CN117642989A - 电路组件、半导体模块、电系统和用于借助mosfet进行光学信息输出的方法 - Google Patents
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Abstract
一种电路组件、一种半导体模块、一种电系统和一种用于借助MOSFET进行光学信息输出的方法，路组件具有MOSFET(10)和栅极控制电路(20)，MOSFET具有光学接口(12)。MOSFET(10)的光学接口(15)设立为用于将通过MOSFET(10)的反向二极管(14)产生的光传导到MOSFET(10)的环境(30)中。栅极控制电路(20)设立为用于接收输入信号(SE)，输入信号代表借助电路组件待输出的信息，并且设立为用于由输入信号(SE)产生输出信号(SA)，输出信号也代表待输出的信息并且附加地适用于在MOSFET(10)的反向运行中改变MOSFET(10)的栅极源极电压(UGS)。此外，栅极控制电路设立为用于在MOSFET(10)的反向运行中基于输出信号(SA)改变MOSFET(10)的栅极源极电压(UGS)，以便以相应的方式改变MOSFET(10)的反向二极管(14)的光发射，由此经由MOSFET(10)的光学接口(12)输出待输出的信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种电路组件、一种半导体模块、一种电系统和一种用于借助MOSFET进行光学信息输出的方法。
背景技术
由现有技术已知碳化硅(SiC)MOSFET，与典型的硅(Si)MOSFET不同，所述碳化硅MOSFET在无源反向运行中在所施加的栅极源极电压方面具有强烈相关性。由此产生的效果也被称为体效应(Body-Effekt)，并且主要在集成电路中的基于硅的MOSFET的情况中已知。
此外已知，如果MOSFET的衬底与MOSFET的源极连接端电连接，则MOSFET的反向二极管(英语“body-diode”，体二极管)起作用，如果在漏极与源极之间的电位翻转，则该反向二极管变得导电。这导致通过该反向二极管进行与电流和温度有关的光发射。
DE102017212856 A1公开一种用于变换电能的设备和一种用于通过发光确定半导体结构元件的温度的方法。
V.Pala等的“Physics of bipolar,unipolar and intermediate conductionmodes in Silicon Carbide MOSFET body diodes”，2016 28th InternationalSymposium on Power Semiconductor Devices and ICs(ISPSD)描述了SiC-MOSFET在第三象限中运行时的物理学和由于体效应和在阳极过渡部上的电压降而改变的阈值电压的影响。
Dolny等的“The influence of body effect and threshold voltagereduction on trench MOSFET body diode characteristics”，2004Proceedings of the16th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs描述了具有高通道密度的功率沟槽MOSFET的反向二极管特征。
发明内容
根据本发明的第一方面，提出一种用于借助MOSFET进行光学信息输出的电路组件。该电路组件具有MOSFET和栅极控制电路，该MOSFET具有光学接口。
MOSFET的光学接口设立为用于将通过MOSFET的反向二极管(也被称为“体二极管(body-diode)”)产生的光传导到MOSFET的环境中。为此，在例如设置有在MOSFET的壳体中的贯通钻孔和/或光波导和/或另外的光传导设备(例如反向二极管的区域中的透射窗口)。
栅极控制电路例如是分离式和/或集成式模拟电路和/或数字电路，该模拟电路和/或数字电路构型为例如ASIC、FPGA、处理器、数字信号处理器、微控制器或者类似物。此外能够考虑，栅极控制电路是MOSFET的栅极驱动器电路的组成部分，该栅极驱动器电路用于调设MOSFET的一个或者多个工作点(例如借助一个或者多个预定义的直流电压)。替代地或者附加地，栅极控制电路构造为与栅极驱动器电路分开的电路。
栅极控制电路设立为用于接收输入信号，该输入信号代表借助电路组件待输出的信息，该信息原则上能够是任意类型的信息。此外，栅极控制电路设立为用于由输入信号产生输出信号，该输出信号也代表待输出的信息并且附加地适用于在MOSFET的反向运行中改变MOSFET的栅极源极电压。反向运行通过MOSFET的小于0V的漏极源极电压实现，该反向运行能够通过MOSFET的外部布线、例如通过感应负载引起。
根据输入信号的相应特征和对输出信号的特定于应用的要求，能够考虑，输出信号和输入信号是相同的，或者输出信号和输入信号彼此具有线性的或者非线性的关联。此外，原则上能够使用输入信号的任意变换，用以产生输出信号，只要能够从输出信号中重建待输出的信息。
此外，栅极控制电路设立为用于在MOSFET的反向运行中基于输出信号改变MOSFET的栅极源极电压，以便以相对应的方式改变MOSFET的反向二极管的光发射，由此经由MOSFET的光学接口输出所述待输出的信息。
需要指出的是，MOSFET的栅极源极电压的通过输出信号引起的变化原则上不局限于栅极源极电压的确定的电压变化。根据所使用的MOSFET类型和/或输出信号的特征和/或通过反向二极管待产生的光发射的所需要的高度，一方面能够考虑，仅在负电压范围中改变栅极源极电压。另一方面也能够是，通过改变在负电压值与0V之间和/或在0V与正电压值(例如直至MOSFET的阈值电压或者高于该阈值电压)之间和/或在栅极源极电压的负电压值与正电压值之间的栅极源极电压改变。
根据本发明的电路组件尤其提供如下优点：借助MOSFET的反向运行能够实现的光发射能够用于输出信息，所述信息不是通过MOSFET本身产生的。后者尤其涉及通过MOSFET的截止层温度变化对反向二极管的光发射的内部影响。借助该输出信号的适合的设计，对反向二极管的光发射的这样的MOSFET内部的影响能够可靠地与根据本发明的对反向二极管的光发射的影响分开。
此外，通过下述方式得出根据本发明的电路组件的一个特殊优点：在此提出的信息输出在光学基础上能够实现电路组件与接收光发射或待输出的信息的部件之间的电绝缘。
从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。
MOSFET优选是硅(Si)MOSFET或者碳化硅(SiC)MOSFET，而不由此将MOSFET局限于上述变型。在根据本发明的情况中，SiC-MOSFET能够特别有利地使用，因为通过这些SiC-MOSFET能够借助反向二极管产生特别高的光发射。在根据本发明的情况中用于SiC-MOSFET的示例性工作点范围能够在-1V与-8V之间、优选地在-2V与-6V之间并且尤其优选地在-4V的范围中，而不由此局限于这些电压范围。
优选地，待输出的信息是通过栅极控制电路本身和/或与栅极控制电路在信息技术方面连接的部件(例如单独的栅极驱动器等)产生的信息。特别有利地，待输出的信息是通过传感器(例如温度和/或电流传感器等)产生的信息。
在本发明的一种有利构型中，输出信号代表输入信号的幅度调制和/或频率调制和/或相位调制和/或脉冲宽度调制。尤其有利的是，待传输的信息存在于与由于MOSFET本身对光发射的上述影响相似的频率范围中。通过借助相对于这样的频率范围更高频的载体信号调制待输出的信息，在用于光发射的接收器部件中实现一种滤波可能性，用于区分通过待输出的信息引起的光发射分量与通过MOSFET的内部影响引起的光发射分量。为此，例如使用在经调制的输出信号方面设计的高通滤波器。此外，所提出的调制也能够有利地用于改进待输出的信息的信噪比。
此外，有利地能够是，基于输出信号对栅极源极电压的改变引起栅极源极电压的围绕MOSFET的当前所使用的工作点的不对称改变。这例如能够实现在MOSFET的和/或反向二极管的工作点的范围中对非线性特性曲线的影响的补偿，其目标是，输入信号的基本上相同的正信号幅度和负信号幅度基本上导致通过反向二极管进行的光发射在量值方面相同的增加或减少。替代地或者附加地也能够是，对栅极源极电压的改变引起在MOSFET的反向二极管的光发射状态与非光发射状态之间的交替切换。这尤其允许特别可靠地区分在用于光发射的接收器分量中的两个信号状态。以SiC-MOSFET为例能够是，例如通过与第一信号相对应的、MOSFET的工作点在-4V(即反向二极管位于光发射状态中)与+18V(即反向二极管位于如下状态中：其中，该反向二极管不发射光)之间的切换来实现待输出的信息的输出，而不由此局限于这些具体的电压值。此外，也能够考虑，通过这种方式在三个或者更多个彼此不同的工作点之间进行切换，以实现例如三阶的或者更高阶的信号传输。
根据本发明的第二方面，提出一种半导体模块、尤其是功率模块，该半导体模块具有根据上述描述的电路组件，其中，MOSFET的光学接口与半导体模块的接收器部件(例如布置在半导体模块中的光电二极管，该光电二极管用于使用在半导体模块本身内的待输出的信息)光学耦合，和/或其中，该半导体模块具有光学模块接口，该光学模块接口与MOSFET的光学接口光学耦合。后一种情况能够实现对在半导体模块之外的待输出的信息的使用，其方式是，半导体模块将MOSFET的反向二极管的光发射经由光学接口(例如贯通钻孔和/或光学窗口和/或光波导接口等)传导到半导体模块的环境中。需要指出的是，半导体模块原则上能够包括任意数量的另外的部件(例如另外的MOSFET或者与此不同的部件)。特征、特征组合以及由所述特征和特征组合得出的优点相应于结合所提到的第一发明方面所阐释的特征、特征组合以及由所述特征和特征组合得出的优点详细可见，使得为了避免重复而参考上述阐释。
根据本发明的第三方面，提出一种电系统，该电系统具有电路组件和/或根据以上说明的半导体模块。该电系统设立为用于将MOSFET至少暂时地、尤其是反复地置于反向运行中。如前所述，这样的反向运行例如结合(通过该MOSFET或通过多个MOSFET连接的)感应负载和/或与此不同的用于MOSFET的漏极源极电压的电位反转的原因而产生。优选地，通过电路组件自动地识别MOSFET的反向运行，使得待输出的信息的输出有针对性地仅在反向运行的相应相位中进行。在这种情况中也能够考虑，根据可能的需要借助反向二极管将当前存在的待输出的信息以最大允许的时间延迟向外传输，借助电路组件和/或电系统的另外的部件，实现反向运行的在这方面有条件的建立。尤其是，当借助待输出的信息输出与功能相关的和/或对于安全关键的数据(例如为了避免半导体模块的过热等)时，这可以是相关的。特征、特征组合以及由所述特征和特征组合得出的优点相应于结合所提到的第一和第二发明方面所阐释的特征、特征组合以及由所述特征和特征组合得出的优点清楚可见，使得为了避免重复而参考上述阐释。
优选地，该电系统附加地具有光探测器(例如光电二极管、硅光电二极管倍增管等)，其中，该光探测器与MOSFET的光学接口和/或半导体模块的光学模块接口光学耦合，并且设立为接收通过MOSFET的反向二极管发射的光、由所接收的光产生测量信号并且将测量信号提供给电系统。如果输出信号是输入信号的经调制的表示，则测量信号例如首先被提供给电系统的解调器，以便在进一步使用之前对所输出的光信号进行解调。此外，电系统的任意的另外的构件和/或部件和/或模块可考虑作为光探测器的测量信号的接收器。
电系统例如是桥式电路(例如半桥、全桥等)和/或驱动变流器和/或DC/DC电压转换器和/或AC/AC电压转换器和/或逆变器和/或整流器和/或开关电网部件和/或车辆的车载电网。
根据本发明的第四方面，提出一种用于借助电路组件的MOSFET进行光学信息输出的方法。在根据本发明的方法的第一步骤中，通过电路组件的MOSFET的栅极控制电路接收输入信号，该输入信号代表借助电路组件待输出的信息。在根据本发明的方法的第二步骤中，由输入信号产生输出信号，其中，该输出信号也代表待输出的信息并且附加地适用于在MOSFET的反向运行中改变MOSFET的栅极源极电压。在根据本发明的方法的第三步骤中，在MOSFET的反向运行中基于输出信号改变MOSFET的栅极源极电压，以便以对应的方式改变MOSFET的反向二极管的光发射，由此经由MOSFET的光学接口输出所述待输出的信息。特征、特征组合以及由所述特征和特征组合得出的优点相应于结合所提到的第一、第二和第三发明方面所阐释的特征、特征组合以及由所述特征和特征组合得出的优点清楚可见，使得为了避免重复而参考上述阐释。
附图说明
下面，参考附图详细描述本发明的实施例。在此示出：
图1根据本发明的电路组件的一种实施方式的电路图；和
图2根据本发明的电系统的一种实施方式的示意性概览。
具体实施方式
图1示出根据本发明的电路组件的一种实施方式的电路图。该电路组件具有栅极驱动器80、栅极控制电路20和第一MOSFET 10，该第一MOSFET具有光学接口12，该第一MOSFET在此构造为SiC-MOSFET。
栅极驱动器提供栅极源极电压UGS，该栅极源极电压确定第一MOSFET 10的工作点。
栅极控制电路20具有第一连接端22和第二连接端24，经由所述第一连接端和所述第二连接端，该栅极控制电路20设立为用于接收输入信号SE，该输入信号代表待借助电路组件输出的信息。在此，输入信号SE由与温度有关的电阻40确定，该电阻设立为用于检测电路组件的环境温度。
此外，栅极控制电路20具有振荡器，该振荡器的输出频率对应于与温度有关的电阻40的温度，并且该振荡器设立为用于产生输出信号SA，该输出信号相应于输入信号SE的频率调制。该振荡器使用施密特触发器100和振荡器电容76，其中，振荡器电容76通过施密特触发器100的反向输出端经由与温度有关的电阻40被充电或被放电。
振荡器的输出端控制放电电路，该放电电路由第三MOSFET 72(n通道MOSFET)和第四MOSFET 74(n通道MOSFET)组成，该放电电路设立为用于使第一MOSFET 10的栅极相对于第一MOSFET 10的源极连接端短路，以改变MOSFET 10的通过栅极驱动器80施加的负截止电压。第三MOSFET 72和第四MOSFET 74以所谓的“背靠背(back-to-back)”配置布置，在该“背靠背”配置中，所述第三MOSFET和所述第四MOSFET的相应的反向二极管(未示出)反串联(antiseriell)地连接，以禁止反向电流。在考虑第一MOSFET 10的栅极电容和振荡器的期望的振荡器频率的情况下，确定放电的幅度。如果栅极源极电压UGS是正的，则电容76通过电路组件的第二MOSFET 70(n通道MOSFET)短路，由此停用该振荡器。因此，只有当截止电压施加在第一MOSFET 10上时，该振荡器才是激活的。
为了实现第三MOSFET 72和第四MOSFET 74在此是未激活的，设置反相器90。如果电流IS流动通过第一MOSFET 10的反向二极管14，则与温度有关的电阻40的温度信号通过栅极源极电压UGS的频率调制被调制到反向二极管14的光发射18上并且能够例如借助布置在第一MOSFET 10的环境30中的(未示出的)解调器以电绝缘的方式检测。
由于待输出的信息通过在此对频率的改变而被传送，因此，第一MOSFET 10的温度的影响或者激励电流IS的影响不对光发射18的绝对强度产生负面影响，由此实现待输出的信息的稳健传输。
图2示出根据本发明的电系统的一种实施方式的示意性概览，该电系统在此代表车辆的车载电网的一部分。电系统具有半导体模块50，该半导体模块包含(未示出的)根据本发明的用于根据输入信号SE操控MOSFET 10的电路组件，该输入信号通过半导体模块50的部件40产生并且代表待输出的信息。
MOSFET 10在此是SiC-MOSFET，其具有光学接口12，该光学接口构造为使得MOSFET10的(未示出的)反向二极管14的光发射18经由光学接口12被传导至MOSFET 10的外侧。光学接口12与光波导52光学耦合，该光波导将通过反向二极管14发射的光传导至半导体模块50的光学模块接口55。通过反向二极管14发射的光经由光学模块接口55在电系统的光电二极管60的方向上放射，该光电二极管设立为用于将所发射的光转换为测量信号SM并且将该测量信号提供给电系统的评估单元110。
Claims (10)
1.一种用于借助MOSFET进行光学信息输出的电路组件，所述电路组件具有：
MOSFET(10)，所述MOSFET具有光学接口(12)，和
栅极控制电路(20)，
其中，
所述MOSFET(10)的所述光学接口(15)设立为用于将通过所述MOSFET(10)的反向二极管(14)产生的光传导到所述MOSFET(10)的环境(30)中，
所述栅极控制电路(20)设立为用于，
接收输入信号(SE)，所述输入信号代表借助所述电路组件待输出的信息，和
由所述输入信号(SE)产生输出信号(SA)，所述输出信号也代表所述待输出的信息并且附加地适用于在所述MOSFET(10)的反向运行中改变所述MOSFET(10)的栅极源极电压(UGS)，和
在所述MOSFET(10)的反向运行中基于所述输出信号(SA)改变所述MOSFET(10)的所述栅极源极电压(UGS)，以便以对应的方式改变所述MOSFET(10)的所述反向二极管(14)的光发射，由此经由所述MOSFET(10)的所述光学接口(12)输出所述待输出的信息。
2.根据权利要求1所述的电路组件，其中，所述MOSFET(10)是
Si-MOSFET，或者
SiC-MOSFET。
3.根据上述权利要求中任一项所述的电路组件，其中，所述待输出的信息是通过
所述栅极控制电路(20)和/或
与所述栅极控制电路(20)在信息技术方面连接的部件(40)
产生的信息并且尤其是通过传感器产生的信息。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电路组件，其中，所述输出信号(SA)代表所述输入信号(SE)的
幅度调制，和/或
频率调制，和/或
相位调制，和/或
脉冲宽度调制。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电路组件，其中，基于所述输出信号(SA)对所述栅极源极电压(UGS)的改变
引起所述栅极源极电压(UGS)的围绕所述MOSFET(10)的工作点的不对称改变，和/或
引起在所述MOSFET(10)的所述反向二极管(14)的光发射状态与非光发射状态之间的交替切换。
6.一种半导体模块(50)，其具有根据上述权利要求中任一项所述的电路组件，其中，
MOSFET(10)的光学接口(12)与所述半导体模块(50)的接收器部件光学耦合，和/或
所述半导体模块(50)具有光学模块接口(55)，所述光学模块接口与所述MOSFET(10)的所述光学接口(12)光学耦合。
7.一种电系统，所述电系统具有：
根据权利要求1至5中任一项所述的电路组件，和/或
根据权利要求6所述的半导体模块(50)，
其中，所述电系统设立为用于将所述MOSFET(10)至少暂时地、尤其反复地置于反向运行中。
8.根据权利要求7所述的电系统，所述电系统还具有光探测器(60)，其中，
所述光探测器(60)与所述MOSFET(10)的所述光学接口(12)和/或所述半导体模块(50)的所述光学模块接口(55)光学耦合，并且
设立为用于接收通过所述MOSFET(10)的所述反向二极管发射的光、由所接收的光产生测量信号(SM)并且将所述测量信号(SM)提供给所述电系统。
9.根据权利要求7或8所述的电系统，其中，所述电系统是
桥式电路，和/或
驱动变流器，和/或
DC/DC电压转换器，和/或
AC/AC电压转换器，和/或
逆变器，和/或
整流器，和/或
开关电网部件，和/或
车辆的车载电网。
10.一种用于借助电路组件的MOSFET(10)进行光学信息输出的方法，所述方法具有下述步骤：
通过所述电路组件的所述MOSFET(10)的栅极控制电路(20)接收输入信号(SE)，所述输入信号代表借助所述电路组件待输出的信息，和
由所述输入信号(SA)产生输出信号(SE)，其中，所述输出信号也代表所述待输出的信息并且附加地适用于在所述MOSFET(10)的反向运行中改变所述MOSFET(10)的栅极源极电压(UGS)，和
在所述MOSFET(10)的反向运行中基于所述输出信号(SA)改变所述MOSFET(10)的所述栅极源极电压(UGS)，以便以对应的方式改变所述MOSFET(10)的反向二极管(14)的光发射，由此经由所述MOSFET(10)的光学接口(12)输出所述待输出的信息。
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