DE102008056846A1

DE102008056846A1 - Leistungshalbleitermodul mit Temperaturmessung

Info

Publication number: DE102008056846A1
Application number: DE102008056846A
Authority: DE
Inventors: Piotr Tomasz Luniewski
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2009-06-04
Also published as: US20090129432A1; US8057094B2

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Leistungselektronikmodul, das einen Leiter mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das zweite Ende thermisch an ein Substrat gekoppelt ist. Das Leistungselektronikmodul umfasst weiter ein Bauteil mit einem Temperatursensor, der thermisch an das erste Ende des Leiters gekoppelt ist. Das Bauteil ist dazu ausgebildet, mit Hilfe des Temperatursensors eine Temperatur am zweiten Ende des Leiters zu bestimmen.

Description

Die Anmeldung betrifft ein Leistungshalbleitermodul, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul mit der Fähigkeit zur Temperaturmessung.
Ein intelligenter Überhitzungsschutz ist in vielen Leistungselektronikanwendungen zwingend erforderlich. Temperaturinformationen können benutzt werden, um Schäden an elektronischen Bauelementen aufgrund von Überhitzung zu vermeiden. Durch die Verwendung einer intelligenten Strategie zum Ansteuern und Regeln von elektronischen Bauelementen kann eine solche Überhitzung vermieden werden, wenn eine erhöhte Temperatur in geeigneter Weise detektiert wird. IGBTs, MOSFETs, Thyristoren, Dioden, Gleichrichter etc. sind Leistungshalbleiterbauelemente, welche üblicher Weise in Leistungshalbleitermodulen verwendet werden. In bekannten Leistungshalbleitermodulen werden NTC-Temperatursensoren (NTC: negative temperature coefficient) zur Temperaturmessung verwendet und nahe den Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet, beispielsweise auf einem DCB-Keramiksubstrat. Dies ist jedoch häufig unerwünscht aufgrund des dafür nötigen Platzbedarfes auf dem DCB-Substrat. Auch deren elektrische Isolierung gegenüber den Leistungshalbleiterbauelementen kann bei direkt auf dem DCB-Substrat angeordneten Temperatursensoren ein Problem darstellen. Des Weiteren ist die Anzahl von elektrischen Anschlüssen in einem Modul üblicher Weise beschränkt. Ein Temperatursensor auf dem Substrat würde jedoch zumindest zwei zusätzliche Anschlüsse erforderlich machen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul mit einer alternativen Temperaturmessmöglichkeit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Leistungselektronikmodul gemäß Patentanspruch 1 oder 15 gelöst. Unterschiedliche Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein Ausführungsbeispiel betrifft ein Leistungselektronikmodul, das einen Leiter mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, wobei das zweite Ende thermisch an ein Substrat gekoppelt ist. Das Leistungselektronikmodul umfasst weiter ein Bauteil mit einem Temperatursensor, der thermisch an das erste Ende des Leiters gekoppelt ist. Das Bauteil ist dazu ausgebildet, mit Hilfe des Temperatursensors eine Temperatur am zweiten Ende des Leiters zu bestimmen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert:
1a zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul mit einer Bodenplatte, einem DCB-Keramiksubstrat, Leistungshalbleiterchips, einer internen Platine, Last- und Steueranschlüssen und einem Gehäuse;
1b zeigt beispielhaft eine perspektivische Ansicht eines weiteren Leistungshalbleitermoduls, jedoch ohne interne Platine und ohne Basisplatte, wobei Last- und Steueranschlüsse zum Anschluss an eine externe Platine an die Außenseite eines (nicht dargestellten) Gehäuses geführt sind.
2 zeigt schematisch eine Bodenplatte mit einem darauf angeordneten DCB-Substrat und einer Platine, die mit dem Substrat über zumindest ein Hilfsanschlusselement verbunden ist, wobei der Temperatursensor auf der Platine in der Nähe des ersten Endes des Hilfsanschlusselementes angeordnet ist;
3 zeigt ein thermisches Modell des Leistungshalbleitermoduls;
4 zeigt in einem Diagramm die Temperatur des Hilfsanschlusselementes an der Platine als Funktion der Substrattemperatur;
5 zeigt eine Draufsicht auf eine Platine, wobei die Positionierung des Temperatursensors und der Treiberelektronik inklusive der Gate-Widerstände dargestellt ist;
6 zeigt eine zur Anordnung aus 5 alternative Anordnung;
7 zeigt ein vereinfachtes thermisches Modell, bei dem im Vergleich zu dem Modell gemäß 4 einige thermische Wiederstände vernachlässigt werden;
8 zeigt das Beispiel aus 4 detaillierter, wobei ein Teil der Platine gegenüber dem anderen Teil galvanisch getrennt ist und die Sensoren und die Signalverarbeitung auf der unisolierten Seite angeordnet sind;
9 zeigt ein Beispiel ähnlich dem aus 8, wobei jedoch die Signalverarbeitung auf der isolierten Seite und die Sensoren auf der unisolierten Seite der Platine angeordnet sind;
10 zeigt ein Beispiel ähnlich dem aus 8, wobei die Signalverarbeitung und ein Umgebungstemperatursensor auf der isolierten Seite der Platine angeordnet sind.
11 zeigt eine Weiterbildung des Beispiels aus 10, wobei eine Schätzung der Temperatur der Treiberelektronik durch die Signalverarbeitung erfolgt.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten mit gleicher Bedeutung. Es wird vorausgesetzt, dass Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele kombinierbar sind, sofern nichts gegenteiliges beschrieben ist.
1a zeigt beispielhaft einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungselektronikmodul 100. Das Leistungselektronikmodul 100 umfasst eine Bodenplatte 1, die z. B. aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff wie z. B. AlSiC, CuSiC, AlC, oder CuC besteht. Leistungselektronikmodule ohne Bodenplatte können jedoch ebenfalls verwendet werden.
Zumindest ein Substrat 2 ist auf der Bodenplatte 1 angeordnet. In dem vorliegenden Beispiel umfasst das Substrat eine isolierende Keramikschicht 2a, auf deren Unterseite eine Kupfermetallisierung 2c und auf deren Oberseite eine strukturierte Kupfermetallisierung 2b aufgebracht sind, wobei Keramikschicht und Metallisierungen ein sogenanntes DCB-Substrat bilden. In anderen Ausführungsformen können die Metallisierungsschichten 2b, 2c auch aus Aluminium gebildet sein. In diesem Fall bilden die Aluminiummetallisierungen zusammen mit der Keramikschicht ein DAB-Substrat. AMB (active metal brazed) Substrate können ebenfalls verwendet werden. Das Substrat 2 kann auf die Bodenplatte 1 aufgelötet werden, jedoch sind auch andere Verbindungstechniken möglich. Im Falle eines Leistungshalbleitermoduls ohne Bodenplatte erfüllt das Substrat gleichzeitig die Funktion der Bodenplatte.
Auf dem Substrat 2 sind ein oder mehrere Leistungshalbleiterbauelemente 4 angeordnet, die auf der oberen Metallisierungsschicht 2b des Substrates 2 befestigt sind. Die Unterseite der Leistungshalbleiterbauelemente 4 (z. B. IGBTs, Leistungs-MOSFETs oder ähnliches) sind z. B. auf der Metallisierungsschicht 2b angelötet (Lötschicht 7). Andere Verbindungstechniken wie z. B. LTJT (Low Temperature Joining Technique) oder ähnliches sind jedoch auch anwendbar. Die Oberseite der Leistungshalbleiterbauelemente 4 kann über Bonddrähte mit der Metallisierungsschicht 2b des Substrates 2 verbunden sein.
Das Leistungselektronikmodul umfasst weiter eine Platine, z. B. eine standarisierte Platine für gedruckte Schaltungen (PCB board), die über dem Substrat 2 und im Wesentlichen parallel dazu angeordnet ist. Auf der Platine 6 ist typischerweise eine Treiberelektronik (vgl. Symbol 14 in 2) zur Ansteuerung und Regelung der Leistungshalbleiterbauelemente 4 angeordnet. Entsprechende Steuersignale werden der Treiberelektronik über Steueranschlüsse 12 zugeführt.
In dem Beispiel aus 1a umfasst das Leistungselektronikmodul vier Leistungshalbleiterbauelemente 4, die eine IGBT-Halbbrücke bilden. Diese Halbbrücke umfasst zwei Leistungs-IGBTs und zwei Freilaufdioden. Die Treiberelektronik kann dazu ausgebildet sein, abhängig von den Steuersignalen, die der Steuerelektronik über die Steueranschlüsse 12 zugeführt werden, geeignete Gate-Signale für die IGBTs zur Verfügung zu stellen. Um den IGBTs 4 die Gate-Signale zuführen zu können, kann ein Teil der oberen Metallisierungsschicht 2b des Substrates 2 mit der Treiberelektronik auf der Platine 6 über Hilfsanschlusselemente verbunden sein, die in der 1a als Leiter mit dem Bezugszeichen 13 dargestellt sind. Der betroffene Teil der Metallisierungsschicht 2b kann wiederum mit dem Gate und/oder mit dem Emitter eines IGBTs 4 über Bonddrähte verbunden sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Leiter 13 direkt mit dem IGBT-Chip verbunden sein und so direkt die Gate-Elektrode auf dem Chip kontaktieren.
Die Lastanschlüsse der Leistungshalbleiterbauelemente 4 (z. B. die Kollektor- und Emitteranschlüsse der IGBTs, die Drain- und Source-Anschlüsse eines MOSFETs bzw. Anoden und Kathoden von Dioden oder Gleichrichtern) können mit externen Lastanschlüssen 11 über elektrisch leitende Verbindungselemente 5, über die Metallisierungsschicht 2b und über Bonddrähte verbunden sein. Diese Verbindungselemente können zum Beispiel Kupferstäbe (engl. copper bars) oder ähnliches sein.
Die Leistungshalbleiterbauelemente 4 und die Platine 6 kann von einem Gehäuse umschlossen sein, wobei die Bodenplatte 1 als Gehäuseboden dienen kann. Zusätzlich kann ein Kühlkörper 8 mit dem Gehäuse z. B. mit Hilfe von Schrauben derart verbunden sein, dass die Bodenplatte 1 oder das Substrat 2 in einem guten thermischen Kontakt mit dem Kühlkörper 8 ist. Für den Fall, dass lediglich ein Substrat 2 in dem Leistungselektronikmodul 100 verwendet wird, kann das Substrat 2 die Funktion der Basisplatte übernehmen und direkt mit dem Kühlkörper 8 verbunden sein. In diesem Fall entfällt die Bodenplatte 1.
In der Treiberelektronik für die Leistungshalbleiterbauelemente 4 kann die Temperaturinformation über die Temperatur der Bodenplatte 1, über die Temperatur des Substrates 2 oder über die Sperrschichttemperatur der Leistungshalbleiterbauelemente 4 verarbeitet werden. Zu diesem Zweck kann z. B. ein NTC-Temperatursensor auf dem Substrat 2 angeordnet sein, was in vielen Anwendungsfällen aus den bereits weiter oben diskutierten Gründen unerwünscht ist.
1a zeigt ein Modul mit einer Platine 6, welche im Inneren des Modulgehäuses 10 angeordnet ist. Manche Module haben jedoch keine interne Platine, sind aber mit einer externe Platine kontaktiert. Zu diesem Zweck können alle Steueranschlüsse 12, Lastanschlüsse 11 und, wenn notwendig, Hilfsanschlusselemente 13 durch das Gehäuse hindurch an die Außenseite des Moduls geführt werden.
1b ist eine perspektivische Ansicht eines Leistungselektronikmoduls ohne interne Platine. Das Gehäuse ist der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Ein Kühlkörper (in 1b ebenfalls weggelassen) kann an der Bodenplatte 1 in ähnlicher Weise befestigt werden wie in der 1a gezeigt. Die Anschlüsse können z. B. aus Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellt sein, um eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit zu gewährleisten. Einer der Steueranschlüsse 12 kann als Leiter 13 zur Temperaturmessung verwendet werden, wie es anhand der folgenden Figuren erläutert wird. Ein separates Hilfsanschlusselement kann jedoch auch als Wärmeleiter 13 verwendet werden ohne gleichzeitig eine elektrische Funktion zu erfüllen.
2 zeigt ein Leistungselektronikmodul mit einer neuartigen Temperaturmessmöglichkeit, wobei in der Darstellung das Gehäuse 10, die Lastanschlüsse 11, die Steueranschlüsse 12, die Verbindungselemente 5 und die Bonddrähte 3 aus Gründen der Einfachheit und Übersichtlichkeit weggelassen wurden. Wie in 2 dargestellt, ist ein Hilfsanschlusselement (Leiter 13) mit einem bekannten thermischen Widerstand R_TH1 zwischen der (internen oder externen) Platine 6 und entweder dem Substrat 2 oder einem Leistungshalbleiterbauelement 4 angeordnet und mit dieser bzw. diesem verbunden, so dass ein auf der Platine 6 angeordneter Temperatursensor 15 mit dem Substrat 2 bzw. mit dem Leistungshalbleiterbauelement 4 thermisch gekoppelt ist. Um eine verlässliche Temperaturmessung zu ermöglichen, ist der Leiter 13 ein wärmeleitendes Verbindungselement, das einen niedrigen thermischen Widerstand _Run zwischen der Platine 6 und den Komponenten im unteren Teil des Leistungselektronikmoduls (d. h. Leistungshalbleiterbauelemente 4, Substrat 2 oder Basisplatte 1) gewährleistet. Neben seiner thermischen Funktion kann, muss aber nicht, das wärmeleitende Verbindungselement 13 auch eine elektrische Funktion ausüben. Zum Beispiel kann das wärmeleitende Verbindungselement 13 auch ein elektrischer Leiter sein, der mit einem der Leistungshalbleiterbauelemente 4, z. B. mit dem Emitter eines IGBT verbunden ist, um die Treiberschaltung auf der Platine 6 mit dem Emitterpotential des IGBTs zu verbinden.
Die Treiberelektronik, die auf der Platine 6 angeordnet ist, wird in 2 durch das Bauelement 14 dargestellt, wobei die Platine 6 einen thermischen Widerstand R_TH2 zwischen dem Temperatursensor 15 und der Treiberelektronik 14 bildet. Die Treiberelektronik 14 umfasst z. B. auch Gate-Widerstände. Wie durch den Pfeil in 2 angedeutet, erfolgt der Wärmestrom hauptsächlich vom unteren Teil des Leistungselektronikmoduls über den Wärmeleiter 13 (der beispielsweise aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder einem anderen geeigneten Material besteht), der einen thermischen Widerstand R_TH1 aufweist, zu dem Temperatursensor 15 auf der Platine 6. Wärme wird jedoch auch von der Treiberelektronik 14 erzeugt, beispielsweise in den Gate-Widerständen, welche die Treiberelektronik 14 mit den Gate-Elektroden eines IGBT 4 verbindet. Die thermischen Widerstände zwischen der Treiberelektronik 14 und der Umgebung werden durch den thermischen Widerstand R_TH3 moduliert.
Das thermische Model des Temperaturmesssystems des Leistungselektronikmoduls aus 2 ist in der 3 dargestellt. Das untere Ende des Wärmeleiters 13, das mit dem Substrat 2 oder dem Leistungshalbleiterbauelement 4 verbunden ist, hat eine Temperatur T_BASE. Das obere Ende des Wärmeleiters 13 hat die Temperatur T_AUX, die mit Hilfe des Temperatursensors 15 gemessen wird. Die Temperatur des heißesten Punktes der Treiberelektronik (z. B. die Gate-Widerstände) auf der Platine 6 wird mit der Temperatur T_PCB, die Umgebungstemperatur mit der Temperatur T_AMB bezeichnet. Das untere Ende des Wärmeleiters 13 (bzw. das Substrat 2) mit einer Temperatur von T_BASE ist an den Temperatursensor 15 (d. h. an das obere Ende des Wärmeleiters 13) über den thermischen Widerstand R_TH1 gekoppelt. Der Temperatursensor 15 ist mit dem heißesten Punkt der Treiberelektronik (z. B. mit den Gate-Widerständen) über den thermischen Widerstand R_TH2 gekoppelt. Die Treiberelektronik 14 wiederum ist mit der Umgebung, die eine Temperatur T_AMB aufweist, über einen thermischen Widerstand R_TH3 gekoppelt. Der thermi sche Widerstand zwischen dem Temperatursensor 15 und der ihn umgebenden Umwelt wird mit dem Symbol R_TH4 bezeichnet. Sofern der thermische Widerstand R_TH1 zwischen dem Substrat 2 (bzw. dem Leistungshalbleiterbauelement 4) und dem Temperatursensor 15 klein ist im Vergleich mit dem thermischen Widerstand R_TH2 zwischen dem Temperatursensor 15 und der Treiberelektronik 14 (und der Umgebung), d. h. R_TH1 << R_TH2 und R_TH1 << R_TH4, ist der Temperatursensor 15 praktisch von der Wärmequelle in der Treiberelektronik 14 entkoppelt. Die Temperatur des unteren Ende des Wärmeleiters 13, welche ungefähr der Temperatur des Substrates 2 oder der Temperatur des Leistungshalbleiterbauelements 4 entspricht, kann aus der Temperatur T_AUX, die durch den Temperatursensor 15 über den thermischen Widerstand R_TH1 gemessen wird, geschätzt werden. In diesem Fall gilt die Näherung TAUX ≈ TBASE. (1)
Die experimentell bestimmte Abhängigkeit der Temperatur T_AUX von der Temperatur T_BASE des Substrates 2 ist in dem in der 4 gezeigten Diagramm dargestellt. Man kann sehen, dass die Näherung aus Gleichung (1) für manche Applikationen gut genug sein kann. Die gemessene Temperatur T_AUX kann jedoch von der tatsächlichen Substrattemperatur T_BASE um ca. 10% abweichen. Diese Abweisung liegt an dem thermischen Widerstand R_TH4 zwischen dem Temperatursensor 15 und der ihn umgebenden Umwelt, der berücksichtigt werden muss, wenn eine präzise Temperaturmessung gewünscht ist. Der Einfluss der Umgebungstemperatur (über dem thermischen Widerstand R_TH4) wird weiter unten noch detaillierter anhand der 6 bis 11 erläutert.
Im Falle, dass der thermische Widerstand R_TH2 zwischen dem Temperatursensor 15 und der Treiberelektronik 14 nicht groß genug ist, um den Einfluss der Wärmequellen innerhalb der Treiberelektronik 14 zu vernachlässigen, wird die vom Temperatursensor 15 gemessene Temperatur T_AUX nicht nur von der Temperatur T_BASE des Substrates 2 oder der Leistungshalblei terbauelemente 4 beeinflusst, sondern auch durch die Temperatur T_PCB der Treiberelektronik 14, wodurch die Temperaturschätzung für die Substrattemperatur T_BASE (bzw. der Sperrschichttemperatur des Leistungshalbleiterbauelementes 4) verfälscht wird. Um den Einfluss von Wärmequellen in der Treiberelektronik 14 auf dem PCB-Board zu kompensieren, kann eine zweite Temperaturmessung durchgeführt werden, wie anhand der 5 erläutert wird.
Die 5 zeigt eine Draufsicht auf die Platine 6 des Leistungselektronikmoduls 100 aus 2. In diesem Beispiel ist ein weiterer Temperatursensor 16 auf der Platine 6 nahe dem "Hot Spot" der Treiberelektronik 14 angeordnet und thermisch mit diesem gekoppelt. Der weitere Temperatursensor 16 misst dabei die Temperatur T_PCB der Treiberelektronik 14. Mit dieser zweiten Temperaturinformation kann der Einfluss der Wärmequelle in der Treiberelektronik 14 auf die Temperatur T_AUX, die durch den Temperatursensor 15 gemessen wird, kompensiert und ein korrekter Wert für die Temperatur T_BASE des Substrates 2 (bzw. der Leistungshalbleiterbauelemente) berechnet werden. Unter der Annahme, R_TH4 >> R_TH1, R_TH4 >> R_TH2, R_TH3 >> R und R_TH3 >> R_TH2 berechnet sich die Substrattemperatur nach der folgenden Gleichung: TBASE = (k· TPCB – TAUX /(k–1) für k = RTH1/(RTH1 + RTH2), (2)d. h. der thermische Widerstand R_TH4 zwischen der Umgebung und dem Temperatursensor 15 und der thermische Widerstand R_TH3 zwischen der Umgebung und der Treiberelektronik 14 sind groß und daher vernachlässigbar. Dies ist der Fall, wenn die Treiberelektronik 14 einen nennenswerten Wärmestrom verursacht, der den Wärmestrom auf der Platine 6 dominiert.
In der Praxis ist es oft einfacher und daher wünschenswert, die Umgebungstemperatur T_AMB statt der Temperatur T_PCB der Treiberelektronik 14 zu messen. 6 zeigt ein weiteres Beispiel der Erfindung, bei dem ein weiterer Temperatursensor 17 entfernt von dem Temperatursensor 15 und entfernt von der Treiberelektronik 14 angeordnet ist, um eine zuverlässige Messung der Umgebungstemperatur T_AMB zu ermöglichen. Mit bekannten Werten für die thermischen Widerstände R_TH1, R_TH2, R_TH3 und R_TH4, den gemessenen Werten für die Temperatur T_AUX und die Umgebungstemperatur T_AMB (gemessen jeweils durch den Temperatursensor 15 bzw. den weiteren Temperatursensor 17) ist es möglich, eine korrekte Schätzung für die Temperatur T_BASE des Substrates 2 (bzw. der Sperrschichttemperatur der Leistungshalbleiterbauelemente 4) zur Verfügung zu stellen. Detailliertere Beispiele der Erfindung, die diese Konfiguration benutzen, werden anhand der 8 bis 11 erläutert.
7 zeigt ein vereinfachtes thermisches Modell des Leistungselektronikmoduls. Das vereinfachte Modell kann von dem Modell aus 3 abgeleitet werden, in dem die thermischen Widerstände R_TH2 und R_TH3 vernachlässigt werden. Diese Annahme ist dann gültig, wenn R_TH1 << R_TH2 und die Serienschaltung von R_TH2 und R_TH3 daher vernachlässigbar ist. Das heißt, in diesem Beispiel ist die Umgebungstemperatur T_AMB hauptsächlich verantwortlich für den Wärmestrom auf der Platine 6. In diesem Fall kann die Substrattemperatur T_BASE entsprechend der folgenden Gleichung berechnet werden: TBASE = (k·TAMB – TAUX)/(k–1) für k = RTH1/(RTH1 + RTH4). (3)
Die Messung kann mit Hilfe der in 8 gezeigten Anordnung implementiert werden, die auf der einfachen Anordnung aus 6 beruht.
8 zeigt das Beispiel aus 6 detaillierter. In vielen Anwendungen ist eine galvanische Trennung vorgesehen, um externe Schaltungen und Teile der Elektronik, die auf der Platine 6 angeordnet ist, von den Leistungshalbleiterbauelementen 4 auf dem Substrat 2 zu isolieren. Die galvanische Trennung kann zum Beispiel durch die Verwendung von Transformatoren (z. B. integrierte kernlose Transformatoren), Opto koppler oder andere geeignete Mittel erreicht werden. In diesem Zusammenhang spricht man davon, dass jene Schaltungsteile, die direkten elektrischen Kontakt zu den Leistungshalbleiterbauelementen haben, sich auf der "unisolierten" Seite befinden, wohingegen externe Schaltungen und bestimmte Schaltungsteile auf der Platine 6 sich auf der "isolierten" Seite befinden.
Die Platine 6 aus der 8 beinhaltet den Temperatursensor 15 zur Messung der Temperatur T_AUX des Wärmeleiters 13 (vgl. 1B: hier wird z. B. der Emitteranschluss eines auf dem Substrat 2 angeordneten IGBT's gleichzeitig als Wärmeleiter 13 verwendet), den Temperatursensor 17 zur Messung der Umgebungstemperatur T_AMB, die Treiberelektronik 14 zum Ansteuern der Leistungshalbleiterbauelemente 4, eine Berechnungseinheit 18 (z. B. ein Mikrocontroller) und ein Isolationsbauteil 19 zur Gewährleistung der oben erwähnten galvanischen Trennung. Der Temperatursensor 17 zum Messen der Umgebungstemperatur T_AMB ist auf der Platine 6 entfernt von dem Wärmeleiter 13 angeordnet. Die Platine 6 muss so entworfen werden, dass der Temperatursensor 17 thermisch von der Treiberelektronik 14 und von dem Wärmeleiter 13 entkoppelt ist. Sofern dies der Fall ist, entspricht die Temperatur des Sensors 17 (zumindest ungefähr) der Umgebungstemperatur T_AMB und die Substrattemperatur kann entsprechend der Gleichung 2 berechnet werden, vorausgesetzt dass R_TH1 << R_TH2 gilt.
Die Berechnung wird mit Hilfe der Berechnungseinheit 18 durchgeführt und das Ergebnis wird über das Isolationsbauteil 19 auf die isolierte Seite der Platine 6 übertragen zur dortigen weiteren Verarbeitung.
Das Beispiel aus 9 entspricht dem Beispiel aus 8 mit dem einzigen Unterschied, dass die Berechnungseinheit 18 auf der isolierten Seite der Platine 6 angeordnet ist. In diesem Fall müssen die Sensorsignale der Temperatursensoren 15 und 17 auf die isolierte Seite der Platine übertragen werden, um der Berechnungseinheit 18 zugeführt werden zu können.
Das Beispiel aus 10 entspricht dem Beispiel aus 9 mit dem einzigen Unterschied, dass die Umgebungstemperaturmessung vollständig auf der isolierten Seite vorgenommen wird. In diesem Fall wird lediglich ein Isolationsbauteil 19 für das Sensorsignal des Temperatursensors 15 benötigt. Dadurch wird zusätzlich der thermische Widerstand R_TH3 erhöht und dessen Einfluss auf die Temperaturmessung noch weiter reduziert, da der Sensor 17 noch weiter entfernt von der Treiberelektronik 14 angeordnet werden kann als in dem Beispiel aus 9.
Das Beispiel aus 11 entspricht dem Beispiel aus 10 mit dem einzigen Unterschied, dass ein anderes thermisches Modell für die Berechnung der gesuchten Substrattemperatur T_BASE verwendet wird. In diesem Fall wird angenommen, dass R_TH4 >> (R_TH2 + R_TH3) und dass der thermische Widerstand R_TH4 in dem thermischen Modell aus 3 vernachlässigbar ist. Diese Annahme ist gültig, wenn die Treiberelektronik 14 (d. h. die Gate-Widerstände) den Wärmestrom auf der Platine 6 dominieren. Folglich muss die Verlustleistung P_DIS, die zum Beispiel in den Gate-Widerständen der Treiberelektronik erzeugt wird, in den Berechnungen der Substrattemperatur T_BASE berücksichtigt werden. Die Verlustleistung P_DIS in den Gate-Widerständen (d. h. die Wärme, die pro Zeiteinheit erzeugt wird) kann entsprechend der folgenden Gleichung abgeschätzt werden: PDIS = ΔVGE·QG·fs, (4)
Wobei ΔV_GE die Änderung der auf das Emitterpotential des angesteuerten IGBTs 4 bezogenen Ausgangsspannung eines von der Treiberelektronik umfassten Gate-Treibers ist, die an die Gate-Widerstände angelegt wird. Das Symbol Q_G ist die Gate-Ladung des IGBT, die als Reaktion auf die Ausgangspannungsän derung ΔV_GE transportiert wird und f_S ist die Schaltfrequenz des IGBT. Die Substrattemperatur kann in diesem Fall entsprechend der folgenden Gleichung berechnet werden.
Die Anordnung aus 11 ermöglicht darüber hinaus auch die Berechnung der Temperatur T_PCB des "Hot Spot" auf der Platine 6 (z. B. der Gate-Widerstände) entsprechend der folgenden Gleichung:

Claims

Leistungselektronikmodul umfassend: einen Leiter mit einem ersten und einen zweiten Ende, wobei das zweite Ende thermisch an ein Substrat gekoppelt ist; ein Bauteil mit einem Temperatursensor, der thermisch an das erste Ende gekoppelt ist, wobei das Bauteil dazu ausgebildet ist, mit Hilfe des Temperatursensors eine Temperatur am zweiten Ende zu bestimmen.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, das zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement aufweist, welches an das Substrat gekoppelt ist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, wobei das Bauteil die Temperatur des Leistungshalbleiterbauelements bestimmt.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, wobei das Bauteil die Temperatur des Substrats bestimmt.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, bei dem das Bauteil eine Einheit umfasst, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur am zweiten Ende unter Verwendung der gemessenen Temperatur des ersten Endes zu schätzen.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, bei dem der Leiter einen thermischen Widerstand aufweist und das Bauteil die Temperatur am zweiten Ende unter Verwendung dieses thermischen Widerstandes bestimmt.
Leistungselektronikmodul umfassend: ein Leistungshalbleiterbauelement, das an ein Substrat gekoppelt ist; einen Leiter mit einem thermischen Widerstand und mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das zweite Ende thermisch an das Substrat gekoppelt ist; einen Temperatursensor, der thermisch an das erste Ende des Leiters gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, die Temperatur an dem ersten Ende zu messen; und eine Einheit, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur des zweiten Endes des Leiters unter Verwendung der gemessenen Temperatur des ersten Endes des Leiters und des thermischen Widerstandes zu bestimmen.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 7, das weiter eine Platine aufweist, die oberhalb des Substrats angeordnet ist, wobei das erste Ende des Leiters und der Temperatursensor thermisch über die Platine gekoppelt sind.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 8 weiter umfassend: eine Treiberelektronik für das Leistungshalbleiterbauelement, die auf der Platine angeordnet ist; einen weiteren Temperatursensor, der thermisch an die Treiberelektronik gekoppelt und der dazu ausgebildet ist, die Temperatur der Treiberelektronik zu messen, wobei die Einheit dazu ausgebildet ist, die Temperatur des zweiten Endes des Leiters unter Verwendung der gemessenen Temperatur des ersten Endes des Leiters, der gemessenen Temperatur der Treiberelektronik und des thermischen Widerstandes des Leiters zu schätzen.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 8, das weiter umfasst: eine Treiberelektronik für das Leistungshalbleiterbauelement, die auf der Platine angeordnet ist; einen weiteren Temperatursensor, der auf der Platine so angeordnet ist, dass er thermisch nicht an die Treiberelektronik oder an das erste Ende des Leiters gekoppelt und der dazu ausgebildet ist, eine Umgebungstemperatur zu messen, wobei die Einheit dazu ausgebildet ist, die Temperatur des zweiten Endes des Leiters unter Verwendung der gemessenen Temperatur des ersten Endes des Leiters, der gemessenen Umgebungstemperatur und des thermischen Widerstandes des Leiters zu schätzen.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 7, wobei der Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 7, wobei der Leiter stab- oder stangenförmig ist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 7, bei dem der Leiter elektrisch mit einem Lastanschluss des Leistungshalbleiterbauelementes verbunden ist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 13, bei dem das Leistungshalbleiterbauelement ein Leistungstransistor ist, der einen Emitter oder eine Source aufweist, wobei der Leiter elektrisch mit dem Emitter bzw. der Source elektrisch verbunden ist.
Leistungselektronikmodul umfassend: zumindest ein Substrat; zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement, das auf dem Substrat angebracht ist; einen Leiter, der einen thermischen Widerstand aufweist und ein erstes und ein zweites Ende umfasst, wobei das zweite Ende thermisch an das Substrat oder an das Leistungshalbleiterbauelement gekoppelt ist; einen Temperatursensor, der thermisch an das erste Ende des Leiters gekoppelt und der dazu ausgebildet ist, die Temperatur des ersten Endes zu messen; und eine Schätzeinheit, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur des zweiten Endes des Leiters unter Verwendung der gemessenen Temperatur des ersten Endes des Leiters und des thermischen Widerstandes des Leiters zu schätzen.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 15, das weiter eine Platine umfasst, die oberhalb des Substrates angeordnet ist, wobei das erste Ende des Leiters und der Temperatursensor so an der Platine angebracht sind, dass sie thermisch gekoppelt sind.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 16, das weiter aufweist: eine auf der Platine angeordnete Treiberelektronik für das Leistungshalbleiterbauelement; einen weiteren Temperatursensor, der thermisch an die Treiberelektronik gekoppelt und dazu ausgebildet ist, die Temperatur der Treiberelektronik zu messen, wobei die Schätzeinheit dazu ausgebildet ist, die Temperatur des zweiten Endes des Leiters unter Verwendung der gemessenen Temperatur des ersten Endes des Leiters, der gemessenen Temperatur der Treiberelektronik und des thermischen Widerstandes des Leiters zu schätzen.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 16, das weiter aufweist: eine auf der Platine angeordnete Treiberelektronik für das Leistungshalbleiterbauelement; einen weiteren Temperatursensor, der auf der Platine so angeordnet ist, dass er thermisch nicht an die Treiberelektronik oder an das erste Ende des Leiters gekoppelt und der dazu ausgebildet ist, die Umgebungstemperatur zu messen, wobei die Schätzeinheit dazu ausgebildet ist, die Temperatur des zweiten Endes des Leiters unter Verwendung der gemessenen Temperatur des ersten Endes des Leiters, der gemessenen Umgebungstemperatur und des thermischen Widerstandes des Leiters zu schätzen.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 15, wobei der Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 15, wobei der Leiterst stab- oder stangenförmig ausgebildet ist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 15, wobei der Leiter elektrisch an einen Lastanschluss des Leistungshalbleiterbauelements gekoppelt ist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 21, wobei das Leistungshalbleiterbauelement ein Leistungstransistor mit einem Emitter-Anschluss oder einem Source-Anschluss ist und der Leiter elektrisch mit dem Emitter bzw. dem Source-Anschluss verbunden ist.