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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Bauelementanordnung mit einem
Halbleiterbauelement und einer Temperaturmessanordnung und ein Verfahren
zur Ermittlung der Temperatur in einem Halbleiterbauelement, insbesondere
zur Ermittlung der Temperatur an einem während des Betriebs des Bauelements
heißesten
Punkt, der sogenannten "Hot-Spot"-Temperatur.
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Beim
Betrieb von Halbleiterbauelementen führt die unweigerlich anfallende
Verlustleistung zur Erwärmung
des Halbleiterbauelements. Diese Erwärmung ist umso stärker, je
mehr Leistung in dem Halbleiterbauelement umgesetzt wird. Kritisch
ist diese Wärmeentwicklung
insbesondere bei Leistungsbauelementen, wie beispielsweise Leistungstransistoren,
die dazu ausgebildet sind, Spannungen bis zu einigen hundert Volt
bei entsprechend großen
Strömen
zu schalten. Solche Leistungstransistoren werden beispielsweise
zur Ansteuerung von Verbrauchern in Endstufen und Schaltstufen für die Industrieelektronik
und die Automobiltechnik eingesetzt.
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Die
Temperatur eines Halbleiterbauelements, insbesondere eines Leistungshalbleiterbauelements stellt
einen wesentlichen während
des Betriebs zu überwachenden
Parameter dar. Eine zu hohe Temperatur des Bauelements, die beispielsweise
durch eine erhöhte
Umgebungstemperatur, durch eine Fehlfunktion des Halbleiterbauelements
oder durch eine Fehlfunktion eines angeschlossenen Verbrauchers
bedingt ist, kann zu einer Beschädigung
oder Zerstörung
des Bauelements und darüber
hinaus auch zur Beeinträchtigung
oder sogar Zerstörung
des Verbrauchers führen.
Die maximal zulässige
Sperrschichttemperatur von Transistoren auf Siliziumbasis beträgt beispielsweise
etwa 175°C
bis 200°C,
die von Transistoren auf Germaniumbasis etwa 75°C bis 90°C. Eine Überschreitung dieses Temperaturbe reiches
führt zur
Zerstörung
des jeweiligen Halbleiterbauelements. Es ist daher wesentlich, eine
etwaige Übertemperatur
von Halbleiterbauelementen rechtzeitig und sicher zu erkennen, um
geeignete Maßnahmen,
wie beispielsweise das Abschalten des Halbleiterbauelements oder
des Verbrauchers, vor Erreichen kritischer Temperaturwerte, und
damit vor Eintreten eines schädigenden
Ereignisses, ergreifen zu können.
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In
diesem Zusammenhang kann es wünschenswert
sein, nicht nur die Übertemperatur
eines Halbleiterbauelements zuverlässig zu erkennen, sondern in
Echtzeit auch den jeweils aktuellen Temperaturwert des Bauelements
erfassen zu können.
Dies ermöglicht
eine Analyse des Temperaturverhaltens einer Schaltung, beispielsweise
in Abhängigkeit
von unterschiedlichen Betriebszuständen.
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Zur
Ermittlung der Temperatur eines Halbleiterbauelements ist es bekannt,
einen Temperatursensor auf dem Gehäuse des Halbleiterbauelements
oder auf dem in dem Gehäuse
angeordneten Halbleiterkörper/Chip
selbst anzubringen. Ein derartiges Vorgehen ist für so genannte
TEMP-FET, die in Chip-on-Chip Technologie gefertigt werden, in Stengl/Tihanyi: "Leistungs-MOS-FET-Praxis", Pflaum Verlag,
München,
1992, Seite 112 beschrieben. Nachteilig ist hierbei, dass der Sensor
und das eigentliche Halbleiterbauelement zwei getrennte Bauelemente
sind, so dass durch den Sensor nur die Temperatur außen an dem
Halbleiterbauelement erfasst wird. Diese Außentemperatur kann erheblich
von der Temperatur im Inneren des Halbleiterbauelementes abweichen,
insbesondere dann, wenn die Position des Temperatursensor weit von
der Position des heißesten
Punkts in dem Halbleiterkörper
entfernt ist. Darüber
hinaus wirken sich Temperaturändrungen
im Inneren des Halbleiterkörpers
nur zeitverzögert
auf Temperaturänderungen
im Bereich des Sensors aus. Gerade die exakte Erfassung der Temperatur
im Inneren des Halbleiterkörpers
ist jedoch zur Ermittlung kritischer Betriebszustände oder
der Analyse dynamischer Vorgänge
relevant.
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Zur
Ermittlung der internen Temperatur eines Halbleiterbauelements ist
es weiterhin bekannt, einen Temperatursensor in demselben Halbleiterkörper, in
den das Halbleiterbauelement integriert ist, vorzusehen. Dieser
Sensor ist beispielsweise eine Diode, die in Sperrrichtung betrieben
wird und deren Sperrstrom oder Sperrspannung erfasst wird. Ein solches
Vorgehen ist beispielsweise in der
DE 203 15 053 A beschrieben. Man macht sich
hierbei zu Nutze, dass der durch eine Auswerteeinheit erfasste Sperrstrom
der Diode exponentiell von der Temperatur abhängig ist, so dass von dem Sperrstrom
auf die Temperatur in dem Halbleiterkörper geschlossen werden kann.
Allerdings weist dieser Sperrstrom erst bei hohen Temperaturen einen
nennenswerten, das heißt
auswertbaren Betrag auf, so dass der Signalhub eines derartigen
Diodenstruktur-Temperatursensors
gering ist. Außerdem
weisen Diodenstrukturen stets eine Sperrschichtkapazität auf, in
der Ladung gespeichert ist. Diese gespeicherte Ladung kann einen
Strom verursachen, der unter Umständen größer ist als der zur Temperaturerfassung
herangezogene Sperrstrom, was das Messergebnis verzerrt.
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Den
bekannten Anordnungen bzw. Verfahren zur Temperaturmessung ist gemeinsam,
dass selbst bei integrierten Temperatursensoren die gemessene Temperatur
immer niedriger ist als die tatsächliche
Spitzentemperatur an der auch als "Hot Spot" bezeichneten heißesten Stelle des Halbleiterbauelements.
Ein wesentlicher Grund hierfür
ist, dass der Temperatursensor nicht direkt an der Position des
Hot Spot selbst, beispielsweise an der Sperrschicht eines Leistungstransistors
positioniert werden kann, ohne dabei die wunschgemäße Funktion
des Halbleiterbauelementes selbst zu beeinträchtigen. Der Sensor wird daher
beabstandet zu dem Hot Spot angeordnet.
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Darüber hinaus
weist die Messung der Temperatur eines Halbleiterbauelementes über einen
mitintegrierten Temperatursensor stets eine zeitliche Trägheit auf.
Insbesondere bei schnellen transienten Änderungen der Temperatur im
Hot Spot eines Halbleiterbauelements, wie sie beispielsweise beim
Anschalten einer Last über
einen Leistungstransistors auftreten, wirkt sich eine Änderung
der Temperatur im Hot Spot erst zeitlich verzögert auf einen räumlich von
diesem Hot Spot entfernten Temperatursensor aus. Bedingt durch eine unweigerlich
vorhandene Wärmekapazität des Halbleiterkörpers wirkt
die thermische Übertragungsstrecke
für die
Temperatur zwischen dem Hot Spot und dem Temperatursensor wie ein
Tiefpass. Auf eine schnell auftretende Übertemperatur des Halbleiterbauelementes
kann daher gegebenenfalls nicht schnell genug, wie beispielsweise
durch Abschalten oder Zurückregeln
einer Last, reagiert werden.
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Weiterhin
sind Verfahren bekannt bei denen, die Temperatur des Hot Spot eines
Halbleiterbauelementes durch Auswertung einer Vielzahl von Temperatursensoren
approximiert wird. Nachteilig sind bei diesem Verfahren der erhöhte Integrationsaufwand
einer Vielzahl von Sensoren und die Komplexität der Auswertung der Einzelsignale.
Um möglichst
genaue Näherungswerte
aus den Einzelergebnissen zu erhalten, ist hier beispielsweise die
Berechnung von Polynomen höherer
Ordnung notwendig.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bauelementanordnung mit
einem Halbleiterbauelement und einer Temperaturmessanordnung zur
Verfügung
zu stellen, bei der die Temperaturmessanordnung zuverlässig und
in Echtzeit ein Temperatursignal bereitstellt, das von einer Temperatur
an einer vorgegebenen Position in dem Halbleiterkörper, insbesondere
an einem Hot Spot, abhängig
ist, und ein zuverlässiges
und schnelles Verfahren zur Ermittlung der Temperatur an einer vorgegebenen
Position in einem Halbleiterkörper zur
Verfügung
zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Bauelementanordnung nach Anspruch 1 und
durch ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst. Vor teilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Bauelementanordnung
umfasst ein Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper aufweist,
und eine Temperaturmessanordnung zur Ermittlung einer Temperatur
an einer bestimmten Position in dem Halbleiterkörper auf. Die Temperaturmessanordnung
umfasst dabei einen in dem Halbleiterkörper integrierten Temperatursensor,
der dazu ausgebildet ist, ein von einer Temperatur in dem Halbleiterkörper abhängiges erstes
Temperatursignal zu erzeugen, und eine Regelvorrichtung. Die Regelvorrichtung
umfasst einen Regelverstärker,
der einen ersten und einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweist,
und ein Tiefpassfilter, das einen Eingang und einen Ausgang aufweist.
Der Eingang des Tiefpassfilters ist dabei an den Ausgang des Regelverstärkers gekoppelt,
der erste Eingang des Regelverstärkers
ist an den Temperatursensor gekoppelt und der zweite Eingang des
Regelverstärkers
ist an den Ausgang des Tiefpassfilters gekoppelt. Das Regelsignal
bildet bei dieser Temperaturmessanordnung ein von der Temperatur
an der bestimmten Position des Halbleiterkörpers abhängiges Signal, wobei ein von
diesem Regelsignal abhängiges
Temperaturausgangssignal an der Temperaturmessanordnung zur Verfügung steht.
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Das
Halbleiterbauelement weist eine thermische Übertragungsstrecke zwischen
der vorgegebenen Position in dem Halbleiterkörper und der Position des Temperatursensors
mit einer thermische Übertragungsfunktion
auf, die ein Tiefpassverhalten aufweist. Das Tiefpassverhalten des
Tiefpassfilters der Regelvorrichtung ist dabei an das Tiefpassverhalten
der thermischen Übertragungsstrecke
angepasst und weist ein zu der thermischen Übertragungsfunktion entsprechendes
Tiefpassverhalten auf.
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Von
der thermischen Übertragungsstrecke
ist über
das erste Temperatursignal nur die Temperatur am Ende der Übertragungs strecke,
nämlich
die Temperatur in dem Halbleiterkörper an der Position des Temperatursensors
bekannt. Der Regelverstärker
stellt bei der erfindungsgemäßen Anordnung
das Eingangssignal des Tiefpassfilters so ein, dass das Ausgangssignal
dieses Filters dem ersten Temperatursignal entspricht. Das Eingangssignal
dieses Filters stellt dann unmittelbar und in Echtzeit ein Maß für die Temperatur
an der bestimmten Position in dem Halbleiterkörper dar.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Ermittlung der Temperatur an einer vorgegebenen Position in
einem Halbleiterkörper
sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
- – Ermitteln
der Temperatur an einer zu der bestimmten Position beabstandeten
Position und Bereitstellen eines von dieser Temperatur abhängigen Temperatursignals,
- – Ermitteln
einer thermischen Übertragungsfunktion
zwischen der bestimmten Position und der Position Temperaturermittlung,
- – Bereitstellen
eines Filters für
ein elektrisches Eingangssignals, das eine zu der thermischen Übertragungsfunktion
entsprechend Übertragungsfunktion
aufweist,
- – Einspeisen
eines Regelsignals in das Filter, das von einem Vergleich des Temperatursignals
mit einem Ausgangssignal des Filters abhängig ist und Bereitstellen
dieses Regelsignals oder eines von diesem Regelsignal abhängigen Signals
als ein von der Temperatur an der bestimmten Position abhängiges Temperatursignal.
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Das
Tiefpassfilter kann insbesondere digital als FIR-Filter (FIR = Finite
Impulse Response) oder als IIR-Filter (IIR = Infinite Impulse Response)
realisiert werden, was gegenüber
der Ausgestaltung als diskrete oder integrierte Schaltung eine Nachbildung
des elektrischen Ersatzschaltbildes der ther mischen Übertragungsstrecke
mit geringerem Aufwand und größerer Flexibilität bei der
Optimierung der Filterparameter erlaubt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
im Querschnitt einen Halbleiterkörper
eines Halbleiterbauelements mit einem Temperatursensor und ein elektrisches
Ersatzschaltbild einer thermischen Übertragungsstrecke zwischen
einer bestimmten Position in dem Halbleiterkörper und der Position des Temperatursensors,
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Bauelementanordnung,
die ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper und
eine Temperaturmessanordnung mit einem Temperatursensor und eine
Regelanordnung mit einem Tiefpass aufweist.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Bauelementanordnung,
bei der das Tiefpassfilter als digitales Filter realisiert ist.
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4 zeigt anhand von Simulationen gewonnene
zeitliche Verläufe
ausgewählter,
in den Bauelementanordnungen nach den 2 und 3 vorkommender
Signale.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper 100 eines
Halbleiterbauelements, insbesondere eines Leistungsbauelements,
wie beispielsweise eines Leis tungstransistors. Zum besseren Verständnis, ohne
die Erfindung jedoch auf Leistungstransistoren zu beschränken, ist
im rechten Teil der Figur ausschnittsweise eine Bauelementstruktur
eines vertikalen Leistungstransistors dargestellt. Diese Struktur
umfast eine Sourcezone 101, eine Bodyzone 102,
eine Driftzone 103 und eine Drainzone 104, sowie
eine benachbart zu der Bodyzone 102 angeordnete Gate-Elektrode 105,
die durch eine Isolationsschicht 106 gegenüber der
Bodyzone 102 isoliert ist und die zur Steuerung eines Akkumulationskanals
in der Bodyzone 102 zwischen der Sourcezone 101 und
der Driftzone 103 dient. Die dargestellter zellenartige
Bauelementstruktur kann sich regelmäßig wiederholen und in nicht
näher dargestellter
Weise einen großen
teil des in dem Halbleiterkörper
zur Verfügung
stehenden Platz einnehmen.
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Das
Bezugszeichen 20 bezeichnet in 1 eine Position
in dem Halbleiterkörper 100,
an der die Temperatur des Halbleiterkörpers ermittelt werden soll.
Diese Position befindet sich zur Vereinfachung der weiteren Erläuterungen
in dem dargestellten Beispiel nahe einer Oberfläche des Halbleiterkörpers 100,
kann jedoch beliebig in dem Halbleiterkörper 100 angeordnet
sein. Die Position 20 ist insbesondere die Position, an
der höchsten
Temperaturen in dem Halbleiterkörper
vorkommen. Ohne Beschränkung
der Allgemeingültigkeit
der Erfindung wird diese Position 20 nachfolgend als "Hot Spot" Position und die
Temperatur an dieser Position 20 als Hot Spot Temperatur
bezeichnet.
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Beabstandet
zu der Hot Spot Position 20 ist in dem Halbleiterkörper 100 ein
Temperatursensor 10 angeordnet, der dazu ausgebildet ist
ein Temperatursignal V10 zu erzeugen, das von einer Temperatur an
der Position des Halbleiterkörpers 100 abhängig ist,
an der der Temperatursensor 10 angeordnet ist. Der Temperatursensor 10 kann
ein üblicher
Temperatursensor 10 sein und beispielsweise eine in Sperrrichtung
gepolte pn-Diode
umfassen. Das Temperatursignal V10 ist in diesem Fall exponentiell
von der Temperatur an dem Sensor 10 abhängig.
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Bedingt
durch den Abstand zwischen der Hot Spot Position 20 und
der Position des Temperatursensor und einer unweigerlich vorhandenen
Wärmekapazität eines
Halbleiterbereiches 110 zwischen diesen Positionen, unterschiedet
sich die Temperatur an dem Sensor 10 üblicherweise von der Hot Spot
Temperatur. Gravierend ist zudem, dass Änderungen der Hot Spot Temperatur
erst zeitverzögert
zu Temperaturänderungen
an dem Sensor 10 führen.
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Eine "Wärmeübertragungsstrecke" zwischen der Hot
Spot Position
20 und der Sensorposition besitzt somit ein
Tiefpassverhalten. T20(t) bezeichnet nachfolgend die Hot Spot Temperatur,
die von der Zeit t abhängig
ist und, und T10(t) bezeichnet nachfolgend die Temperatur an dem
Sensor
10, die ebenfalls von der Zeit t abhängig ist.
Eine Übertragungsfunktion
H
T(s) der Wärmeübertragungsstrecke zwischen
der Hot Spot Position und der Sensorposition lässt sich unter Verwendung der
Laplace-Transformierten T20(s) und T10(s) der Hot Spot Temperatur
T20(t) und der Sensortemperatur T10(t) wie folgt darstellen:
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Das Übertragungsverhalten
einer solchen Wärmeübertragungsstrecke
mit der Übertragungsfunktion HT(s) lässt
sich durch ein elektrisches Tiefpassfilter 30 N-ter Ordnung
nachbilden, das in 1 ebenfalls dargestellt ist.
Dieses Tiefpassfilter weist einen Eingang 31 zur Zuführung eines
Eingangssignals V31 und einen Ausgang 32 zur Bereitstellung
eines Ausgangssignals V32 auf.
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Die
Filterordnung und die Filterparameter sind durch Simulationen unter
Anwendung der Methode der finiten Elemente ermittelbar. Diese Verfahren
sind hinlänglich
bekannt so dass auf weitere Ausführungen
hierzu verzichtet werden kann.
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Die
Ordnung N des Filters hängt
dabei insbesondere von der Länge
der Wärmeleitungsstrecke
zwischen Hot Spot
20 und Temperatursensor
10 ab
und bildet die Trägheit
und Dämpfung
der Übertragung
der Temperatur auf dem Weg zwischen dem Hot Spot
20 des
Halbleiterbauelements und dem räumlich
entfernten Temperatursensor
10 ab. Dieses Filter
30 ist
so gewählt,
dass dessen Übertragungsverhalten
dem Übertragungsverhalten
der Wärmeübertragungsstrecke
entspricht, es gilt also:
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V31(s),
V32(s) bezeichnen dabei die Laplace-Transformierten der Filtereingangs-
und -ausgangssignale.
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Das
in 1 dargestellte Ersatzschaltbild für die Wärmeübertragung
in dem Halbleiterkörper 100 zwischen
dem Hot Spot 20 und der Sensorposition umfasst neben dem
Tiefpassfilter 30 eine Stromquelle Q, die bezogen auf die
Wärmeübertragungsstrecke
eine Wärmequelle
repräsentiert
und die einen Strom Iq erzeugt, der eine durch die Wärmequelle
bereitgestellten Wärmeleistung
bzw. eine in dem Bauelement im Bereich des Hot Spot 20 anfallende
Verlustleistung repräsentiert.
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Das
Tiefpassfilter weist in dem Beispiel einen Eingangskondensator C0
und eine Anzahl in Kaskade zu dem Eingangskondensator C0 geschaltete
RC-Glieder mit je einem Widerstand R1, R2, R3 und einem Kondensator
auf. Das dargestellte Tiefpassfilter 30 ist ein Filter
dritter Ordnung, weist also drei RC-Glieder, auf, wobei die Filterordnung
in bereits erläuterter
Weise abhängig
von den Eigenschaften der nachzubildenden Wärmeübertragungsstrecke beliebig
variiert werden kann.
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Dem
Eingangssignal V31 des Filters 30 entspricht eine durch
den Strom Iq hervorgerufene Spannung über dem Eingangskondensator
C0. Diese Eingangsspannung V31 des Filters repräsen tiert die Hot Spot Temperatur
T20(t) des Halbleiterkörpers.
Das Ausgangssignal V32 des Filters 30 entspricht der Spannung über dem
Kondensator C3 des letzten RC-Glieds der Kaskade. Diese Ausgangsspannung
V32 des Filters repräsentiert
die Temperatur T10 an dem Temperatursensor.
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Spannungen,
die in dem Filter 30 über
den Kondensatoren C1, C2 der weiteren RC-Glieder anliegen, repräsentieren
jeweils Temperaturen an Positionen des Halbleiterkörpers 100 in
dem Bereich 110 zwischen der Hot Spot Position 20 und
der Sensorposition. Jedes der RC-Glieder des Filter repräsentiert
einen Halbleiterabschnitt bzw. das Temperaturübertragungsverhalten eines
solchen Halbleiterabschnitts zwischen der Hot Spot Position und
der Sensorposition.
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Gemäß der Analogie
zwischen dem thermischem Übertragungsverhalten
der Strecke zwischen Hot Spot 20 und räumlich entferntem Temperatursensor 10 im
Halbleiterbauelement und dem elektrischen Ersatzschaltbild entsprechen
die in Wärme
umgesetzte und die Temperatur des Hot Spot 20 bestimmende
Verlustleistung dem Strom Iq. Die Kondensatoren C0, C1, C2, C3 entsprechen
den Wärmekapazitäten des
Halbleiterbauelements am jeweiligen Ort der thermischen Übertragungsstrecke
auf dem Weg vom Hot Spot 20 zum Temperatursensor 10 und
die Widerstände
R1, R2, R3 entsprechen den thermischen Widerständen des Halbleiterbauelements
am jeweiligen Ort der thermischen Übertragungsstrecke auf dem
Weg vom Hot Spot zum Temperatursensor TS.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Bauelementanordnung,
die eine Temperaturmessanordnung aufweist, die dazu ausgebildet
ist, die Hot Spot Temperatur genau und in Echtzeit zu ermitteln.
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Die
Temperaturmessanordnung weist neben dem bereits zuvor erläuterten
Temperatursensor
10 eine Regelanordnung mit einem Regelverstärker
40 und
einem Tiefpassfilter
50 auf. Das Tief passfilter
50 weist
einen Eingang
51 zur Zuführung eines Eingangssignals
V51 und einen Ausgang zur Bereitstellung eines Ausgangssignals V52
auf und ist derart ausgebildet, dass dessen elektrisches Übertragungsverhalten
dem thermischen Übertragungsverhalten
der Wärmeübertragungsstrecke
zwischen dem Hot Spot
20 und dem Temperatursensor
10 entspricht.
Es gilt also:
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V52(s),
V51(s) bezeichnen dabei die Laplace-Transformierten der Eingangs-
und -ausgangssignale des Tiefpassfilters 50. k bezeichnet
einen konstanten Faktor, um den sich die Übertragungsfunktionen unterscheiden
dürfen.
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Das Übertragungsverhalten
des Tiefpassfilters 50 entspricht somit dem Übertragungsverhalten
des zuvor erläuterten
Tiefpassfilters 30 des elektrischen Ersatzschaltbilds der
Wärmeübertragungsstrecke.
Das Tiefpassfilter 50 der Regelanordnung kann somit entsprechend
des Tiefpassfilters des elektrischen Ersatzschaltbildes als RC-Filter
N-ter Ordnung mit einem Eingangskondensator C01 und mehreren in
Kaskade zu dem Eingangskondensator C01 geschalteten RC-Gliedern
mit jeweils einem Widerstand R11, R21, R31 und einem Kondensator
C11, C21, C31 realisiert werden. Die dem Tiefpassfilter 50 zugeführte Eingangsspannung V51
entspricht dabei der Spannung über
dem Eingangskondensator C01, und die Ausgangsspannung V52 des Tiefpassfilters 50 entspricht
der Spannung über
dem Kondensator C31 des letzten RC-Glieds der Kaskade.
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Der
Regelverstärker 40 ist
beispielsweise als Operationsverstärker ausgebildet und weist
einen ersten und zweiten Eingang 41, 42 und einen
Ausgang 40, an dem eine Ausgangsspannung V40 zur Verfügung steht, auf.
Der Ausgang des Regelverstärkers 40 ist
an den Eingang des Tiefpassfilters 50 gekoppelt, und dem
ersten Eingang 41 des Regelverstärkers 40 ist das von
der Temperatur T10 an dem Sensor abhängige Sensorsignal V10 zugeführt. Die
Regelanordnung weist außerdem
eine Rückkopplungsschleife
auf, über
welche die Ausgangsspannung V52 des Tiefpassfilters an den zweiten
Eingang 42 des Regelverstärkers zurückgekoppelt wird.
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Der
Regelverstärker 40 erzeugt
bei dieser Anordnung, das Eingangssignal V51 des Tiefpassfilters 50 derart,
dass das Ausgangssignal V51 des Tiefpassfilters 50 dem
Sensorsignal V10 entspricht. Da das Übertragungsverhalten des Tiefpassfilters 50 für das elektrische
Eingangssignal V51 bzw. das Verstärkerausgangssignal V40 angepasst
ist an das thermische Übertragungsverhalten
der Wärmeübertragungsstrecke
zwischen dem Hot Spot 20 und dem Sensor, stellt das am
Ausgang des Regelverstärkers
anliegende Signal V40 unmittelbar ein Maß für Temperatur T20 an dem Hot
Spot dar. Die Abhängigkeit
des Verstärkerausgangssignals
V40 von der Hot Spot Temperatur T20 entspricht dabei der Abhängigkeit
des Sensorsignals V10 von der Temperatur T10 an dem Sensor 10.
Diese Abhängigkeit
zwischen dem Sensorsignal V10 und der Sensortemperatur T10 lässt sich
wie folgt darstellen: V10
= f(T10) (4a)
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f(.)
bezeichnet hierbei eine Funktion, die von der Art des verwendeten
Sensors abhängig
ist. Für
das Verstärkerausgangssignal
V40 gilt entsprechend: V40
= f(T20) (4b)
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Das
am Ausgang des Regelverstärkers 40 abgreifbare
Signal V40 entspricht somit einem Temperatursignal, das man bei
direkter Positionierung des Sensors 10 an dem Hot Spot 20 erhalten
würde.
Die Regelvorrichtung mit dem die Wärmeübertragungsstrecke nachbildenden
Tiefassfilter ermöglicht
somit eine Erfassung der Hot Spot Temperatur T20 in Echtzeit, d.h.
verzögerungsfrei,
ohne den Sensor jedoch an der Hot Spot Position 20 anordnen
zu müssen,
was vielfach technisch ohnehin nicht realisierbar wäre.
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Die
Temperaturmessanordnung mit dem Sensor 10 und der Regelanordnung 40, 50 kann
monolithisch in dem Halbleiterkörper 100 integriert
werden. Darüber
hinaus besteht die Möglichkeit,
die Regelanordnung außerhalb
des Halbleiterkörpers,
beispielsweise in einem separaten Halbleiterkörper zu integrieren, der in Chip-on-Chip-Technologie
oder in Chip-by-Chip-Technologie
auf oder neben dem Halbleiterkörper 100 angeordnet
ist (nicht dargestellt).
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Die
Zeitkonstanten der thermischen Übertragungsstrecke
sind wegen der vergleichsweise langsamen Temperaturausbreitung in
dem Halbleiterkörper 100 vergleichsweise
groß,
so dass entsprechend große
Zeitkonstanten für
das Tiefpassfilter vorzusehen sind. Die Realisierung großer Zeitkonstanten
setzt allerdings die Verwendung großer Kapazitäten und Widerstände voraus,
die nur platzaufwendig zu realisieren sind.
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Um
dieses Problem zu umgehen, besteht bezugnehmend auf 3 die
Möglichkeit,
das Tiefpassfilter 50 als digitales Filter, beispielsweise
unter Verwendung eines Signalprozessors, dem das Sensorsignal 10 zugeführt ist,
zu implementieren. Dieses Filter kann als FIR-Filter oder IIR-Filter
realisiert werden und weist wiederum die gleiche Übertragungsfunktion
auf wie die thermische Übertragungsstrecke
bzw. das elektrische Ersatzschaltbild der thermischen Übertragungsstrecke
des Halbleiterbauelements zwischen Hot Spot 20 und Temperatursensor 10.
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FIR-Filter
zeichnen sich dadurch aus, dass sie über eine endliche Impulsantwort
verfügen
und in diskreten Zeitschritten arbeiten, die üblicherweise bestimmt werden
durch die Abtastfrequenz eines analogen Signals. Ein FIR-Filter
der Ordnung N wird dabei beschrieben durch die Differenzengleichung:
wobei
y[n] der Ausgangswert zum Zeitpunkt n ist und sich errechnet aus
der mit den Filterkoeffizienten b
i gewichteten
Summe der N letzten abgetasteten Eingangswerte x[n-N] bis x[n]. Über die
Festlegung der Filterkoeffizienten b
i wird
dabei die gewünschte Übertragungsfunktion
realisiert.
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Bei
IIR-Filtern werden im Gegensatz zu FIR-Filtern auch bereits berechnete
Ausgangswerte in die Berechnung mit einbezogen (rekursives Filter)
und zeichnen sich dadurch aus, dass sie über eine unendliche Impulsantwort
verfügen.
Da die berechneten Werte jedoch nach einer endlichen Zeit sehr klein
sind, kann die Berechnung in der Praxis nach einer endlichen Anzahl
von Abtastwerten n abgebrochen werden. Die Berechnungsvorschrift
für ein
IIR-Filter lautet:
wobei
y[n] der Ausgangswert zum Zeitpunkt n ist und sich errechnet aus
der mit den Filterkoeffizienten b
i gewichteten
Summe der abgetasteten Eingangswerte x[n] addiert zu der mit den
Filterkoeffizienten a
i gewichteten Summe
der Ausgangswerte y[n]. Über
die Festlegung der Filterkoeffizienten a
i und
b
i wird dabei wiederum die gewünschte Übertragungsfunktion
realisiert.
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IIR-Filter
können
im Gegensatz zu FIR-Filtern unstabil sein, weisen jedoch bei gleichem
Aufwand für die
Realisierung eine höhere
Selektivität
auf. In der Praxis wird dasjenige Filter gewählt, welches unter Berücksichtigung
der Anforderungen und des damit verbundenen Rechenaufwandes die
notwendigen Bedingungen am besten erfüllt. Es ist ersichtlich, dass
sich mit Hilfe dieser digitalen Filter auch andere Filtercharakteristika als
die des beschriebenen Tiefpassfilters realisieren lassen, wenn dies
für die
Abbildung der Übertragungsfunktion
der thermischen Übertragungsstrecke
zwischen Hot Spot HS und Temperatursensor TS notwendig ist.
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4 zeigt die Ergebnisse einer Simulation
der Bauelementanordnungen gemäß der 2 und 3 unter
der Annahme eines stark transienten Verlaufs der Temperatur im Hot
Spot 20 des Halbleiterelements. Alle Signale sind linear über der
Zeit t aufgetragen.
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Dargestellt
ist in 4A die Eingangsspannung V31
des elektrischen Ersatzschaltbildes der thermischen Übertragungsstrecke
des Halbleiterbauelements zwischen Hot Spot 20 und Temperatursensor 10,
die ein Maß für eine angenommene Änderung
der Temperatur im Hot Spot 20 des Halbleiterbauelements
darstellt. In dem Beispiel steigt diese Spannung V31 ab einem Zeitpunkt
t0 rasch von einem unteren Wert auf einen oberen Wert an. Der untere
Wert kann dabei einer Temperatur des Hot Spot 20 bei ausgeschaltetem
Halbleiterbauelement entsprechen, wenn also keine Wärme erzeugende
Verlustleistung auftritt und die Temperaturen im Hot Spot 20 und
am Temperatursensor 10 gleich der Umgebungstemperatur des
Halbleiterbauelementes sind. Der obere Wert kann beispielsweise
einer im stationären
Temperaturzustand erreichten Spitzentemperatur des Hot Spot 20 entsprechen,
wie sie bei eingeschaltetem Halbleiterbauelement erreicht wird.
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4B zeigt
den zu dem Verlauf der Spannung V31 gehörenden Verlauf der Ausgangsspannung
V10 des Temperatursensors 10 als Reaktion auf den Temperaturverlauf
im Hot Spot HS des Halbleiterelements. Deutlich zu erkennen ist
der durch die Tiefpasswirkung der thermischen Übertragungsstrecke zwischen
Hot Spot 20 und räumlich
entferntem Temperatursensor 10 bewirkte verlangsamte Signalanstieg
dieser Sensorspannung V10 im Vergleich zu der Spannung V31. Dieser
durch das thermische Übertragungsverhalten
auf dem Weg vom Hot Spot 20 zum Ort des Temperatursensors 10 bedingte
verzögerte
Anstieg des Sensor signals lässt
einen Temperaturanstieg über
eine vorgegebene Grenze am Hot Spot 20 nicht rechtzeitig
erkennen, so dass Gegenmaßnahmen,
wie beispielsweise das rechtzeitige Abschalten des Halbleiterbauelements
oder eines darüber
betriebenen Verbrauchers, nicht rechtzeitig eingeleitet werden können.
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4C zeigt
den Verlauf der Eingangsspannung V51, V40 des Tiefpassfilters 50 der
Regelanordnung. Dieser zeitliche Verlauf entspricht bedingt durch
die Anpassung des Übertragungsverhaltens
des Tiefpassfilters 50 an das Übertragungsverhalten der thermischen Übertragungsstrecke
bzw. das Übertragungsverhalten des
elektrischen Ersatzmodells dieser Übertragungsstrecke dem zeitlichen
Verlauf des Eingangssignals V31 des Ersatzmodells, und damit dem
zeitlichen Verlauf der Hot Spot Temperatur. Diese Spannung V51,
V40 ist in Echtzeit ein Maß für Temperaturänderungen
im Hot Spot 20 und kann damit nicht nur für die rechtzeitige Reaktion
auf das Eintreten unerwünschter
Betriebszustände
herangezogen werden, beispielsweise durch Abschalten des Halbleiterbauelementes
oder eines darüber
betriebenen Verbrauchers, sondern kann auch zur generellen Analyse
des dynamischen Temperaturverhaltens im Hot Spot eines Halbleiterbauelements
verwendet werden.
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- 100
- Halbleiterkörper
- 101
- Sourcezone
- 102
- Bodyzone
- 103
- Driftzone
- 104
- Drainzone
- 105
- Gate-Elektrode
- 106
- Gate-Isolationsschicht
- 110
- Bereich
des Halbleiterkörpers
- 10
- Temperatursensor
- 20
- Hot
Spot
- 30
- Tiefpassfilter
- 31,32
- Filterein-
und -ausgänge
- 50
- Tiefpassfilter
- 51,52
- Filterein-
und -ausgänge
- 40
- Regelverstärker
- 41,42
- Eingänge des
Regelverstärkers
- 43
- Ausgang
des Regelverstärkers
- V10
- Sensorsignal
- C0,C1,C2,C3
- Kondensatoren
- R1,R2,R3
- Widerstände
- V31,V32
- Filtereingangs-
und -ausgangssignale
- V51,V52
- Filtereingangs-
und -ausgangssignale
- FIR
- Finite
Impulse Response Filter
- IIR
- Infinite
Impulse Response Filter
- x[n]
- abgetasteter
Wert eines digitalisierten Eingangssignals
- y[n]
- errechneter
Wert eines digitalen Ausgangssignals
- ai
- Filterkoeffizienten
- bi
- Filterkoeffizienten
- i
- Laufvariable
