DE102017212856A1

DE102017212856A1 - Vorrichtung zur Umformung elektrischer Energie und Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Halbleiterbauelements durch Lumineszenz

Info

Publication number: DE102017212856A1
Application number: DE102017212856.9A
Authority: DE
Inventors: Jan Homoth; Jonathan Winkler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2019-01-31

Abstract

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

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umformung elektrischer Energie und ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur.
Stand der Technik
In vielen leistungselektronischen Vorrichtungen werden schaltende Halbleiterbauelemente zur Energieumwandlung verwendet. Für viele Anwendungen ist es dabei förderlich oder notwendig, eine Bestimmung eines durch das Halbleiterbauelement fließenden Stroms durchzuführen. Einsatzgebiete solcher Vorrichtungen umfassen Verwendungen als Leistungssteuerungseinheit, als Inverter oder als Gleichstromumspanner (DC/DC-Wandler) beispielsweise in Elektrofahrzeugen, Solaranlagen, Windkraftanlagen oder Batterieladegeräten.
Beispielhafte Halbleiterbauelemente, die in solchen Vorrichtungen eingesetzt werden, umfassen Dioden mit p-n-Übergang oder Schottky-Kontakt, oder 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 IGBT). 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. Zur 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 und der temperaturabhängigen Helligkeit. Auch der IGBT besitzt einen entsprechend Licht emittierenden p-n-Übergang in Stromrichtung im durchgeschalteten Betrieb. Der Effekt tritt auch bei Halbleiterbauteilen auf, welche als reine Diode ausgeführt sind.
Weiterhin entsteht in Bauteilen mit Metall-Halbleiterübergängen, beispielsweise Schottky-Übergängen, Licht mit einer von der Stromstärke und temperaturabhängigen 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 Halbleiterbauelement und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur des Halbleiterbauelements umfasst. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine optisch aktive Halbleiterstruktur umfasst, welche Licht mit einer von einer Stromstärke und temperaturabhängigen Helligkeit erzeugt, wenn das Halbleiterbauteil von Strom durchflossen wird, und die Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur einen Helligkeitssensor zur Erfassung der Helligkeit des erzeugten Lichts umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 10 dient zur Bestimmung einer Temperatur des Halbleiterbauelements, wobei das Halbleiterbauelement eine optisch aktive Halbleiterstruktur umfasst, welche Licht mit einer Stromstärke- und temperaturabhängigen Helligkeit erzeugt, wenn das Halbleiterbauelement von Strom durchflossen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst:
Beaufschlagen des Halbleiterbauelements mit einem Strom vorbestimmter Stromstärke und Erfassen der Helligkeit des erzeugten Lichts mittels eines Helligkeitssensors und Bestimmen der Temperatur des Bauelements unter Verwendung der erfassten Helligkeit.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass inhärent die Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur und das Bauelement galvanisch getrennt sind. Es wird auch ohne Potenzialtrennung eine Signalauswertung auf niedrigem Spannungsniveau möglich. Weiterhin hat die erfindungsgemäße Vorrichtung ein geringes Bauvolumen und geringe Gestehungskosten. Zudem erlaubt die Erfindung, dass die Vorrichtung zur Umformung elektrischer Energie ausfallsicherer betrieben werden kann, beispielsweise durch rechtzeitige Ersetzung des Halbleiterbauelements bei einer übermäßigen Erwärmung.
In einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung ist eine Fotodiode, ein Fototransistor oder eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (engl.: charge coupled device (CCD)) als Helligkeitssensor vorgesehen, sodass auf eine günstige Weise die Helligkeitsmessung ermöglicht wird.
Die Vorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur kann dazu ausgebildet sein, die Temperatur, während ein Strom mit einer vorbestimmten Stromstärke durch das Bauelement fließt, zu bestimmen.
So lässt sich eine aktuelle Betriebstemperatur bestimmen.
Die Vorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur kann ausgebildet sein, eine Ladungsmenge durch Aufsummierung einer Fotostromstärke der Fotodiode über einen vorbestimmten Zeitraum zu bestimmen, und/oder ausgebildet sein, in dem vorbestimmten Zeitraum eine maximale Fotostromstärke und/oder eine minimale Fotostromstärke zu bestimmen. So lässt sich eine mittlere, eine maximale und/oder eine minimale Temperatur des Bauelements in dem Zeitraum bestimmen.
Die Vorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur kann ausgebildet sein, eine Temperaturänderung unter Verwendung der bestimmten Ladungsmenge und einer Referenzladungsmenge zu bestimmen.
Das Halbleiterbauelement kann zumindest einen als Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) und/oder zumindest einen Galliumnitrid (GaN), Siliziumkarbid (SiC) und/oder Silizium (Si) basierten Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildeten Transistor mit einer zumindest teilweise ausgesparten und/oder mit einer zumindest teilweise transparenten Metallisierung und/oder mit einer zumindest teilweise transparenten Verkapselung umfassen, durch die das erzeugte Licht aus dem Transistor austreten kann. Dabei kann eine externe Freilaufdiode oder eine Bodydiode des Transistors zur Lichterzeugung verwendet werden.
Das Halbleiterbauelement kann eine optisch aktive Zone zur Erzeugung des Lichts umfassen. So lässt sich die Lichtausbeute steigern und die Temperaturbestimmung verbessern.
Dies kann alternativ oder zusätzlich auch dadurch bewirkt werden, dass das Halbleiterbauelement 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 Temperaturbestimmung 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, und
3 beispielhafte Messpunkte des Zusammenhangs zwischen einer relativen Intensität des abgestrahlten Lichts und einer Temperatur des Bauelements.

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 Halbleiterbauelements 100 bewirkt. Im dargestellten Beispiel ist das Halbleiterbauelement ein Transistor, beispielsweise ein Silizium-, Siliziumkarbid- und/oder GaN-basierter Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), wobei eine Diode oder eine Bodydiode 110 des MOSFET zur Lichterzeugung verwendet wird. Andere Halbleiterbauelemente können jedoch alternativ verwendet werden, ohne von der Erfindung abzuweichen. In einigen Ausführungsbeispielen wird alternativ ein IGBT oder eine Diode oder ein Bauteil mit Metall-Halbleiterübergang, beispielsweise einem Schottky-Übergang, verwendet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 10 eine Vorrichtung 200 zur Bestimmung einer Temperatur des Halbleiterbauelements.
Das Halbleiterbauelement 100 umfasst ein dotiertes Gebiet, das eine optisch aktive Halbleiterstruktur 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. Die optisch aktive Halbleiterstruktur bildet einen Teil einer Bodydiode des elektronischen Bauelements 100 und erzeugt Licht mit einer zu der Stromstärke und einer Temperatur des Bauteils abhängigen Helligkeit, wenn das Halbleiterbauelement 100 von Strom durchflossen wird.
Die Vorrichtung 200 zur Bestimmung der Temperatur 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 Halbleiterbauelement 100 umfasst eine zumindest teilweise transparente Elektrode und/oder eine zumindest teilweise transparente Verkapselung, durch die das erzeugte Licht aus dem Halbleiterbauelement 100 austreten kann. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform tritt das Licht über eine Kante des Halbleiterbauelements 100 aus.
Die Vorrichtung 10 umfasst im Ausführungsbeispiel ein Lichtleitelement 300, welches so angeordnet ist, dass es das erzeugte Licht auf die Fotodiode 210 leitet. Durch die optische Übertragungsstrecke zwischen Halbleiterbauelement 100 und Helligkeitssensor 210 sind diese in ihren Potenzialen getrennt. Dadurch werden insbesondere Hochspannungsanwendungen begünstigt. Der Helligkeitssensor 210 kann auch mit dem Halbleiterbauelement 100 integriert sein.
Dann lässt sich die Helligkeit des erzeugten Lichts bei einer vorgegebenen Messstromstärke mittels des Helligkeitssensors erfassen und die Temperatur unter Verwendung der erfassten Helligkeit bestimmen. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird das erzeugte Licht direkt vom Helligkeitssensor ohne spezielle Zuleitung erfasst.
3 zeigt an beispielhaften Messpunkten den Zusammenhang zwischen einer relativen Intensität des Fotodiodenstroms und einer Temperaturänderung des Bauelements.
Erkennbar lässt sich ein Zusammenhang von Temperaturänderung ΔT zu resultierender relativer Intensität approximieren, im dargestellten Beispiel sogar linear interpolieren. Dies gilt für positive wie für negative Temperaturänderung ΔT.
Der durch die Fotodiode fließende Strom kann vor der Auswertung verstärkt, in ein digitales Signal verwandelt und aufbereitet werden. Die Aufbereitung kann beispielsweise Glätten, Filtern und/oder zeitliche Synchronisierung umfassen.
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 Halbleiterbauelement 100 ist hierauf einem Kühler 400 angeordnet, um bei Schaltvorgängen im Halbleiterbauelement 100 entstehende Wärme abzuführen. Gegenüberliegend zu einer Seite des Halbleiterbauelements 100, auf der der Kühler 400 angeordnet ist, ist dabei eine Halbleiterstruktur mit einer hochdotierten Substratstrecke angrenzend an eine transparente Verkapselung des Halbleiterbauelements 100 angeordnet. Die transparente Verkapselung bildet dabei die gegenüberliegende Seite. Durch die transparente Verkapselung kann Licht, welches in der hochdotierten Substratstrecke entsteht, aus dem Halbleiterbauelement 100 in Richtung der Fotodiode 210 austreten. Die Fotodiode 210 ist im Beispiel auf einem gedruckten Schaltkreis 200 (engl.: printed circuit board (PCB)) angeordnet.
In einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens im Sinne der Erfindung wird einem p-n-Übergang eines Halbleiters (zum Beispiel Body-Diode eines Feldeffekttransistors) ein Messstrom I_sense ungleich Null eingeprägt (in Flussrichtung). Der Messstrom kann auch der Laststrom sein, sofern dieser hinreichend bekannt ist. Ein beispielhafter Messstrom umfasst einen Impuls mit vorbestimmter Dauer Δt. Der eingeprägte Strom führt zu einer Lichtemission und zur Erwärmung des Halbleiters.
Über die Zeitdauer Δt wird die Intensität der Lumineszenz mit einem lichtempfindlichen Sensor, im Ausführungsbeispiel mit einer Fotodiode, als resultierender Fotostrom erfasst.
Im Ausführungsbeispiel wird der Fotostrom einer Fotodiode während der Zeit Δt aufsummiert, sodass sich für die Auswertung eine Ladungsmenge ergibt.

Claims

Vorrichtung (10) zur Umformung elektrischer Energie umfassend: mindestens ein Halbleiterbauelement (100) und eine Vorrichtung (200) zur Bestimmung einer Temperatur anhand eines durch das Bauelement fließenden Stroms mit vorbestimmter Stromstärke, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (100) eine optisch aktive Halbleiterstruktur umfasst, welches Licht mit einer temperaturabhängigen Helligkeit erzeugt, wenn das Halbleiterbauelement (100) von Strom durchflossen wird, und die Vorrichtung (200) zur Bestimmung der Temperatur einen Helligkeitssensor (210) zur Erfassung der Helligkeit des erzeugten Lichts umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Helligkeitssensor (210) eine Fotodiode, einen Fototransistor oder eine ladungsgekoppelte Vorrichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (200) zur Bestimmung der Temperatur ausgebildet ist, die Temperatur, während der Strom mit einer vorbestimmten Stromstärke durch das Halbleiterbauelement fließt, zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 und nach Anspruch 3, wobei die Vorrichtung (200) zur Bestimmung einer Temperatur ausgebildet ist, eine Ladungsmenge durch Aufsummierung einer Fotostromstärke der Fotodiode über den vorbestimmten Zeitraum zu bestimmen, und/oder ausgebildet ist, in einem vorbestimmten Messzeitraum eine maximale Fotostromstärke zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung (200) zur Bestimmung einer Temperatur ausgebildet ist, eine Temperaturänderung unter Verwendung der bestimmten Ladungsmenge und einer Referenzladungsmenge zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Halbleiterbauelement (100) zumindest einen als Bipolartransistor mit isoliertem Gate und/oder zumindest einen Galliumnitrid-, Siliziumkarbid- und/oder Silizium-basierten Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor ausgebildeten Transistor mit einer zumindest teilweise ausgesparten und/oder mit einer zumindest teilweise transparenten Metallisierung und/oder mit einer zumindest teilweise transparenten Verkapselung umfasst, durch die das erzeugte Licht aus dem Transistor austreten kann, wobei eine externe Freilaufdiode oder eine Bodydiode des Transistors zur Lichterzeugung verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Halbleiterbauelement (100) eine optisch aktive Halbleitstruktur zur Erzeugung des Lichts und/oder eine die Lichterzeugung steigernde Dotierung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 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 bis 8, wobei die Vorrichtung eine Leistungssteuerungseinheit oder ein Inverter für ein Elektrofahrzeug ist.
Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur eines Halbleiterbauelements (100) unter Verwendung eines durch das Halbleiterbauelement (100) fließenden Stromes mit vorbestimmter Stromstärke, wobei das Halbleiterbauelement (100) eine optisch aktive Halbleiterstruktur umfasst, welche Licht mit einer temperaturabhängigen Helligkeit erzeugt, wenn das Halbleiterbauelement (100) von Strom durchflossen wird, umfassend: Erfassen der Helligkeit des erzeugten Lichts mittels eines Helligkeitssensors (210) und Bestimmen der Temperatur unter Verwendung der erfassten Helligkeit.