DE102016118293A1

DE102016118293A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE102016118293A1
Application number: DE102016118293.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Brückner; Jörg Janning; Christian Keller; Michael Kocur
Original assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2018-03-29
Also published as: EP3301709B1; EP3301709A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (27) und ein Verfahren zur Kühlung einer Halbleiteranordnung (19). Die Halbleiteranordnung (19) kann beispielsweise Bestandteil einer Wechselrichterschaltung (18) zur Wandlung von Energie einer regenerativen Energiequelle (17) in eine Wechselspannung für ein Wechselspannungsnetz (16) sein. Die Vorrichtung (27) weist eine mittels einer Steuergröße (S) ansteuerbare Kühleinrichtung (28) zur Kühlung der Halbleiteranordnung (19) auf. Mittels eines Änderungsbestimmungsmittels (40) wird ein Temperaturänderungswert (DT) einer Bauteiltemperatur (TH) der Halbleiteranordnung (19) ermittelt. Eine Steuereinrichtung (30) bildet eine Änderungsdifferenz (ΔD) zwischen dem Temperaturänderungswert (DT) und einem Änderungsvorgabewert (DV). Der Änderungsvorgabewert (DV) kann kleiner als null sein und beschreibt eine Solltemperaturabnahme der Bauteiltemperatur (TH), die als Führungsgröße dient. Die Änderungsdifferenz (ΔD) kann als Regelabweichung einem Regler übermittelt werden. Die über die Kühleinrichtung (48) erzeugte Kühlleistung wird somit dann begrenzt, wenn aufgrund von äußeren Einflüssen die Bauteiltemperatur (TH) sinkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Kühlung einer Halbleiteranordnung. Die Halbleiteranordnung weist wenigstens einen Leistungshalbleiter mit einem Halbleiterchip auf, der auf einem Träger angeordnet ist. Der Halbleiterchip ist üblicherweise eingegossen oder in einem Gehäuse unzugänglich angeordnet. Die Halbleiteranordnung kann beispielsweise zu einer Wechselrichterschaltung gehören.
Häufige Temperaturschwankungen belasten die Leistungshalbleiter. Diese bestehen aus unterschiedlichen Werkstoffen mit verschieden großen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Insbesondere bei Temperaturänderungen mit einem Betrag oberhalb eines Schwellenwerts treten mechanische Spannungen im Leistungshalbleiter auf, die die Lebensdauer beeinträchtigen. Durch häufige Temperaturschwankungen können sich insbesondere in den Lötverbindungen innerhalb des Leistungshalbleiters Risse bilden. Eine solche Rissbildung kann auch dazu führen, dass die Wärmeleitfähigkeit vom Halbleiterchip zur Umgebung bzw. zu einem Kühlkörper sinkt. Die Temperatur unmittelbar am bzw. im Halbleiterchip kann dadurch zunehmen, was wiederum zu einer erhöhten mechanischen Spannungsbelastung durch Temperaturschwankungen führt und letztendlich die Lebensdauer des Leistungshalbleiters reduziert.
Heutzutage werden zunehmend Siliziumkarbid-Halbleiter-Chips eingesetzt, da sie eine hohe elektrische Spannungsfestigkeit aufweisen, und bei – verglichen mit Siliziumhalbleiter-Chips – gleicher Baugröße höhere Schaltleistungen ermöglichen und die Schaltverluste gering sind. Diese Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter reagieren besonders empfindlich auf größere Temperaturschwankungen.
Die US-Patentanmeldung 14/692836 beschreibt ein System zum Regeln der Temperaturänderung von Halbleiterkomponenten eines Wandlers. Dabei wird Blindleistung erzeugt, um einer sinkenden Temperatur entgegenzuwirken. In verschiedenen IGBT-Brücken des Wandlers können unterschiedlich große Blindleistungen erzeugt werden. Dabei kann zusätzlich die Drehzahl eines Kühlgebläses reduziert oder das Gebläse ganz gestoppt werden, um einen Anstieg der Kühlmitteltemperatur zu ermöglichen und damit der Blindleistungserzeugung zur Temperaturerhöhung nicht entgegenzuwirken.
US 9,194,376 B2 beschreibt ein System und ein Verfahren zur Schätzung einer verbleibenden Lebensdauer für eine Einrichtung. Dabei wird auf Basis einer temperaturabhängigen Belastung der Einrichtung die verbleibende Lebensdauer abgeschätzt.
US 9,190,923 B2 beschreibt eine Wandleranordnung, bei der die Schaltfrequenz des Wandlers abhängig von Umgebungsbedingungen gesteuert wird. Dadurch kann die Belastung der Leistungshalbleiter abhängig von den Umgebungsbedingungen reduziert werden, jedoch wird auch die Qualität der Ausgangsgrößen Strom und Spannung beeinflusst.
Ein ähnliches Verfahren ist auch in US 8,046,616 B2 beschrieben. Dort wird der Betriebszustand eines Halbleitermoduls geändert, beispielsweise zwischen einem Zustand mit voller Leistung und einem Ruhezustand. Durch das Umschalten bzw. Erhöhen der Leistung des Halbleitermoduls sollen Temperaturschwankungen gemildert und dadurch die Belastung des Halbleiters reduziert werden.
DE 10 2014 112 458 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung einer Kühlvorrichtung zur Lebensdauererhöhung einer Halbleiteranordnung. Ziel dieses Verfahrens ist es, die Temperatur der Halbleiteranordnung auf einen erwarteten Temperaturwert zu regeln. Der erwartete Temperaturwert kann beispielsweise bei der Halbleiteranordnung eines Wandlers einer Photovoltaikanlage durch eine Wettervorhersage bestimmt werden. Die Kühlvorrichtung wird dann so angesteuert, dass die Halbleiteranordnung möglichst konstant die dem Erwartungswert entsprechende Temperatur aufweist. Sollte sich herausstellen, dass die Kühlleistung nicht ausreicht, um den Erwartungswert einzuhalten, wird als Solltemperatur eine oberhalb des Erwartungswerts liegende Temperatur vorgegeben. Dies führt dazu, dass die Kühlvorrichtung wieder in die Lage versetzt wird, die nunmehr erhöhte Solltemperatur auch tatsächlich zu regeln und hierfür ausreichend Leistungsreserve zur Verfügung steht.
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass zwar durch die Regelung die Temperaturschwankungen des Halbleiters reduziert werden, allerdings der Halbleiter auch mit einer im Mittel deutlich höheren Temperatur betrieben wird, als wenn dauerhaft eine Kühlung mit maximaler Kühlleistung erfolgen würde. Da Halbleiter vielfach die Eigenschaft besitzen, bei höherer Temperatur auch höhere Verluste zu verursachen, wird durch dieses Verfahren der Wirkungsgrad der Halbleiteranordnung spürbar verschlechtert.
Ausgehend hiervon kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine Vorrichtung zur Kühlung einer Halbleiteranordnung zu schaffen, welche die Amplitude von Temperaturhüben reduziert und gleichzeitig die Bauteiltemperatur langfristig auf den unter Nutzung der vollen Kühlleistung niedrigsten möglichen Wert hält und die mit geringem Aufwand realisierbar ist. Außerdem soll die Kühlvorrichtung nicht oder nicht erheblich in den elektrischen Betrieb der Schaltung eingreifen, zu der die Halbleiteranordnung gehört, beispielsweise eine Wechselrichterschaltung einer regenerativen Energieversorgungsanlage, wie etwa eine Photovoltaikanlage oder eine Windkraftanlage.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 17 gelöst.
Die Vorrichtung und das Verfahren dienen zur Kühlung einer Halbleiteranordnung mit wenigstens einem Leistungshalbleiter, der einen auf einem Träger angeordneten Halbleiterchip aufweist. Die Halbleiteranordnung kann beispielsweise Bestandteil eines Wechselrichters sein, der eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung wandelt. Beispielsweise kann der Wechselrichter eine Eingangsgleichspannung einer regenerativen Energiequelle, beispielsweise Kollektormodule einer Photovoltaikanlage, in eine Ausgangswechselspannung für ein Wechselspannungsversorgungsnetz wandeln. Bei anderen regenerativen Energiequellen kann die Halbleiteranordnung allgemein Bestandteil eines Wandlers sein, wobei am Eingang entweder eine Eingangsgleichspannung oder eine Eingangswechselspannung anliegen kann.
Zur Kühlung der Halbleiteranordnung ist eine Kühleinrichtung vorhanden. Die Kühleinrichtung wird mittels einer Steuereinrichtung gesteuert. Hierfür übermittelt die Steuereinrichtung eine Steuergröße an die Kühleinrichtung. Beispielsweise kann die Kühleinrichtung einen oder mehrere Lüfter aufweisen, wobei die Steuergröße die Drehzahl des wenigstens einen Lüfters vorgibt. Die Kühleinrichtung kühlt die Halbleiteranordnung dadurch, dass ein Kühlmedium beispielsweise an der Außenseite und/oder in Kühlkanälen der Halbleiteranordnung entlangströmt. Bei dem Kühlmedium kann es sich beispielsweise um Wasser und/oder Luft handeln, wobei bevorzugt eine Luftströmung mittels Lüftern erzeugt wird.
Die Vorrichtung weist ein Änderungsbestimmungsmittel auf, das dazu eingerichtet ist, einen Temperaturänderungswert zu bestimmen. Der Temperaturänderungswert gibt eine Temperaturänderung einer Bauteiltemperatur der Halbleiteranordnung abhängig von der Zeit an. Das Änderungsbestimmungsmittel kann kontinuierlich, quasi-kontinuierlich oder zu bestimmten Zeitintervallen jeweils einen aktualisierten Temperaturänderungswert bestimmen. Der Temperaturänderungswert kann durch eine zeitliche Ableitung der Bauteiltemperatur oder durch Differenzbildung zweiter zeitlich beabstandeter Bauteiltemperaturwerte ermittelt werden.
Der Temperaturänderungswert wird der Steuereinrichtung übermittelt oder in der Steuereinrichtung bestimmt. Der Steuereinrichtung wird außerdem ein Änderungsvorgabewert vorgegeben. Der Änderungsvorgabewert gibt eine gewünschte bzw. zulässige Temperaturänderung, insbesondere Temperaturabnahme, der Bauteiltemperatur an. Der Änderungsvorgabewert kann konstant sein oder parameterabhängig sein, beispielsweise in Form einer Kennlinie bzw. eines Kennfeldes. Beispielsweise kann der Änderungsvorgabewert bei einer Halbleiteranordnung eines Wechselrichters einer Photovoltaikanlage abhängig von der Tageszeit und/oder abhängig von der geografischen Lage der Photovoltaikanlage vorgegeben sein. Die Steuereinrichtung ermittelt eine Änderungsdifferenz zwischen dem Temperaturänderungswert und dem Änderungsvorgabewert. Die Steuergröße wird abhängig von der Änderungsdifferenz bestimmt, mit dem Ziel, den Betrag der Änderungsdifferenz zu reduzieren.
Über den Änderungsvorgabewert wird eine Solltemperaturänderung, insbesondere eine Solltemperaturabnahme, der Bauteiltemperatur vorgegeben. Der Änderungsvorgabewert dient als Führungsgröße. Die Steuereinrichtung erzeugt somit eine Steuergröße, um die Temperaturänderung der Bauteiltemperatur entsprechend der Führungsgröße und mithin entsprechend dem Änderungsvorgabewert zu regeln. Die Solltemperaturänderung könnte auch eine Nulländerung oder eine Solltemperaturzunahme sein.
Der Änderungsvorgabewert kann beispielsweise an eine zyklusbedingte übliche Temperaturabnahme angepasst werden. Beispielsweise wird bei einer Photovoltaikanlage die Sonneneinstrahlung zu den Abendstunden hin schwächer und die Bauteiltemperatur sinkt entsprechend der abnehmenden Sonneneinstrahlung.
Durch sich ändernde Umgebungsbedingungen können Temperaturänderungen der Bauteiltemperatur mit einem betragsmäßig hohen Gradienten auftreten. Beispielsweise dann, wenn eine Photovoltaikanlage durch eine Bewölkung beschattet wird, tritt eine Temperaturabnahme der Bauteiltemperatur mit einem großen Temperaturgradienten auf. Dieser Temperaturgradient wird durch die Erfindung begrenzt, indem die Kühlleistung über die Steuergröße reduziert wird, um den Temperaturänderungswert an den Änderungsvorgabewert anzupassen und die Änderungsdifferenz möglichst zu null zu machen. Das Reduzieren der Kühlleistung bis auf null ist möglich. Beispielsweise können Lüfter der Kühleinrichtung zum Stillstand gebracht werden. Da keine Wärme über eine Heizeinrichtung zugeführt werden soll, ist es zwar möglich, dass der Temperaturänderungswert immer noch betragsmäßig größer ist als der Änderungsvorgabewert, jedoch wird die Temperaturabnahme durch die Umgebungsbedingungen begrenzt und nicht durch eine zusätzliche Kühlung vergrößert.
Dies hat wiederum zur Folge, dass eine zeitlich begrenzte Änderung in den Umgebungsbedingungen, die eine Temperaturabsenkung der Bauteiltemperatur bewirkt, einen begrenzten Gradienten aufweist und somit der Betrag der Temperaturänderung reduziert wird. Temperaturänderungen unterhalb eines bestimmten Temperaturänderungsbetrags haben auf die Lebensdauer der Halbleiteranordnung lediglich einen geringen Einfluss, da die mechanischen Spannungen innerhalb der Materialien des Leistungshalbleiters weniger groß sind. Mittels der Erfindung ist es daher möglich, den Temperaturhub bzw. Temperaturänderungsbetrag der Bauteiltemperatur bei Temperaturschwankungen, die sich beispielsweise aufgrund von ändernden Umgebungsbedingungen ergeben, zu reduzieren und damit die Gesamtlebensdauer der Halbleiteranordnung zu erhöhen.
Dabei führt die Erfindung gerade keine Temperaturregelung der Bauteiltemperatur durch. Eine Temperaturregelung kann zu im Mittel höheren Betriebstemperaturen führen, da die verfügbare Kühlleistung begrenzt ist und eine Regelreserve bereitgestellt werden muss, so dass der Solltemperaturwert abhängig von den aktuellen Umgebungs- und Betriebsbedingungen gegebenenfalls entsprechend hoch vorgegeben werden muss. Höhere Temperaturen können auch höhere Verluste mit sich bringen und mithin den Wirkungsgrad der Halbleiteranordnung mindern. Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß mit einfachen Mitteln die Gesamtlebensdauer der Halbleiteranordnung vergrößert ohne dabei den elektrischen Betriebszustand der Halbleiteranordnung – beispielsweise durch Erhöhen oder Senken einer elektrischen Leistung, z.B. durch Erzeugung von Blindleistung in einer Wechselrichterschaltung wie in US-Patentanmeldung 14/692836 beschrieben, oder durch Veränderung der Schaltfrequenz wie in US 9,190,923 B2 vorgeschlagen – zu beeinflussen. Dadurch wird auch der Wirkungsgrad der Anordnung nicht wesentlich nachteilig beeinflusst.
Die erfindungsgemäße Lösung nimmt in Kauf, dass die vorgegebene Solltemperaturänderung – beispielsweise eine moderate Solltemperaturabnahme – nicht immer einzuhalten ist. Beispielsweise kann bei starker Sonneneinstrahlung auf eine Photovoltaikanlage keine Temperaturabnahme erreicht werden. In solchen Fällen wird durch die Steuereinrichtung die maximal verfügbare Kühlleistung der Kühleinrichtung angefordert, auch wenn dadurch die vorgegebene Solltemperaturänderung nicht erreichbar ist. Ziel der Erfindung ist es starke Temperaturabfälle durch veränderte Umgebungsbedingungen, wie etwa auftretende Beschattung einer Photovoltaikanlage durch Wolken, zu verhindern bzw. zu begrenzen, um die Lebensdauer der Halbleiteranordnung zu erhöhen.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Leistungshalbleitern der Halbleiteranordnung um Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter. Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter-Chips haben eine hohe elektrische Spannungsfestigkeit und ermöglichen im Vergleich zu Siliziumhalbleitern bei gleicher Baugröße höhere Schaltleistungen, während die Schaltverluste geringer sind.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Bauteiltemperatursensor vorhanden, der unmittelbar die Bauteiltemperatur an einer Außenfläche der Halbleiteranordnung misst. Vorzugsweise ist der Bauteiltemperatursensor an dem Träger der Halbleiteranordnung oder an einem mit dem Träger verbundenen Kühlkörper der Halbleiteranordnung angebracht. Der Bauteiltemperatursensor kann sich z.B. auch zwischen dem Träger und dem Kühlkörper oder innerhalb des Kühlkörpers befinden. Ferner ist es auch möglich, dass der Sensor in den Leistungshalbleiter integriert und beispielsweise auf der Innenseite des Trägers, etwa auf einer Bodenplatte bzw. auf einem Substrat, eines Halbleiters in Modulbauweise angeordnet ist. Derartige Sensoren sind in Halbleiterbauelementen vielfach implementiert. Der Bauteiltemperatursensor misst nicht direkt die Chip-Temperatur des Halbleiterchips, jedoch hängen die Bauteiltemperatur der Halbleiteranordnung und die Temperatur im Inneren am Halbleiterchips zusammen. Eine Temperaturerfassung mittels des Bauteiltemperatursensors ist einfach und kostengünstig. Eine Ermittlung der Temperatur im Inneren des Halbleiterchips würde dagegen eine sehr viel kompliziertere Berechnung erfordern und ist hier weder erforderlich noch vorgesehen. Mittels der erfassten Bauteiltemperatur kann durch das Änderungsbestimmungsmittel sehr einfach der Temperaturänderungswert ermittelt werden. Die Ermittlung des Temperaturänderungswerts ist nicht zeitkritisch und kann je nach Art des Kühlsystems und Kühlmediums typischerweise in Zeitintervallen im Bereich von größer als 100 Millisekunden bis zu wenigen Sekunden (beispielsweise bis zu 10 Sekunden) aktualisiert werden. Der Temperaturänderungswert kann somit basierend auf der Differenz zwischen zwei zeitlich nacheinander gemessenen Bauteiltemperaturwerten geteilt durch das vorgegebene Zeitintervall zwischen den Messungen ermittelt werden. Dadurch wird vermieden, dass durch eine genaue Gradientenberechnung der Bauteiltemperatur höherfrequente Störungen des Temperatursignals des Bauteiltemperatursensors zu Beeinträchtigungen bei der Steuerung führen.
Es ist auch möglich, einen Kühlmediumtemperatursensor vorzusehen. Der Kühlmediumtemperatursensor misst die für die Kühlung maßgebliche Temperatur des verwendeten Kühlmediums, d.h. beispielsweise die Temperatur des Kühlmediums bevor das Kühlmedium an der Halbleiteranordnung vorbei geleitet wird, z.B. im Falle einer Luftkühlung die Lufttemperatur der aus der Umgebung der Halbleiteranordnung angesaugten Luft. Im Falle einer Wasserkühlung wird die Kühlwassereintrittstemperatur vor dem Kühlen gemessen.
Außerdem kann bei einem Ausführungsbeispiel ein Stromsensor zur Messung eines Stromwertes an der Halbleiteranordnung und/oder ein Spannungssensor zur Messung eines Spannungswertes an der Halbleiteranordnung vorhanden sein. Da Strom- und Spannungssensoren typischerweise zur Regelung der primären Funktion der Halbleiteranordnung und zu deren Schutz ohnehin vorhanden sind, stellt dies keinen Mehraufwand dar. Anhand des Stromwertes und/oder des Spannungswertes kann auf den Betriebszustand der Halbleiteranordnung und die durch die Halbleiteranordnung erzeugte Verlustwärme bzw. Verlustleistung geschlossen werden.
Dem Änderungsbestimmungsmittel kann bei einer Ausführungsform der Erfindung die Umgebungstemperatur sowie der Stromwert und/oder der Spannungswert übermittelt werden. Auf Basis der Umgebungstemperatur und der beispielsweise anhand des Stromwertes bzw. des Spannungswertes ermittelten Verlustleistung bzw. Abwärme, kann ein Temperaturwert für die Temperatur des Leistungshalbleiters und/oder ein Temperaturänderungswert ermittelt werden. Hierfür weist das Änderungsbestimmungsmittel vorzugsweise eine parameterabhängige Charakteristik der Halbleiteranordnung auf. Die parameterabhängige Charakteristik kann vorzugzugsweise in Form einer Kennlinie bzw. eines Kennfeldes, einer Nachschlagetabelle, eines Modell oder dergleichen hinterlegt sein, sodass keine Berechnung notwendig ist. Die parameterabhängige Charakteristik gibt den Zusammenhang zwischen Parametern und/oder Messwerten und der Bauteiltemperatur und/oder dem Temperaturänderungswert an. Folgende Eingangsgrößen können der parameterabhängigen Charakteristik übermittelt oder vorgegeben werden:

– wenigstens ein Wert, der die elektrische Leistung der Halbleiteranordnung beschreibt, beispielsweise der Stromwert und/oder der Spannungswert und/oder
– die Kühlmediumtemperatur zur Kühlung der Halbleiteranordnung und/oder
– ein Parameter, der die Kühlleistung der Kühleinrichtung beschreibt, beispielsweise die Steuergröße oder die Istdrehzahl wenigstens eines Lüfters.

Die parameterabhängige Charakteristik gibt abhängig von den Eingangsgrößen die Bauteiltemperatur oder den Temperaturänderungswert an. Durch eine solche parameterabhängige Charakteristik kann ohne direkte Messung der Bauteiltemperatur auf Basis des Betriebszustandes der Halbleiteranordnung sowie der Kühlmediumtemperatur ein Temperaturänderungswert ermittelt werden. Weist eine Anlage mehrere Halbleiteranordnungen auf, kann dadurch die Anzahl der erforderlichen Temperatursensoren reduziert werden, da die Kühlmediumtemperatur lediglich einmal erfasst werden muss und unter Berücksichtigung des jeweiligen Betriebszustandes der Halbleiteranordnung der jeweilige, einer Halbleiteranordnung zugeordnete Temperaturänderungswert ermittelt werden kann.
Es ist vorteilhaft, wenn das Änderungsbestimmungsmittel Bestandteil der Steuereinrichtung ist.
Die Steuereinrichtung kann einen Regler, beispielsweise einen PI-Regler oder einen PID-Regler aufweisen. Dem Regler wird die Änderungsdifferenz als Eingangsgröße übermittelt. An seinem Ausgang stellt der Regler eine Regelausgangsgröße bereit, die als Steuergröße verwendet werden kann. Der Regler berechnet die Reglerausgangsgröße mit dem Ziel, die Änderungsdifferenz zu reduzieren und im Idealfall zu null zu regeln.
Es ist bevorzugt, wenn die Regelausgangsgröße begrenzt wird. Hierfür kann die Regelausgangsgröße einem Begrenzer zugeführt werden, der diese auf einen Maximalwert begrenzt und die begrenzte Regelausgangsgröße als Steuergröße ausgibt. Dadurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Kühleinrichtung eine maximale Kühlleistung hat, beispielsweise ein Lüfter eine Maximaldrehzahl aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Halbleiteranordnung Bestandteil einer Wandlerschaltung oder Wechselrichterschaltung. Die Wandlerschaltung oder Wechselrichterschaltung kann wiederum Bestandteil einer Anlage zur Energieerzeugung basierend auf regenerativer Energie sein, beispielsweise einer Photovoltaikanlage oder einer Windkraftanlage.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 eine stark schematisierte, blockschaltbildähnliche Darstellung einer Anlage zur Wandlung regenerativer Energie in eine Wechselspannung für ein Wechselspannungsnetz mit einem Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Halbleiteranordnung einer Wechselrichterschaltung,
2 die Halbleiteranordnung und die Kühlvorrichtung aus 1 in schematischer, blockschaltbildähnlicher Darstellung,
3 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform der Anlage mit der Kühlvorrichtung aus 1,
4 ein Prinzipschaltbild für eine alternative Ausführungsform zur Realisierung der Kühlvorrichtung für die Anlage gemäß der 1 bis 3,
5 eine beispielhafte Darstellung der Anzahl N der Temperaturschwankungen zugeordnet zur jeweiligen Temperaturdifferenz einer Temperaturschwankung für eine herkömmliche Wechselrichterschaltung einer Photovoltaikanlage während eines Jahres,
6 den prozentualen Lebensdauerverbrauch L der Anlage während eines Jahres basierend auf den Temperaturschwankungen aus 5,
7 den prozentualen Lebensdauerverbrauch L einer Wechselrichterschaltung einer Photovoltaikanlage bei der Verwendung der Erfindung,
8 beispielhafte zeitliche Verläufe für eine normierte Ausgangsleistung einer Wechselrichterschaltung einer Photovoltaikanlage sowie die Sonneneinstrahlung bezogen auf einen Standardwert der Sonneneinstrahlung (STC) jeweils in Prozent während der Helligkeitsstunden eines Tages,
9 einen beispielhaften Verlauf für eine Lufttemperatur in der Umgebung, sowie sich aus dem Verlauf der Ausgangsleistung der Wechselrichterschaltung aus 8 und der Lufttemperatur ergebende Chip-Temperatur eines Halbleiterchips und Bauteiltemperatur bei einer herkömmlichen Anlage und
10 einen beispielhafte Verlauf der Lufttemperatur in der Umgebung, sowie die sich auf Basis der Ausgangsleistung der Wechselrichterschaltung gemäß 8 und der Lufttemperatur bei der Erfindung ergebende Chip-Temperatur des Halbleiterchips und Bauteiltemperatur bei der Verwendung der Erfindung.
In 1 ist stark schematisiert eine Anlage 15 zur Erzeugung einer Ausgangswechselspannung V_AC für ein beispielsweise über einen Transformator verbundenes Wechselspannungsnetz 16 veranschaulicht. Die Anlage 15 weist eine regenerative Energiequelle 17 auf, die beispielsgemäß eine Eingangsgleichspannung V_DC abhängig von den Umgebungsbedingungen bereitstellt. Als regenerative Energiequelle 17 wird beim Ausführungsbeispiel eine Anordnung mit einem oder mehreren Kollektormodulen verwendet, so dass die Anlage 15 eine Photovoltaikanlage darstellt. Die regenerative Energiequelle 17 kann auch von einem Generator einer Windkraftanlage gebildet sein oder einen solchen aufweisen. Anstelle der Eingangsgleichspannung V_DC kann dann eine Eingangswechselspannung von der regenerativen Energiequelle 17 bereitgestellt werden. Solche regenerativen Energiequellen 17 sind im Betrieb abhängig von den Umgebungsbedingungen, insbesondere den Wetterbedingungen.
Die Anlage 15 weist eine Wandlerschaltung und beim Ausführungsbeispiel eine Wechselrichterschaltung 18 auf. Die von der regenerativen Energiequelle 17 gelieferte Gleichspannung stellt eine Eingangsgleichspannung V_DC für die Wechselrichterschaltung 18 dar, die an ihrem Ausgang eine Ausgangswechselspannung V_AC für das Wechselspannungsnetz 16 bereitstellt.
Die Wechselrichterschaltung 18 weist eine oder mehrere Halbleiteranordnungen 19 mit wenigstens einem Leistungshalbleiter auf (2). Der Leistungshalbleiter kann z.B. in Modulbauweise aufgebaut sein. Dabei hat der Leistungshalbleiter einen Halbleiterchip 20, der auf einem Träger 21 angeordnet ist. Auf dem Träger 21 können auch mehrere Halbleiterchips 20 gemeinsam angeordnet sein. Der wenigstens eine Halbleiterchip 20 auf dem Träger 21 ist mittels einer Kapselung 22 abgedeckt und mithin durch den Träger 21 von der einen Seite und durch die Kapselung 22 von den anderen Seiten umschlossen. Bei der Kapselung 22 kann es sich beispielsweise um einen Verguss handeln. Alternativ kann der Leistungshalbleiter auch in einer anderen Bauweise, beispielsweise in einem Druckkontaktgehäuse, aufgebaut sein.
Zur Kühlung der Halbleiterchips 20 kann der Träger 21 mit einem Kühlkörper 23 verbunden sein, um die Wärmeleitung von dem wenigstens einen Halbleiterchip 20 über den Träger nach außen zur Umgebung zu verbessern.
Der Wechselrichterschaltung 18 bzw. der wenigstens einen Halbleiteranordnung 19 der Wechselrichterschaltung 18 ist eine Vorrichtung 27 zur Kühlung der wenigstens einen Halbleiteranordnung 19 zugeordnet. Zu der Vorrichtung 27 gehört eine ansteuerbare Kühleinrichtung 28, die beim Ausführungsbeispiel einen oder mehrere Lüfter 29 aufweist. Als Kühlmedium wird beispielsgemäß Luft verwendet, die mittels des wenigstens einen Lüfters 29 außen entlang der Halbleiteranordnung 19 bzw. des Kühlkörpers 23 strömt.
Zu der Vorrichtung 27 gehört außerdem eine Steuereinrichtung 30, der wenigstens ein Messwert M einer Messeinrichtung 31 übermittelt wird. Die Messeinrichtung 31 ist der Wechselrichterschaltung 18 zugeordnet. Ausgangsseitig stellt die Steuereinrichtung 30 eine Steuergröße S zur Ansteuerung der Kühleinrichtung 28 bereit. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel gibt die Steuergröße S die Drehzahl des wenigstens einen Lüfters 29 vor.
Ein Ausführungsbeispiel der Anlage 15 in Form einer Photovoltaikanlage mit einem oder mit mehreren Kollektormodulen 32 ist in 3 veranschaulicht. Dort ist am Eingang der Wechselrichterschaltung 18 zur Glättung bzw. Pufferung der Eingangsgleichspannung V_DC ein Eingangskondensator 33 geschaltet. Am Ausgang der Wechselrichterschaltung 18 ist ein Filter 34 aufweisend einer Spule, einen Filterkondensator sowie einen Filterwiderstand geschaltet.
Zur Messeinrichtung 31 gehört beispielsgemäß ein Spannungssensor 35 zur Messung der Eingangsgleichspannung V_DC, ein Stromsensor 36 zur Messung eines Ausgangswechselstromes I_AC sowie ein Kühlmediumtemperatursensor 37. Der Kühlmediumtemperatursensor 37 misst die Temperatur des verwendeten Kühlmediums bevor das Kühlmedium an der Halbleiteranordnung vorbei geleitet wird. Beispielsgemäß wird als Kühlmedium Luft aus der Umgebung angesaugt, so dass der Kühlmediumtemperatursensor 37 die Lufttemperatur T_A in der Umgebung der Wechselrichterschaltung 18 bzw. der wenigstens einen Halbleiteranordnung 19 misst. Die Lufttemperatur T_A, die Eingangsgleichspannung V_DC sowie der Ausgangswechselstrom I_AC stellen bei diesem Ausführungsbeispiel die Messwerte M der Messeinrichtung 31 dar.
Die Messwerte werden der Steuereinrichtung 30 übermittelt.
Die Vorrichtung 27 hat außerdem ein Änderungsbestimmungsmittel 40, das dazu eingerichtet ist, einen Temperaturänderungswert DT zu bestimmen, der eine zeitabhängige Temperaturänderung einer Bauteiltemperatur T_H der wenigstens einen Halbleiteranordnung 19 der Wechselrichterschaltung 18 beschreibt. Bei dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das Änderungsbestimmungsmittel 40 Teil der Steuereinrichtung 30 und weist eine parameterabhängige Charakteristik 41 der Halbleiteranordnung 19 bzw. der Wechselrichterschaltung 18 auf. Die parameterabhängige Charakteristik 41 beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Temperaturänderungswert DT und/oder der Bauteiltemperatur T_H und einem oder mehreren Parametern. Die parameterabhängige Charakteristik 41 kann als Nachschlagetabelle, Kennfeld, Kennlinie, Funktion oder dergleichen vorgegeben sein. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden in der parameterabhängigen Charakteristik 41 eine oder mehrere Parameter berücksichtigt, die den aktuellen elektrischen Betriebszustand der Wechselrichterschaltung 18 beschreiben, beispielsweise wenigstens eine an der Wechselrichterschaltung 18 gemessenen elektrische Größe, anhand der die Verlustleistung P_L der Wechselrichterschaltung 18 und mithin die erzeuge Wärme charakterisiert werden kann. Beispielsgemäß werden hier die von den Sensoren 35, 36 ermittelte Eingangsgleichspannung V_DC und der Ausgangswechselstrom I_AC gemessen und an die Steuereinrichtung 30 übermittelt. Eine weitere Eingangsgröße für die parameterabhängige Charakteristik 41 ist die Lufttemperatur T_A.
Zu jedem Betrachtungszeitpunkt liefert die parameterabhängige Charakteristik 41 abhängig von wenigstens einem Parameter (hier: Steuergröße S) und/oder wenigstens einer Messgröße M (hier: Eingangsgleichspannung V_DC, Ausgangswechselstrom I_AC und Lufttemperatur T_A) den Temperaturänderungswert DT. Anstelle der Steuergröße S kann insbesondere bei einer geregelten Kühleinrichtung 28 auch ein anderer Parameter übermittelt werden, der die aktuelle Kühlleistung beschreibt, beispielsweise die Istdrehzahl eines Lüfters. Die parameterabhängige Charakteristik 41 kann aus dem wenigstens einen Parameter und der wenigstens einen Messgrößen M unmittelbar den Temperaturänderungswert DT ermitteln und ausgeben, ohne dass eine Bauteiltemperatur T_H berechnet und differenziert werden muss (3). Dies ist insofern von Vorteil und einfach realisierbar, da die Differenz aus aktueller Kühlleistung und aktueller, ermittelter Verlustwärme unmittelbar proportional zum Temperaturänderungswert DT ist.
Alternativ dazu kann eine Differenzierstufe 42 vorhanden sein (In 3 gestrichelt veranschaulicht), wenn die parameterabhängige Charakteristik 41 anstelle des Temperaturänderungswertes DT einen Wert für die Halbleitertemperatur T_H ausgibt. Durch Differenzbildung zweier durch ein Zeitintervall beabstandeter Werte für die Bauteiltemperatur T_H und durch Division dieser Differenz durch die Zeitdauer des Zeitintervalls kann in der Differenzstufe 42 der Temperaturänderungswert DT erhalten werden. Die Dauer des Zeitintervalls kann dabei relativ groß gewählt werden, beispielsweise im Bereich von 100 Millisekunden bis zu wenigen, beispielsweise 1 bis 10 Sekunden, um sehr kurzzeitige Schwankungen unberücksichtigt zu lassen.
Die Steuereinrichtung 30 ermittelt aus dem Temperaturänderungswert DT und einem Änderungsvorgabewert DV eine Änderungsdifferenz ΔD anhand einer entsprechenden Differenzbildung. Der Änderungsvorgabewert DV stellt eine Führungsgröße dar. Er gibt eine Solltemperaturänderung, insbesondere -abnahme der Bauteiltemperatur T_H vor. Der Änderungsvorgabewert DV ist daher insbesondere kleiner null. Er kann beispielsweise im Bereich von –5 K/h bis –25 K/h liegen. Die Änderungsdifferenz ΔD entspricht somit der Regelabweichung zwischen dem aktuellen Temperaturänderungswert DT und dem Änderungsvorgabewert DV. Der Änderungsvorgabewert DV könnte prinzipiell zumindest zeitweise gleich oder größer als null sein.
Die Änderungsdifferenz ΔD wird einem Regler 43, eingangsseitig übermittelt. Der Regler 43 ist beispielsgemäß als PI-Regler ausgeführt. Durch seinen integralen Anteil bestimmt er eine am Ausgang des Reglers 43 ausgegebene Reglerausgangsgröße RA mit dem Ziel, die Regeldifferenz und mithin die Änderungsdifferenz ΔD auf null zu reduzieren.
Die Reglerausgangsgröße RA wird beispielsgemäß einem Begrenzer 44 zugeführt, der die Reglerausgangsgröße RA betragsmäßig begrenzt und als Steuergröße S an die Kühleinrichtung 28 übermittelt. Durch die Begrenzung wird den Beschränkungen der Kühleinrichtung 28 Rechnung getragen, die lediglich eine maximal mögliche Kühlleistung und bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eine maximale Drehzahl der Lüfter 29 erzeugen kann.
Abhängig von der Steuergröße S erzeugt die Kühleinrichtung 28 die Strömung des Kühlmediums entlang der Wechselrichterschaltung 18 und beispielsgemäß einer Luftströmung. Die thermischen Eigenschaften K_th, die die Bauteiltemperatur T_H bestimmen, sind in 3 als Blockschaltbild ebenfalls veranschaulicht. Die Drehzahl des Lüfters bzw. eine andere den Zustand der Kühleinrichtung 28 charakterisierende Größe bestimmt abhängig von einer Kennlinie 45, die die Wärmeleitung der Wechselrichterschaltung 18 bzw. der wenigstens einen Halbleiteranordnung 19 beschreibt, den Wärmewiderstand R_TH bzw. die Wärmeleitfähigkeit, die durch den Kehrwert des Wärmeleitwiderstands gebildet wird. Die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturdifferenz zwischen der Bauteiltemperatur T_Hund der Lufttemperatur T_A entsprechen einer Kühlleistung P_C der Kühleinrichtung 28. Die Differenz aus der Kühlleistung P_C und der Verlustleistung P_L der Wechselrichterschaltung 18 ergeben unter Berücksichtigung der thermischen Kapazität C_TH die Bauteiltemperatur T_H. Diese thermischen Eigenschaften K_th beschreiben den Einfluss der Steuergröße S auf die Bauteiltemperatur T_H. Die Bauteiltemperatur T_H wird beim Ausführungsbeispiel nach 3 wie vorstehend beschrieben ermittelt und zur Steuerung bzw. Regelung verwendet.
In 4 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Anstelle des Kühlmediumtemperatursensors 37 ist ein Bauteiltemperatursensor 46 vorhanden, der unmittelbar die Temperatur des Trägers 21 oder die Temperatur des Kühlkörpers 23 als Bauteiltemperatur T_H misst. Die gemessene Bauteiltemperatur T_H kann unmittelbar dem Änderungsbestimmungsmittel 40 bzw. der Differenzierstufe 42 in der Steuereinrichtung 30 übermittelt werden. Die parameterabhängige Charakteristik 41 aus 3 kann entfallen. Dementsprechend sind auch Sensoren, mit denen der aktuelle Betriebszustand der Wechselrichterschaltung 18 erfasst wird, nicht erforderlich. Zumindest müssen deren Messsignale nicht der Steuereinrichtung 30 bzw. der Vorrichtung 27 zugeführt werden. Ein Kühlmediumtemperatursensor 37 zur Erfassung der Umgebungstemperatur T_A kann optional zusätzlich vorhanden sein.
Die im Zusammenhang mit 3 beschriebenen thermischen Eigenschaften K_th, die angeben, wie die Steuergröße S über die Kühleinrichtung 28 die Bauteiltemperatur T_H beeinflusst, entspricht denen in 4, so dass auf die vorstehende Erläuterung verwiesen werden kann. Die Ausführungsform nach 4 hat den Vorteil, dass die Ermittlung des Temperaturänderungswertes DT sehr einfach möglich ist.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 27 wird anhand der 5–10 geschildert.
In 5 ist die Häufigkeit von Schwankungen der Halbleiterchiptemperatur in der Wechselrichterschaltung einer Photovoltaikanlage zugeordnet zu der jeweiligen Temperaturdifferenz TX, also der Differenz zwischen einem maximalen Temperaturwert und einem minimalen Temperaturwert einer Temperaturschwankung, aufgetragen. 5 gibt die Anzahl der Temperaturschwankungen für eine Photovoltaikanlage innerhalb eines Jahres beispielhaft wieder. Es sind in 5 zwei Bereiche von Temperaturschwankungen zu erkennen. Temperaturschwankungen im Bereich von ca. 70K und größer sind in diesem Beispiel weitestgehend auf tägliche Zyklen, d.h. zwischen Tag und Nacht, zurückzuführen. Diese Schwankungen können durch das erfindungsgemäße System nicht beeinflusst werden. Temperaturschwankungen im Bereich unter ca. 70K sind in diesem Beispiel zum größten Teil durch Wetteränderungen innerhalb eines Tages bedingt, z.B. durch eine Veränderung der Bewölkung. Diese Zyklen sind von kürzerer Dauer als die Tageszyklen, z.B. im Bereich von einer oder wenigen Minuten bis zur einer oder wenigen Stunden. Hübe der Bauteiltemperatur welche durch diese Zyklen hervorgerufen werden, können durch das erfindungsgemäße System in ihrer Amplitude reduziert werden, wie anhand der folgenden Figuren erläutert wird.
Aus einer Verteilung von Hüben der Halbleiterchiptemperatur gemäß 5 ergibt sich ein prozentualer Lebensdauerverbrauch L eines Halbleiterbauelementes abhängig von einer Temperaturschwankung mit einer bestimmten Temperaturdifferenz TX, wie er in 6 veranschaulicht ist. Im Vergleich mit 5 ist zu erkennen, dass die Temperaturschwankungen mit einer Temperaturdifferenz unter etwa 70 K, welche durch Wettereinflüsse hervorgerufen werden, einen sehr hohen Anteil am Lebensdauerverbrauch L der Wechselrichterschaltung 18 ausmachen. Temperaturschwankungen unter 20 K Hub wurden in der Darstellung nicht berücksichtigt, da Schwankungen mit sehr geringem Hub fast keine Auswirkungen auf die Alterung von Halbleiterbauelementen haben. Der Grenzwert hierfür kann in Abhängigkeit eingesetzter Technologien auch über oder unter 20 K liegen. Die Darstellung nach 6 betrifft eine Anlage 15 ohne eine erfindungsgemäße Vorrichtung 27 zur Kühlung. Beispielhaft sind ein erster Prozentwert A und ein zweiter Prozentwert B, der größer ist als der erste Prozentwert A eingetragen. Die Summe aller Prozentwerte für die Temperaturhübe von 20 K bis ca. 70 K gibt den prozentualen Lebensdauerverbrauch L der Halbleiterbauelemente der Wechselrichterschaltung 18 innerhalb eines Jahres an, welcher durch Wettereinflüsse hervorgerufen wird.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 27 kann die Temperaturdifferenz TX zumindest eines Teils der Temperaturschwankungen, nämlich insbesondere der durch Wettereinflüsse hervorgerufenen, reduziert werden, wodurch sich die Minderung der Lebensdauer der Wechselrichterschaltung 18 spürbar verringert. Im Vergleich mit 6 ist in 7 zu erkennen, dass nahezu keine Halbleiterchiptemperaturschwankungen im Bereich zwischen ca. 40 K und 60 K mehr auftreten, da die Amplitude der wetterabhängigen Schwankungen durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 27 bzw. das erfindungsgemäßen Verfahren reduziert und damit auf der Abszisse in 7 nach links verschoben worden sind. Ein großer Teil dieser Schwankungen fällt damit unter den Grenzwert von 20 K und ist nicht mehr dargestellt. Die Summe aller Prozentwerte für die Temperaturhübe von 20 K bis ca. 70 K, welche den prozentualen Lebensdauerverbrauch L der Halbleiterbauelemente durch Wettereinflüsse angibt, ist dadurch sehr erheblich reduziert. Diese Wirkung lässt sich auch anhand der Darstellung der 8–10 nachvollziehen.
In 8 ist die prozentuale Ausgangsleistung der Wechselrichterschaltung P_W sowie die auf einen Standardtestwert (STC) normierte Strahlungsleistung P_S der Sonne beispielhaft während eines Tages von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang veranschaulicht. Dabei ist zu erkennen, dass erwartungsgemäß die Leistungen am Morgen mit zunehmender Sonneneinstrahlung ansteigen und am Abend mit abnehmender Sonneneinstrahlung zurückgehen. Es zeigt sich auch, dass durch vorüberziehende Bewölkung nicht unerhebliche Leistungsschwankungen auftreten.
In 9 ist für den in 8 dargestellten Tageslauf die Lufttemperatur T_A, die Bauteiltemperatur T_H sowie die Chip-Temperatur des Halbleiterchips T_j beispielhaft für eine Anlage dargestellt, die nicht erfindungsgemäß ausgeführt ist. Es ist zu erkennen, dass im Tagesverlauf durch die Umgebungsbedingungen häufige Temperaturänderungen sowohl der Bauteiltemperatur T_H als auch der Chip-Temperatur T_j mit einem großen Temperaturgradienten auftreten. Diese häufigen Temperaturschwankungen belasten das Material der Leistungshalbleiter und mindern deren Lebensdauer.
10 zeigt dieselben Temperaturverläufe wie 9 für eine Anlage mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 27. Es ist deutlich zu erkennen, dass durch die Vorgabe des Temperaturabfalls der Bauteiltemperatur T_H anhand des Änderungsvorgabewertes DV ein großer Temperaturabfall verhindert wird, beispielsweise, wenn die Ausgangsleistung der Wechselrichterschaltung P_W aufgrund von Bewölkung oder anderen Umgebungsbedingungen plötzlich einbricht, wie etwa zu einem Betrachtungszeitpunkt t₀. Zu diesem Betrachtungszeitpunkt t₀ wird ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung 27 (9) ein starker Einbruch der Bauteiltemperatur T_H und der Chiptemperatur T_j verursacht. Demgegenüber wird durch das langsamere Sinken der Bauteiltemperatur T_Hentsprechend dem Änderungsvorgabewert DV ab dem Betrachtungszeitpunkt t₀ – unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 27 bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens (10) – die zwischen dem Betrachtungszeitpunkt t₀ und einem darauffolgenden ersten Zeitpunkt t₁ erzeugte Temperaturdifferenz TX im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen deutlich reduziert. Zwar sinkt auch die Chip-Temperatur T_j ab, jedoch wird das Absinken der Chip-Temperatur T_j durch die Bauteiltemperatur T_Hbegrenzt. Die Chip-Temperatur T_j kann nicht unter die Bauteiltemperatur T_Hsinken. Im Vergleich der 10 mit der 9 ist ersichtlich, dass die Anzahl und die Größe der Änderungen der Bauteiltemperatur T_H und auch der Chip-Temperatur T_j deutlich reduziert wird, wenn die Vorrichtung 27 bzw. das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird. Dementsprechend lässt sich die Lebensdauer einer Wechselrichterschaltung 18 bzw. deren wenigstens einer Halbleiteranordnung 19 deutlich erhöhen.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 27 und ein Verfahren zur Kühlung einer Halbleiteranordnung 19. Die Halbleiteranordnung 19 kann beispielsweise Bestandteil einer Wechselrichterschaltung 18 zur Wandlung von Energie einer regenerativen Energiequelle 17 in eine Wechselspannung für ein Wechselspannungsnetz 16 sein. Die Vorrichtung 27 weist eine mittels einer Steuergröße S ansteuerbare Kühleinrichtung 28 zur Kühlung der Halbleiteranordnung 19 auf. Mittels eines Änderungsbestimmungsmittels 40 wird ein Temperaturänderungswert DT einer Bauteiltemperatur T_H der Halbleiteranordnung 19 ermittelt. Eine Steuereinrichtung 30 bildet eine Änderungsdifferenz ΔD zwischen dem Temperaturänderungswert DT und einem Änderungsvorgabewert DV. Der Änderungsvorgabewert DV kann zumindest zeitweise oder stets kleiner als null sein und beschreibt eine Solltemperaturänderung, insbesondere Solltemperaturabnahme der Bauteiltemperatur T_H, die als Führungsgröße dient. Die Änderungsdifferenz ΔD kann als Regelabweichung einem Regler 43 übermittelt werden. Die über die Kühleinrichtung 48 erzeugte Kühlleistung wird somit dann begrenzt, wenn aufgrund von äußeren Einflüssen die Bauteiltemperatur T_H sinkt. Der Änderungsvorgabewert DV zumindest zeitweise null betragen oder größer als null sein.
Die Steuereinrichtung 30 bzw. der Regler sind bestrebt, die Änderung der Bauteiltemperatur T_Hgemäß dem Änderungsvorgabewert DV einzustellen. Liegt diese Temperaturänderung oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes, wird über die Kühleinrichtung 28 die volle Kühlleistung zur Verfügung gestellt. Ist die Temperaturabnahme der Bauteiltemperatur T_H ausreichend klein (ausreichender Betrag größer null), kann die Kühlleistung der Kühleinrichtung 28 reduziert und damit ein stärkeres Absinken der Bauteiltemperatur T_H vermieden werden. Mechanische Spannungen werden reduziert und die Lebensdauer der Halbleiteranordnung kann vergrößert werden.
Bezugszeichenliste

15: Anlage
16: Wechselspannungsnetz
17: regenerative Energiequelle
18: Wechselrichterschaltung
19: Halbleiteranordnung
20: Halbleiterchip
21: Träger
22: Kapselung
23: Kühlkörper
27: Vorrichtung zur Kühlung
28: Kühleinrichtung
29: Lüfter
30: Steuereinrichtung
31: Messeinrichtung
32: Kollektormodul
33: Eingangskondensator
34: Filter
35: Spannungssensor
36: Stromsensor
37: Kühlmediumtemperatursensor
40: Änderungsbestimmungsmittel
41: parameterabhängige Charakteristik
42: Differenzstufe
43: Integralregler
44: Begrenzer
45: Kennlinie
46: Bauteiltemperatursensor
47: Block
ΔD: Änderungsdifferenz
A: erster Prozentwert
B: zweiter Prozentwert
C_TH: thermische Kapazität
DT: Temperaturänderungswert
DV: Änderungsvorgabewert
I_AC: Ausgangswechselstrom
L: Lebensdauerverbrauch
M: Messwert
N: Anzahl
P_C: Kühlleistung
P_L: Verlustleitung
P_W: normierte Ausgangsleistung der Wandlerschaltung
P_S: normierte Strahlungsleistung des Sonne
RA: Reglerausgangsgröße
R_TH: thermischer Widerstand
S: Stellgröße
t₀: Betrachtungszeitpunkt
t₁: erster Zeitpunkt
T_A: Lufttemperatur
T_H: Bauteiltemperatur
T_j: Chiptemperatur
V_AC: Ausgangswechselspannung
V_DC: Eingangsgleichspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9194376 B2 [0005]
US 9190923 B2 [0006, 0020]
US 8046616 B2 [0007]
DE 102014112458 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung (27) zur Kühlung einer Halbleiteranordnung (19), wobei die Halbleiteranordnung (19) wenigstens einen Leistungshalbleiter mit Halbleiterchip (20) aufweist, der auf einem Träger (21) angeordnet ist, mit einer Kühleinrichtung (28), die dazu eingerichtet ist, eine von einer Steuergröße (S) abhängige Strömung eines Kühlmediums entlang der Halbleiteranordnung (19) zu erzeugen, mit einem Änderungsbestimmungsmittel (40), das dazu eingerichtet ist, einen Temperaturänderungswert (DT) zu bestimmen, der eine zeitabhängige Temperaturänderung einer Bauteiltemperatur (T_H) der Halbleiteranordnung (19) beschreibt, mit einer Steuereinrichtung (30), der der Temperaturänderungswert (DT) übermittelt wird und die dazu eingerichtet ist, eine Änderungsdifferenz (ΔD) zwischen dem Temperaturänderungswert (DT) und einem Änderungsvorgabewert (DV) zu bestimmen und die Steuergröße (S) abhängig von der Änderungsdifferenz (ΔD) zu bestimmen, wobei eine Solltemperaturänderung der Bauteiltemperatur (T_H) als Führungsgröße vorgegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Änderungsvorgabewert (DV) zumindest zeitweise oder immer kleiner ist als null.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Änderungsvorgabewert (DV) parameterabhängig vorgegeben ist, insbesondere abhängig von der Zeit.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteiltemperatursensor (37) vorhanden ist, der unmittelbar die Bauteiltemperatur (T_H) der Halbleiteranordnung (19) misst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteiltemperatursensor (37) an dem Träger (21) der Halbleiteranordnung (19) oder an einem mit dem Träger (21) verbundenen Kühlkörper (23) der Halbleiteranordnung (19) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Änderungsbestimmungsmittel (40) die von dem Bauteiltemperatursensor (37) gemessene Bauteiltemperatur (T_H) übermittelt wird, und dass das Änderungsbestimmungsmittel (40) dazu eingerichtet ist, anhand der Bauteiltemperatur (T_H) und der Zeit den Temperaturänderungswert (DT) zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmediumtemperatursensor (37) vorhanden ist, der die Kühlmitteltemperatur (T_A) des Kühlmittels zur Kühlung der Halbleiteranordnung (19) misst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromsensor (36) zur Messung eines Stromwerts (I_AC) an der Halbleiteranordnung (19) und/oder ein Spannungssensor (35) zur Messung einer Spannungswerts (V_DC) an der Halbleiteranordnung (19) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Änderungsbestimmungsmittel (40) die von dem Kühlmediumtemperatursensor (37) gemessene Kühlmediumtemperatur (T_A) übermittelt wird und dass dem Änderungsbestimmungsmittel (40) der Stromwert (I_AC) und/oder der Spannungswert (V_DC) übermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Änderungsbestimmungsmittel (40) dazu eingerichtet ist, unter Verwendung der Kühlmediumtemperatur (T_A), einer die aktuelle Kühlleistung der Kühleinrichtung (28) beschreibende Größe, dem Stromwert (I_AC) und/oder dem Spannungswert (V_DC) den Temperaturänderungswert (DT) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Änderungsbestimmungsmittel (40) eine parameterabhängige Charakteristik (41) der Halbleiteranordnung (19) aufweist, die den Zusammenhang zwischen dem Stromwert (I_AC) und/oder dem Spannungswert (V_DC), der Kühlmediumtemperatur (T_A) und der Bauteiltemperatur (T_H) und/oder dem Temperaturänderungswert (DT) beschreibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Änderungsbestimmungsmittel (40) Bestandteil der Steuereinrichtung (30) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30) einen Regler (43) aufweist, dem die Änderungsdifferenz (ΔD) als Eingangsgröße übermittelt wird und der an seinem Ausgang eine Reglerausgangsgröße (RA) bereitstellt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (28) wenigstens einen Lüfter (29) aufweist und dass die Steuergröße (S) die Drehzahl des Lüfters (29) vorgibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiteranordnung (19) Bestandteil einer Wechselrichterschaltung (18) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (18) mit einer regenerativen Energiequelle (17) und einem Wechselspannungsnetz (16) verbunden ist und eine von der regenerativen Energiequelle (17) erzeugte Eingangsgleichspannung (V_DC) in eine Ausgangswechselspannung (V_AC) für das Wechselspannungsnetz (16) umwandelt.
Verfahren zur Kühlung einer Halbleiteranordnung (19), wobei die Halbleiteranordnung (19) wenigstens einen Leistungshalbleiter mit Halbleiterchip (20) aufweist, der auf einem Träger (21) angeordnet ist, mit folgenden Schritten: – Erzeugen einer von einer Steuergröße (S) abhängigen Strömung eines Kühlmediums entlang der Halbleiteranordnung (19), – Bestimmen eines Temperaturänderungswerts (DT), der eine zeitabhängige Temperaturänderung einer Bauteiltemperatur (T_H) der Halbleiteranordnung (19) beschreibt, – Bestimmen einer Änderungsdifferenz (ΔD) zwischen dem Temperaturänderungswert (DT) und einem Änderungsvorgabewert (DV), wobei eine Solltemperaturänderung als Führungsgröße vorgegeben wird, – Bestimmen der Steuergröße (S) abhängig von der Änderungsdifferenz (ΔD).