CN103620429A - 用于估计功率半导体器件的寿命终点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明关注一种用于估计诸如IGBT功率模块的功率半导体器件的寿命终点的方法，该方法包括下述步骤：确立该功率半导体器件的温度，对于至少一预定的电流确定功率半导体器件之上的电压降，当功率半导体器件不工作时施加该电流，其中依赖于所确定的多个电压降的变化来确定寿命终点。

Description

用于估计功率半导体器件的寿命终点的方法

技术领域

本发明涉及一种用于估计功率半导体器件的寿命终点的方法和设备，以及使用该方法或者包括该设备的风力涡轮机。

背景技术

在现有技术中，还被称作功率器件的功率半导体器件是已知的，并且将其用作功率电子电路中的开关或整流器。在风力涡轮机中，可以使用功率半导体器件以连接发电机和电网。在一些风力涡轮机中，功率变换器（包括半导体器件）控制输向电网的功率流。

在现有技术中，功率半导体器件由于机械和热应力而损坏是众所周知的，因此希望能够估计功率半导体器件的寿命终点或剩余寿命。这使得例如在致命的失效之前计划替换这些器件成为可能。

美国专利US5,877,419公开了一种用于估计功率半导体部件的使用寿命的方法，包括步骤：使部件承受周期性的负载变化，测量部件的电参数P，该电参数P作为用于相对于负载变化的数量N的可靠性或耐久性的指示器，根据负载变化的数量N计算电参数P的导数dP/dN，以及将导数dP/dN与表示确定的使用寿命的目标值进行比较。

US5,650,336公开了一种用于预测半导体器件寿命的方法，其中测量从电应力（包括电流和电压）施加到半导体器件的元件上到所述元件变得不可用的时间，并且之后在利用施加第一电应力的测试时，利用施加的第二电应力预测半导体器件的寿命。该方法是破坏性的并且致使该半导体器件不可用。此外，该方法将应力施加给例如栅氧化膜的半导体的元件，这使得不可能预测半导体器件的寿命终点。

发明内容

考虑到上述的现有技术，本发明的一个目的是以可靠的方式在失效前较早地估计诸如IGBT功率模块的功率半导体器件的寿命终点，以便采取必要的操作以防止故障停机时间。

通过下面的方法可以实现该目的，该方法包括下述步骤：确立功率半导体器件的温度，对于至少一个预定电流确定功率半导体器件之上的电压降，其中当功率半导体器件不工作时施加该电流，其中依赖于所确定的多个电压降的变化来确立寿命终点。

因而，可能更详细并且更精确地估计功率半导体器件的寿命终点。对于使用功率半导体器件的装置来说，停机时间的成本可能是昂贵的，因此了解寿命终点可以用于在实际失效前计划更换功率器件。估计寿命终点还可以解释为对功率半导体器件的损坏的测量。

在风力涡轮机的情况下，由于功率器件可以被更换和/或为了将功率器件继续保留在生产中直至可以进行器件更换而被降低功率，因此了解功率器件的寿命终点可以防止生产损失。此外，注意到可以在确定电压降之间和估计寿命终点之后使用该功率半导体器件。可以仅用功率半导体器件的短的非工作期间来估计寿命是本发明的优点。换句话说，该方法对于功率半导体器件来说是非破坏性的。

可以将功率半导体器件理解为功率变换器的一部分，例如电源逆变器或功率堆。功率半导体器件可以由诸如功率硅或碳化硅二极管的二极管或者诸如MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、半导体闸流管或碳化硅开关的开关构建而成。

在功率半导体器件的寿命期间，该功率变换器的功率半导体器件的负载是不同的，并且也不可能将一种类型的所有功率半导体生产得完全相同，这会导致在功率半导体器件之上具有不同的电阻值。值得一提的是，这使得在过去确定功率半导体器件的寿命终点是不可能的。然而，现在通过使用本发明，这是可能的。

表述“不工作时”将会理解为这样的方式：即功率半导体器件不执行将其安装在其中的***中计划的任务。功率半导体器件可以工作或不工作，当工作时，功率半导体器件转换安装该功率半导体器件的设备中的电力，并且当不工作时，该半导体不转换安装该功率半导体器件的设备中的电力。例如，当没有主动地导通将被转换的电流时，功率变换器中的功率半导体器件不工作。可替换地，可以使用下列词语中的一个：未激活、脱线或非生产模式。

在功率器件中可能有一个或多个具有热连接到基板的功率半导体材料（还可以称作功率半导体芯片或简单地被称作芯片）的热堆叠（thermalstack），可以通过隔离和焊接来固定该连接。在现有技术中，功率半导体器件中的热堆叠的其他结构可能性是已知的，例如可以不用基板来制造该热堆叠。可以用铜或AlSiC来制造基板并将其连接到诸如液体冷却***的热沉。当功率器件工作时，由于在热堆叠中存在温度梯度，芯片的温度不等于液体或基板的温度。因此，当温度已知时并且当器件不工作时，执行电压测量是有优势的。这是由于当功率半导体器件不工作时，在硅芯片中不产生热量，因此在热堆叠中的温度梯度是最小的。

在一实施例中，通过将所确定的多个电压降与电压降的参考数据组进行比较来确立寿命终点。优选地，通过加速测试确立该参考数据组。这确保了一种简单化和***化的估计寿命终点的方式。可替换地，相似的功率半导体器件的实际测量值或理论计算可以用作参考数据。可以理解每种类型和特定结构的功率器件和变换器设计可能要求其特定参考数据组。

有利的是，可以在任何时间用新的、更新的参考数据组来代替该参考数据组。由于功率半导体器件的状况和逐渐损坏随着时间发生改变，因此能够在任何时间更新参考数据组是有利的。

在一实施例中，使用所估计的寿命终点来改变功率半导体器件的降额因子（derating factor）。这是确保延长功率器件的寿命的一种方式。降额因子意味着相比于器件的额定最大值，功率器件之上的电压、电流或开关频率减少了一因子。

优选地，通过确定包含在功率半导体器件中的功率半导体芯片的温度来确立温度。这一温度还可称作芯片的结温。这也可以通过温度传感器直接测量功率半导体芯片上的温度来实现或通过利用电压降和芯片温度之间的依赖关系间接地实现。

优选地，通过将功率半导体器件加热至预定温度来确立温度，优选地通过使用与功率半导体器件热力学接触的液体。这可以通过将液体加热至所希望的任意温度来实现，例如30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃，这将确保功率半导体器件在不工作时具有所希望的温度。

在一实施例中，当功率半导体器件不工作时确立温度。这要求功率半导体器件不工作的额外时间。另一方面，这使得可能具有完全用于确定电压降的测量周期，其中可以在器件不工作时启动该周期，并且保证用于估计寿命终点的该方法不会影响该器件的工作。

优选地，功率半导体器件不工作的时间至少是热堆叠的热时间常数的五倍。这确保了功率半导体器件和/或堆叠中的温度梯度是最小的。

有利的是，施加电流的时间小于包含在功率半导体器件中的硅芯片的热时间常数的10%。当确定功率半导体器件之上的电压降时，必须激活该器件并且电流将会流过该器件。这会加热该功率器件。为了确保热量不上升至将会显著影响确定电压降的程度，可以仅短时间地施加该电流。该短时间可以小于硅芯片的热时间常数的10%，例如小于1毫秒。

在一实施例中，确定电压降被确立为功率半导体器件的寿命消耗的函数。功率器件的激活通常不会随着时间均匀分布。因此，当估计功率器件的损坏时，使用器件已执行的寿命消耗而不是实际时间可能是有利的。寿命消耗还可以理解为等价的周期的数量，当执行与加速测试的比较时，其是有利的。

在另一方面，本发明关注一种用于估计功率变换设备中的诸如IGBT功率模块的功率半导体器件的寿命终点的设备，包括：用于确立功率半导体器件的温度的装置，用于对于至少一个预定的电流确定功率半导体器件之上的电压降的装置，其中当功率半导体器件不工作时施加该电流，用于基于所确定的多个电压降的变化来确定寿命终点的装置。

因此，该装置能够更详细并且更精确地估计功率半导体器件的寿命终点。

用于确立温度的装置可以是有源器件，在其中确定温度并且之后将功率半导体器件冷却或加热至所希望的温度。还可以是无源器件，在其中通过温度传感器或者利用电压降和芯片温度之间的依赖关系而通过电压降测量值确定温度。

用于确定电压降的装置可以是模拟-数字转换器（ADC）。用于确立寿命终点的装置可以是诸如微处理器的能够计算和/或比较数据的单元。

应当理解，可以以可执行权利要求中所描述的任意方法的方式来修改该设备。

在一实施例中，用于确立寿命终点的装置将所确定的多个电压降与电压降的参考数据组进行比较。优选地通过加速测试建立该参考数据组。这确保了一种简单化和***化的估计寿命终点的方式。可以理解每种类型和特定结构的功率器件要求其特定的参考数据组。由于消除了一些***错误或其他错误，因此对于加速测试使用与估计功率半导体器件寿命终点的方法类似的测量工具和类似的设置也是有优势的。

在一实施例中，该设备还包括用于功率半导体器件的至少一个栅驱动，其中测量电压的装置被集成在栅驱动中。由于功率模块将最有可能需要栅驱动，这种栅驱动可以包括：栅控制电路、开关模式电源、通过电流隔离阻挡或电平位移控制***的接口、击穿和/或过电流的保护、防止击穿和最小死区时间产生的逻辑。为了降低测量电路的成本，其可以使用栅驱动的一些部件，例如开关模式电源和/或至控制***的接口的一些部分。此外，电压测量可以用作退饱和保护电路并保护功率模块不受过电流影响。

在一实施例中，该设备还包括用于用新的、更新的参考数据代替该参考数据组的装置。这些装置可以是微处理器，或者这些装置可以并入到已包括在该器件中的其他控制器件中的。

在一实施例中，用于确立温度的装置将功率半导体器件加热至预定温度，优选地通过使用与该功率半导体器件热力学接触的液体。这确保了一种确立功率半导体器件的温度的简单方式。

在进一步的方面，本发明关注一种风力涡轮机，包括如上所述的功率半导体器件和设备。如上所述，使用如上所述的估计风力涡轮机中的功率半导体器件的寿命终点的器件或方法具有一些优点。

对于涡轮机所有者来说，失去的生产意味着收入的损失，因此确保涡轮机一直工作具有明确的经济激励。另一方面，功率模块是昂贵的并且在接近它们的寿命终点之前都不应该对其进行更换。上述的设备和方法可以在涡轮机保持生产时确保成本最小化。因此，当可以确定寿命终点时，至少可以控制下面的情况：在器件的实际故障之前可以计划更换该功率器件，这对于离岸涡轮机来说尤其重要，因为这些涡轮机很难到达。当寿命终点接近时，可以降低功率来延长功率器件的寿命，并且可以继续风力涡轮机的电力生产直到可以更换功率器件。可替换地或者与降低功率相结合，可以更改多个功率器件的功率流分布以使最接近寿命终点的功率器件输送最少的电流或者使其不工作。

在一实施例中，该风力涡轮机还包括与功率半导体器件热力学接触的基于液体的***，其中液体***包括用于控制该液体温度的装置，优选地还包括适于将液体加热至期望温度的加热器。该加热器可以是电加热器。在该实施例中，常规使用的冷却液体可以用于加热功率器件并以这种方式确立功率器件的期望温度。

有利的是，该风力涡轮机还包括在操作上连接至功率变换器的风力涡轮机控制***，其中该功率变换器包括功率半导体器件，并且该液体***在操作上连接至该功率变换器。优选地，该风力涡轮机控制***在操作上连接至该液体***。相比于在风力涡轮机中安装新的器件，使用已经安装的风力涡轮机控制***来执行用于估计寿命终点的步骤降低了结合寿命终点估计的成本。

附图说明

在下文中将参考附图更详细地描述本发明：

图1是二极管和开关的示意图；

图2是电流、电压和温度之间的关系的曲线图；

图3是测量电路的示意图；

图4是功率半导体堆叠的示意图；

图5a是电流斜坡的曲线图；

图5b是电压测量值的曲线图；

图6是来自加速测试的数据的实例；

图7是发明的实施例的示意性流程图。

具体实施方式

本发明涉及估计功率半导体器件的剩余寿命或寿命终点，该功率半导体器件是功率变换器的一部分，并且例如由有源开关和/或二极管构建而成，例如：IGBT、半导体闸流管、GTO、MOSFET、IGCT、碳化硅开关、功率硅二极管或功率碳化硅二极管。该估计方法基于导通电流时横跨在功率器件上的电压降的确立（例如测量）。然后存储这些电压测量值并且基于电压降的变化将寿命终点估计为功率器件寿命消耗的函数。

如图1所示，当电流流经例如二极管或IGBT开关的功率器件时，横跨部件产生了电压降。电压降可分为横跨在电阻部分上的电压降和横跨在半导体芯片内部的PN结上的电压降。电阻存在于终端、汇流条、键合引线、芯片表面和硅本体内。通常当电阻部分具有正温度系数时，该PN结具有负温度系数，这会导致如图2所示的电压降特点。这里可以看到电流(I)和电压降之间关系的实例。Vce是开关之上的电压降且Vd是二极管之上的电压降。图2的曲线3示出了当功率器件是冷的时的关系且曲线4示出了“热的”功率器件。这意味着当激活该功率器件发生温度升高时，电流和电压降之间的关系会发生改变。

由于损坏，当使用功率器件（开关和/或二极管）时，内电阻将会增加。这可能是由于焊接裂纹、表面裂纹或键合线脱离。因此，电阻的增加将会改变电流/电压特性；这已在图2中示出。当功率器件磨损时，曲线4将会变为曲线5。换句话说，当在相同的温度下施加相同的电流时电压的变化表明功率器件的损坏。

这意味着，对于给定的温度和电流，当电流被确定为功率器件的周期数的函数时，可能估计出功率器件的寿命终点和/或损坏。电压的变化（例如上升）表明接近寿命的终点。

由于当功率器件导通时必须探测mV范围内的变化，因此相较于阻塞时横跨功率器件上的kV范围内的电压，探测由功率器件损坏所引起的电压降的变化可能是富有挑战的。在图3中可以看出测量电路的一实例。在这里，测量电路6包括继电器7，该继电器7可以阻挡横跨在具有功率器件（例如IGBT和/或二极管）的测试目标9和模拟-数字转换器（ADC）8上的高电压。该继电器7可以是机械和/或电的开关。当测试目标9导通时，继电器7是闭合的以使ADC8可以探测横跨在功率器件上的电压降。继电器7可以是机械继电器或半导体开关（例如MOSFET）。

图4示出了热堆叠，其具有功率芯片10、铜的基板12，陶瓷层11位于芯片10和基板12之间并使它们隔离。功率器件可以包括一个或多个热堆叠。基板12与作为功率器件的冷却回路的一部分的液体13相接触。如果在几秒钟内芯片10中没有产生损耗，那么芯片10的温度等于（或者非常接近于）液体13的温度。这意味着，例如通过测量液体温度的温度传感器，可以很容易地确定温度。此后，可以通过施加电流并测量电压来确定电压。由于施加电流将会加热该芯片并导致堆叠之上的温度梯度，如果仅施加非常短时间的电流，那么会获得最可靠的数据，该非常短时间例如最大为100、200、300、500、1000微秒或者最大为功率芯片的热时间常数的20%、10%或5%。

为了改善电压测量，如图5所示，可以使用电流斜坡。在这里，施加多个增加的电流并测量相应的电压。在图5a中，可以看到电流(I)和时间(t)的电流斜坡，其中的小圆点是实际施加的电流而该曲线是拟合线。在非常短的时间内施加电流斜坡以将温度的波动保持在最低限度。在图5b中的小圆点上可以看到针对所施加的电流(I)的电压（Vce/Vd）的测量值。针对电压和电流关系拟合出一条线，这为对于给定电流的电压确定提供了更好的精度。当已获得作为寿命消耗的函数的电压测量值时，电压的增加是寿命终点的标志。然而，与例如通过加速测试获得的参考数据和/或来自相似的功率器件的实际数据和/或理论计算相比较，可以提高所估计的寿命终点的精度。参考数据组应当将开关之上的电压描述为电流和温度的函数。

可以通过诸如冷却剂温度和电流的加速参数来执行加速测试。更具体地，可以通过在比正常工作更高的平均温度和更大的温度偏差下运行来执行该加速测试。这可以通过如下方式来实现：通过逐渐增加下列参数中的一个或多个：液体冷却剂温度、电流、DC-链电压、开关频率，或者通过降低或增加基频（依赖于操作，因为降低产生较大的温度波动，并且增加在每时间单位（pr.time unit）内提供更多的周期），或者改变调制的电压和电流之间的角度（改变角度，可以将负载从例如IGBT改变成二极管，并且由此向IGBT或二极管施加比其他更多的压力），或者改变调制指数（增加调制指数将导致IGBT或二极管的较高的负载）。

在加速测试期间，类似于上面描述的，引入测量序列以表征横跨在功率器件上的电压降。在图6中可以看到加速测试的实例，其中针对功率周期绘制出某一电流下的电压。可以看出，电压朝着寿命终点升高。还可以看到源自于键合线的脱离的一些分立台阶14。当确定寿命终点时，可能使用键合线脱离的数量和/或电压的连续增加作为对器件的损坏的终点的测量。

图7示出了用于本发明的实施例的示意图。用于估计功率半导体器件的寿命终点的方法始于确立温度（确立温度），这可以通过如上所述的激活液体控制、加热或冷却该冷却液体中的任一种来实现，以此来控制液体温度或通过其他方式直接或间接地测量该温度。然后，保证功率器件不处于生产中（非工作模式启动），因为这将会保证芯片温度将等于在先前步骤中确立的液体温度。然后通过施加一电流确定功率器件之上的电压降（确定电压），当在短时间内施加电流以使功率芯片的温度不增加时，获得最可靠的结果。接下来，之后再次释放功率半导体以用于生产（释放以用于生产）。然后在例如功率器件执行另外的工作周期之后的稍后时间里重复电压的确定（重复）。将所确定的多个电压联系到由功率器件执行的周期数，并且之后在电压变化的基础上将寿命的估计建立为寿命消耗的函数（估计寿命终点）。

在风力涡轮机的应用中，电压测量电路可以用于探测功率模块的损坏。如前所述，如果功率模块的芯片和内部部件的温度是已知的，可以测量电路中阻值的增加。可以使用风力涡轮机不产生电力的间隔时间。如前所述，在这种非工作状态下，芯片温度与冷却液体的温度极好地联系起来。这些非工作的间隔时间可以是：检修状态、无风的时候、润滑序列（lubrication sequence）期间、电缆退绕、其他部件出错或强制停机。在那些非工作的间隔时间期间，可以执行电压测量周期。在典型的风力涡轮机应用中，风力涡轮机控制***通过开始/停止信号和参考信号以及其他信号控制功率变换器。依赖于该***的配置，可以通过功率变换器或通过涡轮机控制***控制液体冷却***。即使可以通过风力涡轮机控制***控制该冷却***，也仍可以存在与功率变换器的联系。该联系可以包括测量值、安全信号等。

可以建立如下的寿命终点估计/损坏探测的步骤顺序：

-将冷却液体加热至例如50℃的预定温度。可以通过加热元件或者通

过运行该变换器自身实现该加热。在功率变换器的计划停机的情况

下，该风力涡轮机控制器可以在变换器的实际停机之前启动对液体

的加热。

-停止变换器的电力生产。

-在功率变换器停机之后，测量每个被监控的功率半导体器件在给定

电流下的电压。

-释放变换器以用于电力生产。

-将所得的电压测量值与先前产生的参考数据比较并估计功率器件

的寿命/损坏的终点。

Claims (21)

1.一种用于估计诸如IGBT功率模块的功率半导体器件的寿命终点的方法，包括下述步骤：

-确立功率半导体器件的温度，

-对于至少一个预定的电流确定功率半导体器件之上的电压降，其中

当功率半导体器件不工作时施加该电流，

其中依赖于所确定的多个电压降的变化来确立寿命终点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过将所确定的多个电压降与电压降的参考数据组相比较来确立寿命终点。

3.根据权利要求2所述的方法，其中通过加速测试确立参考数据组。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中能够在任何时间用新的、更新的参考数据组来代替该参考数据组。

5.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所估计的寿命终点被用于改变功率半导体器件的降额因子。

6.根据前述任一权利要求所述的方法，其中该温度通过确定包含在该功率半导体器件中的功率半导体芯片的温度来确立。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中该温度通过优选地使用与该功率半导体器件热力学接触的液体将功率半导体器件加热至预定温度来确立。

8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中当功率半导体器件不工作时，确立该温度。

9.根据前述任一权利要求所述的方法，其中功率半导体器件不工作的时间至少是热堆叠的热时间常数的五倍。

10.根据前述任一权利要求所述的方法，其中施加电流的时间小于包含在功率半导体器件中的硅芯片的热时间常数的10%。

11.根据前述任一权利要求所述的方法，其中施加电流的时间小于1毫秒。

12.根据前述任一权利要求所述的方法，其中确定电压降被确立为功率半导体器件的寿命消耗的函数。

13.一种用于估计功率变换设备中的诸如IGBT功率模块的功率半导体器件的寿命终点的设备，包括：

·用于确立温度的装置，其确立功率半导体器件的温度，

·用于确定电压降的装置，其对于至少一个预定的电流确定功率半导体器件之上的电压降，其中当功率半导体器件不工作时施加该电流，

·用于确定寿命终点的装置，其基于所确定的多个电压降的变化来确定寿命终点。

14.根据权利要求13所述的设备，其中用于确定寿命终点的装置将所确定的多个电压降与电压降的参考数据组进行比较，优选地通过加速测试确立该参考数据组。

15.根据权利要求13所述的设备，其中该设备还包括用于功率半导体器件的至少一个栅驱动，其中测量电压的装置集成在栅驱动中。

16.根据权利要求14所述的设备，还包括用于用新的、更新的参考数据代替该参考数据组的装置。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的设备，其中用于确立温度的装置优选地通过使用与该功率半导体器件热力学接触的液体将功率半导体器件加热至预定温度。

18.一种风力涡轮机，包括功率半导体器件和根据权利要求13至17中任一项所述的设备。

19.根据权利要求18所述的风力涡轮机，包括与功率半导体器件热力学接触的基于液体的***，其中液体***包括用于控制液体温度的装置，优选地还包括适于将液体加热至期望温度的加热器。

20.根据权利要求19所述的风力涡轮机，包括在操作上连接至功率变换器的风力涡轮机控制***，其中该功率变换器包括功率半导体器件，并且该液体***在操作上连接至该功率变换器。

21.根据权利要求20中任一项所述的风力涡轮机，其中该风力涡轮机控制***在操作上连接至该液体***。

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