DE102022208136A1

DE102022208136A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur eines Halbleiterelements, Stromrichter, elektrischer Achsantrieb und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022208136A1
Application number: DE102022208136.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Meiler; Johannes Hager
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-08-04
Filing date: 2022-08-04
Publication date: 2024-02-15
Also published as: CN117516737A; US20240094065A1

Abstract

Ein Verfahren (400) zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur Tjeines Halbleiterelements (102) eines Halbleitermoduls umfasst ein Ermitteln (428) eines Schätzwertes der Halbleitertemperatur Tjunter Verwendung eines optimierbaren Modells eines thermischen Verhaltens des Halbleitermoduls, ein Einlesen eines Messwertes der Halbleitertemperatur Tj, ein Optimieren des optimierbaren Modells unter Verwendung des Messwertes, ein Bereitstellen des Schätzwertes der Halbleitertemperatur Tj, wenn der Messwert nicht zur Verfügung steht und des Messwertes, wenn der Messwert für den Zeitpunkt zur Verfügung steht, und ein Wiederholen (430) der Schritte des Verfahrens (400) für weitere Zeitpunkte.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur eines Halbleiterelements, auf einen Stromrichter, einen elektrischen Achsantrieb und ein Kraftfahrzeug.
Die Temperatur eines Halbleiterelements kann gemessen werden, um das Halbleiterelement vor Überhitzung zu schützen. Die DE102021201363 beschreibt ein dafür geeignetes Verfahren zum Messen einer Betriebstemperatur eines Leistungsmoduls.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur eines Halbleiterelements, einen verbesserten Stromrichter, einen verbesserten elektrischen Achsantrieb und ein verbessertes Kraftfahrzeug gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der beschriebene Ansatz ermöglicht eine Bestimmung einer Temperatur eines Halbleiterelements vorteilhafterweise auch dann, wenn eine direkte Messung der Temperatur zeitweise nicht möglich ist.
Ein solches Halbleiterelement kann Teil eines Halbleitermoduls sein, dass das Halbleiterelement und eine über einen thermischen Pfad mit dem Halbleiterelement thermisch gekoppelte Kühlereinrichtung umfasst. Unter einer Kühlereinrichtung kann beispielsweise ein aktiver oder passiver Kühler verstanden werden, wie sie typischerweise im Zusammenhang mit elektrischen Schaltungen verwendet werden. Optional kann die Kühlereinrichtung von einem Kühlmittel durchströmt sein, um eine Kühlleistung zu erhöhen. Unter Verwendung der Kühlereinrichtung kann durch den Betrieb des Halbleiterelements generierte thermische Energie von dem Halbleiterelement abgeführt werden. Das Halbleiterelement kann beispielsweise einen oder mehrere Transistoren umfassen. Das Halbleiterelement kann ein Leistungshalbleiter sein. Das Halbleitermodul kann Teil einer elektrischen Schaltung sein, die beispielweise in einem Fahrzeug oder einer Maschine verbaut sein kann.
Ein Verfahren zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur eines entsprechenden Halbleiterelements eines Halbleitermoduls für ein Fahrzeug umfasst die folgenden Schritte:

Ermitteln eines Schätzwertes der Halbleitertemperatur für einen Zeitpunkt unter Verwendung eines optimierbaren Modells eines thermischen Verhaltens des Halbleitermoduls;
Einlesen eines Messwertes der Halbleitertemperatur für den Zeitpunkt über eine Schnittstelle, wenn der Messwert für den Zeitpunkt zur Verfügung steht, wobei der Messwert einen unter Verwendung einer Sensoreinrichtung direkt oder indirekt erfassten Wert repräsentiert;

Optimieren des optimierbaren Modells unter Verwendung des Messwertes der Halbleitertemperatur für den Zeitpunkt, wenn der Messwert für den Zeitpunkt zur Verfügung steht;
Bereitstellen eines Halbleitertemperatur repräsentierenden Wertes für den Zeitpunkt unter Verwendung des Schätzwertes der Halbleitertemperatur, wenn der Messwert für den Zeitpunkt nicht zur Verfügung steht und unter Verwendung des Messwertes der Halbleitertemperatur, wenn der Messwert für den Zeitpunkt zur Verfügung steht; und
Wiederholen der Schritte des Verfahrens für weitere auf den Zeitpunkt folgende Zeitpunkte.
Unter der Halbleitertemperatur kann eine Innentemperatur oder eine Sperrschichttemperatur eines Halbleiters des Halbleiterelements verstanden werden. Unter dem optimierbaren Modell kann ein Algorithmus oder mathematisches Verfahren zum Schätzen einer Systemgröße, hier der Halbleitertemperatur, verstanden werden.
Beispielsweise kann das optimierbare Modell auf einem bekannten Schätzer oder Beobachter basieren. Unter dem optimierbaren Modell kann ein lernfähiges Modell verstanden werden, das heißt, dass das optimierbare Model als Folge einer oder mehrerer Optimierungsschritte das thermische Verhalten des Halbleitermoduls immer genauer abbilden kann. In jedem Schritt des Optimierens kann ein aktueller Schätzwert mit einem aktuellen Messwert kombiniert werden, um Fehler des optimierbaren Modells zu minimieren. Dazu können beispielsweise von dem optimierbaren Modell zum Ermitteln des Schätzwertes verwendete Korrelationen angepasst werden. Wenn für den aktuellen Zeitpunkt kein Messwert zur Verfügung steht, kann der Schritt des Optimierens entfallen. Im Gegensatz zu dem Schätzwert kann der Messwert direkt gemessen worden sein oder aus direkt gemessenen Daten hergeleitet worden sein. Typischerweise ist eine Genauigkeit des Messwerts höher als eine Genauigkeit des Schätzwertes. Der Messwert kann über die Schnittstelle direkt von der Sensoreinrichtung oder von einer Herleiteinrichtung eingelesen werden, die den Messwert aus anderen gemessenen Daten, beispielsweise einer an dem Halbleiterelement anliegenden Spannung und einem durch das Halbleiterelement fließenden Strom, herleitet. Es kann Zeitpunkte geben, zu denen entweder keine Messung durchführbar ist oder zu denen beispielsweise gemessene Daten nicht geeignet weiterverarbeitet können. Zu diesen Zeitpunkten kann entsprechend kein Messwert zur Verfügung stehen. Vorteilhafterweise kann zu diesen Zeitpunkten auf den Schätzwert zurückgegriffen werden. Wenn das Bestimmen der Halbleitertemperatur beispielsweise zu einer vorbestimmten Abfolge von Zeitpunkten erforderlich ist, können die Schritte des Verfahrens zu diesen Zeitpunkten wiederholt ausgeführt werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Erfassens des Messwertes der Halbleitertemperatur für den Zeitpunkt unter Verwendung der Sensoreinrichtung umfassen, wenn der Schritt des Erfassens unter Verwendung der Sensoreinrichtung zu dem Zeitpunkt durchführbar ist. In diesem Fall kann die Sensoreinrichtung beispielsweise einen Temperatursensor darstellen. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Erfassens zumindest ein Sensorwert zum Herleiten des Messwertes für den Zeitpunkt unter Verwendung der Sensoreinrichtung umfassen, sofern das Erfassen unter Verwendung der Sensoreinrichtung zu dem Zeitpunkt durchführbar ist. In diesem Fall kann die Sensoreinrichtung beispielsweise einen Stromsensor und einen Spannungssensor umfassen. Aus dem zumindest einem Sensorwert kann der Messwert beispielsweise basierend auf einer vorbekannten mathematischen Abhängigkeit zwischen dem zumindest einem Sensorwert und dem Messwert direkt hergeleitet werden. Auf diese Weise kann immer dann, wenn eine Messung möglich ist, ein direkt oder indirekt gemessener Messwert bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise kann der Messwert zusätzlich zur Optimierung des optimierbaren Modells verwendet werden.
Im Schritt des Optimierens kann ein Vergleich zwischen dem Schätzwert und dem Messwert der Halbleitertemperatur durchgeführt werden und das optimierbare Modell kann unter Verwendung eines Ergebnisses des Vergleichs optimiert werden. Über den Vergleich kann sehr einfach eine Abweichung zwischen dem Schätzwert und dem Messwert erkannt werden. Das Optimieren des optimierbaren Modells kann unter Verwendung einer für das optimierbare Modell vorbestimmten Optimierungsvorschrift durchgeführt werden. Auf diese Weise kann die Abweichung zwischen dem Schätzwert und dem Messwert zu nachfolgenden Zeitpunkten immer weiter minimiert werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Berechnens eines Kühlertemperaturwertes einer Kühlertemperatur der Kühlereinrichtung für den Zeitpunkt unter Verwendung des Messwertes der Halbleitertemperatur für den Zeitpunkt umfassen. Der Schritt des Berechnens kann durchgeführt werden, wenn der Messwert für den Zeitpunkt zur Verfügung steht. Im Schritt des Optimierens kann das optimierbare Modell unter Verwendung des Kühlertemperaturwertes optimiert werden. Dies kann Vorteilhaft sein, wenn das optimierbare Modell die Kühlertemperatur zur Ermittlung des Schätzwertes der Halbleitertemperatur verwendet. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Kühlertemperatur eine Zustandsvariable des optimierbaren Modells darstellt. Umso genauer die Kühlertemperatur unter Verwendung des optimierbaren Modells abgeschätzt werden kann, umso genauer kann auch die Halbleitertemperatur unter Verwendung des optimierbaren Modells abgeschätzt werden.
Beispielsweise kann dazu der Kühlertemperaturwert im Schritt des Berechnens unter Verwendung eines Foster-Modells des thermischen Pfads berechnet werden. Das Foster-Modell bietet sich dabei als eine etablierte Vorgehensweise zur Beschreibung einer Wärmeübertragung innerhalb eines Halbleiterelements an.
Im Schritt des Ermittelns kann ein Kühlertemperaturschätzwert der Kühlertemperatur der Kühlereinrichtung für den Zeitpunkt unter Verwendung des optimierbaren Modells ermittelt werden. Im Schritt des Optimierens kann ein Vergleich zwischen dem Halbleitertemperaturschätzwert und dem Halbleitertemperaturwert durchgeführt werden und das optimierbare Modell unter Verwendung eines Ergebnisses des Vergleichs optimiert werden. Über den Vergleich kann sehr einfach eine Abweichung zwischen dem Halbleitertemperaturschätzwert und dem Halbleitertemperaturwert erkannt werden. Das Optimieren des optimierbaren Modells kann unter Verwendung einer für das optimierbare Modell vorbestimmten Optimierungsvorschrift durchgeführt werden. Auf diese Weise kann die Abweichung zwischen dem Halbleitertemperaturschätzwert und dem Halbleitertemperaturwert zu nachfolgenden Zeitpunkten immer weiter minimiert werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Einlesens eines Verlustleistungswerts umfassen, der eine Verlustleistung des Halbleiterelements für den Zeitpunkt repräsentiert. Im Schritt des Ermittelns kann der Verlustleistungswert als eine Eingangsgröße für das optimierbare Modell verwendet werden. Vorteilhafterweise lässt sich die Verlustleistung einfach und fortlaufend unter Verwendung einer geeigneten Sensoreinrichtung erfassen.
Im Schritt des Ermittelns kann ein Durchflussratenwert eines Kühlmittels der Kühleinrichtung für den Zeitpunkt unter Verwendung des optimierbaren Modells ermittelt werden. Unter Kenntnis der Durchflussrate des Kühlmittels kann der Schätzwert der Halbleitertemperatur noch genauer ermittelt werden.
Das optimierbare Modell kann auf einem in eine Zustandsraumdarstellung überführten Foster-Modell des thermischen Pfads basieren. Das Foster-Modell eignet sich besonders gut, um einen Zusammenhang zwischen der Kühlertemperatur und der Halbleitertemperatur herzustellen. Vorteilhafterweise kann dabei die Kühlertemperatur ebenfalls unter Verwendung des optimierbaren Modells geschätzt werden, sodass eine messtechnische Erfassung der Kühlertemperatur nicht erforderlich ist.
Das optimierbare Modell kann einen Kalman-Filter umfassen. Damit kann auf einen etablierten Schätzer zurückgegriffen werden. Zusätzlich oder alternativ kann das optimierbare Modell einen Luenberger-Beobachter umfassen. Zur Umsetzung eines solchen Beobachters kann ebenfalls auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden. Zusätzlich oder alternativ kann das optimierbare Modell eine Künstliche Intelligenz umfassen. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Flexibilität des optimierbaren Modells erhöhen.
Mit dem beschriebenen Verfahren lässt sich ein virtueller Kühlmitteltemperatursensor realisieren.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur eines Halbleiterelements eines genannten Halbleitermoduls. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Daneben betrifft die Erfindung einen Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, für ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Vorrichtung und einem genannten Halbleitermodul. Der Stromrichter zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung wie beschrieben ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Halbleitermodul in diesem Fall zumindest einen Leistungstransistor einer Brückenschaltung zum Wandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung umfassen.
Daneben betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Maschine, einer Getriebeeinrichtung und einem Stromrichter. Der elektrischen Achsantrieb zeichnet sich dadurch aus, dass der Stromrichter wie beschrieben ausgebildet ist.
Die Getriebeeinrichtung kann ein Getriebe zum Reduzieren der Drehzahl der elektrischen Maschine sowie ein Differenzial aufweisen.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Achsantrieb und/oder einem Stromrichter. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass der elektrische Achsantrieb und/oder der Stromrichter wie beschrieben ausgebildet ist.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung thermischer Impedanzen in einem Halbleitermodul gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine Darstellung eines Foster-Modells eines thermischen Pfads eines Halbleitermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur eines Halbleiterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur eines Halbleiterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur eines Halbleiterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
7 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleitermoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Halbleitermodul 100 umfasst ein Halbleiterelement 102 und eine Kühlereinrichtung 104. Die Kühlereinrichtung 104 und das Halbleiterelement 102 sind über einen schematisch angedeuteten thermischen Pfad 106 thermisch miteinander gekoppelt. Beispielsweise ist das Halbleiterelement 102 als ein Leistungstransistor und die Kühlereinrichtung 104 als ein Kühler oder Kühlkörper ausgeführt, der optional von einem Kühlmittel durchströmt werden kann. Das Halbleiterelement 102 erhitzt sich während des Betriebs. Die Kühlereinrichtung 104 dient zur Abführung thermischer Energie von dem Halbleiterelement 102. T_j repräsentiert die Halbleitertemperatur, also die Temperatur des Halbleiterelements 102 und T_h die Kühlertemperatur also die Temperatur der Kühlereinrichtung 104.
Wenn das Halbleiterelement 102 als ein Leistungshalbleiter ausgeführt ist, ist es typischerweise für eine maximale Halbleitertemperatur ausgelegt, welche im Betrieb maximal erreicht werden darf und durch den Halbleiterhersteller vorgegeben wird. Dies maximale Temperatur beträgt z.B. 150°C bei Silizium IGBTs und 175°C bei SiliziumCarbid MOSFETs. Bei der Auslegung von leistungselektronischen Antrieben ist daher darauf zu achten, dass diese Temperatur in keinem Betriebszustand überschritten wird.
Die Kühlertemperatur T_h kann direkt unter Verwendung eines Temperaturfühlers 108 gemessen oder geschätzt werden. Bei einer Schätzung der Kühlertemperatur T_h Kann vorteilhafterweise auf den Temperaturfühler 108 verzichtet werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung thermischer Impedanzen Rt_h(j-c), Rt_h(c-s)1, Rt_h(c-s)2, Rt_h(s-a)1, Rt_h(s-a)2 in einem Halbleitermodul 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um ein Halbleitermodul 100 mit einem Halbleiterelement 102 und einer Kühlereinrichtung 104 handeln, wie es anhand von 1 beschrieben ist.
Wenn eine genaue Kenntnis der zugrundeliegenden Kühlstruktur vorliegt und die thermischen Impedanzen Rt_h(j-c), Rt_h(c-s)1, Rt_h(c-s)2, Rt_h(s-a)1, Rt_h(s-a)2 vor Inbetriebnahme genau gemessen und bestimmt wurden, lässt sich die Halbleitertemperatur T_j des Halbleiterelements 102 abschätzen, wenn die Kühlertemperatur T_h bekannt ist. Dazu kann die Kühlertemperatur T_h der Kühlereinrichtung 104 gemessen oder ebenfalls abgeschätzt werden. Beispielsweise kann die Halbleitertemperatur T_j dann mittels mathematischer Modellierung berechnet werden. Umgekehrt lässt sich die Kühlertemperatur T_h abschätzen, wenn die Halbleitertemperatur T_j bekannt ist. Dazu kann die Halbleitertemperatur T_j direkt oder indirekt gemessen oder ebenfalls abgeschätzt werden. Beispielsweise kann die Kühlertemperatur T_h dann mittels mathematischer Modellierung berechnet werden. Bei einer solchen Berechnung ist es nicht erforderlich einen Temperaturfühler direkt im oder an der Kühlereinrichtung 104 anzubringen.
3 zeigt eine Darstellung eines Foster-Modells 310 eines thermischen Pfads eines Halbleitermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielsweise modelliert das Foster-Modell den anhand von 1 dargestellten thermischen Pfad. Das Foster-Modell 310 umfasst eine Mehrzahl in Reihe geschalteter thermischer Elemente, die jeweils eine Parallelschaltung eines thermischen Widerstands und einer thermischen Kapazität umfassen.
Die Kühlertemperatur T_h dient dann als Referenztemperatur für die Foster-Modellierung der thermischen Impedanzen (siehe Bild4). So kann durch Einsetzen der gemessenen oder geschätzten Kühlertemperatur T_h die Halbleitertemperatur T_j berechnet werden. Weitere für die Berechnung notwendige Eingangsgrößen sind dabei gemäß einem Ausführungsbeispiel die Verlustleistung P_Dissipated im Halbleiter und der Kühlmittelstrom Q_Flow sofern ein Kühlmittel verwendet wird.
Das Foster-Modell 310 wird dann in Zustandsraumdarstellung überführt und mittels des Eingangsgrößenvektors u(t) wird T_j berechnet. $\begin{array}{l} \dot{x} (t) = A x (t) + B u (t) \\ y (t) = C x (t) + D u (t) \end{array}$
$\begin{array}{l} \frac{d}{d t} x (t) = [\begin{matrix} \frac{- 1}{R_{th 1} C_{th 1}} & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \frac{- 1}{R_{th2} C_{th 2}} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & \frac{- 1}{R_{th 3} C_{th 4}} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \frac{- 1}{R_{th 4} C_{th 4}} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{- 1}{R_{th 5} C_{th 5}} \end{matrix}] \times [\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \\ x_{4} \\ x_{5} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{1}{C_{11}} & 0 \\ \frac{1}{C_{12}} & 0 \\ \frac{1}{C_{13}} & 0 \\ \frac{1}{C_{14}} & 0 \\ \frac{1}{C_{15}} & 0 \end{matrix}] \times [\begin{matrix} P_{Dissipated} \\ T_{h} \end{matrix}] \\ y (t) = [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 & 1 & 1 \end{matrix}] \times [\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \\ x_{4} \\ x_{5} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 & 1 \end{matrix}] \times [\begin{matrix} P_{Dissipated} \\ T_{h} \end{matrix}] \end{array}$
Die Aufteilung in fünf Foster-Glieder ist hier nur beispielhaft in Gleichung 2 dargestellt. Theoretisch kann eine beliebig feine Aufteilung in Foster-Terme erfolgen, da diese keine physikalisch „sinnvollen“ Werte darstellen, sondern nur eine Approximation des thermischen Verhaltens abbilden.
Auf umgekehrte Weise kann durch Einsetzen der gemessenen oder geschätzten Halbleitertemperatur T_j die Kühlertemperatur T_h berechnet werden.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur T_j eines Halbleiterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielsweise lässt sich damit die Halbleitertemperatur T_j des anhand der vorangegangenen Figuren beschriebenen Halbleiterelemtens bestimmen.
Ein Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass auf teure Messtechnik verzichtet werden kann, die ansonsten in auf einer Leiterplatte verbaut werden müsste und sowohl viel Geld als auch viel Platz kosten würde. Bei zunehmend kleiner werdenden Modul-Packages kommt hinzu, dass zur direkten Halbleitertemperaturmessung geeignete Sensoren, wie NTC-, oder PTC-Sensoren (NTC: negative temperature coefficient, PTC: positive temperature coefficient) standardmäßig nicht mehr verbaut werden und somit nicht zur Verfügung stehen.
Vorteilhafterweise ist es auch nicht erforderlich diese fehlenden Sensoren durch neue Temperatursensoren auszugleichen, die beispielsweise auf einem Treiberboard angeordnet werden könnten. Stattdessen kann physische Sensoren zur Temperaturmessung sowohl in dem Halbleitermodul als auch auf einer das Halbleitermodul tragenden Leiterplatte verzichtet werden.
Da die thermischen Impedanzen eine hohe Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur, also der Kühlertemperatur T_h aufweisen, ist diese Größen von enormer Wichtigkeit für eine korrekte Berechnung der Halbleitertemperatur T_j. Vorteilhafterweise lässt sich sowohl die Halbleitertemperatur T_j als auch die Kühlertemperatur T_h schätzen oder berechnen, sodass die ansonsten notwendigen physischen Temperatursensoren obsolet werden. Dazu kann eine geeignete Methode oder ein geeigneter Algorithmus verwendet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht die Möglichkeit die Halbleitertemperatur T_j ohne Temperatursensor direkt im Betrieb zu messen. In der Realität ist dies aber nicht zu jedem Zeitpunkt möglich, weshalb eine mathematische Abschätzung nach wie vor nötig ist. Hierzu ist wie oben erwähnt vor allem die Kühlertemperatur T_h wichtig, wenn ansonsten die physikalischen Zusammenhänge zwischen den Temperaturen bekannt sind.
Um eine korrekte Halbleitertemperatur T_j zu berechnen an den Zeitpunkten, an denen nicht direkt gemessen werden kann, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel umgekehrt die Kühlertemperatur T_h an den Messzeitpunkten abgeschätzt und nur an Zeitpunkten, an denen keine Messung möglich ist, als fix angenommen.
In 4 ist eine Prinzipdarstellung einer entsprechenden Abschätzung und Berechnung sowohl der Halbleitertemperatur T_j als auch der Kühlertemperatur T_h dargestellt. Nach einem Start 420 des Verfahrens 400 wird in einem Schritt 422 überprüft, ob eine Messung der Halbleitertemperatur T_j möglich ist. Eine solche Messung basiert gemäß einem Ausführungsbeispiel nicht auf einem Temperatursensor, sondern beispielsweise auf einer Messung elektrischer Größen am Halbleiter, wie beispielsweise Strom und Spannung.
Wenn sich aus dem Schritt 422 ergibt, dass eine Messung möglich ist, wird in einem Schritt 224 die Halbleitertemperatur T_j erfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel gemessen. Ein Wert, der die im Schritt 422 erfasste Halbleitertemperatur T_j repräsentiert, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgegeben, beispielsweise an eine Überwachungseinrichtung. In einem Schritt 426 des Berechnens wird die Kühlertemperatur T_h berechnet. Beispielsweise wird die Kühlertemperatur T_h unter Verwendung des zuvor beschriebenen Foster-Models sowie der im Schritt 224 erfassten Halbleitertemperatur T_j berechnet.
Wenn sich aus dem Schritt 422 ergibt, dass eine Messung nicht möglich ist, wird in einem Schritt 228 die Halbleitertemperatur T_j ermittelt, beispielsweise mittels der Kühlertemperatur T_h berechnet. Zum Ermitteln der Halbleitertemperatur T_j wird gemäß einem Ausführungsbeispiel ein optimierbares Modell des thermischen Verhaltens des Halbleitermoduls verwendet. Ein solches optimierbares Modell basiert gemäß einem Ausführungsbeispiel auf einem Schätzer wie einem Kalman-Filter. Somit wird die Halbleitertemperatur T_j im Schritt 228 gemäß einem Ausführungsbeispiel geschätzt. Ein Wert, der die im Schritt 428 ermittelten Halbleitertemperatur T_j repräsentiert, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgegeben, beispielsweise an eine Überwachungseinrichtung.
Auf diese Weise kann unabhängig davon, ob eine Messung der Halbleitertemperatur T_j möglich ist, ein die Halbleitertemperatur T_j repräsentierender Wert bereitgestellt werden.
Aufgrund eines Schritts 430 des Wiederholens, werden die Schritte 422, 424, 426, 428 fortlaufend wiederholt ausgeführt, beispielsweise zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem die Halbleitertemperatur T_j im Schritt 428 basierend auf einer mathematischen Schätzung ermittelt wird.
Gelöst wird die mathematische Schätzung gemäß einem Ausführungsbeispiel durch einen Kalman-Filter. Dieser hat die für die Schätzung notwendigen Gleichungssysteme in sich hinterlegt. Dabei kann auf bekannte Gleichungssysteme zum modellieren des thermischen Pfads zurückgegriffen werden. Der Kalman-Filter berechnet somit dauerhaft die Halbleitertemperatur T_j und vergleicht diese kontinuierlich mit den gemessenen Werten. Daraus ergibt sich, dass der Kalman-Filter auch trotz temporärer Abwesenheit von Messdaten weiterhin die Halbleitertemperatur T_j berechnen kann, beispielsweise basierend auf der zuvor gezeigten Gleichung 2. In Gleichung 2 ist jedoch die Kühlertemperatur T_h noch als externe Eingangsgröße bzw. Messgröße angeführt.
Um diese Eingangsgröße nun durch den Filter schätzen zu lassen, statt externe Messungen durchzuführen, wird die Eingangsgröße T_h nun dem Zustandsvektor $\vec{x} (t)$
zugeschrieben. Das zu lösende Gleichungssystem ändert sich dann wie folgt, bzw. wird um eine Zustandsvariable erweitert: $\begin{array}{l} \frac{d}{d t} x (t) = [\begin{matrix} \frac{- 1}{R_{th 1} C_{th 1}} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \frac{- 1}{R_{th 2} C_{th 2}} & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & \frac{- 1}{R_{th 3} C_{th 3}} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \frac{- 1}{R_{th 4} C_{th 4}} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{- 1}{R_{th 5} C_{th 5}} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}] \times [\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \\ x_{4} \\ x_{5} \\ x_{6} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{1}{C_{11}} \\ \frac{1}{C_{12}} \\ \frac{1}{C_{13}} \\ \frac{1}{C_{14}} \\ \frac{1}{C_{15}} \\ \frac{1}{{mc}_{p}} \end{matrix}] \times [P_{Dissipated}] \\ y (t) = [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 \end{matrix}] \times [\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \\ x_{4} \\ x_{5} \\ x_{6} \end{matrix}] + [0] \times [P_{Dissipated}] \end{array}$
Dabei gilt:

x₆ ≈ T_h
ṁ: Massestrom
c_p: spezifische Wärmekapazität

Die neue Anordnung des Gleichungssystems führt bei geschickter Wahl der Kalman Parameter R, Q zu einer automatischen Abschätzung der Kühlertemperatur T_h, die im Falle des Vorhandenseins eines Kühlmittels der Kühlmitteltemperatur entsprechen kann. Auf Basis der Kühlertemperatur T_h wird die Halbleitertemperatur T_j weiterberechnet, wenn sich aus dem Schritt 422 ergibt, dass keine Messwerte zur Verfügung stehen.
Dies ermöglicht eine direkte Messung der Halbleitertemperatur T_j ohne Temperatursensor, beispielsweise über die Ermittlung des temperaturabhängigen Widerstandes im Halbleiterelement. Die Kühlertemperatur T_h lässt sich aus der ermittelten Halbleitertemperatur T_j des Halbleiters berechnen. Eine temporäre Berechnung der Halbleitertemperatur T_j erfolgt gemäß einem Ausführungsbeispiel aus der berechneten Kühlertemperatur T_h, wenn keine Messwerte vorhanden sind. Die zu bestimmende Messgröße, hier die berechneten Kühlertemperatur T_h, ist Teil des variablen Zustandsraums. Dies ermöglicht die Berechnung der Kühlertemperatur T_h anstelle von einer Messung der Kühlertemperatur T_h.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst diese Methode eine zusätzliche Schätzung der Durchflussrate eines Kühlmittels durch die Kühleinrichtung. Dadurch kann die Genauigkeit der Ermittlung der Halbleitertemperatur T_j erhöht werden, da die thermischen Impedanzen weisen auch eine Abhängigkeit vom Kühlmittelstrom auf, wenn auch bei weitem nicht so stark wie von der Kühlertemperatur T_h.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Algorithmus, der das optimierbare Modell, beispielsweise den Kalman-Filter, abbildet, durch einen oder mehrere lernfähige KI-Algorithmen erweitert. So werden gemäß einem Ausführungsbeispiel zusätzlich Neuronale Netze verwendet, um betriebspunktabhängige Temperaturen zu erlernen und die Berechnung der Temperaturen so noch weiter zu verfeinern. Anstelle eines Kalman-Filter lässt sich auch ein Beobachter einsetzten, beispielsweise ein Luenberger-Beobachter.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 550 zum Bestimmen eines Werts 552, der eine Halbleitertemperatur T_j eines Halbleiterelements 102 eines Halbleitermoduls 100 repräsentierend, gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich beispielsweise um das anhand von 1 beschriebene Halbleitermodul handeln, dessen Temperatur unter Umsetzung eines Verfahrens bestimmt wird, wie es beispielsweise anhand der 4 und 6 beschrieben ist.
Die Vorrichtung 550 weist eine Ermittlungseinrichtung 560 auf, die ausgebildet, um unter Verwendung eines optimierbaren Modells 562 eines thermischen Verhaltens des Halbleitermoduls 100 einen Schätzwert 564 der Halbleitertemperatur T_j zu ermitteln.
Ferner ist die Vorrichtung 550 ausgebildet, um einen Messwertes 566 der Halbleitertemperatur T_j über eine Schnittstelle einzulesen. Beispielhaft wird der Messwert 566 über eine Schnittstelle zu einer Sensoreinrichtung 568 eingelesen, die beispielhaft eine Strommesseinrichtung 570 zum Erfassen eines durch das Halbleiterelement 102 fließenden Stroms, eine Spannungsmesseinrichtung 572 zum Erfassen einer an dem Halbleiterelement 102 abfallenden Spannung und eine Verarbeitungseinrichtung 574 umfasst, die ausgebildet ist, um unter Verwendung der von der Strommesseinrichtung 570 und der Spannungsmesseinrichtung 572 bereitgestellten Sensorwerten 576, 578 den Messwert 566 zu bestimmen. Die Sensoreinrichtung 568 ist nur beispielhaft dargestellt. Die Sensoreinrichtung 568 kann alternativ ausgebildet sein, um den Messwert 566 direkt zu sensieren, beispielsweise unter Verwendung eines Temperatursensors oder basierend auf anderen Sensorwerten herzuleiten. Beispielsweise ist die Sensoreinrichtung 568 ausgebildet, um den inneren elektrischen Widerstand des Halbleiterelements 102 direkt oder indirekt zu sensieren und den Messwert 566 unter Verwendung einer bekannten Korrelation zwischen dem inneren elektrischen Widerstand und der Halbleitertemperatur T_j herzuleiten.
Wenn der Messwert 566 für einen Zeitpunkt zur Verfügung steht, wird der Messwert 566 gemäß einem Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer Bereitstellungseinrichtung 580 als der die Halbleitertemperatur T_j repräsentierende Wert 552 bereitgestellt.
Wenn der Messwert 566 für den Zeitpunkt nicht zur Verfügung steht, wird der von der Ermittlungseinrichtung 560 ermittelte Schätzwert 564 gemäß einem Ausführungsbeispiel unter Verwendung der Bereitstellungseinrichtung 580 als der die Halbleitertemperatur T_j repräsentierende Wert 552 bereitgestellt.
Um das optimierbare Modell 562 fortlaufend zu aktualisieren, wird der eingelesene Messwert 566 gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet, um das optimierbare Modell 562 zu optimieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 550 ausgebildet, um zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten jeweils einen aktuellen Wert 552 bereitzustellen. Dazu wird zu den jeweiligen Zeitpunkten jeweils ein aktueller Schätzwert 564 ermittelt und, sofern verfügbar ein aktueller Messwert 566 eingelesen. Je nachdem ob ein aktueller Messwert 566 zur Verfügung steht oder nicht, wird entweder der zur Verfügung stehende Messwert 566 oder der aktuell ermittelte Schätzwert 564 als aktueller Wert 552 bereitgestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiels ist das Halbleiterelement 102 als ein Transistor einer Halbbrücke eines Stromrichters ausgeführt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Stromrichter weiterer entsprechende Transistoren, wobei durch geeignetes Ansteuern der Transistoren beispielsweise eine eingangsseitige Gleichspannung in eine Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung gewandelt werden kann.
Um den Messwert 566 zu erfassen, wird beispielhaft die an dem Halbleiterelement 102 abfallende Spannung oder an einer Reihenschaltung aus dem Halbleiterelement und einer Diode abfallende Spannung gemessen. Eine solche Diode kann beispielsweise an einem Drain-Kontakt des Halbleiterelements 102 angebunden sein. Zusätzlich wird beispielhaft ein das Halbleiterelement 102 durchfließender Strom, beispielsweise ein von einem Drain-Kontakt zu einem Source-Kontakt des Halbleiterelements 102 fließender Strom gemessen. Beispielhaft ist die Verarbeitungseinrichtung 574 ausgebildet, um den Messwert 566 basierend auf einer bekannten mathematischen Abhängigkeit zwischen der gemessenen Spannung, dem gemessenen Strom und der Halbleitertemperatur T_j herzuleiten.
Auf diese Weise kann auf eine direkte Sensierung der Chiptemperatur des Halbleitermoduls 100, beispielsweise unter Verwendung eines NTC-Sensors oder eines PTC-Sensors verzichtet werden. Solche Sensoren basieren auf elektrischen Widerständen, welche ihren Widerstandswert in Abhängigkeit ihrer Temperatur ändern. Durch eine Messung des Widerstandswertes kann demnach auf die Temperatur innerhalb des Halbleitermoduls 100, dank mathematischer Modellierung, geschlossen werden. Vorteilhafterweise kann somit auf Temperatursensoren auf einem Treiberboard verzichtet werden. Wenn ein solcher Temperatursensor doch zur Verfügung steht kann der Messwert 566 von diesem Temperatursensor zur Verfügung gestellt werden, und der Schätzwert 564 kann beispielsweise nur bei einer kurzzeitigen Nichtverfügbarkeit des Messwerts 566 als Wert 552 bereitgestellt werden.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur T_j eines Halbleiterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielsweise lässt sich damit die Halbleitertemperatur T_j des anhand der vorangegangenen Figuren beschriebenen Halbleiterelements bestimmen.
In einem Schritt 428 wird dazu ein Schätzwert für die Halbleitertemperatur für einen beispielsweise aktuellen Zeitpunkt ermittelt. Dazu wird ein optimierbares Modell eines thermischen Verhaltens des Halbleitermoduls verwendet, beispielsweise ein Kalman-Filter, ein Luenberger-Beobachter oder eine geeignete Künstliche Intelligenz.
In einem Schritt 630 wird ein Messwert der Halbleitertemperatur für diesen Zeitpunkt, hier also beispielsweise den aktuellen Zeitpunkt über eine Schnittstelle eingelesen, sofern der Messwert für diesen Zeitpunkt zur Verfügung steht. Bei dem Messwert handelt es sich dabei um einen Wert, der unter Verwendung einer Sensoreinrichtung direkt oder indirekt erfasst wurde.
In einem Schritt 632 wird das optimierbare Modell unter Verwendung des Messwertes der Halbleitertemperatur für diesen Zeitpunkt optimiert, sofern der Messwert für den Zeitpunkt zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann in einem nachfolgenden Schritt 428, der Schätzwert noch besser abgeschätzt werden, beispielsweise für einen auf den aktuellen Zeitpunkt folgenden späteren Zeitpunkt.
In einem Schritt 634 wird ein die Halbleitertemperatur repräsentierender Wert für diesen Zeitpunkt bereitgestellt, also hier beispielsweise für den aktuellen Zeitpunkt.
Sofern für diesen Zeitpunkt der Messwert zur Verfügung steht, wird der die Halbleitertemperatur repräsentierende Wert unter Verwendung des Messwertes bereitgestellt. Beispielsweise wird der Messwert als der die Halbleitertemperatur repräsentierende Wert bereitgestellt. Sofern für diesen Zeitpunkt der Messwert nicht zur Verfügung steht, wird der die Halbleitertemperatur repräsentierende Wert unter Verwendung des Schätzwertes bereitgestellt. Beispielsweise wird der Schätzwert als der die Halbleitertemperatur repräsentierende Wert bereitgestellt.
Für weitere Zeitpunkte wird das Verfahren wiederholt ausgeführt, wie es durch einen Schritt 430 des Wiederholens dargestellt ist. Auf diese Weise wird beispielsweise für eine Reihe von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten jeweils ein aktueller die Halbleitertemperatur repräsentierender Wert bereitgestellt. Vorteilhafterweise kann bei jeder Wiederholung eine Optimierung des optimierbaren Modells durchgeführt werden, sofern ein zur Optimierung geeigneter Messwert vorliegt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 400 optional einen Schritt 424, in dem der im Schritt 630 eingelesene Messwert zunächst erfasst wird. Dazu wird der Messwert unter Verwendung einer geeigneten Messeinrichtung direkt erfasst oder basierend auf von einer Sensoreinrichtung erfassten Sensorwerten hergeleitet. Beispielsweise kann dazu zunächst ein elektrischer Widerstand des Halbleiterelements messtechnisch erfasst und aus dem elektrischen Widerstand unter Verwendung einer bekannten Herleitungsvorschrift der Messwert hergeleitet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 632 der Schätzwert mit dem Messwert der Halbleitertemperatur für den aktuellen Zeitpunkt verglichen. Ein Ergebnis des Vergleichs, beispielsweise eine Abweichung zwischen dem Schätzwert mit dem Messwert wird verwendet, um das optimierbare Modell unter Verwendung eines Ergebnisses des Vergleichs optimiert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 400 optional einen Schritt 426, in dem ein Kühlertemperaturwert einer Kühlertemperatur der Kühlereinrichtung für den Zeitpunkt berechnet wird, hier beispielhaft für den aktuellen Zeitpunkt. Dabei wird der Kühlertemperaturwert unter Verwendung des Messwertes der Halbleitertemperatur für diesen Zeitpunkt berechnet, sofern der Messwert für diesen Zeitpunkt zur Verfügung steht. Zur Berechnung wird beispielsweise ein Foster-Modells des thermischen Pfads zwischen dem Halbleiterelement und der Kühlereinrichtung verwendet. Der Kühlertemperaturwert wird verwendet, um das optimierbare Modell im Schritt 632 zu optimieren.
Beispielsweise wird dazu im Schritt 428 ferner ein Kühlertemperaturschätzwert der Kühlertemperatur der Kühlereinrichtung für diesen Zeitpunkt unter Verwendung des optimierbaren Modells ermittelt. Im Schritt 632 werden der Kühlertemperaturschätzwert und der Kühlertemperaturwertes beispielsweise miteinander verglichen 632 und das optimierbare Modell wird beispielsweise unter Verwendung eines Ergebnisses des Vergleichs oder einer Abweichung zwischen dem Kühlertemperaturschätzwert und dem Kühlertemperaturwert optimiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 400 optional einen Schritt 636, in dem ein Verlustleistungswert eingelesen wird, der eine Verlustleistung des Halbleiterelements für diesen Zeitpunkt repräsentiert, hier also beispielhaft für den aktuellen Zeitpunkt. Im Schritt 428 wird der Verlustleistungswert optional als eine Eingangsgröße für das optimierbare Modell verwendet. Dies bietet sich beispielsweise an, wenn das optimierbare Modell auf einem in eine Zustandsraumdarstellung überführten Foster-Modell des thermischen Pfads basiert.
Optional wird im Schritt 428 unter Verwendung des optimierbaren Modells ferner ein Durchflussratenwert eines Kühlmittels der Kühleinrichtung für diesen Zeitpunkt ermittelt.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielhaft ist das Fahrzeug 700 als ein Kraftfahrzeug ausgeführt und weist einen elektrischen Achsantrieb mit einer elektrischen Maschine 790 auf. Elektrische Energie zum Betreiben der elektrischen Maschine 790 wird von einer Energieversorgungseinrichtung 792, beispielsweise einer Batterie, bereitgestellt. Beispielsweise wird von der Energieversorgungseinrichtung 792 ein Gleichstrom bereitgestellt, der unter Verwendung eines Stromrichters 794 der Getriebeeinrichtung in einen Wechselstrom, beispielsweise einen dreiphasigen Wechselstrom, gewandelt und an die elektrische Maschine 790 bereitgestellt wird. Der Stromrichter 794 umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel zumindest ein Halbleitermodul und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur eines Halbleiterelements des Halbleitermoduls, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben sind. Unter Kenntnis der Halbleitertemperatur kann beispielsweise eine Überhitzung des Halbleiterelements verhindert werden, beispielsweise durch kurzzeitiges Drosseln einer Antriebsleistung der elektrischen Maschine 790. Eine von der elektrischen Maschine 790 angetriebene Welle ist direkt oder unter Verwendung einer Getriebeeinrichtung 796 mit zumindest einem Rad 798 des Kraftfahrzeugs 700 gekoppelt. Somit kann das Kraftfahrzeug 700 unter Verwendung der elektrischen Maschine 790 fortbewegt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der elektrische Achsantrieb ein Gehäuse, in dem der Stromrichter 794, die elektrische Maschine 790 und die Getriebeeinrichtung 796 integriert angeordnet sind.
Bezugszeichen

100: Halbleitermodul
102: Halbleiterelement
104: Kühlereinrichtung
106: thermischer Pfad
108: Temperaturfühler
Tj: Halbleitertemperatur
Th: Kühlertemperatur
310: Foster-Modell
400: Verfahren
420: Start
422: Schritt des Überprüfens
424: Schritt des Erfassens
426: Schritt des Berechnens
428: Schritt des Ermittelns
430: Schritt des Wiederholens
550: Vorrichtung zum Bestimmen
552: Wert
560: Ermittlungseinrichtung
562: optimierbares Modell
564: Schätzwert
566: Messwert
568: Sensoreinrichtung
570: Strommesseinrichtung
572: Spannungsmesseinrichtung
574: Verarbeitungseinrichtung
576, 578: Sensorwerte
580: Bereitstellungseinrichtung
630: Schritt des Einlesens
632: Schritt des Optimierens
634: Schritt des Bereitstellens
636: Schritt des Einlesens
700: Fahrzeug
790: elektrische Maschine
792: Energieversorgungseinrichtung
794: Stromrichter
796: Getriebeeinrichtung
798: Rad

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

DE 102021201363 [0002]

Claims

Verfahren (400) zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur T_j eines Halbleiterelements (102) eines Halbleitermoduls (100), wobei das Halbleitermodul (100) das Halbleiterelement (102) und eine über einen thermischen Pfad (106) mit dem Halbleiterelement (102) thermisch gekoppelte Kühlereinrichtung (104) umfasst, wobei das Verfahren (400) die folgenden Schritte umfasst: Ermitteln (428) eines Schätzwertes (564) der Halbleitertemperatur T_j für einen Zeitpunkt unter Verwendung eines optimierbaren Modells (562) eines thermischen Verhaltens des Halbleitermoduls (100); Einlesen (630) eines Messwertes (566) der Halbleitertemperatur T_j für den Zeitpunkt über eine Schnittstelle, wenn der Messwert (566) für den Zeitpunkt zur Verfügung steht, wobei der Messwert (566) einen unter Verwendung einer Sensoreinrichtung (568) direkt oder indirekt erfassten Wert repräsentiert; Optimieren (632) des optimierbaren Modells (562) unter Verwendung des Messwertes (566) der Halbleitertemperatur T_j für den Zeitpunkt, wenn der Messwert (566) für den Zeitpunkt zur Verfügung steht; Bereitstellen (634) eines die Halbleitertemperatur T_j repräsentierenden Werts (552) für den Zeitpunkt unter Verwendung des Schätzwertes (564) der Halbleitertemperatur T_j, wenn der Messwert (566) für den Zeitpunkt nicht zur Verfügung steht und unter Verwendung des Messwertes (566) der Halbleitertemperatur T_j, wenn der Messwert (566) für den Zeitpunkt zur Verfügung steht; und Wiederholen (430) der Schritte des Verfahrens (400) für weitere auf den Zeitpunkt folgende Zeitpunkte.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 1, mit einem Schritt (424) des Erfassens des Messwertes (566) oder zumindest eines Sensorwertes (576, 578) zum Herleiten des Messwertes (566) der Halbleitertemperatur T_j für den Zeitpunkt unter Verwendung der Sensoreinrichtung (568), wenn der Schritt (424) des Erfassens unter Verwendung der Sensoreinrichtung (568) zu dem Zeitpunkt durchführbar ist.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (632) des Optimierens ein Vergleich zwischen dem Schätzwert (564) und dem Messwert (566) der Halbleitertemperatur T_j durchgeführt wird und das optimierbare Modell (562) unter Verwendung eines Ergebnisses des Vergleichs optimiert wird.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (426) des Berechnens eines Kühlertemperaturwertes einer Kühlertemperatur T_h der Kühlereinrichtung (104) für den Zeitpunkt unter Verwendung des Messwertes (566) der Halbleitertemperatur T_j für den Zeitpunkt, wenn der Messwert (566) für den Zeitpunkt zur Verfügung steht, und im Schritt des Optimierens das optimierbare Modell (562) unter Verwendung des Kühlertemperaturwertes optimiert wird.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 4, wobei im Schritt (426) des Berechnens der Kühlertemperaturwert unter Verwendung eines Foster-Modells des thermischen Pfads (106) berechnet wird.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem im Schritt (428) des Ermittelns ein Kühlertemperaturschätzwert der Kühlertemperatur T_h der Kühlereinrichtung (104) für den Zeitpunkt unter Verwendung des optimierbaren Modells (562) ermittelt wird, und im Schritt (632) des Optimierens ein Vergleich zwischen dem Kühlertemperaturschätzwert und dem Kühlertemperaturwertes durchgeführt wird und das optimierbare Modell (562) unter Verwendung eines Ergebnisses des Vergleichs optimiert wird.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (636) des Einlesens eines Verlustleistungswerts der eine Verlustleistung des Halbleiterelements (102) für den Zeitpunkt repräsentiert, wobei im Schritt (428) des Ermittelns der Verlustleistungswert als eine Eingangsgröße für das optimierbare Modell (562) verwendet wird.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (428) des Ermittelns ein Durchflussratenwert eines Kühlmittels der Kühleinrichtung für den Zeitpunkt unter Verwendung des optimierbaren Modells (562) ermittelt wird.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das optimierbare Modell (562) auf einem in eine Zustandsraumdarstellung überführten Foster-Modell des thermischen Pfads (106) basiert.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das optimierbare Modell (562) ein Kalman-Filter umfasst und/oder einen Luenberger-Beobachter umfasst und/oder eine Künstliche Intelligenz umfasst.
Vorrichtung (550) zum Bestimmen einer Halbleitertemperatur T_j eines Halbleiterelements (102) eines Halbleitermoduls (100), wobei das Halbleitermodul (100) das Halbleiterelement (102) und eine über einen thermischen Pfad (106) mit dem Halbleiterelement (102) thermisch gekoppelte Kühlereinrichtung (104) umfasst, wobei die Vorrichtung (550) eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern.
Stromrichter (794), insbesondere Wechselrichter, mit einer Vorrichtung (550) gemäß Anspruch 11 sowie dem Halbleitermodul (100).
Elektrischer Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug (700) mit wenigstens einer elektrischen Maschine (790), einer Getriebeeinrichtung (796) und einem Stromrichter (794) gemäß Anspruch 12.
Kraftfahrzeug (700), umfassend einen elektrischen Achsantrieb nach Anspruch 13 und/oder einen Stromrichter (794) nach Anspruch 12 und/oder eine Vorrichtung (550) nach Anspruch 11.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen und/oder anzusteuern.