具有精确的温度检测的半桥模块的制作方法

1.本发明涉及一种具有两个开关单元的半桥模块以及一种温度传感器阵列，所述开关单元分别包括多个并联和/或串联连接的晶体管、尤其是igbt或mosfet。


背景技术：

2.当前制造的电动车辆为了驱动电机而具有驱动变流器或逆变器，该驱动变流器或逆变器将动力电池的直流电流转换成适合于电机的交流电流或三相电流。这种驱动变流器主要包括中间电路电容器、功率半导体、驱动器电路板和控制器电路板。优选地，用于电动车辆的驱动变流器被构造成三相的。
3.功率半导体经常被构造为桥式整流器、例如所谓的b6桥式整流器，并且具有多个晶体管。由于在制造中的低的产量或高的废品率，特别是将碳化硅mosfet功率模块以半桥配置制造或制造为半桥模块。由此可以降低生产中的废品率。因此，功率半导体可以由三个半桥模块构造成。
4.为了确保功率半导体的安全运行，使用温度传感器来监控晶体管的温度。在设计为igbt的晶体管中，允许的最大结温为165℃。为了将来提高驱动变流器的效率，使用碳化硅mosfet作为晶体管。这些晶体管由于较小的开关损耗和较低的导通电阻而在部分负荷范围中实现效率优势。此外，这种晶体管可以在200℃的最大结温下运行。
5.然而，在温度限值的范围中运行功率半导体的晶体管的前提是，精确地测量各个晶体管的温度。通常，每个半桥模块使用一个温度传感器。通过在半桥模块内部仅仅在一个部位上进行温度测量，可以基于点测量对各个晶体管的实际芯片温度进行建模或者估计。温度分布的这种建模通常具有公差和误差。
6.然而，为了确保功率半导体中的晶体管的安全运行，在运行温度方面要预设足够的安全性，从而导致功率半导体和整个驱动变流器的耗费成本的过大尺寸。


技术实现要素：

7.本发明的目的是，提供一种具有精确的温度测量的半桥模块以及一种用于半桥模块的温度传感器阵列，该温度传感器阵列可以检测半桥模块内的温度分布。
8.根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的半桥模块并且通过具有权利要求8的特征的温度传感器阵列实现。有利的设计方案和改进方案由从属权利要求得出。
9.根据本发明的半桥模块具有两个开关单元，所述开关单元分别包括多个并联和/或串联连接的晶体管、尤其是igbt或mosfet。晶体管布置在第一基板上。根据本发明，半桥模块具有温度传感器阵列，所述温度传感器阵列具有多个温度传感器，其中，这些温度传感器至少局部地与晶体管热连接。
10.通过使用温度传感器阵列，可以精确地检测半桥模块内的和各个晶体管的温度分布。因此，不再需要基于软件模拟来估计温度分布。通过精确地、在测量技术上检测晶体管的单芯片温度，可以明显地优化包括多个半桥模块的功率半导体的设计。
11.该措施可以或者导致所使用的晶体管数量的减少并且因此导致成本降低，或者在配置保持不变的情况下导致功率提高，这是因为晶体管可以更接近其温度限值地运行。
12.此外，由于精确的温度监控，可以使晶体管在允许的最大结温的范围内受控地运行。由此可以明显地缩小车辆的冷却系统，并且提高效率或续驶里程。
13.根据一实施例，温度传感器阵列的温度传感器可单个地或顺序地通过连接端子读取。通过这种措施，可以根据所需的测量频率对各个温度传感器进行读取。通过由连接端子或连接线路单独地连接温度传感器，实现对这些温度传感器的同时读取。
14.在顺序读取温度传感器时，多个温度传感器可以共用一个连接端子，由此减少连接端子的数量。例如，两个或三个温度传感器可共享一个公共的连接端子，以便能够顺序地读出各温度传感器的测量值。
15.根据另一实施方式，连接端子与至少一个温度传感器电连接。每个温度传感器需要两个连接端子作为电连接线路。温度传感器的灵活连接可以共用连接端子，由此降低了温度传感器阵列的制造费用。
16.根据另一实施例，温度传感器阵列的温度传感器构造为热敏电阻、正温度系数电阻或热电偶。通过该措施，可以使用任意构造的温度传感器来测量和监控晶体管的结温。在此，可以成本有效地制造温度传感器阵列。
17.根据另一实施方式，温度传感器阵列的温度传感器与半桥模块的晶体管和/或晶体管的连接线路基本上重合地布置。温度传感器的这种布置使得晶体管或连接线路与温度传感器之间的热传输的传输路径减到最小。由此，能够以最小的时间延迟实现沿着半桥模块的温度分布的反应特别快的温度测量。
18.根据另一实施例，温度传感器阵列以由连接端子和温度传感器构成的格栅的形式或者以第二基板的形式来设计，其中，温度传感器阵列与第一基板并行布置。通过这种措施可以快速并紧凑地制造温度传感器阵列。此外，温度传感器阵列可以特别精确地相对于第一基板取向。
19.根据另一实施方式，温度传感器阵列与半桥模块的晶体管一起被浇注在灌封料中，其中，温度传感器阵列的连接端子从灌封料中引出。为了在车辆运行中在测量技术上精确地检测各个晶体管的单个芯片温度或结温，将晶体管和温度传感器阵列共同地在一个模具中浇铸。温度传感器阵列在灌封之前直接定位在半导体芯片或晶体管上方。为此，各连接端子被向外引导并且可以在灌封料外部被电量取。
20.根据本发明的另一方面，提供了一种温度传感器阵列。温度传感器阵列优选可以用于根据本发明的半桥模块。温度传感器阵列具有多个温度传感器和多个连接端子。连接端子与温度传感器导电连接，其中，每个连接端子与至少一个温度传感器连接。
21.通过借助温度传感器精确地、以测量技术检测单芯片温度，可以优化汽车领域中的功率半导体的设计。这防止了部件的耗费成本的过大尺寸，并且因此导致成本降低。在配置保持不变的情况下，可以实现功率提高，这是因为晶体管、尤其是碳化硅mosfet能够更接近其温度限值地运行。
22.此外，通过该措施最佳地利用碳化硅技术，以便在200℃的允许的最大芯片温度下运行晶体管的半导体。由此仅须排出较少的热量，从而车辆的冷却系统的尺寸也减小。因此，还可以增大电驱动车辆的效率和续驶里程。
附图说明
23.本发明借助附图中的实施方式示意性地示出并且参考附图进一步描述。其中：
24.图1示出了根据本发明的温度传感器阵列的一个实施例，
25.图2示出了根据本发明的具有图1中的温度传感器阵列的半桥模块。
26.附图标记列表：
27.1温度传感器阵列
28.2第一排温度传感器
29.3第二排温度传感器
30.4第三排温度传感器
31.6第二基板
32.8半桥模块
33.10第一基板
34.12第一开关单元
35.14第二开关单元
36.16第一开关单元的晶体管
37.17第二开关单元的晶体管
38.18第二开关单元的另外的晶体管
39.20根据现有技术的温度传感器
40.22灌封料
41.24晶体管的连接线路
42.a-l温度传感器阵列的连接端子
具体实施方式
43.图1示出了根据本发明的温度传感器阵列1的一个实施例。温度传感器阵列1具有多个温度传感器2、3、4。在所示的实施例中设置有十五个温度传感器2、3、4。
44.温度传感器2、3、4例如被实施为正温度系数电阻或ptc热敏电阻，并因此具有正的温度系数。在此，电阻直接与温度相关。替代地，温度传感器阵列1的温度传感器2、3、4也可以以热敏电阻、热电偶等形式实现。
45.温度传感器2、3、4布置成三排并且通过连接端子或连接线路a-l电联接。在每个温度传感器2、3、4上分别连接两个连接端子a-l，以便测量温度传感器2、3、4的电阻。
46.为了最小化所使用的与温度传感器2、3、4的连接线路的数目，每两个或每三个温度传感器2、3、4可以分享一个连接线路a-e、h-l。通过这种布置，温度传感器2、3、4部分串联地并且部分并联地通过连接线路a-e、h-l相互连接。
47.温度传感器阵列1可以构造在第二基板6上或者构造为由连接端子a-l形成的引线框架。由此，温度传感器阵列1能够用于测量温度分布。为了在电动车辆的运行中在测量技术上精确地检测例如在图2中示出的晶体管16、17、18的单个芯片温度，温度传感器阵列1与晶体管16、17、18平行地布置。温度传感器阵列1在所述实施例中直接安置在半导体芯片或晶体管16、17、18上方并且与其一起浇注。各个连接端子a-l为此向外引出并且可以在灌封料22外部被量取。
48.通过引出头a-l可以在运行中顺序地驱动每个传感器段或每个温度传感器2、3、4，并且因此采集相应的温度传感器2、3、4的温度。
49.在图2中示出了根据本发明的具有图1中的温度传感器阵列1的半桥模块8。为了说明该布置结构，温度传感器阵列1示意性地放置在半桥模块8的第一电路板10上，并且可以看到第一电路板10的部件。图2还以俯视图示出了包括相关联的端子在内的内部芯片配置。
50.半桥模块8具有两个开关单元12、14，该开关元件分别包括多个并联和/或串联连接的晶体管16、17、18。在所示的实施例中，晶体管16、17、18被构造为碳化硅mosfet并且可以以200℃的最大结温来运行。
51.为了描述根据本发明的半桥模块8和根据现有技术的半桥模块之间的区别，仅在第二开关单元14上设置根据本发明的温度传感器阵列1。
52.第一开关单元12对应于现有技术并且包括单个温度传感器20，该温度传感器20在第一开关单元12的晶体管16旁边布置在第一电路板10上。因此，不可能精确地测量各个晶体管16的温度。
53.通过将温度传感器阵列1定位或放到第二开关单元14的晶体管17、18上，能够直接测量晶体管17、18的温度和温度分布。
54.温度传感器阵列1的温度传感器2、3、4至少局部地与晶体管17、18热连接。例如，温度传感器2、3、4可以通过灌封料22或通过直接的体接触与晶体管17、18热耦合。
55.温度传感器2、3、4在温度传感器阵列1内匹配于晶体管17、18的位置、数量和取向。温度传感器阵列1的温度传感器2、3、4因此基本上与半桥模块8的晶体管17、18和/或晶体管17、18的连接线路24重合。
56.为了测量晶体管17的温度，可以评估温度传感器阵列1的连接端子h和i。连接端子d和i的评估能够实现对晶体管17的连接线路24的热监控。
57.其它从灌封料22中引出的连接部漏极、栅极、源极能够驱动晶体管16、17、18。连接部dc 、dc-用于引向未示出的电池，该电池用作直流电源。由电池提供的电压被转换为交流电压，该交流电压在连接部ac处输出。由此，当例如由三个半桥模块8使用b6电路时，可以借助于半桥模块8运行车辆的未示出的电机。