用于控制結型場效應晶體管的電路布置和方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種用于控制結型場效應晶體管(10)的電路布置，結型場效應晶體管包括控制接頭(G)以及第一主接頭(D)和第二主接頭(S)，在其之間形成溝道。所述電路布置包括：用于產(chǎn)生控制信號的單元(21,22,24,25,26,27,28)，通過控制信號將結型場效應晶體管(10)在第一開關狀態(tài)(導通)和第二開關狀態(tài)(關斷)之間交替地來回切換。所述電路布置包括：用于進行電流評價的單元(23)，其連接在控制接頭(G)和第二主接頭(S)之間。用于進行電流評價的單元(23)被構造用于，當或者一旦在從第一開關狀態(tài)(導通)過渡到第二開關狀態(tài)(關斷)的情況下用于產(chǎn)生控制信號的單元(21,22,24,25,26,27,28)將在控制接頭(G)和第二主接頭(S)之間施加的電壓(Vgs)控制為超過穿通電壓時，測量流過控制接頭(G)的反向電流(Ig)，并且根據(jù)所測量的電流(Ig)的大小，確定結型場效應晶體管(10)的絕對溫度。
【專利說明】
用于控制結型場效應晶體管的電路布置和方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于控制結型場效應晶體管形式的半導體開關元件的電路布置和方法，結型場效應晶體管包括第一主接頭和第二主接頭，并且在其之間形成溝道。
【背景技術】
[0002]半導體開關元件例如用作功率開關元件。其中存在監(jiān)視半導體開關元件的溫度的必要性，以使得半導體開關元件和包括半導體開關元件的模塊(也稱為系統(tǒng))整體上能夠可靠地工作。在溫度過高的情況下，控制半導體開關元件的電路布置必須保證可靠的切斷。
[0003]為此，例如使用外部溫度傳感器、例如NTC溫度傳感器。其例如布置在包含半導體開關元件的模塊中的支撐板上，半導體開關元件也布置在該支撐板上。替換地，還將外部溫度傳感器直接布置在緊鄰半導體開關元件的熱沉上。然而，在這兩種情況下，溫度測量與大的不確定性相關聯(lián)。這特別是由支撐板或者熱沉的熱容量以及其熱性能產(chǎn)生。熱慣性的時間常數(shù)使溫度監(jiān)視電路的反應速度降低。這可能導致模塊的動態(tài)過熱，甚至導致熱失效。
[0004]為了避免這，需要采集半導體開關元件的半導體的實際溫度。然而，這無法通過上面提及的外部溫度傳感器來實現(xiàn)。
[0005]例如從功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)已知，使用固有的pn結溫度特性來確定芯片溫度。在此，使用反向二極管(所謂的體二極管)作為溫度傳感器。然而，這種工作方式不適合實際操作，因為體二極管在工作期間承載續(xù)流電流或者反向電流。由此，通過這種方法僅可以在切斷負載之后測量溫度，其中，為此測量信號由體二極管使用?，F(xiàn)在，在制造的范圍內(nèi)，在將半導體開關元件置入模塊之前使用這種測量方法，以確定數(shù)據(jù)明細表。同樣已知將這種方法用于描述老化狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術問題是，提供一種用于控制半導體開關元件的電路布置和方法，其能夠準確地確定半導體開關元件工作時的溫度。
[0007]上述技術問題通過根據(jù)權利要求1的特征的電路布置和根據(jù)權利要求8的特征的方法來解決。有利構造從從屬權利要求中得到。
[0008]本發(fā)明基于如下知識:能夠使用結型場效應晶體管(Junct1n Field EffectTransistor, JFET)的pn結特性來確定其溫度。
[0009]因此，提出了一種用于控制結型場效應晶體管的電路布置，結型場效應晶體管包括控制接頭以及第一主接頭和第二主接頭，在其之間形成溝道。所述電路布置包括:用于產(chǎn)生控制信號的單元，通過控制信號將結型場效應晶體管在第一開關狀態(tài)和第二開關狀態(tài)之間交替地來回切換。所述電路布置還包括:用于進行電流評價的單元，其連接在控制接頭和第二主接頭之間。用于進行電流評價的單元被構造用于，當或者一旦在從第一開關狀態(tài)過渡到第二開關狀態(tài)的情況下用于產(chǎn)生控制信號的單元將在控制接頭和第二主接頭之間施加的電壓控制為超過穿通電壓時，測量流過控制接頭的反向電流，并且根據(jù)所測量的電流的大小，確定結型場效應晶體管的絕對溫度。
[0010]還提出了一種用于控制結型場效應晶體管的方法，結型場效應晶體管包括控制接頭以及第一主接頭和第二主接頭，在其之間形成溝道。所述電路布置包括:用于產(chǎn)生控制信號的單元，通過控制信號將結型場效應晶體管在第一開關狀態(tài)和第二開關狀態(tài)之間交替地來回切換，以及用于進行電流評價的單元，其連接在控制接頭和第二主接頭之間。在所提出的方法中，當或者一旦在從第一開關狀態(tài)過渡到第二開關狀態(tài)的情況下用于產(chǎn)生控制信號的單元將在控制接頭和第二主接頭之間施加的電壓控制為超過穿通電壓時，用于進行電流評價的單元測量流過控制接頭的反向電流，并且根據(jù)所測量的電流的大小，確定結型場效應晶體管的絕對溫度。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的思想，對于溫度測量考慮結型場效應晶體管的柵極二極管的溫度依賴性。由此，能夠在結型場效應晶體管的半導體開關元件工作期間進行直接的高動態(tài)并且準確的溫度監(jiān)視。
[0012]在此，利用如下狀況:p-n結、即柵極二極管的電阻與當前所處的溫度有關。通過評價又與當前存在的電阻有關的反向電流、即柵極電流，由此能夠推斷p-n結所處的溫度。這種方法一般在控制接頭(柵極)未通過氧化物與溝道分離的半導體開關元件中在半導體開關元件工作時是可行的。
[0013]為了能夠測量下面也稱為反向柵極電流的反向電流，以確定當前所處的溫度，設置為，在半導體開關元件關斷的持續(xù)時間期間，將其控制為超過穿通電壓。自達到穿通電壓起，出現(xiàn)從第二主接頭、即源極接頭向控制接頭、即柵極接頭方向的反向電流，使用該反向電流來確定溫度。如果在此出現(xiàn)的反向電流不超過特定值，貝lJ其不導致半導體開關元件的損壞，因為其是可逆的。
[0014]上述方法的優(yōu)點在于，測量基本上與在半導體開關元件的溝道上流動的負載電流無關地進行，并且在沒有負載電流流動的時刻進行。由此，測量能夠高度準確地進行。特別是，由此能夠避免包含半導體開關元件的模塊由于溫度過高而中斷。另一個優(yōu)點在于，相對于利用傳統(tǒng)測量的半導體開關元件，半導體開關元件的工作范圍由于更準確的溫度確定而能夠得到擴展。此外，能夠使用對P-n結的溫度的持續(xù)監(jiān)視，來確定或者預測可靠性、老化狀態(tài)和壽命周期結束(報廢)。
[0015]根據(jù)所述電路布置的一種適宜的構造，用于產(chǎn)生控制信號的單元被構造用于，將在控制接頭和第二主接頭之間施加的電壓控制為最大直至電壓，在該電壓下，通過控制接頭的電流不超過預先給定的最大值。將該穿通電壓稱為一次擊穿或者“primarybreakthrough”。如果在控制接頭和第二主接頭之間施加的電壓、即源-柵電壓明顯超過穿通電壓，則將由于過電流而產(chǎn)生半導體開關元件的不可逆的毀壞。這可以通過限制測量允許使用的最大電壓來避免。
[0016]根據(jù)另一種適宜的構造，用于產(chǎn)生控制信號的單元被構造用于，使在控制接頭和第二主接頭之間施加的電壓在反向電流的測量持續(xù)時間內(nèi)保持恒定。這使得能夠在半導體開關元件被切換為截止并且柵極二極管被控制為反向方向時，準確地測量電流。
[0017]適宜的是，結型場效應晶體管由碳化硅制成。
[0018]在另一種構造中，用于產(chǎn)生控制信號的單元包括微處理器，用于產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號。此外，用于產(chǎn)生控制信號的單元包括用于檢測結型場效應晶體管是否處于第二開關狀態(tài)的單元，以便使用于進行電流評價的單元在第二開關狀態(tài)的持續(xù)時間內(nèi)與微處理器分離。特別地，用于檢測結型場效應晶體管是否處于第二開關狀態(tài)的單元被構造用于，使用于進行電流評價的單元在反向電流的測量持續(xù)時間內(nèi)與微處理器分離。
【附圖說明】
[0019]下面，根據(jù)附圖中的實施例詳細說明本發(fā)明。其中:
[0020]圖1示出了使得能夠確定半導體的溫度的根據(jù)本發(fā)明的用于控制結型場效應晶體管的電路布置的示意性圖示，
[0021]圖2示出了曲線圖，該曲線圖與柵-源電壓有關地圖示柵極電流的一般特性，
[0022]圖3示出了曲線圖，該曲線圖與柵-源電壓有關地示出在半導體開關元件的關斷狀態(tài)下的反向柵極電流，以及
[0023]圖4示出了曲線圖，該曲線圖與柵-源電壓的用于測量的電壓范圍有關地示出反向柵極電流的與溫度有關的確定。
【具體實施方式】
[0024]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于控制結型場效應晶體管10的電路布置20的實施例。結型場效應晶體管10例如可以是碳化硅場效應晶體管(SiC-JFET)。結型場效應晶體管10包括控制接頭G(柵極)以及第一主接頭D(漏極)和第二主接頭S(源極)。在第一主接頭D和第二主接頭S之間形成溝道，當結型場效應晶體管10切換為導通時，在溝道上可以流過電流。存在于第二主接頭(S)和第一主接頭(D)之間的體二極管用11表示。
[0025]例如結型場效應晶體管的控制接頭G連接到布置在η型導通(基底)材料中的P型導通區(qū)域。P型導通區(qū)域與結型場效應晶體管的η型導通材料形成P-n 二極管。結型場效應晶體管(JFET)是無需控制信號切換為導通的半導體開關元件。將這樣的部件稱為“常通”半導體開關元件。為了防止在溝道上流過電流，需要在控制接頭G上相對于第二主接頭S施加負電壓，以使半導體開關元件切換為截止。
[0026]下面進一步詳細描述的電路布置20使得能夠確定上面提及的p-n結、即柵-源二極管上的溫度。在此，能夠確定半導體開關元件工作時的溫度。
[0027]電路布置20包括用于檢測去飽和的單元21、故障存儲器22、用于進行電流采集和評價的單元23、開關元件24、驅動器25、門電路26和產(chǎn)生控制信號的微處理器28。控制信號是由微處理器28輸出的脈沖寬度調(diào)制信號(Pmi信號)。經(jīng)由在輸入側還與故障存儲器22的輸出端連接的門電路26，PWM信號經(jīng)由開關元件24和用于進行電流采集和評價的單元23向結型場效應晶體管10的控制接頭G提供，由此使結型場效應晶體管與控制信號對應地交替切換為截止和導通。
[0028]用于進行電流采集和評價的單元23連接在控制接頭G和第二主接頭S之間。通常在用于進行電流采集和評價的單元23和控制接頭G之間設置電阻27(柵極電阻)。用于檢測去飽和的單元21連接到第一主接頭D(漏極接頭)。用于檢測去飽和的單元21檢測結型場效應晶體管10具有哪種狀態(tài)(截止或者導通)。該信息用于控制開關元件24。當結型場效應晶體管10被切換為截止(S卩JFET = OFF或者關斷)時，開關元件24斷開。
[0029]用于檢測去飽和的單元21的輸出側連接到驅動器25，驅動器25控制開關元件24的開關位置，以使結型場效應晶體管10接通或者關斷。此外，用于檢測去飽和的單元21與故障存儲器22耦合。在發(fā)生故障時，向門電路26施加對應的故障信號，使得在門電路26的輸出端處提供的信號確保結型場效應晶體管10截止。用于使過電流尖峰消隱(所謂的“消隱時間”)的單元29同樣接收門電路26的輸出信號。單元29用于例如在換向期間使過電流消隱。單元29的輸出側連接到用于檢測去飽和的單元21。
[0030]在圖1中示出的電路布置對應于結型場效應晶體管的傳統(tǒng)驅動器。相對于傳統(tǒng)的結型場效應晶體管驅動器，僅附加地設置了用于進行電流采集和評價的單元23。其例如可以作為簡單的運算放大電路來設置。
[0031]在結型場效應晶體管10工作期間，當半導體開關元件關斷、即切換為截止(開關元件24斷開)時，單元23可以檢測到從第二主接頭S流向控制接頭D的反向電流。該電流在如下情況流過，即，當反向控制柵極二極管、即控制接頭G和第二主接頭S之間的p-n結，并且控制(負的)柵-源電壓超過夾斷電壓(Pinch-off-Spannung)時。緊接在半導體開關元件關斷并且換向過程結束之后是這種情況。然后，在此期間，可以測量到(負的)柵極電流，并且用于確定P-n結處的絕對溫度。對此，需要識別結型場效應晶體管的特性。
[0032]在圖2中示出了曲線圖，該曲線圖針對SiC結型場效應晶體管與柵-源電壓Vgs有關地示出了(正的)柵極電流Ig。在該曲線圖中，示出了與P-n結處的溫度有關的3個通過實驗確定的1-U曲線。在此可以很清楚地看到，p-n結處的溫度越高，電流以越小的柵-源電壓上升。在溫度為25°C (點劃線)時，柵極電流Ig在柵-源電壓Vgs下才開始上升時，電流Ig在溫度為75°C (虛線)時大約為5mA，在125° (實線)C時大約為20mA。
[0033]圖3示出了曲線圖，該曲線圖示出了負柵-源電壓(-Vgs)時的反向柵極電流(-1g)。在該曲線圖中，示例性地分別針對2個不同的SiC結型場效應晶體管描繪了3個通過實驗確定的曲線，其中，屬于第一SiC結型場效應晶體管的曲線用310表示，并且屬于第二碳化硅結型場效應晶體管的曲線用320表示。分別描繪了 p-n結處的溫度為25°C，125°C和200°C時的測量曲線。這些曲線可以利用任意方法來確定。
[0034]如在圖4中所示出的，通過該電路布置對柵-源電壓Vgs進行控制，使得其超過穿通電壓Upt。在給定柵-源電壓Vgs =測量電壓Umess的情況下，特定反向柵極電流-1g(=測量電流Imess)對應于特定溫度(例如在25°C時為-5mA)。如果芯片溫度例如升高到125°C，則在相同的電壓Vgs = Ume3ss下，流過增大的電流Igs(例如-15mA)。對這種電流變化(在該示例中:從-5增大到-15mA)進行評價。
[0035]對反向柵極電流183的測量可以在用III表示的從穿通電壓Upt(例如-28V)達到最大允許電壓Umax的電壓范圍內(nèi)進行。最大測量電壓Umess = Umax與預先給定的流過控制接頭的電流的最大值有關。如果為了進行測量，超過了最大測量電壓Umf3ss = Umax,則在用IV表示的范圍內(nèi)存在次級擊穿的危險，這將導致結型場效應晶體管損壞。
[0036]—般來說，為了使結型場效應晶體管關斷，將柵-源電壓控制在用II表示的范圍內(nèi)，即電壓處于夾斷電壓Upq(在該示例中:_22V)和穿通電壓Upt(在該示例中:_28V)之間的范圍內(nèi)。如果在柵極和源極之間施加的電壓處于用II表示的該范圍內(nèi)，則場效應晶體管不導通，即截止。與此相對，當結型場效應晶體管處于用I表示的范圍內(nèi)，即柵-源電壓Vgs小于夾斷電壓Upq時，其導通。
[0037]如果參考值已知，則用于進行電流采集和評價的單元23可以通過簡單地比較測量的負柵極電流與存儲在存儲器中的測量曲線，來推斷結型場效應晶體管10的P-n結處的實際溫度。
[0038]這可以在實際上不存在時間延遲的情況下準確地進行。由此，特別是能夠防止原因為溫度過高的包含該布置的模塊的切斷。本方法可以用于確定可靠性、老化狀態(tài)和壽命的大概結束時間。
【主權項】
1.一種用于控制結型場效應晶體管(10)的電路布置，結型場效應晶體管包括控制接頭(G)以及第一主接頭(D)和第二主接頭(S)，在其之間形成溝道，所述電路布置具有: -用于產(chǎn)生控制信號的單元(21，22，24，25，26，27，28)，通過控制信號將結型場效應晶體管(10)在第一開關狀態(tài)(導通)和第二開關狀態(tài)(關斷)之間交替地來回切換； -用于進行電流評價的單元(23)，其連接在控制接頭(G)和第二主接頭(S)之間； -其中，用于進行電流評價的單元(23)被構造用于，當/一旦在從第一開關狀態(tài)(導通)過渡到第二開關狀態(tài)(關斷)的情況下用于產(chǎn)生控制信號的單元(21，22，24，25，26，27，28)將在控制接頭(G)和第二主接頭(S)之間施加的電壓(Vgs)控制為超過穿通電壓時，測量流過控制接頭(G)的反向電流(Ig)，并且根據(jù)所測量的電流(Ig)的大小，確定結型場效應晶體管(10)的絕對溫度。2.根據(jù)權利要求1所述的電路布置，其特征在于，用于產(chǎn)生控制信號的單元(21，22，24，25，26，27，28)被構造用于，將在控制接頭(G)和第二主接頭(S)之間施加的電壓(Vgs)控制為最大直至電壓，在該電壓下，通過控制接頭的電流不超過預先給定的最大值。3.根據(jù)權利要求1或2所述的電路布置，其特征在于，用于產(chǎn)生控制信號的單元(21，22，24，25，26，27，28)被構造用于，使在控制接頭(G)和第二主接頭⑶之間施加的電壓(Vgs)在反向電流(Ig)的測量持續(xù)時間內(nèi)保持恒定。4.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的電路布置，其特征在于，結型場效應晶體管(10)由碳化硅制成。5.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的電路布置，其特征在于，用于產(chǎn)生控制信號的單元(21,22,24,25,26,27,28)包括微處理器(28)，用于產(chǎn)生PffM信號。6.根據(jù)權利要求5所述的電路布置，其特征在于，用于產(chǎn)生控制信號的單元(21，22，24，25，26，27，28)包括用于檢測結型場效應晶體管(10)是否處于第二開關狀態(tài)(關斷)的單元(21，25)，以便使用于進行電流評價的單元(23)在第二開關狀態(tài)(關斷)的持續(xù)時間內(nèi)與微處理器分離。7.根據(jù)權利要求6所述的電路布置，其特征在于，用于檢測結型場效應晶體管(10)是否處于第二開關狀態(tài)(關斷)的單元(21，25)被構造用于，使用于進行電流評價的單元(23)在反向電流(Ig)的測量持續(xù)時間內(nèi)與微處理器分離。8.—種用于控制結型場效應晶體管(10)的方法，結型場效應晶體管包括控制接頭(G)以及第一主接頭(D)和第二主接頭(S)，在其之間形成溝道，所述方法利用電路布置，所述電路布置包括: -用于產(chǎn)生控制信號的單元(21，22，24，25，26，27，28)，通過控制信號將結型場效應晶體管(10)在第一開關狀態(tài)(導通)和第二開關狀態(tài)(關斷)之間交替地來回切換，以及 -用于進行電流評價的單元(23)，其連接在控制接頭(G)和第二主接頭(S)之間； 其中，當/一旦在從第一開關狀態(tài)(導通)過渡到第二開關狀態(tài)(關斷)的情況下用于產(chǎn)生控制信號的單元(21，22，24，25，26，27，28)將在控制接頭(G)和第二主接頭(S)之間施加的電壓(Vgs)控制為超過穿通電壓時，用于進行電流評價的單元(23)測量流過控制接頭(G)的反向電流(Ig)，并且根據(jù)所測量的電流(Ig)的大小，確定結型場效應晶體管(10)的絕對溫度。9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，用于產(chǎn)生控制信號的單元(21，22，24，25，26，27，28)將在控制接頭(G)和第二主接頭(S)之間施加的電壓(Vgs)控制為最大直至電壓，在該電壓下，通過控制接頭的電流不超過預先給定的最大值。10.根據(jù)權利要求8或9所述的方法，其特征在于，用于產(chǎn)生控制信號的單元(21，22，24，.25，26，27，28)使在控制接頭(G)和第二主接頭(S)之間施加的電壓(Vgs)在反向電流(18)的測量持續(xù)時間內(nèi)保持恒定。
【文檔編號】G01K7/01GK106031040SQ201580010154
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月25日
【發(fā)明人】A.梅爾康揚
【申請人】西門子公司