Circuito de control electrónico que comprende transistores de potencia y procedimiento para supervisar la vida útil de los transistores de potencia.

Circuito de control electrónico (1) para un dispositivo eléctrico, en particular diseñado como un sistema electrónico de comunicación

(2) de un motor conmutado electrónicamente (M), que tiene una pluralidad de transistores de potencia (T1 - T6), los cuales están controlados en un modo de funcionamiento para controlar el dispositivo, caracterizado por un transistor de referencia similar, adicional (Ttest) el cual no está cargado en el modo de funcionamiento de los transistores de potencia (T1 - T6) y está instalado o formado junto con los transistores de potencia (T1 - T6) en un soporte o sustrato común y por medio de la aplicación al transistor de referencia (Ttest) y a por lo menos uno de los transistores de potencia (T1 - T6) respectivamente una corriente de prueba en un modo de prueba y para la medición de la tensión de saturación asociada respectiva (UCE sat) y para la evaluación de una diferencia de tensión de saturación que resulta a partir de las tensiones de saturación medidas (UCE sat) del transistor de referencia (Ttest) y el respectivo transistor de potencia (T1 - T6) teniendo en cuenta la temperatura que prevalece del soporte/sustrato durante la medición como un criterio para un proceso de envejecimiento y una vida útil restante esperada de los transistores de potencia (T1 - T6), en el que están provistos medios adicionales para la evaluación de una velocidad de cambio de las diferencias de tensión de saturación grabadas en cada uno de los modos de prueba consecutivos respectivos.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/070594.

Solicitante: EBM-PAPST MULFINGEN GMBH & CO.KG.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: BACHMUHLE 2 74673 MULFINGEN ALEMANIA.

Inventor/es: LIPP, HELMUT, HAAS,GÜNTER, BÜRKERT,MARTIN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE VARIABLES ELECTRICAS; MEDIDA DE VARIABLES... > Dispositivos para verificar propiedades eléctricas;... > G01R31/26 (Ensayo de dispositivos individuales de semiconductores (prueba o medida durante la fabricación o el tratamiento H01L 21/66; pruebas de dispositivos fotovoltaicos H02S 50/10))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE TEMPERATURAS; MEDIDA DE CANTIDADES DE CALOR;... > Medida de la temperatura basada en la utilización... > G01K7/01 (usando elementos semiconductores con uniones PN (G01K 7/02, G01K 7/16, G01K 7/30 tienen prioridad))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA... > APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA... > Detalles de aparatos para transformación > H02M1/32 (Medios para proteger convertidores, distintos a la desconexión automática (disposiciones de circuitos protectores de seguridad especialmente adaptados para convertidores con desconexión automática H02H 7/10))

PDF original: ES-2534667_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Circuito de control electrónico que comprende transistores de potencia y procedimiento para supervisar la vida útil de los transistores de potencia

Según el preámbulo de la reivindicación 1, la presente invención se refiere a un circuito de control electrónico para un dispositivo eléctrico, en particular diseñado como un sistema electrónico de conmutación de un motor conmutado electrónicamente (EC), que tiene una pluralidad de transistores de potencia, los cuales están controlados en un modo de funcionamiento para controlar el dispositivo.

Adicionalmente, la invención también se refiere a un procedimiento novedoso para supervisar los transistores de potencia en dicho tipo de circuito de control electrónico con respecto a la vida útil de los mismos.

Los circuitos de control electrónico son conocidos en muchos diseños. En el caso de la configuración preferida, como el dispositivo electrónico de conmutación de un motor conmutado electrónicamente, esto es sin escobillas, un motor eléctrico conmutado electrónicamente, cuatro o seis transistores de potencia están conectados a un amplificador de potencia en puente por regla general, el amplificador de potencia estando suministrado a partir de un circuito intermedio de tensión de corriente continua. Los transistores de potencia individuales están controlados por un conjunto de control de tal modo que los devanados del motor están controlados de una manera que depende de la posición giratoria de un rotor de tal modo que se crea un campo magnético giratorio para girar el rotor. A este respecto el amplificador de potencia prácticamente actúa como un inversor, también siendo posible que para el ajuste de la velocidad tenga lugar una sincronización de modulación por ancho de pulso (PWM).

Los circuitos de control también son conocidos globalmente como inversores o convertidores de frecuencia para otras utilizaciones.

El documento DE 1351843A1 revela un circuito de control electrónico para un dispositivo eléctrico con una pluralidad de transistores de potencia, los cuales están controlados en un modo de funcionamiento para controlar el dispositivo. A partir del documento DE 121875A1 es conocido un procedimiento para la medición de la temperatura de la unión para dispositivos de semiconductor de potencia en un convertidor de potencia. Adicionalmente, el documento EP 795756A1 revela un procedimiento para la estimación de la vida útil de un dispositivo de semiconductor de potencia.

Los transistores de potencia tanto pueden estar instalados como componentes discretos en un soporte, por ejemplo una tarjeta de circuito, como integrados en el interior de un módulo sobre un sustrato común. Además, pueden estar instalados en un disipador térmico y estar diseñados como transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) o de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET), por ejemplo.

Teóricamente, los elementos de semiconductor no están sujetos a limitación alguna de vida útil. En la práctica, sin embargo, ocurren los procesos de envejecimiento y los fallos totales de los transistores de potencia, esto es los componentes del semiconductor tienen una vida útil finita en el uso práctico a partir de la experiencia.

El objeto de la presente invención es por lo tanto proporcionar un medio mediante el cual el proceso de envejecimiento de los transistores de potencia pueda ser supervisado y se pueda determinar e indicar un final inminente de la vida útil.

Según la invención, esto se consigue en el caso de un circuito de control según la reivindicación independiente 1 por medio de un transistor de referencia adicional, similar, el cual no está cargado en el modo de funcionamiento de los transistores de potencia y está instalado o formado junto con los transistores de potencia en un soporte o sustrato común así como utilizando medios para suministrar al transistor de referencia y por lo menos a uno de los transistores de potencia en un modo de prueba cada uno una corriente de prueba y medir la tensión de saturación para cada uno así como evaluar la diferencia de tensión de saturación que resulta a partir de las tensiones de saturación medidas del transistor de referencia y el transistor de potencia respectivo teniendo en cuenta la temperatura del soporte/sustrato que prevalece durante la medición como un criterio para el proceso de envejecimiento y una vida útil restante anticipada de los transistores de potencia, con referencia a valores empíricos, mientras están provistos medios adicionales para grabar y evaluar una velocidad de cambio de las diferencias de tensión de saturación grabadas en los respectivos modos de prueba consecutivos como un criterio adicional para el avance del proceso de envejecimiento. En el proceso se tiene en cuenta la velocidad de cambio por unidad de tiempo o por cambio de carga.

Un procedimiento novedoso para supervisar los transistores de potencia en dicho tipo de circuito de control electrónico con respecto a la vida útil restante esperada por lo tanto es el sujeto de la reivindicación independiente 9, según la cual en un modo de prueba del circuito de control se mide la tensión de saturación de por lo menos uno de los transistores de potencia del mismo y se compara con la tensión de saturación, igualmente medida bajo las mismas condiciones ambientales, de un transistor de referencia adicional, similar, el cual no está cargado en el modo de funcionamiento del circuito de control y el cual está provisto junto con los transistores de potencia sobre un

soporte o sustrato común, siendo evaluada una diferencia de tensión de saturación resultante, teniendo en cuenta la temperatura del soporte (por ejemplo disipador) o del sustrato durante la medición como un criterio para el avance del proceso de envejecimiento y para la vida útil restante esperada de los transistores de potencia con referencia a valores empíricos previamente calculados y almacenados basados en la experiencia. Preferiblemente, una velocidad de cambio de la diferencia de tensión de saturación grabada en los modos de prueba respectivos llevados a cabo consecutivamente también se graba y se evalúa como un criterio para la vida útil restante mientras adicionalmente también se graba y se evalúa una velocidad de cambio de las diferencias de tensión de saturación grabadas en los respectivos modos de prueba llevados a cabo consecutivamente como un criterio para la vida útil restante.

Formas de realización y desarrollos ventajosos adicionales de la invención se incluyen en las respectivas reivindicaciones subordinadas 2 a 8 y 1 a 15 así como en la siguiente descripción.

La invención se basa en el conocimiento de que especialmente la inclusión de una pastilla de semiconductor en un alojamiento y las conexiones eléctricas de la pastilla a las conexiones de los componentes exteriores reales son factores sustanciales que afectan a la vida útil. Dos factores principales en el proceso son por una parte la denominada unión sobre la superficie superior de la pastilla así como por otra parte las conexiones soldadas de la pastilla sobre una "capa base" eléctricamente conductora, la cual puede ser un bastidor de plomo o cerámica laminada con cobre, por ejemplo. Estas conexiones soldadas están sometidas a tensión por diferentes dilataciones térmicas de la pastilla, la soldadura y la capa base respectiva con cada ciclo de carga. Cuanto más rápido sube la temperatura de la pastilla durante un ciclo de carga, mayor es la carga de tensión mecánica en la zona de las juntas soldadas y más fuerte es el efecto de la vida útil de estas conexiones. Las cargas de tensión repetidas conducen a la exfoliación de la pastilla de semiconductor desde la capa base, esta exfoliación avanzando a partir de los bordes de la pastilla hacia el centro de... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Circuito de control electrónico (1) para un dispositivo eléctrico, en particular diseñado como un sistema electrónico de comunicación (2) de un motor conmutado electrónicamente (M), que tiene una pluralidad de transistores de potencia (T1 - T6), los cuales están controlados en un modo de funcionamiento para controlar el dispositivo, caracterizado por un transistor de referencia similar, adicional (Ttest) el cual no está cargado en el modo de funcionamiento de los transistores de potencia (T1 - T6) y está instalado o formado junto con los transistores de potencia (T1 - T6) en un soporte o sustrato común y por medio de la aplicación al transistor de referencia (Ttest) y a por lo menos uno de los transistores de potencia (T1 - T6) respectivamente una corriente de prueba en un modo de prueba y para la medición de la tensión de saturación asociada respectiva (UCe sat) y para la evaluación de una diferencia de tensión de saturación que resulta a partir de las tensiones de saturación medidas (UcEsat) del transistor de referencia (Ttest) y el respectivo transistor de potencia (T1 - T6) teniendo en cuenta la temperatura que prevalece del soporte/sustrato durante la medición como un criterio para un proceso de envejecimiento y una vida útil restante esperada de los transistores de potencia (T1 - T6), en el que están provistos medios adicionales para la evaluación de una velocidad de cambio de las diferencias de tensión de saturación grabadas en cada uno de los modos de prueba consecutivos respectivos.

2. Circuito de control según la reivindicación 1 caracterizado por un conjunto de control electrónico (6) para disparar y realizar el modo de prueba respectivo.

3. Circuito de control según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2 caracterizado por que el transistor de potencia respectivo (T1 - T6) y el transistor de referencia (Ttest) pueden estar conectados a una fuente de corriente constante (1) a fin de ser suministrados con la corriente de prueba o a un circuito intermedio (ZK) de tensión de corriente continua a través de una resistencia (R).

4. Circuito de control según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado por que los transistores (T1

- T6, Ttest) pueden estar suministrados individualmente y consecutivamente con la corriente de prueba a través de un conmutador (12).

5. Circuito de control según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado por que los transistores (T1

- T6, Ttest) pueden estar suministrados simultáneamente con la corriente de prueba respectiva a través de un

conmutador múltiple (14).

6. Circuito de control según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por medios de almacenaje para almacenar ciertos valores empíricos de la diferencia de tensión de saturación y preferiblemente su velocidad de cambio asignándolos a ciertas etapas de un proceso de envejecimiento de los transistores de potencia (T1 - T6) y teniendo en cuenta la temperatura del soporte/sustrato.

7. Circuito de control según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado por medios para visualizar la vida útil restante y/o generar una señal de alarma para un fallo inmediato de por lo menos uno de los transistores de potencia (T1 -T6).

8. Circuito de control según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado por que cuatro o seis transistores de potencia (T1 - T6) están instalados en serie en pares en respectivas ramas de un puente, las cuales son paralelas unas a otras, de un circuito de puente, la tensión de saturación siendo medida en el/cada modo de prueba en por lo menos uno de los dos transistores de potencia (T4 - T6) de cada rama del puente, en particular únicamente en los transistores del denominado lado bajo de cada rama del puente e incluidos en la evaluación.

9. Procedimiento para la supervisión de transistores de potencia (T1 - T6) en un circuito de control electrónico (1) para un dispositivo eléctrico, en particular un sistema electrónico de comunicación (2) de un motor conmutado electrónicamente (M), con respecto a la vida útil restante esperada, en el que la tensión de saturación (Uce) de por lo menos uno de los transistores de potencia (T1 - T6) se mide en un modo de prueba del circuito de control (1) y se compara con la tensión de saturación (UCEsat) de un transistor de referencia similar, adicional (Ttest), el cual no está cargado en el modo de funcionamiento del circuito de control (1) y está instalado o formado junto con los transistores de potencia (T1 - T6) en un soporte o sustrato común, igualmente medido bajo las mismas condiciones, en el que se evalúa una diferencia de tensión de saturación resultante, teniendo en cuenta la temperatura que prevalece del soporte/sustrato durante la medición como un criterio para el avance del proceso de envejecimiento y para la vida útil restante esperada de los transistores de potencia (T1 - T6), en el que una velocidad de cambio de las diferencias de tensión de saturación también se graba en los modos de prueba respectivos, los cuales son llevados a cabo consecutivamente, y se evalúa como un criterio para la vida útil restante.

1. Procedimiento según la reivindicación 9 en el que las diferencias de tensión de saturación determinadas respectivamente y preferiblemente sus velocidades de cambio se comparan a valores empíricos almacenados que caracterizan un proceso de envejecimiento, teniendo en cuenta la temperatura del soporte/sustrato.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 1 en el que se genera una señal para la vlsualización de la vida útil restante y/o un final Inmediato de la vida útil de los transistores de potencia (T1 - T6) con referencia a la evaluación de la tensión de saturación respectiva cuando se alcanza un cierto valor de la diferencia de tensión de saturación y/o su velocidad de cambio.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11 en el que el modo de prueba de un conjunto de control (6) es disparado y se lleva a cabo antes de cada funcionamiento del circuito de control (1) y/o a ciertos Intervalos durante el funcionamiento mediante la conmutación desde el modo de funcionamiento y en el que la conmutación al modo de funcionamiento tiene lugar a continuación de cada/el modo de prueba.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12 en el que las tensiones de saturación (UCe) de cada uno de una pluralidad de transistores de potencia (T4, T5, T6) del circuito de control (1) se miden en el modo de prueba, en el que el transistor de potencia con la diferencia de tensión de saturación más grande y/o la velocidad de cambio más alta se contempla como definitivo para el avance del proceso de envejecimiento y la vida

útil restante esperada de los transistores de potencia (T1 - T6).

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13 en el que las mediciones de las tensiones de saturación (Uce) de los transistores de potencia (T1 - T6) y del transistor de referencia (Ttest) se llevan a cabo consecutivamente o simultáneamente.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14 en el que el transistor de potencia respectivo (T4 - T6) y el transistor de referencia (Ttest) son suministrados de forma similar con una corriente de prueba desde una fuente de corriente constante (1) o desde un circuito intermedio (ZK) de tensión de corriente continua a través de una resistencia (R).