CN116337253A - 功率装置及其温度检测方法 - Google Patents

功率装置及其温度检测方法 Download PDF

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CN116337253A CN202111584834.8A CN202111584834A CN116337253A CN 116337253 A CN116337253 A CN 116337253A CN 202111584834 A CN202111584834 A CN 202111584834A CN 116337253 A CN116337253 A CN 116337253A
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Abstract

本发明提供一种功率装置及其温度检测方法，所述功率装置包含功率开关及检测单元。功率开关电性连接于第一检测节点及第二检测节点之间。该些检测节点电性连接于多个电源节点之间。该些检测节点实质上为功率开关的两端。当功率开关导通时，功率开关用以传送流经该些电源节点的电流。检测单元电性连接于第一检测节点及第二检测节点，用以检测功率开关两端的跨压，以产生检测电压。

Description

功率装置及其温度检测方法
技术领域
本揭示内容涉及一种功率装置及其温度检测方法，尤其涉及一种用以检测功率装置的跨压，以判断其温度的技术。
背景技术
功率装置(power module)是一种封装有功率半导体元件的结构，通常作为电子装置的电能转换与电路控制的核心。功率装置的用途包括变频、整流、变压、功率放大、功率控制等，并同时可具有节能的功效，因此广泛应用于行动通讯、消费性电子产品、能源装置等众多领域。
发明内容
本揭示内容的一实施例为一种功率装置，包含功率开关及检测单元。功率开关电性连接于第一检测节点及第二检测节点之间，该些检测节点电性连接于多个电源节点之间。该些检测节点实质上为功率开关的两端。当功率开关导通时，功率开关用以传送流经该些电源节点的电流。检测单元电性连接于第一检测节点及第二检测节点，用以检测功率开关两端的跨压，以产生检测电压。
本揭示内容的另一实施例为一种功率装置温度的检测方法，包含下列步骤：导通功率开关，以通过功率开关传送流经复数个电源节点的电流，其中功率开关电性连接于第一检测节点及第二检测节点之间，第一检测节点及第二检测节点电性连接于该些电源节点之间，且第一检测节点及第二检测节点实质上为功率开关的两端；通过检测单元，检测功率开关的两端的跨压，以产生检测电压，其中检测单元电性连接于该些检测节点；以及通过转换单元将检测电压转换为检测温度值。
本揭示内容的另一实施例为一种功率装置，包含多个功率开关及至少一检测单元。该些功率开关的任一者电性连接于多个检测节点之间，且该些检测节点电性连接于多个电源节点之间。该些检测节点实质上为该些功率开关的两端。当功率开关的任一者导通时，功率开关用以传送流经该些电源节点的电流。检测单元电性连接于该些检测节点，用以检测该些功率开关的两端跨压，以产生检测电压。
由于检测单元直接连接于功率开关的两端，且根据功率开关导通时的跨压产生检测电压，因此能确保检测电压不会受到功率装置中的导体阻抗影响，使检测电压能精确地反应出功率开关的当前温度。
附图说明
图1为根据本揭示内容的部分实施例的功率装置的示意图；
图2为根据本揭示内容的部分实施例的检测单元的示意图；
图3为根据本揭示内容的部分实施例的温度检测方法的流程图；
图4A～图4D为根据本揭示内容的部分实施例的功率装置的示意图；
图5A～图5C为根据本揭示内容的部分实施例的功率装置的示意图。
附图标记说明
100:功率装置
200:检测单元
210:耐压电路
211:耐压开关
220:钳位电路
230:输出电路
231:分压电路
232:滤波电路
300:转换单元
310:处理器
320:存储器
321:转换表
410-440:功率装置
500:功率装置
511:第一功率开关
512:第二功率开关
513:第三功率开关
520:选择电路
530:转换单元
MS:功率开关
Na:第一检测节点
Nb:第二检测节点
N1-N2:电源节点
D1:齐纳二极管
D2:齐纳二极管
Rpd:杂散电阻
Lpd:杂散电感
Rps:杂散电阻
Lps:杂散电感
P:电路板
De:芯片
Dg:驱动器芯片
Dp:电路板
MS1:第一功率开关
MS2:第二功率开关
MS3:第三功率开关
具体实施方式
以下将以附图公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式示出的。
于本文中，当一元件被称为“连接”或“耦接”时，可指“电性连接”或“电性耦接”。“连接”或“耦接”亦可用以表示二或多个元件间相互搭配操作或互动。此外，虽然本文中使用“第一”、“第二”、…等用语描述不同元件，该用语仅是用以区别以相同技术用语描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否则该用语并非特别指称或暗示次序或顺位，亦非用以限定本发明。
图1为根据本揭示内容的部分实施例的功率装置100的示意图。功率装置100至少包含功率开关MS(main switch)。功率开关MS可由功率半导体元件实现，且可电性连接于外部装置，以提供变频、整流、变压、功率放大或功率控制等功能。在图1所示的电路中，功率开关MS为金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET)，但本揭示内容并不以此为限，在其他实施例中，功率开关MS亦可由绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)实现。
在一实施例中，功率开关MS电性连接于驱动器芯片(die)。为了确保功率开关MS运作正常，功率装置100内可设置功率型热敏电阻实现(Negative Temperature CoefficentThermistor，NTC)或二极管，以根据电压变化确认功率开关MS的温度。然而，利用NTC和二极管检测温度的方式皆不够理想。
请参阅图1所示，本揭示内容通过检测单元200直接检测功率开关MS两端的跨压，以根据电压-温度的关系，推算出功率开关MS的当前温度。在所述实施例中，功率开关MS电性连接于第一检测节点Na及第二检测节点Nb之间，且第一检测节点Na及第二检测节点Nb又位于两个电源节点N1、N2之间。
如图1所示，电源节点N1、N2与检测节点Na、Nb之间存在有至少一个杂散电阻Rpd、Rps及至少一个杂散电感Lpd、Lps。杂散电阻Rpd、Rps及杂散电感Lpd、Lps串联于电源节点N1、N2与检测节点Na、Nb之间，为功率装置100中的导体所形成。换言之，检测节点Na、Nb实质上为功率开关MS的两端，且检测节点Na、Nb与功率开关MS之间不具有多余的导体阻抗(或阻抗过小而可忽略)。当功率开关MS导通时，功率开关MS用以传送电流，使电流流经该些电源节点N1、N2。
检测单元200直接连接于第一检测节点Na及第二检测节点Nb，用以检测功率开关MS两端的跨压，并根据检测结果产生检测电压。根据功率开关MS的电压与温度之间的相对关系，即可判断出功率开关MS的当前温度。此外，由于检测单元200直接并联于功率开关MS的两端(即，第一检测节点Na及第二检测节点Nb)，而非连接于电源节点N1、N2，因此，检测单元200取得的检测电压可直接反应出功率开关MS的跨压，而不会受到导体上的阻抗或寄生电感所影响。
如图1所示，在部分实施例中，功率装置100还包含转换单元300。转换单元300电性连接于检测单元200，用以接收检测单元200传来的检测电压值。转换单元300包含处理器310及存储器320，且存储器320中则预先存储有转换表321。转换表321纪录了功率开关MS在各种跨压下的温度值。处理器310可根据检测电压值查找转换表321，以找出对应于检测电压的检测温度值。
另一方面，功率开关MS会随着外部装置(或驱动器芯片)的运作，处于导通或关断的状态。在功率开关MS分别处于导通或关断时，其跨压会有明显的差异。具体而言，功率开关MS关断时，功率开关MS的两端跨压远大于功率开关MS导通时的两端跨压。若检测单元200在检测过程中，接收到极大与极小的电压，则转换单元300在推算检测温度值时，极小的电压(即，功率开关MS导通时的跨压)将会被忽略或计算出现误差，导致结果不精确。因此，在部分实施例中，检测单元200仅会接收功率开关MS“导通”时的跨压，并根据该跨压来取得检测电压值。相对地，转换单元300取得的检测温度值亦对应于功率开关MS“导通”时的跨压。
图2为根据本揭示内容的部分实施例的检测单元200示意图。在部分实施例中，检测单元200包含耐压电路210、钳位电路220及输出电路230。耐压电路210电性连接于第一检测节点Na，且包含耐压开关211。当功率开关MS关断时，功率开关MS的两端跨压将使耐压开关211关断(即，形成断路)，但功率开关MS的两端跨压小于耐压开关211的额定电压，以确保耐压开关211不会因此受损。
钳位电路220电性连接于耐压电路210及第二检测节点Nb之间，且耐压开关211电性连接于第一检测节点Na及钳位电路220之间。换言之，耐压开关211的第一端(漏极)连接至第一检测点Na，耐压开关211的第二端(源极)连接至钳位电路220。在功率开关MS导通、且耐压开关211随之导通时，钳位电路220用以对耐压电路210的输出(如：耐压开关211的源极电压)进行钳位，以形成钳位电压V1。
在部分实施例中，钳位电路220包含至少一个齐纳二极管D1，以使钳位电路220连接至耐压电路210一端的钳位电压V1小于功率开关MS关断时的两端跨压。因此，钳位电路220可进一步确保钳位电压V1保持于一定的电压范围内，以避免检测单元200受损的问题。在其他部分实施例中，钳位电路220包含多个齐纳二极管D1、D2，其中齐纳二极管D1、D2之间的节点连接至耐压开关211的控制端(栅极)，且齐纳二极管D2连接至耐压开关211的第二端(源极)。
输出电路230电性连接于钳位电路220及耐压开关211的第二端，用以接收钳位电压V1，并依据钳位电压V1产生检测电压V2。在部分实施例中，输出电路230还包含分压电路231。分压电路231用以接收钳位电压V1，并通过多个不同阻抗的电阻，对钳位电压V1进行分压，以将钳位电压V1转换为检测电压V2。检测电压V2将对应于转换单元300的处理器310的工作电压范围(如：降低钳位电压V1至一定比例)。
在其他部分实施例中，输出电路230还包含由电阻及电容组成的滤波电路232。输出电路230先通过滤波电路，将钳位电压V1中的高频噪声滤除后，再将滤波后的电压传给分压电路231，以输出检测电压V2。
图3为根据本揭示内容的部分实施例的温度检测方法的流程图。在步骤S301中，功率开关MS被导通，以传送电流流经电源节点N1、N2。功率开关MS连接于外部装置或芯片，且随着外部装置或芯片的运作，被控制于导通或关断的状态。
在步骤S302中，判断功率开关MS是否导通。若功率开关MS处于关断，则在步骤S303中，功率开关MS的跨压将会使耐压电路210中的耐压开关211关断，使耐压电路210形成断路。
若功率开关MS为导通，在步骤S304中，功率开关MS的跨压将会使耐压电路210中的耐压开关211导通，且钳位电路220将对耐压电路210的输出电压进行钳位，以产生钳位电压V1。
在步骤S305中，输出电路230根据钳位电压V1进行分压，以检测电压值V2。检测电压值V对应于功率开关MS两端跨压，且符合转换单元300中处理器的工作电压范围。在步骤S306中，转换单元300接收检测电压。转换单元300中预先存储有检测电压V2与温度的对应关系的转换表321。处理器310通过查找转换表321，将可找出对应于检测电压的温度值，以作为对应功率开关MS当前温度的检测温度值。
图1所示出的实施例中，功率装置100包含一个功率开关MS，但在其他实施例中，功率装置100内可封装有多个功率开关MS。图4A～图4D为功率装置410～440的不同实施例。于图4A～图4D中，与图1的实施例有关的相似元件以相同的参考标号表示以便于理解，且相似元件的具体原理已于先前段落中详细说明，若非与图4A～图4D的元件间具有协同运作关系而必要介绍者，于此不再赘述。
请参阅图4A所示，功率装置410包含多个功率开关MS及检测单元200，每个功率开关MS皆电性连接于两个检测节点之间(如图1所示的第一检测节点Na及第二检测节点Nb)，且每个检测节点又电性连接于两个电源节点之间(如图1所示的电源节点N1、N2)。换言之，每个功率开关MS的两端实质上设有检测节点。当功率开关MS导通时，功率开关MS将用以传送流经电源节点之间的电流，以执行其功能(如：控制、调整输出至外部装置或芯片的电流)。检测单元200电性连接于该些功率开关MS，以分别检测功率开关MS的两端跨压，并产生对应的检测电压。
如图4A所示，功率开关MS统一封装于独立的电路板P上，检测单元200则设至于另一个芯片De上。电路板P与芯片De间相电性连接，使检测单元200能通过芯片De电性连接于该些功率开关MS，并检测功率开关MS的两端跨压。
如图4B所示，在其他实施例中，检测单元200及该些功率开关MS皆设置于电路板P上，以通过电路板P相互电性连接。每个检测单元200对应于一定数量的功率开关MS，以检测其两端跨压。检测单元200连接至多个功率开关MS的电路细节将于后续段落说明。
如图4C所示，在部分实施例中，功率开关MS统一封装于独立的电路板P上，检测单元200与驱动器芯片Dg(Gate Driver IC)封装为一体，且驱动器芯片Dg与电路板P相电性连接。
如图4D所示，在部分实施例中，功率开关MS统一封装于独立的电路板P上，检测单元200及转换单元300则封装于设置驱动器芯片(图4D中未示)的另一个电路板Dp上。电路板Dp通过电路板P电性连接至该些功率开关MS。
图5A为根据本揭示内容的其他实施例的功率装置500示意图。功率装置500包含多个功率开关MS1～MS3、多个检测单元511～513、选择电路520及转换单元530。每个检测单元511～513分别对应于一个功率开关MS1～MS3，以检测对应的功率开关MS1～MS3的两端跨压，并取得对应的检测电压。例如：第一检测单元511用以检测第一功率开关MS1的第一检测电压，第二检测单元512用以检测第二功率开关MS2的第二检测电压，第三检测单元513用以检测第三功率开关MS3的第三检测电压。转换单元300通过选择电路520(如：dataselector)选择性地电性连接于该些检测单元511～513，以接收该些检测电压。
图5B及图5C是根据本揭示内容的部分实施例的选择电路520示意图。请参阅图5B所示，在一实施例中，选择电路520包含多个可控开关T1～T3，每个可控开关T1～T3对应于其中一个检测单元511～513，且同时连接至转换单元530。功率装置500会导通可控开关T1～T3中任一者的控制端，使转换单元300每次只接收其中一个检测电压。据此，功率装置500将可定期或依序地测量每个功率开关MS1～MS3的两端跨压，并判断对应的温度值。
如图5C所示，在其他部分实施例中，选择电路520包含多个单向开关Ta～Tc(如：二极管)。该些单向开关Ta～Tc电性连接至检测单元511～513，以接收检测单元511～513输出的检测电压。每个单向开关Ta～Tc对应于其中一个检测单元511～513，且同时连接至转换单元530。由于单向开关Ta～Tc仅会单向导通，因此在检测单元511～513皆输出对应的检测电压值的情况下，转换单元300仅会接收到数值最高的检测电压。换言之，转换单元300会根据当前检测电压的最高者，通过转换表查找出对应的温度值。
前述各实施例中的各项元件、方法步骤或技术特征，可相互结合，而不以本揭示内容中的文字描述顺序或附图呈现顺序为限。
虽然本揭示内容已以实施方式揭示如上，然其并非用以限定本揭示内容，任何本领域技术人员，在不脱离本揭示内容的精神和范围内，当可作各种更改与润饰，因此本揭示内容的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (20)

1.一种功率装置，包含：
功率开关，电性连接于第一检测节点及第二检测节点之间，多个检测节点电性连接于多个电源节点之间，其中所述多个检测节点实质上为所述功率开关的两端，当所述功率开关导通时，所述功率开关用以传送流经所述多个电源节点的电流；以及
检测单元，电性连接于所述第一检测节点及所述第二检测节点，用以检测所述功率开关两端的跨压，以产生检测电压。
2.根据权利要求1所述的功率装置，其中所述检测单元包含：
耐压电路，电性连接于所述第一检测节点，其中所述耐压电路用以根据所述功率开关关断时所述功率开关两端的所述跨压形成断路；
钳位电路，电性连接于所述耐压电路，并用以对所述耐压电路的输出进行钳位，以产生钳位电压；以及
输出电路，电性连接于所述钳位电路，用以接收所述钳位电路输出的所述钳位电压，并依据所述钳位电压产生所述检测电压。
3.根据权利要求2所述的功率装置，其中所述钳位电路电性连接于所述耐压电路及所述第二检测节点之间，且所述耐压电路包含：
耐压开关，所述耐压开关的第一端电性连接于所述第一检测节点，所述耐压开关的第二端电性连接于所述钳位电路，其中当所述功率开关关断时，所述功率开关两端的所述跨压小于所述耐压开关的额定电压。
4.根据权利要求2所述的功率装置，其中所述钳位电路至少包含齐纳二极管，且所述钳位电路的钳位电压小于所述功率开关关断时所述功率开关两端的所述跨压。
5.根据权利要求2所述的功率装置，还包含：
转换单元，电性连接于所述检测单元，用以接收所述检测电压，其中所述转换单元包含处理器，所述处理器用以根据所述检测电压查找转换表，以取得对应于所述检测电压的温度值，作为检测温度值。
6.根据权利要求1所述的功率装置，还包含：
至少一杂散电阻以及至少一杂散电感，彼此串联连接于所述多个电源节点中的者与所述多个检测节点中的一者之间。
7.根据权利要求6所述的功率装置，其中所述检测单元包含：
耐压电路，电性连接于所述第一检测节点，其中所述耐压电路用以根据所述功率开关关断时所述功率开关两端的所述跨压形成断路；
钳位电路，电性连接于所述耐压电路，并用以对所述耐压电路的输出进行钳位，以产生钳位电压；以及
输出电路，电性连接于所述钳位电路，用以接收所述钳位电路输出的所述钳位电压，并依据所述钳位电压产生所述检测电压。
8.根据权利要求7所述的功率装置，其中所述钳位电路电性连接于所述耐压电路及所述第二检测节点之间，且所述耐压电路包含：
耐压开关，所述耐压开关的第一端电性连接于所述第一检测节点，所述耐压开关的第二端电性连接于所述钳位电路，其中当所述功率开关关断时，所述功率开关两端的所述跨压小于所述耐压开关的额定电压；以及
其中所述钳位电路至少包含：
齐纳二极管，所述钳位电路的钳位电压小于所述功率开关关断时所述功率开关两端的所述跨压。
9.一种功率装置的温度检测方法，包含：
导通功率开关，以通过所述功率开关传送流经多个电源节点的电流，其中所述功率开关电性连接于第一检测节点及第二检测节点之间，所述第一检测节点及所述第二检测节点电性连接于所述多个电源节点之间，且所述第一检测节点及所述第二检测节点实质上为所述功率开关的两端；
通过检测单元，检测所述功率开关的两端的跨压，以产生检测电压，其中所述检测单元电性连接于所述多个检测节点；以及
通过转换单元，将所述检测电压转换为检测温度值。
10.根据权利要求9所述的温度检测方法，还包含：
关断所述功率开关，以根据所述功率开关关断时所述功率开关两端的所述跨压，将所述检测单元内的耐压电路形成断路。
11.根据权利要求10所述的温度检测方法，其中产生所述检测电压值的方法包含：
通过钳位电路，对所述耐压电路的输出进行钳位，以产生钳位电压；以及
通过分压电路，将所述钳位电压转换为对应于处理器的工作电压范围的所述检测电压。
12.根据权利要求9所述的温度检测方法，其中将所述检测电压转换为所述检测温度值的方法包含：
据转换表，找出对应于所述检测电压的温度值，作为所述检测温度值。
13.一种功率装置，包含：
多个功率开关，所述多个功率开关的任一者电性连接于多个检测节点之间，且所述多个检测节点电性连接于多个电源节点之间，其中所述多个检测节点实质上为所述多个功率开关的两端，当所述功率开关的任一者导通时，所述功率开关用以传送流经所述多个电源节点的电流；以及
至少一检测单元，电性连接于所述多个检测节点，用以检测所述多个功率开关的两端跨压，以产生检测电压。
14.根据权利要求13所述的功率装置，还包含：
转换单元，电性连接于所述至少一检测单元，用以根据所述检测电压查找转换表，以输出对应于所述检测电压的检测温度值。
15.根据权利要求14所述的功率装置，其中所述检测单元设置于芯片上，且所述芯片电性连接于所述多个功率开关。
16.根据权利要求14所述的功率装置，其中所述检测单元与所述多个功率开关皆设置于电路板上。
17.根据权利要求14所述的功率装置，其中所述检测单元与驱动器芯片封装为一体。
18.根据权利要求14所述的功率装置，其中所述检测单元与所述转换单元皆设置于电路板上，且所述电路板电性连接于所述多个功率开关。
19.根据权利要求14所述的功率装置，其中所述多个功率开关包含第一功率开关及第二功率开关，所述至少一检测单元包含第一检测单元及第二检测单元，所述第一检测单元用以检测所述第一功率开关的第一检测电压，所述第二检测单元用以检测所述第二功率开关的第二检测电压，且所述转换单元选择性地接收所述第一检测电压或所述第二检测电压。
20.根据权利要求14所述的功率装置，其中所述多个功率开关包含第一功率开关及第二功率开关，所述至少一检测单元包含第一检测单元及第二检测单元，所述第一检测单元用以检测所述第一功率开关的第一检测电压，所述第二检测用以检测所述第二功率开关的第二检测电压，且所述转换单元通过多个单向开关电性连接至所述第一检测单元及所述第二检测单元，以接收所述第一检测电压或所述第二检测电压。
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