用於測定半導體開關的溫度的方法和設備的製作方法

2023-05-21 07:45:56

專利名稱：用於測定半導體開關的溫度的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測定半導體開關的溫度的方法和設備。
背景技術：
半導體開關尤其例如用於電壓和電流的整流器和逆變器，其中，通常將多個半導體開關彼此電連接來實現變流器。半導體開關在此通常設置在襯底上，該襯底又直接或間接與冷卻體連接。在半導體開關、譬如絕緣柵雙極型電晶體(IGBT :1nsulated Gate BipolarTransistor))或金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor))運行時,在接通和關斷半導體開關時在半導體開關中以熱形式出現損耗能量，該損耗能量導致半導體發熱。損耗能量在此基本上出現在半導體開關的所謂阻擋層並且導致其溫度上升。損耗能量在此基本上依賴於半導體開關接通和關斷的頻率以及在運行中流經半導體開關的電流和加在半導體開關上的電壓。如果在半導體開關運行中，半導體開關的溫度尤其是其阻擋層溫度超過允許的邊界值，例如由於動態或靜態過負載，則這可能導致故障並且在極端情況下導致半導體開關損毀。為了防止這種情況，在現有技術中已知的是，在設置在襯底上的半導體開關附近安置溫度傳感器並且測量襯底的溫度，半導體開關將其損耗能量傳送至該襯底並且由此該襯底發熱。如果所測量的襯底溫度超過預設置的邊界值，則關斷半導體開關。由於襯底的熱時間常數和最終導熱性，襯底的溫度相對時滯地跟隨半導體開關的溫度並且尤其是跟隨半導體開關的阻擋層的溫度。這種過程的缺點是，由於測量襯底的溫度而不測量半導體開關的溫度，所以半導體開關的快速溫度上升(其例如在動態負載變換的情況下可能出現)可能未被檢測到，並且因此儘管監控襯底溫度但由於半導體開關的高溫度而可能出現半導體開關的故障或損毀。通常為了實現所需的耐壓強度或載流能力，必須將多個半導體開關在電學上串聯和/或並聯，用於實現電學閥。為了使在電學閥的半導體開關之間儘可能小的接通延遲時間成為可能，在現有技術中已知了半導體開關譬如如下IGBT或M0SFET，其具有集成到半導體開關中的柵極電阻。在半導體開關中，通過將額外的摻雜半導體層施加到本來就存在的形成半導體開關的功能核心的層而產生歐姆柵極電阻，其通常具有數歐姆的值。為了實現集成到半導體開關中的柵極電阻，例如將矽烷(SiH4)沉積在絕緣體(Si02)上。在此在層中生長的聚合矽接著被摻雜。接著將金屬化物施加到被摻雜的聚合矽層上，金屬化物形成半導體開關的從外部能到達的柵極電阻端子。

發明內容
本發明的任務是提出一種用於測定半導體開關的溫度的方法和裝置，該方法使得高動態地測定半導體開關的溫度成為可能。
該任務通過用於測定半導體開關的溫度的方法來解決，該半導體開關具有集成的柵極電阻，該方法具有如下方法步驟-通過經與半導體開關的柵極電阻端子連接的外部電阻提高半導體開關的柵極-發射極電壓來接通半導體開關，-測定在提高半導體開關的柵極-發射極電壓期間柵極-發射極電壓從第一電壓上升到第二電壓需要的持續時間，以及-藉助所測定的持續時間來測定半導體開關的溫度。此外，該任務通過用於測定半導體開關的溫度的設備來解決，該半導體開關具有集成的柵極電阻，該設備包括-操控電路，其構建成用於通過經與半導體開關的柵極電阻端子連接的外部電阻提高半導體開關的柵極-發射極電壓來接通半導體開關，-持續時間測定單元，其構建成用於測定在提高半導體開關的柵極-發射極電壓期間柵極-發射極電壓從第一電壓上升到第二電壓需要的持續時間，以及-溫度測定單元，其構建成用於藉助所測定的持續時間來測定半導體開關的溫度。本發明的有利的改進方案從從屬權利要求中得到。該方法的有利改進方案類似該設備的有利的改進方案地得到，反之亦然。此外，證明為有利的是，當所測定的半導體開關的溫度達到或超過溫度邊界值，則進行半導體的關斷。由此可以可靠地避免由於半導體開關溫度過高而引起的半導體開關的故障或損毀。此外，證明為有利的是，第二電壓在半導體開關的閾值電壓之下。當第二電壓在半導體開關的所謂的閾值電壓之下，即在有顯著集電極電流流動的閾值電壓之下時(即半導體開關開始過渡到導通(接通的)狀態中)，得以保證的是，用於測定半導體開關的溫度的對持續時間的測定發生在所謂的米勒平臺之下，並且集電極-柵極電容對柵極-發射極電壓的變化曲線的反作用對持續時間的測定沒有影響。由此，使半導體開關的溫度的特別精確的溫度測定成為可能。此外，證明為有利的是，半導體開關構建為IGBT或M0SFET，這是因為IGBT或MOSFET是商業上常見的半導體開關。此外，帶有根據本發明的設備的電路裝置證明為有利的，其中，該電路裝置具有如下半導體開關，該半導體開關具有集成的柵極電阻，其中，該設備的操控電路通過外部電阻與半導體開關的柵極電阻端子電連接，其中，持續時間測定單元與半導體開關的柵極電阻端子電連接。


本發明的實施例在附圖中示出並且以下更為詳細地予以闡述。其中圖1示出了根據本發明的用於測定半導體開關的溫度的設備，該半導體開關具有集成的柵極電阻。圖2示出了在半導體開關接通時半導體開關的柵極-發射極電壓UeE的變化曲線。圖3示出了半導體開關的溫度特徵曲線。
具體實施例方式在圖1中以電路框圖形式示出了根據本發明的用於測定半導體開關I的溫度T的設備13，該半導體開關具有集成到半導體開關I中的柵極電阻Reint。半導體開關I在實施例的範圍中構建為IGBT並且具有從半導體開關I外部能到達的、用於使半導體開關I與外部電部件電連接的柵極電阻端子GA。藉助集電極端子CA可以將半導體開關I的集電極C與外界電連接並且藉助發射極端子EA可以將半導體開關I的發射極與外界電連接，其中，在實施例的範圍中發射極E與負載2電連接。半導體開關的由柵極G、發射極E和集電極C構成的核心在圖1中以IGBT的電學符號形式示出。半導體開關I具有集成到半導體開關I中的歐姆柵極電阻Reint，其電連接在柵極電阻端子GA與柵極G之間。柵極電阻端子GA通過柵極電阻Reint與半導體開關I的柵極G電連接。如開頭在闡述現有技術時已描述的那樣，具有集成的柵極電阻Reint的半導體開關I是現有技術。在這些半導體開關中，通過將額外的摻雜的半導體層施加到本來就存在的形成半導體開關的功能核心的層上而產生歐姆柵極電阻，其通常具有數歐姆的值(例如10歐姆)。此外在柵極G與發射極E之間，寄生柵極-發射極電容CeE起作用。如果半導體開關I的柵極-發射器電壓UeE超過半導體開關I的所謂閾值電壓Us，則在半導體開關I的集電極K與發射極E之間的電阻強烈地下降並且集電極電流IC開始通過半導體開關I從集電極流向發射極並且從那裡流向負載2。半導體開關的柵極-發射極電壓UeE在此在本發明的範圍中理解為柵極電阻端子GA關於半導體開關的發射極端子EA的電壓(參見圖1)。在柵極-發射極電壓UeE進一步提高時，在集電極與發射極之間的電阻下降到最小。半導體開關I於是處於接通的狀態中。根據本發明的設備13具有操控電路3，該操控電路構建成用於通過經與半導體開關I的柵極電阻端子GA連接的外部電阻Rrart提高半導體開關I的柵極-發射極電壓UeE來接通半導體開關。術語「外部」在此在本發明的範圍中表示，電阻Rrart並不是半導體開關I的組成部分。操控電路3用於操控半導體開關1，並且相應於由控制裝置10產生的脈衝狀的信號P而將半導體開關I接通和關斷。操控電路3具有電壓源11，該電壓源依賴於信號P產生控制電壓UT。操控電路3和尤其是電壓源11通過外部電阻Rext與半導體開關I的柵極電阻端子GA電連接。當信號P具有「O」值，則控制電壓Ut具有負電壓Ua (參見圖2)。相應地，在靜態狀態中，柵極-發射極電壓Uge具有負電壓Ua並且半導體開關I關斷，即在集電極C與發射極E之間的電阻為高阻。當功率開關應該接通時，則控制裝置10為信號P產生「I」值。在接收信號P的正邊沿的情況下，當信號P從「O」到「I」時，控制電壓Ut從負電壓Ua跳變到正電壓Ue。由此，寄生柵極-發射極電容(^通過電串聯的外部電阻Rrait和集成的柵極電阻Reint被充電，直至在柵極-發射極-電容CeE存在電壓Ue。在此形成的關於時間t的柵極-發射極電壓Uge的變化曲線在圖2中示出。控制裝置Ut從負電壓Ua切換到正電壓Ue的時刻、即信號P從「O」至IJ「l」的時刻是柵極-發射極電壓的提高的開始E並且由此是半導體開關I的接通過程的開始。在柵極-發射極電壓Uge的提高的開始E之後，柵極-發射極電壓Uge快速上升直至達到閾值電壓us。當柵極-發射器電壓ueE超過閾值電壓隊時，則在半導體開關I的集電極K與發射極E之間的電阻強烈地下降並且集電極電流Ic開始通過半導體開關I從集電極流向發射極並且從那裡流向負載2。通過為了清楚而在圖1中未示出的集電極-柵極電容的反作用，在柵極-發射極電壓Ura的變化曲線中形成所謂的米勒平臺M，在柵極-發射極電壓在米勒平臺M之後又更強烈地上升地達到正電壓Ue之前，在該米勒平臺M中柵極-發射極電壓Uge僅微弱上升，可能甚至有些下降。在開始E與達到閾值電壓Us之間的範圍中，柵極-發射極電壓Uge強烈依賴於集成的柵極電阻Reint的電阻。集成的電阻Reint的電阻越大，則在開始E與達到閾值電壓隊之間的範圍中柵極-發射極電壓Uge的變化曲線越平。在開始E與達到閾值電壓Us之間的範圍中柵極-發射極電壓Uge的平均斜率隨著集成的柵極電阻Rwnt的電阻的上升而下降。集成的柵極電路Reint的歐姆電阻依賴於溫度，並且隨著柵極電阻Reint的溫度增力口、並且因此隨著半導體開關的溫度的增加而提高。據此，半導體開關的溫度越高，則在開始E與達到閾值電壓Us之間的範圍中柵極-發射極電壓Uge上升越緩慢。該效應根據本發明用於測定半導體開關的溫度。因為集成的柵極電阻Rcint緊鄰半導體開關的阻擋層(在該阻擋層上，在半導體開關運行中形成的、半導體開關的損耗能量的主要部分轉換成熱)設置，所以柵極電阻Reint的溫度並且由此柵極電阻Reint的電阻高動態地跟隨半導體開關I的阻擋層的溫度。因此，通過本發明使半導體開關I的高動態的溫度測定成為可能。為了測定半導體開關的溫度，柵極-發射極電壓Uge作為輸入量傳送至持續時間測定單元14，該持續時間測定單元構建成用於測定在半b導體開關的柵極-發射極電壓提高期間柵極-發射極電壓Uge從第一電壓U1上升到第二電壓U2所需的持續時間dt。在該實施例的範圍中，持續時間測定單元14具有第一邊界值指示器4、第二邊界值指示器5、計數器6和時鐘發生器15。柵極-發射極電壓Uge作為輸入量輸送到第一邊界值指示器和第二邊界值指示器。當柵極-發射極電壓Ucje達到預給定的第一電壓U1時，第一邊界值指示器4產生信號SI並且將該信號傳送給計數器6。當柵極-發射極電壓Uge達到預給定的第二電壓U2時，第二邊界值指示器5產生信號S2並且將該信號傳送給計數器6。計數器6接收高頻等間距時鐘F，該時鐘由時鐘發生器15產生。在接收信號SI時，計數器6對由時鐘發生器15從接收信號SI起直至其接收到信號S2產生的時鐘的數目進行計數。計數器因此以時鐘發生器15從信號SI起直至接收信號S2所產生的時鐘的數目的形式測定持續時間dt,該持續時間為半導體開關I的柵極-發射極電壓Uge從第一電壓U1上升到第二電壓U2所需要的。持續時間dt接著作為輸入量傳送至溫度測定單元7，該溫度測定單元構建成用於藉助所測定的持續時間dt來測定半導體開關I的溫度T。在該實施例的範圍中，溫度測定單元7藉助半導體開關I的溫度特徵曲線K (參見圖3)測定半導體I的溫度T，該溫度特徵曲線說明了半導體開關I的溫度T對持續時間dt的依賴性，該持續時間為半導體開關I的柵極-發射極電壓Uge從第一電壓Ul上升到第二電壓U2所需要的。半導體開關I的溫度特徵曲線K例如可以按經驗來測定。在該實施例的範圍中，所測定的半導體開關I的溫度T作為輸入量傳送到監控單元8。監控單元8構建為用於當所測定的半導體開關I的溫度T達到或超過預給定的溫度邊界值Tk時關斷半導體開關I。在該實施例的範圍中，監控單元8為此當所測定的半導體開關I的溫度T達到或超過預給定的溫度邊界值時，產生持續保持的關斷信號A直至監控單元8復位，並且將該關斷信號作為輸入量傳遞至操控電路3，該操控電路在接收關斷信號A時保持關斷信號A，直至負電壓Ua不依賴於脈衝信號P地產生並且因此持久關斷半導體開關I。與此並行地，關斷信號A由監控單元8傳遞到控制裝置10，該控制裝置向應用者顯示相應的幹擾報告。在該實施例的範圍中，在圖1中僅示出了唯一的半導體開關並且與根據本發明的設備13連接。但是當然，例如當多個半導體開關並聯和/或串聯為所謂的閥時，也能夠構建閥的半導體開關的所有或一部分各自與相關的根據本發明的設備13電連接。在此情況下，與各自相關的設備13關聯的半導體開關的柵極端子與各自相關的設備13的外部電阻Rext電連接。在此應注意的是，操控電路12和外部電阻R6xt可以是所謂的驅動器電路12的組成部分。為了實現本發明僅需要的是，取代不具有集成的柵極電阻的半導體開關，使用具有集成的柵極電阻的半導體開關來實現所期望的、例如功率電子電路(例如整流器、逆變器
坐坐、
寸寸7 o
權利要求
1.用於測定半導體開關(I)的溫度(T)的方法，該半導體開關具有集成的柵極電阻(Reint),該方法具有如下方法步驟 -通過經與所述半導體開關(I)的柵極電阻端子(GA)連接的外部電阻(R6xt)提高所述半導體開關(I)的柵極-發射極電壓(Ucje)來接通所述半導體開關(I )， -測定在提高所述半導體開關(I)的柵極-發射極電壓(Ucje)期間所述柵極-發射極電壓(Ucje)從第一電壓(U1)上升到第二電壓(U2)需要的持續時間(dt)，以及 -藉助所測定的持續時間(dt)來測定所述半導體開關(I)的溫度(T)。
2.根據上述權利要求之一所述的方法，其具有如下其他方法步驟 -當所測定的所述半導體開關(I)的溫度(T)達到或超過溫度邊界值(Tk)時關斷所述半導體開關(I)。
3.根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，所述第二電壓(U2)在所述半導體開關(I)的閾值電壓(Us)之下。
4.根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，所述半導體開關(I)構建為IGBT或 MOSFET。
5.用於測定半導體開關(I)的溫度(T)的設備，所述半導體開關(I)具有集成的柵極電阻(Reint),所述設備包括 -操控電路(3)，其構建成用於通過經與所述導體開關(I)的柵極電阻端子(GA)連接的外部電阻(Rext)提高所述半導體開關(I)的柵極-發射極電壓(Ucje)來接通所述半導體開關(I)。
-持續時間測定單元(14)，其構建成用於測定在提高所述半導體開關(I)的柵極-發射極電壓(Ucje)期間所述柵極-發射極電壓(Ura)從第一電壓(U1)上升到第二電壓(U2)需要的持續時間(dt)，以及 -溫度測定單元(14)，其構建成用於藉助所測定的持續時間(dt)來測定所述半導體開關(I)的溫度(T)。
6.電路裝置，其具有根據權利要求5所述的設備(13)，其中所述電路裝置具有半導體開關(1)，所述半導體開關具有集成的柵極電極(Reint),其中，所述設備(13)的操控電路(3)通過所述外部電阻(Rrart)與所述半導體開關(I)的柵極電阻端子(GA)電連接，其中，所述持續時間測定單元(14)與所述半導體開關(I)的柵極電阻端子(GA)電連接。
全文摘要
本申請涉及一種用於測定半導體開關的溫度的方法和設備，其中該半導體開關(1)具有集成的柵極電阻(RGint)，該方法具有如下方法步驟-通過經與半導體開關(1)的柵極電阻端子(GA)連接的外部電阻(Rext)提高半導體開關(1)的柵極-發射極電壓(UGE)來接通半導體開關(1)，-測定在提高半導體開關(1)的柵極-發射極電壓(UGE)期間柵極-發射極電壓(UGE)從第一電壓(U1)上升到第二電壓(U2)需要的持續時間(dt)，以及-藉助所測定的持續時間(dt)來測定半導體開關(1)的溫度(T)。此外，本發明涉及一種用於測定半導體開關(1)的溫度(T)的相關設備。本發明使高動態地測定半導體開關(1)的溫度成為可能。
文檔編號G01K7/01GK103033275SQ201210376118
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者斯特凡·斯庫勒 申請人:賽米控電子股份有限公司