DE102008063806A1

DE102008063806A1 - Temperaturerfassung für ein Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102008063806A1
Application number: DE102008063806A
Authority: DE
Inventors: Uwe Jansen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2009-07-30
Also published as: US20090167414A1; US7988354B2

Abstract

Eine Temperaturerfassung für ein Halbleiterbauelement wird vorgestellt. Eine Ausführungsform umfasst eine Schaltungsanordnung zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelementes, das eine Gateelektrode und einen damit verbundenen Steueranschluss, dem das Steuersignal zum Laden und Entladen der Gateelektrode zugeführt wird, aufweist und bei dem die Gateelektrode und der Steueranschluss über einen internen Gatewiderstand verbunden sind. Die Schaltungsanordnung umfasst: - eine Messbrücke, die den internen Gatewiderstand beinhaltet und die eine Messspannung bereitstellt, die abhängig ist vom temperaturabhängigen Widerstandswert des internen Gatewiderstandes; - eine Auswerteschaltung, der die Messspannung zugeführt wird und die ein Ausgangssignal abhängig von der Sperrschichttemperatur bereitstellt; - ein Pulsgenerator, der ein Pulssignal bereitstellt, das Pulse zum teilweisen Laden oder Entladen der Gateelektrode über den internen Gatewiderstand umfasst.

Description

Hintergrund
Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik und der Leistungshalbleiter-Module.
Heute werden Geräte der Leistungselektronik im Allgemeinen mit feldgesteuerten Leistungshalbleitern wie Mosfets und IGBTs aufgebaut, entweder ausgeführt mit diskreten Halbeleiterbauelementen oder als Leistungshalbleiter-Module, die auf einem isolierten Substrat mehrere parallelgeschaltete Chips enthalten, um größere Ströme zu erreichen oder die alle nötigen Leistungshalbleiterchips enthalten, um einen Wechselrichter aufzubauen.
Schutzeinrichtungen zur Vermeidung von Übertemperatur oder Messeinrichtungen zur Bestimmung der Temperatur sind notwendiger Bestandteil der meisten Leistungshalbleiteranordnungen.
Üblicherweise sind die Sensoren zur Temperaturmessung oder zum Erkennen von Übertemperatur auf der Bodenplatte, dem Substrat oder dem Kühlkörper des Leistungshalbleiter-Bauelementes oder des Leistungshalbleiter-Modules angeordnet.
Bodenplatte, Substrat und/oder Kühlkörper sind mit dem Halbleiterelement, wo die Verlustwärme entsteht, thermisch gekoppelt.
Mit Hilfe eines Verlustmodells erfolgt eine Abschätzung des thermischen Zustandes des Bauelementes, insbesondere der Sperrschichttemperatur der Halbleiterelemente die im Leistungshalbleiter-Modul angeordnet sind oder des Halbleiterelementes, das im Gehäuse angeordnet ist.
In Halbleiterbauelementen oder Modulen, die eine große räumliche Ausdehnung haben, können nennenswerte Abweichungen zwischen der abgeschätzten und der tatsächlichen Temperatur des Halbleiterelementes auftreten, insbesondere wenn die Halbleiterelemente unsymmetrischen Belastungen oder Kühlbedingungen oder rasch wechselnden Veränderungen der Verlustleistung ausgesetzt sind.
Weiterhin ist es schwierig, Veränderungen des Wärmewiderstandes, die durch Alterung in Folge von Last- oder Temperaturwechselbeanspruchung entstehen, bei der Modellbildung zur Temperaturabschätzung zu berücksichtigen.
Die Genauigkeit der Temperaturmessung verbessert sich, je näher der Temperatursensor an der Wärmequelle, also der Sperrschicht des Halbeleiterelementes angebracht ist. So können zum Beispiel Temperatursensoren auf dem Halbleiterelement aufgeklebt werden. Allerdings hängt die thermische Kopplung von der Wärmeleitfähigkeit des Klebstoffes und den dynamischen Eigenschaften der Temperaturerfassung durch den Temperatursensor ab.
Schließlich ist es möglich, Temperatursensoren in Form von Widerständen oder Dioden innerhalb des Halbleiterbauelementes zu integrieren. In diesen Fällen ist es erforderlich, die zusätzlichen Schaltungsteile ebenfalls in der Struktur des Halbleiterelementes zu anzuordnen, was zur Folge hat, das wertvolle Chipfläche für die Integration des Temperatursensors verloren geht.
Als Konsequenz wird der Produktionsprozess durch die direkte Integration von Temperatursensoren komplexer und die Ausbeute kann dadurch sinken. Insgesamt gesehen steigen durch die Integration zusätzlicher Komponenten in das Halbleiterelement die Kosten. Weiterhin können solche integrierten Lösungen nicht für die Temperaturerfassung von Standard- Halbleiterelementen genutzt werden, die solche integrierten Sensoren nicht enthalten.
Zusammenfassung
Es wird eine Schaltungsanordnung vorgestellt für die Messung der Temperatur in einem Halbleiterbauelement, das über eine Gateelektrode und einen mit der Gateelektrode verbundenen Steueranschluss, über den die Gateelektrode mittels eines Steuersignals geladen und entladen wird, verfügt, wobei die Gateelektrode und der Steueranschluss über einen internen Gatewiderstand verbunden sind, die Schaltungsanordnung umfassend: eine Messbrücke, die den internen Gatewiderstand beinhaltet und die eine Messspannung bereitstellt, die abhängig ist vom temperaturabhängigen Widerstandswert des internen Gatewiderstandes; eine Auswerteschaltung, der die Messspannung zugeführt wird und die ein Ausgangssignal abhängig von der Sperrschichttemperatur bereitstellt; ein Pulsgenerator, der ein Pulssignal bereitstellt, das Pulse zum teilweisen Laden oder Entladen der Gateelektrode über den internen Gatewiderstand umfasst.
Es wird ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines Halbleiterbauelementes vorgeschlagen, das eine Steuerelektrode aufweist, die über einen internen Gatewiderstand mit einem Steueranschluss verbunden ist. Das Verfahren umfasst die Schritte: Laden oder Entladen der Steuerelektrode des Halbleiterbauelementes über den internen Gatewiderstand, wobei ein Spannungsabfall über dem Gatewiderstand verursacht wird und Auswerten der Messspannung, die abhängig vom Spannungsabfall während des Ladens oder Entladens der Steuerelektrode ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die angehängten Zeichnungen sind beigefügt, um ein tieferes Verständnis der Ausführungsformen zu ermöglichen und sind eingeschlossen und damit Teil der Anmeldung.
Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsformen und sollen zusammen mit der Beschreibung die Prinzipien der Ausführungsformen erklären.
Andere Ausführungsformen und viele der angestrebten Vorteile werden durch das bessere Verständnis an Hand der folgenden detaillierten Beschreibung offenbart. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstäblich zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen zusammengehörige gleiche Teile.
1 zeigt die Draufsicht auf die Metallisierung eines Halbleiterelementes, das einen Gatekontakt und einen Testkontakt, der direkt mit der Gateelektrode verbunden ist, aufweist.
2 zeigt einen Schaltplan der Schaltung zur Temperaturerfassung.
3 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Schaltung zur Temperaturerfassung.
4 zeigt den Schaltplan einer alternativen Auswerteschaltung für die Schaltung zur Temperaturerfassung nach 2 oder 3.
Detaillierte Beschreibung
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die Teil hiervon sind und in denen mittels zeichnerischer Darstellung spezifische Ausführungsformen gezeigt werden, in denen die Erfindung angewendet werden kann. In diesem Zusammenhang werden Begriffe, die die räumliche Anordnung beschreiben, wie „oben", „unten", „vorne", „hinten", „steigend", „fallend" usw., in Bezug zur Orientierung der beschriebenen Zeichnung(en) verwendet. Weil die Bauteile der Ausführungsformen in einer Vielzahl verschiedener Orientierungen angeordnet werden können, ist die Terminologie zur Beschreibung der räumlichen Anordnung nur zum Zweck der Veranschaulichung verwendet und in keiner Weise einschränkend. Dies ist so zu Verstehen, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle und logische Änderungen ohne Abweichung vom Zweck der gegenwärtigen Erfindung gemacht werden können. Daher ist die folgende detaillierte Beschreibung nicht einschränkend zu verstehen und der Umfang der gegenwärtigen Erfindung ist in den angehängten Ansprüchen definiert.
Dies ist so zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist.
Interne Gatewiderstände werden in Leistungshalbleiterelementen verwendet, die für die Parallelschaltung mehrerer Elemente vorgesehen sind, um so die Strombelastbarkeit des Leistungshalbleiter-Moduls zu erhöhen. Parallelschaltung feldgesteuerter Leistungshalbleiter ohne einzelne Gatewiderstände je Element führt zu Instabilitäten und Oszillationen. Eine zweckmäßige Methode solche internen Gatewiderstände herzustellen, ist die monolithische Integration auf dem Leistungshalbleiterelement. Dies kann durch Herstellen eines Polysili die internen Gateverbindungen herstellt, geschehen. Ein Anschluss dieses Widerstandes ist mit dem Gateanschlusskontakt 6 verbunden, der andere ist mit dem „internen" Gate verbunden. Um das Testen des internen Gatewiderstandes zu ermöglichen, ist das interne Gate mit einem Testkontakt 33 verbunden. 1 ist eine Draufsicht auf das Halbleiterelement einschließlich des Gateanschlusskontaktes 6 und des Testkontaktes 33. Obwohl der Hauptzweck des internen Gatewiderstandes die Ermöglichung der Parallelschaltung ist, werden Halbleiterelemente mit internem Gatewiderstand im Allgemeinen auch dann verwendet, wenn keine Parallelschaltung innerhalb eines Modules nicht beabsichtigt wird. Bedingt durch die Herstellung aus Polysilizium haben diese internen Gatewiderstände einen Temperaturkoeffizienten von 0,125%/K.
2 ist der Schaltplan einer Temperaturerfassungsschaltung 1 für ein Leistungshalbleiterbauelement 3, das einen internen Gatewiderstand 5 beinhaltet. Eine Brückenschaltung 4 beinhaltet den internen Gatewiderstand 5, den externen Gatewiderstand 30 und zwei zusätzliche Widerstände 31 und 32. Der interne Gatewiderstand 5 ist mit den übrigen Bauteilen der Brückenschaltung über den Gateanschlusskontakt (Steueranschluss 6, 1) des Halbleiterbauteils 3 und über den Testkontakt (zusätzlicher Steueranschluss 33) verbunden. Die Schaltung zur Temperaturerfassung 1 beinhaltet einen Pulsgenerator 14, der mit der Treiberausgangsstufe 11 des Treibers 10 verbunden ist und den Steueranschluss 6 treibt. Die Treiberausgangsstufe 11 und der Pulsgenerator werden verwendet, um ein Messsignal während kurzer Messimpulse 25, 26 zu erzeugen.
Die Temperaturerfassungsschaltung beinhaltet außerdem eine Auswerteschaltung 8 die Zugriff auf die Diagonalspannung der Brückenschaltung 4 hat, wobei die Auswerteschaltung 8 zumindest einen Ausgang 41 hat, um ein Übertemperatursignal TOT zu erzeugen.
Mit einer solchen Temperaturerfassungsschaltung 1 bildet der interne Gatewiderstand 5 des Halbleiterelementes 3 die Basis für eine Temperaturmessung ohne einen zusätzlichen Temperatursensor auf dem Halbleiterelement oder im Halbleitermodul bereitstellen zu müssen. Diese Schaltungsanordnung 1 ist besonders vorteilhaft für die Integration in ein IPM (intelligent power module).
Dazu wird der externe Treiberschaltkreis 10 des IPM lediglich um den Pulsgenerator 14, die Auswerteschaltung 8 und die Widerstände 30, 31 und 32 ergänzt, so dass sich zusammen mit dem internen Gatewiderstand 5 die Brückenschaltung 4 ergibt. Dabei benötig das Leistungshalbleiterbauelement 3 selbst weder einen zusätzlichen Temperatursensor noch einen zusätzlichen Steueranschluss, da der Steueranschluss 6 sowieso zum Testen des Halbleiterbauelementes 3 während der Fertigung erforderlich ist.
Aus Gründen, die bereits oben diskutiert wurden, besitzen die meisten Typen von MOSFETs und IGBTs schon einen internen Gatewiderstand.
Dieser Gatewiderstand 5 kann für die Temperaturmessung herangezogen werden. Solche internen Gatewiderstände ermöglichen zum Beispiel die Parallelschaltung einer Vielzahl von Transistorzellen eines Leistungstransistors. Die Parallelschaltung ist realisiert unter Verwendung von Polysilizium, das einen Temperaturkoeffizienten von 0,125%/K aufweist. Dieser Temperaturkoeffizient ist grundsätzlich unabhängig von Schwankungen der Prozessparameter während der Herstellung des Leistungshalbleiterbauelementes 3. Falls jedoch Abweichungen des Absolutwertes auftreten, können diese mittels einer einfachen Kompensationsmethode ausgeglichen werden.
Bedingt durch die Tatsache, dass der Wert des Gatewiderstandes üblicherweise recht niedrig ist, um ein schnelles Schalten des Leistungshalbleiterbauelementes 3 zu ermöglichen, wird ein hoher Messstrom zur Temperaturmessung benötigt. Alternativ könnten hochwertige Operationsverstärker und Komparatoren eingesetzt werden, um die extrem kleinen Spannungen zu verarbeiten. Dann begrenzen jedoch noch Offsetspannungen, Thermospannungen und vor allem elektromagnetische Beeinflussungen die Verarbeitung extrem kleiner Spannungen und als Konsequenz kann der Messstrom nicht beliebig klein gewählt werden.
Um eine zusätzliche Stromquelle zur Bereitstellung des Messstroms für den internen Gatewiderstand 5 zu vermeiden, wird die Treiberausgangsstufe 11 während der Leitdauer des Halbleiterschalters (z. B. IGBT, Mosfet, usw.) für eine kurze Zeitdauer, bestimmt durch die Pulse 25 und 26 des Pulsgenerators 14, ausgeschaltet und entlädt dabei teilweise das Gate. Dabei muss sichergestellt sein, dass die Gatespannung oberhalb der Spannung des Millerplateaus des IGBTs bleibt, damit der Halbleiterschalter in eingeschaltetem Zustand bleibt. Das Ausschalten der Treiberausgangsstufe kann zum Beispiel realisiert werden, indem eine Logikschaltung 15 verwendet wird, um mittels der Pulse 25 und 26 das Eingangssignal S_E der Treiberausgangsstufe 11 auszutasten und damit ein Low-Signal am Ausgang 50 der Treiberausgangsstufe zu erreichen. Dieser Ansatz erlaubt einen ausreichend hohen Messstrom ohne jedoch zuviel Ladung aus dem Gate abzuziehen, wenn die Zeitdauer der Pulse 25 und 26 relativ kurz gehalten wird.
Während der Pulse 25 und 26 arbeitet die Treiberausgangsstufe als Stromquelle. Die resultierende Ausgangsspannung wird nicht direkt dem Steueranschluss 6 zugeführt sondern der Brückenschaltung 4. Für die Temperaturerfassung wird die Spannung U_B an der Brückendiagonale ausgewertet. Es ist jedoch auch möglich, die Spannung über dem internen Gatewiderstand zur Temperaturmessung heranzuziehen aber die Brückenschaltung erlaubt in der Regel eine präzisere Messung und bietet andere Vorteile wie zum Beispiel der 3 entnommen werden kann.
Während der Pulse 25 oder 26 steht, ausgelöst durch den Pulsgenerator 14, die gesamte Spannung V_CC, die den Treiberschaltkreis 10 versorgt, bis auf den Spannungsabfall an der Treiberausgangsstufe 11 zur Speisung der Brückenschaltung 4 zur Verfügung. Damit kann bei einer geringen teilweisen Entladung das größtmögliche Ausgangssignal an der Brückendiagonalen erzeugt werden. Nach diesen kurzen Entladeimpulsen 25 oder 26 zur Temperaturerfassung, wird das Gate wieder aufgeladen. Dieser Messvorgang kann wiederholt werden, solange sich das Halbleiterbauelement 3 in der Leitphase befindet.
Die Temperaturerfassungsschaltung 1 beinhaltet, wie bereits erwähnt, drei Hauptkomponenten, nämlich die Brückenschaltung 4, den Pulsgenerator 14 und die Auswerteschaltung 8. Diese Komponenten können auch in eine herkömmliche Treiberschaltung 10 zur Ansteuerung des Halbleiterbauteils 3 integriert werden.
In 2 sind die Elemente des Halbleiterbauteils 3 durch eine doppelt gestrichelte Linie umschlossen. Das Halbleiterbauteil 3 hat einen Steuereingang einschließlich eines Steueranschlusses 6 (z. B. das Gatepad), welches Zugriff auf die interne Gateelektrode G eines IGBT T₁ über den internen Gatewiderstand 5 ermöglicht. Weiterhin beinhaltet das Halbleiterbauelement 3 einen Kollektoranschluss C als Leistungsanschluss 28 und eine Emitterelektrode als Leistungsanschluss 18. Selbstverständlich kann der IGBT T₁ durch einen MOSFET ersetzt werden. In diesem Fall werden die Leistungsanschlüsse 28 und 18 als Drain- und Sourceanschluss, D und S, bezeichnet. Im Halbleiterbauelement 3 wird ein temperaturabhängiger, niederohmiger interner Gatewiderstand 5 wie bereits oben beschrieben angeordnet. Der interne Gatewiderstand 5 ist über den Steueranschluss 6 (Gatepad) und das Testpad 33 zugänglich. Das Testpad 33 ist bei nahezu allen Leistungshalbleiterbauteilen 3, die für den Einsatz in einem IPM (Intelligent Power Module) geeignet sind, vorhanden, so dass dieses Testpad 33 zum Anschluss der Temperaturerfassungsschaltung 1 genutzt werden kann.
Ein externer Messwiderstand 30 ist zwischen der Treiberausgangsstufe 11 und dem Steueranschluss 6 in einem niederohmigen Brückenzweig angeordnet. Parallel zu diesem niederohmigen Brückenzweig aus dem Messwiderstand 30 und dem Steueranschluss 6, wird ein hochohmiger Brückenzweig geschaltet. Dieser hochohmige Brückenzweig besteht aus einem ersten Referenzwiderstand 31 und einem zweiten Referenzwiderstand 32.
Der Messstrom für die Brückenschaltung 4, bestehend aus dem niederohmigen Brückenzweig und dem hochohmigen Brückenzweig, wird versorgt aus der Treiberausgangsstufe 11 eines herkömmlichen Treiberschaltkreises 10, wie er zur Ansteuerung von Halbleiterbauelementen 3 üblicherweise verwendet wird.
Der Hauptzweck einer solchen Treiberausgangsstufe 11 ist die Bereitstellung von Gatestrom zum An- und Abschalten des Halbleiterbauelementes 3, zum Beispiel IGBT T₁. Es kann jedoch außerdem der Messstrom, unter Verwendung kurzer Messpulse 25 und 26, geschaltet werden, ohne den Leitzustand des Halbleiterbauelementes 3 zu beeinflussen sofern die Gatespannung oberhalb des Millerplateaus gehalten wird.
Ein Pulssignal S_P einschließlich der Pulse 25 und 26 wird durch den Pulsgenerator 14 erzeugt und mit einem ersten Eingang des UND-Gatters 15 der Treiberschaltung 10 verbunden. Das Eingangssignal S_E der Treiberschaltung 10 wird mit dem zweiten Eingang des UND-Gatters 15 verbunden.
Der Pulsgenerator 14 zur Erzeugung der Entladepulse erzeugt ein Pulssignal S_P, dass normalerweise High-Level hat und während der Pulse 25 und 26 für Pulsdauern t_P von einigen ns, z. B. für t_P mit 20 ns ≤ t_P ≤ 100 ns, Low wird. Durch Verwendung des UND-Gatters 15 wird das Eingangssignal S_E während der Pulse 25 und 26 ausgetastet und nur während der Zeitspanne zwischen zwei Pulsen des Pulssignals S_P durchgeschaltet.
Wenn das Gate des IGBT T₁ aufgeladen ist, der Spannungspegel also über dem Millerplateau des betreffenden IGBT liegt, ist der IGBT eingeschaltet. Falls nun, während der IGBT eingeschaltet ist, das Eingangssignal S_E durch einen Puls des Pulssignals S_P ausgetastet wird und die Treiberausgangsstufe 11 an ihrem Ausgang 50 ein Low-Signal an die Brückenschaltung 4 legt, wird die Gateelektrode G des IGBT über die Widerstände der Brückenschaltung während der Dauer der Pulse 25 und 26 geringfügig entladen. Der hohe Entladestrom fließt durch die Brückenschaltung 4 und erzeugt ein Spannungssignal U_B in der Brückendiagonalen. Dieses Signal U_B wird der Auswerteschaltung 8 zugeführt.
Wie in 2 gezeigt, beinhaltet die Auswerteschaltung einen Komparator 12 und einen Speicher 13 zur Erzeugung eines Übertemperatursignals T_OT. Der Ausgang des Komparators ist mit dem Eingang D_in des Speichers 13 verbunden. Ein Triggereingang des Speichers 13 empfängt das Pulssignal S_P. Falls die Spannung in der Brückendiagonalen U_B einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet wird das Übertemperatursignal Tor auf High gesetzt sobald der Speicher durch einen Puls 25, 26 getriggert wird. Der Schwellwert kann mittels einer Stromquelle 16 eingestellt werden, die an der Verbindung der beiden Referenzwiderstände 31 und 32 der Brückenschaltung 4 angeschlossen ist. Der Schwellwert variiert damit mit dem eingespeisten Strom der Stromquelle 16 und der Schaltpunkt zur Übertemperaturwarnung oder Übertemperaturabschaltung für das Halbleiterbauelement 3 oder das Halbleitermodul kann damit auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Es sind jedoch auch andere Methoden zur Einstellung des Schwellwertes anwendbar.
Nach einem kurzen Entladepuls, 25 oder 26, zur Temperaturerfassung wird die Steuerelektrode G über die Widerstände der Brückenschaltung wieder aufgeladen. Solch ein Messvorgang kann mehrfach wiederholt werden, solange sich das Halbleiterbauelement 3 im eingeschaltetem Zustand befindet. Mit eine Tastverhältnis des Pulsgenerators 14 von 1:1000 und einer Dauer des Entladepulses von 50 ns sind Abtastraten für die Temperaturerfassung von 20 kHz möglich ohne dass die Leistungsaufnahme der Auswerteschaltung 1 untragbar hoch wird.
An Stelle der Auswerteschaltung 8 mit Komparator 12 und Speicher 13 kann die Spannung der Brückendiagonalen U_B auch durch eine komplexere Schaltung zur Messung der Temperatur ausgewertet werden. Eine solche Auswerteschaltung ist in 4 gezeigt und kann sowohl in das Beispiel aus 2 als auch in die Anordnung aus 3 eingefügt werden.
Um Herstellungstoleranzen des internen Gatewiderstandes 5 auszugleichen, kann einer der Widerstände 30, 31, 32 während des Endtests des Halbleiterbauteils 3, zum Beispiel durch Laserabtragung, abgeglichen werden.
3 zeigt die Grundschaltung einer Temperaturerfassungsschaltung 2 nach einem zweiten Beispiel der Erfindung. Bauteile mit gleicher Funktion wie in 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht weiter beschrieben.
Im Beispiel nach 2 braucht das Halbleiterbauelement eine zusätzliche Verbindung, zum Beispiel einen Bonddraht, um das Testpad 33 elektrisch anzuschließen. Mit dem aktuellen Beispiel aus 3 jedoch ist eine Verbindung mit der internen Gateelektrode über das Testpad 33 nicht mehr nötig. Damit kann die hier vorgestellte Erfindung auch erfolgreich für diskrete Standard-Leistungshalbleiterschalter in dreipoligen Gehäusen (Gateanschluss, Kollektor- oder Drainanschluss, Emitter- oder Sourceanschluss) angewendet werden.
Das Beispiel aus 3 zeigt eine Temperaturerfassungsschaltung 1, bei der keine zusätzlichen Kontaktflächen oder An schlösse und keine zusätzlichen Temperatursensoren oder dergleichen notwendig sind. Die Annordnung nach 3 zeigt eine Temperaturerfassungsschaltung 1 für ein Halbleiterbauelement 9, das nur einen Steueranschluss 6 (Gatepad) und zwei Lastanschlüsse, 18 und 28, aufweist. In dieser Anordnung kann die Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelementes 9 mit Hilfe der Temperaturerfassungsschaltung 1 erfasst werden. Der entscheidende Unterschied zum Beispiel aus 2, ist die Gestaltung der Brückenschaltung 4. Der erste Brückenzweig besteht aus einer Reihenschaltung des Widerstands 30, des internen Gatewiderstandes 5 und der Gatekapazität 7, die in feldgesteuerten Bauelementen immer zwischen der Gateelektrode und der Emitter- bzw. Sourceelektrode besteht. Der zweite Brückenzweig besteht aus einer Serienschaltung der Referenzwiderstände 31 und 32 sowie des Referenzkondensators 34 („Spiegelkondensator").
Im Vergleich zum Beispiel aus 2 ist der interne Gatewiderstand 5 durch ein internes RC-Glied, bestehend aus dem Gatewiderstand 5 und der Gatekapazität 7, ersetzt und der Referenzwiderstand 32 ist ebenfalls durch ein externes RC-Glied ersetzt. Die Funktionen von Pulsgenerator 14 und Auswerteschaltung 8 sind die gleichen wie oben mit Bezug auf 2 beschrieben.
Eine Messspannung U_B kann in der Brückendiagonalen erfasst werden. Zu diesem Zweck müssen die Widerstände der Brückenschaltung 17 den folgenden Gleichungen genügen: RG/RGint = RVG/Rvgint (1) (RG + RGint)·Cint = (RVG + RVGint)·CV (2)wobei R_G der Widerstand von Widerstand 30, R_Gint der Widerstand des internen Gatewiderstandes 5, R_VG der Widerstand des Referenzwiderstandes 31, R_VGint der Widerstand des Referenzwi derstandes 32, C_VG die Kapazität des Referenzkondensators 34, und C_int die Kapazität der internen Gatekapazität 7 ist.
Die interne Gatekapazität C_int ist die differentielle Kapazität zwischen Gate und Emitter eines IGBT (oder zwischen Gate und Source eines MOSFETs), die man erhält, wenn man die Gatechargekurve oberhalb des Millerplateaus auswertet. Falls die oben angegebenen Bedingungen der Gleichungen (1) und (2) erfüllt sind, ergibt sich für Spannungen oberhalb des Millerplateaus am Referenzkondensator C_V der gleiche Spannungsverlauf wie am internen Gate. Wie vorher in Bezug auf das erste Beispiel dieser Erfindung beschrieben, bilden die vier Widerstände eine Brückenschaltung 4 und es kann, vorausgesetzt, das die anderen Widerstände der Brücke temperaturunabhängig sind, in der Brückendiagonalen eine Spannung U_B abgegriffen werden, die eine Funktion der Temperatur des internen Gatewiderstandes 5 ist.
In einer Ausführungsform wird eine stabilisierte Versorgungsspannung V_CC für die Versorgung der Treiberschaltung 10 verwendet, da Schwankungen der Versorgungsspannung V_CC das Messergebnis verfälschen könnten. Eine solche stabilisierte Versorgung ist jedoch nicht erforderlich, wenn lediglich ein Vergleich mit einem Schwellwert für eine Warnung oder eine Abschaltung des Halbleiterbauteils 9 angestrebt wird wie in 2 und 3 mit Auswerteschaltung 8 dargestellt. Im aktuellen Beispiel der 3 ist Zugriff zum internen Gate über das Testpad nicht notwendig. Daher ist dieses Beispiel der Erfindung nicht für die Anwendung in IPMs gedacht sondern vielmehr für die Anwendung mit diskreten Halbleitern oder Standardmodulen.
Die Temperaturerfassungsschaltung 1 kann ohne nennenswert erhöhte Kosten in einzeln vermarktete Treiber integriert werden. Mit Treiberschaltkreisen, die die Temperaturerfassungsschaltung 1 enthalten, können nach dem Beispiel von 3 die meisten der auf dem erhältlichen Halbleiterbauelement 9 mit einer zuverlässigen Überwachung oder Messung der Temperatur ausgestattet werden, ohne dass dazu zusätzliche Aufwendungen nötig sind, um Temperatursensoren oder andere Komponenten für Überwachung oder Messung der Temperatur am Bauelement anbringen zu müssen.
Eine Methode zur Temperaturerfassung eines Halbleiterbauteils 3 oder 9 mittels der oben beschriebenen Temperaturerfassungsschaltung 1 nach 2 oder 3 umfasst die folgenden Schritte: Laden oder Entladen des Gates G des Halbleiterbauelementes 3, 9 über einen internen Gatewiderstand, wobei das Laden oder Entladen durch kurze Pulse 25, 26 eine Pulssignals S_P ausgelöst wird; Auswerten des temperaturabhängigen Spannungsabfalls über dem internen Gatewiderstand 5 oder der Reihenschaltung aus internem Gatewiderstand und interner Gatekapazität.
Bei der Auswertung wird die Spannung der Brückendiagonalen U_B der Brückenschaltung 4 für die weitere Signalverarbeitung genutzt. Die Brückenschaltung beinhaltet den internen Gatewiderstand 5 oder die Reihenschaltung aus internem Gatewiderstand 5 und interner Gatekapazität 7.
Der Auswertevorgang kann beinhalten: Bewerten der Spannung der Brückendiagonalen U_B ausgelöst durch die Flanke eines Pulssignals S, um zu bestimmen, ob die Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelementes 3, 9 einen vorgegebenen Schwellwert für die Temperatur überschreitet; und Anzeigen der Übertemperatur durch Setzen eines Übertemperatursignals T_OT auf einen vordefinierten Logikpegel.
Falls die momentane Temperatur beobachtet oder aufgezeichnet werden soll, kann eine komplexere Schaltung, wie zum Beispiel in 4 gezeigt, eingesetzt werden.
4 ist ein Blockschaltbild einer alternativen Auswerteschaltung 8 für die Temperaturerfassungsschaltung 1.
Neben der Auswertung der Spannung der Brückendiagonalen U_B mittels eines Komparators 13 und eines Speichers 13 (wie in 2 und 3) kann die Spannung der Brückendiagonalen U_B außerdem einer Sample-and-Hold-Schaltung 21 zugeführt werden. Die Sample-and-Hold-Schaltung 21 ist ebenfalls durch die Pulse 25, 26, erzeugt vom Pulsgenerator 14, gesteuert. Das Signal der Brückendiagonalen wird so mit dem Pegel während der Pulse 25, 26 gespeichert und mittels eines Analog-Digital-Umsetzers 23 digitalisiert und in einem Speicher 24 gespeichert. Die gespeicherten Signale T_M der Temperaturmessung werden am Temperatursignal-Ausgang 42 bereitgestellt.
Mit der oben offengelegten Pulsweite der Entladepulse t_P von 20 ns ≤ t_P ≤ 100 ns (Nanosekunden) kann eine Wiederholfrequenz oder Abtastrate f_P zwischen 10 kHz ≤ f_P ≤ 50 kHz (Kilohertz) während der Leitdauer des Halbleiterbauelementes 3 oder 9 erreicht werden. In der Anordnung nach 4 kann die Temperaturerfassungsschaltung nicht nur zur Überwachung und Übertemperaturabschaltung sondern auch sowohl zur genauen Messung der Sperrschichttemperatur von Leistungs-MOSFETs als auch zur Messung der Sperrschichttemperatur von Transistoren einschließlich IGBTs, aber auch zur Messung der Sperrschichttemperatur der Leistungshalbleiterbauelemente in IPM-Technologie (Intelligent Power Module Technologie) geeignet sein.
Obwohl die Beispiele der aktuellen Erfindung hier im Detail beschrieben sind, ist es beabsichtigt zu betonen, dass dies zum Zwecke der Veranschaulichung geschehen ist und keineswegs als notwendige Einschränkungen betrachtet werden soll. Es ist anzunehmen, dass dem Fachmann viele Veränderungen und Variationen möglich sind, ohne die Grundgedanken der hier beschriebenen Erfindung zu verlassen.
Obwohl spezielle Ausführungen hier dargestellt und beschrieben sind, wird es dem Fachmann leicht fallen, eine Vielzahl von alternativen oder äquivalenten Ausführungen anzugeben, ohne vom grundlegenden Prinzip dieser Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung beabsichtigt, alle Anpassungen und Variationen der speziellen Ausführungsformen abzudecken. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und diesen Vergleichbares begrenzt ist.

1: Temperaturerfassungsschaltung
3: Halbleiterbauelement
4: Brückenschaltung
5: interner Gatewiderstand
6: Gateanschlusskontakt
7: interne Gatekapazität
8: Auswerteschaltung
9: Halbleiterbauelement
10: Treiber
11: Treiberausgangsstufe
12: Komparator
13: Speicher
14: Pulsgenerator
15: UND-Gatter
16: Stromquelle
17: Brückenschaltung
18: Lastanschluss des Halbleiterbauelementes
21: Sample-and-Hold-Schaltung
23: Analog-Digital-Wandler
25, 26: Pulse des Pulsgenerators
28: Lastanschluss des Halbleiterbauelementes
30: externer Gatewiderstand
31, 32: Referenzwiderstände
33: Testpad
34: Referenzkondensator
41: Ausgang der Auswerteschaltung (Übertemperatur)
42: Ausgang der Temperaturmessung (digital)
50: Ausgang der Treiberausgangsstufe

Claims

Eine Integrierte Schaltung bestehend aus: – einem Halbleiter, der einen internen Gatewiderstand besitzt über den eine Gateelektrode mit einem Steueranschluss gekoppelt ist; – einer als Brückenschaltung ausgebildeten Messschaltung, die den internen Gatewiderstand beinhaltet und eine Messspannung bereitstellt, die von der Temperatur des internen Gatewiderstandes abhängig ist; – Mittel zur Auswertung der Messspannung und zur Erzeugung eines von der Sperrschichttemperatur abhängigen Signals; und – Mittel zur Erzeugung eines Pulssignals bestehend aus Pulsen zum teilweisen Laden und Entladen der Gateelektrode über den internen Gatwiderstand.
Die Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei die als Brückenschaltung ausgebildete Messschaltung vier Elemente aufweist, von denen eines aus dem internen Gatewiderstand besteht.
Eine Schaltungsanordnung zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauteils, das eine Gateelektrode und einen Steueranschluss besitzt und das ein Steuersignal zum Laden und Entladen der Gateelektrode empfängt, die Gateelektrode, die intern mit dem Steueranschluss über den internen Gatewiderstand verbunden ist, die Schaltungsanordnung bestehend aus: – eine Messbrücke bestehend aus dem internen Gatewiderstand, die eine Messspannung abgibt, die vom temperatrabhängigen Widerstand des internen Gatewiderstands abhängt; – einer Auswerteschaltung, die die Messspannung empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, das von der Sperrschichttemperatur abhängt; und – einem Pulsgenerator, der ein Pulssignal erzeugt bestehend aus Impulsen zum teilweisen Laden und Entladen der Gateelektrode über den internen Gatewiderstand.
Eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, ferner bestehend aus: – einer Treiberausgangsstufe, die ein Steuersignal zum Laden und Entladen der Gateelektrode bereitstellt.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der der Treiberausgangsstufe ein Eingangssignal zugeführt wird und bei der ein Logikgatter das Eingangssignal gesteuert durch das Pulssignal austastet.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Messbrücke vier Elemente hat und eines dieser Elemente aus dem internen Gatewiderstand besteht.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Messbrücke vier Elemente hat, eines davon bestehend aus dem internen Gatwiderstand und der internen Gatekapazität des Halbleiterbauelementes, die zum internen Gatewiderstand in Serie geschaltet ist, wobei die interne Gatekapazität Gateelektrode und Emitterelektrode koppelt.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Messbrücke zwischen Treiberausgangsstufe und Steueranschluss geschaltet ist, so dass das Steuersignal dem Steueranschluss über die Messbrücke zugeführt wird.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Treiberausgangsstufe ein Steuersignal abhängig von einem Eingangssignal bereitstellt.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, wobei die Treiberausgangsstufe angepasst ist, um ein Steuersignal bereitzustellen, das eine logische Kombination aus Eingangsignal und Pulssignal darstellt und wobei das Logikgatter zwei Eingänge aufweist, die das Eingangssignal und das Pulssignal zugeführt erhalten.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Auswerteschaltung darauf angepasst ist die Messspannung nur zu durch die Entladepulse definierten Zeitpunkten zu verarbeiten.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, wobei die Auswerteschaltung einen digitalen Speicher beinhaltet, der mit der Messbrücke verbunden ist und das Ausgangssignal bereitstellt und der Speicher ausgelöst durch die Entladepulse aktualisiert wird.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, wobei die Auswerteschaltung eine Sample-and-Hold-Schaltung beinhaltet, der die Messspannung zugeführt wird, die durch die Entladepulse gesteuert wird und der ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet ist.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, wobei dem Analog-Digital-Wandler ein Speicher nachgeschaltet ist.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Messbrücke eine Wheatstone-Brücke ist, die einen ersten und einen zweiten Versorgungsanschluss, einen ersten und zweiten Messanschluss aufweist, an denen die Schaltung die Messspannung bereitstellt, und der erste Versorgungsanschluss mit der Treiberschaltung verbunden ist und der zweite Versorgungsanschluss mit der Steuerelektrode des Halbleiterbauteils verbunden ist.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, wobei ein erster Referenzwiderstand zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und dem ersten Messanschluss geschaltet ist, ein zweiter Referenzwiderstand zwischen dem ersten Messanschluss und dem zweiten Versorgungsanschluss geschaltet ist, der Leitungswiderstand zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss und dem zweiten Messanschluss geschaltet ist und ein Messwiderstand zwischen dem zweiten Messanschluss und dem ersten Versorgungsanschluss geschaltet ist.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Messbrücke einen ersten und zweiten Versorgungsspannungsanschluss aufweist und einen ersten und zweiten Messanschluss, zwischen denen die Messspannung bereitgestellt wird.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, wobei ein erster Referenzwiderstand zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und dem ersten Messanschluss geschaltet ist, eine Serienschaltung aus einem zweiten Referenzwiderstand und einem Referenzkondensator zwischen dem ersten Messanschluss und dem zweiten Versorgungsanschluss, die Serienschaltung aus dem Leitungswiderstand und der Kapazität des Halbleiterbauelementes zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss und dem zweiten Messanschluss geschaltet ist, und – ein Messwiderstand zwischen dem zweiten Messanschluss und dem ersten Versorgungsanschluss geschaltet ist.
Ein Verfahren zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelementes, das eine Steuerelektrode aufweist, die über einen internen Gatewiderstand intern mit einem Steueranschluss verbunden ist, das Verfahren bestehend aus: – teilweisem Laden oder Entladen der Steuerelektrode des Halbleiterbauelementes über den internen Gatewiderstand und dabei einen Spannungsabfall über dem Gatewiderstand hervorrufend; und – Auswerten der Messspannung abhängig vom Spannungsabfall während des Entladens der Steuerelektrode.
Verfahren zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelementes, das eine Steuerelektrode hat, die intern mit dem Steueranschluss über einen internen Gatewiderstand verbunden ist, das Verfahren bestehend aus: – teilweisem Laden oder Entladen der Steuerelektrode des Halbleiterbauteils über den internen Gatewiderstand, dadurch Hervorrufen eines Spannungsabfalls an der Reihenschaltung aus internem Gatewiderstand und interner Gatekapazität; und – Auswerten der Messspannung, die vom Spannungsabfall während des Entladens der Steuerelektrode abhängig ist.
Das Verfahren nach Anspruch 20, weiterhin umfassend: – Erzeugen von Entladepulsen einer vorgegebenen Pulsweite und einer vorgegebenen Wiederholfrequenz um das Entladen der Steuerelektrode der Halbleiterbauelementes und den Auswertevorgang auszulösen.
Das Verfahren nach Anspruch 21, weiterhin umfassend: – Abtasten der Messspannung zur steigenden oder fallenden Flanke der Entladepulse und – Analog-Digital-Wandlung der abgetasteten Messspannung um ein digitales Temperatursignal bereitzustellen.
Das Verfahren nach Anspruch 21, weiter umfassend: – Vergleichen der Messspannung mit einem Schwellwert und Erzeugen eines Übertemperatursignals dadurch; – Speichern des Übertemperatursignals mit der steigenden oder fallenden Flanke der Entladepulse; und – Deaktivieren des Halbleiterbauelementes, falls eine Übertemperatur festgestellt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Pulsweite in einem Bereich zwischen 20 und 100 Nanosekunden liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Wiederholfrequenz bis zu 20 Kilohertz beträgt.