DE102019107805A1

DE102019107805A1 - Verfahren zum Überwachen einer Lebensdauer einer Stromrichterschaltung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102019107805A1
Application number: DE102019107805.9A
Authority: DE
Inventors: Eric Pertermann
Original assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Lebensdauer einer Stromrichterschaltung (110) einer elektrischen Maschine (120), die wenigstens einen Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116) aufweist, wobei zu einem ersten Zeitpunkt (210) an dem wenigstens einen Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116) wenigstens ein Referenzspannungswert und/oder wenigstens ein Referenzstromwert erfasst werden (211) und daraus wenigstens ein Schwellwert bestimmt wird (212), wobei zu einem zweiten Zeitpunkt (220), welcher zeitlich nach dem ersten Zeitpunkt (210) liegt, an dem wenigstens einen Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116) jeweils ein aktueller Spannungswert und/oder ein aktueller Stromwert erfasst werden (221) und daraus ein Vergleichswert bestimmt und mit dem wenigstens einen Schwellwert verglichen wird (223) und wobei in Abhängigkeit von dem Vergleich eine Lebensdauer des wenigstens einen Halbleiterschalters überwacht wird (223).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Lebensdauer einer Stromrichterschaltung einer elektrischen Maschine, die wenigstens einen Halbleiterschalter aufweist, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Für elektrische Maschinen können Stromrichterschaltungen vorgesehen sein, um je nach Betriebsmodus der elektrischen Maschine eine im generatorischen Betrieb erzeugte n-phasige Wechselspannung in eine Gleichspannung gleichzurichten bzw. um für einen motorischen Betrieb eine Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung wechselzurichten. Beispielsweise können Halbleiterschalter wie MOSFETs oder IGBTs in derartigen Stromrichterschaltungen verwendet werden. In Fahrzeugen werden derartige Stromrichterschaltungen üblicherweise zwischen eine entsprechende elektrische Maschine, die z.B. als ein Startergenerator ausgebildet sein kann, und ein Fahrzeugbordnetz geschaltet, um dort wahlweise als Gleichrichter oder Wechselrichter (Inverter) zu arbeiten.
Es können hohe Belastungen auf die Halbleiterschalter wirken, etwa aktive Temperaturhübe aufgrund der Eigenerwärmung der Halbleiterschalter oder passive Temperaturhübe z.B. durch die Abwärme eines Verbrennungsmotors. Derartige Belastungen können die Lebensdauer der Halbleiterschalter negativ beeinflussen und gar zu einem Ausfall bzw. Defekt der Halbleiterschalter führen. Bei derartigen Halbleiterschaltern handelt es sich jedoch um funktionskritische Komponenten, deren Ausfall zu einer Nichtfunktionalität der kompletten elektrischen Maschine führt. Einen Ausfall derartiger Halbleiterschalter zu verhindern, ist daher von großer Bedeutung.
Die US 9 789 766 B2 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines oder mehrerer Halbleiterschalters in einem Kraftfahrzeug. Zu diesem Zweck wird eine Lebensdauer-Belastungsbeziehung vorgegeben, welche für eine Nennbelastung eines entsprechenden Halbleiterschalters eine Nennlebensdauer angibt. Eine Istbelastung des wenigstens einen Halbleiterschalters wird auf Grundlage einer Feststellung zurückliegender Belastungsereignisse zu wenigstens einem Zeitpunkt ermittelt und der dem wenigstens einen Zeitpunkt entsprechende Anteil der Nennbelastung wird mittels der vorgegebenen Lebensdauer-Belastungsbeziehung ermittelt. Die Istbelastung und der Anteil der Nennbelastung zu dem wenigstens einen Zeitpunkt werden verglichen, um einen Ausfalls vor der Nennlebensdauer zu verhindern.
Zur Ermittlung der Istbelastung werden ferner zumindest ein Temperaturverlauf des wenigstens einen Halbleiterschalters bestimmt, beispielsweise mit Hilfe eines Temperatursensors oder eines Beobachtermodells. Um gemäß der US 9 789 766 B2 die Restlebensdauer von Halbleiterschaltern zu bestimmten, wird also ein Temperaturverlauf der Halbleiterschalter messtechnisch oder mit Hilfe eines Modells bestimmt. Möglichkeiten, um Temperaturverläufe von Halbleiterschalter zu bestimmen, werden beispielsweise in der US 5 444 219 A , der US 5 355 123 A , der US 5 336 943 A und der US 57964 290 A beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zum Überwachen einer Lebensdauer einer Stromrichterschaltung einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Stromrichterschaltung weist wenigstens einen Halbleiterschalter auf. Insbesondere umfasst die Stromrichterschaltung pro Phase der elektrischen Maschine jeweils wenigstens zwei Halbleiterschalter. Das Verfahren eignet sich insbesondere für Stromrichterschaltung in Fahrzeugen, die zwischen einer elektrischen Maschine und einem Fahrzeugbordnetz geschaltet sind. Zweckmäßigerweise kann die elektrische Maschine generatorisch oder motorisch betrieben werden, wobei die Stromrichterschaltung entsprechend als Gleichrichter bzw. als Wechselrichter betrieben wird.
Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens werden zu einem ersten Zeitpunkt an dem wenigstens einen Halbleiterschalter wenigstens ein Referenzspannungswert und/oder wenigstens ein Referenzstromwert erfasst und daraus wenigstens ein Schwellwert bestimmt. Insbesondere kann als Schwellwert der aus dem bzw. den Referenzwerten bestimmte Wert zuzüglich einer zulässigen Alterungstoleranz (von z.B. 0-10%) bestimmt werden.
Zu einem zweiten Zeitpunkt, welcher zeitlich nach dem ersten Zeitpunkt liegt, werden an dem wenigstens einen Halbleiterschalter jeweils ein aktueller Spannungswert und/oder ein aktueller Stromwert erfasst und daraus ein Vergleichswert bestimmt und mit dem wenigstens einen Schwellwert verglichen. In Abhängigkeit von dem Vergleich wird eine Lebensdauer des wenigstens einen Halbleiterschalters überwacht, insbesondere die verbleibende Lebensdauer bis zum Ausfall.
Der wenigstens eine Schwellwert stellt insbesondere ein Maß bzw. eine Bewertungsgröße für die Lebensdauer des wenigstens einen Halbleiterschalters dar. Insbesondere kann der wenigstens eine Schwellwert wenigstens einen zulässigen Grenz- bzw. Maximalwert darstellen und ferner insbesondere einen bestimmten Lebensdauerverbrauch des wenigstens einen Halbleiterschalters charakterisieren. Ein Erreichen des wenigstens einen Schwellwerts charakterisiert insbesondere, dass die verbleibende Lebensdauer des wenigstens einen Halbleiterschalters einen vorgegebenen Wert erreicht und/oder dass der wenigstens eine Halbleiterschalter ein vorgegebenes Intervall von einem Ende seiner Lebensdauer entfernt ist.
Der erste Zeitpunkt kann beispielsweise während einer Test- bzw. Vermessungsphase der Stromrichterschaltung stattfinden oder beispielsweise auch am Ende eines Herstellungsprozesses, bevor die Stromrichterschaltung bzw. die elektrische Maschine in Betrieb genommen werden. Der zweite Zeitpunkt findet insbesondere während eines regulären Betriebs der Stromrichterschaltung bzw. der elektrischen Maschine statt. Insbesondere können die Verfahrensschritte des zweiten Zeitpunkts in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt werden oder beispielsweis auch kontinuierlich durchgeführt werden.
Somit erfolgt zu dem ersten Zeitpunkt insbesondere eine Vermessung des wenigstens einen Halbleiterschalters, um die Lebensdauer charakterisierende Schwellwerte zu erlernen, welche im laufenden Betrieb der Stromrichterschaltung verwendet werden, um Rückschlüsse über die Lebendsauer des wenigstens einen Halbleiterschalters zu ziehen. Insbesondere werden somit zur Bestimmung des Schwellwerts bzw. der Schwellwerte lediglich Referenzspannungswerte und Referenzstromwerte in Abhängigkeit voneinander erfasst und bewertet. Entsprechend werden im laufenden Betrieb der Stromrichterschaltung lediglich Spannungs- bzw. Stromwerte erfasst, um Rückschlüsse auf die Lebensdauer zu ermöglichen.
Insbesondere werden für jeden Halbleiterschalter der Stromrichterschaltung jeweils wenigstens ein Referenzspannungswert und/oder wenigstens ein Referenzstromwert erfasst und daraus wenigstens ein Schwellwert bestimmt. Somit werden für jeden Halbleiterschalter zweckmäßigerweise individuelle Schwellwerte bestimmt. Ferner werden alle Halbleiterschalter und deren Lebensdauer zu dem zweiten Zeitpunkt einzeln und individuell überwacht. Das Verfahren ermöglicht somit eine individuelle Lebensdauerüberwachung jedes einzelnen Halbleiterschalters der Stromrichterschaltung lediglich in Abhängigkeit von an dem jeweiligen Halbleiterschalter erfassten Strom- und Spannungswerten.
Sofern diese Strom- und Spannungswerte nicht ohnehin schon für den regulären Betrieb der Stromrichterschaltung erfasst werden, lassen sich entsprechende Messverfahren bzw. Messsysteme auf einfache und konstruktiv aufwandsarme Weise implementieren bzw. nachrüsten.
Durch das Verfahren wird somit eine aufwandsarme Online-Überwachung der Lebensdauer von Halbleiterschaltern bereitgestellt. Verringerungen der verbleibenden Lebensdauer können frühzeitig erkannt werden und es können bei einem erkannten erhöhten Lebensdauerverbrauch zweckmäßigerweise Gegenmaßnahmen unternommen werden, um die Stromrichterschaltung zu schonen und somit die verbleibende Lebensdauer zu erhöhen. Ausfälle der Stromrichterschaltung und somit der gesamten elektrischen Maschine können daher insbesondere vermieden werden.
Vorzugsweise wird der wenigstens eine Schwellwert rechnerisch aus dem wenigstens einen Referenzspannungswert und/oder aus dem wenigstens einen Referenzstromwert bestimmt. Insbesondere wird der wenigstens eine Schwellwert somit für eine von der Spannung und/oder dem Strom abhängige Überwachungs- bzw. Bewertungsgröße bestimmt. Zu dem zweiten Zeitpunkt wird in diesem Fall insbesondere in Abhängigkeit von den aktuellen Strom- bzw. Spannungswerten die entsprechende Überwachungs- bzw. Bewertungsgröße bestimmt und mit dem wenigstens einen Schwellwert verglichen.
Besonders bevorzugt wird der wenigstens eine Schwellwert rechnerisch aus dem wenigstens einen Referenzspannungswert und dem wenigstens einen Referenzstromwert als wenigstens ein Referenzwiderstandswert bestimmt, d.h. als Widerstand des Halbleiterschalters in Stromführungsrichtung (sog. Einschaltwiderstand R_DS(on) bei Feldeffekttransistoren). In diesem Fall wird zu dem zweiten Zeitpunkt zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von dem aktuellen Stromwert und dem aktuellen Spannungswert ein aktueller Widerstandswert als Vergleichswert bestimmt und mit dem wenigstens einen Referenzwiderstandswert verglichen. Insbesondere kann als Schwellwert der aus den Referenzwerten bestimmte Wert zuzüglich einer zulässigen Alterungstoleranz (von z.B. 10%) bestimmt werden. Da sich der Einschaltwiderstand eines Halbleiterschalters mit zunehmender Alterung des Halbleiterschalters erhöht, bietet sich dieser besonders zur Überwachung der Lebensdauer an. Nahe dem Ende der Lebenszeit eines Halbleiterschalters, also bevor es zu einem Ausfall zw. Defekt des kommt, erhöht sich der Einschaltwiderstand eines Halbleiterschalters insbesondere schlagartig, so dass beispielsweise ein Referenzwiderstandswert nahe diesem Anstieg gewählt werden kann, um einen drohenden Ausfall erkennen zu können.
Vorzugsweise wird zu dem ersten Zeitpunkt wenigstens ein Referenzspannungswert in Abhängigkeit von wenigstens einem vorgegebenen Referenzstromwert erfasst. Insbesondere können somit Referenzströme mit entsprechenden vorgegebenen Referenzstromstärken an den wenigstens einen Halbleiterschalter angelegt werden und die sich dabei ergebenden Spannungsabfälle an dem wenigstens einen Halbleiterschalter können als Referenzspannungswerte messtechnisch erfasst werden. Werden auch die Vergleichswerte für denselben vorgegebenen Referenzstromwert bestimmt, können als Schwellwert der Referenzspannungswert zuzüglich Alterungstoleranz und als Vergleichswert der aktuelle Spannungswert verwendet werden, da diese dann proportional zum Einschaltwiderstand sind. Dies erleichtert die Auswertung.
Alternativ oder zusätzlich wird vorzugsweise wenigstens ein Referenzstromwert in Abhängigkeit von wenigstens einem vorgegebenen Referenzspannungswert erfasst. Somit werden insbesondere vorgegebene Referenzspannungen an den wenigstens einen Halbleiterschalter angelegt und die Stromstärken der dabei durch den wenigstens einen Halbleiterschalter fließenden Ströme werden als Referenzstromwerte erfasst. Werden auch die Vergleichswerte für denselben vorgegebenen Referenzspannungswert bestimmt, können als Schwellwert der Referenzstromwert abzüglich Alterungstoleranz und als Vergleichswert der aktuelle Stromwert verwendet werden, da diese dann umgekehrt proportional zum Einschaltwiderstand sind. Dies erleichtert ebenfalls die Auswertung.
Somit liegen bevorzugt der wenigstens eine Referenzspannungswert oder der wenigstens eine Referenzstromwert selbst der Bestimmung des der wenigstens einen Schwellwerts zugrunde. Die zu dem ersten Zeitpunkt erfassten Spannungs- bzw. Stromwerte können somit direkt der Bestimmung der Schwellwerte bzw. zulässigen Grenzwerte für die im späteren regulären Betrieb der Stromrichterschaltung erfassten aktuellen Spannungs- bzw. Stromwerte zugrunde liegen.
Vorteilhafterweise wird der Vergleich des Vergleichswerts mit dem wenigstens einen Schwellwert mit Hilfe wenigstens eines Komparators durchgeführt. Die Schwellwertvergleiche können somit zweckmäßigerweise analog mit entsprechenden Komparatorelementen durchgeführt werden, die beispielsweise in die Stromrichterschaltung integriert, dieser nachgeschaltet oder beispielsweise auch in ein Steuergerät integriert sein können.
Alternativ oder zusätzlich können die Schwellwertvergleiche auch digital durchgeführt werden. Zu diesem Zweck kann der Vergleich des Vergleichswerts mit dem wenigstens einen Schwellwert vorteilhafterweise mit Hilfe wenigstens einer Tabelle und/oder mit Hilfe wenigstens einer Gleichung durchgeführt wird. Eine entsprechende Gleichung kann insbesondere die aktuellen Spannungs- und Stromwerte mit den entsprechenden Referenzspannungs- und Referenzstromwerten bzw. mit den Schwellwerten in Beziehung setzen. Eine entsprechende Tabelle kann beispielsweis als eine Lookup-Tabelle vorgegeben sein. Insbesondere können die Gleichung(en) bzw. Tabelle(n) in einem Steuergerät hinterlegt sein.
Vorzugsweise werden die wenigstens eine Tabelle und/oder die wenigstens eine Gleichung zu dem ersten Zeitpunkt in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Schwellwert bestimmt. Die Gleichung(en) bzw. die Tabelle(n) können somit insbesondere im Zuge der Auswertung der Referenzstromwerte und Referenzspannungswerte erstellt und in einem entsprechenden Steuergerät hinterlegt werden.
Bevorzugt wird eine vorgegebene Maßnahme durchgeführt, wenn der Vergleichswert den wenigstens einen Schwellwert erreichen. Da ein Erreichen des Schwellwerts insbesondere einem Erreichen einer vorgegebenen Restlebensdauer entspricht, kann durch eine derartige Maßnahme insbesondere einem erhöhten Lebensdauerverbrauch entgegengewirkt werden. Durch die Maßnahme können die Stromrichterschaltung bzw. die Halbleiterschalter insbesondere geschont werden bzw. Verschleiß und Belastungen können reduziert werden, um eine verbleibende Lebensdauer der Halbleiterschalter möglichst zu erhöhen. Insbesondere können auch abgestufte Maßnahmen vorgesehen sein. Insbesondere können zu diesem Zweck für jeden Halbleiterschalter mehrere Schwellwerte bestimmt werden und je nachdem welcher Schwellwert zu dem zweiten Zeitpunkt erreicht wird, kann eine unterschiedliche Maßnahme durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird als vorgegebene Maßnahme ein vorgegebenes Signal ausgegeben, beispielsweise ein Warnsignal oder Fehlersignal, etwa um ein Steuergerät auf das Erreichen einer vorgegebenen Restlebensdauer hinzuweisen. Alternativ oder zusätzlich wird als vorgegebene Maßnahme vorzugsweise eine Drosselung einer Übertragungsleistung bzw. Lastminderung der Stromrichterschaltung durchgeführt. Durch eine derartige Drosselung werden insbesondere Belastungen des wenigstens einen Halbleiterschalters reduziert, beispielsweise durch geeignete Abregelungsmaßnahmen. Alternativ oder zusätzlich wird die Stromrichterschaltung als vorgegebene Maßnahme deaktiviert, insbesondere um einen Defekt oder gar eine Zerstörung der Stromrichterschaltung bzw. einzelner Halbleiterschalter zu verhindern.
Der wenigstens eine Halbleiterschalter ist bevorzugt als wenigstens ein Transistor ausgebildet, besonders bevorzugt als wenigstens ein Feldeffekttransistor, z.B. MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), oder IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor). Als der wenigstens eine Referenzspannungswert und der aktuelle Spannungswert wird vorzugsweise jeweils ein Drain-Source- bzw. bzw. Kollektor-Emitter-Spannungswert an dem wenigstens einen Halbleiterschalter erfasst. Als der wenigstens eine Referenzstromwert und der aktuelle Stromwert wird jeweils vorzugsweise ein Drain-Source- bzw. Kollektor-Emitter-Stromwert an dem wenigstens einen Halbleiterschalter erfasst.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein System aus einer elektrischen Maschine, einer Stromrichterschaltung, einer Batterie und einer Recheneinheit, das einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zugrunde liegen kann.
2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.
3 zeigt schematisch ein Diagramm eines ohmschen Widerstands eines MOSFETs in Abhängigkeit von durchgeführten Lastzyklen.
4 zeigt schematisch ein Diagramm eines Drain-Source-Stroms eines MOSFETs in Abhängigkeit von einer Drain-Source-Spannung.
5 zeigt schematisch ein Diagramm einer Drain-Source-Spannung und eines thermischen Widerstands eines MOSFETs jeweils in Abhängigkeit von durchgeführten Lastzyklen.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein System 100 aus einer elektrischen Maschine 120, einer Stromrichterschaltung 110, einer Batterie 130 und einer Recheneinheit 140, die dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, schematisch dargestellt.
Die elektrische Maschine 120 ist insbesondere als ein Generator in einem Kraftfahrzeug ausgebildet, z.B. als Drehstromlichtmaschine oder als sog. Startergenerator, und ist mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine des Fahrzeuges gekoppelt, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht explizit dargestellt ist. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 120 als dreiphasige elektrische Maschine ausgebildet sein, in welcher drei zueinander um 120° phasenverschobene Spannungssignale induziert werden. Die Batterie 130 ist insbesondere als Kraftfahrzeugbatterie ausgebildet und kann Teil eines Bordnetzes sein.
Die Stromrichterschaltung 110 weist eine Vielzahl von hier als MOSFET ausgebildeten Halbleiterschaltern 111, 112, 113, 114, 115, 116 auf, mittels welcher die mehrphasige Ausgangsspannung der elektrischen Maschine 120 gleichgerichtet und zur Versorgung der Kraftfahrzeugbatterie 130 bzw. des Bordnetzes bereitgestellt werden kann, oder gewünschtenfalls die Batteriespannung wechselgerichtet und zur Versorgung der elektrischen Maschine bereitgestellt werden kann.
Die Recheneinheit 140 ist als ein Steuergerät ausgebildet und insbesondere zum Steuern der Stromrichterschaltung 110 vorgesehen.
Bei den Halbleiterschaltern 111 bis 116 der Stromrichterschaltung 110 handelt es sich um funktionskritische Komponenten, deren Ausfall zu einer Nichtfunktionalität der kompletten elektrischen Maschine 120 führt. Es ist daher von großer Bedeutung, Verringerungen der verbleibenden Lebenddauern der Halbleiterschalter 111 bis 116 zu erkennen, um einen Ausfall der Halbleiterschalter 111 bis 116 verhindern zu können.
Das Steuergerät 140 ist daher ferner, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, welches in 2 schematisch als ein Blockdiagramm dargestellt ist und nachfolgend erläutert wird.
Im Rahmen des Verfahrens werden zu einem ersten Zeitpunkt 210, welcher beispielsweise während eines Herstellungsprozesses des Systems 100 oder zumindest der Stromrichterschaltung 110 stattfinden kann, Schwellwerte ermittelt, welche zu einem späteren zweiten Zeitpunkt 220, insbesondere während des regulären Betriebs des Systems 100 bzw. des Fahrzeugs, verwendet werden, um die Lebensdauer der Halbleiterschalter 111 bis 116 zu überwachen.
Zu dem ersten Zeitpunkt 210 werden zu diesem Zweck in einem Schritt 211 beispielsweise zunächst an den MOSFET 111 Drain-Source-Ströme mit einer Vielzahl verschiedener Referenzstromwerte angelegt und die sich bei den verschiedenen Referenzstromwerten ergebenden Drain-Source-Spannungsabfälle über dem MOSFET 111 werden als zugehörige Referenzspannungswerte erfasst.
Somit wird in Schritt 211 für den MOSFET 111 eine Vielzahl verschiedener Referenzwertepaare von vorgegebenen Referenzstromwerten und zugehörigen Referenzspannungswerte erfasst. In Schritt 212 wird in Abhängigkeit von diesen Referenzspannungswerten und von diesen Referenzstromwerten ein Schwellwert bestimmt. Vorzugsweise wird ein Drain-Source-Widerstandswert zuzüglich einer zulässigen Alterungstoleranz von beispielsweise 0% - 10% als ein Referenzwiderstandswert und somit als Schwellwert bestimmt. Ebenso ist es aber beispielsweise auch denkbar, dass die in Schritt 211 erfassten Referenzspannungswerte zuzüglich einer zulässigen Alterungstoleranz von beispielsweise 0% - 10% als Schwellwert jeweils für den zugehörigen Referenzstromwert bestimmt werden.
Die Schritte 211 und 212 werden daraufhin für die restlichen Halbleiterschalter 112 bis 116 wiederholt, angedeutet durch das Bezugszeichen 213. Somit wird für jeden der Halbleiterschalter 111 bis 116 jeweils eine Vielzahl von Referenzwertepaaren aus vorgegebenen Referenzstromwerten und zugehörigen Referenzspannungswerten erfasst und für jeden der Halbleiterschalter 111 bis 116 wird ferner jeweils ein Referenzwiderstandswert als Schwellwert bestimmt.
Wenn in Schritt 214 für alle sechs MOSFET 111 bis 116 jeweils ein Schwellwert bestimmt wurde, werden diese Schwellwerte in Schritt 215 in dem Steuergerät 140 hinterlegt. Beispielsweise können dabei auch für jeden der Halbleiterschalter 111 bis 116 jeweils eine Lookup-Tabelle erstellt und in dem Steuergerät 140 hinterlegt werden.
In Abhängigkeit von diesen zu dem ersten Zeitpunkt 210 bestimmten Schwellwerten wird nun im laufenden Betrieb des Systems 100 zu dem zweiten Zeitpunkt 220 eine Überwachung der Lebensdauer der einzelnen Halbleiterschalter 111 bis 116 durchgeführt.
Dabei werden in Schritt 221 beispielsweise zunächst für den MOSFET 111 ein aktueller Drain-Source-Spannungswert und ein aktueller Drain-Source-Stromwert erfasst. Aus diesen in Schritt 221 erfassten aktuellen Spannungs- und Stromwerten wird in Schritt 222 ein aktueller Drain-Source-Widerstandswert als Vergleichswert bestimmt, der in Schritt 223 mit dem entsprechenden Referenzwiderstandswert für den MOSFET 111 verglichen wird.
Wenn der aktuelle Widerstandswert den Referenzwiderstandswert nicht überschreitet, wird beispielsweise keine weitere Maßnahme durchgeführt, da die verbleibende Lebensdauer des MOSFETs 111 ausreichend groß ist. Wenn der aktuelle Widerstandswert den Referenzwiderstandswert in Schritt 223 hingegen überschreitet, deutet dies darauf hin, dass die verbleibende Lebensdauer des MOSFETs 111 einen Grenzwert erreicht und sich die Lebensdauer des MOSFETs 111 dem Ende entgegenneigt. In diesem Fall wird eine Maßnahme 224 durchgeführt, insbesondere um Belastungen des MOSFETs 111 gering zu halten und dessen verbleibende Lebensdauer so weit wie möglich zu verlängern. Beispielsweise kann als derartige Maßnahme eine Drosselung der Übertragungsleistung bzw. Lastminderung der Stromrichterschaltung 110 durchgeführt, etwa durch geeignete Abregelungsmaßnahmen.
Angedeutet durch Bezugszeichen 225 werden die Schritte 221 bis 224 für die restlichen Halbleiterschalter 112 bis 116 widerholt. Somit wird für jeden der Halbleiterschalter 111 bis 116 jeweils ein aktueller Spannungs- und Stromwert erfasst, ein aktueller Widerstandswert bestimmt und als Vergleichswert mit dem jeweiligen Referenzwiderstandswert verglichen, um die Lebensdauer der einzelnen Halbleiterschalter 111 bis 116 online während des Betriebs der Stromrichterschaltung 110 überwachen zu können.
Durch das vorliegende Verfahren können somit erhöhte Lebensdauerverbräuche von Halbleiterschaltern erkannt und Ausfälle von Stromrichterschaltungen verhindert werden. Zu diesem Zweck werden insbesondere lediglich Spannungs- und Stromwerte an den Halbleiterschaltern erfasst, die eine besonders effektive Möglichkeit zur Lebensdauerüberwachung darstellen, wie nachfolgend anhand der 3 bis 6 erläutert wird.
3 zeigt schematisch ein Diagramm eines Einschaltwiderstands R_DSon eines MOSFETs in Abhängigkeit von durchgeführten Lastzyklen K. Jede der Kurven 310, 320, 330 zeigt dabei, wie sich der Einschaltwiderstand eines jeweiligen MOSFETs über dessen Lebensdauer mit zunehmenden durchgeführten Lastzyklen K verändert. Beispielsweise kann sich der Widerstand eines MOSFETs nach über 800.000 Lastzyklen um bis zu 15% erhöhen.
4 zeigt schematisch ein Diagramm des Drain-Source-Stroms I_DS eines MOSFETs aufgetragen gegen dessen Drain-Source-Spannung U_DS. Die Kurve 410 charakterisiert eine Quasi-Sättigung, welche einen ohmschen Bereich des MOSFETs von einem Abschnürbereich trennt. Der Einschaltwiderstand wird insbesondere in diesem ohmschen Bereich bestimmt. Die Kurve 420 repräsentiert eine Sperrkennlinie des MOSFETs bei einer MOSFET-Temperatur von 300K. Die Kurve 420a zeigt die Sperrkennlinie des MOSFETs bei einer höheren Temperatur von beispielsweise 350K.
Die Kurven 431, 432, 433, 434, 435 und 436 zeigen verschiedene Kennlinien des MOSFETs mit zunehmender Gatespannung, jeweils bei einer MOSFET-Temperatur von 300K. Die Kurve 436a zeigt, wie sich die Kurve 436 bei einer höheren Temperatur von 350K verändert, und die Kurve 435a zeigt, wie sich die Kurve 435 bei einer Temperatur von 350K verändert.
Wie aus den Kurvenpaaren 435 und 435a sowie 436 und 436a ersichtlich ist, verringert sich also bei einer Temperaturänderung des MOSFETs die Gate-Source-Stromstärke I_DS bei konstanter Gate-Source-Spannung U_DS. Somit verringert sich auch der Gate-Source-Widerstand mit steigender Temperatur.
5 zeigt schematisch ein Diagramm sowohl einer Drain-Source-Spannung UDS für einen vorgegebenen Referenzstromwert als auch eines thermischen Widerstands Rth eines MOSFETs jeweils in Abhängigkeit von durchgeführten Lastzyklen K. Der thermische Widerstand Rth beschreibt die thermische Anbindung des Halbleiters an die Umgebung.
Es kann dabei angenommen werden, dass R_th und U_DS unabhängig voneinander sind. Es zeigt sich, dass der thermische Widerstand R_th zeitversetzt nachzieht und mit der Drain-Source-Spannung UDS eine bessere, frühzeitigere Information gewonnen werden kann. Ferner kann die Spannung UDS leichter und genauer betrachtet werden als der thermische R_th, da für dessen Betrachtung sowohl ein Strom als auch eine Spannung nötig sind bzw. bekannt sein müssen.
Kurve 510 repräsentiert dabei schematisch die Veränderung der Spannung UDS des MOSFETs mit zunehmenden Lastzyklen und Kurve 520 die Veränderung des thermischen Widerstands Rth. Der Wert 530 repräsentiert dabei ein Lebensende des MOSFETs. Wie in 5 zu erkennen ist, erhöht sich die Drain-Source-Spannung UDS über die Lebensdauer des MOSFETs nur vergleichsweise langsam um weniger als 10%. Kurz vor dem Ende der Lebenszeit erfolgt jedoch eine schlagartige Erhöhung der Drain-Source-Spannung UDS und damit des proportionalen Einschaltwiderstands R_DS(on).
Diese Eigenschaft eines MOSFETs kann nun für die Bestimmung des Schwellwerts im Rahmen des vorliegenden Verfahrens genutzt werden. So können zu dem ersten Zeitpunkt für vorgegebene Referenzstromwerte jeweils ein Referenzspannungswert für die Drain-Source-Spannung erfasst werden, um typische Spannungswerte des MOSFETs im Neuzustand zu erlernen. 110% (mit einer zulässigen Alterungstoleranz von 10%) dieses typischen Referenzspannungswerts können beispielsweise als Schwellwerte 540 bestimmt werden, welche jeweils für den vorgegebenen Referenzstromwert ein bevorstehendes Lebensende bzw. einen bevorstehenden Ausfall des MOSFETs andeuten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9789766 B2 [0004, 0005]
US 5444219 A [0005]
US 5355123 A [0005]
US 5336943 A [0005]
US 57964290 A [0005]

Claims

Verfahren zum Überwachen einer Lebensdauer einer Stromrichterschaltung (110) einer elektrischen Maschine (120), die wenigstens einen Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116) aufweist, wobei zu einem ersten Zeitpunkt (210) an dem wenigstens einen Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116) wenigstens ein Referenzspannungswert und/oder wenigstens ein Referenzstromwert erfasst werden (211) und daraus wenigstens ein Schwellwert bestimmt wird (212), wobei zu einem zweiten Zeitpunkt (220), welcher zeitlich nach dem ersten Zeitpunkt (210) liegt, an dem wenigstens einen Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116) jeweils ein aktueller Spannungswert und/oder ein aktueller Stromwert erfasst werden (221) und daraus ein Vergleichswert bestimmt und mit dem wenigstens einen Schwellwert verglichen wird (223) und wobei in Abhängigkeit von dem Vergleich eine Lebensdauer des wenigstens einen Halbleiterschalters überwacht wird (223).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Schwellwert unter Berücksichtigung einer zulässigen Alterungstoleranz aus dem wenigstens einen Referenzspannungswert und/oder dem wenigstens einen Referenzstromwert bestimmt wird (212).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der wenigstens eine Schwellwert rechnerisch aus dem wenigstens einen Referenzspannungswert und/oder dem wenigstens einen Referenzstromwert bestimmt wird (212).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Schwellwert als wenigstens ein Referenzwiderstandswert bestimmt wird (212).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zu dem ersten Zeitpunkt (210) wenigstens ein Referenzspannungswert in Abhängigkeit von wenigstens einem vorgegebenen Referenzstromwert erfasst wird und/oder wobei wenigstens ein Referenzstromwert in Abhängigkeit von wenigstens einem vorgegebenen Referenzspannungswert erfasst wird (211).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Schwellwert nur aus dem wenigstens einen Referenzspannungswert oder nur aus dem wenigstens einen Referenzstromwert bestimmt wird (212).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Vergleich des Vergleichswerts mit dem wenigstens einen Schwellwert mit Hilfe wenigstens eines Komparators und/oder mit Hilfe wenigstens einer Tabelle und/oder mit Hilfe wenigstens einer Gleichung durchgeführt wird (223).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die wenigstens eine Tabelle und/oder die wenigstens eine Gleichung zu dem ersten Zeitpunkt in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Schwellwert bestimmt werden (215).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei, wenn der Vergleichswert den wenigstens einen Schwellwert erreicht, eine vorgegebene Maßnahme durchgeführt wird (224).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei als vorgegebene Maßnahme (224) ein vorgegebenes Signal ausgegeben wird und/oder einer Drosselung einer Übertragungsleistung der Stromrichterschaltung durchgeführt wird und/oder die Stromrichterschaltung deaktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116) als Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode ausgebildet ist.
Verfahren Anspruch 11, wobei jeweils ein Drain-Source- bzw. Kollektor-Emitter-Spannungswert an dem wenigstens einen Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116) als der wenigstens eine Referenzspannungswert und der aktuelle Spannungswert erfasst wird (211, 221) bzw. wobei jeweils ein Drain-Source- bzw. Kollektor-Emitter-Stromwert an dem wenigstens einen Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116) als der wenigstens eine Referenzstromwert und der aktuelle Stromwert erfasst wird (211, 221).
Recheneinheit (140), die dazu eingerichtet ist und Mittel aufweist, um alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (140) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (140) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.