熱控電子裝置的製作方法

2023-06-04 05:57:46

本公開總體上涉及一種電子裝置的熱管理。更具體地說，本公開涉及一種管理電子裝置中的電流的方法。另外，本公開涉及一種可能例如但不一定是諸如例如變頻器的功率電子裝置的電子裝置。

背景技術：

諸如例如變頻器、整流器和網絡逆變器的各種電子裝置包含用於改變電流和電壓的電子組件。電子組件能夠是例如諸如例如雙極結型電晶體「bjt」、絕緣柵雙極電晶體「igbt」、晶閘管(thyristor)、柵極可關斷晶閘管「gto」、金屬氧化物半導體場效應電晶體「mosfet」、集成柵極換流晶閘管「igct」或注入增強柵極電晶體「iegt」的可控功率電子開關。功率電子開關也可以是二極體，在這種情況下，開關操作僅僅取決於二極體的陽極和陰極之間的電壓。當電子組件傳導電流時，由於焦耳效應，電子組件的內阻產生熱。在被用作開關的電子組件中，在導通狀態和非導通狀態之間的轉換期間，瞬時加熱速率可能特別高。例如，從導通狀態到非導通狀態的轉換中，當電流還沒有下降時內阻可能已經變得相當高。因此，加熱速率與開關頻率線性或非線性地部分地成比例。在諸如例如處理器的電子組件中，加熱速率與被使用的時鐘頻率和電壓電平線性或非線性地成比例。增加時鐘頻率意味著必須以較高速率對處理器的內部電容充電和放電，並且因此也增加在處理器的內阻中產生熱的電流。此外，由於趨膚效應(skineffect)，增加時鐘頻率或開關頻率增加了內部有效電阻，並且因此還增加了加熱速率。

如果加熱速率超過了可用冷卻的能力，則存在溫度上升影響電氣特性的變化的風險，使得熱損傷可能發生在所考慮的電子組件中。因此，重要的是，管理電子組件的電流，使得加熱率率不超過冷卻的能力。電流的管理可以包括例如短路「sc」保護、通過限制開關頻率控制電流的高頻分量以便限制開關損耗、管理電子組件的熱循環、降低處理器等的時鐘頻率以便限制電流、和/或平衡並行連接的電子組件的電流。

上述的電流的管理需要直接或間接指示電子組件中的加熱速率的測量的信息。用於測量加熱速率的一個常規技術包括測量電壓和電流的瞬時值的乘積的積分。用於測量加熱速率的另一個常規技術包括從電子組件的表面上的一個或多個測量點測量表面溫度。然而，這些技術並不是沒有有挑戰。基於電壓和電流的瞬時值的乘積的技術需要高精確度高帶寬電壓和電流傳感器，其中在指示的電壓和實際電壓之間的相位偏移和在指示的電流和實際電流之間的相位偏移彼此要足夠接近，以便電壓和電流的乘積將以足夠的精確度來表示瞬時功率。尤其當電子組件的開關頻率在從數百khz到幾mhz的範圍上時，以足夠的精確度來實現電壓和電流測量可能是具有挑戰性的。涉及基於測量的表面溫度的技術的挑戰在於電子組件的結溫度可能至少偶爾顯著地高於表面溫度，並且測量的表面溫度跟隨結溫度有延遲。因此，例如基於測量的表面溫度的短路保護可能對能夠保護電子組件來說過於緩慢。在其中電子組件是含有並行和/或串行連接的多個晶片的模塊型組件的情況下，對上述技術兩者的另外的挑戰在於這些技術不能夠觀察到單個半導體晶片的溫度。由於不同晶片的不同熱阻和/或由於關於不同晶片的寄生電感和/或電阻中的差異，所以熱生成和溫度通常對於每個晶片不是相同的。

技術實現要素：

以下呈現了簡要概述，以便提供對各種發明實施例的一些方面的基本理解。該概述不是本發明的廣泛概括。該概述既不旨識別本發明的關鍵或必要元件，也不旨限定本發明的範圍。以下概述僅以簡化形式呈現了本發明的一些概念，作為以下提供的本發明的示例性實施例的更詳細描述的前言。

根據本發明，這裡提供一種新的電子裝置，該新的電子裝置能夠是例如但不一定是諸如例如變頻器、整流器或網絡逆變器的功率電子裝置。根據本發明的電子裝置包括：

-至少一個電子組件，

-梯度熱通量傳感器「ghfs」，該梯度熱通量傳感器「ghfs」基於熱電各向異性，並且適於傳導由電子組件生成的熱以及適於生成與通過梯度熱通量傳感器的熱通量成比例的電氣控制信號，以及

-控制器，該控制器響應於電氣控制信號並且適於至少部分地基於電氣控制信號來管理電子組件的電流。

在電流的管理中利用梯度熱通量傳感器的小的響應時間。例如，對於基於各向異性的熱電偶「at」的梯度熱通量傳感器，響應時間τ能夠在1ns...10ns的範圍上。因此，響應時間τ對於獲得足夠快的電流的管理是足夠小的。此外，在熱通量的方向上的梯度熱通量傳感器的厚度可以是小的，例如，大約0.1mm。因此，梯度熱通量傳感器不表示將幹擾和減慢熱通量測量的大量熱存儲能力。梯度熱通量傳感器「ghfs」的進一步細節可以例如從下面的出版物找到：hannek.jussila、andreyv.mityakov、sergeyz.sapozhnikov、vladimiry.mityakov和juhapyrhonen2013年發表在電氣與電子工程師學會「ieee」的ieeetransactionsonindustrialelectronics的第60卷第4852-4860頁的「localheatfluxmeasurementinapermanentmagnetmotoratnoload」。

根據本發明，還提供一種管理電子組件的電流的新的方法。根據本發明的方法包括：

-從基於熱電各向異性的梯度熱通量傳感器接收電氣控制信號，該梯度熱通量傳感器傳導由電子組件生成的熱並生成與通過梯度熱通量傳感器的熱通量成比例的電氣控制信號，以及

-至少部分地基於電氣控制信號，管理電子組件的電流。

本發明中的多個示例性和非限制性實施例在所附從屬權利要求中描述。

關於結構和操作方法兩者的本發明的多種示例性和非限制性實施例連同本發明的附加的目的和優點，將在結合附圖閱讀時從下面具體示例性和非限制性實施例的描述中得到最好的理解。

在本文中，將動詞「包含」和「包括」作為開放性限制加以使用，其不排除也不要求未引用特徵的存在。除非明確聲明，所附的權利要求中列舉的特徵是可以自由地相互組合的。另外，還應理解，「一種」或者「一個」，即單數形式，在整個本申請中的使用並不排除複數形式。

附圖說明

下面將參考附圖和從示例的意義上更詳細地說明本發明的示例性和非限制性實施例和它們的優點，在附圖中：

圖1a、圖1b和圖1c圖示根據本發明的示例性和非限制性實施例的電子裝置，

圖2a、圖2b和圖2c圖示根據本發明的示例性和非限制性實施例的電子裝置的部分，以及

圖3示出根據本發明的示例性和非限制性實施例的管理電子組件的電流的方法的流程圖。

具體實施方式

圖1圖示根據本發明的示例性和非限制性的電子裝置。在這個示例性情況下，電子裝置是適於經由端子132從三相網絡接收電能並且經由端子133供應三相交流電壓的變頻器。電子裝置包含六個電子組件，該六個電子組件均包含可控制功率電子開關和反向並行連接的二極體。在圖1a中，電子組件中的一個用參考編號101來表示。在這個示例性情況下，電子組件的可控制功率電子開關是絕緣柵雙極電晶體「igbt」。在根據本發明的這種示例性和非限制性實施例的電子裝置中，電子裝置包含一個或多個功率電子開關，每個功率電子開關能夠是例如，igbt、雙極結型電晶體「bjt」、二極體、晶閘管、柵極可關斷晶閘管「gto」、金屬氧化物半導體場效應電晶體「mosfet」、集成柵極換流晶閘管「igct」、或注入增強柵極電晶體「iegt」。

電子裝置包含適於傳導由電子組件產生的熱並且適於生成與通過梯度熱通量傳感器的熱通量線性或非線性地成比例的電氣控制信號130的梯度熱通量傳感器「ghfs」。在圖1a中，用參考編號131表示由梯度熱通量傳感器生成的電氣控制信號，該梯度熱通量傳感器適於傳導由電子組件101生成的熱。電子裝置包含響應於電氣控制信號130並且適於至少部分基於電氣控制信號管理電子組件的電流的控制器103。除了電氣控制信號130之外，控制器103能夠適於基於一個或多個測量的溫度、電流的測量值、和/或其它適當的信息管理電流。

圖1b示出電子組件101的側視圖。藉助於圖1b中示出的局部剖視圖示出梯度熱通量傳感器。用參考編號102在圖1b中表示梯度熱通量傳感器。在這個示例性情況下，梯度熱通量傳感器102構成從電子組件101的熱生成部到熱沉元件104的熱傳導路徑的部分。熱沉元件104可以包含用於將熱傳導到環境空氣的冷卻鰭片和/或用於傳導冷卻液體(例如，水)的冷卻管道。在這個示例性情況下，電子裝置101包含抵靠熱沉元件的基板134。熱沉元件104包含用於梯度熱通量傳感器102的腔室，使得梯度熱通量傳感器抵靠電子組件101的基板134。在圖1b中，以波浪箭頭描繪了從電子組件101到熱沉元件104的熱流，其中一個用參考編號135表示。在圖1b中，電子組件101的主電流端子中的一個用參考編號136表示，以及控制端子(即，igbt的柵極連接)用參考編號137表示。

在圖1a和圖1b中示出的示例性電子裝置中，梯度熱通量傳感器位於電子組件的表面上，即，抵靠電子組件的基板。然而，這不是僅可能的選擇。也有可能，將梯度熱通量傳感器嵌入到例如電子組件的基板或嵌入到電子組件的殼體的另一位置。還有可能，梯度熱通量傳感器例如是電子組件的集成的元件，使得梯度熱通量傳感器位於電子組件的殼體內。在其中電子組件是包含例如諸如例如igbt的許多半導體單元的模塊類型組件的情況下，模塊類型組件可以包含許多梯度熱通量傳感器，使得每個半導體單元被設置有梯度熱通量傳感器中的一個。因此，可能的是，以半導體單元特定方式監視模塊型組件的熱特性。

值得注意的是，本發明不限於以布置梯度熱通量傳感器來傳導由電子組件產生的熱的任何特定方式。

在根據本發明的示例性和非限制性實施例的電子裝置中，響應於其中電氣控制信號130指示超過第一安全限度的熱通量的情況，控制器103適於減少電子組件的開關頻率。降低開關頻率是實際上管理電流的高頻分量。因此，降低開關頻率可以被視為表示管理電子組件的電流的方式。

在根據本發明的示例性和非限制性實施例的電子裝置中，響應於其中電氣控制信號130指示超過第二安全限度的熱通量的情況，控制器103適於啟動電子組件的短路保護。第二安全限度有利地高於用於控制開關頻率的上述第一安全限度。短路保護可以包括例如將電子組件中的一個或多個控制為非導通狀態和/或以其它方式斷開電子組件的一個或多個電流。

圖1c示出梯度熱通量傳感器102的透視圖。藉助於圖1b和圖1c示出的坐標系190來圖示與圖1b和圖1c相關的觀察方向。梯度熱通量傳感器102包含以串行方式電連接的傳感器元件111、112、113、114、115、116、117和118，使得通過變化到傳感器元件111-118的磁通量感生的擾動電壓適於至少部分地互相抵消。在圖1c中示出的電壓u表示由梯度熱通量傳感器102生成的電氣控制信號。有利地，梯度熱通量傳感器包含傳感器元件111-118的相鄰元件之間的電絕緣材料的條帶。另外，梯度熱通量傳感器102可以包括能夠由電絕緣但是具有足夠導熱性的材料製成的絕緣體板119。絕緣體板119能夠由例如雲母製成。根據梯度熱通量傳感器102的操作環境，能夠在傳感器元件111-118的另一側上存在類似其它絕緣體板。另一側的絕緣體板沒有被示出在圖1c中。

在根據本發明的示例性和非限制性實施例的電子裝置中，傳感器元件111-118中的每個包含用於生成電壓u的部分的各向異性材料，電壓u是與橫向於第二溫度梯度分量的第一溫度梯度分量成比例的，該第二溫度梯度分量與通過梯度熱通量傳感器的熱通量平行。在這種情況下，第一溫度梯度分量與坐標系190的x軸平行，以及第二溫度梯度分量與坐標系190的z軸平行。各向異性材料能夠是例如鉍，並且傳感器元件111-118中的每個能夠是單晶的鉍。

在根據本發明的示例性和非限制性的電子裝置中，傳感器元件111-118中的每個包含用於生成電壓u的部分的多層結構。該多層結構中的層相對於用於從電子組件接收熱通量的梯度熱通量傳感器的表面是傾斜的。多層結構可以包含第一層和第二層，使得第二層與第一層交錯。第二層能夠由例如半導體材料製成，並且第一層能夠由例如金屬或金屬合金製成，或者由不同於第一層的半導體材料的半導體材料製成。

值得注意的是，上述梯度熱通量傳感器僅僅是示例並且本發明不限於梯度熱通量傳感器的任何特定材料和/或結構和/或製造方法。

圖2a圖示根據本發明的示例性和非限制性實施例的電子裝置的部分。在這種示例性情況下，電子裝置包括兩個並行連接的電子組件201和221。電子組件中的每個包括可控制的功率電子開關和反向並行連接的二極體。在這種示例性情況下，可控制的功率電子開關是絕緣柵雙極電晶體「igbt」。電子裝置包含適於傳導由電子組件產生的熱並且適於生成與通過梯度熱通量傳感器的熱通量成比例的電氣控制信號的梯度熱通量傳感器「ghfs」。電子裝置包含響應於電氣控制信號的並且適於至少部分基於電氣控制信號管理電子組件的電流的控制器203。控制器203適於至少部分基於電氣控制信號控制並行連接的電子組件201和221的操作，以便平衡並行連接的電子組件的電流。此外，控制器能夠適於控制電子組件201和221的開關頻率和/或適於基於由梯度熱通量傳感器生成的電氣控制信號控制短路「sc」保護。除了上述電氣控制信號之外，控制器203能夠適於基於一個或多個測量溫度、電流的測量值和/或其它適當信息管理電子組件201和221的電流。

圖2b和圖2c示出電子組件201和221的側視圖。藉助於圖2b和2c中示出的局部剖視圖示出梯度熱通量傳感器。在圖2b和圖2c中用參考編號202和222指示梯度熱通量傳感器。

圖3示出根據本發明的示例性和非限制性實施例的管理電子組件的電流的方法的流程圖。該方法包含以下動作：

-動作301：從梯度熱通量傳感器「ghfs」接收電氣控制信號，所述梯度熱通量傳感器「ghfs」基於熱電各向異性並且傳導由電子組件產生的熱，該梯度熱通量傳感器生成與通過梯度熱通量傳感器的熱通量成比例的電氣控制信號，以及

-動作302：至少部分基於電氣控制信號管理電子組件的電流。

在根據本發明的示例性和非限制性實施例的方法中，從梯度熱通量傳感器的至少兩個串行連接的傳感器元件接收電氣控制信號，其中，通過到傳感器元件的變化磁通量所感生的擾動電壓在串行連接的至少兩個傳感器元件中至少部分地相互抵消。

根據本發明的示意性和非限制性的方法包含：響應於其中所述電氣控制信號指示熱通量超過第一安全限度的情況，降低電子組件的開關頻率。

根據本發明的示意性和非限制性的方法包含：響應於其中所述電氣控制信號指示熱通量超過第二安全限度的情況，啟動電子組件的短路保護。

根據本發明的示例性和非限制性的方法包含：基於所述電氣控制信號和從另一個梯度熱通量傳感器接收的另一個電氣控制信號，平衡所述電子組件的電流與另一個電子組件的電流，所述另一個梯度熱通量傳感器傳導由其它電子組件產生的熱並且生成與通過其它梯度熱通量傳感器的熱通量成比例的其它電氣控制信號。

在以上給出的描述中提供的具體示例不應該被解釋為限制所附權利要求的適用性和/或解釋。值得注意的是，除非另有說明，在本文中給出的示例的列表和群組是非窮盡性列表和群組。