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Dokumentenidentifikation DE102006018771A1 25.10.2007
Titel Verfahren zum Überlastschutz elektrischer Bauelemente
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Hoffmann, Ingolf, 91074 Herzogenaurach, DE
DE-Anmeldedatum 20.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006018771
Offenlegungstag 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse H02H 5/04(2006.01)A, F, I, 20060420, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02H 6/00(2006.01)A, L, I, 20060420, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überlastschutz elektrischer Bauelemente, insbesondere bei flüssigkeitsgekühlten elektrischen Bauelementen, wobei in einem Kühlmittelkanal, der einen Kühlmitteleingang und mindestens einen Kühlmittelausgang umfasst und der mindestens eine Verlustleistungsquelle tangiert, ein Kühlmittelvolumenstrom erzeugt ist.
Es ist vorgesehen, dass eine Ist-Temperatur (T1) an der wenigstens einen Verlustleistungsquelle (12) gemessen wird, eine Ist-Temperatur (T2) eines Kühlmittels an dem Kühlmitteleingang (20) gemessen wird, eine Temperaturdifferenz (dT) zwischen der wenigstens einen Ist-Temperatur (T1) und der Ist-Temperatur (T2) ermittelt wird und aus der Temperaturdifferenz (dT) der Ist-Kühlmittelvolumenstrom (dV/dt) ermittelt wird und dieser Ist-Kühlmittelvolumenstrom (dV/dt) bei der Ermittlung der momentanen Grenztemperatur (Tj) an der Verlustleistungsquelle (12) einfließt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überlastschutz elektrischer Bauelemente, insbesondere bei flüssigkeitsgekühlten elektrischen Bauelementen.

Es ist bekannt, dass elektrische Bauelemente, beispielsweise Leistungshalbleiter in Frequenzumrichtern, gekühlt werden müssen. Hierbei muss die während des Betriebes der elektrischen Bauelemente anfallende Verlustleistungswärme abgeführt werden. Bekannt ist, die elektrischen Bauelemente auf, an beziehungsweise in Kühlkörpern anzuordnen. Zum Abführen der Verlustleistungswärme werden die Kühlkörper mit einem Kühlmittel, beispielsweise Luft oder ein Fluid (Wasser), beaufschlagt.

Bekannt ist, die Kühlung aktiv zu beeinflussen, indem der Nähe des die Verlustleistungswärme erzeugenden elektrischen Bauelementes eine Ist-Temperatur gemessen wird und in Abhängigkeit dieser Ist-Temperatur ein Kühlmittelvolumenstrom beeinflusst, beispielsweise erhöht wird. So ist beispielsweise aus DE 100 48 704 A1 ein Verfahren für eine Vorrichtung mit Leistungshalbleitern bekannt, bei dem eine Temperatur wenigstens einer Komponente der Vorrichtung und/oder der Umgebung und/oder der Zuluft direkt oder indirekt ermittelt wird und bei dem Aktionen gestartet werden, wenn die Temperatur einen vorgebbaren oder vorgegebenen Schwellwert überschreitet, und bei dem ein Temperaturmodell verwendet wird, das zumindest die Temperatur der Umgebung des Kühlkörpers und/oder Zuluft für den Kühlkörper, einen Betriebsparameter und einen Geräteparameter berücksichtigt und Temperaturdifferenzen und/oder Temperaturen errechnet. Es werden berechnete Soll-Temperaturen mit gemessenen Ist-Temperaturen verglichen. Hierbei ist nachteilig, dass die berechneten Soll-Temperaturen ausschließlich aus während der Konstruktion, der Fertigung und/oder der Montage der elektrischen Bauelemente sich ergebenen Parametern bestimmt werden. Es sind somit lediglich statische Ausgangsparameter berücksichtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, mittels dem in einfacher und effizienter Weise ein Schutz von elektrischen Bauelementen möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass eine Ist-Temperatur an wenigstens einer Verlustleistungsquelle gemessen wird, eine Ist-Temperatur eines Kühlmittels an einem Kühlmitteleingang gemessen wird, eine Temperaturdifferenz zwischen der wenigstens einen Ist-Temperatur an der Verlustleistungsquelle und der Ist-Temperatur an dem Kühlmitteleingang ermittelt wird, aus der Temperaturdifferenz der Ist-Kühlmittelvolumenstrom ermittelt wird und dieser Ist-Kühlmittelvolumenstrom bei der Ermittlung der momentanen Grenztemperatur an der Verlustleistungsquelle einfließt, ist vorteilhaft möglich, einen sicheren Überlastschutz der elektrischen Bauelemente zu gewährleisten, wobei die momentanen, in die Verlustleistung einfließenden Parameter dynamisch berechnet werden. Hierdurch ist quasi eine adaptive Anpassung der Kühlung der elektrischen Bauelemente an die gegebene Betriebssituation möglich. So ergibt sich eine bessere Betriebsführung der elektrischen Bauelemente, da ein Eingreifen in die Betriebsführung, bei Überlastung der elektrischen Bauelemente, nur im wirklich notwendigen Fall erfolgt. Gegenüber der bekannten statischen Herangehensweise ergibt sich hierdurch ein betriebsabhängiger Spielraum, in dem die Bauelemente noch mit ihrer momentanen maximalen Leistung gefahren werden können, ohne dass ein Schaden zu befürchten ist. Ein zu frühzeitiges Drosseln der Leistung, wie beim Stand der Technik, kann somit vermieden werden.

Es wird somit nur dann eine Überlastschutzreaktion, beispielsweise ein Warnsignal, ein Abschaltsignal, ein Leistungsdrosselungssignal oder dergleichen, generiert, wenn der Ist-Kühlmittelvolumenstrom unterhalb eines Wertes liegt, der für die gerade vorhandene Verlustleistung benötigt wird.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Überlastschutz elektrischer Bauelemente;

2 in einem Diagramm den Verlauf eines Wärmewiderstandes in Abhängigkeit eines Kühlmittelvolumenstromes und

3 in einem Diagramm die Abhängigkeit des Wärmewiderstandes eines Kühlkörpers von einer Temperaturdifferenz.

1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Anordnung zum Überlastschutz eines elektrischen Gerätes, beispielsweise eines Frequenzumrichters. Die Anordnung 10 umfasst im Einzelnen nicht dargestellte Leistungshalbleiter 12, die an einem Kühlkörper angeordnet sind. Der Kühlkörper besitzt einen Kühlmittelkanal 14, durch den ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, förderbar ist. Die Kühlmittelmenge und damit der Kühlmittelvolumenstrom sind durch eine ansteuerbare Verdrängereinheit einstellbar.

Mittels eines Temperatursensors 16 wird eine Ist-Temperatur T1 in unmittelbarer Nähe des Leistungshalbleiters 12 beziehungsweise des Leistungshalbleiters 12 selber gemessen. Mittels eines weiteren Temperatursensors 18 wird eine Ist-Temperatur T2 eines Kühlmittels an einem Kühlmitteleingang 20 des Kühlmittelkanals 14 gemessen.

Mittels einer Routine 22 wird die Temperaturdifferenz dT zwischen der Ist-Temperatur T1 und der Ist-Temperatur T2 ermittelt.

Für einen Wärmewiderstand Rth gilt allgemein: Rth = dT/P = f (dV/dT), wobei P die Verlustleistung des elektrischen Bauelementes 12 ist. Dies heißt, je größer der Kühlmittelvolumenstrom dV/dt ist, um so geringer ist die Temperaturerhöhung des Kühlmittels, also auch die Temperatur des Kühlkörpers an der Position des die Verlustwärme erzeugenden elektrischen Bauteiles 12. Die Temperaturdifferenz dT fällt somit geringer aus. Bei konstanter Verlustleistung P ergeben sich somit dem Volumenstrom dV proportionale Temperaturerhöhungen. Entsprechend der Anordnung 10 ist die Bezugsgröße für die Temperaturerhöhung dT die Ist-Temperatur T2 des Kühlmittels am Kühlmittelkanaleingang 20, das heißt ohne Eintrag einer Verlustleistung P.

Während des bestimmungsgemäßen Einsatzes der Anordnung 10 herrschen jedoch keine stationären Bedingungen. Dadurch, dass die Verlustleistung P schwankt, ändert sich die Ist-Temperatur T1 am Leistungshalbleiter 12 und somit die Temperaturdifferenz dT zwischen der Ist-Temperatur T1 und der Ist-Temperatur T2, die im Wesentlichen konstant ist.

Hiermit ergeben sich also transiente, das heißt kurzzeitig von der Verlustleistung P und dem Kühlmittelvolumenstrom dV/dt abhängige Wärmewiderstände Zth.

Bei der Ermittlung dieser transienten Wärmewiderstände werden feste, konstruktiv bedingte Parameter berücksichtigt, die den Kühlmittelkanal 14 und den den Leistungshalbleiter 12 tragenden Kühlkörper betreffen. Die Kühlkörper sind eindeutig durch Messgrößen charakterisiert, die die Abhängigkeit des Wärmewiderstandes Rth als Funktion des Kühlmittelvolumenstromes dV/dt zeigen. 2 zeigt beispielhaft eine derartige Kennlinie. Darüber hinaus sind die Kühlkörper eindeutig charakterisiert durch Messgrößen, die die Abhängigkeit des Wärmewiderstandes Rth als Funktion der Temperaturdifferenz dT zeigen. In 3 ist beispielhaft eine derartige Kennlinie für einen Kühlkörper gezeigt.

Aufgrund dieser bekannten Parameter des Kühlkörpers, der bekannten Temperaturdifferenz dT des bekannten Kühlmittelvolumenstromes dV/dt lässt sich der momentane transiente Wärmewiderstand Zth ermitteln.

Diese transienten Wärmewiderstandswerte Zth werden über eine Adaption 24 einem thermischen Modell 26 zugeführt. Mittels des thermischen Modells 26 wird die Sperrschicht-Hotspot-Temperatur Tj des Leistungshalbleiters 12 berechnet. Diese Temperatur Tj stellt die momentane Belastungstemperatur des Leistungshalbleiters 12 dar. Tj berechnet sich nach folgender Beziehung:

Hierbei werden die korrekten momentanen transienten Wärmewiderstände Zth berücksichtigt. Der transiente Wärmewiderstand Zth wird in Form einer Matrix Zth,i,j berücksichtigt, wobei i für den Leistungshalbleiter 12 steht und j den verwendeten Index für den aktuell vorliegenden Volumenstrom darstellt. Diese Matrix Zth ist theoretisch unendlich groß. Praktischerweise werden jedoch drei bis fünf Elemente für i und drei Elemente für j berücksichtigt. Bei diesem Beispiel wäre dann also der Kühlkörper mit drei verschiedenen Kühlvolumenströmen zu vermessen, um die jeweiligen transienten Wärmewiderstände Zth,i zu bestimmen.

Die mit dem thermischen Modell 26 berechnete Sperrschicht-Hotspot-Temperatur Tj wird in Abhängigkeit des gegebenen transienten thermischen Widerstandes Zth und der Verlustleistung P anhand der gemessenen momentanen Temperaturdifferenz dTIST berechnet. Dieser im Modul 28 berechnete Ist-Wert Tj,IST wird in einem Vergleicher 30 mit einem, von dem eingesetzten Leistungshalbleiter 12 abhängigen Grenzwert Tj,GRENZ verglichen. Ergibt der Vergleich, dass Tj,IST ≤ dem Grenzwert Tj,GRENZ ist, wird über einen Regler 32 die Anordnung 10 mit einem neuen Wert für die Sperrschicht-Hotspot-Temperatur Tj beziehungsweise die Verlustleistung P gefahren. Hierzu wird der Kühlmittelvolumenstrom dV/dt innerhalb der Anordnung 10 verändert, beispielsweise erhöht.

Ergibt der Vergleich 30, dass die Temperatur Tj,IST größer ist als der Grenzwert Tj,GRENZ, wird eine Aktion 34 ausgelöst, die beispielsweise ein Warnsignal, ein Drosseln der Leistungszufuhr zu den Leistungshalbleitern 12 oder eine Abschaltung der Anordnung 10 beinhalten kann.

Anhand der vorstehenden Erläuterung wird deutlich, dass durch das gefundene Verfahren ein inhärent sicheres Verhalten der Anordnung 10 gegeben ist. Denn durch die Abhängigkeit der berechneten Sperrschicht-Hotspot-Temperatur Tj,IST ist die Differenz zwischen dem Ist-Wert Tj,IST und dem Grenzwert Tj,GRENZ bei kleinerer Verlustleistung auch kleiner. Damit der Grenzwert Tj,GRENZ erreicht wird, muss sich der Kühlmittelvolumenstrom dV/dt stark ändern. Ist die Verlustleistung P hoch, erreicht die Temperatur Tj,IST den Grenzwert Tj,GRENZ bei entsprechend größerem Kühlmittelvolumenstrom dV/dt bei dem Grenzvolumenstrom, der mindestens vorhanden sein muss. Überschreitet die Verlustleistung den Nominalwert, wird der Grenzwert Tj,GRENZ durch den Ist-Wert Tj,IST sofort erreicht. Somit wird die Aktion 34 nur ausgelöst, wenn der Kühlmittelvolumenstrom dV/dt unterhalb des Wertes liegt, der für die gerade vorhandene (zugeschaltete) Verlustleistung P benötigt wird. Mit zunehmender Verlustleistung P wird die Aktion 34zunehmend schneller ausgelöst, so dass die Anordnung 10 inhärent sicher ist.


Anspruch[de]
Verfahren zum Überlastschutz elektrischer Bauelemente, insbesondere bei flüssigkeitsgekühlten elektrischen Bauelementen, wobei in einem Kühlmittelkanal, der einen Kühlmitteleingang und mindestens einen Kühlmittelausgang umfasst und der mindestens eine Verlustleistungsquelle tangiert, ein Kühlmittelvolumenstrom erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ist-Temperatur (T1) an der wenigstens einen Verlustleistungsquelle (12) gemessen wird, eine Ist-Temperatur (T2) eines Kühlmittels an dem Kühlmitteleingang (20) gemessen wird, eine Temperaturdifferenz (dT) zwischen der wenigstens einen Ist-Temperatur (T1) und der Ist-Temperatur (T2) ermittelt wird und aus der Temperaturdifferenz (dT) der Ist-Kühlmittelvolumenstrom (dV/dt) ermittelt wird und dieser Ist-Kühlmittelvolumenstrom (dV/dt) bei der Ermittlung der momentanen Grenztemperatur (Tj) an der Verlustleistungsquelle (12) einfließt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der momentane transiente Wärmewiderstand (Zth) aus dem Ist-Kühlmittelvolumenstrom (dV/dt) ermittelt wird und in die Ermittlung einer Sperrschicht-Hotspot-Temperatur (Tj) einfließt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der transiente Wärmewiderstand (Zth) in Form einer Matrix einem thermischen Modell (26) zugeführt wird, mittels der die Sperrschicht-Hotspot-Temperatur (Tj) ermittelt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht-Hotspot-Temperatur (Tj,IST) mit einer Grenztemperatur (Tj,GRENZ) verglichen wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten der Grenztemperatur (Tj,GRENZ) durch die Sperrschicht-Hotspot-Temperatur (Tj,IST) der Ist-Kühlmittelvolumenstrom (dV/dt) verändert wird, so dass sich eine veränderte Sperrschicht-Hotspot-Temperatur (Tj) einstellt. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten der Grenztemperatur (Tj,GRENZ) durch die Sperrschicht-Hotspot-Temperatur (Tj,IST) eine Überlastschutz-Aktion (34) ausgelöst wird.






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