用于半导体开关装置的快速温度感测的集成电路的制作方法

本申请总体涉及用于检测半导体装置的温度的电路；更具体地，涉及用于感测功率mosfet集成电路中的温度变化的电路。

背景技术：

为了保护功率半导体开关装置，快速检测开关内部的温度直接升高(结温)并且不依赖于控制器温度测量是重要的。例如，如果功率开关(mosfet)和控制器在不同的半导体芯片上，则在该功率开关和该控制器之间可能存在热传递和热平衡的长延迟。在控制器保护电路发出任何反应之前，这可能会导致功率mosfet发生灾难性故障。

用于感测温度的过去的方法包括感测附接到该功率开关装置上的散热器上的温度。另一种已知的用于温度感测的方法是通过位于该功率mosfet结附近的电隔离多晶二极管进行温度感测。感测二极管的正向电压降具有负温度系数，使得正向电压降与mosfet结温成反比。另一种过去的方法依赖于电压可变电阻器，该电压可变电阻器表现出电阻随温度的线性变化。

在一种类型的功率mosfet技术中，半导体基板一般参考漏极电位。这是装置的主要热连接。与mosfet一起使用的控制器通常是低侧连接的控制器，并且，因此，它们的参考电压是与mosfet的源极电位共用的。由于mosfet的源极电位不是装置的主要热连接，通过共享源连接获得与装置的良好热耦合是困难的。在一种现有方法中，在半桥开关配置的示例中，热连接是通过高侧驱动器获得的，高侧驱动器本身以高侧mosfet的源极为参考，高侧mosfet的源极也是低侧mosfet的漏极。因此，高侧驱动器可以实现与低侧mosfet的漏极的合理良好热连接，并且由此监测低侧mosfet的温度。

前述配置具有主要缺点。首先，对浮动高侧驱动器进行热检测，并且因此，当超过热阈值时，对于高侧驱动器的唯一选择是锁存关断。其次，尽管从低侧mosfet到高侧驱动器的热耦合对于稳态和缓慢变化温度是可接受的，当功率mosfet发生突然、快速和大的温度变化时，热耦合不足以快速跟随温度的变化。因此，在高侧驱动器检测到问题之前，在瞬态条件下容易超过功率mosfet上的预期的最大温度。

另一个缺点是在某些情况下，客户希望具有滞后热关断的能力。然而，当从低侧控制器到热检测电路没有通信信号时，这是不可能的。

附图说明

参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举性实施方案，其中除非另有说明，否则相同的附图标记在各个视图中指代相同的部分。

图1a和1b是一个实施例的垂直mosfet的曲线图，示出了漏极-源极导通电阻rds(on)相对于漏极电流(id)和结温(tj)的变化。

图2a和2b是可以有利地利用温度检测和过温保护的实施例功率转换器电路图。

图3是用于感测功率mosfet的漏极电流和漏极电压的瞬时值的实施例电路示意图。

图4是利用图3的电路检测温度的实施例电路示意图。

在整个附图的若干视图中，相应的附图标记表示相应的部件。技术人员将理解，附图中的部件是为了简单和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。例如，附图中的一些部件的尺寸相对于其他部件可能被夸大，以帮助提高对所公开的装置的各种实施方案的理解。此外，在商业上可行的实施方案中有用或必要的常见但众所周知的部件经常未被描述，以便于较不妨碍对所公开的这些各种实施方案的理解。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了具体细节，诸如装置类型、电压、部件值、电路配置等，以便提供对所描述的实施方案的透彻理解。然而，相关领域的普通技术人员将理解可能不需要这些具体细节来实践所描述的实施方案。还应理解的是，没有详细描述公知的电路结构和部件，或者已经以框图形式示出，以避免模糊所描述的实施方案。

整个说明书中提到的“一个实施方案(oneembodiment)”、“一实施方案(anembodiment)”、“一个实施例(oneexample)”或“一实施例(anexample)”意味着与该实施方案或实施例有关的所描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施方案中(inoneembodiment)”、“在一实施方案中(anembodiment)”、“一个实施例(oneexample)”或“一实施例(anexample)”不一定都指代相同的实施方案或实施例。此外，可以在一个或多个实施方案或实施例中以任何合适的组合和/或子组合来组合特定特征、结构或特性。特定特征、结构或特性可以包括在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能的其他合适的部件中。此外，应理解的是，此处提供的附图用于对本领域普通技术人员进行解释的目的。

出于本公开的目的，“地”或“地电位”是指电子电路或集成电路(ic)的所有其他电压或电位相对于其被定义或测量的参考电压或电位。

在本申请的上下文中，当晶体管处于“关断状态”或“关断”时，晶体管基本上不传导电流。相反，当晶体管处于“导通状态”或“导通”时，该晶体管能够基本上传导电流。例如，功率晶体管可以包括具有支撑在第一端子漏极和第二端子源极之间的高电压的n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nmos)。该功率mosfet可以包括功率开关，该功率开关由集成控制器电路驱动以调节提供给负载的能量。

在一个实施方案中，提供了一种用于检测半导体开关装置诸如受控开关或二极管(例如，肖特基二极管)的温度的装置和方法。尽管下面示出的和描述的具体实施例包括mosfet开关装置，但是应当理解的是，根据本公开的教导可以使用其他开关装置。

在一个实施例中，功率mosfet开关装置具有参考漏极电位的基板，其中漏极是装置的主要热连接。控制所述装置开关的控制器可以是低侧连接的控制器，因此其参考电压与垂直功率mosfet开关装置的源极电位共享。控制器可以一起集成在与功率mosfet开关装置相同的集成电路芯片中，或者它可以被分成不同的集成电路芯片。该功率mosfet开关装置和控制器可以包括在同一封装中，或者容纳在分开的封装中。

在一个实施方案中，提供了一种经由低侧连接的电路检测功率半导体开关装置中的温度的装置和方法。使用在功率半导体开关装置(例如，mosfet)上测量的电信号直接进行温度检测，而不是间接的芯片到芯片的热耦合。结果，这允许瞬时热检测，并且因此防止了瞬态温度快速上升的瞬态条件。此外，低侧参考提供了迟滞热关断功能。

图1a是对于半导体开关装置(在一个实施例mosfet中)的总体曲线图，示出了漏极-源极导通电阻rds(on)相对于固定结温(tj)的漏极电流和对于作为参数的不同栅极-源极电压值的变化。图1b示出了漏极-源极的归一化电阻rds(on)相对于结温(tj)的曲线图。在典型的mosfet中，所测量的rds(on)可以包括沟道，所形成的jfet的累积层和由于金属化、键合线和封装导致的寄生效应。在高压功率mosfet中，沟道/漂移区的电阻占rds(on)的主要部分。

图1a的曲线图100中，在纵轴120上示出了rds(on)变化(例如，rds(on)1，rds(on)2，rds(on)3，...，以欧姆表示)，在横轴110上示出了漏极电流(例如，id1，id2，id3，...，以安培表示)。在不同的mosfet类型的多个实施例中，对于高达100a的漏极电流范围，该曲线图可显示漏极电流id对rds(on)的约为10％的直接影响。图1a的曲线图100示出了栅极-源极电压vgs1131、vgs2132和vgs3133的不同示例，其中表达式130定义vgs3>vgs2>vgs1并且曲线图针对固定结温tj(fix)135。垂直线id(fix)134表示可用于测量漏极-源极导通电阻rds(on)随温度变化的固定漏极阈值电流。

另一方面，在图1b的曲线图150中，纵轴170上的rds(on)的归一化值显示出与横轴160上的在-50℃至150℃之间变化的结温tj(例如，以摄氏度，℃为单位)的强关系。两个实施例曲线图是对于栅极-源极电压vgs1181和vgs2182示出的，其中表达式180限定vgs2>vgs1。归一化值(rds(on)＝1)175定义在参考温度(tj＝25℃)165下的开关装置漏极-源极导通电阻。如在图1b中可以看到的那样，对于在vgs2182的曲线图上测量的从tj＝25℃到tj＝125℃，从a点184到b点186的温度上升，rds(on)几乎增加一倍。rds(on)的温度系数是图1b的曲线图中的曲线的斜率，该曲线的斜率总是正的，因为大部分只是载流子。当温度上升时，正的rds(on)温度系数可能调和传导损耗。当并联mosfet时，正的rds(on)温度系数是有利的特征。由于感测fet(sense-fet)与主fet并联，即使具有不平衡的电流分布，也可以确保热稳定性。

如上所述，垂直mosfet中的漏极-源极导通电阻rds(on)是关于半导体材料、沟道尺寸、运行条件(漏极电流和电压)的函数，并且强烈地取决于结温。当诸如栅极电压(vgs)和漏极电流(ids)的其他因素保持恒定时，图1b中的导通电阻rds(on)与结温(tj)的直接关系可以用于直接检测在任何正常操作或故障状况期间的温度上升，相比于已知温度(例如，在25℃环境温度下)的校准rds(on)。

图2a和图2b是根据所公开的实施方案包括可通过rds(on)监测从温度检测和过温保护中受益的开关装置的功率转换器拓扑的实施例。图2a示出了具有控制231的开关装置m221的ac/dc升压功率因数校正(pfc)转换器200，该控制231是以低侧接地参考201为参考的。控制块231接收一些包括反馈(fb)控制信号的控制信号233，并且产生控制开关装置的开关的驱动信号223，并且通过功率转换器的输出电压vo252和输出电流io253调节到输出负载251的能量传递。在一个实施例中，功率转换器输入端子可以耦合到正弦输入信号vac205，该正弦输入信号vac205可以通过整流器和输入电路210被整流和滤波，以将输入电压信号vin215施加到升压部件。主升压部件包括升压电感器lb218、升压开关装置221以及控制块231，在一个实施方案中，升压开关装置221以及控制块231都集成在单个ic230中，其中本文所公开的温度检测电路可以并入到控制块231中。

本领域技术人员将注意到，开关装置221上的斩波电压通过整流器模块240被整流，从而产生经调节的输出电压vo252和输出电流io253到负载250。

图2b是可从添加到低侧控制块261或高侧控制块262的本公开的温度检测电路中受益的半桥开关装置270的另一实施例拓扑。图2b中示出的功率转换器从输入整流器和输入电路块210中接收经整流的并且电磁干扰(emi)滤波的输入电压信号vin215，该输入电压信号vin215被施加在半桥开关装置260上。如图所示，开关装置260包括具有低侧控制块261的低侧开关m1271，该低侧控制块261通过链路277参考开关m1271的低电位侧(例如，源极)，以及具有高侧控制块262的高侧开关m2272，该高侧控制块262通过链路276参考开关m2272的低电位侧(例如，源极)。低侧控制块261和高侧控制块262各自分别可以接收额外的控制信号263和264。控制信号263和264可以包括来自转换器输出的反馈fb控制信号268。控制块261和262分别产生用于低侧开关271和高侧开关272的驱动信号273和274。低侧控制块261和高侧控制块262可以通过通信链路265在功能上同步。

在一个实施方案中，半桥开关装置270的中点电位va278耦合到能量转换块280(其可以是隔离的或非隔离的配置)，该能量转换块280产生/生成跨越负载250的输出电压vo252和输出电流io253。

可以理解的是，本文所公开的热检测电路可以添加到图2a的低侧控制块231中，或者添加到图2b的低侧控制块261或高侧控制块262中。应进一步理解的是，所公开的实施方案不限于图2a和2b的实施例拓扑；也就是说，利用低侧控制器和功率半导体开关装置应用的各种不同开关转换器可从这里公开的温度检测电路中受益。

在半桥配置中，例如，存在低侧mosfet开关和高侧mosfet开关，应当理解的是，本文所述的温度感测方法可以与这些mosfet开关中的任一个一起使用，例如，如果它们在非零电位处浮动。如上所述，应该理解的是，如果是mosfet开关，控制参考mosfet的源极(或非基板)。类似地，对于高侧开关m2272和控制块262，应理解的是，对于mosfet开关，控制参考mosfet的源极(或非基板)。因此，在两种情况下，它们可以被称为mosfet源极参考控制。

在一个实施方案中，功率mosfet开关装置的rds(on)具有限定的正温度系数。在恒定的vgs和ids条件下，通过在未知温度rds(on)tx的操作切换条件期间测量漏极-源极导通电阻，并且将其与相同条件/参数下相同装置的已知温度(例如，25℃)rds(on)t25下的存储校准值进行比较，可以准确地和快速地推断相对于校准温度的mosfet内部的温度。

在一个实施方案中，在已知温度(例如，25℃)的制造测试期间测量mosfet装置的漏极-源极导通电阻值rds(on)t25，并且在校准期间被存储。因此，如果在正常或瞬态操作期间rds(on)随着温度上升而变化，则控制器可以测量瞬时电阻变化相对于校准值的比率并计算温度上升，这对于mosfet装置的热保护是有用的。

在一个实施方案中，在每个开关周期中功率mosfet开关装置的漏极电压和电流被测量。在一个实施例中，使用结型场效应晶体管(jfet)测量漏极电压，该结型场效应晶体管的漏极连接到功率mosfet的漏极，其中jfet的栅极连接到功率mosfet的源极。当功率mosfet导通时，jfet源极节点电压值跟随mosfet漏极的电压值，从而在导通时间期间内提供精确的漏极电压读数。

在一个实施方案中，通过感测fet获得mosfet漏极电流，该感测fet测量在主功率mosfet中流动的电流的预定部分。因此，检测该感测电流提供了在每个开关周期中功率mosfet漏极电流(ids)的测量。因此，利用表示功率mosfet开关装置的漏极电压和漏极电流的信号，可以确定何时rds(on)值超过某个阈值运行值，反过来，该阈值运行值又与用于开关功率mosfet的预定的目标温度限制直接相关。

图3示出了用于感测功率mosfet漏极电流和漏极电压开关装置的瞬时值的实施例电路示意图。在电路305中，漏极电流通过感测fetq2343由输出信号uisns346感测。漏极电压通过jfet361由输出信号uvsns366感测。如图所示，节点va328是功率转换器能量传递部件的耦合点，其对应于(即，等效于)图2a中的节点va228和图2b中的节点va278。电路305包括半导体开关装置(主功率mosfet)q1321和部分尺寸的感测fetq2341。注意，在主mosfetq1321和感测fet341之间的相应尺寸差异由比率k：1给出。尺寸比率可以由每个fet中的单元数量来定义，反过来，单元数量又与漏极-源极导通电阻具有相反关系，并且单元数量与每个fet中的电流直接相关(正比)，如下面公式所示：

k＝nq1-cells/nq2-cells＝rds(on)q2/rds(on)q1＝i1/i2；

i2＝isns＝(1/k)i1；

vd＝i1rds(on)q1＝i2rds(on)q2＝(i1/k)rds(on)q2。

如图所示，主mosfetq1321的漏极和感测fetq2341的漏极耦合到相同的总线电压vd327。用于主mosfetq1321的栅极信号323和用于感测fetq2341的栅极信号343由相同的驱动信号vdrive333提供。这满足了用于维持该感测fet和该主mosfet的恒定vgs的条件。因此，主mosfetq1321和感测fetq2341中的电流密度保持相同。流过主mosfetq1321的id325和流过感测fetq2341的isns342的电流比率与它们的尺寸k：1成比例。可以理解的是，与主mosfetq1321相比，感测fetq2341的漏极-源极电阻测量更准确(误差更小)，因为它具有更大的漏极-源极导通电阻。

感测电阻器344被示出为从感测fetq2341的源极耦合到地301。流过感测电阻器344的感测电流isns342产生信号uisns346，其表示流过主mosfetq1321的电流id325。

在图3的实施方案中，通过耦合到漏极总线vd327的jfet361感测漏极电压vd327。jfet361的栅极363耦合到主mosfetq1321的源极。示出jfet361的栅极连接到地电位(零电压)。每当主mosfetq1321导通时，jfet361的栅极-源极电压变为接近零，并且高于jfet361的夹断电压(vp)。因此，jfet361也导通，其将漏极电压vd327耦合到抽头端子(tapterminal)(jfet源极)365，以用于通过信号uvsns366感测漏极导通电压降。当主mosfetq1321关断时，jfet361的栅极363变得低于jfet361的夹断电压(vp)。因此，jfet361处于关断状态，从而阻止来自抽头端子365的漏极电压vd327。因此，本领域技术人员将理解，功率mosfet的漏极-源极电阻上的导通时间瞬时电流和导通时间瞬时电压降是经由信号uisns346和uvsns366提供的。

图4是可以利用图3的电路检测超过预定义限制的温度上升的阈值检测电路410的实施例电路示意图。在端子365和345上提供的输出信号uisns346和uvsns366被视为阈值检测电路410的输入。检测电路410包括第一比较器450，该第一比较器在其正输入454处接收电流信号uisns346。将电流信号uisns346与施加到比较器450负输入的参考电流信号iref456进行比较。每当信号uisns446上升到高于当前参考信号iref456时，比较器450的输出458转变为逻辑高值。在一个实施方案中，参考电流信号iref456是预定义的校准电流阈值。每当电流信号uisns346超过预定义的校准电流阈值时，比较器450的输出458转变为高。

检测电路410还包括第二比较器460，其具有耦合以接收信号uvsns366的正输入464。将信号uvsns366与施加到比较器460的负输入的参考电压vref466进行比较。参考vref466表示与其结温直接相关的功率mosfet的rds(on)的阈值。每当信号uvsns466变得高于参考电压vref466时，比较器460的输出468转变为高逻辑值。

比较器460的输出468耦合到d型触发器470的数据输入d471，并且比较器450的输出458耦合到所述触发器470的时钟输入472。当漏极电压超过参考电压阈值时，比较器460的输出变为逻辑高，该参考电压阈值已被设置为指示校准电流下的rds(on)已超过作为温度限制的指标的漏极电压的预定/规定阈值。

继续图4的实施例，比较器450的输出被示出耦合到d型(“d”)触发器470的时钟输入。因此，d触发器470通过来自电流比较器450的输出计时。d触发器470在时钟周期的一确定部分(例如时钟的上升沿)捕获d输入471的值。该捕获值成为q输出473。在其他时候，该q输出473不会改变。d输入471是来自漏极电压比较器460的输出468。结果，如果在电流信号346超过当前校准阈值456的瞬间，由信号366提供的漏极电压超过电压阈值466，则q输出473转变为逻辑高值。结果，本领域的技术人员将理解，当功率mosfet的rds(on)超过组合阈值时，d触发器470的q输出473被设置为逻辑高值。换句话说，在流过功率mosfet的电流达到或超过校准阈值时，测量或检测功率mosfet开关装置的rds(on)。

如前所述，功率mosfet的漏极-源极电阻rds(on)是其结温的直接函数；因此，rds(on)的变化直接表示功率mosfet装置的瞬时温度变化。以这种方式，在q输出473处的逻辑高值可用于指示报警状况，其中超过功率mosfet开关装置的推荐或规定的热阈值。

应该理解的是，在其他实施方案中，可以检测到多于一个阈值水平。也就是说，可以为各种类型的温度检测或其他类型的控制保护定义多个阈值电压电平。可以利用多组比较器和触发器来产生用于温度检测和/或控制保护的各种输出信号。举例来说，第一保护级别可用于改变功率mosfet开关装置的一个或多个控制参数(例如，电流限制、开关频率、脉冲宽度或临时停止切换)。第二保护级别可以用于防止致命瞬态或温度上升的情况，其中报警信号用于闭锁或永久地关断设备。

本领域技术人员将理解，所公开的主题可以通过不同版本和各种的半导体材料来实现。例如，功率mosfet开关装置可以由任何分立或集成的si、sic、gan或其他类型的高电子迁移率半导体开关组成。

对所示的示例实施方案的以上描述(包括摘要中所描述的内容)并非旨在穷举或限制所公开的确切形式或结构。虽然本文所描述的主题的具体实施方案和实施例是出于说明性目的，但是在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，各种等同修改是可以的。实际上，应当理解，提供具体示例电流、电压、电阻、器件类型和尺寸等用于解释目的，并且根据本发明的教导，其他值也可以用于其他实施方案和实施例中。