碳化硅控制器及其结温计算方法、计算机可读存储介质与流程

1.本发明涉及汽车制造技术领域，特别涉及一种碳化硅控制器及其结温计算方法、计算机可读存储介质。


背景技术：

2.目前在新能源混合动力车型上的功率器件应用中，目前用硅器件igbt模块方案比较多，不过随着工艺技术的进步，最近也逐渐兴起用碳化硅(sic)mosfet器件替代硅igbt模块。sic由纯硅和碳组成，与硅器件相比具有两大优势：更高的临界雪崩击穿电场强度、更大的导热系数和更宽的禁带。这使得sic器件在电力电子变频换流应用中有很多优点，如sic衬底具有更高的电场强度、更低的开关损耗、更高的结温耐受、更大的电流密度，这些优点使得sic器件在新能源车驱动系统应用中具有更高的系统效率。
3.碳化硅器件在驱动系统中由于具备更高的工作频率，当在高频工作的时候，开关损耗的存在使pn结产生大量的热，而在系统设计中，如何能把这部分热量快速转移至外界坏境中，对于芯片器件设计者考验巨大。碳化硅器件的极限结温一般可以达到200℃以上，比一般的硅器件的极限结温高出25℃，这使得碳化硅在高频工作中更具优势。由于pn结在芯片内部，无法用传感器实际测量，目前结温只能通过探测芯片封装外壳的温度，导入模块的热阻参数，通过模型推导出芯片的pn结温度，进而给设计者提供散热系统的设计参考。但是碳化硅材料导热系数随温度变化较大，导致碳化硅器件结温推算往往并不准确，从而给设计者推导的冗余散热系统造成设计难点，比如如何预留的散热片面积、尺寸等。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供一种碳化硅控制器及其结温计算方法、计算机可读存储介质，旨在解决现有技术中芯片的pn结温度无法直接测量，推算结果不准确的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提出一种碳化硅控制器的结温计算方法，所述碳化硅控制器包括芯片及封装壳，所述结温计算方法包括：
6.采集所述碳化硅控制器的初始温度；
7.采集所述封装壳的壳体温度；
8.获取所述碳化硅控制器的比例系数；
9.根据所述初始温度、所述壳体温度以及比例系数计算所述芯片的结温温度。
10.可选地，获取比例系数的步骤包括：
11.获取所述封装壳到环境之间的第一热阻；
12.获取所述芯片到所述封装壳之间的第二热阻；
13.根据所述第一热阻和所述第二热阻计算所述比例系数。
14.可选地，获取所述封装壳到环境之间的第一热阻的步骤包括：
15.获取所述碳化硅控制器的当前功率；
16.采集处于所述当前功率下所述封装壳的第一预设温度；
17.根据所述初始温度、所述第一预设温度以及所述当前功率计算所述第一热阻。
18.可选地，采集处于所述当前功率下所述封装壳的第一预设温度的步骤还包括：
19.以所述当前功率运行预设时长后，采集所述封装壳的第一预设温度。
20.可选地，获取所述芯片到所述封装壳之间的第二热阻的步骤包括：
21.获取所述芯片的面积；
22.根据所述芯片的面积获取对应的所述第二热阻。
23.可选地，根据所述初始温度、所述壳体温度以及比例系数计算所述芯片的结温温度的步骤包括：
24.根据所述初始温度以及所述壳体温度计算所述封装壳的第一温度增量；
25.根据所述第一温度增量以及所述比例系数计算所述结温温度。
26.可选地，所述根据所述第一温度增量以及所述比例系数计算所述结温温度的步骤包括：
27.根据所述比例系数计算获取所述第一温度增量与所述芯片的第二温度增量；
28.根据所述第二温度增量与所述初始温度计算所述结温温度。
29.可选地，获取所述芯片到所述封装壳之间的第二热阻的步骤之后，还包括：
30.根据所述第一热阻和所述第二热阻计算总热阻。
31.此外，为解决上述问题，本发明还提出一种碳化硅控制器，所述碳化硅控制器包括温度传感器、芯片、封装壳、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的结温计算程序，其中：
32.所述芯片设置在所述封装壳内，所述温度传感器与所述封装壳连接以采集所述封装壳的壳体温度；
33.所述结温计算程序被所述处理器执行时实现如上述的结温计算程序方法的步骤。
34.此外，为解决上述问题，本发明还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有结温计算程序，所述结温计算程序被处理器执行时实现如上述的结温计算方法的步骤。
35.本发明技术方案通过对算法的优化，并且只需要采集封装壳的壳体温度，即可推算出内部的所述结温温度，也即芯片的pn结的温度。提高了计算精度以及获取所述结温温度的可靠性。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
37.图1为本发明碳化硅控制器结温计算方法第一实施例的流程示意图；
38.图2为本发明碳化硅控制器结温计算方法第二实施例的流程示意图。
39.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
42.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
43.本发明提出了一种碳化硅控制器的结温计算方法，请参照图1，图1为本发明所述结温计算方法第一实施例的示意图，所述碳化硅控制器包括芯片及封装壳，所述结温计算方法包括以下步骤：
44.步骤s10：采集所述碳化硅控制器的初始温度；
45.步骤s20：采集所述封装壳的壳体温度；
46.步骤s30：获取所述碳化硅控制器的比例系数；
47.步骤s40：根据所述初始温度、所述壳体温度以及比例系数计算所述芯片的结温温度。
48.本发明基于hev混合动力车型，碳化硅mosfet芯片的内部结构，分为平面栅和沟槽栅结构，平面栅结构由于饱和压降偏大，逐渐被沟槽栅结构取代。以沟槽栅结构为例，沟道pn结(发热点)到芯片底部散热面需要经过：n-掺杂层、sic基区、metal金属层等。具体的，碳化硅芯片到散热片需要经过多层材料结构，依次为：第一焊料层、铜绑定金属层、陶瓷dbc、背面铜金属层、第二焊料层、铜衬底基板、铝散热片，经过多层散热结构后，由于每种材料的热导系数不一致，需要经过系统耗散功率测试，才能取得热阻的平均值。
49.在本实施例中，首先获取所述碳化硅控制器的初始温度，将所述初始温度定义为t0，可以理解，在所述碳化硅控制器使用之前，所述碳化硅控制器的封装壳的初始温度和芯片的初始温度与所述初始温度相同。在进行测试时，可通过温度采集器直接对所述封装壳的温度直接进行采集，其中，将所述壳体温度定义为tc，将所述比例系数定义为k，将所述结温温度定义为tj。根据上述内容可知，本实施例中所述结温温度即所述芯片pn结位置处的温度，也可用所述结温温度表示所述芯片温度。本实施例中，通过公式k＝(t
j-t0)/(t
c-t0)则可以计算出所述结温温度。
50.其中所述比例系数k的具体计算过程包括以下步骤：
51.步骤s31：获取所述封装壳到环境之间的第一热阻；
52.步骤s31：获取所述芯片到所述封装壳之间的第二热阻；
53.步骤s31：根据所述第一热阻和所述第二热阻计算所述比例系数。
54.所述第一热阻表示所述封装壳到外部环境之间存在的热阻值，将所述第一热阻定义为rt1，所述第二热阻表示所述芯片导所述封装壳之间的热阻值，将所述第二热阻值定义为rt2。根据公式k＝rt2/rt1计算出所述比例系数k。
55.所述第一热阻rt1的值则需要通过采集所述封装壳的第一温度变化量，将第一温度变化量定义为
△
tc，则
△
tc＝t
c-t0，再获取所述碳化硅控制器的所述当前功率，将所述当前功率定义为pd，则rt1＝
△
tc/pd。其中，为了进一步保证计算精度，在本实施例中，可选取所述当前功率为额定功率的状态下，所述壳体温度对应的温度值，并且在以额定功率运行了所述预设时长后，从而待所述壳体温度稳定后，再对所述壳体温度进行采集，以保证所述壳体温度的精度足够准确。可以理解所述预设时长可根据不同情况用户自行设定即可，例如10秒～60秒不等。
56.而在本实施例中，所述芯片只能通过有限的芯片粘合面积来散热，rt2很大程度上依赖于所述芯片的面积，所述芯片面积与rt2成反比，也即所述芯片面积减小，则rt2增大。通过设定固定的所述芯片面积下，则rt2不变，在给定的负载功率下，较大的损耗会引起较大的壳温温度增量
△
tc，同时也引起结温温度产生较大增量
△
tj。
57.具体的，根据所述初始温度以及所述壳体温度计算所述封装壳的第一温度增量；根据所述第一温度增量以及所述比例系数计算所述结温温度。根据所述比例系数计算获取所述第一温度增量与所述芯片的第二温度增量；根据所述第二温度增量与所述初始温度计算所述结温温度。
58.以cree碳化硅单管c3m0016120k规格书中查找所述第二热阻rt2为0.27，假定所述当前功率为额定功率，即pd为200w，测量得到的所述壳体温度为90℃，所述初始温度t0为50℃进行计算，rt1＝
△
tc/pd＝40/200＝0.2，k＝(t
j-t0)/(t
c-t0)＝
△
tj/
△
tc＝1.35，而根据公式
△
tj＝rt2×
pd以及公式rt1＝
△
tc/pd可以推出k＝rt2/rt1，则推算出
△
tj＝rt2×
pd＝54℃，而根据所述初始温度t0可知，tj＝t0
△
tj＝50 54＝94℃。
59.按此参考在所述壳体温度增加40℃时，也即
△
tc为40度时，所述结温温度则增加了54℃，也即
△
tj为54度，按此方法类推
△
tc为100℃时，则
△
tj会增加为135℃，则结温实际为185℃，已接近最大结温极限，只要确定倍数k，就可以基于碳化硅器件的壳温温度的增量来推导计算实际结温温度。
60.本发明技术方案通过对算法的优化，并且只需要采集封装壳的壳体温度，即可推算出内部的所述结温温度，也即芯片的pn结的温度。提高了计算精度以及获取所述结温温度的可靠性。从而为设计者推导的冗余散热系统造，比如如何预留的散热片面积、尺寸等。为电机控制器的设计及降额策略制定提供实际指导意义，hev车型开发的基于新型碳化硅器件的电机控制器可节省功率管材料成本。
61.进一步地，在本实施例中，根据所述第一热阻和所述第二热阻计算总热阻，将总热阻定义为rt，则rt＝(t
j-tc)/pd，从而用户可以通过总热阻的参数作为参考，辅助为电机控制器的设计及降额策略制定提供实际指导意义，从而进一步提高本发明所述结温计算方法的可靠性。
62.此外，为解决上述问题，本发明还提出一种碳化硅控制器，所述碳化硅控制器包括温度传感器、芯片、封装壳、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的结温计算程序，其中所述芯片设置在所述封装壳内，所述温度传感器与所述封装壳连
接以采集所述封装壳的壳体温度；所述结温计算程序被所述处理器执行时实现如上述的结温计算程序方法的步骤。
63.本发明基于hev混合动力车型，碳化硅mosfet芯片的内部结构，分为平面栅和沟槽栅结构，平面栅结构由于饱和压降偏大，逐渐被沟槽栅结构取代。以沟槽栅结构为例，沟道pn结(发热点)到芯片底部散热面需要经过：n-掺杂层、sic基区、metal金属层等。具体的，碳化硅芯片到散热片需要经过多层材料结构，依次为：第一焊料层、铜绑定金属层、陶瓷dbc、背面铜金属层、第二焊料层、铜衬底基板、铝散热片，经过多层散热结构后，由于每种材料的热导系数不一致，需要经过系统耗散功率测试，才能取得热阻的平均值。
64.在本实施例中，首先获取所述碳化硅控制器的初始温度，将所述初始温度定义为t0，可以理解，在所述碳化硅控制器使用之前，所述碳化硅控制器的封装壳的初始温度和芯片的初始温度与所述初始温度相同。在进行测试时，可通过温度采集器直接对所述封装壳的温度直接进行采集，其中，将所述壳体温度定义为tc，将所述比例系数定义为k，将所述结温温度定义为tj。根据上述内容可知，本实施例中所述结温温度即所述芯片pn结位置处的温度，也可用所述结温温度表示所述芯片温度。本实施例中，通过公式k＝(t
j-t0)/(t
c-t0)则可以计算出所述结温温度。
65.所述第一热阻表示所述封装壳到外部环境之间存在的热阻值，将所述第一热阻定义为rt1，所述第二热阻表示所述芯片导所述封装壳之间的热阻值，将所述第二热阻值定义为rt2。根据公式k＝rt2/rt1计算出所述比例系数k。
66.所述第一热阻rt1的值则需要通过采集所述封装壳的第一温度变化量，将第一温度变化量定义为
△
tc，则
△
tc＝t
c-t0，再获取所述碳化硅控制器的所述当前功率，将所述当前功率定义为pd，则rt1＝
△
tc/pd。其中，为了进一步保证计算精度，在本实施例中，可选取所述当前功率为额定功率的状态下，所述壳体温度对应的温度值，并且在以额定功率运行了所述预设时长后，从而待所述壳体温度稳定后，再对所述壳体温度进行采集，以保证所述壳体温度的精度足够准确。可以理解所述预设时长可根据不同情况用户自行设定即可，例如10秒～60秒不等。
67.而在本实施例中，所述芯片只能通过有限的芯片粘合面积来散热，rt2很大程度上依赖于所述芯片的面积，所述芯片面积与rt2成反比，也即所述芯片面积减小，则rt2增大。通过设定固定的所述芯片面积下，则rt2不变，在给定的负载功率下，较大的损耗会引起较大的壳温温度增量
△
tc，同时也引起结温温度产生较大增量
△
tj。
68.具体的，根据所述初始温度以及所述壳体温度计算所述封装壳的第一温度增量；根据所述第一温度增量以及所述比例系数计算所述结温温度。根据所述比例系数计算获取所述第一温度增量与所述芯片的第二温度增量；根据所述第二温度增量与所述初始温度计算所述结温温度。
69.以cree碳化硅单管c3m0016120k规格书中查找所述第二热阻rt2为0.27，假定所述当前功率为额定功率，即pd为200w，测量得到的所述壳体温度为90℃，所述初始温度t0为50℃进行计算，rt1＝
△
tc/pd＝40/200＝0.2，k＝(t
j-t0)/(t
c-t0)＝
△
tj/
△
tc＝1.35，而根据公式
△
tj＝rt2×
pd以及公式rt1＝
△
tc/pd可以推出k＝rt2/rt1，则推算出
△
tj＝rt2×
pd＝54℃，而根据所述初始温度t0可知，tj＝t0
△
tj＝50 54＝94℃。
70.按此参考在所述壳体温度增加40℃时，也即
△
tc为40度时，所述结温温度则增加
了54℃，也即
△
tj为54度，按此方法类推
△
tc为100℃时，则
△
tj会增加为135℃，则结温实际为185℃，已接近最大结温极限，只要确定倍数k，就可以基于碳化硅器件的壳温温度的增量来推导计算实际结温温度。
71.本发明技术方案通过对算法的优化，并且只需要采集封装壳的壳体温度，即可推算出内部的所述结温温度，也即芯片的pn结的温度。提高了计算精度以及获取所述结温温度的可靠性。从而为设计者推导的冗余散热系统造，比如如何预留的散热片面积、尺寸等。为电机控制器的设计及降额策略制定提供实际指导意义，hev车型开发的基于新型碳化硅器件的电机控制器可节省功率管材料成本。
72.此外，为解决上述问题，本发明还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有结温计算程序，所述结温计算程序被处理器执行时实现如上述的结温计算方法的步骤。
73.本发明基于hev混合动力车型，碳化硅mosfet芯片的内部结构，分为平面栅和沟槽栅结构，平面栅结构由于饱和压降偏大，逐渐被沟槽栅结构取代。以沟槽栅结构为例，沟道pn结(发热点)到芯片底部散热面需要经过：n-掺杂层、sic基区、metal金属层等。具体的，碳化硅芯片到散热片需要经过多层材料结构，依次为：第一焊料层、铜绑定金属层、陶瓷dbc、背面铜金属层、第二焊料层、铜衬底基板、铝散热片，经过多层散热结构后，由于每种材料的热导系数不一致，需要经过系统耗散功率测试，才能取得热阻的平均值。
74.在本实施例中，首先获取所述碳化硅控制器的初始温度，将所述初始温度定义为t0，可以理解，在所述碳化硅控制器使用之前，所述碳化硅控制器的封装壳的初始温度和芯片的初始温度与所述初始温度相同。在进行测试时，可通过温度采集器直接对所述封装壳的温度直接进行采集，其中，将所述壳体温度定义为tc，将所述比例系数定义为k，将所述结温温度定义为tj。根据上述内容可知，本实施例中所述结温温度即所述芯片pn结位置处的温度，也可用所述结温温度表示所述芯片温度。本实施例中，通过公式k＝(t
j-t0)/(t
c-t0)则可以计算出所述结温温度。
75.所述第一热阻表示所述封装壳到外部环境之间存在的热阻值，将所述第一热阻定义为rt1，所述第二热阻表示所述芯片导所述封装壳之间的热阻值，将所述第二热阻值定义为rt2。根据公式k＝rt2/rt1计算出所述比例系数k。
76.所述第一热阻rt1的值则需要通过采集所述封装壳的第一温度变化量，将第一温度变化量定义为
△
tc，则
△
tc＝t
c-t0，再获取所述碳化硅控制器的所述当前功率，将所述当前功率定义为pd，则rt1＝
△
tc/pd。其中，为了进一步保证计算精度，在本实施例中，可选取所述当前功率为额定功率的状态下，所述壳体温度对应的温度值，并且在以额定功率运行了所述预设时长后，从而待所述壳体温度稳定后，再对所述壳体温度进行采集，以保证所述壳体温度的精度足够准确。可以理解所述预设时长可根据不同情况用户自行设定即可，例如10秒～60秒不等。
77.而在本实施例中，所述芯片只能通过有限的芯片粘合面积来散热，rt2很大程度上依赖于所述芯片的面积，所述芯片面积与rt2成反比，也即所述芯片面积减小，则rt2增大。通过设定固定的所述芯片面积下，则rt2不变，在给定的负载功率下，较大的损耗会引起较大的壳温温度增量
△
tc，同时也引起结温温度产生较大增量
△
tj。
78.具体的，根据所述初始温度以及所述壳体温度计算所述封装壳的第一温度增量；
根据所述第一温度增量以及所述比例系数计算所述结温温度。根据所述比例系数计算获取所述第一温度增量与所述芯片的第二温度增量；根据所述第二温度增量与所述初始温度计算所述结温温度。
79.以cree碳化硅单管c3m0016120k规格书中查找所述第二热阻rt2为0.27，假定所述当前功率为额定功率，即pd为200w，测量得到的所述壳体温度为90℃，所述初始温度t0为50℃进行计算，rt1＝
△
tc/pd＝40/200＝0.2，k＝(t
j-t0)/(t
c-t0)＝
△
tj/
△
tc＝1.35，而根据公式
△
tj＝rt2×
pd以及公式rt1＝
△
tc/pd可以推出k＝rt2/rt1，则推算出
△
tj＝rt2×
pd＝54℃，而根据所述初始温度t0可知，tj＝t0
△
tj＝50 54＝94℃。
80.按此参考在所述壳体温度增加40℃时，也即
△
tc为40度时，所述结温温度则增加了54℃，也即
△
tj为54度，按此方法类推
△
tc为100℃时，则
△
tj会增加为135℃，则结温实际为185℃，已接近最大结温极限，只要确定倍数k，就可以基于碳化硅器件的壳温温度的增量来推导计算实际结温温度。
81.本发明技术方案通过对算法的优化，并且只需要采集封装壳的壳体温度，即可推算出内部的所述结温温度，也即芯片的pn结的温度。提高了计算精度以及获取所述结温温度的可靠性。从而为设计者推导的冗余散热系统造，比如如何预留的散热片面积、尺寸等。为电机控制器的设计及降额策略制定提供实际指导意义，hev车型开发的基于新型碳化硅器件的电机控制器可节省功率管材料成本。
82.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。