对半导体部件的温度变化的限定的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及对半导体部件的溫度变化的限定，并且特别地设及对转换器设备中的 开关半导体部件的溫度变化的限定。
【背景技术】
[0002] 转换器设备例如频率转换器、逆变器W及通过使用半导体开关来改变电力的其他 设备采用半导体来切换电流和电压。在转换器应用中使用的半导体开关的典型示例包括绝 缘栅双极晶体管（IGBT，insulated gate bipolar transistor)和二极管。IGBT 能够切换 高电流和高电压。在许多应用中，有源开关例如IGBT需要反并联连接的二极管，该反并联 连接的二极管必须耐受与开关本身相似的电流和电压。在每次开关期间，在开关中发生功 率损耗，并且该耗散功率使开关部件升溫。类似地，当从二极管切断电流时，二极管由于耗 散功率而升溫。还可能在部件的传导期间出现损耗。
[0003] 在电压源频率转换器一-其是用于对电机的操作进行控制的设备一-中，使用逆 变器来产生输出电压。逆变器通过从DC电压形成短电压脉冲来进行操作，使得来自逆变器 的输出电压为脉冲电压。脉冲的长度取决于逆变器的开关频率。开关频率对电机的控制有 影响；开关频率越高，获得的控制动态越好。
[0004] 由于半导体部件的每一次开关均耗散功率，所W开关频率越高导致损耗越多，从 而应当仔细设计设备的冷却设备W满足损耗的量，使得半导体部件的溫度不超过其最高允 许溫度。 阳〇化]在某些应用中，W循环的方式加载转换器设备。在运样的使用中，转换器在一定时 间段内负载沉重，而在高负载之后负载显著减小。当运样的负载变化继续时，由于半导体部 件的溫度变化，所W对半导体部件产生很大压力。在半导体部件中，随着在半导体的忍片中 功率耗散，部件的实际pn结升溫最多。由于物理部件的不同部分发热不同，所W溫度的循 环对部件产生很大压力，并且因此部件经受机械磨损和过早损坏。
[0006] 已知的是要限定转换器设备的开关频率，W在循环使用中限定溫度改变。如上所 述，转换器的开关频率的降低使部件的损耗降低。因此，在循环操作中，可W通过降低开关 频率来减少溫度变化。
[0007] 图1示出了用于限定溫度变化的已知过程的示例，在该已知过程中基于半导体部 件的溫度来限定开关频率。图1示出了作为溫度的函数的开关频率的限值。当半导体部件 的溫度超过第一固定限值T_sf_low时，开关频率从其最大值SF_max起线性降低。一旦溫 度进一步升高，开关频率被限定，直到溫度到达第二固定限值T_sf_hi曲，此后开关频率被 限定为值SF_min。因而，W上述方式根据所确定的半导体部件的溫度来选择开关频率。
[000引图2示出了与已知过程结合的两个不同情形。在图2的示例中，假定转换器已经空 闲了很长时间并且向转换器逐步提供负载。在第一种情况下，冷却介质的溫度为70°C，并且 因而半导体的溫度也相同。半导体的溫度开始迅速增加，直到达到限值1'_3'_10*(100°(：) 为止。在该限值之后，开关频率降低，并且溫度最终上升至ll0°C，溫度变化dTj为40°C。
[0009] 在第二种情况下，冷却介质的溫度仅为20°c。尽管半导体的溫度如在第一情况下 那样上升，但是溫度不超过下限T_sf_low。因此，整个负载时段在不限定开关频率的情况下 进行操作。运引起溫度变化dTj为60°C的情况。
[0010] W使得半导体部件W冷却介质的最高容许溫度进行操作的方式对溫度限值T_sf_ hi曲和T_sf_low进行设置。此外，必须将溫度差选择得比较大，使得下限可W达到冷却介 质的除了最高容许溫度之外的其他溫度。然而，运不是有效的，因为溫度限值之间的差越 小，则开关频率的降低越有效地补偿半导体部件的溫度。
[0011] 如W上所示，已知系统引起如下情况：由于主要关注对最高溫度的限定，所W有可 能存在大的溫度变化。但是，与较高绝对溫度下的较小变化相比，溫度上的较大变化使部件 磨损更多。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是提供一种方法和一种用于实现该方法的设备，W解决上述问题。 本发明的目的是通过W独立权利要求中所陈述的内容为特征的方法和设备来实现的。在从 属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
[0013] 本发明是基于将可变溫度限值用于限定开关频率的构思。可变限值取决于与溫度 相关的量。由于限值适应当时条件，所W可W限定溫度循环而与起始溫度无关。
[0014] 本发明的方法和设备的优点是：即使在转换器的负载显著变化时，本发明仍然确 保转换器设备中的半导体部件有较长寿命。此外，本发明的实施例使得能够比已知的解决 方案更有效地限定溫度。根据实施例，将溫度上限与溫度下限之间的差保持为较小，从而有 效地限定溫度变化。
【附图说明】
[0015] 在下面，将参照附图借助于优选实施例来更详细地描述本发明，在附图中：
[0016] 图1和图2示出了已知的溫度限定方案；化及
[0017] 图3图示了本发明的方法的实施例。
【具体实施方式】
[0018] 在本发明中，确定与开关转换器的操作溫度相关的量。运样的量是例如开关转换 器的冷却介质的溫度、半导体部件的过滤溫度、开关转换器的负载的信息、或时间信息。此 夕F，在本发明中，确定半导体部件的溫度，并且基于所确定的量和半导体部件的溫度，选择 开关频率的最大值。进一步将半导体部件的开关频率限定为所选择的开关频率。
[0019] 根据实施例，与开关转换器的操作溫度相关的量是冷却介质的溫度。冷却介质可 W是冷却液体或冷却空气。优选地直接通过测量冷却介质的溫度来确定冷却介质的溫度。
[0020] 根据本发明的实施例，基于与开关转换器的操作溫度相关的量，设置溫度上限1'_ SfJii曲。当半导体部件的溫度高于溫度上限时，开关频率被限定为第二频率值SF_min。因 此，根据本实施例，与操作溫度相关的量设置溫度限值1'_3'_111曲。当开关元件的溫度达到 该溫度限值时，开关元件的开关频率被限定为第二频率值，也就是说，部件的开关频率不能 上升到超过所设置的第二频率值，使得部件的溫度变化降低。
[0021] 当与开关转换器的操作溫度相关的量是冷却介质的溫度T_liquid时，可W通过 让冷却介质的溫度加上恒定值来计算溫度上限。该常数可W根据具体设备和配置来选择。 当与开关转换器的操作溫度相关的量是半导体部件的过滤溫度时，过滤溫度表示半导体部 件正进行操作时的溫度。已知的是，与开关元件附接的散热器的溫度基于开关元件的溫度 而上升。因此，当通过低通滤波器适当地过滤开关元件的溫度时，获得冷却介质的溫度的近 似值。此外，可W使用溫度模型，该溫度模型基于开关元件的溫度或者基于开关元件的负载 的信息来确定冷却介质的溫度。
[0022] 此外，还可能使用时间信息作为与开关转换器的操作溫度相关的量。时间信息可 W包括时间和月份。在运样的情况下，使用开关转换器的地理位置处的每小时或每天的平 均溫度。当开关转换器位于其中溫度变化对转换器的溫度有影响的运种地方即位于车辆中 或受大气条件影响的其他运种设备中时，每小时的溫度数据是有用的。
[0023] 如所提到的，第二频率值被设置为开关频率的最大值，并且当部件的溫度高于溫 度上限T_sf_hi曲时，转换器的开关频率被限定为第二频率值。当开关元件的溫度低于溫 度上限时，开关频率的最大值被限定为开关元件的溫度的函数。假定最大值是部件溫度的 函数，运样的函数可W是线性函数，使得当部件的溫度升高时最大限值线性降低。线性函数 是示例，并且该函数可W具有任何形式，只要部件的升高溫度至少在某个溫度范围内使开 关频率的最大值降低即可。
[0024] 根据本发明的实施例，基于与开关转换器的操作溫度相关的量来设置溫度下限1'_ sf_low。在下文中，与操作溫度相关的量被称为所确定的冷却介质的溫度T_liquid。然而， 本发明或实施例不限于该具体实施例，仅为了简化W下示例，使用冷却介质的溫度。
[00巧]可W通过计算T_sf_low = T_liquid巧1来设置溫度下限，其中，T_liquid是所确 定的冷却介质的溫度，并且Xl是根据具体设备和配置所选择的溫度值。
[00%] 此外，根据本实施例并且如已经提到的，基于所确定的冷却介质的溫度来设置溫 度上限T_sf_hi曲。可W例如通过计算T_sf_hi曲=T_sf_low巧2来设置溫度下限，其中， X2是溫度下限与溫度上限之间的期望溫度差，并且可W根据具体设备和配置来选择X2。利 用上述公式将T_sf_hi曲的计算成等于T_sf_hi曲=T_liquid巧1巧2。由于Xl和X2二者 均为正值，所W溫度下限具有比溫度上限更低的值。
[0027] 如上所述，W该方法来确定半导体部件的溫度。关于过溫保护的相关溫度是娃忍 片Tj即半导体开关的pn结的溫度。随着由于部件的各部分之间的溫度系数不同而引起溫 度对部件循环磨损，所W关注的是物理开关部的底部的溫度Tc即壳体的溫度、W及上述的 结溫度Tj。壳体溫度Tc处于结溫度Tj与冷却介质的溫度之间。因此，当结溫度的变化相 对于冷却介质减小时，结溫度与壳体溫度之间的差也减小。
[0028] 根据实施例，所确定的半导体部件的溫度是半导体部件的pn结的溫度。某些半导 体部件或包含多个部件的模块包括溫度测量。从部件的已知点进行该测量。根据该溫度， 可W使用由部件制成的热模型来计算部件的pn结的溫度。热模型基本上是其中W已知方 式被输入功率损耗和一个或更多个已知溫度并且由部件的热特性形成的仿真模型。当功率 损耗和已知