DE19920505A1 - Converter with temp. symmetrisation has temp. sensors in chips, evaluation device that calls up measurement values and processes them into signals for input to correction circuit - Google Patents

Converter with temp. symmetrisation has temp. sensors in chips, evaluation device that calls up measurement values and processes them into signals for input to correction circuit

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Abstract

The converter has parallel sub-systems or DCB-ceramics with power switches, esp. MOSFET or IGBT (4-6) or parallel connected power switches on each of the parallel connected DCB-ceramics (1). temp. sensor are provided in each chip of the power switch or in each subsystems or on each DCB-ceramic to measure the temp. continuously during operation. An evaluation device calls up the measurement values and processes them into signals for input to a correction circuit.

Description

Die Erfindung beschreibt einen Umrichter nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Umrichter sind mehrfach aus der Literatur durch Beschreiben ihres Aufbaus und ihrer Wirkungsweise bekannt. Bezüglich ihres Überlastschutzes mit Überlastschutzeinrichtungen werden in jüngerer Zeit erhöhte Anstrengungen unternommen, um eine ungewollte spontane und vorzeitige Zerstörung zu vermeiden.The invention describes a converter according to the features of the preamble of Claim 1. Inverters are multiple from the literature by describing their structure and known how they work. Regarding their overload protection with Overload protection devices have recently made increased efforts to to avoid unwanted spontaneous and premature destruction.

Die dem Stand der Technik zuordenbaren Vorveröffentlichungen beschränken sich hauptsächlich auf die Verbesserung der Kurzschlußbeständigkeit von Leistungsschaltern oder dem Erkennen von Kurzschlüssen und deren zeitlich minimierten Abschaltzeitabläufen. Dabei wird immer von dem Strom-/Spannungsverhalten des einzelnen Leistungsschalters ausgegangen.The prior publications attributable to the prior art are limited mainly to improve the short-circuit resistance of circuit breakers or the detection of short circuits and their time-minimized switch-off times. Here is always dependent on the current / voltage behavior of the individual circuit breaker went out.

In DE 44 10 978 A1 wird beispielhaft ein Verfahren und eine dazu vorgestellte Schaltung zur Verbesserung der Kurzschlußfestigkeit eines bipolaren IGBT vorgestellt. Durch Einbinden eines MOSFET in den Gate-Ansteuerkreis wird der Stromfluß im Kurzschlußfall begrenzt. DE 44 10 978 A1 exemplifies a method and a circuit for this purpose Improvement of the short-circuit strength of a bipolar IGBT presented. By integrating A MOSFET in the gate drive circuit limits the current flow in the event of a short circuit.  

DE 196 30 697 A1 beschreibt eine Überstromüberwachung für Leistungshalbleiterschalter, die über eine dynamische Bewertung von möglichen Fehlansteuerungen der Gateversorgung verfügt, hier kann eine Schaltungsanordnung durch vorzeitiges Abschalten vor Zerstörung geschützt werden.DE 196 30 697 A1 describes overcurrent monitoring for power semiconductor switches via a dynamic evaluation of possible incorrect control of the gate supply has, here a circuit arrangement by premature shutdown before destruction to be protected.

Die zwischenzeitlich erlangte Komplexität der Verwendung von Leistungshalbleiterschaltern und die Vielfalt des Einsatzes in Schaltungsanordnungen erschließt dieses Wissensfeld als Gegenstand erfinderischer Lösungen durch immer weitergehendes Eindringen in diese Materie.The complexity of using power semiconductor switches that has now been achieved and the variety of use in circuit arrangements opens up this field of knowledge as Subject of inventive solutions through ever-increasing penetration into this matter.

So sind in Umrichtern die aktiven Leistungshalbleiterbauelemente, wie Leistungsschalter und/oder Freilaufdioden, aber auch die passiven Bauelemente selbst, wie Widerstände oder Kondensatoren bedingt durch deren dynamischen Eigenschaften, deren Aufbauten auf Isolierkeramiken mit den dazugehörenden Verbindungstechniken zu den äußeren Anschlüssen, deren integrierten Kühlsystemen oder auch die Ansteuerungen in den Schaltungsanordnungen Gegenstand der beschreibenden Erklärungen. In jedem Falle wird durch jede neue Veröffentlichung der weiteren Entwicklung von Schaltungsanordnungen durch Optimieren der genannten Teilfachgebiete und der Erhöhung der Lebensdauer Rechnung getragen.For example, the active power semiconductor components, such as circuit breakers, are in converters and / or free-wheeling diodes, but also the passive components themselves, such as resistors or Capacitors due to their dynamic properties, their structures Insulating ceramics with the associated connection techniques to the external connections, their integrated cooling systems or the controls in the circuit arrangements Subject of the descriptive explanations. In any case, every new one Publication of the further development of circuit arrangements by optimizing the mentioned subject areas and the increase in life.

In einer vorzeitigen Anmeldung, der DE 198 24 064 wird beispielhaft eine Schaltungsanordnung mit kennfeldorientierter Überlastbewertung vorgestellt, bei der die Erfassung und Bewertung der Chiptemperatur (ϑJ) als aktuelle Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelementes, als für ein funktionstüchtiges Arbeiten des Überlastschutzes von entscheidender Bedeutung, dargestellt wird.In an early application, DE 198 24 064, a circuit arrangement with a map-oriented overload evaluation is presented as an example, in which the detection and evaluation of the chip temperature (ϑ J ) is shown as the current junction temperature of the semiconductor component, as being of crucial importance for the functional functioning of the overload protection .

Es muß zum Verständnis der Aufgabenstellung weiterhin dargestellt werden, daß der Einsatz moderner Leistungsschalter in Form von IGBT und MOSFET zu immer schneller taktenden Umrichtern führt und die Belastung bezüglich der Spannungsfestigkeit und des möglichem Stromflusses in Durchlaßrichtung zu immer größeren Werten führt. Das hat zur Folge, daß der absolute Wert der Verlustwärme pro Flächeneinheit der Umrichterkühlung erhöht wird. To understand the task, it must also be shown that the use modern circuit breaker in the form of IGBT and MOSFET with clocking faster and faster Converters leads and the stress regarding the dielectric strength and the possible Current flow in the forward direction leads to ever larger values. As a result, the absolute value of the heat loss per unit area of the converter cooling is increased.  

In einer Dissertationsschrift von Hofer, Teile davon sind veröffentlicht in IEEE (Power Electronics Specialists Conference Pesc 96 in Baveno Italia, Page 131 ff Vol.2), wird dargestellt, daß Stromunsymmetrien einzelner Leistungsschalter in parallelgeschalteten Anordnungen dadurch beseitigt werden, daß die Stromflußdauer in jedem einzelnen Leistungsschalter in Teilschritten so weit angeglichen wird, daß Stromverteilungsfehler ausgeglichen werden. Das verhindert jedoch nicht eine unterschiedliche Erwärmung in einzelnen Kühlzonen, denn durch Unterschiede in den einzelnen Kühlbezirken ergeben sich unterschiedliche Temperaturniveaus.In a dissertation by Hofer, parts of which are published in IEEE (Power Electronics Specialists Conference Pesc 96 in Baveno Italia, Page 131 ff Vol.2) shown that current unbalances of individual circuit breakers in parallel Arrangements are eliminated in that the current flow duration in each one Circuit breaker is adjusted in steps so far that power distribution errors be balanced. However, this does not prevent different heating in individual cooling zones, because of differences in the individual cooling areas different temperature levels.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Temperaturen direkt an jedem Leistungshalbleiterschalter oder mindestens an jedem der parallel geschalteten Einzelsysteme zu erfassen und zu bewerten.The present invention has set itself the task of directly at each temperature Power semiconductor switch or at least on each of the individual systems connected in parallel to record and evaluate.

Die Aufgabe wird bei Umrichtern der dargestellten Art durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst, bevorzugte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.The task is inverters of the type shown by the measures of characterizing part of claim 1 solved, preferred further developments are in the Subclaims described.

Die Brauchbarkeitsdauer eines leistungselektronischen Systems hängt in erster Linie von der Temperaturwechsellastbeständigkeit der Leistungsschalter ab. Das absoluter Temperaturniveau ist jedoch nicht zu vernachlässigen.The useful life of a power electronic system depends primarily on the Resistance to thermal shock loads of the circuit breakers. The absolute temperature level is however not to be neglected.

Dem Stand der Technik entsprechend werden Brauchbarkeitsvorhersagen auf der Grundlage definierter Lastspiele berechnet. Bei parallel geschalteten Leistungsschaltern wird bei solchen Berechnungen von den thermisch ungünstigsten Teilsystemen ausgegangen.According to the state of the art, usability predictions are based on defined duty cycles. In the case of circuit breakers connected in parallel, such Calculations based on the most unfavorable subsystems.

Abhängig von dem Kühlsystem (beispielhaft Wasser- oder Luftkühlung) und der Intensität der Kühlmedienumwälzung sind dennoch Unterschiede der Kühlleistung in einzelnen Kühlregionen des zu kühlenden Umrichters vorhanden. Die Unterschiede in den Wärmeübergängen zu der Kühleinrichtung und die Rand- bzw. Zentrallage einzelner Leistungsschalter darauf bewirken neben dem unterschiedlichen "Verlustleistungsangebot" einzelner Leistungsschalter unterschiedliche Temperaturen einzelner Chips oder Gruppen von Chips (auf DCB- Isolierkeramiken montiert) oder Kühleinrichtungsteilbezirke. Depending on the cooling system (e.g. water or air cooling) and the intensity of the Cooling medium circulation are nevertheless differences in cooling capacity in individual cooling regions of the converter to be cooled. The differences in heat transfers to that Cooling device and the peripheral or central position of individual circuit breakers on it in addition to the different "power dissipation" of individual circuit breakers different temperatures of individual chips or groups of chips (on DCB- Insulating ceramics mounted) or cooling device sub-districts.  

Die Erfindung setzt sich das Ziel, die thermischen Verhältnisse innerhalb eines Verbundes parallel geschalteter Systeme einer Schaltungsanordnung so auszugleichen, daß alle Teilsysteme thermisch gleich belastet werden und damit das Gesamtsystem eine höhere Lebensdauer erreicht. Durch die erfinderischen Maßnahmen wird in gleicher Weise die maximale Belastbarkeit erhöht.The invention sets itself the goal of the thermal conditions within a network to balance parallel systems of a circuit arrangement so that all Subsystems are subjected to the same thermal load and thus the overall system is higher Lifetime reached. The inventive measures in the same way maximum resilience increased.

Auf der Grundlage der Fig. 1 wird die erfinderische Idee näher erläutert. Auf der Kühleinrichtung (7) sind auszugsweise vier DCB-Keramiken (1) plaziert. Die DCB- Keramiken besitzen einen strukturierten Kupferbelag (2, 3), auf dem verschiedene Halbleiterbauelemente hauptsächlich löttechnisch aufgebracht worden sind. Für die Betrachtung sind hier nur die Leistungshalbleiterbauelemente wie Leistungsschalter in Form von IGBT oder MOSFET (4, 5, 6) betrachtenswert.The inventive idea is explained in more detail on the basis of FIG. 1. Four DCB ceramics ( 1 ) are placed in part on the cooling device ( 7 ). The DCB ceramics have a structured copper coating ( 2 , 3 ), on which various semiconductor components have mainly been applied by soldering. Only the power semiconductor components such as circuit breakers in the form of IGBT or MOSFET ( 4 , 5 , 6 ) are worth considering here.

Vernachlässigt man individuelle Unterschiede in der Verlustleistung der einzelnen Leistungsschalter, was einen groben Fehler darstellt, dann ist immer noch zu erkennen, daß außenliegende Bauelemente (4) die entstehende Wärme an größere Umgebungsflächen abgeben können, als innenliegende (6). Die innenliegenden Bauelemente (6) sind benachteiligt in Bezug auf die Wärmeabgabemöglichkeiten.If one neglects individual differences in the power loss of the individual circuit breakers, which is a gross error, it can still be seen that external components ( 4 ) can give off the heat generated to larger areas than internal ones ( 6 ). The internal components ( 6 ) are disadvantaged in terms of the heat emission options.

Bauelemente des Randbezirkes (4) sind auf einer Kupferfläche (2) mit größerem Umfang plaziert und haben mindestens an zwei Seiten keine Wärmequellen als Nachbarn. Einige Bau­ elemente (5) haben hingegen mehrere Wärmequellen in der Umgebung, während innenliegende Bauelemente (6) mindestens drei wärmespendende Quellen in Nachbarschaft aufweisen. Folglich erhalten einige Bauelemente (6) zusätzlich zu ihrer Wärmeleistung noch eine Erwärmung durch ihre Nachbarwärmequellen. Gleiche Betrachtungen ergeben sich bei drei nebeneinander positionierten DCB-Keramiken (1). In solch einem Aufbau wird die mittlere Keramik immer Wärme der beiden benachbarten Keramiken erhalten, auch dann wenn man von einer nicht exakten Annahme eines gleich großen "Wärmeaufkommens" ausgeht. Components of the peripheral district ( 4 ) are placed on a copper surface ( 2 ) with a larger circumference and have no heat sources as neighbors on at least two sides. Some construction elements ( 5 ), however, have multiple heat sources in the area, while internal components ( 6 ) have at least three heat sources in the neighborhood. Consequently, in addition to their thermal output, some components ( 6 ) also receive heating from their neighboring heat sources. The same considerations result for three DCB ceramics positioned next to each other ( 1 ). In such a construction, the middle ceramic will always receive heat from the two neighboring ceramics, even if one assumes that the "heat generation" is not exactly the same.

Die erfinderische Lösung sieht das Positionieren von Wärmesensoren in oder an jedem Wärme produzierenden Leistungsschalter oder mindestens auf oder an jeder DCB-Keramik vor. Die von solchen Sensoren deduzierten über der Temperatur gemessenen Wärmeinhalte werden elektronisch bewertet und zu Impulsen für die Temperaturkorrektur der Leistungsschalter (bzw. für die DCB-Keramiken) verarbeitet. Solche Impulse werden beispielhaft als Gateansteuerungssignale zu den betreffenden Leistungsschaltern geleitet.The inventive solution provides for the positioning of heat sensors in or on any heat producing circuit breakers or at least on or on each DCB ceramic. The of such sensors deduced heat contents measured over the temperature electronically evaluated and impulses for the temperature correction of the circuit breakers (or for the DCB ceramics) processed. Such impulses are exemplified as Gate drive signals passed to the relevant circuit breakers.

Ein Impuls bewirkt ein Verändern des Einschaltzeitpunktes der betreffenden Leistungsschalter um 20 ns, das heißt, die Einschaltdauer wird um eben diese 20 ns verringert oder vergrößert. Durch die so regulierte Arbeitsphase wird sich die Temperatur in den gemessenen Positionen verändern, was wiederum kontinuierlich abgefragt und bewertet wird.A pulse causes a change in the time at which the circuit breaker in question is switched on by 20 ns, that is, the duty cycle is reduced or increased by precisely this 20 ns. Due to the regulated working phase, the temperature will be in the measured positions change, which in turn is continuously queried and evaluated.

Das Verringern der Einschaltdauer der heißesten Positionen (entweder Leistungsschalter oder DCB-Keramik) und/oder das Verlängern der Einschaltdauer der kältesten Positionen wird so lange wiederholt, bis sich die Temperaturen aller Teilbezirke des Umrichters angeglichen haben. Die Uberwachung der höchstmöglichen Temperatur des gesamten Umrichters ist gleichzeitig hierdurch gewährleistet, wie das im genannten Stand der Technik bereits beschrieben worden ist.Reducing the duty cycle of the hottest positions (either circuit breaker or DCB ceramic) and / or extending the duty cycle of the coldest positions Repeated for a long time until the temperatures of all sub-areas of the converter converge to have. The monitoring of the highest possible temperature of the entire converter is at the same time this ensures, as is already the case in the prior art mentioned has been described.

Unterhalb der Leistungsgrenze des Gesamtsystems (gemessen an der höchstmöglichen Arbeitstemperatur) wird durch die erfinderische Drosselung einzelner Leistungsschalter die Gesamtleistung des Umrichters nicht beeinflußt, da der Gesamtstrom über den Controller entsprechend dem Summenstromsignal nachgeregelt werden kann. Erfinderisch wird lediglich eine Umverteilung der Verlustleistungen auf die parallel geschalteten Leistungsschalter oder Gruppen von Leistungsschaltern (DCB-Keramiken) unter Beachtung der thermischen Gegebenheiten vorgenommen.Below the performance limit of the overall system (measured at the highest possible Working temperature) is the inventive throttling of individual circuit breakers Overall performance of the converter is not affected as the total current through the controller can be adjusted according to the total current signal. It only becomes inventive a redistribution of the power losses to the circuit breakers connected in parallel or Groups of circuit breakers (DCB ceramics) taking into account the thermal Conditions.

Claims (7)

1. Umrichter aufgebaut aus parallel geschalteten Subsystemen oder DCB-Keramiken mit Leistungsschaltern insbesondere MOSFET oder IGBT oder parallel geschalteten Leistungsschaltern auf jeder der parallel geschalteten DCB-Keramiken dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Chip der Leistungsschalter Temperatursensoren vorhanden sind oder an jedem Leistungsschalter oder in jedem Subsystem oder an jeder DCB-Keramik Temperatursensoren eingebaut sind, die bei Betrieb des Umrichters kontinuierlich die Temperatur messen, die Meßwerte von einem Bewerter abgefragt und zu Signalen verarbeitet werden und diese die Temperaturdiffenzen widerspiegelnden Signale an die Korrekturschaltung der Gateansteuerung weitergeleitet werden, so daß die Ansteuerung jedes einzelnen Leistungsschalters zum Egalisieren der Temperatur in allen geometrisch verschieden positionierten Schaltungsteilen führt. 1. Inverters constructed from subsystems or DCB ceramics connected in parallel with circuit breakers, in particular MOSFET or IGBT, or circuit breakers connected in parallel on each of the DCB ceramics connected in parallel, characterized in that temperature sensors are present in each chip of the circuit breaker or on each circuit breaker or in each subsystem or are installed on each DCB ceramic temperature sensors, which continuously measure the temperature during operation of the converter, the measured values are queried by an evaluator and processed into signals and these signals reflecting the temperature differences are passed on to the correction circuit of the gate control, so that the control of each individual circuit breakers to equalize the temperature in all geometrically differently positioned circuit parts. 2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale an die Treiberschaltung der Leistungsschalter weitergeleitet werden und von dieser zur Korrektur der Einschaltdauer der einzelnen Leistungsschalter verwendet wird.2. Converter according to claim 1, characterized in that the signals are forwarded to the driver circuit of the circuit breaker and from this is used to correct the duty cycle of the individual circuit breakers. 3. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenzen einzelner der parallel geschalteten Einzelsysteme zu der vorgegebenen Temperatur durch Variieren der Einschaltdauer ausgeglichen werden.3. Converter according to claim 1, characterized in that the temperature differences of individual of the individual systems connected in parallel to the specified temperature can be compensated by varying the duty cycle. 4. Umrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten der vorgegebenen Temperatur eine Verkürzung der Einschaltdauer um Schritte von 20 ns bis zur Beseitigung der Überschreitung vorgenommen wird.4. Converter according to claim 3, characterized in that if the specified temperature is exceeded, the duty cycle is reduced by Steps of 20 ns are taken until the overrun is eliminated. 5. Umrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten der vorgegebenen Temperatur eine Verlängerung der Einschaltdauer um Schritte von 20 ns bis zur Anhebung der Temperatur auf den Vorgabewert vorgenommen wird.5. Converter according to claim 3, characterized in that if the temperature falls below the specified one, the duty cycle is extended by 20 ns steps to raise the temperature to the default value becomes. 6. Umrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenzen einzelner der parallel geschalteten Subsysteme oder Leistungsschalter durch Verändern der Durchlaßverluste in Form der Variation der Gatespannungsversorgung angeglichen werden.6. Converter according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature differences of individual of the subsystems connected in parallel or Circuit breakers by changing the forward losses in the form of the variation of the Gate voltage supply can be adjusted. 7. Umrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation der Gatespannungsversorgung Werte von 12 bis 18 Volt beinhaltet.7. Converter according to claim 6, characterized in that the variation of the gate voltage supply includes values from 12 to 18 volts.
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