用于并联双侧冷却功率模块的温度感测与故障检测的制作方法

本发明总体上涉及电子系统和方法，并且在具体实施例中，涉及用于并联双侧冷却(dsc)功率模块的温度感测和故障检测系统。

背景技术：

晶体管器件被广泛用作各种不同应用(诸如工业、汽车和消费者应用)中的电子开关。例如，这些应用可以包括功率转换、电机驱动、感应加热或照明系统。

功率晶体管通常通过承载相对较高的电流和/或阻断高压来切换相对较高的功率。因此，热量通常由功率晶体管产生。由于功率晶体管通常具有最高操作温度，所以较差的散热会限制功率晶体管的性能和可承载的最大功率量。因此，功率晶体管通常具有可夹至散热器来加强冷却的封装。一些功率晶体管可以使用具有双侧冷却(dsc)的封装。

dsc功率晶体管是在晶体管封装的两个表面处具有低热阻的晶体管。因此，诸如散热器的散热部件可附接至晶体管封装的每个低热阻表面以加强冷却。因此，使用dsc的功率晶体管通常允许功率密度的增加。

具有多于一个功率晶体管的电气部件也可以与dsc封装在功率模块中。例如，具有半桥的功率模块可以使用具有dsc的封装来实现。功率模块可以包括一个或多个功率部件，诸如一个或多个功率晶体管以及用于自由旋转感应开关负载的反并联二极管。

一些应用使用并联的多个功率模块，以便支持更高的功率需求。功率模块可以利用dsc实现，dsc可以称为dsc功率模块。

技术实现要素：

根据一个实施例，一种方法包括：监控以双侧冷却(dsc)功率模块的堆叠布置的多个dsc功率模块中的两个dsc功率模块之间的温度差；将温度差与第一温度阈值进行比较；当温度差高于第一温度阈值时，检测冷却管道系统堵塞；以及在检测冷却管道系统堵塞之后，禁用耦合至多个dsc功率模块的栅极驱动电路或者在低功率模式下操作dsc功率模块。每个堆叠包括多个dsc功率模块。每个dsc功率模块具有顶面和底面，它们均与冷却管道系统的一个或多个冷却通道热耦合。两个dsc功率模块与一个或多个冷却通道的相同冷却通道热耦合。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其优点，现在结合附图进行以下描述，其中：

图1a示出了根据本发明实施例的功率系统的高级示意图；

图1b示出了根据本发明实施例的图1a的功率系统的可能实现方式；

图2示出了根据本发明实施例的用于驱动三相电动机的逆变器电路的示意图；

图3a示出了根据本发明实施例的包括半桥的dsc功率模块的示图；

图3b示出了根据本发明实施例的图3a的dsc功率模块的热堆叠；

图4示出了根据本发明实施例的三相逆变器系统的立体图，该三相逆变器系统具有以b6逆变器配置的dsc功率模块；

图5示出了根据本发明实施例的具有两个并联实现的半桥的逆变器电路的驱动器的示意图；

图6a和图6b分别示出了根据本发明实施例的具有两个并联半桥模块的三相逆变器系统的截面图和立体图；

图7示出了根据本发明实施例的具有三个并联半桥逆变器配置的三相逆变器系统的立体图；

图8示出了根据本发明实施例的具有集成温度传感器的功率模块的示意图；

图9a示出了根据本发明实施例的具有三相逆变器系统的功率模块系统，该三相逆变器系统具有四个并联半桥逆变器配置；

图9b示出了根据本发明实施例的操作具有堆叠配置的dsc功率系统的方法的流程图；

图9c和图9d示出了根据本发明实施例的控制器的可能实现的非限制性示例；

图10至图19示出了根据本发明实施例的不同dsc功率模块系统配置中的冷却管道的不同部分和全部阻塞的示例。

除非另有说明，否则不同附图中对应的数字和符号通常指对应的部分。绘制附图以了清楚地示出优选实施例的相关方面，并且不一定按比例绘制。为了更清楚地示出特定实施例，指示相同结构、材料或工艺步骤的变化的字母可以跟随在图号之后。

具体实施方式

下面将详细讨论当前优选实施例的制造和使用。然而，应当理解，本发明提供了许多可在各种特定环境中具体化的可应用发明概念。所讨论的具体实施例仅示出制造和使用本发明的具体方法，并不限制本发明的范围。

下面的描述示出了各种具体细节，以根据描述提供对几个示例实施例的深入理解。可以在没有一个或多个具体细节的情况下，或者通过其他方法、部件、材料等来获得实施例。在其他情况下，没有详细示出或描述已知结构、材料或操作，以便不模糊实施例的不同方面。本说明书中对“实施例”的引用指示在至少一个实施例中包括关于该实施例描述的特定配置、结构或特征。从而，可能出现在本说明的不同地方的诸如“在一个实施例中”的短语不一定确切地指代相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以任何适当的方式组合特定形式、结构或特征。

仅出于示例性目的，将关于温度感测和故障检测电路以及用于包括并联dsc功率模块的功率系统的方法的实施例来描述本发明，其中每个dsc功率模块都包括用于驱动三相电动机的半桥。然而，除了上面明确描述的那些实施例之外，其他实施例也是可能的。例如，本发明的实施例还可以用于驱动除三相电机以外的负载，诸如单相电机、感应线圈、高功率转换器、ups系统、具有三相以上的电机或者任何其他高功率负载。一些实施例可以包括dsc功率模块，其除了半桥或者代替半桥还包括其它部件，诸如单晶体管、全桥或任何其他高功率部件。

在本发明的实施例中，通过测量两个堆叠的dsc功率模块(其中一个暴露给被阻塞的冷却通道，而另一个没有)之间的温度差来检测被配置为冷却dsc功率模块的堆叠的冷却管道的部分或全部堵塞。通过测量堆叠中的任何dsc功率模块的绝对温度来检测全部堵塞。

功率模块系统可用于驱动高功率负载。例如，图1a示出了根据本发明实施例的功率系统100的高级示意图。功率系统100包括高功率负载102以及功率模块系统104。功率模块系统104包括功率模块106、驱动器107、温差感测单元108和控制器110。

在正常操作期间，控制器110控制驱动器107以驱动功率模块106，功率模块106又驱动负载102。功率模块106与冷却系统(未示出)热耦合。温差感测单元108监控功率模块106的温度。当温差感测单元108基于功率模块106的温度检测到故障时，温差感测单元108将故障通知控制器110。控制器110可以基于来自温差感测单元108的通知控制驱动器107和/或向外部用户设置故障或警告标志。在一些实施例中，控制器110可以禁用驱动器107，这又会禁用功率模块106。在其他实施例中，控制器110可以继续以低功率模式操作驱动器107，诸如系统安全状态模式操作。例如，系统安全状态模式可以是与正常操作相比生成较低量的功率/热量的模式。例如，控制器110可经由驱动器107关闭功率模块106，降低功率模块106的切换速率，或者使功率模块106进入非切换安全状态操作，诸如通过停止切换同时使功率模块106的半桥的低侧或高侧晶体管导通，以便在连接驱动处生成零转矩。

在一些实施例中，控制器110可以设置故障标志以将系统中发生的故障通知一个或多个外部用户。控制器110可以设置警告标志以通知外部用户在系统中可能发生故障。一些实施例可以使用不同的预定温度阈值来用于确定是否发生了故障或警告。

外部用户可以是耦合至功率模块系统的电路。例如，在功率模块系统驱动汽车的电动机的插件电动汽车(xev)中，当功率模块106过热时可以通知xev的控制器。

负载102可以是三相电动机。可以使用其他高功率负载。例如，负载102可以是单相电机、感应线圈、高功率转换器、ups系统或者任何其他高功率负载。

驱动器107可被实现为被配置为驱动功率模块的晶体管的控制节点的缓冲器或放大器。其他实现也是可能的。

在一些实施例中，功率模块系统104可以用逻辑板、栅极驱动板和功率模块来实现。例如，图1b示出了根据本发明实施例的功率系统100的可能实现。如图1b所示，功率模块系统104可以用逻辑板112、栅极驱动板114和功率模块106来实现。

在一些实施例中，汽车电池(诸如汽车电池118)可以向逻辑板112供电。高压电池(例如，450v或者isopas19295的汽车电压，其描述从220v到1kv以上的电压)(诸如高压电池120)可以向功率模块106供电。其他实现也是可能的。一些实施例可以使用电压高于1kv的电池。

逻辑板112可以包括控制器110和温差感测单元108。逻辑板112还可以包括接口模块122，接口模块122可以包括通信接口(诸如控制器局域网(can)和/或usb)以及电机接口。逻辑板112还可以包括一个或多个模数转换器(adc)，诸如adc124。例如，adc124可用于转换与功率模块106的温度相关联的信号。例如，逻辑板112可以用本领域已知的印刷电路板(pcb)技术实现。其他实现也是可能的。

栅极驱动板114可以包括驱动器107。例如，栅极驱动器板可以用本领域已知的pcb技术来实现。

例如，逻辑板112和栅极驱动板114之间的通信可以通过pcb连接器126来实现。pcb连接器126可用于在控制器110和驱动器107之间提供功率以及通信信号(诸如spi和pwm信号)以及其他功能。

栅极驱动板114可以用信号连接器116连接至功率模块106。信号连接器116可承载用于驱动功率模块106的信号。例如，可以使用pressfit信号连接器来实现信号连接器116。可以使用其他实现。

在一些实施例中，诸如功率模块系统104的功率模块系统可用于为三相电动机供电。例如，可以通过三个半桥向三相电机供电，其中每个半桥向各自的相位供电。例如，图2示出了根据本发明实施例的用于驱动三相电动机202的逆变器电路200的示意图。逆变器电路200包括半桥204、206和208。逆变器电路200可以称为b6桥。

在一些实施例中，每个半桥204、206和208的晶体管可以是绝缘栅型双极晶体管(igbt)。可以使用其他类型的晶体管。例如，可以使用n型和p型的晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、功率mosfet、结型场效应晶体管(jfet)、高电子迁移率晶体管(hemt)，诸如氮化镓(gan)hemt、碳化硅(sic)晶体管等。

三相电动机202可以是大功率电机，诸如电动汽车(诸如xev)的电动机。例如，三相电机202可以是20kw到300kw的电机，这取决于汽车的尺寸和加速度功率。例如，输入vin处的电压可以是450v或者isopas19295的汽车电压，其描述从220v到1kv以上的电压。因此，每个半桥204、206和208可以耗散大量的热量。为了提高热性能，半桥204、206和208中的每一个都可以用dsc封装来封装。例如，图3a示出了根据本发明实施例的包括半桥的dsc功率模块300的示图。在一些实施例中，诸如逆变器电路200的驱动器可以包括三个dsc功率模块300，分别用于半桥204、206和208中的每一个。

图3b示出了根据本发明实施例的dsc功率模块300的热堆叠320。热堆叠320包括芯片322、热和电导体层324、隔离层326和间隔件328。例如，热导体层324可以是铜层。例如，隔离层326可以是陶瓷层。例如，芯片322可以是包括半桥204、206或208中的任一个的芯片。在热堆叠320中，热量可经由顶面330消散，如通过热流332所示。如热流336所示，热量也可以经由底面334消散。

可以紧凑的方式实现功率模块(诸如功率模块106)，其实现用于驱动负载(诸如三相电动机202)的dsc功率模块(诸如dsc功率模块300)。例如，图4示出了根据本发明实施例的三相逆变器系统400的立体图，其具有b6逆变器配置(诸如逆变器电路200的配置)的dsc功率模块(诸如功率模块300)。在一些实施例中，三相逆变器系统400可以包括控制器(诸如控制器110)以及温差感测单元(诸如温度感测单元108)。在一些实施例中，温度感测单元108的一部分或全部可以在控制器110内实现。其他实施例可以实现三相逆变器系统400外的控制器和感测单元。

为了增加逆变器电路(诸如逆变器电路200)的功率能力，可以并联实现多个半桥。例如，逆变器电路可以针对每个相位用并联的两个半桥实现。对于每个相位使用并联的三个半桥、并联的四个半桥或更多的半桥也是可能的。图5示出了根据本发明实施例的三相逆变器电路的相位的驱动器的示意图，该三相逆变器电路具有针对每个相位并联实现的两个半桥。如图5所示，驱动器508和506分别驱动半桥502和504的高侧和低侧晶体管。如图所示，半桥502和504并联连接。具体地，半桥502和504的高侧晶体管的控制栅极彼此连接，半桥502和504的低侧晶体管的控制栅极彼此连接，半桥502和504的输出彼此连接，并且半桥502和504的供应端子彼此连接。并联连接的电源开关可以通过相同的栅极驱动器驱动，如驱动器506和508所示。

鉴于dsc功率模块的双侧性质，具有并联配置的逆变器电路的每个dsc功率模块可以与接触每个dsc功率模块的每个冷却表面的冷却通道堆叠在一起。例如，图6a和图6b分别示出了根据本发明实施例的具有两个并联半桥模块的三相逆变器系统600的截面图和立体图。逆变器系统600包括用于每个相位的两个并联连接的半桥。三相逆变器系统600包括dsc功率模块602、604、606、608、610和612、冷却通道614、616和618、入口部620和出口部622。dsc功率模块602、604、606、608、610和612均包括半桥电路(未示出)。dsc功率模块602和608并联耦合以驱动三相逆变器功率系统600的u相，功率模块604和610并联耦合以驱动三相逆变器功率系统600的v相，以及功率模块606和612并联耦合以驱动三相逆变器功率系统600的w相。

如图6a所示，冷却通道614分别与dsc功率模块602、604和606的顶面624、626和628接触。冷却通道616分别与dsc功率模块602、604和606的底面630、632和634接触，以及分别与功率模块608、610和612的顶面636、638和640接触。冷却通道618分别与功率模块608、610和612的底面642、644和646接触。

在正常操作期间，冷却材料650被注入到入口部620内。冷却材料650通过冷却通道614、616和618循环，并经由出口部622离开冷却管道648。当冷却材料650通过冷却通道614、616和618循环时，冷却材料650从相应的dsc功率模块602、604、606、608、610和612的相应顶面和底面移除热量。

在一些实施例中，冷却材料650可以是液体形式。例如，冷却材料650可以包括水和乙二醇的混合物。冷却材料650还可以包括防冻剂和防腐添加剂，诸如basfgylsanting30。也可以使用其他液体。在其他实施例中，冷却材料650可以是气体形式。例如，冷却材料可以包括氯二氟甲烷(r-22)、r-410a或其他气体。

冷却管道648可以包括柔性材料。在这种情况下，由于机械应力，例如通过在冷却通道614的顶面和冷却通道618的底面之间施加压缩力，冷却通道614、616和618可接触dsc功率模块602、604、606、608、610和612的相应顶面和底面。在一些实施例中，热油脂(grease)可用于使冷却通道614、616和618与dsc功率模块602、604、606、608、610和612的顶面和底面热交互。可以使用其他方式使冷却通道614、616和618与dsc功率模块602、604、606、608、610和612的相应顶面和底面接触。其他实施例可以采用类似于pinfin或showerpower冷却概念的密封和湍流(turbulating)结构直接冷却。

对于三相逆变器功率系统的每个相位，使用并联的三个半桥、并联的四个半桥或更多半桥也是可能的。例如，图7示出了根据本发明实施例的具有三个并联半桥逆变器配置的示例性三相逆变器系统700的立体图。

诸如图6a中所描述的，可能出现逆变器系统的一个或多个冷却通道的部分或全部堵塞。全部堵塞是指阻止冷却材料650流过任何冷却管道的堵塞。部分堵塞是指在不阻止冷却材料650流过所有冷却管道的情况下减少或防止冷却材料650流过一个或多个冷却管道的堵塞。换言之，在部分堵塞期间，至少一些冷却材料650经由入口部620进入并经由出口部622离开。如果出现部分或全部堵塞，一些或所有功率模块会呈现劣化的热耗散轮廓。即使在存在冷却管道的部分或全部堵塞的情况下，逆变器系统也可以在低功耗模式期间正常操作，因为在低功耗模式期间，逆变器系统的热耗散可能相对较低。随着逆变器系统的功耗增加，部分或全部堵塞会导致一个或多个功率模块中温度的增加，这在一些情况下会导致系统故障以及永久损坏。

检测冷却管道的部分或全部堵塞的一种方式是通过监控功率模块的绝对温度。在一些实施例中，每个功率模块都具有集成温度传感器。例如，图8示出了根据本发明实施例的具有集成温度传感器的功率模块800的示意图。功率模块800包括用于温度测量的功率晶体管802和二极管804。

在正常操作期间，二极管804可用于以用本领域已知的任何方式监控功率晶体管802的温度。例如，已知当向pn结注入恒定电流时，pn结两端的电压基于温度而变化。利用该原理，二极管804的温度可以通过在注入已知电流(例如，1ma)期间测量二极管804两端的电压而获得。通过将二极管804放置在功率晶体管802的热点附近(例如，在同一衬底中，靠近功率晶体管802的中心)，可以通过确定二极管804的温度来确定功率晶体管802的温度。例如，可通过adc806处理二极管804两端的电压。可以使用其他方法来测量功率晶体管702的温度。例如，也可以使用热敏电阻技术，诸如负温度系数(ntc)热敏电阻和正温度系数(ptc)电阻器。

因为在一些实施例中，输入vin和节点v702的电压可以是几百伏且控制器810可以在低压域中工作，所以在一些实施例中，控制器810可以与晶体管802和二极管804电隔离。例如，adc806可以是隔离adc。可以使用其他隔离实现方式。

功率系统(诸如图6a和图6b所示的三相逆变器功率系统600)可以监控部分或所有功率模块的绝对温度，以确定是否存在阻塞。例如，在一些实施例中，监控部分或所有功率模块的绝对温度，并且当其中一个功率模块具有高于故障阈值的温度时，驱动器和/或控制器以低功率模式操作功率模块或者禁用功率模块。一些实施例可以在温度高于故障阈值时生成故障标志。一些实施例生成故障标志以及禁用或者在低功率模式下操作功率模块。

还可以存在一个以上的温度阈值。例如，可以在低于故障阈值的温度下设置警告阈值。当一个或多个功率模块的温度高于警告阈值时，可以设置警告标志。一些实施例可以在温度高于警告阈值且低于故障标志时以低功率模式(或跛行回家模式)操作驱动器，并且可以在功率模块的温度高于故障标志时禁用驱动器。

在本发明的实施例中，dsc功率模块系统中的两个dsc功率模块之间的温度差可用于确定冷却管道是否存在部分或全部堵塞。一旦检测到部分或全部堵塞，控制器就禁用dsc功率模块系统或在低功率模式下操作dsc功率模块系统。控制器还可以向外部用户警告部分或全部堵塞。

在一些实施例中，通过仅监控每个功率模块堆叠中的相邻dsc功率模块的子集(例如，两个)来检测部分堵塞，其中第一堆叠中的相邻dsc功率模块(例如，两个)的第一子集和第二堆叠中的相邻dsc功率模块(例如，两个)的第二子集相对于彼此偏移。在其他实施例中(例如，参见图19的实施例)，通过监控每个堆叠的单个dsc功率模块来检测部分堵塞，其中仅监控堆叠的子集。

图9a示出根据本发明实施例的功率模块系统900。具体地，图9a示出了具有四个并联半桥逆变器配置的三相逆变器系统902的截面图以及与驱动三相逆变器系统902相关联的电路的示意图。功率模块系统900包括三相逆变器系统902、集成电路(ic)950、952和954、温差感测单元962、970和978以及控制器910。ic950包括栅极驱动器960以及adc956和958。ic952包括栅极驱动器968以及adc964和966。ic954包括栅极驱动器976以及adc972和974。三相逆变器系统902包括dsc功率模块602、604、606、608、610、612、908、910、912、914、916和918，每个模块均包括相应的半桥。

在正常操作期间，dsc功率模块602、608、908和914的半桥驱动耦合至三相逆变器系统902的三相负载的u相，dsc功率模块604、610、910和916的半桥驱动三相负载的v相，以及dsc功率模块606、612、912和918的半桥驱动三相负载的w相。当三相逆变器系统902驱动三相负载时，通过dsc功率模块602、604、606、608、610、612、908、910、912、914、916和918生成热量。冷却材料650通过冷却管道948循环，并从dsc功率模块602、604、606、608、610、612、908、910、912、914、916的相应顶面和底面移除热量。具体地，通过冷却通道614循环的冷却材料650从dsc功率模块602、604和606的顶面624、626和628移除热量；通过冷却通道616循环的冷却材料650从dsc功率模块608、610和612的顶面636、638和640以及从dsc功率模块602、604和608的底面630、632和634移除热量；通过冷却通道618循环的冷却材料650从dsc功率模块908、910和912的顶面920、922和924以及dsc功率模块608、610和612的底面642、644和646移除热量；通过冷却通道904循环的冷却材料650从dsc功率模块914、916和918的顶面932、934和936以及从dsc功率模块908、910和912的底面926、928和930移除热量；以及通过冷却通道906循环的冷却材料650从dsc功率模块914、916和918的底面938、940和942移除热量。

由于相应相位的每个dsc功率模块并联操作，所以流经每个dsc功率模块的电流量基本相似。因此，通过相应相位的每个dsc功率模块耗散的热量也基本相似。因此，在正常操作期间，相应相位的dsc功率模块的温度之间的差基本很小或为零。在一些实施例中，任何dsc功率模块相对于任何其他dsc功率模块的温度差基本上很小或为零。

在正常操作期间，adc956监控dsc功率模块602的温度，以及adc958监控dsc功率模块608的温度。温差感测单元962确定dsc功率模块602和608的温度之间的差，并将这种差提供给控制器910。此外，adc964监控dsc功率模块610的温度，adc966监控dsc功率模块910的温度，adc972监控dsc功率模块912的温度，以及adc974监控dsc功率模块918的温度。温差感测单元970和978分别确定dsc功率模块610和910与912和918的温度之间的相应差，并向控制器910提供相应差。如图9a的具体实施例所示，每个温差感测单元仅监控每个堆叠的两个相邻dsc功率模块。每一堆叠中的每一对被监控的相邻dsc功率模块相对于另一堆叠中的另一对被监控的相邻dsc功率模块偏移。在一些实施例中，每个堆叠可以监控两个以上的dsc功率模块。

当由温差感测单元962、970和978提供的相应差都低于预定阈值时，控制器910继续正常地驱动栅极驱动器960、968和976。由于可能存在与温度测量相关联的噪声并且由于多种因素(诸如负载不平衡)使得一些dsc功率模块可能比其他dsc功率模块稍热地运行，例如，可以选择用于该差的预定阈值，例如在8到12°k之间。作为另一非限制性示例，可以在15和25°k之间选择用于该差的阈值。可以使用更高或更低的阈值。

当冷却管道部分阻塞时，一个或多个冷却通道可能已经减少或者没有冷却材料650的流动。当冷却材料650不流过特定的冷却通道时或者当冷却材料650以降低的速率流过特定的冷却通道时，暴露于阻塞冷却通道的相应dsc功率模块的相应顶面和底面可以比暴露于未阻塞冷却通道的相应顶面和底面耗散更少的热量。因此，具有暴露于未阻塞冷却通道的两个表面的第一dsc功率模块将比具有暴露于阻塞通道的至少一个表面的第二dsc功率模块运行得更冷，并且会发生第一和第二dsc功率模块之间的温度差。因此，相应的温差感测单元可以提供高于预定阈值的温度差。在一些实施例中，当由温差感测单元962、970或978提供的一个或多个温度差超过预定阈值时，控制器910可以禁用所有栅极驱动器960、968和976。也可以发出故障标志。在一些实施例中，控制器910可以在低功率模式下驱动栅极驱动器960、968和976。

在一些实施例中，温差感测单元962、970和978可以直接禁用相应的栅极驱动电路。

在一些实施例中，使用一个以上的温度差阈值。例如，第一阈值可用作警告阈值，并且第二阈值可以用作故障阈值。当超过警告阈值时，控制器910可以发出警告标志，同时继续正常操作栅极驱动器960、968和976。在一些实施例中，控制器910可以如下方式操作栅极驱动器960、968和976：当超过警告阈值时，dsc功率模块消耗低功率。

当超过故障阈值时，控制器910可以发出故障标志。在一些实施例中，当超过故障阈值时，控制器910可以禁用栅极驱动器960、968和976。在一些实施例中，控制器910可以如下方式操作栅极驱动器960、968和976：当超过故障阈值时，dsc功率模块消耗低功率模式。

在一些实施例中，故障阈值具有比警告阈值更高的温度。例如，警告阈值可以在8到12°k之间，诸如10°k，而故障阈值可以在18至22°k之间或者为20°k。也可以使用更高或更低的阈值。可以理解，警告和故障阈值可以根据特定的实现而变化。作为另一非限制性示例，在一些实施例中，当两个dsc功率模块之间的被监控温度差低于20°k(例如，20°k的警告阈值)时，系统可以正常操作。当两个dsc功率模块之间的被监控温度差在20°k和30°k之间时，这种系统可以使用功率减额来操作。当两个dsc功率模块之间的被监控温度差等于或高于30°k(例如，30°k的故障阈值)时，这种系统可以禁用功率模块。

如图9a所示，三相逆变器系统902可以是四并联系统。一些实施例可以利用两个、三个、五个或更多个并联配置实现三相逆变器系统902。

adc956、958、964、966、972和974可以是隔离adc。在一些实施例中，adc956和958、964和966以及972和974可以通过使用多路复用器(mux)分别组合成三个adc，诸如相应adc的输入与相应adc核之间的双通道mux，其中adc核被配置为执行模数转换。

温差感测单元962、970和978可以用比较来自相应adc的信号的窗口比较器来实现。在一些实施例中，比较阈值可以是可编程的。

在一些实施例中，可以数字地确定温度差。在其他实施例中，可以用模拟电路(诸如模拟窗口比较器电路)确定温度差。在这种情况下，可以避免使用adc。可以对电路进行适当的修改。

栅极驱动器960、968和976可以是被配置为分别驱动相位u、v和w的隔离栅极驱动器。栅极驱动器960、968和976均可以用两个栅极驱动器实现，一个用于驱动相应半桥的高侧晶体管，一个用于驱动相应相位的低侧晶体管，其中相应相位的所有高侧晶体管通过相同的高侧栅极驱动器并联驱动，并且相应相位的所有低侧晶体管通过相同的低侧栅极驱动器并联驱动。

ic950、952和954均可以在相应单片半导体衬底中实现。每个ic950、952和954可以包括相应单片半导体衬底中的栅极驱动器和adc单元。用于向相应温度传感器提供电流的电流源(诸如用于二极管804的电流源812)也可以分别集成在ic950、952和954中。在一些实施例中，ic950、952和954中的每一个可以将温差感测单元集成在相同的相应单片半导体衬底中。在其他实施例中，可以离散地实现adc单元和栅极驱动器。

控制器910可以实现为离散控制器。在一些实施例中，控制器910可以与温度感测单元962、970和978一起集成在单片半导体衬底中。控制器910还可以将栅极驱动器960、952和954以及adc956、958、964、966、972和974集成在同一单片半导体衬底中，同时具有单片衬底外部的隔离电路。

dsc功率模块602、604、606、608、610、612、908、910、912、914、916和918均可包括内部温度传感器，诸如二极管。可以使用其他温度传感器，诸如负温度系数(ntc)热敏电阻器、正温度系数(ptc)电阻器等。

在一些实施例中，相应dsc功率模块的相应顶面和底面与相应的冷却通道直接接触。在其他实施例中，热界面材料(tim)(诸如热油脂)可用于将相应dsc功率模块的相应顶面和底面耦合至相应的冷却通道。一些实施例可以使用pinfin或其他湍流结构用于直接冷却。

图9b示出了根据本发明实施例的操作具有堆叠配置的dsc功率系统的实施例方法980的流程图。方法980可以用功率模块系统900实现。备选地，方法980可以其他功率模块系统实现来实现。下面的讨论假设功率模块系统900(如图9a所示)实现方法980。

在步骤982期间，多个温度监控单元监控每个堆叠的两个堆叠dsc功率模块(诸如对应于u相、v相或w相的dsc功率模块堆叠)之间的相应温度差，其中两个堆叠dsc功率模块中的每个功率模块具有至少一个表面接触相同的冷却通道以及至少一个表面接触不同的冷却通道。换句话说，监控彼此相邻布置的dsc功率模块的堆叠的两个dsc功率模块之间的温度差。对于dsc功率模块的每个堆叠，在步骤984期间将两个相邻dsc功率模块之间的温度差与温度阈值t1进行比较。如果温度差低于阈值t1，则温度监控单元继续监控温度差。如果温度差高于阈值t1，则诸如控制器910的控制器可以设置警告标志，禁用或者在低功率模式下操作dsc功率模块，或者它们的组合。步骤988和990是可选的。

在步骤988期间，将dsc功率模块之间的温度差与温度阈值t2进行比较。如果温度差低于阈值t2，则温度监控单元继续监控温度差。如果温度差高于阈值t2，则控制器可以设置故障标志、禁用或者在第二低功率模式下操作dsc功率模块、或者其组合。如果在步骤990期间使用第二低功率模式，则第二低功率模式可以是比步骤986中使用的低功率模式更低的功率(如果有的话)。

一些实施例的优点包括仅监控dsc功率模块的子集，同时获得冷却管道中的部分或全部堵塞的预警。在一些实施例中，仅在彼此相邻布置的dsc功率模块堆叠的dsc功率模块中监控温度。通过仅监控dsc功率模块的子集，可以降低解决方案的实现复杂性。例如，可以使用较少的布线和信号处理功率。这些优点可随着并联连接的dsc功率模块的数量增加而增加。也可以得到成本更低的系统。

额外的优点包括系统的可缩放性和模块性。例如，随着并联dsc功率模块数量的增加，三个芯片(每个芯片都包括栅极驱动器和adc单元)可用于驱动两个、三个或四个三相并联系统，而不必包括额外的adc或栅极驱动器。在一些实施例中，三个芯片中的每一个彼此相同。通过使用相同的芯片来驱动三相并联系统的不同配置，可以降低复杂度。在一些实施例中，如果使用具有五个并联dsc功率模块或更多的系统，则每个额外的并联dsc功率模块添加adc单元(或adc通道，如果使用mux)就足够了。

方法980可以用诸如控制器910的控制器来实现。控制器可以用本领域已知的任何方式实现。例如，控制器(诸如控制器910)可以用通用(例如，一般)微控制器或能够执行代码(例如，软件)的微处理器来实现，这些代码例如可以存储在非暂态计算机可读介质中。控制器还可以使用定制数字逻辑实现，诸如定制状态机。例如，控制器可以包括中央处理单元(cpu)、存储器(可以包括易失性和非易失性存储器)以及连接至总线的大容量存储设备。控制器还可以包括i/o适配器和/或接口(其可以包括数字和/或模拟i/o管脚)以及能够经由有线或无线通信与外部用户通信的网络接口。

图9c和图9d示出了根据本发明实施例的控制器的可能实现的非限制性示例。

图10至图19示出了根据本发明实施例的不同dsc功率模块系统配置中的冷却管道的不同部分和全部阻塞的示例。图10至图15示出了根据本发明实施例的每个相位具有并联的四个dsc功率模块的dsc功率模块系统。

图10示出了根据本发明的实施例的功率模块系统900的部分堵塞和堵塞检测的第一示例。如图10所示，当冷却通道614被阻塞时，dsc功率模块602、604和606比dsc功率模块608、610、612、908、910、912、914、916和918运行得更热。因此，可以通过监控dsc功率模块602和608之间的温度差来检测冷却通道614的部分堵塞。

如图10所示，可以通过监控单对的dsc功率模块(例如，dsc功率模块602和608)之间的温度差来检测冷却通道614的部分堵塞。备选地，可以监控不同对的dsc功率模块(例如，dsc功率模块604和610)。

图11示出了根据本发明实施例的功率模块系统900的部分堵塞和堵塞检测的第二示例。如图11所示，当冷却通道616被阻塞时，dsc功率模块602、604、606、608、610和612比dsc功率模块908、910、912、914、916和918运行得更热。因此，可以通过监控dsc功率模块610和910之间的温度差来检测冷却通道616的部分堵塞。

如图11所示，可以通过监控单对的dsc功率模块(例如，dsc功率模块610和910)之间的温度差来检测冷却通道616的部分堵塞。备选地，可以监控不同对的dsc功率模块(例如，dsc功率模块612和912)。

图12示出了根据本发明实施例的功率模块系统900的部分堵塞和堵塞检测的第三示例。如图12所示，当冷却通道618被阻塞时，dsc功率模块608、610、612、908、910和912比dsc功率模块602、604、606、914、916和918运行得更热。因此，可以通过监控dsc功率模块602和608之间和/或dsc功率模块912和918之间的温度差来检测冷却通道618的部分堵塞。

如图12所示，可以通过监控单对的dsc功率模块(例如，dsc功率模块602和608或912和918)之间的温度差来检测冷却通道618的部分堵塞。备选地，可以监控不同对的dsc功率模块(例如，dsc功率模块910和916)。

图13示出了根据本发明实施例的功率模块系统900的部分堵塞和堵塞检测的第四示例。如图13所示，当冷却通道904被阻塞时，dsc功率模块602、604、606、608、610和612比dsc功率模块908、910、912、914、916和918运行得更冷。因此，可以通过监控dsc功率模块610和910之间的温度差来检测冷却通道904的部分堵塞。

如图13所示，可以通过监控单对的dsc功率模块(例如，dsc功率模块610和910)之间的温度差来检测冷却通道904的部分堵塞。备选地，可以监控不同对的dsc功率模块(例如，dsc功率模块612和912)。

图14示出了根据本发明实施例的功率模块系统900的部分堵塞和堵塞检测的第五示例。如图14所示，当冷却通道906被阻塞时，dsc功率模块602、604、606、608、610、612、908、910和912比dsc功率模块914、916和918运行得更冷。因此，可以通过监控dsc功率模块912和918之间的温度差来检测冷却通道906的部分堵塞。

如图14所示，可以通过监控单对的dsc功率模块(例如，dsc功率模块912和918)之间的温度差来检测冷却通道906的部分堵塞。备选地，可以监控不同对的dsc功率模块(例如，dsc功率模块910和916)。

图15示出了根据本发明实施例的功率模块系统900的全部堵塞和堵塞检测的示例。如图15所示，在全部堵塞期间，所有dsc功率模块都运行较热。可以通过监控任何dsc功率模块(诸如dsc功率模块602、608、610、910、912或918)的绝对温度来检测全部堵塞。在一些实施例中，所有被监控dsc功率模块的绝对温度的平均值可用于确定全部堵塞和/或何时冷却材料650的流速过低和/或何时整个功率系统的总功耗相对于实际冷却过高。

如图10至图14所示，通过依靠温差监控而不是绝对温度监控来检测部分堵塞，早期检测是可能的(因为温差阈值可以设置为低于绝对阈值)。如图15所示，由于可以通过监控任何dsc功率模块的绝对温度来检测全部堵塞，因此可以避免监控每堆叠多于两个的dsc功率模块。通过仅监控dsc功率模块的子集，可降低解决方案的实现复杂性，并且可以使用较少的布线和信号处理功率。

图16示出了根据本发明实施例的功率模块系统1600的部分堵塞和堵塞检测的示例。功率模块系统1600具有每个相位并联的三个dsc功率模块。如图16所示，当冷却通道616被阻塞时，dsc功率模块602、604、606、608、610和612比dsc功率模块908、910和912运行得更热。因此，可以通过监控dsc功率模块610和910之间的温度差来检测冷却通道616的部分堵塞。

图17至图19示出了根据本发明实施例的每个相位具有并联的两个dsc功率模块的dsc功率模块系统。

图17示出了根据本发明实施例的功率模块系统1700的部分堵塞和堵塞检测的第一示例。如图17所示，当冷却通道614被阻塞时，dsc功率模块602、604、606比dsc功率模块608、610和612运行得更热。因此，可以通过监控dsc功率模块602和608之间的温度差来检测冷却通道614的部分堵塞。

图18示出了根据本发明实施例的功率模块系统1700的部分堵塞和堵塞检测的第二示例。如图18所示，当冷却通道616被阻塞时，dsc功率模块602、604、606、608、610和612运行较热。因此，冷却通道614的部分堵塞可以通过监控任何dsc功率模块(诸如dsc功率模块602或608)的绝对温度来检测。在一些实施例中，所有被监控dsc功率模块的绝对温度的平均值可用于确定堵塞和/或何时冷却材料650的流速过低和/或何时整个功率系统的总功耗相对于实际冷却过高。

图19示出了根据本发明实施例的功率模块系统1900的部分堵塞和堵塞检测的第一示例。如图19所示，当冷却通道614被阻塞时，dsc功率模块602、604、606比dsc功率模块608、610和612运行得更热。因此，可以通过监控dsc功率模块602和610之间的温度差来检测冷却通道614的部分堵塞。

如图17和图18所示，可以通过监控dsc功率模块的单个堆叠的dsc功率模块的温度来检测部分堵塞。由于可以通过监控系统中的任何dsc功率模块的绝对温度来检测全部堵塞，所以可以通过监控dsc功率模块的单个堆叠中的dsc功率模块来检测堵塞并获得预警。如图19所示，还可以通过监控每个堆叠的单个dsc功率模块来实现本文描述的优点。

这里总结了本发明的示例实施例。其他实施例也可以从本说明书和本文提交的权利要求的全部内容来理解。

示例1.一种方法包括：监控以双侧冷却dsc功率模块的堆叠布置的多个dsc功率模块中的两个dsc功率模块之间的温度差，多个dsc功率模块中的每个dsc功率模块与冷却管道系统的多个冷却通道中的一个或多个冷却通道热耦合，并且该两个dsc功率模块与多个冷却通道中的相同冷却通道热耦合；将温度差与第一温度阈值进行比较；当温度差高于第一温度阈值时，检测冷却管道系统堵塞；以及在检测到冷却管道系统堵塞之后，禁用耦合至多个dsc功率模块的栅极驱动电路或者在低功率模式下操作dsc功率模块。

示例2.根据示例1的方法，还包括：在检测到冷却管道系统堵塞之后生成故障标志。

示例3.根据示例1或2的方法，还包括：监控多个dsc功率模块中的一个或多个dsc功率模块的绝对温度，其中检测冷却管道系统堵塞包括：当一个或多个绝对温度中的至少一个绝对温度高于第二温度阈值时，检测冷却管道系统堵塞。

示例4.根据示例1至3之一的方法，其中，第二温度阈值在125℃和200℃之间。

例5.根据示例1至4之一的方法，进一步包括：监控多个dsc功率模块中的一个或多个dsc功率模块的绝对温度；将被监控的绝对温度进行平均，以产生平均温度；以及将平均温度与第二温度阈值进行比较，其中检测冷却管道系统堵塞包括：当平均温度高于第二温度阈值时，检测冷却管道系统堵塞。

示例6.根据示例1至5之一的方法，进一步包括：将温度差与第三温度阈值进行比较；以及当温度差高于第三温度阈值且低于第一温度阈值时，设置警告标志。

示例7.根据示例1-6之一的方法，其中第一温度阈值在15°k和25°k之间，并且第三温度阈值在8°k和12°k之间。

示例8.根据示例1至7之一的方法，还包括：通过导通dsc功率模块的所有低侧开关并关断dsc功率模块的所有高侧开关，在低功率模式下操作dsc功率模块。

示例9.根据示例1至8之一的方法，其中，监控两个dsc功率模块之间的温度差包括：监控dsc功率模块的堆叠中的第一堆叠的两个相邻dsc功率模块之间的温度差，该方法进一步包括：监控dsc功率模块的堆叠中的第二堆叠的两个相邻dsc功率模块之间的第二温度差，其中在第二堆叠中选择第二堆叠的两个相邻dsc功率模块，使得第二堆叠的两个相邻dsc功率模块沿着第一和第二堆叠的堆叠方向相对于第一堆叠的两个相邻dsc功率模块偏移。

示例10.一种电路，包括：栅极驱动电路，被配置为耦合至多个半桥，每个半桥都被封装在双侧冷却dsc封装中；模数转换器adc电路，具有被配置为耦合至与多个半桥中的第一半桥热耦合的第一温度传感器的第一输入以及被配置为耦合至与多个半桥中的第二半桥热耦合的第二温度传感器的第二输入；以及控制器，被配置为基于adc电路的第一和第二输入处的输入信号来确定温度差，并且当温度差高于第一温度阈值时，禁用栅极驱动电路或者激活系统安全状态操作。

示例11.根据示例10的电路，其中，栅极驱动电路和adc电路被设置在相同的单片半导体衬底中。

示例12.根据示例10或11的电路，还包括多个半桥，其中多个半桥中的每个半桥均具有温度传感器，并且其中每个半桥和相应的温度传感器被设置在相同的单片半导体衬底中。

示例13.根据示例10至12之一的电路，其中每个温度传感器均包括二极管，该电路还包括被配置为耦合至第一和第二温度传感器的相应二极管的第一和第二电流源。

示例14.根据示例10-13之一的电路，其中多个半桥被布置为多个堆叠的堆叠，每个堆叠均包括多个半桥，每个半桥均被封装在dsc封装中，每个dsc封装均具有顶面和与顶面相对的底面，并且每个dsc封装的顶面和底面中的每一个均热耦合至冷却管道系统的冷却通道。

示例15.根据示例10-14之一的电路，其中，栅极驱动电路包括隔离栅极驱动电路，并且adc电路包括隔离adc电路。

示例16.根据示例10至15之一的电路，其中，adc电路包括耦合在adc电路的第一和第二输入与adc核之间的多路复用器，其中adc核被配置为执行模数转换。

示例17.根据示例10至16之一的电路，其中控制器包括窗口比较器，该窗口比较器被配置为将第一温度传感器的第一温度和第二温度传感器的第二温度与第一温度阈值进行比较。

示例18.一种系统，包括：多个双侧冷却dsc功率模块的多个堆叠，每个dsc功率模块均具有顶面和与顶面相对的底面；冷却管道系统，包括多个冷却通道，其中每个堆叠的每个dsc功率模块的顶面和底面与多个冷却通道中的一个或多个冷却通道热耦合；以及控制器，被配置为确定热耦合至多个冷却通道中的相同冷却通道的两个dsc功率模块之间的一个或多个温度差，并且当一个或多个温度差中的至少一个高于第一温度阈值时，检测冷却管道系统的堵塞。

示例19.根据示例18的系统，其中确定两个dsc功率模块之间的一个或多个温度差包括：确定dsc功率模块的堆叠中的第一堆叠的两个相邻dsc功率模块之间的第一温度差；以及确定dsc功率模块的堆叠中的第二堆叠的两个相邻dsc功率模块之间的第二温度差，其中在第二堆叠中选择第二堆叠的两个相邻dsc功率模块，使得第二堆叠的两个相邻dsc功率模块沿着第一和第二堆叠的堆叠方向相对于第一堆叠的两个相邻dsc功率模块偏移。

示例20.根据示例18或19的系统，其中多个冷却通道中的每一个与每个堆叠的多个dsc功率模块中的一个的顶面或底面热耦合。

示例21.根据示例18至20之一的系统，其中每个dsc功率模块的顶面和底面与多个冷却通道的相应冷却通道的外表面直接接触。

示例22.根据示例18至21之一的系统，其中每个dsc功率模块的顶面和底面与相应的热界面材料的外表面直接接触，并且每个相应的热界面材料与多个冷却通道中的相应冷却通道直接接触。

示例23.根据示例18至22之一的系统，还包括多个栅极驱动电路，其中多个栅极驱动电路中的每个栅极驱动电路被配置为驱动相应堆叠的相应dsc功率模块。

示例24.根据示例18至23之一的系统，其中，相应堆叠的dsc功率模块被并联耦合，并且其中相应的栅极驱动电路被配置为驱动相应堆叠的被并联耦合的dsc功率模块。

示例25.根据示例18至24之一的系统，其中每个dsc功率模块均包括半桥电路。

示例26.根据示例18至25之一的系统，其中多个栅极驱动电路中的每个栅极驱动电路均包括耦合至相应功率模块的相应半桥电路的高侧晶体管的高侧栅极驱动电路、以及耦合至相应功率模块的相应半桥电路的低侧晶体管的低侧栅极驱动电路。

示例27.根据示例18-26之一的系统，其中dsc功率模块的多个堆叠包括三个堆叠，该系统还包括电耦合至多个dsc功率模块的半桥的输出的三相电动机。

示例28.根据示例18-27之一的系统，其中控制器进一步被配置为当检测到堵塞时禁用多个栅极驱动电路或者在系统安全状态模式下操作多个栅极驱动电路。

示例29.根据示例18至28之一的系统，其中控制器进一步被配置为当检测到堵塞时设置故障标志。

示例30.根据示例18至29之一的系统，其中控制器进一步被配置为确定一个或多个dsc功率模块的绝对温度，其中检测冷却管道系统的堵塞包括：当一个或多个绝对温度中的至少一个高于第二温度阈值时，检测冷却管道系统的堵塞。

示例31.根据示例18至30之一的系统，其中冷却管道系统被配置为循环液体冷却材料。

示例32.根据示例18至31之一的系统，其中液体冷却材料包括乙二醇。

虽然已经参照说明性实施例描述了本发明，但这种描述并非意在限制性地解释。参考本说明书，本领域技术人员将明白说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。因此，所附权利要求旨在包括任何这样的修改或实施例。