DE19920505A1 - Umrichter mit Temperatursymmetrierung - Google Patents
Umrichter mit TemperatursymmetrierungInfo
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Abstract
Die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Umrichtern wird wesentlich durch die höchste partiell erreichte Temperatur des "schwächsten Gliedes" aus der Gesamtheit aller Leistungsschalter bei parallel geschalteten Anordnungen bestimmt. DOLLAR A Die Erfindung beschreibt Umrichter mit Temperatursymmetrierung, bestehend aus parallel geschalteten Subsystemen oder DCB-Keramiken mit Leistungsschaltern insbesondere MOSFET oder IGBT oder aus solchen parallel geschalteten Leistungsschaltern. Auf oder an jedem der parallel geschalteten Schaltungsteilen sind Temperatursensoren vorhanden, die bei Betrieb des Umrichters kontinuierlich die Temperaturwerte erheben, diese Meßwerte werden von einem Bewerter abgefragt und verarbeitet und zur Korrektur der Gateansteuerung weitergeleitet, so daß die Ansteuerung jedes einzelnen Leistungsschalters zur Angleichung der Temperatur in allen Schaltungsteilen führt.
Description
Die Erfindung beschreibt einen Umrichter nach den Merkmalen des Oberbegriffes des
Anspruches 1. Umrichter sind mehrfach aus der Literatur durch Beschreiben ihres Aufbaus und
ihrer Wirkungsweise bekannt. Bezüglich ihres Überlastschutzes mit
Überlastschutzeinrichtungen werden in jüngerer Zeit erhöhte Anstrengungen unternommen, um
eine ungewollte spontane und vorzeitige Zerstörung zu vermeiden.
Die dem Stand der Technik zuordenbaren Vorveröffentlichungen beschränken sich
hauptsächlich auf die Verbesserung der Kurzschlußbeständigkeit von Leistungsschaltern oder
dem Erkennen von Kurzschlüssen und deren zeitlich minimierten Abschaltzeitabläufen. Dabei
wird immer von dem Strom-/Spannungsverhalten des einzelnen Leistungsschalters
ausgegangen.
In DE 44 10 978 A1 wird beispielhaft ein Verfahren und eine dazu vorgestellte Schaltung zur
Verbesserung der Kurzschlußfestigkeit eines bipolaren IGBT vorgestellt. Durch Einbinden
eines MOSFET in den Gate-Ansteuerkreis wird der Stromfluß im Kurzschlußfall begrenzt.
DE 196 30 697 A1 beschreibt eine Überstromüberwachung für Leistungshalbleiterschalter, die
über eine dynamische Bewertung von möglichen Fehlansteuerungen der Gateversorgung
verfügt, hier kann eine Schaltungsanordnung durch vorzeitiges Abschalten vor Zerstörung
geschützt werden.
Die zwischenzeitlich erlangte Komplexität der Verwendung von Leistungshalbleiterschaltern
und die Vielfalt des Einsatzes in Schaltungsanordnungen erschließt dieses Wissensfeld als
Gegenstand erfinderischer Lösungen durch immer weitergehendes Eindringen in diese Materie.
So sind in Umrichtern die aktiven Leistungshalbleiterbauelemente, wie Leistungsschalter
und/oder Freilaufdioden, aber auch die passiven Bauelemente selbst, wie Widerstände oder
Kondensatoren bedingt durch deren dynamischen Eigenschaften, deren Aufbauten auf
Isolierkeramiken mit den dazugehörenden Verbindungstechniken zu den äußeren Anschlüssen,
deren integrierten Kühlsystemen oder auch die Ansteuerungen in den Schaltungsanordnungen
Gegenstand der beschreibenden Erklärungen. In jedem Falle wird durch jede neue
Veröffentlichung der weiteren Entwicklung von Schaltungsanordnungen durch Optimieren der
genannten Teilfachgebiete und der Erhöhung der Lebensdauer Rechnung getragen.
In einer vorzeitigen Anmeldung, der DE 198 24 064 wird beispielhaft eine
Schaltungsanordnung mit kennfeldorientierter Überlastbewertung vorgestellt, bei der die
Erfassung und Bewertung der Chiptemperatur (ϑJ) als aktuelle Sperrschichttemperatur des
Halbleiterbauelementes, als für ein funktionstüchtiges Arbeiten des Überlastschutzes von
entscheidender Bedeutung, dargestellt wird.
Es muß zum Verständnis der Aufgabenstellung weiterhin dargestellt werden, daß der Einsatz
moderner Leistungsschalter in Form von IGBT und MOSFET zu immer schneller taktenden
Umrichtern führt und die Belastung bezüglich der Spannungsfestigkeit und des möglichem
Stromflusses in Durchlaßrichtung zu immer größeren Werten führt. Das hat zur Folge, daß der
absolute Wert der Verlustwärme pro Flächeneinheit der Umrichterkühlung erhöht wird.
In einer Dissertationsschrift von Hofer, Teile davon sind veröffentlicht in IEEE (Power
Electronics Specialists Conference Pesc 96 in Baveno Italia, Page 131 ff Vol.2), wird
dargestellt, daß Stromunsymmetrien einzelner Leistungsschalter in parallelgeschalteten
Anordnungen dadurch beseitigt werden, daß die Stromflußdauer in jedem einzelnen
Leistungsschalter in Teilschritten so weit angeglichen wird, daß Stromverteilungsfehler
ausgeglichen werden. Das verhindert jedoch nicht eine unterschiedliche Erwärmung in
einzelnen Kühlzonen, denn durch Unterschiede in den einzelnen Kühlbezirken ergeben sich
unterschiedliche Temperaturniveaus.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Temperaturen direkt an jedem
Leistungshalbleiterschalter oder mindestens an jedem der parallel geschalteten Einzelsysteme
zu erfassen und zu bewerten.
Die Aufgabe wird bei Umrichtern der dargestellten Art durch die Maßnahmen des
kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst, bevorzugte Weiterbildungen werden in den
Unteransprüchen beschrieben.
Die Brauchbarkeitsdauer eines leistungselektronischen Systems hängt in erster Linie von der
Temperaturwechsellastbeständigkeit der Leistungsschalter ab. Das absoluter Temperaturniveau
ist jedoch nicht zu vernachlässigen.
Dem Stand der Technik entsprechend werden Brauchbarkeitsvorhersagen auf der Grundlage
definierter Lastspiele berechnet. Bei parallel geschalteten Leistungsschaltern wird bei solchen
Berechnungen von den thermisch ungünstigsten Teilsystemen ausgegangen.
Abhängig von dem Kühlsystem (beispielhaft Wasser- oder Luftkühlung) und der Intensität der
Kühlmedienumwälzung sind dennoch Unterschiede der Kühlleistung in einzelnen Kühlregionen
des zu kühlenden Umrichters vorhanden. Die Unterschiede in den Wärmeübergängen zu der
Kühleinrichtung und die Rand- bzw. Zentrallage einzelner Leistungsschalter darauf bewirken
neben dem unterschiedlichen "Verlustleistungsangebot" einzelner Leistungsschalter
unterschiedliche Temperaturen einzelner Chips oder Gruppen von Chips (auf DCB-
Isolierkeramiken montiert) oder Kühleinrichtungsteilbezirke.
Die Erfindung setzt sich das Ziel, die thermischen Verhältnisse innerhalb eines Verbundes
parallel geschalteter Systeme einer Schaltungsanordnung so auszugleichen, daß alle
Teilsysteme thermisch gleich belastet werden und damit das Gesamtsystem eine höhere
Lebensdauer erreicht. Durch die erfinderischen Maßnahmen wird in gleicher Weise die
maximale Belastbarkeit erhöht.
Auf der Grundlage der Fig. 1 wird die erfinderische Idee näher erläutert. Auf der
Kühleinrichtung (7) sind auszugsweise vier DCB-Keramiken (1) plaziert. Die DCB-
Keramiken besitzen einen strukturierten Kupferbelag (2, 3), auf dem verschiedene
Halbleiterbauelemente hauptsächlich löttechnisch aufgebracht worden sind. Für die
Betrachtung sind hier nur die Leistungshalbleiterbauelemente wie Leistungsschalter in Form
von IGBT oder MOSFET (4, 5, 6) betrachtenswert.
Vernachlässigt man individuelle Unterschiede in der Verlustleistung der einzelnen
Leistungsschalter, was einen groben Fehler darstellt, dann ist immer noch zu erkennen, daß
außenliegende Bauelemente (4) die entstehende Wärme an größere Umgebungsflächen
abgeben können, als innenliegende (6). Die innenliegenden Bauelemente (6) sind benachteiligt
in Bezug auf die Wärmeabgabemöglichkeiten.
Bauelemente des Randbezirkes (4) sind auf einer Kupferfläche (2) mit größerem Umfang
plaziert und haben mindestens an zwei Seiten keine Wärmequellen als Nachbarn. Einige Bau
elemente (5) haben hingegen mehrere Wärmequellen in der Umgebung, während innenliegende
Bauelemente (6) mindestens drei wärmespendende Quellen in Nachbarschaft aufweisen.
Folglich erhalten einige Bauelemente (6) zusätzlich zu ihrer Wärmeleistung noch eine
Erwärmung durch ihre Nachbarwärmequellen. Gleiche Betrachtungen ergeben sich bei drei
nebeneinander positionierten DCB-Keramiken (1). In solch einem Aufbau wird die mittlere
Keramik immer Wärme der beiden benachbarten Keramiken erhalten, auch dann wenn man von
einer nicht exakten Annahme eines gleich großen "Wärmeaufkommens" ausgeht.
Die erfinderische Lösung sieht das Positionieren von Wärmesensoren in oder an jedem Wärme
produzierenden Leistungsschalter oder mindestens auf oder an jeder DCB-Keramik vor. Die
von solchen Sensoren deduzierten über der Temperatur gemessenen Wärmeinhalte werden
elektronisch bewertet und zu Impulsen für die Temperaturkorrektur der Leistungsschalter
(bzw. für die DCB-Keramiken) verarbeitet. Solche Impulse werden beispielhaft als
Gateansteuerungssignale zu den betreffenden Leistungsschaltern geleitet.
Ein Impuls bewirkt ein Verändern des Einschaltzeitpunktes der betreffenden Leistungsschalter
um 20 ns, das heißt, die Einschaltdauer wird um eben diese 20 ns verringert oder vergrößert.
Durch die so regulierte Arbeitsphase wird sich die Temperatur in den gemessenen Positionen
verändern, was wiederum kontinuierlich abgefragt und bewertet wird.
Das Verringern der Einschaltdauer der heißesten Positionen (entweder Leistungsschalter oder
DCB-Keramik) und/oder das Verlängern der Einschaltdauer der kältesten Positionen wird so
lange wiederholt, bis sich die Temperaturen aller Teilbezirke des Umrichters angeglichen
haben. Die Uberwachung der höchstmöglichen Temperatur des gesamten Umrichters ist
gleichzeitig hierdurch gewährleistet, wie das im genannten Stand der Technik bereits
beschrieben worden ist.
Unterhalb der Leistungsgrenze des Gesamtsystems (gemessen an der höchstmöglichen
Arbeitstemperatur) wird durch die erfinderische Drosselung einzelner Leistungsschalter die
Gesamtleistung des Umrichters nicht beeinflußt, da der Gesamtstrom über den Controller
entsprechend dem Summenstromsignal nachgeregelt werden kann. Erfinderisch wird lediglich
eine Umverteilung der Verlustleistungen auf die parallel geschalteten Leistungsschalter oder
Gruppen von Leistungsschaltern (DCB-Keramiken) unter Beachtung der thermischen
Gegebenheiten vorgenommen.
Claims (7)
1. Umrichter aufgebaut aus parallel geschalteten Subsystemen oder DCB-Keramiken mit
Leistungsschaltern insbesondere MOSFET oder IGBT oder parallel geschalteten
Leistungsschaltern auf jeder der parallel geschalteten DCB-Keramiken
dadurch gekennzeichnet, daß
in jedem Chip der Leistungsschalter Temperatursensoren vorhanden sind oder an jedem
Leistungsschalter oder in jedem Subsystem oder an jeder DCB-Keramik Temperatursensoren
eingebaut sind, die bei Betrieb des Umrichters kontinuierlich die Temperatur messen, die
Meßwerte von einem Bewerter abgefragt und zu Signalen verarbeitet werden und diese die
Temperaturdiffenzen widerspiegelnden Signale an die Korrekturschaltung der Gateansteuerung
weitergeleitet werden, so daß die Ansteuerung jedes einzelnen Leistungsschalters zum
Egalisieren der Temperatur in allen geometrisch verschieden positionierten Schaltungsteilen
führt.
2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Signale an die Treiberschaltung der Leistungsschalter weitergeleitet werden und von
dieser zur Korrektur der Einschaltdauer der einzelnen Leistungsschalter verwendet wird.
3. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperaturdifferenzen einzelner der parallel geschalteten Einzelsysteme zu der
vorgegebenen Temperatur durch Variieren der Einschaltdauer ausgeglichen werden.
4. Umrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
bei Überschreiten der vorgegebenen Temperatur eine Verkürzung der Einschaltdauer um
Schritte von 20 ns bis zur Beseitigung der Überschreitung vorgenommen wird.
5. Umrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
bei Unterschreiten der vorgegebenen Temperatur eine Verlängerung der Einschaltdauer um
Schritte von 20 ns bis zur Anhebung der Temperatur auf den Vorgabewert vorgenommen
wird.
6. Umrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperaturdifferenzen einzelner der parallel geschalteten Subsysteme oder
Leistungsschalter durch Verändern der Durchlaßverluste in Form der Variation der
Gatespannungsversorgung angeglichen werden.
7. Umrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Variation der Gatespannungsversorgung Werte von 12 bis 18 Volt beinhaltet.
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