WO2017102262A1 - Verfahren und vorrichtung zur detektion einer alterung einer ein halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen vorrichtung und leistungselektronisches system - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur detektion einer alterung einer ein halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen vorrichtung und leistungselektronisches system Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for detecting aging of a power electronic device comprising a semiconductor device and to a power electronic system.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the calculation approach used includes Robustness Margin safety margins, which can lead to overdimensioning of the power module Increasingly high power densities require the operation of a power module close to its load limit and the reduction of safety margins difficult.
  • the present invention provides an improved method and an apparatus for detecting an aging of a power electronic device comprising at least one semiconductor device and an improved power electronic system according to the main claims.
  • Advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims and the description below.
  • the aging of a power electronic device comprising at least one semiconductor component can advantageously be analyzed via a semi-sinusoidal excitation of the semiconductor component.
  • a corresponding method for detecting an aging of a power electronic device comprising at least one semiconductor component comprises the following steps:
  • an excitation signal that is configured to cause a flow of an at least approximately semi-sinusoidal excitation current through the semiconductor device to introduce a power loss into the semiconductor device
  • a power electronic device can be understood as a circuit which comprises at least one semiconductor component, for example in the form of a transistor or a diode.
  • the semiconductor device may be a power semiconductor device, as used in power electronics. Aging may involve electrical or thermal contact within the power electronic device. By aging, for example, an electrical or thermal resistance of such contact can increase. By the aging value, for example, a degree of aging or a state of such contact according to a predefined scale can be displayed.
  • the excitation signal can be understood to mean an electrical signal by means of which the semiconductor component can be driven directly, or at least one further component of the power electronic device, through which the semiconductor component flows through the semi-sinusoidal excitation current. Alternatively, the excitation signal may also represent the excitation current.
  • At least approximately half-sinusoidal can be understood to mean a profile of the excitation current, which can be regarded as a half-oscillation. So that the excitation current can flow through the semiconductor component, the semiconductor component can be operated in the forward direction.
  • the excitation current can have a standard size in power electronics, for example a maximum value of more than 50 A.
  • a frequency of the excitation current can, for example, between 0.5 Hz and 2 Hz. The frequency may correspond or approximate a low-pass frequency of a substrate, in particular a ceramic substrate to which the semiconductor device is soldered.
  • the excitation current By means of the excitation current, an at least approximately half-sinusoidal power loss can be supplied to the semiconductor component, which leads to a change in the temperature of the semiconductor component.
  • the semi-sinusoidal excitation current can cause a vibration in the course of the temperature.
  • the temperature may be understood to mean a temperature in the interior of the semiconductor component, for example a junction temperature, also referred to as junction temperature.
  • the temperature signal can be determined by performing a suitable measurement method. The temperature can be detected while the semiconductor component is flowing through the excitation current.
  • the approach described makes it possible to identify and monitor the aging state of a power module installed in an inverter, for example.
  • an aging-related, spontaneous module failure can advantageously be avoided.
  • costs can be saved and the reliability can be increased.
  • a production-ready solution for determining the state of aging of the power module and the cooling system within a power electronic system (“onboard”) is made possible.
  • the step of determining the aging value may be determined using an amplitude of the temperature signal.
  • the amplitude of a vibration of the temperature signal can be easily detected and is advantageously associated with aging on the semiconductor element.
  • in the step of determining the aging value may be determined using a minimum value of the temperature signal.
  • the minimum value of the temperature signal can also be easily detected and is advantageously associated with aging at a heat sink of the semiconductor element.
  • the step of determining the aging value may be determined by a comparison between the amplitude and a reference amplitude.
  • the aging value may be determined by a comparison between the minimum value and a reference minimum value.
  • the reference amplitude and the reference minimum value may represent reference values associated with a predetermined aging condition. It is also possible to provide a plurality of reference amplitudes and a plurality of reference minimum values as comparison values in order to be able to determine the degree of aging very precisely.
  • an aging value indicative of an aging on the semiconductor component can be determined if the amplitude is greater than the reference amplitude.
  • a second aging value indicating aging of a cooling device of the power electronic device may be determined when the minimum value is greater than the reference minimum value. In this way, an aging related to the semiconductor device and the cooling device can be separately determined and displayed.
  • the aging value may be determined by a comparison between a thermal resistance and a reference thermal resistance.
  • the thermal resistance can be determined using the amplitude, the minimum value and the power loss entered into the semiconductor component. In this way, the aging can be determined directly from a value of a thermal resistance within the power electronic device.
  • the aging value may be determined using a mean amplitude and additionally or alternatively using a mean minimum value of the temperature signal.
  • the averaging can take place over a plurality of half waves. This results in a large time constant, by which the accuracy of the determination of the aging can be increased.
  • the aging value in the step of determining the aging value may be determined when the temperature signal has a steady state.
  • the steady state represents a defined measurement state, so that at different times certain aging values are comparable with each other.
  • the temperature signal can be read in via an interface to a resistor integrated in the semiconductor component.
  • a resistor integrated in the semiconductor component.
  • Such a resistance enables a very accurate detection of the temperature prevailing in the interior of the semiconductor tree element.
  • semiconductor tree elements are usually provided with such a resistor, for example in the form of a gate resistor, and known methods for detecting the temperature using such a resistor can be used.
  • the semiconductor tree element may be a transistor.
  • the excitation signal can be provided to a control input of the transistor.
  • the excitation current can be adjusted in this way directly using the semiconductor device.
  • the power electronic device may comprise at least one further semiconductor device.
  • the step of providing the excitation signal can be provided, which can be designed to effect a flow of a further semi-sinusoidal excitation current through the further semiconductor component for inputting a further power loss into the further semiconductor component.
  • a further temperature signal can be read, which maps a time profile of the temperature of the further semiconductor component.
  • a further aging value representing the aging of the power electronic device can be determined using the further temperature signal. In this way, an aging value assigned to the respective semiconductor component can be determined for each semiconductor component of the power electronic device.
  • one and the same excitation signal may be provided to the semiconductor devices, or the excitation signal may include a plurality of partial excitation signals provided to the semiconductor devices.
  • the partial excitation signals can be matched to each other so that each of the semiconductor components is traversed by a semi-sinusoidal excitation current. This is suitable, for example, in the case of a bridge circuit comprising at least two semiconductor components.
  • the excitation currents of the individual semiconductor components may be identical or different, for example phase-shifted from one another.
  • An apparatus for detecting an aging of a power electronic device comprising at least one semiconductor device has the following features:
  • supply means for providing an excitation signal configured to cause a flow of an at least approximately half sinusoidal excitation current through the semiconductor device to introduce a power dissipation into the semiconductor device;
  • a read-in device for reading a temperature signal, which maps a time profile of the temperature of the semiconductor component
  • determining means for determining an aging value representing the aging of the power electronic device using the temperature signal determining means for determining an aging value representing the aging of the power electronic device using the temperature signal.
  • the provision device may be an already required driver circuit for operating the semiconductor device.
  • An example of such a driver circuit is a pulse width modulation driver of an inverter.
  • the apparatus may include means configured to implement the steps of an embodiment of said method of detecting aging of a power electronic device comprising at least one semiconductor device.
  • a device can be an electrical device which processes electrical signals, for example sensor signals, and, depending on these, control signals. Outputs signals.
  • the device may have one or more suitable interfaces, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces may be part of an integrated circuit in which functions of the device are implemented.
  • the interfaces may also be their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • a corresponding power electronic system with a power electronic device comprising at least one semiconductor component has a device for detecting an aging of the power electronic device.
  • the device can be advantageously integrated as a supplement to a known power electronic system.
  • an example of such a power electronic system is an inverter.
  • the semi-sinusoidal excitation current is an obvious system excitation within an inverter. Therefore, to provide the excitation signal on existing anyway in an inverter driver circuits can be used.
  • the semiconductor device may be a bipolar transistor, in particular an insulated gate bipolar transistor.
  • the excitation current may represent a current flowing between the emitter and the collector of the bipolar transistor.
  • the semiconductor component may represent a field effect transistor and the excitation current a current flowing between the drain and source of the field effect transistor.
  • the approach described is not limited to transistors but also applicable to other semiconductor devices.
  • the semiconductor device may represent a diode and the excitation current may represent a current flowing between the anode and the cathode of the diode.
  • the power electronic device may comprise a carrier, a substrate for thermal connection of the semiconductor component to the carrier and a heat sink.
  • the semiconductor component can be connected to the substrate via a solder connection and the heat sink can be connected to the carrier via a thermally conductive layer.
  • the aging value may indicate aging of the solder joint and, additionally or alternatively, aging of the thermally conductive layer.
  • a base plate or bottom plate Under a carrier, a base plate or bottom plate can be understood.
  • the substrate may consist of an electrically insulating material, for example of ceramic. In this way, the described approach can be used in connection with a typical structure of a power electronic system.
  • a computer program product with program code which can be stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program is installed on a computer or a device is also of advantage is performed.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a power electronic system according to an embodiment
  • FIG. 2 is a flowchart of a method for detecting an aging of a power electronic device according to an embodiment
  • FIG. 3 is a schematic representation of a power electronic device with a semiconductor device according to an embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a power electronic system having a plurality of semiconductor components according to an exemplary embodiment
  • 5 shows a representation of a semi-sinusoidal excitation current according to an embodiment
  • 6 is a schematic representation of an excitation of a power electronic system according to an embodiment
  • FIG. 7 shows a temperature signal of an unaged power electronic device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 9 shows a flow chart of a method for detecting an aging of a power electronic device according to an exemplary embodiment.
  • the power electronic system 100 includes a power electronic device 102 having a semiconductor device 104 and an apparatus 106 for detecting an aging on the power electronic device 102.
  • the device 106 is configured to provide an excitation signal 110 via an interface to the power electronic device 102, which is suitable for causing a semi-sinusoidal excitation of the semiconductor device 104.
  • the excitation signal 110 is suitable for causing a flow of a semi-sinusoidal excitation current 112 through the semiconductor device 104 and thus an input of a semi-sinusoidal power dissipation into the semiconductor device.
  • the excitation current 112 between emitter terminal and collector terminal or flow between drain and source may, according to one embodiment, be regarded as a control signal which is provided to a control input of the semiconductor device 104.
  • the excitation current 112 may flow between the anode terminal and the cathode terminal of the semiconductor device 104.
  • the excitation signal 110 may correspond to the excitation current 112, represent an excitation voltage dropping across the semiconductor device 104, causing the excitation current 112 through the semiconductor device 104, or representing a control signal to drive a device of the power electronic device 102 in that the semiconductor component 104 is flowed through by the excitation current 112.
  • the semiconductor device 104 is supplied via the excitation current 112, a power loss.
  • the excitation current 112 thus leads to heating of the semiconductor component 104.
  • the heat arising in the semiconductor component 104 is dissipated from the semiconductor component 104 by heat radiation or heat dissipation. Due to the semi-sinusoidal profile of the excitation current, the temperature in the interior of the semiconductor component 104 rises and falls alternately.
  • the device 106 is designed to read in a temperature signal 114 via an interface to the power electronic device 102.
  • the temperature signal 114 forms the temperature prevailing in the interior of the semiconductor component 104.
  • the temperature signal 114 is detected using a temperature sensing resistor 116 integrated with the semiconductor device 104.
  • the device 106 is configured to determine a state of the power electronic device 102 concerning the aging of the power electronic device 102 using the temperature signal 114. According to one In the exemplary embodiment, the device 100 is designed to provide an aging value 118 that indicates whether aging of the power electronic device 102 is present or not.
  • the device 106 has a provision device 120, a read-in device 122 and a determination device 124.
  • the deployment device 120 is configured to provide the excitation signal 110.
  • the provisioning device 120 may be embodied, for example, as a driver device for driving the semiconductor device 104 or another circuit element, as a power source for providing the excitation current 112, or even as a line for guiding the excitation current 112.
  • the provisioning device 120 is a device that is anyway required for the operation of the power electronic device 102 and executes the provision of the excitation current as an additional function or in the context of a normal operation.
  • the provision device 120 is designed to provide the excitation signal 110 during a normal operation of the power electronic device 102 and in particular during normal operation of the semiconductor device 104.
  • the excitation current 112 is a current through which the semiconductor device 104 flows during normal operation.
  • the excitation signal 110 is provided while the semiconductor device 104 is in a test mode out of normal operation.
  • the read-in device 122 is designed to read in the temperature signal 114.
  • the read-in device 122 further comprises a detection device, which is designed to detect the temperature signal 114.
  • the determination device 124 is designed to determine the aging value 118 from the temperature signal 114 using a suitable determination rule or to determine from values determined from the temperature signal 114.
  • the determination device 124 has, for example, a comparison device or a look-up table.
  • At least one of the devices 120, 122, 124 of the device 106 may be integrated in the power electronic device 102.
  • at least one of the devices 120, 122, 124 can be realized at least partially by a device which is required in any case for the operation of the power electronic device 102.
  • the determining means 124 is configured to evaluate an amplitude of the temperature signal 114 to determine the aged value 118.
  • the determining device 124 is designed in accordance with one embodiment to determine the aging value 118 based on at least one amplitude of the temperature signal 114 located in a steady state.
  • the determining means 124 is configured to determine the aged value 118 based on an average amplitude of the temperature signal 114 according to one embodiment.
  • An aging value 118 determined in this way is suitable, for example, for indicating an aging in the region of a solder joint of the semiconductor component 104.
  • the determination device 124 is additionally or alternatively configured to evaluate a minimum value of the temperature signal 114 in order to determine the aging value 118.
  • the determination device 124 according to an exemplary embodiment is designed to determine the aging value 118 based on the minimum value of the temperature signal 114 in the steady state state.
  • the determination device 124 is designed in accordance with an exemplary embodiment, to determine the aging value 118 based on a mean minimum value of the temperature signal 114.
  • An aging value 118 determined in this way is suitable, for example, for indicating aging in the region of a cooling device of the semiconductor component 104.
  • the determining means 124 is configured to provide two aging values, one of the aging values being provided using the amplitude and the other aging value using the minimum value of the temperature signal 114.
  • FIG. 2 shows a flow chart of a method for detecting an aging of a power electronic device comprising at least one semiconductor component according to an exemplary embodiment.
  • the method comprises a step 220, in which an excitation signal is provided, via which the input of a power loss having an at least approximately semi-sinusoidal profile is effected in the semiconductor component. In particular, a flow of an at least approximately semi-sinusoidal excitation current through the semiconductor component is effected via the excitation signal.
  • a temperature signal is read. The temperature signal forms a time profile of the temperature, in particular the temperature in the interior of the semiconductor device.
  • an aging value that represents the aging of the power electronic device is determined. The aging value is determined using the temperature signal.
  • steps 220, 222, 224 of the method may be implemented using devices of the device for detecting degradation of a power electronic device described with reference to FIG. 1, or may be implemented using devices of the power electronic device described with reference to FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a power electronic device 102 with a semiconductor component 104 according to one exemplary embodiment. This may be a known power electronic device, as used for example in connection with an inverter.
  • the semiconductor device 104 for example in the form of a chip, is connected to a substrate 332 via a solder connection 330.
  • the substrate 332 is arranged on a support, here a base plate 334, also called base plate.
  • the substrate 332 is embodied as a ceramic substrate and serves for the insulation and thermal connection of the semiconductor component 104 to the bottom plate 334.
  • a heat sink 336 is provided over a thermally conductive layer 338, for example in the form a sautpaste, arranged on the bottom plate 334.
  • the heat sink 336 has a passage 340 for passing a cooling liquid.
  • the heat generated in semiconductor device 104 by the application of power dissipation into semiconductor device 104 is conducted via solder joint 330, substrate 332, bottom plate 334, and thermally conductive layer 338 to heat sink 336, which serves as a heat sink ,
  • an aging in the area of the solder joint 330 and an aging in the area of the heat-conductive layer 338 can be detected.
  • At least one further semiconductor component 104 which is connected to the bottom plate 334 via another substrate, is arranged adjacent to the semiconductor component 104.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a power electronic system 100 having a power electronic device 102 comprising a plurality of semiconductor components 104, 404, 405, 406, 407, 408 according to one exemplary embodiment.
  • the semiconductor devices 104, 404, 405, 406, 407, 408 are exemplified in a B6 bridge circuit. on.
  • the semiconductor devices 104, 404, 405, 406, 407, 408 are, according to one embodiment, elements as described with reference to the preceding figures.
  • the semiconductor devices 104, 404, 405, 406, 407, 408 are implemented as transistors of a power electronic device 102 embodied as an inverter.
  • the power electronic device 102 has two input ports 410 and three output ports 412. In normal operation of the power electronic device 102, a DC voltage is applied between the input terminals 410, from which a three-phase AC voltage is generated by suitable driving of the semiconductor components 104, 404, 405, 406, 407, 408 and provided at the output terminals 412.
  • a provision device 120 which is designed to generate an excitation signal 110, which according to this embodiment comprises a plurality of partial excitation signals, at control terminals of the semiconductor devices 104, 404, 405, 406, 407, 408 provide.
  • the semiconductor components 104, 404, 405, 406, 407, 408 are driven in such a way that they are respectively flowed through by an at least approximately half-sinusoidal excitation current using the DC voltage applied to the input terminals 410.
  • the semiconductor components 104, 404, 405, 406, 407, 408 can be traversed by different, for example, phase-shifted excitation currents.
  • a PWM driver circuit is used as the providing means 120 used during normal operation of the power electronic device 102 embodied as an inverter for driving the semiconductor devices 104, 404, 405, 406, 407, 408.
  • a read-in device 122 is provided in order to read in a temperature signal 114 which according to this exemplary embodiment contains a plurality of partial-temperature signals. includes.
  • the individual partial temperature signals form prevailing temperatures in the individual semiconductor components 104, 404, 405, 406, 407, 408.
  • a determination device 124 is provided to determine an aging of the power electronic device 102 using the temperature signal 114. Due to the presence of the partial temperature signals, the determination device 124 is designed in accordance with an exemplary embodiment to determine and provide aging values assigned to the individual semiconductor components 104, 404, 405, 406, 407, 408.
  • the power electronic device 102 is a rectifier configured to convert the AC voltage applied to the terminals 412 into a DC voltage and to provide it to the terminals 410.
  • the semiconductor devices 104, 404, 405, 406, 407, 408 may be diodes.
  • the excitation signal can be regarded as the alternating voltage applied to the terminals 412, and the provision device can comprise, for example, the terminals 412 with the semiconductor components 104, 404, 405, 406, 407, 408 connecting lines.
  • FIG. 5 shows a representation of a semi-sinusoidal excitation, in particular a semi-sinusoidal excitation current 112, according to one exemplary embodiment. Shown is a diagram in which the time t is plotted in seconds on the abscissa and a current l A c in amperes on the ordinate. The current c shown has a sinusoidal waveform varying between -200 A and + 200 A. A positive half-wave of the current is supplied as excitation current 112 to a semiconductor device, also referred to as "device under test" (DUT), in order to bring about an excitation of the chip-near thermal resistance of the semiconductor component.
  • DUT device under test
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an excitation of a power electronic device 102 according to an exemplary embodiment.
  • the power electronic device 102 has a semiconductor component 104, here in the form of a chip, a substrate 332 and a cooling element.
  • System 636 which may include, for example, a coolant flowing through a heat sink.
  • the arrangement of semiconductor device 104 and substrate 332 may also be referred to as a power semiconductor module or power module.
  • the semiconductor component 104 is supplied with a power loss Pv which has an effect on a temperature, here the junction temperature Tj, in the interior of the semiconductor component 104.
  • the semiconductor device 104 is associated with a first thermal resistor Rt h i and the substrate 332 is associated with a second thermal resistor Rth2.
  • a semi-sinusoidal excitation of the chip-near thermal resistor R th i is effected by the excitation current.
  • heat energy is dissipated by means of a coolant having a temperature TFIU I CI.
  • Known failure phenomena of a power module 104, 332 are the detachment of bonding wires and the aging of internal module solder joints, as shown schematically in Figure 3 as a solder joint. Bond errors lead to an increase in the electrical supply resistance and can be monitored by measuring the collector-emitter voltage UCE at a defined collector current.
  • the detachment, also referred to as "lift-off" of a wire accelerates the detachment of further wires, as a result of which the module 104, 332 can fail within a very short period of time.Thus, the UcE measurement often allows only an end-of-line measurement. Life "- identification.
  • a measurement of the thermal impedance Z t h can additionally be carried out using the UcE method.
  • the power module is heated with a DC heating current and measured after its sudden shutdown, the cooling curve.
  • the power semiconductor 104 can additionally be heated with a heating pulse, which can be realized, for example, by means of a bridge short circuit with a reduced control voltage.
  • a heating pulse can be realized, for example, by means of a bridge short circuit with a reduced control voltage.
  • the UcE method can be used to measure the cooling curve and to deduce the aging of the power module.
  • the advantage of this method is the short-term heating of the semiconductor 104, while lower-lying material layers such as substrate 332 and base plate do not experience any temperature increase. Over the solder layer thus creates a large temperature difference, which improves the measurement accuracy. An identification of the cooling system status is not possible.
  • the realization of a heating pulse which can be realized, for example, by means of a bridge short circuit with a reduced control voltage.
  • Such methods may be used to supplement the approach described herein using semi-sinusoidal excitation.
  • aging identification methods which are based on a jump, pulse or rectangular system excitation and a measurement of the cooling behavior in the time domain with the UcE method
  • the approach described here using the semi-sinusoidal excitation eliminates the need for precise laboratory instrumentation and the requirement of an additional Schustromquelle.
  • a high degree of robustness against external disturbances and influences is given.
  • the approach using semi-sinusoidal excitation described herein provides an implementable and in-series solution for "onboard" aging identification of a power module 104, 332 and cooling system 636 integrated into, for example, a vehicle inverter or wind converter.
  • a pulse or square-wave system excitation and a temperature measurement in the time domain of the approach presented here ⁇ describes a semi-sinusoidal excitation with a low electrical frequency f e i 1 Hz.
  • This frequency is selected so that above the with If the thermal resistance R t hi (see thermal Cauer equivalent circuit diagram in FIG. 6) increases in a breakdown of the chip note, a particularly large temperature difference results periodically, as a result of which the measuring sensitivity of the R t hi monitoring improves.
  • this frequency is found at the low-pass frequency of the ceramic substrate 332 (R t 2, Qh2) in the range around f e 1 ⁇ 1 Hz.
  • the advantage of frequency excitation is the possibility of averaging the measured quantities over a longer period of time.
  • phase current l A c the positive half-wave by a semiconductor device 104 in the form of an IGBT ( "device under test") flows and leads to a half-sine wave power loss P v in the IGBT, is sketched in Fig. 5.
  • a pulse-controlled inverter it is thus possible to excite and measure all the semiconductor components 104, ie, for example, all IGBTs at the same time.
  • FIG. 7 shows a temperature signal 114 of a non-aged power electronic device according to one exemplary embodiment. It may be a power electronic device, as described with reference to the preceding figures.
  • FIG. 8 shows a temperature signal 114 of an aged power electronic device according to an embodiment.
  • the temperature cycles of a new and an aged power electronic device such as a power module, represented by the temperature signal 114, differ in that the temperature signal of the aged power electronic device has a greater amplitude 752.
  • the amplitude 752 ATj and the minimum junction temperature 750 Tj, M are measured in the temperature cycles resulting from the system excitation. Particularly advantageous is the measurement of these variables after achieving a steady state thermal over a longer period, eg. Over 30 seconds. This allows averaging the amplitude 752 and minimum temperature 750 over several temperature cycles and leads to a very accurate and robust measurement of these variables.
  • a suitable driver circuit For measuring the junction temperature and thus for generating the temperature signal 114, a suitable driver circuit can be used, as it is used in connection with a temperature measurement on a temperature measuring resistor of a semiconductor device.
  • An increase in the amplitude 752.sub.Aj marks the aging of the power module, in particular an aging of at least one solder joint used in the power module, whereas the minimum temperature 750 T.sub.min increases with the aging of the thermal compound and / or cooling system.
  • Figures 7 and 8 show based on the temperature signal 1 14, the junction temperature of a new and artificially aged here power module in the steady state thermal state.
  • amplitude 752 and minimum temperature 750 are determined according to an embodiment in regular diagnostic phases and compared, for example, with values stored at system delivery.
  • partial thermal resistances can be calculated and monitored from the registered power loss and the measured junction temperature.
  • FIG. 9 shows a flow chart of a method for detecting an aging of a power electronic device according to an exemplary embodiment. The procedure is carried out as part of a diagnostic phase. The method is illustrated as a flowchart of onboard aging identification.
  • a measurement or determination of the amplitude ⁇ Tj and the minimum temperature Tj, M in the 1 Hz temperature cycles takes place in the thermally steady state.
  • averaging of the amplitude ⁇ Tj and the minimum temperature Tj takes place. in over several cycles.
  • reference values ATj.Ref and Tj stored at system delivery are stored. in, Ref provided for the amplitude and the minimum temperature.
  • step 911 an aging state 913 of the power module and the cooling system is output.
  • step 903 is performed in the context of the providing step described with reference to FIG.
  • Step 905 may be performed prior to the read-in step described with reference to FIG. 2 by measuring the temperature of the semiconductor device.
  • step 905 may be performed together with optional step 907 and the
  • Step 911 in the context of the step of determining described with reference to FIG. 2, by first determining the amplitude and minimum temperature from the temperature signal and then used to determine the aging state 913.
  • Aging condition 913 may be considered as the aging value described with reference to FIG.
  • an embodiment of a method for detecting an aging of a power electronic device in the form of an inverter will be described in detail with reference to FIG. 9.
  • all IGBTs are stimulated in the same way.
  • the aging state of all IGBTs can be identified.
  • step 905 the amplitude ATj and the minimum value Tj.Min of the temperature cycles of the junction temperature of each IGBT are measured, read, or determined upon reaching a thermally swept state.
  • Exemplary values for the amplitude ⁇ Tj and the minimum value Tj, M in are mentioned, for example, with reference to FIGS. 7 and 8.
  • a suitable IGBT driver concept can be used to measure the junction temperature.
  • step 907 optionally an averaging of the measured amplitude ATj and the minimum value Tj iM is carried out over a plurality of sinusoidal half-waves, for example 15 half-waves. This allows a very accurate and robust measurement of the aging state without precise laboratory measurement.
  • amplitude and minimum temperature are determined according to an exemplary embodiment in regular diagnostic phases and are compared, for example, with reference values ⁇ Tj Ref and Tj.Min, Ref stored or subsequently supplied at system delivery.
  • thermal partial resistances Rth are calculated from registered power loss P v and measured amplitude and minimum temperature and compared with reference values Rthj.Ref. Started 901, the diagnostic phase according to an embodiment at defined time intervals such as maintenance or inspection intervals.
  • the aging state 913 of the power module and / or the cooling system can be output, for example as a digital value or as digital data.
  • the aging state 913 can also be displayed in the form of a traffic light.
  • the described method uses a diagnostic phase in which the power module to be examined is excited with a semi-sinusoidal power loss profile or phase current profile with a low electrical frequency and the amplitude and minimum temperature of the resulting temperature cycles are measured.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature
  • this can be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first Feature or only the second feature.

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Abstract

Ein Verfahren zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement (104) umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung (102) umfasst einen Schritt des Bereitstellens eines Anregungssignals (110), das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement (104) einen Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms (112) durch das Halbleiterbauelement (104) zu bewirken, einen Schritt des Einlesens eines Temperatursignals (114), das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Halbleiterbauelements (104) abbildet, und einen Schritt des Bestimmens eines die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung (102) repräsentierenden Alterungswerts (118) unter Verwendung des Temperatursignals (114).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung und leistungselektronisches
System
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung sowie auf ein leistungselektronisches System.
Leistungshalbleitermodule, insbesondere IGBT-Leistungshalbleitermodule (IGBT = insulated-gate bipolar transistor) sind die Schlüsselkomponente aktueller Entwicklungstrends, wie etwa der elektrischen oder hybridelektrischen Antriebstechnik oder bei der Gewinnung von Energie aus regenerativen Quellen, beispielsweise aus Windenergie. Aufgrund betriebsbedingter und äußerer Einflüsse unterliegen diese Leistungsmodule einem stetigen Alterungsprozess, welcher über einen längeren Zeitraum zum alterungsbedingten Ausfall des Leistungsmoduls führen kann. Um eine gewisse Ziellebensdauer zu gewährleisten, enthält der hierzu verwendete Berechnungsansatz Sicherheitsaufschläge„Robustness Margin", welche zur Überdimensionierung des Leistungsmoduls führen können. Immer höhere Leistungsdichten fordern den Betrieb eines Leistungsmoduls nahe dessen Belastungsgrenze und die Reduktion der Sicherheitszuschläge. Die Gewährleistung einer bestimmten Ziellebensdauer ist damit schwierig.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung sowie ein verbessertes leistungselektronisches System gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung kann vorteilhaft über eine halbsinusförmige Anregung des Halbleiterbauelements analysiert werden. Ein entsprechendes Verfahren zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines Anregungssignals, das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement einen Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms durch das Halbleiterbauelement zu bewirken;
Einlesen eines Temperatursignals, das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Halbleiterbauelements abbildet; und
Bestimmen eines die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung repräsentierenden Alterungswerts unter Verwendung des Temperatursignals.
Unter einer leistungselektronischen Vorrichtung kann eine Schaltung verstanden werden, die zumindest ein Halbleiterbauelement, beispielsweise in Form eines Transistors oder einer Diode umfasst. Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich um ein Leistungshalbleiterbauelement handeln, wie es in der Leistungselektronik verwendet wird. Die Alterung kann eine elektrische oder thermische Kontaktierung innerhalb der leistungselektronischen Vorrichtung betreffen. Durch die Alterung kann beispielsweise ein elektrischer oder thermischer Widerstand einer solchen Kontaktierung steigen. Durch den Alterungswert kann beispielsweise ein Maß der Alterung oder ein Zustand einer solchen Kontaktierung entsprechend einer vordefinierten Skala angezeigt werden. Unter dem Anregungssignal kann ein elektrisches Signal verstanden werden, durch den das Halbleiterbauelement direkt, oder zumindest ein weiteres Bauelement der leistungselektronischen Vorrichtung so angesteuert werden kann, das das Halbleiterbauelement von dem halbsinusförmigen Anregungsstrom durchflössen wird. Alternativ kann das Anregungssignal auch den Anregungsstrom darstellen. Unter zumindest näherungsweise halbsinusförmig kann ein Verlauf des Anregungsstroms verstanden werden, der als Halbschwingung angesehen werden kann. Damit der Anregungsstrom durch das Halbleiterbauelement fließen kann, kann das Halbleiterbauelement in Durchlassrichtung betrieben werden. Der Anregungsstrom kann eine in der Leistungselektronik übliche Größe, beispielsweise einen Maximalwert von über 50 A aufweisen. Eine Frequenz des Anregungsstroms kann beispielsweise zwischen 0,5 Hz und 2 Hz liegen. Die Frequenz kann einer Tiefpassfrequenz eines Substrats, insbesondere eines Keramiksubstrats, auf das das Halbleiterbauelement aufgelötet ist, entsprechen oder angenähert sein.
Durch den Anregungsstrom kann dem Halbleiterbauelement eine zumindest annähernd halbsinusförmige Verlustleistung zugeführt werden, die zu einer Veränderung der Temperatur des Halbleiterbauelements führt. Durch den halbsinusförmigen Anregungsstrom kann eine Schwingung in dem Verlauf der Temperatur bewirkt werden. Unter der Temperatur kann eine Temperatur im Inneren des Halbleiterbauelements, beispielsweise eine Sperrschichttemperatur, auch als Junction Temperature bezeichnet, verstanden werden. Das Temperatursignal kann unter Durchführung eines geeigneten Messverfahrens bestimmt werden. Die Temperatur kann dabei erfasst werden, während das Halbleiterbauelement von dem Anregungsstrom durchflössen wird.
Der beschriebene Ansatz ermöglicht eine Identifikation und eine Überwachung des Alterungszustandes eines beispielsweise in einen Wechselrichter verbauten Leistungsmoduls. Durch eine Auswertung des Alterungswertes kann vorteilhafterweise ein alterungsbedingter, spontaner Modulausfall vermieden werden. Dadurch können Kosten eingespart und die Betriebssicherheit erhöht werden. Gemäß einer Ausführungsform wird eine serientaugliche Lösung zur Bestimmung des Alterungszustandes von Leistungsmodul und Kühlsystem innerhalb eines leistungselektronischen Systems („Onboard") ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens der Alterungswert unter Verwendung einer Amplitude des Temperatursignals bestimmt werden. Die Amplitude einer Schwingung des Temperatursignals kann einfach erfasst werden und steht vorteilhafterweise im Zusammenhang mit einer Alterung an dem Halbleiterelement. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Bestimmens der Alterungswert unter Verwendung eines Minimalwertes des Temperatursignals bestimmt werden. Der Minimalwert des Temperatursignals kann ebenfalls einfach erfasst werden und steht vorteilhafterweise im Zusammenhang mit einer Alterung an einer Wärmesenke des Halbleiterelements. Beispielsweise kann im Schritt des Bestimmens der Alterungswert durch einen Vergleich zwischen der Amplitude und einer Referenzamplitude bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Alterungswert durch einen Vergleich zwischen dem Minimalwert und einem Referenzminimalwert bestimmt werden. Die Referenzamplitude und der Referenzminimalwert können Referenzwerte darstellen, die einem vorbestimmten Alterungszustand zugeordnet sind. Es können auch mehrere Referenzamplituden und mehrere Referenzminimalwerte als Vergleichswerte vorgesehen sein, um das Maß der Alterung sehr genau bestimmen zu können.
Dabei kann im Schritt des Bestimmens ein eine Alterung an dem Halbleiterbauelement anzeigender erster Alterungswert bestimmt werden, wenn die Amplitude größer als die Referenzamplitude ist. Zusätzlich oder alternativ kann ein eine Alterung einer Kühleinrichtung der leistungselektronischen Vorrichtung anzeigender zweiter Alterungswert bestimmt werden, wenn der Minimalwert größer als der Referenzminimalwert ist. Auf diese Weise kann eine das Halbleiterbauelement und eine die Kühleinrichtung betreffende Alterung separat bestimmt und angezeigt werden.
Auch kann im Schritt des Bestimmens der Alterungswert durch einen Vergleich zwischen einem thermischen Widerstand und einem thermischen Referenzwiderstand bestimmt werden. Dabei kann der thermische Widerstand unter Verwendung der Amplitude, des Minimalwertes und der in das Halbleiterbauelement eingetragenen Verlustleistung bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Alterung direkt aus einem Wert eines thermischen Widerstands innerhalb der leistungselektronischen Vorrichtung bestimmt werden.
Im Schritt des Bestimmens kann der Alterungswert unter Verwendung einer mittleren Amplitude und zusätzlich oder alternativ unter Verwendung eines mittleren Minimalwertes des Temperatursignals bestimmt werden. Die Mittelung kann über eine Mehrzahl von Halbwellen erfolgen. Dadurch ergibt sich eine große Zeitkonstante, durch die die Genauigkeit der Bestimmung der Alterung erhöht werden kann. Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens der Alterungswert bestimmt werden, wenn das Temperatursignal einen eingeschwungenen Zustand aufweist. Der eingeschwungene Zustand stellt einen definierten Messzustand dar, sodass zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmte Alterungswerte untereinander vergleichbar sind.
Im Schritt des Einlesens kann das Temperatursignal über eine Schnittstelle zu einem in dem Halbleiterbauelement integrierten Widerstand eingelesen werden. Ein solcher Widerstand ermöglicht eine sehr genaue Erfassung der im Inneren des Halbleiterbaumelements herrschenden Temperatur. Vorteilhafterweise sind Halbleiterbaumelemente üblicherweise mit einem solchen Widerstand, beispielsweise in Form eines Gate-Widerstands, ausgestattet und es kann auf bekannte Verfahren zum Erfassen der Temperatur unter Verwendung eines solchen Widerstands zurückgegriffen werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei dem Halbleiterbaumelement um einen Transistor handeln. Im Schritt des Bereitstellens kann das Anregungssignal an einen Steuereingang des Transistors bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise kann der Anregungsstrom auf diese Weise direkt unter Verwendung des Halbleiterbauelements eingestellt werden.
Die leistungselektronische Vorrichtung kann zumindest ein weiteres Halbleiterbauelement umfassen. Im Schritt des Bereitstellens kann das Anregungssignal bereitgestellt werden, das ausgebildet sein kann, um zum Eintragen einer weiteren Verlustleistung in das weitere Halbleiterbauelement einen Durchfluss eines weiteren halbsinusförmigen Anregungsstroms durch das weitere Halbleiterbauelement zu bewirken. Im Schritt des Einlesens kann ein weiteres Temperatursignal eingelesen werden, das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des weiteren Halbleiterbauelements abbildet. Im Schritt des Bestimmens kann ein die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung repräsentierender weiterer Alterungswert unter Verwendung des weiteren Temperatursignals bestimmt werden. Auf diese Weise kann für jedes Halbleiterbauelement der leistungselektronischen Vorrichtung ein dem jeweiligen Halbleiterbauelement zugeordneter Alterungswert bestimmt werden. Gemäß unterschiedlicher Aus- führungsbeispiele kann ein und dasselbe Anregungssignal an die Halbleiterbauelemente bereitgestellt werden oder das Anregungssignal kann eine Mehrzahl von Teilanregungssignalen umfassen, die an die Halbleiterbauelemente bereitgestellt werden. Die Teilanregungssignale können so aufeinander abgestimmt sein, dass jedes der Halbleiterbauelemente von einem halbsinusförmigen Anregungsstrom durchflössen wird. Dies bietet sich beispielsweise bei einer Brückenschaltung aus zumindest zwei Halbleiterbauelementen an. Die Anregungsströme der einzelnen Halbleiterbauelemente können dabei identisch oder unterschiedlich, beispielsweise phasenverschoben zueinander sein.
Eine Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung weist die folgenden Merkmale auf:
eine Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen eines Anregungssignals, das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement einen Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms durch das Halbleiterbauelement zu bewirken;
eine Einleseeinrichtung zum Einlesen eines Temperatursignals, das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Halbleiterbauelements abbildet; und
eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung repräsentierenden Alterungswerts unter Verwendung des Temperatursignals.
Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei der Bereitstellungseinrichtung um eine ohnehin erforderliche Treiberschaltung zum Betreiben des Halbleiterbauelements handeln. Ein Beispiel für eine solche Treiberschaltung ist ein Pulsweitenmodu- lations-Treiber eines Wechselrichters.
Die Vorrichtung kann Einrichtungen umfassen, die ausgebildet sind, um die Schritte einer Ausführungsform des genannten Verfahrens zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung umzusetzen. Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- Signale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikro- controller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Ein entsprechendes leistungselektronisches System mit einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung weist eine genannte Vorrichtung zur Detektion einer Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung auf. Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung vorteilhaft als Ergänzung in ein bekanntes leistungselektronisches System integriert werden.
Ein Beispiel für solch ein leistungselektronisches System ist ein Wechselrichter. Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem halbsinusförmigen Anregungsstrom um eine naheliegende Systemanregung innerhalb eines Wechselrichters. Daher kann zur Bereitstellung des Anregungssignals auf ohnehin in einem Wechselrichter vorhandene Treiberschaltungen zurückgegriffen werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Halbleiterbauelement einen Bipolartransistor, insbesondere einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, darstellen. Der Anregungsstrom kann einen zwischen Emitter und Kollektor des Bipolartransistors fließenden Strom repräsentieren. Ferner kann das Halbleiterbauelement einen Feldeffekttransistor und der Anregungsstrom einen zwischen Drain und Source des Feldeffekttransistors fließenden Strom repräsentieren. Der beschriebene Ansatz ist dabei nicht auf Transistoren begrenzt sonder auch bei anderen Halbleiterbauelementen anwendbar. Beispielsweise kann das Halbleiterbauelement eine Diode und der Anregungsstrom einen zwischen Anode und Kathode der Diode fließenden Strom repräsentieren. Somit ist keine separate Stromquelle oder Heizquelle zur thermischen Anregung des Halbleiters erforderlich. Gemäß einer Ausführungsform kann die leistungselektronische Vorrichtung einen Träger, ein Substrat zur thermischen Anbindung des Halbleiterbauelements an den Träger und einen Kühlkörper aufweisen. Dabei kann das Halbleiterbauelement über eine Lötverbindung mit dem Substrat verbunden und der Kühlkörper über eine thermisch leitfähige Schicht mit dem Träger verbunden sein. Der Alterungswert kann eine Alterung der Lötverbindung und zusätzlich oder alternativ eine Alterung der thermisch leitfähigen Schicht anzeigen. Unter einem Träger kann eine Grundplatte oder Bodenplatte verstanden werden. Das Substrat kann aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Keramik, bestehen. Auf diese Weise kann der beschriebene Ansatz im Zusammenhang mit einem typischen Aufbau eines leistungselektronischen Systems eingesetzt werden.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines leistungselektronischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahren zur Detektion einer Alterung einer leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer leistungselektronischen Vorrichtung mit einem Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines leistungselektronischen Systems mit einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 eine Darstellung eines halbsinusförmigen Anregungsstroms gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Anregung eines leistungselektronischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 ein Temperatursignal einer nicht gealterten leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 8 ein Temperatursignal einer gealterten leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahren zur Detektion einer Alterung einer leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines leistungselektronischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das leistungselektronische System 100 umfasst eine leistungselektronische Vorrichtung 102 mit einem Halbleiterbauelement 104 und eine Vorrichtung 106 zur Detektion einer Alterung an der leistungselektronischen Vorrichtung 102.
Die Vorrichtung 106 ist ausgebildet, um ein Anregungssignal 110 über eine Schnittstelle an die leistungselektronische Vorrichtung 102 bereitzustellen, das geeignet ist, um eine halbsinusförmige Anregung des Halbleiterbauelements 104 zu bewirken. Insbesondere ist das Anregungssignal 110 geeignet, um einen Durchfluss eines halbsinusförmigen Anregungsstroms 112 durch das Halbleiterbauelement 104 und damit einen Eintrag einer halbsinusförmigen Verlustleistung in das Halbleiterbauelement zu bewirken.
Wenn es sich bei dem Halbleiterbauelement 104 um einen Transistor handelt, kann der Anregungsstrom 112 zwischen Emitteranschluss und Kollektoranschluss bzw. zwischen Drainanschluss und Sourceanschluss fließen. In diesem Fall kann das Anregungssignal 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel als ein Steuersignal aufgefasst werden, das an einen Steuereingang des Halbleiterbauelements 104 bereitgestellt wird.
Wenn es sich bei dem Halbleiterbauelement 104 um eine Diode handelt, kann der Anregungsstrom 112 zwischen Anodenanschluss und Kathodenanschluss des Halbleiterbauelements 104 fließen. In diesem Fall kann das Anregungssignal 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel dem Anregungsstrom 112 entsprechen, eine an dem Halbleiterbauelement 104 abfallende Anregungsspannung darstellen, durch die der Anregungsstrom 112 durch das Halbleiterbauelement 104 bewirkt wird, oder ein Steuersignal darstellen, dass ein Element der leistungselektronischen Vorrichtung 102 so ansteuert, dass das Halbleiterbauelement 104 von dem Anregungsstrom 112 durchflössen wird.
Dem Halbleiterbauelement 104 wird über den Anregungsstrom 112 eine Verlustleistung zugeführt. Der Anregungsstrom 112 führt somit zu einer Erwärmung des Halbleiterbauelements 104. Die in dem Halbleiterbauelement 104 entstehende Wärme wird durch eine Wärmeabstrahlung oder Wärmeableitung von dem Halbleiterbauelement 104 abgeleitet. Aufgrund des halbsinusförmigen Verlaufs des Anregungsstroms steigt und fällt die Temperatur im Inneren des Halbleiterbauelements 104 alternierend.
Die Vorrichtung 106 ist ausgebildet, um ein Temperatursignal 114 über eine Schnittstelle zu der leistungselektronischen Vorrichtung 102 einzulesen. Das Temperatursignal 114 bildet die im Inneren des Halbleiterbauelements 104 herrschende Temperatur ab. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Temperatursignal 114 unter Verwendung eines in dem Halbleiterbauelement 104 integrierten Temperaturmesswiderstands 116 erfasst.
Die Vorrichtung 106 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Temperatursignals 114 einen die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung 102 betreffenden Zustand der leistungselektronischen Vorrichtung 102 zu bestimmen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 100 ausgebildet, um einen Alterungswert 118 bereitzustellen, der anzeigt, ob eine Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung 102 vorliegt oder nicht.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 106 eine Bereitstellungseinrichtung 120, eine Einleseeinrichtung 122 und eine Bestimmungseinrichtung 124 auf.
Die Bereitstellungsseinsrichtung 120 ist ausgebildet, um das Anregungssignal 110 bereitzustellen. Gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen kann die Bereitstellungsseinsrichtung 120 beispielsweise als eine Treibereinrichtung zum Ansteuern des Halbleiterbauelements 104 oder eines weiteren Schaltungselements, als eine Energiequelle zum Bereitstellen des Anregungsstroms 112 oder auch nur als eine Leitung zum Führen des Anregungsstroms 112 ausgeführt sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Bereitstellungsseinsrichtung 120 um eine Einrichtung, die ohnehin zum Betrieb der leistungselektronischen Vorrichtung 102 erforderlich ist und die Bereitstellung des Anregungsstroms als Zusatzfunktion oder im Rahmen eines Normalbetriebs ausführt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bereitstellungseinrichtung 120 ausgebildet, um das Anregungssignal 110 während eines Normalbetriebs der leistungselektronischen Vorrichtung 102 und insbesondere während eines Normalbetriebs des Halbleiterbauelements 104 bereitzustellen. Somit handelt es sich gemäß einem Ausführungsbeispiel bei dem Anregungsstrom 112 um einen Strom, von dem das Halbleiterbauelement 104 während des Normalbetriebs durchflössen wird. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel wird das Anregungssignal 110 bereitgestellt, während sich das Halbleiterbauelement 104 in einem Testmodus außerhalb des Normalbetriebs befindet.
Die Einleseeinrichtung 122 ist ausgebildet, um das Temperatursignal 114 einzulesen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Einleseeinrichtung 122 ferner eine Erfassungseinrichtung, die ausgebildet ist, um das Temperatursignal 114 zu erfassen. Die Bestimmungseinrichtung 124 ist ausgebildet, um den Alterungswert 118 unter Durchführung einer geeigneten Bestimmungsvorschrift aus dem Temperatursignal 114 zu bestimmen oder aus Werten zu bestimmen, die aus dem Temperatursignal 114 ermittelt sind. Dazu weist die Bestimmungseinrichtung 124 beispielsweise eine Vergleichseinrichtung oder eine Nachschlagtabelle auf.
Zumindest eine der Einrichtungen 120, 122, 124 der Vorrichtung 106 kann in der leistungselektronischen Vorrichtung 102 integriert sein. Insbesondere kann zumindest eine der Einrichtungen 120, 122, 124 zumindest teilweise durch eine ohnehin zum Betrieb der leistungselektronischen Vorrichtung 102 erforderliche Einrichtung realisiert sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bestimmungseinrichtung 124 ausgebildet, um eine Amplitude des Temperatursignals 114 auszuwerten, um den Alterungswert 118 zu bestimmen. Um den Alterungswert 118 sehr genau bestimmen zu können, ist die Bestimmungseinrichtung 124 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den Alterungswert 118 basierend auf zumindest einer Amplitude des sich in einem eingeschwungenen Zustand befindlichen Temperatursignals 114 zu bestimmen. Um die Genauigkeit des Alterungswerts 118 zu steigern, ist die Bestimmungseinrichtung 124 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den Alterungswert 118 basierend auf einer mittleren Amplitude des Temperatursignals 114 zu bestimmen. Ein auf diese Weise bestimmter Alterungswert 118 ist beispielsweise geeignet, um eine Alterung im Bereich einer Lötverbindung des Halbleiterbauelements 104 anzuzeigen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bestimmungseinrichtung 124 zusätzlich oder alternativ ausgebildet, um einen Minimalwert des Temperatursignals 114 auszuwerten, um den Alterungswert 118 zu bestimmen. Um den Alterungswert 118 sehr genau bestimmen zu können, ist die Bestimmungseinrichtung 124 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den Alterungswert 118 basierend auf dem Minimalwert des sich im eingeschwungenen Zustand befindlichen Temperatursignals 114 zu bestimmen. Um die Genauigkeit des Alterungswerts 118 zu steigern, ist die Bestimmungseinrichtung 124 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den Alterungswert 118 basierend auf einem mittleren Minimalwert des Temperatursignals 114 zu bestimmen. Ein auf diese Weise bestimmte Alterungswert 118 ist beispielsweise geeignet, um eine Alterung im Bereich einer Kühleinrichtung des Halbleiterbauelements 104 anzuzeigen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bestimmungseinrichtung 124 ausgebildet, um zwei Alterungswerte bereitzustellen, wobei einer der Alterungswerte unter Verwendung der Amplitude bereitgestellt wird und der andere Alterungswert unter Verwendung des Minimalwertes des Temperatursignals 114.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Das Verfahren umfasst einen Schritt 220, in dem ein Anregungssignal bereitgestellt ist, über das der Eintrag einer einen zumindest annähernd halbsinusförmigen Verlauf aufweisenden Verlustleistung in das Halbleiterbauelement bewirkt wird. Insbesondere wird über das Anregungssignal ein Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms durch das Halbleiterbauelement bewirkt. In einem Schritt 224 wird ein Temperatursignal eingelesen. Das Temperatursignal bildet einen zeitlichen Verlauf der Temperatur, insbesondere der Temperatur im Inneren des Halbleiterbauelements ab. In einem Schritt 226 wird ein Alterungswert bestimmt, der die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung repräsentiert. Der Alterungswert wird unter Verwendung des Temperatursignals bestimmt.
Die Schritte 220, 222, 224 des Verfahrens können beispielsweise unter Verwendung von Einrichtungen der anhand von Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer leistungselektronischen Vorrichtung umgesetzt werden oder unter Verwendung von Einrichtungen der anhand von Fig. 1 beschriebenen leistungselektronischen Vorrichtung umgesetzt werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer leistungselektronischen Vorrichtung 102 mit einem Halbleiterbauelement 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um eine bekannte leistungselektronische Vorrichtung handeln, wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit einem Wechselrichter eingesetzt wird.
Das Halbleiterbauelement 104, beispielsweise in Form eines Chips, ist über eine Lötverbindung 330 mit einem Substrat 332 verbunden. Das Substrat 332 ist auf einem Träger, hier einer Bodenplatte 334, auch Grundplatte genannt, angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Substrat 332 als ein Keramiksubstrat ausgeführt und dient zur Isolation und zur thermischen Anbindung des Halbleiterbauelements 104 an die Bodenplatte 334. Auf einer dem Substrat 332 abgewandten Seite der Bodenplatte 334 ist ein Kühlkörper 336 über eine wärmeleitfähige Schicht 338, beispielsweise in Form einer Wärmeleitpaste, an der Bodenplatte 334 angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Kühlkörper 336 einen Kanal 340 zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Wärme, die in dem Halbleiterbauelement 104 durch den Eintrag einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement 104 entsteht, über die Lötverbindung 330, das Substrat 332, die Bodenplatte 334 und die wärmeleitfähige Schicht 338 zu dem Kühlkörper 336 geleitet, der als Wärmesenke dient.
Unter Verwendung des hier beschriebenen Ansatzes kann insbesondere eine Alterung im Bereich der Lötverbindung 330 sowie eine Alterung im Bereich der wärme- leitfähigen Schicht 338 erkannt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist benachbart zu dem Halbleiterbauelement 104 zumindest ein weiteres Halbleiterbauelement 104 angeordnet, das über ein weiteres Substrat mit der Bodenplatte 334 verbunden ist.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines leistungselektronischen Systems 100 mit einer eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen 104, 404, 405, 406, 407, 408 umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 sind beispielhaft in einer B6-Brückenschaltung ver- schaltet. Bei den Halbleiterbauelementen 104, 404, 405, 406, 407, 408 handelt es sich gemäß einem Ausführungsbeispiel um Elemente, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 als Transistoren einer als Wechselrichter ausgeführten leistungselektronischen Vorrichtung 102 ausgeführt. Die leistungselektronische Vorrichtung 102 weist zwei Eingangsanschlüsse 410 und drei Ausgangsanschlüsse 412 auf. Im Normalbetrieb der leistungselektronischen Vorrichtung 102 liegt zwischen den Eingangsanschlüssen 410 eine Gleichspannung an, aus der durch eine geeignete Ansteuerung der Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 eine dreiphasige Wechselspannung generiert und an den Ausgangsanschlüssen 412 bereitgestellt wird.
Um eine Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung 102 zu ermitteln, ist eine Bereitstellungseinrichtung 120 vorgesehen, die ausgebildet ist, um ein Anregungssignal 110, das gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Teilanregungssignalen umfasst, an Steueranschlüsse der Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 bereitzustellen. Über das Anregungssignal 110 werden die Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 so angesteuert, dass sie unter Verwendung der an den Eingangsanschlüssen 410 anliegenden Gleichspannung jeweils von einem zumindest annähernd halbsinusförmigen Anregungsstrom durchflössen werden. Dabei können die Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 von unterschiedlichen, beispielsweise zueinander phasenverschobenen Anregungsströmen durchflössen werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine PWM-Treiberschaltung als die Bereitstellungseinrichtung 120 verwendet, die während eines Normalbetriebs der als Wechselrichter ausgeführten leistungselektronischen Vorrichtung 102 zum Ansteuern der Halbleiterbauelemente 104, 404, 405, 406, 407, 408 eingesetzt wird.
Eine Einleseeinrichtung 122 ist vorgesehen, um ein Temperatursignal 114 einzule- sen, das gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Teiltemperatursig- nalen umfasst. Die einzelnen Teiltemperatursignale bilden in den einzelnen Halbleiterbauelementen 104, 404, 405, 406, 407, 408 herrschenden Temperaturen ab.
Eine Bestimmungseinrichtung 124 ist vorgesehen, um unter Verwendung des Temperatursignals 114 eine Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung 102 zu bestimmen. Aufgrund des Vorliegens der Teiltemperatursignale ist die Bestimmungseinrichtung 124 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den einzelnen Halbleiterbauelementen 104, 404, 405, 406, 407, 408 zugeordnete Alterungswerte zu bestimmen und bereitzustellen.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der leistungselektronischen Vorrichtung 102 um einen Gleichrichter, der ausgebildet ist, um die an den Anschlüssen 412 anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln und an den Anschlüssen 410 bereitzustellen. In diesem Fall kann es sich bei den Halbleiterbauelementen 104, 404, 405, 406, 407, 408 um Dioden handeln. Das Anregungssignal kann in diesem Fall als die an den Anschüssen 412 anliegende Wechselspannung aufgefasst werden und die Bereitstellungseinrichtung kann beispielsweise die Anschlüsse 412 mit den Halbleiterbauelementen 104, 404, 405, 406, 407, 408 verbindende Leitungen umfassen.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung einer halbsinusförmigen Anregung, insbesondere einen halbsinusförmigen Anregungsstrom 112, gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse die Zeit t in Sekunden und auf der Ordinate ein Strom lAc in Ampere aufgetragen ist. Der gezeigte Strom c weist einen zwischen -200 A und + 200 A schwingenden sinusförmigen Verlauf auf. Eine positive Halbwelle des Stroms wird als Anregungsstrom 112 einem auch als„device under test" (DUT) genannten Halbleiterbauelement zugeführt, um eine Anregung des chipnahen thermischen Widerstands des Halbleiterbauelements zu bewirken.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Anregung einer leistungselektronischen Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie beispielsweise anhand von Fig. 3 beschrieben, weist die leistungselektronische Vorrichtung 102 ein Halbleiterbauelement 104, hier in Form eines Chips, ein Substrat 332 und ein Kühl- System 636 auf, das beispielsweise einen von einem Kühlmittel durchflossenen Kühlkörper umfassen kann. Die Anordnung aus Halbleiterbauelement 104 und Substrat 332 kann auch als Leistungshalbleitermodul oder Leistungsmodul bezeichnet werden.
Über einen Anregungsstrom, wie er beispielsweise anhand von Fig. 5 gezeigt ist, wird dem Halbleiterbauelement 104 eine Verlustleistung Pv zugeführt, die sich auf eine Temperatur, hier die Sperrschichttemperatur Tj, im Inneren des Halbleiterbauelements 104 auswirkt. Dem Halbleiterbauelement 104 ist ein erster thermischer Widerstand Rthi und dem Substrat 332 ist ein zweiter thermischer Widerstand Rth2 zugeordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt durch den Anregungsstrom eine halbsinusförmige Anregung des chipnahen thermischen Widerstands Rthi . Aus dem Kühlsystem 636 wird Wärmeenergie mittels eines Kühlmittels, das eine Temperatur TFIUICI aufweist, abgeführt.
Im Folgenden wird der beschriebene Ansatz anhand eines Ausführungsbeispiels in Form eines Verfahrens zur Onboard-Alterungsidentifikation von Leistungshalbleitermodul 104, 332 und Kühlsystem 636 beschrieben.
Bekannte Ausfallerscheinungen eines Leistungsmoduls 104, 332 sind das Ablösen von Bonddrähten und die Alterung modulinterner Lötverbindungen, wie sie schematisch in Fig 3 als Lötverbindung gezeigt sind. Bondfehler führen zu einer Erhöhung des elektrischen Zuleitungswiderstandes und können durch Messung der Kollektor- Emitter-Spannung UCE bei einem definierten Kollektorstrom überwacht werden. Dabei wird durch das Ablösen, auch als„lift-off" bezeichnet, eines Drahtes das Ablösen weiterer Drähte beschleunigt, wodurch das Modul 104, 332 innerhalb sehr kurzer Zeit ausfallen kann. Damit ermöglicht die UcE-Messung häufig nur eine„End-Of-Life"- Identifikation.
Unter Verwendung des hier beschriebenen Anregungsstroms zum Untersuchen des Halbleiterbauelements 104 ist dagegen eine Aussage über den Modulzustand sowie eine Abschätzung der verbleibenden Lebensdauer möglich. Basierend auf einer sol- chen Aussage kann entschieden werden, ob ein Modul 104, 332 präventiv zu tauschen ist oder ob es bis zur Folgeinspektion aushält.
Die Alterung von Lötverbindungen führt zu einer langsameren Erhöhung des stationären thermischen Widerstandes Rth und ermöglicht damit eine längere Vorwarnzeit.
Zusätzlich führt auch die Alterung des Kühlsystems 636 oder der Wärmeleitpaste, wie sie in Fig. 3 schematisch als wärmeleitfähige Schicht dargestellt ist, zu einer Erhöhung des stationären thermischen Widerstandes.
Zur fehlerselektiven Bestimmung der Alterung von Leistungsmodul 104, 332 und Kühlsystem 636 kann zusätzlich auch eine Messung der thermischen Impedanz Zth unter Verwendung der UcE-Methode durchgeführt werden. Hierzu wird das Leistungsmodul mit einem DC-Heizstrom erhitzt und nach dessen sprunghafter Abschaltung die Abkühlkurve gemessen. Obgleich dieses Verfahren zur Rth- und Zth- Messung im Rahmen einer separaten Diagnosephase, d.h. beispielsweise außerhalb eines regulären Wechselrichterbetriebes in einem Fahrzeug, beispielsweise im Stillstand an einer Ampel, durchführbar ist, so ist dessen Integration in einem Fahrzeugumrichter oder einem Umrichter einer Windkraftanlage aufgrund der erforderlichen Gerätschaften und Messgenauigkeiten weniger geeignet.
Zur Alterungsidentifikation eines sich in einer Applikation befindlichen Leistungsmoduls 104, 332 kann zusätzlich der Leistungshalbleiter 104 mit einem Heizimpuls erwärmt werden, welcher beispielsweise durch einen Brückenkurzschluss mit verminderter Steuerspannung realisiert werden kann. Wiederum kann mit der UcE-Methode die Abkühlkurve gemessen und daraus auf die Alterung des Leistungsmoduls geschlossen werden. Vorteil dieser Methode ist das kurzzeitige Aufheizen des Halbleiters 104, während tiefer liegende Materialschichten wie Substrat 332 und Grundplatte keine Temperaturerhöhung erfahren. Über der Lotschicht entsteht damit ein großer Temperaturunterschied, welcher die Messgenauigkeit verbessert. Eine Identifikation des Kühlsystemzustandes ist nicht möglich. Zudem ist die Realisierung eines
Brückenkurzschlusses in einem Umrichter aus Sicherheitsgründen ausgeschlossen. Stattdessen kann auch ein rechteckförmiges Heizstromprofil verwendet werden, welches mit einer zusätzlichen Heizstromquelle realisiert wird. Nach drei Heizpulsen wird mit der UcE-Methode die Sperrschichttemperatur Tj gemessen. Zur Identifikation eines kritischen Alterungszustandes wird dieser Messwert mit einem bei Systemauslieferung gespeicherten Messwert verglichen. Dazu ist jedoch ein großer Implementierungsaufwand mit zusätzlicher Heizstromquelle erforderlich und es findet lediglich eine Einpunktmessung der Temperatur statt und eine Überwachung des Kühlsystems ist nicht möglich.
Solche Verfahren können als Ergänzung zu dem hier beschriebenen Ansatz unter Verwendung einer halbsinusförmigen Anregung eingesetzt werden. Im Gegensatz zu Verfahren zur Alterungsidentifikation, die auf einer sprung-, impuls- oder rechteck- förmigen Systemanregung und einer Messung des Abkühlverhaltens im Zeitbereich mit der UcE-Methode basieren, entfällt gemäß dem hier beschriebenen Ansatz unter Verwendung der halbsinusförmigen Anregung das Erfordernis präziser Labormesstechnik und das Erfordernis einer zusätzlichen Heizstromquelle. Zudem ist eine hohe Robustheit gegenüber äußeren Störungen und Einflüssen gegeben. Der hier beschriebene Ansatz unter Verwendung der halbsinusförmigen Anregung stellt eine implementierbare und serientaugliche Lösung zur„Onboard'-Alterungsidentifikation eines beispielsweise in einem Fahrzeugumrichter oder einem Windumrichter integrierten Leistungsmoduls 104, 332 und Kühlsystems 636.
Im Gegensatz zu einer sprung-, impuls- oder rechteckförmigen Systemanregung und einer Temperaturmessung im Zeitbereich beschreibt der hier vorgestellte Ansatz eine halb-sinusförmige Anregung mit einer kleinen elektrischen Frequenz fei ~ 1 Hz. Diese Frequenz wird so gewählt, dass sich über dem mit einer Degration des Chiplotes ansteigenden thermischen Widerstandes Rthi (vgl. thermisches Cauer-Ersatzschaltbild in Fig. 6) periodisch ein besonders großer Temperaturunterschied ergibt, wodurch sich die Messempfindlichkeit der Rthi - Überwachung verbessert. Bei konventionell aufgebauten Leistungsmodulen 104, 332 findet sich diese Frequenz bei der Tiefpassfrequenz des Keramiksubstrates 332 (Rt 2, Qh2) im Bereich um fei ~1 Hz wieder. Vorteil einer Frequenzanregung ist die Möglichkeit zur Mittelung der Messgrößen über einen längeren Zeitraum. Die beschriebene halbsinusförmige Anregung ist zudem ohne zusätzliche Heizstromquelle oder Brückenkurzschluss durch die einfache Steuerung des Wechselrichters, beispielsweise mit einem Leistungsfaktor von coscp = 0, realisierbar. Damit fließt während der Systemanregung nur Blindstrom und an der elektrischen Maschine entsteht kein Drehmoment.
Ein exemplarischer Phasenstrom lAc, dessen positive Halbwelle durch ein Halbleiterbauteil 104 in Form eines IGBT ("Device under test") fließt und zu einem halbsinusförmigen Verlustleistung Pv im IGBT führt, ist in Fig. 5 skizziert. In einem Pulswechselrichter ist es so möglich alle Halbleiterbauelemente 104, also beispielsweise alle IGBTs gleichzeitig anzuregen und zu vermessen.
Beispielhafte Systemantworten auf die halbsinusförmige Anregung sind in den nachfolgenden Figuren gezeigt.
Fig. 7 zeigt ein Temperatursignal 114 einer nicht gealterten leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um eine leistungselektronische Vorrichtung handeln, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist. Das Temperatursignal 114 weist einen zyklischen Verlauf mit aufeinanderfolgenden Temperaturanstiegen und Temperaturabfällen auf. Dabei ist auf der Abszisse die Zeit t in Sekunden und auf der Ordinate die Temperatur Tj in °C aufgetragen. Innerhalb der gezeigten Zeitspanne von in etwa sechs Sekunden weist das Temperatursignal 114 einen Minimalwert 750 von hier beispielhaft
Figure imgf000022_0001
42°C auf. Das Temperatursignal 114 weist innerhalb der gezeigten Zeitspanne in etwa sieben Schwingungen mit einer Amplitude 752 von hier beispielhaft ATj = 37°C auf. Das Temperatursignal 114 befindet sich in einem eingeschwungenen Zustand, sodass die einzelnen Zyklen der Schwingung des Temperatursignals 114 zumindest annähernd gleich sind.
Fig. 8 zeigt ein Temperatursignal 114 einer gealterten leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Temperatursignal 114 unterscheidet sich von dem in Fig. 7 gezeigten Temperatursignal in seiner Amplitude 752. In- nerhalb der gezeigten Zeitspanne von wiederum in etwa sechs Sekunden weist das Temperatursignal 114 einen Minimalwert 750 von
Figure imgf000023_0001
42°C auf. Das Temperatursignal 114 weist innerhalb der gezeigten Zeitspanne in etwa sieben Schwingungen mit einer Amplitude 752 von ATj = 44°C auf. Das Temperatursignal 114 befindet sich in einem eingeschwungenen Zustand, sodass die einzelnen Zyklen der Schwingung des Temperatursignals 114 zumindest annähernd gleich sind.
Somit unterscheiden sich die durch das Temperatursignal 114 dargestellten Temperaturzyklen einer neuen und einer gealterten leistungselektronischen Vorrichtung, beispielsweise in Form eines Leistungsmoduls, darin, dass das Temperatursignal der gealterten leistungselektronischen Vorrichtung eine größere Amplitude 752 aufweist.
Anhand der Figuren 7 und 8 wird im Folgenden eine Auswertung des als Systemantwort dienenden oder eine Systemantwort umfassenden Temperatursignals 114 gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele beschrieben.
Als Systemantwort wird gemäß einem Ausführungsbeispiel die Amplitude 752 ATj und die minimale Sperrschichttemperatur 750 Tj,Min der aus der Systemanregung resultierenden Temperaturzyklen gemessen. Besonders vorteilig ist die Messung dieser Größen nach Erreichung eines eingeschwungenen thermischen Zustandes über einen längeren Zeitraum, z. B. über 30 Sekunden hinweg. Dies ermögliche eine Mittelung der Amplitude 752 und Minimaltemperatur 750 über mehrere Temperaturzyklen und führt zu einer äußerst genauen und robusten Messung dieser Größen.
Zur Messung der Sperrschichttemperatur und damit zur Erzeugung des Temperatursignals 114 kann eine geeignete Treiberschaltung verwendet werden, wie sie im Zusammenhang mit einer Temperaturmessung an einem Temperaturmesswiderstand eines Halbleiterbauelements verwendet wird.
Eine Vergrößerung der Amplitude 752 ÄTj kennzeichnet die Alterung des Leistungsmoduls, insbesondere eine Alterung zumindest einer im Leistungsmodul verwendeten Lötverbindung, wohingegen sich die Minimaltemperatur 750 Tj.Min mit der Alterung von Wärmeleitpaste und/oder Kühlsystem erhöht. Die Figuren 7 und 8 zeigen anhand des Temperatursignals 1 14 die Sperrschichttemperatur eines neuen und eines hier künstlich gealterten Leistungsmoduls im eingeschwungenen thermischen Zustand.
Es zeigt sich eine durch die Alterung bewirkte Vergrößerung der Amplitude 752 ÄTj von 37°C auf 44°C, also eine Steigerung um +19%. Dies ist in Übereinstimmung mit dem bei der künstlichen Alterung verwendeten Abbruchkriterium eines Rth-Anstieges um 20 %. Die unveränderte Minimaltemperatur 750 Tj,Min = 42°C lässt auf keine Alterung von Wärmeleitpaste und Kühlsystem schließen. Eine Reduzierung des Kühlmittel-Volumenstromes von beispielsweise 10 l/min auf 5 l/min, was einer Verschmutzung des Kühlkörpers oder einer Alterung der Wärmeleitpaste entspricht, führt zum Anstieg der Minimaltemperatur 750 Tj,Min auf beispielsweise 46°C, während die Amplituden der Temperaturzyklen hiervon unbeeinflusst sind. Die Auswertung von Amplitude 752 und Minimaltemperatur 750 ermöglicht damit die fehlerselektive Identifikation des Alterungszustandes von Leistungsmodul und Kühlsystem.
Zur Überwachung der Alterung werden Amplitude 752 und Minimaltemperatur 750 gemäß einem Ausführungsbeispiel in regelmäßigen Diagnosephasen ermittelt und beispielsweise mit bei Systemauslieferung gespeicherten Werten verglichen.
Alternativ können aus eingetragener Verlustleistung und gemessener Sperrschichttemperatur thermische Teilwiderstände berechnet und überwacht werden.
Fig. 9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahren zur Detektion einer Alterung einer leistungselektronischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren wird im Rahmen einer Diagnosephase durchgeführt. Dargestellt ist das Verfahren als ein Ablaufplan einer Onboard-Alterungsidentifikation.
Nach einem Start 901 des Verfahrens erfolgt in einem Schritt 903 zunächst eine halbsinusförmige Systemanregung mit einer Frequenz fei von in etwa 1 Hz, beispielsweise unter Verwendung einer PWR-Steuerung mit coscp = 0 und c = 200 A. In einem Schritt 905 erfolgt eine Messung oder Bestimmung der Amplitude ÄTj und der Minimaltemperatur Tj,Min der 1 Hz Temperaturzyklen in thermisch eingeschwungenen Zustand.
In einem Schritt 907 erfolgt eine Mittelung der Amplitude ÄTj und der Minimaltemperatur Tj. in über mehrere Zyklen.
In einem Schritt 909 werden bei Systemauslieferung gespeicherte Referenzwerte ATj.Ref und Tj. in, Ref für die Amplitude und die Minimaltemperatur bereitgestellt.
In einem Schritt 911 erfolgt eine Beurteilung, ob Leistungsmodul und/oder Kühlsystem gealtert sind. Dies erfolgt gemäß einem Ausführungsbeispiel entsprechend den folgenden Kriterien:
Wenn ÄTj > ATj,Ref ist, dann folgt daraus eine Alterung des Leistungsmoduls.
Wenn ATjiRef > TjiMin, Ref ist, dann folgt daraus eine Alterung des Kühlsystems.
Wenn ATj > ATj,Ref und ATj,Ref > Tj,Min, Ref ist, dann folgt daraus eine Alterung des Leistungsmoduls und des Kühlsystems.
Als Ergebnis der Beurteilung im Schritt 911 wird ein Alterungszustand 913 von Leistungsmodul und Kühlsystem ausgegeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Schritt 903 im Rahmen des anhand von Fig. 2 beschriebenen Schritt des Bereitstellens ausgeführt. Der Schritt 905 kann zeitlich vor dem anhand von Fig. 2 beschriebenen Schritt des Einlesens ausgeführt werden, indem die Temperatur des Halbleiterbauelements gemessen wird. Alternativ kann der Schritt 905 zusammen mit dem optionalen Schritt 907 sowie dem
Schritt 911 im Rahmen des anhand von Fig. 2 beschriebenen Schritt des Bestimmens ausgeführt werden, indem aus dem Temperatursignal zunächst die Amplitude und Minimaltemperatur bestimmt und dann zur Bestimmung des Alterungszustands 913 verwendet werden. Der Alterungszustand 913 kann als der anhand von Fig. 2 beschriebene Alterungswert angesehen werden. Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Detektion einer Alterung einer leistungselektronischen Vorrichtung in Form eines Wechselrichters anhand von Fig. 9 detailliert beschrieben.
In der Diagnosephase wird im Schritt 903 zunächst eine Systemanregung mit halbsinusförmigen Verlustleistungsprofil mit einer kleinen elektrischen Frequenz von fei~1 Hz und einem definierten Phasenstrom von beispielsweise c = 200 A, wie er beispielsweise in Fig 5 gezeigt ist, gestartet. Eine Realisierung dieser Systemanregung ist z.B. durch Steuerung des Wechselrichters mit einem Leistungsfaktor von cos<p = 0 möglich. In einem Pulswechselrichter werden damit alle IGBTs gleichermaßen angeregt. Damit kann während der einmaligen Ausführung der Diagnosephase der Alterungszustand aller IGBTs identifiziert werden.
Als Systemantwort wird im Schritt 905 die Amplitude ATj und der Minimalwert Tj.Min der Temperaturzyklen der Sperrschichttemperatur jedes IGBTs nach Erreichung eines thermisch ein geschwungenen Zustandes gemessen, eingelesen oder bestimmt. Beispielhafte Werte für die Amplitude ÄTj und den Minimalwert Tj,Min sind beispielsweise anhand der Figuren 7 und 8 genannt. Zur Messung der Sperrschichttemperatur kann beispielsweise ein geeignetes IGBT-Treiberkonzept verwendet werden.
Vorteilig wird im Schritt 907optional eine Mittelung der gemessenen Amplitude ATj und der Minimalwert TjiMin über mehrere Sinushalbwellen, beispielsweise 15 Halbwellen, hinweg durchgeführt. Dies ermöglicht eine sehr genaue und robuste Messung des Alterungszustandes ohne präzise Labormesstechnik.
Zur Überwachung der Alterung werden Amplitude und Minimaltemperatur gemäß einem Ausführungsbeispiel in regelmäßigen Diagnosephasen ermittelt und beispielsweise mit bei Systemauslieferung gespeicherten oder nachträglich zugeführten Referenzwerten ÄTj Ref und Tj.Min, Ref verglichen. Alternativ wird aus eingetragener Verlustleistung Pv und gemessener Amplitude und Minimaltemperatur thermische Teilwiderstände Rth berechnet und mit Referenzwerten Rthj.Ref verglichen. Gestartet 901 wird die Diagnosephase gemäß einem Ausführungsbeispiel in definierten Zeitabständen wie Wartungs- oder Inspektionsintervallen. Ausgegeben werden kann der Alterungszustand 913 von Leistungsmodul und/oder Kühlsystem, beispielsweise als digitaler Wert oder als digitale Daten. Beispielsweise kann der Alterungszustand 913 auch in Form einer Ampel angezeigt werden.
Das beschriebene Verfahren verwendet somit gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Diagnosephase, in welcher das zu untersuchende Leistungsmodul mit einem halbsinusförmigen Verlustleistungs- oder Phasenstromprofil mit einer geringen elektrischen Frequenz angeregt wird und dabei die Amplitude und Minimaltemperatur der resultierenden Temperaturzyklen gemessen wird.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder" Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezuqszeichen
100 leistungselektronisches System
102 leistungselektronische Vorrichtung
104 Halbleiterbauelement
106 Vorrichtung zur Detektion einer Alterung
110 Anregungssignal
112 Anregungsstrom
114 Temperatursignal
116 Temperaturmeßwiderstand
118 Alterungswert
120 Bereitstellungsseinsrichtung
122 Einleseeinrichtung
124 Bestimmungseinrichtung
220 Schritt des Bereitstellens
222 Schritt des Einlesens
224 Schritt des Bestimmens
330 Lötverbindung
332 Substrat
334 Bodenplatte
336 Kühlkörper
338 wärmeleitfähige Schicht
340 Kanal
404 Halbleiterbauelement
405 Halbleiterbauelement
406 Halbleiterbauelement
407 Halbleiterbauelement
408 Halbleiterbauelement
410 Eingangsanschlüsse
412 Ausgangsanschlüsse Kühlsystem
Minimaltemperatur
Amplitude
Start
Schritt der Systemanregung
Schritt des Messens
Schritt des Mitteins
Schritt des Bereitstellens von Referenzwerten Schritt des Beurteilens
Alterungszustand

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement (104) umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung (102), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen (220) eines Anregungssignals (110), das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement (104) einen Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms (112) durch das Halbleiterbauelement (104) zu bewirken;
Einlesen (222) eines Temperatursignals (114), das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Halbleiterbauelements (104) abbildet; und
Bestimmen (224) eines die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung (102) repräsentierenden Alterungswerts (118; 913) unter Verwendung des Temperatursignals (114).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens (224) der Alterungswert (118; 913) unter Verwendung einer Amplitude und/oder eines Minimalwertes des Temperatursignals (114) bestimmt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens (224) der Alterungswert (118; 913) durch einen Vergleich zwischen der Amplitude und einer Referenzamplitude und/oder eines Vergleichs zwischen dem Minimalwert und einem Referenzminimalwert bestimmt wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem im Schritt des Bestimmens (224) ein eine Alterung an dem Halbleiterbauelement (104) anzeigender erster Alterungswert (118; 913) bestimmt wird, wenn die Amplitude größer als die Referenzamplitude ist und/oder ein eine Alterung einer Kühleinrichtung der leistungselektronischen Vorrichtung (102) anzeigender zweiter Alterungswert (118; 913) bestimmt wird, wenn der Minimalwert größer als der Referenzminimalwert ist.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens (224) der Alterungswert (118; 913) durch einen Vergleich zwischen einem thermischen Widerstand und einem thermischen Referenzwider- stand bestimmt wird, wobei der thermische Teilwiderstand unter Verwendung der Amplitude, des Minimalwertes und der in das Halbleiterbauelement (104) eingetragenen Verlustleistung bestimmt wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens (224) der Alterungswert (118; 913) unter Verwendung einer mittleren Amplitude und/oder eines mittleren Minimalwertes des Temperatursignals (114) bestimmt wird.
7. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens (224) der Alterungswert (118; 913) bestimmt wird, wenn das Temperatursignal (114) einen eingeschwungenen Zustand aufweist.
8. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Einlesens (222) das Temperatursignal (114) über eine Schnittstelle zu einem in dem Halbleiterbauelement (104) integrierten Widerstand (116) eingelesen wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (104) ein Transistor ist und im Schritt des Bereitstellens (220) das Anregungssignal (110) an einen Steuereingang des Transistors bereitgestellt wird.
10. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Vorrichtung (102) zumindest ein weiteres Halbleiterbauelement (404) umfasst und im Schritt des Bereitstellens das Anregungssignal (110) bereitgestellt wird, das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer weiteren Verlustleistung in das weitere Halbleiterbauelement (404) einen Durchfluss eines weiteren halbsinusförmigen Anregungsstroms (112) durch das weitere Halbleiterbauelement (404) zu bewirken, im Schritt des Einlesens ein weiteres Temperatursignal (114) eingelesen wird, das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des weiteren Halbleiterbauelements (104) abbildet, und im Schritt des Bestimmens (224) ein die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung (102) repräsentierender weiterer Alterungswert (118; 913) unter Verwendung des weiteren Temperatursignals (114) bestimmt wird.
11. Vorrichtung (106) zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement (104) umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung (102), wobei die Vorrichtung (102) die folgenden Merkmale aufweist:
eine Bereitstellungseinrichtung (120) zum Bereitstellen eines Anregungssignals (110), das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement (104) einen Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms (112) durch das Halbleiterbauelement (104) zu bewirken; eine Einleseeinrichtung (122) zum Einlesen eines Temperatursignals (114), das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Halbleiterbauelements (104) abbildet; und eine Bestimmungseinrichtung (124) zum Bestimmen eines die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung (102) repräsentierenden Alterungswerts (118; 913) unter Verwendung des Temperatursignals (114).
12. Leistungselektronisches System (100) mit einer zumindest ein Halbleiterbauelement (104) umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung (102) und einer Vorrichtung (106) gemäß Anspruch 11 zur Detektion einer Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung (102).
13. Leistungselektronisches System (100) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das leistungselektronische System (100) als ein Wechselrichter ausgeführt ist.
14. Leistungselektronisches System (100) gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (104) einen Bipolartransistor und der Anregungsstrom (112) einen zwischen Emitter und Kollektor fließenden Strom, das Halbleiterbauelement (104) einen Feldeffekttransistor und der Anregungsstrom (112) einen zwischen Drain und Source fließenden Strom, oder das Halbleiterbauelement (104) eine Diode und der Anregungsstrom (112) einen zwischen Anode und Kathode fließenden Strom repräsentiert.
15. Leistungselektronisches System (100) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Vorrichtung (102) einen Träger (334), ein Substrat (332) zur thermischen Anbindung des Halbleiterbauelements (104) an den Träger (334) und einen Kühlkörper (336) aufweist, wobei das Halbleiterbauelement (104) über eine Lötverbindung (330) mit dem Substrat (332) verbunden und der Kühlkörper (336) über eine thermisch leitfähige Schicht (338) mit dem Träger (334) verbunden ist, und wobei der Alterungswert (118; 913) eine Alterung der Lötverbindung (330) und/oder eine Alterung der thermisch leitfähigen Schicht (338) anzeigt.
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