结温度和电流感测制造技术

一种功率电路(IGBT模块)，包括功率开关装置(3)，该功率开关装置(3)当处于导通状态时将电流从装置的第一装置导电端子(9a)传导到装置的第二装置导电端子(9b，E)；和/或与功率开关装置反并联耦接的续流二极管(未示出)，续流二极管在处于非阻塞状态时将电流从续流二极管的阳极导电端子传导到续流二极管的阴极导电端子；以及驱动输入线(G)，耦接到功率开关装置的装置控制端子以控制功率开关装置的开关，其中该功率电路包括：感测电路系统(5a)，其包括耦接到所述导电端子(E)中的至少一个导电端子的至少一个温度敏感电流源，该感测电路系统从所述温度敏感电流源向驱动输入线提供至少一个感测信号(Isensor)，该感测信号指示至少一个温度，其中所述温度敏感电流源热耦接到功率开关装置并且由所述感测信号指示的所述温度是功率开关装置的温度，和/或所述温度敏感电流源热耦接到续流二极管并且所述至少一个所述导电端子包括续流二极管的所述阳极或阴极导电端子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】结温度和电流感测
本专利技术一般而言涉及功率电路(powercircuit)、具有至少一个这种功率电路的多芯片模块，以及用于驱动功率电路的功率开关装置的驱动电路系统。一般而言，功率电路具有诸如IGBT的功率开关装置和/或具有续流二极管。
技术介绍
功率半导体装置广泛用于大范围的电力应用。低功率应用包括例如用于电子电路和计算机的电源，以及小型马达驱动器。中等功率应用(大于几kW)包括大型马达驱动器(例如电动车辆、轨道牵引、大型工业驱动器、风力涡轮机和/或船用驱动器)以及太阳能转换器。高功率应用包括可以例如携带来自海上风力设施的电力这种类型的高电压dc传输线。与我们有关的功率半导体开关装置通常具有大于1A的载流能力并且可以以大于100V的电压操作。装置的实施例通常但不排他地能够携带每个装置芯片10和100A之间的电流和/或能够维持装置两端大于500V的电压差。这种装置的示例包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，以及诸如垂直或横向金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的FET。我们将描述的技术不限于任何特定类型的装置体系架构，因此功率开关装置可以是例如垂直或者横向装置；它们可以用一系列技术制造，包括但不限于硅和碳化硅。在大多数电路中，续流(freewheeling)二极管(常常也称为飞轮(flywheel)二极管)需要与功率半导体开关装置(诸如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管))相关地用于连续负载电流导通，以避免大电压损坏半导体装置和电路。高功率IGBT常常作为具有二极管的模块供应，其中二极管在模块内充当续流二极管。IGBT通常各自与续流二极管并联(具体而言，反并联)。可能期望获得故障的预先警告，以便允许预防性的或迅速补救的动作。在这方面，装置故障可以由诸如高装置结温度或高装置电流的因素造成。因为装置开关时的电压/电流大，所以存在装置故障的显著风险。在许多应用中，数十个装置通常可以并联连接，以在期望的电流下操作。在这种情况下，当这种系统中的一个装置故障时，系统中的其它开关装置会容易因此而故障，但是这取决于功率转换器的拓扑结构。EP2565608A1描述了一种被设计为的芯片的半导体装置，该芯片具有第一输出和第二输出以及包括依赖温度的欧姆电阻以便测量芯片的温度的栅极，其中依赖温度的电阻器具有在栅极和第一输出或第二输出之间的电连接以及与芯片的热接触。在US2005019635A1中提出了一种半导体元件，其中控制电阻元件(NTC)设置在用于设置操作特性的控制区域(G)和第一输入/输出区域(S)之间的电接触件中。控制电阻元件(NTC)具有操作温度范围，其中非反应电阻随着工作温度的增加而单调下降。中心思想是在半导体部件的控制区域和第一输入/输出区域之间形成控制电阻器或控制电阻元件。这具有以分压器的方式调制控制区域与第一输入/输出区域之间的电位差的效果，这种调制由于控制电阻元件的温度依赖性而实现。GB2253709A公开了一种过电流检测电路，以便检测具有并联电流镜元件的功率半导体装置中的主电流I的过电流状况，该过电流检测电路包括连接在电流镜端子和主端子之间以保持分流电流恒定的恒定电流装置，以及基于端子间电位差与预定阈值电压之间的差值输出过电流检测信号的确定盘(pan)。恒电流装置可以使用MOSFET，并且可以与功率半导体装置集成在一个芯片上。GB2267003A公开了一种限流电路，其中第一主端子和控制端子通过由电流检测元件的两个端子之间的电压与参考电压进行比较而生成的运算放大器的输出被共用于主半导体元件，该电流检测元件连接在电流镜元件的第二主端子和主半导体元件的第二主端子之间并且与流过主半导体元件的第一主端子和第二主端子的输出电流成比例的电流流过该电流检测元件，其中参考电压施加到运算放大器的第一输入端子，第一增益调节元件连接在电流镜元件的第二主端子和第二输入端子之间，并且具有相对于第一增益调节元件的阻抗处于预定放大率的阻抗的第二调节元件连接在主半导体元件的控制端子之间。US3845405描述了一种实施例，其中功率晶体管和辅助晶体管的基极-发射极结并联。可以对辅助晶体管的较小集电极电流进行采样，以间接采样功率晶体管的较大集电极电流。当间接采样指示功率晶体管中的集电极电流趋于超过其额定最大值时，其基极和发射极电极被钳位。US8155916B提供了一种集成在半导体主体中的电路布置。电阻部件热耦接到功率半导体部件并且同样集成到半导体主体中并且布置在功率半导体部件的控制连接和负载连接之间。电阻部件具有依赖温度的电阻特性曲线。驱动和评估单元被设计为评估通过电阻部件的电流或电阻部件两端的电压降，并提供依赖于其的温度信号。迄今为止，已经使用集成在装置芯片本身上的温度感测二极管来实现用于IGBT装置的片上结温度测量。这种感测二极管使用分开的连接来连接到栅极驱动器。这些已经由许多装置制造商开发，并且可以在每个开关具有一个装置芯片的低电流智能功率模块(IPM)中提供(通常<100A额定值)。将它们应用于常规的功率装置模块封装是困难的，部分原因是每个开关具有大量的并联管芯，并且还因为栅极驱动器和模块之间需要额外的连接。关于电流感测，对于使用辅助发射极单元(cell)(携带装置电流的小部分)的IGBT芯片，直接电流感测可以是可行的，其中温度感测电阻器与该单元串联放置。但是，这同样需要分开的连接以输出感测信号，例如返回到控制IGBT栅极上的电压的栅极驱动器。这使得这种感测对于多芯片功率模块是不可行的。因此，可以使用集成到装置芯片中的额外感测元件(例如温度感测二极管和电流感测单元)来实现功率装置电流和温度感测。这些感测元件可以用在单芯片装置中，例如IPM，但由于需要到栅极驱动器的大量敏感连接，因此不能用于高功率多芯片装置模块。虽然可能能够使用复杂算法和难以测量的电行为参数来估计来自栅极驱动器的结温度和装置电流，但是使用这种感测元件的电路在实际实现中将具有挑战，包括校准。在此背景下，本专利技术提出了独立权利要求的主题。优选实施例在从属权利要求中定义。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种功率电路，该功率电路包括：功率开关装置，当其处于导通状态时，将电流从装置的第一装置导电端子传导到装置的第二装置导电端子；以及续流二极管，反向并联耦接到功率开关装置，续流二极管在处于非阻塞状态时将电流从续流二极管的阳极导电端子传导到续流二极管的阴极导电端子；以及驱动输入线，耦接到功率开关装置的装置控制端子，以控制功率开关装置的开关，其中功率电路包括：感测电路系统，该感测电路系统包括耦接到至少一个所述导电端子的至少一个温度敏感电流源，该感测电路系统从所述温度敏感电流源向驱动输入线提供至少一个感测信号，该感测信号指示至少一个温度，其中以下当中的至少一个：所述温度敏感电流源热耦接到功率开关装置，所述感测信号指示的所述温度是功率开关装置的温度，并且所述至少一个导电端子包括功率开关装置的所述装置导电端子；以及，所述温度敏感电流源热耦接到续流二极管，由所述感测信号指示的所述温度是续流二极管的温度，并且所述至少一个导电端子包括续流二极管的所述阳极或阴极导电端子。因此，本专利技术的实施例可以提供对功率装置电路的改进的监视本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功率电路，包括：功率开关装置，当其处于导通状态时，将电流从装置的第一装置导电端子传导到装置的第二装置导电端子；和/或续流二极管，反向并联耦接到功率开关装置，所述续流二极管在处于非阻塞状态时将电流从续流二极管的阳极导电端子传导到续流二极管的阴极导电端子；以及驱动输入线，耦接到功率开关装置的装置控制端子以控制功率开关装置的开关，其中所述功率电路包括：感测电路系统，包括耦接到所述导电端子中的至少一个导电端子的至少一个温度敏感电流源，所述感测电路系统从所述温度敏感电流源向驱动输入线提供至少一个感测信号，所述感测信号指示至少一个温度，其中以下当中的至少一个：所述温度敏感电流源热耦接到功率开关装置，由所述感测信号指示的所述温度是功率开关装置的温度，并且所述至少一个导电端子包括功率开关装置的所述装置导电端子；以及所述温度敏感电流源热耦接到续流二极管，由所述感测信号指示的所述温度是续流二极管的温度，并且所述至少一个导电端子包括续流二极管的所述阳极导电端子或阴极导电端子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.28 GB 1607373.61.一种功率电路，包括：功率开关装置，当其处于导通状态时，将电流从装置的第一装置导电端子传导到装置的第二装置导电端子；和/或续流二极管，反向并联耦接到功率开关装置，所述续流二极管在处于非阻塞状态时将电流从续流二极管的阳极导电端子传导到续流二极管的阴极导电端子；以及驱动输入线，耦接到功率开关装置的装置控制端子以控制功率开关装置的开关，其中所述功率电路包括：感测电路系统，包括耦接到所述导电端子中的至少一个导电端子的至少一个温度敏感电流源，所述感测电路系统从所述温度敏感电流源向驱动输入线提供至少一个感测信号，所述感测信号指示至少一个温度，其中以下当中的至少一个：所述温度敏感电流源热耦接到功率开关装置，由所述感测信号指示的所述温度是功率开关装置的温度，并且所述至少一个导电端子包括功率开关装置的所述装置导电端子；以及所述温度敏感电流源热耦接到续流二极管，由所述感测信号指示的所述温度是续流二极管的温度，并且所述至少一个导电端子包括续流二极管的所述阳极导电端子或阴极导电端子。2.如权利要求1所述的功率电路，包括驱动电路系统，该驱动电路系统被耦接以向所述驱动输入线提供驱动信号来控制功率开关装置的装置控制端子从而控制功率开关装置的开关，该驱动电路系统被配置为基于在驱动输入线上接收到的所述感测信号来确定功率电路的至少一个操作状况，其中所述至少一个操作状况包括以下当中的至少一个：当功率开关装置处于静态状态时功率开关装置的所述指示的温度；以及当功率开关二极管和续流二极管各自处于静态状态时续流二极管的所述指示的温度。3.如权利要求1或2所述的功率电路，其中感测电路系统包括热耦接到功率开关装置的温度敏感电流源和热耦接到续流二极管的温度敏感电流源，并且还包括阻塞二极管，每个所述感测信号包括所述温度敏感电流源的电流流动，并且其中阻塞二极管中的一个阻塞二极管被耦接为阻塞到驱动输入线的所述电流流动，而阻塞二极管中的另一个阻塞二极管被耦接为阻塞来自驱动输入线的所述电流流动。4.如前述权利要求中任一项所述的功率电路，其中感测电路系统至少包括热耦接到功率开关装置的温度敏感电流源，其中所述至少一个导电端子包括功率开关装置的辅助发射极端子。5.如权利要求4所述的功率电路，其中感测电路系统用于感测温度和过电流，所述感测电路系统具有：温度敏感电流源，与装置控制端子并联耦接；阻抗，与功率开关装置的辅助发射极端子串联；以及阻塞二极管，被耦接以阻塞从温度敏感电流源流到阻抗的电流流动，并且被配置为允许从辅助发射极端子到温度敏感电流源的电流流动，其中由驱动输入线接收的感测信号用于指示通过温度敏感电流源的电流，阻塞二极管被配置为当阻抗上的电压超过阈值时允许来自辅助发射极端子的所述电流流动以增加电流源的输出电流，所述阈值取决于所述阻塞二极管的阈值电压。6.如权利要求4所述的功率电路，其中感测电路系统用于感测温度和过电流，所述感测电路系统具有：温度敏感电流源，与装置控制端子并联耦接；阻抗，与功率开关装置的辅助发射极端子串联；以及开关，具有耦接到阻抗的开关控制端子，该开关被配置为当来自辅助发射极端子的电流使阻抗上的电压超过阈值电压时接通，其中驱动输入线被耦接以接收取决于通过温度敏感电流源的电流的所述感测信号和取决于通过所述开关的电流的过电流感测信号。7.如权利要求6所述的功率电路，其中开关被配置为在导通时对功率开关装置的装置控制端子进行放电，以减小从功率开关装置的第一装置导电端子到第二装置导电端子的电流。8.一种功率电路，包括：续流二极管，当处于非阻塞状态时将电流从续流二极管的阳极导电端子传导到续流二极管的阴极导电端子；以及感测电路系统，耦接到续流二极管的所述导电端子，所述感测电路系统提供取决于续流二极管的耦接的导电端子上的电压和/或电流的感测信号。9.如权利要求8所述的功率电路，包括：功率开关装置，当处于导通状态时将电流从装置的第一装置导电端子传导到装置的第二装置导电端子，其中续流二极管反并联耦接到功率开关装置；以及驱动输入线，耦接到功率开关装置的装置控制端子以控制功率开关装置的开关，驱动输入线还被配置为接收感测信号。10.如权利要求8或9所述的功率电路，包括驱动电路系统，该驱动电路系统被耦接以向所述驱动输入线提供驱动信号来控制功率开关装置的装置控制端子从而控制功率开关装置的开关，该驱动电路系统被配置为当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时基于在驱动输入线上从感测电路系统接收的所述感测信号来确定续流二极管的至少一个操作状况。11.如权利要求10所述的功率电路，其中所述至少一个操作状况包括以下当中的至少一个：-当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时续流二极管的温度，其中感测电路系统热耦接到续流二极管；以及-当功率开关装置和续流二极管各自处于静态状态时从续流二极管的阳极导电端子到续流二极管的阴极导电端子的电流值。12.如权利要求8至11中任一项所述的功率电路，包括具有续流二极管的芯片，其中：芯片具有作为芯片的外部端子的辅助导电端子，并且耦接到感测电路系统的续流二极管导电端子是所述辅助导电端子。13.如权利要求8至12中任一项所述的功率电路，其中感测电路系统包括温度敏感电阻器，并且其中感测信号包括通过温度敏感电阻器的电流。14.如权利要求8至13中任一项所述的功率电路，其中：感测电路系统包括电流镜以镜像通过续流二极管的电流，感测信号取决于通过电流镜的电流。15.如权利要求8至14中任一项所述的功率电路，其中感测电路系统包括耦接到续流二极管的导电端子的温度敏感电流源，感测信号取决于通过温度敏感电流源的电流。16.如前述权利要求中至少权利要求9所述的功率电路，包括：另外的感测电路系统，耦接到所述功率开关装置的所述装置导电端子，所述另外的感测电路系统向驱动输入线提供感测信号以指示功率开关装置的操作状况，其中所述另外的感测电路系统和耦接到续流二极管的感测电路系统各自包括阻塞二极管，每个所述感测信号包括电流流动，...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·布莱恩特，
申请(专利权)人：赖茵豪森机械制造公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE