本發(fā)明涉及電子功率器件的技術(shù)領(lǐng)域。

具體地，本發(fā)明涉及一種電子器件，其設(shè)置有集成的電子功率部件并且能夠執(zhí)行對這種部件的溫度的直接、準(zhǔn)確檢測。

此外，本發(fā)明涉及一種使用這種器件來測量器件本身的集成的電子功率部件的操作溫度的方法。

本發(fā)明還涉及包括上述器件的電子模塊和電子系統(tǒng)，其適于管理能量流，特別是(但不限于)在用于電動或混合動力牽引機動車輛的運動系統(tǒng)和電池的領(lǐng)域內(nèi)管理能量流。

背景技術(shù)：

控制電池和馬達/逆變器組合件之間的能量流的電子功率模塊/器件在汽車領(lǐng)域內(nèi)、特別是在用于電動或混合動力牽引機動車輛的運動系統(tǒng)和電池的上述環(huán)境中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這樣的電子模塊/器件配置成在各種電壓和功率水平下操作，可在“高電壓”(例如380V或450V)和“高功率”(例如50kW)以及在電壓(例如48V或60V)和功率(例如，10kW)下，它們在該上下文中被定義為“低的”，但仍然相當(dāng)高。起作用的高功率使得需要布置和控制適當(dāng)?shù)暮纳C制(例如，利用水進行冷卻)和監(jiān)測電子部件所達到溫度。

更具體地，在這種情況下，控制電子功率部件的溫度是非常重要的，以便既避免由異常導(dǎo)致的過熱(并且因此實現(xiàn)保護或安全過程)，又獲得關(guān)于電流的指示(并且因此在需要時實施對這種電流進行受控限制的過程)。參考后一方面，值得指出的是，即使在電動或混合動力馬達的某些正常操作條件下，電流(如果不受限制的話)可能達到非常高的不可接受的值：例如當(dāng)電動馬達從靜止或上坡起動時處于“0RPM”狀態(tài)時發(fā)生這種情況。

通常使用的控制策略包括估計存在于電子功率模塊/部件處的溫度，并在該溫度超過預(yù)定閾值時執(zhí)行電流限制，即功率降低或降額。

因此，需要以精確的方式估計溫度并且盡可能快速地跟蹤其變化。

在屬于上述技術(shù)背景的已知系統(tǒng)和方法(在圖5A中示出了其簡化圖示)中，溫度估計基于在“電子模塊”級別進行的溫度測量：例如，借助于與電子功率部件39(其溫度預(yù)期要被估計)不同的熱敏電阻29，其通常安裝在同一陶瓷基板上，即安裝“電子模塊”的陶瓷基板上，其包括功率部件39和熱敏電阻29。

在本文中通常使用的熱敏電阻是“垂直”結(jié)構(gòu)的熱敏電阻29，即具有熱敏元件、兩個電極和布置于熱敏元件的下表面和上表面(其中詞語“上”、“下”是指熱敏電阻的組裝方向)上的相應(yīng)端子。因此，當(dāng)安裝熱敏電阻器29時，熱敏電阻的一個端子在基板上獲得的專用焊盤49處與模塊的基板(例如陶瓷基板)接觸。

在這種情況下，需要將熱敏電阻相對于電子功率器件保持在電絕緣條件下，這會迫使熱敏電阻相對于其溫度要被測量的部件安裝在相對遠的焊盤上(例如，銅焊盤之間的最小距離為0.5mm，以符合電絕緣)。

這意味著明顯的缺點，即由熱敏電阻測量的溫度可能與功率器件的實際溫度顯著不同：僅舉一個示例，在電子功率部件中70℃量級的熱偏移通常對應(yīng)于熱敏電阻中15℃量級的熱偏移。因此基于校準(zhǔn)因數(shù)來估計功率部件溫度，該校準(zhǔn)因數(shù)基于分別測量的部件的檢測溫度T和實際溫度的時間演變曲線來定義，其在表征模塊的步驟中初始確定(參見例如圖4A中的圖表)。這種校準(zhǔn)因數(shù)可以被存儲，然后在能夠執(zhí)行估計所需計算的處理器中使用。

上述已知解決方案意味著在模塊的操作壽命期間隨時間推移的低的溫度估計精度和/或性能衰減的缺點。

甚至更嚴(yán)重的是與熱敏電阻的動態(tài)特性相關(guān)的缺點。由于熱慣性以及熱敏電阻和電子功率部件之間的給定距離，如果它具有非常短的持續(xù)時間，則部件中的快速電流峰值以及因此溫度峰值的檢測可能被延遲或可能完全未被檢測到。這樣的缺點可能徹底地損壞整個電流控制和/或保護和安全過程的正確操作。

考慮到已知系統(tǒng)和方法的上述缺點，原則上解決方案可以本身已知的方式將溫度傳感器集成在與電子功率器件相同的集成電路或芯片中：例如通過集成作為溫度傳感器操作的硅二極管。然而，由于額外的成本以及在芯片的硅基板中占用額外的空間，這樣的解決方案是不利的，或者甚至在某些情況下(包括在此考慮的情況)是完全不可行的。實際上，由于溫度傳感器必須相對于電源電路電絕緣，如上所述，為了確保其電絕緣的唯一目的，必須在溫度傳感器周圍提供足夠的“未使用的”硅基板空間。

總之，目前可用或可設(shè)想到的現(xiàn)有技術(shù)解決方案不能充分滿足電子功率器件/部件溫度估計的精確性、快速性和保真度的要求，而且還具有所有上述缺點。

鑒于上述，主要在汽車應(yīng)用的環(huán)境中，而且在其它應(yīng)用環(huán)境中，強烈地感覺到需要一種電子器件，其設(shè)有集成的電子功率部件，并且還能夠執(zhí)行這種部件溫度的直接且精確的檢測，并且同時其不提供溫度傳感器在與電子功率部件在同一芯片中集成。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種電子器件，其設(shè)置有集成的電子功率部件并且能夠執(zhí)行這種部件溫度的直接且精確的檢測，該器件設(shè)置為使得其能夠在例如適于電動或混合動力牽引車輛的運動系統(tǒng)中使用，并且以便允許至少部分地解決上面參考現(xiàn)有技術(shù)所指出的缺點并且滿足在所考慮到的技術(shù)領(lǐng)域中特別感覺到的上述需要。

本發(fā)明的另一個目的在于提供包括前述器件的電子模塊和電子系統(tǒng)，其適于管理能量流，例如在用于電動或混合動力牽引機動車輛的運動系統(tǒng)和電池領(lǐng)域中管理能量流。

本發(fā)明的另一個目的在于用于測量器件本身的集成的電子功率部件的操作溫度的方法。

這種目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子器件來實現(xiàn)。

該器件的其它實施例在權(quán)利要求2至8中限定。

根據(jù)本發(fā)明的模塊在權(quán)利要求9中限定。

該模塊的其它實施例在權(quán)利要求10至11中限定。

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)在權(quán)利要求12中限定。

這種系統(tǒng)的另一實施例在權(quán)利要求13中限定。

根據(jù)本發(fā)明的方法在權(quán)利要求14中限定。

這種方法的另一實施例在權(quán)利要求15中限定。

附圖說明

根據(jù)本發(fā)明的電子器件、模塊和系統(tǒng)的進一步特征和優(yōu)點將從以下示出優(yōu)選實施例的描述中得以明晰，所述優(yōu)選實施例通過示例性的非限制性示例的方式參照附圖給出，其中：

-圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的電子器件的側(cè)截面的示意圖；

-圖2示出圖1中所示器件的示意性俯視圖；

-圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明實施例的系統(tǒng)，其包括根據(jù)本發(fā)明的三個模塊，每個模塊進而包括諸如圖1和圖2中所示的器件；

-圖4A示出在現(xiàn)有技術(shù)器件中估計溫度和實際溫度的典型時間趨勢；

-圖4B是示出在根據(jù)本發(fā)明的器件中估計溫度和實際溫度的時間趨勢的圖表；

-圖5A示出包括現(xiàn)有技術(shù)器件的模塊的布局的局部透視圖；

-圖5B示出包括根據(jù)本發(fā)明實施例的器件的模塊的布局的局部透視圖。

應(yīng)當(dāng)指出的是，上述附圖中的相同或相似的元件將用相同的數(shù)字或字母數(shù)字附圖標(biāo)記指示。

具體實施方式

現(xiàn)在將參照圖1和圖2描述電子器件1，該器件包括溫度檢測部件2和集成的電子功率部件3。電子器件1適于安裝在基板S上。

集成的電子功率部件3具有適于安裝在基板S上的第一表面部分31和與第一表面部分31相反的第二表面部分32。

溫度檢測部件2包括適于通過引線接合W連接到基板S的兩個傳感器端子21、22，并且還包括溫度傳感器20。溫度傳感器20配置成檢測溫度T并通過兩個傳感器端子21、22提供電信號V，其中溫度T表示集成的電子功率部件3的溫度T3，電信號V表示檢測到的溫度T。

溫度檢測部件2還包括電絕緣支撐件23，其具有膠合到集成的電子功率部件3的所述第二表面部分32上的膠合表面24。

溫度傳感器20和傳感器端子21、22以平面構(gòu)造布置在支撐件23的與膠粘表面24相反的表面25上，使得溫度檢測部件2疊加在集成的電子功率部件3上，因此溫度傳感器20和兩個傳感器端子21、22相對于集成的電子部件3電絕緣。

應(yīng)當(dāng)指出的是，溫度檢測部件2的平面構(gòu)造尤其意味著兩個傳感器端子都被放置在支撐件23上方的同一平面上，并且在與傳感器20相同的平面上，使得溫度檢測部件2的所有導(dǎo)電元件都相對于電子功率部件3電絕緣。相反，如前所述，現(xiàn)有技術(shù)中通常使用的“垂直”結(jié)構(gòu)的熱敏電阻29要求電極中的一個和下部端子與基板接觸。

出于該原因，這種“垂直”熱敏電阻不能安裝在電子功率部件上方，而本發(fā)明器件的溫度檢測部件2可以直接附接在電子功率部件3上方，同時保持上述兩個部件之間必要的電絕緣要求。

在該方面，還值得指出的是，在上述器件1中，溫度檢測部件2和電子功率部件3的各個導(dǎo)電部分之間沒有接觸，并且在上述兩個部件之間也沒有用于交換數(shù)據(jù)的信號連接。

根據(jù)可選的實施方式，支撐件23是電絕緣的，但是具有高導(dǎo)熱性(即，通過傳導(dǎo)來傳遞熱的較高能力)。

根據(jù)示例性的實施方式，電絕緣支撐件23非常薄(例如，包括在200μm和500μm之間)，這意味著溫度傳感器20處的溫度T非常類似于在電子功率部件3的第二表面32(上表面)處的實際溫度或甚至基本上與上述實際溫度相同，因此非常類似于這種功率部件3的溫度T3或甚至基本上與溫度T3相同。

在圖4B中示出在根據(jù)本發(fā)明的器件中的電子功率部件3的估計溫度(T3)和實際溫度(T)的時間演變的示例。

事實上，由于從電子功率部件3的上表面32到溫度傳感器20的傳導(dǎo)效應(yīng)造成的熱傳遞由支撐件23的高導(dǎo)熱性而得到促進，支撐件23是電絕緣的但具有通過熱傳導(dǎo)從電子功率部件3進行熱傳遞的較高能力。電子功率部件3和溫度傳感器20之間的溫度差異被最小化，因為耗散的熱量通過陶瓷基板S(其通常與冷卻流體或者與外部散熱器接觸)移除。溫度傳感器20直接焊接在電子功率部件3的耗散區(qū)域上方，使得將這樣的傳感器20置于相對于電子功率部件3的基本上等溫的條件下。

根據(jù)器件1的實施例，溫度檢測部件2包括通過第一芯片制成的平面熱敏電阻2。集成的電子功率部件3通過第二芯片制成，其中上述第二表面部分32是導(dǎo)電部分。

溫度檢測部件2通過非導(dǎo)電膠G膠合在集成的電子功率部件3上。

在這種情況下，上述第一芯片和第二芯片以“芯片堆疊(chip-on-chip)”的構(gòu)造疊置。

根據(jù)可選的實施方式，集成的電子功率部件3包括屬于下述集合的至少一個有源元件，所述集合包括功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和/或二極管和/或功率MOS場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。

根據(jù)各種實施方式的變型，上述有源元件的最多樣化的組合可集成在構(gòu)成電子功率部件3的芯片中。

這樣的部件可包括多個集成的有源元件，例如至少一個MOSFET晶體管和至少一個二極管。

根據(jù)其它實施方式的變型，有源元件，例如一個或多個功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和一個或多個二極管，可以單獨制造。

根據(jù)可選的實施方式，電絕緣支撐件23包括絕緣陶瓷層。

根據(jù)替代的選擇方案，電絕緣支撐件23包括氧化硅層。

根據(jù)器件1的實施例，溫度傳感器2包括具有電阻R的電阻器元件R，電阻R根據(jù)溫度以已知方式變化。關(guān)于這一點，可以使用本身已知的溫度傳感器，例如NTC(Negative Temperature Coefficient，負溫度系數(shù))或PTC(正溫度系數(shù)，Positive Temperature Coefficient)類型的溫度傳感器。

根據(jù)實施方式的變型，溫度傳感器2通過平面薄膜技術(shù)制成。通過絲網(wǎng)印刷在氧化鋁(鋁氧化物)基底上沉積多層金屬材料，其執(zhí)行電阻器的功能并且具有隨溫度變化的電阻。專用于與容納功率元件的母基板互連的兩個焊盤布置在絲網(wǎng)印刷電阻器的端子處。

現(xiàn)在將參照圖3描述根據(jù)本發(fā)明的電子模塊10的實施例。

電子模塊10包括陶瓷基板S，在其上安裝根據(jù)上述實施例中任一個實施例的電子器件1。模塊10還包括用于直流電流的兩個電端子11、12和用于交流電流的另一電端子13。

根據(jù)可選的實施方式，電子器件1的兩個傳感器端子21、22通過引線接合W連接到基板S。

根據(jù)可選的實施方式，模塊10配置成通過用于直流電流的兩個電端子11、12在等于或高于380V的電壓下連接，并且在具有等于或大于50kW的功率的電流上操作。

根據(jù)另一可選的實施實施方式，模塊10配置成通過用于直流電流的兩個電端子11、12在包括在48V至60V之間的電壓下連接，并且在具有從10kW至20kW的功率的電流上操作。

再次參照圖3，現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括根據(jù)上述任一實施例的在結(jié)構(gòu)和操作上相互相似的三個電子模塊10。

這種系統(tǒng)100還包括控制裝置15，其配置成從一個或多個溫度檢測部件2接收分別表示檢測到的溫度(T，T'，T”)的一個或多個相應(yīng)的電信號V、V'、V”，基于上述一個或多個電信號V、V'、V”估計集成的電子功率部件3的溫度T3、T3'、T3”，并且基于估計的溫度T3、T3'、T3”調(diào)節(jié)系統(tǒng)100的操作。

系統(tǒng)100適于管理三相電壓/電流。

根據(jù)可選的實施方式，上述控制裝置15包括控制處理器15，其配置成執(zhí)行安全程序，在與超過一個或多個預(yù)定溫度閾值相關(guān)聯(lián)的預(yù)定風(fēng)險條件下減少或消除電流。

上述電子模塊10和系統(tǒng)100通常應(yīng)用于汽車環(huán)境中并且例如可用于以可控方式在用于電動或混合動力牽引車輛的運動組合件中連接/斷開電池和馬達/逆變器組。電子模塊10和系統(tǒng)100借助于其中包括的電子器件1可精確地檢測電子功率部件的溫度并且執(zhí)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測、控制和保護程序。

在這種上下文中，如前所述，模塊10和系統(tǒng)100可配置成在預(yù)期的典型條件下操作，即在“高電壓”(例如380V或450V)和“高功率”(例如，50kW)或較低的電壓(例如，48V或60V)和較低的功率(例如10kW)下操作。

下面描述用于測量集成的電子功率部件3的操作溫度的方法，所述集成的電子功率部件3具有適于安裝在基板S上的第一表面部分31和與第一表面部分31相反的第二表面部分32。

該方法首先提供將溫度檢測部件2膠合到集成的電子功率部件3的所述第二表面部分32上的步驟，溫度檢測部件2具有平面構(gòu)造并且包括兩個傳感器端子21、22，溫度傳感器20和電絕緣支撐件23，使得溫度檢測部件2疊加在集成的電子功率部件3上，并且溫度傳感器20和兩個傳感器端子21、22與集成的電子功率部件3電絕緣。

該方法然后提供以下步驟：通過溫度傳感器20檢測溫度T，該溫度T存在于傳感器20處并且表示集成的電子功率部件3的溫度T3；然后，通過兩個傳感器端子21、22供應(yīng)電信號V，該電信號V表示檢測到的溫度T；最后，通過引線接合W將兩個傳感器端子21、22連接到基板S，使得電信號V能夠被提供至集成的電子功率部件3和溫度檢測部件2的外部。

根據(jù)該方法的不同的可選實施方式，該方法通過根據(jù)上述器件實施例中的任一個實施例的電子器件1來執(zhí)行。

如可觀察到的那樣，本發(fā)明的目的通過器件1借助其功能和結(jié)構(gòu)特征而完全實現(xiàn)。

實際上，器件1包括直接附接到集成的電子功率部件3的表面部分的溫度檢測部件2。

在上述意義上，溫度檢測部件2具有平面構(gòu)造這一事實允許在這種情況下也保證必要的電絕緣。

溫度檢測部件非常接近集成的電子功率部件3這一事實確保溫度傳感器與電子功率部件3處于基本上等溫的條件下。進而，這允許根據(jù)需要顯著增加對電子功率部件3的溫度T3進行估計的可實現(xiàn)的精度。此外，顯著改善了檢測響應(yīng)的及時性，以及因此顯著改善檢測溫度峰值的能力，以及顯著改善檢測具有非常短持續(xù)時間的溫度峰值的能力。

此外，必須指出的是，獲得上述優(yōu)點并不需要將溫度傳感器集成到與電子功率部件相同的芯片中，而是使用這兩個部件通過不同的芯片制成的構(gòu)造。

因此，根據(jù)本發(fā)明的器件可有利地安裝在電動或混合動力車輛中的電池負載系統(tǒng)中。

參考使用上述器件的模塊、系統(tǒng)和方法可具有類似的優(yōu)點。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可對上述器件的實施例進行改變和修改，或者可以用功能上等同的其它元件來替換所述元件，以滿足可能的需要，而不脫離所附權(quán)利要求的保護范圍。被描述成屬于一個可能實施例的所有特征可以獨立于所述的其它實施例來實現(xiàn)。這些附圖不是按比例繪制的，因為它們?yōu)榱烁玫膱D示清晰度而特別地要求適當(dāng)?shù)赝怀龈鞣N部分。