用於產生信號的系統的製作方法

2023-07-22 14:49:11

專利名稱：用於產生信號的系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於監測電力電子系統的健康狀態的系統和方法。
背景技術：
電力轉換系統，如中間電力轉換系統和電動機驅動系統已經在汽車應用中得到越 來越多的關注。電力轉換系統通常包括各種電力半導體器件，如電力開關。電力開關可包 括二極體和絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)。許多這樣的半導體器件以高速(通常以幾十千 赫茲(kHz))轉換幾百安(A)和幾百伏(V)。在這些轉換操作期間，半導體器件可以以千瓦 (kWs)為量級散發大量的熱量。此外，大量的熱量可使半導體器件劣化並可導致半導體器件 達到高溫。除非將半導體器件冷卻到較低的溫度，否則半導體器件的高溫可導致半導體器 件劣化或失效。各種材料可被用於製造半導體器件。然而，材料的效率和有效性可因材料的固有 特性而受限於不同的操作溫度。如果用於製造半導體器件的材料過熱，則除非將半導體器 件冷卻到較低的溫度，否則半導體器件可劣化或失效。此外，半導體器件的劣化或失效可導 致汽車中的電力轉換系統劣化或失效。許多因素可影響半導體器件的性能或使半導體器件的性能劣化。例如，高的電應 力和大的溫度漂移可降低半導體器件或作為半導體器件的一部分的模塊的性能。隨著半導 體器件溫度的升高，半導體器件的性能可降低。各種電子器件已被用於測量半導體器件的溫度。例如，熱電偶、熱敏電阻器或光熱 傳感器已在半導體模塊中被用作溫度傳感器。然而，被用作溫度傳感器的這些器件既不提 供原位響應也不提供瞬時響應。此外，各種電子器件中固有的電溫度敏感參數(TSP)已被用於確定半導體器件的 溫度。TSP可包括半導體器件的電壓降、飽和電壓和柵極閾值電壓。例如，半導體器件可以 是二極體、雙極型電晶體、IGBT或場效應電晶體(FET)。利用TSP可計算半導體器件的溫度 並可推出半導體器件的熱性能。然而，TSP很大程度上依賴於半導體器件的操作條件，通常 需要測量影響半導體器件的操作的多重因素。例如，半導體器件的電壓很大程度上依賴於 操作條件，如電流、偏壓和動態躍遷。此外，級聯子系統的相互作用可導致半導體器件中的 TSP的測量不準確。

發明內容
提供一種用於監測電力電子系統的健康狀態的系統和方法。該系統包括存儲介質 和控制器。該控制器與所述存儲介質進行通信，所述控制器被構造為執行用於產生信號的 方法。還提供了至少一個處理器可讀的存儲介質。該存儲介質具有在該存儲介質中實現 的處理器可讀的代碼。該代碼被用於為所述至少一個處理器編程以執行產生信號的所述方法。
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所述方法包括獲得數據，該數據代表電路元件的初始的期望溫度。此外，獲得電路 元件的電參數的初始值。此外，所述方法包括將電脈衝施加到電路元件。該電脈衝使電路 元件的溫度從初始溫度上升到更高的溫度。在電脈衝衰減到預定值之後，感測電路元件的 電參數並獲得電參數的後續值。一旦獲得電參數的後續值，便基於下列的一個或多個信息 來估計電路元件的後續溫度電路元件的初始的期望溫度、電參數的初始值和後續值以及 電脈衝的預定值。此外，所述方法包括基於後續溫度產生信號。該信號指示電路元件是否 如所期望地操作。一種用於產生信號的系統，該信號指示電路元件是否如所期望地操作，所述系統 包括計算機可讀的存儲介質；控制器，與所述存儲介質進行通信，所述控制器被構造為執 行一種方法，該方法包括如下步驟獲得電路元件的初始的期望溫度和電路元件的電參數 的初始值；將電脈衝施加到電路元件以使電路元件的溫度升高；在電脈衝衰減到預定值之 後，感測電參數以獲得電參數的後續值；基於初始的期望溫度、初始值、後續值和預定值來 估計電路元件的後續溫度；基於後續溫度來產生指示電路元件是否如所期望地操作的信 號。所述電脈衝為電流脈衝，所述預定值為電流值，所述電參數的初始值和後續值為 電壓值。所述電脈衝為電壓脈衝，所述預定值為電壓值，所述電參數的初始值和後續值為 電流值。所述方法還包括將後續溫度與預定溫度進行比較以獲得溫度對比，並基於該溫度 對比產生信號。所述方法還包括基於後續溫度和初始的期望溫度來估計溫差，並基於該溫差產生 信號。所述方法還包括將所述溫差與預定溫差進行比較，並基於該比較產生信號。所述方法還包括基於所述溫差來估計電路元件的熱阻抗，並基於該熱阻抗產生信號。所述方法還包括基於電路元件的熱阻抗和預定的熱阻抗信息獲得熱阻抗對比，並 基於該熱阻抗對比產生信號。基於估計的電路元件的功率損失來估計電路元件的熱阻抗，該估計的電路元件的 功率損失至少部分地取決於電脈衝。所述方法還包括在電脈衝升高至預定的上限值之後感測電路元件的電參數以獲 得電參數相應的上限值，並基於該相應的上限值和預定的上限值來估計所述估計的功率損失。所述方法還包括從計算機可讀的存儲介質獲取表示電路元件的初始的期望溫度 的數據以及電參數的初始值，以估計所述後續溫度。所述方法還包括基於所述信號來控制電路元件，以改變電路元件的溫度。所述電脈衝的寬度在1微秒和10分鐘之間。該寬度在1毫秒和10毫秒之間。所述方法還包括由電路元件的熱點獲得初始的期望溫度。


圖1是示出對於電路元件的不同溫度，流過電路元件的電流相對於跨過電路元件 的電壓的一組曲線圖；圖2是示出對於流過電路元件的不同電流，跨過電路元件的電壓相對於電路元件 的溫度的一組曲線圖；圖3是示出用於監測電力電子系統的健康狀態的系統的示意圖；圖4是示出具有開關S2作為電路元件的升壓轉換器(boost converter)的示意 圖；圖5是示出具有開關S1作為電路元件的降壓轉換器(buck converter)的示意圖；圖6是示出具有開關S1作為電路元件的降壓-升壓轉換器 (buck-boostconverter)的不意圖；圖7是示出監測電力電子系統的健康狀態的方法的流程圖；圖8是示出將圖7的方法應用於圖3的電力轉換系統的一種可能的測試時序的一 組曲線圖；圖9A是示出當圖8的測試時序使電力轉換系統中的電路元件Sal和Sb2導通時，圖 3的相關組件、電壓和電流的示意圖；圖9B是示出當圖8的測試時序使電力轉換系統中的電路元件Sal截止並使電力轉 換系統中的電路元件Sb2導通時，圖3的相關組件、電壓和電流的示意圖；圖9C是示出當圖8的測試時序使電力轉換系統中的電路元件Sal和Sb2截止時，圖 3的相關組件、電壓和電流的示意圖；圖10是示出具有增加的應力的電路元件作為電路元件經歷附加循環的曲線圖。
具體實施例方式本發明的實施例通常提供一種用於產生至少一個信號的系統和方法，所述至少一 個信號指示電路元件(如半導體器件)是否如所期望地操作。基於在電脈衝加熱所述電路 元件之後所估計的電路元件的溫度來產生所述信號。除電路元件的溫度之外，所述系統和 方法還可估計電路元件的溫差和/或熱阻抗以產生信號，該信號指示電路元件是否如所期 望地操作。基於所述信號，可確定電路元件的許多情況，例如，電路元件的可靠性或健康狀 態、電路元件是否過熱、電路元件的劣化或失效、電路元件的性能等等。參照圖1，一組曲線圖示出了一種類型的電路元件(如絕緣柵雙極型電晶體 (IGBT))在五種不同的溫度下是如何操作的。更具體地講，該組曲線圖示出了電路元件的溫 度是如何影響流過電路元件的電流與跨過電路元件的電壓之間的關係的。例如，曲線10表 示當電路元件的溫度等於_25°C時，電流相對於跨過電路元件的電壓的關係。類似地，曲線 12表示當電路元件的溫度等於25°C時，電流相對於跨過電路元件的電壓的關係，曲線14表 示當電路元件的溫度等於75°C時，電流相對於跨過電路元件的電壓的關係，曲線16表示當 電路元件的溫度等於125°C時，電流相對於跨過電路元件的電壓的關係，曲線18表示當電 路元件的溫度等於175°C時，電流相對於跨過電路元件的電壓的關係。圖2以不同的方式示出圖1的關係。流過電路元件(例如，IGBT)的電流影響跨 過電路元件的電壓與電路元件的溫度之間的關係。例如，曲線20表示當流過電路元件的電
5流等於200mA時，跨過電路元件的電壓相對於電路元件的溫度的關係。類似地，曲線22表 示當流過電路元件的電流等於500mA時，跨過電路元件的電壓相對於電路元件的溫度的關 系，曲線24表示當流過電路元件的電流等於IOOOmA時，跨過電路元件的電壓相對於電路元 件的溫度的關係，曲線26表示當流過電路元件的電流等於1500mA時，跨過電路元件的電 壓相對於電路元件的溫度的關係。因此，流過電路元件的電流的變化影響跨過電路元件的 電壓與電路元件的溫度之間的關係。因為圖2中示出的曲線通常為線性的，所以式子V = VmX(T-T0)或T = TQ+(V-VQ)/m可表示曲線20、22、24和26中的每條曲線。在一定的偏 置電流條件下，V表示溫度為T時跨過電路元件的電壓降，Vtl表示溫度為Ttl時跨過電路元 件的電壓降，參數「m」為對應的曲線的斜率。所述系統可在獲得電路元件的溫度T與電壓 V之間的特定關係之前限定溫度Ttl並確定電壓Vtl和參數「m」。一旦所述系統獲得電壓V與 溫度T之間的特定關係，所述系統便可測量在已知的偏置電流條件下跨過電路元件的電壓 V以獲得溫度T。因此，電路元件用作溫度傳感器或溫度檢測器。幾個重要因素確定電路元件的溫度。一個重要參數是電路元件的熱損失(P)。另 一個重要參數是電路元件的熱阻抗。許多因素可使電路元件中的熱阻抗增加，特別是在電路元件遭受長期的應力之 後。高的電應力、大的溫度漂移、結構缺陷、物理缺陷(physicalimperfection)或其組合可 使電路元件的熱阻抗增加。結構缺陷和物理缺陷包括裂紋、脫落(lifting off)、電子遷移 等並可形成在電路元件中的不同位置中，例如，在電路元件中的連接層中或金屬接觸中。使 電路元件中的熱阻抗增加的此類因素可指示電路元件的退化、劣化或失效。此外，此類因素 可指示電路元件的期望的可靠性和健康狀態。當電路元件中的熱阻抗增加時，在相同的熱功率損失下，電路元件以高於電路元 件中的熱阻抗增加之前的速率的速率加熱。因此，電路元件以高於沒有電應力、溫度漂移、 結構缺陷和/或物理缺陷的電路元件的速率的速率加熱。當電路元件以更高的速率加熱 時，電路元件的溫度也以更高的速率增加。電路元件的溫度和/或溫度變化的速率可指示電路元件是否具有一個或多個問 題。例如，電路元件超過其正常值或期望值的溫度可指示電路元件高度疲勞且性能降低。此 外，電路元件的溫度和/或溫度變化的速率可用於確定電路元件的可靠性或健康狀態、電 路元件是否過熱、電路元件是否失效或是否低於期望的性能級別、或者使其未如所期望地 操作的其他方面。參照圖3，提供用於產生信號32的系統30。信號32指示支撐在基底上的電路元 件是否如所期望地操作。在汽車中，圖3的系統30被應用於電源36和三相永磁同步電動 機(PMSM)(下文中稱為「電動機」)38之間的電力轉換系統34。然而，在其他電力電子拓撲 結構中，系統30可確定電路元件是否如所期望地操作。例如，系統30可基於電路元件在升 壓轉換器(在圖4中進行通常性地示出)、降壓轉換器(在圖5中進行通常性地示出)或降 壓-升壓轉換器(在圖6中進行通常性地示出)中的操作方式來產生信號32。以一體的方 式描述系統30及其操作方法以便於理解本發明的各方面。再次參照圖3，系統30包括控制器40或一些其他類型的可編程邏輯器件以實現產 生信號32的方法，信號32指示電路元件是否如所期望地操作。為了實現所述方法，控制器 40執行嵌入有所述方法或以所述方法進行編碼的電腦程式或算法。
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如圖3所示，系統30包括存儲介質42 (下文中稱為「存儲器」)(如計算機可讀的 存儲介質)以存儲嵌入有所述方法或以所述方法進行編碼的程序或算法。圖3的存儲器42 被示出為控制器40的一部分。然而，存儲器42可位於系統30的任意合適的部分。除存儲 電腦程式或算法之外，存儲器42還為控制器40存儲關於電路元件的數據或信息以實現 所述方法。例如，存儲器42存儲表示跨過電路元件的電壓與電路元件的溫度之間的關係的 查找表或式子。此外，存儲器42可存儲允許的最大熱點溫度(hot spot temperature)和 最大熱阻抗。此外，存儲器42存儲電路元件的初始的期望溫度以及電路元件的電參數的初 始值。電路元件的電參數的初始值與加熱電路元件之前施加到電路元件的電壓或電流 的值相對應。電參數是電壓還是電流取決於系統30的構造。因此，電參數的初始值可以是 電壓值或電流值。為了進一步描述系統30及方法，系統30被應用於圖3的電力轉換系統34。如所 示，電力轉換系統34包括電力開關44。儘管每個電力開關44包括兩種類型的電路元件， 即，二極體和IGBT，但是電力開關44中的每個電力開關仍可被稱為電路元件。電力開關44 中的二極體被標記成Dal、Da2、Dbl、Db2、Del和De2，而電力開關44中的IGBT分別被標記成Sal、 Sa2、Sbl、Sb2、Scl 和 Sc2o圖3的電力轉換系統34包括驅動系統逆變器(下文中稱為「逆變器」)46。逆變器 46包括電力開關44，電力開關44用於轉換來自電源36 (如電池)的電力以驅動汽車中的 電動機38。更具體地講，電力轉換系統34中的逆變器46將來自電源36的直流電流(DC) 轉換成交流電流或電動機相位電流ia、ib和i。(在圖3中示出)。在操作中，電動機相位電 流ia、ib和i。驅動電動機38。為了驅動電動機38，控制器40根據預定義的模式調節進入 到電動機38的繞組中的電動機相位電流、、、和i。。特別地，取決於電力轉換系統34的具 體構造，逆變器46可包括任意數目的電力開關44或電路元件。如圖3所示，電力轉換系統34包括電流傳感器CSa、CSb和CS。，如霍爾效應電流傳 感器。電流傳感器CSa、CSb和Cs。與每個相位串聯安裝並為控制器40提供相應的反饋信號 ias、ibs和i。s(也在圖3中示出)。反饋信號ias、ibs和i。s嵌入有流過電動機38的相應的繞 組的電流的量或以流過電動機38的相應的繞組的電流的量進行編碼。控制器40接收並處 理反饋信號ias、ibs和i。s以控制電動機相位電流ia、ib和i。，從而根據存儲在存儲器42中 的預定義的模式而使電動機相位電流ia、ib和i。流過電動機38的相應的繞組。如圖3所示，控制器40將至少一個控制信號50傳輸到電力轉換系統34中的逆變 器46。逆變器46接收控制信號50以控制逆變器46的開關構造並因此控制流過電動機38 的相應的繞組的電流的量。所述開關構造是逆變器46中的電力開關44的一組開關狀態。 通常，逆變器46的開關構造確定逆變器46如何將電力從電源36轉換到電動機38。為了控制逆變器46的開關構造，逆變器46基於控制信號50將逆變器46中的每 個電力開關44的開關狀態變成導通狀態或者截止狀態。為了將電力開關44轉換成導通狀 態或者截止狀態，逆變器46控制施加到每個電力開關44的柵極電壓(Vg)並因此控制每個 電力開關44的開關狀態。柵極電壓￥仏1^832、￥亂1、￥亂2、￥仏1和￥仏2(在圖3中示出)控制 相應的電力開關44的開關狀態。改變逆變器46中的一個或多個電力開關44的開關狀態 可改變逆變器46的開關構造並因此改變逆變器46將電力從電源36轉換到電動機38的方
7式。電力轉換系統34可包括多個電壓傳感器，電壓傳感器在圖3中被標記成Val、Va2, Vbl>Vb2,Vcl和V。2。取決於逆變器46中的電力開關44的數目，電力轉換系統34可包括更少 的或另外的電壓傳感器。電壓傳感器測量跨過逆變器46中的相應的電路元件的電壓。更 具體地講，電壓傳感器Val測量跨過具有IGBT Sal和二極體Dal的電力開關44的電壓(Val)。 同樣，電壓傳感器Va2測量跨過具有IGBT Sa2和二極體Da2的電力開關44的電壓(Va2)，電壓 傳感器Vbl測量跨過具有IGBT Sbl和二極體Dbl的電力開關44的電壓(Vbl)，電壓傳感器Vb2 測量跨過具有IGBT Sb2和二極體Db2的電力開關44的電壓(Vb2)，電壓傳感器Vcl測量跨過 具有IGBT Scl和二極體Dca的電力開關44的電壓(VJ，電壓傳感器V。2測量跨過具有IGBT S。2*二極體D。2的電力開關44的電壓(V。2)。來自電壓傳感器的電壓測量沿著電通信路徑 54通過反饋信號52傳輸到控制器40。此外，電力轉換系統34可包括差分放大器或隔離放 大器以放大反饋信號52，反饋信號52嵌入有來自電壓傳感器Val、Va2、Vbl、Vb2、Vel和V。2的電 壓測量或以來自電壓傳感器Val、Va2, Vbl、Vb2、Vcl和V。2的電壓測量進行編碼。此外，電力轉 換系統34可包括模數(A/D)轉換器，A/D轉換器用於數位化差分放大器或隔離放大器的輸 出，以使控制器40以數字格式接收具有電壓測量的反饋信號52。如圖3所示，控制器40可以是電子器件診斷系統56的一部分。電子器件診斷系 統56監測汽車中的電力轉換系統34並能夠診斷電力轉換系統34中的各種電子器件的問 題。可選地，控制器40可以是汽車中的電力轉換系統34的一部分。例如，控制器40可以 是逆變器46的一部分或者電力轉換系統34的其他部分。參照圖7，提供了示出產生信號32的方法的步驟的高級流程圖60。流程圖60包 括步驟62、64、66、68、70、72、74、76、78、80和82。產生信號32的方法可通過編入到系統30 的合適的可編程邏輯器件(如控制器40)中的軟體程序、機器可執行代碼或算法來實現。盡 管在流程圖60中示出的不同步驟示出為以時間順序發生的，但是至少一些步驟可以以不 同的順序發生，並且一些步驟可同時執行或者不可同時執行。所述方法可應用於在幾百微秒到幾十秒之間估計電力轉換系統34中的電路元件 的暫態熱阻抗或穩態熱阻抗。可選地，所述方法可應用於任意合適的時間長度。可在電力轉換系統34的起動和/或關閉過程期間或者當電動機38沒有運轉時執 行所述方法。此外，可在逆變器46正常的操作循環中斷期間執行所述方法。在將所述方法 應用於系統30之後，可恢復電力轉換系統34的正常運行。圖8通常性地示出應用所述方法的一種可能的測試時序，而圖9A、圖9B和圖9C示 出與圖8中示出的測試時序關聯的相關組件、電壓和電流。貫穿所述方法的論述，參照圖3、 圖9A、圖9B和圖9C中示出的系統30及其組件以便於理解本發明的各方面。儘管圖8、圖 9A、圖9B和圖9C進一步描述了系統30及產生信號32的方法，但是，這裡描述和示出的測 試時序不應該被解釋為將本發明限於任何具體的操作、實現方式或構造。此外，下文中所描 述的開關構造的模式作為示例，並非描述了逆變器46的全部可能的開關構造。流程圖60示出了一種可能的測試時序的實現方式。為了實現所述測試時序，圖8 的波形圖以預測試區域開始，預測試區域與時間t = 1之前的區間對應。在時間t = 1處， 控制器40導通開關Sal和Sb2以產生具有已知幅值(在本示例中略高於電流Ilimit2)的小的 迴路電流Iltrap的電脈衝。迴路電流在開關Sal和Sb2導通時流過開關Sal和Sb2，並在開關Sal
8截止之後而開關Sb2保持導通時流過二極體Db2和開關Sb2。在迴路電流I1top流動時測量跨過 電路元件的電壓降。基於所測量的電壓降和已知的電流幅值，控制器40可估計電路元件的 內部溫度。然後，可再次導通開關Sal和Sb2以將迴路電流提高(pump)到更高的電流(在本 示例中為電流Ilimitl)，該電流在時間t = 2和時間t = 3之間通過相同的電路元件進行傳 導以加熱電路元件。時間可以足夠長，以使電路元件的內部溫度相對穩定在它們的高溫下， 並可估計穩態熱性能。或者，時間可以是短暫的，並可估計暫態熱阻抗。接著，通過截止全部 開關來結束加熱循環，控制器40將迴路電流I1top的強度降低到等於或接近電流Ilimit2，如圖 8中的時間t = 4處所示。再次測量跨過器件的電壓降，並且控制器40估計電路元件的內 部溫度。基於所估計的初始的內部溫度和最終溫度，可估計電路元件中的溫度增加。此外， 控制器40可基於電路元件中的功率損失以及相應的溫度增加來估計電路元件的熱阻抗。為了傳送高幅值的電流Ilimitl，控制器40控制主功率電路在預期的幅值附近調節 負載電流。類似地，這種方法可被用於在更小級別的電流Ilimit2附近調節電流。然而，如果 電流Ilimit2非常小，則電力轉換系統34可包括偏置電路，該偏置電路用於在逆變器46運行 時以近似恆定的速率在電路元件中產生電流Ilimit2。圖8示出根據所述一種可能的測試時序的波形圖90、92、94、96和98。當電動機 38的速度相對低或速度為零時，時間t = l、t = 2、t = 3和t = 4表示不重疊的時間。當 電動機38的速度低或速度為零時，可忽略電動機38的關聯的反電動勢(back EMF)，並且逆 變器46極少地或者根本不調製電動機電流(Iltrap)。在時間t = 1、t = 2、t = 3和t = 4 處，控制器40通過控制信號50控制逆變器46，以使電動機電流(I1top)續流(free-wheel) 並使電動機電流(I1top)變化的速率相對低。當電動機電流(I1top)變化的速率相對低且逆 變器46相對較少地調節電動機電流時，可忽略來自逆變器46中的電路元件的任何開關噪 聲並也可忽略開關損失。在時間t = 1、t = 2、t = 3和t = 4處，逆變器46從控制器40 接收控制信號50，以使柵極電壓Vgal處於OFF狀態(見波形圖90)，柵極電壓Vgb2處於ON狀 態(見波形圖92)，IGBT Sal處於截止狀態，IGBT Sb2處於導通狀態。當電動機電流(Iltrap) 變化的速率相對低且開關噪聲可忽略時，跨過電路元件的電壓是相對穩定的，並且電壓傳 感器H^^HpVfVpVbd和V。2)可獲得具有較高精度的電壓測量。如圖8所示，波形圖90和92表示逆變器46基於從控制器40傳輸的控制信號50而 施加到電力開關44的柵極電壓(Vg)。回想一下，柵極電壓Vgal、Vga2、Vgbl、Vgb2、Vgel和Vge2 (在 圖3中示出)控制相應的電力開關44的開關狀態。在本測試時序中，波形圖90指示施加 到IGBT Sal的柵極電壓Vgal，而波形圖92指示施加到IGBT Sb2的柵極電壓Vg1^圖8的波形圖94示出控制器40施加到電路元件的電脈衝。圖8的電脈衝被示出 為施加到電路元件的電動機電流(Iltrap)。電脈衝的電動機電流(I1top)表示在逆變器46的 任一具體的開關構造期間流過電動機38的電流。然而，應該理解的是，施加到電路元件的 電脈衝可以是施加電壓而非電流的電壓信號。控制器40從電流傳感器CSa、CSb和CS。(在 圖3中示出)接收反饋信號ias、ibs和i。s，以在時間t = l、t = 2、t = 3和t = 4處以期望 的電流級別獲得電脈衝。例如，控制器40可基於反饋信號ias、ibs和i。s來控制逆變器46， 以在時間t = 2禾Π t = 3處獲得與電流Ilimitl相等的電動機電流(Iltrap)並在時間t = 1和 t = 4處獲得與電流Ilimit2相等的電動機電流(Iltrap)。電流Ilimitl和Ilimit2(在圖8中示出) 表示電動機電流(Iltrap)的兩個不同的預定值，控制器40可從存儲器42獲取所述兩個不同的預定值並可作為電脈衝的一部分將其施加到電路元件。圖8的波形圖96指示從電路元件測得的電參數，電參數與隨時間施加到電路元件 的波形圖94相對應。因為圖8的電脈衝被示出為施加到電路元件的電動機電流(Iltrap)，所 以波形圖96表示的電參數為電壓。在本示例中，系統30包括電壓傳感器Val、Va2、Vbl、Vb2, I和V。2 (在圖3中示出)，電壓傳感器Val、Va2、Vbl、Vb2、Vcl和Vc2用於感測跨過電力轉換系 統34中的每個電路元件的電參數以獲得波形圖96。圖8的波形圖98指示將電脈衝施加到電路元件之前的電路元件的溫度以及將電 脈衝施加到電路元件之後的電路元件的溫度。例如，在波形圖98中示出的電路元件的溫度 可表示電力開關44的熱點溫度。溫度Tinitial表示(例如，在時間t = l之前)電路元件的 初始溫度。例如，在時間t = 1時，Tinitial可表示電動機38起動之前的電路元件的溫度、當 車輛「鑰匙接通(key on)」時的電路元件的溫度、當車輛停在紅燈處時的電路元件的溫度、 當「鑰匙切斷(key off)」不久之後的電路元件的溫度或者當電力轉換系統34以相對低的 速率運行或空閒時的其他時間的電路元件的溫度。溫度Tend表示(例如，在時間t = 3之 後或者當電路元件的內部溫度被加熱到大於電路元件的初始溫度的值時)電路元件的最 終溫度(end temperature)。再次參照圖7，流程圖60的步驟62包括獲得表示電路元件的初始的期望溫度的數 據。可基於預先存儲的特性數據、跨過電路元件的電壓以及通過電路元件的電流來計算所 述初始的期望溫度。根據圖8中示出的所述一種可能的測試時序，可在預熱時間期間(例 如，在時間t = 1處或在時間t = 1附近)獲得電路元件的初始的期望溫度。可選地，可從 電力轉換系統34中的熱傳感器獲得初始的期望溫度。當沒有電流通過電路元件時，功率損 失為零並且電路元件可處於與換熱器和冷卻劑的溫度相同的溫度。熱傳感器感測一個或多 個電路元件、換熱器或冷卻通道的溫度，並為控制器40提供嵌入有電路元件的溫度或以電 路元件的溫度進行編碼的信號。此外，在基於預先存儲的數據所計算的溫度與從溫度傳感 器所報告的在一定程度內不匹配的情況下，控制器40可對電路元件的初始的期望溫度進 行重新編程或重新標定，以使存儲在控制器40的存儲器42中的查找表或式子反映出電路 元件是如何響應溫度的變化的。在另一示例中，初始的期望溫度與在加熱電路元件之前(例如，在時間t = 1附 近)的電路元件的期望的溫度對應。可在電路元件被標定時獲得初始的期望溫度並將其存 儲在存儲器42中。電路元件的標定可發生在電路元件相對冷且尚未經歷許多操作循環時。 在這樣的示例中，控制器40可接收嵌入有電路元件周圍的冷卻通道、換熱器或環境的溫度 或以電路元件周圍的冷卻通道、換熱器或環境的溫度進行編碼的信號以標定初始的期望溫 度。電路元件的標定還可發生在不同的溫度時以計算電路元件所對應的參數「m」。這個過 程可在可控制溫度的溫控室(temperature chamber)中進行。或者，通過在高功率下對系 統操作足夠長的時間以加熱電路元件、換熱器和冷卻通道，可使除環境溫度之外的電路元 件的不同溫度成為可能。然後，關閉系統足夠長的時間，以使電路元件大致處於與換熱器或 冷卻通道的溫度相同的溫度。在這種條件下，控制器40可為第二標定點採集相應的電壓和 電流。基於從第一標定點和第二標定點採集的數據，可計算斜率參數「m」。控制器40可利用圍繞半導體晶片的冷卻劑或換熱器的溫度來標定初始的期望溫 度。例如，當電路元件已經截止足夠長的時間並因此相對冷時，控制器40可獲得圍繞具有
10電路元件的半導體晶片的冷卻劑或換熱器的溫度，從而獲得電路元件的初始的期望溫度。 換熱器的溫度傳感器可感測換熱器的溫度。類似地，入口處的冷卻劑溫度傳感器可感測冷 卻劑的溫度以提供電路元件的初始的期望溫度。如圖9A、圖9B和圖9C所示，所述一種可能的測試時序包括基於電力轉換系統34 中的電力開關44及其電路元件兩者的操作方式來產生信號32。第一電力開關44具有IGBT Sal和二極體Dal，而第二電力開關44具有IGBTSb2和二極體Db2。在步驟64，獲得電路元件的電參數的初始值。如上所述，電參數的初始值可以是電 壓值或電流值。當電路元件在初始的期望溫度或接近初始的期望溫度時(例如，在時間t =1附近)或者當控制器40接收嵌入有電路元件周圍的冷卻劑或換熱器的溫度或以電路 元件周圍的冷卻劑或換熱器的溫度進行編碼的信號時，控制器40獲得電參數的初始值。如圖9A和圖10所示，控制器40可控制逆變器46，以當電動機電流(I1top)變化的 速率相對低且電路元件中的開關噪聲可忽略時在時間t = 1處獲得一個或多個電參數的初 始值。這允許控制器40獲得具有較高精度的電參數的初始值。為了在時間t = 1之前或在時間t = 1附近獲得電參數的初始值，控制器40將 控制信號50傳輸到逆變器46，以在時間t = 1之前導通IGBT Sal和IGBTSb2 (在圖9A中示 出)。在IGBT Sal和IGBT Sb2導通時的逆變器46的這種開關構造下，電流I1top流過電動 機38的繞組，相位電流ias近似等於電流ia(或-ib)，相位電流i。近似為零。當IGBT Sal和 IGBT Sb2 導通時，電動機電流(I1top)流過 IGBT Sal 和 IGBT Sb2。當 IGBT Sal 和 IGBT Sb2 保 持導通時，電動機電流(Iltrap)的量值增加(如在時間t = 1之前當柵極電壓Vgal和Vga2為 「on」時圖8中的波形圖94所示)。當圖9A的電流I1top變為略高於電流Ilimit2時(如在緊 接著時間t = 1之前圖8中的波形圖94示出的)，控制器40傳輸控制信號50以使IGBT Sal 截止並將IGBT Sb2保持在導通狀態。當IGBT Sal截止且IGBT Sb2保持導通時，電動機電流 (I1top)流過IGBT Sb2和二極體Da2。為了使IGBT Sal截止，控制信號50將柵極電壓Vgal切 換到OFF狀態。為了將IGBT Sb2保持在導通狀態，控制信號50將柵極電壓Vgb2保持在ON 狀態。當柵極電壓Vgal切換到OFF時(如在緊接著時間t = 1之前圖8中的波形圖90示 出的)，IGBT Sal變為截止且電流I1top逐漸減小(如在時間t = 1之前和在時間t = 1之 後波形圖94所示)。當電流I1top在時間t = 1處近似等於電流Ilimit2時，如圖8中的波形圖94所示，感 測電路元件的電參數的初始值並沿著通信路徑54通過反饋信號52將其傳輸到控制器40。 在本示例中，電參數為電壓，如圖8中的波形圖96所示。當電流I1top在時間t = 1處近似 等於電流Ilimit2時(如圖8中的波形圖94所示)，為了獲得跨過二極體Da2和IGBT Sb2所 施加的電參數的初始值，如圖9B所示，電壓傳感器Va2感測跨過二極體Da2的電壓(Va2)，電 壓傳感器Vb2感測跨過IGBT Sb2的電壓(Vb2)。在時間t = 1附近的電參數Va2指示當逆變 器46中的電路元件處於相對低溫並且流過逆變器46的電脈衝具有相對低的電流量值(如 Ilimit2)時跨過二極體Da2的電壓，在時間t = 1附近的電參數Vb2指示當逆變器46中的電路 元件處於相對低溫並且流過逆變器46的電脈衝具有相對低的電流量值(如Ilimit2)時跨過 IGBT Sb2的電壓。來自電壓傳感器的電壓測量Va2和Vb2為反饋信號52沿著通信路徑54能 夠傳輸到控制器40的電參數的兩個初始值的示例。在逆變器46的其他開關構造中，控制 器40能夠獲得電力轉換系統34中的其他電路元件的電參數的初始值。
在圖7中示出的流程圖60的步驟66，將電脈衝施加到本測試時序中描述的以及圖 9A、圖9B、圖9C和圖10中示出的電路元件(例如，IGBT Sal、二極體Dal、IGBT Sb2和/或二 極管Db2)。控制器40將控制信號50傳輸到電力轉換系統34中的逆變器46，以將電脈衝施 加到電路元件。電脈衝加熱電路元件，從而使電路元件的溫度從初始溫度上升到高於初始 溫度的值。施加到逆變器46中的每個電路元件的電脈衝可以是電流脈衝或電壓脈衝。如果 電脈衝為電壓脈衝，則電脈衝具有電壓值。類似地，如果電脈衝為電流脈衝，則電脈衝具有 電流值。圖8的波形圖94示出電脈衝為電流脈衝。如圖8中的波形圖94所示的電脈衝可以是短的(一秒鐘的若干分之幾或更短)， 也可以是長的(幾十秒或更長)。例如，取決於系統30的構造，電脈衝可在幾百微秒到幾十 秒之間。如圖9A和圖10所示，控制器40可控制逆變器46以將電脈衝施加到逆變器46中 的一個或多個電路元件。例如，為了將電脈衝施加到具有IGBT Sal的第一電力開關44和具 有IGBT Sb2的第二電力開關44，控制器40將控制信號50傳輸到逆變器46以在時間t = 1 禾口 t = 2之間導通IGBT Sal和IGBT Sb2(在圖8中示出)。如在時間t = 1禾口 t = 2之間的 圖8中的波形圖94所示，流過電動機38的繞組的電流I1top的量值增加直到控制器40將柵 極電壓Vgal切換到OFF。當柵極電壓Vgal被切換到OFF時(如在時間t = 2之前圖8中的 波形圖90所示)，IGBT Sal變為截止且電流Iltrap逐漸減小。當圖9A的電流I1top在時間t = 1和t = 2之間變得略高於電流Ilimitl (如圖8中的波形圖94通常性地示出的)時，控制器 40在時間t = 2之前傳輸控制信號50以截止IGBT Sal並將IGBT Sb2保持在導通狀態。當 柵極電壓Vgal被切換到OFF時(如在時間t = 1和t = 2之間圖8中的波形圖90所示)， IGBT Sal變為截止且電流I1top逐漸減小(如在時間t = 1和t = 2之間圖8中的波形圖94 所示)。當電流Iltrap減小太多而遠離電流Ilimitl時，可再次導通IGBT Sal和IGBT Sb2以將回 路電流提升到高於電流Ilimitl的級別，然後再次截止IGBT Sal以使電流續流(free-wheel)。 重複這種模式以將迴路電流維持在高級別(在本示例中為電流Ilimitl)附近。如果電動機的 反電動勢低，則可以以低速率(如幾百赫茲或更低)重複這種模式。因此，電路元件的損失 主要在傳導方面，並且開關損失很小。電路元件的傳導損失近似等於跨過該電路元件的電 壓降乘以通過電路元件的電流。當電脈衝加熱電路元件時，流過逆變器46的電脈衝具有相 對高的電流量值(如 1Iimitiy °參照圖8，施加到逆變器46中的電路元件的電脈衝將電路元件加熱到更高的溫 度，特別是在時間t = 2和t = 3之間當IGBT Sal可周期性地導通和截止而IGBT Sb2保持 在導通狀態以保持電流Iltrap近似等於電流Ilimitl時。隨著IGBTSal導通和截止，二極體Da2 和IGBT Sb2將加熱到更高的溫度。為了將電動機電流(Iltrap)保持在預期的幅值範圍內，可 對本示例的電力開關44中的IGBT Sal和IGBT Sb2進行間歇性地調製，以將電脈衝的電流幅 值提高到預期的級別(例如，如圖8中的波形圖94所示的電流Ilimitl)。或者，當期望更高 電流幅值的電脈衝時，控制器40可控制逆變器46以使IGBT Sal和IGBT Sb2導通更長的時 間，從而將電脈衝斜坡提升(ramp up)到更高的級別。然後，電脈衝(以更高的循環電流) 再次處於續流(free-wheeling)狀態，並能在很小的幹擾下記錄電壓和電流。當電脈衝處 於更高的電流時，電路元件的傳導損失更高，這使電路元件的溫度升高。
除將電脈衝施加到逆變器46中的一個或多個電路元件之外，控制器40還能在電 脈衝加熱電路元件時獲得跨過電路元件的電參數的值。例如，當電流Iloop在時間t = 1和 t = 2之間逐漸減小時(如圖8中的波形圖94所示)，電壓傳感器Va2和Vb2可感測電路元 件的電參數Va2和Vb2並沿著通信路徑54通過反饋信號52將其傳輸到控制器40。在時間t =2處當電流Iltrap近似為電流Ilimitl時(如圖8中的波形圖94所示)，如圖9B所示，電壓 傳感器Va2感測跨過二極體Da2的電壓(Va2)，電壓傳感器Vb2感測跨過IGBT Sb2的電壓(Vb2)。 在時間t = 2處的電參數Va2指示當在逆變器46中加熱電路元件時跨過二極體Da2的電壓， 在時間t = 2處的電參數Vb2指示當在逆變器46中加熱電路元件時跨過IGBT Sb2的電壓。 類似地，控制器40可在時間t = 3和t = 4時獲得電參數Va2和Vb2。在步驟68，在電脈衝衰減到預定值(在本示例中為Ilimit2)之後，在t = 4處感測 電路元件的電參數。控制器40可從存儲器42中獲得該預定值，以基於預先存儲的數據以 及測得的跨過電路元件的電壓和通過電路元件的電流來估計電路元件的溫度。控制器40 可控制逆變器46，以使施加到電路元件的電脈衝衰減到預定值。更具體地講，控制器40將 控制信號50傳輸到逆變器46，以使IGBT Sal和IGBT Sb2在圖8的時間t = 3和t = 4之 間截止。如在時間t = 3和t = 4之間圖8中的波形圖94所示，流過電動機38的繞組的 電流Iltrap的量值減小。在本測試時序中，IGBT Sal和IGBT Sb2截止以允許電流I1top從電流 Ilimitl降低到略高於電流Ilimit2的級別。在本測試時序中，Ilimit2等於所述預定值。當電流 Iloop降低到大約Ilimit2時，控制器40將柵極電壓Vgb2從OFF切換到ON。當柵極電壓Vgb2被 切換到ON時(如在時間t = 4之前的波形圖92所示)，IGBT Sb2變為導通，並且與IGBT Sal 和IGBT Sb2在時間t = 3和t = 4之間截止時相比，電流Iltrap較為緩慢地減小。在時間t =4處，當電流Iltrap逐漸減小時，電壓傳感器Va2和Vb2感測電路元件的電參數Va2和Vb2並 沿著通信路徑54將其傳輸到控制器40。在時間t = 4附近，當電流I1top近似等於所述預 定值(例如，如圖8中示出的Ilimit2)時，感測電路元件的電參數。在電脈衝衰減到預定值並且電路元件被加熱之後，一個或多個電壓傳感器Val、 Va2> Vbl、Vb2、Vcl和v。2可感測電路元件的電參數以獲得電參數的後續值。例如，為了感測電 路元件二極體Da2和IGBT Sb2的電參數，如圖9B所示，電壓傳感器Va2感測跨過二極體Da2的 電壓(Va2)，電壓傳感器Vb2感測跨過IGBT Sb2的電壓(Vb2)。在時間t = 4附近或在時間t =4處的電參數Va2指示當流過逆變器46的電脈衝衰減到預定值(如Ilimit2)時跨過二極 管Da2的電壓，在時間t = 4附近或在時間t = 4處的電參數Vb2指示當流過逆變器46的電 脈衝衰減到預定值(如Ilimit2)時跨過IGBT Sb2的電壓。回想一下，電參數可以是電壓或電 流，因此，電參數的後續值可以是電壓值或電流值。基於感測電路元件的電參數，控制器40 可通過沿通信路徑54傳輸的反饋信號52來獲得電參數的後續值。在圖7中示出的流程圖60的步驟70，估計電路元件的後續溫度(T)。控制器40 可基於電參數的後續值來估計後續溫度(T)。控制器40可將表示電路元件的初始的期望溫 度的值、電參數的初始值、電參數的後續值和電脈衝的預定值存儲到存儲器42，並可從存儲 器42獲取表示電路元件的初始的期望溫度的值、電參數的初始值、電參數的後續值和電脈 衝的預定值。如圖7和圖8所示，跨過電力開關44的電路元件的電壓為電動機電流(Iltrap)和 電路元件的溫度的函數。跨過電路元件的電壓基於電路元件的溫度和流過電路元件的電
13動機電流(I1top)的這一關係可被存儲在控制器40的存儲器42中。例如，當跨過電路元 件的電壓和電路元件的溫度之間的關係通常為線性時，對於給定的電脈衝的值(例如，使 用電動機電流或電流Iltrap),跨過電路元件的電壓基於電路元件的溫度的關係可被存儲為 恆定值「m」。更具體地講，可在存儲器42中將所述關係存儲為解析式，例如，上述的V = V0+mX (T-T0)或T = TQ+(V-VQ)/m，其中，「Τ」表示控制器40所估計的後續溫度。在另一示 例中，可在存儲器42中將「m」的值存儲為查找表。此外，可在存儲器42中對「m」的值進行 編輯和編程。例如，控制器可(例如)在系統30的標定循環期間對存儲在存儲器42中的 「m」的值進行編輯或重新編程。在這樣的示例中，對於電力轉換系統34中的每個電路元件， 控制器40可動態地「獲悉」或定製「m」的值或(T-Ttl)的值和(V-Vtl)的值之間的關係。如圖8所示，當控制器40以預定值(如Ilimit2)施加電脈衝時，「m」的值通常是恆 定的。因此，當電脈衝的值是已知的並因此得知「m」的值時，跨過電路元件的電壓可被表示 為V = V0+mX (T-T0)。「m」的值基於IGBT、二極體或其他電路元件是如何響應特定值的電 脈衝的。因此，控制器40可基於從存儲器42中獲得下列輸入之後來估計後續溫度(T)電 參數的後續值(V)、電參數的初始值(％)、電路元件的初始的期望溫度CU、基於電脈衝的 預定值而從存儲器42中計算或查找的「m」的值。如圖8所示，後續溫度(T)可被表示為如 靠近波形圖98所標記的溫度Tend。此外，控制器40可在電力轉換系統34的正常運行中斷 時獲得後續溫度(T)。在圖7中示出的流程圖60的步驟72，獲得溫度對比。控制器40將在步驟70中 獲得的後續溫度與預定溫度進行比較以獲得溫度對比。控制器40可從存儲器42獲取預定 溫度。如果後續溫度大於預定溫度，則控制器40可獲得指示電路元件過熱和/或電路元件 操作異常的溫度對比。例如，電路元件可因該電路元件的熱阻抗的不期望的增加而操作異 常。如果後續溫度不大於預定溫度，則控制器40可獲得指示電路元件如所期望地操作的溫 度對比。在步驟74，估計溫差。控制器40估計在步驟70獲得的後續溫度和在步驟62獲 得的初始的期望溫度之間的溫差(ΔΤ)。換言之，控制器40可估計在相同的預定功率損失 下，從時間t = 1附近到t = 4附近電路元件的溫度變化的量。此外，控制器40可將溫差 與預定溫差進行比較，以確定溫差是否超過預定溫差。圖9A、圖9B、圖9C和圖10中示出的測試時序可為控制器40提供信息，以為兩個 電路元件二極體Da2和IGBT Sb2計算溫差。溫差Δ Td表示二極體Da2在時間t = 1和時間 t = 4之間的溫差，而溫差Δ Ts表示IGBT Sb2在時間t = 1和時間t = 4之間的溫差。因 此，控制器40報告關於二極體Da2的信息以獲得溫差Δ TD，控制器40報告關於IGBT Sb2的 信息以獲得溫差ATS。控制器40可利用溫差八1 和Δ Ts來指示各個電路元件或作為整體 的電力轉換系統34是否如所期望地操作。控制器40可利用存儲在存儲器42中的下面的式子ATd = HId(Vd-Vcid)或與該式子 對應的查找表來估計溫差ΔΤβ。控制器40從步驟64獲得電參數的初始值(Vcid)、從步驟68 獲得與電路元件(即，二極體Da2)的預定值對應的「mD」的值、從步驟70獲得電參數的後續 值(Vd)，以估計溫差Δ TD。溫差Δ Td指示當電脈衝在時間t = 1和t = 4之間加熱二極體 Da2時二極體Da2是如何響應的。類似地，控制器40利用存儲在存儲器42中的下面的式子Δ Ts = ms (Vs-Vos)或與該式子對應的查找表來估計溫差ATS。控制器40從步驟64獲得電參數的初始值(VcisKW 步驟68獲得與電路元件(即，IGBT Sb2)的預定值對應的「ms」的值、從步驟70獲得電參數 的後續值(Vs)，以估計溫差Δ Tso溫差Δ Ts指示當電脈衝在時間t = 1禾Π t = 4之間加熱 IGBT Sb2時IGBT Sb2是如何響應的。 在步驟76，獲得溫差對比。回想一下，電路元件的溫度變化的速率可指示電路元件 是否具有一個或多個問題。控制器40可以以許多方式來獲得溫差對比。
在一個示例中，控制器40基於相同的功率損失下的預定溫差來獲得溫差對比。控 制器40可從存儲器42獲取預定溫差。此外，控制器40可(例如)在標定或測試電路元件 時將預定溫差存儲在存儲器42中。在操作中，控制器40將在步驟74估計的溫差與預定溫 差進行比較，以獲得溫差對比。如果在步驟74估計的溫差大於預定溫差，則控制器40可獲 得指示電路元件過熱和/或電路元件操作異常的溫差對比。例如，電路元件可因該電路元 件的熱阻抗的不期望的增加而操作異常。如果在步驟74估計的溫差不大於預定溫差，則控 制器40可獲得指示電路元件如所期望地操作的溫差對比。在另一示例中，控制器40將在步驟74估計的溫差與存儲在存儲器42中的預定的 溫度範圍進行比較，以獲得溫差對比。如果在步驟74估計的溫差在預定的溫度範圍之外， 則控制器40可獲得指示電路元件過熱和/或電路元件操作異常或具有一個或多個問題的 溫差對比。相反，如果在步驟74估計的溫差在預定的溫度範圍之內，則控制器40可獲得指 示電路元件如所期望地操作的溫差對比。在步驟78，估計熱阻抗(ZthCTmal)。控制器40基於由電脈衝引起的估計的電路元 件的功率損失(P)以及在步驟74估計的溫差(ΔΤ)來估計電路元件的熱阻抗。表示估計 的電路元件的功率損失(P)和溫差(ΔΤ)之間的關係的計算或查找表可基於下式來表示
權利要求
一種用於產生信號的系統，該信號指示電路元件是否如所期望地操作，所述系統包括計算機可讀的存儲介質；控制器，與所述存儲介質進行通信，所述控制器被構造為執行一種方法，該方法包括如下步驟獲得電路元件的初始的期望溫度和電路元件的電參數的初始值；將電脈衝施加到電路元件以使電路元件的溫度升高；在電脈衝衰減到預定值之後，感測電參數以獲得電參數的後續值；基於初始的期望溫度、初始值、後續值和預定值來估計電路元件的後續溫度；基於後續溫度來產生指示電路元件是否如所期望地操作的信號。
2.如權利要求1所述的系統，其中，所述方法還包括基於後續溫度來估計電路元件的 熱阻抗及基於熱阻抗來產生所述信號。
全文摘要
本發明在於提供一種用於產生信號的系統。一種用於監測電力電子系統的健康狀態的系統和方法。獲得表示電路元件的初始的期望溫度的數據以及電路元件的電參數的初始值。將電脈衝施加到電路元件以加熱電路元件。在電脈衝衰減到預定值之後，感測電路元件的電參數並獲得電參數的後續值。基於電路元件的初始的期望溫度、電參數的初始值和後續值以及電脈衝的預定值來估計電路元件的後續溫度。基於該後續溫度，產生指示電路元件是否如所期望地操作的信號。
文檔編號H02P6/06GK101958676SQ20101022741
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月12日 優先權日2009年7月14日
發明者梁振賢, 麥可·W·德格內爾, 陳清麒 申請人:福特全球技術公司