专利名称：集成智能功率开关的制作方法
技术领域：
本发明实施例主要涉及半导体和系统。更确切地说，本发明涉及用于操作、控制和监测功率半导体及系统的系统、方法和器件。
背景技术：
功率半导体器件已为本领域技术人员所熟知，并且通常用于功率转换、调节和控制。作为功率系统的结构单元，功率半导体器件在开关和线性两种模式下工作。功率半导体满足像小重量和体积、高电路级可靠性、故障隔离、及诊断能力这种矛盾的需求。
功率晶体管是一种功率半导体，用于功率范围从瓦到兆瓦的多种应用中。虽然大多数应用使用开关模式的功率半导体，而另外一些应用需要器件在线性模式下工作。这种应用包括恒定电流电容器充电和放电、加载时电压逐步增大(“软启动”)、及电感负载开关。
例如，在2003年10月24日提交、2004年5月20日公布为U.S.2004/0095023、序列号为10/692,580、案卷号为RTN183AUS、发明人为Boris S.Jacobson等的“Intelligent Power System”中可以找到用于受控模式功率系统的应用。
例如，图1示出了通过从电压电源Vin对电容器组C1-Cn充电而工作在线性模式下的晶体管Q，而图2是示出了用于图1中晶体管电路的参数的曲线图。t0之前，晶体管阻断电源电压。在t0点晶体管逐渐导通而开始对电容器组充电。在t0-t1时间间隔期间，向传导恒定电流的晶体管施加线性衰减的电压。晶体管耗散的功率为P＝1/(t1-t0)∫IV(t)dt，其中V(t)是加在晶体管上的电压，积分区间是从t0到t1，I是流过晶体管的恒定电流。
与公知为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的一种功率晶体管相关的问题是，它们可优化为开关并且不能维持与以线性模式工作相关的连续功率耗散。这样的一个原因是被称为过热点或电流隧穿的现象。对于理想的器件，整个管芯上的电流密度和温度分布两者通常都均匀。然而，管芯附着材料上的不均匀的掺杂和空隙可引起整个器件上的电流密度和温度的变化。晶体管栅极阈值电压Vth通常具有负温度系数。从而，当管芯的某些区域(尤其接近管芯中心)开始在较高温度下运行时，这些区域的Vth下降并且晶体管增益Gm迫使电流密度局部增大。较高的电流进一步使增益增大，最终导致器件的热耗散和突变失效。因此，电流隧穿事实上阻碍了目前在线性应用中使用可用的MOSFET和IGBT。
例如，图3是晶体管的晶体管栅极阈值电压作为温度的函数的曲线图，其中晶体管例如为图1中的晶体管Q。如图3所示，晶体管栅极阈值电压Vth具有负温度系数。因而，当管芯的某些区域(尤其接近管芯中心)开始在较高温度下运行时，这些区域的Vth下降并且晶体管增益Gm迫使电流密度局部增大。较高的电流进一步使增益增大，最终导致器件的热耗散和突变失效。
作为另一个例子，图4是晶体管的晶体管栅极-源极电压对多种漏极电流的结温曲线的曲线图，其中晶体管为例如图1中的晶体管Q。与图4中零点斜率(zero-slope)曲线对应的Id值被称为交叉电流Icrc。提高线性模式下的晶体管性能的最有效的方法之一是降低其交叉电流。
与较早各代的器件相比，利用最新工艺技术制造的MOSFET器件往往有较低的栅极电荷、较低的栅极-漏极电荷、以及较低的导通电阻RDSon。例如，表1示出了通过先进功率技术(APT)制得的三代APT5010MOSFET的交叉电流。与较早各代的器件相比，利用最新的MOS VI工艺制得的APT5010LLC具有较低的栅极电荷、较低的栅极-源极电荷、以及较低的导通电阻RDSon。遗憾的是，当该器件的开关性能提高时，交叉电流增大而其线性工作恶化。因此，可以看出电流隧穿很大地阻碍了目前在线性应用中使用电流MOSFET和IGBT。
表1 多种工艺的晶体管交叉电流 传统功率半导体器件可能遇到问题的另一个区域是在其安全工作区。通常，正向偏置安全工作区(FBSOA)曲线定义了功率器件在其导通或正向偏压状态期间可维持的最大漏极电压和电流。反向偏置安全工作区(RBSOA)曲线定义了当晶体管漏极电压施加到其额定漏极-源极击穿电压BVDSS时，电感负载关闭之下的峰值漏极电流和电压。图5是正向偏置安全工作区(FBSOA)曲线的说明性曲线图，图6是反向偏置安全工作区(RBSOA)曲线的说明性曲线图。
可以预料晶体管在所有状态下必须工作在FBSOA和RBSOA的固定边界之内。然而，FBSOA和RBSOA曲线仅限定了最大漏极-栅极电压额定值。否则，与显示器件的绝对限值相反，该曲线表示经常称为平均故障间隔时间(MTBF)的“可接受”可靠性区域。而且，FBSOA曲线通常示出25℃的管壳温度下的单电流脉冲和若干不同脉冲宽度的数据。因为大多数应用需要连续工作和较高的管壳温度，对于每个特定的管壳必须重新计算FBSOA。
结果，许多设计不能耐受改变的环境或电路条件，例如在突然遇到冷却液流量降低或向停止的电动机提供较高的电流时工作在较高的结温下。提供可耐受改变的环境条件的功率半导体器件的一个途径是为应用提供特大型器件。然而，这种特大型化仍不能防止器件在一种工作模式下未被充分利用而在另一种模式下过载。
目前，功率晶体管遭遇缺乏诊断和预测，其中难以确定工作中的功率半导体是否有任何故障。确定了失效可能原因的真相之后可检查失效器件。功率半导体晶体管可靠性的普通预测方法依赖于器件结温。该预测方法基于理论模型并忽略制造缺陷或实际工作条件。例如，现有的预测功率晶体管可靠性的方法不解释由于过载管芯接触衬底或缺陷安装于散热器引起的器件失效。而且，根据目前存在的功率处理能力，没有检查和校准安装后的晶体管的方法。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供一种器件，其包括可控半导体器件、第一传感器和控制器。该可控半导体器件(例如，功率晶体管、静电感应晶体管(SIT)、晶闸管、MOS控制晶闸管(MCT)、栅极可关断(GTO)晶闸管、以及发射极可关断(ETO)晶闸管中至少之一)与第一工作参数和第二工作参数相关，其中至少第一工作参数是可控制的。
例如，第一工作参数可包括以下至少之一漏极-源极电压、集电极-发射极电压、阳极-阴极电压、栅极电压、栅极电流、基极电流、平均漏极器件电流、平均集电极器件电流、平均阳极器件电流、峰值漏极电流、峰值集电极电流、峰值阳极电流、RMS漏极电流、RMS集电极电流、RMS阳极电流、管芯温度、管壳温度、结温(TJ)、开关频率、以及占空比。
例如，第二工作参数可包括以下至少之一栅极驱动、基极驱动、晶体管偏压、安全工作区(SOA)条件、漏极-源极电压阈值(VDS)、RMS漏极电流阈值(IDRMS)、正向和反向偏置安全工作区(SOA)脉冲电流阈值(IDM)、由漏极-源极导通电阻(RDS(on))限定的正向偏压SOA漏极电流(ID)边界、以及功率器件的工作区。
第一传感器(例如，温度传感器、电压传感器、以及电流传感器中至少之一)与可控半导体器件通信，并且第一传感器获得与可控半导体器件的第二工作参数相关的数据。第一传感器可在多个位置监测可控半导体。还可提供附加传感器，如获得影响可控半导体的环境条件(例如，温度、冷却液流量、及湿度水平中至少之一)和机械条件(例如，应力、张力、压力、运动、振动、加速度、及震动中至少之一)中至少之一的传感器。
控制器与可控半导体器件和传感器通信。控制器配置为可访问与可控半导体器件相关的器件数据、控制可控半导体的第一工作参数接收来自第一传感器的与第二工作参数相关的数据。控制器根据器件数据确定第一预测值、比较与第二工作参数相关的数据和第一预测值、以及如果基于该比较而检测到第一状况(例如，温度过高、电流隧穿、过功率、过电流、过电压、冷却液问题、散热器问题、管芯缺陷、管芯互连连结缺陷、管芯附着缺陷、以及器件封装装配缺陷中至少之一)，则控制器动态修正第一工作参数。
在另一实施例中，本发明提供一种操作可控半导体的方法，其中可控半导体与第一传感器通信。激活可控半导体，并且控制第一工作参数(例如，漏极-源极电压、集电极-发射极电压、阳极-阴极电压、栅极电压、栅极电流、基极电流、平均漏极器件电流、平均集电极器件电流、平均阳极器件电流、峰值漏极电流、峰值集电极电流、峰值阳极电流、RMS漏极电流、RMS集电极电流、RMS阳极电流、管芯温度、管壳温度、结温(TJ)、开关频率、以及占空比中至少之一)。
监测第二工作参数(例如，栅极驱动、基极驱动、晶体管偏压、安全工作区(SOA)条件、漏极-源极电压阈值(VDS)、RMS漏极电流阈值(IDRMS)、正向和反向偏置安全工作区(SOA)脉冲电流阈值(IDM)、由漏极-源极导通电阻(RDS(on))限定的正向偏压SOA漏极电流(ID)边界、以及可控半导体的工作区中至少之一)。
访问与可控半导体相关的器件数据信息(例如，击穿漏极-源极电压BVDSS、击穿漏极-源极电压BVDSS保护阈值、额定漏极-源极电压VDSS、额定漏极-源极电压VDSS保护阈值、最大单脉冲电流IDM、最大单脉冲电流IDM保护阈值、连续漏极电流ID、连续漏极电流ID保护阈值、雪崩电流IAR、雪崩电流IAR保护阈值、在预定结温Tj下的单脉冲的默认正向偏置安全工作区(FBSOA)、在预定结温Tj下的单脉冲的默认反向偏置安全工作区(RBSOA)、标准和雪崩模式中至少之一的结-管壳瞬态热阻抗曲线、散热器-管壳热阻抗Zthhc、结-管壳热阻抗Zthjc、在预定温度T下的导通电阻(RDS(on)(T))、作为温度的函数的归一化导通电阻RDS(on)、THS(PM)(作为耗散功率的函数的散热器温度THS)、结温TJ阈值、集成体二极管(integral body diode)的反向恢复电荷Qrr及集成体二极管的Qrr的反向恢复时间trr中至少之一)。
基于器件数据信息和第二工作参数，对是否存在第一状况(例如，温度过高、电流隧穿、过功率、过电流、过电压、冷却液问题、散热器问题、管芯缺陷、管芯互连连接缺陷、管芯附着缺陷、以及器件封装装配缺陷中至少之一)作出判定。
如果存在第一状况，则实施第一操作。例如，该第一操作可为以下至少之一 (a)调节可控半导体的工作； (b)关闭可控半导体； (c)中断可控半导体的工作； (d)切换可控半导体的工作模式； (e)基于所检测到的第一状况确定可控半导体的安全工作区(SOA)条件，并调整第一参数以维持SOA； (f)检查不同的第二工作参数； (g)诊断第一状况； (h)基于第一状况确定是否可能发生第二状况，第二状况包括以下至少之一温度过高、电流隧穿、过功率、过电流、过电压、冷却液问题、散热器问题、管芯缺陷、管芯连接缺陷、管芯附着缺陷、器件封装装配缺陷、功率器件的热界面问题、功率器件的可靠性降低、高电流负载下功率器件失效、以及高功率负载下功率器件失效；以及 (i)提供通知。
在另一实施例中本发明提供用于确定可控半导体的工作条件的方法，其中可控半导体具有结和管壳，该方法包括 访问与可控半导体相关的器件数据，该器件数据包括预定平均故障间隔时间(MTBF)； 计算可控半导体的结和管壳之间的热阻抗Zthjc； 至少周期性地测量可控半导体的结温Tj和管壳温度Tc； 至少部分基于Tj、Tc、和Zthjc计算可允许的耗散功率；以及 至少部分基于可允许的耗散功率和MTBF为可控半导体定义至少一个动态的安全工作区(SOA)边界，基于Tj和Tc的周期性测量至少周期性地调节动态SOA。
在另一实施例中，对于能够工作在开关和线性模式下并包括管芯的可控半导体器件，本发明提供用于检测可控半导体器件中的电流隧穿的方法，该方法包括以下无序的步骤 (a)在基本上靠近管芯中心的位置监测中心管芯温度； (b)在基本上靠近管芯外围的位置监测外围管芯温度； (c)如果管芯的中心管芯温度高于外围温度，并且可控半导体的工作模式是开关模式，则停止可控半导体的工作； (d)如果管芯的中心管芯温度高于外围温度，并且可控半导体的工作模式是线性模式，则中断可控半导体的工作并将其工作模式改变为开关模式。
在另一实施例中，本发明提供用于确定可控半导体工作中的实际和潜在错误的方法，该方法包括以下无序的步骤 (a)监测可控半导体的一套参数，该套参数包括器件、工作及温度参数中至少之一； (b)访问一套用于可控半导体的器件数据； (c)至少部分基于这套参数及这套器件数据，确定可控半导体的预测功率耗散和预测结温； (d)测量可控半导体的实际功率耗散和实际结温； (e)比较实际功率耗散和预测功率耗散； (f)比较实际结温和预测结温； (g)至少部分依据(e)和(f)的比较，确定在可控半导体中是否出现了实际错误或可能出现潜在错误；以及 (h)在可控半导体工作期间至少周期性重复步骤(a)到(g)。
在另一实施例中，本发明提供用于确定已安装的器件的功率处理能力的方法，其包括 测量已安装器件的温度； 确定由测试脉冲所预期的已安装器件的预测温度变化； 向已安装器件发送测试脉冲； 测量因测试脉冲引起的已安装器件的实际温度变化；以及 比较实际温度变化与预测温度变化。
在此将更充分地描述本发明的涉及这些的细节和其它实施例。
结合以下详细说明和附图，将更彻底地理解本发明的优势和方面，其中 图1是工作在线性模式下的晶体管电路的示意图； 图2是示出了用于图1中的晶体管电路的参数的曲线图； 图3是图1的晶体管的晶体管栅极阈值电压作为温度的函数的曲线图； 图4是图1的晶体管的晶体管栅极-源极阈值电压与多种漏极电流的结温曲线的关系曲线图； 图5是正向偏置安全工作区(FBSOA)曲线的示例性曲线图； 图6是反向偏置安全工作区(RBSOA)曲线的示例性曲线图； 图7是根据本发明一个实施例的集成智能功率开关(ISPS)的第一方块图； 图8是根据本发明一个实施例的集成智能功率开关(ISPS)的第二方块图； 图9是根据本发明一个实施例的用于控制功率器件的方法的流程图； 图10是根据本发明一个实施例的用于保护功率器件的方法的流程图； 图11是说明了根据本发明一个实施例的正向偏置安全工作区的边界的曲线图； 图12是说明了根据本发明一个实施例的动态安全工区的概念的曲线图； 图13是根据本发明一个实施例的用于动态控制功率器件的安全工作区(SOA)的方法的流程图； 图14是根据本发明一个实施例的用于诊断和预测功率器件的错误的方法的流程图； 图15是根据本发明一个实施例的带有分散控制和集成智能功率开关的智能功率系统的第一示例性方块图； 图16是根据本发明一个实施例的智能功率系统的第二示例性方块图；以及 图17是根据本发明一个实施例的智能功率系统的应用的图示。
这些附图并非按比例绘制，而重点在于说明本发明原理。另外，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施例方式 通过提供使用MOSFET器件、属性和特性的例子，以下描述说明了本发明的某些特征。然而，应该明白在此描述的本发明的概念和实施例适用于许多其它类型的半导体器件，包括但不限于可控半导体、三端半导体、以及例如双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、栅极可关断(GTO)晶闸管、以及发射极可关断(ETO)晶闸管等功率半导体。
一方面，本发明提供向传统功率半导体增加一定水平的功能性的新特征，并且定义和实现新型可重构功率系统。新型可重构功率系统包括一种以下称为集成智能功率开关(ISPS)的器件。至少实施某些ISPS可有助于解决普通功率半导体的多种问题，例如电流隧穿、静态安全工作区(SOA)、缺少诊断信息、缺少校准、以及对已安装器件的不适当检查方法。
至少本发明的某些实现还提供以下有利特征 (1)通过在多处位置监测管芯温度而检测和/或防止电流隧穿； (2)根据对器件所允许的管芯温度、器件电压和/或电流、及器件所需可靠性中的一个或多个，动态控制安全工作区(SOA)； (3)自诊断和预测而检测并提供缺陷预先警告，例如管芯、管芯连接、管芯附着、及器件装配缺陷，从而有助于防止突变失效并增强可靠性； (4)通过脉冲加载校准和检查已安装的器件，并监测已安装的器件的管壳温度； (5)根据其管壳温度上升和/或功率处理能力规划(mapping)器件；以及 (6)预先警告潜在故障。
图7是根据本发明一个实施例的集成智能功率开关(ISPS)100的第一方块图，而图8是根据本发明一个实施例的集成智能功率开关(ISPS)的第二方块图。
参照图7和8，ISPS 100包括可控半导体器件(以下称为可控半导体102并且通过仅在图8中以说明的方式显示为MOSFET功率器件)、至少一个传感器106、以及控制器104。如图7中所示，ISPS 100任选地可包括附加传感器(示为第二传感器106’和第三传感器106″)，并且ISPS 100可向外部负载150提供电力。请注意，在图7的方块图中，出于简便，用单线表示各连接的简单化形式显示连接。例如，第一传感器106可以在多个位置监测可控半导体102，并且可以向控制器104提供多个信号，但图7仍示出了单个连线。
在ISPS 100工作期间，控制器104依据来自传感器106的输入(例如，作为反馈环)控制可控半导体102的工作。例如，如图8所示，控制器104控制可控半导体102的栅极驱动并接收来自传感器106(以及任选地，ISPS 100中其它传感器)的多种检测输入(sensedinput)从而(任选地结合附加信息，例如器件数据125)帮助控制器104确定适当的栅极驱动。控制器104至少周期地接收来自传感器106的数据。有利地，控制器104基本连续地接收来自传感器106的数据，以便控制器可经由其提供给可控半导体102的控制信号迅速且动态地调节可控半导体102的工作。
在图8中，可控半导体102被举例为金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)，但该特定类型的半导体是非限制性的。至少可用于本发明的某些实施例的MOSFET的示例性例子是可由Oregon的Bend公司的高级功率技术得到的并具有元件号为APT10021JFLL的1000V、37A、0.21ohm MOSFET。可控半导体102可以是任何类型的可控半导体器件，包括但不限于三端半导体、功率半导体、包括结型FET(JFET)和MOSFET的场效应晶体管(FET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、静态感应晶体管(SIT)、MOS控制晶闸管(MCT)、栅极可关断(GTO)晶闸管、以及发射极可关断(ETO)晶闸管。
如图8所示，在可控半导体102为MOSFET的例子中，可控半导体102与多种工作参数相关，其中一些参数涉及可外部控制的参数，一些参数(例如，通过传感器)可测量，以及一些参数与可控半导体102自身相关。例如，可测量的可控半导体102的工作参数包括(但不限于)漏极电压、栅极电压、栅极电流、平均漏极器件电流、峰值漏极电流、RMS漏极电流、管芯温度、管壳温度、结温(TJ)、开关频率、以及占空比。
可被控制的(例如，通过控制器104或其它外部控制)可控半导体102的工作参数包括(但不限于)栅极驱动、晶体管偏压、安全工作区(SOA)条件、漏极-源极电压阈值(VDS)、RMS漏极电流阈值(IDRMS)、正向和反向偏置安全工作区(SOA)脉冲电流阈值(IDM)、由漏极-源极导通电阻(RDS(on))限定的正向偏压SOA漏极电流(ID)边界、以及功率器件的工作区。
与器件自身相关的可控半导体102的工作参数包括(但不限于)器件数据125，例如击穿漏极-源极电压BVDSS、击穿漏极-源极电压BVDSS保护阈值、额定漏极-源极电压VDSS、额定漏极-源极电压VDSS保护阈值、最大单脉冲电流IDM、最大单脉冲电流IDM保护阈值、连续漏极电流ID、连续漏极电流ID保护阈值、雪崩电流IAR、雪崩电流IAR保护阈值、在预定结温Tj下的单脉冲的默认正向偏置安全工作区(FBSOA)、在预定结温Tj下的单脉冲的默认反向偏置安全工作区(RBSOA)、标准和雪崩模式中至少之一的结-管壳瞬态热阻抗曲线、散热器-管壳热阻抗Zthhc、结-管壳热阻抗Zthjc、在预定温度T下的导通电阻(RDS(on)(T))、作为温度的函数的归一化导通电阻RDS(on)、THS(PM)(作为耗散功率的函数的散热器温度THS)、结温TJ阈值、集成体二极管(integral bodydiode)的反向恢复电荷Qrr及集成体二极管的Qrr的反向恢复时间trr。
例如，上述的器件数据125可被设置为制造商的数据单的一部分，并可提供给控制器104。在一个实施例中，控制器104访问所需的器件数据125，其中器件数据置于ISPS 100之外。在另一实施例中，控制器104接收器件数据并将其存储于内置存储器(例如，图8的非易失性存储器)中。
工作参数还可包括可影响可控半导体102工作的环境和/或机械参数(在图7中也称为环境信息107机械信息109)。环境参数包括但不限于温度、冷却液流量、湿度水平、及由外部负载消耗的电流。机械参数包括但不限于应力、张力、压力、运动、振动、加速度、及震动。如本领域技术人员理解的那样，环境参数，尤其温度和湿度可能对半导体器件的性能有重要影响。同样，机械参数可影响半导体器件的性能，尤其如果机械参数导致半导体器件全部或局部的物理损坏。
传感器106可以是本领域公知的适于检测上述一个或多个工作参数的任何器件。有利地，至少本发明的某些实施例使用多个传感器(例如，如图7中所示的第一、第二和第三传感器106、106’、和106″)。例如，传感器106可以是电压传感器、电流传感器、温度传感器、机械传感器等。如在图8中所示的，传感器106可以是温度传感器。图8的ISPS 100还包括电流感应108形式的第二传感器，包括感应电阻110。传感器106、电流感应108及感应电阻110共同向控制器104提供工作参数。通过例子，在图8中该工作参数据举例为对控制器104的输入，标示为“温度感应”、“漏极电压感应”、“栅极电压感应”、“栅极电流感应”、以及“电流感应”。
在至少一个实施例中，传感器106配置为在ISPS 100上的多个位置检测相同的参数，作为对特定种类的错误和问题的检测的辅助。例如，在一个实施例中，传感器106配置为在可控半导体102上的多个位置检测温度(例如，可控半导体102的管芯的中心温度、管芯外围的一个或多个点的温度等)。当可控半导体102产生如电流隧穿的问题时，管芯中心的温度高于其外围的温度。因此，检测出管芯中心与其外围之间有温差表明发生电流隧穿。
如本领域技术人员将理解的那样，有多种实施传感器106的方法。例如，传感器106可根据具体应用实施为多个分立传感器、具有用于多个个别点的多个输入的单个传感器、以及许多其它配置。传感器106还可是可控半导体102和/或控制器104的一部分。
控制器104是可编程器件，其能够(a)接收来自一个或多个传感器106的输入；(b)接收偏置功率122(作为输入来驱动可控半导体102)；(c)接收指令/控制信号128；(d)访问和/或存储与可控半导体102相关的器件数据125；(e)处理(a)到(d)中的一个或多个信息从而控制半导体器件的工作；以及(f)提供状态/通知信号124。
如图8所示，在一个实施例中，控制器104包括板上调节器和滤波器112；输入接收偏置功率122(例如绝缘偏置功率)；包括第一接口118和第二接口120的输入和输出信号接口，其中第一接口118用于提供状态、预测和诊断信息124，第二接口120用于接收器件数据和指令信号126；栅极驱动电路114(例如从Texas的TexasInstruments of Dallas可得到的UCD7100)、数字信号处理器(DSP)或任选地具有非易失性存储器(例如用于存储器件数据)的微控制器114；以及模拟/数字(A/D)及数字/模拟(D/A)转换器。
控制器104有利地是可编程的，用于实施图9、10、13、14和15中的一个或多个方法，如下描述。这些方法至少实现本发明的某些新特征，包括但不限于电流隧穿保护、动态安全工作区、诊断和预测、以及已安装的器件的校准。如本领域技术人员将理解的那样，图9、10、13、14和15中的方法实质上可应用于并适用于任何类型的功率器件，尽管尤其通过例子利用实施为MOSFET的可控半导体102来说明这些方法。
例如，在一个实施例中，用于控制如图7和8中的ISPS 100的功率器件的方法，使用在多个位置的对可控半导体102的管芯温度的连续监测，从而检测过热点并防止损坏可控半导体102。当可控半导体102出现电流隧穿时，管芯中心的温度高于其外围温度。因此，检测出管芯中心与其外围之间有温差表明发生电流隧穿。
当可控半导体102工作在开关模式时，如果例如温度传感器等传感器106检测到过热点，则命令可控半导体102截止。或者，如果可控半导体102工作在线性模式下，代替截止，控制器104可中断可控半导体102的工作，将可控半导体102的模式改变为开关，并恢复供应或消耗等量平均电流的工作。在图9中说明了一个实施电流隧穿保护的方法，其为根据本发明一个实施例的用于控制例如ISPS 100等功率器件的控制方法200的流程图。
参照图7、8和9，在控制方法200中，在控制器104处接收器件数据125(方块210)。控制器104可用许多不同的方式接收器件数据125。例如，可通过用户或其他实体向控制器104手动输入器件数据125；控制器可访问存储在别处(例如远程设备上)的器件数据125；控制器104可在其加电(power-up)时初始化而加载器件数据125等。控制器104可远远先于该方法中的其它方块而接收器件数据。而且，在方块210中，器件数据125任选地可存储在ISPS 100中，例如在控制器104的存储器中，如果控制器104具有板上存储器。无论控制器104何时需要器件数据125，控制器104可替换地可访问外部所存储的器件数据125，或者可请求器件数据125。
如果适用，可生成状态或通知消息(方块215)并提供给外部用户。例如，状态消息可包括有关器件数据125的信息。当图9的控制方法200继续时，方块215的状态消息可包括有关对于ISPS 100的安全工作区(SOA)的通知和/或有关已检测到的ISPS 100中的实际或潜在缺陷的通知。
激活ISPS 100(方块220)。例如，对于图1的ISPS，这一点通过控制器104提供给电力器件足够的信号从而激活可控半导体102来实现。例如，如果可控半导体102是MOSFET，将通过控制器104提供给栅极驱动足够的信号从而将MOSFET驱动为线性或开关模式(无论哪种都可应用于指定应用)来激活ISPS。
监测ISPS 100的工作(方块230)。至少周期地进行监测，并且有利地，基本连续地进行监测。监测工作包括监测以下器件和/或工作参数中一个或多个管芯温度、管壳温度、漏极电压、栅极电压、峰值漏极电流、均方根(RMS)漏极电流、平均漏极电流、栅极电流、结温(TJ)、开关频率、以及占空比。
在方块230可监测附加工作参数。例如，可被监测的其它工作参数包括(但不限于)如环境信息109(例如，温度、冷却液流量、湿度水平、和/或由外部负载消耗的电流)等环境参数或条件以及如机械信息109(例如，应力、张力、压力、运动、振动、加速度、和/或震动)等机械参数或条件。
方块230之后，控制方法200的进程分为三种方法，其中每一种可基本同时地执行(但非必须执行)。方块400表示安全工作区(SOA)方法400，在此结合图13进一步解释。方块300表示保护方法300，在此结合图10进一步解释。方块500表示诊断和预测方法500，在此结合图14进一步解释。
应该注意的是，保护方法300(方块300)的一个输出是关闭和故障报告(方块314)，其(如果ISPS 100被关闭)结束ISPS 100的工作(而因此结束控制方法200)。
图10是根据本发明一个实施例的用于保护例如ISPS 100等功率器件的保护方法300的流程图。如本领域技术人员将理解的那样，保护方法300可适用于实质上任何类型的功率器件的保护。保护方法300可作为图9的控制方法200的一部分执行，或可作为独立方法执行。如果图10的保护方法300作为图9的控制方法200的一部分执行，那么经由图9的方块210-230实现方块301部分的方块(包括方块302、304、306)，并且在图10中的方块306之后开始保护方法300。
否则，如果保护方法300作为独立方法执行，那么执行方块302、304和306。图10的方块302中执行的“输入并存储数据”功能与图9的方块210执行的“接收(并任选地存储)器件数据”功能基本相同，并且以上提供的对方块210的说明可应用于方块320。图10的方块304的“激活ISPS”功能与图9的方块220的“激活ISPS”功能基本相同，并且以上提供的对方块220的说明可应用于方块304。同样地，图10的方块306的“监测器件和工作参数以及管壳温度”功能与图10的方块230的“监测器件和工作参数”功能基本相同，并且以上所提供的对方块230的说明可应用于方块306。
再次参照图10以及图7和8，监测器件和工作参数之后，保护方法300将其保护任务分为四个小组(其中各小组可以同时工作，但并非必须那样)温度过高和电流隧穿保护309、过功率保护310、过电流保护311、以及过电压保护312。
在温度过高和电流隧穿保护309小组(方块315-320)中，控制器104检查(方块315)可控半导体102中的结温(TJ)是否大于或等于TJ阈值(如由方块302的器件数据所确定的)。如果Tj大于或等于TJ阈值，那么控制器104使可控半导体102截止并提供通知，报告故障类型(方块314)。
如果TJ不大于或等于TJ阈值，那么控制器104检查是否已在可控半导体102中检测到过热点(也称为电流隧穿)。如本领域技术人员将理解的那样，可用多种不同的方法做到这一点。例如，控制器104可检验(a)整个器件上电流密度和温度的变化；(b)可控半导体102的管芯上的、尤其接近管芯中心的某些位置是否开始以较低的晶体管栅极阈值电压Vth运行；和/或(c)可控半导体102的任何部分中的电流密度局部增大(由较高的正向跨导引起)。优选方法是监测整个管芯的温度变化。
如果还没有检测到过热点/电流隧穿，那么保护方法300跳回方块306。然而，如果方块316显示已检测到过热点/电流隧穿并且ISPS100处于开关模式下，那么控制器将可控半导体102截止并报告故障类型(方块314)。如果方块316显示已检测到过热点/电流隧穿，进行检查看是否可改变工作模式(方块319)。例如，如果ISPS 100处于线性模式下(方块318)，可不关闭ISPS 100而中断可控半导体102(方块320)(例如通过改变栅极驱动信号而偏置可控半导体102使其截止)。如果负载特性允许以脉冲电流工作，那么控制器104将可控半导体102的模式改变为开关模式(方块302)，恢复ISPS 100供给或消耗等量平均电流或功率(取决于应用)的工作，并且跳回方块306。如果在方块219，模式不能被改变(例如，因为负载特性不兼容脉冲电流)，那么将可控半导体102截止并报告故障类型(方块314)。
在过功率保护小组310中，控制器104从两个所测工作参数漏极-源极电压(VDS)和漏极电流ID中得到总的晶体管损耗PM(方块322)。这一点可用多种方法实现，例如通过在时间间隔T上对其即时电压和电流之积积分。如果可控半导体102以固定频率开关，时间间隔T是开关频率的周期。如果可控半导体102工作在可变频率的线性模式和开关模式下，通过对时间间隔上的损耗求平均值得到可控半导体102的功率耗散，该时间间隔优选包括多个导通和截止事件。当计算损耗(方块322)时，信息被提供(方块313)给诊断和预测方法500，这结合图14进一步讨论。如果总损耗PM大于损耗PM阈值(方块324)，那么控制器104关闭ISPS 100并提供关于失效/故障了类型的通知(方块314)。然而，如果总损耗PM小于损耗PM阈值，那么该方法跳回方块306。
再次参照图10，在过电流保护小组311中，控制器104检查脉冲电流IDM是否大于阈值(方块326)。如果大于，控制器104关闭ISPS100并报告失效/故障类型(方块214)。如果脉冲电流IDM不大于阈值，那么该方法跳回方块306。
对于过电压保护，应该注意，对于本发明的至少某些实施例，仅当ISPS 100具有将其主要功率转移到ISPS 100的附加装置、或者如果ISPS 100具有包含瞬态电压抑制器的外部电路时，提供过电压保护是可行的，其中瞬态电压抑制器例如为半导体、金属氧化物变阻器(MOV)、火花隙、或任何其它合适的器件。
在过电压保护小组312中，控制器104检查可控半导体102漏极-源极过电压VDS(方块328)，以查看其是否小于可控半导体102的击穿电压VDSS。例如，控制器104可实现这一点的一个方法是通过测量漏电流(例如，通过电流传感器108)。如果晶体管电压VDS小于击穿电压VDSS，该方法返回方块306。如果VDS大于或等于其击穿电压，控制器104检验雪崩状态(方块330)。检验这的一个方法是当漏极电流流过可控半导体时，检查漏极-源极电压VDS是否恒量。如果VDS不是恒量(且如果满足方块328的条件)，在可控半导体102中没有雪崩状态，并且最可能的结果是可控半导体102失效。因此，如果在方块330中没有检测到雪崩状态，控制器104关闭ISPS 100并报告失效/故障类型(方块214)。
然而，如果控制器104判定VDS处于恒量，基本上衰减的漏极电流流过可控半导体，且满足方块328的条件，则可控半导体102处于雪崩状态中。而后控制器104检查(312)漏极电流ID是否大于或等于雪崩电流IAR或结温TJ是否大于或等于最大结温TJmax(方块332)。如果满足这些条件中任何一个，那么可控半导体102失效或接近失效，并且控制器104关闭ISPS 100并报告失效/故障类型(方块214)。如果不满足方块332中的任何条件，那么该方法跳回方块306。
本发明的另一方面是提供用于动态控制可控半导体102(图7、8)的安全工作区(SOA)的方法。该方法允许充分利用可控半导体102的管芯(例如，晶体管管芯)，并且还允许根据可控半导体102的所需可靠性和结温安全地增大电流。
图11是示出了示例性可控半导体102(在该例子中为MOSFET)的正向偏置安全工作区(FBSOA)的边界的曲线图。基于为可控半导体102提供的器件数据(例如在器件数据单中)提供(或可计算)这些边界。例如，因为MOSFET的漏极-源极电阻RDS已公知，可通过施加渐增的漏极-源极电压量并测量正流过的电流量确定图11中所示的RDS(on)限定电流边界。与增大的电压无关，可流过多少电流有一限值(即峰值电流边界)，并且进一步沿图11的FBSOA边界，可看到可控半导体102也受限于功率边界，逐渐到达限值，由图11的电压边界示出，超出该限制可控半导体102将不以所需/期望的MTBF工作。
图12是示出了根据本发明一个实施例的动态安全工区的概念的曲线图。代表对于固定结温的电压和电流的MTBF的函数曲线形成三维表面(该表面的横截面在图12中显示为标示为“平行平面454”的阴影区)。为了清楚，图11的RDS(on)限定电流边界没有在图12中示出。由图12中的点线界定的平面上的区域代表对应于最小(也称为“减小的”)MTBF的最大安全工作区452(MSOA)。平行平面454上的区域代表增大的MTBF和减小的SOA456。为了认识动态安全工作区(DSOA)的概念，图13的方法有效地沿MTBF轴458向上和向下“滑动”SOA，以便达到所需的特性。
图13(以下进一步说明)的方法能够通过根据结-管壳温度和负载特性而调节晶体管电压和电流来实时控制SOA。图13的方法的工作有助于确保(a)在基本所有工作条件下ISPS 100的自保护(即，通过其控制器104和由传感器108所进行的测量，ISPS 100可自修正和自调节，以维持安全工区)；(b)管芯尺寸和减少的成本的最优化；以及(c)在关键或紧急情况中、在保安短路状态(battle shortstate)下安全增大脉冲电流(例如，ISPS 100的SOA可增大到最大SOA 452允许的水平)，从而防止ISPS 100在关键时刻自动关闭(例如可通过命令/控制128将ISPS 100置于这种保安短路状态)。
例如，如果预期功率耗散将偶尔增大(例如，当开关损耗上升时，在以较高的开关频率启动或工作期间)，并且预期ISPS 100可仅以降级的或“中级的”SOA 456工作时，一个方案是使用较大的管芯，该管芯可处理特定降额等级的较高功率。使用图13的方法，在瞬态状态期间向下朝较高的功率滑动平行平面，由此实现具有较小、较便宜管芯的目标。
图13是根据本发明一个实施例的用于动态控制如ISPS 100等功率器件的安全工作区(SOA)的方法400(“SOA方法”)的流程图。如本领域技术人员将理解的那样，SOA方法400可适用于动态调节实质上任何类型的功率器件的工作参数。另外，图13的SOA方法400可作为图9的控制方法200的一部分执行，或可作为独立方法执行。如果图13的SOA方法400作为图9的控制方法200的一部分执行，那么经由图9的方块210-230实际上可实现方块401部分的方块(包括方块402、404、406)，并且在图13中的方块406之后开始SOA方法400。
否则，如果SOA方法400作为独立方法执行，那么执行方块402、404和406。在图13的方块402中执行的“输入和存储数据”功能与图9的方块210执行的“接收(和任选地存储)器件数据”功能基本上相同，并且以上提供的对方块210的说明可应用于方块420。图13的方块404的“激活ISPS”功能与图9的方块220的“激活ISPS”功能基本上相同，并且以上提供的对方块220的说明可应用于方块404。同样地，图13的方块406的“监测器件和工作参数以及管壳温度”功能与图9的方块230的“监测器件和工作参数”功能基本上相同，并且以上提供的对方块230的说明可应用于方块406。
参照图7、8和11，控制器104计算作为TJ、ID、MTBF的函数的电压系数k，以及其它可适用因子(方块410)。这个结果用于辅助计算正向偏置安全工作区(FBSOA)和反向偏置安全工作区(RBSOA)电压边界VB(方块402)，如下面方程(1)中所示 VB＝kBVDSS 方程(1) 电压系数k和电压边界VB被提供给方块402以调节由单脉冲、25℃SOA曲线(其为方块402访问的部分器件数据)得到的默认边界。
在方块414中，控制器104利用脉冲宽度TP、频率以及占空比D计算结-管壳瞬态热阻抗Zthjc(t)，如下面方程(2)所示 Zthjc＝ZthD+(l-D)Zth(Tp+T)-Zth(T)+Zth(Tp) 方程(2) 在方块416中，控制器104利用Zthjc计算FBSOA功率边界PB，如下面方程(3)所示 PB＝(Tj-Tcasc)/Zthjc 方程(3) 在方块418中，控制器104由功率边界PB计算漏极-源极电流IDSRMS(见下面的方程(4))，并且利用该信息调节默认RMS电流阈值(方块420)，回到步骤402。即调节默认RMS电流阈值并将其反馈给在方块402所访问的器件数据，从而动态调节安全工作区的这个方面。
方程(4) 在方块422中，根据下面的方程(5)，控制器104计算作为占空比D、开关频率f、结温Tj、以及可靠性(即，平均故障间隔时间MTBF或另一个合适的可靠性特性)的函数的FBSOA和RBSOA脉冲电流(IDM)边界，并且利用该信息(方块242)调节默认脉冲电流阈值IDM，返回步骤402。
IDM＝IDM(D，f，Tj，MTBF) 方程(5) 在方块426中，根据下面的方程(6)，控制器104利用作为结温的函数的归一化导通电阻RDS(ON)计算FBSOA漏极-源极导通电阻RDS(on)限定边界，并且利用该数据(方块428)调节由RDS(on)限定的FBSOA边界，返回步骤402。
ID＝VD/RDS(on)RDS(ON) 方程(6) 本发明还提供有助于自诊断和/或预测如ISPS 100等功率器件中的错误的诊断和预测方法。例如，这个自诊断和预测允许ISPS 100检测和/或预测缺陷，这些缺陷包括(但不限于)管芯、管芯连接、管芯附着、及器件封装装配缺陷。该诊断和预测方法提供预先警告，这样可有助于防止突变失效，并增强功率器件自身和其所安装的任何系统的可靠性。图14中说明了自诊断和预测方法500的一种实施方式。
如果图14的自诊断和预测方法500作为图9的控制方法200的一部分执行，那么经由图9的方块210-230实际上实现方块501部分的方块(包括方块502、504、506)，并且在图14中的方块506之后开始自诊断和预测方法500。
另外，如果自诊断和预测方法500作为独立方法执行，那么执行方块502、304和506。图14的方块502中实现的“输入、输出和存储数据”功能与图9的方块210实现的“接收(并任选地存储)器件数据”功能基本相同，并且以上所提供的对方块210的说明可应用于方块502。图14的方块504的“激活ISPS”功能与图9的方块220的“激活ISPS”功能基本相同，并且以上所提供的对方块220的说明可应用于方块504。同样地，图14的方块506的“监测器件和工作参数以及管壳温度”功能与图9的方块230实现的“监测器件和工作参数”功能基本相同，并且以上所提供的对方块230的说明可应用于方块506。
参照图7、8和14，控制器14检查ISPS 100是否处于开关模式下(方块510)。如果可控半导体102工作在线性模式下，该方法跳到方块514。然而，如果可控半导体102工作在开关模式下，控制器104计算功率损耗，包括栅极功率耗散PGT、开关耗散PSW、集成体二极管耗散PD、以及晶体管泄漏功率耗散PLK(方块512)。下面进一步讨论这些计算中的每一个。方程(7)用于计算栅极功率耗散PGT PGT＝1/T∫|VGS(t)||IG(t)|dt，积分时间间隔从0到T方程(7) 对于方程(7)到(12)，时间间隔定义如下如果可控半导体102以固定频率开关，则时间间隔T是开关频率的周期。如果可控半导体102以可变频率工作，则通过在包括多个导通和截止事件的工作时间间隔上对定义在方程(7)到(12)中的损耗求平均值而得到可控半导体102的功率耗散。方程(8)用于计算开关功率耗散PSW Psw＝1/T∫VDS(t)ID(t)dt， VDS＞0，ID＞0，且积分时间间隔从t1到t2 方程(8) 其中 t1定义为，对于正ig，当ig＞0.1Igpk并且VDS＜0.1VDSS时的时刻； t2定义为，对于负ig，当ig＜0.1Igpk并且IDS＜0.1VDSS时的时刻。
可使用不影响本发明主题的其它标准定义积分时间间隔。
方程(9)到(11)用于计算集成体二极管功率耗散PD PD＝PDCOND+PDSW(t) 方程(9) PDCOND＝1/T∫VDS(t) ID(t) dt VDS＜0，ID＜0并且积分时间间隔从0到T 方程(10) PD SW＝Qrr/T∫VDS(t)dt，积分时间间隔从0到trr方程(11) 其中Qrr是反向恢复电荷；trr是反向恢复时间。
方程(12)用于计算泄漏功率耗散PLK PLK＝1/T∫VDS(t)ID(t)dt VDS＝VDD0，ID＞0并且积分时间间隔从0到T 方程(12) 在方块514中，控制器104利用数字程序(numeric procedure)(类似于R.Severns(Ed.in Chief)，MOSPOWER ApplicationsHandbook，Siliconix Inc.，1984，pp.4-17 to 4-21)解出功率损失PCALC和结温TJCALC的两个非线性方程(下面的各方程(13)和(14)) PCALC＝PG+PSW+PD+PLK+IRMS2RDS(on)(25℃)RDSN 方程(13) TJCALC＝THS+PCALC(Zthhc+Zthjc) 方程(14) 访问所测的晶体管功率耗散PM(用许多不同的方法，包括从保护方法300、方块313、保护算法确定和/或获得PM)。在方块518、522、526和530中比较所计算的和所测量的功率耗散和结温。应该注意的是，可按任何顺序执行方块518、522、526和530；所说明的顺序是通过例子提供的并且是非限制性的。
如果PCALC≥PM并且如果TJCALC≥TJM(方块518)，那么方块520的条件被推定存在(即，导通电阻RDS(on)在限值内，热阻抗Zthhc和Zthjc也同样)。ISPS 100被推定没有问题并且该方法跳回方块506。任选地，也可作为反馈给方块502的信息的一部分报告预测和诊断信息。
如果PCALC≥PM且TJCALC＜TJM(方块522)，那么导通电阻RDS(on)在限值内，但包括Zthhc或Zthjc或Zthhc和Zthjc两者的热接口阻抗大于特定值(方块524)。因为较高的热阻抗将导致较高的结温，RDS(on)将增大直到器件达到热平衡。因此，所检测的条件具有瞬态属性，并且将在导通期间为脉冲负载或固定负载诊断热接口问题。预测是高功率负载之下降低的器件可靠性和潜在失效。可作为反馈给方块502的信息的一部分报告预测和诊断信息，且该方法自身跳回方块506。
如果PCALC＜PM且TJCALC≥TJM(方块526)，对于方块522的以上所描述状态被颠倒。这种条件下，结合的热阻抗Zthhc+Zthjc小于特定值，但导通电阻RDS(on)大于标准值(方块528)。这些条件诊断管芯或管芯连接缺陷，预测是高电流或高功率负载之下降低的器件可靠性和潜在失效。可作为反馈给方块502的信息的一部分报告预测和诊断信息，其该方法自身跳回方块506。
如果PCALC＜PM且TJCALC＜TJM(方块530)，ISPS 100可以具有上述的任何缺陷，即或者结合的热阻抗或导通电阻、或者结合的热阻抗和导通电阻都大于标准值(方块532)。这些条件可表示在可控半导体102中的管芯或管芯连接缺陷。预测是高电流或高功率负载之下降低的器件可靠性和潜在失效。可作为反馈给方块502的信息的一部分报告预测和诊断信息。
在方块534中，将散热器温度THS与由函数THS(PM)确定的所需温度THS SET相比较。如果散热器温度大于测得功率耗散所需温度，报告散热器或散热器冷却问题(方块536)，并且该方法自身跳回方块506。应该注意的是，可在方块506之后的实际上任何时间执行方块534和536，包括方块510-532中任何一个之前或其中任何二者之间，且在诊断和预测方法500中通过例子而非限制性地示出在该点所执行的方块534和536。
在另一方面，本发明还提供校准如图7和8的ISPS 100等已安装的功率器件的方法。该方法至少部分依赖于ISPS 100的功率处理能力与其管壳-散热器热阻抗的相关性。也就是说，在安装时，ISPS 100的设计和工作允许基于其封装和功率处理能力对其进行校准。
图15是根据本发明一个实施例的具有已安装的功率器件的智能功率系统600的示例性方块图，其有分散控制和集成智能功率开关。该系统600是智能的、能够带任何数量的负载和分散控制(与分级控制相对)工作的可重构系统。
带有三级分布控制的图15的智能功率系统600包括监督系统612，该监督系统含有主能源和存储器，可控制一个或多个本地功率子系统614并与其通信。各本地功率子系统614包括负载和图7和8的多种ISPS100。各本地功率子系统614控制其工作的某些方面(通过做功率控制判别和与其它本地控制器通信的本地控制器626)，向监督系统612传送状态和工作判别(也通过本地控制器626)，并且如果需要可接收来自监督系统612的监督控制。监督系统612可视需要允许各功率子系统614之间的功率共享。
监督子系统612包括监督控制器616、一个或多个监测传感器618、以及允许控制通用功率620的多个ISPS。通用功率620代表能够满足基本上所有本地功率子系统614的需要的一个或多个电源组。各本地功率子系统614包括向一个或多个本地监测传感器提供数据的一个或多个本地功率器件623(类似于上述的可控半导体102)，其中本地监测传感器向本地控制器626传送信息。在监督系统612中，监测传感器618从通用功率620获得数据并将该数据传送给监督控制器616。
当本地功率子系统614连接到负载625时，监督控制器616向所有本地功率子系统614发送具有预定宽度的导通(激活)脉冲。在脉冲持续期间加载功率器件623，并且通过本地监测传感器619，监测并向本地控制器626报告它们的管壳温度上升。本地控制器626将该信息报告给监督控制器616。期望的管壳温度上升基于由监督控制器616访问并存储在本地控制器626的存储器中的特定的管壳-散热器热阻抗，也基于各本地功率子系统614的功率耗散。因此，所有本地功率子系统614根据其管壳温度上升以及最终的功率处理能力而被规划。例如，在上下文中，规划(mapping)包括电路图中显示整个功率系统的连接的位置，各ISPS具有识别其功率处理能力的相应数字，例如统计平均、高于平均及低于平均。规划使监督控制器616能够确定各本地功率子系统之间614如何最好地共享功率。因为有着比所希望的管壳温度上升更高的器件可能具有装配缺陷，规划本地功率子系统还提供机会识别它们以正确维护。
因此，在一个实施例中，本发明提供确定如功率器件等已安装器件的功率处理能力的方法。测量已安装器件的温度。为已安装器件确定所预测的温度变化(例如，温度上升)，其中所预测的温度变化被期望是由于测试脉冲所引起的。测试脉冲被发送给已安装器件。测量因测试脉冲而引起的已安装器件的实际温度变化。比较实际温度变化和预测温度变化。实际温度变化与预测温度变化的比较可用于确定已安装器件的功率处理能力。基于对已安装器件的功率处理能力的了解，可采取操作例如至少部分基于功率处理能力向已安装器件分配负载、至少部分基于功率处理能力调节与已安装器件可操作性连接的负载、和/或至少部分基于功率处理能力重新分布用于耦合到已安装器件的负载。
规划之后，各本地子系统614利用两级控制来工作，各本地控制器626与其它本地控制器通信并监督继续作出SOA判别、提供自诊断等的本地ISPS。然而，在该系统600(仅通过示例具有三级控制)中，通过监督控制器616执行与整体功率流相关的判别、本地控制器626之间的冲突解决、以及来自各本地子系统的状态信息的处理，(例如)可通过以下方式响应将本地子系统614的一些或所有功率能力切换到另一个本地子系统、交替进行(over-riding)关闭本地子系统614、向外部用户628提供关于所报告的和/或所预测的错误反馈等。
图16是带有两级控制的串联功率系统700，其提供图15的智能功率系统600的进一步实施并示出显示多个ISPS器件可如何串联到一起。在图16中，控制器616监督四个ISPS器件ISPS 614A、614B、614C及614D。ISPS 614A可由电源617A供电，并且用于为电源619A供电。同样地，ISPS 614B可由电源617B供电，并且用于为电源619B供电。电源619A为ISPS 614C供电，并且电源619B为ISPS 614C供电。ISPS6 14C和ISPS 614D每一个可向负载625A、625B、625C以及625D供电。控制器616在串联功率系统700的所有元件之间提供功率流控制(包括功率共享)，并且监测各ISPS 614以帮助防止/降低单点失效。然而，该监测和控制的多数细节是各系统特定的算法的一部分。
图17是此处所述的ISPS的另一个应用。图17举例说明了具有基于ISPS的开关的较简单的单级控制和放电电路800，该放电电路可用于具有能量存储单元的直流(DC)总线。在该应用中，ISPS减少互连信号的数量、提高性能(安全性、响应速度、及系统级可靠性)、并增加功能性(利用此处图9、10、13和15所描述的方法)。
本发明的一个或多个实施例可适于工作在许多不同类型的功率系统中，包括但不限于前面提到的2003年10月24日提交、2004年5月20日公布为U.S.2004/0095023的“智能功率系统”，其序列号为10/692,580、案卷号为RTN183AUS、发明人为Boris S.Jacobson等。
如以上说明和相关附图所示，本发明提供用于功率系统的系统、方法和器件，所述功率系统提供故障的自诊断、潜在故障的预测、已安装器件/系统的校准以及工作参数的动态自调节，所有这些都考虑了实际工作条件。本发明的至少一些实施例提供确定正工作的功率器件是否有任何问题的能力。另外，本发明的至少一些实施例提供根据已安装晶体管的功率处理能力而对其检查和校准的方法。
在该申请的附图中，在某些情况下，多个系统元件或方法方块可作为特定系统元件的示例性显示，并且单个系统元件或方法方块可作为多个特定系统元件或方法方块的示例性显示。应该理解的是，显示多个特定元件或方块不意味着表示根据本发明所执行的系统和方法必须包括多个这种元件和方块，通过例举单个元件或方块也不意味着本发明被限制为仅具有各元件或方块中之一的实施例。另外，所示特定系统元件或方法的元件和方块的总数不意味着是限制性的；本领域技术人员可认识到，在某些情况下，特定系统元件或方法方块的数量可被选择以适应特定用户的需要。
而且在附图中，对于示图、流程图、和/或说明方法或过程的流程图表，矩形方块是可代表一个或多个指令(或指令组)的“处理方块”，例如计算机软件指令。菱形方块是一个或多个指令(或指令组)的“判别方块”，例如计算机软件指令，其可影响由处理方块代表的计算机软件指令的执行。或者，处理和判别方块代表由功能等价电路执行的操作，其中功能等价电路例如为数字信号处理器电路、微控制器或特定用途集成电路(ASIC)。而且，利用硬件和软件的结合可执行操作和方块。
示图、流程图、方块图和流程图表不描述任何特定程序语言的语法。而是，示图、流程图、方块图和流程图表说明功能信息，本领域技术人员需要制作电路和/或生成计算机软件来执行根据本发明所需要的处理。应该注意的是，许多如循环和变量初始化等常规程序元件和临时变量的使用并未示出。本领域技术人员应明白，除非在此另外指出，所述步骤的特定顺序仅是说明性的并且可作不脱离本发明精神的改变。因此，可能时除非另外指出在此描述的步骤是无序的，意味着可以任何方便的或所需的顺序的执行所述步骤。
另外，用于执行本发明的所有或部分的软件可以包括计算机可用介质的计算机程序产品。例如，这种计算机可用介质可包括可读存储器件，例如硬件驱动器件、CD-ROM、DVD-ROM、或计算机磁盘，其上存储有计算机可读程序代码段。计算机可读介质还可包括通信连接，或者光学、有线或无线，其上载有作为数字或模拟信号的程序代码段。
在描述图中所说明的本发明实施例中，出于清楚的目的，使用专用术语(例如，语言、短语、产品商标名称等)。这些名称仅通过例子提供而并非限制性。本发明不限于所选择的专用术语，并且各专用词至少包括所有语法的、文字的、科学的、技术的、以及功能的等效词，以及以类似方式工作来完成类似目的的其它任何对象。而且，在例证、附图和文字中，可对特定特征、元件、电路、模块、表、软件模块、系统等给出专用名称。然而，在此处使用的这种术语是出于说明而非限制的目的。
尽管以带有某种程度特性的优选形式描述和描绘了本发明，应该明白仅通过例子对该优选形式作出了本方明公开，并且不脱离本发明的精神和范围可对部件的结构及组合和设置做多种改变。
参照具体实施已描述和举例说明了技术原理，应该理解可用许多其它不同的形式和在许多不同的环境中实施该技术。在此公开的技术可结合其它技术使用。因而，应接受本发明不应该受限于所述实施例，而应该仅由所附权利要求的精神和范围限定。
权利要求
1.一种器件，其包括
可控半导体器件，所述可控半导体器件与第一工作参数和第二工作参数相关，其中至少所述第一工作参数是可控制的；
与所述可控半导体器件通信的第一传感器，所述第一传感器获得与所述可控半导体器件的所述第二工作参数相关的数据；
与所述可控半导体器件和所述传感器通信的控制器，所述控制器配置为访问与所述可控半导体器件相关的器件数据、控制所述可控半导体的所述第一工作参数，并接收来自所述第一传感器的与所述第二工作参数相关的数据，
其中所述控制器根据所述器件数据确定第一预测值、将与所述第二工作参数相关的数据和所述第一预测值进行比较，并且如果基于该比较而检测到第一状况，则所述控制器动态修正所述第一工作参数。
2.如权利要求1所述的器件，其中所述可控半导体包括以下至少之一功率晶体管、静电感应晶体管(SIT)、晶闸管、MOS控制晶闸管(MCT)、栅极可关断(GTO)晶闸管、以及发射极可关断(ETO)晶闸管。
3.如权利要求1所述的器件，其中所述第一传感器包括温度传感器、电压传感器、以及电流传感器中至少之一。
4.如权利要求1所述的器件，其中所述第一工作参数包括以下至少之一漏极-源极电压、集电极-发射极电压、阳极-阴极电压、栅极电压、栅极电流、基极电流、平均漏极器件电流、平均集电极器件电流、平均阳极器件电流、峰值漏极电流、峰值集电极电流、峰值阳极电流、RMS漏极电流、RMS集电极电流、RMS阳极电流、管芯温度、管壳温度、结温(TJ)、开关频率、以及占空比。
5.如权利要求1所述的器件，进一步包括获取与所述可控半导体的第三工作参数相关的数据的第二传感器，所述第二传感器与所述控制器通信，并且所述控制器接收来自所述第二传感器的与所述第三工作参数相关的数据，
其中所述控制器根据所存储的器件数据确定所预测的第三工作参数、将与所述第三工作参数相关的数据和所述所预测的第三工作参数进行比较、以及如果检测到第一状况，则所述控制器动态修正所述第一工作参数。
6.如权利要求1所述的器件，其中所述第一传感器和控制器中至少之一以周期性和基本上连续性的方式中的至少之一方式来获取其数据。
7.如权利要求1所述的器件，其中所述第二工作参数包括以下至少之一栅极驱动、基极驱动、晶体管偏压、安全工作区(SOA)条件、漏极-源极电压阈值(VDS)、RMS漏极电流阈值(IDRMS)、正向和反向偏压安全工作区(SOA)脉冲电流阈值(IDM)、由漏极-源极导通电阻(RDS(on))限定的正向偏压SOA漏极电流(ID)边界、以及功率器件的工作区。
8.如权利要求1所述的器件，其中所述第一状况包括以下至少之一温度过高、电流隧穿、过功率、过电流、过电压、冷却液问题、散热器问题、管芯缺陷、管芯互连连结缺陷、管芯附着缺陷、以及器件封装装配缺陷。
9.如权利要求8所述的器件，其中所述控制器配置为在检测到所述第一状况时执行操作。
10.如权利要求9所述的器件，其中所述操作包括以下至少之一
(a)调节所述可控半导体的工作；
(b)关闭所述可控半导体；
(c)中断所述可控半导体的工作；
(d)切换所述可控半导体的工作模式；
(e)基于所检测到的第一状况确定所述可控半导体的安全工作区(SOA)条件，并调整所述第一参数以维持SOA；
(f)检查不同的第二工作参数；
(g)诊断所述第一状况；
(h)基于所述第一状况确定是否可能发生第二状况，所述第二状况包括以下至少之一温度过高、电流隧穿、过功率、过电流、过电压、冷却液问题、散热器问题、管芯缺陷、管芯连接缺陷、管芯附着缺陷、器件封装装配缺陷、功率器件的热接口问题、功率器件的降低的可靠性、高电流负载下功率器件失效、以及高功率负载下功率器件失效；以及
(i)提供通知。
11.如权利要求1所述的器件，其中所述第一传感器在多个位置监测所述可控半导体。
12.如权利要求1所述的器件，其中所述器件数据信息包括以下至少之一击穿漏极-源极电压BVDSS、击穿漏极-源极电压BVDSSp保护阈值、额定漏极-源极电压VDSS、额定漏极-源极电压VDSS保护阈值、最大单脉冲电流IDM、最大单脉冲电流IDM保护阈值、连续漏极电流ID、连续漏极电流ID保护阈值、雪崩电流IAR、雪崩电流IAR保护阈值、在预定结温Tj下的单脉冲的默认正向偏置安全工作区(FBSOA)、在预定结温Tj下的单脉冲的默认反向偏置安全工作区(RBSOA)、标准和雪崩模式中至少之一的结-管壳瞬态热阻抗曲线、散热器-管壳热阻抗Zthhc、结-管壳热阻抗Zthjc、在预定温度T下的导通电阻(RDS(on)(T))、作为温度的函数的归一化导通电阻RDS(ON)、THS(PM)(作为耗散功率的函数的散热器温度THS)、结温TJ阈值、集成体二极管的反向恢复电荷Qrr及集成体二极管的Qrr的反向恢复时间trr。
13.如权利要求1所述的器件，进一步包括与所述控制器通信的第三传感器，所述第三传感器获得影响所述可控半导体的环境条件和机械条件中至少之一。
14.如权利要求13所述的器件，其中所述环境条件包括温度、冷却液流量、及湿度水平中至少之一。
15.如权利要求13所述的器件，其中所述机械条件包括应力、张力、压力、运动、振动、加速度、及震动中至少之一。
16.如权利要求1所述的器件，其中
所述可控半导体包括具有漏电极、栅电极和源电极的场效应晶体管(FET)；并且
所述控制器包括第一输出和第一输入，所述第一输出向所述可控半导体的所述栅电极提供栅极驱动信号，所述第一输入耦合到所述第一传感器从而允许所述控制器接收与所述第二工作参数相关的数据。
17.如权利要求16所述的器件，其中所述控制器进一步包括第二输入，所述第二输入适于接收偏置功率，以便为所述栅极驱动信号提供电源。
18.如权利要求17所述的器件，其中所述控制器进一步包括第三输入，所述第三输入适于接收与所述可控半导体相关的器件数据。
19.如权利要求18所述的器件，其中所述控制器进一步包括第二输出，所述第二输出包括通知信号。
20.如权利要求19所述的器件，其中所述通知信号包括与以下至少之一相关的信息所述可控半导体的工作模式、所述可控半导体的状态、所述第一状况、故障通知、以及故障预测。
21.一种操作可控半导体的方法，所述可控半导体与第一传感器通信，所述方法包括
激活所述可控半导体；
控制所述可控半导体的第一工作参数；
监测所述可控半导体的第二工作参数；
访问与所述可控半导体相关的器件数据信息；
基于所述器件数据信息和所述第二工作参数，确定是否存在第一状况；以及
如果存在所述第一状况，实施第一操作。
22.如权利要求21所述的方法，进一步包括
基于所述器件数据信息计算第一预测值；以及
比较所述第一预测值和所述第二工作参数。
23.如权利要求21所述的方法，进一步包括检测以下至少之一温度过高、电流隧穿、过功率、过电流、过电压、冷却液问题、散热器问题、管芯缺陷、管芯连接缺陷、管芯附着缺陷、器件封装装配缺陷、环境条件、以及机械条件。
24.如权利要求21所述的方法，其中所述实施第一操作包括以下至少之一
(a)调节所述第一参数；
(b)调节所述可控半导体的工作；
(c)将所述可控半导体截止；
(d)中断所述可控半导体的工作；
(e)切换所述可控半导体的工作模式；
(f)检查不同的第二工作参数；
(g)基于所检测到的第一状况确定所述可控半导体的安全工作区(SOA)条件，并调整所述第一参数以维持所述SOA；
(h)诊断所述第一状况；
(i)基于所述第一状况确定是否可能发生第二状况，所述第二状况包括以下至少之一温度过高、电流隧穿、过功率、过电流、过电压、冷却液问题、散热器问题、管芯缺陷、管芯连接缺陷、管芯附着缺陷、器件封装装配缺陷、功率器件的热接口问题、功率器件的降低的可靠性、高电流负载下功率器件失效、以及高功率负载下功率器件失效；以及
(j)提供通知。
25.如权利要求21所述的方法，其中所述器件数据包括以下至少之一默认漏极-源极电压(VDS)边界、默认功率边界(PB)、默认RMS电流边界(IDRMS)、和默认ROS(on)限定电流边界，而其中，确定安全工作区(SOA)进一步包括
确定所述功率器件的SOA漏极-源极电压(VDS)边界；
确定所述功率器件的SOA功率边界(PB)；
确定所述功率器件的SOA RMS电流边界(IDRMS)；
确定所述功率器件的SOA RDS(on)限定电流边界；以及
分别基于所述SOA漏极-源极电压(VDS)边界、所述SOA功率边界(PB)、所述SOA RMS电流边界(IDRMS)、所述SOA RDS(on)限定电流边界，调节默认漏极-源极电压(VDS)边界、默认功率边界(PB)、默认RMS电流边界(IDRMS)、和默认RDS(on)限定电流边界。
26.如权利要求21所述的方法，进一步包括
监测所述可控半导体的第三工作参数；以及
基于所述器件数据信息以及所述第二和第三工作参数二者中的至少一个，确定是否存在第一状况。
27.如权利要求21所述的方法，进一步包括监测影响所述可控半导体的环境和机械条件中至少之一。
28.一种用于确定可控半导体的工作条件的方法，所述可控半导体具有结和管壳，所述方法包括
访问与所述可控半导体相关的器件数据，所述器件数据包括预定平均故障间隔时间(MTBF)；
计算所述可控半导体的所述结和所述管壳之间的热阻抗Zthjc；
至少周期性地测量所述可控半导体的结温Tj和管壳温度Tc；
至少部分基于Tj、Tc、和Zthjc计算可允许耗散功率；以及
至少部分基于所述可允许耗散功率和所述MTBF为所述可控半导体定义至少一个动态的安全工作区(SOA)边界，基于Tj和Tc的周期性测量至少周期性地调节所述动态SOA。
29.如权利要求28所述的方法，进一步包括
根据所述动态SOA控制所述可控半导体的工作。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述控制工作进一步包括调节以下至少之一所述可控半导体的峰值电流、RMS电流、以及平均电流。
31.如权利要求28所述的方法，其中至少部分基于脉冲宽度、频率以及占空比计算Zthjc。
32.如权利要求28所述的方法，其中所述器件数据进一步包括瞬态热阻抗和单脉冲安全工作区(SOA)中至少之一。
33.在能够工作在开关和线性模式下并包括管芯的可控半导体器件中，用于检测所述可控半导体器件中的电流隧穿的方法，所述方法包括以下无序的步骤
(a)在基本上靠近所述管芯中心的位置监测中心管芯温度；
(b)在基本上靠近所述管芯外围的位置监测外围管芯温度；
(c)如果所述管芯的所述中心管芯温度高于所述外围温度，并且所述可控半导体的工作模式是开关模式，则关闭所述可控半导体的工作；
(d)如果所述管芯的所述中心管芯温度高于所述外围温度，并且所述可控半导体的工作模式是线性模式，则中断所述可控半导体的工作并将其工作模式改变为开关模式。
34.如权利要求33所述的方法，进一步包括如果所述可控半导体被截止，则产生警报。
35.如权利要求33所述的方法，进一步包括如果所述可控半导体的工作模式被改变，则重复步骤(a)-(d)。
36.一种用于确定可控半导体工作中的实际和潜在错误的方法，所述方法包括以下无序的步骤
(a)监测所述可控半导体的一组参数，该组参数包括器件、工作及温度参数中至少之一；
(b)访问一组用于所述可控半导体的器件数据；
(c)至少部分基于该组参数及该组器件数据，确定所述可控半导体的预测功率耗散和预测结温；
(d)测量所述可控半导体的实际功率耗散和实际结温；
(e)比较所述实际功率耗散和所述预测功率耗散；
(f)比较所述实际结温和所述预测结温；
(g)至少部分依据(e)和(f)的比较，确定在所述可控半导体中是否出现了实际错误或可能出现潜在错误；以及
(h)在所述可控半导体工作期间至少周期性地重复步骤(a)到(g)。
37.如权利要求36所述的方法，进一步包括(i)如果所述步骤(g)显示出现了实际错误或者可能出现潜在错误，则生成通知。
38.如权利要求36所述的方法，其中所述可控半导体进一步包括散热器，并且所述方法进一步包括
(j)至少部分基于所述的一组参数和所述的一组器件数据，确定所述可控半导体的预测的散热器温度；
(k)测量所述可控半导体的实际的散热器温度；
(l)如果所述实际的散热器温度高于所期望的散热器温度，则确定至少存在散热器和散热器冷却液问题中之一。
39.一种用于确定已安装的器件的功率处理能力的方法，其包括
测量所述已安装器件的温度；
确定预期由测试脉冲所引起的所述已安装器件的预测温度变化；
向所述已安装器件发送所述测试脉冲；
测量由所述测试脉冲引起的所述已安装器件的实际温度变化；以及
比较所述实际温度变化与所述预测温度变化。
40.如权利要求39所述的方法，进一步包括利用所述实际温度变化和所述预测温度变化的比较来确定所述已安装器件的功率处理能力。
41.如权利要求39所述的方法，进一步包括以下至少之一
(a)至少部分基于所述功率处理能力向所述已安装器件分配负载；
(b)至少部分基于所述功率处理能力调节可操作性地耦合到所述已安装器件的负载；以及
(c)至少部分基于所述功率处理能力重新分布可操作性地耦合到所述已安装器件的负载。
42.如权利要求41所述的方法，其中所述步骤(c)进一步包括基于已知的一个或多个其它已安装功率器件的至少一部分的功率处理能力，为所述一个或多个其它已安装功率器件重新分布负载。
全文摘要
提供一种器件(100)，其包括可控半导体(102)、传感器(106)和控制器(104)。该可控半导体(102)与第一工作参数和第二工作参数相关，其中至少第一工作参数是可控制的。传感器(106)与可控半导体器件(102)通信，并且获得与可控半导体器件的第二工作参数相关的数据。控制器(104)与可控半导体器件(102)和传感器(106)通信。控制器(104)配置为可访问与可控半导体(102)相关的器件数据、控制第一工作参数、并接收来自第一传感器(106)的与第二工作参数相关的数据。控制器(104)根据器件数据确定第一预测值；比较与第二工作参数相关的数据和第一预测值；且如果基于该比较而检测到第一状况，则动态修正第一工作参数。
文档编号H03K17/082GK101167251SQ200680010862
公开日2008年4月23日 申请日期2006年3月21日 优先权日2005年4月1日
发明者B·S·雅各布森 申请人:雷声公司