CN104347446A - 半导体结构中的温度监视和控制 - Google Patents

Abstract

半导体结构中的温度监视和控制。电子器件包括半导体结构。第一温度传感器位于该半导体结构的热点处以及第二温度传感器位于该半导体结构的冷点处。控制块被配置成控制穿过该半导体结构的电流。例如，该控制块被配置成当在热点处的温度超过第一预先限定的阈值时或当在热点处的温度和在冷点处的温度之间的温度差超过第二预先限定的阈值时切断穿过该半导体结构的电流。

Description

半导体结构中的温度监视和控制

技术领域

本发明一般涉及部件，并且在更特别的实施例中，涉及半导体结构中的温度监视和控制。

背景技术

只要给半导体施加大功率，半导体器件一般就生成热量，因为每个半导体器件均展示将一些电功率消耗成热量的欧姆电阻。众所周知，高温损坏半导体器件，因为例如硅将展示所谓的热耗尽症状，例如硅的金属化。因此，半导体结构的温度不应超过预先限定的限制以防止这样的损坏。

为了限制半导体结构的温度，在超过预先限定的温度限制的情况下，穿过该结构的电流可被关闭。在常规的芯片或集成电路中，在估计的最热处和估计的最冷点处测量温度。除了直接评估测量的温度以防止过热之外，可以比较测量的温度以获得作为包括在芯片或集成电路中的半导体结构的实际热应力的第二线索的温度差。

在操作中存在倾向于引起半导体的过热的一些情形，特别是在流经半导体的大电流时。在一个示例中，用于控制电动机或另外的负载的电源的控制器可经受大电流，例如在上电时，即所谓的浪涌电流尖峰。此外，大电流会出现在负载处的短路的情况下。作为用于限制半导体内热量的生成的常规方式，电流限制器可用于限制电流，同时监视半导体的温度。在测量的温度指示过热情形的情况下，对应的芯片或至少包括在其中的引起该情形的半导体结构被关断以防止任何损坏直到该芯片已经冷却下来。其后，即，一旦温度已经下降到预先限定的阈值之下，半导体就可再次进入正常操作。所以，只要测量的温度指示过热情形，半导体就被关断以冷却下来，直到再次进入正常操作。在这种方式中，芯片或集成电路可以以循环的周期进行操作。然而，在负载具有电感特性的情况下，关断电流的处理不立即切断电流。其结果是半导体可能被进一步加热，这可能引起半导体结构的损坏。

发明内容

本发明描述了用于解决至少上面提到的问题的半导体器件以及对应的方法。

本发明提出了包括至少一个半导体结构的电子半导体器件。该器件进一步包括用于确定在半导体器件的最冷点和最热点处的温度的装置。该确定的最冷和最热温度被提供给用于确定两个温度之间的差别的装置。该装置可将确定的差别提供给用于控制该半导体器件的控制装置。该控制装置确定该确定的温度差是否超过预先限定的第一最大值以及该最热温度是否超过第二预先确定的阈值，并且还控制穿过该半导体器件的电流以便在这些情况下切断电流。

附图说明

从下面给出的详细的描述以及本发明的附图将能更全面地理解本发明，然而，这不应被当作为将本发明限制为特定实施例，而是仅用于解释和理解，并且其中：

图1描绘了耦合至负载的电子半导体器件的框图；

图2描绘了温度检测块的示意图；

图3描绘了用于温度评估的电路；

图4描绘了在操作用于限制半导体结构的绝对温度的器件时在该半导体器件中的信号；以及

图5描绘了在操作用于限制跨越半导体结构的温度的器件时在该半导体器件中的信号。

具体实施方式

图1描绘了电子半导体器件100的框图，该电子半导体器件100包括半导体结构110和用于确定器件的最高温度的至少第一装置以及用于确定器件的最低温度的另一个装置。要注意的是，温度确定器件将位于器件上的很可能最热点和很可能最冷点处。通常，半导体器件100的最热点在展示最高功率密度的区域的周围，而最冷点可以在展示小的或可忽略的功率密度的位置处。因此，最热点可被设置为接近于用作器件的电源的接合线。在描绘的实施例中，温度确定器件由元件120和元件130举例说明，因为举例说明的电路仅包括用于示范的目的的该半导体结构。要注意的是，这些位置将不限制温度确定电路在器件上的放置，但是将示范两个任意的位置。

此外，器件100包括：电路140，用于确定在被测量的半导体结构温度，即最热和最低检测温度之间的温度差；逻辑和驱动电路150，用于控制半导体结构110；可选择的电流限制电路160，用于限制穿过半导体结构110的电流I_DS的幅度。

在操作中，电子半导体器件100耦合至电负载170，其转而可以耦合至电力供应180。尽管负载170被示出为电感器，但是该负载可具有任何特性。即，负载170可具有电感器的或欧姆电阻的或电容器的或它们混合的特性。因此，负载170的特性不意在限制本发明的范围。

在该描述的上下文中的术语电子半导体器件将表示包括至少一个半导体结构110的电子器件。电子半导体器件可以被实现为所谓的芯片上系统或可以使用布置在一个或多个印刷电路板上的分立部件来实现，即本发明将不在这点上进行限制。

在一个实施例中，半导体结构110可以是包括半导体结的任何种类的半导体结构。因而半导体结构可以是特别地用于控制穿过半导体结构的电流的晶体管或晶闸管或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。尽管半导体结构描绘了MOSFET，但本发明的范围将不限于那个实施例。注意的是，在一个特别的实施例中，半导体结构可以是通常如在电源或用于开关大电流的功率控制中使用的所谓的功率MOSFET，例如，在给电动机或用在汽车应用中的其它装置供电的电源中。

注意的是，本公开的发明的应用将不被专有地限制到用于控制比较大的电压和/或电流的所谓的功率电子。相反，所描述的发明可应用于控制电源的任何任意的半导体器件，即使控制的功率比较低。

正如上面提到的，只要电流流经结构，即当存在流经半导体结构110的漏-源电流I_DS时，半导体结构110就可生成热量。因而在半导体结构的结温超过预先限定的绝对温度的情况下或当跨越半导体结构的温度差超过预先限定的阈值时，结构110可能被损坏。

为了减轻由温度损坏结构的风险，器件100包括配置成确定器件110的最热点处温度的器件120以及配置成确定器件100的最冷点处温度的器件130。

用于确定温度的部件120和130可使用常规装置来实现。在一个示例中，用于确定温度或更精确地用于产生反映特别的位置处的温度的电信号的装置可包括恒定电流源和展示取决于温度的欧姆电阻的二极管，所述恒定电流源理想地是温度独立的。电流源可提供穿过二极管的小电流，其转而提供反映二极管的实际温度的电压。因为二极管位于感兴趣的点处，即在半导体结构110的源极或漏极处，所以二极管的电阻率分别反映结构110的漏极或源极的温度。注意的是，用于元件(或电路)120、130的上述实现仅用作举例说明实施例，即不同的实现被包括在本发明的范围内。

温度确定器件120的输出信号耦合至ΔT检测块140。图2描绘了块140的更详细的图解。

正如图2中所描绘的，ΔT检测块140接收来自温度确定部件120和130的信号。在考虑关于半导体结构110的热应力的两个标准的情况下，块140评估反映跨越结构110的温度的温度信号，并且提供信号给指示检查该标准的结果的逻辑和驱动块150。

关于半导体结构的热应力的一个标准是跨越结构的温度差ΔT，即器件的最热点和最冷点的温度。因为半导体结构110可被太高的温度损坏，因此限定了对应的阈值。块140接收反映跨越结构110的温度的温度信号，所述块140确定温度之间的ΔT并输出对应的信号，即指示跨越结构110的ΔT的信号。

关于热应力的另一个标准是结构的绝对温度，其通常出现在所描绘的晶体管的半导体结处。因此，温度T_jmax不必须但是在很多情况下通常是半导体结构110的最高温度。

由块141确定的ΔT信号被提供给比较器块142作为一个输入信号。比较器块142的第二个输入信号是参考信号143，该参考信号反映了将坚持以下的两个条件：

跨越半导体结构的温度差，即跨越结构的温度差将不超过第一预先限定的阈值，以及

被监视的半导体结构的最高温度将不超过第二预先限定的最大阈值。

在这里的参考信号不反映一个预先限定的阈值温度但是适合于两个标准中的任何一个标准被违反的情况。

在一个示例性实施例中，第一预先限定的阈值，即跨越半导体器件的最大容许温度差值被设定为60K的值，并且第二预先限定的最大值被设定为150℃。如果检测到两个值中的任何一个值到达或超过参考温度，信号143被减少以便开始减少流经结构110的电流幅度，其中该减少可通过断开结构110和/或通过经由电流限制器160减少电流幅度来完成。

再次参考图1，比较器块142以这种方式提供信号给逻辑和驱动块150，所述逻辑和驱动块150指示上述热应力标准中的至少一个标准已经由块140检测。

注意的是，在一个实施例中，参考信号143可被实现为如由图中描绘的可变电压源指示的电压。然而，参考信号可替换地可被实现为电流，本发明在这点上将不受限制。

逻辑和驱动块150在一侧上通信地耦合至ΔT检测块140以接收输入数据。此外，逻辑和驱动块150可通信地耦合至半导体结构110以控制该结构，即在结构110是晶体管的情况下，块150可耦合至栅极以控制结构的导电性。通过将结构的导电性转换为不导电，即将晶体管转换到它的断开状态，穿过结构的电流可被断开，从而减少或断开由穿过结构的电流引起的热量生成。在半导体结构是晶体管的情况下，这可以通过控制施加至晶体管的栅极的电压来达到。因此，在由块140提供的信号指示已经到达或超过预先限定的阈值时，逻辑和驱动块150可控制穿过结构110的电流以便减少热量生成从而防止结构110被热量损坏。

此外逻辑和驱动块150可通信地耦合至可选的电流限制块160。正如由从块160到在负载170和半导体结构110之间的电线的连接线所指示的，块160可以控制，即特别是减少流经半导体结构的电流幅度。在半导体结构自身允许控制其导电性的情况下，块160可用作用于控制流经结构110自身的电流幅度的附加装置。可替换地，特别在半导体结构110的导电性不能或将不被控制以减少流经其的电流幅度的实施例中，块160可仅用作电流限制器以控制电流幅度。

在操作中，器件的温度(即在跨越半导体结构的举例说明的示例中)被永久地监视以便勘查形成在结构上的热应力。因为温度感测元件120和130分别位于最可能最热点和最冷点处，所以热量监视是迅速和准确的。因此，被监视的半导体器件的任何温度变化被检测并可由处理块处理。

图3描绘了用于实现ΔT检测块140的电路300的示例性实施例，其中图示了参考电压V_ref的生成。一连串的欧姆电阻器耦合至与温度无关的电压源310。一连串的电阻器包括电阻器320a、320b和320c。在将这些电阻器控制到导通状态(即导电)的情况下，分别地，电阻器320a可由开关330a桥接，以及电阻器320b可由开关330b桥接。在电阻器320a和320b两者由它们的相关联的开关330a和330b桥接的情况下，电阻器320c用作电流限制器。

正如图中所指示的，开关330a由信号控制，该信号指示确定的绝对温度是否超过预先限定的阈值而在同时确定的温度差ΔT是否在60K之下，其中60K的值被认为是另一个预先限定的阈值。因此，开关330a被设置为它的导通状态(即导电)，因此如果在确定的温度差在60K的预先限定的值之下的同时超过150K的预先限定的阈值，则桥接电阻器320a。类似地，如果绝对温度被确定为没有超过预先限定的阈值而在同时确定的温度差ΔT没有超过80K的预先限定的阈值，开关330b被控制到其导通状态。

如上所提到的，比较器142在其一个输入端获取反映确定的温度差值ΔT的信号并且获取信号V_ref作为第二输入，其中V_ref通过如上所述的桥接电阻器320a和320b来控制。如果开关330a、330b不桥接(即短路)电阻器320a和/或320a，则电压V_ref逐步下降是明显的，使得穿过电阻器320a、320b的电流影响V_ref的电压下降。可以以这种方式根据确定的绝对温度和确定的温度差ΔT来控制V_ref。

注意的是，开关330a和330b分别可以是开关的任意实现。在一个实施例中，这些开关可以被实现为MOSFET。此外，施加至开关的控制信号可以是任意生成的，这对本领域技术人员来说是明显的。在一个实施例中，信号可以使用包括带隙基准的模拟电路生成。可替换地，确定的温度信号可以被数字化，从模拟转换成数字，并且可以在可以为开关330a和330b估值和提供控制信号的任何任意的数字言号处理器(DSP)中进行处理。

图4描绘了半导体器件100操作的仿真结果，其中参考信号适合于表示结构110处的最大允许的绝对温度的150℃的第二预先限定的阈值没有被超过。150℃的第二阈值在图中由线420描绘。功率MOSFET被假定为半导体结构110，因此最高温度被预期在位于MOSFET的漏极处的结处。因此，结构110的最高温度的曲线是MOSFET的漏极的曲线。

注意的是，在图4的所有曲线图中，x轴示出以ms为单位的时间t，并且y轴分别示出以伏特V和安培为单位的信号幅度。在图4中，信号V[d_ot，vs_1]410反映ΔT检测块140的输出信号，其中5V的幅度(即逻辑高值)指示已经到达或超过两个阈值中的至少一个阈值。我们假定块140的输出信号由块150使用以在没有对信号进一步解译的情况下关断穿过结构110的电流。因此，在信号410是高时，穿过结构110的电流被断开。反之，在信号410是零的同时允许穿过结构110的电流流动。

我们进一步假定在仿真的开头处，即在t＝0处，半导体结构110的最高温度在具有大致115℃的温度以及0K的参考温度信号的情况下开始。注意的是，在图中，结构110的最高温度由信号430描绘，并且如由块141提供的温度差信号被描绘为信号440。温度参考信号143没有被描绘在图4中。

此外，我们假定在t＝0处MOSFET被转换到其导通状态，即通过给MOSFET的栅极施加适当的电压来使能电流。作为将MOSFET转换到其导通状态的结果，由信号450指示的漏-源电压下降到零而在同时存在穿过MOSFET的浪涌电流，对照信号460。

由于穿过结构110的浪涌电流的高幅度，结构110的最高温度430上升。一旦到达对应的阈值，即到达在150℃处的第二限定的温度阈值，ΔT检测块140就输出信号410，所述信号410指示已经到达温度阈值。正如上文提到的，信号410的高状态触发逻辑和驱动块150以在t＝T₁处切断穿过结构110(即功率MOSFET)的电流，。注意的是，电流限制器150除了将MOSFET切换到其断开状态之外可以用来切断电流。

由于耦合至器件100的负载的感应特性以及用来关断晶体管的感应特性，在将电流关断之后和在t＝T₂处固定到固定断开状态的预期电压之前，跨越结构110的漏-源电压经受短暂的峰值。进一步地，还归因于负载170的感应特性，在t＝T₁处关断MOSFET时，穿过结构的电流I_DS没有立即地下降到零。相反，在时间T₂-T₁期间电流持续下降到零。作为直到t＝T₂为止的穿过该结构的不间断的电流的结果，结构的最大温度依然增加到大约170℃的温度，即高于预先限定的阈值。

因为穿过结构110的电流在t＝T₂时停止，结构110的最大温度下降直到t＝T₃，此时穿过结构110的电流被再次使能，即举例说明的MOSFET由经过块140的信号410的逻辑和驱动块150再次切换到其导通状态。根据使能电流，漏-源电压450下降到零而电流460增加直到电流在t＝T₄时截止。注意的是，在该关断动作处的参考温度信号440展示了在t＝T₂处的第一关断动作处的显著更低的温度，即如果在切断动作中最大温度被超过，则参考温度信号143被减少以用于随后的切断动作。因此，即因为在此期间参考温度信号440已被设定为大致55K的较小值，所以穿过结构110的电流更早被切断。注意的是，时间间隔T₄-T₃显著地短于时间间隔T₂-T₁。此时切断电流的动作防止了在该结构处的最大温度超过150℃的预先限定的阈值，因为参考温度信号已经根据先前的切断动作进行适应，换言之，在t＝T₁处切断电流后，温度的增加已经通过动态地减少参考温度信号143来考虑到。再次，一旦电流已经下降到零，半导体结构就开始冷却下来。

在最大温度下降到允许使MOSFET导通(即允许穿过结构110的电流)的程度时，MOSFET再次被切换到导通状态。如上面提到的，使能穿过结构的电流的动作可以通过控制结构自身和/或通过控制电流限制器160来执行。如图4中所描绘的，允许穿过半导体结构110的电流的循环可被重复，因而使能电流控制而在同时通过动态地适应参考温度信号143来防止热量损坏结构110。

图4图示了器件的操作和适应参考温度信号143以便使最大温度保持在第二限定阈值之下，即保持半导体结构的最大温度在150℃之下。图4图示了在操作器件以将监视的结构110的源极和漏极之间的温度差ΔT保持在第一先前限定阈值之下时的信号。正如在图4的示例中，我们假定负载170展示感应特性，并且将半导体结构110假定为MOSFET。

图5中感兴趣的温度是跨越半导体结构110的温度差440，即跨越MOSFET的ΔT。正如由线470图示的，第一预先限定的阈值被设定为如由线470图示的60K。跨越结构110(即跨越MOSFET)的温度下降因而将不超过60K。

类似地，如上关于图4所注意到的，在t＝0处使能穿过结构110的电流，即在t＝0处由逻辑和驱动块150将适当的栅极电压施加至MOSFET的栅极。作为结果，漏-源电压450下降到零而在同时存在穿过MOSFET的浪涌电流，对照信号460。穿过MOSFET的浪涌电流的高幅度引起如由440图示的跨越结构的ΔT温度中的增加。

在t＝T₁时，温度差ΔT被检测出超过预先限定的阈值。ΔT检测块140对应地输出信号给逻辑和驱动块150，其转而触发以切断穿过MOSFET的电流。然而，正如上文已经提到的，由于负载170的感应特性，在将MOSFET切换到其非导电状态时电流没有立即下降到零幅度，而是下降直到到达t＝T₂处。类似地，正如上文关于图4注意到的，漏-源电压没有立即和直接地跳到如预期的电压，而是展示电压峰值直到固定下来。在T₂-T₁期间由电流所引起的，跨越MOSFET的温度差如440所指示的在T₂-T₁期间进一步增加，其中温度差超过预先限定的阈值。

因为电流在t＝T₂处停止，MOSFET内生成的热量从热区传播到次热区，因而减少了跨越MOSFET的温度差ΔT 440。此外，尽管对此处较小的兴趣，但是结构的绝对温度430下降。

在结构已经充分地冷却下来时，可以再次通过将MOSFET切换到导电状态来允许穿过MOSFET的电流，以及如果适当，通过控制电流限制器160以允许穿过MOSFET的电流。这里，在描绘的举例说明的实施例中，在t＝T₃处(即在温度差ΔT已经下降到大致20K时)允许穿过MOSFET的电流。

在MOSFET被切换到其导通状态时，对照信号410，即使能电流I_DS，漏-源电压450下降并且对应的浪涌电流460可被观察到。浪涌电流再次引起MOSFET中的热量生成，因而温度差ΔT再次增加，对照信号440。

虽然穿过MOSFET的电流生成热量并且增加热量，但是由位于MOSFET处的元件120和130确定的温度不断地被测量且温度差被监视并且与温度参考信号143进行比较。因为温度参考信号已被减少，由ΔT检测块140输出的信号(即图5中的信号410)指示比初始开关循环更早地切断电流。作为结果，温度差ΔT的增加小于之前并且没有显著地超过预先限定的阈值，即使穿过MOSFET的电流在t＝T₄之后缓慢地下降到零，直到它到达在t＝T₅处的零。

注意的是，由源143提供的温度参考信号在第一开关循环t＝0-t＝T₂之后已经被减少，因为在切断电流之后在那个循环中的用于温度差ΔT的预先限定的阈值被超过。因此，如果在切断穿过结构的电流过程中检测到预先限定的温度阈值被超过，则参考温度信号143可进行适应，即可被减小以更早地触发切断动作。注意的是，如果两个温度限制中的任何一个限制，即结构的绝对最大温度或跨越结构的温度差ΔT被超过，则信号143可进行适应。

类似地，如果温度很好的在预先限定的阈值之下，参考温度信号143可进行适应，以便延长穿过结构的电流，即如果温度阈值被超过或者在结构的温度显著地在阈值之下的情况下，则可在器件100的操作期间基于确定动态地减少或增加参考温度信号143。以这种方式，器件100的操作可通过在操作期间动态地使参考温度信号143适应来最优化。

尽管对本领域普通技术人员而言，在已经阅读前面的描述之后，本发明的许多变更和修改将变得明显，但是将理解的是，通过例证示出并描述的任何特别的实施例决不意在限制权利要求书的范围，其自身仅叙述了被认为是对发明必要的那些特征。

Claims (19)

1.一种电子半导体器件，包括：

用于功率控制的半导体结构；

用于确定在所述半导体结构的热点处的热温度的装置；

用于确定在所述半导体结构的冷点处的冷温度的装置；

用于确定在所述确定的热温度和所述确定的冷温度之间的温度差的装置；

以及

用于控制穿过半导体结构的电流的控制装置，其中在半导体结构温度超过预先限定的第一阈值时或在所述确定的温度差超过第二预先限定的阈值时，所述控制装置进行适应以切断穿过所述半导体结构的所述电流。

2.权利要求1所述的电子半导体器件，其中所述半导体结构包括晶体管或二极管或IGBT。

3.权利要求1所述的电子半导体器件，进一步包括用于限制流经所述半导体结构的所述电流的装置。

4.权利要求3所述的电子半导体器件，其中所述控制装置包括逻辑和驱动电路，所述逻辑和驱动电路通信地耦合至用于限制电流的所述装置，并且耦合至所述半导体结构以控制穿过所述半导体结构的所述电流。

5.权利要求1所述的电子半导体器件，其中所述半导体结构包括功率MOSFET。

6.权利要求1所述的电子半导体器件，所述用于确定在所述热点处的所述温度的装置、所述用于确定在所述冷点处的所述温度的装置以及所述用于确定所述温度差的装置在所述器件被控制以关断耦合至所述半导体结构的负载时进行操作。

7.一种集成电路，包括：

半导体结构；

第一温度传感器，位于所述半导体结构的热点处；以及

第二温度传感器，位于所述半导体结构的冷点处；以及

控制块，被配置成当在所述热点处的温度超过第一预先限定的阈值时或当在所述热点处的所述温度和在所述冷点处的温度之间的温度差超过第二预先限定的阈值时切断穿过所述半导体结构的电流。

8.权利要求7所述的集成电路，其中所述半导体结构包括晶体管或二极管或IGBT。

9.权利要求7所述的集成电路，进一步包括电流限制器，被配置成控制流经所述半导体结构的所述电流。

10.权利要求9所述的集成电路，其中所述控制块包括通信地耦合至所述电流限制器且耦合至所述半导体结构的逻辑和驱动块。

11.权利要求7所述的集成电路，其中所述半导体结构包括功率MOSFET。

12.权利要求7所述的集成电路，其中所述电路被配置成关断耦合至所述半导体结构的负载。

13.一种用于控制半导体结构的方法，所述方法包括：

感测在所述半导体结构的冷点处的温度；

感测在所述半导体结构的热点处的温度；

确定在所述半导体结构的所述冷点处的所述温度和在所述半导体结构的所述热点处的所述温度之间的温度差；以及

当在所述热点处的所述温度超过预先限定的第一阈值时或当所述确定的温度差超过第二预先限定的阈值时切断穿过所述半导体结构的电流。

14.权利要求13所述的方法，其中所述半导体结构包括晶体管和二极管或IGBT。

15.权利要求13所述的方法，进一步包括控制电流限制器来控制流经所述半导体结构的所述电流。

16.权利要求15所述的方法，包括通过逻辑和驱动块控制所述电流限制器和所述半导体结构。

17.权利要求13所述的方法，其中所述半导体结构包括功率MOSFET。

18.权利要求13所述的方法，其中所述半导体结构耦合至感应负载。

19.权利要求13所述的方法，其中切断所述电流包括当在所述半导体结构的栅极或源极处的温度超过预先限定的第一阈值时或当所述确定的温度差超过所述第二预先限定的阈值时切断穿过所述半导体结构的所述电流。