CN119487369A 用于测量温度或热阻、监测热阻的方法 （三菱电机株式会社）

2024.12.31PCT/JP2022/0487192022.12.27WO2024/009534EN2024.01.11一种用于测量功率电子系统中的温度的方法，所述功率电子系统包括至少一个功率单元一个半导体开关(S)具有经由m个材料层Mi，i=且其中所述至少一个半导体开关经由所述堆叠个半导体开关(S)中提供受限电流，所述受限电流适于使用处于所述开路状态的所述至少一个半导体开关的热敏参数来测量所述至少一个半导体开关的第一温度T1；将连接层Mj的温度TMj23.根据权利要求2的方法，所述方法还包括测量所述冷却装置的温度TCM并计算所述连其中Q是施加在所述第二功率单元和所述连第二底部开关处于激活状态的同时关断所述第一半桥功率单元的所述第一顶部开关和所_借助所述第二顶部开关的TSEP测量所述第二顶部开关的温度T2，通过在所述第一顶二顶部开关和所述基板之间的温度差R2_BP＝T2_附接层、所述第二DBC层、所述焊料层的热阻与所述基板和所述散热器之间的热阻进行比3接到第二基板的DBC层，所述第一基板和所述第二基板经由热接触材料附接到与冷却流体电路，所述方法包括测量第一功率模块的顶部开关或底部开关和所述散热器之间的热阻利要求4至11中的任一项所述的方法获取所述功率单元的初始热阻；存储所述初始热阻以及所述功率单元和所述功率单元的连接层之间的初始热阻与所述连接层和冷却装置之间13.根据权利要求12所述的方法，所述方法包括将所述热阻的变更与预定阈值进行比samping以时间间隔t周期性地记录所述功率电子系统的至少一个半导体器件j的温度samping4×(Tmean，j_THS)是通过将温度样本的标准偏差与采样时间期间半导体和散热器之间的平均avergingaverging20.根据权利要求14至19中的任一项所述的方法，其中，所述时间间隔tevval是大于24.一种软件，所述软件包括当在所述功率电子系统的控制器中执行时用于实现根据权利要求1至23中的任一项所述的方法的5[0001]本公开涉及具有功率半导体(更确切地说功率开关半导体)的功率电子系统的领限制。经典的磨损机制是由热循环和热膨胀系数CN103792476A涉及用于半导体器件的热阻测量方法，文献EP0708327B1涉及用于封装半导体部件的热阻抗评估的方法和设备，文献US7,356,441B2涉及用于功率转换模块的结[0011]在此类半导体的操作期间使用若干热敏电参数(TSEP)来测量半导体管芯的温6[0012]-通过热阻抗测量技术，其是可以给出关于功率模块的不同接口的劣化的信息的[0015]最后，描述通过使用等效Foster或Cauer网络描述的记录的温度瞬态行为，等效Foster或Cauer网络表示具有若干RC元件的功率模块的热结构。使用福斯特方程拟合温度瞬变允许提取功率模块的不同部分的电阻和电容，从而给出关于热阻和电容的演变的信功率器件操作期间以足够高的数据采集速率测量冷却/加热瞬态温度存在困难，并且要测Rthj-HS的知识不允许区分哪个层或界面在封装堆叠中具有最[0020]热敏电阻通常热连接到功率模块封装堆叠的中间层，通常热连接到陶瓷隔离板，并且其演变的监测连同热连接到同一陶瓷隔离板接配合的DBC直接接合的铜陶瓷衬底)的演变使得原则上能够区分接合Rthj-DBC的热阻或接7第一功率单元中提供受限电流，所述受限电流不能使所述第一功率单元处于功率导通状[0025]所述方法还可以包括测量功率单元的冷却装置的温度TCM并计算所述连接层和所[0030]_通过以下计算，将所述第二功率单元和所述连接层之间的热阻R2_CL与所述连接[0033]所述第一功率单元和所述第二功率单元可以是经由材料层的第一堆叠热连接到[0034]所述第一功率单元和所述第二功率单元可以是半导体开关，所述连接层是陶瓷[0035]所述第一功率单元可以是包括第一顶部开关和第一底部开关的第一半桥功率单第二半桥功率单元的所述第二顶部开关和所述第二底部开关处于激活状态的同时关断所[0036]_借助所述第二顶部开关的TSEP测量所述第二顶部开关的温度T2，通过在所述第8述第二顶部开关和所述基板之间的温度差R2_BP＝T2_TBP[0038]每个功率单元可以被依次关断同时其它功率单元处于激活状态以完成对所有功关断以提供所述基板的温度测量，同时对所述半桥的其它半桥进行热阻和热阻比的测量，[0040]所述功率电子系统可以包括第一功率模块，所述第一功热器之间的热阻RPU1_HS以及所述散热器和所述冷却流体之间的热阻RHS_CF，并且通过以下步[0041]_在所述功率电子系统的开关功能由所述第一功率模块的开关执行的同时，保持样的功率单元的连接层之间的初始热阻与所述连接层和冷却装置之间的热阻之间的比率；述进一步的热阻和所述进一步的比率与所述初始热阻和所述初始比率进行比较以检测热述热阻或所述比率的值高于所述阈值的情况下9samping[0049]_以时间间隔t周期性地记录所述功率电子系统诸如功率转换器的至少一个samping[0050]_使用数据样本Tnj……Tmj以时间间隔teval周期性地计算至少半导体j的平均温准偏差与采样时间期间半导体和散热器之间的平均温差进行比较来检测操作的稳态性质sampingsamping[0054]所述时间间隔t可以是功率转换器的开关频率的倒数的倍数：t＝n/sampingsamping[0056]所述积分时间t可以大于所述功率电子系统的热所述方法可以包括通过以下的序列测量功率单元PUi和功率单元Puji≠j之间的耦合阻得温度，Vbus是所述功率单元PUi的已知或测得总线电压，fPWM是所述功率单元的开关频[0069]图1示出了适用于本公开的过程的具有功率单元的功率电子系统的实施方式的示[0071]图2示出了适用于本公开的过程的具有一个功率单元的功率电子系统的实施方式[0073]图3示出了适用于本公开的过程的具有两个功率单元的功率电子系统的实施方式[0077]图5示出了适于本公开的过程的具有三个功率单元的功率电子系统的实施方式的[0081]图7示出了适于本公开的过程的具有两个功率单元的功率电子系统的实施方式的[0094]本公开的用于测量功率电子系统中的温度的方法允许取决于系统类型的若干测量。在图1中，功率单元PU包括半导体开关，该半导体开关具有经由m个材料层Mi(i＝1,2……m)的堆叠连接到散热器HS,5的管芯1a。在此堆叠中，层M1到Mj_1位于管芯1a与可为DBC层的层Mj之间。半导体开关经由形成堆叠的材料层Mi的连接层Mj的这种层Mj3在温度[0096]该方法包括在处于所述开路状态下的所述至少一个半导体开关1a中提供受限电流，所述受限电流适于使用处于所述开路状态下的所述至少一个半导体开关的热敏参数可以计算连接层Mj的温度TMj等于通过TSEP测量获得[0098]TSEP测量可以使用诸如栅极电阻之类的参数或是可以使用功率单元的现有电测[0099]传统的半导体开关通常以大约一8V的VGE电压被阻断并且以大约+15V的VGE电压传[0101]使用PU1的开关的至少一个半导体的内部栅极电阻Rg1的测量允许避免利用任何1a的顶部与散热器之间的热阻是半导体管芯1a与Mj之间的热阻的5倍以上，通常在10倍以导热系数低于1W/(m.K)，这种热绝缘材料对管芯与层Mj之间的热传递提供非常有限的损[0115]_将所述两个半导体开关中的第一者(例如管芯1a上的开关S1)保持在开路状态使少第二开关S2处于传导状态以形成所述热源100，然后将栅极电流注入到半导体S1的栅极中且使用所述第一半导体开关110的热敏参数测量第一开关S1的管之间的热阻RS2,Mj与Mj与散热器之间的热阻RMj,H半导体的所述第二半导体和所述连接层Mj之复交替开关S1和S2的测量以监测S1和Mj之间或S2和Mj之间的中间层的电阻中的一者的可以获得第一半导体S1的管芯和层Mj之间的热阻RS1,Mj与Mj和散热器之间的电阻RMj，HS的比法需要开关的栅极命令是单独的或包括不同率在20和30W/(m.K)之间的氧化铝(Al2O3)衬底制成，并且S1和S2的半导体芯片间隔小于[0145]A–保持与目标管芯共享同一DBC层的一个相邻半导体开路，使用其栅极驱动器评[0147]B–测量目标管芯的温度Tdie、使用去激活的相邻管芯的DBC层的温度TDBC以及散热DBC层之间的温度差Tdie_TDBC与DBC层和散热器之间的温度差TDBC_THS之间的比率r1＝(T功率转换器的诊断过程期间特意产生的或是在转换器间隔重复该序列，并且计算目标管芯和DBC层之间的温度差Tdie_TDBC与DBC层和散热器之间[0158]每个顶部和底部开关均具有其自己的栅极驱动器电路：开关S11的栅极驱动器电关S11和基板之间的热阻与基板4’和散热器5之间的热阻进行比较：保持半桥的顶部开关时测量至少顶部开关S21的温度(在步骤220中T2＝TPU2的测量)和在步骤225中测量散热器公共层之间的第一热阻与所述公共层和本公开方法的公共散热器之间的第二热阻的初始Sx(x＝1至n)与将它们热连接到模块的散热器的连接层(诸如DBC层Mj)之间的热阻以及这[0167]不同的测量方法和步骤可以通过在所述功率电子系统的控制器的处理器中实施[0169]其中半导体开关被临时去激活的该方法的技术用途之一是监测由一个或多个功Mj之间的温度差与层Mj和散热器之间的温度差进行比较来估计功率模块的特定层的热阻。功率单元PU1、PU2在第一基板41上的第一功率模块MO1中重新分组，而两个其它功率单元[0174]在该配置中，通过保持包括PU3和PU4的功率模块MO2的所有器件开路并且使用功率模块MO2的器件中的一个或其组合的温度测量来测量散热器接触表面的温度THS，开关功5之间的热阻RPU1_HS与散热器5和冷却流体7之间的热阻RHS_执行，以将模块MO2及其连接层42的热阻与散热器接触表面和冷却流体之间的热阻进行比samping[0181]_以时间间隔t周期性地记录诸如功率转换器之类的功率电子系统的至少一samping[0182]_使用数据样本Tnj……Tmj以时间间隔teval周期性地计算至少半导体j的温度[0184]C1例如是大于1的常数，诸如在散热器和功率转换器的半导体管芯之间存在显著[0187]_处于断开状态的元件的温度T1的连接层(层Mj)与冷却装置之间的热阻，即温度[0188]_有源半导体(温度T2)和层Mj(温度T1)之间的热阻，在获得热平衡时没有由延迟[0189]稳态检测的优点在于，因此不需要迫使转换器应用电稳态条件来实现热稳态条以通过执行热阻抗测量并测量达到准稳态热状态的时间并考虑安全裕度以考虑可能的热avergingavergingavergingaverging[0201]也可以在产品的寿命期间根据步骤350将该序列重复多次，并且也可以依次应用中半导体开关可以在关断状态下使用以测量这种半导体开关和热源之间的连接层的温度，