[发明专利]包括功率晶体管的电子控制电路和监控功率晶体管的使用寿命的方法

说明书

技术领域

根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种用于电气设备的电子控制电路，尤其是设计为EC电机的整流电子系统，所述电子控制电路具有多个在工作模式下被控制用来控制所述设备的功率晶体管。

此外，本发明还涉及一种新颖的方法，用于监控所述类型的电子控制电路的功率晶体管的使用寿命。

背景技术

电子控制电路在很多设计中是已知的。在优选配置的情形下，作为EC电机，例如无刷电子整流电机的整流电子设备，通常将四个或六个功率晶体管连接到一个桥式功率放大器上，所述功率放大器由DC电压中间电路供电。单个功率晶体管由控制单元控制，因此，在某种意义上依靠电机的旋转位置控制所述电机绕组，以这样的方式生成用于旋转电机的旋转磁场。在这方面，所述功率放大器实际上担当逆变器，其还可能产生用于速度调整的PWM时钟。

控制电路通常作为用于其它用途的逆变器或者变频器也是已知的。

所述功率晶体管可以作为分立元件被设置在支撑物，例如电路板上，或者可被整合在共用基底的一个模块中。而且，所述功率晶体管可被设置在散热器上，并且被设计为双极晶体管，例如IGBT或者MOSFET。

理论上，半导体元件不受使用寿命的任何限制。然而，实际上，功率晶体管的老化过程和彻底失效确实会发生，例如从经验中可知半导体组件在实际使用中具有有限的使用寿命。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种装置，该装置可以监控功率晶体管的老化过程，确定和指示即将结束的使用寿命。

依照本发明，在根据独立权利要求1的控制电路的情况下可以实现上述目的，独立权利要求1的控制电路依靠一个附加的、类似的参考晶体管，所述参考晶体管在所述功率晶体管的工作模式下是不带电的，并和所述功率晶体管一起被设置或形成在一个共用的支撑物或基底上，独立权利要求1的控制电路还利用装置在测试模式下向所述参考晶体管和至少一个所述功率晶体管施加测试电流，独立权利要求1的控制电路还利用装置测量每一个的饱和电压，以及利用装置估计由测量的参考晶体管和各个功率晶体管的饱和电压产生的饱和电压差，参照经验值，考虑测量期间的支撑物/基底的主要温度来作为所述功率晶体管的老化过程和预期剩余使用寿命的判据。

在本发明的一个有利改进中，提供附加装置来记录和估计在各个连续的测试模式下记录的饱和电压差的变化率，作为老化过程进展的补充判据。在该过程中，考虑每一个时间单元或每一个负载变化的变化率。

用于监控所述类型电子控制电路的功率晶体管的预期剩余使用寿命的新颖方法是独立权利要求10的主题，根据独立权利要求10，在所述控制电路的测试模式下，测量其中的至少一个功率晶体管的饱和电压，为了与所述功率晶体管的饱和电压进行比较，在相同的环境条件下同样地测量一个附加的、类似的参考晶体管的饱和电压，所述参考晶体管在所述控制电路的工作模式下是不带电的，并和所述功率晶体管一起被设置或形成在一个共用的支撑物或基底上，估计结果饱和电压差，基于先前计算和存储的基于经验的经验值，考虑测量期间的支撑物(例如散热器)或者基底的温度来作为所述功率晶体管的老化过程的进展和预期剩余使用寿命的判据。更可取地，在连续执行的各个测试模式下的变化率也被记录和估计用来作为剩余使用寿命的判据。

在各个从属权利要求3-9和12-17以及下述说明书中包括了本发明的其它的有利实施例和改进。

本发明是基于这样的知识，即，尤其是将半导体芯片嵌入壳体中并且将所述芯片电连接到实际的外部组件连接是影响使用寿命的实质因素。在所述过程中的两个主要因素，一方面是所谓的焊接到所述芯片的上表面，而另一方面是将所述芯片焊接连接到导电的“衬底”，所述衬底例如可以是引线框架或者铜层状复合陶瓷。这些焊接连接在每一个负荷循环受到来自芯片、焊接和各个衬底的应力。在一个负荷循环期间，芯片中的温度上升的越快，在焊接连接区域的机械应力负荷就越大，对这些连接的使用寿命的影响就越强。反复的应力负荷导致半导体芯片从所述衬底脱层，所述脱层在所述芯片的下面从芯片的边缘朝向中心推进。日益增加的脱层导致焊接连接的热阻显著增加。因此，随着负荷循环数目的增加，所述芯片的绝对温度在均匀的功耗上持续增加。如果所述温度超过了最大的可允许的芯片温度，通常是150-175℃，会导致毁坏所述半导体芯片。此外，已经明白的是，所述饱和电压，即在晶体管的满载状态下的集电极-发射机电压，直接由电流和温度而定。芯片温度越高，饱和电压也就越高。