一种过热检测电路、方法及半导体装置与流程

本发明属于半导体，具体涉及一种过热检测电路、方法及半导体装置。

背景技术：

1、igbt、mosfet等功率半导体器件是功率转换系统的核心执行单元，其工作结温直接决定了器件的使用寿命、运行可靠性与系统安全性。行业数据显示，功率半导体器件超过60%的失效均由过热引发，因此，高精度、快响应、高抗扰的过热检测电路，是功率器件与功率管理芯片不可或缺的核心保护单元。

2、现有功率器件过热检测技术主要分为三类：分立器件组合方案、单片集成分压式方案和带校准功能的单片方案。分立方案虽技术成熟，但存在响应滞后、集成度低、可靠性差等问题；单片集成分压式方案虽可实现片上集成与快速响应，但缺乏硬件迟滞易引发临界振荡，且工艺偏差容易导致量产阈值一致性差；带校准功能的单片方案虽能通过单变量校准解决阈值漂移问题，但由于采用单pn结作为热敏单元，导致温度灵敏度低，抗干扰能力较弱，且缺少硬件迟滞与状态锁存功能，实际应用中需额外配置外围电路，增加了系统的成本及复杂度。

3、综上，现有技术难以兼顾高灵敏度、硬件迟滞、高集成度、高精度校准与低成本的核心需求，亟需一种兼具天然硬件迟滞、工艺偏差自抵消及全单片集成的新型过热检测电路。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种过热检测电路、方法及半导体装置，以解决现有技术中的过热检测电路缺乏硬件迟滞，需额外配置外围电路的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种过热检测电路，包括恒流偏置模块、热敏传感模块、双阈值生成模块、状态锁存模块和输出缓冲模块；

3、恒流偏置模块，用于为热敏传感模块和双阈值生成模块提供基准电流，包括三个输出端口；

4、热敏传感模块，用于将温度转化为模拟电压信号，包括串联连接的pn结，串联pn结的阳极首端作为热敏传感模块的检测节点，检测节点与恒流偏置模块的第一输出端相连；

5、双阈值生成模块，用于根据模拟电压信号生成高温阈值信号和低温阈值信号，包括具有不同宽长比的第一nmos管和第二nmos管；第一nmos管与第二nmos管的栅极共接至热敏传感模块的检测节点；第一nmos管的漏极分别与恒流偏置模块的第二输出端和状态锁存模块的置位端相连，用于生成高温阈值信号；第二nmos管的漏极分别与恒流偏置模块的第三输出端和状态锁存模块的复位端相连，用于生成低温阈值信号；

6、输出缓冲模块，连接至状态锁存模块的输出端，用于输出过热检测信号。

7、由于采用了上述技术方案，通过恒流偏置模块为热敏传感模块和双阈值生成模块提供稳定的基准电流，结合热敏传感模块中串联pn结将温度转化为模拟电压信号，以及双阈值生成模块中具有不同宽长比的第一nmos管和第二nmos管在同一栅极电压下产生不同下拉电流响应特性，无需额外迟滞电路即可天然生成高温阈值信号和低温阈值信号，从根源上消除了传统分压式方案因缺乏硬件迟滞而在温度临界点产生的输出振荡问题，同时该电路结构简单、版图面积小，能够以低成本单片集成方式直接内置于功率半导体器件内部，兼顾了高抗振荡能力与极简集成度。

8、进一步地，第一nmos管的宽长比大于第二nmos管的宽长比，二者宽长比的差值决定迟滞窗口的大小。

9、由于采用了上述技术方案，通过第一nmos管与第二nmos管之间宽长比差值的设定，在无需额外元件的前提下即可精确控制迟滞窗口的宽度，利用二者下拉电流对同一栅极电压变化响应速度的固有差异，天然构建出过热触发阈值与过热恢复阈值之间的温差区间，既避免了温度小幅波动引发的输出反复跳变，又为不同应用场景提供了灵活可配置的迟滞窗口设计空间。

10、进一步地，热敏传感模块还包括电阻。

11、进一步地，电阻为可调电阻，可调电阻串联连接于串联pn结的阴极末端与地之间。

12、由于采用了上述技术方案，通过在串联pn结的阴极末端与地之间串联可调电阻，实现了对热敏传感模块总阻抗的单变量调节，一方面可在设计阶段对检测阈值进行灵活设定，另一方面为晶圆级量产修调提供了直接硬件接口，只需调整该可调电阻的阻值即可补偿工艺偏差导致的阈值漂移，无需修改其他任何器件参数。

13、进一步地，恒流偏置模块还包括第三nmos管和pmos电流阵列，pmos电流阵列包括第一pmos管、第二pmos管、第三pmos管和第四pmos管；

14、第三nmos管的漏极与第一pmos管的漏极相连，第三nmos管的栅极与源极相连，第三nmos管的源极接地；

15、pmos电流阵列中所有pmos管的源极均与电源相连；pmos电流阵列中所有pmos管的栅极共接至第一pmos管的漏极；第二pmos管的漏极作为恒流偏置模块的第一输出端与热敏传感模块的检测节点相连；第三pmos管的漏极作为恒流偏置模块的第二输出端与双阈值生成模块的第一nmos管的漏极相连；第四pmos管的漏极作为恒流偏置模块的第三输出端与双阈值生成模块的第二nmos管的漏极相连。

16、由于采用了上述技术方案，通过耗尽型第三nmos管与pmos电流阵列构成自偏置恒流源及1:n匹配电流镜结构，为热敏传感模块和双阈值生成模块的各支路提供了与电源电压和温度弱相关的稳定偏置电流，使各支路的工作电流严格按镜像比例保持一致，即使电源在宽范围内波动，检测阈值仍保持稳定，同时该结构无需额外带隙基准源即可实现高电源抑制比，电路复杂度低、功耗小，适用于主流功率器件工艺平台的直接集成。

17、进一步地，串联连接的pn结为二极管接法pn结。

18、由于采用了上述技术方案，通过采用二极管接法pn结作为热敏单元，利用半导体pn结正向导通电压的负温度系数特性实现温度感知，结构简单、工艺兼容性强，且多个二极管接法pn结串联后温度灵敏度随串联数量线性放大，大幅提升了热敏信号的信噪比与抗干扰能力，避免了采用复杂温度传感器结构所带来的额外面积和功耗开销。

19、进一步地，第一nmos管与第二nmos管的源极均接地。

20、由于采用了上述技术方案，通过将第一nmos管与第二nmos管的源极均接地，使二者的下拉电流仅由各自的宽长比和共接的栅极电压决定，消除了源极电位差异对下拉电流比较精度的影响，确保了高温阈值信号和低温阈值信号的翻转温度点仅由宽长比差值决定，从而保证了迟滞窗口在全温域和全电压范围内的稳定性和一致性。

21、进一步地，状态锁存模块为交叉耦合型rs锁存器。

22、由于采用了上述技术方案，通过采用交叉耦合型rs锁存器作为状态保持模块，利用其双稳态保持特性将过热触发状态锁定，即使在温度降至触发阈值以下但尚未降至恢复阈值之前，输出状态仍保持为过热报警信号，解决了温度临界点处输出信号反复跳变的问题，且锁存器结构简单、响应速度快，无需额外编程或配置即可实现过热状态的非易失性保持，同时适配高温阈值信号和低温阈值信号的高低电平翻转逻辑，控制逻辑简洁可靠。

23、一种过热检测方法，包括如上中任一的过热检测电路，包括以下步骤：

24、s1、在温度小于等于恢复阈值时，第一nmos管和第二nmos管的下拉电流均大于对应的上拉电流，高温阈值信号和低温阈值信号均为低电平，状态锁存模块处于复位状态，输出缓冲模块输出表征正常状态的电平信号；

25、s2、在温度上升至介于恢复阈值与过热触发阈值之间时，第二nmos管的下拉电流首先减小至小于对应的上拉电流，低温阈值信号先翻转为高电平，此时状态锁存模块仅复位端有效，置位端无效，状态锁存模块保持复位状态，输出缓冲模块的输出保持不变；

26、s3、在温度继续上升至大于等于过热触发阈值时，第一nmos管的下拉电流随后减小至小于对应的上拉电流，高温阈值信号翻转为高电平，此时状态锁存模块的置位端和复位端均有效，状态锁存模块完成置位并锁定过热状态，输出缓冲模块输出表征过热状态的电平信号，触发保护动作；

27、s4、在温度从高温下降至介于恢复阈值与过热触发阈值之间时，第一nmos管的下拉电流先增大至大于对应的上拉电流，高温阈值信号先由高电平翻转为低电平，此时低温阈值信号仍为高电平，状态锁存模块的复位端未收到有效复位信号，状态锁存模块继续保持置位状态，输出缓冲模块的输出保持不变；

28、s5、在温度继续下降至小于等于恢复阈值时，第二nmos管的下拉电流增大至大于对应的上拉电流，低温阈值信号翻转为低电平，状态锁存模块复位，输出缓冲模块的输出翻转，恢复表征正常状态的电平信号。

29、由于采用了上述技术方案，通过利用第一nmos管与第二nmos管因宽长比不同而在同一栅极电压下产生不同下拉电流响应的特性，在温度上升过程中实现低温阈值信号先翻转、高温阈值信号后翻转的时序逻辑，结合状态锁存模块在置位端和复位端均有效时执行置位操作、在仅复位端有效时保持复位的状态管理机制，构建出完整且无竞争风险的过热检测与恢复时序流程，该流程在升温段以双高电平完成过热置位、在降温段以双低电平完成保护复位，天然形成恢复阈值低于触发阈值的迟滞窗口，消除了信号竞争与临界振荡风险，实现了全温度区间内检测状态的安全、可靠切换。

30、一种半导体装置，包括功率半导体器件以及集成于同一芯片内的如上任一项的过热检测电路。

31、由于采用了上述技术方案，通过将过热检测电路与功率半导体器件集成于同一芯片内，使热敏传感模块中的串联pn结与功率器件元胞之间的热阻距离控制在极短范围内，实现了纳秒级响应的结温追踪与过热保护。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过恒流偏置模块为热敏传感模块和双阈值生成模块提供稳定基准电流，并利用双阈值生成模块中具有不同宽长比的第一nmos管和第二nmos管在同一栅极电压下产生不同下拉电流响应特性，无需额外迟滞电路即可天然生成高温阈值信号和低温阈值信号，消除了传统方案因缺乏硬件迟滞而在温度临界点产生的输出振荡问题；同时热敏传感模块采用串联连接的pn结将温度转化为模拟电压信号，配合串联于pn结阴极末端与地之间的可调电阻实现单变量阈值校准，有效补偿工艺偏差导致的阈值漂移；结合交叉耦合型rs锁存器对过热状态进行锁定，解决了温度临界点处输出信号反复跳变的问题，进一步地通过将过热检测电路与功率半导体器件集成于同一芯片内，使串联pn结与功率器件元胞之间的热阻距离控制在极短范围内，实现了芯片结温的过热保护，具有结构简单、版图面积小，可单片集成于功率半导体器件内部等特点。

33、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。