本公開總體涉及功率半導體器件中結(jié)溫度估計，并且更特別地涉及基于跨導通狀態(tài)的功率半導體器件的電壓降的結(jié)溫度估計。

背景技術(shù)：

主要地或者部分地采用電驅(qū)動系統(tǒng)對許多不同類型機器供電。示例包括電推進的陸地和水面車輛、工業(yè)設(shè)備、升降機和許多其它設(shè)備。類似所有機械和電機系統(tǒng)，在隨時間工作和/或熱疲勞期間可以在電驅(qū)動中發(fā)生極端溫度，導致性能退化或故障。直接觀測溫度可以是挑戰(zhàn)性的，特別是當電驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)場使用時不可能。工業(yè)界因此歡迎涉及溫度測量或估計的改進。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

估計電驅(qū)動系統(tǒng)中的功率半導體器件的結(jié)溫度包括監(jiān)視電流的流動方向以便于確定電驅(qū)動系統(tǒng)中第一功率半導體和第二功率半導體中的哪一個處于導通狀態(tài)，并且基于跨導通狀態(tài)的功率半導體之一的電壓降而確定指示結(jié)溫度的值。

附圖說明

圖1是根據(jù)一個實施例的電驅(qū)動系統(tǒng)的示意圖；

圖2是結(jié)合圖1的系統(tǒng)操作而實施的數(shù)字邏輯的框圖；

圖3是根據(jù)一個實施例的用于監(jiān)視跨半導體的電壓的電路的電路示意圖；

圖4是功率半導體器件中經(jīng)估計和測量的溫度的圖表；

圖5是根據(jù)一個實施例的方法的流程圖；

圖6是關(guān)于功率半導體中電壓降和溫度的圖表；以及

圖7是關(guān)于另一功率半導體中電壓降和溫度的圖表。

具體實施方式

為了促進對電驅(qū)動系統(tǒng)中功率半導體器件中溫度估計原理的理解，現(xiàn)在將參照附圖中所示的示例，并且將使用專用語言描述該示例。但是應(yīng)該理解的是并非意在由本發(fā)明某些示例的說明和描述而限定本發(fā)明的范圍。此外，所示和/或所述實施例的任何改變和/或修改預期為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，如對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域人員將通常發(fā)生的，如在此所示和/或所述的本發(fā)明原理的任何其他應(yīng)用設(shè)計預期在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

參照圖1，示出了根據(jù)一個實施例的電驅(qū)動系統(tǒng)10，并且被構(gòu)造為從諸如三相交流(AC)電源12之類的電源12向外部電負載14提供電能。電源12可以包括AC電網(wǎng)(諸如市政電網(wǎng)、工業(yè)電網(wǎng))或者現(xiàn)場發(fā)電機(諸如風力發(fā)電機、水力發(fā)電機或者內(nèi)燃機)。外部負載14可以包括在用于車輛推進的牽引機構(gòu)中諸如三項AC電動機或DC電動機之類的電動機、用于工業(yè)或制造工藝的所有方式的供電的旋轉(zhuǎn)或線性促動器、電加熱器或者諸如用于對升降機供電的電動機之類的另外其他應(yīng)用。對于從以下說明書將進一步明顯的原因，獨特地構(gòu)造系統(tǒng)10，以便于實現(xiàn)對在系統(tǒng)10中功率半導體器件中的結(jié)溫度的估計。

在所示的實施例中，系統(tǒng)10包括具有前端16的電源模塊15，其中輸入節(jié)點20與電源12耦合。前端16可以包括諸如有源受控或無源整流器之類的整流器，其中輸入節(jié)點20是AC輸入節(jié)點，但是本公開不限于此。電源模塊15可以進一步包括諸如DC鏈路24之類的電鏈路，具有將前端16與后端18耦合的DC鏈路電容器26。以下詳細所述的后端18可以包括輸出節(jié)點22，諸如將電源模塊15與外部負載14連接的AC輸出節(jié)點。在所示的實施例中，后端18被構(gòu)造作為反相器，并且包括可以與電動機14中三個電動機繞組的三個或任意 多個繞組耦合的三項支線19，例如。在其他實施例中，可以使用不同數(shù)目的支線和/或電動機繞組。構(gòu)思了其中在電驅(qū)動系統(tǒng)10中僅使用單個支線的實施例。

系統(tǒng)10可以進一步包括監(jiān)視和控制機構(gòu)或控制系統(tǒng)28?？刂葡到y(tǒng)28可以裝備具有用于監(jiān)視電驅(qū)動系統(tǒng)10的各個狀態(tài)的某些部件，各個狀態(tài)包括其中功率半導體器件中的結(jié)溫度。系統(tǒng)28特別地可以包括模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)34，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)38，F(xiàn)PGA 38其包括控制單元36、第一感測機構(gòu)或相電流傳感器32、第二感測機構(gòu)或電壓感測機構(gòu)30，所有這些的工作從以下說明書將進一步明顯。

電源模塊15可以進一步包括多個功率半導體器件。在實際的實施方式策略中，每個支線19裝備具有兩個功率半導體器件的兩個組，每個組包括本質(zhì)上為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)模塊的二極管52和晶體管50。晶體管50和二極管52相互電學并聯(lián)，使得二極管52用作所謂的續(xù)流(feewheeling)二極管52。本領(lǐng)域技術(shù)人員將知曉,晶體管50和二極管52通常不會均同時導通任何實質(zhì)電流。因此，由于晶體管50和二極管52的設(shè)置，當向負載14提供交變電流時，晶體管50和二極管52均將在導通了電流的導通狀態(tài)、與不傳導電流的關(guān)斷狀態(tài)之間交替，但是將不會同時導通或關(guān)斷。相電流傳感器32將操作用于感測在任意給定時刻交變電流的方向以便于確定晶體管50和二極管52的哪個處于導通狀態(tài)，并且也可以構(gòu)造用于確定對于在此進一步所述其他原因而確定電流的水平或幅度。

電壓感測機構(gòu)30可以構(gòu)造用于感測跨功率半導體50和52中的每一個的電壓降。如上所述，相電流感測機構(gòu)32可以用于檢測向電動機/負載14提供的電流的相位，并且因此確定在任意給定時刻功率半導體部件50和52的哪個在傳導電流。正性或正向電流意味著對應(yīng)相位支線19中晶體管在傳導電流，而負性或反向電流意味著對應(yīng)的二極管在傳導電流。在功率半導體的其他電路設(shè)計或備選組合中，或者基于諸如有源控制技術(shù)的另外其他因素，相互關(guān)系可以不同。感測 引線或接觸54示出連接一個相位與感測機構(gòu)32，并且應(yīng)該理解，通常將對于額外的相位支線提供額外的連接或感測引線。機構(gòu)30可以經(jīng)由至電源模塊15的合適的連接而用于感測跨任意晶體管50以及任意二極管52的電壓，并且因此如在此所述估計它們的結(jié)溫度。

如上所述，F(xiàn)PGA 38可以包括控制單元36，控制單元36包括任何合適的微處理器。在實際實施策略中，控制單元36可以借由合適編程的方式被構(gòu)造用于響應(yīng)于如經(jīng)由感測機構(gòu)30指示的感測電壓降和經(jīng)由感測機構(gòu)32指示的電流的感測流動方向而計算或者另外確定指示了當前處于傳導電流的導通狀態(tài)的第一和第二功率半導體之一的估計的結(jié)溫度的值。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉，計算得到的值應(yīng)該是等于估計的攝氏度的數(shù)值，例如，或者指示了溫度范圍的值。例如，計算得到的值可以對應(yīng)于低溫度、中溫度或高溫度。如果值滿足預定的準則，則控制單元36可以輸出諸如信號之類的警報信號至用戶界面40。預定的準則可以是對于值的范圍，諸如足夠高以便于指示接近或超過設(shè)計規(guī)范的估計的結(jié)溫度?？刂茊卧?6也可以將值與閾值作比較并且輸出響應(yīng)于比較的信號。例如，控制單元36可以輸出編碼或者另外指示了不同于最大溫度額定值的許多攝氏度。盡管溫度監(jiān)視可以用于如在此所述的涉及對設(shè)備損壞或故障風險警報的目的，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉，在其他情形中溫度估計可以用于診斷或性能監(jiān)視目的，或者另外其他的。如上所述也與機構(gòu)28耦合的是用戶界面40，諸如臺式或膝上型計算機或者專用電驅(qū)動系統(tǒng)服務(wù)工具。應(yīng)該知曉，在控制單元36中或上放置某些在此預期的控制功能僅是可以采用的許多不同策略之一，并且并非意在限制所述控制功能的特定位置?？刂葡到y(tǒng)28也可以包括第三感測機構(gòu)51，其感測系統(tǒng)10中任意選定一個功率晶體管的柵極電壓。

現(xiàn)在參照圖2，顯示了示出與操作電驅(qū)動系統(tǒng)10結(jié)合執(zhí)行的控制邏輯的框圖。在圖2中，功率半導體器件50示出與功率半導體器件52電學并聯(lián)。在晶體管的情形中，器件50包括集電極60和發(fā)射極62，其中感測機構(gòu)30的電感測引線56和58與其相連。從圖2可見， 在方框31處考慮在集電極60處感測的電壓以及在發(fā)射極62處感測的電壓，其中執(zhí)行許多功能，包括經(jīng)由運算放大器的快速Vce_sat和Vf測量，以及信號調(diào)控。Vce_sat是在跨飽和狀態(tài)的晶體管的電壓降，而Vf是類似的跨二極管的電壓降。通常并行地，在方框33處發(fā)生經(jīng)由運算放大器的電流相位測量、以及信號調(diào)控。去飽和(Desat)檢測比較器方框68被示出與方框31和33并聯(lián)，其中確定晶體管導通。在方框35處，模擬至數(shù)字地處理方框31和33的輸出。在方框37處，如在此進一步所述，基于感測到電壓降執(zhí)行查找表(LUT)計算以估計對應(yīng)功率半導體的結(jié)溫度。方框40表示工具或操作界面40，其中評估結(jié)溫度、跨功率半導體器件50的電壓降、電流、跨功率半導體器件52的電壓、以及老化狀態(tài)或另外其他因素并且任選地顯示或者使得對于操作員或維護技術(shù)員可應(yīng)用。

現(xiàn)在參照圖3，更詳細顯示感測機構(gòu)30的電路裝置100。在圖3中，第一輸入引線102或電端子UDC+監(jiān)視集電極60和/或二極管52陽極的電壓，而第二輸入端或電端子104PHASE監(jiān)視發(fā)射極62和/或二極管52陽極的電壓。圖3中也示出了耦合在引線102和鉗位部件106之間的第一電阻器串，鉗位部件在晶體管50的關(guān)斷狀態(tài)期間鉗位輸入電壓。鉗位部件106可以包括二極管以及與電端子102耦合的+2V參考電壓端子。+2V參考電壓補償了與晶體管50和二極管52相關(guān)聯(lián)的不同電壓降范圍。添加2V因此允許相同電路用于感測跨晶體管50或二極管52的電壓，其中根據(jù)不同控制邏輯處理感測到的電壓?？梢韵肫穑辔浑娏鳒y量用于確定哪個功率半導體待評估。接地電勢經(jīng)由參考數(shù)字108示出。另一電阻器串122耦合至引線104。運算放大器130將經(jīng)由輸入端102感測到的電壓與經(jīng)由輸入端104感測到電壓比較，通過鉗位部件106補償，并且向ADC 34輸出指示了兩者之間差異的信號以用于如在此所述的進一步處理。參考電勢經(jīng)由數(shù)字110和112以及118示出。示出額外的電阻性元件但是并未特別編號。運算放大器130的輸出提供至兩個信道114和116以用于以在此所述方式處理。

現(xiàn)在參照圖5，顯示了示出根據(jù)本公開的示例性方法的流程圖300。圖5的方法將開始于方框310處，以80ks/s取樣速率測量從邏輯前進至方框320的相位電流。從方框320，邏輯可以前進至方框330以執(zhí)行查找表掃描，其中針對IGBT和對于二極管將相位電流與查找表中值比較，以便于確定IGBT或二極管中的哪個在導通。如果沒發(fā)現(xiàn)匹配，邏輯可以在方框340處返回。如果掃描在方框330處返回真值，則邏輯可以前進至方框350。為了減小由于導通狀態(tài)的估計誤差，在取樣期間監(jiān)視電壓電流相關(guān)性di/dt。在方框350處，做出關(guān)于dl>5A或dl<-5A的確定，在該情形中拒絕所有Vce_sat樣本并且邏輯在方框360處返回。如果在方框350處查詢返回真值，則已經(jīng)找到相位電流匹配，并且邏輯前進至方框370，其中對于去飽和比較器是否為低做出確定。如果是，則IGBT導通，并且邏輯將前進至方框380以在500ks/s取樣速率下對Vce_sat取樣。如果否，則邏輯可以在方框380處返回。

邏輯可以從方框390前進至方框400以根據(jù)以下等式執(zhí)行查找表計算：

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是在離線校準期間確定的、在恒定電流水平Ic下測得的初始值。Vce_sat是在線測得的IGBT導通狀態(tài)電壓，以及Tj是估計的在線結(jié)溫度。邏輯從方框400前進至方框440，其中計算得到的Vce_sat存儲在計算機存儲器中，并且可以在方框450處返回。邏輯可以從方框400并行前進至方框410以查詢溫度是否為高，換言之比預定閾值更高。如果否，則邏輯可以在方框420處返回。如果是，則邏輯可以前進至方框430并且如在此所述輸出警報信號。方法結(jié)束于方框460處。盡管前述說明在估計IGBT結(jié)溫度的情形中，但是可以執(zhí)行類似的處理以用于二極管結(jié)溫度估計。

根據(jù)關(guān)于結(jié)溫度與電壓降的以上等式，應(yīng)該知曉，在集電極與發(fā)射極之間電壓降不僅可以隨著溫度改變，而且也可以隨著電流水平和 柵極電壓而改變。在二極管中，柵極電壓不是因子。隨著電流水平以及在晶體管的情形中的柵極電壓保持恒定，可以應(yīng)用以上等式，使得感測到電壓降可以指示結(jié)溫度。如以上所提出的那樣，可以對于電驅(qū)動系統(tǒng)中功率半導體執(zhí)行離線校準，其中對于給定功率半導體或功率半導體分類記錄在每個溫度范圍下電壓降的值。在一個實際實施策略中，對于多個溫度記錄在恒定電流水平下的電壓降，從而確定增益值k以用于以上計算。該數(shù)據(jù)收集過程可以在不同電流水平下重復，并且不同的增益存儲在用于晶體管和二極管的查找表中?；诹鬟^導通狀態(tài)的功率半導體的電流的水平，控制單元36可以從合適的查找表查找所存儲的增益，由此乘以以上等式中的差值Vce_sat–Vce_sat_0。對于IGBT而言，增益可以預期為正并且隨著電流水平增大而減小。對于二極管而言，增益可以預期為負并且隨著電流水平增大而增大。在某些相對較高電流水平(諸如在IGBT的情形中約為350A或400A以及在二極管的情形中約為200A或約250A)之上，可以降低根據(jù)當前所公開技術(shù)的結(jié)溫度估計的可靠性。

參照圖4，顯示了在Y軸線上示出溫度并在X軸線上示出時間的圖表200，其中示出三個圖表線條210、220、230，分別對應(yīng)于針對IGBT的測得外殼溫度、測得結(jié)溫度220、以及估計的結(jié)溫度。參考數(shù)字240標識在多個試驗數(shù)據(jù)點處的多個估計的結(jié)溫度。圖表線條220是圖4中30個樣品移動平均值，根據(jù)在此所述溫度估計技術(shù)從數(shù)據(jù)點240得出。采用熱相機獲得外殼溫度和結(jié)溫度數(shù)據(jù)。從圖4可見，估計的溫度通常追隨觀測的溫度。

參照圖6，顯示了示出在400A的固定電流水平和15V的柵極電壓下對于IGBT導通狀態(tài)溫度與電壓降相關(guān)性的示圖。在Y軸線上示出線性化的溫度而在X軸線上示出跨IGBT的電壓降，其中使用兩點線性化得到約5攝氏度的最大線性化誤差。圖表線條510標識了測得的結(jié)溫度，而圖表線條520標識了根據(jù)本公開估計的結(jié)溫度。在估計和測得溫度之間的通常一致性是顯而易見的。

參照圖7，顯示了圖表600，示出在450A固定電流水平下針對二 極管的導通狀態(tài)溫度與電壓降相關(guān)性，使用兩點線性化而具有大約5攝氏度的最大線性化誤差。圖表線條610表示根據(jù)本公開的估計的結(jié)溫度，而圖表線條620代表測得的結(jié)溫度。估計和測得溫度之間的通常一致性是顯而易見的。應(yīng)該注意，在如圖7中二極管的情形中電壓降與溫度之間的相互關(guān)系通常與如圖6中IGBT的情形中電壓降與溫度之間的相互關(guān)系相反。在圖6或圖7示例的任一情形中，三點線性化將減小誤差。

從以上說明書可以看到，可以使用在電驅(qū)動系統(tǒng)的反相器模塊或者反相器區(qū)段中相位電流測量以及導通狀態(tài)電壓溫度相關(guān)性而估計晶體管和二極管實時結(jié)溫度。溫度估計可以具有很多應(yīng)用，不僅涉及檢測或預測故障，而且還涉及與性能和調(diào)諧相關(guān)的解析目的。缺陷或限制可以在制造測試中盡早發(fā)現(xiàn)，并且可以在現(xiàn)場驅(qū)動工作期間驗證正確的溫度水平和應(yīng)力。在此所述的技術(shù)也可以檢測晶體管模塊內(nèi)單個功率半導體芯片之間的溫度差異，例如由于熱膠的不均勻厚度、底座彎曲或不均勻電流分享。

本說明書僅是為了示意說明目的，并且不應(yīng)構(gòu)造用于以任何方式縮窄本公開的寬度。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉可以對當前公開實施例做出各種修改而并未脫離本公開的完整和直接的范圍和精神。其他特征方面、特征和優(yōu)點將明顯基于對附圖和所附權(quán)利要求的檢查。