感测功率晶体管的结温度的制作方法

1.本公开涉及估计功率晶体管的结温度，且更具体而言，涉及使用导通状态测量并且不使用分立温度感测元件来感测逆变器中使用的功率晶体管的结温度。


背景技术：

2.电动车辆和电混合动力车辆利用在工作过程中产生大量热量的功率电子器件和电气组件。电动车辆和电混合动力车辆中使用的车辆电机通常包括一个或多个多相交流(ac)电机，这些电机需要逆变器来使用由电池提供的直流(dc)电源。可能需要整流器将ac功率转换成dc功率，以便为车载电池充电。此外，可能需要dc到dc转换器来使功率电子系统内的dc电压电平升压或降压。车辆逆变器通常包括电子开关组件，例如高电压/高电流功率晶体管，其以快速顺序来可控地接通和断开，以便向电机提供多相ac。功率晶体管生成相当大的热量，从而需要热管理/热保护以防止过热并控制逆变器的性能。


技术实现要素：

3.发明者人认识到，控制并向电机供电的逆变器的性能(即，输出电流容量)受到其半导体开关的温度的限制，并且半导体开关的温度估计的改进对于逆变器的总体性能而言是合需的。然而，逆变器应用中功率半导体模块的现有技术温度测量通常涉及使用分立温度感测元件来提供用于功率晶体管(通常但不限于氮化镓fet、碳化硅(sic)mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)，igbt(绝缘栅双极晶体管)等)的温度信息。分立温度感测元件通常包括在功率晶体管管芯附近附连(使用焊接等技术)到功率模块基板的分开的组件。这一组件通常是ntc(负温度系数)热敏电阻器、ptc(正温度系数)热敏电阻器或rtd(电阻温度检测器)类型的器件。在产品开发期间，所描述的温度感测实施例还可被用于替代诸如红外温度测量之类的其他方法。
4.发明人进一步认识到这种类型的温度感测方案的缺点。首先，关于半导体管芯的绝对稳态结温度，使用这样的分立感测元件(例如热敏电阻器)是不准确的；其次，这种方法太慢而不能检测功率晶体管结温度的快速变化。
5.为了解决上述和其他问题中的至少一些，提供了一种用于估计在电动车辆逆变器中使用的功率晶体管的结温度的实施例。根据本公开的第一方面，方法包括测量功率晶体管的温度相关特性并使用处理器用传递函数来估计功率半导体的结温度，传递函数包括结温度与功率半导体的温度相关特性之间的数学关系，其中温度相关特性的测量和由此进行的结温度的估计免于使用分立感测元件。
6.根据另一方面，温度相关特性是导通状态电阻(对于mosfet功率晶体管)，并且测量温度相关特性包括使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样，使用相电流传感器来感测功率晶体管的漏电流，以及使用处理器用结电流和结电压来计算导通状态电阻。根据另一方面，使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样包括测量在功率晶体管的导通时间期间功率晶体管的漏极和源极之间的电压差，其中使用相电流传感器感
测功率晶体管的漏电流包括测量相电流(对应于在导通状态期间的漏电流)，并且其中导通状态电阻是功率晶体管的漏极和源极之间的导通状态电阻并且被计算为结电压除以漏电流。
7.根据另一方面，温度相关特性是导通状态电阻(对于mosfet功率晶体管)，并且测量温度相关特性包括使用相电流传感器感测功率晶体管的漏极电流，使用峰值电流检测器来检测功率晶体管的峰值电流振幅，使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样，使用峰值电压检测器来检测峰值传导电压，以及使用处理器用峰值电流振幅和峰值传导电压来计算导通状态电阻。根据另一方面，使用定序器将峰值电流振幅和峰值传导电压彼此匹配。
8.根据另一方面，温度相关特性是功率晶体管的饱和电压(对于igbt功率晶体管)，并且测量温度相关特性包括使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样。根据另一方面，使用相电流传感器感测功率晶体管的集电极电流，使用峰值电流检测器来检测功率晶体管的峰值电流振幅，使用定序器将峰值电流振幅和峰值饱和电压进行匹配，以及使用峰值电流振幅和峰值饱和电压基于传递函数来估计功率晶体管的结温度，其中传递函数包括功率晶体管的结温度，作为针对该峰值电流振幅或包括该峰值电流振幅的峰值电流振幅范围的峰值饱和电压的函数。
9.根据另一方面，感测电动车辆逆变器中使用的功率晶体管的结温度，该方法包括使用相电流传感器感测功率晶体管的结电流，使用峰值电流检测器来检测功率晶体管的峰值电流振幅；使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样；使用峰值电压检测器来检测峰值传导电压，使用处理器用峰值电流振幅和峰值传导电压来计算导通状态电阻，以及使用映射结温度和导通状态电阻之间的预定关系的传递函数来估计结温度，其中使用定序器将峰值电流振幅和峰值传导电压彼此匹配，并且其中结温度的估计免于使用分立感测元件。
10.根据另一方面，一种感测电动车辆逆变器中使用的功率晶体管的结温度的方法，包括使用相电流传感器感测功率晶体管的漏极或集电极电流，使用峰值电流检测器来检测功率晶体管的峰值电流振幅，使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样；使用峰值电压检测器来检测峰值饱和电压，以及使用映射结温度和饱和电压之间的预定关系的传递函数来估计结温度，其中使用定序器将峰值电流振幅和峰值传导电压彼此匹配，并且其中结温度的估计免于使用分立感测元件。根据另一方面，功率晶体管是igbt(绝缘栅双极晶体管)，使用分立感测元件包括将分立感测元件附连到包括igbt的基板或附连到包括igbt的电路板，并且分立感测元件包括一个或多个热敏电阻器、ntc(负温度系数)热敏电阻器、ptc(正温度系数)热敏电阻器、或rtd(电阻温度检测器)。
11.根据另一方面，一种适配成感测在电动车辆逆变器中使用的功率晶体管的结温度的系统，包括结电压采样电路以及处理器，结电压采样电路与电动车辆逆变器中的功率晶体管电互连并且被适配成在功率晶体管的导通状态期间对功率晶体管的结电压进行采样以获得所采样的结电压，处理器被适配成基于所采样的结电压估计功率晶体管的结温度，其中该系统没有分立的温度感测元件。根据另一个方面，功率晶体管是mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)，并且处理器被适配成计算mosfet的导通状态结电阻，并且基于所采样的结电压和计算得到的导通状态结电阻来估计mosfet的结温度。
12.应该理解，提供以上概述以通过简化形式介绍以下详细描述中进一步描述的一些概念。这并不旨在标识所要求保护主题的关键或必要特征，所要求保护主题的范围由具体实施方式之后的权利要求书来唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决在上述或本发明的任一部分中提及的任何缺点的实现。
附图说明
13.附图被包括在此作为说明书的一部分。本文描述的附图解说了本公开主题的实施例，并且解说了本公开的所选原理和教导。然而，附图没有解说本公开主题的所有可能实现，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
14.图1是根据实施例的包括牵引电池、逆变器和牵引电机的机动车系统的示图。
15.图2是根据实施例的图1中所示的电池、逆变器和电机的框图。
16.图3是根据实施例的可使用的包括半桥布置中的功率半导体的示例性功率模块电气示意图。
17.图4是解说根据实施例的用于逆变器的功率晶体管的布置的功率模块的透视图，该功率模块包括分立的温度感测元件。
18.图5是示出用于估计包括分立的感测元件的逆变器设计的结温度的示例性组件和方法的功能框图。
19.图6是根据实施例的示出用于估计逆变器设计的结温度的示例性组件和方法的功能框图。
20.图7是示出导通状态电阻与结温度的关系图。
21.图8是饱和电压与结温度的关系图。
22.可在不同的附图中已使用相似的附图标记来表示相似的组件。根据一些实施例，图4示出了具有彼此成比例大小的组件。
具体实施方式
23.应当理解，除了明确指定为相反的情况之外，本发明可假定多种替代取向和步骤顺序。还将理解，在附图中解说并且在以下说明书中描述的特定组装件和系统仅是在此限定的发明概念的示例性实施例。因此，除非另外明确地表明，否则与所公开的各实施例相关的特定尺寸、方向或其他物理特征不被认为是限制性的。此外，尽管它们可能不是，但是本文描述的各种实施例中的相似元件可以在本技术的这一部分中共同以相似的附图标记来指代。
24.如所提及的，发明人认识到牵引逆变器的性能(至少在输出电流容量方面)受到其半导体开关的温度的限制。发明人认识到需要改进半导体开关的温度估计以改进逆变器的总体性能。鉴于此，发明人着手解决现有逆变器设计的缺点，这涉及在采用封装在功率开关模块(功率半导体模块)中靠近功率晶体管管芯(诸如mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)或igbt(绝缘栅双极晶体管)管芯)的分立感测元件(诸如举例而言热敏电阻器)的逆变器应用中针对功率半导体模块的温度测量。即，这样的分立温度感测元件对于半导体管芯的绝对稳态结温度是不准确的，并且以这种方式感测温度对于检测结温度的快速变化而言太慢。
25.作为概述，图1解说了为所描述的实施例提供上下文的混合动力车辆系统的示例，示出了牵引储能系统(电池)和用于驱动车辆的驱动轮的牵引电机之间的牵引逆变器。此后，图2呈现了根据各实施例的图1中所示的电池、逆变器和电机的框图。图3包括根据各实施例的可在逆变器中使用的示例性半桥布置。图4和5提供逆变器模块的附加描述、使用分立感测元件感测结温度的各方面以及其温度估计方法。图6-8提供用于结温度感测的示例性组件和方法，包括测量功率晶体管的温度相关特性和使用传递函数来估计结温度，以及提供例如导通状态电阻与结温度之间的示例性传递函数关系、饱和电压与温度的示例性传递函数关系。
26.图1解说了包括逆变器(诸如牵引逆变器122)的车辆100，所述逆变器与储能系统(诸如电池130)交换或交流电能并且与电机(诸如牵引电机124)交换电能，所述电机在一个方向上将电能转换成机械能，例如用于驱动车辆牵引系统的旋转运动，诸如可以与轮106、108相关联并包括轮106、108；在另一方向上，将(诸如来自驱动轮106、108的)机械能转化成电能。本发明人认识到，提高逆变器的效率、成本和其他特性的重要性，并且逆变器的改进包括改进功率电子器件，尤其是逆变器中使用的功率晶体管的温度估计。如本文将更详细地描述的，本发明人发现在估计功率晶体管的结温度方面的改进可被用于最大化可发送到电机的电流量，同时确保功率晶体管的安全操作。
27.图1示出了示例混合动力车辆系统。如图所示，车辆100包括许多连接的组件和系统。车辆100可经由插头/插座162充电，它将功率传输到电池充电器132。充电器随后通过包括功率链路(或电导体)156和158的双向连接134将功率传输到储能系统(或电池)130。电功率逆变器122可以经由包括功率链路146和148的双向连接120从电池130接收功率和将功率传输到电池130。功率电子逆变器122同样可以经由包括(相电流)连接150、152和154的双向连接118从电机124接收功率(电能)以及将功率(电能)传输到(交流)电机124。燃料箱126向内燃机(ice)128提供汽油或其他燃料。可使用除图1所示的并联拓扑结构以外的其他几种拓扑结构，包括例如串联或并-串联。电机和ice两者都分别经由机械连接144和142耦合到机械耦合系统112，该机械耦合系统112可以包括例如差速器和/或齿轮减速器和/或其他机械联轴器，其适于接收来自ice 128和/或牵引电机124中的一者或两者的机械能(即旋转)并将该机械能传输到车辆驱动轴总成，例如驱动轴140、差速器110、半轴136和138、以及驱动轮106和108。
28.可以注意到，如图所示，ice 128通常在一个方向上传输功率，如连接114所示。机械连接144双向地传输功率，如连接116所示。然后，机械耦合通过耦合140将功率传输到轴136或138。在一些实施例中，轴136和138可以是单个轴；然而，在其他实施例中，它们可以是由接头110连接的分开的半轴。无动力的轴160位于车辆的后部；然而，轴160可以以其他方式布置和/或通过耦合到一个或多个ice和/或电机(包括ice 128和/或ac牵引电机124)的驱动线(未示出)来驱动。车辆在轮102、104、106、108上行驶；然而，驱动轮102、104、106、108可以包括其他驱动牵引结构(例如，轨道)，并且可以包括不同数量的驱动牵引结构，而不是所示的四个(即，四个驱动轮)。
29.图2解说了可在车辆100中使用的电池-逆变器-电机配置200，其包括诸如电池130之类的储能系统、诸如逆变器202之类的逆变器和诸如牵引电机124之类的电机。在一些实施例中，逆变器202包括使用三对或六个功率晶体管的h桥布置，例如对238、240和242，与储
能系统的正和负电连接(本文中描述为逆变器的输入)相连接，诸如电池130的端子248和250，以及三个相连接(本文中描述为逆变器的输出)，诸如牵引电机124的相负载连接224、226和228。
30.尽管本文描述为具有输入和输出，但通常在来自电池的直流作为逆变器的输入且来自逆变器的交流作为逆变器的输出(以及电机的输入)的上下文中，如图1所述和所示出的，由电机124产生的电能可被输入到逆变器(在交流电机相电流导体224、226和228处)，其中逆变器202向电池提供(作为逆变器248、250的输出)电能以经由逆变器202对电池充电。
31.同样关于图2中所示的虚线框202、206和204，尽管可以在特定框中描述各种组件和功能，但是框(即202、206、204)可以包括比所示和描述的功能性和组件更多或更少的功能性和组件。各框有助于描述各种组件和功能性；然而，各框并不限制例如逆变器(诸如逆变器122)中可以包括哪些组件或功能性。例如，尽管未示出，但是逆变器可以包括插入在电池130的端子248及250和端子/导体连接230和244之间的半桥升压dc-dc转换器电路系统。本领域技术人员将知道，在端子248、250和导体点230、244之间插入这种半桥升压dc-dc电路系统(例如，以将来自电池130的电压升高到进入功率晶体管对238、232和242的更高电压输入)必然会取代图2所示的端子位置之间的导通连续性。例如，所插入的半桥升压dc-dc转换器电路系统将取代电池端子248和端子/导体位置230之间的导体。将参考图3进一步描述可任选的半桥升压dc-dc电路系统。
32.仍然参考图2中的框202、204和206，在一些实施例中，各种组件和功能性可以包括可以在可独立的模块中实现的组件和功能性，例如，由此一些组件和功能性被封装在单独的外壳/壳体中。在一个实施例中，逆变器122可包括图2中所示的高电压电路系统，其中低电压电路系统中的一些或全部(即，处理器220、存储器222、栅极驱动器216等)布置在单独的模块中。作为另一示例，在一个实施例中，包括电流传感器及其隔离电路系统的低电压电路系统，以例如通过交流负载导体224、226和228提供操作(且电隔离的)相电流感测，可以整体地布置在包括逆变器122的电路板内，而不是单独封装的模块(具有单独的外壳/壳体)。
33.如图2所示，栅极驱动器电路216(包括与来自和去往电池130和电机124的高电压电路系统相隔离的低电压电路系统)被适配成经由功率晶体管电路系统部分204中所示出的六个栅极输入来控制功率晶体管(或功率fet)。栅极驱动器电路系统216可从处理器220接收控制信号，例如以控制六个半导体开关状态中的每一者，使得在每对晶体管238、240和242中，一个晶体管开关闭合(导通状态，允许电流流过晶体管/开关的经闭合的高电压/高电流侧)，而该对中的另一晶体管打开(从而阻止电流流过经闭合的晶体管)。
34.在特定的半桥中，诸如半桥206，例如，一对晶体管(例如，对238)中的一个晶体管可控地闭合，而另一晶体管可控地打开，使得电流通过经闭合的功率晶体管在电池和负载(到交流电机的相电流导体)之间流动，并且使得该半桥不会在从储能系统/电池130延伸的正导体和从中延伸的负导体之间形成短路。在操作中，每一功率晶体管的栅极被控制(诸如由处理器220和栅极驱动器216控制)以与其他功率晶体管中的每一者顺序地打开和闭合，以便经由相电流导体224、226、228中的每一者来控制在电池和电机之间的电流。因此，控制中每一功率晶体管的(快速)切换(如图2所示，六个功率晶体管的h桥布置)对于逆变器和交流电机的高性能而言是至关重要的。
35.如图2所示，逆变器202优选地包括与存储器222通信的处理器220，该处理器用于控制：适配成控制与逆变器中的每一功率晶体管相关联的栅极的栅极驱动器216；一个或多个内置板载电流传感器(或相电流传感器)252，适配成测量相电流导体224、226和228中的一者或多者中的电流；以及电压采样电路系统208，其适配成感测/测量构成该逆变器的功率晶体管中的一者或多者的结电压(或者导通电压，或者用于mosfet的漏极-源极电压(vds)，或者用于igbt的集电极-发射极电压(vce)或饱和电压(vce(sat))。同样如图所示，电压采样电路系统/电路208优选地与提供如下功能性的电路系统和/或软件例程(例如，保存在存储器222中的计算机指令)通信：隔离放大器210，其适配成放大来自电压采样电路系统208的所采样的传导电压；滤波和增益212，其适配成移除(滤除)所采样的传导电压数据中的不想要的频率内容；峰值检测214，其适配成检测峰值传导电压；以及电压采样电路208和处理器220之间的通信234，和/或与隔离放大器210、滤波和增益212相关联的电路和/或软件/固件与进一步的电路系统和/或软件功能框214(诸如适配成检测峰值采样电压的峰值检测器，适配成检测所感测的峰值电流振幅的峰值检测器，以及适配成复位所述电压和电流峰值检测器中的每一者的时序器)之间的通信236。
36.逆变器中可使用不同类型的功率半导体。例如，功率晶体管对238、240和242可各自包括一对绝缘栅双极晶体管(igbt)。作为另一示例，功率晶体管对238、240和242可各自包括一对金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。此外，除了图2中所示的六个功率晶体管之外，还可以使用不同数量的功率晶体管。例如，逆变器202可包括配置在六个功率晶体管的附加三相桥式布置中的附加功率半导体，由此附加的六个开关可与负载连接相适应，以在发电机或第二电机之间交换电能，或提供不同的功率配置。例如，一组六个开关(即对238、240和242)可被适配成向电机提供50kw功率，而另一六个开关(未示出)可被适配成向发电机提供30kw功率。作为另一示例，可以在半桥中布置另外一对功率晶体管并将其包括在逆变器202中，以便替换从端子248到连接点230以及从端子250到连接点244的连接，并且被配置成提供从电池到诸如电路系统204之类的逆变器电路系统的半桥升压dc-dc转换器。
37.接着，图3示出了可根据各实施例使用的包括半桥布置中的一对功率半导体338和温度感测元件322的示例性功率模块300。功率模块300可包括例如可从rohm semiconductor获得的型号为bsm250d17p2e004的碳化硅(sic)功率模块，其具有布置在半桥中的一对mosfet 338，如图所示，每个mosfet包括适配成控制(使用低电压(栅极驱动器)电路系统)源极(s)和漏极(d)之间的电流的栅极(g)、源极和漏极之间的本征二极管(也称为体二极管)、以及在源极和漏极之间的单独肖特基势垒二极管(与肖特基二极管并联)(以降低开关损耗)。源极和漏极之间的电流(ids)包括结电流；在一个模块中，如果多个mosfet芯片并联连接，则功率开关的所得ids是多个芯片结电流的总和。源极和漏极之间的电压(vds)包括结电压。mosfet的导通状态包括如下条件：响应于到栅极的(低电压)输入信号，开关处于导通状态，使得(高)电流在源极和漏极之间流动。结的导通状态电阻(rds(on))包括导通结电压(或传导电压)除以导通电流或传导电流，或rds(on)＝vds/ids。发明人认识到，结温度(即，栅极、源极和漏极之间的区域的温度，并且示意性地表示为最接近对338中的每一mosfet中的箭头(在这种情况下，表示n沟道mosfet))可以通过测量温度相关特性来估计(例如，在mosfet的情形中是rds(on)，而在igbt的情形中是vce(sat))，并随后计算结温度(使用将温度相关特性与所估计的结温度进行相关的传递函数)。
38.发明人确定在估计功率晶体管的结温度的情况下，可使用自定义采样电路系统208测量晶体管的导通状态结电压或传导电压。例如，关于图3，电压采样电路系统208可包括适配成感测漏极引脚1(附图标记304)和源极引脚3(附图标记308)之间的电压差的电路系统。在一些实施例中，传导电流可通过电流传感器252获得，这可以用许多方法中的任一方法来实现。车辆牵引逆变器应用中的电流感测的选项可包括例如霍尔效应传感器、磁通门传感器、电流互感器和/或分流电阻器。用于诸如电机124之类的牵引电机的相电流感测可包括例如使用分流电阻器(例如，在相电流导体224、226和228中)完成的串联(in-line)电机相位电流感测。跨分流电阻器的电压降是由具有隔离的传感器设备来感测的，以便(从高电压/高电流相电流导体)向处理器220提供低电压传感器信号，由此使用电流感测信号的传递函数来计算感测的传导电流(ids)。
39.如图3所示，mosfet对338包括右侧连续编号的引脚/引出线1、2、3、4和左侧的5、6、7、8、9；并且ntc型热敏电阻器322包括引脚/引出线10和11。ntc热敏电阻器322包括一对引线320和318，并且提供随(靠近热敏电阻器装置/元件的管芯区域的)温度升高而降低的电阻。因此，热敏电阻器允许感测管芯的温度(通过使用处理器以使用电阻与温度之间的(非线性)关系来计算温度)。
40.一对或多对mosfet 338可被用在逆变器202中。例如，对238、240和242中的一者或多者可各自包括功率模块300的半桥布置中所示出的一对功率晶体管338。图2中的半桥布置206可例如包括图3中所示的对338。在示例性模块300中，左侧的所有引脚(引脚7(306)、9(310)、8(312)、6(314)、5(316))是小电流信号，可连接至栅极驱动器，并且右侧的引脚包括功率端子，诸如引脚1(304)。在这种配置中，栅极310和314可以与栅极驱动器216电连接；引脚306是低电流引脚且由栅极驱动电路使用；图3上的引脚1是功率端子且可以连接在232(逆变器直流 链路)。连接点230可以不同于连接点232，其中230可以包括逆变器输入的直流功率输入，并且可以连接在232(逆变器中的直流 链路总线)处。引脚324可以连接到栅极驱动器。引脚5(附图标记316)可连接至栅极驱动器。引脚2(附图标记324)可与连接点246相连接，且引脚3、4(附图标记308)可连接至电机(负载)相电流导体224。另一对338可类似地针对对240和242进行电连接，以分别连接到电机(负载)相电流导体226和228。这样，逆变器202可以包括三相桥式布置中的六个mosfet，以便从电池130接收直流并向电机124提供交流相电流。
41.如上所述，从电池到逆变器电路系统204的半桥升压dc-dc转换器可以通过替换从端子248到连接点230和从端子250到连接点244的连接并插入一对功率晶体管(例如，对338)来实现。例如，电池端子248可与引脚8(附图标记312)电连接，且电池端子250可与引脚5(附图标记316)电连接；引脚1(附图标记304)可与连接点230电连接，且引脚2(附图标记324)可与连接点244电连接。这样，来自电池端子248和250的直流被升压成在连接点230和244处输送到逆变器电路系统的直流。
42.现在转到图4，示出了逆变器模块400的透视图，其描绘了根据各实施例的逆变器的功率晶体管的布置，并且其包括分立的温度感测元件414。分立温度感测元件414可以包括例如热敏电阻器，示为具有3d圆柱形主体，其中引线434和432在热敏电阻主体的相对端部延伸。引线434和432可以焊接到电路板430上。线键合412可以连接到从包括电路板的陶瓷基板延伸的凸耳上。
43.如图所示，示例性逆变器模块400包括壳体424，壳体424具有与下边缘438相对的上边缘436，从而确定壳体424在436和438之间延伸的深度(或高度)。壳体424被示为具有在侧面440和442之间的宽度和在附图标记436和附图标记424之间的长度。在壳体424内有六个相似地图示的igbt 408，或者更具体而言是六个igbt管芯408。每个igbt包括发射极焊盘406，或者更具体而言是用于igbt集电极和发射极的一对焊盘406。每一gbt包括栅极焊盘404。二极管管芯410为每一igbt提供二极管。该板的顶表面包括顶部结合的铜层，其图案化有用于igbt和二极管的互连的导电路径。还示出了示例性引脚，包括例如功率发射极引脚416、开尔文栅极管脚418和开尔文发射极引脚420。
44.图5是示出用于估计包括分立的感测元件的逆变器设计的结温度的示例性组件和方法的功能框图500。测量和处理步骤包括使用分立感测元件(诸如图4中的热敏电阻器414)感测温度。该方法包括提供功率半导体开关502(诸如mosfet开关)，该开关通过连接504与(分立)温度感测元件506热耦合。在一些实施例中，mosfet开关502可以是高电压mosfet，并且分立温度感测元件可以是热敏电阻器或逆变器的其他分立温度感测组件。该分立温度感测元件506在设备内单独施加(例如，通过焊接)。分立温度感测元件包括例如ntc(负温度系数)热敏电阻器、ptc(正温度系数)热敏电阻器或rtd(电阻温度检测器)。包括温度感测元件的电路系统被用于测量温度相关特性，例如随温度变化而变化的电阻。然后使用包括隔离放大器508的电路系统和/或软件来放大来自感测元件电路系统的较低幅度信号，并在逆变器的功率电子器件和控制电子器件(处理器侧)之间提供电流隔离。然后使用包括滤波和增益501的电路系统和/或软件来移除不想要的频率内容并进一步放大(通过滤波级或处理来增强信号增益)。接着，数字信号处理器(dsp)512被用于使用传递函数514来计算估计的温度，传递函数514包括感测元件506的被测量的温度相关特性(即电阻)和温度之间的数学关系。并且结果是计算得到的所估计的感测/传感器温度516，这随后被用于控制mosfet开关502。
45.图6是根据实施例的示出用于估计逆变器设计的结温度的示例性组件和方法的功能框图600。测量和处理步骤包括用于估计功率晶体管的结温度的温度估计方法，包括首先测量功率半导体的温度相关特性，并且其次使用处理器用传递函数来估计功率半导体的结温度，其中传递函数包括结温度和功率半导体的温度相关特性之间的数学关系，并且其中温度相关特性的测量和由此产生的结温度的估计免于使用分立的感测元件。
46.如图6所示，呈现了功率半导体或功率半导体开关602，在这一情形中包括mosfet开关602。结电压或传导电压，或在mosfet的情形中是漏极和源极之间的电压(vds)，或在igbt的情形中是集电极和发射极之间的饱和电压(vce(sat))，是使用自定义设计的电压采样电路208来测量604的。然后将采样的传导电压(在导通时间期间)606馈送到隔离放大器210(包括电路系统和/或软件)或由隔离放大器210接收，隔离放大器210用于增加采样的导通状态电压的量级并在功率电子器件和逆变器的控制电子器件(dsp/处理器侧)之间提供电流隔离。采样的电压通过滤波和增益212处理而被增强，由此移除不想要的频率并且改善信号/数据增益(通过滤波级增益或其他处理/电路系统)。峰值检测器214(无论是在电路系统或软件中实现)被用于检测峰值传导电压608，这与定序器618匹配以对应于来自峰值检测器624(无论是在电路系统中还是在软件中实现)的峰值电流620，该峰值检测器624被适配成检测来自电流传感器252的峰值传导电流振幅622。定序器618包括到峰值(电流)检测
器624的峰值复位输出信号(峰值电流检测器复位)626和到峰值(电压)检测器214的峰值复位输出信号(峰值电压检测器复位)610，其被适配成允许峰值传导电压608和峰值电流620被数字信号处理器(dsp)612的传递函数614部分接收。dsp的传递函数614部分使用峰值传导电压和峰值电流来估计功率半导体602的结温度616。在功率半导体包括mosfet的情形中，温度相关特性包括导通状态结电阻(由dsp计算为rds(on)＝vds/ids)；并且导通状态/导通状态电阻与结温度之间的关系(传递函数)可以用数学函数表示，诸如举例而言图7中的图表700。在功率半导体包括igbt的情形中，温度相关特性包括饱和电压或vce(sat)；并且导通状态传导电压、或导通状态集电极-发射极电压、或饱和电压(vce(sat))之间的关系(传递函数)可以用数学函数表示，例如图8中的图表800。
47.如图6所示，数字信号处理器612可以包括定序器618和传递函数614。dsp 612还可以包括峰值检测器614，其被适配成从来自电流传感器252的电流振幅622检测峰值电流620。在一些实施例中，dsp可以包括处理器220，并且与dsp功能的操作相关联的软件以及涉及传递函数614的计算可包括编程例程和指令、或软件、或保存在存储器222中的指令。在一些实施例中，滤波和增益212的全部或部分可以用电路系统和/或软件来实现。同样，峰值(电压)检测器214、定序器618、传递函数614和/或峰值(电流)检测器624的全部或部分可以用电路系统和/或软件实现。该软件可包括存储指令的计算机可读介质，当由计算机(例如处理器220)执行时，该指令使其执行本文所述的任何或所有方法。计算机可读介质可以包括例如读/写易失性或非易失性存储器，诸如存储器222。
48.本文描述的温度估计方法不依赖于任何分立的温度感测元件，而是利用功率半导体的温度相关特性的测量。对于mosfet，温度相关特性包括导通状态电阻，并且导通状态电阻和结温度之间的示例性传递函数/数学关系在图7中示出。对于igbt，温度相关特性包括饱和电压(vcesat)，并且饱和电压和结温度之间的示例性传递函数/数学关系在图8中示出。
49.在mosfet的情形中，导通状态电阻是通过使用自定义设计的电压采样电路测量该器件的传导电压并同时使用流过mosfet的电流(用电流传感器测量)计算电阻来计算得到的。这一温度估计方法利用了在高功率逆变器设计中使用的相电流传感器。在一些实施例中，电阻的计算由嵌入式处理器以软件来完成。然后，该软件使用已知的传递函数(结温度对导通状态电阻)来估计结温度。类似规程可被应用于igbt器件，除了使用不同的传递函数(温度对饱和(传导)电压)外。由于传导电压直接对应于半导体器件温度，因此本文所描述的温度测量方法没有遭受使用分立感测元件/远程电阻元件温度感测的方法所遇到的不准确性和慢速度。
50.此外，关于图7，图表700呈现了如图7所示的电势传递函数的一种情形，其中i
os
是75a，v
os
是15v，且t
p
小于200μs。关于这一点，该图表表明，对于这些特定参数，在结温度tj是25℃时，传递函数将计算出导通状态电阻是约1.0标准单位。在结温度是100℃，对于给定参数，传递函数将计算出导通状态电阻是约1.2标准单位。在结温度是150℃，对于给定参数，传递函数将计算出导通状态电阻是约1.4标准单位。将理解，该传递函数只是可以相关于mosfet将结温度和导通状态电阻进行相关的传递函数族中的一个。
51.关于图8和图表800，可被用于计算v
ce(sat)
的传输函数族的示例。在这一图表中，唯一保持恒定的参数是公共发射极电压v
ge
，它保持在15v。然后，呈现了针对ic为20、30、40、
50、60和80a时的传递函数。例如，关于ic是20a时的传递函数，50℃的外壳温度产生2.5v的饱和电压。关于ic是40a时的传递函数，50℃的外壳温度产生3v的饱和电压。关于ic是60a时的传递函数，50℃的外壳温度产生3.5v的饱和电压。再次，将理解，如图8和图表800所示，结温度与导通状态电阻之间的关系存在类似的传递函数族。如本文详细描述的，提出了各种实施例来用于感测功率晶体管的结温度。在一个实施例中，一种用于估计电动车辆逆变器中使用的功率晶体管的结温度的温度估计方法，该方法包括：测量功率半导体的温度相关特性，该功率半导体包括在被适配成在电动车辆逆变器中使用的功率半导体模块中使用的功率晶体管；并且使用处理器，使用传递函数估计功率半导体的结温度，其中传递函数包括结温度与功率半导体的温度相关特性之间的数学关系，其中温度相关特性的测量和由此产生的结温度的估计免于使用分立感测元件。在一方面，温度相关特性是导通状态电阻，并且测量温度相关特性包括：使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样；使用相位电流传感器来感测功率晶体管的结电流；以及使用处理器用结电流和结电压来计算导通态电阻。在一个方面，使用结电压采样电路对功率晶体管的传导电压进行采样包括测量在功率晶体管的导通时间期间功率晶体管的漏极和源极之间的电压差，使用相电流传感器感测功率晶体管的结电流包括测量在功率晶体管的导通时间期间功率晶体管的漏极和源极之间的电流，并且导通状态电阻是功率晶体管的漏极和源极之间的导通状态电阻并且被计算为结电压除以结电流(或在mosfet的情形中是漏电流)。在一个方面，功率晶体管是mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)。
52.在一个实施例中，温度相关特性是导通状态电阻，并且测量温度相关特性包括：使用导通状态相电流传感器感测功率晶体管的结电流；使用峰值电流检测器来检测功率晶体管的峰值电流振幅；使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样；使用峰值电压检测器来检测峰值传导电压；以及使用处理器，使用峰值电流振幅和峰值传导电压来计算导通状态电阻。在一个方面，使用定序器将峰值电流振幅和峰值传导电压彼此匹配。在一个方面，使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样包括测量在功率晶体管的导通时间期间在功率晶体管的漏极和源极之间的电压差，使用导通状态相电流传感器感测功率晶体管的结电流包括测量在功率晶体管的导通时间期间功率晶体管的漏电流，并且导通状态电阻是功率晶体管的漏极和源极之间的导通状态电阻并且被计算为峰值传导电压除以峰值电流振幅。在一个方面，功率晶体管是mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)。
53.在一个实施例中，温度相关特性是功率晶体管的饱和电压，并且测量温度相关特性包括：使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样。在一个方面，使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样包括测量在功率晶体管的导通时间期间在功率晶体管的集电极和发射极之间的电压差。在一个方面，功率晶体管是igbt(绝缘栅双极晶体管)。
54.在一个实施例中，温度相关特性是功率晶体管的饱和电压，并且测量温度相关特性包括：使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样；以及使用峰值电压检测器来检测峰值饱和电压。在一个方面，该方法进一步包括：使用导通状态相电流传感器感测功率晶体管的结电流；使用峰值电流检测器来检测功率晶体管的峰值电流振幅；使用定序器将峰值电流振幅和峰值饱和电压进行匹配；以及使用峰值电流振幅和峰值饱和电压基于传递函数来估计功率晶体管的结温度，其中传递函数包括功率晶体管的结温度，作为针对峰
值电流振幅或包括峰值电流振幅的峰值电流振幅范围的峰值饱和电压的函数。在一个方面，使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样包括测量在功率晶体管的导通时间期间功率晶体管的集电极和发射极之间的电压差，以及使用导通状态相电流传感器感测功率晶体管的结电流包括测量在功率晶体管导通时间期间功率晶体管的集电极电流。在一个方面，功率晶体管是igbt(绝缘栅双极晶体管)。在其他方面，功率晶体管可包括sic fet或其他类型的晶体管，它们可受益于本文所描述的实施例。
55.在一个实施例中，使用分立感测元件包括将分立感测元件附连到包括功率半导体的管芯表面或附连到包括功率半导体的电路板，并且分立感测元件包括一个或多个热敏电阻器、ntc(负温度系数)热敏电阻器、ptc(正温度系数)热敏电阻器、或rtd(电阻温度检测器)。
56.在另一实施例中，一种用于感测在电动车辆逆变器中使用的功率晶体管的结温度的方法，该方法包括：使用相电流传感器感测功率晶体管的结电流；使用峰值电流检测器检测功率晶体管的峰值电流振幅；使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样；使用峰值电压检测器来检测峰值传导电压；使用处理器，用峰值电流振幅和峰值传导电压来计算导通状态电阻；以及使用映射结温度和导通状态电阻之间的预定关系的传递函数来估计结温度，其中使用定序器将峰值电流振幅和峰值传导电压彼此匹配，并且其中结温度的估计免于使用分立感测元件。在一个方面，功率晶体管是mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)，使用分立感测元件包括将分立感测元件附连到包括mosfet的管芯表面或附连到包括mosfet的电路板，并且分立感测元件包括一个或多个热敏电阻器、ntc(负温度系数)热敏电阻器、ptc(正温度系数)热敏电阻器、或rtd(电阻温度检测器)。
57.在另一实施例中，一种用于感测在电动车辆逆变器中使用的功率晶体管的结温度的方法，该方法包括：使用导通状态相电流传感器感测功率晶体管的结电流；使用峰值电流检测器来检测功率晶体管的峰值电流振幅；使用结电压采样电路对功率晶体管的结电压进行采样；使用峰值电压检测器来检测峰值饱和电压；以及使用映射结温度和饱和电压之间的预定关系的传递函数来估计结温度，其中使用定序器将峰值电流振幅和峰值传导电压彼此匹配，并且其中结温度的估计免于使用分立感测元件。在一个方面，功率晶体管是igbt(绝缘栅双极晶体管)，使用分立感测元件包括将分立感测元件附连到包括igbt的功率模块基板或附连到包括igbt的电路板，并且分立感测元件包括一个或多个热敏电阻器、ntc(负温度系数)热敏电阻器、ptc(正温度系数)热敏电阻器、或rtd(电阻温度检测器)。
58.在另一实施例中，一种被适配成感测在电动车辆逆变器中使用的功率晶体管的结温度的系统，该系统包括：结电压采样电路，其与电动车辆逆变器中的功率晶体管电互连并且被适配成在功率晶体管的导通状态期间对功率晶体管的结电压进行采样以获得所采样的结电压；以及处理器，其被适配成基于所采样的结电压来估计功率晶体管的结温度，其中该系统没有分立的温度感测元件。在一个方面，功率晶体管是mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)，并且处理器被适配成计算mosfet的导通状态结电阻，并且基于所采样的结电压和计算得到的导通状态结电阻来估计mosfet的结温度。
59.如本文所详细描述的，通过测量包括功率晶体管的功率半导体的温度相关特性并且使用处理器用结温度和所测量的温度相关特性之间的传递函数/数学关系来估计功率半导体的结温度，来估计结温度的技术效果包括不需要或不依赖分立温度感测元件的逆变器
设计。所得的逆变器消除了对单独的分立温度感测元件的需求。这造成采集温度数据的方法更准确和更具响应性的方法，从而提高了功率逆变器的性能。例如，嵌入逆变器中的电机控制软件可以利用温度感测方法的快速响应来允许逆变器输出电流的瞬时过载(即，向电机提供更多电流)，同时确保功率半导体开关结温度保持在可接受的限值内。
60.如本技术中所使用的，以单数叙述且冠以用词“一”或“一个”的组件或步骤应该被理解为不排除所述组件或步骤的复数，除非此类排除被陈述。此外，参照本公开的“一个实施例”或“一个示例”并不旨在被解释为排除也纳入所叙述的特征的额外实施例的存在。术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并且不旨在对其对象强加数字要求或特定位置顺序。所附权利要求具体指明来自以上公开的被认为是新颖且具备创造性的主题。
61.本领域技术人员将明白，存在各种逻辑实现，通过这些逻辑实现可以影响本文所描述的过程和/或系统(例如，软件)，并且优选的车辆将随在其中部署各过程的上下文而变化。“软件”是指可以容易地重新适配到不同目的的逻辑(例如，读/写易失性或非易失性存储器或介质)。前面的详细描述已经通过使用框图、流程图和/或示例阐述了设备和/或过程的各种实施例。在这种框图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域的技术人员将理解，这种框图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以单独和/或共同地通过各种各样的硬件、软件、固件、或实际上其任何组合来实现。
62.应该理解，此处所公开的配置和例程在本质上示例性的，且这些具体实施例或示例不是局限性的，因为众多变体是可能。本公开的主题包括各种系统和配置的所有新颖和非显而易见的组合和子组合、和此处所公开的其它特征、功能、和/或特性。
63.所附权利要求书特别指出了被认为是新颖的且非显而易见的某些组合和子组合。这样的权利要求应被理解为包括一个或多个这样的元件的结合，既不是必需也不是排除两个或更多个这样的元件。所公开的特征、功能、元件和/或属性的其他组合和子组合可通过修改本权利要求书或通过在本技术或相关申请中提出新权利要求来要求保护。无论范围比原始权利要求更宽、更窄、等同还是不同的这些权利要求也被认为被包括在本公开的主题内。