DE10351843A1 - Determining temperature of power semiconductor in inverter determines load current and voltage drop if current is within given region - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur eines Leistungshalbleiters in einem Stromrichter. Die Erfindung betrifft ebenfalls elektrische Schaltungen zur Ermittlung einer Temperatur eines Leistungshalbleiters.The The invention relates to a method for determining a temperature a power semiconductor in a power converter. The invention also relates to electrical circuits for determining a Temperature of a power semiconductor.
Es ist bekannt, die in Flussrichtung an einer Diode abfallende Spannung zu ermitteln und daraus auf die Sperrschicht-Temperatur der Diode zu schließen. Bei Leistungshalbleitern werden derartige Verfahren jedoch nur im Laborbetrieb angewendet, nicht jedoch im normalen Betrieb der Leistungshalbleiter in einem elektrischen Stromrichter.It is known, the voltage dropping in the direction of a diode diode to determine and from this to infer the junction temperature of the diode. at Power semiconductors, however, such methods are only in the laboratory applied, but not in normal operation of power semiconductors in an electric power converter.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie elektrische Schaltungen zur Ermittlung einer Temperatur eines Leistungshalbleiters zu schaffen, die auch im normalen Betrieb von Leistungshalbleitern eingesetzt werden können.task The invention is a method and electrical circuits to determine a temperature of a power semiconductor, the also be used in the normal operation of power semiconductors can.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur eines Leistungshalbleiters in einem Stromrichter mit folgenden Schritten gelöst:
- – mit Hilfe des Leistungshalbleiters wird ein Laststrom ein- und ausgeschaltet,
- – die Größe des Laststroms wird überwacht,
- – sofern die Größe des Laststroms einen vorgegebenen Wert aufweist oder in einem vorgegebenen Bereich um diesen Wert liegt, so wird die an dem Leistungshalbleiter abfallende Spannung ermittelt,
- – aus dieser Spannung wird auf die Temperatur des Leistungshalbleiters geschlossen.
- A load current is switched on and off with the aid of the power semiconductor,
- - the size of the load current is monitored,
- If the magnitude of the load current has a predetermined value or lies within a predetermined range around this value, then the voltage drop across the power semiconductor is determined,
- - From this voltage is closed to the temperature of the power semiconductor.
Die Ermittlung der an dem Leistungshalbleiter abfallenden Spannung hat keinerlei Einfluss auf den Normalbetrieb des Leistungshalbleiters. Das Verfahren kann damit beispielsweise bei einem elektrischen Wechselrichter während des normalen Betriebs zum Einsatz kommen. Die Erfindung ermöglicht somit eine laufende Überwachung der Temperatur des Leistungshalbleiters und damit eine laufende Fehlererkennung und/oder Fehlerdiagnose desselben.The Determining the voltage dropped across the power semiconductor has no influence on the normal operation of the power semiconductor. The method can thus be used, for example, in an electrical inverter while normal operation. The invention thus enables an ongoing monitoring the temperature of the power semiconductor and thus a current error detection and / or fault diagnosis thereof.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei der es sich bei dem Leistungshalbleiter um einen Transistor, insbesondere einen sogenannten IGBT (IGBT = insulated gate bipolar transistor) handelt, wird der Transistor leitend geschaltet, so dass der Laststrom über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors fließt, und es wird die an der Kollektor-Emitter-Strecke abfallende Spannung ermittelt.at an advantageous embodiment of the invention, in which it is in the power semiconductor to a transistor, in particular a IGBT (insulated gate bipolar transistor), the transistor is turned on, so that the load current through the Collector-emitter path of the transistor flows, and it becomes the voltage dropped at the collector-emitter junction determined.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei der es sich bei dem Leistungshalbleiter um eine Diode, insbesondere eine Freilaufdiode eines IGBT handelt, und bei der der Laststrom in Flussrichtung über die Diode fließt, wird die in Flussrichtung an der Diode abfallende Spannung ermittelt.at another advantageous embodiment of the invention, in which it is in the power semiconductor to a diode, in particular a freewheeling diode of an IGBT, and at which the load current in the flow direction over the diode is flowing, the voltage dropping in the direction of the diode is determined.
Mit diesen Ausgestaltungen ist es möglich, die Transistoren und Dioden insbesondere eines elektrischen Wechselrichters während des Betriebs laufend zu überwachen.With These embodiments, it is possible to Transistors and diodes, in particular of an electrical inverter while continuously monitored.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn bei einem Exemplar des Leistungshalbleiters vorab eine Abhängigkeit zwischen der an dem Leistungshalbleiter abfallenden Spannung und der Temperatur des Leistungshalbleiters ermittelt wird, und wenn diese Abhängigkeit bei einem anderen Exemplar des Leistungshalbleiters dazu verwendet wird, aus der ermittelten Spannung auf die Temperatur des Leistungshalbleiters zu schließen.Especially It is advantageous if in a copy of the power semiconductor in advance a dependency between the voltage dropping across the power semiconductor and the temperature of the power semiconductor is determined, and if this dependence used in another copy of the power semiconductor is, from the determined voltage to the temperature of the power semiconductor close.
Mit Hilfe dieser vorab ermittelten Abhängigkeit genügt es im laufenden Betrieb, die an dem Leistungshalbleiter abfallende Spannung zu ermitteln. Aus dieser Spannung kann dann mit Hilfe der vorab ermittelten Abhängigkeit auf die Temperatur des Leistungshalbleiters geschlossen werden.With Help of this predefined dependence is sufficient in the current operation, the voltage dropping across the power semiconductor to investigate. From this tension can then be determined with the help of the pre-determined dependence be closed to the temperature of the power semiconductor.
Die der Erfindung gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine elektrische Schaltung zur Ermittlung einer Temperatur eines Transistors, insbesondere eines IGBTs, mit einer Ansteuereinrichtung zur Leitendsteuerung des Transistors, mit Mitteln zur Überwachung der Größe eines über den Transistor fließenden Laststroms, und mit einer Messeinrichtung zur Ermittlung der an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors abfallenden Spannung, wenn die Größe des Laststroms einen vorgegebenen Wert aufweist oder in einem vorgegebenen Bereich um diesen Wert liegt. Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß auch durch eine elektrische Schaltung zur Ermittlung einer Temperatur einer Diode, insbesondere einer Freilaufdiode eines IGBTs gelöst, die mit Mitteln zur Überwachung der Größe eines in Flussrichtung über die Diode fließenden Laststroms und mit einer Messeinrichtung zur Ermittlung der in Flussrichtung an der Diode abfallenden Spannung versehen ist, wenn die Größe des Laststroms einen vorgegebenen Wert aufweist oder in einem vorgegebenen Bereich um diesen Wert liegt.The The object of the invention is also achieved by an electrical circuit for detecting a temperature of a transistor, in particular an IGBT, with a control device for Leitendsteuerung of the transistor, with means to monitor the size of one over the Transistor flowing Laststroms, and with a measuring device for determining the the collector-emitter line of the transistor falling voltage when the size of the load current has a predetermined value or in a predetermined range around this value. Furthermore, the object is also achieved by an electrical circuit for determining a temperature of a Diode, in particular a freewheeling diode of an IGBT solved, the with means for monitoring the size of one in the flow direction over the diode is flowing Load flow and with a measuring device for determining the flow direction is provided at the diode sloping voltage when the size of the load current has a predetermined value or in a predetermined range around this value.
Beide Schaltungen sind einfach und kostengünstig herzustellen und können vorzugsweise in einen Ansteuerverstärker eines IGBTs integriert werden.Both Circuits are simple and inexpensive to manufacture and may preferably in a drive amplifier integrated into an IGBT.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.Further Features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments of the invention, which are illustrated in the figures of the drawing. All described or illustrated features form for themselves or in any combination, the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency as well as independently from their formulation or presentation in the description or in the drawing.
In
der
Zu
jedem Transistor
Jeder
der Transistoren
In
der
Die
Schaltung
Eine übergeordnete
Steuerung
Im
Normalbetrieb des Transistors
In
Zeitbereichen, in denen kein Laststrom über die Last fließt, kann
ein Messbetrieb durchgeführt
werden. Der Messbetrieb kann sich also unmittelbar an eine Phase
des Normalbetriebs anschließen,
so dass in dem Messbetrieb die durch den Normalbetrieb hervorgerufene
Erhitzung der Transistoren
Der
Messbetrieb kann beispielsweise nach dem Abschalten des Wechselrichters
Der
Messbetrieb wird nachfolgend anhand eines der Transistoren
In
dem Messbetrieb wird von der Ansteuereinrichtung
Gleichzeitig
wird der Transistor
Ein
aufgrund des Messstroms Im entstehender Spannungsabfall Uce an der
Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors
Bei Leistungshalbleitern ist es bekannt, dass bei kleinen, über eine Kollektor-Emitter-Strecke fließenden Strömen eine Abhängigkeit zwischen der an der Kollektor-Emitter-Strecke abfallenden Spannung und der Sperrschicht-Temperatur des Leistungshalbleiters vorhanden ist. Es hat sich nunmehr unter anderem durch Versuche herausgestellt, dass diese Abhängigkeit bei ein- und demselben Leistungshalbleitertyp nur sehr geringe Abweichungen bei unterschiedlichen Exemplaren dieses Leistungshalbleitertyps aufweist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Abhängigkeit zwischen dem genannten Spannungsabfall und der genannten Temperatur bei allen Exemplaren eines bestimmten Leistungshalbleitertyps weitgehend gleich ist.at Power semiconductors, it is known that in small, over one Collector emitter line flowing Stream a dependency between the voltage dropping across the collector-emitter path and the junction temperature of the power semiconductor is present. It has now been proven, inter alia, by experiments that dependence only very small deviations for the same type of power semiconductor in different copies of this power semiconductor type having. In other words, this means that dependency between said voltage drop and said temperature in all instances of a particular power semiconductor type largely is equal to.
Für einen bestimmten Leistungshalbleitertyp kann diese Abhängigkeit zwischen der an der Kollektor-Emitter-Strecke abfallenden Spannung und der Sperrschicht-Temperatur des Leistungshalbleiters gemessen und in der Form einer Mehrzahl von entsprechenden Wertepaaren in geeigneter Weise abgespeichert werden.For one certain power semiconductor type, this dependence between the at the Collector-emitter path-dropping voltage and junction temperature of the power semiconductor and in the form of a plurality stored by appropriate value pairs in a suitable manner become.
Es
wird nunmehr davon ausgegangen, dass die Abhängigkeit zwischen der an der
Kollektor-Emitter-Strecke abfallenden Spannung Uce und der Sperrschicht-Temperatur
des Transistors
Ist
dies der Fall, so kann die Messeinrichtung
Beispielsweise durch einen Vergleich mit vorgegebenen Grenztemperaturen für diesen Leistungshalbleitertyp oder durch einen Vergleich mit Temperaturen anderer typgleicher Leistungshalbleiter oder durch einen Vergleich mit früheren Temperaturen desselben Leistungshalbleiters ist es möglich, die Temperatur des Leistungshalbleiters zu überwachen. Auf diese Weise können Veränderungen, die eine Erhöhung der Temperatur des Leistungshalbleiters bewirken, wie z.B. Veränderungen eines Kühlsystems oder dergleichen, in Echtzeit ermittelt werden.For example by comparison with predetermined limit temperatures for this Power semiconductor type or by comparison with temperatures other type of power semiconductors or by comparison with earlier Temperatures of the same power semiconductor, it is possible, the Monitor the temperature of the power semiconductor. In this way can changes, the one increase cause the temperature of the power semiconductor, such. changes a cooling system or the like, are determined in real time.
Ebenfalls ist es möglich, eine Abkühlkurve für einen Leistungshalbleiter oder für einen Aufbau aus mehreren Leistungshalbleitern zu erstellen. Diese kann dann wiederum mit vorgegebenen Grenzkurven oder mit Kurven anderer typgleicher Leistungshalbleiter bzw. Aufbauten oder mit früheren Kurven desselben Leistungshalbleiters bzw. desselben Aufbaus zum Zwecke der Fehlererkennung und/oder Fehlerdiagnose verglichen werden. Weiterhin ist es möglich, mit Hilfe der vorstehenden Fehlererkennung und/oder Fehlerdiagnose Wartungsintervalle zu bestimmen, deren Dauer beispielsweise von dem Alterungszustand der Leistungshalbleiter abhängig ist.Also Is it possible, a cooling curve for one Power semiconductors or for to create a structure of several power semiconductors. These can then turn with predetermined limit curves or with curves other type of power semiconductors or structures or with earlier Curves of the same power semiconductor or the same structure for Purpose of error detection and / or fault diagnosis are compared. Furthermore, it is possible with the help of the above error detection and / or fault diagnosis To determine maintenance intervals whose duration, for example, from the aging state of the power semiconductor is dependent.
Insbesondere kann die Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens hinsichtlich eines Grenzwerts überwacht werden. Ebenfalls ist es möglich, auf der Grundlage des beschriebenen Verfahrens einen vorzugsweise variablen Stromgrenzwert für den von einem bestimmten Leistungshalbleiter geschalteten Laststrom zu ermitteln, der beispielsweise von der Umgebungstemperatur und dem Alterungszustand der Leistungshalbleiter abhängig sein kann.Especially can the junction temperature of a power semiconductor using monitored the method described in terms of a limit become. It is also possible on the basis of the described method a preferably variable Current limit for the load current switched by a particular power semiconductor to determine, for example, the ambient temperature and the aging state of the power semiconductors can be dependent.
In
der
Die
Schaltung
Im
Normalbetrieb ist der Schalter
Im
Messbetrieb wird der Transistor
Ein
aufgrund des Messstroms Im entstehender Spannungsabfall Uak an der
Anoden-Kathoden-Strecke und damit in Flussrichtung der Diode
Die Anoden-Kathoden-Strecke einer Diode ist mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines leitend gesteuerten Transistors im wesentlichen vergleichbar. Insoweit gelten die erläuterten Abhängigkeiten zwischen der an der Kollektor-Emitter-Strecke abfallenden Spannung und der Temperatur des zugehörigen Transistors in entsprechender Weise auch für eine Diode.The Anode-cathode path of a diode is one with the collector-emitter path conductively controlled transistor substantially comparable. in this respect apply the explained dependencies between the voltage dropping across the collector-emitter path and the temperature of the associated transistor in a similar way also for a diode.
Es
wird nunmehr davon ausgegangen, dass die Abhängigkeit zwischen der an der
Anoden-Kathoden-Strecke abfallenden Spannung Uak und der Temperatur
der Diode für
den bestimmten Leistungshalbleitertyp der Diode
Ist
dies der Fall, so kann die Messeinrichtung
Wie
bereits erläutert
wurde, kann diese ermittelte Temperatur zur Überwachung der Diode
In
den
In
der
Im
Normalbetrieb hat der Widerstand
Soll
beispielsweise die Temperatur des unteren Transistors
Aufgrund
des leitenden Transistors
Zur
Ermittlung der Temperatur des oberen Transistors
Die
anhand der
Bei
den Ausführungsformen,
die im Zusammenhang mit den
Wie
erläutert
wurde, fließt
bei entsprechender Ansteuerung der Transistoren
Wenn die Größe des Laststroms einen vorgegebenen Wert besitzt oder zumindest in einem vorgegebenen Bereich um diesen Wert liegt, so wird der Laststrom als Messstrom für den zugehörigen Leistungshalbleiter verwendet. Es wird also dann kein separater Messstrom erzeugt, sondern es wird im Normalbetrieb des Wechselrichters die Temperatur des jeweiligen Leistungshalbleiters mit Hilfe des Laststroms ermittelt.If the size of the load current has a predetermined value or at least in a predetermined value Range is around this value, then the load current as a measuring current for the associated Power semiconductors used. So it will not be a separate one Measuring current is generated, but it is in normal operation of the inverter the temperature of the respective power semiconductor with the help of Load current determined.
Liegt
also der Laststrom in dem vorgenannten, vorgegebenen Bereich, so
wird mit Hilfe einer der Ausführungsformen
der
Es
versteht sich, dass in diesen Fällen,
wenn also der Laststrom als Messstrom herangezogen wird, die in
den
Zweckmäßig ist
es, wenn die vorstehende Verwendung des Laststroms als Messstrom
nur in solchen Zeitbereichen durchgeführt wird, in denen an keinem
der Transistoren
Ebenfalls ist es zweckmäßig, wenn die Verwendung des Laststroms als Messstrom nur in solchen Zeitbereichen durchgeführt wird, in denen der Betrag der Anstiegs- bzw. Abfallgeschwindigkeit des Laststroms einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Damit wird erreicht, dass der Wert des Laststroms zumindest für eine bestimmte Zeitdauer in dem genannten, vorgegebenen Bereich verweilt. Die Ermittlung der Temperatur des jeweiligen Leistungshalbleiters wird damit nicht dadurch verfälscht, dass der als Messstrom verwendete Laststrom sich während der Messung der Spannung des Leistungshalbleiters wesentlich verändert.Also it is useful if the use of the load current as a measuring current only in such time ranges carried out is where the amount of rise or fall speed of the load current falls below a predetermined value. This will be achieved that the value of the load current at least for a certain Duration lingers in said predetermined range. The investigation the temperature of the respective power semiconductor is thus not thereby falsified, that the load current used as the measuring current is during the measurement the voltage of the power semiconductor changed significantly.
Die genannte Anstiegs- bzw. Abfallgeschwindigkeit des Laststroms kann auch als weiterer Parameter bei der Ermittlung der Temperatur eines Leistungshalbleiters herangezogen werden.The called rise or fall rate of the load current can also as a further parameter in the determination of the temperature of a power semiconductor be used.
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