DE102020208156A1

DE102020208156A1 - Verfahren, Vorrichtung und Computerprogrammprodukt zum Optimieren eines Leistungsmoduls

Info

Publication number: DE102020208156A1
Application number: DE102020208156.5A
Authority: DE
Inventors: Teresa Bertelshofer
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Verfahren (100, 200) zum Optimieren eines Leistungsmoduls (10), wobei das Leistungsmodul (10) mehrere topologische Schalter (12a-f) umfasst, die jeweils eine vordefinierte Anzahl von zueinander parallelgeschalteten Halbleiterbauteilen (14a-f) umfassen, das Verfahren (100, 200) umfassend Berechnen eines Referenzstromwertes aus einer Temperaturobergrenze der Halbleiterbauteile (14a-f); Festlegen einer anfänglichen Zuordnung der Halbleiterbauteile (14a-f) zu den topologischen Schaltern (12a-f); Berechnen eines Maximalstromwertes für jeden der topologischen Schalter (12a-f) basierend auf der anfänglichen Zuordnung; Identifizieren eines der topologischen Schalter (12a-f), bei dem der berechnete Maximalstromwert niedriger als der Referenzstromwert ist; Identifizieren, im identifizierten topologischen Schalter, derjenigen Halbleiterbauteile (14a-f), deren Temperaturobergrenze beim berechneten Maximalstromwert erreicht ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Leistungsmodule zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Leistungsmodule, insbesondere integrierte Leistungsmodule, finden bei Kraftfahrzeugen zunehmend Anwendungen. Derartige Leistungsmodule werden bspw. in DC/AC-Wechselrichtern (Invertern) eingesetzt, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Die Leistungsmodule basieren auf Leistungshalbleitern, insbesondere Transistoren wie IGBTs, MOSFETs und HEMTs. Weitere Einsatzfelder sind DC/DC-Wandler und AC/DC-Gleichrichter (Converter) und Transformatoren.
Aus den Leistungshalbleitern bzw. Halbleiterbauteilen werden in der Regel Leistungsschalter gebildet, die in einer Brückenschaltung verwendet werden. Ein häufiges Beispiel ist die sogenannte Halbbrücke, die eine Highside-Komponente und eine Lowside-Komponente umfasst. Die Highside- und Lowside-Komponenten sind daher als sogenannte topologische Schalter aufzufassen, die jeweils mehrere zueinander parallelgeschaltete bzw. parallelisierte Halbleiterbauteile umfassen. Im Leistungsmodul können mehrere Highside-topologische Schalter und/oder mehrere Lowside-topologische Schalter vorgesehen werden.
Durch gezieltes Schalten der Highside- und Lowside-Schalter (topologischen Schalter) kann die Richtung des am Ausgang des Leistungsmoduls erzeugten Stroms (Ausgangsstroms) mit einem sehr kurzen Takt zwischen einer positiven Stromrichtung und einer negativen Stromrichtung verändert werden. Dies ermöglicht eine sogenannte Pulsbreitenmodulation, um im Falle eines DC/AC-Wechselrichters einen Wechselstrom basierend auf einem eingangsseitig des Leistungsmoduls eingespeisten Gleichstroms zu erzeugen.
Bei all diesen Anwendungen ist es vorteilhaft, dass die Schaltzeit der verwendeten Leistungsschalter hinreichend klein ist. Dank der Fortschritte auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter lassen sich kurze Schaltzeiten mit sogenannten Wide Bandgap Semiconductors (Halbleitern mit großen Bandlücken) wie SiC und GaN realisieren.
Das gezielte Schalten der Leistungsschalter wird durch eine Ansteuerelektronik vorgenommen und implementiert. Die Ansteuerelektronik umfasst vorzugsweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Elektrofahrzeugantriebs und/oder des Leistungsmoduls, und eine mit der Controllerkomponente in Kommunikation befindliche Treiberkomponente zur Ansteuerung der Leistungsschalter basierend auf dem Steuersignal.
Für eine hinreichende Funktionalität des Leistungsmoduls ist wichtig, eine entsprechend hohe Stromtragfähigkeit für die Gesamtheit der im Leistungsmodul verbauten topologischen Schalter zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass die globale Gesamtstromtragfähigkeit des Leistungsmoduls bzw. der dort verbauten topologischen Schalter möglichst gesteigert werden soll. Gleichzeitig steigt jedoch die Betriebstemperatur der Halbleiterbauteile mit dem Betriebsstrom, was wiederum den Widerstand der Halbleiterbauteile zunehmen lässt und die Stromtragfähigkeit der Halbleiterbauteile begrenzt. Diese Wechselbeziehung zwischen der Stromtragfähigkeit und der Betriebstemperatur der einzelnen, hinsichtlich stromtragender Eigenschaften in der Regel inhomogen gebildeten Halbleiterbauteile ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodulen nicht hinreichend berücksichtigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Leistungsmodul hinsichtlich der Stromtragfähigkeit zu optimieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Computerprogrammprodukt und ein Leistungsmodul gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Das Leistungsmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Leistungsmodul wird vorzugsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) eingesetzt. Insbesondere dient das Leistungsmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter wird dazu verwendet, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.
Das Leistungsmodul weist eine Mehrzahl von topologischen Schaltern auf. Diese halbleiterbasierten topologischen Schalter umfassen jeweils mehrere Halbleiterbauteile, die zueinander parallelgeschaltet sind und dazu dienen, um basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Halbleiterbauteile zu erzeugen. Die Ansteuerung der topologischen Schalter erfolgt mittels einer Ansteuerelektronik, die eine oder mehrere Leiterplatten aufweist, auf der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen angebracht sind. Die Ansteuerelektronik umfasst vorzugsweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Leistungsmoduls und eine Treiberkomponente zur Ansteuerung der topologischen Schalter basierend auf dem Steuersignal. Die Ansteuerung kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen. Im Fall eines Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen Gleichstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen Wechselstrom handelt.
Die mehreren topologischen Schalter bilden vorzugsweise eine Brückenschaltungsanordnung, die eine oder mehrere Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) umfassen kann. Jede Brückenschaltung bzw. Halbbrücke umfasst einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Highside-Schalter (HS-topologische Schalter), und einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Lowside-Schalter (LS-topologische Schalter). Der/die HS-topologischen Schalter ist/sind zu dem/den LS-topologischen Schalter/Schaltern reihengeschaltet. Im Fall eines Wechselrichters ist jede Halbbrücke einer Stromphase des mehrphasigen Wechselstroms (Ausgangsstrom) zugeordnet. Die den topologischen Schaltern zugrunde liegenden Halbleiterbauteile umfassen jeweils einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile wie IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauteil zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), kann alternativ oder zusätzlich Silizium umfassen.
Zwecks Kühlung der topologischen Schalter und weiterer elektronischer Bauteile im Leistungsmodul ist möglich, einen Kühlkörper vorzusehen, mit dem die topologischen Schalter in thermischer Kopplung stehen. Im Kühlkörper sind vorzugsweise Kühlleitungen zum Durchströmen eines Kühlmediums, etwa Wasser, ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Optimieren des Leistungsmoduls umfasst einen Prozessor zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Prozessor ist dazu ausgebildet, basierend auf bestimmten Eingabedaten diejenigen Halbleiterbauteile in einem topologischen Schalter rechnerisch zu identifizieren, welches hinsichtlich der Stromtragfähigkeit problematisch ist, um gezielt Gegenmaßnahmen zu ergreifen und die Stromtragfähigkeit des Leistungsmoduls zu steigern.
Es wird zunächst ein Referenzstromwert aus einer Temperaturobergrenze der Halbleiterbauteile berechnet. Die Temperaturobergrenze ist die in der Regel von einem Hersteller der Halbleiterbauteile vorgegebene Obergrenze der Temperatur, die die Halbleiterbauteile im Betrieb nicht überschreiten dürfen. Die Temperaturobergrenze hat vorzugsweise einen für sämtliche Halbleiterbauteile einheitlichen Wert. Der Referenzstromwert ist ein fiktiver Stromwert, der vorzugsweise durch die folgenden Annahmen definiert ist: erstens, alle Halbleiterbauteile sind gleichermaßen gebildet; und zweitens, bei einem durch die Halbleiterbauteile eingespeisten Strom, der dem Referenzstromwert entspricht, erreichen alle Halbleiterbauteile ihre Temperaturobergrenze. Weiter vorzugsweise wird für den fiktiven Referenzstromwert ferner angenommen, dass alle Halbleiterbauteile den gleichen Widerstand, insbesondere den gleichen Durchlasswiderstand, aufweisen; und/oder dass alle Halbleiterbauteile jeweils an einer Stelle mit der gleichen Entwärmungseffizienz im Leistungsmodul angeordnet sind. Die Entwärmungseffizienz ist ein Maßstab der thermischen Kopplung an den Kühlkörper zum Abkühlen der Leistungsschalter.
Der Referenzstromwert wird dadurch rechnerisch bestimmt, dass der Strom, der durch das jeweilige Halbleiterbauteil geschickt wird, schrittweise erhöht wird, bis die Temperaturobergrenze erreicht ist. Der beim Erreichen der Temperaturobergrenze vorliegende Stromwert wird als Referenzstromwert bestimmt.
Vorzugsweise wird der Referenzstromwert zusätzlich basierend auf einem ersten Mittelwert des Widerstandes, insbesondere des Durchlasswiderstands, der Halbleiterbauteile, und/oder einem zweiten Mittelwert einer Entwärmungseffizienz des Leistungsmoduls berechnet.
Anschließend wird eine anfängliche Zuordnung der Halbleiterbauteile, die im Leistungsmodul zu verbauen sind, zu den topologischen Schaltern festgelegt. Es handelt sich beispielsweise um eine willkürliche Zuordnung der Halbleiterbauteile. Die Anzahl der Halbleiterbauteile in jedem der topologischen Schalter ist vorzugsweise gleich. Vorzugsweise wird zusätzlich zur anfänglichen Zuordnung auch eine anfängliche Anordnung der Halbleiterbauteile in den jeweiligen topologischen Schaltern gewählt bzw. festgelegt.
Basierend auf der anfänglichen Zuordnung (und der anfänglichen Anordnung) wird für jeden der topologischen Schalter ein Maximalstromwert berechnet. Der Maximalstromwert ist vorzugsweise der Wert des durch den jeweiligen topologischen Schalter fließenden Stroms, bei dem ein erstes Halbleiterbauteil im jeweiligen topologischen Schalter die Temperaturobergrenze erreicht. Der Maximalstromwert lässt sich vorzugsweise rechnerisch bestimmen, in dem der Wert des durch den jeweiligen topologischen Schalter fließenden Stroms iterativ erhöht und die Temperatur der Halbleiterbauteile im topologischen Schalter registriert wird, bis ein erstes Halbleiterbauteil die Temperaturobergrenze erreicht. Der beim Erreichen der Temperaturobergrenze vorliegende Stromwert ist der Maximalstromwert.
Anschließend wird einer der topologischen Schalter identifiziert, bei dem der berechnete Maximalstromwert niedriger als der Referenzstromwert ist. Dies deutet darauf hin, dass der identifizierte topologische Schalter eine mangelhafte Stromtragfähigkeit aufweist. Vorzugsweise werden alle topologischen Schalter identifiziert, bei denen der berechnete Maximalstromwert niedriger als der Referenzstromwert ist.
Im identifizierten topologischen Schalter (bzw. in jedem der identifizierten topologischen Schalter) werden danach diejenigen Halbleiterbauteile identifiziert, deren Temperaturobergrenze beim berechneten Maximalstromwert erreicht ist. Dies beruht vorzugsweise auf einer betriebsstromabhängigen Temperaturverteilung der Halbleiterbauteile. Beispielsweise wird eine initiale Temperaturverteilung in den Halbleiterbauteilen basierend auf einer Temperaturabhängigkeit des Widerstands (insbesondere des Durchlasswiderstands) der Halbleiterbauteile sowie der statistischen Verteilung des Widerstands (etwa gemäß einer Gauß'schen Statistik), einer Anfangstemperatur (beispielsweise der Kühlmediumtemperatur), einem durch den topologischen Schalter fließenden Anfangsgesamtstrom berechnet. Die initiale Temperaturverteilung wird anschließend mit Hilfe von einer geometrischen Verteilung der Entwärmungseffizienz im Leistungsmodul angepasst. Die geometrische Verteilung der Entwärmungseffizienz lässt sich beispielsweise aus einer Entwärmungseffizienz der Lagen der einzelnen Halbleiterbauteile im Leistungsmodul, der Flussrichtung des Kühlmediums im Leistungsmodul sowie der geometrischen Anordnung der Halbleiterbauteile im Leistungsmodul berechnen.
Auf diese Weise werden die hinsichtlich der Stromtragfähigkeit „problematischen“ Halbleiterbauteile innerhalb des topologischen Schalters mangelhaften bzw. jedes der mangelhaften topologischen Schalter bestimmt. Diese Halbleiterbauteile können: i) durch ein anderes Halbleiterbauteil bzw. andere Halbleiterbauteile mit einem niedrigeren Widerstand ersetzt werden; und/oder ii) in eine Stelle innerhalb des Leistungsmoduls mit einer höheren Entwärmungseffizienz versetzt werden. Mit der Maßnahme i) lässt sich der Gesamtwiderstand der Halbleiterbauteile verringern und/oder die Stromverteilung auf die einzelnen Halbleiter gleichmäßiger gestalten, sodass die Stromtragfähigkeit erhöht wird. Mit der Maßnahme ii) lassen sich die Halbleiterbauteile wirksamer abkühlen, da die thermische Kopplung der Halbleiterbauteile an den Kühlkörper nach dem Versetzen verbessert ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls;
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Optimieren des Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Optimieren des Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
4 eine schematische Darstellung eines Diagramms einer statistischen Verteilung einer Stromtragfähigkeit.

In der Figur beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls 10. Das Leistungsmodul 10 im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Leistungsmodul 10 wird vorzugsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) eingesetzt. Insbesondere dient das Leistungsmodul 10 zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter wird dazu verwendet, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.
Das Leistungsmodul 10 weist eine Mehrzahl von (hier beispielshaft, sechs) topologischen Schaltern 12a-f auf. Diese halbleiterbasierten topologischen Schalter 12a-f umfassen jeweils mehrere (hier beispielhaft, sechs) Halbleiterbauteile 14a-f, die zueinander parallelgeschaltet sind und dazu dienen, um basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Halbleiterbauteile 14a-f zu erzeugen. Die Ansteuerung der topologischen Schalter 12a-f erfolgt mittels einer Ansteuerelektronik 16, die eine oder mehrere Leiterplatten aufweist, auf der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen wie Transformatoren und/oder Widerständen angebracht sind. Die Ansteuerelektronik 16 umfasst vorzugsweise eine Controllerkomponente zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf einem Betriebszustand des Leistungsmoduls 10 und eine Treiberkomponente zur Ansteuerung der topologischen Schalter 12a-f basierend auf dem Steuersignal. Die Ansteuerung kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen. Im Fall eines Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen Gleichstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen Wechselstrom handelt.
Die mehreren topologischen Schalter 12a-f bilden vorzugsweise eine Brückenschaltungsanordnung, die eine oder mehrere Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) umfassen kann. Jede Brückenschaltung bzw. Halbbrücke umfasst einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Highside-Schalter 12a-c (HS-topologische Schalter), und einen oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Lowside-Schalter 12d-f (LS-topologische Schalter). Der/die HS-topologischen Schalter 12a-c ist/sind zu dem/den LS-topologischen Schalter/Schaltern 12d-f reihengeschaltet. Im Fall eines Wechselrichters ist jede Halbbrücke einer Stromphase des mehrphasigen Wechselstroms (Ausgangsstrom) zugeordnet. Die den topologischen Schaltern 12a-f zugrunde liegenden Halbleiterbauteile 14a-f umfassen jeweils einen IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem jeweiligen Halbleiterbauteil 14a-f zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), kann alternativ oder zusätzlich Silizium umfassen.
Zwecks Kühlung der topologischen Schalter 12a-f und weiterer elektronischer Bauteile im Leistungsmodul 10 ist möglich, einen Kühlkörper 18 vorzusehen, mit dem die topologischen Schalter 12a-f in thermischer Kopplung stehen. Außerdem kann ein Zwischenkreiskondensator 20 im Leistungsmodul 10 vorgesehen sein, welcher zu den topologischen Schalter 12a-f parallelgeschaltet ist.
Beim Betreiben des Elektroantriebs, insbesondere eines Hochleistungselektroantriebs, muss sichergestellt werden, dass das Leistungsmodul 10 dauerhaft eine hinreichende Stromtragfähigkeit besitzt. Die Stromtragfähigkeit ist ein Maßstab dafür, wie viel Strom die im Leistungsmodul 10 verbauten Halbleiterbauteile 14a-f insgesamt liefern können, ohne dass diese beschädigt werden. Bei hohen Strömen wird aufgrund des internen Widerstandes, insbesondere des Durchlasswiderstandes, der jeweiligen als Transistor ausgebildeten Halbleiterbauteile 14a-f Wärme erzeugt, die dazu führt, dass die Halbleiterbauteile 14a-f heiß werden. Je nach dem, wie groß die einzelnen Durchlasswiderstände sind und wie effizient die Halbleiterbauteile 14a-f entwärmt werden, verhält sich die Stromtragfähigkeit des Leistungsmoduls 10 unterschiedlich.
Um das Leistungsmodul 10 hinsichtlich seiner Stromtragfähigkeit zu optimieren, wird ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 vorgeschlagen, das in 2 schematisch als Blockschaltdiagramm gezeigt ist. In einem ersten Schritt 101 wird ein Referenzstromwert aus einer Temperaturobergrenze der Halbleiterbauteile 14a-f, insbesondere sämtlicher im Leistungsmodul 10 zu verwendenden Halbleiterbauteile 14a-f, berechnet. Die Temperaturobergrenze ist die in der Regel von einem Hersteller der Halbleiterbauteile 14a-f vorgegebene Obergrenze der Temperatur, die die Halbleiterbauteile 14a-f im Betrieb nicht überschreiten dürfen. Die Temperaturobergrenze hat vorzugsweise einen für sämtliche Halbleiterbauteile 14a-f einheitlichen Wert. Der Referenzstromwert ist ein fiktiver Stromwert, der vorzugsweise durch die folgenden Annahmen definiert ist: erstens, alle Halbleiterbauteile 14a-f sind gleichermaßen gebildet; und zweitens, bei einem durch die Halbleiterbauteile 14a-f eingespeisten Strom, der dem Referenzstromwert entspricht, erreichen alle Halbleiterbauteile 14a-f ihre Temperaturobergrenze. Weiter vorzugsweise wird für den fiktiven Referenzstromwert ferner angenommen, dass alle Halbleiterbauteile 14a-f den gleichen Widerstand, insbesondere den gleichen Durchlasswiderstand, aufweisen; und/oder dass alle Halbleiterbauteile jeweils an einer Stelle im Leistungsmodul 10 mit der gleichen Entwärmungseffizienz angeordnet sind. Die Entwärmungseffizienz ist ein Maßstab der thermischen Kopplung an den Kühlkörper 18 zum Abkühlen der topologischen Schalter 12a-f.
Der Referenzstromwert wird dadurch rechnerisch bestimmt, dass der Strom, der durch das jeweilige Halbleiterbauteil 14a-f geschickt wird, schrittweise erhöht wird, bis die Temperaturobergrenze erreicht ist. Der beim Erreichen der Temperaturobergrenze vorliegende Stromwert wird als Referenzstromwert bestimmt.
Vorzugsweise wird der Referenzstromwert zusätzlich basierend auf einem ersten Mittelwert des Widerstandes, insbesondere des Durchlasswiderstands, der Halbleiterbauteile 14a-f, und/oder einem zweiten Mittelwert einer Entwärmungseffizienz des Leistungsmoduls 10 berechnet.
Anschließend wird in einem weiteren Schritt 102 eine anfängliche Zuordnung der Halbleiterbauteile 14a-f, die im Leistungsmodul 10 zu verbauen sind, zu den topologischen Schaltern 12a-f festgelegt. Es handelt sich beispielsweise um eine willkürliche Zuordnung der Halbleiterbauteile 14a-f. Die Anzahl der Halbleiterbauteile 14a-f in jedem der topologischen Schalter 12a-f ist vorzugsweise gleich. Vorzugsweise wird zusätzlich zur anfänglichen Zuordnung auch eine anfängliche Anordnung der Halbleiterbauteile 14a-f in den jeweiligen topologischen Schaltern 12a-f gewählt bzw. festgelegt.
Basierend auf der anfänglichen Zuordnung (und der anfänglichen Anordnung) wird in einem weiteren Schritt 103 für jeden der topologischen Schalter 12a-f ein Maximalstromwert berechnet. Der Maximalstromwert ist vorzugsweise der Wert des durch den jeweiligen topologischen Schalter 12a-f fließenden Stroms, bei dem ein erstes Halbleiterbauteil 14a-f im jeweiligen topologischen Schalter 12a-f die Temperaturobergrenze erreicht. Der Maximalstromwert lässt sich vorzugsweise rechnerisch bestimmen, in dem der Wert des durch den jeweiligen topologischen Schalter 12a-f fließenden Stroms iterativ erhöht und die Temperatur der Halbleiterbauteile im topologischen Schalter registriert wird, bis ein erstes Halbleiterbauteil 14a-f die Temperaturobergrenze erreicht. Der beim Erreichen der Temperaturobergrenze vorliegende Stromwert ist der Maximalstromwert. Der Maximalstromwert ist daher kein fiktiver Wert, sondern basiert auf der realen anfänglichen Zuordnung (und vorzugsweise auch der anfänglichen Anordnung) der Halbleiterbauteile 14a-f zu den topologischen Schaltern 12a-f.
Anschließend wird in einem weiteren Schritt 104 einer der topologischen Schalter 12a-f identifiziert, bei dem der berechnete Maximalstromwert niedriger als der Referenzstromwert ist. Dies deutet darauf hin, dass der identifizierte topologische Schalter 12a-f eine mangelhafte Stromtragfähigkeit aufweist. Vorzugsweise werden all diejenigen topologischen Schalter 12a-f identifiziert, bei denen der berechnete Maximalstromwert niedriger als der Referenzstromwert ist.
Im identifizierten topologischen Schalter 12a-f (bzw. in jedem der identifizierten topologischen Schalter) werden in einem weiteren Schritt 105 diejenigen Halbleiterbauteile 14a-f identifiziert, deren Temperaturobergrenze beim berechneten Maximalstromwert erreicht ist. Dies beruht vorzugsweise auf einer betriebsstromabhängigen Temperaturverteilung der Halbleiterbauteile 14a-f. Beispielsweise wird eine initiale Temperaturverteilung in den Halbleiterbauteilen 14a-f basierend auf einer Temperaturabhängigkeit des Widerstands (insbesondere des Durchlasswiderstands) der Halbleiterbauteile 14a-f sowie der statistischen Verteilung des Widerstands (etwa gemäß einer Gauß'schen Statistik), einer Anfangstemperatur der Halbleiterbauteile 14a-f (beispielsweise der Kühlmediumtemperatur), einem durch den betrachteten topologischen Schalter 14a-f fließenden Anfangsgesamtstrom berechnet. Die initiale Temperaturverteilung wird anschließend mit Hilfe von einer geometrischen Verteilung der Entwärmungseffizienz im Leistungsmodul sowie den berechneten Maximalstromwert des durch den identifizierten bzw. betrachteten topologischen Schalter 12a-f fließenden Stroms angepasst. Die geometrische Verteilung der Entwärmungseffizienz lässt sich beispielsweise aus einer Entwärmungseffizienz der Lagen der einzelnen Halbleiterbauteile im Leistungsmodul, der Flussrichtung des Kühlmediums im Leistungsmodul sowie der geometrischen Anordnung der Halbleiterbauteile im Leistungsmodul berechnen.
Mit Hilfe der ermittelten betriebsstromabhängigen Temperaturverteilung der Halbleiterbauteile 14a-f können die Temperatur der einzelnen Halbleiterbauteile 14a-f des betrachteten topologischen Schalters 12a-f berechnet und mit der Temperaturobergrenze verglichen werden. Dadurch werden diejenigen Halbleiterbauteile 14a-f des betrachteten topologischen Schalters 12a-f identifiziert, bei denen die Temperaturobergrenze erreicht ist. Auf diese Weise werden die hinsichtlich der Stromtragfähigkeit „problematischen“ Halbleiterbauteile innerhalb des topologischen Schalters 12a-f mangelhaften bzw. jedes der mangelhaften topologischen Schalter 12a-f bestimmt.
Wenn im topologischen Schalter ein Halbleiterbauteil mit einem vergleichsweise niedrigen Widerstand mit mehreren weiteren Halbleiterbauteilen mit vergleichsweise hohen Widerständen in einer Parallelschaltung verbaut sind, fließt der größte Stromanteil durch das niederwiderständige Halbleiterbauteil. Hierdurch wird das niederwiderständige Halbleiterbauteil aufgrund der eingeprägten elektrischen Leistung stärker als die anderen Halbleiterbauteile erhitzt. In diesem Fall kann das niederwiderständige Halbleiterbauteil an eine Stelle im Leistungsmodul 10 mit einer höheren Entwärmungseffizienz versetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können die hochwiderständigen Halbleiterbauteile zumindest teilweise durch niederwiderständige Halbleiterbauteile ersetzt werden. Beispielsweise können weitere niederwiderständige Halbleiterbauteile in den topologischen Schalter eingebaut werden. Mit dieser Maßnahme wird zum Einen der Gesamtwiderstand der Halbleiterbauteile 14a-f verringert, und die Stromverteilung auf die Halbleiterbauteile 14a-f gleichmäßiger. Somit wird das ursprünglich heißeste Halbleiterbauteil thermisch entlastet.
Diese Halbleiterbauteile 14a-f können: i) durch ein anderes Halbleiterbauteil 14a-f bzw. andere Halbleiterbauteile 14a-f mit einem niedrigeren Widerstand ersetzt werden; und/oder ii) in eine Stelle innerhalb des Leistungsmoduls 10 mit einer höheren Entwärmungseffizienz versetzt werden. Mit der Maßnahme i) lässt sich der Gesamtwiderstand der Halbleiterbauteile 14a-f verringern und/oder die Stromverteilung auf die einzelnen Halbleiter gleichmäßiger gestalten, sodass die Stromtragfähigkeit erhöht wird. Mit der Maßnahme ii) lassen sich die Halbleiterbauteile 14a-f wirksamer abkühlen, da die thermische Kopplung der Halbleiterbauteile 14a-f an den Kühlkörper 18 nach dem Versetzen verbessert ist. Vorzugsweise wird in i) das andere Halbleiterbauteil mit dem niedrigeren Widerstand aus einem weiteren topologischen Schalter entnommen. In diesem Fall kann die Stromtragfähigkeit des Leistungsmoduls 10 optimiert werden, ohne auf ein zusätzliches Halbleiterbauteil zuzugreifen. Das optimierte Leistungsmodul 10 kann daher kostengünstiger konzipiert und realisiert werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Anschluss an das in 2 gezeigte Verfahren 100 wird in einem weiteren Schritt 201a der Anteil der hinsichtlich der Stromtragfähigkeit als mangelhaft identifizierten Halbleiterbauteile 14a-f des betrachteten topologischen Schalters 12a-f bestimmt. In einem weiteren Schritt 201b wird dieser Anteil mit einem vordefinierten Prozentsatz verglichen. Wenn der Anteil höher als der vordefinierte Prozentsatz liegt, wird in einem weiteren Schritt 202 die obige Aktion i) durchgeführt. Wenn der Anteil niedriger als der vordefinierte Prozentsatz liegt, wird in einem weiteren Schritt 203 die obige Aktion ii) durchgeführt.
4 zeigt ein Diagramm, in dem ein Anteil der topologischen Schalter 12a-f, die einen gegebenen Strom tragen können, ohne dass die Temperaturobergrenze überschritten ist, gegen den Strom aufgetragen ist. Zwei Kurven 301, 302 sind hier eingezeichnet. Eine erste Kurve 301 basiert auf der anfänglichen Zuordnung der Halbleiterbauteile 14a-f zu den topologischen Schaltern 12a-f und, hier beispielhaft, auch der anfänglichen Anordnung der Halbleiterbauteile 14a-f im Leistungsmodul 10. Eine zweite Kurve 302 basiert auf einer neuen Zuordnung der Halbleiterbauteile 14a-f zu den topologischen Schaltern 12a-f und/oder einer neuen Anordnung der Halbleiterbauteile 14a-f im Leistungsmodul 10, wobei die neue Zuordnung bzw. Anordnung mittels der obigen Aktionen i) und/oder ii) erreicht ist. Die Kurven 301, 302 stellen jeweils eine statistische Verteilung der Stromtragfähigkeit der topologischen Schalter 12a-f des Leistungsmoduls 10 dar. Die Kurven 301, 302 können, basierend auf der jeweiligen Zuordnung und/oder Anordnung der Halbleiterbauteile 14a-f, mittels der Widerstände der Halbleiterbauteile 14a-f und der Entwärmungseffizienz der Lagen/Stellen im Leistungsmodul 10, in denen die Halbleiterbauteile 14a-f jeweils angeordnet sind, bestimmt werden.
Die zweite Kurve 302 wird dadurch ausgehend von der ersten Kurve 301 erhalten, dass die obigen Aktionen i) und/oder ii) ausgeführt werden. Vorzugsweise werden in einem iterativen Optimierungsprozess die Aktionen i) und/oder ii) solange ausgeführt, bis a) die Steigung der Kurve 301, 302 konvergiert; und/oder b) der Stromwert, bei dem der Anteil maximal ist (die entsprechende Stelle in der jeweiligen Kurve 301, 302 ist durch gestrichelte Pfeile in 4 angedeutet), konvergiert. Auf diese Weise wird eine Zuordnungs- und Anordnungsweise der Halbleiterbauteile 14a-f zum Bilden der topologischen Schalter 12a-f bereitgestellt, bei der eine hohe Anzahl von topologischen Schaltern 12a-f einen hohen Strom tragen können, ohne dass die Temperaturobergrenze der Halbleiterbauteile 14a-f überschritten wird. Das Leistungsmodul 10 wird dadurch hinsichtlich Stromtragfähigkeit optimiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren 100 lässt sich mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausführen, welche einen Prozessor besitzt, der zum Ausführen der Schritte 101 bis 105 ausgelegt ist. Insbesondere kann ein Computerprogrammprodukt im Prozessor (Rechner) geladen werden, welches den Prozessor dazu befähigt, nach dem Laden die Schritte 101 bis 105, vorzugsweise auch die Schritte 201a,b, 202, 203 des Verfahrens 200, automatisch auszuführen. Der Prozessor kann in der Elektronischen Steuereinheit (Engl: Electronic Control Unit, ECU) und/oder einem anderen Onboard-Computer des Fahrzeugs integriert sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren 100, 200 und die erfindungsgemäße Vorrichtung können als Planungsverfahren bzw. Planungsvorrichtung zum Herstellen eines Leistungsmoduls verstanden werden. Die Zuordnungs- und/oder Anordnungsweise der Halbleiterbauteile wird mittels des Verfahrens bzw. der Vorrichtung basierend auf Eingabedaten wie die Temperaturobergrenze, die Widerstände der Halbleiterbauteile sowie die Entwärmungseffizienz im Leistungsmodul optimiert.
Bezugszeichenliste

10: Leistungsmodul
12a-f: topologische Schalter
14a-f: Halbleiterbauteile
16: Ansteuerelektronik
18: Kühlkörper
20: Zwischenkreiskondensator
100, 200: Verfahren
101-105, 201a-203: Verfahrensschritte
301,302: Kurven

Claims

Verfahren (100, 200) zum Optimieren eines Leistungsmoduls (10), wobei das Leistungsmodul (10) mehrere topologische Schalter (12a-f) umfasst, die jeweils eine vordefinierte Anzahl von zueinander parallelgeschalteten Halbleiterbauteilen (14a-f) umfassen, das Verfahren (100, 200) umfassend: - Berechnen eines Referenzstromwertes aus einer Temperaturobergrenze der Halbleiterbauteile (14a-f); - Festlegen einer anfänglichen Zuordnung der Halbleiterbauteile (14a-f) zu den topologischen Schaltern (12a-f); - Berechnen eines Maximalstromwertes für jeden der topologischen Schalter (12a-f) basierend auf der anfänglichen Zuordnung; - Identifizieren eines der topologischen Schalter (12a-f), bei dem der berechnete Maximalstromwert niedriger als der Referenzstromwert ist; - Identifizieren, im identifizierten topologischen Schalter, derjenigen Halbleiterbauteile (14a-f), deren Temperaturobergrenze beim berechneten Maximalstromwert erreicht ist.
Verfahren (100, 200) nach Anspruch 1, wobei der Referenzstromwert zusätzlich aus einem Widerstand der Halbleiterbauteile (14a-f) und/oder einer Entwärmungseffizienz des Leistungsmoduls (10) berechnet wird.
Verfahren (100, 200) nach Anspruch 2, wobei der Widerstand ein Widerstandsmittelwert der Halbleiterbauteile (14a-f) ist, und/oder wobei die Entwärmungseffizienz ein Mittelwert der Entwärmungseffizienz des Leistungsmoduls (10) ist.
Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: Festlegen einer anfänglichen Anordnung der Halbleiterbauteile (14a-f) innerhalb der jeweiligen topologischen Schalter (12a-f).
Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend: i) Ersetzen zumindest eines der identifizierten Halbleiterbauteile (14a-f) durch ein anderes Halbleiterbauteil mit einem niedrigeren Widerstand; und/oder ii) Versetzen zumindest eines der identifizierten Halbleiterbauteile (14a-f) in eine Stelle innerhalb des Leistungsmoduls (10) mit einer höheren Entwärmungseffizienz.
Verfahren (100, 200) nach Anspruch 5, wobei in i) das andere Halbleiterbauteil mit dem niedrigeren Widerstand aus einem weiteren topologischen Schalter (12a-f) entnommen wird.
Verfahren (100, 200) nach Anspruch 5 oder 6, ferner umfassend: - Ermitteln, basierend auf der anfänglichen Zuordnung, einer statistischen Verteilung der Stromtragfähigkeit der topologischen Schalter (12a-f), die zu einem gegebenen Strom den Anteil der topologischen Schalter (12a-f) angibt, die den Strom tragen können, ohne dass die Temperaturobergrenze überschritten ist; - Ausführen einer oder beider der Aktionen i) und ii), bis: a) eine mathematische Steigung der ermittelten statistischen Verteilung konvergiert; und/oder b) der Stromwert, bei dem der Anteil maximal ist, konvergiert.
Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Aktion i) ausgeführt wird, wenn der Anteil der Halbleiterbauteile (14a-f), deren Temperaturobergrenze beim berechneten Maximalstromwert erreicht ist, einen vordefinierten Prozentsatz überschreitet.
Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Aktion ii) ausgeführt wird, wenn der Anteil der Halbleiterbauteile (14a-f), deren Temperaturobergrenze beim berechneten Maximalstromwert erreicht ist, einen vordefinierten Prozentsatz unterschreitet.
Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend Ermitteln einer betriebsstromabhängigen Temperaturverteilung der Halbleiterbauteile (14a-f) innerhalb eines der topologischen Schalter (12a-f).
Verfahren (100, 200) nach Anspruch 10, wobei das Bestimmen derjenigen Halbleiterbauteile (14a-f), deren Temperaturobergrenze beim berechneten Maximalstromwert erreicht ist, im identifizierten topologischen Schalter (12a-f) auf der ermittelten betriebsstromabhängigen Temperaturverteilung beruht.
Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner umfassend Erhalten eines der folgenden Datensätze: - eine Entwärmungseffizienz der jeweiligen Halbleiterbauteile (14a-f); - eine ortsabhängige Flussrichtung eines Kühlmediums im Leistungsmodul; und - eine Anordnungsweise der topologischen Schalter (12a-f) im Leistungsmodul (10).
Vorrichtung zum Optimieren eines Leistungsmoduls (10), wobei das Leistungsmodul (10) mehrere topologische Schalter (12a-f) umfasst, die jeweils eine vordefinierte Anzahl von zueinander parallelgeschalteten Halbleiterbauteilen (14a-f) umfassen, die Vorrichtung umfassend einen Prozessor zum: - Berechnen eines Referenzstromwertes aus einer Temperaturobergrenze der Halbleiterbauteile (14a-f); - Festlegen einer anfänglichen Zuordnung der Halbleiterbauteile (14a-f) zu den topologischen Schaltern (12a-f); - Berechnen eines Maximalstromwertes für jeden der topologischen Schalter (12a-f) basierend auf der anfänglichen Zuordnung; - Identifizieren eines der topologischen Schalter (12a-f), bei dem der berechnete Maximalstromwert niedriger als der Referenzstromwert ist; - Identifizieren, im identifizierten topologischen Schalter, derjenigen Halbleiterbauteile (14a-f), deren Temperaturobergrenze beim berechneten Maximalstromwert erreicht ist.
Computerprogramprodukt zum Optimieren eines Leistungsmoduls, welches in einen Rechner ladbar ist und welches diesen Rechner nach dem Laden dazu befähigt, eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12 auszuführen.
Leistungsmodul, umfassend mehrere topologische Schalter, die jeweils eine vordefinierte Anzahl von zueinander parallelgeschalteten Halbleiterbauteilen umfasst, wobei das Leistungsmodul mittels eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12 optimiert ist.