對(duì)半導(dǎo)體部件的溫度變化的限定的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及對(duì)半導(dǎo)體部件的溫度變化的限定，并且特別地設(shè)及對(duì)轉(zhuǎn)換器設(shè)備中的 開關(guān)半導(dǎo)體部件的溫度變化的限定。
【背景技術(shù)】
[0002] 轉(zhuǎn)換器設(shè)備例如頻率轉(zhuǎn)換器、逆變器W及通過使用半導(dǎo)體開關(guān)來改變電力的其他 設(shè)備采用半導(dǎo)體來切換電流和電壓。在轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中使用的半導(dǎo)體開關(guān)的典型示例包括絕 緣柵雙極晶體管（IGBT，insulated gate bipolar transistor)和二極管。IGBT 能夠切換 高電流和高電壓。在許多應(yīng)用中，有源開關(guān)例如IGBT需要反并聯(lián)連接的二極管，該反并聯(lián) 連接的二極管必須耐受與開關(guān)本身相似的電流和電壓。在每次開關(guān)期間，在開關(guān)中發(fā)生功 率損耗，并且該耗散功率使開關(guān)部件升溫。類似地，當(dāng)從二極管切斷電流時(shí)，二極管由于耗 散功率而升溫。還可能在部件的傳導(dǎo)期間出現(xiàn)損耗。
[0003] 在電壓源頻率轉(zhuǎn)換器一-其是用于對(duì)電機(jī)的操作進(jìn)行控制的設(shè)備一-中，使用逆 變器來產(chǎn)生輸出電壓。逆變器通過從DC電壓形成短電壓脈沖來進(jìn)行操作，使得來自逆變器 的輸出電壓為脈沖電壓。脈沖的長度取決于逆變器的開關(guān)頻率。開關(guān)頻率對(duì)電機(jī)的控制有 影響；開關(guān)頻率越高，獲得的控制動(dòng)態(tài)越好。
[0004] 由于半導(dǎo)體部件的每一次開關(guān)均耗散功率，所W開關(guān)頻率越高導(dǎo)致?lián)p耗越多，從 而應(yīng)當(dāng)仔細(xì)設(shè)計(jì)設(shè)備的冷卻設(shè)備W滿足損耗的量，使得半導(dǎo)體部件的溫度不超過其最高允 許溫度。 陽〇化]在某些應(yīng)用中，W循環(huán)的方式加載轉(zhuǎn)換器設(shè)備。在運(yùn)樣的使用中，轉(zhuǎn)換器在一定時(shí) 間段內(nèi)負(fù)載沉重，而在高負(fù)載之后負(fù)載顯著減小。當(dāng)運(yùn)樣的負(fù)載變化繼續(xù)時(shí)，由于半導(dǎo)體部 件的溫度變化，所W對(duì)半導(dǎo)體部件產(chǎn)生很大壓力。在半導(dǎo)體部件中，隨著在半導(dǎo)體的忍片中 功率耗散，部件的實(shí)際pn結(jié)升溫最多。由于物理部件的不同部分發(fā)熱不同，所W溫度的循 環(huán)對(duì)部件產(chǎn)生很大壓力，并且因此部件經(jīng)受機(jī)械磨損和過早損壞。
[0006] 已知的是要限定轉(zhuǎn)換器設(shè)備的開關(guān)頻率，W在循環(huán)使用中限定溫度改變。如上所 述，轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率的降低使部件的損耗降低。因此，在循環(huán)操作中，可W通過降低開關(guān) 頻率來減少溫度變化。
[0007] 圖1示出了用于限定溫度變化的已知過程的示例，在該已知過程中基于半導(dǎo)體部 件的溫度來限定開關(guān)頻率。圖1示出了作為溫度的函數(shù)的開關(guān)頻率的限值。當(dāng)半導(dǎo)體部件 的溫度超過第一固定限值T_sf_low時(shí)，開關(guān)頻率從其最大值SF_max起線性降低。一旦溫 度進(jìn)一步升高，開關(guān)頻率被限定，直到溫度到達(dá)第二固定限值T_sf_hi曲，此后開關(guān)頻率被 限定為值SF_min。因而，W上述方式根據(jù)所確定的半導(dǎo)體部件的溫度來選擇開關(guān)頻率。
[000引圖2示出了與已知過程結(jié)合的兩個(gè)不同情形。在圖2的示例中，假定轉(zhuǎn)換器已經(jīng)空 閑了很長時(shí)間并且向轉(zhuǎn)換器逐步提供負(fù)載。在第一種情況下，冷卻介質(zhì)的溫度為70°C，并且 因而半導(dǎo)體的溫度也相同。半導(dǎo)體的溫度開始迅速增加，直到達(dá)到限值1'_3'_10*(100°(：) 為止。在該限值之后，開關(guān)頻率降低，并且溫度最終上升至ll0°C，溫度變化dTj為40°C。
[0009] 在第二種情況下，冷卻介質(zhì)的溫度僅為20°c。盡管半導(dǎo)體的溫度如在第一情況下 那樣上升，但是溫度不超過下限T_sf_low。因此，整個(gè)負(fù)載時(shí)段在不限定開關(guān)頻率的情況下 進(jìn)行操作。運(yùn)引起溫度變化dTj為60°C的情況。
[0010] W使得半導(dǎo)體部件W冷卻介質(zhì)的最高容許溫度進(jìn)行操作的方式對(duì)溫度限值T_sf_ hi曲和T_sf_low進(jìn)行設(shè)置。此外，必須將溫度差選擇得比較大，使得下限可W達(dá)到冷卻介 質(zhì)的除了最高容許溫度之外的其他溫度。然而，運(yùn)不是有效的，因?yàn)闇囟认拗抵g的差越 小，則開關(guān)頻率的降低越有效地補(bǔ)償半導(dǎo)體部件的溫度。
[0011] 如W上所示，已知系統(tǒng)引起如下情況：由于主要關(guān)注對(duì)最高溫度的限定，所W有可 能存在大的溫度變化。但是，與較高絕對(duì)溫度下的較小變化相比，溫度上的較大變化使部件 磨損更多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是提供一種方法和一種用于實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備，W解決上述問題。 本發(fā)明的目的是通過W獨(dú)立權(quán)利要求中所陳述的內(nèi)容為特征的方法和設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。在從 屬權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0013] 本發(fā)明是基于將可變溫度限值用于限定開關(guān)頻率的構(gòu)思?？勺兿拗等Q于與溫度 相關(guān)的量。由于限值適應(yīng)當(dāng)時(shí)條件，所W可W限定溫度循環(huán)而與起始溫度無關(guān)。
[0014] 本發(fā)明的方法和設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是：即使在轉(zhuǎn)換器的負(fù)載顯著變化時(shí)，本發(fā)明仍然確 保轉(zhuǎn)換器設(shè)備中的半導(dǎo)體部件有較長壽命。此外，本發(fā)明的實(shí)施例使得能夠比已知的解決 方案更有效地限定溫度。根據(jù)實(shí)施例，將溫度上限與溫度下限之間的差保持為較小，從而有 效地限定溫度變化。
【附圖說明】
[0015] 在下面，將參照附圖借助于優(yōu)選實(shí)施例來更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中：
[0016] 圖1和圖2示出了已知的溫度限定方案；化及
[0017] 圖3圖示了本發(fā)明的方法的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 在本發(fā)明中，確定與開關(guān)轉(zhuǎn)換器的操作溫度相關(guān)的量。運(yùn)樣的量是例如開關(guān)轉(zhuǎn)換 器的冷卻介質(zhì)的溫度、半導(dǎo)體部件的過濾溫度、開關(guān)轉(zhuǎn)換器的負(fù)載的信息、或時(shí)間信息。此 夕F，在本發(fā)明中，確定半導(dǎo)體部件的溫度，并且基于所確定的量和半導(dǎo)體部件的溫度，選擇 開關(guān)頻率的最大值。進(jìn)一步將半導(dǎo)體部件的開關(guān)頻率限定為所選擇的開關(guān)頻率。
[0019] 根據(jù)實(shí)施例，與開關(guān)轉(zhuǎn)換器的操作溫度相關(guān)的量是冷卻介質(zhì)的溫度。冷卻介質(zhì)可 W是冷卻液體或冷卻空氣。優(yōu)選地直接通過測量冷卻介質(zhì)的溫度來確定冷卻介質(zhì)的溫度。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，基于與開關(guān)轉(zhuǎn)換器的操作溫度相關(guān)的量，設(shè)置溫度上限1'_ SfJii曲。當(dāng)半導(dǎo)體部件的溫度高于溫度上限時(shí)，開關(guān)頻率被限定為第二頻率值SF_min。因 此，根據(jù)本實(shí)施例，與操作溫度相關(guān)的量設(shè)置溫度限值1'_3'_111曲。當(dāng)開關(guān)元件的溫度達(dá)到 該溫度限值時(shí)，開關(guān)元件的開關(guān)頻率被限定為第二頻率值，也就是說，部件的開關(guān)頻率不能 上升到超過所設(shè)置的第二頻率值，使得部件的溫度變化降低。
[0021] 當(dāng)與開關(guān)轉(zhuǎn)換器的操作溫度相關(guān)的量是冷卻介質(zhì)的溫度T_liquid時(shí)，可W通過 讓冷卻介質(zhì)的溫度加上恒定值來計(jì)算溫度上限。該常數(shù)可W根據(jù)具體設(shè)備和配置來選擇。 當(dāng)與開關(guān)轉(zhuǎn)換器的操作溫度相關(guān)的量是半導(dǎo)體部件的過濾溫度時(shí)，過濾溫度表示半導(dǎo)體部 件正進(jìn)行操作時(shí)的溫度。已知的是，與開關(guān)元件附接的散熱器的溫度基于開關(guān)元件的溫度 而上升。因此，當(dāng)通過低通濾波器適當(dāng)?shù)剡^濾開關(guān)元件的溫度時(shí)，獲得冷卻介質(zhì)的溫度的近 似值。此外，可W使用溫度模型，該溫度模型基于開關(guān)元件的溫度或者基于開關(guān)元件的負(fù)載 的信息來確定冷卻介質(zhì)的溫度。
[0022] 此外，還可能使用時(shí)間信息作為與開關(guān)轉(zhuǎn)換器的操作溫度相關(guān)的量。時(shí)間信息可 W包括時(shí)間和月份。在運(yùn)樣的情況下，使用開關(guān)轉(zhuǎn)換器的地理位置處的每小時(shí)或每天的平 均溫度。當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)換器位于其中溫度變化對(duì)轉(zhuǎn)換器的溫度有影響的運(yùn)種地方即位于車輛中 或受大氣條件影響的其他運(yùn)種設(shè)備中時(shí)，每小時(shí)的溫度數(shù)據(jù)是有用的。
[0023] 如所提到的，第二頻率值被設(shè)置為開關(guān)頻率的最大值，并且當(dāng)部件的溫度高于溫 度上限T_sf_hi曲時(shí)，轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率被限定為第二頻率值。當(dāng)開關(guān)元件的溫度低于溫 度上限時(shí)，開關(guān)頻率的最大值被限定為開關(guān)元件的溫度的函數(shù)。假定最大值是部件溫度的 函數(shù)，運(yùn)樣的函數(shù)可W是線性函數(shù)，使得當(dāng)部件的溫度升高時(shí)最大限值線性降低。線性函數(shù) 是示例，并且該函數(shù)可W具有任何形式，只要部件的升高溫度至少在某個(gè)溫度范圍內(nèi)使開 關(guān)頻率的最大值降低即可。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，基于與開關(guān)轉(zhuǎn)換器的操作溫度相關(guān)的量來設(shè)置溫度下限1'_ sf_low。在下文中，與操作溫度相關(guān)的量被稱為所確定的冷卻介質(zhì)的溫度T_liquid。然而， 本發(fā)明或?qū)嵤├幌抻谠摼唧w實(shí)施例，僅為了簡化W下示例，使用冷卻介質(zhì)的溫度。
[00巧]可W通過計(jì)算T_sf_low = T_liquid巧1來設(shè)置溫度下限，其中，T_liquid是所確 定的冷卻介質(zhì)的溫度，并且Xl是根據(jù)具體設(shè)備和配置所選擇的溫度值。
[00%] 此外，根據(jù)本實(shí)施例并且如已經(jīng)提到的，基于所確定的冷卻介質(zhì)的溫度來設(shè)置溫 度上限T_sf_hi曲?？蒞例如通過計(jì)算T_sf_hi曲=T_sf_low巧2來設(shè)置溫度下限，其中， X2是溫度下限與溫度上限之間的期望溫度差，并且可W根據(jù)具體設(shè)備和配置來選擇X2。利 用上述公式將T_sf_hi曲的計(jì)算成等于T_sf_hi曲=T_liquid巧1巧2。由于Xl和X2二者 均為正值，所W溫度下限具有比溫度上限更低的值。
[0027] 如上所述，W該方法來確定半導(dǎo)體部件的溫度。關(guān)于過溫保護(hù)的相關(guān)溫度是娃忍 片Tj即半導(dǎo)體開關(guān)的pn結(jié)的溫度。隨著由于部件的各部分之間的溫度系數(shù)不同而引起溫 度對(duì)部件循環(huán)磨損，所W關(guān)注的是物理開關(guān)部的底部的溫度Tc即殼體的溫度、W及上述的 結(jié)溫度Tj。殼體溫度Tc處于結(jié)溫度Tj與冷卻介質(zhì)的溫度之間。因此，當(dāng)結(jié)溫度的變化相 對(duì)于冷卻介質(zhì)減小時(shí)，結(jié)溫度與殼體溫度之間的差也減小。
[0028] 根據(jù)實(shí)施例，所確定的半導(dǎo)體部件的溫度是半導(dǎo)體部件的pn結(jié)的溫度。某些半導(dǎo) 體部件或包含多個(gè)部件的模塊包括溫度測量。從部件的已知點(diǎn)進(jìn)行該測量。根據(jù)該溫度， 可W使用由部件制成的熱模型來計(jì)算部件的pn結(jié)的溫度。熱模型基本上是其中W已知方 式被輸入功率損耗和一個(gè)或更多個(gè)已知溫度并且由部件的熱特性形成的仿真模型。當(dāng)功率 損耗和已知