugliche Lösung zur Bestimmung des Alterungszustandes von Leistungsmodul und Kühlsystem innerhalb eines leistungselektronischen Systems („Onboard“) ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens der Alterungswert unter Verwendung einer Amplitude des Temperatursignals bestimmt werden. Die Amplitude einer Schwingung des Temperatursignals kann einfach erfasst werden und steht vorteilhafterweise im Zusammenhang mit einer Alterung an dem Halbleiterelement. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Bestimmens der Alterungswert unter Verwendung eines Minimalwertes des Temperatursignals bestimmt werden. Der Minimalwert des Temperatursignals kann ebenfalls einfach erfasst werden und steht vorteilhafterweise im Zusammenhang mit einer Alterung an einer Wärmesenke des Halbleiterelements.
Beispielsweise kann im Schritt des Bestimmens der Alterungswert durch einen Vergleich zwischen der Amplitude und einer Referenzamplitude bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Alterungswert durch einen Vergleich zwischen dem Minimalwert und einem Referenzminimalwert bestimmt werden. Die Referenzamplitude und der Referenzminimalwert können Referenzwerte darstellen, die einem vorbestimmten Alterungszustand zugeordnet sind. Es können auch mehrere Referenzamplituden und mehrere Referenzminimalwerte als Vergleichswerte vorgesehen sein, um das Maß der Alterung sehr genau bestimmen zu können.
Dabei kann im Schritt des Bestimmens ein eine Alterung an dem Halbleiterbauelement anzeigender erster Alterungswert bestimmt werden, wenn die Amplitude größer als die Referenzamplitude ist. Zusätzlich oder alternativ kann ein eine Alterung einer Kühleinrichtung der leistungselektronischen Vorrichtung anzeigender zweiter Alterungswert bestimmt werden, wenn der Minimalwert größer als der Referenzminimalwert ist. Auf diese Weise kann eine das Halbleiterbauelement und eine die Kühleinrichtung betreffende Alterung separat bestimmt und angezeigt werden.
Auch kann im Schritt des Bestimmens der Alterungswert durch einen Vergleich zwischen einem thermischen Widerstand und einem thermischen Referenzwiderstand bestimmt werden. Dabei kann der thermische Widerstand unter Verwendung der Amplitude, des Minimalwertes und der in das Halbleiterbauelement eingetragenen Verlustleistung bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Alterung direkt aus einem Wert eines thermischen Widerstands innerhalb der leistungselektronischen Vorrichtung bestimmt werden.
Im Schritt des Bestimmens kann der Alterungswert unter Verwendung einer mittleren Amplitude und zusätzlich oder alternativ unter Verwendung eines mittleren Minimalwertes des Temperatursignals bestimmt werden. Die Mittelung kann über eine Mehrzahl von Halbwellen erfolgen. Dadurch ergibt sich eine große Zeitkonstante, durch die die Genauigkeit der Bestimmung der Alterung erhöht werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens der Alterungswert bestimmt werden, wenn das Temperatursignal einen eingeschwungenen Zustand aufweist. Der eingeschwungene Zustand stellt einen definierten Messzustand dar, sodass zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmte Alterungswerte untereinander vergleichbar sind.
Im Schritt des Einlesens kann das Temperatursignal über eine Schnittstelle zu einem in dem Halbleiterbauelement integrierten Widerstand eingelesen werden. Ein solcher Widerstand ermöglicht eine sehr genaue Erfassung der im Inneren des Halbleiterbaumelements herrschenden Temperatur. Vorteilhafterweise sind Halbleiterbaumelemente üblicherweise mit einem solchen Widerstand, beispielsweise in Form eines Gate-Widerstands, ausgestattet und es kann auf bekannte Verfahren zum Erfassen der Temperatur unter Verwendung eines solchen Widerstands zurückgegriffen werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei dem Halbleiterbaumelement um einen Transistor handeln. Im Schritt des Bereitstellens kann das Anregungssignal an einen Steuereingang des Transistors bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise kann der Anregungsstrom auf diese Weise direkt unter Verwendung des Halbleiterbauelements eingestellt werden.
Die leistungselektronische Vorrichtung kann zumindest ein weiteres Halbleiterbauelement umfassen. Im Schritt des Bereitstellens kann das Anregungssignal bereitgestellt werden, das ausgebildet sein kann, um zum Eintragen einer weiteren Verlustleistung in das weitere Halbleiterbauelement einen Durchfluss eines weiteren halbsinusförmigen Anregungsstroms durch das weitere Halbleiterbauelement zu bewirken. Im Schritt des Einlesens kann ein weiteres Temperatursignal eingelesen werden, das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des weiteren Halbleiterbauelements abbildet. Im Schritt des Bestimmens kann ein die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung repräsentierender weiterer Alterungswert unter Verwendung des weiteren Temperatursignals bestimmt werden. Auf diese Weise kann für jedes Halbleiterbauelement der leistungselektronischen Vorrichtung ein dem jeweiligen Halbleiterbauelement zugeordneter Alterungswert bestimmt werden. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele kann ein und dasselbe Anregungssignal an die Halbleiterbauelemente bereitgestellt werden oder das Anregungssignal kann eine Mehrzahl von Teilanregungssignalen umfassen, die an die Halbleiterbauelemente bereitgestellt werden. Die Teilanregungssignale können so aufeinander abgestimmt sein, dass jedes der Halbleiterbauelemente von einem halbsinusförmigen Anregungsstrom durchflossen wird. Dies bietet sich beispielsweise bei einer Brückenschaltung aus zumindest zwei Halbleiterbauelementen an. Die Anregungsströme der einzelnen Halbleiterbauelemente können dabei identisch oder unterschiedlich, beispielsweise phasenverschoben zueinander sein.
Eine Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung weist die folgenden Merkmale auf:
eine Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen eines Anregungssignals, das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement einen Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms durch das Halbleiterbauelement zu bewirken;
eine Einleseeinrichtung zum Einlesen eines Temperatursignals, das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Halbleiterbauelements abbildet; und
eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung repräsentierenden Alterungswerts unter Verwendung des Temperatursignals.
Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei der Bereitstellungseinrichtung um eine ohnehin erforderliche Treiberschaltung zum Betreiben des Halbleiterbauelements handeln. Ein Beispiel für eine solche Treiberschaltung ist ein Pulsweitenmodulations-Treiber eines Wechselrichters.
Die Vorrichtung kann Einrichtungen umfassen, die ausgebildet sind, um die Schritte einer Ausführungsform des genannten Verfahrens zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung umzusetzen. Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Ein entsprechendes leistungselektronisches System mit einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung weist eine genannte Vorrichtung zur Detektion einer Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung auf. Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung vorteilhaft als Ergänzung in ein bekanntes leistungselektronisches System integriert werden.
Ein Beispiel für solch ein leistungselektronisches System ist ein Wechselrichter. Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem halbsinusförmigen Anregungsstrom um eine naheliegende Systemanregung innerhalb eines Wechselrichters. Daher kann zur Bereitstellung des Anregungssignals auf ohnehin in einem Wechselrichter vorhandene Treiberschaltungen zurückgegriffen werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Halbleiterbauelement einen Bipolartransistor, insbesondere einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, darstellen. Der Anregungsstrom kann einen zwischen Emitter und Kollektor des Bipolartransistors fließenden Strom repräsentieren. Ferner kann das Halbleiterbauelement einen Feldeffekttransistor und der Anregungsstrom einen zwischen Drain und Source des Feldeffekttransistors fließenden Strom repräsentieren. Der beschriebene Ansatz ist dabei nicht auf Transistoren begrenzt sonder auch bei anderen Halbleiterbauelementen anwendbar. Beispielsweise kann das Halbleiterbauelement eine Diode und der Anregungsstrom einen zwischen Anode und Kathode der Diode fließenden Strom repräsentieren. Somit ist keine separate Stromquelle oder Heizquelle zur thermischen Anregung des Halbleiters erforderlich.
Gemäß einer Ausführungsform kann die leistungselektronische Vorrichtung einen Träger, ein Substrat zur thermischen Anbindung des Halbleiterbauelements an den Träger und einen Kühlkörper aufweisen. Dabei kann das Halbleiterbauelement über eine Lötverbindung mit dem Substrat verbunden und der Kühlkörper über eine thermisch leitfähige Schicht mit dem Träger verbunden sein. Der Alterungswert kann eine Alterung der Lötverbindung und zusätzlich oder alternativ eine Alterung der thermisch leitfähigen Schicht anzeigen. Unter einem Träger kann eine Grundplatte oder Bodenplatte verstanden werden. Das Substrat kann aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Keramik, bestehen. Auf diese Weise kann der beschriebene Ansatz im Zusammenhang mit einem typischen Aufbau eines leistungselektronischen Systems eingesetzt werden.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
1 eine schematische Darstellung eines leistungselektronischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahren zur Detektion einer Alterung einer leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung einer leistungselektronischen Vorrichtung mit einem Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung eines leistungselektronischen Systems mit einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine Darstellung eines halbsinusförmigen Anregungsstroms gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 eine schematische Darstellung einer Anregung eines leistungselektronischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 ein Temperatursignal einer nicht gealterten leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 ein Temperatursignal einer gealterten leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahren zur Detektion einer Alterung einer leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines leistungselektronischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das leistungselektronische System 100 umfasst eine leistungselektronische Vorrichtung 102 mit einem Halbleiterbauelement 104 und eine Vorrichtung 106 zur Detektion einer Alterung an der leistungselektronischen Vorrichtung 102.
Die Vorrichtung 106 ist ausgebildet, um ein Anregungssignal 110 über eine Schnittstelle an die leistungselektronische Vorrichtung 102 bereitzustellen, das geeignet ist, um eine halbsinusförmige Anregung des Halbleiterbauelements 104 zu bewirken. Insbesondere ist das Anregungssignal 110 geeignet, um einen Durchfluss eines halbsinusförmigen Anregungsstroms 112 durch das Halbleiterbauelement 104 und damit einen Eintrag einer halbsinusförmigen Verlustleistung in das Halbleiterbauelement zu bewirken.
Wenn es sich bei dem Halbleiterbauelement 104 um einen Transistor handelt, kann der Anregungsstrom 112 zwischen Emitteranschluss und Kollektoranschluss bzw. zwischen Drainanschluss und Sourceanschluss fließen. In diesem Fall kann das Anregungssignal 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel als ein Steuersignal aufgefasst werden, das an einen Steuereingang des Halbleiterbauelements 104 bereitgestellt wird.
Wenn es sich bei dem Halbleiterbauelement 104 um eine Diode handelt, kann der Anregungsstrom 112 zwischen Anodenanschluss und Kathodenanschluss des Halbleiterbauelements 104 fließen. In diesem Fall kann das Anregungssignal 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel dem Anregungsstrom 112 entsprechen, eine an dem Halbleiterbauelement 104 abfallende Anregungsspannung darstellen, durch die der Anregungsstrom 112 durch das Halbleiterbauelement 104 bewirkt wird, oder ein Steuersignal darstellen, dass ein Element der leistungselektronischen Vorrichtung 102 so ansteuert, dass das Halbleiterbauelement 104 von dem Anregungsstrom 112 durchflossen wird.
Dem Halbleiterbauelement 104 wird über den Anregungsstrom 112 eine Verlustleistung zugeführt. Der Anregungsstrom 112 führt somit zu einer Erwärmung des Halbleiterbauelements 104. Die in dem Halbleiterbauelement 104 entstehende Wärme wird durch eine Wärmeabstrahlung oder Wärmeableitung von dem Halbleiterbauelement 104 abgeleitet. Aufgrund des halbsinusförmigen Verlaufs des Anregungsstroms steigt und fällt die Temperatur im Inneren des Halbleiterbauelements 104 alternierend.
Die Vorrichtung 106 ist ausgebildet, um ein Temperatursignal 114 über eine Schnittstelle zu der leistungselektronischen Vorrichtung 102 einzulesen. Das Temperatursignal 114 bildet die im Inneren des Halbleiterbauelements 104 herrschende Temperatur ab. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Temperatursignal 114 unter Verwendung eines in dem Halbleiterbauelement 104 integrierten Temperaturmesswiderstands 116 erfasst.
Die Vorrichtung 106 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Temperatursignals 114 einen die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung 102 betreffenden Zustand der leistungselektronischen Vorrichtung 102 zu bestimmen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 100 ausgebildet, um einen Alterungswert 118 bereitzustellen, der anzeigt, ob eine Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung 102 vorliegt oder nicht.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 106 eine Bereitstellungseinrichtung 120, eine Einleseeinrichtung 122 und eine Bestimmungseinrichtung 124 auf.
Die Bereitstellungsseinsrichtung 120 ist ausgebildet, um das Anregungssignal 110 bereitzustellen. Gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen kann die Bereitstellungsseinsrichtung 120 beispielsweise als eine Treibereinrichtung zum Ansteuern des Halbleiterbauelements 104 oder eines weiteren Schaltungselements, als eine Energiequelle zum Bereitstellen des Anregungsstroms 112 oder auch nur als eine Leitung zum Führen des Anregungsstroms 112 ausgeführt sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Bereitstellungsseinsrichtung 120 um eine Einrichtung, die ohnehin zum Betrieb der leistungselektronischen Vorrichtung 102 erforderlich ist und die Bereitstellung des Anregungsstroms als Zusatzfunktion oder im Rahmen eines Normalbetriebs ausführt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bereitstellungseinrichtung 120 ausgebildet, um das Anregungssignal 110 während eines Normalbetriebs der leistungselektronischen Vorrichtung 102 und insbesondere während eines Normalbetriebs des Halbleiterbauelements 104 bereitzustellen. Somit handelt es sich gemäß einem Ausführungsbeispiel bei dem Anregungsstrom 112 um einen Strom, von dem das Halbleiterbauelement 104 während des Normalbetriebs durchflossen wird. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel wird das Anregungssignal 110 bereitgestellt, während sich das Halbleiterbauelement 104 in einem Testmodus außerhalb des Normalbetriebs befindet.
Die Einleseeinrichtung 122 ist ausgebildet, um das Temperatursignal 114 einzulesen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Einleseeinrichtung 122 ferner eine Erfassungseinrichtung, die ausgebildet ist, um das Temperatursignal 114 zu erfassen.
Die Bestimmungseinrichtung 124 ist ausgebildet, um den Alterungswert 118 unter Durchführung einer geeigneten Bestimmungsvorschrift aus dem Temperatursignal 114 zu bestimmen oder aus Werten zu bestimmen, die aus dem Temperatursignal 114 ermittelt sind. Dazu weist die Bestimmungseinrichtung 124 beispielsweise eine Vergleichseinrichtung oder eine Nachschlagtabelle auf.
Zumindest eine der Einrichtungen 120, 122, 124 der Vorrichtung 106 kann in der leistungselektronischen Vorrichtung 102 integriert sein. Insbesondere kann zumindest eine der Einrichtungen 120, 122, 124 zumindest teilweise durch eine ohnehin zum Betrieb der leistungselektronischen Vorrichtung 102 erforderliche Einrichtung realisiert sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bestimmungseinrichtung 124 ausgebildet, um eine Amplitude des Temperatursignals 114 auszuwerten, um den Alterungswert 118 zu bestimmen. Um den Alterungswert 118 sehr genau bestimmen zu können, ist die Bestimmungseinrichtung 124 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den Alterungswert 118 basierend auf zumindest einer Amplitude des sich in einem eingeschwungenen Zustand befindlichen Temperatursignals 114 zu bestimmen. Um die Genauigkeit des Alterungswerts 118 zu steigern, ist die Bestimmungseinrichtung 124 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den Alterungswert 118 basierend auf einer mittleren Amplitude des Temperatursignals 114 zu bestimmen. Ein auf diese Weise bestimmter Alterungswert 118 ist beispielsweise geeignet, um eine Alterung im Bereich einer Lötverbindung des Halbleiterbauelements 104 anzuzeigen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bestimmungseinrichtung 124 zusätzlich oder alternativ ausgebildet, um einen Minimalwert des Temperatursignals 114 auszuwerten, um den Alterungswert 118 zu bestimmen. Um den Alterungswert 118 sehr genau bestimmen zu können, ist die Bestimmungseinrichtung 124 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den Alterungswert 118 basierend auf dem Minimalwert des sich im eingeschwungenen Zustand befindlichen Temperatursignals 114 zu bestimmen. Um die Genauigkeit des Alterungswerts 118 zu steigern, ist die Bestimmungseinrichtung 124 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den Alterungswert 118 basierend auf einem mittleren Minimalwert des Temperatursignals 114 zu bestimmen. Ein auf diese Weise bestimmte Alterungswert 118 ist beispielsweise geeignet, um eine Alterung im Bereich einer Kühleinrichtung des Halbleiterbauelements 104 anzuzeigen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bestimmungseinrichtung 124 ausgebildet, um zwei Alterungswerte bereitzustellen, wobei einer der Alterungswerte unter Verwendung der Amplitude bereitgestellt wird und der andere Alterungswert unter Verwendung des Minimalwertes des Temperatursignals 114.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Das Verfahren umfasst einen Schritt 220, in dem ein Anregungssignal bereitgestellt ist, über das der Eintrag einer einen zumindest annähernd halbsinusförmigen Verlauf aufweisenden Verlustleistung in das Halbleiterbauelement bewirkt wird. Insbesondere wird über das Anregungssignal ein Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms durch das Halbleiterbauelement bewirkt. In einem Schritt 224 wird ein Temperatursignal eingelesen. Das Temperatursignal bildet einen zeitlichen Verlauf der Temperatur, insbesondere der Temperatur im Inneren des Halbleiterbauelements ab. In einem Schritt 226 wird ein Alterungswert bestimmt, der die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung repräsentiert. Der Alterungswert wird unter Verwendung des Temperatursignals bestimmt.
Die Schritte 220, 222, 224 des Verfahrens können beispielsweise unter Verwendung von Einrichtungen der anhand von 1 beschriebenen Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer leistungselektronischen Vorrichtung umgesetzt werden oder unter Verwendung von Einrichtungen der anhand von 1 beschriebenen leistungselektronischen Vorrichtung umgesetzt werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer leistungselektronischen Vorrichtung 102 mit einem Halbleiterbauelement 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Dabei kann es sich um eine bekannte leistungselektronische Vorrichtung handeln, wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit einem Wechselrichter eingesetzt wird.
Das Halbleiterbauelement 104, beispielsweise in Form eines Chips, ist über eine Lötverbindung 330 mit einem Substrat 332 verbunden. Das Substrat 332 ist auf einem Träger, hier einer Bodenplatte 334, auch Grundplatte genannt, angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Substrat 332 als ein Keramiksubstrat ausgeführt und dient zur Isolation und zur thermischen Anbindung des Halbleiterbauelements 104 an die Bodenplatte 334. Auf einer dem Substrat 332 abgewandten Seite der Bodenplatte 334 ist ein Kühlkörper 336 über eine wärmeleitfähige Schicht 338, beispielsweise in Form einer Wärmeleitpaste, an der Bodenplatte 334 angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Kühlkörper 336 einen Kanal 340 zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Wärme, die in dem Halbleiterbauelement 104 durch den Eintrag einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement 104 entsteht, über die Lötverbindung 330, das Substrat 332, die Bodenplatte 334 und die wärmeleitfähige Schicht 338 zu dem Kühlkörper 336 geleitet, der als Wärmesenke dient.
Unter Verwendung des hier beschriebenen Ansatzes kann insbesondere eine Alterung im Bereich der Lötverbindung 330 sowie eine Alterung im Bereich der wärmeleitfähigen Schicht 338 erkannt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist benachbart zu dem Halbleiterbauelement 104 zumindest ein weiteres Halbleiterbauelement 104 angeordnet, das über ein weiteres Substrat mit der Bodenplatte 334 verbunden ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines leistungselektronischen Systems 100 mit einer eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen 104, 404, 405, 406, 407, 408 umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 sind beispielhaft in einer B6-Brückenschaltung verschaltet. Bei den Halbleiterbauelementen 104, 404, 405, 406, 407, 408 handelt es sich gemäß einem Ausführungsbeispiel um Elemente, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 als Transistoren einer als Wechselrichter ausgeführten leistungselektronischen Vorrichtung 102 ausgeführt. Die leistungselektronische Vorrichtung 102 weist zwei Eingangsanschlüsse 410 und drei Ausgangsanschlüsse 412 auf. Im Normalbetrieb der leistungselektronischen Vorrichtung 102 liegt zwischen den Eingangsanschlüssen 410 eine Gleichspannung an, aus der durch eine geeignete Ansteuerung der Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 eine dreiphasige Wechselspannung generiert und an den Ausgangsanschlüssen 412 bereitgestellt wird.
Um eine Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung 102 zu ermitteln, ist eine Bereitstellungseinrichtung 120 vorgesehen, die ausgebildet ist, um ein Anregungssignal 110, das gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Teilanregungssignalen umfasst, an Steueranschlüsse der Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 bereitzustellen. Über das Anregungssignal 110 werden die Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 so angesteuert, dass sie unter Verwendung der an den Eingangsanschlüssen 410 anliegenden Gleichspannung jeweils von einem zumindest annähernd halbsinusförmigen Anregungsstrom durchflossen werden. Dabei können die Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 von unterschiedlichen, beispielsweise zueinander phasenverschobenen Anregungsströmen durchflossen werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine PWM-Treiberschaltung als die Bereitstellungseinrichtung 120 verwendet, die während eines Normalbetriebs der als Wechselrichter ausgeführten leistungselektronischen Vorrichtung 102 zum Ansteuern der Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 eingesetzt wird.
Eine Einleseeinrichtung 122 ist vorgesehen, um ein Temperatursignal 114 einzulesen, das gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Teiltemperatursignalen umfasst. Die einzelnen Teiltemperatursignale bilden in den einzelnen Halbleiterbauelementen 104, 404, 405, 406, 407, 408 herrschenden Temperaturen ab.
Eine Bestimmungseinrichtung 124 ist vorgesehen, um unter Verwendung des Temperatursignals 114 eine Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung 102 zu bestimmen. Aufgrund des Vorliegens der Teiltemperatursignale ist die Bestimmungseinrichtung 124 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den einzelnen Halbleiterbauelementen 104, 404, 405, 406, 407, 408 zugeordnete Alterungswerte zu bestimmen und bereitzustellen.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der leistungselektronischen Vorrichtung 102 um einen Gleichrichter, der ausgebildet ist, um die an den Anschlüssen 412 anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln und an den Anschlüssen 410 bereitzustellen. In diesem Fall kann es sich bei den Halbleiterbauelementen 104, 404, 405, 406, 407, 408 um Dioden handeln. Das Anregungssignal kann in diesem Fall als die an den Anschüssen 412 anliegende Wechselspannung aufgefasst werden und die Bereitstellungseinrichtung kann beispielsweise die Anschlüsse 412 mit den Halbleiterbauelementen 104, 404, 405, 406, 407, 408 verbindende Leitungen umfassen.
5 zeigt eine Darstellung einer halbsinusförmigen Anregung, insbesondere einen halbsinusförmigen Anregungsstrom 112, gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse die Zeit t in Sekunden und auf der Ordinate ein Strom I_AC in Ampere aufgetragen ist. Der gezeigte Strom I_AC weist einen zwischen –200 A und +200 A schwingenden sinusförmigen Verlauf auf. Eine positive Halbwelle des Stroms wird als Anregungsstrom 112 einem auch als „device under test“ (DUT) genannten Halbleiterbauelement zugeführt, um eine Anregung des chipnahen thermischen Widerstands des Halbleiterbauelements zu bewirken.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Anregung einer leistungselektronischen Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie beispielsweise anhand von 3 beschrieben, weist die leistungselektronische Vorrichtung 102 ein Halbleiterbauelement 104, hier in Form eines Chips, ein Substrat 332 und ein Kühlsystem 636 auf, das beispielsweise einen von einem Kühlmittel durchflossenen Kühlkörper umfassen kann. Die Anordnung aus Halbleiterbauelement 104 und Substrat 332 kann auch als Leistungshalbleitermodul oder Leistungsmodul bezeichnet werden.
Über einen Anregungsstrom, wie er beispielsweise anhand von 5 gezeigt ist, wird dem Halbleiterbauelement 104 eine Verlustleistung P_V zugeführt, die sich auf eine Temperatur, hier die Sperrschichttemperatur T_J, im Inneren des Halbleiterbauelements 104 auswirkt. Dem Halbleiterbauelement 104 ist ein erster thermischer Widerstand R_th1 und dem Substrat 332 ist ein zweiter thermischer Widerstand R_th2 zugeordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt durch den Anregungsstrom eine halbsinusförmige Anregung des chipnahen thermischen Widerstands R_th1. Aus dem Kühlsystem 636 wird Wärmeenergie mittels eines Kühlmittels, das eine Temperatur T_Fluid aufweist, abgeführt.
Im Folgenden wird der beschriebene Ansatz anhand eines Ausführungsbeispiels in Form eines Verfahrens zur Onboard-Alterungsidentifikation von Leistungshalbleitermodul 104, 332 und Kühlsystem 636 beschrieben.
Bekannte Ausfallerscheinungen eines Leistungsmoduls 104, 332 sind das Ablösen von Bonddrähten und die Alterung modulinterner Lötverbindungen, wie sie schematisch in 3 als Lötverbindung gezeigt sind. Bondfehler führen zu einer Erhöhung des elektrischen Zuleitungswiderstandes und können durch Messung der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE bei einem definierten Kollektorstrom überwacht werden. Dabei wird durch das Ablösen, auch als „lift-off“ bezeichnet, eines Drahtes das Ablösen weiterer Drähte beschleunigt, wodurch das Modul 104, 332 innerhalb sehr kurzer Zeit ausfallen kann. Damit ermöglicht die U_CE-Messung häufig nur eine „End-Of-Life“-Identifikation.
Unter Verwendung des hier beschriebenen Anregungsstroms zum Untersuchen des Halbleiterbauelements 104 ist dagegen eine Aussage über den Modulzustand sowie eine Abschätzung der verbleibenden Lebensdauer möglich. Basierend auf einer solchen Aussage kann entschieden werden, ob ein Modul 104, 332 präventiv zu tauschen ist oder ob es bis zur Folgeinspektion aushält.
Die Alterung von Lötverbindungen führt zu einer langsameren Erhöhung des stationären thermischen Widerstandes R_th und ermöglicht damit eine längere Vorwarnzeit.
Zusätzlich führt auch die Alterung des Kühlsystems 636 oder der Wärmeleitpaste, wie sie in 3 schematisch als wärmeleitfähige Schicht dargestellt ist, zu einer Erhöhung des stationären thermischen Widerstandes.
Zur fehlerselektiven Bestimmung der Alterung von Leistungsmodul 104, 332 und Kühlsystem 636 kann zusätzlich auch eine Messung der thermischen Impedanz Z_th unter Verwendung der U_CE-Methode durchgeführt werden. Hierzu wird das Leistungsmodul mit einem DC-Heizstrom erhitzt und nach dessen sprunghafter Abschaltung die Abkühlkurve gemessen. Obgleich dieses Verfahren zur R_th- und Z_th-Messung im Rahmen einer separaten Diagnosephase, d.h. beispielsweise außerhalb eines regulären Wechselrichterbetriebes in einem Fahrzeug, beispielsweise im Stillstand an einer Ampel, durchführbar ist, so ist dessen Integration in einem Fahrzeugumrichter oder einem Umrichter einer Windkraftanlage aufgrund der erforderlichen Gerätschaften und Messgenauigkeiten weniger geeignet.
Zur Alterungsidentifikation eines sich in einer Applikation befindlichen Leistungsmoduls 104, 332 kann zusätzlich der Leistungshalbleiter 104 mit einem Heizimpuls erwärmt werden, welcher beispielsweise durch einen Brückenkurzschluss mit verminderter Steuerspannung realisiert werden kann. Wiederum kann mit der U_CE-Methode die Abkühlkurve gemessen und daraus auf die Alterung des Leistungsmoduls geschlossen werden. Vorteil dieser Methode ist das kurzzeitige Aufheizen des Halbleiters 104, während tiefer liegende Materialschichten wie Substrat 332 und Grundplatte keine Temperaturerhöhung erfahren. Über der Lotschicht entsteht damit ein großer Temperaturunterschied, welcher die Messgenauigkeit verbessert. Eine Identifikation des Kühlsystemzustandes ist nicht möglich. Zudem ist die Realisierung eines Brückenkurzschlusses in einem Umrichter aus Sicherheitsgründen ausgeschlossen.
Stattdessen kann auch ein rechteckförmiges Heizstromprofil verwendet werden, welches mit einer zusätzlichen Heizstromquelle realisiert wird. Nach drei Heizpulsen wird mit der U_CE-Methode die Sperrschichttemperatur T_J gemessen. Zur Identifikation eines kritischen Alterungszustandes wird dieser Messwert mit einem bei Systemauslieferung gespeicherten Messwert verglichen. Dazu ist jedoch ein großer Implementierungsaufwand mit zusätzlicher Heizstromquelle erforderlich und es findet lediglich eine Einpunktmessung der Temperatur statt und eine Überwachung des Kühlsystems ist nicht möglich.
Solche Verfahren können als Ergänzung zu dem hier beschriebenen Ansatz unter Verwendung einer halbsinusförmigen Anregung eingesetzt werden. Im Gegensatz zu Verfahren zur Alterungsidentifikation, die auf einer sprung-, impuls- oder rechteckförmigen Systemanregung und einer Messung des Abkühlverhaltens im Zeitbereich mit der U_CE-Methode basieren, entfällt gemäß dem hier beschriebenen Ansatz unter Verwendung der halbsinusförmigen Anregung das Erfordernis präziser Labormesstechnik und das Erfordernis einer zusätzlichen Heizstromquelle. Zudem ist eine hohe Robustheit gegenüber äußeren Störungen und Einflüssen gegeben. Der hier beschriebene Ansatz unter Verwendung der halbsinusförmigen Anregung stellt eine implementierbare und serientaugliche Lösung zur „Onboard“-Alterungsidentifikation eines beispielsweise in einem Fahrzeugumrichter oder einem Windumrichter integrierten Leistungsmoduls 104, 332 und Kühlsystems 636.
Im Gegensatz zu einer sprung-, impuls- oder rechteckförmigen Systemanregung und einer Temperaturmessung im Zeitbereich beschreibt der hier vorgestellte Ansatz eine halb-sinusförmige Anregung mit einer kleinen elektrischen Frequenz f_el ~1 Hz. Diese Frequenz wird so gewählt, dass sich über dem mit einer Degration des Chiplotes ansteigenden thermischen Widerstandes R_th1 (vgl. thermisches Cauer-Ersatzschaltbild in 6) periodisch ein besonders großer Temperaturunterschied ergibt, wodurch sich die Messempfindlichkeit der R_th1-Überwachung verbessert. Bei konventionell aufgebauten Leistungsmodulen 104, 332 findet sich diese Frequenz bei der Tiefpassfrequenz des Keramiksubstrates 332 (R_th2, C_th2) im Bereich um f_el ~1 Hz wieder.
Vorteil einer Frequenzanregung ist die Möglichkeit zur Mittelung der Messgrößen über einen längeren Zeitraum. Die beschriebene halbsinusförmige Anregung ist zudem ohne zusätzliche Heizstromquelle oder Brückenkurzschluss durch die einfache Steuerung des Wechselrichters, beispielsweise mit einem Leistungsfaktor von cosφ = 0, realisierbar. Damit fließt während der Systemanregung nur Blindstrom und an der elektrischen Maschine entsteht kein Drehmoment.
Ein exemplarischer Phasenstrom I_AC, dessen positive Halbwelle durch ein Halbleiterbauteil 104 in Form eines IGBT ("Device under test") fließt und zu einem halbsinusförmigen Verlustleistung P_V im IGBT führt, ist in 5 skizziert. In einem Pulswechselrichter ist es so möglich alle Halbleiterbauelemente 104, also beispielsweise alle IGBTs gleichzeitig anzuregen und zu vermessen.
Beispielhafte Systemantworten auf die halbsinusförmige Anregung sind in den nachfolgenden Figuren gezeigt.
7 zeigt ein Temperatursignal 114 einer nicht gealterten leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um eine leistungselektronische Vorrichtung handeln, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist. Das Temperatursignal 114 weist einen zyklischen Verlauf mit aufeinanderfolgenden Temperaturanstiegen und Temperaturabfällen auf. Dabei ist auf der Abszisse die Zeit t in Sekunden und auf der Ordinate die Temperatur T_J in °C aufgetragen. Innerhalb der gezeigten Zeitspanne von in etwa sechs Sekunden weist das Temperatursignal 114 einen Minimalwert 750 von hier beispielhaft T_J,Min = 42°C auf. Das Temperatursignal 114 weist innerhalb der gezeigten Zeitspanne in etwa sieben Schwingungen mit einer Amplitude 752 von hier beispielhaft ∆T_J = 37°C auf. Das Temperatursignal 114 befindet sich in einem eingeschwungenen Zustand, sodass die einzelnen Zyklen der Schwingung des Temperatursignals 114 zumindest annähernd gleich sind.
8 zeigt ein Temperatursignal 114 einer gealterten leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Temperatursignal 114 unterscheidet sich von dem in 7 gezeigten Temperatursignal in seiner Amplitude 752. Innerhalb der gezeigten Zeitspanne von wiederum in etwa sechs Sekunden weist das Temperatursignal 114 einen Minimalwert 750 von T_J,Min = 42°C auf. Das Temperatursignal 114 weist innerhalb der gezeigten Zeitspanne in etwa sieben Schwingungen mit einer Amplitude 752 von ∆T_J = 44°C auf. Das Temperatursignal 114 befindet sich in einem eingeschwungenen Zustand, sodass die einzelnen Zyklen der Schwingung des Temperatursignals 114 zumindest annähernd gleich sind.
Somit unterscheiden sich die durch das Temperatursignal 114 dargestellten Temperaturzyklen einer neuen und einer gealterten leistungselektronischen Vorrichtung, beispielsweise in Form eines Leistungsmoduls, darin, dass das Temperatursignal der gealterten leistungselektronischen Vorrichtung eine größere Amplitude 752 aufweist.
Anhand der 7 und 8 wird im Folgenden eine Auswertung des als Systemantwort dienenden oder eine Systemantwort umfassenden Temperatursignals 114 gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele beschrieben.
Als Systemantwort wird gemäß einem Ausführungsbeispiel die Amplitude 752 ∆T_J und die minimale Sperrschichttemperatur 750 T_J,Min der aus der Systemanregung resultierenden Temperaturzyklen gemessen. Besonders vorteilig ist die Messung dieser Größen nach Erreichung eines eingeschwungenen thermischen Zustandes über einen längeren Zeitraum, z. B. über 30 Sekunden hinweg. Dies ermögliche eine Mittelung der Amplitude 752 und Minimaltemperatur 750 über mehrere Temperaturzyklen und führt zu einer äußerst genauen und robusten Messung dieser Größen.
Zur Messung der Sperrschichttemperatur und damit zur Erzeugung des Temperatursignals 114 kann eine geeignete Treiberschaltung verwendet werden, wie sie im Zusammenhang mit einer Temperaturmessung an einem Temperaturmesswiderstand eines Halbleiterbauelements verwendet wird.
Eine Vergrößerung der Amplitude 752 ∆T_J kennzeichnet die Alterung des Leistungsmoduls, insbesondere eine Alterung zumindest einer im Leistungsmodul verwendeten Lötverbindung, wohingegen sich die Minimaltemperatur 750 T_J,Min mit der Alterung von Wärmeleitpaste und/oder Kühlsystem erhöht. Die 7 und 8 zeigen anhand des Temperatursignals 114 die Sperrschichttemperatur eines neuen und eines hier künstlich gealterten Leistungsmoduls im eingeschwungenen thermischen Zustand.
Es zeigt sich eine durch die Alterung bewirkte Vergrößerung der Amplitude 752 ∆T_J von 37°C auf 44°C, also eine Steigerung um +19%. Dies ist in Übereinstimmung mit dem bei der künstlichen Alterung verwendeten Abbruchkriterium eines R_th-Anstieges um 20 %. Die unveränderte Minimaltemperatur 750 T_J,Min = 42°C lässt auf keine Alterung von Wärmeleitpaste und Kühlsystem schließen. Eine Reduzierung des Kühlmittel-Volumenstromes von beispielsweise 10 l/min auf 5 l/min, was einer Verschmutzung des Kühlkörpers oder einer Alterung der Wärmeleitpaste entspricht, führt zum Anstieg der Minimaltemperatur 750 T_J,Min auf beispielsweise 46°C, während die Amplituden der Temperaturzyklen hiervon unbeeinflusst sind. Die Auswertung von Amplitude 752 und Minimaltemperatur 750 ermöglicht damit die fehlerselektive Identifikation des Alterungszustandes von Leistungsmodul und Kühlsystem.
Zur Überwachung der Alterung werden Amplitude 752 und Minimaltemperatur 750 gemäß einem Ausführungsbeispiel in regelmäßigen Diagnosephasen ermittelt und beispielsweise mit bei Systemauslieferung gespeicherten Werten verglichen.
Alternativ können aus eingetragener Verlustleistung und gemessener Sperrschichttemperatur thermische Teilwiderstände berechnet und überwacht werden.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahren zur Detektion einer Alterung einer leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren wird im Rahmen einer Diagnosephase durchgeführt. Dargestellt ist das Verfahren als ein Ablaufplan einer Onboard-Alterungsidentifikation.
Nach einem Start 901 des Verfahrens erfolgt in einem Schritt 903 zunächst eine halbsinusförmige Systemanregung mit einer Frequenz f_el von in etwa 1 Hz, beispielsweise unter Verwendung einer PWR-Steuerung mit cosφ = 0 und I_AC = 200 A.
In einem Schritt 905 erfolgt eine Messung oder Bestimmung der Amplitude ∆T_J und der Minimaltemperatur T_J,Min der 1 Hz Temperaturzyklen in thermisch eingeschwungenen Zustand.
In einem Schritt 907 erfolgt eine Mittelung der Amplitude ∆T_J und der Minimaltemperatur T_J,Min über mehrere Zyklen.
In einem Schritt 909 werden bei Systemauslieferung gespeicherte Referenzwerte ∆T_J,Ref und T_J,Min,Ref für die Amplitude und die Minimaltemperatur bereitgestellt.
In einem Schritt 911 erfolgt eine Beurteilung, ob Leistungsmodul und/oder Kühlsystem gealtert sind. Dies erfolgt gemäß einem Ausführungsbeispiel entsprechend den folgenden Kriterien:
Wenn ∆T_J > ∆T_J,Ref ist, dann folgt daraus eine Alterung des Leistungsmoduls.
Wenn ∆T_J,Ref > T_J,Min,Ref ist, dann folgt daraus eine Alterung des Kühlsystems.
Wenn ∆T_J > ∆T_J,Ref und ∆T_J,Ref > T_J,Min,Ref ist, dann folgt daraus eine Alterung des Leistungsmoduls und des Kühlsystems.
Als Ergebnis der Beurteilung im Schritt 911 wird ein Alterungszustand 913 von Leistungsmodul und Kühlsystem ausgegeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Schritt 903 im Rahmen des anhand von 2 beschriebenen Schritt des Bereitstellens ausgeführt. Der Schritt 905 kann zeitlich vor dem anhand von 2 beschriebenen Schritt des Einlesens ausgeführt werden, indem die Temperatur des Halbleiterbauelements gemessen wird. Alternativ kann der Schritt 905 zusammen mit dem optionalen Schritt 907 sowie dem Schritt 911 im Rahmen des anhand von 2 beschriebenen Schritt des Bestimmens ausgeführt werden, indem aus dem Temperatursignal zunächst die Amplitude und Minimaltemperatur bestimmt und dann zur Bestimmung des Alterungszustands 913 verwendet werden. Der Alterungszustand 913 kann als der anhand von 2 beschriebene Alterungswert angesehen werden.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Detektion einer Alterung einer leistungselektronischen Vorrichtung in Form eines Wechselrichters anhand von 9 detailliert beschrieben.
In der Diagnosephase wird im Schritt 903 zunächst eine Systemanregung mit halbsinusförmigen Verlustleistungsprofil mit einer kleinen elektrischen Frequenz von f_el ~1 Hz und einem definierten Phasenstrom von beispielsweise I_AC = 200 A, wie er beispielsweise in 5 gezeigt ist, gestartet. Eine Realisierung dieser Systemanregung ist z.B. durch Steuerung des Wechselrichters mit einem Leistungsfaktor von cosφ = 0 möglich. In einem Pulswechselrichter werden damit alle IGBTs gleichermaßen angeregt. Damit kann während der einmaligen Ausführung der Diagnosephase der Alterungszustand aller IGBTs identifiziert werden.
Als Systemantwort wird im Schritt 905 die Amplitude ∆T_J und der Minimalwert T_J,Min der Temperaturzyklen der Sperrschichttemperatur jedes IGBTs nach Erreichung eines thermisch ein geschwungenen Zustandes gemessen, eingelesen oder bestimmt. Beispielhafte Werte für die Amplitude ∆T_J und den Minimalwert T_J,Min sind beispielsweise anhand der 7 und 8 genannt. Zur Messung der Sperrschichttemperatur kann beispielsweise ein geeignetes IGBT-Treiberkonzept verwendet werden.
Vorteilig wird im Schritt 907 optional eine Mittelung der gemessenen Amplitude ∆T_J und der Minimalwert T_J,Min über mehrere Sinushalbwellen, beispielsweise 15 Halbwellen, hinweg durchgeführt. Dies ermöglicht eine sehr genaue und robuste Messung des Alterungszustandes ohne präzise Labormesstechnik.
Zur Überwachung der Alterung werden Amplitude und Minimaltemperatur gemäß einem Ausführungsbeispiel in regelmäßigen Diagnosephasen ermittelt und beispielsweise mit bei Systemauslieferung gespeicherten oder nachträglich zugeführten Referenzwerten ∆T_J,Ref und T_J,Min,Ref verglichen. Alternativ wird aus eingetragener Verlustleistung P_V und gemessener Amplitude und Minimaltemperatur thermische Teilwiderstände R_th,i berechnet und mit Referenzwerten R_th,i,Ref verglichen.
Gestartet 901 wird die Diagnosephase gemäß einem Ausführungsbeispiel in definierten Zeitabständen wie Wartungs- oder Inspektionsintervallen. Ausgegeben werden kann der Alterungszustand 913 von Leistungsmodul und/oder Kühlsystem, beispielsweise als digitaler Wert oder als digitale Daten. Beispielsweise kann der Alterungszustand 913 auch in Form einer Ampel angezeigt werden.
Das beschriebene Verfahren verwendet somit gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Diagnosephase, in welcher das zu untersuchende Leistungsmodul mit einem halbsinusförmigen Verlustleistungs- oder Phasenstromprofil mit einer geringen elektrischen Frequenz angeregt wird und dabei die Amplitude und Minimaltemperatur der resultierenden Temperaturzyklen gemessen wird.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichenliste

100: leistungselektronisches System
102: leistungselektronische Vorrichtung
104: Halbleiterbauelement
106: Vorrichtung zur Detektion einer Alterung
110: Anregungssignal
112: Anregungsstrom
114: Temperatursignal
116: Temperaturmeßwiderstand
118: Alterungswert
120: Bereitstellungsseinsrichtung
122: Einleseeinrichtung
124: Bestimmungseinrichtung
220: Schritt des Bereitstellens
222: Schritt des Einlesens
224: Schritt des Bestimmens
330: Lötverbindung
332: Substrat
334: Bodenplatte
336: Kühlkörper
338: wärmeleitfähige Schicht
340: Kanal
404: Halbleiterbauelement
405: Halbleiterbauelement
406: Halbleiterbauelement
407: Halbleiterbauelement
408: Halbleiterbauelement
410: Eingangsanschlüsse
412: Ausgangsanschlüsse
636: Kühlsystem
750: Minimaltemperatur
752: Amplitude
901: Start
903: Schritt der Systemanregung
905: Schritt des Messens
907: Schritt des Mittelns
909: Schritt des Bereitstellens von Referenzwerten
911: Schritt des Beurteilens
913: Alterungszustand

Claims

Verfahren zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement (104) umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung (102), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen (220) eines Anregungssignals (110), das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement (104) einen Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms (112) durch das Halbleiterbauelement (104) zu bewirken; Einlesen (222) eines Temperatursignals (114), das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Halbleiterbauelements (104) abbildet; und Bestimmen (224) eines die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung (102) repräsentierenden Alterungswerts (118; 913) unter Verwendung des Temperatursignals (114).
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens (224) der Alterungswert (118; 913) unter Verwendung einer Amplitude und/oder eines Minimalwertes des Temperatursignals (114) bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens (224) der Alterungswert (118; 913) durch einen Vergleich zwischen der Amplitude und einer Referenzamplitude und/oder eines Vergleichs zwischen dem Minimalwert und einem Referenzminimalwert bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem im Schritt des Bestimmens (224) ein eine Alterung an dem Halbleiterbauelement (104) anzeigender erster Alterungswert (118; 913) bestimmt wird, wenn die Amplitude größer als die Referenzamplitude ist und/oder ein eine Alterung einer Kühleinrichtung der leistungselektronischen Vorrichtung (102) anzeigender zweiter Alterungswert (118; 913) bestimmt wird, wenn der Minimalwert größer als der Referenzminimalwert ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens (224) der Alterungswert (118; 913) durch einen Vergleich zwischen einem thermischen Widerstand und einem thermischen Referenzwiderstand bestimmt wird, wobei der thermische Teilwiderstand unter Verwendung der Amplitude, des Minimalwertes und der in das Halbleiterbauelement (104) eingetragenen Verlustleistung bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens (224) der Alterungswert (118; 913) unter Verwendung einer mittleren Amplitude und/oder eines mittleren Minimalwertes des Temperatursignals (114) bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens (224) der Alterungswert (118; 913) bestimmt wird, wenn das Temperatursignal (114) einen eingeschwungenen Zustand aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Einlesens (222) das Temperatursignal (114) über eine Schnittstelle zu einem in dem Halbleiterbauelement (104) integrierten Widerstand (116) eingelesen wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (104) ein Transistor ist und im Schritt des Bereitstellens (220) das Anregungssignal (110) an einen Steuereingang des Transistors bereitgestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Vorrichtung (102) zumindest ein weiteres Halbleiterbauelement (404) umfasst und im Schritt des Bereitstellens das Anregungssignal (110) bereitgestellt wird, das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer weiteren Verlustleistung in das weitere Halbleiterbauelement (404) einen Durchfluss eines weiteren halbsinusförmigen Anregungsstroms (112) durch das weitere Halbleiterbauelement (404) zu bewirken, im Schritt des Einlesens ein weiteres Temperatursignal (114) eingelesen wird, das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des weiteren Halbleiterbauelements (104) abbildet, und im Schritt des Bestimmens (224) ein die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung (102) repräsentierender weiterer Alterungswert (118; 913) unter Verwendung des weiteren Temperatursignals (114) bestimmt wird.
Vorrichtung (106) zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement (104) umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung (102), wobei die Vorrichtung (102) die folgenden Merkmale aufweist: eine Bereitstellungseinrichtung (120) zum Bereitstellen eines Anregungssignals (110), das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement (104) einen Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms (112) durch das Halbleiterbauelement (104) zu bewirken; eine Einleseeinrichtung (122) zum Einlesen eines Temperatursignals (114), das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Halbleiterbauelements (104) abbildet; und eine Bestimmungseinrichtung (124) zum Bestimmen eines die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung (102) repräsentierenden Alterungswerts (118; 913) unter Verwendung des Temperatursignals (114).
Leistungselektronisches System (100) mit einer zumindest ein Halbleiterbauelement (104) umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung (102) und einer Vorrichtung (106) gemäß Anspruch 11 zur Detektion einer Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung (102).
Leistungselektronisches System (100) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das leistungselektronische System (100) als ein Wechselrichter ausgeführt ist.
Leistungselektronisches System (100) gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (104) einen Bipolartransistor und der Anregungsstrom (112) einen zwischen Emitter und Kollektor fließenden Strom, das Halbleiterbauelement (104) einen Feldeffekttransistor und der Anregungsstrom (112) einen zwischen Drain und Source fließenden Strom, oder das Halbleiterbauelement (104) eine Diode und der Anregungsstrom (112) einen zwischen Anode und Kathode fließenden Strom repräsentiert.
Leistungselektronisches System (100) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Vorrichtung (102) einen Träger (334), ein Substrat (332) zur thermischen Anbindung des Halbleiterbauelements (104) an den Träger (334) und einen Kühlkörper (336) aufweist, wobei das Halbleiterbauelement (104) über eine Lötverbindung (330) mit dem Substrat (332) verbunden und der Kühlkörper (336) über eine thermisch leitfähige Schicht (338) mit dem Träger (334) verbunden ist, und wobei der Alterungswert (118; 913) eine Alterung der Lötverbindung (330) und/oder eine Alterung der thermisch leitfähigen Schicht (338) anzeigt.