DE102011050122A1 - DIREKTE SPERRSCHICHTTEMPERATURMESSUNG EINES LEISTUNGS-MOSFETs (N-TYP) - Google Patents

DIREKTE SPERRSCHICHTTEMPERATURMESSUNG EINES LEISTUNGS-MOSFETs (N-TYP) Download PDF

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Abstract

Die Beschreibung umfasst ein Bauteil als Leistungsschalter für einen Wechselrichter zur Ansteuerung eines Antriebsmotors einer Lenkunterstützung, umfassend: einen Mosfet 311 mit einem Gateanschluss 309 und einem Sourceanschluss 305 und eine erste Diode 304 zur Messung der Sperrschichttemperatur des Mosfets 311, wobei die erste Diode 304 einen Anodenanschluss und einen Kathodenanschluss aufweist, wobei der Mosfet 311 vom N-Kanal-Typ ist und der Gateanschluss 309 mit dem Kathodenanschluss und der Sourceanschluss 305 mit dem Anodenanschluss verbunden sind oder wobei der Mosfet vom P-Kanal-Typ ist und der Gateanschluss mit dem Anodenanschluss und der Sourceanschluss mit dem Kathodenanschluss verbunden sind. Vorteilhafterweise kann ein Bauteil mit einer Diode versehen werden, durch die die Sperrschichttemperatur eines Mosfets bestimmt werden kann, ohne hierbei zusätzliche Anschlüsse am Bauteil anordnen zu müssen.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil als Leistungsschalter für einen Wechselrichter zur Ansteuerung eines Antriebsmotors einer Lenkunterstützung, eine Servolenkung für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Sperrschichttemperaturmessung.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Im Stand der Technik sind Bauteile bekannt, die einen Mosfet aufweisen sowie eine Diode zur Messung der Sperrschichttemperatur des Mosfets. Die Diode weist dabei einen Anodenanschluss und einen Kathodenanschluss auf, die aus dem Bauteil herausführend ausgebildet sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Bauteile des Stands der Technik, die eine Messung der Sperrschichttemperatur des Mosfets ermöglichen, weisen zusätzliche Anschlüsse der Sensordiode auf. Die zusätzlichen Anschlüsse erfordern eine zusätzliche Beschaltung, was zu einem erhöhten Aufwand bei der Herstellung und einem erhöhten Raumbedarf der Schaltung und der Die-Fläche des Mosfets führen kann.
  • Eine Aufgabe ist daher ein Bauteil mit einem Mosfet zur Verfügung zu stellen, das eine Messung der Sperrschichttemperatur des Mosfets ermöglicht ohne dabei zusätzliche Anschlüsse aufzuweisen und wobei die Chipfläche (Die-Fläche) des Mosfets nicht signifikant vergrößert bzw. verändert wird.
  • Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Bauteil als Leistungsschalter für einen Wechselrichter zur Ansteuerung eines Antriebsmotors einer Lenkunterstützung zur Verfügung gestellt, umfassend: einen Mosfet mit einem Gateanschluss und einem Sourceanschluss und eine erste Diode zur Messung der Sperrschichttemperatur des Mosfets, wobei die erste Diode einen Anodenanschluss und einen Kathodenanschluss aufweist, wobei der Mosfet vom N-Kanal-Typ ist und der Gateanschluss mit dem Kathodenanschluss und der Sourceanschluss mit dem Anodenanschluss verbunden sind oder wobei der Mosfet vom P-Kanal-Typ ist und der Gateanschluss mit dem Anodenanschluss und der Sourceanschluss mit dem Kathodenanschluss verbunden sind.
  • Vorteilhafterweise kann durch das erfindungsgemäße Bauteil eine optimale Ausnutzung der thermischen Fähigkeiten des Bauteils erfolgen, und zwar dadurch, dass dank dem erfindungsgemäßen Bauteil eine Leistungsreduzierung der Lenkunterstützung vorgenommen werden kann, falls durch das Bauteil eine obere Grenztemperatur des Mosfets festgestellt werden kann.
  • Erfindungsgemäß werden der Gateanschluss und der Sourceanschluss des Mosfets verwendet, um eine Ansteuerung einer Sensordiode zu ermöglichen. Die Diode wird dabei derart angeordnet, dass bei einem durchgeschalteten Mosfet die Diode gesperrt ist. Falls der Mosfet gesperrt wird, kann die Diode in Durchlassrichtung betrieben werden, wobei ein Strom in die Diode eingeprägt werden kann. Anhand des eingeprägten Stroms und der Messung der Spannung über der Diode kann eine Temperaturmessung der Sperrschicht des Mosfets vorgenommen werden, falls die Diode benachbart zur Sperrschicht angeordnet ist.
  • Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird eine Servolenkung für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, umfassend: einen Antriebsmotor zum Erzeugen eines Antriebsmoments auf eine Zahnstange eines Lenksystems und einen Wechselrichter zur Ansteuerung des Antriebsmotors, wobei der Wechselrichter ein Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst.
  • Durch den Einsatz mindestens eines erfindungsgemäßen Bauteils kann eine Servolenkung bereitgestellt werden, die eine weniger aufwändige Beschaltung aufweisen kann und daher im Vergleich zu Servolenkungen des Stands der Technik einen kleineren Bauraum benötigt.
  • Als dritte Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, umfassend eine Servolenkung nach Anspruch 5. Ein Lenksystem mit einer erfindungsgemäßen Servolenkung kann sehr kompakt ausgeführt werden, wodurch sich ein geringerer Raumbedarf im Fahrzeuginnenraum ergeben kann.
  • Als vierte Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Sperrschichttemperaturmessung zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte: Betreiben eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem ersten Strom I1 zur Umladung einer Eingangskapazität des Mosfets, Betreiben des Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem zweiten Strom I2, wobei der erste Strom I1 größer als der zweite Strom I2 ist.
  • Wird ein Strom in die Diode eingespeist, der variiert werden kann, wobei z. B. zunächst ein hoher Strom eingestellt wird, um die Eingangskapazität des Mosfets umzuladen und darauf ein geringerer Strom zur Messung in die Diode eingeprägt wird, wobei auch sicher gestellt werden kann, dass der geringere Strom nicht zu einer Verfälschung des Messergebnisses durch Erwärmung aufgrund des Messstromes führen kann, so erhält man ein erfindungsgemäßes Verfahren mit dem in kurzer Zeit eine Temperaturmessung der Sperrschicht des Mosfets durchgeführt werden kann.
  • Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Bauteil zur Verfügung gestellt, wobei die erste Diode im thermischen Kontakt mit der Sperrschicht des Mosfets ist.
  • Durch einen thermischen Kontakt der Diode mit der Sperrschicht kann eine direkte Temperaturmessung vorgenommen werden, wodurch sich verlässliche Angaben über die Sperrschichttemperatur ergeben können.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Bauteil zur Verfügung gestellt, wobei die erste Diode als Si-Diode, Suppressordiode, Schottkydiode, PIN-Diode oder als Zenerdiode ausgeführt ist.
  • Durch die Verwendung von Standardtypen von Dioden kann ein kostengünstiger Aufbau eines erfindungsgemäßen Bauteils erreicht werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Bauteil zur Verfügung gestellt, wobei das Bauteil eine zweite Diode und/oder eine dritte Diode und/oder eine vierte Diode und/oder beliebig viele weitere Dioden umfasst, wobei die erste Diode und/oder die zweite Diode und/oder die dritte Diode und/oder die vierte Diode und/oder beliebig viele Dioden in Reihe geschaltet sind und/oder in thermischen Kontakt mit der Sperrschicht des Mosfets sind.
  • Durch eine Verwendung von mehreren Dioden, die in Reihe geschaltet sind, kann die Temperatur der Sperrschicht genauer gemessen werden, da hierdurch die Temperaturabhängigkeit der Spannung über der Gate-Source-Strecke verstärkt werden kann.
  • Des weiteren können die Dioden, falls es sich z. B. um Zenerdioden handelt, zur Eingangsspannungsbegrenzung des betreffenden Mosfets vorgesehen werden.
  • Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, einen Mosfet zur Verfügung zu stellen, der zwischen Gateanschluss und Sourceanschluss eine Diode oder mehrere Dioden aufweist, wobei die Diode oder die Dioden in thermischen Kontakt mit der Sperrschicht des Mosfets stehen. Die Diode ist dabei derart angeordnet, dass sie in Sperrichtung gepolt ist, falls der Mosfet durchgesteuert wird und in Durchlassrichtung gepolt ist, falls der Mosfet in Sperrbetrieb ist. In Sperrbetrieb des Mosfets kann ein Strom in die Diode eingeprägt werden und die Spannung über der Diode gemessen werden, wodurch die Temperatur der Sperrschicht des Mosfets bestimmt werden kann.
  • Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen
  • 1 ein Schaltbild eines Mosfets des Stands der Technik,
  • 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Mosfet des N-Kanal-Typs,
  • 3 ein Schaltbild eines beschalteten erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Mosfet,
  • 4 ein Schaubild einer Kennlinienschar UF(T) bei unterschiedlichen IF-Strömen,
  • 5 ein Schaubild mehrerer Stromkennlinien,
  • 6 Kennlinien einer Gate-Source-Spannung UGS und eines Vorwärtsstroms IF einer Diode
  • 7 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Mosfet des P-Kanal-Typs,
  • 8 ein weiters Schaltbild eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Mosfet des N-Kanal-Typs,
  • 9 eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Mosfet auf einem Halbleitersubstrat.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt ein Bauteil mit einem Mosfet 102 des Stands der Technik, das einen Gateanschluss 105, einem Drainanschluss 103 und einen Sourceanschluss 104 aufweist. Das Bauteil umfasst eine Diode 101, die zur Temperaturmessung des Mosfets 102 dienen kann, wobei die Diode 101 auf demselben Silizium wie der Mosfet 102 angeordnet ist. Die Anschlüsse der Diode 101 werden nach außen geführt, wodurch das Bauteil zwei zusätzliche Anschlüsse aufweist, die beschaltet werden müssen, um die Funktion der Diode 101 als Temperatursensor wahrnehmen zu können.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauteil mit einem Mosfet 206, der einen Drainanschluss 201, einen Sourceanschluss 204 und einen Gateanschluss 205 umfasst, wobei zwischen dem Gatenanschluss 205 und dem Drainanschluss 204 eine, zwei, drei oder mehrere in Reihe geschaltete Zenerdioden 203 angeordnet werden können. Erfindungsgemäß können daher der Gateanschluss 205 und der Sourceanschluss 204 doppelt verwendet werden. In einer ersten Situation kann über der Gate-Source-Strecke eine positive Spannung angelegt werden, wodurch die Zenerdiode bzw. die Vielzahl von Zenerdioden 203 gesperrt werden. In diesem Fall wird der Mosfet 206 durchgesteuert. In einer zweiten Situation kann über der Strecke Gate-Source eine negative Spannung angelegt werden, wodurch der Mosfet 206 gesperrt wird. In diesem Fall wird die Zenerdiode bzw. werden die Zenerdioden 203 in Durchlassrichtung betrieben. Die Zenerdioden 203 werden erfindungsgemäß in thermischen Kontakt mit der Sperrschicht des Mosfets 206 gebracht, wodurch eine direkte Messung der Sperrschichttemperatur des Mosfets 206 ermöglicht werden kann. Die Vorwärtsspannung, die über die Zenerdiode bzw. die Zenerdioden 203 abfällt, kann gemessen werden, wobei der Wert der Vorwärtsspannung temperaturabhängig ist. Aufgrund der über die Zenerdiode bzw. die Anordnung von Zenerdioden 203 abfallenden Vorwärtsspannung UF kann die Temperatur am Mosfet 206 bestimmt werden. Vorteilhafterweise werden die Zenerdioden 203 mit einem kleinen Vorwärtsstrom betrieben, um eine Erwärmung des Mosfets 206 aufgrund des Vorwärtsstroms vermeiden zu können. Erfindungsgemäß können Zenerdioden und/oder Si-Dioden zur Sperrschichttemperaturmessung eingesetzt werden.
  • 3 zeigt eine Beschaltung eines erfindungsgemäßen Bauteils zur Sperrschichttemperaturmessung mit einem Mosfet 311, der einen herausgeführten Drainanschluss 302, einen Sourceanschluss 305 und einen Gateanschluss 309 aufweist. Dargestellt ist ferner eine Eingangskapazität 310, die zwischen Gate und Source angeordnet ist. Außerdem umfasst das Bauteil eine zusätzliche Diode 304, die on-board bzw. auf demselben Silizium wie der Mosfet 311 angeordnet ist, mit der eine direkte Messung der Sperrschichttemperatur des Mosfets 311 ermöglicht werden kann. Durch diese Messung können thermisch kritische Betriebszustände des Mosfets 311 festgestellt werden und nötigenfalls Gegenmaßnahmen, beispielsweise ein Abschalten des Mosfets 311, eingeleitet werden. Zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur des Mosfets 311 wird ein Strom Iconst verwendet mit dem die Messdiode 304 in Vorwärtsrichtung betrieben werden kann. Mit der Stromquelle 307 kann zunächst die Eingangskapazität 310 umgeladen werden. Nachdem die Eingangskapazität 310 geladen ist, fließt der gesamte Strom Iconst über die Diode 304. Durch den Stromfluss Iconst durch die Diode 304 fällt eine Vorwärtsspannung UF über der Diode 304 ab, die gemäß der Beziehung UF = f(Iconst, T) temperaturabhängig ist. Diese Spannung UF kann zwischen Gateanschluss 309 und Sourceanschluss 305 durch z. B. ein Voltmeter 306 gemessen werden.
  • 4 zeigt eine Schar von Kennlinien 401, die die Durchlassspannungen (Vorwärtsspannung UF), die über eine Diode abfällt, bezüglich der Temperatur in Grad Celsius darstellt. Hierbei ergeben sich in Abhängigkeit von dem Parameter des Vorwärtsstroms Iconst nach 3 parallel verschoben Kennlinien 401.
  • 5 zeigt einen Stromverlauf eines Stroms IF einer Stromquelle 307 der 3, wobei in einer ersten Variante der Strom IF 501, 503 über zwei Zeitbereiche t1 und t2 konstant bleibt mit z. B. einem Wert von 1 mA. Bei dieser ersten Variante kann zunächst in einer ersten Zeitphase t1 die Eingangskapazität 310 nach 3 aufgeladen werden. In einer zweiten Zeitphase t2 fließt dann der komplette Strom IF über die Diode 304, da die Eingangskapazität 310 bereits aufgeladen ist. In einer zweiten Variante kann von der Stromquelle 307 zunächst ein erhöhter Strom IF 502 zur Verfügung gestellt werden, um möglichst schnell die Eingangskapazität 310 des Mosfets 311 aufladen zu können. Hierdurch kann schneller als bei der ersten Variante die Eingangskapazität 310 aufgeladen werden, wodurch die Zeitspanne t1 verkürzt werden kann. Die Zeitspanne t2 während der der gesamte von der Stromquelle 307 bereit gestellte Strom IF über die Diode 304 fließt, kann dadurch früher erreicht werden und eine Temperaturmessung kann schneller erfolgen.
  • 6 zeigt zwei Schaubilder über die Zeit, wobei in einem ersten Schaubild die Spannung über der Gate-Source-Strecke UGS eines Mosfets 311 dargestellt ist. Bei positiven Spannungen UGS 601 wird der entsprechende Mosfet 311 durchgeschaltet und die erfindungsgemäße Diode 304 wird in Sperrrichtung betrieben. Falls die Spannung UGS Null oder negativ ist, ist der Mosfet 311 gesperrt. Bei einer negativen Spannung UGS 603 ist der Mosfet 311 gesperrt und die erfindungsgemäße Diode 304 wird in Durchlassrichtung betrieben. Bei einem eingeprägten Strom 602 kann die Spannung 603 über der Diode 304 gemessen werden und daraus die Sperrschichttemperatur zu einem Messzeitpunkt 604 des Mosfets 311 gemäß einer Kennlinie nach 4 nach Messung der Vorwärtsspannung UF, die an der Diode 304 in Durchlassrichtung abfällt, bestimmt werden.
  • 7 zeigt ein Bauteil mit einem Mosfet 702, wobei der Mosfet 702 vom p-Kanal-Typ ist. Die Sperrschichttemperatur des Mosfets 702 kann durch eine Anordnung von Zenerdioden 704 analog zu der Anordnung von 3 bestimmt werden.
  • 8 zeigt ein Bauteil mit einem Mosfet 801, bei dem der Kathoden-Anschluss 803 einer Temperatursensordiode 806 für eine nachfolgende Kontaktierung separiert ausgeführt ist und die Anode der Temperatursensordiode 806 mit dem Source-Anschluss 805 des Mosfets verbunden ist.
  • 9 zeigt eine Anordnung auf einem Halbleiter-Bauteil (Die) 907 gemäß der Erfindung. Das Die 907 umfasst ein Source-Pad 906 und ein Gate-Pad 907 des Mosfets als auch eine Diode 904 zur Erfassung der Temperatur. Die Diode 904 ist dabei so angeordnet, dass deren Kathoden-Pad 905 über das Gate-Pad 903 des Mosfets mittels einer Gate/Kathoden-Verbindungsleitung 901 (Bondwire) kontaktiert wird. Der Source-Anschluss S des Mosfets ist mittels eines Source-Bondwires 902 kontaktiert.
  • Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen” weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein” und „eine” mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
  • Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 101
    Diode
    102
    Mosfet
    103
    Diode
    104
    Source
    105
    Gate
    201
    Drain
    202
    Freilaufdiode
    203
    Zenerdioden
    204
    Source
    205
    Gate
    206
    Mosfet
    301
    Bauteil
    302
    Drain
    303
    Freilaufdiode
    304
    Diode
    305
    Source
    306
    Voltmeter
    307
    Stromquelle
    308
    Vorwärtsspannung UF
    309
    Gate
    310
    Eingangskapazität
    311
    Mosfet
    401
    Kennlinien
    501
    Kennlinienabschnitt
    502
    Kennlinienabschnitt
    503
    Kennlinienabschnitt
    601
    UGS-Kennlinienabschnitt
    602
    IF-Kennlinienabschnitt
    603
    UGS-Kennlinienabschnitt
    604
    Meßzeitpunkt
    701
    Drain
    702
    Mosfet
    703
    Source
    704
    Zenerdioden
    705
    Gate
    801
    MOSFET
    802
    Gate Anschluss
    803
    Kathoden-Anschlusss Diode
    804
    Drain Anschluss
    805
    Source Anschluss
    806
    Diode zur Temperaturerfassung
    901
    Gate/Kathoden-Bondwire
    902
    Source-Bondwire
    903
    Gate-Pad
    904
    Diode zur Temperaturerfassung
    905
    Kathoden-Pad, Diode
    906
    Source-Pad
    907
    Die

Claims (7)

  1. Bauteil als Leistungsschalter für einen Wechselrichter zur Ansteuerung eines Antriebsmotors einer Lenkunterstützung, umfassend einen Mosfet (311) mit einem Gateanschluss (309) und einem Sourceanschluss (305) und eine erste Diode (304) zur Messung der Sperrschichttemperatur des Mosfets (311), wobei die erste Diode (304) einen Anodenanschluss und einen Kathodenanschluss aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mosfet (311) vom N-Kanal-Typ ist und der Gateanschluss (309) mit dem Kathodenanschluss und der Sourceanschluss (305) mit dem Anodenanschluss verbunden sind oder wobei der Mosfet (702) vom P-Kanal-Typ ist und der Gateanschluss (705) mit dem Anodenanschluss und der Sourceanschluss (703) mit dem Kathodenanschluss verbunden sind.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Diode (304) im thermischen Kontakt mit der Sperrschicht des Mosfets (311) ist.
  3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Diode als Si-Diode, Suppressordiode, Schottkydiode, PIN-Diode oder als Zenerdiode ausgeführt ist.
  4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine zweite Diode und/oder eine dritte Diode und/oder eine vierte Diode und/oder beliebig viele weitere Dioden umfasst, wobei die erste Diode und/oder die zweite Diode und/oder die dritte Diode und/oder die vierte Diode und/oder beliebig viele Dioden in Reihe geschaltet sind und/oder in thermischen Kontakt mit der Sperrschicht des Mosfets sind.
  5. Servolenkung für ein Kraftfahrzeug umfassend einen Antriebsmotor zum Erzeugen eines Antriebsmoments auf eine Zahnstange eines Lenksystems und einen Wechselrichter zur Ansteuerung des Antriebsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter ein Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  6. Lenksystem umfassend eine Servolenkung nach Anspruch 5.
  7. Verfahren zur Sperrschichttemperaturmessung umfassend die Schritte Betreiben eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem ersten Strom I1 zur Umladung einer Eingangskapazität des Mosfets (311), Betreiben des Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem zweiten Strom I2, wobei der erste Strom I1 größer als der zweite Strom I2 ist.
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