CN103033275A - 用于测定半导体开关的温度的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于测定半导体开关的温度的方法和设备，其中该半导体开关（1）具有集成的栅极电阻（RGint），该方法具有如下方法步骤：-通过经与半导体开关（1）的栅极电阻端子（GA）连接的外部电阻（Rext）提高半导体开关（1）的栅极-发射极电压（UGE）来接通半导体开关（1），-测定在提高半导体开关（1）的栅极-发射极电压（UGE）期间栅极-发射极电压（UGE）从第一电压（U1）上升到第二电压（U2）需要的持续时间（dt），以及-借助所测定的持续时间（dt）来测定半导体开关（1）的温度（T）。此外，本发明涉及一种用于测定半导体开关（1）的温度（T）的相关设备。本发明使高动态地测定半导体开关（1）的温度成为可能。

Description

用于测定半导体开关的温度的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于测定半导体开关的温度的方法和设备。
背景技术
半导体开关尤其例如用于电压和电流的整流器和逆变器，其中，通常将多个半导体开关彼此电连接来实现变流器。半导体开关在此通常设置在衬底上，该衬底又直接或间接与冷却体连接。
在半导体开关、譬如绝缘栅双极型晶体管（IGBT：Insulated GateBipolar Transistor））或金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET：MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor））运行时，在接通和关断半导体开关时在半导体开关中以热形式出现损耗能量，该损耗能量导致半导体发热。损耗能量在此基本上出现在半导体开关的所谓阻挡层并且导致其温度上升。损耗能量在此基本上依赖于半导体开关接通和关断的频率以及在运行中流经半导体开关的电流和加在半导体开关上的电压。
如果在半导体开关运行中，半导体开关的温度尤其是其阻挡层温度超过允许的边界值，例如由于动态或静态过负载，则这可能导致故障并且在极端情况下导致半导体开关损毁。
为了防止这种情况，在现有技术中已知的是，在设置在衬底上的半导体开关附近安置温度传感器并且测量衬底的温度，半导体开关将其损耗能量传送至该衬底并且由此该衬底发热。如果所测量的衬底温度超过预设置的边界值，则关断半导体开关。由于衬底的热时间常数和最终导热性，衬底的温度相对时滞地跟随半导体开关的温度并且尤其是跟随半导体开关的阻挡层的温度。这种过程的缺点是，由于测量衬底的温度而不测量半导体开关的温度，所以半导体开关的快速温度上升（其例如在动态负载变换的情况下可能出现）可能未被检测到，并且因此尽管监控衬底温度但由于半导体开关的高温度而可能出现半导体开关的故障或损毁。
通常为了实现所需的耐压强度或载流能力，必须将多个半导体开关在电学上串联和/或并联，用于实现电学阀。为了使在电学阀的半导体开关之间尽可能小的接通延迟时间成为可能，在现有技术中已知了半导体开关譬如如下IGBT或MOSFET，其具有集成到半导体开关中的栅极电阻。在半导体开关中，通过将额外的掺杂半导体层施加到本来就存在的形成半导体开关的功能核心的层而产生欧姆栅极电阻，其通常具有数欧姆的值。为了实现集成到半导体开关中的栅极电阻，例如将硅烷（SiH4）沉积在绝缘体（SiO2）上。在此在层中生长的聚合硅接着被掺杂。接着将金属化物施加到被掺杂的聚合硅层上，金属化物形成半导体开关的从外部能到达的栅极电阻端子。
发明内容
本发明的任务是提出一种用于测定半导体开关的温度的方法和装置，该方法使得高动态地测定半导体开关的温度成为可能。
该任务通过用于测定半导体开关的温度的方法来解决，该半导体开关具有集成的栅极电阻，该方法具有如下方法步骤：
-通过经与半导体开关的栅极电阻端子连接的外部电阻提高半导体开关的栅极-发射极电压来接通半导体开关，
-测定在提高半导体开关的栅极-发射极电压期间栅极-发射极电压从第一电压上升到第二电压需要的持续时间，以及
-借助所测定的持续时间来测定半导体开关的温度。
此外，该任务通过用于测定半导体开关的温度的设备来解决，该半导体开关具有集成的栅极电阻，该设备包括：
-操控电路，其构建成用于通过经与半导体开关的栅极电阻端子连接的外部电阻提高半导体开关的栅极-发射极电压来接通半导体开关，
-持续时间测定单元，其构建成用于测定在提高半导体开关的栅极-发射极电压期间栅极-发射极电压从第一电压上升到第二电压需要的持续时间，以及
-温度测定单元，其构建成用于借助所测定的持续时间来测定半导体开关的温度。
本发明的有利的改进方案从从属权利要求中得到。该方法的有利改进方案类似该设备的有利的改进方案地得到，反之亦然。
此外，证明为有利的是，当所测定的半导体开关的温度达到或超过温度边界值，则进行半导体的关断。由此可以可靠地避免由于半导体开关温度过高而引起的半导体开关的故障或损毁。
此外，证明为有利的是，第二电压在半导体开关的阈值电压之下。当第二电压在半导体开关的所谓的阈值电压之下，即在有显著集电极电流流动的阈值电压之下时（即半导体开关开始过渡到导通（接通的）状态中），得以保证的是，用于测定半导体开关的温度的对持续时间的测定发生在所谓的米勒平台之下，并且集电极-栅极电容对栅极-发射极电压的变化曲线的反作用对持续时间的测定没有影响。由此，使半导体开关的温度的特别精确的温度测定成为可能。
此外，证明为有利的是，半导体开关构建为IGBT或MOSFET，这是因为IGBT或MOSFET是商业上常见的半导体开关。
此外，带有根据本发明的设备的电路装置证明为有利的，其中，该电路装置具有如下半导体开关，该半导体开关具有集成的栅极电阻，其中，该设备的操控电路通过外部电阻与半导体开关的栅极电阻端子电连接，其中，持续时间测定单元与半导体开关的栅极电阻端子电连接。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且以下更为详细地予以阐述。其中：
图1示出了根据本发明的用于测定半导体开关的温度的设备，该半导体开关具有集成的栅极电阻。
图2示出了在半导体开关接通时半导体开关的栅极-发射极电压UGE的变化曲线。
图3示出了半导体开关的温度特征曲线。
具体实施方式
在图1中以电路框图形式示出了根据本发明的用于测定半导体开关1的温度T的设备13，该半导体开关具有集成到半导体开关1中的栅极电阻RGint。半导体开关1在实施例的范围中构建为IGBT并且具有从半导体开关1外部能到达的、用于使半导体开关1与外部电部件电连接的栅极电阻端子GA。借助集电极端子CA可以将半导体开关1的集电极C与外界电连接并且借助发射极端子EA可以将半导体开关1的发射极与外界电连接，其中，在实施例的范围中发射极E与负载2电连接。半导体开关的由栅极G、发射极E和集电极C构成的核心在图1中以IGBT的电学符号形式示出。半导体开关1具有集成到半导体开关1中的欧姆栅极电阻RGint，其电连接在栅极电阻端子GA与栅极G之间。栅极电阻端子GA通过栅极电阻RGint与半导体开关1的栅极G电连接。如开头在阐述现有技术时已描述的那样，具有集成的栅极电阻RGint的半导体开关1是现有技术。在这些半导体开关中，通过将额外的掺杂的半导体层施加到本来就存在的形成半导体开关的功能核心的层上而产生欧姆栅极电阻，其通常具有数欧姆的值（例如10欧姆）。
此外在栅极G与发射极E之间，寄生栅极-发射极电容CGE起作用。
如果半导体开关1的栅极-发射器电压UGE超过半导体开关1的所谓阈值电压US，则在半导体开关1的集电极K与发射极E之间的电阻强烈地下降并且集电极电流IC开始通过半导体开关1从集电极流向发射极并且从那里流向负载2。半导体开关的栅极-发射极电压UGE在此在本发明的范围中理解为栅极电阻端子GA关于半导体开关的发射极端子EA的电压（参见图1）。在栅极-发射极电压UGE进一步提高时，在集电极与发射极之间的电阻下降到最小。半导体开关1于是处于接通的状态中。
根据本发明的设备13具有操控电路3，该操控电路构建成用于通过经与半导体开关1的栅极电阻端子GA连接的外部电阻Rext提高半导体开关1的栅极-发射极电压UGE来接通半导体开关。术语“外部”在此在本发明的范围中表示，电阻Rext并不是半导体开关1的组成部分。操控电路3用于操控半导体开关1，并且相应于由控制装置10产生的脉冲状的信号P而将半导体开关1接通和关断。操控电路3具有电压源11，该电压源依赖于信号P产生控制电压UT。操控电路3和尤其是电压源11通过外部电阻Rext与半导体开关1的栅极电阻端子GA电连接。当信号P具有“0”值，则控制电压UT具有负电压Ua（参见图2）。相应地，在静态状态中，栅极-发射极电压UGE具有负电压Ua并且半导体开关1关断，即在集电极C与发射极E之间的电阻为高阻。
当功率开关应该接通时，则控制装置10为信号P产生“1”值。在接收信号P的正边沿的情况下，当信号P从“0”到“1”时，控制电压UT从负电压Ua跳变到正电压Ue。由此，寄生栅极-发射极电容CGE通过电串联的外部电阻Rext和集成的栅极电阻RGint被充电，直至在栅极-发射极-电容CGE存在电压Ue。在此形成的关于时间t的栅极-发射极电压UGE的变化曲线在图2中示出。控制装置UT从负电压Ua切换到正电压Ue的时刻、即信号P从“0”到“1”的时刻是栅极-发射极电压的提高的开始E并且由此是半导体开关1的接通过程的开始。
在栅极-发射极电压UGE的提高的开始E之后，栅极-发射极电压UGE快速上升直至达到阈值电压US。当栅极-发射器电压UGE超过阈值电压US时，则在半导体开关1的集电极K与发射极E之间的电阻强烈地下降并且集电极电流IC开始通过半导体开关1从集电极流向发射极并且从那里流向负载2。通过为了清楚而在图1中未示出的集电极-栅极电容的反作用，在栅极-发射极电压UGE的变化曲线中形成所谓的米勒平台M，在栅极-发射极电压在米勒平台M之后又更强烈地上升地达到正电压Ue之前，在该米勒平台M中栅极-发射极电压UGE仅微弱上升，可能甚至有些下降。
在开始E与达到阈值电压US之间的范围中，栅极-发射极电压UGE强烈依赖于集成的栅极电阻RGint的电阻。集成的电阻RGint的电阻越大，则在开始E与达到阈值电压US之间的范围中栅极-发射极电压UGE的变化曲线越平。在开始E与达到阈值电压US之间的范围中栅极-发射极电压UGE的平均斜率随着集成的栅极电阻RGint的电阻的上升而下降。
集成的栅极电路RGint的欧姆电阻依赖于温度，并且随着栅极电阻RGint的温度增加、并且因此随着半导体开关的温度的增加而提高。据此，半导体开关的温度越高，则在开始E与达到阈值电压US之间的范围中栅极-发射极电压UGE上升越缓慢。该效应根据本发明用于测定半导体开关的温度。因为集成的栅极电阻RGint紧邻半导体开关的阻挡层（在该阻挡层上，在半导体开关运行中形成的、半导体开关的损耗能量的主要部分转换成热）设置，所以栅极电阻RGint的温度并且由此栅极电阻RGint的电阻高动态地跟随半导体开关1的阻挡层的温度。因此，通过本发明使半导体开关1的高动态的温度测定成为可能。
为了测定半导体开关的温度，栅极-发射极电压UGE作为输入量传送至持续时间测定单元14，该持续时间测定单元构建成用于测定在半b导体开关的栅极-发射极电压提高期间栅极-发射极电压UGE从第一电压U1上升到第二电压U2所需的持续时间dt。在该实施例的范围中，持续时间测定单元14具有第一边界值指示器4、第二边界值指示器5、计数器6和时钟发生器15。栅极-发射极电压UGE作为输入量输送到第一边界值指示器和第二边界值指示器。当栅极-发射极电压UGE达到预给定的第一电压U1时，第一边界值指示器4产生信号S1并且将该信号传送给计数器6。当栅极-发射极电压UGE达到预给定的第二电压U2时，第二边界值指示器5产生信号S2并且将该信号传送给计数器6。计数器6接收高频等间距时钟F，该时钟由时钟发生器15产生。在接收信号S1时，计数器6对由时钟发生器15从接收信号S1起直至其接收到信号S2产生的时钟的数目进行计数。计数器因此以时钟发生器15从信号S1起直至接收信号S2所产生的时钟的数目的形式测定持续时间dt，该持续时间为半导体开关1的栅极-发射极电压UGE从第一电压U1上升到第二电压U2所需要的。
持续时间dt接着作为输入量传送至温度测定单元7，该温度测定单元构建成用于借助所测定的持续时间dt来测定半导体开关1的温度T。在该实施例的范围中，温度测定单元7借助半导体开关1的温度特征曲线K（参见图3）测定半导体1的温度T，该温度特征曲线说明了半导体开关1的温度T对持续时间dt的依赖性，该持续时间为半导体开关1的栅极-发射极电压UGE从第一电压U1上升到第二电压U2所需要的。半导体开关1的温度特征曲线K例如可以按经验来测定。
在该实施例的范围中，所测定的半导体开关1的温度T作为输入量传送到监控单元8。监控单元8构建为用于当所测定的半导体开关1的温度T达到或超过预给定的温度边界值TK时关断半导体开关1。在该实施例的范围中，监控单元8为此当所测定的半导体开关1的温度T达到或超过预给定的温度边界值时，产生持续保持的关断信号A直至监控单元8复位，并且将该关断信号作为输入量传递至操控电路3，该操控电路在接收关断信号A时保持关断信号A，直至负电压Ua不依赖于脉冲信号P地产生并且因此持久关断半导体开关1。与此并行地，关断信号A由监控单元8传递到控制装置10，该控制装置向应用者显示相应的干扰报告。
在该实施例的范围中，在图1中仅示出了唯一的半导体开关并且与根据本发明的设备13连接。但是当然，例如当多个半导体开关并联和/或串联为所谓的阀时，也能够构建阀的半导体开关的所有或一部分各自与相关的根据本发明的设备13电连接。在此情况下，与各自相关的设备13关联的半导体开关的栅极端子与各自相关的设备13的外部电阻Rext电连接。
在此应注意的是，操控电路12和外部电阻Rext可以是所谓的驱动器电路12的组成部分。
为了实现本发明仅需要的是，取代不具有集成的栅极电阻的半导体开关，使用具有集成的栅极电阻的半导体开关来实现所期望的、例如功率电子电路（例如整流器、逆变器等等）。

Claims (6)

1.用于测定半导体开关（1）的温度（T）的方法，该半导体开关具有集成的栅极电阻（RGint），该方法具有如下方法步骤：
-通过经与所述半导体开关（1）的栅极电阻端子（GA）连接的外部电阻（Rext）提高所述半导体开关（1）的栅极-发射极电压（UGE）来接通所述半导体开关（1），
-测定在提高所述半导体开关（1）的栅极-发射极电压（UGE）期间所述栅极-发射极电压（UGE）从第一电压（U1）上升到第二电压（U2）需要的持续时间（dt），以及
-借助所测定的持续时间（dt）来测定所述半导体开关（1）的温度（T）。
2.根据上述权利要求之一所述的方法，其具有如下其他方法步骤：
-当所测定的所述半导体开关（1）的温度（T）达到或超过温度边界值（TK）时关断所述半导体开关（1）。
3.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述第二电压（U2）在所述半导体开关（1）的阈值电压（US）之下。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述半导体开关（1）构建为IGBT或MOSFET。
5.用于测定半导体开关（1）的温度（T）的设备，所述半导体开关（1）具有集成的栅极电阻（RGint），所述设备包括：
-操控电路（3），其构建成用于通过经与所述导体开关（1）的栅极电阻端子（GA）连接的外部电阻（Rext）提高所述半导体开关（1）的栅极-发射极电压（UGE）来接通所述半导体开关（1）。
-持续时间测定单元（14），其构建成用于测定在提高所述半导体开关（1）的栅极-发射极电压（UGE）期间所述栅极-发射极电压（UGE）从第一电压（U1）上升到第二电压（U2）需要的持续时间（dt），以及
-温度测定单元（14），其构建成用于借助所测定的持续时间（dt）来测定所述半导体开关（1）的温度（T）。
6.电路装置，其具有根据权利要求5所述的设备（13），其中所述电路装置具有半导体开关（1），所述半导体开关具有集成的栅极电极（RGint），其中，所述设备（13）的操控电路（3）通过所述外部电阻（Rext）与所述半导体开关（1）的栅极电阻端子（GA）电连接，其中，所述持续时间测定单元（14）与所述半导体开关（1）的栅极电阻端子（GA）电连接。
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