对半导体部件的温度变化的限定

技术领域

本发明涉及对半导体部件的温度变化的限定，并且特别地涉及对转换 器设备中的开关半导体部件的温度变化的限定。

背景技术

转换器设备例如频率转换器、逆变器以及通过使用半导体开关来改变 电力的其他设备采用半导体来切换电流和电压。在转换器应用中使用的半 导体开关的典型示例包括绝缘栅双极晶体管(IGBT，insulatedgate bipolartransistor)和二极管。IGBT能够切换高电流和高电压。在许多 应用中，有源开关例如IGBT需要反并联连接的二极管，该反并联连接的 二极管必须耐受与开关本身相似的电流和电压。在每次开关期间，在开关 中发生功率损耗，并且该耗散功率使开关部件升温。类似地，当从二极管 切断电流时，二极管由于耗散功率而升温。还可能在部件的传导期间出现 损耗。

在电压源频率转换器——其是用于对电机的操作进行控制的设备— —中，使用逆变器来产生输出电压。逆变器通过从DC电压形成短电压 脉冲来进行操作，使得来自逆变器的输出电压为脉冲电压。脉冲的长度取 决于逆变器的开关频率。开关频率对电机的控制有影响；开关频率越高， 获得的控制动态越好。

由于半导体部件的每一次开关均耗散功率，所以开关频率越高导致损 耗越多，从而应当仔细设计设备的冷却设备以满足损耗的量，使得半导体 部件的温度不超过其最高允许温度。

在某些应用中，以循环的方式加载转换器设备。在这样的使用中，转 换器在一定时间段内负载沉重，而在高负载之后负载显著减小。当这样的 负载变化继续时，由于半导体部件的温度变化，所以对半导体部件产生很 大压力。在半导体部件中，随着在半导体的芯片中功率耗散，部件的实际 pn结升温最多。由于物理部件的不同部分发热不同，所以温度的循环对 部件产生很大压力，并且因此部件经受机械磨损和过早损坏。

已知的是要限定转换器设备的开关频率，以在循环使用中限定温度改 变。如上所述，转换器的开关频率的降低使部件的损耗降低。因此，在循 环操作中，可以通过降低开关频率来减少温度变化。

图1示出了用于限定温度变化的已知过程的示例，在该已知过程中基 于半导体部件的温度来限定开关频率。图1示出了作为温度的函数的开关 频率的限值。当半导体部件的温度超过第一固定限值T_sf_low时，开关 频率从其最大值SF_max起线性降低。一旦温度进一步升高，开关频率被 限定，直到温度到达第二固定限值T_sf_high，此后开关频率被限定为值 SF_min。因而，以上述方式根据所确定的半导体部件的温度来选择开关 频率。

图2示出了与已知过程结合的两个不同情形。在图2的示例中，假定 转换器已经空闲了很长时间并且向转换器逐步提供负载。在第一种情况 下，冷却介质的温度为70℃，并且因而半导体的温度也相同。半导体的 温度开始迅速增加，直到达到限值T_sf_low(100℃)为止。在该限值之 后，开关频率降低，并且温度最终上升至110℃，温度变化dTj为40℃。

在第二种情况下，冷却介质的温度仅为20℃。尽管半导体的温度如 在第一情况下那样上升，但是温度不超过下限T_sf_low。因此，整个负 载时段在不限定开关频率的情况下进行操作。这引起温度变化dTj为60℃ 的情况。

以使得半导体部件以冷却介质的最高容许温度进行操作的方式对温 度限值T_sf_high和T_sf_low进行设置。此外，必须将温度差选择得比 较大，使得下限可以达到冷却介质的除了最高容许温度之外的其他温度。 然而，这不是有效的，因为温度限值之间的差越小，则开关频率的降低越 有效地补偿半导体部件的温度。

如以上所示，已知系统引起如下情况：由于主要关注对最高温度的限 定，所以有可能存在大的温度变化。但是，与较高绝对温度下的较小变化 相比，温度上的较大变化使部件磨损更多。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和一种用于实现该方法的设备，以解决 上述问题。本发明的目的是通过以独立权利要求中所陈述的内容为特征的 方法和设备来实现的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

本发明是基于将可变温度限值用于限定开关频率的构思。可变限值取 决于与温度相关的量。由于限值适应当时条件，所以可以限定温度循环而 与起始温度无关。

本发明的方法和设备的优点是：即使在转换器的负载显著变化时，本 发明仍然确保转换器设备中的半导体部件有较长寿命。此外，本发明的实 施例使得能够比已知的解决方案更有效地限定温度。根据实施例，将温度 上限与温度下限之间的差保持为较小，从而有效地限定温度变化。

附图说明

在下面，将参照附图借助于优选实施例来更详细地描述本发明，在附 图中：

图1和图2示出了已知的温度限定方案；以及

图3图示了本发明的方法的实施例。

具体实施方式

在本发明中，确定与开关转换器的操作温度相关的量。这样的量是例 如开关转换器的冷却介质的温度、半导体部件的过滤温度、开关转换器的 负载的信息、或时间信息。此外，在本发明中，确定半导体部件的温度， 并且基于所确定的量和半导体部件的温度，选择开关频率的最大值。进一 步将半导体部件的开关频率限定为所选择的开关频率。

根据实施例，与开关转换器的操作温度相关的量是冷却介质的温度。 冷却介质可以是冷却液体或冷却空气。优选地直接通过测量冷却介质的温 度来确定冷却介质的温度。

根据本发明的实施例，基于与开关转换器的操作温度相关的量，设置 温度上限T_sf_high。当半导体部件的温度高于温度上限时，开关频率被 限定为第二频率值SF_min。因此，根据本实施例，与操作温度相关的量 设置温度限值T_sf_high。当开关元件的温度达到该温度限值时，开关元 件的开关频率被限定为第二频率值，也就是说，部件的开关频率不能上升 到超过所设置的第二频率值，使得部件的温度变化降低。

当与开关转换器的操作温度相关的量是冷却介质的温度T_liquid时， 可以通过让冷却介质的温度加上恒定值来计算温度上限。该常数可以根据 具体设备和配置来选择。当与开关转换器的操作温度相关的量是半导体部 件的过滤温度时，过滤温度表示半导体部件正进行操作时的温度。已知的 是，与开关元件附接的散热器的温度基于开关元件的温度而上升。因此， 当通过低通滤波器适当地过滤开关元件的温度时，获得冷却介质的温度的 近似值。此外，可以使用温度模型，该温度模型基于开关元件的温度或者 基于开关元件的负载的信息来确定冷却介质的温度。

此外，还可能使用时间信息作为与开关转换器的操作温度相关的量。 时间信息可以包括时间和月份。在这样的情况下，使用开关转换器的地理 位置处的每小时或每天的平均温度。当开关转换器位于其中温度变化对转 换器的温度有影响的这种地方即位于车辆中或受大气条件影响的其他这 种设备中时，每小时的温度数据是有用的。

如所提到的，第二频率值被设置为开关频率的最大值，并且当部件的 温度高于温度上限T_sf_high时，转换器的开关频率被限定为第二频率值。 当开关元件的温度低于温度上限时，开关频率的最大值被限定为开关元件 的温度的函数。假定最大值是部件温度的函数，这样的函数可以是线性函 数，使得当部件的温度升高时最大限值线性降低。线性函数是示例，并且 该函数可以具有任何形式，只要部件的升高温度至少在某个温度范围内使 开关频率的最大值降低即可。

根据本发明的实施例，基于与开关转换器的操作温度相关的量来设置 温度下限T_sf_low。在下文中，与操作温度相关的量被称为所确定的冷 却介质的温度T_liquid。然而，本发明或实施例不限于该具体实施例，仅 为了简化以下示例，使用冷却介质的温度。

可以通过计算T_sf_low＝T_liquid+X1来设置温度下限，其中， T_liquid是所确定的冷却介质的温度，并且X1是根据具体设备和配置所 选择的温度值。

此外，根据本实施例并且如已经提到的，基于所确定的冷却介质的温 度来设置温度上限T_sf_high。可以例如通过计算T_sf_high＝T_sf_low+ X2来设置温度下限，其中，X2是温度下限与温度上限之间的期望温度差， 并且可以根据具体设备和配置来选择X2。利用上述公式将T_sf_high的 计算成等于T_sf_high＝T_liquid+X1+X2。由于X1和X2二者均为正 值，所以温度下限具有比温度上限更低的值。

如上所述，以该方法来确定半导体部件的温度。关于过温保护的相关 温度是硅芯片Tj即半导体开关的pn结的温度。随着由于部件的各部分之 间的温度系数不同而引起温度对部件循环磨损，所以关注的是物理开关部 的底部的温度Tc即壳体的温度、以及上述的结温度Tj。壳体温度Tc处 于结温度Tj与冷却介质的温度之间。因此，当结温度的变化相对于冷却 介质减小时，结温度与壳体温度之间的差也减小。

根据实施例，所确定的半导体部件的温度是半导体部件的pn结的温 度。某些半导体部件或包含多个部件的模块包括温度测量。从部件的已知 点进行该测量。根据该温度，可以使用由部件制成的热模型来计算部件的 pn结的温度。热模型基本上是其中以已知方式被输入功率损耗和一个或 更多个已知温度并且由部件的热特性形成的仿真模型。当功率损耗和已知 温度被输入时，热模型计算在期望的点处的温度。当已知所切换的电流和 电压时，部件的功率损耗是已知的。

根据实施例，当所确定的半导体部件的温度低于温度下限T_sf_low 时，开关频率的最大值具有第一频率值SF_high。此外，当半导体部件的 温度高于温度上限T_sf_high时，开关频率的最大值具有第二频率值 SF_min。第二频率值低于第一频率值，并且温度下限低于温度上限。当 半导体部件的温度，更具体地是半导体部件的pn结的温度，低于温度下 限T_sf_low时，所使用的开关频率通常被限定为最高允许开关频率。这 意味着，应用在没有限定时所使用的开关频率。

另一方面，当半导体部件的温度高于温度上限T_sf_high时，开关频 率被限定为第二频率值SF_min。此限定将最大开关频率限定为可应用的 最低可能频率，使得转换器设备的操作鉴于控制需求仍是可靠的。

当半导体部件的温度处于温度下限T_sf_low与温度上限T_sf_high 之间时，开关频率的最大值具有在第一频率值与第二频率值之间的值。当 所确定的温度处于所提及的限值之间时，开关频率的最大值优选地根据所 确定的温度进行线性地改变。当处于限值之间时，可以利用如下等式来计 算开关频率SF的值：

$SF=\left(\frac{SF\_\min -SF\_high}{T\_sf\_high-T\_sf\_low}\right)(Tj-T\_sf\_low)+SF\_high$

其中，所确定的半导体温度为Tj。

开关频率限定过程向负责产生用于开关的开关指令的调制器或类似 设备输出频率限值。

当开关频率的最大限值以上述方式被确定时，开关转换器的半导体部 件使用以半导体部件的温度和与开关转换器的操作温度相关的量为基础 的开关频率的最大值进行操作。

图3示出了与如图2类似的与本发明的方法结合的方案，由此转换器 已经空闲并且转换器以分步方式进行负载。

在图3的示例中，进一步定义了：温度下限比冷却介质(液体)的温 度高30℃；以及温度上限与温度下限之间的差为20℃。

在图3的第一种情况下，冷却液体的温度为70℃，因而温度下限为 100℃以及温度上限为120℃。这些限值对应于图2的限值，因而操作如 结合图2所描述的那样。

然而，在第二种情况下，本发明的使用使得能够如图3中所示限定温 度变化。在第二种情况下，冷却液体的温度为20℃，并且温度下限设置 为50℃以及温度上限设置为70℃。随着温度现在上升到高于温度下限， 开关频率如示意图中所示的那样被限定。根据本发明的对开关频率的限定 即使在冷却介质处于低温度的情况下仍引起温度变化降低。降低的温度变 化在许多应用中是至关重要的。例如在牵引应用中，冷却介质的温度可以 从-40℃变化至70℃。

所提供的附图仅用于更好地理解本发明。频率限值曲线是在不考虑由 于温度改变或由于电阻率改变而引起半导体部件的功率损耗的改变的情 况下的近似曲线。

本发明的用于限定开关转换器的半导体部件中的温度变化的设备包 括：用于确定与开关转换器的操作温度相关的量的装置。如以上所提到的， 这样的与操作温度相关的量可以是开关转换器的冷却介质的温度、半导体 部件的过滤温度、开关转换器的负载的信息、或时间信息。当该量是冷却 介质的温度时，用于确定温度的这种装置优选地是温度测量装置。可以使 用任何已知的测量系统或确定系统来确定温度。

如上所述，半导体器件的过滤温度优选地是低通滤波值或模拟值，并 且由此用于确定这样的值的合适装置包括运算装置，如用以执行这样的滤 波或建模而编程的处理器。此外，当与操作温度相关的量是时间信息时， 用于确定温度的装置包括实时时钟、日历、以及包括与操作温度相关的温 度值在内的数据库。例如，数据库可以由处理器读取，并且根据时间、日 期和月份来索引。

此外，设备包括用于确定半导体部件的温度的装置。如结合方法所提 出的，优选地使用由半导体部件制成的热模型来确定半导体部件的温度。 热模型被用于输出温度值的计算处理。

设备还包括用于基于所确定的与开关转换器的操作温度相关的量和 半导体部件的温度来选择开关转换器的开关频率的最大值的装置。这样的 装置优选地使用处理器来实现，向该处理器输入所确定的量和所确定的温 度。处理器或类似的计算设备计算开关频率的最大值。

此外，设备包括用于将开关转换器的半导体部件的开关频率限定为所 选择的开关频率的装置。用于限定开关频率的装置优选地被合并到开关转 换器的调制器中。调制器考虑开关频率限值。将限值输入至调制器，使得 调制器能够以期望的方式限定开关频率。

大部分上述特征和装置可以使用提供计算和比较的软件来实现，并且 可以接收所需的温度测量。

本发明的开关转换器优选地是频率转换器。频率转换器被用于需要将 高转矩和低转矩按顺序重复的处理。在频率转换器中采用多个半导体部 件。确定出各部件的温度，并且在对开关频率的限定中，最高温度具有决 定性作用。通常多个半导体开关以同一开关频率进行操作。例如，在三相 频率转换器中，六个半导体部件以同一频率进行操作。使用具有最高温度 的半导体部件的温度来确定频率限值，并且该限值可适用于作为同一转换 器设备的一部分的所有半导体。在根据本发明的另一可选方案中，单独限 定每个半导体部件的开关频率。

对于本领域技术人员而言将明显的是，随着技术进步，本发明构思可 以以各种方式来实现。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权 利要求的范围内进行变化。