WO2020001679A1 - Verfahren zur bestimmung einer lebensdauer eines halbleiterleistungsmoduls - Google Patents

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    • G—PHYSICS
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    • G01R31/2603—Apparatus or methods therefor for curve tracing of semiconductor characteristics, e.g. on oscilloscope

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a service life of a semiconductor power module, which drives an electric motor in a drive train of a vehicle, a temperature of the semiconductor power module being determined by means of a temperature model.
  • a method for determining a temperature of a power and control electronics of an electric drive system is known, the drive system preferably comprising an electric motor.
  • the at least one temperature of the power and control electronics is derived from a model corresponding to the thermal system structure of the power and control electronics concentrated temperature parameters calculated. Since the thermal capacities and resistances in the model are considered to be constant over the entire service life of the power and control electronics, it cannot be predicted when the semiconductor power modules will have to be replaced if they have become inoperative.
  • the invention is based on the object of specifying a method for determining the service life of a semiconductor power module, in which the point in time at which the power semiconductor module is replaced can be determined in perspective.
  • the object is achieved in that a measured temperature of the semiconductor power module is compared with the temperature of the semiconductor power model determined by means of the temperature model, and a conclusion is drawn from the comparison of the two temperatures about a status of the life of the semiconductor power module.
  • the status of the service life is thus determined using the existing temperature sensor.
  • the sole additional use of a temperature sensor enables the status of the service life of the power semiconductor module to be achieved with only a small technical structure. Knowing the service life status represents a great potential for cost savings, where the service life of the semiconductor power modules can be practically fully exploited. At the same time, necessary repairs can be scheduled in a targeted manner, since the exchange of the semiconductor power module can be predetermined.
  • a difference is advantageously formed from the measured temperature and the temperature determined by means of the temperature model, which is used as information about the status of the service life. Since the temperature, which is determined by means of the temperature sensor, changes over the service life as a result of the fact that the electrical and thermal properties of the semiconductor power module change, a cost-effective statement about the service life of the semiconductor power module is possible by means of the difference.
  • the difference corresponds to a thermal resistance between the semiconductor power module and a reference variable of the semiconductor power module, the change in which is used to assess the status of the service life.
  • the characteristic of the thermal resistance between the power semiconductor and the reference represents an important technical characteristic of the semiconductor power module and is therefore particularly suitable for determining the status of the service life.
  • a coolant temperature of the semiconductor power module is used as the reference variable.
  • this coolant since this coolant has a constant temperature, the thermal resistance of the semiconductor power module can be determined particularly reliably.
  • the temperature model is based on an unchangeable thermal output state of the semiconductor power module, the measured temperature of the semiconductor power module being determined during operation of the vehicle in the installed state in the drive train. Since only the measured temperature changes over the service life, reliable conclusions can be drawn about the thermal resistance of the semiconductor power module.
  • the temperature model describes heat sources, heat sinks, heat resistances and heat capacities of the power semiconductor module. Many diverse influences are thus taken into account when determining the temperature of the semiconductor power module via the temperature model.
  • a thermal relationship within the semiconductor power module and a change in the thermal resistance of the semiconductor module over the service life during a qualification of the semiconductor power module are determined by measurement and used as the basis for evaluating the status of the service life of the semiconductor power module before use in the vehicle. Thanks to the anticipatory Averaging of the thermal relationship and the thermal resistance can be created, which can be compared with the evaluation of the current state of the semiconductor power module during operation of the drive train, from which the current status of the life of the power semiconductor module in operation can be deduced.
  • Fig. 3 shows a simulation of the status of the power semiconductor module between the delivery state and at the end of its life.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a temperature model of a semiconductor power module, by means of which the thermal impedance of the power semiconductor module is illustrated.
  • This power semiconductor module consists of heat sources and heat sinks.
  • a path A of the semiconductor power module is shown, which, like path B, which reflects the temperature output by the temperature sensor, shows temp coolant to the coolant temperature.
  • the path A of the semiconductor power module has a heat loss Ploss power semiconductor of the semiconductor power module, which influences the thermal resistance of the power semiconductor.
  • path B which indicates the temperature of the temperature sensor, shows a self-heating ploss sensor of the temperature sensor as a heat source.
  • Paths A and B are coupled via a thermal resistance Rth coupling, which is followed in series by a thermal capacity Cth power semiconductor of the power semiconductor module.
  • the two paths A and B end in a path C, in which the thermal resistance Rth coolant is provided for the coolant connection, which ends in the coolant temperature temp coolant as a reference parameter.
  • the temperature of the semiconductor power determined by means of the temperature model 100 in FIG. tion module which describes the delivery state of the semiconductor power module before installation in the vehicle and is used unchanged over the life of the semiconductor power module, fed to a comparator 110.
  • a temperature sensor on the semiconductor power module installed in the drive train measures the actual temperature of the semiconductor power module in block 120 and leads this to both the temperature model in block 100 and the comparator in block 110.
  • the temperature of the semiconductor power module supplied to the comparator 110 from the temperature model in block 100 thus changes only on the basis of the influence of the temperature actually measured on the power semiconductor module.
  • the comparator 110 forms a difference from the measured temperature and the temperature determined by the temperature model (block 130).
  • the measured temperature represents the actual temperature and the temperature determined using the temperature model represents the target temperature.
  • the difference between these two temperatures corresponds to the deterioration of the thermal resistance of the semiconductor power module to the coolant and thus the aging of the semiconductor power module, since the electrical and thermal properties change over the service life of the semiconductor power module deteriorate.
  • FIG 3 shows an exemplary embodiment for a simulation of the proposed method according to the invention.
  • the temperature T is shown over time t.
  • Curve D represents the temperature of the coolant, which is constantly regulated.
  • Curve E shows the temperature of the temperature sensor in the delivery state of the power semiconductor module and curve F shows the temperature of the temperature sensor at the end of the service life of the power semiconductor module.
  • the curves are approximately between 112 and 121 ° C.
  • the curve G illustrates the temperature of the semiconductor power module calculated by the temperature model in the delivery state, while the temperature curve I above it shows the temperature at the end of the life of the semiconductor power module. In both cases, similar temperature differences are determined, by means of which the aging state of the power semiconductors can be concluded.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Lebensdauer eines Halbleiterleistungsmoduls, welches einen Elektromotor in einem Antriebsstrang eines Fahrzeuges ansteuert, wobei eine Temperatur des Halbleiterleistungsmoduls mittels eines Temperaturmodells bestimmt wird. Bei einem Verfahren, bei welchem eine zuverlässige Bestimmung der Lebensdauer des Halbleiterleistungsmoduls möglich ist, wird eine gemessene Temperatur des Halbleiterleistungsmoduls mit der mittels des Temperaturmodells bestimmten Temperatur des Halbleiterleistungsmoduls verglichen und aus dem Vergleich der beiden Temperaturen auf einen Status der Lebensdauer des Halbleiterleistungsmoduls geschlossen wird.

Description

Verfahren zur Bestimmung einer Lebensdauer eines Halbleiterleistunqsmoduls
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Lebensdauer eines Halbleiterleis tungsmoduls, welches einen Elektromotor in einem Antriebsstrang eines Fahrzeuges ansteu ert, wobei eine Temperatur des Halbleiterleistungsmoduls mittels eines Temperaturmodells bestimmt wird.
Aus der DE 10 2014 216 310 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur einer Leistungs- und Ansteuerelektronik eines elektrischen Antriebssystems bekannt, wobei das An triebssystems vorzugsweise einen Elektromotor umfasst. Bei dem Verfahren, bei welchem nicht-messbare Temperaturen der thermisch relevanten elektronischen Komponenten der Leistungs- und Antriebselektronik einfach bestimmt werden können, wird die mindestens eine Temperatur der Leistungs- und Ansteuerelektronik aus einem, dem thermischen Systemauf bau der Leistungs- und Ansteuerelektronik entsprechenden Modell mit konzentrierten Tempe raturparametern berechnet. Da in dem Modell die thermischen Kapazitäten und Widerstände über die gesamte Lebensdauer der Leistungs- und Ansteuerelektronik als konstant betrachtet werden, kann nicht vorhergesehen werden, wann die Halbleiterleistungsmodule ausgetauscht werden müssen, wenn diese betriebsunfähig geworden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Lebensdauer eines Halbleiterleistungsmoduls anzugeben, bei welchem der Zeitpunkt des Austausches des Leistungshalbleitermoduls perspektivisch bestimmt werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine gemessene Temperatur des Halbleiterleistungsmoduls mit der mittels des Temperaturmodells bestimmten Temperatur des Halbleiterleistungsmodells verglichen wird und aus dem Vergleich der beiden Temperaturen auf einen Status der Lebensdauer des Halbleiterleistungsmoduls geschlossen wird. Der Sta tus der Lebensdauer wird somit mithilfe des vorhandenen Temperatursensors ermittelt. Durch die alleinige zusätzliche Verwendung eines Temperatursensors lässt sich der Status der Le bensdauer des Leistungshalbleitermoduls mit nur geringem technischen Aufbau realisieren. Die Kenntnis des Lebensdauerstatus stellt ein großes Potential an Kosteneinsparung dar, wo bei die Lebensdauer der Halbleiterleistungsmodule praktisch vollständig ausgenutzt werden kann. Gleichzeitig notwendige Instandsetzungen lassen sich gezielt terminieren, da der Aus tausch des Halbleiterleistungsmoduls vorausbestimmt werden kann. Vorteilhafterweise wird zum Vergleich eine Differenz aus der gemessenen Temperatur und der mittels des Temperaturmodells bestimmten Temperatur gebildet, welche als Information über den Status der Lebensdauer verwendet wird. Da sich die Temperatur, die mittels des Temperatursensors ermittelt wird, über die Lebensdauer infolge dessen verändert, dass sich die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Halbleiterleistungsmoduls verändern, ist mittels der Differenz eine kostengünstige Aussage über die Lebensdauer des Halbleiterleis tungsmoduls möglich.
In einer Ausgestaltung entspricht die Differenz einem thermischen Widerstand zwischen dem Halbleiterleistungsmodul und einer Referenzgröße des Halbleiterleistungsmoduls, dessen Veränderung zur Beurteilung des Status der Lebensdauer verwendet wird. Das Merkmal des thermischen Widerstandes zwischen dem Leistungshalbleiter und der Referenz stellt ein wich tiges technisches Merkmal des Halbleiterleistungsmoduls dar und ist daher für die Bestim mung des Status der Lebensdauer besonders geeignet.
In einer Ausführungsform wird als Referenzgröße eine Kühlmitteltemperatur des Halbleiterleis tungsmoduls verwendet. Da dieses Kühlmittel eine konstante Temperatur aufweist, lässt sich im Unterschied dazu der thermische Widerstand des Halbleiterleistungsmoduls besonders zu verlässig ermitteln.
In einer Variante wird dem Temperaturmodell ein unveränderbarer thermischer Ausgangszu stand des Halbleiterleistungsmoduls zugrunde gelegt, wobei die gemessene Temperatur des Halbleiterleistungsmoduls während des Betriebes des Fahrzeuges im eingebauten Zustand im Antriebsstrang ermittelt wird. Da sich über die Lebensdauer nur die gemessene Temperatur verändert, sind zuverlässige Rückschlüsse auf den thermischen Widerstand des Halbleiter leistungsmoduls möglich.
In einer Weiterbildung beschreibt das Temperaturmodell Wärmequellen, Wärmesenken, Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten des Leistungshalbleitermoduls. Somit werden viel fältige Einflüsse bei der Bestimmung der Temperatur des Halbleiterleistungsmoduls über das Temperaturmodell berücksichtigt.
In einer weiteren Ausgestaltung werden vor dem Einsatz im Fahrzeug ein thermischer Zu sammenhang innerhalb des Halbleiterleistungsmoduls und eine Veränderung des thermi schen Widerstandes des Halbleitermoduls über der Lebensdauer bei einer Qualifizierung des Halbleiterleistungsmoduls messtechnisch ermittelt und der Auswertung des Status der Le bensdauer des Halbleiterleistungsmoduls zugrunde gelegt. Durch die vorausschauende Er- mittlung des thermischen Zusammenhangs und des thermischen Widerstandes können Kenn linien erstellt werden, die bei der Auswertung dem aktuellen Zustand des Halbleiterleistungs moduls im Betrieb des Antriebsstranges gegenübergestellt werden können, woraus auf den aktuellen Status der Lebensdauer des im Betrieb befindlichen Leistungshalbleitermoduls ge schlossen werden kann.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Temperaturmodells eines Halbleiterleistungsmo duls,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 eine Simulation des Status des Leistungshalbleitermoduls zwischen dem Aus lieferungszustand und am Ende dessen Lebensdauer.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Temperaturmodells eines Halbleiterleistungsmoduls gezeigt, mittels welchem die thermische Impedanz des Leistungshalbleitermoduls verdeutlicht wird. Dieses Leistungshalbleitermodul besteht aus Wärmequellen und Wärmesenken. Dabei ist ein Pfad A des Halbleiterleistungsmoduls gezeigt, der genauso wie der Pfad B, welcher die von dem Temperatursensor ausgegebene Temperatur widergibt, zur Kühlmitteltemperatur Temp-Kühlmittel angezeigt. Der Pfad A des Halbleiterleistungsmoduls besitzt als Wärmequel le eine Verlustleistung Ploss-Leistungshalbeiter des Halbleiterleistungsmoduls, der den ther mischen Wärmewiderstand des Leistungshalbleiters beeinflusst. Demgegenüber ist im Pfad B, welcher die Temperatur des Temperatursensors anzeigt, eine Eigenerwärmung Ploss-Sensor des Temperatursensors als Wärmequelle dargestellt. Die Pfade A und B sind über einen Wärmewiderstand Rth-Kopplung gekoppelt, an welchen sich in Reihe eine Wärmekapazität Cth-Leistungshalbleiter des Leistungshalbleitermoduls anschließt. Die beiden Pfade A und B enden in einem Pfad C, in welchem der Wärmewiderstand Rth- Kühlmittel zur Kühlmittelan bindung vorgesehen ist, der in der Kühlmitteltemperatur Temp-Kühlmittel als Referenzpara meter endet.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dabei wird die mittels des Temperaturmodells 100 in Fig. 1 ermittelte Temperatur des Halbleiterleis- tungsmoduls, welches den Auslieferungszustand des Halbleiterleistungsmoduls vor dem Ein bau in das Fahrzeug beschreibt und über der Lebensdauer des Halbleiterleistungsmoduls unverändert genutzt wird, einem Vergleicher 110 zugeführt. Während des Betriebes des An triebsstranges des Fahrzeuges misst ein Temperatursensor an den im Antriebsstrang verbau ten Halbleiterleistungsmodul im Block 120 die tatsächliche Temperatur des Halbleiterleis tungsmoduls und führt diese sowohl dem Temperaturmodell im Block 100 als auch dem Ver gleicher im Block 110 zu. Die dem Vergleicher 110 aus dem Temperaturmodell im Block 100 zugeführte Temperatur des Halbleiterleistungsmoduls ändert sich somit nur anhand des Ein flusses der tatsächlich am Leistungshalbleitermodul gemessenen Temperatur. Der Verglei cher 110 bildet aus der gemessenen Temperatur und der durch das Temperaturmodell be stimmten Temperatur eine Differenz (Block 130). Dabei stellt die gemessene Temperatur die Isttemperatur und die mit dem Temperaturmodell ermittelte Temperatur die Solltemperatur dar. Die Differenz dieser beiden Temperaturen entspricht dabei der Verschlechterung des Wärmewiderstandes des Halbleiterleistungsmoduls zum Kühlmittel und somit der Alterung des Halbleiterleistungsmoduls, da sich die elektrischen und thermischen Eigenschaften über der Lebensdauer des Halbleiterleistungsmoduls verschlechtern.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Simulation des vorgeschlagenen erfindungsge mäßen Verfahrens dargestellt. In dieser Grafik ist die Temperatur T über der Zeit t dargestellt. Dabei stellt die Kurve D die Temperatur des Kühlmittels dar, welche konstant geregelt ist. Die Kurve E zeigt die Temperatur des Temperatursensors im Auslieferungszustand des Leis tungshalbleitermoduls und die Kurve F die Temperatur des Temperatursensors am Ende der Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls. Dabei liegen die Kurven ungefähr zwischen 112 und 121 °C. Die Kurve G verdeutlicht die durch das Temperaturmodell berechnete Temperatur des Halbleiterleistungsmoduls im Auslieferungszustand, während die darüber liegende Tem peraturkurve I die Temperatur am Ende der Lebensdauer des Halbleiterleistungsmoduls zeigt. In beiden Fällen werden ähnliche Temperaturdifferenzen ermittelt, mittels welchen auf den Al terungszustand der Leistungshalbleiter geschlossen werden kann. Diese Temperaturdifferen zen zwischen den von dem Temperatursensor gemessenen aktuellen Temperatur und die durch das Temperaturmodell vorgegebenen Temperatur werden mit einer Kennlinie vergli chen, die aus der Überwachung einer Lebensdauer eines Halbleiterleistungsmoduls ermittelt wurde, dass im unverbauten Zustand messtechnisch bewertet wurde, um eine Aussage über den Status der Lebensdauer des verbauten Halbleiterleistungsmoduls zu erlangen.
Mittels des Status der Lebensdauer können verschiedene Aussagen getroffen werden, z.B. wie lange noch mittels dieser Leistungshalbleitermodule elektrisch gefahren werden kann. Es lassen sich aber auch Belastungszyklus vorab erkennen, um die in dem Antriebsstrang ver- bauten Leistungshalbleitermodule optimal auszunutzen. Die beschriebene Lösung ist für elekt rische Achsantriebe als auch für Hybridmodule sowie elektrische Radnabenantriebe und elektrifizierte Hybridantriebe vorteilhaft anwendbar. Für Kleinantriebe z.B. Wankstabilisatoren kann diese Lösung ebenfalls angewandt werden, unabhängig davon, welche Halbleitertechno logie dem Halbleiterleistungsmodul zugrunde liegt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung einer Lebensdauer eines Halbleiterleistungsmoduls, wel ches einen Elektromotor in einem Antriebsstrang eines Fahrzeuges ansteuert, wobei eine Temperatur des Halbleiterleistungsmoduls mittels eines Temperaturmodells be stimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemessene Temperatur des Halb leiterleistungsmoduls mit der mittels des Temperaturmodells bestimmten Temperatur des Halbleiterleistungsmoduls verglichen wird und aus dem Vergleich der beiden Temperaturen auf einen Status der Lebensdauer des Halbleiterleistungsmoduls ge schlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleich eine Diffe renz aus der gemessenen Temperatur und der mittels des Temperaturmodells be stimmten Temperatur gebildet wird, welche als Information über den Status der Le bensdauer verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz einem thermischen Widerstand zwischen dem Leistungshalbleitermodul und einer Referenz größe des Leistungshalbleitermoduls entspricht, dessen Veränderung zur Beurteilung des Status der Lebensdauer verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzgröße eine Kühlmitteltemperatur des Halbleiterleistungsmoduls verwendet wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass dem Temperaturmodell ein unveränderbarer thermische Ausgangszu stand des Halbleiterleistungsmoduls zugrunde gelegt wird, wobei die gemessene Temperatur des Halbleiterleistungsmoduls während des Betriebes des Fahrzeuges im eingebauten Zustand im Antriebsstrang ermittelt wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Temperaturmodell Wärmequellen, Wärmesenken, Wärmewider stände und Wärmekapazitäten des Leistungshalbleitermoduls beschreibt.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass ein thermischer Zusammenhang innerhalb des Halbleiterleistungsmo duls und eine Veränderung des thermischen Widerstandes des Halbleiterleistungsmo duls über der Lebensdauer bei einer Qualifizierung des Halbleiterleistungsmoduls vor dem Einsatz im Fahrzeug messtechnisch ermittelt wird, und der Auswertung des Sta tus der Lebensdauer des Halbleiterleistungsmoduls zugrunde gelegt wird.
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