FR2759456A1 - Procede, circuit et systeme d'ajustement automatique d'un circuit de mesure de temperature - Google Patents

Procede, circuit et systeme d'ajustement automatique d'un circuit de mesure de temperature Download PDF

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Abstract

L'invention concerne l'ajustement automatique d'un circuit de mesure de température.Elle se rapporte à un procédé d'ajustement automatique d'un circuit de mesure de température pour l'adaptation à une résistance placée dans un dispositif à semi-conducteur de puissance (50) , qui comprend la création de plusieurs valeurs successives d'un nombre, la transmission à la résistance (10) d'un courant variable augmentant en fonction de chaque valeur successive du nombre, la mesure de la tension aux bornes de la résistance (10) , la terminaison du comptage lorsque la tension aux bornes de la résistance (10) atteint une valeur prédéfinie, et la mémorisation d'une valeur finale parmi les valeurs successives du nombre.Application à la protection des dispositifs à semiconducteur de puissance.

Description

La présente invention concerne la détection de la température de jonction
d'un dispositif à semi-conducteur de puissance à grille MOS, tel qu'un transistor à effet de champ MOSFET ou une pastille à transistor bipolaire à grille isolée IGBT. Plus précisément, l'invention concerne l'intégration d'un capteur simple de température à la pastille d'un dispositif à grille MOS et elle concerne un circuit
intégré destiné à ajuster et lire le capteur.
La détermination précise de la température de jonction Tj d'un dispositif à semi-conducteur de puissance est importante pour l'obtention de niveaux élevés de fiabilité
du fonctionnement. Ce problème est particulièrement impor-
tant dans le cas des transistors à effet de champ MOSFET de puissance à valeur de résistance Rds,on extrêmement faible, par exemple ayant une valeur de 6 mQ, car ces dispositifs
sont très difficiles à protéger contre les surcharges.
On sait qu'on peut utiliser un circuit intégré pour la détermination de la température de jonction d'un dispositif à semi-conducteur de puissance. Cependant, les dispositifs peu connus à transistors à effet de champ, tels que les transistors TEMPFET fabriqués par Siemens, nécessitent le montage du circuit intégré sur le dispositif de puissance ou
près de celui-ci. Il est plus souhaitable de pouvoir condi-
tionner séparément le circuit intégré dans un boîtier classique ou de le conditionner simultanément avec le
dispositif de puissance.
Il existe divers types d'intégration d'un capteur de
température dans un dispositif à semi-conducteur de puis-
sance. Dans un exemple, des diodes au silicium polycris-
tallin, des diodes à substrat P+/epi ou des transistors MOSFET latéraux sont incorporés pour la détection de la température. Cependant, ces capteurs connus présentent des
restrictions et nécessitent une fabrication à l'aide d'opé-
rations non classiques mettant en oeuvre des masques supplé-
mentaires. Il est donc souhaitable d'incorporer un capteur de température compatible avec les opérations actuelles de
fabrication des dispositifs existants à semi-conducteur.
On a déjà proposé d'incorporer une résistance à un dispositif à semiconducteur de puissance, par exemple une résistance de silicium polycristallin N+, pour la détection de la température de la jonction. Les opérations classiques de fabrication d'une résistance de silicium polycristallin ont des variations très grandes, habituellement de +20 % qui, compte tenu du très faible coefficient de variation avec la température, habituellement de 0,1 %/ C, peut provoquer une variation de 200 C de la température mesurée. Bien que ce problème puisse être résolu par ajustement du circuit intégré qui lit le capteur, le procédé de production en série du circuit intégré serait très compliqué si chaque circuit intégré individuel devait être ajusté en fonction d'un transistor respectif MOSFET ou IGBT. Il est en outre souhaitable de simplifier l'adaptation du circuit intégré au
dispositif de puissance.
La présente invention met en oeuvre une résistance de
silicium polycristallin N+ pour la détection de la tempéra-
ture de la jonction d'un dispositif à semi-conducteur à grille MOS et met en oeuvre un circuit intégré qui s'adapte
automatiquement au dispositif de puissance.
L'utilisation d'une résistance de silicium poly-
cristallin N+ pour la détection de la température de la
jonction présente plusieurs avantages. Le capteur est compa-
tible avec les dispositifs à semi-conducteur actuels à grille MOS, tels que les transistors à effet de champ MOSFET de puissance HEXFET réalisés par International Rectifier Corporation et les transistors IGBT aussi fabriqués par International Rectifier Corporation. Le capteur peut être facilement acheminé au centre du dispositif de puissance pour la détection de la température de crête. La constante de temps thermique est très faible, habituellement de l'ordre de 1 ps, et elle est inférieure d'un facteur de dix
environ à celle des dispositifs connus. Le centre est tota-
lement isolé des bornes de puissance par l'oxyde de champ si bien que l'isolement est d'au moins +60 V dans le cas des transistors MOSFET HEXFET à basse tension et est plus élevé
pour les transistors IGBT. Ainsi, la température d'un dispo-
sitif à semi-conducteur de puissance du côté des tempéra-
tures élevées peut être facilement détectée à l'aide d'une
commande à circuit intégré reliée à la masse.
Le circuit intégré à adaptation automatique comprend une petite mémoire permanente, habituellement d'environ bits, et un séquenceur d'ajustement. Lorsque le circuit intégré est assemblé au dispositif à semi-conducteur de puissance sur une carte de circuit imprimé ou sur un module hybride ou de puissance et est testé par l'utilisateur final, un signal de programmation, habituellement de 5 V, est appliqué à une entrée spéciale du circuit intégré. Le signal lance une séquence d'ajustement dans le circuit intégré, qui peut être analogue à celle qui est utilisée par le dispositif IR3010 vendu par International Rectifier
Corporation. Le circuit intégré détermine alors la combinai-
son optimale de bits qui correspond à la résistance respective à température ambiante du capteur. La séquence
d'ajustement est totalement transparente pour l'utilisateur.
Lorsque la broche de programmation est libérée, le mot à bits est mémorisé de façon permanente dans la mémoire du
circuit intégré.
Le circuit intégré met en oeuvre la valeur de la résistance de silicium polycristallin comme image de la température de jonction du dispositif de puissance. Le circuit intégré doit aussi pouvoir transmettre un simple signal de température excessive (OT) lorsque la température détectée dépasse un seuil prédéterminé, un double signal OT indiquant une alarme préalable et un arrêt, ou une mesure linéaire de la température Tj de la jonction. Ces fonctions
peuvent être réalisées avec un traitement analogique relati-
vement simple. Le circuit intégré peut aussi contrôler la température de la jonction d'un nombre de dispositifs à semi-conducteur de puissance pouvant atteindre quatre à six,
lorsqu'ils sont connectés en pont.
Selon l'invention, un procédé d'ajustement automatique d'un circuit de mesure de température s'adapte à une résistance respective de détection de température placée dans le dispositif à semi-conducteur de puissance. Plusieurs valeurs successives d'un nombre sont créées, et un courant
variable est transmis à la résistance de détection de tempé-
rature qui augmente en fonction de chaque valeur successive
du nombre. La tension aux bornes de la résistance est mesu-
rée, et le comptage est terminé lorsque la tension aux bornes de la résistance de détection de température atteint
une valeur prédéfinie. La dernière de ces valeurs est mémo-
risée.
Un signal de remise à zéro destiné à lancer la création des valeurs successives du nombre peut être appliqué. Une valeur d'un courant constant peut être créée en fonction de la valeur mémorisée du nombre, du courant transmis à la résistance de détection de température, et de la tension aux bornes de la résistance de détection de température qui est mesurée. La tension mesurée peut être comparée à une valeur limite qui est proportionnelle à la valeur prédéfinie, et un signal de température excessive peut être créé lorsque la
tension mesurée dépasse la valeur limite.
La valeur prédéfinie peut être proportionnelle à la tension correspondant à la bande interdite. Ce procédé peut
aussi être exécuté par un circuit intégré.
Dans un autre aspect, l'invention concerne un circuit de contrôle de température à ajustement automatique qui
s'adapte à une résistance respective de détection de tempé-
rature placée dans le dispositif à semi-conducteur de puissance. Le séquenceur crée plusieurs valeurs successives d'un nombre, et une source de courant transmet un courant variable à résistance de détection de température, avec une valeur qui augmente en fonction de chaque valeur successive du nombre. Un circuit de mesure effectue la mesure de la
tension aux bornes de la résistance de détection de tempé-
rature, et un circuit de détection termine le fonctionnement du séquenceur lorsque la tension aux bornes de la résistance
de détection de température atteint une valeur prédéfinie.
La valeur finale du nombre est mémorisée dans une mémoire.
Un générateur d'un signal de remise à zéro peut créer
un signal qui déclenche le fonctionnement d'un séquenceur.
La source de courant peut comprendre un miroir de courant à rapport variable et le séquenceur peut comprendre un compteur. La valeur prédéfinie peut être proportionnelle à
la tension correspondant à la largeur de la bande interdite.
La source de courant peut être une source de courant constant qui crée un courant constant en fonction de la valeur conservée dans la mémoire, et le circuit de mesure peut mesurer la tension aux bornes de la résistance à l'aide du courant constant. Un circuit de détection de surtension compare la tension aux bornes de la résistance à une valeur limite proportionnelle à la valeur prédéfinie, lorsque le courant constant est transmis aux bornes de la résistance de détection de température, et le générateur de signal de
température excessive crée un signal de température exces-
sive lorsque la tension mesurée dépasse la valeur limite.
Le circuit peut être un circuit intégré, et la mémoire
peut être une mémoire EEPROM.
Dans un autre aspect de l'invention, un système mesure
la température de la jonction d'un dispositif à semi-conduc-
teur de puissance et comporte une résistance de détection de température placée dans le dispositif à semi-conducteur de
puissance, et un circuit de détection de température à ajus-
tement automatique qui peut s'adapter à la résistance de
détection de température.
Un dispositif à semi-conducteur peut être un transistor MOSFET ou peut être un transistor IGBT. Le circuit peut être un circuit intégré, et le circuit intégré et le dispositif à semi-conducteur de puissance peuvent être placés dans un
même boîtier.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
seront mieux compris à la lecture de la description qui va
suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels:
la figure 1 est une vue en plan d'un dispositif à semi-
conducteur de puissance à grille MOS dans lequel une
résistance de silicium polycristallin de détection de tempé-
rature est incorporée selon l'invention; la figure 2 est un diagramme synoptique représentant le circuit intégré de détection de température selon l'invention; et la figure 3 est un schéma d'un exemple de réalisation
du circuit intégré de la figure 2 avec un dispositif à semi-
conducteur de puissance.
La figure 1 montre comment une résistance de silicium polycristallin formant un capteur de température peut être réalisée dans une pastille 9 de dispositif à semi-conducteur de puissance à grille MOS. La pastille peut être celle d'un transistor MOSFET ou IGBT de puissance par exemple. La résistance 10 de silicium polycristallin est plus étroite au voisinage de la plage de source 11 afin qu'elle puisse détecter la température de crête. La valeur totale de la résistance laminaire est de 1 000 à 2 000 Q par carré,
correspondant à une résistance de 25 à 50 kO respectivement.
La plage 12 de grille, le drain 13 et la source 11 sont connectés aux broches 14, 15 et 16 respectivement d'un boîtier classique. Des broches 1 et 2 de détection SENSE1 et SENSE2 sont connectées aux plages 17 et 18 de détection
respectivement de la résistance de la pastille 9.
La figure 2 est un diagramme synoptique simplifié du circuit intégré 20 à autoadaptation. Le fonctionnement
d'autoadaptation du circuit intégré 20 est le suivant.
Lorsqu'une tension de +5 V est transmise à l'entrée PROG, un signal d'un générateur 33 de remise à zéro est transmis au compteur 22. Le compteur 22 commence alors à compter en accroissant le rapport du miroir de courant variable 23 et ainsi du courant transmis à la résistance 10. Le courant
transmis à la résistance 10 de détection augmente progres-
sivement jusqu'à ce que la tension à ses bornes atteigne 0,47 fois la valeur de la tension de référence de bande interdite Vbg, présente dans la ligne 29. Cette tension de référence est transmise par une alimentation 37 de référence de largeur de bande interdite et est divisée par un diviseur 38 puis transmise à un amplificateur opérationnel 35 qui compare la tension divisée 0,87 Vbg à la tension aux bornes de la résistance 10. Lorsque la tension aux bornes de la résistance 10 atteint 0,87 Vbg, l'amplificateur opérationnel 35 change d'état et son signal de sortie est transmis à une porte ET 39 qui supprime à son tour le signal de l'entrée du circuit 21 de validation d'horloge. Le signal de validation de la ligne 30 passe alors à un faible niveau et le compteur
22 cesse de compter, et le dernier mot formé de bits trans-
mis par le compteur est conservé dans la mémoire EEPROM 31.
Lors d'une opération normale de détection de tempé-
rature, l'entrée PROG est maintenue au potentiel de la masse par une résistance de réduction de tension 32. Une source de courant 40 crée un courant ayant un coefficient nul de variation avec la température, circulant dans le miroir de courant 23 et dans la résistance de détection 10. La valeur du courant transmis à la résistance est réglée à l'aide de la valeur mémorisée dans la mémoire EEPROM 31 si bien que,
à température ambiante, la tension aux bornes de la résis-
tance est égale à 0,87 Vbg.
Si le dispositif de puissance s'échauffe jusqu'à plus de 170 C, la tension de détection atteint Vbg et provoque le changement d'état de l'amplificateur opérationnel 36, si bien que le signal de la borne 42 indiquant une température excessive (OT) passe à un niveau élevé. La source de courant a un coefficient nul de variation avec la température afin que la température du circuit intégré n'ait pas
d'influence sur le seuil du signal OT.
La mémoire EEPROM 31 peut être réalisée à l'aide d'un
processeur CMOS/EEPROM ou par "décharge de Zener". La dimen-
sion du circuit intégré est seulement de quelques milli-
mètres carrés.
La figure 3 représente une réalisation du circuit inté-
gré 20 en pratique. Ce circuit 20 peut être assemblé dans un boîtier de très petite surface ou peut être assemblé dans un même boîtier avec un dispositif de puissance 50, tel qu'un
transistor MOSFET ou IGBT, dans un module de puissance.
Lors de cette réalisation, il faut prendre des précau-
tions pour régler les variations du coefficient de variation
de la résistance de silicium polycristallin avec la tempéra-
ture (TC). Ces variations se transforment directement en variations du seuil du signal OT. Il est donc préférable que les variations de ce coefficient TC soient inférieures
à +10 %.
On doit aussi prendre des précautions pour éviter la
perte de données dans la mémoire EEPROM qui peut être provo-
quée par une température ambiante élevée, telle qu'une température ambiante de 150 C qui est nécessaire aux applications automobiles et une température ambiante de C dans les applications des modules de puissance. La technique de "décharge de Zener" peut être utilisée à la
place de la mémoire EEPROM 31 dans de telles applications.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés, circuits et systèmes qui viennent d'être décrits uniquement à titre
d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (27)

REVENDICATIONS
1. Procédé d'ajustement automatique d'un circuit de mesure de température pour l'adaptation à une résistance
respective de détection de température placée dans un dis-
positif à semi-conducteur de puissance (50), le procédé
étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes sui-
vantes: la création de plusieurs valeurs successives d'un nombre, la transmission d'un courant variable à la résistance (10) de détection de température, la valeur de ce courant augmentant en fonction de chaque valeur successive du nombre, la mesure de la tension aux bornes de la résistance
(10),
la terminaison du comptage lorsque la tension aux bornes de la résistance (10) de détection de température atteint une valeur prédéfinie, et la mémorisation d'une valeur finale parmi les valeurs
successives du nombre.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de transmission d'un signal de remise à zéro destiné à déclencher l'étape de
création de plusieurs valeurs successives du nombre.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes: la création d'un courant constant en fonction de la valeur mémorisée du nombre, et la transmission du courant
constant à la résistance (10) de détection de tempé-
rature, et la mesure de la tension aux bornes de la résistance
(10) de détection de température.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: la comparaison de la tension mesurée à une valeur limite qui est proportionnelle à la valeur prédéfinie, et la création d'un signal de température excessive
lorsque la tension mesurée dépasse la valeur limite.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur prédéfinie est proportionnelle à la tension de la bande interdite.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce
qu'il est mis en oeuvre par un circuit intégré.
7. Circuit de contrôle de température à ajustement automatique destiné à adapter une résistance (10) respective de détection de température placée dans un dispositif à semi-conducteur de puissance (50), caractérisé en ce qu'il comprend: un séquenceur destiné à créer plusieurs valeurs successives d'un nombre, une source de courant (23) destinée à transmettre un courant variable à la résistance (10) de détection de température, la valeur du courant augmentant en fonction de chaque valeur successive du nombre, un circuit de mesure de la tension aux bornes de la résistance (10) de détection de température,
un circuit de détection destiné à terminer le fonction-
nement du séquenceur lorsque la tension aux bornes de la résistance (10) de détection de température atteint une valeur prédéfinie, et une mémoire (31) destinée à conserver une valeur finale
parmi plusieurs valeurs successives du nombre.
8. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur d'un signal de remise à zéro destiné à créer un signal qui déclenche le fonctionnement du
séquenceur.
9. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que la source de courant (23) comprend un miroir de courant
à rapport variable.
10. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en
ce que le séquenceur comporte un compteur (22).
11. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que la valeur prédéfinie est proportionnelle à la tension
de la bande interdite.
12. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que la source de courant (23) comporte une source de
courant constant, la source de courant (23) créant un cou-
rant constant en fonction de la valeur conservée dans la mémoire (31), et le circuit de mesure effectue la mesure de la tension aux bornes de la résistance (10) à l'aide du
courant constant.
13. Circuit selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de détection d'une surtension destiné à comparer, lorsque le courant constant est transmis aux bornes de la résistance (10) de détection
de température, la tension mesurée aux bornes de la résis-
tance (10) à une valeur limite qui est proportionnelle à la
valeur prédéfinie, et un générateur d'un signal de tempé-
rature excessive destiné à créer un signal de température excessive lorsque la tension mesurée dépasse la valeur
limite.
14. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en
ce qu'il constitue un circuit intégré.
15. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en
ce que la mémoire (31) est une mémoire EEPROM.
16. Système de mesure de la température d'une jonction
d'un dispositif à semi-conducteur de puissance (50), carac-
térisé en ce qu'il comprend: une résistance (10) de détection de température placée dans le dispositif à semi-conducteur de puissance (50), et un circuit de détection de température à ajustement automatique qui peut être adapté à la résistance (10) de détection de température et qui comprend: un séquenceur destiné à créer plusieurs valeurs successives d'un nombre, une source de courant (23) destinée à transmettre un courant variable à la résistance (10) de détection de température, la valeur du courant augmentant en fonction de chaque valeur successive du nombre, un circuit de mesure de la tension aux bornes de la résistance (10) de détection de température, un circuit de détection destiné à terminer le fonctionnement du séquenceur lorsque la tension aux bornes de la résistance (10) de détection de température atteint une valeur prédéfinie, et une mémoire (31) destinée à conserver la valeur
finale des valeurs successives du nombre.
17. Système selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un générateur de signal de remise à zéro destiné à créer un signal qui lance le fonctionnement
du séquenceur.
18. Système selon la revendication 16, caractérisé en ce que la source de courant (23) comporte un miroir de
courant de rapport variable.
19. Système selon la revendication 16, caractérisé en
ce que le séquenceur comporte un compteur (22).
20. Système selon la revendication 16, caractérisé en ce que la valeur prédéfinie est proportionnelle à la tension
de la bande interdite.
21. Système selon la revendication 16, caractérisé en ce que la source de courant (23) comprend une source de
courant constant, la source de courant (23) créant un cou-
rant constant en fonction de la valeur conservée dans la mémoire (31), et le circuit de mesure effectue la mesure de la tension aux bornes de la résistance (10) à l'aide du
courant constant.
22. Système selon la revendication 21, caractérisé en
ce qu'il comprend en outre un circuit de détection de sur-
tension destiné à comparer, lorsque le courant constant est transmis aux bornes de la résistance (10) de détection de température, la tension aux bornes de la résistance (10) à une valeur limite qui est proportionnelle à la valeur prédéfinie, et un générateur de signal de température excessive destiné à créer un signal de température excessive
lorsque la tension mesurée dépasse la valeur limite.
23. Système selon la revendication 16, caractérisé en
ce que le circuit est un circuit intégré.
24. Système selon la revendication 16, caractérisé en
ce que la mémoire (31) est une mémoire EEPROM.
25. Système selon la revendication 16, caractérisé en ce que le dispositif à semi-conducteur de puissance (50) est
un transistor MOSFET.
26. Système selon la revendication 16, caractérisé en ce que le dispositif à semi-conducteur de puissance (50) est
un transistor IGBT.
27. Système selon la revendication 23, caractérisé en ce que le circuit intégré et le dispositif à semi-conducteur
de puissance (50) sont conditionnés dans un même boîtier.
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