DE102013017920A1 - Method for determining the junction temperature of a power semiconductor with a state observer - Google Patents

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters derart auszubilden, dass keine Temperaturmesseinrichtung innerhalb des den zu überwachenden Leistungshalbleiter beinhaltenden Gehäuses benutzt wird und Auswirkungen von sowohl Veränderungen des thermischen Widerstandes des kontrollierten Leistungshalbleiters als auch von Abweichungen zwischen theoretisch berechneter und gemessener Temperatur an der Temperaturmessstelle außerhalb des Gehäuses auf die aktuelle Höhe der zu bestimmenden Sperrschichttemperatur berücksichtigt werden. Das Verfahren soll insbesondere keine Unterbrechung des Betriebes des Leistungshalbleiters bedingen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das thermische Übergangsverhalten zwischen der Sperrschicht und dem Bezugspotential, im Allgemeinen einer mit einfachen Mitteln zugänglichen Temperaturmessstelle, in Form eines Zustandsraummodells nachgebildet und dieses Zustandsraummodell um einen Zustandsbeobachter erweitert ist. Das Verfahren kann zur präzisen Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters ohne Temperaturmesseinrichtung innerhalb des den zu überwachenden Leistungshalbleiter beinhaltenden Gehäuses eingesetzt werden, ohne den Betrieb des Leistungshalbleiters unterbrechen zu müssen.The invention has for its object to form a method for determining the junction temperature of a power semiconductor such that no temperature measuring device is used within the housing containing the power semiconductors to be monitored and effects of both changes in the thermal resistance of the controlled power semiconductor and deviations between theoretically calculated and measured temperature at the temperature measuring point outside the housing to the current height of the junction temperature to be determined are taken into account. In particular, the method should not interrupt the operation of the power semiconductor. The invention is characterized in that the thermal transition behavior between the barrier layer and the reference potential, generally a temperature measuring point accessible by simple means, is modeled in the form of a state space model and this state space model is extended by a state observer. The method can be used for the precise determination of the junction temperature of a power semiconductor without a temperature measuring device within the housing containing the power semiconductor to be monitored, without having to interrupt the operation of the power semiconductor.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines oder mehrerer aktiver oder passiver Leistungshalbleiter, wobei der oder die Leistungshalbleiter in einem Gehäuse angeordnet sein können und keine Temperaturmessung innerhalb dieses Gehäuses benötigt wird. Zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperatur/-en wird jeweils die Verlustleistung des Leistungshalbleiters herangezogen und einem, das thermische Übergangsverhalten charakterisierende, Zustandsraummodell zugeführt, welches um einen Zustandsbeobachter ergänzt ist.The invention relates to a method for determining the junction temperature of one or more active or passive power semiconductors, wherein the power semiconductor or semiconductors can be arranged in a housing and no temperature measurement is required within this housing. To calculate the current junction temperature / -en each of the power loss of the power semiconductor is used and one, the thermal transient behavior characterizing, state space model supplied, which is supplemented by a state observer.

Stand der TechnikState of the art

Bekannte Hauptversagensmechanismen von Halbleiterelementen haben als gemeinsame Ursache thermischen Stress infolge von Erwärmung durch Verlustleistungseintrag und anschließender Abkühlung. Die Verlustleistung wird durch Schaltvorgänge oder durch den ohmschen Widerstand des Strompfads im Halbleiter verursacht und führt zu dessen Erwärmung. Durch geeignete Kühleinrichtungen ist dafür Sorge zu tragen, dass sich das Bauelement nicht unzulässig erwärmt, wenn eine konvektive Kühlung hierfür nicht ausreichend ist. Das Maß für die thermische Belastbarkeit eines Leistungshalbleiters ist dessen vom Hersteller spezifizierte maximale Sperrschichttemperatur. Durch die Interaktion von Verlustleistungseintrag und Rückkühlung stellt sich bei einer Leistungsübertragung ein zugehöriger Sperrschichttemperaturverlauf ein. Dieser stellt die thermische Belastung des Halbleiterelementes dar, welche zu dessen Schädigung führen kann. Zu unterscheiden ist hierbei zwischen Langzeitschädigung infolge thermischer Wechselbeanspruchungen und einem katastrophalen plötzlichen Versagen, verursacht durch eine einmalige thermische Überlastung. Erreicht die Sperrschichttemperatur des Leistungshalbleiters im Betrieb das spezifizierte Maximum, ist durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise eine Reduktion der Schaltfrequenz und/oder des zulässigen Übertragungsstroms, deren weiterer Anstieg zu verhindern. Hierfür ist die Kenntnis der aktuellen Sperrschichttemperatur erforderlich. Aus der Literatur sind Methoden zur direkten oder indirekten Messung der Sperrschichttemperatur mittels im Leistungsmodul integrierter Temperatursensoren bekannt. In der DE 101 07 386 C1 wird beispielsweise vorgeschlagen, einen Temperatursensor in unmittelbarer Nähe des sogenannten „hot spots” anzuordnen. Der Einsatz mehrerer Temperatursensoren in einem Leistungsmodul zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur wird zum Beispiel in der DE 10 2007 063 228 A1 beschrieben. Andere Lösungen, wie zum Beispiel aus der DE 195 13 619 C1 bekannt, basieren auf der Einbringung eines Kontrollhalbleiterelementes in unmittelbarer Nähe des zu überwachenden Leistungshalbleiters. Je näher der Temperatursensor an dem Ort der Wärmeentstehung, also der Sperrschicht des zu überwachenden Leistungshalbleiters platziert wird, umso genauer kann die interessierende Temperatur bestimmt werden. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, eine zusätzliche Einrichtung, welche der Bestimmung der Sperrschichttemperatur dient, örtlich möglichst nah an der Sperrschicht zu platzieren, in aller Regel im inneren des den zu überwachenden Leistungshalbleiter beinhaltenden Gehäuses. Die Integration eines zusätzlichen Temperatursensors geht mit einer Reihe Nachteilen einher. So sinkt unter Umständen die zur Leistungsübertragung verfügbare Chipfläche und der Herstellprozess wird kostenaufwendiger. Zur Vermeidung der beschriebenen und weiterer Nachteile, die sich aus dem Einsatz von in einem Leistungsmodul zusätzlich integrierten Temperaturmesseinrichtungen ergeben, sind aus der Literatur Lösungen bekannt, die auf einer Temperaturmessung außerhalb des Leistungsmoduls basieren. Von dieser vergleichsweise einfach bestimmbaren Temperatur wird im Betrieb über das Modell eines sogenannten thermischen Netzwerkes, welches das thermische Verhalten zwischen Messpunkt und Sperrschicht beschreibt, auf die aktuelle Sperrschichttemperatur geschlossen. Als Eingangsgröße für die Berechnung der Sperrschichttemperatur wird bei dieser Vorgehensweise der aktuelle Verlustleistungseintrag in den zu überwachenden Leistungshalbleiter benötigt. Dieser Verlustleistungseintrag wird bei den aus der Literatur bekannten Lösungen aus elektrischen Messgrößen, vornehmlich dem übertragenen Strom, und Betriebsparametern wie der Schaltfrequenz, mit welcher der zu überwachende Leistungshalbleiter betrieben wird, und dem sogenannten Tastverhältnis, welches den zeitlichen Bezug zwischen eingeschaltetem und ausgeschaltetem Zustand beschreibt, bestimmt. Für eine Erhöhung der Abbildungsgenauigkeit des aktuellen Verlustleistungseintrags ist es vorteilhaft, die aktuelle Sperrschichttemperatur des betrachteten Leistungshalbleiters zu deren Bestimmung ebenfalls zu berücksichtigen. Die Beschreibung einer Lösung zur indirekten Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters ist beispielsweise aus der DE 102 50 731 A1 bekannt. In dieser, wie auch in weiteren Literaturbeispielen, wie der WO 94/21020 A1 oder der WO 2004/062082 A1 , basiert die Modellierung des thermischen Verhaltens zwischen Messpunkt und Sperrschicht auf der in der Praxis üblichen Verwendung eines thermischen Ersatzschaltbildes in Form sogenannter RC-Glieder. Bei einer geschlossenen Abbildung des thermischen Verhaltens zwischen einem möglichst festen Bezugspotential, also einem Ort mit, während des Betriebes, möglichst unveränderlicher Temperatur und der Sperrschicht des zu überwachenden Leistungshalbleiters, basierend auf der Kalibrierungsmessung des geschlossenen Systems aus Leistungshalbleiter und, in den meisten Fallen, angeschlossener Kühleinrichtung, kann auf die bekannten Darstellungsformen thermischer Netzwerke in Foster- oder Cauerform zurückgegriffen werden. Die bekannten Lösungen zur indirekten Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters im Betrieb haben verschiedene Nachteile. So ist bekannt, dass mit fortschreitender Betriebsdauer, bedingt durch Alterungsprozesse, einzelne thermische Teilwiderstände des modellierten thermischen Netzwerkes anwachsen können. Diesem Aspekt müsste mit einer Anpassung der Modellparameter, basierend auf erneuten Kalibrierungsmessungen, begegnet werden. Weiterhin gibt es bei der beschriebenen Lösungsform keine Korrekturmöglichkeit bei einer Abweichung zwischen theoretisch berechneter und gemessener Temperatur an der Temperaturmessstelle. Solche Unterschiede können sich beispielsweise aus der nur näherungsweise möglichen Bestimmung des aktuellen Verlustleistungseintrages ergeben und eine fortschreitende Abweichung zwischen tatsächlicher und berechneter Sperrschichttemperatur bewirken.Known main failure mechanisms of semiconductor elements have as a common cause thermal stress due to heating by power dissipation and subsequent cooling. The power loss is caused by switching operations or by the ohmic resistance of the current path in the semiconductor and leads to its heating. By means of suitable cooling devices, care must be taken to ensure that the component does not heat up unacceptably when convective cooling is not sufficient for this purpose. The measure of the thermal capacity of a power semiconductor is its maximum junction temperature specified by the manufacturer. Due to the interaction of the loss of power input and re-cooling, an associated junction temperature characteristic develops during power transmission. This represents the thermal load of the semiconductor element, which can lead to its damage. A distinction must be made here between long-term damage due to thermal cycling and a catastrophic sudden failure caused by a single thermal overload. If the junction temperature of the power semiconductor reaches the specified maximum during operation, suitable measures, for example a reduction of the switching frequency and / or of the permissible transmission current, are to prevent its further increase. This requires knowledge of the current junction temperature. The literature discloses methods for direct or indirect measurement of the junction temperature by means of temperature sensors integrated in the power module. In the DE 101 07 386 C1 For example, it is proposed to arrange a temperature sensor in the immediate vicinity of the so-called "hot spot". The use of several temperature sensors in a power module for determining the junction temperature is described, for example, in US Pat DE 10 2007 063 228 A1 described. Other solutions, such as from the DE 195 13 619 C1 are known, based on the introduction of a control semiconductor element in the immediate vicinity of the power semiconductor to be monitored. The closer the temperature sensor is placed at the location of heat generation, that is to say the barrier layer of the power semiconductor to be monitored, the more accurately the temperature of interest can be determined. For this reason, it makes sense to place an additional device which serves to determine the junction temperature locally as close as possible to the barrier layer, as a rule in the interior of the housing containing the power semiconductor to be monitored. The integration of an additional temperature sensor is associated with a number of disadvantages. For example, the chip area available for power transmission may decrease and the manufacturing process becomes more expensive. In order to avoid the described and other disadvantages, which result from the use of temperature measuring devices additionally integrated in a power module, solutions are known from the literature which are based on a temperature measurement outside the power module. From this comparatively easily determinable temperature is closed in operation on the model of a so-called thermal network, which describes the thermal behavior between the measuring point and barrier layer, on the current junction temperature. As an input variable for the calculation of the junction temperature, the current power loss entry in the power semiconductor to be monitored is required in this procedure. This power loss entry is in the known from the literature solutions of electrical measurements, especially the transmitted power, and operating parameters such as the switching frequency at which the power semiconductor to be monitored is operated, and the so-called duty cycle, which describes the temporal relation between the on and off state, certainly. For an increase in the imaging accuracy of the current power loss entry, it is advantageous to also take into account the current junction temperature of the considered power semiconductor for their determination. The description of a solution for the indirect determination of the junction temperature of a power semiconductor, for example, from DE 102 50 731 A1 known. In this, as well as in further literature examples, like the WO 94/21020 A1 or the WO 2004/062082 A1 , the modeling of the thermal behavior between the measuring point and the barrier layer is based on the usual practice of using a thermal equivalent circuit in the form of so-called RC elements. In a closed image of the thermal behavior between a fixed reference potential as possible, ie a place with, during operation, the most unchanging temperature and the junction of the power semiconductor to be monitored, based on the calibration measurement of the closed Systems of power semiconductors and, in most cases, connected cooling device, can be used on the known forms of representation of thermal networks in Foster or Cauer form. The known solutions for the indirect determination of the junction temperature of a power semiconductor in operation have various disadvantages. It is known that with increasing operating time, due to aging processes, individual partial thermal resistances of the modeled thermal network can increase. This aspect would have to be addressed by adjusting the model parameters based on re-calibration measurements. Furthermore, there is no possibility of correction in the described solution form in the case of a deviation between theoretically calculated and measured temperature at the temperature measuring point. Such differences may arise, for example, from the only approximately possible determination of the current power loss input and cause a progressive deviation between the actual and calculated junction temperature.

Aus der Literatur sind weitere Lösungen zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters bekannt, die auf der Kenntnis der thermischen Abhängigkeit von physikalischen Parameter des zu überwachenden Bauteils beruhen. Beispielsweise ist aus der DE 10 2010 000 875 A1 eine Lösung bekannt, bei der durch Einprägen eines definierten Messstromes in einen leitend angesteuerten Leistungstransistor der Spannungsabfall über dem Laststrompfad des Leistungstransistors bestimmt und dieser Spannungsabfall anhand einer zuvor bestimmten Kalibrierkurve zur Ermittlung der Sperrschichttemperatur eingesetzt wird. Diese und ähnlichen Lösungen, bekannt beispielsweise aus der DE 10 2008 063 806 A1 , weisen den gemeinsamen Nachteil auf, dass zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines zu überwachenden Leistungshalbleiters dessen Betrieb mindestens für einen Messzeitraum unterbrochen werden muss.From the literature further solutions for determining the junction temperature of a power semiconductor are known, which are based on the knowledge of the thermal dependence of physical parameters of the component to be monitored. For example, is from the DE 10 2010 000 875 A1 a solution is known in which determined by impressing a defined measuring current in a conductively controlled power transistor, the voltage drop across the load current path of the power transistor and this voltage drop is used on the basis of a previously determined calibration curve to determine the junction temperature. These and similar solutions, known for example from the DE 10 2008 063 806 A1 , have the common disadvantage that, for determining the junction temperature of a power semiconductor to be monitored, its operation must be interrupted for at least one measurement period.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters derart auszubilden, dass keine Temperaturmesseinrichtung innerhalb des den zu überwachenden Leistungshalbleiter beinhaltenden Gehäuses benutzt wird und Auswirkungen von sowohl Veränderungen des thermischen Widerstandes des kontrollierten Leistungshalbleiters als auch von Abweichungen zwischen theoretisch berechneter und gemessener Temperatur an der Temperaturmessstelle außerhalb des Gehäuses auf die aktuelle Höhe der zu bestimmenden Sperrschichttemperatur berücksichtigt werden. Das Verfahren soll insbesondere keine Unterbrechung des Betriebes des Leistungshalbleiters bedingen.The invention has for its object to form a method for determining the junction temperature of a power semiconductor such that no temperature measuring device is used within the housing containing the power semiconductors to be monitored and effects of both changes in the thermal resistance of the controlled power semiconductor and deviations between theoretically calculated and measured temperature at the temperature measuring point outside the housing to the current height of the junction temperature to be determined are taken into account. In particular, the method should not interrupt the operation of the power semiconductor.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die die lösungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise weiterbildenden Merkmale sind in den Unteransprüchen sowie in der Beschreibung unter Bezugnahme auf das Anwendungsbeispiel erläutert.The solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1. The solution according to the device advantageously further-forming features are explained in the subclaims and in the description with reference to the application example.

Lösungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass das thermische Übergangsverhalten zwischen der Sperrschicht und dem Bezugspotential, im Allgemeinen eine vergleichsweise einfach verfügbare Temperatur außerhalb des den zu überwachenden Leistungshalbleiter beinhaltenden Gehäuses, in Form eines Zustandsraummodells nachgebildet (1) und um einen Zustandsbeobachter erweitert wird (2).According to the invention, a method for determining the junction temperature of a power semiconductor with the features of the preamble of claim 1 is designed such that the thermal transition behavior between the barrier layer and the reference potential, generally a comparatively easily available temperature outside the housing containing the power semiconductor to be monitored, in shape a state space model ( 1 ) and extended by a condition observer ( 2 ).

Die lösungsgemäße Modellierung des thermische Übergangsverhaltens in Form eines Zustandsraummodells setzt für deren Anwendung keine spezielle Software voraus, wie dies beispielsweise bei einer allgemein üblichen Abbildung des thermischen Übergangsverhaltens in Form eines Netzwerkes miteinander verschalteter RC-Glieder der Fall ist. Darüber hinaus bietet der lösungsgemäße Einsatz eines Zustandsraummodells, im Gegensatz zu einer Darstellung als RC-Netzwerk, die Möglichkeit der Erweiterung um einen Zustandsbeobachter. Hierdurch wird der der Aufgabe zugrundeliegende Anspruch nach einer Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters mit Berücksichtigung der Auswirkungen von sowohl Veränderungen des thermischen Widerstandes des kontrollierten Leistungshalbleiters als auch von Abweichungen zwischen theoretisch berechneter und gemessener Temperatur an der als Bezugspotential dienenden Temperaturmessstelle auf die aktuelle Höhe der zu bestimmenden Sperrschichttemperatur erfüllt.The solution-based modeling of the thermal transient behavior in the form of a state space model requires no special software for their application, as is the case, for example, in a generally conventional mapping of the thermal transient response in the form of a network of interconnected RC elements. In addition, the solution according to the use of a state space model, in contrast to a presentation as RC network, the possibility of extension to a state observer. In this way, the object underlying the object is to determine the junction temperature of a power semiconductor with consideration of the effects of both changes in the thermal resistance of the controlled power semiconductor as well as deviations between theoretically calculated and measured temperature at the serving as a reference potential temperature measuring point to the current level to be determined Junction temperature met.

Die thermische Reaktion eines Leistungshalbleiters auf einen Verlustleistungseintrag, verursacht durch innere Stromwärmeverluste im Bauteil, kann als ein kontinuierliches zeitinvariantes System betrachtet werden. Bei Darstellung in Form eines Zustandsraummodells kann geschrieben werden: x . = A·x(t) + B·u(t), x(0) = x0 y(t) = C·x(t) + D·u(t). (1) The thermal response of a power semiconductor to a power dissipation caused by internal current heat losses in the device can be considered as a continuous time invariant system. When presented in the form of a state space model can be written: x. = A * x (t) + B * u (t), x (0) = x 0 y (t) = C * x (t) + D * u (t). (1)

Über die Systemmatrix A sowie die Steuermatrix B sind die Verkettungen der einzelnen Zustände, inbegriffen die Zugriffe über die Steuervariablen (Eingangsgrößen) u(t) darstellbar. Die Auswirkungen des Systems auf den Ausgang werden mit der Beobachtungsmatrix C beschrieben. Die Durchgangsmatrix D beschreibt die Durchgriffe des Systems, sie ist bei nicht sprungfähigen Systemen, wie dem hier betrachteten, Null. Die 1 zeigt die Beschreibung des Zustandsraummodells als Signalflussplan. Die Parameterbelegung des Matrizensystems, bestehend aus Systemmatrix A, Steuermatrix B und Beobachtungsmatrix C kann direkt aus den Parameter des zugrundeliegenden RC-Netzwerkes abgeleitet werden. Sie unterscheidet sich dahingehend, ob der Ausgangspunkt der Überführung in ein Zustandsraummodell ein RC-Netzwerk entweder in Foster- oder in Cauerform gewesen ist.The system matrix A and the control matrix B represent the links of the individual states, including the accesses via the control variables (input variables) u (t). The effects of the system on the output are described with the observation matrix C. The Pass-through matrix D describes the passages of the system, it is zero in non-jumpable systems such as the one considered here. The 1 shows the description of the state space model as a signal flow plan. The parameter assignment of the matrix system, consisting of system matrix A, control matrix B and observation matrix C can be derived directly from the parameters of the underlying RC network. It differs in whether the starting point for the transition to a state space model was an RC network in either Foster or Cauer form.

Die 2 zeigt die Erweiterung des Zustandsraummodells aus 1 um einen Zustandsraumbeobachter, hier in Form eines sogenannten Luenberger-Beobachters. Mit dieser Modellerweiterung ist es möglich, einen berechneten Systemzustand, hier die Temperatur außerhalb der Gehäuses Tc, mit einem messtechnisch erfassten Wert dieses Zustandes zu vergleichen. Durch Rückführung des Fehlers e, welcher der Differenz zwischen berechnetem und gemessenem Systemzustand entspricht, über die Rückführmatrix L ist eine Berücksichtigung der Auswirkungen von sowohl Veränderungen des thermischen Widerstandes des kontrollierten Leistungshalbleiters als auch von Abweichungen zwischen theoretisch berechneter und gemessener Temperatur an der Temperaturmessstelle außerhalb des Gehäuses auf die aktuelle Höhe der zu bestimmenden Sperrschichttemperatur gegeben. Die Wertebelegung der Rückführmatrix E wird anhand aus der Regelungstechnik bekannter Dimensionierungsregeln vorgenommen. Die Ausgabestelle der berechneten Sperrschichttemperatur ist in 2 mit Tj,B bezeichnet. Die berechnete Sperrschichttemperatur kann zur Erhöhung der Abbildungsgenauigkeit des aktuellen Verlustleistungseintrages in den zu überwachenden Leistungshalbleiter eingesetzt werden.The 2 shows the extension of the state space model 1 to a state space observer, here in the form of a so-called Luenberger observer. With this model extension, it is possible to compare a calculated system state, in this case the temperature outside the housing T c , with a metrologically recorded value of this state. By returning the error e, which corresponds to the difference between the calculated and measured system state, via the feedback matrix L, consideration is given to the effects of both changes in the thermal resistance of the controlled power semiconductor and deviations between theoretically calculated and measured temperature at the temperature measurement point outside the housing given to the current height of the junction temperature to be determined. The value assignment of the feedback matrix E is carried out on the basis of control engineering of known dimensioning rules. The output point of the calculated junction temperature is in 2 denoted by T j, B. The calculated junction temperature can be used to increase the imaging accuracy of the current power loss entry in the power semiconductor to be monitored.

Die 3 zeigt in Form von messtechnisch erfassten Zustandsverläufen beispielhaft eine Anwendung des entwickelten Verfahrens. Hierin bezeichnen

  • 1 – gemessener Übertragungsstrom eines Leistungshalbleiters während eines ersten Versuchs (Vergleichsmessung)
  • 2 – gemessener Übertragungsstrom eines Leistungshalbleiters während eines zweiten Versuchs (Erprobungsmessung)
  • 3 – berechnete Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters während eines ersten Versuchs (Vergleichsmessung)
  • 4 – berechnete Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters während eines zweiten Versuchs (Erprobungsmessung)
The 3 shows an example of an application of the developed method in the form of metrologically recorded state progressions. Denote here
  • 1 - measured transmission current of a power semiconductor during a first experiment (comparative measurement)
  • 2 - measured transmission current of a power semiconductor during a second experiment (test measurement)
  • 3 - calculated junction temperature of a power semiconductor during a first experiment (comparative measurement)
  • 4 - calculated junction temperature of a power semiconductor during a second experiment (test measurement)

Für einen ersten Versuch (Vergleichsmessung) wurde der Leistungshalbleiter mit einem konstanten Übertragungsstrom (1) beaufschlagt und der Verlauf der berechneten Sperrschichttemperatur (2) aufgezeichnet. Für einen zweiten Versuch (Erprobungsmessung) wurde der Leistungshalbleiter zunächst mit einem konstanten Übertragungsstrom (1) beaufschlagt und dieser bei Annäherung an eine obere Grenze der berechneten Sperrschichttemperatur, beispielsweise der durch den Hersteller zugelassenen oberen Betriebstemperatur des Leistungshalbleiters, dergestalt reduziert, dass die Sperrschichttemperatur keinen weiteren signifikanten Anstieg aufweist (4). Es ist ersichtlich, dass durch den Leistungshalbleiter zu Beginn der Erprobungsmessung ein im Vergleich zur Vergleichsmessung höherer Übertragungsstrom übertragen wird, welcher erst bei Annäherung an beispielsweise der durch den Hersteller zugelassenen oberen Betriebstemperatur des Leistungshalbleiters reduziert werden muss, um eine Zerstörung des Leistungshalbleiters durch thermische Überlastung zu verhindern. Im Praxiseinsatz könnte auf diese Weise beispielsweise die Energieübertragung zur Ladung oder Entladung eines elektrischen Energiespeichers beschleunigt werden.For a first experiment (comparative measurement), the power semiconductor was subjected to a constant transfer current (1) and the course of the calculated junction temperature (2) was recorded. For a second experiment (test measurement), the power semiconductor was first charged with a constant transfer current (1) and this is reduced when approaching an upper limit of the calculated junction temperature, for example, approved by the manufacturer upper operating temperature of the power semiconductor, such that the junction temperature no further significant increase (4). It can be seen that a higher transmission current is transmitted by the power semiconductor at the beginning of the test measurement, which must be reduced only when approaching, for example, the manufacturer's approved upper operating temperature of the power semiconductor to destruction of the power semiconductor by thermal overload prevent. In practice, for example, the energy transfer to charge or discharge an electrical energy storage could be accelerated in this way.

Nicht notwendigerweise ist es erforderlich, die hier beispielhaft beschriebene Erweiterung eines Zustandsraummodells in Form eines Luenberger-Beobachters vorzunehmen. Aus der Literatur sind weitere, davon abweichende, Möglichkeiten zur Ausbildung eines solchen Beobachters bekannt.It is not necessarily necessary to make the extension of a state space model in the form of a Luenberger observer described here by way of example. From the literature, other, deviating, ways to train such an observer are known.

Das lösungsgemäße Verfahren lässt sich nicht nur, wie vorstehend erläutert, zur Beschleunigung der Ladung oder Entladung eines elektrischen Energiespeichers einsetzen. Grundsätzlich kann das Verfahren zur präzisen Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters ohne Temperaturmesseinrichtung innerhalb des den zu überwachenden Leistungshalbleiter beinhaltenden Gehäuses eingesetzt werden, ohne den Betrieb des Leistungshalbleiters unterbrechen zu müssen.The solution according to the method can be used not only, as explained above, to accelerate the charge or discharge of an electrical energy storage. In principle, the method for the precise determination of the junction temperature of a power semiconductor without a temperature measuring device can be used within the housing containing the power semiconductor to be monitored, without having to interrupt the operation of the power semiconductor.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

AA
Systemmatrixmatrix
BB
Steuermatrixcontrol matrix
CC
Beobachtungsmatrixobservation matrix
LL
RückführmatrixFeedback matrix
ee
Fehler (Differenz zwischen Messung und Berechnung)Error (difference between measurement and calculation)
u(t)u (t)
Eingangsgrößenverlauf am Eingang des ZustandsraummodellsInput variable course at the entrance of the state space model
y(t)y (t)
Ausgangsgrößenverlauf am Ausgang des Zustandsraummodells 1/s IntegratorOutput variable course at the output of the state space model 1 / s integrator
Pw(t)P w (t)
Verlauf des Verlustleistungseintrags in den Leistungshalbleiter (W)Course of the power loss entry in the power semiconductor (W)
Ta T a
Umgebungstemperatur (°C)Ambient temperature (° C)
Tc T c
Temperatur an der Messstelle außerhalb des Gehäuses (°C)Temperature at the measuring point outside the housing (° C)
Tj,B T j, B
berechnete Sperrschichttemperatur (°C)calculated junction temperature (° C)

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 19513619 C1 [0002] DE 19513619 C1 [0002]
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  • WO 94/21020 A1 [0002] WO 94/21020 A1 [0002]
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  • DE 102010000875 A1 [0003] DE 102010000875 A1 [0003]
  • DE 102008063806 A1 [0003] DE 102008063806 A1 [0003]

Claims (9)

Verfahren zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines in einem schützenden Gehäuse eingebrachten Leistungshalbleiters dadurch gekennzeichnet, a) dass die thermische Reaktion des Leistungshalbleiters auf einen Verlustleistungseintrag zwischen der Sperrschicht und dem Bezugspotential in Form eines Zustandsraummodells nachgebildet ist und b) dieses Zustandsraummodell um einen Zustandsbeobachter erweitert ist, mit dem die Differenz zwischen gemessener und berechneter Temperatur des Bezugspotentials erfasst und in die Berechnung der Sperrschichttemperatur einbezogen wird.A method for determining the junction temperature of a power semiconductor inserted in a protective housing, characterized in that a) that the thermal response of the power semiconductor is modeled on a loss of power between the junction and the reference potential in the form of a state space model and b) this state space model is extended by a state observer the difference between the measured and calculated temperature of the reference potential is detected and included in the calculation of the junction temperature. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsbeobachter ein aus der Regelungstechnik bekannter Zustandsbeobachtertyp, beispielsweise ein Luenberger-Beobachter, eingesetzt wird.A method according to claim 1, characterized in that is used as a state observer known from control technology state observer type, for example, a Luenberger observer. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Sperrschichttemperatur zur Erhöhung der Abbildungsgenauigkeit des aktuellen Verlustleistungseintrages in den zu überwachenden Leistungshalbleiter eingesetzt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the calculated junction temperature is used to increase the imaging accuracy of the current power loss entry in the power semiconductor to be monitored. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Sperrschichttemperatur parallel für mindestens zwei, in einem gemeinsamen Gehäuse eingebrachte Leistungshalbleiter, ausgeführt wird.Method according to Claim 1, 2 or 3, characterized in that the determination of the junction temperature is carried out in parallel for at least two power semiconductors introduced in a common housing. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Sperrschichttemperatur parallel für mindestens zwei Leistungshalbleiter ausgeführt wird, die in unterschiedlichen Gehäusen eingebracht sind.A method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the determination of the junction temperature is carried out in parallel for at least two power semiconductors, which are incorporated in different housings. Verfahren zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters dadurch gekennzeichnet, a) dass die thermische Reaktion des Leistungshalbleiters auf einen Verlustleistungseintrag zwischen der Sperrschicht und dem Bezugspotential in Form eines Zustandsraummodells nachgebildet ist und b) dieses Zustandsraummodell um einen Zustandsbeobachter erweitert ist, mit dem die Differenz zwischen gemessener und berechneter Temperatur des Bezugspotentials erfasst und in die Berechnung der Sperrschichttemperatur einbezogen wird.A method for determining the junction temperature of a power semiconductor, characterized in a) that the thermal response of the power semiconductor is modeled on a loss of power between the junction and the reference potential in the form of a state space model and b) this state space model is extended by a state observer, with the difference between measured and calculated temperature of the reference potential and included in the calculation of the junction temperature. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsbeobachter ein aus der Regelungstechnik bekannter Zustandsbeobachtertyp, beispielsweise ein Luenberger-Beobachter, eingesetzt wird.A method according to claim 6, characterized in that is used as a state observer known from control technology state observer type, for example, a Luenberger observer. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Sperrschichttemperatur zur Erhöhung der Abbildungsgenauigkeit des aktuellen Verlustleistungseintrages in den zu überwachenden Leistungshalbleiter eingesetzt wird.A method according to claim 6 or 7, characterized in that the calculated junction temperature is used to increase the imaging accuracy of the current power loss entry in the power semiconductor to be monitored. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Sperrschichttemperatur parallel für mindestens zwei Leistungshalbleiter ausgeführt wird.A method according to claim 6, 7 or 8, characterized in that the determination of the junction temperature is carried out in parallel for at least two power semiconductors.
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