DE102020116424A1

DE102020116424A1 - Verfahren und elektronische Einrichtung zur Temperaturüberwachung einer Leistungselektronik und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020116424A1
Application number: DE102020116424.6A
Authority: DE
Inventors: Said El-Barbari
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2021-12-23
Also published as: US20210396600A1; CN113834581A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine elektronische Einrichtung zur Temperaturüberwachung einer Leistungselektronik, die wenigstens einen Leistungstransistor umfasst, sowie ein entsprechend eingerichtetes Kraftfahrzeug. Bei dem Verfahren werden in einem aktiven Betrieb des Leistungstransistors dessen Drain-Source-Spannung und Drainstrom gemessen und daraus ein Durchlasswiderstand berechnet. Anhand einer vorgegebenen Zuordnung wird daraus eine aktuelle Sperrschichttemperatur des Leistungstransistors für die Temperaturüberwachung bestimmt. Die vorgegebene Zuordnung wird automatisch für einen zukünftigen Betrieb des Leistungstransistors rekalibriert, indem außerhalb des aktiven Betriebs automatisch jeweils zu mehreren verschiedenen Zeitpunkten jeweils ein Wertepaar aus dem aktuellen Durchlasswiderstand und einer aktuellen Temperatur der Leistungselektronik gemessen wird. Diese Temperaturen werden dabei an einer von der Sperrschicht des Leistungstransistors räumlich beabstandeten Stelle gemessen und als zu dem jeweiligen Zeitpunkt herrschende Sperrschichttemperaturen angenommen. Die Zuordnung wird dann gemäß diesen Wertepaaren aktualisiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine elektronische Einrichtung zur Temperaturüberwachung einer Leistungselektronik und ein entsprechendes Kraftfahrzeug.
Beim Einsatz von halbleiterbasierten elektrischen und elektronischen Komponenten ist die Betriebstemperatur ein wesentlicher Faktor für einen effizienten und gleichzeitig sicheren Betrieb. So können bei hohen Lastanforderungen sehr schnell hohe Temperaturen entstehen, die zu einer Beschädigung des jeweiligen Bauteils führen können. Wird hingegen ein zulässiger und betriebssicherer Temperaturbereich nicht ausgeschöpft, so kann entsprechend auch eine volle Leistung oder Leistungsfähigkeit des jeweiligen Bauteils oftmals nicht ausgeschöpft werden. Aufgrund der geringen Strukturgrößen und der hohen Packungsdichte in heutigen elektronischen Bauteilen und dem unter Kostengesichtspunkten wertvollen Bauraum ist eine präzise und zuverlässige Messung der tatsächlichen Temperaturen innerhalb der elektronischen Komponenten nicht ohne Weiteres möglich.
Ein wichtiger Parameter ist die sogenannte Übergangs- oder Sperrschichttemperatur (fachsprachlich, englisch: junction temperature) innerhalb eines Halbleitertransistor oder Transistorchips. Diese Temperatur könnte zumindest näherungsweise direkt gemessen werden, indem beispielsweise auf dem jeweiligen Transistorchip direkt eine PN-Diode angeordnet wird, deren Vorwärtsspannung linear mit der Temperatur variiert. Dies kostet jedoch wertvolle Chipfläche, beispielsweise 15 % bis 20 % einer aktiven Fläche eines Chips, und ist daher in vielen Anwendungsfällen nicht praktikabel. Heutzutage wird daher oftmals ein Temperatursensor an einem Substrat oder Gehäuse eines mehrere Leistungstransistoren umfassenden Moduls angeordnet, um die Temperatur zu überwachen. Da die Temperatur innerhalb eines solchen Moduls über die verschiedenen Leistungstransistoren hinweg jedoch signifikant variieren kann, kann damit nur eine Art Mittelwert der Temperaturen innerhalb des Moduls gemessen werden. Eine so gemessene Temperatur wird daher beispielsweise als virtuelle Sperrschichttemperatur (englisch: virtual junction temperature, T_jv) bezeichnet. Zudem können mit derartigen in einer gewissen Entfernung von der eigentlichen Sperrschicht angeordneten Temperatursensoren aufgrund der Wärmeübergangskoeffizienten und der thermischen Trägheit des dazwischenliegenden Materials schnelle Temperaturanstiege oftmals nicht zuverlässig oder nicht schnell genug detektiert werden, um eine Beschädigung zu verhindern.
Vor diesem Hintergrund ist beispielsweise aus der EP 2 270 983 A1 ein integrierter intelligenter Leistungsschalter bekannt. Darin ist eine steuerbare Halbleitereinrichtung beschrieben mit einem Controller zum Steuern eines ersten Betriebsparameters gemäß vorgegebener Daten, einschließlich einer Kurve für eine transiente thermische Impedanz zwischen einer Sperrschicht und einem Gehäuse für einen normalen Modus und einen Lawinenmodus. Wenn ein Vergleich der vorgegebenen Daten mit einem vorhergesagten Wert eine bestimmte Bedingung erfüllt, soll dann eine Bedingung für einen sicheren Betriebsbereich bestimmt werden basierend unter anderem auf einer Zuverlässigkeitscharakteristik der Halbleitereinrichtung. Durch entsprechende dynamische Modifizierung des ersten Betriebsparameters soll dann ein entsprechend sicherer und zuverlässiger Betrieb der Halbleitereinrichtung erreicht werden. Es kann auch eine Methode zum Kalibrieren installierter Leistungseinrichtungen angewendet werden, bei der eine Gehäusetemperatur der Einrichtung nach einer Pulsbelastung beobachtet wird. Diese Methode beruht auf der Fähigkeit einer thermischen Impedanz zwischen einem Gehäuse und einer Wärmesenke zum Handhaben von Leistung.
Die Sperrschichttemperatur spielt in einem anderen Anwendungsbereich beispielsweise auch bei Photovoltaik-Panelen eine Rolle. So ist in der US 2012 /0 212 064 A1 ein Verfahren zum Steuern eines solchen Photovoltaik-Panels in einem 3-Phasen-Leistungserzeugungssystem beschrieben. Darin kann basierend auf einem Modell des Panels die Sperrschichttemperatur beispielsweise aus einer Temperatur an einer Rückseite des Panels berechnet werden. Die Sperrschichttemperatur wird beispielsweise gebraucht, um ein elektrisches Modell des Panels zu evaluieren. Dazu kann die Sperrschichttemperatur direkt gemessen werden, wenn das Panel einen entsprechenden Temperatursensor aufweist, der in eine Photovoltaik-Zelle integriert ist. Auch hier wird jedoch nicht die Problematik umgangen, dass die Sperrschichttemperatur nur indirekt oder modellbasiert und damit verzögert und/oder unzuverlässig bestimmt wird oder entsprechend viel Bauraum für einen spezifischen Temperatursensor benötigt wird.
Weiter ist in der US 9,03 0,054 B2 ein Verfahren zur adaptiven Steuerung eines Gatetreibers beschrieben. Darin kann ein Satz von Sensoren verwendet werden, um einen Satz von Betriebsparametern eines Halbleiterschalters zu erkennen. Dieser Satz von Betriebsparametern umfasst dabei unter anderem eine Sperrschichttemperatur. Auch hier kann die im Zusammenhang mit der EP 2 270 983 A1 genannte Methode zum Kalibrieren von Leistungseinrichtungen angewendet werden. Auch diese Methode sieht dabei jedoch keine direkte Bestimmung der Sperrschichttemperatur vor und kann dementsprechend unzuverlässig sein. Zudem benötigen die genannten Sensoren auch hier wertvollen Bauraum und/oder sind entfernt von der eigentlichen Sperrschicht und damit dem eigentlichen Ort der relevanten Sperrschichttemperatur angeordnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf besonders einfache und effiziente Weise einen zuverlässigen Betrieb einer Leistungselektronik zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Temperaturüberwachung einer Leistungselektronik, also einer leistungselektronischen Einrichtung, die wenigstens einen Leistungstransistor umfasst. Eine solche Leistungselektronik kann beispielsweise ein Umrichter, insbesondere als Teil eines Antriebsstrangs eines elektrischen Kraftfahrzeugs, sein oder einen solchen umfassen. Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung jedoch in einer großen Vielfalt anderer Szenarien und Anwendungsbereiche eingesetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem aktiven Betrieb des Leistungstransistors für diesen eine Drain-Source-Spannung und ein Drainstrom gemessen und daraus ein Durchlasswiderstand des Leistungstransistors berechnet. Beispielsweise kann der Durchlasswiderstand - auch als Einschaltwiderstand oder minimaler Durchgangswiderstand bezeichnet - im aktiven, also eingeschalteten Zustand des Leistungstransistors berechnet werden als RDS(on) = U_ds/I_d mit der an dem Leistungstransistor anliegenden Drain Source Spannung Uds und dem durch den Leistungstransistor fließenden Drain- oder Senkenstrom I_d. Ein aktiver Betrieb oder eingeschalteter Zustand des Leistungstransistors bedeutet hier dessen Betrieb mit einem bestimmungsgemäßen Leistungsabruf von dem Leistungstransistor oder einer entsprechenden Leistungsbereitstellung durch den Leistungstransistor, also beispielsweise einen Betrieb des Leistungstransistors bzw. der Leistungselektronik zum Bereitstellen von Versorgungs-, Betriebs- oder Antriebsleistung oder -energie für eine an die Leistungselektronik angeschlossene elektrische Last. Die Messung der Drain-Source-Spannung und des Drainstroms kann dabei jedes Mal gemessen werden, wenn sich der Leistungstransistor in einem aktiven Betrieb befindet oder beispielsweise in vorgegebenen Zeitabständen oder Intervallen. Eine, gegebenenfalls kontinuierliche, Messung immer dann, wenn der Leistungstransistor aktiv betrieben wird, kann vorteilhaft letztlich eine besonders zuverlässige und lückenlose Temperaturüberwachung und somit eine besonders schnelle Reaktion auf unerwünschte Temperaturveränderungen ermöglichen. Eine nur in vorgegebenen Abständen oder zu vorgegebenen Zeiten oder unter vorgegebenen Bedingungen erfolgende Messung kann hingegen vorteilhaft beispielsweise einen Mess- und Auswertungsaufwand und somit letztlich Energie einsparen.
Weiter wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anhand einer vorgegebenen Zuordnung eine dem berechneten Durchlasswiderstand zugeordnete oder zuzuordnende, also entsprechende Sperrschichttemperatur (englisch: junction temperature) des Leistungstransistors als Kennzahl für die Temperaturüberwachung bestimmt. Letzteres bedeutet, dass die Temperaturüberwachung anhand der so bestimmten Sperrschichttemperatur erfolgt. So können beispielsweise ein für die Temperaturüberwachung vorgegebener Temperaturgrenzwert oder ein zulässiger Temperaturbereich für die so bestimmte Sperrschichttemperatur gelten. Die vorgegebene Zuordnung kann eine Zuordnungsvorschrift sein, die einem gegebenen Durchlasswiderstand eine zugehörige Sperrschichttemperatur zuordnet. Diese Zuordnung oder Zuordnungsvorschrift kann beispielsweise in Form einer Tabelle, einer Funktion, eines Kennfeldes oder dergleichen vorgegeben sein. In der hier beschriebenen Art und Weise kann die Sperrschichttemperatur besonders einfach und gegebenenfalls ohne zusätzliche oder dedizierte Bauteile oder Komponenten bestimmt werden. Aufgrund des dazu notwendigen besonders geringen Mess- und Auswerteaufwands, also des besonders geringen Daten- oder Signalverarbeitungsaufwands, wird so eine - gegebenenfalls kontinuierliche oder regelmäßig wiederholte - Bestimmung und Überwachung der Sperrschichttemperatur, insbesondere zumindest im Wesentlichen in Echtzeit, während des aktiven Betriebs des Leistungstransistors bzw. der Leistungselektronik ermöglicht.
Problematisch könnte dabei prinzipiell sein, dass sich thermische und/oder elektrische Eigenschaften des Leistungstransistors im Laufe der Zeit in nicht zuverlässig vorhersagbarer Weise verändern können. Damit könnte die vorgegebene Zuordnung dann im Laufe der Zeit fehlerhaft werden, also nicht mehr den realen Gegebenheiten entsprechen. Dies kann beispielsweise allgemein durch eine Degradierung des Leistungstransistors oder dessen Performance in einem schleichenden, sich beispielsweise über Wochen bis hin zu Jahren erstreckenden Zeitraum erfolgen. Beispielsweise kann es zu Verschiebungen in einem Kristallgitter, Materialermüdung oder Materialveränderungen und dergleichen des Leistungstransistors selbst und/oder diesen umgebender Bauteile kommen. So kann sich beispielsweise eine thermische Anbindung oder Kühlung des Leistungstransistors im Laufe der Zeit verändern, es kann zu einer teilweisen Delaminierung von Materialschichten und/oder dergleichen mehr kommen, wodurch jeweils letztlich der Durchlasswiderstand oder eine Kennlinie, die einen Zusammenhang zwischen der Drain-Source-Spannung und dem Drainstrom oder dem Durchlasswiderstand und der Sperrschichttemperatur beschreibt, verändert werden können.
Um dieser Problematik zu begegnen, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die vorgegebene Zuordnung automatisch für einen jeweiligen zukünftigen Betrieb des Leistungstransistors bzw. der Leistungselektronik rekalibriert wird. Dazu wird jeweils außerhalb des aktiven Betriebs, also außerhalb aktiver Betriebszeiten oder Einschaltzeiten des Leistungstransistors, automatisch jeweils zu mehreren verschiedenen Zeitpunkten jeweils ein Wertepaar aus dem jeweils aktuellen Durchlasswiderstand des Leistungstransistors und einer aktuellen Temperatur der Leistungselektronik gemessen. Mit anderen Worten wird also während einer Inaktivitäts-, Nicht-Betriebs- oder Ruhezeit des Leistungstransistors jeweils mehrfach nacheinander der Durchlasswiderstand und die Temperatur zumindest im Wesentlichen gleichzeitig gemessen. Aufgrund des zeitlichen Abstands dieser Zeitpunkte sind dabei auch unterschiedliche Temperaturen gegeben, beispielsweise da der Leistungstransistor bzw. die Leistungselektronik in der jeweiligen Zwischen abgekühlt ist.
Diese gemessenen Temperaturen werden dabei an einer von der Sperrschicht des Leistungstransistors räumlich beabstandeten Stelle gemessen und als zu dem jeweiligen Zeitpunkt herrschende oder gegebene Sperrschichttemperaturen, also Temperaturen der Sperrschicht des Leistungstransistors, angenommen. Diese gemessenen Temperaturen können beispielsweise an einer direkt, insbesondere leichter als die eigentliche Sperrschicht, zugänglichen Stelle der Leistungselektronik gemessen werden. Dies kann beispielsweise eine Stelle eines Chip- oder Halbleitersubstrats, beispielsweise einer den Leistungstransistor tragenden Keramik, eine Stelle eines den Leistungstransistor umfassenden Moduls, eines Gehäuses des Leistungstransistors, des Moduls oder der Leistungselektronik oder dergleichen mehr sein. Dementsprechend können die Temperaturen also beispielsweise gemessene Substrat-, Modul- oder Gehäusetemperaturen sein.
Erfindungsgemäß wird dann die vorgegebene Zuordnung gemäß den jeweiligen gemessenen Wertepaaren aktualisiert, also neu bestimmt oder neu kalibriert. Diese Rekalibrierung oder Aktualisierung der vorgegebenen Zuordnung kann regelmäßig wiederholt werden. Damit kann dauerhaft sichergestellt werden, dass die Sperrschichttemperatur genau und zuverlässig aus der im aktiven Betrieb des Leistungstransistors gemessenen Drain-Source Spannung und dem dabei gemessenen Drainstrom des Leistungstransistors bestimmt werden kann. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Rekalibrierung der vorgegebenen Zuordnung werden also die genannten Veränderungen oder Alterungserscheinungen berücksichtigt bzw. ausgeglichen.
Die Messungen der Wertepaare aus dem Durchlasswiderstand und der - im folgenden auch als Messtemperatur bezeichneten - gemessenen Temperatur der Leistungselektronik werden durchgeführt, während der Leistungstransistor nicht aktiv zur Versorgung oder zum Betrieb einer angeschlossenen Last betrieben wird. Bevorzugt können diese Messungen für die Rekalibrierung in einem Kalibrierungszeitraum durchgeführt werden, der sich an einen aktiven Betrieb oder Einsatz des Leistungstransistors oder der Leistungselektronik anschließt und in dem Letztere von einer Betriebstemperatur auf eine Umgebungstemperatur abkühlt. In einer solchen Abkühlphase kann davon ausgegangen werden, dass eine zumindest im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung über den Leistungstransistor und diesen umgebende Bauteile hinweg gegeben ist. Zumindest Teile der Leistungselektronik, die den Leistungstransistor und einen zum Messen der Messtemperatur vorgesehenen Temperatursensor umfassen, können also zumindest im Wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen. Damit entspricht die unter derartigen Bedingungen gemessene Messtemperatur zumindest im Wesentlichen der tatsächlichen Sperrschichttemperatur, auch wenn die Messtemperatur in einem räumlichen Abstand von der Sperrschicht gemessen wird. Durch die erfindungsgemäße Ausnutzung dieses Umstands bzw. dieser Erkenntnis kann letztlich also ohne kostenintensives Opfern von Chipoberfläche für einen modifizierten Temperatursensor und dennoch dauerhaft zuverlässig die Sperrschichttemperatur bestimmt und überwacht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt also die Idee zugrunde, den Durchlasswiderstand während des Betriebs, also während einer Einschaltzeit des Leistungstransistors als Temperatursensor zu verwenden. Der Durchlasswiderstand hat einen positiven Temperaturkoeffizienten und steigt mit der Temperatur an. Die zum Bestimmen oder Berechnen des Durchlasswiderstands verwendeten gemessenen Größen Uds und I_d sind für den Betrieb des Leistungstransistors ohnehin bekannt oder können in bekannter relativ einfacher Art und Weise genau und zuverlässig gemessen werden.
Besonders bevorzugt kann der Leistungstransistor ein SiC-MOSFET sein, das erfindungsgemäße Verfahren also zur Temperaturüberwachung von Siliciumcarbidbasierten Leistungskomponenten angewendet werden. Es hat sich gezeigt, dass die beschriebene Problematik der Veränderung von thermischen und elektrischen Eigenschaften bei dieser Technologie besonders ausgeprägt sein kann, beispielsweise aufgrund der relativ hohen Bandlücke, eines Gateoxids innerhalb des SiC-MOSFETS und dergleichen mehr. Es kann hier beispielsweise zu Ladungsansammlungen oder - einschlüssen (englisch: traps) ebenso wie zu hystereseartigen Veränderungen der thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften bzw. entsprechender Kennlinien kommen, sodass eine Vorhersage nicht praktikabel möglich ist. Die vorliegende Erfindung kann daher für diese SiC-basierte Technologie besonders nutzbringend angewendet werden. Grundsätzlich kann die Erfindung aber ebenso für andere Technologien angewendet werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine zeitliche Veränderung der Zuordnung über mehrere Rekalibrierungen oder Aktualisierungen hinweg erfasst. Es wird dann automatisch ein Warn- oder Wartungshinweis ausgegeben, wenn die erfasste Veränderung der Zuordnung ein vorgegebenes Kriterium erfüllt. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass die erfasste, insbesondere kumulative, Veränderung einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschritten hat. Ebenso kann als Teil des Kriteriums überprüft werden, ob die Veränderung eine vorgegebene Veränderungsrate oder - geschwindigkeit aufweist oder überschreitet oder ein bestimmtes Muster aufweist. Ein solches Muster kann beispielsweise eine graduelle, stetige oder gleichmäßige Veränderung der Zuordnung oder eine sprunghafte Veränderung der Zuordnung sein. Wie bereits angedeutet kann die Veränderung der Zuordnung durch Degradierung des Leistungstransistors selbst aber ebenso beispielsweise durch Verschleiß, Beschädigung oder sonstige Beeinträchtigung anderer Bauteile oder Komponenten verursacht werden. So kann beispielsweise eine Delaminierung im Chipsubstrat zu einer Vergrößerung des Durchlasswiderstands, einer erhöhten Sperrschichttemperatur und/oder einer schlechteren Wärmeabfuhr von dem Leistungstransistor führen. Ein ähnlicher Effekt kann beispielsweise bei einer teilweisen Verstopfung eines zur Entwärmung des Leistungstransistors vorgesehenen Kühlsystems auftreten. Gegebenenfalls kann es dabei jedoch unterschiedliche Arten, Formen oder Mustern der Veränderung der Zuordnung über die Zeit hinweg geben. Grundsätzlich kann anhand der Veränderung oder Verschiebung der Zuordnung bzw. der Kalibrierung erkannt werden, dass es zu einer - typischerweise unerwünschten - Veränderung im Bereich der Leistungselektronik gekommen ist, also gegebenenfalls ein Problem vorliegt oder ein Fehlerfall oder Ausfall bevorstehen kann. Dabei können sich die thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften relativ langsam, beispielsweise über Wochen, Monate oder Jahre hinweg verändern, wobei der Leistungstransistor und die Leistungselektronik weiterhin funktionieren, also eingesetzt oder betrieben werden können, wenngleich gegebenenfalls mit höheren Temperaturen und/oder verringerter Effizienz. Durch Erfassung und Auswertung der zeitlichen Veränderungen der Zuordnung können diese Effekte bereits vor einem tatsächlichen Ausfall des Leistungstransistors oder der Leistungselektronik erkannt bzw. nachverfolgt werden. Dadurch wird eine rechtzeitige Wartung oder ein rechtzeitiger Austausch betroffener Bauteile oder Komponenten in kontrollierter Art und Weise, also beispielsweise ohne und unvorhergesehene oder ungeplante Unterbrechung im Betrieb, mit entsprechend minimaler Stillstandszeit und minimalem Risiko ermöglicht. Gegebenenfalls kann anhand der Art oder des Musters der Veränderung der Zuordnung eine Ursache für diese Veränderung erkannt oder ermittelt werden, wodurch vorteilhaft gezielt das verursachende Bauteil gewartet oder ausgetauscht werden kann. Dadurch können gegebenenfalls Aufwand und Kosten eingespart werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur für die Rekalibrierung, also die genannte Messtemperatur, mittels eines Temperatursensors gemessen, der auf einem Substrat des Leistungstransistors oder eines den Leistungstransistor umfassenden Moduls der Leistungselektronik angeordnet ist. Ein solcher Temperatursensors kann beispielsweise ein NTC-Thermistor sein. Durch die Anordnung des Temperatursensors auf oder an dem Substrat kann zum einen sichergestellt werden, dass die dort erfasste Messtemperatur außerhalb des aktiven Betriebs des Leistungstransistors, also beispielsweise während einer Abkühlphase nach einem Betrieb oder in einem thermischen Gleichgewichtszustand, zumindest im Wesentlichen der Sperrschichttemperatur entspricht. Zum anderen können aber sowohl der Temperatursensor selbst als auch das Modul auf diese Weise besonders kostengünstig und kompakt gefertigt werden. Vorteilhaft ist dabei eine gewisse Flexibilität hinsichtlich der Anordnung des Temperatursensors gegeben. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren flexibel für unterschiedliche Arten von Leistungselektroniken angewendet werden. Besonders vorteilhaft ist dabei zudem, dass derartige Temperatursensoren, beispielsweise an einem Keramiksubstrat oder Gehäuse, bei derzeit verwendeten leistungselektronischen Einrichtungen oftmals ohnehin vorhanden ist. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne oder mit minimalen Veränderungen, insbesondere ohne zusätzliche Bauteile für bestehende Leistungselektroniken angewendet werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Leistungselektronik eine Entsättigungsdetektionsschaltung (englisch desaturation detection circuit) auf. Die Drain-Source Spannung wird dann zum Bestimmen des Durchlasswiderstands im aktiven Betrieb des Leistungstransistors mittels dieser Entsättigungsdetektionsschaltung gemessen. Eine solche Entsättigungsdetektionsschaltung dient typischerweise zum Detektieren von Kurzschlussströmen im Fehlerfall und kann Leistungshalbleiterschalter, wie etwa IGBTs oder MOSFETs, gegen Kurzschlussströme absichern, die ansonsten zur Zerstörung der Leistungshalbleiterschalter führen können. Ebenso kann eine problematische Entsättigung der Halbleiter aufgrund eines unzureichenden Gatetreibersignals auftreten. Um resultierende Beschädigungen der jeweiligen Leistungshalbleiter, hier also insbesondere des Leistungstransistors, zu verhindern, sind Entsättigungsdetektionsschaltungen bei heutzutage verbreiteten Leistungselektroniken oftmals ohnehin vorhanden. Die vorliegend vorgeschlagene Verwendung dieser Entsättigungsdetektionsschaltung für die Rekalibrierung der Temperaturüberwachung ermöglicht damit vorteilhaft eine Anwendung der vorliegenden Erfindung ohne oder mit besonders geringem zusätzlichem Aufwand, da bereits vorhandene Bauteile oder Strukturen mitbenutzt werden können. Gegebenenfalls kann die vorhandene Entsättigungsdetektionsschaltung dahingehend angepasst werden, den tatsächlichen Wert der Drain-Source Spannung zu messen, anstatt nur einen Vergleich dieses Wertes vorzusehen. Dies stellt jedoch eine minimale Anpassung dar, beispielsweise im Vergleich zum Einbau eines separaten Schaltkreises zur Spannungsmessung.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Drain-Source Spannung erst nach Verstreichen einer vorgegebenen Einschwingzeit nach einem jeweiligen Einschalten des Leistungstransistors und jeweils nur dann gemessen, wenn eine jeweilige nach der Einschwingzeit verbleibende Einschaltdauer, für die der Leistungstransistor ununterbrochen eingeschaltet bleibt, wenigstens einer vorgegebenen Minimaldauer entspricht. Das Einschalten des Leistungstransistors kann hier insbesondere dessen Versetzen in den aktiven Betrieb bedeuten oder umfassen. Ebenso kann das Einschalten des Leistungstransistors in diesem Sinne dessen Durchlässigschalten in eine Periode eines gepulsten, beispielsweise pulsweitenmodulierten (PWM), aktiven Betriebs bedeuten. Vorliegend wird die Drain-Source-Spannung - sowie gegebenenfalls auch der Drainstrom - also jeweils nicht im Moment des jeweiligen Einschaltens des Leistungstransistors oder unmittelbar danach gemessen, sondern erst nachdem eine vorgegebene Zeitspanne (englisch: blanking time) verstrichen ist. In einem pulsweitenmodulierten Betrieb erfolgt dann die Messung der Drain-Source Spannung - sowie gegebenenfalls des Drainstroms - zudem innerhalb eines PWM-Pulses nur dann, wenn in diesem eine ausreichende aktive Betriebszeit oder Einschaltzeit des Leistungstransistors verbleibt, um eine stabile Messung zu ermöglichen. Die nach der Einschwingzeit verbleibende Einschaltzeit kann dann also durch ein jeweiliges Tastverhältnis (englisch: duty cycle) bestimmt sein. Beispielsweise können bei einer PWM-Frequenz von 20 kHz, also einer Periodendauer von 50 µs, deren jeweils erste 3-6 µs als Einschwingzeit angesehen werden. Es kann dann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Messung der Drain-Source Spannung - sowie gegebenenfalls des Drainstroms - in diesem PWM-Puls nur dann erfolgt, wenn das Tastverhältnis derart eingestellt ist, dass die ununterbrochene Einschaltzeit wenigstens 20 % der Periodendauer, im vorliegenden Beispiel also wenigstens 10 µs, beträgt. Damit würde im vorliegenden Beispiel die nach der Einschwingzeit verbleibende Einschaltdauer beispielsweise 7-4 µs betragen, was für eine stabile Messung ausreichend sein kann. Durch die hier vorgeschlagenen Bedingungen für das Messen der Drain-Source Spannung im aktiven Betrieb des Leistungstransistors kann vorteilhaft eine besonders zuverlässige Bestimmung des Durchlasswiderstands und damit letztlich der Sperrschichttemperatur und somit eine besonders genaue und zuverlässige Temperaturüberwachung sichergestellt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist an die Leistungselektronik eine elektrische Maschine angeschlossen. Für die Rekalibrierung der Zuordnung wird dann automatisch ein Stromvektor bestimmt, mit dem ein Strom drehmomentfrei, also ohne Erzeugung eines Drehmoments in der elektrischen Maschine durch diese geleitet werden kann. Zum Messen des Durchlasswiderstands bei der Rekalibrierung oder für die Rekalibrierung wird dann ein Strom mit dem bestimmten Stromvektor durch den Leistungstransistor und in die elektrische Maschine geleitet. Der Stromvektor kann beispielsweise abhängig von einer Stellung eines Rotors der elektrischen Maschine relativ zu deren Stator bestimmt sein bzw. bestimmt werden. Zum Bestimmen des Stromvektors kann also ein entsprechendes Position- oder Stellungssignal eines entsprechenden Position- oder Stellungssensors erfasst werden. Die elektrische Maschine, beispielsweise ein Antriebsmotor eines elektrischen Kraftfahrzeugs, wird hier also als mit dem Leistungstransistor verbundene elektrische Last verwendet. Ein dabei in den Leistungstransistor eingeleiteter Strom kann eine vorgegebene Stärke oder Größe haben. Diese kann beispielsweise höchstens 20 %, bevorzugt höchstens 10 %, einer maximalen Stromtragfähigkeit, also einer spezifikationsgemäßen maximalen Stromstärke des Leistungstransistors, betragen. Im Anwendungsfall des Kraftfahrzeugs kann diese Stromstärke des zum Messen des Durchlasswiderstands für die Rekalibrierung mit dem bestimmten Stromvektor durch den Leistungstransistor gelenkten oder geleiteten Stroms beispielsweise ungefähr 100 A betragen. Durch das Vorgeben einer entsprechenden Stromstärke kann der Durchlasswiderstand besonders zuverlässig bestimmt werden, ohne gleichzeitig einen zu hohen Energieverbrauch zu verursachen. Durch den bestimmten Stromvektor kann die Rekalibrierung vorteilhaft ohne unerwünschte Effekte oder Beeinflussungen einer durch die elektrische Maschine angetriebenen Einrichtung durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Rekalibrierung dann durchgeführt werden, ohne dass sich ein mit der elektrischen Maschine ausgestattetes Kraftfahrzeug bewegt. Dies schafft sowohl zeitliche als auch situative Flexibilität und eine entsprechende Sicherheit für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zudem kann damit die Rekalibrierung für einen jeweiligen Nutzer transparent, also von diesem unbemerkt durchgeführt werden, wodurch sich ein besonders hoher Nutzungskomfort ergeben kann.
In einem alternativen Ansatz kann die Leistungselektronik einen entsprechenden Hilfsschaltkreis zum Messen des Durchlasswiderstands außerhalb des aktiven Betriebs des Leistungstransistors für die Rekalibrierung umfassen, beispielsweise als Teil eines Gatetreibers für den Leistungstransistor. Damit kann die Rekalibrierung vorteilhaft unabhängig von äußeren Gegebenheiten geführt werden, beispielsweise wenn keine externe Last an die Leistungselektronik angeschlossen ist oder kein entsprechender drehmomentfreier Stromvektor bestimmt werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Sperrschichttemperatur im aktiven Betrieb des Leistungstransistors mehrfach wiederholt bestimmt. Darauf basierend wird dann gemäß einer vorgegebenen Vorschrift automatisch eine Leistungsherabsetzung des Leistungstransistors bzw. der Leistungselektronik automatisch gesteuert. Eine solche Vorschrift kann beispielsweise eine Leistungsherabsetzungsfunktion oder eine Derating-Kurve sein oder umfassen. Es kann also automatisch ein Derating, also eine Herabstufung des Leistungstransistors oder dessen aktueller Leistungsfähigkeit erfolgen, wenn die Sperrschichttemperatur einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Daraufhin kann dann beispielsweise automatisch ein Strom oder eine Leistung reduziert werden. Ergibt sich bei einer nachfolgenden Bestimmung der Sperrschichttemperatur dann, dass diese bis unterhalb des vorgegebenen Schwellenwertes oder bis unterhalb eines niedrigeren zweiten vorgegebenen Schwellenwerts gesunken ist, kann das Derating zumindest teilweise aufgehoben werden. Dementsprechend kann dann der Strom oder die Leistung also automatisch wieder erhöht werden. Auf diese Weise kann eine Leistungsfähigkeit des Leistungstransistors unter jeweils den gegebenen Bedingungen besonders effektiv ausgenutzt werden, ohne dass dafür beispielsweise ein entsprechend aufwändiges Modell oder eine aufwändige Erfassung von Umgebungs- oder Einsatzbedingungen notwendig wäre. Da mittels des vorliegend erfindungsgemäßen Verfahrens die Sperrschichttemperatur besonders genau und zuverlässig bestimmt werden kann, kann auf besonders sichere Weise eine Leistungsausbeute des Leistungstransistors maximiert werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird mittels einer Einrichtung zur thermischen Vorkonditionierung automatisch für die Rekalibrierung eine vorgegebene Anfangstemperatur der Leistungselektronik und/oder ein vorgegebener Temperaturverlauf während des jeweiligen Messens der Wertepaare aus Durchlasswiderstand und Messtemperatur für die Rekalibrierung eingestellt oder erzwungen Damit kann vorteilhaft besonders zuverlässig und flexibel sichergestellt werden, dass außerhalb des aktiven Betriebs des Leistungstransistors, also für die Rekalibrierung bzw. in einem entsprechenden Rekalibrierungszeitraum eine ausreichend große Bandbreite unterschiedlicher Temperaturen durchlaufen wird, um eine genaue und zuverlässige Rekalibrierung zu ermöglichen. Damit ist beispielsweise eine zuverlässige Rekalibrierung auch nach einem nur relativ kurzen oder wenig leistungsintensiven aktiven Betrieb des Leistungstransistors bzw. der Leistungselektronik möglich. Ebenso kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass die Rekalibrierung in einem bestimmten Temperaturbereich erfolgt, indem beispielsweise die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Leistungselektronik bekannt sind oder vorgegebenen Parametern entsprechen. Ebenso kann beispielsweise durch die Einrichtung zur thermischen Vorkonditionierung eine besonders homogene Temperatur der Komponenten oder Bauteile der Leistungselektronik sichergestellt werden. Eine solche Einrichtung zur thermischen Vorkonditionierung kann für den Betrieb der Leistungselektronik oder einer damit verbundenen Komponente ohnehin vorgesehen sein, sodass das Verfahren dann vorteilhaft ohne zusätzlichen Bauteilaufwand durchgeführt, also angewendet werden kann. Im Fahrzeugbereich kann eine solche Einrichtung zur thermischen Vorkonditionierung beispielsweise zum Temporären einer Traktionsbatterie vorgesehen sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektronische Einrichtung, die wenigstens eine leistungselektronische Komponente mit wenigstens einem Leistungstransistor aufweist. Weiter weist die erfindungsgemäße elektronische Einrichtung eine Messschaltung zum Messen einer Drain-Source-Spannung und eines Drainstroms des wenigstens einen Leistungstransistors während dessen aktivem Betrieb und zum Messen eines Durchlasswiderstands des Leistungstransistors und einer Temperatur der Leistungselektronik an einer von einer Sperrschicht des Leistungstransistors beabstandeten Stelle auf. Weiter weist die erfindungsgemäße elektronische Einrichtung eine Überwachungseinrichtung auf, die zum automatischen Durchführen wenigstens einer Ausführungsform oder Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Temperaturüberwachung der elektronischen Einrichtung auf Basis einer Sperrschichttemperatur des Leistungstransistors eingerichtet ist. Die erfindungsgemäße elektronische Einrichtung kann insbesondere die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannte Leistungselektronik sein oder diese umfassen, beispielsweise als die leistungselektronische Komponente. Die erfindungsgemäße elektronische Einrichtung kann ebenso einige oder alle der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Merkmale und/oder Einrichtungen aufweisen oder umfassen. Dies kann beispielsweise den Temperatursensor, die Entsättigungsdetektionsschaltung, die elektrische Maschine, eine Einrichtung zum automatischen Bestimmen des drehmomentfreien Stromvektors, eine Leistungsherabsetzungs- oder Derating-Einrichtung, die Einrichtung zur thermischen Vorkonditionierung und/oder dergleichen mehr betreffen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das wenigstens eine erfindungsgemäße elektronische Einrichtung aufweist, insbesondere als Teil eines elektrischen Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs. Wie eingangs angedeutet kann die elektronische Einrichtung beispielsweise ein Umrichter des Kraftfahrzeugs sein oder einen solchen umfassen. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen elektronischen Einrichtung genannte Kraftfahrzeug sein.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antriebsstrang; und
2 einen beispielhaften schematischen Ablaufplan für ein Verfahren zur Temperaturüberwachung einer Leistungselektronik des Antriebsstrangs.

In leistungselektronischen Anwendungen kann eine möglichst genaue Kenntnis einer Sperrschichttemperatur einer Leistungshalbleitereinrichtung wichtig sein, um zu erkennen, ob ein maximales Rating der Einrichtung erreicht ist oder nicht. Besonders vorteilhaft wäre dabei eine Messung der Sperrschichttemperatur in Echtzeit, um der Einrichtung oder einem Steuersystem eine entsprechend zeitnahe Entscheidung bezüglich eines Deratings der Einrichtung zu ermöglichen.
Heutzutage weisen viele IGBT- und MOSFET-Module einen NTC-Thermistor zur Temperaturmessung auf. Dieser NTC-Thermistor ist dabei beispielsweise auf einem Substrat in der Nähe eines Leistungshalbleiterchips angeordnet und kann daher die tatsächliche Sperrschichttemperatur nur indirekt messen. Die mittels des NTC-Thermistors gemessene Temperatur kann dann als Eingangswert für ein thermisches Modell verwendet werden, um die Sperrschichttemperatur näherungsweise zu berechnen. Dieses herkömmliche Verfahren ist jedoch mit Ungenauigkeiten und Unsicherheiten behaftet, beispielsweise aufgrund der Anordnung und thermischen Anbindung des NTC-Thermistors sowie Vereinfachungen und Ungenauigkeiten in dem verwendeten thermischen Modell. Prinzipiell können zwar langsame und langfristige thermische Überlastungen mittels des NTC-Thermistors erkannt werden, eine Erkennung von schnellen oder kurzen Temperaturspitzen und eine entsprechende Absicherung ist damit jedoch nicht ohne Weiteres zuverlässig möglich.
Zu berücksichtigen ist auch, dass heutzutage Leistungshalbleiterchips oftmals parallel in einem Modul angeordnet oder zusammengefasst sind. Dabei kann ein Wärmewiderstand (englisch: thermal impedance) zwischen den Leistungshalbleiterchips und einer Wärmesenke oder einem Kühlkörper des Moduls variieren, also ungleichmäßig oder inhomogen sein und es kann ein unterschiedliche thermische Kopplungen zwischen den Leistungshalbleiterchips selbst geben. Damit sind in der Praxis im Betrieb die Temperaturen der Leistungshalbleiterchips innerhalb eines Moduls typischerweise unterschiedlich. Bisher wird dies beispielsweise durch eine virtuelle Sperrschichttemperatur berücksichtigt, die als Durchschnittstemperatur der Leistungshalbleiterchips eines Moduls verstanden werden kann. Für einen verbesserten und zuverlässigeren Betrieb wäre jedoch eine genaue und einfache Möglichkeit einer Echtzeitmessung oder Echtzeitüberwachung der tatsächlichen Sperrschichttemperaturen im Bereich der halbleiterbasierten Leistungselektronik wünschenswert.
Ein Anwendungsfall dafür liegt im Fahrzeugbereich. Dazu zeigt 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einem elektrischen Antriebsstrang. Dieser umfasst vorliegend eine elektrische Maschine 12, die hier beispielhaft als Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs 10 zum Antreiben von dessen Rädern 14 ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 12 wird hier aus einer Traktionsbatterie 16 des Kraftfahrzeugs 10 versorgt. Dazu ist zwischen die Traktionsbatterie 16 und die elektrische Maschine 12 vorliegend ein Umrichter 18 geschaltet. Dieser Umrichter 18 umfasst hier halbleiterbasierte Einrichtungen zur Leistungsversorgung der elektrischen Maschine 12, die hier schematisch durch einen Leistungshalbleiter 20 repräsentiert sind. Dieser Leistungshalbleiter 20 kann wenigstens einen Leistungstransistor, insbesondere wenigstens einen SiC-MOSFET, umfassen. Der Umrichter 18 weist weiter ein Steuergerät 22 auf. Dieses kann eine oder mehrere Messeinrichtungen oder Messschaltungen sowie eine oder mehrere Daten- oder Signalverarbeitungseinrichtungen umfassen.
Der Umrichter 18, insbesondere das Steuergerät 22, ist hier für ein Verfahren zur Temperaturüberwachung des Leistungshalbleiters 20 eingerichtet. Dazu zeigt 2 einen beispielhaften schematischen Ablaufplan 24 für ein entsprechendes Verfahren.
In einem Verfahrensschritt S1 wird der Leistungshalbleiter 20 in aktiven Betrieb genommen, also eingeschaltet. Dies kann beispielsweise zu Beginn und während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs 10 zur Versorgung der elektrischen Maschine 12 mit elektrischer Leistung erfolgen.
In einem Verfahrensschritt S2 werden während dieses aktiven Betriebs des Leistungshalbleiter 20, also während dessen Einschaltzeit, nach Verstreichen einer vorgegebenen Einschwingzeit eine über die Senke und Quelle anliegende Drain-Source Spannung sowie ein Drainstrom für den Leistungshalbleiter 20 gemessen. Die Drain-Source Spannung kann beispielsweise mit mittels einer entsprechend eingerichteten Entsättigungsdetektionsschaltung gemessen werden. Für den Betrieb des Leistungshalbleiters 20 bzw. einen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 10 muss der Drainstrom ohnehin gemessen werden bzw. bekannt sein, etwa um ein Drehmoment der elektrischen Maschine 12 zu steuern. Entsprechende Messwerte der Drain-Source Spannung und des Drainstroms werden in einem Verfahrensschritt S3 zum Berechnen des Durchlasswiderstands des Leistungshalbleiters 20 im eingeschalteten Zustand (RDS(on)) miteinander kombiniert. Die Messungen im Verfahrensschritt S2 und die Berechnung des Durchlasswiderstands im Verfahrensschritt S3 können zumindest nahezu in Echtzeit während des aktiven Betriebs des Leistungshalbleiters 20 erfolgen.
Ebenfalls zumindest nahezu in Echtzeit, also beispielsweise mit Zeitverzögerungen im Mikrosekundenbereich oder von wenigen Millisekunden, wird anhand des berechneten Durchlasswiderstands in einem Verfahrensschritt S4 die aktuelle Sperrschichttemperatur des Leistungshalbleiters 20 bestimmt. Dazu wird eine vorgegebene Zuordnung, beispielsweise eine entsprechende Zuordnungs- oder Nachschlagetabelle (englisch: lookup table), mit dem berechneten Durchlasswiderstand als Eingangs- oder Abfragewert abgefragt oder ausgewertet, um die diesem Durchlasswiderstand gemäß der vorgegebenen Zuordnung zugehörige Sperrschichttemperatur zu ermitteln.
Basierend auf der so bestimmten aktuellen Sperrschichttemperatur des Leistungshalbleiters 20 kann in einem Verfahrensschritt S5 dann ein entsprechendes Temperaturmanagement erfolgen. Dazu kann die bestimmte Sperrschichttemperatur beispielsweise mit einem vorgegebenen Temperaturschwellenwert oder Temperaturbereich verglichen werden. Abhängig von einem Ergebnis dieses Vergleichs kann dann beispielsweise ein Derating des Leistungshalbleiters 20 automatisch gesteuert oder eingestellt werden oder beispielsweise eine Strom- oder Leistungsbegrenzung für den Leistungshalbleiter 20 automatisch angepasst werden.
Wie hier schematisch durch einen schleifenartigen Programmpfad P1 angedeutet ist, können die Verfahrensschritte S2 bis S5 während des aktiven Betriebs wiederholt durchlaufen werden.
In einem Verfahrensschritt S6 kann vorliegend ein Betriebsstopp, also ein Ende des aktiven Betriebs des Leistungshalbleiters 20 bzw. des Umrichters 18 oder vorliegend des Kraftfahrzeugs 10 erfolgen. Dies kann beispielsweise bei einem Fahrtende erfolgen, wenn das Kraftfahrzeug 10 in einer Park- oder Abstellposition abgestellt wird. Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug 10 dann an eine Ladestation zum Aufladen der Traktionsbatterie 16 angeschlossen sein, sich also insbesondere nicht mehr in einem Fahrbetrieb mit entsprechenden Leistungsanforderungen der elektrischen Maschine 12 befinden.
In einem Verfahrensschritt S7 erfolgt eine Temperaturanpassung oder Temperaturangleichung. Hier stellt sich nach dem vorangegangenen aktiven Betrieb beispielsweise ein Temperaturgleichgewicht oder eine zumindest im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung in dem Leistungshalbleiter 20 bzw. den leistungselektronischen Komponenten des Umrichters 18 ein. Dies kann beispielsweise während einer Abkühlungsphase des Umrichter 18 bzw. des Leistungshalbleiter 20 von einer vorangegangenen Betriebstemperatur erfolgen. Dazu kann beispielsweise einige Minuten abgewartet werden. Ebenso kann hier mittels einer nicht näher dargestellten Einrichtung zur thermischen Vorkonditionierung beispielsweise der Traktionsbatterie 16 eine vorgegebene Temperatur oder Temperaturveränderung auch des Umrichters 18 bzw. des Leistungshalbleiters 20 bewirkt oder eingestellt werden.
Nach einer entsprechenden Angleichungsphase, wenn also davon ausgegangen werden kann, dass die zumindest im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung erreicht ist, werden in einem Verfahrensschritt S8 der Durchlasswiderstand sowie eine Messtemperatur gemessen. Zum Messen des Durchlasswiderstands kann ein vorgegebener Strom durch den Leistungshalbleiter 20 geleitet werden, wobei beispielsweise die elektrische Maschine 12 als Last verwendet werden kann. Dies kann ohne Erzeugung oder ohne Bewirken eines Drehmoments in der elektrischen Maschine 12 erfolgen, also ohne dass sich das Kraftfahrzeug 10 bewegt. Es kann hier davon ausgegangen werden, dass die Sperrschichttemperaturen aller Transistoren oder Chips des Leistungshalbleiters 20 bzw. des Umrichters 18, zumindest innerhalb eines Moduls des Umrichters 18, eine entsprechende Gehäusetemperatur und eine von einem Temperatursensor des Umrichters 18 an einer von der Sperrschicht bzw. den Sperrschichten des Leistungshalbleiters 20 beabstandeten Stelle gemessene Temperatur zumindest im Wesentlichen gleich sind. Wie hier schematisch durch einen schleifenartigen Programmpfad P2 angedeutet, werden diese Messtemperatur und der Durchlasswiderstand zu mehreren Zeitpunkten und damit bei mehreren verschiedenen Temperaturen jeweils zumindest im Wesentlichen gleichzeitig gemessen.
In einem anschließenden Verfahrensschritt S9 wird die genannte Zuordnung zwischen Durchlasswiderständen und Sperrschichttemperaturen auf Basis der im Verfahrensschritt S8 gemessenen Wertepaare aus gleichzeitig gemessenen Durchlasswiderständen und Messtemperaturen aktualisiert.
Die Verfahrensschritte S7 bis S9 werden also außerhalb einer aktiven Betriebszeit des Leistungshalbleiters 20 durchgeführt und stellen eine Rekalibrierung der Temperaturüberwachung dar.
Wie hier schematisch durch einen schleifenartigen Programmpfad P3 angedeutet ist, kann die so aktualisierte Zuordnung bzw. die Rekalibrierung der Temperaturüberwachung dann bei der nächsten Inbetriebnahme des Leistungshalbleiters 20 - oder vorliegend des Kraftfahrzeugs 10 - verwendet werden, um weiterhin eine genaue und zuverlässige Bestimmung der Sperrschichttemperatur des Leistungshalbleiters 20 während des nächsten aktiven Betriebs zu ermöglichen.
Gegebenenfalls optional oder beispielsweise in größeren Zeitabständen kann in einem Verfahrensschritt S10 eine zeitliche Entwicklung oder Veränderung der Zuordnung überprüft werden. Bei einer bestimmten Veränderung der Zuordnung, beispielsweise im Vergleich zu einem ursprünglichen Ausgangs- oder Anfangswert, kann automatisch ein entsprechender Warn- oder Wartungshinweis ausgegeben werden.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie ein Verfahren zur Echtzeitmessung einer Sperrschichttemperatur mit automatischer Kalibrierung beispielsweise für einen Inverter eines elektrischen Fahrzeugs realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: elektrische Maschine
14: Räder
16: Traktionsbatterie
18: Umrichter
20: Leistungshalbleiter
22: Steuergerät
24: Ablaufplan
S1 - S10: Verfahrensschritte
P1 - P3: Programmpfade

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

EP 2270983 A1 [0004, 0006]
US 2012/0212064 A1 [0005]
US 9030054 B2 [0006]

Claims

Verfahren (24) zur Temperaturüberwachung einer Leistungselektronik (18), die wenigstens einen Leistungstransistor (20) umfasst, wobei - in einem aktiven Betrieb des Leistungstransistors (20) für diesen eine Drain-Source-Spannung und ein Drainstrom gemessen werden und daraus ein Durchlasswiderstand berechnet wird, - anhand einer vorgegebenen Zuordnung eine dem berechneten Durchlasswiderstand zugeordnete aktuelle Sperrschichttemperatur des Leistungstransistors (20) als Kennzahl für die Temperaturüberwachung bestimmt wird, und - die vorgegebene Zuordnung automatisch für einen zukünftigen Betrieb des Leistungstransistors (20) rekalibriert wird, indem jeweils außerhalb des aktiven Betriebs des Leistungstransistors (20) automatisch jeweils zu mehreren verschiedenen Zeitpunkten jeweils ein Wertepaar aus dem aktuellen Durchlasswiderstand des Leistungstransistors (20) und einer aktuellen Temperatur der Leistungselektronik (18) gemessen wird, wobei diese gemessenen Temperaturen an einer von der Sperrschicht des Leistungstransistors (20) räumlich beabstandeten Stelle gemessen und als zu dem jeweiligen Zeitpunkt herrschende Sperrschichttemperaturen angenommen werden, und die Zuordnung gemäß diesen Wertepaaren aktualisiert wird.
Verfahren (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Veränderung der Zuordnung über mehrere Rekalibrierungen hinweg erfasst wird und automatisch ein Warnhinweis ausgegeben wird, wenn die erfasste Veränderung ein vorgegebenes Kriterium erfüllt, insbesondere einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur für die Rekalibrierung mittels eines Temperatursensors, insbesondere mittels eines NTC-Thermistors, gemessen wird, der auf einem Substrat eines den Leistungstransistor (20) umfassenden Moduls (20) angeordnet ist.
Verfahren (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (18) eine Entsättigungsdetektionsschaltung (20, 22) aufweist und mittels dieser die Drain-Source-Spannung gemessen wird.
Verfahren (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drain-Source-Spannung erst nach Verstreichen einer vorgegebenen Einschwingzeit nach einem jeweiligen Einschalten des Leistungstransistors (20) und jeweils nur dann gemessen wird, wenn eine jeweilige nach der Einschwingzeit verbleibende Einschaltdauer, für die der Leistungstransistor (20) ununterbrochen eingeschaltet bleibt, wenigstens einer vorgegebenen Minimaldauer entspricht.
Verfahren (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die Leistungselektronik (18) eine elektrische Maschine (12) angeschlossen ist, wobei für die Rekalibrierung automatisch ein Stromvektor bestimmt wird, mit dem ein Strom ohne Erzeugung eines Drehmoments durch die elektrische Maschine (12) geleitet werden kann, und dann zum Messen des Durchlasswiderstands bei der Rekalibrierung ein Strom mit dem bestimmten Stromvektor durch den Leistungstransistor (20) und in die elektrische Maschine (12) geleitet wird.
Verfahren (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschichttemperatur im aktiven Betrieb des Leistungstransistors (20) mehrfach wiederholt bestimmt wird und darauf basierend gemäß einer vorgegebenen Vorschrift automatisch eine Leistungsherabsetzung des Leistungstransistors (20) gesteuert wird.
Verfahren (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Einrichtung zur thermischen Vorkonditionierung automatisch für die Rekalibrierung eine vorgegebene Anfangstemperatur der Leistungselektronik (18) und/oder ein vorgegebener Temperaturverlauf während des jeweiligen Messens der Wertepaare eingestellt wird.
Elektronische Einrichtung (10, 18), aufweisend wenigstens eine leistungselektronische Komponente (18, 20) mit wenigstens einem Leistungstransistor (20), eine Messschaltung zum Messen einer Drain-Source-Spannung und eines Drainstroms des Leistungstransistors (20) während dessen aktivem Betrieb und zum Messen eines Durchlasswiderstands des Leistungstransistors (20) und einer Temperatur der Leistungselektronik (18) an einer von einer Sperrschicht des Leistungstransistors (20) beabstandeten Stelle und eine Überwachungseinrichtung (22), die zum automatischen Durchführen eines Verfahrens (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Temperaturüberwachung der elektronischen Einrichtung (10, 18) auf Basis einer Sperrschichttemperatur des Leistungstransistors (20) eingerichtet ist.
Kraftfahrzeug (10), aufweisend wenigstens eine elektronische Einrichtung (18) nach Anspruch 9, insbesondere als Teil eines elektrischen Antriebsstrangs (12, 16, 18).