[发明专利]对半导体部件的温度变化的限定

说明书

本发明涉及对半导体部件的温度变化的限定，公开了一种对开关转换器的半导体部件中的温度变化进行限定的方法和设备，该方法包括：确定与开关转换器的操作温度相关的量；确定半导体部件的温度；基于所确定的与开关转换器的操作温度相关的量和半导体部件的温度来选择开关转换器的开关频率的最大值；以及将开关转换器的半导体部件的开关频率限定为所选择的开关频率。

技术领域

本发明涉及对半导体部件的温度变化的限定，并且特别地涉及对转换器设备中的开关半导体部件的温度变化的限定。

背景技术

转换器设备例如频率转换器、逆变器以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温。类似地，当从二极管切断电流时，二极管由于耗散功率而升温。还可能在部件的传导期间出现损耗。

在电压源频率转换器——其是用于对电机的操作进行控制的设备——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。

由于半导体部件的每一次开关均耗散功率，所以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以满足损耗的量，使得半导体部件的温度不超过其最高允许温度。

在某些应用中，以循环的方式加载转换器设备。在这样的使用中，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。当这样的负载变化继续时，由于半导体部件的温度变化，所以对半导体部件产生很大压力。在半导体部件中，随着在半导体的芯片中功率耗散，部件的实际pn结升温最多。由于物理部件的不同部分发热不同，所以温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。

已知的是要限定转换器设备的开关频率，以在循环使用中限定温度改变。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，可以通过降低开关频率来减少温度变化。

图1示出了用于限定温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温度来限定开关频率。图1示出了作为温度的函数的开关频率的限值。当半导体部件的温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。一旦温度进一步升高，开关频率被限定，直到温度到达第二固定限值T_sf_high，此后开关频率被限定为值SF_min。因而，以上述方式根据所确定的半导体部件的温度来选择开关频率。

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，冷却介质的温度为70℃，并且因而半导体的温度也相同。半导体的温度开始迅速增加，直到达到限值T_sf_low(100℃)为止。在该限值之后，开关频率降低，并且温度最终上升至110℃，温度变化dTj为40℃。

在第二种情况下，冷却介质的温度仅为20℃。尽管半导体的温度如在第一情况下那样上升，但是温度不超过下限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。这引起温度变化dTj为60℃的情况。

以使得半导体部件以冷却介质的最高容许温度进行操作的方式对温度限值T_sf_high和T_sf_low进行设置。此外，必须将温度差选择得比较大，使得下限可以达到冷却介质的除了最高容许温度之外的其他温度。然而，这不是有效的，因为温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温度。