DE102021210711A1 - Method and circuit arrangement for determining a junction temperature of an insulated gate semiconductor device - Google Patents

Method and circuit arrangement for determining a junction temperature of an insulated gate semiconductor device Download PDF

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Manuel Riefer
Jonathan Winkler
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements (10), wobei das Verfahren aufweist: Ansteuern eines Gates des Halbleiterbauelements (10) mittels eines vordefinierten Wechselsignals (S), Erfassen eines Gate-Stroms (IG) und einer Gate-Spannung (VG) während der Ansteuerung des Gates mittels des Wechselsignals (S) und Ermitteln einer Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements (10) auf Basis einer temperaturabhängigen Eigenschaft der Gate-Spannung (VG) und/oder des Gate-Stroms (IG), wobei die temperaturabhängige Eigenschaft eine temperaturabhängige Phasenverschiebung zwischen der Gate-Spannung (VG) und dem Gate-Strom (IG) ist, sofern das Wechselsignal (S) eine Gate-Spannung (VG) und einen Gate-Strom (IG) mit einer konstanten Frequenz erzeugt, wobei die temperaturabhängige Eigenschaft eine temperaturabhängige Frequenz der Gate-Spannung (VG) und/oder des Gate-Stroms (IG) ist, sofern das Wechselsignal (S) eine konstante Phasenverschiebung zwischen der Gate-Spannung (VG) und dem Gate-Strom (IG) erzeugt und wobei die durch das Wechselsignal (S) erzeugte konstante Frequenz oder die konstante Phasenverschiebung auf einen RLC-Reihenschwingkreis eines Eingangs des Halbleiterbauelements (10) abgestimmt ist, sodass Temperaturänderungen innerhalb eines gesamten zu erfassenden Sperrschichttemperaturbereichs zu messbaren Änderungen der temperaturabhängigen Eigenschaft führen.The present invention relates to a method and a circuit arrangement for determining a junction temperature of a semiconductor component (10), the method having: driving a gate of the semiconductor component (10) by means of a predefined alternating signal (S), detecting a gate current (IG) and a Gate voltage (VG) during the control of the gate by means of the alternating signal (S) and determining a junction temperature of the semiconductor device (10) based on a temperature-dependent property of the gate voltage (VG) and / or the gate current (IG), wherein the temperature-dependent property is a temperature-dependent phase shift between the gate voltage (VG) and the gate current (IG) if the alternating signal (S) produces a gate voltage (VG) and a gate current (IG) with a constant frequency , where the temperature-dependent property is a temperature-dependent frequency of the gate voltage (VG) and/or the gate current (IG) if the alternating signal (S) has a constant phase shift between the gate voltage (VG) and the gate current ( IG) and wherein the constant frequency generated by the alternating signal (S) or the constant phase shift is matched to an RLC series resonant circuit of an input of the semiconductor component (10), so that temperature changes within an entire junction temperature range to be detected lead to measurable changes in the temperature-dependent property.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements mit isoliertem Gate.The present invention relates to a method and apparatus for determining a junction temperature of an insulated gate semiconductor device.

Zur Überwachung einer korrekten Funktion von Leistungshalbleitern muss im Betrieb häufig eine Temperatur solcher Leistungshalbleiter überwacht werden. Dazu können Temperatursensoren oder parasitäre Eigenschaften der Leistungshalbleiter genutzt werden. Nutzt man parasitäre Eigenschaften des Leistungshalbleiters, so lässt sich die Temperatur typischerweise mit einer geringeren Verzögerung messen, als bei einer Verwendung von diskreten Temperatursensoren.In order to monitor correct functioning of power semiconductors, a temperature of such power semiconductors often has to be monitored during operation. Temperature sensors or parasitic properties of the power semiconductors can be used for this. If parasitic properties of the power semiconductor are used, the temperature can typically be measured with a shorter delay than when using discrete temperature sensors.

Zudem ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine Temperatur von Leistungshalbleitern über temperatursensitive Elemente in einem Gate-Kreis zu ermitteln. In diesem Fall wird die Temperaturabhängigkeit eines internen Gate-Widerstands der Leistungshalbleiter verwendet. Bislang wurde mittels dieser Methode die Temperatur von IGBTs im ausgeschalteten Zustand gemessen, wobei ein Gate solcher IGBTs mit einer Resonanzfrequenz angeregt und ein in das Gate fließender Strom gemessen wurde. Aus dem Gate-Stromsignal lässt sich die Temperatur des Leistungshalbeiters bestimmen, da der Stromfluss durch eine erhöhte Serieninduktivität mit steigender Temperatur abnimmt.In addition, it is known from the prior art to determine a temperature of power semiconductors via temperature-sensitive elements in a gate circuit. In this case, the temperature dependence of an internal gate resistance of the power semiconductor is used. Heretofore, this method has been used to measure the off-state temperature of IGBTs by exciting a gate of such IGBTs at a resonance frequency and measuring a current flowing into the gate. The temperature of the power semiconductor can be determined from the gate current signal, since the current flow decreases with increasing temperature due to an increased series inductance.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements, insbesondere eines Leistungshalbleiters mit isoliertem Gate vorgeschlagen.According to a first aspect of the present invention, a method for determining a junction temperature of a semiconductor component, in particular a power semiconductor with an insulated gate, is proposed.

In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gate des Halbleiterbauelements mittels eines vordefinierten Wechselsignals angesteuert, welches in seiner Ausprägung grundsätzlich nicht eingeschränkt ist, welches aber beispielsweise und vorteilhaft ein sinusförmiges Signal ist. Das Wechselsignal wird einem Gate-Ansteuerungssignal überlagert, welches beispielsweise mittels eines Gate-Treibers des Halbleiterbauelements erzeugt wird, um einen Arbeitspunkt des Halbleiterbauelements einzustellen. Es sei zudem darauf hingewiesen, dass eine konkrete Ausprägung des Halbleiterbauelements mit isoliertem Gate grundsätzlich nicht eingeschränkt ist.In a first step of the method according to the invention, a gate of the semiconductor component is driven by means of a predefined alternating signal, which is fundamentally not restricted in its form, but which is, for example and advantageously, a sinusoidal signal. The alternating signal is superimposed on a gate drive signal, which is generated, for example, by means of a gate driver of the semiconductor component, in order to set an operating point of the semiconductor component. It should also be pointed out that a specific form of the semiconductor component with an insulated gate is not restricted in principle.

In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein Gate-Strom und eine Gate-Spannung während der Ansteuerung des Gates mit dem Wechselsignal erfasst.In a second step of the method according to the invention, a gate current and a gate voltage are detected while the gate is being driven with the alternating signal.

In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements auf Basis einer temperaturabhängigen Eigenschaft der Gate-Spannung und/oder des Gate-Stroms ermittelt, wobei die temperaturabhängige Eigenschaft eine temperaturabhängige Phasenverschiebung zwischen der Gate-Spannung und dem Gate-Strom ist, sofern das Wechselsignal eine Gate-Spannung und einen Gate-Strom mit einer vordefinierten konstanten Frequenz erzeugt.In a third step of the method according to the invention, a junction temperature of the semiconductor component is determined on the basis of a temperature-dependent property of the gate voltage and/or the gate current, the temperature-dependent property being a temperature-dependent phase shift between the gate voltage and the gate current, if the alternating signal generates a gate voltage and a gate current with a predefined constant frequency.

Alternativ ist die temperaturabhängige Eigenschaft eine temperaturabhängige Frequenz der Gate-Spannung und/oder des Gate-Stroms, sofern das Wechselsignal eine vordefinierte konstante Phasenverschiebung zwischen der Gate-Spannung und dem Gate-Strom erzeugt.Alternatively, the temperature-dependent property is a temperature-dependent frequency of the gate voltage and/or the gate current if the alternating signal produces a predefined constant phase shift between the gate voltage and the gate current.

Unter der vordefinierten konstanten Frequenz oder der vordefinierten konstanten Phasenverschiebung soll eine Frequenz bzw. eine Phasenverschiebung verstanden werden, welche unabhängig von sich verändernden Randbedingungen mittels einer geeigneten Regelung aufrechterhalten oder stets zeitnah hergestellt wird. Gewisse Abweichungen von der vordefinierten Frequenz bzw. der vordefinierten Phasenverschiebung aufgrund von Regelungsverzögerungen oder anderer Einflüsse sollen gemäß der vorliegenden Erfindung explizit möglich sein.The predefined constant frequency or the predefined constant phase shift should be understood to mean a frequency or a phase shift which is maintained or always produced promptly by means of a suitable regulation, regardless of changing boundary conditions. According to the present invention, certain deviations from the predefined frequency or the predefined phase shift due to control delays or other influences should be explicitly possible.

Zudem ist zu berücksichtigen, dass die durch das Wechselsignal erzeugte konstante Frequenz oder die konstante Phasenverschiebung auf einen RLC-Reihenschwingkreis eines Eingangs des Halbleiterbauelements abgestimmt ist, sodass Temperaturänderungen innerhalb eines gesamten zu erfassenden Sperrschichttemperaturbereichs zu messbaren Änderungen der temperaturabhängigen Eigenschaft führen. Mit anderen Worten ist die Abstimmung derart auszulegen, dass sich die jeweilige temperaturabhängige Messgröße (d. h., eine Frequenzverschiebung oder eine Phasenverschiebung) nicht in die Messung verfälschende Sättigungsbereiche hineinbewegt. Der Reihenschwingkreis wird aus einer Gate-Induktivität, einem internen Gate-Widerstand und einer Eingangskapazität des Halbleiterbauelements gebildet.It must also be taken into account that the constant frequency generated by the alternating signal or the constant phase shift is matched to an RLC series resonant circuit of an input of the semiconductor component, so that temperature changes within an entire junction temperature range to be detected lead to measurable changes in the temperature-dependent property. In other words, the tuning is to be designed in such a way that the respective temperature-dependent measured variable (i.e. a frequency shift or a phase shift) does not move into saturation ranges that falsify the measurement. The series resonant circuit is formed from a gate inductance, an internal gate resistance and an input capacitance of the semiconductor component.

Die vorliegende Erfindung bietet u. a. den Vorteil, dass die Sperrschichttemperatur nicht über einen Betrag eines Gate-Stroms, sondern über eine Phasenverschiebung oder eine Frequenzverschiebung von Strom und/oder Spannung bestimmt wird, wodurch eine solche Sperrschichttemperaturbestimmung weniger störanfällig ist. Zudem ist die Überwachung der Sperrschichttemperatur grundsätzlich nicht auf bestimmte Betriebszustände des Halbleiterbauelements eingeschränkt.The present invention offers the advantage, inter alia, that the junction temperature is not determined via a gate current amount, but via a phase shift or a frequency shift of current and/or voltage, as a result of which such a junction temperature determination is less susceptible to interference. In addition, the monitoring Calculation of the junction temperature is fundamentally not limited to specific operating states of the semiconductor component.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Vorteilhaft bewirkt die Frequenz des Wechselsignals bei vordefinierten Referenzbedingungen (z. B. einer vordefinierten Umgebungstemperatur) einen betragsmäßigen Phasenversatz von 20° bis 80°, bevorzugt von 30° bis 60° und insbesondere bevorzugt von 45° zwischen der Gate-Spannung und dem Gate-Strom. Ein Phasenversatz von 45° ist dabei besonders vorteilhaft, da Änderungen der Sperrschichttemperatur hierdurch jeweils größtmögliche Änderung der Phasenverschiebung (d. h. einen betragsmäßig maximalen Phasenhub) hervorrufen. Hierdurch ist es dementsprechend möglich, eine besonders hohe Auflösung und somit eine besonders hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Sperrschichttemperatur zu erzielen.The frequency of the alternating signal under predefined reference conditions (e.g. a predefined ambient temperature) advantageously brings about a phase offset of 20° to 80°, preferably 30° to 60° and particularly preferably 45°, between the gate voltage and the gate voltage. Electricity. A phase shift of 45° is particularly advantageous since changes in the junction temperature cause the greatest possible change in the phase shift (i.e. a maximum phase deviation in terms of absolute value). As a result, it is accordingly possible to achieve a particularly high resolution and thus a particularly high level of accuracy when determining the junction temperature.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Ermitteln der Sperrschichttemperatur in einem sperrenden und/oder einem leitenden Betrieb des Halbleiterbauelements ausgeführt wird. Dies ermöglicht dementsprechend eine zeitlich uneingeschränkte Überwachung der Sperrschichttemperatur, sodass evtl. kritische Temperaturabweichungen zu jedem Betriebszeitpunkt des Halbleiterbauelements ermittelbar sind.In an advantageous embodiment of the present invention, the determination of the junction temperature is carried out in a blocking and/or a conducting operation of the semiconductor component. Accordingly, this enables the junction temperature to be monitored without any time restrictions, so that any critical temperature deviations can be determined at any operating time of the semiconductor component.

Weiterhin ist es denkbar, das Ermitteln der Sperrschichttemperatur kontinuierlich oder zu vordefinierten Zeitpunkten auszuführen. Durch ein kontinuierliches Ermitteln der Sperrschichttemperatur wird u. a. eine frühzeitige Kurzschlusserkennung ermöglicht. Als vordefinierte Zeitpunkte kommen beispielsweise Einschalt- und/oder Ausschaltvorgänge des Halbleiterbauelements und/oder Zeitpunkte mit besonders hohem Laststrom durch das Halbleiterbauelement oder davon abweichende Zeitpunkte in Frage.Furthermore, it is conceivable to determine the junction temperature continuously or at predefined points in time. By continuously determining the junction temperature, e.g. enables early short-circuit detection. For example, switch-on and/or switch-off processes of the semiconductor component and/or points in time with a particularly high load current through the semiconductor component or points in time deviating therefrom come into consideration as predefined points in time.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Ermitteln der Sperrschichttemperatur verwendet, um auf Basis einer hierdurch ermittelbaren thermischen Impedanz des Halbleiterbauelements einen Gesundheitszustand des Halbleiterbauelements abzuleiten.In a further advantageous refinement of the present invention, the determination of the junction temperature is used in order to derive a state of health of the semiconductor component on the basis of a thermal impedance of the semiconductor component which can be determined in this way.

Besonders bevorzugt liegt eine Amplitude des Wechselsignals in einem Bereich, in welchem durch das Wechselsignal kein Übergang zwischen einem sperrenden Betrieb und einem leitenden Betrieb des Halbleiterbauelements verursacht wird. Dies ist besonders dann zu berücksichtigen, wenn ein aktueller Arbeitspunkt des Halbeiterbauelements so eingestellt ist, dass bereits eine geringe Amplitude des Wechselsignals zu einer Änderung eines Schaltzustandes des Halbleiterbauelements führen kann.An amplitude of the alternating signal is particularly preferably in a range in which the alternating signal does not cause a transition between blocking operation and conducting operation of the semiconductor component. This must be taken into account in particular when a current operating point of the semiconductor component is set in such a way that even a small amplitude of the alternating signal can lead to a change in a switching state of the semiconductor component.

Weiter bevorzugt liegt das Wechselsignal innerhalb eines Frequenzbereichs und/oder innerhalb eines Amplitudenbereichs, in welchem eine im Lastpfad des Halbleiterbauelements angeordnete Komponente (oder auch mehrere im Lastpfad angeordnete Komponenten) durch die Ansteuerung des Gates des Halbleiterbauelements mittels des Wechselsignals in ihrer Funktion im Wesentlichen nicht beeinflusst wird. Bezüglich der Wahl der Frequenz ist es ferner möglich, einen Tiefpasscharakter des Lastpfades auszunutzen, indem die Frequenz so hoch gewählt wird, dass sich durch das Signal bewirkte Ansteuerungen des Gates des Halbleiterbauelements aufgrund des Tiefpasscharakters im Lastpfad nicht auswirken.The alternating signal is more preferably within a frequency range and/or within an amplitude range in which a component arranged in the load path of the semiconductor component (or also a plurality of components arranged in the load path) is essentially not influenced in its function by the activation of the gate of the semiconductor component by means of the alternating signal becomes. With regard to the selection of the frequency, it is also possible to utilize a low-pass character of the load path by selecting the frequency so high that the gate of the semiconductor component being driven by the signal does not have an effect due to the low-pass character in the load path.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird beim Ermitteln der Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements ein Ergebnis eines vorausgehenden Kalibrierungsvorgangs berücksichtigt, durch welchen jeweilige Zuordnungen von Frequenzen und/oder Phasenverschiebungen zu jeweiligen Temperaturwerten kalibriert werden. Auf diese Weise lassen sich Bauteiltoleranzen und/oder Schaltungstoleranzen zumindest anteilig kompensieren, wodurch sich eine Genauigkeit beim Ermitteln der Sperrschichttemperatur auf Basis des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens erhöhen lässt.In a further advantageous embodiment of the present invention, when determining the junction temperature of the semiconductor component, a result of a preceding calibration process is taken into account, by which respective assignments of frequencies and/or phase shifts to respective temperature values are calibrated. In this way, component tolerances and/or circuit tolerances can be compensated for at least in part, as a result of which accuracy when determining the junction temperature on the basis of the present inventive method can be increased.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements mit isoliertem Gate vorgeschlagen, welche aufweist: ein Halbleiterbauelement mit isoliertem Gate, eine Signalquelle, welche beispielsweise ein Bestandteil eines Gate-Treiber des Halbleiterbauelements oder eine eigenständige Komponente der Schaltungsanordnung ist, eine Spanungserfassungseinheit, eine Stromerfassungseinheit und eine Auswerteeinheit. Die Signalquelle ist eingerichtet, ein vordefiniertes Wechselsignal (z. B. ein Sinussignal) zu erzeugen und ein Gate des Halbleiterbauelements mittels des erzeugten Wechselsignals anzusteuern. Die Auswerteeinheit ist beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet und eingerichtet, mittels der Spanungserfassungseinheit und mittels der Stromerfassungseinheit jeweils einen Gate-Strom und eine Gate-Spannung während der Ansteuerung des Gates durch das Wechselsignal zu erfassen. Darüber hinaus ist die Auswerteeinheit eingerichtet, eine Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements auf Basis einer temperaturabhängigen Eigenschaft der Gate-Spannung und/oder des Gate-Stroms zu ermitteln. Die temperaturabhängige Eigenschaft ist eine temperaturabhängige Phasenverschiebung zwischen der Gate-Spannung und dem Gate-Strom, sofern das Wechselsignal eine Gate-Spannung und einen Gate-Strom mit einer vordefinierten konstanten Frequenz erzeugt. Alternativ ist die temperaturabhängige Eigenschaft eine temperaturabhängige Frequenz der Gate-Spannung und/oder des Gate-Stroms, sofern das Wechselsignal eine vordefinierte konstante Phasenverschiebung zwischen der Gate-Spannung und dem Gate-Strom erzeugt. Zudem ist die durch das Wechselsignal erzeugte konstante Frequenz oder die konstante Phasenverschiebung auf einen RLC-Reihenschwingkreis eines Eingangs des Halbleiterbauelements abgestimmt, sodass Temperaturänderungen innerhalb eines gesamten zu erfassenden Sperrschichttemperaturbereichs zu messbaren Änderungen der temperaturabhängigen Eigenschaft führen. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.According to a second aspect of the present invention, a circuit arrangement for determining a junction temperature of a semiconductor device with an insulated gate is proposed, which has: a semiconductor device with an insulated gate, a signal source which is, for example, part of a gate driver of the semiconductor device or an independent component of the circuit arrangement , a voltage detection unit, a current detection unit and an evaluation unit. The signal source is set up to generate a predefined alternating signal (eg a sinusoidal signal) and to drive a gate of the semiconductor component using the generated alternating signal. The evaluation unit is designed and set up, for example, as an ASIC, FPGA, processor, digital signal processor, microcontroller, or similar, by means of the voltage detection unit and by means of the current detection unit a gate current and a gate voltage during the actuation of the gate by the alternating signal capture. In addition, the evaluation unit is set up to determine a junction temperature of the semiconductor component on the basis of a temperature-dependent property of the gate voltage and/or the gate current. The temperature dependent property is a tempera ture-dependent phase shift between the gate voltage and the gate current if the alternating signal generates a gate voltage and a gate current with a predefined constant frequency. Alternatively, the temperature-dependent property is a temperature-dependent frequency of the gate voltage and/or the gate current if the alternating signal produces a predefined constant phase shift between the gate voltage and the gate current. In addition, the constant frequency generated by the alternating signal or the constant phase shift is matched to an RLC series resonant circuit of an input of the semiconductor component, so that temperature changes within an entire junction temperature range to be detected lead to measurable changes in the temperature-dependent property. The features, feature combinations and the resulting advantages correspond to those stated in connection with the first-mentioned aspect of the invention in such a way that, to avoid repetition, reference is made to the above statements.

Das Halbleiterbauelement ist beispielsweise ein Si-MOSFET, ein SiC-MOSFET, ein IGBT, ein HEMT, insbesondere ein GaN-HEMT, oder ein davon abweichend ausgebildetes Halbeiterbauelement mit isoliertem Gate.The semiconductor component is, for example, a Si-MOSFET, a SiC-MOSFET, an IGBT, an HEMT, in particular a GaN-HEMT, or a semiconductor component with an insulated gate that is designed differently.

Figurenlistecharacter list

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigt:

  • 1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
An embodiment of the invention is described in detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:
  • 1 a circuit diagram of a circuit arrangement according to an embodiment of the present invention.

Ausführungsform der Erfindungembodiment of the invention

1 zeigt ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schaltungsanordnung ist hier ein Bestandteil eines Leistungsmoduls und weist einen Gate-Treiber 20 und einen SiC-MOSFET 10 (nachfolgend verkürzt als MOSFET 10 bezeichnet) auf, welcher hier auf ein Ersatzschaltbild eines Eingangs des MOSFET 10 reduziert ist. 1 shows a circuit diagram of a circuit arrangement according to an embodiment of the present invention. The circuit arrangement here is a component of a power module and has a gate driver 20 and a SiC MOSFET 10 (referred to below as MOSFET 10 for short), which is reduced here to an equivalent circuit diagram of an input of MOSFET 10 .

Der Gate-Treiber 20 ist in dieser Ausführungsform in einen ASIC integriert und weist eine Spannungsquelle VGON auf, welche eingerichtet ist, einen Arbeitspunkt des MOSFET 10 einzustellen.In this embodiment, the gate driver 20 is integrated into an ASIC and has a voltage source V GON which is set up to set an operating point of the MOSFET 10 .

Zudem weist der Gate-Treiber 20 eine Signalquelle 30 auf, welche eingerichtet ist, ein Wechselsignal S in Form eines Sinussignals zu erzeugen und ein Gate des Halbleiterbauelements 10 mittels des erzeugten Wechselsignals S anzusteuern.In addition, the gate driver 20 has a signal source 30 which is set up to generate an alternating signal S in the form of a sinusoidal signal and to drive a gate of the semiconductor component 10 by means of the alternating signal S generated.

Weiterhin weist der Gate-Treiber 20 eine Spanungserfassungseinheit 40 auf, welche eingerichtet ist, eine Gate-Spannung VG zu erfassen und er weist zudem eine Stromerfassungseinheit 50 auf, welche auf Basis eines Messwiderstandes RM eingerichtet ist, einen Gate-Strom IG zu erfassen.Furthermore, the gate driver 20 has a voltage detection unit 40 which is set up to detect a gate voltage V G and it also has a current detection unit 50 which is set up on the basis of a measuring resistor R M to assign a gate current I G capture.

Eine Auswerteeinheit 60 des Gate-Treibers 20 ist eingerichtet, über einen A/D-Wandler 70 jeweilige analog erfasste Strom- und Spannungssignale der Spanungserfassungseinheit 40 und der Stromerfassungseinheit 50 in digitaler Form zu empfangen und eine Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements 10 auf Basis einer temperaturabhängigen Phasenverschiebung zwischen der Gate-Spannung VG und dem Gate-Strom IG zu ermitteln, während das Wechselsignal S eine Gate-Spannung VG und einen Gate-Strom IG mit einer vordefinierten konstanten Frequenz erzeugt.An evaluation unit 60 of the gate driver 20 is set up to receive analog current and voltage signals from the voltage detection unit 40 and the current detection unit 50 in digital form via an A/D converter 70 and to calculate a junction temperature of the semiconductor component 10 on the basis of a temperature-dependent phase shift between to determine the gate voltage V G and the gate current I G , while the alternating signal S generates a gate voltage V G and a gate current I G with a predefined constant frequency.

Die durch das Wechselsignal S erzeugte konstante Frequenz ist auf einen RLC-Reihenschwingkreis des Eingangs des Halbleiterbauelements 10 abgestimmt, sodass Temperaturänderungen innerhalb eines gesamten zu erfassenden Sperrschichttemperaturbereichs zu messbaren Änderungen der Phasenverschiebung zwischen der Gate-Spannung VG und dem Gate-Strom IG führen. Der RLC-Reihenschwingkreis wird aus einer Gate-Induktivität LG, einem temperaturabhängigen internen Gate-Widerstand RG und einer Eingangskapazität Ciss des Halbleiterbauelements 10 gebildet.The constant frequency generated by the alternating signal S is matched to an RLC series resonant circuit of the input of the semiconductor component 10, so that temperature changes within an entire junction temperature range to be detected lead to measurable changes in the phase shift between the gate voltage V G and the gate current I G . The RLC series resonant circuit is formed from a gate inductance L G , a temperature-dependent internal gate resistance R G and an input capacitance C iss of the semiconductor component 10 .

Auf Basis der vorstehenden Konfiguration ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß obiger Beschreibung auszuführen, wobei das Verfahren sowohl im eingeschalteten, als auch im ausgeschalteten Zustand des Halbleiterelements 10 kontinuierlich, d. h., in vordefinierten zeitlichen Abständen, durchgeführt wird. Alternativ wird das Verfahren nur in Zeiträumen ausgeführt, in denen ein hoher Laststrom fließt, welcher einen vordefinierten Laststromschwellenwert überschreitet.On the basis of the above configuration, the circuit arrangement according to the invention is set up to carry out a method according to the invention as described above, the method being continuous, i. i.e. at predefined time intervals. Alternatively, the method is only carried out in time periods in which a high load current is flowing, which exceeds a predefined load current threshold value.

Die Frequenz des Wechselsignals S ist zudem derart festgelegt, dass unter vordefinierten Referenzbedingungen ein betragsmäßiger Phasenversatz in Höhe von 45° zwischen der Gate-Spannung VG und dem Gate-Strom IG vorliegt.The frequency of the alternating signal S is also defined in such a way that under predefined reference conditions there is a phase offset of 45° between the gate voltage V G and the gate current I G .

Es sei darauf hingewiesen, dass das Wechselsignal S weiterhin derart festgelegt ist, dass eine Amplitude und eine Frequenz des Wechselsignals S zu keiner Beeinträchtigung einer im Lastkreis des Halbleiterbauelements 10 angeordneten Komponente führen.It should be pointed out that the alternating signal S is also defined in such a way that an amplitude and a frequency of the alternating signal S do not lead to any impairment of a component arranged in the load circuit of the semiconductor component 10 .

Ferner wird das Verfahren erst nach einer initialen Kalibrierung der Schaltungsanordnung ausgeführt, bei welcher jeweilige Zuordnungen von betragsmäßigen Phasenverschiebungen zu jeweiligen Temperaturwerten kalibriert werden.Furthermore, the method is only initiated after an initial calibration of the circuit arrangement leads, in which respective assignments of absolute phase shifts to respective temperature values are calibrated.

Claims (10)

Verfahren zum Ermitteln einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements (10) mit isoliertem Gate aufweisend die Schritte: • Ansteuern eines Gates des Halbleiterbauelements (10) mittels eines vordefinierten Wechselsignals (S), • Erfassen eines Gate-Stroms (IG) und einer Gate-Spannung (VG) während der Ansteuerung des Gates mittels des Wechselsignals (S), und • Ermitteln einer Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements (10) auf Basis einer temperaturabhängigen Eigenschaft der Gate-Spannung (VG) und/oder des Gate-Stroms (IG), wobei • die temperaturabhängige Eigenschaft eine temperaturabhängige Phasenverschiebung zwischen der Gate-Spannung (VG) und dem Gate-Strom (IG) ist, sofern das Wechselsignal (S) eine Gate-Spannung (VG) und einen Gate-Strom (IG) mit einer vordefinierten konstanten Frequenz erzeugt, • die temperaturabhängige Eigenschaft eine temperaturabhängige Frequenz der Gate-Spannung (VG) und/oder des Gate-Stroms (IG) ist, sofern das Wechselsignal (S) eine vordefinierte konstante Phasenverschiebung zwischen der Gate-Spannung (VG) und dem Gate-Strom (IG) erzeugt, und • die durch das Wechselsignal (S) erzeugte konstante Frequenz oder die konstante Phasenverschiebung auf einen RLC-Reihenschwingkreis eines Eingangs des Halbleiterbauelements (10) abgestimmt ist, sodass Temperaturänderungen innerhalb eines gesamten zu erfassenden Sperrschichttemperaturbereichs zu messbaren Änderungen der temperaturabhängigen Eigenschaft führen.Method for determining a junction temperature of a semiconductor component (10) with an insulated gate, comprising the steps: • driving a gate of the semiconductor component (10) by means of a predefined alternating signal (S), • detecting a gate current (I G ) and a gate voltage ( V G ) while driving the gate by means of the alternating signal (S), and • determining a junction temperature of the semiconductor component (10) on the basis of a temperature-dependent property of the gate voltage (V G ) and/or the gate current (I G ), where • the temperature-dependent property is a temperature-dependent phase shift between the gate voltage (V G ) and the gate current (I G ) if the alternating signal (S) has a gate voltage (VG) and a gate current (I G ) generated with a predefined constant frequency, • the temperature-dependent property is a temperature-dependent frequency of the gate voltage (V G ) and/or the gate current (I G ), if the alternating signal (p ) generates a predefined constant phase shift between the gate voltage (V G ) and the gate current (I G ), and • the constant frequency generated by the alternating signal (S) or the constant phase shift on an RLC series resonant circuit of an input of the semiconductor device (10) is tuned such that temperature changes over an entire junction temperature range to be detected lead to measurable changes in the temperature-dependent property. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Frequenz des Wechselsignals (S) bei vordefinierten Referenzbedingungen einen betragsmäßigen Phasenversatz von 20° bis 80°, bevorzugt von 30° bis 60° und insbesondere bevorzugt von 45° zwischen der Gate-Spannung (VG) und dem Gate-Strom (IG) bewirkt.procedure after claim 1 , wherein the frequency of the alternating signal (S) under predefined reference conditions has an absolute phase offset of 20° to 80°, preferably 30° to 60° and particularly preferably 45° between the gate voltage (V G ) and the gate current ( I G ). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der Sperrschichttemperatur in einem sperrenden und/oder einem leitenden Betrieb des Halbleiterbauelements (10) ausgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the determination of the junction temperature is carried out in a blocking and/or a conducting operation of the semiconductor component (10). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der Sperrschichttemperatur kontinuierlich oder zu vordefinierten Zeitpunkten ausgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the determination of the junction temperature is carried out continuously or at predefined points in time. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der Sperrschichttemperatur verwendet wird, um auf Basis einer hierdurch ermittelbaren thermischen Impedanz des Halbleiterbauelements (10), einen Gesundheitszustand des Halbleiterbauelements (10) zu ermitteln.Method according to one of the preceding claims, wherein the determination of the junction temperature is used to determine a state of health of the semiconductor device (10) on the basis of a thermal impedance of the semiconductor device (10) that can be determined thereby. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Amplitude des Wechselsignals (S) in einem Bereich liegt, in welchem durch das Wechselsignal (S) kein Übergang zwischen einem sperrenden Betrieb und einem leitenden Betrieb des Halbleiterbauelements (10) verursacht wird.Method according to one of the preceding claims, wherein an amplitude of the alternating signal (S) is in a range in which the alternating signal (S) does not cause a transition between blocking operation and conducting operation of the semiconductor component (10). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wechselsignal (S) innerhalb eines Frequenzbereichs und/oder eines Amplitudenbereichs liegt, in welchem eine im Lastpfad des Halbleiterbauelements (10) angeordnete Komponente durch die Ansteuerung des Gates des Halbleiterbauelements (10) mittels des Wechselsignals (S) in ihrer Funktion im Wesentlichen nicht beeinflusst wird.Method according to one of the preceding claims, in which the alternating signal (S) lies within a frequency range and/or an amplitude range in which a component arranged in the load path of the semiconductor component (10) is affected by the actuation of the gate of the semiconductor component (10) by means of the alternating signal (S ) is essentially unaffected in its function. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Ermitteln der Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements (10) ein Ergebnis eines vorausgehenden Kalibrierungsvorgangs berücksichtigt wird, durch welchen jeweilige Zuordnungen von Frequenzen oder Phasenverschiebungen zu jeweiligen Temperaturwerten kalibriert werden.Method according to one of the preceding claims, wherein when determining the junction temperature of the semiconductor component (10) a result of a previous calibration process is taken into account, by which respective assignments of frequencies or phase shifts to respective temperature values are calibrated. Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements (10) mit isoliertem Gate aufweisend: • ein Halbleiterbauelement (10) mit isoliertem Gate, • eine Signalquelle (30), • eine Spanungserfassungseinheit (40), • eine Stromerfassungseinheit (50), und • eine Auswerteeinheit (60), wobei • die Signalquelle (S) eingerichtet ist, ◯ ein vordefiniertes Wechselsignal (S) zu erzeugen, und ◯ ein Gate des Halbleiterbauelements (10) mittels des erzeugten Wechselsignals (S) anzusteuern, • die Auswerteeinheit (60) eingerichtet ist, ◯ mittels der Spanungserfassungseinheit (40) und mittels der Stromerfassungseinheit (50) jeweils einen Gate-Strom (IG) und eine Gate-Spannung (VG) während der Ansteuerung des Gates durch das Wechselsignal (S) zu erfassen, und ◯ eine Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements (10) zu ermitteln auf Basis einer temperaturabhängigen Eigenschaft der Gate-Spannung (VG) und/oder des Gate-Stroms (IG), • die temperaturabhängige Eigenschaft eine temperaturabhängige Phasenverschiebung zwischen der Gate-Spannung (VG) und dem Gate-Strom (IG) ist, sofern das Wechselsignal eine Gate-Spannung (VG) und einen Gate-Strom (IG) mit einer vordefinierten konstanten Frequenz erzeugt, • die temperaturabhängige Eigenschaft eine temperaturabhängige Frequenz der Gate-Spannung (VG) und/oder des Gate-Stroms (IG) ist, sofern das Wechselsignal (S) eine vordefinierte konstante Phasenverschiebung zwischen der Gate-Spannung (VG) und dem Gate-Strom (IG) erzeugt, und • die durch das Wechselsignal (S) erzeugte konstante Frequenz oder die konstante Phasenverschiebung auf einen RLC-Reihenschwingkreis eines Eingangs des Halbleiterbauelements (10) abgestimmt ist, sodass Temperaturänderungen innerhalb eines gesamten zu erfassenden Sperrschichttemperaturbereichs zu messbaren Änderungen der temperaturabhängigen Eigenschaft führen.Circuit arrangement for determining a junction temperature of a semiconductor component (10) with an insulated gate, comprising: • a semiconductor component (10) with an insulated gate, • a signal source (30), • a voltage detection unit (40), • a current detection unit (50), and • an evaluation unit (60), where • the signal source (S) is set up, ◯ to generate a predefined alternating signal (S), and ◯ to drive a gate of the semiconductor component (10) by means of the generated alternating signal (S), • the evaluation unit (60) is set up , ◯ by means of the voltage detection unit (40) and by means of the current detection unit (50) to detect a gate current (I G ) and a gate voltage (V G ) during the activation of the gate by the alternating signal (S), and ◯ a To determine the junction temperature of the semiconductor component (10) on the basis of a temperature-dependent property of the gate voltage (V G ) and/or the gate current (I G ), • the temperature-dependent property nschaft is a temperature-dependent phase shift between the gate voltage (V G ) and the gate current (I G ), provided that the alternating signal has a gate voltage (V G ) and a gate current (I G ) with a predefined ten constant frequency, • the temperature-dependent property is a temperature-dependent frequency of the gate voltage (V G ) and/or the gate current (I G ), provided that the alternating signal (S) has a predefined constant phase shift between the gate voltage (V G ) and the gate current (I G ) generated, and • the constant frequency generated by the alternating signal (S) or the constant phase shift is matched to an RLC series resonant circuit of an input of the semiconductor component (10), so that temperature changes within an entire detectable junction temperature range lead to measurable changes in the temperature-dependent property. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, wobei das Halbleiterbauelement (10) • ein Si-MOSFET oder ein SiC-MOSFET, oder • ein IGBT, oder • ein HEMT, insbesondere ein GaN-HEMT ist.Circuit arrangement according to claim 9 , wherein the semiconductor component (10) • is a Si-MOSFET or a SiC-MOSFET, or • an IGBT, or • a HEMT, in particular a GaN-HEMT.
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