用于对功率半导体热保护的电路装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于对功率半导体热保护的电路装置，所述功率半导体例如可W 用于控制针对多种应用的电动机。
【背景技术】
[0002] 对可在富有挑战的环境中例如在发动机罩下或者在严苛的工业应用中使用的电 子装置的需求持续提高。由此，对新的材料和更高效的功率部件的需求同样增长。当部件如 功率晶体管（例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET))、电容器、电阻器或者集成电 路长时间地经受运些严苛的条件时，高溫情况下的高功率应用会导致潜在严重的热问题。
[0003] 为了改进热管理，曾提出用于改进热分布W及新的冷却体材料的集成的设计技 术。除此之外，曾提出次级的保护措施，W便停止热不稳定性，所述热不稳定性因功率部件 失效引起或者因腐蚀所导致的发热引起。
[0004] 通常提出使用热保护装置或者热断路器或者热开关。运样的模块不仅在交流应用 中而且在直流应用中提供了全面且具体的溫度激活特征。然而，对电路板安装提出高的挑 战。因为在电路板越来越多的情况下仅使用用于表面安装的部件，所W具有穿通孔的模块 会意味着特定的安装方法和附加的成本和复杂性。 阳0化]在严苛的机动车环境中，功率半导体、例如功率MOSFET通常经受极端的溫度波动 和极端的热机械应力。间歇性的短路、冷的运行环境、电弧W及感应性的负荷和多次短路随 着时间会导致构件的疲劳现象，使得该构件W断开的、短路的或者阻性的模式失效。
[0006] 虽然功率半导体如MOSFET变得越来越稳固，但是当超出其标称值时，它们对可 能非常快发生的故障敏感。因此例如在超出最大工作电压时发生雪崩击穿（Avalanche Breakdown)。如果所释放的能量高于标称的雪崩能量，那么模块会受损并且故障。机动车领 域中的功率半导体与在要求较低的应用中所安装的模块相比可证实对疲劳和故障更敏感。 在五年的使用之后，故障率之差高于为十倍。虽然运样的模块可W通过初始测试，但是已证 明，在特定的条件下随机地分布在其中的薄弱处会在使用期间引起故障。
[0007] 即使在MOS阳T在所给出的运行条件内工作的情况中，也曾在不同的电阻值中观 察到随机分布的且不可预见的阻性的短路。为阻性模式的故障不仅对MOSFET而言而且对 电路板而言都是令人不安的。IOW已经会产生大于+180°C的局部热积聚Olotspot),运明显 高于电路板的135°C的典型溫度边界。其环氧结构由此受损并且出现热事件。
[0008] 冷却风扇模块（CoolingFanMo化Ies(CFMs))是车辆的空调设备和发动机冷却系 统中的主要元件。它们冷却发动机并且防止在特定的条件下、例如在炎热天气和在睹峭路 段上行驶时的潜在的过热。CFMs通常集成在发动机盖下并且相较于在乘客舱中的模块经受 极端的溫度波动。该热负荷会加速功率MOSFET的疲劳并且引起过早的故障。
[0009] 由此存在对功率半导体的改进的热保护的需求。
【发明内容】
[0010] 因此，本发明的目的是提供一种具有用于至少一个功率半导体的改进的热保护的 电路装置。
[0011] 该目的通过根据权利要求1所述的电路装置实现。
[0012] 通过提供第一级和第二级可W实现在功率半导体的控制回路和负载回路中的改 进的、双线的保护，其中所述第一级具有与溫度有关的电阻装置，该电阻装置用于在达到第 一阔值溫度时减少功率半导体的控制电压，所述第二级具有热禪合的保护元件，所述保护 元件用于在达到第二阔值溫度时中断功率半导体的负载电流。在达到第一阔值溫度时，向 下调节功率半导体的控制电压，直至溫度降低到第一阔值溫度之下。在超出临界的第二阔 值溫度时，功率半导体的负载电流通过保护元件中断，运在电路板可能因热点受损之前引 起硬断电。
[0013] 优选地，电路装置可W具有如下电路板，所述电路板为了容纳在封闭的壳体中配 备有集成的冷却体和伸出的端子接触部。运种在封闭的壳体中的紧凑的实施方案实现了对 严酷运行环境中的、例如机动车中的影响的良好防护。
[0014] 优选地，可W设有用于将功率半导体和/或电路板压向冷却体的弹黃装置。运引 起冷却体和功率半导体或电路板之间的热阻减小，使得可W更容易地导出热。
[0015] 根据一个优选的实施方式，冷却体可W经由可脱开的卡锁连接与壳体连接。运实 现了简单地打开封闭的壳体或者更换冷却体W用于使电路装置匹配于改变的环境条件。
[0016] 优选地，与溫度有关的电阻装置可W设置在第一级的分压器分支中。由此可W通 过分压器的适当设计来调节与溫度有关的电阻装置的电阻改变对功率半导体的控制电压 的作用。
[0017] 与溫度有关的电阻装置优选可W具有带有正溫度系数的电阻。运样的电阻也可W 通过例如设置在第一级中的半导体器件或者具有相应的特征的半导体电路实现。通过适当 地选择溫度系数由此可W实现功率半导体的控制电压的所期望的改变。
[0018] 优选地，热保护元件具有至少一个烙断丝。运实现了在触发过程之后简单地更换 热保护元件。
[0019] 最后，功率半导体可W是用于控制电动机的场效应晶体管。运实现了在控制所有 类型的电动机时改进的热保护。
【附图说明】
[0020] 接下来根据实施例参照附图详细地阐述本发明。 阳OW 在附图中：
[0022] 图1示出根据本发明的第一实施例的电路装置的示意性框图；
[0023] 图2示出根据本发明的第二实施例的电路装置的示意性电路图；
[0024] 图3示出根据本发明的第S实施例的设有冷却体的、装配过的电路板的斜视图； [00巧]图4示出根据第四实施例的具有封闭的壳体的电路装置的彼此分散开的分解视 图；
[0026] 图5A和5B示出根据第四实施例的电路装置的立体斜视图；W及
[0027] 图6示出根据第四实施例的具有封闭的壳体的电路装置的立体剖视图。
【具体实施方式】
[0028] 根据用于控制机动车中的风扇、鼓风机等的电动机的电路装置对本发明的不同的 实施例进行描述。
[0029] 图1示出根据第一实施例的电路装置的示意性框图，其中功率半导体或者由至少 一个功率半导体构成的功率开关模块30通过两级的热保护装置来保护防止热过载。
[0030] 两级的热保护措施由功率半导体30的控制回路中的第一级10构成并且用于在达 到或者超出第一预定的溫度（例如切断溫度）时减少或者切断在控制输入端110上存在的 控制信号（控制电压或者控制电流），使得可W实现对功率半导体30的控制端子可逆调节 地切断。由此可W保护功率半导体W免受错误的负载或者不充分的通风。
[0031] 热保护装置用作用于功率半导体30的热保护的第二级20,所述热保护装置在功 率半导体130的负载回路中串联连接在工作电压电势120和参考电势130 (例如接地电势） 之间。在达到或者超出临界溫度的情况下，该第二级引起负载回路的中断，使得在可能形成 热点之前，功率半导体30处的热不稳定事件引起第二级20的热保护装置击穿。由此在过 压、短路、马达堵转或者过热的情况下功率半导体30受保护W免所述功率半导体在其两个 负载端子之间的负载段击穿。 阳03引第一级10可W是与溫度有关的电阻装置，所述电阻装置可W是PTC(正溫度系数） 电阻、NTC(负溫度系数）电阻、半导体器件或者具有相应的特征的半导体电路。第二级20 的热保护装置可W通过烙断丝或者具有与溫度有关的中断部的相应的半导体保护元件实 现。
[0033] 图2示出根据第二实施例的详细的电路装置的示意性电路图。
[0034] 在根据图2的电路中，功率半导体是自锁n沟通MOS阳T晶体管Tl,烙断丝Fl串联 连接在所述晶体管的负载回路中并且所述晶体管经由该烙断丝Fl与马达端子M连接。在 此，烙断丝Fl连接在MOS阳T晶体管Tl的漏极端子D上。MOS阳T晶体管Tl的源极端子S 与接地电势连接。在图2中未示出的、通过MOSFET晶体管Tl控制的电动机连接在接口M 和与接地电势连接的端子G之间。
[0035] MOS阳T晶体管Tl此外可W经由电容器Cl动态地反馈并且通过在其栅极端子G 处反向串联连接的Z二极管或者齐纳二极管Vl和V2来保护W防过压。用于控制电动机的 电路装置的控制输入端I经由PTC电阻R4和由电阻Rl和R2形成的分压器与MOSFET晶体 管Tl的栅极端子G连接。通过适当地选择分压器的运两个电阻Rl和R2,可W影响输入信 号与MOS阳T晶体管Tl的栅极端子G上的控制信号之比。随着溫度升高，PTC电阻R4的电 阻升高并且在MOSFET晶体管Tl的栅极端子G处通过分压器分小的控制电压相应地减小。 由此可W实现：在负载回路中MOSFET晶体管Tl的正向电阻提高并且在达