DE19852080C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur eines verlustbehafteten elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungshalbleiters - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur eines verlustbehafteten elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungshalbleiters, wobei das Bauelement mittels eines Kühlkörpers oder Kühlmediums gekühlt wird. Die Temperatur des Kühlkörpers oder des Kühlmediums wird an einem Erfassungsort erfasst, welcher nach einer Änderung der Verlustleistung des Bauelements seine Gleichgewichtstemperatur mit einer Zeitkonstante erreicht, die groß ist gegenüber der Zeitkonstante, mit welcher das Bauelement seine Gleichgewichtstemperatur erreicht. Die Temperatur des Bauelements wird durch die Addition eines Temperaturdifferenzwertes zur erfassten Temperatur des Erfassungsortes bestimmt, wobei der Temperaturdifferenzwert DELTAT¶2¶ rechnerisch unter Verwendung einer vorbekannten Abhängigkeit ermittelt wird, welche den Temperaturdifferenzwert abhängig von der Verlustleistung oder abhängig von der Verlustleistung und der Zeitdifferenz nach einer Änderung der Verlustleistung darstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur eines verlustbehafteten elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungshalbleiter, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentan­ spruchs 1 und des Patentanspruchs 8.

Bei elektromotorisch angetriebenen Pumpen, die für Servolenksysteme in der KFZ-Technik verwendet werden, finden häufig bürstenlose Gleichstrommotoren Verwendung, welche eine entsprechende Ansteuerelektronik benötigen. Zur Beaufschlagung der Statorwicklungen des Motors mit dem gewünschten Gleich­ strom bieten sich Leistungshalbleiter, beispielsweise Power-FET's an, die zu­ mindest bei größeren Pumpenleistungen entsprechend gekühlt werden müssen.

Die FET's werden aus Kostengründen in der Regel relativ knapp dimensioniert. Dabei ist nicht sichergestellt, dass über den gesamten möglichen Temperaturbe­ reich die für FET's zulässige Chiptemperatur nicht überschritten wird. Es ist daher erforderlich, die Temperatur der FET's zu überwachen und ggf. bei Detek­ tieren einer unzulässig hohen Temperatur den Motor bzw. den FET so anzusteu­ ern dass eine Zerstörung vermieden wird. Aber auch aus anderen Gründen kann eine Temperaturerfassung der FET's erforderlich sein, beispielsweise um deren Zerstörung aufgrund anderer Fehler in der Ansteuerelektronik oder im Motor (Wicklungskurzschluss) zu vermeiden.

Bei bekannten Verfahren wurde beispielsweise die Temperatur des FET bzw. des Halbleiterchips durch das Aufkleben eines Temperatursensors auf den integrier­ ten Kühlkörper des FET gemessen. Dabei besteht jedoch das Problem, dass beim Aufkleben der Sensoren große Schwankungen in der Wärmekopplung auftreten. Es kommt dabei sowohl zu großen Schwankungen in der Zeitkonstante dieses Übergangs als auch zu großen Schwankungen des Wärmeübergangswiderstands. Demzufolge wurde die Temperatur des FET nur mit großer Messunsicherheit erfasst.

Darüber hinaus war es mit vertretbarem Aufwand nicht möglich, die relativ schnellen Änderungen der Bauelementetemperatur zu erfassen, da hierzu der Einsatz teuerer schneller Sensoren erforderlich gewesen wäre.

Zudem bedingt die Montage eines Sensors durch Verkleben mit dem Bauelement einen hohen Aufwand.

Aus der DE 37 15 231 A1 ist eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Tempe­ ratur von Halbleiterkörpern sowie ein Verfahren zur Herstellung der Messvor­ richtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur von Halbleiterkör­ pern während Temperprozessen bekannt, wobei entweder im Inneren eines Halbleiterkörpers ein Thermoelement oder auf der Oberfläche des Halbleiterkör­ pers ein Thermoelement vorgesehen wird. Zur Integration des Thermoelements wird im Halbleiterkörper eine Ausnehmung geschaffen, in welche das Thermo­ element eingebracht wird. Die Ausnehmung wird anschließend wieder mit einem Material, das der chemischen Zusammensetzung der Umgebung der Ausneh­ mung entspricht, aufgefüllt. Das Vorsehen des Thermoelements auf der Oberflä­ che des Halbleiterkörpers kann entweder durch Aufdampfen oder durch Andrüc­ ken mittels eines Auflagegewichts erfolgen. Mit einer derartigen Messvorrich­ tung kann die Temperatur eines entsprechenden, jedoch ohne ein Thermoelement ausgebildeten Halbleiterkörpers ermittelt werden, wenn sowohl die Messvor­ richtung, als auch der weitere Halbleiterkörper in unmittelbarer Nachbarschaft denselben Verlauf der Umgebungstemperatur erfahren.

Die Messvorrichtung wird dabei als Referenz zu dem weiteren Halbleiterkörper betrachtet, dessen innere Temperatur auf diese Weise mittelbar bestimmt werden kann.

Aus der DE 40 20 304 A1 ist eine Anordnung zur Temperaturmessung an ge­ kühlten, elektronischen Bauelementen bekannt, bei der ein in Dünnfilmtechnik ausgeführter und auf einer Polyimid-Sensorolie aufgebrachter Temperatursensor Verwendung findet. Die Folie mit dem darauf aufgebrachten Temperatursensor wird zwischen einer Kühlplatte zur Wärmeableitung und dem auf diese Weise gekühlten elektronischen Bauelement angeordnet. Um die Temperatur ohne Ver­ fälschung durch die Temperatur der Kühlplatte zu erfassen, ist der Temperatur­ sensor auf der dem Bauelement abgewandten Seite durch eine Luftkammer in der Kühlplatte thermisch isoliert.

Schließlich ist aus der DE 197 08 653 A1 ein Verfahren zur Bestimmung der Junktion-Temperatur von gehäusten Halbleiterbauelementen bekannt, wobei auf einem eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Trägerkörper benachbart zu dem zu überwachenden, auf dem Trägerkörper vorgesehenen Halbleiterbau­ element ein Temperatursensor aufgebracht ist. Der Temperatursensor ist mit einem Anschlusspin des Halbleiterbauelements mittels einer speziell ausgeform­ ten Verbindungsleiterbahn elektrisch leitend verbunden.

Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen ist ebenfalls eine relativ große Messunsicherheit bzw. der Einsatz aufwendiger und teuerer Senso­ ren oder die aufwendige Montage der Sensoren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Überwachung der Temperatur eines verlustbehafteten elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungshalbleiters, zu schaffen, wobei auch bei Einsatz preiswerter Sensoren eine möglichst exakte Temperaturerfassung gewährleistet wird und der Montageaufwand für die Sensoren gering gehalten werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass der Einsatz langsam reagieren­ der Sensoren möglich ist, wenn die Temperatur des mit dem zu überwachenden Bauelement thermisch gekoppelten Kühlelements oder Kühlmediums an einem Ort erfasst wird, der eine gegenüber dem Bauelement große Zeitkonstante auf­ weist, bis nach einer Änderung der durch das Bauelement zugeführten Verlustlei­ stung ein zumindest quasi-stationärer Gleichgewichtszustand erreicht wird. Ge­ genüber einem rein stationären Zustand ist der quasi-stationäre Zustand dadurch gekennzeichnet, dass sich die Temperatur des Erfassungsorts und die Temperatur des Bauelements (zeitlich langsam) gleichförmig unter Beibehaltung einer kon­ stanten Temperaturdifferenz ändern kann.

Erfindungsgemäß wird daher mittels eines Sensors die Temperatur des Kühlele­ ments an einem Ort mit großer Zeitkonstante gemessen und hierzu eine rechne­ risch ermittelte Temperaturdifferenz addiert, die von den Parametern des Wär­ meübergangs vom Bauelement bis an den Messort und der vom Bauelement in Form von Wärme zugeführten Verlustleistung abhängig ist. Infolge der sehr guten Wärmeleitfähigkeit des Metallgehäuses der Pumpe können Temperaturdif­ ferenzen über einen großen Bereich des Gehäuses praktisch vernachlässigt wer­ den. Diese spielen allenfalls in unmittelbarer Umgebung des Montageorts des Bauelements eine Rolle, das die Wärme zuführt.

Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, mittels des Sensors an praktisch beliebiger Stelle des Gehäuses die Temperatur zu erfassen. Es müssen lediglich die betref­ fenden Parameter für den Wärmeübergang an dieser Stelle ermittelt werden, wobei in der Praxis das Ermitteln der Paramter für einen bestimmten Typ der Pumpe ausreicht, ohne dass für jedes individuelle Exemplar eine Bestimmung der Parameter erforderlich wäre. Wegen der bereits erwähnten geringen Tempe­ raturunterschiede in weiten Bereichen des Gehäuses sind auch große Montage­ toleranzen für den Sensor unkritisch.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird lediglich der quasi-stationäre Zustand nach einer Leistungsänderung berücksichtigt, wodurch sich ein mini­ maler Rechenaufwand bei ausreichender Genauigkeit ergibt. Es ist jedoch eben­ falls möglich, die Zeitkonstante zu berücksichtigen, mit welcher das Bauelement den quasi-stationären Zustand erreicht, um die Temperatur auch in diesem Über­ gangsbereich zu ermitteln.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Sensor auf einer Leiterplatte angeordnet und zusammen mit der Leiterplatte im Gehäuse montiert. Gegenüber bekannten Verfahren ergibt sich hierbei ein minimierter Monta­ geaufwand. Dabei kann vor der Montage im Gehäuse oder auf dem Sensor ein wärmeleitendes Gel oder ein wärmeleitender Kleber aufgetragen werden, um im montierten Zustand eine verbesserte thermische Kopplung zu erreichen.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung der wesentlichen Kompo­ nenten einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe mit einer Vor­ richtung zur Überwachung von Leistungshalbleitern nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Teilschnitt in der durch die Linie A-A in Fig. 1 definierten ver­ tikalen Ebene der Pumpe in montiertem Zustand;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des Temperaturüberwa­ chungsverfahrens nach der Erfindung; und

Fig. 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwi­ schen dem Temperaturerfassungsort und dem überwachten Leistungs­ halbleiter vom durch den Halbleiter geschalteten Strom darstellt (Gleichgewichtszustand).

Fig. 1 zeigt eine elektromotorisch angetriebene Pumpe 1, die ein Pumpengehäuse 3, eine Ansteuerelektronik 5 sowie einen aus einem Stator 7 und einem Rotor 9 bestehenden Elektromotor 23 umfasst. Eine mit dem Pumpengehäuse verbindbare Schutzkappe zur Abdeckung des Motors 23 ist nicht dargestellt.

Das Pumpengehäuse 3 beinhaltet die gesamte Pumpenmechanik und weist in der vorderen Wandung eine Auslassöffnung 11 (Druckausgang) und in der rückseiti­ gen Wandung eine nicht näher dargestellte Ansaugöffnung 13 auf.

Ausgehend vom Boden des Pumpengehäuses 3 erstreckt sich eine zylindrische Wandung 15 nach oben, in welcher die mittels eines Lagers 17 gelagerte An­ triebswelle 18 für die Pumpenmechanik vorgesehen ist.

Das Pumpengehäuse 3 besteht vorzugsweise aus Aluminium- oder Magnesium­ druckguss.

Im Pumpengehäuse 3 wird die Ansteuerelektronik 5 angeordnet, wobei diese eine Platine 19 umfasst auf der die erforderlichen mechanischen, elektrischen, elek­ tromechanischen und elektronischen Bauelemente vorgesehen sind. Die Platine 19 weist eine Ausnehmung 21 auf, in welche die zylindrische Wandung 15 des Pumpengehäuses 3 eingreift. Die Platine 19 ist als Kombination eines umspritzten Stanzgitters (für hohe Stromstärken) und einer gedruckten Leiterplatte (für nied­ rige Stromstärken) ausgebildet.

Nach dem Einsetzen der Ansteuerelektronik 5 in das Pumpengehäuse 3 wird der Motor 23 im Pumpengehäuse 3 montiert. Der Stator 7 weist eine erforderliche Anzahl von Statorwicklungen sowie eine axiale Ausnehmung 25 auf, mit welcher der Stator 7 auf die zylindri­ sche Wandung 15 des Pumpengehäuses 3 aufgesetzt wird.

Der Rotor 9 ist als Außenläufer aufgeführt und wird im Pumpengehäuse 3 mittels der fest mit dem Rotor 9 verbundenen Antriebswelle 18 und des Lagers 17 rotier­ bar gelagert. Selbstverständlich wird der Rotor 9 mit der Antriebswelle 18 in geeigneter Weise verbunden.

Die gesamte Anordnung kann mittels einer nicht näher dargestellten Schutzkappe abgedeckt werden, welche auf den Bund 27 der seitlichen Wandung des Pum­ pengehäuses 3 aufgesetzt wird.

Im Pumpengehäuse 3 sind zwei Auflageflächen 29 für Leistungshalbleiter 31 der Ansteuerelektronik 5 vorgesehen. Bei diesen Leistungshalbleitern 31 kann es sich beispielsweise um Power-FET's handeln. Die Power-FET's weisen in üblicher Weise relativ kleine metallische Kühlkörper 31a auf, die in der Regel jedoch keine ausreichende Abfuhr der Verlustwärme gewährleisten können.

Zu diesem Zweck werden die kleinen Kühlkörper 31a auf den Auflageflächen 29 im Pumpengehäuse 3 platziert und mit geeigneten Mitteln mit diesen in einen ausreichenden wärmeleitenden Kontakt gebracht.

Da die Kühlkörper 31a der Leistungshalbleiter 31 auch gleichzeitig die Funktion eines elektrischen Kontakts ausüben, kann erforderlichenfalls zwischen der Rückseite der kleinen Kühlkörper 31a und den Auflageflächen 29 eine elektrisch isolierende, jedoch ausreichend wärmeleitende Schicht vorgesehen sein. Gegebe­ nenfalls kann jedoch auch ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen den Kühlkörpern 31a und dem Pumpengehäuse 3 hergestellt werden, wenn dies elek­ trisch zulässig bzw. gewünscht sein sollte. In der dargestellten Ausführungsform werden jeweils zwei Leistungshalbleiter 31 mittels federnder Klammern 33 auf den Auflageflächen 29 befestigt.

Die Bereiche des Pumpengehäuses 3 unterhalb der Auflageflächen 29 weisen vorzugsweise einen oder mehrere Kanäle auf, die von dem von der Pumpe zu fördernden Medium durchflossen sind. Die betreffenden Bereiche wirken somit wie Wärmetauscher. Selbstverständlich können hierzu an sich bekannte Maß­ nahmen zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von den Leistungshalbleitern 31 vorgesehen werden, wie beispielsweise das Vorsehen einer möglichst großen Fläche für das zu fördernde Medium in den Bereichen unterhalb der Auflageflä­ chen 29. Beispielsweise können hierzu eine Vielzahl von Kanälen vorgesehen sein oder ein oder mehrere Kanäle innenseitige Kühlrippen aufweisen.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform ermöglicht einen äußerst platzsparenden Aufbau. Das Vorsehen der kompletten Ansteuerelektronik, ein­ schließlich der Leistungshalbleiter, innerhalb des Pumpengehäuses bietet den Vorteil, dass die Ansteuerelektronik sicher vor Umwelteinflüssen geschützt ist. Durch das gleichzeitige Nützen des Pumpengehäuses als Kühlkörper für die Lei­ stungshalbleiter und das Abführen der Verlustwärme der Leistungshalbleiter durch das zu fördernde Medium ist sichergestellt, dass innerhalb des Pumpenge­ häuses keine unzulässig hohen Temperaturen auftreten.

Dennoch muss durch geeignete Maßnahmen eine thermische Überlastung der Leistungshalbleiter in jedem Fall vermieden werden. Bei Pumpen der dargestell­ ten Art, die insbesondere bei der Realisierung von Servolenkungen für Kraftfahr­ zeuge zum Einsatz kommen, werden die Leistungshalbleiter hinsichtlich ihrer Leistung aus Kostengründen meist knapp dimensioniert. Da die Pumpen nicht für einen Dauerbetrieb ausgelegt sind, kann auch eine kurzzeitige Belastung der Leistungshalbleiter über deren Dauerbelastbarkeit hinaus in Kauf genommen werden. In diesem Fall muss jedoch in besonderem Maße durch eine geeignete Temperaturüberwachung eine Zerstörung der Bauelemente verhindert werden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird hierzu nach der Erfindung wenigstens ein Tem­ peratursensor 35 vorgesehen, der die Temperatur des Pumpengehäuses 3 an ei­ nem Erfassungsort erfasst, der bei einer Änderung der in Wärme umgesetzten Verlustleistung des Leistungshalbleiters erst nach einer relativ langen Zeit, d. h. mit einer relativ hohen Zeitkonstante τ_mess einen Gleichgewichtszustand erreicht. Die Zeitkonstante τ_mess soll hierbei definitionsgemäß auch eine ggf. vorhandene Totzeit mit beinhalten. Der Temperatursensor 35 kann beispielsweise als NTC ausgebildet sein.

Nachfolgend wird das Verfahren zur Bestimmung bzw. Überwachung der Temperatur des Leistungshalbleiters 31 bzw. FET's unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 erläutert:

Als Ausgangspunkt sei ein Gleichgewichtszustand mit einer Temperatur T₁ des FET bzw. dessen Chip angenommen. Grundsätzlich ist für die Zerstörung des Leistungshalbleiters 31, z. B. des FET, die Temperatur des Chips maßgeblich. Bei einer Erhöhung der Verlustleistung bzw. des durch den FET geschalteten Stroms I (die Verlustleistung ist proportional zum Quadrat des Stroms durch den FET) zum Zeitpunkt t₁ wird durch die Erhöhung der Wärmeverlustleistung der Chip gegenüber dem Gleichgewichtszustand weiter erwärmt. Der neue Gleichge­ wichtszustand T₂ für die Chiptemperatur wird sich infolge der geringen Wärme­ kapazität des Chips und den geringen Zeitkonstanten der Wärmeübergänge vom Chip auf den Kühlkörper 31a und vom Kühlkörper 31a auf das Gehäuse 3 relativ schnell einstellen, was in Fig. 3 durch den schnellen Anstieg der Kurve für die FET- bzw. Chip-Temperatur T_FET dargestellt ist.

Der in Fig. 3 dargestellte Temperaturverlauf T_mess am Erfassungsort des Temperatursensors 35 zeigt infolge der großen Zeitkonstante nur einen langsamen Anstieg. Das Pumpengehäuse 3 (zusammen mit dem das Gehäuse durchströmenden Kühlme­ dium) wirkt dabei wie eine "nicht ganz ideale Wärmesenke mit unendlicher Wärmekapazität", die im Gegensatz zu einer idealen Wärmesenke doch langsam erwärmt wird.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, dass im Gleichgewichtszustand die Temperaturdifferenz ΔT zwischen zwei beliebigen (thermisch gekoppelten) Punkten proportional der (ggf. an einem dritten Ort) zugeführten Wärmeleistung P ist und im Wesentlichen durch die Eigenschaften thermischer Übergänge be­ stimmt wird. Mit anderen Worten, die Temperaturdifferenz ΔT ist unabhängig vom absoluten Temperaturwert einer der beiden Punkte.

Im dargestellten Beispiel ist also die Temperaturdifferenz ΔT₂ zwischen dem Erfassungsort des Temperatursensors 35 und dem FET bzw. dessen Chip im Gleichgewichtszustand nur abhängig von der durch den FET zugeführten Ver­ lustleistung. Nach dem Erreichen des Gleichgewichtszustandes (bezogen auf eine konstante Temperaturdifferenz ΔT₂) erfolgt durch das Erwärmen des Gehäuses bzw. des Kühlmediums ein weiterer langsamer Anstieg sowohl der Temperatur T_FET als auch der Temperatur T_mess, wobei die Temperaturdifferenz ΔT₂ im We­ sentlichen konstant bleibt. Das Gesamtsystem strebt mit der Zeitkonstanten τ_mess einem stationären Zustand zu. In der Praxis beträgt die Zeitkonstante τ_mess mehr als 1 min. vorzugsweise 5 bis 15 min. weitgehend bestimmt durch die Masse des Pumpengehäuses und des Kühlmediumes.

Die Proportionalitätskonstante zwischen zugeführter Wärmeleistung P und Tem­ peraturdifferenz ΔT₂ beträgt im gezeigten Beispiel ca. 0,6 K/W für den Übergang vom FET-Chip auf den Kühlkörper 31a und ca. 2,5 K/W für den Übergang vom Kühlkörper 31a auf das Pumpengehäuse 3 bis an den Erfassungsort des Sensors 35. Die gesamte Konstante beträgt somit ca. 3 K/W für den gesamten Übergang vom Chip bis zum Erfassungsort. Beträgt die maximale Verlustleistung der vier auf den Flächen 29 montierten FET's 31 z. B. je 50 W, also zusammen 200 W, so führt dies zu einer Temperaturdifferenz von 150 K. Bei Raumtemperatur des Gehäuses führt dies in der Regel bereits zu einer unzulässig hohen Temperatur des Chips, so dass abhängig von der erfassten Temperatur Maßnahmen zur Re­ duzierung der Verlustleistung getroffen werden müssen. Hierzu kann das Signal des Temperatursensors von einer Auswerte- und Steuereinheit ausgewertet wer­ den, die dann den Motor bzw. die FET's so ansteuert, dass eine geringere Verlustleistung erzeugt wird. Die Auswerte- und Steuereinheit kann selbstver­ ständlich in die Ansteuerelektronik 5 integriert sein.

Die Temperatur der FET's kann somit in der Weise ermittelt werden, dass die Auswerte- und Steuereinheit zunächst mittels des Sensors 35 die Temperatur am Erfassungsort bestimmt und dann in Kenntnis der Verlustleistung P der FET's und der Proportionalitätskonstante die Temperatur der Chips der FET's berech­ net. Die Proportionalitätskonstante kann zwar grundsätzlich für jedes individuelle Exemplar einer Pumpe in einem Eichvorgang gemessen und in der Auswerte- und Steuereinheit gespeichert werden, jedoch ist es in der Praxis vorteilhafter, für einen bestimmten Bautyp eine mittlere Proportionalitätskonstante zu bestimmten, und zu der aus der Beziehung ΔT₂ = k . P ermittelten Temperaturdifferenz eine Sicherheitmarge ΔT₁ zu addieren.

Werden in der Praxis die Zeitkonstanten τ_mess des Erfassungsortes in Bezug auf jedes zu überwachende Bauelement durch eine geeignete Positionierung des Sensors 35 groß gegenüber den für jedes Bauelement maßgeblichen Zeitkon­ stanten für den Wärmeübergang vom Bauelement auf das Gehäuse gewählt, so genügt die Verwendung eines einzigen Sensors, um nach dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren gemäß der Erfindung die Temperatur aller Bauelemente zu überwachen.

Zusätzlich zur Temperatur T_FET im quasi-stationären Zustand, in dem die Tempe­ raturdifferenz ΔT₂ zwischen Bauelement und Erfassungsort konstant ist, kann auch der zeitliche Verlauf des Übergang der Temperatur T_FET des Bauelements berücksichtigt werden. Hierzu muss jedoch der Wert für die Zeitkonstante er­ mittelt werden, mit der das Bauelement den quasi-stationären Zustand erreicht. Damit kann die Auswerte- und Steuereinheit unter Verwendung einer vorgege­ benen analytischen Funktion auch die Temperatur im Übergangsbereich ermit­ teln. Die zur erfassten Temperatur T_mess zu addierende Temperaturdifferenz kann nach der Beziehung ΔT₂(t) = k . P . f(t) ermittelt werden, wobei hier in zulässiger Weise vorausgesetzt ist, dass der zeitliche Verlauf f(t) unabhängig von der zuge­ führten Verlustleistung ist.

Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Verlauf der Abhängigkeit der Temperaturdifferenz ΔT₂ vom Strom durch einen FET, wobei sich der erwartete parabelförmige Verlauf ergibt, da die Leistung P zum Quadrat des Stroms proportional ist.

Die Kurve I in Fig. 4 zeigt den Verlauf für eine Ansteuerung des Motors mit Pulsbreitenmodulation zur Leistungssteuerung. Die Temperaturdifferenz ist in diesem Fall infolge der höheren Verlustleistung, verursacht durch die zahlreichen Schaltvorgänge, wesentlich höher als im Betrieb ohne Pulsbreitenmodulation (Kurve II in Fig. 4). Diese erfolgt bei Volllast. Wird daher im Volllastbetrieb nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren eine unzulässig hohe Temperatur eines FET ermittelt, so muss der (mittlere) Strom durch den Transistor nicht nur um einen entsprechenden Betrag gemäß dem Verlauf der Kurve II gesenkt wer­ den, da gleichzeitig auf einen Pulsbreitenmodulationsbetrieb des Motors überge­ gangen werden muss. Es ist zunächst der Strom zu ermitteln, der bei Pulsbrei­ tenmodulationsbetrieb denselben unzulässig hohen Temperaturwert ΔT₂ verursa­ chen würde (d. h. in Kurve I) und anschließend der entsprechende Strom soweit zu reduzieren, dass sich (in Kurve I) ein zulässiger Temperaturdifferenzwert ergibt.

Claims (15)

1. Verfahren zur Überwachung der Temperatur eines verlustbehafteten elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungshalbleiters,

• a) wobei das Bauelement mittels eines Kühlkörpers oder Kühlmediums gekühlt wird

dadurch gekennzeichnet,

• a) dass die Temperatur des Kühlkörpers oder des Kühlmediums an einem Erfassungsort erfasst wird, welcher nach einer Änderung der Verlustleistung des Bauelements seine Gleichgewichtstemperatur mit einer Zeitkonstante erreicht, die groß ist gegenüber der Zeitkonstante, mit welcher das Bauelement seine Gleichgewichtstemperatur erreicht, und
• b) dass die Temperatur des Bauelements durch die Addition eines Temperaturdifferenzwertes zur erfassten Temperatur des Erfassungsortes bestimmt wird,
• c) wobei der Temperaturdifferenzwert rechnerisch unter Verwendung einer vorbekannten Abhängigkeit ermittelt wird, welche den Temperaturdifferenzwert abhängig von der Verlustleistung oder abhängig von der Verlustleistung und der Zeitdifferenz nach einer Änderung der Verlustleistung darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturdifferenzwert mittels einer Abhängigkeit der Form ΔT = k . P . f(t) ermittelt wird, wobei ΔT den Temperaturdifferenzwert, k eine vom Wärmeübergang vom Bauelement bis an den Erfassungsort abhängige Konstante, P die Verlustleistung des Bauelements und f(t) eine Zeitabhängigkeit darstellt, nach welcher das Bauelement nach einer Änderung der Verlustleistung den Gleichgewichtszustand erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitabhängigkeit der Temperaturänderung des Bauelements in der vorbekannten Abhängigkeit vernachlässigt wird und als Differenztemperaturwert der Gleichgewichtswert verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Verlustleistung der durch das Bauelement fließende Strom verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überschreitung eines vorbestimmbaren Maximalwertes für die ermittelte Temperatur des Bauelements ein Fehlersignal erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überschreitung eines vorbestimmbaren Maximalwertes für die ermittelte Temperatur für eine Zeitspanne, die länger ist als eine vorgebbare Zeitspanne, die Verlustleistung des Bauelements so weit reduziert wird, dass die Temperatur des Bauelements in einem zulässigen Bereich liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Zeitkonstante des Bauelements und der Zeitkonstante des Erfassungsorts größer als 1 : 10, vorzugsweise größer als 1 : 20 ist.

8. Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur eines verlustbehafteten elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungshalbleiters,

• a) wobei das Bauelement mittels eines Kühlkörpers oder Kühlmediums gekühlt wird und

dadurch gekennzeichnet,

• a) dass mittels eines Sensors die Temperatur des Kühlkörpers oder des Kühlmediums an einem Erfassungsort erfasst wird, welcher nach einer Änderung der Verlustleistung des Bauelements seine Gleichgewichts­ temperatur mit einer Zeitkonstante erreicht, die groß ist gegenüber der Zeitkonstante, mit welcher das Bauelement seine Gleichgewichtstemperatur erreicht, und
• b) dass das Sensorsignal einer Auswerte- und Steuereinheit zugeführt ist, welche die Temperatur des Bauelements durch die Addition eines Temperaturdifferenzwertes zur erfassten Temperatur des Erfassungsortes bestimmt,
• c) wobei die Auswerte- und Steuereinheit den Temperaturdifferenzwert rechnerisch unter Verwendung einer ihr zugeführten oder in einem Speicher der Auswerte- und Steuereinheit gespeicherten vorbekannten Abhängigkeit ermittelt, welche den Temperaturdifferenzwert abhängig von der Verlustleistung oder abhängig von der Verlustleistung und der Zeitdifferenz nach einer Änderung der Verlustleistung darstellt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit den Temperaturdifferenzwert mittels einer Abhängigkeit der Form ΔT = k . P . f(t) ermittelt, wobei ΔT den Temperaturdifferenzwert, k eine vom Wärmeübergang vom Bauelement bis an den Erfassungsport abhängige Konstante, P die Verlustleistung des Bauelements und f(t) eine Zeitabhängigkeit darstellt, nach welcher das Bauelement nach einer Änderung der Verlustleistung den Gleichgewichtszustand erreicht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit die Zeitabhängigkeit der Temperaturänderung des Bauelements in der vorbekannten Abhängigkeit vernachlässigt und als Differenztemperaturwert den Gleichgewichtswert verwendet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit als Maß für die Verlustleistung den durch das Bauelement fließenden Strom verwendet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit bei einer Überschreitung eines vorbestimmbaren Maximalwertes für die ermittelte Temperatur des Bauelements ein Fehlersignal erzeugt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit bei einer Überschreitung eines vorbestimmbaren Maximalwertes für die ermittelte Temperatur für eine Zeitspanne, die länger ist als eine vorgebbare Zeitspanne, die Verlustleistung des Bauelements so weit reduziert, dass die Temperatur des Bauelements in einem zulässigen Bereich liegt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein Leistungshalbleiter zur Ansteuerung eines Elektromotors ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor auf einer Leiterplatte angeordnet und mittels eines Koppelmediums, vorzugsweise eines wärmeleitenden Gels oder Klebers, wärmeleitend mit einem Gehäuse für den Elektromotor verbunden ist.