CN115698732A - 电压控制型半导体元件的温度检测方法及驱动装置 - Google Patents

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CN115698732A CN202180038235.8A CN202180038235A CN115698732A CN 115698732 A CN115698732 A CN 115698732A CN 202180038235 A CN202180038235 A CN 202180038235A CN 115698732 A CN115698732 A CN 115698732A
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Abstract

本发明以高精度进行电压控制型半导体元件的半导体芯片的温度监视。利用延迟电路(28)将驱动电路(24)所输出的驱动信号SDRV延迟，并使得被延迟电路(28)延迟而得的延迟信号的上升前沿到达IGBT(10)的导通时的米勒效应期间，单触发电路(30)接收延迟信号而输出脉冲宽度比米勒效应期间短的脉冲信号。比较器(36)将栅极电压VGE与相当于过热检测阈值电压的基准电压Vref进行比较，如果栅极电压VGE成为过热检测阈值电压以上，则输出过热检测信号。通过监视与IGBT(10)的芯片温度具有温度依赖性的栅极电压VGE，从而直接监视IGBT(10)的芯片温度。

Description

电压控制型半导体元件的温度检测方法及驱动装置
技术领域
本发明涉及一种检测电压控制型半导体元件的芯片温度的电压控制型半导体元件的芯片温度检测方法以及具备将检测出的芯片温度输出到外部的功能的电压控制型半导体元件的驱动装置。
背景技术
存在对感应负载进行开关控制或进行电力变换的半导体装置。这样的半导体装置具备半导体开关元件以及对该半导体开关元件进行驱动的驱动装置。作为半导体开关元件，使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)那样的电压控制型半导体元件。
电压控制型半导体元件通过绝对最大额定值来定义允许温度。电压控制型半导体元件如果超过最大允许温度进行动作，则有时半导体芯片会发生热破坏。为了预防或防止该半导体芯片的热破坏，监视芯片温度，并在设想为芯片温度成为高温的情况下，使电压控制型半导体元件在额定值以下动作或停止。
作为检测电压控制型半导体元件的芯片温度的方法，已知在半导体装置中具备热敏电阻，并检测壳体内温度，根据动作条件预测芯片温度。另外，还在电压控制型半导体元件的芯片上一体地形成温度检测用二极管，并根据该温度检测用二极管的温度特性直接地测定芯片温度。
基于热敏电阻所进行的芯片温度的预测方法由于热敏电阻搭载于远离半导体芯片的位置，所以具有无法跟随因负载变动而流通过电流所引起的急剧的温度上升这样的特性。另一方面，在基于温度检测用二极管所进行的芯片温度的测定方法中，由于将温度检测用二极管制作在半导体芯片上，所以活性面积减少，进一步地，由于将二极管专用电极设置在半导体芯片上，所以活性面积进一步减少。因此，在电流额定值小的半导体开关元件的芯片上搭载温度检测用二极管的情况下，芯片尺寸变得宽大化。
因此，提出了不使用热敏电阻或温度检测用二极管而检测电压控制型半导体元件的芯片的温度的方法(例如，参照专利文献1和专利文献2)。
根据专利文献1所记载的技术，通过在关断IGBT时检测米勒平台的持续时间，将该米勒平台的持续时间的长度换算为温度，从而检测温度。即，在专利文献1的技术中，利用米勒平台的时间延迟与IGBT的接合部温度具有相互依赖性，根据米勒平台的时间延迟来确定IGBT的接合部温度。
在专利文献2的技术中，测定半导体器件的开关动作时的栅极电压的时间变化，利用栅极电压的时间变化与半导体器件的温度具有温度依赖性，根据测定的栅极电压的时间变化来推定半导体器件的温度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-142704号公报
专利文献2：日本特开2020-072569号公报
发明内容
技术问题
然而，专利文献1的技术存在难以准确地检测作为米勒平台的时间延迟的米勒效应期间这样的问题。另外，专利文献2的技术具有测定栅极电压上升时间并参照温度依赖性信息而利用微型计算机计算与栅极电压上升时间对应的半导体器件的温度的构成，因此，存在导致驱动装置大型化的问题。
本发明是鉴于这样的点而完成的，其目的在于提供一种能够以高精度进行半导体芯片的温度监视，并且不会使用于半导体芯片的温度检测的构成大型化的电压控制型半导体元件的温度检测方法以及驱动装置。
技术方案
在本发明中，为了解决上述问题，在一个方案中，提供一种电压控制型半导体元件的温度检测方法。在电压控制型半导体元件的温度检测方法中，监视用于驱动电压控制型半导体元件的栅极的栅极电压，检测在导通或关断电压控制型半导体元件时栅极电压瞬时变化的期间产生的米勒效应期间的电压，并将米勒效应期间的栅极电压作为与电压控制型半导体元件的芯片温度具有温度依赖性的信号而输出。
另外，本发明提供一种电压控制型半导体元件的驱动装置。该驱动电压控制型半导体元件的驱动装置具备：驱动电路，其驱动电压控制型半导体元件的栅极；栅极电阻，其设置于驱动电路与电压控制型半导体元件的栅极之间；延迟电路，其将驱动电路所输出的驱动信号延迟直到到达在栅极电压瞬时变化的期间产生的米勒效应期间内为止的预定的时间；单触发电路，其从延迟电路所输出的延迟信号的上升前沿或下降后沿起输出具有比米勒效应期间短的脉冲宽度的脉冲信号；比较器，其将与电压控制型半导体元件的芯片温度具有温度依赖性的栅极电压与相当于过热检测阈值电压的基准电压进行比较；以及与电路，其接收单触发电路所输出的脉冲信号和比较器的输出信号，如果栅极电压超过基准电压，则输出过热检测信号。
本发明还提供另一电压控制型半导体元件的驱动装置。该驱动电压控制型半导体元件的驱动装置具备：驱动电路，其驱动电压控制型半导体元件的栅极；栅极电阻，其设置于驱动电路与电压控制型半导体元件的栅极之间；延迟电路，其将驱动电路所输出的驱动信号延迟直到到达在栅极电压瞬时变化的期间产生的米勒效应期间内为止的预定的时间；单触发电路，其从延迟电路所输出的延迟信号的上升前沿或下降后沿起输出具有比米勒效应期间短的脉冲宽度的脉冲信号；以及采样保持电路，其在接收脉冲信号的期间获取与电压控制型半导体元件的芯片温度具有温度依赖性的栅极电压，保持脉冲信号的输入消失时的栅极电压并将其输出。
另外，本发明还提供另一电压控制型半导体元件的驱动装置。该驱动电压控制型半导体元件的驱动装置具备：驱动电路，其驱动电压控制型半导体元件的栅极；栅极电阻，其设置于驱动电路与电压控制型半导体元件的栅极之间；延迟电路，其将驱动电路所输出的驱动信号延迟直到到达在栅极电压瞬时变化的期间产生的米勒效应期间内为止的预定的时间；单触发电路，其从延迟电路所输出的延迟信号的上升前沿或下降后沿起输出具有比米勒效应期间短的脉冲宽度的脉冲信号；比较器，其将与电压控制型半导体元件的芯片温度具有温度依赖性的栅极电压与相当于过热检测阈值电压的基准电压进行比较；与电路，其接收单触发电路所输出的脉冲信号和比较器的输出信号，如果栅极电压超过基准电压，则输出过热检测信号；以及采样保持电路，其在接收脉冲信号的期间获取与电压控制型半导体元件的芯片温度具有温度依赖性的栅极电压，保持脉冲信号的输入消失时的栅极电压并将其输出。
技术效果
由于上述构成的电压控制型半导体元件的温度检测方法以及驱动装置能够直接且实时地监视电压控制型半导体元件的芯片温度，所以能够以高精度进行芯片温度的监视，另外，能够以小规模的电路构成实现用于检测芯片温度的构成。
本发明的上述和其他目的、特征以及优点通过表示作为本发明的例子而优选的实施方式的附图和相关的下述说明而变得明确。
附图说明
图1是示出第一实施方式的IGBT的驱动装置的构成例的电路图。
图2是示出米勒效应期间的栅极电压与芯片温度之间的关系的图。
图3是对第一实施方式的IGBT的驱动装置的动作进行说明的时序图。
图4是示出第二实施方式的IGBT的驱动装置的构成例的电路图。
图5是示出第三实施方式的IGBT的驱动装置的构成例的电路图。
符号说明
10：IGBT
12：FWD
20、20a、20b：驱动装置
22：预驱动器
24：驱动电路
26：栅极电阻
28：延迟电路
30：单触发电路
32、34：电阻
36：比较器
38：与电路
40：采样保持电路
42：运算放大器
44：开关元件
46：电容器
48：运算放大器
具体实施方式
以下，关于本发明的实施方式，以电压控制型半导体元件使用IGBT并应用于驱动该IGBT的驱动装置的情况为例，参照附图进行详细说明。应予说明，在图中，利用相同的符号示出的部分表示相同的构成要素。
图1是示出第一实施方式的IGBT的驱动装置的构成例的电路图，图2是示出米勒效应期间的栅极电压与芯片温度之间的关系的图，图3是对第一实施方式的IGBT的驱动装置的动作进行说明的时序图。
在图1中示出了作为半导体开关元件的IGBT 10、以及驱动该IGBT 10的驱动装置20。IGBT 10和驱动装置20例如内置于一个封装而构成被称为智能功率模块的半导体装置。
IGBT 10反向并联地连接有FWD(Free Wheeling Diode：续流二极管)12，该FWD 12起到在将IGBT 10关断时使蓄积于感应负载的能量向电源侧回流的作用。即，FWD 12的阳极连接于IGBT 10的发射极，FWD 12的阴极连接于IGBT 10的集电极。
驱动装置20具备预驱动器22、驱动电路24以及栅极电阻26。预驱动器22具有从外部的上级装置接收PWM(Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制)信号的端子IN，预驱动器22的输出端子连接于驱动电路24的输入端子。驱动电路24的输出端子连接于栅极电阻26的一个端子，栅极电阻26的另一端子连接于与IGBT 10的栅极连接的端子G。驱动电路24还连接于与IGBT 10的发射极连接的端子E。输入到端子IN的PWM信号介由预驱动器22和驱动电路24而变换为驱动信号SDRV，驱动信号SDRV介由栅极电阻26成为栅极电压VGE，并被供给到端子G。
驱动装置20还具备延迟电路28、单触发电路30、电阻32、34、比较器36以及与电路38。延迟电路28的输入端子连接于驱动电路24的输出端子与栅极电阻26的一个端子的连接部，延迟电路28的输出端子连接于单触发电路30的输入端子。电阻32的一个端子连接于电源线，电阻32的另一端子连接于电阻34的一个端子，电阻34的另一端子接地。电阻32、34构成分压电路，并输出基准电压Vref。基准电压Vref相当于过热检测阈值电压，例如是相当于IGBT 10的动作保证温度的上限即175℃的电压。
比较器36的同相输入端子连接于栅极电阻26的另一端子与端子G的连接部，反相输入端子连接于电阻32的另一端子与电阻34的一个端子的连接部。单触发电路30的输出端子连接于与电路38的第一输入端子，比较器36的输出端子连接于与电路38的第二输入端子。与电路38的输出端子连接于向外部的上级装置通知过热检测信号的警报输出端子ALM。
在此，IGBT 10的导通时的米勒效应期间中的栅极电压VGE与IGBT 10的芯片温度Tvj具有温度依赖性。如图2所示，由于其温度依赖性是栅极电压VGE相对于芯片温度Tvj成线性地变化的特性，因此，能够根据栅极电压VGE检测芯片温度Tvj。
接下来，参照图3的时序图对以上构成的驱动装置20的动作进行说明。应予说明，在图3的时序图中，从上方起示出驱动电路24所输出的驱动信号SDRV、端子G与端子E之间的栅极电压VGE、延迟电路28所输出的延迟信号、单触发电路30所输出的脉冲信号、以及警报输出端子ALM的过热检测信号。
如果向驱动装置20的端子IN输入PWM信号，则该PWM信号介由预驱动器22输入到驱动电路24，并从驱动电路24作为驱动信号SDRV输出。如果该驱动信号SDRV介由栅极电阻26被施加到IGBT 10的栅极，则栅极电压VGE如图3所示那样进行变化。
如果驱动信号SDRV从低(L)电平上升到高(H)电平，则该H电平的电压介由栅极电阻26对IGBT 10的栅极-发射极间电容进行充电。如果栅极-发射极间电容的充电电压超过IGBT 10的导通阈值电压，则IGBT 10导通，IGBT 10的集电极-发射极成为大致短路状态。由此，在IGBT 10的栅极连接有栅极-发射极间电容和栅极-集电极间电容(米勒电容)，IGBT10作为米勒积分器进行动作。在作为其动作期间的米勒效应期间Tm中，栅极电压VGE维持恒定的状态。如果米勒效应期间Tm结束，则继续向IGBT 10的栅极进行进一步的充电，因此，栅极电压VGE上升至成为驱动信号SDRV的H电平。
在驱动信号SDRV成为L电平之后，进行与IGBT 10导通时的栅极电压VGE的变化相反的变化，栅极电压VGE下降至成为驱动信号SDRV的L电平的电位。
驱动信号SDRV还被输入到延迟电路28。延迟电路28输出使驱动信号SDRV延迟了延迟时间Td而成的延迟信号。该延迟时间Td是从驱动信号SDRV的上升前沿的时间点起算到栅极电压VGE在米勒效应期间Tm中的任意的时间点为止的时间，且基于IGBT 10的开关特性来确定。延迟信号被输入到单触发电路30，使其从延迟信号的上升前沿的时间点起输出具有一定宽度的脉冲信号。单触发电路30所输出的脉冲信号具有比米勒效应期间Tm短的脉冲宽度，并成为取得米勒效应期间Tm中的栅极电压VGE的信号。
栅极电压VGE还被提供给比较器36的同相输入端子。比较器36由于在其反相输入端子接受相当于过热检测阈值电压的基准电压Vref，所以构成判断栅极电压VGE是否达到过热检测阈值电压的二值化电路。比较器36在栅极电压VGE小于相当于过热检测阈值电压的基准电压Vref时，输出L电平的信号，在栅极电压VGE为基准电压Vref以上时，输出H电平的信号。
与电路38的第一输入端子接收单触发电路30所输出的脉冲信号，第二输入端子接收比较器36的输出信号。由此，与电路38仅在正在接收脉冲信号的期间，允许比较器36的输出信号的通过。
在IGBT 10的芯片温度为动作保证温度的范围内的常温时，米勒效应期间Tm的栅极电压VGE小于基准电压Vref，所以比较器36输出L电平的信号，因此，与电路38输出L电平的信号。
在IGBT 10的芯片温度为超过了动作保证温度的范围的高温时，由于米勒效应期间Tm的栅极电压VGE成为基准电压Vref以上，所以比较器36输出H电平的信号，与电路38输出H电平的信号。该H电平的信号作为过热检测信号从警报输出端子ALM通知给外部的上级装置。
应予说明，在该实施方式中，虽然将过热检测信号从警报输出端子ALM向外部输出，但也可以向未图示的过热检测保护电路输入而将IGBT 10强制地关断。
图4是示出第二实施方式的IGBT的驱动装置的构成例的电路图。
第二实施方式的IGBT 10的驱动装置20a构成为，相对于第一实施方式的驱动装置20检测IGBT 10的过热并进行警报输出，驱动装置20a实时地检测芯片温度并将其输出。
驱动装置20a具备预驱动器22、驱动电路24、栅极电阻26、延迟电路28、以及单触发电路30，它们与第一实施方式的驱动装置20所具备的电路单元相同，因此在此省略详细的说明。
驱动装置20a还具备采样保持电路40。采样保持电路40具有运算放大器42、开关元件44、电容器46、以及运算放大器48。运算放大器42的反相输入端子连接于自身的输出端子而构成电压跟随电路，同相输入端子连接于与IGBT 10的栅极连接的端子G。运算放大器42的输出端子连接于开关元件44的一个端子，开关元件44的另一端子连接于电容器46的一个端子和运算放大器48的同相输入端子。电容器46的另一端子接地。开关元件44的控制端子连接于单触发电路30的输出端子。运算放大器48的反相输入端子连接于自身的输出端子而构成电压跟随电路。运算放大器48的输出端子连接于芯片温度输出端子TMP。
根据该驱动装置20a的采样保持电路40，构成为通过输入阻抗高的运算放大器42接受栅极电压VGE，由此使将采样保持电路40连接于端子G所引起的影响成为最小。由于运算放大器42构成电压跟随电路，所以将输入到同相输入端子的栅极电压VGE直接输出。开关元件44如果在控制端子接收到单触发电路30所输出的H电平的脉冲信号，则仅在正在接收脉冲信号的期间接通(导通)，并将运算放大器42所输出的电压(≈栅极电压VGE)施加到电容器46。此时，电容器46的端子电压成为跟随运算放大器42所输出的电压而得的电压。
如果单触发电路30所输出的脉冲信号成为L电平，则开关元件44断开(非导通)，电容器46的端子电压保持为开关元件44变为断开时的电压。被电容器46保持的电压通过构成电压跟随电路的运算放大器48而直接作为芯片温度检测信号输出，并从芯片温度输出端子TMP通知给外部的上级装置。
应予说明，在外部的上级装置中，如果从驱动装置20a接收到芯片温度检测信号，则根据该芯片温度检测信号求出芯片温度。即，上级装置具有表示图2所示的米勒效应期间的栅极电压VGE与芯片温度Tvj之间的关系的数据，从而将芯片温度检测信号所示出的栅极电压VGE换算为对应的芯片温度Tvj。
由此，对于该驱动装置20a而言，由于能够直接且实时地监视IGBT 10的芯片温度，所以能够以高精度进行芯片温度的监视，另外，能够以小规模的电路构成实现用于检测芯片温度的构成。
图5是示出第三实施方式的IGBT的驱动装置的构成例的电路图。
第三实施方式的IGBT 10的驱动装置20b具有第一实施方式的驱动装置20所具有的IGBT 10的过热检测功能、以及第二实施方式的驱动装置20a所具有的IGBT 10的芯片温度检测功能。
驱动装置20b具备预驱动器22、驱动电路24、栅极电阻26、延迟电路28、单触发电路30、电阻32、34、比较器36、与电路38、以及采样保持电路40。以上的驱动装置20b的构成要素与第一实施方式的驱动装置20和第二实施方式的驱动装置20a所具备的构成要素相同。但是，输入到比较器36的同相输入端子的栅极电压VGE是从采样保持电路40的运算放大器42的输出端子取得的。
如此，该驱动装置20b与第一实施方式的驱动装置20和第二实施方式的驱动装置20a所具备的电路单元相同，动作也与驱动装置20、20a的动作相同，因此在此省略详细的说明。根据该驱动装置20b，能够实现过热检测和温度检测这两者。
应予说明，在上述的实施方式中，检测使IGBT 10导通时的米勒效应期间的栅极电压VGE，并求出与该栅极电压VGE对应的芯片温度。但是，也可以变更为检测将IGBT 10关断时的米勒效应期间或将IGBT 10导通和关断时这双方的米勒效应期间的栅极电压VGE而求出芯片温度。在该情况下，延迟电路28输出延迟了从驱动信号SDRV的下降后沿的时间点起算到栅极电压VGE在米勒效应期间Tm中的任意的时间点为止的时间而成的延迟信号。另外，对于驱动装置20、20a而言，也可以取代IGBT 10而设为驱动MOSFET的装置。
以上，基于实施方式，对本发明的电压控制型半导体元件的温度检测方法以及驱动装置的一个方面进行了说明，但这些仅是一个例子，并不限于上述的记载。
关于上述内容，仅示出本发明的原理。进一步地，对本领域技术人员而言，能够进行大量变形、改变，本发明不限于在上述示出且说明的准确的构成和应用例，所有对应的变形例和等价物被视为所附的权利要求和其等价物所确定的本发明的范围。

Claims (7)

1.一种电压控制型半导体元件的温度检测方法，其特征在于，包括：
监视栅极电压，所述栅极电压用于驱动电压控制型半导体元件的栅极；
检测米勒效应期间的电压，所述米勒效应期间是在导通或关断所述电压控制型半导体元件时所述栅极电压瞬时变化的期间产生的；以及
将所述米勒效应期间的所述栅极电压作为与所述电压控制型半导体元件的芯片温度具有温度依赖性的信号而输出。
2.一种电压控制型半导体元件的驱动装置，其特征在于，对电压控制型半导体元件进行驱动，具备：
驱动电路，其驱动所述电压控制型半导体元件的栅极；
栅极电阻，其设置于所述驱动电路与所述电压控制型半导体元件的栅极之间；
延迟电路，其将所述驱动电路所输出的驱动信号延迟预定的时间，所述预定的时间是直到到达在栅极电压瞬时变化的期间产生的米勒效应期间内为止的时间；
单触发电路，其从所述延迟电路所输出的延迟信号的上升前沿或下降后沿起输出具有比所述米勒效应期间短的脉冲宽度的脉冲信号；
比较器，其将与所述电压控制型半导体元件的芯片温度具有温度依赖性的所述栅极电压与相当于过热检测阈值电压的基准电压进行比较；以及
与电路，其接收所述单触发电路所输出的所述脉冲信号和所述比较器的输出信号，如果所述栅极电压超过所述基准电压，则输出过热检测信号。
3.如权利要求2所述的电压控制型半导体元件的驱动装置，其特征在于，
所述电压控制型半导体元件的驱动装置具备警报输出端子，所述警报输出端子将所述与电路所输出的所述过热检测信号通知给外部。
4.一种电压控制型半导体元件的驱动装置，其特征在于，对电压控制型半导体元件进行驱动，具备：
驱动电路，其驱动所述电压控制型半导体元件的栅极；
栅极电阻，其设置于所述驱动电路与所述电压控制型半导体元件的栅极之间；
延迟电路，其将所述驱动电路所输出的驱动信号延迟预定的时间，所述预定的时间是直到到达在栅极电压瞬时变化的期间产生的米勒效应期间内为止的时间；
单触发电路，其从所述延迟电路所输出的延迟信号的上升前沿或下降后沿起输出具有比所述米勒效应期间短的脉冲宽度的脉冲信号；以及
采样保持电路，其在接收所述脉冲信号的期间获取与所述电压控制型半导体元件的芯片温度具有温度依赖性的所述栅极电压，保持所述脉冲信号的输入消失时的所述栅极电压并将其输出。
5.根据权利要求4所述的电压控制型半导体元件的驱动装置，其特征在于，
所述电压控制型半导体元件的驱动装置具备芯片温度输出端子，所述芯片温度输出端子将所述采样保持电路所输出的信号作为芯片温度检测信号通知给外部。
6.一种电压控制型半导体元件的驱动装置，其特征在于，对电压控制型半导体元件进行驱动，具备：
驱动电路，其驱动所述电压控制型半导体元件的栅极；
栅极电阻，其设置于所述驱动电路与所述电压控制型半导体元件的栅极之间；
延迟电路，其将所述驱动电路所输出的驱动信号延迟预定的时间，所述预定的时间是直到到达在栅极电压瞬时变化的期间产生的米勒效应期间内为止的时间；
单触发电路，其从所述延迟电路所输出的延迟信号的上升前沿或下降后沿起输出具有比所述米勒效应期间短的脉冲宽度的脉冲信号；
比较器，其将与所述电压控制型半导体元件的芯片温度具有温度依赖性的所述栅极电压与相当于过热检测阈值电压的基准电压进行比较；
与电路，其接收所述单触发电路所输出的所述脉冲信号和所述比较器的输出信号，如果所述栅极电压超过所述基准电压，则输出过热检测信号；以及
采样保持电路，其在接收所述脉冲信号的期间获取与所述电压控制型半导体元件的芯片温度具有温度依赖性的所述栅极电压，保持所述脉冲信号的输入消失时的所述栅极电压并将其输出。
7.根据权利要求6所述的电压控制型半导体元件的驱动装置，其特征在于，
所述电压控制型半导体元件的驱动装置具备：警报输出端子，其将所述与电路所输出的所述过热检测信号通知给外部；以及芯片温度输出端子，其将所述采样保持电路所输出的信号作为芯片温度检测信号通知给外部。
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