用于产生信号的系统的制作方法

专利名称：用于产生信号的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于监测电力电子系统的健康状态的系统和方法。
背景技术：
电力转换系统，如中间电力转换系统和电动机驱动系统已经在汽车应用中得到越 来越多的关注。电力转换系统通常包括各种电力半导体器件，如电力开关。电力开关可包 括二极管和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。许多这样的半导体器件以高速(通常以几十千 赫兹(kHz))转换几百安(A)和几百伏(V)。在这些转换操作期间，半导体器件可以以千瓦 (kWs)为量级散发大量的热量。此外，大量的热量可使半导体器件劣化并可导致半导体器件 达到高温。除非将半导体器件冷却到较低的温度，否则半导体器件的高温可导致半导体器 件劣化或失效。各种材料可被用于制造半导体器件。然而，材料的效率和有效性可因材料的固有 特性而受限于不同的操作温度。如果用于制造半导体器件的材料过热，则除非将半导体器 件冷却到较低的温度，否则半导体器件可劣化或失效。此外，半导体器件的劣化或失效可导 致汽车中的电力转换系统劣化或失效。许多因素可影响半导体器件的性能或使半导体器件的性能劣化。例如，高的电应 力和大的温度漂移可降低半导体器件或作为半导体器件的一部分的模块的性能。随着半导 体器件温度的升高，半导体器件的性能可降低。各种电子器件已被用于测量半导体器件的温度。例如，热电偶、热敏电阻器或光热 传感器已在半导体模块中被用作温度传感器。然而，被用作温度传感器的这些器件既不提 供原位响应也不提供瞬时响应。此外，各种电子器件中固有的电温度敏感参数(TSP)已被用于确定半导体器件的 温度。TSP可包括半导体器件的电压降、饱和电压和栅极阈值电压。例如，半导体器件可以 是二极管、双极型晶体管、IGBT或场效应晶体管(FET)。利用TSP可计算半导体器件的温度 并可推出半导体器件的热性能。然而，TSP很大程度上依赖于半导体器件的操作条件，通常 需要测量影响半导体器件的操作的多重因素。例如，半导体器件的电压很大程度上依赖于 操作条件，如电流、偏压和动态跃迁。此外，级联子系统的相互作用可导致半导体器件中的 TSP的测量不准确。

发明内容
提供一种用于监测电力电子系统的健康状态的系统和方法。该系统包括存储介质 和控制器。该控制器与所述存储介质进行通信，所述控制器被构造为执行用于产生信号的 方法。还提供了至少一个处理器可读的存储介质。该存储介质具有在该存储介质中实现 的处理器可读的代码。该代码被用于为所述至少一个处理器编程以执行产生信号的所述方法。
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所述方法包括获得数据，该数据代表电路元件的初始的期望温度。此外，获得电路 元件的电参数的初始值。此外，所述方法包括将电脉冲施加到电路元件。该电脉冲使电路 元件的温度从初始温度上升到更高的温度。在电脉冲衰减到预定值之后，感测电路元件的 电参数并获得电参数的后续值。一旦获得电参数的后续值，便基于下列的一个或多个信息 来估计电路元件的后续温度电路元件的初始的期望温度、电参数的初始值和后续值以及 电脉冲的预定值。此外，所述方法包括基于后续温度产生信号。该信号指示电路元件是否 如所期望地操作。一种用于产生信号的系统，该信号指示电路元件是否如所期望地操作，所述系统 包括计算机可读的存储介质；控制器，与所述存储介质进行通信，所述控制器被构造为执 行一种方法，该方法包括如下步骤获得电路元件的初始的期望温度和电路元件的电参数 的初始值；将电脉冲施加到电路元件以使电路元件的温度升高；在电脉冲衰减到预定值之 后，感测电参数以获得电参数的后续值；基于初始的期望温度、初始值、后续值和预定值来 估计电路元件的后续温度；基于后续温度来产生指示电路元件是否如所期望地操作的信 号。所述电脉冲为电流脉冲，所述预定值为电流值，所述电参数的初始值和后续值为 电压值。所述电脉冲为电压脉冲，所述预定值为电压值，所述电参数的初始值和后续值为 电流值。所述方法还包括将后续温度与预定温度进行比较以获得温度对比，并基于该温度 对比产生信号。所述方法还包括基于后续温度和初始的期望温度来估计温差，并基于该温差产生 信号。所述方法还包括将所述温差与预定温差进行比较，并基于该比较产生信号。所述方法还包括基于所述温差来估计电路元件的热阻抗，并基于该热阻抗产生信号。所述方法还包括基于电路元件的热阻抗和预定的热阻抗信息获得热阻抗对比，并 基于该热阻抗对比产生信号。基于估计的电路元件的功率损失来估计电路元件的热阻抗，该估计的电路元件的 功率损失至少部分地取决于电脉冲。所述方法还包括在电脉冲升高至预定的上限值之后感测电路元件的电参数以获 得电参数相应的上限值，并基于该相应的上限值和预定的上限值来估计所述估计的功率损失。所述方法还包括从计算机可读的存储介质获取表示电路元件的初始的期望温度 的数据以及电参数的初始值，以估计所述后续温度。所述方法还包括基于所述信号来控制电路元件，以改变电路元件的温度。所述电脉冲的宽度在1微秒和10分钟之间。该宽度在1毫秒和10毫秒之间。所述方法还包括由电路元件的热点获得初始的期望温度。


图1是示出对于电路元件的不同温度，流过电路元件的电流相对于跨过电路元件 的电压的一组曲线图；图2是示出对于流过电路元件的不同电流，跨过电路元件的电压相对于电路元件 的温度的一组曲线图；图3是示出用于监测电力电子系统的健康状态的系统的示意图；图4是示出具有开关S2作为电路元件的升压转换器(boost converter)的示意 图；图5是示出具有开关S1作为电路元件的降压转换器(buck converter)的示意图；图6是示出具有开关S1作为电路元件的降压-升压转换器 (buck-boostconverter)的不意图；图7是示出监测电力电子系统的健康状态的方法的流程图；图8是示出将图7的方法应用于图3的电力转换系统的一种可能的测试时序的一 组曲线图；图9A是示出当图8的测试时序使电力转换系统中的电路元件Sal和Sb2导通时，图 3的相关组件、电压和电流的示意图；图9B是示出当图8的测试时序使电力转换系统中的电路元件Sal截止并使电力转 换系统中的电路元件Sb2导通时，图3的相关组件、电压和电流的示意图；图9C是示出当图8的测试时序使电力转换系统中的电路元件Sal和Sb2截止时，图 3的相关组件、电压和电流的示意图；图10是示出具有增加的应力的电路元件作为电路元件经历附加循环的曲线图。
具体实施例方式本发明的实施例通常提供一种用于产生至少一个信号的系统和方法，所述至少一 个信号指示电路元件(如半导体器件)是否如所期望地操作。基于在电脉冲加热所述电路 元件之后所估计的电路元件的温度来产生所述信号。除电路元件的温度之外，所述系统和 方法还可估计电路元件的温差和/或热阻抗以产生信号，该信号指示电路元件是否如所期 望地操作。基于所述信号，可确定电路元件的许多情况，例如，电路元件的可靠性或健康状 态、电路元件是否过热、电路元件的劣化或失效、电路元件的性能等等。参照图1，一组曲线图示出了一种类型的电路元件(如绝缘栅双极型晶体管 (IGBT))在五种不同的温度下是如何操作的。更具体地讲，该组曲线图示出了电路元件的温 度是如何影响流过电路元件的电流与跨过电路元件的电压之间的关系的。例如，曲线10表 示当电路元件的温度等于_25°C时，电流相对于跨过电路元件的电压的关系。类似地，曲线 12表示当电路元件的温度等于25°C时，电流相对于跨过电路元件的电压的关系，曲线14表 示当电路元件的温度等于75°C时，电流相对于跨过电路元件的电压的关系，曲线16表示当 电路元件的温度等于125°C时，电流相对于跨过电路元件的电压的关系，曲线18表示当电 路元件的温度等于175°C时，电流相对于跨过电路元件的电压的关系。图2以不同的方式示出图1的关系。流过电路元件(例如，IGBT)的电流影响跨 过电路元件的电压与电路元件的温度之间的关系。例如，曲线20表示当流过电路元件的电
5流等于200mA时，跨过电路元件的电压相对于电路元件的温度的关系。类似地，曲线22表 示当流过电路元件的电流等于500mA时，跨过电路元件的电压相对于电路元件的温度的关 系，曲线24表示当流过电路元件的电流等于IOOOmA时，跨过电路元件的电压相对于电路元 件的温度的关系，曲线26表示当流过电路元件的电流等于1500mA时，跨过电路元件的电 压相对于电路元件的温度的关系。因此，流过电路元件的电流的变化影响跨过电路元件的 电压与电路元件的温度之间的关系。因为图2中示出的曲线通常为线性的，所以式子V = VmX(T-T0)或T = TQ+(V-VQ)/m可表示曲线20、22、24和26中的每条曲线。在一定的偏 置电流条件下，V表示温度为T时跨过电路元件的电压降，Vtl表示温度为Ttl时跨过电路元 件的电压降，参数“m”为对应的曲线的斜率。所述系统可在获得电路元件的温度T与电压 V之间的特定关系之前限定温度Ttl并确定电压Vtl和参数“m”。一旦所述系统获得电压V与 温度T之间的特定关系，所述系统便可测量在已知的偏置电流条件下跨过电路元件的电压 V以获得温度T。因此，电路元件用作温度传感器或温度检测器。几个重要因素确定电路元件的温度。一个重要参数是电路元件的热损失(P)。另 一个重要参数是电路元件的热阻抗。许多因素可使电路元件中的热阻抗增加，特别是在电路元件遭受长期的应力之 后。高的电应力、大的温度漂移、结构缺陷、物理缺陷(physicalimperfection)或其组合可 使电路元件的热阻抗增加。结构缺陷和物理缺陷包括裂纹、脱落(lifting off)、电子迁移 等并可形成在电路元件中的不同位置中，例如，在电路元件中的连接层中或金属接触中。使 电路元件中的热阻抗增加的此类因素可指示电路元件的退化、劣化或失效。此外，此类因素 可指示电路元件的期望的可靠性和健康状态。当电路元件中的热阻抗增加时，在相同的热功率损失下，电路元件以高于电路元 件中的热阻抗增加之前的速率的速率加热。因此，电路元件以高于没有电应力、温度漂移、 结构缺陷和/或物理缺陷的电路元件的速率的速率加热。当电路元件以更高的速率加热 时，电路元件的温度也以更高的速率增加。电路元件的温度和/或温度变化的速率可指示电路元件是否具有一个或多个问 题。例如，电路元件超过其正常值或期望值的温度可指示电路元件高度疲劳且性能降低。此 外，电路元件的温度和/或温度变化的速率可用于确定电路元件的可靠性或健康状态、电 路元件是否过热、电路元件是否失效或是否低于期望的性能级别、或者使其未如所期望地 操作的其他方面。参照图3，提供用于产生信号32的系统30。信号32指示支撑在基底上的电路元 件是否如所期望地操作。在汽车中，图3的系统30被应用于电源36和三相永磁同步电动 机(PMSM)(下文中称为“电动机”)38之间的电力转换系统34。然而，在其他电力电子拓扑 结构中，系统30可确定电路元件是否如所期望地操作。例如，系统30可基于电路元件在升 压转换器(在图4中进行通常性地示出)、降压转换器(在图5中进行通常性地示出)或降 压-升压转换器(在图6中进行通常性地示出)中的操作方式来产生信号32。以一体的方 式描述系统30及其操作方法以便于理解本发明的各方面。再次参照图3，系统30包括控制器40或一些其他类型的可编程逻辑器件以实现产 生信号32的方法，信号32指示电路元件是否如所期望地操作。为了实现所述方法，控制器 40执行嵌入有所述方法或以所述方法进行编码的计算机程序或算法。
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如图3所示，系统30包括存储介质42 (下文中称为“存储器”)(如计算机可读的 存储介质)以存储嵌入有所述方法或以所述方法进行编码的程序或算法。图3的存储器42 被示出为控制器40的一部分。然而，存储器42可位于系统30的任意合适的部分。除存储 计算机程序或算法之外，存储器42还为控制器40存储关于电路元件的数据或信息以实现 所述方法。例如，存储器42存储表示跨过电路元件的电压与电路元件的温度之间的关系的 查找表或式子。此外，存储器42可存储允许的最大热点温度(hot spot temperature)和 最大热阻抗。此外，存储器42存储电路元件的初始的期望温度以及电路元件的电参数的初 始值。电路元件的电参数的初始值与加热电路元件之前施加到电路元件的电压或电流 的值相对应。电参数是电压还是电流取决于系统30的构造。因此，电参数的初始值可以是 电压值或电流值。为了进一步描述系统30及方法，系统30被应用于图3的电力转换系统34。如所 示，电力转换系统34包括电力开关44。尽管每个电力开关44包括两种类型的电路元件， 即，二极管和IGBT，但是电力开关44中的每个电力开关仍可被称为电路元件。电力开关44 中的二极管被标记成Dal、Da2、Dbl、Db2、Del和De2，而电力开关44中的IGBT分别被标记成Sal、 Sa2、Sbl、Sb2、Scl 和 Sc2o图3的电力转换系统34包括驱动系统逆变器(下文中称为“逆变器”)46。逆变器 46包括电力开关44，电力开关44用于转换来自电源36 (如电池)的电力以驱动汽车中的 电动机38。更具体地讲，电力转换系统34中的逆变器46将来自电源36的直流电流(DC) 转换成交流电流或电动机相位电流ia、ib和i。(在图3中示出)。在操作中，电动机相位电 流ia、ib和i。驱动电动机38。为了驱动电动机38，控制器40根据预定义的模式调节进入 到电动机38的绕组中的电动机相位电流、、、和i。。特别地，取决于电力转换系统34的具 体构造，逆变器46可包括任意数目的电力开关44或电路元件。如图3所示，电力转换系统34包括电流传感器CSa、CSb和CS。，如霍尔效应电流传 感器。电流传感器CSa、CSb和Cs。与每个相位串联安装并为控制器40提供相应的反馈信号 ias、ibs和i。s(也在图3中示出)。反馈信号ias、ibs和i。s嵌入有流过电动机38的相应的绕 组的电流的量或以流过电动机38的相应的绕组的电流的量进行编码。控制器40接收并处 理反馈信号ias、ibs和i。s以控制电动机相位电流ia、ib和i。，从而根据存储在存储器42中 的预定义的模式而使电动机相位电流ia、ib和i。流过电动机38的相应的绕组。如图3所示，控制器40将至少一个控制信号50传输到电力转换系统34中的逆变 器46。逆变器46接收控制信号50以控制逆变器46的开关构造并因此控制流过电动机38 的相应的绕组的电流的量。所述开关构造是逆变器46中的电力开关44的一组开关状态。 通常，逆变器46的开关构造确定逆变器46如何将电力从电源36转换到电动机38。为了控制逆变器46的开关构造，逆变器46基于控制信号50将逆变器46中的每 个电力开关44的开关状态变成导通状态或者截止状态。为了将电力开关44转换成导通状 态或者截止状态，逆变器46控制施加到每个电力开关44的栅极电压(Vg)并因此控制每个 电力开关44的开关状态。栅极电压￥仏1^832、￥乱1、￥乱2、￥仏1和￥仏2(在图3中示出)控制 相应的电力开关44的开关状态。改变逆变器46中的一个或多个电力开关44的开关状态 可改变逆变器46的开关构造并因此改变逆变器46将电力从电源36转换到电动机38的方
7式。电力转换系统34可包括多个电压传感器，电压传感器在图3中被标记成Val、Va2, Vbl>Vb2,Vcl和V。2。取决于逆变器46中的电力开关44的数目，电力转换系统34可包括更少 的或另外的电压传感器。电压传感器测量跨过逆变器46中的相应的电路元件的电压。更 具体地讲，电压传感器Val测量跨过具有IGBT Sal和二极管Dal的电力开关44的电压(Val)。 同样，电压传感器Va2测量跨过具有IGBT Sa2和二极管Da2的电力开关44的电压(Va2)，电压 传感器Vbl测量跨过具有IGBT Sbl和二极管Dbl的电力开关44的电压(Vbl)，电压传感器Vb2 测量跨过具有IGBT Sb2和二极管Db2的电力开关44的电压(Vb2)，电压传感器Vcl测量跨过 具有IGBT Scl和二极管Dca的电力开关44的电压(VJ，电压传感器V。2测量跨过具有IGBT S。2*二极管D。2的电力开关44的电压(V。2)。来自电压传感器的电压测量沿着电通信路径 54通过反馈信号52传输到控制器40。此外，电力转换系统34可包括差分放大器或隔离放 大器以放大反馈信号52，反馈信号52嵌入有来自电压传感器Val、Va2、Vbl、Vb2、Vel和V。2的电 压测量或以来自电压传感器Val、Va2, Vbl、Vb2、Vcl和V。2的电压测量进行编码。此外，电力转 换系统34可包括模数(A/D)转换器，A/D转换器用于数字化差分放大器或隔离放大器的输 出，以使控制器40以数字格式接收具有电压测量的反馈信号52。如图3所示，控制器40可以是电子器件诊断系统56的一部分。电子器件诊断系 统56监测汽车中的电力转换系统34并能够诊断电力转换系统34中的各种电子器件的问 题。可选地，控制器40可以是汽车中的电力转换系统34的一部分。例如，控制器40可以 是逆变器46的一部分或者电力转换系统34的其他部分。参照图7，提供了示出产生信号32的方法的步骤的高级流程图60。流程图60包 括步骤62、64、66、68、70、72、74、76、78、80和82。产生信号32的方法可通过编入到系统30 的合适的可编程逻辑器件(如控制器40)中的软件程序、机器可执行代码或算法来实现。尽 管在流程图60中示出的不同步骤示出为以时间顺序发生的，但是至少一些步骤可以以不 同的顺序发生，并且一些步骤可同时执行或者不可同时执行。所述方法可应用于在几百微秒到几十秒之间估计电力转换系统34中的电路元件 的暂态热阻抗或稳态热阻抗。可选地，所述方法可应用于任意合适的时间长度。可在电力转换系统34的起动和/或关闭过程期间或者当电动机38没有运转时执 行所述方法。此外，可在逆变器46正常的操作循环中断期间执行所述方法。在将所述方法 应用于系统30之后，可恢复电力转换系统34的正常运行。图8通常性地示出应用所述方法的一种可能的测试时序，而图9A、图9B和图9C示 出与图8中示出的测试时序关联的相关组件、电压和电流。贯穿所述方法的论述，参照图3、 图9A、图9B和图9C中示出的系统30及其组件以便于理解本发明的各方面。尽管图8、图 9A、图9B和图9C进一步描述了系统30及产生信号32的方法，但是，这里描述和示出的测 试时序不应该被解释为将本发明限于任何具体的操作、实现方式或构造。此外，下文中所描 述的开关构造的模式作为示例，并非描述了逆变器46的全部可能的开关构造。流程图60示出了一种可能的测试时序的实现方式。为了实现所述测试时序，图8 的波形图以预测试区域开始，预测试区域与时间t = 1之前的区间对应。在时间t = 1处， 控制器40导通开关Sal和Sb2以产生具有已知幅值(在本示例中略高于电流Ilimit2)的小的 回路电流Iltrap的电脉冲。回路电流在开关Sal和Sb2导通时流过开关Sal和Sb2，并在开关Sal
8截止之后而开关Sb2保持导通时流过二极管Db2和开关Sb2。在回路电流I1top流动时测量跨过 电路元件的电压降。基于所测量的电压降和已知的电流幅值，控制器40可估计电路元件的 内部温度。然后，可再次导通开关Sal和Sb2以将回路电流提高(pump)到更高的电流(在本 示例中为电流Ilimitl)，该电流在时间t = 2和时间t = 3之间通过相同的电路元件进行传 导以加热电路元件。时间可以足够长，以使电路元件的内部温度相对稳定在它们的高温下， 并可估计稳态热性能。或者，时间可以是短暂的，并可估计暂态热阻抗。接着，通过截止全部 开关来结束加热循环，控制器40将回路电流I1top的强度降低到等于或接近电流Ilimit2，如图 8中的时间t = 4处所示。再次测量跨过器件的电压降，并且控制器40估计电路元件的内 部温度。基于所估计的初始的内部温度和最终温度，可估计电路元件中的温度增加。此外， 控制器40可基于电路元件中的功率损失以及相应的温度增加来估计电路元件的热阻抗。为了传送高幅值的电流Ilimitl，控制器40控制主功率电路在预期的幅值附近调节 负载电流。类似地，这种方法可被用于在更小级别的电流Ilimit2附近调节电流。然而，如果 电流Ilimit2非常小，则电力转换系统34可包括偏置电路，该偏置电路用于在逆变器46运行 时以近似恒定的速率在电路元件中产生电流Ilimit2。图8示出根据所述一种可能的测试时序的波形图90、92、94、96和98。当电动机 38的速度相对低或速度为零时，时间t = l、t = 2、t = 3和t = 4表示不重叠的时间。当 电动机38的速度低或速度为零时，可忽略电动机38的关联的反电动势(back EMF)，并且逆 变器46极少地或者根本不调制电动机电流(Iltrap)。在时间t = 1、t = 2、t = 3和t = 4 处，控制器40通过控制信号50控制逆变器46，以使电动机电流(I1top)续流(free-wheel) 并使电动机电流(I1top)变化的速率相对低。当电动机电流(I1top)变化的速率相对低且逆 变器46相对较少地调节电动机电流时，可忽略来自逆变器46中的电路元件的任何开关噪 声并也可忽略开关损失。在时间t = 1、t = 2、t = 3和t = 4处，逆变器46从控制器40 接收控制信号50，以使栅极电压Vgal处于OFF状态(见波形图90)，栅极电压Vgb2处于ON状 态(见波形图92)，IGBT Sal处于截止状态，IGBT Sb2处于导通状态。当电动机电流(Iltrap) 变化的速率相对低且开关噪声可忽略时，跨过电路元件的电压是相对稳定的，并且电压传 感器H^^HpVfVpVbd和V。2)可获得具有较高精度的电压测量。如图8所示，波形图90和92表示逆变器46基于从控制器40传输的控制信号50而 施加到电力开关44的栅极电压(Vg)。回想一下，栅极电压Vgal、Vga2、Vgbl、Vgb2、Vgel和Vge2 (在 图3中示出)控制相应的电力开关44的开关状态。在本测试时序中，波形图90指示施加 到IGBT Sal的栅极电压Vgal，而波形图92指示施加到IGBT Sb2的栅极电压Vg1^图8的波形图94示出控制器40施加到电路元件的电脉冲。图8的电脉冲被示出 为施加到电路元件的电动机电流(Iltrap)。电脉冲的电动机电流(I1top)表示在逆变器46的 任一具体的开关构造期间流过电动机38的电流。然而，应该理解的是，施加到电路元件的 电脉冲可以是施加电压而非电流的电压信号。控制器40从电流传感器CSa、CSb和CS。(在 图3中示出)接收反馈信号ias、ibs和i。s，以在时间t = l、t = 2、t = 3和t = 4处以期望 的电流级别获得电脉冲。例如，控制器40可基于反馈信号ias、ibs和i。s来控制逆变器46， 以在时间t = 2禾Π t = 3处获得与电流Ilimitl相等的电动机电流(Iltrap)并在时间t = 1和 t = 4处获得与电流Ilimit2相等的电动机电流(Iltrap)。电流Ilimitl和Ilimit2(在图8中示出) 表示电动机电流(Iltrap)的两个不同的预定值，控制器40可从存储器42获取所述两个不同的预定值并可作为电脉冲的一部分将其施加到电路元件。图8的波形图96指示从电路元件测得的电参数，电参数与随时间施加到电路元件 的波形图94相对应。因为图8的电脉冲被示出为施加到电路元件的电动机电流(Iltrap)，所 以波形图96表示的电参数为电压。在本示例中，系统30包括电压传感器Val、Va2、Vbl、Vb2, I和V。2 (在图3中示出)，电压传感器Val、Va2、Vbl、Vb2、Vcl和Vc2用于感测跨过电力转换系 统34中的每个电路元件的电参数以获得波形图96。图8的波形图98指示将电脉冲施加到电路元件之前的电路元件的温度以及将电 脉冲施加到电路元件之后的电路元件的温度。例如，在波形图98中示出的电路元件的温度 可表示电力开关44的热点温度。温度Tinitial表示(例如，在时间t = l之前)电路元件的 初始温度。例如，在时间t = 1时，Tinitial可表示电动机38起动之前的电路元件的温度、当 车辆“钥匙接通(key on)”时的电路元件的温度、当车辆停在红灯处时的电路元件的温度、 当“钥匙切断(key off)”不久之后的电路元件的温度或者当电力转换系统34以相对低的 速率运行或空闲时的其他时间的电路元件的温度。温度Tend表示(例如，在时间t = 3之 后或者当电路元件的内部温度被加热到大于电路元件的初始温度的值时)电路元件的最 终温度(end temperature)。再次参照图7，流程图60的步骤62包括获得表示电路元件的初始的期望温度的数 据。可基于预先存储的特性数据、跨过电路元件的电压以及通过电路元件的电流来计算所 述初始的期望温度。根据图8中示出的所述一种可能的测试时序，可在预热时间期间(例 如，在时间t = 1处或在时间t = 1附近)获得电路元件的初始的期望温度。可选地，可从 电力转换系统34中的热传感器获得初始的期望温度。当没有电流通过电路元件时，功率损 失为零并且电路元件可处于与换热器和冷却剂的温度相同的温度。热传感器感测一个或多 个电路元件、换热器或冷却通道的温度，并为控制器40提供嵌入有电路元件的温度或以电 路元件的温度进行编码的信号。此外，在基于预先存储的数据所计算的温度与从温度传感 器所报告的在一定程度内不匹配的情况下，控制器40可对电路元件的初始的期望温度进 行重新编程或重新标定，以使存储在控制器40的存储器42中的查找表或式子反映出电路 元件是如何响应温度的变化的。在另一示例中，初始的期望温度与在加热电路元件之前(例如，在时间t = 1附 近)的电路元件的期望的温度对应。可在电路元件被标定时获得初始的期望温度并将其存 储在存储器42中。电路元件的标定可发生在电路元件相对冷且尚未经历许多操作循环时。 在这样的示例中，控制器40可接收嵌入有电路元件周围的冷却通道、换热器或环境的温度 或以电路元件周围的冷却通道、换热器或环境的温度进行编码的信号以标定初始的期望温 度。电路元件的标定还可发生在不同的温度时以计算电路元件所对应的参数“m”。这个过 程可在可控制温度的温控室(temperature chamber)中进行。或者，通过在高功率下对系 统操作足够长的时间以加热电路元件、换热器和冷却通道，可使除环境温度之外的电路元 件的不同温度成为可能。然后，关闭系统足够长的时间，以使电路元件大致处于与换热器或 冷却通道的温度相同的温度。在这种条件下，控制器40可为第二标定点采集相应的电压和 电流。基于从第一标定点和第二标定点采集的数据，可计算斜率参数“m”。控制器40可利用围绕半导体芯片的冷却剂或换热器的温度来标定初始的期望温 度。例如，当电路元件已经截止足够长的时间并因此相对冷时，控制器40可获得围绕具有
10电路元件的半导体芯片的冷却剂或换热器的温度，从而获得电路元件的初始的期望温度。 换热器的温度传感器可感测换热器的温度。类似地，入口处的冷却剂温度传感器可感测冷 却剂的温度以提供电路元件的初始的期望温度。如图9A、图9B和图9C所示，所述一种可能的测试时序包括基于电力转换系统34 中的电力开关44及其电路元件两者的操作方式来产生信号32。第一电力开关44具有IGBT Sal和二极管Dal，而第二电力开关44具有IGBTSb2和二极管Db2。在步骤64，获得电路元件的电参数的初始值。如上所述，电参数的初始值可以是电 压值或电流值。当电路元件在初始的期望温度或接近初始的期望温度时(例如，在时间t =1附近)或者当控制器40接收嵌入有电路元件周围的冷却剂或换热器的温度或以电路 元件周围的冷却剂或换热器的温度进行编码的信号时，控制器40获得电参数的初始值。如图9A和图10所示，控制器40可控制逆变器46，以当电动机电流(I1top)变化的 速率相对低且电路元件中的开关噪声可忽略时在时间t = 1处获得一个或多个电参数的初 始值。这允许控制器40获得具有较高精度的电参数的初始值。为了在时间t = 1之前或在时间t = 1附近获得电参数的初始值，控制器40将 控制信号50传输到逆变器46，以在时间t = 1之前导通IGBT Sal和IGBTSb2 (在图9A中示 出)。在IGBT Sal和IGBT Sb2导通时的逆变器46的这种开关构造下，电流I1top流过电动 机38的绕组，相位电流ias近似等于电流ia(或-ib)，相位电流i。近似为零。当IGBT Sal和 IGBT Sb2 导通时，电动机电流(I1top)流过 IGBT Sal 和 IGBT Sb2。当 IGBT Sal 和 IGBT Sb2 保 持导通时，电动机电流(Iltrap)的量值增加(如在时间t = 1之前当栅极电压Vgal和Vga2为 “on”时图8中的波形图94所示)。当图9A的电流I1top变为略高于电流Ilimit2时(如在紧 接着时间t = 1之前图8中的波形图94示出的)，控制器40传输控制信号50以使IGBT Sal 截止并将IGBT Sb2保持在导通状态。当IGBT Sal截止且IGBT Sb2保持导通时，电动机电流 (I1top)流过IGBT Sb2和二极管Da2。为了使IGBT Sal截止，控制信号50将栅极电压Vgal切 换到OFF状态。为了将IGBT Sb2保持在导通状态，控制信号50将栅极电压Vgb2保持在ON 状态。当栅极电压Vgal切换到OFF时(如在紧接着时间t = 1之前图8中的波形图90示 出的)，IGBT Sal变为截止且电流I1top逐渐减小(如在时间t = 1之前和在时间t = 1之 后波形图94所示)。当电流I1top在时间t = 1处近似等于电流Ilimit2时，如图8中的波形图94所示，感 测电路元件的电参数的初始值并沿着通信路径54通过反馈信号52将其传输到控制器40。 在本示例中，电参数为电压，如图8中的波形图96所示。当电流I1top在时间t = 1处近似 等于电流Ilimit2时(如图8中的波形图94所示)，为了获得跨过二极管Da2和IGBT Sb2所 施加的电参数的初始值，如图9B所示，电压传感器Va2感测跨过二极管Da2的电压(Va2)，电 压传感器Vb2感测跨过IGBT Sb2的电压(Vb2)。在时间t = 1附近的电参数Va2指示当逆变 器46中的电路元件处于相对低温并且流过逆变器46的电脉冲具有相对低的电流量值(如 Ilimit2)时跨过二极管Da2的电压，在时间t = 1附近的电参数Vb2指示当逆变器46中的电路 元件处于相对低温并且流过逆变器46的电脉冲具有相对低的电流量值(如Ilimit2)时跨过 IGBT Sb2的电压。来自电压传感器的电压测量Va2和Vb2为反馈信号52沿着通信路径54能 够传输到控制器40的电参数的两个初始值的示例。在逆变器46的其他开关构造中，控制 器40能够获得电力转换系统34中的其他电路元件的电参数的初始值。
在图7中示出的流程图60的步骤66，将电脉冲施加到本测试时序中描述的以及图 9A、图9B、图9C和图10中示出的电路元件(例如，IGBT Sal、二极管Dal、IGBT Sb2和/或二 极管Db2)。控制器40将控制信号50传输到电力转换系统34中的逆变器46，以将电脉冲施 加到电路元件。电脉冲加热电路元件，从而使电路元件的温度从初始温度上升到高于初始 温度的值。施加到逆变器46中的每个电路元件的电脉冲可以是电流脉冲或电压脉冲。如果 电脉冲为电压脉冲，则电脉冲具有电压值。类似地，如果电脉冲为电流脉冲，则电脉冲具有 电流值。图8的波形图94示出电脉冲为电流脉冲。如图8中的波形图94所示的电脉冲可以是短的(一秒钟的若干分之几或更短)， 也可以是长的(几十秒或更长)。例如，取决于系统30的构造，电脉冲可在几百微秒到几十 秒之间。如图9A和图10所示，控制器40可控制逆变器46以将电脉冲施加到逆变器46中 的一个或多个电路元件。例如，为了将电脉冲施加到具有IGBT Sal的第一电力开关44和具 有IGBT Sb2的第二电力开关44，控制器40将控制信号50传输到逆变器46以在时间t = 1 禾口 t = 2之间导通IGBT Sal和IGBT Sb2(在图8中示出)。如在时间t = 1禾口 t = 2之间的 图8中的波形图94所示，流过电动机38的绕组的电流I1top的量值增加直到控制器40将栅 极电压Vgal切换到OFF。当栅极电压Vgal被切换到OFF时(如在时间t = 2之前图8中的 波形图90所示)，IGBT Sal变为截止且电流Iltrap逐渐减小。当图9A的电流I1top在时间t = 1和t = 2之间变得略高于电流Ilimitl (如图8中的波形图94通常性地示出的)时，控制器 40在时间t = 2之前传输控制信号50以截止IGBT Sal并将IGBT Sb2保持在导通状态。当 栅极电压Vgal被切换到OFF时(如在时间t = 1和t = 2之间图8中的波形图90所示)， IGBT Sal变为截止且电流I1top逐渐减小(如在时间t = 1和t = 2之间图8中的波形图94 所示)。当电流Iltrap减小太多而远离电流Ilimitl时，可再次导通IGBT Sal和IGBT Sb2以将回 路电流提升到高于电流Ilimitl的级别，然后再次截止IGBT Sal以使电流续流(free-wheel)。 重复这种模式以将回路电流维持在高级别(在本示例中为电流Ilimitl)附近。如果电动机的 反电动势低，则可以以低速率(如几百赫兹或更低)重复这种模式。因此，电路元件的损失 主要在传导方面，并且开关损失很小。电路元件的传导损失近似等于跨过该电路元件的电 压降乘以通过电路元件的电流。当电脉冲加热电路元件时，流过逆变器46的电脉冲具有相 对高的电流量值(如 1Iimitiy °参照图8，施加到逆变器46中的电路元件的电脉冲将电路元件加热到更高的温 度，特别是在时间t = 2和t = 3之间当IGBT Sal可周期性地导通和截止而IGBT Sb2保持 在导通状态以保持电流Iltrap近似等于电流Ilimitl时。随着IGBTSal导通和截止，二极管Da2 和IGBT Sb2将加热到更高的温度。为了将电动机电流(Iltrap)保持在预期的幅值范围内，可 对本示例的电力开关44中的IGBT Sal和IGBT Sb2进行间歇性地调制，以将电脉冲的电流幅 值提高到预期的级别(例如，如图8中的波形图94所示的电流Ilimitl)。或者，当期望更高 电流幅值的电脉冲时，控制器40可控制逆变器46以使IGBT Sal和IGBT Sb2导通更长的时 间，从而将电脉冲斜坡提升(ramp up)到更高的级别。然后，电脉冲(以更高的循环电流) 再次处于续流(free-wheeling)状态，并能在很小的干扰下记录电压和电流。当电脉冲处 于更高的电流时，电路元件的传导损失更高，这使电路元件的温度升高。
除将电脉冲施加到逆变器46中的一个或多个电路元件之外，控制器40还能在电 脉冲加热电路元件时获得跨过电路元件的电参数的值。例如，当电流Iloop在时间t = 1和 t = 2之间逐渐减小时(如图8中的波形图94所示)，电压传感器Va2和Vb2可感测电路元 件的电参数Va2和Vb2并沿着通信路径54通过反馈信号52将其传输到控制器40。在时间t =2处当电流Iltrap近似为电流Ilimitl时(如图8中的波形图94所示)，如图9B所示，电压 传感器Va2感测跨过二极管Da2的电压(Va2)，电压传感器Vb2感测跨过IGBT Sb2的电压(Vb2)。 在时间t = 2处的电参数Va2指示当在逆变器46中加热电路元件时跨过二极管Da2的电压， 在时间t = 2处的电参数Vb2指示当在逆变器46中加热电路元件时跨过IGBT Sb2的电压。 类似地，控制器40可在时间t = 3和t = 4时获得电参数Va2和Vb2。在步骤68，在电脉冲衰减到预定值(在本示例中为Ilimit2)之后，在t = 4处感测 电路元件的电参数。控制器40可从存储器42中获得该预定值，以基于预先存储的数据以 及测得的跨过电路元件的电压和通过电路元件的电流来估计电路元件的温度。控制器40 可控制逆变器46，以使施加到电路元件的电脉冲衰减到预定值。更具体地讲，控制器40将 控制信号50传输到逆变器46，以使IGBT Sal和IGBT Sb2在图8的时间t = 3和t = 4之 间截止。如在时间t = 3和t = 4之间图8中的波形图94所示，流过电动机38的绕组的 电流Iltrap的量值减小。在本测试时序中，IGBT Sal和IGBT Sb2截止以允许电流I1top从电流 Ilimitl降低到略高于电流Ilimit2的级别。在本测试时序中，Ilimit2等于所述预定值。当电流 Iloop降低到大约Ilimit2时，控制器40将栅极电压Vgb2从OFF切换到ON。当栅极电压Vgb2被 切换到ON时(如在时间t = 4之前的波形图92所示)，IGBT Sb2变为导通，并且与IGBT Sal 和IGBT Sb2在时间t = 3和t = 4之间截止时相比，电流Iltrap较为缓慢地减小。在时间t =4处，当电流Iltrap逐渐减小时，电压传感器Va2和Vb2感测电路元件的电参数Va2和Vb2并 沿着通信路径54将其传输到控制器40。在时间t = 4附近，当电流I1top近似等于所述预 定值(例如，如图8中示出的Ilimit2)时，感测电路元件的电参数。在电脉冲衰减到预定值并且电路元件被加热之后，一个或多个电压传感器Val、 Va2> Vbl、Vb2、Vcl和v。2可感测电路元件的电参数以获得电参数的后续值。例如，为了感测电 路元件二极管Da2和IGBT Sb2的电参数，如图9B所示，电压传感器Va2感测跨过二极管Da2的 电压(Va2)，电压传感器Vb2感测跨过IGBT Sb2的电压(Vb2)。在时间t = 4附近或在时间t =4处的电参数Va2指示当流过逆变器46的电脉冲衰减到预定值(如Ilimit2)时跨过二极 管Da2的电压，在时间t = 4附近或在时间t = 4处的电参数Vb2指示当流过逆变器46的电 脉冲衰减到预定值(如Ilimit2)时跨过IGBT Sb2的电压。回想一下，电参数可以是电压或电 流，因此，电参数的后续值可以是电压值或电流值。基于感测电路元件的电参数，控制器40 可通过沿通信路径54传输的反馈信号52来获得电参数的后续值。在图7中示出的流程图60的步骤70，估计电路元件的后续温度(T)。控制器40 可基于电参数的后续值来估计后续温度(T)。控制器40可将表示电路元件的初始的期望温 度的值、电参数的初始值、电参数的后续值和电脉冲的预定值存储到存储器42，并可从存储 器42获取表示电路元件的初始的期望温度的值、电参数的初始值、电参数的后续值和电脉 冲的预定值。如图7和图8所示，跨过电力开关44的电路元件的电压为电动机电流(Iltrap)和 电路元件的温度的函数。跨过电路元件的电压基于电路元件的温度和流过电路元件的电
13动机电流(I1top)的这一关系可被存储在控制器40的存储器42中。例如，当跨过电路元 件的电压和电路元件的温度之间的关系通常为线性时，对于给定的电脉冲的值(例如，使 用电动机电流或电流Iltrap),跨过电路元件的电压基于电路元件的温度的关系可被存储为 恒定值“m”。更具体地讲，可在存储器42中将所述关系存储为解析式，例如，上述的V = V0+mX (T-T0)或T = TQ+(V-VQ)/m，其中，“Τ”表示控制器40所估计的后续温度。在另一示 例中，可在存储器42中将“m”的值存储为查找表。此外，可在存储器42中对“m”的值进行 编辑和编程。例如，控制器可(例如)在系统30的标定循环期间对存储在存储器42中的 “m”的值进行编辑或重新编程。在这样的示例中，对于电力转换系统34中的每个电路元件， 控制器40可动态地“获悉”或定制“m”的值或(T-Ttl)的值和(V-Vtl)的值之间的关系。如图8所示，当控制器40以预定值(如Ilimit2)施加电脉冲时，“m”的值通常是恒 定的。因此，当电脉冲的值是已知的并因此得知“m”的值时，跨过电路元件的电压可被表示 为V = V0+mX (T-T0)。“m”的值基于IGBT、二极管或其他电路元件是如何响应特定值的电 脉冲的。因此，控制器40可基于从存储器42中获得下列输入之后来估计后续温度(T)电 参数的后续值(V)、电参数的初始值(％)、电路元件的初始的期望温度CU、基于电脉冲的 预定值而从存储器42中计算或查找的“m”的值。如图8所示，后续温度(T)可被表示为如 靠近波形图98所标记的温度Tend。此外，控制器40可在电力转换系统34的正常运行中断 时获得后续温度(T)。在图7中示出的流程图60的步骤72，获得温度对比。控制器40将在步骤70中 获得的后续温度与预定温度进行比较以获得温度对比。控制器40可从存储器42获取预定 温度。如果后续温度大于预定温度，则控制器40可获得指示电路元件过热和/或电路元件 操作异常的温度对比。例如，电路元件可因该电路元件的热阻抗的不期望的增加而操作异 常。如果后续温度不大于预定温度，则控制器40可获得指示电路元件如所期望地操作的温 度对比。在步骤74，估计温差。控制器40估计在步骤70获得的后续温度和在步骤62获 得的初始的期望温度之间的温差(ΔΤ)。换言之，控制器40可估计在相同的预定功率损失 下，从时间t = 1附近到t = 4附近电路元件的温度变化的量。此外，控制器40可将温差 与预定温差进行比较，以确定温差是否超过预定温差。图9A、图9B、图9C和图10中示出的测试时序可为控制器40提供信息，以为两个 电路元件二极管Da2和IGBT Sb2计算温差。温差Δ Td表示二极管Da2在时间t = 1和时间 t = 4之间的温差，而温差Δ Ts表示IGBT Sb2在时间t = 1和时间t = 4之间的温差。因 此，控制器40报告关于二极管Da2的信息以获得温差Δ TD，控制器40报告关于IGBT Sb2的 信息以获得温差ATS。控制器40可利用温差八1 和Δ Ts来指示各个电路元件或作为整体 的电力转换系统34是否如所期望地操作。控制器40可利用存储在存储器42中的下面的式子ATd = HId(Vd-Vcid)或与该式子 对应的查找表来估计温差ΔΤβ。控制器40从步骤64获得电参数的初始值(Vcid)、从步骤68 获得与电路元件(即，二极管Da2)的预定值对应的“mD”的值、从步骤70获得电参数的后续 值(Vd)，以估计温差Δ TD。温差Δ Td指示当电脉冲在时间t = 1和t = 4之间加热二极管 Da2时二极管Da2是如何响应的。类似地，控制器40利用存储在存储器42中的下面的式子Δ Ts = ms (Vs-Vos)或与该式子对应的查找表来估计温差ATS。控制器40从步骤64获得电参数的初始值(VcisKW 步骤68获得与电路元件(即，IGBT Sb2)的预定值对应的“ms”的值、从步骤70获得电参数 的后续值(Vs)，以估计温差Δ Tso温差Δ Ts指示当电脉冲在时间t = 1禾Π t = 4之间加热 IGBT Sb2时IGBT Sb2是如何响应的。 在步骤76，获得温差对比。回想一下，电路元件的温度变化的速率可指示电路元件 是否具有一个或多个问题。控制器40可以以许多方式来获得温差对比。
在一个示例中，控制器40基于相同的功率损失下的预定温差来获得温差对比。控 制器40可从存储器42获取预定温差。此外，控制器40可(例如)在标定或测试电路元件 时将预定温差存储在存储器42中。在操作中，控制器40将在步骤74估计的温差与预定温 差进行比较，以获得温差对比。如果在步骤74估计的温差大于预定温差，则控制器40可获 得指示电路元件过热和/或电路元件操作异常的温差对比。例如，电路元件可因该电路元 件的热阻抗的不期望的增加而操作异常。如果在步骤74估计的温差不大于预定温差，则控 制器40可获得指示电路元件如所期望地操作的温差对比。在另一示例中，控制器40将在步骤74估计的温差与存储在存储器42中的预定的 温度范围进行比较，以获得温差对比。如果在步骤74估计的温差在预定的温度范围之外， 则控制器40可获得指示电路元件过热和/或电路元件操作异常或具有一个或多个问题的 温差对比。相反，如果在步骤74估计的温差在预定的温度范围之内，则控制器40可获得指 示电路元件如所期望地操作的温差对比。在步骤78，估计热阻抗(ZthCTmal)。控制器40基于由电脉冲引起的估计的电路元 件的功率损失(P)以及在步骤74估计的温差(ΔΤ)来估计电路元件的热阻抗。表示估计 的电路元件的功率损失(P)和温差(ΔΤ)之间的关系的计算或查找表可基于下式来表示
权利要求
一种用于产生信号的系统，该信号指示电路元件是否如所期望地操作，所述系统包括计算机可读的存储介质；控制器，与所述存储介质进行通信，所述控制器被构造为执行一种方法，该方法包括如下步骤获得电路元件的初始的期望温度和电路元件的电参数的初始值；将电脉冲施加到电路元件以使电路元件的温度升高；在电脉冲衰减到预定值之后，感测电参数以获得电参数的后续值；基于初始的期望温度、初始值、后续值和预定值来估计电路元件的后续温度；基于后续温度来产生指示电路元件是否如所期望地操作的信号。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述方法还包括基于后续温度来估计电路元件的 热阻抗及基于热阻抗来产生所述信号。
全文摘要
本发明在于提供一种用于产生信号的系统。一种用于监测电力电子系统的健康状态的系统和方法。获得表示电路元件的初始的期望温度的数据以及电路元件的电参数的初始值。将电脉冲施加到电路元件以加热电路元件。在电脉冲衰减到预定值之后，感测电路元件的电参数并获得电参数的后续值。基于电路元件的初始的期望温度、电参数的初始值和后续值以及电脉冲的预定值来估计电路元件的后续温度。基于该后续温度，产生指示电路元件是否如所期望地操作的信号。
文档编号H02P6/06GK101958676SQ20101022741
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月12日 优先权日2009年7月14日
发明者梁振贤, 迈克尔·W·德格内尔, 陈清麒 申请人:福特全球技术公司