用于估计半导体芯片温度的方法和设备的制作方法

用于估计半导体芯片温度的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于估计容纳在工作中的诸如IGBT功率模块的功率半导体器件中的半导体芯片的温度的方法，所述方法包括以下步骤：在功率半导体器件工作中时，确定对于施加的负载电流的值的功率半导体器件上的电压降；基于半导体芯片的温度模型，通过评估确定的电压降与施加的负载电流的值之间的关系来估计半导体芯片的温度。本发明还涉及用于估计半导体芯片的温度的相应设备以及包括这种设备的风力涡轮机。
【专利说明】用于估计半导体芯片温度的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于估计容纳在工作中的诸如IGBT功率模块的功率半导体器件中的半导体芯片的温度的方法。
【背景技术】
[0002]功率半导体器件，也称为功率器件，在本领域中是已知的，并且在电力电子电路中用作开关或整流器。在风力涡轮机中，功率半导体器件可以用于连接发电机与电网。在一些风力涡轮机中，功率转换器(包括半导体器件)控制电能流向电网。
[0003]功率器件包括:至少一个半导体芯片(也称为芯片)，通常由硅制成，但也可以由碳化硅或任何其它合适的材料制成。当向功率器件施加电流时，由于芯片内的耗损，芯片会发热。这会导致芯片退化、键合线剥离或功率器件的任何的其他恶化或耗损。
[0004]本领域内众所周知，芯片的温度与功率器件的电流和/或电压相关。在EP1983640中，公开了功率器件的电压降和温度之间的密切关系。
[0005]在DE10351843A1中，公开了通过切换负载电流通断并确定它的值以确定逆变器中的功率半导体的温度。如果温度位于给定的区域内，并由功率半导体的上述温度，确定半导体上的电压降。
[0006]对于容纳在功率器件中的芯片的性能、可靠性和寿命结束时间来说，温度是重要的。温度应当理解为温度和平均值两者都变化。

【发明内容】

[0007]考虑到上述的现有技术，本发明的目的是提供一种用于估计容纳在工作中的诸如IGBT功率模块的功率半导体器件中的半导体芯片的温度的方法。
[0008]该目的可以借助如下方法实现，该方法包括以下步骤:当功率半导体器件工作时，借助测量电路，确定对于施加的负载电流值的半导体芯片的电压降，并基于温度模型，通过评估确定的电压降和施加的负载电流值之间的关系来估计半导体芯片的温度，其中温度模型包括至少半导体芯片和测量电路的参数；其中在功率半导体器件不工作时，通过建立功率半导体器件的温度以及确定对于至少一个施加的预定电流的半导体芯片上的电压降，来建立用于确定的电压降和确定的施加的负载电流之间的关系的参数。
[0009]因此，在功率器件的工作期间，该方法能够实现功率半导体器件(也称为功率器件或功率模块)中的半导体芯片(也被称为芯片)的温度的更好的且通用的估计。在现有技术中，传统上使用通过功率器件的电流来限制功率器件，但通过使用芯片温度作为限制，能够更好地利用芯片面积。换句话说，使用温度限制的效果是，能够使用具有电流限制和/或允许通过该功率器件的电流至少有时超过该电流限制的功率器件。可选地，如果希望延长寿命，可以设置对温度的限制以确保能延长寿命。而且，基于该温度而不是传统的电流测量，能够定义功率器件的过载情形。在优选的实施例中，在功率器件工作时估计半导体芯片的温度。[0010]表述“在工作中”应当以下面的方式理解，即功率半导体器件正在执行其在系统计划的任务，其中该功率半导体器件例如安装为功率转换器的逆变器的一部分。功率半导体器件可以工作或不工作。当工作时，功率半导体器件控制和/或转换和/或传导安装有该功率半导体器件的设备中的施加的负载电流，并且在不工作时，功率半导体器件没有转换/控制/传导安装有该该功率半导体器件的设备中的负载电流(也简称为转换)。例如，当正在有源地传导要被转换的负载电流时，功率逆变器中的功率半导体器件在工作，以及当没有有源地传导要被转换的负载电流时，功率逆变器中的功率半导体器件不工作。作为“在工作”的替换方式，可以使用下面的表述中之一，“在运转”、“在线”或“生产模式”。作为“不工作”的替换方式，可以使用下列表述中之一，“不在运转”、“离线的”或“非生产模式”。
[0011]当功率器件不工作时，随着时间的推移，半导体芯片和功率器件的温度正变得越来越相等。取决于具体的半导体芯片和功率器件，能够确定使该温度与用于建立温度模型的参数所希望的温度相等所需的等待时间。
[0012]应当理解的是，“负载电流”是要被转换的或由其中容纳了功率半导体器件的功率转换器控制的电流。因此，负载电流可以来源于电网、发电机等，并且不一定是例如由测量电路控制的电流。这与例如由测量电路控制的“预定电流”相反。
[0013]半导体芯片的温度模型(也称为芯片温度模型、温度模型或模型)描述或评估该芯片的温度、电流和电压之间的关系。该模型使用可以是常数的参数，以涉及温度、电流和电压的值。在一个例子中，该模型可以是数学公式，其中参数是常数，使得当其它两个值是已知时，能够计算温度、电流或电压中的值的一个。在另一个例子中，该模型是计算机程序，其可以基于数值分析；在这种情况下，这些参数可以是分析中使用的常量、如果重复则为数量、以及在可以建立温度、电流和/或电压的值之间的关系之前必需建立的任何其它的需要量。应当明白，在一个例子中这些参数可以仅涉及一个参数。
[0014]应当明白，当涉及功率器件时，参考包括一个或多个半导体芯片的模块。每个半导体芯片可以是二极管，如功率硅或碳化硅二极管或开关，如MOSFET、IGBT、GT0、IGCT,晶闸管或碳化硅开关。
[0015]半导体芯片可以包括一个以上的二极管或一个以上的开关。可选地一个以上的半导体芯片可以一起执行开关或二极管的功能。
[0016]而且可以在功率器件的一个或多个半导体芯片模块中聚集多个半导体芯片。在这种配置中，当估计参数或进行测量时，这可以在一个或多个半导体芯片模块的一个或多个上来完成，因此这些参数和测量值可以看作是半导体模块的半导体芯片的平均。为简单起见，下面的描述将涉及一个半导体芯片，明白该描述也适用于利用一个模块或并行多个模块中的一个或多个半导体芯片的结构。
[0017]在风力涡轮机的情况下，由于包括一个或多个功率半导体器件的功率转换器的可能的估计的温度反馈控制，芯片温度例如可以以安全的方式确保增加的产量。
[0018]半导体芯片的温度模型包括通过如下方式建立的参数:建立功率半导体器件的或者如果可能优选半导体芯片上的温度，确定对于施加的至少一个预定电流的功率半导体器件上的或者如果可能优选半导体芯片上的电压降。当功率半导体器件不工作时，建立或确定温度和电压降。温度、确定的电压降和确定的施加的电流之间的关系的建立可以在单个位置的单次操作中完成。使用功率半导体器件不工作时建立的参数作为半导体器件工作时进行测量的基准数据，以估计优选地半导体芯片或可选地功率器件的温度。
[0019]由于机械应力和热应力，包括半导体芯片的功率半导体器件耗损，例如芯片材料的退化引、焊接裂缝、键合线剥离等。该耗损会改变温度、电压和电流之间的关系。根据本发明的方法可以补偿该耗损，因为可以更新半导体芯片的温度模型的参数并且由此可以尽可能多地用更准确的参数代替。而且，如果基于由根据本发明的方法估计的温度控制包括功率器件的功率模块，该方法可以补偿功率模块的整个使用寿命期间的耗损。
[0020]在功率器件中，可以存在具有与底板热连接的一个或多个半导体芯片的一个或多个热叠层，该连接可以通过隔离、焊接或其它合适的连接来固定。而且功率半导体器件中的热叠层的结构的可能性在本领域中是公知的。例如，可以在没有底板的情况下制成热叠层。该底板可以由铜或AlSiC制成并且连接到热沉，诸如液体冷却系统。当功率器件在工作时，由于在热叠层中存在温度梯度，所以芯片的温度与液体或底板的温度不同。因此，当温度是已知的且当功率器件不工作时，执行电压测量是有利的，以建立温度模型的参数。这是因为当功率半导体器件不工作时热叠层的温度梯度是最小的，因为在功率器件的半导体芯片中没有产生热量。
[0021]应该提及的是，当功率器件不工作时，能够控制功率器件的温度。例如，这可以通过将冷却系统中的液体加热(或冷却)到预定的温度来完成。在这种方式中，在一段时间后，包括半导体芯片的功率器件将获得与冷却液体相同的温度或者至少相对于冷却液体的可以基于实验室测试计算或发现的温度。
[0022]可选地，温度可以由温度传感器来测量。
[0023]优选地，温度模型的至少一个参数在功率半导体器件的寿命期间被建立多次。例如可以在功率器件不工作且有用于建立该至少一个参数的时间的任意时间建立该至少一个参数。在另一例子中，至少一个参数可以通过故意使功率转换器的多个功率器件中的一个不工作来建立。当接近预期的寿命终点时，也可以越来越频繁地建立至少一个参数。这是优选的，当接近寿命终点时，功率器件的耗损会增加，其会影响温度、电压和电流之间的关系。
[0024]应当提及的是,这些参数优选是温度相关的参数,这些参数是本领域技术人员公知的。
[0025]在一实施例中，温度模型还包括功率半导体器件的栅极驱动器的参数。通过包括来自功率器件、半导体芯片、测量电路和功率器件的栅极驱动器的参数，能够监视这些部件中的任一个是否在漂移。以这种方式，被监控的不只是功率器件的半导体芯片，而是包括功率器件和测量电路的整个系统。应当提及的是，如果有必要的话，其能够包括除上面提到的之外的其它部件。
[0026]由于电压降的大小很小(通常测量的相对变化以毫伏计)，使用温度模型中的正确的参数是重要的。造成测量中的不确定性的源越多，温度估计的不确定性越大。因此，当建立温度模型的参数时，包括尽可能多的这类源是有利的。当然这应当与包括这些源的困难度相平衡。用于功率器件的栅极驱动器是这样的源:举例来说，如果控制芯片的电压是14.9伏，而不是15伏，误差会被引入到温度估计。这只是用于建立温度模型的参数的校准程序的重要的一个例子。
[0027]因此，为了降低温度模型的复杂性，所有存在的相关的电路内部件(in-circuitcomponent)的校准降低了模型的不确定性。相关的电路内部件应当理解为与将要估计温度的电路(应用)或功率器件相关的部件。即在一种应用中，功率半导体芯片的栅极驱动器可以是相关的以包括在内，而在其它应用中不被包括在内。其它的电路内部件可以是例如包括栅极驱动器、半导体芯片等的测量电路。该温度模型还应该包括用于温度估计的所有的相关元素，但模型中的不确定性应因校正策略而大大减少。
[0028]在一实施例中，芯片的温度模型描述了一种理想二极管。温度、电压和电流之间的关系可以通过二极管律进行说明，其中电流是(AV/T)的函数，优选是线性函数。其中a是常数，而V是功率器件上的或优选地半导体芯片上的电压降，以及T为温度。通过使用理想二极管的模型，当半导体芯片的实现是二极管时获得温度估计是相对简单的。
[0029]在另一实施例中，芯片的温度模型描述了一种热敏电阻。温度、电压和电流之间的关系可以由欧姆定律进行说明，其中温度的变化与电阻的变化成正比。
[0030]优选地，芯片的温度模型描述了理想二极管和热敏电阻的组合。该组合可以以这样的方式使用:其中对于小电流，二极管律是主要的，对于较高的电流，热敏电阻模型是主要的。小电流可以在300、200、100A之下。
[0031]有利地，芯片的温度模型至少部分基于由测试、优选地加速的测试建立的数据。例如，这可以是通过执行用于建立模型的多个测试来完成，或在另一个例子中使用测试数据来建立模型中的一个或多个固定的参数。如果该模型应该改变为功率器件的耗损的函数，也可使用加速的测试来建立。
[0032]优选地，使用所估计的温度作为确定由功率半导体器件处理的负载电流的降级因数的基础。这可以是确保更好地利用半导体芯片的一种方式，例如延长寿命或实现功率器件的较高载荷。降级因数是指功率器件上的电压、电流或转换频率相比功率器件的额定最大值减少了一个因子。
[0033]此外，利用知道的估计的温度，获得了有关控制包括半导体芯片的功率器件的有价值的信息。利用该温度信息，尤其是当在不同于最坏情况的负荷区域中工作时，能够提高半导体芯片的利用率。作为一个例子，可能能够最小化确保半导体芯片没有过载的阈值，即相比没有温度信息，能够加载半导体芯片更接近最大值。另一个例子是，可能能够更有力地装载半导体芯片，即将更多的功率“挤”过半导体芯片(有时甚至高于预定的最大负载)，而对半导体芯片或半导体器件的寿命没有影响或者甚至具有优化效果，或者在给定的负载下延长半导体芯片或半导体器件的寿命。
[0034]可以基于寿命估计模型确定负载的控制。该寿命估计模型估计半导体芯片在给定的负载/估计温度下的寿命。因此，如果负载/温度改变，半导体芯片的寿命的终点会改变，并且寿命的新的终点可以通过寿命估计模型来发现。
[0035]在短期内，如果估计温度比例如预定的阈值高，这可能导致由功率半导体器件处理的负载电流的暂时降级。根据温度的大小，可以选择降级因数。通常温度越高，降级因数越高。当温度再次恢复正常(低于预定阈值)时，代表它的降级因数或参数可能会被重置，设置为正常/额定生产。
[0036]另外，负载电流可以基于寿命估算模型并且由此间接地基于所述温度来控制。控制负载电流可以包括根据所期望的寿命的终点、生产产量等降级或提高功率半导体器件及其的半导体芯片的负载电流。以这种方式，如果希望在给定的最大温度下操作半导体开关以获得给定的估计的剩余寿命，这可能导致由功率半导体器件处理的负载电流的给定的降级因数。
[0037]寿命估算模型是由例如来自各半导体芯片或一种类型的半导体开关的数据构建的。因此，简单的查询表可以是寿命估计模型的一部分。
[0038]用于半导体芯片的温度模型的参数优选是通过运行校准程序得到的，其中建立半导体芯片的温度。在一实施例中，建立温度是通过确定容纳在功率半导体器件中的半导体芯片的温度来进行的。该温度也被称为芯片的结温。例如，这可以通过直接测量功率半导体芯片或功率器件的另一部分的(建立的)温度来完成，其中功率器件经由温度传感器与芯片热接触。
[0039]在一实施例中，通过将功率半导体器件加热到预定的温度，优选通过使用与功率半导体器件热力学接触的液体，来建立温度。这可以通过将液体加热到任一所希望的温度来完成，例如30 V、40°C、50 V、60°C、70 V、80°C，这将确保该功率半导体器件以及半导体芯片在不工作时具有所希望的温度。加热功率半导体器件的可选方式是简单地使用例如从冷却系统获得的功率半导体器件的实际温度。
[0040]优选地，当功率半导体器件不工作时建立该温度。这需要功率半导体器件不工作的额外时间。另一方面，使得能够具有全部专用于确定电压降的测量周期，其可以在功率器件不工作时启动。作为一个例子，当功率器件不工作时，可以启动用于校准芯片温度模型的校准程序，其中校准程序建立了功率器件的温度，并使用这些值来建立用于芯片的温度模型的修正的参数。
[0041]有利地，当建立了所述半导体芯片的温度模型的参数时，功率半导体器件不工作的时间是热叠层的热时间常数的至少5倍。这确保了功率半导体器件和/或所述叠层中的梯度温度是最小的。
[0042]在一实施例中，施加至少一个预定电流的时间小于芯片的热时间常数的10%。当确定功率半导体器件上的或优选地半导体芯片上的电压降时，功率器件必须被激活，并且电流将流过它。这会加热包括半导体芯片的功率器件。为了确保该热能量不会上升到显著影响电压降的确定的水平，可以仅在短时间施加电流。该短时间可以小于用于半导体芯片的热时间常数的10%，例如，小于I毫秒。
[0043]另一方面，本发明涉及一种用于估计容纳在工作中的诸如IGBT功率模块的功率半导体器件中的半导体芯片的设备，包括:用于当功率半导体器件在工作时确定对于施加的电流负载的值的半导体芯片上的电压降的装置，用于基于温度模型通过评估确定的电压降和施加的负载电流的值之间的关系来估计半导体芯片的温度的装置，其中该设备包括用于建立涉及至少半导体芯片和用于估计温度的装置的温度模型的参数的系统，该系统包括，用于当功率半导体器件不工作时建立功率半导体器件的温度的装置，以及用于确定对于施加的至少一个预定电流的半导体芯片上的电压降的装置，其中该系统能够基于确定的电压降、确定的施加的电流与建立的温度之间的关系，建立所述半导体芯片的温度模型的参数。
[0044]因此，该装置能够实现容纳在功率半导体器件中的半导体芯片的温度有利估计。
[0045]在优选的实施例中，当功率半导体器件在工作时，用于确定对于所施加的负载电流值的功率半导体器件上的优选地半导体芯片上的电压降的装置可以确定该电压降。可选地或与其组合，当功率半导体器件在工作时，用于基于半导体芯片的温度模型通过评估确定的电压降和施加的负载电流的值之间的关系来估计半导体芯片的温度的装置可以估计该温度。
[0046]用于确定电压降的装置可以是模数转换器(ADC )。
[0047]用于建立所述半导体芯片的温度模型的参数的系统可以包括一单元，该单元可以计算和/或比较数据，如微处理器。
[0048]用于建立温度的装置可以是确定温度并且然后将功率半导体器件冷却或者加热至所需温度的有源器件。它也可以是由温度传感器确定温度的无源器件。
[0049]要理解的是，该设备可以以它可以执行权利要求中描述的任一种方法的这种方式进行修改。
[0050]优选地，用于确定电压降的装置包括测量电路，该测量电路包括低功率半导体器件和用于该低功率半导体器件的至少一个栅极驱动器(对于二极管不相关)，其中，用于确定半导体芯片上的电压降的装置的至少一部分集成在栅极驱动器中。低功率半导体器件很可能需要栅极驱动器，这种栅极驱动器可以包括:栅极控制电路、切换模式电源、通过电流隔离阻挡或电平移位控制系统的接口、击穿和/或过电流保护、防止击穿和最小死区时间生成的逻辑。为了降低测量电路的成本，可以使用栅极驱动器的一些部件，如切换模式电源和/或用于控制系统的部件的一些部分。另外，电压测量可以用作降饱和保护电路并保护电源模块免受过电流的影响。
[0051]与同样简称为半导体器件的高功率半导体相反，低功率半导体器件不是作为功率器件转换功率的这样一部分。低功率半导体器件是控制当测试高功率半导体器件时使用的电流的测量电路的一部分。因此低功率半导体元件的主要目的是保护测量电路不受高功率半导体器件两端的高电压影响。
[0052]有利地，用于建立该温度的装置优选通过地使用与功率半导体器件及其的功率半导体芯片热力学接触的液体，将功率半导体器件加热到预定的温度。这将确保建立功率半导体器件及其的半导体芯片的温度的简单方法。
[0053]在又一方面中，本发明涉及一种风力涡轮机，包括如上所述的具有半导体芯片的功率半导体器件和设备。当功率器件在工作中时，使用上述的功率器件或方法来估计容纳在功率半导体器件中的半导体芯片的温度，具有上面提到的几个优点。温度估计可以确保快速响应冷却系统的故障，从而防止功率器件的故障。另外，它可以用于通过使用所估计的温度作为用于限制通过功率器件的电压和/或电流的测量来优化功率器件。这可能导致相比限制是基于电流测量的现有技术更高的容许电流或电压。因此，基于根据本发明的估计的温度，有明显的经济激励来优化风力涡轮机的性能。
[0054]优选地，风力涡轮机还包括与功率半导体器件热力学接触的液体系统，其中液体系统包括用于控制液体系统中的液体温度的装置。在一个例子中用于控制液体温度的装置是加热器，例如电加热器。在第二个例子中，液体流过热交换器，可以控制该热交换器以冷却/加热该液体，这可以通过打开/关闭热交换器上的风扇来实现。在第三个例子中，液体系统中控制旁路阀的阀被控制。
[0055]在一实施例中，风力涡轮机控制系统操作性地连接到功率转换器，该功率转换器包括功率半导体器件并且液体系统操作性地连接到功率转换器。优选地，风力涡轮机控制系统操作性地连接到液体系统。与在风力涡轮机中安装用于估计芯片温度的装置的新功率器件相比，使用已经安装的风力涡轮机控制系统执行用于估计功率转换器的功率器件中的芯片温度的步骤，降低了结合用于估计芯片温度的方法的成本。
【专利附图】

【附图说明】
[0056]在下文中，将参考附图更详细地描述本发明:
[0057]图1是二极管和开关的示意图；
[0058]图2是电流、电压和温度之间的关系的曲线图；
[0059]图3是测量电路的示意图；
[0060]图4是功率半导体叠层的示意图；
[0061]图5a是电流斜线上升的曲线图；
[0062]图5b是电压测量的曲线图；
[0063]图6a是电压(Vce)作为时间的函数的曲线图；
[0064]图6b是电流(i)作为时间的函数的曲线图；
[0065]图7是对不同温度下的电流和电压关系的曲线图；
[0066]图8是本发明的实施例的示意性流程图；
[0067]图9是本发明在风力涡轮机应用中的实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0068]本发明涉及当功率半导体器件在工作时估计容纳在功率半导体器件中的半导体芯片的温度。功率半导体器件可以是功率转换器的逆变器模块，因此功率半导体器件通常包括多个半导体开关。半导体芯片可以是有源开关和/或二极管，例如:IGBT、晶闸管、GT0、MOSFET, IGCT、碳化硅开关、功率硅二极管或功率碳化硅二极管。该方法可以估算出当功率器件在工作时的芯片的稳定状态和瞬时温度。
[0069]当包括包含一个或多个二极管或IGBT开关的一个或多个半导体芯片的功率器件在工作时，电流流过它并且在如图1所示的部件两端生成电压降。电压降可分为例如在半导体芯片内的IGBT开关的电阻部分两端的电压降和PN结两端的电压降。电阻位于端子、母线、键合线、芯片表面和材料本身(例如Si或SiC)。通常PN结具有负温度系数，而电阻部分具有正温度系数，这会导致如图2所示的电压降特性。这里可以看出电流(I)和电压降之间的关系的例子。Vce是开关上的电压降，Vd是二极管上的电压降。图2中，曲线3示出了当功率器件冷及由此导致半导体芯片冷时的关系，曲线4示出了当功率器件温暖及由此导致半导体芯片是温暖时的关系。这意味着，当温度升高时，这在功率器件导通电流时会出现，电流与电压降之间的关系会改变。
[0070]在一实施例中，该估计的方法基于参数的建立，其会暂时建立功率器件的电流、电压和温度之间的关系。暂时意味着能够用根据本发明的方法获得的新参数替换这些参数。尤其是当功率器件接近寿命的结束时，尽可能频繁的新建立参数是有利的。
[0071]例如用于半导体开关或一组半导体开关的参数可以由该组的一个或多个半导体开关的实验室试验找到。理想地，在控制的温度以及例如控制的电压和电流下在半导体开关的整个使用寿命期间应该连续进行这样的试验。用于确定参数的试验可以通过在已知的温度下施加电流来进行，然后测量电压降。
[0072]为了缩短获得试验结果的时间，可以使用加速试验。加速试验可以通过计算应当施加已知电流的时间来进行。所计算的时间和电流应该反映在一段时间(例如半导体开关的整个寿命)内使用半导体开关的使用概况。以这种方式，能够在几年或甚至一个月内根据在其整个使用寿命的使用概况测试所使用的半导体开关。用于加速试验的时间可以以几年、月、天或小时来测量。当然必须预期，加速试验运行时间越长，测试结果越准确。
[0073]当使用功率器件(包括芯片，该芯片包括开关和/或二极管)时，由于耗损，内部电阻会增加。这可能是由于焊料裂缝、表面裂缝或键合线剥离引起的。当内部电阻增大时，将会丢失更多的功率，导致更高的温度。因此，电阻的增加将会改变电流/电压特性；这示于图2。当功率器件耗损时，曲线图4将会变成曲线图5。换句话说，能够基于电流/电压测量估计芯片的温度。然而，应注意功率器件的耗损，因为这会影响温度估算。因此，在一个实施例中可以重复参数的建立，以使所估计的温度相对芯片实际温度的偏离最小化，从而补偿耗损。
[0074]可以在功率器件的工作期间测量Vce或Vd，因此可以在功率器件的工作期间估计芯片的温度。
[0075]检测功率器件上的，优选地半导体芯片上的电压降可能是有挑战的，因为当功率器件传导千伏范围内的电压时，必须检测毫伏范围内的变化，该千伏范围内的电压是功率器件处于阻断状态时其两端的电压。在图3中可以看到测量电路6的例子。此处测量电路6包括高电压、低功率的半导体开关7，在这种情况下为场效应晶体管(FET)。高电压、低功率的半导体开关7可以阻断测试对象9的高电压。测试对象通常为功率器件的一个或多个半导体芯片(如IGBT或二极管)。在图3中示出了一个IGBT作为测试对象9，应当提及的是IGBT受到未图示的栅极驱动器控制。测量电路6还包括模数转换器(ADC) 8。当FET7导通时，ADC8能检测测试对象9以及功率器件或IGBT的电压降。而且，示出了控制低功率半导体7的栅极驱动器。应当注意，可以使用任意类型的半导体开关或闭锁装置例如二极管、JFET,MOSFET双极晶体管、IGBT等，以在测试对象9处于关闭状态时阻断测试对象9两端的高电压。这对于本领域技术人员是已知的，并且将不会进一步描述。
[0076]在本发明的一实施例中，在已知的芯片温度下建立模型的参数，以这种方式可以使用建立的参数作为温度模型中的基准数据。为了做到这一点，在确定的芯片温度下必须建立电流和电压中的至少一个测量。本实施例中的温度模型是基于基准数据，基准数据可以通过被动加热到确定的温度来获得，这将在下面描述。当功率器件不处于工作中时，必须至少部分地完成参数的建立。
[0077]图4示出了具有半导体芯片10、底板12(例如由铜制成)、它们之间的陶瓷层11的功率器件的热叠层，该陶瓷层11在芯片10和底板12之间隔离。功率器件可以包括一个或多个热叠层，并且在每个热叠层上可以布置一个以上的半导体芯片。底板12与液体13接触，液体13是用于功率器件的冷却回路的一部分。如果在芯片10中几秒钟没有产生损失(功率器件不工作时)，则芯片10的温度等于(或非常接近)液体13的温度。换句话说，如果芯片10中没有损失的时间比热时间常数长，优选是至少2-5倍的时间常数，芯片10和液体14的温度如果不同，可以接近相同。因此芯片10的温度可被认为是与功率器件的温度至少基本相同。这意味着，例如通过测量液体温度的温度传感器，可以很容易地确定芯片10的温度。此后可以通过施加电流和测量电压(也称为电压降)确定在已知温度下芯片的IGBT或二极管两端的电压。可以使用这些测量来建立模型的参数。由于施加电流将加热芯片并且在热叠层上引起温度梯度，因此如果电流仅施加非常短的时间，例如最多100、200、300、500、1000微秒或芯片的热时间常数的最多20 %、10 %或5 %，则获得最可靠的数据。
[0078]通常以秒测量用于底板的热时间常数，这取决于材料的类型和材料的厚度。芯片的热时间常数通常小于I秒，并且主要基于芯片的尺寸。
[0079]在如图4所示的热叠层的一个例子中，热时间常数可以是0.7秒。
[0080]如果使用图3的测量电路来执行本发明的方法，需要建立芯片的温度模型。该模型描述了电压、电流和温度之间的关系。该模型可以是数值模型，其中该关系是通过表征特定的半导体芯片类型的单个半导体芯片来确定的。这种表征可以是测量各个半导体芯片对于特定温度的电流和电压；这将能够建立该模型的参数，使得能够基于电压和电流测量确定该温度。当建立了模型和模型的参数时，它可以用来估计温度。
[0081]应当提及的是，知道将基于平均值构造温度模型，可能就足以确定功率器件或半导体芯片模块的电压、电流和温度之间的关系。
[0082]根据该模型编程并与图3的测量电路进行通信的微处理器可能是有利的，优选地，微处理器在最初安装时建立用于模型的参数。当这样做时，能够基于功率器件在工作时执行的电压和负载电流测量估计芯片温度。
[0083]在一实施例中，该系统需要进行初始参数的设置，并在稍后的时间重新确定参数来补偿功率器件的耗损。如果不补偿，该方法将当在高电流工作时估计出比实际温度更高的温度，并且在低电流下估计出比实际温度更低的温度。因此，应该在功率器件的整个寿命期间进行本实施例中的功率器件的耗损补偿。
[0084]为了更精确地建立这些参数，可以使用如图5所示的电流斜线(上述的预定电流的例子)。在这里施加多个增加的电流并且测量对应的电压。在图5a中可以看出电流(I)和时间(t)的电流斜线，其中点是施加的实际电流，图形是拟合线。电流斜线被施加了很短的时间，以使温度的影响保持在最小。在图5b中，对于施加的电流(I)，可以看出电压(Vce/Vd)测量为点。对于给定温度的电压和电流关系，拟合出了一条线。由此能够建立温度、电流和电压之间的关系。
[0085]为了估计芯片的温度(例如瞬态芯片温度)，例如在图3所示的系统中，在功率器件的正常的脉冲宽度调制(PWM)工作期间测量Vce或Vd。由于测量电路6的FET7是非常快的，所以可以在开关的导通时间期间连接测量电路，而在高电压状态下被关闭。在图6上示出了 PWM模式的IGBT两端的电压(Vce的曲线14)和通过同一 IGBT的负载电流(曲线15)的例子。当Vce电压高(IGBT断开)时定义“违规”区域。在这些区域中测量电路6的FET7也必须是断开的。只要IGBT导通负载电流，就可以进行Vce测量。重要的是同时测量Vce和通过IGBT的负载电流，如图6中的时间Tl所示的例子。
[0086]为了得到可以用于建立芯片温度模型的参数的合适的半导体芯片温度模型和基准数据，必须表征特定功率器件。对于功率器件的每种类型和设置必须进行这种表征，即考虑半导体芯片的类型、测量电路部件、半导体芯片的栅极驱动器等。这可以通过被动加热功率器件、施加预定的电流以及然后在建立的温度下测量电压来完成。这可以通过上述的方法来完成，以建立参数，其中使用冷却液控制温度。由于常规方式是使用水作为冷却液，因此在100°C以上的温度下使用会出现问题，因为水会沸腾。由于芯片的一般可允许温度是超过100°C(—般为125°C至150°C)，上述方法只能表征温度范围内的一部分。这可以通过使用沸点温度在例如150°C以上的冷却液来克服。
[0087]可选地，例如可以通过IR照相机或通过热板的方式进行表征。这可以在整个温度范围内表征功率器件。
[0088]如上所述，为了获得温度的最准确估计，必须考虑会引入不确定性的所有源。例如，相比测量可能包括多个半导体芯片的功率器件的上的电压，最好是测量直接在半导体芯片上的电压降。
[0089]在实际的实现方式中，往往不能获得理论最佳的测量，因此使用第二好的测量。当测量/建立参数时，获得温度模型的参数的方式的一个例子是包括图3中的所有元件。在这种方式中，平均由不同的部件引入的误差。如果不是包含所有的部件，当在以后及时建立参数时，部件的误差或不准确可能降低温度估计的质量。
[0090]应当提及的是，可以包括除了图3中示出的部件之外的其它部件，诸如用于测试对象9的栅极驱动器。
[0091]在可再生能量装置的功率转换器中实现本发明的情况下，诸如风力涡轮机或太阳能系统温度模型可以用于功率转换器的各个功率叠层，用于逆变器(网格和转子侧)等。
[0092]IR照相机方法:可以制造专用的功率器件，其对IR透明。这可以是完全开放的，没有凝胶或有透明的凝胶。该专用的功率器件可以设置为在正常模式下运行或者如上述那样被动地加热。通过关联测得的IR温度与实际的Vce或Vd测量，可以表征功率器件。IR表征的优点是，可以获得芯片和基板的温度差。为了进行IR表征，需要内置的专用功率模块。
[0093]热板法:在无需装载半导体芯片的情况下通过将功率器件放置在热板上，半导体芯片将获得与热板相同的温度。在这种被动设置中，功率器件的电流和电压特性可以在热板温度下确定。热板方法的优点是，加热板可以被在控制在很宽的温度范围内，如从_25°C到 150。。。
[0094]实际的Vce或Vd数据可以在器件之间不同(或在芯片之间不同)，因此仅使用表征作为功率器件类型的一般特征是有利的。因此，应该对如上所述的实际功率器件进行单个功率器件的具体表征/校准。
[0095]图7是功率器件(在这种情况下为PrimePack IGBT)的实际特性，有源于44°C、53°C、61°C、72°C和82°C的温度的图表(在高电流/电压从左至右)。可以看出，这些曲线彼此交叉。在曲线交叉之前的低电压时，电压电流关系主要受二极管律的影响，而在较高的电压该关系受该模型的热敏电阻部分控制。通过观察图7的曲线图，可以明白，当测量电压和负载电流的值时，可以从曲线图估计温度。
[0096]图8示出了其中也建立了模型的参数的本发明的一实施例的示意图。在本实施例中，当功率器件不工作时，用于估计容纳在功率半导体器件中的半导体芯片的温度的方法已通过建立该温度(建立温度)来启动。如上所述这可以通过活性液体控制、加热或冷却该冷却液来完成，由此控制液体温度或通过其它方式直接或间接测量温度。随后确保功率器件仍然没有在生产(启动的非工作模式)，因为这将确保该芯片的温度将等于在先前步骤中建立的液体的温度。随后，通过施加预定的电流确定功率器件上的电压降(确定电压)。当施加预定电流较短的时间从而使得功率芯片的温度没有升高时，获得了最可靠的结果。随后，再次释放功率半导体以生成(释放以生产)。然后基于确定的电压和电流以及建立的温度之间的关系建立该模型的参数(建立参数)。然后使用这些参数直至重复该参数的过程(重复)。现在可以通过利用使用这些参数的温度模型来估计该温度。这是通过确定导通负载电流的值的功率器件上的电压降来完成的(确定电压和电流)。使用这些值来基于电压、电流和温度之间的预定关系估计温度(估计温度)，这取决于所建立的参数。
[0097]因此，通过利用温度模型和更新关于其的参数，能够得知在功率器件的使用寿命期间是否引入了(例如来自测量电路或半导体芯片)的任何误差或不准确。在风力涡轮机应用中，可以使用温度估计作为用于风力涡轮机的控制参数。如果该方法包括建立参数的步骤，则可以在将芯片的温度链接到如上所述的液体冷却温度的不工作情况下进行。这些非工作的时间间隔可以是:服务的情形、没有风时、在润滑序列期间、电缆展开、其它部件的错误或强制停止。在这些非工作的时间间隔期间，可以执行参数周期的建立。周期在本文中表示风力涡轮机控制执行建立参数的程序。在典型的风力涡轮机应用中，风力涡轮机控制系统通过除其它信号之外的启动/停止信号和参考信号控制功率转换器。取决于该系统的结构，液体冷却系统可以通过功率转换器或通过涡轮机控制系统控制。即使该冷却系统可以由风力涡轮机控制系统控制，可能仍然存在至功率转换器的链接。此链接可以包括测量、安全信号等。
[0098]除其它事项外，为了获得可靠的温度估计，具有用于实际功率模块和在PWM开关期间适于进行快速测量的测量电路的基准数据是有利的。该基准数据可以是在实验室中的单个或几个功率模块在宽温度范围内的一般特性的组合，与安装在风力涡轮机中的实际功率模块的具体测量结合。
[0099]通常转子机械连接到将机械能转换为电能的发电机。为了能够为公用电网提供电能，需要转换使得例如电能的频率(以及电压和电流)和公用电网的频率是相同的。这种转换是由转换器，更具体地由包含在所述转换器中的多个功率半导体器件实现的。
[0100]图9示出了本发明在风力涡轮机应用中的实施例；因此图9示出了转换器(未示出)的一个功率半导体器件9。如上面所述，半导体器件9包括一个或多个热叠层21，每个都具有芯片10、绝缘层11和与冷却液13接触的底板12。冷却液13可以是较大的风力涡轮机冷却系统22的一部分。
[0101]当功率半导体器件9不工作时，例如由温度传感器25、计算单元23和/或一个或多个测量电路6获取初始建立的用于温度模型的参数(即芯片的温度、电压降、电流等)。这种测量电路6可以包括高电压低功率半导体开关7(例如如上所述的FET)和模数转换器8。FET7可以由栅极驱动器20控制。
[0102]当建立温度模型的参数时，半导体器件9为工作做好准备。半导体器件9可以通过来自栅极驱动器(未示出)的PWM信号控制。在半导体器件9的工作期间，更具体地至少在半导体器件9进行“它的任务”的PWM信号的多个部分的一部分中，测量电路6的FET7也打开，使模数转换器8能够测量该电压降。与此同时通过半导体器件9的负载电流是由电流传感器(未示出)测得的。
[0103]优选地包括微处理器或用于处理能够执行该温度模型的数据的其它装置的计算单元23可以接收测得的数据，并基于此估计芯片的温度。计算单元23可以是该转换器控制的一部分。芯片温度可以与转换器控制系统和/或风力涡轮机控制器24通信并且用于控制半导体功率器件9，即风力涡轮机的转换器或风力涡轮机的其它部件。
[0104]应当提及的是，风力涡轮机控制器24可以至少部分地控制所述转换器，即半导体器件9并由此控制栅极驱动器20、冷却系统22、计算单元23、发电机(未示出)等。
【权利要求】
1.一种用于估计容纳在工作中的诸如IGBT功率模块的功率半导体器件中的半导体芯片的温度的方法，该方法包括以下步骤: -当功率半导体器件在工作时，借助测量电路，确定对于施加的负载电流的值的半导体芯片上的电压降，和 -基于温度模型，通过评估确定的电压降和施加的负载电流的值之间的关系来估计半导体芯片的温度， 其中该温度模型包括至少半导体芯片和测量电路的参数，并且 其中用于确定的电压降和确定的施加的负载电流之间的关系的参数是通过以下步骤建立的: -当功率半导体器件不工作时，建立功率半导体器件的温度，并且 -确定对于施加的至少一个预定电流的半导体芯片上的电压降。
2.根据权利要求1所述的方法，其中温度模型的至少一个参数在功率半导体器件的寿命期间建立多次。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法， 其中该温度模型还包括功率半导体器件的栅极驱动器的参数。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中芯片温度模型描述理想二极管、热敏电阻、或者理想二极管和热敏电阻的组合。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中芯片温度模型至少部分地基于由测试,优选地加速测试建立的数据。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中使用所估计的温度作为确定由功率半导体器件处理的负载电流的降级因数的基础。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中建立温度通过确定容纳在功率半导体器件中的半导体芯片的温度进行和/或通过将功率半导体器件加热到预定的温度进行，和/或在功率半导体器件不工作时进行。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中该功率半导体器件包括一个或多个热叠层，并且其中当建立所述半导体芯片温度模型的参数时，该功率半导体器件不工作的时间是热叠层的热时间常数的至少五倍。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中施加至少一个预定电流的时间小于芯片的热时间常数的10%。
10.一种用于估计容纳在工作中的诸如IGBT功率模块的功率半导体器件中的半导体芯片的温度的设备，包括: -用于当功率半导体器件在工作时确定对于施加的电流负载的值的半导体芯片上的电压降的装置， -用于基于温度模型，通过评估确定的电压降与施加的负载电流的值之间的关系来估计该半导体芯片的温度的装置， 其中该设备包括用于建立涉及至少半导体芯片和用于估计温度的装置的温度模型的参数的系统，该系统包括， -用于当功率半导体器件不工作时建立该功率半导体器件的温度的装置，和 -用于确定对于施加的至少一个预定电流的该半导体芯片上的电压降的装置，其中电流是在该功率半导体器件不工作时施加的， 其中该系统能够基于确定的电压降、确定的施加的电流和建立的温度之间的关系建立所述半导体芯片温度模型的参数。
11.根据权利要求10所述的设备，其中用于确定电压降的装置包括测量电路，该测量电路包括低功率半导体器件和用于该低功率半导体器件的至少一个栅极驱动器，其中，用于确定半导体芯片上的电压降的装置的至少一部分集成在该栅极驱动器中。
12.根据权利要求10至11中任一项所述的设备，其中用于建立温度的装置优选地通过使用与功率半导体器件热力学接触的液体将该功率半导体器件加热到预定的温度。
13.一种风力涡轮机，包括功率半导体器件和根据权利要求10至12所述的设备。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，包括与功率半导体器件热力学接触的液体系统，其中该液体系统包括用于控制液体系统中的液体的温度的装置，优选地进一步包括适合于将该液体加热到所希望的温度的加热器。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机，包括操作性地连接到功率转换器的风力涡轮机控制系统，该功率转换器包括功率半导体器件，其中该液体系统操作性地连接至该功率转换器。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的风力涡轮机，其中风力涡轮机控制系统操作性地连接至该液体系统。`
【文档编号】G01K7/01GK103782143SQ201280043404
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年8月13日 优先权日:2011年9月7日
【发明者】P·B·萨格森, B·兰涅斯泰德 申请人:科电公司