DE102019208891A1

DE102019208891A1 - Method for detecting a temperature and / or a switching state of a semiconductor element and semiconductor circuit

Info

Publication number: DE102019208891A1
Application number: DE102019208891.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Apelsmeier
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-12-24

Abstract

Verfahren zu Erfassung einer Temperatur und/oder eines Schaltzustands eines Halbleiterelements (1, 13 - 16), wobei von dem Halbleiterelement (1, 13 - 16) abgestrahltes oder reflektiertes Licht durch einen optischen Empfänger (11) erfasst wird, um wenigstens einen Messwert zu ermitteln, wobei die Temperatur und/oder der Schaltzustand in Abhängigkeit des Messwerts ermittelt werden.Method for detecting a temperature and / or a switching state of a semiconductor element (1, 13-16), light emitted or reflected by the semiconductor element (1, 13-16) being detected by an optical receiver (11) in order to obtain at least one measured value determine, the temperature and / or the switching state being determined as a function of the measured value.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur und/oder eines Schaltzustandes eines Haltleiterelements. Daneben betrifft die Erfindung eine Halbleiterschaltung.The invention relates to a method for detecting a temperature and / or a switching state of a semiconductor element. The invention also relates to a semiconductor circuit.

In einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, insbesondere im Bereich der Leistungshalbleiter und speziell der Leistungshalbleiterschalter, kann es relevant sein, die Temperaturen der genutzten Halbleiterelemente bzw. deren Schaltzustände zu überwachen. Insbesondere soll eine Überhitzung der Halbleiterelemente und somit eine Beschädigung vermieden werden. Zudem soll erkannt werden, wenn ein Schalten eines an sie angesteuerten Halbleiterelements unterbleibt, um beispielsweise eine Vorrichtung, die dieses Halbleiterelement umfasst, kontrolliert still zu legen, in einen Betriebsmodus umzuschalten, in dem das Halbleiterelement nicht benötigt wird, auf eine redundante Komponente umzuschalten oder Ähnliches. Dies ist insbesondere relevant, wenn Halbleiterschalter im Bereich der Energiewandlung, beispielsweise im Energieversorgungssektor, der industriellen Antriebstechnik, der Bahntechnik bzw. im Automotive-Bereich eingesetzt werden.In a large number of areas of application, in particular in the field of power semiconductors and especially power semiconductor switches, it can be relevant to monitor the temperatures of the semiconductor elements used or their switching states. In particular, overheating of the semiconductor elements and thus damage should be avoided. In addition, it should be recognized if a switching of a semiconductor element controlled to it does not take place, for example to shut down a device that includes this semiconductor element in a controlled manner, to switch to an operating mode in which the semiconductor element is not required, to switch to a redundant component or the like . This is particularly relevant when semiconductor switches are used in the field of energy conversion, for example in the energy supply sector, industrial drive technology, railway technology or in the automotive sector.

Temperaturen von Halbleiterelementen können beispielsweise dadurch gemessen werden, dass herkömmliche Temperatursensoren in der Nähe von Halbleitern angeordnet werden. Ein solcher Ansatz wird beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2016 103 677 A1 genutzt, um Temperaturen von Leuchtdioden zu überwachen und bei deren Ansteuerung zu berücksichtigen. Im Bereich der Leistungshalbleiter, bei denen typischerweise davon ausgegangen wird, dass die Halbleiterelemente selbst eine der wesentlichen Wärmequellen darstellen, werden theoretische bzw. empirische Temperaturmodelle genutzt, um anhand von durch Temperatursensoren erfassten Temperaturen auf die Halbleitertemperatur zurückzuschließen. Hierdurch ist es jedoch potentiell erforderlich, mehrere Temperatursensoren zu nutzen, wodurch ein relativ großer Schaltungsaufwand entsteht. Zudem wird nur eine begrenzte Genauigkeit erreicht, weshalb ein relativ großer Sicherheitsabstand zur maximal möglichen Halbleitertemperatur eingehalten werden muss. Dies kann dazu führen, dass Halbleiterbauteile nicht vollständig ausgenutzt werden können bzw. dass der Aufwand zur Kühlung steigt.Temperatures of semiconductor elements can be measured, for example, in that conventional temperature sensors are arranged in the vicinity of semiconductors. Such an approach is for example in the document DE 10 2016 103 677 A1 used to monitor the temperatures of light emitting diodes and to take them into account when controlling them. In the field of power semiconductors, where it is typically assumed that the semiconductor elements themselves represent one of the essential heat sources, theoretical or empirical temperature models are used to infer the semiconductor temperature based on temperatures recorded by temperature sensors. However, this potentially makes it necessary to use several temperature sensors, which results in a relatively large amount of circuitry. In addition, only a limited accuracy is achieved, which is why a relatively large safety margin to the maximum possible semiconductor temperature must be maintained. This can lead to the fact that semiconductor components cannot be fully utilized or that the effort for cooling increases.

Ein Schaltzustand von Halbleiterelementen, beispielsweise von MOSFETs oder IGBTs, wird über einen separaten Messkanal erfasst, wobei beispielsweise ein Spannungsabfall an dem jeweilig überwachten Bauteil gemessen werden kann. Hierdurch erhöht sich der Schaltungsaufwand weiter, wenn sowohl eine Temperaturüberwachung als auch eine Überwachung des Schaltzustandes erfolgen soll. In Anwendungen, bei denen beispielsweise Gleichspannungen von mehr als 60 V oder Wechselspannungen von mehr als 25 V auftreten, ist zudem typischerweise eine galvanische Trennung der Messelektronik von dem überwachten Bauteil gewünscht, was den Schaltungsaufwand zusätzlich erhöht.A switching state of semiconductor elements, for example MOSFETs or IGBTs, is recorded via a separate measuring channel, it being possible, for example, to measure a voltage drop on the component being monitored. This further increases the circuit complexity if both temperature monitoring and monitoring of the switching state are to take place. In applications in which, for example, direct voltages of more than 60 V or alternating voltages of more than 25 V occur, a galvanic separation of the measuring electronics from the monitored component is typically required, which additionally increases the circuit complexity.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, eine Temperatur bzw. einen Schaltzustand eines Halbleiterelements mit relativ geringem Aufwand und dennoch mit hoher Genauigkeit erfassen zu können.The invention is therefore based on the object of specifying a possibility of being able to detect a temperature or a switching state of a semiconductor element with relatively little effort and nevertheless with high accuracy.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei von dem Halbleiterelement abgestrahltes oder reflektiertes Licht durch einen optischen Empfänger erfasst wird, um wenigstens einen Messwert zu ermitteln, wobei die Temperatur und/oder der Schaltzustand in Abhängigkeit des Messwerts ermittelt werden.The object is achieved according to the invention by a method of the type mentioned at the outset, with light emitted or reflected by the semiconductor element being detected by an optical receiver in order to determine at least one measured value, the temperature and / or the switching state being determined as a function of the measured value.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, auszunutzen, dass die Bandstruktur bzw. der Bandabstand in Halbleiterelementen und somit auch ein Spektrum von abgestrahltem bzw. reflektiertem Licht von der Temperatur des Halbleiterelements abhängt. Insbesondere eine Abstrahlung von Licht, potentiell jedoch auch eine Reflektion von Licht, kann zudem von einem Schaltzustand abhängen. Somit kann anhand des abgestrahlten bzw. reflektierten Lichts auf die Temperatur bzw. den Schaltzustand des Halbleiterelements rückgeschlossen werden. Da die Erfassung optisch erfolgt, resultiert automatisch eine galvanische Trennung, was insbesondere bei der Überwachung von Leistungshalbleitern vorteilhaft ist. Wie später noch genauer erläutert werden wird, können zudem mehrere Halbleiterelemente durch einen einzelnen optischen Empfänger überwacht werden, womit zumindest in einigen Anwendungsfällen ein geringer Schaltungsaufwand für die Überwachung erforderlich ist. Zudem erfolgt eine unmittelbare Überwachung des Halbleiterelements, so dass Temperatur mit höherer Genauigkeit ermittelt werden können als bei einer indirekten Überwachung durch einen beabstandeten Temperatursensor.The invention is based on the idea of exploiting the fact that the band structure or the band gap in semiconductor elements and thus also a spectrum of emitted or reflected light depends on the temperature of the semiconductor element. In particular, the emission of light, but potentially also a reflection of light, can also depend on a switching state. It is thus possible to draw conclusions about the temperature or the switching state of the semiconductor element on the basis of the emitted or reflected light. Since the detection takes place optically, galvanic isolation results automatically, which is particularly advantageous when monitoring power semiconductors. As will be explained in more detail later, a plurality of semiconductor elements can also be monitored by a single optical receiver, which means that, at least in some applications, little circuit complexity is required for the monitoring. In addition, the semiconductor element is monitored directly, so that the temperature can be determined with greater accuracy than in the case of indirect monitoring by means of a distant temperature sensor.

Es ist bekannt, dass Halbleiterelemente Licht abstrahlen können. Neben Leuchtdioden gilt dies insbesondere auch für Halbleiterschalter, die eine isolierte Gate-Elektrode aufweisen, beispielsweise für MOSFETs und IGBTs. Die Lichtabstrahlung hängt hierbei jedoch davon ab, welches Halbleitermaterial genutzt wird. Während beispielsweise Siliziumcarbid-Halbleiter selbst Licht abstrahlen können, ist es bei üblichen siliziumbasierten Leistungshalbleitern typischerweise vorteilhaft, stattdessen reflektiertes Licht im Rahmen des erläuterten Verfahrens zu nutzen, also eine separate Lichtquelle zu nutzen.It is known that semiconductor elements can emit light. In addition to light-emitting diodes, this also applies in particular to semiconductor switches that have an insulated gate electrode, for example for MOSFETs and IGBTs. The light emission depends on which semiconductor material is used. While silicon carbide semiconductors, for example, can themselves emit light, in the case of conventional silicon-based power semiconductors it is typically advantageous to use reflected light instead within the scope of the explained method, that is to say to use a separate light source.

Eine Lichtemission von Halbleitern kann aus verschiedenen Gründen auftreten. Für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode ist jedoch insbesondere ein Transport von Ladungsträgern zwischen Gate und der Grenzschicht des Halbleiterelements, insbesondere zwischen Fehlstellen im Gate und Fangstellen in der Grenzschicht, relevant. Wird im einfachsten Fall beispielsweise davon ausgegangen, dass ein Elektron elastisch von der Gate-Elektrode in den Halbleiter tunnelt, so kann die relativ große bei der Rekombination verbleibende Energie als Photon abgestrahlt werden.Light emission from semiconductors can occur for various reasons. For semiconductor elements with an insulated gate electrode, however, transport of charge carriers between the gate and the boundary layer of the semiconductor element, in particular between flaws in the gate and trapping points in the boundary layer, is relevant. If, in the simplest case, it is assumed, for example, that an electron tunnels elastically from the gate electrode into the semiconductor, the relatively large energy remaining during the recombination can be emitted as a photon.

Strahlt das Halbleiterelement nicht bzw. nicht genügend Licht ab, kann stattdessen der Einfluss der Temperatur bzw. des Schaltzustandes auf das Reflektionsverhalten ausgenutzt werden. Insbesondere hängt die Position der sogenannten Plasmakante, an der der Reflektionsgrad auf ein Minimum sinkt, von der relativen Lage der Bänder des Halbleiterelements und somit von der Temperatur ab. Da bei Halbleiterschaltern mit isolierter Gate-Elektrode zudem die Besetzung in der der Elektrode zugewandten Grenzschicht des Halbleiterelements verändert wird, sind auch Schaltzustände am Reflektionsverhalten zu erkennen.If the semiconductor element does not emit or does not emit enough light, the influence of the temperature or the switching state on the reflection behavior can be used instead. In particular, the position of the so-called plasma edge, at which the degree of reflection drops to a minimum, depends on the relative position of the strips of the semiconductor element and thus on the temperature. Since, in the case of semiconductor switches with an insulated gate electrode, the population in the boundary layer of the semiconductor element facing the electrode is also changed, switching states can also be recognized by the reflection behavior.

Der Messwert kann insbesondere für abgestrahltes bzw. reflektiertes Licht im sichtbaren Bereich, also beispielsweise innerhalb eines Wellenlängenbereichs zwischen 400 nm und 750 nm oder einem Teilbereich hiervon, ermittelt werden. Es ist jedoch auch möglich, Licht im Infrarotbereich oder im ultravioletten Bereich zu nutzen.The measured value can be determined in particular for emitted or reflected light in the visible range, that is to say for example within a wavelength range between 400 nm and 750 nm or a sub-range thereof. However, it is also possible to use light in the infrared range or in the ultraviolet range.

Die Ermittlung der Temperatur bzw. des Schaltzustands kann insbesondere durch eine Überwachungsschaltung erfolgen, die auch als Steuereinrichtung für das Halbleiterelement dient. Beispielsweise kann die Überwachungseinrichtung mehrere Halbleiterelemente steuern, die gemeinsam eine Vollbrücke zur Wechsel- oder Gleichrichtung von Strömen bilden. Hierbei können beispielsweise maximal wandelbare Ströme, insbesondere durch Vorgaben entsprechender Pulsweiten zur Ansteuerung der Halbleiterelemente, in Abhängigkeit der erfassten Temperatur vorgegeben werden. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, die einzelnen Halbleiterelemente redundant auszuführen und anhand des erfassten Schaltzustands eine Beschädigung eines der Halbleiterelemente zu erkennen und entsprechend stattdessen das redundante Halbleiterelement zu nutzen, Fehlschaltungen zu erkennen und zu korrigieren oder Ähnliches.The temperature or the switching state can be determined in particular by a monitoring circuit which also serves as a control device for the semiconductor element. For example, the monitoring device can control a plurality of semiconductor elements which together form a full bridge for alternating or rectifying currents. Here, for example, maximally convertible currents can be specified as a function of the detected temperature, in particular by specifying corresponding pulse widths for controlling the semiconductor elements. Alternatively or in addition, it is also possible to make the individual semiconductor elements redundant and to recognize damage to one of the semiconductor elements based on the detected switching state and to use the redundant semiconductor element instead, to detect and correct incorrect switching or the like.

Der Messwert kann ein Spektrum des Lichts und/oder die Intensität des Lichts, insbesondere innerhalb eines vorgegebenen Spektralbereiches des Lichts, beschreiben, wobei die Temperatur und/oder der Schaltzustand in Abhängigkeit des Spektrums und/oder der Intensität ermittelt werden. Wie vorangehend erläutert resultiert aus einer Veränderung der Bandstruktur bzw. des Bandabstands im Halbleiter aufgrund der Temperatur bzw. des Schaltzustandes eine Änderung des Emissions- bzw. Reflektionsspektrums. Eine solche Veränderung kann dadurch erkannt werden, dass das gesamte Spektrum des Lichts abgetastet wird, beispielsweise indem für eine Vielzahl von relativ schmalen Spektralbereichen eine jeweilige Intensität des Lichts in dem jeweiligen Spektralbereich ermittelt wird. Ein derartiges Abtasten des gesamten Spektrums des emittierten bzw. reflektierten Lichts bzw. zumindest eines großen Teils dieses Spektrums ermöglicht eine besonders robuste Ermittlung der Temperatur bzw. des Schaltzustandes.The measured value can describe a spectrum of the light and / or the intensity of the light, in particular within a predetermined spectral range of the light, the temperature and / or the switching state being determined as a function of the spectrum and / or the intensity. As explained above, a change in the band structure or the band gap in the semiconductor due to the temperature or the switching state results in a change in the emission or reflection spectrum. Such a change can be recognized by the fact that the entire spectrum of the light is scanned, for example by determining a respective intensity of the light in the respective spectral range for a large number of relatively narrow spectral ranges. Such scanning of the entire spectrum of the emitted or reflected light or at least a large part of this spectrum enables a particularly robust determination of the temperature or the switching state.

Die Ermittlung einer einzelnen Intensität bzw. einiger weniger Intensitäten kann hingegen technisch einfacher realisiert werden. Beispielsweise kann ein optischer Sensor genutzt werden, dessen Empfindlichkeit mit der Frequenz bzw. Wellenlänge des Lichts variiert. Eine Veränderung des Spektrums führt somit bereits aufgrund der Empfindlichkeit des Sensors zu einer anderen gemessenen Intensität. Ergänzend oder alternativ ist es möglich, den Spektralbereich durch Nutzung entsprechender optischer Filter einzuschränken. Hierbei können insbesondere Intensitäten für einen Spektralbereich erfasst werden, an dem bei Änderungen der Temperatur bzw. des Schaltzustandes relativ starke Änderungen erwartet werden. Entsprechende Bereiche können beispielsweise in Vorversuchen anhand der Erfassung des gesamten Spektrums für mehrere Temperaturen bzw. für die unterschiedlichen Schaltzustände ermittelt werden.The determination of a single intensity or a few intensities, however, can be implemented in a technically easier way. For example, an optical sensor can be used whose sensitivity varies with the frequency or wavelength of the light. A change in the spectrum therefore leads to a different measured intensity due to the sensitivity of the sensor. Additionally or alternatively it is possible to restrict the spectral range by using appropriate optical filters. In particular, intensities can be recorded for a spectral range in which relatively strong changes are expected when the temperature or the switching state changes. Corresponding ranges can, for example, be determined in preliminary tests based on the detection of the entire spectrum for several temperatures or for the different switching states.

Die Nutzung einer einzelnen Intensität als Messwert ermöglicht einen technisch besonders einfachen Aufbau, der zur Durchführung des Verfahrens genutzten Vorrichtung. Es kann jedoch vorteilhaft sein, Intensitäten für wenigstens zwei vorgegebene Spektralbereiche zu erfassen, um die Robustheit der Erfassung zu verbessern. Beispielsweise kann die Temperatur bzw. der Schaltzustand anschließend in Abhängigkeit des Verhältnisses der erfassten Intensitäten ermittelt werden, oder Ähnliches.The use of a single intensity as a measured value enables a technically particularly simple structure of the device used to carry out the method. However, it can be advantageous to acquire intensities for at least two predetermined spectral ranges in order to improve the robustness of the acquisition. For example, the temperature or the switching state can then be determined as a function of the ratio of the intensities detected, or the like.

Um anhand der Intensität bzw. Intensitäten bzw. des Spektrums auf die Temperatur bzw. den Schaltzustand zurückschließen zu können, können vorangehend ermittelte Zusammenhänge genutzt werden. Beispielsweise können entsprechende Zusammenhänge an dem Halbleiterelement selbst durch Vorversuche ermittelt werden. Vorteilhaft erfolgt ein solches Anlernen des Zusammenhangs jedoch gemeinsam für eine Vielzahl von Halbleiterelementen, beispielsweise indem ein Halbleiterelement oder mehrere Halbleiterelemente aus einer Serie von Halbleiterelementen vermessen werden und/oder mithilfe von theoretischen Vorüberlegungen. Ein entsprechender Zusammenhang kann beispielsweise in einer Look-up-Tabelle abgelegt werden oder es kann ein mathematischer Zusammenhang durch statistische Analyse von Messdaten ermittelt werden.In order to be able to draw conclusions about the temperature or the switching state based on the intensity or intensities or the spectrum, previously determined relationships can be used. For example, corresponding relationships on the semiconductor element itself can be determined through preliminary tests. However, such a learning of the relationship is advantageously carried out jointly for a plurality of semiconductor elements, for example by measuring a semiconductor element or a plurality of semiconductor elements from a series of semiconductor elements and / or with the aid of preliminary theoretical considerations. A A corresponding relationship can be stored in a look-up table, for example, or a mathematical relationship can be determined by statistical analysis of measurement data.

Als Halbleiterelement kann ein Halbleiterschalter und/oder ein Siliziumcarbid-Halbleiterelement verwendet werden. Der Halbleiterschalter kann insbesondere ein Transistor mit isolierter Gate-Elektrode, beispielsweise ein MOSFET oder ein IGBT, sein. Eine Verwendung von Siliziumcarbid-Halbleiterelementen ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders vorteilhaft, da diese im eingeschalteten Zustand selbst Licht emittieren, womit auf eine zusätzliche Lichtquelle zur Durchführung des Verfahrens verzichtet werden kann. Zudem gewinnen Siliziumcarbid-Halbleiter insbesondere im Bereich von Halbleiterschaltern zunehmend an Bedeutung, da mithilfe dieser Halbleiter gegenüber üblichen Silizium-Halbleitern Schaltungen mit höherem Wirkungsgrad erreicht werden können, wodurch auch der Kühlungsaufwand reduziert wird und entsprechende Bauteile können typischerweise über größere Temperaturbereiche eingesetzt werden. In vielen Fällen kann auch eine höhere Leistungsdichte und somit ein geringerer Bauraumbedarf erreicht werden.A semiconductor switch and / or a silicon carbide semiconductor element can be used as the semiconductor element. The semiconductor switch can in particular be a transistor with an insulated gate electrode, for example a MOSFET or an IGBT. The use of silicon carbide semiconductor elements is particularly advantageous in the method according to the invention, since they themselves emit light in the switched-on state, so that an additional light source for carrying out the method can be dispensed with. In addition, silicon carbide semiconductors are becoming increasingly important, especially in the field of semiconductor switches, since these semiconductors can be used to achieve circuits with a higher degree of efficiency compared to conventional silicon semiconductors, which also reduces the cooling effort and corresponding components can typically be used over larger temperature ranges. In many cases, a higher power density and thus a lower space requirement can be achieved.

Als optischer Detektor kann eine Photodiode, optional auch mit davor angeordnetem Filter oder Beugungsgitter, verwendet werden. Eine Photodiode kann mit geringem Aufwand in eine Haltleiterschaltung, die das Halbleiterelement umfasst, integriert werden und beispielsweise gemeinsam mit dem Halbleiterelement vergossen werden. Alternativ kann auch ein optisches Spektrometer genutzt werden, das von dem Halbleiterelement abgestrahltes oder reflektiertes Licht mithilfe eines Prismas, eines Gitters oder Ähnlichem spektral aufteilt, wobei die spektralen Komponenten parallel über mehrere Detektoren oder sequentiell über einen einzelnen Detektor erfasst werden können.A photodiode, optionally also with a filter or diffraction grating arranged in front of it, can be used as the optical detector. A photodiode can be integrated with little effort in a semiconductor circuit which comprises the semiconductor element and, for example, can be cast together with the semiconductor element. Alternatively, an optical spectrometer can also be used that spectrally splits light emitted or reflected by the semiconductor element with the aid of a prism, a grating or the like, with the spectral components being able to be recorded in parallel via several detectors or sequentially via a single detector.

Das Halbleiterelement kann eine Gate-Elektrode aufweisen, wobei das oder ein Spektrum des abgestrahlten Lichts von einer an der Gate-Elektrode angelegten Spannung abhängt. Das Halbleiterelement mit Gate-Elektrode kann insbesondere ein Transistor, speziell ein MOSFET oder ein IGBT, sein. Die Gate-Elektrode ist vorzugsweise durch eine Isolationsschicht von dem Halbleiter des Halbleiterelements getrennt. In dem Verfahren wird vorzugsweise nicht die thermische Infrarotstrahlung berücksichtigt, die von warmen Leitern, also beispielsweise von metallischen Leitern, abgestrahlt wird. Stattdessen wird das von dem Halbleiter selbst emittierte bzw. reflektierte Licht bzw. dessen Intensität bzw. Spektrum ausgewertet, das bzw. die von der konkreten Bandstruktur des Halbleiters abhängt, die sich temperaturabhängig ändert. Es ist insbesondere möglich, dass entsprechendes Licht nur dann abgestrahlt wird, wenn die Gate-Elektrode mit Spannung beaufschlagt ist.The semiconductor element can have a gate electrode, wherein the or a spectrum of the emitted light depends on a voltage applied to the gate electrode. The semiconductor element with gate electrode can in particular be a transistor, specifically a MOSFET or an IGBT. The gate electrode is preferably separated from the semiconductor of the semiconductor element by an insulation layer. The method preferably does not take into account the thermal infrared radiation that is emitted by warm conductors, that is to say, for example, by metallic conductors. Instead, the light emitted or reflected by the semiconductor itself or its intensity or spectrum is evaluated, which depends on the specific band structure of the semiconductor, which changes as a function of temperature. In particular, it is possible for the corresponding light to be emitted only when voltage is applied to the gate electrode.

Der optische Empfänger kann in voneinander verschiedenen Zeitintervallen Licht von verschiedenen Halbleiterelementen empfangen, wobei in den Zeitintervallen jeweils ein Messwert für eines der Halbleiterelemente ermittelt wird. Dies ermöglicht es, einen optischen Empfänger zur Ermittlung von Temperaturen bzw. Schaltzuständen mehrerer Halbleiterelemente zu verwenden, wodurch der Aufwand zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens reduziert wird. Beispielsweise ist es möglich, dass ein jeweiliges Halbleiterelement nur dann Licht abstrahlt, wenn seine Gate-Elektrode mit Spannung beaufschlagt ist. Werden die verschiedenen Gate-Elektroden der verschiedenen Halbleiterelemente in unterschiedlichen Zeitintervallen mit Spannung beaufschlagt, ist es ausreichend, für diese Halbleiterelemente einen einzelnen optischen Empfänger zu nutzen.The optical receiver can receive light from different semiconductor elements at different time intervals, a measured value for one of the semiconductor elements being determined in each of the time intervals. This makes it possible to use an optical receiver to determine temperatures or switching states of several semiconductor elements, which reduces the effort involved in implementing the method according to the invention. For example, it is possible that a respective semiconductor element only emits light when its gate electrode has a voltage applied to it. If voltage is applied to the different gate electrodes of the different semiconductor elements at different time intervals, it is sufficient to use a single optical receiver for these semiconductor elements.

Beispielsweise können zwei Halbleiterschalter einer Halbbrücke auf diese Weise überwacht werden, da ihre Gate-Elektroden typischerweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit Spannung beaufschlagt werden. Es kann beispielsweise sogar möglich sein, alle sechs Halbleiterschalter einer Vollbrücke für Drehstrom durch einen einzigen optischen Empfänger zu überwachen, da beispielsweise bei Erzeugung eines sinusfömigen Spannungsverlaufs aufgrund der in einer bestimmten Phase für die unterschiedlichen Halbbrücken genutzten unterschiedlichen Pulsweiten typischerweise Zeitintervalle existieren, zu denen nur ein jeweiliges Halbleiterelement mit Spannung beaufschlagt ist. Prinzipiell wäre es auch möglich, Spektren während unterschiedlicher Zeitintervalle zu erfassen, zu denen jeweils unterschiedliche Kombinationen der Halbleiterschalter geschaltet werden und beispielsweise durch Auswertung von Linearkombinationen der verschiedenen Spektren auf das Spektrum eines dieser Halbleiterelemente rückzuschließen.For example, two semiconductor switches of a half bridge can be monitored in this way, since their gate electrodes are typically subjected to voltage at different times. For example, it may even be possible to monitor all six semiconductor switches of a full bridge for three-phase current by a single optical receiver, since, for example, when generating a sinusoidal voltage curve due to the different pulse widths used in a certain phase for the different half bridges, there are typically time intervals for which only one voltage is applied to the respective semiconductor element. In principle, it would also be possible to record spectra during different time intervals at which different combinations of the semiconductor switches are switched and to infer the spectrum of one of these semiconductor elements, for example by evaluating linear combinations of the different spectra.

Wie bereits erläutert ist es vorteilhaft, wenn zumindest eines der Halbleiterelemente in zumindest zwei der Zeitintervalle mit unterschiedlichen Spannungen an seiner Gate-Elektrode betrieben wird. Dies ist jedoch nicht notwendig erforderlich. Beispielsweise wäre es auch möglich, Messwerte für reflektiertes Licht zu erfassen und den verschiedenen Halbleiterelementen jeweils separate Lichtquellen zuzuordnen, die Licht auf das entsprechende Halbleiterelement einstrahlen können und in jedem der Zeitintervalle nur eine der jeweiligen Lichtquellen zu betreiben oder Ähnliches.As already explained, it is advantageous if at least one of the semiconductor elements is operated with different voltages at its gate electrode in at least two of the time intervals. However, this is not necessary. For example, it would also be possible to record measured values for reflected light and to assign separate light sources to the various semiconductor elements, which can radiate light onto the corresponding semiconductor element and to operate only one of the respective light sources or the like in each of the time intervals.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung eine Halbleiterschaltung mit einem Halbleiterelement und einer Überwachungseinrichtung, wobei die Überwachungseinrichtung zur Ermittlung einer Temperatur und/oder eines Schaltzustands des Halbleiterelements eingerichtet ist, wobei die Halbleiterschaltung einen optischen Empfänger umfasst, der dazu eingerichtet ist, von dem Halbleiterelement abgestrahltes oder reflektiertes Licht zu erfassen, um wenigstens einen Messwert zu ermitteln, wobei die Überwachungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Temperatur und/oder den Schaltzustand in Abhängigkeit des Messwerts zu ermitteln.In addition to the method according to the invention, the invention relates to a semiconductor circuit having a semiconductor element and a Monitoring device, the monitoring device being set up to determine a temperature and / or a switching state of the semiconductor element, the semiconductor circuit comprising an optical receiver which is set up to detect light emitted or reflected by the semiconductor element in order to determine at least one measured value, wherein the monitoring device is set up to determine the temperature and / or the switching state as a function of the measured value.

Die Halbleiterschaltung kann mit den zum erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Merkmalen mit den dortigen Vorteilen weitergebildet werden. Insbesondere kann die Halbleiterschaltung dazu eingerichtet sein, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.The semiconductor circuit can be developed further with the features explained for the method according to the invention with the advantages there. In particular, the semiconductor circuit can be set up to carry out the method according to the invention.

Die Halbleiterschaltung kann zusätzlich eine Lichtquelle aufweisen, deren Licht durch das Halbleiterelement reflektiert wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Halbleiterelement selbst kein Licht, Licht in einem ungeeigneten Spektralbereich oder relativ wenig Licht abstrahlt.The semiconductor circuit can additionally have a light source, the light of which is reflected by the semiconductor element. This is particularly advantageous if the semiconductor element itself does not emit any light, light in an unsuitable spectral range or relatively little light.

Das Halbleiterelement und der optische Empfänger können in einem gemeinsamen, insbesondere lichtdichten Gehäuse angeordnet sein oder gemeinsam vergossen sein. Wird eine zusätzliche Lichtquelle genutzt, kann diese ebenfalls in dem Gehäuse angeordnet sein. Das Gehäuse kann beispielsweise mehrere Halbleiterelemente aufnehmen, um eine Halb- oder Vollbrücke auszubilden. Alle oder Teile dieser Halbleiterelemente können über einen gemeinsamen optischen Empfänger überwacht werden.The semiconductor element and the optical receiver can be arranged in a common, in particular light-tight housing or can be cast together. If an additional light source is used, this can also be arranged in the housing. The housing can, for example, accommodate several semiconductor elements in order to form a half or full bridge. All or parts of these semiconductor elements can be monitored via a common optical receiver.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:

1 einen beispielhaften Aufbau zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 und 3 Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Halbleiterschaltungen, durch die ein jeweiliges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens implementiert werden kann.

Further advantages and details of the present invention emerge from the following exemplary embodiments and the associated drawings. Here show schematically:

1 an exemplary structure for performing an embodiment of the method according to the invention, and
2 and 3 Exemplary embodiments of semiconductor circuits according to the invention, by means of which a respective exemplary embodiment of the method according to the invention can be implemented.

1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Messaufbaus zur Erfassung einer Temperatur und eines Schaltzustands eines Halbleiterelements 1. Das Halbleiterelement 1 ist im gezeigten Beispiel ein MOSFET. Der Halbleiter 2 ist direkt durch eine Source-Elektrode 26 und eine Drain-Elektrode 3 kontaktiert. Im Bereich zwischen der Source-Elektrode 26 und der Drain-Elektrode 3 ist eine Gate-Elektrode 5 angeordnet, die jedoch durch eine Isolationsschicht 4 von dem Halbleiter 2 isoliert ist. An der von diesen Elektroden abgewandten Seite des Halbleiters 2 ist typischerweise eine zusätzliche Substrat-Elektrode 6 vorgesehen, die auf dem gleichen Potenzial liegt wie die Source-Elektrode 2. 1 shows a basic diagram of a measurement setup for detecting a temperature and a switching state of a semiconductor element 1 . The semiconductor element 1 is a MOSFET in the example shown. The semiconductor 2 is directly through a source electrode 26th and a drain electrode 3 contacted. In the area between the source electrode 26th and the drain electrode 3 is a gate electrode 5 arranged, but by an insulation layer 4th from the semiconductor 2 is isolated. On the side of the semiconductor facing away from these electrodes 2 is typically an additional substrate electrode 6th provided, which is at the same potential as the source electrode 2 .

Der Halbleiter 2 ist in den Bereichen 8, 9 stark dotiert, so dass zunächst im Wesentlichen kein Stromtransport durch den Halbleiter 2 zwischen diesen Bereichen 8, 9 möglich ist. Durch Anlegen einer Spannung an der Gate-Elektrode 5 kann die Ladungsträgerkonzentration im Bereich einer Grenzschicht 7 verändert werden, so dass ein Ladungstransport ermöglicht wird. Das Prinzip eines solchen Feldeffekttransistors ist im Stand der Technik wohl bekannt und soll daher nicht detailliert erläutert werden.The semiconductor 2 is in the fields 8th , 9 heavily doped, so that initially there is essentially no current transport through the semiconductor 2 between these areas 8th , 9 is possible. By applying a voltage to the gate electrode 5 can be the charge carrier concentration in the area of a boundary layer 7th can be changed so that a charge transport is made possible. The principle of such a field effect transistor is well known in the prior art and should therefore not be explained in detail.

Zwischen der Gate-Elektrode 5 und dem Halbleiter 2 ist trotz der Isolationsschicht 4 ein Transport von Ladungsträgern möglich, da die Isolationsschicht 4 sehr dünn ist. Dies kann beispielsweise durch elastisches Tunneln erfolgen. Dies kann aufgrund des Potenzialunterschieds zwischen der Gate-Elektrode 5 und dem Halbleiter 2 zur Injektion von „heißen“, also hochenergetischen Ladungsträgern in den Halbleiter 2 führen, wodurch bei einer Rekombination Licht, insbesondere im sichtbaren Bereich, abgestrahlt wird, wie durch die Pfeile 10 dargestellt ist. Eine solche Lichtabstrahlung erfolgt im Wesentlichen nur dann, wenn eine ausreichende Spannung an der Gate-Elektrode 5 anliegen, womit die Lichtemission vom Schaltzustand des Halbleiterelements 1 abhängt. Zudem ist das Spektrum des abgestrahlten Lichts stark von der Bandstruktur des Halbleiters 1, insbesondere von der Bandlücke, abhängig, wobei die Bandstruktur bzw. die Bandlücke wiederum temperaturabhängig sind. Anhand des Spektrums des abgestrahlten Lichts kann somit auf die Temperatur des Halbleiterelements 1 rückgeschlossen werden. Between the gate electrode 5 and the semiconductor 2 is despite the insulation layer 4th a transport of charge carriers is possible because the insulation layer 4th is very thin. This can be done, for example, by elastic tunneling. This may be due to the potential difference between the gate electrode 5 and the semiconductor 2 for the injection of “hot”, ie high-energy charge carriers into the semiconductor 2 lead, whereby light, especially in the visible range, is emitted during a recombination, as indicated by the arrows 10 is shown. Such light emission occurs essentially only when there is sufficient voltage on the gate electrode 5 applied, with which the light emission from the switching state of the semiconductor element 1 depends. In addition, the spectrum of the emitted light is very different from the band structure of the semiconductor 1 , in particular on the band gap, the band structure or the band gap in turn being temperature-dependent. The temperature of the semiconductor element can thus be determined on the basis of the spectrum of the emitted light 1 be inferred.

Diese Effekte werden ausgenutzt, indem das Licht durch den optischen Empfänger 11 erfasst wird, um wenigstens einen Messewert zu ermitteln. Im einfachsten Fall kann der optische Empfänger 11 eine Photodiode sein und der Messwert kann eine Intensität des Lichts beschreiben. Da wie erläutert die Abstrahlung von Licht im Wesentlichen dann erfolgt, wenn ausreichende Spannungen an der Gate-Elektrode 5 anliegen, kann dies genutzt werden, um den Schalterzustand des Halbleiterelements 1 zu ermitteln.These effects are exploited by the light passing through the optical receiver 11 is detected in order to determine at least one measured value. In the simplest case, the optical receiver can 11 be a photodiode and the measured value can describe an intensity of the light. Since, as explained, the emission of light essentially takes place when there is sufficient voltage at the gate electrode 5 are present, this can be used to determine the switch state of the semiconductor element 1 to investigate.

Vorzugsweise wird zusätzlich eine spektrale Veränderung des Lichts aufgrund der Temperatur bzw. des Schaltzustandes ausgewertet. Diese wird, wie erläutert, durch eine Veränderung der Bandstruktur im Halbleiter 2 verursacht. Spektrale Veränderungen können beispielsweise dadurch erkannt werden, dass als Messwert eine Intensität für einen vorgegebenen Spektralbereich des Lichts erfasst wird, beispielsweise indem ein optischer Empfänger 11 genutzt wird, der in diesem Spektralbereich besonders empfindlich ist, bzw. dadurch, dass ein nicht gezeigter optischer Filter genutzt wird. Eine Veränderung des Spektrums des Lichts führt zumindest in Teilen des Spektrums zu starken Intensitätsänderungen, die somit erfasst werden können. Besonders robust können spektrale Veränderungen jedoch erkannt werden, wenn Intensitäten über eine Vielzahl von Spektralbereichen erfasst werden bzw. wenn ein gesamtes Spektrum des Lichts erfasst wird.A spectral change in the light due to the temperature or the switching state is preferably also evaluated. As explained, this is caused by a change in the band structure in the semiconductor 2 caused. Spectral changes can be recognized, for example, by using an intensity for a predetermined spectral range of the light is detected, for example by an optical receiver 11 is used, which is particularly sensitive in this spectral range, or by the fact that an optical filter, not shown, is used. A change in the spectrum of the light leads at least in parts of the spectrum to strong changes in intensity, which can thus be detected. However, spectral changes can be recognized particularly robustly if intensities are recorded over a large number of spectral ranges or if an entire spectrum of the light is recorded.

Der Messwert bzw. die Messwerte, die insbesondere das Spektrum bzw. die Intensität des Lichts betreffen, können durch eine Überwachungseinrichtung 12 weiterverarbeitet werden, um die Temperatur bzw. den Schaltzustand zu bestimmen. Hierzu kann beispielsweise eine Look-up-Tabelle oder ein mathematischer Zusammenhang genutzt werden, die oder der beispielsweise durch Vorversuche an dem gleichen Halbleiterelement 1, einem baugleichen Halbleiterelement 1 oder durch theoretische Vorüberlegungen ermittelt sein können. Die auf diese Weise erfasste Temperatur bzw. der erfasste Schaltzustand können anschließend genutzt werden, um das Halbleiterelement 1 zu steuern. Beispielsweise kann eine Pulsbreite eines Ansteuersignals der Spannung an der Gate-Elektrode variiert werden, um beispielsweise einen Leistungsfluss zu begrenzen, wenn hohe Temperaturen erfasst werden oder es kann bei Ermittlung eines nicht gewünschten Schaltzustands diese Spannung angepasst werden, um ein Schalten in den korrekten Schaltzustand sicherzustellen und/oder statt dem Halbleiterelement ein anderes redundantes Halbleiterelement genutzt werden.The measured value or the measured values, which relate in particular to the spectrum or the intensity of the light, can be monitored by a monitoring device 12th further processed in order to determine the temperature or the switching status. For this purpose, for example, a look-up table or a mathematical relationship can be used which, for example, has been carried out through preliminary tests on the same semiconductor element 1 , a structurally identical semiconductor element 1 or can be determined by theoretical considerations. The temperature detected in this way or the detected switching state can then be used to control the semiconductor element 1 to control. For example, a pulse width of a control signal for the voltage at the gate electrode can be varied, for example to limit a power flow when high temperatures are detected, or this voltage can be adjusted when an undesired switching state is determined in order to ensure switching to the correct switching state and / or another redundant semiconductor element can be used instead of the semiconductor element.

2 zeigt eine Halbleiterschaltung 24, die beispielsweise eine als integrierte Schaltung ausgeführte Halbbrücke sein kann. Hierbei sind mehrere Halbleiterelemente 13, 14, 15, 16 in einem gemeinsamen Gehäuse 22 angeordnet bzw. dort vergossen. Hierbei sind aus Übersichtlichkeitsgründen nur die Kontakte 17, 18, 19 zur Verbindung mit einer Gleichspannung bzw. einer Phase eines Drehstroms bei einer Nutzung als Teil eines Gleich- bzw. Wechselrichters gezeigt. Die Gate-Elektroden bzw. -Anschlüsse sind nicht dargestellt. 2 shows a semiconductor circuit 24 which can be, for example, a half-bridge designed as an integrated circuit. Here are several semiconductor elements 13 , 14th , 15th , 16 in a common housing 22nd arranged or potted there. For reasons of clarity, only the contacts are shown here 17th , 18th , 19th for connection to a direct voltage or a phase of a three-phase current when used as part of a rectifier or inverter. The gate electrodes or connections are not shown.

Die Halbleiterelemente 13, 14 können ein Halbleiterschalter sein und beispielsweise wie das in 1 gezeigte Halbleiterelement 1 aufgebaut sein. Die Halbleiterelemente 15, 16 können insbesondere Flyback-Dioden sein, auf die bei einer Nutzung von Siliziumacarbid-Halbleiter als Halbleiterschalter potentiell auch verzichtet werden könnte.The semiconductor elements 13 , 14th can be a semiconductor switch and, for example, like the one in 1 semiconductor element shown 1 be constructed. The semiconductor elements 15th , 16 can in particular be flyback diodes, which could potentially also be dispensed with when silicon carbide semiconductors are used as semiconductor switches.

Das durch die Halbleiterelemente 13, 14, 15, 16 abgestrahlte Licht kann durch einen optischen Detektor 11 erfasst werden und, wie zu 1 erläutert, durch eine in die integrierte Schaltung integrierte Überwachungseinrichtung 12 verarbeitet werden, insbesondere um den Betrieb der Halbleiterschalter zu steuern. Prinzipiell wäre es auch möglich, die Messwerte des optischen Empfängers 11 an eine nicht gezeigte externe Überwachungseinrichtung bereitzustellen, beispielsweise um mehrere Halbleiterschaltungen 24 gemeinsam zu überwachen.That through the semiconductor elements 13 , 14th , 15th , 16 emitted light can be passed through an optical detector 11 to be captured and how to 1 explained by a monitoring device integrated into the integrated circuit 12th processed, in particular to control the operation of the semiconductor switch. In principle it would also be possible to use the measured values of the optical receiver 11 to provide an external monitoring device, not shown, for example, to several semiconductor circuits 24 to monitor together.

Die verschiedenen Halbleiterelemente 13, 14, 15, 16 sind auf einem gemeinsamen Substrat 20 angeordnet, das über einen Kühlkörper 21 gekühlt wird. Der Kühlkörper 21 kann aktiv durch einen Fluidkreislauf oder Ähnliches gekühlt werden, wobei die Kühlung insbesondere durch die Überwachungseinrichtung 12 in Abhängigkeit einer ermittelten Temperatur der Halbleiterelemente 13, 14, 15, 16 gesteuert werden kann.The various semiconductor elements 13 , 14th , 15th , 16 are on a common substrate 20th arranged over a heat sink 21st is cooled. The heat sink 21st can be actively cooled by a fluid circuit or the like, the cooling in particular by the monitoring device 12th as a function of a determined temperature of the semiconductor elements 13 , 14th , 15th , 16 can be controlled.

Bei Halbbrücken werden die Halbleiterschalter, also die Halbleiterelemente 13, 14 in der Regel abwechselnd gesteuert, also ihre nicht gezeigten Gate-Elektroden mit Spannung beaufschlagt. Daher kann ein gemeinsamer optischer Empfänger 11 genutzt werden, um beide Halbleiterelemente 13, 14 gemeinsam zu überwachen. Je nachdem, wie die Dioden, also die Halbleiterelemente 15, 16, konkret aufgebaut sind, ist es möglich, dass diese kein Licht in einem Spektralbereich abstrahlen, das durch den optischen Empfänger 11 erfassbar ist. In diesem Fall würden in der Halbleiterschaltung ausschließlich die Temperaturen und Schaltzustände der Halbleiterschalter, also der Halbleiterelemente 13, 14 überwacht. Es ist jedoch auch möglich, dass die Halbleiterelemente 15, 16 beispielsweise dann Licht abstrahlen, wenn sie stromdurchflossen sind. Es ist hierbei möglich, dass eine Temperaturänderung der Halbleiterelemente 15, 16 primär zu Änderungen in einem Teil des Lichtspektrums führt, dass bei einer Temperaturänderung der Halbleiterelemente 13, 14 im Wesentlichen unverändert bleibt und umgekehrt. Somit kann durch Erfassung eines Spektrums des Lichts als Messwert durch den optischen Empfänger 11 bzw. durch Ermittlung von Intensitäten für mehrere vorgegebene Spektralbereiche eine separate Temperatur für jedes der Halbleiterelemente 13, 14, 15, 16 ermittelt werden.In the case of half bridges, the semiconductor switches, i.e. the semiconductor elements 13 , 14th usually controlled alternately, that is, their gate electrodes (not shown) have voltage applied to them. Therefore, a common optical receiver 11 used to both semiconductor elements 13 , 14th to monitor together. Depending on how the diodes, i.e. the semiconductor elements 15th , 16 , specifically constructed, it is possible that they do not emit any light in a spectral range that is transmitted by the optical receiver 11 is detectable. In this case, only the temperatures and switching states of the semiconductor switches, that is to say the semiconductor elements, would be used in the semiconductor circuit 13 , 14th supervised. However, it is also possible that the semiconductor elements 15th , 16 for example, emit light when current is flowing through them. It is possible that a change in temperature of the semiconductor elements 15th , 16 primarily to changes in part of the light spectrum that leads to a change in temperature of the semiconductor elements 13 , 14th remains essentially unchanged and vice versa. Thus, by detecting a spectrum of the light as a measured value by the optical receiver 11 or a separate temperature for each of the semiconductor elements by determining intensities for several predetermined spectral ranges 13 , 14th , 15th , 16 be determined.

In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist es zur Erfassung der Temperatur bzw. des Schaltzustandes eines Halbleiterelements 13, 14, 15, 16 erforderlich, dass dieses selbst Licht abstrahlt. Dies ist beispielsweise bei Halbleiterschaltern auf Basis von Siliziumcarbid der Fall. Sollen durch das beschriebene Vorgehen jedoch die Temperatur bzw. der Schaltzustand eines Halbleiterelements 13, 14, 15, 16 überwacht werden, das selbst kein Licht ausstrahlt, was beispielsweise bei Silizium-basierten Halbleiterschaltern typischerweise der Fall ist, kann stattdessen reflektiertes Licht durch den optischen Empfänger 11 erfasst werden. Ein Beispiel hierfür ist in 3 dargestellt. Die in 3 dargestellte Halbleiterschaltung 25 ist weitgehend gleich aufgebaut wie die in 2 dargestellte Halbleiterschaltung 24. Sie umfasst jedoch zusätzlich eine Lichtquelle 23, deren Licht durch das Halbleiterelement 13 reflektiert wird. Auch das Reflektionsverhalten von Halbleitern, insbesondere die Position der Plasmakante, ist stark von der Bandstruktur des Halbleiters abhängig. Daher kann mithilfe der zusätzlichen Lichtquelle 23 und des Erfassens von reflektiertem Licht durch den optischen Empfänger 11 auch eine Temperatur bzw. ein Schaltzustand eines Halbleiterelements 13 ermittelt werden, das selbst kein Licht abstrahlt.In the in 2 The embodiment shown is for detecting the temperature or the switching state of a semiconductor element 13 , 14th , 15th , 16 required that this itself emits light. This is the case, for example, with semiconductor switches based on silicon carbide. However, if the described procedure is used to determine the temperature or the switching state of a semiconductor element 13 , 14th , 15th , 16 be monitored, which itself emits no light, which is typically the case, for example, with silicon-based semiconductor switches, light reflected by the optical can instead receiver 11 are recorded. An example of this is in 3 shown. In the 3 shown semiconductor circuit 25th is largely the same as the one in 2 shown semiconductor circuit 24 . However, it also includes a light source 23 whose light passes through the semiconductor element 13 is reflected. The reflection behavior of semiconductors, in particular the position of the plasma edge, is also heavily dependent on the band structure of the semiconductor. Therefore, using the additional light source 23 and detecting reflected light by the optical receiver 11 also a temperature or a switching state of a semiconductor element 13 can be determined that does not emit any light itself.

Aus Übersichtlichkeitsgründen ist in 3 nur eine einzige Lichtquelle 23 dargestellt. Sollen für die einzelnen Halbleiterelemente 13, 14, 15, 16 separat Temperaturen bzw. Schaltzustände ermittelt werden und strahlen auch die Halbleiterelemente 14, 15, 16 jeweils kein Licht ab, so kann beispielsweise für jedes der Halbleiterelemente 13, 14, 15, 16 eine separate Lichtquelle 23 vorgesehen werden, die ausschließlich dieses Halbleiterelement 13, 14, 15, 16 anstrahlt. Durch Wahl der betriebenen Lichtquelle 23, beispielsweise durch eine entsprechende Ansteuerung durch die Überwachungseinrichtung 12, kann somit ausgewählt werden, für welches der Halbleiterelemente 13, 14, 15, 16 ein Temperatur bzw. ein Schaltzustand bestimmt wird.For reasons of clarity, in 3 only a single light source 23 shown. Shall for the individual semiconductor elements 13 , 14th , 15th , 16 temperatures or switching states are determined separately and the semiconductor elements also radiate 14th , 15th , 16 in each case no light emitted, for example, for each of the semiconductor elements 13 , 14th , 15th , 16 a separate light source 23 are provided that exclusively this semiconductor element 13 , 14th , 15th , 16 illuminates. By choosing the operated light source 23 , for example by a corresponding control by the monitoring device 12th , can thus be selected for which of the semiconductor elements 13 , 14th , 15th , 16 a temperature or a switching state is determined.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102016103677 A1 [0003]

Claims

Method for detecting a temperature and / or a switching state of a semiconductor element (1, 13-16), characterized in that light emitted or reflected by the semiconductor element (1, 13-16) is detected by an optical receiver (11) in order to at least to determine a measured value, the temperature and / or the switching state being determined as a function of the measured value.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the measured value describes a spectrum of the light and / or the intensity of the light, in particular within a predetermined spectral range of the light, the temperature and / or the switching state being determined as a function of the spectrum and / or the intensity.

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that a semiconductor switch and / or a silicon carbide semiconductor element is used as the semiconductor element (1, 13-16).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor element (1, 13-16) has a gate electrode (5), the or a spectrum of the emitted light depending on a voltage applied to the gate electrode (5) .

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the optical receiver (11) receives light from different semiconductor elements (1, 13-16) at different time intervals, with a measured value for one of the semiconductor elements (1, 13 - 16) in each time interval. 16) is determined.

Procedure according to Claim 4 and 5 , characterized in that at least one of the semiconductor elements (1, 13-16) is operated in at least two of the time intervals with different voltages at its gate electrode (5).

Semiconductor circuit with a semiconductor element (13-16) and a monitoring device (12), the monitoring device (12) being set up to determine a temperature and / or a switching state of the semiconductor element (1, 13-16), characterized in that the semiconductor circuit ( 24, 25) comprises an optical receiver (11) which is set up to detect light emitted or reflected by the semiconductor element (13-16) in order to determine at least one measured value, the monitoring device (12) being set up to record the To determine the temperature and / or the switching state depending on the measured value.

Semiconductor circuit according to Claim 7 , characterized in that the semiconductor circuit (25) additionally has a light source (23), the light of which is reflected by the semiconductor element (13-16).