技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种功率
电子电路，其具有至少一个半导
体模块、冷却装置和用于检测冷却装置的
温度的温度
传感器，所述
半导体模块包括至少一个半导体元件，为了冷却至少一个导体元件能够以冷却剂流过所述冷却装置，所述冷却装置包括用于冷却剂的入口和出口。此外，本实用新型涉及一种供电装置，其具有功率电子电路。
背景技术
[0002] 功率电子电路通常包括半导体模块，所述半导体模块又包括一个或多个以IGBT或
二极管的形式的半导体元件。这种功率电子电路可以例如作为变流器用于给机动车的电气设备供电。为了在运行中冷却半导体元件，功率电子电路通常具有相应的冷却装置。例如可以使用这样一个冷却装置，以冷却剂、特别是
冷却液体流过所述冷却装置。为了能够保护半导体元件免受
过热温度的影响并且同时最佳地驱动所述半导体元件，可以计算半导体元件的阻挡层的可能的温度。可能的阻挡层温度与不同的运行参数、特别是与冷却循环的运行参数有关。
[0003] 至此，在冷却装置的入口处的冷却的温度利用相应的传感器来测量或者根据热模型来计算。出于这个目的，例如可以使用温度传感器，所述温度传感器布置在半导体元件的基底材料上。为了计算阻挡层温度需要半导体元件的热
电阻。在此，通常根据在冷却装置入口处的冷却剂的温度确定热电阻。在此有问题的是，热电阻根据冷却剂的体积流量并且根据冷却剂的
热容量而改变。体积流量和热容量在它们那方面随着冷却介质的温度变化。与温度有关的粘性在冷却装置的输入端和输出端之间具有的压
力差下导致与温度有关的冷却剂流。至此，根据体积流量考虑仅仅一个用于热电阻的修正系数。在此具有的缺点是，为此体积流量应该是已知的并且因此必须被测量。此外，由于冷却剂的热容量的改变使热电阻的变化保持是不被考虑的。
[0004] 此外公知了这样的系统，其中，试验根据温度传感器的
信号确定阻挡层温度，所述温度传感器布置在半导体元件的表面上。然而不经济的是，选择性地将温度传感器安置在所有半导体元件上。因此，特别是在低的旋转场
频率下得到不充分的保护。实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的在于，可靠地驱动一种开头所述类型的功率电子电路。
[0006] 根据本实用新型的功率电子电路包括：至少一个半导体模块，其具有至少一个半导体元件；冷却装置，为了冷却至少一个半导体元件能够以冷却剂流
过冷却装置，并且所述冷却装置包括用于冷却剂的入口和出口；以及用于检测冷却剂的温度的温度传感器，其中，温度传感器设计用于检测在冷却装置的出口的区域中的冷却剂的温度。
[0007] 功率电子电路可以包括一个或多个半导体模块，所述半导体模块又可以包括以IGBT、晶体管或二极管的形式的半导体元件。功率电子电路特别是用作用于机动车的电气设备的变流器。为了冷却至少一个半导体元件，功率电子电路包括冷却装置，所述冷却装置具有冷却通道，能够以冷却剂流过所述冷却通道。此时，温度传感器布置在冷却装置的出口的区域中，利用所述温度传感器可以检测冷却剂的温度。换而言之，利用温度传感器检测在冷却装置的出口区域中的冷却剂的温度。温度传感器也可以布置在这样一个区域中，在所述区域中所述温度传感器与冷却装置的出口热耦合。利用温度传感器特别是可以检测从出口流出的冷却剂的温度。
[0008] 此时确定在冷却装置的出口处的冷却剂的温度。在功率电子电路运行中，
热能从半导体元件传递到冷却装置。与损耗功率有关地如此强地加热冷却剂，损耗功率由半导体元件产生。此外，冷却剂的温度与冷却装置中的冷却剂的体积流量有关。当测定在冷却装置的出口处的冷却剂的温度时，已经可以考虑这些参量的影响。因此，可以非常可靠地驱动功率电子电路。
[0009] 在一个实施方式中，温度传感器布置在冷却装置的内部。换而言之，温度传感器器直接位于冷却剂中。以这种方式能够非常准确地和可靠地测定在冷却装置的对应于出口的区域中的冷却剂的温度。
[0010] 在一个设计方案中，温度传感器包括
热电偶、热变阻器(Heiβleiter)和/或温度系数为正的
热敏电阻(Kaltleiter)。热电偶可以简单地和成本低廉地制造。此外，利用热电偶可以在测定冷却剂的温度中达到高的
精度。热变阻器或NTC电阻由具有负温度系数的材料制造。温度系数为正的热敏电阻或PTC电阻由具有
正温度系数的材料制造。这种传感器可以成本低廉地和节省结构空间制造。此外，利用所述传感器可靠地测定在冷却装置的出口区域中的冷却剂的温度。
[0011] 在一个可选的实施方式中，温度传感器包括二极管。在此，可以使用二极管，所述二极管由具有低的
电流强度的电流流过。根据在此相应的
电压降可以确定冷却剂的而温度。
[0012] 根据本实用新型的供电装置包括根据本实用新型的功率电子电路、用于输送冷却剂的
泵装置，该泵装置与功率电子电路的冷却装置
流体地连接、以及用于控制泵装置的控制装置。
[0013] 这种供电装置可以例如使用在机动车中用于以
电能给
电机供电。功率电子电路的冷却装置、泵装置和相应的连接管路可以构成冷却剂循环。借助于控制装置可以相应地驱控泵装置。此外，控制装置可以与功率电子电路的温度传感器连接。
[0014] 优选地，控制装置设计用于根据利用温度传感器检测的在冷却装置的出口处的冷却剂的温度确定至少一个半导体元件的阻挡层的温度。控制装置例如可以构造为相应的微
控制器，在所述
微控制器上存储相应的温度模型。温度模型可以基本以热等效电路图为
基础。这个热等效电路图可以归因于功率电子电路、特别是至少一个半导体元件和冷却装置的尺寸。此外，半导体元件、冷却装置和/或冷却剂的材料参数可以被考虑到温度模型中。热模型的参考值可以温度传感器，所述温度传感器布置在冷却装置的出口的区域中。因此，可以确定半导体元件的阻挡层的温度并且可靠地驱动功率电子电路。
[0015] 在一个设计方案中，控制装置设计用于附加地根据功率电子电路的
热阻抗和/或至少一个损耗功率确定阻挡层的温度。为此，特别是可以考虑至少一个半导体元件的热电阻。附加地或可替换地，可以考虑由至少一个半导体元件产生的损耗功率。以这种方式能够可靠地确定至少一个半导体元件的阻挡层的温度。
[0016] 优选地，控制装置根据阻挡层的确定的
温度控制泵装置。因此，例如可以在控装置中存储用于阻挡层温度的极限值，在半导体工作中不允许超过所述极限值。此外，用于阻挡层温度的预定的温度范围存储在控制装置中，在所述温度范围内半导体元件理想地被驱动。根据这个温度范围，泵装置相应地被驱控用于供应冷却剂流。以这种方式能够可靠地驱动功率电子电路。
[0017] 在另一个设计方案中，控制装置根据阻挡层的确定的温度控制和/或调节冷却剂的利用泵装置供应的体积流量。控制装置与温度传感器连接并且接收相应的温度信号。此外，所述控制装置计算至少一个半导体元件的阻挡层的温度。根据这个参数可以提供相应的控制回路或调节回路，利用所述控制回路或调节回路控制或调节冷却剂中的体积流量。
[0018] 根据本实用新型的用于驱动功率电子电路的方法，其中，功率电子电路包括具有至少一个半导体元件的至少一个半导体模块和具有用于冷却剂的入口和出口的冷却装置，所述方法包括：检测所述冷却剂的温度、根据检测的温度冷却至少一个半导体元件和检测在冷却装置的出口的区域中的冷却剂的温度。
[0019] 前面与根据本实用新型的功率电子电路所述的优点和改进方案按意义地适用于根据本实用新型的供电装置和根据本实用新型的方法。
附图说明
[0020] 现在根据附图详细地说明本实用新型。在此附图示出：
[0021] 图1是包括功率电子电路的供电装置的简图；
[0022] 图2是一个图表，在所述图表中简化地示出沿着功率电子电路的冷却装置的温度变化曲线；
[0023] 图3是一个图表，在所述图表中示出根据冷却剂的体积流量和半导体元件的损耗功率的、冷却剂的温度行程；
[0024] 图4是一个图表，在所述图表中示出对于不同时间的沿着冷却装置的冷却介质的温度。
[0025] 下面详细地描述的
实施例是本实用新型的优选的实施方式。
具体实施方式
[0026] 图1示出供电装置10的简图。供电装置10包括功率电子电路12。功率电子电路12又包括多个半导体模块14。在本实施例中，功率电子电路12包括三个半导体模块14，所述半导体模块又可以包括半导体元件、例如IGBT、晶体管、二极管。半导体模块14特别是分别构成半桥，利用所述半桥可以分别驱动电气设备的一个状态。供电装置10可以在机动车中例如用作变流器。
[0027] 此外，功率电子电路12包括冷却装置16，所述冷却装置此时简化地示出。冷却装置16包括冷却通道，所述冷却通道可以由冷却剂、特别是冷却液体流过。例如冷却液体可以用作冷却剂，所述冷却液体相等部分地包含
水和乙二醇。冷却装置16包括用于冷却剂的入口18和出口20。功率电子电路12的冷却装置16通过相应的管路22与泵装置24以液体连接。借助于泵装置24可以控制通过冷却装置16的冷却剂流。
[0028] 此外，功率电子电路12包括温度传感器26。温度传感器26构造为热电偶或者包括热电偶。取而代之地，温度传感器26构造为热变阻器或温度系数为正的热敏电阻或者包括热变阻器或温度系数为正的热敏电阻。温度传感器26可以构造为二极管或者包括二极管。在这种情况中，具有低的电流强度的电流流过二极管。根据在二极管上的电压降可以测定温度。温度传感器26此时布置在冷却装置16内部。温度传感器26由冷却剂或冷却液体包围。出于这个目的，以
电隔离层把温度传感器包上。温度传感器26布置在对应于冷却装置16的出口20的区域中。因此，利用温度传感器26可以测定在出口20的区域中的冷却剂的温度。温度传感器26与控制装置28连接并且可以将检测的温度值传输到控制装置28。控制装置28又与泵装置连接并且可以将相应的
控制信号输出到泵装置24上。因此，可以例如控制流过冷却装置16的冷却剂的体积流量。
[0029] 功率电子电路12也可以包括多个单独的半导体模块14，其中，每个半导体模块具有冷却通道。冷却通道可以彼此连接并且因此构成冷却装置16。同样在这种情况中仅仅设置一个温度传感器26，所述温度传感器布置在冷却装置16的出口20的区域中。
[0030] 图2示出一个图表，在所述图表上在横坐标上描绘
位置p并且在纵坐标上描绘温度T。这个图表示出在冷却装置16内部的冷却剂的温度曲线。在此，这个图表被分成三个区域30，32，34，所述区域对应于相应的半导体模块14。这些半导体模块14被热
串联并且依次由冷却剂流过。在忽略半导体元件的损耗进入冷却装置16中时发生的热量分流的情况下，冷却剂的温度沿着流动路径升高。冷却剂在冷却装置16的入口18处具有温度Tin。当冷却剂沿着冷却装置16流动时，冷却剂的温度升高，直到冷却剂在出口20处具有温度Tout。此外，示出用于相应的区域30，32，34的中间温度Tm1，Tm2，Tm3。为了能够可靠地驱动功率电子电路12，应该测定相应的半导体元件的阻挡层的温度Tvj。此时，为了确定阻挡层温度Tvj引入冷却装置16的出口20的温度Tout，利用温度传感器26测定所述出口的温度。
[0031] 相应的半导体元件的热电阻Rth由温度差ΔT和损耗功率Pv的商来计算。在此，温度差此时由在出口20处的冷却剂的温度Tout和阻挡层的温度Tvj的温度差值算出。阻挡层的温度Tvj是要求的值，并且此时在出口20处的温度Tout用作参考温度。也就是说，相应的半导体元件的阻挡层的温度Tvj根据如下公式来计算：
[0032] Tvj＝Pv*Rth+Tout
[0033] 这描述了稳定的情况，即所有热容量被加载。此外，也可以引入热阻抗Zth，以便确定阻挡层的温度Tvj。也就是说，热电阻Rth是与时间有关的热阻抗Zth的终值。温度电阻Rth和热阻抗Zth是可变的。影响因素是冷却剂的体积流量，所述体积流量与损耗功率Pv有联系地导致在出口20处的冷却剂的温度Tout的相应的升高。
[0034] 图3示出FEM模拟的结构，其中，那里所示的图表在横坐标上示出体积流量V，并且在纵坐标上示出温度行程(Tout-Tin)、即示出入口18和出口20之间的冷却剂温度的差。这两个参量使用双重对数地描述。各个特性曲线32示出对于半导体元件的增加的损耗功率Pv的与体积流量V有关的温度行程Tout-Tin。在此可以看出，温度行程Tout-Tin随着增加的损耗功率Pv而增加。冷却装置16近似地采用在冷却装置16的出口20处的温度Tout。冷却装置16几乎采用最大冷却剂温度，所述最大冷却剂温度相应于在出口20处的温度Tout。
[0035] 图4示出另一个图表，在横坐标上示出位置p并且在纵坐标上示出温度T。在此，区域30，32，34对应于相应的半导体模块14。各个特征曲线38示出冷却装置16的与位置p有关的温度T。此时，时间t用作模拟参数。在此可以看出，冷却装置16的温度T随着时间升高。
[0036] 此时使用在冷却装置16的出口20处的温度Tout，以便测定半导体元件的阻挡层的温度Tvj。根据计算的阻挡层温度Tvj可以利用控制装置28相应地驱控泵装置24。特别是可以控制和/或调节冷却剂的体积流量V。
