DE102006001874B4

DE102006001874B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Strom- und Temperaturmessung in einer leistungselektronischen Schaltung

Info

Publication number: DE102006001874B4
Application number: DE102006001874A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bayerer Reinhold; Dr. Thoben Markus
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2026-01-14
Also published as: US7548825B2; DE102006001874A1; US20070176626A1; JP4982190B2; JP2007187667A

Abstract

Verfahren zur Strom- und Temperaturmessung in einer leistungselektronischen Schaltung, – wobei an einer ersten Sensorkomponente und mindestens einer zweiten Sensorkomponente der leistungselektronischen Schaltung jeweils ein erster Strom- und Temperaturwert oder eine davon eindeutig abhängige erste Messgröße und mindestens ein zweiter Strom- und Temperaturwert oder eine davon eindeutig abhängige zweite Messgröße erfasst werden, – wobei die erste und die mindestens eine zweite Sensorkomponente so gewählt werden, dass ihre Spannungs-Strom-Temperaturcharakteristiken voneinander linear unabhängig sind und wenigstens eine der Sensorkomponenten eine parasitäre Komponente der leistungselektronischen Schaltung ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierung der an der ersten Sensorkomponente gemessenen Größe auf der Grundlage der Messung an der wenigstens einen zweiten Sensorkomponente bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Stromwerten durch einen in einer Auswerteeinheit während des Herstellungsprozesses der leistungselektronischen Schaltung ablaufenden Kalibrierungsprozess stattfindet und ein Auswertealgorithmus die im aktuellen Betrieb der leistungselektronischen Schaltung an der ersten Sensorkomponente erfassten Messwerte mit...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strom- und Temperaturmessung in einer leistungselektronischen Schaltung jeweils gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10. Ein derartiges Verfahren und eine solche Vorrichtung sind bekannt aus US 2005/0 088 863 A1 .
Hauptvertreter der leistungselektronischen Schaltungen sind die Dreiphasen-Umrichterschaltungen, die als Kernbestandteile Phasenbausteine, so genannte Halbbrücken, enthalten. Zur Regelung der Ströme in der Last, die an den Umrichter angeschlossen ist, ist üblicherweise eine Messung in den Phasenausgängen oder in dem Plus- oder Minus-Zwischenkreis notwendig. Die Messung in den einzelnen Leistungsschaltern, z. B. IGBTs, MOS-FETs, Dioden, Thyristoren, usw. wird häufig und meist nur zum Schutz gegen Überströme eingesetzt. Dabei darf die Genauigkeit wesentlich schlechter sein als die Genauigkeit bei der Messung zur Regelung der Ströme.
Zur Strommessung in leistungselektronischen Schaltungen sind bislang präzise Shuntwiderstände, Hallsensoren, magnetoresistive Sensoren oder ähnliche Stromsensoren üblich. In diesen Fallen musste eine zusätzliche präzise Sensorkomponente in die Schaltung eingebaut werden. Derartige Sensoren sind aufgrund der Präzision verhältnismäßig teuer und erfordern zusätzlichen Einbauaufwand. Außerdem benötigen sie eine Auswerteelektronik und bei Shunts auch Potenzialtrennungen in der Elektronik.
Selbstverständlich ist die Notwendigkeit zur Strom- oder Temperaturmessung nicht nur bei den oben beispielhaft beschriebenen Dreiphasen-Umrichterschaltungen notwendig, sondern auch bei andersartigen leistungselektronischen Schaltungen oder Leistungshalbleitermodulen.
Bei dem aus der oben zu den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10 zitierten US 2005/0 088 863 A1 bekannten Verfahren werden die beiden an der ersten Sensorkomponente und der mindestens einen zweiten Sensorkomponente gemessenen Messwerte als zwei Eingangsgrößen einer zweidimensionalen Übertragungsfunktion (z. B. Verweistabelle) in Form von Messspannungswerten eingegeben, welche diese Messspannungswerte in Ausgangsgrößen für Strom und Temperatur umwandelt. Dabei findet jedoch keine Kalibrierung der an der ersten Sensorkomponenten gemessenen Größe auf der Grundlage der Messung an der wenigstens einen zweiten Sensorkomponente bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Stromwerten statt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strom- und Temperaturmessung in einer leistungselektronischen Schaltung oder einem Leistungshalbleitermodul so zu ermöglichen, dass sich die mit der Strom- und Temperaturmesseinrichtung ausgestattete leistungselektronische Schaltung nicht wesentlich verteuert, keinen zusätzlichen Einbauaufwand erfordert und dennoch eine präzise Strom- und Temperaturmessung ermöglicht.
Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Strom- und Temperaturmessung verwendet die vorgeschlagene Vorrichtung parasitär vorhandene Komponenten einer leistungselektronischen Schaltung oder eines Leistungshalbleitermoduls. Deren Mangel an Präzision wird durch eine Kalibrierung während des Herstellprozesses, z. B. bei der elektrischen Endprüfung ausgeglichen. Die Temperatur- und Stromabhängigkeit der als Sensoren verwendeten parasitären Komponenten wird durch zwei voneinander linear unabhängige Messungen und entsprechende Rechenoperationen bei der Auswertung im Kalibrierschritt erreicht.
Die obige Aufgabe wird gemäß einem ersten wesentlichen Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Strom- und Temperaturmessung in einer leistungselektronischen Schal- tung, wobei an einer ersten Sensorkomponente und mindestens einer zweiten Sensorkomponente der leistungselektronischen Schaltung jeweils ein erster Strom-/Temperaturwert oder eine davon eindeutig abhängige erste Messgröße und mindestens ein zweiter Strom-/Temperaturwert oder eine davon eindeutig abhängige zweite Messgröße erfasst werden, wobei die erste und die mindestens eine zweite Sensorkomponente so gewählt werden, dass ihre Spannungs-Strom-Temperaturcharakteristiken voneinander linear unabhängig sind und wenigstens eine der Sensorkomponenten eine parasitäre Komponente der leistungselektronischen Schaltung ist, dass eine Kalibrierung der an der ersten Sensorkomponente gemessenen Größe auf der Grundlage der Messung an der wenigstens einen zweiten Sensorkomponente bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Stromwerten durch einen in einer Auswerteeinheit während des Herstellungsprozesses der leistungselektronischen Schaltung ablaufenden Kalibrierungsprozess stattfindet und ein Auswertealgorithmus die im aktuellen Betrieb der leistungselektronischen Schaltung an der ersten Sensorkomponente erfassten Messwerte mit bei dem Kalibrierungsprozess ermittelten Parametern zur Kompensation der Temperatur- und/oder Stromabhängigkeit der aktuellen Messwerte auswertet.
Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strom- und Temperaturmessverfahrens können die erste Sensorkomponente und eine einzige zweite Sensorkomponente jeweils als parasitäre voneinander unabhängige Sensoren gebildet sein.
Bei einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strom- und Temperaturmessverfahrens können die erste Sensorkomponente als ein parasitärer Stromsensor und eine einzige zweite Sensorkomponente als ein präziser zusätzlicher Temperatursensor gebildet sein.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strom- und Temperaturmessverfahrens können die erste Sensorkomponente als ein präziser Stromsensor und eine einzige zweite Sensorkomponente als ein parasitärer Stromsensor gebildet sein.
Bevorzugt werden beim Kalibrierungsschritt die Charakteristika der genutzten Sensorkomponenten während des Herstellungsprozesses der leistungselektronischen Schaltung aufgenommen und in der Auswerteeinheit abgespeichert.
Ferner wird die obige Aufgabe übereinstimmend mit einem zweiten wesentlichen Aspekt der Erfindung gelöst durch eine Messvorrichtung zur Strom- und Temperaturmessung in einer leistungselektronischen Schaltung, die eine erste Sensorkomponente und mindestens eine zweite Sensorkomponente mit voneinander linear unabhängigen Spannungs-Strom-Temperaturcharakteristiken aufweist, von denen wenigstens eine Sensorkomponente eine parasitäre Komponente der leistungselektronischen Schaltung ist und an denen jeweils ein erster Strom- und Temperaturwert oder eine davon eindeutig abhängige erste Messgröße und mindestens ein zweiter Strom- und Temperaturwert oder eine davon eindeutig abhängige zweite Messgröße erfassbar sind und weiterhin eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, um die an der ersten Sensorkomponente erfasste Messgröße auf der Grundlage der Messung an der wenigstens einen zweiten Sensorkomponente bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Stromwerten durch einen während des Herstellungsprozesses der leistungselektronischen Schaltung ablaufenden Kalibrierungsprozess zu kalibrieren und auf der Grundlage der bei dem Kalibrierungsprozess ermittelten Parameter die im aktuellen Betrieb der leistungselektronischen Schaltung an der ersten Sensorkomponente erfassten Messwerte hinsichtlich ihrer Temperatur- und/oder Stromabhängigkeit zu kompensieren.
Bevorzugt und vorteilhafterweise sind die erste Sensorkomponente und die wenigstens eine zweite Sensorkomponente aus hochtemperaturfesten Materialien so gebildet, dass sich die Charakteristika ihrer für die Messung genutzten Eigenschaften bei Dauerbetriebstemperaturen oberhalb eines bestimmten hohen Temperaturschwellwerts während der Lebensdauer der leistungselektronischen Schaltung nicht verändern.
Dieser Temperaturschwellwert beträgt mindestens 150°C. Bevorzugter beträgt dieser Temperaturschwellwert mindestens 175°C. Noch bevorzugter beträgt dieser Temperaturschwellwert mindestens 200°C.
In bevorzugter Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Strom- und Temperaturmessvorrichtung in einer modular gestalteten Dreiphasen-Umrichterschaltung in Halbbrückenkonfiguration eingesetzt.
Weiterhin bevorzugt und vorteilhaft ist die Auswerteeinheit in ein Halbbrückenmodul der Dreiphasen-Umrichterschaltung integriert.
Nach dem grundlegenden Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strom- und Temperaturmessung werden in einem Leistungshalbleitermodul bzw. einer leistungselektronischen Schaltung vorhandene parasitäre Schaltungskomponenten, wie parasitäre Widerstände, z. B. Leiterbahnen, Bonddrähte, Kontaktclips, Anschlusslaschen, usw. in Modulen oder auch in Stromschienen, parasitär vorhandene Temperatursensoren, wie integrierte Gatewiderstände in der Zuleitung zur Steuerelektrode zu MOSFET-Schaltern, IGBT-Schaltern usw. oder andere temperaturabhängige Größen der leistungselektronischen Schaltung, wie z. B. das Millerplateau von MOS-Schaltern, die Durchlassspannung von Leistungshalbleitern, Leiterbahnen, Bonddrähten, usw. verwendet. Durch eine besondere Auswerteeinheit, die sich von den für bekannte Sensoren verwendeten Auswerteelektroniken unterscheidet, werden die bei der Erfindung als Sensorkomponenten verwendeten unpräzisen parasitären Schaltungskomponenten während des Herstellprozesses der Leistungshalbleitermodule bzw. der leistungselektronischen Schaltungen kalibriert. Bevorzugt ist diese Auswerteeinheit in den Leistungshalbleitermodulen integriert. Die exakten Ströme und Spannungen werden durch Lösen von Gleichungssystemen (Algorithmen) in der Auswerteeinheit oder in einer Steuereinheit der leistungselektronischen Schaltung bzw. des Leistungshalbleitermoduls ermittelt. Dabei ist es notwendig, an mindestens zwei Sensorkomponenten, von denen nach dem der Erfindung zugrunde liegenden Prinzip wenigstens eine parasitär vorhanden ist, Messungen durchzuführen. Die Sensorkomponenten müssen voneinander linear unabhängige Spannung-Strom-Temperaturcharakteristiken haben. Dies ist z. B. für Aluminium, Nickel oder Silizium der Fall.
Alternativ zur Nutzung von zwei parasitär vorhandenen unabhängigen Sensorkomponenten für Strom und Spannung wird ein präziser zusätzlicher Temperatursensor und ein parasitärer Stromsensor oder ein präziser Stromsensor und ein parasitärer Stromsensor verwendet. Bei der zuerst genannten Anwendung wird die präzise gemessene Temperatur dazu verwendet, den Strom über den Spannungsabfall an einem parasitären Widerstand, z. B. einer Leiterbahn, eines Bonddrahts, usw. zu messen, wobei dessen Temperaturabhängigkeit durch die präzise Temperaturmessung bei der Auswertung durch die Auswerteeinheit korrigiert wird.
Umgekehrt wird bei einer präzisen Strommessung mittels zusätzlichem präzisem Stromsensor die Temperaturmessung an einem parasitären Element durchgeführt und beispielsweise der Spannungsabfall an Leiterbahnen, Bonddrähten, usw. zur Temperaturbestimmung bei bekanntem Strom verwendet. Dabei wird in der Strom-Temperatur-Spannungs-Charakteristik des parasitären Elements die Stromabhängigkeit bei der Auswertung durch die Auswerteeinheit korrigiert.
Die Charakteristika der genutzten Sensorkomponenten werden während des Herstellprozesses für jedes Modul bzw. jede leistungselektronische Schaltung aufgenommen und in einer in der Auswerteeinheit vorhandenen Recheneinheit abgespeichert. Sie werden dann im Einsatz zur zeitaufgelösten Strom- und Temperaturmessung verwendet. Da sich diese Charakteristika nicht ändern dürfen, werden hochtemperaturfeste Materialien für die Sensorkomponenten genutzt. Insbesondere sind diese Materialien Metalle, Halbleiter, Siliziumwiderstände, SiC. Der Aufbau wird so gewählt, dass die Materialien in der Umgebung der verwendeten Sensorkomponenten Dauerbetriebstemperaturen von mindestens 150°C, bevorzugt mindestens 175°C, noch bevorzugter mindestens 200°C aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung auf Lebenszeit des Moduls bzw. der leistungselektronischen Schaltung überstehen. Dabei bleiben die genutzten Eigenschaften der Sensorkomponenten erhalten.
Außer den obigen erfindungswesentlichen Merkmalen beschreibt die nachfolgende Beschreibung bezogen auf die beiliegenden Zeichnungsfiguren weitere Details und Einzelheiten von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Die Zeichnungsfiguren zeigen im Einzelnen:
1 schematisch ein Ersatzschaltbild einer Halbbrücke, wie sie beispielhaft in einer Dreiphasen-Umrichterschaltung enthalten ist, wobei die für das erfindungsgemäße Strom- und Temperaturmessverfahren verwendbaren parasitären Widerstände angedeutet sind;
2 graphisch Strom- und Spannungsverläufe beim Abschaltvorgang eines mit induktiver Last belasteten IGBTs;
3 schematisch die Ankopplung einer beim Kalibrierungsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Auswerteeinheit an eine leistungselektronische Schaltung;
4 graphisch Beispiele voneinander linear unabhängiger Spannungs-Strom-Temperaturcharakteristiken bei zwei beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren unterschiedlichen Sensorkomponenten;
5 schematisch im Querschnitt einen auf eine Leiterbahn unter Zwischenlage eines isolierenden Trägers aufgesetzten präzisen Temperatursensor;
6A, B schematisch einen als Shunt ausgebildeten präzisen Stromsensor, wobei derselbe durch den präzisen Stromsensor fließende Strom auch über einen Kontaktleiter, der einen Leistungshalbleiterchip verbindet, fließt;
7A perspektivisch und schematisch einen auf einen Leistungshalbleiterchip aufgesetzten oder in diesem integrierten präzisen Temperatursensor, der zur Korrektur der Strommessung in einem eine parasitäre Sensorkomponente bildenden Verbindungsclip verwendet wird;
7B in schematischer Draufsicht einen in einem Leistungshalbleiterchip vorhandenen integrierten Gatewiderstand zur Temperaturmessung, wobei der integrierte Gatewiderstand über einen parasitär vorhandenen Pad auswertbar ist;
8 zwei in einem Leistungshalbleiter vorhandene parasitäre Sensorkomponenten, zum einen die Strom-Spannungscharakteristik eines IGBTs, die zur Temperaturmessung dient und einen Strom/Spannungssensor in Form eines parasitären Emitterwiderstandes;
9A schematisch zwei in einer Leiterbahn/Stromschiene vorhandene Metalle mit unterschiedlichem Temperaturkoeffizienten im selben Strompfad, die sich als erste und zweite voneinander unabhängige Sensorkomponente verwenden lassen;
9B ähnlich wie in 9A unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichem Temperaturkoeffizienten im selben Strompfad, die sich zur Temperatur- und Strommessung beim erfindungsgemäßen Verfahren verwenden lassen;
10 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Strom- und Temperaturmessung an einem in der Emitterleitung eines IGBT liegenden parasitären Widerstand;
11 ein Schaltschema eines Moduls einer Dreiphasen-Umrichterschaltung, in der eine Halbbrücke und eine einen kernlosen Transformator enthaltende Ansteuerschaltung integriert sind und bei der das erfindungsgemäße Strom- und Temperaturmessverfahren realisiert ist;
12 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Realisierung des erfindungsgemäßen Strom- und Temperaturmessverfahrens in einem einzelnen Modul einer Dreiphasen-Umrichterschaltung, in dem eine Halbbrücke und eine einen kernlosen Transformator enthaltende Ansteuerschaltung integriert sind.
In 1 sind durch ein Sternsymbol (*) für eine erfindungsgemäße Strom- und Temperaturmessung verwendbare parasitäre Wider- stände R(I, T) in einer Halbbrücke angedeutet, welche einen Teil einer Dreiphasen-Umrichterschaltung einer leistungselektronischen Schaltung bildet. Diese Halbbrückenschaltung weist einen oberen Zweig I mit einem oberen Leistungshalbleiterschalter IGBTo, einem oberen Gatewiderstand Rgo(T) und einer oberen Freilaufdiode Do sowie einen unteren Halbbrückenzweig II mit einem unteren Leistungshalbleiterschalter IGBTu, einem unteren Gatewiderstand Rgu(T) und einer unteren Freilaufdiode Du auf. Ein oberer Steueranschluss ist mit STo und ein unterer Steueranschluss STu, der Plusanschluss mit DC+, der Minusanschluss mit DC– und der Phasenausgang mit Ph bezeichnet. Sämtliche mit einem Sternsymbol versehene parasitäre Widerstände lassen sich für das erfindungsgemäße Strom- und Temperaturmessverfahren verwenden. Die temperaturabhängigen integrierten Gatewiderstände Rgo(T) und Rgu(T) können als parasitäre Temperatursensoren dienen.
2 zeigt graphisch zeitlich veränderliche Strom- und Spannungsverläufe eines IGBTs zum Abschaltzeitpunkt t_off und zwar als ausgezogene Linie den Kollektorstrom Ic, der zum Abschaltzeitpunkt t_off abrupt abfällt, die als einfach gestrichelte Linie eingezeichnete Kollektorspannung Vc, die zum Abschaltzeitpunkt t_off abrupt ansteigt und die als strichpunktierte Linie eingezeigte Gatespannung Vg, deren Millerplateau M eine temperatur- und in der Regel auch stromabhängige Schwellspannung VgM(T, I) hat, wie dies durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Bei dem erfindungsgemäßen Strom- und Temperaturmessverfahren lässt sich die in 2 angedeutete Schwellspannung VgM(T, I), da sie eine temperaturabhängige Spannung ist, als parasitäre Sensorkomponente verwenden. Zur Strom- und Temperaturmessung verwendbare parasitäre Sensorkomponenten sind die in 1 angedeuteten parasitären Widerstände, wie Leiterbahnen, Bonddrähte, Kontaktclips, Anschlusslaschen usw. in Modulen und Stromschienen, parasitär vorhandene Temperatursensoren wie integrierte Gatewiderstände in der Zuleitung zur Steuerelektrode von MOSFETs, IGBTs oder, wie oben erwähnt, die temperaturabhängige Schwellspannung VgM(T) des Millerplateaus eines IGBTs gemäß 2. Ferner lassen sich die strom- und temperaturabhängige Durchlassspannung von Leistungshalbleitern, von Leiterbahnen, Banddrähten usw. als parasitäre Sensorkomponenten verwenden.
Wegen der Stromabhängigkeit der Schwellspannung VgM(T, I) ist ggf. auch eine Kalibrieung in Bezug auf diese Stromabhängigkeit durchzuführen.
3 zeigt eine mit einer leistungselektronischen Schaltung LE verbundene oder verbindbare Auswerteeinheit AE, die Rechen- und Speichermittel M enthält. Ableitungen von parasitären und/oder präzisen Sensorkomponenten der leistungselektronischen Schaltung hier LE, z. B. von einem parasitären Emitterwiderstand und einem integrierten Gatewiderstand werden zur Auswerteeinheit AE geleitet. Die Auswerteeinheit AE ist bevorzugt in ein Modul der leistungselektronischen Schaltung integriert. Während des Herstellprozesses der leistungselektronischen Schaltung AE wird diese bzw. die zu kalibrierende Sensorkomponente in einer Temperaturkammer, auf Heizplatten oder ähnlichem, auf mindestens zwei unterschiedliche Temperaturen T1, T2, ..., Tn gebracht und dann bei jeder Temperatur T1, T2, ..., Tn mit verschiedenen Strömen Ia, Ib, ... Ix impulsförmig belastet. Die Impulsbreiten der Ströme werden dabei so bemessen, dass die Strombelastung zu keiner nennenswerten Temperaturänderung der zu kalibrierenden Teile, hier im Beispiel des parasitären Widerstandes in der Emitterzuleitung des IGBTs führt. Bei jedem Temperatur- und Stromschritt werden die Spannungsabfälle an den Sensorkomponenten gemessen. Daraus werden die Gleichungen in der Auswerteeinheit AE ermittelt. In der Regel ist die Form der Gleichungen V(I) und V(T) bereits vorgegeben und es sind während des Kalibrierschritts nur noch Parameter dieser Gleichungen zu bestimmen. Die komplett bestimmten zwei Gleichungen werden dann in den Speichermitteln M abgespeichert und auch im abgeschalteten Zustand der leistungselektronischen Schaltung LE erhalten.
Bevorzugt wird der geschilderte Kalibriervorgang auch mit der im Modul der leistungselektronischen Schaltung LE integrierten Auswerteeinheit AE, z. B. einem Controller, vorgenommen. Dazu wird darin ein spezieller Modus einprogrammiert.
Im Betrieb der leistungselektronischen Schaltung LE werden die von den Sensorkomponenten abgenommenen Messwerte (z. B. zwei Spannungen im Bereich von typischerweise 0 bis 5 Volt) in die Auswerteeinheit AE bzw. den Controller eingelesen und mit einem Algorithmus in einen Temperatur- und Stromwert umgerechnet. Diese Resultate werden dann wie üblich weiterverarbeitet. Typische Rechenzeiten für die Ermittlung von Strömen liegen im Bereich 50 μs bis 3 ms.
4 zeigt graphisch zwei Beispiele voneinander linear unabhängiger Spannungs-Strom-Temperaturcharakteristiken V1(I, T) und V2(I, T), wie sie bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren für die beiden Sensorkomponenten erforderlich sind.
5 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strommessverfahrens, bei dem zur Messung des Stroms eine Leiterbahn L im Modul der leistungselektronischen Schaltung verwendet wird, z. B. eine Kupferbahn auf einem Keramiksubstrat. Dabei nimmt die Leiterbahn L mit dem temperaturabhängigen Widerstand R(T) dieselbe Temperatur T wie das darunter liegende Keramiksubstrat an, und an der Leiterbahn L lässt sich eine Spannung V2(I, T) abgreifen, die von dem sie durchfließenden Strom I und von der Temperatur T abhängt. Zur Temperaturmessung wird ein ohnehin im Modul vorhandener Temperatursensor verwendet, oder wie hier wird ein präziser Temperatursensor TS unter Zwischenlage eines isolierten Trägers IST direkt auf der Leiterbahn L platziert. Die Strom-Temperatur-Charakteristik des Spannungsabfalls V2(I, T) an der Leiterbahn L wird mit Hilfe des darauf befindlichen Temperatursensors TS kalibriert und in der Recheneinheit der Auswerteeinheit AE (vgl. 3) abgespeichert, insbesondere eingebrannt. Die im Betrieb der leistungselektronischen Schaltung vom Temperatursensor TS exakt gemessene Temperatur T wird zur Korrektur der Strommessung verwendet: V1(T) → T = T(V1) V2(I, T) → V2(I, T(V1)) V2 = f(I, V1) → I = f(V2, V1).
Darin sind V1, V2 die gemessenen Größen, und der Strom I wird auf der Grundlage der beiden Messgrößen V1, V2 durch Rechnung aus der obigen Beziehung ermittelt.
Die 6A und 6B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strom- und Temperaturmessverfahrens. Zur präzisen Messung des Stroms befindet sich in der leistungselektronischen Schaltung oder im Modul ein zusätzlicher Shunt. An diesem wird mittels der am Shunt abfallenden Spannung V1(I) der Strom I temperaturunabhängig gemessen. Der gemessene Strom I fließt auch über einen Chipkontakt K, z. B. einen Bonddraht, ein Clip, usw. der mit einem Leistungshalbleiterchip Ch thermisch gekoppelt ist, d. h. es gilt: T_K ≈ T_Chip. Für den temperatur- und stromabhängigen Spannungsabfall V2(I, T) gilt somit auch V2(I(V1)T). Aus der kalibrierten und gespeicherten Strom-Temperatur-Spannungscharakteristik lässt sich mit präzise gemessenem Stromwert die Temperatur des Chips Ch gemäß der Beziehung T = f(V1, V2) durch Rechnung ermitteln. Diese Rechnung findet in der Auswerteeinheit AE (vgl. 3) statt.
Bei einem dritten in 7A veranschaulichten dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strom- und Temperaturmessverfahrens wird zur Temperaturmessung ein im Chip Ch integrierter oder auf dem Chip platzierter präziser Temperatursensor TS verwendet. Zur Messung des Stroms wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein zur Oberseite des Leistungshalbleiterchips Ch führender Clip Cl verwendet. Statt des Clips Cl kann dies auch ein Bonddraht, eine Leiterbahn oder Metallisierung auf dem Chip sein. Die an dem Clip Cl abfallende strom- und/oder temperaturabhängige Spannung V(T, I) wird unter Zuhilfenahme der vom Temperatursensor TS gemessenen temperaturabhängigen Spannung V1(T) temperaturkompensiert.
Gemäß einem in 7B gezeigten vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strom- und Temperaturmessverfahrens wird zur Temperaturmessung ein im Chip vorhandener integrierter Gatewiderstand R_G verwendet, der über einen parasitär vorhandenen Pad auswertbar ist. Über den Gatewiderstand R_G wird permanent ein Messstrom geschickt. Die Stromquelle ist floatend mit der Gateelektrode des Leistungshalbleiterschalters verbunden. Der Spannungsabfall V wird während der Ruhephase des Gate-Lade- und Entladestroms (I_G = 0) zum Schalten gemessen und einer Temperaturauswertung in der Auswerteeinheit zugeführt. Dazu wird die Temperaturmessung während den Schaltvorgängen mit einer Totzeit dazu ausgeblendet (z. B. 1 bis 10 ms). Bei dieser Strom- und Temperaturmessmethode gilt für den integrierten Gatewiderstand R_G: R_G(T) → T(R_G) V(I, T) → V(I, T(R)) I = f(R_G, V)
R_G und V werden durch Messung an den Sensorkomponenten ermittelt und I durch Rechnung ausgewertet.
Ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strom- und Temperaturmiessverfahrens ist schematisch in 8 dargestellt. Dabei wird zur Temperaturmessung die chipeigene Strom-Spannungs-Charakteristik der an einem IGBT abfallenden Spannung V1(I, T) verwendet, die zusätzlich temperaturabhängig ist. Diese hat aber eine stark nichtlineare und von der Temperaturabhängigkeit des Stromsensors ausreichend verschiedene Charakteristik. Deshalb besteht bei dem als Stromsensor verwendeten parasitären Widerstand in der Emitterleitung des IGBTs eine zweite von der Strom-Spannungs-Charakteristik des IGBTs nichtlinear abhängige Beziehung V2(I, T), wobei angenommen ist, dass die Temperatur T des parasitären Widerstands in der Emitterzuleitung des IGBT annähernd gleich der Chiptemperatur T_Ch des IGBTs ist. Beide Beziehungen V1(I, T) und V2(I, T) sind mit Hilfe eines Algorithmus zu lösen, wobei T1 = T2 und I1 = I2 gelten. Die Ströme sind deshalb in beiden Sensorkomponenten gleich, weil in der Emitterzuleitung (Sensorkomponente) zum IGBT der gleiche Strom fließt wie im IGBT.
Bei einem in 9A schematisch dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strom- und Temperaturmessverfahrens werden zwei unterschiedliche Metalle mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten, d. h. Metall a und Metall b in einem einzigen Strompfad verwendet. Dieser Strompfad kann eine Leiterbahn im Modul der leistungselektronischen Schaltung oder eine Busschiene in einer Dreiphasen-Umrichterschaltung sein. Beide Metalle, Metall a und Metall b befinden sich im Betrieb auf der gleichen Temperatur (T ist annähernd konstant). Gemessen werden die Spannungen V1(I, T) und V2(I, T), die jeweils über Metall a und Metall b abfallen. Nach Kalibrierung der einzelnen Charakteristika im Kalibrierschritt erhält man im Betrieb aus der Auswertung der beiden gemessenen Spannungen den Strom I und die Temperatur T.
Bei einem in 9B dargestellten siebten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ähnlich wie in 9A unterschiedliche Materialien mit jeweils unterschiedlichem Temperaturkoeffizienten in einem einzigen Strompfad verwendet. Beide Materialien haben im Betrieb die gleiche Temperatur. Das eine Material ist ein Si-Shunt, dessen Temperaturkoeffizient stark von den anderen Materialien wie Al oder Cu abweicht. Entweder wird die Spannung V1 oder V4 zusätzlich zu den Spannungen V3 und V2 erfasst, oder es werden alle Spannungen V1, V2, V3 und v4 gemessen. Die einzelnen Charakteristika werden kalibriert und im Betrieb erhält man aus der Auswertung der gemessenen Spannungen Strom und Temperatur.
In einem achten in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strom- und Temperaturmessverfahrens wird der Strom in der Emitterzuleitung zu einem Leistungshalbleiterschalter IGBT anhand des strom- und temperaturabhängigen Spannungsabfalls V(I, T) an einem parasitären Widerstand in der Emitterzuleitung ausgewertet. Dabei kann zum schnellen Schutz des Leistungshalbleiterschalters IGBT der Strom zunächst ungenau direkt, d. h. ohne Temperaturkompensation gemessen werden. Dazu wird der über einen ersten Verstärker A1 abgegriffene Spannungsabfall in einem zweiten Verstärker A2 direkt mit einer Referenzspannung Vref verglichen und das daraufhin erzeugte Signal Sab einer Treiberschaltung D mit Schutzfunktion zum Abschalten zugeleitet. Parallel dazu wird der strom- und temperaturabhängige Spannungsabfall V(I, T) einer Auswerteeinheit zur präzisen und temperaturkompensierten Strommessung zugeführt. Es ist zu bemerken, dass die zur erfindungsgemäßen Temperaturkompensation vorhandene weitere Sensorkomponente der integrierte Gatewiderstand R_G sein kann. Der erfindungsgemäße Auswertevorgang zur präzisen Strommessung in der Auswerteeinheit läuft langsamer als die indirekte Abschaltung durch das Signal Sab. Analog zu dem zuvor bezogen auf 10 beschriebenen direkten Abschaltvorgang kann auch ein parasitärer Temperatursensor ohne Korrektur direkt zur Übertemperaturmessung und -abschaltung verwendet werden.
In einem in 11 dargestellten neunten Ausführungsbeispiel ist eine Halbbrückenschaltung HB z. B. gemäß 1 aufgebaut. Dabei dienen ein erster parasitärer Widerstand R_E in der Emitterzuleitung des oberen IGBTs IGBTo und ein parasitärer Widerstand R_E in der Emitterzuleitung des unteren IGBTs IGBTu der Halbbrückenschaltung HB als erste parasitäre Sensorkomponenten, an denen jeweils ein strom- und temperaturabhängiger Spannungsabfall V(I, T) für die erfindungsgemäße Strommessung abgegriffen und einer Auswerteeinheit AE zugeführt wird. Zur Temperaturkompensation wird im oberen Halbbrückenzweig I und im unteren Halbbrückenzweig II jeweils der Spannungsabfall im integrierten Gatewiderstand Rgo und Rgu der Auswerteeinheit AE zugeleitet. Die Auswerteeinheit AE ist in der Ansteuerschaltung der Halbbrückenschaltung HB integriert und hat eine Schnittstelle zu einer externen oder integrierten Steuereinheit STE. Ebenfalls ist in 11 angedeutet, dass die Ansteuerschaltung mit der Auswerteeinheit AE jeweils eine integrierte Schaltung CLTo-IC bzw. CLTu-IC mit einem auf dem Chip integrierten kernlosen Transformator ist (Sigma-Delta-Wandler mit kernlosem Transformator zur Potenzialtrennung).
Je nach Anforderung dürfen die präzisen Auswertungen bis zu 100 ms dauern. Dann wird im Umrichter, der drei solcher Halbbrückenschaltungen HB enthält, über ganze Sinusperioden der Ausgangsströme an den Phasenausgängen Ph gemittelt. Dies ist statthaft, weil sich die Umrichterregelung auf die über mindestens eine Halbwelle gemittelten Ströme bezieht und sich die Zeitkonstanten von Umrichtern bzw. Umrichtermodulen im Bereich von 100 ms für gravierende Änderungen der Chiptemperaturen bewegen.
Soweit die für das erfindungsgemäße Strom- und Temperaturmessverfahren verwendeten Sensorkomponenten auf dem Potenzial der zugehörigen Leistungshalbleiter liegen, werden die gemessenen Spannungen unkorrigiert über Potenzialtrennstellen an die Steuereinheit STE des Geräts übermittelt. Dort sind die im Kalibriervorgang im Herstellungsprozess gemessenen Charakteristika gespeichert, und die Messwerte werden mit Bezug dazu ausgewertet. Dort werden die gemessenen Temperaturen z. B. zur Frühwarnung und Leistungsbegrenzung im Gerät sowie zur Schutzabschaltung verwendet. Die gemessenen Stromwerte werden zur Regelung des Gerätes verwendet und auch zur Begrenzung von Überlasten.
Alternativ dazu können die potenzialgebundenen Messwerte durch die Auswerteeinheit AE in der jeweils aus CLTo-IC und CLTu-IC gebildeten Ansteuerschaltung verarbeitet und über die Potenzialschnittstelle der Ansteuerschaltung zur Primärseite derselben übertragen und von dort weiter an die Steuereinheit STE gegeben werden. Optional werden dazu einfache Field Programmable Gate Arrays (FPGA) verwendet.
In dem in 12 veranschaulichten zehnten Ausführungsbeispiel einer mit einer erfindungsgemäßen Strom- und Temperaturmessvorrichtung ausgestatteten Halbbrückenschaltung HB mit integrierten oberen und unteren Ansteuerschaltungen CLT-IC, die kernlos auf dem Chip integrierte Transformatoren einsetzen, werden von zwei parasitären Widerständen R₁, R₂ in dem zum Phasenausgang Ph führenden Leiter, die voneinander linear unabhängige Spannungs-Strom-Temperaturcharakteristiken haben (z. B. zwei unterschiedliche Metallabschnitt Metall a und Metall b gemäß 9A) abgeleitete Messgrößen über einen Sigma-Delta-Wandler an eine Steuereinheit STE übertragen, in der sich die erfindungsgemäß erforderliche Auswerteeinheit befindet. In den weiteren Schaltungsdetails ist das in 12 gezeigte Ausführungsbeispiel ähnlich wie das Ausführungsbeispiel der 11, weshalb diese Schaltungsdetails hier nicht noch einmal beschrieben werden.
Bezugszeichenliste

I, II

oberer, unterer Zweig der Halbbrückenschaltung

HB

Halbbrückenschaltung

DC+

Pluspotenzial

DC–

Minuspotenzial

Do

obere Freilaufdiode

Du

untere Freilaufdiode

Rgo(T), Rgu(T)

oberer und unterer Gatezuleitungswiderstand

IGBTo, IGBTu

oberer und unterer Leistungshalbleiterschalter

Vc, Ic

Kollektorspannung, Kollektorstrom

Vg

Gatespannung

M

Millerplateau

VgM(T, I)

temperaturabhängiges Potenzial des Millerplateaus M

t_off

Abschaltzeitpunkt

AE

Auswerteeinheit

M

Rechen- und Speichermittel

LE

leistungselektronische Schaltung

T1, T2, ..., T_n

Temperaturschritte

I_A, I_B, ..., I_X

Stromschritte

V1(I, T), V2(I, T)

linear unabhängige Spannungs-Strom-Temperaturcharakteristika zweier Sensorkomponenten

L

Leiterbahn

TS

Temperatursensor

IST

Isolierter Träger

R(T)

temperaturabhängiger Widerstand

Ch

Chip

Cl

Clip

TCh

Chiptemperatur

I

Strom

V

Spannung

G

Gate

E

Emitter

R_G, Rg

integrierter Gatewiderstand

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

Al

Aluminium

Si

Silizium

Cu

Kupfer

V1, V2, V3, V4

Spannungen

A1, A2

Verstärker

V_ref

Referenzspannung

Sab

Abschaltsignal

D

Treiberschaltung

STE

Steuereinheit

R_E

parasitärer Widerstand in der Emitterleitung

CLTo-IC, CLTu-IC

obere und untere integrierte Schaltung mit kernlosem Transformator

R1, R2

parasitäre Widerstände in der Phasenausgangsleitung

Ph

Phasenausgang

Claims

Verfahren zur Strom- und Temperaturmessung in einer leistungselektronischen Schaltung, – wobei an einer ersten Sensorkomponente und mindestens einer zweiten Sensorkomponente der leistungselektronischen Schaltung jeweils ein erster Strom- und Temperaturwert oder eine davon eindeutig abhängige erste Messgröße und mindestens ein zweiter Strom- und Temperaturwert oder eine davon eindeutig abhängige zweite Messgröße erfasst werden, – wobei die erste und die mindestens eine zweite Sensorkomponente so gewählt werden, dass ihre Spannungs-Strom-Temperaturcharakteristiken voneinander linear unabhängig sind und wenigstens eine der Sensorkomponenten eine parasitäre Komponente der leistungselektronischen Schaltung ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierung der an der ersten Sensorkomponente gemessenen Größe auf der Grundlage der Messung an der wenigstens einen zweiten Sensorkomponente bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Stromwerten durch einen in einer Auswerteeinheit während des Herstellungsprozesses der leistungselektronischen Schaltung ablaufenden Kalibrierungsprozess stattfindet und ein Auswertealgorithmus die im aktuellen Betrieb der leistungselektronischen Schaltung an der ersten Sensorkomponente erfassten Messwerte mit bei dem Kalibrierungsprozess ermittelten Parametern zur Kompensation der Temperatur- und/oder Stromabhängigkeit der aktuellen Messwerte auswertet.
Strom- und Temperaturmessverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und eine einzige zweite Sensorkomponente jeweils als parasitäre Sensoren gebildet werden.
Strom- und Temperaturmessverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorkomponente als parasitärer Stromsensor und eine einzige zweite Sensorkomponente als ein präziser zusätzlicher Temperatursensor gebildet werden.
Strom- und Temperaturmessverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorkomponente als ein präziser Stromsensor und eine einzige zweite Sensorkomponente als ein parasitärer Stromsensor gebildet werden.
Strom- und Temperaturmessverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorkomponente und die wenigstens eine zweite Sensorkomponente aus hochtemperaturfesten Materialien so gebildet werden, dass sich die Charakteristika ihrer für die Messung genutzten Eigenschaften bei Dauerbetriebstemperaturen oberhalb eines bestimmten hohen Temperaturschwellwerts während der Lebensdauer der leistungselektronischen Schaltung nicht ändern.
Messverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturschwellwert mindestens 150°C beträgt.
Messverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturschwellwert mindestens 175°C beträgt.
Messverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturschwellwert mindestens 200°C beträgt.
Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Kalibrierungsschritt die Charakteristika der genutzten Sensorkomponenten während des Herstellungsprozesses der leistungselektronischen Schaltung aufgenommen und in der Auswerteeinheit abgespeichert werden.
Messvorrichtung zur Strom- und Temperaturmessung in einer leistungselektronischen Schaltung, die eine erste Sensorkomponente und mindestens eine zweite Sensorkomponente mit voneinander linear unabhängigen Spannungs-Strom-Temperaturcharakteristiken aufweist, von denen wenigstens eine Sensorkomponente eine parasitäre Komponente der leistungselektronischen Schaltung ist und an denen jeweils ein erster Strom- und Temperaturwert oder eine davon eindeutig abhängige erste Messgröße und mindestens ein zweiter Strom- und Temperaturwert oder eine davon eindeutig abhängige zweite Messgröße erfassbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, um die an der ersten Sensorkomponente erfasste Messgröße auf der Grundlage der Messung an der wenigstens einen zweiten Sensorkomponente bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Stromwerten durch einen während des Herstellungsprozesses der leistungselektronischen Schaltung ablaufenden Kalibrierungsprozess zu kalibrieren und auf der Grundlage der bei dem Kalibrierungsprozess ermittelten Parameter die im aktuellen Betrieb der leistungselektronischen Schaltung an der ersten Sensorkomponente erfassten Messwerte hinsichtlich ihrer Temperatur- und/oder Stromabhängigkeit zu kompensieren.
Messvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und eine einzige zweite Sensorkomponente parasitäre Sensoren sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorkomponente ein parasitärer Stromsensor und eine einzige zweite Sensorkomponente ein präziser zusätzlicher Temperatursensor sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorkomponente ein präziser Stromsensor und eine einzige zweite Sensorkomponente ein parasitärer Stromsensor sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorkomponente und die wenigstens eine zweite Sensorkomponente aus hochtemperaturfesten Materialien bestehen, so dass sich die Charakteristika ihrer für die Messung genutzten Eigenschaften bei Dauerbetriebstemperaturen oberhalb eines bestimmten hohen Temperaturschwellwerts während der Lebensdauer der leistungselektronischen Schaltung nicht verändern.
Messvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturschwellwert mindestens 150°C beträgt.
Messvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturschwellwert mindestens 175°C beträgt.
Messvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturschwellwert mindestens 200°C beträgt.
Messvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit eine Speichereinrichtung aufweist, um die beim Kalibrierungsschritt aufgenommenen Charakteristika der genutzten Sensorkomponenten der leistungselektronischen Schaltung zu speichern.
Messvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Schaltung eine modular gestaltete Drei-Phasen-Umrichterschaltung in Halbbrückenkonfiguration ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit in ein Halbbrückenmodul der Drei-Phasen-Umrichterschaltung integriert ist.