DE102014008894B4 - Erfassungselement für Halbleiter - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung, umfassend- einen High-Side-Halbleiter (Q1),- einen Low-Side-Halbleiter (Q2),- ein erstes Erfassungselement (TS1), das angrenzend an dem High-Side-Halbleiter (Q1) angeordnet ist, wobei das erste Erfassungselement (TS1) von dem High-Side-Halbleiter (Q1) isoliert ist;- ein zweites Erfassungselement (TS2), das angrenzend an dem Low-Side-Halbleiter (Q2) angeordnet ist,- wobei das erste Erfassungselement (TS1) mit einer Verarbeitungseinheit (101) direkt verbunden ist,- wobei das zweite Erfassungselement (TS2) von dem Low-Side-Halbleiter (Q2) isoliert ist und- wobei das zweite Erfassungselement (TS2) mit der Verarbeitungseinheit (101) direkt verbunden ist,- wobei das erste Erfassungselement (TS1) und das zweite Erfassungselement (TS2) über mindestens eine laterale Isolation (202) und über mindestens eine vertikale Isolation (203) von dem High-Side-Halbleiter (Q1) und von dem Low-Side-Halbleiter (Q2) isoliert sind,- wobei die vertikale Isolation (203) eine Isolation im Bereich von 1,5 µm bis 2 µm umfasst.

Description

  • Aus US 2009 / 0 046 489 A1 sind isolierte Transformatoren und Leistungswandler bekannt. Aus DE 10 2007 008 389 A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt zur Erkennung einer Temperaturüberschreitung eines Halbleiterkörpers. Aus US 6 323 518 B1 ist ein Halbleiterbauelement mit einem isolierten Gate-Anschluss bekannt. Aus WO 2013 / 015 014 A1 ist ein Super-Junction Halbleiterbauelement bekannt. Aus US 2004 / 0 084 753 A1 ist ein integrierter Schaltkreis bekannt mit einem Halbleiterleistungsbauteil und elektrisch isoliertem Temperatursensor.
  • Wenn ein Sensor in einem Halbleiter eingebettet ist, erfährt der Sensor die gleiche Spannung wie der Halbleiter. Zum Beispiel kann ein in einem Low-Side-IGBT eingebetteter Sensor (mit einer Spannung über Masse) von einer massebezogenen Schaltung überwacht werden. Überwachen eines in einem High-Side-IGBT eingebetteten Temperatursensors erfordert jedoch eine Schaltung mit einem Bezugspotenzial an der Emitterspannung dieses High-Side-IGBT.
  • Zum Weiterleiten des High-Side-Analogtemperatursignals zu einer zentralen Schaltung, die einen Bezug auf Masse aufweist, z.B. eine Mikrosteuerung oder ein Digitalsignalprozessor (DSP), wird das Temperatursignal in einer galvanisch isolierten Weise verarbeitet, z.B. digitalisiert und von einem Optokoppler oder Impulswandler verarbeitet. Dies ist eine kostenträchtige Maßnahme, die zusätzliche Komponenten und zusätzlichen Raum erfordert. Diese Wirkung wird im Fall von mehreren Halbbrücken noch augenscheinlicher, d.h. wenn viele High-Side- und Low-Side-Halbleiter verwendet werden, von denen jeder (auch die High-Side-Schalter) einen Temperatursensor aufweist, der Überwachung unterzogen werden sollte.
  • Als eine Option kann ein Analog-zu-Digital-Wandler in einem Treiber, z.B. eine treiberintegrierte Schaltung, inkorporiert werden, z.B. ein kernloser Transformator. In einem derartigen Szenarium kann ein analoges Temperatursignal von dem Treiber digitalisiert, verarbeitet (z.B. durch eine Art von Protokoll) und über den kernlosen Transformator an die Verarbeitungseinheit (die mit Masse als Bezugspotenzial arbeiten kann) übertragen werden. Die Verarbeitungseinheit extrahiert dann die empfangene Temperaturinformation für weitere Verarbeitungszwecke.
  • Eine Aufgabe besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine verbesserte oder effizientere Möglichkeit zur Erfassung von Signalen zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
  • Mindestens eines der folgenden Beispiele, Merkmalskombinationen und/oder Ausführungsformen kann als innovativ betrachtet werden. Diese können mit anderen Aspekten oder Ausführungsformen, wie hierin beschrieben, kombiniert werden. Eine der hierin beschriebenen Ausführungsformen ist nicht notwendigerweise als anderen Ausführungsformen gegenüber bevorzugt oder vorteilhaft anzusehen.
  • Eine Vorrichtung wird vorgeschlagen, umfassend
    • - einen High-Side-Halbleiter,
    • - einen Low-Side-Halbleiter,
    • - ein erstes Erfassungselement, das angrenzend an dem High-Side-Halbleiter angeordnet ist, wobei das erste Erfassungselement von dem High-Side-Halbleiter isoliert ist;
    • - ein zweites Erfassungselement, das angrenzend an dem Low-Side-Halbleiter angeordnet ist,
    • - wobei das erste Erfassungselement mit einer Verarbeitungseinheit direkt verbunden ist,
    • - wobei das zweite Erfassungselement von dem Low-Side-Halbleiter isoliert ist und
    • - wobei das zweite Erfassungselement mit der Verarbeitungseinheit direkt verbunden ist,
    • - wobei das erste Erfassungselement und das zweite Erfassungselement über mindestens eine laterale Isolation und über mindestens eine vertikale Isolation von dem High-Side-Halbleiter und von dem Low-Side-Halbleiter isoliert sind,
    • - wobei die vertikale Isolation eine Isolation im Bereich von 1,5 µm bis 2 µm umfasst.
  • In einer Ausführungsform ist das erste Erfassungselement in oder mit dem High-Side-Halbleiter eingebettet und ist das zweite Erfassungselement in oder mit dem Low-Side-Halbleiter eingebettet.
  • In einer Ausführungsform umfasst die laterale Isolation eine Isolation von mindestens 15 µm.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Isolation eine isolierende Schicht.
  • In einer Ausführungsform umfasst die isolierende Schicht mindestens eines des Folgenden:
    • - eine Oxidschicht;
    • - ein thermisch oxidiertes Siliziumdioxid;
    • - eine Nitridschicht.
  • In einer Ausführungsform umfasst der High-Side-Halbleiter und/oder der Low-Side-Halbleiter mindestens eines des Folgenden:
    • - einen elektronischen Schalter;
    • - einen bipolaren Transistor;
    • - einen bipolaren Sperrschichttransistor;
    • - eine Diode;
    • - einen Sperrschichtfeldeffekttransistor;
    • - einen IGBT;
    • - einen MOSFET.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Verarbeitungseinheit mindestens eines des Folgenden:
    • - einen Prozessor;
    • - eine Steuerung;
    • - eine Mikrosteuerung;
    • - eine Signalverarbeitungseinheit.
  • In einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit mit einem Bezugspotenzial verbunden.
  • In einer Ausführungsform ist das Bezugspotenzial Masse.
  • In einer Ausführungsform ist mindestens ein Kontakt des High-Side-Halbleiters mindestens vorübergehend bei einer Spannung in einem Bereich zwischen 30 Volt und 1000 V in Bezug auf Masse.
  • In einer Ausführungsform umfasst das erste Erfassungselement und/oder das zweite Erfassungselement mindestens eines des Folgenden:
    • - einen Temperatursensor;
    • - einen integrierten temperaturabhängigen Sensor;
    • - einen Hallsensor;
    • - einen Drucksensor;
    • - einen Stromsensor.
  • In einer Ausführungsform umfasst das erste Erfassungselement und/oder das zweite Erfassungselement mindestens eine Diode als einen Temperatursensor.
  • In einer Ausführungsform umfasst das erste Erfassungselement und/oder das zweite Erfassungselement mindestens eine Körperdiode eines Transistors.
  • In einer Ausführungsform sind der High-Side-Halbleiter und der Low-Side-Halbleiter in einer Halbbrücken-Konfiguration angeordnet oder sind Teil einer Vollbrücken-Konfiguration.
  • Eine Schaltung wird bereitgestellt, umfassend
    • - einen High-Side-Halbleiter,
    • - einen Low-Side-Halbleiter,
    • - ein erstes Erfassungselement, das in oder mit dem High-Side-Halbleiter eingebettet ist, wobei das erste Erfassungselement von dem High-Side-Halbleiter isoliert ist;
    • - ein zweites Erfassungselement, das in oder mit dem Low-Side-Halbleiter eingebettet ist,
    • - eine Verarbeitungseinheit, wobei das erste Erfassungselement mit der Verarbeitungseinheit direkt verbunden ist,
    • - wobei das zweite Erfassungselement von dem Low-Side-Halbleiter isoliert ist,
    • - wobei das zweite Erfassungselement mit der Verarbeitungseinheit direkt verbunden ist,
    • - wobei das erste Erfassungselement und das zweite Erfassungselement über mindestens eine laterale Isolation und über mindestens eine vertikale Isolation von dem High-Side-Halbleiter und von dem Low-Side-Halbleiter isoliert sind,
    • - wobei die vertikale Isolation eine Isolation im Bereich von 1,5 µm bis 2 µm umfasst.
  • In einer Ausführungsform
    • - sind der High-Side-Halbleiter und der Low-Side-Halbleiter elektronische Schalter oder wobei mindestens einer des High-Side-Halbleiters und des Low-Side-Halbleiters eine Diode umfasst,
    • - die in Reihe verbunden sind,
    • - die über die Verarbeitungseinheit gesteuert werden.
  • In einer Ausführungsform kann die Schaltung in einer Halbbrücken- oder Vollbrücken-Anordnung verwendet werden oder Teil davon sein.
  • Ein Verfahren zum Steuern eines High-Side-Halbleiters und eines Low-Side-Halbleiters wird vorgeschlagen,
    • - die in Reihe in einer Halbbrücken-Anordnung verbunden sind,
    • - mit einem ersten Erfassungselement, das in oder mit dem High-Side-Halbleiter eingebettet ist, wobei das erste Erfassungselement von dem High-Side-Halbleiter isoliert ist,
    • - mit einem zweiten Erfassungselement, das in oder mit dem Low-Side-Halbleiter eingebettet ist, wobei das zweite Erfassungselement von dem Low-Side-Halbleiter isoliert ist,
    • - mit mindestens einer Verarbeitungseinheit, die angeordnet ist, den High-Side-Halbleiter und den Low-Side-Halbleiter zu steuern, und mit dem ersten Erfassungselement und mit dem zweiten Erfassungselement direkt verbunden ist,
    • - wobei das erste Erfassungselement und das zweite Erfassungselement über mindestens eine laterale Isolation und über mindestens eine vertikale Isolation von dem High-Side-Halbleiter und von dem Low-Side-Halbleiter isoliert sind,
    • - wobei die vertikale Isolation eine Isolation im Bereich von 1,5 µm bis 2 µm umfasst, wobei die mindestens eine Verarbeitungseinheit angeordnet ist
    • - zum Bestimmen einer ersten Information basierend auf einem von dem ersten Erfassungselement bereitgestellten Signal;
    • - zum Bestimmen einer zweiten Information basierend auf einem von dem zweiten Erfassungselement bereitgestellten Signal;
    • - zum Steuern des High-Side-Halbleiters und des Low-Side-Halbleiters basierend auf der ersten Information und auf der zweiten Information.
  • In einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit angeordnet, eine Fehlfunktion basierend auf der ersten Information und/oder der zweiten Information zu bestimmen und eine im Voraus definierte Maßnahme basierend auf der bestimmten Fehlfunktion auszuführen
  • Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt und veranschaulicht. Die Zeichnungen dienen zum Veranschaulichen des grundlegenden Prinzips, so dass nur Aspekte dargestellt werden, die zum Verständnis des grundlegenden Prinzips erforderlich sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale
    • 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Halbbrücken-Anordnung, umfassend zwei Transistoren, wobei jeder Transistor einen Temperatursensor aufweist, der mit einer Verarbeitungseinheit direkt verbunden ist;
    • 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Transistors mit einem eingebetteten Temperatursensor.
  • Ausführungsformen beziehen sich auf das Erfassen von Informationen in Halbleitern, die bei verschiedenen und differierenden Spannungen betrieben werden.
  • Eine erste Ausführungsform betrifft eine Vorrichtung, umfassend einen High-Side-Halbleiter, einen Low-Side-Halbleiter, ein erstes Erfassungselement, das angrenzend an dem High-Side-Halbleiter angeordnet ist. Das erste Erfassungselement ist von dem High-Side-Halbleiter isoliert und das erste Erfassungselement ist mit einer Verarbeitungseinheit direkt verbindbar. Direkt verbindbar in dieser Hinsicht bezieht sich insbesondere auf eine Verbindung ohne eine galvanische Isolation. Direkt verbindbar kann eine Verbindung über ein Filter, z.B. ein Kondensator und/oder Widerstand, umfassen.
  • Der High-Side-Halbleiter und/oder der Low-Side-Halbleiter kann einen Schalter und/oder eine Diode umfassen. Eine Halbbrücken-Anordnung könnte unter Verwendung des High-Side- und des Low-Side-Halbleiters implementiert werden. Ein Schalter und eine parallele Diode (oder mehrere derartige parallel verbundene Dioden) können als ein Element der Halbbrücken-Anordnung verwendet werden. In einem derartigen beispielhaften Szenarium umfasst die Halbbrücken-Anordnung vier Halbleiterelemente, d.h. zwei Schalter und zwei Dioden.
  • Eine zweite Ausführungsform betrifft eine Schaltung, umfassend einen High-Side-Halbleiter, einen Low-Side-Halbleiter, ein erstes Erfassungselement, dass in oder mit dem High-Side-Halbleiter eingebettet ist, wobei das erste Erfassungselement von dem High-Side-Halbleiter (elektrisch) isoliert ist. Die Schaltung umfasst ferner eine Verarbeitungseinheit, wobei das erste Erfassungselement mit der Verarbeitungseinheit direkt verbunden ist.
  • Eine dritte Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Steuern eines High-Side-Halbleiters und eines Low-Side-Halbleiters, die in einer Halbbrücken-Anordnung in Reihe verbunden sind, mit einem ersten Erfassungselement, das in oder mit dem High-Side-Halbleiter eingebettet ist, wobei das erste Erfassungselement von dem High-Side-Halbleiter (elektrisch) isoliert ist, mit einem zweiten Erfassungselement, das in oder mit dem Low-Side-Halbleiter eingebettet ist, wobei das zweite Erfassungselement von dem Low-Side-Halbleiter isoliert ist, und mit mindestens einer Verarbeitungseinheit, die angeordnet ist, den High-Side-Halbleiter und den Low-Side-Halbleiter zu steuern, und mit dem ersten Erfassungselement und mit dem zweiten Erfassungselement direkt verbunden ist. Die mindestens eine Verarbeitungseinheit ist angeordnet zum Bestimmen einer ersten Information basierend auf einem von dem ersten Erfassungselement bereitgestellten Signal; zum Bestimmen einer zweiten Information basierend auf einem von dem zweiten Erfassungselement bereitgestellten Signal; und zum Steuern des High-Side-Halbleiters und des Low-Side-Halbleiters basierend auf der ersten Information und auf der zweiten Information.
  • Eine vierte Ausführungsform betrifft ein System zum Steuern eines High-Side-Halbleiters und eines Low-Side-Halbleiters, die in einer Halbbrücken-Anordnung in Reihe verbunden sind. Das System umfasst ein erstes Erfassungselement, das in oder mit dem High-Side-Halbleiter eingebettet ist, wobei das erste Erfassungselement von dem High-Side-Halbleiter (elektrisch) isoliert ist, ein zweites Erfassungselement, das in oder mit dem Low-Side-Halbleiter eingebettet ist, wobei das zweite Erfassungselement von dem Low-Side-Halbleiter (elektrisch) isoliert ist; und eine Verarbeitungseinheit, die angeordnet ist, den High-Side-Halbleiter und den Low-Side-Halbleiter zu steuern, und mit dem ersten Erfassungselement und mit dem zweiten Erfassungselement direkt verbunden ist. Das System umfasst ferner Mittel zum Bestimmen einer ersten Information basierend auf einem von dem ersten Erfassungselement bereitgestellten Signal; Mittel zum Bestimmen einer zweiten Information basierend auf einem von dem zweiten Erfassungselement bereitgestellten Signal; und Mittel zum Steuern des High-Side-Halbleiters und des Low-Side-Halbleiters basierend auf der ersten Information und auf der zweiten Information.
  • In vielen Halbbrücken-Schaltungen wie Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlern oder Invertern, die für z.B. Motorsteuerungen verwendet werden, sind mindestens ein High-Side-Halbleiter und ein Low-Side-Halbleiter vorhanden, z.B. ein IGBT, ein MOSFET, ein BJT, ein JFET oder eine Diode. Der High-Side-Halbleiter kann mit einer hohen Spannung über Masse verbunden sein und der Low-Side-Halbleiter kann mit Masse oder mindestens näher an Masse als der High-Side-Halbleiter verbunden sein. Insbesondere ist der High-Side-Halbleiter an einer höheren Spannung im Vergleich mit einem Bezugspotenzial im Vergleich mit dem Low-Side-Halbleiter angeordnet.
  • „Masse“ bezieht sich auf Massepotenzial oder ein beliebiges Bezugspotenzial, das als zweckdienlich angesehen wird oder als ein Bezugspotenzial ausgewählt wird.
  • Es wird vorgeschlagen, ein erstes Erfassungselement in der Nähe des High-Side-Halbleiters, insbesondere daran angrenzend, anzuordnen. Dementsprechend kann ein zweites Erfassungselement in der Nähe des Low-Side-Halbleiters, insbesondere daran angrenzend, angeordnet werden. Das erste Erfassungselement kann in dem High-Side-Halbleiter eingebettet werden oder es kann zusammen mit dem High-Side-Halbleiter eingebettet werden. Dementsprechend kann das zweite Erfassungselement in dem Low-Side-Halbleiter eingebettet werden oder es kann zusammen mit dem Low-Side-Halbleiter eingebettet werden. Das erste Erfassungselement und das zweite Erfassungselement können jeweils als ein Sensor zum Detektieren von Informationen, z.B. Druck, Strom, Spannung, Licht, Feuchtigkeit usw., und zum Befördern der Informationen zu einer Verarbeitungseinheit realisiert werden.
  • Gemäß dem hierin beschriebenen Beispiel erfordern das erste Erfassungselement und das zweite Erfassungselement keine zusätzliche galvanische Isolation von der Verarbeitungseinheit. Sie können mit der Verarbeitungseinheit direkt verbunden werden, selbst wenn der High-Side-Halbleiter bei einem massefreien Hochspannungspotenzial betrieben wird und der Low-Side-Halbleiter über Masse betrieben wird.
  • Folglich werden das erste Erfassungselement und das zweite Erfassungselement über mindestens eine Isolationsschicht von dem High-Side-Halbleiter und von dem Low-Side-Halbleiter isoliert.
  • Im Fall, dass der Sensor (erstes und/oder zweites Erfassungselement) in dem Halbleiter eingebettet ist, kann eine Information des Halbleiters von der Verarbeitungseinheit in einer kontinuierlichen oder iterativen Weise erfasst, d.h. überwacht, werden.
  • Die hierin diskutierten Beispiele sind insbesondere für Anwendungen nützlich, die eine Betriebsspannung oder Versorgungsspannung im Bereich von 40 Volt bis zu mehr als 700 Volt verwenden.
  • Die präsentierte Lösung ermöglicht insbesondere Erfassen einer Information, z.B. eine Temperatur, an verschiedenen Orten einer Halbleiterkomponente, angeordnet an einer High-Side oder an einer Low-Side. Die Halbleiterkomponente kann ein elektronischer Schalter oder eine beliebige andere Halbleiterkomponente sein, die einer Überwachung unterzogen wird, z.B. ein IGBT, ein MOSFET, ein BJT, ein JFET oder eine Diode. Der Temperatursensor kann ein Halbleiterelement sein, z.B. eine Diode oder eine Reihenverbindung, die mehrere Dioden umfasst. Der Sensor kann außerdem mindestens eines des Folgenden zum Erfassen verschiedener Arten von Informationen umfassen: ein Hallsensor, ein Drucksensor, ein Stromsensor.
  • Im Folgenden wird ein elektronischer Schalter, z.B. ein Transistor, als eine Halbleiterkomponente, die einer Überwachung unterzogen wird, beispielhaft ausgewählt. Die überwachte Information ist beispielhaft eine Temperatur in dem elektronischen Schalter oder in der Nähe des elektronischen Schalters. Das Temperaturerfassungselement kann eine Diode sein, die in oder zusammen mit dem elektronischen Schalter eingebettet sein kann. Der elektronische Schalter kann als Teil einer Halbbrücken- oder einer Vollbrücken-Anordnung eingesetzt werden, wie in z.B. einem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, einer Stromversorgung, einer Motorsteuerung oder dergleichen verwendet.
  • Dementsprechend könnten andere Halbleiterkomponenten und/oder elektronische Schalter in unterschiedlicher Anordnung einer beliebigen Art von Überwachung gemäß den hierin vorgeschlagenen Beispielen unterzogen werden.
  • Zwei elektronische Schalter, z.B. Transistoren, insbesondere IGBTs, können in einer Reihenverbindung miteinander zwischen einer Versorgungsspannung und Masse angeordnet sein. Der elektronische Schalter, der mit der Versorgungsspannung verbunden ist oder ihr näher ist, wird auch als High-Side-Schalter bezeichnet, und der elektronische Schalter, der mit Masse verbunden ist oder ihr näher ist, wird als Low-Side-Schalter bezeichnet.
  • Vorteilhafterweise kann die Information, z.B. Temperatur, sowohl an dem High-Side-Schalter als auch an dem Low-Side-Schalter über eine einzelne Verarbeitungseinheit ohne weitere galvanische Isolationsschaltungen wie Transformatoren oder Optokoppler bestimmt werden. Dies gestattet eine verbesserte Überwachung und Kontrolle und insbesondere das Detektieren etwaiger Unregelmäßigkeiten oder Fehlfunktionen in einem frühen Stadium oder sogar vor dem tatsächlichen Auftreten. Es ist insbesondere eine Möglichkeit, alle elektronischen Schalter zu überwachen und eine Veränderung der Temperatur durch Bewerten des erfassten Signals durch z.B. eine Mikrosteuerung oder einen Signalprozessor zu bestimmen.
  • Zum Beispiel kann die Temperatur von jedem elektronischen Schalter zu der Verarbeitungseinheit, vorzugsweise mit wenig oder ohne Verzögerung (in Echtzeit), übertragen werden.
  • Gemäß einem Beispiel kann der Sensor (z.B. ein Temperatursensor, realisiert als z.B. eine Diode) derart angeordnet werden, dass er eine Fähigkeit zum Sperren hoher Spannungen aufweist. Der Sensor kann als ein integrierter Sensor, der in der Halbleiterkomponente eingebettet ist, realisiert werden. Der Sensor kann von der Halbleiterkomponente galvanisch isoliert sein. Isolation kann durch eine isolierende Schicht erreicht werden.
  • Im Fall, dass die Halbleiterkomponente ein elektronischer Schalter ist, der Gate, Source und Drain oder Basis, Kollektor und Emitter umfasst, kann der Sensor derart realisiert werden, dass er eine Fähigkeit zum Sperren hoher Spannungen aufweist und dass er von dem Drain/Kollektor, Source/Emitter und Gate bis hin zu einer im Voraus bestimmten Drain-Source-Spannung oder bis hin zu einer im Voraus bestimmten Kollektor-Emitter-Spannung isoliert sein kann.
  • Folglich kann jeder Sensor derart bereitgestellt werden, dass er eine ausreichende Spannungsisolation über Masse aufweist, egal ob der Sensor in dem High-Side-Schalter oder dem Low-Side-Schalter integriert oder nahe daran ist. Der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter sind hierbei Beispiele für Halbleiterkomponenten; andere Halbleiterkomponenten, die einer Überwachung auf Informationen unterzogen werden, können entsprechend verwendet werden.
  • Jeder Sensor kann von einer Verarbeitungseinheit gelesen werden, die wahlweise außerdem die erhaltenen Informationen verarbeitet. Die Verarbeitungseinheit kann ein Mikrocontroller oder ein Signalprozessor mit Masse als Bezugspotenzial sein. Die Verarbeitungseinheit kann jedoch ebenfalls ein verschiedenes (festes) Bezugspotenzial aufweisen.
  • Gemäß einem Beispiel können verschiedene Temperaturen, erfasst von mehreren Temperatursensoren angrenzend an mehreren elektronischen Schaltern einer Halbbrücken-Anordnung, von einer Signalverarbeitungsvorrichtung mit z.B. Masse als Bezugspotenzial überwacht werden. Die Verarbeitungseinheit kann somit als eine Überwachungseinheit fungieren, die bestimmt, ob die Temperatur innerhalb eines im Voraus bestimmten Temperaturbereichs bleibt, oder dass sie unter diesen Bereich fällt oder ihn übersteigt. Folglich kann ein Vergleich mit einem im Voraus definierten Wert bereitgestellt werden, wobei der im Voraus definierte Wert ein fester Wert oder ein Gradient (z.B. Veränderung über Zeit) sein kann. Folglich können auch Temperaturveränderungen betrachtet werden, um drohende Fehlfunktionen oder Defekte zu detektieren.
  • Die Temperatursensoren können in oder angrenzend an verschiedenen Halbleiterkomponenten, z.B. Transistoren aller Art, IGBTs, MOSFETs, BJTs oder Dioden, eingebettet werden, unabhängig davon, ob sie an der High-Side oder Low-Side einer Schaltung angeordnet sind.
  • Folglich ist eine Analog-zu-Digital-Umwandlung oder eine galvanische Isolation der erfassten Informationen unter Umständen nicht erforderlich, wodurch Kosten und Aufwand sowie Platzbedarf auf der Leiterplatte reduziert werden.
  • Das diskutierte Beispiel nutzt, dem (z.B. eingebetteten) Temperatursensor selbst ausreichende Spannungsisolation (zu Masse und/oder zu irgendwelchen der Verbindungen einer Halbleiterkomponente, die überwacht wird) hinzuzufügen.
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Halbbrücken-Anordnung, umfassend einen Transistor Q1 und einen Transistor Q2. Die Transistoren Q1, Q2 können IGBTs, BJTs, MOSFETs oder JFETs sein. Einer der Transistoren Q1, Q2 kann durch eine Diode ersetzt werden. Im Beispiel gemäß 1 können die Transistoren Q1 und Q2 insbesondere als IGBTs realisiert werden, wobei der Transistor Q1 einen integrierten Temperatursensor TS1 aufweist und der Transistor Q2 einen integrierten Temperatursensor TS2 aufweist. Die Temperatursensoren TS1 und TS2 können jeweils als Dioden realisiert werden.
  • Der Transistor Q1 wird über einen Treiber 102, der über eine Isolationseinheit 103 mit einer Verarbeitungseinheit 101 (z.B. ein Prozessor, eine Mikrosteuerung oder ein Signalprozessor) verbunden ist, gesteuert. Dementsprechend wird der Transistor Q2 über einen Treiber 104 gesteuert, der über eine Isolationseinheit 105 mit der Verarbeitungseinheit 101 verbunden ist.
  • Die Isolationseinheit 103, 105 kann als ein Optokoppler, ein Transformator oder ein beliebiges galvanisches Isolationselement realisiert werden. Die Isolationseinheit 103, 105 ermöglicht Steuern des jeweiligen Transistors Q1, Q2 durch die Verarbeitungseinheit 101, wobei die Verarbeitungseinheit 101 in diesem Beispiel von 1 Masse als ein Bezugspotenzial aufweist und die Gates der Transistoren Q1, Q2 verschiedene (massefreie) Bezugspotenziale (anders als Masse) aufweisen können.
  • Folglich steuert die Verarbeitungseinheit 101 die Transistoren Q1, Q2 der Halbbrücke über die Isolationseinheiten 103, 105 und die Treiber 102, 104.
  • Der Temperatursensor TS1 ist mit der Verarbeitungseinheit 101 verbunden. Der Temperatursensor TS2 ist ebenfalls mit der Verarbeitungseinheit verbunden. Aufgrund einer Hochspannungsisolation des Temperatursensors TS1 von dem Transistor Q1 kann das erfasste Signal der Verarbeitungseinheit 101 direkt zugeführt (damit verbunden) werden. Dies gilt dementsprechend für den Temperatursensor TS2 in Bezug auf den Transistor Q2. In diesem Beispiel wird keine zusätzliche Hochspannungs-Entkopplungsvorrichtung, z.B. Transformator, Optokoppler, Analog-zu-Digital-Umwandlung oder dergleichen, zum Detektieren der von den Temperatursensoren TS1 und TS2 erfassten Informationen benötigt.
  • Jeder der Temperatursensoren TS1, TS2 kann über ein Dickfeldoxid, z.B. im Bereich zwischen 1,5 µm und 2 µm, als Isolationsschicht gegen einen vertikalen Durchbruch isoliert werden. Jeder der Temperatursensoren TS1, TS2 ist insbesondere in Bezug auf das Emitterpotenzial seines jeweiligen Transistors Q1, Q2 isoliert.
  • Es ist eine Möglichkeit, die Körperdiode von MOSFETs (z.B. niederer Spannung) als ein Temperatursensor zu verwenden.
  • Der integrierte Temperatursensor kann vorteilhafterweise die Fähigkeit zum Sperren hoher Spannungen aufweisen. Er kann vorteilhafterweise bis zu einer im Voraus definierten Drain-Source-Spannung oder Kollektor-Emitter-Spannung von dem Drain/Kollektor, dem Source/Emitter und dem Gate isoliert sein. Folglich kann der Temperatursensor eine ausreichende Spannungsisolation in Bezug auf Masse aufweisen, unabhängig davon, ob der Sensor in dem High-Side-Schalter oder dem Low-Side-Schalter integriert ist. Folglich kann jeder einzelne Temperatursensor von einer einzelnen massebezogenen Schaltung, z.B. die hierin erwähnte Verarbeitungseinheit, gelesen und verarbeitet werden.
  • Galvanische Isolation des Temperatursensors (umfassend mindestens ein Erfassungselement) kann durch mindestens eines des Folgenden erreicht werden:
    • - das Erfassungselement ist aus pn-Dioden hergestellt, die monolithisch in die integrierte Schaltung integriert sind;
    • - das Erfassungselement ist nahe der Mitte des Chips oder dort, wo die meiste Wärmeabführung vorkommen kann, angeordnet;
    • - das Erfassungselement ist auf der Oberseite einer dicken isolierenden, insbesondere einer nicht unterbrochenen (Ende-zu-Ende-)Schicht angeordnet;
    • - Verbindungen vom Erfassungselement zu Kontakt-Anschlussflächen können eine im Voraus definierte (z.B. minimale) Distanz zu Elementen auf dem Chip, die einen mit dem Erfassungselement vergleichbaren Spannungspegel führen, aufweisen.
  • Die dicke Isolationsschicht kann ein thermisch oxidiertes Siliziumdioxid sein. Außerdem können ähnliche Oxidschichten (PE-CVD) oder andere Isolationsschichten (Nitrid) und Kombinationen davon verwendet werden. Die Dicke der Schicht kann ausgewählt werden, um einer im Voraus definierten Spannungswiderstandsfähigkeit zu entsprechen.
  • Folglich kann die Spannungsdurchbruch-Widerstandsfähigkeit des Temperatursensors im Vergleich mit dem Emitterpotenzial (und Kollektor und Gate) verbessert werden. Dies kann über die dicke Oxidschicht als isolierende Schicht gegen Emitterpotenzial erreicht werden; die Erfassungselemente können auf dieser Oxidschicht angeordnet werden.
  • Es ist zu beachten, dass das Beispiel ebenfalls mit einer Verarbeitungseinheit 101, die ein beliebiges Bezugspotenzial anders als Masse aufweist, funktioniert.
  • 2 zeigt eine beispielhafte Struktur eines Transistors Q1 (IGBT) und des Temperatursensors TS1, der beispielhaft zusammen mit dem Transistor Q1 eingebettet ist.
  • Der IGBT umfasst einen npn-Übergang, der Gate des IGBT kann aus einem Graben mit einem Gate-Oxid hergestellt sein. Anlegen einer Spannung, die höher ist als eine im Voraus definierte Schwellenwertspannung, öffnet einen Kanal für Elektronen in dem p-Raum. Der IGBT wird dann eingeschaltet. Der Temperatursensor TS1 umfasst eine Poly-Silizium-Schicht mit einem implantierten pn-Übergang. Metallkontakte in dem Poly-Silizium bilden die Anode und die Katode.
  • Eine metallische Schicht 204 ist an einer Seite eines Siliziumwafers 201 angebracht. Die metallische Schicht 204 korrespondiert mit einem Kollektorkontakt des Transistors Q1.
  • Auf der anderen Seite des Siliziumwafers 201 sind ein Emitterkontakt 208 (als eine metallische Schicht oder Struktur) und ein Gate-Kontakt 209 (als eine metallische Schicht oder Struktur) des Transistors Q1 bereitgestellt. Der Emitter-Kontakt 208 ist über einer leitenden Schicht 206 (z.B. aus polykristallinem Silizium) und einer zwischenliegenden Oxidschicht 207 angeordnet, ist aber in direktem Kontakt mit dem Siliziumwafer 201. Der Gate-Kontakt 209 ist ebenfalls über der leitenden Schicht 206 und der Oxidschicht 207, ist aber in direktem Kontakt mit der leitenden Schicht 206. Angrenzend an dem Transistor Q1 ist der Temperatursensor TS1, realisiert als eine Diode, umfassend einen Anoden-Kontakt 210 und einen Katoden-Kontakt 211 über der Oxidschicht 207 und der leitenden Schicht 206.
  • Zwischen der leitenden Schicht 206 und dem Siliziumwafer 204 ist ein Gate-Oxid 205 angewandt, außer für den direkten Kontakt mit dem Emitter 208 des Transistors Q1. Das Gate-Oxid 205 ist eher dünn (z.B. im Bereich zwischen 50 nm und 100 nm), weist aber eine zunehmende Dicke 203 (auch als vertikale Isolation bezeichnet, z.B. im Bereich zwischen 1,5 µm und 2 µm) unter der leitenden Schicht 206 auf, die mit dem Anoden-Kontakt 210 und dem Katoden-Kontakt 211 in Berührung ist. Das unterliegende (Bulk-)Silizium 201 in dieser Ausführungsform weist z.B. Emitterpotenzial auf.
  • Zusätzlich veranschaulicht ein Pfeil 202 eine Distanz zwischen dem Gate-Kontakt 209 (entweder die metallische Schicht oder die leitende Schicht 206 unter dem Gate-Kontakt 209) und der leitenden Schicht 206 unter dem Anoden-Kontakt 210 der Diode. Die Distanz (auch als laterale Isolation bezeichnet), die von den Pfeilen 202 angezeigt wird, ist vorzugsweise größer als 15 µm.
  • Ferner wird eine Passivierungsschicht 212 mindestens teilweise auf der Oberseite der Anordnung angewandt, insbesondere zwischen den elektrischen Kontakten und diese teilweise bedeckend.
  • Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine spezifische Figur erläutert wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch in denjenigen Fällen, in denen dies nicht ausdrücklich erwähnt wurde. Ferner können die Verfahren der Ausführungsformen entweder in Nur-Software-Implementierungen unter Verwendung der geeigneten Prozessoranweisungen oder in Hybrid-Implementierungen, die eine Kombination von Hardware-Logik und Software-Logik verwenden, um die gleichen Ergebnisse zu erreichen, ausgeführt werden. Derartige Abwandlungen des erfinderischen Konzepts sollen von den beigefügten Ansprüchen abgedeckt werden.

Claims (20)

  1. Vorrichtung, umfassend - einen High-Side-Halbleiter (Q1), - einen Low-Side-Halbleiter (Q2), - ein erstes Erfassungselement (TS1), das angrenzend an dem High-Side-Halbleiter (Q1) angeordnet ist, wobei das erste Erfassungselement (TS1) von dem High-Side-Halbleiter (Q1) isoliert ist; - ein zweites Erfassungselement (TS2), das angrenzend an dem Low-Side-Halbleiter (Q2) angeordnet ist, - wobei das erste Erfassungselement (TS1) mit einer Verarbeitungseinheit (101) direkt verbunden ist, - wobei das zweite Erfassungselement (TS2) von dem Low-Side-Halbleiter (Q2) isoliert ist und - wobei das zweite Erfassungselement (TS2) mit der Verarbeitungseinheit (101) direkt verbunden ist, - wobei das erste Erfassungselement (TS1) und das zweite Erfassungselement (TS2) über mindestens eine laterale Isolation (202) und über mindestens eine vertikale Isolation (203) von dem High-Side-Halbleiter (Q1) und von dem Low-Side-Halbleiter (Q2) isoliert sind, - wobei die vertikale Isolation (203) eine Isolation im Bereich von 1,5 µm bis 2 µm umfasst.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Erfassungselement (TS1) und/oder das zweite Erfassungselement (TS2) mindestens eines des Folgenden umfasst: - einen Temperatursensor; - einen integrierten temperaturabhängigen Sensor; - einen Hallsensor; - einen Drucksensor; - einen Stromsensor.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Erfassungselement (TS1) und/oder das zweite Erfassungselement (TS2) mindestens eine Diode als einen Temperatursensor umfasst.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Erfassungselement (TS1) und/oder das zweite Erfassungselement (TS2) eine Körperdiode eines Transistors umfasst.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Erfassungselement (TS1) und das zweite Erfassungselement (TS2) mit der Verarbeitungseinheit (101) direkt verbunden sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Erfassungselement (TS1) in oder mit dem High-Side-Halbleiter (Q1) eingebettet ist und das zweite Erfassungselement in (TS2) oder mit dem Low-Side-Halbleiter (Q2) eingebettet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die laterale Isolation (202) eine Isolation von mindestens 15 µm umfasst.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolation eine isolierende Schicht umfasst.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die isolierende Schicht mindestens eines des Folgenden umfasst: - eine Oxidschicht; - ein thermisch oxidiertes Siliziumdioxid; - eine Nitridschicht.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der High-Side-Halbleiter (Q1) und/oder der Low-Side-Halbleiter (Q2) mindestens eines des Folgenden umfasst: - einen elektronischen Schalter; - einen bipolaren Transistor; - einen bipolaren Sperrschichttransistor; - eine Diode; - einen Sperrschichtfeldeffekttransistor; - einen IGBT; - einen MOSFET.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit (101) mindestens eines des Folgenden ist: - ein Prozessor; - eine Steuerung; - ein Mikrocontroller; - eine Signalverarbeitungseinheit.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit (101) mit einem Bezugspotenzial verbunden ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Bezugspotenzial Masse ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei mindestens ein Kontakt des High-Side-Halbleiters (Q1) mindestens vorübergehend bei einer Spannung in einem Bereich zwischen 30 Volt und 1000 V in Bezug auf Masse ist.
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der High-Side-Halbleiter (Q1) und der Low-Side-Halbleiter (Q2) in einer Halbbrücken-Konfiguration angeordnet sind oder Teil einer Vollbrücken-Konfiguration sind.
  16. Schaltung, umfassend - einen High-Side-Halbleiter (Q1), - einen Low-Side-Halbleiter (Q2), - ein erstes Erfassungselement (TS1), das in oder mit dem High-Side-Halbleiter (Q1) eingebettet ist, wobei das erste Erfassungselement (TS1) von dem High-Side-Halbleiter (Q1) isoliert ist, - ein zweites Erfassungselement (TS2), das in oder mit dem Low-Side-Halbleiter (Q2) eingebettet ist, - eine Verarbeitungseinheit (101), wobei das erste Erfassungselement (TS1) mit der Verarbeitungseinheit (101) direkt verbunden ist, - wobei das zweite Erfassungselement (TS2) von dem Low-Side-Halbleiter (Q2) isoliert ist, - wobei das zweite Erfassungselement (TS2) mit der Verarbeitungseinheit (101) direkt verbunden ist, - wobei das erste Erfassungselement (TS1) und das zweite Erfassungselement (TS2) über mindestens eine laterale Isolation (202) und über mindestens eine vertikale Isolation (203) von dem High-Side-Halbleiter (Q1) und von dem Low-Side-Halbleiter (Q2) isoliert sind, - wobei die vertikale Isolation (203) eine Isolation im Bereich von 1,5 µm bis 2 µm umfasst.
  17. Schaltung nach Anspruch 16, - wobei der High-Side-Halbleiter (Q1) und der Low-Side-Halbleiter (Q2) elektronische Schalter sind oder wobei mindestens einer des High-Side-Halbleiters (Q1) und des Low-Side-Halbleiters (Q2) eine Diode umfasst, - die in Reihe verbunden sind, - die über die Verarbeitungseinheit (101) gesteuert werden.
  18. Schaltung nach Anspruch 17 zur Verwendung in einer Halbbrücken- oder Vollbrücken-Anordnung.
  19. Verfahren zum Steuern eines High-Side-Halbleiters (Q1) und eines Low-Side-Halbleiters (Q2), - die in Reihe in einer Halbbrücken-Anordnung verbunden sind, - mit einem ersten Erfassungselement (TS1), das in oder mit dem High-Side-Halbleiter (Q1) eingebettet ist, wobei das erste Erfassungselement (TS1) von dem High-Side-Halbleiter (Q1) isoliert ist, - mit einem zweiten Erfassungselement (TS2), das in oder mit dem Low-Side-Halbleiter (Q2) eingebettet ist, wobei das zweite Erfassungselement (TS2) von dem Low-Side-Halbleiter (Q2) isoliert ist, - mit mindestens einer Verarbeitungseinheit (101), die angeordnet ist, den High-Side-Halbleiter (Q1) und den Low-Side-Halbleiter (Q2) zu steuern, und mit dem ersten Erfassungselement (TS1) und mit dem zweiten Erfassungselement (TS2) direkt verbunden ist, - wobei das erste Erfassungselement (TS1) und das zweite Erfassungselement (TS2) über mindestens eine laterale Isolation (202) und über mindestens eine vertikale Isolation (203) von dem High-Side-Halbleiter (Q1) und von dem Low-Side-Halbleiter (Q2) isoliert sind, - wobei die vertikale Isolation (203) eine Isolation im Bereich von 1,5 µm bis 2 µm umfasst, wobei die mindestens eine Verarbeitungseinheit (101) angeordnet ist, das Verfahren durchzuführen, umfassend: - Bestimmen einer ersten Information basierend auf einem von dem ersten Erfassungselement (TS1) bereitgestellten Signal; - Bestimmen einer zweiten Information basierend auf einem von dem zweiten Erfassungselement (TS2) bereitgestellten Signal; - Steuern des High-Side-Halbleiters (Q1) und des Low-Side-Halbleiters (Q2) basierend auf der ersten Information und auf der zweiten Information.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Verarbeitungseinheit (101) eingerichtet ist zum Bestimmen einer Fehlfunktion basierend auf der ersten Information und/oder der zweiten Information und zum Ausführen einer im Voraus definierten Maßnahme basierend auf der bestimmten Fehlfunktion.
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