功率开关的热观测器以及过载保护.pdf

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。

权利要求书1.  一种半导体电路装置，包括：具有至少一个有源区(Ch_n，T1)的功率半导体器件；嵌入在功率半导体器件(功率芯片)中的第一温度传感器(HS)；其中第一温度传感器(HS)被放置在至少一个有源区(Ch_n，T1)内或者靠近该至少一个有源区(Ch_n，T1)；以及嵌入在功率半导体器件(功率芯片)中的第二温度传感器(CS)；其中该第二温度传感器(CS)被放置远离该至少一个有源区(Ch_n，T1)，比第一温度传感器(HS)更进一步远离该至少一个有源区(Ch_n，T1)。2.  根据权利要求1所述的半导体电路装置，其中该第一温度传感器(HS)被放置在功率半导体器件(功率芯片)的操作期间的最高温度所出现的位置上；以及该第二温度传感器(CS)被放置在功率半导体器件(功率芯片)的操作期间的最低温度所出现的位置上。3.  根据权利要求1所述的半导体电路装置，进一步包括：至少一个比较器(C1，C2)，配置成比较从第一和第二温度传感器(HS，CS)接收到的测量信号。4.  根据前述权利要求所述的半导体电路装置，进一步包括：控制逻辑电路，配置成评估该至少一个比较器(C1，C2)的结果和/或第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量信号。5.  根据前述权利要求所述的半导体电路装置，其中该控制逻辑电路配置成基于该至少一个比较器(C1，C2)的结果和/或基于第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量信号产生至少一个报警信号或者标志(ΔT_flag，OT_flag)。6.  根据前述权利要求所述的半导体电路装置，其中该控制逻辑电路配置成执行下面的一种或多种：-比较由第一和/或第二温度传感器(HS，CS)测量的温度与预定温度阈值(ΔT_threshold)；-检测第一温度传感器(HS)和第二温度传感器(CS)之间的温度差；-检测该至少一个有源区(Ch_n，T1)的过温情形；-检测该至少一个有源区(Ch_n，T1)的过电流情形；-检测功率半导体器件(功率芯片)的短路情形；-切断该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作；-启动该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作重启；-启动该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的重复操作重启；-对该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作重启次数进行计数；-限制该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作重启次数；-在该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作重启之前设置第一等待时间(Trestart_ΔT)；-在该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的重复操作重启之前设置第二等待时间(Twait)；-启动第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量；-启动第一和第二温度传感器(HS，CS)的重复测量；-启动第一和第二温度传感器(HS，CS)之间温度差的重复测量；-在由于至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)中的过电流检测所导致的切断之后的预定时间段之后启动第一和第二温度传感器(HS，CS)的重复测量；-对第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量次数进行计数；-限制第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量次数；-在第一和第二温度传感器(HS，CS)的重复测量之前设置第三等待时间(Tcheck_ΔT)；-在功率半导体器件(功率芯片)的重复操作重启之前设置第四等待时间；-在第一温度传感器(HS)的测量和第二温度传感器(CS)的测量之间设置第五等待时间；-在功率半导体器件(功率芯片)内执行退磁阶段；-改变或调节任何等待时间和/或阈值。7.  根据前述权利要求所述的半导体电路装置，其中控制逻辑电路配置成如果检测到下面情形中的一种或多种则切断该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作：-第一和/或第二温度传感器(HS，CS)的温度超过预定温度阈值(ΔT_threshold)：-至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作重启次数超过预定阈值；-第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量次数超过预定阈值；-在切断至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作之后的预定时间段内，第一和/或第二温度传感器(HS，CS)的温度不下降到预定阈值以下。8.  根据前述权利要求所述的半导体电路装置，其中控制逻辑电路配置成如果检测到下面情形中的一种或多种则重启至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作：-第一温度传感器(HS)的温度低于预定阈值；-第二温度传感器(CS)的温度低于预定阈值；-第一和/或第二温度传感器(HS，CS)之间的温度差低于预定阈值；-在切断至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作之后的第六等待时间超过预定阈值。9.  根据前述权利要求所述的半导体电路装置，其中控制逻辑电路配置成基于来自第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量信号的评估来控制用于至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的电源(VS)。10.  根据前述权利要求所述的半导体电路装置，其中控制逻辑电路和/或该至少一个比较器(C1，C2)布置在控制芯片(控制芯片)上。11.  一种操作功率半导体电路装置的方法，该半导体电路装置包括具有至少一个有源区(Ch_n，T1)的功率半导体器件(功率芯片)，该方法包括：采用第一温度传感器(HS)测量第一温度，该第一温度传感器嵌入在功率半导体器件(功率芯片)中并且被放置在该至少一个有源区(Ch_n，T1)内或者靠近该至少一个有源区(Ch_n，T1)；采用第二温度传感器(CS)测量第二温度，该第二温度传感器嵌入在功率半导体器件(功率芯片)中并且被放置远离该至少一个有源区(Ch_n，T1)，比第一温度传感器(HS)更进一步远离该至少一个有源区(Ch_n，T1)；以及评估来自第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量信号。12.  根据前述权利要求所述的方法，进一步包括：比较从第一和第二温度传感器(HS，CS)接收的测量信号。13.  根据前述权利要求所述的方法，进一步包括：评估该至少一个比较器(C1，C2)的结果和/或第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量信号。14.  根据前述权利要求所述的方法，进一步包括：基于该至少一个比较器(C 1，C2)的结果和/或基于第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量信号产生至少一个报警信号或标志(ΔT_flag，OT_flag)。15.  根据前述权利要求所述的方法，进一步包括下面的一种或多种：-比较由第一和/或第二温度传感器(HS，CS)测量的温度与预定温度阈值(ΔT_threshold)；-检测第一温度传感器(HS)和第二温度传感器(CS)之间的温度差；-检测该至少一个有源区(Ch_n，T1)的过温情形；-检测该至少一个有源区(Ch_n，T1)的过电流情形；-检测功率半导体器件(功率芯片)的短路情形；-切断该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作；-启动该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作重启；-启动该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的重复操作重启；-对该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作重启次数进行计数；-限制该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作重启次数；-在该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的 操作重启之前设置第一等待时间(Trestart_ΔT)；-在该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的重复操作重启之前设置第二等待时间(Twait)；-启动第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量；-启动第一和第二温度传感器(HS，CS)的重复测量；-启动第一和第二温度传感器(HS，CS)之间温度差的重复测量；-在由于至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)中的过电流检测所导致的切断之后的预定时间段之后启动第一和第二温度传感器(HS，CS)的重复测量；-对第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量次数进行计数；-限制第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量次数；-在第一和第二温度传感器(HS，CS)的重复测量之前设置第三等待时间(Tcheck_ΔT)；-在功率半导体器件(功率芯片)的重复操作重启之前设置第四等待时间；-在第一温度传感器(HS)的测量和第二温度传感器(CS)的测量之间设置第五等待时间；-在功率半导体器件(功率芯片)内执行退磁阶段；-改变或调节任何等待时间和/或阈值。16.  根据前述权利要求所述的方法，其中如果检测到下面情形中的一种或多种则切断该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或该功率半导体器件(功率芯片)的操作：-第一和/或第二温度传感器(HS，CS)的温度超过预定温度阈值(ΔT_threshold)；-该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或该功率半导体器件(功率芯片)的操作重启次数超过预定阈值；-第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量次数超过预定阈值；-在切断至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的操作之后的预定时间段内，第一和/或第二温度传感器(HS，CS)的温度不下降到预定阈值以下。17.  根据前述权利要求所述的方法，其中如果检测到下面情形中的一种或 多种则重启该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或该功率半导体器件(功率芯片)的操作：-第一温度传感器(HS)的温度低于预定阈值；-第二温度传感器(CS)的温度低于预定阈值；-第一和/或第二温度传感器(HS，CS)之间的温度差低于预定阈值；-在切断该至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或该功率半导体器件(功率芯片)的操作之后的第六等待时间超过预定阈值。18.  根据前述权利要求所述的方法，进一步包括基于来自第一和第二温度传感器(HS，CS)的测量信号的评估来控制用于至少一个有源区(Ch_n，T1)和/或功率半导体器件(功率芯片)的电源(VS)。

说明书功率开关的热观测器以及过载保护
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。
发明内容
这个目标可以通过独立权利要求的主题来实现。本发明进一步的实施方式分别由从属权利要求进行限定。
根据本发明的一个方面，在逐芯片(chip-by-chip)器件中，提供一种功率-功率芯片，该功率芯片包括放置在该功率芯片中的功率晶体管以及温度传感器，即，热温度传感器HS以及冷温度传感器CS。至少一个温度传感器，即热温度传感器HS，被放置靠近功率晶体管，并且至少另一个温度传感器，即，冷温度传感器CS被放置在离功率晶体管较远的距离。此外，提供一种控制芯片，该控制芯片包括位于该控制芯片内的电路，以采用从放置在功率芯片中的温度传感器HS和CS接收的信息来确定该温度信息。
根据本发明的另一实施方式，当检测到功率芯片的过载时，可进行动态温度测量，在由于过电流检测进行的切断之后，比较固定时间点上由热温度传感器HS检测的温度以及由冷温度传感器CS检测的温度。所述固定时间点选择为在精度测量以及DMOS温度和传感器温度检测之间的耦合之间进行最 好的折衷。因此，可评估给定的热网络，而不需要进行任何复杂的计算，并且可以更加精确地方式来预测模片温度。此外，该温度测量的所述固定时间点可选择为在电压(某些mV范围)中具有良好的精度并且何时热耦合是最佳的。
根据本发明的又一方面，上述目标可通过限制过多的重试次数来实现，即，限制半导体器件、电路或开关的多个重启情况。根据本发明的另一方面，限制重试次数，而不对功率半导体器件、电路或者开关的驱动能力施加基本的影响，并且从而在功率半导体器件、电路或开关的钳位和/或退磁阶段通过热观察来改进其坚固性。
本发明提供了功率半导体器件、电路或开关的内短路情形下的过多重试次数的限制。根据本发明的另一方面，在切断外部提供热观察。根据本发明的又一方面，在功率半导体器件、电路或者开关内执行退磁阶段。因此，本发明提供温度检测改进，而在半导体电路或开关内具有较少的面积要求。
根据本发明的总的理念，在DMOS电路或器件以及温度传感器之间限定热耦合的热网络中，执行热温度传感器和冷温度传感器之间的动态温度差或温度增量检测，以致在切断之后的某个时间点上并且当假定温度传感器和平均DMOS传感器之间的耦合已经返回到预定范围时进行测量。
结果是，本发明使得预先评估半导体电路、开关或器件的温度的过度重启是否会对器件产生过大的应力或者是否需要锁存故障情形或状态成为可能。这样极大改进了功率器件的可靠性以及持久性。总体来说，本发明提供了一种新的简化的热观察器，其可有助于克服现有技术中下述局限性中的一个或多个：
.短路情形下过多的重试的次数
.由于传感器和DMOS之间的不利的热耦合而引起的不良的热检测
.评估该热网络的高硅区域要求
根据本发明的一个方面，提供了一种半导体电路装置，包括：
具有至少一个有源区的功率半导体器件；
嵌入到该功率半导体器件中的第一温度传感器；
其中第一温度传感器被放置在至少一个有源区内或者靠近该至少一个有源区；其中第二温度传感器嵌入该功率半导体器件中；以及
该第二温度传感器被放置在远离该至少一个有源区，比该第一温度传感器更进一步远离该至少一个有源区。
有利的是，该第一温度传感器被放置在其中在功率半导体器件操作期间的最高温度期望出现的位置上，并且该第二温度传感器被放置在其中在功率半导体器件操作期间的最低温度期望出现的位置上。
有利的是，该半导体电路装置进一步包括至少一个比较器，该至少一个比较器配置成比较从第一和第二温度传感器接收的测量信号。
有利的是，该半导体电路装置进一步包括控制逻辑电路，该控制逻辑电路配置成评估该至少一个比较器的结果和/或第一和第二温度传感器的测量信号。
有利的是，该控制逻辑电路配置成基于该至少一个比较器的结果和/或基于第一和第二温度传感器的测量信号产生至少一个报警信号或标志。
有利的是，该控制逻辑电路配置成执行下面中的一个或多个：
-将第一和/或第二温度传感器测量的温度与预定的温度阈值进行比较；
-检测第一温度传感器和第二温度传感器之间的温度差；
-检测该至少一个有源区的过温情形；
-检测该至少一个有源区的过电流情形；
-检测该功率半导体器件的短路情形；
-切断该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作；
-启动该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作重启；
-启动该至少一个有源区和/或功率半导体器件的重复操作重启；
-计算该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作重启次数；
-限制该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作重启次数；
-在该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作重启之前设置第一等待时间；
-在该至少一个有源区和/或功率半导体器件的重复操作重启之前设置第二等待时间；
-启动第一和第二温度传感器的测量；
-启动第一和第二温度传感器的重复测量；
启动第一和第二温度传感器之间的温度差的重复测量；
-由于至少一个有源区和/或功率半导体器件中的过电流检测所导致的切断后的预定时间段之后启动第一和第二温度传感器的重复测量；
-计算第一和第二温度传感器的测量次数；
-限制第一和第二温度传感器的测量次数；
-在第一和第二温度传感器的重复测量之前设置第三等待时间；
-在功率半导体器件的重复操作重启之前设置第四等待时间；
-在第一温度传感器的测量和第二温度传感器的测量之间设置第五等待时间；
-在功率半导体器件内执行退磁阶段；
-改变或调整任何等待时间和/或阈值。
有利的是，该控制逻辑电路配置成如果检测到下面情形中的一个或多个则切断该至少一个有源区和/或该功率半导体器件的操作：
-第一和/或第二温度传感器的温度超过预定的温度阈值；
-该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作重启次数超过预定阈值；
-第一和第二温度传感器的测量次数超过预定阈值；
-在切断该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作之后的预定时间段内，该第一和/或第二温度传感器的温度并不下降到预定阈值下。
有利的是，该控制逻辑电路配置成如果检测到下面情形中的一个或多个则重启该至少一个有源区和/或该功率半导体器件的操作：
-第一温度传感器的温度低于预定阈值；
-第二温度传感器的温度低于预定阈值；
-第一和/或第二温度传感器之间的温度差低于预定阈值；
-在该至少一个有源区和/或功率半导体器件的切断操作后的第六等待时间超过预定阈值。
有利的是，该控制逻辑电路配置成基于从第一和第二温度传感器的测量信号评估控制至少一个有源区和/或功率半导体器件的电源。
有利的是，该控制逻辑电路和/或该至少一个比较器被放置在控制芯片上。
根据本发明的另一方面，提供一种操作功率半导体电路装置的方法，该功率半导体电路装置包括具有至少一个有源区的功率半导体器件，该方法包括：
采用第一温度传感器测量第一温度，该第一温度传感器嵌入在该功率半导体器件中并且被放置在该至少一个有源区内或者靠近该至少一个有源区；
采用第二温度传感器测量第二温度，该第二温度传感器嵌入在该功率半导体器件中并且被放置远离该至少一个有源区，比第一温度传感器更进一步远离该至少一个有源区；
以及评估来自该第一和第二温度传感器的测量信号。有利的是，该方法还包括比较从第一和第二温度传感器接收的测量信号。
有利的是，该方法还包括评估该至少一个比较器的结果和/或第一和第二温度传感器的测量信号。有利的是，该方法还包括基于该至少一个比较器的结果和/或基于该第一和第二温度传感器的测量信号产生至少一个报警信号或标志。
有利的是，该方法还包括下面中的一个或多个：
-比较该第一和/或第二温度传感器测量温度和预定温度阈值；
-检测第一温度传感器和第二温度传感器之间的温度差；
-检测该至少一个有源区的过温情形；
-检测该至少一个有源区的过电流情形；
-检测该功率半导体器件的短路情形；
-切断该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作；
-启动该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作重启；
-启动该至少一个有源区和/或功率半导体器件的重复操作重启；
-计算该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作重启次数；
-限制该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作重启次数；
-在该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作重启之前设置第一等待时间；
-在该至少一个有源区和/或功率半导体器件的重复操作重启之前设置第二等待时间；
-启动第一和第二温度传感器的测量；
-启动第一和第二温度传感器的重复测量；
-启动第一和第二温度传感器之间的温度差的重复测量；
-在由于该至少一个有源区和/或功率半导体器件内的过电流检测所导致 的切断之后的预定时间段后启动第一和第二温度传感器的重复测量；
-计算第一和第二温度传感器的测量次数；
-限制第一和第二温度传感器的测量次数；
-在第一和第二温度传感器的重复测量之前设置第三等待时间；
-在功率半导体器件的重复操作重启之前设置第四等待时间；
-在第一温度传感器(HS)的测量和第二温度传感器的测量之间设置第五等待时间；
-在功率半导体器件内执行退磁阶段；
-改变或调节任何等待时间和/或阈值。
有利的是，如果检测到下面情形中的一个或多个，切断该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作：
-第一和/或第二温度传感器的温度超过预定温度阈值；
-该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作重启次数超过预定阈值；
-第一和第二温度传感器的测量次数超过预定阈值；
-在切断该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作之后的预定时间段内，第一和/或第二温度传感器的温度并不下降到预定阈值下。
有利的是，如果检测到下面情形中的一个或多个，重启该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作：
-第一温度传感器的温度低于预定阈值；
-第二温度传感器的温度低于预定阈值；
-第一和/或第二温度传感器之间的温度差低于预定阈值；
-切断该至少一个有源区和/或功率半导体器件的操作后的第六等待时间超过预定阈值。
有利的是，该方法还包括基于来自第一和第二温度传感器的测量信号的评估来控制至少一个有源区和/或功率半导体器件的电源。
附图说明
包括附图，用于为本发明提供更进一步的理解，并且该附图组合到说明书中并且构成该说明书的一部分。附图图示了本发明的实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。本发明的其他实施方式以及本发明的许多预期的有益效果将容易理解，由于它们可参考下面的详细说明变得更好地理 解。附图元件并不必相对于彼此成比例。相同的附图标记表示对应的或者类似的部分。
图1A示出本发明所能应用的半导体功率开关电路或沟道的简化示意图；
图1B示出了图示图1A所示的半导体功率开关电路或沟道在短路情形的情况下和在操作重启期间的动作的图表；
图2示出了图示图1A所示的半导体功率开关电路或沟道在短路情形的情况下和在操作重启期间的动作的另一图表；
图3示出了表示标准动态温度保护和采用根据本发明实施方式的新的热观察器的动态温度保护之间的比较的图表；以及
图4示出了在透视图中的根据本发明另一实施方式。
具体实施方式
在下面的详细说明中，参考附图，其形成一部分，并且其中通过示意性特定实施方式的形式进行示出，在该特定性实施方式中可以实践了本发明。由于本发明实施方式的各个部件可以被安放在多个不同的方位，因此其方向性术语用于示出的目的并且没有限制。应该理解，不脱离本发明的范围，可利用其他实施方式，并且可进行结构性或者逻辑性改变。因此，并不以限定性方式来进行下面详细的说明，并且由所附的权利要求限定本发明的范围。
图1A示出了功率半导体电路或沟道的简化示意图，其中能应用本发明。在图1B中，示出了下面的细节：
T1：高侧结构或DMOS器件的功率晶体管。
IN：导通功率晶体管的指令线(来自于控制芯片)。
VS：电源电压。
OUT：功率晶体管的源极。
LOAD：连接到功率晶体管源极的负载。
IL：一旦功率晶体管导通，流过负载的电流。
高侧结构中的DMOS功率晶体管T1包括连接到负载的源极和漏极，其中功率晶体管T1的源极OUT连接到负载，该负载包括电感和低电阻，以模拟危害线路的短路接地。在所图示的情况下，负载系统化为电感(例如，10uH)以及低电阻(例如，100m欧)。功率晶体管T1的漏极耦合到例如承载电池电压的电源电压VS。
通过指令或控制线IN，来自控制芯片(未示出)的导通功率晶体管T1的指令可提供给功率晶体管T1。如果功率晶体管T1导通，电流IL从功率晶体管T1的源极OUT流过负载。
在这个装置中，在钳位/退磁阶段中，能量必须通过DMOS功率晶体管T1本身耗散，其中功率晶体管T1的温度根据从结到其周围的热网络增加。因此，温度传感器用于检测DMOS功率器件电路的过热并且保护器件以免过热，例如在短路情形引起的钳位/退磁阶段中。温度传感器可直接嵌入到功率芯片中或者放置在用于过温或动态温度检测的控制芯片中。
当功率晶体管导通时，电流立即增加，直到检测到最大电流ILmax为止。该事件通常称作过电流检测并且出现在这种半导体功率器件或沟道的一种内部保护功能中。一旦检测到过电流情形OC，功率晶体管采用快速切断而关断，并且保持一段等待时间Twait的关断。在等待时间Twait之后，沟道重启为再次导通。期望尽可能快地执行半导体功率器件或沟道的这种重启，以提供高的电流能力给负载。
当该半导体功率器件或沟道导通时，功率晶体管T1的源极电压随着流过的电流增加而增加，直到达到电源电压VS，例如，电池电压为止。在这种情形下，功率晶体管T1完全导通。一旦检测到过电流情形OC，提供给负载的电流降低，源极电压变为比地低，这是因为外部电感仍然将要迫使该电流。然后该源极电压通过控制芯片内部钳位为特定的钳位电压值Vcl。这种情形称作钳位和/或退磁阶段。
图1B所示的功率信号图示了在钳位/退磁阶段通过器件耗散的功率量。在钳位/退磁阶段通过该器件耗散的最大功率量Ppk给定为ILmax*Vcl。图1B示出的信号Tch图示了功率晶体管T1的沟道结温度。在钳位/退磁阶段，功率以及能量必须由功率晶体管T1耗散，并且因此结温度随着从该结到环境的热网络相应地增加，其中温度传感器用于检测过热。因此，结温度从特定值(即，Tjstart1)开始并且依据钳位/退磁阶段中外部部件(Tpk1)到达第一峰值。
一旦负载的外部电感完全放电，功率去除，并且结温度可在冷却阶段下降。一旦冷却阶段完成，操作随后的重启可由控制芯片通过指令线IN进行命令。如果操作的重启发生在结温度返回到其初始值Tjstart1之前发生，那么该器件的操作从结温度的较高值Tjstart2启动，并且第二峰值温度Tpk2可高于 第一峰值温度Tpk1。
因此，如图3所示，取决于应用要求，在重启器件的操作的重试的特定最大次数，例如，最大为32次重启之后，最终的峰值温度值可非常高，并且危害到器件的功能性。为了避免给器件带来的过热损坏，温度传感器用于过温或动态温度检测。图1B示出的信号TSen图示了由温度传感器检测的沟道结温度，其中该温度传感器可直接嵌入到功率芯片外的控制芯片中的功率晶体管的功率芯片中。
由于温度传感器和有源区之间不完全的热耦合，温度传感器不能足够快速地反应，以在退磁期间报告该有源区温度。在这种情况下，可能的是最大温度为Tpk1_s＜Tpk1。由于控制芯片和功率芯片之间的距离，如果温度传感器被放置在控制芯片中，功率芯片内的温度传感器和有源区之间不完全的热耦合尤其可出现。
在退磁期间温度传感器的温度的延迟报告结果是，控制电路不能立即检测器件的过热，并且结果是DMOS功率晶体管T1不能均匀冷却。因此，在功率器件以及功率晶体管T1上可出现高的局部温度，却不能以及时的方式来检测该高的局部温度。
这样可导致功率器件的过早毁坏，产生热点以及从而导致成丝。如果执行多次重启，这种关键的热点温度还可更快达到。这是因为该热可在DMOS功率器件的最热区域中产生热点，由于彼此比较接近地进行连续重试，因此该DMOS功率器件不能足够快速地冷却。尽管存在温度传感器的信息，但是其不能示出危险的热点温度。
根据本发明的一方面，该问题通过限制重启半导体功率器件或电路的操作的重试的过多次数而解决。这种限制重启操作的重试的过多次数不影响功率器件的驱动容量，并且因此通过钳位/退磁阶段的热观察而改进了功率器件的坚固性。
图2示出了图示图1所示的半导体功率开关电路或沟道动作的另一图表，其具有短路情形的情况下并且在操作重启期间的电感线路危害。图1B中示出的图表图示出现在图1A中示出的每条线路和耦合上的信号序列。尤其是，图1B图示了热观察器时序以及阈值，诸如检验点T_check_ΔT上的温度，等待时间Trestart_ΔT以及温度增量阈值ΔT_threshold。在每次过电流检测或器件 的操作重启重试之后，器件的温度在钳位/或退磁阶段增加，因为高功率和相应的能量必须通过该功率晶体管T1进行耗散。因此，在每次过电流检测或操作重启重试之后，动态温度的测量在特定的时间段过去之后进行。在这种情形下，动态温度的测量在热温度传感器和冷温度传感器之间进行，其中热温度传感器嵌在功率晶体管中，冷温度传感器被放置在这样的位置并且以这样的方式进行放置：其中冷温度传感器上的每个温度并不在钳位/退磁阶段增加。
如图2所示，采用TJstart作为冷温度传感器的温度，在特定时间段Tcheck_ΔT过去之后进行热温度传感器和冷温度传感器之间的温度差或增量测量(ΔT)。该温度增量时间检验可进行选择，诸如在切断时间t1或t2之后的80us。如果在所测量的温度低于特定阈值时，即，ΔTjres＝40℃，这表示在钳位/退磁阶段中功率电路内有源区的温度增加超过了150℃。因此，在特定的等待时间Trestart_ΔT之后(在所图示的实施例中为在160us之后)，可允许操作重启的重试，或者如果检验点T_checkΔT的温度高于阈值，执行锁存情形，其对应于图2所示的第三次重试。
根据这一方面，在每个单独的功率半导体电路的切断之后，本发明采用可用的动态温度改变信息以及热网络特性。换句话说，给出热网络以及时间限制的功率脉冲，例如，如功率器件切断之后钳位/退磁阶段所执行的那样，在切断之后的单个时间瞬间的测量对于评估该半导体功率器件或模片的最大动态温度是足够的，该最大动态温度类似于该功率半导体电路的功率峰值应用。
总的来说，如果在测量时间上已经确定功率器件以及模片温度过高，那么可将接下来的操作重启评估为功率半导体电路或器件的过应力，并且可达到锁存故障情形或状态。因此，本发明可提供器件可靠性的改进。
本发明的示意性应用情况已经示出，其中在当前硅区域(几个到某些的10sqmm)，在几us延迟/τ范围内的嵌入的温度传感器的热耦合，以及嵌入的传感器和参考传感器之间的典型热耦合在毫秒的范围内。因此，与所应用的功率峰值(4-50u秒的1kW/mm2峰值范围)隔开的50-200u秒之后的动态温度评估可以是可靠的，并且对于实施来说是方便的。因此，不再需要热预测的复杂计算。
对于正确的ΔT感测，参考传感器大致上对至少给定时间内的温度增加 是不敏感的。对于大多数的关键参数：ΔT，在切断之后的评估瞬间(ΔT_check)，重启之前的等待时间等等，可存在完全的灵活性。所选择的值可根据可靠性、封装和硅热特性、或者应用情形来进行协调。这种灵活性将在单个产品/器件等级，但是也可通过整理或者后端，或者通过例如NVM编程之类的用户结构进行协调。
参考热模拟，为了实现更好感测精度，在耦合到DMOS功率晶体管的温度上的传感器和评估在允许较高ΔT阈值之前的过热情形的时间的折衷可选择为完成下面总的原则：给出限定传感器和DMOS功率晶体管之间关系的热网络，可通过合适并且正确的均衡化ΔT阈值来补偿耦合误差。
本发明可应用到任何类型，尺寸以及上述提到的参数的使用中。例如，切断情形可以是通过将热传感器的绝对值加到热网络中的ΔT值的推断值上而得到过温的函数。在温度传感器和诸如叠层芯片(chip on chip)、或者逐芯片(chip by chip)之类的功率开关的DMOS电路之间的不良的热耦合的情况下，提供了本发明的另一个有益效果，其中该温度传感器可仅出现在控制芯片中，这是因为技术局限性或者成本原因造成的。
再次参考图2，功率(POWER)指示的曲线图示了在钳位阶段功率晶体管必须耗散的功率量。温度(TEMP)指示的曲线分别图示了时间上的不同温度过程：
-斜线图示的温度曲线A表示图1所示的功率晶体管T1结处的温度。该功率晶体管T1的结温度在持续时间段Tclamping的钳位事件中增加。
-交叉线图示的温度曲线B表示嵌入在功率晶体管T1中的传感器温度。嵌入在功率晶体管T1中的传感器的传感器温度在持续时间段Tclamping的钳位阶段事件中增加。更具体的是，由于功率晶体管T1的结点和所包含的封装之间的热网络，嵌入在功率晶体管T1中的传感器的传感器温度在特定的恒定时间增加。
-由虚线图示的温度曲线C表示控制芯片所产生的温度增量的值ΔT_threshold的过程。
在特定时间段Tcheck_ΔT过去之后，进行温度的采样和保持测量，并且如果所采样的温度低于ΔT_threshold，在时间段Trestart_ΔT之后允许进行接下来的操作重启。否则，沟道像最后的重试事件中那样进行锁存，其中Tj＞ ΔT。
选择时间Tcheck_ΔT，以便在功率晶体管的实际温度以及传感器检测的温度之间提供良好的耦合。起初，由于热网络，出现功率晶体管的实际温度以及传感器检测的温度之间的不匹配。起初，ΔT_threshold的值可设置为改进防止噪声刺激的免除的特定值，并且接下来ΔT_threshold的值可减小到检测过电流(OC)情形时的典型值。
半导体电路或器件不同的动作实例在图3中被图示，图3从图2所图示的动作推出。在图3中，示出了表示标准动态温度保护和采用根据本发明实施方式的新的热观测器的动态温度保护之间的比较的图表。在图3所图示的情况中，未采用热观测器，典型短路情形下的器件典型地执行了总共32次的器件操作重启重试。采用根据本发明的热观测器，最大可容许2次重试，总共节省了30次重试。因此，改进了半导体电路或器件的坚固性、性能和持久性。
在图4中图示了适于执行本发明的具有功率芯片和控制芯片的一种装置。根据本发明的一个方面，在逐芯片器件中，提供功率芯片，该功率芯片包括具有功率晶体管T1的有源区或沟道Ch_n。温度传感器HS和CS被放置在功率芯片中，其中第一热温度传感器HS被放置靠近有源区Ch_n和功率晶体管T1，并且第二冷温度传感器CS被放置远离有源区Ch_n和功率晶体管T1或者在比第一热温度传感器HS更进一步远离有源区Ch_n和功率晶体管T1。可替换地，第一热温度传感器HS可放置在功率芯片的热源、有源区或沟道内或者靠近功率芯片的热源、有源区或沟道。
功率晶体管T1的漏极连接到由电池电压提供的电源电压VS。功率晶体管T1的输出OUT连接到外部负载，并且功率晶体管T1的栅极GN连接为导通该功率晶体管。热温度传感器HS嵌在功率晶体管T1最热的区域中，并且冷温度传感器CS放置在功率芯片最冷区域中的功率晶体管T1外部。冷温度传感器CS用于所谓的温度增量保护，为采用热温度传感器HS的测量提供温度参考值。
一旦热温度传感器HS采用电流源I1进行偏置，那么TSn表示在热温度传感器HS上产生的电压降。一旦冷温度传感器CS采用电流源I1进行偏置，TSref表示冷温度传感器CS上产生的电压降。Tgnd表示功率芯片的地参考， 其必须连接到芯片的内部地上。
此外，提供一种控制芯片，包括位于控制芯片内的电路，用以采用从功率芯片内放置的温度传感器HS和CS接收的信息来确定温度信息。在控制芯片中，C1表示比较器，适合于提供过温信息标志OT_flag给控制芯片的逻辑。比较器C1适合于将热温度传感器HS上产生的电压降TSn与内部电压参考OTref进行比较。该内部电压参考OTref值应设置为175℃左右，并且表示绝对温度保护值。
C2表示比较器，适合于提供温度增量信息标志ΔT_flag给控制芯片的逻辑。比较器C2适合于比较热温度传感器HS上产生的电压降TSn与冷温度传感器CS上产生的电压降TSref。阈值称作ΔTref，并且根据应用要求来进行设置。阈值ΔTref可基于所检测的动态温度情形、采样保持时间情形进行调节，从而检验T_check_ΔT以及重启时间Trestart_ΔT。
总的来说，本发明通过改变和调节三个不同的参数，使适应采用不同封装和硅热特性的热观测器成为可能。
T_check_ΔT：其中检验动态温度的固定时间。
Trestart_ΔT：重启时间。
ΔT_threshold：温度阈值检测。
本发明提出嵌在功率半导体芯片中的温度传感器的放置。这样，至少一个嵌入式温度传感器被放置靠近功率半导体电路的热源、有源区或沟道，并且至少一个嵌入式温度传感器放置更远离功率半导体电路的热源、有源区或沟道。此外，提供了一种新的温度测量方法，其采用温度测量的定时以及调节测量参数至合适的阈值。
尽管本发明已经参考特定实施方式进行了描述，本领域技术人员应该理解，不脱离本发明的范围可进行各种改变并且可使用等效物进行替代。此外，可进行许多变形，以便使特定的状况或材料适应本发明的教导中，而不脱离其范围。因此，旨在未将本发明限制为所公开的特定实施方式，但是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。