DE102012006009B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer Sperrschichttemperatur (Tj) eines Halbleiterbauelements (2), mit folgenden Schritten:- Schalten des Halbleiterbauelements (2) durch Ändern eines Steuersignalpotenzials an einem Steuersignalanschluss des Halbleiterbauelements (2);- Ermitteln einer Zeitdauer, die von dem Verlauf einer über dem Leistungspfad des Halbleiterbauelements (2) abfallenden Leistungspfadspannung (UDS) abhängt; und- Bestimmen einer Sperrschichttemperatur (Tj) des Halbleiterbauelements (2) anhand der ermittelten Zeitdauer (TDiff) und der Leistungspfadspannung, wobei als Zeitdauer die Dauer eines Überschwingens bzw. Unterschwingens der Leistungspfadspannung (UDS) bei dem Schalten des Halbleiterbauelements (2) ermittelt wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft allgemein Halbleiterbauelemente, insbesondere Verfahren zum Bestimmen einer Sperrschichttemperatur eines pn-Übergangs in einem Halbleiterbauelement durch Messen von elektrischen Größen.
  • Stand der Technik
  • Um die maximale Leistungsfähigkeit von als Schalter betriebenen Halbleiterbauelementen (Halbleiterschaltern) bei deren Einsatz in Energiewandlern, Treiberschaltungen oder dergleichen nutzen zu können, ohne diese thermisch zu überlasten, ist eine Kenntnis der momentanen Sperrschichttemperatur erforderlich. Mithilfe des Momentanwerts der Sperrschichttemperatur kann u.U. die weitere, in dem Halbleiterschalter umgesetzte Leistung beschränkt werden, wenn die Sperrschichttemperatur einen kritischen Wert erreicht oder sich diesem nähert.
  • Eine externe Messung der Sperrschichttemperatur eines Halbleiterschalters ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Eine solche Messung kann beispielsweise durch einen Temperaturfühler nahe der Sperrschicht bzw. des aktiven Bereichs des Halbleiterschalters oder durch Auswerten einer durch ein Kühlsystem von dem Halbleiterschalter abgeführten Kühlleistung durchgeführt werden.
  • Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10 2004 009 082 A1 die Anordnung eines Temperatursensor nahe einer Leistungs-MOSFET-Anordnung bekannt, um eine Sperrschichttemperatur zu messen. Aus der Druckschrift DE 198 05 734 A1 ist die Anordnung eines Polysiliziumwiderstands in einem Halbleiterbauelement vorgesehen, wobei die Temperaturabhängigkeit des Widerstands zum Messen der Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauteils verwendet wird. Jedoch sind bei diesen Ansätzen die Zeitverzögerung und die Ungenauigkeit aufgrund der thermischen Impedanz zwischen der Sperrschicht des Halbleiterschalters und dem Gehäuse des Halbleiterschalters nachteilig.
  • Um eine genauere und schnellere Messung der Sperrschichttemperatur eines Halbleiterschalters zu erreichen, werden daher vorwiegend indirekte Verfahren eingesetzt, bei denen die Temperaturabhängigkeit von elektrischen Parametern genutzt wird. So kann beispielsweise die Temperaturabhängigkeit eines Sperrstroms oder der Durchlasseigenschaften eines pn-Übergangs ausgewertet werden. Insbesondere die Ermittlung des Durchlasswiderstands des Halbleiterschalters zur Ermittlung der Sperrschichttemperatur ist aus vielen Beispielen bekannt.
  • So offenbart beispielsweise die Druckschrift DE 103 51 843 A1 ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines Leistungshalbleiters, bei dem ein Laststrom durch den Leistungshalbleiter überwacht wird und eine Spannungsmessung vorgenommen wird, sobald die Größe des Laststroms einen vorgegebenen Wert aufweist. Aus dieser Spannung wird dann auf die Temperatur des Leistungshalbleiters geschlossen.
  • Auch aus den Druckschriften DE 11 05 528 A und DE 10 2010 000 875 A1 sind Verfahren bekannt, bei denen die Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters durch Messen des Spannungsabfalls über dem Laststrompfad bei vorgegebenem Durchlassstrom oder durch Messen des Durchlassstroms bei vorgegebener Spannung über dem Halbleiterschalter ermittelt wird.
  • Weiterhin ist in der Druckschrift H. Kuhn, A. Mertens, „Online junction temperature measurement of IGBTs based on temperature-sensitive electrical parameters", Power Electronics and Applications, 2009, 13th European Conference on Power Electronics, ISBN 978-1-4244-4432-8, die Abhängigkeit eines Einschaltverhaltens eines IGBT bei verschiedenen Temperaturen offenbart, insbesondere die Änderung des zeitlichen Verlaufs und des Spitzenstroms abhängig von der Sperrschichttemperatur. Weiterhin wird die Abhängigkeit einer Einschaltverzögerung zwischen einer Gate-Emitter-Spannung und einem Kollektorstrom von der Sperrschichttemperatur beschrieben.
  • Auch aus der Druckschrift EP 194 74 33 A1 ist die Abhängigkeit einer Ausschaltverzögerung zwischen dem Gate-Strom und dem Anodenstrom eines SiC-GTO von der Sperrschichttemperatur beschrieben.
  • Bei der Bestimmung der Sperrschichttemperatur aus der Analyse der Verzugszeit zwischen der Gate-Emitter-Spannungsflanke und einer Kollektor-Emitter-Stromflanke während eines Einschaltvorgangs eines IGBT muss jedoch auch die Kollektor-Emitter-Spannung mit gemessen werden, um deren Einfluss auf das Verfahren zu neutralisieren. Dadurch wird das Verfahren aufwändig, da neben einer Verzögerungszeit auch zwei elektrische Größen gemessen werden müssen.
  • Strommessungen in elektronischen Wandler- oder Treiberschaltungen, auf denen die obigen Beispiele basieren, sind in der Regel aufwändig und/oder führen zu einem Leistungsverlust, beispielsweise bei Verwendung eines Messwiderstands im Strompfad.
  • Die Druckschrift DE 10 2011 083 679 B3 offenbart eine Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiterschalters, der einen integrierten elektrischen Gatewiderstand aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: - Einschalten des Halbleiterschalters durch Erhöhen der Gate-Emitter-Spannung des Halbleiterschalters über einen mit dem Gatewiderstandsanschluss des Halbleiterschalters verbundenen externen elektrischen Widerstand, - Ermittlung der Zeitdauer, die die Gate-Emitter-Spannung während der Erhöhung der Gate-Emitter-Spannung des Halbleiterschalters benötigt, um von einer ersten Spannung auf eine zweite Spannung anzusteigen und - Ermittlung der Temperatur des Halbleiterschalters anhand der ermittelten Zeitdauer.
  • Die Druckschrift EP 1 947 433 A1 offenbart ein Temperaturmessverfahren für Halbleiterbauelemente, umfassend: Durchführen einer Kennlinienmessung mit einem auf eine bestimmte Temperatur eingestellten Halbleiterschaltelement zum Ausschalten des Halbleiterschaltelements aus einem EIN-Zustand und Messen der Ausschaltzeit beim Ausschalten, wobei der Messung für mehrere Male durchgeführt wird, wobei die Temperatur geändert wird, um vorab eine relationale Charakteristik zwischen der Ausschaltzeit und den Temperaturen des Halbleiterschaltelements zu messen, Ausschalten des Halbleiterschaltelements aus einem EIN-Zustand und Messen der Ausschaltkennzeit beim Ausschalten; und Umwandeln der gemessenen Ausschaltkennzeit in eine Temperatur des Halbleiterschaltelements basierend auf der im ersten Schritt vorab gemessenen relationalen Kennlinie.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer Sperrschichttemperatur zur Verfügung zu stellen, die ohne eine Strommessung bzw. das Einprägen eines vorbestimmten Stroms in einen Leistungspfad in einem Halbleiterbauelement auskommen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Bestimmen einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements vorgesehen, mit folgenden Schritten:
    • - Schalten des Halbleiterbauelements durch Ändern eines Steuersignalpotenzials an einem Steuersignalanschluss des Halbleiterbauelements;
    • - Ermitteln einer Zeitdauer, die von dem Verlauf einer über dem Leistungspfad des Halbleiterbauelements abfallenden Spannung abhängt; und
    • - Bestimmen einer Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements anhand der ermittelten Zeitdauer.
  • Eine Idee der Erfindung besteht darin, eine Sperrschichttemperatur abhängig von einer über einem Leistungsstrompfad eines Halbleiterbauelements abfallenden Drain-Source-Spannung und abhängig von einer Zeitverzögerung zwischen einer Steuerspannungsänderung (Gate-Spannungsänderung) an einem Gate-Anschluss des Halbleiterbauelements und der daraus resultierenden Drain-Source-Spannungsänderung zu bestimmen. Dadurch ist es möglich, auf eine Strommessung oder das Einprägen eines vorbestimmten Messstroms zu verzichten, die in Wandlerschaltungen bzw. Treiberschaltungen nur aufwändig zu realisieren sind.
  • Als die von dem Verlauf der Leistungspfadspannung abhängige Zeitdauer wird die Dauer eines Überschwingens bzw. Unterschwingens der Leistungspfadspannung bei dem Schalten des Halbleiterbauelements ermittelt. Die Zeitdauer des Überschwingens bzw. Unterschwingens entspricht dabei einem Überschwingpeak bzw. Unterschwingpeak. Mit anderen Worten entspricht die Zeitdauer des Überschwingens bzw. des Unterschwingens einer Halbwelle, insbesondere der ersten Halbwelle, des Überschwingens bzw. Unterschwingens.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Bestimmen der Sperrschichttemperatur mithilfe einer vorgegebenen Zuordnungsfunktion durchgeführt wird, die eine Angabe über die Dauer eines Überschwingens bzw. Unterschwingens der Leistungspfadspannung und eine ermittelte über dem Leistungspfad des Halbleiterbauelements abfallenden Leistungspfadspannung einer bestimmten Sperrschichttemperatur zuordnet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Anordnung zum Bestimmen einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements, umfassend:
    • - eine Einrichtung, insbesondere eine Zähler- und Logikeinheit, zum Ermitteln einer von dem Verlauf einer über dem Leistungspfad des Halbleiterbauelements abfallenden Leistungspfadspannung abhängigen Zeitdauer bei einem Schaltvorgang des Halbleiterbauelements; und
    • - eine Zuordnungseinheit zum Bestimmen einer Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements anhand der ermittelten Zeitdauer, insbesondere unter Berücksichtigung der Leistungspfadspannung im Durchlasszustand des Halbleiterbauelements.
  • Die Anordnung umfasst die Einrichtung zum Ermitteln der Zeitdauer, um eine Dauer eines Überschwingens bzw. Unterschwingens der Leistungspfadspannung bei dem Schalten des Halbleiterbauelements zu ermitteln.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Zuordnungseinheit eine vorgegebene Zuordnungsfunktion umfasst, die eine Angabe über die Dauer eines Überschwingens bzw. Unterschwingens der Leistungspfadspannung und eine Leistungspfadspannung einer bestimmten Sperrschichttemperatur zuordnet.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Messen einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterschalters;
    • 2 ein Signal-Zeit-Diagramm zur Darstellung der Verläufe einer Gate-Spannung und einer Drain-Source-Spannung bei einem Abschaltvorgang eines MOSFETs;
    • 3 ein Diagramm zur Darstellung einer Verzögerungszeit zwischen einer Flanke eines Steuersignals und einer Flanke einer Drain-Source-Spannung bei einem Abschaltvorgang bei verschiedenen Durchlassströmen;
    • 4 ein Signal-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung der Verläufe einer Gate-Spannung und einer Drain-Source-Spannung bei einem Einschaltvorgang eines MOSFETs;
    • 5 ein Diagramm zur Darstellung einer Verzögerungszeit zwischen einer Flanke eines Steuersignals und einer Flanke einer Drain-Source-Spannung bei einem Einschaltvorgang bei verschiedenen Durchlassströmen;
    • 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zum Messen einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterschalters;
    • 7 ein Diagramm zur Darstellung der Zeitdauer des positiven Drain-Source-Spannungspeaks bei einem Abschaltvorgang bei verschiedenen Durchlassströmen; und
    • 8 ein Diagramm zur Darstellung der Zeitdauer des negativen Drain-Source-Spannungspeaks bei einem Einschaltvorgang bei verschiedenen Durchlassströmen.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 1 zur Messung einer Sperrschichttemperatur in einem Halbleiterbauelement 2. Zwei Halbleiterbauelemente 21, 22 können beispielsweise in einer Halbbrückenschaltung 3 verschaltet sein. Die Halbbrückenschaltung 3 umfasst zwei in Serie geschaltete Halbleiterbauelemente 2, ein erstes Halbleiterbauelement 21, das als ein Pull-Up-Halbleiterschalter eingesetzt ist, und ein zweites Halbleiterbauelement 22, das als ein Pull-Down-Halbleiterschalter eingesetzt ist. Über der Serienschaltung ist eine Zwischenkreisspannung angelegt. Zwischen den beiden Halbleiterbauelementen 21, 22 kann an einem Knoten K eine Ausgangsspannung abgegriffen werden.
  • Die Halbleiterbauelemente 21, 22 können als Halbleiterschalter ausgebildet sein bzw. betrieben werden. Die Halbleiterbauelemente 21, 22 weisen jeweils einen Gate-Anschluss auf, über den ein Steuersignal empfangen werden kann. Die Halbleiterschalter können MOSFETs, IGBTs, IGCTs oder ähnliche zum Schalten eines elektrischen Stroms ausgelegte Halbleiterbauelemente sein.
  • Üblicherweise werden die Halbleiterbauelemente 21, 22 einer derartigen Halbbrückenschaltung 3 in digitaler Weise mit entsprechenden Steuersignalen S1, S2 angesteuert, nämlich einem ersten Steuersignal S1 zum Ansteuern des ersten Halbleiterbauelements 21 und ein zweites Steuersignal S2 zum Ansteuern des zweiten Halbleiterbauelements 22. Zum Ansteuern der Halbleiterbauelemente 21, 22 weisen vorzugsweise die Steuersignale S1, S2 im Wesentlichen, d. h. unter Vernachlässigung einer Übergangs- bzw. Einschwingzeit, zwei Steuersignalpotentiale auf. Die Steuersignalpotentiale sind so gewählt, dass ein erstes Steuersignalpotential das betreffende Halbleiterbauelement 21 bzw. 22 ansteuert, so dass dieses leitend bzw. geschlossen ist, und ein zweites Steuersignalpotential das betreffende Halbleiterbauelement 21 bzw. 22 ansteuert, so dass dieses nicht-leitend bzw. geöffnet ist.
  • Zur Messung der Sperrschichttemperatur Tj des zweiten Halbleiterbauelements 22 ist nun die folgende Anordnung vorgesehen.
  • Mithilfe eines Sample&Hold-Gliedes 10 und eines Analog-Digital-Wandlers 4 wird eine Drain-Source-Spannung UDS des zweiten Halbleiterbauelements 22 erfasst und in einen digitalisierten Wert für die Drain-Source-Spannung UDS umgesetzt. Dazu ist das Sample&Hold-Glied 10 über einen Schalter 9 mit dem Drain-Anschluss verbunden, so dass eine Spannung zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des zweiten Halbleiterbauelements 22 durch den Analog-Digital-Wandler 4 erfasst werden kann. Der Abtastvorgang wird durch eine Flanke eines Abtastsignals SH am Eingang des Sample&Hold-Gliedes 10 eingeleitet und vom Analog-Digital-Wandler 4 digitalisiert.
  • Der Schalter 9 wird von dem invertierten Signal SP gesteuert und ist so vorgesehen, dass er nur die Drain-Source-Spannung UDS an das Sample&Hold-Glied 10 anlegt, wenn sich das zweite Halbleiterbauelement 22 in einem Durchlasszustand befindet. Durch das Vorsehen des Schalters kann vermieden werden, dass der Analog-Digital-Wandler 4 für einen hohen Spannungsbereich ausgelegt sein muss, obwohl die zu messende Spannung häufig im mV-Bereich liegt. Stattdessen wird wirksam unterbunden, dass die hohe Drain-Source-Spannung UDS im Sperrzustand an dem Analog-Digital-Wandler 4 anliegen kann.
  • Mithilfe eines ersten Vergleichselements 6, dem das zweite Steuersignal S2 für das zweite Halbleiterbauelement 22 sowie ein vorgegebenes Gate-Signal-Schwellenpotential SG zugeführt wird, kann als Ergebnis des Vergleichs ein digitales Startsignal ST generiert werden, dessen Flanke die Prüfung des aktuellen Schaltzustands und das Zählen eines Zählers in einer Zähler- und Logikeinheit 5 startet.
  • Die Zähler- und Logikeinheit 5 ist ausgebildet, um nach einem Start durch eine entsprechende Flanke des Signals ST einen Zählerwert in vorgegebenen Zeitabständen zu inkrementieren und das Inkrementieren zu stoppen, wenn eine definierte Flanke eines Stoppsignals SP empfangen wird.
  • Mithilfe eines zweiten Vergleichselements 7, dem ein Drain-Potential des zweiten Halbleiterbauelements 22 und ein vorgegebenes Leistungspfad-Schwellenpotential SDS1 zugeführt wird, kann eine entsprechende, aufgrund einer Flanke des Steuersignals S2 resultierende Reaktion der Drain-Source-Spannung UDS des zweiten Halbleiterbauelements 22 festgestellt werden, die aufgrund eines Potentialwechsels dem entsprechenden Steuersignal S2 folgt. Durch Vergleichen des Drain-Potentials des zweiten Halbleiterbauelements 22 und des vorgegebenen Leistungspfad-Schwellenpotentials SDS1 kann das Stoppsignal SP für die Zähler- und Logikeinheit 5 generiert werden. Sollte die den Zähler anhaltende Flanke des Stoppsignals SP vor der den Zähler startenden Flanke des Startsignals ST liegen, wird statt des Einschalt- der Ausschaltvorgang ausgewertet.
  • Das Steuersignal-Schwellenpotential SG und das Leistungspfad-Schwellenpotential SDS1 sind vorzugsweise so gewählt, dass zuverlässig ein Zeitpunkt einer einen Schaltvorgang des Pull-Down-Halbleiterschalters 22 auslösenden Spannungsflanke des Steuersignals S2 und ein Zeitpunkt einer dadurch ausgelösten Änderung der Drain-Source-Spannung UDS am zweiten Halbleiterbauelement 22 detektiert werden können.
  • Vorzugsweise ist das Steuersignal-Schwellenpotential SG so gewählt, dass es zuverlässig einen Übergang von dem hohen und zu dem niedrigen Potential des Steuersignals S2 detektieren kann. Vorzugsweise kann das Steuersignal-Schwellenpotential SG so gewählt werden, dass es innerhalb des unteren Viertels des Spannungsbereichs zwischen dem hohen und dem niedrigen Steuersignalpotenzial liegt.
  • Vorzugsweise kann das Leistungspfad-Schwellenpotential SDS1 so gewählt werden, dass es innerhalb des unteren Viertels des Spannungsbereichs zwischen dem hohen und dem niedrigen Versorgungspotenzial, insbesondere zwischen dem Zwischenkreispotenzial und dem Massepotential, liegt.
  • Das von dem zweiten Vergleichselement 7 generierte Stoppsignal SP wird der Zähler- und Logikeinheit 5 zugeführt, die bei einer erkannten Flanke des Stoppsignals SP das Inkrementieren stoppt. Weiterhin wird basierend auf der relevanten Flanke des Stoppsignals SP der Zählerwert Z an eine Zuordnungseinheit 8 ausgegeben, die Zähler- und Logikeinheit 5 beim kommenden Startsignal ST zurückgesetzt und auf eine nächste Flanke des Stoppsignals SP gewartet, um den Zählerwert zu aktualisieren.
  • Mit Hilfe eines UND-Gatters 16 wird das Abtastsignal SH zur Triggerung des Sample&Hold-Gliedes 10 erzeugt. Am Eingang des UND-Gatters 16 ist das Startsignal ST und an einem invertierenden Eingang des UND-Gatters 16 das Stoppsignal SP angelegt, so dass das Abtastsignal einer UND-Verknüpfung des Startsignals ST und dem invertierten Stoppsignal SP entspricht.
  • Die Zuordnungseinheit 8 ist ausgebildet, um der Drain-Source-Spannung UDS und dem ermittelten Zählerwert Z gemäß einer bereitgestellten Funktion bzw. einer bereitgestellten Lookup-Tabelle eine Sperrschichttemperatur Tj zuzuordnen.
  • Die obige Anordnung kann durch Vorsehen geeigneter Multiplexer auch zum Messen der Sperrschichttemperaturen von beiden Halbleiterbauelementen 21, 22 bzw. von mehr als zwei Halbleiterbauelementen vorgesehen werden. Desweiteren kann diese Anordnung zum Messen der Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements verwendet werden, das in anderer Weise als in einer Halbbrückenschaltung eingesetzt ist.
  • Der Ermittlung der Sperrschichttemperatur Tj durch das obige Verfahren des Messens einer Zeitverzögerung zwischen einander zugeordneten Flanken der Gate-Spannung und der Drain-Source-Spannung UDS liegt die Beobachtung zugrunde, dass die Zeitdifferenzen zwischen den Flanken der Gate-Source-Spannung und der Drain-Source-Spannung UDS einen nahezu linearen und temperaturunabhängigen Zusammenhang zum Absolutwert und zu der Flussrichtung des Durchlassstroms aufweisen.
  • Das oben beschriebene Verfahren zur Messung der Sperrschichttemperatur hat den Vorteil, dass auf eine zusätzliche dedizierte Strommessung verzichtet werden kann.
  • Das in der Zuordnungseinheit 8 abgelegte Kennfeld kann in einem Initialisierungsverfahren ermittelt werden, indem zunächst das betreffende Halbleiterbauelement 2 durch Anpassen einer Umgebungstemperatur auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird. Beim anschließenden Ansteuern des Halbleiterschalters 2 mit einer fallenden oder einer steigenden Flanke des Steuersignals S erfolgt die Erfassung der Zeitverzögerung zwischen dem Steuersignal S und der dadurch ausgelösten Flanke der Drain-Source-Spannung UDS bei definierten Durchlassstromwerten z.B. in Form eines Zählerwerts der verwendeten Zähler- und Logikeinheit 5.
  • Zusätzlich erfolgt die Messung der Drain-Source-Spannung UDS im Durchlasszustand des Halbleiters nach dem Einschaltvorgang oder vor dem Ausschaltvorgang. Die so erfassten Werte werden anschließend in der Zuordnungseinheit 8 in geeigneter Weise abgelegt, so dass im späteren Betrieb durch Vorgeben des Zählerwerts Z und der digitalisierten Drain-Source-Spannung UDS der entsprechende Wert der Sperrschichttemperatur Tj ausgegeben werden kann.
  • In 2 ist ein Signal-Zeit-Diagramm für die Gate- Spannung UG und die Drain-Source-Spannung UDS im Fall eines Öffnens des Halbleiterschalters 2 dargestellt. Man erkennt eine abfallende Gate-Spannung UG und eine aufgrund des sich erhöhenden Durchlasswiderstands zunehmende Drain-Source-Spannung UDS über dem Halbleiterschalter 2.
  • In 3 ist die zeitliche Verzögerung TDiff bei verschiedenen Stromflussrichtungen an dem Knoten K dargestellt. Positive Stromwerte entsprechen einem Stromfluss aus dem Knoten K und negative Stromwerte entsprechen einem Stromfluss in den Knoten K hinein.
  • Im Fall des Öffnens des zweiten Halbleiterbauelements 22 ist aus dem Diagramm der 3 erkennbar, dass die betragsmäßige Steigung der Kennlinie bei positiven Stromrichtungen (Kurvenabschnitt K2) deutlich größer ist als die betragsmäßige Steigung der Kennlinie bei negativen Stromrichtungen (Kurvenabschnitt K1). Daher ist es sinnvoll, in der Zuordnungseinheit 8 zu berücksichtigen, dass nur Zeitdifferenzen TDiff oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts Ts, der das untere Ende der steilen interpolierten Geraden (Kurvenabschnitt K2) darstellt, berücksichtigt werden. Zur Sicherung der Richtigkeit der Stromrichtungsbestimmung kann auch der unmittelbar vorhergehende Einschaltvorgang analysiert werden. Denn bei einem Strom durch den Leistungspfad des Halbleiterbauelements von über 0 A fällt der Wert der Drain-Source-Spannung UDS noch vor der Anstiegsflanke des Steuersignals.
  • In 4 ist ein Signal-Zeit-Diagramm für die Gate-Spannung UG und die Drain-Source-Spannung UDS im Fall eines Schließens des Halbleiterbauelements 22 dargestellt. Man erkennt eine ansteigende Gate-Spannung UG und eine aufgrund des sich verringernden Durchlasswiderstands abnehmende Drain-Source-Spannung UDS über dem Halbleiterbauelement 22.
  • Wie aus dem Diagramm der 5 erkennbar, ist die Steigung der Kennlinie der Zeitverzögerung TDiff zwischen einer Flanke der Gate-Spannung UG und einer Flanke der Drain-Source-Spannung UDS ebenfalls von der Stromrichtung abhängig. Man erkennt, dass die Steigung betragsmäßig bei einem negativen Durchlassstrom (Kurvenabschnitt K2) am größten ist, während die Steigung bei einem positiven Durchlassstrom (Kurvenabschnitt K1) betragsmäßig niedrig ist.
  • Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass zum Gewährleisten einer ausreichenden Genauigkeit bei der Temperaturmessung die Messung stets bei Stromflüssen stattfinden sollte, die sich in den Diagrammen der 3 und 5 in dem Bereich des steileren Abschnitts (Kurvenabschnitt K2) der Kurve befinden. Dies bedeutet, dass unabhängig von der Richtung des Schaltvorgangs des Halbleiterschalters 2 nur Zeitdifferenzen TDiff über einem vorgegebenen Schwellenwert TS berücksichtigt werden sollten. Der Schwellenwert TS variiert dabei mit der Richtung des Schaltvorgangs des Halbleiterbauelements 2. Für verschiedene Richtungen des Schaltvorgangs können verschiedene Schwellenwerte gewählt werden. Insbesondere sollten bei einem Öffnen des Halbleiterschalters 2 durch eine entsprechende Ansteuerung mit dem Steuersignal nur negative Drain-Source-Spannungen UDS, während bei einem Schließen des Halbleiterschalters 2 nur positive Drain-Source-Spannungen UDS im Durchlasszustand berücksichtigt werden sollten.
  • In 6 ist eine weitere Anordnung zur Messung der Sperrschichttemperatur Tj des zweiten Halbleiterbauelements 22 der Halbbrückenschaltung 3 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
  • Mithilfe eines dritten Vergleichselements 12, dem das Drain-Potential UD des zweiten Halbleiterbauelements 22 und ein vorgegebenes zweites Leistungspfad-Schwellenpotential SDS2 zugeführt wird, kann eine entsprechende, aufgrund einer Flanke des Steuersignals S2 resultierende Reaktion der Drain-Source-Spannung UDS des zweiten Halbleiterbauelements 22 festgestellt werden, die aufgrund eines Potentialwechsels dem entsprechenden Steuersignal S2 folgt. Durch Vergleichen des Drain-Potentials des zweiten Halbleiterbauelements 22 und des vorgegebenen zweiten Leistungspfad-Schwellenpotentials SDS2 kann ein erstes Start-Stopp-Signal STSP1 für eine weitere Zähler- und Logikeinheit 11 generiert werden.
  • Das zweite Leistungspfad-Schwellenpotential SDS2 ist vorzugsweise so gewählt, dass zuverlässig der Beginn und das Ende eines Spannungspeaks der Drain-Source-Spannung UDS beim Abschalten des zweiten Halbleiterbauelements 22 detektiert werden können. Der Spannungspeak entspricht einem Überschwingen bzw. einem Überschwingpeak der Drain-Source-Spannung UDS aufgrund von parasitären Leitungsinduktivitäten und der Höhe des kommutierten Stroms.
  • Mithilfe eines vierten Vergleichselements 13, dem ein Drain-Potential des zweiten Halbleiterbauelements 22 und ein vorgegebenes drittes Leistungspfad-Schwellenpotential SDS3 zugeführt wird, kann eine entsprechende, aufgrund einer Flanke des Steuersignals S2 resultierende Reaktion der Drain-Source-Spannung UDS des zweiten Halbleiterbauelements 22 festgestellt werden, die aufgrund eines Potentialwechsels dem entsprechenden Steuersignal S2 folgt. Durch Vergleichen des Drain-Potentials des zweiten Halbleiterbauelements 22 und des vorgegebenen dritten Leistungspfad-Schwellenpotentials SDS3 kann ein zweites Start-Stopp-Signal STSP2 für die weitere Zähler- und Logikeinheit 11 generiert werden.
  • Das dritte Leistungspfad-Schwellenpotential SDS3 ist vorzugsweise so gewählt, dass zuverlässig der Beginn und das Ende des negativen Spannungspeaks der Drain-Source-Spannung UDS beim Einschalten des zweiten Halbleiterbauelements 22 detektiert werden können. Der negative Spannungspeak entspricht einem Unterschwingen bzw. Unterschwingpeak der Drain-Source-Spannung UDS aufgrund von parasitären Leitungsinduktivitäten und der Höhe des kommutierten Stroms.
  • Das von dem dritten Vergleichselement 12 generierte erste Start-Stopp-Signal STSP1 wird der Zähler- und Logikeinheit 11 zugeführt, die bei einer ersten, z.B. steigenden Flanke von STSP1 den Zähler startet und bei einer zweiten, z.B. fallenden Flanke stoppt. Die erste Flanke wird bei Überschreiten des zweiten Leistungspfad-Schwellenpotential SDS2 und die zweite Flanke wird bei Unterschreiten des zweiten Leistungspfad-Schwellenpotential SDS2 generiert. Der entsprechende Zählerwert Z wird an eine Zuordnungseinheit 14 ausgegeben. Die weitere Zähler- und Logikeinheit 11 wird bei einer nachfolgenden ersten, vorzugsweise steigenden Flanke des Signals STSP1 zurückgesetzt und dann wird auf eine nächste, vorzugsweise fallende Flanke des Signals STSP1 gewartet, um den Zählerwert zu aktualisieren.
  • Das von dem vierten Vergleichselement 13 generierte zweite Start-Stopp-Signal STSP2 wird der Zähler- und Logikeinheit 11 zugeführt, die bei einer ersten, z.B. fallenden Flanke des zweiten Start-Stopp-Signals STSP2 den Zähler startet und bei einer zweiten, z.B. fallenden Flanke stoppt. Die erste Flanke wird bei Unterschreiten des zweiten Leistungspfad-Schwellenpotential SDS2 und die zweite Flanke wird bei Überschreiten des zweiten Leistungspfad-Schwellenpotentials SDS2 generiert. Der entsprechende Zählerwert Z wird an eine Zuordnungseinheit 14 ausgegeben. Die Zähler- und Logikeinheit 11 wird bei einer nachfolgenden ersten, vorzugsweise steigenden Flanke des zweiten Start-Stopp-Signals STSP2 zurückgesetzt und dann wird auf eine nächste, vorzugsweise fallende Flanke des zweiten Start-Stopp-Signal STSP2 gewartet, um den Zählerwert zu aktualisieren.
  • Die Zählerwerte werden nach jedem Stoppen des betreffenden Zählers in der weiteren Zähler- und Logikeinheit 11 ausgewertet. Die Zuordnungseinheit 14 ist ausgebildet, um der Drain-Source-Spannung UDS und dem ermittelten Zählerwert Z gemäß einer bereitgestellten Zuordnungsfunktion bzw. einer bereitgestellten Lookup-Tabelle eine Sperrschichttemperatur Tj zuzuordnen.
  • Die obigen Anordnungen können kombiniert werden und die Ergebnisse aus den Zuordnungseinheiten 8 und 14 einem nachgeordneten Beobachter oder einem Mittelwertbildner zugeführt werden, um aus den redundant ermittelten Sperrschichttemperaturen einen fehlerminimierten Wert für die Sperrschichttemperatur Tj zu ermitteln.
  • Die obige Anordnung kann durch Vorsehen geeigneter Multiplexer entsprechend auch zum Messen der Sperrschichttemperaturen von beiden Halbleiterbauelementen 21, 22 bzw. von mehr als zwei Halbleiterbauelementen vorgesehen werden. Desweiteren kann diese Anordnung zum Messen der Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements verwendet werden, das in anderer Weise als in einer Halbbrückenschaltung eingesetzt ist.
  • Der Ermittlung der Sperrschichttemperatur Tj durch das obige Verfahren des Messens der Zeitdauer der Spannungspeaks der Drain-Source-Spannung UDS nach den Schaltvorgängen liegt die Beobachtung zugrunde, dass aufgrund der parasitären Induktivitäten (s. 1) seriell zum Leistungspfade des Halbleiterbauelements die Zeitdauer der genannten Spannungspeaks einen nahezu linearen und temperaturunabhängigen Zusammenhang zum Absolutwert und zu der Flussrichtung des kommutierten Durchlassstroms aufweisen.
  • Das in der Zuordnungseinheit 14 abgelegte Kennfeld kann in einem Initialisierungsverfahren ermittelt werden, indem zunächst das betreffende Halbleiterbauelement 2 durch Anpassen einer Umgebungstemperatur auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird. Beim anschließenden Ansteuern des Halbleiterschalters 2 mit einer fallenden oder einer steigenden Flanke des Steuersignals S2 erfolgt die Erfassung der Zeitdauer der Spannungspeaks der Drain-Source-Spannung UDS bei definierten Durchlassstromwerten in Form eines Zählerwerts der verwendeten Zähler- und Logikeinheit 11. Die so erfassten Zählerwerte und die zugehörigen Drain-Source-Spannungen in Durchlassrichtung werden anschließend in der weiteren Zuordnungseinheit 14 in geeigneter Weise abgelegt, so dass im späteren Betrieb durch Vorgeben des Zählerwerts Z und der dabei erfassten Drain-Source-Spannung UDS im Durchlasszustand des Halbleiters 22 der entsprechende Wert der Sperrschichttemperatur Tj ausgegeben werden kann.
  • In 7 ist der Verlauf der Zeitdauer TDiff_Peak1 des positiven Spannungspeaks von UDS bei verschiedenen Stromflussrichtungen an dem Knoten K dargestellt. Im Fall des Öffnens des zweiten Halbleiterbauelements 22 ist aus dem Diagramm der 7 erkennbar, dass der Betrag der Kennliniensteigung bei negativen Stromrichtungen deutlich größer ist als der Betrag der Kennliniensteigung bei positiven Stromrichtungen. Daher ist es sinnvoll, in der Zuordnungseinheit 14 zu berücksichtigen, dass nur Zeitdifferenzen TDiff_peak1 oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts berücksichtigt werden.
  • Analog zeigt 8 den Verlauf der Zeitdauer TDiff_Peak2 des negativen Spannungspeaks von UDS bei verschiedenen Stromflussrichtungen an dem Knoten K. Im Fall des Schließens des zweiten Halbleiterbauelements 22 ist aus dem Diagramm der 8 erkennbar, dass die betragsmäßige Steigung der Kennlinie bei positiven Stromrichtungen deutlich größer ist als die betragsmäßige Steigung der Kennlinie bei negativen Stromrichtungen. Daher ist es sinnvoll, in der Zuordnungseinheit 14 zu berücksichtigen, dass nur Zeitdifferenzen TDiff_peak2 oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts berücksichtigt werden.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Bestimmen einer Sperrschichttemperatur (Tj) eines Halbleiterbauelements (2), mit folgenden Schritten: - Schalten des Halbleiterbauelements (2) durch Ändern eines Steuersignalpotenzials an einem Steuersignalanschluss des Halbleiterbauelements (2); - Ermitteln einer Zeitdauer, die von dem Verlauf einer über dem Leistungspfad des Halbleiterbauelements (2) abfallenden Leistungspfadspannung (UDS) abhängt; und - Bestimmen einer Sperrschichttemperatur (Tj) des Halbleiterbauelements (2) anhand der ermittelten Zeitdauer (TDiff) und der Leistungspfadspannung, wobei als Zeitdauer die Dauer eines Überschwingens bzw. Unterschwingens der Leistungspfadspannung (UDS) bei dem Schalten des Halbleiterbauelements (2) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Sperrschichttemperatur (Tj) mithilfe einer vorgegebenen Zuordnungsfunktion durchgeführt wird, die eine Angabe über die Dauer eines Überschwingens bzw. Unterschwingens der Leistungspfadspannung (UDS) und der ermittelten Leistungspfadspannung einer bestimmten Sperrschichttemperatur (Tj) zuordnet.
  3. Anordnung zum Bestimmen einer Sperrschichttemperatur (Tj) eines Halbleiterbauelements (2), umfassend: - eine Einrichtung, insbesondere eine Zähler- und Logikeinheit (5, 11), zum Ermitteln einer Zeitdauer, die von dem Verlauf einer über dem Leistungspfad des Halbleiterbauelements (2) abfallenden Leistungspfadspannung (UDS) bei einem Schaltvorgang des Halbleiterbauelements abhängt (2); und - eine Zuordnungseinheit (8, 14) zum Bestimmen einer Sperrschichttemperatur (Tj) des Halbleiterbauelements (2) anhand der ermittelten Zeitdauer und der Leistungspfadspannung (UDS) des Halbleiterbauelements (2), wobei die Einrichtung (11) zum Ermitteln der Zeitdauer ausgebildet ist, um eine Dauer (TDiff_Peak) eines Überschwingens bzw. Unterschwingens der Leistungspfadspannung (UDS) bei dem Schalten des Halbleiterbauelements (2) zu ermitteln.
  4. Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Zuordnungseinheit (14) eine vorgegebene Zuordnungsfunktion umfasst, die eine Angabe über die Dauer eines Überschwingens bzw. Unterschwingens der Leistungspfadspannung (UDS) und der ermittelten Leistungspfadspannung (UDS) einer bestimmten Sperrschichttemperatur (Tj) zuordnet.
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