DE102009003206A1

DE102009003206A1 - Vorrichtung zum Detektieren eines Betriebszustands eines Leistungshalbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102009003206A1
Application number: DE102009003206A
Authority: DE
Inventors: Georg Pelz; Michael Lenz; Matthias Kunze
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2009-12-24
Also published as: US20090284305A1; US20110210711A1; US7940034B2; US8436600B2

Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Halbleiterbauelement und einem daran gekoppelten Prozessor. Der Prozessor ist dazu ausgebildet, ein Steuersignal an das Leistungshalbleiterbauelement zum Regeln einer Ausgangscharakteristik der Vorrichtung zur Verfügung zu stellen. Der Prozessor modelliert eine interne Charakteristik des Leistungshalbleiterbauelements und ändert das Steuersignal ab, wenn die modellierte interne Charakteristik einen Schwellwert kreuzt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die interne Charakteristik eine Kanaltemperatur eines MOSFET. Ein Sensor wie etwa ein Thermistor ist mit dem Prozessor verbunden oder in ihm enthalten, um einen Parameter außerhalb des Halbleiterbauelements zu erfassen, wie etwa eine Prozessortemperatur, und der Prozessor ist dazu ausgebildet, die modellierte interne Charakteristik an den erfassten Parameter anzupassen.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein das electronische Schalten und Umwandeln von eletrischer Leistung und verwandte Verfahren, insbesondere eine Vorrichtung mit einem Controller, der dazu ausgebildet ist, ein Leistungshalbleiterbauelement zu schützen.
Ein Leistungswandler ist eine Stromversorgungs- oder Stromverarbeitungsschaltung, die eine Eingangsspannungswellenform in eine spezifizierte Ausgangsspannungswellenform umwandelt. DC-DC-Leistungswandler wandeln eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung um. Ein Leistungswandler enthält im allgemeinen einen Controller zum Verwalten eines internen Betriebs davon durch Steuern einer Leitungsperiode eines darin verwendeten Leistungsschalters. Allgemein ist der Controller zwischen einen Eingang und Ausgang des Leistungswandlers in einer Rückkopplungsschleife gekoppelt.
Der Controller misst in der Regel eine Ausgangscharakteristik (z. B. eine Ausgangsspannung oder einen Ausgangsstrom oder eine Kombination aus einer Ausgangsspannung und einem Ausgangsstrom) des Leistungswandlers und modifiziert ein Tastverhältnis des Leistungsschalters. Das Tastverhältnis des Leistungsschalters ist ein Verhältnis, das durch eine Leitungsperiode des Schalters zu einer Schaltperiode davon dargestellt wird. Wenn ein Schalter für die Hälfte der Schaltperiode leitet, wäre somit das Tastverhältnis für den Schalter 0,5 (oder 50 Prozent). Wenn sich die Erfordernisse für eine an einem Ausgang des Leistungswandlers gekoppelte Last dynamisch ändern (z. B. wenn sich eine Rechenlast auf einem Mikroprozessor ändert oder eine Glühlampe oder eine elektromechanische Einrichtung wie etwa ein Motor eingeschaltet wird), ist der Controller zusätzlich konfiguriert, das Tastverhältnis des Leistungsschalters dynamisch heraufzusetzen oder herabzusetzen, um eine Ausgangscharakteristik wie etwa eine Ausgangsspannung auf einem Sollwert zu halten.
Bei einer beispielhaften Anwendung besitzt ein Leistungswandler die Fähigkeit, eine von einer Eingangsspannungsquelle gelieferte ungeregelte Eingangsspannung, wie etwa 12 Volt, von einem internen Leistungsbus in einen Datenprozessor geliefert, oder eine höhere ungeregelte Spannung, wie etwa 36 Volt, von einer Kraftfahrzeugbatterie in einer modernen Kraftfahrzeuganwendung geliefert, auf eine niedrigere geregelte Ausgangsspannung wie etwa 2,5 Volt umzuwandeln, um eine integrierte Schaltung zu versorgen, oder 12 Volt, um eine Glühlampe oder eine Elektronikschaltung zu versorgen.
Zur Bereitstellung der Spannungswandlungs- und -regelungsfunktionen enthält ein Leistungswandler Leistungsschalter wie etwa Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren („MOSFETs”), die an die Eingangsspannungsquelle gekoppelt sind und die ein reaktives Schaltungselement wie etwa eine Induktionsspule mit einer Schaltfrequenz, die in der Größenordnung von mehreren hundert Kilohertz oder höher liegen kann, periodisch an die Spannungsquelle schalten.
Bei herkömmlichen Leistungswandlerdesigns ist es notwendig, ein bestimmtes Maß an Schutz in dem Leistungswandler gegen Überstrom, Überspannung und Fehlerzustände für empfindliche interne Komponenten wie etwa den Leistungs-MOSFET, sowie eine Steuerstrategie zum Regeln der Ausgangscharakteristik bereit zustellen. Bei der Produktherstellung wird oftmals ein erheblicher Aufwand betrieben, um MOSFET-Fabrikationstechnologien mit zusätzlichen Merkmalen zum Bereitstellen von Schutzmechanismen zu kombinieren. Für bestimmte Schutzmechanismen, z. B. zum Überstromschutz, sind in der Leistungswandlerschaltung zusätzliche Schaltungselemente wie etwa ein Strommesswiderstand enthalten, durch die das Endprodukt sich um einen nennenswerten Betrag verteuern kann, insbesondere für jenes Maß an Genauigkeit, das für solche zusätzliche Schaltungselemente notwendig sein kann. Ein Verstärkerelement (wie etwa ein Operationsverstärker) muss auch in der Schaltung zusammen mit unterstützenden Komponenten zum Messen von z. B. einer Spannung an dem zusätzlichen Schaltungselement enthalten sein. Solche Verstärkerelemente und unterstützende Schaltungskomponenten erhöhen die Kosten eines Endprodukts.
Trotz der Integration solcher schützender Mechanismen in Leistungswandler und in Halbleiterschaltanordnungen kommt es bei Verwendung herkömmlicher Designansätze oft zu unzufriedenstellender Systemleistung und unzufriedenstellendem Schutz. Beispielsweise begrenzt eine Schaltung mit einer Überstrombegrenzung für einen Leistungswandler oder einen an eine Glühlampe gekoppelten Halbleiterschalter oftmals den Strom zu der Lampe, während sie „eingeschaltet” ist. Eine „ausgeschaltete” Glühlampe kann für einen Leistungswandler oder einen Schalter einen Widerstand darstellen, der weniger als ein Zehntel seines Widerstands betragen kann, nachdem der Glühfaden auf eine normale Betriebstemperatur erhitzt ist. Dementsprechend kann der zu einer Glühlast fließende anfängliche Laststrom den eingeschwungenen Laststrom um einen Faktor von zehn oder mehr übersteigen. Ähnliche Anfahrprobleme werden beim Einschalten von anderen Lasten wie etwa elektromechanischen Einrichtungen, z. B. Motoren und Relais, anget roffen. Eine in dem Leistungswandler angeordnete oder mit dem Schalter assoziierte Strombegrenzungsschaltung begrenzt im allgemeinen den Laststrom auf einen Pegel, der üblicherweise nur geringfügig größer ist als der Lastnennstrom der Stromquelle, beispielsweise auf einen Strompegel, der um 20% größer sein kann als der Lastnennstrom. Eine Strombegrenzungsschaltung, die die elektrische Stromquelle vorübergehend abschaltet, erzeugt unnötigerweise unterbrochene Ausgangsstromimpulse, die den Lampenfaden intermittierend erhitzen oder den Betrieb der elektromechanischen Einrichtung initiieren. Eine Strombegrenzungsschaltung, die ein akzeptables Niveau an Stromüberlast für eine kurze Zeitperiode toleriert, z. B. zum Erhitzen des Lampenfadens, würde ein verbesserte Strombegrenzungsanordnung liefern, insbesondere wenn eine substantielle Verzögerung ansonsten der elektrischen Stromquelle auferlegt würde, bevor sie nach einer Unterbrechung erneut gestartet wird.
Die umgekehrte Situation kann sich ergeben, wenn ein Leistungswandler in einer beeinträchtigten Umgebung arbeitet, beispielsweise einer Umgebung, in der eine Umgebungstemperatur höher ist als eine maximale Umgebungsnenntemperatur. Eine gewöhnliche Strombegrenzungsschaltung würde möglicherweise keine Abschaltfunktion liefern, wenn es erforderlich ist, was möglicherweise zu einem sofortigen oder verzögerten Leistungswandler- oder Halbleiterschalterausfall führen kann.
Somit kann ein unnötiges Abschalten oder ein Nichtabschalten eines Leistungswandlers oder eines Halbleiterschalters unpassende Konsequenzen für den Betrieb eines Elektroniksystems haben, beispielsweise eines einen Mikroprozessor enthaltenden Elektroniksystems. Dementsprechend besteht die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe darin, einen verbesserten Ansatz für eine Schutzfunktion zu finden, die die Beschränkungen herkömmlicher Designansätze zum Schutz vermeidet, wodurch man verbesserte Systemzuverlässigkeit und -leistung sowie reduzierte Systemkosten erhält.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. das Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden eine Vorrichtung mit einem Leistungshalbleiterbauelement und einem an das Halbleiterbauelement gekoppelten Prozessor und ein verwandtes Verfahren bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform ist der Prozessor dazu ausgebildet, ein Steuersignal an das Leistungshalbleiterbauelement zum Steuern einer Ausgangscharakteristik der Vorrichtung zu liefern. Der Prozessor modelliert eine interne Charakteristik des Leistungshalbleiterbauelements und ändert das Steuersignal ab, wenn die modellierte interne Charakteristik einen Schwellwert kreuzt. Bei einer Ausführungsform ist ein Sensor an den Prozessor gekoppelt, um einen Parameter außerhalb des Leistungshalbleiterbauelements zu erfassen. Der Prozessor ist dazu ausgebildet, die modellierte interne Charakteristik an den erfassten Parameter anzupassen.
Die Einzelheiten von einer oder mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen und der Beschreibung unten erläutert. Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen. Für ein umfassenderes Verständnis der Erfindung wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm, das einen Rechenfluss zum Schätzen des Drainstroms für einen MOSFET anhand einer erfassten Drain-Source-Spannung und Gate-Source-Spannung zeigt;
2 eine Zuordnungstabelle für eine Reiche von Drainströmen;
3 ein Blockdiagramm eines Prozesses zum Erzeugen eines Überstromsignals zum Begrenzen eines MOSFET-Drainstroms;
4 ein Blockdiagramm eines Prozesses zum Erzeugen eines Übertemperatursignals abhängig von erfassten MOSFET-Drain-Source- und Gate-Source-Spannungen und einer erfassten Temperatur, die entfernt von dem MOSFET erfasst werden kann; und
5 eine vereinfachte Schemazeichnung einer Leistungsfolge eines Leistungswandlers, die die Anwendung der hierin eingeführten Prinzipien veranschaulicht.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten oder Signale mit gleicher Bedeutung.
Die Herstellung und Verwendung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden unten ausführlich erörtert. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte liefert, die in einer großen Vielzahl von spezifischen Kontexten verkörpert werden können. Die erörterten spezifischen Ausführungsformen sind lediglich veranschaulichend für spezifische Wege zum Herstel len und Verwenden der Erfindung und beschränken nicht den Schutzbereich der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wird bezüglich Ausführungsbeispielen in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich einer Vorrichtung, die ein Modell einer internen Charakteristik eines Leistungshalbleiterbauelements enthält, das auf einen begrenzten Wertebereich beschränkt ist. Die Vorrichtung enthält einen auf die modellierte interne Charakteristik reagierenden Controller, der eine Steuerantwort erzeugt, die erhaltene Werte der internen Charakteristik begrenzt.
Die Erfindung kann auf verschiedene Steueranordnungen für eine Vorrichtung angewendet werden, die ein Leistungshalbleiterbauelement enthält, und ist nicht auf die hierin beschriebenen bestimmten Implementierungen beschränkt. Andere Vorrichtungen können in anderen Kontexten unter Verwendung von hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Konzepten gesteuert werden.
Zum Bereitstellen einer präzisen Verwaltung eines Betriebszustands eines Leistungshalbleiterbauelements wie etwa eines MOSFET in einer Vorrichtung wie etwa einem Leistungswandler oder für eine Ein/Aus-Halbleiterschaltanordnung für eine Schaltung ist es im allgemeinen günstig, einen Zustand einer internen Bauelementcharakteristik zu kennen, wie etwa einer Kanal- oder Übergangstemperatur des Leistungshalbleiterbauelements, und auf dieser Basis eine Steuerantwort zu modifizieren oder anzupassen, zum Beispiel eine Steuerantwort, die eine Ausgangscharakteristik der Vorrichtung so regeln kann, dass der Zustand der internen Bauelementcharakteristik innerhalb eines begrenzten Bereichs gehalten wird.
Eine allgemeine Frage beim Vorrichtungsdesign ist die Notwendigkeit, ein Signal bereitzustellen, das die interne Bauelementcharakteristik darstellt. Ein derartiges Signal wird im allgemeinen unter Verwendung einer Erfassungseinrichtung (d. h. Messeinrichtung) wie etwa eines Thermistors oder eines Stromesswiderstands erzeugt, die sich oftmals bei dem Halbleiterschalter, der geschützt werden soll, oder in diesem befinden müssen. Die Verwendung eines derartigen Charakteristike-Erfassungsbauelements und die häufige Notwendigkeit, es bei oder innerhalb des Halbleiterbauelements anzuordnen, erzeugt eine Kostensteigerung in dem Endprodukt. So wie im Folgenden erläutert wird, wird ein ”virtueller Sensor” innerhalb oder bei einem Controller ausgebildet, der separat von dem zu schützenden Halbleiterbauelement angeordnet sein kann, wodurch die Kosten des direkten Erfassens der internen Bauelementcharakteristik vermieden werden.
Die Steuerantwort wird vorteilhafterweise in einer Ausführungsform generiert, die zum Regeln einer Ausgangscharakteristik einen Rückkopplungsprozess verwenden kann. Die Steuerantwort regelt möglicherweise vorübergehend nicht die Ausgangscharakteristik, wenn beispielsweise die Kanaltemperatur in dem MOSFET ansonsten nicht unter einer spezifizierten Grenze gehalten werden kann. Die Steuerantwort sollte ohne Begrenzung einen Strom unter einer Überstromgrenze, eine Spannung unter einer Überspannungsgrenze und eine Bauelementtemperatur unter einer spezifizierten grenze halten. Eine Überstromgrenze oder ein anderer Betriebsparameter der Vorrichtung kann als Reaktion auf einen Betriebszustand einer internen Bauelementcharakteristik adaptiv justiert werden, um ein gewünschtes Maß an Zuverlässigkeit der Vorrichtung zu gewährleisten.
Wie hier eingeführt ist in einer Vorrichtung ein Prozess implementiert, um einen internen (oder aus anderen Gründen) unbeobachtbaren (einschließlich eines schlecht beobachtbaren) Zustands eines Halbleiterbauelements wie etwa eines MOSFET zu modellieren, bei dem es sich um ein standardmäßiges, serienmäßig produziertes Bauelement handeln kann, wobei Informationen verwendet werden, die an einem externen Anschluss oder an einer Oberfläche des Bauelements erfasst werden können. Bei einer Ausführungsform wird zum Modellieren oder anderweitigen Darstellen der internen oder anderweitig unbeobachteten Charakteristik des Halbleiterbauelements eine Digitalschaltung, ein analoger Computer, ein konfigurierbares Zustandsautomat (”state machine”), ein Mikrocontroller, ein digitaler Signalprozessor oder eine Kombination davon verwendet, wobei zum Beispiel ein Modell der Bauelementcharakteristik verwendet wird, das ein stark vereinfachtes Modell sein kann. Das stark vereinfachte Modell kann durch eine Spline-Kurvenanpassung, eine Nachschlagetabelle (”look-up table”) oder andere Mittel zum Darstellen von Daten über einen Wertebereich dargestellt werden. Das Modell kann in dem Sinne adaptiv sein, dass seine Parameter angesichts weiterer Daten, die die Vorrichtung oder ihren Betrieb beschreiben und die gemessen werden können, justiert werden können. Die Darstellung der internen oder anderweitig unbeobachteten Bauelementcharakteristik wird von einem Controller verwendet, um eine Steuerantwort anzupassen oder abzuändern, um ein gewünschtes Maß an Schutz für die Vorrichtung aufrechtzuerhalten. Weiterhin kann man durch das Modellieren einer internen Bauelementcharakteristik ein höheres Bauelementschutzniveau erhalten, als es erhalten werden kann, wenn nur eine externe Bauelementcharakteristik erfasst wird, wie etwa eine MOSFET-Drain-Source-Spannung, ein Ausgangsstrom der Vorrichtung oder eine externe Bauelementtemperatur. Dementsprechend kann das Modellieren einer internen Bauelementcharakteristik (wie z. B. die Kanaltemperatur eines MOSFETs) vorteilhafterweise ein höheres Bauelementschutzniveau angesichts einer Bauelementbetriebsgrenze liefern, wie etwa einer thermischen Grenze, die funktional zu einem Betriebsparameter der Vorrichtung in Bezug stehen kann. Durch Darstellen einer internen Bauelementcharakteristik durch Modellieren kann beispielsweise eine Steuerantwort an eine sich ändernde Wärmeumgebung einer Vorrichtung und an die von der Zeit abhängende Antwort der Bauelementcharakteristik bezüglich eines begrenzenden Werts dafür angepasst werden. Auf diese Weise können unnötige Leistungswandlerantworten wie etwa Abschaltvorgänge vermieden werden und auch notwendige Abschaltvorgänge in einer beeinträchtigten Umgebung wie etwa einem blockierten Kühlgebläse oder einem Ausfall einer Klimaanlage bereitgestellt werden.
Eine modellierte Bauelementcharakteristik kann an einem beliebigen gewählten Zeitpunkt derart dargestellt werden, wie etwa einer vorhergesagten Zeit geringfügig jenseits einer Echtzeitberechnung, und alternative Steuerantworten können angesichts der modellierten/vorhergesagten Bauelementcharakteristik verglichen werden. Leistungsgrenzen für einen Leistungswandler oder eine andere Vorrichtung, die üblicherweise von einer unzugänglichen Bauelementcharakteristik abhängen, z. B. einer Kanaltemperatur, einer Änderungsrate davon oder sogar einer Beschleunigung einer Parameteränderung, können dadurch zuverlässig erzwungen werden. Als Reaktion auf die modellierte Bauelementcharakteristik kann durch Abarbeiten einer entsprechenden Softwareroutine vorteilhafterweise eine linearisierte oder temperaturkompensierte Antwort konstruiert werden.
In der Erkenntnis, dass Modellierungskapazitäten durch Leis tungscharakteristiken eines digitale Signale verarbeitenden Bauelements und durch Modellparameterungenauigkeit begrenzt sein können, ist die Komplexität eines ein Halbleiterbauelement wie etwa einen MOSFET darstellenden Modells ein Ergebnis von Kompromissen bei seinem Design sowie eine Notwendigkeit für verschiedene Modellierungsdesignansätze. Beispielsweise kann ein vereinfachtes Modell einer Strom-Spannungs-Charakteristik eines MOSFET eingesetzt werden, um einen MOSFET-Drainstrom als Funktion seiner zeitlich variierenden Drain-Source-Spannung und seiner Gate-Source-Spannung zu liefern. Die jeweiligen Gleichungen für ein derartiges Modell sind im allgemeinen in der Technik bekannt und werden regelmäßig in Schaltungssimulatoren verwendet. Im Interesse der Kürze werden sie hier nicht betrachtet.
Um für das Modellieren einer Bauelementcharakteristik einen höheren Grad an Getreue zu liefern, können zu dem hier verwendeten Bauelementmodell elektrische Störeffekte addiert werden. Zum Beispiel kann in dem Bauelementmodell zur Berechnung von MOSFET-Strom-Spannungs-Charakteristiken der parasitäre Widerstand von an einen MOSFET – Die gekoppelten chipinternen Drähten oder eine Miller-Kapazität aufgenommen werden. Formen von jeweiligen Gleichungen für parasitäre Schaltungsparameter wie spannungsabhängige Miller-Kapazitäten sind wohlbekannt und können ohne weiteres in einer Bauelementdarstellung implementiert werden.
Es ist allgemein anerkannt, dass beim Design einer Vorrichtung, die eine Leistungselektronik enthält, Wärmefragen eine signifikante Rolle spielen. Einen Wärmefluss zwischen einer Wärmequelle und einem Kühlkörper darstellende Gleichungen und eine assoziierte zeitlich variierende Wärmeantwort können in ein Modell aufgenommen werden, um einen Schätzwert einer MOSFET-Kanal-Temperatur zu liefern, insbesondere wenn die Wärmecharakteristiken des Wärmewegs im voraus bekannt sind und sich mit der Zeit nicht substantiell ändern. Die resultierende Wärmeantwort des Bauelements kann beim Herstellen eines Steuersignals für die Vorrichtung berücksichtigt werden.
Einen Übergang herzustellen von der Verwendung einer einfachen Strom-Spannungs-Bauelementcharakteristik für ein Vorrichtungsdesign bis zum Aufnehmen eines Modells einer internen Bauelementcharakteristik, die geschützt werden soll, stellt einen neuen Vorrichtungsdesign-ansatz dar. Indem eine Modellierung einer ausgewählten Bauelementcharakteristik eingesetzt wird, kann eine Bauelementcharakteristik, die zuvor unzugänglich war, nun in Verbindung mit beobachtbaren Bauelementcharakteristiken verwendet werden, um einen Grad an Kontrolle zu liefern, der einen höheren Grad an Bauelementschutz und reduzierte Kosten für das Endprodukt liefert. Die Bauelementmodellierung kann, wie oben erörtert, so einfach sein wie eine Kurvenanpassung oder eine Nachschlagetabelle.
Zur Darstellung einer internen Charakteristik eines Leistungshalbleiterbauelements wie etwa eines MOSFET kann ein Auflöser für nichtlineare Gleichungen offline verwendet werden, um repräsentative Bauelementcharakteristiken zu generieren. Explizite Gleichungsrechner wie etwa Matlab^TM/Simulink^TM und andere stehen zur Verfügung und können zum Simulieren eines internen Bauelementparameters verwendet werden. Die Ergebnisse können dann beispielsweise mit einer Nachschlagetabelle oder einer Kurvenanpassung, wie oben erörtert, unter Verwendung von in der Technik wohlbekannten Verfahren dargestellt werden.
Ein zum Darstellen einer internen Echtzeitcharakteristik eines MOSFET verwendeter Modellierungsparameter kann angesichts einer gemessenen Charakteristik wie etwa eines Einschaltwiderstands einer Population von MOSFETs in Verbindung mit einem erfassten Parameter der physischen Umgebung justiert werden. Eine derartige Justierung eines Modellparameters kann als Antwort auf die gemessene Populationscharakteristik erfolgen oder kann in Echtzeit als Reaktion auf einen erfassten Parameter der physischen Umgebung erfolgen, um eine verbesserte Modellierungsgenauigkeit für die ausgewählte Charakteristik zu liefern.
Zusätzlich zu einem Mikrocontroller, einem Digitalsignalprozessor usw., der verwendet werden kann, um ein Modell für eine Bauelementcharakteristik durchzuführen, können in einer Vorrichtung gewisse zusätzliche Hardware- und Designmerkmale aufgenommen werden. Beispielsweise kann ein Mikrocontroller, ein Digitalsignalprozessor usw., der die Modellierung durchführt, so ausgelegt werden, dass man eine schnelle Antwort zum Steuern der Vorrichtung erhält, z. B. dass man eine zeitkritische Schutzantwort erhält. Beispielsweise kann eine schnelle Wertänderung bei einem Eingangsparameter für ein Halbleiterbauelement parallel mit einem Hauptverarbeitungsweg detektiert werden, so dass eine verwandte Aktion gegebenenfalls in einem ausreichend kurzen Zeitintervall ausgeführt werden kann. Sich wiederholende komplexe Berechnungen können als spezielle Befehlsanweisungen einer zugrundeliegenden konfigurierbaren Zustandsmaschine ausgebildet werden, d. h. eines Mikrocontrollers, Digitalsignalprozessors usw. Abgesehen von Gleichungen, die in dem Modell berechnet werden, kann eine tabellenbasierte Implementierungstechnik verwendet werden, um eine verwandte Funktionalität zu liefern. Eine Tabelle kann beispielsweise eine gewisse Strom-Spannungs-Charakteristik liefern, wie weiter unten eingehender beschrieben.
Zur Bereitstellung eines ersten Implementierungsbeispiels unter Verwendung eines Allzweckmikrocontrollers oder eines anderen digitale Signale verarbeitenden Bauelements werden Strom-Spannungs-Charakteristiken eines MOSFET in einer Tabelle, z. B. in einem EPROM, einem EEPROM oder einem ROM eines Mikrocontrollers gespeichert.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform dargestellt, das einen Rechenfluss zum Erhalten eines Drainstroms für einen MOSFET aus einer erfassten Drain-Source-Spannung und Gate-Source-Spannung zeigt. Der in 1 dargestellte Prozessfluss ist wie folgt:

101: Erhalten einer gegenwärtigen Drain-Source-Spannung V_ds und Gate-Source-Spannung V_gs.
102: Berechnen von benachbarten Tabellenadressen für diese Spannungen.
103: Ausführen einer Interpolation für die erhaltenen Werte.
104: Konstruieren des mit der Drain-Source- und Gate-Source-Spannung assoziierten Drainstroms I_d durch Simulation oder Modellierung.

Nunmehr unter Bezugnahme auf 2 ist eine Ausführungsform einer beispielhaften Speicherkarte für eine Tabelle von Drainströmen dargestellt, bei denen eine Speicheradresse zu einer jeweiligen Speicherzelle weist, die einen verwandten Wert für einen Drainstrom I_d hält. Beispielsweise würde das Ergebnis für eine Drain-Source-Spannung V_ds = 10,3 Volt und eine Gate-Source-Spannung V_gs = 8,7 Volt durch Interpolation von Werten in den assoziierten Speicherzellen erzeugt werden, d. h. die vier Speicherzellen, die mit Drain-Source-Spannungen von 10 und 11 Volt und Gate-Source-Spannungen von 8 und 9 Volt assoziiert sind.
Zusätzlich zu einer Tabellendarstellung von Werten für einen Drainstrom I_d kann auch eine nichtlineare Darstellung von MOSFET-Drainstromgebieten mit Charakteristiken verwendet werden, die einen hohen Gradienten an Antworten aufweisen.
Eine Ausführungsform eines Prozesses wird nun für den Schutz eines MOSFET-Übertemperaturzustands beschrieben, bei dem der MOSFET-Drainstrom als Antwort auf eine modellierte Kanaltemperatur gegebenenfalls begrenzt oder abgeschaltet wird. Eine Vorrichtungssteuerstrategie wird angesichts des Temperaturheadroom zwischen modellierter Kanaltemperatur, der Änderungsrate der Kanaltemperatur und einer spezifizierten Temperaturgrenze justiert. Es wird in Betracht gezogen, dass ein Lastzustand und andere Faktoren ebenfalls bei der Berechnung verwendet werden können. Auf diese Weise kann eine maximale interne Betriebstemperatur eines Bauelements, das schnellen Bauelementparameteränderungen unterworfen ist und die nicht beobachtet werden kann, sicher begrenzt werden. Eine adaptive Regelung des MOSFET-Drainstroms kann somit als Reaktion auf die modellierte Bauelementtemperatur geliefert werden.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 3 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Prozesses zum Erzeugen eines Überstromsignals I_oc zum Begrenzen eines MOSFET-Drainstroms dargestellt. Der Prozess verwendet eine beispielhafte Architektur auf der Basis von Analog-Digital-Wandlern („ADCs”) 301 und 302 zum Erfassen der MOSFET-Drain-Source-Spannung V_ds und MOSFET-Gate-Source-Spannung V_gs und eine digitale Logik (in Blöcken 303, 305 und 306), an einem nichtflüchtigen Speicher (in Block 304) gekoppelt. Der Prozess berechnet das Überstromsignal I_oc. Der Block Eingangskonditionierungsadresserzeugung 303 filtert von Analog-Digital-Wandlern 301 und 302 erzeugte digitale Daten, die erfasste Spannungen darstellen, und identifiziert Adressen Adr im nichtflüchtigen Speicher 304, wo erfasste Spannungsdaten gespeichert werden sollen. Die erfassten Spannungsdaten werden in dem Block Drainstromschätzer 305 mit Gleichungen verwendet, die ein MOSFET-Modell darstellen, um eine Zeitsequenz von MOSFET-Drainstromdaten zu erzeugen. Bevorzugt erzeugt der Block Drainstromschätzer 305 MOSFET-Drainstromdaten aus einer beliebigen der gewöhnlich erhältlichen analytischen Darstellungen des MOSFET-Drainstroms, da er von Gate-Source- und Drain-Source-Spannungen abhängt. Das Überstromsignal I_oc wird dadurch als Reaktion auf die erfasste Drain-Source- und Gate-Source-Spannung des MOSFET erzeugt.
Als Beispiel zum Schätzen der MOSFET-Kanaltemperatur T_ch kann die Gleichung unten zum Schätzen der in dem Kanal abgeleiteten Solleistung p(t) verwendet werden, p(t) = Ids·Vds,wobei I_ds der MOSFET-Drainstrom und V_ds die MOSFET-Drain-Source-Spannung ist. Die in dem MOSFET abgeleitete Leistung p(t) wird wie durch die Gleichung unten dargestellt dazu verwendet, die Ableitung der MOSFET-Kanaltemperatur T_ch(t) als Funktion der Temperaturdifferenz zwischen der MOSFET-Kanaltemperatur und einer angenommenen Temperatur T_amb der Umgebung auszudrücken:
In der obigen Gleichung ist R_th der Wärmewiderstand des Wegs von dem Kanal zur Umgebung und c bzw. m ist eine spezifische Wärme und eine Masse, die für die thermische Antwort des MOSFET-Kanals repräsentativ sind. Die obige Gleichung kann integriert werden, um einen aktuellen Wert für die Schätzung der Kanaltemperatur T_ch zu erzeugen. Unter Verwendung eines Prozesses wie etwa durch die obigen Gleichungen dargestellt kann somit eine schnell fluktuierende Kanaltemperatur geschätzt werden, die anderweitig mit einem gewöhnlichen Wärmeerfassungsbauelement wie etwa einem Thermistor, der außerhalb des MOSFET angeordnet ist, nicht beobachtet werden könnten.
Die vorhergesagte Temperatur T_{ch_P} des MOSFET-Kanals zu einem Zeitpunkt von ΔT Sekunden kurz in der Zukunft, wie etwa einigen wenigen Millisekunden in der Zukunft, kann anhand der folgenden Gleichung vorhergesagt werden: Tch_P = Tch + ddt Tch·ΔT.
Eine Überstromgrenze I_oc wie etwa durch den Block Überstromentscheidung 306 in 3 erzeugt kann dann als Reaktion auf die vorhergesagte Kanaltemperatur T_{ch_P} justiert werden, beispielsweise durch folgende Gleichung: ddt Ioc = –k·(Tch_P – Tch_LIMIT – ΔTh),wobei T_{ch_LIMIT} eine größte zulässige Kanaltemperatur für das Bauelement, k eine Proportionalitätskonstante und ΔT_h ein Temperaturheadroom sind, die verwendet werden können, um einen Grad an Vorrichtungszuverlässigkeit zu liefern. Die Überstromgrenze wird dementsprechend angesichts der vorhergesagten Kanaltemperatur adaptiv justiert.
Wenngleich die Beschreibung des obigen Prozesses darauf ausgerichtet ist, die Temperatur eines MOSFET-Kanals darzustellen, ist sie nicht inherent auf die Darstellung der Temperatur (oder einer anderen Charakteristik) eines einzelnen Bauelements beschränkt. Sie und die weitere Erörterung unten können ohne weiteres unter Verwendung von in der Technik wohlbekannten Verfahren adaptiert werden, um mehrere MOSFET-Kanäle und/oder mehrere Halbleiterbauelemente darzustellen.
Die obige Gleichung wird integriert, um einen aktuellen Wert für die Überstromgrenze I_oc zu finden. Die folgende Gleichung kann eingesetzt werden, um einen größten oberen Wert I_{oc_max} für die Überstromgrenze zu liefern, um einen weiteren schützenden Prozess zum Erzielen einer Vorrichtungszuverlässigkeit zu liefern: Ioc ≤ Ioc_max.
Der in 3 gezeigte Block Überstromentscheidung 306 berechnet somit ein Überstromsignal I_oc, das den Ausgangsstrom des Leistungswandlers adaptiv begrenzt.
Das nächste Beispiel beschreibt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das einen Überstrom- und Übertemperaturschutz für eine Vorrichtung einschließlich der Erfassung von chipexterner Temperatur liefert. Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 wird ein Blockdiagramm eines Prozesses zum Erzeugen eines Übertemperatursignals 407, wie etwa der vorhergesagten MOSFET-Kanaltemperatur T_{ch_P}, als Reaktion auf erfasste MOSFET-Drain-Source- und -Gate-Source-Spannungen und eine erfasste chipexterne Temperatur T_{off_chip} dargestellt. Der Prozess verwendet wieder eine beispielhafte Architektur auf der Basis von Analog-Digital-Wandlern 301 und 302 zum Erfassen der MOSFET-Drain-Source-Spannung V_ds und Gate-Source-Spannung V_gs, wie hierin oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Der ADC-Wandler 406 erfasst die chipexterne Temperatur mit einem Thermistor, der in der Nähe des oder bei dem MOSFET angeordnet ist.
Eine Digitallogik (Blöcke 403, 404, 405 und 406) und ein richtflüchtiger Speicher (z. B. ähnlich dem in 3 gezeigten Block 304, aber nicht in 4 gezeigt) werden verwendet, um die vorhergesagte MOSFET-Kanaltemperatur T_{ch_P} zu berechnen. Der Block Eingangskonditionierung 403 filtert die von den Analog-Digital-Wandlern 301 und 302 erzeugten Daten und identifiziert Adressen im nichtflüchtigen Speicher 304, wo die erfassten Spannungsdaten gespeichert werden sollen.
Zum Schätzen der Kanaltemperatur T_ch wird die abgeleitete MOSFET-Leistung p(t) wie hier oben zuvor beschrieben berechnet, und der Wärmewiderstand R_th des Wegs von dem Kanal zu der Umgebung wird dazu verwendet, den Wärmefluss aus dem Kanal heraus zu der Umgebung darzustellen. Die Temperatur der Umgebung spiegelt die tatsächliche Wärmeumgebung der Vorrichtung wider, da sie durch den Betrieb von Kühlventilatoren und Klimaanlagen beeinflusst wird.
Ein Mikroprozessor, DSP oder eine andere digitale Schaltung, ohne Beschränkung, kann für die Berechnung verwendet werden. Eine Änderungsrate einer Bauelementtemperatur wie etwa eine Kanaltemperatur ist im allgemeinen im Vergleich zu einer Änderungsrate von extern erfassten Bauelementspannungen und der Berechnungsrate, die mit digitaler Berechnung durchgeführt werden kann, langsam. In 4 ist der Block DSP-Kern 404 ein Digitalprozessor, der diese Berechnung bevorzugt mit schnellen Signalverarbeitungsstrukturen wie etwa einer schnellen Multiplizieroperation durchführt.
Der in 4 dargestellte schnelle Reaktionsschaltungsweg umgeht den Weg der digitalen Berechnung, wenn dieser Weg bei der Ausführung zum Bereitstellen einer schnellen Antwort zu langsam ist, beispielsweise zu einem steilen Stromanstieg, der eine interne Bauelementtemperatur oder eine andere Bauelementeigenschaft beeinträchtigen kann. Wenn ein schneller Stromanstieg detektiert wird, dann kann eine vorbestimmte oder schnell berechnete Stromgrenze für die Eingabe in dem Block Übertemperaturentscheidung 405 erzeugt werden, wodurch die detailliertere Berechnung im Bauelementmodell umgangen wird.
Der Block Übertemperaturentscheidung 405 erzeugt ein Überstromsignal I_oc, beispielsweise wie zuvor oben beschrieben, um eine Grenze für den Leistungswandlerausgangsstrom zu liefern.
Zusätzlich zur Modellierung einer internen Bauelementcharakteristik kann ein weiteres Testen von möglichen Steuerantworten, bevorzugt in Echtzeit, von einem Leistungswandlercontroller durchgeführt werden, um den Effekt auf eine Last durch Erzwingen einer modellierten Steuerantwort und Beobachten von modellierten Lastantworten sowie der Antwort einer internen Bauelementcharakteristik zu beurteilen. Eine Steueraktion kann ausgewählt werden, die eine geeignete Steuerung einer Vorrichtungsausgangscharakteristik liefert und dabei eine unbeobachtbare interne Bauelementcharakteristik unter einem Grenzwert aufrechterhält.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 5 ist ein vereinfachtes Schemadiagramm einer Ausführungsform eines Leistungszugs eines Leistungswandlers 500 dargestellt, das die Anwendung von hierin eingeführten Prinzipien veranschaulicht. Der Leistungswandler enthält einen Controller 520, der eine Leistungswandlerausgangscharakteristik wie etwa eine Ausgangsspannung regelt. Der Leistungswandler enthält weiterhin einen Hauptleistungsschalter Q_mn, mit einem Leistungs-MOSFET implementiert. Der Leistungswandler enthält weiterhin ein Modell (das mit einer Nachschlagetabelle, einer Kurvenanpassung usw. ausgebildet sein kann) in Block 530, das einen Schätzwert der Kanaltemperatur des Hauptleistungsschalters Q_mn erzeugt. Der Schätzwert jeder MOSFET-Kanaltemperatur wird auf Leitung 571 an den Controller 520 geliefert. Der Leistungswandler liefert Leistung an ein System/eine Last (nicht gezeigt), das oder die an Ausgangsanschlüsse 540 und 541 gekoppelt ist. Während der Leistungszug in der dargestellten Ausführungsform eine Buck-Wandler-Topologie verwendet, sollte der Fachmann verstehen, dass andere Wandlertopologien durchaus innerhalb des breiten Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen. Der Leistungswandler enthält einen Prozessor 510, der die Operationen des Controllers und des Modells durchführt.
Der Leistungszug des Leistungswandlers erhält eine Eingangsspannung V_in von einer elektrischen Leistungsquelle (durch eine Batterie 550 dargestellt) an einem Eingang davon und liefert eine geregelte Ausgangsspannung V_out oder eine andere Ausgangscharakteristik an den Ausgangsanschlüssen 540 und 541. In Übereinstimmung mit den Prinzipien einer Buck- Wandler-Topologie ist die Ausgangsspannung V_out im allgemeinen kleiner als die Eingangsspannung V_in, so dass eine Schaltoperation des Leistungswandlers die Ausgangsspannung V_out regeln kann.
Während eines ersten Abschnitts D eines Hochfrequenzschaltzyklus wird der Hauptleistungsschalter Q_mn (z. B. ein p-Kanal-MOSFET) als Reaktion auf ein Gateansteuersignal S_D für ein Primärintervall zum Leiten freigegeben, wodurch die Eingangsspannung V_in an eine Ausgangsfilterinduktionsspule L_out gekoppelt wird. Während des ersten Abschnitts D des Schaltzyklus nimmt ein durch die Ausgangsfilterinduktionsspule L_out fließender Induktionsspulenstrom I_Lout zu, wenn Strom von dem Eingang zu dem Ausgang des Leistungszugs fließt. Eine Wechselstromkomponente des Induktionsspulenstroms I_Lout wird von dem Ausgangskondensator C_out gefiltert.
Während eines zweiten Abschnitts 1-D des Schaltzyklus macht der Schalter Q_mn einen Übergang zu einem nichtleitenden Zustand, und ein an die Ausgangsfilterinduktionsspule L_out gekoppelter Hilfsleistungsschalter Q_aux (z. B. ein n-Kanal-MOSFET) wird als Reaktion auf ein Gateansteuersignal S_1-D zum Leiten freigegeben. Der Hilfsleistungsschalter Q_aux liefert einen Weg zum Aufrechterhalten der Kontinuität des durch die Ausgangsfilterinduktionsspule L_out fließenden Induktionsspulenstroms I_Lout. Natürlich würde ein Schaltungsweg, der von einer Diode geliefert wird, die eine Körperdiode eines MOSFET sein könnte, in die Schaltung aufgenommen werden, um die Kontinuität des Stromflusses durch die Ausgangsfilterinduktionsspule L_out sicherzustellen, wenn alle aktiven Leistungsschalter zum Leiten blockiert werden sollten. Während des zweiten Abschnitts 1-D des Schaltzyklus nimmt der durch die Ausgangsfilterinduktionsspule L_out fließende Induktionsspulen strom I_Lout ab. Im allgemeinen kann das Tastverhältnis des Hauptleistungsschalter Q_mn und des Hilfsleistungsschalter Q_aux justiert werden, um die Ausgangsspannung V_out des Leistungswandlers zu regeln. Der Fachmann sollte jedoch verstehen, dass die Leitungsperioden für die beiden Leistungsschalter durch ein kleines Zeitintervall getrennt sein können, um eine Querleitung dazwischen zu vermeiden und vorteilhafterweise die mit dem Leistungswandler assoziierten Schaltverluste zu reduzieren.
Der Controller 520 des Leistungswandlers erhält die Ausgangsspannung V_out des Leistungswandlers und ist an eine Sollausgangscharakteristik wie etwa eine Sollsystemspannung V_system gekoppelt. Bei einem geschalteten Leistungswandler wie etwa dem unter der Bezugnahme auf 5 dargestellten und beschriebenen Buck-Leistungswandler bestimmt das Tastverhältnis D des Hauptleistungsschalters Q_mn das eingeschwungene Verhältnis einer Leistungswandlerausgangsspannung V_out zu seiner Eingangsspannung V_in. Insbesondere bestimmt für eine in einem kontinuierlichen Leitungsmodus arbeitende Buck-Leistungswandler-Typologie das Tastverhältnis das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsspannung (wobei bestimmte Verluste innerhalb des Leistungswandlers außer acht gelassen werden) gemäß der Gleichung: D = Vout/Vin.
Bei einer alternativen Leistungswandlertypologie wie etwa einer Boost-Topologie kann das Tastverhältnis das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsspannung gemäß einer anderen Gleichung bestimmen.
Das MOSFET-Modell 530 ist an ein Temperaturerfassungselement 570 gekoppelt, das bevorzugt in dem Prozessor 510 enthalten ist oder dabei angeordnet ist. Indem das Temperaturerfassungselement in den Prozessor 510 aufgenommen wird oder indem es sich dabei befindet und die Temperaturantwort des Halbleiterbauelements modelliert wird, wird dadurch ein virtueller Temperaturerfassungsmechanismus erzeugt. Dadurch werden vorteilhafterweise die Kosten eines Temperaturerfassungsbauelements in thermischem Kontakt mit dem Halbleiterbauelement vermieden. Das Temperaturerfassungselement 570 kann mit einem Thermistor oder einem anderen Temperaturerfassungsbauelement implementiert werden. Das MOSFET-Modell 530 ist auch an Signale gekoppelt, die Betriebscharakteristiken der Schaltung erfassen, wie etwa die Ausgangsspannung V_out, den Strom in der Ausgangsfilterinduktionsspule L_out (mit dem Stromsensor 560 erfasst) und das Gateansteuersignal für den Hauptleistungsschalter Q_mn. Das MOSFET-Modell 530 erzeugt einen Schätzwert der Kanaltemperatur des Hauptleistungsschalters Q_mn auf der Leitung 571 aus diesen Signalen, wie beispielsweise hier oben zuvor beschrieben. Der Controller 520 Erzeugt die Steuersignale S_D und S_1-D zum Aufrechterhalten der Kanaltemperatur des Hauptleistungsschalter Q_mn unter einer Temperaturgrenze. Beispielsweise kann der Ausgangsstrom (oder ein Strom in der Ausgangsfilterinduktionsspule) auf der Basis des Erfassens eines Stroms begrenzt oder gestoppt werden, der die wie hierin oben zuvor beschrieben berechnete Stromgrenze übersteigt. Die Schaltaktion, d. h. das Tastverhältnis, des Hauptleistungsschalters (und die eines Hilfsleistungsschalter) kann blockiert werden, um den Vorrichtungs/Leistungswandlerausgangsstrom zu begrenzen oder zu stoppen.
Das Konzept zum Modellieren einer internen Charakteristik eines Leistungshalbleiterbauelements in einer Vorrichtung und Abändern eines Steuersignals dafür, wenn die modellierte in tere Charakteristik einen Schwellwert kreuzt, wurde eingeführt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Leistungshalbleiterbauelement als ein oberseitiger Schalter oder ein unterseitiger Schalter betrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein an das Leistungshalbleiterbauelement gekoppelter Prozessor konfiguriert, ein Steuersignal dafür zu liefern, um eine Ausgangscharakteristik der Vorrichtung zu regeln. Bei einer Ausführungsform modelliert der Prozessor eine interne Charakteristik des Leistungshalbleiterbauelements und ändert das Steuersignal ab, wenn die modellierte interne Charakteristik einen Schwellwert kreuzt. Bei einer Ausführungsform blockiert der Prozessor die Leitfähigkeit des Leistungshalbleiterbauelements, wenn die modellierte interne Charakteristik einen Schwellwert kreuzt. Bei einer Ausführungsform ist die Vorrichtung ein Leistungswandler. Bei einer Ausführungsform ist das Leistungshalbleiterbauelement ein MOSFET, und die interne Charakteristik ist eine Kanaltemperatur des MOSFET. Bei einer Ausführungsform enthält die interne Charakteristik eine zeitliche Ableitung eines bauelementinternen Parameters wie etwa eine zeitliche Ableitung einer Kanaltemperatur. Bei einer Ausführungsform ist der Prozessor ein digitaler Prozessor.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein Sensor an den Prozessor gekoppelt, und der Sensor ist konfiguriert, einen Parameter außerhalb des Leistungshalbleiterbauelements zu erfassen. Bei einer Ausführungsform befindet sich der Sensor innerhalb des oder bei dem Prozessor. Der Prozessor ist konfiguriert, die modellierte interne Charakteristik an den erfassten Parameter anzupassen. Bei einer Ausführungsform ist der Sensor ein Thermistor. Bei einer Ausführungsform begrenzt der Prozessor einen Ausgangsstrom der Vorrichtung als Reaktion auf die modellierte interne Charakteristik. Der Prozessor kann einen Ausgangsstrom der Vorrichtung als Reaktion auf die modellierte interne Charakteristik auf eine höchste Obergrenze begrenzen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert ein Verfahren zum Steuern eines Leistungshalbleiterbauelements in einer Vorrichtung. Das Leistungshalbleiterbauelement kann eine Ausgangscharakteristik der Vorrichtung regeln oder es kann ein oberseitiger oder unterseitiger Schalter sein, der konfiguriert ist, einen Stromfluss in einer Schaltung freizugeben oder zu blockieren. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Modellieren einer internen Charakteristik des Leistungshalbleiterbauelements und Abändern eines Steuersignals dafür, wenn die modellierte interne Charakteristik einen Schwellwert kreuzt. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Koppeln eines Sensors, der ein Thermistor sein kann, an den Prozessor und das Erfassen eines Parameters außerhalb des Leistungshalbleiterbauelements. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Konfigurieren des Prozessors, um die modellierte interne Charakteristik an den erfassten Parameter anzupassen. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Begrenzen eines Ausgangsstroms der Vorrichtung als Reaktion auf die modellierte interne Charakteristik. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Begrenzen eines Ausgangsstroms der Vorrichtung auf eine höchste Obergrenze als Reaktion auf die modellierte interne Charakteristik.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Ausbilden der Vorrichtung als Leistungswandler. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Verwenden eines MOSFET für das Leistungshalbleiterbauelement. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Modellieren einer Kanaltemperatur des MOSFET als die interne Charakteristik. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Verwenden eines digitalen Prozessors für den Prozessor. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Blockieren der Leitfähigkeit des Leistungshalbleiterbauelements, wenn die modellierte interne Charakteristik einen Schwellwert kreuzt. Bei einer Ausführungsform enthält die interne Charakteristik eine zeitliche Ableitung eines bauelementinternen Parameters wie etwa die zeitliche Ableitung einer Kanaltemperatur.
Wenngleich ein Prozessor, der eine interne Charakteristik eines Leistungshalbleiterbauelements modelliert, um eine zuverlässige Steuerung davon zu ermöglichen, und verwandte Verfahren für die Anwendung auf einen Leistungswandler beschrieben worden sind, versteht sich, dass andere Anwendungen eines Prozesses zum Schützen eines Leistungshalbleiterbauelements wie etwa eines in einer Schaltungsunterbrechungsfunktion genutzten Leistungshalbleiterbauelements innerhalb des breiten Schutzbereichs der Erfindung in Betracht gezogen werden und nicht auf Leistungswandler beschränkt werden brauchen.
Wenngleich die Erfindung hauptsächlich in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, versteht der Durchschnittsfachmann, dass verschiedene Änderungen an der Konfiguration und den Details davon vorgenommen werden können, ohne vom Wesentlichen und dem Schutzbereich der Erfindung, wie durch die Ansprüche unten definiert, abzuweichen. Der Schutzbereich der Erfindung wird deshalb durch die beigefügten Ansprüche bestimmt, und alle Abänderungen, die innerhalb des Bereichs der Bedeutung und des Bereichs der Äquivalenz der Ansprüche liegen, sollen von den Ansprüchen eingeschlossen sein.

Claims

Vorrichtung, die ein Leistungshalbleiterbauelement (Q_mn) und einen an das Leistungshalbleiterbauelement (Q_mn) gekoppelten Prozessor (510) aufweist, wobei der Prozessor (510) dazu ausgebildet ist, ein dem Leistungshalbleiterbauelement (Q_mn) zugeführtes Steuersignal (S_D) zum Steuern eines leitenden Zustands des Leistungshalbleiterbauelements (Q_mn) zur Verfügung zu stellen und eine interne Charakteristik des Leistungshalbleiterbauelements (Q_mn) zu modellieren, wobei der Prozessor (510) das Steuersignal (S_D) abändert, wenn die modellierte interne Charakteristik einen Schwellwert kreuzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein Leistungswandler (500) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (Q_mn) als High-Side-Schalter betrieben wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (Q_mn) ein MOSFET ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der MOSFET eine Kanaltemperatur aufweist und die interne Charakteristik die Kanaltemperatur des MOSFET ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die interne Charakteristik eine zeitliche Ableitung eines bauelementinternen Parameters enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Prozessor (510) ein digitaler Prozessor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Prozessor (510) das Leistungshalbleiterbauelements (Q_mn) sperrend ansteuert, wenn die modellierte interne Charakteristik den Schwellwert kreuzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die des Weiteren einen an den Prozessor (510) gekoppelten Sensor (570) aufweist, wobei der Sensor (570) dazu ausgebildet ist, einen Parameter außerhalb des Leistungshalbleiterbauelements (Q_mn) zu messen, und wobei der Prozessor (510) dazu ausgebildet ist, die modellierte interne Charakteristik an den gemessenen Parameter anzupassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Sensor (570) ein Thermistor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Prozessor (510) einen Ausgangsstrom der Vorrichtung abhängig von der modellierten internen Charakteristik begrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Prozessor (510) den Ausgangsstrom der Vorrichtung abhängig von der modellierten internen Charakteristik auf einen oberen Maximalwert begrenzt.
Verfahren zum Steuern einer Ausgangscharakteristik einer Vorrichtung, die ein Leistungshalbleiterbauelement (Q_mn) enthält, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Koppeln eines Prozessors (Q_mn) an das Leistungshalb leiterbauelement; Ansteuern des Leistungshalbleiterbauelements (Q_mn) durch den Prozessor (510), um die Ausgangscharakteristik der Vorrichtung zu steuern; Erfassen einer externen Charakterisktik des Leistungshalbleiterbauelements (Q_mn) mit dem Prozessor (510); Konfigurieren des Prozessors (510), um die erfasste externe Charakteristik zum Modellieren einer internen Charakteristik des Halbleiterbauelements zu verwenden; und Abändern des Ansteuerns des Halbleiterbauelements (Q_mn), wenn die modellierte interne Charakteristik einen Schwellwert kreuzt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Vorrichtung ein Leistungswandler (500) ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (Q_mn) als ein High-Side-Schalter betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (Q_mn) ein MOSFET ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die interne Charakteristik eine Kanaltemperatur des MOSFET ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die interne Charakteristik eine zeitliche Ableitung eines bauelementinternen Parameters enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei der Prozessor (510) ein digitaler Prozessor ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei das Abändern des Ansteuerns des Halbleiterbauelements das Ausschalten des Leistungshalbleiterbauelements umfasst, wenn die modellierte interne Charakteristik den Schwellwert kreuzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, weiterhin umfassend: Messen eines Parameters außerhalb des Leistungshalbleiterbauelements (Q_mn) und Anpassen der modellierten internen Bauelementcharakteristik an den gemessenen Parameter.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Parameter mit einem Thermistor (570) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, einschließlich des Verwendens der modellierten internen Charakteristik, um einen Ausgangsstrom der Vorrichtung zu begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 23, einschließlich des Begrenzens des Ausgangsstroms auf einen festen Maximalwert.