阅读说明：本技术 具有电流测量电路的功率晶体管布置 (Power transistor arrangement with current measurement circuit ) 是由 R·埃克尔特 S·施特拉赫 A·巴尔纳 T·罗扎尔 于 2020-03-13 设计创作，主要内容包括：描述一种功率晶体管布置(11),其包括功率晶体管(12)和与所述功率晶体管(12)连接的电流测量电路(13),所述电流测量电路用于确定通过所述功率晶体管(12)的通过电流。所述通过电流从所述功率晶体管(12)的源极连接端(14)经由至少一个源极键合线(15)传导。在所述源极键合线(15)的朝向所述源极连接端的(14)第一端(17)与所述源极连接端(14)之间连接有第一测量键合线(16)。在所述源极键合线(15)的背向所述源极连接端(14)的第二端(19)的后面连接有第二测量键合线(18)。所述两个测量键合线(16,18)与所述电流测量电路(13)连接。已知的功率晶体管布置仅具有有限可靠的过电流保护。根据本发明,除了所述第一和第二测量键合线(16,18)之外,在所述源极键合线(15)的第二端(19)的后面还连接有第三测量键合线(21),其中,所述第三测量键合线(21)也与所述电流测量电路(13)连接。由此能够独立于通过所述源极键合线(15)的电流地确定栅极电荷,由此改善用于所述功率晶体管(12)的过电流保护。(A power transistor arrangement (11) is described, comprising a power transistor (12) and a current measurement circuit (13) connected to the power transistor (12) for determining a through current through the power transistor (12). The through current is conducted from a source connection (14) of the power transistor (12) via at least one source bonding wire (15). A first measuring bond wire (16) is connected between a first end (17) of the source bond wire (15) facing the source connection (14) and the source connection (14). A second measuring bond wire (18) is connected to the rear of a second end (19) of the source bond wire (15) facing away from the source connection (14). The two measuring bond wires (16, 18) are connected to the current measuring circuit (13). The known power transistor arrangements have only a limited reliable overcurrent protection. According to the invention, in addition to the first and second measuring bond wires (16, 18), a third measuring bond wire (21) is connected behind the second end (19) of the source bond wire (15), wherein the third measuring bond wire (21) is also connected to the current measuring circuit (13). Thereby enabling determination of the gate charge independently of the current through the source bond wire (15), thereby improving overcurrent protection for the power transistor (12).)

具有电流测量电路的功率晶体管布置

技术领域

本发明涉及一种功率晶体管布置，其包括功率晶体管和与该功率晶体管连接的电流测量电路，该电流测量电路用于确定通过该功率晶体管的通过电流(Durchgangsstrom)，其中，该通过电流从功率晶体管的源极连接端经由至少一个源极键合线传导，其中，在源极键合线的朝向源极连接端的第一端与源极连接端之间连接有第一测量键合线。这同时也具有栅极驱动器的参考接地和栅极操控的供电的功能。在源极键合线的背向源极连接端的第二端的后面连接有第二测量键合线，其中，两个测量键合线与电流测量电路连接。

背景技术

在用于操控电动汽车中的电动机的逆变器中已知，为了识别过载，测量通过相关功率晶体管的通过电流(也称为电流感测)。为此使用一系列不同的方法，例如DESAT识别，在(源极键合线的)源极电感或者还有IGBT(英：Insulated-Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)中的所谓SENSE发射极输出或MOSFET(Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)中的SENSE-FET上将电压积分。

由于新的快速功率半导体技术，例如碳化硅(SiC)晶体管和氮化镓(GaN)晶体管，对这类功率晶体管的安全性关断的要求变得越来越严格。在安全性要求的范畴内还优选冗余的概念。

当前主要使用DESAT(去饱和)识别。该DESAT识别在IGBT系统中能够非常简单地实现。此外，IGBT典型地直至10μs是短路安全的，从而与在更新的SiC技术和GaN技术中那种情况相比，对过电流探测的时间要求更低。由于在DESAT识别中与高压二极管进行外部接线以用于解耦，因此必须引入附加的隐没时间(Ausblendzeit)，以便不发生有误差的识别。

作为替代方案，使用SENSE-FET，即功率半导体的用于测量通过电流的一部分。该方案具有如下缺点：必须给出功率半导体的特殊布局。此外，动态性是受限的，并且与传统的功率半导体相比较高的成本使得该方案因此更加不令人感兴趣。

对于高的电流变化，在源极键合线上对电压进行积分的方法是非常快速且足够准确的。由此产生的测量信号非常大并且因此能够良好地进行分析处理。在时钟驱动的DC/DC转换器中，该方法同样用于电流感测，并且能够在关键词“DCR感测”下在文献中找到。

但是，替代地，例如也对栅极电荷进行测量，并且将该栅极电荷考虑用于过电流评估。后者由T.Horiguchi和H.Akagi所著的《A high-speed protection circuit for igbtssubjected to hard-switching faults》(IEEE Transactions on IndustryApplications，第51期，第2号，第1774-1781页，2015年3月)(在下文中：Horiguchi等所著)以及由K.Oberdieck、S.Soenke和R.W.DeDoncker所著的《Short Circuit Detection Usingthe Gate Charge Characteristic for Trench/Fieldstop IGBTs》(第18届欧洲电力电子与应用会议(EPE'16ECCE Europe)，2016年9月)(在下文中：Oberdieck等所著)已知。该方案性价比高并且能够以低的开销执行，并且因此能够非常快速地探测到过电流。如也在测量源极电感上的电压的方案中那样，不检测对高压要求严格的节点。由于借助电压源操控MOSFET，因此在实施中需要串联电阻，由此能够测量栅极电荷。在基于电流源的栅极驱动电路中，不再需要外部栅极电阻。由此，栅极电荷的测量变得更难，因为需要附加的分流器，该分流器生成损耗，仅产生小的信号，并且对操控具有影响。

发明内容

根据本发明，提供一种开篇所提及的类型的功率晶体管，其中，除了第一和第二测量键合线之外，还在源极键合线的第一端的前面连接有第三测量键合线，其中，该第三测量键合线也与电流测量电路的参考接地连接。

本发明的优点

以该解决方案提供一种功率晶体管布置，其能够在由源极电感测量和并联源极电感测量组成的组合中测量栅极电荷，而没有栅极电荷误差。通过两个测量能够形成差，借助该差能够确定栅极电荷。由此能够在基于电流源的栅极驱动电路中实现栅极电荷的动态测量，而没有如在具有附加分流器的基于电流源的栅极驱动电路中那种情况一样的缺点。用于检测栅极电荷的附加开销为低，并且例如能够非常简单地集成在ASIC中。

通过基于电流源的栅极驱动电路中的栅极电荷测量的新方案，能够通过最小的附加开销(第二键合)实现第二动态过电流探测。

通过源极电感处的电压的冗余测量，能够同时地不仅对功率路径中的直接电流值进行测量，而且对接通功率晶体管所需的栅极电荷进行测量。与Horiguchi等所著或Oberdieck等所著中的方案相反，这也能够在没有外部分流器的情况下进行，并且因此也能够用于使用电流源原理的栅极驱动电路中。通过栅极电荷的评估，能够对不同标准进行评估。能够探测过电流或进行表征测量。在此，这也能够独立于操控地进行。与使用电流源原理的栅极驱动电路相比，在基于电压源的栅极驱动电路中，串联电阻必须根据工作点来不同地进行设计。基于分流器的分析处理电路(Horiguchi等所著或Oberdieck等所著)在此必须总是再次重新进行匹配。

第二测量键合线与第三测量键合线的不同之处例如可以在于，第二测量键合线通过积分器与第一测量键合线耦合。在此，积分器优选为电阻-电容网络(RC网络)。

在一种优选实施方式中，功率晶体管布置包括用于操控功率晶体管的栅极连接端的栅极驱动电路，其中，第一和第二测量键合线通过第三测量键合线与栅极驱动电路解耦。借助将栅极驱动电路与电流测量电路解耦的附加测量键合线，能够非常好地测量通过功率晶体管的通过电流。通过执行两次积分的方案，得出如下差：这种差呈现通过栅极充电路径的误差，并且准确地相应于栅极电荷。通过该差分测量，能够附加地确定每个开关过程中的栅极电荷，并且能够进行工作点的评估，并且能够在发生短路的情况下执行安全性关断。此外，在具有并联连接的功率半导体的功率晶体管布置中，能够识别到各个构件发生故障或不再接通的情况。这例如在键合断裂或分层(Delamination)时可能是这种情况。

在另一实施方式中，电流测量电路包括差分放大器，以便从由测量键合线所获得的电压中确定源极键合线的两端之间的电压差，并且由此确定通过功率晶体管的通过电流。该通过电流可以通过积分来计算。除了通过电流的准确确定之外，还可以通过将第三测量键合线考虑在内来附加地确定栅极电荷，并且因此实现冗余的过电流保护。

如果电流测量电路设置为用于通过模拟分析处理和/或数字分析处理对差分放大器的输出进行再处理，则是优选的。该功能性例如可以集成在电流测量电路的ASIC中。

在一种优选实施方式中，第一测量键合线的在源极键合线的第一端与电流测量电路之间的第一电压路径和第二测量键合线的在源极键合线的第二端与电流测量电路之间的第二电压路径经由积分器连接。积分器在此优选为电阻-电容网络(RC网络)。因此能够通过电流测量电路确定源极键合线上的电压差。

在另一实施方式中，第二电压路径为差分放大器提供第二信号输入。通过将来自三个测量键合线的三个电压路径的两个信号组合，然后能够不仅对通过电流而且对栅极电荷准确地进行确定。因此能够对工作点进行评估，并且能够在发生短路时实现更可靠的安全性关断。

如果电流测量电路设置为用于在功率晶体管的开关过程期间不仅确定通过功率晶体管的通过电流而且确定栅极电荷，则是优选的。

本发明的有利扩展方案在从属权利要求中进行说明并且在说明书中进行描述。

附图说明

基于附图和以下说明对本发明的实施例进行更详细的阐述。附图示出：

图1示出根据本发明的功率晶体管布置的一种实施方式，

图2示出根据本发明的功率晶体管布置的一种实施方式，

图3示出根据本发明的功率晶体管布置的另一实施方式。

具体实施方式

图1示出现有技术的一种功率晶体管布置1。该功率晶体管布置1包括功率晶体管2和与该功率晶体管连接的电流测量电路3，该电流测量电路用于确定通过功率晶体管1的通过电流。该通过电流(通过虚线箭头由上至下表明)从功率晶体管2的源极连接端4经由至少一个源极键合线5传导。

在源极键合线5的朝向源极连接端4的第一端7与源极连接端4之间连接有第一测量键合线6。在源极键合线5的背向源极连接端4的第二端9的后面连接有第二测量键合线8。两个测量键合线6、8与电流测量电路3连接，其中，第一测量键合线6经由栅极驱动电路10与电流测量电路3连接。

在图1中可以看到如下经典方案：借助该方案，借助源极键合线的电感来探测功率半导体中的通过电流(或过电流)。以虚线环跟踪栅极充电路径。栅极驱动电路10的驱动晶体管P1和N1在此形成用于栅极充电路径的驱动器，以用于操控功率晶体管2。右部的电流测量电路3为分析处理和信号匹配所需。源极键合线5包括用于通过电流测量的寄生元件(对于图中的所有键合线，示为电阻和电感的串联)。通过第一测量键合线6创建参考点。电流测量电路3检测在源极键合线5上下降的电压。通过与第二测量键合线8的接线，对该电压进行积分，并且因此映射通过源极键合线5的电流。

必须以功率半导体的接通来开始源极键合线5上的电压的检测。由于电路布置，随着功率晶体管的接通，在第一测量键合线6上附加地还对栅极充电路径(虚线环)的电流进行积分。在此应该注意，电感相对于源极键合线5上的功率路径显著更大，并且因此第一测量键合线6的电感/电阻的比率中的误差变大。由此在该已知电路类型中产生测量误差。

图2示出根据本发明的功率晶体管布置11的一种实施方式。功率晶体管布置11包括功率晶体管12和与该功率晶体管连接的电流测量电路13，该电流测量电路用于确定通过功率晶体管12的通过电流。该通过电流从功率晶体管12的源极连接端14经由至少一个源极键合线15传导。

在源极键合线15的朝向源极连接端14的第一端17与源极连接端14之间连接有第一测量键合线16。在源极键合线15的背向源极连接端14的第二端19的后面连接有第二测量键合线18。第一和第二测量键合线16、18与电流测量电路13连接，其中，但是，在此(与图1相反)，两者与栅极驱动电路20解耦。

除了第一和第二测量键合线16、18之外，在源极键合线15的第一端17的后面还连接有第三测量键合线21，其中，该第三测量键合线21也与电流测量电路13连接。

电流测量电路13包括差分放大器22，以便从由测量键合线16、18、21所获得的电压中确定源极键合线15的两端17、19之间的电压差，并且由此确定通过功率晶体管12的通过电流。该通过电流可以如前面所提及的那样通过电压差随时间推移的积分进行确定。除了通过电流的准确确定之外，还可以通过将第三测量键合线21考虑在内来附加地确定功率晶体管12的栅极的栅极电荷，并且因此实现冗余的过电压保护。

第一测量键合线16的在源极键合线15的第一端17与电流测量电路之间的第一电压路径23和第二测量键合线18的在源极键合线15的第二端与电流测量电路13之间的第二电压路径24经由积分器25(在此以RC网络的实施方案)连接。

第一电压路径23与第三测量键合线21的第三电压路径26在差分放大器22的前面合并，该第三电压路径在源极键合线15的第二端19与电流测量电路13之间延伸，以便为差分放大器22提供共同的第一信号输入。

第二电压路径24为差分放大器22提供第二信号输入。通过来自图1和图2的两个概念的组合以及对信号的差分分析处理，然后能够不仅对通过电流而且对栅极电荷准确地进行确定。因此能够对工作点进行评估，并且能够在发生短路的情况下实现更可靠的安全性关断。电流测量电路13设置为用于，在功率晶体管的开关过程期间不仅对通过功率晶体管的通过电流而且对栅极电荷进行确定。为此，可以在功率晶体管布置11中(或在电流测量电路13中)例如设置用于对差分放大器22的输出进行模拟或数字再处理的分析处理电子设备。

这在图3中示出，其将图1和图2的两个概念组合，并且示出根据本发明的功率晶体管布置的一种实施方式。因此，以该解决方案，将根据来自前两种实施方式的解决方案的电流感测进行组合以用于根据本发明的栅极电荷测量。相应的元件具有与前述实施方式相同的参考标记。除了差分放大器22之外，第二差分放大器27相应于根据图1的结构提供信号。将所述信号在差分形成器(Differenzbildner)28中进行比较，并且在计算单元29中进行分析处理。如此，能够通过分别测量的电流的差随时间推移的积分来附加地确定栅极电荷。