Titel

Vorrichtung zur Messung einer thermischen Degradation des Kühlpfads leistungselektronischer Komponenten mittels Lumineszenz

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umformung elektrischer Energie und ein Verfahren zur Bestimmung einer Degradierung eines Kühlpfades mittels Lumineszenz. Stand der Technik

In vielen leistungselektronischen Vorrichtungen werden schaltende

Halbleiterbauelemente zur Energieumwandlung verwendet. Die Bauelemente werden dabei mittels eines Kühlpfades gekühlt. Einsatzgebiete solcher

Vorrichtungen umfassen Verwendungen als Leistungssteuerungseinheit, als

Inverter oder als Gleichstromumspanner (DC/DC-Wandler) beispielsweise in Elektrofahrzeugen, Solaranlagen oder Windkraftanlagen. Die korrekte Funktion des Bauelements erfordert dabei einen korrekt funktionierenden Kühlpfad. Für viele Anwendungen ist es dabei förderlich oder notwendig, eine Bestimmung einer Degradierung des Kühlpfads vorzunehmen, um Fehlfunktion oder Ausfall des Bauelements zu vermeiden oder vorbeugen zu können.

Beispielhafte Halbleiterbauelemente, die in solchen Vorrichtungen eingesetzt werden, umfassen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) und Dioden, welche beispielsweise in Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) ausgeführt sein können.

Die in den zuvor genannten Vorrichtungen eingesetzten elektronischen

Halbleiterbauelemente dienen zum Schalten und verfügen über einen hinsichtlich des schaltenden Elements in Sperrrichtung angeordneten Freilaufpfad, welcher im Allgemeinen einer Diode entspricht.

Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) beinhalten

funktionsbedingt durch ihren Aufbau bereits einen solchen Freilaufpfad, welcher gemeinhin als Body-Diode bekannt ist.

Schaltende Halbleiterbauelemente welche nicht inhärent über einen derartigen Freilaufpfad verfügen, insbesondere Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) werden im Allgemeinen um eine separate Freilaufdiode ergänzt.

Aus Gründen der Schaltungsoptimierung kann ein Metalloxidhalbleiter- Feldeffekttransistor (MOSFET) ebenfalls um eine separate Freilaufdiode ergänzt werden, welche in diesem Falle meist als Schottky-Diode ausgeführt ist.

Werden p-n-Übergänge in Halbleiter-Bauelementen in Flussrichtung betrieben und von einem Strom durchflössen, so können Photonen emittiert werden (Lumineszenz). Abhängig vom verwendeten Halbleiter und der Beschaffenheit des p-n-Übergangs (Dotierkonzentration) wird Licht in verschiedener Intensität und Wellenlänge emittiert. Die Intensität des emittierten Lichts ist abhängig vom Stromfluss durch den p-n-Übergang und von der Temperatur des Bauelements.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Umformung elektrischer Energie zur Verfügung gestellt, welche mindestens ein

Halbleiterbauelement, einen Kühlpfad zur Kühlung und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Degradierung des Kühlpfades anhand eines durch das Bauelement fließenden Stroms mit vorbestimmter Stromstärke umfasst. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine optisch aktive Halbleiterstruktur umfasst, welches Licht mit einer von einer

Temperatur der Vorrichtung abhängigen Helligkeit erzeugt, wenn das

Halbleiterbauelemente von Strom mit der vorbestimmten Stromstärke durchflössen wird, und die Vorrichtung zur Bestimmung der Degradierung einen Helligkeitssensor zur Erfassung der Helligkeit des erzeugten Lichts umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 10 dient zur Bestimmung einer Degradierung eines Kühlpfades eines Halbleiterbauelements, wobei das elektronische Halbleiterbauelement eine optisch aktive Halbleiterstruktur umfasst, welches Licht mit einer Temperatur abhängigen Helligkeit erzeugt, wenn das Halbleiterbauelement von einem Strom mit vorbestimmter Stromstärke durchflössen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst: Erfassen der Helligkeit des erzeugten Lichts mittels eines Helligkeitssensors und Bestimmen der Degradierung des Kühlpfads anhand des fließenden Stroms unter

Verwendung der erfassten Helligkeit.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass inhärent die Vorrichtung zur Bestimmung der Stromstärke und das Bauelement galvanisch getrennt sind. Es wird auch ohne Potenzialtrennung eine Signalauswertung auf niedrigem Spannungsniveau möglich. Weiterhin hat die erfindungsgemäße Vorrichtung ein geringes Bauvolumen und geringe Gestehungskosten. Zudem erlaubt die Erfindung, dass die Vorrichtung zur Umformung elektrischer Energie

ausfallsicherer betrieben werden kann, beispielsweise durch rechtzeitige

Ersetzung des Bauelements bei einer über einen Grenzwert erhöhten

Degradierung.

In einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung ist eine Fotodiode als Helligkeitssensor vorgesehen, sodass auf eine günstige Weise die

Helligkeitsmessung ermöglicht wird.

Die Vorrichtung zur Bestimmung einer Degradierung kann dazu ausgebildet sein, die Degradierung nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, während der der Strom mit der vorbestimmten Stromstärke durch das Bauelement geflossen ist, zu bestimmen.

Dies ermöglicht, einen Messstrom mit vorbestimmter Stärke für eine Zeitdauer anzulegen, die lange genug ist, dass im Bauelement entstehende Verlustwärme den Kühlpfad erreicht, sodass es zu einer von der Funktionsfähigkeit des

Kühlpfades abhängigen Erwärmung des Bauelements und damit zur thermischen Beeinflussung des abgestrahlten Lichts kommt. Die Vorrichtung zur Bestimmung einer Degradierung kann dazu ausgebildet sein, eine Ladung durch Aufsummierung einer Fotostromstärke der Fotodiode über den vorbestimmten Zeitraum zu bestimmen. So lässt sich einfach ein durch anfängliche Wärmeverteilungseffekte im Bauelement bedingter Fehler in der Alterungsgradbestimmung verringern.

Die Vorrichtung zur Bestimmung einer Degradierung kann dazu ausgebildet sein, die Degradierung unter Verwendung der bestimmten Bemessungsgröße

(Ladung) und einer Referenzbemessungsgröße (Referenzladung) zu bestimmen.

Für viele Anwendungen ist es lediglich notwendig, eine relative Veränderung gegenüber einem Ausgangswert zu kennen. Insbesondere kann der Austausch des Bauelements zum Beispiel durch eine vorbestimmte Mindestabweichung der bestimmten Bemessungsgröße (Ladung) von der Referenzbemessungsgröße (Referenzladung ausgelöst werden.

Mit dem Vorteil einer gesteigerten Lichtausbeute ist in einer weiteren

Ausführungsform vorgesehen, dass der Schalter mit Freilaufpfad zumindest ein Halbleiterbauteil enthält, welches zumindest teilweise transparent ausgeführt ist. Dabei kann die funktionsbedinge Metallisierung (z.B. Drain- oder Source- Elektrode) teilweise geöffnet und/oder die Verkapselung transparent ausgeführt werden, sodass das Licht aus dem Halbleiter und/oder seiner Verkapselung austreten kann.

Vorzugsweise wird die inhärent transparente Kante des Halbleiterbauteils (Chip- Kante) dafür genutzt, wodurch weitere separate Maßnahmen zur Erreichung der Transparenz des Halbleiterbauteils ggf. entfallen können.

Bei den betreffenden Halbleiterbauteilen handelt es sich vorzugsweise um Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) mit Body-Diode und/oder separater antiparalleler Freilaufdiode oder um Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) mit antiparalleler Freilaufdiode.

Zur Lichterzeugung wird die Body-Diode oder die Freilaufdiode genutzt, oder im Falle eines IGBT der p-n-Übergang des Kollektors. Das Halbleiterbauelement kann eine optisch aktive Zone zur Erzeugung des Lichts umfassen. So lässt sich die Lichtausbeute steigern und die

Helligkeitsbestimmung verbessern.

Dies kann alternativ oder zusätzlich auch dadurch bewirkt werden, dass das Halbleiterbauelement eine die Lichterzeugung steigernde Dotierung umfasst.

Die Vorrichtung kann ein Lichtleitelement umfassen, welches so angeordnet ist, dass es das erzeugte Licht auf den Helligkeitssensor leitet. So lässt sich ebenfalls die Lichtausbeute steigern und die Helligkeitsbestimmung verbessern.

Die Vorrichtung kann eine Leistungssteuerungseinheit oder ein Inverter für ein Elektrofahrzeug.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 eine weitere beispielhafte Ausführungsform in einer Schnittansicht und

Figur 3 an beispielhaften Messkurven den Zusammenhang zwischen einem Messstrom, einer Temperatur des Bauelements und einem Fotodiodenstrom für ein intaktes Bauelement und für ein Bauelement mit degradiertem Kühlpfad.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung. Die Figur zeigt eine Vorrichtung 10 zur Umformung elektrischer Energie. Dies wird mittels mindestens eines schaltenden Halbleiterbauteils 100 bewirkt. Im dargestellten Beispiel ist das schaltende Halbleiterbauelement ein

Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), beispielsweise ein Si- MOSFET, ein GaN-MOSFET oder ein SiC-MOSFET, wobei eine Diode oder eine

Bodydiode 1 10 des MOSFET zur Lichterzeugung verwendet wird. Andere Bauelemente können jedoch alternativ verwendet werden, ohne von der

Erfindung abzuweichen. Das Bauelement wird unter Verwendung eines Kühlers 400, der über einen Kühlpfad an das Bauelement 100 angebunden ist, gekühlt. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 10 eine Vorrichtung 200 zur Bestimmung einer

Degradierung des Kühlpfads des Halbleiterbauelements 100 anhand eines durch das Bauelement fließenden Stroms. Dabei kann eine Stromstärke des Stroms vorbestimmt sein oder einem vorbestimmten Profil folgen.

Das Halbleiterbauelement 100 umfasst eine hochdotierte Substratstrecke 120, die ein optisch aktives Halbleitermaterial umfasst und zwischen einer Source- Elektrode 11 1 und einer Drain-Elektrode 1 12 parallel zu der Diode 110 über einen separaten Source-Bulkanschluss 121 angeschlossen ist. Das optisch aktive Halbleitermaterial bildet einen Teil einer Bodydiode des

Halbleiterbauelements 100 und erzeugt Licht mit einer von Strom und

Temperatur abhängigen Helligkeit, wenn das Halbleiterbauelement 100 von Strom durchflössen wird. Die Vorrichtung 200 zur Bestimmung des

Alterungsgrades des Kühlpfads umfasst einen Helligkeitssensor 210 zur

Erfassung der Helligkeit des erzeugten Lichts. Im dargestellten Beispiel ist der Helligkeitssensor 210 eine Fotodiode, andere Helligkeitssensoren können jedoch alternativ oder zusätzlich verwendet werden, ohne von der Erfindung

abzuweichen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist der

Zusammenhang zwischen Helligkeit und Temperatur reziprok, bei steigender Temperatur sinkt die Helligkeit.

Das Halbleiterbauelement 100 umfasst eine zumindest teilweise transparente Elektrode und/oder eine zumindest teilweise transparente Verkapselung, durch die das erzeugte Licht aus dem elektronischen Bauelement 100 austreten kann. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst das Bauelement auf der Unterseite eine teilweise transparente Drain-Metallisierung. Es ist auch möglich, auf der Oberseite neben der Source- auch die Gate-Metallisierung zu öffnen. Die dritte Möglichkeit bestehen darin, die transparente Chip-Kante zu nutzen. Dies macht spezielle Metallisierungen und/oder Öffnungen überflüssig.

Die Vorrichtung 10 umfasst ein Lichtleitelement 300, welches so angeordnet ist, dass es das erzeugte Licht auf die Fotodiode 210 leitet. Durch die optische Übertragungsstrecke zwischen Bauelement 100 und Helligkeitssensor 210 sind diese in ihren Potenzialen getrennt. Dadurch werden insbesondere

Hochspannungsanwendungen begünstigt. Der Helligkeitssensor 210 kann auch mit dem Bauelement 100 integriert sein.

In einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird auf ein Lichtleitelement verzichtet und Streulicht direkt ausgewertet.

Dann lässt sich die Helligkeit des erzeugten Lichts bei einer vorgegebenen Messstromstärke mittels des Helligkeitssensors erfassen und der Alterungsgrad des Kühlpfads unter Verwendung der erfassten Helligkeit bestimmen. Hierbei wird die Temperaturabhängigkeit der Lumineszenz bei bekanntem Strom genutzt.

Im dargestellten Beispiel kann eine Bemessungsgröße/Ladung durch

Aufsummierung einer Stromstärke des durch die Fotodiode fließenden Stroms über einen vorgegeben Zeitraum bestimmt werden.

Figur 3 zeigt an beispielhaften Messkurven den Zusammenhang zwischen einem Messstrom, einer Temperatur des Bauelements und einem Fotodiodenstrom für ein intaktes Bauelement und für ein Bauelement mit degradiertem Kühlpfad.

Über eine Zeitdauer Ät wird ein Messstrom Isense mit vorbestimmter Stromstärke angelegt. Dies zeigt die obere Kurve. Dadurch steigt die Temperatur T im Bauelement in der Zeitdauer Ät. Nach Abschalten des Messstroms sinkt dann die Temperatur wieder ab. Aufgrund des degradierten Kühlpfades steigt dabei die Temperatur des Bauelements (gestrichelte Kurve) mit degradiertem Kühlpfad stärker an als die des intakten Bauelements (durchgezogene Kurve). Dies zeigen die mittleren Kurven. Die unterschiedlichen Temperaturverläufe bewirken entsprechend unterschiedliche Fotoströme IF _O I _O . Bei Aufsummierung der Differenz der Fotoströme IF _O I _O über die Zeitdauer Ät ergibt sich die Fläche zwischen den Kurven, die einer Bemessungsgröße/Ladung entspricht.

Im Beispiel ist der Messstrom Isense mit vorbestimmter Stromstärke konstant. Es ist jedoch ein Messstrom Isense möglich, der in seiner Stromstärke in einem vorbestimmten Zeitraum in vorbestimmter Weise variiert.

Der durch die Fotodiode fließende Strom kann vor der Auswertung verstärkt, in ein digitales Signal verwandelt und aufbereitet werden. Die Aufbereitung kann beispielsweise Glätten, Filtern und/oder zeitliche Synchronisierung umfassen.

In einem beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Messung muss regelmäßig unter gleichen Bedingungen, konkret bei gleicher

Ausgangstemperatur, wiederholt. Die Wiederholung kann beispielsweise bei Überschreiten einer vorbestimmten Kühlmitteltemperatur erfolgen. Dann umfasst das System einen internen Speicher zum Abgleich der Bemessungsgrößen.

In einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Halbleiter, beispielsweise bei Überschreiten einer vorbestimmten Kühlmitteltemperatur, mit einem vorbestimmten Strom aufgeheizt, bis eine vorbestimmte Lichtmenge emittiert worden ist. Die hierfür benötigte Zeitdauer wird gemessen. Je kürzer diese Zeitdauer umso schlechter ist die Anbindung des Halbleiters über den Kühlpfad.

Die Vorrichtung umfasst daher in weiteren beispielhaften Ausführungsformen einen Verstärker und/oder einen Analog-Digital-Wandler und/oder ein

Signalvorverarbeitungselement.

Figur 2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform in einer Schnittansicht.

Das schaltende Halbleiterbauelement 100 ist hier auf einem Kühler 400 angeordnet, um bei Schaltvorgängen im Bauelement 100 entstehende Wärme abzuführen. Gegenüberliegend zu einer Seite des Bauelements 100, auf der der Kühler 400 angeordnet ist, ist eine an die optisch aktive Region transparente Verkapselung des Bauelements 100 angeordnet. Die transparente Verkapselung bildet dabei die gegenüberliegende Seite. Durch die transparente Verkapselung kann Licht, welches in der hochdotierten Substratstrecke entsteht, aus dem Bauelement 100 in Richtung der Fotodiode 210 austreten. Die Fotodiode 210 ist im Beispiel auf einem gedruckten Schaltkreis 200 (engl.: printed circuit board (PCB)) angeordnet.

In einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens im Sinne der Erfindung wird einem p-n-Übergang eines Halbleiters (zum Beispiel Body-Diode eines Feldeffekttransistors) für eine vorgegebene, feste Zeitdauer Ät ein vorgegebener, konstanter Messstrom Isense ungleich Null eingeprägt. Durch Messstrom Isense wird der Halbleiter aufgeheizt und zur Lumineszenz angeregt. Nach Ablauf der

Zeitdauer Ät hat dabei der resultierende Wärmestrom einen Kühlpfad des Halbleiters (thermische Anbindung) erreicht.

Über die Zeitdauer wird die Intensität der Lumineszenz, mit einem

lichtempfindlichen Sensor, im Ausführungsbeispiel mit einer Fotodiode als resultierender Fotostrom, erfasst.

Im Ausführungsbeispiel wird der Fotostrom einer Fotodiode während der Zeit Ät aufsummiert, sodass sich für die Auswertung eine Bemessungsgröße, beispielsweise eine Ladungsmenge, ergibt. Bei einer Alterung der thermischen

Anbindung, in deren Folge die thermische Impedanz steigt, kann während des Heizens die Wärme nicht so gut abgeführt werden, sodass die Temperatur T des Halbleiters in einer Sperrschicht stärker zunimmt. Infolge der höheren

Temperatur ist die Lumineszenz reduziert, sodass sich eine deutliche

Abhängigkeit zwischen bestimmter Bemessungsgröße, beispielsweise der bestimmten Ladungsmenge, und Temperatur und damit der Degradierung des Kühlpfades ergibt.

Im Ausführungsbeispiel wird die bestimmte Bemessungsgröße, beispielsweise die bestimmten Ladungsmenge, von einer Referenzbemessungsgröße, beispielsweise eine vorbestimmte Solladungsmenge, die bei intaktem Halbleiter fließen würde, abgezogen und/oder hierzu ins Verhältnis gesetzt. Dies ergibt eine relative Abweichung von der Referenzbemessungsgröße, beispielsweise der Solladung, und dient im Ausführungsbeispiel als Degradierungsmaß. Überschreitet der Betrag der relativen Abweichung eine vordefinierte Schwelle, beispielsweise 0, 1 (entsprechend mindestens 10% Drift gegenüber dem Normal, so wird in einer beispielhaften Weiterbildung des Verfahrens der Halbleiter unabhängig von seiner grundsätzlichen Funktionsfähigkeit ausgetauscht.

Die Degradation des Kühlpfades verläuft über die Lebensdauer relativ langsam, sodass es nicht notwendig ist, den Zustand während des Betriebs zu erfassen.

In dieser oder in anderen Weiterbildungen des Verfahrens wird das Verfahren daher im Rahmen eines Einschaltvorgangs des Halbleiters (Initialisierung eines Systems, welches den Halbleiter umfasst, beispielsweise beim Öffnen eines Fahrzeugs oder Starten eines Motors des Fahrzeugs, welches den Halbleiter umfasst) und/oder im Rahmen eines Abschaltvorgangs des Halbleiters

(Herunterfahren des Systems beispielsweise beim Abschalten des Motors oder Fahrzeugs) als Hintergrundprozess durchgeführt.