用于電機的變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于電機（103）的變換器（100），具有用于變換電壓的與至少一個接觸部（105-1）連接的半導體器件（107-1）、用于測量所述半導體器件（107-1）上的電壓降UDS的電壓測量裝置（101）和用于控制所述半導體器件（107-1）的控制設備，其中所述控制設備被構造用于借助所測量的電壓降UDS確定所述接觸部（105-1）的狀態(tài)。
【專利說明】用于電機的變換器

【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種用于電機的變換器。

【背景技術】
[0002]在電機中在發(fā)電機式運行模式中可以產(chǎn)生正弦形的交流電壓。為了給車載電網(wǎng)供應能量，通過功率電子橋電路將所述交流電壓轉換成直流電壓。為此通常使用二極管。
[0003]為了可以附加地提供電動機式運行狀態(tài)并且同時通過有效的整流改善發(fā)電機運行的效率，可以通過MOSFET或IGBT代替這些二極管。MOSFET或IGBT的合適的操控可以實現(xiàn)電動機式以及發(fā)電機式運行狀態(tài)。晶體管的建造與連接技術(AVT)例如由于焊劑的增加的分裂或接合連接中的裂縫而隨著運行持續(xù)時間退化并且因此對整個系統(tǒng)是失效風險。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所基于的任務是說明一種變換器，該變換器降低失效風險。
[0005]該任務通過具有根據(jù)獨立權利要求的特征的主題來解決。本發(fā)明的有利的實施方式是圖、說明書和從屬權利要求的主題。
[0006]本發(fā)明基于以下認識，即有利的是檢測電子器件的接觸部的狀態(tài)，以便必要時可以引入對策。
[0007]本發(fā)明優(yōu)點
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，根據(jù)本發(fā)明的任務通過用于電機的變換器來解決，其具有用于變換電壓的與接觸部連接的半導體器件、用于測量半導體器件上的電壓降的電壓測量裝置和用于控制半導體器件的控制設備，其中該控制設備被構造用于借助所測量的電壓降確定半導體器件的接觸部的狀態(tài)。一般該變換器可以包括一個或多個半導體器件，所述半導體器件與一個或多個接觸部熱和電連接。通過變換器的該一般形式例如實現(xiàn)以下優(yōu)點，即至少一個或多個任意半導體器件處的焊劑的退化可以利用簡單的技術裝置通過電壓降來檢測，使得可以采取合適的措施，以便避免變換器的失效。
[0008]在一種有利的實施方式中，該半導體器件是半導體開關。由此例如實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即可控的半導體開關被用于變換電壓。半導體開關是用于開關并且放大電信號的可控的電子器件，諸如晶體管。
[0009]在另一種有利的實施方式中，該半導體器件是金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)或具有絕緣柵電極的雙極型晶體管(IGBT)。由此例如實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即特別合適的器件被用于變換高電流。
[0010]在另一種有利的實施方式中，電壓測量裝置與MOSFET的漏極端子和源極端子電連接或電壓測量裝置與IGBT的集電極和發(fā)射極電連接。由此實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即可以監(jiān)控變換器的受熱負荷的端子和接觸部。
[0011]在另一種有利的實施方式中，變換器包括用于測量經(jīng)過半導體器件的電流的電流測量裝置。由此例如實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即除了電壓降之外，經(jīng)過半導體器件的電流作為附加的參數(shù)被確定并且確定接觸部狀態(tài)的精度改善。
[0012]在另一種有利的實施方式中，電流測量裝置包括分路電阻。由此例如實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即電流可以以特別合適的方式并且利用簡單的技術裝置被確定。
[0013]在另一種有利的實施方式中，變換器包括用于測量半導體器件的溫度的溫度測量裝置。由此例如同樣實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即作為附加的參數(shù)，半導體器件的溫度被確定并且確定接觸部狀態(tài)的精度改善。此外可以確保，在確定的溫度時檢測電壓降，使得所確定的值的可比較性改善。
[0014]在另一種有利的實施方式中，變換器包括與第一接觸部連接的第一半導體器件和與第二接觸部連接的第二半導體器件并且電壓測量裝置被構造用于測量該第一半導體器件上的第一電壓降和該第二半導體器件上的第二電壓降。由此例如實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即可以同時監(jiān)控多個接觸部。
[0015]在另一種有利的實施方式中，變換器被構造用于比較第一電壓降和第二電壓降。由此例如實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即通過兩個接觸部的直接比較可以確定，接觸部中的哪個具有臨界狀態(tài)。
[0016]在另一種有利的實施方式中，控制設備被構造用于根據(jù)半導體器件的運行時間確定半導體器件上的電壓降的電壓變化過程曲線。由此例如同樣實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即確定器件狀態(tài)的精度改善進并且關于運行持續(xù)時間的趨勢可以被探測。
[0017]在另一種有利的實施方式中，控制設備被構造用于確定電壓變化過程曲線的時間導數(shù)值。由此例如實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即可以確定熱阻抗，該熱阻抗可以被考慮為另外的評價標準。
[0018]在另一種有利的實施方式中，控制設備包括用于存儲電壓變化過程曲線和在確定時間點的電壓降值的存儲器。由此例如實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即在控制設備中在變換器的較長運行時間段上的值被檢測并且數(shù)據(jù)庫增加。
[0019]在另一種有利的實施方式中，控制設備被構造用于比較在不同時間點存儲在存儲器中的電壓變化過程曲線或電壓降。由此例如實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即借助數(shù)據(jù)庫可以識別焊劑的時間變化過程和緩慢的退化或測量的異常測值被識別。
[0020]在另一種有利的實施方式中，參考電壓曲線被預先存儲在存儲器中。由此例如實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即在所測量的電壓降曲線與參考曲線偏離的情況下可以確定出焊劑的退化。
[0021]在另一種有利的實施方式中，變換器包括以下可能性，即將當前狀態(tài)傳輸給上一級的調(diào)節(jié)單元，該調(diào)節(jié)單元與此相應地對此作出反應并且引入對應措施。由此例如實現(xiàn)以下技術優(yōu)點，即在焊劑的開始的(ansetzend)退化情況下可以減小半導體器件的載荷。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，根據(jù)本發(fā)明的任務通過用于利用具有與至少一個接觸部連接的半導體器件的用于電機的變換器來變換電壓的方法來解決，具有以下步驟:測量半導體器件上的電壓降、借助所測量的電壓降確定接觸部的狀態(tài)和根據(jù)所確定的接觸部狀態(tài)控制半導體器件。由此實現(xiàn)與通過相應的裝置實現(xiàn)的技術優(yōu)點相同的技術優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]本發(fā)明的實施例在附圖中被示出并且在下文中進一步被描述。
[0024]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的變換器的示意視圖；
圖2示出在運行半導體器件期間電壓降的變化過程；以及
圖3示出在運行半導體器件期間電壓降的變化過程和與總運行時間有關的起始電壓的變化過程。

【具體實施方式】
[0025]圖1示出具有用于測量半導體器件107-1上的電壓降Uds的電壓測量裝置101的用于三相電機103的變換器100的不意視圖。
[0026]逆變器100例如將由車輛電池所輸送的輸入電壓轉換成用于電機103的三相交流電壓。為了該目的，該逆變器100包括六個半導體器件107-1、107-2。這些器件107-1、107-2例如由MOSFET或由IGBT構成，所述MOSFET或IGBT由未被示出的控制單元這樣來開關，使得形成三相交流電。本發(fā)明不局限于所示出的逆變器，而是一般可以被用于每種任意的變換器。
[0027]半導體器件107-1、107_2利用另外的電路與接觸點或連接點105-1、105-2、105-3,105-4電、機械和熱連接。與接觸點105-1、105-2、105-3、105-4的電或機械連接通過合適的建造與連接技術(AVT)實現(xiàn)。
[0028]半導體器件107-1、107-2例如與在印刷電路板或電路板上的另外的組件共同地被焊接在接觸點105-1、105-2、105-3、105-4上，使得實現(xiàn)相應組件的電接觸。具有不同特性的焊劑可以被用于焊接組件。該焊劑是金屬合金，該金屬合金根據(jù)使用目的由諸如鉛、錫、鋅、銀和銅的金屬的確定的混合比例組成。
[0029]然而，半導體器件的建造與連接技術例如可能由于熱波動或其它的環(huán)境影響而由于焊劑的增加的分裂或接合連接中的裂縫隨著運行持續(xù)時間退化。該情況對于整個系統(tǒng)是失效風險。
[0030]建造與連接技術超過逆變器100的運行持續(xù)時間的退化導致機械接觸部的減小并且因此導致熱阻抗的可覺察到的增大。因為由此半導體器件107-1、107-2的熱量不充分地被導出，所以對于半導體器件107-1、107-2形成附加的熱載荷。
[0031]該熱載荷在具有正溫度系數(shù)的半導體器件107-1、107-2情況下導致附加的變熱，因為這些半導體器件隨著增加的溫度擁有更大的導通電阻。由此損耗功率以及要從半導體器件107-1、107-2導出的熱量又上升。如果所述熱量不被導出，那么形成反饋，該反饋導致半導體器件107-1、107-2的越來越強烈的變熱。所描述的反饋效應導致半導體器件的伴隨提早失效的快速老化或損毀，因為該半導體器件的允許的極限溫度被超過。這樣的失效經(jīng)常突然并且出乎意料地發(fā)生。
[0032]出于該原因有利的是，及時識別建造與連接技術的臨界狀態(tài)并且通過合適的措施延緩退化過程。為了該目的，在運行逆變器100期間監(jiān)控建造與連接技術的狀態(tài)。當晶體管的連接或接觸部的狀態(tài)變壞時，就被探測到。一般在此涉及焊劑層的變壞。連接中的變化可以通過以下方式被識別，即熱量可能更差地從半導體內(nèi)部被引出并且因此形成更高的電壓。
[0033]連接或接觸部的狀態(tài)通過連接或接觸部可以導出熱量的能力給出。狀態(tài)變壞例如可能由于焊劑中的裂縫或由于氧化引起。如果通過診斷系統(tǒng)識別出增加的退化，那么可以通過調(diào)節(jié)對該診斷作出反應。這可以是傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)措施、諸如電動機式和發(fā)電機式運行狀態(tài)的最大功率的減小或最大持續(xù)時間的減少(回收(Rekuperat1n)/加速(Boost))或運行策略的適配，其減小溫度偏移(TemperaturhUbe)并且因此減小半導體元件的載荷。因此可以延遲失效時間點。
[0034]混合動力系統(tǒng)中的適配可以意味著，已經(jīng)在更高的充電狀態(tài)(SOC，State ofCharge)的情況下使用傳統(tǒng)的發(fā)電機運行并且因此一方面提高車載電網(wǎng)的電壓水平并且另一方面在諸如回收的事件中限制最大的能量流量。電壓水平的提高導致在相同功率情況下更小的電流并且因此導致芯片中的更少的損耗功率項，這與最大能量流量的限制同樣地導致溫度偏移的減小并且一般不如傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)策略強烈地減小C02潛力(Potential)。在運行策略適配的還另外的實施方式中可以限制電動機式運行狀態(tài)的使用。以與減小最大允許的發(fā)電機電流相同方式，這些適配具有以下效應，即減小注入的損耗能量以及由此形成的溫度偏移。
[0035]由此以合適的措施對建造與連接技術的增加的變壞作出反應并且例如延緩焊劑分裂的過程。
[0036]此外可以在車輛中提示排隊等候的修理措施，縮短服務間隔和/或引入緊急情況運行(跛行回家模式(Limp-Home)策略)。
[0037]為了確定建造與連接技術的狀態(tài)，使用用于確定MOSFET的漏極源極端子上的或集電極發(fā)射極端子的電壓降的傳感裝置。在一種有利的實施方式中，例如通過使用分路電阻附加地確定流經(jīng)半導體器件107-1的電流。在另一種實施方式中，溫度傳感器存在于半導體器件附近。該措施在此可以取決于:所確定的測量值多強烈地偏離參考值。
[0038]如果在一個或多個半導體器件107-1、107-2中在相同的測量電流的情況下測量到升高的電壓降，那么在那里較高的損耗功率被注入(einpdgen)。因為例如隨著焊劑分裂增加或接合連接退化增加，半導體器件處的接觸電阻增大，所以可以由此推斷出建造與連接技術的退化。
[0039]為了確定半導體器件、諸如MOSFET或IGBT的建造與連接技術的退化度，充分利用電機在運行周期期間的不活躍的階段。如果高壓電池足夠地被充電，那么電機處于不活躍的階段。出于能量效率的原因，在該情形下等待用于回收制動能量的可能性，以便給車載電網(wǎng)供應能量。在不活躍的階段期間，所定義的電流通過橋電路的相應的MOSFET或IGBT晶體管被引導并且漏極和源極或集電極和發(fā)射極上所形成的電壓被測量并且相互被進行比較。在所有晶體管的均勻的退化的情況下在所有組件上出現(xiàn)相同的電壓降。
[0040]圖2根據(jù)運行時間t示出在運行半導體器件期間在老化的狀態(tài)(圓圈)和未使用的、新的狀態(tài)(交叉)下電壓降Uds的變化過程。該變化過程曲線分別由半導體器件上的電壓降Uds的多個以時間間隔Ta的離散的測量點組成。
[0041]簡化地示出針對僅僅一個作為半導體器件107-1的晶體管的物理量UDS。但是該關系一般適用于所有在變換器100中所使用的半導體器件107-1和107-2。
[0042]建造與連接技術的老化由于接觸面的減小導致更高的熱阻抗。這造成變慢的熱量導出并且因此也造成半導體器件107-1上的更慢下降的電壓曲線UDS。電壓曲線的時間上的下降因此是用于半導體器件的熱阻抗的尺度。
[0043]具有未老化的建造與連接技術的半導體器件107-1因此具有電壓曲線Uds的快速的下降(交叉)，而具有老化的建造與連接技術的半導體器件107-1具有電壓曲線Uds的緩慢的下降(圓圈)。
[0044]圖3示出在運行半導體器件107-1期間電壓降Uds的在圖2中所示出的變化過程和起始電壓Pl根據(jù)總運行時間的變化過程。
[0045]為了確定連接技術的一般的老化或狀態(tài)考慮電壓值，所述電壓值例如分別在運行時間的起始、如在橋電路的帶端測量時或目標系統(tǒng)中的電動機/發(fā)電機的首次運行時被確定。在確定這些電壓值的情況下，借助溫度傳感器所確定的周圍環(huán)境溫度應該處于與在比較或參考測量情況下類似的范圍內(nèi)。
[0046]假設所有半導體器件遇到類似的周圍環(huán)境條件，那么周圍環(huán)境條件中的區(qū)別可以相比于參考測量通過以下方式被補償，即半導體器件之間的電壓降的變化例如通過在電流輸入之后形成電壓降的變化的中值被比較。因此可以識別并且相應地分析總水平的推移。
[0047]起始電壓在此是在圖3中所示出的電壓變化過程的第一測量點P1。該值在下面部分中在半導體器件的總運行持續(xù)時間上被繪制。如果總運行持續(xù)時間超過臨界的值時，則該起始電壓降Uds上升。從超過電壓參考值起，可以引入上面所描述的對策之一。
[0048]鑒于半導體器件107-1和107-2的熱物質(zhì)的變熱應該確保，盡可能一致的測量條件占優(yōu)勢。這些條件取決于建造與連接技術并且可以預先在計算上被確定。在分別不同的運行條件下的多個被預先存儲在存儲器中的參考曲線在此導致運行中的擴展的比較可能性。該存儲器例如可以是計算機存儲器、諸如電子RAM存儲器、ROM存儲器、閃存或者還有磁性存儲器。該存儲器可以被設置在用于控制半導體器件107-1的控制設備中。
[0049]此外可以通過溫度傳感器確定溫度，在該溫度時進行電壓降的測量。
[0050]電壓曲線的時間上的下降直接反映熱阻抗和建造與連接技術的狀態(tài)。為了使在測量時不考慮異常測值，可以通過存儲電壓曲線來存放建造與連接技術的狀態(tài)的趨勢。因此可以進一步改善建造與連接技術的狀態(tài)的確定精度。
[0051]通過在電流輸入之后立即相繼地確定多個電壓值并且產(chǎn)生測量曲線或在壽命上跟蹤趨勢，可以提聞關于建造與連接技術的狀態(tài)的表現(xiàn)力。
[0052]由此不僅可以通過在不同半導體107-1和107-2之間電壓降Uds的比較而且可以與半導體川了-!的經(jīng)歷相比監(jiān)控退化變化過程。由此可以考慮，晶體管的原始狀態(tài)由于制造公差不同。
[0053]一般應該適用于所使用的測量方法論的是，不進行誤差圖像(Fehlerbild)的附加的激勵，在電機中不發(fā)生力矩形成和電壓供應的顯著的載荷不發(fā)生。這些前提例如可以通過輸入短的、定義的電流沿來滿足。注入的電流的合理化可以通過存在的電流傳感器實現(xiàn)。
[0054]本發(fā)明可以在車輛中被用在加速-回收系統(tǒng)(BRS, Boost-Rekuperat1nssystem)中。在起動電動機和發(fā)電機(SG)中的使用同樣是可設想的。然而，在使用橋電路的情況下本發(fā)明原則上可以應用在任意的車輛混合動力系統(tǒng)和發(fā)電機和電動機操控裝置中。
[0055]本發(fā)明的所有在說明書中所闡述的并且在圖中所示出的單特征可以以任意有意義的方式和方法相互組合，以便同時實現(xiàn)本發(fā)明的有利的效果。
【權利要求】
1.用于電機(103)的變換器(100)，具有用于變換電壓的與至少一個接觸部(105-1)連接的半導體器件(107-1)、用于測量所述半導體器件(107-1)上的電壓降(Uds)的電壓測量裝置(101)和用于控制所述半導體器件(107-1)的控制設備，其中所述控制設備被構造用于借助所測量的電壓降(Uds)確定所述接觸部(105-1)的狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的變換器(100)，其中所述半導體器件(107-1)是半導體開關。
3.根據(jù)上述權利要求之一所述的變換器(100)，其中所述半導體器件(107-1)是金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)或具有絕緣柵電極的雙極型晶體管(IGBT)。
4.根據(jù)上述權利要求之一所述的變換器(100)，其中所述電壓測量裝置(101)與半導體場效應晶體管(MOSFET)的漏極端子(D)和源極端子(S)電連接或所述電壓測量裝置(101)與具有絕緣柵電極的雙極型晶體管(IGBT)的集電極和發(fā)射極電連接。
5.根據(jù)上述權利要求之一所述的變換器(100)，其中所述變換器(100)具有用于測量經(jīng)過所述半導體器件(107-1)的電流的電流測量裝置(111)。
6.根據(jù)權利要求5所述的變換器(100)，其中所述電流測量裝置(111)具有分路電阻。
7.根據(jù)上述權利要求之一所述的變換器(100)，其中所述變換器(100)具有用于測量所述半導體器件(107-1)的溫度的溫度測量裝置。
8.根據(jù)上述權利要求之一所述的變換器(100)，其中所述變換器(100)具有用于確定從所述半導體器件(107-1)接收的功率的功率確定裝置。
9.根據(jù)上述權利要求之一所述的變換器(100)，其中所述變換器(100)具有與第一接觸部(105-1)連接的第一半導體器件(107-1)和與第二接觸部(105-3)連接的第二半導體器件(107-2)并且所述電壓測量裝置(101)被構造用于測量所述第一半導體器件(107-1)上的第一電壓降和所述第二半導體器件(107-2)上的第二電壓降。
10.根據(jù)權利要求9所述的變換器(100)，其中所述控制設備被構造用于比較所述第一電壓降和所述第二電壓降。
11.根據(jù)上述權利要求之一所述的變換器(100)，其中所述控制設備被構造用于根據(jù)所述半導體器件(107-1)的運行時間確定所述半導體器件(107-1)上的電壓降(Uds)的電壓變化過程曲線。
12.根據(jù)權利要求11所述的變換器(100)，其中所述控制設備被構造用于確定所述電壓變化過程曲線的時間導數(shù)值。
13.根據(jù)權利要求11或12之一所述的變換器(100)，其中所述控制設備具有用于存儲電壓變化過程曲線或在確定時間點的電壓降值的存儲器。
14.根據(jù)權利要求13所述的變換器(100)，其中所述控制設備被構造用于比較在不同時間點存儲在存儲器中的電壓變化過程曲線或電壓降值。
15.用于利用具有與至少一個接觸部(105-1)連接的半導體器件(107-1)的用于電機(103)的變換器(100)來變換電壓的方法，具有以下步驟: 一測量所述半導體器件上的電壓降(Uds)； 一借助所測量的電壓降(UDS)確定所述接觸部(105-1)的狀態(tài)；以及 一根據(jù)所述接觸部(105-1)的所確定的狀態(tài)控制所述半導體器件(107-1)。
【文檔編號】G01R19/00GK104303411SQ201380026315
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年4月3日 優(yōu)先權日:2012年5月21日
【發(fā)明者】H.許勒爾, M.里希特, O.D.科勒 申請人:羅伯特·博世有限公司