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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements mit isoliertem Gate.
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Die Sperrschichttemperatur von Leistungshalbleitern ist eine wichtige Zustandsgröße um momentane Halbleiterbelastungen zu messen. Im Entwicklungsprozess von unverpackten und verpackten Halbleitern in Single-Chip- oder Multi-Chip-Anordnungen werden entsprechende Temperaturgrenzen (aktuell häufig 175°C oder 200°C für eine limitierte Stundenzahl, abhängig von Halbleitertechnologie und Hersteller) freigegeben. Ein Komponenten- oder Systemdesigner, welcher diese Halbleiter(-module) einsetzt, muss diese Temperaturgrenzen entsprechend berücksichtigen und Designmargen abgeleitet aus der Parameterstreuung vorhalten. Um die Designmargen zu reduzieren und damit Stückkosten zu sparen wird versucht, die Temperatur über zusätzliche Sensoren wie NTC-Widerstände zu erfassen und/oder über temperatursensitive elektrische Parameter (TSEP) möglichst genau zu schätzen.
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Zudem ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine Ansteuerung eines Gates solcher Leistungshalbleiter mittels spannungsgeführter oder stromgeführter Gate-Treiber durchzuführen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements mit isoliertem Gate vorgeschlagen. Das Halbleiterbauelement ist beispielsweise ein Si-MOSFET, ein SiC-MOSFET, ein IGBT, ein HEMT oder ein davon abweichend ausgebildetes Halbleiterbauelement.
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In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Eingangskapazität des Halbleiterbauelements mittels eines stromgeführten Gate-Treibers zu einem vordefinierten ersten Zeitpunkt umgeladen.
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In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements auf Basis einer Information über ein spannungsabhängiges Verhalten der Eingangskapazität des Halbleiterbauelements und auf Basis einer Höhe eines internen temperaturabhängigen Gate-Widerstandes des Halbleiterbauelements zu einem dem ersten Zeitpunkt nachfolgenden zweiten Zeitpunkt ermittelt, wobei zum zweiten Zeitpunkt eine Stromaufbauphase eines Gate-Stroms, welcher durch den Gate-Treiber für das Umladen der Eingangskapazität erzeugt wird, abgeschlossen ist und wobei zum zweiten Zeitpunkt ein im Wesentlichen konstanter Gate-Strom vorliegt.
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Mit anderen Worten wird die Temperaturabhängigkeit des Gate-Widerstandes genutzt, um aus einer aktuell ermittelten Höhe des internen Gate-Widerstandes die aktuelle Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelementes abzuleiten. Die Temperaturabhängigkeit des internen Gate-Widerstandes und die Spannungsabhängigkeit der Eingangskapazität des Halbleiterbauelements sind beispielsweise in Form von Kennfeldern in einer Speichereinheit abgelegt und aus dieser für das erfindungsgemäße Verfahren abrufbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet u. a. den Vorteil, dass das Ermitteln der Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements unabhängig von einem jeweiligen Laststrom und/oder einer jeweiligen Betriebstemperatur und/oder einer jeweiligen Zwischenkreisspannung mit hoher Zuverlässigkeit durchführbar ist,
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zweite Zeitpunkt ein vordefinierter Zeitpunkt, welcher zuverlässig sichergestellt, dass die Stromaufbauphase des Gate-Stroms des Halbleiterbauelements bei Erreichen des zweiten Zeitpunktes, unabhängig von jeweils vorliegenden Randbedingungen, stets abgeschlossen ist. Die Höhe des internen Gate-Widerstandes des Halbleiterbauelements wird entsprechend basierend auf einer zum zweiten Zeitpunkt vorliegenden externen Gate-Spannung und einem zum zweiten Zeitpunkt vorliegenden konstanten Gate-Strom ermittelt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der zweite Zeitpunkt dann erreicht, wenn die externe Gate-Spannung einen vordefinierten Schwellenwert erreicht. Die Höhe des internen Gate-Widerstands wird entsprechend basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen dem zweiten Zeitpunkt und dem ersten Zeitpunkt ermittelt. Hierfür ist es erforderlich, dass der im Wesentliche konstante Gate-Strom zwischen jeweiligen Ermittlungsvorgängen der Sperrschichttemperatur einen jeweils identischen Stromwert aufweist oder dass eine Information über die Höhe des jeweiligen Gate-Stroms vorliegt. Das Ermitteln der Sperrschichttemperatur auf Basis der hier beschriebenen Zeitdifferenz zwischen dem zweiten Zeitpunkt und dem ersten Zeitpunkt bietet den Vorteil, dass keine Spannungsmessung zu einem vordefinierten Zeitpunkt umzusetzen ist, was beispielsweise bei einer Realisierung mittels einer integrierten Schaltung aufwändig in der Umsetzung sein kann. Zudem ist es auf diese Weise möglich, eine Genauigkeit beim Ermitteln der Sperrschichttemperatur zu erhöhen. Vorzugsweise ist der Schwellenwert derart festgelegt, dass bei Erreichen des Schwellenwertes durch die externe Gate-Spannung, unabhängig von jeweils vorliegenden Randbedingungen sichergestellt ist, dass die Stromaufbauphase des Gate-Stroms stets abgeschlossen ist.
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Besonders vorteilhaft weist das erfindungsgemäße Verfahren einen Kalibrierungsvorgang auf währenddessen Abweichungen temperaturbezogener Parameter des Halbleiterbauelements von jeweiligen Sollwerten ermittelt werden. Dies erfolgt beispielsweise auf Basis einer zusätzlichen Temperaturmessung mittels eines Temperatursensors wie einem NTC, welcher beispielsweise innerhalb und/oder außerhalb eines Halbeitermoduls angeordnet ist, welches das Halbleiterbauelement enthält. Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, die Kalibrierung auf Basis einer Kühlwassertemperaturmessung, einer Leiterplattentemperaturmessung, usw. durchzuführen, welche in thermischem Kontakt mit dem Halbleiterbauelement stehen. Im Anschluss an das Ermitteln der Temperatur des Halbleiterbauelements auf Basis der zusätzlichen Temperaturmessung werden Kompensationswerte ermittelt, um anschließend Abweichungen der temperaturbezogenen Parameter von jeweiligen Sollwerten zu kompensieren. Dadurch lässt sich eine Genauigkeit beim Ermitteln der Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements verbessern. Der Kalibrierungsvorgang erfolgt beispielsweise während einer Fertigung des Halbleiterbauelements und/oder einer das Halbleiterbauelement enthaltenden Komponente.
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Vorzugsweise werden Ergebnisse einer Vielzahl zeitlich aufeinanderfolgender Kalibrierungsvorgänge gespeichert, sodass auf Basis von Abweichungen zwischen jeweiligen gespeicherten Ergebnissen der Kalibrierungsvorgänge ein Degradierungszustand des Hableiterbauelements ermittelbar ist.
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Bevorzugt sieht der Kalibrierungsvorgang ein Ermitteln eines Temperaturkoeffizienten für das Halbleiterbauelement auf Basis von wenigstens zwei zeitlich voneinander abweichenden Messungen und/oder ein Ermitteln einer Temperaturabhängigkeit des Gate-Treibers vor, um nachfolgend den Temperaturkoeffizienten und/oder eine Information über die Temperaturabhängigkeit des Gate-Treibers beim Ermitteln der Sperrschichttemperatur zu berücksichtigen. Dadurch ist es möglich, eine Genauigkeit beim Ermitteln der Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelementes weiter zu verbessern.
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Das Ermitteln der Sperrschichttemperatur wird vorteilhaft während eines Einschaltvorgangs und/oder eines Ausschaltvorgangs des Halbleiterbauelements durchgeführt, in welchen das erforderliche Umladen der Gate-Kapazität ein inhärenter Bestandteil ist. Alternativ oder zusätzlich erfolgt das Ermitteln der Sperrschichttemperatur in einem eingeschalteten und/oder einem ausgeschalteten Zustand des Halbleiterbauelements, wobei durch den Gate-Treiber ein vordefiniertes Wechselsignal, insbesondere ein pulsförmiges Wechselsignal (ohne auf eine solche Ausprägung des Signals eingeschränkt zu sein, es sind beispielsweise auch sinusförmige oder davon abweichende Wechselsignale einsetzbar) am Gate des Halbleiterbauelements erzeugt wird. Die Verwendung eines Pulses ist im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen stromgeführten Gate-Treiber besonders vorteilhaft, da eine solche Signalform mittels des stromgeführten Gate-Treibers besonders einfach erzeugbar ist. Bevorzugt wird eine Frequenz und/oder eine Amplitude des Wechselsignals so gewählt, dass eine mittels des Halbleiterbauelements angesteuerte Last dadurch in ihrer Funktion nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird.
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Besonders vorteilhaft wird beim Ermitteln der Sperrschichttemperatur zusätzlich ein Einfluss einer Ladungsmenge berücksichtigt, die während der Stromaufbauphase bezüglich der Eingangskapazität des Halbleiterbauelements umgeladen wird. Dadurch lässt sich eine Genauigkeit beim Ermitteln der Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements zusätzlich erhöhen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements vorgeschlagen. Die Schaltungsanordnung weist auf: ein Halbleiterbauelement mit isoliertem Gate, einen stromgeführten Gate-Treiber, eine Spannungsmesseinheit und eine Auswerteeinheit. Der stromgeführte Gate-Treiber ist eingerichtet, mittels einer Ansteuerung des Gates des Halbleiterbauelements eine Eingangskapazität des Halbleiterbauelements zu einem ersten vordefinierten Zeitpunkt umzuladen. Die Spannungsmesseinheit ist eingerichtet, eine externe Gate-Spannung des Halbleiterbauelements zu erfassen. Die Auswerteeinheit, welche beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet und beispielsweise ein Bestandteil des stromgeführten Gate-Treibers oder eine eigenständige Komponente der Schaltungsanordnung ist, ist eingerichtet, eine Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements auf Basis einer Information über ein spannungsabhängiges Verhalten der Eingangskapazität des Halbleiterbauelements und auf Basis einer Höhe eines internen Gate-Widerstandes des Halbleiterbauelements zu einem dem ersten Zeitpunkt nachfolgenden zweiten Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem eine Stromaufbauphase eines Gate-Stroms, welcher durch den Gate-Treiber für das Umladen der Eingangskapazität erzeugt wird, abgeschlossen ist und zu dem ein im Wesentlichen konstanter Gate-Strom vorliegt. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der interne Gate-Widerstand des Halbleiterbauelements ein bidirektional leitendes, nicht lineares Bauelement auf, welches insbesondere aus zwei antiparallel geschalteten Dioden ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich aufgrund der ausgeprägten Temperaturabhängigkeit von Dioden eine besonders hohe Sensitivität und somit eine besonders genaue Temperaturbestimmung auf Basis der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzielen. Es sei darauf hingewiesen, dass auch von den hier beschriebenen Dioden abweichende nichtlineare Bauelemente bzw. Komponenten einsetzbar sind. Zudem bietet die Diode aufgrund ihrer nichtlinearen Stromeigenschaften die Möglichkeit, den Wert einer Spannungsdifferenz zwischen externer und interner Gate-Spannung zu begrenzen, wodurch sich eine besonders hohe Störsicherheit einer solchen Schaltungsanordnung ergibt. Dies liegt u. a. darin begründet, dass durch Einkopplungen verursachte Gate-Überspannungen besser abfangbar sind, wodurch sich beispielsweise eine höhere Kurzschlussfestigkeit insbesondere im Zusammenhang mit einem Kurzschluss Typ 2 erzielen lässt. Die beiden antiparallel geschalteten Dioden sind beispielsweise zwischen einem Gate-Pad und einem Gate-Runner des Halbleiterbauelements ausgebildet.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
- 2 ein Ermitteln einer aktuellen Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements auf Basis einer Gate-Spannungsmessung zu einem vordefinierten zweiten Zeitpunkt;
- 3 einen beispielhaften Gate-Stromverlauf;
- 4 ein Ermitteln einer aktuellen Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements auf Basis einer Zeitmessung; und
- 5 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit einem nichtlinearen internen Gate-Widerstand.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung weist einen SiC-MOSFET 10 auf, welcher über einen temperaturabhängigen, linearen internen Gate-Widerstand RGint und eine spannungsabhängige Eingangskapazität Ciss verfügt.
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Ein Gate des SiC-MOSFET 10 wird mittels eines stromgeführten Gate-Treibers 20 angesteuert, welcher eine Auswerteeinheit 40 enthält. Beide Komponenten sind hier in einen ASIC integriert.
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Eine Spannungsmesseinheit 30 ist zwischen einen Gate- und einen Source-Anschluss des SiC-MOSFET 10 geschaltet und auf diese Weise eingerichtet, eine externe Gate-Spannung VGext des SiC-MOSFET 10 zu erfassen.
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Auf Basis der vorstehenden Konfiguration ist der stromgeführte Gate-Treiber 20 ausgebildet, mittels einer Ansteuerung des Gates des SiC-MOSFET 10 die Eingangskapazität Ciss des SiC-MOSFET 10 zu einem ersten vordefinierten Zeitpunkt T1 umzuladen, welcher hier einem Einschaltzeitpunkt des SiC-MOSFET 10 entspricht.
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Die Auswerteeinheit 40 ist schließlich eingerichtet, eine Sperrschichttemperatur des SiC-MOSFET 10 auf Basis einer Information über ein spannungsabhängiges Verhalten der Eingangskapazität Ciss des SiC-MOSFET 10 und auf Basis einer Höhe des temperaturabhängigen internen Gate-Widerstandes RGint zu einem dem ersten Zeitpunkt T1 nachfolgenden zweiten Zeitpunkt T2 zu ermitteln, zu dem eine Stromaufbauphase PA eines Gate-Stroms IG, welcher durch den Gate-Treiber 20 für das Umladen der Eingangskapazität Ciss erzeugt wird, abgeschlossen ist und zu dem ein im Wesentlichen konstanter Gate-Strom IG vorliegt.
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Bevorzugt werden beim Ermitteln der Sperrschichttemperatur Kompensationswerte für temperaturbezogene Parameter des SiC-MOSFET 10 berücksichtigt, die während eines vorangegangenen Kalibrierungsvorgangs ermittelt wurden. Durch mehrfaches Durchführen einer solchen Kalibrierung und durch ein Vergleichen jeweiliger Kalibrierungsergebnisse, lässt sich zudem eine ggf. vorliegende Degradation des SiC-MOSFET 10 ermitteln.
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Weiter bevorzugt werden zusätzlich temperaturabhängige Eigenschaften des Gate-Treibers 20 beim Ermitteln der Sperrschichttemperatur berücksichtigt, um eine Genauigkeit des Ermittelns weiter zu erhöhen.
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2 zeigt ein Ermitteln einer aktuellen Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements 10 auf Basis einer Gate-Spannungsmessung zu einem vordefinierten zweiten Zeitpunkt T2 während eines Einschaltvorgangs des Halbleiterbauelements 10, wobei der Einschaltvorgang zu einem Zeitpunkt T1 begonnen wird. Auf Basis der in 1 beschriebenen Schaltungsanordnung wird zum zweiten Zeitpunkt T2, welcher zeitlich nach einer Stromaufbauphase PA liegt, mittels einer Spannungsmesseinheit 30 eine externe Gate-Spannung VGext des Halbleiterbauelements 10 gemessen. Aus dieser wird eine interne Gate-Spannung VGint des Halbleiterbauelements 10 abgeleitet, um auf Basis der internen Gate-Spannung VGint und aus Basis eines zum zweiten Zeitpunkt T2 vorliegenden Gate-Stroms IG eine aktuelle Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements 10 zu ermitteln.
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3 zeigt einen beispielhaften Verlauf eines Gate-Stroms IG. Dargestellt ist insbesondere eine Stromaufbauphase PA, welche sich bei einem Aufbau eines Soll-Gate-Stroms durch einen stromgeführten Gate-Treiber 20 ergibt. Sobald die Stromaufbauphase PA abgeschlossen ist, stellt der stromgeführte Gate-Treiber 20 einen im Wesentlichen konstanten Gate-Strom IG bereit.
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4 zeigt ein Ermitteln einer aktuellen Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauelements 10 auf Basis einer Zeitmessung. Konkret wird hier eine Zeitdifferenz zwischen einem zweiten Zeitpunkt T2 und einem ersten Zeitpunkt T1, welcher einen Beginn einer Gate-Stromvariation mittels eines vordefinierten Pulses repräsentiert, verwendet, um eine Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements 10 zu ermitteln. Der zweite Zeitpunkt T2 ist dann erreicht, wenn die externe Gate-Spannung VGext einen vordefinierten Schwellenwert VGref erreicht. Dies wird vorzugsweise mittels eines Komparators ermittelt, welcher die beiden Spannungen vergleicht. Hierbei wird außerdem eine Ladungsmenge, welche während einer Stromaufbauphase PA in eine Eingangskapazität Ciss des Halbleiterbauelements 10 eingebracht wird, berücksichtigt, um eine präzisere Bestimmung der Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements 10 zu ermöglichen.
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5 zeigt ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement, welches als MOSFET 10 ausgebildet ist, mit einem nichtlinearen internen Gate-Widerstand RGint, welcher sich hier aus zwei antiparallel geschalteten Dioden 50 zusammensetzt, um eine besonders hohe Temperatursensitivität für das Ermitteln einer Sperrschichttemperatur des MOSGET 10 zu erzielen. Zur Herstellung eines solchermaßen ausgebildeten MOSFET 10 wird beispielsweise ein MOSFET-Prozess nach dem Stand der Technik eingesetzt. Statt einen direkten elektrischen Kontakt zwischen einem Gate-Pad und einer Gate-Elektrode des MOSFET 10 herzustellen, wird hier zwischen dem Gate-Pad und der Gate-Elektrode eine bidirektionale Diode 50 angeordnet, die beispielsweise aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten (p-dotiertes und n-dotiertes Silizium) besteht. Die beiden Dioden 50 werden beispielsweise in zwei aufeinander folgenden Herstellungsschritten abgeschieden und strukturiert, sodass diese an vordefinierten Positionen einen elektrischen Kontakt zueinander, zum Gate-Pad und zur Gate-Elektrode aufweisen.
