用于估算晶體管的溫度的方法
【專利摘要】檢測(cè)器測(cè)量晶體管的集電極和發(fā)射極之間的相對(duì)于時(shí)間變化的關(guān)斷電壓變化，和晶體管在集電極處的峰值電壓?；陉P(guān)斷電壓變化和峰值電壓，電子數(shù)據(jù)處理器確定關(guān)斷電流、開啟電流和開態(tài)電壓降的中間參數(shù)?；诰w管的集電極和發(fā)射極之間的關(guān)斷電流、開啟電流和開態(tài)電壓降，數(shù)據(jù)處理器確定晶體管在一個(gè)開關(guān)循環(huán)內(nèi)的功率損耗或能量損耗。數(shù)據(jù)處理器估算晶體管在開關(guān)循環(huán)內(nèi)的相關(guān)聯(lián)的平均管芯溫度。
【專利說明】
用于估算晶體管的溫度的方法
[0001 ] 本文根據(jù)35U.S.C.119(e)，要求基于2015年2月27日提交、名稱為"METHOD FOR ESTIMATING A TEMPERATURE OF A TRANSISTOR"且序號(hào)為62/126,041 的美國臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu) 先級(jí)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開內(nèi)容涉及用于估算晶體管的溫度的方法，更具體地涉及用于估算晶體管的 結(jié)溫（junction temperature)或管芯溫度（die temperature)的方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 在半導(dǎo)體裝置中，某些現(xiàn)有溫度感測(cè)方案使用與半導(dǎo)體管芯隔開的熱敏電阻器， 以提供足夠的電絕緣并且減少與半導(dǎo)體開關(guān)裝置相關(guān)聯(lián)的噪聲。在使用熱敏電阻器(如，具 有負(fù)溫度系數(shù)的電熱調(diào)節(jié)器)的晶體管的穩(wěn)態(tài)操作過程中，與在瞬態(tài)操作過程中相比，晶體 管的估算結(jié)溫是更精確的，但是對(duì)于用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)的逆變器的一些控制應(yīng)用而言，仍 然是不足夠精確的。因而，需要用于實(shí)時(shí)估算晶體管的結(jié)溫或管芯溫度的、便于改進(jìn)精度的 改進(jìn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，用于估算(雙極結(jié)型晶體管的）結(jié)溫、（場(chǎng)效應(yīng)晶體管的）溝道溫 度或半導(dǎo)體開關(guān)裝置的大致管芯溫度的系統(tǒng)和方法測(cè)量逆變器的相中的晶體管的集電極 和發(fā)射極(或漏極和源極，分別地)之間的相對(duì)于時(shí)間變化的關(guān)斷電壓變化(例如，電壓升高 的速率或d Vce/dt)。檢測(cè)器測(cè)量晶體管的集電極和發(fā)射極(或漏極和源極，分別地)之間的峰 值電壓(例如，Vc^peak)。基于關(guān)斷電壓變化(例如，dv TO/dt)和峰值電壓(例如，Vc^pe5ak)，電子數(shù) 據(jù)處理器確定關(guān)斷電流(例如，iceturnoff)、開啟電流(例如，iceturnon)和開態(tài)電壓降（例如， V_n)的中間參數(shù)?；诰w管的集電極和發(fā)射極(或漏極和源極，分別地)之間的關(guān)斷電流 (例如，i ceturnof f )、開啟電流(例如，i ceturncm )和開態(tài)電壓降（例如，VC_ )，數(shù)據(jù)處理器確定晶 體管在一個(gè)開關(guān)循環(huán)內(nèi)的功率損耗或能量損耗?；诖_定的能量損耗、用于冷卻逆變器的 逆變器系統(tǒng)的觀察溫度(例如，冷卻劑系統(tǒng)中的冷卻劑的冷卻劑溫度)和用于逆變器的逆變 器系統(tǒng)（例如，液冷式系統(tǒng)的熱阻）的熱特性，數(shù)據(jù)處理器估算晶體管在開關(guān)循環(huán)內(nèi)的相關(guān) 聯(lián)的平均結(jié)溫或管芯溫度。
【附圖說明】
[0005] 圖1是用于估算晶體管的結(jié)溫或管芯溫度的系統(tǒng)的示意圖。
[0006] 圖2是用于計(jì)算開態(tài)功率損耗并且在開態(tài)過程中測(cè)量晶體管電壓的系統(tǒng)的示意 圖。
[0007] 圖3是與逆變器中的晶體管相關(guān)聯(lián)的波形的示意圖，所述示意圖圖示了完整的開 關(guān)循環(huán)。
[0008]圖4是用于估算晶體管的結(jié)溫或管芯溫度的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
[0009]圖5是用于估算晶體管的結(jié)溫或管芯溫度的方法的另一實(shí)施例的流程圖。
[0010]圖6是用于估算晶體管的結(jié)溫或管芯溫度的方法的又一實(shí)施例的流程圖。
[0011]圖6A是示出圖6中的方法的步驟中的一部分的流程圖。 圖6B是示出圖6中的方法的步驟中的另一部分的流程圖。 圖7是用于感測(cè)通過晶體管的鏡像電流的系統(tǒng)的示意圖。
[0012]圖8是為逆變器保留的功率循環(huán)的數(shù)量與它的晶體管的溫度變化之間的關(guān)系的圖 表。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 結(jié)溫應(yīng)用于雙極晶體管的結(jié)。管芯溫度表示雙極晶體管的結(jié)溫，或場(chǎng)效應(yīng)晶體管 的耗盡型溝道或增強(qiáng)型溝道的溝道溫度，或任何其它晶體管或半導(dǎo)體裝置的管芯溫度。可 以在整個(gè)開關(guān)循環(huán)中或在開關(guān)循環(huán)過程中的任一瞬時(shí)時(shí)間測(cè)量結(jié)溫或管芯溫度。在開關(guān)循 環(huán)過程中，管芯溫度在一段時(shí)間內(nèi)可能改變，其中，例如，在固定電載荷(例如，來自在范圍 限制內(nèi)或以恒定的轉(zhuǎn)子速率和轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)的逆變器載荷)和靜態(tài)環(huán)境溫度下的穩(wěn)態(tài) 操作過程中，溫度變化被減少。
[0014] 在本文的全部中使用以下術(shù)語：
[0015] 晶體管電壓表示集電極(41、51)和發(fā)射極(43、53)(或漏極和源極，分別 地)之間的開態(tài)電壓降或電勢(shì)（例如，開態(tài)、穩(wěn)態(tài)電壓降），（2)Vc^tur_表示在開啟過程中晶 體管兩端的電勢(shì)，表示在開啟過程中在集電極(41、51)和發(fā)射極(43、53)(或漏極和源極，分 別地)之間的電壓降，并且U ur_(t)表示相對(duì)于時(shí)間的電壓降波形；（3)v_ak表示晶體管 在集電極(41、51)和發(fā)射極(43、53)(或漏極和源極，分別地)之間的峰值電壓，（4)dv ce/dt表 示逆變器50的相中放入晶體管在集電極(41、51)和發(fā)射極(43、53)(或漏極和源極，分別地） 之間的相對(duì)于時(shí)間的電壓變化;以及(5)v ge表示柵極和發(fā)射極(43、53)之間或基極和發(fā)射極 (43、53)之間的電勢(shì)。
[001 6]日日體官電流：（1 ) iceturnof f 或 i igbt_turnof f 表關(guān)斷電流；（2 ) iceturnon或 i igbt_turnon表 晶體管的開啟電流;類似地，并且(3)TMf或表示在關(guān)斷過程中的結(jié)溫或管芯溫度， (4)ia是第一相電流(ia)，或更一般地，是逆變器50的一個(gè)相(例如，第一相90、第二相92或第 三相94)的流過晶體管的集電極-發(fā)射極路徑或源極-漏極路徑的電流(ia,，ib,，U。
[0017]圖1是用于估算晶體管的結(jié)溫或管芯溫度的系統(tǒng)的示意圖。圖1的溫度估算系統(tǒng)可 以同等地應(yīng)用于雙極結(jié)型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管。此外，該估算系統(tǒng)可以應(yīng)用于逆變器50， 逆變器50使用與液冷式冷卻劑系統(tǒng)(例如，栗和散熱器)或氣冷式系統(tǒng)協(xié)作的一個(gè)或多個(gè)晶 體管。
[0018]在圖1中，該系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器模塊18。在一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器模塊18包括一個(gè)或 多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)20或基極驅(qū)動(dòng)器，以驅(qū)動(dòng)逆變器50的每個(gè)相（例如，第一相90、第二相92和 第三相94)的（例如，在柵極或基極70處的）對(duì)應(yīng)輸入端子。在圖1中示出了用于第一高壓側(cè) 晶體管61(S1)的柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)20的說明性示例。柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)20具有連接到（例如在基極或柵 極70處的）驅(qū)動(dòng)器輸出節(jié)點(diǎn)的一組電阻器(24、26、28)。該輸出節(jié)點(diǎn)又連接到第一高壓側(cè)晶 體管61(S1)的柵極或基極70。關(guān)于柵極驅(qū)動(dòng)器模塊18,與柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)20類似，其它的柵極 驅(qū)動(dòng)級(jí)可以以類似方式連接到其在逆變器50中的對(duì)應(yīng)的晶體管(62、63、64、65、66)。
[0019]雖然圖1的逆變器50的特征為三個(gè)相（90、92、94)，但是應(yīng)理解，在其它的實(shí)施例 中，落入隨附權(quán)利要求的范圍中的是，逆變器50可以使用或被構(gòu)造成用于單個(gè)相或多個(gè)相。 逆變器50的每個(gè)相都包括一對(duì)晶體管，所述一對(duì)晶體管可以稱為低壓側(cè)晶體管(62、64、66) 和高壓側(cè)晶體管(61、63、65)。高壓側(cè)晶體管(61、63、65)具有連接到高壓側(cè)或正直流總線端 子67(V DC)的集電極51或漏極。低壓側(cè)晶體管(62、64、66)具有連接到低壓側(cè)或負(fù)直流總線端 子(例如，接地30)的發(fā)射極43或源極。每個(gè)相(90、92、94)都具有低壓側(cè)輸入端子(72)，所述 低壓側(cè)輸入端子是低壓側(cè)晶體管(62、64、66)的由柵極驅(qū)動(dòng)器模塊18饋給信號(hào)和控制的基 極或柵極。柵極模塊18的輸出端可以使用一個(gè)或多個(gè)電阻器來限制驅(qū)動(dòng)電流或用于與逆變 器50的功率晶體管(61、62、63、64、65、66)的阻抗匹配。每個(gè)相(90、92、94)都具有高壓側(cè)輸 入端子，所述高壓側(cè)輸入端子是高壓側(cè)晶體管(61、63、65)的由柵極驅(qū)動(dòng)器模塊18饋給信號(hào) 和控制的基極或柵極。每個(gè)相(90、92、94)都具有輸出節(jié)點(diǎn)（80、82、84)，所述輸出節(jié)點(diǎn)形成 在一個(gè)晶體管的發(fā)射極53和單個(gè)相的該對(duì)晶體管中的另一個(gè)晶體管的集電極41的結(jié)或連 接處。在說明性實(shí)施例中，可選擇的保護(hù)二極管68可以連接在每個(gè)晶體管的集電極(41、51) 和發(fā)射極(43、53)之間，或連接在任一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極和源極之間。
[0020] 在圖1中，與逆變器50的每個(gè)相(90、92、94)相關(guān)聯(lián)的有低壓側(cè)晶體管電感(21、23、 35)、高壓側(cè)晶體管電感(31、33、35)、輸出電抗(13、15、17)。在一個(gè)實(shí)施例中，輸出電抗(13、 15、17)包括輸出電纜電阻和輸出電纜電感。低壓側(cè)晶體管電感(21、23、35)、高壓側(cè)晶體管 電感(31、33、35)、輸出電抗（13、15、17)表示用于對(duì)電機(jī)52(例如，馬達(dá)）以及互連逆變器50 和電機(jī)52的電導(dǎo)體(例如，電纜)進(jìn)行建模的建模值(或數(shù)學(xué)表示）。因此，在圖1中，用于低壓 側(cè)晶體管電感(21、23、35)、高壓側(cè)晶體管電感(31、33、35)、輸出電抗（13、15、17)的建模值 和其相應(yīng)的電氣符號(hào)在該系統(tǒng)的工作實(shí)施例中并不是物理地或?qū)嶓w地表示為電感器、電阻 器或其它電氣部件，并且這種相應(yīng)的電氣符號(hào)可以從用于估算晶體管的結(jié)溫或管芯溫度的 系統(tǒng)和方法的其它實(shí)施例或該實(shí)施例的某些表示中去除。此處，用于建模值的電氣符號(hào)和 模塊僅被包括以用于說明性目的，其中它們的物理實(shí)現(xiàn)(在本范圍內(nèi)）是在輸出相端子和電 機(jī)52之間的晶體管和電纜的固有特征或特性。
[0021] 如圖所示，電機(jī)52可以包括具有多個(gè)相的馬達(dá)或發(fā)電機(jī)。每個(gè)相的輸出節(jié)點(diǎn)（80、 82、84)連接到電機(jī)52的對(duì)應(yīng)端子。電機(jī)52可以包括電動(dòng)馬達(dá)或發(fā)電機(jī)。例如，電機(jī)52可以包 括永磁馬達(dá)或感應(yīng)馬達(dá)。電機(jī)52能夠以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)電模式或二者中操作。在電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)模式中，電機(jī)52提供控制信號(hào)，如脈寬調(diào)制信號(hào)或其它交流信號(hào)，以控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩、 轉(zhuǎn)子速度、加速度。在發(fā)電模式中，逆變器50將生成的交流轉(zhuǎn)換成直流。
[0022] 馬達(dá)或電機(jī)52可以與轉(zhuǎn)子位置傳感器54或編碼器相關(guān)聯(lián)，以用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子或電機(jī) 52的轉(zhuǎn)子的位置。轉(zhuǎn)子位置傳感器54向控制器10提供轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)以用于處理。
[0023] 在一個(gè)實(shí)施例中，控制器10可以包括一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)處理器12、數(shù)據(jù)總線14、數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)裝置16和一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)端口 207。數(shù)據(jù)處理器12可以包括微控制器、微處理器、數(shù)字 信號(hào)處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯器件(PLA)、可編程門陣列(PGA)、或其 它電子數(shù)據(jù)處理裝置。數(shù)據(jù)處理器12能夠執(zhí)行存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置16中或從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置 16檢索的軟件指令或軟件，以根據(jù)本公開內(nèi)容描述的方法和系統(tǒng)來估算晶體管的結(jié)溫或管 芯溫度。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置16可以包括存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取電存儲(chǔ)器、非易失性電存儲(chǔ)器、磁存儲(chǔ) 器裝置、光學(xué)存儲(chǔ)裝置或其電子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置。
[0024]數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置16可以用于存儲(chǔ)軟件、軟件指令、測(cè)量數(shù)據(jù)或其它數(shù)據(jù)，如用于逆變 器50系統(tǒng)(例如，其液冷或氣冷式系統(tǒng)）的熱特性數(shù)據(jù)205和本文中的若干方程或查找表參 考。
[0025]在一個(gè)實(shí)施例中，逆變器系統(tǒng)溫度傳感器209可以經(jīng)由數(shù)據(jù)端口向控制器10提供 溫度數(shù)據(jù)或傳感器數(shù)據(jù)。例如，溫度傳感器209可以包括電熱調(diào)節(jié)器或另一溫度傳感器，所 述電熱調(diào)節(jié)器或另一溫度傳感器為逆變器提供液冷式冷卻劑系統(tǒng)的冷卻劑溫度，或?yàn)槟孀?器提供氣冷式系統(tǒng)的殼體溫度。
[0026] 在數(shù)據(jù)端口 207處，控制器10還經(jīng)由檢測(cè)器47接收峰值電壓測(cè)量數(shù)據(jù)和電壓升高 數(shù)據(jù)，檢測(cè)器47(直接地或間接地)連接到逆變器的相(90、92、94)中的至少一個(gè)。雖然一個(gè) 檢測(cè)器47被示出為在集電極51或漏極處連接到高壓側(cè)晶體管61(S1)，但是應(yīng)該理解，每個(gè) 相或每個(gè)晶體管都可以與對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器相關(guān)聯(lián)(或被復(fù)用以共用單個(gè)檢測(cè)器），以便于對(duì)與 該相相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)晶體管進(jìn)行溫度估算。
[0027]在可替換的實(shí)施例中，控制器10進(jìn)一步包括可選擇的計(jì)數(shù)器77,計(jì)數(shù)器77被以虛 線示出，以表示計(jì)數(shù)器77是可選擇的并且可以在某些構(gòu)造中去除?？蛇x擇的計(jì)數(shù)器77可以 用于對(duì)驅(qū)動(dòng)晶體管(61、62、63、64、65、66)的驅(qū)動(dòng)器模塊18的一個(gè)或多個(gè)輸出端的相應(yīng)波形 300(在圖3中）的完整功率循環(huán)、脈沖或周期(316)的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。
[0028]檢測(cè)器47與輔助檢測(cè)電路60相關(guān)聯(lián)。在檢測(cè)電路60的一個(gè)實(shí)施例中，阻塞二極管 (blocking diode)32(DBLK)連接到與箝位電阻器34(RClam P)串聯(lián)的高壓側(cè)晶體管61的（例如 在柵極70處的）高壓側(cè)輸入端。一組雪崩二極管、擊穿二極管或其它多模二極管(36、38、40、 42)串聯(lián)地級(jí)聯(lián)。例如，多模二極管可以包括齊納二極管或瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管。
[0029]單向TVS二極管是以下雪崩二極管或多模二極管：（a)如果被正向偏壓，則所述雪 崩二極管或多模二極管以常規(guī)整流器模式操作，（b)如果被反向偏壓到擊穿電壓以下，則所 述雪崩二極管或多模二極管以直流阻塞模式操作，以及(c)如果被反向偏壓并且在擊穿電 壓以上，則所述雪崩二極管或多模二極管以可以將電壓鉗位在大致固定電壓處的電壓鉗位 模式操作，其中在沒有損壞電壓鉗位模式的情況下，該二極管可以分流和經(jīng)受非常大的峰 值電流或瞬態(tài)電流。齊納二極管是可以呈現(xiàn)齊納擊穿和雪崩擊穿但是不支持與TVS二極管 相同水平的電流瞬態(tài)的浪涌抑制的二極管。齊納二極管或多模二極管進(jìn)行以下操作：（a)如 果被正向偏壓，則所述齊納二極管或多模二極管以常規(guī)電流阻塞模式操作，（b)如果被反向 偏壓到擊穿電壓以下，則所述齊納二極管或多模二極管以直流阻塞模式操作，并且(c)如果 被反向偏壓并且在擊穿電壓以上，則所述齊納二極管或多模二極管以將電壓鉗位在大致固 定電壓處的鉗位模式操作。
[0030] 此處，利用絕緣柵極雙極晶體管（IGBT)(例如，PNPN構(gòu)造，如圖示用于說明目的，而 沒有將晶體管極性限制用于系統(tǒng)的常規(guī)應(yīng)用），第一多模二極管36的陰極連接到集電極51 或漏極。在其它的實(shí)施例中，晶體管(61、62、63、64、65、66)可以包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效 應(yīng)晶體管(M0SFET)、除了IGBT的晶體管或其它半導(dǎo)體。最后一個(gè)多模二極管42串聯(lián)連接到 箝位電阻器34。箝位電阻器34又連接到給檢測(cè)器47饋給信號(hào)的分壓電壓電阻網(wǎng)絡(luò)(44、46)。 齊納二極管48與電阻網(wǎng)絡(luò)(44、46)的接地電阻器并聯(lián)。
[0031] 在一個(gè)實(shí)施例中，阻塞二極管32連接在驅(qū)動(dòng)器模塊18和箝位電阻器34或電阻網(wǎng)絡(luò) (44、46)之間。如果高邏輯電平從驅(qū)動(dòng)器模塊18施加到阻塞二極管32,則阻塞二極管32被反 向偏壓并且防止在測(cè)量電阻器46(R2)或電阻分壓器兩端之間形成電勢(shì)。然而，一旦電阻網(wǎng) 絡(luò)(44、46)處于峰值電壓處或附近，則阻塞二極管32可以被正向偏壓，并且驅(qū)動(dòng)器模塊18的 輸出端位于低邏輯電平處，以將測(cè)量電阻器R2兩端之間的測(cè)量電壓放電到低邏輯信號(hào)或接 地30。當(dāng)在晶體管61的端子51和53之間具有過大電壓時(shí)，TVS二極管(36、38、40、42)、鉗位電 阻(34)和阻塞二極管(32)共同起作用以對(duì)晶體管61的柵極-源極電容充電。由于柵極-源極 電容的充電，因而端子51和53兩端之間的電壓被止住(這表示電壓不超過額定電壓值）。因 此，TVS二極管(36、38、40、42)、鉗位電阻（34)和阻塞二極管（32)構(gòu)成的電路用作有效鉗位 電路。
[0032]在一個(gè)構(gòu)造中，由在柵極(例如，70)處從驅(qū)動(dòng)器模塊18施加的、用于關(guān)斷有效晶體 管(例如，61)的電壓降或vg(5的降落觸發(fā)檢測(cè)器(47)對(duì)相對(duì)于時(shí)間變化的關(guān)斷電壓變化(或 速率或電壓升高）（dv Ce/dt)的測(cè)量。一旦在柵極(70、72)處由驅(qū)動(dòng)器模塊18的施加的電壓 降或vge的降落關(guān)斷有效晶體管(例如，61)，則經(jīng)由一系列級(jí)聯(lián)多模二極管(36、38、40、42)， 檢測(cè)器47經(jīng)由向包括測(cè)量電阻器46(R2)的電阻分壓器(44、46)供給信號(hào)的一系列級(jí)聯(lián)多模 二極管測(cè)量晶體管(例如，61)的集電極電壓。測(cè)量電阻器46與齊納二極管48串聯(lián)，以限制測(cè) 量電阻器46中的電壓幅值。
[0033] 類似地，在一個(gè)構(gòu)造中，由在柵極(70、72)處從驅(qū)動(dòng)器模塊18施加的、用于關(guān)斷有 效晶體管(例如，61)的電壓降或v ge的降落，觸發(fā)對(duì)晶體管的峰值電壓(vcepeak)的測(cè)量。一旦 在柵極(70、72)處從驅(qū)動(dòng)器模塊18施加的電壓降或v g(5的降落關(guān)斷有效晶體管(例如，61)，則 檢測(cè)器47經(jīng)由向包括測(cè)量電阻器46(R2)的電阻分壓器(44、46)供給信號(hào)的一系列級(jí)聯(lián)多模 二極管(36、38、40、42)測(cè)量晶體管(例如，61)的集電極電壓的變化(例如，脈沖或瞬時(shí)峰值 電壓）。
[0034] 在可替換的實(shí)施例中，檢測(cè)器可以連接到驅(qū)動(dòng)器模塊18的輸出端以觸發(fā)測(cè)量電壓 或脈沖的變化的收集。
[0035] 如圖1所示，電阻器46(R2)兩端之間的電壓變化的速率表示在晶體管關(guān)斷期間晶 體管關(guān)斷電壓的升高速率(例如，晶體管關(guān)斷電壓的變化或dvc^/dt)，或第一晶體管參數(shù)。電 阻器46(R2)兩端之間的電壓的峰值表示在關(guān)斷事件(例如，v cepeak)期間晶體管(例如，61)兩 端之間產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓峰值或電壓脈沖的峰值，或第二晶體管參數(shù)。在一個(gè)構(gòu)造中，晶體管 (例如，61)由從負(fù)40°C到正175 °C的晶體管結(jié)溫范圍內(nèi)的dvce/dt速率和涉及每個(gè)dvce/dt速 率和關(guān)斷期間的晶體管結(jié)溫(Tjoff )的關(guān)斷時(shí)間（toff )表征；該dvce/dt速率和對(duì)應(yīng)的溫度以 任何適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被存儲(chǔ)在查找表、文件、倒向文件、數(shù)據(jù)庫或記錄中（例如，存儲(chǔ)在用于 由處理器12參照或檢索的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置16中）。
[0036] 圖2是用于計(jì)算開態(tài)功率損耗和測(cè)量開態(tài)期間的晶體管電壓的系統(tǒng)201的示意圖。 圖2的開態(tài)損耗電路可以與圖1圖示的逆變器50的任一個(gè)晶體管(例如，低壓側(cè)晶體管(62、 64、66))結(jié)合使用，以在該晶體管處于柵極72或基極與發(fā)射極43之間的電壓降(v ge)時(shí)，分別 地確定集電極41和發(fā)射極43之間或漏極和源極之間的電壓降(Vce+on)。可選擇的保護(hù)二極管 68連接到該晶體管。圖1和圖2中的類似附圖標(biāo)記表示類似的元件。
[0037]該晶體管的集電極41端子與二極管202相關(guān)聯(lián)。例如，晶體管(62、64、66)的集電極 41端子或漏極連接到二極管202的陰極，并且二極管202的陽極與電阻器(R3)204串聯(lián)連接。 電壓源(Vcc)串聯(lián)連接到電阻器208(R4)和電容器206(C1)。電阻器208(R4)和電容器206(C1) 之間的節(jié)點(diǎn)218連接到電阻器(R3)，以經(jīng)由可選的信號(hào)調(diào)節(jié)器200和數(shù)據(jù)端口207向數(shù)據(jù)處 理器12提供Vce+orvl量值。在圖2中，當(dāng)晶體管(62、64、66)開啟或接通時(shí)，電容器206(C1)兩端 之間的電壓將表示晶體管兩端之間的開態(tài)電壓降，該開態(tài)電壓降被表示為。在晶體管 (62、64、66)的基極或柵極72端子處測(cè)量參數(shù)v ge。
[0038]在一個(gè)實(shí)施例中，可選的信號(hào)調(diào)節(jié)器200被放置在到與數(shù)據(jù)處理器12相關(guān)聯(lián)的數(shù) 據(jù)端口 207的開態(tài)損耗電路輸出端和輸入端之間。可選的信號(hào)調(diào)節(jié)器200被表示為可選擇 的，因?yàn)樾盘?hào)調(diào)節(jié)器200顯示為虛線并且在某些實(shí)施例中可以省略?？蛇x的信號(hào)調(diào)節(jié)器200 可以包括濾波器（例如，低通濾波器）、寄存器、觸發(fā)器、鎖存器或存儲(chǔ)器裝置。信號(hào)調(diào)節(jié)器 200可以濾除測(cè)量信號(hào)中的噪聲或波動(dòng)，和/或(在鎖存器、觸發(fā)器或存儲(chǔ)器裝置中）保持和 采樣由開態(tài)損耗電路提供的電壓參數(shù)(例如， V_4PVge)，用于由數(shù)據(jù)處理器12進(jìn)一步處理。 [0039]圖1的數(shù)據(jù)處理器12可以在控制器10的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)端口 207處接收某些電壓 參數(shù)（例如，^^。。，^^，^?。數(shù)據(jù)處理器"可以確定或計(jì)算其它的電流參數(shù)丨例如， iigbt_t_〇ff，i igbt_tur_)，如本文中所述。數(shù)據(jù)處理器12可以使用上述電壓參數(shù)(例如，vc_和 )來估算對(duì)應(yīng)的晶體管(62、64、66)的開態(tài)功率/能量損耗。
[0040]在圖3中示出晶體管（例如，低壓側(cè)或高壓側(cè)晶體管(61、63、65))的一個(gè)開關(guān)周期 (T)316內(nèi)的多個(gè)波形，其中豎直軸線表示每個(gè)波形的振幅并且水平軸線表示時(shí)間。如圖所 示，所述波形沿著時(shí)間軸線彼此同步或?qū)?zhǔn)，以示出波形與時(shí)間的相對(duì)關(guān)系。
[00411 第一波形300表示在總循環(huán)或周期T中具有有效間隔314(T0n)和無效間隔312(T0FF) 的晶體管基極或柵極電壓(vge)。對(duì)于在說明性示例中的NPN或PNPN晶體管，晶體管在無效間 隔中關(guān)閉或斷開并且在有效間隔中開啟或接通。
[0042]第二波形302表示通過發(fā)射極(43、53)和集電極(41、51)或源極和漏極的晶體管電 流（iigbt)，其中在開啟事件（i igbt+turncm)期間具有第一數(shù)值3 18，并且在關(guān)斷（i igbt+turnoff )事 件期間具有第二數(shù)值320。第二波形302在以下時(shí)間時(shí)具有轉(zhuǎn)折點(diǎn):t0、tl和t2。
[0043] 第三波形304在晶體管兩端之間提供電壓，包括作為VDC的關(guān)態(tài)電壓和作為vce+on的 開態(tài)電壓。第四波形308圖示了圖1中的電阻（R2)兩端之間的電壓（并且該電壓可以稱為 VR2)。第五波形310圖示了晶體管的開啟時(shí)間（t〇n)和關(guān)斷時(shí)間（Uff)。開啟持續(xù)時(shí)間（〖。")和 關(guān)斷持續(xù)時(shí)間（toff)與圖3的其他波形一致，并且僅表示根據(jù)本公開內(nèi)容的晶體管的可能波 形。
[0044] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，圖4圖示了用于估算晶體管的結(jié)溫或管芯溫度的方法的一個(gè)實(shí) 施例的流程圖。
[0045] 在步驟S100中，檢測(cè)器47單獨(dú)地或與檢測(cè)電路60協(xié)同地測(cè)量逆變器50的相（90、 92、94)中的晶體管(61、62、63、64、65、66)的集電極(41、51)和發(fā)射極(43、53)之間（或在漏 極和源極之間）的相對(duì)于時(shí)間變化的關(guān)斷電壓變化(dVce/dt)。關(guān)斷電壓變化還可以被稱為 逆變器50的相中的晶體管的集電極(41、51)和發(fā)射極(43、53)之間（或在漏極和源極之間） 的電壓升高的速率。在一個(gè)實(shí)施例中，響應(yīng)于來自驅(qū)動(dòng)器模塊18的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于關(guān)斷 有效晶體管的v ge的變化或降落觸發(fā)檢測(cè)器47測(cè)量相對(duì)于時(shí)間變化的關(guān)斷電壓變化(或脈沖 或瞬時(shí)峰值的速率或電壓升高）（dv ce/dt);并且觸發(fā)檢測(cè)器47經(jīng)由一系列級(jí)聯(lián)多模二極管 (36、38、40、42)和電阻分壓器(44、46)測(cè)量晶體管的集電極(41、51)和發(fā)射極(43、53)之間 或漏極和源極之間的電勢(shì)(Vce)。例如，檢測(cè)器47可以在電阻器46處或兩端測(cè)量相對(duì)于時(shí)間 變化的關(guān)斷電壓變化(或脈沖或瞬時(shí)峰值的速率或電壓升高）（dVce/dt)。
[0046]在步驟S102中，檢測(cè)器47單獨(dú)地或與檢測(cè)電路60協(xié)同地測(cè)量晶體管在集電極(41、 51)和發(fā)射極(43、53)之間或在源極和漏極之間的峰值電壓(Vc^pe5ak)。例如，響應(yīng)于來自驅(qū)動(dòng) 器模塊18的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于關(guān)閉有效晶體管(61、62、63、64、65、66)的vge的變化或降落 觸發(fā)檢測(cè)器47,以經(jīng)由一系列級(jí)聯(lián)多模二極管(36、38、40、42)和電阻分壓器(44、46)測(cè)量晶 體管的脈沖或瞬態(tài)尖峰的峰值電壓( Vcepeak)。例如，檢測(cè)器47可以測(cè)量測(cè)量電阻器46處或兩 端之間的瞬態(tài)尖峰或脈沖的峰值電壓(Vc^pmk)的關(guān)斷電壓變化。
[0047] 在步驟S111中，基于關(guān)斷電壓變化(dVce/dt)和峰值電壓(Vcepeak)，電子數(shù)據(jù)處理器 12確定關(guān)斷電流(1^_。^)、開啟電流(1。^_)和開態(tài)電壓降(1_)的中間參數(shù)，以能夠估 算一個(gè)循環(huán)內(nèi)的平均功率損耗或能量損耗。
[0048] 在步驟S112中，在晶體管的集電極(41、51)和發(fā)射極(43、53)之間或漏極和源極之 間，基于關(guān)斷電流（iceturnoff)、開啟電流（i cetUr_)和開態(tài)電壓降（Vc_)，數(shù)據(jù)處理器12確定 用于晶體管的一個(gè)開關(guān)循環(huán)的功率損耗或能量損耗。
[0049] 在步驟S114中，基于所確定的能量損耗、用于冷卻逆變器50的逆變器系統(tǒng)的觀察 溫度(例如，冷卻劑系統(tǒng)中的冷卻劑的冷卻劑溫度)和用于逆變器50的逆變器系統(tǒng)的熱特性 (例如，液冷式系統(tǒng)的熱阻），數(shù)據(jù)處理器12估算晶體管（61、62、63、64、65、66)在開關(guān)循環(huán) (例如，周期316)內(nèi)的相關(guān)聯(lián)的平均結(jié)溫或平均管芯溫度。平均結(jié)溫或管芯溫度可以表示結(jié) 溫或管芯溫度均值、結(jié)溫或管芯溫度中值或結(jié)溫或管芯溫度眾值。這種方法或溫度估算可 以應(yīng)用于逆變器50,逆變器50使用與液冷式冷卻劑系統(tǒng)（例如，栗和散熱器)或氣冷式系統(tǒng) 結(jié)合的一個(gè)或多個(gè)晶體管。對(duì)于液冷式系統(tǒng)，溫度傳感器209提供冷卻劑溫度，然而對(duì)于氣 冷式系統(tǒng)，溫度傳感器209提供逆變器50的殼體溫度。液冷式系統(tǒng)可以與第一組熱特性數(shù)據(jù) 205(例如，第一熱阻)相關(guān)聯(lián)，而氣冷式系統(tǒng)可以與第二組熱特性數(shù)據(jù)205(例如，第二熱阻） 相關(guān)聯(lián)，其中第一組熱特性數(shù)據(jù)與第二組熱特性數(shù)據(jù)不同。熱特性數(shù)據(jù)205被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)裝置16中，用于由數(shù)據(jù)處理器12檢索和處理。
[0050] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，圖5圖示了用于估算晶體管的結(jié)溫或管芯溫度的方法的另一實(shí) 施例的流程圖。圖5的方法類似于圖4的方法，除了圖5的方法以步驟S104、S106、S108和S110 替代圖4的步驟S111。類似的附圖標(biāo)記表示類似的步驟或程序。
[0051] 在步驟S100中，檢測(cè)器47單獨(dú)地或與檢測(cè)電路60協(xié)同地分別測(cè)量逆變器50的相 (90、92、94)中的晶體管(61、62、63、64、65、66)的集電極(41、51)和發(fā)射極(43、53)之間或在 漏極和源極之間的相對(duì)于時(shí)間變化的關(guān)斷電壓變化(或電壓升高的速率）（dv ce/dt)。
[0052]在步驟S102中，檢測(cè)器47單獨(dú)地或與檢測(cè)電路60協(xié)同地測(cè)量晶體管在集電極(41、 51)和發(fā)射極(43、53)之間測(cè)量的峰值電壓(Vc；_ak)。
[0053] 在步驟S104中，基于測(cè)量到的關(guān)斷電壓變化(dVce/dt)，數(shù)據(jù)處理器12估算晶體管 (61、62、63、64、65、66)在步驟3100中的關(guān)斷期間的結(jié)溫或管芯溫度(1'」過或1'」」_避）。如方 程式1所表述的那樣計(jì)算晶體管的結(jié)溫：
⑴
[0055]在一個(gè)構(gòu)造中，晶體管由在晶體管結(jié)溫或管芯溫度操作范圍（例如，從約負(fù)40°C到 約正175°C )內(nèi)的dvce/dt速率表征。例如，在執(zhí)行步驟S104之前或在執(zhí)行圖5的方法之前，晶 體管由以下參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)表征：（1)涉及每個(gè)dvce/dt速率的相應(yīng)的關(guān)斷時(shí)間（toff)和 (2)涉及每個(gè)d vce/dt速率的、在關(guān)斷期間的對(duì)應(yīng)的晶體管結(jié)溫或管芯溫度⑴。ffhdvce/dt速 率、相應(yīng)的關(guān)斷時(shí)間（U ff)和管芯溫度(Tpff)可以以任何適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 裝置16中的查找表、文件、倒向文件、數(shù)據(jù)庫或記錄中，以用于檢索以執(zhí)行方程式1。
[0056] 在步驟S106中，基于相對(duì)于時(shí)間變化的關(guān)斷電壓變化(dvce/dt)并且基于關(guān)斷期間 的估算結(jié)溫(T#f)，數(shù)據(jù)處理器12確定晶體管的關(guān)斷時(shí)間（tc^)。晶體管的依賴于結(jié)溫的關(guān) 斷時(shí)間在方程式2中被表述為：
[0058]可以根據(jù)可以被分別地或累積地應(yīng)用的多種技術(shù)執(zhí)行步驟S106。在第一種技術(shù) 下，方程式2中的上述功能是基于晶體管的離線特性的多項(xiàng)式方程。例如，離線特性(offline characterization) 表示在將晶體管商業(yè)分布在逆變器 50 中之前或在 由最終用戶操 作晶體管之前，（例如，在工廠、實(shí)驗(yàn)室或電子測(cè)試設(shè)備處或從晶體管制造商)獲得或收集特 性數(shù)據(jù)或特性。該特性數(shù)據(jù)或特性可以被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置16中，用于由數(shù)據(jù)處理器12 檢索和處理。
[0059]在第二種技術(shù)下，方程式2中的上述功能被如下確定。例如，在執(zhí)行步驟S106之前 或在執(zhí)行圖5的方法之前，晶體管被以下參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)表征：（1)涉及每個(gè)cUm/dt速 率的相應(yīng)的關(guān)斷時(shí)間（toff)和(2)涉及每個(gè)cUe/at速率的、在關(guān)斷期間的對(duì)應(yīng)的晶體管結(jié)溫 ^。"。(^/扣速率^目應(yīng)的關(guān)斷時(shí)間⑴"和管芯溫度⑴過彡可以以任何適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置16中的查找表、文件、倒向文件、數(shù)據(jù)庫或記錄中，以用于由數(shù)據(jù)處理 器12檢索和處理以執(zhí)行方程式2。
[0060] 在步驟S108中，基于關(guān)斷時(shí)間（toff)和峰值電壓(Vcepeak)，數(shù)據(jù)處理器12確定關(guān)斷 電流(iceturnoff)。一旦在關(guān)斷事件期間使用dv/dt速率和結(jié)溫確定關(guān)斷時(shí)間（toff)，則按照方 程式3確定關(guān)斷事件期間的晶體管電流：
[0062]在方程式3中，vcepeak是在關(guān)斷期間晶體管兩端之間的峰值電壓，VDC是逆變器50的 直流(DC)總線電壓，并且Uigbt是與晶體管相關(guān)聯(lián)的電感(例如，包括電路路徑的雜散電感 (stray inductance)，所述電路路徑具有到集電極(41、51)端子或漏極端子的逆變器直流 (DC)總線和晶體管中的內(nèi)部母線）。
[0063] 在步驟S110中，數(shù)據(jù)處理器12基于關(guān)斷電流（iceturmff)、逆變器50參數(shù)、馬達(dá)參數(shù) 和馬達(dá)電壓確定開啟電流(ic^turncj。為計(jì)算在開啟事件期間的晶體管電流，可以使用方程 式11和12。方程式11和12假設(shè)，與圖3中的波形300和302-致，圖1中的A相高壓側(cè)晶體管 (61、63、65)，例如，晶體管31，約在時(shí)刻〖2時(shí)被關(guān)斷并且約在時(shí)刻〖1時(shí)被開啟。在執(zhí)行步驟 S110時(shí)，可以針對(duì)"以下述方式求解方程式(10): (10) (11)
(12)
[0067]出于背景目的，基于以下方程式4到9得到可以用于步驟S110中的方程式10到12， 在得到方程式10到12之后，方程式4到9不需要被再次使用：
[0069] 在方程式(4)中，ia是通過晶體管(S1或S4)的A相電流，￡3是六相反EMF(電動(dòng)勢(shì))并且 R和L由如下所述的電纜和電機(jī)繞組電參數(shù)獲得：
[0070] R = Rcab+Rs (5)
[0071] L = Lcab+Ls (6)
[0072] 其中，Rc;ab是相輸出端子和電機(jī)52之間的電纜電阻，并且Uab是相輸出端子和電機(jī) 52之間的電纜電感，Rs是晶體管的在集電極(41、51)端子處的電阻，并且1^是晶體管的在集 電極(41、51)端子處的電感。
[0073] 因?yàn)榕c電機(jī)參數(shù)相比，電纜電氣參數(shù)更小，因此，
[0074] 蘭馬和L 蘭 Ls (7)
[0075]電機(jī)52被假設(shè)是PMSM(永磁體正弦曲線機(jī)器）。用于a、b和c相的反EMF(Ea、Eb和E c， 分別地)被限定在方程式8中。
(8) L〇〇77」在方程式8中，是轉(zhuǎn)子的以弧度/秒為單位的電學(xué)轉(zhuǎn)速，Wm是磁通量的振幅并且 該參數(shù)在轉(zhuǎn)子溫度的范圍內(nèi)對(duì)于馬達(dá)控制系統(tǒng)來說是已知的，并且L是電機(jī)52的電機(jī)轉(zhuǎn)子 的電學(xué)位置。是可使用如圖1所示的傳感器獲得的轉(zhuǎn)子位置。此外，按照方程式9表示co e。
(9)
[0079]使用方程式5-9,如在方程式10中表述的那樣，修改方程式4。
[0080] 在執(zhí)行步驟S110時(shí)，可以針對(duì)"以如下方式求解方程式10:
(1〇) (11) (12)
[0085]使用方程式11和12,可以獲得在時(shí)刻tl時(shí)的ia(t)，在晶體管的開關(guān)循環(huán)中的開啟 事件(iigbt_turnon)期間，ia(t)可以是晶體管電流
[0086]在步驟S112中，基于在晶體管的集電極(41、51)和發(fā)射極(43、53)之間或在晶體管 的漏極和源極之間的關(guān)斷電流(icetumof f )、開啟電流(ic;etur_)和開態(tài)電壓降(Vceon)，數(shù)據(jù)處 理器12確定晶體管在一個(gè)開關(guān)循環(huán)內(nèi)的功率損耗或能量損耗。一旦晶體管開啟電流被確 定，則使用多項(xiàng)式計(jì)算晶體管開啟時(shí)間，并且該多項(xiàng)式基于晶體管的依賴于開啟結(jié)溫的預(yù) 表征數(shù)據(jù)（pre-characterize data)。
[0087] ton = fn(iigbt-turnon和Tj(n-1)) (13)
[0088] 應(yīng)注意到，晶體管兩端之間的電壓將以由晶體管的開啟時(shí)間，例如t〇n，確定的速率 下降。因此，在開啟期間，晶體管兩端之間的電壓的下降速率被以如下方式限定：
(14)
[0090] 晶體管中的功率損耗的確定
[0091] 分別地按照方程式15、16和17表述開啟、關(guān)斷和開態(tài)事件期間的晶體管能量損耗。
[0092] 開啟開關(guān)能量損耗(E〇n):按照方程式（15)表述E〇n:
[0093] E〇n = VDcX iigbt_ turnon Xton (15)
[0094] 開啟開關(guān)能量損耗(Eoff):按照方程式16表述Eoff:
[0095] E〇ff = VDC X iigbt turnoff X toff (16)
[0096] 在一個(gè)開關(guān)周期中，晶體管電流按照?qǐng)D3圖示的簡(jiǎn)化波形而變化。
[0097] 開態(tài)能量損耗(Ec^state):按照方程式17如下表述Ec^stete:
[0098] Eon_ state - Vce on X ( 0.5 X i igbt turnoff+0.5 X i igbt turnoff ) X T〇N (17)
[0099] 應(yīng)注意到，開啟電流（iigbt+turnon)和關(guān)斷電流（iigbt+turnoff)的平均值被認(rèn)為用于確 定晶體管中的開態(tài)能量損耗。
[0100]晶體管在一個(gè)開關(guān)周期期間的總能量損耗是開啟轉(zhuǎn)換能量、關(guān)斷轉(zhuǎn)換能量和開態(tài) 能量損耗的總和。
[01 01 ] El〇ss - kl(vDC X iigb tturnon X t〇n)'l'k2(vDC X iigbt_ turnoff X t〇ff)+0.5ks( Vceon X (iigbt-turnoff+iigbt-turnoff ) X T〇N (18)
[0102] 在方程式（18)中，通過表征在逆變器50中或在逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中適用的晶體 管來確定常數(shù)ki、k2和k3。
[0103] 在一個(gè)開關(guān)間隔期間，晶體管中的平均功率損耗被以如下方式表述：
[0104] Pl〇ss = El〇〇s/T
[0105] 在開關(guān)損耗被計(jì)算之前，重要的是，描述晶體管的開關(guān)周期內(nèi)的開關(guān)波形。
[0106] 在步驟S114中，基于所確定的能量損耗、用于冷卻逆變器50的逆變器系統(tǒng)的觀察 溫度(例如，冷卻劑系統(tǒng)中的冷卻劑的冷卻劑溫度)和用于逆變器50的逆變器系統(tǒng)的熱特性 (例如，液冷式系統(tǒng)的熱阻），數(shù)據(jù)處理器12估算晶體管的在開關(guān)循環(huán)內(nèi)的相關(guān)聯(lián)的平均結(jié) 溫或平均管芯溫度。平均結(jié)溫或管芯溫度可以表示結(jié)溫或管芯溫度均值、結(jié)溫或管芯溫度 中值或結(jié)溫或管芯溫度眾值。該方法或溫度估算可以應(yīng)用于逆變器50,逆變器50使用與液 冷式冷卻劑系統(tǒng)(例如，栗和散熱器)或氣冷式系統(tǒng)結(jié)合的一個(gè)或多個(gè)晶體管。對(duì)于液冷式 系統(tǒng)，溫度傳感器209提供冷卻劑溫度，而對(duì)于氣冷式系統(tǒng)，溫度傳感器209提供逆變器50 的殼體溫度。液冷式系統(tǒng)可以與第一組熱特性數(shù)據(jù)205(例如，第一熱阻)相關(guān)聯(lián)，然而氣冷 式系統(tǒng)可以與第二組熱特性數(shù)據(jù)205(例如，第二熱阻)相關(guān)聯(lián)，其中第一組熱特性數(shù)據(jù)與第 二組熱特性數(shù)據(jù)不同。
[0107] 在一個(gè)實(shí)施例中，晶體管熱管理的熱阻(化。)被假設(shè)為X°C/Watt。對(duì)于液冷式功率 電子系統(tǒng)，X可以在0.1到0.3的范圍內(nèi)改變。晶體管的在一個(gè)開關(guān)周期中的平均結(jié)溫被以如 下方式表述：
[0108] Tj = Tcoolant+PLossRjc
[0109] 通過溫度傳感器209或通過逆變器控制系統(tǒng)或通過車輛控制單元提供冷卻劑溫 度，其中逆變器50被配置成控制車輛驅(qū)動(dòng)或牽引系統(tǒng)。如果車輛控制單元或發(fā)動(dòng)機(jī)控制器 10提供冷卻劑溫度，則冷卻劑溫度可以經(jīng)由車輛數(shù)據(jù)總線14(例如，控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN) 數(shù)據(jù)總線、以太網(wǎng)或另一數(shù)據(jù)總線)傳遞到控制器10。
[0110]圖6是用于估算晶體管的結(jié)溫或管芯溫度的方法的又一實(shí)施例的流程圖，圖6A是 示出圖6中的方法的步驟中的一部分的流程圖，圖6B是示出圖6中的方法的步驟中的另一部 分的流程圖。除了一些額外的細(xì)節(jié)被呈現(xiàn)，該方法類似于圖5的方法。圖6的流程圖表示用于 確定估算晶體管能量損耗所需要的參數(shù)和參量的算法。
[0111]在步驟S600中，針對(duì)估算晶體管結(jié)溫所需要的系統(tǒng)參量，數(shù)據(jù)處理器12開始參數(shù) 估算程序。
[0112]在步驟S602中，當(dāng)晶體管柵極電壓（vge)從高（H)邏輯電平改變成低（L)邏輯電平 時(shí)，讀取以下參數(shù):來自轉(zhuǎn)子位置傳感器54的轉(zhuǎn)子位置(0e)、來自電壓測(cè)量電路(例如，比較 器)的直流總線電壓(V DC)和圖1中的電阻器(R2)兩端之間的電壓(VR2)。
[0113] 在步驟S604中，檢測(cè)器47測(cè)量或確定dVce/dt和vcepeak。例如，檢測(cè)器47單獨(dú)地或與 檢測(cè)電路協(xié)同地根據(jù)步驟S100和Vcepeak并且根據(jù)步驟S102測(cè)量或確定dv ce/dt。
[0114] 在步驟S606中，基于所確定的dVce/dt，數(shù)據(jù)處理器12使用第一查找表、第一文件或 第一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來確定晶體管結(jié)溫（Tp ff)，其中查找表限定vcepeal^P關(guān)斷事件期間的結(jié)溫 (TJclff)之間的關(guān)系。第一查找表、第一文件或第一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置16 中，并且可以在執(zhí)行圖6的方法之前，基于晶體管的特性被預(yù)定或確定。
[0115] 在步驟S608中，基于dVce/dt和晶體管結(jié)溫Tpff，數(shù)據(jù)處理器12確定晶體管關(guān)斷時(shí) 間（T〇ff) 〇
[0116] 在步驟S610中，數(shù)據(jù)處理器12對(duì)用于i^ht+turwf的方程式(例如，方程式3)進(jìn)行求 解。例如，用于的方程式基于以下積分，其中該積分是從t等于0到t等于來自步驟 S608的toff的時(shí)間周期內(nèi)獲得的。
[0118] 在步驟S612中，數(shù)據(jù)處理器12考慮由逆變器50驅(qū)動(dòng)的負(fù)載或電機(jī)52，逆變器50包 括逆變器50的每個(gè)相的兩個(gè)晶體管。例如，電機(jī)52可以被表征為以下方程式(例如，方程式 10)：
[0120] 在步驟S614中，根據(jù)以下方程式(例如，方程式11和12)，數(shù)據(jù)處理器12確定一相在 (11) (12) 晶體管關(guān)斷時(shí)刻(t2)時(shí)的電流和該相在晶體管開啟時(shí)刻(tl)時(shí)的電流。
[0124] 在步驟S616中，數(shù)據(jù)處理器12使用基于第二查找表、第二文件或第二數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的 多項(xiàng)式函數(shù)以下述函數(shù)獲得晶體管的開啟時(shí)間 表、第二文件或第二數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置16中，并且可以在執(zhí)行圖6的方法 之前，基于晶體管的特性被預(yù)定或確定。
[0125] 在步驟S618中，數(shù)據(jù)處理器12輸出參數(shù)或參量ton、t〇ff、iigbt_ -turnon矛口iigbt-turnoff，以 用于確定循環(huán)期間的晶體管能量損耗。來自步驟S618的參量可以用于步驟S112和S114中， 以估算晶體管在開關(guān)循環(huán)內(nèi)的相關(guān)聯(lián)的平均結(jié)溫或管芯溫度。
[0126] 圖7是用于感測(cè)通過晶體管700的鏡像電流(ilgbt_se5nse5)的系統(tǒng)的示意圖，其中晶體 管700可以例如被圖1中的任一晶體管(61、62、63、64、65、66)替代。圖7的電流鏡電路(例如， 702、704、706)便于交叉檢查根據(jù)圖4、圖5或圖6的方法確定的iigbt+turnoff和iigbwn電流的 值。圖7的電流鏡電路需要晶體管700,所述晶體管700被制造成具有與集電極到發(fā)射極路徑 或漏極到源極路徑相關(guān)聯(lián)的電流鏡。該電流鏡產(chǎn)生鏡像電流或次級(jí)電流（i lgbt_se3nse3)，所述 鏡像電流或次級(jí)電流為流過晶體管700的集電極41和發(fā)射極43之間的主電流（i igbt_main)的 較小部分(例如，小于一個(gè)百分比）。電流鏡可以被建模為電源704,其中該電源704提供的電 流值與流過晶體管700的主電流（i igbt_main)成比例。經(jīng)由晶體管700上的附加端子702能夠訪 問與電源704相關(guān)聯(lián)的鏡像電流。
[0127] 鏡像電流流過合適尺寸的（歐姆值和瓦特等級(jí)的）電阻器706(Rshunt)。電阻器R shunt 兩端之間的電壓(例如，在端子710處)被測(cè)量并且與鏡像電流(例如，ilgbt_sense)成比例。在 IGBT關(guān)斷期間的鏡像電流iigbt_sense與主斷電流iigbt+turnoff成比例，并且在IGBT開啟期間，鏡 像電流與主開啟電流比例。數(shù)據(jù)處理器12可以經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)端口 207,或 連接到數(shù)據(jù)端口 207的信號(hào)調(diào)節(jié)器，接收觀察到的鏡像電流(或電阻器706兩端之間的對(duì)應(yīng) 的電壓）。在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本文中公開的任一方法、步驟或過程，數(shù)據(jù)處理器12使用晶 體管700的觀察到的鏡像電流來交叉檢查估算的iigbt+turnoff，和iigbt_t ur_的正確性和精度。 例如，根據(jù)本文中公開的任一方法、步驟或過程，數(shù)據(jù)處理器12可以確定對(duì)應(yīng)的鏡像電流值 和估算的i igbt_turnof f以及i igbt_turnon之間的相關(guān)性(或任一比例常數(shù)的偏差）。
[0128] 在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)處理器12測(cè)量開啟鏡像電流和關(guān)斷鏡像電流，從而通過諸 如來自步驟S111或S108和S110的組合的(在相應(yīng)的鏡像電流和對(duì)應(yīng)的確定開啟電流以及關(guān) 斷電流之間的）相關(guān)性，或通過(在相應(yīng)的鏡像電流和對(duì)應(yīng)的確定開啟電流以及關(guān)斷電流 之間的）任一比例常數(shù)的偏差程度(例如，平均數(shù)、均值、眾值、中值數(shù)偏差），交叉檢查基于 關(guān)斷電流(iceturnof f )確定的開啟電流(iceturncm )的精度和正確性。
[0129] 圖8公開了逆變器的功率循環(huán)801(開關(guān)晶體管(61、62、63、64、65)的完整開啟和關(guān) 斷循環(huán)）的數(shù)量(在垂直軸線上）與該逆變器的晶體管的累積溫度變化（A乃）802之間的關(guān) 系的圖表。功率循環(huán)801的數(shù)量可以與逆變器50的操作的持續(xù)時(shí)間成比例。與圖8的功率循 環(huán)曲線803相關(guān)聯(lián)的功率循環(huán)數(shù)據(jù)可以被計(jì)算為數(shù)據(jù)文件、查找表、二次方程式或圖表。功 率循環(huán)數(shù)據(jù)包括相對(duì)于溫度（A L)的累積變化的功率循環(huán)的累積數(shù)量，其作為晶體管壽命 估算器的輸入，所述輸入被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置16中并且被數(shù)據(jù)處理器12執(zhí)行?？梢酝ㄟ^ 計(jì)數(shù)器77、計(jì)時(shí)器或與柵極驅(qū)動(dòng)器18或控制器10相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)處理器12對(duì)功率循環(huán)801進(jìn) 行計(jì)數(shù);根據(jù)本文中公開的任一方法、步驟或過程確定累積溫度變化（A Tj)。
[0130] 一旦晶體管管芯溫度或結(jié)溫被確定，則數(shù)據(jù)處理器12可以使用管芯溫度用于針對(duì) 累積A溫度（A TJ的每個(gè)增加來實(shí)時(shí)估算每個(gè)晶體管中的損壞。圖8的功率循環(huán)數(shù)據(jù)可以 由數(shù)據(jù)處理器估算或被提供到數(shù)據(jù)處理器，以預(yù)測(cè)晶體管或逆變器的剩余使用時(shí)間或壽 命。例如，逆變器的被預(yù)測(cè)的剩余使用時(shí)間或壽命可以用于車輛上的逆變器或電力驅(qū)動(dòng)系 的定期維護(hù)。
[0131] 在一個(gè)實(shí)施例中，可選的計(jì)數(shù)器77對(duì)逆變器50中的一組晶體管或晶體管（61、62、 63、64、65、66)的功率循環(huán)的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。數(shù)據(jù)處理器12確定用于該功率循環(huán)的晶體管或 逆變器50中的一組晶體管的累積溫度變化。通過參照查找表、數(shù)據(jù)庫、文件或存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)裝置16中的其它記錄，基于功率循環(huán)的被計(jì)數(shù)數(shù)量和所確定的累積溫度變化，數(shù)據(jù)處理 器12預(yù)測(cè)晶體管或相關(guān)聯(lián)逆變器的剩余使用時(shí)間或壽命。
[0132] 本公開的方法和系統(tǒng)非常適合于在逆變器饋送信號(hào)的電動(dòng)馬達(dá)/發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和 瞬態(tài)操作條件期間，對(duì)晶體管溫度的快速、精確估算。因?yàn)楸景l(fā)明的方法和系統(tǒng)不要求用 于電流測(cè)量的常規(guī)電流傳感器，因而由電流傳感器導(dǎo)致的任何誤差被消除。來自諸如霍耳 效應(yīng)傳感器的電流傳感器的典型誤差可以包括電流測(cè)量值中的任何溫度相關(guān)漂移。
[0133] 本公開的方法和系統(tǒng)可以在晶體管的結(jié)的寬的操作溫度范圍（例如，40 °C至175 °C)內(nèi)操作;所述操作溫度范圍可以是與可從熱敏電阻器或電熱調(diào)節(jié)器獲得的操作范圍相 比更大的操作范圍。例如，因?yàn)闊崦綦娮杵鞯南拗疲捎谌狈?duì)〇°C以下和95°C以上的讀數(shù) 的任何分辨，因而〇°C以下的感測(cè)溫度可能被認(rèn)為是寒冷的，并且95°C以上的感測(cè)溫度可能 被認(rèn)為是熱的。因此，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)非常適合于由碳化硅(SiC)功率半導(dǎo)體裝置或預(yù) 期操作達(dá)到200°C結(jié)溫的其它寬帶隙半導(dǎo)體材料進(jìn)行的操作。在某些應(yīng)用中，常規(guī)的溫度傳 感器(例如，電熱調(diào)節(jié)器)可能不能夠在-40 °C至200 °C的范圍內(nèi)保持精度和線性。在該情況 下，本公開的方法和系統(tǒng)可能便于在感測(cè)寬空隙半導(dǎo)體的結(jié)的溫度時(shí)在可接受水平精度的 情況下，獲得線性范圍。
[0134] 因?yàn)閮H流過圖1中的RaMP的第一電流需要實(shí)施溫度感測(cè)方案，因而該方法和系統(tǒng) 具有較低的或最小的開關(guān)損耗，其中第一電流比晶體管的輸出端處的電流低許多。檢測(cè)電 路60便于在關(guān)斷事件期間在過電壓下停止或耗散晶體管。例如，根據(jù)檢測(cè)電路，晶體管兩端 之間的過電壓通常小于200納秒，然而，晶體管兩端持續(xù)約200納秒的dv/dt足以確定在關(guān)斷 事件期間的結(jié)溫(T# f)。該溫度估算系統(tǒng)和方法不要求將溫度傳感器（電熱調(diào)節(jié)器或負(fù)溫 度系數(shù)裝置)布置成與晶體管的結(jié)或溝道更接近地隔開，否則將將溫度傳感器布置成與晶 體管的結(jié)或溝道更接近地隔開會(huì)降低所需要的電絕緣/隔離；因此，降低半導(dǎo)體裝置或逆變 器的可靠性。因此，該溫度估算系統(tǒng)和方法很適合用于促進(jìn)對(duì)半導(dǎo)體裝置和逆變器的熱性 能、密集封裝的功率輸出和安全的管理。
[0135] 雖然示例性實(shí)施例被如此描述，但將會(huì)明顯的是，可以以許多方式改變示例性實(shí) 施例。這種改變不被認(rèn)為違反示例性實(shí)施例的精神和范圍，并且對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來將 是明顯的所有的這種修改旨在被包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于估算晶體管的結(jié)溫或管芯溫度的方法，所述方法包括下述步驟： 測(cè)量逆變器的相中的晶體管的集電極和發(fā)射極之間的相對(duì)于時(shí)間變化的關(guān)斷電壓變 化； 測(cè)量晶體管的集電極和發(fā)射極之間的峰值電壓； 基于關(guān)斷電壓變化和峰值電壓，確定關(guān)斷電流、開啟電流和開態(tài)電壓降的中間參數(shù)； 基于晶體管的集電極和發(fā)射極之間的關(guān)斷電流、開啟電流和開態(tài)電壓降，確定晶體管 的一個(gè)開關(guān)循環(huán)內(nèi)的功率損耗或能量損耗;以及 基于已確定的能量損耗、觀察到的逆變器系統(tǒng)溫度和逆變器系統(tǒng)的熱特性，估算晶體 管在開關(guān)循環(huán)內(nèi)的相關(guān)聯(lián)的平均結(jié)溫或管芯溫度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于估算結(jié)溫的方法，其中確定中間參數(shù)的步驟進(jìn)一步包括： 基于測(cè)量到的關(guān)斷電壓變化，估算晶體管在關(guān)斷期間的結(jié)溫或管芯溫度； 基于相對(duì)于時(shí)間變化的關(guān)斷電壓變化，并且基于關(guān)斷期間的估算結(jié)溫，確定關(guān)斷時(shí)間； 基于關(guān)斷時(shí)間和峰值電壓，確定關(guān)斷電流；以及 基于關(guān)斷電流、逆變器參數(shù)、馬達(dá)參數(shù)和馬達(dá)電壓，確定開啟電流。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中： 通過在有效狀態(tài)中施加到晶體管的基極或柵極的電壓降，觸發(fā)對(duì)相對(duì)于時(shí)間變化的關(guān) 斷電壓變化(或速率或電壓升高）的測(cè)量;并且 一旦觸發(fā)，則經(jīng)由一系列級(jí)聯(lián)多模二極管和電阻分壓器測(cè)量晶體管的集電極電壓中的 瞬時(shí)峰值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中： 通過在有效狀態(tài)中施加到晶體管的基極或柵極的電壓降，觸發(fā)對(duì)晶體管在切換后的端 子之間的峰值電壓的測(cè)量;并且 一旦觸發(fā)，則經(jīng)由一系列級(jí)聯(lián)多模二極管和電阻分壓器測(cè)量晶體管的集電極電壓中的 瞬時(shí)峰值。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中： 逆變器系統(tǒng)溫度包括冷卻劑溫度，并且其中所述熱特性包括與逆變器系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的熱 阻。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中： 逆變器系統(tǒng)溫度包括逆變器殼體的殼體溫度，并且其中所述熱特性包括與逆變器系統(tǒng) 相關(guān)聯(lián)的熱阻。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述中間參數(shù)的步驟進(jìn)一步包括： 在經(jīng)由電阻器和二極管連接到集電極的電容器處，對(duì)晶體管的集電極和發(fā)射極之間的 電壓進(jìn)行采樣或測(cè)量；以及 經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)端口向數(shù)據(jù)處理器提供采樣電壓或測(cè)量電壓，以便于估算晶體管 的開態(tài)功率損耗。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括： 對(duì)晶體管的基極或柵極處的電壓進(jìn)行采樣或測(cè)量，以便于估算晶體管的開態(tài)功率損 耗。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括： 通過相應(yīng)的鏡像電流與對(duì)應(yīng)的已確定的開啟電流和關(guān)斷電流之間的相關(guān)性，或通過從 比例常數(shù)偏差的程度，測(cè)量晶體管的觀察到的鏡像電流，以交叉檢查或核實(shí)已確定的晶體 管關(guān)斷電流和已確定的晶體管開啟電流的正確性和精度。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括： 對(duì)晶體管的多個(gè)功率循環(huán)計(jì)數(shù)； 確定晶體管在所述功率循環(huán)內(nèi)的累積溫度變化； 基于功率循環(huán)的計(jì)數(shù)數(shù)量和已確定的累積溫度變化，預(yù)測(cè)晶體管或相關(guān)聯(lián)的逆變器的 剩余使用時(shí)間或壽命。11. 一種用于估算晶體管的結(jié)溫或管芯溫度的方法，所述方法包括下述步驟： 測(cè)量逆變器的相中的晶體管的集電極和發(fā)射極之間的相對(duì)于時(shí)間變化的關(guān)斷電壓變 化(dvce/dt); 測(cè)量晶體管在集電極和發(fā)射極之間的峰值電壓(Vc^PMk ); 基于關(guān)斷電壓變化(dvc^/dt)和峰值電壓(Vc^peak)，確定關(guān)斷電流(i?3t_)ff)、開啟電流 (i mtur_)和開態(tài)電壓降(vc_)的中間參數(shù)； 基于晶體管的集電極和發(fā)射極之間的關(guān)斷電流(1^_淑）、開啟電流(1^_。11)和開態(tài) 電壓降(v_n)，確定晶體管在一個(gè)開關(guān)循環(huán)內(nèi)的功率損耗或能量損耗；以及 基于已確定的能量損耗、觀察到的逆變器系統(tǒng)溫度和逆變器系統(tǒng)的熱特性，估算晶體 管在開關(guān)循環(huán)內(nèi)的相關(guān)聯(lián)的平均結(jié)溫或管芯溫度。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于估算結(jié)溫的方法，其中確定中間參數(shù)的步驟進(jìn)一步包 括： 基于測(cè)量的關(guān)斷電壓變化（dVce/dt)，估算晶體管在關(guān)斷期間的結(jié)溫或管芯溫度 (Tjoff)； 基于相對(duì)于時(shí)間變化的關(guān)斷電壓變化（dVce/dt)，并且基于關(guān)斷期間的估算結(jié)溫 (Tioff)，確定關(guān)斷時(shí)間（toff); 基于關(guān)斷時(shí)間(toff)和峰值電壓(Vc^ak)，確定關(guān)斷電流dtiirmff );以及 基于關(guān)斷電流dturmff)、逆變器參數(shù)、馬達(dá)參數(shù)和馬達(dá)電壓，確定開啟電流(i?rtUr_)。 13 .根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中： 通過在有效狀態(tài)中施加到晶體管的基極或柵極的電壓降或Vgf3的降落，觸發(fā)對(duì)相對(duì)于時(shí) 間變化的關(guān)斷電壓變化(或速率或電壓升高）（dVce/dt)的測(cè)量;并且一旦觸發(fā)，則經(jīng)由一系 列級(jí)聯(lián)多模二極管和電阻分壓器測(cè)量晶體管的集電極電壓中的瞬時(shí)峰值。 14 .根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中： 通過在有效狀態(tài)中施加到晶體管的基極或柵極的電壓降或Vgf3的降落，觸發(fā)對(duì)晶體管的 峰值電壓(Vc^peak)的測(cè)量;并且一旦觸發(fā)，則經(jīng)由一系列級(jí)聯(lián)多模二極管和電阻分壓器測(cè)量 晶體管的集電極電壓中的瞬時(shí)峰值。
【文檔編號(hào)】G01K3/04GK105928631SQ201610108069
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年2月26日
【發(fā)明人】布立基·N·僧伽
【申請(qǐng)人】迪爾公司