CN105321934B - 用于对功率半导体热保护的电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对功率半导体(30)热保护的电路装置，其中在功率半导体的控制回路和负载回路中设有两级的热保护。具有与温度有关的电阻装置(R4)的第一级(10)当在所述与温度有关的电阻装置(R4)处达到第一阈值温度时用于减少或者切断所述功率半导体(30)的控制电压。此外，在所述功率半导体(30)的负载回路中使用第二级(20)，所述第二级具有与所述功率半导体(30)热耦联的保护元件(F1)，当在所述保护元件(F1)处达到第二阈值温度时用于中断所述功率半导体(30)的负载电流。在此，第一级形成对功率半导体(30)的主动的温度保护以避免受损，并且第二级在功率半导体(30)故障的情况下形成温度保护。

Description

用于对功率半导体热保护的电路装置
技术领域
本发明涉及一种用于对功率半导体热保护的电路装置，所述功率半导体例如可以用于控制针对多种应用的电动机。
背景技术
对可在富有挑战的环境中例如在发动机罩下或者在严苛的工业应用中使用的电子装置的需求持续提高。由此，对新的材料和更高效的功率部件的需求同样增长。当部件如功率晶体管(例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))、电容器、电阻器或者集成电路长时间地经受这些严苛的条件时，高温情况下的高功率应用会导致潜在严重的热问题。
为了改进热管理，曾提出用于改进热分布以及新的冷却体材料的集成的设计技术。除此之外，曾提出次级的保护措施，以便停止热不稳定性，所述热不稳定性因功率部件失效引起或者因腐蚀所导致的发热引起。
通常提出使用热保护装置或者热断路器或者热开关。这样的模块不仅在交流应用中而且在直流应用中提供了全面且具体的温度激活特征。然而，对电路板安装提出高的挑战。因为在电路板越来越多的情况下仅使用用于表面安装的部件，所以具有穿通孔的模块会意味着特定的安装方法和附加的成本和复杂性。
在严苛的机动车环境中，功率半导体、例如功率MOSFET通常经受极端的温度波动和极端的热机械应力。间歇性的短路、冷的运行环境、电弧以及感应性的负荷和多次短路随着时间会导致构件的疲劳现象，使得该构件以断开的、短路的或者阻性的模式失效。
虽然功率半导体如MOSFET变得越来越稳固，但是当超出其标称值时，它们对可能非常快发生的故障敏感。因此例如在超出最大工作电压时发生雪崩击穿(AvalancheBreakdown)。如果所释放的能量高于标称的雪崩能量，那么模块会受损并且故障。机动车领域中的功率半导体与在要求较低的应用中所安装的模块相比可证实对疲劳和故障更敏感。在五年的使用之后，故障率之差高于为十倍。虽然这样的模块可以通过初始测试，但是已证明，在特定的条件下随机地分布在其中的薄弱处会在使用期间引起故障。
即使在MOSFET在所给出的运行条件内工作的情况中，也曾在不同的电阻值中观察到随机分布的且不可预见的阻性的短路。为阻性模式的故障不仅对MOSFET而言而且对电路板而言都是令人不安的。10W已经会产生大于+180℃的局部热积聚(Hotspot)，这明显高于电路板的135℃的典型温度边界。其环氧结构由此受损并且出现热事件。
冷却风扇模块(Cooling Fan Modules(CFMs))是车辆的空调设备和发动机冷却系统中的主要元件。它们冷却发动机并且防止在特定的条件下、例如在炎热天气和在陡峭路段上行驶时的潜在的过热。CFMs通常集成在发动机盖下并且相较于在乘客舱中的模块经受极端的温度波动。该热负荷会加速功率MOSFET的疲劳并且引起过早的故障。
由此存在对功率半导体的改进的热保护的需求。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有用于至少一个功率半导体的改进的热保护的电路装置。
该目的通过根据权利要求1所述的电路装置实现。
通过提供第一级和第二级可以实现在功率半导体的控制回路和负载回路中的改进的、双线的保护，其中所述第一级具有与温度有关的电阻装置，该电阻装置用于在达到第一阈值温度时减少功率半导体的控制电压，所述第二级具有热耦合的保护元件，所述保护元件用于在达到第二阈值温度时中断功率半导体的负载电流。在达到第一阈值温度时，向下调节功率半导体的控制电压，直至温度降低到第一阈值温度之下。在超出临界的第二阈值温度时，功率半导体的负载电流通过保护元件中断，这在电路板可能因热点受损之前引起硬断电。
优选地，电路装置可以具有如下电路板，所述电路板为了容纳在封闭的壳体中配备有集成的冷却体和伸出的端子接触部。这种在封闭的壳体中的紧凑的实施方案实现了对严酷运行环境中的、例如机动车中的影响的良好防护。
优选地，可以设有用于将功率半导体和/或电路板压向冷却体的弹簧装置。这引起冷却体和功率半导体或电路板之间的热阻减小，使得可以更容易地导出热。
根据一个优选的实施方式，冷却体可以经由可脱开的卡锁连接与壳体连接。这实现了简单地打开封闭的壳体或者更换冷却体以用于使电路装置匹配于改变的环境条件。
优选地，与温度有关的电阻装置可以设置在第一级的分压器分支中。由此可以通过分压器的适当设计来调节与温度有关的电阻装置的电阻改变对功率半导体的控制电压的作用。
与温度有关的电阻装置优选可以具有带有正温度系数的电阻。这样的电阻也可以通过例如设置在第一级中的半导体器件或者具有相应的特征的半导体电路实现。通过适当地选择温度系数由此可以实现功率半导体的控制电压的所期望的改变。
优选地，热保护元件具有至少一个熔断丝。这实现了在触发过程之后简单地更换热保护元件。
最后，功率半导体可以是用于控制电动机的场效应晶体管。这实现了在控制所有类型的电动机时改进的热保护。
附图说明
接下来根据实施例参照附图详细地阐述本发明。
在附图中：
图1示出根据本发明的第一实施例的电路装置的示意性框图；
图2示出根据本发明的第二实施例的电路装置的示意性电路图；
图3示出根据本发明的第三实施例的设有冷却体的、装配过的电路板的斜视图；
图4示出根据第四实施例的具有封闭的壳体的电路装置的彼此分散开的分解视图；
图5A和5B示出根据第四实施例的电路装置的立体斜视图；以及
图6示出根据第四实施例的具有封闭的壳体的电路装置的立体剖视图。
具体实施方式
根据用于控制机动车中的风扇、鼓风机等的电动机的电路装置对本发明的不同的实施例进行描述。
图1示出根据第一实施例的电路装置的示意性框图，其中功率半导体或者由至少一个功率半导体构成的功率开关模块30通过两级的热保护装置来保护防止热过载。
两级的热保护措施由功率半导体30的控制回路中的第一级10构成并且用于在达到或者超出第一预定的温度(例如切断温度)时减少或者切断在控制输入端110上存在的控制信号(控制电压或者控制电流)，使得可以实现对功率半导体30的控制端子可逆调节地切断。由此可以保护功率半导体以免受错误的负载或者不充分的通风。
热保护装置用作用于功率半导体30的热保护的第二级20，所述热保护装置在功率半导体130的负载回路中串联连接在工作电压电势120和参考电势130(例如接地电势)之间。在达到或者超出临界温度的情况下，该第二级引起负载回路的中断，使得在可能形成热点之前，功率半导体30处的热不稳定事件引起第二级20的热保护装置击穿。由此在过压、短路、马达堵转或者过热的情况下功率半导体30受保护以免所述功率半导体在其两个负载端子之间的负载段击穿。
第一级10可以是与温度有关的电阻装置，所述电阻装置可以是PTC(正温度系数)电阻、NTC(负温度系数)电阻、半导体器件或者具有相应的特征的半导体电路。第二级20的热保护装置可以通过熔断丝或者具有与温度有关的中断部的相应的半导体保护元件实现。
图2示出根据第二实施例的详细的电路装置的示意性电路图。
在根据图2的电路中，功率半导体是自锁n沟通MOSFET晶体管T1，熔断丝F1串联连接在所述晶体管的负载回路中并且所述晶体管经由该熔断丝F1与马达端子M连接。在此，熔断丝F1连接在MOSFET晶体管T1的漏极端子D上。MOSFET晶体管T1的源极端子S与接地电势连接。在图2中未示出的、通过MOSFET晶体管T1控制的电动机连接在接口M和与接地电势连接的端子G之间。
MOSFET晶体管T1此外可以经由电容器C1动态地反馈并且通过在其栅极端子G处反向串联连接的Z二极管或者齐纳二极管V1和V2来保护以防过压。用于控制电动机的电路装置的控制输入端I经由PTC电阻R4和由电阻R1和R2形成的分压器与MOSFET晶体管T1的栅极端子G连接。通过适当地选择分压器的这两个电阻R1和R2，可以影响输入信号与MOSFET晶体管T1的栅极端子G上的控制信号之比。随着温度升高，PTC电阻R4的电阻升高并且在MOSFET晶体管T1的栅极端子G处通过分压器分小的控制电压相应地减小。由此可以实现：在负载回路中MOSFET晶体管T1的正向电阻提高并且在达到预定的温度时MOSFET晶体管T1的控制电压变小到使得MOSFET晶体管T1最终中断负载回路。这对应于图1中的第一级10的保护作用。
MOSFET晶体管T1的负载回路中的熔断丝F1对应于图1中的第二级20并且在达到另一个(更高的)预定温度时引起负载回路中断，以便由此在过压、短路、过度的负荷或者过热的情况下保护MOSFET晶体管T1以免其漏极源极段击穿。
此外，经由可选的反馈端子F由马达端子M或者熔断丝F1的控制端子通过电阻R3提供反馈信号。
应指出的是：在根据图2的示意性电路图中仅示出对于阐述本发明的运行方式所需的构件。其它用于优化马达控制功能的构件出于简明化原因未示出。
图3示出根据本发明的第三实施例的电路板60与固定在其上的冷却体50的示意图。
电路板60直接与冷却体50连接，以便由此保证在根据图2的MOSFET晶体管T1中形成的热良好地导出。在图3中也示出MOSFET晶体管T1、熔断丝F1和引出的端子70，所述端子用于接地(G)、用于控制马达速度的控制电压(I)、马达(M)和反馈(F)。
由此，可以实现具有良好的散热和改进的热保护的电路装置的紧凑构造。
图4示出根据第四实施例的设置在封闭的壳体中的电路装置的彼此分散开的分解视图。
在此，冷却体50、电路板60和端子70对应于根据图3的第三实施例中的相应部件。
图4中的视图示出在安装好的状态中的各个部件及其后续的设置。除了在图3中示出的部件外，还设有螺旋弹簧80，所述螺旋弹簧用于使具有MOSFET晶体管T1的电路板60相对于形成热沉的冷却体50加载压力。
最后，根据第四实施例的电路装置还包括具有以卡锁方式可脱开的固定装置的壳体元件90，在安装后冷却体50的两个侧边棱可脱开地卡锁到所述固定装置中，使得电路板60、端子70和弹簧80被通过冷却体50和壳体元件90形成的壳体围绕。由此，可实现防护环境影响的具有改进的热保护和良好导热的电路装置。为了电连接电路装置，端子70通过在壳体元件90的下侧上的一个或多个相应的开口引出。
冷却体50可以是线性地挤出的结构，所述结构也可以手工修改。电路板60可以借助于硅酮液滴、粘合剂等固定，其中必须保证良好的热传递。对此也可以使用导热膏。电路板60可以用机器或者手动地装配，其中例如可以利用表面安装的构件(Surface MountedDevices(SMD))执行回流焊接(reflow-
Figure BDA0000725507250000061
)。接口70可以构成为SMD端子。
螺旋弹簧可以在大批量生产中制造并且设有导热的固定装置。壳体元件90的向上伫立的卡锁钩可以通过硅酮固定，并且壳体元件90可以是注塑成型件，其中卡锁机构的卡锁钩替选地也可以以铸模直接设置。
图5A和5B在斜向上和斜向下的视图中示出根据在图4中示出的第四实施例的安装好的电路装置的立体斜视图。在所述视图中示出卡锁到壳体元件90中的冷却体50，其中在图5A中可看到设置在壳体元件90的下侧中的用于通向端子70的通道的开口。
最后，图6在沿着线A-A’的剖面中示出穿过根据图5A的安装好的电路装置的剖视图。
在根据图6的剖视图中示出在图4中示出的各个部件的安装好的状态，其中具有MOSFET晶体管T1和熔断丝F1的电路板借助于螺旋弹簧90被压向冷却体50，以便由此实现良好的热耦合。熔断丝F1优选同样具有与MOSFET晶体管T1的良好的热耦合，使得可以可靠地避免MOSFET晶体管T1的过热。此外，在图6中示出固定或者焊接在电路板60上的端子70和其从壳体元件90出来的引出部。
根据第四实施例的被封装的实施方式由此良好地抵御严苛应用领域例如机动车的领域中的环境影响。
最后，应注意的是，本发明并不限于上述实施例，而是可以在所附的权利要求的范围之内予以修改。如已经所提到的那样，电路板的电构件可以是SMD构件，所述SMD构件可以自动化地施加。MOSFET晶体管可以是适合于在车辆领域中使用的具有相应的壳体例如D2PAK等的高功率MOSFET。当然，其它功率半导体以及FET晶体管和双极性晶体管的组合也可以考虑作为功率半导体。热保护装置可以是在回流法中用于表面安装的SMD保护装置。热电阻可以是PTC或者NTC电阻、用于功率半导体的可逆的栅极切断的半导体构件或者SMD芯片。电路板可以是具有用于改进热学特性的优化过的材料配置的IMS(绝缘金属衬底，Insulated Metal Substrat)，使得可以实现优化的温度耦合。在电路板和冷却体之间可以通过导热膏、接合部或者热接触点或接触区域实现良好的热转移。功率半导体(例如MOSFET晶体管T1)可以借助于弹簧机构固定在电路板上行，以便由此实现在功率半导体和电路板或冷却体之间的良好的热传导。螺旋弹簧可以通过任意其它替选的弹簧或者压力加载机构替代。冷却体的散热片可以具有对冷却优化过的形状。
综上所述，描述了一种用于功率半导体的热保护的电路装置，其中设有两级的、在功率半导体的控制回路和负载回路中的热保护。具有与温度有关的电阻装置的第一级10当在与温度有关的电阻装置处达到第一阈值温度时用于减少或者切断功率半导体30的控制电压。此外，在功率半导体30的负载回路中使用具有与功率半导体30热耦合的保护元件的第二级20，用以当在保护元件处达到第二阈值温度时中断功率半导体的负载电流。在此，第一级形成功率半导体30的主动的温度保护以用于避免受损，并且第二级形成在功率半导体20故障的情况下的温度保护。

Claims (9)

1.一种用于对功率半导体(30)热保护的电路装置，具有：
-设置在所述功率半导体(30)的控制回路中的第一级(10)，所述第一级具有与温度有关的电阻装置(R4)，当在所述与温度有关的电阻装置(R4)处达到第一阈值温度时所述第一级用于减少或者切断所述功率半导体(30)的控制电压；和
-设置在所述功率半导体(30)的负载回路中的第二级(20)，所述第二级具有与所述功率半导体(30)热耦合的保护元件(F1)，当在所述保护元件(F1)处达到第二阈值温度时所述第二级用于中断所述功率半导体(30)的负载电流，导致在会形成热点之前所述第二级(20)的保护元件(F1)击穿，
其中所述第二阈值温度高于所述第一阈值温度。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其中所述电路装置具有电路板(60)，所述电路板为了容纳在封闭的壳体(90)中配备有集成的冷却体(50)和引出的端子接触部(7)。
3.根据权利要求2所述的电路装置，具有用于将所述功率半导体(30)和所述电路板(60)压向所述冷却体(50)的压力加载装置(80)。
4.根据权利要求2或3所述的电路装置，其中所述冷却体(50)经由能脱开的卡锁连接与所述壳体(90)连接。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其中所述与温度有关的电阻装置(R4)设置在所述第一级(10)的分压器分支中。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其中所述与温度有关的电阻装置具有带有正温度系数的电阻。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其中所述与温度有关的电阻装置以半导体器件或者具有相应的特征的半导体电路的形式设置在所述第一级(10)之内。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其中所述保护元件(F1)具有至少一个熔断丝。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其中所述功率半导体(30)具有用于控制电动机的场效应晶体管(T1)。
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