DE102017209833A1

DE102017209833A1 - Vorrichtung zur Umformung elektrischer Energie und Verfahren zur Bestimmung eines durch ein elektronisches Bauelement fließenden Stroms

Info

Publication number: DE102017209833A1
Application number: DE102017209833.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Homoth; Jonathan Winkler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2018-12-13

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (10) zur Umformung elektrischer Energie zur Verfügung gestellt, welche mindestens ein schaltendes elektronisches Bauelement (100) und eine Vorrichtung (200) zur Bestimmung einer Stromstärke eines durch das elektronische Bauelement (100) fließenden Stroms umfasst. Die Vorrichtung (10) ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement (100) ein optisch aktives Halbleitermaterial umfasst, welches Licht mit einer von der Stromstärke abhängigen Helligkeit erzeugt, wenn das elektronische Bauelement (100) von Strom durchflossen wird, und die Vorrichtung (200) zur Bestimmung der Stromstärke einen Helligkeitssensor (210) zur Erfassung der Helligkeit des erzeugten Lichts umfasst.Die Vorrichtung hat den Vorteil, dass inhärent Vorrichtung zur Bestimmung der Stromstärke und Bauelement galvanisch getrennt sind und die Bestimmung des fließenden Stroms mit hoher Auflösung möglich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umformung elektrischer Energie und ein Verfahren zur Bestimmung eines durch ein elektronisches Bauelement fließenden Stroms.
Stand der Technik
In vielen leistungselektronischen Vorrichtungen werden schaltende elektronische Bauelemente zur Energieumwandlung verwendet. Für viele Anwendungen ist es dabei förderlich oder notwendig, eine Bestimmung eines durch das elektronische Bauelement fließenden Stroms durchzuführen. Einsatzgebiete solcher Vorrichtungen umfassen Verwendungen als Leistungssteuerungseinheit, als Inverter oder als Gleichstromumspanner (DC/DC-Wandler) beispielsweise in Elektrofahrzeugen, Solaranlagen, Windkraftanlagen oder Batterie Ladegeräten.
Beispielhafte elektronische Bauelemente, die in solchen Vorrichtungen eingesetzt werden, umfassen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), beispielsweise Galliumnitrid basierte MOSFET (GaN-MOSFET) oder Siliziumcarbid basierte MOSFET (SiC-MOSFET) oder Silizium MOSFET oder Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBTs). Beispielhafte Vorrichtungen zur Bestimmung des fließenden Stroms nach Stand der Technik umfassen Hall-Sensoren und niedrig ohmige Strommess-Widerstände (Shunts).
Bei vielen MOSFET bewirkt eine Spannung zwischen Source-Elektrode und dem Substrat, dass sich die Schwellenspannung des MOSFET verändert. Zu Unterdrückung dieses Effekts ist üblicherweise das Substrat direkt im Transistor elektrisch mit Source über einen Source-Bulk-Anschluss verbunden. Auf diese Weise liegen Substrat und Source zwangsweise auf dem gleichen elektrischen Potential und zwischen Substrat und Drain besteht dann ein p-n-Übergang, der leitend wird, wenn das Potential zwischen Drain und Source invertiert wird. Dieser Übergang wird auch als Body-Diode bezeichnet. Am p-n-Übergang entsteht dabei Licht mit einer von der Stromstärke abhängigen Helligkeit. Auch der IGBT besitzt einen entsprechend licht emittierenden p-n-Übergang in Stromrichtung im durchgeschalteten Betrieb.
Auch in Bauteilen mit Metall-Halbleiterübergängen, beispielsweise Schottky-Übergängen, entsteht dabei Licht mit einer von der Stromstärke abhängigen Helligkeit, wenn der Übergang von Strom durchflossen ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Umformung elektrischer Energie zur Verfügung gestellt, welche mindestens ein schaltendes elektronisches Bauelement und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Stromstärke eines durch das elektronische Bauelement fließenden Stroms umfasst. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement ein optisch aktives Halbleitermaterial umfasst, welches Licht mit einer von der Stromstärke abhängigen Helligkeit erzeugt, wenn das elektronische Bauelement von Strom durchflossen wird, und die Vorrichtung zur Bestimmung der Stromstärke einen Helligkeitssensor zur Erfassung der Helligkeit des erzeugten Lichts umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 10 dient zur Bestimmung einer Stromstärke eines durch ein elektronisches Bauelement fließenden Stromes, wobei das elektronische Bauelement ein optisch aktives Halbleitermaterial umfasst, welches Licht mit einer Stromstärke abhängigen Helligkeit erzeugt, wenn das elektronische Bauelement von Strom durchflossen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst: Erfassen der Helligkeit des erzeugten Lichts mittels eines Helligkeitssensors und Bestimmen der Stromstärke des fließenden Stroms unter Verwendung der erfassten Helligkeit.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass inhärent die Vorrichtung zur Bestimmung der Stromstärke und das Bauelement galvanisch getrennt sind. Es wird auch ohne Potenzialtrennung eine Signalauswertung auf niedrigem Spannungsniveau möglich. Die Stromstärkenbestimmung lässt zudem das Verhalten des Bauelements unbeeinflusst. Weiterhin hat die erfindungsgemäße Vorrichtung ein geringes Bauvolumen und geringe Gestehungskosten. Zudem erlaubt die Erfindung die Bestimmung des fließenden Stroms mit hoher Auflösung, so dass auch sehr schnelle Ereignisse detektiert werden können.
In einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung ist eine Fotodiode als Helligkeitssensor vorgesehen, so dass auf eine günstige Weise die Helligkeitsmessung ermöglicht wird. In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist ein aktiver Pixelsensor (CMOS-Sensor) oder ein Sensor mit ladungsgekoppeltem Bauteil (CCD-Sensor) als Helligkeitssensor vorgesehen.
Mit dem Vorteil einer gesteigerten Lichtausbeute und einer damit verbesserten Stromstärkenbestimmung ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass das elektronische Bauelement zumindest einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder IGBT mit einer zumindest teilweise transparenten Source-Elektrode und/oder einer zumindest teilweise transparenten Verkapselung umfasst, durch die das erzeugte Licht aus dem MOSFET austreten kann. Ebenso kann das an der Chipkante austretende Licht verwendet werden.
Es kann sich dabei beispielsweise um einen Galliumnitrid basierten MOSFET(GaN-MOSFET) oder ein Siliziumcarbid basierten MOSFET handeln, mit denen entsprechende elektronische Bauelemente einfach, klein und preisgünstig herstellbar sind.
Zur Lichterzeugung kann eine Diode oder eine Bodydiode des MOSFET verwendet werden, ebenso wie der pn-Übergang eines IGBTs. Die Nutzung des Effekts ist aber nicht auf bestimmte Halbleitertechnologien beschränkt, alle pn-Übergänge sind hierfür prinzipiell geeignet.
Die Vorrichtung kann eine Substratstrecke, die zwischen einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode parallel zu der Diode angeschlossen ist, umfassen.
Das elektronische Bauelement kann eine optisch aktive Zone zur Erzeugung des Lichts umfassen. So lässt sich die Lichtausbeute steigern und die Stromstärkenbestimmung verbessern.
Dies kann alternativ oder zusätzlich auch dadurch bewirkt werden, dass das elektronische Bauelement eine die Lichterzeugung steigernde Dotierung umfasst.
Die Vorrichtung kann ein Lichtleitelement umfassen, welches so angeordnet ist, dass es das erzeugte Licht auf den Helligkeitssensor leitet. So lässt sich ebenfalls die Lichtausbeute steigern und die Stromstärkenbestimmung verbessern.
Die Vorrichtung kann eine Leistungssteuerungseinheit oder ein Inverter für ein Elektrofahrzeug sein.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung,
2 eine weitere beispielhafte Ausführungsform in einer Schnittansicht,
3 eine beispielhafte Messkurve des Zusammenhangs zwischen Fotodiodenstrom und Bodydiodenstrom und
4 exemplarische Messung der Lumineszenz eines 650V Si-IGBT und
5 exemplarische Messungen der Lumineszenz eines 1200V SiC MOSFET.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung.
Die Figur zeigt eine Vorrichtung 10 zur Umformung elektrischer Energie. Dies wird mittels mindestens eines schaltenden elektronischen Bauelements 100 bewirkt. Im dargestellten Beispiel ist das schaltende elektronische Bauelement ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), beispielsweise ein GaN-MOSFET oder ein SiC-MOSFET, wobei eine Diode oder eine Bodydiode 110 des MOSFET zur Lichterzeugung verwendet wird. Andere Bauelemente können jedoch alternativ verwendet werden ohne von der Erfindung abzuweichen. In einigen Ausführungsbeispielen wird alternativ ein IGBT oder ein Bauteil mit Metall-Halbleiterübergang, beispielsweise einem Schottky-Übergang, verwendet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 10 eine Vorrichtung 200 zur Bestimmung einer Stromstärke eines durch das elektronische Bauelement fließenden Stroms.
Das elektronische Bauelement 100 umfasst eine hochdotierte Substratstrecke 120, die ein optisch aktives Halbleitermaterial umfasst und zwischen einer Source-Elektrode 111 und einer Drain-Elektrode 112 parallel zu der Diode 110 über einen separaten Source-Bulkanschluss 121 angeschlossen ist. Das optisch aktive Halbleitermaterial bildet einen Teil einer Bodydiode des elektronischen Bauelements 100 und erzeugt Licht mit einer zu der Stromstärke proportionalen Helligkeit, wenn das elektronische Bauelement 100 von Strom durchflossen wird. Die Vorrichtung 200 zur Bestimmung der Stromstärke umfasst einen Helligkeitssensor 210 zur Erfassung der Helligkeit des erzeugten Lichts. Im dargestellten Beispiel ist der Helligkeitssensor 210 eine Fotodiode, andere Helligkeitssensoren können jedoch alternativ oder zusätzlich verwendet werden ohne von der Erfindung abzuweichen.
Das elektronische Bauelement 100 umfasst eine zumindest teilweise transparente Source-Elektrode und/oder eine zumindest teilweise transparente Verkapselung, durch die das erzeugte Licht aus dem elektronischen Bauelement 100 austreten kann.
Die Vorrichtung 10 umfasst ein Lichtleitelement 300, welches so angeordnet ist, dass es das erzeugte Licht auf die Fotodiode 210 leitet.
Dann lässt sich die Helligkeit des erzeugten Lichts mittels des Helligkeitssensors erfassen und eine Stromstärke des fließenden Stroms unter Verwendung der erfassten Helligkeit bestimmen.
Im dargestellten Beispiel kann eine Stromstärke des durch die Fotodiode fließenden Stroms bestimmt werden.
3 zeigt eine beispielhafte Messkurve, die ersichtlich macht, dass der Zusammenhang zwischen dem auf der X-Achse aufgetragenen Fotodiodenstrom und dem auf der Y-Achse aufgetragenen Bodydiodenstrom im Wesentlichen linear ist.
Beispielsweise wird der durch die Fotodiode fließende Strom verstärkt, in ein digitales Signal verwandelt und aufbereitet. Die Aufbereitung kann beispielsweise Glätten, Filtern und zeitliche Synchronisierung.
Die Vorrichtung umfasst daher in weiteren beispielhaften Ausführungsformen einen Verstärker und/oder einen Analog-Digital-Wandler und/oder ein Signalvorverarbeitungselement.
2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform in einer Schnittansicht.
Das schaltende elektronische Bauelement 100 ist hier ein auf einem Kühler 400 mit einem entsprechendem Substrat, beispielsweise einem keramische Schaltungsträger oder einem gedruckten Schaltkreis 200 (engl.: printed circuit board (PCB)), angeordnet, um bei Schaltvorgängen im Bauelement 100 entstehende Wärme abzuführen. Gegenüberliegend zu einer Seite des Bauelements 100, auf der der Kühler 400 angeordnet ist, ist dabei eine hochdotierte Substratstrecke angrenzend an eine transparente Verkapselung des Bauelements 100 angeordnet. Die transparente Verkapselung bildet dabei die gegenüberliegende Seite. Durch die transparente Verkapselung kann Licht, welches in der hochdotierten Substratstrecke entsteht, aus dem Bauelement 100 in Richtung der Fotodiode 210 austreten.
4 zeigt eine exemplarische Messung der Lumineszenz eines gewöhnlichen 650V Si-IGBT und 5 zeigt eine exemplarische Messung der Lumineszenz eines 1200V SiC MOSFET (Body Diode). Das Licht wurde jeweils an der Chipkante (Sägekante) detektiert.

Claims

Vorrichtung (10) zur Umformung elektrischer Energie mittels mindestens einem schaltenden elektronischen Bauelement (100) und einer Vorrichtung (200) zur Bestimmung einer Stromstärke eines durch das elektronische Bauelement (100) fließenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement (100) ein optisch aktives Halbleitermaterial (120) umfasst, welches Licht mit einer Stromstärke abhängigen Helligkeit erzeugt, wenn das elektronische Bauelement (100) von Strom durchflossen wird, und die Vorrichtung (200) zur Bestimmung der Stromstärke einen Helligkeitssensor (210) zur Erfassung der Helligkeit des erzeugten Lichts umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Helligkeitssensor (210) eine Fotodiode umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektronische Bauelement (100) zumindest einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) mit einer zumindest teilweise transparenten Elektrode (111) und/oder einer zumindest teilweise transparenten Verkapselung umfasst, durch die das erzeugte Licht aus dem MOSFET austreten kann.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der MOSFET ein GaN-basierter MOSFET oder ein SiC-basierter MOSFET ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei eine Diode (110) oder eine Bodydiode des MOSFET oder ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode zur Lichterzeugung verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung eine Substratstrecke (120) umfasst, die zwischen der Source-Elektrode (111) und einer Drain-Elektrode (112) parallel zu der Diode (110) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei das elektronische Bauelement (100) eine optisch aktive Zone (120) zur Erzeugung des Lichts und/oder eine die Lichterzeugung steigernde Dotierung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die Vorrichtung ein Lichtleitelement (300) umfasst, welches so angeordnet ist, dass es das erzeugte Licht auf den Helligkeitssensor (210) leitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, wobei die Vorrichtung eine Leistungssteuerungseinheit oder ein Inverter für ein Elektrofahrzeug ist.
Verfahren zur Bestimmung einer Stromstärke eines durch ein elektronisches Bauelement (100) fließenden Stromes, wobei das elektronische Bauelement (100) ein optisch aktives Halbleitermaterial umfasst, welches Licht mit einer Stromstärke abhängigen Helligkeit erzeugt, wenn das elektronische Bauelement (100) von Strom durchflossen wird, umfassend: Erfassen der Helligkeit des erzeugten Lichts mittels eines Helligkeitssensors (210) und Bestimmen der Stromstärke des fließenden Stroms unter Verwendung der erfassten Helligkeit.