[發明專利]功率半導體開關元件的溫度測量

在審

• 申請號: 201980063282.0
• 申請日: 2019-09-19
• 公開（公告）號: CN112752959A
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 巴爾加·鮑拉日
• 申請（專利權）人: 蒂森克虜伯普利斯坦股份公司;蒂森克虜伯股份公司
• 主分類號: G01K7/01
• 分類號: G01K7/01;G01K7/16;H03F3/45;B62D5/04
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 唐京橋;何方

本發明涉及用于確定功率半導體開關元件(1)的溫度的裝置，該功率半導體開關元件(1)包括功率半導體開關(1)和內置的溫度相關的柵極電阻器(3)，其中，該裝置具有非反相放大器電路，該非反相放大器電路包括運算放大器(2)和反饋電阻器(4)，其中，運算放大器(2)的反相輸入連接至功率半導體開關(1)，使得非反相放大器電路(200)在輸入信號(V_IN)的預定義頻率范圍內的增益取決于內置的溫度相關的柵極電阻器(3)和反饋電阻器(4)，并且是功率半導體開關元件(1)的溫度的度量。

本發明涉及具有權利要求1的前序部分的特征的用于確定半導體功率開關元件的溫度的裝置，以及涉及具有權利要求9和10的前序部分的特征的用于測量半導體功率開關元件的溫度的方法。

功率元件具有顯著的功率損耗，這使芯片被加熱高到可能遠高于環境溫度的溫度。結溫是功率開關的要被限制的最重要的變量。功率元件諸如功率開關的行為受到過高溫度的負面影響。如果超過最大允許溫度，則相關部件中存在熱事件的威脅，并且該部件不再正確工作或者該部件完全失效。

已發布的專利申請DE 10 2014 204 648 A1公開了用于確定絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的溫度的方法。提供了用于在IGBT的柵極處提供第一控制電壓的驅動器和用于在IGBT的柵極處提供第二控制電壓的控制電壓發生器，其中，驅動器和控制電壓發生器被配置成以交替的方式進行操作，因此在柵極處總是存在控制電壓中的僅一個控制電壓。第二控制電壓包括DC電壓分量和疊加的AC電壓分量，使得IGBT被保持在阻斷操作中。即使IGBT保持在阻斷狀態下，寄生電容也傳導AC電壓。柵極電流流經溫度相關的輸入電阻器，因此，在預定的控制電壓和預定幅度的AC電壓的情況下，柵極電流是IGBT的溫度的度量，因此可以確定IGBT的溫度。

DE 10 2012 102 788 A1公開了MOSFET的結溫的測量，其中，在板上設置有二極管，該二極管的陰極在內部連接至MOSFET的源極，因此可以減少路由出的連接的數目和部件的芯片面積。二極管直接耦接至MOSFET的耗盡層，從而使得可以直接測量MOSFET的結溫。用于正向操作二極管的電流被用于確定結溫。流經二極管的電流在二極管兩端產生與溫度有關且與電流有關的正向電壓。可以在二極管的陽極與MOSFET的源極連接之間測量該電壓。

已知的溫度測量主要依賴于電流強度，這導致溫度確定的不準確性，特別是當在發動機控制單元中使用半導體功率開關元件時。

本發明的目的是具體說明用于確定半導體功率開關元件的溫度的裝置，該裝置以特別準確且可靠的方式獨立于開關電流的電流強度確定溫度。

該目的通過具有權利要求1的特征的用于確定半導體功率開關元件的溫度的裝置和具有權利要求9和10的特征的用于確定半導體功率開關元件的溫度的方法來實現。

因此，提供了用于確定半導體功率開關元件的溫度的裝置，該半導體功率開關元件具有半導體功率開關和內置的溫度相關的柵極電阻器，其中，該裝置具有非反相放大器電路，該非反相放大器電路包括運算放大器和反饋電阻器，其中，運算放大器以如下方式連接至半導體功率開關，該方式使得：非反相放大器電路在輸入信號的預定義頻率范圍內的增益取決于內置的溫度相關的柵極電阻器和反饋電阻器，并且是半導體功率開關元件的溫度的度量。

使用柵極電阻器的最精確已知的溫度依賴性來測量溫度是特別可靠的并且與電流強度無關。所計算的溫度是半導體功率開關的耗盡層的溫度的良好度量。在預定義的頻率范圍內，增益表現出對柵極電阻器的溫度的依賴性。半導體功率開關的輸入阻抗優選地僅由柵極電阻器形成或基本上由柵極電阻器形成。這種情況是特別有利的，因為增益則表現出對柵極電阻器的溫度的最大依賴性，并且可以容易且精確地測量溫度的變化。

反饋電阻器優選地布置在運算放大器的負輸入與輸出之間和/或溫度相關的柵極電阻器被布置在運算放大器的負輸入與裝置的參考電壓(通常接地)之間。

預定義的頻率范圍優選地高于理想的非反相放大器電路的傳遞函數的極點的頻率。