[发明专利]用于估计电力半导体元件的结的参数的方法和电力单元

说明书

本公开涉及一种用于估计电力半导体元件的结的参数的方法，其包括：*‑通过对半导体模块(1)的Von、Ion、Tc的测量值(2,3,4)检测至少一个稳定在线操作条件，其中，Ion是半导体的通态电压Von对温度敏感的电流，并且Tc是所述半导体元件的外壳的温度；*‑测量并存储所述至少一个稳定操作条件的至少一个参数集合Von、Ion、Tc；*‑在计算单元(52)中，提供用于最小化包括第一未知参数集θelec的电气模型Tj＝F(Von,Ion,θelec)的结温估计Tj与包括第二未知参数集θmod的损耗/热模型Tj＝(Ion,Tc,θmod)的另一个结温估计Tjmod之间的误差的计算，并且获得至少一个参数集θelec和至少一个参数集θmod以提供所述误差的最小化；*‑为所计算的Tj的值提供所计算的参数集θlec和/或θmod中以及所测量的Von、Ion、Tc中的至少一个；*‑存储至少一个参数集θelec和/或θmod和/或Tj。

技术领域

本公开涉及一种用于估计诸如电力转换器的设备中的诸如IGBT、二极管、MOSFET模块的电力半导体的结的参数的方法以便提供对这些参数的考察，以在监测系统中提供对这种半导体的结温和/或条件和可能劣化的监测。

背景技术

诸如半导体结温等的参数的估计对于电力半导体模块的诊断和预测非常重要。

基于热模型的电力半导体模块的温度估计很有吸引力，因为它为这种模块的所有操作条件提供了温度估计。然而，这种估计需要对电力半导体模块的准确电力损耗测量以及电力半导体模块和冷却组件的准确热模型，由于这种模型在安装和操作条件下的灵敏度和可变性，因此很难建立先验。此外，模块的热阻抗随着电力模块的老化而变化，使得这种估计不可靠。

基于电压Von作为温度敏感电气参数(TSEP)的温度估计因为它应用于IGBT、二极管和MOSFET而很有吸引力，这是由于它不要求修改操作或选通信号，并且因为测量是在换相之间以低速(几μs范围)执行的。然而，由于零温度系数(ZTC)电流区域和/或寄生元件在高电流和/或广泛校准要求下的影响，对所有运行点执行估计是不可能的或成本太高。

Von是例如阴极到阳极电压、或漏极到源极电压或集电极到发射极电压。

与ZTC相关的问题是根本性的，但是可以通过在其它电流值下执行温度测量来管理。通过使用在线数据执行校准，可以最小化与寄生元件的影响相关的问题，从而在校准数据本身中考虑寄生元件，从而部分被补偿。定期重新校准可以检测器件老化(条件监测)并在估计结温时补偿这种老化。在利用在线数据重新校准时，重新校准过程中无需中断正常运行。最后，利用在线数据进行校准还可以降低相关成本，因为在生产线末端或产品寿命期间不需要具有影响转换器的正常运行的特殊专用诊断过程的特殊例程。

然而，由于Von主要依赖于负载电流，因此将针对Von的在线数据作为TSEP进行校准特别困难。

在负载电流为正弦曲线的逆变器或整流器中，校准可以使用在不同且独立于RMS或峰值负载电流Irms和Ipk的电流Imeasure下测量Von的可能性。在测量电流受到强烈约束并与峰值或RMS电流相关联的DC/DC转换器的情况下，在线校准甚至更加困难。

文献B.Rannestad、K.Fischer、P.Nielsen、K.Gadgaard和S.Munk-nielsen，“Virtual Temperature Detection of Semi-conductors in a Mega Watt FieldConverter”(IEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS vol.0067，no.2,2020年2月)公开了一种使用虚拟温度的方法，虚拟温度被定义和提出作为在场应用中用于电力模块中的条件监测的参数。然而，使用在线电压、电流和温度校准监测模型仍然是本发明要解决的挑战。

发明内容