DE19920505B4 - Inverter with temperature balancing - Google Patents

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Abstract

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 Temperaturdifferenzen widerspiegelnden Signale an eine Korrekturschaltung der Gateansteuerung weitergeleitet werden, so daß die Ansteuerung jedes einzelnen Leistungsschalters zum Egalisieren der Temperatur in allen geometrisch verschieden positionierten Schaltungsteilen führt.Converters made up of subsystems or DCB ceramics connected in parallel with circuit breakers, in particular MOSFET or IGBT, or circuit breakers connected in parallel on each of the DCB ceramics connected in parallel, characterized in that temperature sensors are present in each chip of the circuit breaker or on each circuit breaker or in each subsystem or on Each DCB ceramic temperature sensor is installed, which continuously measure the temperature when the converter is in operation, the measured values are queried by an evaluator and processed into signals, and these signals, which reflect the temperature differences, are passed on to a correction circuit of the gate control, so that the control of each individual circuit breaker to equalize the temperature in all geometrically differently positioned circuit parts.

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Figure 00000001

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.The invention describes a converter the features of the preamble of claim 1. converter several times from literature by describing their structure and their Known mode of action. In terms of your overload protection with overload protection devices become younger Time increased Efforts are made to avoid an unwanted spontaneous and premature Destruction too avoid.

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.The prior publications assignable to the prior art restrict mainly on the improvement of the short-circuit resistance of circuit breakers or detecting short circuits and their time-minimized switch-off times. It is always from the current / voltage behavior of the individual circuit breaker.

Die US 5,115,388 offenbart einen Umrichter aufgebaut aus parallel geschalteten Subsystemen mit Leistungsschaltern, wobei in jedem Subsystem Temperatursensoren eingebaut sind, die bei Betrieb des Umrichters kontinuierlich die Temperatur messen, und wobei die Messwerte von einem Bewerter abgefragt und zu Signalen verarbeitet werden.The US 5,115,388 discloses a converter constructed from subsystems connected in parallel with circuit breakers, temperature sensors being built into each subsystem, which continuously measure the temperature when the converter is in operation, and the measured values being queried by an evaluator and processed into signals.

Die US 5068,777 offenbart einen Umrichter, der ebenso aus drei parallel geschalteten Subsystemen aufgebaut ist. Hier wird jedoch nur ein einziger Temperatursensor für alle Subsysteme eingesetzt. Die damit gemessene Temperatur wird mit einer wählbaren Zieltemperatur verglichen. Entsprechend diesem Vergleich wird die Frequenz eines Dreiecksignals verändert. Diese Dreiecksignal dient anschließend zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignal für die Leistungsschalter, wobei eine Frequenzänderung des Dreiecksignals zu einer Frequenzänderung des Ansteuersignals führt.The US 5068,777 discloses an inverter which is also constructed from three subsystems connected in parallel. However, only a single temperature sensor is used here for all subsystems. The temperature measured in this way is compared with a selectable target temperature. According to this comparison, the frequency of a triangular signal is changed. This triangular signal is then used to generate a pulse-width-modulated control signal for the circuit breakers, a change in frequency of the triangular signal resulting in a change in frequency of the control signal.

Die US 5,543,632 offenbart eine Schaltungsvorrichtung, die aus parallel geschalteten Leistungsschaltern aufgebaut ist, wobei an jedem Leistungsschalter Temperatursensoren in Form mehrerer Pilottransistoren eingebaut sind. Mit diesen Sensoren wird allerdings die Temperatur nur indirekt gemessen.The US 5,543,632 discloses a circuit device which is constructed from circuit breakers connected in parallel, temperature sensors in the form of a plurality of pilot transistors being installed on each circuit breaker. With these sensors, however, the temperature is only measured indirectly.

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.In DE 44 10 978 A1 A method and a circuit for improving the short-circuit strength of a bipolar IGBT are presented as examples. The current flow in the event of a short circuit is limited by incorporating a MOSFET in the gate drive circuit.

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. DE 196 30 697 A1 describes an overcurrent monitoring for power semiconductor switches, which has a dynamic evaluation of possible faulty controls of the gate supply, here a circuit arrangement can be protected against destruction by premature switching off.

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.The complexity of use that has now been achieved of power semiconductor switches and the variety of use this field of knowledge opens up as an object in circuit arrangements inventive solutions through ever-increasing penetration into this matter.

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.So are the active ones in converters Power semiconductor components, such as circuit breakers and / or free-wheeling diodes, but also the passive components themselves, such as resistors or Capacitors due to their dynamic properties, their Build-up on insulating ceramics with the associated connection techniques to the external connections whose integrated cooling systems or also the controls in the circuit arrangements subject the descriptive explanations. In any case, with each new publication the further development of circuit arrangements by optimizing the sub-areas mentioned and the increase accounted for the service life.

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.In an early registration, the DE 198 24 064 As an example, a circuit arrangement with map-oriented overload evaluation is presented, in which the detection and evaluation of the chip temperature (ϑ J ) is shown as the current junction temperature of the semiconductor component, which is of crucial importance for the functional functioning of the overload protection.

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 möglichen Stromflusses in Durchlaßrichtung zu immer größeren Werten führt. Das hat zur Folge, daß der absolute Wert der Verlustwärme pro Flächeneinheit der Umrichterkühlung erhöht wird.It needs to understand the task continue to be shown that the use of modern circuit breakers leads in the form of IGBT and MOSFET to faster and faster switching converters and the burden regarding the dielectric strength and the possible current flow in the forward direction to ever larger values leads. As a result, the absolute value of the heat loss per unit area the inverter cooling elevated becomes.

In einer Dissertationsschrift von Hofer, Teile davon sind veröffentlicht in IEEE (Power Electronics Specialists Conference Pesc 96 in Baveno Italia, Page 1312 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.In a dissertation from Hofer, parts of it have been published in IEEE (Power Electronics Specialists Conference Pesc 96 in Baveno Italia, Page 1312 ff. Vol.2), it is shown that current asymmetries individual circuit breakers in parallel arrangements be eliminated in that the current flow in each individual circuit breaker is adjusted so far in partial steps, that power distribution error be balanced. However, this does not prevent a different one warming in individual cooling zones, because differences in the individual cooling areas result in different ones Temperature levels.

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.The present invention has been accomplished the task, temperatures directly at each power semiconductor switch or at least on each of the individual systems connected in parallel to record and evaluate.

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.The task is in Darge inverters set type solved by the measures of the characterizing part of claim 1, preferred further developments are described in the subclaims.

Die Brauchbarkeitsdauer eines leistungselektronischen Systems hängt in erster Linie von der Temperaturwechsellastbeständigkeit der Leistungsschalter ab. Das absolute Temperaturniveau ist jedoch nicht zu vernachlässigen.The useful life of a power electronic System hangs primarily from the thermal shock resistance the circuit breaker. However, the absolute temperature level is not to be neglected.

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.According to the state of the art usability forecasts based on defined load cycles calculated. In the case of circuit breakers connected in parallel, such calculations are based on the most unfavorable subsystems.

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.Depending on the cooling system (exemplary water or air cooling) and the intensity of the cooling medium circulation nevertheless differences in cooling performance in individual cooling regions of the to be cooled Converter available. The differences in the heat transfers to the cooling device and the edge or central position of individual circuit breakers on it in addition to the different "power dissipation" of individual circuit breakers different temperatures of individual chips or groups of chips (on DCB insulating ceramics assembled) or cooling device sub-districts.

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.The aim of the invention is the thermal conditions within a network of parallel connected systems of a circuit arrangement balance that all Subsystems are subjected to the same thermal load and thus the entire system higher Lifetime reached. Through the inventive measures the maximum load capacity is increased in the same way.

Auf der Grundlage der 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.On the basis of 1 the inventive idea is explained in more detail. On the cooling device ( 7 ) are excerpts from four DCB ceramics ( 1 ) placed. The DCB ceramics have a structured copper coating ( 2 . 3 ), on which various semiconductor components have mainly been applied by soldering technology. Only the power semiconductor components such as circuit breakers in the form of IGBT or MOSFET ( 4 . 5 . 6 ) worth considering.

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.If one neglects individual differences in the power loss of the individual circuit breakers, which is a gross error, it can still be seen that external components ( 4 ) can give off the resulting heat to larger surrounding areas than internal ones ( 6 ). The internal components ( 6 ) are disadvantaged in terms of heat emission options.

Bauelemente des Randbezirkes (4) sind auf einer Kupferfläche (2) mit größerem Umfang plaziert und haben mindestens an zwei Seiten keine Wärmequellen als Nachbarn. Einige Bauelemente (5) haben hingegen mehrere Wärmequellen in der Umgebung, während innenliegende Bauelemente (6) mindestens drei wärmespendende Quellen in Nachbarschaft aufweisen.Components of the outskirts ( 4 ) are on a copper surface ( 2 ) placed on a larger scale and have no heat sources as neighbors on at least two sides. Some components ( 5 ), however, have several heat sources in the area, while internal components ( 6 ) have at least three sources of heat in the neighborhood.

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.As a result, some components ( 6 ) in addition to their heat output, heating by their neighboring heat sources. The same considerations result for three DCB ceramics positioned next to one another ( 1 ). In such a construction, the middle ceramic will always receive heat from the two neighboring ceramics, even if one assumes that the "heat generation" is not exactly the same.

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.The inventive solution sees the positioning of heat sensors in or on any heat producing Circuit breakers or at least on or on each DCB ceramic in front. Those deduced from such sensors measured over temperature heat content are evaluated electronically and provide impulses for the temperature correction of the circuit breakers (or for the DCB ceramics) processed. Such impulses are exemplary as gate control signals to the relevant circuit breakers directed.

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.An impulse changes the Switch-on time of the relevant circuit breaker by 20 ns, this means, the duty cycle is reduced or increased by this 20 ns. By The working phase thus regulated will change the temperature in the measured Change positions, which in turn is continuously queried and evaluated.

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 Überwachung der höchstmöglichen Temperatur des gesamten Umrichters ist gleichzeitig hierdurch gewährleistet, wie das im genannten Stand der Technik bereits beschrieben worden ist.Reducing the duty cycle the hottest Positions (either circuit breaker or DCB ceramic) and / or the lengthening the duty cycle of the coldest Positions are repeated until the temperatures of all Aligned sub-areas of the converter. The supervision the highest possible The temperature of the entire converter is guaranteed at the same time, as has already been described in the prior art mentioned is.

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.Below the performance limit of the Overall system (measured by the highest possible Working temperature) is due to the inventive throttling of individuals Circuit breaker does not affect the overall performance of the converter because the Total current over the controller can be readjusted according to the total current signal can. Only a redistribution of the power losses becomes inventive to the circuit breakers or groups of Circuit breakers (DCB ceramics) taking thermal Conditions.

Claims (7)

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 Temperaturdifferenzen widerspiegelnden Signale an eine Korrekturschaltung der Gateansteuerung weitergeleitet werden, so daß die Ansteuerung jedes einzelnen Leistungsschalters zum Egalisieren der Temperatur in allen geometrisch verschieden positionierten Schaltungsteilen führt.Converters made up of subsystems or DCB ceramics connected in parallel with circuit breakers, in particular MOSFET or IGBT or Circuit breakers connected in parallel on each of the DCB ceramics connected in parallel, characterized in that temperature sensors are present in each chip of the circuit breaker or temperature sensors are installed on each circuit breaker or in each subsystem or on each DCB ceramic, which continuously measure the temperature during operation of the converter , the measured values are queried by an evaluator and processed into signals and these signals reflecting the temperature differences are forwarded to a correction circuit of the gate control, so that the control of each individual circuit breaker leads to equalization of the temperature in all geometrically differently positioned circuit parts. 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.Converter according to claim 1, characterized in that the Signals passed to the driver circuit of the circuit breaker and to correct the duty cycle of the individual circuit breakers is used. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenzen einzelner der parallel geschalteten Einzelsysteme zu einer vorgegebenen Temperatur durch Variieren der Einschaltdauer ausgeglichen werden.Converter according to claim 1, characterized in that the Temperature differences of individual of the individual systems connected in parallel to a given temperature by varying the duty cycle be balanced. 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.Converter according to claim 3, characterized in that when exceeded the specified temperature is a reduction in the duty cycle by steps from 20 ns until the excess is eliminated. 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.Converter according to claim 3, characterized in that at If the temperature falls below the specified value, an extension the duty cycle in steps of 20 ns until the temperature rises to the default value. 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.Converter according to one of the preceding claims, characterized characterized that the Temperature differences of individual subsystems connected in parallel or circuit breaker by changing the state losses be adjusted in the form of the variation of the gate voltage supply. Umrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation der Gatespannungsversorgung Werte von 12 bis 18 Volt beinhaltet.Converter according to claim 6, characterized in that the Variation of the gate voltage supply includes values from 12 to 18 volts.
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