CN109075782B - 结温度和电流感测 - Google Patents

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Abstract

一种功率电路(IGBT模块)，包括功率开关装置(3)，该功率开关装置(3)当处于导通状态时将电流从装置的第一装置导电端子(9a)传导到装置的第二装置导电端子(9b，E)；和/或与功率开关装置反并联耦接的续流二极管(未示出)，续流二极管在处于非阻塞状态时将电流从续流二极管的阳极导电端子传导到续流二极管的阴极导电端子；以及驱动输入线(G)，耦接到功率开关装置的装置控制端子以控制功率开关装置的开关，其中该功率电路包括：感测电路系统(5a)，其包括耦接到所述导电端子(E)中的至少一个导电端子的至少一个温度敏感电流源，该感测电路系统从所述温度敏感电流源向驱动输入线提供至少一个感测信号(Isensor)，该感测信号指示至少一个温度，其中所述温度敏感电流源热耦接到功率开关装置并且由所述感测信号指示的所述温度是功率开关装置的温度，和/或所述温度敏感电流源热耦接到续流二极管并且所述至少一个所述导电端子包括续流二极管的所述阳极或阴极导电端子。

Description

结温度和电流感测
技术领域
本发明一般而言涉及功率电路(power circuit)、具有至少一个这种功率电路的多芯片模块，以及用于驱动功率电路的功率开关装置的驱动电路系统。一般而言，功率电路具有诸如IGBT的功率开关装置和/或具有续流二极管。
背景技术
功率半导体装置广泛用于大范围的电力应用。低功率应用包括例如用于电子电路和计算机的电源，以及小型马达驱动器。中等功率应用(大于几kW)包括大型马达驱动器(例如电动车辆、轨道牵引、大型工业驱动器、风力涡轮机和/或船用驱动器)以及太阳能转换器。高功率应用包括可以例如携带来自海上风力设施的电力这种类型的高电压dc传输线。
与我们有关的功率半导体开关装置通常具有大于1A的载流能力并且可以以大于100V的电压操作。装置的实施例通常但不排他地能够携带每个装置芯片10和100A之间的电流和/或能够维持装置两端大于500V的电压差。
这种装置的示例包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，以及诸如垂直或横向金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的FET。我们将描述的技术不限于任何特定类型的装置体系架构，因此功率开关装置可以是例如垂直或者横向装置；它们可以用一系列技术制造，包括但不限于硅和碳化硅。
在大多数电路中，续流(freewheeling)二极管(常常也称为飞轮(flywheel)二极管)需要与功率半导体开关装置(诸如IGBT (绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管))相关地用于连续负载电流导通，以避免大电压损坏半导体装置和电路。高功率IGBT常常作为具有二极管的模块供应，其中二极管在模块内充当续流二极管。IGBT通常各自与续流二极管并联(具体而言，反并联)。
可能期望获得故障的预先警告，以便允许预防性的或迅速补救的动作。在这方面，装置故障可以由诸如高装置结温度或高装置电流的因素造成。因为装置开关时的电压/电流大，所以存在装置故障的显著风险。在许多应用中，数十个装置通常可以并联连接，以在期望的电流下操作。在这种情况下，当这种系统中的一个装置故障时，系统中的其它开关装置会容易因此而故障，但是这取决于功率转换器的拓扑结构。
EP 256 56 08 A1描述了一种被设计为的芯片的半导体装置，该芯片具有第一输出和第二输出以及包括依赖温度的欧姆电阻以便测量芯片的温度的栅极，其中依赖温度的电阻器具有在栅极和第一输出或第二输出之间的电连接以及与芯片的热接触。
在US 2005 019 635 A1中提出了一种半导体元件，其中控制电阻元件(NTC)设置在用于设置操作特性的控制区域(G)和第一输入 /输出区域(S)之间的电接触件中。控制电阻元件(NTC)具有操作温度范围，其中非反应电阻随着工作温度的增加而单调下降。中心思想是在半导体部件的控制区域和第一输入/输出区域之间形成控制电阻器或控制电阻元件。这具有以分压器的方式调制控制区域与第一输入/输出区域之间的电位差的效果，这种调制由于控制电阻元件的温度依赖性而实现。
GB 22 53 709 A公开了一种过电流检测电路，以便检测具有并联电流镜元件的功率半导体装置中的主电流I的过电流状况，该过电流检测电路包括连接在电流镜端子和主端子之间以保持分流电流恒定的恒定电流装置，以及基于端子间电位差与预定阈值电压之间的差值输出过电流检测信号的确定盘(pan)。恒电流装置可以使用MOSFET，并且可以与功率半导体装置集成在一个芯片上。
GB 22 67 003 A公开了一种限流电路，其中第一主端子和控制端子通过由电流检测元件的两个端子之间的电压与参考电压进行比较而生成的运算放大器的输出被共用于主半导体元件，该电流检测元件连接在电流镜元件的第二主端子和主半导体元件的第二主端子之间并且与流过主半导体元件的第一主端子和第二主端子的输出电流成比例的电流流过该电流检测元件，其中参考电压施加到运算放大器的第一输入端子，第一增益调节元件连接在电流镜元件的第二主端子和第二输入端子之间，并且具有相对于第一增益调节元件的阻抗处于预定放大率的阻抗的第二调节元件连接在主半导体元件的控制端子之间。
US 3 845 405描述了一种实施例，其中功率晶体管和辅助晶体管的基极-发射极结并联。可以对辅助晶体管的较小集电极电流进行采样，以间接采样功率晶体管的较大集电极电流。当间接采样指示功率晶体管中的集电极电流趋于超过其额定最大值时，其基极和发射极电极被钳位。
US 8 155 916 B提供了一种集成在半导体主体中的电路布置。电阻部件热耦接到功率半导体部件并且同样集成到半导体主体中并且布置在功率半导体部件的控制连接和负载连接之间。电阻部件具有依赖温度的电阻特性曲线。驱动和评估单元被设计为评估通过电阻部件的电流或电阻部件两端的电压降，并提供依赖于其的温度信号。
迄今为止，已经使用集成在装置芯片本身上的温度感测二极管来实现用于IGBT装置的片上结温度测量。这种感测二极管使用分开的连接来连接到栅极驱动器。这些已经由许多装置制造商开发，并且可以在每个开关具有一个装置芯片的低电流智能功率模块(IPM)中提供(通常<100A额定值)。将它们应用于常规的功率装置模块封装是困难的，部分原因是每个开关具有大量的并联管芯，并且还因为栅极驱动器和模块之间需要额外的连接。
关于电流感测，对于使用辅助发射极单元(cell)(携带装置电流的小部分)的IGBT芯片，直接电流感测可以是可行的，其中温度感测电阻器与该单元串联放置。但是，这同样需要分开的连接以输出感测信号，例如返回到控制IGBT栅极上的电压的栅极驱动器。这使得这种感测对于多芯片功率模块是不可行的。
因此，可以使用集成到装置芯片中的额外感测元件(例如温度感测二极管和电流感测单元)来实现功率装置电流和温度感测。这些感测元件可以用在单芯片装置中，例如IPM，但由于需要到栅极驱动器的大量敏感连接，因此不能用于高功率多芯片装置模块。虽然可能能够使用复杂算法和难以测量的电行为参数来估计来自栅极驱动器的结温度和装置电流，但是使用这种感测元件的电路在实际实现中将具有挑战，包括校准。
在此背景下，本发明提出了独立权利要求的主题。优选实施例在从属权利要求中定义。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种功率电路，该功率电路包括：功率开关装置，当其处于导通状态时，将电流从装置的第一装置导电端子传导到装置的第二装置导电端子；以及续流二极管，反向并联耦接到功率开关装置，续流二极管在处于非阻塞状态时将电流从续流二极管的阳极导电端子传导到续流二极管的阴极导电端子；以及驱动输入线，耦接到功率开关装置的装置控制端子，以控制功率开关装置的开关，其中功率电路包括：感测电路系统，该感测电路系统包括耦接到至少一个所述导电端子的至少一个温度敏感电流源，该感测电路系统从所述温度敏感电流源向驱动输入线提供至少一个感测信号，该感测信号指示至少一个温度，其中以下当中的至少一个：所述温度敏感电流源热耦接到功率开关装置，所述感测信号指示的所述温度是功率开关装置的温度，并且所述至少一个导电端子包括功率开关装置的所述装置导电端子；以及，所述温度敏感电流源热耦接到续流二极管，由所述感测信号指示的所述温度是续流二极管的温度，并且所述至少一个导电端子包括续流二极管的所述阳极或阴极导电端子。
因此，本发明的实施例可以提供对功率装置电路的改进的监视，例如对功率半导体开关装置和/或功率二极管(例如，续流二极管) 的监视，以例如警告即将发生的故障。实施例的具体优点可以是例如监视的以下当中的任何一个或多个优点：
-可靠、准确、低成本、方便、部件数量少，
-在具有功率电路的芯片上不需要附加的外部端子(例如，一个或多个引脚)，
-不影响功率电路的开关操作，
-允许装置操作更接近或超过装置温度和/或电流额定值，
-提高功率电路的可靠性和/或寿命，和/或允许在装置(例如，开关装置和/或二极管)故障等等之前采取补救动作。
因此，一般而言，实施例可以使用温度敏感电流源来监视诸如 IGBT的功率开关装置的温度，和/或使用温度敏感电流源来监视耦接到这种功率开关装置的续流二极管的温度。任何这种电流源都可以包括例如JFET电流源。感测电路系统一般与功率开关装置的装置控制端子并联耦接，例如，可以直接耦接到这种装置的栅极端子。所述或每个这种温度敏感电流源可以电耦接到例如第一导电端子(在优选实施例中为发射极端子)，并且一般热耦接到相应的被监视装置，即，功率开关装置或二极管。因此，感测电路系统可以通过供给(sourcing)或吸收(sinking)可以在驱动控制线上测量到的感测电流来提供所述/每个感测信号。优选地(即，可选地)，温度是被监视装置的P-N结的温度或至少反映被监视装置的P-N结的温度。
关于术语，本文提到的任何“端子”一般可以是半导体装置(一般而言，功率开关装置或续流二极管)的输入或/或输出连接，并且可以包括芯片的外部连接(例如，芯片的接合焊盘和/或引脚)和/或内部连接(例如，半导体芯片的源极、漏极、集电极、发射极、阳极或阴极装置区域)。二极管与开关装置的反并联连接一般可以意味着二极管的阳极和阴极端子连接到开关装置的不同的相应导电端子，例如，连接到npn开关装置的发射极的阳极端子和到这种开关装置的集电极的阴极端子。本文提到的任何电路“线”可以包括例如导线、轨道和/或端子。
还可以提供包括驱动电路系统的功率电路，该驱动电路系统被耦接以向所述驱动输入线提供驱动信号来控制功率开关装置的装置控制端子从而控制功率开关装置的开关，该驱动电路系统被配置为基于在驱动输入线上接收到的所述感测信号来确定功率电路的至少一个操作状况，其中至少一个操作状况包括以下当中的至少一个：当功率开关装置处于静态状态时功率开关装置的所述指示的温度；以及当功率开关二极管和续流二极管各自处于静态状态时续流二极管的所述指示的温度。任何一个或多个这种操作状况优选地是功率开关装置或续流二极管的温度值。但是，驱动电路系统可以可替代地仅确定这种温度超过或低于阈值，和/或确定(一个或多个)其它操作状况，诸如通过功率开关装置的电流和/或通过续流二极管的电流的(一个或多个) 值。本文提到的任何阈值温度可以是装置额定值，例如，对于诸如 IGBT或续流二极管的装置为125℃或175℃，或者可以基于这种额定值来确定，例如，额定值的+/-5、10或15℃。
驱动电路系统可以知道功率开关装置何时是静态的，因为它知道驱动电路系统何时主动控制装置以从导通切换成关断或反过来。附加地或可替代地，驱动电路系统可以监视驱动输入线以确定装置导通状态何时处于过渡中，和/或实现(一个或多个)预定延迟以确保监视在功率开关装置保持导通(关断)的静态时间段期间并且优选地还在二极管电流稳定(例如，换向不进行)时发生。在开关事件(过渡) 之前和/或之后，这种预定时间延迟可以是例如10-15μs(更优选地12-13μS)-(一个或多个)这种延迟不应当对功率电路的性能产生负面影响，因为稳态时间段通常远大于这种延迟。一般而言，当驱动输入线以其它方式安静时(例如，具有稳定电压和/或基本上零电流)，在驱动输入线上接收基于其确定(一个或多个)操作状况的感测信号。
无论如何，驱动电路系统(例如，栅极驱动器)可以与功率电路分开或整体地提供。
还可以提供功率电路，其中感测电路系统包括热耦接到功率开关装置的温度敏感电流源和热耦接到续流二极管的温度敏感电流源，并且还包括阻塞二极管，每个所述感测信号包括所述温度敏感电流源的电流流动，并且其中阻塞二极管之一被耦接以阻塞去往驱动输入线的所述电流流动，而阻塞二极管中的另一个被耦接以阻塞来自驱动输入线的所述电流流动。阻塞二极管的这种使用可以允许辨别不同的感测信号。这会是有利的，其中感测电路系统包括与功率开关装置感测元件并联耦接的二极管温度感测元件(例如，温度敏感电流源)，两个元件都耦接到相同的驱动输入线。
还可以提供功率电路，其中感测电路系统至少包括热耦接到功率开关装置的温度敏感电流源，其中至少一个所述导电端子包括功率开关装置的辅助发射极端子。
还可以提供功率电路，其中感测电路系统用于感测温度和过电流 (一般而言，高于阈值电流值/幅度的电流)，所述感测电路系统具有：温度敏感电流源，与装置控制端子并联耦接；与功率开关装置的辅助发射极端子串联的阻抗(一般至少是电阻器)；以及阻塞二极管，被耦接以阻塞从温度敏感电流源流到阻抗的电流，并且被配置为允许从辅助发射极端子到温度敏感电流源的电流流动，其中由驱动输入线接收的感测信号用于指示通过温度敏感电流源的电流(优选地，感测信号包括该电流)，阻塞二极管被配置为当阻抗上的电压超过或跨过 (cross)阈值时允许来自辅助发射极端子的所述电流流动以增加电流源的输出电流，其中该阈值取决于所述阻塞二极管的阈值电压。因此，在温度敏感电流源包括JFET电流源的情况下，电流流动可以提升JFET栅极上的电压和/或增加JFET漏极电流。
对于本文提到的任何形式的过电流监视，优点可以是快速短路检测，优选地允许采取措施以避免或限制损坏。
还可以提供功率电路，其中感测电路系统用于感测温度和过电流，该感测电路系统具有：温度敏感电流源(例如，如前文所建议的 JFET电流源)，与装置控制端子并联耦接；与功率开关装置的辅助发射极端子串联的阻抗(一般至少是电阻器)；以及具有耦接到该阻抗的开关控制端子的开关，该开关被配置为当来自辅助发射极端子的电流使阻抗上的电压超过阈值电压时接通，其中驱动输入线被耦接以接收取决于(例如，包括)通过温度敏感电流源的电流的所述感测信号和取决于(例如，包括)通过所述开关的电流的过电流感测信号。在这种情况下，开关可以包括BJT(双极结型晶体管)。
还可以提供功率电路，其中开关被配置为在接通时对功率开关装置的装置控制端子进行放电，以减小从功率开关装置的第一装置导电端子到第二装置导电端子的电流。因此，在实施例中，开关(例如， BJT)可以至少开始对功率开关装置的控制端子电容(例如，IGBT 栅极-发射极电容)进行放电，从而产生限流效应。任何这种电流减小都可以对功率开关装置(诸如SiC MOSFET)有用，其中不能保证短路能力(capability)。
根据本发明的第二方面，提供了一种功率电路，包括：续流二极管，当处于非阻塞状态时将电流从续流二极管的阳极导电端子传导到续流二极管的阴极导电端子；以及感测电路系统，耦接到续流二极管的所述导电端子，该感测电路系统提供取决于续流二极管的耦接的导电端子上的电压的感测信号。
有利地，这种功率电路可以以具有至少三个外部端子的芯片的形式提供，以分别耦接到二极管阳极、二极管阴极和感测电路系统输出。可以使用这种芯片来代替仅具有续流二极管的常规芯片部件。此外，这种芯片还可以包括反并联功率开关装置和/或驱动电路系统，如下文进一步详述的。
因此，操作状况-优选地(即，可选地)通过二极管的电流和/ 或二极管的温度-可以借助于在用于驱动功率开关装置的控制端子的驱动线(例如，到IGBT栅极的驱动线)上接收的感测信号来确定。一般而言，感测电路系统热耦接到二极管，所指示的温度优选地是或至少反映二极管的P-N结。在优选实施例中，感测电路系统耦接到二极管的阳极导电端子。感测信号优选地包括取决于阳极上的电压的电流。在操作状况涉及二极管温度的情况下，感测电路系统一般热耦接到二极管，温度优选地是或至少反映二极管的p-n结温度。
还可以提供功率电路，包括：功率开关装置，当处于导通状态时将电流从装置的第一装置导电端子传导到装置的第二装置导电端子，其中续流二极管反并联耦接到功率开关装置；以及驱动输入线，耦接到功率开关装置的装置控制端子(例如，栅极区域)以控制功率开关装置的开关，驱动输入线还被配置为接收感测信号。这种开关控制一般包括在功率开关装置的控制区域(例如，栅极区域)上的电压。反并联耦接同样一般意味着二极管阳极和阴极端子分别连接到功率开关装置的不同的相应导电端子(例如，连接到IGBT发射极和集电极)。
还可以提供功率电路，包括驱动电路系统，该驱动电路系统被耦接以向所述驱动输入线提供驱动信号来控制功率开关装置的装置控制端子从而控制功率开关装置的开关，该驱动电路系统被配置为当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时基于在驱动输入线上从感测电路系统接收的所述感测信号来确定续流二极管的至少一个操作状况(优选地，电流和/或温度的一个或多个值)。这种驱动电路系统 (例如，栅极驱动器)可以与功率电路分开或整体地提供。
如上所述，驱动电路系统可以知道功率开关装置何时是静态的，因为它知道驱动电路系统何时主动控制装置从导通切换成关断或反过来。附加地或可替代地，驱动电路系统可以监视驱动输入线以确定功率开关装置导通状态何时处于过渡中，和/或实现(一个或多个)预定延迟以确保监视在功率开关装置保持导通(关断)的静态时间段期间并且优选地还在二极管电流稳定(例如，换向不进行)时发生。一般而言，当驱动输入线以其它方式安静时(例如，具有稳定电压和/ 或基本上零电流)，在驱动输入线上接收基于其确定(一个或多个) 操作状况的感测信号。
还可以提供功率电路，其中至少一个操作状况包括以下当中的至少一个：当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时续流二极管的温度，其中感测电路系统热耦接到续流二极管；以及当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时从续流二极管的阳极导电端子到续流二极管的阴极导电端子的电流值。同样，可以基于当前驱动电路系统活动的知识、对驱动输入线的监视和/或(一个或多个)已知延迟的使用来确定(一个或多个)静态状态。
还可以提供功率电路，包括具有续流二极管的芯片，其中：芯片具有作为芯片的外部端子的辅助导电端子，并且耦接到感测电路系统的续流二极管导电端子是该辅助导电端子，芯片优选地还包括感测电路系统。在这种情况下，感测电路系统可以包括耦接在例如单个辅助阳极和感测端子之间的电流镜。对于本文提到的任何电流镜，镜可以是用于镜像(即，复制)电流的任何电路。复制电流一般在与具有要复制的电流的路径平行的路径中生成。复制电流可以与要复制的电流成比例(例如，其一小部分或多倍)。一般而言，电流镜可以包括具有耦接的栅极的两个FET晶体管，或者具有耦接的基极区域的两个 BJT晶体管。(由于需要克服传导待复制电流的BJT的(一般约 0.7V的)基极-发射极结电压，将BJT电流镜对于用于实施例中的过电流监视可能更令人感兴趣。)
类似地，容纳至少二极管芯片的二极管封装可以具有至少三个端子。优选地用于表面安装的这种封装可以是塑料或金属封装，诸如 SOIC或TO封装。
还可以提供功率电路，其中感测电路系统包括温度敏感电阻器，并且其中感测信号包括通过温度敏感电阻器的电流。对于本文中提到的任何其它此类电阻器，温度敏感电阻器一般至少在稳定温度时可以是欧姆电阻。前文提到的驱动电路系统可以被配置为当续流二极管处于静态状态时，一般而言进一步在相关联的功率开关装置处于静态状态时，基于通过温度敏感电阻器的电流来确定二极管的操作状况。
还可以提供功率电路，其中：感测电路系统包括电流镜以镜像通过续流二极管的电流，感测信号取决于通过电流镜的电流。与前文类似，电流镜可以耦接在例如单个辅助阳极和感测端子之间。
还可以提供功率电路，其中感测电路系统包括耦接到续流二极管的导电端子的温度敏感电流源，例如JFET电流源，感测信号取决于通过温度敏感电流源的电流。
还可以提供功率电路，包括：另外的感测电路系统，其耦接到所述功率开关装置的所述装置导电端子(例如，发射极或辅助发射极)，该另外的感测电路系统向驱动输入线提供感测信号以指示功率开关装置的操作状况(例如，电流和/或温度的至少一个值)，其中该另外的感测电路系统和耦接到续流二极管的感测电路系统各自包括阻塞二极管，每个所述感测信号包括电流流动，并且其中阻塞二极管之一被耦接以阻塞去往驱动输入线的所述电流流动，而阻塞二极管中的另一个被耦接以阻塞来自驱动输入线的所述电流流动。在这方面，要注意的是，当传感器被平行放置但方向相反时(例如，用于负电压的二极管和用于正电压的IGBT)，可以实现来自不同传感器的信号之间的辨别。特别地，在实施例中，使用阻塞二极管可以允许辨别不同的感测信号。在感测电路系统包括与功率开关装置感测元件并联耦接的二极管感测元件(例如，温度敏感电流源)的情况下，两个元件都耦接到相同的驱动输入线会是有利的。阻塞二极管可以例如与(例如，温度敏感的)电流源串联耦接和/或与所述感测电路系统和/或所述另外的感测电路系统的(例如，温度敏感的)电阻器串联耦接。该另外的感测电路系统可以与功率开关装置的装置控制端子并联耦接和/或直接耦接到装置输入线。由该另外的感测电路系统提供感测信号可以涉及该另外的感测电路系统吸收或供给感测电流。
根据本发明的第三方面，提供了一种功率电路，包括功率开关装置，该功率开关装置当处于导通状态时，将电流从装置的第一装置导电端子传导到装置的第二装置导电端子，其中该功率电路包括：感测电路系统，耦接到所述功率开关装置的所述装置导电端子，该感测电路系统提供感测信号以指示从第一所述装置导电端子到第二所述装置导电端子的所述电流；以及驱动输入线，耦接到功率开关装置的装置控制端子以控制功率开关装置的开关，驱动输入线还被配置为接收感测信号。
因此，可以使用驱动电路系统(例如，栅极驱动器)来感测和监视主功率开关装置电流(例如，主IGBT电流)，驱动电路系统被耦接以驱动驱动输入线从而驱动例如装置的栅极端子。这种驱动一般控制线路上的电压。感测到的主电流可以适当地在功率开关装置的漏极和源极之间，或者集电极和发射极之间。电流指示可以指示主电流的值和/或幅度。感测信号可以是由感测电路系统供给或吸收的感测电流，感测电路系统可以与功率开关装置的装置控制端子并联耦接。感测电路系统的任一端可以直接耦接到驱动输入线和/或例如功率开关装置的第一导电端子(例如，发射极)。实施例可以使用电流镜来镜像功率开关装置(例如，IGBT)的辅助导电端子上的电流(至少基本上其固定比例)。因此可以监视通过装置的电流，优选地当功率开关装置处于稳定导通状态时(例如，当在漏极和源极之间或者在集电极和发射极之间传导电流时)或稳定关断状态时，一般至少当装置的控制端子上的控制电压稳定时。优选地(即，可选地)，镜像与过电流检测相结合，以检测通过功率开关装置的高于阈值的电流(above threshold current)。
还可以提供功率电路，包括驱动电路系统，该驱动电路系统被耦接以向所述驱动输入线提供驱动信号来控制功率开关装置的装置控制端子从而控制功率开关装置的开关，驱动电路系统被配置为当功率开关装置处于静态状态时基于在驱动输入线上接收的所述感测信号来确定功率电路的至少一个操作状况。这种驱动电路系统(例如，栅极驱动器)可以与功率电路分开或整体地提供。(一个或多个)操作状况可以包括功率开关装置的电流和/或温度的一个或多个值，如果提供另外的感测电路系统，那么可选地还可以包括相关联的续流二极管的电流和/或温度的一个或多个值。同样，可以基于当前驱动电路系统活动的知识、对驱动输入线的监视和/或(一个或多个)已知延迟的使用来确定(一个或多个)静态状态，如上面关于其它方面所描述的。
还可以提供功率电路，其中所述操作状况包括当功率开关装置处于静态状态时从功率开关装置的第一装置导电端子到功率开关装置的第二装置导电端子的所述电流的值(例如，幅度)。
还可以提供功率电路，其中第一装置导电端子或第二装置导电端子是发射极端子，并且功率开关装置具有辅助发射极端子，其中：耦接到感测电路系统的装置导电端子(例如，第一导电端子)是辅助发射极端子；并且感测电路系统包括被耦接以镜像来自所述辅助发射极端子的电流的电流镜，感测电路系统生成取决于通过电流镜的电流的所述感测信号。因此，辅助发射极端子可以被用于感测主IGBT电流，而主IGBT电流进而可以由驱动电路系统确定。
还可以提供功率电路，还包括与功率开关装置反并联耦接的续流二极管，续流二极管在处于非阻塞状态时(一般具有在二极管两端的电压使得二极管从阳极到阴极传导电流)将电流从续流二极管的阳极导电端子传导到续流二极管的阴极导电端子，其中功率电路包括：另外的感测电路系统，耦接到续流二极管的所述导电端子(例如，阳极)，该另外的感测电路系统提供取决于续流二极管的耦接的导电端子上的电压的感测信号(例如，供给的或吸收的感测电流)；以及驱动输入线，被配置为从该另外的感测电路系统接收感测信号。例如，在这种实施例中可以监视IGBT和相关联的续流二极管。
还可以提供功率电路，其中驱动电路系统被配置为当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时基于在驱动器输入线上从所述另外的感测电路系统接收的所述感测信号来确定功率电路的至少一个操作状况(一个或多个电流和/或温度)。例如，通过所述感测电路系统的感测电流和/或通过所述另外的感测电路系统的感测电流可以被用于确定相同或相应的(一个或多个)操作状况。
还可以提供功率电路，其中耦接到功率开关装置的装置导电端子的感测电路系统和所述另外的感测电路系统各自包括阻塞二极管，每个所述感测信号包括电流流动，并且其中阻塞二极管之一被耦接以阻塞去往驱动输入线的所述电流流动，而阻塞二极管中的另一个被耦接以阻塞来自驱动输入线的所述电流流动。因此，即使在相同的驱动输入线上被接收，也可以辨别感测信号/电流。每个阻塞二极管可以与相关联的感测电路系统的(例如，温度敏感的)电流源或(例如，温度敏感的)电阻器串联耦接。
还可以提供功率电路，其中感测信号的电流指示指示功率开关装置的过电流状况，其中感测电路系统包括：与功率开关装置的辅助发射极端子串联的阻抗(一般包括至少一个电阻器)；以及具有耦接到该阻抗的开关控制端子的开关，该开关被配置为当来自辅助发射极端子的电流使阻抗上的电压超过阈值电压时接通，其中驱动输入线被耦接以接收取决于(例如，包括)通过所述开关的电流的所述感测信号。
还可以提供任何上述方面的功率电路，其中感测电路系统(例如，温度敏感电阻器)向耦接到感测电路系统的导电端子呈现例如0.5- 10kΩ的阻抗，可选地，其中具有所述阻抗的感测电路系统是所述另外的感测电路系统。
还可以提供根据前述权利要求中任一项所述的功率电路，其中，装置控制端子是可选地具有氧化物层的电绝缘栅极端子。
还可以提供功率电路，其中功率开关装置是具有集电极和发射极作为导电端子的IGBT，或者可以是具有漏极和源极导电端子的MOSFET(例如，SiC MOSFET)、功率JFET或HEMT。因此，功率开关装置可以是压控装置，控制端子(例如，栅极)优选地具有绝缘(例如，氧化物)层并且因此一般是电容性的。耦接到这种装置控制端子的驱动输入线可以被用于通过控制控制端子上的电压来控制功率开关装置的开关。功率开关装置可以具有n或p极性，例如，可以是n沟道或p沟道装置，或者包括npn或pnp半导体结布置。
还可以提供半导体芯片形式的功率电路，其包括各自与半导体芯片集成在一起的功率开关装置、感测电路系统和驱动输入线，半导体芯片可选地还包括所述另外的感测电路系统。可替代地，还可以提供功率电路，包括具有功率开关装置的半导体芯片，其中感测电路系统接合到半导体芯片的表面，功率电路可选地包括优选地接合到所述表面的所述另外的感测电路系统。
续流二极管一般在与相关联的IGBT芯片分离的芯片上提供(即，可以不集成到与IGBT相同的芯片中)。因此，对于单个开关元件，多芯片功率模块可以包含与一个或多个二极管芯片反并联连接的一个或多个IGBT芯片。
但是，要注意的是，在实施例中，功率开关装置可以是所谓的“反向导通”IGBT(RC-IGBT，也称为BiGT)。这种装置的反向导通能力可以有效地包括IGBT芯片内的续流二极管功能。但是，在实施例中，这种功率开关装置优选地与如本文所述的任何其它IGBT 一样进行处理，注意在这种情况下不需要与续流二极管相关的特征的完整性。
还可以提供根据上述方面中的任何一个或多个方面并且具有上述可选特征中的任何一个或多个的功率电路。功率电路可以包括一个或多个芯片，例如接合(例如，焊接或烧结)到绝缘基板的二极管芯片和/或裸功率开关装置(例如，IGBT)，在绝缘基板的顶部具有导电层以在芯片之间分配电流。在不太优选的实施例中，功率电路可以容纳在塑料或金属封装中，诸如SOIC或TO封装-功率电路可以作为表面安装部件提供。一般而言，与作为芯片或作为容纳这种芯片的 (一般是塑料的和/或用于表面安装的)封装(例如，IGBT封装)提供的常规功率开关装置和/或功率二极管相比，这种功率电路可以不需要任何附加的外部端子。因此，可以以允许方便地替换常规功率开关装置和/或二极管封装的形式提供功率电路实施例。芯片/封装的单个外部端子(例如，栅极端子)可以被用于监视功率开关装置和/或二极管的一个或多个操作参数(例如，T和/或I)。
模块可以包括一个或多个功率开关装置，例如，可以包括单个功率开关装置，例如可以是多芯片模块。具有多个装置的模块可以提供具有2(4)个这种装置的半(全)桥电路，或者具有6个功率开关装置的三相桥电路，模块可选地具有与该/每个这种装置相关联的续流二极管。每个功率开关装置可以在与这种相关联的续流二极管在相同或不同的芯片上提供。例如，一些用于DC-DC转换的斩波器模块可以具有分开的IGBT和二极管芯片。
优选实施例是一种多芯片模块，包括上述方面中的任何一方面的至少一个功率电路，该多芯片模块包括多个半导体芯片，每个半导体芯片具有相应的所述功率电路的所述功率开关装置，多芯片模块包括：模块驱动电路(例如，栅极驱动器)，被配置为通过控制功率开关装置的装置控制端子(一般位位装置控制端子上的电压)来控制功率开关装置的开关，模块驱动电路系统包括每个所述功率电路的驱动电路系统，其中模块驱动电路被配置为从所述至少一个功率电路中的每一个的驱动输入线接收至少一个所述感测信号，并基于每个所述接收到的感测信号来确定多芯片模块的至少一个操作状况。每个这种半导体芯片还可以包括与功率开关装置并联耦接的续流二极管。(一个或多个)操作状况可以包括一个或多个电流和/或温度值，和/或这种(一个或多个)电流和/或温度值的平均和/或求和。
在这种多芯片模块中实现电流和/或过电流检测的情况下，总驱动电路系统电流可以简单地与主芯片电流的和成比例，例如，总模块 (过)电流的函数。对于温度，总驱动电路系统电流(例如，对于 (一个或多个)IGBT为正，对于相应的(一个或多个)续流二极管为负)可以与芯片温度的合计和/或平均值成比例。
还可以提供如前述权利要求中任一项所述的多芯片模块，其中模块驱动电路被配置为从任何所述另外的感测电路系统接收感测信号，模块驱动电路基于在驱动输入线上从具有所述续流二极管的每个所述功率电路接收的每个所述感测信号来确定至少一个操作状况。(一个或多个)操作状况可以包括用于续流二极管的一个或多个电流和/或温度值，和/或这种(一个或多个)电流和/或温度值的平均和/或求和。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于驱动功率电路的功率开关装置的驱动电路系统，该驱动电路系统具有驱动输出线，该驱动输出线耦接到功率开关装置的装置控制端子以控制功率开关装置的开关，驱动输出线还接收至少一个感测信号，驱动电路系统基于所述至少一个感测信号确定所述功率电路的至少一个操作状况，其中所述操作状况包括以下至少一个：
-当功率开关装置处于静态状态时，从功率开关装置的第一导电端子到功率开关装置的第二导电端子的电流；
-当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时，与功率开关装置反并联耦接的续流二极管的温度；以及
-当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时，从续流二极管的阳极到续流二极管的阴极的电流，续流二极管与功率开关装置反并联耦接，
其中所述至少一个操作状况优选地还包括当功率开关装置处于静态状态时功率开关装置的温度。
还可以提供包括驱动电路系统并且还包括功率开关装置和续流二极管中的至少一个的功率电路，功率电路优选地如上述各个方面中的任何一个或多个方面所定义。
可以以任何排列来组合优选实施例的任何一个或多个上述方面和 /或任何一个或多个上述可选(即，优选)特征。此外，可以提供任何上述装置作为对应的方法。
附图说明
为了更好地理解本发明并示出如何将本发明实现，现在将通过示例的方式参考附图，其中：
图1示出了使用电流来测量装置行为的实施例的操作原理；
图2(a)示出了具有IGBT温度感测电流源的示例功率电路；
图2(b)示出了具有IGBT温度感测电阻器的示例功率电路；
图3(a)示出了具有二极管温度感测电流源的示例功率电路；
图3(b)示出了具有二极管温度感测电阻器的功率电路的示例；
图4示出了使用辅助IGBT单元的现有技术的片上电流传感器；
图5示出了具有IGBT导通状态电流的电流镜测量的示例功率电路；
图6示出了JFET电流源；
图7示出了用于CLD20B限流二极管的l-V曲线；
图8示出了具有感测电路系统的示例功率电路，该感测电路系统包括具有阻塞二极管的单向电流源；
图9示出了示例功率电路，其中感测电路系统包括被修改为包括过电流检测的电流源；
图10示出了使用分开的过电流检测电路来供给栅极电流的大幅增加的功率电路的示例；
图11示意性地示出了芯片级的功率电路的更详细示例；
图12示出了可以提供电流输出、电阻性温度传感器和/或电流传感器的方法的示例组合；
图13示出了被用于例如从图12的实现中导出四个测量的电流- 电压依赖性的示例；
图14示出了用于静态栅极电流的示例测量定时的说明性概述；
图15示出了典型IGBT栅极驱动器形式的驱动电路系统(图15 还示出了由栅极驱动器的输出级经由标记为GATE的驱动输入线驱动的IGBT)；
图16示出了典型的功率转换器，在这个示例转换器中，其具有全桥电路。可以实现本发明的(一个或多个)实施例以监视功率开关装置U1-U4和/或续流二极管D1-D4中的任何一个或多个，这种监视优选地由驱动电路系统以任何一个或多个栅极驱动器的形式执行；
图17示出了示例多芯片模块，包括被配置为驱动功率电路1a... 1n的功率开关装置的模块驱动电路53。模块驱动电路的驱动输出/输入线可以包括用于每个功率电路的相应线或用于所有功率电路的单个这样的线。一般而言，并联芯片共享控制/感测线，因此n可以是2 (不包括集电极感测)或3(包括集电极感测)。对于并联连接以构成单个开关元件的功率开关装置芯片，它们可以全都共享驱动端子的单个集合，即，在它们之间共享的一个集电极感测、一个栅极和一个发射极感测端子。在这种情况下，模块驱动电路的驱动输出/输入线可以是多个功率电路共同的线。除了功率开关装置之外，每个功率电路还可以包括续流二极管；
图18示出了示例计算装置，其任何一个或多个元件可以存在于实施例中，例如在栅极驱动或模块驱动电路中，用于基于接收到的 (一个或多个)感测信号确定至少一个操作状况。
具体实施方式
有时可以通过监视装置的操作(例如，通过监视意外的装置操作) 来预测功率装置的故障。在这方面，本发明的实施例可以为功率开关装置(例如，IGBT)和/或飞轮二极管提供功率半导体装置结温度和/ 或电流感测。实施例的温度和/或电流传感器电路系统可以直接测量功率装置芯片的电流和/或结温度。因此，优选地(即，可选地)通过片上测量来提供感测。
实施例的(一个或多个)示例优点包括知道在栅极驱动电路系统级每个转换器开关循环的(一个或多个)电流和/或(一个或多个) 温度。例如，驱动电路系统处的数据可以允许实时了解正在通过负载的是什么电流。于是可以不太需要例如霍尔传感器和/或电阻性分流器，否则这些可以在转换器级(例如在出到负载的电缆上)实现。类似地，可以不太需要例如用于测量集电极电流的Rogowski线圈或与功率开关装置串联的电感器以及相关联的信号积分，这会影响准确度。
来自驱动电路系统的温度和/或电流数据可以被周期性地(例如每20us或更多)发送到中央控制器。然后，中央控制器可以例如确定被监视的装置多难被驱动，例如，低于或超过装置的电流和/或温度额定值。附加地或可替代地，这种中央控制器可以监视一个或多个功率电路以预测未来的性能、故障或寿命。
实施例的感测可以适用于功率开关装置芯片和二极管芯片，和/ 或适用于具有功率开关装置和续流二极管两者的芯片。具有感测的实施例可以单独实现或者在多芯片功率模块中实现。在这方面，本文一般性地参考作为这种功率开关装置的IGBT来描述和/或示出实施例。但是，实施例同样可以应用于任何电压驱动的绝缘栅极装置，例如 MOSFET、功率JFET或HEMT。任何实施例的感测电路系统都可以集成到装置芯片的表面(例如，顶表面)中，或者单独制造然后接合到这种表面，无论芯片是否具有功率开关装置和/或飞轮二极管。
实施例可以将温度和/或电流传感器集成在具有一个或多个电流输出的装置芯片上，即，(一个或多个)电流输出各自具有通过它们的电流，该电流取决于功率装置(开关装置或二极管)的温度和/或主电流。可以从功率开关装置的例如为栅极端子的装置控制端子(例如，IGBT栅极端子)汲取这种电流。可以在驱动电路系统(例如，用于提供栅极电压以控制诸如IGBT的功率开关装置的装置开关的栅极驱动器)中容易地测量电流。有利地，这可以在不需要与装置芯片的分开的连接的情况下实现。这种实施例可以在高功率多芯片装置模块和栅极驱动器中容易地实现。
示例实施例可包括以下当中的任何一个或多个：
-与功率开关装置(例如，IGBT)的栅极-发射极电容(一般是氧化物)并联放置以便测量装置温度的温度敏感电阻(图 2(b))；
-与添加到续流二极管芯片的附加的温度感测端子并联放置以便测量装置温度的温度敏感电阻(图3(b))；
-添加到功率开关装置(例如，IGBT)的辅助发射极的电流镜。装置电流发射极的输出可以连接到装置栅极，以便测量通过装置的主电流(图5)；
-添加到续流二极管芯片以便测量通过二极管的电流的电流镜。
考虑到(一个或多个)优点，实施例中的温度感测可以直接测量功率装置结温度，而不必使用复杂的算法和/或难以测量的温度敏感电参数来估计它。这个(和/或另一个)实施例可以通过允许转换器在更高负载下操作来使得能够改进功率转换器额定值/性能，和/或可以通过意外装置操作的预先警告来使得能够改进可用性(以及因此潜在的降低操作成本)。
根据本发明实施例的IGBT栅极驱动器包括图15中所示的元件。驱动电路系统具有栅极驱动逻辑，该栅极驱动逻辑包括参考3.3或 5V电源的数字逻辑电路，其接收指示何时接通和关断功率开关(例如，IGBT)的传入的信号(PWM)。栅极驱动逻辑产生分别指示电流何时供给功率开关和从功率开关移除的信号(SOURCE和SINK)。通常需要电平转换级以在更宽的电压范围内(例如，-10V至+15V) 驱动功率开关。用于驱动IGBT的输出级包括晶体管P和N沟道 MOSFETS(标记为PMOS和NMOS)或具有接通电阻器(Ron)和关断电阻器(Roff)的双极型PNP和NPN晶体管，其中Ron和 Roff被选择为匹配功率开关和/或负载的特性。输出级晶体管可以处理高电流并且通常需要驱动级，因为数字逻辑和电平转换不能提供足够的电流来直接接通和关断它们。
根据本发明实施例的功率转换器(其示例在图16中示出)可以包括多个功率开关(例如，IGBT(例如，U1至U4中的任何一个或多个))、负载(L1)，以及优选地维持转换器两端的电压 (DCLink)的电容器组(C1)。图16可以被视为示出了两个半桥电路(U1/D1+U2/D2和U3/D3+U4/D4)，从而提供全桥电路以驱动负载L1。(一般而言，诸如用于功率转换器或其它任何其它功率应用的功率电路可以包括至少一个半桥电路)。因此，U1和U2(类似地，U3、U4)提供半桥电路的第一功率开关和第二功率开关的串联连接。在图16中，每个功率开关与可选的续流二极管(D1-D4)反并联耦接。
更具体地转向功率装置监视，我们现在主要考虑具有电流输出的集成的片上传感器。在这方面，图1示出了使用电流来测量装置行为的功率电路实施例的操作原理，这里的功率电路至少包括具有IGBT 形式的功率开关装置的IGBT模块。
图1实施例的操作原理是，在诸如IGBT的功率开关装置未开关的静态情况下，实际上没有栅极电流流动。因此，可能有机会使用从栅极驱动器汲取的电流来指示温度和/或电流的值。IGBT栅极是电压控制的，因此有效地该电压被用于在一个方向上通信(栅极驱动器到装置)并且从栅极驱动器汲取的电流被用于在另一个方向上通信(装置到栅极驱动器)。通过借助于感测电路系统测量在开或关状态下从栅极驱动器汲取的静态电流(参见图1中的电流Isensor)，这些附加的测量可以由栅极驱动器进行，而无需栅极驱动器和装置之间的额外连接，因此将与现有的多芯片功率装置模块兼容。在这种实施例中，可以在栅极驱动器和装置之间有效地进行双线通信。(要注意的是，栅极驱动器的感测电阻器Rsense可以与栅极电阻器RG组合)
我们现在具体考虑温度传感器。在这方面，图2(a)示出了 IGBT温度感测电流源，并且图2(b)示出了IGBT温度感测电阻器。因此，图2(a)的感测电路系统被示为传导电流Isense的电流源，而图2(b)示出了温度敏感电阻器Rsense形式的感测电路系统。电流源一般是被配置为提供基本恒定的电流的电路系统(忽略诸如温度的环境的影响)。这种电流源可以包括具有反馈的晶体管，例如，如图6的JFET电流源中所示。模拟电路设计领域的技术人员知道一般已知被用作电流源的各种电路，例如来自德州仪器TM的LM334电流源或来自Micro Commercial Components(MCC)(TM)的限流二极管CLD20B。
一般而言，温度敏感元件与IGBT的栅极-发射极电容(氧化物) 并联放置。这个元件可以例如被实现为纯电流源或简单的依赖温度的欧姆电阻。可能需要为例如0.5到10kΩ量级的阻抗，以限制功率耗散但汲取足够的电流以进行辨别。这个元件被设计为依赖温度，因此在IGBT静态条件(开或关状态)下可以测量元件汲取的电流并计算其温度。由于IGBT和温度敏感元件之间的热耦接，可以采用测量和 /或计算出的温度来表示IGBT温度。
电流源或电阻可以被直接放置在IGBT芯片的顶部，或者集成到 IGBT芯片本身中(例如，在多晶硅中)。如果在实施例中电流源或电阻可能干扰通常的IGBT操作，那么可以通过确保阻抗足够高来避免或减少这种情况。
类似的方法可以用于续流二极管芯片。虽然常规的这种芯片不具有第三端子，但是可以添加温度感测“端子”(连接)，其连接到感测元件(电流源或电阻)的一端：元件的另一端连接到例如二极管的阳极端子，其可以处于IGBT发射极电位。因此，元件的另一端可以连接到续流二极管芯片的顶表面。无论如何，温度感测元件都可以热耦接到二极管。温度感测端子可以连接到IGBT栅极，使得二极管温度感测元件将与IGBT感测元件并联。下面覆盖示例实现来描述来自 (分别用于IGBT和二极管的)两个温度感测元件的信号之间的辨别。
在这方面，图3(a)示出了二极管温度感测电流源形式的感测电路系统(参见电流Isense)，并且图3(b)示出了二极管温度感测电阻器(Rsense)形式的感测电路系统。(在还提供用于监视功率开关装置的感测电路系统的实施例中，这个感测电路系统可以被称为另外的感测电路系统)。感测端子T连接到IGBT栅极端子G；阳极A连接到IGBT发射极E；阴极K连接到IGBT集电极C。
我们现在具体地考虑电流传感器。在这方面，图5示出了IGBT 导通状态电流的电流镜测量。与温度类似，装置(例如，IGBT)电流一般是在操作期间进行的有用测量。
用于单芯片IGBT开关的替代方法(例如，如在小型“智能功率模块”(IPM)中所使用的)是使用辅助IGBT单元的片上测量，参见图4；将其用于多芯片功率模块的缺点在于-即使辅助发射极端子是硬并联的-对于每个IGBT管芯，也还需要回到栅极驱动器的额外的连接。还应当注意的是，这一般仅可以适用于过电流(例如，短路)检测，因为仅在这种情况下，在感测电阻器两端才生成足够大的电压VSE；在正常电流下，准确度可能没有高到足以用作真正的电流传感器。
诸如图5实施例的实施例可以添加小电流镜形式的感测电路系统，优选地添加到功率开关装置的辅助发射极导电端子AUX。到镜的输入是流过辅助发射极的电流，其中输出连接到栅极。因此，从栅极驱动器汲取的(小)电流与流过主IGBT的导通状态电流成比例。这在图5中示出。一般而言，辅助发射极可以携带例如小于或等于总发射极电流的0.1％，因此使用辅助发射极可以对装置操作具有最小的影响。
在实施例中，电流镜可以集成到功率装置芯片中，例如IGBT芯片的顶表面(在发射极电位处或附近)。假定辅助发射极电流是主电流的一小部分，那么从栅极汲取的电流将为小。在这方面，实施例的一个考虑可以是减少或避免负反馈效应，其中从发射极流出的额外电流从栅极-发射极电容汲取电流，从而降低栅极电压并减小主IGBT 电流。但是，由于在实施例中仅有一小部分的主装置电流流过镜，因此这个效应可以不显著。在一些实施例中，可以考虑减少或避免电流镜中的温度依赖性。一般优选的可以是，电流镜不会对辅助电流呈现显著的电压降，否则这会在实施例中限制流过镜的电流并因此影响传感器的准确度；优选的可以是使用FET电流镜来实现这一点。
对于与IGBT反并联的续流(也称为飞轮或续流)二极管，可以实现类似的电流感测实现。但是，在单个辅助阳极单元和(如上面参考图2(a)和(b)所述，连接到IGBT栅极的)感测端子之间可以需要电流镜的不同实现，因为电流是从发射极(二极管阳极)流到集电极(二极管阴极)，即，在与通过IGBT的方向相反的方向上。应当注意的是，感测二极管中的过电流可能不太令人感兴趣，(a)因为在发生过电流的情况下可能无法(如IGBT那样)关断二极管，并且(b)这种过电流只会在典型的转换器中作为另一个装置中的短路的次要后果发生，这种短路一般应当已经被检测到了。
关于更具体的示例实现，我们现在具体考虑电流源温度传感器。
可以从JFET加电阻器创建电流源。这是一种已知的电路，并且在图6中示出。这种电流源可以在商业上以分立零件提供，称为限流二极管或电流调节器二极管。
图7示出了电流源的两个令人感兴趣的属性：(a)对电压(在这种情况下为VGE)的相对不敏感性，以及(b)温度依赖性，在这个示例中，在7.5V和25℃时约为-0.048mA/K。
此外，二极管可以与JFET电流源串联连接，这一般不影响由源 (如图8中所示，具有带阻塞二极管的单向电流源)供给的电流。这可以具有以下优点中的一个或多个：
(a)当施加反向电压时，传导被阻塞。
(b)可以在两个平行但相反方向放置的传感器之间实现辨别，例如，用于负电压的二极管和用于正电压的IGBT(参见下面参考图 11的实现的描述)。
(c)在0V和二极管开启电压(例如0.7V)之间仅有二极管泄漏电流流动。这可以允许功率装置制造商仍然使用这个范围内的电压来测量IGBT栅极泄漏 电流。
我们现在考虑温度和电流感测的组合的示例实现。在这方面，图 9示出了包括被修改为包括过电流检测的电流源的感测电路系统。虚线示出的二极管和电阻器(R3)可以被添加，以避免正常电流水平干扰温度传感器。
可以利用对图6中所示的对JFET电流源的修改来创建组合的温度和过电流传感器。如图9中所示，从辅助发射极流出的过电流可以被用于提升JFET栅极电压，并因此增加JFET漏极电流。实施例可以依赖电阻器R1和R2的适当选择，使得IGBT集电极电流的正常水平不干扰温度感测操作和/或使得过电流造成传感器电流的显著增加以允许栅极驱动器正确地辨别；例如，这可以通过在辅助发射极和 JFET之间包括二极管来辅助，该二极管仅在过电流事件中变为正向偏置(参见图9中的虚线部件)。
替代实施例可以保持过电流传感器与温度传感器分离，使得可以容易地检测到作为过电流事件的栅极电流的大的增加。这可以使用集成到IGBT芯片中的简单BJT开关，如图10中所示。优选地，R2 被选择以使得通过辅助发射极的过电流将生成等于BJT的基极-发射极阈值电压的电压降，通常为0.7V，但是这可以是依赖温度的。可以选择R3以限制在检测到过电流时从栅极汲取的电流。如果R3足够低，那么在实施例中BJT实际上可以开始对IGBT栅极-发射极电容进行放电，从而产生限流效应。这对于诸如SiC MOSFET的其中不能保证短路能力的功率装置会是有用的，但对于通常能够支持短路 10μs的IGBT没有太大兴趣；这个电路可以充分限制过电流，以允许栅极驱动器有时间关断MOSFET。
在这方面，图10示出了包括温度传感器并且使用分开的过电流检测电路(过电流传感器)来供给栅极电流的大的增加的感测电路系统。JFET和R1构成温度传感器。BJT、R2和R3构成过电流传感器；R3对当检测到过电流时被汲取的栅极电流进行设置。
鉴于上述情况，我们现在考虑更全面的示例实现。在这方面，图 11示意性地示出了芯片级的更完整电路，包括用于功率开关装置的温度感测和过电流感测的感测电路系统以及用于续流二极管的温度感测的另外的感测电路系统。
将IGBT温度和过电流传感器与二极管温度传感器组合可以使用上面参考图8提出的串联二极管来实现。图11中示出了用于反并联 IGBT和二极管芯片的完整实现的示例(其实施例一般可以被认为是图3(a)和10的组合)。在导通状态下(例如，VGE＝+15V)，汲取的正栅极电流测量IGBT温度，并允许检测IGBT过电流。在关断状态下(例如，VGE＝-10V)，汲取的负栅极电流测量二极管温度。
多芯片模块中的一些或所有装置芯片可以能够利用上述原理和/ 或实施例。对于过电流检测，进入模块的总栅极电流可以简单地与主芯片电流之和成比例，即，为总模块过电流的函数。对于温度，总栅极电流(对于IGBT为正，并且对于二极管为负)可以与芯片温度的合计成比例，即，取决于电流传感器温度依赖性的某种形式的平均值。
我们现在转向考虑栅极驱动器中的测量操作，关于图14，该图示出了对于静态栅极电流的示例测量定时的说明性概述，其中：时间延迟td是互补IGBT之间的死区时间。t1和t2是时间延迟，以允许栅极电容充电/放电从而在开关之后衰减(decay)。时间延迟trec是在相反的IGBT携带电流并与续流二极管换向的情况下这个二极管用来完成开关所需的时间。选择时间延迟t3使得它超过t2和(td+trec)。可以预先确定这些时间延迟中的任何一个或多个，例如，优选地在任何实施例的驱动电路系统处存储在存储器中。而且，这些延迟中的任何一个或多个可以被用于确定功率开关装置和/或二极管处于静态状态的时间。因此，(一个或多个)这种延迟可以被用于确定何时应当由驱动电路系统对(一个或多个)感测信号进行采样以确定诸如功率开关装置和/或二极管的电流和/或温度的(一个或多个)操作状况。
通过简单地使用与栅极串联的电阻性电流分流器，可以在栅极驱动器中执行由片上传感器汲取的电流的测量，如图1中所示。考虑测量的定时会是有利的，以避免在实施例中由于在开关事件结束时仍然流动的电容性电流引起的误差，和/或与用于辨别由不同传感器汲取的电流的栅极电压步长同步。
进一步关于示例的概述，如图14中所示的这种定时，并且采用图11中所示的实现，可以应用以下定时中的任一个或两：
(i)IGBT：表示IGBT温度的正栅极电流在对栅极驱动器的开启命令之后的几微秒(例如，5-50μs)测量。该时间延迟会是有利的，用于允许电容性电流充电IGBT栅极电容以充分衰减，从而不造成不太准确的温度测量。
(ii)二极管：表示二极管温度的负栅极电流在两个时间延迟后测量：(a)死区时间和(b)如(i)中的进一步延迟，用于允许 IGBT栅极电容放电电流从而衰减。(a)会是有利的，因为相反的 IGBT与续流二极管换向-在续流二极管导通的情况下–一般直到反并联IGBT关断之后的时间延迟(死区时间)才会开启，并且当进行栅极电流测量时的二极管开关会由于电容性耦合效应而破坏栅极电流。这在图14中示出。
关于其它示例实现，我们进一步考虑将涉及例如集成的片上传感器的上述方法与电流输出、电阻性温度传感器和/或电流传感器相结合。在这方面，图12示出了芯片级的示例电路的一般示意图。
多达四个电流源、电流镜和/或电阻器可以连接到栅极，例如如图12中所示的电流镜和/或电阻器：IGBT温度检测电阻器；IGBT 电流镜；二极管温度感测电阻；和/或二极管电流镜。如果所汲取的静态电流是装置操作的有用指示，那么在一些实施例中，电流源之间的辨别是有利的。
对此的一种方法是使用串联二极管-齐纳二极管和常规二极管 -以使电流源依赖电压。以这种方式，栅极电压对于IGBT操作不是关键的，例如，VGE>13V且VGE<-5V，其可以在静态操作期间周期性地被驱动以测量电流的不同组合，而不会影响IGBT行为。
在这方面，图13示出了用于导出四个测量的电流-电压依赖性的示例。在一个实施例中，驱动输入线可以保持在不同的偏置，以获得不同的相应感测信号，例如，至少一个负偏置和/或至少一个正偏置，诸如-10V、-8V、+13V和/或+15V以用于二极管温度、二极管电流、 IGBT电流、IGBT温度感测信号(以任何次序)。因此，多级偏置可以帮助区分感测信号。
另外，在这方面，多芯片模块中的每个装置芯片可以能够利用上述原理和/或实施例。对于导通状态电流测量，进入模块的总栅极电流可以简单地与主芯片电流的总和成比例，即，与总模块电流成比例。对于温度，总栅极电流可以与芯片温度的合计成比例，即，取决于感测电阻器温度依赖性的某种形式的平均值。
通过简单地使用与栅极串联的电阻性电流分流器，可以在栅极驱动器中执行由片上传感器汲取的电流的测量(类似于如上面所提到的)。考虑测量的定时会是有利的，以避免在实施例中由于在开关事件结束时仍然流动的电容性电流引起的误差，和/或与用于辨别由不同传感器汲取的电流的栅极电压步长同步。
仅供参考，下面提供了附图标记的关键：
1、1a至1n：具有至少一个功率开关装置和/或续流二极管的功率电路
3：功率开关装置
5、5a、5b：感测电路系统或另外的感测电路系统
7：驱动电路系统
9a、9b：功率开关装置的导电端子
13：续流二极管
15a、15b：续流二极管的阳极和阴极导电端子
19：驱动输入线
21：装置控制端子
23：温度敏感电流源
25：阻塞二极管
27：功率开关装置的辅助发射极端子
29、31：阻抗
33：开关
35：开关控制端子
37：包括续流二极管的芯片
39：辅助导电端子
41：温度敏感电阻器
43：电流镜
49：包括功率开关装置的芯片
51：多芯片模块
53：模块驱动电路
毫无疑问，技术人员将会想到许多其它有效的替代方案。应该理解的是，本发明不限于所描述的实施例，并且涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的、对本领域技术人员来说清楚的修改例。

Claims (25)

1.一种功率电路，包括：
功率开关装置，具有第一装置导电端子、第二装置导电端子、装置控制端子以及辅助发射极端子，所述功率开关装置适于当处于导通状态时将电流从装置的所述第一装置导电端子传导到装置的所述第二装置导电端子；
驱动输入线，耦接到功率开关装置的所述装置控制端子以控制功率开关装置的开关，
其中所述功率电路包括：
感测电路系统，耦接到所述辅助发射极端子，并且包括耦接到所述第一装置导电端子或第二装置导电端子中的至少一个导电端子并耦接到所述装置控制端子的至少一个温度敏感电流源，所述感测电路系统从所述至少一个温度敏感电流源向驱动输入线提供至少一个感测信号，所述感测信号指示至少一个温度，其中所述至少一个温度敏感电流源热耦接到所述功率开关装置，由所述至少一个感测信号指示的所述至少一个温度是所述功率开关装置的温度，且其中感测电路系统用于感测温度和过电流，所述感测电路系统还包括：
阻抗，连接到所述辅助发射极端子和所述功率开关装置的所述第一装置导电端子或第二装置导电端子中的所述至少一个导电端子；以及
阻塞二极管，被耦接以阻塞从温度敏感电流源流到阻抗的电流流动，并且被配置为允许从辅助发射极端子到至少一个温度敏感电流源的电流流动，
其中感测信号用于指示通过温度敏感电流源的温度和电流，阻塞二极管被配置为当阻抗上的电压超过阈值电压时允许来自辅助发射极端子的电流流动以增加电流源的输出电流，所述阈值电压取决于所述阻塞二极管的阈值电压。
2.如权利要求1所述的功率电路，包括驱动电路系统，该驱动电路系统被耦接以向所述驱动输入线提供驱动信号来控制功率开关装置的装置控制端子从而控制功率开关装置的开关，该驱动电路系统被配置为基于由所述感测电路系统提供的所述感测信号来确定功率电路的至少一个操作状况，其中所述至少一个操作状况包括当功率开关装置处于静态状态时功率开关装置的所述指示的温度。
3.如权利要求1所述的功率电路，所述感测电路系统具有：
开关，具有耦接到阻抗的开关控制端子，该开关被配置为当来自辅助发射极端子的电流使阻抗上的所述电压超过所述阈值电压时接通，
其中驱动输入线被耦接以接收取决于通过温度敏感电流源的电流的所述感测信号和取决于通过所述开关的电流的过电流感测信号。
4.如权利要求3所述的功率电路，其中开关被配置为在导通时对功率开关装置的装置控制端子进行放电，以减小从功率开关装置的第一装置导电端子到第二装置导电端子的电流。
5.一种功率电路，包括：
续流二极管，当处于非阻塞状态时将电流从续流二极管的阳极导电端子传导到续流二极管的阴极导电端子；
感测电路系统，耦接到续流二极管的所述导电端子，所述感测电路系统提供取决于续流二极管的耦接的导电端子上的电压和/或电流的感测信号；
功率开关装置，当处于导通状态时将电流从装置的第一装置导电端子传导到装置的第二装置导电端子，其中续流二极管反并联耦接到功率开关装置；
驱动输入线，耦接到功率开关装置的装置控制端子以控制功率开关装置的开关，驱动输入线还被配置为接收感测信号；以及
驱动电路系统，该驱动电路系统被耦接以向所述驱动输入线提供驱动信号来控制功率开关装置的装置控制端子从而控制功率开关装置的开关，该驱动电路系统被配置为当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时基于在驱动输入线上从感测电路系统接收的所述感测信号来确定续流二极管的至少一个操作状况。
6.如权利要求5所述的功率电路，其中所述至少一个操作状况包括以下当中的至少一个：
-当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时续流二极管的温度，其中感测电路系统热耦接到续流二极管；以及
-当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时从续流二极管的阳极导电端子到续流二极管的阴极导电端子的电流值。
7.如权利要求5至6中任一项所述的功率电路，包括具有续流二极管的芯片，其中：
芯片具有作为芯片的外部端子的辅助导电端子，并且耦接到感测电路系统的续流二极管导电端子是所述辅助导电端子。
8.如权利要求5至6中任一项所述的功率电路，其中感测电路系统包括温度敏感电阻器，并且其中感测信号包括通过温度敏感电阻器的电流。
9.如权利要求5至6中任一项所述的功率电路，其中：
感测电路系统包括电流镜以镜像通过续流二极管的电流，感测信号取决于通过电流镜的电流。
10.如权利要求5至6中任一项所述的功率电路，其中感测电路系统包括耦接到续流二极管的导电端子的温度敏感电流源，感测信号取决于通过温度敏感电流源的电流。
11.如权利要求5至6中任一项所述的功率电路，包括：
另外的感测电路系统，耦接到所述功率开关装置的所述装置导电端子，所述另外的感测电路系统向驱动输入线提供感测信号以指示功率开关装置的操作状况，其中所述另外的感测电路系统和耦接到续流二极管的感测电路系统各自包括阻塞二极管，每个所述感测信号包括电流流动，并且其中阻塞二极管中的一个阻塞二极管被耦接以阻塞到驱动输入线的所述电流流动，而阻塞二极管中的另一个阻塞二极管被耦接以阻塞来自驱动输入线的所述电流流动。
12.一种功率电路，包括功率开关装置，该功率开关装置当处于导通状态时将电流从装置的第一装置导电端子传导到装置的第二装置导电端子，其中该功率电路包括：
感测电路系统，耦接到所述功率开关装置的所述装置导电端子，所述感测电路系统提供感测信号以指示从所述第一装置导电端子到所述第二装置导电端子的所述电流；以及
驱动输入线，耦接到功率开关装置的装置控制端子以控制功率开关装置的开关，所述驱动输入线还被配置为接收感测信号，
其中感测信号的电流指示功率开关装置的过电流状况，其中感测电路系统包括：
阻抗，与功率开关装置的辅助发射极端子串联；以及
开关，具有耦接到阻抗的开关控制端子，该开关被配置为当来自辅助发射极端子的电流使阻抗上的电压超过阈值电压时接通，
其中驱动输入线被耦接以接收取决于通过所述开关的电流的所述感测信号。
13.如权利要求12所述的功率电路，包括驱动电路系统，该驱动电路系统被耦接以向所述驱动输入线提供驱动信号来控制功率开关装置的装置控制端子从而控制功率开关装置的开关，所述驱动电路系统被配置为当功率开关装置处于静态状态时基于在驱动输入线上接收的所述感测信号来确定功率电路的至少一个操作状况。
14.如权利要求13所述的功率电路，其中所述操作状况包括当功率开关装置处于静态状态时从功率开关装置的第一装置导电端子到功率开关装置的第二装置导电端子的所述电流的值。
15.如权利要求12至14中任一项所述的功率电路，其中第一装置导电端子或第二装置导电端子是发射极端子，并且功率开关装置具有辅助发射极端子，其中：
耦接到感测电路系统的装置导电端子是辅助发射极端子；以及
感测电路系统包括被耦接以镜像来自所述辅助发射极端子的电流的电流镜，所述感测电路系统生成取决于通过电流镜的电流的所述感测信号。
16.如权利要求12至14中任一项所述的功率电路，还包括与功率开关装置反并联耦接的续流二极管，所述续流二极管在处于非阻塞状态时将电流从续流二极管的阳极导电端子传导到续流二极管的阴极导电端子，其中功率电路包括：
另外的感测电路系统，耦接到续流二极管的所述导电端子，所述另外的感测电路系统提供取决于续流二极管的耦接的导电端子上的电压的感测信号；以及
驱动输入线，被配置为从所述另外的感测电路系统接收感测信号。
17.如权利要求16所述的功率电路，其中驱动电路系统被配置为当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时基于在驱动器输入线上从所述另外的感测电路系统接收的所述感测信号来确定功率电路的至少一个操作状况。
18.如权利要求16所述的功率电路，其中耦接到功率开关装置的装置导电端子的感测电路系统和所述另外的感测电路系统各自包括阻塞二极管，每个所述感测信号包括电流流动，并且其中阻塞二极管中的一个阻塞二极管被耦接以阻塞到驱动输入线的所述电流流动，并且阻塞二极管中的另一个阻塞二极管被耦接以阻塞来自驱动输入线的所述电流流动。
19.如权利要求1到6和12到14中任一项所述的功率电路，其中感测电路系统向耦接到感测电路系统的导电端子呈现0.5-10千欧的阻抗。
20.如权利要求1到6和12到14中任一项所述的功率电路，其中装置控制端子是可选地具有氧化物层的电绝缘栅极端子。
21.如权利要求1到6和12到14中任一项所述的功率电路，其中功率开关装置是IGBT、MOSFET、功率JFET或HEMT。
22.如权利要求1到6和12到14中任一项所述的功率电路，其形式为半导体芯片，所述半导体芯片包括各自集成到半导体芯片的功率开关装置、感测电路系统和驱动输入线。
23.如权利要求1到6和12到14中任一项所述的功率电路，包括具有功率开关装置的半导体芯片，其中感测电路系统接合到半导体芯片的表面。
24.一种多芯片模块，包括至少一个如前述权利要求中任一项所述的功率电路，该多芯片模块包括多个半导体芯片，每个半导体芯片具有如前述权利要求中任一项所述的相应的功率电路的相应的功率开关装置，所述多芯片模块包括：
模块驱动电路，被配置为通过控制功率开关装置的装置控制端子来控制功率开关装置的开关，所述模块驱动电路包括驱动电路系统或所述相应的功率电路中的每个，
其中模块驱动电路被配置为从所述至少一个功率电路中的每一个功率电路的驱动输入线接收所述至少一个感测信号，并基于所述接收到的感测信号中的每个来确定多芯片模块的至少一个操作状况。
25.一种多芯片模块，包括至少一个如权利要求11和16-18中任一项所述的功率电路，该多芯片模块包括多个半导体芯片，每个半导体芯片具有如权利要求11和16-18中任一项所述的相应的功率电路的相应的功率开关装置，所述多芯片模块包括：
模块驱动电路，被配置为通过控制功率开关装置的装置控制端子来控制功率开关装置的开关，所述模块驱动电路包括驱动电路系统或所述相应的功率电路中的每个，
其中模块驱动电路被配置为从所述至少一个功率电路中的每一个功率电路的驱动输入线接收所述至少一个感测信号，并基于所述接收到的感测信号中的每个来确定多芯片模块的至少一个操作状况，以及
其中模块驱动电路被配置为从任何所述另外的感测电路系统接收感测信号，模块驱动电路基于在驱动输入线上从具有所述续流二极管的每个所述功率电路接收的每个所述感测信号来确定至少一个操作状况。
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