专利名称：功率半导体装置的温度测量设备的制作方法
功率半导体装置的温度测量设备相关申请的交叉引用本申请基于2011年9月7日提交的日本专利申请No. 2011-194942并要求其优先权，该申请的内容通过引用结合于此。
背景技术：
1.发明领域本发明涉及安装在车辆的电压转换器等电子系统中的半导体装置的温度测量设备。2.
背景技术：
在最近的车载装置中，如
图11所示，具有电动机1104来产生驱动力的车辆驱动系统1100包括电源1101的主要部分、降压-升压转换器1102、和逆变器1103来实现高效率和能源节省。电动机1104在其驱动车辆时是三相电动机，但当其制动车辆时变成发电机。箭头Yl指示车辆驱动时能量流动的方向，且箭头Y2指示车辆制动时能量流动的方向。电源1101从高架电线提供的电压处或从串联连接的电池处获得。降压-升压转换器1102在车辆驱动时，将电源1101的电压VL (例如，280V)升压至适于驱动电动机1104的电压VH (例如，750V);降压-升压转换器1102在车辆制动时将由电动机1104产生的电压VH (例如，750V)降压至执行再生操作的电源电路的电压VL (例如，280V)。逆变器1103在车辆驱动时通过对逆变器1103中的开关元件的ON-OFF(导通-截止)控制，从已经由降压-升压转换器1102升压的电压VH将电流供应给三相电动机1104中的各相。根据ON-OFF切换的频率来改变车辆的速度。逆变器1103在车辆制动时，与电动机1104的各相所产生的电压同步地对开关元件进行导通/截止控制，进行整流动作。通过该整流动作，将电动机1104的各相所产生的电压转换为直流电压以进行再生。接着，参考图12描述降压-升压转换器1102的详细构造。降压-升压转换器1102包括如下主要组件电抗器R、电容器C、两个开关元件SWl和SW2、以及用于控制开关元件Sffl和SW2的两个控制电路1111和1112。如图12所示，车载装置的最近驱动系统的开关元件SWl和SW2各自由IGBT 1105 (或1106)以及在发射极和集电极之间与IGBT 1105 (或1106)并联连接的二极管Dl (或D2)构成。通过此连接，二极管Dl (或D2)中的电流在与IGBT 1105 (或1106)中的电流相反的方向上流动。下文描述了降压-升压转换器1102的升压和降压操作的原理。图13示出升压操作中电感器R中流动的电流的波形。首先描述升压操作。当开关元件SWl的IGBT 1105在图13中所示的从t0到tl、从t2到t3、和从t4到t5的时间处于ON状态(导通状态)时，电流I在电感器R中流动且能量LI2/2被存储在电感器R (电感为L)中。在从时间tl到t2、从t3到t4、和t5之后的时间段开关元件Sffl的IGBTl 105的OFF状态(非导通状态)中，电流I从开关元件SW2的二极管D2流过且存储于电感器R中的能量被转移至电容器C。
接着，描述降压操作。在开关元件SW2的IGBT 1106的ON状态(导通状态)中，电流I流过电感器R且能量LI2/2被存储在电感器R中。在开关元件SW2的IGBT 1106的OFF状态(非导通状态)中，电流流过开关元件SWl的二极管Dl，且存储于电感器R中的能量被再生给电源1101。因此，通过改变开关元件SWl和SW2的ON时间(0N占空因数)可调节升压和降压的电压。以下关系基本保持。VL/VH=0N 占空因数(％)，其中VL是电源电压，VH是升压操作之后的电压；以及ON占空因数是开关元件SWl或SW2的导通周期与开关周期之比。然而，在实际操作中，为了应对负载和电源电压的变化，监测经升压的电压VH且控制开关元件SWl和SW2的ON时间(或ON占空因数)来达到电压的目标值。图14是降压-升压转换器的IPM 2100的框图。IPM 2100由下臂开关部分2101、上臂开关部分2102、和控制部分2103的主要部分构成。作为高压电路的开关部分2101和2102必须与作为低压电路的控制部分2103电绝缘。因此，通过光电耦合器2115、2116、2117、2118、和2119、脉冲变压器(未示出)等电路组件，信号在高压电路和低压电路之间传输。上臂开关部分2102包括与开关元件SW12嵌在同一芯片中的温度检测二极管2142、连接至该温度检测二极管2142的阳极且连接至设置在IGBT 2112的发射极和接地之间的串联连接的电阻R1421和R1422之间的点的IGBT保护电路2122、连接至该IGBT保护电路2122的输出端子且连接至IGBT 2112的栅极端子的栅极驱动器2124、以及连接至温度检测二极管2142的阳极的IGBT芯片温度检测单元2126。下臂开关部分2101包括与开关元件SWll嵌在同一芯片中的温度检测二极管2141、连接至该温度检测二极管2141的阳极且连接至设置在IGBT 2111的发射极和接地之间的串联连接的电阻R1411和R1412之间的点的IGBT保护电路2121、连接至该IGBT保护电路2121的输出端子且连接至IGBT 2111的栅极端子的栅极驱动器2123、以及连接至温度检测二极管2141的阳极的IGBT芯片温度检测单元2125、以及用于检测经升压的电压VH的VH检测电路2150。VH检测电路2150包括用于分压输入电压VH的分压电路2151、用于调整由分压电路2151分压的电压电平的电平调整电路2152、用于产生三角波的三角波发生器2153、以及用于将三角波与经电平调整的电压进行比较并将该比较所获得的“L”或“H”电平电压递送至光电耦合器2119的比较器2154。控制部分2103包括用于平滑来自光电耦合器2119的对应于“L”的信号“0”和对应于“H”的信号“I”并将这些信号转换为DC电平信号的低通滤波器(LPF) 2161，用于将来自LPF 2161的DC电平信号与降压-升压指令值进行比较的VH比较器2162，以及栅极信号发生器2163，用于将栅极信号递送至光电耦合器2115和2117，从而响应于来自VH比较器2162的比较结果而达到对应于降压-升压指令值的预定电压。在具有上述构造的IPM 2100中，本发明具体地涉及用于基于与开关元件SW 11和Sff 12嵌在同一芯片中的温度检测二极管2141和2142两端的VF电压来检测IGBT 2111和2112的芯片温度以便于控制操作作为电源系统的IPM2100的IGBT芯片温度检测单元2125和 2126。上臂开关部分2102中的IGBT芯片温度检测单元2126被选择作为IGBT芯片温度检测单元2125和2126的代表，且在下文中参考作为IGBT芯片温度检测单元2126的框图的图15详细描述。IGBT芯片温度检测单元2126在其高压电路侧中包括，连接至温度检测二极管2142的阳极的恒流源2170、作为具有连接至恒流源2170和温度检测二极管2142之间的点的+输入端子的运算放大器的缓冲电路、电平转换器2177、三角波发生器2178、作为连接至三角波发生器2178的输出端子和电平转换器2177的输出端子的运算放大器的比较器2179、以及其栅极端子通过电阻器2180连接至比较器2179的输出端子且其漏极端子通过电阻器2182连接至PWM-模拟转换器2190的光电耦合器2116的场效应晶体管2181。电平转换器2177包括其输入端子通过电阻器2172连接至缓冲电路2171的输出端子的运算放大器2173、连接在运算放大器2173的-输入端子和输出端子之间的电阻器2174、以及连接在第一电源Vccl和接地之间的电阻器2175和2176，且这两个电阻器之间的连接点连接至运算放大器2173的+输入端子。PWM-模拟转换器2190包括光电耦合器2116、二值化电路2191、缓冲电路2192、和LPF 电路 2193。光电耦合器2116连接在第一电源VccI和FET 2181之间，且包括带有与其并列连接的电阻器2184的发光二极管2185以及接收由发光二极管2185发出的光的光电检测二极管2187。光电检测二极管2187连接在晶体管2188的基极引出端和第二电源Vcc2之间。电阻器2189连接在光电检测二极管2187的阴极和晶体管2188的集电极端子之间。光电二极管2116的晶体管2188的发射极端子连接至二值化电路2191，该二值化电路2191的输出端子连接至作为运算放大器的缓冲电路2192的+输入端子。缓冲电路2192的-输入端子连接至缓冲电路2192的输出端子，该缓冲电路2192连接至低通滤波器(LPF)电路 2193。在IGBT芯片检测单元2126的测量IGBT 2112的温度的操作中，恒电流从恒流源2170馈入与IGBT 2112嵌在同一芯片中的温度检测二极管2142。温度检测二极管2142两端的电压VF (该电压也被称为“VF电压信号”)表现出对于温度的线性依赖性，如图16所示。如图16所示，电压VF在T=165° C为VF=1.5V且在T=25° C为VF=2. 0V，其中T是温度检测二极管2142的芯片温度。因此，实际温度信号的全量程是VF的500mV的变化。图17示出具有缓冲电路2171、电平转换电路2177、三角波发生电路2178、和比较器2179的VF/PWM转换电路的详细构造。三角波发生器2178包括比较器2201、运算放大器2202 ;以及电阻器R21, R22, R23, R24, R25, R26、和电容器C11，它们如图17中所示连接至比较器2201和运算放大器的-和+输入端子和输出端子或者连接至电源Vccl或接地。三角波发生器2178递送具有在上限和下限之间的预定范围的三角波信号。温度检测二极管2142两端的正向电压降VF经受缓冲电路2171中的阻抗转换，然后在电平转换器2177中放大并进行加减运送，从而三角波信号的上限值对应于高温(例如，165° C)侧中的VF，而三角波信号的下限值对应于低温(例如，25° C)侧中的VF。
电平转换器2177进行增益调节和偏移调节。增益调节扩展VF电压信号的宽度，从而VF电压信号的宽度的大小与在三角波信号的上限和下限之间的宽度(幅值)的大小相匹配。偏移调节使得经扩展的VF电压信号的顶部和底部电平与三角波的上限和下限位置相重合。特定的增益和偏移调节如下地执行。如图17中所示，电源Vccl的电压由电阻器Rll和R12分压并给与运算放大器2173的+输入端子，且偏移量由连接在电源Vccl和运算放大器2173的-输入端子之间的电阻器R13确定。运算放大器2173的增益由连接在缓冲电路2171的输出端子和运算放大器2173的-输入端子之间的电阻器R14与连接在运算放大器2173的-输入端子和输出端子之间的电阻器R15确定。在此电平调节之后，下一级中的比较器2179比较电平转换器2177的输出电压Vlev和三角波发生器2179的输出电压Vtri。如果Vlev>Vtri，则比较器2179的输出为“L” ；如果Vlev〈Vtri，则输出为“H”。因此产生的比较器2179的输出脉冲的占空因数与VF电压信号成比例。例如，零％的占空因数对应于低温(25° C)侧VF且100%占空因数对应于高温(165° C))侧VF。携载VF电压信号的PWM信号通过光电耦合器2116或2118的绝缘传输电路从上臂开关部分2101或下臂开关部分2102传输至控制部分2103中的二值化电路2191。二值化电路2191从PWM信号产生并输出电压，即经二值化的信号V1/V2，其中Vl是PWM信号的零％的占空因数，且V2是100%的占空因数。经二值化的信号V1/V2在缓冲电路2192中接收阻抗转换，然后在LPF电路2193中平滑以转换为DC电平信号。因此，获得作为与每一臂绝缘的输出电压的IGBT芯片温度电压信号Vout。与IGBT芯片温度成比例的由此获得的电压信号Vout在降压-升压转换器1102中被传输至位于更高阶的系统(未在附图中示出)。通过持续监测IGBT2111和2112的温度，更高阶的系统用于例如在IGBT芯片温度超过第一预定温度Tl时将切换频率减半，并在IGBT芯片温度超过第二预定温度T2时停止切换操作(或降压-升压操作)从而执行保护功能。保护功能的执行影响驱动车辆，所以IGBT 2111和2112的芯片温度必须准确地测量一以约±5%范围内的准确度。芯片温度测量中的误差因数可以是两种组件的特性的散布；嵌在IGBT芯片中的温度检测二极管2141和2142的正向电压降VF和温度系数的散布、以及在包括缓冲电路2171、电平转换器2177、三角波发生器2178、光电耦合器2116 (作为PWM信号的绝缘传输电路)、二值化电路2191、缓冲电路2192、和LPF电路2193的电路中的特性的散布。温度检测二极管2141和2142的VF值的散布主要由半导体工艺引起。如果VF值的散布被估算为±3%，这大约是总体允许的±5%误差的60%，则对于其他电路组件所允许的误差为±2%。这要求每一个其他电路组件的误差被抑制为约±0.5%。相应地，对于包括电阻器元件、恒压元件、和运算放大器的电路组件必须使用高度准确的产品。考虑到对于车载环境在从-40° C到+105° C的较广温度范围内的操作保证、车载应用所需要的高可靠性、和对于用户抱怨的快速响应，应该从由日本国内主要半导体产品制造商提供的车载应用IC中作出这些电路组件的选择。如图15所示，随恒流源2170所提供的恒流IF而形成的温度检测二极管2142两端的正向电压降VF被给与缓冲电路2171的+端子且接收此处的阻抗转换，并被递送至电平转换器2177。正向电压降VF对应于温度检测二极管2142的温度，且例如对于芯片温度165° C具有VF=L 5V的值且对于25° C则VF=2. 0V。如图17所示，电平转换器2177的运算放大器2173的+输入端子被固定至Vccll的电位，该电位是电源Vccl的电位通过电阻器Rll和R12的分压电压。运算放大器2173的输出电压Vlev由以下式(I)给出。
权利要求
1.一种功率半导体装置的温度测量设备，所述功率半导体装置具有位于所述装置的硅芯片上的功率开关元件和温度检测二极管，所述温度测量设备包括用于检测所述功率开关元件的芯片温度的芯片温度检测电路，所述芯片温度检测电路包括用于向所述温度检测二极管供应恒流的恒流源，用于递送作为所述温度检测二极管两端的经数字转换的正向电压的测量值的A/D转换器，运算处理单元，用于基于从所述A/D转换器递送并由所述运算处理单元接收的测量值来计算所述芯片温度，以及用于存储数据以供在所述运算处理单元中使用的存储器，所述运算处理单元包括校准处理部分和芯片温度计算部分，所述存储器存储由所述校准处理部分计算出的斜率值和作为从所述A/D转换器递送的测量值之一的偏移校正值， 所述校准处理部分，通过替代温度检测二极管而连接施加不同已知基准电压的基准电压源，进行所述芯片温度检测电路中的误差的校准，且所述校准处理部分还计算连接在施加基准电压时从所述A/D转换器递送的各测量值的线段的斜率，并将所计算的线段斜率与所述偏移校正值传递至所述存储器，以及所述芯片温度计算部分根据经校正的测量值计算所述芯片温度，所述经校正的测量值基于在使用所述温度检测二极管进行温度测量的过程中从所述A/D转换器递送的测量值且还基于存储于所述存储器中的线段斜率值与所述偏移校正值来计算。
2.如权利要求1所述的功率半导体装置的所述温度测量设备，其特征在于，所述校准处理部分通过施加基准电压来进行多次测量以从所述A/D转换器获得多个测量值，并取得所述多次测量的平均值作为在校准处理和芯片温度计算处理中使用的测量值。
3.—种功率半导体装置的温度测量设备，所述功率半导体装置具有位于所述装置的硅芯片上的功率开关元件和温度检测二极管，所述温度测量设备包括用于检测所述功率开关元件的芯片温度的芯片温度检测电路，所述芯片温度检测电路包括用于向所述温度检测二极管供应恒流的恒流源，用于递送从作为所述温度检测二极管两端的正向电压的输入信号中产生的脉宽调制信号的脉宽调制电路，用于电绝缘地传输从所述脉宽调制电路递送的所述脉宽调制信号的绝缘传输电路，用于平滑通过所述绝缘传输电路递送的信号的低通滤波器，用于递送作为来自所述低通滤波器的经数字转换的滤波器输出信号的测量值的A/D 转换器，运算处理单元，用于基于从所述A/D转换器递送并由所述运算处理单元接收的测量值来计算所述芯片温度，以及用于存储数据以供在所述运算处理单元中使用的存储器，所述运算处理单元包括校准处理部分和芯片温度计算部分，所述存储器存储由所述校准处理部分计算出的斜率值和作为从所述A/D转换器递送的测量值之一的偏移校正值，所述校准处理部分通过替代温度检测二极管而连接施加不同已知基准电压的基准电压源，进行所述芯片温度检测电路中的误差的校准，且所述校准处理部分还计算作为连接在施加基准电压时从所述A/D转换器递送的各测量值的线段的斜率，并将所计算的线段斜率与所述偏移校正值递送至所述存储器，以及所述芯片温度计算部分根据经校正的测量值计算所述芯片温度，所述经校正的测量值基于在使用所述温度检测二极管进行温度测量的过程中从所述A/D转换器递送的测量值且还基于存储于所述存储器中的线段斜率值与所述偏移校正值来计算。
4.如权利要求3所述的功率半导体装置的所述温度测量设备，其特征在于，所述校准处理部分在包括于所述脉冲波调制电路中的三角波发生电路的震荡周期的整数倍的时间段中对施加基准电压时从所述A/D转换器递送的测量值进行采样，并取采样测量值的平均值作为在校准处理和芯片温度计算处理中使用的测量值。
5.如权利要求1到4中任一项所述的功率半导体装置的所述温度测量设备，其特征在于，所述存储器是在所述运算处理单元中形成的非易失性存储器。
6.如权利要求1到4中任一项所述的功率半导体装置的所述温度测量设备，其特征在于，所述校准处理部分将不同的已知基准电压设置在芯片温度测量时最大和最小温度下的温度检测二极管两端的正向电压的范围内。
7.如权利要求6所述的功率半导体装置的所述温度测量设备，其特征在于，所述校准处理部分将不同的已知基准电压的最小和最大值设置为等于或接近于在所述芯片温度的测量范围的最高和最低温度下的温度检测二极管两端的正向电压值。
全文摘要
本发明的目的在于提供这样的一种功率半导体装置的温度测量设备，即使在其中实际测得的特性线段的斜率不同于所设计的特性线段的斜率的情况下该设备也允许简单且准确的芯片温度检测。本发明的温度测量设备的芯片温度检测电路包括用于递送作为经数字转换的温度检测二极管两端的正向电压的测量值的A/D转换器、以及用于校准处理和芯片温度计算处理的运算处理单元。在校准处理中，通过替代温度检测二极管而连接的基准电压源来施加不同的已知基准电压，且计算连接从A/D转换器递送的不同测量值的线段的斜率。所得到的斜率值、以及作为从A/D转换器递送的测量值之一的偏移校正值被存储于存储器中。
文档编号G01K7/01GK102998017SQ201210327790
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月6日 优先权日2011年9月7日
发明者吉村弘幸 申请人:富士电机株式会社