用于估計(jì)功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)的方法
【專利摘要】本發(fā)明關(guān)注一種用于估計(jì)諸如IGBT功率模塊的功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)的方法，該方法包括下述步驟：確立該功率半導(dǎo)體器件的溫度，對(duì)于至少一預(yù)定的電流確定功率半導(dǎo)體器件之上的電壓降，當(dāng)功率半導(dǎo)體器件不工作時(shí)施加該電流，其中依賴于所確定的多個(gè)電壓降的變化來(lái)確定壽命終點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】用于估計(jì)功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于估計(jì)功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)的方法和設(shè)備，以及使用該方法或者包括該設(shè)備的風(fēng)力渦輪機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有技術(shù)中，還被稱作功率器件的功率半導(dǎo)體器件是已知的，并且將其用作功率電子電路中的開(kāi)關(guān)或整流器。在風(fēng)力渦輪機(jī)中，可以使用功率半導(dǎo)體器件以連接發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)。在一些風(fēng)力渦輪機(jī)中，功率變換器(包括半導(dǎo)體器件)控制輸向電網(wǎng)的功率流。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，功率半導(dǎo)體器件由于機(jī)械和熱應(yīng)力而損壞是眾所周知的，因此希望能夠估計(jì)功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)或剩余壽命。這使得例如在致命的失效之前計(jì)劃替換這些器件成為可能。
[0004]美國(guó)專利US5，877，419公開(kāi)了一種用于估計(jì)功率半導(dǎo)體部件的使用壽命的方法，包括步驟:使部件承受周期性的負(fù)載變化，測(cè)量部件的電參數(shù)P，該電參數(shù)P作為用于相對(duì)于負(fù)載變化的數(shù)量N的可靠性或耐久性的指示器，根據(jù)負(fù)載變化的數(shù)量N計(jì)算電參數(shù)P的導(dǎo)數(shù)dP/dN，以及將導(dǎo)數(shù)dP/dN與表示確定的使用壽命的目標(biāo)值進(jìn)行比較。
[0005]US5, 650, 336公開(kāi)了一種用于預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件壽命的方法，其中測(cè)量從電應(yīng)力(包括電流和電壓)施加到半導(dǎo)體器件的元件上到所述元件變得不可用的時(shí)間，并且之后在利用施加第一電應(yīng)力的測(cè)試時(shí)，利用施加的第二電應(yīng)力預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件的壽命。該方法是破壞性的并且致使該半導(dǎo)體器件不可用。此外，該方法將應(yīng)力施加給例如柵氧化膜的半導(dǎo)體的元件，這使得不可能預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]考慮到上述的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的一個(gè)目的是以可靠的方式在失效前較早地估計(jì)諸如IGBT功率模塊的功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)，以便采取必要的操作以防止故障停機(jī)時(shí)間。
[0007]通過(guò)下面的方法可以實(shí)現(xiàn)該目的，該方法包括下述步驟:確立功率半導(dǎo)體器件的溫度，對(duì)于至少一個(gè)預(yù)定電流確定功率半導(dǎo)體器件之上的電壓降，其中當(dāng)功率半導(dǎo)體器件不工作時(shí)施加該電流，其中依賴于所確定的多個(gè)電壓降的變化來(lái)確立壽命終點(diǎn)。
[0008]因而，可能更詳細(xì)并且更精確地估計(jì)功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)。對(duì)于使用功率半導(dǎo)體器件的裝置來(lái)說(shuō)，停機(jī)時(shí)間的成本可能是昂貴的，因此了解壽命終點(diǎn)可以用于在實(shí)際失效前計(jì)劃更換功率器件。估計(jì)壽命終點(diǎn)還可以解釋為對(duì)功率半導(dǎo)體器件的損壞的測(cè)量。
[0009]在風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下，由于功率器件可以被更換和/或?yàn)榱藢⒐β势骷^續(xù)保留在生產(chǎn)中直至可以進(jìn)行器件更換而被降低功率，因此了解功率器件的壽命終點(diǎn)可以防止生產(chǎn)損失。此外，注意到可以在確定電壓降之間和估計(jì)壽命終點(diǎn)之后使用該功率半導(dǎo)體器件。可以僅用功率半導(dǎo)體器件的短的非工作期間來(lái)估計(jì)壽命是本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。換句話說(shuō)，該方法對(duì)于功率半導(dǎo)體器件來(lái)說(shuō)是非破壞性的。
[0010]可以將功率半導(dǎo)體器件理解為功率變換器的一部分，例如電源逆變器或功率堆。功率半導(dǎo)體器件可以由諸如功率硅或碳化硅二極管的二極管或者諸如MOSFET、IGBT, GT0、IGCT、半導(dǎo)體閘流管或碳化硅開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)構(gòu)建而成。
[0011]在功率半導(dǎo)體器件的壽命期間，該功率變換器的功率半導(dǎo)體器件的負(fù)載是不同的，并且也不可能將一種類型的所有功率半導(dǎo)體生產(chǎn)得完全相同，這會(huì)導(dǎo)致在功率半導(dǎo)體器件之上具有不同的電阻值。值得一提的是，這使得在過(guò)去確定功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)是不可能的。然而，現(xiàn)在通過(guò)使用本發(fā)明，這是可能的。
[0012]表述“不工作時(shí)”將會(huì)理解為這樣的方式:即功率半導(dǎo)體器件不執(zhí)行將其安裝在其中的系統(tǒng)中計(jì)劃的任務(wù)。功率半導(dǎo)體器件可以工作或不工作，當(dāng)工作時(shí)，功率半導(dǎo)體器件轉(zhuǎn)換安裝該功率半導(dǎo)體器件的設(shè)備中的電力，并且當(dāng)不工作時(shí)，該半導(dǎo)體不轉(zhuǎn)換安裝該功率半導(dǎo)體器件的設(shè)備中的電力。例如，當(dāng)沒(méi)有主動(dòng)地導(dǎo)通將被轉(zhuǎn)換的電流時(shí)，功率變換器中的功率半導(dǎo)體器件不工作。可替換地，可以使用下列詞語(yǔ)中的一個(gè):未激活、脫線或非生產(chǎn)模式。
[0013]在功率器件中可能有一個(gè)或多個(gè)具有熱連接到基板的功率半導(dǎo)體材料(還可以稱作功率半導(dǎo)體芯片或簡(jiǎn)單地被稱作芯片)的熱堆疊(thermalstack),可以通過(guò)隔離和焊接來(lái)固定該連接。在現(xiàn)有技術(shù)中，功率半導(dǎo)體器件中的熱堆疊的其他結(jié)構(gòu)可能性是已知的，例如可以不用基板來(lái)制造該熱堆疊?？梢杂勉~或AlSiC來(lái)制造基板并將其連接到諸如液體冷卻系統(tǒng)的熱沉。當(dāng)功率器件工作時(shí)，由于在熱堆疊中存在溫度梯度，芯片的溫度不等于液體或基板的溫度。因此，當(dāng)溫度已知時(shí)并且當(dāng)器件不工作時(shí)，執(zhí)行電壓測(cè)量是有優(yōu)勢(shì)的。這是由于當(dāng)功率半導(dǎo)體器件不工作時(shí)，在硅芯片中不產(chǎn)生熱量，因此在熱堆疊中的溫度梯度是最小的。
[0014]在一實(shí)施例中，通過(guò)將所確定的多個(gè)電壓降與電壓降的參考數(shù)據(jù)組進(jìn)行比較來(lái)確立壽命終點(diǎn)。優(yōu)選地，通過(guò)加速測(cè)試確立該參考數(shù)據(jù)組。這確保了一種簡(jiǎn)單化和系統(tǒng)化的估計(jì)壽命終點(diǎn)的方式?？商鎿Q地，相似的功率半導(dǎo)體器件的實(shí)際測(cè)量值或理論計(jì)算可以用作參考數(shù)據(jù)。可以理解每種類型和特定結(jié)構(gòu)的功率器件和變換器設(shè)計(jì)可能要求其特定參考數(shù)據(jù)組。
[0015]有利的是，可以在任何時(shí)間用新的、更新的參考數(shù)據(jù)組來(lái)代替該參考數(shù)據(jù)組。由于功率半導(dǎo)體器件的狀況和逐漸損壞隨著時(shí)間發(fā)生改變，因此能夠在任何時(shí)間更新參考數(shù)據(jù)組是有利的。
[0016]在一實(shí)施例中，使用所估計(jì)的壽命終點(diǎn)來(lái)改變功率半導(dǎo)體器件的降額因子(derating factor)。這是確保延長(zhǎng)功率器件的壽命的一種方式。降額因子意味著相比于器件的額定最大值，功率器件之上的電壓、電流或開(kāi)關(guān)頻率減少了一因子。
[0017]優(yōu)選地，通過(guò)確定包含在功率半導(dǎo)體器件中的功率半導(dǎo)體芯片的溫度來(lái)確立溫度。這一溫度還可稱作芯片的結(jié)溫。這也可以通過(guò)溫度傳感器直接測(cè)量功率半導(dǎo)體芯片上的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)或通過(guò)利用電壓降和芯片溫度之間的依賴關(guān)系間接地實(shí)現(xiàn)。
[0018]優(yōu)選地，通過(guò)將功率半導(dǎo)體器件加熱至預(yù)定溫度來(lái)確立溫度，優(yōu)選地通過(guò)使用與功率半導(dǎo)體器件熱力學(xué)接觸的液體。這可以通過(guò)將液體加熱至所希望的任意溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如30 V、40°C、50 V、60°C、70 V >80°C,這將確保功率半導(dǎo)體器件在不工作時(shí)具有所希望的溫度。
[0019]在一實(shí)施例中，當(dāng)功率半導(dǎo)體器件不工作時(shí)確立溫度。這要求功率半導(dǎo)體器件不工作的額外時(shí)間。另一方面，這使得可能具有完全用于確定電壓降的測(cè)量周期，其中可以在器件不工作時(shí)啟動(dòng)該周期，并且保證用于估計(jì)壽命終點(diǎn)的該方法不會(huì)影響該器件的工作。
[0020]優(yōu)選地，功率半導(dǎo)體器件不工作的時(shí)間至少是熱堆疊的熱時(shí)間常數(shù)的五倍。這確保了功率半導(dǎo)體器件和/或堆疊中的溫度梯度是最小的。
[0021 ] 有利的是，施加電流的時(shí)間小于包含在功率半導(dǎo)體器件中的硅芯片的熱時(shí)間常數(shù)的10%。當(dāng)確定功率半導(dǎo)體器件之上的電壓降時(shí)，必須激活該器件并且電流將會(huì)流過(guò)該器件。這會(huì)加熱該功率器件。為了確保熱量不上升至將會(huì)顯著影響確定電壓降的程度，可以僅短時(shí)間地施加該電流。該短時(shí)間可以小于硅芯片的熱時(shí)間常數(shù)的10%，例如小于I毫秒。
[0022]在一實(shí)施例中，確定電壓降被確立為功率半導(dǎo)體器件的壽命消耗的函數(shù)。功率器件的激活通常不會(huì)隨著時(shí)間均勻分布。因此，當(dāng)估計(jì)功率器件的損壞時(shí)，使用器件已執(zhí)行的壽命消耗而不是實(shí)際時(shí)間可能是有利的。壽命消耗還可以理解為等價(jià)的周期的數(shù)量，當(dāng)執(zhí)行與加速測(cè)試的比較時(shí)，其是有利的。
[0023]在另一方面，本發(fā)明關(guān)注一種用于估計(jì)功率變換設(shè)備中的諸如IGBT功率模塊的功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)的設(shè)備，包括:用于確立功率半導(dǎo)體器件的溫度的裝置，用于對(duì)于至少一個(gè)預(yù)定的電流確定功率半導(dǎo)體器件之上的電壓降的裝置，其中當(dāng)功率半導(dǎo)體器件不工作時(shí)施加該電流，用于基于所確定的多個(gè)電壓降的變化來(lái)確定壽命終點(diǎn)的裝置。
[0024]因此，該裝置能夠更詳細(xì)并且更精確地估計(jì)功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)。
[0025]用于確立溫度的裝置可以是有源器件，在其中確定溫度并且之后將功率半導(dǎo)體器件冷卻或加熱至所希望的溫度。還可以是無(wú)源器件，在其中通過(guò)溫度傳感器或者利用電壓降和芯片溫度之間的依賴關(guān)系而通過(guò)電壓降測(cè)量值確定溫度。
[0026]用于確定電壓降的裝置可以是模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。用于確立壽命終點(diǎn)的裝置可以是諸如微處理器的能夠計(jì)算和/或比較數(shù)據(jù)的單元。
[0027]應(yīng)當(dāng)理解，可以以可執(zhí)行權(quán)利要求中所描述的任意方法的方式來(lái)修改該設(shè)備。
[0028]在一實(shí)施例中，用于確立壽命終點(diǎn)的裝置將所確定的多個(gè)電壓降與電壓降的參考數(shù)據(jù)組進(jìn)行比較。優(yōu)選地通過(guò)加速測(cè)試建立該參考數(shù)據(jù)組。這確保了一種簡(jiǎn)單化和系統(tǒng)化的估計(jì)壽命終點(diǎn)的方式?？梢岳斫饷糠N類型和特定結(jié)構(gòu)的功率器件要求其特定的參考數(shù)據(jù)組。由于消除了一些系統(tǒng)錯(cuò)誤或其他錯(cuò)誤，因此對(duì)于加速測(cè)試使用與估計(jì)功率半導(dǎo)體器件壽命終點(diǎn)的方法類似的測(cè)量工具和類似的設(shè)置也是有優(yōu)勢(shì)的。
[0029]在一實(shí)施例中，該設(shè)備還包括用于功率半導(dǎo)體器件的至少一個(gè)柵驅(qū)動(dòng)，其中測(cè)量電壓的裝置被集成在柵驅(qū)動(dòng)中。由于功率模塊將最有可能需要柵驅(qū)動(dòng)，這種柵驅(qū)動(dòng)可以包括:柵控制電路、開(kāi)關(guān)模式電源、通過(guò)電流隔離阻擋或電平位移控制系統(tǒng)的接口、擊穿和/或過(guò)電流的保護(hù)、防止擊穿和最小死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生的邏輯。為了降低測(cè)量電路的成本，其可以使用柵驅(qū)動(dòng)的一些部件，例如開(kāi)關(guān)模式電源和/或至控制系統(tǒng)的接口的一些部分。此外，電壓測(cè)量可以用作退飽和保護(hù)電路并保護(hù)功率模塊不受過(guò)電流影響。
[0030]在一實(shí)施例中，該設(shè)備還包括用于用新的、更新的參考數(shù)據(jù)代替該參考數(shù)據(jù)組的裝置。這些裝置可以是微處理器，或者這些裝置可以并入到已包括在該器件中的其他控制器件中的。[0031]在一實(shí)施例中，用于確立溫度的裝置將功率半導(dǎo)體器件加熱至預(yù)定溫度，優(yōu)選地通過(guò)使用與該功率半導(dǎo)體器件熱力學(xué)接觸的液體。這確保了一種確立功率半導(dǎo)體器件的溫度的簡(jiǎn)單方式。
[0032]在進(jìn)一步的方面，本發(fā)明關(guān)注一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括如上所述的功率半導(dǎo)體器件和設(shè)備。如上所述，使用如上所述的估計(jì)風(fēng)力渦輪機(jī)中的功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)的器件或方法具有一些優(yōu)點(diǎn)。
[0033]對(duì)于渦輪機(jī)所有者來(lái)說(shuō)，失去的生產(chǎn)意味著收入的損失，因此確保渦輪機(jī)一直工作具有明確的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)。另一方面，功率模塊是昂貴的并且在接近它們的壽命終點(diǎn)之前都不應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行更換。上述的設(shè)備和方法可以在渦輪機(jī)保持生產(chǎn)時(shí)確保成本最小化。因此，當(dāng)可以確定壽命終點(diǎn)時(shí)，至少可以控制下面的情況:在器件的實(shí)際故障之前可以計(jì)劃更換該功率器件，這對(duì)于離岸渦輪機(jī)來(lái)說(shuō)尤其重要，因?yàn)檫@些渦輪機(jī)很難到達(dá)。當(dāng)壽命終點(diǎn)接近時(shí)，可以降低功率來(lái)延長(zhǎng)功率器件的壽命，并且可以繼續(xù)風(fēng)力渦輪機(jī)的電力生產(chǎn)直到可以更換功率器件?？商鎿Q地或者與降低功率相結(jié)合，可以更改多個(gè)功率器件的功率流分布以使最接近壽命終點(diǎn)的功率器件輸送最少的電流或者使其不工作。
[0034]在一實(shí)施例中，該風(fēng)力渦輪機(jī)還包括與功率半導(dǎo)體器件熱力學(xué)接觸的基于液體的系統(tǒng)，其中液體系統(tǒng)包括用于控制該液體溫度的裝置，優(yōu)選地還包括適于將液體加熱至期望溫度的加熱器。該加熱器可以是電加熱器。在該實(shí)施例中，常規(guī)使用的冷卻液體可以用于加熱功率器件并以這種方式確立功率器件的期望溫度。
[0035]有利的是，該風(fēng)力渦輪機(jī)還包括在操作上連接至功率變換器的風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)，其中該功率變換器包括功率半導(dǎo)體器件，并且該液體系統(tǒng)在操作上連接至該功率變換器。優(yōu)選地，該風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)在操作上連接至該液體系統(tǒng)。相比于在風(fēng)力渦輪機(jī)中安裝新的器件，使用已經(jīng)安裝的風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行用于估計(jì)壽命終點(diǎn)的步驟降低了結(jié)合壽命終點(diǎn)估計(jì)的成本。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0036]在下文中將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明:
[0037]圖1是二極管和開(kāi)關(guān)的示意圖；
[0038]圖2是電流、電壓和溫度之間的關(guān)系的曲線圖；
[0039]圖3是測(cè)量電路的示意圖；
[0040]圖4是功率半導(dǎo)體堆疊的示意圖；
[0041 ]圖5a是電流斜坡的曲線圖；
[0042]圖5b是電壓測(cè)量值的曲線圖；
[0043]圖6是來(lái)自加速測(cè)試的數(shù)據(jù)的實(shí)例；
[0044]圖7是發(fā)明的實(shí)施例的示意性流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045]本發(fā)明涉及估計(jì)功率半導(dǎo)體器件的剩余壽命或壽命終點(diǎn)，該功率半導(dǎo)體器件是功率變換器的一部分，并且例如由有源開(kāi)關(guān)和/或二極管構(gòu)建而成，例如:IGBT、半導(dǎo)體閘流管、GTO、MOSFET, IGCT、碳化硅開(kāi)關(guān)、功率硅二極管或功率碳化硅二極管。該估計(jì)方法基于導(dǎo)通電流時(shí)橫跨在功率器件上的電壓降的確立(例如測(cè)量)。然后存儲(chǔ)這些電壓測(cè)量值并且基于電壓降的變化將壽命終點(diǎn)估計(jì)為功率器件壽命消耗的函數(shù)。
[0046]如圖1所示，當(dāng)電流流經(jīng)例如二極管或IGBT開(kāi)關(guān)的功率器件時(shí)，橫跨部件產(chǎn)生了電壓降。電壓降可分為橫跨在電阻部分上的電壓降和橫跨在半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的PN結(jié)上的電壓降。電阻存在于終端、匯流條、鍵合引線、芯片表面和硅本體內(nèi)。通常當(dāng)電阻部分具有正溫度系數(shù)時(shí)，該P(yáng)N結(jié)具有負(fù)溫度系數(shù)，這會(huì)導(dǎo)致如圖2所示的電壓降特點(diǎn)。這里可以看至IJ電流⑴和電壓降之間關(guān)系的實(shí)例。Vce是開(kāi)關(guān)之上的電壓降且Vd是二極管之上的電壓降。圖2的曲線3示出了當(dāng)功率器件是冷的時(shí)的關(guān)系且曲線4示出了“熱的”功率器件。這意味著當(dāng)激活該功率器件發(fā)生溫度升高時(shí)，電流和電壓降之間的關(guān)系會(huì)發(fā)生改變。
[0047]由于損壞，當(dāng)使用功率器件(開(kāi)關(guān)和/或二極管)時(shí)，內(nèi)電阻將會(huì)增加。這可能是由于焊接裂紋、表面裂紋或鍵合線脫離。因此，電阻的增加將會(huì)改變電流/電壓特性；這已在圖2中示出。當(dāng)功率器件磨損時(shí)，曲線4將會(huì)變?yōu)榍€5。換句話說(shuō)，當(dāng)在相同的溫度下施加相同的電流時(shí)電壓的變化表明功率器件的損壞。
[0048]這意味著，對(duì)于給定的溫度和電流，當(dāng)電流被確定為功率器件的周期數(shù)的函數(shù)時(shí)，可能估計(jì)出功率器件的壽命終點(diǎn)和/或損壞。電壓的變化(例如上升)表明接近壽命的終點(diǎn)。
[0049]由于當(dāng)功率器件導(dǎo)通時(shí)必須探測(cè)mV范圍內(nèi)的變化，因此相較于阻塞時(shí)橫跨功率器件上的kV范圍內(nèi)的電壓，探測(cè)由功率器件損壞所引起的電壓降的變化可能是富有挑戰(zhàn)的。在圖3中可以看出測(cè)量電路的一實(shí)例。在這里，測(cè)量電路6包括繼電器7，該繼電器7可以阻擋橫跨在具有功率器件(例如IGBT和/或二極管)的測(cè)試目標(biāo)9和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)S上的高電壓。該繼電器7可以是機(jī)械和/或電的開(kāi)關(guān)。當(dāng)測(cè)試目標(biāo)9導(dǎo)通時(shí)，繼電器7是閉合的以使ADC8可以探測(cè)橫跨在功率器件上的電壓降。繼電器7可以是機(jī)械繼電器或半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(例如M0SFET)。
[0050]圖4示出了熱堆疊，其具有功率芯片10、銅的基板12，陶瓷層11位于芯片10和基板12之間并使它們隔離。功率器件可以包括一個(gè)或多個(gè)熱堆疊。基板12與作為功率器件的冷卻回路的一部分的液體13相接觸。如果在幾秒鐘內(nèi)芯片10中沒(méi)有產(chǎn)生損耗，那么芯片10的溫度等于(或者非常接近于)液體13的溫度。這意味著，例如通過(guò)測(cè)量液體溫度的溫度傳感器，可以很容易地確定溫度。此后，可以通過(guò)施加電流并測(cè)量電壓來(lái)確定電壓。由于施加電流將會(huì)加熱該芯片并導(dǎo)致堆疊之上的溫度梯度，如果僅施加非常短時(shí)間的電流，那么會(huì)獲得最可靠的數(shù)據(jù)，該非常短時(shí)間例如最大為100、200、300、500、1000微秒或者最大為功率芯片的熱時(shí)間常數(shù)的20%、10%或5%。
[0051]為了改善電壓測(cè)量，如圖5所示，可以使用電流斜坡。在這里，施加多個(gè)增加的電流并測(cè)量相應(yīng)的電壓。在圖5a中，可以看到電流⑴和時(shí)間⑴的電流斜坡，其中的小圓點(diǎn)是實(shí)際施加的電流而該曲線是擬合線。在非常短的時(shí)間內(nèi)施加電流斜坡以將溫度的波動(dòng)保持在最低限度。在圖5b中的小圓點(diǎn)上可以看到針對(duì)所施加的電流(I)的電壓(Vce/Vd)的測(cè)量值。針對(duì)電壓和電流關(guān)系擬合出一條線，這為對(duì)于給定電流的電壓確定提供了更好的精度。當(dāng)已獲得作為壽命消耗的函數(shù)的電壓測(cè)量值時(shí)，電壓的增加是壽命終點(diǎn)的標(biāo)志。然而，與例如通過(guò)加速測(cè)試獲得的參考數(shù)據(jù)和/或來(lái)自相似的功率器件的實(shí)際數(shù)據(jù)和/或理論計(jì)算相比較，可以提高所估計(jì)的壽命終點(diǎn)的精度。參考數(shù)據(jù)組應(yīng)當(dāng)將開(kāi)關(guān)之上的電壓描述為電流和溫度的函數(shù)。
[0052]可以通過(guò)諸如冷卻劑溫度和電流的加速參數(shù)來(lái)執(zhí)行加速測(cè)試。更具體地，可以通過(guò)在比正常工作更高的平均溫度和更大的溫度偏差下運(yùn)行來(lái)執(zhí)行該加速測(cè)試。這可以通過(guò)如下方式來(lái)實(shí)現(xiàn):通過(guò)逐漸增加下列參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè):液體冷卻劑溫度、電流、DC-鏈電壓、開(kāi)關(guān)頻率，或者通過(guò)降低或增加基頻(依賴于操作，因?yàn)榻档彤a(chǎn)生較大的溫度波動(dòng)，并且增加在每時(shí)間單位(Pr.time unit)內(nèi)提供更多的周期)，或者改變調(diào)制的電壓和電流之間的角度(改變角度，可以將負(fù)載從例如IGBT改變成二極管，并且由此向IGBT或二極管施加比其他更多的壓力)，或者改變調(diào)制指數(shù)(增加調(diào)制指數(shù)將導(dǎo)致IGBT或二極管的較高的負(fù)載)。
[0053]在加速測(cè)試期間，類似于上面描述的，引入測(cè)量序列以表征橫跨在功率器件上的電壓降。在圖6中可以看到加速測(cè)試的實(shí)例，其中針對(duì)功率周期繪制出某一電流下的電壓?？梢钥闯?，電壓朝著壽命終點(diǎn)升高。還可以看到源自于鍵合線的脫離的一些分立臺(tái)階14。當(dāng)確定壽命終點(diǎn)時(shí)，可能使用鍵合線脫離的數(shù)量和/或電壓的連續(xù)增加作為對(duì)器件的損壞的終點(diǎn)的測(cè)量。
[0054]圖7示出了用于本發(fā)明的實(shí)施例的示意圖。用于估計(jì)功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)的方法始于確立溫度(確立溫度)，這可以通過(guò)如上所述的激活液體控制、加熱或冷卻該冷卻液體中的任一種來(lái)實(shí)現(xiàn)，以此來(lái)控制液體溫度或通過(guò)其他方式直接或間接地測(cè)量該溫度。然后，保證功率器件不處于生產(chǎn)中(非工作模式啟動(dòng))，因?yàn)檫@將會(huì)保證芯片溫度將等于在先前步驟中確立的液體溫度。然后通過(guò)施加一電流確定功率器件之上的電壓降(確定電壓)，當(dāng)在短時(shí)間內(nèi)施加電流以使功率芯片的溫度不增加時(shí)，獲得最可靠的結(jié)果。接下來(lái)，之后再次釋放功率半導(dǎo)體以用于生產(chǎn)(釋放以用于生產(chǎn))。然后在例如功率器件執(zhí)行另外的工作周期之后的稍后時(shí)間里重復(fù)電壓的確定(重復(fù))。將所確定的多個(gè)電壓聯(lián)系到由功率器件執(zhí)行的周期數(shù)，并且之后在電壓變化的基礎(chǔ)上將壽命的估計(jì)建立為壽命消耗的函數(shù)(估計(jì)壽命終點(diǎn))。
[0055]在風(fēng)力渦輪機(jī)的應(yīng)用中，電壓測(cè)量電路可以用于探測(cè)功率模塊的損壞。如前所述，如果功率模塊的芯片和內(nèi)部部件的溫度是已知的，可以測(cè)量電路中阻值的增加?？梢允褂蔑L(fēng)力渦輪機(jī)不產(chǎn)生電力的間隔時(shí)間。如前所述，在這種非工作狀態(tài)下，芯片溫度與冷卻液體的溫度極好地聯(lián)系起來(lái)。這些非工作的間隔時(shí)間可以是:檢修狀態(tài)、無(wú)風(fēng)的時(shí)候、潤(rùn)滑序列(lubrication sequence)期間、電纜退繞、其他部件出錯(cuò)或強(qiáng)制停機(jī)。在那些非工作的間隔時(shí)間期間，可以執(zhí)行電壓測(cè)量周期。在典型的風(fēng)力渦輪機(jī)應(yīng)用中，風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)始/停止信號(hào)和參考信號(hào)以及其他信號(hào)控制功率變換器。依賴于該系統(tǒng)的配置，可以通過(guò)功率變換器或通過(guò)渦輪機(jī)控制系統(tǒng)控制液體冷卻系統(tǒng)。即使可以通過(guò)風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)控制該冷卻系統(tǒng)，也仍可以存在與功率變換器的聯(lián)系。該聯(lián)系可以包括測(cè)量值、安全信號(hào)
坐寸ο
[0056]可以建立如下的壽命終點(diǎn)估計(jì)/損壞探測(cè)的步驟順序:
[0057]-將冷卻液體加熱至例如50°C的預(yù)定溫度?？梢酝ㄟ^(guò)加熱元件或者通過(guò)運(yùn)行該變換器自身實(shí)現(xiàn)該加熱。在功率變換器的計(jì)劃停機(jī)的情況下，該風(fēng)力渦輪機(jī)控制器可以在變換器的實(shí)際停機(jī)之前啟動(dòng)對(duì)液體的加熱。
[0058][0059]
[0060]
[0061]-停止變換器的電力生產(chǎn)。
[0062]-在功率變換器停機(jī)之后，測(cè)量每個(gè)被監(jiān)控的功率半導(dǎo)體器件在給定電流下的電壓。
[0063]
[0064]-釋放變換器以用于電力生產(chǎn)。
[0065]-將所得的電壓測(cè)量值與先前產(chǎn)生的參考數(shù)據(jù)比較并估計(jì)功率器件的壽命/損壞的終點(diǎn)。`
【權(quán)利要求】
1.一種用于估計(jì)諸如IGBT功率模塊的功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)的方法，包括下述步驟: -確立功率半導(dǎo)體器件的溫度， -對(duì)于至少一個(gè)預(yù)定的電流確定功率半導(dǎo)體器件之上的電壓降，其中 當(dāng)功率半導(dǎo)體器件不工作時(shí)施加該電流， 其中依賴于所確定的多個(gè)電壓降的變化來(lái)確立壽命終點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)將所確定的多個(gè)電壓降與電壓降的參考數(shù)據(jù)組相比較來(lái)確立壽命終點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中通過(guò)加速測(cè)試確立參考數(shù)據(jù)組。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中能夠在任何時(shí)間用新的、更新的參考數(shù)據(jù)組來(lái)代替該參考數(shù)據(jù)組。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中所估計(jì)的壽命終點(diǎn)被用于改變功率半導(dǎo)體器件的降額因子。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中該溫度通過(guò)確定包含在該功率半導(dǎo)體器件中的功率半導(dǎo)體芯片的溫度來(lái)確立。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中該溫度通過(guò)優(yōu)選地使用與該功率半導(dǎo)體器件熱力學(xué)接觸的液體將功率半導(dǎo)體器件加熱至預(yù)定溫度來(lái)確立。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中當(dāng)功率半導(dǎo)體器件不工作時(shí)，確立該溫度。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中功率半導(dǎo)體器件不工作的時(shí)間至少是熱堆疊的熱時(shí)間常數(shù)的五倍。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中施加電流的時(shí)間小于包含在功率半導(dǎo)體器件中的硅芯片的熱時(shí)間常數(shù)的10%。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中施加電流的時(shí)間小于I毫秒。
12.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中確定電壓降被確立為功率半導(dǎo)體器件的壽命消耗的函數(shù)。
13.一種用于估計(jì)功率變換設(shè)備中的諸如IGBT功率模塊的功率半導(dǎo)體器件的壽命終點(diǎn)的設(shè)備，包括: ?用于確立溫度的裝置，其確立功率半導(dǎo)體器件的溫度， ?用于確定電壓降的裝置，其對(duì)于至少一個(gè)預(yù)定的電流確定功率半導(dǎo)體器件之上的電壓降，其中當(dāng)功率半導(dǎo)體器件不工作時(shí)施加該電流， ?用于確定壽命終點(diǎn)的裝置，其基于所確定的多個(gè)電壓降的變化來(lái)確定壽命終點(diǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中用于確定壽命終點(diǎn)的裝置將所確定的多個(gè)電壓降與電壓降的參考數(shù)據(jù)組進(jìn)行比較，優(yōu)選地通過(guò)加速測(cè)試確立該參考數(shù)據(jù)組。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中該設(shè)備還包括用于功率半導(dǎo)體器件的至少一個(gè)柵驅(qū)動(dòng)，其中測(cè)量電壓的裝置集成在柵驅(qū)動(dòng)中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，還包括用于用新的、更新的參考數(shù)據(jù)代替該參考數(shù)據(jù)組的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中用于確立溫度的裝置優(yōu)選地通過(guò)使用與該功率半導(dǎo)體器件熱力學(xué)接觸的液體將功率半導(dǎo)體器件加熱至預(yù)定溫度。
18.一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括功率半導(dǎo)體器件和根據(jù)權(quán)利要求13至17中任一項(xiàng)所述的設(shè)備。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，包括與功率半導(dǎo)體器件熱力學(xué)接觸的基于液體的系統(tǒng)，其中液體系統(tǒng)包括用于控制液體溫度的裝置，優(yōu)選地還包括適于將液體加熱至期望溫度的加熱器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，包括在操作上連接至功率變換器的風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)，其中該功率變換器包括功率半導(dǎo)體器件，并且該液體系統(tǒng)在操作上連接至該功率變換器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20中任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中該風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)在操作上連接至該液體系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G01R31/26GK103620429SQ201280029967
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月21日
【發(fā)明者】P·B·薩格森, B·蘭涅斯泰德 申請(qǐng)人:科電公司