用于產(chǎn)生信號(hào)的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明在于提供一種用于產(chǎn)生信號(hào)的系統(tǒng)。一種用于監(jiān)測電力電子系統(tǒng)的健康狀態(tài)的系統(tǒng)和方法。獲得表示電路元件的初始的期望溫度的數(shù)據(jù)以及電路元件的電參數(shù)的初始值。將電脈沖施加到電路元件以加熱電路元件。在電脈沖衰減到預(yù)定值之后，感測電路元件的電參數(shù)并獲得電參數(shù)的后續(xù)值?；陔娐吩某跏嫉钠谕麥囟取㈦妳?shù)的初始值和后續(xù)值以及電脈沖的預(yù)定值來估計(jì)電路元件的后續(xù)溫度。基于該后續(xù)溫度，產(chǎn)生指示電路元件是否如所期望地操作的信號(hào)。
【專利說明】用于產(chǎn)生信號(hào)的系統(tǒng)
[0001] 本申請是申請日為2010年07月12日、申請?zhí)枮?01010227413. 5、發(fā)明名稱為"用 于產(chǎn)生信號(hào)的系統(tǒng)"的發(fā)明專利申請的分案申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測電力電子系統(tǒng)的健康狀態(tài)的系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0003] 電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如中間電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)在汽車應(yīng)用中得到越 來越多的關(guān)注。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通常包括各種電力半導(dǎo)體器件，如電力開關(guān)。電力開關(guān)可包 括二極管和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)。許多這樣的半導(dǎo)體器件以高速（通常以幾十千 赫茲（kHz))轉(zhuǎn)換幾百安（A)和幾百伏（V)。在這些轉(zhuǎn)換操作期間，半導(dǎo)體器件可以以千瓦 (kWs)為量級(jí)散發(fā)大量的熱量。此外，大量的熱量可使半導(dǎo)體器件劣化并可導(dǎo)致半導(dǎo)體器件 達(dá)到高溫。除非將半導(dǎo)體器件冷卻到較低的溫度，否則半導(dǎo)體器件的高溫可導(dǎo)致半導(dǎo)體器 件劣化或失效。
[0004] 各種材料可被用于制造半導(dǎo)體器件。然而，材料的效率和有效性可因材料的固有 特性而受限于不同的操作溫度。如果用于制造半導(dǎo)體器件的材料過熱，則除非將半導(dǎo)體器 件冷卻到較低的溫度，否則半導(dǎo)體器件可劣化或失效。此外，半導(dǎo)體器件的劣化或失效可導(dǎo) 致汽車中的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)劣化或失效。
[0005] 許多因素可影響半導(dǎo)體器件的性能或使半導(dǎo)體器件的性能劣化。例如，高的電應(yīng) 力和大的溫度漂移可降低半導(dǎo)體器件或作為半導(dǎo)體器件的一部分的模塊的性能。隨著半導(dǎo) 體器件溫度的升高，半導(dǎo)體器件的性能可降低。
[0006] 各種電子器件已被用于測量半導(dǎo)體器件的溫度。例如，熱電偶、熱敏電阻器或光熱 傳感器已在半導(dǎo)體模塊中被用作溫度傳感器。然而，被用作溫度傳感器的這些器件既不提 供原位響應(yīng)也不提供瞬時(shí)響應(yīng)。
[0007] 此外，各種電子器件中固有的電溫度敏感參數(shù)（TSP)已被用于確定半導(dǎo)體器件的 溫度。TSP可包括半導(dǎo)體器件的電壓降、飽和電壓和柵極閾值電壓。例如，半導(dǎo)體器件可以 是二極管、雙極型晶體管、IGBT或場效應(yīng)晶體管（FET)。利用TSP可計(jì)算半導(dǎo)體器件的溫度 并可推出半導(dǎo)體器件的熱性能。然而，TSP很大程度上依賴于半導(dǎo)體器件的操作條件，通常 需要測量影響半導(dǎo)體器件的操作的多重因素。例如，半導(dǎo)體器件的電壓很大程度上依賴于 操作條件，如電流、偏壓和動(dòng)態(tài)躍遷。此外，級(jí)聯(lián)子系統(tǒng)的相互作用可導(dǎo)致半導(dǎo)體器件中的 TSP的測量不準(zhǔn)確。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 提供一種用于監(jiān)測電力電子系統(tǒng)的健康狀態(tài)的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括存儲(chǔ)介質(zhì) 和控制器。該控制器與所述存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行通信，所述控制器被構(gòu)造為執(zhí)行用于產(chǎn)生信號(hào)的 方法。
[0009] 還提供了至少一個(gè)處理器可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)。該存儲(chǔ)介質(zhì)具有在該存儲(chǔ)介質(zhì)中實(shí)現(xiàn) 的處理器可讀的代碼。該代碼被用于為所述至少一個(gè)處理器編程以執(zhí)行產(chǎn)生信號(hào)的所述方 法。
[0010] 所述方法包括獲得數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)代表電路元件的初始的期望溫度。此外，獲得電路 元件的電參數(shù)的初始值。此外，所述方法包括將電脈沖施加到電路元件。該電脈沖使電路 元件的溫度從初始溫度上升到更高的溫度。在電脈沖衰減到預(yù)定值之后，感測電路元件的 電參數(shù)并獲得電參數(shù)的后續(xù)值。一旦獲得電參數(shù)的后續(xù)值，便基于下列的一個(gè)或多個(gè)信息 來估計(jì)電路元件的后續(xù)溫度：電路元件的初始的期望溫度、電參數(shù)的初始值和后續(xù)值以及 電脈沖的預(yù)定值。此外，所述方法包括基于后續(xù)溫度產(chǎn)生信號(hào)。該信號(hào)指示電路元件是否 如所期望地操作。
[0011] 一種用于產(chǎn)生信號(hào)的系統(tǒng)，該信號(hào)指示電路元件是否如所期望地操作，所述系統(tǒng) 包括：計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)；控制器，與所述存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行通信，所述控制器被構(gòu)造為執(zhí) 行一種方法，該方法包括如下步驟：獲得電路元件的初始的期望溫度和電路元件的電參數(shù) 的初始值；將電脈沖施加到電路元件以使電路元件的溫度升高；在電脈沖衰減到預(yù)定值之 后，感測電參數(shù)以獲得電參數(shù)的后續(xù)值；基于初始的期望溫度、初始值、后續(xù)值和預(yù)定值來 估計(jì)電路元件的后續(xù)溫度；基于后續(xù)溫度來產(chǎn)生指示電路元件是否如所期望地操作的信 號(hào)。
[0012] 所述電脈沖為電流脈沖，所述預(yù)定值為電流值，所述電參數(shù)的初始值和后續(xù)值為 電壓值。
[0013] 所述電脈沖為電壓脈沖，所述預(yù)定值為電壓值，所述電參數(shù)的初始值和后續(xù)值為 電流值。
[0014] 所述方法還包括將后續(xù)溫度與預(yù)定溫度進(jìn)行比較以獲得溫度對比，并基于該溫度 對比產(chǎn)生信號(hào)。
[0015] 所述方法還包括基于后續(xù)溫度和初始的期望溫度來估計(jì)溫差，并基于該溫差產(chǎn)生 信號(hào)。
[0016] 所述方法還包括將所述溫差與預(yù)定溫差進(jìn)行比較，并基于該比較產(chǎn)生信號(hào)。
[0017] 所述方法還包括基于所述溫差來估計(jì)電路元件的熱阻抗，并基于該熱阻抗產(chǎn)生信 號(hào)。
[0018] 所述方法還包括基于電路元件的熱阻抗和預(yù)定的熱阻抗信息獲得熱阻抗對比，并 基于該熱阻抗對比產(chǎn)生信號(hào)。
[0019] 基于估計(jì)的電路元件的功率損失來估計(jì)電路元件的熱阻抗，該估計(jì)的電路元件的 功率損失至少部分地取決于電脈沖。
[0020] 所述方法還包括在電脈沖升高至預(yù)定的上限值之后感測電路元件的電參數(shù)以獲 得電參數(shù)相應(yīng)的上限值，并基于該相應(yīng)的上限值和預(yù)定的上限值來估計(jì)所述估計(jì)的功率損 失。
[0021] 所述方法還包括從計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)獲取表示電路元件的初始的期望溫度 的數(shù)據(jù)以及電參數(shù)的初始值，以估計(jì)所述后續(xù)溫度。
[0022] 所述方法還包括基于所述信號(hào)來控制電路元件，以改變電路元件的溫度。
[0023] 所述電脈沖的寬度在1微秒和10分鐘之間。
[0024] 該寬度在1毫秒和10毫秒之間。
[0025] 所述方法還包括由電路元件的熱點(diǎn)獲得初始的期望溫度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1是示出對于電路元件的不同溫度，流過電路元件的電流相對于跨過電路元件 的電壓的一組曲線圖；
[0027] 圖2是示出對于流過電路元件的不同電流，跨過電路元件的電壓相對于電路元件 的溫度的一組曲線圖；
[0028] 圖3是示出用于監(jiān)測電力電子系統(tǒng)的健康狀態(tài)的系統(tǒng)的示意圖；
[0029] 圖4是示出具有開關(guān)S2作為電路元件的升壓轉(zhuǎn)換器（boost converter)的示意 圖；
[0030] 圖5是示出具有開關(guān)Si作為電路元件的降壓轉(zhuǎn)換器（buck converter)的示意圖；
[0031] 圖6是示出具有開關(guān)Si作為電路元件的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器（buck-boost converter)的示意圖；
[0032] 圖7是示出監(jiān)測電力電子系統(tǒng)的健康狀態(tài)的方法的流程圖；
[0033] 圖8是示出將圖7的方法應(yīng)用于圖3的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的一種可能的測試時(shí)序的一 組曲線圖；
[0034] 圖9A是示出當(dāng)圖8的測試時(shí)序使電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的電路元件Sal和Sb2導(dǎo)通時(shí)，圖 3的相關(guān)組件、電壓和電流的不意圖；
[0035] 圖9B是示出當(dāng)圖8的測試時(shí)序使電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的電路元件Sal截止并使電力轉(zhuǎn) 換系統(tǒng)中的電路元件S b2導(dǎo)通時(shí)，圖3的相關(guān)組件、電壓和電流的示意圖；
[0036] 圖9C是示出當(dāng)圖8的測試時(shí)序使電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的電路元件Sal和Sb2截止時(shí)，圖 3的相關(guān)組件、電壓和電流的不意圖；
[0037] 圖10是示出具有增加的應(yīng)力的電路元件作為電路元件經(jīng)歷附加循環(huán)的曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0038] 本發(fā)明的實(shí)施例通常提供一種用于產(chǎn)生至少一個(gè)信號(hào)的系統(tǒng)和方法，所述至少一 個(gè)信號(hào)指示電路元件（如半導(dǎo)體器件）是否如所期望地操作?；谠陔娒}沖加熱所述電路 元件之后所估計(jì)的電路元件的溫度來產(chǎn)生所述信號(hào)。除電路元件的溫度之外，所述系統(tǒng)和 方法還可估計(jì)電路元件的溫差和/或熱阻抗以產(chǎn)生信號(hào)，該信號(hào)指示電路元件是否如所期 望地操作?；谒鲂盘?hào)，可確定電路元件的許多情況，例如，電路元件的可靠性或健康狀 態(tài)、電路元件是否過熱、電路元件的劣化或失效、電路元件的性能等等。
[0039] 參照圖1，一組曲線圖示出了一種類型的電路元件（如絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT))在五種不同的溫度下是如何操作的。更具體地講，該組曲線圖示出了電路元件的溫 度是如何影響流過電路元件的電流與跨過電路元件的電壓之間的關(guān)系的。例如，曲線10表 示當(dāng)電路元件的溫度等于_25°C時(shí)，電流相對于跨過電路元件的電壓的關(guān)系。類似地，曲線 12表示當(dāng)電路元件的溫度等于25°C時(shí)，電流相對于跨過電路元件的電壓的關(guān)系，曲線14表 示當(dāng)電路元件的溫度等于75°C時(shí)，電流相對于跨過電路元件的電壓的關(guān)系，曲線16表示當(dāng) 電路元件的溫度等于125°C時(shí)，電流相對于跨過電路元件的電壓的關(guān)系，曲線18表示當(dāng)電 路元件的溫度等于175°C時(shí)，電流相對于跨過電路元件的電壓的關(guān)系。
[0040] 圖2以不同的方式示出圖1的關(guān)系。流過電路元件（例如，IGBT)的電流影響跨 過電路元件的電壓與電路元件的溫度之間的關(guān)系。例如，曲線20表示當(dāng)流過電路元件的電 流等于200mA時(shí)，跨過電路元件的電壓相對于電路元件的溫度的關(guān)系。類似地，曲線22表 示當(dāng)流過電路元件的電流等于500mA時(shí)，跨過電路元件的電壓相對于電路元件的溫度的關(guān) 系，曲線24表示當(dāng)流過電路元件的電流等于1000mA時(shí)，跨過電路元件的電壓相對于電路元 件的溫度的關(guān)系，曲線26表示當(dāng)流過電路元件的電流等于1500mA時(shí)，跨過電路元件的電 壓相對于電路元件的溫度的關(guān)系。因此，流過電路元件的電流的變化影響跨過電路元件的 電壓與電路元件的溫度之間的關(guān)系。因?yàn)閳D2中示出的曲線通常為線性的，所以式子V = V0+mX(T-T0)或T = T0+(V-V0)/m可表示曲線20、22、24和26中的每條曲線。在一定的偏 置電流條件下，V表示溫度為T時(shí)跨過電路元件的電壓降，％表示溫度為?；時(shí)跨過電路元 件的電壓降，參數(shù)"m"為對應(yīng)的曲線的斜率。所述系統(tǒng)可在獲得電路元件的溫度T與電壓 V之間的特定關(guān)系之前限定溫度L并確定電壓％和參數(shù)"m"。一旦所述系統(tǒng)獲得電壓V與 溫度T之間的特定關(guān)系，所述系統(tǒng)便可測量在已知的偏置電流條件下跨過電路元件的電壓 V以獲得溫度T。因此，電路元件用作溫度傳感器或溫度檢測器。
[0041] 幾個(gè)重要因素確定電路元件的溫度。一個(gè)重要參數(shù)是電路元件的熱損失（P)。另 一個(gè)重要參數(shù)是電路元件的熱阻抗。
[0042] 許多因素可使電路元件中的熱阻抗增加，特別是在電路元件遭受長期的應(yīng)力之 后。高的電應(yīng)力、大的溫度漂移、結(jié)構(gòu)缺陷、物理缺陷（physical imperfection)或其組合 可使電路元件的熱阻抗增加。結(jié)構(gòu)缺陷和物理缺陷包括裂紋、脫落（lifting off)、電子遷 移等并可形成在電路元件中的不同位置中，例如，在電路元件中的連接層中或金屬接觸中。 使電路元件中的熱阻抗增加的此類因素可指示電路元件的退化、劣化或失效。此外，此類因 素可指示電路元件的期望的可靠性和健康狀態(tài)。
[0043] 當(dāng)電路元件中的熱阻抗增加時(shí)，在相同的熱功率損失下，電路元件以高于電路元 件中的熱阻抗增加之前的速率的速率加熱。因此，電路元件以高于沒有電應(yīng)力、溫度漂移、 結(jié)構(gòu)缺陷和/或物理缺陷的電路元件的速率的速率加熱。當(dāng)電路元件以更高的速率加熱 時(shí)，電路元件的溫度也以更高的速率增加。
[0044] 電路元件的溫度和/或溫度變化的速率可指示電路元件是否具有一個(gè)或多個(gè)問 題。例如，電路元件超過其正常值或期望值的溫度可指示電路元件高度疲勞且性能降低。此 夕卜，電路元件的溫度和/或溫度變化的速率可用于確定電路元件的可靠性或健康狀態(tài)、電 路元件是否過熱、電路元件是否失效或是否低于期望的性能級(jí)別、或者使其未如所期望地 操作的其他方面。
[0045] 參照圖3,提供用于產(chǎn)生信號(hào)32的系統(tǒng)30。信號(hào)32指示支撐在基底上的電路元 件是否如所期望地操作。在汽車中，圖3的系統(tǒng)30被應(yīng)用于電源36和三相永磁同步電動(dòng) 機(jī)（PMSM)(下文中稱為"電動(dòng)機(jī)"）38之間的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34。然而，在其他電力電子拓?fù)?結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)30可確定電路元件是否如所期望地操作。例如，系統(tǒng)30可基于電路元件在升 壓轉(zhuǎn)換器（在圖4中進(jìn)行通常性地示出）、降壓轉(zhuǎn)換器（在圖5中進(jìn)行通常性地示出）或降 壓-升壓轉(zhuǎn)換器（在圖6中進(jìn)行通常性地示出）中的操作方式來產(chǎn)生信號(hào)32。以一體的方 式描述系統(tǒng)30及其操作方法以便于理解本發(fā)明的各方面。
[0046] 再次參照圖3，系統(tǒng)30包括控制器40或一些其他類型的可編程邏輯器件以實(shí)現(xiàn)產(chǎn) 生信號(hào)32的方法，信號(hào)32指示電路元件是否如所期望地操作。為了實(shí)現(xiàn)所述方法，控制器 40執(zhí)行嵌入有所述方法或以所述方法進(jìn)行編碼的計(jì)算機(jī)程序或算法。
[0047] 如圖3所示，系統(tǒng)30包括存儲(chǔ)介質(zhì)42 (下文中稱為"存儲(chǔ)器"如計(jì)算機(jī)可讀的 存儲(chǔ)介質(zhì)）以存儲(chǔ)嵌入有所述方法或以所述方法進(jìn)行編碼的程序或算法。圖3的存儲(chǔ)器42 被示出為控制器40的一部分。然而，存儲(chǔ)器42可位于系統(tǒng)30的任意合適的部分。除存儲(chǔ) 計(jì)算機(jī)程序或算法之外，存儲(chǔ)器42還為控制器40存儲(chǔ)關(guān)于電路元件的數(shù)據(jù)或信息以實(shí)現(xiàn) 所述方法。例如，存儲(chǔ)器42存儲(chǔ)表示跨過電路元件的電壓與電路元件的溫度之間的關(guān)系的 查找表或式子。此外，存儲(chǔ)器42可存儲(chǔ)允許的最大熱點(diǎn)溫度（hot spot temperature)和 最大熱阻抗。此外，存儲(chǔ)器42存儲(chǔ)電路元件的初始的期望溫度以及電路元件的電參數(shù)的初 始值。
[0048] 電路元件的電參數(shù)的初始值與加熱電路元件之前施加到電路元件的電壓或電流 的值相對應(yīng)。電參數(shù)是電壓還是電流取決于系統(tǒng)30的構(gòu)造。因此，電參數(shù)的初始值可以是 電壓值或電流值。
[0049] 為了進(jìn)一步描述系統(tǒng)30及方法，系統(tǒng)30被應(yīng)用于圖3的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34。如所 示，電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34包括電力開關(guān)44。盡管每個(gè)電力開關(guān)44包括兩種類型的電路元件， 艮P，二極管和IGBT，但是電力開關(guān)44中的每個(gè)電力開關(guān)仍可被稱為電路元件。電力開關(guān)44 中的二極管被標(biāo)記成和D e2，而電力開關(guān)44中的IGBT分別被標(biāo)記成Sal、 Sa2、S bl、Sb2、Scl 和 Sc2。
[0050] 圖3的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器（下文中稱為"逆變器")46。逆變器 46包括電力開關(guān)44,電力開關(guān)44用于轉(zhuǎn)換來自電源36(如電池）的電力以驅(qū)動(dòng)汽車中的 電動(dòng)機(jī)38。更具體地講，電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34中的逆變器46將來自電源36的直流電流（DC) 轉(zhuǎn)換成交流電流或電動(dòng)機(jī)相位電流i a、ib和i。（在圖3中示出）。在操作中，電動(dòng)機(jī)相位電 流ia、i b和i。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)38。為了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)38,控制器40根據(jù)預(yù)定義的模式調(diào)節(jié)進(jìn)入 到電動(dòng)機(jī)38的繞組中的電動(dòng)機(jī)相位電流i a、ib和i。。特別地，取決于電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34的具 體構(gòu)造，逆變器46可包括任意數(shù)目的電力開關(guān)44或電路元件。
[0051] 如圖3所示，電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34包括電流傳感器CSa、CSb和CS。，如霍爾效應(yīng)電流傳 感器。電流傳感器CS a、CSb和CS。與每個(gè)相位串聯(lián)安裝并為控制器40提供相應(yīng)的反饋信號(hào) 。、4和Ls(也在圖3中示出）。反饋信號(hào)i as、ibs和ies嵌入有流過電動(dòng)機(jī)38的相應(yīng)的繞 組的電流的量或以流過電動(dòng)機(jī)38的相應(yīng)的繞組的電流的量進(jìn)行編碼。控制器40接收并處 理反饋信號(hào)i as、ibs和ies以控制電動(dòng)機(jī)相位電流ia、i b和i。，從而根據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器42中 的預(yù)定義的模式而使電動(dòng)機(jī)相位電流ia、ib和i。流過電動(dòng)機(jī)38的相應(yīng)的繞組。
[0052] 如圖3所示，控制器40將至少一個(gè)控制信號(hào)50傳輸?shù)诫娏D(zhuǎn)換系統(tǒng)34中的逆變 器46。逆變器46接收控制信號(hào)50以控制逆變器46的開關(guān)構(gòu)造并因此控制流過電動(dòng)機(jī)38 的相應(yīng)的繞組的電流的量。所述開關(guān)構(gòu)造是逆變器46中的電力開關(guān)44的一組開關(guān)狀態(tài)。 通常，逆變器46的開關(guān)構(gòu)造確定逆變器46如何將電力從電源36轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)38。
[0053] 為了控制逆變器46的開關(guān)構(gòu)造，逆變器46基于控制信號(hào)50將逆變器46中的每 個(gè)電力開關(guān)44的開關(guān)狀態(tài)變成導(dǎo)通狀態(tài)或者截止?fàn)顟B(tài)。為了將電力開關(guān)44轉(zhuǎn)換成導(dǎo)通狀 態(tài)或者截止?fàn)顟B(tài)，逆變器46控制施加到每個(gè)電力開關(guān)44的柵極電壓（V g)并因此控制每個(gè) 電力開關(guān)44的開關(guān)狀態(tài)。柵極電壓Vgal、Vga2、Vgbl、Vg b2、VgedPVge2 (在圖3中示出）控制 相應(yīng)的電力開關(guān)44的開關(guān)狀態(tài)。改變逆變器46中的一個(gè)或多個(gè)電力開關(guān)44的開關(guān)狀態(tài) 可改變逆變器46的開關(guān)構(gòu)造并因此改變逆變器46將電力從電源36轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)38的方 式。
[0054] 電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34可包括多個(gè)電壓傳感器，電壓傳感器在圖3中被標(biāo)記成Val、V a2、 Vbl、Vb2、Vcl和Vc2。取決于逆變器46中的電力開關(guān)44的數(shù)目，電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34可包括更少 的或另外的電壓傳感器。電壓傳感器測量跨過逆變器46中的相應(yīng)的電路元件的電壓。更 具體地講，電壓傳感器V al測量跨過具有IGBT心和二極管Dal的電力開關(guān)44的電壓（Val)。 同樣，電壓傳感器V a2測量跨過具有IGBT 532和二極管Da2的電力開關(guān)44的電壓（Va2)，電壓 傳感器V bl測量跨過具有IGBT Sbl和二極管Dbl的電力開關(guān)44的電壓（Vbl)，電壓傳感器V b2 測量跨過具有IGBT Sb2和二極管Db2的電力開關(guān)44的電壓（Vb2)，電壓傳感器Vu測量跨過 具有IGBT Sel和二極管Du的電力開關(guān)44的電壓（VJ，電壓傳感器ν?測量跨過具有IGBT 3。2和二極管〇。2的電力開關(guān)44的電壓（VJ。來自電壓傳感器的電壓測量沿著電通信路徑 54通過反饋信號(hào)52傳輸?shù)娇刂破?0。此外，電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34可包括差分放大器或隔離放 大器以放大反饋信號(hào)52,反饋信號(hào)52嵌入有來自電壓傳感器V^V^VbpVbyVd和ν ?的電 壓測量或以來自電壓傳感器Val、Va2、Vbl、V b2、Vu和火2的電壓測量進(jìn)行編碼。此外，電力轉(zhuǎn) 換系統(tǒng)34可包括模數(shù)（A/D)轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器用于數(shù)字化差分放大器或隔離放大器的輸 出，以使控制器40以數(shù)字格式接收具有電壓測量的反饋信號(hào)52。
[0055] 如圖3所示，控制器40可以是電子器件診斷系統(tǒng)56的一部分。電子器件診斷系 統(tǒng)56監(jiān)測汽車中的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34并能夠診斷電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34中的各種電子器件的問 題?？蛇x地，控制器40可以是汽車中的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34的一部分。例如，控制器40可以 是逆變器46的一部分或者電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34的其他部分。
[0056] 參照圖7,提供了示出產(chǎn)生信號(hào)32的方法的步驟的高級(jí)流程圖60。流程圖60包 括步驟62、64、66、68、70、72、74、76、78、80和82。產(chǎn)生信號(hào)32的方法可通過編入到系統(tǒng)30 的合適的可編程邏輯器件（如控制器40)中的軟件程序、機(jī)器可執(zhí)行代碼或算法來實(shí)現(xiàn)。盡 管在流程圖60中示出的不同步驟示出為以時(shí)間順序發(fā)生的，但是至少一些步驟可以以不 同的順序發(fā)生，并且一些步驟可同時(shí)執(zhí)行或者不可同時(shí)執(zhí)行。
[0057] 所述方法可應(yīng)用于在幾百微秒到幾十秒之間估計(jì)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34中的電路元件 的暫態(tài)熱阻抗或穩(wěn)態(tài)熱阻抗?？蛇x地，所述方法可應(yīng)用于任意合適的時(shí)間長度。
[0058] 可在電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34的起動(dòng)和/或關(guān)閉過程期間或者當(dāng)電動(dòng)機(jī)38沒有運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)執(zhí) 行所述方法。此外，可在逆變器46正常的操作循環(huán)中斷期間執(zhí)行所述方法。在將所述方法 應(yīng)用于系統(tǒng)30之后，可恢復(fù)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34的正常運(yùn)行。
[0059] 圖8通常性地示出應(yīng)用所述方法的一種可能的測試時(shí)序，而圖9Α、圖9Β和圖9C示 出與圖8中示出的測試時(shí)序關(guān)聯(lián)的相關(guān)組件、電壓和電流。貫穿所述方法的論述，參照圖3、 圖9Α、圖9Β和圖9C中示出的系統(tǒng)30及其組件以便于理解本發(fā)明的各方面。盡管圖8、圖 9Α、圖9Β和圖9C進(jìn)一步描述了系統(tǒng)30及產(chǎn)生信號(hào)32的方法，但是，這里描述和示出的測 試時(shí)序不應(yīng)該被解釋為將本發(fā)明限于任何具體的操作、實(shí)現(xiàn)方式或構(gòu)造。此外，下文中所描 述的開關(guān)構(gòu)造的模式作為示例，并非描述了逆變器46的全部可能的開關(guān)構(gòu)造。
[0060] 流程圖60示出了一種可能的測試時(shí)序的實(shí)現(xiàn)方式。為了實(shí)現(xiàn)所述測試時(shí)序，圖8 的波形圖以預(yù)測試區(qū)域開始，預(yù)測試區(qū)域與時(shí)間t = 1之前的區(qū)間對應(yīng)。在時(shí)間t = 1處， 控制器40導(dǎo)通開關(guān)Sal和Sb2以廣生具有已知幅值（在本不例中略商于電流Ilimit2)的小的 回路電流I 1(rap的電脈沖?；芈冯娏髟陂_關(guān)Sal和Sb2導(dǎo)通時(shí)流過開關(guān)Sal和S b2，并在開關(guān)Sai 截止之后而開關(guān)Sb2保持導(dǎo)通時(shí)流過二極管D b2和開關(guān)Sb2。在回路電流IlOTP流動(dòng)時(shí)測量跨 過電路元件的電壓降?；谒鶞y量的電壓降和已知的電流幅值，控制器40可估計(jì)電路元件 的內(nèi)部溫度。然后，可再次導(dǎo)通開關(guān)S al和Sb2以將回路電流提高（pump)到更高的電流（在 本示例中為電流Ilimitl)，該電流在時(shí)間t = 2和時(shí)間t = 3之間通過相同的電路元件進(jìn)行傳 導(dǎo)以加熱電路元件。時(shí)間可以足夠長，以使電路元件的內(nèi)部溫度相對穩(wěn)定在它們的高溫下， 并可估計(jì)穩(wěn)態(tài)熱性能?；蛘?，時(shí)間可以是短暫的，并可估計(jì)暫態(tài)熱阻抗。接著，通過截止全部 開關(guān)來結(jié)束加熱循環(huán)，控制器40將回路電流I lOTP的強(qiáng)度降低到等于或接近電流Ilimit2，如圖 8中的時(shí)間t = 4處所示。再次測量跨過器件的電壓降，并且控制器40估計(jì)電路元件的內(nèi) 部溫度?；谒烙?jì)的初始的內(nèi)部溫度和最終溫度，可估計(jì)電路元件中的溫度增加。此外， 控制器40可基于電路元件中的功率損失以及相應(yīng)的溫度增加來估計(jì)電路元件的熱阻抗。
[0061] 為了傳送高幅值的電流Ilimitl，控制器40控制主功率電路在預(yù)期的幅值附近調(diào)節(jié) 負(fù)載電流。類似地，這種方法可被用于在更小級(jí)別的電流I liniit2附近調(diào)節(jié)電流。然而，如果 電流非常小，則電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34可包括偏置電路，該偏置電路用于在逆變器46運(yùn)行 時(shí)以近似恒定的速率在電路元件中產(chǎn)生電流I limit2。
[0062] 圖8示出根據(jù)所述一種可能的測試時(shí)序的波形圖90、92、94、96和98。當(dāng)電動(dòng)機(jī) 38的速度相對低或速度為零時(shí)，時(shí)間t = l、t = 2、t = 3和t = 4表示不重疊的時(shí)間。當(dāng) 電動(dòng)機(jī)38的速度低或速度為零時(shí)，可忽略電動(dòng)機(jī)38的關(guān)聯(lián)的反電動(dòng)勢（back EMF)，并且逆 變器46極少地或者根本不調(diào)制電動(dòng)機(jī)電流（IlMP)。在時(shí)間七=1、七=2、七=3和七=4 處，控制器40通過控制信號(hào)50控制逆變器46,以使電動(dòng)機(jī)電流（I 1(K)P)續(xù)流（free-wheel) 并使電動(dòng)機(jī)電流（W變化的速率相對低。當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流（IlMP)變化的速率相對低且逆變 器46相對較少地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電流時(shí)，可忽略來自逆變器46中的電路元件的任何開關(guān)噪聲 并也可忽略開關(guān)損失。在時(shí)間七=1、七=2、七=3和七=4處，逆變器46從控制器40接 收控制信號(hào)50,以使柵極電壓Vg al處于OFF狀態(tài)（見波形圖90)，柵極電壓Vgb2處于0N狀 態(tài)（見波形圖92)，IGBT Sal&于截止?fàn)顟B(tài)，IGBT Sb2處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流（Ι?ΜΡ) 變化的速率相對低且開關(guān)噪聲可忽略時(shí)，跨過電路元件的電壓是相對穩(wěn)定的，并且電壓傳 感器（例如，^ 32、￥131、￥132、11和火2)可獲得具有較高精度的電壓測量。
[0063] 如圖8所示，波形圖90和92表示逆變器46基于從控制器40傳輸?shù)目刂菩盘?hào)50 而施加到電力開關(guān)44的柵極電壓（V g)?；叵胍幌拢瑬艠O電壓Vgal、Vga2、Vgbl、Vg b2、^^和 Vgc2 (在圖3中示出）控制相應(yīng)的電力開關(guān)44的開關(guān)狀態(tài)。在本測試時(shí)序中，波形圖90指 示施加到IGBT Sal的柵極電壓Vgal，而波形圖92指示施加到IGBT Sb2的柵極電壓Vgb2。
[0064] 圖8的波形圖94示出控制器40施加到電路元件的電脈沖。圖8的電脈沖被示出 為施加到電路元件的電動(dòng)機(jī)電流（Ι ?ΜΡ)。電脈沖的電動(dòng)機(jī)電流（I1(K)P)表示在逆變器46的 任一具體的開關(guān)構(gòu)造期間流過電動(dòng)機(jī)38的電流。然而，應(yīng)該理解的是，施加到電路元件的 電脈沖可以是施加電壓而非電流的電壓信號(hào)。控制器40從電流傳感器CS a、CSb和CS。（在 圖3中示出）接收反饋信號(hào)ias、ibs和i。,，以在時(shí)間t = l、t = 2、t = 3和t = 4處以期望 的電流級(jí)別獲得電脈沖。例如，控制器40可基于反饋信號(hào)ias、ibs和i es來控制逆變器46， 以在時(shí)間t = 2和t = 3處獲得與電流Ilimitl相等的電動(dòng)機(jī)電流（IlMP)并在時(shí)間t = 1和 t = 4處獲得與電流Ilimit2相等的電動(dòng)機(jī)電流（Ι1ΜΡ)。電流Ilimitl和I limit2 (在圖8中示出） 表示電動(dòng)機(jī)電流（Ι1ΜΡ)的兩個(gè)不同的預(yù)定值，控制器40可從存儲(chǔ)器42獲取所述兩個(gè)不同 的預(yù)定值并可作為電脈沖的一部分將其施加到電路元件。
[0065] 圖8的波形圖96指示從電路元件測得的電參數(shù)，電參數(shù)與隨時(shí)間施加到電路元件 的波形圖94相對應(yīng)。因?yàn)閳D8的電脈沖被示出為施加到電路元件的電動(dòng)機(jī)電流（Ι ?ΜΡ)，所 以波形圖96表不的電參數(shù)為電壓。在本不例中，系統(tǒng)30包括電壓傳感器Val、V a2、Vbl、Vb2、 11和乂。2(在圖3中示出），電壓傳感器1 1、￥32、￥131、￥132、11和1 2用于感測跨過電力轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)34中的每個(gè)電路元件的電參數(shù)以獲得波形圖96。
[0066] 圖8的波形圖98指示將電脈沖施加到電路元件之前的電路元件的溫度以及將電 脈沖施加到電路元件之后的電路元件的溫度。例如，在波形圖98中示出的電路元件的溫度 可表示電力開關(guān)44的熱點(diǎn)溫度。溫度T initial表示（例如，在時(shí)間t = l之前）電路元件的 初始溫度。例如，在時(shí)間t = 1時(shí),Tinitial可表示電動(dòng)機(jī)38起動(dòng)之前的電路元件的溫度、當(dāng) 車輛"鑰匙接通（key on)"時(shí)的電路元件的溫度、當(dāng)車輛停在紅燈處時(shí)的電路元件的溫度、 當(dāng)"鑰匙切斷（key off)"不久之后的電路元件的溫度或者當(dāng)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34以相對低的 速率運(yùn)行或空閑時(shí)的其他時(shí)間的電路元件的溫度。溫度T md表示（例如，在時(shí)間t = 3之 后或者當(dāng)電路元件的內(nèi)部溫度被加熱到大于電路元件的初始溫度的值時(shí)）電路元件的最 終溫度（end temperature)。
[0067] 再次參照圖7,流程圖60的步驟62包括獲得表示電路元件的初始的期望溫度的數(shù) 據(jù)?？苫陬A(yù)先存儲(chǔ)的特性數(shù)據(jù)、跨過電路元件的電壓以及通過電路元件的電流來計(jì)算所 述初始的期望溫度。根據(jù)圖8中示出的所述一種可能的測試時(shí)序，可在預(yù)熱時(shí)間期間（例 如，在時(shí)間t = 1處或在時(shí)間t = 1附近）獲得電路元件的初始的期望溫度。可選地，可從 電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34中的熱傳感器獲得初始的期望溫度。當(dāng)沒有電流通過電路元件時(shí)，功率損 失為零并且電路元件可處于與換熱器和冷卻劑的溫度相同的溫度。熱傳感器感測一個(gè)或多 個(gè)電路元件、換熱器或冷卻通道的溫度，并為控制器40提供嵌入有電路元件的溫度或以電 路元件的溫度進(jìn)行編碼的信號(hào)。此外，在基于預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)所計(jì)算的溫度與從溫度傳感 器所報(bào)告的在一定程度內(nèi)不匹配的情況下，控制器40可對電路元件的初始的期望溫度進(jìn) 行重新編程或重新標(biāo)定，以使存儲(chǔ)在控制器40的存儲(chǔ)器42中的查找表或式子反映出電路 元件是如何響應(yīng)溫度的變化的。
[0068] 在另一示例中，初始的期望溫度與在加熱電路元件之前（例如，在時(shí)間t = 1附 近）的電路元件的期望的溫度對應(yīng)。可在電路元件被標(biāo)定時(shí)獲得初始的期望溫度并將其存 儲(chǔ)在存儲(chǔ)器42中。電路元件的標(biāo)定可發(fā)生在電路元件相對冷且尚未經(jīng)歷許多操作循環(huán)時(shí)。 在這樣的示例中，控制器40可接收嵌入有電路元件周圍的冷卻通道、換熱器或環(huán)境的溫度 或以電路元件周圍的冷卻通道、換熱器或環(huán)境的溫度進(jìn)行編碼的信號(hào)以標(biāo)定初始的期望溫 度。電路元件的標(biāo)定還可發(fā)生在不同的溫度時(shí)以計(jì)算電路元件所對應(yīng)的參數(shù)"m"。這個(gè)過 程可在可控制溫度的溫控室（temperature chamber)中進(jìn)行?；蛘撸ㄟ^在高功率下對系 統(tǒng)操作足夠長的時(shí)間以加熱電路元件、換熱器和冷卻通道，可使除環(huán)境溫度之外的電路元 件的不同溫度成為可能。然后，關(guān)閉系統(tǒng)足夠長的時(shí)間，以使電路元件大致處于與換熱器或 冷卻通道的溫度相同的溫度。在這種條件下，控制器40可為第二標(biāo)定點(diǎn)采集相應(yīng)的電壓和 電流?；趶牡谝粯?biāo)定點(diǎn)和第二標(biāo)定點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，可計(jì)算斜率參數(shù)"m"。
[0069] 控制器40可利用圍繞半導(dǎo)體芯片的冷卻劑或換熱器的溫度來標(biāo)定初始的期望溫 度。例如，當(dāng)電路元件已經(jīng)截止足夠長的時(shí)間并因此相對冷時(shí)，控制器40可獲得圍繞具有 電路元件的半導(dǎo)體芯片的冷卻劑或換熱器的溫度，從而獲得電路元件的初始的期望溫度。 換熱器的溫度傳感器可感測換熱器的溫度。類似地，入口處的冷卻劑溫度傳感器可感測冷 卻劑的溫度以提供電路元件的初始的期望溫度。
[0070] 如圖9A、圖9B和圖9C所不，所述一種可能的測試時(shí)序包括基于電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34 中的電力開關(guān)44及其電路元件兩者的操作方式來產(chǎn)生信號(hào)32。第一電力開關(guān)44具有IGBT S al和二極管Dal，而第二電力開關(guān)44具有IGBTSb2和二極管Db2。
[0071] 在步驟64,獲得電路元件的電參數(shù)的初始值。如上所述，電參數(shù)的初始值可以是電 壓值或電流值。當(dāng)電路元件在初始的期望溫度或接近初始的期望溫度時(shí)（例如，在時(shí)間t =1附近）或者當(dāng)控制器40接收嵌人有電路元件周圍的冷卻齊IJ或換熱器的溫度或以電路 元件周圍的冷卻劑或換熱器的溫度進(jìn)行編碼的信號(hào)時(shí)，控制器40獲得電參數(shù)的初始值。
[0072] 如圖9A和圖10所示，控制器40可控制逆變器46,以當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流（Ι1(Κ)Ρ)變化的 速率相對低且電路元件中的開關(guān)噪聲可忽略時(shí)在時(shí)間t = 1處獲得一個(gè)或多個(gè)電參數(shù)的初 始值。這允許控制器40獲得具有較高精度的電參數(shù)的初始值。
[0073] 為了在時(shí)間t = 1之前或在時(shí)間t = 1附近獲得電參數(shù)的初始值，控制器40將 控制信號(hào)50傳輸?shù)侥孀兤?6,以在時(shí)間t = 1之前導(dǎo)通IGBT Sal和IGBTSb2 (在圖9A中示 出）。在IGBT Sal和IGBT Sb2導(dǎo)通時(shí)的逆變器46的這種開關(guān)構(gòu)造下，電流IlOTP流過電動(dòng)機(jī) 38的繞組，相位電流i as近似等于電流ia (或-ib)，相位電流i。近似為零。當(dāng)IGBT SajP IGBT Sb2 導(dǎo)通時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流（IlOTP)流過 IGBT Sal 和 IGBT Sb2。當(dāng) IGBT Sal 和 IGBT Sb2 保 持導(dǎo)通時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流（Ι?ΜΡ)的量值增加（如在時(shí)間t = 1之前當(dāng)柵極電壓Vgal和Vga2為 "on"時(shí)圖8中的波形圖94所示）。當(dāng)圖9A的電流I lOTP變?yōu)槁愿哂陔娏鱅limit2時(shí)（如在緊 接著時(shí)間t = 1之前圖8中的波形圖94示出的），控制器40傳輸控制信號(hào)50以使IGBT Sal 截止并將IGBT Sb2保持在導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)IGBT Sal截止且IGBT Sb2保持導(dǎo)通時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流 (I1(K)P)流過IGBT 5)32和二極管Da2。為了使IGBT Sal截止，控制信號(hào)50將柵極電壓￥以切 換到OFF狀態(tài)。為了將IGBT Sb2保持在導(dǎo)通狀態(tài)，控制信號(hào)50將柵極電壓Vgb2保持在0N 狀態(tài)。當(dāng)柵極電壓Vg al切換到OFF時(shí)（如在緊接著時(shí)間t = 1之前圖8中的波形圖90示 出的），IGBT Sal變?yōu)榻刂骨译娏鱅lOTP逐漸減?。ㄈ缭跁r(shí)間t = 1之前和在時(shí)間t = 1之 后波形圖94所示）。
[0074] 當(dāng)電流I1(K)P在時(shí)間t = 1處近似等于電流Iliniit2時(shí)，如圖8中的波形圖94所示，感 測電路元件的電參數(shù)的初始值并沿著通信路徑54通過反饋信號(hào)52將其傳輸?shù)娇刂破?0。 在本示例中，電參數(shù)為電壓，如圖8中的波形圖96所示。當(dāng)電流I lOTP在時(shí)間t = 1處近似 等于電流Ilimit2時(shí)（如圖8中的波形圖94所示），為了獲得跨過二極管Da2和IGBT Sb2所 施加的電參數(shù)的初始值，如圖9B所示，電壓傳感器Va2感測跨過二極管D a2的電壓（Va2)，電 壓傳感器Vb2感測跨過IGBT Sb2的電壓（Vb2)。在時(shí)間t = 1附近的電參數(shù)Va2指示當(dāng)逆變 器46中的電路元件處于相對低溫并且流過逆變器46的電脈沖具有相對低的電流量值（如 時(shí)跨過二極管Da2的電壓，在時(shí)間t = 1附近的電參數(shù)Vb2指示當(dāng)逆變器46中的電路 元件處于相對低溫并且流過逆變器46的電脈沖具有相對低的電流量值（如Ilimit2)時(shí)跨過 IGBT Sb2的電壓。來自電壓傳感器的電壓測量Va2和Vb2為反饋信號(hào)52沿著通信路徑54能 夠傳輸?shù)娇刂破?0的電參數(shù)的兩個(gè)初始值的示例。在逆變器46的其他開關(guān)構(gòu)造中，控制 器40能夠獲得電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34中的其他電路元件的電參數(shù)的初始值。
[0075] 在圖7中示出的流程圖60的步驟66，將電脈沖施加到本測試時(shí)序中描述的以及圖 9A、圖9B、圖9C和圖10中示出的電路元件（例如，IGBT Sal、二極管Dal、IGBT SbjP /或二 極管Db2)。控制器40將控制信號(hào)50傳輸?shù)诫娏D(zhuǎn)換系統(tǒng)34中的逆變器46,以將電脈沖施 加到電路元件。電脈沖加熱電路元件，從而使電路元件的溫度從初始溫度上升到高于初始 溫度的值。
[0076] 施加到逆變器46中的每個(gè)電路元件的電脈沖可以是電流脈沖或電壓脈沖。如果 電脈沖為電壓脈沖，則電脈沖具有電壓值。類似地，如果電脈沖為電流脈沖，則電脈沖具有 電流值。圖8的波形圖94示出電脈沖為電流脈沖。
[0077] 如圖8中的波形圖94所示的電脈沖可以是短的（一秒鐘的若干分之幾或更短）， 也可以是長的（幾十秒或更長）。例如，取決于系統(tǒng)30的構(gòu)造，電脈沖可在幾百微秒到幾十 秒之間。
[0078] 如圖9A和圖10所示，控制器40可控制逆變器46以將電脈沖施加到逆變器46中 的一個(gè)或多個(gè)電路兀件。例如，為了將電脈沖施加到具有IGBT 531的第一電力開關(guān)44和具 有IGBT Sb2的第二電力開關(guān)44,控制器40將控制信號(hào)50傳輸?shù)侥孀兤?6以在時(shí)間t = 1 和t = 2之間導(dǎo)通IGBT Sal和IGBT Sb2 (在圖8中示出）。如在時(shí)間t = 1和t = 2之間的 圖8中的波形圖94所示，流過電動(dòng)機(jī)38的繞組的電流IlOTP的量值增加直到控制器40將柵 極電壓Vg al切換到OFF。當(dāng)柵極電壓Vgal被切換到OFF時(shí)（如在時(shí)間t = 2之前圖8中的 波形圖90所示），IGBT Sal變?yōu)榻刂骨译娏鱅lMP逐漸減小。當(dāng)圖9A的電流IlOTP在時(shí)間t = 1和t = 2之間變得略高于電流IliDlitl (如圖8中的波形圖94通常性地示出的）時(shí)，控制器 40在時(shí)間t = 2之前傳輸控制信號(hào)50以截止IGBT Sal并將IGBT Sb2保持在導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng) 柵極電壓Vgal被切換到OFF時(shí)（如在時(shí)間t = 1和t = 2之間圖8中的波形圖90所示）， IGBT Sal變?yōu)榻刂骨译娏鱅lOTP逐漸減?。ㄈ缭跁r(shí)間t = 1和t = 2之間圖8中的波形圖94 所示）。當(dāng)電流IlMP減小太多而遠(yuǎn)離電流Ilimitl時(shí)，可再次導(dǎo)通IGBT SjPIGBT Sb2以將回 路電流提升到高于電流Ilimitl的級(jí)別，然后再次截止IGBT Sal以使電流續(xù)流（free-wheel)。 重復(fù)這種模式以將回路電流維持在高級(jí)別（在本示例中為電流I linitl)附近。如果電動(dòng)機(jī)的 反電動(dòng)勢低，則可以以低速率（如幾百赫茲或更低）重復(fù)這種模式。因此，電路元件的損失 主要在傳導(dǎo)方面，并且開關(guān)損失很小。電路元件的傳導(dǎo)損失近似等于跨過該電路元件的電 壓降乘以通過電路元件的電流。當(dāng)電脈沖加熱電路元件時(shí)，流過逆變器46的電脈沖具有相 對高的電流量值（如I limitl)。
[0079] 參照圖8,施加到逆變器46中的電路元件的電脈沖將電路元件加熱到更高的溫 度，特別是在時(shí)間t = 2和t = 3之間當(dāng)IGBT Sal可周期性地導(dǎo)通和截止而IGBT Sb2保持 在導(dǎo)通狀態(tài)以保持電流I1(MP近似等于電流Ilimitl時(shí)。隨著IGBTS al導(dǎo)通和截止，二極管Da2 和IGBT Sb2將加熱到更高的溫度。為了將電動(dòng)機(jī)電流（Ι1ΜΡ)保持在預(yù)期的幅值范圍內(nèi)，可 對本示例的電力開關(guān)44中的IGBT 531和IGBT Sb2進(jìn)行間歇性地調(diào)制，以將電脈沖的電流幅 值提高到預(yù)期的級(jí)別（例如，如圖8中的波形圖94所示的電流I limitl)?；蛘撸?dāng)期望更高 電流幅值的電脈沖時(shí)，控制器40可控制逆變器46以使IGBT Sal和IGBT Sb2導(dǎo)通更長的時(shí) 間，從而將電脈沖斜坡提升（ramp up)到更高的級(jí)別。然后，電脈沖（以更高的循環(huán)電流） 再次處于續(xù)流（free-wheeling)狀態(tài)，并能在很小的干擾下記錄電壓和電流。當(dāng)電脈沖處 于更高的電流時(shí)，電路元件的傳導(dǎo)損失更高，這使電路元件的溫度升高。
[0080] 除將電脈沖施加到逆變器46中的一個(gè)或多個(gè)電路元件之外，控制器40還能在電 脈沖加熱電路元件時(shí)獲得跨過電路元件的電參數(shù)的值。例如，當(dāng)電流I 1(MP在時(shí)間t = 1和 t = 2之間逐漸減小時(shí)（如圖8中的波形圖94所示），電壓傳感器Va2和Vb2可感測電路元 件的電參數(shù)V a2和Vb2并沿著通信路徑54通過反饋信號(hào)52將其傳輸?shù)娇刂破?0。在時(shí)間t =2處當(dāng)電流I lMP近似為電流Ilimitl時(shí)（如圖8中的波形圖94所示），如圖9B所示，電壓 傳感器V a2感測跨過二極管Da2的電壓（Va2)，電壓傳感器Vb2感測跨過IGBT Sb2的電壓（Vb2)。 在時(shí)間t = 2處的電參數(shù)Va2指示當(dāng)在逆變器46中加熱電路元件時(shí)跨過二極管Da2的電壓， 在時(shí)間t = 2處的電參數(shù)Vb2指示當(dāng)在逆變器46中加熱電路元件時(shí)跨過IGBT Sb2的電壓。 類似地，控制器40可在時(shí)間t = 3和t = 4時(shí)獲得電參數(shù)Va2和Vb2。
[0081] 在步驟68,在電脈沖衰減到預(yù)定值（在本示例中為Iliniit2)之后，在t = 4處感測 電路元件的電參數(shù)。控制器40可從存儲(chǔ)器42中獲得該預(yù)定值，以基于預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以 及測得的跨過電路元件的電壓和通過電路元件的電流來估計(jì)電路元件的溫度?？刂破?0 可控制逆變器46,以使施加到電路元件的電脈沖衰減到預(yù)定值。更具體地講，控制器40將 控制信號(hào)50傳輸?shù)侥孀兤?6,以使IGBT Sal和IGBT Sb2在圖8的時(shí)間t = 3和t = 4之 間截止。如在時(shí)間t = 3和t = 4之間圖8中的波形圖94所示，流過電動(dòng)機(jī)38的繞組的 電流IlMP的量值減小。在本測試時(shí)序中，IGBT 531和1681 5)32截止以允許電流IlOTP從電流 Ilimitl降低到略高于電流I limit2的級(jí)別。在本測試時(shí)序中，Ilimit2等于所述預(yù)定值。當(dāng)電流 Iloop降低到大約I limit2時(shí)，控制器40將柵極電壓Vgb2從OFF切換到0N。當(dāng)柵極電壓Vgb2被 切換到0N時(shí)（如在時(shí)間t = 4之前的波形圖92所示），IGBT Sb2變?yōu)閷?dǎo)通，并且與IGBT Sal 和IGBT Sb2在時(shí)間t = 3和t = 4之間截止時(shí)相比，電流IlMP較為緩慢地減小。在時(shí)間t =4處，當(dāng)電流IlMP逐漸減小時(shí)，電壓傳感器V a2和Vb2感測電路元件的電參數(shù)Va2和Vb2并 沿著通信路徑54將其傳輸?shù)娇刂破?0。在時(shí)間t = 4附近，當(dāng)電流IlOTP近似等于所述預(yù) 定值（例如，如圖8中示出的Iliniit2)時(shí)，感測電路元件的電參數(shù)。
[0082] 在電脈沖衰減到預(yù)定值并且電路元件被加熱之后，一個(gè)或多個(gè)電壓傳感器Val、 V a2、vbl、vb2、νε1和可感測電路元件的電參數(shù)以獲得電參數(shù)的后續(xù)值。例如，為了感測電 路元件二極管D a2和IGBT Sb2的電參數(shù)，如圖9Β所示，電壓傳感器Va2感測跨過二極管Da2的 電壓（V a2)，電壓傳感器Vb2感測跨過IGBT Sb2的電壓（Vb2)。在時(shí)間t = 4附近或在時(shí)間t =4處的電參數(shù)Va2指示當(dāng)流過逆變器46的電脈沖衰減到預(yù)定值（如Ilimit2)時(shí)跨過二極 管D a2的電壓，在時(shí)間t = 4附近或在時(shí)間t = 4處的電參數(shù)Vb2指示當(dāng)流過逆變器46的電 脈沖衰減到預(yù)定值（如Iliniit2)時(shí)跨過IGBT Sb2的電壓?；叵胍幌拢妳?shù)可以是電壓或電 流，因此，電參數(shù)的后續(xù)值可以是電壓值或電流值。基于感測電路元件的電參數(shù)，控制器40 可通過沿通信路徑54傳輸?shù)姆答佇盘?hào)52來獲得電參數(shù)的后續(xù)值。
[0083] 在圖7中示出的流程圖60的步驟70,估計(jì)電路元件的后續(xù)溫度（T)。控制器40 可基于電參數(shù)的后續(xù)值來估計(jì)后續(xù)溫度（T)?？刂破?0可將表示電路元件的初始的期望溫 度的值、電參數(shù)的初始值、電參數(shù)的后續(xù)值和電脈沖的預(yù)定值存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器42,并可從存儲(chǔ) 器42獲取表示電路元件的初始的期望溫度的值、電參數(shù)的初始值、電參數(shù)的后續(xù)值和電脈 沖的預(yù)定值。
[0084] 如圖7和圖8所示，跨過電力開關(guān)44的電路元件的電壓為電動(dòng)機(jī)電流（Ι1ΜΡ)和 電路元件的溫度的函數(shù)?？邕^電路元件的電壓基于電路元件的溫度和流過電路元件的電 動(dòng)機(jī)電流（Ι 1(Κ)Ρ)的這一關(guān)系可被存儲(chǔ)在控制器40的存儲(chǔ)器42中。例如，當(dāng)跨過電路元 件的電壓和電路元件的溫度之間的關(guān)系通常為線性時(shí)，對于給定的電脈沖的值（例如，使 用電動(dòng)機(jī)電流或電流I 1(MP)，跨過電路元件的電壓基于電路元件的溫度的關(guān)系可被存儲(chǔ)為 恒定值"m"。更具體地講，可在存儲(chǔ)器42中將所述關(guān)系存儲(chǔ)為解析式，例如，上述的V = V0+mX(T-T0)或丁 = 1'0+以-￥0)/111，其中，"1'"表示控制器40所估計(jì)的后續(xù)溫度。在另一示 例中，可在存儲(chǔ)器42中將"m"的值存儲(chǔ)為查找表。此外，可在存儲(chǔ)器42中對"m"的值進(jìn)行 編輯和編程。例如，控制器可（例如）在系統(tǒng)30的標(biāo)定循環(huán)期間對存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器42中的 "m"的值進(jìn)行編輯或重新編程。在這樣的示例中，對于電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34中的每個(gè)電路元件， 控制器40可動(dòng)態(tài)地"獲悉"或定制"m"的值或（Τ-?；)的值和（V-%)的值之間的關(guān)系。
[0085] 如圖8所示，當(dāng)控制器40以預(yù)定值（如Ilimit2)施加電脈沖時(shí)，"m"的值通常是恒 定的。因此，當(dāng)電脈沖的值是已知的并因此得知"m"的值時(shí)，跨過電路元件的電壓可被表示 為V = VfmX (Τ-?；)。"m"的值基于IGBT、二極管或其他電路元件是如何響應(yīng)特定值的電 脈沖的。因此，控制器40可基于從存儲(chǔ)器42中獲得下列輸入之后來估計(jì)后續(xù)溫度（T):電 參數(shù)的后續(xù)值（V)、電參數(shù)的初始值％)、電路元件的初始的期望溫度〇〇、基于電脈沖的 預(yù)定值而從存儲(chǔ)器42中計(jì)算或查找的"m"的值。如圖8所示，后續(xù)溫度（T)可被表示為如 靠近波形圖98所標(biāo)記的溫度T end。此外，控制器40可在電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34的正常運(yùn)行中斷 時(shí)獲得后續(xù)溫度（T)。
[0086] 在圖7中示出的流程圖60的步驟72,獲得溫度對比?？刂破?0將在步驟70中 獲得的后續(xù)溫度與預(yù)定溫度進(jìn)行比較以獲得溫度對比?？刂破?0可從存儲(chǔ)器42獲取預(yù)定 溫度。如果后續(xù)溫度大于預(yù)定溫度，則控制器40可獲得指示電路元件過熱和/或電路元件 操作異常的溫度對比。例如，電路元件可因該電路元件的熱阻抗的不期望的增加而操作異 常。如果后續(xù)溫度不大于預(yù)定溫度，則控制器40可獲得指示電路元件如所期望地操作的溫 度對比。
[0087] 在步驟74,估計(jì)溫差。控制器40估計(jì)在步驟70獲得的后續(xù)溫度和在步驟62獲 得的初始的期望溫度之間的溫差（ΛΤ)。換言之，控制器40可估計(jì)在相同的預(yù)定功率損失 下，從時(shí)間t = 1附近到t = 4附近電路元件的溫度變化的量。此外，控制器40可將溫差 與預(yù)定溫差進(jìn)行比較，以確定溫差是否超過預(yù)定溫差。
[0088] 圖9A、圖9B、圖9C和圖10中示出的測試時(shí)序可為控制器40提供信息，以為兩個(gè) 電路元件二極管D a2和IGBT Sb2計(jì)算溫差。溫差Λ TD表示二極管Da2在時(shí)間t = 1和時(shí)間 t = 4之間的溫差，而溫差Λ Ts表示IGBT Sb2在時(shí)間t = 1和時(shí)間t = 4之間的溫差。因 此，控制器40報(bào)告關(guān)于二極管Da2的信息以獲得溫差Δ TD，控制器40報(bào)告關(guān)于IGBT Sb2的 信息以獲得溫差Λ Ts?？刂破?0可利用溫差Λ 1"和Λ Ts來指示各個(gè)電路元件或作為整體 的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)34是否如所期望地操作。
[0089] 控制器40可利用存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器42中的下面的式子ATdIH^Vd-VJ或與該式子 對應(yīng)的查找表來估計(jì)溫差Λ TD。控制器40從步驟64獲得電參數(shù)的初始值（VJ、從步驟68 獲得與電路元件（即，二極管Da2)的預(yù)定值對應(yīng)的"m D"的值、從步驟70獲得電參數(shù)的后續(xù) 值（VD)，以估計(jì)溫差Λ TD。溫差Λ TD指示當(dāng)電脈沖在時(shí)間t = 1和t = 4之間加熱二極管 Da2時(shí)二極管Da2是如何響應(yīng)的。
[0090] 類似地，控制器40利用存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器42中的下面的式子Λ Ts = ms 或與 該式子對應(yīng)的查找表來估計(jì)溫差Λ Ts?？刂破?0從步驟64獲得電參數(shù)的初始值（VJ、從 步驟68獲得與電路元件（即，IGBT Sb2)的預(yù)定值對應(yīng)的"ms"的值、從步驟70獲得電參數(shù) 的后續(xù)值（Vs)，以估計(jì)溫差Λ Ts。溫差Λ Ts指示當(dāng)電脈沖在時(shí)間t = 1和t = 4之間加熱 IGBT Sb2時(shí)IGBT Sb2是如何響應(yīng)的。
[0091] 在步驟76,獲得溫差對比?；叵胍幌?，電路元件的溫度變化的速率可指示電路元件 是否具有一個(gè)或多個(gè)問題?？刂破?0可以以許多方式來獲得溫差對比。
[0092] 在一個(gè)示例中，控制器40基于相同的功率損失下的預(yù)定溫差來獲得溫差對比。控 制器40可從存儲(chǔ)器42獲取預(yù)定溫差。此外，控制器40可（例如）在標(biāo)定或測試電路元件 時(shí)將預(yù)定溫差存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器42中。在操作中，控制器40將在步驟74估計(jì)的溫差與預(yù)定溫 差進(jìn)行比較，以獲得溫差對比。如果在步驟74估計(jì)的溫差大于預(yù)定溫差，則控制器40可獲 得指示電路元件過熱和/或電路元件操作異常的溫差對比。例如，電路元件可因該電路元 件的熱阻抗的不期望的增加而操作異常。如果在步驟74估計(jì)的溫差不大于預(yù)定溫差，則控 制器40可獲得指示電路元件如所期望地操作的溫差對比。
[0093] 在另一示例中，控制器40將在步驟74估計(jì)的溫差與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器42中的預(yù)定的 溫度范圍進(jìn)行比較，以獲得溫差對比。如果在步驟74估計(jì)的溫差在預(yù)定的溫度范圍之外， 則控制器40可獲得指示電路元件過熱和/或電路元件操作異?；蚓哂幸粋€(gè)或多個(gè)問題的 溫差對比。相反，如果在步驟74估計(jì)的溫差在預(yù)定的溫度范圍之內(nèi)，則控制器40可獲得指 示電路元件如所期望地操作的溫差對比。
[0094] 在步驟78,估計(jì)熱阻抗（ZthOTal)?？刂破?0基于由電脈沖引起的估計(jì)的電路元 件的功率損失（P)以及在步驟74估計(jì)的溫差（ΛΤ)來估計(jì)電路元件的熱阻抗。表示估計(jì) 的電路元件的功率損失（P)和溫差（△!〇之間的關(guān)系的計(jì)算或查找表可基于下式來表示：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于監(jiān)測電力電子系統(tǒng)的診斷方法，所述電力電子系統(tǒng)具有電路元件，所述診 斷方法包括如下步驟： 獲得電路元件的初始的期望溫度和電路元件的電參數(shù)的初始值； 將電脈沖施加到電路元件以使電路元件的溫度升高； 在電脈沖衰減到預(yù)定值之后，感測電參數(shù)以獲得電參數(shù)的后續(xù)值； 基于初始的期望溫度、初始值、后續(xù)值和預(yù)定值來估計(jì)電路元件的后續(xù)溫度； 基于后續(xù)溫度來產(chǎn)生指示電路元件是否如所期望地操作的信號(hào)。
2. 如權(quán)利要求1所述的診斷方法，其中，所述電脈沖為電流脈沖，所述預(yù)定值為電流 值，所述電參數(shù)的初始值和后續(xù)值為電壓值。
3. 如權(quán)利要求1所述的診斷方法，其中，所述電脈沖為電壓脈沖，所述預(yù)定值為電壓 值，所述電參數(shù)的初始值和后續(xù)值為電流值。
4. 如權(quán)利要求1所述的診斷方法，所述診斷方法還包括：將后續(xù)溫度與預(yù)定溫度進(jìn)行 比較以獲得溫度對比，并基于該溫度對比產(chǎn)生所述信號(hào)。
5. 如權(quán)利要求1所述的診斷方法，所述診斷方法還包括：基于后續(xù)溫度和初始的期望 溫度來估計(jì)溫差，并基于該溫差產(chǎn)生所述信號(hào)。
6. 如權(quán)利要求5所述的診斷方法，所述診斷方法還包括：將所述溫差與預(yù)定溫差進(jìn)行 比較，并基于該比較產(chǎn)生所述信號(hào)。
7. 如權(quán)利要求5所述的診斷方法，所述診斷方法還包括：基于所述溫差來估計(jì)電路元 件的熱阻抗，并基于該熱阻抗產(chǎn)生所述信號(hào)。
8. 如權(quán)利要求7所述的診斷方法，所述診斷方法還包括：基于電路元件的熱阻抗和預(yù) 定的熱阻抗信息獲得熱阻抗對比，并基于該熱阻抗對比產(chǎn)生所述信號(hào)。
9. 如權(quán)利要求7所述的診斷方法，其中，基于估計(jì)的電路元件的功率損失來估計(jì)電路 元件的熱阻抗，該估計(jì)的電路元件的功率損失至少部分地歸因于電脈沖。
10. 如權(quán)利要求9所述的診斷方法，所述診斷方法還包括：在電脈沖上升至預(yù)定的上限 值之后感測電路元件的電參數(shù)以獲得電參數(shù)的相應(yīng)的上限值，并基于該相應(yīng)的上限值和預(yù) 定的上限值來估計(jì)所述估計(jì)的功率損失。
11. 如權(quán)利要求1所述的診斷方法，所述診斷方法還包括：從計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)獲 取表示電路元件的初始的期望溫度的數(shù)據(jù)以及電參數(shù)的初始值，以估計(jì)所述后續(xù)溫度。
12. 如權(quán)利要求1所述的診斷方法，所述診斷方法還包括：基于所述信號(hào)來控制電路元 件，以改變電路元件的溫度。
13. 如權(quán)利要求1所述的診斷方法，其中，所述電脈沖的寬度在1微秒和10分鐘之間。
14. 如權(quán)利要求13所述的診斷方法，其中，該寬度在1毫秒和10毫秒之間。
15. 如權(quán)利要求1所述的診斷方法，所述診斷方法還包括：由電路元件的熱點(diǎn)獲得初始 的期望溫度。
【文檔編號(hào)】G01R31/42GK104242787SQ201410507910
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2010年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2009年7月14日
【發(fā)明者】陳清麒, 梁振賢, 邁克爾·W·德格內(nèi)爾 申請人:福特全球技術(shù)公司