CN107404309B - 具有功率开关的装置 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及具有功率开关的装置。装置包括固态功率开关和被配置成如果所述装置的多个故障状况中的至少一个被触发则操作所述功率开关的控制器。接口被配置成响应于所述至少一个故障状况被触发而输出具有选择性地指示被触发的所述至少一个故障状况的值的信号。

Description

具有功率开关的装置

技术领域

本公开涉及具有功率开关的装置以及方法。

背景技术

功率开关传统上用于将负载与电源电压耦合。近年来，已开发了“智能”功率开关装置，其配备有一个或多个诊断能力和保护特征，例如针对诸如过载和短路事件等的故障状况。例如，在这样的功率开关装置中金属氧化物半导体(MOS)晶体管可以用作功率开关，并且开关可以在故障状况的情况下以限定状态操作，例如引起开关的端子之间的不导通。

在一些示例中，开关在故障状况解决之后被重置是可能的。尽管如此，可能期望调试和分析故障状况。在参考实现中，这可能是不可能的或者仅在有限程度上是可能的。

发明内容

存在着对于克服或减轻上面标识的缺陷中的至少一些的包括功率开关的高级装置的需要。

一种装置包括固态功率开关和控制器。控制器被配置成如果装置的多个故障状况中的至少一个被触发则操作功率开关。装置进一步包括接口。接口被配置成响应于至少一个故障状况被触发而输出具有选择性地指示被触发的至少一个故障状况的值的信号。

一种方法包括如果装置的多个故障状况中的至少一个被触发则操作装置的固态功率开关。方法进一步包括响应于至少一个故障状况被触发：输出具有选择性地指示被触发的至少一个故障状况的值的信号。

一种方法包括施加通过装置的固态功率开关的电流脉冲。方法进一步包括响应于电流脉冲的施加：监测由装置输出并具有选择性地指示超过相关联的阈值的功率开关的环境温度的空间梯度的值的信号。方法进一步包括基于监测：确定功率开关的冷却时间。

上文和下文描述的实施例和方面可以彼此组合。

附图说明

图1A是根据各种实施例的包括固态功率开关、控制器和接口的装置的示意图。

图1B是用于产生具有选择性地指示图1A的装置的至少一个被触发的故障状况的值的信号的接口的多个电流源的示意图。

图2是根据各种实施例的方法的流程图。

图3是图示出包括可以形成用于一些实施例的基础的功率开关的装置的图。

图4是图示出包括可以形成用于一些实施例的基础的功率开关的装置的图。

图5是图示出包括功率开关的一些装置的行为的时间依赖性的图。

图6是图示出包括功率开关的一些装置的行为的时间依赖性的图。

图7和图8是图示出在短路期间包括功率开关的一些装置的行为的图。

图9是图示出根据现有技术的具有选择性地指示包括功率开关的装置的一个或多个故障状况的值的信号的时间依赖性的图。

图10A是图示出根据各种实施例的具有选择性地指示被触发的至少一个故障状况的值的信号的时间依赖性的图。

图10B是图示出对于图10A的场景与不同故障状况唯一地相关联的信号的不同值的图。

图11A是图示出根据各种实施例的具有选择性地指示被触发的至少一个故障状况的值的信号的时间依赖性的图。

图11B是图示出对于图11A的场景与不同故障状况唯一地相关联的信号的不同值的图。

图12是根据各种实施例的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述各种实施例。需注意的是，这些实施例仅用作说明性示例并且不应解释为限制本申请的范围。例如，虽然实施例可以被描述为包括多个特征或元件，但这仅用于说明，并且在其他实施例中这些特征或元件中的一些可能被省略和/或用替代特征或元件取代。此外，在一些实施例中可以在不脱离本申请的范围的情况下提供除了图中描述或示出的那些之外的附加特征或元件。还有，来自不同实施例的特征或元件可以彼此组合以形成进一步的实施例。

图中示出或本文描述的任何连接或耦合、特别是电气连接或耦合可以被实施为直接连接或耦合、即作为没有中间元件的连接或耦合，或者实施为间接连接或耦合、即具有一个或多个中间元件的连接或耦合，只要基本上维持连接或耦合的一般功能、例如传输某种信息。连接或耦合可以实施为基于线的连接或耦合或者实施为无线连接或耦合，或者其混合。

一些示例涉及包括功率开关的装置，功率开关具有关断或过载限值、在下文中简称为过载限值或阈值。当给定量(例如电压、电流和/或温度)达到过载限值时，装置或者特别是功率开关的故障状况被触发。当故障状况被触发时，操作功率开关。例如，功率开关可以操作于断开位置。当功率开关被断开时，端子之间变得基本上不导通。

在一些示例中。多个不同故障状况是可用的。例如，一些故障状况可以涉及温度；而其他故障状况可以涉及通过功率开关的电流。接着，借助于相应的信号，在多个故障状况之间进行区分可以变得是可能的。为此，信号可以具有选择性地指示被触发的至少一个故障状况的值。因此，从信号的值可以知道哪一个或多个故障状况已被触发和哪一个或多个故障状况未被触发。

为了获得用于信号的这种选择性值，基于被触发的至少一个故障状况从多个候选值中选择信号的值是可能的。例如，候选值可以是预定义的并且可以以明确限定的方式映射到可能的故障状况。因此，多个候选值中的每一个候选值可以与多个故障状况中的一个故障状况唯一地相关联。在进一步的示例中，可以存在有与多个故障状况中的多于一个故障状况相关联的一些候选值；通过这样的手段，选择性地指示在相同时刻持续的多个被触发的故障状况是可能的。由此，可以解决共同触发的故障状况的叠加。

候选值的池可以与至少一个另一值区分开；另一值因此可以不同于多个候选值并且可以与装置的无故障状况唯一地相关联。在无故障状况下，可能没有越过过载限值。由此，例如在没有指定故障状况的特定缘由或原因的情况下，在故障状况与无故障状况之间在高电平上进行区别是可能的。

一般地，多种多样的不同故障状况可以与本文所描述的技术有关地采用。与本文所描述的技术组合使用的特定种类和类型的故障状况可能与公开的技术的功能无关。故障状况的示例涉及超过相关联的阈值的通过功率开关的电流。例如，通过功率开关的电流可以是源极-漏极电流，例如，在功率开关实施为MOS器件的情况下。考虑电流的时间梯度也是可能的。例如，使另一故障状况与超过相关联的阈值的通过功率开关的电流的时间梯度相关联是可能的。即，时间梯度可以与电流的时间依赖性的时间导数或时间导数的幅度成比例。时间梯度因此可以对应于根据时间变化的电流的改变率。由此，可以检测源极-漏极电流上的快速改变。另一类故障状况可以涉及环境温度、即功率开关周围的温度。例如，另一故障状况被限定为超过相关联的阈值的功率开关的环境温度是可能的。再次，环境温度的时间梯度被考虑为另一故障状况是可能的。将超过相关联的阈值的环境温度的空间梯度考虑为另一故障状况也是可能的。空间梯度可以涉及温度的空间依赖性的导数。空间梯度因此可以对应于根据位置变化的温度的改变率。例如，环境温度的空间梯度可以被限定在功率开关的周围的两个点之间。两个点可以位于功率开关的不同方向上。备选地或另外地，两个点可以位于与功率开关相距不同距离处。例如，第一点可以位于功率开关在其上实施的相同管芯上；而第二点可以位于诸如管芯的印刷电路板(PCB)等的芯片载体上。再一类故障状况可以涉及跨功率开关的压降。在示例中，故障状况关于超过相关联的阈值的跨功率开关的压降来限定。考虑超过相关联的阈值的跨功率开关的压降的时间梯度也是可能的。

在各种示例中，可以实施不同种类和类型的信号。例如，信号可以是模拟信号并且可以包括电流流动或电压。这里，电流流动的幅值可以指示被触发的至少一个故障状况；相应地，电压的幅值可以指示被触发的至少一个故障状况。除了信号的这种模拟实现之外或者备选地，实施信号的数字表示也是可能的。这里，信号包括数字字是可能的，数字字的数目指示被触发的至少一个故障状况。

一般地，在本申请的上下文中，功率开关可以被描述为包括一个或多个控制端子和两个或更多负载端子。功率开关的断开和闭合(操作功率开关)可以通过将一个或多个信号施加至一个或多个控制端子来控制。当功率开关被闭合时，它在其负载端子中的至少两个之间提供了低欧姆连接，使得电流可以在负载端子之间流动。当开关断开时，功率开关在其负载端子之间展现出阻断行为、即是高欧姆的，使得基本上没有电流可以在负载端子之间流动，例如除了可能发生在真实装置中的像泄漏电流等的不期望的效应外。

在一些实施例中，功率开关可以使用场效应晶体管(FET)来实施，像MOS晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、结型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管(BJT)、氮化镓(GAN)晶体管、碳化硅(SiC)晶体管或高电子迁移率晶体管(HEMT)。在这样的情况下，负载端子可以对应于场效应晶体管的源极和漏极端子，并且控制端子可以对应于场效应晶体管的栅极端子。

本文描述的包括功率开关的装置可以在广泛的应用领域中采用。例如，现代汽车和工业系统使用智能功率开关代替熔断器或机电开关，用于具有中等至高电流负载的低压应用。智能功率开关是配备有若干诊断能力和保护特征以标识不同故障状况的智能功率开关。由此，可以防止过载和短路事件。像用于温度感测的PN结、分流电阻器和用于限流/关断的运算放大器以及齐纳二极管钳位那样的电路允许保护以免过压。归因于成本和设计优化，智能功率开关典型地受到热和电限值的限制。

现在转到附图，图1示出根据一个实施例的功率开关装置100的示意性框图。图1的功率开关装置100包括功率开关130。功率开关130的第一负载端子与第一电源电压125(例如正电源电压)耦合。电感123表示功率开关130与第一电源电压125之间的耦合(例如布线)的电感。功率开关130的第二负载端子与负载122耦合，该负载122进而与第二电源电压126(例如接地或负电源电压)耦合。电感121表示负载122与功率开关130之间的耦合的电感，例如布线的电感。

功率开关130的控制端子被耦合至过载控制器115。过载控制器115可以被配置成在某些故障状况下断开功率开关130，例如当有关例如跨越功率开关的压降、流过功率开关的电流和/或功率开关的温度达到过载限值时。可以备选地或另外地使用用于关断(即功率开关的断开)的其他准则。在一些情况下，如稍后将在一些更多细节中说明的，断开功率开关可以引起存储在电感123和121或耦合至功率开关130的其他电感中的能量经由功率开关被“放电”，特别是被钳位。对于该钳位，如稍后将说明的，可以提供像齐纳二极管那样的特定钳位电路，或者可以使用可能会击穿的像固有反向偏置二极管那样的功率开关的固有性质。

装置100进一步包括接口116。接口116被配置成输出信号150，例如模拟信号和/或数字信号。信号150可以随着时间的进程具有不同值(信号的时间依赖性)。借助于信号150的不同值，指示出已由过载控制器115触发的再一个故障状况是可能的。特别地，在至少一个故障状况和未被触发的故障状况之间进行区别变得可能，至少一个故障状况已由过载控制器115实际触发且已引起功率开关130的操作、例如在断开位置中；未被触发的故障状况未由过载控制器115触发且未引起功率开关130的操作。被触发的至少一个故障状况的这种选择性指示使得能够实现分析和调试功能。故障状况的更精确的处理变得可能。

为此，接口116可以包括从由如下部件构成的组中选出的一个或多个元件：微处理器；专用集成电路(ASIC)；电流源；和电压源。

图1B图示出关于接口116的方面。在图1B的示例中，接口116包括三个电流源171-173。三个电流源171-173独立地操作是可能的。三个电流源171-173的输出被组合；由此，信号150被提供为由电流源171-173中的每一个提供的电流的叠加。

例如，电流源171-173中的每一个可以与特定故障状况相关联。例如，电流源171可以与其中通过功率开关的电流超过相关联的阈值的故障状况相关联；电流源172可以与其中功率开关的环境温度超过相关联的阈值的故障状况相关联；而电流源173可以与其中环境温度的空间梯度超过相关联的阈值的故障状况相关联。如果故障状况中的给定的一个由控制器115触发，则相应电流源171-173输出有限的非零电流。如果故障状况中的给定的一个没有被控制器115触发，则相应的电流源171-173不输出电流，即，具有幅值零的电流。为此，电流源171-173可以是例如借助于由过载控制器115产生的数字控制信号数字可控的。

图1B是示例。在其他示例中，可以提供较小或较大数目的电流源。在进一步的示例中，信号150可以不对应于与不同故障状况相关联的电流的不同幅值的叠加。

图2是根据各种实施例的方法的流程图。在块201处，例如由控制器115来监测多个故障状况。这可以包括例如在给定的重现时间采样处测试是否已触发了多个故障状况中的任一个。

接下来，在块202处，检查是否触发了至少一个故障状况。块202可以包括执行在与故障状况中的每一个相关联的相应可观察值和相关联的阈值过载限值之间的阈值比较。取决于阈值比较，可以判断是否已触发相应的故障状况。

如果已触发了至少一个故障状况，则执行块203。在块203处，操作功率开关130。在典型场景中，203可以包括断开功率开关130，即，中断功率开关130的MOSFET实现的源极-漏极连接。

接着，在204处并响应于至少一个故障状况的触发，输出信号150。信号150的值选择性地指示被触发的至少一个故障状况。因此，根据在块204处输出的信号150的值，可以知道哪一个或多个故障状况已成为在块203处操作功率开关的原因。

在图3中，示出了包括功率开关130和与功率开关相关联的各种电路的功率开关装置100。图3的功率开关装置100可以形成各种实施例的基础。例如，图3的功率开关装置100可以在一些实现中与像图1A的控制器115那样的控制器组合。

图3的功率开关装置100包括充当功率开关的MOSFET 130，以选择性地将电源电压(例如电池电压VBat)与负载耦合，该负载在图3的情况下用灯泡337表示。功率MOSFET 130的栅极端子被耦合至栅极驱动器和电平位移器336的输出。经由栅极驱动器和电平位移器336，使用通-断信号，开关可以被选择性地操作并因此被接通或断开，“通”状态在本申请的上下文中对应于闭合状态，并且“断”状态对应于断开状态。

栅极驱动器和电平位移器336另外地接收来自温度传感器的信号，该温度传感器在图3的示例中由晶体管331和电流源332形成。晶体管331可以是双极型晶体管，其PN结随着改变温度而改变其行为。在其他实施例中可以使用温度传感器的任何其他传统实现。温度传感器331、332被实施在功率开关130的空间附近；特别地，温度传感器331、332与功率开关130被实施在相同的管芯上。温度传感器331、332可以感测功率开关130的环境温度。

此外，图3的功率开关装置包括限流器333。限流器或过流关断电路333通过测量跨感测电阻器334的压降来接收流经功率MOSFET 130的负载端子的电流的测量，并且可以控制或关断功率MOSFET 130的栅极端子以防止过流。也可以提供其他电路，例如用于限流的分流电阻器。此外，提供齐纳二极管钳位335作为过压保护。所示功率开关装置100仅用于说明的目的，并且在其他功率开关装置中，可以提供所示的特征或元件和/或替代特征或元件中的例如仅一些。

在图4中，用作用于实施例的基础的功率开关装置442的进一步的示例与相关联的电路一起示出。在图4的示例中，功率开关装置442包括作为功率开关的功率MOSFET 443，其在图4的示例中用于将电源电压(例如电池电压417)与负载422耦合。在图4的示例中，负载422用灯泡符号表示，不过也可以使用其他负载。

从电源电压417到功率开关装置442的电源电压输入的布线的阻抗(特别是电阻和电感)在图4中被标为418，并且从功率开关装置442的输出焊盘420到负载422的布线的阻抗(例如电阻和/或电感)在图4中被标为419。一些实施例中的功率开关装置442的所有元件都可以实施在单个芯片或管芯上，不过其他实施例可以使用多于一个的管芯。另外，可以提供输出电容421，并且功率开关装置442可以在一些实施例中经由电阻器445被耦合至接地。

功率开关装置442可以由微控制器440控制，该微控制器440可以与在耦合中包括电阻器441的如所示的功率开关装置442耦合。然而，这仅仅用作示例。

来自微控制器440的信号经由ESD保护电路447被提供至功率开关装置442的驱动器逻辑448。驱动器逻辑448控制栅极控制和电荷泵414，该栅极控制和电荷泵414进而控制功率MOSFET 443的栅极端子。

此外，所示实施例中的功率开关装置442包括温度传感器412、例如如图3所示，以检测在过热检测装置410处的过热。过热检测装置410被耦合至驱动器逻辑441并且可以例如在检测到过热的情况下控制驱动器逻辑448断开功率MOSFET 443。

此外，图4的示例的功率开关442包括可以感测负载电流的负载电流感测和断开负载检测电路415。取决于负载电流，驱动器逻辑448可以被控制成断开或闭合开关。此外，可以设定过流开关限值413，当达到该限值时开关443可以例如被断开。该功能可以例如对应于图4的限流器333。

此外，如4的功率开关装置可以包括电压传感器449和正向压降检测装置448，电压传感器449用于监测电源电压417并且响应于电源电压417来控制驱动器逻辑448，正向压降检测装置448用以检测跨功率开关443的压降并且再次响应于该压降来控制驱动器逻辑448。

此外，晶体管443可以具有呈寄生二极管的形式或者呈与其源极和漏极端子并联耦合的有意实施的二极管的形式的反向偏置二极管444，其可以在关断的情况下形成消散路径。例如，在负载422的短路情况下(如图4中用箭头图示出的)，可以感测到高电流并且过流开关限值413可以控制功率开关443断开，也称为紧急关断。在该情况下，存储在电感418、419中的能量可以经由二极管444放电。这在一些情况下可以导致功率开关443的相当高的温度。

这样的短路可能不仅归因于故障布线、故障负载或其他故障而发生，而且可能是某些应用固有的。例如，在像图3的负载337或图4的负载422那样的负载是如图示的灯泡的情况下，当第一次接通灯泡(即闭合相关联的功率开关)时，灯泡的灯丝仍然是冷的。灯泡的冷灯丝典型地具有非常低的电阻，类似于短路。在这样的情况下，功率开关443可以例如由微控制器440控制，以跟随归因于过流的紧急关断重复地重试接通灯泡。在一些情况下，利用每次重复可以更多地加热灯泡的灯丝，增加了其电阻，直到获得稳定的操作。在一些情况下，直到对于这样的灯泡来说达到稳定状态所必要的重复或重试的次数可以取决于电压。例如，在汽车应用中，电源电压可能不是非常稳定，从而导致变化。

这样的行为被图示在图5中。图5示出对于三个不同电源电压用于经由功率开关接通冷灯泡的示例。在图5中，绘制出与时间相对的电流。曲线552(图5中的点线)示出对于相对低的电压的行为，在该情况下在示例中没有执行紧急关断，因为电流低于关断限值。曲线551(虚线)示出对于稍微较高电压的行为，其中电流例如归因于较高电压而超过关断限值，在本情况下关断限值可以是约80A，从而导致紧急关断。在所示示例中，需要七次重复的接通，直到达到稳定的操作。曲线550(下降线)示出对于更高电压的行为，其中需要更多次重复。如对于曲线551和550可以看出的，用于每次重复的电流与前面的尝试相比缓慢减小，这例如归因于灯泡的灯丝逐渐升温并因此增加了其电阻，这进而导致较低电流。

在图6中，曲线660示出在真实短路的情况下的示例行为。在这样的情况下，可以执行很多重复，除非所使用的功率开关装置具有内置的重复限值(例如，8次重复、10次重复等等)，此后例如像图4的微控制器440那样的控制微控制器将停止任何进一步的重试并将功率开关装置保持永久性断开，例如直到在短路连接修复之后外部施加重置。

故障状况可以通过各种不同措施来检测。例如，可以监测功率开关的温度，例如使用图3的温度传感器331、332或图4的温度传感器412。当超过例如在150℃与200℃之间的量级的温度限值或阈值时，可以断开功率开关(过热故障状况)。在其他实施例中，可以采取对应于时间梯度和/或空间梯度的温升作为准则，例如超过某个阈值的温升。例如，这样的阈值可以在60K与100K之间，例如约80K(增量温度故障状况)。这里，在功率开关的管芯和PCB上感测到的温度的差异可以通过使用两个分离的温度传感器来检测。另外地或备选地，可以监测电流限值或阈值，例如在60A与100A之间、例如约80A(过流故障状况)。可以监测实施功率开关的MOSFET的源极-漏极电流；备选地或另外地，可以监测去往连接至功率开关的负载的负载电流。另外地或备选地，可以采取跨功率开关的压降—如果场效应晶体管用作开关则是漏极-源极电压。在一些示例中，可以仅在接通后的过渡阶段之后和/或在消隐时间之后监测电压。取决于所使用的技术，电压阈值可以例如是2V的量级。

如上面概述的各单独的故障状况都可以导致功率开关的操作，例如在断开位置中。因此，监测所有上面标识的故障状况是可能的。

图7图示出在导致归因于过载的紧急关断(即功率开关的断开)的故障状况期间的各种参数的行为的方面。图7还图示出存储在例如电感中的能量的放电。图7图示出在触发了故障状况之后的这种事件期间的电流、温度和电压的行为。

曲线771(图7中的下降线)图示出负载电流。在有点超过100A的电流处，启动功率开关的断开。曲线700(细实线)图示出在事件期间跨越功率开关的漏极-源极电压。最后，曲线772(点线)图示出功率开关的温度。如可以看出的，归因于跟随功率开关的断开的放电(例如，从电感)钳位，温度显著上升。通过施加等效电压在图7的右侧以℃图示出温度标尺。

图8示出对于三个重复事件与图7类似的图表。曲线881图示出漏极-源极电压，曲线880图示出温度并且曲线882图示出负载电流。如提到的，在一些实施例中的重复次数可以预先确定或者可以是用户可配置的，例如零(没有重复)、整数次重复或无穷大(即，不定次数的重试)。

如已经提到的，利用相关联的温升的这种重试(即重复)可以例如缩短所使用的功率开关的寿命或者导致功率开关的故障。

图9图示出关于信号904的参考实现的方面，信号904非选择性地指示已触发的故障状况中的任一个。曲线901图示出在图4中标为IN的端子处施加的电压。曲线902图示出故障状况的存在。9中用箭头标记的是当故障状况被触发时的时间点(对应于图902中的台阶)。

在图9的示例中，故障状况对应于通过功率开关的电流超过相关联的阈值950。这通过对应于输出到负载的电流的曲线903图示出；这是在图4中标为OUT的端子处提供的电流。曲线903归因于闭合功率开关的重复重试而超过阈值950三次。

曲线904表示在图4中标为IS的端子处提供的信号的电流。该引脚有时称为电流感测。图4的电阻器441将该电流转换成可以采样的电压，例如通过微控制器440的模数转换器。信号904对应于IL(曲线903)与IS的有时称为kILIS或比例因子k的比率。例如，信号903可以通过使用对负载电流903进行镜像的电流镜来产生。故障状况期间的信号904的幅值显著地高于无故障状况期间的幅值。然而，信号904的幅值不反映不同类型的故障状况。换言之，如果不同故障状况—诸如过热、过流等等—被触发，则信号904的幅值不会显著改变。

信号904的这种非选择性行为具有某些缺点。例如，不可能容易地解决哪个特定故障状况被触发。因此，在生产测试中，没有直接反馈可用来检查是否与各种故障状况相关联的所有保护机制都起作用。这要求更复杂的测试。测试可能是耗时的。例如，过热和增量温度故障状况的生产测试有时通过所谓的冷测试和热测试间接地实施。在冷测试中，典型地，应用零下40℃左右的环境温度来检查相对应的保护机制的可操作的。接着，触发相关联的故障状况的初始保护机制对应于增量温度(delta temperature)。借助于在应用冷环境温度与信号904至故障状况的上升之间的时间延迟，可以间接地监测增量温度事件。另一方面，在热测试期间触发相关联的故障状况的初始保护机制典型地是过热；这里，经由直到信号904指示故障状况的时间，可以间接地监测过热事件。如可以看出的，为了测试过热和增量温度故障状况，需要两个测试，这耗时且昂贵。例如，需要独立于通过功率开关的电流改变环境温度。

图10A图示出关于信号150的事件依赖性的方面。图10A大体对应于图9，然而，在端子IS处输出的信号150根据本文描述的技术来实施。特别地，图10A图示出关于选择性地指示被触发的故障状况的信号150的方面。在图10A的示例中，连续地触发三个不同的故障状况1011-1013。首先，触发过流故障状况1011；稍后，触发增量温度故障状况1012，最后触发过热故障状况1013。再次，箭头标记当相应故障状况1011-1013被触发时的时间点。在触发相应的下一故障状况1011-1013之前，解决前面的故障状况1011-1013。在其他示例中，故障状况1011-1013可以在至少部分重叠的时间上是持续的。

如图10A图示出的，信号150—根据被触发的故障状况1011-1013—取不同的值1051-1052、1055。与对应于值1051的信号150相关联的电流的幅值指示出故障状况1011；与对应于值1052的信号150相关联的电流的幅值指示出故障状况1012；与对应于值1053的信号150相关联的电流的幅值指示出故障状况1013。如果故障状况1011被触发(如图10A中用箭头指示的)，则信号150取值1051。信号150是具有该值1051的输出，在故障状况1011持续的情况下并且只要故障状况1011持续。一旦故障状况1011解决了，信号150就再次取初始值1055。

因此，如可以从图10A看出的，基于被触发的至少一个故障状况1011-1013从多个候选值1051-1053中选择信号150的值是可能的。多个候选值1051-1053中的每一个候选值与多个故障状况1011-1013中的一个故障状况唯一地相关联。

值1055不同于多个候选值1051-1053并且与装置的无故障状况1018唯一地相关联。在故障状况1011-1013中的每一个故障状况的触发前并且在相应的故障状况1011-1013解决了之后，信号150取与无故障状况1018相关联的值1055。

图10B图示出关于与不同故障状况1011-1013相关联的信号150的不同值1051-1053的方面。特别地，图10B图示出关于与信号150相关联的电流流动的不同幅值范围的方面。如可以从图10B看出的，选择性地指示被触发的至少一个故障状况1011-1013的不同值1051-1053与电流流动的不同幅值范围相关联。幅值范围是总体指定任何故障状况的存在的总范围(在图10B的示例中是4.4mA-10mA)的所有子范围。多个故障状况1011-1013中的每一个故障状况因此与至少一个信号150的电流流动的相应幅值范围唯一地相关联。与多个故障状况1011-1013相关联的值1051-1053进而全部大于与功率开关的无故障状况1018相关联的电流流动的非零最小值1050。

虽然在图10B的示例中各值1051-1053选择性地指示单个故障状况1000-1013，但是在其他实现中也可以设想到限定附加值，该附加值指示出同时存在的两个或更多故障状况1011-1013的组合。例如，可以限定指示出组合的过流故障状况1011和增量温度故障状况1012的附加值；同样，可以限定指示出组合的过流故障状况1011和过热故障状况1013的附加值；等等。因此，如果限定了用于信号150的充分数目的不同值，则信号150选择性地指示被触发的故障状况1011-1013中的每一个故障状况是可能的。

因为在图10B的场景中指示出以组合方式触发的两个或更多故障状况1011-1013的信号150的值不可用，所以优先级1099与故障状况1011-1013中的每一个故障状况相关联。在图10B的示例中，作为通过功率开关的电流超过相关联的阈值的故障状况1011具有相关联的第一优先级1099；而作为温度的空间梯度超过相关联的阈值的故障状况1012具有相关联的第二优先级1099；而作为功率开关的环境温度超过相关联的阈值的故障状况1013具有第三优先级1099。过流故障状况1011的第一优先级1099大于增量温度故障状况1012的第二优先级1099；而增量温度故障状况1012的第二优先级1099高于过热故障状况1013的第三优先级1099。在其中过流故障状况1011和过热故障状况1013同时被触发/在相同时刻存在的示例中，信号150具有值1051；由此，信号150仅指示故障状况1011，并且不指示故障状况1013。这是因为故障状况1011具有与故障状况1013相比较高优先级1099。作为结果，信号150指示了被触发的至少一个故障状况1011-1013中的给定的一个故障状况；并且不指示被触发的至少一个故障状况1011-1013中的其余的一个或多个故障状况。

图11A和图11B分别对应于图10A和图10B。然而，在图11A和图11B的场景中，限定了信号150的另一值1056。值1056不同于与各种故障状况1011-1013唯一地相关联的多个候选值1051-1053。值1056也不同于指示无故障状况的值1050。值1056指示了响应于已解决的之前被触发的故障状况1011-1013的锁存故障状况1019。因此，例如直到执行重置事件，锁存故障状况1019可以是持续的。在锁存故障状况1019期间，功率开关可以起作用并且可操作，即，可以操作于断开位置或闭合位置。

虽然关于前面的附图已讨论了其中信号150包括可以取给不同故障状况编码的相对应电流的不同幅值的电流流动的示例，但是在进一步的示例中，对于包括数字字的信号150采用相对应的技术是可能的，其中数字字的数目指示被触发的至少一个故障状况。备选地或另外地，信号150包括电压也是可能的，其中电压的幅值指示被触发的至少一个故障状况。这样，上面所讨论的示例不限于其中信号150通过电流实施的实现。

图12是根据各种实施例的方法的流程图。在块1201处，例如通过将电流脉冲施加至接受测试的装置的功率开关而产生耗散损耗。例如，可以将电流脉冲施加至如关于前面的附图讨论的功率开关。电流脉冲可以是具有明确限定的幅值的测试电流脉冲。

在块1202处，监测信号150，例如，可以重复地采样和检查信号150的时间变化。信号150的值指示了测试电流脉冲被施加所至的功率开关的环境温度的空间梯度。详细地，信号150的值可以指示环境温度的空间梯度超过相关联的阈值。

例如，信号150的值可以指示，响应于在块1201处施加测试电流脉冲，环境温度的空间梯度超过相关联的阈值。这可能归因于由在施加测试电流脉冲时在功率开关中耗散的功率进行的加热。归因于功率开关的热耦合，该局部产生的热可以随着时间的进程而从功率开关中耗散掉。因此，虽然初始环境温度的空间梯度可能相当高—因此超过相关联的阈值—但是在相对应的冷却时间之后，环境温度的空间梯度可以下降至低于阈值。特别地，基于具有选择性地指示相对应的故障状况的值的信号准确地解决并确定功率开关的冷却时间是可能的。

在1203的块处，将冷却时间与阈值进行比较。如果冷却时间低于阈值，则在块1204处将接受测试的装置标记为合格的，即，无故障。如果冷却时间高于阈值，则在块1205处将接受测试的装置标记为有缺陷的、即有故障。因此，在块1204和1205中基于冷却时间将接受测试的装置分类为合格的或有缺陷的。

冷却时间可以是用于功率开关/其上集成有功率开关的管芯与诸如PCB等的芯片载体的热耦合的质量的量度。如果该热耦合有缺陷，则冷却时间会增加，这可以根据图12的方法来测试。因此，基于冷却时间，确定装置的电路板与装置的其上集成有功率开关的管芯之间的热耦合是可能的。

通过使用选择性地指示功率开关的环境温度超过相关联的阈值的空间梯度的信号150，与归因于电流脉冲的施加可能被触发或可能未被触发的另一故障状况相比，解决功率开关的增量温度故障状况是可能的。

综上所述，已讨论了使得能够经由通向外侧的诊断输出引脚指示出包括功率开关的装置的内部故障状况的以上技术。因此可以从外侧区分诸如过流、增量温度和过热等的不同故障状况。虽然在一些示例中，通过具有不同电流值的信号来区分不同的故障状况，但是在其他示例中，备选地或另外地，相对应的信号可以具有不同的电压值。采用数字信号也是可能的。

通过这样的技术，用户可以在不同故障状况之间进行检查和区分是可能的。这使得能够实现应用的较高安全性，例如在其中在采用该装置时在现场完成故障状况的相对应的监测的场景中。例如，在相对应的装置的启动期间，监测故障状况是可能的。通过减少传送的有缺陷装置的数目获得成本上的降低是可能的；通过基于这样的信号实施基于工厂的验证检查，可以避免有缺陷的装置被分发给用户。此外，可以对于所有不同种类的故障状况和相关联的保护特征实施相对应的测试。特别地，这样的测试可以以不同温度实施。由此，可以提高测试覆盖率。可以降低失效时间(FIT)率。FIT率可以指示每次发生故障的可能性。

此外，通过这样的技术，可以清楚地区别相关的故障状况。例如，过热故障状况可以与增量温度故障状况清楚地区别开。例如，通过施加测试电流脉冲，确定冷却时间是可能的。这使得能够实现所谓的Zth评价和例如通过焊接等进行的热耦合的质量的检查。

因此，已说明了使得能够向诊断引脚提供有关多个故障状况的信息的以上技术。可以使用具有选择性地指示从多个故障状况选出的被触发的至少一个故障状况的值的相对应的信号，以便改善装置操作的可靠性，例如通过在制造商或客户处实施的相对应的检查，即，通过在制造或现场实施的相对应的检查。例如，可以将与一般故障状况相关联的值的指定窗口划分成对应于诸如过流、增量温度和过热等的不同故障状况的某些子窗口。

所描述和示出的实施例仅用作非限制性示例，并且也可以使用其他实施例。

以下示例表明了该公开的一个或多个方面并且可以以任何方式组合。

示例1：一种装置，包括：固态功率开关、被配置成如果装置的多个故障状况中的至少一个故障状况被触发则操作功率开关的控制器以及被配置成响应于至少一个故障状况被触发而输出具有选择性地指示被触发的至少一个故障状况的值的信号的接口。

示例2：根据示例1的装置，其中装置被配置成基于被触发的至少一个故障状况而从多个候选值中选择信号的值。

示例3：根据示例2的装置，其中多个候选值中的每一个候选值与多个故障状况中的一个故障状况唯一地相关联。

示例4.根据示例2或3的装置，其中不同于多个候选值的另一值与装置的无故障状况唯一地相关联，且其中接口被配置成在至少一个故障状况被触发之前输出具有指示无故障状况的另一值的信号。

示例5：根据示例2至4中的任一项的装置，其中不同于多个候选值的另一值与装置的锁存故障状况唯一地相关联，其中接口被配置成响应于被触发的至少一个故障状况被解决而输出具有指示锁存故障状况的另一值的信号。

示例6：根据示例5的装置，其中接口被配置成输出具有指示锁存故障状况的另一值的信号直到检测到重置事件。

示例7：根据示例1至6中的任一项的装置，其中多个故障状况从由以下项构成的组中选出：通过功率开关的电流超过相关联的阈值；电流的时间梯度超过相关联的阈值；功率开关的环境温度超过相关联的阈值；环境温度的空间梯度超过相关联的阈值；和跨功率开关的压降超过相关联的阈值。

示例8：根据示例1至7中的任一项的装置，其中信号包括电流流动，其中电流流动的幅值选择性地指示被触发的至少一个故障状况。

示例9：根据示例8的装置，其中多个故障状况中的每一个故障状况与信号的电流流动的相应幅值唯一地相关联，其中与多个故障状况相关联的幅值全部大于电流流动的非零最小幅值，非零最小幅值与功率开关的无故障状况或锁存故障状况中的至少一个相关联。

示例10：根据示例8或9的装置，其中接口包括被配置成产生信号的电流流动的至少一个电流源。

示例11：根据示例10的装置，其中控制器被配置成如果多个故障状况中的至少一个故障状况被触发则借助于数字控制信号来操作至少一个电流源。

示例12：根据示例1至11中的任一项的装置，其中信号选择性地指示被触发的至少一个故障状况中的每一个故障状况。

示例13：根据示例1至12中的任一项的装置，其中信号选择性地指示被触发的至少一个故障状况中的给定的一个故障状况，并且不指示被触发的至少一个故障状况中的其余的一个或多个故障状况。

示例14：根据示例13的装置，其中装置被配置成取决于与多个故障状况中的每一个故障状况相关联的优先级来选择被触发的至少一个故障状况中的给定的一个故障状况，其中作为通过功率开关的电流超过相关联的阈值的故障状况具有相关联的第一优先级，其中作为温度的空间梯度超过相关联的阈值的故障状况具有相关联的第二优先级，且其中作为功率开关的环境温度超过相关联的阈值的故障状况具有第三优先级，其中第一优先级高于第二优先级，其中第二优先级高于第三优先级。

示例15：根据示例1至14中的任一项的装置，其中信号包括数字字和电压中的至少一个，数字字的数目指示被触发的至少一个故障状况，电压的幅值指示被触发的至少一个故障状况。

示例16：根据示例1至15中的任一项的装置，其中接口被配置成在被触发的至少一个故障状况持续的情况下选择性地输出具有指示被触发的至少一个故障状况的值的信号。

示例17：一种方法，包括：如果装置的多个故障状况中的至少一个故障状况被触发则操作装置的固态功率开关，以及响应于至少一个故障状况被触发：输出具有选择性地指示被触发的至少一个故障状况的值的信号。

示例18：一种方法，包括：施加通过装置的固态功率开关的电流脉冲，响应于电流脉冲的施加：监测由装置输出并具有选择性地指示功率开关的环境温度的空间梯度超过相关联的阈值的值的信号，基于监测：确定功率开关的冷却时间。

示例19：根据示例18的方法，进一步包括：基于冷却时间：将装置分类为合格的或有缺陷的。

示例20：根据示例18的方法，进一步包括：基于冷却时间：确定装置的电路板与装置的管芯之间的热耦合，功率开关被集成在管芯上。

Claims (16)

1.一种功率开关装置，包括：

-固态功率开关，

-控制器，被配置成如果所述装置的多个故障状况中的至少一个故障状况被触发则操作所述功率开关，以及

-接口，被配置成响应于所述至少一个故障状况被触发而输出具有选择性地指示被触发的所述至少一个故障状况的值的信号，其中所述信号包括电流流动，其中所述电流流动的幅值选择性地指示被触发的所述至少一个故障状况。

2.根据权利要求1所述的装置，

其中所述装置被配置成基于被触发的所述至少一个故障状况而从多个候选值中选择所述信号的值。

3.根据权利要求2所述的装置，

其中所述多个候选值中的每一个候选值与所述多个故障状况中的一个故障状况唯一地相关联。

4.根据权利要求2所述的装置，

其中不同于所述多个候选值的另一值与所述装置的无故障状况唯一地相关联，且

其中所述接口被配置成在所述至少一个故障状况被触发之前输出具有指示所述无故障状况的所述另一值的所述信号。

5.根据权利要求2所述的装置，

其中不同于所述多个候选值的另一值与所述装置的锁存故障状况唯一地相关联，且

其中所述接口被配置成响应于被触发的所述至少一个故障状况被解决而输出具有指示所述锁存故障状况的所述另一值的所述信号。

6.根据权利要求5所述的装置，

其中所述接口被配置成输出具有指示所述锁存故障状况的所述另一值的所述信号直到检测到重置事件。

7.根据权利要求1所述的装置，

其中所述多个故障状况是以下项中的一项或多项：

-通过所述功率开关的电流超过相关联的阈值；

-所述电流的时间梯度超过相关联的阈值；

-所述功率开关的环境温度超过相关联的阈值；

-所述环境温度的空间梯度超过相关联的阈值；和

-跨所述功率开关的压降超过相关联的阈值。

8.根据权利要求1所述的装置，

其中所述多个故障状况中的每一个故障状况与所述信号的所述电流流动的相应幅值唯一地相关联，且

其中与所述多个故障状况相关联的所述幅值全部大于所述电流流动的非零最小幅值，所述非零最小幅值与所述功率开关的无故障状况或锁存故障状况中的至少一个相关联。

9.根据权利要求1所述的装置，

其中所述接口包括被配置成产生所述信号的所述电流流动的至少一个电流源。

10.根据权利要求9所述的装置，

其中所述控制器被配置成如果所述多个故障状况中的所述至少一个故障状况被触发则借助于数字控制信号来操作所述至少一个电流源。

11.根据权利要求1所述的装置，

其中所述信号选择性地指示被触发的所述至少一个故障状况中的每一个故障状况。

12.根据权利要求1所述的装置，

其中所述信号选择性地指示被触发的所述至少一个故障状况中的给定的一个故障状况，并且不指示被触发的所述至少一个故障状况中的其余的一个或多个故障状况。

13.根据权利要求12所述的装置，

其中所述装置被配置成取决于与所述多个故障状况中的每一个故障状况相关联的优先级来选择被触发的所述至少一个故障状况中的所述给定的一个故障状况，

其中作为通过所述功率开关的电流超过相关联的阈值的所述故障状况具有相关联的第一优先级，

其中作为所述功率开关的环境温度的空间梯度超过相关联的阈值的所述故障状况具有相关联的第二优先级，

其中作为所述功率开关的环境温度超过相关联的阈值的所述故障状况具有第三优先级，

其中所述第一优先级高于所述第二优先级，且

其中所述第二优先级高于所述第三优先级。

14.根据权利要求1所述的装置，

其中所述信号包括数字字和电压中的至少一个，所述数字字的数目指示被触发的所述至少一个故障状况，所述电压的幅值指示被触发的所述至少一个故障状况。

15.根据权利要求1所述的装置，

其中所述接口被配置成在被触发的所述至少一个故障状况持续的情况下选择性地输出具有指示被触发的所述至少一个故障状况的所述值的所述信号。

16.一种用于功率开关装置的方法，包括：

-如果装置的多个故障状况中的至少一个故障状况被触发则操作所述装置的固态功率开关，以及

-响应于所述至少一个故障状况被触发：输出具有选择性地指示被触发的所述至少一个故障状况的值的信号，其中所述信号包括电流流动，其中所述电流流动的幅值选择性地指示被触发的所述至少一个故障状况。

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