DE10351843B4 - Method and electrical circuits for determining a temperature of a power semiconductor - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur eines Leistungshalbleiters in einem Stromrichter mit folgenden Schritten: – 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.Method for determining a temperature of a power semiconductor in a power converter with the following steps: - with the aid of the power semiconductor, a load current is switched on and off, - the size of the load current is monitored, - if the size of the load current has a predetermined value or in a predetermined range is around this value, the voltage dropping across the power semiconductor is determined, - from this voltage is closed to the temperature of the power semiconductor.
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 invention relates to a method for determining a temperature of 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 to determine the voltage drop across a diode in the flow direction and to deduce the junction temperature of the diode. In power semiconductors, however, such methods are only used in laboratory mode, but not in normal operation of the power semiconductors in an electric power converter.
Weiterer Stand der Technik ist aus der
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.The object of the invention is to provide a method and electrical circuits for determining a temperature of a power semiconductor, which can also be used in the normal operation of power semiconductors.
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 determination of the voltage drop 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 during normal operation. The invention thus enables an ongoing monitoring of 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.In an advantageous embodiment of the invention, in which it is in the power semiconductor to a transistor, in particular a so-called IGBT (IGBT insulated gate bipolar transistor), the transistor is turned on, so that the load current through the collector-emitter path of Transistor flows, and it is determined the voltage drop across the collector-emitter path.
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.In another advantageous embodiment of the invention, in which the power semiconductor is a diode, in particular a freewheeling diode of an IGBT, and in which the load current flows in the direction of flow through the diode, the voltage dropping in the direction of flow at 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 continuously monitor the transistors and diodes, in particular an electrical inverter during operation.
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.It is particularly advantageous if in a copy of the power semiconductor in advance a dependence between the voltage drop across the power semiconductor voltage and the temperature of the power semiconductor is determined, and if this dependence is used in another example of the power semiconductor, from the determined voltage on the Close the temperature of the power semiconductor.
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 the help of this previously determined dependence, it is sufficient during operation to determine the voltage drop across the power semiconductor. From this voltage can then be concluded with the help of the previously determined dependence on 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, 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 gelöst, wobei die Diode als Freilaufdiode einem Transistor in Gegenrichtung parallelgeschaltet ist, 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, wenn die Größe des Laststroms einen vorgegebenen Wert aufweist oder in einem vorgegebenen Bereich um diesen Wert liegt.The object of the invention is also achieved by an electrical circuit for determining a temperature of a transistor, with a drive device for Leitendsteuerung the transistor, with means for monitoring the size of a current flowing through the transistor load current, and with a measuring device for determining the at Collector-emitter path of the transistor sloping voltage when the size of the load current has a predetermined value or is within a predetermined range around this value. Furthermore, the object is achieved by an electrical circuit for determining a temperature of a diode, wherein the diode is connected in parallel as a freewheeling diode in a transistor in the opposite direction, with means for monitoring the size of a flowing in the flow direction through the diode load current, and with a measuring device for Determining the voltage dropping in the direction of flow at the diode when the magnitude of the load current has a predetermined value or is within 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 be integrated into a drive amplifier of an IGBT.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Further applications and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures of 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.In the case of power semiconductors, it is known that, in the case of small currents flowing through a collector-emitter path, there is a dependence between the voltage drop across the collector-emitter path and the junction temperature of the power semiconductor. It has now been found, inter alia, by experiments that this dependency on one and the same power semiconductor type has only very small deviations for different examples of this power semiconductor type. In other words, this means that the dependence between said voltage drop and said temperature is largely the same for all specimens of a particular power semiconductor type.
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 a particular power semiconductor type, this dependence between the voltage dropped across the collector-emitter path and the junction temperature of the power semiconductor can be measured and stored in the form of a plurality of corresponding pairs of values in a suitable manner.
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 type of power semiconductor or by comparison with temperatures of other type-identical power semiconductors or by comparison with previous temperatures of the same power semiconductor, it is possible to monitor the temperature of the power semiconductor. In this way, changes that cause an increase in the temperature of the power semiconductor, such. B. changes in 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.It is also possible to create a cooling curve for a power semiconductor or for a construction of several power semiconductors. This can in turn be compared with predetermined limit curves or curves of other type-identical power semiconductors or structures or with earlier curves of the same power semiconductor or the same structure for the purpose of error detection and / or fault diagnosis. Furthermore, it is possible with the aid of the above error detection and / or fault diagnosis to determine maintenance intervals whose duration is dependent, for example, on the aging state of the power semiconductors.
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.In particular, the junction temperature of a power semiconductor can be monitored for limit using the described method. It is also possible, on the basis of the described method, to determine a preferably variable current limit value for the load current switched by a specific power semiconductor, which may be dependent, for example, on the ambient temperature and the aging state of the power semiconductors.
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 substantially comparable to the collector-emitter path of a conductively controlled transistor. In that regard, the explained dependencies between the voltage drop across the collector-emitter path and the temperature of the associated transistor also apply in a corresponding manner to 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 is at least within a predetermined range around this value, then the load current is used as the measuring current for the associated power semiconductor. Thus, no separate measuring current is then generated, but it is determined during normal operation of the inverter, the temperature of the respective power semiconductor using the load current.
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.It is also expedient if the use of the load current as a measuring current is carried out only in those time ranges in which the magnitude of the rise or fall speed of the load current falls below a predetermined value. This ensures that the value of the load current dwells in the specified range at least for a certain period of time. The determination of the temperature of the respective power semiconductor is thus not falsified by the fact that the load current used as a measuring current changes significantly during the measurement of the voltage of the power semiconductor.
Die genannte Anstiegs- bzw. Abfallgeschwindigkeit des Laststroms kann auch als weiterer Parameter bei der Ermittlung der Temperatur eines Leistungshalbleiters herangezogen werden.The stated rise or fall speed of the load current can also be used as a further parameter in determining the temperature of a power semiconductor.
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