[发明专利]功率开关的热观测器以及过载保护

说明书

本发明涉及功率开关的热观测器以及过载保护。本发明提出嵌入到功率半导体器件中的温度传感器的放置。这样，至少一个该嵌入的温度传感器被放置在功率半导体电路的热源、有源区或沟道内，或者被放置为靠近功率半导体电路的热源、有源区或沟道，并且至少一个该嵌入的温度传感器被放置为更进一步远离该功率半导体电路的该热源、有源区或沟道。此外，提供一种新的温度测量方法，该方法采用温度测量的定时以及调节测量参数为合适的阈值。

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，并且涉及检测并用于保护导致温度升高的故障运行状态，例如在短路情形的情况下。更特别的是，本发明涉及用于功率半导体电路或开关的热观测器件以及用于功率半导体电路或开关的过载保护方法。

本发明提出了用于功率半导体电路或开关的热观测器以及过载保护。某些种类的功率半导体开关通常称作“智能开关”，并且可包括功率晶体管(即，在高侧结构中)以及用于管理的控制芯片。特别是，控制芯片可包括用于防止过载情形的过电流或过温检测电路。

背景技术

功率半导体电路或开关可用于为电气负载提供电功率。在功率半导体电路或开关的保护领域，短路/过载情形下的能量容量是器件可靠性的一个限制因素。已知的功率半导体电路包括至少一个可控功率半导体开关，该功率半导体开关产生废热，该废热导致功率半导体电路或开关存在过热的危险，其可能导致短路事件。为了控制所述废热以及过热的危险，一个或多个温度传感器可被热耦合到该功率半导体开关上。

在当前的技术中，功率半导体电路或开关内的短路事件由跟随过温或者温度增量(delta temperature)切断的电流极限值来保护，并且如果扩散金属氧化物半导体(DMOS)元件的温度下降到给定绝对值或者相对参考值以下，允许重新激励(reactivation)功率电路或器件的沟道。例如，已知的开关采用这个保护方案进行工作。其他已知的保护实施方式基于过电流切断以及允许负载激励的限制的重试次数(族，)。

由于温度传感器和功率半导体电路或开关的有源区之间的热耦合并不是优选的，特别是，当由于技术局限性仅将其放置在控制芯片中时，温度传感器可不反应或者可不足够迅速地反应、以在退磁期间指示有源区的温度。结果是，控制电路不能立即检测到半导体器件的过热，结果，DMOS不能均匀冷却，以致可出现局部峰值温度，而没有在短时间段内检测到它们的给定的可能性。

这样可导致在半导体电路或开关内产生热点，结果导致DMOS器件成丝并且过早的损坏。由于多个重启情况，这样的关键的热点温度还可出现在早期运行阶段。这是因为热在DMOS最热的区域中产生热点，由于在接近的串联(series)中连续的重试，因此DMOS最热的区域可能不能足够快速地冷却，尽管有温度传感器系统的信息，但其不能显示超过预定极限的损坏性温度。

已知的温度增量保护理念在重复性短路情形期间采用可靠性改进，但是仍然不能避免切断后消耗的高能量，尤其是在多个重启情景下。其他已知的保护理念依赖于从热特性的全部知识和开始的温度以及启动器件温度的全部计算。这样的已知的理念具有所需要的努力较高或者电路区域较大的缺陷，并且包含到用于长的热时间常数模拟的成本的缺陷。在新一代DMOS器件中，因为成本原因减小了有源区，并且在某些应用情形下，非常高的功率峰值以及能量密度不得不由小的硅区耗散。因此，需要有效的高温以及过载保护理念。