Virtual current and temperature sensors for smart power switches

Abstract

Smart Power Schalter sind elektronische Halbleiterschalter, die vorwiegend in Automobil- und Industrieanwendungen eingesetzt werden.<br />Damit kann eine übergeordnete Steuereinheit Motoren, Lampen oder Ventile gezielt ansteuern. Der Leistungsschalter hat zusätzlich zur Schaltfunktion auch integrierte Diagnose- und Schutzfunktionen, Strom- und Temperatorsensoren. Diese Arbeit untersucht den Einsatz von virtuellen Strom- und Temperatursensoren für die gekoppelte Strom- und Temperaturschätzung im Halbleiterschalter.<br />Bei modernen Smart Power Schaltern werden mit integrierten analogen Strom- und Temperatursensoren Bauteiltemperatur und Laststrom gemessen.<br />Bei Überlast- oder Kurzschlussfällen bzw. Übertemperatur- oder Überstromereignissen wird der Schalter und die Last geschützt. Der Nachteil der eingesetzten analogen Temperatursensoren liegt darin, dass sie keine beliebig gute thermische Kopplung erreichen und somit die Maximaltemperatur nicht exakt messen können. Darüber hinaus führt die Platzierung des Temperatursensors zu einer Beeinflussung der Temperaturverteilung. Die analogen Stromsensoren zeigen signifikante Fehler bei kleinen oder hohen Strömen und sind temperaturabhängig. Power MOSFET Technologien mit integrierten Temperaturmess-Strukturen benötigen zusätzliche Masken und Prozessschritte, welche die Fertigungskosten erhöhen. Ein weiterer Nachteil von analogen Sensoren bei Multi-Chip Lösungen sind die Verbindungen zwischen Steuer-IC und Sensor am Leistungsschalter. Drahtverbindungen von Messsignalen führen zu Performanceeinbußen bei elektromagnetischer Störfestigkeit, sowie erhöhten Produktionskosten, welche die wirtschaftliche Attraktivität reduzieren. Ein Ausweg aus dieser Situation bietet der Einsatz von virtuellen Sensoren, um analoge Messungen durch modellbasierte Schätzwerte ersetzen zu können. Durch den Wegfall der analogen Strom- und Temperaturmessungen können Messstrukturen eingespart werden und der Messbereich erhöht werden. Das Hauptproblem bei der Entwicklung solcher virtuellen Sensoren besteht in der Entwicklung eines gekoppelten kompakten echtzeitfähigen elektro-thermischen Modells des Halbleiterschalters, welches ein Hauptziel dieser Arbeit ist.<br />Ausgehend von elektrischen SPICE MOSFET Modellen wird in dieser Arbeit ein Verhaltensmodell entwickelt, welches den Leistungstransistor mit seinen temperatur-abhängigen Parametern beschreibt. Neben dem elektrischen Verhalten wird auch eine kompakte Modellierung des thermischen Verhaltens vorgestellt. Als Grundlage für die kompakten Modelle dienen elektrische Messungen mit integrierten Sensorstrukturen, transiente FEM Simulationen und Infrarot-Thermographie-Messungen. Die Validierung des kompakten Verhaltensmodells wird mit einer dedizierten Teststruktur an Hand von Labormessungen durchgeführt.<br />Basierend auf dem Verhaltensmodell werden die virtuellen Strom- und Temperatursensoren abgeleitet und die Systemeigenschaften in den verschiedenen Arbeitspunkten des Leistungstransistors untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Transistor während des Lawinendurchbruchs der Body-Diode nicht vollständig beobachtbar ist und somit nur die Temperatur geschätzt werden kann. Am Beispiel eines realen Leistungstransistors wird ein Implementierungsvorschlag für die Strom- und Temperaturschätzung ausgearbeitet und mit Charakterisierungsdaten verglichen.<br />Abschließend wird ein Überstrom- und Übertemperaturschutzalgorithmus mit virtuellen Strom- und Temperatursensoren auf einem FPGA implementiert.<br />Ein selbstentwickeltes Digital/Analog Interface steuert und misst den Leistungstransistor unter Applikationsbedingungen. Die Schätzwerte zeigen eine minimale Abweichung zu den realen Messwerten und sind als Grundlage für die Schutzkonzepte geeignet. Somit kann gezeigt werden, dass virtuelle Sensoren eine zukunftsträchtige Methode zur Realisierung von robusten und kostengünstigeren Schutzkonzepten für intelligente Leistungshalbleiter darstellen.<br />

Modern automotive and industrial systems use Smart Power switches instead of fuses and electromechanical switches for loads like motors, lamps or injection valves. Smart power products are intelligent power switches equipped with several diagnostic abilities, protection features, current and temperature sensors. This thesis is focused on the application of virtual current and temperature sensors for the drain current and temperature estimation for a power transistor.<br />Nowadays Smart Power switches use analog current and temperature sensors to measure the junction temperature and load current. In case of an overload or over temperature event the switch protects the load and itself. Over the last decades, these protection concepts have become state of the art. However, the following disadvantages arise when using said analog sensing concepts. Firstly the thermal coupling of the analog temperature sensor to the active area is limited by design and layout restrictions. Thus it is not possible to measure an exact hot spot temperature. Secondly the placing of the temperature sense structure near to the hot spot leads to an inhomogeneous MOSFET power switch layout structure which adversely affects current and temperature distribution across the device. Third power MOSFET technologies incorporating integrated temperature sense structures require additional masks and process steps during fabrication. Forth interconnecting bond wires to interface the sense structure in multi-chip solutions lead to increased costs, worse RF immunity and more challenging manufacturing processes. An improved solution is given by the use of virtual sensor concepts to replace the analog measurements with model based estimates. Consequently analog sense structures can be omitted and the measurement range can be extended. The major problem and aim of this thesis is to develop a compact and real-time electro-thermal model of the power transistor.<br />The starting point of this work are SPICE MOSFET models, which are used to develop a temperature dependent electrical behavioral model of the power transistor. In addition to the electrical model a compact thermal model is investigated in this thesis based on electrical temperature sense measurements, transient non-linear FEM simulations and infrared thermographs. The compact electro-thermal model is validated against dedicated test chips incorporating temperature sense and current sense structures. The virtual current and temperature sensors are derived based on the previously mentioned behavioral models. System properties are investigated in all modes of operation of the transistor. It can be shown that the power switch is not fully observable during avalanche break down of the body diode. Consequently only the temperature can be estimated. A real power MOSFET device has been selected to be monitored by virtual current and temperature sensors. Based on this device a design concept is presented, modeled, simulated and validated against real measurements.<br />Finally an over-current and over-temperature protection algorithm based on virtual sensors has been implemented. The estimators and the controller are placed on a FPGA. With the help of a dedicated hardware interface the FPGA is able to control and measure the power transistor while operating the switch under application conditions. Comparing the estimates with the measured quantities a minimal acceptable deviation is shown. Consequently this approach turns out to be an innovative method for future robust and economic protection concepts for smart power switches.