CN110865290B - 功率半导体电路和用于确定功率半导体器件的温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定功率半导体元件(20)的温度的功率半导体电路(1)。该功率半导体电路包括功率半导体元件和温度传感器(10)，其中功率半导体元件包括用于驱控功率半导体元件的栅极(G)、集电极(C)和发射极(E)，其中发射极(E)与第一发射极端子(HE)电连接，温度传感器包括具有测量端子(TC)的第一测量点(11)和第二测量点(12)，其中第二测量点电连接到发射极(E)，使得在测量端子和第一发射极端子之间可以测量在温度传感器(10)上降落的电压，以用于温度测量。本发明还涉及一种借助该功率半导体电路(1)确定功率半导体元件(20)的温度的方法，以及具有至少一个该功率半导体电路(1)的桥电路。

Description

功率半导体电路和用于确定功率半导体器件的温度的方法
技术领域
本发明涉及一种功率半导体电路，用于确定温度和必要时用于确定电流，包括功率半导体元件和温度传感器，其中功率半导体元件包括用于驱控功率半导体元件的栅极、集电极和发射极，其中发射极与第一发射极端子电连接，并且温度传感器包括具有测量端子的第一测量点和第二测量点。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(IGBT)是用于功率电子器件的半导体器件(在此也称为功率半导体器件)。这种半导体器件暴露于高温和高电流下，这可能导致半导体器件损坏。
为了保护半导体器件免受高温影响，使用温度传感器。在这种情况下，经常使用单独芯片形式的单独的温度传感器，该单独芯片安装在半导体器件的壳体或散热器上。这样的缺点是：在温度最高的半导体器件内部并不测量温度。也就是说，这里不直接测量半导体器件的温度，而是仅测量与半导体器件连接的壳体或电路板或基板的温度。
因此，还使用布置在靠近IGBT芯片的模块内的温度传感器。在这种情况下，温度传感器与IGBT的电子器件电流隔离。这种布置的缺点是：增加了空间需求并因此可能减小了用于实际的半导体器件的面积。
还已知具有集成过载电流测量的IGBT，用于确定过载电流。IGBT的温度电流检测(TCS)通常将1/2000至1/1000的IGBT单元放置在单独的端子上，该端子对于常通的n通道晶体管而言通常是发射极。发射极和辅助发射极端子之间的测量电阻在IGBT的导通状态下产生电压降，测量并评估该电压降来确定过载电流。这种布置的缺点是：IGBT的一部分单元用于电流测量，因此不能用于IGBT的实际任务。此外，模块中还需要额外的空间用于上述端子。测量电阻通常位于更高级别的印刷电路板或电路板上。
因此，根据现有技术的TCS-IGBT具有两个测量支路，第一个用于温度测量，第二个用于电流测量。这也导致TCS-IGBT的空间需求增加并且端子数量增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的功率半导体电路，用于确定至少一个过热温度，该功率半导体电路克服了现有技术的缺点，并因此使得功率半导体节省空间以及减少端子数量。此外，本发明的目的是还提供一种借助于功率半导体电路确定功率半导体元件的温度的方法。
该目的通过根据本发明的功率半导体电路和根据本发明的方法实现。
应当注意，在以下描述中单独列出的特征可以以任何技术上有意义的方式彼此组合，并且示出了本发明的其他实施例。此外，该描述特别地结合附图表征和指定了本发明。
还应注意，两个特征之间的连接词“和/或”应解释为：在根据本发明的主题的第一实施例中，可以仅存在第一特征；在第二实施例中，可以仅存在第二特征；而在第三实施例中，可以存在第一特征和第二特征。
根据本发明，用于确定功率半导体元件的温度(特别是过热温度)的功率半导体电路包括功率半导体元件和温度传感器，其中功率半导体元件包括用于驱控功率半导体元件的栅极、集电极和发射极，其中发射极与第一发射极端子电连接，并且温度传感器包括具第一测量点和第二测量点，第一测量点具有测量端子。如果温度传感器例如是温度电阻，则第一测量点描述温度电阻的第一端点，第二测量点描述温度电阻的第二端点。如果温度传感器例如是温度二极管，则第一测量点描述温度二极管的阳极，第二测量点描述温度二极管的阴极。第二测量点电连接到发射极，使得在测量端子和第一发射器端子之间可以测量在温度传感器上降落的电压，以用于温度测量。
这确保了在测量端子和第一发射器端子之间测量电压，该电压与温度传感器的环境温度成比例，其中只需要一个额外的端子(测量端子)用于第一测量点。此外，温度传感器可以布置在功率半导体元件内部，这使得空间减小。
有利地，根据本发明的一个实施例，温度传感器可以被构造为具有阳极和阴极的温度二极管，其中阴极与发射极相连接。这确保了在功率半导体元件的通带中，功率半导体元件的集电极电流不会通过温度传感器或温度二极管流出。此外，将温度二极管的阴极连接到发射极具有以下优点：驱控功率半导体元件的栅极的栅极驱动器和连接到测量端子的测量电子器件(用于通过温度传感器至少确定温度)能够连接到共同的地电位(GND)，这简化了测量评估。
有利地，根据本发明的另一实施例，功率半导体元件和温度传感器可以布置在一个模块中，特别地温度传感器集成在功率半导体元件内(即例如在与功率半导体元件连接的相同芯片上)，或者布置在功率半导体元件上。结果，实现了节省空间的设计，并且测量了功率半导体元件的实际温度或最高温度。
有利地，根据本发明的又一实施例，发射极通过至少一个接合线和/或DCB导体(DCB：直接键合铜)与第二发射极端子电连接，其中第一发射极端子电连接到第二发射极端子，上述至少一个接合线和/或DCB导体分别具有内阻R_bond，该内阻被用作测量电阻R_sense，以用于确定功率半导体元件的集电极电流或负载电流。应当理解，有效总测量电阻R_sense可以由至少一个接合线和/或至少一个DCB导体的各个内阻R_bond组成。
这使得能够确定通过功率半导体元件控制的集电极电流或负载电流。这确保了温度测量和电流测量仅需要单个电压测量装置，因为根据本发明描述的温度传感器的互连使得能够仅在单个测量点(即测量端子)处测量功率半导体元件的温度和集电极电流或负载电流。
通常，用于在两个彼此待电连接的电子部件之间建立电连接的每种导体都可以理解为DCB导体。这里还特别指这样的导体，其将发射极电连接到第二发射极端子，第二发射极端子例如位于直接键合铜或DCB基板上。这种DCB基板以已知方式用于功率半导体元件的外部电连接或功率半导体元件的功率半导体元件外部电互连。当然，也可以使用替代DCB基板的其他导体基板。由于根据本实施例的第一发射极端子电连接到第二发射极端子，这意味着，在测量端子(温度传感器的第一测量点)和第一发射极端子之间的至少一个接合线和/或至少一个导体的内阻是电有效的。
有利地，根据本发明的另一实施例，恒定电流源可以连接到测量端子，并且电压测量装置可以连接在测量端子和第一发射极端子之间。在温度二极管用作温度传感器的情况下，恒定电流源连接在温度二极管的阳极和第一发射极端子之间。因此，在功率半导体元件的截止状态下，可以测量与温度相关的电压，并且在功率半导体元件导通状态下，可以测量与负载电流相关的电压。
有利地，根据本发明的又一实施例，集电极与续流二极管的续流阴极电连接，发射极与续流二极管的续流阳极电连接。这防止了当将功率半导体元件从导通状态切换到截止状态时，可能连接的感应负载会在功率半导体元件上产生高电压并因此损坏功率半导体元件。此外，当功率半导体元件与续流二极管并联时，除了已经提到的功率半导体元件的温度和负载电流测量之外，通过本文所述的根据本发明的温度传感器的电路并借助于连接到测量端子的测量电子装置，可以仅在单个测量点(也就是测量端子)处检测通过功率半导体元件的负载电流的流动或电流方向。如果功率半导体元件处于续流模式(即如果集电极或负载电流正向通过续流二极管)，则可检测到功率半导体元件的导通状态和阻断状态之间的测量电阻R_sense上的负载电流引起的电压降没有变化。换句话说，可以从功率半导体元件的断开和导通状态下的测量电阻R_sense处未改变的电压降推断出负载电流在续流二极管的正向方向上流动，由此直接得出负载电流的瞬时电流方向。
有利地，根据本发明的另一实施例，续流二极管可借助于DCB导体和/或接合线与功率半导体元件并联地电连接。因此，不需要具有内阻的接合线，该内阻不利于测量。
有利地，根据本发明的另一实施例，功率半导体元件可以是n通道常通型IGBT或MOSFET晶体管，特别是SIC-MOSFET晶体管。
本发明的另一方面提供了一种桥电路，具有至少一个根据本发明上述实施例中任一项所述的功率半导体电路。这也使得可以确定由所述功率半导体电路的功率半导体元件控制的负载电流的流动方向。本发明的桥电路通常是已知的电路，也称为H电路、H桥或全桥。
本发明的另一方面提供了一种借助于根据所述实施例中任一项所述的功率半导体电路来确定功率半导体元件的温度的方法，特别是确定过热温度。该方法至少包括以下步骤：
a)控制功率半导体元件进入截止状态；
b)测量测量端子和第一发射极端子之间的电压V_f作为温度电压V_T；
c)确定温度T作为温度电压V_T的函数。
这确保了仅通过单个附加端子(即测量端子)可以确定功率半导体元件的温度。
有利地，根据本发明的实施例，还可以通过以下步骤确定电流：
d)确定发射极和第二发射极端子之间的测量电阻R_sense，第一发射极端子与第二发射极端子电连接；
e)将先前在功率半导体元件的截止状态下测量的电压V_f存储为存储的温度电压V_T＝V_f；
f)控制功率半导体元件进入导通状态；
g)测量测量端子和第一发射极端子之间的电压V_f；
h)确定集电极电流i_c，作为在功率半导体元件的导通状态下所测量的电压V_f和所存储的温度电压V_T的函数。
这确保了仅通过单个电压测量装置就可以确定温度和电流。测量电阻R_sense由至少一个接合线和/或至少一个DCB导体的内阻构成，下面将其描述为R_bond。然而，在这种情况下，R_bond不应被解释为，在发射极和第二发射极端子之间必须仅提供一个接合线或一个导体。相应地，将发射极和对第二发射极端子之间的多个有效的内阻R_bond相加成一个整个有效的测量电阻R_sense。
有利地，根据本发明的另一实施例，可以通过公式i_c＝(V_f-V_T)/R_sense来确定集电极电流i_c。由此，解析地确定源电流的近似值。如果在发射极和发射端子之间没有额外的电阻，则R_sense＝R_bond。
有利地，根据本发明的又一个实施例，可以将温度与温度阈值进行比较。因此，当超过温度阈值时，可以检测到过热温度。
有利地，根据本发明的另一实施例，可以将电流i_c与电流阈值进行比较。因此，当超过电流阈值时，可以检测到过载电流。
有利地，根据本发明的另一实施例，在具有至少一个功率半导体电路和续流二极管的桥式电路中，负载电流i_L的流动方向通过以下方式确定：确定在功率半导体元件的截止状态下测量端子和第一发射极端子之间的电压V_fs，以及确定在功率半导体元件的导通状态下测量端子和第一发射极端子之间的电压V_fl；形成差值V_d＝V_fl-V_fs；并且如果V_d>0，则确定负载电流i_L具有与集电极电流i_c相同的符号，否则(例如，V_d＝0)负载电流具有与集电极电流i_c相反的符号。
如上所述，对于根据本发明的功率半导体电路，用于确定负载电流i_c的电流方向的桥电路不是绝对必要的，而是可以在并联连接到根据本发明的功率半导体电路的功率半导体元件的续流二极管处，单独按照前述的方式进行确定(负载电流i_c的电流方向)。
这具有的优点是：除了温度和负载电流测量之外，还可以确定负载电流的流动方向，而无需额外的测量装置。
附图说明
从以下参照附图对本发明的非限制性实施例的描述中，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。在图中示意性地示出：
图1示出了根据现有技术的具有测量电阻的TCS-IGBT的电路图；
图2示出了根据本发明的功率半导体电路的实施例的电路图；
图3示出了根据本发明的方法的实施例的流程图；
图4示出了功率半导体电路的另一实施例的电路图，该功率半导体电路包括具有根据本发明的续流二极管的功率半导体元件；
图5示出了功率半导体电路的另一实施例的电路图，该功率半导体电路包括具有根据本发明的续流二极管的功率半导体元件；
图6示出了根据本发明的功率半导体电路的示例性电压曲线；
图7示出了功率半导体元件和续流二极管的理想(7A)和非理想(7B)电连接的比较。
具体实施方式
在下文中，为了简单起见，假设功率半导体元件是IGBT。当然，所有其他功率半导体开关(例如MOSFET晶体管、场效应晶体管、双极晶体管和晶闸管)都应以相同的方式考虑。IGBT栅极，集电极和发射极的术语用于本发明的一般描述。
在不同的图中，等效部件在其功能方面总是具有相同的附图标记，因此这些通常仅描述一次。
图1示出了根据现有技术的TCS-IGBT。IGBT的一部分单元用于电流测量(IGBTS)。其余单元用作实际IGBT，可用于控制负载(IGBTL)。IGBT具有发射极E和辅助发射极HE。在发射极E处可以连接待控制的负载。辅助发射极HE用于测量电流。在该实施例中，HE表示控制栅极G的栅极驱动器G(未示出)和测量电阻R_sense的地参考点或GND参考点。为此目的，测量电阻R_sense连接在IGBTS的辅助发射极HE和发射极EH之间，在该测量电阻R_sense上可以测量电压降V_sense。该电压降与流过(用于确定电流测量的)IGBT的部分单元的电流i_sense成比例。该电流又与在TCS-IGBT的集电极C和发射极E之间流过的集电极电流i_c成比例。此外，TCS-IGBT具有与IGBT电流隔离的温度二极管TD。通过温度二极管TD的端子TH1和TH2，在连接电流源之后，温度二极管TD上的电压降是可测量的，并且与温度二极管TD的环境温度成比例，并因此与IGBT的环境温度成比例。因此，布置在基板上的根据现有技术的TCS-IGBT至少具有以下七个端子：
-用于连接控制信号和栅极驱动器的栅极端子G；
-用于连接负载的发射器端子E；
-用于连接测量电阻R_sense和栅极驱动器的辅助发射极端子HE；
-用于连接电源电压的集电极端子C；
-用于连接测量电阻R_sense并且测量流过它的电流的电流传感器端子；
-用于测量工作温度T的两个端子TH1和TH2。
为了操作TCS-IGBT，需要至少两个电压测量装置，以便可以确定温度T和集电极电流i_c。
图2示出了根据本发明的功率半导体电路1的实施例。在该实施例中，温度二极管10用于确定温度。为此目的，温度二极管的阴极12与设计为IGBT的功率半导体元件20的发射极E相连接。有利的是：温度二极管10集成在IGBT 20的模块中，或者直接集成在IGBT20中。替代地，也可以将温度二极管10作为外部元件连接到标准IGBT模块的第一发射极端子HE上。
在本实施例中，温度二极管10集成在IGBT 20中，并由IGBT 20的虚线框示出。以下将本实施例的IGBT芯片称为IGBT-TS，并且至少具有以下电极：用于控制IGBT 20的栅极的栅极G、集电极C和发射极E。此外，IGBT-TS具有温度二极管10，该温度二极管10具有第一测量点(阳极11)和第二测量点(阴极12)。阳极11具有测量端子TC，在该测量端子TC上连接有电流源和电压测量装置。
测量端子TC与温度二极管10的阳极11相连接。因此，可以向温度二极管10提供恒定电流i_T。由于温度二极管10的阴极12电连接到IGBT-TS的发射极E，当电流源连接到测量端子TC时，电流流过温度二极管10到达IGBT-TS的第一发射极端子HE。然后可以通过第一测量端子TC和第一发射极端子HE之间的电压测量来确定温度二极管10的环境温度T，也就是说在当前情况下直接确定IGBT 20的芯片温度。为此，IGBT-TS需要处于截止状态，因为没有集电极电流i_c流动，该集电极电流i_c会以恒定电流i_T叠加在发射极E上。通过将发射极E连接到第二发射极端子E2，至少一个接合线和/或至少一个(DCB)导体的内阻R_bond上的集电极电流感应(i_c)的电压降将在这种情况下增加R_bond上的由恒定电流i_T引起的电压降。
通过IGBT-TS截止状态下的第一测量端子TC和第一发射极端子HE之间的电压测量，可以确定温度二极管10处的电压降V_f，由此可以推导出IGBT 20的温度T。由于IGBT-TS的主要任务是接通负载，因此IGBT-TS具有用于连接电压测量装置的第一发射极端子HE和用于连接负载的第二发射极端子E2。这不是问题，因为连接到第一发射极端子HE的电压测量装置(未示出)是高阻抗或电流隔离的，因此实际上没有电流流过第一发射极端子HE。因此，第一发射极端子HE不影响连接到第二发射极端子E2的负载。
在图2所示的功率半导体电路1的实施例中，第二发射极端子E2分别表示外部导体基板(例如DCB基板)上的发射极E的端子/连接节点，用于IGBT-TS的外部端子和外部电路。如图2所示，发射极E通过一个或多个接合线和/或通过一个或多个DCB导体与第二发射极端子E2电连接；其中，上述至少一个接合线和/或至少一个DCB导体具有内阻R_bond，如图2中通过电阻30所示。
从图2可以看出，第一发射极端子HE(例如直接地)电连接到第二发射极端子E2。换句话说，因此在测量端子TC和第一发射极端子HE之间的内阻30是电有效的，并且因此相对于TC和HE与温度二极管10串联连接。
根据测量电压V_f并且基于特性曲线确定IGBT 20的温度T，并将其与阈值T_th进行比较。如果确定的温度T高于阈值T_th，则假定过热并采取预防措施来保护IGBT-TS。这些措施可以从限制负载电流到完全关闭负载。
如果IGBT-TS切换到导通状态，则可以额外地在第一发射极端子HE处确定集电极电流i_c，该集电极电流i_c在集电极C和发射极E之间流动。为此目的，测量集电极电流i_c作为R_bond上的电压降。如果忽略流过第一发射极HE的用于电压测量装置的电流(未示出)，负载电流i_L在IGBT 20的发射极E和第二发射极端E2之间流动，该负载电流i_L是集电极电流i_c和温度二极管电流i_T的总和。由于集电极电流i_c比栅极电流i_g和温度二极管电流i_T高许多倍，后两者是可忽略的，因此负载电流几乎等于集电极电流：i_L≈i_c。由于栅极电流i_g仅在IGBT 20的接通和断开操作时流动，并且在当前情况下并在这些时间内在测量端子TC处没有测量，所以栅极电流i_g在这里甚至完全不重要。负载电流i_L或集电极电流i_c在电极E和第二发射极端子E2之间流过电阻R_bond或30，从而能够测量由此引起的端子TC和HE处的电压降，并且可以以这种方式确定集电极电流i_c。
发射极E和第二发射极端子E2通过至少一个接合线和/或至少一个DCB导体彼此连接，其具有内阻R_bond。如果预先确定接合线和/或DCB导体的电阻R_bond，并且在发射极E和第二发射极端子E2之间没有设置另外的可预先确定的测量电阻R1，则内阻R_bond或30被用作电流的测量电阻：R_sense＝R_bond。
然而，还可以在发射极E和第二发射极端子E2之间设置另外的可预先确定的测量电阻R1，使得在发射极E和第二发射极端子E2之间的电流流动的测量电阻：R_sense＝R_bond+R1。功率半导体电路1的这种可能的实施例在图2中由括在括号中的附图标记R1表示。
在这种情况下，特别优选地选择R1远高于R_bond：R1>>R_bond，因此近似适用R_sense＝R1。然后不再需要预先测量接合线或导体的内阻R_bond。有利地，为了更准确地测量发射极E和第二发射极端子E2之间的电流，确定内阻R_bond和附加测量电阻R1的总和：R_sense＝R1+R_bond。在以下考虑中，省去了附加测量电阻R1。
处于导通状态的IGBT 20的测量端子TC和第一发射极端子HE之间的电压测量可用于得出集电极电流i_c的结论。为此，在IGBT 20的先前截止状态中，确定温度二极管10的温度相关电压V_f并将其存储为温度电压V_T。随后，在IGBT 20的导通状态下，再次测量电压V_f并减去先前存储的温度电压V_T。如果在其导通状态期间忽略IGBT 20处的温度增加，V_f-V_T的差值与负载电流i_L成比例，并且因此大致与集电极电流i_c成比例：
i_c≈(V_f-V_T)/R_sense＝(V_f-V_T)/R_bond (1)
将测量的集电极电流i_c与电流阈值i_th进行比较。如果测量的集电极电流i_c高于阈值i_th，则关闭过载电流并采取预防措施来保护IGBT-TS。这些措施可以从限制负载电流到完全关闭负载。
替代地，负载电流i_L也可以通过上面的公式确定：
i_L＝(V_f-V_T)/R_sense＝(V_f-V_T)/R_bond(2)
特别地，应该保护连接的负载免受过大电流的影响，这也可以通过根据本发明的IGBT-TS来实现。
在操作中，IGBT-TS例如与微控制器或运算放大器电路(均未示出)互连，并通过电压输出和可选的栅极驱动器控制栅极。为此，可能需要提供电流隔离。此外，微控制器可以为温度二极管10提供恒定电流源，并通过电压测量装置测量电压V_f。由于微控制器通常仅具有电压输出，因此可能需要提供额外的电路，该电路由微控制器的电压输出形成恒定电流源。当使用具有纯数字输出的微控制器时，可以另外提供一个或多个数模转换器(DA转换器)用于此目的。然后可以通过微控制器的内部控制结构实时地进行测量，这保护IGBT-TS免受过载电流和/或过高温度的影响。
温度二极管10中存储的恒定或二极管电流i_T不一定必须用微控制器进行控制。也可以为此提供合适的运算放大器电路或恒定电流源。
图3示出了根据本发明的方法的实施例的流程图。
在第一步骤S1中，在启动IGBT-TS之前，确定发射极E和第二发射极端子E2之间或者确定发射极E和与第二发射极端子连接的第一发射极端子HE之间的测量电阻R_sense，其基于非理想的接合线和/或非理想的DCB导体。
在第二步骤S2中，IGBT-TS投入运行，IGBT-TS切换到截止状态。
在第三步骤S3中，确定IGBT 20的温度T，并将相应的测量电压V_f存储在存储器中作为温度电压V_T。将温度T与阈值T_th进行比较。如果温度T低于阈值T_th，则该方法进入第四步骤S4。否则，执行保护IGBT-TS的保护措施(步骤S4*)。
只要IGBT-TS在步骤S2中继续在截止状态下运行，步骤S4返回到步骤S3，否则意味着一旦IGBT-TS被设置为导通状态，该方法就进入第五步骤S5。
在第五步骤S5中，再次测量IGBT-TS导通状态下的电压V_f，并且通过上述公式1计算集电极电流i_c。将确定的集电极电流i_c与电流阈值i_th进行比较。如果集电极电流i_c低于阈值i_th，则方法进入到第六步骤S6。否则，执行保护IGBT-TS的保护措施(参见步骤S4*)。
只要IGBT-TS在步骤S5中继续在导通状态下运行，步骤S6返回到步骤S5，否则意味着一旦IGBT-TS被设置为截止状态，处理返回到步骤S3。
图4示出了功率半导体电路35的另一实施例的电路图，具有根据本发明的具有续流二极管40的功率半导体元件20(例如IGBT)。续流二极管40与集电极C和发射极E并联连接。续流二极管40(续流阴极)的阴极连接到集电极C，并且续流二极管(续流阳极)的阳极连接到IGBT 20的发射极E。在该实施例中，续流二极管40可以集成在IGBT-TS中，并且位于具有IGBT-TS的模块中或作为外部元件并联连接。在图4所示的实施例中，续流二极管40集成在IGBT-TS中，由IGBT-TS的虚线边界所示。但是，这不是强制性的。
在连接到IGBT-TS的感应负载关闭时，续流二极管40防止在IGBT-TS处产生高电压，并因此被损坏。续流二极管40确保断开的负载的感应电流可以流过续流二极管40，从而导致用于正常操作的反向发射极电流。
如果功率半导体电路35(包括续流二极管40)集成到桥电路中(例如H电路，H桥或全桥)，根据本发明的功率半导体电路35还具有另一个优点。借助于桥电路，例如可以确定负载电流i_L的电流方向。然而，如上所述，桥接电路不是必须的。
图5示出了根据本发明的具有功率半导体元件20(IGBT)(具有续流二极管40)的功率半导体电路36的另一实施例的电路图。与图4的功率半导体电路35相比，在图5的功率半导体电路36中，续流二极管40及其阳极不直接连接到IGBT 20的发射极E，而是连接到第二发射极端子E2，例如布置在DCB基板上，用于IGBT-TS的外部连接。因此，功率半导体电路36的续流二极管40没有集成在IGBT-TS中，而是外部连接到IGBT-TS，这应该由续流二极管40(不全面的虚线框)表示。因此，在包括续流二极管40的电路支路中，将续流二极管40的阳极与第二发射极端子E2在DCB基板上电连接(外部)的导体的导体电阻RL是有效的。
图6示出了例如如图5所示的根据本发明的功率半导体电路36的温度二极管10的示例性电流和电压曲线。如果其中所示的IGBT-TS处于导通状态(即，在栅极G与第一发射极端子HE或第二发射极端子E2之间存在电压V_ge并且IGBT-TS切换为导通时)，则在测量端子TC和第一发射极端子之间测量的电压V_f作为通过温度二极管10的电压降与(由负载电流i_L和测量电阻R_sense的乘积产生的)电压的总和。IGBT-TS的这种导通状态在图6中由区域2和4表示。在本示例中，电压的总和大约为2.7V。在IGBT-TS的截止状态中，仅测量温度二极管10处的电压降，在这种情况下达到约2.5V(区域1和3)。电压差(2.7V-2.5V＝0.2V)对应于负载电流。
例如，如果图5中所示的IGBT-TS位于桥式电路中(例如H电路、H桥或全桥)可能发生IGBT-TS切换到导通状态并且同时电流流过续流二极管40。在这种情况下，没有集电极电流i_c流动，因此测量电阻R_sense上没有电压降(这里等于R_bond)。然后，TC和HE之间的测量电压V_f对应于与IGBT 20的截止状态(在本示例中为2.5V)中相同的电压。因此，可以得出结论，负载电流i_L与集电极电流i_c具有相反的符号。
如本文别处所述，在具有续流二极管40的IGBT-TS中，通常在IGBT 20截止状态和导通状态期间通过比较在TC和HE之间测量的电压V_f来确定负载电流i_L的电流方向。如果检测到断开和导通状态之间的测量电压V_f的没有电压变化，则IGBT-TS处于续流，也就是说负载电流通过续流二极管40在正向方向上流动，从而清楚地限定第一电流方向。然而，如果测量到IGBT 20断开和导通状态之间的测量电压V_f的电压变化，则IGBT-TS不处于续流，并且由IGBT 20切换的负载电流的电流方向与续流电流方向相反。因此，如上所述的桥电路对于检测负载电流i_L的电流方向不是绝对必要的。
图7在视图7A中示出了IGBT-TS和续流二极管40的理想的互连，以及在视图7B中示出了非理想的互连。在图7A的理想情况下，续流二极管40通过导轨50(例如与IGBT-TS外部连接的DCB基板的DCB导轨，图5中的内阻对应于那里所示的电阻RL)而不直接通过接合线45并联连接到IGBT 20，如图7B中针对非理想情况所示。因此，在图7A的理想情况下，通过续流二极管40的续流电流不会在接合线45上产生额外的电压降，其内阻对应于图2、4和5中所示的电阻R_bond，并且不影响电压V_f的测量。因此，图7A中的示意图对应于图5中所示的功率半导体电路36的电路图。图7B中的示意图对应于图7中所示的功率半导体电路35的电路图。
在这一点上应该注意，当使用MOSFET作为功率半导体元件20时，由于体二极管本身集成在MOSFET中，所以当然可以使用如图7B所示的非理想互连。
如果功率半导体元件20是MOSFET晶体管，则上述整个描述相应地适用。应注意，所描述的集电极对于MOSFET晶体管通常被称为漏极，而发射极通常被称为源极。相应地，上述第一和第二发射极端子是第一和第二源极端子。

Claims (13)

1.一种用于确定桥电路中的负载电流的符号的方法，所述桥电路包括至少一个功率半导体电路(1)以用于确定功率半导体元件(20)的温度，所述功率半导体电路(1)包括功率半导体元件(20)和温度传感器(10)，其中所述功率半导体元件(20)包括栅极(G)、集电极(C)和发射极(E)，所述栅极用于驱控所述功率半导体元件(20)，其中所述发射极(E)与第一发射极端子(HE)电连接，并且所述温度传感器(10)包括第一测量点(11)和第二测量点(12)，所述第一测量点具有测量端子(TC)，
其中所述第二测量点(12)电连接到所述发射极(E)，使得在测量端子(TC)和第一发射极端子(HE)之间能够测量在所述温度传感器(10)上降落的电压，以用于温度测量，并且其中所述集电极(C)与续流二极管(40)的续流阴极连接，并且所述发射极(E)与所述续流二极管(40)的续流阳极连接，
其特征在于，
确定在功率半导体元件(20)的截止状态下在测量端子(TC)和第一发射极端子(HE)之间的电压V_fs，以及确定在所述功率半导体元件(20)的导通状态下在测量端子(TC)和第一发射极端子(HE)之间的电压V_fl；
形成差值V_d＝V_fl-V_fs；并且
如果V_d>0，则确定所述负载电流i_L具有与所述集电极电流i_c相同的符号，否则所述负载电流i_L具有与所述集电极电流i_c相反的符号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度传感器(10)被构造为温度二极管，所述温度二极管具有作为第一测量点(11)的阳极和作为第二测量点(12)的阴极，其中所述阴极(12)与所述发射极(E)电连接。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述功率半导体元件(20)和所述温度传感器(10)布置在一个模块中。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述发射极(E)通过至少一个接合线和/或至少一个DCB导体与第二发射极端子(E2)电连接，其中所述第一发射极端子(HE)电连接到所述第二发射极端子(E2)，并且所述至少一个接合线和/或至少一个DCB导体具有内阻(R_bond；30)，所述内阻被用作测量电阻(R_sense)，以用于确定所述功率半导体元件(20)的负载电流i_L。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，恒定电流源连接到所述测量端子(TC)上，并且电压测量装置连接在测量端子(TC)和第一发射极端子(HE)之间，使得在所述功率半导体元件(20)的截止状态下，能够测量与温度相关的电压，并且在所述功率半导体元件(20)的导通状态下，能够测量与负载电流相关的电压。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述续流二极管(40)通过DCB导体和/或接合线(50)与所述功率半导体元件(20)并联连接。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述功率半导体元件(20)是n通道常通型IGBT或MOSFET晶体管。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述温度传感器(10)被集成在所述功率半导体元件(20)内或布置在所述功率半导体元件(20)上。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述功率半导体元件(20)是SIC-MOSFET晶体管。
10.一种利用功率半导体电路(1)来确定功率半导体元件(20)的温度的方法，所述功率半导体电路(1)包括功率半导体元件(20)和温度传感器(10)，其中所述功率半导体元件(20)包括栅极(G)、集电极(C)和发射极(E)，所述栅极用于驱控所述功率半导体元件(20)，其中所述发射极(E)与第一发射极端子(HE)电连接，并且所述温度传感器(10)包括第一测量点(11)和第二测量点(12)，所述第一测量点具有测量端子(TC)，其中所述第二测量点(12)电连接到所述发射极(E)，使得在测量端子(TC)和第一发射极端子(HE)之间能够测量在所述温度传感器(10)上降落的电压，以用于温度测量，
其特征在于至少以下步骤：
a)控制功率半导体元件(20)进入截止状态；
b)测量测量端子(TC)和第一发射极端子(HE)之间的电压V_f作为温度电压V_T；
c)确定温度T作为所述温度电压V_T的函数；
d)确定内阻R_bond作为发射极(E)和第二发射极端子(E2)之间的测量电阻R_sense，所述第一发射极端子(HE)电连接到所述第二发射极端子；
e)将先前在所述功率半导体元件(20)的截止状态下测量的电压V_f存储为存储的温度电压V_T＝V_f；
f)控制所述功率半导体元件(20)进入导通状态；
g)测量测量端子(TC)和第一发射极端子(HE)之间的电压V_f；
h)确定集电极电流i_c作为在所述功率半导体元件(20)的导通状态下所测量的电压V_f和所存储的温度电压V_T的函数。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过公式i_c＝(V_f-V_T)/R_sense确定所述集电极电流i_c。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，将所述温度T与温度阈值T_th进行比较，并且通过比较能够判断过热温度。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，将所述集电极电流i_c与电流阈值i_th进行比较，并且通过比较能够判断过载电流。
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