DE102016214223A1 - Lebensdauerabschätzschaltung und unter Verwendung derselben hergestellte Halbleiteranordnung - Google Patents

Lebensdauerabschätzschaltung und unter Verwendung derselben hergestellte Halbleiteranordnung Download PDF

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DE102016214223A1
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Shiori Uota
Fumitaka Tametani
Takahiro Inoue
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Abstract

Eine Lebensdauerabschätzschaltung (3) umfasst einen Temperatursensor (4), der zum Erfassen der Temperatur einer Leistungselementeinheit (1) eingerichtet ist; eine Wendepunkterfassungseinheit (5), die zum Erfassen eines Wendepunkts einer Temperaturschwankung in der Leistungselementeinheit (1) basierend auf einem Ausgangssignal (Vt) des Temperatursensors (4) eingerichtet ist, eine Betriebseinheit (8), die zum Ermitteln eines Absolutwerts einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Leistungselementeinheit (1) an einem zu diesem Zeitpunkt erfassten Wendepunkt und der Temperatur der Leistungselementeinheit (1) an einem zum letzten Zeitpunkt erfassten Wendepunkt eingerichtet ist, eine Zählschaltung (9), die zum Zählen der Häufigkeit eines Ereignisses, bei dem der Absolutwert der Temperaturdifferenz eine Grenztemperatur (Tth) erreicht, eingerichtet ist, und eine Signalerzeugungseinheit (10), die zum Ausgeben eines Warnsignals (AL), das anzeigt, dass das Leistungselement (1) davorsteht, das Ende seiner Lebensdauer zu erreichen, ausgibt, wenn ein Zählwert (C) der Zählschaltung (9) eine Grenzanzahl von Ereignissen (Cth) erreicht.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Lebensdauerabschätzschaltungen und unter Verwendung derselben hergestellte Halbleiteranordnungen und insbesondere eine Lebensdauerabschätzschaltung zum Abschätzen der Lebensdauer eines Leistungselements und eine unter Verwendung derselben hergestellte Halbleiteranordnung.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Leistungselement ist wiederholt großen Temperaturschwankungen ausgesetzt, wenn ein durchgeleiteter Strom anwächst oder abfällt. Als ein Ergebnis der Temperaturschwankungen lässt eine Verbindung von Drähten, die das Leistungselement mit Elektroden verbinden, fortschreitend nach und bricht letztendlich, was verursacht, dass das Leistungselement das Ende seiner Lebensdauer erreicht. Die großen Temperaturschwankungen belasten ein Lot, das die Bauteile verbindet, was eine Rissbildung und ein Abplatzen entstehen lässt, was die Wärmeabgabeeigenschaften des Leistungselements herabsetzt und manchmal sogar in einer thermischen Zerstörung resultiert.
  • Da ein Leistungselement bei einer großen Vielfalt von Produkten angewendet und in vielen unterschiedlichen Umgebungen verwendet wird, ist jedoch eine Lebensdauerabschätzung sehr schwierig. Dies ist problematisch, da ein Leistungselement das Ende seiner Lebensdauer während seiner Verwendung erreicht, was einen irregulären Ausfall des nutzerseitigen Systems verursacht. Wenn der Nutzer das Leistungselement nicht im Vorrat hat, muss das System gestoppt werden, bis ein Leistungselement verfügbar geworden ist und dasjenige ersetzt, welches das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat, was einen deutlichen Verlust für den Nutzer verursacht.
  • Selbst wenn das Leistungselement normal arbeitet, ersetzen auf der anderen Seite manche Nutzer das Leistungselement durch ein neues, wenn die Verwendungsdauer eine vorgegebene Zeitdauer erreicht, um Regelwidrigkeiten und Fehler des Systems zu verhindern. In diesem Fall wird das Leistungselement, das noch nicht das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat, weggeworfen, was die Kosten des nutzerseitigen Systems erhöht.
  • Um sich diesem Problem zuzuwenden, offenbart die japanische Patentoffenlegung Nr. 2015-56415 (Patentdokument 1) eine Lebensdauerabschätzschaltung zum Erfassen einer Temperatur eines Leistungselements, zum Zählen wie oft die Temperatur eine Grenztemperatur (beispielsweise 50 °C) überschritten hat, und zum Ausgeben eines Lebensdauerende-Warnsignals, das davor warnt, dass das Leistungselement davorsteht, das Ende seiner Lebensdauer zu erreichen, wenn der Zählwert einen Grenzwert erreicht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In Patentdokument 1 ist die Häufigkeit des Ereignisses, bei dem die Temperatur die Grenztemperatur (beispielsweise 50 °C) überschritten hat, lediglich eins, wenn die Temperatur des Leistungselements beispielsweise von 25°C auf 75°C auf 60°C auf 85°C schwankt. Somit wird festgelegt, dass die die Lebensdauer betreffende Temperaturschwankung einmal aufgetreten ist.
  • Tatsächlich tritt jedoch eine Temperaturschwankung von –15°C während der Schwankung von 75°C auf 60°C und eine Temperaturschwankung von +25°C während der Schwankung von 60°C auf 85°C auf, was eine erhebliche Temperaturbelastung für das Leistungselement darstellt. In Patentdokument 1 wird daher die auf das Leistungselement einwirkende Temperaturbelastung unterschätzt, was es unmöglich macht, die Lebensdauer des Leistungselements genau abzuschätzen.
  • Daher ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lebensdauerabschätzschaltung, die eingerichtet ist, die Lebensdauer eines Leistungselements genau abzuschätzen, und eine unter Verwendung derselben hergestellte Halbleiteranordnung bereitzustellen.
  • Eine Lebensdauerabschätzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Lebensdauerabschätzschaltung zum Abschätzen der Lebensdauer eines Leistungselements, wobei die Lebensdauerabschätzschaltung einen Temperatursensor, der zum Erfassen der Temperatur des Leistungselements eingerichtet ist, eine Wendepunkterfassungseinheit, die zum Erfassen eines Wendepunkts einer Temperaturschwankung in dem Leistungselement basierend auf einem Ergebnis der Erfassung durch den Temperatursensor eingerichtet ist, eine Betriebseinheit, die zum Ermitteln eines Absolutwerts einer Differenz zwischen der Temperatur des Leistungselements an einem zu diesem Zeitpunkt mit der Wendepunkterfassungseinheit erfassten Wendepunkt und der Temperatur des Leistungselements an einem zum letzten Zeitpunkt durch die Wendepunkterfassungseinheit erfassten Wendepunkteingerichtet ist, eine Zählschaltung, die zum Zählen der Häufigkeit des Auftretens einer ersten Temperaturschwankung eingerichtet ist, bei welcher der Absolutwert der durch die Betriebseinheit festgelegten Temperaturdifferenz eine erste Grenztemperatur erreicht, und eine Signalerzeugungseinheit, die zum Ausgeben eines auf die Lebensdauer des Leistungselements bezogenen Signals basierend auf einem Zählwert von der Zählschaltung eingerichtet ist, aufweist.
  • Bei der Lebensdauerabschätzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Wendepunkt einer Temperaturschwankung in dem Leistungselement erfasst, ein Absolutwert einer Differenz zwischen der Temperatur des Leistungselements an einem zu diesem Zeitpunkt erfassten Wendepunkt und der Temperatur des Leistungselements an einem zum letzten Zeitpunkt erfassten Wendepunkt ermittelt, die Häufigkeit des Auftretens einer ersten Temperaturschwankung gezählt, bei welcher der Absolutwert eine erste Grenztemperatur erreicht, und ein auf die Lebensdauer des Leistungselements bezogenes Signal basierend auf dem Zählwert ausgegeben. Demzufolge kann eine auf das Leistungselement einwirkende Temperaturbelastung genau erfasst werden, so dass die Lebensdauer des Leistungselements genau abgeschätzt werden kann.
  • Das Vorhergehende und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 3A ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb des in 2 gezeigten Leistungsmoduls illustriert.
  • 3B ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb des in 2 gezeigten Leistungsmoduls illustriert.
  • 4 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 5 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 6 ist ein Blockschaltbild, das einen wesentlichen Teil eines Leistungsmoduls gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 7 ist ein Schaltungsblockschaltbild, das die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • [Erstes Ausführungsbeispiel]
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In 1 umfasst dieses Leistungsmodul eine Leistungselementeinheit 1, eine Steuer- und/oder Regeleinheit 2 und eine Lebensdauerabschätzschaltung 3.
  • Die Leistungselementeinheit 1 umfasst eine Vielzahl von Leistungselementen, wird mit der Steuer- und/oder Regeleinheit 2 gesteuert und/oder geregelt und wandelt eine Gleichstrom(DC)-Spannung VDC beispielsweise in eine Wechselstrom(AC)-Spannung VAC. Die Leistungselemente sind IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate), MOSFETs, Bipolartransistoren, Dioden oder dergleichen.
  • Die Steuer- und/oder Regeleinheit 2 wandelt die DC-Spannung VDC in die sinusförmige AC-Spannung VAC durch Ein-/Ausschalten jedes der Vielzahl von Leistungselementen der Leistungselementeinheit 2 basierend beispielsweise auf einem sinusförmig schwankenden Spannungsführungswert VC. Wenn ein Strom durch das Leistungselement geführt wird, tritt ein Verlust (nämlich Wärme) in dem Leistungselement auf, wodurch sich die Temperatur des Leistungselements erhöht. Wenn der durch das Leistungselement fließende Strom unterbrochen wird, verringert sich die Temperatur des Leistungselements.
  • Die Lebensdauerabschätzschaltung 3 schätzt die Lebensdauer der Leistungselementeinheit 1 basierend auf der Temperaturschwankung in der Leistungselementeinheit 1 ab und hebt, wenn die Lebensdauerabschätzschaltung 3 erfasst, dass die Leistungselementeinheit 1 davorsteht, das Ende ihrer Lebensdauer zu erreichen, ein Warnsignal AL von einem deaktivierten "L"-Niveau auf ein aktiviertes "H"-Niveau an. Die Lebensdauerabschätzschaltung 3 umfasst einen Temperatursensor 4, eine Wendepunkterfassungseinheit 5, Speichereinheiten 6 und 7, eine Betriebseinheit 8, eine Zählschaltung 9 und eine Signalerzeugungseinheit 10.
  • Der Temperatursensor 4 erfasst die Temperatur der Leistungselementeinheit 1 und gibt ein den erfassten Wert anzeigendes Signal Vt aus. Das Niveau des Signals Vt schwankt in Abhängigkeit der Temperatur der Leistungselementeinheit 1. Die Wendepunkterfassungseinheit 5 erfasst einen Wendepunkt der Temperaturschwankung in der Leistungselementeinheit 1 basierend auf dem Ausgangssignal Vt des Temperatursensors 4. Der Wendepunkt der Temperaturschwankung ist ein Punkt, an dem die Temperatur von einem Anwachsen zu einem Abfallen oder von einem Abfallen zu einem Anwachsen wendet.
  • Die Wendepunkterfassungseinheit 5 tastet das Ausgangssignal Vt des Temperatursensors 4 in Zeitabständen ab, die ausreichend kürzer als der Zeitabstand sind, während dem die in der Leistungselementeinheit 1 enthaltenen Leistungselemente beispielsweise ein-/ausgeschaltet werden, und wandelt das Niveau des abgetasteten Signals Vt in ein digitales Signal. Die Wendepunkterfassungseinheit 5 legt fest, ob die Niveaus einer Vielzahl von abgetasteten Signalen Vt anwachsen oder abfallen, und erfasst Wendepunkte basierend auf einem Ergebnis der Festlegung.
  • Immer wenn ein Wendepunkt erfasst wird, schreibt die Wendepunkterfassungseinheit 5 ein digitales Signal, welches das Niveau des Signals Vt (nämlich die Temperatur T der Leistungselementeinheit 1) an diesem Wendepunkt anzeigt, abwechselnd in die Speichereinheiten 6 und 7. Beispielsweise wird ein digitales Signal, das eine Temperatur Tn der Leistungselementeinheit 1 an einem zu diesem Zeitpunkt erfassten Wendepunkt in die Speichereinheit 6 geschrieben und ein digitales Signal, das eine Temperatur T(n – 1) der Leistungselementeinheit 1 an einem zum letzten Zeitpunkt erfassten Wendepunkt anzeigt, in die Speichereinheit 7 geschrieben. Die digitalen Signale, welche die Temperaturen Tn und T(n – 1) anzeigen und in die Speichereinheiten 6 und 7 geschrieben worden sind, werden der Betriebseinheit 8 zur Verfügung gestellt. N ist irgendeine ganze Zahl.
  • Basierend auf den digitalen Signalen von den Speichereinheiten 6 und 7 ermittelt die Betriebseinheit 8 einen Absolutwert |ΔT| einer Differenz ΔT = Tn – T(n – 1) zwischen der Temperatur Tn der Leistungselementeinheit 1 an dem zu diesem Zeitpunkt erfassten Wendepunkt und der Temperatur T(n – 1) der Leistungselementeinheit 1 an dem zum letzten Zeitpunkt erfassten Wendepunkt. Die Betriebseinheit 8 stellt der Zählschaltung 9 ein digitales Signal zur Verfügung, das den Absolutwert |ΔT| anzeigt.
  • Basierend auf dem digitalen Signal der Betriebseinheit 8, das den Absolutwert |ΔT| anzeigt, zählt die Zählschaltung, wie oft eine vorgegebene Temperaturschwankung aufgetreten ist. Beispielsweise vergleicht die Zählschaltung 9 |ΔT| mit einer Grenztemperatur Tth und legt, wenn |ΔT| ≥ Tth erfüllt ist, fest, dass die vorgegebene Temperaturschwankung aufgetreten ist, und erhöht (+1) einen Zählwert C und legt, wenn |ΔT| < Tth erfüllt ist, fest, dass die vorgegebene Temperaturschwankung nicht aufgetreten ist, und behält den Zählwert C ohne ihn zu ändern bei.
  • Die Signalerzeugungseinheit 10 vergleicht den Zählwert C mit einer Grenzhäufigkeit Cth und setzt, wenn C ≥ Cth erfüllt ist, das Warnsignal AL, das davor warnt, dass die Leistungselementeinheit 1 davorsteht, das Ende ihrer Lebensdauer zu erreichen, auf das aktivierte "H"-Niveau und hält, wenn C < Cth erfüllt ist, das Warnsignal AL auf dem deaktivierten "L"-Niveau.
  • Der Betrieb des Leistungsmoduls wird nun beschrieben. Beispielsweise wird eine Last (beispielsweise ein Motor) mit der Ausgangsspannung VAC der Leistungselementeinheit 1 betrieben. Wenn ein von der Last verbrauchter Strom anwächst, um den durch die Leistungselementeinheit 1 fließenden Strom zu erhöhen, erhöht sich die Temperatur der Leistungselementeinheit 1. Wenn der durch die Last verbrauchte Strom abfällt, um den durch die Leistungselementeinheit 1 fließenden Strom zu verringern, fällt die Temperatur der Leistungselementeinheit 1 ab. Die Temperatur der Leistungselementeinheit 1 wird mit dem Temperatursensor 4 erfasst und ein Ausgangssignal Vt des Temperatursensors 4 wird der Wendepunkterfassungseinheit 5 zur Verfügung gestellt.
  • Wenn der durch die Last verbrauchte Strom von einem Anwachsen zu einem Abfallen umkehrt, wendet die Temperatur der Leistungselementeinheit 1 von einem Anwachsen zu einem Abfallen, was verursacht, dass ein Wendepunkt in der Temperaturschwankung in der Leistungselementeinheit 1 (nämlich die Niveauschwankung des Ausgangssignals Vt des Temperatursensors 4) auftritt. Dieser Wendepunkt P(n – 1) wird mit der Wendepunkterfassungseinheit 5 erfasst und es wird ein digitales Signal, das die Temperatur T(n – 1) der Leistungselementeinheit 1 an diesem Wendepunkt P(n – 1) anzeigt, in die Speichereinheit 7 geschrieben.
  • Wenn der von der Last verbrauchte Strom von einem Abfallen zu einem Ansteigen umkehrt, wendet die Temperatur der Leistungselementeinheit 1 von einem Abfallen zu einem Ansteigen, was verursacht, dass ein Wendepunkt in der Temperaturschwankung in der Leistungselementeinheit 1 (nämlich die Niveauschwankung in dem Ausgangssignal Vt des Temperatursensors 4) auftritt. Dieser Wendepunkt Pn wird mit der Wendepunkterfassungseinheit 5 erfasst und es wird ein digitales Signal, das die Temperatur Tn der Leistungselementeinheit 1 an diesem Wendpunkt Pn anzeigt, in die Speichereinheit 6 geschrieben.
  • Der Absolutwert |ΔT| der Differenz ΔT = Tn – T(n – 1) zwischen der Temperatur Tn der Leistungselementeinheit 1 an dem zu diesem Zeitpunkt erfassten Wendepunkt Pn und der Temperatur T(n – 1) der Leistungselementeinheit 1 an dem zum letzten Zeitpunkt erfassten Wendepunkt P(n – 1) wird mit der Betriebseinheit 8 ermittelt. |ΔT| wird durch die Zählschaltung 9 mit einer Grenztemperatur Tth verglichen, und der Zählwert C wird erhöht (+1), wenn |ΔT| ≥ Tth erfüllt ist.
  • Der Zählwert C wird durch die Signalerzeugungseinheit 10 mit der Grenzhäufigkeit Cth verglichen und das Warnsignal AL wird auf das aktivierte "H"-Niveau angehoben, wenn C ≥ Cth erfüllt ist, um den Nutzer davor zu warnen, dass die Leistungselementeinheit 1 davorsteht, das Ende ihrer Lebensdauer zu erreichen. Der Nutzer erfasst als Reaktion auf das auf das "H"-Niveau angehobene Warnsignal AL, dass die Leistungselementeinheit 1 davorsteht, das Ende ihrer Lebensdauer zu erreichen, und stoppt das System mit einer geeigneten Zeitabstimmung und ersetzt das Leistungsmodul durch ein neues.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Wendepunkt der Temperaturschwankung in der Leistungselementeinheit 1 erfasst, der Absolutwert |ΔT| der Differenz ΔT = Tn – T(n – 1) zwischen der Temperatur Tn der Leistungselementeinheit 1 an dem zu diesem Zeitpunkt erfassten Wendepunkt Pn und der Temperatur T(n – 1) der Leistungselementeinheit 1 an dem zum letzten Zeitpunkt erfassten Wendepunkt P(n – 1) ermittelt. Wenn der Absolutwert |ΔT| eine Grenztemperatur Tth erreicht, wird festgelegt, dass die Temperaturschwankung aufgetreten ist, und der Zählwert C erhöht, und wenn der Zählwert eine Grenzhäufigkeit Cth erreicht, wird das Warnsignal AL auf das aktivierte Niveau gesetzt. Demzufolge kann eine auf die Leistungselementeinheit 1 einwirkende Temperaturbelastung genau erfasst werden, so dass die Lebensdauer der Leistungselementeinheit 1 genau abgeschätzt werden kann.
  • [Zweites Ausführungsbeispiel]
  • 2 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, das mit 1 verglichen wird. Mit Bezug auf 2 ist dieses Leistungsmodul dadurch verschieden von dem in 1 gezeigten Leistungsmodul, dass die Zählschaltung 9 und die Signalerzeugungsschaltung 10 jeweils durch eine Zählschaltung 15 und eine Signalerzeugungsschaltung 16 ersetzt worden sind.
  • Die Zählschaltung 15 vergleicht eine erste bis dritte Grenztemperatur Tth1 bis Tth3 mit dem Absolutwert |ΔT| der durch die Betriebseinheit 8 ermittelten Temperaturdifferenz und ermittelt auf Basis von Ergebnissen der Vergleiche, welche der ersten bis dritten Temperaturschwankung ΔT1 bis ΔT3 aufgetreten ist. Tth1 > Tth2 > Tth3 wird eingehalten. Wenn Tth1 < |ΔT| erfüllt ist, wird festgelegt, dass die erste Temperaturschwankung ΔT1 aufgetreten ist. Wenn Tth2 < |ΔT| < Tth1 erfüllt ist, wird festgelegt, dass die zweite Temperaturschwankung ΔT2 aufgetreten ist. Wenn Tth3 < |ΔT| < Tth2 erfüllt ist, wird festgelegt, dass die zweite Temperaturschwankung ΔT3 aufgetreten ist. Die Zählschaltung 15 erhöht (+1) einen ersten Zählwert C1, wenn die erste Temperaturschwankung ΔT1 aufgetreten ist, erhöht (+1) einen zweiten Zählwert C2, wenn die zweite Temperaturschwankung ΔT2 aufgetreten ist, und erhöht (+1) einen dritten Zählwert C3, wenn die dritte Temperaturschwankung ΔT3 aufgetreten ist.
  • Die Signalerzeugungseinheit 16 vergleicht drei Grenzhäufigkeiten Cth1 bis Cth3 jeweils mit den Zählwerten C1 bis C3 der Zählschaltung 15. Cth1 < Cth2 < Cth3 wird eingehalten. Wenn irgendeine von C1 ≥ Cth1, C2 ≥ Cth2 und C3 ≥ Cth3 erfüllt ist, setzt die Signalerzeugungseinheit 16 das Warnsignal AL, das davor warnt, dass die Leistungselementeinheit 1 davorsteht, das Ende ihrer Lebensdauer zu erreichen, auf das aktivierte "H"-Niveau. Wenn C1 < Cth1, C2 < Cth2 und C3 < Cth3 erfüllt sind, hält die Signalerzeugungseinheit 16 das Warnsignal AL auf dem deaktivierten "L"-Niveau.
  • Es wird angemerkt, dass Cth1 auf den niedrigsten Wert der drei Grenzhäufigkeiten Cth1 bis Cth3 festgelegt wird, da die Temperaturbelastung durch ΔT1 der drei Temperaturschwankungen ΔT1 bis ΔT3 am höchsten ist. Umgekehrt wird Cth3 auf den höchsten Wert der drei Grenzhäufigkeiten Cth1 bis Cth3 festgelegt, da die Temperaturbelastung durch ΔT3 der drei Temperaturschwankungen ΔT1 bis ΔT3 am geringsten ist.
  • 3A und 3B sind Diagramme, die schematisch den Betrieb des in 2 gezeigten Leistungsmoduls zeigen. Insbesondere zeigt 3A eine zeitliche Schwankung der Temperatur T der Leistungselementeinheit 1, während 3B die Zählwerte C1 bis C3 und die Grenzhäufigkeiten Cth1 bis Cth3 der ersten bis dritten Temperaturschwankung ΔT1 bis ΔT3 zeigt.
  • Hierbei wird eine Last durch die Ausgangsspannung VAC der Leistungselementeinheit 1 angetrieben. In einem Anfangszustand wird die Leistungsversorgung von der Leistungselementeinheit 1 zu der Last gestoppt und die Temperatur T der Leistungselementeinheit 1 ist die Raumtemperatur. Zum Zeitpunkt t1 wird die Leistungsversorgung von der Leistungselementeinheit 1 zu der Last gestartet, wodurch sich die Temperatur T der Leistungselementeinheit 1 zu erhöhen beginnt. An einem Punkt, bei dem der Betrieb der Leistungselementeinheit 1 gestartet wird (Zeitpunkt t1), wird erkannt, dass ein Wendepunkt P1 aufgetreten ist, und es wird ein digitales Signal, das eine Temperatur T1 der Leistungselementeinheit 1 zum Zeitpunkt t1 anzeigt, beispielsweise in die Speichereinheit 6 geschrieben.
  • Wenn der durch die Last verbrauchte Strom abfällt und die Temperatur T der Leistungselementeinheit 1 zu einem Zeitpunkt t2 von einem Anwachsen zu einem Abfallen wendet, wird ein Wendepunkt P2 erfasst und ein digitales Signal, das eine Temperatur T2 der Leistungselementeinheit 1 an diesem Wendepunkt P2 anzeigt, in die Speichereinheit 7 geschrieben. Ein Absolutwert |T2 – T1| der Differenz zwischen der Temperatur T2 der Leistungselementeinheit 1 an dem zu diesem Zeitpunkt erfassten Wendepunkt P2 und der Temperatur T1 der Leistungselementeinheit 1 an dem zum letzten Zeitpunkt erfassten Wendepunkt P1 wird durch die Betriebseinheit 8 ermittelt. Drei Grenzwerte Tth1 bis Tth3 werden durch die Zählschaltung 15 mit |T2 – T1| verglichen. Tth1 < |T2 – T1| wird erfüllt und es wird festgelegt, dass die erste Temperaturschwankung ΔT1 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 aufgetreten ist, und der erste Zählwert C1 wird erhöht.
  • Wenn der durch die Last verbrauchte Strom anwächst und die Temperatur T der Leistungselementeinheit 1 zu einem Zeitpunkt t3 von einem Abfallen zu einem Anwachsen wendet, wird ein Wendepunkt P3 erfasst und ein digitales Signal, das eine Temperatur T3 der Leistungselementeinheit 1 an diesem Wendepunkt P3 anzeigt, in die Speichereinheit 6 geschrieben. Ein Absolutwert |T3 – T2| der Differenz zwischen der Temperatur T3 der Leistungselementeinheit 1 an dem zu diesem Zeitpunkt erfassten Wendepunkt P3 und der Temperatur T2 der Leistungselementeinheit 1 an dem zum letzten Zeitpunkt erfassten Wendepunkt P2 wird durch die Betriebseinheit 8 ermittelt. Drei Grenzwerte Tth1 bis Tth3 werden durch die Zählschaltung 15 mit |T3 – T2| verglichen. Tth2 < |T3 – T2| < Th1 wird erfüllt und es wird festgelegt, dass die zweite Temperaturschwankung ΔT2 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 aufgetreten ist, und der zweiten Zählwert C2 wird erhöht.
  • Wenn der durch die Last verbrauchte Strom abfällt und die Temperatur T der Leistungselementeinheit zu einem Zeitpunkt t4 von einem Anwachsen zu einem Abfallen wendet, wird ein Wendepunkt P4 erfasst und ein digitales Signal, das eine Temperatur T4 der Leistungselementeinheit 1 an diesem Wendepunkt P4 anzeigt, in die Speichereinheit 7 geschrieben. Ein Absolutwert |T4 – T3| der Differenz zwischen der Temperatur T4 der Leistungselementeinheit 1 an dem zu diesem Zeitpunkt erfassten Wendepunkt P4 und der Temperatur T3 der Leistungselementeinheit 1 an dem zum letzten Zeitpunkt erfassten Wendepunkt P3 wird mit der Betriebseinheit 8 ermittelt. Drei Grenzwerte Tth1 bis Tth3 werden durch die Zählschaltung 15 mit |T4 – T3| verglichen. Tth3 < |T4 – T3| < Th2 ist erfüllt und es wird festgelegt, dass die dritte Temperaturschwankung ΔT3 zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 aufgetreten ist, und der dritte Zählwert C3 wird erhöht.
  • Entsprechend wird ein Wendepunkt P5 zum Zeitpunkt t5 erfasst und ein digitales Signal, das eine Temperatur T5 der Leistungselementeinheit 1 an diesem Wendepunkt P5 anzeigt, in die Speichereinheit 6 geschrieben. Es wird festgelegt, dass die dritte Temperaturschwankung ΔT3 zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 aufgetreten ist, und der dritte Zählwert C3 wird erhöht.
  • Ein Wendepunkt P6 wird zum Zeitpunkt t6 erfasst und ein digitales Signal, das eine Temperatur T6 der Leistungselementeinheit 1 an diesem Wendepunkt P6 anzeigt, wird in die Speichereinheit 7 geschrieben. Es wird festgelegt, dass die dritte Temperaturschwankung ΔT3 zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 aufgetreten ist, und der dritte Zählwert C3 wird erhöht.
  • Zwischen den Zeitpunkten t6 und t7 wird der von der Leistungselementeinheit 1 der Last zugeführte Strom von dem Nennwert auf 0 A reduziert. Zum Zeitpunkt t7, bei dem der Betrieb der Leistungselementeinheit 1 gestoppt wird und die Temperatur T der Leistungselementeinheit 1 die Raumtemperatur erreicht, wird erkannt, dass ein Wendepunkt P7 aufgetreten ist, und eine Temperatur T7 der Leistungselementeinheit 1 zu dem Zeitpunkt t7 wird in die Speichereinheit 6 geschrieben.
  • Ein Absolutwert |T7 – T6| der Differenz zwischen der Temperatur T7 der Leistungselementeinheit 1 an dem zu diesem Zeitpunkt erfassten Wendepunkt P7 und der Temperatur T6 der Leistungselementeinheit 1 an dem zum letzten Zeitpunkt erfassten Wendepunkt P6 wird durch die Betriebseinheit 8 ermittelt. Drei Grenzwert Tth1 bis Tth3 werden durch die Zählschaltung 15 mit |T7 – T6| verglichen. Tth3 < |T7 – T6| wird erfüllt und es wird festgelegt, dass die erste Temperaturschwankung ΔT1 zwischen den Zeitpunkten t6 und t7 aufgetreten ist, und der erste Zählwert C1 wird erhöht.
  • In dem in 3A gezeigten Beispiel werden C1 = 2, C2 = 1 und C3 = 3 wie in 3B gezeigt erhalten. In 3B wird das Warnsignal AL auf dem deaktivierten "L"-Niveau gehalten, da C1 < Cth1, C2 < Cth2 und C3 < Cth3 erfüllt sind. Wenn der Betrieb der Leistungselementeinheit 1 fortgesetzt wird, um C1 ≥ Cth1, C2 ≥ Cth2 oder C3 ≥ Cth3 zu erfüllen, wird dann das Warnsignal AL auf das aktivierte "H"-Niveau gesetzt, um den Nutzer zu warnen, dass die Leistungselementeinheit 1 davorsteht, das Ende ihrer Lebensdauer zu erreichen.
  • Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird in Abhängigkeit der Größe des Absolutwerts |ΔT| der Temperaturdifferenz zwischen zwei Wendepunkten festgelegt, welche der drei Arten von Temperaturschwankungen ΔT1 bis ΔT3 aufgetreten ist, und es wird eine der Grenzhäufigkeiten Cth1 bis Cth3 in Abhängigkeit der Art der Temperaturschwankung ausgewählt, so dass die Lebensdauer der Leistungselementeinheit 1 genauer als bei dem ersten Ausführungsbeispiel abgeschätzt werden kann.
  • Es wird angemerkt, dass in Abhängigkeit der Größe des Absolutwerts |ΔT| der Temperaturdifferenz zwischen zwei Wendepunkten erfasst werden kann, welche von M Arten von Temperaturschwankungen ΔT1 bis ΔTM aufgetreten ist, und eine der Grenzhäufigkeiten Cth1 bis CthM kann in Abhängigkeit der Art der Temperaturschwankung ausgewählt werden. M ist eine ganze Zahl größer als oder gleich 2. Die Zählschaltung 15 vergleicht |ΔT| mit Grenztemperaturen Tth1 bis TthM. Tthm > Tth(m + 1) wird eingehalten. M ist eine ganze Zahl größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich (M – 1). Wenn |ΔT| > Tth1 erfüllt ist, wird festgelegt, dass die erste Temperaturschwankung ΔT1 aufgetreten ist. Wenn Tthm > |ΔT| > Tth(m + 1) erfüllt ist, wird festgelegt, dass die m-te Temperaturschwankung ΔTm aufgetreten ist. Wenn die erste bis M-te Temperaturschwankung aufgetreten sind, werden jeweils der erste bis M-te Zählwert C1 bis CM erhöht. Die Signalerzeugungseinheit 16 vergleicht die Zählwerte C1 bis CM jeweils mit Grenzhäufigkeiten Cth1 bis CthM. Wenn wenigstens eine der Bedingungen C1 ≥ Cth1, C2 ≥ Cth2, ..., CM ≥ CthM erfüllt ist, wird das Warnsignal AL auf das aktivierte "H"-Niveau gesetzt. Das zweite Ausführungsbeispiel hat den Fall gezeigt, bei dem M = 3 erfüllt ist.
  • [Drittes Ausführungsbeispiel]
  • 4 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt, das mit 1 verglichen wird. Mit Bezug auf 4 unterscheidet sich dieses Leistungsmodul dadurch von dem in 1 gezeigten Leistungsmodul, dass die Signalerzeugungseinheit 10 durch eine Signalerzeugungseinheit 20 ersetzt worden ist. Die Signalerzeugungseinheit 20 gibt ein digitales Signal DO aus, das eine Differenz Cth – C zwischen der Grenzhäufigkeit Cth und dem Zählwert C anzeigt. Das digitale Signal DO dient als ein Signal, das eine zulässige Häufigkeit des Auftretens einer Temperaturschwankung anzeigt, das heißt die verbleibende Lebensdauer der Leistungselementeinheit 1.
  • Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel werden die Erhaltung des Systems, der Austausch des Leistungsmoduls und dergleichen basierend auf dem Signal DO, das die verbleibende Lebensdauer der Leistungselementeinheit 1 anzeigt, auf eine geplante Weise durchgeführt.
  • Da das digitale Signal DO, das die verbleibende Lebensdauer der Leistungselementeinheit 1 anzeigt, ausgegeben wird, können zudem die Schaltungsgröße, die Anzahl von Bauteilen, die Kosten und die Fehlerrate reduziert werden im Vergleich zu dem Fall, bei dem ein analoges Signal ausgegeben wird, das die verbleibende Lebensdauer der Leistungselementeinheit 1 anzeigt.
  • [Viertes Ausführungsbeispiel]
  • 5 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt, das mit 2 verglichen wird. Mit Bezug auf 5 unterscheidet sich dieses Leistungsmodul dadurch von dem in 2 gezeigten Leistungsmodul, dass die Signalerzeugungseinheit 16 durch eine Signalerzeugungseinheit 25 ersetzt worden ist. Die Signalerzeugungseinheit 25 gibt ein digitales Signal DO1, das eine Differenz Cth1 – C1 zwischen einer Grenzhäufigkeit Cth1 und dem Zählwert C1 anzeigt, ein digitales Signal DO2, das eine Differenz Cth2 – C2 zwischen einer Grenzhäufigkeit Cth2 und dem Zählwert C2 anzeigt, und ein digitales Signal DO3, das eine Differenz Cth3 – C3 zwischen einer Grenzhäufigkeit Cth3 und dem Zählwert C3 anzeigt, aus.
  • Das digitale Signal DO1 dient als ein Signal, das eine zulässige Häufigkeit des Auftretens der ersten Temperaturschwankung ΔT1 anzeigt, das heißt eine erste verbleibende Lebensdauer der Leistungselementeinheit 1. Das digitale Signal DO2 dient als ein Signal, das eine zulässige Häufigkeit des Auftretens der zweiten Temperaturschwankung ΔT2 anzeigt, das heißt eine zweite verbleibende Lebensdauer der Leistungselementeinheit 1. Das digitale Signal DO3 dient als ein Signal, das eine zulässige Häufigkeit des Auftretens der dritten Temperaturschwankung ΔT3 anzeigt, das heißt eine dritte verbleibende Lebensdauer der Leistungselementeinheit 1.
  • Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel kann die verbleibende Lebensdauer der Leistungselementeinheit 1 genauer als bei dem dritten Ausführungsbeispiel abgeschätzt werden.
  • Es wird angemerkt, dass die Häufigkeit des Auftretens der ersten bis M-ten Temperaturschwankung ΔT1 bis ΔTM gezählt werden kann und dass die Differenzen Cth1 – C1, ..., CthM – CM zwischen den Grenzhäufigkeiten Cth1 bis CthM und den Zählwerten C1 bis CM als digitale Signale DO1 bis DOM ausgegeben werden können. M ist eine ganze Zahl größer als oder gleich 2. Das vierte Ausführungsbeispiel hat den Fall gezeigt, bei dem M = 3 erfüllt ist.
  • [Fünftes Ausführungsbeispiel]
  • 6 ist ein Blockschaltbild, das einen wesentlichen Teil eines Leistungsmoduls gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, das mit 1 verglichen wird. Mit Bezug auf 6 unterscheidet sich dieses Leistungsmodul dadurch von dem in 1 gezeigten Leistungsmodul, das die Wendepunkterfassungseinheit 5 durch eine Wendepunkterfassungseinheit 30 ersetzt worden ist. Die Wendepunkterfassungseinheit 30 umfasst eine Differenzierungsschaltung 31, eine Impulserzeugungsschaltung 32, eine A/D-Wandlerschaltung 33 und eine Schreibschaltung 34. Das Ausgangssignal Vt des Temperatursensors 4 ist ein analoges Spannungssignal.
  • Die Differenzierungsschaltung 31 ist beispielsweise eine CR-Filterschaltung und differenziert das Ausgangssignal Vt des Temperatursensors 4. An einem Wendepunkt des Signals Vt erreicht ein Ausgangssignal V31 der Differenzierungsschaltung 31 0 V. Immer wenn das Ausgangssignal V31 der Differenzierungsschaltung 31 0 V erreicht, gibt die Impulserzeugungsschaltung 32 ein Impulssignal ϕ32 aus.
  • Die A/D-Wandlerschaltung 33 tastet das Ausgangssignal Vt des Temperatursensors 4 in Zeitintervallen ab, die ausreichend kürzer als das Zeitintervall sind, während dem die in der Leistungselementeinheit 1 enthaltenen Leistungselemente ein-/ausgeschaltet werden, und wandelt jedes abgetastete Signal Vt in ein digitales Signal und stellt der Schreibschaltung 34 das digitale Signal zur Verfügung.
  • In Reaktion auf das Impulssignal ϕ32 der Impulserzeugungseinheit 32 schreibt die Schreibschaltung 34 die digitalen Signale der A/D-Wandlerschaltung 33 abwechselnd in die Speichereinheiten 6 und 7. Beispielsweise schreibt die Schreibschaltung 34 das digitale Signal in Reaktion auf eine ungerade Anzahl von Impulssignalen ϕ32 in die Speichereinheit 7 und in Reaktion auf eine gerade Anzahl von Impulssignalen ϕ32 in die Speichereinheit 6.
  • Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel kann die Schaltungsgröße reduziert werden, da der Wendepunkt unter Verwendung der Differenzierungsschaltung 31 erfasst wird.
  • [Sechstes Ausführungsbeispiel]
  • 7 ist ein Schaltungsblockschaltbild, das die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In 7 umfasst dieses Leistungsmodul eine Leistungselementeinheit 1A und einen Steuer- und/oder Regel-IC 40.
  • Die Leistungselementeinheit 1A umfasst DC-Eingangsanschlüsse Ta und Tb, AC-Ausgangsanschlüsse Tc bis Te, Signalanschlüsse Tf und Tg, Transistoren Q1 bis Q6 und Dioden D1 bis D9. Die DC-Eingangsanschlüsse Ta und Tb empfangen jeweils Spannungen VP und VN von einer DC-Leistungsversorgung (nicht gezeigt). Die DC-Spannung VP ist höher als die DC-Spannung VN. Dreiphasige AC-Spannungen VU, VV und VW werden jeweils an die AC-Ausgangsanschlüsse Tc bis Te ausgegeben.
  • Jeder der Transistoren Q1 bis Q6 ist beispielsweise ein IGBT. Die Transistoren Q1 bis Q3 haben Kollektoren, die jeweils mit dem DC-Eingangsanschluss Ta verbunden sind, und Emitter, die jeweils mit den AC-Ausgangsanschlüssen Tc bis Te verbunden sind. Die Transistoren Q4 bis Q6 haben Kollektoren, die jeweils mit den AC-Ausgangsanschlüssen Tc bis Te verbunden sind, und Emitter, die jeweils mit dem DC-Eingangsanschluss Tb verbunden sind. Die Dioden D1 bis D6 sind jeweils antiparallel zu den Transistoren Q1 bis Q6 geschaltet. Jeder der Transistoren Q1 bis Q6 wird mit der Steuer- und/oder Regeleinheit 2 ein-/ausgeschaltet.
  • Die Transistoren Q1 bis Q6 und Dioden D1 bis D6 bilden einen Wechselrichter, der die DC-Leistung, die von der DC-Leistungsversorgung (nicht gezeigt) über die DC-Eingangsanschlüsse Ta und Tb zugeführt wird, in eine dreiphasige AC-Leistung wandelt und die AC-Leistung über die AC-Ausgangsanschlüsse Tc bis Te an eine Last ausgibt. Jeder der Transistoren Q1 bis Q6 und jede der Dioden D1 bis D6 ist ein Leistungselement.
  • Die Dioden D7 bis D9 sind in der Vorwärtsrichtung in Reihe zwischen die Signalanschlüsse Tf und Tg geschaltet. Der Signalanschluss Tf empfängt einen Ausgangsstrom von einer konstanten Stromquelle 4a, während der Signalanschluss Tg eine Referenzspannung VSS empfängt. Eine Vorwärtsspannung VF der Dioden D7 bis D9 tritt an dem Signalanschluss Tf auf. Die Vorwärtsspannung VF der Dioden D7 bis D9 ändert sich in Abhängigkeit der Temperatur der Dioden D7 bis D9. Die Dioden D7 bis D9 und die konstante Stromquelle 4a bilden einen Teil des in 1 gezeigten Temperatursensors 4. Das Ausgangssignal Vt des Temperatursensors 4 wird basierend auf der Vorwärtsspannung VF der Dioden D7 bis D9 erzeugt.
  • Das heißt, die Dioden D7 bis D9 sind an einem Substrat (nicht gezeigt) angeordnet, an dem der Wechselrichter (nämlich die Transistoren Q1 bis Q6 und Dioden D1 bis D6) angeordnet ist. Wenn ein Strom von dem Wechselrichter der Last zugeführt wird, tritt ein Verlust (nämlich Wärme) in jedem der Transistoren Q1 bis Q6 und jeder der Dioden D1 bis D7 auf und die Temperatur der Transistoren Q1 bis Q6 und der Dioden D1 bis D6 ändert sich in Abhängigkeit des durch die Last verbrauchten Stroms.
  • Die in den Transistoren Q1 bis Q6 und den Dioden D1 bis D6 erzeugte Wärme wird auf die Dioden D7 bis D9 übertragen und die Temperatur der Dioden D7 bis D9 ändert sich ebenfalls in Abhängigkeit der Temperatur der Transistoren Q1 bis Q6 und der Dioden D1 bis D6. Die Vorwärtsspannung VF der Dioden D7 bis D9 ändert sich in Abhängigkeit der Temperatur der Dioden D7 bis D9. Eine Lebensdauerabschätzschaltung 3A, welche die konstante Stromquelle 4a aufweist, und die Steuer- und/oder Regeleinheit 2 sind an demselben Steuer- und/oder Regel-IC 40 angeordnet. Die anderen Konfigurationen und Betriebsweisen sind dieselben wie die bei dem ersten Ausführungsbeispiel und werden daher nicht wiederholt beschrieben.
  • Bei diesem sechsten Ausführungsbeispiel kann die Temperatur der Leistungselemente Q1 bis Q6 und D1 bis D6 genau erfasst werden, da die Dioden D7 bis D9 zur Temperaturerfassung an demselben Substrat angeordnet sind wie die Leistungselemente Q1 bis Q6 und D1 bis D6. Da die Lebensdauerabschätzschaltung 3A und die Steuer- und/oder Regeleinheit 2 an einem einzelnen Steuer- und/oder Regel-IC 40 angeordnet sind, kann zudem die Schaltungsgröße reduziert werden, die Anzahl von Bauteilen verringert werden, die Kosten reduziert werden und die Fehlerrate verringert werden.
  • Es wird angemerkt, dass jeder der Transistoren Q1 bis Q6 ein anderes Halbleiterschaltelement als ein IGBT sein kann. Beispielsweise kann er ein Bipolartransistor oder ein MOSFET sein.
  • Verschiedene Abwandlungen dieses sechsten Ausführungsbeispiels werden unten beschrieben. Bei der ersten Abwandlung sind die Transistoren Q1 bis Q6 aus Silicium (Si) hergestellt, während die Dioden D1 bis D6 aus Siliciumcarbid (SiC) hergestellt sind. Ein aus Siliciumcarbid hergestelltes Halbleiterelement hat eine hohe Durchschlagspannung und eine hohe zulässige Stromdichte. Dementsprechend kann die Größe der Dioden D1 bis D6 reduziert werden, so dass die Größe des Leistungsmoduls reduziert werden kann.
  • Bei der zweiten Abwandlung sind alle Transistoren Q1 bis Q6 und alle Dioden D1 bis D6 aus Siliciumcarbid hergestellt. Dementsprechend kann die Größe der Transistoren Q1 bis Q6 und der Dioden D1 bis D6 reduziert werden, so dass die Größe des Leistungsmoduls weiter reduziert werden kann als bei der ersten Abwandlung.
  • Bei der dritten Abwandlung werden die in 7 gezeigten sechs Paare von Transistoren Q und Dioden D durch sechs rückwärtsleitende IGBTs ersetzt, wobei jeder der rückwärtsleitenden IGBTs aus Siliciumcarbid hergestellt ist. Der rückwärtsleitende IGBT ist ein Halbleiterelement, das einen IGBT und eine Diode, die antiparallel zu dem IGBT geschaltet ist, aufweist. Dementsprechend kann die Größe des Leistungsmoduls weiter reduziert werden als bei der zweiten Abwandlung, so dass der Montagevorgang weiter vereinfacht werden kann.
  • Obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, soll verstanden sein, dass die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele in jeder Beziehung illustrativ und nicht einschränkend sind. Der Rahmen der vorliegenden Erfindung wird definiert durch die Bestimmungen der Ansprüche und enthält bestimmungsgemäß jede Abwandlung innerhalb des Rahmens und der Bedeutung entsprechend den Bestimmungen der Ansprüche.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Leistungselementeinheit
    1A
    Leistungselementeinheit
    2
    Steuer- und/oder Regeleinheit
    3
    Lebensdauerabschätzschaltung
    3A
    Lebensdauerabschätzschaltung
    4
    Temperatursensor
    4a
    Stromquelle
    5
    Wendepunkterfassungseinheit
    6
    Speichereinheit
    7
    Speichereinheit
    8
    Betriebseinheit
    9
    Zählschaltung
    10
    Signalerzeugungseinheit
    15
    Zählschaltung
    16
    Signalerzeugungsschaltung
    20
    Signalerzeugungseinheit
    25
    Signalerzeugungseinheit
    30
    Wendepunkterfassungseinheit
    31
    Differenzierungsschaltung
    32
    Impulserzeugungsschaltung
    33
    A/D-Wandlerschaltung
    34
    Schreibschaltung
    40
    Steuer- und/oder Regel-IC
    AL
    Warnsignal
    VC
    Spannungsführungswert
    Vt
    Signal von 4
    C
    Zählwert
    Cth
    Grenzhäufigkeit
    D
    Diode
    DO
    Signal von 20
    Q
    Transistor
    T
    Temperatur
    Ta
    DC-Eingangsanschluss von 1A
    Tb
    DC-Eingangsanschluss von 1A
    Tc
    AC-Ausgangsanschluss von 1A
    Td
    AC-Ausgangsanschluss von 1A
    Te
    AC-Ausgangsanschluss von 1A
    Tf
    Signalanschluss von 1A
    Tg
    Signalanschluss von 1A
    Tth
    Grenztemperatur
    |ΔT|
    Absolutwert der Temperaturdifferenz
    VF
    Vorwärtsspannung
    VN
    DC-Spannung
    VP
    DC-Spannung
    VSS
    Referenzspannung
    VU
    AC-Spannung
    VV
    AC-Spannung
    VW
    AC-Spannung
    V31
    Ausgangssignal von 31
    ϕ32
    Impulssignal von 32
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • 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.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2015-56415 [0005]

Claims (14)

  1. Lebensdauerabschätzschaltung (3) zum Abschätzen einer Lebensdauer eines Leistungselements (1), aufweisend: • einen Temperatursensor (4), der zum Erfassen der Temperatur des Leistungselements (1) eingerichtet ist; • eine Wendepunkterfassungseinheit (5), die zum Erfassen eines Wendepunkts einer Temperaturschwankung in dem Leistungselement (1) basierend auf einem Ergebnis der Erfassung durch den Temperatursensor (4) eingerichtet ist; • eine Betriebseinheit (8), die zum Ermitteln eines Absolutwerts einer Differenz zwischen der Temperatur des Leistungselements (1) an einem zu diesem Zeitpunkt durch die Wendepunkterfassungseinheit (5) erfassten Wendepunkt und der Temperatur des Leistungselements (1) an einem zum letzten Zeitpunkt durch die Wendepunkterfassungseinheit (5) erfassten Wendepunkt eingerichtet ist; • eine Zählschaltung (9), die zum Zählen der Häufigkeit eines Auftretens einer ersten Temperaturschwankung eingerichtet ist, bei welcher der mit der Betriebseinheit (8) ermittelte Absolutwert der Temperaturdifferenz eine erste Grenztemperatur erreicht; und • eine Signalerzeugungseinheit (10), die zum Ausgeben eines auf die Lebensdauer des Leistungselements (1) bezogenen Signals basierend auf einem Zählwert der Zählschaltung (9) eingerichtet ist.
  2. Lebensdauerabschätzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Signalerzeugungseinheit (10) in Reaktion auf die Häufigkeit des Auftretens der ersten Temperaturschwankung, die eine erste Grenzhäufigkeit erreicht, ein Signal als das auf die Lebensdauer des Leistungselements (1) bezogene Signal ausgibt, das anzeigt, dass das Leistungselement (1) davorsteht, das Ende seiner Lebenszeit zu erreichen.
  3. Lebensdauerabschätzschaltung nach Anspruch 2, wobei die Zählschaltung (15) zudem die Häufigkeit des Auftretens einer zweiten Temperaturschwankung zählt, bei welcher der mit der Betriebseinheit (8) ermittelte Absolutwert der Temperaturdifferenz eine zweite Grenztemperatur erreicht, die niedriger als die erste Grenztemperatur ist, und die Signalerzeugungseinheit (16) in Reaktion auf die Häufigkeit des Auftretens der zweiten Temperaturschwankung, die eine zweite Grenzhäufigkeit erreicht, die höher als die erste Grenzhäufigkeit ist, zudem das Signal ausgibt, das anzeigt, dass das Leistungselement (1) davorsteht, das Ende seiner Lebensdauer zu erreichen.
  4. Lebensdauerabschätzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Signalerzeugungseinheit (20) eine erste verbleibende Lebensdauer des Leistungselements (1) basierend auf einer Differenz zwischen einer ersten Grenzhäufigkeit und der Häufigkeit des Auftretens der ersten Temperaturschwankung ermittelt und ein Signal als das auf die Lebensdauer des Leistungselements (1) bezogene Signal ausgibt, das die erste verbleibende Lebensdauer des Leistungselements (1) anzeigt.
  5. Lebensdauerabschätzschaltung nach Anspruch 4, wobei die Zählschaltung (15) zudem die Häufigkeit des Auftretens einer zweiten Temperaturschwankung zählt, bei welcher der mit der Betriebseinheit (8) ermittelte Absolutwert der Temperaturdifferenz eine zweite Grenztemperatur erreicht, die niedriger als die erste Grenztemperatur ist, und die Signalerzeugungseinheit (25) zudem eine zweite verbleibende Lebensdauer des Leistungselements (1) basierend auf einer Differenz zwischen einer zweiten Grenzhäufigkeit, die größer als die erste Grenzhäufigkeit ist, und der Häufigkeit des Auftretens der zweiten Temperaturschwankung ermittelt und ein Signal ausgibt, das die zweite verbleibende Lebensdauer des Leistungselements (1) anzeigt.
  6. Lebensdauerabschätzschaltung nach Anspruch 1, wobei das auf die Lebensdauer des Leistungselements (1) bezogene Signal ein digitales Signal ist.
  7. Lebensdauerabschätzschaltung nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor (4) ein Signal ausgibt, das die Temperatur des Leistungselements (1) anzeigt, und das die Wendepunkterfassungseinheit (30) eine Differenzierungsschaltung (31) aufweist, die zum Differenzieren des von dem Temperatursensor (4) ausgegebenen Signals eingerichtet ist.
  8. Lebensdauerabschätzschaltung nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor (4) eine Diode (D7 bis D9) aufweist, deren Vorwärtsspannung sich in Abhängigkeit der Temperatur des Leistungselements (1) ändert.
  9. Lebensdauerabschätzschaltung nach Anspruch 8, wobei die Diode (D7 bis D9) an einem Substrat angeordnet ist, an dem das Leistungselement (1) angeordnet ist.
  10. Halbleiteranordnung, aufweisend: die Lebensdauerabschätzschaltung (3A) gemäß Anspruch 1; das Leistungselement (1); und eine Steuer- und/oder Regeleinheit (2), die zum Steuern und/oder Regeln des Leistungselements (1) eingerichtet ist.
  11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, wobei wenigstens ein Teil der Lebensdauerabschätzschaltung (3A) an einem Steuer- und/oder Regel-IC (40) angeordnet ist, an dem die Steuer- und/oder Regeleinheit (2) angeordnet ist.
  12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, wobei das Leistungselement (1) einen aus Si hergestellten Transistor (Q1 bis Q6) und eine aus SiC hergestellte Diode (D1 bis D6) aufweist.
  13. Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, wobei das Leistungselement (1) einen aus SiC hergestellten Transistor (Q1 bis Q6) und eine aus SiC hergestellte Diode (D1 bis D6) aufweist.
  14. Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, wobei das Leistungselement (1) einen aus SiC hergestellten, rückwärtsleitenden IGBT umfasst, wobei der rückwärtsleitende IGBT einen IGBT und eine Diode, die antiparallel zu dem IGBT geschaltet ist, aufweist.
DE102016214223.2A 2015-09-14 2016-08-02 Lebensdauerabschätzschaltung und unter Verwendung derselben hergestellte Halbleiteranordnung Withdrawn DE102016214223A1 (de)

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