电驱动系统中功率半导体器件中的温度估计

摘要

估计功率半导体中结温度包括监视电流方向以便于确定第一和第二功率半导体中哪个处于导通状态，并且感测跨功率半导体之一的电压降。可以根据基于电流水平的增益而将电压降与温度相关联。

说明书

技术领域

本公开总体涉及功率半导体器件中结温度估计，并且更特别地涉及基于跨导通状态的功率半导体器件的电压降的结温度估计。

背景技术

主要地或者部分地采用电驱动系统对许多不同类型机器供电。示例包括电推进的陆地和水面车辆、工业设备、升降机和许多其它设备。类似所有机械和电机系统，在随时间工作和/或热疲劳期间可以在电驱动中发生极端温度，导致性能退化或故障。直接观测温度可以是挑战性的，特别是当电驱动系统现场使用时不可能。工业界因此欢迎涉及温度测量或估计的改进。

发明内容

估计电驱动系统中的功率半导体器件的结温度包括监视电流的流动方向以便于确定电驱动系统中第一功率半导体和第二功率半导体中的哪一个处于导通状态，并且基于跨导通状态的功率半导体之一的电压降而确定指示结温度的值。

附图说明

图1是根据一个实施例的电驱动系统的示意图；

图2是结合图1的系统操作而实施的数字逻辑的框图；

图3是根据一个实施例的用于监视跨半导体的电压的电路的电路示意图；

图4是功率半导体器件中经估计和测量的温度的图表；

图5是根据一个实施例的方法的流程图；

图6是关于功率半导体中电压降和温度的图表；以及

图7是关于另一功率半导体中电压降和温度的图表。

具体实施方式

为了促进对电驱动系统中功率半导体器件中温度估计原理的理解，现在将参照附图中所示的示例，并且将使用专用语言描述该示例。但是应该理解的是并非意在由本发明某些示例的说明和描述而限定本发明的范围。此外，所示和/或所述实施例的任何改变和/或修改预期为在本发明的范围内。此外，如对于本发明所属技术领域人员将通常发生的，如在此所示和/或所述的本发明原理的任何其他应用设计预期在本发明的范围内。

参照图1，示出了根据一个实施例的电驱动系统10，并且被构造为从诸如三相交流(AC)电源12之类的电源12向外部电负载14提供电能。电源12可以包括AC电网(诸如市政电网、工业电网)或者现场发电机(诸如风力发电机、水力发电机或者内燃机)。外部负载14可以包括在用于车辆推进的牵引机构中诸如三项AC电动机或DC电动机之类的电动机、用于工业或制造工艺的所有方式的供电的旋转或线性促动器、电加热器或者诸如用于对升降机供电的电动机之类的另外其他应用。对于从以下说明书将进一步明显的原因，独特地构造系统10，以便于实现对在系统10中功率半导体器件中的结温度的估计。

在所示的实施例中，系统10包括具有前端16的电源模块15，其中输入节点20与电源12耦合。前端16可以包括诸如有源受控或无源整流器之类的整流器，其中输入节点20是AC输入节点，但是本公开不限于此。电源模块15可以进一步包括诸如DC链路24之类的电链路，具有将前端16与后端18耦合的DC链路电容器26。以下详细所述的后端18可以包括输出节点22，诸如将电源模块15与外部负载14连接的AC输出节点。在所示的实施例中，后端18被构造作为反相器，并且包括可以与电动机14中三个电动机绕组的三个或任意多个绕组耦合的三项支线19，例如。在其他实施例中，可以使用不同数目的支线和/或电动机绕组。构思了其中在电驱动系统10中仅使用单个支线的实施例。

系统10可以进一步包括监视和控制机构或控制系统28。控制系统28可以装备具有用于监视电驱动系统10的各个状态的某些部件，各个状态包括其中功率半导体器件中的结温度。系统28特别地可以包括模拟至数字转换器(ADC)34，现场可编程门阵列(FPGA)38，FPGA 38其包括控制单元36、第一感测机构或相电流传感器32、第二感测机构或电压感测机构30，所有这些的工作从以下说明书将进一步明显。

电源模块15可以进一步包括多个功率半导体器件。在实际的实施方式策略中，每个支线19装备具有两个功率半导体器件的两个组，每个组包括本质上为绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的二极管52和晶体管50。晶体管50和二极管52相互电学并联，使得二极管52用作所谓的续流(feewheeling)二极管52。本领域技术人员将知晓,晶体管50和二极管52通常不会均同时导通任何实质电流。因此，由于晶体管50和二极管52的设置，当向负载14提供交变电流时，晶体管50和二极管52均将在导通了电流的导通状态、与不传导电流的关断状态之间交替，但是将不会同时导通或关断。相电流传感器32将操作用于感测在任意给定时刻交变电流的方向以便于确定晶体管50和二极管52的哪个处于导通状态，并且也可以构造用于确定对于在此进一步所述其他原因而确定电流的水平或幅度。

电压感测机构30可以构造用于感测跨功率半导体50和52中的每一个的电压降。如上所述，相电流感测机构32可以用于检测向电动机/负载14提供的电流的相位，并且因此确定在任意给定时刻功率半导体部件50和52的哪个在传导电流。正性或正向电流意味着对应相位支线19中晶体管在传导电流，而负性或反向电流意味着对应的二极管在传导电流。在功率半导体的其他电路设计或备选组合中，或者基于诸如有源控制技术的另外其他因素，相互关系可以不同。感测引线或接触54示出连接一个相位与感测机构32，并且应该理解，通常将对于额外的相位支线提供额外的连接或感测引线。机构30可以经由至电源模块15的合适的连接而用于感测跨任意晶体管50以及任意二极管52的电压，并且因此如在此所述估计它们的结温度。

如上所述，FPGA 38可以包括控制单元36，控制单元36包括任何合适的微处理器。在实际实施策略中，控制单元36可以借由合适编程的方式被构造用于响应于如经由感测机构30指示的感测电压降和经由感测机构32指示的电流的感测流动方向而计算或者另外确定指示了当前处于传导电流的导通状态的第一和第二功率半导体之一的估计的结温度的值。本领域技术人员应该知晓，计算得到的值应该是等于估计的摄氏度的数值，例如，或者指示了温度范围的值。例如，计算得到的值可以对应于低温度、中温度或高温度。如果值满足预定的准则，则控制单元36可以输出诸如信号之类的警报信号至用户界面40。预定的准则可以是对于值的范围，诸如足够高以便于指示接近或超过设计规范的估计的结温度。控制单元36也可以将值与阈值作比较并且输出响应于比较的信号。例如，控制单元36可以输出编码或者另外指示了不同于最大温度额定值的许多摄氏度。尽管温度监视可以用于如在此所述的涉及对设备损坏或故障风险警报的目的，本领域技术人员应该知晓，在其他情形中温度估计可以用于诊断或性能监视目的，或者另外其他的。如上所述也与机构28耦合的是用户界面40，诸如台式或膝上型计算机或者专用电驱动系统服务工具。应该知晓，在控制单元36中或上放置某些在此预期的控制功能仅是可以采用的许多不同策略之一，并且并非意在限制所述控制功能的特定位置。控制系统28也可以包括第三感测机构51，其感测系统10中任意选定一个功率晶体管的栅极电压。

现在参照图2，显示了示出与操作电驱动系统10结合执行的控制逻辑的框图。在图2中，功率半导体器件50示出与功率半导体器件52电学并联。在晶体管的情形中，器件50包括集电极60和发射极62，其中感测机构30的电感测引线56和58与其相连。从图2可见，在方框31处考虑在集电极60处感测的电压以及在发射极62处感测的电压，其中执行许多功能，包括经由运算放大器的快速Vce_sat和Vf测量，以及信号调控。Vce_sat是在跨饱和状态的晶体管的电压降，而Vf是类似的跨二极管的电压降。通常并行地，在方框33处发生经由运算放大器的电流相位测量、以及信号调控。去饱和(Desat)检测比较器方框68被示出与方框31和33并联，其中确定晶体管导通。在方框35处，模拟至数字地处理方框31和33的输出。在方框37处，如在此进一步所述，基于感测到电压降执行查找表(LUT)计算以估计对应功率半导体的结温度。方框40表示工具或操作界面40，其中评估结温度、跨功率半导体器件50的电压降、电流、跨功率半导体器件52的电压、以及老化状态或另外其他因素并且任选地显示或者使得对于操作员或维护技术员可应用。

现在参照图3，更详细显示感测机构30的电路装置100。在图3中，第一输入引线102或电端子UDC+监视集电极60和/或二极管52阳极的电压，而第二输入端或电端子104PHASE监视发射极62和/或二极管52阳极的电压。图3中也示出了耦合在引线102和钳位部件106之间的第一电阻器串，钳位部件在晶体管50的关断状态期间钳位输入电压。钳位部件106可以包括二极管以及与电端子102耦合的+2V参考电压端子。+2V参考电压补偿了与晶体管50和二极管52相关联的不同电压降范围。添加2V因此允许相同电路用于感测跨晶体管50或二极管52的电压，其中根据不同控制逻辑处理感测到的电压。可以想起，相位电流测量用于确定哪个功率半导体待评估。接地电势经由参考数字108示出。另一电阻器串122耦合至引线104。运算放大器130将经由输入端102感测到的电压与经由输入端104感测到电压比较，通过钳位部件106补偿，并且向ADC 34输出指示了两者之间差异的信号以用于如在此所述的进一步处理。参考电势经由数字110和112以及118示出。示出额外的电阻性元件但是并未特别编号。运算放大器130的输出提供至两个信道114和116以用于以在此所述方式处理。

现在参照图5，显示了示出根据本公开的示例性方法的流程图300。图5的方法将开始于方框310处，以80ks/s取样速率测量从逻辑前进至方框320的相位电流。从方框320，逻辑可以前进至方框330以执行查找表扫描，其中针对IGBT和对于二极管将相位电流与查找表中值比较，以便于确定IGBT或二极管中的哪个在导通。如果没发现匹配，逻辑可以在方框340处返回。如果扫描在方框330处返回真值，则逻辑可以前进至方框350。为了减小由于导通状态的估计误差，在取样期间监视电压电流相关性di/dt。在方框350处，做出关于dl>5A或dl<-5A的确定，在该情形中拒绝所有Vce_sat样本并且逻辑在方框360处返回。如果在方框350处查询返回真值，则已经找到相位电流匹配，并且逻辑前进至方框370，其中对于去饱和比较器是否为低做出确定。如果是，则IGBT导通，并且逻辑将前进至方框380以在500ks/s取样速率下对Vce_sat取样。如果否，则逻辑可以在方框380处返回。

逻辑可以从方框390前进至方框400以根据以下等式执行查找表计算：

Tj(Vce_sat)＝k(Vce_sat-Vce_sat_0)+T_j0

其中k＝(Tj_1-Tj_0)/(Vce_1-Vce_0)；

Tj_1、T_j0、Vce_1、Vce_0是在离线校准期间确定的、在恒定电流水平Ic下测得的初始值。Vce_sat是在线测得的IGBT导通状态电压，以及Tj是估计的在线结温度。逻辑从方框400前进至方框440，其中计算得到的Vce_sat存储在计算机存储器中，并且可以在方框450处返回。逻辑可以从方框400并行前进至方框410以查询温度是否为高，换言之比预定阈值更高。如果否，则逻辑可以在方框420处返回。如果是，则逻辑可以前进至方框430并且如在此所述输出警报信号。方法结束于方框460处。尽管前述说明在估计IGBT结温度的情形中，但是可以执行类似的处理以用于二极管结温度估计。

根据关于结温度与电压降的以上等式，应该知晓，在集电极与发射极之间电压降不仅可以随着温度改变，而且也可以随着电流水平和栅极电压而改变。在二极管中，栅极电压不是因子。随着电流水平以及在晶体管的情形中的栅极电压保持恒定，可以应用以上等式，使得感测到电压降可以指示结温度。如以上所提出的那样，可以对于电驱动系统中功率半导体执行离线校准，其中对于给定功率半导体或功率半导体分类记录在每个温度范围下电压降的值。在一个实际实施策略中，对于多个温度记录在恒定电流水平下的电压降，从而确定增益值k以用于以上计算。该数据收集过程可以在不同电流水平下重复，并且不同的增益存储在用于晶体管和二极管的查找表中。基于流过导通状态的功率半导体的电流的水平，控制单元36可以从合适的查找表查找所存储的增益，由此乘以以上等式中的差值Vce_sat–Vce_sat_0。对于IGBT而言，增益可以预期为正并且随着电流水平增大而减小。对于二极管而言，增益可以预期为负并且随着电流水平增大而增大。在某些相对较高电流水平(诸如在IGBT的情形中约为350A或400A以及在二极管的情形中约为200A或约250A)之上，可以降低根据当前所公开技术的结温度估计的可靠性。

参照图4，显示了在Y轴线上示出温度并在X轴线上示出时间的图表200，其中示出三个图表线条210、220、230，分别对应于针对IGBT的测得外壳温度、测得结温度220、以及估计的结温度。参考数字240标识在多个试验数据点处的多个估计的结温度。图表线条220是图4中30个样品移动平均值，根据在此所述温度估计技术从数据点240得出。采用热相机获得外壳温度和结温度数据。从图4可见，估计的温度通常追随观测的温度。

参照图6，显示了示出在400A的固定电流水平和15V的栅极电压下对于IGBT导通状态温度与电压降相关性的示图。在Y轴线上示出线性化的温度而在X轴线上示出跨IGBT的电压降，其中使用两点线性化得到约5摄氏度的最大线性化误差。图表线条510标识了测得的结温度，而图表线条520标识了根据本公开估计的结温度。在估计和测得温度之间的通常一致性是显而易见的。

参照图7，显示了图表600，示出在450A固定电流水平下针对二极管的导通状态温度与电压降相关性，使用两点线性化而具有大约5摄氏度的最大线性化误差。图表线条610表示根据本公开的估计的结温度，而图表线条620代表测得的结温度。估计和测得温度之间的通常一致性是显而易见的。应该注意，在如图7中二极管的情形中电压降与温度之间的相互关系通常与如图6中IGBT的情形中电压降与温度之间的相互关系相反。在图6或图7示例的任一情形中，三点线性化将减小误差。

从以上说明书可以看到，可以使用在电驱动系统的反相器模块或者反相器区段中相位电流测量以及导通状态电压温度相关性而估计晶体管和二极管实时结温度。温度估计可以具有很多应用，不仅涉及检测或预测故障，而且还涉及与性能和调谐相关的解析目的。缺陷或限制可以在制造测试中尽早发现，并且可以在现场驱动工作期间验证正确的温度水平和应力。在此所述的技术也可以检测晶体管模块内单个功率半导体芯片之间的温度差异，例如由于热胶的不均匀厚度、底座弯曲或不均匀电流分享。

本说明书仅是为了示意说明目的，并且不应构造用于以任何方式缩窄本公开的宽度。因此，本领域技术人员应该知晓可以对当前公开实施例做出各种修改而并未脱离本公开的完整和直接的范围和精神。其他特征方面、特征和优点将明显基于对附图和所附权利要求的检查。