用于确定功率电子装置的温度的方法、设备、功率电子装置与流程

1.本发明涉及一种用于确定功率电子装置的温度的方法，所述功率电子装置具有至少一个换向电路和通过换向电路通电/可通电的负载，其中换向电路包括第一半导体开关装置和第二二极管，所述第一半导体开关装置具有第一半导体开关和可选的第一二极管，其中第二二极管和负载彼此并联地与第一半导体开关连接，其中随第一半导体开关导通之后监控至少在第二二极管中引起反向电流期间流过第二二极管的电流的电流分布，并且其中根据电流分布确定第二二极管的势垒层的温度。
2.本发明还涉及一种用于执行开头提到的方法的设备。
3.本发明还涉及具有这种设备的功率电子装置。


背景技术：

4.在功率电子装置运行时，功率电子装置的功率半导体、例如功率半导体开关或二极管承受巨大的负载。为了保护功率半导体免于热过载，通常确定功率半导体或功率电子装置的温度并且功率电子装置根据所确定的温度来运行。
5.为了确定温度已知：将ntc温度传感器集成到功率电子装置中。还已知：求出功率电子装置的功率半导体的温度相关的电学半导体特性并且根据所求出的温度相关的电学半导体特性确定功率半导体的温度。例如，功率半导体的正向电压是这种温度相关的电学半导体特性。
6.从出版物“online high
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power p
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n diode junction temperature extraction with reverse recovery fall storage charge在线高功率 p
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n 二极管结温提取与反向恢复下降存储电荷”，ieee trans. on power electronics，第2558
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2567页，2017年4月（luo等人）得知一种用于确定开头提出类型的功率电子装置的温度的方法。在此，功率电子装置包括换向电路和通过换向电路通电/可通电的负载。换向电路具有第一半导体开关装置和第二二极管，所述第一半导体开关装置包括第一半导体开关和第一二极管。在此，第二二极管和负载彼此并联地与第一半导体开关连接。第一二极管的存在对于构成换向电路是可选的。第一半导体开关和第二二极管通过如下方式构成换向电路：即沿正向方向流过第二二极管的电流随第一半导体开关导通后换向到第一半导体开关上。这意味着：流过第二二极管的电流减小，并且流过第一半导体开关的电流同时增大，其中流过负载的负载电流保持恒定。据luo等人，随第一半导体开关导通之后，在第二二极管中引起的反向电流期间监控流过第二二极管的电流的电流分布。在此，将反向电流可理解为相反于二极管、例如第二二极管的正向方向流过二极管的电流。反向电流通过如下方式产生：随沿二极管正向方向流动的电流，剩余载流子存在于二极管的空间电荷区中，并且这些载流子从空间电荷区中移除。据luo等人，为了监控电流分布，在出现反向电流期间测量换向电路的寄生电感的对应于电流分布的电压，其中然后根据寄生电感的电压的电压分布的幅度确定第二二极管的势垒层的温度。


技术实现要素：

7.具有权利要求1的特征的根据本发明的方法的优点在于：可靠地求出第二二极管的势垒层的温度。为此，根据本发明提出：根据电流分布求出流过换向电路的电路电流的电流值一方和通过反向电流引起的电流极值另一方之间的差，并且第二二极管的势垒层的温度根据该差确定。在此，将通过反向电流引起的电流极值可理解为在经过第二二极管的反向电流期间的电流分布的最大值或最小值。通常，电流极值表现为最小值，因为反向电流是与第二二极管的正向方向相反的电流。当然，根据在求出电流极值或电流分布时的处理方式，电流极值也可以表现为最大值。这基于：反向电流的电流极值或差与第二二极管的势垒层的温度相关，使得可以根据电流极值或差求出第二二极管的势垒层的温度。因此，反向电流的电流极值或差为温度相关的电学半导体特性。电路电流的电流值可理解为流过换向电路的至少一个元件的电流的电流值。电路电流的电流值优选地根据电流分布求出。优选地，为此，考虑在第二二极管中引起的反向电流出现之前或之后的电流分布。
8.根据一个优选的实施方式提出，根据对应于流过负载的负载电流的电流值的校正值来求出第二二极管的势垒层的温度。这基于：在第一半导体开关导通之前，有电流流过第二二极管，所述电流的电流值对应于流过负载的负载电流的电流值。此外基于：在第一半导体开关导通前流过第二二极管的电流的电流值或负载电流的电流值影响反向电流的电流极值。通过考虑校正值的形式的流过负载的负载电流的电流值，因此提高在确定第二二极管的势垒层的温度时的精度。
9.优选地，测量流过第二二极管的电流以监控电流分布。从中得到如下优点：直接提供电流分布。由此简化了第二二极管的势垒层的温度的评估或确定。优选地，直接且无电势地测量经过第二二极管的电流分布。例如借助于霍尔传感器、罗戈夫斯基传感器等测量电流分布。替选于此或除此之外，优选直接且结合电势地测量电流分布。为此，测量施加在电阻处的电压或所述电压的电压分布，并且借助于欧姆定律根据电压分布计算电流分布。因为为了求出电流分布仅须与校正系数相乘，所以在该情况下也基于：直接测量电流分布，其中所述校准系数与电阻的电阻值关联。
10.根据一个优选的实施方式提出：检测寄生电感的电压分布，并且根据检测到的电压分布求出电流分布。从中得到如下优点：该方法可技术上简单地执行。这基于：电压分布与电流分布的斜率相对应。因此，通过对寄生电感的电压分布进行积分可以求出电流分布。为此，优选使用以下等式（1.1），其中δv
ss
对应于寄生电感的电压值，l
par
对应于寄生电感的电感，并且i
d
对应于电流分布的电流值。
11.在这种情况下，电流极值于是通常表现为最大值。
12.优选地，监控在第二二极管中引起的反向电流出现之前的电流分布，其中根据在出现反向电流之前的电流分布求出流过换向电路的电路电流的电流值。优选地，将在反向电流出现之前或者在电流从第二二极管换向到第一半导体开关上之前出现的平台电流值求出作为电路电流的电流值。从中得到如下优点：可以根据所求出的差直接确定第二二极管的势垒层的温度。替选于此，将电流从第二二极管换向到第一半导体开关上期间的电流值求出作为电路电流的电流值。
13.根据一个优选的实施方式提出：监控在第二二极管中引起的反向电流出现之后的电流分布，其中根据电流分布求出在出现反向电流之后出现的平台电流值，其中反向电流的最大量根据差一方和平台电流值另一方求出，并且其中第二二极管的势垒层的温度根据反向电流的最大量确定。通过这种方式提高第二二极管的温度确定的精度。优选地，为了求出反向电流的最大量将平台电流值从差中减去。
14.优选地，根据施加在功率电子装置处的中间回路电压确定第二二极管的势垒层的温度。中间回路电压是通过与功率电子装置连接的电流或电压源提供的电压。这基于：施加在功率电子装置处的中间回路电压也影响电流极值。因此，通过考虑中间回路电压，提高了在确定第二二极管的势垒层的温度时的精度。
15.根据一个优选的实施方式提出：根据第一半导体开关的导通持续时间确定第二二极管的势垒层的温度。在此，可将导通持续时间理解为第一半导体开关需要从非导通或阻断状态过渡到导通状态的持续时间。这基于：第一半导体开关的导通持续时间影响电流极值，使得引起持续时间的减少，即第一半导体开关的更快导通，作为最大值出现的电流极值的增加或作为最小极值出现的电流极值的减小。
16.优选地，借助特征曲线族和/或查找表来确定第二二极管的势垒层的温度。特征曲线族和查找表都是用于在确定第二二极管的势垒层的温度时考虑电流极值与中间回路电压和/或负载电流的电流值的相关性的合适的措施。
17.根据一个优选的实施方式提出：电流分布和/或电压分布在第二二极管的背离第一半导体开关装置的一侧上或在第一半导体开关装置的背离第二二极管的一侧上测量。可以在两个上述侧上检测在第二二极管中引起的反向电流的电流极值。因此，这两侧都适合测量电流分布和电压分布。如果在第二二极管的背离第一半导体开关装置的一侧上测量电流分布，则电流极值通常表现为最小值。如果在第一半导体开关装置的背离第二二极管的一侧上测量电流分布，则反向电流表现为与反向电流相对应的过电流，使得电流极值于是表现为最大值。
18.优选地，为了将功率电子装置构成为半桥，功率电子装置具有第二半导体开关装置，所述第二半导体开关装置具有第二半导体开关和第二二极管，其中随第二半导体开关导通之后监控在第一二极管中引起的反向电流期间的电流分布，并且其中根据在第一二极管中引起的反向电流期间的电流分布确定第一二极管的势垒层的温度。如上所述，可以在第一半导体开关装置的背离第二二极管的一侧上和在第二二极管的背离第一半导体开关装置的一侧上检测第二二极管的电流极值。从中得出：同样可以在这两侧上检测在第一二极管中引起的反向电流出现期间的电流极值。半桥通常被操控成，使得流过负载的负载电流具有正弦分布。为此，半桥或半桥的半导体开关优选以脉宽调制的方式被操控。在此，在负载电流具有正电流值的时间段中，例如第一半导体开关和第二二极管是激活的，使得这两个元件或这两个元件中的一个引导电流。在所述时间段中，于是可以通过该方法确定第二二极管的势垒层的温度。在负载电流具有负电流值的时间段中，第二半导体开关和第一二极管于是是激活的，使得在所述时间段中可以通过该方法确定第一二极管的势垒层的温度。优选地，在相同的侧上或借助于相同的测量设备监控在第二二极管中引起的反向电流出现期间的电流分布和在第一二极管中引起的反向电流出现期间的电流分布。从中得到如下优点：可以借助于相同的测量设备确定第一二极管的势垒层的温度和第二二极管的势垒
层的温度。特别地，功率电子装置构成为半桥，而无需随第二半导体开关导通之后确定第一二极管的势垒层的温度。
19.根据一个优选的实施方式提出：根据第二半导体开关的关断的时间点启动对电流分布的监控。第二半导体开关关断、即不导通的时间点通过换向电路或功率电子装置的控制设备来预设。第二半导体开关关断的时间点因此是已经已知的进而有利地适合作为用于监控电流分布的触发或启动信号。
20.优选地，求出反向电流的积分，并且根据积分确定第二二极管的势垒层的温度。由此，降低该方法的易受干扰性。在此，反向电流的分布的积分对应于第二二极管的反向恢复电荷q
rr
。反向恢复电荷也是一种温度相关的电学半导体特性。反向电流的分布的积分优选地在反向电流出现的整个持续时间期间确定。替选于此，在确定积分时优选仅考虑持续时间的某时间部段。
21.具有权利要求14的特征的用于确定功率电子装置的温度的根据本发明的设备的特征在于，该设备作为控制设备专门设计用于，在正常使用中执行根据本发明的方法，其中功率电子装置具有至少一个换向电路和通过换向电路通电/可通电的负载，其中换向电路包括第一半导体开关装置和第二二极管，所述第一半导体开关装置具有第一半导体开关和可选的第一二极管，其中第二二极管和负载彼此并联地与第一半导体开关连接。从中也得到已经提到的优点。其他优选的特征和特征组合从之前的描述以及从权利要求中得出。
22.具有权利要求15的特征的根据本发明的功率电子装置的特征在于，设有根据本发明的设备，其中所述功率电子装置具有至少一个换向电路和通过换向电路通电/可通电的负载，其中换向电路包括第一半导体开关装置和第二二极管，所述第一半导体开关装置具有第一半导体开关和可选的第一二极管，其中第二二极管和负载彼此并联地与第一半导体开关连接。从中也得到已经提到的优点。优选地，功率电子装置为了将换向电路构成为半桥而具有第二半导体开关装置，其中第二半导体开关装置包括第二半导体开关和第二二极管。特别地，第一半导体开关和/或第二半导体开关构成为igbt。第一二极管和/或第二二极管则优选地是与半导体开关分开构成并且反并联连接于半导体开关的二极管。第一半导体开关和/或第二半导体开关优选构成为mosfet。第一二极管和/或第二二极管则优选地是构成为mosfet的半导体开关的体二极管。替选于此，第一和/或第二二极管优选地是与构成为mosfet的半导体开关分开构成的并与半导体开关反并联连接的二极管。在这种情况下，第一半导体开关和/或第二半导体开关优选构成为基于硅的mosfet。
附图说明
23.下面，根据附图更详细地描述本发明，其中附图中相同的和相对应的元件配备有相同的附图标记。为此：图1示出功率电子装置的电路图，图2示出两个图，其中示出通过功率电子装置的换向电路的电流分布，图3示出一个图，其中示出寄生电感的电压分布和根据电压分布求出的电流分布，图4示出根据第一实施例的用于确定功率电子装置的二极管的温度的方法，和图5示出根据第二实施例的用于确定二极管的温度的方法。
具体实施方式
24.图1示出功率电子装置1的电路图。功率电子装置1具有换向电路2和负载3。当前，换向电路2构成为半桥2。为此，换向电路2具有带有第一半导体开关5和第一二极管6的第一半导体开关装置4。此外，换向电路2具有带有第二半导体开关8和第二二极管9的第二半导体开关装置7。然而，为了构成换向电路2不需要存在第一半导体开关5、第二半导体开关8、第一二极管6和第二二极管9。根据换向电路2的另一实施例，省去第一半导体开关5和可选地省去第二二极管9。换向电路2于是构成为单象限控制器并且具有第二半导体开关8、第一二极管6和可选的第二二极管9。根据换向电路2的又一实施例，省去第二半导体开关8和可选地省去第一二极管6。换向电路2于是也构成为单象限控制器并且具有第一半导体开关5、第二二极管9和可选的第一二极管6。
25.第二二极管9和负载3彼此并联地与第一半导体开关5连接。第一二极管6和负载3彼此并联地与第二半导体开关8连接。功率电子装置1还具有电压源10，所述电压源包括正极11和负极12。当前，正极11与第一半导体开关装置4连接。负极12与第二半导体开关装置7连接。
26.功率电子装置1还具有控制电路13。所述控制电路被构造用于：操控第一半导体开关5和第二半导体开关8。为此，控制电路13借助于第一电阻14与第一半导体开关5的栅极连接并且借助于第二电阻15与第二半导体开关8的栅极连接。控制电路13被构造用于：以脉冲宽度调制的方式操控半导体开关5和8，使得流过负载3的负载电流具有正弦分布。在此，当正弦负载电流具有正电流值时，电流一方面流过负载3，并且另一方面流过第一半导体开关5和/或第二二极管9。如果正弦负载电流具有负电流值，则电流一方面流过负载3，并且另一方面流过第二半导体开关8和/或第一二极管6。
27.此外，换向电路2或功率电子装置1具有寄生电感16，所述寄生电感位于第二二极管9的背离第一半导体开关装置4的一侧上。
28.下面，参考图2解释流过换向电路2的电路电流的不同的电流分布。图2中左侧所示的第一图示出电流分布i
d
。电流分布i
d
描述沿正向方向流过第二二极管9的电流。在此，其基于：正弦形的负载电流具有正电流值。因此，电流一方面流过负载3，并且另一方面流过第一半导体开关5和/或第二二极管9。例如，可以在图1中通过箭头17标记的部位处测量电流分布i
d
。在第一时间点t1之前，第一半导体开关5不导通。流过第二二极管9的电流的电流值在第一时间点t1之前基本上对应于流过负载3的负载电流的电流值。从所述时间点t1起，第一半导体开关5至少部分地导通。从该时间点起，流过第二二极管9的电流换向到第一半导体开关5上。这意味着：在时间点t1和第二时间点t2之间，流过第二二极管9的电流的电流值减小。同时，流过第一半导体开关5的电流的电流值增加。在第二时间点t2，流过第二二极管9的电流的电流值为0。随时间点t2之后，存在于第二二极管9的空间电荷区中的剩余载流子从空间电荷区中移除。由此，在时间点t2和时间点t4之间，在第二二极管9中引起反向电流、即相反于第二二极管9的正向方向流过第二二极管9的电流。在时间点t3，反向电流具有电流极值i
max
，在这种情况下为最小值。所述电流极值i
max
或电流极值i
max
的水平与第二二极管9的势垒层的温度相关。因此，其是温度相关的电学的半导体特性。随时间点t4之后，反向电流结束。流过第二二极管9的电流的电流值于是基本上为0。电流极值imax和随时间点t4之后出现的平台电流值之间的差是反向电流的最大量i
rr,max
。电流分布i
b
同样表示经过第二
二极管9的电流分布。然而，电流分布i
b
与电流分布i
d
相比反转，使得在该情况下电流极值i
max
表现为最大值。电流分布i
d
和电流分布i
b
也可以在图1中箭头18标记的部位处测量。
29.图2中右侧所示的第二图示出电流分布i
c
。该电流分布i
c
表示可以在图1中通过箭头19标记的部位处测量的电流。因此，电流分布i
c
是沿正向方向流过第一半导体开关5的电流。时间点t1、t2、t3和t4在此分别对应于第一图中所示的时间点。在时间点t1之前，第一半导体开关5不导通，使得电流分布i
c
的电流值为0。如从第二图可见，在时间点t2和t4之间相反于正向方向流过第二二极管9的反向电流在电流分布i
c
中显示为过电流，其中过电流的最大量i
rr,max
对应于反向电流的最大量i
rr,max
。随时间点t4之后，电流分布i
c
的电流值基本上对应于流过负载3的负载电流的电流值。
30.图3示出施加在寄生电感16处的电压的电压分布δv。在此，时间点t1、t2、t3和t4也对应于图2的第一图中所示的时间点。在时间t1和t3之间，施加在寄生电感16处的电压具有正电压值。在时间点t3和t4之间，施加在寄生电感16处的电压具有负电压值。随时间点t4之后，电压值基本上为0。可以根据电压分布δv求出电流分布i，所述电流分布与电流分布i
b
、i
d
和i
c
对应。为此，对电压分布δv进行积分。所求出的电流分布i于是对应于可测量的电流分布i
c
。
31.下面，参照图4解释用于确定第二二极管9的势垒层的温度的方法的第一实施例。该方法在如下时间点执行，在所述时间点具有正弦分布的、经过负载3的负载电流具有正的电流值。与此类似，当经过负载3的负载电流具有负电流值时，可以执行用于确定第一二极管6的势垒层温度的方法。
32.在步骤s1中，根据触发或启动信号的检测开始对通过第二二极管9的电流分布进行监控。当前，检测到第二半导体开关8的关断、即不导通作为触发。在步骤s2中，选择性地测量施加在通过箭头17、18或19处标记的部位之一处的电流或施加在寄生电感16处的电压以监控电流分布。替选于寄生电感16的电压，测量存在于第一半导体开关装置7的背离第二半导体开关装置7一侧上的寄生电感的电压。如果在步骤s2中测量电压，则在步骤s3中根据电压的电压分布求出电流分布。为此，对电压分布进行积分。随此之后，参考步骤s4。如果在步骤s2中测量电流，则直接参考步骤s4。
33.在该步骤s4中，根据电流分布求出在时间t2和t4之间、即在出现反向电流期间出现的电流极值i
max
和流过换向电路2的电路电流的电流值另一方之间的差。电路电流的电流值优选地是根据电流分布求出的电流值。优选地，选择在时间点t2之前的、即在反向电流出现之前的、特别优选地在时间点t1之前的、即在第一半导体开关5不导通的时间点的电流分布的电流值作为电路电流的电流值。在步骤s5中，求出或提供中间回路电压、即施加在正极11和负极12之间的电压。在步骤s6中，求出或提供流过负载3的负载电流的电流值。流过负载3的负载电流优选地根据电流分布求出。替选于此，负载电流通过单独的、分配给负载3的电流测量装置求出。在步骤s7中，根据所求出的差、中间回路电压和流过负载3的负载电流来求出第二二极管9的势垒层的温度。
34.图5示出用于确定第二二极管9的势垒层的温度的方法的另一实施例。图5中所示的实施例与图4中所示的实施例的区别尤其在于：根据电流分布，求出随反向电流之后、即在时间点t4之后出现的平台电流值。在步骤s8中，然后根据差一方和平台电流值另一方求出反向电流的最大量i
rr,max
。在步骤s7中，然后根据反向电流的最大量i
rr,max
、中间回路电压
和负载电流的电流值来确定第二二极管9的势垒层的温度。与图4中所示的实施例相比，图5中所示的第二实施例具有提高的精度。
35.参考图1，功率电子装置1具有设备20。仅示意性示出的设备20被构造用于：执行用于确定第二二极管9的势垒层的温度的方法。为此，设备20与测量装置通信连接，所述测量装置向设备20提供流过负载3的负载电流的电流值、中间回路电压和测量的电压值或测量的电流值。