CN111880068B

CN111880068B - 用于控制功率半导体开关的电路装置和方法

Info

Publication number: CN111880068B
Application number: CN202010354267.6A
Authority: CN
Inventors: A.梅尔柯尼扬
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-05-02
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2023-10-17
Anticipated expiration: 2040-04-29
Also published as: EP3734244B1; US10931271B2; EP3734244A1; US20200350904A1; CN111880068A

Abstract

本发明涉及一种用于控制功率半导体开关的电路装置和方法，开关包括栅极端子、源极端子和漏极端子以及在源极和漏极端子之间形成的导电沟道，该电路装置包括：‑用于产生控制信号的部件，控制信号使半导体开关在接通状态和断开状态之间交替；‑电流源，用于产生到栅极端子中的电流；‑评估单元，其被布置为用于：‑‑在半导体开关处于接通状态时，测量栅极端子与源极端子和漏极端子中的一个之间的电压，‑‑根据所测量的电压和来自电流源的电流，确定半导体开关的绝对温度。

Description

用于控制功率半导体开关的电路装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于驱动功率半导体开关元件、例如SiC JFET或GaN HEMT开关的电路装置和方法，所述开关包括源极端子和漏极端子以及根据施加在栅极端子处的电压在这些端子之间形成的导电沟道。

背景技术

半导体开关元件例如用作功率开关元件。需要监视半导体开关元件的温度，以确保半导体开关元件和包含开关元件的模块安全运行。当开关元件的温度变得太高时，驱动该开关元件的电路可以有利地确保安全的关闭过程。

功率半导体模块一般使用诸如NTC(negative temperature coefficient，负温度系数)温度传感器的温度传感器，来获得开关元件的温度。温度传感器一般布置在载体板(基板)上，半导体开关元件也布置在载体板上。替换地，可以将温度传感器直接布置在半导体开关元件附近的散热器(heat sink)上。在这两种情况下，温度测量与主要由于载体板或散热器的热容量和热特性而产生的不确定性相关联。热惯性的时间常数使相关联的温度监视电路的反应速率降低。这可能导致模块的动态过热，并且甚至导致热故障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于驱动半导体开关元件的电路装置和方法，其使得能够立即准确地确定半导体开关元件的温度。

上述技术问题通过根据本发明的电路装置和根据本发明的方法来解决。

本发明提供一种用于控制功率半导体开关元件的电路装置，开关元件包括栅极端子、源极端子和漏极端子以及在源极和漏极端子之间形成的导电沟道。该电路装置包括用于产生控制信号的部件，控制信号使半导体开关在接通状态和断开状态之间交替。该电路装置还包括：电流源，用于产生到栅极端子中的电流；以及评估单元，其被布置为用于，在半导体开关元件处于接通状态时，测量栅极端子与源极端子和漏极端子中的一个之间的电压，并且还被布置为用于，根据所测量的电压和来自电流源的电流，确定半导体开关的绝对温度。

根据本发明的用于控制功率半导体开关的方法包括以下步骤，其中，开关包括栅极端子、源极端子和漏极端子以及在源极和漏极端子之间形成的导电沟道：

-产生控制信号，控制信号使半导体开关在接通状态和断开状态之间交替；

-利用电流源产生到栅极端子中的DC电流；

-在半导体开关处于接通状态时，测量栅极端子与源极端子和漏极端子中的一个之间的电压，

-根据所测量的电压和来自电流源的电流，确定半导体开关的绝对温度。

本发明认识到，可以有利地利用可以承载电流并且展示阈值电压的、栅极和源极/漏极端子之间的结，例如pn结或肖特基结，来确定晶体管元件的温度。本发明利用这种结的I-V特性的温度相关性。

当栅极和源极端子之间的电压超过大约7V–8V的阈值电压水平时，空间电荷区穿透势垒区，并且到达AlGaN势垒层。然后，本征栅极二极管变为正偏置的，并且开始传导通过电流(let-trough current)。本发明有利地使用电流源，来刚好在将开关元件切换为接通(ON)状态之后，注入流过栅极二极管的小的DC感测电流。当超过阈值电压水平时，这有利地限制栅极驱动电路提供的电流。电流源可以是具有高电阻的电阻器。在由电流源设置电流的情况下，测量栅源二极管上的电压，并且根据测量的电压来确定温度。

本发明有利地使得能够对功率开关元件直接进行高动态的准确的温度测量。这种测量与流过半导体开关元件的沟道的电流无关。换句话说，可以在开关元件运行期间进行温度测量。由于不在散热器或基板处测量温度，而是替代地直接在半导体开关元件本身处测量温度，因此不存在导致测量滞后的热容量，并且不存在导致测量值错误的热扩散。这使得能够对开关元件进行准确的控制，并且对过热做出快速的反应。

在本发明的示例性实施例中可以单独或一起添加的另外的特征包括：

-功率半导体开关可以是宽带隙开关，特别地是基于SiC或基于GaN的功率半导体开关。

-功率半导体开关可以是JFET设备或HEMT设备。

-电流源可以被配置为用于提供恒定电流。然后，可以直接根据所测量的栅极二极管上的电压来确定温度。

-用于产生控制信号的部件可以包括微处理器，微处理器被布置为用于产生用于控制半导体开关的脉冲宽度调制信号。这是功率转换器中的半桥的一般的操作。

-电路装置可以包括用于检测半导体开关是否处于接通状态的单元。

-评估单元还可以被布置为用于，根据温度或所确定的电压，来确定在功率半导体开关中流动的源极-漏极电流。这认识到，源极-漏极电流、即在开关中流动的主电流使开关发热，因此直接对开关的温度升高负责。因此，可以从测量的温度或测量的电压，推导出源极-漏极电流。本发明认识到，这是可能的，尤其是因为直接在功率半导体开关内进行温度测量，温度测量因此具有非常短的反应时间。这与开关的外部温度测量相反，开关的外部温度测量受开关周围的热质量和热阻影响，因此一般太慢，而例如不能对过电流做出及时的反应。

-替换地或附加地，评估单元可以被布置为用于，根据测量的温度或测量的电压，来推断在源极和漏极端子之间，是否存在临界电流、即过电流。

-评估单元可以被布置为用于，确定功率半导体开关的环境温度，并且在确定源极-漏极电流时，使用环境温度。以这种方式，可以在确定源极-漏极电流时，考虑不同的环境温度(例如10℃或30℃)的影响，以提高精度。

附图说明

现在，参考附图描述本发明的实施例，本发明不限于这些实施例。附图的图示具有示意性的形式。在所有附图中，相似或相同的元件使用相同的附图标记。

图1给出了使得能够确定半导体的温度的本发明的用于驱动基于GaN的HEMT晶体管的电路装置的示意性图示。

图2示出了相对于栅源电压的栅极电流的一般特性。

具体实施方式

图1示出了用于驱动基于GaN的高电子迁移率晶体管(high electron mobilitytransistor)10的根据本发明的电路装置20的实施例。GaN HEMT设备10包括控制端子G(栅极)、第一主端子D(漏极)和第二主端子S(源极)。当GaN HEMT设备10接通时，在第一主端子D和第二主端子S之间形成沟道，电流可以流过该沟道。GaN HEMT设备10的控制端子G连接到由AlGaN(氮化铝镓，aluminum gallium nitride)形成的n型导电区域，从而形成表现为二极管的肖特基势垒。

下面描述的电路装置20使得能够确定前述肖特基二极管、即栅源二极管的温度，因此能够确定整个GaN HEMT设备10的温度。可以在半导体开关元件运行期间确定温度。

电路装置20包括用于检测去饱和的单元21、故障存储器22、用于进行信号检测和评估的单元23、恒定电流源25、逻辑门26和驱动信号生成微处理器28。驱动信号是脉冲宽度调制信号(pulse-width modulated signal，PWM信号)，其通过逻辑门26和用于进行信号检测和评估的单元23传送到栅极端子G。来自微处理器28的PWM信号交替地打开和关闭GaNHEMT设备10。GaN HEMT设备10的导通状态根据PWM信号而交替。逻辑门26的第二输入是故障存储器22的输出。恒定电流源25连接到电源电压。

用于进行信号检测和评估的单元23连接在控制端子G和第二主端子S之间。单元23检测栅源二极管上的电压。附加地，单元23可以检测流入或流出栅极的电流。设置电阻器27，用于在电路中进行电流检测。

用于检测去饱和的单元21连接到第一主端子D，即漏极端子。单元21用于检测GaNHEMT设备10当前的导通状态，即GaN HEMT设备10当前传导电流，还是阻断电流。

用于检测去饱和的单元21连接到故障存储器22。当发生故障时，向门26馈送错误信号，从而门26的输出确保GaN HEMT设备10的阻断状态。用于阻断过电流峰(“消隐时间(blanking time)”)的单元29也接收门26的输出。单元29用于例如在电流换向期间阻断电流峰。单元29在输出侧连接到单元21。

除了一般不是驱动电路的一部分的恒定电流源25和用于进行信号检测和评估的单元23之外，图1所示的电路是用于晶体管的一般的驱动电路。恒定电流源25可以是电阻器，而可以作为运算放大器电路来设置用于进行信号检测和评估的单元23。

在GaN HEMT设备10运行期间，当GaN HEMT设备10处于导通状态、即接通时，用于进行信号检测和评估的单元23可以测量栅源二极管上的电压。通过二极管的电流等于恒定电流源25提供的电流，并且可以例如为1mA或1.5mA。因此，测量的电压是栅源二极管的IV特性的温度漂移的直接度量。在恒定电流源25的电流下，较高的温度将产生较低的电压。

图2示出了示出作为GaN-HEMT的栅源电压V_gs的函数的(正)栅极电流I_g的曲线图。在该曲线图中，示出了通过实验确定的作为温度的函数的三个IV曲线。可以看到，对于给定的电压，pn结处的温度越高，通过栅极二极管的电流越大。当通过电流源使电流保持恒定时，随着温度的升高，电压降低。在图2的IV曲线中，在1mA的电流下，25℃和55℃的温度之间的电压差为约800mV，而在1mA的电流下，在25℃和75℃的温度之间的电压差为约1000mV。

这意味着，用于进行电压检测和评估的单元23可以通过测量的电压与存储在存储器中的值的简单的比较，来推导出栅极二极管的温度，因此推导出GaN HEMT设备10的温度。这可以在几乎没有时间延迟的情况下准确地进行。因此，可以防止包含GaN HEMT设备10的模块的过热关闭。可以使用所述方法来确定GaN HEMT设备10的可靠性、老化特性和剩余寿命。

附图标记列表

10 GaN HEMT设备

20 电路装置

21 用于检测去饱和的单元

22 故障存储器

23 用于进行电压检测和评估的单元

25 恒定电流源

26 逻辑门

27 电阻器

28 微处理器

29 用于阻断过电流峰的单元

G 栅极端子

S 源极端子

D 漏极端子

Claims

1.一种用于控制功率半导体开关（10）的电路装置（20），所述开关（10）包括栅极端子（G）、源极端子（S）和漏极端子（D）以及在源极端子（S）和漏极端子（D）之间形成的导电沟道，所述电路装置（20）包括：

- 用于产生控制信号的部件，所述控制信号使所述半导体开关（10）在接通状态和断开状态之间交替；

- 电流源（25），用于向所述栅极端子（G）中注入电流；

- 评估单元，其被布置为用于：

-- 在所述半导体开关（10）处于接通状态时，测量所述栅极端子（G）与所述源极端子（S）和所述漏极端子（D）中的一个之间的电压，

-- 根据所测量的电压和来自所述电流源（25）的电流，确定所述半导体开关（10）的绝对温度。

2.根据权利要求1所述的电路装置（20），其中，所述功率半导体开关（10）是宽带隙开关。

3.根据权利要求1所述的电路装置（20），其中，所述功率半导体开关（10）是基于SiC或基于GaN的功率半导体开关。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置（20），其中，所述功率半导体开关（10）是JFET设备或HEMT设备。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置（20），其中，所述电流源（25）被配置为用于提供恒定电流。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置（20），其中，所述用于产生控制信号的部件包括微处理器（28），所述微处理器被布置为用于产生用于控制所述半导体开关（10）的脉冲宽度调制信号。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置（20），所述电路装置包括用于检测所述半导体开关（10）是否处于接通状态的单元。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置（20），其中，所述评估单元还被布置为用于，根据温度确定在所述功率半导体开关（10）中流动的源极-漏极电流。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置（20），其中，所述评估单元还被布置为用于，根据温度确定在所述功率半导体开关（10）中流动的过电流的存在。

10.根据权利要求7所述的电路装置（20），其中，所述评估单元被布置为用于，确定所述功率半导体开关（10）的环境温度，并且在确定所述源极-漏极电流时，使用所述环境温度。

11.一种用于控制功率半导体开关（10）的方法，所述开关包括栅极端子（G）、源极端子（S）和漏极端子（D）以及在源极端子（S）和漏极端子（D）之间形成的导电沟道，所述方法包括以下步骤：

- 产生控制信号，所述控制信号使所述功率半导体开关（10）在接通状态和断开状态之间交替；

- 利用电流源（25）产生到所述栅极端子（G）中的电流；

- 在所述半导体开关（10）处于接通状态时，测量所述栅极端子（G）与所述源极端子（S）和所述漏极端子（D）中的一个之间的电压，

- 根据所测量的电压和来自所述电流源（25）的电流，确定所述半导体开关（10）的绝对温度。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，利用所述电流源（25）产生恒定电流。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，根据测量的电压，来确定所述功率半导体开关（10）的源极-漏极电流。