[發明專利]功率開關的熱觀測器以及過載保護

有效

• 申請號: 201410523987.5
• 申請日: 2014-07-23
• 公開（公告）號: CN104465554B
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: F·科爾蒂賈尼;A·德奇科
• 申請（專利權）人: 英飛凌科技股份有限公司
• 主分類號: H01L23/34
• 分類號: H01L23/34;H01L27/02;H02H7/20
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 申屠偉進;徐紅燕

本發明涉及功率開關的熱觀測器以及過載保護。本發明提出嵌入到功率半導體器件中的溫度傳感器的放置。這樣，至少一個該嵌入的溫度傳感器被放置在功率半導體電路的熱源、有源區或溝道內，或者被放置為靠近功率半導體電路的熱源、有源區或溝道，并且至少一個該嵌入的溫度傳感器被放置為更進一步遠離該功率半導體電路的該熱源、有源區或溝道。此外，提供一種新的溫度測量方法，該方法采用溫度測量的定時以及調節測量參數為合適的閾值。

技術領域

本發明涉及半導體器件領域，并且涉及檢測并用于保護導致溫度升高的故障運行狀態，例如在短路情形的情況下。更特別的是，本發明涉及用于功率半導體電路或開關的熱觀測器件以及用于功率半導體電路或開關的過載保護方法。

本發明提出了用于功率半導體電路或開關的熱觀測器以及過載保護。某些種類的功率半導體開關通常稱作“智能開關”，并且可包括功率晶體管(即，在高側結構中)以及用于管理的控制芯片。特別是，控制芯片可包括用于防止過載情形的過電流或過溫檢測電路。

背景技術

功率半導體電路或開關可用于為電氣負載提供電功率。在功率半導體電路或開關的保護領域，短路/過載情形下的能量容量是器件可靠性的一個限制因素。已知的功率半導體電路包括至少一個可控功率半導體開關，該功率半導體開關產生廢熱，該廢熱導致功率半導體電路或開關存在過熱的危險，其可能導致短路事件。為了控制所述廢熱以及過熱的危險，一個或多個溫度傳感器可被熱耦合到該功率半導體開關上。

在當前的技術中，功率半導體電路或開關內的短路事件由跟隨過溫或者溫度增量(delta temperature)切斷的電流極限值來保護，并且如果擴散金屬氧化物半導體(DMOS)元件的溫度下降到給定絕對值或者相對參考值以下，允許重新激勵(reactivation)功率電路或器件的溝道。例如，已知的開關采用這個保護方案進行工作。其他已知的保護實施方式基于過電流切斷以及允許負載激勵的限制的重試次數(族，)。

由于溫度傳感器和功率半導體電路或開關的有源區之間的熱耦合并不是優選的，特別是，當由于技術局限性僅將其放置在控制芯片中時，溫度傳感器可不反應或者可不足夠迅速地反應、以在退磁期間指示有源區的溫度。結果是，控制電路不能立即檢測到半導體器件的過熱，結果，DMOS不能均勻冷卻，以致可出現局部峰值溫度，而沒有在短時間段內檢測到它們的給定的可能性。

這樣可導致在半導體電路或開關內產生熱點，結果導致DMOS器件成絲并且過早的損壞。由于多個重啟情況，這樣的關鍵的熱點溫度還可出現在早期運行階段。這是因為熱在DMOS最熱的區域中產生熱點，由于在接近的串聯(series)中連續的重試，因此DMOS最熱的區域可能不能足夠快速地冷卻，盡管有溫度傳感器系統的信息，但其不能顯示超過預定極限的損壞性溫度。

已知的溫度增量保護理念在重復性短路情形期間采用可靠性改進，但是仍然不能避免切斷后消耗的高能量，尤其是在多個重啟情景下。其他已知的保護理念依賴于從熱特性的全部知識和開始的溫度以及啟動器件溫度的全部計算。這樣的已知的理念具有所需要的努力較高或者電路區域較大的缺陷，并且包含到用于長的熱時間常數模擬的成本的缺陷。在新一代DMOS器件中，因為成本原因減小了有源區，并且在某些應用情形下，非常高的功率峰值以及能量密度不得不由小的硅區耗散。因此，需要有效的高溫以及過載保護理念。