DE102006039592A1

DE102006039592A1 - Verfahren zur Beurteilung einer Halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE102006039592A1
Application number: DE102006039592A
Authority: DE
Inventors: Uli Joos; Josef Schnell; Stefan Axmann; Klaus Längle
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2008-02-07
Also published as: DE112007001969A5; WO2008014738A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beurteilung der Lebensdauer eines Halbleiterschalters. Dies erfolgt anhand der Beurteilung von Fehlerfällen. Hierzu wird mindestens ein Betriebsparameter des Halbleiterschalters überwacht und anhand dieses mindestens einen Betriebsparameters des Halbleiterschalters wird ein aufgetretener Fehlerfall bewertet, wobei ein Fehlerfall bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes des mindestens einen Betriebsparameters detektiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beurteilung der Verfügbarkeit eines Halbleiterschalters, insbesondere eine Beurteilung der vom Halbleiterschalter noch überstehbaren Überlastfällen.
Halbleiterschalter, vorzugsweise als eigenständige Bauelemente oder integriert in integrierte Schaltkreise, unterliegen einer Alterung und insbesondere im Überlastfall einem Abnutzungs- bzw. Verschleißprozess. Daher haben Halbleiterschalter nur eine begrenzte Lebensdauer bzw. können häufig nur eine begrenzte Anzahl von Überlastfällen überstehen. Diese Anzahl von Überlastfällen ist zumeist von den Herstellern spezifiziert.
Erschwerend kommt jedoch noch die Problematik hinzu, dass Halbleiterschalter, insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen, einer gesteigerten Belastung unterliegen, da diese Halbleiterschalter für einen breiten Temperaturbereich einsatzfähig sein müssen. Diese gesteigerte Belastung erfolgt zum einen, im Falle von Fehlerfällen, wie Überlast und/oder Kurzschluss, als auch durch Überschreitung der zulässigen Betriebstemperatur. Derartige Kurzschluss- oder Überlastfälle führen dazu, dass die Verfügbarkeit des Halbleiterschalters sich reduziert, in Abhängigkeit der aufgetretenen Überlastfälle. Um nunmehr dennoch die Betriebssicherheit des Halbleiterschalters und der Baugruppe oder des Systems bzw. der Systeme zu gewährleisten, in welche der Halbleiterschalter eingesetzt ist, werden verschiedene Strategien beim Erkennen und/oder Vorliegen von Überlastfällen verfolgt, um die Betriebssicherheit des Halbleiterschalters und der Bauelemente bzw. der Baugruppe bzw. des/der System/e, in welchem/n der Halbleiterschalter integriert ist, zu gewährleisten. Daher wird für derartige Systeme bzw. Bauelemente bzw. einen solchen Halbleiterschalter eine vordefinierte maximale Anzahl von Fehlerfällen definiert und bei Erreichen oder Überschreiten dieser Anzahl von Fehlerfällen wird die Baugruppe bzw. das System oder der Halbleiterschalter automatisch von einer Überwachungselektronik abgeschaltet. Diese Überwachungselektronik ist eine eigenständige elektronische Baugruppe, in vorteilhafter Ausgestaltung ein Mikrocomputer, oder ähnliches. Im Falle der Abschaltung hat dies zur Folge, dass der entsprechende Halbleiterschalter ersetzt werden muss.
Um nunmehr jedoch die Betriebssicherheit zu erhöhen und eine konkretere Aussage über die Lebensdauer und die noch zukünftig möglichen Überlastfälle eines Halbleiterschalters zu treffen, ist es notwendig, die bekannten Strategien und Verfahren zu verfeinern und zu verbessern.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass zwischen den einzelnen möglichen Fehlerfällen nicht unterschieden wird. So wird einerseits bei Überschreitung der maximal zulässigen Betriebstemperatur ein Fehlerfall detektiert, andererseits wird ein Kurzschluss ebenfalls stets als ein Fehlerfall definiert. Zwischen den Fehlerfällen und der Schwere der Fehler, insbesondere auf die Auswirkung der Fehlerfälle auf die zukünftige Verfügbarkeit des Halbleiterschalters, wird keine differenzierte Aussage getroffen.
Somit kommt es häufig vor, dass ein Halbleiterschalter ausgetauscht wird, bzw. deaktiviert, obwohl er noch deutlich mehr Fehlerfälle bestehen könnte. Außerdem kann keine sichere Abschätzung der noch möglichen Fehlerfälle getroffen, die der Halbleiterschalters noch ohne Beeinträchtigung seiner Funktionsweise überstehen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, die bekannten Verfahren und Vorrichtungen derartig weiterzuentwickeln, so dass eine konkretere Aussage zu zukünftig noch möglichen Fehlerfällen, welche der Halbleiterschalter noch verarbeiten kann, getroffen werden kann. Es soll auch die Verfügbarkeit des Halbleiterschalters definiert in Abhängigkeit der eingetretenen Fehlerfälle und der schwere der Fehlerfälle beurteilbar sein.
Diese Aufgabe wird anhand der Merkmale der Patentansprüche 1 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der abhängigen Ansprüche und der weiteren Beschreibung.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass nach dem aktuellen Stand der Technik ein Fehlerfall nur im Nachhinein erkannt und im Nachhinein bewertet werden kann.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Graduierung der Schwere des Fehlerfalls vorgenommen und es werden verschiedene Arten von Fehlerfällen bestimmt. Es wird eine Beurteilung und Bewertung von Fehlerfällen vorgenommen. Außerdem wird die Anzahl der möglichen Fehlerfälle erweitert. Hierzu werden die möglichen, unterscheidbaren Fehlerfälle in verschiedene Klassen eingeteilt und für jede der Klassen wird eine Wertigkeit des Fehlerfalles festgelegt. Der Worst-Case, das heißt derjenige Fehlerfall mit den für den Halbleiterschalter schlechtesten Bedingungen, sprich derjenige Fehlerfall der den Halbeiterschalter am stärksten belastet und auch beschädigt, erhält die höchste Wertigkeit, die anderen Fehlerfälle, je nach ihrer einzustufenden Schwere, eine geringere Wertigkeit. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Hersteller der Halbleiterschaler die Anzahl der Worst-Case-Fälle spezifizieren, die ein Halbleiterschalter übersteht. Außerdem sind derartige Halbleiterschaler zumeist mit einer linearen Strombegrenzung und einer Temperaturabschaltung ausgestattet. Die Temperaturabschaltung bewirkt, dass der Halbleiterschalter automatisch abgeschaltet wird, wenn seine Betriebstemperatur den maximal zulässigen Wert erreicht.
Die Wertigkeit der einzelnen Fehlerfälle hängt von diversen Einflussfaktoren ab. Einen wesentlicher Einfluss auf die Schwere des Fehlerfalls und dessen Wertigkeit stellt die Temperatur des Halbleiterschalters und der Temperaturanstieg des Halbleiterschalters dar. Der Temperaturhub ist als wesentlicher Einflussfaktor der Wertigkeit des Fehlerfalles anzusehen.
Der Temperaturhub führt dabei zu einer unelastischen Beanspruchung der Metallisierung des Halbleiterschalters, der zugehörigen Bonddrähte, sowie der gesamten mechanischen Verbindungstechnik. Dies bedeutet, dass je höher der Temperaturhub ist, umso schwerer der Fehlerfall, d.h. umso höher ist seine Wertigkeit einzuordnen. Hierbei ist nunmehr davon auszugehen, dass im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik die Betriebssicherheit der Bauelemente in einem Temperaturbereich von unter –40°C bis zu 150°C gewährleistet sein muss. Die Abschalttemperatur, d.h. diejenige Temperatur bei welcher der Halbleiterschalter automatisch abgeschaltet wird, beträgt typischerweise 175°C. Ein Halbleiterschalter muss folglich in diesem Temperaturbereich, d.h. im Temperaturbereich von –40°C bis zur Abschalttemperatur seine Arbeit verrichten. Im Fehlerfall kann somit der Halbleiterschalter in sehr kurzer Zeit von –40°C auf die Abschalttemperatur erwärmt werden bzw. sich auf diese aufheizen. Der Halbleiterschalter unterliegt somit einem Temperaturhub von beispielsweise 215°C. Es kann folglich ein Temperaturhub vorliegen, welcher den betroffenen Halbleiterschalter bzw. die Baugruppe oder das System, in welchem der Halbleiterschalter integriert ist, vom kältesten spezifizierten thermischen Zustand, d.h. –40°C, bis zum höchsten zulässigen Temperaturwert, beispielsweise 175°C, verbringt. In diesem Fall wäre der Fehlerfall als sehr schwerwiegender Fehler einzustufen, da der Halbleiterschalter in einem derartigen Fall, einem sehr starken, so genannten, Temperaturstress unterliegen würde.
Außerdem hat sich als vorteilhaft erwiesen die zeitliche Dauer, in welcher der Temperaturhub erfolgt, zu berücksichtigen. Daher wird kontinuierlich die Betriebstemperatur des Halbleiterschalters und der Temperaturanstieg ermittelt. Erfolgt nunmehr ein Temperaturanstieg binnen kurzer Zeit und zusätzlich eine Auslösung eines Fehlerfalls so wird der relative Anstieg der Temperatur des Halbleiterschalters über die Zeit ermittelt. Hierzu wird die Betriebstemperatur in einem kurzen Zeitraum vor Eintritt des Fehlerfalls und der Zeitpunkt der Temperaturabschaltung ermittelt und hieraus die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs errechnet. In die Wertigkeit eines Fehlerfalls fließen somit der Temperaturhub zur Beurteilung der Wertigkeit des Fehlerfalls als auch der zeitliche Anstieg der Temperatur ein.
Im Weiteren ist zu berücksichtigen, dass bei Halbleiterschaltern mit Temperaturabschaltung zugleich eine lineare Strombegrenzung vorgenommen wird. Dies bedeutet, dass der Strom, welchen des Halbleiterschalter in Fehlerfall aufnehmen muss, linear auf einen definierten Wert begrenzt ist. Zugleich wird aber bei derartigen Halbleiterschaltern nur über eine Temperaturabschaltung der Halbleiterschalter geschützt, d.h. im Falle eines Kurzschlusses durchfließt den Halbleiterschalter ein vordefinierter maximaler Strom. Dieser führt zur Erwärmung des Halbleiterschalters und bei Erreichen der Abschalttemperatur wird der Schalter deaktiviert und damit geschützt.
Ein Fehlerfall wird nur durch die Temperaturabschaltung erkannt. Die Schwere eines Fehlerfalls ist somit stets in Abhängigkeit vom Temperaturhub zu sehen, dem der Halbleiterschalter unterliegt.
Vorteilhaft gemäß Anspruch 2 ist, dass eine Graduierung der Schwere des Fehlerfalls vorgenommen wird. Hierdurch wird eine Unterscheidung der Fehlerfälle vorgenommen und es wird nicht jeder Fehlerfall gleich bewertet, wodurch die Verfügbarkeit des Halbleiterschalters erhöht wird.
Vorteilhaft gemäß Anspruch 4 ist, dass die Einteilung der Fehlerfälle in Fehlerkategorien anhand der Auswertung des mindestens einen Betriebsparameters vorgenommen wird, indem die Veränderung des mindestens einen Betriebsparameters bei Eintritt des Fehlerfalls mit dem Wert bei Temperaturabschaltung verglichen wird, und dass gemäß Anspruch 5 der Temperaturhub, zur Einteilung der Fehlerfälle in die Fehlerkategorien herangezogen wird. Hierbei werden den jeweiligen Fehlerfällen die potentiellen Beschädigungen am Halbleiterschalter zugeordnet.
Vorteilhaft gemäß Anspruch 6 ist, dass zusätzlich der zeitliche Verlauf des Temperaturhubs in die Beurteilung der Fehlerfälle und der Einteilung in Fehlerkategorien einbezogen wird. Hierdurch werden besonders den Halbleiterschalter belastende Fehlerfälle, durch einen schnellen Temperaturanstieg, der damit einen besonders großen Temperaturstress beim Halbleiterschalter hervorruft, als schwerwiegend bewertet werden.
Vorteilhaft gemäß Anspruch 7 ist, dass eine energiespeichernde Komponente, insbesondere eine induktive Komponente, in der Versorgungsleitung des Halbleiterschalters bei der Einteilung der Fehlerfälle in die Fehlerkategorien einbezogen wird. Eine solche Komponente bewirkt eine zusätzliche thermische Belastung des Halbleiterschalters nach der Temperaturabschaltung durch die notwendige Klemmung der in der Induktivität gespeicherten Energie und bewirkt eine Klemmung des Halbleiterschalters.
Vorteilhaft gemäß Anspruch 10 ist, dass die Auswertung eines Lastszenarios zur Beurteilung des Fehlerfalles herangezogen wird. Hierbei wird berücksichtigt, dass durch das Lastszenario unter Umständen der Klemmbetrieb nach Abschalten des Halbleiterschalters vermieden wird; es wird hierdurch eine Klemmung des Halbleiterschalters vermieden.
Vorteilhaft gemäß Anspruch 12 ist, dass aus dem Produkt der am Halbleiterschalter anliegenden Spannung und dem diesen durchfließenden Strom und dem thermischen Widerstand des Halbleiterschalters die Betriebstemperatur des Halbleiterschalters bei Eintritt des Fehlerfalles ermittelt werden kann. Es muss somit kein Temperatursensor zur Messung der Betriebstemperatur verwendet werden. Auch kann eine Zwischenspeicherung der Temperaturwerte unterbleiben.
Vorteilhaft gemäß Anspruch 15 ist dass die Überwachungselektronik eine Graduierung der Schwere des Fehlerfalls vornimmt und anhand der Anzahl der Fehlerfälle während der Lebenszeit des Halbleiterschalters eine Prognose zur Anzahl der noch vom Halbleiterschalter verarbeitbaren Fehlerfälle erstellt.
Hierdurch kann ein rechtzeitiger Austausch des Halbleiterschalters erfolgen.
Vorteilhaft gemäß Anspruch 25 ist dass die Überwachungselektronik einem Fehlerfall die Wertigkeit eins zuweist, wenn der Temperaturhub der Differenz zwischen der niedrigsten zulässigen Betriebstemperatur des Halbleiterschalters und der maximal zulässigen Betriebstemperatur entspricht und in der Versorgungszuleitung die induktive Komponente vorhanden ist. Es werden somit sämtliche den Halbleiterschalter stressenden Bedingungen beim Worst-Case berücksichtigt.
Vorteilhaft gemäß Anspruch 28 ist, dass die Überwachungselektronik die Verlustleistung aus dem Produkt der am Halbleiterschalter anliegenden Spannung und dem diesen durchfließenden Strom und dem thermischen Widerstand des Halbleiterschalters errechnet und somit die Betriebstemperatur des Halbleiterschalters beim Fehlereintritt errechnet und einen Temperatursensor und eine Zwischenspeicherung der Temperaturwerte überflüssig macht.
Gemäß obigen Ausführungen ist die Schwere des Fehlerfalls und/oder dessen Graduierung zur Beurteilung der Verfügbarkeit des Halbleiterschalters stets in Abhängigkeit des Temperaturhubs, dem der Halbleiterschalter ausgesetzt war, zu beurteilen. Wenn die Ausgangstemperatur des Bauelementes im Fehlerfall der niedrigsten Spezifikationstemperatur, d.h. im vorliegenden Fall bei –40°C, entsprach und die Abschaltung bei Erreichen der Abschalttemperatur, im Beispielsfall 175°C erfolgte, unterlag der Halbleiterschalter einem Temperaturhub von 215°C. In diesem Fall wäre dies als Worst-Case einzustufen. War jedoch die Ausgangstemperatur höher, beispielsweise 0°C, so hat der Fehlerfall nicht mehr die Schwere des Worst-Case und die Wertigkeit des Fehlerfalls wäre als geringer einzustufen. Der Temperaturhub, dem der Halbleiterschalter in diesem Falle ausgesetzt war, betrug dann nur noch 175°C. Die Belastung für den Halbleiterschalter war geringer. Von der Beurteilung der Schwere des Fehlerfalls und damit seiner Wertigkeit ist dann dieser Fehlerfall als ein geringer wertiger Fehlerfall einzustufen.
Hintergrund für die unterschiedliche Wertigkeit ist, dass je höher der Temperaturhub und je schneller der Anstieg der Temperatur erfolgt, der Halbleiterschalter einem umso größerem Stress unterliegt und je höher dieser Stress ist, umso schwerer ist der Fehlerfall und umso höher ist seine Wertigkeit einzustufen.
In Abhängigkeit des Temperaturhubs ist die Schwere und somit die Wertigkeit eines Fehlerfalls einzuordnen. Im vorliegenden Fall kann ein maximaler Temperaturhub von 215°C erreicht werden. Bei Vorliegen eines maximalen Temperaturhubs ist der Fehlerfall als sehr schwer einzuordnen.
Ein Halbleiterschalter kann nunmehr nur eine vorgegebene Anzahl von derartigen Fehlerfällen aushalten, ohne einen Schaden davonzutragen, bzw. es kann davon ausgegangen werden, dass ein Halbleiterschalter eine vorher in Messversuchen und mittels Messreihen ermittelte Anzahl von derartigen Fehlerfällen vertragen kann. Ist aber der Temperaturhub geringer, beispielsweise eben nur 120°C, so erhöht sich die ggf. die mögliche Anzahl der noch möglichen Fehlerfälle, welche der Halbleiterschalter noch vertragen kann, ehe er nachhaltig beschädigt wird.
Im Weiteren ist, wenn die Ausgangstemperatur um weitere 40°C höher ist, beispielsweise bei 40°C liegt, der Temperaturhub noch geringer und somit der Fehlerfall als nicht so schwer einzustufen und die Wertigkeit eines solchen Fehlerfalls ist dann nochmals als geringer einzustufen.
Im Prinzip kann nunmehr über den Temperaturhub im Fehlerfall, d.h. ausgehend von der Ausgangstemperatur des Halbleiterschalters im Fehlerfall, ein Zusammenhang zwischen der Schwere des Fehlerfalls bzw. dessen Wertigkeit und des Temperaturhubs definiert werden. Dies kann näherungsweise als Treppenkurve erfolgen, oder es können mittels Interpolation entsprechende Werte ermittelt werden. In Bezug zum Temperaturhub können nunmehr einzelne Wertigkeiten für unterschiedliche Fehlerfälle definiert werden. Als vorteilhaft hat sich die Einteilung in möglichst viele, mindestens jedoch fünf, Wertigkeitsstufen erwiesen.
Ein weiterer Einflussfaktor für die Lebensdauer von Halbleiterschalter in ihrem Lebenszyklus ist die Verlustleistung im Halbleiterschalter selbst, insbesondere im Begrenzungsfall, d.h. bei der Temperaturabschaltung. Der Halbleiterschalter muss im Fehlerfall, wie z.B. bei Kurzschluss, die gesamte Verlustleistung selbst ableiten.
Es kommt noch hinzu, dass die Lasten, welche am Schalter angeordnet sind, und somit die verschiedenen Lastszenarien, einen Einfluss auf die Bewertung der Schwere des Fehlerfalls haben. Auch haben zusätzliche Eigenschaften der Beschaltung des Halbleiterschalters und die induktive Komponente der Zuleitung Einfluss auf die Beurteilung des Schwere des Fehlerfalls für den Halbleiterschalter. Nach dem Abschalten des Halbleiterschalters können zusätzliche Effekte, wie beispielsweise eine induktive Komponente der Versorgungsleitung, zu weiteren negativen Einflüssen auf den Halbleiterschalter führen. Der Halbleiterschalter muss die in der Induktivität bzw. in der Induktivität der Zuleitung gespeicherte Energie abbauen und abführen. Es kommt dann ggf. zu einer Klemmung des Halbeiterschalters. Der Energieabbau erfolgt durch Umwandlung in Wärmeenergie, was zu einer zusätzlichen Erhöhung der Temperatur des Halbleiterschalters nach der Temperaturabschaltung oder zu einer längeren Belastung des Halbleiterschalters mit Wärmeenergie führt, wodurch der Temperaturhub vergrößert oder die Temperaturbelastung über eine längere Zeit erfolgt.
Eine vorhandenen Zuleitungsinduktivität erhöht somit die Wertigkeit des Fehlerfalls.
Wie ausgeführt erfolgt eine Abschaltung im Fehlerfall stets über die Temperaturabschaltung. Somit bestimmt die Verlustleistung des Halbleiterschalters die Geschwindigkeit des Temperaturhubes. Je schneller der Temperaturanstieg erfolgt, desto geringer ist die Resistenz des Bauteils gegenüber einem Fehlerfall. Bei bekannten Verlustleistungen, dem Produkt aus Spannung und Strom, und einem gegebenen thermischen Widerstand, der vorab zu ermitteln ist, kann von der Abschaltgeschwindigkeit auf die Starttemperatur des Halbleiterschalters und somit auf den Temperaturhub geschlossen werden. Dies ist der Fall, da die Temperaturabschaltung bei erreichen der Abschalttemperatur implementiert ist. Somit ist eine Messung der Temperatur des Halbleiterschalters zur Ermittlung nicht notwendig, es müssen lediglich die Spannung und der Strom bekannt sein, sowie der thermische Widerstand. Hieraus kann dann der Temperaturhub ermittelt werden.
Beim Vorliegen eines Fehlerfalls wird der Temperaturhub bestimmt und in Abhängigkeit davon, ob eine Energiezwischenspeicherung in einer Induktivität der Zuleitung vorhanden ist, erfolgt die Zuordnung zu den Fehlerkategorien und die Vergabe der Wertigkeiten. In Abhängigkeit davon, ob eine solche zusätzliche erhöhende Belastung vorliegt, kann nunmehr für jeden Halbleiterschalter, wie eingangs beschrieben, jeder Fehlerfall über den Temperaturhub in einzelnen Wertigkeiten und Fehlerkategorien zugeordnet werden.
Die Ausführung der Verarbeitung der Fehlerfälle erfolgt nunmehr wie folgt:
In einer Speichereinheit, welche dem einzelnen Halbleiterschalter zugeordnet ist und welche in vorteilhafter Weise in der vorhandenen Überwachungselektronik integriert ist, ist die maximale Anzahl der Fehlerfälle gespeichert, welche eintreten dürfen, ehe der Halbleiterschalter deaktiviert wird. Jeder nunmehr auftretende Fehlerfall wird den einzelnen Fehlerkategorien und Wertigkeiten zugewiesen. Der schwerwiegendste Fehler der eintreten kann, der Worst-Case, wird mit der höchsten Wertigkeit bewertet, z.B. einer eins, die anderen nicht so schwerwiegenden Fehlerfälle werden mit einer Wertigkeit kleiner der Worst-Case, beispielsweise mit ein Halb (1/2), ein Viertel (1/4), ein Achtel (1/8) oder ein Sechzehntel (1/16) bewertet. Beim Vorliegen eines Fehlerfalls wird im Nachgang der Fehlerfall bewertet, und mit einer Wertigkeit versehen. Die Wertigkeit, welche den Fehlerfall repräsentiert wird dann vom Zähler im Speicher von der Überwachungselektronik subtrahiert. Als Speicher wird vorzugsweise ein EPROM oder EEPROM oder ein anderer, nicht flüchtiger Speicher verwendet. Die Wertigkeit des Fehlerfalls wird dann von dem im Speicher gespeicherten Wert subtrahiert. Nähert sich der Wert im Speicher dem Wert Null, was bei erreichen der Null ein automatisches Deaktivieren des Halbleiterschalters zu Folge hat, kann in verschiedenen Stufen ein Warnhinweis gegeben werden, dass die Anzahl der Fehlerfälle, welche der Halbleiterschalter noch vertragen kann, sich gegen Null wendet. Auf diese Weise kann eine Abschaltstrategie gewählt werden, oder es kann auch die Abschalttemperatur in Stufen reduziert werden, was dann zur Reduzierung des Temperaturhubs führt und die Anzahl der noch möglichen Fehlerfälle erhöht.
Auf diese Weise kann somit die Verfügbarkeit des Halbleiterschalters und die Anzahl der noch möglichen Fehlerfälle für den Halbleiterschalter beurteilt werden. Zugleich wird die Verfügbarkeit des Halbleiterschalters und des Bauteils oder Systems, in welchem der Halbleiterschalter integriert ist, verbessert.
Im Weiteren wird nunmehr die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher beschrieben. Die Beschreibung anhand der Figuren stellt eine konkrete Ausführungsform der Erfindung dar uns ist keine Einschränkung der Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel. Diese konkrete Beschreibung ist lediglich als eine mögliche Ausführungsform zu sehen. Zur besseren Verständlichkeit werden in den Figuren gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigt:
1 eine Skizze eines Halbleiterschalter mit linearer Strombegrenzung und Temperaturabschaltung;
2 eine Skizze eines Halbleiterschalter mit linearer Strombegrenzung und Temperaturabschaltung und einer Zuleitungsinduktivität;
3 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Wertigkeit des Fehlerfalls und dem Temperaturhub;
4 eine weitere graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Wertigkeit des Fehlerfalls und dem Temperaturhub.
In 1 ist ein Halbleiterschalter dargestellt. Der Halbleiterschalter H weist einen Eingang IN und einen Ausgang OUT auf. Außerdem ist ein Ausgang STATUS vorgesehen, über welchen der Status des Halbleiterschalters H ausgegeben wird und über welchen z.B. die Temperaturabschaltung bei Temperaturabschaltung signalisiert wird. Der Ausgang STATUS wird an eine nicht dargestellt Überwachungselektronik geführt. Diese Überwachungselektronik nimmt die Auswertung des Ausgangs STATUS vor. Die Überwachungselektronik ist in vorteilhafter Ausgestaltung ein Mikroprozessor oder Mikrocontoller. Außerdem ist ein Steuereingang ST vorhanden. Über diesen Steuereingang ST kann der Halbleiterschalter H deaktiviert werden. Diese Deaktivierung wird von der Überwachungselektronik vorgenommen, z.B. Deaktivierung wegen Überschreitung der maximal zulässigen Fehlerfälle für den Halbleiterschalter H. Über den Ausgang STATUS erkennt die Überwachungselektronik, dass der Halbleiterschalter H wegen eines Fehlerfalls, einer Überschreitung der zulässigen Höchsttemperatur, abgeschaltet wurde.
Bei einem intelligenten Halbleiterschalter H ist neben der automatischen Abschaltung bei Überschreitung der zulässigen Höchtbetriebstemperatur, welche als Eigenintelligenz implementiert ist, zugleich eine lineare Strombegrenzung implementiert, welche den Strom, welcher in den Halbleiterschalter fließt, linear begrenzt.
Wie ausgeführt, kann ein Fehlerfall nur im Nachhinein erkannt und im Nachhinein von der Überwachungselektronik bewertet werden.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Graduierung der Schwere des Fehlerfalls vorgenommen. Hierzu werden die möglichen, unterscheidbaren Fehlerfälle in diverse Klassen eingestuft und für jede der Klassen wird eine Wertigkeit des Fehlerfalles festgelegt. Hierbei hat dann der Worst-Case, das heißt derjenige Fehlerfall mit den schlechtesten Bedingungen, d.h. derjenige Fehlerfall, der den Halbeiterschalter am stärksten belastet und auch beschädigt, die höchste Wertigkeit, die anderen Fehlerfälle, je nach ihrer einzustufenden Schwere, eine geringere Wertigkeit.
Die Wertigkeit der einzelnen Fehlerfälle hängt, abgesehen von diversen anderen Einflussfaktoren, vor allem vom Temperaturhub ab.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Betriebstemperatur des Halbleiterschalters H, welche von der Eigenintelligenz des Halbleiterschalters H ermittelt wird, über eine weitere in 1 nicht dargestellte Ausgangsleitung bereitgestellt, entweder als digitaler Wert oder aber als analoger Wert, z.B. als Spannung, welche an Ausgang anliegt und in Relation zur Betriebstemperatur sich in einem Bereich verändert.
Ein Fehlerfall wird erkannt, wenn der Halbleiterschalter H wegen Überschreitung der zulässigen Betriebstemperatur von der Eigenintelligenz abgeschaltet wird.
Bei dem Halbleiterschalter H handelt es sich in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung um einen MOSFET oder einen Bipolartransistor.
Die Überwachungselektronik, welche auch als Steuereinheit realisiert sein kann, überwacht kontinuierlich den Ausgang STATUS.
Jedes Abschalten und signalisieren über den Ausgang STATUS wird als Fehlerfall erkannt und es wird anschließend die Wertigkeit des Fehlerfalls bestimmt.
Hierzu wird der Temperaturhub ermittelt. Dies erfolgt, indem die Überwachungselektronik dem Temperaturwert des Halbleiterschalters bei Beginn des Fehlerfalls ermittelt und die Differenz zwischen dieser Temperatur und der Abschalttemperatur errechnet. Dies erfolgt anhand der zwischengespeicherten Betriebstemperaturen des Halbleiterspeichers, wobei die Betriebstemperatur von der Eigenintelligenz des Halbleiterschalters H bereitgestellt wurde.
Der Temperaturhub kann auch über die Verlustleistung des Halbleiterschalters H ermittelt werden. Bei bekannter Verlustleistung, dem Produkt der am Halbleiterschalter H anliegenden Spannung und dem Kurzschlussstrom und dem bekannten thermischen Widerstand des Halbleiterschalters H. Der Kurzschlussstrom ist bekannt, da die lineare Strombegrenzung diesen Strom auf einen definierten Maximalwert begrenzt. Der thermische Widerstand muss vorab ermittelt werden und bekannt sein. Die Spannung kann entweder ermittelt werden oder ist anhand der Schaltungsauslegung bekannt und hinterlegt. Somit kann über die Abschaltgeschwindigkeit auf die Starttemperatur des Halbleiterschalters H bei Beginn des Fehlerfalls geschossen und somit der Temperaturhub errechnet werden. Es wird hierbei auch der Anstieg des Stromes berücksichtigt, wie auch der zeitliche Anstieg der Temperatur.
Im Fehlerfall, d.h. im Fall eines Kurzschlusses, durchfließt den Halbleiterschalter H ein maximal zulässiger Strom; der Strom ist durch die lineare Strombegrenzung auf einen bekannten maximalen Wert begrenzt. Dieser Strom wird im Halbleiterschalter H in Wärmeenergie, durch den spezifischen thermischen Widerstand, umgesetzt. Da im Falle einer Temperaturabschaltung, d.h. im Falle der Überschreitung einer zulässigen Betriebstemperatur, die Abschaltung erfolgt, unterliegt der Halbleiterschalter H einem erhöhten Beanspruchungsgrad ausgehend von der Starttemperatur des Halbleiterschalters H, bei welcher der Fehlerfall eintrat. Dies liegt daran, dass bei Temperaturabschaltung nur abgeschaltet wird, wenn eine vordefinierte Temperatur erreicht wird, eben die Abschalttemperatur. Befand sich der Halbleiterschalter H vor dem Eintritt des Fehlerfalles auf einer Betriebstemperatur von beispielsweise –40°C und erfolgt die Abschaltung bei erreichen bzw. überschreiten der Abschalttemperatur des Halbleiterschalters, z.B. 175°C, so fließt der volle Kurzschlussstrom, linear auf einen Wert begrenzt, über den Halbleiterschalter H und dessen thermischen Widerstand so lange, bis dieser die Abschalttemperatur bei 175°C erreicht und dann die automatische Abschaltung erfolgt. Dies führt zu einer Belastung des Halbleiterschalters H. Diese Belastung ist umso höher, je höher der Temperaturhub ist.
In 2 ist die Zuleitung zum Halbleiterschalter H dargestellt. Diese Zuleitung weist Ihrerseits eine Induktivität L und einen Widerstand R auf. Nunmehr ist zu berücksichtigen, dass, je länger der Energiefluss in die Halbleiterschaltung H bis zur Temperaturabschaltung dauert, sich auch die entsprechende Induktivität L in der Zuleitung mit Energie füllt und diese speichert. Diese Energie muss nach der Abschaltung (thermische Abschaltung) zusätzlich abgebaut werden. Sie kann aber erst nach der Abschaltung abgebaut werden, was zu einer zusätzlichen Belastung des Halbleiterschalters H führt.
Außerdem ist das Lastszenario zu betrachten. Kann die Last, welche der Halbleiterschalter H schaltet, bzw. die Baugruppen, zu welchen der Halbleiterschalter H parallel geschaltet ist, die Energie der Induktivität L abbauen, so kommt es zu keiner Klemmung am Halbleiterschalter H.
Das Vorhandensein der Induktivität L erhöht somit die Wertigkeit des Fehlerfalls, ein Lastszenario kann dies aber ausgleichen.
In 3 ist beispielhaft ein Zusammenhang zwischen der Wertigkeit eines Fehlerfalls und dem Temperaturhub, und insbesondere des Vorhandenseins einer Induktivität L in der Zuleitung des Halbleiterschalters H dargestellt. Es ergibt sich beispielsweise der dort dargestellte Zusammenhang. In 4 ist dieser Zusammenhang etwas anders grafisch dargestellt. In 3 und 4 sind sechs Fehlerklassen mit Wertigkeiten dargestellt; zusätzlich ist auch der Umstand berücksichtigt, ob eine Induktivität L in der Zuleitung vorhanden ist.
Es lassen sich auch weit mehr Fehlerfälle definieren.
Die Fehlerfälle werden in Wertigkeitsstufen eingeteilt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wertigkeit mit der Formel Wertigkeit = 2Wertigkeitstufe-1 beschrieben.
Der Worst-Case, d.h. derjenige Fall, der den Halbleiterschalter H am stärksten belastet, wird mit der Wertigkeitsstufe 1 bewertet und erhält dann die Wertigkeit 1. Im konkreten in der 3 dargestellten Zusammenhang ist der Worst-Case vorliegend, wenn die Betriebstemperatur des Halbleiterschalters H beim Fehlerfall –40°C betrug und eine Induktivität L in der Zuleitung vorhanden ist.

Die Einordnung der weiteren Wertigkeitsstufen ergibt sich aus den nachfolgenden Tabellen, wobei zusätzlich das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Eingangsinduktivität berücksichtigt ist.

Wertigkeitsstufe	Bedingungen	Wertigkeit
1	Starttemperatur = –40°C, mit Eingangsinduktivität	1
2	Starttemperatur = 40°C, mit Eingangsinduktivität	4
3	Starttemperatur = 0°C, ohne Eingangsinduktivität	4
4	Starttemperatur = 80°C, mit Eingangsinduktivität	8
5	Starttemperatur = 40°C, ohne Eingangsinduktivität	8
6	Starttemperatur = 120°C, mit Eingangsinduktivität	16

Hieraus kann dann ein Inkrement gebildet werden, wobei das Inkrement der Kehrwert der Wertigkeit ist, was sich dann wie folgt darstellt:

Wertigkeitsstufe	Bedingungen	Inkrement
1	Starttemperatur = –40°C, mit Eingangsinduktivität	1
2	Starttemperatur = 40°C, mit Eingangsinduktivität	1/4
3	Starttemperatur = 0°C, ohne Eingangsinduktivität	1/4
4	Starttemperatur = 80°C, mit Eingangsinduktivität	1/8
5	Starttemperatur = 40°C, ohne Eingangsinduktivität	1/8
6	Starttemperatur = 120°C, mit Eingangsinduktivität	1/16

Im konkreten Ausführungsbeispiel wiegt ein Fehlerfall mit der Wertigkeitsstufe 3, d.h. wenn der Halbleiterschalter H keine Leitungsinduktivität L aufweist und der Fehlerfall bei einer Starttemperatur von 40°C auftrat, nur mit einem Achtel der Schwere gegenüber dem Worst-Case Fehlerfall. Ein solcher Fehlerfall mit der Wertigkeitsstufe 3 erzeugt nur ein Achtel der Beschädigung im Verhältnis zum Worst-Case und kann deshalb achtmal häufiger auftreten, ohne eine Beschädigung des Halbleiterschalters H hervorzurufen.
Durch Summieren der Fehlerfälle und Gewichtung der Fehlerfälle über die Wertigkeitsstufen kann somit die zukünftige Verfügbarkeit des Bauteils relativ exakt bestimmt werden.
In der Speichereinheit, welche dem Halbleiterschalter H zugeordnet ist und welche in vorteilhafter Weise von der Überwachungselektronik gesteuert wird, ist die maximale Anzahl der Fehlerfälle gespeichert, welche eintreten dürfen, ehe der Halbleiterschalter H von der Überwachungselektronik deaktiviert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Speichereinheit in die Überwachungselektronik integriert.
Jeder nunmehr auftretende Fehlerfall wird einer der Wertigkeiten zugewiesen. Der schwerwiegendste Fehler der eintreten kann, der Worst-Case, wird mit der Wertigkeit eins (1) bewertet, die anderen nicht so schwerwiegenden Fehlerfälle werden mit einer Wertigkeit kleiner als 1 bewertet. Aus den Wertigkeitsstufen wird der Kehrwert gebildet und von dem in der Speichereinheit gespeicherten Wert subtrahiert.
Nähert sich der Wert im Speicher dem Wert Null, was dann ein automatisches Deaktivieren des Halbleiterschalters zu Folge hat, kann in verschiedenen Stufen ein Warnhinweis gegeben werden, dass die Anzahl der Fehlerfälle, welche der Halbleiterschalter H noch vertragen kann, sich gegen Null wendet. Auf diese Weise kann eine Abschaltstrategie gewählt werden.

Claims

Verfahren zur Beurteilung der Verfügbarkeit eines Halbleiterschalters (H) anhand der Beurteilung von Fehlerfällen, wobei mindestens ein Betriebsparameter des Halbleiterschalters (H) überwacht und anhand dieses mindestens einen Betriebsparameters des Halbleiterschalters (H) ein aufgetretener Fehlerfall bewertet wird, der Halbleiterschalter (H) von einer integrierten linearen Strombegrenzung und einer integrierten Temperaturabschaltung geschützt und bei Überschreiten der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Halbleiterschalter (H) abgeschaltet wird und jede Temperaturabschaltung als Fehlerfall gewertet wird, wobei jeder Fehlerfall anhand des mindestens einen Betriebsparameters in Fehlerkategorien eingeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Graduierung der Schwere des Fehlerfalls vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens ein Betriebsparameter die Betriebstemperatur, die Betriebsspannung und/oder die Stromstärke verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einteilung der Fehlerfälle in Fehlerkategorien anhand der Auswertung des mindestens einen Betriebsparameters vorgenommen wird, indem die Veränderung des mindestens einen Betriebsparameters bei Eintritt des Fehlerfalls mit dem Wert bei Temperaturabschaltung verglichen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturhub, der sich als Temperaturdifferenz zwischen der maximal zulässigen Betriebstemperatur und der Betriebstemperatur des Halbleiterschalters (H) bei Eintritt des Fehlerfalls ergibt, zur Einteilung der Fehlerfälle in die Fehlerkategorien herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Temperaturhubs in die Beurteilung einbezogen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine energiespeichernde Komponente (L) in der Versorgungsleitung des Halbleiterschalters (H) bei der Einteilung der Fehlerfälle in die Fehlerkategorien einbezogen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der schwerwiegendste Fehlerfall, der Worst-Case, mit der Wertigkeit eins bewertet wird und die weiteren Fehlerfälle mit einer Wertigkeit kleiner als eins bewertet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der schwerwiegendste Fehlerfall, Worst-Case, vorliegt, wenn der Temperaturhub der Differenz zwischen der niedrigsten zulässigen Betriebstemperatur des Halbleiterschalters (H) und der Abschalttemperatur entspricht.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung eines Lastszenarios zur Beurteilung des Fehlerfalles herangezogen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Fehlerfall einer der Fehlerkategorien zugeordnet wird und dass die Wertigkeiten der detektierten Fehlerfälle über die Lebensdauer des Halbleiterschalters (H) aufaddiert werden und bei Erreichen eines vordefinierten Wertes der Halbleiterschalter (H) deaktiviert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Produkt der am Halbleiterschalter (H) anliegenden Spannung und dem durchfließenden Strom und dem thermischen Widerstand des Halbleiterschalters (H) die Betriebstemperatur des Halbleiterschalters (H) bei Eintritt de Fehlerfalles ermittelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterschalter (H) ein MOSFET oder ein Bipolartransistor eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Beurteilung der Lebensdauer eines Halbleiterschalters (H), welcher eine lineare Strombegrenzung und eine Temperaturabschaltung aufweist, wobei die Temperaturabschaltung den Halbleiterschalter (H) abschaltet, wenn dessen maximal zulässige Betriebstemperatur erreicht oder überschritten ist, wobei eine Überwachungselektronik den Halbleiterschalter (H) überwacht und diese anhand mindestens eines Betriebsparameters des Halbleiterschalters (H) einen aufgetretenen Fehlerfall bewertet, wobei ein Fehlerfall bei Temperaturabschaltung vorliegt und die Überwachungselektronik anhand des mindestens einen Betriebsparameters jeden Fehlerfall in Fehlerkategorien einteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungselektronik eine Graduierung der Schwere des Fehlerfalls vornimmt und anhand der Anzahl der Fehlerfälle während der Lebenszeit des Halbleiterschalters (H) eine Prognose zur Anzahl der noch vom Halbleiterschalter (H) verarbeitbaren Fehlerfälle erstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungselektronik die Betriebstemperatur des Halbleiterschalters (H) und/oder den aufgenommenen Strom des Halbleiterschalters (H) und/oder die am Halbleiterschalter (H) anliegende Spannung als den mindestens einen Betriebsparameter verwendet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungselektronik jede Temperaturabschaltung des Halbleiterschalters (H) als Fehlerfall wertet.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungselektronik jeden der Fehlerfälle in Fehlerkategorien anhand der Bewertung des mindestens einen Betriebsparameters einteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass, die Überwachungselektronik bei der Einordnung der Fehlerfälle in Fehlerkategorien die Veränderung des mindestens einen Betriebsparameters zum Zeitpunkt des Eintritts des Fehlerfall bewertet.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungselektronik die Einordnung des Fehlerfalls in eine der Fehlerkategorie anhand des Temperaturhubs, der sich als Temperaturdifferenz zwischen der Abschalttemperatur bei der Temperaturabschaltung und der Betriebstemperatur des Halbleiterschalters (H) bei Eintritt des Fehlerfalls ergibt, vornimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungselektronik den zeitlichen Verlauf des Temperaturhubs bei Einordnung eines jeden Fehlerfalles in die Fehlerkategorien einbezieht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungselektronik bei der Einordnung eine jeden Fehlerfalls in eine der Fehlerkategorie berücksichtigt, ob eine induktive Komponente (L) in der Versorgungszuleitung des Halbleiterschalters (H) vorhanden ist einbezieht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungselektronik dem schwerwiegendsten Fehler, dem Worst-Case, die Wertigkeit eins zuweist und den weiteren Fehlerfällen, je nach Kategorie, eine Wertigkeit kleiner als eins zuweist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass, die Steuereinheit den weiteren Fehlerfällen, je nach Kategorie, die Wertigkeit ein Halb, ein Viertel, ein Achtel oder ein Sechzehntel zuweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungselektronik einem Fehlerfall die Wertigkeit eins zuweist, wenn der Temperaturhub der Differenz zwischen der niedrigsten zulässigen Betriebstemperatur des Halbleiterschalters (H) und der maximal zulässigen Betriebstemperatur entspricht und in der Versorgungszuleitung die induktive Komponente (L) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungselektronik die Wertigkeiten der Fehlerfälle über die Lebensdauer des Halbleiterschalters (H) aufaddiert und bei Erreichen eines vordefinierten Wertes den Halbleiterschalter (H) deaktiviert.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungselektronik aus der Verlustleistung des Halbleiterschalters (H) die Betriebstemperatur des Halbleiterschalters (H) beim Eintritt des Fehlerfalles ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungselektronik die Verlustleistung aus dem Produkt der am Halbleiterschalter (H) anliegenden Spannung und dem diesen durchfließenden Strom und dem thermischen Widerstand des Halbleiterschalters (H) errechnet.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (H) ein MOSFET oder ein Bipolartransistor ist.