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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ansteuern Halbleiterschaltelements in Gestalt eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors, der einen ersten Hauptanschluss und einen zweiten Hauptanschluss, zwischen denen ein Kanal gebildet ist, umfasst.
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Halbleiterschaltelemente werden beispielsweise als Leistungsschaltelemente eingesetzt. Bei diesen besteht die Notwendigkeit, die Temperatur des Halbleiterschaltelements zu überwachen, um einen sicheren Betrieb des Halbleiterschaltelements und eines das Halbleiterschaltelement umfassenden Moduls (auch als System bezeichnet) im Ganzen zu ermöglichen. Im Fall einer zu hohen Temperatur muss durch eine das Halbleiterschaltelement ansteuernde Schaltungsanordnung ein sicheres Abschalten gewährleistet sein.
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Hierzu werden beispielsweise externe Temperatursensoren, z.B. NTC-Temperatursensoren, eingesetzt. Diese werden z.B. in dem das Halbleiterschaltelement beinhaltenden Modul auf einer Trägerplatte angeordnet, auf der auch das Halbleiterschaltelement angeordnet ist. Alternativ werden die externen Temperatursensoren auch direkt auf einer Wärmesenke in unmittelbarer Nähe zu dem Halbleiterschaltelement angeordnet. In beiden Fällen ist die Temperaturmessung jedoch mit großen Unwägbarkeiten verbunden. Dies resultiert vor allem aus der thermischen Kapazität der Trägerplatte oder der Wärmesenke sowie deren thermischen Verhalten. Die Zeitkonstante der thermischen Trägheit reduziert die Reaktionsgeschwindigkeit eines Temperaturüberwachungsschaltkreises. Dies kann zu einer dynamischen Überhitzung des Moduls und sogar zu einem thermischen Ausfall führen.
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Um dies zu vermeiden, wäre die Erfassung der tatsächlichen Temperatur des Halbleiters des Halbleiterschaltelements erforderlich. Dies kann durch den oben erwähnten externen Temperatursensor jedoch nicht geleistet werden.
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Es ist beispielsweise von Leistungs-Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFETs) bekannt, die inhärente pn-Übergangstemperaturcharakteristik zur Bestimmung der Chip-Temperatur zu nutzen. Dabei wird die Rückwärts-Diode (sog. Body Diode) als Temperatursensor verwendet. Für den tatsächlichen Betrieb eignet sich diese Vorgehensweise jedoch nicht, da die Body-Diode während des Betriebs Freilauf- oder Rückwärtsströme trägt. Somit kann die Temperatur durch diese Methode lediglich nach dem Abschalten der Last gemessen werden, wobei hierzu ein Messsignal durch die Body-Diode genutzt wird. Die Messmethode wird derzeit im Rahmen der Fertigung vor dem Einbau des Halbleiterschaltelements in ein Modul zur Bestimmung von Datenblattangaben genutzt. Ebenso ist es bekannt, dieses Verfahren zur Charakterisierung des Alterungsverhaltens zu verwenden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ansteuern eines Halbleiterschaltelements anzugeben, welche eine präzisere Bestimmung der Temperatur im Betrieb des Halbleiterschaltelements ermöglichen.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die pn-Übergangscharakteristik bei einem Sperrschicht-Feldeffekttransistor (Junction Field Effect Transistor, JFET) genutzt werden kann, um dessen Temperatur zu bestimmen.
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Es wird daher eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors vorgeschlagen, der einen Steueranschluss sowie einen ersten Hauptanschluss und einen zweiten Hauptanschluss, zwischen denen ein leitender Kanal gebildet ist, umfasst. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Einheit zur Erzeugung eines Ansteuersignals, durch das der Sperrschicht-Feldeffekttransistor zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand wechselnd hin- und her geschaltet wird. Die Schaltungsanordnung umfasst weiter eine Einheit zur Stromauswertung, die zwischen dem Steueranschluss und dem zweiten Hauptanschluss verschaltet ist. Die Einheit zur Stromauswertung ist dazu ausgebildet, den durch den Steueranschluss fließenden inversen Strom zu messen und aus der Höhe des gemessenen Stroms die absolute Temperatur des Sperrschicht-Feldeffekttransistors zu bestimmen, wenn bzw. sobald die Einheit zur Erzeugung des Ansteuersignals beim Übergang von dem ersten Schaltzustand zu dem zweiten Schaltzustand die zwischen dem Steueranschluss und dem zweiten Hauptanschluss anliegende Spannung über die Punch-through Spannung hinaus gesteuert hat.
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Es wird weiter ein Verfahren zum Ansteuern eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors vorgeschlagen, der einen Steueranschluss sowie einen ersten Hauptanschluss und einen zweiten Hauptanschluss, zwischen denen ein Kanal gebildet ist, umfasst. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Einheit zur Erzeugung eines Ansteuersignals, durch das der Sperrschicht-Feldeffekttransistor zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand wechselnd hin- und her geschaltet wird, und eine Einheit zur Stromauswertung, die zwischen dem Steueranschluss und dem zweiten Hauptanschluss verschaltet ist. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren misst die Einheit zur Stromauswertung den durch den Steueranschluss fließenden inversen Strom und bestimmt aus der Höhe des gemessenen Stroms die absolute Temperatur des Sperrschicht-Feldeffekttransistors, wenn bzw. sobald die Einheit zur Erzeugung des Ansteuersignals beim Übergang von dem ersten Schaltzustand zu dem zweiten Schaltzustand die zwischen dem Steueranschluss und dem zweiten Hauptanschluss anliegende Spannung über die Punch-through Spannung hinaus gesteuert hat.
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Gemäß dem Gedanken der Erfindung wird die Temperaturabhängigkeit der Gate-Diode des Sperrschicht-Feldeffekttransistors für die Temperaturmessung herangezogen. Hierdurch wird eine direkte hochdynamische und exakte Temperaturüberwachung während des Betriebs des Haltleiterschaltelements Sperrschicht-Feldeffekttransistoren ermöglicht.
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Dabei macht man sich den Umstand zunutze, dass der Widerstand des p-n-Übergangs, d.h. der Gate-Diode, abhängig von der gerade vorherrschenden Temperatur ist. Durch die Auswertung des inversen Stroms, d.h. des Gate-Stroms, welcher wiederum abhängig vom gerade vorherrschenden Widerstand ist, kann damit ein Rückschluss auf die am p-n-Übergang vorherrschende Temperatur geschlossen werden. Dieses Vorgehen ist allgemein bei solchen Halbleiterschaltelementen während des Betriebs des Halbleiterschaltelements möglich, bei denen der Steueranschluss (das Gate) nicht durch ein Oxid vom Kanal getrennt ist.
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Um den inversen Strom, der nachfolgend auch als inverser Gate-Strom bezeichnet ist, zur Bestimmung der gerade vorherrschenden Temperatur messen zu können, ist es vorgesehen, dass während der Zeitdauer, in der das Halbleiterschaltelement ausgeschaltet ist, dieses über die Punch-through-Spannung hinaus zu steuern. Ab dem Erreichen der Punch-through-Spannung tritt ein Rückwärtsstrom vom zweiten Hauptanschluss, d.h. dem Source-Anschluss, in Richtung des Steueranschlusses, d.h. dem Gate-Anschluss, auf, welcher für die Bestimmung der Temperatur genutzt wird. Der dabei auftretende Rückwärtsstrom führt, sofern er nicht einen bestimmten Wert übersteigt, zu keiner Schädigung des Halbleiterschaltelements, da er reversibel ist.
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Der Vorteil des Vorgehens besteht darin, dass die Messung grundsätzlich unabhängig von dem, über den Kanal des Halbleiterschaltelements fließenden Laststrom stattfindet und zu einem Zeitpunkt vorgenommen wird, zu dem kein Laststrom fließt. Damit kann die Messung hochpräzise durchgeführt werden. Insbesondere können hierdurch Unterbrechungen eines das Halbleiterschaltelement beinhaltenden Moduls aufgrund von Übertemperaturen vermieden werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Betriebsbereich des Halbleiterschaltelements aufgrund der präziseren Temperaturbestimmung gegenüber einem Halbleiterschaltelement mit einer herkömmlichen Messung erweitert werden kann. Darüber hinaus kann die fortlaufende Überwachung der Temperatur des p-n-Übergangs dazu verwendet werden, die Zuverlässigkeit, das Alterungsverhalten und ein Lebenszyklusend (end-of-life) zu bestimmen bzw. vorherzusagen.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist die Einheit zur Erzeugung des Ansteuersignals dazu ausgebildet, die zwischen dem Steueranschluss und dem zweiten Hauptanschluss anliegende Spannung maximal bis zu einer Spannung zu steuern, bei der der Strom durch den Steueranschluss einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet. Die Punch-through-Spannung wird als Parimärdurchbruch oder „primary breakthrough“ bezeichnet. Übersteigt die zwischen dem Steueranschluss und dem zweiten Hauptanschluss anliegende Spannung, d.h. Source-Gate Spannung, die Punch-through-Spannung erheblich, so wäre durch Überstrom eine irreversible Zerstörung des Halbleiterschaltelements die Folge. Dies kann durch Begrenzung der maximalen Spannung, die für die Messung verwendet werden darf, vermieden werden.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Einheit zur Erzeugung des Ansteuersignals dazu ausgebildet, die zwischen dem Steueranschluss und dem zweiten Hauptanschluss anliegende Spannung für die Dauer der Messung des inversen Stroms konstant zu halten. Dies ermöglicht eine präzise Messung des Stroms, wenn das Halbleiterschaltelement sperrend geschaltet und die Gate-Diode in rückwärts Richtung gesteuert ist.
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Zweckmäßigerweise besteht der Sperrschicht-Feldeffekttransistor aus Silizium-Carbid.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Einheit zur Erzeugung des Ansteuersignals einen Mikroprozessor zur Erzeugung eines pulsweiten modulierten (PWM) Signals. Weiter umfasst die Einheit zur Erzeugung des Ansteuersignals eine Einheit zur Detektion, ob der Sperrschicht-Feldeffekttransistor den zweiten Schaltzustand annimmt, um die Einheit zur Stromauswertung für die Dauer des zweiten Schaltzustands von dem Mikroprozessor zu trennen. Insbesondere ist die Einheit zur Detektion, ob der Sperrschicht-Feldeffekttransistor den zweiten Schaltzustand annimmt, dazu ausgebildet, die Einheit zur Stromauswertung für die Dauer der Messung des inversen Stroms von dem Mikroprozessor zu trennen.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors, welche eine Temperaturbestimmung des Halbleiters ermöglicht,
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2 ein Diagramm, das die typische Charakteristik des Gate-Stroms in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung illustriert,
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3 ein Diagramm, das den inversen Gate-Strom in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung im ausgeschalteten Zustand eines Halbleiterschaltelements zeigt, und
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4 ein Diagramm, das den für die temperaturabhängige Bestimmung des inversen Gate-Stroms in Abhängigkeit von dem für die Messung verwendeten Spannungsbereich der Gate-Source-Spannung zeigt.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 20 zum Ansteuern eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors 10. Beispielsweise kann es sich bei dem Sperrschicht-Feldeffekttransistor 10 um einen Silizium-Carbid-Feldeffekttransistor (SiC-JFET) handeln. Der Sperrschicht-Feldeffekttransistor 10 umfasst einen Steueranschluss G (Gate) sowie einen ersten Hauptanschluss D (Drain) und einen zweiten Hauptanschluss S (Source). Zwischen dem ersten Hauptanschluss D und dem zweiten Hauptanschluss S ist ein Kanal gebildet, über den ein Strom fließen kann, wenn der Sperrschicht-Feldeffekttransistor 10 leitend geschaltet ist. Eine zwischen dem zweiten Hauptanschluss (S) und dem ersten Hauptanschluss (D) vorhandene Body-Diode ist mit 11 gekennzeichnet.
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Beispielsweise ist der Steueranschluss G des Sperrschicht-Feldeffekttransistors mit einem Bereich vom p-leitenden Typ verbunden, welcher in einem n-leitenden (Substrat-)Material angeordnet ist. Der Bereich vom p-leitenden Typ bildet eine p-n-Diode zu dem n-leitenden Material des Sperrschicht-Feldeffekttransistors. Ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) ist ein Halbleiterschaltelement, das ohne Ansteuersignal leitend geschaltet ist. Ein solches Bauelement wird als „normally-on“ Halbleiterschaltelement bezeichnet. Um zu verhindern, dass über den Kanal ein Strom fließt, ist es erforderlich eine negative Spannung an dem Steueranschluss G in den Bezug auf den zweiten Hauptanschluss S anzuliegen, um das Halbleiterschaltelement sperrend zu schalten.
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Die nachfolgend im Detail näher beschriebene Schaltungsanordnung 20 ermöglicht die Bestimmung der Temperatur am oben erwähnten p-n-Übergang, d.h. der Gate-Source-Diode. Dabei kann die Temperatur im Betrieb des Halbleiterschaltelements bestimmt werden.
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Die Schaltungsanordnung 20 umfasst eine Einheit 21 zur Detektion einer Desaturation, einen Fehlerspeicher 22, eine Einheit 23 zur Stromerfassung und -auswertung, ein Schaltelement 24, einen Treiber 25, ein Gatter 26 und einen ein Ansteuersignal erzeugenden Mikroprozessor 28. Das Ansteuersignal ist ein pulsweiten moduliertes Signal (PWM-Signal), das von dem Mikroprozessor 28 abgegeben wird. Über das Gatter 26, das eingangsseitig ferner mit einem Ausgang des Fehlerspeichers 22 verbunden ist, wird das PWM-Signal über das Schaltelement 24 und die Einheit 23 zur Stromerfassung und -auswertung an den Steueranschluss G des Sperrschicht-Feldeffekttransistors 10 angelegt, wodurch der Sperrschicht-Feldeffekttransistor entsprechend des Ansteuersignals abwechselnd sperrend und leitend geschaltet wird.
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Die Einheit 23 zur Stromerfassung und -auswertung ist zwischen dem Steueranschluss G und dem zweiten Hauptanschluss S verschaltet. In üblicher Weise ist ein Widerstand 27 (Gate-Widerstand) zwischen der Einheit 23 zur Stromerfassung und -auswertung und dem Steueranschluss G vorgesehen. Die Einheit 21 zur Detektion einer Desaturation ist mit dem ersten Hauptanschluss D (Drain-Anschluss) verbunden. Die Einheit 21 zur Detektion einer Desaturation detektiert, welchen Zustand (sperrend oder leitend) der Sperrschicht-Feldeffekttransistor 10 aufweist. Diese Information wird zum Steuern des Schaltelements 24 verwendet. Das Schaltelement 24 ist geöffnet, wenn der Sperrschicht-Feldeffekttransistor 10 sperrend geschaltet ist (d.h. JFET = OFF oder AUS).
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Ausgangsseitig ist die Einheit 21 zur Detektion einer Desaturation mit dem Treiber 25 verbunden, der die Schaltstellung des Schaltelements 24 zum Ein- und Ausschalten des Sperrschicht-Feldeffekttransistors 10 steuert. Ferner ist die Einheit 21 zur Detektion der Desaturation mit dem Fehlerspeicher 22 gekoppelt. Bei einem auftretenden Fehler wird ein entsprechendes Fehlersignal an das Gatter 26 gelegt, so dass das am Ausgang des Gatters 26 anliegende Signal das Sperren des Sperrschicht-Feldeffekttransistors 10 sicher stellt. Die Einheit 29 zum Ausblenden von Überstromspitzen (sog. „blanking time“) empfängt das Ausgangssignal des Gatters 26 ebenfalls. Die Einheit 29 dient zum Ausblenden zum Überstromspitzen, z.B. während der Kommutation. Ausgangsseitig ist die Einheit 29 mit der Einheit 21 zur Detektion einer Desaturation verbunden.
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Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht einem herkömmlichen Treiber eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors. Gegenüber dem herkömmlichen Sperrschicht-Feldeffekttransistor-Treiber ist lediglich zusätzlich die Einheit 23 zur Stromerfassung und -auswertung vorgesehen. Diese kann beispielsweise als einfache Operationsverstärkerschaltung vorgesehen sein.
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Während des Betriebs des Sperrschicht-Feldeffekttransistors 10 kann dann, wenn das Halbleiterschaltelement ausgeschaltet, d.h. sperrend geschaltet ist (Schaltelement 24 ist geöffnet), durch die Einheit 23 ein inverser Strom detektiert wird, welcher vom zweiten Hauptanschluss S zum Steueranschluss D fließt. Der Strom fließt dann, wenn die Gate-Diode, d.h. der p-n-Übergang zwischen Steueranschluss G und zweitem Hauptanschluss S, rückwärts gesteuert ist und die (negative) Gate-Source-Spannung über die Pinch-off-Spannung hinaus gesteuert ist. Dies ist unmittelbar nach dem Ausschalten des Halbleiterschaltelements und der Beendigung des Kommutationsprozesses der Fall. Währenddessen kann dann der (negative) Gate-Strom gemessen und zur Ermittlung der absoluten Temperatur am p-n-Übergang ausgenutzt werden. Dazu ist es erforderlich, das Verhalten des Sperrschicht-Feldeffekttransistors zu kennen.
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In 2 ist ein Diagramm dargestellt, das den (positiven) Gate-Strom Ig in Abhängigkeit der Gate-Source-Spannung Vgs für einen SiC-Sperrschicht-Feldeffekttransistor zeigt. In dem Diagramm sind drei experimentell ermittelte I-U-Verläufe in Abhängigkeit der Temperatur an p-n-Übergang dargestellt. Dabei ist gut erkennbar, dass, je höher die Temperatur am p-n-Übergang ist, der Strom mit geringerer Gate-Source-Spannung ansteigt. Während bei einer Temperatur von 25°C (strichpunktierte Linie) der Gate-Strom Ig erst bei einer Gate-Source-Spannung Vgs zu steigen beginnt, beträgt der Strom Ig bei einer Temperatur von 75°C (gestrichelte Linie) etwa 5 mA und bei 125°C (durchgezogene Linie) etwa 20 mA.
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3 zeigt ein Diagramm, das den inversen Gate-Strom (–Ig) über der negativen Gate-Source-Spannung (–Vgs) zeigt. In diesem Diagramm sind exemplarisch jeweils drei experimentell ermittelte Kurven für zwei unterschiedliche SiC-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren eingezeichnet, wobei die zu einem ersten SiC-Sperrschicht-Feldeffekttransistor gehörigen Kurven mit 310 und die zu einem zweiten Siliziumcarbid-Sperrschicht-Feldeffekttransistor gehörigen Kurven mit 320 gekennzeichnet sind. Es sind jeweils Messkurven für eine am p-n-Übergang vorherrschende Temperatur von 25°C, 125°C und 200°C eingezeichnet. Die Kurven können mit einem beliebigen Verfahren ermittelt sein.
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Wie in 4 dargestellt, erfolgt durch die Schaltungsanordnung eine Steuerung der Gate-Source-Spannung Vgs derart, dass diese über der Punch-through-Spannung UPT liegt. Bei einer gegebenen Gate-Source-Spannung Vgs = Messspannung Umess entspricht ein bestimmter inverser Gate-Strom –Igs (= Messstrom Imess) einer bestimmten Temperatur (z.B bei –5mA bei 25°C). Erhöht sich die Chiptemperatur z.B. auf 125°C wird bei derselben Spannung Vgs = Umess erhöhter Strom Igs fließen(z.B –15mA). Diese Stromänderung (im Beispiel: Erhöhung von –5 auf –15mA) wird ausgewertet.
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Die Messung des inversen Gate-Stroms Igs kann in dem mit III gekennzeichneten Spannungsbereich, der von der Punch-through-Spannung UPT (z.B. –28V) bis zu einer maximal zulässigen Spannung Umax reicht, erfolgen. Die maximale Messspannung Umess = Umax ist abhängig von einem vorgegebenen Maximalwert des durch den Steueranschluss fließenden Stroms. Würde zu Messzwecken die maximale Messspannung Umess = Umax überschritten werden, so besteht in dem mit dem IV gekennzeichneten Bereich die Gefahr eines sekundären Durchbruchs, welcher zur Zerstörung des Sperrschicht-Feldeffektstransistors führen würde.
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Typischerweise wird zum Ausschalten des Sperrschicht-Feldeffekttransistors die Gate-Source-Spannung in den mit II gekennzeichneten Bereich gesteuert, d.h. die Spannung liegt im Bereich zwischen der Pinch-Off-Spannung UPO (im Beispiel: –22V) und der Punch-through-Spannung UPT (im Beispiel: –28V). Liegt die zwischen Gate und Source anliegende Spannung in diesem mit II gekennzeichneten Bereich, so ist der Feldeffekttransistor nicht leitend, d.h. gesperrt. Demgegenüber ist der Sperrschicht-Feldeffekttransistor leitend, wenn er sich in dem I gekennzeichneten Bereich befindet, d.h. die Gate-Source-Spannung Vgs kleiner als die Pinch-Off-Spannung UPO ist.
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Sind die Referenzwerte bekannt, so kann durch die Einheit 23 zur Stromerfassung und -auswertung durch einen einfachen Vergleich des gemessenen negativen Gate-Stroms mit den in einem Speicher hinterlegten Messkurven auf die tatsächliche Temperatur am p-n-Übergang des Sperrschicht-Feldeffekttransistors 10 geschlossen werden.
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Dies kann präzise und mit einer praktisch nicht vorhandenen Zeitverzögerung erfolgen. Dadurch kann insbesondere eine durch Übertemperatur bedingte Abschaltung eines die Anordnung enthaltenen Modules verhindert werden. Das Verfahren kann dazu verwendet werden, die Zuverlässigkeit, das Alterungsverhalten und das voraussichtliche Ende der Lebenszeit zu ermitteln.