CN106461723A - 场效应晶体管和相关的故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子装置(9)，其包括：‑常开型场效应功率晶体管(11)，其包括控制电极(111)和第一及第二导通电极(112、113)；‑控制电路(21)，其包括连接到控制电极的电阻元件(211)，该控制电路被配置为用于通过电阻元件将晶体管的阻断电势施加到控制电极，所述阻断电势低于第一和第二导通电极的电势；‑用于检测第一和第二导通电极之间的短路的检测电路(31)，其被配置为用于在晶体管的阻断期间测量控制电极的电势，以便将所测量到的电势与参考电势进行比较，并且根据该比较的结果生成故障信号。

Description

场效应晶体管和相关的故障检测装置

本发明涉及场效应功率晶体管，尤其是对常开型场效应晶体管的短路故障的检测。

多种应用都利用在开关中使用的常开型场效应功率晶体管。越来越多的应用使用直流电压电源，例如用于机动车牵引。nMos功率晶体管常用于安全功能，例如用于将连接端子与电压源隔离。当这样的功率晶体管遇到短路故障时，电压源可能会施加非常快速地达到高幅度的短路电流。为了避免出现与这样的电流相关的严重过热或故障，必须在非常短的时间内检测到晶体管的故障，以便实施安全措施，尤其是控制其他晶体管的断开或者防止它们闭合。

在已知的故障检测装置中，尚未找到任何足够快速和可靠地检测场效应功率晶体管的故障的成本合理的解决方案。文献US7847702描述了一种用于检测具有低功率水平的集成部件中的故障的电路。在这样的集成部件中不对由栅极和源极之间的绝缘体受损所造成的故障模式进行监控，因为与由于栅极和漏极之间的绝缘体受损所造成的故障相反地，这是一种非常少见的故障模式。

文献US2003/103306描述了一种用于为电动机供电的常开型功率晶体管。检测电路验证阻断电压被施加到晶体管的栅极，并且同时验证晶体管的漏极处的异常电压的出现。这样的检测电路仅允许确定漏极和源极之间的短路。

归档在因特网地址http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/chap11k.htm下的出版文献解释了与常开型场效应功率晶体管相关的问题。场效应功率晶体管在栅极和漏极之间所具有的绝缘体厚度比其在栅极和源极之间所具有的绝缘体厚度大得多。事实上，栅极和漏极之间的绝缘体是必须在阻断状态下确保耐压的绝缘体。由于施加了低得多的电势差，栅极和源极之间的绝缘体厚度更加减小。

本发明旨在解决这些不便中的一个或更多个。特别地，本发明的目的在于在源极和漏极之间出现短路之前提前检测到场效应晶体管的故障。本发明由此涉及如所附权利要求中所限定的电子装置。

参照附图，本发明的其他特征和优点将从以下说明性而绝非限制性地做出的描述中清楚地显现出来，在附图中：

-图1为包括场效应功率晶体管和短路检测电路的电子装置的第一实施例的示意图；

-图2和图3为在不存在和存在故障的情况下，晶体管及其控制电路的电气特性的示意图；

-图4示出在出现短路时，图1的晶体管的参数变化；

-图5示意性地示出检测电路的一个变型；

-图6为包括并联连接的两个场效应功率晶体管和短路检测电路的电子装置的第二实施例的示意图；

-图7示意性地示出图6的检测电路的功能；

-图8和图9示出处于两种工作状态下的包括场效应功率晶体管及其检测电路的系统；

-图10为图1的电子装置的变型。

图1为根据本发明的第一实施例的电子装置9的示意图。电子装置9包括常开型场效应功率晶体管11。功率晶体管能够设计为例如用于在两个导通电极之间施加至少等于50V、通常至少等于100V的电势差，并且穿过至少等于5A、通常至少等于10A的电流。

在该实施例中，晶体管11是N型MosFET晶体管。晶体管11在此以本身已知的方式包括形成控制电极的栅极111、形成第一导通电极的源极112和形成第二导通电极的漏极113。在此，源极112连接到接地电势。

电子装置9还包括用于在栅极111上施加控制电势的控制电路21，该控制电势允许选择性地使晶体管11断开或闭合。因此，电子电路21在节点Vc处施加这样的电势：该电势要么取值为晶体管11的闭合值Von，要么取值为晶体管11的断开值Voff。控制电路21包括连接在节点Vc和栅极111之间的电阻元件211。电阻元件211在此为纯电阻性的。以本身已知的方式，电阻元件211可包括两个分支，分支中的每一个都包括二极管和电阻。二极管由此反向并联连接。每个分支的电阻都可具有不同的值，以便晶体管11具有不同的断开和闭合速度。

电子装置9还包括用于检测源极112和漏极113之间的短路的检测电路31。检测电路31包括被配置为用于测量栅极111的电势(例如，通过测量栅极111和源极112之间的电势差)的电压计313。检测电路31还包括比较器311和处理电路312。电压计313在比较器311的输入端施加所测量的电势。比较器311还在另一输入端接收参考值Vref。比较器311根据所测量的电势和参考值Vref之间的比较而生成输出信号。处理电路312接收比较器311的输出信号，并且根据该输出信号的水平生成异常信号。异常信号能够以本身已知的方式用于预防所检测到的异常的后果，例如用于操作安全开关、断开其他晶体管或防止它们闭合。

发明人实施了一种MosFet技术的常开型场效应功率晶体管的老化的模拟器。在不存在散热器的情况下使这些晶体管经历开关操作循环以便产生加速的老化。发明人研究了这些晶体管的故障的出现。发明人系统地观察到短路形式的早期故障。发明人还观察到故障系统地在晶体管处于断开状态时或被切换向断开状态时发生。发明人还观察到，99％的故障都导致晶体管的栅极和源极之间的电绝缘体的受损。因此，与本领域技术人员的先验技术不同，所提出的本发明旨在对场效应晶体管的阻断或断开状态期间故障的出现进行检测。更具体地说，本发明提出通过提前检测栅极和源极之间的异常漏电流来预测源极和漏极之间的短路的出现。

通常，通过施加控制电势，使得场效应晶体管的控制电极和第一导通电极之间的电势差为零，从而使该电势差小于该晶体管的阈值电压，进而使场效应晶体管保持断开。在此，控制电路21被配置为用于在节点Vc处施加比第一和第二导通电极112和113的电势小的电势Voff。因此，控制电路21在此被配置为用于获得栅极111和源极112之间的阻断晶体管11的负电势差。电势Voff例如比导通电极112和113中的每一个的电势小至少0.2V，优选小至少0.5V，或小至少阈值电压的值。

为了便于理解这样的阻断电势水平的使用，图2和图3示意性地示出在节点Vc和源极112之间的晶体管11及其控制电路21的电气特性。在图2中，晶体管11没有故障。晶体管11的栅极111和源极112之间的结构包括电绝缘体，并且其能够由电容器114来模拟。在图3中，由于栅极111和源极112之间的电绝缘体受损，晶体管11发生故障。由此能够由电阻115来模拟晶体管11的栅极111和源极112之间的结构。由此，在节点Vc和源极112之间形成分压电桥。在图3所示的状态中，由于节点Vc和源极112之间施加有非零电势差，所以电阻115引起施加到控制节点21的电势与施加到栅极111的电势之间的差。

如果在栅极111上所测得的栅极电势超过值Vref，则比较器311提供相应的输出信号。当处理电路312确定所测得的栅极电势超过晶体管11断开时的值Vref(并且因而与控制节点21的电势不同)时，其生成异常信号。处理电路312可以在生成异常信号之前将其他情况考虑在内，例如，要求比较器311用信号通知在足够的时期期间超过值Vref的情况，以避免在过渡阶段期间发生不合时宜的触发。

图4的示图一方面使用实线示出穿过场效应晶体管的电流，另一方面示出在几次连续的开关操作期间该晶体管的栅极电势。短划线曲线对应于在不存在故障的情况下晶体管的栅极电势。点线曲线对应于在存在短路的情况下晶体管的栅极电势。在图中所示的晶体管的断开切换期间出现短路，并且所假定断开的晶体管被电流穿过。在控制电路在该晶体管的栅极上施加断开电势的阶段期间，出于栅极和源极之间的电阻特性的缘故，有效地施加到栅极的电势大于其在不存在短路的情况下应有的电势。该异常栅极电势被装置的检测电路检测到。

相反地，在之后的晶体管的闭合切换期间，栅极电势小于其在不存在短路的情况下应有的电势。

这样的电子装置9允许在安全应用中使用场效应功率晶体管，这是因为能够以非常快速且可靠的方式检测到短路的出现。此外，该检测是在晶体管的断开阶段期间而非在闭合阶段期间进行的，这允许尽可能快地检测到短路，从统计学方面而言，短路主要发生在断开阶段期间。

此外，该检测是在源极和漏极之间出现短路之前提早进行的。栅极和源极之间的绝缘体的受损实际上在源极和漏极之间出现短路之前引起可检测的漏电流。

本发明所使用的对栅极电势的测量避免了可能会在使用两个导通电极之间的电势差来检测短路时遇到的错误检测，并且还允许避免对高的电势差的测量。本发明所使用的对栅极电势的测量比对栅极电流进行测量以获得对短路的快速检测的成本低得多。此外，本发明所使用的对栅极电势的测量能够集成在控制电路21中。

电阻元件211的电阻值影响短路检测的灵敏度。该负载电阻越高，故障期间的栅极电势的变化就越大，因而更容易检测该故障。相反地，高的电阻值使晶体管的切换减慢。如上所述，通过使用具有不同电阻值的两个分支，能够将更高的电阻值用于要产生晶体管的断开的那个分支，由此，仅使该断开减慢。

图5示出检测电路31的一个变型。在该变型中，滤波器314夹置于电压计313和比较器311之间。该滤波器314用于消除瞬时电压峰值，以便避免短路的错误检测。滤波器314例如是低通滤波器。因此，滤波器的截止频率小于晶体管的等效切换频率，并且足够低到允许短的故障检测时间。对于大约10μs的检测时间而言，可以使用例如500kHz的截止频率。

图6为根据本发明的第二实施例的电子装置9的示意图。电子装置9包括常开型场效应功率晶体管12和13。晶体管12和13在此具有与图1的晶体管11相同的结构。晶体管12和13并联连接，它们各自的源极122和132连接到相同的电势，并且它们各自的漏极123和133连接到相同的电势。

电子装置9还包括用于在晶体管12的栅极121上施加控制电势的控制电路22和用于在晶体管13的栅极131上施加控制电势的控制电路23。使控制电路22和23同步以同时在分别的节点Vc处施加断开电势Voff或闭合电势Von。控制电路22和23分别包括连接在栅极121和131与节点Vc之间的电阻元件221和231。当然地，控制电路22和23可由单个控制电路来代替。

电子装置9还包括测量电路32和测量电路33，测量电路32包括用于测量栅极121的电势的电压计323，测量电路33包括用于测量栅极131的电势的电压计333。电子装置9还包括接收分别由电压计323和333测量的电势的检测电路34。

图7示意性地示出图6的电子装置9的检测电路34的示例的不同功能。检测电路34在此包括滤波电路341和滤波电路342，在滤波电路341的输入端施加有由电压计323所测得的电势，在滤波电路342的输入端施加有由电压计333所测得的电势。滤波电路341和342用于消除可能会导致不合时宜的错误检测的瞬时电压峰值。检测电路34还包括电路343，其在其输入端接收由滤波器341和342所过滤的电势。电路343在输出端输出这些经过滤的电势之间的差。电路344的功能是在其输出端输出经过滤的电势之间的差的绝对值。该差的绝对值被施加在比较器345的第一输入端。阈值Ref被施加在比较器345的另一输入端。当差的绝对值超过阈值Ref时，比较器345产生异常信号。

因此，根据该第二实施例，晶体管12和13具有同时短路故障的概率估计为极低。因此，无故障的晶体管的栅极电势用作用于检测短路晶体管的异常栅极电势的比较基准。可指出的是，当这些晶体管中的一个被破坏时，由于所有电流都通过该晶体管，所以它对另一晶体管形成保护。

该第二实施例尤其允许通过克服晶体管之间的差异和与这样的晶体管的老化相关联的差异来对短路进行可靠的检测。

图8和图9示出包括常开型场效应功率晶体管11及其检测电路31的系统。该系统还包括直流电压源4(例如电化学蓄电池组)和受控开关14，例如场效应功率晶体管。

该系统包括两个极41和42，和在极41和42之间并联连接的两个分支。第一分支包括串联连接的晶体管11和直流电压源4。第二分支包括被配置为例如常闭型的开关14。开关14和晶体管11通过节点43连接。

在图8中，系统处于存储配置，在该配置中，源极4的正端子通过处于断开状态的晶体管11与极42隔离。源极4的负端子保持连接到极41。为了使极41和42之间的电势差为零，将开关14闭合。

在图9中，系统处于给电负载供电的配置。在该配置中，源极4的正端子由处于闭合状态的晶体管11连接到极42。极42和节点43通过处于断开状态的开关14与极41隔离。

在图8的配置中，风险在于晶体管11会经历短路故障，直流电压源4因此会发送短路电流通过晶体管11和闭合的开关14。为了防止这种情况，当控制电路31检测到晶体管11处出现短路时，其生成控制开关14的断开或禁止该开关14闭合的异常信号。由此，于是能够使系统保持在图9的配置中，该配置允许避免直流电压源4产生短路电流。

在第一实施例中，值Vref可以是可变的。于是能够以不同的方式设置值Vref。图10的示例示出根据第一实施例的电子装置9的一个变型。在该变型中，检测装置31包括缓冲存储器315。缓冲存储器315接收在晶体管11的断开阶段期间由电压计313所测得的电势。缓冲存储器315在其输出端具有时移地施加该测量值。由此，值Vref由对栅极111上的电势的在先测量所限定。

也可通过用于对栅极111和源极112之间的结构进行模拟的电容来产生值Vref。

电阻元件211、221和231的实现形式可以为可变电阻。可以例如根据所需的检测灵敏度来调节它们的电阻值，而无需系统地牺牲功率晶体管的开关动态性。

在上述各个示例中，所述常开型场效应功率晶体管是MosFET型晶体管。本发明同样适用于任意其他类型的常开型场效应功率晶体管，诸如HEMT、IGBT、JFET技术中的那些类型。对于所有这些类型的晶体管，控制电极的绝缘体故障都可能会导致短路。

本发明主要是在包括电池组并带有被用作该电池组的串联开关的常开型功率晶体管的系统的应用中来详细描述的。然而，根据本发明的电子装置能够包括许多其他应用，例如通过将这样的晶体管连接在逆变器的桥臂中、例如用于电动化应用。

Claims (7)

1.一种电子装置(9)，其特征在于，所述电子装置(9)包括：

-常开型场效应功率晶体管(11)，其包括栅极(111)、源极和漏极(112、113)；

-控制电路(21)，其包括连接到控制电极的电阻元件(211)，所述控制电路被配置为用于通过所述电阻元件将所述晶体管的阻断电势施加到所述栅极，所述阻断电势小于所述源极和所述漏极的电势；

-用于检测所述栅极和所述源极之间的漏电流以便预测所述源极和所述漏极之间的短路的检测电路(31)，其被配置为用于在所述晶体管的阻断期间测量所述栅极的电势，将所测量到的电势与参考电势进行比较，并且根据该比较的结果生成异常信号。

2.根据权利要求1所述的电子装置(9)，其中，所述场效应晶体管(11)选自CMOS、JFET、IGBT和HEMT晶体管。

3.根据权利要求1或2所述的电子装置(9)，其中，所述电阻元件(211)为可变电阻。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电子装置，其中，当所测量到的所述栅极的电势超过所述参考电势时，所述检测电路生成所述异常信号。

5.根据权利要求4所述的电子装置(9)，其中，所述检测电路被配置为用于存储测量到的所述栅极的电势，并且被配置为用于之后将该测量到的电势限定为所述参考电势。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的电子装置(9)，其中，所述场效应功率晶体管(12)与另一个包括栅极(131)、源极和漏极(132、133)的常开型场效应功率晶体管(13)并联连接，所述检测电路被配置为用于在所述另一个晶体管阻塞期间测量所述另一个晶体管的栅极电势，并且被配置为用于当针对所述栅极所测量到的所述电势之间的差超过阈值时生成所述异常信号。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电子装置(9)，其还包括电源开关(14)，所述异常信号迫使所述电源开关(14)断开。