TW202319860A - 用於監測形成在第一半導體晶片中功率電晶體溫度的裝置及控制方法 - Google Patents

用於監測形成在第一半導體晶片中功率電晶體溫度的裝置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明公開了一種用於在半導體晶片中形成的功率電晶體的溫度監測的方法和裝置。設置在半導體晶片中的溫度傳感電阻器的一側耦合到功率電晶體的電壓輸入側。耦合到溫度傳感電阻器的第二側的控制器被配置為檢測電阻器兩端的電壓，並使用檢測到的電壓觸發與溫度相關的校正動作。

Description

用於監測形成在第一半導體晶片中功率電晶體溫度的裝置及控制方法
本發明的各個方面主要涉及半導體裝置的溫度監測，具體地說，本發明的各個方面涉及電晶體裝置的溫度傳感。
在使用半導體電晶體的功率裝置應用中，功率裝置的軟啟動可能導致功率電晶體的輸入電壓和輸出電壓之間存在較大差異。在功率電晶體兩端借由大電壓差切換，可能導致電晶體加熱，並且如果沒有適當的管理，可能導致半導體電晶體的熱破壞。因此，需要對功率電晶體進行溫度監測，以確保半導體電晶體不會因過熱而損壞。
人們之前在功率電晶體溫度監測方面，已經嘗試使用了物理上放置在半導體功率電晶體附近但不在半導體晶片(die)本身上的溫度電阻器或二極體網路。由於溫度感測器和功率電晶體封裝之間的不良熱傳導，因此該些溫度感測器不準確。一些熱感測器使用在電晶體的半導體晶片(die)上形成的二極體網路，其原因在於這提供了更好的熱傳導。二極體網路溫度感測器由於二極體兩端的電壓降相對於溫度是非線性的，從而為溫度傳感帶來了另外的困難。此外，由於網路中的每個二極體因其製造的變化而增加了檢測誤差，因此串聯連接的二極體網路增大了溫度檢測的誤差。 Pihet等人在美國專利6,948,847中嘗試了在連接到半導體電晶體閘極觸點的半導體晶片(die)中形成的溫度傳感電阻器，惟這在許多應用中並不適用。具體而言，連接到半導體電晶體的閘極輸入端的溫度傳感電阻器不適用於具有閘極訊號的負載開關應用，閘極訊號在電壓和頻率上具有高動態範圍，因為由於開關的性質，閘極電壓可能處於恒定且不可預測的通量中。因此，本領域迫切需要一種精確的方法來確定高頻開關應用中半導體電晶體的溫度。
本發明一實施例是一種用於監測形成在第一半導體晶片中功率電晶體溫度的裝置，包括：一個位於該第一半導體晶片中的溫度傳感電阻器，其中該溫度傳感電阻的一側在該功率電晶體的電壓輸入側耦合到該功率電晶體；以及一個耦合到該溫度傳感電阻器的第二側的控制器，其中該控制器被配置為檢測電阻器兩端的電壓並使用該溫度傳感電阻兩端的電壓觸發溫度相關校正動作，其中，該溫度相關校正行為調節透過該功率電晶體的電流。
本發明一實施例是一種用於監測形成在第一半導體晶片中功率電晶體溫度的控制的方法，包括：a)  借由從功率電晶體的輸入端汲取輸入電流，使形成在該第一半導體晶片中的該溫度傳感電阻器偏置(biasing)；b)   借由連接到該功率電晶體輸入端的並聯耦合，汲取單獨的電流，其中並聯耦合是指與該溫度傳感電阻器並聯；c) 將該溫度傳感電阻器的輸出電壓與並聯耦合的輸出電壓作比較；以及d)    利用比較的結果，觸發溫度相關的校正動作。
儘管為了說明的目的，以下詳細描述包含許多特定細節，惟本創作所屬技術領域中具有通常知識者將理解，對以下細節的許多變化和修改都在本發明的範圍內。因此，下文描述的本發明的示例性實施例對所要求保護的發明沒有任何一般性損失，也沒有施加限制。
在下面的詳細描述中，參考附圖，附圖構成了本發明的一部分，附圖中借由插圖的方式表示出了本發明可在其中實施的具體實施例文檔編號。在這方面，參考所描述的圖形的方向，使用方向術語，例如“頂部”、“底部”、“前部”、“後部”、“前導”、“尾部”等。由於本發明的實施例的元件可以定位在複數個不同的方向上，因此方向術語用於說明，並且不以任何方式限制。應當理解，在不脫離本發明的範圍的情況下，可以利用其他實施例，並且可以進行結構或邏輯改變。因此，以下詳細描述不應被視為限制意義上的描述，並且本發明的範圍由所附權利要求書限定。
為了清楚起見，並不是本發明描述的實現的所有常規特徵都被表示出和描述。本領域技術人員將理解，在任何此類實現的實施例中，必須做出許多特定於實施例的決策，以實現研發人員的特定目標，例如遵守與應用和業務相關的約束，並且該些特定目標將因實施例的不同而不同，也因研發人員的不同而不同。此外，應當理解，這樣的研發工作可能是複雜且耗時的，惟對於受益於本創作所屬技術領域中具有通常知識者來說，這將是工程的常規任務。
第1圖表示依據本發明的一個方面，用於半導體電晶體溫度感測裝置的簡化示意電路圖。如圖所示，一個功率電晶體101形成的半導體晶片103中。溫度感測裝置包括一個溫度傳感電阻102，與功率電晶體101一樣，形成在同一個半導體晶片103中，並導電耦合到功率電晶體101的電壓輸入側106上。控制器104也與溫度傳感電阻102一起，透過導電連接105，並聯到功率電晶體101的輸入側106上。
應理解的是，功率電晶體的電壓輸入側是指電晶體一側上的電路，在電晶體處接收電壓，並且電晶體的作用是在斷開狀態下阻擋來自該側的電流，並允許電流在接通狀態下透過電壓輸入端流向電壓輸出側。在NPN型電晶體中，連接到電晶體汲極的電路將在電壓輸入側，而在PNP型電晶體中，連接到源極的電路將在電壓輸入側。本發明的各個方面考量使用NPN型或PNP型電晶體來實現。此外，本發明的實施方式不限於場效應電晶體（FET）型電晶體，例如金屬氧化物半導體FET（MOSFET）或結FET（JFET），並且可以應用於其他電晶體，例如絕緣柵雙極電晶體（insulated gate bipolar transistor, IGBT）或雙極性電晶體（bipolar transistor,  BJT）。
此時，溫度傳感電阻器102的一側直接從功率電晶體101的電壓輸入端接收電流。如上所述，在高頻應用中，閘極電壓可能因開關頻率而波動。另一方面，輸入到電晶體的電壓可能非常穩定。通常，電晶體電壓輸入側的電壓僅在啟動期間波動。在最壞的情況下，對於這種配置，電壓可能僅變化20%左右。這使得電壓輸入側成為溫度傳感電阻器的良好電壓源。
控制器104耦合到溫度傳感電阻器102的與電晶體電壓輸入端連接相反的一側，並被配置為檢測溫度傳感電阻102兩端的電壓。控制器104還可以導電耦合到功率電晶體101的閘極107，以啟用功率電晶體101處的溫度相關校正動作。控制器104可以被配置為使用溫度傳感電阻器兩端的電壓來觸發與溫度相關的校正動作。這裡，應當理解，溫度傳感電阻器的電阻取決於溫度傳感電阻器102周圍的局部溫度，因為溫度傳感電阻器102位於同一半導體晶片(die)上的功率電晶體101附近。溫度傳感電阻器102熱耦合到功率電晶體101。因此，感溫電阻器的電阻變化可能與功率電晶體101的溫度變化相關。例如但不限於，控制器104可被配置為當溫度傳感電阻器兩端的電壓滿足閾值時觸發溫度相關校正動作。在一些實現中，電阻器可能具有負溫度係數，因此當溫度傳感電阻器102兩端的電壓降至閾值以下時，控制器被配置為執行一個或複數個溫度相關校正動作。或者，電阻器可以具有正溫度係數，在這種情況下，當溫度傳感電阻器102兩端的電壓升高到閾值以上時，控制器被配置為執行一個或複數個相關的溫度校正動作。在任一情況下，當電壓達到閾值時，控制器可採取一個或複數個溫度相關校正動作。在一些實施方式中，控制器104可被配置為將溫度傳感電阻器兩端的電壓與電晶體的溫度強相關，電壓變化的導數或其他複雜的溫度相關計算。
溫度相關校正動作可以是由被配置為降低電晶體溫度的控制器實施的任何動作。例如，但不限於，與溫度相關的糾正措施可能是關閉電晶體，或降低功率電晶體兩端的電流，或改變功率電晶體的開關頻率。該些溫度相關糾正措施中的每一個都涉及改變閘極電壓，其他溫度相關糾正行動也可能是可行的，例如觸發過溫警告，如蜂鳴器或顯示的消息，或觸發另一個開關，以減少流向電晶體的電流。另一個開關可以位於不同的半導體晶片(die)上，以確保熱量不會傳遞到電晶體。
控制器104可以位於與具有功率電晶體101和溫度傳感電阻器102的半導體晶片103分離的第二半導體晶片上。或者，控制器104可以與功率電晶體101和溫度傳感電阻器102位於同一晶片103上。在另一種配置中，控制器104可以位於與功率電晶體101和溫度傳感電阻器102相同的晶片103的相反側。接合線可以將控制器104導電耦合到溫度傳感電阻器102和功率電晶體101的電壓輸入側。另外，接合線可以將控制器導電耦合到功率電晶體101的閘極107。
第2圖表示根據本發明的一個方面，用於溫度傳感設備配置的詳細示意電路圖。具體地，圖中詳細表示出了控制器的溫度傳感電路。在該實現中，第一比較器CMP的輸出充當一個或複數個溫度相關校正動作的觸發器。如圖所示，比較器的輸入端A1接收來自並聯耦合的輸出電壓，並聯耦合連接到功率電晶體201的輸入端。本例中的並聯耦合是與溫度傳感電阻器RSNS並聯連接的恒壓源V_OT。控制器使用恒壓源V_OT的輸出作為比較器CMP的輸入。溫度傳感電阻器RSNS兩端的電壓在輸入B1處傳送到第一比較器CMP。透過溫度傳感電阻RSNS的電流流經選通電晶體202和電阻器RSET接地。第二放大器V2I的輸出控制選通電晶體202的控制元件（例如閘極或基極），第二比較器的一個輸入端連接到參考電壓V REF，第二輸入端耦合到反饋回路中的選通電晶體202和電阻器RSET之間的節點203。
在正常工作溫度下，放大器V2I、選通電晶體202和電阻器RSET設置電流以偏置溫度傳感電阻器RSNS。溫度傳感電阻器RSNS處的溫度升高引起溫度傳感電阻的電阻變化，並且溫度傳感電晶體RSNS兩端的電壓降，以及第一比較器輸入端B1的電壓也發生變化。當溫度傳感二極體RSNS兩側的電壓超過閾值電壓V_OT時，第一比較器CMP切換其輸出端FET_OT。改變施加到功率電晶體201的閘極的電壓以將其關斷，或者借由依次打開和關閉功率電晶體201閘極來調製透過功率電晶體的電流。或者，校正動作可以包括改變施加到功率電晶體201的閘極的電壓，以減少透過功率電晶體的電流而不完全關斷功率電晶體。
應當注意，比較器CMP的輸入端子的極性可以根據溫度傳感電阻器RSNS的類型來切換。例如但不限於，如果電阻器RSNS具有正溫度係數，則比較器CMP的負端子可以連接到B1，而正端子可以連接至A1。同樣，如果電阻器RSNS是負溫度係數電阻器，則比較器CMP的正端子可連接到B1，負端子連接到A1。比較器FET_OT的輸出端可以用作一個超溫觸發器，以便實施一個或複數個與溫度相關的校正動作。可以借由改變Rset的電阻或電壓Vref來操縱第一比較器CMP的觸發點，並且閾值電壓V_OT由下式限定：V_OT=(Vref/Rset)*RSNS。
如上所述，將溫度傳感電阻器導電耦合到電晶體的電壓輸入側的好處是，在溫度傳感電阻RSNS處接收的電壓通常非常穩定，具有很小的變化，例如約20%的電壓變化。可以將低通濾波器（圖中沒有表示出）放置在溫度傳感電阻器RSNS和電壓輸入Vin的連接之間，以濾除任何瞬態電壓尖峰。還可選擇，可以將低通濾波器連接到比較器的輸出端，以濾除瞬態電壓尖峰。在一些實現中，電壓尖峰在設備啟動期間發生，並且在那些配置中，可以將消隱時段添加到比較器輸出端，使得比較器忽略持續，例如，但不限於，小於200微秒或小於300微秒的事件。
第3圖表示根據本發明的各個方面的第2圖中的電路對半導體電晶體溫度變化響應的曲線圖的聯圖。如圖所示，B1處的電壓顯示出線性溫度依賴性，如302處所示。同時，A1處並聯支路的電壓恒定，如301所示。比較器輸出端OT_FET很低或者為零，如304所示，當B1處的電壓低於A1處的恒定閾值電壓時，CMP的輸出端被拉高，如305所示。因此，輸出端OT_FET可以用作一個或複數個溫度相關的校正動作的觸發訊號。
第4圖表示依據本發明的一個方面，用於溫度傳感設備的另一種配置的詳細示意電路圖。在該配置中，放大器402放大電阻器RSNS兩端的電壓變化，利用的是VIN和放大器402的第一輸入端之間的第一分壓電阻器R1、耦合在比較器的第一輸入端和耦合在電晶體403和地之間的第二分壓電阻器R2。比較器的輸出端耦合到電晶體403的基極。恒定電流汲取Ibias偏置溫度傳感電阻器RSNS，將恒定電流汲取到放大器。放大器402將熱敏電阻器RSNS兩端的電壓與電晶體電壓輸入側並聯連接的電壓進行比較，將結果傳送到電晶體403的基極。在該實現中，電晶體403兩端的電壓VTEMP由放大器402的輸出控制。由於熱敏電阻器的性質，隨著功率電晶體401的溫度升高，熱量導致熱敏電阻器RSNS的電阻增大或減小。電阻的增加或減少導致電阻器RSNS兩端的電壓降相應地增加或減少。在放大器402的輸入端處產生的電壓差引起比較器輸出的變化。這進而導致供應到電晶體403的基極的電壓變化，導致VTEMP處的電壓變化。
第4圖所示的電路通常按照分壓器電阻R2/R1的比率複製和放大溫度傳感電阻器RSNS兩端的電壓。然後，可以將該放大電壓與參考電壓進行比較，比較結果可以觸發一個或複數個溫度相關校正動作。舉例來說，第4圖所示的電路通常可以配置為，隨著溫度傳感電阻器RSNS的溫度升高，比較器402輸出的結果變化導致電晶體403分流借此分壓電阻器R1、R2的電流，從而減少透過功率電晶體401的電流。
為了簡化製造，可以在一個晶片(die)上製造功率電晶體401和溫度傳感電阻器RSNS，並且可以在單獨的晶片(die)上形成控制器元件，例如電流偏置IBIA、分壓器R1、R2、比較器402和電晶體403。第4圖所示的實施方式的另一個好處是，可以借由微調恒定電流消耗Ibias來補償溫度傳感電阻器RSNS的生產過程中的工藝變化。
第5圖表示根據本發明的各個方面，第4圖中的電路對半導體電晶體溫度變化響應的曲線圖的聯圖。如圖所示，輸出VTEMP 501（實線）隨溫度線性上升，並在較高電壓下複製溫度傳感電阻器V_ RSNS 502（虛線）兩端的電壓。還應注意，參考電阻器V_R1 503兩端的電壓（實線）也緊隨溫度傳感電阻器V_RSNS。VTEMP 501和溫度之間的密切相關性允許該曲線用於觸發一個或複數個與溫度相關的校正動作。
第6圖表示根據本發明的各個方面，溫度傳感裝置的原位配置的詳細圖。如圖所示，功率電晶體601和溫度傳感電阻器RSNS共用同一個第一半導體晶片603。在該實現中，控制器602位於單獨的晶片(die)上，接合線606將溫度傳感電阻RSN連接到控制器602。單獨的接合線605將控制器602的電晶體閘極輸出導電耦合到電晶體601的閘極。溫度傳感電阻器RSNS的一側透過電晶體晶片(die)中的通孔604（如圖所示）或連接到電壓輸入連接VIN的接合線（此處沒有表示出）連接到電晶體的電壓輸入。接合線607可以將並聯耦合電連接到電晶體VIN的輸入。輸入到電晶體VIN的電壓可以透過裝置封裝的導電平面608連接。電晶體的電壓輸出可以透過接合線609連接到電壓輸出焊盤VOUT，如圖所示，兩條接合線將電壓輸出連接到電晶體，以增加承載能力。
第7圖表示根據本發明的各個方面，在與功率電晶體相同的晶片(die)上的溫度感測裝置的原位配置的詳細圖。在這種單晶片實現中，控制器和電晶體601共用同一晶片702。功率FET 601的輸入和輸出可位於晶片702的上部。在這種實現中，電晶體601的電壓輸入（汲極）可透過接合線704連接到VIN。輸入電壓VIN可以透過晶片702上的金屬跡線707耦合到溫度傳感電阻器RSNS和控制器，如第7圖所示，或者透過接合線耦合到控制器。此外，在第7圖所示的配置中，金屬跡線705、706將溫度傳感電阻器RSN和電晶體601的閘極G連接到控制器，而不是連接線。應注意的是，並聯耦合到電晶體的電壓輸入端和溫度傳感電阻器RSNS到電晶體電壓輸入端之間的連接可以借由通孔、金屬槽或接合線實現。
本發明的各個方面允許以精確的方式確定高頻開關應用中半導體電晶體的溫度，並在高溫影響這種電晶體的操作時採取校正措施。溫度傳感使用電阻器兩端的電壓，與二極體網路相比，電阻器與溫度的相關性基本上更為線性。本發明的各個方面包括使用比現有解決方案更少的接合線的實現。
雖然以上是對本發明優選實施例的完整描述，但是可以使用各種替代方案、修改和等效方案。因此，本發明的範圍不應參考上述描述來確定，而應參考所附權利要求及其全部等效範圍來確定。任何特徵，無論優選與否，都可以與任何其他特徵相結合，無論優選與否。在隨後的發明申請專利範圍中，不定冠詞“A”或“An”指該冠詞後面的一個或複數個項目的數量，除非另有明確說明。所附發明申請專利範圍不應被解釋為包括手段加功能限制，除非在使用短語“手段”的給定發明申請專利範圍中明確敘述了這種限制。發明申請專利範圍中未明確說明“用於”執行特定功能的“手段”的任何要素，不得解釋為《美國法典》第35卷第112節第6節規定的“手段”或“步驟”條款。
101:電晶體 102:溫度傳感電阻 103:第一半導體晶片 104:控制器 105:導電連接 106:輸入側 107:閘極 201:功率電晶體 202:選通電晶體 203:節點 301:A1處並聯支路的電壓 302:B1處電壓 304:比較輸出端OT_FET 305:CMP的輸出端 401:功率電晶體 402:放大器 403:電晶體 501:VTEMP 502:溫度傳感電阻器V_ RSNS 503:電阻器V_R1 503 601:功率電晶體 602:控制器 603:第一半導體晶片 604:通孔 605:接合線 606:接合線 607:接合線 608:導電平面 609:接合線 702:晶片 704:接合線 705:金屬跡線 706:金屬跡線 707:金屬跡線
閱讀以下詳細說明並參照以下附圖之後，本發明的其他特徵和優勢將顯而易見，其中： 第1圖表示依據本發明的一個方面，一種用於半導體電晶體溫度感測裝置的簡化示意電路圖。 第2圖表示依據本發明的一個方面，一種用於功率電晶體溫度感測裝置配置的詳細示意電路圖。 第3圖表示依據本發明的一個方面，第2圖所示的電路對功率電晶體的溫度變化的響應的曲線圖的聯圖。 第4圖表示依據本發明的一個方面，一種用於功率電晶體溫度感測裝置的另一種配置的詳細示意電路圖。 第5圖表示依據本發明的各個方面，第4圖所示的電路對功率電晶體的溫度變化的響應的曲線圖的聯圖。 第6圖表示依據本發明的各個方面，功率電晶體溫度感測裝置的原位裝置的詳細示意圖。 第7圖表示依據本發明的各個方面，在與功率電晶體相同的晶片(die)上的溫度感測裝置的原位裝置的詳細示意圖。
101:電晶體
102:溫度傳感電阻
103:第一半導體晶片
104:控制器
105:導電連接
106:輸入側
107:電晶體

Claims (16)

  1. 一種用於監測形成在第一半導體晶片中功率電晶體溫度的裝置，包括： 一個位於該第一半導體晶片中的溫度傳感電阻器，其中該溫度傳感電阻的一側在該功率電晶體的電壓輸入側耦合到該功率電晶體；以及 一個耦合到該溫度傳感電阻器的第二側的控制器，其中該控制器被配置為檢測電阻器兩端的電壓並使用該溫度傳感電阻兩端的電壓觸發溫度相關校正動作，其中，該溫度相關校正行為調節透過該功率電晶體的電流。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中配置該控制器，當該溫度傳感電阻器上的電壓達到閾值時，觸發溫度相關的校正動作。
  3. 如請求項1所述之裝置，其中配置該控制器，基於來自該溫度傳感電阻器的電壓，觸發溫度相關的校正動作，其中配置該控制器，將來自溫度電阻器的電壓與功率電晶體裝置的溫度相關聯。
  4. 如請求項1所述之裝置，其中該控制器除了借由該溫度傳感電阻器耦合到該功率電晶體之外，還在該功率電晶體的電壓輸入側耦合到該功率電晶體。
  5. 如請求項1所述之裝置，其中該控制器位於第二半導體晶片上。
  6. 如請求項5所述之裝置，其中接合線將該控制器導電連接到該溫度傳感電阻器上。
  7. 如請求項1所述之裝置，其中該控制器位於該第一半導體晶片上。
  8. 如請求項1所述之裝置，其中該控制器進一步被配置為從該功率電晶體的電壓輸入側借由該溫度傳感電阻器汲取恒定電流，並借由連接到該功率電晶體的輸入側的並聯耦合汲取單獨電流，其中該並聯耦合是與該溫度傳感電阻器並聯連接。
  9. 如請求項8所述之裝置，其中該控制器進一步配置為將該溫度傳感電阻器兩端的電壓與參考電壓進行比較，當該溫度傳感電阻器兩端的電壓滿足該參考電壓時，將該溫度傳感電阻器兩端的電壓與並聯耦合兩端的電壓進行比較，由此該溫度傳感電阻器兩端的電壓與並聯耦合的輸出電壓的比較，觸發溫度相關校正動作。
  10. 如請求項8所述之裝置，其中配置該控制器，放大該溫度傳感電阻器上的電壓，將電阻器上所產生的放大電壓與該參考電壓作比較。
  11. 如請求項1所述之裝置，其中該溫度傳感電阻器是一個形成在半導體晶片中的擴散電阻器，或者是一個形成在半導體晶片上的多晶電阻器。
  12. 如請求項1所述之裝置，其中進一步配置該控制器，以便微調該溫度傳感電阻器的輸出電壓，以補償溫度傳感電阻的變化。
  13. 一種用於形成在第一半導體晶片中的功率電晶體溫度控制的方法，包括： a)   借由從功率電晶體的輸入端汲取輸入電流，使形成在該第一半導體晶片中的該溫度傳感電阻器偏置(biasing)； b)  借由連接到該功率電晶體輸入端的並聯耦合，汲取單獨的電流，其中並聯耦合是指與該溫度傳感電阻器並聯； c)   將該溫度傳感電阻器的輸出電壓與並聯耦合的輸出電壓作比較；以及 d)  利用比較的結果，觸發溫度相關的校正動作。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該溫度傳感電阻器的輸出電壓與並聯耦合的輸出電壓的對比，還包括將該溫度傳感電阻器的輸出電壓放大到閾值電壓。
  15. 如請求項13所述之方法，其中d）還包括將該溫度傳感電阻器放大後的輸出電壓與該閾值電壓作比較，其中該閾值電壓與在電晶體的擊穿溫度下該溫度傳感電阻器的電壓有關。
  16. 如請求項13所述之方法，其中該溫度傳感電阻器的輸出電壓與並聯耦合的輸出電壓的比較結果，是該溫度相關校正動作的觸發。
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