WO2013075733A1 - Elektronische ansteuerschaltung mit leistungstransistoren sowie verfahren zur lebensdauer-überwachung der leistungstransistoren - Google Patents

Elektronische ansteuerschaltung mit leistungstransistoren sowie verfahren zur lebensdauer-überwachung der leistungstransistoren Download PDF

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WO2013075733A1
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power transistors
test
drive circuit
saturation voltage
transistor
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Helmut Lipp
Günter Haas
Martin BÜRKERT
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Ebm-Papst Mulfingen Gmbh & Co. Kg
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    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H02M7/53875—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with analogue control of three-phase output

Definitions

  • the present invention relates according to the preamble of claim 1, an electronic drive circuit for an electrical device, in particular in a training as commutation of an EC motor, with several
  • the invention also relates to a novel method for monitoring the power transistors of such a drive circuit in terms of their life.
  • the output stage is fed from a Gieichwoods- intermediate circuit.
  • the individual power transistors are controlled by a control unit so that the motor windings are driven in such a manner in dependence on the rotational position of a rotor that a magnetic rotating field is generated for rotation of the rotor.
  • the output stage practically acts as an inverter, although PWM timing can also be used to set the speed.
  • Control circuits are also generally as an inverter or
  • the power transistors can be used either as discrete components on a carrier, e.g. As a circuit board, arranged or in a module on a
  • integrated common substrate In addition, they can be arranged on a heat sink and z. B. be implemented as bipolar transistors, IGBT's or MOSFETs.
  • semiconductor devices are not subject to a lifetime limitation. In practice, however, it comes to aging processes and total failures of power transistors, i. Semiconductor components are in practical use
  • the present invention is therefore based on the object to provide means to monitor the aging process of power transistors and to detect and signal a near end of life.
  • Power transistors arranged on a common carrier or substrate or by means for applying the reference transistor and at least one of the power transistors in a test mode, each with a test current and for measuring the respective associated saturation voltage and for evaluating one of the measured saturation voltages of the reference transistor and the respective saturation voltage difference taking into account the prevailing during the measurement carrier / substrate temperature as a criterion for an aging process and a - based on
  • additional means are provided for detecting and evaluating a rate of change of the saturation voltage differences respectively detected in successive test modes additional criterion for the progress of the aging process.
  • the rate of change per time unit or per load change is taken into account.
  • a novel method for monitoring power transistors in such an electronic drive circuit in terms of their expected residual life is the subject of independent claim 10, wherein in a test mode of the drive circuit for at least one of the power transistors of the
  • Ambient conditions measured saturation voltage of an additional, similar, provided together with the power transistors on a common carrier or substrate, unloaded in an operating mode of the drive circuit reference transistor is compared with a resulting saturation voltage difference taking into account the temperature of the carrier during the measurement (eg. Heatsink) or the substrate as a criterion for the progress of an aging process and for the expected remaining life of the power transistors based on previously empirically determined and stored empirical values is evaluated.
  • a rate of change of the respective saturation voltage differences detected in successive test modes is additionally detected and evaluated as a criterion for the remaining service life.
  • the invention is based on the recognition that, above all, the embedding of a
  • Two main factors are, on the one hand, the so-called bonds on the chip top and, on the other hand, the solder joints of the chip on an electrically conductive "base" which, for example, is a lead frame or a Cu-coated ceramic can be.
  • These solder joints are stressed by different thermal expansions of chip, solder and respective substrate with each load cycle. The faster a rise in temperature in the chip during a load change, the greater the mechanical stress stress in the soldering, and the greater the impact on the life of these compounds.
  • the repeated stress loads result in delamination of the semiconductor chip from the substrate, which delaminations progress from the edges of the chip toward the center on the underside of the chip. Due to the increasing delamination, the thermal resistance of the
  • the saturation voltage is therefore measured in specially provided test phases-outside the actual operation of the drive circuit-and compared with an initial value, in order thereby to detect a change over the operating and service life which is used as a criterion for the aging process described above , on the basis of previously empirically determined, stored in a control unit experience.
  • the current value is advantageously always the same as the initial value
  • Ambient conditions measured saturation voltage of the reference transistor used.
  • the comparison of the measured values relative to the reference component advantageously avoids the need for high-precision temperature detection of the individual components, since the saturation voltage is indeed temperature-dependent.
  • a "rough" temperature detection is sufficient, it only needs to be determined in which temperature range the temperature of the Carrier, z. B. an existing heat sink, or the common substrate during the respective measurement.
  • the empirical values stored in the control unit are assigned to specific temperature ranges because the
  • Saturation voltages and the detected differences are also temperature-dependent. Thus, at low temperatures, the differences are different than at higher temperatures (depending on the temperature coefficient of the component used with respect to its saturation voltage).
  • the life experience values are then taken from stored tables for the respective temperature range on the basis of the respectively determined saturation voltage difference and preferably also the respective rate of change per unit time or per load change and taken into account for the evaluation and signaling of the expected residual life.
  • Rate of change is considered to be decisive for the progress of the aging process and for the expected remaining service life of the power transistors and thus the entire drive circuit, because yes, if only one
  • the entire drive circuit fails.
  • the measured saturation voltages are supplied, for example, to a microcontroller for evaluation.
  • the thus determined difference between the measured saturation voltages or their rate of change provides information about the progress of the aging process of the solder joints between the chip and the substrate, ie via the delamination. Empirical values characterize then the imminent end of life or the still to be expected
  • the power transistors and the reference transistor must be integrated as a module on a common substrate or as individual components on a common printed circuit board.
  • the power transistors and the reference transistor must always be under the same environmental conditions
  • test mode according to the invention can, for example, before each start of the test
  • test mode is in each case via a
  • Control unit triggered and performed.
  • detection of the temperature of the entire device for integration into the evaluation i. the respective component, substrate or heat sink temperature is combinatorially included in the evaluation process.
  • Fig. 1 is a circuit diagram of the drive circuit with the
  • FIG. 2 and 3 are circuit diagrams similar to FIG. 1 in two different variants with temporally successive measurements of
  • an electronic drive circuit 1 is formed as commutation electronics 2 of an EC motor M, the motor M can be three-stranded with three motor or stator windings U, V, W executed. Basically, a single-stranded version is possible.
  • Other components of the motor M, such as its rotor, are not shown in the drawing figures.
  • the windings U, V, W - as shown by way of example - be connected in delta connection, but alternatively, of course, in star connection.
  • To control this are six power transistors T1 to T6 in a bridge output stage is provided, wherein in each of three parallel bridge branches, two power transistors in series and the windings U, V, W are each connected between the power transistors to the bridge arms.
  • the power transistors T1 to T6 are supplied by an electronic control unit 6
  • the windings U, V, W are usually connected via the output stage from a
  • the intermediate circuit voltage UZK can be provided via a rectifier 8 from a single or three-phase mains voltage UN.
  • the output stage with the power transistors T1 to T6 thus acts as a controlled inverter.
  • the drive circuit 1 - in addition to the
  • This reference transistor T tes t has no function in a normal operating mode of the drive circuit 1, so that it is unloaded and therefore subject to no load-related aging. However, that is
  • Reference transistor T tes together with the power transistors T1 to T6 on a common carrier - substrate, printed circuit board and / or heat sink - arranged, ie it can be integrated in a power module on the same ceramic or sitting as a single component on the same support. This makes him the same
  • control unit 6 is designed such that it is in a test mode of the drive circuit 1 - before the actual operating mode or this
  • Power transistors T1 to T6 drives and each subjected to a test current to measure the respective saturation voltage, namely the collector-emitter voltage UCE in the fully driven state. By comparing the measured values, a saturation voltage difference is determined which is based on previously empirically determined and stored in the control unit 6
  • Experience values - is evaluated as a criterion for an aging process and a still to be expected residual life of the power transistors T1 to T6. Preferably, it is additionally determined over several successive test phases, with which rate of change per unit of time or per
  • the saturation voltages UCET4, UCETS and UCET6 are measured and compared with the saturation voltage UcEtest of the reference transistor T tes t. If several or even all existing power transistors are included in the measurement and evaluation, then the one power transistor for the progress of
  • Control circuit fails.
  • the respective transistor is connected to a constant current source 10 for application to the test current.
  • all the transistors to be measured are acted upon by a multiple switch 14 simultaneously with the respective test current, wherein a separate constant current source 10 of the same type is provided for each transistor.
  • a simultaneous measurement via the multiple switch 14 is also provided in the embodiment of FIG. 5, wherein the test current for each transistor from the DC link ZK via a respective same resistor R is supplied.
  • the control unit 6 has memory means, not shown, for tabular storage of certain empirical values of the saturation voltage differences and preferably their rate of change per time or per load change with assignment to the substrate / heat sink temperature during the measurement and to certain states of an aging process of the power transistors T1 to T6.
  • memory means not shown, for tabular storage of certain empirical values of the saturation voltage differences and preferably their rate of change per time or per load change with assignment to the substrate / heat sink temperature during the measurement and to certain states of an aging process of the power transistors T1 to T6.
  • the drive circuit 1 according to the invention has expedient means for

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Ansteuerschaltung (1) für ein elektrisches Gerät, insbesondere in einer Ausbildung als Kommutierungselektronik (2) eines EC-Motors (M), mit mehreren Leistungstransistoren (T1–T6), die in einem Betriebsmodus zum Ansteuern des Gerätes gesteuert werden. Ein zusätzlicher, gleichartiger, im Betriebsmodus der Leistungstransistoren (T1–T6) unbelasteter Referenztransistor (Ttest) ist zusammen mit den Leistungstransistoren (T1–T6) auf einemgemeinsamen Träger oder Substrat angeordnet oder gebildet. Weiterhin sind Mittel zum Beaufschlagen des Referenztransistors (Ttest) und mindestens eines der Leistungstransistoren (T1–T6) in einem Testmodus mit jeweils einem Prüfstrom und zum Messen der jeweils zugehörigen Sättigungsspannung (UCE sat) sowie zum Auswerten einer aus den gemessenen Sättigungsspannungen (UCE sat) des Referenztransistors (Ttest) und des jeweiligen Leistungstransistors (T1–T6) resultierenden Sättigungsspannungsdifferenz unter Berücksichtigung der während der Messung herrschenden Träger-/Substrat-Temperatur als Kriterium für einen Alterungsprozess und eine noch zu erwartende Rest-Lebensdauer der Leistungstransistoren (T1–T6) vorgesehen. Ferner beschreibt die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen von Leistungstransistoren (T1–T6) in einer solchen elektronischen Ansteuerschaltung (1) hinsichtlich ihrer zu erwartenden Rest-Lebensdauer.

Description

ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KG, Bachmühle 2, 74673 Mulfingen
„Elektronische Ansteuerschaltung mit Leistungstransistoren sowie Verfahren zur Lebensdauer-Überwachung der Leistungstransistoren"
Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine elektronische Ansteuerschaltung für ein elektrisches Gerät, insbesondere in einer Ausbildung als Kommutierungselektronik eines EC-Motors, mit mehreren
Leistungstransistoren, die in einem Betriebsmodus zum Ansteuern des Gerätes gesteuert werden.
Ferner betrifft die Erfindung auch ein neuartiges Verfahren zum Überwachen der Leistungstransistoren einer solchen Ansteuerschaltung hinsichtlich ihrer Lebensdauer.
Elektronische Ansteuerschaltungen sind in zahlreichen Ausführungen bekannt. Im Falle der bevorzugten Ausgestaltung als Kommutierungselektronik eines EC-Motors, d.h. eines kollektorlosen, elektronisch kommutierten Elektromotors, sind in aller Regel vier oder sechs Leistungstransistoren zu einer Brücken-Endstufe
zusammengeschaltet, wobei die Endstufe aus einem Gieichspannungs-Zwischenkreis gespeist wird. Die einzelnen Leistungstransistoren werden von einer Steuereinheit so angesteuert, dass die Motorwicklungen derart in Abhängigkeit von der Drehstellung eines Rotors angesteuert werden, dass ein magnetisches Drehfeld zur Drehung des Rotors erzeugt wird. Insofern wirkt die Endstufe praktisch als Wechselrichter, wobei auch eine PWM-Taktung zur Drehzahleinstellung erfolgen kann.
Ansteuerschaltungen sind außerdem auch allgemein als Wechselrichter oder
Frequenzumrichter für andere Verwendungen bekannt. Die Leistungstransistoren können entweder als diskrete Bauelemente auf einem Träger, z. B. einer Leiterplatte, angeordnet oder in einem Modul auf einem
gemeinsamen Substrat integriert sein. Zudem können sie auf einem Kühlkörper angeordnet und z. B. als Bipolartransistoren, IGBT's oder MOSFETs ausgeführt sein.
Theoretisch unterliegen Halbleiterbauelemente keiner Lebensdauer-Beschränkung. In der Praxis kommt es aber dennoch zu Alterungsprozessen und Totalausfällen von Leistungstransistoren, d.h. Halbleiterbauteile haben im praktischen Einsatz
erfahrungsgemäß eine endliche Lebensdauer.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, Mittel zu schaffen, um den Alterungsprozess von Leistungstransistoren überwachen und ein nahes Ende der Lebensdauer feststellen und signalisieren zu können.
Erfindungsgemäß wird dies bei einer Ansteuerschaltung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 erreicht durch einen zusätzlichen, gleichartigen, im Betriebsmodus der Leistungstransistoren unbelasteten Referenztransistor, der zusammen mit den
Leistungstransistoren auf einem gemeinsamen Träger oder Substrat angeordnet oder gebildet ist, sowie durch Mittel zum Beaufschlagen des Referenztransistors und mindestens eines der Leistungstransistoren in einem Testmodus mit jeweils einem Prüfstrom und zum Messen der jeweils zugehörigen Sättigungsspannung sowie zum Auswerten einer aus den gemessenen Sättigungsspannungen des Referenztransistors und des jeweiligen Leistungstransistors resultierenden Sättigungsspannungsdifferenz unter Berücksichtigung der während der Messung herrschenden Träger-/Substrat- Temperatur als Kriterium für einen Alterungsprozess und eine - anhand von
Erfahrungswerten - noch zu erwartende Rest-Lebensdauer der Leistungstransistoren.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zusätzliche Mittel vorgesehen zum Erfassen und Auswerten einer Änderungsgeschwindigkeit der jeweils in aufeinanderfolgenden Testmodi erfassten Sättigungsspannungsdifferenzen als zusätzliches Kriterium für den Fortschritt des Alterungsprozesses. Dabei wird die Änderungsgeschwindigkeit pro Zeiteinheit oder pro Lastwechsel berücksichtigt.
Ein neuartiges Verfahren zum Überwachen von Leistungstransistoren in einer solchen elektronischen Ansteuerschaltung hinsichtlich ihrer zu erwartenden Rest-Lebensdauer ist Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 10, wonach in einem Testmodus der Ansteuerschaltung für mindestens einen der Leistungstransistoren dessen
Sättigungsspannung gemessen und mit der ebenfalls unter gleichen
Umgebungsbedingungen gemessenen Sättigungsspannung eines zusätzlichen, gleichartigen, zusammen mit den Leistungstransistoren auf einem gemeinsamen Träger oder Substrat vorgesehenen, in einem Betriebsmodus der Ansteuerschaltung unbelasteten Referenztransistor verglichen wird, wobei eine daraus resultierende Sättigungsspannungsdifferenz unter Berücksichtigung der während der Messung vorhandenen Temperatur des Trägers (z. B. Kühlkörpers) oder des Substrats als Kriterium für den Fortschritt eines Alterungsprozesses und für die noch zu erwartende Rest-Lebensdauer der Leistungstransistoren anhand von zuvor empirisch ermittelten und gespeicherten Erfahrungswerten ausgewertet wird. Vorzugsweise wird zusätzlich eine Änderungsgeschwindigkeit der jeweils in nacheinander durchgeführten Testmodi erfassten Sättigungsspannungsdifferenzen erfasst und als Kriterium für die Rest- Lebensdauer ausgewertet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen 3 bis 9 und 12 bis 17 sowie auch in der nachfolgenden Beschreibung enthalten.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass vor allem die Einbettung eines
Halbleiter-Chip in ein Gehäuse und die elektrischen Anbindungen des Chip an die eigentlichen äußeren Bauteil-Anschlüsse wesentliche, die Lebensdauer
beeinflussende Faktoren sind. Zwei Hauptfaktoren sind dabei einerseits die so genannten Bondungen an der Chip-Oberseite sowie andererseits die Lötverbindungen des Chip auf einer elektrisch leitenden„Unterlage", die beispielsweise ein lead frame oder eine Cu-kaschierte Keramik sein kann. Diese Lötverbindungen werden durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Chip, Lot und jeweiliger Unterlage mit jedem Lastzyklus gestresst. Je schneller ein Temperaturanstieg im Chip während eines Lastwechsel ausfällt, umso größer wird die mechanische Stress-Belastung im Bereich der Lötungen, und umso stärker der Einfluss auf die Lebensdauer dieser Verbindungen. Die wiederholten Stress-Belastungen führen zu Delaminationen des Halbleiter-Chip von der Unterlage, wobei diese Delaminationen von den Kanten des Chip zum Mittelpunkt hin auf der Unterseite des Chip fortschreiten. Durch die zunehmende Delamination wird insbesondere der thermische Widerstand der
Lötverbindungen höher. Deshalb steigt bei gleicher Verlustleistung die
Absoluttemperatur des Chip mit zunehmender Lastzyklenzahl immer weiter an.
Übersteigt diese Temperatur eine maximal zulässige Chiptemperatur von in aller Regel 150° bis 175°C kommt es zur Zerstörung des Halbleiter-Chip. Weiterhin wurde erkannt, dass die Sättigungsspannung, d.h. die Kollektor-Emitter-Spannung im voll
durchgesteuerten Zustand des Transistors, direkt abhängig ist von Strom und
Temperatur. Je höher die Chip-Temperatur ist, umso höher ist auch die
Sättigungsspannung.
Erfindungsgemäß wird daher in eigens dazu vorgesehenen Testphasen - außerhalb des eigentlichen Betriebs der Ansteuerschaltung - jeweils die Sättigungsspannung gemessen und mit einem Initialwert verglichen, um dadurch über die Betriebs- und Lebensdauer hinweg eine Änderung zu erfassen, die als Kriterium für den zuvor beschriebenen Alterungsprozess genutzt wird, und zwar anhand von zuvor empirisch ermittelten, in einer Steuereinheit abgespeicherten Erfahrungswerten. Hierbei wird vorteilhafterweise als Initialwert die jeweils aktuell unter denselben
Umgebungsbedingungen gemessene Sättigungsspannung des Referenztransistors verwendet. Der Vergleich der Messwerte bezogen auf das Referenzbauteil erspart vorteilhafterweise die Notwendigkeit einer hochgenauen Temperaturerfassung der einzelnen Bauteile, da die Sättigungsspannung ja temperaturabhängig ist.
Vorteilhafterweise ist daher eine„grobe" Temperatur-Erfassung ausreichend; es braucht nur festgestellt zu werden, in welchem Temperaturbereich die Temperatur des Trägers, z. B. eines vorhandenen Kühlkörpers, oder des gemeinsamen Substrates während der jeweiligen Messung liegt. Die in der Steuereinheit abgespeicherten Erfahrungswerte sind bestimmten Temperaturbereichen zugeordnet, weil die
Sättigungsspannungen und die erfassten Differenzen ja auch temperaturabhängig sind. So fallen bei geringen Temperaturen die Differenzen anders aus als bei höheren Temperaturen (abhängig vom Temperaturkoeffizienten des verwendeten Bauteils bezüglich seiner Sättigungsspannung). Die Lebensdauer-Erfahrungswerte werden dann aus gespeicherten Tabellen für den jeweiligen Temperaturbereich anhand der jeweils ermittelten Sättigungsspannungsdifferenz und bevorzugt auch der jeweiligen Änderungsgeschwindigkeit pro Zeiteinheit oder pro Lastwechsel entnommen und für die Auswertung und Signalisierung der voraussichtlichen Rest-Lebensdauer berücksichtigt.
Erfindungsgemäß wird zudem davon ausgegangen, dass die Veränderung der Sättigungsspannung über die Lebenszeit an den Leistungstransistoren der
Ansteuerschaltung in etwa gleichartig verläuft, der Referenztransistor aber durch die deutlich reduzierte bzw. nicht vorhandene Betriebsbelastung annähernd bei seinen Initialwerten bleibt und über die Lebensdauer der Ansteuerschaltung somit als neuwertig angesehen werden kann.
Deshalb ist es grundsätzlich ausreichend, bei der erfindungsgemäßen Messung und Auswertung nur einen von mehreren vorhandenen Leistungstransistoren zu
berücksichtigen. Bevorzugt werden aber alle oder zumindest mehrere
Leistungstransistoren in die Prüfung einbezogen, wobei der Leistungstransistor mit der größten Sättigungsspannungsdifferenz und/oder der höchsten
Änderungsgeschwindigkeit als maßgeblich für den Fortschritt des Alterungsprozesses und für die noch zu erwartende Rest-Lebensdauer der Leistungstransistoren und somit der gesamten Ansteuerschaltung betrachtet wird, weil ja bei Ausfall nur eines
Leistungstransistors die gesamte Ansteuerschaltung ausfällt. Die gemessenen Sättigungsspannungen werden beispielsweise einem Mikrocontroller zur Auswertung zugeführt. Die dadurch ermittelte Differenz zwischen den gemessenen Sättigungsspannungen bzw. deren Änderungsgeschwindigkeit gibt Aufschluss über den Fortschritt des Alterungsprozesses der Lötverbindungen zwischen Chip und Unterlage, d.h. über die Delamination. Erfahrungswerte kennzeichnen dann das unmittelbar bevorstehende Lebensdauerende bzw. die noch zu erwartende
Restlebensdauer.
Voraussetzungen für die Erfindung sind:
Die Leistungstransistoren und der Referenztransistor müssen als Modul auf einem gemeinsamen Substrat oder als Einzelbauteile auf einer gemeinsamen Leiterplatte integriert sein.
Die Leistungstransistoren und der Referenztransistor müssen stets unter gleichen Umgebungsbedingungen stehen,
beispielsweise Temperatur, Vibration, Schockbeanspruchungen.
Der erfindungsgemäße Testmodus kann beispielsweise vor jedem Start des
eigentlichen Betriebsmodus der Ansteuerschaltung durchgeführt werden und/oder in vorher festgelegten, regelmäßigen oder auch unregelmäßigen Zeitintervallen unter Unterbrechung des Betriebsmodus. Der Testmodus wird jeweils über eine
Steuereinheit ausgelöst und durchgeführt. Zusätzlich erfolgt eine Erfassung der Temperatur der gesamten Anordnung zur Einbindung in die Auswertung, d.h. die jeweilige Bauteil-, Substrat- oder Kühlkörper-Temperatur wird kombinatorisch in den Auswertungsprozess mit einbezogen.
Anhand der Zeichnungen und am Beispiel einer Ansteuerschaltung für einen EC-Motor soll die Erfindung im Folgenden genauer erläutert werden. Dabei zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild der Ansteuerschaltung mit dem
erfindungsgemäßen, zusätzlichen Referenztransistor,
Fig. 2 und 3 Schaltbilder ähnlich Fig. 1 in zwei verschiedenen Varianten mit zeitlich nacheinander durchgeführten Messungen der
Sättigungsspannungen und
Fig. 4 und 5 weitere Schaltbilder in zwei verschiedenen Varianten mit
gleichzeitiger Messung der Sättigungsspannungen.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Zu der anschließenden Beschreibung wird ausdrücklich betont, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal des/jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels sowie auch unabhängig von den Merkmalskombinationen und Rückbeziehungen der Ansprüche eine erfinderische Bedeutung haben.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist eine elektronische Ansteuerschaltung 1 als Kommutierungselektronik 2 eines EC-Motors M ausgebildet, wobei der Motor M dreisträngig mit drei Motor- bzw. Statorwicklungen U, V, W ausgeführt sein kann. Grundsätzlich ist auch eine einsträngige Ausführung möglich. Sonstige Bestandteile des Motors M, wie sein Rotor, sind in den Zeichnungsfiguren nicht dargestellt.
Bei der dreisträngigen Ausführung können die Wicklungen U, V, W - wie beispielhaft dargestellt ist - in Dreieckschaltung, alternativ aber natürlich auch in Sternschaltung verschaltet sein. Zur Ansteuerung sind hierbei sechs Leistungstransistoren T1 bis T6 in einer Brücken-Endstufe vorgesehen, wobei in jedem von drei parallelen Brückenzweigen zwei Leistungstransistoren in Reihe liegen und die Wicklungen U, V, W jeweils zwischen den Leistungstransistoren an die Brückenzweige angeschlossen sind. Wie nur in Fig. 1 stark vereinfacht durch einen Pfeil 4 angedeutet ist, werden die Leistungstransistoren T1 bis T6 von einer elektronischen Steuereinheit 6 zur
Kommutierung angesteuert, um ein magnetisches Drehfeld für den Rotor zu erzeugen. Zusätzlich kann auch eine PWM-Taktung zur Einstellung oder Regelung der Motor- Drehzahl erfolgen. Diese Kommutierungssteuerung ist allgemein bekannt und bedarf hier keiner weiteren Erläuterung.
Die Wicklungen U, V, W werden über die Endstufe üblicherweise aus einem
Gleichspannungs-Zwischenkreis ZK versorgt, wobei die Zwischenkreisspannung UZK über einen Gleichrichter 8 aus einer ein- oder dreiphasigen Netzspannung UN bereitgestellt werden kann. Die Endstufe mit den Leistungstransistoren T1 bis T6 wirkt somit als gesteuerter Wechselrichter.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass für eine einsträngige Motor-Ausführung eine Brückenschaltung mit vier Leistungstransistoren in zwei Brückenzweigen ausreicht.
Erfindungsgemäß weist die Ansteuerschaltung 1 - zusätzlich zu den
Leistungstransistoren T1 bis T6 - einen weiteren, gleichartigen Leistungstransistor als Referenztransistor Ttest auf. Dieser Referenztransistor Ttest hat in einem normalen Betriebsmodus der Ansteuerschaltung 1 keine Funktion, so dass er unbelastet und daher auch keiner lastbedingten Alterung unterworfen ist. Allerdings ist der
Referenztransistor Ttest zusammen mit den Leistungstransistoren T1 bis T6 auf einem gemeinsamen Träger - Substrat, Leiterplatte und/oder Kühlkörper - angeordnet, d.h. er kann in einem Leistungsmodul auf derselben Keramik integriert sein oder als Einzelbauteil auf demselben Träger sitzen. Dadurch ist er den gleichen
Umgebungsbedingungen, wie insbesondere Temperatur und mechanischen
Einflüssen, wie die Leistungstransistoren T1 bis T6 ausgesetzt. Weiterhin ist die Steuereinheit 6 derart ausgelegt, dass sie in einem Testmodus der Ansteuerschaltung 1 - vor dem eigentlichen Betriebsmodus oder diesen
unterbrechend - den Referenztransistor Ttest und mindestens einen der
Leistungstransistoren T1 bis T6 ansteuert und jeweils mit einem Prüfstrom beaufschlagt, um die jeweilige Sättigungsspannung, und zwar die Kollektor-Emitter- Spannung UCE im voll durchgesteuerten Zustand zu messen. Durch Vergleich der Messwerte wird eine Sättigungsspannungsdifferenz ermittelt, die - anhand von zuvor empirisch ermittelten und in der Steuereinheit 6 gespeicherten
Erfahrungswerten - als Kriterium für einen Alterungsprozess und eine noch zu erwartende Rest-Lebensdauer der Leistungstransistoren T1 bis T6 ausgewertet wird. Vorzugsweise wird zusätzlich über mehrere aufeinanderfolgende Testphasen ermittelt, mit welcher Änderungsgeschwindigkeit pro Zeiteinheit oder pro
Lastwechsel sich die jeweiligen Sättigungsspannungsdifferenzen verändern, und die jeweilige Änderungsgeschwindigkeit wird als weiteres wichtiges Kriterium für den Alterungsprozess mit in die Auswertung einbezogen.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 bis 5 wird die jeweilige
Sättigungsspannung an mehreren der Leistungstransistoren gemessen, und zwar insbesondere an jeweils mindestens einem Leistungstransistor jedes
Brückenzweiges. Bevorzugt erfolgt die Messung aufgrund der einfacheren
Messbarkeit an den so genannten Lowside-Transistoren T4, T5, T6. Dadurch werden die Sättigungsspannungen UCET4, UCETS und UCET6 gemessen und mit der Sättigungsspannung UcEtest des Referenztransistor Ttest verglichen. Werden mehrere oder sogar alle vorhandenen Leistungstransistoren in die Messung und Auswertung einbezogen, so ist derjenige Leistungstransistor für den Fortschritt des
Alterungsprozesses maßgeblich, bei dem die größte Sättigungsspannungsdifferenz und/oder die höchste Änderungsgeschwindigkeit festgestellt wird, weil ja mit Ausfall nur eines - des„schlechtesten" - Leistungstransistors die gesamte
Ansteuerschaltung ausfällt. Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 wird der jeweilige Transistor zur Beaufschlagung mit dem Prüfstrom mit einer Konstantstromquelle 10 verbunden. Bei dieser
Ausführung gemäß Fig. 2 erfolgen die Messungen zeitlich nacheinander über einen Umschalter 12.
Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 werden die jeweiligen Transistoren zur
Beaufschlagung mit dem Prüfstrom über einen Widerstand R mit dem
Gleichspannungs-Zwischenkreis ZK verbunden, wobei gemäß Fig. 3 die Messungen - analog zu Fig. 2 - zeitlich nacheinander über den Umschalter 12 erfolgen.
Bei der weiteren Variante nach Fig. 4 werden alle zu messenden Transistoren über einen Mehrfachschalter 14 gleichzeitig mit dem jeweiligen Prüfstrom beaufschlagt, wobei für jeden Transistor eine eigene gleichartige Konstantstromquelle 10 vorgesehen ist.
Schließlich ist auch bei der Ausführung gemäß Fig. 5 eine gleichzeitige Messung über den Mehrfachschalter 14 vorgesehen, wobei der Prüfstrom für jeden Transistor aus dem Zwischenkreis ZK über je einen gleichen Widerstand R zugeführt wird.
Im Falle der Ausführungen gemäß Fig. 4 und 5 handelt es sich um eine parallele Mehrfachmessung mit gleichzeitiger Bestimmung der einzelnen
Sättigungsspannungen und Spannungsdifferenzen.
Die Steuereinheit 6 weist nicht dargestellte Speichermittel zum tabellenartigen Hinterlegen von bestimmten Erfahrungswerten der Sättigungsspannungsdifferenzen und bevorzugt von deren Änderungsgeschwindigkeit pro Zeit oder pro Lastwechsel unter Zuordnung zur Substrat-/Kühlkörpertemperatur während der Messung und zu bestimmten Zuständen eines Alterungsprozesses der Leistungstransistoren T1 bis T6 auf. Dadurch kann anhand der jeweils in dem/jedem Testmodus ermittelten Sättigungsspannungsdifferenzen und/oder der über mehrere Testmodi ermittelten Änderungsgeschwindigkeit sowie unter Berücksichtigung der jeweiligen Temperatur auf das Stadium des Alterungsprozesses und somit auch auf die noch zu erwartende Rest-Lebensdauer geschlossen werden.
Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung 1 weist zweckmäßige Mittel zum
Anzeigen der Rest-Lebensdauer und/oder zum Erzeugen eines optischen und/oder akustischen Warnsignals für einen bevorstehenden Ausfall mindestens eines der Leistungstransistoren T1 bis T6 auf.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Es wird ausdrücklich betont, dass die Ausführungsbeispiele nicht auf alle Merkmale in Kombination beschränkt sind, vielmehr kann jedes einzelne
Teilmerkmal auch losgelöst von allen anderen Teilmerkmalen für sich eine
erfinderische Bedeutung haben. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im jeweiligen unabhängigen Anspruch definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten
Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des jeweiligen unabhängigen Anspruchs weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.

Claims

Ansprüche
1. Elektronische Ansteuerschaltung (1 ) für ein elektrisches Gerät, insbesondere in einer Ausbildung als Kommutierungselektronik (2) eines EC-Motors (M), mit mehreren Leistungstransistoren (T1 - T6), die in einem Betriebsmodus zum Ansteuern des Gerätes gesteuert werden,
gekennzeichnet durch einen zusätzlichen, gleichartigen, im Betriebsmodus der Leistungstransistoren (T1 - T6) unbelasteten Referenztransistor (Ttest), der zusammen mit den Leistungstransistoren (T1 - T6) auf einem gemeinsamen Träger oder Substrat angeordnet oder gebildet ist, sowie durch Mittel zum Beaufschlagen des Referenztransistors (Ttest) und mindestens eines der Leistungstransistoren (T1 - T6) in einem Testmodus mit jeweils einem
Prüfstrom und zum Messen der jeweils zugehörigen Sättigungsspannung (UCE sat) sowie zum Auswerten einer aus den gemessenen Sättigungsspannungen (UcE sat) des Referenztransistors (Ttest) und des jeweiligen Leistungstransistors (T1 - T6) resultierenden Sättigungsspannungsdifferenz unter Berücksichtigung der während der Messung herrschenden Träger-/Substrat-Temperatur als Kriterium für einen Alterungsprozess und eine noch zu erwartende Rest- Lebensdauer der Leistungstransistoren (T1 - T6).
2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mittel zum Auswerten einer Änderungsgeschwindigkeit der jeweils in nacheinander durchgeführten
Testmodi erfassten Sättigungsspannungsdifferenzen vorhanden sind.
3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch eine elektronische Steuereinheit (6) zum Auslösen und Durchführen des jeweiligen Testmodus. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Leistungstransistor (T1 - T6) und der Referenztransistor (Ttest) zur Beaufschlagung mit dem Prüfstrom mit einer Konstantstromquelle (10) oder über einen Widerstand (R) mit einem
Gleichspannungs-Zwischenkreis (ZK) verbindbar sind.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (T1 - T6, Ttest) über einen Umschalter (12) einzeln zeitlich nacheinander mit dem Prüfstrom
beaufschlagbar sind.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (T1 - T6, Ttest) über einen
Mehrfachschalter (14) gleichzeitig mit dem jeweiligen Prüfstrom beaufschlagbar sind.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet durch Speichermittel zum Hinterlegen von bestimmten Erfahrungswerten der Sättigungsspannungsdifferenz und vorzugsweise deren Änderungsgeschwindigkeit unter Zuordnung zu bestimmten Zuständen eines Alterungsprozesses der Leistungstransistoren (T1 - T6) und unter
Berücksichtigung der Träger-/Substrat-Temperatur.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet durch Mittel zum Anzeigen der Rest-Lebensdauer und/oder zum Erzeugen eines Warnsignals für einen bevorstehenden Ausfall mindestens eines der Leistungstransistoren (T1 - T6).
9. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass vier oder sechs Leistungstransistoren (T1 - T6) jeweils paarweise in Reihe in zueinander parallelen Brückenzweigen einer Brückenschaltung angeordnet sind, wobei in dem/jedem Testmodus an mindestens einem der beiden Leistungstransistoren (T4 - T6) jedes
Brückenzweiges, insbesondere nur an dem so genannten Lowside-Transistor jedes Brückenzweiges, die Sättigungsspannung gemessen und diese in die Auswertung einbezogen wird.
10. Verfahren zum Überwachen von Leistungstransistoren (T1 - T6) in einer
elektronischen Ansteuerschaltung (1 ) für ein elektrisches Gerät, insbesondere in einer Kommutierungselektronik (2) eines EC-Motors (M), hinsichtlich ihrer zu erwartenden Rest-Lebensdauer,
wobei in einem Testmodus der Ansteuerschaltung (1 ) für mindestens einen der Leistungstransistoren (T1 - T6) dessen Sättigungsspannung (UCE) gemessen und mit der ebenfalls unter gleichen Bedingungen gemessenen
Sättigungsspannung (UcE test) eines zusätzlichen, gleichartigen, zusammen mit den Leistungstransistoren (T1 - T6) auf einem gemeinsamen Träger oder Substrat vorgesehenen, in einem Betriebsmodus der Ansteuerschaltung (1 ) unbelasteten Referenztransistors (Ttest) verglichen wird, wobei eine daraus resultierende Sättigungsspannungsdifferenz unter Berücksichtigung der während der Messung herrschenden Träger-/Substrat-Temperatur als Kriterium für den Fortschritt eines Alterungsprozesses und für die noch zu erwartende Rest-Lebensdauer der Leistungstransistoren (T1 - T6) ausgewertet wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei zusätzlich eine Änderungsgeschwindigkeit der jeweils in nacheinander durchgeführten Testmodi erfassten Sättigungsspannungsdifferenzen erfasst und als Kriterium für die Rest-Lebensdauer ausgewertet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 ,
wobei die jeweils ermittelte Sättigungsspannungsdifferenz und vorzugsweise deren Änderungsgeschwindigkeit mit gespeicherten, einen Alterungsprozess charakterisierenden Erfahrungswerten unter Berücksichtigung der Träger- /Substrat-Temperatur verglichen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
wobei anhand der Auswertung der jeweiligen Sättigungsspannung bei Erreichen eines bestimmten Wertes der Sättigungsspannungsdifferenz und/oder deren Änderungsgeschwindigkeit ein Signal zur Anzeige der Rest-Lebensdauer und/oder eines bevorstehenden Endes der Lebensdauer der
Leistungstransistoren (T1 - T6) generiert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
wobei der Testmodus von einer Steuereinheit (6) vor jedem Betrieb der
Ansteuerschaltung (1 ) und/oder in bestimmten Zeitabständen während des Betriebs durch Umschalten aus dem Betriebsmodus ausgelöst und durchgeführt wird, und wobei nach dem/jedem Testmodus in den Betriebsmodus
umgeschaltet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
wobei im Testmodus jeweils für mehrere Leistungstransistoren (T4, T5, T6) der Ansteuerschaltung (1 ) deren Sättigungsspannungen (UCE) gemessen werden, wobei der Leistungstransistor mit der größten Sättigungsspannungsdifferenz und/oder der höchsten Änderungsgeschwindigkeit als maßgeblich für den Fortschritt des Alterungsprozesses und die noch zu erwartende Rest- Lebensdauer der Leistungstransistoren (T1 - T6) betrachtet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15,
wobei die Messungen der Sättigungsspannungen (UCE) der
Leistungstransistoren (T4 - T6) und des Referenztransistors (Ttest) zeitlich nacheinander oder gleichzeitig erfolgen.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16,
wobei im Testmodus der jeweilige Leistungstransistor (T4 - T6) und der Referenztransistors (Ttest) gleichartig mit einem Prüfstrom aus einer Konstantstromquelle (10) oder über einen Widerstand (R) aus einem Gleichspannungs-Zwischenkreis (ZK) beaufschlagt werden.
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