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CN117074891A - 确定至少一个功率半导体开关的老化状态的设备和方法 - Google Patents

确定至少一个功率半导体开关的老化状态的设备和方法 Download PDF

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CN117074891A CN202310543070.0A CN202310543070A CN117074891A CN 117074891 A CN117074891 A CN 117074891A CN 202310543070 A CN202310543070 A CN 202310543070A CN 117074891 A CN117074891 A CN 117074891A
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Abstract

本发明涉及一种用于确定至少一个功率半导体开关的老化状态的设备，设备具有至少一个评价单元和用于检测或测定功率半导体开关的温度的装置，特征曲线以功率半导体开关的不同温度参数化，评价单元如此构造，使得在接通状态下在通过功率半导体开关的预设的电流值下检测功率半导体开关上的电压值且由此计算出接触电阻，然后评价单元在考虑到功率半导体开关的由装置检测或测定的温度的情况下借助特征曲线给功率半导体开关关联老化状态，设备具有至少一个另外的装置用于检测或测定功率半导体开关的温度，评价单元构造成对功率半导体开关的借助装置检测或测定的温度值借助功率半导体开关的由至少一个另外的装置检测或测定的温度值检查合理性和/或适配。

Description

确定至少一个功率半导体开关的老化状态的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定至少一个功率半导体开关的老化状态的设备和方法。
背景技术
功率半导体开关被多方面地使用，例如在用于电动或混合动力车辆的牵引网络中使用或用作风力发电设备的逆变器。在此，对于无摩擦的运行而言重要的是，尽可能在失效之前识别该失效和更换严重老化的功率半导体开关、如MOSFET或IGBT。
在此已知的是，接触电阻随着老化状态增加而提高。在此还已知的是，接触电阻与温度和通态电流有关。
由CN112485632A已知一种用于确定IGBT老化状态的设备，其中，该设备具有评价单元和温度检测单元。在此，检测电压、电流和温度。然后通过与所存储的特征曲线比较来推断出老化状态。
由EP3492935B1已知一种用于确定功率半导体开关的老化状态的方法，其中，检测在相同温度下在两个不同电流值情况下的电压降，其中，这个被重复，其中，从测量结果中确定老化状态。
由US2014/0125366A1已知一种用于确定IGBT的老化状态的方法，其中，在所调整到的温度下基于预限定的电流测定电压降，其中，测量在IGBT不运行时执行，其中，从电压降的变化来推断出老化状态。
发明内容
本发明基于以下技术问题：提供一种用于确定至少一个功率半导体开关的老化状态的设备，借助该设备可以改进准确度。另外的问题是提供一种相应的方法。
所述技术问题的解决方案通过根据本发明的设备以及根据本发明的方法来得到。本发明的其他有利的设计方案根据本发明得到。
为此，用于确定至少一个功率半导体开关的老化状态的设备具有至少一个评价单元和用于检测或测定功率半导体开关的温度的装置。评价单元如此构造，使得取用接触电阻关于老化状态的特征曲线。在此，特征曲线一般应理解为关联规则并且也包括查找表。所述特征曲线以功率半导体开关的不同温度参数化。评价单元如此构造，使得在接通状态下在通过功率半导体开关的预设的电流值下检测功率半导体开关上的电压值并且由此检测出接触电阻。评价单元则在考虑到功率半导体开关的由装置检测或测定的温度的情况下借助特征曲线给功率半导体开关关联老化状态。在此，所述设备具有至少一个另外的装置用于检测或测定功率半导体开关的温度，其中，评价单元如此构造，使得对功率半导体开关的借助所述装置检测或测定的温度值借助功率半导体开关的由所述至少一个另外的装置检测或测定的温度值检查合理性和/或适配。由此可以相应地改进老化确定。这是基于这样的认识，即，温度对老化确定具有非常大的影响，其中，所述温度只能困难地被精确确定，其中，各个温度测量可能因各种原因而出错。通过对温度测量进行合理性检查的可能性，可以更容易发现错误。在此，可以对用于检测或测定温度的两个装置进行各种组合。尤其是也可以使用超过两个装置。在此，所述装置例如可以是温度传感器，该温度传感器直接布置在半导体的基底上或直接布置在芯片上。
在一个实施方式中，所述评价单元如此构造，使得给功率半导体开关的老化状态关联估计的使用寿命结束时间(Lebensdauerende)。
在另一个实施方式中，所述评价单元如此构造，使得在老化状态大于阈值的情况下或在估计的使用寿命结束时间小于阈值的情况下产生警告信号，从而相应地及时执行更换。
在另一个实施方式中，所述功率半导体开关关联有至少一个冷却回路，在所述冷却回路上布置有至少一个温度传感器，其中，所述评价单元如此构造，使得在考虑到冷却剂的体积流的情况下，由温度传感器的值测定出功率半导体开关的温度。在此根据实施方式而定，温度传感器可以是用于检测或测定功率半导体开关的温度的装置或另外的装置。
在另一个实施方式中，所述功率半导体开关构造为MOSFET，其中，所述设备如此构造，使得直接在接通功率半导体开关之前和/或之后测定栅极阈值电压，其中，借助特征曲线给栅极阈值电压关联功率半导体开关的温度。其同样是用于确定温度的装置，其中，该装置可以是第一装置，但也可以是至少一个另外的装置。
在另一个实施方式中，多个MOSFET并联连接，其中，所述设备如此构造，使得检测各个MOSFET的栅极阈值电压。由此可以推断出MOSFET的不同温度，这又可以是针对不同的老化状态的指示，尤其是当可以排除针对不同的局部温度的其他原因时。栅极阈值电压优选由一个或多个栅极驱动器模块测定。
在另一个实施方式中，MOSFET构造为SiC-MOSFET，所述SiC-MOSFET由于其面积目前仍然较小而常常必须并联连接，因为单个MOSFET不具备足够的电流分路能力(Stromstrangsfaehigkeit)。
用于确定至少一个功率半导体开关的老化状态的方法借助评价单元和用于检测或测定功率半导体开关的温度的装置进行。在此，在接通状态下在通过功率半导体开关的预设的电流值下检测功率半导体开关上的电压值并且由此计算出接触电阻。在考虑到由所述装置检测或测定的温度的情况下借助特征曲线给接触电阻关联功率半导体开关的老化状态。此外，借助用于检测或测定功率半导体开关的温度的至少一个另外的装置检测或测定另外的温度，所述另外的温度用于对由所述装置检测或测定的温度进行合理性检查和/或适配。鉴于其他根据该方法的设计方案，在全部内容上参考前面的阐述内容。
附图说明
下面依据助优选实施例对本发明进行更详细的解释。附图中：
图1示出用于确定至少一个功率半导体开关的老化状态的设备的示意图；
图2示出接触电阻关于SOH的示意图；
图3示出栅极阈值电压关于温度的示意图；以及
图4示出MOSFET的并联连接的示意图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出一种用于确定至少一个功率半导体开关2的老化状态的设备1，所述功率半导体开关在此示出为IGBT 3。该设备1具有评价单元4以及用于检测或测定功率半导体开关2的温度T的装置5。此外，该设备1包括电流测量装置6，以便检测通过功率半导体开关2的电流I。这里仅图示性示出电流测量装置6的位置。在脉冲逆变器的情况下，优选测量通向电机的中心抽头中的电流，因为电机的电感对由于功率半导体开关2的节拍工作方式而产生的快速电流变化进行节制(drosseln)。然后从该测量到的电流中推断出通过功率半导体开关的电流I。此外设备1具有电压测量装置7，用于检测功率半导体开关2上的电压U。此外示出冷却回路8，其中，可以借助泵9将冷却剂引导经过功率半导体开关2处，其中，冷却回路没有被完全示出。该泵9由控制器10操控。在冷却回路8的外壁上布置有例如呈温度传感器形式的另外的装置11用于检测或测定功率半导体开关2的温度。该装置5优选是温度传感器，该温度传感器直接布置在功率半导体开关2的壳体12上。备选地，该装置5构造为温度传感器，该温度传感器布置在功率半导体开关x2的基底上或芯片上。评价单元4获得装置5和所述另外的装置11的温度值，以及所传输的电流值I和电压值U。此外，评价单元4获得由控制器10传输的冷却剂的体积流V。为了确定功率半导体开关2的老化状态，在运行时接通IGBT 3并且调整到预设的电流I。然后，所调整到的电流值I和所产生的电压U被传输给评价单元，评价单元由此计算接触电阻Ron。然后借助装置11的温度值对由装置5传输的温度值T进行合理性检查和/或适配。例如，如果两个装置5、11都有高的准确度，则可以例如进行平均值计算。与此相对，如果装置5的准确度典型地更准确，则装置11的温度值仅用于检查装置5温度值的合理性。如此例如可以确认装置5有缺陷。此外，可以设想如下情况，其中邻近的热源可能使温度测量出错。那么在装置5的经过合理性检查的温度下，可以在特征曲线中测定SOH值(健康状态)，其中，SOH值随着老化的增加而变更小(也参见图2)，其中，特征曲线以温度进行参数化。然后可以从SOH值或老化状态中推断出剩余的使用寿命或估计的使用寿命结束时间。
在图3中示意性地示出在MOSFET的栅极阈值电压Uth与温度T之间的关系，其中，栅极阈值电压Uth随温度T下降。现在可以充分利用这个来形成装置5或另外的装置11。如果知道栅极阈值电压，那么也知道了温度T。
这在如图4中所示的电路配置中尤其是有利的，其中，四个MOSFET MF1-MF4并联连接，其中，MOSFET MF1-MF4例如构造为SiC-MOSFET。在此通常仅测量总电流I，并且由于空间原因，对于所有MOSFETMF1-MF4仅装设一个温度传感器。由此，所测定的接触电阻Ron是平均值，因为假定在理想情况下所有的MOSFET MF1-MF4都是一样的，而且一样地老化，这在真实情况下不是必然的。例如，如果现在由栅极驱动器模块13单独操控各个栅极G1-G4，则该栅极驱动器模块可以测定MOSFET MF1-MF4的相应的栅极阈值电压Uth，并且因此根据图3中的关系给各个MOSFET MF1-MF4关联分别的温度T，并且分别针对MOSFET MF1-MF4确定老化。
附图标记列表
1 设备
2 功率半导体开关
3IGBT
4 评价单元
5 装置
6 电流测量装置
7 电压测量装置
8 冷却回路
9 泵
10 控制器
11 装置
12 壳体
13 栅极驱动器模块
T 温度
I 电流
U 电压
V 体积流
MF1-MF4 MOSFET
Uth栅极阈值电压
G1-G4栅极

Claims (8)

1.一种用于确定至少一个功率半导体开关(2)的老化状态的设备(1)，其中，所述设备(1)具有至少一个评价单元(4)和用于检测或测定所述功率半导体开关(2)的温度(T)的装置(5)，其中，所述评价单元(4)如此构造，使得取用接触电阻(Ron)关于所述老化状态的特征曲线，其中，所述特征曲线以所述功率半导体开关(2)的不同温度(T)参数化，其中，所述评价单元(4)此外如此构造，使得在接通状态下在通过所述功率半导体开关(2)的预设的电流值(I)下检测所述功率半导体开关(2)上的电压值(U)并且由此计算出接触电阻(Ron)，其中，然后评价单元(4)在考虑到所述功率半导体开关(2)的由所述装置(5)检测或测定的温度(T)的情况下借助特征曲线给所述功率半导体开关(2)关联老化状态，
其特征在于，
所述设备(1)具有至少一个另外的装置(11)用于检测或测定所述功率半导体开关(2)的温度(T)，其中，所述评价单元(4)如此构造，使得对所述功率半导体开关(2)的借助所述装置(5)检测或测定的温度值借助所述功率半导体开关(2)的由所述至少一个另外的装置(11)检测或测定的温度值检查合理性和/或适配。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述评价单元(4)如此构造，使得给所述功率半导体开关的老化状态关联估计的使用寿命结束时间。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述评价单元(4)如此构造，使得在老化状态大于阈值的情况下或在估计的使用寿命结束时间小于阈值的情况下产生警告信号。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述功率半导体开关(2)关联有至少一个冷却回路(8)，在所述冷却回路上关联有至少一个温度传感器，其中，所述评价单元(4)如此构造，使得在考虑到冷却剂的体积流(V)的情况下，由所述温度传感器的值测定出所述功率半导体开关(2)的温度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述功率半导体开关(2)构造为MOSFET(MF1-MF4)，其中，所述设备(1)如此构造，使得直接在接通所述功率半导体开关(2)之前和/或之后测定栅极阈值电压(Uth)，其中，借助特征曲线给所述栅极阈值电压(Uth)关联所述功率半导体开关(2)的温度(T)。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，多个MOSFET(MF1-MF4)并联连接，其中，所述设备(1)如此构造，使得检测各个所述MOSFET(MF1-MF4)的栅极阈值电压(Uth)。
7.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述MOSFET(MF1-MF4)构造为SiC-MOSFET。
8.一种用于确定至少一个功率半导体开关(2)的老化状态的方法，所述方法借助评价单元(4)和用于检测或测定所述功率半导体开关(2)的温度(T)的装置(5)，其中，在接通状态下在通过所述功率半导体开关(2)的预设的电流值(I)下检测所述功率半导体开关(2)上的电压值(U)并且由此计算出接触电阻(Ron)，其中，在考虑到由所述装置检测或测定的温度(T)的情况下借助特征曲线给所计算出的接触电阻(Ron)关联所述功率半导体开关(2)的老化状态，
其特征在于，
借助用于检测或测定所述功率半导体开关(2)的温度(T)的至少一个另外的装置(11)检测或测定另外的温度(T)，所述另外的温度用于对由所述装置(5)检测或测定的温度进行合理性检查和/或适配。
CN202310543070.0A 2022-05-16 2023-05-15 确定至少一个功率半导体开关的老化状态的设备和方法 Pending CN117074891A (zh)

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