提供關于半導體元器件的老化狀態(tài)的信息的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于提供關于功率電子設備的半導體元器件的老化狀態(tài)的信息的方法。特別地，應當能夠提供關于電運行的車輛或風輪的變流器的半導體元器件的這樣的信息。此外，本發(fā)明涉及一種功率半導體裝置，其提供關于半導體元器件的老化狀態(tài)的信息。
【背景技術】
[0002]功率半導體老化。類似于汽車輪胎的輪廓，功率半導體(IGBT，D1de，MOSFET等)磨損直到故障。在電運行的車輛的變流器中采用功率半導體時，這樣的故障能夠導致變流器輸出級的自發(fā)的完全故障，其結果是機動車輛無法行駛。與例如汽車輪胎其輪廓磨損取決于車道特性、駕駛員的駕駛行為和天氣的情況相類似地，功率半導體同樣取決于多個應用參數(shù)不同地快速老化。然而其它的與汽車輪胎的情況不同地，不能夠利用視覺檢測測定功率半導體的老化狀態(tài)。為了測量壽命消耗，需要虛擬的阻擋層溫度(僅能間接測量)，并且此外在負載電流時的導通電壓是適合的。虛擬的阻擋層溫度(利用測量電流測量)聯(lián)系產(chǎn)生虛擬的阻擋層溫度的損失功率給出了關于半導體的內部老化狀態(tài)的消息，同時在存在負載電流(比測量電流大二至四個數(shù)量級)時的導通電壓給出了關于芯片上側觸點接通的狀態(tài)的消息。
[0003]該測量方法在負載變換測試時應用。負載變換測試是在功率半導體的研發(fā)/資格證明階段中進行的類型試驗，根據(jù)其結果測定功率半導體的壽命曲線。對此必須在用于確定虛擬的阻擋層溫度(后面也簡稱為“阻擋層溫度”)的測試開始之前選擇性地調校功率半導體?，F(xiàn)今習慣的方法、從外部加熱半導體的“被動調校”必須利用附加設備實施(加熱室或者加熱板)，并且不能夠在使用位置(變頻器)中實現(xiàn)。
[0004]迄今為止在產(chǎn)品研發(fā)期間的準備階段中計算的是，相應的功率半導體多長時間執(zhí)行完其功能。為了在機動車輛領域中估測功率半導體的壽命，在功率半導體的壽命曲線上反映了壽命模擬中的不同的行駛軌跡。計算的質量一方面取決于行駛軌跡的有關實踐，并且另一方面取決于之后的現(xiàn)實，即電運行的車輛的駕駛員實際上是否遵循制造商的行駛軌跡。后者也許是很少見的情況。迄今為止無法實現(xiàn)壽命消耗或者老化率的現(xiàn)場測量。
[0005]從在后公開的DE 10 2012 005 815中已知了用于測定功率電子設備的半導體元器件的溫度調校特征曲線的方法。對此，半導體元器件的功率接口與用于負載電流的第一電流源、用于測量電流的第二電流源、用于測量要么經(jīng)由功率接口要么經(jīng)由與功率接口連接的輔助接口下降的電壓的伏特表聯(lián)接。此外，與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接的半導體元器件在接通第一電流源時的間隔中經(jīng)由其損失功率加熱。在通過半導體元器件的熱學的主時間常數(shù)確定的時間段之后的間隔之間的、在斷開第一電流源和接通第二電流源時經(jīng)由功率接口或輔助接口下降的電壓作為代表溫度的值來測量。同時，溫度借助于至少一個在半導體元器件上耦連的并且與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)聯(lián)接的溫度傳感器來檢測，并且相應地溫度對應于一個電壓值。這些值和溫度在近似之后形成半導體元器件的調校特征曲線。
[0006]DE 10 2010 000 875 A1講述了用于確定變流器中的功率晶體管的阻擋層溫度的方法。此外，該方法用于通過計算功率晶體管的熱阻來識別老化現(xiàn)象和用于預測功率半導體的剩余壽命。
[0007]此外，W0 2013/075 733 A1講述了用于監(jiān)視功率晶體管的壽命的方法。對此，未負載的參考晶體管與功率晶體管一起布置在共同的基板上。在測試模式中為參考晶體管和至少一個功率晶體管施加檢測電流，其中，用于監(jiān)視功率晶體管的方法從現(xiàn)在起測定功率晶體管的待預期的剩余壽命。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的在于，能夠在現(xiàn)場更好地確定半導體元器件的老化。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，該目的通過用于如下提供關于功率電子設備的半導體元器件的老化狀態(tài)的信息的方法實現(xiàn)，其如下實現(xiàn)
[0010]-在半導體元器件開始運轉之前:
[0011]Ο測定半導體元器件的溫度相對于在存在測量電流時在半導體元器件上的電壓的特征曲線，并且
[0012]ο從半導體元器件的溫度上升和損失功率的商中測定半導體元器件的熱阻的參考阻值，
[0013]-在半導體元器件開始運轉之后:
[0014]ο測量在存在測量電流時在半導體元器件上的電壓，并且根據(jù)特征曲線從測量的電壓中確定參考溫度值，
[0015]ο通過由損失功率引起的負載電流加熱半導體元器件，測量在加熱后在半導體元器件上存在測量電流時的當前電壓，并且根據(jù)特征曲線從當前電壓中確定當前的溫度值，
[0016]ο從在當前的溫度值和參考溫度值之間測定的溫度上升中確定半導體元器件的當前的熱阻值和損失功率，
[0017]。測定當前的熱阻值和參考阻值之間的差，并且
[0018]ο取決于該差地發(fā)出關于半導體元器件的老化狀態(tài)的信息。
[0019]此外，根據(jù)本發(fā)明提供了用于電機的功率半導體裝置，其具有
[0020]-功率電子設備的半導體元器件，
[0021]-存儲裝置，在其中存儲了
[0022]ο半導體元器件的溫度相對于在半導體元器件上的電壓的特征曲線以及
[0023]ο來自半導體元器件的溫度上升和損失功率的商的半導體元器件的熱阻的參考阻值，和
[0024]-測量裝置，以用于執(zhí)行下述步驟:
[0025]ο測量在存在測量電流時在半導體元器件上的電壓，并且根據(jù)特征曲線從測量的電壓中確定參考溫度值，
[0026]ο通過由損失功率引起的負載電流加熱半導體元器件，測量在加熱后在半導體元器件上存在測量電流時的當前電壓，并且根據(jù)特征曲線從當前電壓中確定當前的溫度值，
[0027]ο從在當前的溫度值和參考溫度值之間測定的溫度上升中確定半導體元器件的當前的熱阻值和損失功率，
[0028]ο測定當前的熱阻值和參考阻值之間的差，并且
[0029]ο取決于該差地發(fā)出關于半導體元器件的老化狀態(tài)的信息。
[0030]以有利的方式在半導體元器件開始運轉之前、即在生產(chǎn)變流器的范疇中首先實現(xiàn)對半導體元器件的調校，在其中記錄溫度電壓特征曲線，并且測定用于向外運走損失熱量的半導體的電阻。隨后在開始運轉之后、即在半導體元器件的根據(jù)規(guī)定的現(xiàn)場使用期間，在主動加熱半導體元器件之前和之后實施電壓測量。隨后，從電壓測量中推斷出溫度上升，并且從溫度上升中推斷出當前的熱阻。熱阻的變化給出了關于半導體元器件的老化狀態(tài)的消息。因此，在沒有大的開銷的情況下能夠在半導體元器件的現(xiàn)場使用期間獲得關于其老化狀態(tài)的信息。
[0031]根據(jù)特征曲線從當前電壓中獲得的當前的溫度值優(yōu)選地為半導體元器件的阻擋層的虛擬的溫度或者代表該溫度的值。因此，直接考慮用于估測老化的內部的半導體溫度，而不是半導體元器件的外部的溫度。
[0032]合適地，測量電流比負載電流小至少兩個數(shù)量級。特別優(yōu)選地，測量電流位于標稱電流或者負載電流的0.25和1%之間。因為負載電流源真正地存在于電運行的車輛的傳動系中，所以為了實施僅一個附加測量電流源的根據(jù)本發(fā)明的方法，通常需要小規(guī)模的相應的半導體布置和電壓測量裝置。
[0033]用于加熱半導體元器件的負載電流能夠是脈動的。因此無需強制要求以直流電或正弦形式的交流電加熱。
[0034]半導體元器件能夠(例如集成到變流器中地)連接到電機上，并且以用于加熱半導體元器件的負載電流給該電機通電，以使得電機基本上不運動。因此，負載電流對于測量周期僅用于生成損失熱量。
[0035]此外能夠有利的是，用于提供關于半導體元器件的老化狀態(tài)的信息的根據(jù)本發(fā)明的方法直接在開始電機之前或者在關閉電機之后進行，該電機作為負載連接到半