提供關(guān)于半導(dǎo)體元器件的老化狀態(tài)的信息的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于提供關(guān)于功率電子設(shè)備的半導(dǎo)體元器件的老化狀態(tài)的信息的方法。特別地，應(yīng)當(dāng)能夠提供關(guān)于電運行的車輛或風(fēng)輪的變流器的半導(dǎo)體元器件的這樣的信息。此外，本發(fā)明涉及一種功率半導(dǎo)體裝置，其提供關(guān)于半導(dǎo)體元器件的老化狀態(tài)的信息。
【背景技術(shù)】
[0002]功率半導(dǎo)體老化。類似于汽車輪胎的輪廓，功率半導(dǎo)體(IGBT，D1de，MOSFET等)磨損直到故障。在電運行的車輛的變流器中采用功率半導(dǎo)體時，這樣的故障能夠?qū)е伦兞髌鬏敵黾壍淖园l(fā)的完全故障，其結(jié)果是機動車輛無法行駛。與例如汽車輪胎其輪廓磨損取決于車道特性、駕駛員的駕駛行為和天氣的情況相類似地，功率半導(dǎo)體同樣取決于多個應(yīng)用參數(shù)不同地快速老化。然而其它的與汽車輪胎的情況不同地，不能夠利用視覺檢測測定功率半導(dǎo)體的老化狀態(tài)。為了測量壽命消耗，需要虛擬的阻擋層溫度(僅能間接測量)，并且此外在負(fù)載電流時的導(dǎo)通電壓是適合的。虛擬的阻擋層溫度(利用測量電流測量)聯(lián)系產(chǎn)生虛擬的阻擋層溫度的損失功率給出了關(guān)于半導(dǎo)體的內(nèi)部老化狀態(tài)的消息，同時在存在負(fù)載電流(比測量電流大二至四個數(shù)量級)時的導(dǎo)通電壓給出了關(guān)于芯片上側(cè)觸點接通的狀態(tài)的消息。
[0003]該測量方法在負(fù)載變換測試時應(yīng)用。負(fù)載變換測試是在功率半導(dǎo)體的研發(fā)/資格證明階段中進(jìn)行的類型試驗，根據(jù)其結(jié)果測定功率半導(dǎo)體的壽命曲線。對此必須在用于確定虛擬的阻擋層溫度(后面也簡稱為“阻擋層溫度”)的測試開始之前選擇性地調(diào)校功率半導(dǎo)體?，F(xiàn)今習(xí)慣的方法、從外部加熱半導(dǎo)體的“被動調(diào)校”必須利用附加設(shè)備實施(加熱室或者加熱板)，并且不能夠在使用位置(變頻器)中實現(xiàn)。
[0004]迄今為止在產(chǎn)品研發(fā)期間的準(zhǔn)備階段中計算的是，相應(yīng)的功率半導(dǎo)體多長時間執(zhí)行完其功能。為了在機動車輛領(lǐng)域中估測功率半導(dǎo)體的壽命，在功率半導(dǎo)體的壽命曲線上反映了壽命模擬中的不同的行駛軌跡。計算的質(zhì)量一方面取決于行駛軌跡的有關(guān)實踐，并且另一方面取決于之后的現(xiàn)實，即電運行的車輛的駕駛員實際上是否遵循制造商的行駛軌跡。后者也許是很少見的情況。迄今為止無法實現(xiàn)壽命消耗或者老化率的現(xiàn)場測量。
[0005]從在后公開的DE 10 2012 005 815中已知了用于測定功率電子設(shè)備的半導(dǎo)體元器件的溫度調(diào)校特征曲線的方法。對此，半導(dǎo)體元器件的功率接口與用于負(fù)載電流的第一電流源、用于測量電流的第二電流源、用于測量要么經(jīng)由功率接口要么經(jīng)由與功率接口連接的輔助接口下降的電壓的伏特表聯(lián)接。此外，與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接的半導(dǎo)體元器件在接通第一電流源時的間隔中經(jīng)由其損失功率加熱。在通過半導(dǎo)體元器件的熱學(xué)的主時間常數(shù)確定的時間段之后的間隔之間的、在斷開第一電流源和接通第二電流源時經(jīng)由功率接口或輔助接口下降的電壓作為代表溫度的值來測量。同時，溫度借助于至少一個在半導(dǎo)體元器件上耦連的并且與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)聯(lián)接的溫度傳感器來檢測，并且相應(yīng)地溫度對應(yīng)于一個電壓值。這些值和溫度在近似之后形成半導(dǎo)體元器件的調(diào)校特征曲線。
[0006]DE 10 2010 000 875 A1講述了用于確定變流器中的功率晶體管的阻擋層溫度的方法。此外，該方法用于通過計算功率晶體管的熱阻來識別老化現(xiàn)象和用于預(yù)測功率半導(dǎo)體的剩余壽命。
[0007]此外，W0 2013/075 733 A1講述了用于監(jiān)視功率晶體管的壽命的方法。對此，未負(fù)載的參考晶體管與功率晶體管一起布置在共同的基板上。在測試模式中為參考晶體管和至少一個功率晶體管施加檢測電流，其中，用于監(jiān)視功率晶體管的方法從現(xiàn)在起測定功率晶體管的待預(yù)期的剩余壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于，能夠在現(xiàn)場更好地確定半導(dǎo)體元器件的老化。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，該目的通過用于如下提供關(guān)于功率電子設(shè)備的半導(dǎo)體元器件的老化狀態(tài)的信息的方法實現(xiàn)，其如下實現(xiàn)
[0010]-在半導(dǎo)體元器件開始運轉(zhuǎn)之前:
[0011]Ο測定半導(dǎo)體元器件的溫度相對于在存在測量電流時在半導(dǎo)體元器件上的電壓的特征曲線，并且
[0012]ο從半導(dǎo)體元器件的溫度上升和損失功率的商中測定半導(dǎo)體元器件的熱阻的參考阻值，
[0013]-在半導(dǎo)體元器件開始運轉(zhuǎn)之后:
[0014]ο測量在存在測量電流時在半導(dǎo)體元器件上的電壓，并且根據(jù)特征曲線從測量的電壓中確定參考溫度值，
[0015]ο通過由損失功率引起的負(fù)載電流加熱半導(dǎo)體元器件，測量在加熱后在半導(dǎo)體元器件上存在測量電流時的當(dāng)前電壓，并且根據(jù)特征曲線從當(dāng)前電壓中確定當(dāng)前的溫度值，
[0016]ο從在當(dāng)前的溫度值和參考溫度值之間測定的溫度上升中確定半導(dǎo)體元器件的當(dāng)前的熱阻值和損失功率，
[0017]。測定當(dāng)前的熱阻值和參考阻值之間的差，并且
[0018]ο取決于該差地發(fā)出關(guān)于半導(dǎo)體元器件的老化狀態(tài)的信息。
[0019]此外，根據(jù)本發(fā)明提供了用于電機的功率半導(dǎo)體裝置，其具有
[0020]-功率電子設(shè)備的半導(dǎo)體元器件，
[0021]-存儲裝置，在其中存儲了
[0022]ο半導(dǎo)體元器件的溫度相對于在半導(dǎo)體元器件上的電壓的特征曲線以及
[0023]ο來自半導(dǎo)體元器件的溫度上升和損失功率的商的半導(dǎo)體元器件的熱阻的參考阻值，和
[0024]-測量裝置，以用于執(zhí)行下述步驟:
[0025]ο測量在存在測量電流時在半導(dǎo)體元器件上的電壓，并且根據(jù)特征曲線從測量的電壓中確定參考溫度值，
[0026]ο通過由損失功率引起的負(fù)載電流加熱半導(dǎo)體元器件，測量在加熱后在半導(dǎo)體元器件上存在測量電流時的當(dāng)前電壓，并且根據(jù)特征曲線從當(dāng)前電壓中確定當(dāng)前的溫度值，
[0027]ο從在當(dāng)前的溫度值和參考溫度值之間測定的溫度上升中確定半導(dǎo)體元器件的當(dāng)前的熱阻值和損失功率，
[0028]ο測定當(dāng)前的熱阻值和參考阻值之間的差，并且
[0029]ο取決于該差地發(fā)出關(guān)于半導(dǎo)體元器件的老化狀態(tài)的信息。
[0030]以有利的方式在半導(dǎo)體元器件開始運轉(zhuǎn)之前、即在生產(chǎn)變流器的范疇中首先實現(xiàn)對半導(dǎo)體元器件的調(diào)校，在其中記錄溫度電壓特征曲線，并且測定用于向外運走損失熱量的半導(dǎo)體的電阻。隨后在開始運轉(zhuǎn)之后、即在半導(dǎo)體元器件的根據(jù)規(guī)定的現(xiàn)場使用期間，在主動加熱半導(dǎo)體元器件之前和之后實施電壓測量。隨后，從電壓測量中推斷出溫度上升，并且從溫度上升中推斷出當(dāng)前的熱阻。熱阻的變化給出了關(guān)于半導(dǎo)體元器件的老化狀態(tài)的消息。因此，在沒有大的開銷的情況下能夠在半導(dǎo)體元器件的現(xiàn)場使用期間獲得關(guān)于其老化狀態(tài)的信息。
[0031]根據(jù)特征曲線從當(dāng)前電壓中獲得的當(dāng)前的溫度值優(yōu)選地為半導(dǎo)體元器件的阻擋層的虛擬的溫度或者代表該溫度的值。因此，直接考慮用于估測老化的內(nèi)部的半導(dǎo)體溫度，而不是半導(dǎo)體元器件的外部的溫度。
[0032]合適地，測量電流比負(fù)載電流小至少兩個數(shù)量級。特別優(yōu)選地，測量電流位于標(biāo)稱電流或者負(fù)載電流的0.25和1%之間。因為負(fù)載電流源真正地存在于電運行的車輛的傳動系中，所以為了實施僅一個附加測量電流源的根據(jù)本發(fā)明的方法，通常需要小規(guī)模的相應(yīng)的半導(dǎo)體布置和電壓測量裝置。
[0033]用于加熱半導(dǎo)體元器件的負(fù)載電流能夠是脈動的。因此無需強制要求以直流電或正弦形式的交流電加熱。
[0034]半導(dǎo)體元器件能夠(例如集成到變流器中地)連接到電機上，并且以用于加熱半導(dǎo)體元器件的負(fù)載電流給該電機通電，以使得電機基本上不運動。因此，負(fù)載電流對于測量周期僅用于生成損失熱量。
[0035]此外能夠有利的是，用于提供關(guān)于半導(dǎo)體元器件的老化狀態(tài)的信息的根據(jù)本發(fā)明的方法直接在開始電機之前或者在關(guān)閉電機之后進(jìn)行，該電機作為負(fù)載連接到半