用于计算电换流器的剩余循环寿命的方法和用于执行该方法的电换流器与流程

本发明涉及一种用于计算诸如电机驱动器的电换流器(electric converter)的剩余循环寿命的方法。所述换流器包括至少一个功率电子模块、散热器和至少一个控制器，所述至少一个功率电子模块具有至少一个igbt和二极管并具有或不具有基板。所述方法包括以下步骤：-反复测量所述功率电子模块的参考点的温度；-反复测量所述电子模块的运行状况并且计算所述电子模块的功率损耗；-基于所述电子模块的参考点的所测量的温度、所述电子模块的功率损耗、以及电子模块的参考点与壳体之间的热阻抗或电子模块的参考点与散热器之间的热阻抗，反复计算所述基板处的壳体温度或所述散热器处的散热器温度；-基于所述电子模块的壳体温度、或基于所述散热器温度、所述电子模块的igbt和二极管的功率损耗、以及结与壳体之间的热阻抗或结与散热器之间的热阻抗，反复计算结温度；-将所述壳体温度和所述结温度存储到存储器；-对所存储的温度应用雨流循环计数算法；-基于芯片的循环寿命模型和基板的循环寿命模型，计算所述剩余循环寿命；以及-输出指示所述剩余循环寿命的信号。本发明还涉及一种用于执行所述方法的电换流器。

背景技术：

1、本发明适用于具有高波动负载的驱动应用。在此类应用中，功率电子模块部件(诸如半导体芯片)可能经历严重的磨损和相关联的老化。这最终可能导致驱动器故障以及由驱动器间接控制的相应的工业过程停止。导致老化的一个重要因素是在波动负载条件下发生的壳体和芯片的温度波动。半导体模块部件的温度波动并且特别是不同的热膨胀系数使半导体模块的材料层劣化并且因此使它的循环寿命减少。

2、在为特定用户应用选择驱动器时，驱动器的循环寿命通常是一个重要要求。为了估计功率电子模块的寿命，需要准确的运行条件。然而，这些准确的操作条件通常不容易获得或评估。现有技术的解决方案遇到的另一个问题是可能难以通过任何测量来观察芯片或其他部件的磨损过程。因此，由于循环寿命结束而导致的芯片或其他部件的故障通常会在没有任何警告的情况下发生。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种改进的方法和电换流器，所述方法和电换流器克服了上述问题。通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求9所述的电换流器来实现该目的。本发明的优选实施例受从属权利要求的约束。

2、根据权利要求1，提供一种用于计算电换流器的剩余循环寿命的方法。驱动器包括至少一个功率电子模块、散热器和至少一个控制器，所述至少一个功率电子模块具有至少一个igbt和二极管并具有或不具有基板。所述方法包括以下步骤：

3、-反复测量功率电子模块的参考点的温度；

4、-反复测量电子模块的运行状况并且计算电子模块的功率损耗；

5、-基于电子模块的参考点的所测量的温度、电子模块的功率损耗、以及电子模块的参考点与壳体之间的热阻抗或电子模块的参考点与散热器之间的热阻抗，反复计算基板处的壳体温度或散热器处的散热器温度；

6、-基于电子模块的壳体温度、或基于散热器温度、电子模块的igbt和二极管的功率损耗、以及结与壳体之间的热阻抗或结与散热器之间的热阻抗，反复计算结温度；

7、-将壳体温度和结温度存储到存储器；

8、-对所存储的温度应用雨流循环计数算法；

9、-基于芯片的寿命模型和基板的寿命模型，计算剩余循环寿命；以及

10、-输出指示剩余循环寿命的信号。

11、本发明的基本思想是在线计算电子部件(诸如功率半导体模块基板和半导体芯片)或任何其他部件在驱动运行期间的热应力的估计值。热应力可以应用于存在于具有不同热膨胀系数的两种或更多种材料或部件之间的机械应力。所估计的热应力被输出到模块部件(诸如基板和芯片)的寿命模型。

12、结温度可以指分配给相应的半导体器件内部的区域的温度，其中，虚拟热源提供源自电功率损耗的热输出。结温度可以被视为不能直接测量的虚拟参数。它可以构成理论平均值，芯片pn结处的实际温度可能与该理论平均值显著不同。这种效应可以作为芯片尺寸的函数而线性增加。

13、本发明改进了驱动器的预测维护能力，使得用户能够读取电子模块、或电子模块的其他部件或驱动器总体的使用寿命消耗。另外或替代地，只要驱动器由于部件老化而需要维修或维护活动，就可以输出警告。这允许驱动器的用户更好地安排相应的预防活动。因此，驱动器故障的风险大大降低。此外，根据本发明的寿命监测为具有故障部件(诸如半导体芯片)的故障单元的根本原因分析提供了有价值的信息。

14、通过使用运行条件(如输出电流、直流母线电压、开关频率等)的信息，在驱动器中计算电子模块或其他部件的实际功率损耗。为了计算壳体及结温度，必须知道所测量的参考点与壳体之间以及壳体与结之间的热阻抗。然后，壳体温度及结温度被计算为热阻抗乘以功率损耗并加上参考点的温度。壳体及结温度数据可以存储到存储器。应用雨流循环计数算法来提取所存储的温度数据和相应的接收到的温度循环。寿命模型可以基于模块基板和结故障机制，并且可以利用来自功率循环测试的实验确定的参数来校准。然后，可以以多种方式将指示循环寿命的信息输出给用户。例如，用户可以将驱动器的剩余寿命读取为百分比值。另外或替代地，如果已经达到了剩余寿命的阈值，则可以输出警告。

15、本发明提供一种软件功能，所述软件功能实时计算半导体模块基板焊料和芯片焊料/接合料的剩余循环寿命并且生成相应的输出，以便例如通知驱动器的用户或客户。

16、本发明为用户提供了附加值，因为用户可以更好地获知何时执行驱动器的维护活动。由于半导体模块故障和相应的驱动器故障而导致过程意外停止的风险降低。同时，本发明不会为驱动器带来额外的硬件成本。本发明提供了指示驱动器的电子部件的寿命消耗的清楚且容易的可测量数据。此外，本发明使得可以提供关于驱动器的现场状况的数据。

17、在本发明的优选实施例中，功率电子模块的参考点与壳体之间的热阻抗、或参考点与散热器之间的热阻抗、以及壳体与结之间的热阻抗、或散热器与结之间的热阻抗是在执行该方法之前被建立的，并且优选地被存储在控制器中。

18、在本发明的另一个优选实施例中，通过专用温度传感器，例如ntc传感器，测量电子模块的参考点的温度。

19、在本发明的另一个优选实施例中，电子模块包括晶体管和/或二极管和/或晶闸管。

20、在本发明的另一个优选实施例中，输出信号对应于电换流器的剩余寿命，和/或，输出信号对应于警告信号。

21、在本发明的另一个优选实施例中，电子模块的功率损耗是igbt的功率损耗和二极管的功率损耗之和。

22、在本发明的另一个优选实施例中，根据以下等式计算壳体温度：

23、tc(t)＝tref(t)+(pigbt(t)+pdiode(t))×zref-c(t)。

24、在本发明的另一个优选实施例中，根据以下等式计算igbt的结温度：

25、tj_igbt(t)＝tc(t)+pigbt(t)×zigbt_j-c(t)，并且

26、根据以下等式计算二极管的结温度：

27、tj_diode(t)＝tc(t)+pdiode(t)×zdiode_j-c(t)。

28、本发明还涉及一种电换流器，所述电换流器包括至少一个功率电子模块和至少一个控制器，所述至少一个功率电子模块具有或不具有基板。控制器被设置为用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。术语“控制器”被广义地理解并且可以包括执行它的控制任务所需的任何部件。它的部件可以包括存储器装置、计算装置、功率装置等。

技术特征：

1.一种用于计算电换流器的剩余循环寿命的方法，所述电换流器包括至少一个功率电子模块、散热器(3)和至少一个控制器，所述至少一个功率电子模块具有至少一个igbt(7)和二极管(6)并具有或不具有基板(1)，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率电子模块的参考点与壳体之间的热阻抗(zref-c)或参考点与散热器(3)之间的热阻抗(zref-f)、以及壳体与结之间的热阻抗(zj-c)或散热器与结之间的热阻抗(zj-f)是在执行所述方法之前被建立的，并且优选地被存储在所述控制器中。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过专用温度传感器，例如ntc传感器，测量所述电子模块的参考点的温度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电子模块包括晶体管和/或二极管和/或晶闸管。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述输出信号对应于所述电换流器的剩余寿命，和/或，所述输出信号对应于警告信号。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电子模块的功率损耗(pem)是所述igbt的功率损耗和所述二极管的功率损耗(pdiode)之和。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据以下等式计算所述壳体温度(tc)：

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据以下等式计算所述igbt的结温度tj：

9.一种电换流器，包括至少一个功率电子模块和至少一个控制器，所述至少一个功率电子模块具有或不具有基板(1)，其特征在于，所述控制器被设置为用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种用于计算诸如电机驱动器的电换流器的剩余循环寿命的方法。所述换流器包括至少一个功率电子模块、散热器和至少一个控制器，所述功率电子模块具有至少一个IGBT和二极管并具有或不具有基板。所述方法包括以下步骤：‑反复测量功率电子模块的参考点的温度；‑反复测量电子模块的运行状况并且计算电子模块的功率损耗；‑反复计算基板处的壳体温度或散热器处的散热器温度；‑反复计算结温度；‑将壳体温度和结温度存储到存储器；‑对所存储的温度应用雨流循环计数算法；‑基于芯片的循环寿命模型和基板的循环寿命模型，计算剩余循环寿命；以及‑输出指示剩余循环寿命的信号。本发明还涉及一种用于执行所述方法的电换流器。

技术研发人员：托马斯·伊林-拉纳斯托,阿里·瑞斯提马克,马蒂·塔卡拉,朱哈·诺伦娜
受保护的技术使用者：伟肯有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23