CN112752959A - 功率半导体开关元件的温度测量 - Google Patents

功率半导体开关元件的温度测量 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于确定功率半导体开关元件(1)的温度的装置，该功率半导体开关元件(1)包括功率半导体开关(1)和内置的温度相关的栅极电阻器(3)，其中，该装置具有非反相放大器电路，该非反相放大器电路包括运算放大器(2)和反馈电阻器(4)，其中，运算放大器(2)的反相输入连接至功率半导体开关(1)，使得非反相放大器电路(200)在输入信号(VIN)的预定义频率范围内的增益取决于内置的温度相关的栅极电阻器(3)和反馈电阻器(4)，并且是功率半导体开关元件(1)的温度的度量。

Description

功率半导体开关元件的温度测量
本发明涉及具有权利要求1的前序部分的特征的用于确定半导体功率开关元件的温度的装置，以及涉及具有权利要求9和10的前序部分的特征的用于测量半导体功率开关元件的温度的方法。
功率元件具有显著的功率损耗，这使芯片被加热高到可能远高于环境温度的温度。结温是功率开关的要被限制的最重要的变量。功率元件诸如功率开关的行为受到过高温度的负面影响。如果超过最大允许温度，则相关部件中存在热事件的威胁，并且该部件不再正确工作或者该部件完全失效。
已发布的专利申请DE 10 2014 204 648 A1公开了用于确定绝缘栅双极晶体管(IGBT)的温度的方法。提供了用于在IGBT的栅极处提供第一控制电压的驱动器和用于在IGBT的栅极处提供第二控制电压的控制电压发生器，其中，驱动器和控制电压发生器被配置成以交替的方式进行操作，因此在栅极处总是存在控制电压中的仅一个控制电压。第二控制电压包括DC电压分量和叠加的AC电压分量，使得IGBT被保持在阻断操作中。即使IGBT保持在阻断状态下，寄生电容也传导AC电压。栅极电流流经温度相关的输入电阻器，因此，在预定的控制电压和预定幅度的AC电压的情况下，栅极电流是IGBT的温度的度量，因此可以确定IGBT的温度。
DE 10 2012 102 788 A1公开了MOSFET的结温的测量，其中，在板上设置有二极管，该二极管的阴极在内部连接至MOSFET的源极，因此可以减少路由出的连接的数目和部件的芯片面积。二极管直接耦接至MOSFET的耗尽层，从而使得可以直接测量MOSFET的结温。用于正向操作二极管的电流被用于确定结温。流经二极管的电流在二极管两端产生与温度有关且与电流有关的正向电压。可以在二极管的阳极与MOSFET的源极连接之间测量该电压。
已知的温度测量主要依赖于电流强度，这导致温度确定的不准确性，特别是当在发动机控制单元中使用半导体功率开关元件时。
本发明的目的是具体说明用于确定半导体功率开关元件的温度的装置，该装置以特别准确且可靠的方式独立于开关电流的电流强度确定温度。
该目的通过具有权利要求1的特征的用于确定半导体功率开关元件的温度的装置和具有权利要求9和10的特征的用于确定半导体功率开关元件的温度的方法来实现。
因此，提供了用于确定半导体功率开关元件的温度的装置，该半导体功率开关元件具有半导体功率开关和内置的温度相关的栅极电阻器，其中，该装置具有非反相放大器电路，该非反相放大器电路包括运算放大器和反馈电阻器，其中，运算放大器以如下方式连接至半导体功率开关，该方式使得：非反相放大器电路在输入信号的预定义频率范围内的增益取决于内置的温度相关的栅极电阻器和反馈电阻器，并且是半导体功率开关元件的温度的度量。
使用栅极电阻器的最精确已知的温度依赖性来测量温度是特别可靠的并且与电流强度无关。所计算的温度是半导体功率开关的耗尽层的温度的良好度量。在预定义的频率范围内，增益表现出对栅极电阻器的温度的依赖性。半导体功率开关的输入阻抗优选地仅由栅极电阻器形成或基本上由栅极电阻器形成。这种情况是特别有利的，因为增益则表现出对栅极电阻器的温度的最大依赖性，并且可以容易且精确地测量温度的变化。
反馈电阻器优选地布置在运算放大器的负输入与输出之间和/或温度相关的栅极电阻器被布置在运算放大器的负输入与装置的参考电压(通常接地)之间。
预定义的频率范围优选地高于理想的非反相放大器电路的传递函数的极点的频率。
半导体功率开关元件优选地是功率MOSFET或IGBT。
还提供了具有多相永久激励电动机的电子机械式机动车辆转向系统，多相永久激励电动机能够经由电子控制单元被控制，其中，电子控制单元具有作为逆变器的部分的多个半导体功率开关元件，其中，半导体功率开关元件中的每一个具有上述用于确定各个半导体功率开关元件的温度的装置。该系统还可以包括切换每一相的半导体继电器的操作，并且可以包括用于确定上述温度的装置，该装置具有相应的半导体功率开关元件。在一个优选实施方式中，电动机是三相的并且在半桥电路中针对每一相具有两个半导体功率开关元件，所述半导体功率开关元件可以借助于脉冲宽度调制来控制。可以包括其他安全继电器或者可以不包括其他安全继电器。
还提供了用于测量具有内置的温度相关的栅极电阻器的半导体功率开关元件的温度的方法，其中，非反相放大器电路具有运算放大器和反馈电阻器，该反馈电阻器被布置在运算放大器的负输入与输出之间，其中，温度相关的栅极电阻器被布置在运算放大器的负输入与整个电路的负输入或参考输入之间，并且其中，该方法具有以下步骤：
·使用具有在预定义频率范围内的频率的输入信号操作整个电路，因此内置的温度相关的栅极电阻器形成半导体功率开关的输入阻抗的大部分，
·测量非反相放大器电路的增益，
·借助于所测量的增益计算内置的温度相关的栅极电阻器的电阻，并且确定半导体功率开关元件的温度。
另一种可能性是校准系统，因为输出信号对栅极电阻器的值具有精确定义的依赖性：
·使用具有在预定频率范围内的频率分量的输入信号操作整个电路，因此内置的温度相关的栅极电阻器形成半导体功率开关的输入阻抗的大部分，
·针对至少两个温度值测量来自非反相放大器的输出信号，
·基于先验知识计算输出信号的温度依赖性，
·基于实际输出信号和预定温度依赖性确定半导体功率开关的温度。
这两种方法使得能够以特别准确且可靠的方式独立于开关电流的电流强度确定半导体功率开关元件的温度。
所确定的温度是半导体功率开关元件的结温的度量。
半导体功率开关元件优选地是功率MOSFET或IGBT。
预定义的频率范围高于理想的非反相放大器电路的传递函数的极点频率。
下面基于附图更详细地说明本发明的两个优选实施方式。在这种情况下，在整个附图中，相同的部件或功能相同的部件设置有相同的附图标记，在附图中：
图1示出了用于确定具有功率开关的功率开关元件的温度的装置和非反相放大器电路的电路图，
图2示出了用于确定功率MOSFET的温度的装置的电路图，以及
图3示出了关于理想的非反相放大器电路和现实的非反相放大器电路的传递函数的曲线图。
图1示出了具有功率MOSFET 5的电路，该功率MOSFET用作具有内置栅极电阻器3的半导体功率开关元件1。半导体功率开关1具有布置在公共芯片上的多个单独的半导体开关的并联电路(未示出)。半导体功率开关1的显著优点是可能的高开关频率，高开关频率例如对于马达控制器中的脉冲宽度调制是有利的。功率MOSFET 5具有内置栅极电阻器3，该内置栅极电阻器是出于如下目的而设置的：平衡芯片上的单独半导体开关之间的电流分布，以便避免寄生振荡并降低可能的RLC串联电路在输入处的Q因数。内置栅极电阻器3是功率MOSFET 5的输入阻抗的一部分。内置栅极电阻器3具有已知的温度依赖性，该温度依赖性是半导体功率开关元件1的耗尽层的温度的度量。借助于包括运算放大器2、反馈电阻器4和内置栅极电阻器3的非反相放大器电路200检测栅极电阻器3的电阻的温度相关的变化。半导体功率开关1以其输入阻抗被布置在运算放大器2的负输入与完整电路的设定点输入VIN-之间。
运算放大器2的设定点输入的要被放大的电压VIN+被施加至运算放大器2的非反相正输入。来自运算放大器2的输出电压VOUT+的部分借助于使用两个电阻器的分压被反馈到反相负输入作为负反馈。反馈电阻器4被布置在运算放大器的负输入与输出之间。
可以使用具有输入电容器和输入电阻器的RC串联电路(参见图2)对半导体功率开关1的输入阻抗进行建模。在特定输入信号的情况下，RC串联电路的串联电容可以被认为是短路，因此输入阻抗仅由内置栅极电阻器3形成。非反相放大器电路200的增益取决于频率f。在频率高于截止频率fP的情况下，输入阻抗由内置栅极电阻器3形成。电容器10的阻抗减小并且可以被认为是短路(shortcut)。随着频率的增加，该影响可以越来越大地被观察到。
使用以下公式来计算截止频率fP：
Figure BDA0002992980740000041
其中，CGS是输入电容器10，RG是栅极电阻器3(参见图2)。
在这种情况下，运算放大器2的输出必须调节反馈电阻器4和栅极电阻器3的比率，以便将负输入处的电压控制到正输入VIN+的电压。运算放大器的输入端与输出端之间的端增益仅由反馈电阻器4和栅极电阻器3提供。
由于栅极电阻器3的温度依赖性，非反相放大器电路200的增益是半导体功率开关的耗尽层的温度的度量。
图2示出了具有漏极连接6、源极连接7和栅极连接8的功率MOSFET5的简化模型。功率MOSFET 5用于上述用于测量耗尽层的温度的电路。除了内置栅极电阻器3之外，还示出了用于对源极连接7和漏极连接6处的输入阻抗进行建模的RC串联电路9。RC串联电路9的输入电容器10代表栅极的电容，这是任何MOSFET的固有属性。为了确保芯片上的各个MOSFET上的电压的均匀分布，安装了串联连接的电阻器3。此外，设置了公共输入电阻器3并且公共输入电阻器3旨在防止高频振荡的存在。非反相放大器电路200操作为对于DC电压信号增益因子为1的放大器。在这种情况下，功率MOSFET的电容器10被视为空闲，而其余电路表示增益为1。随着电压信号的频率的增加，电路开始操作为放大器。
图3示出了非反相放大器电路14的传递函数。在这种情况下，对照频率绘制了非反相放大器电路的增益。
理想的非反相放大器电路12的渐近近似传递函数被示为虚线。
非反相放大器电路14的传递函数包括fZ处的零点和fP处的极点，其中，零点频率fZ总是小于极点频率fP。因此，该传递函数表现出高通滤波器的特性。如果使用真正的运算放大器，则所述特性表现出另外的极点和通带状滤波。水平箭头13指示信号被滤波器放大的频率范围。增益在零点与极点之间的范围内增加，但RC串联电路的电容器仍然表现出足够的阻抗以叠加栅极电阻中的与温度有关的轻微变化，因此这些变化在增益中不可见。对于高于极点的频率，电容器的阻抗对输入阻抗的影响略大，并且电容器表现为像其被短路一样。增益取决于温度相关的电阻。竖直箭头15指示所测量的增益中的与温度有关的波动。
对于高于极点的频率f>fP，增益v如在正常非反相放大器中一样仅取决于栅极电阻器RG(T)和反馈电阻器RF：
Figure BDA0002992980740000051
本发明不限于MOSFET。还可以使用在控制输入处具有温度相关的电阻器的其他半导体功率开关元件。
例如，在机动车辆的转向系统的电动机的相绕组中优选地以半桥的形式具体地用于控制三相马达的三重半桥的形式使用半导体功率开关元件。合适的半导体部件的选择是由所需的开关行为造成的。功率MOSFET优选地用作半导体部件，但也可以使用其他部件例如IGBT。例如，可以使用使用根据本发明的装置确定的温度信息来保护MOSFET免受热过载。例如，如果达到临界结温，则可以降低机动车辆的电子机械式转向系统的转向辅助，并且因此可以减少功率损耗。

Claims (13)

1.一种用于确定半导体功率开关元件(1)的温度的装置，所述半导体功率开关元件(1)具有半导体功率开关(1)和内置的温度相关的栅极电阻器(3)，所述装置的特征在于，所述装置具有非反相放大器电路(200)，所述非反相放大器电路包括运算放大器(2)和反馈电阻器(4)，其中，所述运算放大器(2)的反相输入以如下方式连接至所述半导体功率开关(1)，该方式使得：所述非反相放大器电路(200)在输入信号(VIN)的预定义频率范围内的增益取决于所述内置的温度相关的栅极电阻器(3)和所述反馈电阻器(4)，并且是所述半导体功率开关元件(1)的温度的度量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反馈电阻器(4)被布置在所述运算放大器(2)的负输入与输出之间。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述温度相关的栅极电阻器(3)被布置在所述运算放大器(2)的负输入与所述装置的输入之间。
4.根据前述权利要求中一项所述的装置，其特征在于，在所述输入信号(VIN)的预定义频率范围内，所述内置的温度相关的栅极电阻器(3)形成所述半导体功率开关(1)的输入阻抗的大部分。
5.根据前述权利要求中一项所述的装置，其特征在于，所述预定义频率范围高于理想的非反相放大器电路(12)的传递函数的极点频率(fP)。
6.根据前述权利要求中一项所述的装置，其特征在于，所述半导体功率开关元件(1)是功率MOSFET或IGBT。
7.一种机动车辆的电子机械式转向系统，所述电子机械式转向系统具有能够经由电子控制单元被控制的多相永久激励电动机，其中，所述电子控制单元具有多个半导体功率开关元件(1)，所述多个半导体功率开关元件(1)是逆变器的一部分和/或在每一相中被布置为半导体继电器，所述电子机械式转向系统的特征在于，所述半导体功率开关元件(1)中的每一个具有根据权利要求1至6中一项所述的用于确定各个半导体功率开关元件(1)的温度的装置。
8.根据权利要求7所述的机动车辆的电子机械式转向系统，其特征在于，所述电动机是三相的，并且在半桥电路中对于每一相具有两个半导体功率开关元件(1)，所述半导体功率开关元件能够借助于脉冲宽度调制来控制。
9.一种用于测量具有内置的温度相关的栅极电阻器(3)的半导体功率开关元件(1)的温度的方法，其中，非反相放大器电路(200)具有运算放大器(2)和反馈电阻器(4)，所述反馈电阻器(4)被布置在所述运算放大器(2)的负输入与输出之间，其中，所述温度相关的栅极电阻器(3)被布置在所述运算放大器(2)的负输入与整个电路的输入之间，并且其中，所述方法具有以下步骤：
·使用具有在预定义频率范围内的频率的输入信号(VIN)以如下方式操作所述整个电路，该方式使得所述内置的温度相关的栅极电阻器(3)形成半导体功率开关(1)的输入阻抗的大部分，
·测量所述非反相放大器电路(200)的增益，
·借助于所测量的增益计算所述内置的温度相关的栅极电阻器(3)的电阻，并且确定所述半导体功率开关元件(1)的温度。
10.一种用于测量具有内置的温度相关的栅极电阻器(3)的半导体功率开关元件(1)的温度的方法，其中，非反相放大器电路(200)具有运算放大器(2)和反馈电阻器(4)，所述反馈电阻器(4)被布置在所述运算放大器(2)的负输入与输出之间，并且其中，所述温度相关的栅极电阻器(3)被布置在所述运算放大器(2)的负输入与整个电路的输入之间，并且其中，所述方法包括以下步骤：
·使用具有在预定频率范围内的预定义频率的输入信号(VIN)以如下方式操作所述整个电路，该方式使得所述内置的温度相关的栅极电阻器(3)形成所述半导体功率开关(1)的输入阻抗的主要部分，
·针对至少两个温度设置测量来自所述非反相放大器电路(200)的输出信号，
·计算所述输出信号的温度依赖性，
·基于实际输出信号和所计算的温度依赖性确定所述半导体功率开关元件的温度。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所确定的温度是所述半导体功率开关元件(1)的结温的度量。
12.根据前述权利要求9至11中一项所述的方法，其特征在于，所述半导体功率开关元件(1)是功率MOSFET或IGBT。
13.根据前述权利要求9至12中一项所述的方法，其特征在于，所述预定义频率范围高于理想的非反相放大器电路(12)的传递函数的极点频率(fP)。
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