CN106031040B - 用于控制结型场效应晶体管的电路布置和方法 - Google Patents

用于控制结型场效应晶体管的电路布置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种用于控制结型场效应晶体管(10)的电路布置，结型场效应晶体管包括控制接头(G)以及第一主接头(D)和第二主接头(S)，在其之间形成沟道。所述电路布置包括：用于产生控制信号的单元(21,22,24,25,26,27,28)，通过控制信号将结型场效应晶体管(10)在第一开关状态(导通)和第二开关状态(关断)之间交替地来回切换。所述电路布置包括：用于进行电流评价的单元(23)，其连接在控制接头(G)和第二主接头(S)之间。用于进行电流评价的单元(23)被构造用于，当或者一旦在从第一开关状态(导通)过渡到第二开关状态(关断)的情况下用于产生控制信号的单元(21,22,24,25,26,27,28)将在控制接头(G)和第二主接头(S)之间施加的电压(Vgs)控制为超过穿通电压时，测量流过控制接头(G)的反向电流(Ig)，并且根据所测量的电流(Ig)的大小，确定结型场效应晶体管(10)的绝对温度。

Description

用于控制结型场效应晶体管的电路布置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制结型场效应晶体管形式的半导体开关元件的电路布置和方法，结型场效应晶体管包括第一主接头和第二主接头，并且在其之间形成沟道。
背景技术
半导体开关元件例如用作功率开关元件。其中存在监视半导体开关元件的温度的必要性，以使得半导体开关元件和包括半导体开关元件的模块(也称为系统)整体上能够可靠地工作。在温度过高的情况下，控制半导体开关元件的电路布置必须保证可靠的切断。
为此，例如使用外部温度传感器、例如NTC温度传感器。其例如布置在包含半导体开关元件的模块中的支撑板上，半导体开关元件也布置在该支撑板上。替换地，还将外部温度传感器直接布置在紧邻半导体开关元件的热沉上。然而，在这两种情况下，温度测量与大的不确定性相关联。这特别是由支撑板或者热沉的热容量以及其热性能产生。热惯性的时间常数使温度监视电路的反应速度降低。这可能导致模块的动态过热，甚至导致热失效。
为了避免这，需要采集半导体开关元件的半导体的实际温度。然而，这无法通过上面提及的外部温度传感器来实现。
例如从功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)已知，使用固有的pn结温度特性来确定芯片温度。在此，使用反向二极管(所谓的体二极管)作为温度传感器。然而，这种工作方式不适合实际操作，因为体二极管在工作期间承载续流电流或者反向电流。由此，通过这种方法仅可以在切断负载之后测量温度，其中，为此测量信号由体二极管使用。现在，在制造的范围内，在将半导体开关元件置入模块之前使用这种测量方法，以确定数据明细表。同样已知将这种方法用于描述老化状态。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于控制半导体开关元件的电路布置和方法，其能够准确地确定半导体开关元件工作时的温度。
上述技术问题通过根据权利要求1的特征的电路布置和根据权利要求8的特征的方法来解决。有利构造从从属权利要求中得到。
本发明基于如下知识：能够使用结型场效应晶体管(Junction Field EffectTransistor,JFET)的pn结特性来确定其温度。
因此，提出了一种用于控制结型场效应晶体管的电路布置，结型场效应晶体管包括控制接头以及第一主接头和第二主接头，在其之间形成沟道。所述电路布置包括：用于产生控制信号的单元，通过控制信号将结型场效应晶体管在第一开关状态和第二开关状态之间交替地来回切换。所述电路布置还包括：用于进行电流评价的单元，其连接在控制接头和第二主接头之间。用于进行电流评价的单元被构造用于，当或者一旦在从第一开关状态过渡到第二开关状态的情况下用于产生控制信号的单元将在控制接头和第二主接头之间施加的电压控制为超过穿通电压时，测量流过控制接头的反向电流，并且根据所测量的电流的大小，确定结型场效应晶体管的绝对温度。
还提出了一种用于控制结型场效应晶体管的方法，结型场效应晶体管包括控制接头以及第一主接头和第二主接头，在其之间形成沟道。所述电路布置包括：用于产生控制信号的单元，通过控制信号将结型场效应晶体管在第一开关状态和第二开关状态之间交替地来回切换，以及用于进行电流评价的单元，其连接在控制接头和第二主接头之间。在所提出的方法中，当或者一旦在从第一开关状态过渡到第二开关状态的情况下用于产生控制信号的单元将在控制接头和第二主接头之间施加的电压控制为超过穿通电压时，用于进行电流评价的单元测量流过控制接头的反向电流，并且根据所测量的电流的大小，确定结型场效应晶体管的绝对温度。
根据本发明的思想，对于温度测量考虑结型场效应晶体管的栅极二极管的温度依赖性。由此，能够在结型场效应晶体管的半导体开关元件工作期间进行直接的高动态并且准确的温度监视。
在此，利用如下状况：p-n结、即栅极二极管的电阻与当前所处的温度有关。通过评价又与当前存在的电阻有关的反向电流、即栅极电流，由此能够推断p-n结所处的温度。这种方法一般在控制接头(栅极)未通过氧化物与沟道分离的半导体开关元件中在半导体开关元件工作时是可行的。
为了能够测量下面也称为反向栅极电流的反向电流，以确定当前所处的温度，设置为，在半导体开关元件关断的持续时间期间，将其控制为超过穿通电压。自达到穿通电压起，出现从第二主接头、即源极接头向控制接头、即栅极接头方向的反向电流，使用该反向电流来确定温度。如果在此出现的反向电流不超过特定值，则其不导致半导体开关元件的损坏，因为其是可逆的。
上述方法的优点在于，测量基本上与在半导体开关元件的沟道上流动的负载电流无关地进行，并且在没有负载电流流动的时刻进行。由此，测量能够高度准确地进行。特别是，由此能够避免包含半导体开关元件的模块由于温度过高而中断。另一个优点在于，相对于利用传统测量的半导体开关元件，半导体开关元件的工作范围由于更准确的温度确定而能够得到扩展。此外，能够使用对p-n结的温度的持续监视，来确定或者预测可靠性、老化状态和寿命周期结束(报废)。
根据所述电路布置的一种适宜的构造，用于产生控制信号的单元被构造用于，将在控制接头和第二主接头之间施加的电压控制为最大直至电压，在该电压下，通过控制接头的电流不超过预先给定的最大值。将该穿通电压称为一次击穿或者“primarybreakthrough”。如果在控制接头和第二主接头之间施加的电压、即源-栅电压明显超过穿通电压，则将由于过电流而产生半导体开关元件的不可逆的毁坏。这可以通过限制测量允许使用的最大电压来避免。
根据另一种适宜的构造，用于产生控制信号的单元被构造用于，使在控制接头和第二主接头之间施加的电压在反向电流的测量持续时间内保持恒定。这使得能够在半导体开关元件被切换为截止并且栅极二极管被控制为反向方向时，准确地测量电流。
适宜的是，结型场效应晶体管由碳化硅制成。
在另一种构造中，用于产生控制信号的单元包括微处理器，用于产生脉冲宽度调制(PWM)信号。此外，用于产生控制信号的单元包括用于检测结型场效应晶体管是否处于第二开关状态的单元，以便使用于进行电流评价的单元在第二开关状态的持续时间内与微处理器分离。特别地，用于检测结型场效应晶体管是否处于第二开关状态的单元被构造用于，使用于进行电流评价的单元在反向电流的测量持续时间内与微处理器分离。
附图说明
下面，根据附图中的实施例详细说明本发明。其中：
图1示出了使得能够确定半导体的温度的根据本发明的用于控制结型场效应晶体管的电路布置的示意性图示，
图2示出了曲线图，该曲线图与栅-源电压有关地图示栅极电流的一般特性，
图3示出了曲线图，该曲线图与栅-源电压有关地示出在半导体开关元件的关断状态下的反向栅极电流，以及
图4示出了曲线图，该曲线图与栅-源电压的用于测量的电压范围有关地示出反向栅极电流的与温度有关的确定。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于控制结型场效应晶体管10的电路布置20的实施例。结型场效应晶体管10例如可以是碳化硅场效应晶体管(SiC-JFET)。结型场效应晶体管10包括控制接头G(栅极)以及第一主接头D(漏极)和第二主接头S(源极)。在第一主接头D和第二主接头S之间形成沟道，当结型场效应晶体管10切换为导通时，在沟道上可以流过电流。存在于第二主接头(S)和第一主接头(D)之间的体二极管用11表示。
例如结型场效应晶体管的控制接头G连接到布置在n型导通(基底)材料中的p型导通区域。p型导通区域与结型场效应晶体管的n型导通材料形成p-n二极管。结型场效应晶体管(JFET)是无需控制信号切换为导通的半导体开关元件。将这样的部件称为“常通”半导体开关元件。为了防止在沟道上流过电流，需要在控制接头G上相对于第二主接头S施加负电压，以使半导体开关元件切换为截止。
下面进一步详细描述的电路布置20使得能够确定上面提及的p-n结、即栅-源二极管上的温度。在此，能够确定半导体开关元件工作时的温度。
电路布置20包括用于检测去饱和的单元21、故障存储器22、用于进行电流采集和评价的单元23、开关元件24、驱动器25、门电路26和产生控制信号的微处理器28。控制信号是由微处理器28输出的脉冲宽度调制信号(PWM信号)。经由在输入侧还与故障存储器22的输出端连接的门电路26，PWM信号经由开关元件24和用于进行电流采集和评价的单元23向结型场效应晶体管10的控制接头G提供，由此使结型场效应晶体管与控制信号对应地交替切换为截止和导通。
用于进行电流采集和评价的单元23连接在控制接头G和第二主接头S之间。通常在用于进行电流采集和评价的单元23和控制接头G之间设置电阻27(栅极电阻)。用于检测去饱和的单元21连接到第一主接头D(漏极接头)。用于检测去饱和的单元21检测结型场效应晶体管10具有哪种状态(截止或者导通)。该信息用于控制开关元件24。当结型场效应晶体管10被切换为截止(即JFET＝OFF或者关断)时，开关元件24断开。
用于检测去饱和的单元21的输出侧连接到驱动器25，驱动器25控制开关元件24的开关位置，以使结型场效应晶体管10接通或者关断。此外，用于检测去饱和的单元21与故障存储器22耦合。在发生故障时，向门电路26施加对应的故障信号，使得在门电路26的输出端处提供的信号确保结型场效应晶体管10截止。用于使过电流尖峰消隐(所谓的“消隐时间”)的单元29同样接收门电路26的输出信号。单元29用于例如在换向期间使过电流消隐。单元29的输出侧连接到用于检测去饱和的单元21。
在图1中示出的电路布置对应于结型场效应晶体管的传统驱动器。相对于传统的结型场效应晶体管驱动器，仅附加地设置了用于进行电流采集和评价的单元23。其例如可以作为简单的运算放大电路来设置。
在结型场效应晶体管10工作期间，当半导体开关元件关断、即切换为截止(开关元件24断开)时，单元23可以检测到从第二主接头S流向控制接头D的反向电流。该电流在如下情况流过，即，当反向控制栅极二极管、即控制接头G和第二主接头S之间的p-n结，并且控制(负的)栅-源电压超过夹断电压(Pinch-off-Spannung)时。紧接在半导体开关元件关断并且换向过程结束之后是这种情况。然后，在此期间，可以测量到(负的)栅极电流，并且用于确定p-n结处的绝对温度。对此，需要识别结型场效应晶体管的特性。
在图2中示出了曲线图，该曲线图针对SiC结型场效应晶体管与栅-源电压Vgs有关地示出了(正的)栅极电流Ig。在该曲线图中，示出了与p-n结处的温度有关的3个通过实验确定的I-U曲线。在此可以很清楚地看到，p-n结处的温度越高，电流以越小的栅-源电压上升。在温度为25℃(点划线)时，栅极电流Ig在栅-源电压Vgs下才开始上升时，电流Ig在温度为75℃(虚线)时大约为5mA，在125°(实线)C时大约为20mA。
图3示出了曲线图，该曲线图示出了负栅-源电压(-Vgs)时的反向栅极电流(-Ig)。在该曲线图中，示例性地分别针对2个不同的SiC结型场效应晶体管描绘了3个通过实验确定的曲线，其中，属于第一SiC结型场效应晶体管的曲线用310表示，并且属于第二碳化硅结型场效应晶体管的曲线用320表示。分别描绘了p-n结处的温度为25℃,125℃和200℃时的测量曲线。这些曲线可以利用任意方法来确定。
如在图4中所示出的，通过该电路布置对栅-源电压Vgs进行控制，使得其超过穿通电压UPT。在给定栅-源电压Vgs＝测量电压Umess的情况下，特定反向栅极电流-Ig(＝测量电流Imess)对应于特定温度(例如在25℃时为-5mA)。如果芯片温度例如升高到125℃，则在相同的电压Vgs＝Umess下，流过增大的电流Igs(例如-15mA)。对这种电流变化(在该示例中：从-5增大到-15mA)进行评价。
对反向栅极电流Igs的测量可以在用III表示的从穿通电压UPT(例如-28V)达到最大允许电压Umax的电压范围内进行。最大测量电压Umess＝Umax与预先给定的流过控制接头的电流的最大值有关。如果为了进行测量，超过了最大测量电压Umess＝Umax，则在用IV表示的范围内存在次级击穿的危险，这将导致结型场效应晶体管损坏。
一般来说，为了使结型场效应晶体管关断，将栅-源电压控制在用II表示的范围内，即电压处于夹断电压UPO(在该示例中：-22V)和穿通电压UPT(在该示例中：-28V)之间的范围内。如果在栅极和源极之间施加的电压处于用II表示的该范围内，则场效应晶体管不导通，即截止。与此相对，当结型场效应晶体管处于用I表示的范围内，即栅-源电压Vgs小于夹断电压UPO时，其导通。
如果参考值已知，则用于进行电流采集和评价的单元23可以通过简单地比较测量的负栅极电流与存储在存储器中的测量曲线，来推断结型场效应晶体管10的p-n结处的实际温度。
这可以在实际上不存在时间延迟的情况下准确地进行。由此，特别是能够防止原因为温度过高的包含该布置的模块的切断。本方法可以用于确定可靠性、老化状态和寿命的大概结束时间。

Claims (12)

1.一种用于控制结型场效应晶体管(10)的电路布置，结型场效应晶体管包括控制接头(G)以及第一主接头(D)和第二主接头(S)，在其之间形成沟道，所述电路布置具有：
-用于产生控制信号的单元(21,22,24,25,26,27,28)，通过控制信号将结型场效应晶体管(10)在第一开关状态和第二开关状态之间交替地来回切换；
-用于进行电流评价的单元(23)，其连接在控制接头(G)和第二主接头(S)之间；
-其中，用于进行电流评价的单元(23)被构造用于，当/一旦在从第一开关状态过渡到第二开关状态的情况下用于产生控制信号的单元(21,22,24,25,26,27,28)将在控制接头(G)和第二主接头(S)之间施加的电压(Vgs)控制为超过穿通电压时，测量流过控制接头(G)的反向电流(Ig)，并且根据所测量的电流(Ig)的大小，确定结型场效应晶体管(10)的绝对温度。
2.根据权利要求1所述的电路布置，其特征在于，用于产生控制信号的单元(21,22,24,25,26,27,28)被构造用于，将在控制接头(G)和第二主接头(S)之间施加的电压(Vgs)控制为最大直至电压，在该电压下，通过控制接头的电流不超过预先给定的最大值。
3.根据权利要求1所述的电路布置，其特征在于，用于产生控制信号的单元(21,22,24,25,26,27,28)被构造用于，使在控制接头(G)和第二主接头(S)之间施加的电压(Vgs)在反向电流(Ig)的测量持续时间内保持恒定。
4.根据权利要求1所述的电路布置，其特征在于，结型场效应晶体管(10)由碳化硅制成。
5.根据权利要求1所述的电路布置，其特征在于，用于产生控制信号的单元(21,22,24,25,26,27,28)包括微处理器(28)，用于产生PWM信号。
6.根据权利要求5所述的电路布置，其特征在于，用于产生控制信号的单元(21,22,24,25,26,27,28)包括用于检测结型场效应晶体管(10)是否处于第二开关状态的单元(21,25)，以便使用于进行电流评价的单元(23)在第二开关状态的持续时间内与微处理器分离。
7.根据权利要求6所述的电路布置，其特征在于，用于检测结型场效应晶体管(10)是否处于第二开关状态的单元(21,25)被构造用于，使用于进行电流评价的单元(23)在反向电流(Ig)的测量持续时间内与微处理器分离。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电路布置，其特征在于，所述第一开关状态是导通状态，所述第二开关状态是关断状态。
9.一种用于控制结型场效应晶体管(10)的方法，结型场效应晶体管包括控制接头(G)以及第一主接头(D)和第二主接头(S)，在其之间形成沟道，所述方法利用电路布置，所述电路布置包括：
-用于产生控制信号的单元(21,22,24,25,26,27,28)，通过控制信号将结型场效应晶体管(10)在第一开关状态和第二开关状态之间交替地来回切换，以及
-用于进行电流评价的单元(23)，其连接在控制接头(G)和第二主接头(S)之间；
其中，当/一旦在从第一开关状态过渡到第二开关状态的情况下用于产生控制信号的单元(21,22,24,25,26,27,28)将在控制接头(G)和第二主接头(S)之间施加的电压(Vgs)控制为超过穿通电压时，用于进行电流评价的单元(23)测量流过控制接头(G)的反向电流(Ig)，并且根据所测量的电流(Ig)的大小，确定结型场效应晶体管(10)的绝对温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，用于产生控制信号的单元(21,22,24,25,26,27,28)将在控制接头(G)和第二主接头(S)之间施加的电压(Vgs)控制为最大直至电压，在该电压下，通过控制接头的电流不超过预先给定的最大值。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，用于产生控制信号的单元(21,22,24,25,26,27,28)使在控制接头(G)和第二主接头(S)之间施加的电压(Vgs)在反向电流(Ig)的测量持续时间内保持恒定。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一开关状态是导通状态，所述第二开关状态是关断状态。
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