DE102014010807A1

DE102014010807A1 - Überwachung und Steuerung der Temperatur in einer Halbleiterstruktur

Info

Publication number: DE102014010807A1
Application number: DE201410010807
Authority: DE
Inventors: Veli Kartal
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: DE102014010807B4; US9136199B2; US20150028337A1; CN104347446A; CN104347446B

Abstract

Elektronische Vorrichtung mit wenigstens einer stromführenden Halbleiterstruktur und einer Einrichtung zum Ermitteln der Temperatur an der Halbleitervorrichtung, wobei die maximale Übergangstemperatur und die Temperaturdifferenz über der Halbleiterstruktur ermittelt werden. Wenn eine dieser beiden eine vordefinierte Temperatur überschreitet, wird die Halbleiterstruktur abgeschaltet.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Halbleitervorrichtungen erzeugen im Allgemeinen Wärme, wenn großer Strom an den Halbleiter angelegt wird, weil jede Halbleitervorrichtung einen Ohm'schen Widerstand aufweist, der einen Teil des elektrischen Stroms in Wärme verbrennt. Es ist bekannt, dass eine Halbleitervorrichtung durch hohe Temperaturen beschädigt werden kann, weil zum Beispiel das Silizium Symptome sogenannter thermischer Ermüdung zeigt, z. B. Metallisierung des Siliziums. Demgemäß sollte die Temperatur einer Halbleiterstruktur eine vorgegebene Grenze nicht überschreiten, um eine solche Beschädigung zu verhindern.
Um die Temperatur einer Halbleiterstruktur zu begrenzen, kann der Stromfluss durch die Struktur abgestellt werden, wenn eine vorgegebene Temperaturgrenze überschritten wird. Bei herkömmlichen Chips oder integrierten Schaltungen wird die Temperatur an dem geschätzten heißesten und an dem geschätzten kältesten Punkt gemessen. Außer dem direkten Auswerten der gemessenen Temperaturen zum Verhindern des Überhitzens können die gemessenen Temperaturen verglichen werden, um die Temperaturdifferenz als zweiten Hinweis für die tatsächliche Wärmebelastung der in einem Chip oder einer integrierten Schaltung enthaltenen Halbleiterstrukturen zu erhalten.
Während des Betriebs gibt es einige Situationen, die dafür anfällig sind, ein Überhitzen eines Halbleiters zu verursachen, insbesondere wenn große Ströme durch den Halbleiter fließen. Bei einem Beispiel kann ein Regler zum Steuern der Stromzufuhr für einen Elektromotor oder eine andere Last zum Beispiel beim Einschalten großen Strömen ausgesetzt sein, d. h. der sogenannten Einschaltstromspitze. Des Weiteren können große Ströme im Fall eines Kurzschlusses an der Last auftreten. Als herkömmliches Mittel zum Begrenzen der Erzeugung von Wärme in einem Halbleiter kann ein Strombegrenzer verwendet werden, um den Strom zu begrenzen, während er gleichzeitig die Temperatur des Halbleiters überwacht. Wenn die gemessenen Temperaturen eine Überhitzungssituation anzeigen, wird der entsprechende Chip oder zumindest die darin enthaltene Halbleiterstruktur, der/die die Situation verursacht hat, abgeschaltet, bis sich der Chip abgekühlt hat, um Beschädigung zu verhindern. Danach, d. h. sobald die Temperatur unter einen vorgegebenen Schwellenwert gesunken ist, kann der Halbleiter wieder in Normalbetrieb versetzt werden. Somit wird, wenn die gemessenen Temperaturen eine Überhitzungssituation anzeigen, der Halbleiter zum Abkühlen abgeschaltet, bis er wieder in Normalbetrieb versetzt wird. Auf diese Weise kann der Chip oder die integrierte Schaltung in Schleifenzyklen betrieben werden. Wenn jedoch eine Last induktive Eigenschaften hat, schaltet der Prozess des Abschaltens des Stromflusses den Stromfluss nicht sofort ab. Folglich kann der Halbleiter weiterhin erwärmt werden, wodurch die Halbleiterstruktur beschädigt werden kann.
Die Erfindung beschreibt Halbleitervorrichtungen und entsprechende Verfahren zum Lösen wenigstens der oben genannten Probleme.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schlägt eine elektronische Halbleitervorrichtung vor, die wenigstens eine Halbleiterstruktur aufweist. Die Vorrichtung weist des Weiteren eine Einrichtung zum Ermitteln der Temperatur an dem kältesten und an dem heißesten Punkt einer Halbleitervorrichtung auf. Die ermittelten kältesten und heißesten Temperaturen werden an eine Einrichtung zum Ermitteln der Differenz zwischen den beiden Temperaturen weitergleitet. Diese Einrichtung kann die ermittelte Differenz an eine Steuereinrichtung zum Steuern der Halbleitervorrichtung weiterleiten. Die Steuereinrichtung ermittelt, ob die ermittelte Temperaturdifferenz einen vordefinierten ersten Maximalwert überschreitet, und ob die heißeste Temperatur einen zweiten vordefinierten Schwellenwert überschreitet, und steuert auch den Stromfluss durch die Halbleitervorrichtung, um in diesen Fällen den Stromfluss abzuschalten.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine elektronische Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die wenigstens eine Halbleiterstruktur aufweist, und die des Weiteren aufweist
– eine Einrichtung zum Ermitteln der Temperatur an dem heißesten Punkt der Halbleiterstruktur, und
– eine Einrichtung zum Ermitteln der Temperatur an dem kältesten Punkt der Halbleiterstruktur, und
– eine Einrichtung zum Ermitteln der Temperaturdifferenz zwischen den gemessenen Halbleiterstrukturtemperaturen, und
– eine Steuereinrichtung zum Steuern des Stromflusses durch die Halbleiterstruktur, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, den Stromfluss durch die Halbleiterstruktur abzuschalten, wenn wenigstens eine der Drain-Temperatur der Halbleiterstruktur oder der Source-Temperatur der Halbleiterstruktur einen vorgegebenen ersten Schwellenwert überschreitet, oder wenn die ermittelte Temperaturdifferenz einen zweiten vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

Vorteilhaft ist die Halbleiterstruktur eine eines Transistors oder einer Diode oder eines IGBT.
Vorteilhaft weist die elektronische Halbleitervorrichtung des Weiteren eine Einrichtung zum Begrenzen des durch die Halbleiterstruktur fließenden Stroms auf.
Vorteilhaft weist die Steuereinrichtung eine Logik- und Treibereinrichtung auf, die kommunikativ mit der Einrichtung zum Begrenzen des Stroms verbunden ist und mit der Halbleiterstruktur verbunden ist, um den Stromfluss durch die Halbleiterstruktur zu steuern.
Vorteilhaft ist die Halbleiterstruktur ein Leistungs-MOSFET.
Vorteilhaft ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, die Temperatur an dem heißesten und an dem kältesten Punkt der Halbleiterstruktur zu ermitteln und die Temperaturdifferenz dazwischen zu ermitteln, wenn die Vorrichtung gesteuert wird, um eine Last, die an die Halbleiterstruktur gekoppelt ist, abzuschalten.
Gemäß einem Aspekt wird eine integrierte Schaltung bereitgestellt, die wenigstens eine Halbleiterstruktur zur Stromsteuerung aufweist, wobei der Chip des Weiteren aufweist

– einen ersten Temperatursensor, der sich an dem heißesten Punkt der Halbleiterstruktur befindet, und
– einen zweiten Temperatursensor, der sich an dem kältesten Punkt der Halbleiterstruktur befindet, und
– einen Steuerblock zum Steuern des Stromflusses durch die Halbleiterstruktur, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, den Stromfluss durch die Halbleiterstruktur abzuschalten, wenn wenigstens entweder die heißeste Temperatur der Halbleiterstruktur einen ersten vordefinierten Schwellenwert überschreitet oder wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem heißesten und dem kältesten Punkt der Halbleiterstruktur einen zweiten vordefinierten Schwellenwert überschreitet.

Vorteilhaft ist die Halbleiterstruktur eine eines Transistors oder einer Diode oder eines IGBT.
Vorteilhaft weist die integrierte Schaltung des Weiteren einen Strombegrenzer zum Steuern des durch die Halbleiterstruktur fließenden Stroms auf.
Vorteilhaft weist der Steuerblock zum Steuern des Stromflusses durch die Halbleiterstruktur einen Logik- und Treiberblock auf, der kommunikativ an den Strombegrenzer gekoppelt ist und an die Halbleitereinrichtung gekoppelt ist, um den Stromfluss durch die Halbleiterstruktur zu steuern.
Vorteilhaft ist die Halbleiterstruktur ein Leistungs-MOSFET.
Vorteilhaft ist die Schaltung dazu ausgelegt, eine Last, die an die Halbleiterstruktur gekoppelt ist, abzuschalten.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Steuern einer Halbleiterstruktur bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:

– Abfühlen einer Temperatur an dem kältesten Punkt der Halbleiterstruktur, und
– Abfühlen einer Temperatur an dem heißesten Punkt der Halbleiterstruktur, und
– Ermitteln der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur an dem kältesten und der Temperatur an dem heißesten Punkt der Halbleiterstruktur, und
– Abschalten des Stromflusses durch die Halbleiterstruktur, wenn die Temperatur an dem Gate bzw. an der Source einen vordefinierten ersten Schwellenwert überschreitet, oder wenn die ermittelte Temperaturdifferenz einen zweiten vordefinierten Schwellenwert überschreitet.

Vorteilhaft ist die Halbleiterstruktur eine eines Transistors und einer Diode oder eines IGBT.
Vorteilhaft umfasst das Verfahren des Weiteren den Schritt des Steuerns eines Strombegrenzers zum Steuern des durch die Halbleiterstruktur fließenden Stroms.
Vorteilhaft umfasst das Verfahren des Weiteren das Steuern des Strombegrenzers und der Halbleiterstruktur durch einen Logik- und Treiberblock.
Vorteilhaft ist die Halbleiterstruktur ein Leistungs-MOSFET.
Vorteilhaft ist die Halbleiterstruktur an eine induktive Last gekoppelt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird durch die untenstehende detaillierte Beschreibung und durch die beigefügten Zeichnungen der Erfindung besser verstanden werden, welche jedoch nicht so auszulegen sind, dass sie die Erfindung auf die spezifischen Ausführungsformen beschränken, sondern welche nur der Erläuterung und dem Verständnis dienen, und wobei
1: ein Blockdiagramm einer elektronischen Halbleitervorrichtung zeigt, die an eine Last gekoppelt ist;
2: eine schematische Skizze eines Temperaturermittlungsblocks zeigt;
3: eine Schaltung für Temperaturauswertung zeigt;
4: Signale in der Halbleitervorrichtung zeigt, wenn die Vorrichtung zum Begrenzen der Absoluttemperatur einer Halbleiterstruktur betrieben wird;
5: Signale in der Halbleitervorrichtung zeigt, wenn die Vorrichtung zum Begrenzen der Temperatur über der Halbleiterstruktur betrieben wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein Blockdiagramm einer elektronischen Halbleitervorrichtung 100, die eine Halbleiterstruktur 110 und wenigstens eine erste Einrichtung zum Ermitteln der höchsten Temperatur der Vorrichtung und eine andere Vorrichtung zum Ermitteln der niedrigsten Temperatur der Vorrichtung aufweist. Es wird angemerkt, dass sich die Temperaturermittlungseinrichtungen an dem wahrscheinlich heißesten Punkt und dem wahrscheinlich kältesten Punkt an der Vorrichtung befinden sollen. Typischerweise liegt der heißeste Punkt der Halbleitervorrichtung 100 um den Bereich herum, der die höchste Leistungsdichte zeigt, während der niedrigste Punkt an einer Stelle liegen kann, die kleine oder vernachlässigbare Leistungsdichte zeigt. Demgemäß kann sich der heißeste Punkt nahe einem Bonddraht befinden, er als Stromzufuhr für die Vorrichtung dient. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Temperaturermittlungseinrichtungen durch eine Einrichtung 120 und eine Einrichtung 130 beispielhaft dargestellt, da die beispielhafte Schaltung zu Demonstrationszwecken nur diese Halbleiterstruktur aufweist. Es wird angemerkt, dass diese Stellen das Anordnen der Temperaturermittlungseinrichtungen an der Vorrichtung nicht einschränken, sondern nur zwei beliebige Stellen zeigen sollen.
Des Weiteren weist die Vorrichtung 100 eine Einrichtung 140 zum Ermitteln der Temperaturdifferenz zwischen den gemessenen Temperaturen der Halbleiterstruktur, d. h. der heißesten und der niedrigsten ermittelten Temperatur, auf, eine Logik- und Treibereinrichtung 150 zum Steuern der Halbleiterstruktur 110, und eine optionale Einrichtung 160 zum Begrenzen der Amplitude eines Stromflusses I_DS durch die Halbleiterstruktur 110.
Während des Betriebs ist die elektronische Halbleitervorrichtung 100 an eine elektrische Last 170 gekoppelt, die wiederum an eine elektrische Zufuhr 180 gekoppelt sein kann. Obwohl die Last 170 als Induktor gezeigt ist, kann die Last beliebige Eigenschaften haben, d. h. die Last 170 kann Eigenschaften eines Induktors oder eines Ohm'schen Widerstands oder eines Kondensators oder einer Mischung davon haben. Demgemäß ist nicht beabsichtigt, dass die Eigenschaften der Last 170 den Umfang der Erfindung einschränken.
Der Begriff elektronische Halbleitervorrichtung soll im Kontext der vorliegenden Beschreibung eine elektronische Vorrichtung bezeichnen, die wenigstens eine Halbleiterstruktur 110 aufweist. Die elektronische Halbleitervorrichtung kann als sogenanntes System-on-Chip (Ein-Chip-System) implementiert sein, oder sie kann unter Verwendung diskreter Komponenten implementiert sein, die auf einer oder mehreren gedruckten Schaltungen angeordnet sind, d. h. die Erfindung soll in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt sein.
Bei einer Ausführungsform kann die Halbleiterstruktur 110 jede Art von Halbleiterstruktur sein, die einen Halbleiterübergang aufweist. Somit kann die Halbleiterstruktur ein Transistor oder ein Thyristor oder ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated-gate bipolar transistor (IGBT)), insbesondere zum Steuern eines durch die Halbleiterstruktur fließenden Stroms, sein. Obwohl die Halbleiterstruktur einen MOSFET zeigt, soll der Umfang der Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt sein. Es wird angemerkt, dass bei einer bestimmten Ausführungsform die Halbleiterstruktur ein sogenannter Leistungs-MOSFET sein kann, der typischerweise bei Stromversorgungen oder Stromsteuerungen zum Schalten großer Ströme verwendet wird, zum Beispiel bei einer Stromversorgung, die einen Elektromotor oder andere Vorrichtungen, die bei Fahrzeuganwendungen eingesetzt werden, antreibt.
Es wird angemerkt, dass die Anwendung der offenbarten Erfindung nicht ausschließlich auf sogenannte Leistungselektronik zum Steuern relativ großer Spannungen und/oder Ströme beschränkt sein soll. Stattdessen kann die beschriebene Erfindung für alle beliebigen Halbleitervorrichtungen angewendet werden, die eine Stromversorgung steuern, auch wenn der gesteuerte Strom vergleichsweise niedrig ist.
Wie oben erwähnt, kann die Halbleiterstruktur 110 Wärme erzeugen, wenn Strom durch die Struktur fließt, d. h. wenn ein Drain-Source-Strom I_DS durch die Halbleiterstruktur 110 fließt. In Folge dessen kann die Struktur 110 beschädigt werden, wenn die Übergangstemperatur der Halbleiterstruktur eine vordefinierte Absoluttemperatur überschreitet, oder wenn die Temperaturdifferenz über der Halbleiterstruktur einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
Um das Risiko des Beschädigens der Struktur durch die Temperatur abzuschwächen, weist die Vorrichtung 100 eine Einrichtung 120 zum Ermitteln der Temperatur an dem heißesten Punkt der Vorrichtung 110 und eine Einrichtung 130 zum Ermitteln der Temperatur an dem kältesten Punkt der Vorrichtung 100 auf.
Die Einrichtungen 120 und 130 zum Ermitteln einer Temperatur können unter Verwendung herkömmlicher Mittel implementiert werden. Bei einem Beispiel kann eine Einrichtung zum Ermitteln einer Temperatur, oder genauer gesagt zum Erzeugen eines elektrischen Signals, das eine Temperatur an einer bestimmten Stelle reflektiert, eine konstante Stromquelle aufweisen, die im Idealfall von der Temperatur unabhängig ist, und eine Diode, die einen Ohm'schen Widerstand aufweist, der von der Temperatur abhängig ist. Die Stromquelle kann einen kleinen Strom durch die Diode liefern, welche wiederum eine Spannung liefert, die die tatsächliche Temperatur der Diode reflektiert. Da sich die Diode an der interessierenden Stelle befindet, d. h. zum Beispiel an der Source oder dem Drain der Halbleiterstruktur 110, reflektiert die Widerstandsfähigkeit der Diode die Temperatur des Drains bzw. der Source der Struktur 110. Es wird angemerkt, dass die oben beschriebenen Implementierungen für die Einrichtungen 120, 130 nur als beispielhafte Ausführungsformen dienen, d. h., dass andere Implementierungen im Umfang der Erfindung enthalten sind.
Die Ausgangssignale der Temperaturermittlungseinrichtung 120 sind an den ΔT-Ermittlungsblock 140 gekoppelt. 2 zeigt ein detaillierteres Diagramm von Block 140.
Wie in 2 gezeigt ist, empfingt der ΔT-Ermittlungsblock 140 die Signale von den Temperaturermittlungseinrichtungen 120 und 130. Der Block 140 wertet die Temperatursignale, die die Temperatur über der Struktur 110 reflektieren, anhand von zwei Kriterien hinsichtlich der Wärmebelastung der Halbleiterstruktur 110 aus und liefert ein Signal, das das Ergebnis der Prüfung der Kriterien angibt, an den Logik- und Treiberblock 150.
Ein Kriterium hinsichtlich der Wärmebelastung einer Halbleiterstruktur ist die Temperaturdifferenz ΔT über der Struktur, d. h. den Temperaturen des heißesten und des kältesten Punkts der Vorrichtung. Da die Halbleiterstruktur 110 durch eine zu hohe Temperatur beschädigt werden kann, kann ein entsprechender Schwellenwert definiert werden. Block 140, der die Temperatursignale empfängt, die die Temperatur über der Struktur 110 reflektieren, bestimmt ΔT zwischen den Temperaturen und gibt ein entsprechendes Signal aus, d. h. ein Signal, das ΔT über der Struktur 110 angibt.
Ein anderes Kriterium hinsichtlich der Wärmebelastung ist die Absoluttemperatur der Struktur, die typischerweise an einem Halbleiterübergang des gezeigten Transistors auftritt. Daher ist die Temperatur T_jmax nicht zwingend, jedoch in vielen Fällen typischerweise, die höchste Temperatur der Halbleiterstruktur 110.
Das von Block 141 ermittelte ΔT-Signal wird als ein Eingangssignal an den Vergleichsblock 142 weitergeleitet. Das zweite Eingangssignal für den Vergleichsblock 142 ist ein Referenzsignal 143, das zwei Bedingungen reflektiert, die einzuhalten sind:

1. die Temperaturdifferenz über der Halbleiterstruktur, d. h. die Temperaturdifferenz über der Struktur soll einen ersten vordefinierten Schwellenwert nicht überschreiten, und
2. die höchste Temperatur der überwachten Halbleiterstruktur soll einen zweiten vordefinierten maximalen Schwellenwert nicht überschreiten.

Das Referenzsignal reflektiert hier nicht eine vordefinierte Schwellentemperatur, sondern wird angepasst, wenn gegen eines der beiden Kriterien verstoßen wird.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird der erste vordefinierte Schwellenwert, d. h. die maximal zulässige Temperaturdifferenz über der Halbleitervorrichtung, auf einen Wert von 60 K eingestellt, und der zweite vordefinierte maximale Wert wird auf 150°C eingestellt. Wenn ermittelt wird, dass einer der beiden Werte erreicht oder überschritten ist, wird das Referenztemperatursignal 143 reduziert, um eine Reduzierung der Stromamplitude, die durch die Struktur 110 fließt, einzuleiten, wobei die Reduzierung durch Abschalten der Struktur 110 und/oder durch Reduzieren der Stromamplitude über den Strombegrenzer 160 erfolgen kann.
Unter erneutem Bezug auf 1 liefert der Vergleichsblock 142 auf diese Weise ein Signal, das angibt, dass wenigstens eines der oben beschriebenen Wärmebelastungskriterien von dem Block 140 ermittelt worden ist, an den Logik- und Treiberblock 150.
Es wird angemerkt, dass bei einer Ausführungsform das Referenzsignal 143 als Spannung implementiert sein kann, wie durch die in der Figur gezeigte variable Spannungsquelle angegeben ist. Das Referenzsignal kann jedoch alternativ auch als Strom implementiert werden, und die Erfindung soll in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt werden.
Der Logik- und Treiberblock 150 ist an einer Seite kommunikativ an den ΔT-Ermittlungsblock 140 gekoppelt, um Eingangsdaten zu empfangen. Des Weiteren kann der Logik- und Treiberblock 150 kommunikativ an die Halbleiterstruktur 110 gekoppelt sein, um die Struktur zu steuern, d. h. er kann, wenn die Struktur 110 ein Transistorblock 150 ist, an das Gate gekoppelt sein, um die Leitfähigkeit der Struktur zu steuern. Durch Umschalten der Leitfähigkeit der Struktur auf nicht leitend, d. h. Schalten des Transistors in den ausgeschalteten Zustand, kann der Stromfluss durch die Struktur abgeschaltet werden, wodurch die von dem Stromfluss durch die Struktur verursachte Wärmeerzeugung reduziert oder abgeschaltet wird. Wenn die Halbleiterstruktur ein Transistor ist, kann dies durch Steuern der an das Gate des Transistors angelegten Spannung erzielt werden. Demgemäß kann, wenn das von dem Block 140 gelieferte Signal angibt, dass die vordefinierten Schwellenwerte erreicht oder überschritten worden sind, der Logik- und Treiberblock 150 den Stromfluss durch die Struktur 110 steuern, um die Wärmeerzeugung zu reduzieren und somit Wärmeschäden an der Struktur 110 verhindern.
Der Logik- und Treiberblock 150 kann des Weiteren kommunikativ an einen optionalen Strombegrenzungsblock 160 gekoppelt sein. Wie durch die Verbindungsleitung von dem Block 160 zu der elektrischen Leitung zwischen der Last 170 und der Halbleiterstruktur 110 angezeigt ist, kann der Block 160 die Amplitude des Stroms, der durch die Halbleiterstruktur fließt, steuern, d. h. insbesondere reduzieren. Wenn die Halbleiterstruktur selbst die Steuerung ihrer Leitfähigkeit gestattet, kann der Block 160 als zusätzliches Mittel zum Steuern der Amplitude des Stroms, der durch die Struktur 110 selbst fließt, dienen. Alternativ kann, insbesondere bei Ausführungsformen, in denen die Leitfähigkeit der Halbleiterstruktur 110 nicht gesteuert werden kann oder soll, um die Amplitude des hindurchfließenden Stroms zu reduzieren, der Block 160 als einziger Strombegrenzer zum Steuern der Stromamplitude dienen.
Während des Betriebs werden die Temperaturen der Vorrichtung, d. h. bei dem beispielhaften Beispiel über der Halbleiterstruktur, permanent überwacht, um die auf die Struktur aufgebrachte Wärmebelastung zu überwachen. Da sich die Temperaturfühleinrichtungen 120 und 130 an dem wahrscheinlich heißesten bzw. kältesten Punkt befinden, ist die Wärmeüberwachung schnell und genau. Demgemäß wird jede Temperaturänderung der überwachten Halbleitervorrichtung ermittelt und kann von den Verarbeitungsblöcken verarbeitet werden.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Schaltung 300 zum Implementieren des ΔT-Ermittlungsblocks 140, wobei die Erzeugung einer Referenzspannung V_ref dargestellt ist. Eine Reihe von Ohm'schen Widerständen ist an die temperaturunabhängige Spannungsquelle 310 gekoppelt. Die Reihe von Widerständen weist die Widerstände 320a, 320b und 320c auf. Der Widerstand 320a kann durch den Schalter 330a überbrückt werden, und der Widerstand 320b kann durch den Schalter 330b überbrückt werden, wenn diese in ihren An-Zustand, d. h. leitend, gesteuert sind. Der Widerstand 320c dient als Strombegrenzer, wenn beide Widerstände 320a und 320b durch ihre zugehörigen Schalter 330a, 330b überbrückt werden.
Wie in der Figur gezeigt ist, wird der Schalter 330a durch ein Signal gesteuert, das angibt, ob die ermittelte Absoluttemperatur den vordefinierten Schwellenwert überschreitet, während gleichzeitig die ermittelte Temperaturdifferenz ΔT unter 60 K liegt, wobei der Wert von 60 K als ein weiterer vorgegebener Schwellenwert betrachtet wird. Demgemäß ist der Schalter 330a in den An-Zustand, d. h. leitend, gesetzt, und überbrückt somit den Widerstand 320a, wenn der vordefinierte Schwellenwert von 150 K überschritten wird, während die ermittelte Temperaturdifferenz unter dem vordefinierten Wert von 60 K liegt. Ähnlich wird der Schalter 330b in den An-Zustand gesteuert, wenn ermittelt wird, dass die Absoluttemperatur den vordefinierten Schwellenwert nicht überschreitet, während gleichzeitig die ermittelte Temperaturdifferenz ΔT den vordefinierten Schwellenwert von 80 K überschreitet.
Wie oben erwähnt, nimmt die oben genannte Vergleichseinrichtung 142 an ihrem einen Eingang ein Signal, das den ermittelten Temperaturdifferenzwert ΔT reflektiert, und nimmt das Signal V_ref als zweiten Eingang, wobei V_ref durch Überbrücken der Widerstände 320a und 320b wie oben beschrieben gesteuert wird. Es ist offensichtlich, dass sich die Spannung V_ref stufenweise verringert, wenn die Schalter 330a, 330b die Widerstände 320a und/oder 320a nicht überbrücken, d. h. kurzschließen, so dass ein Stromfluss durch die Widerstände 320a, 320b sich auf eine Spannungsverringerung von V_ref auswirkt. Auf diese Weise kann V_ref in Abhängigkeit von der ermittelten Absoluttemperatur und der ermittelten Temperaturdifferenz ΔT gesteuert werden.
Es wird angemerkt, dass die Schalter 330a bzw. 330b beliebige Implementierungen von Schaltern sein können. Bei einer Ausführungsform können diese Schalter als MOSFETs implementiert werden. Des Weiteren kann das an die Schalter angelegte Steuersignal beliebig erzeugt werden, wie es für einen Fachmann offensichtlich ist. Bei einer Ausführungsform können die Signale unter Verwendung von Analogschaltung, die Bandlückenreferenzen aufweist, erzeugt werden. Alternativ können die ermittelten Temperatursignale digitalisiert, von analog zu digital umgewandelt und in jedem beliebigen Digitalsignalprozessor verarbeitet werden, der Steuersignale für die Schalter 330a und 330b auswerten und bereitstellen kann.
4 zeigt das Ergebnis einer Betriebssimulation der Halbleitervorrichtung 100, wobei das Referenzsignal so ausgelegt ist, dass ein zweiter vordefinierter Schwellenwert von 150°C, der die maximal erlaubte Absoluttemperatur an der Struktur 110 repräsentiert, nicht überschritten wird. Dieser zweite Schwellenwert von 150°C ist in der Figur durch die Linie 420 dargestellt. Es wird angenommen, dass die Halbleiterstruktur 110 ein Leistungs-MOSFET ist, so dass die höchste Temperatur an dem Übergang, der sich an dem Drain des MOSFETs befindet, erwartet wird. Daher ist die Kurve der höchsten Temperatur der Struktur 110 diejenige des Drains des MOSFETs.
Es wird angemerkt, dass in allen Graphen der 4 die x-Achse die Zeit t in ms und die y-Achse die Signalamplitude in Volt V bzw. Ampere zeigt. In 4 reflektiert das Signal V[d_ot, vs_1] 410 das Ausgangssignal des ΔT-Ermittlungsblocks 140, wobei eine Amplitude von 5 V, d. h. logisch hoch, angibt, dass wenigstens einer der beiden Schwellenwerte erreicht oder überschritten worden ist. Es wird angenommen, dass das Ausgangssignal von Block 140 von Block 150 verwendet wird, um den Strom durch die Struktur 110 ohne weitere Interpretation des Signals abzuschalten. Demgemäß wird, wenn das Signal 410 hoch ist, der Strom durch die Struktur 110 abgeschaltet. Umgekehrt kann der Strom durch die Struktur 110 fließen, während das Signal 410 null ist.
Des Weiteren wird angenommen, dass zu Beginn der Simulation, d. h. bei t = 0, die höchste Temperatur der Halbleiterstruktur 110 bei einer Temperatur von ca. 115°C und einem Referenztemperatursignal von 0 K beginnt. Es wird angemerkt, dass in der Figur die höchste Temperatur der Struktur 110 durch das Signal 430 dargestellt wird, und dass das von Block 141 bereitgestellte Temperaturdifferenzsignal als Signal 440 dargestellt wird. Das Temperaturreferenzsignal 143 ist in 4 nicht dargestellt.
Des Weiteren wird angenommen, dass bei t = 0 der MOSFET in den leitenden Zustand geschaltet ist, d. h. ein Stromfluss durch eine entsprechende Spannung ermöglicht wird, die an das Gate des MOSFETs angelegt ist. Als Folge des Schaltens des MOSFETs in den An-Zustand fällt die durch das Signal 450 angegebene Drain-Source-Spannung auf null, während gleichzeitig ein Einschaltstrom durch den MOSFET vorliegt, vgl. Signal 460.
Aufgrund der hohen Amplitude des Einschaltstroms durch die Struktur 110 steigt die höchste Temperatur 430 der Struktur 110. Sobald der entsprechende Schwellenwert erreicht ist, d. h. der zweite vordefinierte Temperaturschwellenwert bei 150°C erreicht ist, gibt der ΔT-Ermittlungsblock 140 das Signal 410 aus, das anzeigt, dass ein Temperaturschwellenwert erreicht worden ist. Wie oben erwähnt, steuert der hohe Zustand des Signals 410 den Logik- und Treiberblock 150 an, den Stromfluss durch die Struktur 110, d. h. den Leistungs-MOSFET, bei t = T₁ abzuschalten. Es wird angemerkt, dass der Strombegrenzer 150 verwendet werden kann, um den Stromfluss abzuschalten, zusätzlich zum Schalten des MOSFETs in den Aus-Zustand.
Aufgrund der induktiven Eigenschaft der Last, die an die Vorrichtung 100 gekoppelt ist, und aufgrund des Abschaltens des Transistors erfährt die Drain-Source-Spannung über der Struktur 110 eine kurze Spitze nach dem Abschalten des Stroms und vor dem Einschwingen auf der erwarteten Spannung des eingeschwungenen Aus-Zustands bei t = T₂. Des Weiteren fällt, auch aufgrund der induktiven Eigenschaft der Last 170, der Stromfluss I_DS durch die Struktur nicht sofort auf null, wenn der MOSFET bei t = T₁ abgeschaltet wird. Stattdessen fällt der Stromfluss während der Zeit T₂ – T₁ kontinuierlich auf null. Aufgrund des bis t = T₂ andauernden Stromflusses durch die Struktur steigt die maximale Temperatur der Struktur weiter bis zu einer Temperatur von ca. 170°C, d. h. höher als bis zu dem vordefinierten Schwellenwert.
Da der Stromfluss durch die Struktur 110 bei t = T₂ stoppt, fällt die maximale Temperatur der Struktur 110 bis t = T₃, und zu diesem Zeitpunkt wird der Stromfluss durch die Struktur 110 wieder aktiviert, d. h. der beispielhafte MOSFET wird durch den Logik- und Treiberblock 150, der das Signal 410 von Block 140 durchleitet, wieder in den An-Zustand geschaltet. Gemäß dem Aktivieren des Stromflusses fällt die Drain-Source-Spannung 450 auf null und der Strom 460 steigt, bis der Stromfluss bei t = T₄ deaktiviert wird. Es wird angemerkt, dass das Referenztemperatursignal 440 bei dieser Abschalteaktion eine wesentlich niedrigere Temperatur zeigt, als bei der ersten Abschalteaktion bei t = T₂, d. h. wenn die maximale Temperatur bei einer Abschalteaktion überschritten wird, dann wird das Referenztemperatursignal 143 für die folgende Abschalteaktion reduziert. Demgemäß, d. h. weil das Referenztemperatursignal 440 mittlerweile auf einen kleineren Wert von ca. 55 K gesetzt worden ist, wird der Stromfluss durch die Struktur 110 früher abgeschaltet. Es wird angemerkt, dass die Zeitspanne T₄ – T₃ wesentlich kürzer ist als T₂ – T₁. Dieses Mal verhinderte die Aktion des Abschaltens des Stroms, dass die maximale Temperatur an der Struktur den vordefinierten Schwellenwert von 150°C überschritten hat, da das Referenztemperatursignal gemäß der vorherigen Abschalteaktion angepasst wurde. Anders ausgedrückt wurde die Temperaturerhöhung nach dem Abschalten des Stromflusses bei t = T₁ durch dynamisches Reduzieren des Referenztemperatursignals 143 berücksichtigt. Sobald der Stromfluss auf null gefallen ist, beginnt die Halbleiterstruktur wieder damit, sich abzukühlen.
Wenn die maximale Temperatur auf einen Wert gefallen ist, der das Anschalten des MOSFETs erlaubt, d. h. einen Stromfluss durch die Struktur 110 erlaubt, wird der MOSFET wieder in den An-Zustand geschaltet. Wie oben erwähnt, kann die Aktion des Aktivierens des Stromflusses durch die Struktur durch Steuern der Struktur selbst und/oder durch Steuern des Strombegrenzers 160 erfolgen. Wie in 4 gezeigt ist, kann der Zyklus des Erlaubens eines Stromflusses durch die Halbleiterstruktur 110 wiederholt werden, wodurch eine Stromsteuerung aktiviert wird, während gleichzeitig ein Wärmeschaden an der Struktur 110 verhindert wird, indem das Referenztemperatursignal 143 dynamisch angepasst wird.
Während 4 den Betrieb der Vorrichtung und das Anpassen des Referenztemperatursignals 143 zum Halten der maximalen Temperatur unter dem zweiten vordefinierten Schwellenwert, d. h. zum Halten der maximalen Temperatur der Halbleiterstruktur unter 150°C, zeigt, zeigt 4 die Signale, wenn die Vorrichtung betrieben wird, um die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Source und dem Drain der überwachten Struktur 110 unter einem ersten vorher definierten Schwellenwert zu halten. Ähnlich wie für 4 wird angenommen, dass die Last 170 induktive Eigenschaften hat, und dass die Halbleiterstruktur 110 ein MOSFET ist.
Die in 5 interessierende Temperatur ist die Temperaturdifferenz 440 über der Halbleiterstruktur 110, d. h. ΔT über dem MOSFET. Wie durch die Linie 470 dargestellt ist, ist der erste vordefinierte Schwellenwert auf 60 K eingestellt, wie durch die Linie 470 gezeigt ist. Der Temperaturabfall über der Struktur 110, d. h. über dem MOSFET, soll somit 60 K nicht überschreiten.
Ähnlich wie oben für 4 erwähnt, wird ein Stromfluss durch die Struktur 110 bei t = 0 aktiviert, d. h. bei t = 0 wird eine entsprechende Gate-Spannung an das Gate des MOSFETs durch den Logik- und Treiberblock 150 angelegt. Als Folge davon fällt die Drain-Source-Spannung 450 auf null, während gleichzeitig ein Einschaltstrom durch den MOSFET vorliegt, vgl. Signal 460. Die hohe Amplitude des Einschaltstroms durch den MOSFET verursacht eine Erhöhung der ΔT-Temperatur über der Struktur, wie durch 440 gezeigt ist.
Bei der Temperaturdifferenz ΔT von t = T₁ wird ermittelt, dass der vordefinierte Schwellenwert überschritten ist. Der ΔT-Ermittlungsblock 140 gibt entsprechend ein Signal an den Logik- und Treiberblock 150 aus, der wiederum auslöst, dass der Stromfluss durch den MOSFET abgeschaltet wird. Wie jedoch bereits oben erwähnt wurde, fällt der Stromfluss aufgrund der induktiven Eigenschaft der Last 170 nicht sofort auf Nullamplitude ab, wenn der MOSFET in den nicht leitenden Zustand geschaltet wird, sondern nimmt ab, bis er bei t = T₂ null erreicht. Ähnlich springt, wie oben unter Bezug auf 4 angemerkt wurde, die Drain-Source-Spannung nicht sofort und geradewegs auf die erwartete Spannung, sondern zeigt eine Spannungsspitze, bevor sie einschwingt. Aufgrund des Stromflusses während T₂ – T₁ vergrößert sich die Temperaturdifferenz über dem MOSFET während T₂ – T₁ weiter, wie durch 440 angegeben ist, wobei die Temperaturdifferenz den vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
Da der Stromfluss bei t = T₂ stoppt, breitet sich die erzeugte Wärme innerhalb des MOSFETs von den heißen zu den weniger heißen Bereichen aus, wodurch die Temperaturdifferenz ΔT 440 über dem MOSFET reduziert wird. Des Weiteren fällt die Absoluttemperatur 430 der Struktur, obwohl dies vorliegend von geringerem Interesse ist.
Wenn die Struktur ausreichend abgekühlt ist, kann der Stromfluss durch den MOSFET wieder erlaubt werden, indem der MOSFET in den leitenden Zustand geschaltet wird und, wenn zutreffend, durch Steuern des Strombegrenzers 160, um einen Strom durch den MOSFET zu aktivieren. Bei der hier erläuterten beispielhaften Ausführungsform wird der Strom durch den MOSFET bei t = T₃ aktiviert, d. h. wenn die Temperaturdifferenz ΔT auf ca. 20 K gefallen ist.
Wenn der MOSFET in den An-Zustand geschaltet wird, vgl. Signal 410, wird ein Stromfluss I_DS aktiviert, fällt die Drain-Source-Spannung 450, und ein entsprechender Einschaltstromfluss 460 kann beobachtet werden. Der Einschaltstrom führt wieder zur Wärmeerzeugung in dem MOSFET und somit steigt die Temperaturdifferenz ΔT wieder, vgl. Signal 440.
Während der Stromfluss durch den MOSFET Wärme erzeugt und Wärme steigert, werden die Temperaturen, die von den Einrichtungen 120 und 130 ermittelt werden, die sich an dem MOSFET befinden, konstant gemessen, und die Temperaturdifferenz wird überwacht und mit dem Temperaturreferenzsignal 143 verglichen. Da das Temperaturreferenzsignal reduziert worden ist, gibt das von dem ΔT-Ermittlungsblock 140 ausgegebene Signal, d. h. das Signal 410 in 5, an, den Strom eher als in dem Anfangsschaltzyklus abzuschalten. Als Folge davon ist die Steigerung der Temperaturdifferenz ΔT geringer als vorher und überschreitet den vordefinierten Schwellenwert nicht wesentlich, obwohl der Stromfluss durch den MOSFET nach t = T₄ langsam auf null fällt, bis er bei t = T₅ null erreicht.
Es wird angemerkt, dass das von der Source gelieferte Temperaturreferenzsignal 143 nach dem ersten Schaltzyklus t = 0 – t = T₂ reduziert worden ist, weil der vordefinierte Schwellenwert für die Temperaturdifferenz ΔT in diesem Zyklus nach dem Abschalten des Stromflusses überschritten worden ist. Demgemäß kann, wenn ermittelt wird, dass ein vordefinierter Temperaturschwellenwert im Zuge des Abschaltens des Stromflusses durch die Struktur überschritten worden ist, das Referenztemperatursignal 143 angepasst werden, d. h. reduziert werden, um die Abschalteaktion früher auszulösen. Es wird angemerkt, dass das Signal 143 angepasst werden kann, wenn eine der beiden Temperaturgrenzen, d. h. die absolute maximale Temperatur der Struktur oder die Temperaturdifferenz ΔT über der Struktur, überschritten worden ist.
Ähnlich kann das Referenztemperatursignal 143 angepasst werden, wenn die Temperaturen gut unterhalb der vordefinierten Schwellenwerte liegen, um den Stromfluss durch die Struktur auszudehnen, d. h. das Referenztemperatursignal 143 kann während des Betriebs der Vorrichtung 100 dynamisch reduziert oder erhöht werden, basierend auf der Ermittlung, ob ein Temperaturschwellenwert überschritten worden ist, oder wenn die Temperaturen der Strukturen wesentlich unterhalb der Schwellenwerte liegen. Auf diese Weise kann der Betrieb der Vorrichtung 100 optimiert werden, indem das Referenztemperatursignal 143 während des Betriebs dynamisch angepasst wird.
Während viele Änderungen und Modifizierungen der vorliegenden Erfindung für den Durchschnittsfachmann nach dem Lesen der vorstehenden Beschreibung offensichtlich werden, ist es selbstverständlich, dass bestimmte Ausführungsformen, die beispielhaft gezeigt und beschrieben worden sind, keineswegs dazu vorgesehen sind, den Umfang der Ansprüche einzuschränken, welche selbst nur diejenigen Merkmale wiedergeben, die als für die Erfindung wesentlich betrachtet werden.

Claims

Elektronische Halbleitervorrichtung mit wenigstens einer Halbleiterstruktur, die des Weiteren aufweist – eine Einrichtung zum Ermitteln der Temperatur an dem heißesten Punkt der Halbleiterstruktur, und – eine Einrichtung zum Ermitteln der Temperatur an dem kältesten Punkt der Halbleiterstruktur, und – eine Einrichtung zum Ermitteln der Temperaturdifferenz zwischen den gemessenen Halbleiterstrukturtemperaturen, und – eine Steuereinrichtung zum Steuern des Stromflusses durch die Halbleiterstruktur, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, den Stromfluss durch die Halbleiterstruktur abzuschalten, wenn wenigstens eine der Drain-Temperatur der Halbleiterstruktur oder der Source-Temperatur der Halbleiterstruktur einen vordefinierten ersten Schwellenwert überschreitet, oder wenn die ermittelte Temperaturdifferenz einen zweiten vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
Elektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterstruktur eine eines Transistors oder einer Diode oder eines IGBT ist.
Elektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Einrichtung zum Begrenzen des durch die Halbleiterstruktur fließenden Stroms aufweist.
Elektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung eine Logik- und Treibereinrichtung aufweist, die kommunikativ mit der Einrichtung zum Begrenzen des Stroms verbunden ist und mit der Halbleiterstruktur verbunden ist, um den Stromfluss durch die Halbleiterstruktur zu steuern.
Elektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterstruktur ein Leistungs-MOSFET ist.
Elektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, die Temperatur an dem heißesten und an dem kältesten Punkt der Halbleiterstruktur zu ermitteln, und die Temperaturdifferenz dazwischen zu ermitteln, wenn die Vorrichtung gesteuert wird, um eine Last abzuschalten, die an die Halbleiterstruktur gekoppelt ist.
Integrierte Schaltung mit wenigstens einer Halbleiterstruktur zur Stromsteuerung, wobei der Chip des Weiteren aufweist – einen ersten Temperatursensor, der sich an dem heißesten Punkt der Halbleiterstruktur befindet, und – einen zweiten Temperatursensor, der sich an dem kältesten Punkt der Halbleiterstruktur befindet, und – einen Steuerblock zum Steuern des Stromflusses durch die Halbleiterstruktur, wobei der Steuerblock dazu ausgelegt ist, den Stromfluss durch die Halbleiterstruktur abzuschalten, wenn wenigstens entweder die heißeste Temperatur der Halbleiterstruktur einen ersten vordefinierten Schwellenwert überschreitet oder wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem heißesten und dem kältesten Punkt der Halbleiterstruktur einen zweiten vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 7, wobei die Halbleiterstruktur eine eines Transistors oder einer Diode oder eines IGBT ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 7, die des Weiteren einen Strombegrenzer zum Steuern des durch die Halbleiterstruktur fließenden Stroms aufweist.
Verfahren zum Steuern einer Halbleiterstruktur, das die folgenden Schritte umfasst: – Abfühlen einer Temperatur an dem kältesten Punkt der Halbleiterstruktur, und – Abfühlen einer Temperatur an dem heißesten Punkt der Halbleiterstruktur, und – Ermitteln der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur an dem kältesten und der Temperatur an dem heißesten Punkt der Halbleiterstruktur, und – Abschalten des Stromflusses durch die Halbleiterstruktur, wenn die Temperatur an dem Gate bzw. an der Source einen vordefinierten ersten Schwellenwert überschreitet, oder wenn die ermittelte Temperaturdifferenz einen zweiten vordefinierten Schwellenwert überschreitet.