集成智能功率開關的製作方法

2023-05-23 04:27:26 3

專利名稱：集成智能功率開關的製作方法
技術領域：
本發明實施例主要涉及半導體和系統。更確切地說，本發明涉及用於操作、控制和監測功率半導體及系統的系統、方法和器件。

背景技術：
功率半導體器件已為本領域技術人員所熟知，並且通常用於功率轉換、調節和控制。作為功率系統的結構單元，功率半導體器件在開關和線性兩種模式下工作。功率半導體滿足像小重量和體積、高電路級可靠性、故障隔離、及診斷能力這種矛盾的需求。
功率電晶體是一種功率半導體，用於功率範圍從瓦到兆瓦的多種應用中。雖然大多數應用使用開關模式的功率半導體，而另外一些應用需要器件在線性模式下工作。這種應用包括恆定電流電容器充電和放電、加載時電壓逐步增大(「軟啟動」)、及電感負載開關。
例如，在2003年10月24日提交、2004年5月20日公布為U.S.2004/0095023、序列號為10/692,580、案卷號為RTN183AUS、發明人為Boris S.Jacobson等的「Intelligent Power System」中可以找到用於受控模式功率系統的應用。
例如，圖1示出了通過從電壓電源Vin對電容器組C1-Cn充電而工作在線性模式下的電晶體Q，而圖2是示出了用於圖1中電晶體電路的參數的曲線圖。t0之前，電晶體阻斷電源電壓。在t0點電晶體逐漸導通而開始對電容器組充電。在t0-t1時間間隔期間，向傳導恆定電流的電晶體施加線性衰減的電壓。電晶體耗散的功率為P＝1/(t1-t0)∫IV(t)dt，其中V(t)是加在電晶體上的電壓，積分區間是從t0到t1，I是流過電晶體的恆定電流。
與公知為金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)以及絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)的一種功率電晶體相關的問題是，它們可優化為開關並且不能維持與以線性模式工作相關的連續功率耗散。這樣的一個原因是被稱為過熱點或電流隧穿的現象。對於理想的器件，整個管芯上的電流密度和溫度分布兩者通常都均勻。然而，管芯附著材料上的不均勻的摻雜和空隙可引起整個器件上的電流密度和溫度的變化。電晶體柵極閾值電壓Vth通常具有負溫度係數。從而，當管芯的某些區域(尤其接近管芯中心)開始在較高溫度下運行時，這些區域的Vth下降並且電晶體增益Gm迫使電流密度局部增大。較高的電流進一步使增益增大，最終導致器件的熱耗散和突變失效。因此，電流隧穿事實上阻礙了目前在線性應用中使用可用的MOSFET和IGBT。
例如，圖3是電晶體的電晶體柵極閾值電壓作為溫度的函數的曲線圖，其中電晶體例如為圖1中的電晶體Q。如圖3所示，電晶體柵極閾值電壓Vth具有負溫度係數。因而，當管芯的某些區域(尤其接近管芯中心)開始在較高溫度下運行時，這些區域的Vth下降並且電晶體增益Gm迫使電流密度局部增大。較高的電流進一步使增益增大，最終導致器件的熱耗散和突變失效。
作為另一個例子，圖4是電晶體的電晶體柵極-源極電壓對多種漏極電流的結溫曲線的曲線圖，其中電晶體為例如圖1中的電晶體Q。與圖4中零點斜率(zero-slope)曲線對應的Id值被稱為交叉電流Icrc。提高線性模式下的電晶體性能的最有效的方法之一是降低其交叉電流。
與較早各代的器件相比，利用最新工藝技術製造的MOSFET器件往往有較低的柵極電荷、較低的柵極-漏極電荷、以及較低的導通電阻RDSon。例如，表1示出了通過先進功率技術(APT)製得的三代APT5010MOSFET的交叉電流。與較早各代的器件相比，利用最新的MOS VI工藝製得的APT5010LLC具有較低的柵極電荷、較低的柵極-源極電荷、以及較低的導通電阻RDSon。遺憾的是，當該器件的開關性能提高時，交叉電流增大而其線性工作惡化。因此，可以看出電流隧穿很大地阻礙了目前在線性應用中使用電流MOSFET和IGBT。
表1 多種工藝的電晶體交叉電流 傳統功率半導體器件可能遇到問題的另一個區域是在其安全工作區。通常，正向偏置安全工作區(FBSOA)曲線定義了功率器件在其導通或正向偏壓狀態期間可維持的最大漏極電壓和電流。反向偏置安全工作區(RBSOA)曲線定義了當電晶體漏極電壓施加到其額定漏極-源極擊穿電壓BVDSS時，電感負載關閉之下的峰值漏極電流和電壓。圖5是正向偏置安全工作區(FBSOA)曲線的說明性曲線圖，圖6是反向偏置安全工作區(RBSOA)曲線的說明性曲線圖。
可以預料電晶體在所有狀態下必須工作在FBSOA和RBSOA的固定邊界之內。然而，FBSOA和RBSOA曲線僅限定了最大漏極-柵極電壓額定值。否則，與顯示器件的絕對限值相反，該曲線表示經常稱為平均故障間隔時間(MTBF)的「可接受」可靠性區域。而且，FBSOA曲線通常示出25℃的管殼溫度下的單電流脈衝和若干不同脈衝寬度的數據。因為大多數應用需要連續工作和較高的管殼溫度，對於每個特定的管殼必須重新計算FBSOA。
結果，許多設計不能耐受改變的環境或電路條件，例如在突然遇到冷卻液流量降低或向停止的電動機提供較高的電流時工作在較高的結溫下。提供可耐受改變的環境條件的功率半導體器件的一個途徑是為應用提供特大型器件。然而，這種特大型化仍不能防止器件在一種工作模式下未被充分利用而在另一種模式下過載。
目前，功率電晶體遭遇缺乏診斷和預測，其中難以確定工作中的功率半導體是否有任何故障。確定了失效可能原因的真相之後可檢查失效器件。功率半導體電晶體可靠性的普通預測方法依賴於器件結溫。該預測方法基於理論模型並忽略製造缺陷或實際工作條件。例如，現有的預測功率電晶體可靠性的方法不解釋由於過載管芯接觸襯底或缺陷安裝於散熱器引起的器件失效。而且，根據目前存在的功率處理能力，沒有檢查和校準安裝後的電晶體的方法。


發明內容
在一個實施例中，本發明提供一種器件，其包括可控半導體器件、第一傳感器和控制器。該可控半導體器件(例如，功率電晶體、靜電感應電晶體(SIT)、晶閘管、MOS控制晶閘管(MCT)、柵極可關斷(GTO)晶閘管、以及發射極可關斷(ETO)晶閘管中至少之一)與第一工作參數和第二工作參數相關，其中至少第一工作參數是可控制的。
例如，第一工作參數可包括以下至少之一漏極-源極電壓、集電極-發射極電壓、陽極-陰極電壓、柵極電壓、柵極電流、基極電流、平均漏極器件電流、平均集電極器件電流、平均陽極器件電流、峰值漏極電流、峰值集電極電流、峰值陽極電流、RMS漏極電流、RMS集電極電流、RMS陽極電流、管芯溫度、管殼溫度、結溫(TJ)、開關頻率、以及佔空比。
例如，第二工作參數可包括以下至少之一柵極驅動、基極驅動、電晶體偏壓、安全工作區(SOA)條件、漏極-源極電壓閾值(VDS)、RMS漏極電流閾值(IDRMS)、正向和反向偏置安全工作區(SOA)脈衝電流閾值(IDM)、由漏極-源極導通電阻(RDS(on))限定的正向偏壓SOA漏極電流(ID)邊界、以及功率器件的工作區。
第一傳感器(例如，溫度傳感器、電壓傳感器、以及電流傳感器中至少之一)與可控半導體器件通信，並且第一傳感器獲得與可控半導體器件的第二工作參數相關的數據。第一傳感器可在多個位置監測可控半導體。還可提供附加傳感器，如獲得影響可控半導體的環境條件(例如，溫度、冷卻液流量、及溼度水平中至少之一)和機械條件(例如，應力、張力、壓力、運動、振動、加速度、及震動中至少之一)中至少之一的傳感器。
控制器與可控半導體器件和傳感器通信。控制器配置為可訪問與可控半導體器件相關的器件數據、控制可控半導體的第一工作參數接收來自第一傳感器的與第二工作參數相關的數據。控制器根據器件數據確定第一預測值、比較與第二工作參數相關的數據和第一預測值、以及如果基於該比較而檢測到第一狀況(例如，溫度過高、電流隧穿、過功率、過電流、過電壓、冷卻液問題、散熱器問題、管芯缺陷、管芯互連連結缺陷、管芯附著缺陷、以及器件封裝裝配缺陷中至少之一)，則控制器動態修正第一工作參數。
在另一實施例中，本發明提供一種操作可控半導體的方法，其中可控半導體與第一傳感器通信。激活可控半導體，並且控制第一工作參數(例如，漏極-源極電壓、集電極-發射極電壓、陽極-陰極電壓、柵極電壓、柵極電流、基極電流、平均漏極器件電流、平均集電極器件電流、平均陽極器件電流、峰值漏極電流、峰值集電極電流、峰值陽極電流、RMS漏極電流、RMS集電極電流、RMS陽極電流、管芯溫度、管殼溫度、結溫(TJ)、開關頻率、以及佔空比中至少之一)。
監測第二工作參數(例如，柵極驅動、基極驅動、電晶體偏壓、安全工作區(SOA)條件、漏極-源極電壓閾值(VDS)、RMS漏極電流閾值(IDRMS)、正向和反向偏置安全工作區(SOA)脈衝電流閾值(IDM)、由漏極-源極導通電阻(RDS(on))限定的正向偏壓SOA漏極電流(ID)邊界、以及可控半導體的工作區中至少之一)。
訪問與可控半導體相關的器件數據信息(例如，擊穿漏極-源極電壓BVDSS、擊穿漏極-源極電壓BVDSS保護閾值、額定漏極-源極電壓VDSS、額定漏極-源極電壓VDSS保護閾值、最大單脈衝電流IDM、最大單脈衝電流IDM保護閾值、連續漏極電流ID、連續漏極電流ID保護閾值、雪崩電流IAR、雪崩電流IAR保護閾值、在預定結溫Tj下的單脈衝的默認正向偏置安全工作區(FBSOA)、在預定結溫Tj下的單脈衝的默認反向偏置安全工作區(RBSOA)、標準和雪崩模式中至少之一的結-管殼瞬態熱阻抗曲線、散熱器-管殼熱阻抗Zthhc、結-管殼熱阻抗Zthjc、在預定溫度T下的導通電阻(RDS(on)(T))、作為溫度的函數的歸一化導通電阻RDS(on)、THS(PM)(作為耗散功率的函數的散熱器溫度THS)、結溫TJ閾值、集成體二極體(integral body diode)的反向恢復電荷Qrr及集成體二極體的Qrr的反向恢復時間trr中至少之一)。
基於器件數據信息和第二工作參數，對是否存在第一狀況(例如，溫度過高、電流隧穿、過功率、過電流、過電壓、冷卻液問題、散熱器問題、管芯缺陷、管芯互連連接缺陷、管芯附著缺陷、以及器件封裝裝配缺陷中至少之一)作出判定。
如果存在第一狀況，則實施第一操作。例如，該第一操作可為以下至少之一 (a)調節可控半導體的工作； (b)關閉可控半導體； (c)中斷可控半導體的工作； (d)切換可控半導體的工作模式； (e)基於所檢測到的第一狀況確定可控半導體的安全工作區(SOA)條件，並調整第一參數以維持SOA； (f)檢查不同的第二工作參數； (g)診斷第一狀況； (h)基於第一狀況確定是否可能發生第二狀況，第二狀況包括以下至少之一溫度過高、電流隧穿、過功率、過電流、過電壓、冷卻液問題、散熱器問題、管芯缺陷、管芯連接缺陷、管芯附著缺陷、器件封裝裝配缺陷、功率器件的熱界面問題、功率器件的可靠性降低、高電流負載下功率器件失效、以及高功率負載下功率器件失效；以及 (i)提供通知。
在另一實施例中本發明提供用於確定可控半導體的工作條件的方法，其中可控半導體具有結和管殼，該方法包括 訪問與可控半導體相關的器件數據，該器件數據包括預定平均故障間隔時間(MTBF)； 計算可控半導體的結和管殼之間的熱阻抗Zthjc； 至少周期性地測量可控半導體的結溫Tj和管殼溫度Tc； 至少部分基於Tj、Tc、和Zthjc計算可允許的耗散功率；以及 至少部分基於可允許的耗散功率和MTBF為可控半導體定義至少一個動態的安全工作區(SOA)邊界，基於Tj和Tc的周期性測量至少周期性地調節動態SOA。
在另一實施例中，對於能夠工作在開關和線性模式下並包括管芯的可控半導體器件，本發明提供用於檢測可控半導體器件中的電流隧穿的方法，該方法包括以下無序的步驟 (a)在基本上靠近管芯中心的位置監測中心管芯溫度； (b)在基本上靠近管芯外圍的位置監測外圍管芯溫度； (c)如果管芯的中心管芯溫度高於外圍溫度，並且可控半導體的工作模式是開關模式，則停止可控半導體的工作； (d)如果管芯的中心管芯溫度高於外圍溫度，並且可控半導體的工作模式是線性模式，則中斷可控半導體的工作並將其工作模式改變為開關模式。
在另一實施例中，本發明提供用於確定可控半導體工作中的實際和潛在錯誤的方法，該方法包括以下無序的步驟 (a)監測可控半導體的一套參數，該套參數包括器件、工作及溫度參數中至少之一； (b)訪問一套用於可控半導體的器件數據； (c)至少部分基於這套參數及這套器件數據，確定可控半導體的預測功率耗散和預測結溫； (d)測量可控半導體的實際功率耗散和實際結溫； (e)比較實際功率耗散和預測功率耗散； (f)比較實際結溫和預測結溫； (g)至少部分依據(e)和(f)的比較，確定在可控半導體中是否出現了實際錯誤或可能出現潛在錯誤；以及 (h)在可控半導體工作期間至少周期性重複步驟(a)到(g)。
在另一實施例中，本發明提供用於確定已安裝的器件的功率處理能力的方法，其包括 測量已安裝器件的溫度； 確定由測試脈衝所預期的已安裝器件的預測溫度變化； 向已安裝器件發送測試脈衝； 測量因測試脈衝引起的已安裝器件的實際溫度變化；以及 比較實際溫度變化與預測溫度變化。
在此將更充分地描述本發明的涉及這些的細節和其它實施例。



結合以下詳細說明和附圖，將更徹底地理解本發明的優勢和方面，其中 圖1是工作在線性模式下的電晶體電路的示意圖； 圖2是示出了用於圖1中的電晶體電路的參數的曲線圖； 圖3是圖1的電晶體的電晶體柵極閾值電壓作為溫度的函數的曲線圖； 圖4是圖1的電晶體的電晶體柵極-源極閾值電壓與多種漏極電流的結溫曲線的關係曲線圖； 圖5是正向偏置安全工作區(FBSOA)曲線的示例性曲線圖； 圖6是反向偏置安全工作區(RBSOA)曲線的示例性曲線圖； 圖7是根據本發明一個實施例的集成智能功率開關(ISPS)的第一方塊圖； 圖8是根據本發明一個實施例的集成智能功率開關(ISPS)的第二方塊圖； 圖9是根據本發明一個實施例的用於控制功率器件的方法的流程圖； 圖10是根據本發明一個實施例的用於保護功率器件的方法的流程圖； 圖11是說明了根據本發明一個實施例的正向偏置安全工作區的邊界的曲線圖； 圖12是說明了根據本發明一個實施例的動態安全工區的概念的曲線圖； 圖13是根據本發明一個實施例的用於動態控制功率器件的安全工作區(SOA)的方法的流程圖； 圖14是根據本發明一個實施例的用於診斷和預測功率器件的錯誤的方法的流程圖； 圖15是根據本發明一個實施例的帶有分散控制和集成智能功率開關的智能功率系統的第一示例性方塊圖； 圖16是根據本發明一個實施例的智能功率系統的第二示例性方塊圖；以及 圖17是根據本發明一個實施例的智能功率系統的應用的圖示。
這些附圖並非按比例繪製，而重點在於說明本發明原理。另外，在附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件。

具體實施例方式 通過提供使用MOSFET器件、屬性和特性的例子，以下描述說明了本發明的某些特徵。然而，應該明白在此描述的本發明的概念和實施例適用於許多其它類型的半導體器件，包括但不限於可控半導體、三端半導體、以及例如雙極結型電晶體(BJT)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)、柵極可關斷(GTO)晶閘管、以及發射極可關斷(ETO)晶閘管等功率半導體。
一方面，本發明提供向傳統功率半導體增加一定水平的功能性的新特徵，並且定義和實現新型可重構功率系統。新型可重構功率系統包括一種以下稱為集成智能功率開關(ISPS)的器件。至少實施某些ISPS可有助於解決普通功率半導體的多種問題，例如電流隧穿、靜態安全工作區(SOA)、缺少診斷信息、缺少校準、以及對已安裝器件的不適當檢查方法。
至少本發明的某些實現還提供以下有利特徵 (1)通過在多處位置監測管芯溫度而檢測和/或防止電流隧穿； (2)根據對器件所允許的管芯溫度、器件電壓和/或電流、及器件所需可靠性中的一個或多個，動態控制安全工作區(SOA)； (3)自診斷和預測而檢測並提供缺陷預先警告，例如管芯、管芯連接、管芯附著、及器件裝配缺陷，從而有助於防止突變失效並增強可靠性； (4)通過脈衝加載校準和檢查已安裝的器件，並監測已安裝的器件的管殼溫度； (5)根據其管殼溫度上升和/或功率處理能力規劃(mapping)器件；以及 (6)預先警告潛在故障。
圖7是根據本發明一個實施例的集成智能功率開關(ISPS)100的第一方塊圖，而圖8是根據本發明一個實施例的集成智能功率開關(ISPS)的第二方塊圖。
參照圖7和8，ISPS 100包括可控半導體器件(以下稱為可控半導體102並且通過僅在圖8中以說明的方式顯示為MOSFET功率器件)、至少一個傳感器106、以及控制器104。如圖7中所示，ISPS 100任選地可包括附加傳感器(示為第二傳感器106』和第三傳感器106″)，並且ISPS 100可向外部負載150提供電力。請注意，在圖7的方塊圖中，出於簡便，用單線表示各連接的簡單化形式顯示連接。例如，第一傳感器106可以在多個位置監測可控半導體102，並且可以向控制器104提供多個信號，但圖7仍示出了單個連線。
在ISPS 100工作期間，控制器104依據來自傳感器106的輸入(例如，作為反饋環)控制可控半導體102的工作。例如，如圖8所示，控制器104控制可控半導體102的柵極驅動並接收來自傳感器106(以及任選地，ISPS 100中其它傳感器)的多種檢測輸入(sensedinput)從而(任選地結合附加信息，例如器件數據125)幫助控制器104確定適當的柵極驅動。控制器104至少周期地接收來自傳感器106的數據。有利地，控制器104基本連續地接收來自傳感器106的數據，以便控制器可經由其提供給可控半導體102的控制信號迅速且動態地調節可控半導體102的工作。
在圖8中，可控半導體102被舉例為金屬氧化物場效應電晶體(MOSFET)，但該特定類型的半導體是非限制性的。至少可用於本發明的某些實施例的MOSFET的示例性例子是可由Oregon的Bend公司的高級功率技術得到的並具有元件號為APT10021JFLL的1000V、37A、0.21ohm MOSFET。可控半導體102可以是任何類型的可控半導體器件，包括但不限於三端半導體、功率半導體、包括結型FET(JFET)和MOSFET的場效應電晶體(FET)、雙極結型電晶體(BJT)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)、靜態感應電晶體(SIT)、MOS控制晶閘管(MCT)、柵極可關斷(GTO)晶閘管、以及發射極可關斷(ETO)晶閘管。
如圖8所示，在可控半導體102為MOSFET的例子中，可控半導體102與多種工作參數相關，其中一些參數涉及可外部控制的參數，一些參數(例如，通過傳感器)可測量，以及一些參數與可控半導體102自身相關。例如，可測量的可控半導體102的工作參數包括(但不限於)漏極電壓、柵極電壓、柵極電流、平均漏極器件電流、峰值漏極電流、RMS漏極電流、管芯溫度、管殼溫度、結溫(TJ)、開關頻率、以及佔空比。
可被控制的(例如，通過控制器104或其它外部控制)可控半導體102的工作參數包括(但不限於)柵極驅動、電晶體偏壓、安全工作區(SOA)條件、漏極-源極電壓閾值(VDS)、RMS漏極電流閾值(IDRMS)、正向和反向偏置安全工作區(SOA)脈衝電流閾值(IDM)、由漏極-源極導通電阻(RDS(on))限定的正向偏壓SOA漏極電流(ID)邊界、以及功率器件的工作區。
與器件自身相關的可控半導體102的工作參數包括(但不限於)器件數據125，例如擊穿漏極-源極電壓BVDSS、擊穿漏極-源極電壓BVDSS保護閾值、額定漏極-源極電壓VDSS、額定漏極-源極電壓VDSS保護閾值、最大單脈衝電流IDM、最大單脈衝電流IDM保護閾值、連續漏極電流ID、連續漏極電流ID保護閾值、雪崩電流IAR、雪崩電流IAR保護閾值、在預定結溫Tj下的單脈衝的默認正向偏置安全工作區(FBSOA)、在預定結溫Tj下的單脈衝的默認反向偏置安全工作區(RBSOA)、標準和雪崩模式中至少之一的結-管殼瞬態熱阻抗曲線、散熱器-管殼熱阻抗Zthhc、結-管殼熱阻抗Zthjc、在預定溫度T下的導通電阻(RDS(on)(T))、作為溫度的函數的歸一化導通電阻RDS(on)、THS(PM)(作為耗散功率的函數的散熱器溫度THS)、結溫TJ閾值、集成體二極體(integral bodydiode)的反向恢復電荷Qrr及集成體二極體的Qrr的反向恢復時間trr。
例如，上述的器件數據125可被設置為製造商的數據單的一部分，並可提供給控制器104。在一個實施例中，控制器104訪問所需的器件數據125，其中器件數據置於ISPS 100之外。在另一實施例中，控制器104接收器件數據並將其存儲於內置存儲器(例如，圖8的非易失性存儲器)中。
工作參數還可包括可影響可控半導體102工作的環境和/或機械參數(在圖7中也稱為環境信息107機械信息109)。環境參數包括但不限於溫度、冷卻液流量、溼度水平、及由外部負載消耗的電流。機械參數包括但不限於應力、張力、壓力、運動、振動、加速度、及震動。如本領域技術人員理解的那樣，環境參數，尤其溫度和溼度可能對半導體器件的性能有重要影響。同樣，機械參數可影響半導體器件的性能，尤其如果機械參數導致半導體器件全部或局部的物理損壞。
傳感器106可以是本領域公知的適於檢測上述一個或多個工作參數的任何器件。有利地，至少本發明的某些實施例使用多個傳感器(例如，如圖7中所示的第一、第二和第三傳感器106、106』、和106″)。例如，傳感器106可以是電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、機械傳感器等。如在圖8中所示的，傳感器106可以是溫度傳感器。圖8的ISPS 100還包括電流感應108形式的第二傳感器，包括感應電阻110。傳感器106、電流感應108及感應電阻110共同向控制器104提供工作參數。通過例子，在圖8中該工作參數據舉例為對控制器104的輸入，標示為「溫度感應」、「漏極電壓感應」、「柵極電壓感應」、「柵極電流感應」、以及「電流感應」。
在至少一個實施例中，傳感器106配置為在ISPS 100上的多個位置檢測相同的參數，作為對特定種類的錯誤和問題的檢測的輔助。例如，在一個實施例中，傳感器106配置為在可控半導體102上的多個位置檢測溫度(例如，可控半導體102的管芯的中心溫度、管芯外圍的一個或多個點的溫度等)。當可控半導體102產生如電流隧穿的問題時，管芯中心的溫度高於其外圍的溫度。因此，檢測出管芯中心與其外圍之間有溫差表明發生電流隧穿。
如本領域技術人員將理解的那樣，有多種實施傳感器106的方法。例如，傳感器106可根據具體應用實施為多個分立傳感器、具有用於多個個別點的多個輸入的單個傳感器、以及許多其它配置。傳感器106還可是可控半導體102和/或控制器104的一部分。
控制器104是可編程器件，其能夠(a)接收來自一個或多個傳感器106的輸入；(b)接收偏置功率122(作為輸入來驅動可控半導體102)；(c)接收指令/控制信號128；(d)訪問和/或存儲與可控半導體102相關的器件數據125；(e)處理(a)到(d)中的一個或多個信息從而控制半導體器件的工作；以及(f)提供狀態/通知信號124。
如圖8所示，在一個實施例中，控制器104包括板上調節器和濾波器112；輸入接收偏置功率122(例如絕緣偏置功率)；包括第一接口118和第二接口120的輸入和輸出信號接口，其中第一接口118用於提供狀態、預測和診斷信息124，第二接口120用於接收器件數據和指令信號126；柵極驅動電路114(例如從Texas的TexasInstruments of Dallas可得到的UCD7100)、數位訊號處理器(DSP)或任選地具有非易失性存儲器(例如用於存儲器件數據)的微控制器114；以及模擬/數字(A/D)及數字/模擬(D/A)轉換器。
控制器104有利地是可編程的，用於實施圖9、10、13、14和15中的一個或多個方法，如下描述。這些方法至少實現本發明的某些新特徵，包括但不限於電流隧穿保護、動態安全工作區、診斷和預測、以及已安裝的器件的校準。如本領域技術人員將理解的那樣，圖9、10、13、14和15中的方法實質上可應用於並適用於任何類型的功率器件，儘管尤其通過例子利用實施為MOSFET的可控半導體102來說明這些方法。
例如，在一個實施例中，用於控制如圖7和8中的ISPS 100的功率器件的方法，使用在多個位置的對可控半導體102的管芯溫度的連續監測，從而檢測過熱點並防止損壞可控半導體102。當可控半導體102出現電流隧穿時，管芯中心的溫度高於其外圍溫度。因此，檢測出管芯中心與其外圍之間有溫差表明發生電流隧穿。
當可控半導體102工作在開關模式時，如果例如溫度傳感器等傳感器106檢測到過熱點，則命令可控半導體102截止。或者，如果可控半導體102工作在線性模式下，代替截止，控制器104可中斷可控半導體102的工作，將可控半導體102的模式改變為開關，並恢復供應或消耗等量平均電流的工作。在圖9中說明了一個實施電流隧穿保護的方法，其為根據本發明一個實施例的用於控制例如ISPS 100等功率器件的控制方法200的流程圖。
參照圖7、8和9，在控制方法200中，在控制器104處接收器件數據125(方塊210)。控制器104可用許多不同的方式接收器件數據125。例如，可通過用戶或其他實體向控制器104手動輸入器件數據125；控制器可訪問存儲在別處(例如遠程設備上)的器件數據125；控制器104可在其加電(power-up)時初始化而加載器件數據125等。控制器104可遠遠先於該方法中的其它方塊而接收器件數據。而且，在方塊210中，器件數據125任選地可存儲在ISPS 100中，例如在控制器104的存儲器中，如果控制器104具有板上存儲器。無論控制器104何時需要器件數據125，控制器104可替換地可訪問外部所存儲的器件數據125，或者可請求器件數據125。
如果適用，可生成狀態或通知消息(方塊215)並提供給外部用戶。例如，狀態消息可包括有關器件數據125的信息。當圖9的控制方法200繼續時，方塊215的狀態消息可包括有關對於ISPS 100的安全工作區(SOA)的通知和/或有關已檢測到的ISPS 100中的實際或潛在缺陷的通知。
激活ISPS 100(方塊220)。例如，對於圖1的ISPS，這一點通過控制器104提供給電力器件足夠的信號從而激活可控半導體102來實現。例如，如果可控半導體102是MOSFET，將通過控制器104提供給柵極驅動足夠的信號從而將MOSFET驅動為線性或開關模式(無論哪種都可應用於指定應用)來激活ISPS。
監測ISPS 100的工作(方塊230)。至少周期地進行監測，並且有利地，基本連續地進行監測。監測工作包括監測以下器件和/或工作參數中一個或多個管芯溫度、管殼溫度、漏極電壓、柵極電壓、峰值漏極電流、均方根(RMS)漏極電流、平均漏極電流、柵極電流、結溫(TJ)、開關頻率、以及佔空比。
在方塊230可監測附加工作參數。例如，可被監測的其它工作參數包括(但不限於)如環境信息109(例如，溫度、冷卻液流量、溼度水平、和/或由外部負載消耗的電流)等環境參數或條件以及如機械信息109(例如，應力、張力、壓力、運動、振動、加速度、和/或震動)等機械參數或條件。
方塊230之後，控制方法200的進程分為三種方法，其中每一種可基本同時地執行(但非必須執行)。方塊400表示安全工作區(SOA)方法400，在此結合圖13進一步解釋。方塊300表示保護方法300，在此結合圖10進一步解釋。方塊500表示診斷和預測方法500，在此結合圖14進一步解釋。
應該注意的是，保護方法300(方塊300)的一個輸出是關閉和故障報告(方塊314)，其(如果ISPS 100被關閉)結束ISPS 100的工作(而因此結束控制方法200)。
圖10是根據本發明一個實施例的用於保護例如ISPS 100等功率器件的保護方法300的流程圖。如本領域技術人員將理解的那樣，保護方法300可適用於實質上任何類型的功率器件的保護。保護方法300可作為圖9的控制方法200的一部分執行，或可作為獨立方法執行。如果圖10的保護方法300作為圖9的控制方法200的一部分執行，那麼經由圖9的方塊210-230實現方塊301部分的方塊(包括方塊302、304、306)，並且在圖10中的方塊306之後開始保護方法300。
否則，如果保護方法300作為獨立方法執行，那麼執行方塊302、304和306。圖10的方塊302中執行的「輸入並存儲數據」功能與圖9的方塊210執行的「接收(並任選地存儲)器件數據」功能基本相同，並且以上提供的對方塊210的說明可應用於方塊320。圖10的方塊304的「激活ISPS」功能與圖9的方塊220的「激活ISPS」功能基本相同，並且以上提供的對方塊220的說明可應用於方塊304。同樣地，圖10的方塊306的「監測器件和工作參數以及管殼溫度」功能與圖10的方塊230的「監測器件和工作參數」功能基本相同，並且以上所提供的對方塊230的說明可應用於方塊306。
再次參照圖10以及圖7和8，監測器件和工作參數之後，保護方法300將其保護任務分為四個小組(其中各小組可以同時工作，但並非必須那樣)溫度過高和電流隧穿保護309、過功率保護310、過電流保護311、以及過電壓保護312。
在溫度過高和電流隧穿保護309小組(方塊315-320)中，控制器104檢查(方塊315)可控半導體102中的結溫(TJ)是否大於或等於TJ閾值(如由方塊302的器件數據所確定的)。如果Tj大於或等於TJ閾值，那麼控制器104使可控半導體102截止並提供通知，報告故障類型(方塊314)。
如果TJ不大於或等於TJ閾值，那麼控制器104檢查是否已在可控半導體102中檢測到過熱點(也稱為電流隧穿)。如本領域技術人員將理解的那樣，可用多種不同的方法做到這一點。例如，控制器104可檢驗(a)整個器件上電流密度和溫度的變化；(b)可控半導體102的管芯上的、尤其接近管芯中心的某些位置是否開始以較低的電晶體柵極閾值電壓Vth運行；和/或(c)可控半導體102的任何部分中的電流密度局部增大(由較高的正向跨導引起)。優選方法是監測整個管芯的溫度變化。
如果還沒有檢測到過熱點/電流隧穿，那麼保護方法300跳回方塊306。然而，如果方塊316顯示已檢測到過熱點/電流隧穿並且ISPS100處於開關模式下，那麼控制器將可控半導體102截止並報告故障類型(方塊314)。如果方塊316顯示已檢測到過熱點/電流隧穿，進行檢查看是否可改變工作模式(方塊319)。例如，如果ISPS 100處於線性模式下(方塊318)，可不關閉ISPS 100而中斷可控半導體102(方塊320)(例如通過改變柵極驅動信號而偏置可控半導體102使其截止)。如果負載特性允許以脈衝電流工作，那麼控制器104將可控半導體102的模式改變為開關模式(方塊302)，恢復ISPS 100供給或消耗等量平均電流或功率(取決於應用)的工作，並且跳回方塊306。如果在方塊219，模式不能被改變(例如，因為負載特性不兼容脈衝電流)，那麼將可控半導體102截止並報告故障類型(方塊314)。
在過功率保護小組310中，控制器104從兩個所測工作參數漏極-源極電壓(VDS)和漏極電流ID中得到總的電晶體損耗PM(方塊322)。這一點可用多種方法實現，例如通過在時間間隔T上對其即時電壓和電流之積積分。如果可控半導體102以固定頻率開關，時間間隔T是開關頻率的周期。如果可控半導體102工作在可變頻率的線性模式和開關模式下，通過對時間間隔上的損耗求平均值得到可控半導體102的功率耗散，該時間間隔優選包括多個導通和截止事件。當計算損耗(方塊322)時，信息被提供(方塊313)給診斷和預測方法500，這結合圖14進一步討論。如果總損耗PM大於損耗PM閾值(方塊324)，那麼控制器104關閉ISPS 100並提供關於失效/故障了類型的通知(方塊314)。然而，如果總損耗PM小於損耗PM閾值，那麼該方法跳回方塊306。
再次參照圖10，在過電流保護小組311中，控制器104檢查脈衝電流IDM是否大於閾值(方塊326)。如果大於，控制器104關閉ISPS100並報告失效/故障類型(方塊214)。如果脈衝電流IDM不大於閾值，那麼該方法跳回方塊306。
對於過電壓保護，應該注意，對於本發明的至少某些實施例，僅當ISPS 100具有將其主要功率轉移到ISPS 100的附加裝置、或者如果ISPS 100具有包含瞬態電壓抑制器的外部電路時，提供過電壓保護是可行的，其中瞬態電壓抑制器例如為半導體、金屬氧化物變阻器(MOV)、火花隙、或任何其它合適的器件。
在過電壓保護小組312中，控制器104檢查可控半導體102漏極-源極過電壓VDS(方塊328)，以查看其是否小於可控半導體102的擊穿電壓VDSS。例如，控制器104可實現這一點的一個方法是通過測量漏電流(例如，通過電流傳感器108)。如果電晶體電壓VDS小於擊穿電壓VDSS，該方法返回方塊306。如果VDS大於或等於其擊穿電壓，控制器104檢驗雪崩狀態(方塊330)。檢驗這的一個方法是當漏極電流流過可控半導體時，檢查漏極-源極電壓VDS是否恆量。如果VDS不是恆量(且如果滿足方塊328的條件)，在可控半導體102中沒有雪崩狀態，並且最可能的結果是可控半導體102失效。因此，如果在方塊330中沒有檢測到雪崩狀態，控制器104關閉ISPS 100並報告失效/故障類型(方塊214)。
然而，如果控制器104判定VDS處於恆量，基本上衰減的漏極電流流過可控半導體，且滿足方塊328的條件，則可控半導體102處於雪崩狀態中。而後控制器104檢查(312)漏極電流ID是否大於或等於雪崩電流IAR或結溫TJ是否大於或等於最大結溫TJmax(方塊332)。如果滿足這些條件中任何一個，那麼可控半導體102失效或接近失效，並且控制器104關閉ISPS 100並報告失效/故障類型(方塊214)。如果不滿足方塊332中的任何條件，那麼該方法跳回方塊306。
本發明的另一方面是提供用於動態控制可控半導體102(圖7、8)的安全工作區(SOA)的方法。該方法允許充分利用可控半導體102的管芯(例如，電晶體管芯)，並且還允許根據可控半導體102的所需可靠性和結溫安全地增大電流。
圖11是示出了示例性可控半導體102(在該例子中為MOSFET)的正向偏置安全工作區(FBSOA)的邊界的曲線圖。基於為可控半導體102提供的器件數據(例如在器件數據單中)提供(或可計算)這些邊界。例如，因為MOSFET的漏極-源極電阻RDS已公知，可通過施加漸增的漏極-源極電壓量並測量正流過的電流量確定圖11中所示的RDS(on)限定電流邊界。與增大的電壓無關，可流過多少電流有一限值(即峰值電流邊界)，並且進一步沿圖11的FBSOA邊界，可看到可控半導體102也受限於功率邊界，逐漸到達限值，由圖11的電壓邊界示出，超出該限制可控半導體102將不以所需/期望的MTBF工作。
圖12是示出了根據本發明一個實施例的動態安全工區的概念的曲線圖。代表對於固定結溫的電壓和電流的MTBF的函數曲線形成三維表面(該表面的橫截面在圖12中顯示為標示為「平行平面454」的陰影區)。為了清楚，圖11的RDS(on)限定電流邊界沒有在圖12中示出。由圖12中的點線界定的平面上的區域代表對應於最小(也稱為「減小的」)MTBF的最大安全工作區452(MSOA)。平行平面454上的區域代表增大的MTBF和減小的SOA456。為了認識動態安全工作區(DSOA)的概念，圖13的方法有效地沿MTBF軸458向上和向下「滑動」SOA，以便達到所需的特性。
圖13(以下進一步說明)的方法能夠通過根據結-管殼溫度和負載特性而調節電晶體電壓和電流來實時控制SOA。圖13的方法的工作有助於確保(a)在基本所有工作條件下ISPS 100的自保護(即，通過其控制器104和由傳感器108所進行的測量，ISPS 100可自修正和自調節，以維持安全工區)；(b)管芯尺寸和減少的成本的最優化；以及(c)在關鍵或緊急情況中、在保安短路狀態(battle shortstate)下安全增大脈衝電流(例如，ISPS 100的SOA可增大到最大SOA 452允許的水平)，從而防止ISPS 100在關鍵時刻自動關閉(例如可通過命令/控制128將ISPS 100置於這種保安短路狀態)。
例如，如果預期功率耗散將偶爾增大(例如，當開關損耗上升時，在以較高的開關頻率啟動或工作期間)，並且預期ISPS 100可僅以降級的或「中級的」SOA 456工作時，一個方案是使用較大的管芯，該管芯可處理特定降額等級的較高功率。使用圖13的方法，在瞬態狀態期間向下朝較高的功率滑動平行平面，由此實現具有較小、較便宜管芯的目標。
圖13是根據本發明一個實施例的用於動態控制如ISPS 100等功率器件的安全工作區(SOA)的方法400(「SOA方法」)的流程圖。如本領域技術人員將理解的那樣，SOA方法400可適用於動態調節實質上任何類型的功率器件的工作參數。另外，圖13的SOA方法400可作為圖9的控制方法200的一部分執行，或可作為獨立方法執行。如果圖13的SOA方法400作為圖9的控制方法200的一部分執行，那麼經由圖9的方塊210-230實際上可實現方塊401部分的方塊(包括方塊402、404、406)，並且在圖13中的方塊406之後開始SOA方法400。
否則，如果SOA方法400作為獨立方法執行，那麼執行方塊402、404和406。在圖13的方塊402中執行的「輸入和存儲數據」功能與圖9的方塊210執行的「接收(和任選地存儲)器件數據」功能基本上相同，並且以上提供的對方塊210的說明可應用於方塊420。圖13的方塊404的「激活ISPS」功能與圖9的方塊220的「激活ISPS」功能基本上相同，並且以上提供的對方塊220的說明可應用於方塊404。同樣地，圖13的方塊406的「監測器件和工作參數以及管殼溫度」功能與圖9的方塊230的「監測器件和工作參數」功能基本上相同，並且以上提供的對方塊230的說明可應用於方塊406。
參照圖7、8和11，控制器104計算作為TJ、ID、MTBF的函數的電壓係數k，以及其它可適用因子(方塊410)。這個結果用於輔助計算正向偏置安全工作區(FBSOA)和反向偏置安全工作區(RBSOA)電壓邊界VB(方塊402)，如下面方程(1)中所示 VB＝kBVDSS 方程(1) 電壓係數k和電壓邊界VB被提供給方塊402以調節由單脈衝、25℃SOA曲線(其為方塊402訪問的部分器件數據)得到的默認邊界。
在方塊414中，控制器104利用脈衝寬度TP、頻率以及佔空比D計算結-管殼瞬態熱阻抗Zthjc(t)，如下面方程(2)所示 Zthjc＝ZthD+(l-D)Zth(Tp+T)-Zth(T)+Zth(Tp) 方程(2) 在方塊416中，控制器104利用Zthjc計算FBSOA功率邊界PB，如下面方程(3)所示 PB＝(Tj-Tcasc)/Zthjc 方程(3) 在方塊418中，控制器104由功率邊界PB計算漏極-源極電流IDSRMS(見下面的方程(4))，並且利用該信息調節默認RMS電流閾值(方塊420)，回到步驟402。即調節默認RMS電流閾值並將其反饋給在方塊402所訪問的器件數據，從而動態調節安全工作區的這個方面。
方程(4) 在方塊422中，根據下面的方程(5)，控制器104計算作為佔空比D、開關頻率f、結溫Tj、以及可靠性(即，平均故障間隔時間MTBF或另一個合適的可靠性特性)的函數的FBSOA和RBSOA脈衝電流(IDM)邊界，並且利用該信息(方塊242)調節默認脈衝電流閾值IDM，返回步驟402。
IDM＝IDM(D，f，Tj，MTBF) 方程(5) 在方塊426中，根據下面的方程(6)，控制器104利用作為結溫的函數的歸一化導通電阻RDS(ON)計算FBSOA漏極-源極導通電阻RDS(on)限定邊界，並且利用該數據(方塊428)調節由RDS(on)限定的FBSOA邊界，返回步驟402。
ID＝VD/RDS(on)RDS(ON) 方程(6) 本發明還提供有助於自診斷和/或預測如ISPS 100等功率器件中的錯誤的診斷和預測方法。例如，這個自診斷和預測允許ISPS 100檢測和/或預測缺陷，這些缺陷包括(但不限於)管芯、管芯連接、管芯附著、及器件封裝裝配缺陷。該診斷和預測方法提供預先警告，這樣可有助於防止突變失效，並增強功率器件自身和其所安裝的任何系統的可靠性。圖14中說明了自診斷和預測方法500的一種實施方式。
如果圖14的自診斷和預測方法500作為圖9的控制方法200的一部分執行，那麼經由圖9的方塊210-230實際上實現方塊501部分的方塊(包括方塊502、504、506)，並且在圖14中的方塊506之後開始自診斷和預測方法500。
另外，如果自診斷和預測方法500作為獨立方法執行，那麼執行方塊502、304和506。圖14的方塊502中實現的「輸入、輸出和存儲數據」功能與圖9的方塊210實現的「接收(並任選地存儲)器件數據」功能基本相同，並且以上所提供的對方塊210的說明可應用於方塊502。圖14的方塊504的「激活ISPS」功能與圖9的方塊220的「激活ISPS」功能基本相同，並且以上所提供的對方塊220的說明可應用於方塊504。同樣地，圖14的方塊506的「監測器件和工作參數以及管殼溫度」功能與圖9的方塊230實現的「監測器件和工作參數」功能基本相同，並且以上所提供的對方塊230的說明可應用於方塊506。
參照圖7、8和14，控制器14檢查ISPS 100是否處於開關模式下(方塊510)。如果可控半導體102工作在線性模式下，該方法跳到方塊514。然而，如果可控半導體102工作在開關模式下，控制器104計算功率損耗，包括柵極功率耗散PGT、開關耗散PSW、集成體二極體耗散PD、以及電晶體洩漏功率耗散PLK(方塊512)。下面進一步討論這些計算中的每一個。方程(7)用於計算柵極功率耗散PGT PGT＝1/T∫|VGS(t)||IG(t)|dt，積分時間間隔從0到T方程(7) 對於方程(7)到(12)，時間間隔定義如下如果可控半導體102以固定頻率開關，則時間間隔T是開關頻率的周期。如果可控半導體102以可變頻率工作，則通過在包括多個導通和截止事件的工作時間間隔上對定義在方程(7)到(12)中的損耗求平均值而得到可控半導體102的功率耗散。方程(8)用於計算開關功率耗散PSW Psw＝1/T∫VDS(t)ID(t)dt， VDS＞0，ID＞0，且積分時間間隔從t1到t2 方程(8) 其中 t1定義為，對於正ig，當ig＞0.1Igpk並且VDS＜0.1VDSS時的時刻； t2定義為，對於負ig，當ig＜0.1Igpk並且IDS＜0.1VDSS時的時刻。
可使用不影響本發明主題的其它標準定義積分時間間隔。
方程(9)到(11)用於計算集成體二極體功率耗散PD PD＝PDCOND+PDSW(t) 方程(9) PDCOND＝1/T∫VDS(t) ID(t) dt VDS＜0，ID＜0並且積分時間間隔從0到T 方程(10) PD SW＝Qrr/T∫VDS(t)dt，積分時間間隔從0到trr方程(11) 其中Qrr是反向恢復電荷；trr是反向恢復時間。
方程(12)用於計算洩漏功率耗散PLK PLK＝1/T∫VDS(t)ID(t)dt VDS＝VDD0，ID＞0並且積分時間間隔從0到T 方程(12) 在方塊514中，控制器104利用數字程序(numeric procedure)(類似於R.Severns(Ed.in Chief)，MOSPOWER ApplicationsHandbook，Siliconix Inc.，1984，pp.4-17 to 4-21)解出功率損失PCALC和結溫TJCALC的兩個非線性方程(下面的各方程(13)和(14)) PCALC＝PG+PSW+PD+PLK+IRMS2RDS(on)(25℃)RDSN 方程(13) TJCALC＝THS+PCALC(Zthhc+Zthjc) 方程(14) 訪問所測的電晶體功率耗散PM(用許多不同的方法，包括從保護方法300、方塊313、保護算法確定和/或獲得PM)。在方塊518、522、526和530中比較所計算的和所測量的功率耗散和結溫。應該注意的是，可按任何順序執行方塊518、522、526和530；所說明的順序是通過例子提供的並且是非限制性的。
如果PCALC≥PM並且如果TJCALC≥TJM(方塊518)，那麼方塊520的條件被推定存在(即，導通電阻RDS(on)在限值內，熱阻抗Zthhc和Zthjc也同樣)。ISPS 100被推定沒有問題並且該方法跳回方塊506。任選地，也可作為反饋給方塊502的信息的一部分報告預測和診斷信息。
如果PCALC≥PM且TJCALC＜TJM(方塊522)，那麼導通電阻RDS(on)在限值內，但包括Zthhc或Zthjc或Zthhc和Zthjc兩者的熱接口阻抗大於特定值(方塊524)。因為較高的熱阻抗將導致較高的結溫，RDS(on)將增大直到器件達到熱平衡。因此，所檢測的條件具有瞬態屬性，並且將在導通期間為脈衝負載或固定負載診斷熱接口問題。預測是高功率負載之下降低的器件可靠性和潛在失效。可作為反饋給方塊502的信息的一部分報告預測和診斷信息，且該方法自身跳回方塊506。
如果PCALC＜PM且TJCALC≥TJM(方塊526)，對於方塊522的以上所描述狀態被顛倒。這種條件下，結合的熱阻抗Zthhc+Zthjc小於特定值，但導通電阻RDS(on)大於標準值(方塊528)。這些條件診斷管芯或管芯連接缺陷，預測是高電流或高功率負載之下降低的器件可靠性和潛在失效。可作為反饋給方塊502的信息的一部分報告預測和診斷信息，其該方法自身跳回方塊506。
如果PCALC＜PM且TJCALC＜TJM(方塊530)，ISPS 100可以具有上述的任何缺陷，即或者結合的熱阻抗或導通電阻、或者結合的熱阻抗和導通電阻都大於標準值(方塊532)。這些條件可表示在可控半導體102中的管芯或管芯連接缺陷。預測是高電流或高功率負載之下降低的器件可靠性和潛在失效。可作為反饋給方塊502的信息的一部分報告預測和診斷信息。
在方塊534中，將散熱器溫度THS與由函數THS(PM)確定的所需溫度THS SET相比較。如果散熱器溫度大於測得功率耗散所需溫度，報告散熱器或散熱器冷卻問題(方塊536)，並且該方法自身跳回方塊506。應該注意的是，可在方塊506之後的實際上任何時間執行方塊534和536，包括方塊510-532中任何一個之前或其中任何二者之間，且在診斷和預測方法500中通過例子而非限制性地示出在該點所執行的方塊534和536。
在另一方面，本發明還提供校準如圖7和8的ISPS 100等已安裝的功率器件的方法。該方法至少部分依賴於ISPS 100的功率處理能力與其管殼-散熱器熱阻抗的相關性。也就是說，在安裝時，ISPS 100的設計和工作允許基於其封裝和功率處理能力對其進行校準。
圖15是根據本發明一個實施例的具有已安裝的功率器件的智能功率系統600的示例性方塊圖，其有分散控制和集成智能功率開關。該系統600是智能的、能夠帶任何數量的負載和分散控制(與分級控制相對)工作的可重構系統。
帶有三級分布控制的圖15的智能功率系統600包括監督系統612，該監督系統含有主能源和存儲器，可控制一個或多個本地功率子系統614並與其通信。各本地功率子系統614包括負載和圖7和8的多種ISPS100。各本地功率子系統614控制其工作的某些方面(通過做功率控制判別和與其它本地控制器通信的本地控制器626)，向監督系統612傳送狀態和工作判別(也通過本地控制器626)，並且如果需要可接收來自監督系統612的監督控制。監督系統612可視需要允許各功率子系統614之間的功率共享。
監督子系統612包括監督控制器616、一個或多個監測傳感器618、以及允許控制通用功率620的多個ISPS。通用功率620代表能夠滿足基本上所有本地功率子系統614的需要的一個或多個電源組。各本地功率子系統614包括向一個或多個本地監測傳感器提供數據的一個或多個本地功率器件623(類似於上述的可控半導體102)，其中本地監測傳感器向本地控制器626傳送信息。在監督系統612中，監測傳感器618從通用功率620獲得數據並將該數據傳送給監督控制器616。
當本地功率子系統614連接到負載625時，監督控制器616向所有本地功率子系統614發送具有預定寬度的導通(激活)脈衝。在脈衝持續期間加載功率器件623，並且通過本地監測傳感器619，監測並向本地控制器626報告它們的管殼溫度上升。本地控制器626將該信息報告給監督控制器616。期望的管殼溫度上升基於由監督控制器616訪問並存儲在本地控制器626的存儲器中的特定的管殼-散熱器熱阻抗，也基於各本地功率子系統614的功率耗散。因此，所有本地功率子系統614根據其管殼溫度上升以及最終的功率處理能力而被規劃。例如，在上下文中，規劃(mapping)包括電路圖中顯示整個功率系統的連接的位置，各ISPS具有識別其功率處理能力的相應數字，例如統計平均、高於平均及低於平均。規劃使監督控制器616能夠確定各本地功率子系統之間614如何最好地共享功率。因為有著比所希望的管殼溫度上升更高的器件可能具有裝配缺陷，規劃本地功率子系統還提供機會識別它們以正確維護。
因此，在一個實施例中，本發明提供確定如功率器件等已安裝器件的功率處理能力的方法。測量已安裝器件的溫度。為已安裝器件確定所預測的溫度變化(例如，溫度上升)，其中所預測的溫度變化被期望是由於測試脈衝所引起的。測試脈衝被發送給已安裝器件。測量因測試脈衝而引起的已安裝器件的實際溫度變化。比較實際溫度變化和預測溫度變化。實際溫度變化與預測溫度變化的比較可用於確定已安裝器件的功率處理能力。基於對已安裝器件的功率處理能力的了解，可採取操作例如至少部分基於功率處理能力向已安裝器件分配負載、至少部分基於功率處理能力調節與已安裝器件可操作性連接的負載、和/或至少部分基於功率處理能力重新分布用於耦合到已安裝器件的負載。
規劃之後，各本地子系統614利用兩級控制來工作，各本地控制器626與其它本地控制器通信並監督繼續作出SOA判別、提供自診斷等的本地ISPS。然而，在該系統600(僅通過示例具有三級控制)中，通過監督控制器616執行與整體功率流相關的判別、本地控制器626之間的衝突解決、以及來自各本地子系統的狀態信息的處理，(例如)可通過以下方式響應將本地子系統614的一些或所有功率能力切換到另一個本地子系統、交替進行(over-riding)關閉本地子系統614、向外部用戶628提供關於所報告的和/或所預測的錯誤反饋等。
圖16是帶有兩級控制的串聯功率系統700，其提供圖15的智能功率系統600的進一步實施並示出顯示多個ISPS器件可如何串聯到一起。在圖16中，控制器616監督四個ISPS器件ISPS 614A、614B、614C及614D。ISPS 614A可由電源617A供電，並且用於為電源619A供電。同樣地，ISPS 614B可由電源617B供電，並且用於為電源619B供電。電源619A為ISPS 614C供電，並且電源619B為ISPS 614C供電。ISPS6 14C和ISPS 614D每一個可向負載625A、625B、625C以及625D供電。控制器616在串聯功率系統700的所有元件之間提供功率流控制(包括功率共享)，並且監測各ISPS 614以幫助防止/降低單點失效。然而，該監測和控制的多數細節是各系統特定的算法的一部分。
圖17是此處所述的ISPS的另一個應用。圖17舉例說明了具有基於ISPS的開關的較簡單的單級控制和放電電路800，該放電電路可用於具有能量存儲單元的直流(DC)總線。在該應用中，ISPS減少互連信號的數量、提高性能(安全性、響應速度、及系統級可靠性)、並增加功能性(利用此處圖9、10、13和15所描述的方法)。
本發明的一個或多個實施例可適於工作在許多不同類型的功率系統中，包括但不限於前面提到的2003年10月24日提交、2004年5月20日公布為U.S.2004/0095023的「智能功率系統」，其序列號為10/692,580、案卷號為RTN183AUS、發明人為Boris S.Jacobson等。
如以上說明和相關附圖所示，本發明提供用於功率系統的系統、方法和器件，所述功率系統提供故障的自診斷、潛在故障的預測、已安裝器件/系統的校準以及工作參數的動態自調節，所有這些都考慮了實際工作條件。本發明的至少一些實施例提供確定正工作的功率器件是否有任何問題的能力。另外，本發明的至少一些實施例提供根據已安裝電晶體的功率處理能力而對其檢查和校準的方法。
在該申請的附圖中，在某些情況下，多個系統元件或方法方塊可作為特定系統元件的示例性顯示，並且單個系統元件或方法方塊可作為多個特定系統元件或方法方塊的示例性顯示。應該理解的是，顯示多個特定元件或方塊不意味著表示根據本發明所執行的系統和方法必須包括多個這種元件和方塊，通過例舉單個元件或方塊也不意味著本發明被限制為僅具有各元件或方塊中之一的實施例。另外，所示特定系統元件或方法的元件和方塊的總數不意味著是限制性的；本領域技術人員可認識到，在某些情況下，特定系統元件或方法方塊的數量可被選擇以適應特定用戶的需要。
而且在附圖中，對於示圖、流程圖、和/或說明方法或過程的流程圖表，矩形方塊是可代表一個或多個指令(或指令組)的「處理方塊」，例如計算機軟體指令。菱形方塊是一個或多個指令(或指令組)的「判別方塊」，例如計算機軟體指令，其可影響由處理方塊代表的計算機軟體指令的執行。或者，處理和判別方塊代表由功能等價電路執行的操作，其中功能等價電路例如為數位訊號處理器電路、微控制器或特定用途集成電路(ASIC)。而且，利用硬體和軟體的結合可執行操作和方塊。
示圖、流程圖、方塊圖和流程圖表不描述任何特定程序語言的語法。而是，示圖、流程圖、方塊圖和流程圖表說明功能信息，本領域技術人員需要製作電路和/或生成計算機軟體來執行根據本發明所需要的處理。應該注意的是，許多如循環和變量初始化等常規程序元件和臨時變量的使用並未示出。本領域技術人員應明白，除非在此另外指出，所述步驟的特定順序僅是說明性的並且可作不脫離本發明精神的改變。因此，可能時除非另外指出在此描述的步驟是無序的，意味著可以任何方便的或所需的順序的執行所述步驟。
另外，用於執行本發明的所有或部分的軟體可以包括計算機可用介質的電腦程式產品。例如，這種計算機可用介質可包括可讀存儲器件，例如硬體驅動器件、CD-ROM、DVD-ROM、或計算機磁碟，其上存儲有計算機可讀程序代碼段。計算機可讀介質還可包括通信連接，或者光學、有線或無線，其上載有作為數字或模擬信號的程序代碼段。
在描述圖中所說明的本發明實施例中，出於清楚的目的，使用專用術語(例如，語言、短語、產品商標名稱等)。這些名稱僅通過例子提供而並非限制性。本發明不限於所選擇的專用術語，並且各專用詞至少包括所有語法的、文字的、科學的、技術的、以及功能的等效詞，以及以類似方式工作來完成類似目的的其它任何對象。而且，在例證、附圖和文字中，可對特定特徵、元件、電路、模塊、表、軟體模塊、系統等給出專用名稱。然而，在此處使用的這種術語是出於說明而非限制的目的。
儘管以帶有某種程度特性的優選形式描述和描繪了本發明，應該明白僅通過例子對該優選形式作出了本方明公開，並且不脫離本發明的精神和範圍可對部件的結構及組合和設置做多種改變。
參照具體實施已描述和舉例說明了技術原理，應該理解可用許多其它不同的形式和在許多不同的環境中實施該技術。在此公開的技術可結合其它技術使用。因而，應接受本發明不應該受限於所述實施例，而應該僅由所附權利要求的精神和範圍限定。
權利要求
1.一種器件，其包括
可控半導體器件，所述可控半導體器件與第一工作參數和第二工作參數相關，其中至少所述第一工作參數是可控制的；
與所述可控半導體器件通信的第一傳感器，所述第一傳感器獲得與所述可控半導體器件的所述第二工作參數相關的數據；
與所述可控半導體器件和所述傳感器通信的控制器，所述控制器配置為訪問與所述可控半導體器件相關的器件數據、控制所述可控半導體的所述第一工作參數，並接收來自所述第一傳感器的與所述第二工作參數相關的數據，
其中所述控制器根據所述器件數據確定第一預測值、將與所述第二工作參數相關的數據和所述第一預測值進行比較，並且如果基於該比較而檢測到第一狀況，則所述控制器動態修正所述第一工作參數。
2.如權利要求1所述的器件，其中所述可控半導體包括以下至少之一功率電晶體、靜電感應電晶體(SIT)、晶閘管、MOS控制晶閘管(MCT)、柵極可關斷(GTO)晶閘管、以及發射極可關斷(ETO)晶閘管。
3.如權利要求1所述的器件，其中所述第一傳感器包括溫度傳感器、電壓傳感器、以及電流傳感器中至少之一。
4.如權利要求1所述的器件，其中所述第一工作參數包括以下至少之一漏極-源極電壓、集電極-發射極電壓、陽極-陰極電壓、柵極電壓、柵極電流、基極電流、平均漏極器件電流、平均集電極器件電流、平均陽極器件電流、峰值漏極電流、峰值集電極電流、峰值陽極電流、RMS漏極電流、RMS集電極電流、RMS陽極電流、管芯溫度、管殼溫度、結溫(TJ)、開關頻率、以及佔空比。
5.如權利要求1所述的器件，進一步包括獲取與所述可控半導體的第三工作參數相關的數據的第二傳感器，所述第二傳感器與所述控制器通信，並且所述控制器接收來自所述第二傳感器的與所述第三工作參數相關的數據，
其中所述控制器根據所存儲的器件數據確定所預測的第三工作參數、將與所述第三工作參數相關的數據和所述所預測的第三工作參數進行比較、以及如果檢測到第一狀況，則所述控制器動態修正所述第一工作參數。
6.如權利要求1所述的器件，其中所述第一傳感器和控制器中至少之一以周期性和基本上連續性的方式中的至少之一方式來獲取其數據。
7.如權利要求1所述的器件，其中所述第二工作參數包括以下至少之一柵極驅動、基極驅動、電晶體偏壓、安全工作區(SOA)條件、漏極-源極電壓閾值(VDS)、RMS漏極電流閾值(IDRMS)、正向和反向偏壓安全工作區(SOA)脈衝電流閾值(IDM)、由漏極-源極導通電阻(RDS(on))限定的正向偏壓SOA漏極電流(ID)邊界、以及功率器件的工作區。
8.如權利要求1所述的器件，其中所述第一狀況包括以下至少之一溫度過高、電流隧穿、過功率、過電流、過電壓、冷卻液問題、散熱器問題、管芯缺陷、管芯互連連結缺陷、管芯附著缺陷、以及器件封裝裝配缺陷。
9.如權利要求8所述的器件，其中所述控制器配置為在檢測到所述第一狀況時執行操作。
10.如權利要求9所述的器件，其中所述操作包括以下至少之一
(a)調節所述可控半導體的工作；
(b)關閉所述可控半導體；
(c)中斷所述可控半導體的工作；
(d)切換所述可控半導體的工作模式；
(e)基於所檢測到的第一狀況確定所述可控半導體的安全工作區(SOA)條件，並調整所述第一參數以維持SOA；
(f)檢查不同的第二工作參數；
(g)診斷所述第一狀況；
(h)基於所述第一狀況確定是否可能發生第二狀況，所述第二狀況包括以下至少之一溫度過高、電流隧穿、過功率、過電流、過電壓、冷卻液問題、散熱器問題、管芯缺陷、管芯連接缺陷、管芯附著缺陷、器件封裝裝配缺陷、功率器件的熱接口問題、功率器件的降低的可靠性、高電流負載下功率器件失效、以及高功率負載下功率器件失效；以及
(i)提供通知。
11.如權利要求1所述的器件，其中所述第一傳感器在多個位置監測所述可控半導體。
12.如權利要求1所述的器件，其中所述器件數據信息包括以下至少之一擊穿漏極-源極電壓BVDSS、擊穿漏極-源極電壓BVDSSp保護閾值、額定漏極-源極電壓VDSS、額定漏極-源極電壓VDSS保護閾值、最大單脈衝電流IDM、最大單脈衝電流IDM保護閾值、連續漏極電流ID、連續漏極電流ID保護閾值、雪崩電流IAR、雪崩電流IAR保護閾值、在預定結溫Tj下的單脈衝的默認正向偏置安全工作區(FBSOA)、在預定結溫Tj下的單脈衝的默認反向偏置安全工作區(RBSOA)、標準和雪崩模式中至少之一的結-管殼瞬態熱阻抗曲線、散熱器-管殼熱阻抗Zthhc、結-管殼熱阻抗Zthjc、在預定溫度T下的導通電阻(RDS(on)(T))、作為溫度的函數的歸一化導通電阻RDS(ON)、THS(PM)(作為耗散功率的函數的散熱器溫度THS)、結溫TJ閾值、集成體二極體的反向恢復電荷Qrr及集成體二極體的Qrr的反向恢復時間trr。
13.如權利要求1所述的器件，進一步包括與所述控制器通信的第三傳感器，所述第三傳感器獲得影響所述可控半導體的環境條件和機械條件中至少之一。
14.如權利要求13所述的器件，其中所述環境條件包括溫度、冷卻液流量、及溼度水平中至少之一。
15.如權利要求13所述的器件，其中所述機械條件包括應力、張力、壓力、運動、振動、加速度、及震動中至少之一。
16.如權利要求1所述的器件，其中
所述可控半導體包括具有漏電極、柵電極和源電極的場效應電晶體(FET)；並且
所述控制器包括第一輸出和第一輸入，所述第一輸出向所述可控半導體的所述柵電極提供柵極驅動信號，所述第一輸入耦合到所述第一傳感器從而允許所述控制器接收與所述第二工作參數相關的數據。
17.如權利要求16所述的器件，其中所述控制器進一步包括第二輸入，所述第二輸入適於接收偏置功率，以便為所述柵極驅動信號提供電源。
18.如權利要求17所述的器件，其中所述控制器進一步包括第三輸入，所述第三輸入適於接收與所述可控半導體相關的器件數據。
19.如權利要求18所述的器件，其中所述控制器進一步包括第二輸出，所述第二輸出包括通知信號。
20.如權利要求19所述的器件，其中所述通知信號包括與以下至少之一相關的信息所述可控半導體的工作模式、所述可控半導體的狀態、所述第一狀況、故障通知、以及故障預測。
21.一種操作可控半導體的方法，所述可控半導體與第一傳感器通信，所述方法包括
激活所述可控半導體；
控制所述可控半導體的第一工作參數；
監測所述可控半導體的第二工作參數；
訪問與所述可控半導體相關的器件數據信息；
基於所述器件數據信息和所述第二工作參數，確定是否存在第一狀況；以及
如果存在所述第一狀況，實施第一操作。
22.如權利要求21所述的方法，進一步包括
基於所述器件數據信息計算第一預測值；以及
比較所述第一預測值和所述第二工作參數。
23.如權利要求21所述的方法，進一步包括檢測以下至少之一溫度過高、電流隧穿、過功率、過電流、過電壓、冷卻液問題、散熱器問題、管芯缺陷、管芯連接缺陷、管芯附著缺陷、器件封裝裝配缺陷、環境條件、以及機械條件。
24.如權利要求21所述的方法，其中所述實施第一操作包括以下至少之一
(a)調節所述第一參數；
(b)調節所述可控半導體的工作；
(c)將所述可控半導體截止；
(d)中斷所述可控半導體的工作；
(e)切換所述可控半導體的工作模式；
(f)檢查不同的第二工作參數；
(g)基於所檢測到的第一狀況確定所述可控半導體的安全工作區(SOA)條件，並調整所述第一參數以維持所述SOA；
(h)診斷所述第一狀況；
(i)基於所述第一狀況確定是否可能發生第二狀況，所述第二狀況包括以下至少之一溫度過高、電流隧穿、過功率、過電流、過電壓、冷卻液問題、散熱器問題、管芯缺陷、管芯連接缺陷、管芯附著缺陷、器件封裝裝配缺陷、功率器件的熱接口問題、功率器件的降低的可靠性、高電流負載下功率器件失效、以及高功率負載下功率器件失效；以及
(j)提供通知。
25.如權利要求21所述的方法，其中所述器件數據包括以下至少之一默認漏極-源極電壓(VDS)邊界、默認功率邊界(PB)、默認RMS電流邊界(IDRMS)、和默認ROS(on)限定電流邊界，而其中，確定安全工作區(SOA)進一步包括
確定所述功率器件的SOA漏極-源極電壓(VDS)邊界；
確定所述功率器件的SOA功率邊界(PB)；
確定所述功率器件的SOA RMS電流邊界(IDRMS)；
確定所述功率器件的SOA RDS(on)限定電流邊界；以及
分別基於所述SOA漏極-源極電壓(VDS)邊界、所述SOA功率邊界(PB)、所述SOA RMS電流邊界(IDRMS)、所述SOA RDS(on)限定電流邊界，調節默認漏極-源極電壓(VDS)邊界、默認功率邊界(PB)、默認RMS電流邊界(IDRMS)、和默認RDS(on)限定電流邊界。
26.如權利要求21所述的方法，進一步包括
監測所述可控半導體的第三工作參數；以及
基於所述器件數據信息以及所述第二和第三工作參數二者中的至少一個，確定是否存在第一狀況。
27.如權利要求21所述的方法，進一步包括監測影響所述可控半導體的環境和機械條件中至少之一。
28.一種用於確定可控半導體的工作條件的方法，所述可控半導體具有結和管殼，所述方法包括
訪問與所述可控半導體相關的器件數據，所述器件數據包括預定平均故障間隔時間(MTBF)；
計算所述可控半導體的所述結和所述管殼之間的熱阻抗Zthjc；
至少周期性地測量所述可控半導體的結溫Tj和管殼溫度Tc；
至少部分基於Tj、Tc、和Zthjc計算可允許耗散功率；以及
至少部分基於所述可允許耗散功率和所述MTBF為所述可控半導體定義至少一個動態的安全工作區(SOA)邊界，基於Tj和Tc的周期性測量至少周期性地調節所述動態SOA。
29.如權利要求28所述的方法，進一步包括
根據所述動態SOA控制所述可控半導體的工作。
30.如權利要求29所述的方法，其中所述控制工作進一步包括調節以下至少之一所述可控半導體的峰值電流、RMS電流、以及平均電流。
31.如權利要求28所述的方法，其中至少部分基於脈衝寬度、頻率以及佔空比計算Zthjc。
32.如權利要求28所述的方法，其中所述器件數據進一步包括瞬態熱阻抗和單脈衝安全工作區(SOA)中至少之一。
33.在能夠工作在開關和線性模式下並包括管芯的可控半導體器件中，用於檢測所述可控半導體器件中的電流隧穿的方法，所述方法包括以下無序的步驟
(a)在基本上靠近所述管芯中心的位置監測中心管芯溫度；
(b)在基本上靠近所述管芯外圍的位置監測外圍管芯溫度；
(c)如果所述管芯的所述中心管芯溫度高於所述外圍溫度，並且所述可控半導體的工作模式是開關模式，則關閉所述可控半導體的工作；
(d)如果所述管芯的所述中心管芯溫度高於所述外圍溫度，並且所述可控半導體的工作模式是線性模式，則中斷所述可控半導體的工作並將其工作模式改變為開關模式。
34.如權利要求33所述的方法，進一步包括如果所述可控半導體被截止，則產生警報。
35.如權利要求33所述的方法，進一步包括如果所述可控半導體的工作模式被改變，則重複步驟(a)-(d)。
36.一種用於確定可控半導體工作中的實際和潛在錯誤的方法，所述方法包括以下無序的步驟
(a)監測所述可控半導體的一組參數，該組參數包括器件、工作及溫度參數中至少之一；
(b)訪問一組用於所述可控半導體的器件數據；
(c)至少部分基於該組參數及該組器件數據，確定所述可控半導體的預測功率耗散和預測結溫；
(d)測量所述可控半導體的實際功率耗散和實際結溫；
(e)比較所述實際功率耗散和所述預測功率耗散；
(f)比較所述實際結溫和所述預測結溫；
(g)至少部分依據(e)和(f)的比較，確定在所述可控半導體中是否出現了實際錯誤或可能出現潛在錯誤；以及
(h)在所述可控半導體工作期間至少周期性地重複步驟(a)到(g)。
37.如權利要求36所述的方法，進一步包括(i)如果所述步驟(g)顯示出現了實際錯誤或者可能出現潛在錯誤，則生成通知。
38.如權利要求36所述的方法，其中所述可控半導體進一步包括散熱器，並且所述方法進一步包括
(j)至少部分基於所述的一組參數和所述的一組器件數據，確定所述可控半導體的預測的散熱器溫度；
(k)測量所述可控半導體的實際的散熱器溫度；
(l)如果所述實際的散熱器溫度高於所期望的散熱器溫度，則確定至少存在散熱器和散熱器冷卻液問題中之一。
39.一種用於確定已安裝的器件的功率處理能力的方法，其包括
測量所述已安裝器件的溫度；
確定預期由測試脈衝所引起的所述已安裝器件的預測溫度變化；
向所述已安裝器件發送所述測試脈衝；
測量由所述測試脈衝引起的所述已安裝器件的實際溫度變化；以及
比較所述實際溫度變化與所述預測溫度變化。
40.如權利要求39所述的方法，進一步包括利用所述實際溫度變化和所述預測溫度變化的比較來確定所述已安裝器件的功率處理能力。
41.如權利要求39所述的方法，進一步包括以下至少之一
(a)至少部分基於所述功率處理能力向所述已安裝器件分配負載；
(b)至少部分基於所述功率處理能力調節可操作性地耦合到所述已安裝器件的負載；以及
(c)至少部分基於所述功率處理能力重新分布可操作性地耦合到所述已安裝器件的負載。
42.如權利要求41所述的方法，其中所述步驟(c)進一步包括基於已知的一個或多個其它已安裝功率器件的至少一部分的功率處理能力，為所述一個或多個其它已安裝功率器件重新分布負載。
全文摘要
提供一種器件(100)，其包括可控半導體(102)、傳感器(106)和控制器(104)。該可控半導體(102)與第一工作參數和第二工作參數相關，其中至少第一工作參數是可控制的。傳感器(106)與可控半導體器件(102)通信，並且獲得與可控半導體器件的第二工作參數相關的數據。控制器(104)與可控半導體器件(102)和傳感器(106)通信。控制器(104)配置為可訪問與可控半導體(102)相關的器件數據、控制第一工作參數、並接收來自第一傳感器(106)的與第二工作參數相關的數據。控制器(104)根據器件數據確定第一預測值；比較與第二工作參數相關的數據和第一預測值；且如果基於該比較而檢測到第一狀況，則動態修正第一工作參數。
文檔編號H03K17/082GK101167251SQ200680010862
公開日2008年4月23日 申請日期2006年3月21日 優先權日2005年4月1日
發明者B·S·雅各布森 申請人:雷聲公司