Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur eines Halbleiterleistungsschaltelementes mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und Verfahren zur Messung einer Temperatur eines Halbleiterleistungsschaltelementes mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 9 und 10.

Leistungselemente haben eine nicht unerhebliche Verlustleistung, die bewirkt, dass sich die Chips auf eine Temperatur aufheizen, die erheblich höher sein kann als die Umgebungstemperatur. Die Sperrschichttemperatur ist die wichtigste zu begrenzende Größe eines Leistungsschalters. Das Verhalten von Leistungselementen wie Leistungsschalter wird durch zu hohe Temperaturen negativ beeinflusst. Wird eine maximal zulässige Temperatur überschritten droht ein thermischer Event im betreffenden Bauteil und das Bauteil

funktioniert nicht mehr korrekt oder fällt völlig aus.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2014 204 648 Al offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur eines Bipolartransistors mit isolierter Gate- Elektrode (IGBT). Ein Treiber zur Bereitstellung einer ersten Steuerspannung am Gate des IGBT und einen Steuerspannungsgenerator zur Bereitstellung einer zweiten Steuerspannung am Gate des IGBT sind vorgesehen, wobei der Treiber und der Steuerspannungsgenerator dazu eingerichtet sind,

alternierend betrieben zu werden, sodass stets nur eine der Steuerspannung am Gate anliegen. Die zweite Steuerspannung umfasst einen

Gleichspannungsanteil und einen überlagerten Wechselspannungsanteil derart, dass der IGBT im Sperrbetrieb gehalten ist. Für die Wechselspannung ist eine parasitäre Kapazität durchlässig, obwohl der IGBT im Sperrzustand verbleibt. Der Gate-Strom fließt durch den temperaturabhängigen Eingangswiderstand, sodass der Gate-Strom bei einer vorbestimmten Steuerspannung und einer vorbestimmten Amplitude der Wechselspannung ein Maß für die Temperatur des IGBT darstellt, wodurch die Temperatur des IGBT bestimmt werden kann. DE 10 2012 102 788 Al offenbart eine Messung der Sperrschichttemperatur eines MOSFETs, wobei on-board eine Diode vorgesehen ist, deren Kathode intern mit der Source des MOSFET verbunden ist, wodurch die Anzahl der herausgeführten Anschlüsse und die Chipfläche des Bauteils verringert werden können. Die Diode ist direkt mit der Sperrschicht des MOSFET gekoppelt, wodurch eine direkte Messung der Sperrschichttemperatur des MOSFTs ermöglicht wird. Zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur wird ein Strom verwendet mit dem die Diode in Vorwärtsrichtung betrieben wird. Durch den Stromfluss durch die Diode wird eine Vorwärtsspannung über die Diode erzeugt, die temperaturabhängig und stromabhängig ist. Diese Spannung kann zwischen der Anode der Diode und dem Sourceanschluss des MOSFETs gemessen werden.

Die bekannten Temperaturmessungen sind größtenteils von der Stromstärke abhängig, was insbesondere bei der Verwendung der

Halbleiterleistungsschaltelemente in Motorsteuereinheiten zu Ungenauigkeiten in der Temperaturbestimmung führt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur eines Halbleiterleistungsschaltelementes anzugeben, die die Temperatur unabhängig von der Stromstärke des geschalteten Stroms besonders genau und zuverlässig bestimmt.

Diese Aufgabe wird von einer Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur eines Halbleiterleistungsschaltelementes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur eines

Halbleiterleistungsschaltelementes mit den Merkmalen der Ansprüche 9 und 10 gelöst.

Demnach ist eine Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur eines

Halbleiterleistungsschaltelementes aufweisend den Halbleiterleistungsschalter mit einem eingebauten temperaturabhängigen Gatewiderstand vorgesehen, wobei die Einrichtung eine nicht-invertierende Verstärkerschaltung, umfassend einen Operationsverstärker und einen Gegenkopplungs-Widerstand, aufweist, wobei der Operationsverstärker derart an den Halbleiterleistungsschalter angeschlossen ist, dass die Verstärkung nicht-invertierenden Verstärkerschaltung in einem vorgegeben Frequenzbereich eines Eingangssignals von dem eingebauten temperaturabhängigen Gatewiderstand und dem Gegenkopplungs-Widerstand abhängt und ein Maß für die

Temperatur des Halbleiterleistungsschaltelementes ist.

Die Messung der Temperatur mittels der genauestens bekannten

Temperaturabhängigkeit des Gatewiderstandes ist besonders zuverlässig und unabhängig von der Stromstärke. Die berechnete Temperatur ist ein gutes Maß für die Temperatur der Sperrschicht des Halbleiterleistungsschalters. In dem vorgegeben Frequenzbereich zeigt die Verstärkung eine Abhängigkeit von der Temperatur des Gatewiderstands. Es ist bevorzugt, dass die

Eingangsimpedanz von dem Halbleiterleistungsschalter nur bzw. im

Wesentlichen durch den Gatewiderstand gebildet ist. Dieser Fall ist besonders vorteilhaft, da die Verstärkung dann die größte Abhängigkeit von der

Temperatur des Gatewiderstands zeigt und eine Änderung der Temperatur einfach und genau zu messen ist.

Vorzugsweise ist der Gegenkopplungs-Widerstand zwischen dem negativen Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers und/oder der

temperaturabhängige Gatewiderstand zwischen dem negativen Eingang des Operationsverstärkers und einer Referenz-Spannung (normalerweise Masse) der Einrichtung angeordnet.

Der vorgegebene Frequenzbereich liegt vorzugsweise oberhalb einer Frequenz einer Polstelle einer Übertragungsfunktion einer idealen nicht-invertierenden Verstärkerschaltung.

Das Halbleiterleistungsschaltelement ist bevorzugt ein Leistungs-MOSFET oder ein IGBT.

Weiterhin ist eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung mit einem mehrphasigen permanent erregten Elektromotor, der über eine elektronische Steuereinheit ansteuerbar ist, wobei die elektronische Steuereinheit eine Vielzahl an Halbleiterleistungsschaltelemente aufweist, die Teil eines Inverters sind, vorgesehen, wobei jedes der Halbleiterleistungsschaltelemente eine zuvor beschriebene Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur des jeweiligen Halbleiterleistungsschaltelementes aufweist. Das System kann auch das Schalten von Halbleiterrelais für jede Phase umfassen und kann Mittel zum Bestimmen einer oben beschriebenen Temperatur umfassen, die das jeweilige Halbleiter-Leistungsschaltelement aufweisen. In einer bevorzugten

Ausführungsform ist der Elektromotor dreiphasig und weist zwei

Halbleiterleistungsschaltelemente pro Phase in einer Halbbrückenschaltung auf, die mittels Pulsweitenmodulation ansteuerbar sind. Andere

Sicherheitsrelais können enthalten sein oder auch nicht.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Messung einer Temperatur eines

Halbleiterleistungsschaltelementes aufweisend einen eingebauten

temperaturabhängigen Gatewiderstand vorgesehen, wobei eine nicht- invertierende Verstärkerschaltung aufweisend einen Operationsverstärker und einen Gegenkopplungs-Widerstand, der zwischen dem negativen Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers angeordnet ist, wobei der

temperaturabhängige Gatewiderstand zwischen dem negativen Eingang des Operationsverstärkers und einem negativen Eingang oder einen

Referenzeingang der Gesamtschaltung angeordnet ist, und wobei das

Verfahren folgende Schritte aufweist:

• Betreiben der Gesamtschaltung mit einem Eingangssignal aufweisend eine Frequenz, die in einem vorgegeben Frequenzbereich liegt, so dass der eingebaute temperaturabhängige Gatewiderstand einen wesentlichen Teil der Eingangsimpedanz des Halbleiterleistungsschalters bildet,

• Messen der Verstärkung der nicht-invertierenden Verstärkerschaltung,

• Berechnen des Widerstandes des eingebauten temperaturabhängigen Gatewiderstands mittels der gemessenen Verstärkung und Bestimmen der Temperatur des Halbleiterleistungsschaltelementes.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, das System zu kalibrieren, da das Ausgangssignal eine genau definierte Abhängigkeit vom Wert des Gate- Widerstands hat:

• Betreiben der Gesamtschaltung mit einem Eingangssignal mit einer Frequenzkomponente, die in einem vorbestimmten

Frequenzbereich liegt, so dass sich der eingebaute temperaturabhängige Gate-Widerstand eines wesentlichen Teils der Eingangsimpedanz des Halbleiterleistungsschalters ausbildet,

• Messen des Ausgangssignals des nicht invertierenden Verstärkers bei wenigstens zwei Temperaturwerten,

• Berechnen der Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals

basierend auf dem a-priori-Wissen,

• Bestimmen der Temperatur des Halbleiterleistungsschalters

basierend auf dem tatsächlichen Ausgangssignal und der vorher bestimmten Temperaturabhängigkeit.

Die beiden Verfahren erlauben die Temperatur des

Halbleiterleistungsschaltelementes unabhängig von der Stromstärke des geschalteten Stroms besonders genau und zuverlässig zu bestimmen.

Die bestimmte Temperatur ist ein Maß für die Sperrschichttemperatur des Halbleiterleistungsschaltelementes.

Vorzugsweise ist das Halbleiterleistungsschaltelement ein Leistungs-MOSFET oder IGBT.

Der vorgegebene Frequenzbereich liegt oberhalb einer Frequenz einer Polstelle einer Übertragungsfunktion einer idealen nicht-invertierenden

Verstärkerschaltung.

Zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche

Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen

versehen. Es zeigen :

Fig. 1 : ein Schaltbild einer Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur eines Leistungsschaltelementes mit einem Leistungsschalter und einer nichtinvertierenden Verstärkerschaltung,

Fig. 2: ein Schaltbild einer Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur eines Leistungs-MOSFET, sowie

Fig. 3: ein Diagramm mit Übertragungsfunktion einer idealen und einer realen nicht-invertierenden Verstärkerschaltung.

In der Figur 1 ist eine Schaltung mit einem Leistungs-MOSFET 5, der als Halbleiterleistungsschaltelement 1 fungiert, mit einem eingebauten

Gatewiderstand 3 dargestellt. Der Halbleiterleistungsschalter 1 weist eine nicht dargestellte Parallelschaltung von einer Vielzahl an einzelnen

Halbleiterschaltern angeordnet auf einem gemeinsamen Chip auf. Ein bedeutender Vorteil der Halbleiterleistungsschalter 1 ist die hohe mögliche Schaltfrequenz, die zum Beispiel für Pulsweitenmodulation in einer

Motorsteuerung vorteilhaft ist. Der Leistungs-MOSFET 5 weist einen

eingebauten Gatewiderstand 3 auf, der dazu vorgesehen ist, die

Stromverteilung zwischen den einzelnen Halbleiterschaltern auf einem Chip auszugleichen, um parasitäre Schwingungen zu vermeiden und um den

Qualitätsfaktor einer möglichen RLC-Reihenschaltungen am Eingang zu senken. Der eingebaute Gatewiderstand 3 ist Teil einer Eingangsimpedanz des Leistungs-MOSFET 5. Der eingebaute Gatewiderstand 3 weist eine bekannte Temperaturabhängigkeit auf, die ein Maß für die Temperatur der Sperrschicht des Halbleiterleistungsschaltelementes 1 ist. Die temperaturabhängige

Änderung des Widerstandes des Gatewiderstands 3, wird mittels einer nichtinvertierenden Verstärkerschaltung 200, die einen Operationsverstärker 2, einen Gegenkopplungswiderstand 4 und den eingebauten Gate-Widerstand 3 umfasst, detektiert. Der Halbleiterleistungsschalter 1 mit seiner

Eingangsimpedanz ist zwischen dem negativen Eingang des

Operationsverstärkers 2 und einem Sollwerteingang der kompletten Schaltung V _IN- angeordnet.

Die zu verstärkende Spannung V _IN+ des Sollwerteingangs des

Operationsverstärkers 2 wird an den nicht-invertierenden, positiven Eingang des Operationsverstärkers 2 gelegt. Von der Ausgangsspannung V _0UT + des Operationsverstärkers 2 wird durch Spannungsteilung mittels zweier

Widerstände ein Bruchteil an den invertierenden, negativen Eingang als Gegenkopplung zurückgeführt. Der Gegenkopplungs-Widerstand 4 ist zwischen dem negativen Eingang des Operationsverstärkers und dem Ausgang angeordnet.

Die Eingangsimpedanz des Halbleiterleistungsschalters 1 kann mittels einer RC-Reihenschaltung (siehe Figur 2) mit einem Eingangskondensator und einem Eingangswiderstand modelliert werden. Bei einem bestimmten

Eingangssignal kann die Reihenkapazität der RC-Reihenschaltung als

Kurzschluss angesehen werden, so dass die Eingangsimpedanz nur von dem eingebauten Gatewiderstand 3 gebildet ist. Die Verstärkung der nicht- invertierenden Verstärkerschaltung 200 hängt von einer Frequenz f ab. Bei Frequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz f _P wird die Eingangsimpedanz von dem eingebauten Gatewiderstand 3 gebildet. Die Impedanz des Kondensators 10 wird abgesenkt und kann als Abkürzung betrachtet werden. Mit steigender Frequenz ist dieser Effekt mehr und mehr beobachtbar.

Die Grenzfrequenz f _P wird unter Verwendung der folgenden Formel berechnet:

Wobei C _G s der Eingangskondensator 10, R _G der Gatewiderstand 3 (siehe Figur 2) ist. In diesem Fall muss der Ausgang des Operationsverstärkers 2 ein Verhältnis des Gegenkopplungs-Widerstandes 4 und des Gatewiderstands 3 aussteuern, um die Spannung am negativen Eingang auf die des positiven Eingangs V _IN+ zu regeln. Die Klemmenverstärkung des Operationsverstärkers zwischen

Eingangs- und Ausgangsklemme ist alleine durch den Gegenkopplungs- Widerstand 4 und den Gatewiderstand 3 gegeben.

Die Verstärkung der nichtinvertierenden Verstärkerschaltung 200 ist aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Gatewiderstands 3 ein Maß für die

Temperatur der Sperrschicht des Halbleiterleistungsschalters.

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Modell eines Leistungs-MOSFETs 5, der einen Drainanschluss 6, einen Sourceanschluss 7 und einen Gateanschluss 8 aufweist. Der Leistungs-MOSFET 5 ist in die zuvor beschriebene Schaltung zur Messung der Temperatur der Sperrschicht eingesetzt. Neben dem eingebauten Gatewiderstand 3 ist auch die RC-Reihenschaltung 9 zur Modellierung der Eingangsimpedanzen an dem Sourceanschluss 7 und Drainanschluss 6 dargestellt. Ein Eingangskondensator 10 der RC-Reihenschaltung 9

symbolisiert die Kapazität des Gates, die eine intrinsische Eigenschaft eines jeden MOSFETs ist. Die in Reihe geschalteten Widerstände 3 sind eingebaut um eine gleichmäßige Spannungsverteilung über die jeweiligen MOSFETs auf dem Chip zu gewährleisten. Weiterhin ist ein gemeinsamer

Eingangswiederstand 3 vorgesehen, der das Vorliegen von Schwingungen mit hohen Frequenzen verhindern soll. Die nichtinvertierende Verstärkerschaltung 200 arbeitet als Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor gleich 1 für

Gleichspannungssignale. In diesem Fall wird der Kondensator 10 des

Leistungs-MOSFETs als Leerlauf behandelt und die restliche Schaltung gibt eine Verstärkung gleich 1 wieder. Mit einem Anstieg der Frequenz des

Spannungssignals fängt die Schaltung an als Verstärker zu arbeiten.

In Figur 3 ist die Übertragungsfunktion der nicht-invertierenden

Verstärkerschaltung 14 dargestellt. Dabei ist die Verstärkung der nicht- invertierenden Verstärkerschaltung gegen die Frequenz aufgetragen.

Die asymptotisch angenähert Übertragungsfunktion einer idealen nicht- invertierenden Verstärkerschaltung 12 ist als gestrichelte Linie dargestellt.

Die Übertragungsfunktion der nicht-invertierenden Verstärkerschaltung 14 beinhaltet eine Nullstelle bei f _z und eine Polstelle bei f _P , wobei die Frequenz der Nullstelle f _z immer kleiner ist als die Frequenz der Polstelle f _P . Die

Übertragungsfunktion zeigt somit die Charakteristiken eines Hochpassfilters.

Im Falle der Verwendung eines echten Operationsverstärkers zeigen die Charakteristiken einen zusätzlichen Pol und eine durchlassband-ähnliche Filterung. Der horizontale Pfeil 13 zeigt den Frequenzbereich an, in dem das Signal von dem Filter verstärkt wird. In dem Bereich zwischen der Nullstelle und der Polstelle steigt die Verstärkung an, aber der Kondensator der RC- Reihenschaltung zeigt noch genug Impedanz um die kleinen

temperaturbedingten Änderungen in dem Gatewiderstand zu überlagern, so dass diese in der Verstärkung nicht sichtbar sind. Für Frequenzen oberhalb der Polstelle hat die Impedanz des Kondensators geringen Einfluss mehr auf die Eingangsimpedanz und der Kondensator verhält sich, als ob er

kurzgeschlossen wurde. Die Verstärkung ist abhängig von dem temperaturabhängigen Widerstand. Der vertikale Pfeil 15 deutet die

temperaturbedingten Schwankung der gemessenen Verstärkung an.

Die Verstärkung v ist für Frequenzen oberhalb der Polstelle f > f _P nur noch abhängig von dem Gatewidestand R _G (T) und dem Gegenkopplungs-Widerstand R _f , wie bei einem normalen nichtinvertierenden Verstärker:

Die Erfindung ist nicht auf MOSFETs begrenzt. Es können auch andere

Halbleiterleistungsschaltelemente verwendet werden, die einen

temperaturabhängigen Widerstand an einem Steuereingang aufweisen. Halbleiterleistungsschaltelemente werden zum Beispiel in Phasenwindung eines Elektromotors einer Kraftfahrzeuglenkung bevorzugt in Form von

Halbbrücken, insbesondere von einer dreifachen Halbbrücke für die

Ansteuerung eines Dreiphasenmotors, eingesetzt. Die Wahl eines geeigneten Halbleiter-Bauelements ergibt sich durch das erwünschte Schaltverhalten. Als Halbleiterbauelemente werden vorzugsweise Leistungs-MOSFET verwendet, es können aber auch andere Bauelemente, wie bspw. IBGT, verwendet werden. Die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten

Temperaturinformationen können z. B. dafür verwendet werden, die MOSFETs vor einer thermischen Überlastung zu schützen. Wird beispielsweise eine kritische Sperrschichttemperatur erreicht, kann eine Lenkunterstützung einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung reduziert und somit die

Verlustleistung verringert werden.