考慮退化地確定功率半導(dǎo)體的阻擋層溫度的方法及其實(shí)現(xiàn)裝置制造方法
【專利摘要】考慮退化地確定功率半導(dǎo)體的阻擋層溫度的方法及其實(shí)現(xiàn)裝置。提出一種基于在功率半導(dǎo)體（201）的運(yùn)行中測量的功率半導(dǎo)體（201）的損耗功率（Pv）以及損耗功率（Pv）與功率半導(dǎo)體（201）的取決于溫度的阻抗（Zth）之間的關(guān)系來確定功率半導(dǎo)體（201）的阻擋層溫度（Tj）的方法，其中基于在功率半導(dǎo)體（201）的運(yùn)行中記錄的升溫曲線來確定取決于溫度的阻抗（Zth）。本發(fā)明還包括用于實(shí)施這樣的方法的裝置。
【專利說明】考慮退化地確定功率半導(dǎo)體的阻擋層溫度的方法及其實(shí)現(xiàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于在考慮到功率半導(dǎo)體的退化的情況下確定該功率半導(dǎo)體的阻擋層溫度的方法以及尤其是在機(jī)動(dòng)車輛中的用于實(shí)現(xiàn)這種方法的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)動(dòng)車輛電子系統(tǒng)中的功率半導(dǎo)體的主要任務(wù)是操控執(zhí)行器，如加熱電阻、磁調(diào)節(jié)器或電動(dòng)機(jī)。對功率半導(dǎo)體的要求是低損耗功率、高可靠性、低成本和短的開關(guān)時(shí)間。功率半導(dǎo)體既不在接通狀態(tài)下也不在關(guān)斷狀態(tài)下具有其最高損耗功率，而是在此之間具有其最高損耗功率。由此，以長過渡時(shí)間頻繁地開關(guān)也影響損耗功率。
[0003]作為功率半導(dǎo)體可以使用晶閘管和晶體管。因?yàn)榫чl管具有長的開關(guān)時(shí)間并且其使用造成高成本，因此在機(jī)動(dòng)車輛中幾乎僅僅使用晶體管。在此，尤其是可以使用雙極晶體管、金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)以及作為其組合使用具有絕緣柵極的雙極晶體管(IGBT)。雙極晶體管在接通狀態(tài)下具有小的電阻，MOSFET具有短的開關(guān)時(shí)間，并且用電壓而不是電流來操控。由于在較新的MOSFET情況下接通電阻強(qiáng)烈下降，因此MOSFET幾乎取代了雙極晶體管作為汽車應(yīng)用中的功率半導(dǎo)體。盡管IGBT結(jié)合了雙極晶體管和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，但是IGBT在車輛中常常由于成本原因而淘汰(除了用于混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的變頻器)。
[0004]用在車輛中的晶體管在晶體管殼體中或者甚至在相同芯片上具有附加的功能，如過載保護(hù)、自我診斷以及制備操控信號(hào)。多個(gè)功率半導(dǎo)體常常與其智能一起組合成一個(gè)功率模塊。
[0005]由于日益增加的混合動(dòng)力化的趨勢，尤其是用在混合動(dòng)力車輛、在此例如變頻器中的功率半導(dǎo)體受到強(qiáng)烈的溫度上升以及附加的熱負(fù)荷。這些是在設(shè)計(jì)和構(gòu)思時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的。熱負(fù)荷有顯著的一部分取決于天氣形勢和駕駛員的類型和/或交通狀況。因此，理想地必須根據(jù)駕駛員類型和使用領(lǐng)域使用單獨(dú)的功率半導(dǎo)體，所述功率半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)地適配于當(dāng)前交通狀況。這從如今的角度來看是不可能的。但是可以通過在線監(jiān)視分別確定功率半導(dǎo)體的瞬時(shí)損害狀態(tài)。
[0006]熱負(fù)荷多么強(qiáng)烈地?fù)p害功率半導(dǎo)體首先取決于阻擋層溫度。為了確定阻擋層溫度，可以使用不同的方法。公知的例如是基于熱擴(kuò)張的卷積方法、校準(zhǔn)曲線和熱模型。但是這些方法具有弱點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兾纯紤]到或僅僅不足地考慮到功率半導(dǎo)體中的各個(gè)材料層的退化。該退化例如表現(xiàn)為損壞、脫層的形式或者表現(xiàn)為形成所謂的收縮孔。這些導(dǎo)致從阻擋層到冷卻體的熱路徑的惡化，因?yàn)闊嵊捎跍p小的橫截面而能被更差地排出。這導(dǎo)致在相同損耗功率的情況下阻擋層溫度Tj的升高。
[0007]因此，此外還存在對確定尤其是機(jī)動(dòng)車輛中的功率半導(dǎo)體的阻擋層溫度進(jìn)行改善的需求，所述確定考慮到所述阻擋層的退化。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]根據(jù)本發(fā)明，提出具有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的用于在運(yùn)行期間在考慮到退化的情況下確定功率半導(dǎo)體的阻擋層溫度的方法以及尤其是機(jī)動(dòng)車輛中的用于實(shí)施這樣的方法的裝置。有利的構(gòu)型是從屬權(quán)利要求以及下面的描述的主題。
[0009]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)
由于迄今為止使用的用于基于功率半導(dǎo)體的新狀態(tài)并在運(yùn)行期間確定功率半導(dǎo)體的阻擋層溫度的熱方法未進(jìn)行適配，但是連接技術(shù)在運(yùn)行中日益退化，因此產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。該誤差表現(xiàn)為所確定的低阻擋層溫度。因此，涉及對不可靠方面的估計(jì)。而根據(jù)本發(fā)明提出的方法使得阻抗矩陣形式的熱模型能夠適配于瞬時(shí)退化狀態(tài)。由此可以單獨(dú)地對駕駛員的駕駛方法以及所造成的組件退化作出反應(yīng)。
[0010]術(shù)語“在線”和“離線”在本申請的范圍內(nèi)是指一方面在機(jī)動(dòng)車輛的連續(xù)運(yùn)行期間以及另一方面在機(jī)動(dòng)車輛投入使用以前(例如在工廠中)執(zhí)行方法或方法步驟。迄今為止所使用的用于確定功率半導(dǎo)體的阻擋層溫度的熱模型例如基于僅僅離線確定的升溫曲線來工作。
[0011]借助于所提出的措施，可以在機(jī)動(dòng)車輛的運(yùn)行期間比迄今為止更可靠地調(diào)節(jié)阻擋層溫度，并且因此明顯延長相應(yīng)功率半導(dǎo)體的壽命。如果作為故障標(biāo)準(zhǔn)例如規(guī)定20%的熱阻惡化，則基于具有負(fù)荷變化測試的研究得出大致300%的壽命提高。
[0012]通過在機(jī)動(dòng)車輛中的在線實(shí)施，也可以在關(guān)鍵的應(yīng)用情況下實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的壽命，并且原則上避免不受控的故障。因?yàn)榉謩e確定功率半導(dǎo)體的瞬時(shí)熱阻，因此可以根據(jù)退化狀態(tài)和阻擋層溫度來調(diào)節(jié)最大損耗功率，所述最大損耗功率保證了熱穩(wěn)定狀態(tài)。因此，也可以避免過強(qiáng)的向下調(diào)節(jié)(Abregelung)。
[0013]機(jī)動(dòng)車輛中、尤其是混合動(dòng)力車輛情況下的變頻器的根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算單元、例如控制設(shè)備尤其是以編程技術(shù)設(shè)置為執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。因此，這樣的計(jì)算單元是用于實(shí)施上面說明的和下面進(jìn)一步闡述的方法的裝置。
[0014]以軟件形式實(shí)施本方法也是有利的，因?yàn)檫@尤其是在實(shí)施的計(jì)算單元還用于另外的任務(wù)并且因此總歸存在時(shí)導(dǎo)致特別小的成本。用于提供計(jì)算機(jī)程序的合適數(shù)據(jù)載體尤其是磁盤、硬盤、閃存、EEPR0M、CD — ROM、DVD等。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(因特網(wǎng)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)等等)下載程序也是可能的。
[0015]本發(fā)明的另外的優(yōu)點(diǎn)和構(gòu)型從說明書和附圖中得出。能夠理解，前述和下面要闡述的特征不僅可以分別說明的組合的形式、而且可以其他組合的形式或單獨(dú)地使用，而不脫離本發(fā)明的范圍。
[0016]本發(fā)明根據(jù)附圖中的實(shí)施例示意性示出，并且下面參考附圖予以詳盡描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1以示意圖示出了在公知升溫曲線的情況下借助于卷積確定功率半導(dǎo)體的阻擋層溫度。
[0018]圖2以示意圖示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的用于確定升溫曲線的電路。
[0019]圖3示出了在使用根據(jù)圖2的電路的情況下確定升溫曲線。
[0020]圖4以示意圖示出了調(diào)節(jié)策略，所述調(diào)節(jié)策略包括使用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的方法?！揪唧w實(shí)施方式】
[0021]下面闡述基于開頭提到的卷積方法的方法。原則上，在這樣的方法中，離線地記錄升溫曲線并且將其存放在阻抗矩陣中。圖1以圖表A示出了升溫曲線。圖表B和C示出了升溫曲線到所使用的卷積函數(shù)(Zth’)的變換。另外，在線地(從開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗中)計(jì)算相應(yīng)功率半導(dǎo)體處的損耗功率。這基本上在圖1的圖表D和E中示出。借助于包含所有功率半導(dǎo)體的升溫曲線(根據(jù)圖表A)和所述功率半導(dǎo)體之間的熱交叉耦合的阻抗矩陣，可以從損耗功率中確定阻擋層溫度，如在圖1的圖表F和G中所示的。
[0022]該方法例如像圖1的圖表A中所示的包括在運(yùn)行期間的升溫曲線記錄。通過求導(dǎo)可以由此確定熱阻抗Zth。在此情況下有Zth = dTj/dt成立。相應(yīng)的曲線在圖1的圖表B中予以示出。通過變換，由此獲得圖1的圖表C中所示的關(guān)于時(shí)間的阻抗曲線(Zth’)。該曲線的特征參量被存放在所說明的阻抗矩陣中，所述阻抗矩陣由此涉及功率半導(dǎo)體的其中記錄了升溫曲線的狀態(tài)、通常也即新狀態(tài)。
[0023]在圖1中，將損耗功率Pv的計(jì)算示為功能框D。相應(yīng)地獲得的圖表用E表示。在圖表F中示出了用來自圖表C的阻抗曲線(或阻抗矩陣)計(jì)算來自圖表E的損耗功率。在此，對于時(shí)刻t時(shí)的阻擋層溫度Tj有Tj (t) = Zth * Pv成立。
[0024]為了考慮功率半導(dǎo)體的導(dǎo)通阻抗的溫度依賴性，有利地將所計(jì)算的阻擋層溫度Tj輸送回到損耗功率計(jì)算(圖表D和E)中，以便實(shí)現(xiàn)損耗功率的更精確的計(jì)算。這以圖1的圖表H的形式示出。在此，隨著阻擋層溫度Tj繪出了功率半導(dǎo)體的漏極與源極之間在接通狀態(tài)RDS, on下的導(dǎo)通阻抗。
[0025]阻抗矩陣既考慮到三維熱膨脹、又考慮到相應(yīng)功率半導(dǎo)體模塊的元件之間的熱交叉耦合。在控制設(shè)備 中，由此根據(jù)下面的等式I通過卷積計(jì)算阻擋層溫度Tj。在此情況下，下標(biāo)X描述所觀察的功率半導(dǎo)體在功率半導(dǎo)體模塊上的位置，η描述晶體管的數(shù)目。將冷卻體溫度THS與按照卷積所計(jì)算的溫度相加。Zth給出溫度感應(yīng)的阻抗。
【權(quán)利要求】
1.一種基于在功率半導(dǎo)體(201)的運(yùn)行中測量的功率半導(dǎo)體(201)的損耗功率(Pv )以及損耗功率(Pv)與功率半導(dǎo)體(201)的取決于溫度的阻抗(Zth)之間的關(guān)系來確定功率半導(dǎo)體(201)的阻擋層溫度(Tj)的方法，其中基于在功率半導(dǎo)體(201)的運(yùn)行中記錄的升溫曲線來確定取決于溫度的阻抗(Zth)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中記錄升溫曲線包括:使功率半導(dǎo)體(201)發(fā)熱，并且在給發(fā)熱的功率半導(dǎo)體(201)施加測量電流的情況下通過冷卻階段(302)確定在功率半導(dǎo)體(201)上下降的電壓(UDS)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述發(fā)熱通過如下方式進(jìn)行:給功率半導(dǎo)體(201)施加負(fù)載電流直到達(dá)到功率半導(dǎo)體(201)的恒定溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述負(fù)載電流為I至10A、尤其是IOA和/或所述測量電流為10至100mA、尤其是100mA。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4之一所述的方法，其中從在功率半導(dǎo)體(201)上下降的電壓(UDS)中基于校準(zhǔn)曲線來確定所述功率半導(dǎo)體的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中借助于校準(zhǔn)測量來確定所述校準(zhǔn)曲線。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體(201)的所記錄的升溫曲線及其交叉耦合以阻抗矩陣的形式給出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中對功率半導(dǎo)體(201)的阻擋層溫度(Tj)的確定從所述阻抗矩陣中借助于卷積方法進(jìn)行。
9.一種用于機(jī)動(dòng)車輛、尤其是混合動(dòng)力車輛的調(diào)節(jié)方法(400)，其中借助于根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法來確定至少一個(gè)功率半導(dǎo)體(201)的阻擋層溫度(Tj)，并且基于所述阻擋層溫度(Tj)來確定所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體(201)的退化。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的調(diào)節(jié)方法(400)，其中基于所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體(201)的退化來適配用于所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體(201)的操控方法。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的調(diào)節(jié)方法(400)，其中基于所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體(201)的退化進(jìn)行所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體(201)的向下調(diào)節(jié)，使得不實(shí)現(xiàn)阻擋層溫度(Tj)的持續(xù)升高。
12.—種計(jì)算單元，尤其是機(jī)動(dòng)車輛、尤其是混合動(dòng)力車輛的控制設(shè)備，其被設(shè)置為執(zhí)行根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法。
13.一種具有程序代碼裝置的計(jì)算機(jī)程序，所述程序代碼裝置在其在根據(jù)權(quán)利要求12所述的計(jì)算單元、尤其是控制設(shè)備上執(zhí)行時(shí)促使計(jì)算單元執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至11之一所述的方法。
14.一種具有存儲(chǔ)在其上的根據(jù)權(quán)利要求13所述的計(jì)算機(jī)程序的機(jī)器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。
【文檔編號(hào)】G01R31/26GK103852706SQ201310644163
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月6日
【發(fā)明者】M.里希特, O.D.科勒 申請人:羅伯特·博世有限公司