功率開關的熱觀測器以及過載保護的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及功率開關的熱觀測器以及過載保護。本發(fā)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(qū)或溝道內(nèi)，或者被放置為靠近功率半導體電路的熱源、有源區(qū)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(qū)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(diào)節(jié)測量參數(shù)為合適的閾值。
【專利說明】功率開關的熱觀測器w及過載保護

【技術領域】
[0001] 本發(fā)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(tài)，例如在短路情形的情況下。更特別的是，本發(fā)明涉及用于功率半導體電路或開關的熱 觀測器件W及用于功率半導體電路或開關的過載保護方法。
[0002] 本發(fā)明提出了用于功率半導體電路或開關的熱觀測器W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(cè)結構中）W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】
[0003] 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(chǎn)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W及過熱 的危險，一個或多個溫度傳感器可被熱禪合到該功率半導體開關上。
[0004] 在當前的技術中，功率半導體電路或開關內(nèi)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值M0巧 元件的溫度下降到給定絕對值或者相對參考值W下，允許重新激勵（reactivation)功 率電路或器件的溝道。例如，已知的PROFET/P民OFET+?開關采用該個保護方案進行 工作。其他已知的保護實施方式基于過電流切斷W及允許負載激勵的限制的重試次數(shù) (SPOCFL? 族，SPOC+?)。
[0005] 由于溫度傳感器和功率半導體電路或開關的有源區(qū)之間的熱禪合并不是優(yōu)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、W在退磁期間指示有源區(qū)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，DM0S不能均勻冷卻，W致可出現(xiàn)局部峰值溫度，而沒有在短時間段內(nèi)檢 測到它們的給定的可能性。
[0006] 該樣可導致在半導體電路或開關內(nèi)產(chǎn)生熱點，結果導致DM0S器件成絲并且過早 的損壞。由于多個重啟情況，該樣的關鍵的熱點溫度還可出現(xiàn)在早期運行階段。該是因為 熱在DM0S最熱的區(qū)域中產(chǎn)生熱點，由于在接近的串聯(lián)（series)中連續(xù)的重試，因此DM0S 最熱的區(qū)域可能不能足夠快速地冷卻，盡管有溫度傳感器系統(tǒng)的信息，但其不能顯示超過 預定極限的損壞性溫度。
[0007] 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W及啟動器件溫度的全部計算。該樣的已知的理念具有所需 要的努力較高或者電路區(qū)域較大的缺陷，并且包含到用于長的熱時間常數(shù)模擬的成本的缺 陷。在新一代DM0S器件中，因為成本原因減小了有源區(qū)，并且在某些應用情形下，非常高的 功率峰值W及能量密度不得不由小的娃區(qū)耗散。因此，需要有效的高溫W及過載保護理念。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 該個目標可W通過獨立權利要求的主題來實現(xiàn)。本發(fā)明進一步的實施方式分別由 從屬權利要求進行限定。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在逐芯片（chip-by-chip)器件中，提供一種功率-功率 芯片，該功率芯片包括放置在該功率芯片中的功率晶體管W及溫度傳感器，即，熱溫度傳感 器服W及冷溫度傳感器CS。至少一個溫度傳感器，即熱溫度傳感器服，被放置靠近功率晶 體管，并且至少另一個溫度傳感器，即，冷溫度傳感器CS被放置在離功率晶體管較遠的距 離。此外，提供一種控制芯片，該控制芯片包括位于該控制芯片內(nèi)的電路，W采用從放置在 功率芯片中的溫度傳感器服和CS接收的信息來確定該溫度信息。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，當檢測到功率芯片的過載時，可進行動態(tài)溫度測量， 在由于過電流檢測進行的切斷之后，比較固定時間點上由熱溫度傳感器服檢測的溫度W 及由冷溫度傳感器CS檢測的溫度。所述固定時間點選擇為在精度測量W及DM0S溫度和傳 感器溫度檢測之間的禪合之間進行最好的折衷。因此，可評估給定的熱網(wǎng)絡，而不需要進行 任何復雜的計算，并且可W更加精確地方式來預測模片溫度。此外，該溫度測量的所述固定 時間點可選擇為在電壓（某些mV范圍）中具有良好的精度并且何時熱禪合是最佳的。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，上述目標可通過限制過多的重試次數(shù)來實現(xiàn)，即，限制半 導體器件、電路或開關的多個重啟情況。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，限制重試次數(shù)，而不對功 率半導體器件、電路或者開關的驅(qū)動能力施加基本的影響，并且從而在功率半導體器件、電 路或開關的謝位和/或退磁階段通過熱觀察來改進其堅固性。
[0012] 本發(fā)明提供了功率半導體器件、電路或開關的內(nèi)短路情形下的過多重試次數(shù)的限 巧||。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在切斷外部提供熱觀察。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，在功率半導 體器件、電路或者開關內(nèi)執(zhí)行退磁階段。因此，本發(fā)明提供溫度檢測改進，而在半導體電路 或開關內(nèi)具有較少的面積要求。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的總的理念，在DM0S電路或器件W及溫度傳感器之間限定熱禪合的 熱網(wǎng)絡中，執(zhí)行熱溫度傳感器和冷溫度傳感器之間的動態(tài)溫度差或溫度增量檢測，W致在 切斷之后的某個時間點上并且當假定溫度傳感器和平均DM0S傳感器之間的禪合已經(jīng)返回 到預定范圍時進行測量。
[0014] 結果是，本發(fā)明使得預先評估半導體電路、開關或器件的溫度的過度重啟是否會 對器件產(chǎn)生過大的應力或者是否需要鎖存故障情形或狀態(tài)成為可能。該樣極大改進了功率 器件的可靠性W及持久性?？傮w來說，本發(fā)明提供了一種新的簡化的熱觀察器，其可有助于 克服現(xiàn)有技術中下述局限性中的一個或多個：
[0015] .短路情形下過多的重試的次數(shù)
[0016] .由于傳感器和DM0S之間的不利的熱禪合而引起的不良的熱檢測
[0017] .評估該熱網(wǎng)絡的高娃區(qū)域要求
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種半導體電路裝置，包括：
[0019] 具有至少一個有源區(qū)的功率半導體器件；
[0020] 嵌入到該功率半導體器件中的第一溫度傳感器；
[0021] 其中第一溫度傳感器被放置在至少一個有源區(qū)內(nèi)或者靠近該至少一個有源區(qū)；其 中第二溫度傳感器嵌入該功率半導體器件中；w及
[0022] 該第二溫度傳感器被放置在遠離該至少一個有源區(qū)，比該第一溫度傳感器更進一 步遠離該至少一個有源區(qū)。
[0023] 有利的是，該第一溫度傳感器被放置在其中在功率半導體器件操作期間的最高溫 度期望出現(xiàn)的位置上，并且該第二溫度傳感器被放置在其中在功率半導體器件操作期間的 最低溫度期望出現(xiàn)的位置上。
[0024] 有利的是，該半導體電路裝置進一步包括至少一個比較器，該至少一個比較器配 置成比較從第一和第二溫度傳感器接收的測量信號。
[00巧]有利的是，該半導體電路裝置進一步包括控制邏輯電路，該控制邏輯電路配置成 評估該至少一個比較器的結果和/或第一和第二溫度傳感器的測量信號。
[0026] 有利的是，該控制邏輯電路配置成基于該至少一個比較器的結果和/或基于第一 和第二溫度傳感器的測量信號產(chǎn)生至少一個報警信號或標志。
[0027] 有利的是，該控制邏輯電路配置成執(zhí)行下面中的一個或多個：
[0028] -將第一和/或第二溫度傳感器測量的溫度與預定的溫度闊值進行比較；
[0029] -檢測第一溫度傳感器和第二溫度傳感器之間的溫度差；
[0030] -檢測該至少一個有源區(qū)的過溫情形；
[0031] -檢測該至少一個有源區(qū)的過電流情形；
[0032] -檢測該功率半導體器件的短路情形；
[0033] -切斷該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作；
[0034] -啟動該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作重啟；
[00巧]-啟動該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的重復操作重啟；
[0036] -計算該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作重啟次數(shù)；
[0037] -限制該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作重啟次數(shù)；
[0038] -在該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作重啟之前設置第一等待時 間；
[0039] -在該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的重復操作重啟之前設置第二等待 時間；
[0040] -啟動第一和第二溫度傳感器的測量；
[0041] -啟動第一和第二溫度傳感器的重復測量；
[0042] 啟動第一和第二溫度傳感器之間的溫度差的重復測量；
[0043] -由于至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件中的過電流檢測所導致的切斷后的 預定時間段之后啟動第一和第二溫度傳感器的重復測量；
[0044] -計算第一和第二溫度傳感器的測量次數(shù)；
[0045] -限制第一和第二溫度傳感器的測量次數(shù)；
[0046] -在第一和第二溫度傳感器的重復測量之前設置第H等待時間；
[0047] -在功率半導體器件的重復操作重啟之前設置第四等待時間；
[0048] -在第一溫度傳感器的測量和第二溫度傳感器的測量之間設置第五等待時間；
[0049] -在功率半導體器件內(nèi)執(zhí)行退磁階段；
[0050] -改變或調(diào)整任何等待時間和/或闊值。
[0051] 有利的是，該控制邏輯電路配置成如果檢測到下面情形中的一個或多個則切斷該 至少一個有源區(qū)和/或該功率半導體器件的操作：
[0052] -第一和/或第二溫度傳感器的溫度超過預定的溫度闊值；
[0053] -該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作重啟次數(shù)超過預定闊值；
[0054] -第一和第二溫度傳感器的測量次數(shù)超過預定闊值；
[00巧]-在切斷該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作之后的預定時間段內(nèi)， 該第一和/或第二溫度傳感器的溫度并不下降到預定闊值下。
[0056] 有利的是，該控制邏輯電路配置成如果檢測到下面情形中的一個或多個則重啟該 至少一個有源區(qū)和/或該功率半導體器件的操作：
[0057] -第一溫度傳感器的溫度低于預定闊值；
[0058] -第二溫度傳感器的溫度低于預定闊值；
[0059] -第一和/或第二溫度傳感器之間的溫度差低于預定闊值；
[0060] -在該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的切斷操作后的第六等待時間超過 預定闊值。
[0061] 有利的是，該控制邏輯電路配置成基于從第一和第二溫度傳感器的測量信號評估 控制至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的電源。
[0062] 有利的是，該控制邏輯電路和/或該至少一個比較器被放置在控制芯片上。
[0063] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種操作功率半導體電路裝置的方法，該功率半導 體電路裝置包括具有至少一個有源區(qū)的功率半導體器件，該方法包括：
[0064] 采用第一溫度傳感器測量第一溫度，該第一溫度傳感器嵌入在該功率半導體器件 中并且被放置在該至少一個有源區(qū)內(nèi)或者靠近該至少一個有源區(qū)；
[0065] 采用第二溫度傳感器測量第二溫度，該第二溫度傳感器嵌入在該功率半導體器件 中并且被放置遠離該至少一個有源區(qū)，比第一溫度傳感器更進一步遠離該至少一個有源 區(qū)；
[0066] W及評估來自該第一和第二溫度傳感器的測量信號。有利的是，該方法還包括比 較從第一和第二溫度傳感器接收的測量信號。
[0067] 有利的是，該方法還包括評估該至少一個比較器的結果和/或第一和第二溫度傳 感器的測量信號。有利的是，該方法還包括基于該至少一個比較器的結果和/或基于該第 一和第二溫度傳感器的測量信號產(chǎn)生至少一個報警信號或標志。
[0068] 有利的是，該方法還包括下面中的一個或多個：
[0069] -比較該第一和/或第二溫度傳感器測量溫度和預定溫度闊值；
[0070] -檢測第一溫度傳感器和第二溫度傳感器之間的溫度差；
[0071] -檢測該至少一個有源區(qū)的過溫情形；
[0072] -檢測該至少一個有源區(qū)的過電流情形；
[0073] -檢測該功率半導體器件的短路情形；
[0074] -切斷該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作；
[00巧]-啟動該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作重啟；
[0076] -啟動該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的重復操作重啟；
[0077] -計算該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作重啟次數(shù)；
[0078] -限制該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作重啟次數(shù)；
[0079] -在該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作重啟之前設置第一等待時 間；
[0080] -在該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的重復操作重啟之前設置第二等待 時間；
[0081] -啟動第一和第二溫度傳感器的測量；
[0082] -啟動第一和第二溫度傳感器的重復測量；
[0083] -啟動第一和第二溫度傳感器之間的溫度差的重復測量；
[0084] -在由于該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件內(nèi)的過電流檢測所導致的切斷 之后的預定時間段后啟動第一和第二溫度傳感器的重復測量；
[0085] -計算第一和第二溫度傳感器的測量次數(shù)；
[0086] -限制第一和第二溫度傳感器的測量次數(shù)；
[0087] -在第一和第二溫度傳感器的重復測量之前設置第H等待時間；
[0088] -在功率半導體器件的重復操作重啟之前設置第四等待時間；
[0089] -在第一溫度傳感器化巧的測量和第二溫度傳感器的測量之間設置第五等待時 間；
[0090] -在功率半導體器件內(nèi)執(zhí)行退磁階段；
[0091] -改變或調(diào)節(jié)任何等待時間和/或闊值。
[0092] 有利的是，如果檢測到下面情形中的一個或多個，切斷該至少一個有源區(qū)和/或 功率半導體器件的操作：
[0093] -第一和/或第二溫度傳感器的溫度超過預定溫度闊值；
[0094] -該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作重啟次數(shù)超過預定闊值；
[0095] -第一和第二溫度傳感器的測量次數(shù)超過預定闊值；
[0096] -在切斷該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作之后的預定時間段內(nèi)， 第一和/或第二溫度傳感器的溫度并不下降到預定闊值下。
[0097] 有利的是，如果檢測到下面情形中的一個或多個，重啟該至少一個有源區(qū)和/或 功率半導體器件的操作：
[0098] -第一溫度傳感器的溫度低于預定闊值；
[0099] -第二溫度傳感器的溫度低于預定闊值；
[0100] -第一和/或第二溫度傳感器之間的溫度差低于預定闊值；
[0101] -切斷該至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的操作后的第六等待時間超過預 定闊值。
[0102] 有利的是，該方法還包括基于來自第一和第二溫度傳感器的測量信號的評估來控 制至少一個有源區(qū)和/或功率半導體器件的電源。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0103] 包括附圖，用于為本發(fā)明提供更進一步的理解，并且該附圖組合到說明書中并且 構成該說明書的一部分。附圖圖示了本發(fā)明的實施方式，并且與說明書一起用于解釋本發(fā) 明的原理。本發(fā)明的其他實施方式W及本發(fā)明的許多預期的有益效果將容易理解，由于它 們可參考下面的詳細說明變得更好地理解。附圖元件并不必相對于彼此成比例。相同的附 圖標記表示對應的或者類似的部分。
[0104] 圖1A示出本發(fā)明所能應用的半導體功率開關電路或溝道的簡化示意圖；
[0105] 圖1B示出了圖示圖1A所示的半導體功率開關電路或溝道在短路情形的情況下和 在操作重啟期間的動作的圖表；
[0106] 圖2示出了圖示圖1A所示的半導體功率開關電路或溝道在短路情形的情況下和 在操作重啟期間的動作的另一圖表；
[0107] 圖3示出了表示標準動態(tài)溫度保護和采用根據(jù)本發(fā)明實施方式的新的熱觀察器 的動態(tài)溫度保護之間的比較的圖表；W及
[010引圖4示出了在透視圖中的根據(jù)本發(fā)明另一實施方式。

【具體實施方式】
[0109] 在下面的詳細說明中，參考附圖，其形成一部分，并且其中通過示意性特定實施方 式的形式進行示出，在該特定性實施方式中可W實踐了本發(fā)明。由于本發(fā)明實施方式的各 個部件可W被安放在多個不同的方位，因此其方向性術語用于示出的目的并且沒有限制。 應該理解，不脫離本發(fā)明的范圍，可利用其他實施方式，并且可進行結構性或者邏輯性改 變。因此，并不W限定性方式來進行下面詳細的說明，并且由所附的權利要求限定本發(fā)明的 范圍。
[0110] 圖1A示出了功率半導體電路或溝道的簡化示意圖，其中能應用本發(fā)明。在圖1B 中，示出了下面的細節(jié)：
[0111] T1 ;高側(cè)結構或DM0S器件的功率晶體管。
[011引IN;導通功率晶體管的指令線（來自于控制芯片）。
[0113] VS;電源電壓。
[0114] OUT ;功率晶體管的源極。
[0115] LOAD ;連接到功率晶體管源極的負載。
[0116] IL ;一旦功率晶體管導通，流過負載的電流。
[0117] 高側(cè)結構中的DM0S功率晶體管T1包括連接到負載的源極和漏極，其中功率晶體 管T1的源極OUT連接到負載，該負載包括電感和低電阻，W模擬危害線路的短路接地。在 所圖示的情況下，負載系統(tǒng)化為電感（例如，lOuH) W及低電阻（例如，100m歐）。功率晶體 管T1的漏極禪合到例如承載電池電壓的電源電壓VS。
[0118] 通過指令或控制線IN，來自控制芯片（未示出）的導通功率晶體管T1的指令可提 供給功率晶體管T1。如果功率晶體管T1導通，電流IL從功率晶體管T1的源極OUT流過負 載。
[0119] 在該個裝置中，在謝位/退磁階段中，能量必須通過DM0S功率晶體管T1本身耗 散，其中功率晶體管T1的溫度根據(jù)從結到其周圍的熱網(wǎng)絡增加。因此，溫度傳感器用于檢 測DM0S功率器件電路的過熱并且保護器件W免過熱，例如在短路情形引起的謝位/退磁階 段中。溫度傳感器可直接嵌入到功率芯片中或者放置在用于過溫或動態(tài)溫度檢測的控制芯 片中。
[0120] 當功率晶體管導通時，電流立即增加，直到檢測到最大電流ILm"為止。該事件通 常稱作過電流檢測并且出現(xiàn)在該種半導體功率器件或溝道的一種內(nèi)部保護功能中。一旦檢 測到過電流情形0C，功率晶體管采用快速切斷而關斷，并且保持一段等待時間的關斷。 在等待時間之后，溝道重啟為再次導通。期望盡可能快地執(zhí)行半導體功率器件或溝道 的該種重啟，W提供高的電流能力給負載。
[0121] 當該半導體功率器件或溝道導通時，功率晶體管T1的源極電壓隨著流過的電流 增加而增加，直到達到電源電壓VS，例如，電池電壓為止。在該種情形下，功率晶體管T1完 全導通。一旦檢測到過電流情形0C，提供給負載的電流降低，源極電壓變?yōu)楸鹊氐?，該是?為外部電感仍然將要迫使該電流。然后該源極電壓通過控制芯片內(nèi)部謝位為特定的謝位電 壓值該種情形稱作謝位和/或退磁階段。
[0122] 圖1B所示的功率信號圖示了在謝位/退磁階段通過器件耗散的功率量。在謝位 /退磁階段通過該器件耗散的最大功率量Ppk給定為ILma,*Vel。圖1B示出的信號Tch圖示 了功率晶體管T1的溝道結溫度。在謝位/退磁階段，功率W及能量必須由功率晶體管T1 耗散，并且因此結溫度隨著從該結到環(huán)境的熱網(wǎng)絡相應地增加，其中溫度傳感器用于檢測 過熱。因此，結溫度從特定值（即，Tjstartl)開始并且依據(jù)謝位/退磁階段中外部部件 (Tpkl)到達第一峰值。
[0123] 一旦負載的外部電感完全放電，功率去除，并且結溫度可在冷卻階段下降。一旦 冷卻階段完成，操作隨后的重啟可由控制芯片通過指令線IN進行命令。如果操作的重啟 發(fā)生在結溫度返回到其初始值Tjstartl之前發(fā)生，那么該器件的操作從結溫度的較高值 Tjstart2啟動，并且第二峰值溫度化k2可高于第一峰值溫度化kl。
[0124] 因此，如圖3所示，取決于應用要求，在重啟器件的操作的重試的特定最大次數(shù)， 例如，最大為32次重啟之后，最終的峰值溫度值可非常高，并且危害到器件的功能性。為了 避免給器件帶來的過熱損壞，溫度傳感器用于過溫或動態(tài)溫度檢測。圖1B示出的信號TS。。 圖示了由溫度傳感器檢測的溝道結溫度，其中該溫度傳感器可直接嵌入到功率芯片外的控 制芯片中的功率晶體管的功率芯片中。
[01巧]由于溫度傳感器和有源區(qū)之間不完全的熱禪合，溫度傳感器不能足夠快速地反 應，W在退磁期間報告該有源區(qū)溫度。在該種情況下，可能的是最大溫度為化kl_s <化kl。 由于控制芯片和功率芯片之間的距離，如果溫度傳感器被放置在控制芯片中，功率芯片內(nèi) 的溫度傳感器和有源區(qū)之間不完全的熱禪合尤其可出現(xiàn)。
[0126] 在退磁期間溫度傳感器的溫度的延遲報告結果是，控制電路不能立即檢測器件的 過熱，并且結果是DM0S功率晶體管T1不能均勻冷卻。因此，在功率器件W及功率晶體管T1 上可出現(xiàn)高的局部溫度，卻不能W及時的方式來檢測該高的局部溫度。
[0127] 該樣可導致功率器件的過早毀壞，產(chǎn)生熱點W及從而導致成絲。如果執(zhí)行多次重 啟，該種關鍵的熱點溫度還可更快達到。該是因為該熱可在DM0S功率器件的最熱區(qū)域中產(chǎn) 生熱點，由于彼此比較接近地進行連續(xù)重試，因此該DM0S功率器件不能足夠快速地冷卻。 盡管存在溫度傳感器的信息，但是其不能示出危險的熱點溫度。
[012引根據(jù)本發(fā)明的一方面，該問題通過限制重啟半導體功率器件或電路的操作的重試 的過多次數(shù)而解決。該種限制重啟操作的重試的過多次數(shù)不影響功率器件的驅(qū)動容量，并 且因此通過謝位/退磁階段的熱觀察而改進了功率器件的堅固性。
[0129]圖2示出了圖示圖1所示的半導體功率開關電路或溝道動作的另一圖表，其具有 短路情形的情況下并且在操作重啟期間的電感線路危害。圖IB中示出的圖表圖示出現(xiàn)在 圖1A中示出的每條線路和禪合上的信號序列。尤其是，圖1B圖示了熱觀察器時序W及闊 值，諸如檢驗點T_check_AT上的溫度，等待時間Trestart_AT W及溫度增量闊值AT_ threshold。在每次過電流檢測或器件的操作重啟重試之后，器件的溫度在謝位/或退磁階 段增加，因為高功率和相應的能量必須通過該功率晶體管T1進行耗散。因此，在每次過電 流檢測或操作重啟重試之后，動態(tài)溫度的測量在特定的時間段過去之后進行。在該種情形 下，動態(tài)溫度的測量在熱溫度傳感器和冷溫度傳感器之間進行，其中熱溫度傳感器嵌在功 率晶體管中，冷溫度傳感器被放置在該樣的位置并且W該樣的方式進行放置：其中冷溫度 傳感器上的每個溫度并不在謝位/退磁階段增加。
[0130] 如圖2所示，采用TJstart作為冷溫度傳感器的溫度，在特定時間段Tcheck_AT 過去之后進行熱溫度傳感器和冷溫度傳感器之間的溫度差或增量測量（at)。該溫度增量 時間檢驗可進行選擇，諸如在切斷時間tl或t2之后的80US。如果在所測量的溫度低于特 定闊值時，即，A Tjtw = 4(TC，該表示在謝位/退磁階段中功率電路內(nèi)有源區(qū)的溫度增加超 過了 150°C。因此，在特定的等待時間Trestart_AT之后（在所圖示的實施例中為在160US 之后），可允許操作重啟的重試，或者如果檢驗點T_check A T的溫度高于闊值，執(zhí)行鎖存情 形，其對應于圖2所示的第H次重試。
[0131] 根據(jù)該一方面，在每個單獨的功率半導體電路的切斷之后，本發(fā)明采用可用的動 態(tài)溫度改變信息W及熱網(wǎng)絡特性。換句話說，給出熱網(wǎng)絡W及時間限制的功率脈沖，例如， 如功率器件切斷之后謝位/退磁階段所執(zhí)行的那樣，在切斷之后的單個時間瞬間的測量對 于評估該半導體功率器件或模片的最大動態(tài)溫度是足夠的，該最大動態(tài)溫度類似于該功率 半導體電路的功率峰值應用。
[0132] 總的來說，如果在測量時間上已經(jīng)確定功率器件W及模片溫度過高，那么可將接 下來的操作重啟評估為功率半導體電路或器件的過應力，并且可達到鎖存故障情形或狀 態(tài)。因此，本發(fā)明可提供器件可靠性的改進。
[0133] 本發(fā)明的示意性應用情況已經(jīng)示出，其中在當前娃區(qū)域（幾個到某些的lOsqmm)， 在幾us延遲/ X范圍內(nèi)的嵌入的溫度傳感器的熱禪合，W及嵌入的傳感器和參考傳感器之 間的典型熱禪合在毫砂的范圍內(nèi)。因此，與所應用的功率峰值（4-50U砂的lkW/mm2峰值范 圍）隔開的50-200U砂之后的動態(tài)溫度評估可W是可靠的，并且對于實施來說是方便的。因 此，不再需要熱預測的復雜計算。
[0134] 對于正確的AT感測，參考傳感器大致上對至少給定時間內(nèi)的溫度增加是不敏感 的。對于大多數(shù)的關鍵參數(shù)：at,在切斷之后的評估瞬間（AT_check)，重啟之前的等待時 間等等，可存在完全的靈活性。所選擇的值可根據(jù)可靠性、封裝和娃熱特性、或者應用情形 來進行協(xié)調(diào)。該種靈活性將在單個產(chǎn)品/器件等級，但是也可通過整理或者后端，或者通過 例如NVM編程之類的用戶結構進行協(xié)調(diào)。
[0135] 參考熱模擬，為了實現(xiàn)更好感測精度，在禪合到DM0S功率晶體管的溫度上的傳感 器和評估在允許較高at闊值之前的過熱情形的時間的折衷可選擇為完成下面總的原則： 給出限定傳感器和DM0S功率晶體管之間關系的熱網(wǎng)絡，可通過合適并且正確的均衡化AT 闊值來補償禪合誤差。
[0136] 本發(fā)明可應用到任何類型，尺寸W及上述提到的參數(shù)的使用中。例如，切斷情形可 W是通過將熱傳感器的絕對值加到熱網(wǎng)絡中的at值的推斷值上而得到過溫的函數(shù)。在溫 度傳感器和諸如疊層芯片（chip on chip)、或者逐芯片（chip by chip)之類的功率開關 的DM0S電路之間的不良的熱禪合的情況下，提供了本發(fā)明的另一個有益效果，其中該溫度 傳感器可僅出現(xiàn)在控制芯片中，該是因為技術局限性或者成本原因造成的。
[0137] 再次參考圖2,功率（POWER)指示的曲線圖示了在謝位階段功率晶體管必須耗散 的功率量。溫度（TEM巧指示的曲線分別圖示了時間上的不同溫度過程：
[0138] -斜線圖示的溫度曲線A表示圖1所示的功率晶體管T1結處的溫度。該功率晶體 管T1的結溫度在持續(xù)時間段Tclamping的謝位事件中增加。
[0139] -交叉線圖示的溫度曲線B表示嵌入在功率晶體管T1中的傳感器溫度。嵌入在 功率晶體管T1中的傳感器的傳感器溫度在持續(xù)時間段Tclamping的謝位階段事件中增加。 更具體的是，由于功率晶體管T1的結點和所包含的封裝之間的熱網(wǎng)絡，嵌入在功率晶體管 T1中的傳感器的傳感器溫度在特定的恒定時間增加。
[0140] -由虛線圖示的溫度曲線C表示控制芯片所產(chǎn)生的溫度增量的值AT_tbeshold 的過程。
[0141] 在特定時間段Tcheck_ AT過去之后，進行溫度的采樣和保持測量，并且如果所采 樣的溫度低于A T_threshold，在時間段Trestart_ A T之后允許進行接下來的操作重啟。 否則，溝道像最后的重試事件中那樣進行鎖存，其中Tj > AT。
[014引選擇時間Tcheck_AT，W便在功率晶體管的實際溫度W及傳感器檢測的溫度之間 提供良好的禪合。起初，由于熱網(wǎng)絡，出現(xiàn)功率晶體管的實際溫度W及傳感器檢測的溫度之 間的不匹配。起初，A T_tbeshold的值可設置為改進防止噪聲刺激的免除的特定值，并且 接下來AT_threshold的值可減小到檢測過電流（0C)情形時的典型值。
[0143] 半導體電路或器件不同的動作實例在圖3中被圖示，圖3從圖2所圖示的動作推 出。在圖3中，示出了表示標準動態(tài)溫度保護和采用根據(jù)本發(fā)明實施方式的新的熱觀測器 的動態(tài)溫度保護之間的比較的圖表。在圖3所圖示的情況中，未采用熱觀測器，典型短路情 形下的器件典型地執(zhí)行了總共32次的器件操作重啟重試。采用根據(jù)本發(fā)明的熱觀測器，最 大可容許2次重試，總共節(jié)省了 30次重試。因此，改進了半導體電路或器件的堅固性、性能 和持久性。
[0144] 在圖4中圖示了適于執(zhí)行本發(fā)明的具有功率芯片和控制芯片的一種裝置。根據(jù) 本發(fā)明的一個方面，在逐芯片器件中，提供功率芯片，該功率芯片包括具有功率晶體管T1 的有源區(qū)或溝道Ch_n。溫度傳感器服和CS被放置在功率芯片中，其中第一熱溫度傳感器 服被放置靠近有源區(qū)Ch_n和功率晶體管T1，并且第二冷溫度傳感器CS被放置遠離有源區(qū) Ch_n和功率晶體管T1或者在比第一熱溫度傳感器服更進一步遠離有源區(qū)證_n和功率晶 體管T1。可替換地，第一熱溫度傳感器服可放置在功率芯片的熱源、有源區(qū)或溝道內(nèi)或者 靠近功率芯片的熱源、有源區(qū)或溝道。
[0145] 功率晶體管T1的漏極連接到由電池電壓提供的電源電壓VS。功率晶體管T1的輸 出OUT連接到外部負載，并且功率晶體管T1的柵極向連接為導通該功率晶體管。熱溫度 傳感器服嵌在功率晶體管T1最熱的區(qū)域中，并且冷溫度傳感器CS放置在功率芯片最冷區(qū) 域中的功率晶體管T1外部。冷溫度傳感器CS用于所謂的溫度增量保護，為采用熱溫度傳 感器服的測量提供溫度參考值。
[0146] 一旦熱溫度傳感器服采用電流源II進行偏置，那么TSn表示在熱溫度傳感器服 上產(chǎn)生的電壓降。一旦冷溫度傳感器CS采用電流源II進行偏置，TSref表示冷溫度傳感 器CS上產(chǎn)生的電壓降。Tgnd表示功率芯片的地參考，其必須連接到芯片的內(nèi)部地上。
[0147] 此外，提供一種控制芯片，包括位于控制芯片內(nèi)的電路，用W采用從功率芯片內(nèi)放 置的溫度傳感器服和CS接收的信息來確定溫度信息。在控制芯片中，C1表示比較器，適 合于提供過溫信息標志〇T_flag給控制芯片的邏輯。比較器C1適合于將熱溫度傳感器服 上產(chǎn)生的電壓降TSn與內(nèi)部電壓參考OTref進行比較。該內(nèi)部電壓參考OTref值應設置為 175 °C左右，并且表示絕對溫度保護值。
[0148] C2表示比較器，適合于提供溫度增量信息標志AT_flag給控制芯片的邏輯。比較 器C2適合于比較熱溫度傳感器服上產(chǎn)生的電壓降TSn與冷溫度傳感器CS上產(chǎn)生的電壓降 TSref。闊值稱作A Tref，并且根據(jù)應用要求來進行設置。闊值A Tref可基于所檢測的動 態(tài)溫度情形、采樣保持時間情形進行調(diào)節(jié)，從而檢驗T_check_AT W及重啟時間Trestart_ AT。
[0149] 總的來說，本發(fā)明通過改變和調(diào)節(jié)H個不同的參數(shù)，使適應采用不同封裝和娃熱 特性的熱觀測器成為可能。
[0150] T_check_AT ;其中檢驗動態(tài)溫度的固定時間。
[0151] Trestart_ A T ;重啟時間。
[0152] A T_tbeshold ;溫度闊值檢測。
[0153] 本發(fā)明提出嵌在功率半導體芯片中的溫度傳感器的放置。該樣，至少一個嵌入式 溫度傳感器被放置靠近功率半導體電路的熱源、有源區(qū)或溝道，并且至少一個嵌入式溫度 傳感器放置更遠離功率半導體電路的熱源、有源區(qū)或溝道。此外，提供了一種新的溫度測量 方法，其采用溫度測量的定時W及調(diào)節(jié)測量參數(shù)至合適的闊值。
[0154] 盡管本發(fā)明已經(jīng)參考特定實施方式進行了描述，本領域技術人員應該理解，不脫 離本發(fā)明的范圍可進行各種改變并且可使用等效物進行替代。此外，可進行許多變形，W便 使特定的狀況或材料適應本發(fā)明的教導中，而不脫離其范圍。因此，旨在未將本發(fā)明限制為 所公開的特定實施方式，但是本發(fā)明將包括落入所附權利要求范圍內(nèi)的所有實施方式。
【權利要求】
1. 一種半導體電路裝置，包括： 具有至少一個有源區(qū)（Ch_n，T1)的功率半導體器件； 嵌入在功率半導體器件（功率芯片）中的第一溫度傳感器化巧； 其中第一溫度傳感器化巧被放置在至少一個有源區(qū)（Ch_n，T1)內(nèi)或者靠近該至少一 個有源區(qū)（Ch_n，T1) 及 嵌入在功率半導體器件（功率芯片）中的第二溫度傳感器（C巧； 其中該第二溫度傳感器（C巧被放置遠離該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)，比第一溫度傳 感器化巧更進一步遠離該至少一個有源區(qū)（化_n，T1)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的半導體電路裝置，其中 該第一溫度傳感器化巧被放置在功率半導體器件（功率芯片）的操作期間的最高溫 度所出現(xiàn)的位置上；W及 該第二溫度傳感器（C巧被放置在功率半導體器件（功率芯片）的操作期間的最低溫 度所出現(xiàn)的位置上。
3. 根據(jù)權利要求1所述的半導體電路裝置，進一步包括： 至少一個比較器（C1，C2)，配置成比較從第一和第二溫度傳感器化S，C巧接收到的測 量信號。
4. 根據(jù)前述權利要求所述的半導體電路裝置，進一步包括： 控制邏輯電路，配置成評估該至少一個比較器（C1，C2)的結果和/或第一和第二溫度 傳感器化S，C巧的測量信號。
5. 根據(jù)前述權利要求所述的半導體電路裝置，其中該控制邏輯電路配置成基于該至少 一個比較器（C1，C2)的結果和/或基于第一和第二溫度傳感器化S，C巧的測量信號產(chǎn)生至 少一個報警信號或者標志（AT_flag，OT_flag)。
6. 根據(jù)前述權利要求所述的半導體電路裝置，其中該控制邏輯電路配置成執(zhí)行下面的 一種或多種： -比較由第一和/或第二溫度傳感器化S，C巧測量的溫度與預定溫度闊值（AT_ threshold)； -檢測第一溫度傳感器化巧和第二溫度傳感器（C巧之間的溫度差； -檢測該至少一個有源區(qū)（Ch_n，T1)的過溫情形； -檢測該至少一個有源區(qū)（Ch_n，T1)的過電流情形； -檢測功率半導體器件（功率芯片）的短路情形； -切斷該至少一個有源區(qū)（Ch_n，T1)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作； -啟動該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作重啟； -啟動該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的重復操作 重啟； -對該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作重啟次 數(shù)進行計數(shù)； -限制該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作重啟 次數(shù)； -在該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作重啟之 前設置第一等待時間（Trestart_AT); -在該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的重復操作重 啟之前設置第二等待時間（Twait); -啟動第一和第二溫度傳感器化S，C巧的測量； -啟動第一和第二溫度傳感器化S，C巧的重復測量； -啟動第一和第二溫度傳感器化S，C巧之間溫度差的重復測量； -在由于至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）中的過電流 檢測所導致的切斷之后的預定時間段之后啟動第一和第二溫度傳感器化S，C巧的重復測 量； -對第一和第二溫度傳感器化S，C巧的測量次數(shù)進行計數(shù)； -限制第一和第二溫度傳感器化S，C巧的測量次數(shù)； -在第一和第二溫度傳感器化S，C巧的重復測量之前設置第H等待時間（Tcheck_AT); -在功率半導體器件（功率芯片）的重復操作重啟之前設置第四等待時間； -在第一溫度傳感器化巧的測量和第二溫度傳感器（C巧的測量之間設置第五等待時 間； -在功率半導體器件（功率芯片）內(nèi)執(zhí)行退磁階段； -改變或調(diào)節(jié)任何等待時間和/或闊值。
7. 根據(jù)前述權利要求所述的半導體電路裝置，其中控制邏輯電路配置成如果檢測到下 面情形中的一種或多種則切斷該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率 芯片）的操作： -第一和/或第二溫度傳感器化S，C巧的溫度超過預定溫度闊值（AT_tbeshold): -至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作重啟次數(shù)超 過預定闊值； -第一和第二溫度傳感器化S，C巧的測量次數(shù)超過預定闊值； -在切斷至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作之后 的預定時間段內(nèi)，第一和/或第二溫度傳感器化S，C巧的溫度不下降到預定闊值W下。
8. 根據(jù)前述權利要求所述的半導體電路裝置，其中控制邏輯電路配置成如果檢測到下 面情形中的一種或多種則重啟至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯 片）的操作： -第一溫度傳感器化巧的溫度低于預定闊值； -第二溫度傳感器（C巧的溫度低于預定闊值； -第一和/或第二溫度傳感器化S，C巧之間的溫度差低于預定闊值； -在切斷至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作之后 的第六等待時間超過預定闊值。
9. 根據(jù)前述權利要求所述的半導體電路裝置，其中控制邏輯電路配置成基于來自第一 和第二溫度傳感器化S，CS)的測量信號的評估來控制用于至少一個有源區(qū)（化_n，Tl)和/ 或功率半導體器件（功率芯片）的電源（V巧。
10. 根據(jù)前述權利要求所述的半導體電路裝置，其中控制邏輯電路和/或該至少一個 比較器（Cl, C2)布置在控制芯片（控制芯片）上。
11. 一種操作功率半導體電路裝置的方法，該半導體電路裝置包括具有至少一個有源 區(qū)（Ch_n，T1)的功率半導體器件（功率芯片），該方法包括： 采用第一溫度傳感器化巧測量第一溫度，該第一溫度傳感器嵌入在功率半導體器件 (功率芯片）中并且被放置在該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)內(nèi)或者靠近該至少一個有源區(qū) (Ch_n, T1)； 采用第二溫度傳感器（C巧測量第二溫度，該第二溫度傳感器嵌入在功率半導體器件 (功率芯片）中并且被放置遠離該至少一個有源區(qū)（Ch_n，T1)，比第一溫度傳感器化巧更 進一步遠離該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl) 及 評估來自第一和第二溫度傳感器化S，CS)的測量信號。
12. 根據(jù)前述權利要求所述的方法，進一步包括： 比較從第一和第二溫度傳感器化S，C巧接收的測量信號。
13. 根據(jù)前述權利要求所述的方法，進一步包括： 評估該至少一個比較器（C1，C2)的結果和/或第一和第二溫度傳感器化S，C巧的測量 信號。
14. 根據(jù)前述權利要求所述的方法，進一步包括： 基于該至少一個比較器（C 1，C2)的結果和/或基于第一和第二溫度傳感器化S，C巧 的測量信號產(chǎn)生至少一個報警信號或標志（AT_flag，OT_flag)。
15. 根據(jù)前述權利要求所述的方法，進一步包括下面的一種或多種： -比較由第一和/或第二溫度傳感器化S，C巧測量的溫度與預定溫度闊值（AT_ threshold)； -檢測第一溫度傳感器化巧和第二溫度傳感器（C巧之間的溫度差； -檢測該至少一個有源區(qū)（Ch_n，T1)的過溫情形； -檢測該至少一個有源區(qū)（Ch_n，T1)的過電流情形； -檢測功率半導體器件（功率芯片）的短路情形； -切斷該至少一個有源區(qū)（Ch_n，T1)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作； -啟動該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作重啟； -啟動該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的重復操作 重啟； -對該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作重啟次 數(shù)進行計數(shù)； -限制該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作重啟 次數(shù)； -在該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作重啟之 前設置第一等待時間（Trestart_AT); -在該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的重復操作重 啟之前設置第二等待時間（Twait); -啟動第一和第二溫度傳感器化S，C巧的測量； -啟動第一和第二溫度傳感器化S，C巧的重復測量； -啟動第一和第二溫度傳感器化s，c巧之間溫度差的重復測量； -在由于至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）中的過電流 檢測所導致的切斷之后的預定時間段之后啟動第一和第二溫度傳感器化S，C巧的重復測 量； -對第一和第二溫度傳感器化S，C巧的測量次數(shù)進行計數(shù)； -限制第一和第二溫度傳感器化S，C巧的測量次數(shù)； -在第一和第二溫度傳感器化S，C巧的重復測量之前設置第H等待時間（Tcheck_AT)； -在功率半導體器件（功率芯片）的重復操作重啟之前設置第四等待時間； -在第一溫度傳感器化巧的測量和第二溫度傳感器（C巧的測量之間設置第五等待時 間； -在功率半導體器件（功率芯片）內(nèi)執(zhí)行退磁階段； -改變或調(diào)節(jié)任何等待時間和/或闊值。
16. 根據(jù)前述權利要求所述的方法，其中如果檢測到下面情形中的一種或多種則切斷 該至少一個有源區(qū)（Ch_n，T1)和/或該功率半導體器件（功率芯片）的操作： -第一和/或第二溫度傳感器化S，C巧的溫度超過預定溫度闊值（AT_tbeshold); -該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或該功率半導體器件（功率芯片）的操作重啟次 數(shù)超過預定闊值； -第一和第二溫度傳感器化S，C巧的測量次數(shù)超過預定闊值； -在切斷至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功率芯片）的操作之后 的預定時間段內(nèi)，第一和/或第二溫度傳感器化S，C巧的溫度不下降到預定闊值W下。
17. 根據(jù)前述權利要求所述的方法，其中如果檢測到下面情形中的一種或多種則重啟 該至少一個有源區(qū)（Ch_n，T1)和/或該功率半導體器件（功率芯片）的操作： -第一溫度傳感器化巧的溫度低于預定闊值； -第二溫度傳感器（C巧的溫度低于預定闊值； -第一和/或第二溫度傳感器化S，C巧之間的溫度差低于預定闊值； -在切斷該至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或該功率半導體器件（功率芯片）的操作 之后的第六等待時間超過預定闊值。
18. 根據(jù)前述權利要求所述的方法，進一步包括基于來自第一和第二溫度傳感器化S， C巧的測量信號的評估來控制用于至少一個有源區(qū)（Ch_n，Tl)和/或功率半導體器件（功 率芯片）的電源（V巧。
【文檔編號】H01L27/02GK104465554SQ201410523987
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權日:2013年7月23日
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