DE19920505A1 - Umrichter mit Temperatursymmetrierung - Google Patents

Abstract

Die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Umrichtern wird wesentlich durch die höchste partiell erreichte Temperatur des "schwächsten Gliedes" aus der Gesamtheit aller Leistungsschalter bei parallel geschalteten Anordnungen bestimmt. DOLLAR A Die Erfindung beschreibt Umrichter mit Temperatursymmetrierung, bestehend aus parallel geschalteten Subsystemen oder DCB-Keramiken mit Leistungsschaltern insbesondere MOSFET oder IGBT oder aus solchen parallel geschalteten Leistungsschaltern. Auf oder an jedem der parallel geschalteten Schaltungsteilen sind Temperatursensoren vorhanden, die bei Betrieb des Umrichters kontinuierlich die Temperaturwerte erheben, diese Meßwerte werden von einem Bewerter abgefragt und verarbeitet und zur Korrektur der Gateansteuerung weitergeleitet, so daß die Ansteuerung jedes einzelnen Leistungsschalters zur Angleichung der Temperatur in allen Schaltungsteilen führt.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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 (ϑ_J) als aktuelle Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelementes, als für ein funktionstüchtiges Arbeiten des Überlastschutzes von entscheidender Bedeutung, dargestellt wird.

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.

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.

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.

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.

Die Brauchbarkeitsdauer eines leistungselektronischen Systems hängt in erster Linie von der Temperaturwechsellastbeständigkeit der Leistungsschalter ab. Das absoluter Temperaturniveau ist jedoch nicht zu vernachlässigen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

7. Umrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation der Gatespannungsversorgung Werte von 12 bis 18 Volt beinhaltet.