CN105258817A - 用于分立半导体器件的集成温度传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了用于分立半导体器件的集成温度传感器。一种半导体管芯，包括分立半导体器件和至少一个二极管。通过在第一测试条件下测量至少一个二极管的第一正向电压降、在第二测试条件下测量至少一个二极管的第二正向电压降、并且基于第一正向电压降测量和第二正向电压降测量之间的差异估计分立半导体器件的温度，来确定该分立半导体器件的温度。

Description

用于分立半导体器件的集成温度传感器
技术领域
当下的申请涉及分立半导体器件，并且更特别地涉及测量分立半导体器件的温度。
背景技术
一些分立功率半导体器件诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)、功率二极管等包括作为温度传感器的集成多晶硅二极管。已知的固定电流被驱动通过多晶硅二极管并且测量二极管的绝对正向电压降。理想地，二极管的绝对正向电压降随温度线性地降低。因而，可以使用正向电压降和二极管结温度之间的已知关系来从所测量的正向电压降直接推断出二极管的结温度。然而，半导体制造中固有的生产变化引起多晶硅二极管的正向电压行为上的宽的变化。结果，基于多晶硅二极管的温度传感器的精确度相对低。
此外，从外部端子至多晶硅二极管并返回至端子的、在半导体管芯(芯片)内部的迹线的电阻增加误差。流过二极管的电流不仅创建跨二极管的pn结的正向电压降，而且创建在迹线内的电压降。因而，所测量的二极管电压大于实际的pn结电压。虽然误差的符号是已知的，但是绝对量值不是已知的，这进一步加剧了测量误差。
更进一步地，被驱动通过二极管的测试电流的变化也引入误差。例如，如果测试电流例如归因于温度改变或者该测试电路的批次间改变而增加，则那么二极管的正向电压增加并且这被错误地解释为更低的温度。鉴于上面的和其它考虑(诸如更低的成本和复杂性)，想要用于分立功率半导体的更精确的温度传感器和温度感测技术。
发明内容
根据电路的实施例，电路包括半导体管芯，半导体管芯包括分立的半导体器件以及至少一个二极管。电路进一步包括集成电路，其可操作以在第一测试条件下测量至少一个二极管的第一正向电压降，在第二测试条件下测量至少一个二极管的第二正向电压降，并且基于第一正向电压降测量和第二正向电压降测量之间的差异来估计分立半导体器件的温度。
根据确定在还包括至少一个二极管的半导体管芯中包括的分立半导体器件的温度的方法实施例，该方法包括：在第一测试条件下测量至少一个二极管的第一正向电压降；在第二测试条件下测量至少一个二极管的第二正向电压降；以及基于第一正向电压降测量和第二正向电压降测量之间的差异来估计分立半导体器件的温度。
根据半导体管芯的实施例，所述管芯包括分立的晶体管，第一二极管或者第一二极管串，以及第二二极管或第二二极管串。半导体管芯进一步包括被连接至分立晶体管的栅极的第一端子，被连接到分立晶体管的集电极或漏极的第二端子，被连接到分立晶体管的发射极或源极的第三端子，被连接到第一二极管或第一二极管串的阳极的第四端子，以及被连接到第二二极管或第二二极管串的阳极的第五端子。
当阅读下面的详细描述、并且当查看随附附图时，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。
附图说明
附图的元件相对于彼此未必成比例。同样的参考标号指明对应的相似部分。各个所图解的实施例的特征可以被组合，除非它们彼此排斥。在附图中描绘了实施例并且在随后的描述中详述实施例。
图1图解具有基于集成的二极管的温度传感器的分立半导体管芯的实施例的示意图。
图2图解基于用于基于集成的二极管的温度传感器的正向电压降测量来确定分立半导体器件的温度的方法的实施例的流程图。
图3图解示出如何基于用于图1的基于集成的二极管的温度传感器的两个正向电压降测量之间的差异来确定分立半导体管芯的温度的绘制图。
图4图解具有被实现为具有势能(force)和感测端子的二极管串的基于集成的二极管的温度传感器的分立半导体管芯的另一实施例的示意图。
图5图解具有被实现为两个并联的二极管串的基于集成的二极管的温度传感器的分立半导体管芯的再一实施例的示意图。
图6图解示出如何基于用于图5的基于集成的二极管的温度传感器的两个正向电压降测量之间的差异来确定分立半导体管芯的温度的绘制图。
图7图解电路的实施例的示意图，所述电路包括具有分立半导体器件和基于集成的二极管的温度传感器的半导体管芯、以及用于基于用于基于集成的二极管的温度传感器的正向电压降测量来确定分立半导体器件的温度的集成电路。
具体实施方式
根据在此描述的实施例，温度传感器和温度感测技术被提供以用于具有高整体精确度的分立功率半导体器件。在此描述的温度传感器和温度感测技术更少地受到由生产变化、归因于管芯(芯片)内的迹线和/或接合引线和/或连接器的电阻的电压降、以及电流源变化所引起的误差的影响。在此描述的温度传感器和温度感测技术可以与分立晶体管(诸如IGBT、MOSFET、JFET等)以及分立二极管一起使用。在本说明书的上下文中，术语“MOSFET”应当被理解为包括更一般的术语“MISFET”(金属绝缘体半导体FET)。例如，术语MOSFET应当被理解为包括具有并非为氧化物的栅极绝缘体的FET，即，术语MOSFET分别被用在IGFET(绝缘栅场效应晶体管)和MISFET(金属绝缘体半导体场效应晶体管)的更一般的术语含义中。
图1图解具有用于在感测分立功率半导体器件102温度中使用的集成温度传感器的半导体管芯100的一个实施例。仅仅是为了说明性的目的而将分立功率半导体器件102图解为图1中的分立IGBT，并且具有栅极(G)、集电极(C)和发射极(E)，但是分立功率半导体器件102可以是分立MOSFET或者分立JFET，其中集电极替代地为漏极(D)并且发射极替代地为源极(S)，或者是分立二极管。在分立MOSFET的情况下，MOSFET具有本征的体二极管或者反向二极管(即阳极被连接至源极，阴极被连接至漏极)，其在图1中未示出以避免混淆。如在此所使用的术语‘分立’提及不同于集成电路的仅具有一个电路元件(诸如晶体管或二极管)的电子部件。比较而言，集成电路典型地在单个芯片上含有几百个至几十亿个电路元件。
根据该实施例，集成在具有分立功率半导体器件102的半导体管芯100中的基于二极管的温度传感器104是靠近接近于分立半导体器件102的单个感测二极管105，诸如多晶硅二极管、肖特基二极管等。一般而言，二极管105可以是任何类型的二极管，其能够与分立半导体器件102集成在一起并且具有已知的正向电压降(VF)相对于温度的特性，其允许根据用于二极管105的两个正向电压降测量之间的相对差异(Δ)来估计二极管结温度(Tj)。也就是，二极管105具有限定的正向电压降对于结温度的关系。二极管105被形成为足够靠近分立功率半导体器件100，从而二极管105的结温度(Tj)为分立功率半导体器件102的温度的精确表示。例如，二极管105可以被嵌入在功率半导体器件102内，例如靠近其表面。
半导体管芯100进一步包括第一端子106(诸如连接到IGBT的栅极或者MOSFET/JFET的栅极的接合焊垫)，连接到IGBT的集电极或者MOSFET/JFET的漏极的第二端子108，连接到IGBT的发射极或者MOSFET/JFET的源极的第三端子110，和连接到温度感测二极管105的阴极的第四端子112。替换地，第四端子112可以被连接至温度感测二极管105的阳极并且其阴极可以被连接至第三端子110(例如，在与图4和5中所示的相同的定向的情况下)。端子106-112可以通过一个或多个金属层、掺杂的半导体区、掺杂的多晶硅区等而被连接至分立半导体器件102和温度感测二极管105的对应节点。换句话说，如在比所使用的‘连接’可以意味着直接电连接(无中间的结构或区)或者间接电连接(一个或多个中间的结构或区)。半导体管芯100也可以包括被连接至温度感测二极管105的阳极的第五端子(图1中未示出)。替换地，二极管105的阳极可以被内部地连接至如图1中所示的IGBT的发射极或者MOSFET/JFET的源极，或者被内部地连接至分立二极管的阳极或阴极，并且可以省略第五端子。
在每一种情况下，通过在不同测试条件下测量温度感测二极管105的正向电压降以及基于正向电压降测量之间的差异(Δ)估计分立半导体器件102的温度，来确定分立半导体器件102的温度。与常规的绝对正向电压温度测量技术相比，这样的相对正向电压温度测量技术更少地受到在此先前描述的误差的影响。
图2图解确定分立半导体器件102的温度的方法实施例。该方法包括在第一测试条件下测量温度感测二极管105的第一正向电压降(VF1)(框图200)和在第二测试条件下测量二极管105的第二正向电压降(VF2)(框图210)。在图1的实施例的情况下，第一测试条件牵涉通过温度感测二极管105(例如经由连接至二极管105的阳极的半导体管芯100的端子110)驱动第一已知电流IF1，并且第二测试条件牵涉通过二极管105(例如经由相同管芯端子110)驱动不同于IF1的第二已知电流IF2。可以经由连接至二极管105的阴极的半导体管芯100的端子112获得不同的正向电压降测量Vf1、VF2。
然后基于ΔVF＝(VF1-VF2)(即第一正向电压降测量和第二正向电压降测量之间的差异)，估计分立半导体器件102的温度(框图220)。可以经由连接到温度感测二极管105的阳极和阴极的管芯端子110、112连续地测量正向电压VF1和VF2。
温度感测二极管105的正向电压降VF的测量是相对测量，即ΔVF测量，其中ΔVF由下式给出：
ΔVF = v * k * T q * ln IF 1 IF 2 - - - ( 1 )
并且其中：
v是发射因数或质量因数
k是玻尔兹曼常数
q是基本电荷
T是二极管的绝对温度
根据该相对测量技术，测量结果显著地更不易于受到感测二极管的生产变化以及电流源IF、IF1、IF2的生产变化(和基于温度的改变)的影响。该结果是并非直接基于绝对VF测量而是相反地基于相对ΔVF计算的温度估计。也就是，一个二极管的正向电压降VF被测量两次：一次在低电流(例如IF1和VF1)下测量；并且一次在更大电流(例如在IF2和VF2)下测量。VE1和VF2之间的差异与以开尔文测量的绝对温度成正比，如图3中所示，其中图1中所示的温度感测二极管105被提及为图3中的‘二极管D’(在图3中，IF1是更大的电流并且IF2是更小的电流，由而，VF1大于VF2)。
根据式子(1)，ΔVF随着绝对温度T线性地增加，即，ΔVF＝(VF1-VF2)～绝对温度T。另外，ΔVF不依赖于饱和电流并且因此不易于受到由生产变化所引起的误差的影响。替代地，电流比IF1/IF2确定基于二极管的温度传感器的整体精确度。正向电压降差异ΔVF可以被直接用于估计分立半导体器件102的温度。在包括如图1中所示的单个温度感测二极管105的基于二极管的温度传感器104的情况下，所得到的信号量值小。例如，对于单个多晶硅二极管而言，ΔVF/Δ温度＜1mV/Kelvin，并且更典型地在0.2至0.4mV/K之间。为了增加信号量值，基于二极管的温度传感器可以包括多于一个二极管。
图4图解用于在感测分立功率半导体器件102的温度中使用的基于二极管的温度传感器104的另一实施例。图4中示出的实施例与图1的实施例相似。然而，基于二极管的温度传感器104包括单个二极管串300。图4为了单纯地说明性的目的而示出在二极管串300中的四个二极管。一般而言，如果“n”个二极管被串联连接(即，被连接成串)，则那么电压差异增加至n*ΔVF。另外，根据该实施例，半导体管芯100具有分离的势能(force)和感测端子302、304以用于驱动测试电流IF1和IF2通过二极管串300并且分别测量对应的正向电压降VF1和VF2。在端子304和端子110之间测量正向电压降VFx，并且同时将电流IFx驱动到端子302中。
一般而言，基于二极管的温度传感器104的(以mV/Kelvin为单位测量的)增益或灵敏度取决于测试电流的比IF1/IF2，并且典型地在约0.2和0.4mV/K之间的范围内。将这与具有在1.4和1.6mV/K之间的范围内的增益或灵敏度的常规温度传感器相比较。温度传感器104的精确度(误差)由ln(IF1/IF2)确定。表达式ln(IF1/IF2)假设用于第一正向电压降测量VF1和第二正向电压降测量VF2的相同的pn结面积。在包括用于测量VF1和VF2的两个二极管串的温度传感器104的情况下，电流密度是相关的。因而，ln(JF1*Area1/JF2*Area2)是更一般的表达式，其中‘Area1’表示第一二极管串的pn结面积，并且‘Area2’表示第二二极管串的pn结面积(例如，如图5中所示那样)。因而，对于相同的pn结面积而言，ΔVF可以由ln(JF1/JF2)来表达。
图5图解用于在感测分立功率半导体器件102温度中使用的基于二极管的温度传感器104的又一实施例。图5中示出的实施例与图1和图4的实施例相似。然而，替代一个二极管串(图4)或单个二极管(图1)，温度传感器104包括用于估计分立半导体器件102的温度的两个二极管串400、402。在图5中每个二极管串400、402具有多于一个二极管。一般而言，每个二极管串400、402可以包括一个或多个串联的二极管。一般而言，存在两个并联的二极管(或者两个二极管串)并且IF1和IF2可以同时流动。像这样，可以立即测量并且直接读出ΔVF。甚至可以使用简单的并且低成本的(模拟)电路来快速地执行测量处理。甚至可以立即地并且在很少的附加电路的情况下完成诸如将ΔVF(＝Temp(温度))与阈值进行比较以确定是否达到温度阈值(例如，过温度警告阈值或者过温度关断阈值)的处理。相反，在图1中，IF1和IF2相继地流动，并且因此，VF1首先被测量，被数字化、被存储，并且之后VF2可以被测量，被数字化、被存储并且最后可以如在此先前所描述那样计算ΔVF。
半导体管芯100可以包括连接到每个二极管串400、402的阴极(CA1，CA2)的分离的端子(图5中未示出)。替换地，每个二极管串400、402的阴极可以被内部地连接至IGBT的发射极或者MOSFET/JFET的源极，如图5中所示那样，或者连接至分立二极管的阳极或阴极，并且可以省略该附加的端子。进一步地根据该实施例，每个二极管串400、402的阳极(A1、A2)被连接至半导体管芯100的不同端子404、406以用于驱动测试电流通过基于二极管的温度传感器104。通过测量响应于被经由对应的管芯端子404驱动通过第一二极管串400的第一电流(IF1)的第一正向电压降(VF1)、测量响应于被经由对应的管芯端子406驱动通过第二二极管串402的第二电流(IF2)的第二正向电压降(VF2)，以及基于VF1和VF2之间的差异估计分立半导体器件102的温度，来确定分立功率半导体器件102的温度。
可以经由连接至第一二极管串400的阳极A1和阴极CA1的管芯端子404、110来测量正向电压VF1。可以经由连接至第二二极管串402的阳极A2和阴极CA2的管芯端子406、110来测量正向电压VF2。在一个实施例中，第一电流IF1与第二电流IF2被驱动通过第二二极管串402同时地驱动第二电流IF2同时地被驱动，通过第一二极管串400驱动第一电流IF1。可以实时地并且在不用不得不存储VF1和VF2的情况下估计VF1和VF2之间的差异而不需存储VF1和VF2，以便估计分立半导体器件102的温度。以这种方式下，未必需要存储器和数字电路不是必须的，但是如果想要的话可以提供而是存储器和数字电路可以根据需要提供。另外而且，没有时间延迟，即在任何意单个瞬间，都可以获得实时温度测量是可获得的。可以如与在此中先之前描述的那样相同地同时地驱动IF1和IF2。然而，功率半导体器件102自身(IGBT/MOSFET/JFET/二极管)可以在那时被关断，即没有电流通过第二端子108、没有明显的电流通过第三端子110时(除了小的IFx以外)。通常在功率电子电路中，功率半导体按几kHz至几MHz来周期性地接通和关断。如果在断开时段期间进行VFx测量，则进一步最小化误差源。
在此先前描述的式子ln((JF1*Area1)/(JF2*Area2))提供了选项以借助于用于二极管串1或2的不同的pn结面积进一步调节ΔVF。通过针对相同pn结面积使用JF1≠JF2，或者通过使用JF1＝JF2和Area1≠Area2以及‘JF’和‘Area’两者的不同组合，可以获得不同的测试电流IF1≠IF2。在一个实施例中，第一二极管串400的pn结面积不同于第二二极管串402的pn结面积。根据该实施例，被驱动到第一二极管串400中的第一电流(IF1)可以与被驱动到第二二极管串402中的第二电流(IF2)相同。在另一实施例中，第一二极管串400和第二二极管串402具有相同的pn结面积并且IF1≠IF2。在这种情况下，被驱动到第一二极管串400中的第一电流(IF1)与被驱动到第二二极管串402中的第二电流(IF2)相比具有不同的量值。在任一情况下，VF1≠VF2并且基于二极管的温度传感器104的结温度与ΔVF＝VF1-VF2成比例。也就是，VF1和VF2之间的差异与按Kelvin(开尔文)测量的绝对温度成正比，如图6中所示，其中第一二极管串400被提及为‘D1’，第二二极管串402被提及为‘D2’，IF1≠IF2，并且Area1＝Area2。
在此描述的温度感测二极管或者温度感测二极管串或者多个感测二极管或者多个温度感测二极管串被集成在半导体管芯100中，并且与分立半导体器件102热耦合，从而基于二极管的温度传感器104的结温度是分立半导体器件102的温度的精确表示。基于二极管的温度传感器104可以与分立半导体器件102电隔离，即阳极和阴极都不电连接至分立器件102的任何节点(栅极，集电极/漏极，发射极/源极，阳极，阴极)。替代地，基于二极管的温度传感器104的阳极和阴极与分立器件节点102电隔离。替换地，基于二极管的温度传感器104的阳极或阴极或感测或势能端子可以电连接至分立器件节点中的一个或多个，例如连接至分立IGBT的发射极端子或者分立MOSFET/JFET的源极端子，或者连接至分立功率二极管的阳极或阴极。这样的内部布置减少了成本和复杂性(减少了管芯的端子/焊垫个数，减少了接合引线的数量，减少了封装或模块的管脚个数)。例如，单个温度感测二极管可以与分立半导体器件102集成在一起并且该二极管的阳极可以被电连接至分立IGBT的发射极或者分立MOSFET/JFET的源极，例如如图1中所示那样。在另一示例中，串联的两个或更多个温度感测二极管的单个串可以被电连接至分立IGBT的发射极或者分立MOSFET/JFET的源极，其中温度传感器具有分离的势能和感测端子，例如如图4中所示那样。在又一示例中，两个温度感测二极管串(每个具有一个或多个串联的二极管)可以被电连接至分立IGBT的发射极或者分立MOSFET/JFET的源极，例如如图5中所示那样。
图7图解电路的实施例，电路包括半导体管芯100以及集成电路500，半导体管芯100包括分立的半导体器件102和基于二极管的温度传感器104，集成电路500用于基于用于基于二极管的温度传感器104的正向电压测量来估计分立半导体器件102的温度。仅仅为了说明性的目的将分立功率半导体器件102图解为图7中的分立IGBT，并且分立功率半导体器件102具有栅极(G)、集电极(C)和发射极(E)，但是分立功率半导体器件102可以是分立MOSFET或者分立JFET(其中集电极替代地为漏极(D)，并且发射极替代地为源极(S))或者是分立二极管。取决于管芯技术，可能出现不同类型的寄生器件P1、P2。晶体管漂移区的电阻(RDRIFT)和体电阻(RBODY)也被示出在图7中。
用于估计分立半导体器件102的温度的集成电路500可以被实现为与控制分立半导体器件102的正常功能操作的其它电路分离的单独电路。替换地，集成电路500可以是控制分立半导体器件102的操作的电路的整体部分。例如，集成电路500可以被实现为控制器或者驱动器的一部分，所述控制器或驱动器被编程或设计为控制分立半导体器件102的正常功能操作并且还基于用于基于二极管的温度传感器104的正向电压测量来估计分立半导体器件102的温度。集成电路500包括分析单元502，分析单元502用于在第一测试条件下测量基于二极管的温度传感器104的第一正向电压降VF1、在第二测试条件下测量基于二极管的温度传感器104的第二正向电压降VF2，并且如在此先前描述的那样基于VF1和VF2之间的差异来估计分立半导体器件102的温度。
根据如图7中所示的实施例，基于二极管的温度传感器104包括集成到半导体管芯100(例如，功率晶体管管芯或者功率二极管管芯)中的两个温度感测二极管DP1、DP2。该集成电路500具有用于生成第一电流IF1的第一电流源504和用于生成第二电流IF2的第二电流源506。第二电流源506匹配于第一电流源504，因为IF1/IF2的比具有很小的温度变化并且还具有很小的批次间变化(即，遍布于生产中的非常小的IF/F12)。在一个实施例中，第二电流源506匹配于第一电流源504，以使得IF1/IF2的比在-40℃至175℃的温度范围上按+/-1％或更少来变化。一般而言，基于在此描述的技术，＜1％(甚至0.25％)的匹配是容易地可实现的，并且因此，温度测量在不用较多的努力的情况下就是非常精确的。
分析单元502将电流IF1应用到半导体管芯100的第一势能端子(F1)并且将电流IF2应用到管芯100的第二势能端子(F2)。第一势能端子F1被连接至第一温度感测二极管DP1的阳极，并且第二势能端子F2被连接到第二温度感测二极管DP2的阳极。在图7中示出与相应的连接路径关联的寄生电阻RA1、RA2。半导体管芯100还包括第一感测端子S1和第二感测端子S2以及用于测量跨温度感测二极管DP1、DP2的正向电压降的共用阴极端子CD。温度感测二极管DP1、DP2的阴极在管芯100内被内部地连接至图7中的管芯100的共用端子CD。替换地，温度感测二极管DP1、DP2的阴极可以被连接至管芯的不同端子(图7中未示出)并且因此并未在管芯100内被内部地连接。在任一情况下，分析单元502测量响应于管芯100的感测端子S1和阴极端子CD之间的电流IF1的第一温度感测二极管DP1的正向电压降VF1。分析单元502相似地测量响应于管芯100的感测端子S2和阴极端子CD之间的电流12的跨第二温度感测二极管DP2的正向电压降VF2。可以在半导体管芯100的感测端子S1、S2和集成电路500之间提供低欧姆路径以确保精确感测。一般而言，通流过感测端子S1、S2的电流默认非常小，比IF1和IF2更小得多，并且因此，跨低欧姆路径的电压降非常小。另外，仅对ΔVF(＝VF1-VF2)进行计量，并且因此，只要通过S1和S2的电流相同，就可以消除S1中和S2中的误差电压降。这是在此描述的相对测量技术的关键品质，由此消除大部分误差。
分析单元502测量或者计算ΔVF＝VF1-VF2，其与温度感测二极管的绝对结温度(Tj)成正比(Tj～ΔVF/Tj～VF1-VF2)。可以在包括电流源504、506的相同集成电路内部执行ΔVF测量或者评估。与其中基于单个VF测量来估计温度的常规绝对测量相比，ΔVF测量是相对测量。关于电路定时，电流源504、506、分析单元502、ADC510等可以被同步从而电流IFx和VF测量以及计算等被彼此同步。此外，在分立IGBT/MOSFET/JFET的情况下，温度测量可以与分立半导体器件102的周期性开关转换同步。在达到(温度)阈值(例如设置警告标记)的情况下，集成电路500也可以执行预定动作，使误差计数器递增、关断(过热)的分立半导体器件102(例如，集成电路可以是分立半导体器件102的驱动器IC的一部分)，把已经达到过温度条件信号通知给另一电路(如驱动器IC或者DSP/微控制器等)。
图7中示出的集成电路能够被适配用于与在此描述的任何基于二极管的温度传感器实施例一起使用。例如关于图1的单个温度感测二极管实施例，集成电路500可以包括开关或者复用器(为了易于说明在图7中未示出)以用于选择第一电流源504以驱动测试电流I1通过单个二极管105并然后在稍后选择第二电流源506以驱动测试电流I2通过二极管105。替换地，集成电路500可以包括能够被编程为在不同时间驱动两个不同电流IF1、IF2通过单个二极管105的单个可编程电流源。在任一情况下，分析单元502本质上至少部分地是数字的并且可以包括用于存储所得到的正向电压测量VF1、VF的存储器508。例如，集成电路502可以包括ADC(模拟到数字转换器)电路510，用于将模拟正向电压测量转换成对应的数字表达以用于在存储器508中存储。分析单元502例如基于式子(1)，基于存储在存储器508中的正向电压降测量之间的差异来估计分立半导体器件的温度。在图1的单个温度感测二极管实施例的该情况下，半导体管芯100仅需要具有一个势能端子和一个感测端子以用于测量正向电压降VF1、VF2，如在此先前描述的那样。
关于图4的单个温度感测二极管串的实施例，集成电路500可以具有与用于图1的单个温度感测二极管的实施例相同或相似的设计，因为关于测量正向电压降VF1、VF2，从集成电路500的视角来看，单个二极管串300可以被看作为一个二极管。关于图5的双温度感测二极管串的实施例，集成电路500可以具有与在图7中所示的相同或相似的设计，因为关于测量正向电压降VF1、VF2，从集成电路500的视角来看，每个二极管串400、402可以被看作为一个二极管。每一种情况下，集成电路500具有相对低的温度测量误差。
为了易于描述以解释一个元件相对于第二元件的定位而使用了在空间上相对的术语，诸如“在...之下”、“以下”、“下部”、“在...之上”和“上部”等。除了与在各图中描绘的那些不同的定向之外，这些术语还意图涵盖器件的不同定向。进一步地，诸如“第一”和“第二”等的术语也被用于描述各种元件、区、部分等，并且也并非意图进行限制。贯穿于描述，同样的术语提及同样的元件。
如在此所使用的那样，术语“具有”、“含有”、“包括”和“包含”等是指示存在所声称的元件或特征、但是不排除附加的元件或特征的开放的术语。代词“一个”和“某个”意图包括多个以及单个，除非上下文清楚地另外指示。
在谨记上面的变化和应用的范围的情况下，应当理解本发明不由前述描述限制，也不由随附附图限制。替代地，本发明仅由随后的权利要求及其法律等同物限制。

Claims (21)

1.一种电路，包括：
半导体管芯，包括分立半导体器件和至少一个二极管；和
集成电路，其可操作以：
在第一测试条件下测量至少一个二极管的第一正向电压降；
在第二测试条件下测量至少一个二极管的第二正向电压降；
以及基于第一正向电压降测量和第二正向电压降测量之间的差异来估计分立半导体器件的温度。
2.如权利要求1所述的电路，其中分立半导体器件是具有集电极、发射极和栅极的IGBT或者是具有漏极、源极和栅极的FET，其中至少一个二极管的阳极被内部连接至IGBT的发射极或者FET的源极，并且其中半导体管芯包括连接至IGBT的栅极或者FET的栅极的第一端子，连接到IGBT的集电极或者FET的漏极的第二端子，连接到IGBT的发射极或者FET的源极的第三端子，和连接到至少一个二极管的阴极的第四端子。
3.如权利要求1所述的电路，其中至少一个二极管包括单个二极管或者单个二极管串，并且其中集成电路可操作以：
测量响应于被驱动通过单个二极管或者单个二极管串的第一电流的第一正向电压降；
存储第一正向电压降测量；
测量响应于与被驱动通过单个二极管或者单个二极管串的第一电流不同的第二电流的第二正向电压降；
存储第二正向电压降测量；以及
基于所存储的正向电压降测量之间的差异来估计分立半导体器件的温度。
4.如权利要求3所述的电路，其中分立半导体器件是具有集电极、发射极和栅极的IGBT或者是具有漏极、源极和栅极的FET，其中单个二极管串的阴极被内部连接至IGBT的发射极或者FET的源极，并且其中半导体管芯包括连接至IGBT的栅极或者FET的栅极的第一端子，连接至IGBT的集电极或者FET的漏极的第二端子，连接至IGBT的发射极或者FET的源极的第三端子，连接至单个二极管串的阳极以用于利用第一电流和第二电流驱动单个二极管串的势能端子，以及连接至单个二极管串的阳极以用于测量第一正向电压降和第二正向电压降的感测端子。
5.如权利要求1所述的电路，其中至少一个二极管包括第一二极管或者第一二极管串，以及第二二极管或第二二极管串，以及其中集成电路可操作以：
测量响应于被驱动通过第一二极管或第一二极管串的第一电流的第一正向电压降；
测量响应于被驱动通过第二二极管或第二二极管串的第二电流的第二正向电压降；和
基于第一正向电压降和第二正向电压降测量之间的差异来估计分立半导体器件的温度。
6.如权利要求5所述的电路，其中集成电路可操作以同时驱动第一电流通过第一二极管或者第一二极管串并且驱动第二电流通过第二二极管或者第二二极管串。
7.如权利要求6所述的电路，其中集成电路可操作以将第一正向电压降测量和第二正向电压降测量之间的差异与阈值进行比较以确定是否达到温度阈值。
8.如权利要求5所述的电路，其中与第二二极管或者第二二极管串相比，第一二极管或者第一二极管串具有不同的pn结面积，并且其中第一电流与第二电流相同或第一电流与第二电流不同。
9.如权利要求5所述的电路，其中第一二极管或者第一二极管串具有与第二二极管或者第二二极管串相同的pn结面积，并且其中第一电流不同于第二电流。
10.如权利要求5所述的电路，其中集成电路包括用于生成第一电流的第一电流源和用于生成第二电流的第二电流源，以及其中第二电流源匹配于第一电流源。
11.如权利要求10所述的电路，其中第二电流源匹配于第一电流源以使得第一电流与第二电流的比在-40℃至175℃的温度范围上按+/-1％或更少来变化。
12.如权利要求5所述的电路，其中分立半导体器件是具有集电极、发射极和栅极的IGBT或者是具有漏极、源极和栅极的FET，其中第一二极管或第一二极管串的阴极和第二二极管或第二二极管串的阴极被内部连接至IGBT的发射极或者FET的源极，并且其中半导体管芯包括连接至IGBT的栅极或者FET的栅极的第一端子，连接到IGBT的集电极或者FET的漏极的第二端子，连接至IGBT的发射极或者FET的源极的第三端子，连接至第一二极管或第一二极管串的阳极的第四端子，以及连接至第二二极管或者第二二极管串的阳极的第五端子。
13.一种确定分立半导体器件的温度的方法，该分立半导体器件被包括在还包括至少一个二极管的半导体管芯中，该方法包括：
在第一测试条件下测量至少一个二极管的第一正向电压降；
在第二测试条件下测量至少一个二极管的第二正向电压降；和
基于第一正向电压降测量和第二正向电压降测量之间的差异来估计分立半导体器件的温度。
14.如权利要求13所述的方法，其中至少一个二极管包括单个二极管或者单个二极管串，并且其中测量第一正向电压降和第二正向电压降和估计分立半导体器件的温度包括：
测量响应于被驱动通过单个二极管或者单个二极管串的第一电流的第一正向电压降；
存储第一正向电压降测量；
测量响应于与被驱动通过单个二极管或者单个二极管串的第一电流不同的第二电流的第二正向电压降；
存储第二正向电压降测量；和
基于所存储的正向电压降测量之间的差异来估计分立半导体器件的温度。
15.如权利要求13所述的方法，其中至少一个二极管包括第一二极管或者第一二极管串以及第二二极管或者第二二极管串，并且其中测量第一正向电压降和第二正向电压降以及估计分立半导体器件的温度包括：
测量响应于被驱动通过第一二极管或者第一二极管串的第一电流的第一正向电压降；
测量响应于被驱动通过第二二极管或者第二二极管串的第二电流的第二正向电压降；和
基于第一正向电压降测量和第二正向电压降测量之间的差异来估计分立半导体器件的温度。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
同时驱动第一电流通过第一二极管或第一二极管串并且驱动第二电流通过第二二极管或第二二极管串。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：
将第一正向电压降测量和第二正向电压降测量之间的差异与阈值进行比较，以确定是否达到温度阈值。
18.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
经由第一电流源生成第一电流并且经由第二电流源生成第二电流，第二电流源匹配于第一电流源。
19.一种半导体管芯，包括：
分立晶体管；
第一二极管或第一二极管串；
第二二极管或第二二极管串；
连接到分立晶体管的栅极的第一端子；
连接到分立晶体管的集电极或漏极的第二端子；
连接到分立晶体管的发射极或源极的第三端子；
连接到第一二极管或第一二极管串的阳极的第四端子；和
连接到第二二极管或第二二极管串的阳极的第五端子。
20.如权利要求19所述的半导体管芯，其中第一二极管或者第一二极管串的阴极和第二二极管或第二二极管串的阴极被内部连接至分立晶体管的发射极或源极。
21.一种半导体管芯，包括：
分立晶体管；
二极管串，具有被内部连接至分立晶体管的发射极或源极的阴极；
连接至分立晶体管的栅极的第一端子；
连接至分立晶体管的集电极或漏极的第二端子；
连接至分立晶体管的发射极或源极的第三端子；
连接至二极管串的阳极以用于利用第一电流和第二电流来驱动二极管串的势能端子；和
连接到二极管串的阳极以用于测量响应于相应的第一电流和第二电流的第一正向电压降和第二正向电压降的感测端子。
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