MÉTODOS DE MONITORIZACIÓN DE LA SALUD DE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES.
Métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores.
Están basados en un método para estimar cercanía de la finalización de la vida de un dispositivo que incluye un sensor de temperatura que comprende: a) realizar al comienzo del tiempo de vida del dispositivo un primer ensayo que comprende los siguientes pasos: a1) proporcionar una corriente con una amplitud constante I a dicho dispositivo durante un intervalo de tiempo tn; a2) obtener un parámetro P1 indicativo de la elevación de temperatura en dicho intervalo tn; b) realizar periódicamente el mismo ensayo y estimar la cercanía de la finalización de la vida del dispositivo cuando la diferencia o la relación entre el parámetro P obtenido en el último ensayo ejecutado y el parámetro P1 obtenido en el primer ensayo es mayor de un valor predeterminado. El método es particularmente aplicable a los IGBT's de los convertidores de aerogeneradores.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201000470.
Solicitante: GAMESA INNOVATION & TECHNOLOGY, S.L.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: BIRK,JENS.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- G01R31/26 FISICA. › G01 METROLOGIA; ENSAYOS. › G01R MEDIDA DE VARIABLES ELECTRICAS; MEDIDA DE VARIABLES MAGNETICAS (indicación de la sintonización de circuitos resonantes H03J 3/12). › G01R 31/00 Dispositivos para ensayo de propiedades eléctricas; Dispositivos para la localización de fallos eléctricos; Disposiciones para el ensayo eléctrico caracterizadas por lo que se está ensayando, no previstos en otro lugar (ensayo o medida de dispositivos semiconductores o de estado sólido, durante la fabricación H01L 21/66; ensayo de los sistemas de transmisión por líneas H04B 3/46). › 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).
- H01L21/66 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 21/00 Procedimientos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de dispositivos semiconductores o de dispositivos de estado sólido, o bien de sus partes constitutivas. › Ensayos o medidas durante la fabricación o tratamiento.
Fragmento de la descripción:
METODOS DE MONITORIZACION DE LA SALUD DE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES
5 CAMPO DE LA INVENCION
1 o Esta invención se refiere a métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores y, más en particular, a métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores utilizados en convertidores de aerogeneradores.
ANTECEDENTES
15 2 o 2 5 3 o En un aerogenerador moderno el convertidor tiene frecuentemente una tasa de fallo relativamente alta comparada con la de otros componentes del aerogenerador. Entre los componentes del convertidor que fallan más. frecuentemente se encuentran los IGBT's (Transistores Bipolares de Puerta Aislada) . Se conocen varios métodos de predicción del funcionamiento de los IGBT's y otros módulos de potencia semiconductores tal como el método descrito en US 5, 654, 896 que proporciona un procedimiento de medida y ensayo de parámetros de esos dispositivos tales como resistencia térmica Rthjc. voltaje de suministro V00, e intensidad de suministro 100 así como voltaje de saturación VcEsAT entre el colector y el emisor. Estos parámetros de dispositivo caracterizan varios componentes del circuito integrado incluyendo el encapsulado, la pastilla del circuito integrado y los conductores metálicos de conexión. Cuando esos componentes se degradan, dichos parámetros se sitúan en las proximidades de sus límites operativos. En este sentido se menciona que unos valores típicos de esos límites operativos para Rthjc y VcEsAT de un IGBT se sitúan en torno a un 20% por encima de sus valores de partida. Los métodos conocidos de predicción del funcionamiento de módulos de potencia semiconductores no son fácilmente aplicables a los módulos de
potencia semiconductores utilizados en convertidores operativos tales como los
IGBT's utilizados en los convertidores de los aerogeneradores.
En cualquier caso, el tiempo de vida esperado de dichos IGBT's no es
bien conocido debido, entre otras razones, a sus tolerancias de fabricación y a
5 su exposición a unas condiciones muy variadas de condiciones de fatiga porque
la energía del viento fluctúa de una manera no determinista y por tanto las
intensidades de los IGBT's también fluctúan de una manera no determinista.
Esta invención está dirigida a la solución de ese problema.
1 o SUMARIO DE LA INVENCION
Es un objeto de la presente invención proporcionar un método para
estimar la cercanía de la finalización de la vida de dispositivos semiconductores
incluidos en convertidores conectados a máquinas eléctricas, tales como los
15 módulos IGBT utilizados en los convertidores de los aerogeneradores.
Es otro objeto de la presente invención proporcionar un método para
estimar la cercanía de la finalización de la vida de los módulos IGBT utilizados
en los convertidores de los aerogeneradores sin requerir componentes físicos
adicionales.
2 o Es otro objeto de la presente invención proporcionar un método para
estimar la cercanía de la finalización de la vida de los módulos IGBT utilizados
en los convertidores de los aerogeneradores aplicable a las principales
configuraciones de convertidores de los aerogeneradores que ya están
instalados.
25 Estos y otros objetos se consiguen proporcionando un método que
comprende:
a) Realizar al comienzo del tiempo de vida de un dispositivo de potencia
semiconductor un primer ensayo que comprende los siguientes pasos:
a1) Proporcionar una corriente con una amplitud constante 1 a dicho
3 o dispositivo de potencia semiconductor durante un intervalo de tiempo tn.
a2) Obtener un parámetro Pt indicativo de la elevación de temperatura en
dicho intervalo tn.
b) Realizar periódicamente el mismo ensayo y estimar la cercanía de la
finalización de la vida del dispositivo de potencia semiconductor cuando la
diferencia o la relación entre el parámetro P; obtenido en el último ensayo
ejecutado y el parámetro P1 obtenido en el primer ensayo es mayor de un valor
5 predeterminado.
En una realización preferente dicho ensayo también comprende el paso
de calentar o enfriar el dispositivo de potencia semiconductor para alcanzar una
predeterminada temperatura inicial Ts antes de dicho paso a1) . Se consigue con
ello un método mejorado para el caso en que VcEsAT es altamente dependiente
1 o de la temperatura.
En otras realizaciones preferentes dicho parámetro P es la temperatura
Te del dispositivo de potencia semiconductor al final de dicho intervalo tn, ó la
diferencia entre la temperatura Te del dispositivo de potencia semiconductor al
final de dicho intervalo tn y la temperatura Ts del dispositivo de potencia
15 semiconductor al inicio de dicho intervalo tn, ó el resultado de calcular la integral
de la temperatura T con respecta al tiempo a lo largo del intervalo tn. Se
consigue con ello un método que usa parámetros indicativos de la elevación de
la temperatura en el dispositivo semiconductor que son fáciles de obtener.
En otra realización preferente para estimar la cercanía de la finalización
2 o de la vida de los dispositivos IGBT de un convertidor de un generador,
comprendiendo un inversor del generador, un enlace CC y un inversor de red,
dichos ensayos periódicos se realizan, estando el aerogenerador en una
situación de no producción de energía, separadamente para el inversor del
generador y el inversor de red y proporcionando corriente a dichos dispositivos
2 5 IGBT activando el inversor de red. Se consigue con ello un método que permite
una monitorización de la salud de dichos dispositivos IGBT evitando fallos de los
IGBT's.
En otra realización preferente para un inversor del generador
comprendiendo tres módulos IGBT de doble paquete, dichos ensayos
3 o periódicos se realizan simultáneamente para los dos IGBT's de cada módulo
IGBT. Se consigue con ello un método que permite la monitorización de la salud
de dichos dispositivos IGBT que es fácil de implementar.
En otras realizaciones preferentes para un inversor del generador La Figura 4 muestra un convertidor a escala completa de un
comprendiendo tres módulos IGBT de doble paquete, dichos ensayos
periódicos se realizan separadamente para cada IGBT individual (estando
conectado sin PWM o en modo PWM) , controlando la corriente proporcionada a
5 cada IGBT individual usando otros IGBT individual del inversor del generador
(en modo PWM o estando conectado sin PWM, según resulte apropiado) . Se
consiguen con ello métodos que permite la monitorización de la salud de dichos
IGBT's que proporcionan unas estimaciones de alta precisión sobre el final de la
vida de los IGBT's.
1 o En otras realizaciones preferentes para un inversor de red
comprendiendo tres módulos IGBT de doble paquete, dichos ensayos
periódicos se realizan simultáneamente para los dos IGBT's de cada módulo
IGBT. Adicionalmente la energía almacenada en el enlace CC se disipa
mediante cualquier medio apropiado. Se consiguen con ello métodos que
15 permites la monitorización de la salud de dichos dispositivos IGBT que son
fáciles de implementar.
Para cada uno de las realizaciones mencionadas anteriormente, el
convertidor también puede estar configurado con varios módulos IGBT de doble
paquete conectados en paralelo en lugar de un modulo IGBT de doble paquete
2 o por cada fase.
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán
de la siguiente descripción detallada de realizaciones ilustrativas y no limitativas
de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.
2 5 BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra un diagrama de circuito de un módulo IGBT de doble
paquete.
La Figura 2 es un diagrama Intensidad vs. Tiempo de la corriente a través
3 o de un IGBT.
La Figura 3 es un diagrama Temperatura vs. Tiempo en el sensor de
temperatura del IGBT.
aerogenerador realizado con un módulo IGBT de doble paquete por fase.
La Figura 5 muestra un convertidor a escala completa de un
aerogenerador realizado con dos módulos IGBT de doble paquete por fase.
5
DESCRIPCION DETALLADA DE REALIZACIONES PREFERENTES
Método
La idea básica de esta invención es usar la elevación de temperatura en
1 o cada módulo IGBT para estimar si el fin del tiempo de vida del IGBT se
encuentra cercano.
Como se ha dicho en los antecedentes, se ha señalado que cuando el
voltaje VcESAT del colector-emisor de un IGBT está cercano al fin de su tiempo
de vida, se puede estimar que el límite operativo de VcESAT para un IGBT puede
15 estimarse en torno a un 20% por encima de su...
Reivindicaciones:
1. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
dispositivo de potencia semiconductor que incluye un sensor de temperatura,
5 perteneciente a un convertidor conectado a una máquina eléctrica,
caracterizado porque comprende:
a) realizar al comienzo del tiempo de vida del dispositivo de potencia
semiconductor un primer ensayo que comprende los siguientes pasos:
a1) proporcionar una corriente con una amplitud constante 1 a dicha
1 o dispositivo de potencia semiconductor durante un intervalo de tiempo tn;
a2) obtener un parámetro P1 indicativo de la elevación de temperatura en
dicho intervalo tn;
b) realizar periódicamente el mismo ensayo y estimar la cercanía de la
finalización de la vida del dispositivo de potencia semiconductor cuando la
15 diferencia o la relación entre el parámetro P¡ obtenido en el último ensayo:
ejecutado y el parámetro P1 obtenido en el primer ensayo es mayor de un valor:
predeterminado.
2. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
2 o dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 1, caracterizadú,
porque también comprende el paso de calentar o enfriar el dispositivo de
potencia semiconductor para alcanzar una predeterminada temperatura inicial
Ts antes de dicho paso a1 ) .
2 5 3. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones
1-2, caracterizado porque dicho parámetro Pes uno de los siguientes:
- la temperatura Te del dispositivo de potencia semiconductor al final de
dicho intervalo tn;
3 o -la diferencia entre la temperatura Te del dispositivo de potencia
semiconductor al final de dicho intervalo tn y la temperatura Ts del dispositivo de
potencia semiconductor al inicio de dicho intervalo tn.
4. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones
1-2, caracterizado porque dicho parámetro P se obtiene calculando la integral
de la temperatura T con respecto al tiempo a lo largo del intervalo tn.
5
5. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones
1-4, caracterizado porque dicho dispositivo de potencia semiconductor es un
dispositivo IGBT.
10
6. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 5, caracterizado
porque:
- dicho convertidor es un convertidor (11) de un aerogenerador que
15 comprende un inversor de generador ( 13) , un enlace ce ( 15) y un inversor de
red (17) ;
- dichos ensayos periódicos se realizan estando el aerogenerador en una·
situación de no producción de energía;
- dichos ensayos periódicos se realizan separadamente para los
20 dispositivos IGBT del inversor del generador (13) y del inversor de red (17) ;
- en dicho paso a1) se proporciona corriente a dichos dispositivos IGBT
activando el inversor de red (17) .
7. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
2 5 dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6, caracterizado
porque:
- el inversor del generador (13) comprende tres módulos IGBT de doble
paquete (Au, Al; Bu, 81; Cu, Cl) ;
- dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para los dos
3 o IGBT's de cada módulo IGBT de doble paquete.
8. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6, caracterizado
porque:
- el inversor del generador (13) comprende dos o más módulos IGBT de
5 doble paquete conectados en paralelo por cada fase;
- dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para los dos
IGBT's de cada módulo IGBT de doble paquete.
9. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
1 o dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6, caracterizado
porque:
- el inversor del generador (13) comprende dos o más módulos IGBT de
doble paquete conectados en paralelo por cada fase;
- dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para todos los
15 IGBT's de los módulo IGBT de doble paquete que están conectados a la misma
fase.
10. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6,
2 o caracterizado porque:
- el inversor del generador (13) comprende tres módulos IGBT de doble
paquete (Au, Al; Bu, 81; Cu, Cl) ;
- dichos ensayos periódicos se realizan separadamente para cada IGBT
individual.
25
11. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6,
caracterizado porque:
- el inversor del generador (13) comprende dos o más módulos IGBT de
3 o doble paquete conectados en paralelo por cada fase;
-dichos ensayos periódicos se realizan separadamente para cada IGBT individual.
12. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
un dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las
reivindicaciones 10-11, caracterizado porque en dicho paso a1) la amplitud de la
5 corriente proporcionada a cada IGBT individual que está siendo ensayado se
controla usando otro IGBT individual del inversor del generador (13) en modo
PWM.
13. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida d~
1 o un dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las.
reivindicaciones 10-11, caracterizado porque en dicho paso a1) el IGBT
individual que está siendo ensayado está en modo PWM y se usa otro IGBT
individual o varios IGBT's del inversor del generador (13) en modo PWM para
controlar la amplitud de la corriente proporcionada al IGBT individual que está
15 siendo ensayado.
14. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
un dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las
reivindicaciones 10-11, caracterizado porque en dicho paso a1) el IGBT
2 o individual que está siendo ensayado está en modo PWM y se usa para controlar
la amplitud de la corriente proporcionada al IGBT individual que está siendo
ensayado, mientras que un IGBT individual o varios IGBT's del inversor del
generador (13) están conectados sin modo PWM.
2 5 15. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6,
caracterizado porque:
- el inversor del generador (13) comprende dos o más módulos IGBT de
doble paquete conectados en paralelo por cada fase;
3 o -dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para todos los
IGBT's superiores o inferiores de los módulos IGBT de doble paquete que están
conectados a la misma fase.
16. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 15,
caracterizado porque en dicho paso a1) la amplitud de la corriente
5 proporcionada a dichos múltiples IGBT's conectados en paralelo que están
siendo ensayados se controla usando otros múltiples IGBT's conectados en
paralelo del inversor del generador (13) en modo PWM.
17. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
1 o un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 15
caracterizado porque en dicho paso a1) dichos múltiples IGBT's conectados en
paralelo que están siendo ensayados están en modo PWM y se usan otros
múltiples IGBT's conectados en paralelo del inversor del generador (13) en
modo PWM para controlar la amplitud de la corriente proporcionada a dichos
15 múltiples IGBT's conectados en paralelo que están siendo ensayados.
18. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 15,
caracterizado porque en dicho paso a1) dichos múltiples IGBT's conectados en
2 o paralelo que están siendo ensayados están en modo PWM y son usados para
controlar la amplitud de la corriente proporcionada a los IGBT's que están
siendo ensayados y otros múltiples IGBT's conectados en paralelo del inversor
del generador (13) están conectados sin modo PWM.
2 5 19. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6,
caracterizado porque:
- el inversor del red (17) comprende tres módulos IGBT de doble paquete
(L1u, L11; L2u, L21; L3u, L31) ;
3 o -dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para los dos
IGBT's de cada módulo IGBT.
5 20. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6, caracterizado porque: -el inversor de red (17) comprende dos o más módulos IGBT de doble paquete conectados en paralelo por cada fase; -dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para los dos IGBT's de cada módulo IGBT.
1 o 15 21. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6 caracterizado porque: -el inversor de red (17) comprende dos o más módulos IGBT de doble paquete conectados en paralelo por cada fase; -dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para todos los IGBT's de los módulos IGBT de doble paquete que están conectados a la misma fase.
2 o 22. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 19-21, caracterizado porque la energía almacenada en el. enlace ce (15) se disipa mediante cualquier medio apropiado.
25 23. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 6-22, caracterizado porque dicho convertidor (11) de aerogenerador es un convertidor a escala completa
3 o 24. Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 6-22, caracterizado porque dicho convertidor (11) es un convertidor conectado al rotor del generador de un generador doblemente alimentado.
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