CN104596658A - 功率器件和智能功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能功率模块和功率器件，功率器件与温度检测电路连接，所述温度检测电路内置或外置于所述功率器件，所述功率器件包括：第一有源区、第一发射极、第一栅极区、第一栅极、第二有源区、第二发射极、集电区、集电极及耐压区，第一有源区用于传输所述功率器件导通状态下的电流；第二有源区设置于所述第一有源区外围，构成用于执行温度检测功能的检测器件，所述温度检测电路通过检测所述检测器件和温度相关的电性参数的变化来监控功率器件的结温变化。采用功率器件的部分有源区元胞作温度检测，通过检测关断状态下的漏电流和温度的变化关系以及导通状态下导通压降和温度的变化关系，可以实时的监控功率器件的结温。

Description

功率器件和智能功率模块

技术领域

本发明涉及功率器件技术，特别是涉及一种功率器件和智能功率模块。

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，有必要提供一种可根据其特定的电性参数可监控自身结温的具有温度检测功能的功率器件。

一种具有温度检测功能的功率器件，与温度检测电路连接，所述温度检测电路内置或外置于所述功率器件，所述功率器件包括：

第一有源区，用于传输所述功率器件导通状态下的电流；

第一发射极，与所述第一有源区电性相连；

第一栅极区，设置于所述第一有源区上；

第一栅极，与所述第一栅极区电性相连；

第二有源区，设置于所述第一有源区外围，构成用于执行温度检测功能的检测器件；

第二发射极，与所述第二有源区电性相连；

集电区，位于所述功率器件的背面；

集电极，与所述集电区电性相连；及

耐压区，设置于所述第二有源区的外围；

所述温度检测电路通过检测所述检测器件和温度相关的电性参数的变化来监控功率器件的结温变化。

此外，还提了一种智能功率模块，包括至少一个上述的具有温度检测功能的功率器件。

上述的功率器件通过内部设置检测器件，采用功率器件的部分有源区作为检测器件的主体，通过检测关断状态下该有源区与温度相关的电性参数，利用该电性参数与温度的变化关系，可以实时的监控功率器件的结温，结温的检测精度高。

附图说明

图1(a)为本发明第一实施例中的功率器件的俯视结构示意图；

图1(b)为图1(a)所示的功率器件对应的电路图；

图2(a)为本发明第二实施例中的功率器件的俯视结构示意图；

图2(b)为图2(a)所示的功率器件对应的电路图；

图3(a)为图1(a)所示的功率器件的温度检测电路原理图；

图3(b)为图1(b)所示的功率器件的温度检测电路原理图；

图4为本发明实施例中功率器件的截面结构示意图；

图5为图4所述的隔离区的第一种实现方式的结构示意图；

图6为图4所述的隔离区的第二种实现方式的结构示意图；

图7为图4所述的隔离区的第三种实现方式的结构示意图。

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)至图4，本发明实施例中具有温度检测功能的功率器件10，与温度检测电路20连接，所述温度检测电路20内置或外置于所述功率器件10，功率器件10包括第一有源区110、第一发射极E1、第二有源区120、第二发射极E2、第一栅极区130、第一栅极G1、耐压区140、集电区160(参考图4)和集电极C。

本发明中功率器件10的有源区域发热元胞区域被分为两部分，一部分为第一有源区110，用于传输导通状态下的电流，执行功率器件10在电路应用中的主要功能；另一部分较小面积的为第二有源区120，用于输出与温度相关的电性参数以执行温度检测功能。由此，分别以第一有源区110、第一栅极G1区130、集电区160以及耐压区140构成常规的用于传输导通状态下的电流的器件本体Q1，以第二有源区120、第一栅极区130、集电区160以及耐压区140构成形成检测器件T1。

实施例一：

请参阅图1(a)和图1(b)及图3(a)，第一发射极E1与所述第一有源区110电性相连的；第一栅极区130设置于所述第一有源区110上；第一栅极G1与所述第一栅极区130电性相连，本实施例中，器件本体Q1和检测器件T1共栅极，即该第一栅极G1；第二有源区120设置于所述第一有源区110外围，构成用于执行温度检测功能的检测器件T1；第二发射极E2与所述第二有源区120电性相连；集电区160与所述第一有源区110和第二有源区120电性接触(参见图5)，且位于功率器件的器件本体Q1的背面；集电极C与所述集电区160电性相连，本实施例中，器件本体Q1和检测器件T1共集电极C；耐压区140设置于所述第二有源区120的外围。所述第一有源区110和所述第二有源区120的元胞结构相同。

所述温度检测电路20通过检测所述检测器件T1和温度相关的电性参数的变化来监控功率器件10的结温变化。具体地，该电性参数使所述检测器件T1在关断状态下输出的漏电流，在导通状态下的通态压降。

当器件本体Q1和检测器件T1共第一栅极G1(控制电极)，器件本体Q1和检测器件T1工作在相同的状态，此时二者的电流密度相同，因此具有共同的结温。采用这种方式，在第一有源区110和第二有源区120之间没有热量的传输，因此检测的温度最为精确。另一方面，这种方式可以共用控制电极，因此可以节省芯片的面积。

另外，所述第一有源区110的面积为所述第二有源区120在所述集电区160上投影的面积的9倍以上。即第二有源区120的面积为第二有源区120加上第一有源区110的面积的10％以下。第二有源区120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，第二有源区120的面积最大为功率器件10有源区总面积的10％，最小面积为有源区总面积的0.0001％。典型情况下，第二有源区120的面积为功率器件10有源区总面积的0.1％到2％之间。以额定电流为15A的IGBT为例，若第二有源区120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。

实施例二：

参考图2(a)和图2(b)和图3(b)，在实施例一的基础上，功率器件10上还设置有第二栅极区150和第二栅极G2，所述第二栅极区150设置于所述第二有源区120上；第二栅极G2与所述第二栅极区150电性相连。此时，功率器件10的器件本体Q1和检测器件T1分别具有不同的栅极区，其通断也分别通过不同的栅极控制，器件本体Q1具有的栅极区为第一栅极区130，控制电极为第一栅极G1；检测器件T1具有的栅极区为第二栅极区150，控制电极为第二栅极G2。

本实施例中，当器件本体Q1和检测器件T1的控制电极(栅极)不同时，分别为第一栅极G1和第二栅极G2。当系统处于温度检测模式时，器件本体Q1的控制电极和检测器件T1的控制电极二者的驱动信号相同。当系统处于正常工作(非温度检测)模式时，器件本体Q1的控制电极接驱动信号，检测器件T1的控制电极接低电位，处于关断状态。器件本体Q1的控制电极受控制信号的驱动而工作并且结温升高，检测器件T1自身处于关断状态，其自身并不产生任何热量。由于检测器件T1集成在芯片内部，器件本体Q1的第一有源区110的热量可以很快传输到检测器件T1的第二有源区120，通过检测第二有源区120的温度即可以确定芯片的结温。本实施例中，功率器件10的其他技术特征与实施例一相同，这里不再赘述。

在上述的实施例一、二中，温度检测电路20包括采样电路30和计算电路40，请参阅图3(a)和图(b)，。

采样电路30与检测器件T1的所述集电极C和所述第二发射极E2相连，检测所述检测器件T1在关断状态下的漏电流和/或导通状态下的通态压降。集电极C和第二发射极E2作为检测器件T1的温度检测信号的输出电极。

计算电路40与所述采样电路30相连，根据所述漏电流与温度的变化关系计算所述功率器件10的结温，和/或根据所述通态压降与温度的变化关系计算所述功率器件10的结温。最后以于放大电路输出和功率器件10的结温相应的电压值V_sense1。本实施例中，放大电路被集成于计算电路40。

更详细地，当检测器件T1处于关断状态。检测器件T1的集电极C和第二发射极E2之间受到反向的偏压。集电极C和第二发射极E2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和第二发射极E2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10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10的在结温为T₀时的漏电流大小，T₀为功率器件的工作温度常数，在25℃到100℃之间，β为温度常数。

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。电压信号经过对数运算电路处理后，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_cec0为被检测的功率器件10在结温为T₀时的漏电流转换的电压值。

当，检测器件T1处于导通状态。检测器件T1的集电极C和第二发射极E2之间的通态压降V_ce和温度T之间是线性关系满足下式：

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

其中，T所述功率器件10的结温，V_ce为所检测的通态压降大小，V_ce0为功率器件10的在结温为T₀时的通态压降大小，T₀为功率器件的工作温度常数，在25℃到100℃之间，，γ为温度常数。

另外，由于芯片的第一有源区110和第二有源区120既可以工作在相同的模式下，也可以工作在不同的模式下，考虑到电流的相互干扰，因此需要在芯片的纵向对第一有源区110和第二有源区120进行隔离。当检测器件T1工作在关断状态而器件本体Q1在导通和关断状态转换时，器件本体Q1的第一有源区110的导电载流子会扩散到第二有源区120，从而造成开关噪声和信号的干扰。

因此，在进一步的实施例中，请参照图4，功率器件10还包括用于隔离电性干扰的隔离区170，所述隔离区170设置于所述第一有源区110和所述第二有源区120之间，以及所述第一发射极E1和第二发射极E2之间。另外，需要说的是，半导体体区包括第一有源区110的元胞区域一和第二有源区120的元胞区域二以及集电区160。每个元胞区域包括多个元胞。元胞在半导体体区的正面形成，通过掺杂形成深度和掺杂类型不同的掺杂区域，集电区160在半导体体区的背面形成，其掺杂类型和半导体体区相反。第一有源区110与第一发射极E1，第二有源区120和第二发射极E2分别以隔离介质180隔离。而实际上，功率半导体器件的有源区自上至下主要有金属电极、隔离介质和半导体层组成。

本实施例中，所述隔离区170的宽度与所述第一发射极E1和第二发射极E2的间距相同，所述隔离区170的深度大于等于所述第一有源区110和所述第二有源区120中的PN结的最大深度。第一发射极E1和第二发射极E2的电极金属是不连接的，二者之间的距离最小为4um，典型情况下二者之间的距离为10um到20um。隔离区170起到隔离开关噪声的作用。隔离区170的宽度最小为4um，典型情况下在10um到20um之间。隔离区170的深度要求大于等于半导体区的半导体表面PN结的结深度最大值。典型情况下，半导体表面PN结深度为4um到10um，隔离区170的深度为4um到15um。

关于隔离区170有至少三种实现方式：

第一种：参考图5，所述隔离区170为掺杂区171，该掺杂区171的类型与所述耐压区140的类型相同。本实施例中，所述掺杂区171的结深与所述耐压区140域的PN结(未示出，结构可参考现有技术)结深相同。隔离区170采用PN结隔离，半导体区180为N型掺杂，隔离区170为P性掺杂，隔离区170可以采用和耐压区140的P型掺杂或者元胞区域P型掺杂相同的工序制备。此时隔离区170的结深和耐压区140的PN结结深或元胞区域PN结(未示出，结构可参考现有技术)结深相同。

第二种：参考图6，所述隔离区170包括一个隔离沟槽172，该隔离沟槽172内填充有填充介质和填充电极，所述填充电极与所述隔离沟槽172内壁以所述填充介质相隔。

本实施例中，隔离区170采用单个隔离沟槽172的方式实现。隔离沟槽172有填充介质1722和填充电极1724，填充介质1722一般为二氧化硅，填充电极1724一般为多晶硅。这种方法应用在沟槽栅IGBT中，隔离沟槽172的深度和栅沟槽(未示出，结构可参考现有技术)的深度相同，隔离沟槽172的宽度大于等于栅沟槽的宽度。

第三种：参考图7，所述隔离区170包括的隔离沟槽172为两个以上，每个所述隔离沟槽172的深度和栅沟槽的深度相同，每个所述隔离沟槽172的宽度大于等于栅沟槽的宽度，相邻的两个所述隔离沟槽172的间距大于等于所述隔离沟槽172的宽度。

此外，还提供了一种智能功率模块，包括至少一个上述的具有温度检测功能的功率器件10。

如此，功率器件10或智能功率模块可以通过在功率器件10上设置第二有源区120，采用功率器件10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通态压降，利用漏电流和通态压降随温度的变化关系，可以实时的监控功率器件10的结温。

Claims (15)

1.一种具有温度检测功能的功率器件，与温度检测电路连接，其特征在于，所述温度检测电路内置或外置于所述功率器件，所述功率器件包括：

第一有源区，用于传输所述功率器件导通状态下的电流；

第一发射极，与所述第一有源区电性相连；

第一栅极区，设置于所述第一有源区上；

第一栅极，与所述第一栅极区电性相连；

第二有源区，设置于所述第一有源区外围，构成用于执行温度检测功能的检测器件；

第二发射极，与所述第二有源区电性相连；

集电区，位于所述功率器件的背面；

集电极，与所述集电区电性相连；及

耐压区，设置于所述第二有源区的外围；

所述温度检测电路通过检测所述检测器件和温度相关的电性参数的变化来监控功率器件的结温变化。

2.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，还包括：

第二栅极区，所述第二栅极区设置于所述第二有源区上；

第二栅极，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，其特征在于，还包括用于隔离电性干扰的隔离区，所述隔离区设置于所述第一有源区和所述第二有源区之间，以及所述第一发射极和第二发射极之间。

4.根据权利要求3所述的功率器件，其特征在于，所述隔离区的宽度与所述第一发射极和第二发射极的间距相同，所述隔离区的深度大于等于所述第一有源区和所述第二有源区中的PN结的最大深度。

5.根据权利要求3所述的功率器件，其特征在于，所述隔离区为掺杂区，该掺杂区的类型与所述耐压区的类型相同。

6.根据权利要求5所述的功率器件，其特征在于，所述掺杂区的结深与所述耐压区域的PN结结深相同。

7.根据权利要求3所述的功率器件，其特征在于，所述隔离区包括隔离沟槽，该隔离沟槽内填充有填充介质和填充电极，所述填充电极与所述隔离沟槽内壁以所述填充介质相隔。

8.根据权利要求7所述的功率器件，其特征在于，所述隔离沟槽的深度和栅沟槽的深度相同，所述隔离沟槽的宽度大于等于栅沟槽的宽度。

9.根据权利要求7所述的功率器件，其特征在于，所述隔离沟槽为两个以上，每个所述隔离沟槽的深度和栅沟槽的深度相同，每个所述隔离沟槽的宽度大于等于栅沟槽的宽度，相邻的两个所述隔离沟槽的间距大于等于所述隔离沟槽的宽度。

10.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述第一有源区和所述第二有源区的元胞结构相同。

11.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述第一有源区的面积为所述第二有源区面积的9倍以上。

12.根据权利要求1或2所述的功率器件，其特征在于，所述温度检测电路包括采样电路和计算电路，其中：

采样电路，与所述集电极和所述第二发射极相连，检测所述检测器件在关断状态下的漏电流和/或导通状态下的通态压降；

计算电路，与所述采样电路相连，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，和/或根据所述通态压降与温度的变化关系计算所述功率器件的结温。

13.根据权利要求12所述的功率器件，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为所述功率器件的在结温为T₀时的漏电流大小，T₀为功率器件的工作温度常数，在25℃到100℃之间，β为温度常数。

14.根据权利要求12所述的功率器件，其特征在于，所述通态压降和温度之间的变化关系满足下式：

$T-T_0=\frac{V_{\mathrm{ce}}-V_{\mathrm{ce}0}}{\mathrm{\γ}}---\left(5\right)$

其中，T为所述功率器件的结温，V_ce为所检测的通态压降大小，V_ce0为功率器件的在结温为T₀时的通态压降大小，T₀为功率器件的工作温度常数，在25℃到100℃之间，γ为温度常数。

15.一种智能功率模块，其特征在于，包括至少一个权利要求1至14任一项所述的具有温度检测功能的功率器件。