功率半导体设备自适应冷却组件

摘要

本发明涉及用于冷却功率半导体设备(100)的功率半导体设备(100)冷却组件，其中该组件包括主动冷却散热器(102)和控制器(208、300)，其中该控制器(208、300)适于根据包括在功率半导体设备(100)中的高载流半导体结的温度来调节散热器(102)的冷却效率。

权利要求

1.一种用于冷却功率半导体设备（100）的功率半导体设备冷却组件，其中，所述组件包括主动冷却散热器（102）和控制器（208、300），其中，所述控制器（208、300）适于根据包括在所述功率半导体设备（100）中的高载流半导体结的温度来调节所述散热器（102）的冷却效率，其中，所述控制器（208、300）适于接收温度信号，所述温度信号指定所述高载流半导体结的实际测得温度值，其中，所述控制器（208、300）包括适于在反馈控制模式和前馈控制模式之间进行选择以便调节所述冷却效率的选择模块，其中，在所述反馈控制模式中所述冷却效率的调节是根据所述温度信号执行的，且其中，在所述前馈控制模式中所述冷却效率的调节是利用模型根据所述功率半导体设备（100）的期望或测得输出功率水平执行的，所述模型适于预测针对所述输出功率水平的热功率耗散，其中，所述选择模块适于基于所述温度信号的信号质量执行所述选择。

2.如权利要求1所述的组件，其中，由所述温度信号中的噪声水平给出所述温度信号的信号质量的度量。

3.如权利要求1所述的组件，其中，所述控制器适于根据组合温度信号调节所述散热器（102）的冷却效率，所述控制器适于通过所述功率半导体设备（100）的所预测的热功率耗散和所述温度信号在时域和/或频域中的加权组合来生成所述组合温度信号。

4.如权利要求3所述的组件，其中，所述控制器适于在频域中执行噪声加权组合。

5.如任一前述权利要求所述的组件，其中，所述功率半导体设备（100）能够以一切换频率进行操作，其中，所述控制器（208、300）还适于根据所述功率半导体设备（100）的期望或测得输出功率水平调节所述切换频率。

6.如权利要求1-4中任一项所述的组件，其中，所述散热器（102）与环境热隔离（114）。

7.一种核磁共振检查系统，其包括如前述权利要求1-6中任一项所述的组件。

8.一种操作用于冷却功率半导体设备（100）的功率半导体设备（100）冷却组件的方法，其中，所述组件包括主动冷却散热器（102）和控制器（208、300）以及选择模块，所述方法包括由所述控制器（208、300）根据所述功率半导体设备（100）的高载流半导体结的温度来调节所述散热器（102）的冷却效率，所述方法还包括：-接收温度信号，所述温度信号指定所述高载流半导体结的实际测得温度值，-由所述选择模块在反馈控制模式和前馈控制模式之间进行选择以便调节所述冷却效率，其中，在所述反馈控制模式中所述冷却效率的调节是根据所述温度信号执行的，且其中，在所述前馈控制模式中所述冷却效率的调节是利用模型根据所述功率半导体设备（100）的期望或测得输出功率水平执行的，所述模型适于预测针对所述输出功率水平的所述功率半导体设备（100）的热功率耗散，其中，所述选择是基于所述温度信号的信号质量执行的。

9.一种操作用于冷却功率半导体设备（100）的功率半导体设备（100）冷却组件的装置，其中，所述组件包括主动冷却散热器（102）和控制器（208、300）以及选择模块，所述装置包括用于由所述控制器（208、300）根据所述功率半导体设备（100）的高载流半导体结的温度来调节所述散热器（102）的冷却效率的模块，所述装置还包括：-用于接收温度信号的模块，所述温度信号指定所述高载流半导体结的实际测得温度值，

-用于由所述选择模块在反馈控制模式和前馈控制模式之间进行选择以便调节所述冷却效率的模块，其中，在所述反馈控制模式中所述冷却效率的调节是根据所述温度信号执行的，且其中，在所述前馈控制模式中所述冷却效率的调节是利用模型根据所述功率半导体设备（100）的期望或测得输出功率水平执行的，所述模型适于预测针对所述输出功率水平的所述功率半导体设备（100）的热功率耗散，其中，所述选择是基于所述温度信号的信号质量执行的。

说明书

功率半导体设备自适应冷却组件

技术领域

[0001] 本发明涉及用于冷却功率半导体设备的功率半导体设备冷却组件、包括功率半导体设备冷却组件的核磁共振检查系统、操作功率半导体设备冷却组件的方法以及计算机程序产品。

背景技术

[0002] 通常，在具有或不具有额外冷却措施——如风扇冷却或流体冷却——的情况下，功率半导体设备被安装在大型散热器上。功率半导体设备是在功率电子电路中被用作开关或整流器的半导体设备。示例为功率二极管、晶闸管、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和功率MOSFET。

[0003] 具有或不具有额外冷却措施的散热器以某种方式设计以使得在全功率需求的情况下功率半导体设备的温度仍然在由其规格限定的绝对最大值以下。当功率需求被降低或停止时，冷却系统继续以与全功率情况下相同的速率传递热量，这导致整个冷却系统——即散热器和安装于散热器的部件的温度非常快速地降低。当功率需求被再次增加时，温度还将再一次升高。

[0004] 如果在最大功率与不需要功率或仅需要低功率的短时间间隔交替的情况下重复使用功率半导体设备，功率半导体设备的温度将在全功率需求时段与低功率或无功率需求时段之间变化，其中在全功率需求时段温度将升高到其最大值，而在低功率或无功率需求时段设备温度将由于所实现的散热器和可能存在的冷却系统的冷却能力而快速降低。这样，设备温度将可能经历大的温度变化。

[0005] 例如，US6,116,040公开了一种用于冷却与制冷压缩机相关联的变频驱动器的电子电路的装置。借助于压缩机驱动器，功率电子电路的温度被维持在期望的温度范围内。

[0006] 半导体设备的寿命由若干过程确定，每个过程导致所预期的设备特性随时间退化，直到设备完全失效。对于功率半导体，最重要的过程之一是由于热循环导致的机械应力。由于半导体裸片（die）与其安装到的基底之间的有限热阻以及相关材料的热膨胀系数的差异，功率耗散随时间的变化不可避免地导致热应力。这些应力可能导致材料疲劳，并表现出键合线的断裂和/或裸片与其安装到的基底之间的钎焊连接的退化。

[0007] 键合线的断裂可能导致直接的设备失效，或者在多条键合线并行连接的情况下导致对其他键合线的进一步增加的应力，在功率半导体模块中通常是这样。

[0008] 因此，如果在最大功率与不需要功率或仅需要低功率的时间间隔交替的情况下重复使用功率半导体设备，即使在安装到具有或不具有额外冷却措施的大型散热器上时，这种功率设备的温度也将在全功率需求时段之间大幅变化。因此，裸片温度将经历大的温度变化，这将减小功率半导体设备的寿命。

[0009] US5,569,650涉及电子芯片冷却设备，并且更具体地涉及提供主动冷却以减小电子芯片的温度漂移的设备，其将限制热疲劳，增大产品生命周期，允许更大的芯片，并且允许芯片以较少的可靠性关注直接附接到具有不相配的热膨胀系数的衬底上。在一实施例中，电子芯片被附接到衬底上并且热电冷却设备被固定到芯片的暴露表面上。温度感测工具——如薄膜热偶——被附接到热电冷却（TEC）设备的冷侧与芯片之间。该温度感测工具可以可替换地被内嵌到芯片中或邻近TEC设备与芯片之间的互联的电子封装体中。此外，提供散热器，该散热器被固定到TEC设备的热侧。热偶的输出被耦合到反馈控制电路。

[0010] WO2005/043618A公开了一种与逆变器相关的方法和布置，该逆变器包括若干功率半导体部件和被布置为控制它们的控制装置，该控制装置被布置为响应于控制量而控制功率半导体部件以生成输出电压。

[0011] US2005/039465A1公开了用于音频器材的冷却系统，其在反馈控制环路中使用温度传感器和Peltier效应模块。该冷却系统对温度传感器进行读取以获得器材的音频部件的温度并且调节冷却音频部件的Peltier效应模块的驱动器以防止部件的过热。

[0012] DE10233836A1公开一种包括外壳的电子控制单元，其包括各种电子部件，其中电子部件需要在最大温度以下被驱动。为了冷却电子部件，提供了Peltier元件。

发明内容

[0013] 本发明提供一种用于冷却功率半导体设备的功率半导体设备冷却组件，所述组件包括主动冷却散热器和控制器，其中，所述控制器适于根据包括在所述功率半导体设备中的高载流半导体结的温度来调节所述散热器的冷却效率，其中，所述控制器适于接收温度信号，所述温度信号指定所述高载流半导体结的实际测得温度值，其中，所述控制器包括适于在反馈控制模式和前馈控制模式之间进行选择以便调节所述冷却效率的选择模块，其中，在所述反馈控制模式中所述冷却效率的调节是根据所述温度信号执行的，且其中，在所述前馈控制模式中所述冷却效率的调节是利用模型根据所述功率半导体设备的期望或测得输出功率水平执行的，所述模型适于预测针对所述输出功率水平的热功率耗散，其中，所述选择模块适于基于所述温度信号的信号质量执行所述选择。

[0014] 该组件的优势在于，功率半导体设备的寿命由于以下事实而被急剧地增加，即控制器永远能够根据功率半导体设备的最关键且易出问题的部分的温度来调节散热器的冷却效率，该部分即功率半导体设备的高载流半导体结，其为功率半导体设备的操作期间的发热源。借助于功率半导体设备冷却组件，可以减小功率设备的热循环并且尤其是高载流半导体结的热循环，这因此也将减小高载流半导体结之间或一般而言的裸片与结或裸片安装到的基底之间的上述热应力。这导致设备的寿命的显著增加。热循环振幅被控制得越小，功率设备能够处理的循环数目就越高，并且因此功率半导体设备的寿命就越高。

[0015] 应该注意，本发明的一个关键特征在于以下事实，即散热器的冷却效率是根据包括在功率半导体设备中的高载流半导体结的温度而被调节的。在仅作为示例的情况下，冷却组件将被提供用于维持散热器自身的温度在某一范围内，由于散热器相比于功率半导体设备具有大热容，散热器将相当缓慢地跟随高载流半导体结的温度变化，这具有以下后果，即平均起来散热器的温度可以被维持在相当恒定的水平，而同时高载流半导体结的温度在大范围内循环。借助于功率半导体设备自适应冷却组件，功率半导体设备的关键部分的温度可以以更高准确度被维持在某一温度范围内，这是因为不是相对于散热器的温度而是相对于高载流半导体结的温度来执行散热器的冷却效率的调节。

[0016] 根据本发明的实施例，该控制器适于接收温度信号，该温度信号指示高载流半导体结的实际温度值，其中该控制器适于根据该温度信号来调节散热器的冷却效率。所述温度值是在高载流半导体结的位置处直接测得的数值，或者这一值是足以基于其他可用信号重建和计算的温度值。这种信号例如可以是功率半导体设备或它所用于的装置的期望输出功率水平或测得输出功率水平。

[0017] 换句话说，可以借助于使用高载流半导体结的实际温度的反馈控制器来执行散热器的冷却效率的调节，其中该实际温度例如由在逻辑上靠近或甚至直接附接到所述结的传感器测得，或者它可以使用前馈控制器，其中该前馈控制器使用模型利用功率半导体设备的预测的热功率耗散来执行散热器的冷却效率的调节，该模型适于预测针对功率半导体设备的期望或测得输出功率水平的热功率耗散。又一替代方案是两种类型控制器的组合，即反馈控制器和前馈控制器的组合。

[0018] 根据本发明的实施例，这种组合可以包括适于在反馈控制模式与前馈控制模式之间选择以便调节冷却效率的选择模块，其中在反馈模式中根据温度信号来执行冷却效率的调节，而在前馈模式中利用模型根据功率半导体设备的期望或测得输出功率水平来执行冷却效率的调节，其中选择模块适于基于温度信号的信号质量执行所述选择。

[0019] 根据本发明的实施例，还可以使用反馈控制器和前馈控制器的组合，其中在“正常”操作条件下使用反馈控制器，而仅在“困难”条件下用前馈控制器来取代反馈控制器。这种“困难”情况可以包括反馈控制环的稳定性不再得到保证的情形。例如，在半导体设备的输出功率随着时间震荡的情况下，温度变化的强震荡可能增进到如此强以至于温度变化不再反映半导体结的实际温度性能。在这种情况下控制器可以决定切换到前馈控制操作模式，其中利用模型充分地预测高载流半导体结的温度变化。在这种情况下，可以防止散热器和/或高载流半导体结的温度震荡的不受控或不希望有的增进。

[0020] 然而，仅在反馈模式或前馈模式下的单纯操作具有其自身的优势。反馈模式的一个优势在于这一模式对建模误差更不敏感并且也更准确。前馈模式的一个优势在于能够提供闭环控制系统中的控制环的高稳定性。两种实现方式均将减小高载流半导体结的温度变化并且将因此增加功率半导体设备的寿命。

[0021] 根据本发明的又一实施例，该控制器还适于根据组合温度信号调节散热器的冷却效率，该控制器适于通过功率半导体设备的预测的热功率耗散和温度信号在时域和/或频域中的加权组合来生成组合温度信号。例如，该组合温度信号可以通过频域中的噪声加权组合而获得。这是比仅在反馈模式或前馈模式之间进行排他切换更优选的实施例，因为这具有能够以优化方式执行所述结的高度准确的温度确定并且将其用于调节散热器的冷却效率的优势。

[0022] 一般而言，测得的温度信号和预测的温度将具有非常不同的特性。例如，在在高电流和/或电压下切换的设备中物理测得的信号通常将具有低信噪比。然而，这一噪声可能非常好地位于设备的切换频率周围的小频带中并且可以利用例如带阻滤波器而被去除。在这一带阻频率区域中，可以替代地使用预测的信号，从而使得组合温度信号被用于调节散热器的冷却效率。在位于带阻频率区域之外的频带中，使用实际测得的温度信号，而在带阻频率区域中，使用预测的信号。然而，一般而言，任何种类的参数都可以被用作用于执行测得的温度信号和预测的温度的加权组合的标准，如实际模型输入、热阻和热容以及每个切换动作的实际损耗。

[0023] 换句话说，可以通过由两种方法——即实际测量和预测——产生的两种信号的加权组合来获得具有最高准确度的最佳总体温度信号。例如，这可以通过以下方式来完成：使用一个信号的某一频带和另一信号的互补频带，或者在某一时间间隔使用一个信号并在剩余时间使用另一信号，以及它们的组合。

[0024] 根据本发明的实施例，温度信号的前述信号质量是由温度信号中的噪声水平给定的，该噪声水平例如是由可能起主要作用的EMI干扰造成的。在强噪声的情况下，借助于基于温度信号的信号质量在反馈模式与前馈模式之间进行选择的选择模块，则有可能从反馈模式切换到前馈模式，该前馈模式对于实际结温度的温度预测来说可能是较不准确的，但是仍然确保即使在这种极端情况下也可能实现散热器的冷却效率的充分控制。

[0025] 根据本发明的实施例，该功率半导体设备可以以一切换频率进行操作，其中该控制器还适于根据功率半导体设备的期望或测得输出功率水平调节所述切换频率。例如，可以以一切换频率进行操作的功率半导体设备的一个示例是H桥或高频PWM（脉宽调制）功率控制系统。在这种系统中，系统温度由两个主要热源确定。第一热源是设备的切换，而第二热源是流过该设备的前述负载电流。因此，该设备内部的温度可以通过两个变量——切换频率和输出电流——来控制。因而，高载流半导体结的温度可以通过对应于负载电流改变切换频率来控制，从而一起使用高电流以及低切换频率，反之亦然。如果在全功率下使用该设备，则使用额定最低切换频率，但是一旦负载减小，则频率被增大以在设备中产生更多损耗而实际不递送功率到外部系统，以便尽可能保持设备内的温度恒定。这种方法例如可以从Murdock、Torres、Conners和Lorenz的“Active Thermal Control of Power Electronics Modules”,IEEE Transactions on Industry Applications,Vol.42,no.2,第552-558页得知。

[0026] 这种配置的优势在于，额外损耗是严格在需要的位置产生的，即在高载流半导体结处。通过组合这种配置和上述前馈或反馈控制系统，可以甚至更准确地控制功率半导体设备的温度。原因在于散热器与高载流半导体结之间的温度平衡所需要的时间。即使在系统能够准确测得该结的实际升高温度的情况下，由于常用材料的有限温度传导性，散热器的即时增强的冷却效率对于仅在经过一定量时间后限制温度升高也是有效的。与此同时，通过例如额外减小系统的切换频率，可以进一步阻抑温度升高。换句话说，通过调节切换频率并结合前述反馈或前馈控制的使用，可以使温度变化进一步平滑并且可以有效地限制温度升高率，这将进一步增加使用该功率半导体设备冷却组件的功率半导体设备的寿命。

[0027] 根据本发明的又一实施例，该散热器是与环境热隔离的。这具有以下优势，即散热器中存储的热量再也不能流出，这将保持散热器的温度在例如无功率需求或具有低功率需求的时间间隔内相对恒定。唯一的温度降低是由散热器实体内由所使用的如液体或气体的冷却介质和透过热绝缘体的温度泄漏导致的温度差异的热均衡化造成的，其相当小。一旦功率设备再次需要递送全功率，散热器的冷却能力被恢复到其最大值。因而，功率半导体设备并且尤其是半导体设备结的温度循环的振幅被大大减小，这是因为散热器温度被尽可能保持恒定，即使是在不需要功率或需要低功率的时段内。

[0028] 在另一方面，本发明涉及一种核磁共振检查系统，其包括根据本发明的组件。例如，在核磁共振检查系统中使用包括高功率半导体设备的梯度放大器。当进行核磁共振成像扫描时，通常在全功率下使用梯度放大器，同时存在不需求功率的规则的短时间间隔，这是因为磁共振系统需要在不同扫描类型之间切换，或者因为操作者在开始新的扫描之前需要一些时间来评估扫描，或者因为新的患者需要被安置在装置中。梯度放大器的这些无功率需求时段的时帧在数秒到数分钟的范围内。借助于包括该组件的核磁共振检查系统，梯度放大器的功率半导体设备的温度震荡被急剧地减小，这因此将增加这些功率设备的寿命。

[0029] 在将根据本发明的组件应用于磁共振扫描器的梯度放大器中所使用的功率半导体设备的情况下，有可能使用上述类型的控制器，即反馈控制器、前馈控制器、调整功率模块的切换频率的控制器或其组合，或者有可能额外使用源于实际应用的磁共振脉冲序列的梯度放大器控制信息。在这种情况下，甚至有可能通过由分析所使用的磁共振脉冲序列而分析MR梯度放大器系统的进一步进展来预测高载流半导体结的未来温度性能，从而预先调节散热器的冷却效率。

[0030] 在另一方面，本发明涉及一种操作用于冷却功率半导体设备的功率半导体设备冷却组件的方法，其中，所述组件包括主动冷却散热器和控制器以及选择模块，所述方法包括由所述控制器根据所述功率半导体设备的高载流半导体结的温度来调节所述散热器的冷却效率，所述方法还包括：

[0031] -接收温度信号，所述温度信号指定所述高载流半导体结的实际测得温度值，[0032] -由所述选择模块在反馈控制模式和前馈控制模式之间进行选择以便调节所述冷却效率，其中，在所述反馈控制模式中所述冷却效率的调节是根据所述温度信号执行的，且其中，在所述前馈控制模式中所述冷却效率的调节是利用模型根据所述功率半导体设备的期望或测得输出功率水平执行的，所述模型适于预测针对所述输出功率水平的所述功率半导体设备的热功率耗散，其中，所述选择是基于所述温度信号的信号质量执行的。

[0033] 根据本发明的实施例，该方法还包括接收温度信号，该温度信号指定高载流半导体结的实际温度值，根据该温度信号来调节散热器的冷却效率。

[0034] 根据本发明的又一实施例，该方法还包括根据功率半导体设备的期望或测得输出功率水平来调节散热器的冷却效率，其中所述调节是利用模型根据功率半导体设备的预测的热功率耗散执行的，所述模型预测针对所述输出功率水平的热功率耗散。

[0035] 在另一方面，本发明涉及一种操作用于冷却功率半导体设备的功率半导体设备冷却组件的装置，其中，所述组件包括主动冷却散热器和控制器以及选择模块，所述装置包括用于由所述控制器根据所述功率半导体设备的高载流半导体结的温度来调节所述散热器的冷却效率的模块，所述装置还包括：

[0036] -用于接收温度信号的模块，所述温度信号指定所述高载流半导体结的实际测得温度值，

[0037] -用于由所述选择模块在反馈控制模式和前馈控制模式之间进行选择以便调节所述冷却效率的模块，其中，在所述反馈控制模式中所述冷却效率的调节是根据所述温度信号执行的，且其中，在所述前馈控制模式中所述冷却效率的调节是利用模型根据所述功率半导体设备的期望或测得输出功率水平执行的，所述模型适于预测针对所述输出功率水平的所述功率半导体设备的热功率耗散，其中，所述选择是基于所述温度信号的信号质量执行的。

附图说明

[0038] 在下面通过参考附图仅以示例方式更详细地描述本发明的优选实施例，其中：

[0039] 图1图示说明在其上安装有功率半导体设备的散热器；

[0040] 图2图示说明功率半导体设备冷却组件的反馈形式；

[0041] 图3图示说明功率半导体设备冷却组件的前馈形式；

[0042] 图4示出传统冷却系统和应用功率半导体设备冷却组件的冷却系统的冷却性能的模拟；

[0043] 图5是图示说明操作功率半导体设备冷却组件的方法的流程图。

[0044] 附图标记列表

[0045] 100 功率半导体设备

[0046] 102 散热器

[0047] 104 管

[0048] 106 气流方向

[0049] 110 热流

[0050] 112 热流

[0051] 114 绝缘体

[0052] 116 散热器组件

[0053] 200 泵

[0054] 204 热交换器

[0055] 206 信号传输线

[0056] 208 控制器

[0057] 210 温度信号传输线

[0058] 212 控制信号

[0059] 214 控制信号传输线

[0060] 216 处理器

[0061] 218 存储器

[0062] 300 控制器

[0063] 302 处理器

[0064] 304 存储器

[0065] 400 模拟

[0066] 402 模拟

[0067] 404 最小值

[0068] 406 最大值

[0069] 408 最小值

[0070] 410 区块

[0071] 412 间隙

具体实施方式

[0072] 在下面，类似的元件由相同的附图标记标示。

[0073] 图1示出包括散热器102的组件116的示意图，在该散热器上安装有功率半导体设备100，例如IGBT。散热器102包括热绝缘体114，其将不希望有的流至环境的热流限制到最小。因此，通过热流110并通过散热器与主动冷却介质的热接触而仅在功率半导体设备100之间执行热平衡。

[0074] 例如可以通过沿方向106流过散热器102的多个翅片（此处未示出）的气流或者通过与散热器102热接触的用于输送冷却流体的管104来实现主动冷却。因此，功率半导体设备的温度由半导体设备100与散热器102之间的热阻（标示为热流110）、散热器与环境温度之间的热阻（标示为热流112）、散热器102与管104中流动的冷却液之间的热阻以及从功率半导体设备100通过散热器102流到绝缘体114之外的环境中的所生成的热确定。

[0075] 除了热阻之外，功率设备和散热器都具有限定能够存储的热量的热容。这些热容对于冷却系统的动态性能是有贡献的。一般地，散热器将具有比安装于其上的功率设备的热容大得多的热容。换句话说，功率设备100的温度可以比散热器102的温度变化得快得多。这意味着设备100的温度将非常快速地收敛到散热器102的温度。在设备100正在操作的情况下，散热器104将有效地将设备100操作期间产生的热量输送走。然而，一旦设备100停止操作，在没有对散热器102的冷却效率进行控制的情况下，散热器102的温度将快速下降。因此，设备100的温度也将非常快速地下降至现在相当低的散热器温度，这导致例如功率半导体设备100的裸片与基底之间的热应力。如上面已经解释的，这种应力导致材料疲劳，因此显著地限制了设备100的寿命。

[0076] 因此，通过控制散热器102的冷却效率，可以限制设备100的温度以及优选且特别是功率半导体设备的高载流半导体结的温度的大幅温降，并因此可以限制设备100中的热应力，这将显著提高所述设备的寿命。

[0077] 图2示出一个实施例，其中通过反馈控制器208来应用这一原理。图2所示的冷却组件通过包括散热器102的组件116来进行操作，该散热器102通过隔离体114与环境隔离开。安装在散热器上的是半导体功率设备100。散热器102包括冷却通道，例如冷却液——如水从其中流过的管。液体借助于泵200被泵送通过环路中的散热器102至热交换器204，其中热交换器204从冷却液中汲取热量。散热器102的冷却效率是借助于从反馈控制器208通过控制线206提供至泵200的控制信号控制的。

[0078] 为了控制泵200，控制器208通过温度控制线210接收来自功率设备100的温度信号。该温度信号指定功率半导体设备100的高载流半导体结的实际温度值。为了控制借助于泵200的冷却液的流速，控制器208包括处理器216和存储器218。通过处理器和存储器，控制器208分析该温度信号并且通过调整冷却液的流动来调节散热器102的冷却效率。

[0079] 在又一实施例中，控制器208包括一输入，控制器可以由该输入接收功率半导体设备100的控制信号212。例如，功率半导体设备100为在某一可变切换频率下操作的H桥。在这种情况下，优选地，控制信号212包括所述切换频率。如上面已经详细描述的，通过额外改变H桥100的切换频率，还有可能允许控制高载流半导体结的温度以使得该结的温度变化被进一步阻抑。实际使用的切换频率可以通过控制器208的处理器216和存储器218来计算，该存储器包括相应的计算机程序产品。所计算的切换频率通过控制线214从控制器208传输到设备100。

[0080] 图3示出一种前馈系统，其例如可以被用在不可能直接测得功率半导体设备100的实际温度或温度导数的情况下。该系统在图3中示出为与冷却流体的使用相结合以便调节散热器组件116的温度，但是它也可以根据能够调整该系统的冷却能力的需要而使用通风设备或任何其他本领域已知的冷却技术来实现。

[0081] 该系统包括功率半导体设备100，例如IGBT和流体冷却的散热器组件116。散热器组件116是闭环流体冷却系统的一部分，除散热器组件116外，该闭环流体冷却系统包括使流体循环的泵200和汲取从散热器输送的热量的热交换器204。流速同样是经由泵200通过从控制器300通过控制线206提供至泵200的控制信号来控制的。优选地，以在设备100的全功率需求期间通过散热器组件116实现功率设备的最大冷却的方式来控制流过泵
200的流体流。当需要较少或不需要来自功率设备的功率时，流过泵200的流被减小或完全停止，以便限制功率设备100中太强烈的温度降低。如果不需要来自功率设备100的功率，但流过泵的流仍被保持在对应于最大冷却能力的水平，则功率设备100的高载流半导体结的温度将急剧下降。如前所述，这将导致材料热应力并因此显著限制功率设备100的寿命。

[0082] 相反，通过在功率设备100的输入控制信号212的基础上控制泵200，功率设备100的热循环可以被减小。关键因素之一在于半导体设备100的高载流半导体结中功率耗散的精确的基于模型的预测。借助于控制器300的处理器302和存储器304，应用利用模型对功率半导体设备的热功率耗散进行建模的算法，该模型适于针对例如利用控制信号212提供的期望输出功率水平来预测热功率耗散。通常在功率半导体设备冷却组件的开发过程中基于其期望操作和功率设备及冷却系统的热性能来确定该算法。

[0083] 虽然在图3中仅图示说明了前馈系统，但图3的前馈系统也可以与图2所示的反馈系统组合在一起。这在图3中通过信号传输线210示例性指示，额外的温度信号通过该信号传输线从功率设备被提供至控制器300。可以由例如存储器304中的软件进一步实现适于在反馈控制模式与前馈控制模式之间进行选择以便调节冷却效率的选择模块，其中在反馈模式中根据温度信号来执行冷却效率的调节，且其中在前馈模式中利用模型根据功率半导体设备的所述期望或测得输出功率水平执行冷却效率的调节，其中该选择模块适于基于温度信号的信号质量来执行选择。

[0084] 图4示出不根据高载流半导体结的温度主动控制散热器温度的传统冷却系统的冷却性能和根据本发明的功率半导体设备冷却组件的冷却性能的模拟。

[0085] 在图4的顶图中，相对时间以任意单位绘出功率半导体设备的功率需求。该功率需求包括约20分钟持续时间的区块410，之后是12分钟持续时间的间隙412，在此期间不需要来自功率半导体设备的功率。区块410和412接连地连续布置。

[0086] 在底图中，示出以顶图所示的功率需求操作的功率半导体设备的高载流半导体结的相应温度。该温度同样是相对时间以任意单位给出的。曲线400图示说明在使用正常恒定冷却的散热器的情况下的结温度。可以看出，在具有高功率需求的区块410中结束之后，温度在时间间隙412期间强烈降低。相反，通过根据高载流半导体结的实际温度主动调节散热器的冷却效率，不论是直接测得还是利用适当的模型预测，由曲线402指示的温度变化都急剧减小。在曲线402的情况下，温度在最大温度值406与最小温度值404之间震荡，而在曲线400的情况下，温度在最大温度406与最小温度408之间震荡。最小温度408远低于最小温度404。

[0087] 因而，在应用根据本发明的方法时的半导体结的热循环的振幅远小于使用恒定冷却散热器的情况下的热循环的振幅，因此这显著增加由根据本发明的方法冷却的相应功率设备的寿命。

[0088] 图5是图示说明操作用于冷却功率半导体设备的功率半导体设备冷却组件的方法的流程图。图5中所示的方法步骤针对反馈和前馈控制方法的组合，其中作为实际应用的控制方法，执行温度信号的分析，该温度信号在步骤500中被接收。这一温度信号包括半导体设备中所包含的高载流半导体结的实际温度。如果在步骤502中发现例如由温度信号中的噪声水平给定的信号质量是足够良好的，从而该温度信号能够被用于调节散热器的冷却效率，则该方法以其最简单的实现方式继续进行到步骤508，即基于所接收的温度信号对冷却效率进行调节。作为替代，有可能在步骤502判断出信号质量良好之后继续进行到步骤504，在此接收期望的输出水平。在功率半导体设备以某一切换频率进行操作的情况下这一步骤是有利的，从而基于在步骤500接收的温度信号，在步骤506中能够调节切换频率，这允许调整功率半导体设备内部的温度。在步骤506之后，同样是在步骤508中基于在步骤500中接收的温度信号来调节冷却效率。

[0089] 然而，如果在步骤502中发现信号质量不够良好以便仅基于在步骤500中接收的温度信号来执行冷却效率的调节，则在步骤502之后该方法继续进行到步骤510，在此接收功率半导体设备的期望输出功率水平。基于这一接收的输出功率水平，在步骤512中，利用精确模拟功率半导体中的功率耗散的模型来预测高载流半导体结的热功率耗散。或者直接在步骤512之后，在步骤508中基于所预测的热功率耗散执行冷却效率的调节；或者在步骤512之后，在半导体设备可以以某一切换频率进行操作的情况下执行调节功率半导体设备的切换频率的额外步骤506。在步骤506之后，进行调节冷却效率的步骤508。

[0090] 在步骤508之后，该方法返回到步骤500，从而使得图5所示的方法被循环重复。

[0091] 应该注意到，流程图中图示说明的方法并不仅仅对应于本发明的一个实施例。如前面已经讨论的，另一个实施例不仅是所接收的温度信号或所预测的热功率耗散的排他选择，而且是二者的组合。例如，如果在步骤502中确定在某一频带下信号质量由于较高的噪声水平而不良好，则可以执行步骤502、504、506以及步骤502、510、512和506，从而在步骤508中利用所预测的结温度作为所述频带内的调节标准来调节冷却效率，并且利用在步骤
500中接收的温度信号作为所述频带外的调节标准来调节冷却效率。然而，二者的加权组合也是可能的，其中权重取决于噪声水平。噪声水平越高，包含温度信号的噪声的权重将越低。