DE102007039820A1

DE102007039820A1 - FET-Überwachungs- und Schutzanordnung sowie Verfahren hierzu

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Publication number: DE102007039820A1
Application number: DE102007039820A
Authority: DE
Inventors: Ronald Plymouth Brombach; Karl Sterling Heights Wojcik; Jim Farmington Weinfurther; Brian Novi Tian
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2027-08-24
Also published as: GB2441625A; GB2441625B; GB0716067D0; CN101141125B; DE102007039820B4; CN101141125A; US20080062604A1; US7719811B2

Abstract

Es wird eine eine FET-Schaltvorrichtung (20) aufweisende FET-Überwachungs- und Schutzanordnung (10) beschrieben. Die FET-Schaltvorrichtung (20) weist einen FET (22), einen Logikbaustein (57) und einen Rückkopplungsstatusausgang (26) auf. Der Logikbaustein (57) ist elektrisch an den FET (22) gekoppelt und erzeugt ein Rückkopplungsstatussignal (78). Ein Zähler (60) wird inkrementiert, wenn ein tatsäung (20) vorliegt. Ein Steuergerät (18) ist elektrisch an den Rückkopplungsstatusausgang (26) gekoppelt. Das Steuergerät (18) erlaubt die Aktivierung des FET (22) in Reaktion auf das Rückkopplungsstatussignal (78) und einen Wert des Zählers (60).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische und elektrische Anordnungen und Bauteile für Fahrzeuge, insbesondere die Überwachung und den Schutz von Feldeffekttransistoren (FETs) und Feldeffekttransistorschaltungen.
FETs werden häufig zum Ein- und Ausschalten elektrischer Lasten in Fahrzeugen verwendet. In einem einzigen Fahrzeug können dabei mehrere hundert FETs vorgesehen sein. FETs kommen bei der Aktivierung und dem Betrieb von Leuchten, Blinkern, Wischermotoren, Video- oder Audiosystemen, Navigationssystemen sowie verschiedener anderer Anordnungen und Vorrichtungen zum Einsatz. FETs sind in Mikrocontrollern sowie elektronischen Steuermodulen eingebettet. Mit der Zeit kann es aus verschiedenen Gründen zu Kurzschlusszuständen kommen, durch die der Betrieb der FETs direkt oder indirekt beeinträchtigt wird. Gründe für ein Auftreten von Kurzschlusszuständen können z.B. Änderungen in Schaltverbindungen, unsachgemäßer Einbau oder unsachgemäße Reparatur von Bauteilen, längerer Gebrauch von Fahrzeugelektroniksystemen sowie Alterung und Verschleiß von Bauteilen sein. Kurzschlusszustände kommen in der Form von eigentlichen Kurzschlüssen oder dem unsachgemäßen Anschluss an eine Leistungsquelle oder an Masse vor.
Es hat sich herausgestellt, dass die von Kurzschlusszuständen verursachten wiederholt auftretenden Stromspitzen zahlreichen FETs irreparable Schäden zufügen. Stromspitzen führen bei einem FET zu einem schnellen Anstieg der Grenzschicht temperatur. Dieser rapide Temperaturanstieg und der damit einhergehende Temperaturunterschied zwischen der Grenzschicht und dem Rest des Silicons hat bei FETs starken Verschleiß zur Folge. Dieses Problem verschärft sich in der Regel bei niedrigen Umgebungstemperaturen aufgrund der größeren Temperaturunterschiede. Bei wiederholtem Durchlaufen mehrerer Zyklen eines FET kann das Vorliegen eines Kurzschlusszustands Schäden an dem FET verursachen und bei diesem und/oder daran angeschlossenen elektronischen Modulen ggf. zu Betriebsstörungen oder zu Ausfällen führen.
Gemäß einem bekannten Verfahren ist vorgesehen, dass bei Feststellung eines Kurzschlusszustands der Betrieb des FET ausgesetzt wird. Nachdem festgestellt wurde, dass ein Kurzschluss vorliegt, wird der FET so schnell wie möglich abgeschaltet. Obwohl sich mittels dieses Verfahrens Schäden an dem FET ggf. vermeiden lassen, sind damit auch Nachteile verbunden. Einer der Nachteile ist eine Sperrung bzw. ein Abschalten des FET bei einem "falschen" Kurzschlusszustand. Damit wird ein Zustand bezeichnet, bei dem die Betriebstemperatur oder der Betriebsstrom eines FET zeitweilig eine Spitze von kurzer Dauer erreicht, wobei dies unzutreffenderweise als Kurzschlusszustand detektiert wird. Ein solcher falscher Kurzschlusszustand kann aus verschiedenen Gründen auftreten. So führt beispielsweise ein Aktivieren einer kapazitiven Last oder einer Motorlast zu einer Überlastung durch eine Einschaltstromspitze; eine solche Stromspitze ist jedoch nur von kurzer Dauer und gilt als normal. Ein anderes Beispiel ist, dass ein zeitweiliger offener Stromkreis bei einer kapazitiven bzw. Motorlast zu mehreren Einschaltstoßströmen führen kann, die ebenfalls als Kurzschlüsse detektiert werden könnten.
Es besteht daher Bedarf an einer verbesserten FET-Kurzschlussschutzanordnung, die eine Lösung zur Behebung der für die mit den gegenwärtig gebräuchlichen Hardwareschutzverfahren verbundenen Nachteile bietet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine FET-Überwachungs- und Schutzanordnung zur Verfügung gestellt, die eine FET-Schaltvorrichtung aufweist. Die FET-Schaltvorrichtung weist einen FET, einen Lo gikbaustein und einen Rückkopplungsstatusausgang auf. Der Logikbaustein ist elektrisch an den FET angeschlossen und erzeugt ein Rückkopplungsstatussignal. Bei einem tatsächlichen Kurzschlusszustand der FET-Vorrichtung erfolgt ein Inkrementieren über einen Zähler. Ein Steuergerät ist elektrisch an den Rückkopplungsstatusausgang angeschlossen. Das Steuergerät ermöglicht die Aktivierung des FET gemäß dem Rückkopplungsstatussignal und einem Wert des Zählers.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten mehrere Vorteile. Ein durch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebotener Vorteil ist die Verwendung eines Zählers zur Aufzeichnung der Anzahl an Kurzschlussereignissen, die der FET erfährt, und die Möglichkeit, die Aktivierung des FET bei Erreichen vorausbestimmter Kurzschlussaktivierungsgrenzen auszusetzen. Dadurch wird der Verschleiß des FET begrenzt, und es wird die Sperrung einer Schaltung, dessen FET deaktiviert (OFF) ist, ermöglicht.
Ein weiterer durch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebotener Vorteil ist eine Anordnung, die in der Lage ist, zwischen tatsächlichen Kurzschlusszuständen und falschen Kurzschlusszuständen zu unterscheiden. Dies verhindert ein unbeabsichtigtes Sperren von FETs und somit von durch diese aktivierter Lasten.
Ein weiterer durch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebotener Vorteil ist eine Anordnung, die in der Lage ist, zu bestimmen, wann ein FET aufgrund einer benutzerinitiierten Anforderung aktiviert wird, anstatt aufgrund einer wiederholt durchgeführten Aufgabe des elektrischen Systems. Dies verhindert eine Sperrung eines FETs und einer zugehörigen elektronischen Steuereinheit aufgrund wiederholter Erkennung derselben Kurzschlusszustände oder einer endlichen Anzahl an Kurzschlusszuständen.
Ein weiterer durch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebotener Vorteil ist eine Anordnung, die ein Diagnosetesten einer FET-Schaltvorrichtung erlaubt, wenn ein FET aufgrund eines detektierten Kurzschlusszu stands gesperrt wurde. Hierdurch wird die Möglichkeit eröffnet, dass ein Techniker die Ursache des Kurzschlusszustands bestimmen kann.
Überdies ist ein weiterer durch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebotener Vorteil ein Verhindern einer FET-Aktivierung bei Erreichen einer Kurzschlussaktivierungshöchstgrenze. Dadurch werden ein Überhitzen des FET sowie Schäden an anderen elektrischen Bauteilen und Vorrichtungen verhütet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Blockdiagrammansicht einer FET-Überwachungs- und Schutzanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Blockdiagrammansicht einer FET-Überwachungs- und Schutzanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein Signalflussdiagramm zur Darstellung eines als Ausgangstransformation wirkenden Steuergeräts gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein Signalflusssteuerungskontextdiagramm zur Darstellung einer Kurzschlussdetektion und -steuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein Datenflussdiagramm zur Darstellung eines Diagnosetestens einer FET-Schaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ein Logikflussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Überwachung und zum Schutz von FETs, FET-Schaltvorrichtungen und FET-Schaltungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7 ein Logikflussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Löschen eines Diagnosefehlercodes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die in den nachfolgenden Figuren verwendeten Bezugsziffern bezeichnen in den verschiedenen Ansichten jeweils dieselben Elemente. Während die Beschreibung der vorliegenden Erfindung in erster Linie unter Bezug auf die Überwachung und den Schutz von FETs und FET-Schaltungen in Kraftfahrzeugen erfolgt, kann die vorliegende Erfindung an verschiedene Fahrzeug- und Nicht-Fahrzeug-Anwendungen angepasst werden. Die vorliegende Erfindung kann in der Automobil-, der Luftfahrt-, der Schifffahrt- und der Eisenbahnindustrie sowie in anderen Industriezweigen Anwendung finden, in denen FETs zum Einsatz kommen. Die vorliegende Erfindung kann in gewerblichen und nicht-gewerblichen Bereichen Anwendung finden. Außerdem wird eine Vielzahl verschiedener anderer Ausführungsformen mit Kombinationen in Betracht gezogen, deren Eigenschaften sich von denen der vorliegenden Erfindung unterscheiden, die andere Eigenschaften als die hierin beschriebenen aufweisen oder in denen eine oder mehrere dieser Eigenschaften nicht vorhanden sind. Es ist daher ersichtlich, dass die Erfindung in verschiedenen anderen geeigneten Ausführungsform ausgeführt werden kann.
In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Betriebsparameter und Bauteile einer tatsächlich gebauten Ausführungsform dargestellt. Diese spezifischen Parameter und Bauteile sind als Beispiele genannt, ohne hierdurch den Schutzbereich der Erfindung einzuschränken.
Weiterhin bezeichnet in der folgenden Beschreibung der Begriff "elektrisch aktivierte Fahrzeugvorrichtung" (vehicle electrically activated device) jede beliebige Vorrichtung in einem Fahrzeug, die elektrisch oder elektronisch aktiviert wird. Beispiele für elektrisch aktivierte Fahrzeugvorrichtungen und/oder Anordnungen mit elektrisch aktivierten Fahrzeugvorrichtungen sind Scheinwerfer, Blinker, Video- und Audiosysteme, Navigationssysteme, elektrisch verstellbare Sitzsysteme, Zentralverriegelungssysteme, Scheibenwischersysteme, elektronische Steuermodule, Motorsteuermodule, Getriebesteuerungsmodule, Bremsregelsysteme, Fahrwerksregelungssysteme und Lenkungssteuerungssysteme.
In 1 ist eine Blockdiagrammansicht einer FET-Überwachungs- und Schutzanordnung 10 eines Fahrzeugs 12 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die FET-Anordnung 10 weist eine FET-Schaltung 14 mit einer elektronischen Steuereinheit ECU 16 auf. Die ECU 16 verfügt über ein Steuergerät 18, das den Betrieb von FET-Schaltvorrichtungen 20 steuert. Bei einem Schalten von FETs 22 innerhalb der FET-Schaltvorrichtungen 20 werden Relais 23 angesteuert, welche daran angeschlossene Lasten 24 aktivieren. Das Steuergerät 18 überwacht Rückkopplungsstatusausgänge 26 der FET-Schaltvorrichtungen 20 und ermöglicht ein Aktivieren der FETs 22 auf der Grundlage bestimmter, weiter unten beschriebener Kriterien. Außerdem deaktiviert das Steuergerät 18 die ECU 16, wenn einer oder mehrere der FETs 22 die ihnen zugeordneten Kurzschlussaktivierungshöchstgrenzen erreicht hat bzw. haben.
Die ECU 16 verfügt außerdem über eine Netzleitung 30 und eine Masseleitung 32, die elektrisch mit einer Leistungsquelle 34 bzw. einer Fahrzeugmasse 36 verbunden sind. Das Steuergerät 18 verfügt über einen Netzeingang 38. Die einzelnen FET-Schaltvorrichtungen 20 verfügen jeweils über einen Stromanschluss 40 und einen Masseanschluss 42. Der Netzeingang 38 und die Stromanschlüsse 40 sind an die Netzleitung 30 angeschlossen und sind über diese mit Strom gespeist. Die Masseanschlüsse 42 sind an die Fahrzeugmasse 36 angeschlossen. Die FET-Schaltvorrichtungen weisen außerdem Eingangssteueranschlüsse 43 auf, die Steuersignale von dem Steuergerät 18 empfangen. Den FET-Schaltvorrichtungen 20 sind die Rückkopplungsstatusausgänge 26 verfügbar, die einem oder mehreren jeweils in einer FET-Schaltvorrichtung 20 enthaltenen Logikbausteinen, Lastausgängen 44 der FET-Schaltvorrichtungen 20 oder anderen darin enthaltenen Leitungen oder Verbindungen oder Anschlüssen davon, die als Statusanzeigen verwendet werden können, zugeordnet sind.
Die ECU 16 und das Steuergerät 18 können mikroprozessorbasiert sein, beispielsweise über einen Computer, der über eine Zentraleinheit, Speicher (RAM-Speicher und/oder Nur-Lesespeicher (ROM)), sowie zugeordnete Eingangs- und Ausgangsbusse verfügt. Die ECU 16 und das Steuergerät 18 können in Form anwendungsspezifisch integrierter Schaltungen ausgebildet sein oder können die Form anderer dem Fachmann bekannter Logikbausteine haben. Die ECU 16 und das Steuergerät 18 können Teile einer zentralen Fahrzeughauptsteuereinheit, einer elektronischen Steuereinheit, eines interaktiven Fahrzeugdynamikmoduls, eines Rückhaltevorrichtungsteuermoduls, eines Sicherheits- oder Kollisionssteuergeräts sein, oder sie können als selbständige Steuergeräte ausgebildet sein.
Die ECU 16 kann über verschiedene Eingänge, wie z.B. Sensoreingänge (nicht dargestellt) und verschiedene gesteuerte Ausgänge, wie z.B. Ausgänge 44, verfügen. Außer zur Überwachung und Steuerung der o.g. elektrisch aktivierten Fahrzeugvorrichtungen und -anordnungen, kann die ECU 16 zusätzlich zur Überwachung und Steuerung von Kraftstoffeinspritzsystemen, Zündzeitpunkt-, Motorlufteinlass-, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagensystemen sowie anderer Vorrichtungen und Anordnungen dienen. Obwohl eine einzige ECU dargestellt ist, kann die vorliegende Erfindung jede beliebige Anzahl von ECUs betreffen. Die ECU 16 und das Steuergerät 18 können in Verbindung mit jeder beliebigen Anzahl der genannten Vorrichtungen und Anordnungen eingesetzt werden.
Die FET-Schaltvorrichtungen 20 können in Form verschiedener Typen und Bauweisen ausgebildet sein. Die FETs 22 der FET-Schaltvorrichtungen 20 weisen jeweils einen Gate- oder Eingangsanschluss 50, einen Drain-Anschluss 52 und einen Source-Anschluss 54 auf. Die Gate-Anschlüsse 50 können an die internen Steuergeräte der FET-Schaltvorrichtung und/oder andere innerhalb der FET-Schaltvorrichtungen 20 enthaltene Vorrichtungen, wie anhand von Logikbausteinen 57 dargestellt, gekoppelt sein. Die Gate-Anschlüsse 50 und/oder die Logikbausteine 57 können an die Eingangssteueranschlüsse 43 gekoppelt sein. Die Drain-Anschlüsse 52 können direkt an die Stromanschlüsse 40 gekoppelt sein. Die Source-Anschlüsse 54 können direkt an die Masseanschlüsse 42 gekoppelt sein. Die FETs 22 verfügen außerdem über Ausgangsanschlüsse 56, die direkt an die Ausgangsanschlüsse 44 gekoppelt sein können. Die FET-Schaltvorrichtungen 20 können die erwähnten Logikbausteine 57 aufweisen. Die einzelnen Logikbausteine 57 können Steuergeräte, Temperatursensoren, Stromsensoren, Spannungssensoren, Verzögerungsschaltungen, programmierbare Logikbausteine (programmable devices), variable anpassbare Logikbausteine (variably adjustable devices) und andere Vorrichtungen aufweisen, die zur Bestimmung des Status einer FET-Schaltvorrichtung und zur Erzeugung eines FET-Schaltstatussignals verwendet werden können. Die Logikbausteine 57 können an jeden der Anschlüsse 50, 52, 54 oder 56 gekoppelt sein. Weiter unten sind einige Beispiele für FET-Schaltvorrichtungen dargestellt.
Die FET-Schaltvorrichtungen 20 erzeugen Statussignale, die abgetastet oder über ihnen zugeordnete Rückkopplungsstatusausgänge 26 empfangen werden können. Bei den Rückkopplungsstatussignalen kann es sich um Temperaturstatussignale, Überstromstatussignale, Strombegrenzungsstatussignale, Stromrichtungsstatussignale, Überspannungs- und Unterspannungsstatussignale sowie andere auf den Zustand der FETs 22 und/oder der darin enthaltenen FET-Schaltungen 58 bezogene Statussignale handeln. Der Begriff "FET-Schaltung" (FET circuit) bezeichnet i.A. jede beliebige Schaltung, die einen oder mehrere FETs aufweist. Zu den Rückkopplungsstatussignalen können Open-Load-Signale gehören, die sich darauf beziehen, wann sich ein FET in einem eingeschalteten Zustand (ON-Zustand) befindet oder darauf, wann sich ein FET in einem ausgeschalteten Zustand (OFF-Zustand) befindet. Einige Beispiele für FET-Schaltvorrichtungen, die zur Anwendung kommen können, sind der VN750 High Side driver und der VN920 Single Channel High Side Solid State Relay der Firma STMikroelectronics, Genf, Schweiz, der MC33982 Single Intelligent High-Current Self-Protected Silicon High-Side Switch der Firma Freescale Semiconductor, Inc., Austin, Texas, USA sowie der BTS 452-R Smart Power High-Side-Switch der Firma Infineon Technologies, München, Deutschland. Je nachdem welche Statusmerkmale erfasst und gesteuert werden sollen, können auch andere dem Fachmann bekannte FET-Schaltvorrichtungen, die einen bzw. mehrere Rückkopplungsstatusausgänge zur Verfügung stellen, zum Einsatz kommen.
Ein Kurzschluss-/Fehlerzähler 60 kann sich, wie dargestellt, integriert innerhalb der ECU 16, außerhalb der ECU 16 oder innerhalb des Steuergeräts 18 befinden. Der Zähler 60 dient zum Zählen und Aufzeichnen der Anzahl der bei den einzelnen FET-Schaltvorrichtungen 20 auftretenden Kurzschluss- und Fehlerdetektionen. Der Zähler 60 dient dazu, die Anzahl der tatsächlichen Kurzschlussdetektionen und der falschen Kurzschlussdetektionen zu zählen und zu speichern. Außerdem kann der Zähler 60 zum Zählen und Aufzeichnen der Gesamtanzahl der tatsächlichen Kurzschlussdetektionen und der falschen Kurzschlussdetektionen für die einzelnen FET-Schaltvorrichtungen 20 dienen. Die Gesamtanzahlen können für einen späteren Zugriff und eine spätere Überprüfung in einem Speicher 62, entweder innerhalb oder außerhalb der FET-Anordnung 10, permanent gespeichert werden. Die Ausführung des Speichers 62 kann verschiedenen dem Fachmann bekannten Typen und Bauweisen entsprechen. Der Speicher 62 kann lesbare, beschreibbare, rücksetzbare, nicht rücksetzbare, nicht wieder beschreibbare und nicht löschbare Teile aufweisen. Die beschreibbaren und rücksetzbaren Teile können die Anzahl der tatsächlichen Kurzschlussdetektionen, der falschen Kurzschlussdetektionen und der Fehlerdetektionen zwischen durch die ECU 16 veranlassten Fahrzeugwartungen oder -instandsetzungen erfassen. Die nicht rücksetzbaren, nicht wieder beschreibbaren und nicht löschbaren Teile können der Gesamtanzahl der tatsächlichen Kurzschlussdetektionen, der falschen Kurzschlussdetektionen und der Fehlerdetektionen zugeordnet sein, so dass die ECU 16, das Steuergerät 18 und/oder die FET-Schaltvorrichtungen 20 bei Erreichen vorausbestimmter Höchstwerte einer Inspektion unterzogen oder ersetzt werden können.
Der Speicher 62 speichert die festgesetzten vorausbestimmten Höchstwerte. Bei dem Speicher 62 kann es sich um einen RAM-Speicher, Nur-Lesespeicher (ROM), SRAM-, DRAM-, PROM-, EPROM-, EEPROM-, NVRAM-, Flash-Speicher oder jede andere dem Fachmann bekannte Speicherbauweise handeln. Der Speicher 62 kann sich, wie gezeigt, innerhalb der ECU 16 befinden, innerhalb des Steuergeräts 18 oder außerhalb der ECU 16.
Ein Anzeiger 64 beliebiger Art und Bauweise kann an das Steuergerät 18 angeschlossen sein, um einen Kurzschluss- oder Fehlerzustand betreffende Informationen zur Verfügung zu stellen. Bei dem Anzeiger 64 kann es sich u.a. um LEDs, Leuchten, Displays, ein Armaturenbrett, ein Videosystem, ein Audiosystem, eine Head-up-Anzeigeeinheit (head-up display), eine Flat-Panel-Anzeigeeinheit (flatpanel display), ein Telematiksystem oder einen anderen dem Fachmann bekannten Anzeiger handeln.
In 2 ist eine Blockdiagrammansicht einer FET-Überwachungs- und Schutzanordnung 10' gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die FET-Anordnung 10' weist eine FET-Schaltung 14' mit einem Steuermodul bzw. einer ECU 16' auf. Die ECU 16' verfügt über einen Mikrocontroller 18', ähnlich dem Steuergerät 18, der den Betrieb von FET-Schaltvorrichtungen 20' ähnlich den FET-Schaltvorrichtungen 20 steuert. Ein Schalten von FETs 22' innerhalb der FET-Schaltvorrichtungen 20' steuert daran angeschlossene Lasten 24' an.
Das Steuermodul 16' verfügt über eine Netzleitung 30' und eine Masseleitung 32', die elektrisch an eine Leistungsquelle 34' bzw. eine Fahrzeugmasse 36' angeschlossen sind. Die einzelnen FET-Schaltvorrichtungen 20' verfügen jeweils über einen Netzschluss 40' und einen Masseanschluss 42', die an die Netzleitung 30' angeschlossen sind und von dieser mit Strom gespeist werden. Die FET-Schaltvorrichtungen 20' weisen außerdem Eingangssteueranschlüsse 43' auf, die Steuersignale von dem Steuergerät 18' empfangen. Die FET-Schaltvorrichtungen 20' verfügen über Rückkopplungsstatusausgänge 26', die einem oder mehreren jeweils in einer FET-Schaltvorrichtung 20' enthaltenen Logikbausteinen, Lastausgängen 44' der FET-Schaltvorrichtungen 20' oder anderen darin enthaltenen Leitungen oder Verbindungen oder Anschlüssen davon, die als Statusanzeigen verwendet werden können, zugeordnet sein können.
Die FETs 22' derFET-Schaltvorrichtungen 20' weisen jeweils einen Gate- oder Eingangsanschluss 50', einen Drain-Anschluss 52' und einen Source-Anschluss 54' auf. Die Gate-Anschlüsse 50' sind an die in den FET-Schaltvorrichtungen 20 enthaltenen Logikbausteine 55 gekoppelt. Zwischen den Eingangssteueranschlüssen 43' und den Logikbausteinen 55 sowie innerhalb der FET-Schaltvorrichtungen 20' sind Wechselrichter 59 gekoppelt.
Die Drain-Anschlüsse 52' können direkt an die Netzanschlüsse 40' oder an die Ausgangsanschlüsse 44' gekoppelt sein. Es ist zu beachten, dass es sich bei dem Netzanschluss und dem Ausgangsanschluss der FET-Schaltvorrichtung r um den gleichen Anschluss handelt und dass beide Anschlüsse an eine zugeordnete Last n gekoppelt sind. Der Drain-Anschluss 52' der FET-Schaltvorrichtung 61 ist über einen ersten Widerstand 53 an den Mikrocontroller 18' gekoppelt und dient gleichzeitig als Rückkopplungsausgang für einen Überspannungsschutz. Die Source-Anschlüsse 54' können direkt an die Masseanschlüsse 42 oder an den Mikrocontroller 18' gekoppelt sein. Bei Kopplung an den Mikro controller 18' dienen die Source-Anschlüsse 54', wie in der FET-Schaltvorrichtung 61 dargestellt, als Rückkopplungsanschlüsse.
Die FET-Schaltvorrichtungen 61 und 63 veranschaulichen Logikbausteinrückkopplungskonfigurationen und weisen Logikbausteinrückkopplungsstatusausgänge 65 auf, die an den an den Mikrocontroller 18' gekoppelt sind. Das Signal des Ausgangsanschlusses 44' der FET-Schaltvorrichtung 63 dient gleichzeitig als Rückkopplung an den Mikrocontroller 18'. Ein zweiter Widerstand 67 ist zwischen den Ausgangsanschluss 44' der FET-Schaltvorrichtung 63 und den Mikrocontroller 18' gekoppelt.
Eine FET-Schaltvorrichtung 69 veranschaulicht eine Stromrückkopplungskonfiguration. Die FET-Schaltvorrichtung 69 verfügt über eine Stromzufuhr, einen Stromdetektor oder andere Stromvorrichtung 71, die zwischen den Source-Anschluss 54' der FET-Schaltvorrichtung 69 und einen Stromrückkopplungsausgang 73 gekoppelt ist. Das Signal auf dem Ausgangsanschluss 44' der FET-Schaltvorrichtung 69 dient gleichzeitig als Rückkopplung an den Mikrocontroller 18'. Ein dritter Widerstand 75 ist zwischen den Ausgangsanschluss 44' der FET-Schaltvorrichtung 69 und den Mikrocontroller 18' gekoppelt.
Wie dargestellt können sich in dem Mikrocontroller 18' Kurzschluss-/Fehler-Zähler 60' und Speicher 62' befinden. Die Zähler 60' und Speicher 62' sind ähnlich dem Zähler 60 und dem Speicher 62 ausgebildet.
In 3 ist ein Signalflussdiagramm gezeigt, in dem ein gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein eine Ausgangsübertragung bewirkendes Steuergerät 200 dargestellt ist. Die ovalförmigen Elemente in 3 beziehen sich auf Verfahren, die Software-intern sein und von einem oder mehreren der hierin genannten Steuergeräte ausgeführt werden können. Die rechteckigen Elemente beziehen sich auf die Hardware. Natürlich können die Soft ware-Elemente durch die äquivalenten Hardware-Elemente ersetzt werden. Das Steuergerät 200 dient als Ausgangstransformationseinrichtung, die als Arbiter zwischen einem Spannungswächter 202, einem FET-Schutzmodul 204, einem Diagnoseanforderungsmodul 206 und einem Leistungsmerkmalanforderungsmodul (feature request module) 208 wirkt.
Das Steuergerät 200 steuert den Betrieb einer FET-Schaltvorrichtung 210, welche Leistung über die Leistungsquelle sowie Sicherungen 212 empfängt. Die FET-Schaltvorrichtung 210 kann einer der vorstehend beschriebenen FET-Schaltvorrichtungen 20 und 20' ähnlich sein. Eine Rückkopplung 213, die der FET-Schaltvorrichtung 210 nachgeschaltet oder in dieser integriert ist, wird von einem FET-Schutzmodul empfangen. An die Rückkopplung 213 ist eine Last 214 gekoppelt.
Das Steuergerät 200 empfängt Schutz- oder Statussignale von dem FET-Schutzmodul 204, Befehlssignale oder Ausgangsarbitrierungssignale von einem Arbitrierungsmodul 216, Spannungssignale von einem Spannungswächter 202, verschiedene Eingänge zum Wiederholungslauf (retrying) oder zur Reaktivierung einer FET-Schaltvorrichtung von einem Eingangsmodul 218 und Leistungsmerkmalanforderungssignale von einem Leistungsmerkmalanforderungsmodul 208. Außerdem empfängt das Steuergerät 200 im Speicher 220 gespeicherte Informationen und speichert dort Informationen, wie z.B. FET-Modusinformationen, FET-Kurzschlusszählinformationen und Diagnosefehlercode-Informationen. Anhand der genannten Signale, Eingänge und Informationen steuert das Steuergerät 200 die FET-Schaltvorrichtung 210.
In 4 ist ein Signalflusssteuerungskontextdiagramm gezeigt, das die Durchführung der Kurzschlussdetektion und -steuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Kontextdiagramm ist ein Signalflussdiagramm, in dem mit der Kurzschlussdetektion und -steuerung im Zusammenhang stehende Eingänge und Ausgänge zum und vom Steuergerät so wie innerhalb des Steuergeräts 18 dargestellt sind. Das Diagramm beinhaltet eine zentrale FET-Kurzschluss-, Detektions, und Steuerblase 70. Die gemäß der Steuerblase 70 durchgeführten logischen Operationen sind weiter unten ausführlicher beschrieben. Die Steuerblase 70 empfängt Lastaktivierungsanforderungen 72 und Steuersignale 74, z. B. von einem Fahrzeugfahrer, der durch eine Leistungsmerkmal-, Arbiter-, Ausgangsprozessblase 76 dargestellt ist. Unter den Lastaktivierungsanforderungen 72 sind Anforderungen zur Aktivierung oder zum Anschalten einer Last zu verstehen. Die Steuersignale 74 beziehen sich auf die Art und Weise, wie die Last aktiviert wird, z.B. ob diese einen konstanten Strom oder eine konstante Spannung, ein pulsdauermoduliertes Signal, ein frequenzmoduliertes Signal oder ein anderes Steuersignal empfängt. Die Steuersignale 74 können Signaleigenschaften aufweisen, wie z. B. Amplitude, Dauer, Tastgrad oder andere Eigenschaften.
Die Steuerblase empfängt außerdem Leistungsmerkmaleingangsdatensignale 77 von einer Leistungsmerkmaleingangsprozessblase 79. Zur Bestimmung, ob ein Abtasten oder ein Aktivieren der FET-Schaltvorrichtungen zugelassen wird, können verschiedene Eingänge zum Wiederholungslauf oder zur Reaktivierung von FET-Schaltvorrichtungen empfangen, verarbeitet und verwendet werden. Zusätzlich empfängt die Steuerblase 70 die o.g. FET-Rückkopplungsstatussignale 78 von den FET-Schaltvorrichtungen 20, was durch eine FET-Rückkopplungseingangsprozessblase 80 dargestellt ist. Außerdem empfängt die Steuerblase 70 aus dem Speicher 62 Kurzschluss- und Fehlerzählinformationen, die den einzelnen FET-Schaltvorrichtungen 20 und somit den einzelnen ECUs und den einzelnen daran gekoppelten Steuergeräten zugeordnet sind. Diese Informationen können Einschaltstoßstromzeitdauern, FET-Matrixsperrwerte (disabling FET matrix values), FET-Schutzfreigabestatusinformationen (FET protection enablement statuses), FET-Diagnosetestdauern und andere verwandte Informationen umfassen, denen Signale 83, 85, 87 bzw. 89 zugeordnet sind.
Basierend auf den genannten Eingangsanforderungen, Eingangssignalen und empfangenen Informationen wird eine Bestimmung im Hinblick darauf vorge nommen, welche der FET-Schaltvorrichtungen 20 freigegeben und/oder aktiviert werden und welche der FET-Schaltvorrichtungen 20 gesperrt werden. Die Begriffe "freigeben" (enable) und "sperren" (disable) bezeichnen das Zulassen oder Unterbinden der Aktivierung einer Vorrichtung. Es sind ein Sperrsignal 84 und ein Ausgabeport 86 zur Darstellung einer Sperrung eines FET-Schaltvorrichtungsausgangs gezeigt. Die FET-Schaltaktivierung kann über einen Ausgabeprozess ausgeführt werden, dargestellt von einer Ausgabeprozessblase 88, von dem ein Steuersignal 97 erzeugt wird. Der Ausgabeprozess wird von dem Steuergerät 18 ausgeführt. Außerdem empfängt die Ausgabeprozessblase 88 Lastanforderungssignale 72 und die Steuersignale 74 sowie FET-Schutzfreigabestatussignale 90.
Außerdem ist eine Diagnoseblase 94 gezeigt, welche die Diagnose darstellt, die von einem Diagnoseteststeuergerät (nicht dargestellt) ausgeführt werden kann. Mittels der Diagnose lassen sich Ort und Ursache eines Kurzschlusses oder Fehlers bestimmen. Ein Diagnosesteuergerät kann an die FET-Anordnung 10 angeschlossen sein und Signale an die ECU 16 zur Ausführung bestimmter Aufgaben senden. Das Diagnosesteuergerät kann die Kurzschluss- und Fehlerinformationen von dem Speicher 62 empfangen, dargestellt durch die Signallinie 96, und kann sich über alle vom Steuergerät 18 gesetzten Diagnosefehlercodes (diagnostic trouble codes (DTCs)) hinwegsetzen (override) und Tests ausführen, so dass die erforderlichen Instandsetzungen oder ein Austausch von Bauteilen vorgenommen werden können. Das Diagnosesteuergerät kann im Speicher 62 gespeicherte Informationen, die von dem Steuergerät 18 zur Steuerung der FET-Schaltvorrichtungen 20 verwendet werden, speichern oder anpassen. Diese Informationen können Einschaltstoßstromzeitdauern, FET-Matrixsperrwerte, FET-Schutzfreigabestatuswerte, FET-Diagnosetestdauern und andere verwandte Informationen umfassen, denen Signale 83', 85', 87' bzw. 89' zugeordnet sind. Das Diagnosesteuergerät stellt der Leistungsmerkmalausgabeprozessblase 76 Parameteridentifikationen 92 zur Verfügung. Die Parameteridentifikationen dienen zur Bestimmung der Art und Weise, wie eine Last zu steuern ist, wozu u.a. eine Steuerung mittels Pulsdauermodulation, Frequenzmodulation und Pulsfolgeinformationen gehören kann.
Die Einschaltstoßstromzeitdauern 83 and 83' beziehen sich auf die Zeitdauer, deren Verstreichen zugelassen wird, bevor die Rückkopplungsstatusausgänge 26 abgetastet werden. Die Einschaltstoßstromzeitdauern beziehen sich auf den Einschaltstoßstrom der jeweiligen Lasten. Dies verhindert, wenn gewünscht, die Detektion falscher Kurzschlusszustände. Zur Detektion falscher Kurzschlusszustände kann es bei der erstmaligen Aktivierung einer Last kommen. Dabei kommt es in der Regel zu einem plötzlichen Stoßstrom, der als Kurzschluss detektiert werden kann.
Bei den FET-Matrixsperrwerten 85 und 85' kann es sich z.B. um vorausbestimmte Sollwerte handeln, die vorgeben, zu welchem Zeitpunkt die zugeordneten FET-Schaltvorrichtungen 20 und/oder die zugeordnete ECU 16 bis zur Instandsetzung gesperrt werden. Zum Beispiel kann eine bestimmte FET-Schaltvorrichtung einen vorausbestimmten 1/3-Kurzschlussaktivierungslebenserwartungswert, einen 2/3-Kurzschlussaktivierungslebenserwartungswert und einen Kurzschlussaktivierungshöchstwert haben. Wenn die Gesamtanzahl an Kurzschlüssen der FET-Schaltvorrichtung gleich dem 1/3-Wert oder dem 2/3-Wert ist, kann die FET-Schaltvorrichtung solange gesperrt werden, bis der Kurzschlusszustand behoben ist. Wenn die Gesamtanzahl der Kurzschlüsse der FET-Schaltvorrichtung gleich dem Kurzschlussaktivierungshöchstwert ist, kann die FET-Schaltvorrichtung und/oder die ECU permanent gesperrt bleiben und ausgetauscht werden.
Der FET-Schutzfreigabestatus 87 and 87' kann die Form eines Speicherwertes oder -flags haben, dem ein Freigabestatus und ein Sperrstatus zugeordnet ist. Im Freigabemodus ist der FET-Schaltvorrichtungsschutz für eine bestimmte FET-Schaltvorrichtung oder Gruppe von FET-Schaltvorrichtungen aktiviert. Im Sperrmodus ist der FET-Schaltvorrichtungsschutz deaktiviert. Hiervon kann Gebrauch gemacht werden, wenn ein solcher Schutz nicht benötigt oder gewünscht wird, z.B. dann, wenn eine FET-Schaltvorrichtung interne Schutz- und Abstellfähigkeiten aufweist.
Die FET Diagnosetestzeitdauern 89 und 89' beziehen sich auf die zulässige Zeit, die für die Ausführung eines Diagnosetests zugewiesen wird. Zur Durchführung eines Diagnosetests ist ggf. eine FET-Schaltvorrichtung zu aktivieren. Um die FET-Schaltvorrichtung während des Tests vor Schäden zu schützen, wird für die Zeitdauer, für welche die FET-Schaltvorrichtung aktiviert wird, eine Begrenzung gesetzt.
Die Steuerblase 70 empfängt außerdem, wie durch die Signale 91, 93 bzw. 95 dargestellt, Sperrflaginformationen, Gesamtkurzschluss- und Fehlerzählinformationen sowie Diagnosefehlercodeinformationen vom Speicher. Die Diagnoseblase 94 empfängt die Gesamtkurzschluss- und Fehlerzählinformationen 93'. Mittels der der Steuerblase 70 zugeordneten Steuerverfahren können die Sperrflaginformationen 91, Gesamtkurzschluss- und Fehlerzählinformationen 93 sowie die Diagnosefehlercodeinformationen 95 im Speicher 62 gespeichert oder angepasst werden. Die Sperrflaginformationen 91 beziehen sich auf Freigabe-/Sperrflags, die gesetzt werden, wenn das Kurzschluss- oder Fehlerzählergebnis für bestimmte FET-Schaltvorrichtungen gleich den vorausbestimmten Kurzschlussaktivierungslebenserwartungswerten oder den diesen zugeordneten Kurzschlussaktivierungshöchstwerten ist. Dies erlaubt es dem Steuergerät 18, schnell zu bestimmen, ob eine Aufgabe basierend auf dem Status der Sperrflags ausgeführt werden kann, anstatt irgendwelche Berechnungen, Datenvergleiche cd. dgl. durchzuführen. Außerdem können Diagnosefehlercodes gesetzt werden, um es einem Diagnosesteuergerät zu ermöglichen, basierend auf den Informationen innerhalb der Rückkopplungsstatussignale 26 und anderen relevanten Informationen schnell den Ort und die Ursache eines Kurzschlusses oder Fehlers zu bestimmen.
In 5 ist ein Datenflussdiagramm zur Veranschaulichung eines Diagnosetestens einer FET-Schaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Datenflussdiagramm ist ein Signalflussdiagramm, dass den Fluss der Daten zum und vom Speicher 62 sowie das Löschen von Diagnosefehlercodes veranschaulicht. Die Diagnosefehlercodes können während eines Diagnosetestens oder zum Zwecke eines Diagnosetestens oder nach dem Beheben von Kurzschlusszuständen gelöscht werden. Das Datenflussdiagramm weist eine FET-Kurzschlussblase 98 auf, welche eine Detektion von bestehenden und vorherigen Kurzschlusszuständen darstellt; diese Informationen werden beim Zulassen einer Aktivierung der FET-Schaltvorrichtungen 20 verwendet. Die FET-Kurzschlussblase 98, wie z.B. die Steuerblase 70, empfängt die Anforderungssignale 72, die Steuersignale 74, die Rückkopplungsstatussignale 78, die Einschaltstoßstromzeitdauersignale 83, die FET-Matrixwertsperrsignale 85, die FET-Schutzfreigabestatussignale 87, die Sperrflagsignale 91, Gesamtkurzschluss- und Fehlerzählsignale 93 sowie die Diagnosefehlercodes 95. Die FET-Kurzschlussblase empfängt außerdem ein FET-Rücksetzsignal 103, das wenn es auf "high" (hoch) oder ein (ON) gesetzt ist, anzeigt, dass eine Anforderung zum Zurücksetzen einer oder mehrerer FET-Schaltvorrichtungen empfangen wurde. Die FET-Wiederholungseingangsprozessblase (FET retry input process bubble) 79' empfängt Leistungsmerkmaleingangsdatensignale 77', mittels derer ein FET-Rücksetzsignal 103 erzeugt wird. Außerdem sind der FET-Kurzschlussblase 98 Ausgänge zugeordnet, darunter die FET-Schutzsteuersignale 90 und die FET-Schaltvorrichtungssperrungssignale 84.
Eine FET-Testroutine-Diagnosefehlercode-Lösch-Blase (clear DTC FET test routine bubble) 99 betrifft ein Verfahren, bei dem Diagnosefehlercodes zurückgesetzt oder gelöscht werden. Dieses Verfahren wird nachfolgend ausführlich beschrieben. Die Diagnosefehlercode-Löschblase 99 empfängt die FET-Diagnosetestzeitdauern 89, die Freigabeflagsignale 91, die Diagnosefehlercodes 95 und die Diagnosefehlercode-Lösch-Anforderungssignale 101, beispielsweise von einem Diagnosesteuergerät. Außerdem empfängt die Diagnosefehlercode-Blase 99 Kurzschlussdetektionssignale 105 von der FET-Kurzschlussblase 98, die anzeigen, dass ein Kurzschluss oder Fehler detektiert wurde. Der Ausgang der Diagnosefehlercodeblase 99 weist ein Diagnosefehlercode-Updatesignal 95' zum Updaten (Aktualisierung) der Diagnosefehlercode-Aufzeichnungen im Speicher 62 und Parameteridentifikationen 103 sowie ein FET-Testsignal 107 auf, das anzeigt, wann ein FET-Test durchgeführt wird. Mittels des FET-Testsignals 107 können FET-Schaltvorrichtungen, die ihre Keine-Wiederholungs-Grenze (no retry limit) erreicht haben, zu einem Test aktiviert werden, damit Kurzschlüsse detektiert werden können.
Die vorstehend beschriebenen Blasen der 4 und 5 können der ECU 16, dem Steuergerät 18, Eingaben von Fahrzeuginsassen, Eingaben von Technikern oder Eingaben von anderen Fahrzeug-ECUs und -steuergeraten, wie z.B. dem Steuermodul 16' und dem Mikrocontroller 18' zugeordnet sein.
In 6 ist ein Logikflussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zur Überwachung und zum Schutz von FETs, FET-Schaltvorrichtungen und FET-Schaltungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Obwohl das genannte Verfahren gemäß 6 in erster Linie im Hinblick auf ein Detektieren und Überwachen von Kurzschlusszuständen beschrieben ist, kann es ohne Weiteres so modifiziert werden, dass es auch zur Detektion und Überwachung anderer Fehlerzustände eingesetzt werden kann. Außerdem kann das genannte Verfahren, obwohl dieses in erster Linie im Hinblick auf die Ausführungsform von 1 beschrieben ist, auf die Ausführungsformen von 2 angewandt sowie in modifizierter Form auch auf andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewandt werden.
In Schritt 108 werden vom Steuergerät 18 Lastaktivierungsanforderungen empfangen. Die Lastaktivierungsanforderungen können von einem Fahrzeuginsassen, einem Techniker oder über eine außerhalb oder innerhalb der ECU 16 befindliche elektronische Vorrichtung initiiert werden.
In Schritt 109 wird ein Rückkopplungsstatussignalwert oder ein repräsentativer Rückkopplungsstatussignalwert, der als Integrator bezeichnet wird, gleich Null gesetzt. Ein FET-Steuerflag (FET_Ctrl) wird gleich Kurzschluss (SHORT) gesetzt.
In Schritten 110, 113 und 115 bestimmt das Steuergerät 18, ob FET-Statusflags oder Diagnosefehlercodes gesetzt sind oder ein anderer Hinweis zur Verfügung gestellt wird, dass für die zur Aktivierung angeforderten zugeordneten FET-Schaltvorrichtungen ein Kurzschlusszustand oder Fehler vorliegt und zuvor detektiert wurde. Ein FET-Statusflag zeigt an, ob dem Steuergerät 18 erlaubt wird, mit dem Abtasten der Rückkopplungsstatusausgänge 26 fortzufahren. Wenn das FET-Statusflag auf "Keine Wiederholung" ("No-Retry") gesetzt ist, wird der Rückkopplungsstatusausgang nicht abgetastet. Wenn das FET-Statusflag auf "Wiederholung" ("Retry") gesetzt ist, kann der Rückkopplungsstatusausgang abgetastet werden. Wenn aktuell ein Diagnosefehlercode od. dgl. gesetzt ist, geht das Steuergerät 18 zu Schritt 112 über, andernfalls geht das Steuergerät zu den Schritten 113 und 115 über. Somit wird in den Schritten 110, 113 und 115 bei Vorliegen eines Wiederholungsmodus (retry mode) das FET-Steuerflag gleich OK gesetzt, andernfalls geht das Steuergerät 18 zu Schritt 112 über. In Schritt 112 zeigt das Steuergerät 18 ggf. an, dass ein Kurzschlusszustand oder Fehler vorliegt. In Schritt 113 überprüft das Steuergerät 18 außerdem, ob das FET-Steuerflag auf Kurzschluss (SHORT) gesetzt ist und das FET-Rücksetzflag (FET-Reset) gesetzt ist, was anzeigt, dass ein Kurzschluss detektiert wurde und dass ein Fahrzeugführer oder ein anderer Steuermechanismus die Aktivierung der zugeordneten FET-Schaltvorrichtung angefordert hat. Wenn das FET-Steuerflag auf Kurzschluss (SHORT) gesetzt ist und das FET-Rücksetzflag gesetzt ist, geht das Steuergerät 18 zu Schritt 114 über, andernfalls zu Schritt 115. In Schritt 115 prüft das Steuergerät 18, ob das FET-Schutzsteuerflag (FETProt_Ctrl) auf Freigeben ("Enable") gesetzt ist, ob die FET-Ausgangssteuerung (Output_Ctrl) den Wert EIN (ON) hat, ob das Diagnoseanforderungsflag (PIDOut) den Wert EIN hat und/oder ob ein FET-Testflag (FETTest) den Wert EIN hat, und geht je nachdem zu den Schritten 112 oder 116 über. Wenn das FET-Ausgangssteuerflag (FET Output control flag) den Wert EIN hat, ist bzw. sind die zugeordnete FET-Schaltvorrichtung bzw. die zugeordneten FET-Schaltvorrichtungen freigegeben und in einen EIN-Zustand versetzt, wodurch die entsprechenden Lasten angetrieben werden. Wenn das FET-Schutzsteuerflag aktiviert ist und die Ausgangssteuerung auf EIN gesetzt ist, oder wenn das Diagnoseanforderungsflag den Wert EIN hat und der FET-Modus auf Wiederholen ("RETRY") gesetzt ist oder wenn das FET-Testflag auf "TEST" gesetzt ist und das Diagnoseanforderungsflag den Wert EIN hat, geht das Steuergerät zu Schritt 116 über, andernfalls führt das Steuergerät Schritt 112 aus.
In Schritt 116 setzt das Steuergerät 18 das FET-Steuerflag gleich OK, das FET-Steuerflag oder eine andere Kurzschlussdetektionsvariable gleich Nein (NO) und setzt einen Verzögerungszeitzähler auf Null.
In Schritt 117–122 wartet das Steuergerät 18 vor dem Abtasten der Rückkopplungsstatusausgänge 26 der FET-Schaltvorrichtungen 20, bis ein vorausbestimmter Verzögerungszeitraum verstrichen ist. Dieser Zeitraum bezieht sich auf den Einschaltstoßstrom ("in rush"). Hierdurch wird die Detektion falscher Kurzschlusszustände minimiert. Wenn jedoch das Abtasten der Rückkopplungsstatussignale während der Dauer des Einschaltvorgangs gewünscht ist, so kann die Verzögerung außer Kraft gesetzt werden (overridden). In Schritt 117 wartet das Steuergerät das Verstreichen einer Zeiteinheit ab. Alle n ms kann ein Algorithmus ausgeführt werden. In Schritt 118 geht, wenn die FET-Ausgangssteuerung auf EIN ist, das Steuergerät zu Schritt 120 über, andernfalls stellt das Steuergerät die Durchführung der vorliegenden Routine ein. In einer anderen Ausführungsform geht, wenn das FET-Ausgangssteuerungsflag auf AUS gesetzt ist und das Diagnoseanforderungsflag nicht auf EIN gesetzt ist oder das Ausgangssteuerungsflag nicht auf AUS gesetzt ist und das Diagnoseanforderungsflag auf AUS gesetzt ist, das Steuergerät 18 zu Schritt 120 über.
In Schritt 120 geht das Steuergerät, wenn kein offener Stromkreis vorhanden ist und die Einschaltstoßstromdauer verstrichen ist, zu Schritt 124 über, andernfalls zu Schritt 121. Das Steuergerät vergleicht die aktuelle Verzögerungszeit auf dem Verzögerungszeitzähler mit der vorausbestimmten Verzögerungszeit. Wenn die vorausbestimmte Verzögerungszeit verstrichen ist, geht das Steuergerät zu Schritt 124 über. In Schritt 121 geht das Steuergerät, wenn ein offener Stromkreis vorhanden ist, zu Schritt 122 über, andernfalls zu Schritt 123. In Schritt 123 wird der Verzögerungszeitzähler inkrementiert, wohingegen in Schritt 122 der Verzögerungszeitzähler dekrementiert wird.
In Schritten 124–136 prüft das Steuergerät 18, ob ein Kurzschluss- oder Fehlerzustand vorliegt. Der Kurzschluss- oder Fehlerzustand kann eine oder mehrere der FET-Schaltvorrichtungen 20 betreffen und kann sich außerhalb oder sowohl außerhalb als auch innerhalb der FET-Schaltvorrichtungen 20 befinden. In Schritt 124 tastet das Steuergerät 18 für eine vorausbestimmte Abtastdauer die Rückkopplungsstatusausgänge 26 ab und erzeugt einen repräsentativen Rückkopplungsstatuswert. In Schritt 125 geht das Steuergerät, wenn die FET-Ausgangssteuerung auf AUS ("OFF") steht und das Diagnoseanforderungsflag den Wert EIN hat oder das Ausgangssteuerungsflag nicht auf AUS ("OFF") gesetzt ist und das Diagnoseanforderungsflag auf AUS gesetzt ist, zu Schritt 119 über, andernfalls zu Schritt 126. In Schritt 126 geht das Steuergerät 18, wenn ein Kurzschlusszustand detektiert wurde, zu Schritt 123 über, andernfalls zu Schritt 128.
In Schritt 128 prüft das Steuergerät 18, ob ein Kurzschlusszustand besteht. Unter Berücksichtigung der abgetasteten Rückkopplungsstatussignale wird ein durchschnittlicher Rückkopplungsstatussignalwert bestimmt. Der Durchschnittswert wird als repräsentativer Wert zur Verfügung gestellt. Wenn ein Kurzschluss vorliegt, geht das Steuergerät zu Schritt 130 über, andernfalls zu Schritt 132. In Schritt 130 geht das Steuergerät, wenn der repräsentative Wert größer als oder gleich dem vorausbestimmten Fehlerwert ist, zu Schritt 134 über, andernfalls zu Schritt 138. In Schritt 134 inkrementiert bzw. setzt das Steuergerät 18 den repräsentativen Wert herauf. In Schritt 132 dekrementiert bzw. setzt das Steuergerät 18 den repräsentativen Wert für jeden negativen Vergleich bzw. für jeden Ab tastwert, der geringer ist als der vorausbestimmte Fehlerwert, herab. Nach Beendigung der Schritte 132 und 134 geht das Steuergerät zu Schritt 136 über und wartet, im Wesentlichen wie in Schritt 109, das Verstreichen einer Zeiteinheit ab und geht dann zu Schritt 122 über.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Heraufsetzung der Werte in Schritt 134 stärker gewichtet als die Herabsetzung in Schritt 132, so dass für jeden positiven Vergleich der Durchschnittswert heraufgesetzt wird, z.B. um dreizehn (13) und für jeden negativen Vergleich der Durchschnittswert um eins (1) herabgesetzt wird. Dadurch wird der Kühleffekt der Bauteile emuliert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät 18 dazu konfiguriert, in 16 Abtastungen vier Fehlerabtastungen zu detektieren und somit einen Kurzschlusszustand anzuzeigen. Natürlich können zur Bestimmung des repräsentativen Wertes auch andere Verfahren angewandt werden.
Die Schritte 128–134 können auch dazu dienen, wiederholte Kurzschluss- bzw. Fehlerdetektionen von nicht benutzerinitiierten Lastaktivierungsanforderungen zu verhindern. Beispielsweise kann, wenn ein Blinksignal aktiviert wird, der erste EIN-Zustand des Blinklichts zur Detektion eines Kurzschlusszustands führen, wenn ein solcher besteht. Jedes danach erfolgende Aufleuchten des Blinklichts, das der einzelnen Benutzeranforderung zugeordnet wird, wird nicht als ein weiterer Kurzschluss gedeutet. Somit wird die Gesamtanzahl an Kurzschlussaktivierungsdetektionen für eine bestimmte FET-Schaltvorrichtung für jede benutzerinitiierte Anforderung nicht mehr als ein Mal inkrementiert. Bei der Durchführung dieses Vorgangs verwendet das Steuergerät 18 Taktinformationen (timing information) für den Blinker.
Jedem FET-Ausgang ist eine Kurzschlussschutzstrategie und ein definierter Diagnosefehlercode zugeordnet, der vom Steuergerät 18 oder der ECU 16 unterstützt wird. Schaltungsspezifische Diagnosefehlercodes können ein Mal pro Fahrzeugzündung gealtert (aged) werden, wenn die zugeordnete Last aktiviert wird und ein Kurzschluss bei dieser Last nicht besteht. Wenn ein Kurzschluss besteht, werden die schaltungsspezifischen Diagnosefehlercodes nicht gealtert (not aged).
In Schritt 138 führt das Steuergerät mehrere Aufgaben aus. Die FET-Schaltvorrichtungen, bei denen ein Kurzschlusszustand oder ein Fehler detektiert wurde, werden gesperrt. Das Kurzschluss-/Fehlerflag wird auf Kurzschluss (SHORT) gesetzt, wenn ein Kurzschlusszustand detektiert wird und auf Fehler (FAULT), wenn ein anderer Fehler detektiert wird. Das Steuergerät 18 inkrementiert die entsprechende Gesamtanzahl an Kurzschluss- oder Fehlerzustandswerten, als FETShort_Cnt bezeichnet, die den FET-Schaltvorrichtungen zugeordnet sind, in denen ein Kurzschluss od. dgl. detektiert wurde. Außerdem setzt das Steuergerät einen schaltungsspezifischen Diagnosefehlercode und setzt das Rücksetzflag auf Null.
In Schritt 140 geht das Steuergerät 18, wenn der repräsentative Wert nicht gleich null ist, zu Schritt 142 über, andernfalls zu Schritt 150. In Schritt 142 vergleicht das Steuergerät einen FET-Kurzschlusszählwert (FET short count value (FETS-hort_Cnt)), welcher der Gesamtanzahl der tatsächlichen Kurzschlusszustände für jede FET-Schaltvorrichtung entspricht, mit einem auf diesen Wert bezogenen Ein-Drittel-Lebenswert (one-third life value), einem Zwei-Drittel-Lebenswert (two-third life value) und einem Drei-Drittel-Lebenswert (three-third life value). Der Drei-Drittel-Lebenswert ist ein Höchstwert, der gleich einem Lebenserwartungswert, einem vorausbestimmten Höchstwert, der geringer ist als der Lebenserwartungshöchstwert oder einem anderen ähnlichen Wert sein kann. Wenn ein FET-Kurzschlusszählwert entweder gleich dem Ein-Drittel-Lebenswert oder dem Zwei-Drittel-Lebenswert oder dem Drei-Drittel-Lebenswert ist, geht das Steuergerät zu Schritt 144 über, andernfalls zu Schritt 150.
In Schritt 144 werden die entsprechenden FET-Schaltvorrichtungen gesperrt. Die FET-Schaltvorrichtungen bleiben gesperrt, bis die zugeordneten Kurzschlusszu stände beseitigt sind und das Kurzschluss-/Fehlerflag wieder auf einen "Null"-Zustand zurückgesetzt ist. Gemäß einer Beispielausführungsform wird, wenn eine FET-Schaltvorrichtung 20 eine Gesamtanzahl tatsächlicher Kurzschlussdetektionen erreicht, die gleich einer Kurzschlussaktivierungshöchstzahl ist, die FET-Schaltvorrichtung ausgetauscht, was mit einem Austausch der ECU 16 einhergehen kann. Für die gesperrten FET-Schaltvorrichtungen kann das FET-Statusflag auf keine Wiederholung (No-Retry) gesetzt werden. Außerdem kann für die FET-Schaltvorrichtungen oder Treiber, die gesperrt sind, ein Diagnosefehlercode gesetzt werden. Ein Diagnosefehlercode kann auch aus anderen, ähnlichen Gründen gesetzt werden. Zum Beispiel kann basierend auf den FET-Schaltvorrichtungen, für die ein Kurzschlusszustand festgestellt wurde, ein Diagnosefehlercode gesetzt werden, der anzeigt, wo ein Kurzschlusszustand besteht oder bestehen könnte.
In Schritt 146 wird, wenn der FET-Kurzschlusszählwert gleich dem oder größer als der Drei-Drittel-Lebenswert ist, Schritt 148 ausgeführt, andernfalls wird Schritt 150 ausgeführt. In Schritt 148 kann ein Diagnosefehlercode für die ECU gesetzt werden. Die ECU 16, die den FET-Schaltvorrichtungen zugeordnet ist, die ihre maximale Lebenserwartung erreicht haben, wird gesperrt. Dies verhütet Schäden an den FET-Schaltvorrichtungen, der ECU 16, dem Steuergerät 18 und den daran angeschlossenen Schaltungen. Die ECU 16 kann solange gesperrt bleiben, bis die FET-Schaltvorrichtungen ersetzt sind und/oder die ECU 16 ersetzt ist.
In Schritt 150 ist die Wartefrist (wait period) beendet, und die FET-Schaltvorrichtungen werden abhängig von den Ergebnissen der Schritte 140, 142 und 146 in ihrem aktuellen Zustand belassen. Wenn die Ergebnisse der Schritte 140, 142, und/oder 146 negativ sind, werden die FET-Schaltvorrichtungen in einem Freigabemodus belassen, und die entsprechenden Lasten werden ebenfalls in einem EIN-Zustand belassen, andernfalls werden sie in einem Sperrzustand belassen. In Schritt 152 wartet das Steuergerät 18, bis die FET-Testroutine abgeschlossen ist, bevor es versucht, einen weiteren Kurzschluss zustand zu detektieren. In Schritt 154 kehrt das Steuergerät, wenn der Ausgang bzw. die Ausgänge der betreffenden FET-Schaltvorrichtung bzw. FET-Schaltvorrichtungen gesperrt ist bzw. sind und ein neues FET-Testanforderungsflag den Wert Hoch (High) hat, entweder zu Schritt 101 zurück oder zu Schritt 119, oder das Steuergerät 18 kann, wenn ein Diagnosetest angefordert wird, zu Schritt 158 übergehen. Dargestellt ist ein Übergang zu Schritt 119.
In 7 ist ein Logikflussdiagramm gezeigt, das ein Verfahren zum Löschen eines Diagnosefehlercodes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
In Schritt 156 geht das Steuergerät, wenn ein Diagnosetest angefordert wird, zu Schritt 158 über. In Schritt 158 geht das Steuergerät 18, wenn es eine Diagnosetestanforderung oder eine Anforderung zum Löschen eines Diagnosefehlercodes empfängt, zu Schritt 160 über, andernfalls führt das Steuergerät 18 keinen weiteren Schritt aus. Es kann ein Diagnosetestflag auf Löschen ("Clear") gesetzt werden, wenn eine Anforderung empfangen wurde, die eine solche Anforderung anzeigt. In Schritt 160 geht das Steuergerät 18, wenn ein Modul-Diagnosefehlercode eingestellt wurde, womit angezeigt wird, dass eine FET-Schaltvorrichtung den Höchstwert an Fehlern erreicht hat, zu Schritt 190 über, andernfalls zu Schritt 164. Dies verhindert z.B. ein Aktivieren von FET-Schaltvorrichtungen, deren Lebenserwartung abgelaufen ist.
In Schritt 164 werden die FET-Schaltvorrichtungen, die einer im Test befindlichen ECU 16 zugeordnet sind, gesperrt. In Schritt 166 wird ein FET-Testmodus aktiviert. In Schritt 168 werden die Ausgänge der FET-Schaltvorrichtungen, die von einem bestimmten Kurzschluss- oder Fehlerzustand betroffen sind, dem ein bestimmter Diagnosefehlercode zugeordnet ist, aktiviert.
In Schritt 170 verzögert das Steuergerät 18 eine vorausbestimmte FET-Testdauer, bevor es zu Schritt 172 übergeht. Dadurch wird Zeit zur Verfügung gestellt, die zur Detektion ggf. vorhandener Fehler benötigt wird. In Schritt 172 wird der FET-Testmodus gesperrt oder gleich NULL gesetzt. In Schritt 174 wird die normale Steuerung der FET-Schaltvorrichtungen wiederhergestellt.
In Schritt 176 bestimmt das Steuergerät 18, ob ein Diagnosefehlercode vorliegt und ob ein Selbsttest für die einzelnen FET-Schaltvorrichtungen ausgeführt wird. In Schritt 178 bestimmt das Steuergerät 18, ob ein Diagnosefehlercode aufgrund eines Kurzschlusszustands vorliegt. Wenn das Kurzschluss-/Fehlerflag gesetzt wird und das FET-Statusflag auf keine Wiederholung (No-Retry) gesetzt wird, geht das Steuergerät 18 zu Schritt 180 über, andernfalls wird Schritt 186 ausgeführt. In Schritt 180 werden die FET-Schaltvorrichtungen in einem Freigabemodus belassen oder werden freigegeben, und das FET-Statusflag wird auf Wiederholung (Retry) gesetzt.
In Schritt 182 bestimmt das Steuergerät 18, ob der durchgeführte Test ein Selbsttest ist. Wenn ein Selbsttest durchgeführt wird, geht das Steuergerät 18 zu Schritt 184 über, andernfalls geht das Steuergerät 18 zu Schritt 186 über. Mit Selbsttest ist gemeint, dass das Steuergerät 18 oder ein anderes Steuergerät in dem Fahrzeug 12 an einem oder mehreren der elektrischen oder elektronischen Anordnungen und Bauteile innerhalb des Fahrzeugs 12 einen Test initiiert und durchführt. In Schritt 184 werden die FET-spezifischen Diagnosefehlercodes gelöscht. Nach Beendigung von Schritt 184 geht das Steuergerät 18 zu Schritt 186 über.
In Schritt 186 bestimmt das Steuergerät 18, ob die Kurzschluss- oder Fehlerzustände behoben wurden und somit nicht länger bestehen. Wenn die Kurzschluss- und Fehlerzustände behoben wurden, das Kurzschluss-/Fehlerflag auf null gesetzt wurde und ein Selbsttest nicht durchgeführt wird, geht das Steuergerät 18 zu Schritt 188 über, andernfalls geht das Steuergerät zu Schritt 190 über.
In Schritt 188 löscht das Steuergerät 18 die Fahrer-gesperrten Diagnosefehlercodes. In Schritt 190 wird das Diagnosefehlercodetestverfahrensflag auf null gesetzt, was anzeigt, dass der Test beendet ist.
Mit der vorliegenden Erfindung werden zuverlässige Verfahren zur Detektion von Kurzschlusszuständen und Fehlern sowie zur Verhütung von Schäden an FETs, FET-Schaltvorrichtungen und FET-Schaltungen bereitgestellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden FET-Schaltvorrichtungsrückkopplungsstatussignale verwendet und zweckmäßig abgetastet, wodurch dem Steuergerät ein verbesserter Überblick über den Status der Anordnung ermöglicht und eine genaue Kurzschlussdetektion ermöglicht wird.

Claims

FET-Überwachungs- und Schutzanordnung (10), mit: einer FET-Schaltvorrichtung (20) mit: einem FET (22); einem Logikbaustein (57), der elektrisch an den FET (22) gekoppelt ist und ein Rückkopplungsstatussignal (78) erzeugt; und einem Rückkopplungsstatusausgang (26); einem Zähler (60), der bei Bestehen eines tatsächlichen Kurzschlusszustands der FET-Vorrichtung (20) inkrementiert wird; und einem elektrisch an den Rückkopplungsstatusausgang (26) gekoppelten Steuergerät (18), wobei das Steuergerät (18) die Aktivierung des FET (22) gemäß dem Rückkopplungsstatussignal (78) und einem Wert des Zählers (60) ermöglicht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Logikbaustein (57) durch das Erzeugen des Rückkopplungsstatussignals (78) wenigstens eines der folgenden Signale erzeugt: ein Temperaturstatussignal, ein Überstromstatussignal, ein Stromrichtungsstatussignal und ein Spannungsstatussignal.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Logikbaustein (57) das Rückkopplungsstatussignal (78) in Reaktion auf wenigstens einen der folgenden Status erzeugt: ein Gate-Anschlussstatus des FET (22), ein Drain-Anschlussstatus des FET (22) und ein Source-Anschlussstatus des FET (22).
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die FET-Schaltvorrichtung (20) eine einzelne integrierte Halbleiterschaltung ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) den Zähler (60) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) die Aktivierung der FET-Schaltvorrichtung (20) unterbindet, wenn der Wert gleich einer vorausbestimmten Anzahl ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) die Aktivierung der FET-Schaltvorrichtung (20) unterbindet, wenn der Wert gleich einer von mehreren vorausbestimmten Anzahlen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) die Aktivierung der FET-Schaltvorrichtung (20) permanent unterbindet, wenn der Wert gleich einer Kurzschlussaktivierungshöchstzahl ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler (60) bei Vorliegen des tatsächlichen Kurzschlusszustands und eines benutzerinitiierten Vorgangs inkrementiert wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler (60) bei Vorliegen eines falschen Kurzschlusszustands nicht inkrementiert wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler (60) bei Vorliegen eines wiederholten, vom Fahrzeugsystem initiierten Vorgangs nicht inkrementiert wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) den Zähler (60) bei Vorliegen des Rückkopplungsstatussignals (78) inkrementiert.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Statussignalabtaster vorgesehen ist, der gemäß empfangenen Abtastwerten des Rückkopplungsstatusausgangs (26) ein Durchschnittsstatussignal erzeugt, wobei das Steuergerät (18) die Aktivierung des FET (22) in Reaktion auf das Durchschnittsstatussignal unterbindet.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einschaltstoßstromverzögerungsvorrichtung vorgesehen ist, wobei der Statussignalabtaster das Durchschnittsstatussignal nach einer von der Einschaltstoßstromverzögerungsvorrichtung gesetzten vorausbestimmten Verzögerung erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Statussignalabtaster das Durchschnittsstatussignal heraufsetzt, wenn ein einem Kurzschluss äquivalenter Zustand besteht, und herabsetzt, wenn ein einem Kurzschluss äquivalenter Zustand nicht besteht.
Elektronische Fahrzeugüberwachungs- und Schutzanordnung mit: einer elektrisch aktivierten Fahrzeugvorrichtung; und einer elektronischen Steuereinheit mit: einer FET-Schaltvorrichtung mit: einem FET; einem elektrisch an den FET gekoppelten und ein Rückkopplungs statussignal erzeugenden Logikbaustein; einem elektrisch an die elektrisch aktivierte Fahrzeugvorrichtung gekoppelten Ausgang; und einem Rückkopplungsstatusausgang; einem Zähler, der bei Bestehen eines tatsächlichen Kurzschlusszustands der FET-Vorrichtung inkrementiert wird, und mit einem elektrisch an den Rückkopplungsstatusausgang gekoppelten Steuergerät, wobei das Steuergerät die Aktivierung des FET gemäß dem Rückkopplungsstatussignal und einem Wert des Zählers ermöglicht.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät die elektronische Steuereinheit in Reaktion auf das Rückkopplungsstatussignal und den Wert sperrt.
Verfahren zur Überwachung und zum Schutz wenigstens eines FET (22) mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines einem aktuellen Status einer FET-Schaltung (20) entsprechenden Rückkopplungsstatussignals (78); Zählen der Anzahl von Ereignissen, in denen sich die FET-Schaltung (20) in einem Kurzschlusszustand befindet; Zulassen eine Aktivierens des wenigstens einen FET (22) in Reaktion auf das Rückkopplungsstatussignal (78) und das Zählergebnis.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in Reaktion auf das Rückkopplungsstatussignal (78) und das Zählergebnis wenigstens ein Kurzschlusszustand detektiert wird; in Reaktion auf die Detektion wenigstens ein Diagnosefehlercode gesetzt wird; die Aktivierung wenigstens eines der FET (22) unterbunden wird; wenigstens ein Kurzschlusszustand behoben wird; und der Diagnosefehlercode zurückgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zurücksetzen des Diagnosefehlercodes solange zugelassen wird, bis das Zählergebnis gleich einer vorausbestimmten Kurzschlussaktivierungshöchstgrenze ist, und dass eine den wenigstens einen FET (22) aufweisende elektronische Steuereinheit (16) in Reaktion auf das Zählergebnis ausgetauscht wird.