CN104596655A - 智能功率模块、功率器件及其温度检测电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能功率模块、功率器件及其温度检测电路和方法，该方法包括以下步骤：在功率器件的有源区的边缘形成温度检测单元，且于该温度检测单元上引出第一发射极电极；在所述有源区上的形成第一栅极区，该第一栅极区上引出第一栅极电极，所述温度检测单元与所述有源区共用一个集电极；检测所述集电极与所述第一发射极在关断状态下的漏电流；根据所述漏电流与温度的变化关系计算所述功率器件的结温。温度检测单元被集成在功率器件内部，采用功率器件的部分有源区元胞作为温度检测单元，通过检测关断状态下温度检测单元的漏电流，利用漏电流随温度的变化关系，可以实时的监控功率器件的结温。

Description

智能功率模块、功率器件及其温度检测电路和方法

技术领域

本发明涉及温度检测技术，特别是涉及一种智能功率模块、功率器件的温度检测电路及方法。

背景技术

智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)可以在控制信号的作用下把直流电压(电流)转变成幅值和频率都可变的交流电压(电流)，输出的交流电压被加载到电机上驱动其运转。由于具有集成度高和可靠性好等优点，智能功率模块被广泛应用到变频调速，电力牵引和变频家电中。典型的IPM模块由功率半导体器件(功率器件)、控制和保护电路组成。功率器件按照电流、电压等级的不同，一般采用金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。控制和保护功能采用集成电路来实现。由于功率器件在导通状态和开通和关断的转换瞬间都会产生功耗，因此其结温要远高于环境的温度。通过在IPM模块内部集成温度检测单元，可以实时监控其温度，确保功率器件的安全工作。

目前，IPM模块广泛采用热敏电阻来检测功率器件的温度。在IPM模块中，热敏电阻和功率器件共同安装在导热的基板上，由于电气设计规则的要求二者之间有一定的距离。当IPM模块工作后，内部的功率器件会消耗一定的功率而发热，其功率约在几瓦到几百瓦之间。按照傅里叶热传导定律，热量会从功率器件传递到热敏电阻上，检测热敏电阻阻值的变化即可以检测热敏电阻的温度，通过校准即可以得到功率半导体器件的温度。热敏电阻的阻值和温度之间一般为非线性关系，在数据的实时处理中需要经过运算或者查表才能给出温度值。如专利申请：一种智能功率模块的温度控制方法及变频设备(申请号：201310404618.X)和用于智能功率模块的过热保护电路及其控制方法(申请号：201110147882.0)中公布的温度检测方法都是采用热敏电阻。

在实际应用中，从功率器件到热敏电阻的热阻通路会随着制造工艺的波动而发生变化，另外，热敏电阻的电阻-温度特性也会显著影响检测温度的精度。因此这种方法检测温度的精度和准确度受智能功率模块内部结构的影响。在瞬态过程中热量的传导受到系统的热阻R_th和热容C_th的影响，在经过3至5倍的热时间常数(定义为热阻和热容的乘积，约为几十个微秒到几个毫秒)后系统中的温度分布才趋于稳定。因此这种方法不能够检测功率器件的瞬时结温变化。

发明内容

基于此，有必要提供一种可检测功率器件的瞬时结温变化的功率器件的温度检测电路。

一种功率器件的温度检测电路，包括：

温度检测单元，形成在功率器件的有源区的边缘，且于该温度检测单元上引出第一发射极电极；

第一栅极区，形成在所述有源区上，该第一栅极区引出第一栅极电极，所述温度检测单元与所述有源区共用一个集电极；

采样单元，与所述温度检测单元的第一发射极电极连接，检测所述集电极与所述第一发射极在关断状态下的漏电流；

运算单元，与所述采样单元连接，根据所述漏电流与温度的变化关系计算所述功率器件的结温。

此外，还提了一种功率器件的温度检测方法，包括以下步骤：

在功率器件的有源区的边缘形成温度检测单元，且于该温度检测单元上引出第一发射极电极；

在所述有源区上的形成第一栅极区，该第一栅极区上引出第一栅极电极，其中，所述温度检测单元与所述有源区共用一个集电极；

检测所述集电极与所述第一发射极在关断状态下的漏电流；

根据所述漏电流与温度的变化关系计算所述功率器件的结温。

此外，还提了一种功率器件，包括上述的功率器件的温度检测电路。

此外，还提了一种智能功率模块，包括至少一个上述功率器件。

上述的功率器件的温度检测电路及方法通过在功率器件上设置温度检测单元，温度检测单元被集成在功率器件内部，采用功率器件的部分有源区元胞作为温度检测单元，通过检测关断状态下温度检测单元的漏电流，利用漏电流随温度的变化关系，可以实时的监控功率器件的结温。

附图说明

图1(a)为本发明一实施例中为图1所述的功率器件的结构图；

图1(b)为图1(a)所示的功率器件的结构图对应的电路图；

图2(a)为本发明另一实施例中为图1所述的功率器件的结构图；

图2(b)为图2(a)所示的功率器件的结构图对应的电路图；

图3为图1(b)示出的功率器件的温度检测电路的结构原理图；

图4为图2(b)示出的功率器件的温度检测电路的结构原理图；

图5给出了漏电流l_ces和随结温T变化的曲线图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

常用的功率半导体器件，如MOSFET，IGBT等，其结构包括两部分：(1)位于芯片边缘的耐压区域，确保器件在关断时能够承受一定的耐压；(2)位于芯片内部的有源区域，有源区域由许许多多结构相同的元胞组成，当器件工作在导通状态时，每一个元胞都流过一定的电流。

请参阅图1(a)、图1(b)、图2(a)、图2(b)、图3和图4，本发明较佳实施例中功率器件的温度检测电路包括温度检测单元114、第一栅极区130、采样单元20和运算单元30。

本发明中功率器件的有源区110发热元胞区域被分为两部分，一部分用于传输导通状态下的电流，也就是主有源区112，另一部分较小面积的区域的副有源区，作为温度检测单元114。并，分别以主有源区112为基础形成常规的主功率器件Q1，以温度检测单元114形成检测器件T1。

功率器件的有源区110是包括主功率器件Q1的主有源区112，和在该主有源区112的外围形成的检测器件T1的副有源区(温度检测单元114)。即温度检测单元114形成在功率器件的有源区110的边缘，而主功率器件Q1的耐压区120则设置位于温度检测单元114的外围。另外，在该温度检测单元114上引出第一发射极电极E1，在主有源区112上引出第二发射极电极E2。第一发射极电极E1作为温度检测单元114温度检测信号的输出电极。

关于功率器件的栅极设置方式有两种实施方式，分别为：

第一种：请参阅图1(a)及图1(b)，在有源区110上形成有第一栅极区130，第一栅极区130引出第一栅极电极G1，第一栅极电极G1为主功率器件Q1和检测器件T1的控制电极，即机主功率器件Q1和检测器件T1共栅极，工作在相同的工作状态。

第二种：第一种：请参阅图2(a)及图2(b)，在在有源区110上形成有第一栅极区130，第一栅极区130引出第一栅极电极G1的基础上。还在温度检测单元114上形成第二栅极区140，且在该第二栅极区140上设置与其电性相连的第二栅极电极G2。本实施例中，第一栅极电极G1作为主功率器件Q1的控制电极，第二栅极电极G2作为检测器件T1的控制电极，用于接控制电平以控制检测器件T1的开闭。

另外，该温度检测单元114与主功率器件Q1的主有源区112共用同一个集电极C，集电极C位于芯片的背面。主功率器件Q1的主有源区112上设有第二栅极区140，第二栅极区140引出主功率器件Q1的第二栅极电极G2。

请参阅图3和图4，采样单元20与温度检测单元114的第一发射极电极E1连接，检测温度检测单元114的关断状态下的漏电流l_ces。具体地，关断状态下的漏电流l_ces为温度检测单元的集电极C和第一发射极电极E1之间的电流。

运算单元30与采样单元20连接，根据漏电流l_ces与温度T的变化关系计算功率器件(上述的功率器件或主功率器件Q1)的结温T。最后以放大电路输出和功率器件的结温T相应(正比)的电压值V_sense1。

更详细地，温度检测单元114处于关断状态时，温度检测单元114的集电极C和第一发射极电极E1之间受到反向的偏压。集电极C和第一发射极电极E1之间的电流主要为反偏PNP晶体管的漏电流l_ces。随温度的升高，集电极C和第一发射极电极E1之间的漏电流l_ces呈指数增大，变化关系满足下式：

$T-T_0=\frac{\ln \left(\frac{l_{\mathrm{ces}}}{l_{\mathrm{ces}0}}\right)}{\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

其中，T为被检测的功率器件的结温，l_ces为所检测的所述漏电流大小，l_ces0为被检测的功率器件在结温为T₀时的漏电流大小，T₀为功率器件的温度常数，在25℃到100℃之间，β为温度常数。图5给出了l_ces和温度T的关系曲线。

在进一步的实施例中，首先对漏电流l_ces进行采样，并转化成电压信号v_ces。电压信号经过对数运算电路处理后输出为V_sense1，满足下式：

v_ces＝l_ces*r；    (2)

v_ces0＝l_ces0*r；    (3)

l_ces＝l_ces0*exp(β*(T-T₀)    (4)

V_sense1＝ln(v_ces)    (5)

V_sense1_0＝ln(v_ces0)    (6)

$T-T_0=\frac{V\_\mathrm{sense}1-V\_\mathrm{sense}1\_0}{\mathrm{\β}}---\left(7\right)$

其中，r为漏电流转换的电压值的分压阻值，v_ces为所检测的所述漏电流转换的电压值，v_ces0为被检测的功率器件的结温为T₀时的漏电流转换的电压值。最后以放大电路输出和功率器件的温度T成正比的电压值V_sense1。

采用这种方法，可以实时的对所有的功率器件的结温进行监控，而且可以避免目前采用热敏电阻检测功率器件结温的缺点。

在一个实施例中，温度检测单元114的面积为有源区110的面积的10％以下。温度检测单元114至少要有数个元胞的面积，面积的上限主要受实用性和成本的考虑。以变频空调上的IPM模块为例，温度检测单元114的面积最大为功率器件有源区110面积的10％，最小面积为有源区110面积的0.0001％。典型情况下，温度检测单元114的面积为功率器件有源区110面积的0.1％到2％之间。以额定电流为15A的IGBT为例，若温度检测单元114占用1％的面积，其额定电流的等级为0.15A，对系统性能和成本的影响可以忽略不计。

和常规的功率器件相比，本发明提出的功率器件增加了一或两个电极，以图2(a)为例，主功率器件Q1的第一栅极电极G1和检测器件T1的第二栅极电极G2在温度检测周期内具有相同的电位，在非温度检测周期，主功率器件Q1的第一栅极电极G1，检测器件T1的第二栅极电极G2可以接控制信号或者低电平(关断状态)都可以。

检测器件T1的第二栅极电极G2和主功率器件Q1的第一栅极电极G1为低电平(典型的电压为0V)时，温度检测单元114工作在电流检测模式。通过检测漏电流l_ces给出功率器件的结温T。随温度的升高，漏电流l_ces指数增大，如图5所示。

图3和图4示出的电路中，P和N分别为直流母线的正端和负端。R为电流采样电阻。U、V和W为三相交流电压的输出端。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6为三相逆变电路中的主功率器件，可以为IGBT或者MOSFET，并且反向并联了快恢复二极管。另外，在主功率器件Q1中集成了检测器件T1。

图3中，当主功率器件Q1和检测器件T1的控制电极(第一栅极电极G1)，输入低电平时；图4中，当检测器件T1的第二栅极电极G2输入低电平时，此时直流母线的正端P和负端N之间的直流电压加到主功率器件Q1和检测器件T1上，检测器件T1的输出电极(第一发射极电极)E1引脚输出随温度变化的漏电流l_ces，漏电流l_ces的大小和温度，输出电极E1的过电流横截面积和功率器件的工艺有关，其大小在几纳安到几百微安之间变化。通过采样单元20的采样和保持电路得到一个电压信号。采用传统的开关电容电路则可以实现电流的采样和保持。在信号的采样周期，电流对电容充电；在随后的保持周期，信号被放大处理。经过后续的对数运算电路后，得到一个与温度成正比的电压信号V_sense1，该信号可以用来呈现功率器件的结温大小。

类似的，通过在功率器件Q2、Q3、Q4、Q5、Q6中添加温度检测单元114，也可以实时的监控其结温。这种方法不仅对于三相逆变电路适用，对于其他类似的含有功率器件的模块或者电路同样适用。

此外，还提供了一种功率器件的温度检测方法，包括以下步骤：

步骤一，在功率器件的有源区的边缘形成温度检测单元，且于该温度检测单元上引出第一发射极电极；

步骤二，在所述有源区上的形成第一栅极区，该第一栅极区上引出第一栅极电极，其中，所述第一栅极电极接控制电平，所述温度检测单元与所述有源区共用一个集电极；

步骤三，检测所述集电极与所述第一发射极在关断状态下的漏电流；

步骤四，根据所述漏电流与温度的变化关系计算所述功率器件的结温。

进一步地，先将漏电流转换为电压信号，再计算功率器件的结温。

进一步地，还包括：在所述温度检测单元上形成第二栅极区，并在该第二栅极区上引出第二栅极电极的步骤。

进一步地，所述漏电流与温度的变化关系满足下式：

$T-T_0=\frac{\ln \left(\frac{l_{\mathrm{ces}}}{l_{\mathrm{ces}0}}\right)}{\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

其中，T所述功率器件的结温，l_ces为所检测的所述漏电流大小，l_ces0为所述功率器件的结温为T₀时的所述漏电流大小，T₀为功率器件的温度常数，在25℃到100℃之间，β为温度常数。。

在另一个实施例中，还提供了另一种功率器件的温度检测方法，包括以下步骤：

步骤一，在功率器件的有源区的边缘形成温度检测单元，且于该温度检测单元上引出第一发射极电极；

步骤二，在所述有源区上的形成第一栅极区，该第一栅极区上引出第一栅极电极，其中，所述第一栅极电极接控制电平，所述温度检测单元与所述有源区共用一个集电极；

步骤三，检测所述第一发射极电极与集电极之间在导通状态下的导通压降；

步骤四，根据所述导通压降与温度的变化关系计算所述功率器件的结温；

所述导通压降与温度的变化关系满足下式：

$T-T_0=\frac{V_{\mathrm{ce}}-V_{\mathrm{ce}0}}{\mathrm{\γ}}---\left(8\right)$

其中，T所述功率器件的结温，V_ce为所检测的所述导通压降大小，V_ce0为所述功率器件的结温为T₀时的所述导通压降大小，T₀为功率器件的温度常数，在25℃到100℃之间，γ为温度常数。

进一步地，所述温度检测单元和所述功率器件的有源区的元胞结构相同。

进一步地，所述温度检测单元的面积为所述有源区的面积的10％以下。

此外，还提供了一种功率器件，其包括上述的功率器件的温度检测电路。

此外，还提供了一种智能功率模块，包括至少一个所述功率器件。

如此，设置有上述的功率器件的温度检测电路，利用上述方法检测功率器件或智能功率模块的结温，可以通过在功率器件上设置温度检测单元，温度检测单元被集成在功率器件内部，采用功率器件的部分有源区元胞作为温度检测单元，通过检测关断状态下温度检测单元的漏电流和导通状态下温度检测单元的导通压降，利用漏电流和导通压降随温度的变化关系，可以实时的监控功率器件的结温。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种功率器件的温度检测电路，其特征在于，包括：

温度检测单元，形成在功率器件的有源区的边缘，且于该温度检测单元上引出第一发射极电极；

第一栅极区，形成在所述有源区上，该第一栅极区引出第一栅极电极，所述温度检测单元与所述有源区共用一个集电极；

采样单元，与所述温度检测单元的第一发射极电极连接，检测所述集电极与所述第一发射极在关断状态下的漏电流；

运算单元，与所述采样单元连接，根据所述漏电流与温度的变化关系计算所述功率器件的结温。

2.根据权利要求1所述的功率器件的温度检测电路，其特征在于，还包括：

第二栅极区，设置于所述温度检测单元上；

第二栅极电极，与所述第二栅极区电性相连。

3.根据权利要求1或2所述的功率器件的温度检测电路，其特征在于，所述漏电流与温度的变化关系满足下式：

$T-T_0=\frac{\ln \left(\frac{l_{\mathrm{ces}}}{l_{\mathrm{ces}0}}\right)}{\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

其中，T所述功率器件的结温，l_ces为所检测的所述漏电流大小，l_ces0为所述功率器件在结温为T₀时的所述漏电流大小，T₀为功率器件的温度常数，在25℃到100℃之间，β为温度常数。

4.根据权利要求1所述的功率器件的温度检测电路，其特征在于，所述温度检测单元和所述功率器件的有源区的元胞结构相同。

5.根据权利要求1或4所述的功率器件的温度检测电路，其特征在于，所述温度检测单元的面积为所述有源区的面积的10％以下。

6.一种功率器件的温度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在功率器件的有源区的边缘形成温度检测单元，且于该温度检测单元上引出第一发射极电极；

在所述有源区上的形成第一栅极区，该第一栅极区上引出第一栅极电极，其中，所述温度检测单元与所述有源区共用一个集电极；

检测所述集电极与所述第一发射极在关断状态下的漏电流；

根据所述漏电流与温度的变化关系计算所述功率器件的结温。

7.根据权利要求6所述的功率器件的温度检测方法，其特征在于，还包括：

在所述温度检测单元上形成第二栅极区，并在该第二栅极区上引出第二栅极电极的步骤。

8.根据权利要求6或7所述的功率器件的温度检测方法，其特征在于，所述漏电流与温度的变化关系满足下式：

$T-T_0=\frac{\ln \left(\frac{l_{\mathrm{ces}}}{l_{\mathrm{ces}0}}\right)}{\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

其中，T所述功率器件的结温，l_ces为所检测的所述漏电流大小，l_ces0为所述功率器件的结温为T₀时的所述漏电流大小，T₀为功率器件的温度常数，在25℃到100℃之间，β为温度常数。

9.根据权利要求6所述的功率器件的温度检测方法，其特征在于，所述温度检测单元和所述功率器件的有源区的元胞结构相同。

10.根据权利要求6或9所述的功率器件的温度检测方法，其特征在于，所述温度检测单元的面积为所述有源区的面积的10％以下。

11.一种功率器件，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的功率器件的温度检测电路。

12.一种智能功率模块，其特征在于，包括至少一个权利要求11所述功率器件。