EP3380821A1 - Halbleiterbauelement mit einem ersten temperaturmesselement sowie verfahren zum bestimmen eines durch ein halbleiterbauelement fliessenden stromes - Google Patents
Halbleiterbauelement mit einem ersten temperaturmesselement sowie verfahren zum bestimmen eines durch ein halbleiterbauelement fliessenden stromesInfo
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- EP3380821A1 EP3380821A1 EP16777676.4A EP16777676A EP3380821A1 EP 3380821 A1 EP3380821 A1 EP 3380821A1 EP 16777676 A EP16777676 A EP 16777676A EP 3380821 A1 EP3380821 A1 EP 3380821A1
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Definitions
- the current is measured for example by a shunt or a magnetic sensor. This is complicated and expensive. If the phase current is measured by means of a shunt, additional area on the DBC (Direct Bonded Copper) or on the DBC (Direct Bonded Copper) or on the DBC (Direct Bonded Copper)
- Temperature measuring element is arranged on the substrate.
- Semiconductor device may be, for example, a MOSFET, an IGBT or other power semiconductor.
- the substrate may be a semiconductor substrate, For example, be silicon, another semiconductor substrate or a silicon-on-insulator (SOI) substrate.
- SOI silicon-on-insulator
- Semiconductor component flowing current basically includes the following steps:
- An inventive control device for a vehicle comprises at least one inventive semiconductor device.
- Temperature measuring element be thermally coupled.
- the temperature can be determined with a small design effort for the temperature measuring elements. This saves installation space, power loss and costs for external components and, with appropriate design, can improve the response time and accuracy of current monitoring.
- Temperature measuring conceivable to implement the invention. Likewise, the simultaneous use of monolithic integrated and external temperature measuring elements, such as thermistors, is possible. Due to the manufacturing advantages, however, are all preferred
- a finite thermal capacitance and a finite thermal resistance exist between the first temperature measuring element and the second temperature measuring element.
- the current power loss in the semiconductor device can then be determined relatively accurately if the first temperature and the second temperature are used as input variables for the calculation.
- Such an embodiment has the advantage that the structure can be connected flexibly from the outside further. Furthermore, the voltage required for determining the temperature can thus be measured in a simple manner, for example by connecting the pads to an evaluation circuit such as, for example, the system ASIC.
- the first temperature measuring element and the second temperature measuring element are connected in series.
- Temperature measuring elements can then be fed by a common power source and flowed through by the same current.
- the optionally existing further temperature measuring elements can be connected in series with the first and second temperature measuring element and energized with a single sense current.
- the inventive method is suitable to the current temperature, power dissipation and current values of a circuit breaker and
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Abstract
Es wird ein Halbleiterbauelement (10) mit einem Substrat und zumindest zwei Temperaturmesselementen (20, 22) beschrieben. Die beiden Temperaturmesselemente (20, 22) sind auf dem Bare Die (11) des Halbleiterbauelements (10) an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Halbleiterbauelements (10) angeordnet. Insbesondere können ein Temperaturmesselement (20) in einem aktiven Bereichs (14) und ein Temperaturmesselement (22) in einem passiven Bereich (16) des Halbleiterbauelements (10) angeordnet sein. Die Temperaturmesselemente (20, 22) messen zwei unterschiedliche Temperaturen Tj, Tsense, mit deren Hilfe dann der Strom IDS durch das Halbleiterbauelement (10) berechnet werden kann. Das Halbleiterbauelement kann ein Leistungs-MOSFET (18) sein. Weiterhin wird ein Verfahren zur Bestimmung eines durch ein Halbleiterbauelement (10) fließenden Stromes IDS beschrieben, bei dem zwei an unterschiedlichen Orten des Halbleiterbauelements (10) gemessene Temperaturen verwendet werden. Das beschriebene Halbleiterbauelement (10) sowie das beschriebene Verfahren eignen sich beispielsweise zur Verwendung in einem Steuergerät für ein Fahrzeug.
Description
Beschreibung
Titel
HALBLEITERBAUELEMENT MIT EINEM ERSTEN
TEMPERATURMESSELEMENT SOWIE VERFAHREN ZUM BESTIMMEN EINES DURCH EIN HALBLEITERBAUELEMENT FLIESSENDEN STROMES
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, bevorzugt ein Leistungs-MOSFET-Element, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines
Halbleiterbauelements und ein Steuergerät für ein Fahrzeug.
Stand der Technik
Die Anforderungen an moderne Halbleiterschalter wie PowerMOSFETs (Metall- Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, englisch Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) und IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, engl, insulated-gate bipolar Transistor) umfassen neben sehr geringen Durchlass- und Schaltverlusten sowie hoher Sperrfähigkeit immer mehr monolithisch integrierte Funktionen, welche Überbeanspruchung wie ESD-Pulse (Elektrostatische Entladung, engl. Electrostatic Discharge), Übertemperatur, Durchbruch oder Überstrom sicher detektierbar machen. In leistungselektronischen Systemen zum Beispiel zur Motoransteuerung ist der Phasenstrom zur Regelung des Systems von entscheidender Bedeutung. Ein zu hoher Strom während des
Schaltvorgangs kann zum Durchbruch des Elements und gegebenenfalls zu seiner Zerstörung führen. In vielen Fällen wird daher der Strom beispielsweise durch einen Shunt oder einen Magnetsensor gemessen. Dies ist aufwendig und teuer. Wird der Phasenstrom mittels eines Shunts gemessen wird hierfür zusätzliche Fläche auf dem DBC (Direct Bonded Copper) oder auf dem
Stanzgitter benötigt. Weiterhin wird mit dem Shunt oder Magnetsensor ein weiteres Bauteil benötigt, was ebenfalls Kosten verursacht.
Alternativ besteht die Möglichkeit, intern im Device durch abgetrennte Zellgebiete eine Messung des Phasenstroms vorzunehmen. Auch hier sind aber zumindest ein externer Widerstand sowie eine externe, oftmals analoge Auswerteschaltung notwendig.
Die DE 10 2011 001 185 A1 beschreibt eine Methode zur Stromsensierung mittels der Messung der Drain-Source-Spannung. Dabei wird die Temperatur der Sperrschicht ermittelt und aus dieser der temperaturabhängige Widerstand RDSOP berechnet, woraus wiederum der aktuelle Strom berechnet werden kann.
Die US 2007/00061099 A1 beschreibt ebenfalls eine Methode, den Phasenstrom unter Zuhilfenahme der Drain-Source-Spannung und einer Temperatur zu bestimmen. Ein Thermistor, der in der Nähe eines FETs (Feldeffekttransistor) angeordnet ist, liefert eine Temperatur, aus der zusammen mit der Drain-Source- Spannung von einem Prozessor der Phasenstrom abgeschätzt wird. Dies erfolgt unter der Annahme, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Thermistor und der Sperrschicht des FETs im eingeschwungenen Zustand konstant ist.
Die US 201 1/021071 1 A1 beschreibt eine Möglichkeit, die Vorgänge innerhalb eines Halbleiterbauelements von einem Prozessor modellieren zu lassen, um eine Bewertung des Zustands des Bauelements und in der Folge gegebenenfalls eine Steuerung des Bauteils vornehmen zu können. Hierzu werden eine beispielsweise von einem Thermistor gelieferte Temperatur, die Drain-Source- Spannung und die Gate-Source-Spannung als Input-Parameter herangezogen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauelement mit einem Substrat und einem ersten Temperaturmesselement zur Verfügung gestellt, bei dem das erste Temperaturmesselement in der Nähe eines Ortes großer Verlustleistung des
Halbleiterbauelements angeordnet ist, und bei dem ein zweites
Temperaturmesselement räumlich beabstandet von dem ersten
Temperaturmesselement auf dem Substrat angeordnet ist. Das
Halbleiterbauelement kann beispielsweise ein MOSFET, ein IGBT oder ein sonstiger Leistungshalbleiter sein. Das Substrat kann ein Halbleitersubstrat,
beispielsweise Silizium, ein anderes Halbleitersubstrat oder ein Silicon-on- Insulator (SOI) Substrat sein.
Unter einem Ort hoher Verlustleistung wird dabei ein Ort auf dem Halbleiterchip verstanden, an dem im Betrieb, insbesondere im durchgeschalteten Zustand, eine hohe Verlustleistung abfällt und der sich daher stärker erwärmt als seine Umgebung. Der Begriff„hohe Verlustleistung" ist dabei insbesondere relativ zu anderen Orten auf dem Chip zu interpretieren. Vorzugsweise wird das erste Temperaturmesselement in der Nähe des Ortes der größten Verlustleistung, beispielsweise in der Nähe der Sperrzone, angeordnet. Bevorzugt ist die räumliche Entfernung zwischen dem Ort großer beziehungsweise größter Verlustleistung und dem ersten Temperaturmesselement möglichst klein, insbesondere so klein, wie es technisch möglich ist, ohne die Funktion der einzelnen Elemente zu beeinflussen. Mit anderen Worten befindet sich das erste Temperaturmesselement vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Ortes großer beziehungsweise größter Verlustleistung. Beispielsweise kann das erste Temperaturmesselement direkt an die Sperrzone des Halbleiterbauelements angrenzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen eines durch ein
Halbleiterbauelement fließenden Stromes umfasst grundsätzlich folgende Schritte:
a) Auslesen des Werts einer von einem in einem Bereich hoher
Verlustleistung angeordneten ersten Temperaturmesselement gelieferten ersten Temperatur
b) Auslesen des Werts einer von einem vom ersten Temperaturelement beabstandeten zweiten Temperaturmesselement gelieferten zweiten Temperatur
c) Berechnen des Stroms durch das Halbleiterbauelement unter
Einbeziehung der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur.
Ein erfindungsgemäßes Steuergerät für ein Fahrzeug umfasst zumindest ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement hat den Vorteil, dass nur wenige zusätzliche Elemente notwendig sind, um eine hinreichend genaue Aussage über den aktuellen Stromfluss durch das Halbleiterbauelement zu treffen. Zur
Auswertung können lediglich die Logik und der AD-Wandler des System-ASIC (Anwendungsspezifische integrierte Schaltung, englisch application specific integrated circuit) genutzt werden, sodass wiederum nur wenige zusätzliche Bauteile gegenüber herkömmlichen Halbleiterbauelementen ohne die
erfindungsgemäße Stromsensierung nötig sind.
Weiterhin ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, den Phasenstrom durch das Bauelement zu ermitteln, ohne die Drain-Source-Spannung als Ausgangswert mit einzubeziehen. Stattdessen werden an zwei unterschiedlichen Punkten des Halbleiterbauelements die jeweiligen lokalen Temperaturen gemessen, wodurch in Kenntnis des thermischen Widerstands und der thermischen Kapazität zwischen den beiden Messpunkten auf die aktuelle Verlustleistung des
Bauelements geschlossen werden kann, sodass sich mit Hilfe des Widerstands DSOP der Strom durch das Bauteil bestimmen lässt. Es lässt sich so eine
Überstrombegrenzung für das sichere Schalten von leistungselektronischen Komponenten wie MOSFETs oder IGBTs einrichten.
Das erste Temperaturmesselement kann mit dem zweiten
Temperaturmesselement thermisch gekoppelt sein. In einer besonderen
Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Temperaturmesselement und das zweite Temperaturmesselement jeweils eine Diode umfasst. Ein Maß für die Temperatur kann dabei jeweils die über der jeweiligen Diode abfallende
Spannung sein. Auf diese Art und Weise lässt sich die Temperatur mit einem geringen konstruktiven Aufwand für die Temperaturmesselemente ermitteln. Es lassen sich so Bauraum, Verlustleistung und Kosten für externe Bauteile einsparen und bei entsprechender Auslegung die Ansprechzeit und Genauigkeit der Stromüberwachung verbessern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Temperaturmesselement und das zweite Temperaturmesselement
monolithisch in das Halbleiterbauelement integriert sind. Durch diese Maßnahme lässt sich der Aufwand bei der Inbetriebnahme des Halbleiterbauelements verringern, was die effektiven Kosten ebenfalls verringert. Es werden weniger einzelne Bauteile benötigt. Da sich die benötigten Funktionen mit geringem Aufwand in bekannte Halbleiterbauelemente integrieren lassen, ergibt sich insgesamt eine deutliche Kostenersparnis. Eine geringere Anzahl an
Einzelbauteilen bedeutet darüber hinaus eine geringere Anzahl an möglichen Fehlerquellen.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Halbleiterbauelement ein drittes Temperaturmesselement. Ein zusätzliches viertes Temperaturmesselement oder noch mehr Temperaturmesselemente sind ebenfalls möglich. Durch die
Einbeziehung weiterer Temperaturmesselemente kann die Genauigkeit der Strombestimmung erhöht werden. Auch die weiteren Temperaturmesselemente können monolithisch in den Chip integriert sein. Alle Temperaturmesselemente können beispielsweise als planare Polysilizium-Diode realisiert sein. Prinzipiell sind aber beliebige Kombinationen von verschiedenen
Temperaturmesselementen denkbar, um die Erfindung umzusetzen. Ebenso ist auch der gleichzeitige Einsatz von monolithisch integrierten und externen Temperaturmesselementen, wie beispielsweise Thermistoren, möglich. Aufgrund der herstellungstechnischen Vorteile sind bevorzugt jedoch alle
Temperaturmesselemente monolithisch integriert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen zwischen dem ersten Temperaturmesselement und dem zweiten Temperaturmesselement eine endliche thermische Kapazität und ein endlicher thermischer Widerstand vor. Die aktuelle Verlustleistung im Halbleiterbauelement lässt sich dann relativ genau bestimmen, wenn die erste Temperatur und die zweite Temperatur als Eingangsgrößen für die Berechnung verwendet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Halbleiterbauelement zumindest einen aktiven Bereich und zumindest einen passiven Bereich auf, wobei das zweite Temperaturmesselement in dem passiven Bereich angeordnet ist. In dem passiven Bereich ist die Temperatur regelmäßig niedriger als im aktiven Bereich und insbesondere deutlich niedriger als in dem Bereich größter Verlustleistung. Eine größere Temperaturdifferenz zwischen den beiden von dem ersten
Temperaturmesselement und dem zweiten Temperaturmesselement ermittelten Temperaturen vergrößert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und verbessert somit die Genauigkeit des ermittelten Werts für den Strom.
5 In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das
Halbleiterbauelement ein MOSFET und eines der Temperaturmesselemente die Bodydiode dieses MOSFETs sein. Ein MOSFET ist besonders gut geeignet zur Ausbildung eines Leistungshalbleiterbauelements, beispielsweise eines
Leistungsschalters. Wenn die Bodydiode des MOSFETs als eines der l o Temperaturmesselemente genutzt wird, verringert sich die Anzahl der zur
Ausführung der Erfindung notwendigen zusätzlichen Elemente, da eine solche Bodydiode inhärent in jedem MOSFET vorhanden ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine erste Temperaturmessspannung über dem ersten Temperaturmesselement und/oder eine zweite Temperaturmessspannung über dem zweiten
Temperaturmesselement jeweils über dezidierte Pads abgenommen werden kann. Mit anderen Worten lassen sich die für die Messung der beiden Temperaturmessspannungen relevanten Punkte in der Schaltung von außen
20 kontaktieren. Eine solche Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass der Aufbau flexibel von außen weiter beschaltet werden kann. Weiterhin kann so die für die Ermittlung der Temperatur benötigte Spannung auf einfache Art und Weise gemessen werden, beispielsweise indem die Pads mit einer Auswerteschaltung wie zum Beispiel dem System-ASIC verbunden werden.
25
In einer besonderen Ausführungsform sind das erste Temperaturmesselement und das zweite Temperaturmesselement in Serie geschaltet. Die beiden
Temperaturmesselemente können dann von einer gemeinsamen Stromquelle gespeist werden und von demselben Strom durchflössen werden. Auch die gegebenenfalls vorhandenen weiteren Temperaturmesselemente können mit dem ersten und zweiten Temperaturmesselement in Serie beschaltet und mit einem einzigen Sense-Strom bestromt werden.
Alternativ ist es möglich, dass das erste Temperaturmesselement und das zweite 35 Temperaturmesselement parallel geschaltet sind.
Zur Ausführung der Erfindung sind besonders schnelle und genaue Dioden, die idealerweise von ihrem Flussspannungsverlauf über Temperatur sehr gut gematcht sind, vorteilhaft. Durch die relativ kleinen thermischen Widerstände und thermischen Kapazitäten zwischen Hotspot, also dem Ort großer
beziehungsweise größter Verlustleistung auf dem Chip, und dem Chip-Rand beziehungsweise einem anderen Ort innerhalb des passiven Gebiets, ergeben sich sehr gute Signal-zu-Rausch-Verhältnisse und wenig Einfluss vom
Temperaturverlauf in den Schwankungen unterlegenen weiteren Schichten wie beispielsweise Lot, Lunker, DBC (direct bonded copper) oder Kleber.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, um die aktuellen Temperatur-, Verlustleistungs- und Stromwerte eines Leistungsschalters sowie
Regelungsgrößen zur Vermeidung von beschleunigter Alterung beziehungsweise Zerstörung des Bauelements zu bestimmen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Möglichkeit zur Ermittlung des Stroms durch ein
Halbleiterbauelement gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, Figur 3 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2,
Figur 4 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2,
Figur 5 eine erste Ausführungsform der Beschaltung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
Figur 6 eine zweite Ausführungsform der Beschaltung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
Figur 7 eine dritte Ausführungsform der Beschaltung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
Figur 8 ein thermisches Ersatzschaltbild einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, Figur 9 eine Darstellung von beispielhaften Messergebnissen, und
Figur 10 eine Darstellung einer möglichen Integration eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in ein Schaltungssystem.
Ausführungsformen der Erfindung
Zunächst ist in Figur 1 eine Möglichkeit zur Ermittlung des Stroms durch ein Halbleiterbauelement 10 in Form eines Stromsensors mit abgeteilten Zellen gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Im rechten Teil der Figur ist der Haupt-
FET (Feldeffekttransistor) 2 gezeigt. Er ist wie üblich mit einem Sourcekontakt 3, einem Drainkontakt 4 und einem Gatekontakt 5 beschaltet. In linken Bereich der Figur ist der Mess-FET 6 dargestellt. Dieser ist parallel zum Haupt-FET 1 geschaltet und besteht aus einigen abgeteilten, aber ansonsten zu den Zellen des Haupt-FETs 1 identischen Zellen. Die abgespaltenen Zellen dienen als
Stromspiegel. Mittels des externen Widerstands 7 kann am Strommesspunkt 8 ein Strom Isense ausgelesen werden, der direkte Rückschlüsse auf den durch den Haupt-FET 1 fließenden Strom erlaubt. Der Widerstand 7 kann allerdings Dynamik und Genauigkeit der Strommessung beschränken. Außerdem wird in den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen oftmals ein
Temperatursensor und ein Stromsensor gemeinsam verwendet, um eine Überwachung zu ermöglichen, was wiederum zu einem relativ hohen
konstruktiven und steuertechnischen Aufwand führt. Figur 2 zeigt schematisch den Bare Die 1 1 eines Halbleiterbauelements 10 in
Form eines Leistungsschalters, beispielsweise eines MOSFETs. Dieser
beinhaltet sowohl aktive Flächen 14, also in welchem die gegebenenfalls, mikroskopisch kleinen Schaltelemente platziert sind und in welchem die elektrische Verlustleistung entsteht als auch passive Bereiche 16, welche inaktiv und somit ohne Verlustleistung sind. Bei den passiven Bereichen 16 kann es sich beispielsweise um Bondpadbereiche, Randbereiche des Bauelements 10 oder um Gaterunner handeln. In jedem der genannten passiven Bereiche 16 kann das zweite Strommesselement 22 angeordnet sein.
Figur 3 zeigt das Halbleiterbauelement aus Figur 2 in Draufsicht. Auf dem Bare Die 11 sind zwei Temperaturmesselemente 20, 22 angeordnet. Diese
sogenannten Temperatur-Sensing-Strukturen sind derart platziert, dass das erste Temperaturmesselement 20 in dem aktiven Bereich 14 oder zumindest sehr nahe an dem aktiven Bereich 14 angeordnet ist. Das zweite
Temperaturmesselement 22 befindet sich in einer gewissen räumlichen
Entfernung von dem ersten Temperaturmesselement, beispielsweise im
Randbereich 18 des Bauelements. Im aktiven Bereich 14 ist die Verlustleistung höher als im passiven Bereich 16. Vorzugsweise kann das erste
Temperaturmesselement 20 nahe an der Sperrzone des Halbleiterbauelements 10 angeordnet sein, da die Verlustleistung besonders hoch ist. Eine große Temperaturdifferenz zwischen den vom ersten Temperaturmesselement 20 und vom zweiten Temperaturmesselement 22 gemessenen Temperaturen ist wünschenswert, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
Figur 4 zeigt das Ausführungsbeispiel aus den Figuren 2 und 3 in einer seitlichen Schnittansicht. Es ist das Substrat 12 zu erkennen, in das die weiteren
Strukturen eingearbeitet sind. Darüber hinaus ist der aus mehreren Schichten 40, 42, 44 und 46 bestehende Unterbau gezeigt.
Die Temperaturmesselemente 20, 22 können elektrisch verschiedenartig angeschlossen werden. Figur 5 zeigt eine erste Möglichkeit der Verschaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 10. Zu erkennen sind die bekannten Anschlüsse für Source 30, Drain 32 und Gate 34. Die erste Diode 20, die als erstes Temperaturmesselement dient, und die zweite Diode 22, die als zweites Temperaturmesselement dient, sind in Reihe geschaltet. Beide Dioden 20, 22 werden von einem zeitlich konstantem Strom nse durchflössen, der
beispielsweise vom ASIC 70 bereitgestellt werden kann. Die Spannungsabfälle
UDI beziehungsweise UD2 sind proportional zu der jeweiligen lokalen Temperatur im Bereich der ersten Diode 20 beziehungsweise der zweiten Diode 22.
Figur 6 zeigt eine zweite Möglichkeit der Verschaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 10. Die erste Diode 20 und die zweite Diode 22 sind dabei parallel geschaltet. Sie werden dabei von einer ersten Stromquelle 26 und einer zweiten Stromquelle 27 mit Strom gespeist.
In Figur 7 ist eine Ausführungsform dargestellt, in der als zweite Diode die Bodydiode 24 des verwendeten Leistungs-MOSFETs 18 zur
Temperaturmessung verwendet wird.
Figur 8 zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild in Form eines äquivalenten Foster- Netzwerks einer Ausführungsform der Erfindung. Das thermische Verhalten von einer Ausführungsform der Erfindung als MOSFETs auf DBC (Direct Bonded Copper) oder Stanzgitter kann so beschrieben werden. Das erste
Temperaturmesselement in Form der ersten Diode 20 misst die Temperatur Tj am ersten Knotenpunkt 50. Tj steht hierbei für TjUnction, also der Temperatur im Bereich der Sperrschicht, was oftmals dem Bereich größter Verlustleistung auf dem Halbleiterbauelement 10 entspricht. Die zweite Diode 22 hingegen misst die Temperatur Tisense am zweiten Knoten 52. Wegen der räumlich unterschiedlichen Anordnung zur Verlustleistungsquelle 54 auf dem Chip liegen zwischen beiden Knoten 50, 52 endliche thermische Wderstände 56 und thermische Kapazitäten 58. Es ergibt sich daraus im Normalfall eine niedrigere Temperatur Tisense als die Temperatur Tj. Im rechten Teil der Figur ist der Abschluss des Netzwerks bei Raumtemperatur Tambient dargestellt.
Mit Kenntnis der beiden Temperaturen Tj und Tisense kann die
Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen den beiden Knoten 50, 52 bestimmt werden. Beispielhaft durchgeführte Messreihen sind in Figur 9 dargestellt. Dabei wurde jeweils der Wärmewiderstand zwischen den Knoten 50, 52 und dem Gehäuse ermittelt. Die als Kreissymbole eingezeichneten Datenpunkte stammen von der Messung Zth(t)jUnction-case, also dem zeitabhängigen thermischen Widerstand zwischen dem ersten Knoten 50 und dem Gehäuse. Entsprechend sind als Quadrate die Werte für Zth(t)Tsense-case, also der thermische Widerstand zwischen dem zweiten Knoten 52 und dem Gehäuse, eingezeichnet.
Als dritte Kurve ist in Form von Dreieckssymbolen die Differenz der beiden Messkurven eingezeichnet. Die durchgezogenen Linien zeigen entsprechende Fits im Foster-Modell mit jeweils 7 RC-Gliedern für die beiden Messkurven beziehungsweise mit 2 RC-Gliedern für die Differenzkurve. Die Beschreibung der
Kurven im Foster-Modell ermöglicht eine Nachbildung des zeitlichen thermischen Verhaltens im ASIC.
Es ist zu erkennen, dass im eingeschwungenen Zustand, also nach etwa 50 bis 1 00 ms, die Differenzkurve im Wesentlichen waagerecht verläuft, die Differenz der beiden thermischen Wderstandswerte Zth(t)jUnction-case Und Zth(t)TSense-Case alSO nahezu konstant bleibt. Mittels ΔΤ und dem nunmehr zeitlich konstanten ÄZth = Zth(t)junction-case - Zth(t)TSense-case lässt sich nun nach der Formel
P(t) = -^ = /2 - R (7}) (1 ) die aktuelle Verlustleistung im Die berechnen. Da sich der elektrische Wderstand RDSOP des Bauelements im eingeschalteten und eingeschwungenen Zustand beispielsweise mit der Formel
( a \ TJ-25°C
Ron { Tj) = RDSon,2S°C ' [ 1 + (2) berechnen lässt, wobei a~0,4 ist, kann anhand der Formel
AT(t)
/(t) =
lon(Tj) I zthJ-TS'Ron(Tj) der aktuelle Strom bestimmt werden. Alle genannten Berechnungen können beispielsweise in dem gegebenenfalls ohnehin vorhandenen ASIC vorgenommen werden.
Ein möglicher Aufbau eines solchen ASICs ist schematisch in Figur 10
dargestellt. Der ASIC 70 kann zunächst einen konstanten Strom nse für die beiden Strommesselemente 20, 22 bereitstellen. In den Berechnungselementen 72, 74 werden dann zunächst die beiden Flussspannungs-Signale UDI , UD2 der Temperaturmesselemente 20, 22, die wiederum in Form von Dioden ausgebildet
sein können, in Temperaturwerte Tsense, Tj umgerechnet. Gegebenenfalls kann hierfür zuvor eine entsprechende Kennlinien-Linearisierung bereitgestellt werden.
Zur Bestimmung der Temperaturdifferenz wird dann in dem Differenziermodul 76 eine Differenz ΔΤ gebildet. Mit Kenntnis der Temperatur Tj wird dann über die oben genannte Gleichung (2) der aktuelle Widerstand Ron(Tj) abgeschätzt.
Weiterhin ist das thermische Verhalten des thermischen Differenzwiderstands Zthj-Tsense vorab durch Messung oder Simulation bestimmt worden und fest im ASIC hinterlegt worden, beispielsweise als zweigliedriges Foster-Netzwerk oder als Tabelle 78. Dies ist hinreichend genau, da sich der Wert für Zthj-Tsense lediglich aus fest auf dem Chip angeordneten Elementen ableitet und daher keine Streuungen durch die Aufbau- und Verbindungstechnik zu erwarten sind. Aus den Eingangsgrößen ÄT(t), Ron(Tj) und Zthj-Tsense wird dann mittels der oben angeführten Gleichung der aktuelle Drainstrom bestimmt und dient als Steuerbeziehungsweise Überwachungsgröße des Leistungsschalters. Als weitere Steuer- und/oder Überwachungsgröße kann beispielsweise auch die Temperatur Tj(t) herangezogen werden.
Die Erfindung kann insbesondere für Steuergeräte für Fahrzeuge, beispielsweise für die Lenkung eines Fahrzeugs genutzt werden. Ebenfalls möglich ist ein Einsatz für Leistungsmodule für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge sowie
„selbstsichernde" MOSFETs. Eine Vielzahl von weiteren Anwendungen für Leistungs-MOSFETs und IGBTs ist ebenfalls denkbar.
Claims
Ansprüche
Halbleiterbauelement (10) mit einem Substrat (12) und einem ersten Temperaturmesselement (20), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Temperaturmesselement (20) in der Nähe eines Ortes großer Verlustleistung des Halbleiterbauelements (10) angeordnet ist, und dass ein zweites Temperaturmesselement (22) räumlich beabstandet von dem ersten Temperaturmesselement (20) auf dem Substrat (12) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Temperaturmesselement (20) und das zweite
Temperaturmesselement (22) jeweils eine Diode umfasst.
Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Temperaturmesselement (20) und das zweite Temperaturmesselement (22) monolithisch in das
Halbleiterbauelement (10) integriert sind.
Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten
Temperaturmesselement (20) und dem zweiten Temperaturmesselement (22) eine endliche thermische Kapazität (58) und ein endlicher thermischer (56) Widerstand vorliegen.
Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (10) zumindest einen aktiven Bereich (14) und zumindest einen passiven Bereich (16) aufweist, wobei das zweite Temperaturmesselement (22) in dem passiven Bereich (16) angeordnet ist.
6. Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (10) ein MOSFET ist und dass eines der Temperaturmesselemente (20, 22) die Bodydiode (24) des MOSFETs ist.
7. Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Temperaturmessspannung (UDI) über dem ersten Temperaturmesselement (20) und/oder eine zweite
Temperaturmessspannung (UD2) über dem zweiten Temperaturmesselement (22) jeweils über dezidierte Pads abgenommen werden kann.
8. Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Temperaturmesselement (20) und das zweite Temperaturmesselement (22) in Serie geschaltet sind.
9. Verfahren zur Bestimmung eines durch ein Halbleiterbauelement (10)
fließenden Stromes, mit den Schritten:
a) Auslesen des Werts einer von einem in einem Bereich hoher
Verlustleistung angeordneten ersten Temperaturmesselement (20) gelieferten ersten Temperatur (Tj )
b) Auslesen des Werts einer von einem vom ersten
Temperaturelement (20) räumlich beabstandeten zweiten
Temperaturmesselement (22) gelieferten zweiten Temperatur
(Tsense)
c) Berechnen des Stroms durch das Halbleiterbauelement (10) unter
Einbeziehung der ersten Temperatur (Tj) und der zweiten
Temperatur (Tsense).
10. Steuergerät für ein Fahrzeug, umfassend zumindest ein
Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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