CN106644142A - 具有电子功率部件及直接检测这种部件的温度的电子器件 - Google Patents

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CN106644142A CN201610969150.2A CN201610969150A CN106644142A CN 106644142 A CN106644142 A CN 106644142A CN 201610969150 A CN201610969150 A CN 201610969150A CN 106644142 A CN106644142 A CN 106644142A
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F·索利奥
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Abstract

描述了包括温度检测部件(2)和集成的电子功率部件(3)的电子器件(1)，所述器件(1)适于安装到基板(S)上。集成的电子功率部件(3)具有适于安装在基板(S)上的第一表面部分(31)以与第一表面部分(31)相反的第二表面部分(32)。温度检测部件(2)包括适于通过引线接合(W)连接到基板(S)的两个传感器端子(21，22)，还包括温度传感器(20)，其配置成检测表示集成的电子功率部件(3)温度(T3)的温度(T)，并通过两个传感器端子(21，22)提供表示所检测到温度(T)的电信号(V)。温度检测部件(2)还包括电绝缘支撑件(23)，其具有胶合到集成的电子功率部件(3)的所述第二表面部分(32)上的胶合表面(24)。温度传感器(20)和传感器端子(21，22)以平面构造布置在支撑件(23)的与胶合表面(24)相反的表面(25)上，使得温度检测部件(2)叠加在集成的电子功率器件(3)上，并使得温度传感器(20)和两个传感器端子(21，22)相对于集成的电子功率器件(3)电绝缘。

Description

具有电子功率部件及直接检测这种部件的温度的电子器件
技术领域
本发明涉及电子功率器件的技术领域。
具体地，本发明涉及一种电子器件，其设置有集成的电子功率部件并且能够执行对这种部件的温度的直接、准确检测。
此外，本发明涉及一种使用这种器件来测量器件本身的集成的电子功率部件的操作温度的方法。
本发明还涉及包括上述器件的电子模块和电子系统，其适于管理能量流，特别是(但不限于)在用于电动或混合动力牵引机动车辆的运动系统和电池的领域内管理能量流。
背景技术
控制电池和马达/逆变器组合件之间的能量流的电子功率模块/器件在汽车领域内、特别是在用于电动或混合动力牵引机动车辆的运动系统和电池的上述环境中发挥关键作用。这样的电子模块/器件配置成在各种电压和功率水平下操作，可在“高电压”(例如380V或450V)和“高功率”(例如50kW)以及在电压(例如48V或60V)和功率(例如，10kW)下，它们在该上下文中被定义为“低的”，但仍然相当高。起作用的高功率使得需要布置和控制适当的耗散机制(例如，利用水进行冷却)和监测电子部件所达到温度。
更具体地，在这种情况下，控制电子功率部件的温度是非常重要的，以便既避免由异常导致的过热(并且因此实现保护或安全过程)，又获得关于电流的指示(并且因此在需要时实施对这种电流进行受控限制的过程)。参考后一方面，值得指出的是，即使在电动或混合动力马达的某些正常操作条件下，电流(如果不受限制的话)可能达到非常高的不可接受的值：例如当电动马达从静止或上坡起动时处于“0RPM”状态时发生这种情况。
通常使用的控制策略包括估计存在于电子功率模块/部件处的温度，并在该温度超过预定阈值时执行电流限制，即功率降低或降额。
因此，需要以精确的方式估计温度并且尽可能快速地跟踪其变化。
在属于上述技术背景的已知系统和方法(在图5A中示出了其简化图示)中，温度估计基于在“电子模块”级别进行的温度测量：例如，借助于与电子功率部件39(其温度预期要被估计)不同的热敏电阻29，其通常安装在同一陶瓷基板上，即安装“电子模块”的陶瓷基板上，其包括功率部件39和热敏电阻29。
在本文中通常使用的热敏电阻是“垂直”结构的热敏电阻29，即具有热敏元件、两个电极和布置于热敏元件的下表面和上表面(其中词语“上”、“下”是指热敏电阻的组装方向)上的相应端子。因此，当安装热敏电阻器29时，热敏电阻的一个端子在基板上获得的专用焊盘49处与模块的基板(例如陶瓷基板)接触。
在这种情况下，需要将热敏电阻相对于电子功率器件保持在电绝缘条件下，这会迫使热敏电阻相对于其温度要被测量的部件安装在相对远的焊盘上(例如，铜焊盘之间的最小距离为0.5mm，以符合电绝缘)。
这意味着明显的缺点，即由热敏电阻测量的温度可能与功率器件的实际温度显著不同：仅举一个示例，在电子功率部件中70℃量级的热偏移通常对应于热敏电阻中15℃量级的热偏移。因此基于校准因数来估计功率部件温度，该校准因数基于分别测量的部件的检测温度T和实际温度的时间演变曲线来定义，其在表征模块的步骤中初始确定(参见例如图4A中的图表)。这种校准因数可以被存储，然后在能够执行估计所需计算的处理器中使用。
上述已知解决方案意味着在模块的操作寿命期间随时间推移的低的温度估计精度和/或性能衰减的缺点。
甚至更严重的是与热敏电阻的动态特性相关的缺点。由于热惯性以及热敏电阻和电子功率部件之间的给定距离，如果它具有非常短的持续时间，则部件中的快速电流峰值以及因此温度峰值的检测可能被延迟或可能完全未被检测到。这样的缺点可能彻底地损坏整个电流控制和/或保护和安全过程的正确操作。
考虑到已知系统和方法的上述缺点，原则上解决方案可以本身已知的方式将温度传感器集成在与电子功率器件相同的集成电路或芯片中：例如通过集成作为温度传感器操作的硅二极管。然而，由于额外的成本以及在芯片的硅基板中占用额外的空间，这样的解决方案是不利的，或者甚至在某些情况下(包括在此考虑的情况)是完全不可行的。实际上，由于温度传感器必须相对于电源电路电绝缘，如上所述，为了确保其电绝缘的唯一目的，必须在温度传感器周围提供足够的“未使用的”硅基板空间。
总之，目前可用或可设想到的现有技术解决方案不能充分满足电子功率器件/部件温度估计的精确性、快速性和保真度的要求，而且还具有所有上述缺点。
鉴于上述，主要在汽车应用的环境中，而且在其它应用环境中，强烈地感觉到需要一种电子器件，其设有集成的电子功率部件，并且还能够执行这种部件温度的直接且精确的检测，并且同时其不提供温度传感器在与电子功率部件在同一芯片中集成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电子器件，其设置有集成的电子功率部件并且能够执行这种部件温度的直接且精确的检测，该器件设置为使得其能够在例如适于电动或混合动力牵引车辆的运动系统中使用，并且以便允许至少部分地解决上面参考现有技术所指出的缺点并且满足在所考虑到的技术领域中特别感觉到的上述需要。
本发明的另一个目的在于提供包括前述器件的电子模块和电子系统，其适于管理能量流，例如在用于电动或混合动力牵引机动车辆的运动系统和电池领域中管理能量流。
本发明的另一个目的在于用于测量器件本身的集成的电子功率部件的操作温度的方法。
这种目的通过根据权利要求1所述的电子器件来实现。
该器件的其它实施例在权利要求2至8中限定。
根据本发明的模块在权利要求9中限定。
该模块的其它实施例在权利要求10至11中限定。
根据本发明的系统在权利要求12中限定。
这种系统的另一实施例在权利要求13中限定。
根据本发明的方法在权利要求14中限定。
这种方法的另一实施例在权利要求15中限定。
附图说明
根据本发明的电子器件、模块和系统的进一步特征和优点将从以下示出优选实施例的描述中得以明晰，所述优选实施例通过示例性的非限制性示例的方式参照附图给出，其中：
-图1示出根据本发明实施例的电子器件的侧截面的示意图；
-图2示出图1中所示器件的示意性俯视图；
-图3示意性地示出根据本发明实施例的系统，其包括根据本发明的三个模块，每个模块进而包括诸如图1和图2中所示的器件；
-图4A示出在现有技术器件中估计温度和实际温度的典型时间趋势；
-图4B是示出在根据本发明的器件中估计温度和实际温度的时间趋势的图表；
-图5A示出包括现有技术器件的模块的布局的局部透视图；
-图5B示出包括根据本发明实施例的器件的模块的布局的局部透视图。
应当指出的是，上述附图中的相同或相似的元件将用相同的数字或字母数字附图标记指示。
具体实施方式
现在将参照图1和图2描述电子器件1，该器件包括温度检测部件2和集成的电子功率部件3。电子器件1适于安装在基板S上。
集成的电子功率部件3具有适于安装在基板S上的第一表面部分31和与第一表面部分31相反的第二表面部分32。
温度检测部件2包括适于通过引线接合W连接到基板S的两个传感器端子21、22，并且还包括温度传感器20。温度传感器20配置成检测温度T并通过两个传感器端子21、22提供电信号V，其中温度T表示集成的电子功率部件3的温度T3，电信号V表示检测到的温度T。
温度检测部件2还包括电绝缘支撑件23，其具有胶合到集成的电子功率部件3的所述第二表面部分32上的胶合表面24。
温度传感器20和传感器端子21、22以平面构造布置在支撑件23的与胶粘表面24相反的表面25上，使得温度检测部件2叠加在集成的电子功率部件3上，因此温度传感器20和两个传感器端子21、22相对于集成的电子部件3电绝缘。
应当指出的是，温度检测部件2的平面构造尤其意味着两个传感器端子都被放置在支撑件23上方的同一平面上，并且在与传感器20相同的平面上，使得温度检测部件2的所有导电元件都相对于电子功率部件3电绝缘。相反，如前所述，现有技术中通常使用的“垂直”结构的热敏电阻29要求电极中的一个和下部端子与基板接触。
出于该原因，这种“垂直”热敏电阻不能安装在电子功率部件上方，而本发明器件的温度检测部件2可以直接附接在电子功率部件3上方，同时保持上述两个部件之间必要的电绝缘要求。
在该方面，还值得指出的是，在上述器件1中，温度检测部件2和电子功率部件3的各个导电部分之间没有接触，并且在上述两个部件之间也没有用于交换数据的信号连接。
根据可选的实施方式，支撑件23是电绝缘的，但是具有高导热性(即，通过传导来传递热的较高能力)。
根据示例性的实施方式，电绝缘支撑件23非常薄(例如，包括在200μm和500μm之间)，这意味着温度传感器20处的温度T非常类似于在电子功率部件3的第二表面32(上表面)处的实际温度或甚至基本上与上述实际温度相同，因此非常类似于这种功率部件3的温度T3或甚至基本上与温度T3相同。
在图4B中示出在根据本发明的器件中的电子功率部件3的估计温度(T3)和实际温度(T)的时间演变的示例。
事实上，由于从电子功率部件3的上表面32到温度传感器20的传导效应造成的热传递由支撑件23的高导热性而得到促进，支撑件23是电绝缘的但具有通过热传导从电子功率部件3进行热传递的较高能力。电子功率部件3和温度传感器20之间的温度差异被最小化，因为耗散的热量通过陶瓷基板S(其通常与冷却流体或者与外部散热器接触)移除。温度传感器20直接焊接在电子功率部件3的耗散区域上方，使得将这样的传感器20置于相对于电子功率部件3的基本上等温的条件下。
根据器件1的实施例，温度检测部件2包括通过第一芯片制成的平面热敏电阻2。集成的电子功率部件3通过第二芯片制成，其中上述第二表面部分32是导电部分。
温度检测部件2通过非导电胶G胶合在集成的电子功率部件3上。
在这种情况下，上述第一芯片和第二芯片以“芯片堆叠(chip-on-chip)”的构造叠置。
根据可选的实施方式，集成的电子功率部件3包括属于下述集合的至少一个有源元件，所述集合包括功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)和/或二极管和/或功率MOS场效应晶体管(MOSFET)。
根据各种实施方式的变型，上述有源元件的最多样化的组合可集成在构成电子功率部件3的芯片中。
这样的部件可包括多个集成的有源元件，例如至少一个MOSFET晶体管和至少一个二极管。
根据其它实施方式的变型，有源元件，例如一个或多个功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)和一个或多个二极管，可以单独制造。
根据可选的实施方式，电绝缘支撑件23包括绝缘陶瓷层。
根据替代的选择方案，电绝缘支撑件23包括氧化硅层。
根据器件1的实施例，温度传感器2包括具有电阻R的电阻器元件R，电阻R根据温度以已知方式变化。关于这一点，可以使用本身已知的温度传感器，例如NTC(NegativeTemperature Coefficient，负温度系数)或PTC(正温度系数，Positive TemperatureCoefficient)类型的温度传感器。
根据实施方式的变型，温度传感器2通过平面薄膜技术制成。通过丝网印刷在氧化铝(铝氧化物)基底上沉积多层金属材料，其执行电阻器的功能并且具有随温度变化的电阻。专用于与容纳功率元件的母基板互连的两个焊盘布置在丝网印刷电阻器的端子处。
现在将参照图3描述根据本发明的电子模块10的实施例。
电子模块10包括陶瓷基板S，在其上安装根据上述实施例中任一个实施例的电子器件1。模块10还包括用于直流电流的两个电端子11、12和用于交流电流的另一电端子13。
根据可选的实施方式，电子器件1的两个传感器端子21、22通过引线接合W连接到基板S。
根据可选的实施方式，模块10配置成通过用于直流电流的两个电端子11、12在等于或高于380V的电压下连接，并且在具有等于或大于50kW的功率的电流上操作。
根据另一可选的实施实施方式，模块10配置成通过用于直流电流的两个电端子11、12在包括在48V至60V之间的电压下连接，并且在具有从10kW至20kW的功率的电流上操作。
再次参照图3，现在描述根据本发明的系统100。系统100包括根据上述任一实施例的在结构和操作上相互相似的三个电子模块10。
这种系统100还包括控制装置15，其配置成从一个或多个温度检测部件2接收分别表示检测到的温度(T，T'，T”)的一个或多个相应的电信号V、V'、V”，基于上述一个或多个电信号V、V'、V”估计集成的电子功率部件3的温度T3、T3'、T3”，并且基于估计的温度T3、T3'、T3”调节系统100的操作。
系统100适于管理三相电压/电流。
根据可选的实施方式，上述控制装置15包括控制处理器15，其配置成执行安全程序，在与超过一个或多个预定温度阈值相关联的预定风险条件下减少或消除电流。
上述电子模块10和系统100通常应用于汽车环境中并且例如可用于以可控方式在用于电动或混合动力牵引车辆的运动组合件中连接/断开电池和马达/逆变器组。电子模块10和系统100借助于其中包括的电子器件1可精确地检测电子功率部件的温度并且执行适当的监测、控制和保护程序。
在这种上下文中，如前所述，模块10和系统100可配置成在预期的典型条件下操作，即在“高电压”(例如380V或450V)和“高功率”(例如，50kW)或较低的电压(例如，48V或60V)和较低的功率(例如10kW)下操作。
下面描述用于测量集成的电子功率部件3的操作温度的方法，所述集成的电子功率部件3具有适于安装在基板S上的第一表面部分31和与第一表面部分31相反的第二表面部分32。
该方法首先提供将温度检测部件2胶合到集成的电子功率部件3的所述第二表面部分32上的步骤，温度检测部件2具有平面构造并且包括两个传感器端子21、22，温度传感器20和电绝缘支撑件23，使得温度检测部件2叠加在集成的电子功率部件3上，并且温度传感器20和两个传感器端子21、22与集成的电子功率部件3电绝缘。
该方法然后提供以下步骤：通过温度传感器20检测温度T，该温度T存在于传感器20处并且表示集成的电子功率部件3的温度T3；然后，通过两个传感器端子21、22供应电信号V，该电信号V表示检测到的温度T；最后，通过引线接合W将两个传感器端子21、22连接到基板S，使得电信号V能够被提供至集成的电子功率部件3和温度检测部件2的外部。
根据该方法的不同的可选实施方式，该方法通过根据上述器件实施例中的任一个实施例的电子器件1来执行。
如可观察到的那样，本发明的目的通过器件1借助其功能和结构特征而完全实现。
实际上，器件1包括直接附接到集成的电子功率部件3的表面部分的温度检测部件2。
在上述意义上，温度检测部件2具有平面构造这一事实允许在这种情况下也保证必要的电绝缘。
温度检测部件非常接近集成的电子功率部件3这一事实确保温度传感器与电子功率部件3处于基本上等温的条件下。进而，这允许根据需要显著增加对电子功率部件3的温度T3进行估计的可实现的精度。此外，显著改善了检测响应的及时性，以及因此显著改善检测温度峰值的能力，以及显著改善检测具有非常短持续时间的温度峰值的能力。
此外，必须指出的是，获得上述优点并不需要将温度传感器集成到与电子功率部件相同的芯片中，而是使用这两个部件通过不同的芯片制成的构造。
因此，根据本发明的器件可有利地安装在电动或混合动力车辆中的电池负载系统中。
参考使用上述器件的模块、系统和方法可具有类似的优点。
本领域技术人员可对上述器件的实施例进行改变和修改，或者可以用功能上等同的其它元件来替换所述元件，以满足可能的需要，而不脱离所附权利要求的保护范围。被描述成属于一个可能实施例的所有特征可以独立于所述的其它实施例来实现。这些附图不是按比例绘制的，因为它们为了更好的图示清晰度而特别地要求适当地突出各种部分。

Claims (15)

1.一种电子器件(1)，其适于安装到基板(S)上，所述器件(1)包括温度检测部件(2)和集成的电子功率部件(3)，所述集成的电子功率部件(3)具有适于安装在所述基板(S)上的第一表面部分(31)以及与所述第一表面部分(31)相反的第二表面部分(32)；
其中所述温度检测部件(2)包括：
-两个传感器端子(21，22)，其适于通过引线接合(W)连接到所述基板(S)；
-温度传感器(20)，其配置成检测温度(T)并通过所述两个传感器端子(21，22)提供电信号(V)，其中所述温度(T)表示集成的电子功率部件(3)的温度(T3)，所述电信号(V)表示所检测到的温度(T)；
-电绝缘支撑件(23)，其具有胶合到集成的电子功率部件(3)的所述第二表面部分(32)上的胶合表面(24)；
并且其中所述温度传感器(20)和所述传感器端子(21，22)以平面构造布置在所述支撑件(23)的与所述胶合表面(24)相反的表面(25)上，使得所述温度检测部件(2)叠加在集成的电子功率器件(3)上，并且使得温度传感器(20)和两个传感器端子(21，22)相对于集成的电子功率器件(3)电绝缘。
2.根据权利要求1所述的器件(1)，其特征在于：
-所述温度检测部件(2)包括通过第一芯片制成的平面热敏电阻(2)
-所述集成的电子功率部件(3)通过第二芯片制成，其中所述第二表面部分(32)是导电部分；
-所述温度检测部件(2)通过非导电胶(G)胶合在所述集成的电子功率部件(3)上；
-所述第一芯片和第二芯片以“芯片堆叠”的构造叠置。
3.根据权利要求1或2所述的器件(1)，其特征在于，所述集成的电子功率部件(3)包括属于下述集合的至少一个有源元件，所述集合包括功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)和/或二极管和/或功率MOS场效应晶体管(MOSFET)。
4.根据权利要求3所述的器件(1)，包括多个所述有源元件，所述多个有源元件包括：
至少一个MOSFET晶体管；
或至少一个功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)和至少一个二极管。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述电绝缘支撑件(23)包括绝缘陶瓷层。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述电绝缘支撑件(23)包括氧化硅层。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述温度传感器(2)包括具有电阻(R)的电阻器元件(R)，所述电阻(R)根据温度能够以已知方式变化。
8.根据前述权利要求中任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述温度传感器(2)通过平面薄膜技术制成。
9.一种电子模块(10)，其包括：
-陶瓷基板(S)；
-安装在所述基板(S)上的至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的器件(1)；
-用于直流电流的两个电端子(11，12)；
-用于交流电流的另一电端子(13)。
10.根据权利要求9所述的模块(10)，其特征在于，所述模块配置成通过用于直流电流的两个电端子(11，12)在等于或高于380V的电压下连接，并且在具有等于或大于50kW功率的电流上操作。
11.根据权利要求9所述的模块(10)，其特征在于，所述模块配置成通过用于直流电流的两个电端子(11，12)在40V至60V之间的电压下连接，并且在具有10kW至30kW之间的功率的电流上操作。
12.一种系统(100)，其包括：
-三个根据权利要求9至11中任一项所述的模块(10)；
-控制装置(15)，其配置成分别从一个或多个温度检测部件(2)接收表示所检测到的温度(T，T'，T”)的一个或多个电信号(V，V'，V”)，并且还配置成基于所述一个或多个电信号(V，V'，V”)估计集成的电子功率部件(3)的温度(T3，T3'，T3”)，以及基于估计的温度(T3，T3'，T3”)调节系统(100)的操作；
所述系统(100)适于管理三相电压/电流。
13.根据权利要求12所述的系统(100)，其特征在于，所述控制装置(15)包括控制处理器(15)，所述控制处理器配置成执行安全程序，在与超过一个或多个预定温度阈值相关联的预定风险条件下减少或消除电流。
14.用于测量集成的电子功率部件(3)的操作温度的方法，所述集成的电子功率部件(3)具有适于安装在基板(S)上的第一表面部分(31)和与第一表面部分(31)相反的第二表面部分(32)，该方法包括以下步骤：
-将温度检测部件(2)胶合到集成的电子功率部件(3)的所述第二表面部分(32)上，温度检测部件(2)具有平面构造并且包括两个传感器端子(21，22)、温度传感器(20)和电绝缘支撑件(23)，使得温度检测部件(2)叠加在集成的电子功率部件(3)上，并且温度传感器(20)和两个传感器端子(21，22)与集成的电子功率部件(3)电绝缘；
-通过温度传感器(20)检测温度(T)，该温度(T)存在于传感器(20)处并且表示集成的电子功率部件(3)的温度(T3)；
-通过两个传感器端子(21，22)供应表示检测到的温度(T)的电信号(V)；
-通过引线接合(W)将两个传感器端子(21，22)连接到基板(S)，使得电信号(V)在集成的电子功率部件(3)和温度检测部件(2)的外部可获得。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法通过根据权利要求1至8中任一项所述的器件(1)来执行。
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