與基于熱擴(kuò)張（Wjirmespreizung)的熱模型相比考慮到空間中的三維的散熱情況。所述熱 擴(kuò)張以從所述半導(dǎo)體開關(guān)的芯片到其散熱體的、單維的熱路徑為出發(fā)點(diǎn)，并且由此過于保 守地計(jì)算所述阻擋層溫度。
[0045] 在進(jìn)行卷積時(shí)要使用損耗功率曲線。用在此求得的Zth函數(shù)來求得阻擋層與冷卻 介質(zhì)之間的溫度增量。如果知道所述冷卻介質(zhì)的溫度，則由此可以確定所述阻擋層溫度。
[0046] 如果在系統(tǒng)理論上觀察所述熱阻抗，那么所述熱阻抗就代表著輸入信號(hào)與輸出信 號(hào)之間的傳遞函數(shù)。在此，輸入信號(hào)是損耗功率，輸出信號(hào)是所產(chǎn)生的溫度信號(hào)：
Zth(t)由此代表著對(duì)于狄拉克沖擊（Dirac-Stofi)的系統(tǒng)響應(yīng)。在數(shù)學(xué)上，這與所述階 躍響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)等值?？梢员砻鳎a(chǎn)生的溫度曲線可以以如下方式來計(jì)算：
在此，T。代表著冷卻劑溫度并且A(t)代表著階躍響應(yīng)。它們可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者借助于 FEM模擬(像在本發(fā)明的范圍內(nèi)有利地設(shè)置的一樣）以足夠的精度來求得。
[0047] 為了求得所述溫度曲線，以所述冷卻介質(zhì)的溫度為幅度來移動(dòng)所產(chǎn)生的溫度曲 線。在一個(gè)模塊上存在多個(gè)芯片的情況下，也必須考慮到熱源的疊加。為此要將通過N個(gè) 以芯片的形式出現(xiàn)的熱源所誘發(fā)的溫度合計(jì)。在此所述冷卻介質(zhì)的溫度T。對(duì)所有模型來 說是相同的：
在以矩陣的形式示出的情況下，這相當(dāng)于(對(duì)于η個(gè)所研究的溫度位置和η個(gè)熱源來 說）：
[0048] 圖3在此示出了矩陣-系數(shù)的意義。在此示出了一種半導(dǎo)體模塊30,該半導(dǎo)體模 塊擁有四個(gè)半導(dǎo)體31到34。
[0049] A11描繪了在所述功率輸入的位置(這里是半導(dǎo)體31)上的溫度-階躍響應(yīng)，而A 21則描繪半導(dǎo)體32如何通過半導(dǎo)體31上的功率躍變而變熱。相應(yīng)的情況適用于A31和A 41。 由此，不僅描繪功率模塊的半導(dǎo)體之間的、三維的熱傳遞而且描繪了功率模塊的半導(dǎo)體之 間的相互影響。
[0050] 如果在所述控制儀中所述卷積需要太多的計(jì)算時(shí)間，那么在一種作為替代方案的 實(shí)施方式中可以通過參數(shù)評(píng)估法來按近所述預(yù)熱曲線，并且以Cauer-或者Foster模型的 形式來推導(dǎo)出熱等效電路圖。
[0051] 如開頭所解釋的那樣，在沒有已知的冷卻劑溫度(散熱體或者冷卻水）的情況下所 作的計(jì)算對(duì)于在車輛運(yùn)行中的使用來說也特別有利。
[0052] 如果不知道所述冷卻劑溫度，那就可以使用所謂的觀測(cè)程序（Beobachter)，該觀 測(cè)程序在圖4中示意性地示出并且在總體上用40來表示。這里所使用的參數(shù)評(píng)估法同樣 基于所述卷積方法。在這種方法中，在FEM模型中離線求得所述觀測(cè)程序的矩陣。在此，所 述觀測(cè)程序的階必須足夠高，用于能夠足夠精確地在所述模型中模仿所述預(yù)熱曲線。如果 內(nèi)部的狀態(tài)變量不能直接測(cè)量、但是很重要，則要使用觀測(cè)程序。從輸入及輸出參量的動(dòng)態(tài) 的關(guān)聯(lián)中通過微分方程組(模型)來重建所述內(nèi)部的狀態(tài)。在與真實(shí)的系統(tǒng)并行的情況下用 軟件來模擬推導(dǎo)出來的模型。在使用完美的模型的情況中，所重建的(所觀測(cè)的、這里比如 傳感器溫度）狀態(tài)精確地與真實(shí)的狀態(tài)相一致。
[0053] 但是因?yàn)樵趯?shí)際上不是這種情況，所以要將所重建的測(cè)量變量與所測(cè)量的測(cè)量變 量進(jìn)行比較，并且與調(diào)整計(jì)劃（Regelentwurf)相類似將其反饋到所述觀測(cè)程序系統(tǒng)中。在 當(dāng)前的情況中，作為輸入?yún)⒘慨a(chǎn)生所計(jì)算的損耗功率，并且作為輸出參量產(chǎn)生所述半導(dǎo)體 模塊中的傳感器的所測(cè)量的溫度。但是，所述半導(dǎo)體溫度對(duì)于所述調(diào)低處理來說具有決定 性的重要性，所述半導(dǎo)體溫度作為內(nèi)部的狀態(tài)參量被建模并且由此在觀測(cè)程序系統(tǒng)中被重 建。在此要注意，所建立的模型滿足可觀測(cè)性的、調(diào)整技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。通過所模擬的與所測(cè)量 的傳感器數(shù)值之間的偏差，可以估計(jì)所述冷卻劑溫度，并且可以識(shí)別出所述冷卻介質(zhì)中的 干擾。在沒有保存溫度升程的情況下所作的計(jì)算，如開頭所解釋的那樣對(duì)于在車輛運(yùn)行中 的使用來說特別有利。
[0054] 在使用壽命試驗(yàn)中，為此如在圖5中示意性地示出的并且用50所表示的那樣，在 溫度升程和平均的溫度的基礎(chǔ)上求得沃勒（W0hler)疲勞曲線51到53。每個(gè)溫度升程都相 應(yīng)于材料層中的應(yīng)力-應(yīng)變-滯后，所述應(yīng)力-應(yīng)變-滯后由于在構(gòu)造及連接技術(shù)中所使 用的材料的熱失配（thermisches Mismatch)而產(chǎn)生。由此，所述溫度升程的量相應(yīng)于在所 述連接技術(shù)中所輸入的能量并且所述升程的平均的溫度相應(yīng)于中等應(yīng)力。
[0055] 為了能夠在所耗用的使用壽命(也就是實(shí)際負(fù)荷）方面對(duì)隨機(jī)的溫度信號(hào)進(jìn)行評(píng) 估并且能夠使用線性的損傷聚集（Schadensakkumulation)，必須將所述隨機(jī)的溫度信號(hào)分 解為單個(gè)的升程。每個(gè)升程都相應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變-滯后并且由此相應(yīng)于所加入的能量。由 此滿足用于使用線性的損傷聚集的條件，所述損傷聚集以以下情況為出發(fā)點(diǎn)：每個(gè)構(gòu)件都 擁有能夠承受的、直至完全失靈之前可以被壓入的斷裂功。如果所消耗的能量相當(dāng)于能夠 消耗的能量并且由此這里用D表示的損傷值具有1的數(shù)值，那么直至所述可加荷性的極限 條件之前對(duì)所述部分能量進(jìn)行合計(jì)。
[0056] 只有在所述應(yīng)力以及由此所述溫度重又具有原始的量時(shí)，才產(chǎn)生完全的滯后。 因此，為了確定半導(dǎo)體的使用壽命，也在對(duì)溫度升程進(jìn)行分類時(shí)有利地使用雨流計(jì)數(shù)法 (Rainflow-Zjihlung)(如在現(xiàn)有技術(shù)中在使用強(qiáng)度中一樣)，所述雨流計(jì)數(shù)法僅僅對(duì)完整的 升程進(jìn)行計(jì)數(shù)。由此，可以將從材料學(xué)中知道的、用于對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變-滯后進(jìn)行計(jì)數(shù)的雨流 法用于對(duì)溫度升程進(jìn)行計(jì)數(shù)。
[0057] 對(duì)于在本申請(qǐng)的范圍內(nèi)所建議的使用情況來說，向所述雨流計(jì)數(shù)法并且向緊接著 的損傷計(jì)算提出兩項(xiàng)主要要求。因?yàn)椋?)將所述溫度升程完全保存在雨流矩陣中的做法在 整個(gè)使用壽命期間會(huì)在所述控制儀中引起較高的成本，所以所使用的方法應(yīng)該放棄對(duì)于這 些數(shù)據(jù)的保存。此外，本申請(qǐng)包括（2)對(duì)影響負(fù)荷的因數(shù)、比如對(duì)逆變器的系統(tǒng)的、調(diào)整性 的干預(yù)。所述調(diào)整量在此是當(dāng)前的損傷值D，在調(diào)整的意義上必須在運(yùn)行過程中、也就是說 在線提供所述當(dāng)前的損傷值D。
[0058] 所謂的在線損傷計(jì)算適合于滿足這些條件。這種為機(jī)械的應(yīng)力而開發(fā)的方法由于 上面所描述的、與溫度升程的相似性而同樣可以用于對(duì)溫度升程進(jìn)行直接的計(jì)數(shù)。下面概 括地對(duì)所述方法進(jìn)行描述。
[0059] 所述方法的基本構(gòu)思是，在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中借助于可以在線的4點(diǎn)算法來對(duì) 所述動(dòng)態(tài)的負(fù)荷進(jìn)行雨流-計(jì)數(shù)。在此被探測(cè)到的完整的負(fù)荷滯后可以直接借助于沃勒 (W0hler)疲勞曲線來換算為損傷量。將所述損傷量加到迄今為止存在的總損傷上。通過這 種方式，可以以較小的保存需求來在線確定并且繼續(xù)使用損傷值。
[0060] 所述用于進(jìn)行在線損傷計(jì)算的方法在圖6中草繪出來，并且在總體上用60來表 示。這種處理方式在使用強(qiáng)度方面部分地相應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)。出于上面所提到的原因，為了 對(duì)溫度升程進(jìn)行計(jì)數(shù)而可以對(duì)這種處理方式進(jìn)行適應(yīng)處理。所述能夠按本發(fā)明來使用的適 應(yīng)處理得到了說明。
[0061] 在步驟61中對(duì)信號(hào)值進(jìn)行更新。在步驟62中，在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)拐點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)。 如果沒有探測(cè)到這樣的拐點(diǎn)，則在步驟63中繼續(xù)阻擋層-溫度模擬并且提供63b溫度值。 如果在步驟62中探測(cè)到拐點(diǎn)，則用步驟64繼續(xù)所述方法，在所述步驟64中對(duì)堆棧（Stack) 進(jìn)行更新。
[0062] 在下一下步驟65中，對(duì)振動(dòng)間隙（Schwingspiel)進(jìn)行檢查。如果其是積極的，則 執(zhí)行步驟66 ;如果不是，則像上面一樣用步驟63來繼續(xù)所述方法。
[0063] 在步驟66到68中保存所述振動(dòng)間隙，并且隨后進(jìn)行損傷計(jì)算。最后將所述振動(dòng) 間隙從所述堆棧中消除并且為新的周期而釋放所述堆棧。
[0064] 尤其所述步驟67代表著一種有利的、相對(duì)于所熟知的、適合于在機(jī)動(dòng)車中使用的 方法的拓展方案。
[0065] 所述在線-損傷計(jì)算在負(fù)荷信號(hào)y(t)的基礎(chǔ)上工作。在當(dāng)前的情況中，為此考慮 使用所觀測(cè)的溫度曲線，在此適用y (t) =T(t)。將當(dāng)前所觀測(cè)的溫度曲線讀入并且與兩個(gè) 早先所觀測(cè)的信號(hào)值一起保存在量TSP1 (TSP=Three Signal Points)中（試參照步驟61)。 所述量TSP1的內(nèi)容隨著時(shí)間而變化。
[0066] 利用符號(hào)比較，可以檢查，TSPt*的平均的數(shù)