DE102016223511A1

DE102016223511A1 - Method for detecting a failure of a parallel-connected semiconductor

Info

Publication number: DE102016223511A1
Application number: DE102016223511.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Neuberger; Nils Draese; Mirko Schinzel; Christian Bohne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2018-05-30
Also published as: WO2018095835A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines zumindest teilweisen Ausfalls mindestens eines Halbleiterbauelements, das parallel zu anderen Halbleiterbauelementen geschaltet ist, bei dem ein Verlauf einer Versorgung, der durch ein Messsignal repräsentiert ist, eines Treibers, der zum Treiben der Halbleiterbauelemente vorgesehen ist, ermittelt und ausgewertet wird und aus einer Nachverarbeitung des Verlauf ermittelt wird, ob mindestens eines der parallelgeschalteten Halbleiterbauelemente ausgefallen ist.The invention relates to a method for detecting an at least partial failure of at least one semiconductor component which is connected in parallel to other semiconductor components, in which a profile of a supply, which is represented by a measurement signal, a driver, which is provided for driving the semiconductor components, determined and is evaluated and is determined from a post-processing of the course, if at least one of the parallel-connected semiconductor devices has failed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines zumindest teilweise Ausfalls mindestens eines parallelgeschalteten Halbleiters, insbesondere in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.The invention relates to a method for detecting an at least partial failure of at least one parallel-connected semiconductor, in particular in an electrical system of a motor vehicle, and an arrangement for carrying out the method.

Stand der TechnikState of the art

Unter einem Bordnetz ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Generatoren oder elektrische Speicher, wie bspw. Batterien, umfasst. Weiterhin umfasst es auch sämtliche elektrische Verbindungs- und Verteilelemente wie Kabel bzw. Kabelbaum, Stromverteiler und Sicherungskästen. Im Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung gegeben ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.Under an electrical system is to be understood in the automotive use, the totality of all electrical components in a motor vehicle. Thus, these include both electrical consumers and supply sources, such as, for example, generators or electrical storage, such as batteries. Furthermore, it also includes all electrical connection and distribution elements such as cable or harness, power distribution and fuse boxes. In the motor vehicle care must be taken to ensure that electrical energy is available in such a way that the motor vehicle can be started at any time and that sufficient power is available during operation. But even when parked, electrical consumers should still be operable for a reasonable period of time, without a subsequent start being impaired.

Zu beachten ist, dass aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Aggregaten sowie der Einführung von neuen Fahrfunktionen die Anforderung an die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug stetig steigt. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass zukünftig bei einem hochautomatischen Fahren fahrfremde Tätigkeiten in begrenztem Maße zulässig sein sollen. Eine sensorische, regelungstechnische, mechanische und energetische Rückfallebene durch den Fahrer ist in diesem Fall nur noch eingeschränkt vorhanden. Daher besitzt bei einem hochautomatischen Fahren die elektrische Versorgung eine bisher in Kraftfahrzeugen nicht gekannte Sicherheitsrelevanz. Fehler im elektrischen Bordnetz müssen daher zuverlässig und möglichst vollständig erkannt werden.It should be noted that due to the increasing electrification of units and the introduction of new driving functions, the requirement for the reliability of the electrical energy supply in the motor vehicle steadily increases. Furthermore, it must be taken into account that, in the future, highly non-driving activities should be permitted to a limited extent in the case of highly automated driving. A sensory, regulatory, mechanical and energetic fallback by the driver in this case is limited. Therefore, in a highly automatic driving the electrical supply has a previously unknown in motor vehicles safety relevance. Errors in the electrical system must therefore be reliably and completely recognized.

Unter einem hochautomatischen Fahren, das auch als hochautomatisiertes Fahren bezeichnet wird, ist ein Zwischenschritt zwischen einem assistierten Fahren, bei dem der Fahrer durch Assistenzsysteme unterstützt wird, und einem autonomen Fahren, bei dem das Fahrzeug selbsttätig und ohne Einwirkung des Fahrers fährt, zu verstehen. Beim hochautomatischen Fahren verfügt das Fahrzeug über eine eigene Intelligenz, die vorausplant und die Fahraufgabe zumindest in den meisten Fahrsituationen übernehmen könnte. Daher hat bei einem hochautomatischen Fahren die elektrische Versorgung eine hohe Sicherheitsrelevanz.Under a highly automatic driving, which is also referred to as highly automated driving, an intermediate step between an assisted driving in which the driver is assisted by assistance systems, and an autonomous driving in which the vehicle drives automatically and without the driver's intervention, to understand. In the case of highly automatic driving, the vehicle has its own intelligence that could plan ahead and take on the driving task, at least in most driving situations. Therefore, in a highly automatic driving the electrical supply has a high safety relevance.

Mehrphasige Gleichspannungswandler sind seit langem bekannt und werden ebenfalls in Mehrspannungsbordnetzen eingesetzt. Auch die Parallelschaltung von mehreren Halbleitern ist bereits bekannt ebenso wie die Ansteuerung über einen Treiberbaustein. Die Diagnose des gesamten Gleichspannungswandlers ist bekannt. Die Prüfung von Primärwicklungen von Spannungswandlern ist ebenfalls bekannt. Darüber hinaus gibt es Verfahren, bei denen der Schaltwandler über FFT-Analysen (FFT; Fast Fourier Transformation) oder Temperaturmessungen diagnostiziert werden kann.Multiphase DC-DC converters have long been known and are also used in multiple-voltage on-board networks. The parallel connection of several semiconductors is already known as well as the control via a driver module. The diagnosis of the entire DC-DC converter is known. The testing of primary windings of voltage transformers is also known. In addition, there are methods in which the switching converter can be diagnosed via FFT (Fast Fourier Transformation) or temperature measurements.

Bekannt sind weiterhin Treiber für MOSFETs, die bereits eine Erkennung über das Schaltverhalten implementiert haben.Also known are drivers for MOSFETs, which have already implemented a detection via the switching behavior.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 11 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.Against this background, a method with the features of claim 1 and a circuit arrangement according to claim 11 are presented. Embodiments emerge from the dependent claims and from the description.

Das vorgestellte Verfahren ist dafür vorgesehen, den Ausfall eines Halbleiterbauteils bzw. eines Halbleiterbauelements, das mit anderen Bauteilen bzw. Bauelementen, bspw. der gleichen Art, parallel geschaltet ist, zu erkennen. Ein Halbleiterbauelement der hierin behandelten Art ist insbesondere ein Leistungshalbleiterbauelement, wie bspw. ein MOSFET oder ein IGBT, das in einem elektronischem Gerät, wie bspw. einem Gleichspannungswandler, parallel geschaltet ist. Bei dem Verfahren ist nunmehr vorgesehen, einen Versorgungsstrom zu messen und dabei eine die Höhe des Versorgungsstroms bzw. dessen Ladungsmenge zu ermitteln, der wiederum zu einer Anzahl an anzusteuernden Halbleitern bzw. Leistungshalbleitern proportional ist.The presented method is intended to detect the failure of a semiconductor component or of a semiconductor component which is connected in parallel with other components or components, for example of the same type. In particular, a semiconductor device of the kind discussed herein is a power semiconductor device, such as a MOSFET or an IGBT, connected in parallel in an electronic device, such as a DC-DC converter. In the method, it is now provided to measure a supply current and thereby to determine the level of the supply current or its charge quantity, which in turn is proportional to a number of semiconductor semiconductors or power semiconductors to be triggered.

Auf diese Weise kann in Ausgestaltung ein einzelner Ausfall aus einer Anordnung von parallelgeschalteten MOSFETs erkannt werden. Dies bedeutet, auch wenn von vier parallelgeschalten Halbleiterbauelementen eines ausgefallen bzw. unterbrochen ist und somit die drei verbliebenen noch die Funktion der Schaltung aufrecht erhalten können, kann dieser Ausfall erkannt werden. Dies ist insbesondere von Bedeutung, da im späteren Betrieb der Ausfall der verbliebenen Halbleiterbauelemente, wie bspw. Halbleiterschalter, droht. Das Verfahren ermöglicht somit die Fehlererkennung für verschiedene Bauelemente, wie bspw. MOSFETs oder IGBTs, in paralleler Anordnung.In this way, a single failure can be detected in an embodiment of an array of MOSFETs connected in parallel. This means that even if one of four parallel-connected semiconductor devices fails or is interrupted, and thus the three remaining ones can still maintain the function of the circuit, this failure can be detected. This is of particular importance, since in later operation the failure of the remaining semiconductor components, such as semiconductor switches, threatens. The method thus enables error detection for various components, such as MOSFETs or IGBTs, in a parallel arrangement.

In Ausgestaltung ist es zudem möglich, die exakte Anzahl der ausgefallenen Halbleiter zu detektieren, unabhängig von der Grundanzahl der parallel verschalteten Halbleiter. So ist das Verfahren bspw. bei einer Parallelschaltung von vier MOSFETs anwendbar.In an embodiment, it is also possible to detect the exact number of failed semiconductor, regardless of the basic number of parallel interconnected semiconductors. Thus, the method is, for example. applicable in a parallel connection of four MOSFETs.

Weiterhin ist es in der Ausgestaltung möglich, bei mehrphasigen Schaltungen den Ausfall einer einzelnen Phase eines Gleichspannungswandlers im laufenden Betrieb zu erkennen. Darüber hinaus ist es möglich, die ausgefallene Phase und eine Symmetrierung der verbleibenden Phasen dahingehend zu bestimmen, dass eine Überhitzung und damit Abschaltung verhindert wird. Dies kann bspw. im Rahmen der Realisierung eines Notlaufbetriebs zur Anwendung kommen.Furthermore, it is possible in the embodiment to detect the failure of a single phase of a DC-DC converter during operation in multi-phase circuits. In addition, it is possible to determine the failed phase and a balancing of the remaining phases to prevent overheating and thus shutdown. This can be used, for example, in the context of implementing an emergency operation.

Das vorgestellte Verfahren ermöglicht die Erkennung des Teilausfalls getakteter parallel geschalteter MOSFETs über den zeitlichen Verlauf des Versorgungsstroms des Treibers. Da in der Regel die parallelgeschalteten MOSFETs über einen gemeinsamen Treiber angesteuert werden und bei jedem Ansteuervorgang parasitäre Kapazitäten geladen bzw. umgeladen werden müssen, verhält sich der Versorgungsstrom bzw. dessen Peak des Treibers proportional zur Anzahl der anzusteuernden Halbleiterbauelemente. Dieser Peak-Versorgungstrom dient als Grundlage der Diagnose.The presented method enables the detection of the partial failure of clocked parallel-connected MOSFETs over the time course of the supply current of the driver. Since usually the parallel-connected MOSFETs are driven by a common driver and parasitic capacitances must be loaded or reloaded at each driving process, the supply current or its peak of the driver behaves in proportion to the number of semiconductor devices to be driven. This peak supply current serves as the basis of the diagnosis.

In diesem Zusammenhang wird insbesondere ein Verfahren zur Erkennung des vorstehend genannten Ausfalls und eine Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens vorgestellt.In this connection, a method for detecting the aforementioned failure and a circuit arrangement for carrying out the method are presented in particular.

Die vorgestellte Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Ausfalls kann in Ausgestaltung unabhängig von der Höhe der Spannungsversorgung des Treibers bzw. Ansteuerbausteins eingesetzt werden. Ebenso kann die benötigte positive Versorgungsspannung der Signalaufbereitungsschaltung durch eine Zusatz-Schaltung bereitgestellt werden.The presented circuit arrangement for detecting a failure can be used in an embodiment regardless of the amount of voltage supply of the driver or drive module. Likewise, the required positive supply voltage of the signal conditioning circuit can be provided by an additional circuit.

Ein Vorteil des vorgestellten Verfahrens, zumindest in einigen der Ausführungen, besteht darin, dass bei mehrphasigen Systemen mit sequentieller Ansteuerung nur eine Auswerteschaltung für alle Phasen notwendig ist. Bei Erkennung des Teilausfalls paralleler Halbleiterschalter bei Multiphasen-Wandlern kann ein Notlaufbetrieb realisiert werden, indem die Strombelastung der teildefekten Phase durch eine Phasenstrom-Regelung minimiert wird.An advantage of the presented method, at least in some of the embodiments, is that in multi-phase systems with sequential control only one evaluation circuit is necessary for all phases. Upon detection of the partial failure of parallel semiconductor switches in multi-phase converters, a limp home mode can be realized by the current load of the partially defective phase is minimized by a phase current control.

Von Bedeutung ist, dass auch ein Ausfall einer kompletten Phase erkannt werden kann. Durch Anpassungen in der Steuerung kann dann ein Notlaufbetrieb realisiert werden, indem die restlichen Phasen so angesteuert werden, dass eine Überlastung der verblieben Phasen verhindert wird.It is important that even a complete phase failure can be detected. By adaptations in the control, a run-flat operation can be realized by the remaining phases are controlled so that an overload of the remaining phases is prevented.

Auch bei einphasigen Systemen kann ein Komplettausfall durch Unterbrechung präventiv verhindern werden, wenn erkannt wird, dass einzelne Halbleiter in einer parallelen Schaltung ausgefallen sind.Even with single-phase systems, complete failure can be preventively prevented by interruption if it is detected that individual semiconductors have failed in a parallel circuit.

Durch die entwickelte Schaltungsanordnung ist eine Diagnostizierung des Phasenausfalls möglich. Hierzu wird bspw. ein Messwiderstand in der zentralen Spannungsversorgung für alle Phasentreiber implementiert, d. h. eine Signalaufbereitungsschaltung für alle Phasen. Da es sich in Ausgestaltung um einen verschachtelten Multiphasen-Wandler mit zeitlich versetzter Taktung handelt, was der Regelfall ist, sind die durch den Treiber verursachten Spannungs-Spitzen bzw. Peaks der einzelnen Phasen zeitlich versetzt. Aus diesem Grund wird nur eine Einfach-Ausführung der Messschaltung, d. h. nur eine Schaltungsanordnung, benötigt, um alle Phasen zu diagnostizieren. Bei Multiphasen-Wandler werden eigentlich immer die Phasen versetzt geschaltet, ansonsten würden einige Vorteile der Topologie entfallen. Am eingesetzten Messwiderstand ist der Signalverlauf ersichtlich. Es wird auf 9 und 10 verwiesen.The developed circuit arrangement makes it possible to diagnose the phase failure. For this purpose, for example, a measuring resistor is implemented in the central power supply for all phase drivers, ie a signal conditioning circuit for all phases. Since in the embodiment is a nested multiphase converter with a time-offset timing, which is the rule, caused by the driver voltage peaks or peaks of the individual phases are offset in time. For this reason, only a single implementation of the measurement circuit, ie only one circuit arrangement, is needed to diagnose all phases. In the case of multiphase converters, the phases are always switched in an offset manner, otherwise some advantages of the topology would be omitted. The signal curve is visible on the measuring resistor used. It will open 9 and 10 directed.

Durch das vorgestellte Verfahren ist ebenso der Phasenausfall, verursacht durch den Ausfall aller Phasen-MOSFETs von Multiphasen-Wandlern diagnostizierbar. Hierfür wird der Schwellwert auf einen niedrigen Wert gesetzt, der zur Diagnose eines Ausfalls aller MOSFETs dient, bspw. 10 % bis 15 % des Max-Peak-Ripple der Phasen.The presented method also diagnoses the phase failure caused by the failure of all phase MOSFETs of multiphase transducers. For this purpose, the threshold value is set to a low value, which is used to diagnose a failure of all MOSFETs, for example 10% to 15% of the maximum peak ripple of the phases.

Die Schaltungsanordnung und das Verfahren können für unterschiedliche Auswertungen eingesetzt werden. Bei einer Interrupt-Auswertung wird bspw. der Schwellwert des Komparators (siehe 6) so gesetzt, dass beim Teilausfall ein Dauer-High- oder Dauer-Low-Pegel am Mikrocontroller ansteht. Diese Methode erfordert keine hohe Rechenleistung, da nur auf ein Toggeln des Ausgangs reagiert wird (siehe 7 und 8).The circuit arrangement and the method can be used for different evaluations. In an interrupt evaluation, for example, the threshold value of the comparator (see 6 ) is set so that at partial failure a continuous high or continuous low level is present at the microcontroller. This method does not require high computing power, as it only responds to toggling of the output (see 7 and 8th ).

Bei einer analogen Durchschnitt- bzw. Average-Auswertung wird ein Komparator-Ausgang (siehe 6) an einen ADC-Pin des Mikrocontrollers angeschlossen und es wird der durchschnittliche Spannungswert ausgewertet. Sinkt der durchschnittliche Spannungswert unter einen im Mikrocontroller definierten Schwellwert, ist eine bestimmte Anzahl an MOSFETs ausgefallen. Damit ist die genaue Anzahl der defekten Bauteile diagnostizierbar.For an analog average or average evaluation, a comparator output (see 6 ) is connected to an ADC pin of the microcontroller and the average voltage value is evaluated. If the average voltage drops below a threshold defined in the microcontroller, a certain number of MOSFETs have failed. Thus, the exact number of defective components can be diagnosed.

Bei einer digitalen Abtastung wird der Komparator-Ausgang (siehe 6) an einen digitalen Signalprozessor angeschlossen. Das Signal wird mit einem Vielfachen der MOSFET-Schaltfrequenz abgetastet und eine High-/Low-Auswertung wird durchgeführt. Aufgrund der 0-1-Auswertung entstehen geringe Einflüsse. Digitale Signalprozessoren bieten zudem eine schnelle Verarbeitung des Signals.In a digital scan, the comparator output (see 6 ) connected to a digital signal processor. The signal is sampled at a multiple of the MOSFET switching frequency and a high / low evaluation is performed. Due to the 0-1 evaluation, small influences occur. Digital signal processors also provide fast processing of the signal.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Figurenlistelist of figures

1 shows a block diagram of an embodiment of a dual-channel vehicle electrical system according to the prior art.
2 shows a simplified representation of a four-phase up-down switching converter according to the prior art.
3 shows a failure of a parallel MOSFET.
4 shows measuring points of a driver monitoring.
5 shows a signal conditioning circuit.
6 shows a PWM threshold and a comparator circuit.
7 shows signal curves in error-free case ..
8th shows waveforms in case of error.
9 shows voltage ripple on the measuring resistor.
10 shows an output of a comparator in an interleaved multiphase DC-DC converter.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is schematically illustrated by means of embodiments in the drawings and will be described in detail below with reference to the drawings.

Die Erfindung wird anhand des Beispiels eines 48 V-/14 V-Spannungswandlers dargestellt, ist jedoch auch bei vielen anderen elektronischen Komponenten anwendbar, auch in reinen 14 V-, 48 V- oder Hochvoltbordnetzen.The invention is illustrated by the example of a 48 V / 14 V voltage converter, but is also applicable to many other electronic components, even in pure 14 V, 48 V or high-voltage on-board networks.

1 zeigt ein Bordnetz, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen ist und ein zweikanaliges Bordnetz nach dem Stand der Technik darstellt. Dabei ist ein Basisbordnetz 11 mit einer Umrandung gekennzeichnet, in dem 48V-Komponenten und 14V-Komponenten ohne Sicherheitsrelevanz vorgesehen sind. Weiterhin sind ein erster Kanal 13 und ein zweiter Kanal 15 vorgesehen. 1 shows a wiring system, the whole with the reference number 10 is provided and represents a dual-channel electrical system according to the prior art. There is a base board network 11 marked with a border in which 48V components and 14V components without safety relevance are provided. Furthermore, a first channel 13 and a second channel 15 intended.

Die Darstellung zeigt einen Generator bzw. eine elektrische Maschine 12, der bzw. die eine Spannung von 48 V liefert, eine erste sogenannte electronic Power Distribution Unit 14 (elektronische Energieversorgungseinheit; ePDU), einen ersten Verbraucher 16, eine erste Batterie 18 mit 48V, ein erstes Batterieverwaltungssystem 20 (BMS: Battery Management System), einen ersten Gleichspannungswandler 22, der die Spannung von 48 V in eine Spannung von 14 V wandelt, eine zweite ePDU 24, einen zweiten Verbraucher 26, eine zweite Batterie 28 mit 14V mit einem Batteriesensor 30, einen zweiten Gleichspannungswandler 32, der die Spannung von 48 V in eine Spannung von 14 V wandelt, eine dritte Batterie 34 mit einem Batteriesensor 36, einen sicherheitsrelevanten Verbraucher Rs1a 38, dessen Funktion redundant durch einen Verbraucher Rs1b 40 erfüllt wird, einen sicherheitsrelevanten Verbraucher Rs2a 42 mit einem internen, redundanten Verbraucher Rs2b 44.The illustration shows a generator or an electrical machine 12 , which supplies a voltage of 48 V, a first so-called electronic power distribution unit 14 (electronic energy supply unit, ePDU), a first consumer 16 , a first battery 18 with 48V, a first battery management system 20 (BMS: Battery Management System), a first DC-DC converter 22 , which converts the voltage of 48 V into a voltage of 14 V, a second ePDU 24, a second consumer 26 , a second battery 28 with 14V with a battery sensor 30 , a second DC-DC converter 32 , which converts the voltage of 48 V into a voltage of 14 V, a third battery 34 with a battery sensor 36 , a safety-relevant consumer Rs1a 38, the function of which is redundantly fulfilled by a consumer Rs1b 40, a safety-relevant consumer Rs2a 42 having an internal, redundant consumer Rs2b 44.

In dem Basisbordnetz 11 sind folglich zwei Batterien 18 und 28 vorgesehen. Der erste sicherheitsrelevante Kanal 13 ist an das Basisbordnetz 11 angekoppelt und umfasst sicherheitsrelevante Verbraucher, wie bspw. Bremse und Lenkung. Der zweite sicherheitsrelevante Kanal 15 enthält ebenfalls sicherheitsrelevante Verbraucher. Da auch bei diesem sicherheitsrelevante Komponente mit 14V versorgt werden, sind der zweite Gleichspannungswandler 32 und die dritte Batterie 34 vorgesehen.In the base board network 11 are therefore two batteries 18 and 28 intended. The first safety-relevant channel 13 is to the base board network 11 coupled and includes safety-relevant consumers, such as brake and steering. The second safety-relevant channel 15 also contains safety-relevant consumers. Since also in this safety-relevant component are supplied with 14V, are the second DC-DC converter 32 and the third battery 34 intended.

2 zeigt in einem Blockdiagramm eine vereinfachte Darstellung eines vierphasigen Gleichspannungswandler, der insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist und sowohl für einen Aufwärts- als auch Abwärtswandlerbetrieb ausgelegt ist. Die Darstellung zeigt eine High-Side 102 mit vier parallel geschalteten MOSFETs 104 und eine Low-Side 106 auch jeweils mit vier parallel geschalteten MOSFETs 108. Weiterhin sind ein Ferrit-Modul 120, ein Schutzschalter 122 für die High-Side 102, ein Schutzschalter 124 für die Low-Side 106, ein erster Filter 130, ein zweiter Filter 132, Klemme 40 134, Klemme 30 136 sowie Klemme 31 138 wiedergegeben. 2 shows in a block diagram a simplified representation of a four-phase DC-DC converter, in total with the reference numeral 100 is designated and designed for both an up and down converter operation. The illustration shows a high-side 102 with four parallel-connected MOSFETs 104 and a low-side 106 also each with four MOSFETs connected in parallel 108 , Furthermore, a ferrite module 120 , a circuit breaker 122 for the high side 102 , a circuit breaker 124 for the low side 106 , a first filter 130, a second filter 132 , Clamp 40 134 , Clamp 30 136 as well as clamp 31 138 reproduced.

Bislang kann heute nur der komplette Ausfall des Gleichspannungswandlers 100 erkannt werden. Selbst aktuell entwickelte Verfahren sind nicht in der Lage zu bestimmen, welche Phase ausgefallen ist. Daher ist es nicht möglich, bei Parallelschaltungen von Halbleiterbauelementen den Ausfall einzelner Halbleiter ohne einen speziellen Treiber zu erkennen. Eine solche Parallelschaltung ist in 3 gezeigt.So far, today only the complete failure of the DC-DC converter 100 be recognized. Even currently developed methods are unable to determine which phase has failed. Therefore, it is not possible to detect the failure of individual semiconductors without a special driver in parallel circuits of semiconductor devices. Such a parallel connection is in 3 shown.

3 zeigt auf der linken Seite eine Parallelschaltung 150 von vier MOSFETs 152, 154, 156, 158 als Halbleiterelemente bzw. Halbleiterschalter. Weiterhin sind Strompfeile eingetragen, nämlich für einen zufließenden Strom I_zu 160, der einem abfließenden Strom I_ab 162 und sich in vier Teilströme I₁ 170, I₂ 172, I₃174 und I₄ 176 aufteilt. 3 shows a parallel connection on the left side 150 of four MOSFETs 152, 154, 156, 158 as semiconductor elements or semiconductor switches. Furthermore, stream arrows are entered, namely for a inflowing current I _to 160, which divides an outgoing current I _from 162 and into four partial flows I ₁ 170, I ₂ 172, I ₃ 174 and I ₄ 176.

Auf der rechten Seite ist ebenfalls eine Parallelschaltung 250 von vier MOSFETs 252, 254, 256, 258. Weiterhin sind Strompfeile eingetragen, nämlich für einen zufließenden Strom I_zu 260, der einem abfließenden Strom I_ab 262 und sich in vier Teilströme I₁ 270, I₂ 272, I₃ 274 und I₄ 276 aufteilt. Da der linke MOSFET 252 ausgefallen ist, ist der Strom I₁ = 0.On the right side is also a parallel connection 250 of four MOSFETs 252, 254, 256, 258. Furthermore, current arrows are entered, namely for an incoming current I _to 260, the one outgoing current I _from 262 and into four partial currents I ₁ 270, I ₂ 272, I ₃ 274 and I ₄ 276 splits. Because the left MOSFET 252 has failed, the current I ₁ = 0.

Da gemäß der Kirchhoffschen Knotenregel die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme ist, müssen die verbleibenden MOSFETs 254, 256, 258 den Strom des ausgefallenen MOSFET 252 übernehmen. Dies bedeutet, der zufließende Strom I_zu 260 teilt sich in die drei Teilströme I₂ 272, I₃ 274 und I₄ 276 auf. Dies hat wiederum einen Temperaturanstieg der verbleibenden MOSFETs 254, 256, 258 zur Folge und ruft aufgrund des positiven Temperatur-Koeffizienten von MOSFETs ein Anstieg des internen Widerstandes RDS(ON) hervor. Zudem erhöhen sich dadurch die Verluste und die Temperatur der Schaltung. Somit wird ein nachfolgender Ausfall wahrscheinlicher.Since, according to the Kirchhoff node rule, the sum of the incoming currents is equal to the sum of the outgoing currents, the remaining MOSFETs must 254 . 256 . 258 the current of the failed MOSFET 252 take. This means that the inflowing current I _to 260 is divided into the three partial currents I ₂ 272, I ₃ 274 and I ₄ 276. This in turn has a temperature increase of the remaining MOSFETs 254 . 256 . 258 This results in an increase of the internal resistance RDS (ON) due to the positive temperature coefficient of MOSFETs. In addition, this increases the losses and the temperature of the circuit. Thus, a subsequent failure becomes more likely.

Aufgabe der Erfindung ist die Erkennung eines einzelnen Ausfalls aus einer Anordnung von parallelgeschalteten MOSFETs. Dies bedeutet, auch wenn von vier parallelgeschalten Halbleiter-Bauelemente einer ausgefallen bzw. unterbrochen ist und somit die drei verbliebenen noch die Funktion der Schaltung aufrecht erhalten können, soll dieser Ausfall erkannt werden, da im späteren Betrieb der Ausfall der verbliebenen Halbleiterschalter droht.The object of the invention is the detection of a single failure of an array of parallel MOSFETs. This means that even if one of four parallel-connected semiconductor devices one failed or interrupted and thus the remaining three can still maintain the function of the circuit, this failure is to be detected, since in later operation the failure of the remaining semiconductor switch threatens.

4 zeigt einen Treiber 300 für parallelgeschaltete Halbleiterbauelemente, insbesondere von Halbleiterschaltern, wie bspw. MOSFETs oder IGBTs. Die Darstellung zeigt einen Versorgungsspannungstreiber 302, einen Messwiderstand 304, einen Abblockkondensator 306, eine Induktivität 308, eine Zenerdiode 310, eine Kapazität 312, einen ersten Pulstreiber 314 und einen zweiten Pulstreiber 316. Die beiden Pulstreiber 314, 316 stellen jeweils ein PWM-Signal (PWM: Pulsweitenmodulation) zur Ansteuerung des Treibers 300 über einen ersten Eingang 320 und einen zweiten Eingang 322 bereit. Über einen dritten Eingang 324 wird die Versorgung, in diesem Fall eine Versorgungsspannung, bereitgestellt. Diese Versorgung und insbesondere deren Verlauf kann nun über den Strom, der durch den Messwiderstand 304 fließt, oder über die Spannung am Abblockkondensator 306 bestimmt werden. Hierzu kann ein erster Messpunkt 330 und/oder ein zweiter Messpunkt 332 vorgesehen sein. 4 shows a driver 300 for parallel-connected semiconductor components, in particular of semiconductor switches, such as, for example, MOSFETs or IGBTs. The illustration shows a supply voltage driver 302 , a measuring resistor 304 , a blocking capacitor 306 , an inductance 308 , a zener diode 310, a capacitance 312 , a first pulse driver 314 and a second pulse driver 316 , The two pulse drivers 314 . 316 each set a PWM signal (PWM: pulse width modulation) to control the driver 300 via a first entrance 320 and a second entrance 322 ready. About a third entrance 324 the supply, in this case a supply voltage, is provided. This supply and in particular its course can now over the current, by the measuring resistance 304 flows, or via the voltage at the blocking capacitor 306 be determined. For this purpose, a first measuring point 330 and / or a second measuring point 332 be provided.

Die Versorgung und insbesondere deren Verlauf kann somit entweder über einen Verlauf des Versorgungsstroms am Messwiderstand 304, der in Reihe zu einem Versorgungsstrang geschaltet ist, oder mit dem Abblockkondensator 306 bzw. einem Stützkondensator am Treiber 300 bestimmt werden. Dieser Stützkondensator befindet sich typischerweise zwischen den Versorgungspins des Treibers 300 und dem Massepin des Treibers 300.The supply and in particular its course can thus either via a course of the supply current at the measuring resistor 304 , which is connected in series to a supply line, or with the blocking capacitor 306 or a backup capacitor on the driver 300 be determined. This backup capacitor is typically located between the supply pins of the driver 300 and the ground pin of the driver 300 ,

Der Treiber gibt an einem Ausgang 340 Signale für Gate-Anschlüsse von High-Side-MOSFETS, an einem zweiten Ausgang 342 Signale für Source-Anschlüsse von High-Side-MOSFETs und Drain-Anschlüsse von Low-Side-MOSFETs und an einem dritten Ausgang 344 Signale für Gate-Anschlüsse von Low-Side-MOSFETs aus.The driver is at an output 340 Signals for gate connections of high-side MOSFETs, at a second output 342 Signals for source connections of high-side MOSFETs and drain connections of low-side MOSFETs and at a third output 344 Signals for gate connections of low-side MOSFETs.

Die Erfindung wird am Beispiel eines Spannungswandlers für ein Boost-Rekuperation-System erläutert, gilt jedoch für alle Schaltungen mit parallelgeschalteten Halbleiterbauteilen bzw. Leistungshalbleitern, die getaktet betrieben werden. Der Spannungswandler ist ein 4-Phasen-Gleichspannungs-Schaltwandler, der 14 V zu 48 V bzw. 48 V zu 14 V wandeln kann. Die Diagnose funktioniert grundsätzlich bei Steuergeräten bzw. Komponenten, welche MOSFET oder IGBT Treiber mit externen Halbleiterschaltern, wie bspw. MOSFETs oder IGBTs, enthalten.The invention is explained using the example of a voltage converter for a boost recuperation system, but applies to all circuits with parallel-connected semiconductor components or power semiconductors which are operated in a clocked manner. The voltage converter is a 4-phase DC switching converter, which can convert 14 V to 48 V or 48 V to 14 V. The diagnosis basically works with control units or components which contain MOSFET or IGBT drivers with external semiconductor switches, such as, for example, MOSFETs or IGBTs.

Der Spannungswandler ist vierphasig ausgeführt, jede Phase besitzt je vier parallelgeschaltete High-Side- und vier parallelgeschaltete Low-Side-MOSFETs. Jede Phase weist weiterhin je einen Treiberbaustein auf, welche die Low-Side und High-Side-MOSFETs abwechselnd ansteuert.The voltage converter is four-phase, each phase has four parallel high-side and four parallel-connected low-side MOSFETs. Each phase also has a respective driver component, which alternately controls the low-side and high-side MOSFETs.

Eine Möglichkeit zur Messung der Stromaufnahme des MOSFET-Ansteuerbaustein ist die Messung des Spannungsripple über einen definierten Widerstand der in Reihe zum Versorgungsstrang geschaltet wird, in 4 ist dies der erste Messpunkt 330. Dieser definierte Widerstand wird im nachfolgenden auch als Messwiderstand bzw. Shunt bezeichnet. Im Rahmen des vorgestellten Verfahrens kann ein Standard-SMD-Widerstand mit einem Toleranzbereich von +-1 % und einem Widerstandswert von Rshunt = 1 Ω eingesetzt werden. Der vom Treiberbaustein benötigte Strom fließt durch den Widerstand und ruft einen Spannungsabfall über dem Widerstand hervor. Über den Spannungsabfall wird eine indirekte Strommessung durchgeführt und im nächsten Schritt in einer entwickelten Messschaltung ausgewertet.One way of measuring the current consumption of the MOSFET drive module is the measurement of the voltage ripple via a defined resistor which is connected in series with the supply line, in 4 this is the first measurement point 330 , This defined resistance is referred to below as a measuring resistor or shunt. In the proposed method, a standard SMD resistor with a tolerance range of + -1% and a resistance of Rshunt = 1 Ω can be used. The current required by the driver chip flows through the resistor causing a voltage drop across the resistor. About the voltage drop, an indirect current measurement is performed and evaluated in the next step in a developed measurement circuit.

In einer alternativen Ausführungsform wird der Strom der Treiberversorgung durch Messung des Spannungsabfalls über einen Abblockkondensator ermittelt.In an alternative embodiment, the current of the driver supply is determined by measuring the voltage drop across a blocking capacitor.

In einer weiteren Ausführungsform kann der Low-Cost SMD-Widerstand (Shunt) zur Erhöhung der Genauigkeit durch einen hochpräzisen Messshunt ersetzt werden. In a further embodiment, the low-cost SMD resistor (shunt) can be replaced by a high-precision measuring shunt for increased accuracy.

Die Verwendung von Operationsverstärkern (OPV) zur Messsignal-Aufbereitung bietet einige Vorteile. Hierzu zählen:

- hoher Eingangswiderstand von OPVs im Bereich von MΩ bis GQ, daraus ergibt sich eine vernachlässigbar geringe Beeinflussung der zu messenden Schaltung,
- kleine Eingangsruheströme, diese liegen bei bipolaren OPVs bei 10 nA bis wenige 100 nA, bei FET-Eingangsstufen gehen diese Werte nahezu gegen 0 A,
- Reaktionszeit ist extrem schnell aufgrund der verwendeten analogen Schaltungstechnik.

The use of operational amplifiers (OPV) for measurement signal conditioning offers several advantages. Which includes:

high input resistance of OPVs in the range of MΩ to GQ, resulting in a negligible influence on the circuit to be measured,
- Small bias currents, these are in bipolar OPVs at 10 nA to a few 100 nA, in FET input stages, these values are close to 0 A,
- Reaction time is extremely fast due to the analog circuit technology used.

5 zeigt eine Signalaufbereitungsschaltung 400, die zur Entfernung eines DC-Offset und zur Signalverstärkung. 5 shows a signal conditioning circuit 400 used to remove a DC offset and to amplify the signal.

Ein Subtrahierer 402 bestehend aus Widerständen 404, 406, einem Operationsverstärker 408, Widerständen 410, 412 Richtung Masse und einem Widerstand 414 parallel zum Operationsverstärker 408 der Signalaufbereitungsschaltung 400 dient zum Entfernen des DC-Offsets, hierdurch ist die Signalaufbereitungsschaltung 400 unabhängig von der Höhe der Treiber-Versorgungs-Spannung einsetzbar. Durch das Entfernen des DC-Offsets werden ebenso mögliche Spannungsschwankungen im Versorgungsstrang des Ansteuerbausteins für die Diagnose unkritisch.A subtractor 402 consisting of resistors 404 . 406 , an operational amplifier 408 , Resistors 410 . 412 Towards ground and a resistor 414 parallel to the operational amplifier 408 the signal conditioning circuit 400 is used to remove the DC offset, this is the signal conditioning circuit 400 can be used regardless of the level of the driver supply voltage. By removing the DC offset as possible voltage fluctuations in the supply line of the drive module for the diagnosis are not critical.

Ein in Reihe folgendes Verstärkerglied 450, das einen Operationsverstärker 452 und Widerstände 454 und 456 umfasst, dient zum Aufbereiten des Grundsignals. Die Signalaufbereitungsschaltung 400 benötigt keine separate positive Versorgung der Operationsverstärker 408 und 452, da diese sich eigens durch den Schaltungsaufbau versorgen. Ein Vorteil der analogen Signalaufbereitung besteht in der hohen Geschwindigkeit der Fehlererkennung. Weiterhin sind die Bauteilkosten niedrig.A successive amplifier link 450 that is an operational amplifier 452 and resistances 454 and 456 includes, serves to prepare the basic signal. The signal conditioning circuit 400 does not require a separate positive supply to the operational amplifier 408 and 452 because they provide themselves through the circuit structure. An advantage of analog signal conditioning is the high speed of error detection. Furthermore, the component costs are low.

Die nachfolgende Signalaufbereitung des Ausgangssignals des Verstärkers bzw. des Verstärkerglieds 450 kann alternativ mittels eines Mikrocontrollers, DigitalSignal-Prozessor (DSP) oder eines Field Programmable Gate Array (FPGA) (digital oder analog) erfolgen. Hierbei wird der Spannungsabfall über einen ADC-Eingangs-PIN abgefragt und über eine Veränderung der Spannungsfläche integral ausgewertet oder mittels eines internen Komparators ausgewertet.The subsequent signal processing of the output signal of the amplifier or the amplifier element 450 alternatively, it can be done by means of a microcontroller, digital signal processor (DSP) or field programmable gate array (FPGA) (digital or analog). In this case, the voltage drop is queried via an ADC input PIN and evaluated integrally via a change in the voltage surface or evaluated by means of an internal comparator.

6 zeigt ein Beispiel einer Signalaufbereitung von einem PWM-Ausgangswert 480 über einen Schwellwert 482. Dieser Schwellwert 482 kann z. B. über einen Mikrocontroller und den PWM eingestellt werden. Es ergibt sich ein Ausgangssignal, das Eingangssignal 502 für einen Komparator 490 zusammen mit dem Ausgangssignal 500 der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung. Die Werte 500 und 502 werden miteinander verglichen. Somit ist es Mittels des Komparators bzw. der Komparatorschaltung 490 möglich, das aufbereite Messsignal 500 bzw. Diagnosesignal auszuwerten. Durch die indirekte Strommessung über einen Messwiderstand bzw. Shunt 504 und dem frei definierbaren Schwellwert 502 erfolgt die Komparator-Auswertung. Der Schwellwert kann fest über einen hochohmigen Spannungsteilers oder alternativ über einen PWM-Ausgang eines Mikrocontrollers eingestellt werden. Bei der Einstellung des Schwellwertes über ein PWM-Signal ist ebenso ein Initiallauf des Diagnosekonzeptes möglich. Je nach Anschlussart des OPVs schaltet der Ausgang des Komparators beim Über- bzw. Unterschreiten des definierten Schwellwertes zwischen seinem positiven bzw. negativen Aussteuerungsbereich um. Die Auswertung des Ausgangssignals des Komparators kann auf verschiedene Weisen erfolgen. 6 shows an example of signal conditioning from a PWM output value 480 above a threshold 482 , This threshold 482 can z. B. via a microcontroller and the PWM. This results in an output signal, the input signal 502 for a comparator 490 together with the output signal 500 the in 5 illustrated circuit arrangement. The values 500 and 502 are compared with each other. Thus, it is by means of the comparator or the comparator circuit 490 possible, the prepared measuring signal 500 or to evaluate the diagnostic signal. By indirect current measurement via a measuring resistor or shunt 504 and the freely definable threshold 502 the comparator evaluation takes place. The threshold value can be set permanently via a high-impedance voltage divider or alternatively via a PWM output of a microcontroller. When setting the threshold value via a PWM signal, an initial run of the diagnostic concept is also possible. Depending on the type of connection of the OPV, the output of the comparator switches between its positive or negative modulation range when it exceeds or falls below the defined threshold value. The evaluation of the output signal of the comparator can be done in various ways.

Ein mögliches Ausgangssignal der analogen Signalaufbereitung in Verbindung mit der Komparatorschaltung ist in 7 und 8 dargestellt.A possible output signal of the analog signal conditioning in connection with the comparator circuit is in 7 and 8th shown.

7 zeigt den Signalverlauf der Spannung am Ausgang der SignalAufbereitungsschaltung im fehlerfreien Fall, d. h. alle MOSFETs sind betriebsfähig. Die Darstellung zeigt in einem Graphen 600, an dessen Abszisse 602 die Zeit [µs] und an dessen Ordinate 604 die Spannung [V] aufgetragen ist, den Spannungsverlauf 610, den Verlauf eines Signals 612 zum Mikrocontroller und einen Pegel 614 eines Schwellwerts, der individuell einstellbar ist. 7 shows the waveform of the voltage at the output of the signal conditioning circuit in the error-free case, ie all MOSFETs are operational. The illustration shows in a graph 600 , on the abscissa 602 the time [μs] and at its ordinate 604 the voltage [V] is plotted, the voltage curve 610 , the course of a signal 612 to the microcontroller and a level 614 a threshold that is individually adjustable.

Der pulsförmige Spannungsverlauf 610 mit einem signifikanten Peak-Wert ist zurückführen auf den Stromfluss durch die Umladung der Gate-Ladungen im MOSFET bzw. IGBT: Damit ein Halbleiterschalter wie ein MOSFET geöffnet oder geschlossen wird, müssen die parasitären Gate-Kapazitäten im Silizium geladen bzw. umgeladen werden. Für dieses Umladen wird ein Strom benötigt. Dieser steigt zunächst stark an und flacht dann immer weiter ab. Da beim Laden eines Kondensators erst ein großer Strom fließt, flacht dieser dann mit zunehmenden Ladestatus ab. Dieses Verhalten spiegelt die allgemeine Lade/Entladekurve eines Kondensators niederThe pulsed voltage curve 610 with a significant peak value is attributed to the current flow through the recharge of the gate charges in the MOSFET or IGBT: To open or close a semiconductor switch such as a MOSFET, the parasitic gate capacitances in the silicon must be charged or reloaded. A power is needed for this reloading. This initially increases sharply and then flattens off more and more. Since a large current flows when charging a capacitor, it then levels off with increasing charging status. This behavior reflects the general charge / discharge curve of a capacitor

Solange das Signal 610 den Schwellwert 614 überschreitet, ist das digitale Signal 612 = 1, sonst 0. Der Schwellwert kann daher so eingestellt werden, dass nur wenn alle parallelgeschalteten Gatecharges geladen werden, die Schwelle überschritten wird,
8 zeigt den Signalverlauf der Spannung am Ausgang des Komparators im fehlerbehafteten Fall, d. h. ein oder mehrere parallelgeschaltete Leistungshalbleiter sind bspw. defekt. Die Darstellung zeigt in einem Graphen 700, an dessen Abszisse 602 die Zeit [µs] und an dessen Ordinate 604 die Spannung [V] aufgetragen ist, den Spannungsverlauf 710, den Verlauf eines Signals 712 zum Mikrocontroller, im fehlerbehafteten Fall ein dauerhaftes Low-Signal am Mikrocontroller, und einen Pegel 714 eines Schwellwerts, der in diesem Fall nicht überschritten wird.As long as the signal 610 the threshold 614 exceeds, is the digital signal 612 = 1, otherwise 0. The threshold value can therefore be set so that only when all parallel-connected gate charges are charged, the threshold is exceeded,
8th shows the waveform of the voltage at the output of the comparator in the faulty case, ie one or more parallel power semiconductors are, for example. Defective. The illustration shows in a graph 700 , on the abscissa 602 the time [μs] and at its ordinate 604 the voltage [V] is plotted, the voltage curve 710 , the course of a signal 712 to the microcontroller, in the faulty case a permanent low signal on the microcontroller, and a level 714 a threshold that is not exceeded in this case.

Im fehlerfreien Betriebsfall gemäß 7 wird abhängig von der eingestellten Schaltfrequenz der MOSFETs ein gleich taktender High-Pegel 612 vom Komparator ausgegeben. Bei einem Teilausfall von 50 % der parallelen MOSFETs, wie dies in 8 dargestellt ist, wird der Schwellwert 714 dagegen nicht erreicht und ein Dauer- LOW-Signal 712 steht am Mikrocontroller an.In error-free operation according to 7 Depending on the set switching frequency of the MOSFETs an equally clocking high level 612 output from the comparator. At a partial failure of 50% of the parallel MOSFETs, as in 8th is shown, the threshold value 714 not reached and a continuous LOW signal 712 is at the microcontroller.

Die Auswertung des Komparator-Signals (Bezugsziffer 612/712 in 7 bzw. 8) kann auf verschiedene Arten realisiert werden. Durch Vertauschen der Input-PINs des Komparators kann das Ausgangssignal grundsätzlich invertiert werden. Die positive sowie negative Höhe der Ausgangsspannung ist von der Versorgungsspannung des OPVs abhängig. Die Auswertung der Diagnose bzw. des Ausgangssignals (Bezugsziffer 612/712 in 7 bzw. 8) kann mit nachfolgenden Ansätzen realisiert werden:

- Interrupt-Auswertung: Hierbei wird der Schwellwert des Komparators so gesetzt, dass beim Teilausfall ein Dauer-High- oder Dauer-Low-Pegel am Mikrocontroller ansteht.

The evaluation of the comparator signal (reference numeral 612 / 712 in 7 respectively. 8th ) can be realized in different ways. By interchanging the input pins of the comparator, the output signal can always be inverted. The positive as well as negative level of the output voltage depends on the supply voltage of the OPV. The evaluation of the diagnosis or the output signal (reference numeral 612 / 712 in 7 respectively. 8th ) can be realized with the following approaches:

- Interrupt evaluation: Here, the threshold value of the comparator is set so that at partial failure a continuous high or continuous low level is present at the microcontroller.

Vorteil: Diese Methode erfordert keine hohe Rechenleistung, da nur auf ein Toggeln des Ausgangs reagiert wird (siehe 7 und 8).

- Analoge Average-Auswertung: Der Komparator-Ausgang 612/712 wird an einen ADC-PIN des Mikrocontrollers angeschlossen und der durchschnittliche Spannungswert wird ausgewertet. Sinkt der durchschnittliche Spannungswert unter einen im Mikrocontroller definierten Schwellwert, ist eine bestimmte Anzahl an MOSFETs ausgefallen.

Advantage: This method does not require a high computing power, as it only responds to toggling of the output (see 7 and 8th ).

- Analog average evaluation: The comparator output 612 / 712 is connected to an ADC PIN of the microcontroller and the average voltage value is evaluated. If the average voltage drops below a threshold defined in the microcontroller, a certain number of MOSFETs have failed.

Vorteil: Die genaue Anzahl der defekten Bauteile ist diagnostizierbar.

- Digitale Abtastung: Der Komparator-Ausgang 612/712 wird an einen digitalen Signalprozessor (DSP) angeschlossen, das Signal wird mit einem Vielfachen der MOSFET-Schaltfrequenz abgetastet und eine High-/Low-Auswertung wird durchgeführt.

Advantage: The exact number of defective components can be diagnosed.

- Digital Sampling: The comparator output 612 / 712 is connected to a digital signal processor (DSP), the signal is sampled at a multiple of the MOSFET switching frequency and a high / low evaluation is performed.

Vorteil: Aufgrund der 0-1-Auswertung entstehen geringe Einflüsse, DSPs bieten eine schnelle Weiterverarbeitung des Signals.Advantage: Due to the 0-1-evaluation low influences, DSPs offer a fast further processing of the signal.

Speziell für mehrphasige Bauelemente, wie den vorstehend genannten 48V-14V-Spannungswandler (2), kann die Erfindung wie folgt weiterentwickelt werden.Especially for multi-phase components, such as the 48V-14V voltage transformer ( 2 ), the invention can be further developed as follows.

9 zeigt den Signalverlauf, bei dem mithilfe der oben genannten Einrichtungen ein vierphasiger Wandler diagnostiziert wird. 9 zeigt in einem Graphen 800, an dessen Abszisse 802 die Zeit und an dessen Ordinate 804 die Spannung aufgetragen ist, den Verlauf 810 des Spannungsabfalls am Shunt für die erste Phase 820, die zweite Phase 822, die dritte Phase 824 und die vierte Phase 826 für den fehlerfreien Fall. Ein zusätzlich eingetragener Verlauf 830 in der zweiten Phase 822 verdeutlicht einen Fehler 832 in dieser Phase. Der Verlauf 830 bleibt unterhalb des variabel einstellbaren PWM-Schwellwerts 840. 9 zeigt somit das Eingangssignal, entsprechend 610/710 in den vorangegangenen Abbildungen für den iO-Fall und den niO-Fall in einem Bild. 9 shows the waveform in which a four-phase transducer is diagnosed using the above-mentioned facilities. 9 shows in a graph 800, on the abscissa 802 the time and its ordinate 804 the tension is applied, the course 810 the voltage drop at the shunt for the first phase 820 , the second phase 822 , the third phase 824 and the fourth phase 826 for the error-free case. An additional registered history 830 in the second phase 822 illustrates an error 832 in this phase. The history 830 remains below the variably adjustable PWM threshold 840 , 9 thus shows the input signal, corresponding to 610/710 in the previous figures for the iO case and the niO case in one picture.

10 zeigt weiterhin das Ausgangsignal der Komparatorschaltung, entsprechend 612/712 in den vorangegangenen Abbildungen für den iO-Fall und den niO-Fall in einem Bild. 10 zeigt in einem Graphen 900, an dessen Abszisse 902 die Zeit und an dessen Ordinate 904 die Spannung aufgetragen ist, den Verlauf 910 des anstehenden Signals am Mikrocontroller bei Anwendung der Diagnose an einem Mehrphasenwandler für die erste Phase 920, die zweite Phase 922, die dritte Phase 924 und die vierte Phase für den fehlerfreien Fall. Ein weiterer Verlauf 930 zeigt dieses Signal bei einem Fehler 932 in der zweiten Phase. 10 Fig. 12 also shows the output signal of the comparator circuit corresponding to 612/712 in the previous figures for the case of iO and the case of ni0 in an image. 10 shows in a graph 900 , at the abscissa 902 the time and at its ordinate 904 the tension is applied, the course 910 the pending signal on the microcontroller when the diagnosis is applied to a multiphase converter for the first phase 920 , the second phase 922, the third phase 924 and the fourth phase for the error-free case. Another course 930 shows this signal in case of an error 932 in the second phase.

Durch die entwickelte Schaltungsanordnung ist eine Diagnostizierung des Phasenausfalls möglich. Hierzu wird bspw. der Messwiderstand in der zentralen Spannungsversorgung für alle Phasentreiber implementiert, d. h. eine Signalaufbereitungsschaltung für alle Phasen. Da es sich um einen verschachtelten Multiphasen-Wandler mit zeitlich versetzter Taktung der Phasen handelt, was der Regelfall ist, sind die durch den Treiber verursachten Strom-Peaks der einzelnen Phasen zeitlich versetzt. Aus diesem Grund wird nur eine Einfach-Ausführung der Messschaltung benötigt, um alle Phasen zu diagnostizieren. Es ist anzumerken, dass bei Multiphasenwandler in fast allen Bauarten die Phasen versetzt geschaltet werden, sonst würden einige Vorteile der Topologie entfallen. Am eingesetzten Messwiderstand ist der Signalverlauf aus 9 ersichtlich. Im fehlerfreien Betrieb (9 und 10, Bezugsziffern 810, 910) ergibt sich der dargestellte Signalverlauf.The developed circuit arrangement makes it possible to diagnose the phase failure. For this purpose, for example, the measuring resistor is implemented in the central power supply for all phase drivers, ie a signal conditioning circuit for all phases. Since it is an interleaved multiphase converter with staggered timing of the phases, which is the rule, the current peaks caused by the driver of the individual phases are offset in time. For this reason, only a single implementation of the measurement circuit is needed to diagnose all phases. It should be noted that in multi-phase converters, the phases are shifted in almost all designs, otherwise some advantages of the topology would be omitted. The waveform is off at the measuring resistor used 9 seen. In error-free operation ( 9 and 10 , Reference numbers 810 . 910 ) results in the signal waveform shown.

Der dargestellte Schwellwert 840 für den Komparator kann mittels eines PWM-Ausgangs des Mikrocontrollers realisiert werden, dadurch kann der Wert variabel eingestellt werden. Mit Bezugsziffern 830 bzw. 930 ist der Signalverlauf des Fehlers, in diesem Fall ein Teilausfall von MOSFETs in Phase 2, dargestellt.The threshold shown 840 for the comparator can be realized by means of a PWM output of the microcontroller, thereby the value can be variably adjusted. With reference numbers 830 respectively. 930 is the waveform of the fault, in this case a partial failure of MOSFETs in phase 2 represented.

Durch das Absinken des Peak-Stroms des Ansteuerbausteins von Phase 2 unter den definierten Schwellwert 840 ändert sich der Pegel des Komparators auf Low in Phase 2.Due to the decrease in the peak current of the control module of phase 2 below the defined threshold 840 the level of the comparator changes to low in phase 2 ,

Durch das vorgestellte Verfahren ist ebenso der Phasenausfall, verursacht durch den Ausfall aller Phasen- MOSFETs, von Multiphasen-Wandlern diagnostizierbar. Hierfür wird der Schwellwert auf einen niedrigen Wert gesetzt, der zu Diagnose eines Ausfalls aller MOSFETs dient, bspw. 10 % -15 % vom Max-Peak Ripple der Phasen.The presented method also diagnoses the phase failure caused by the failure of all phase MOSFETs by multiphase transducers. For this purpose, the threshold value is set to a low value, which is used to diagnose a failure of all MOSFETs, for example 10% -15% of the maximum peak ripple of the phases.

Je nach Höhe des variablen Komparator-Schwellwerts des Mikrocontrollers kann der Teilausfall von MOSFETs oder auch der Ausfall einer ganzen Phase detektiert werden. Zur Detektion eines Phasenausfalls müsste der Schwellwert sehr niedrig eingestellt werden, bspw. im Bereich von 10 % des Peak-Spannungswertes der Phasen. Dies liegt darin begründet, dass beim Ausfall einer Phase der Ansteuerbaustein keinen Strom aufnimmt. Der Ausfall einer Phase kann verschiedene Ursachen haben, mittels dieser Diagnose kann der Phasenausfall aufgrund des Ausfalls des Treiberbausteins der parallel geschalteten MOSFETs oder bei Unterbrechung des Treiber-PWM Signals vom µC detektiert werden. Auch in diesem Verfahren kann während eines Initialisierungslaufs des Wandlers der maximale Spannungs-Peak-Wert ermittelt werden, um mögliche Einflüsse der Temperatur oder Bauteiltoleranzen für die Diagnose zu berücksichtigen.Depending on the level of the variable comparator threshold of the microcontroller, the partial failure of MOSFETs or the failure of a whole phase can be detected. To detect a phase failure, the threshold value would have to be set very low, for example in the range of 10% of the peak voltage value of the phases. This is due to the fact that in case of failure of a phase of the drive module does not receive power. The failure of a phase can have various causes, by means of this diagnosis, the phase failure due to the failure of the driver chip of the parallel-connected MOSFETs or interruption of the driver PWM signal from μC can be detected. In this method too, during an initialization run of the converter, the maximum voltage peak value can be determined in order to take into account possible influences of the temperature or component tolerances for the diagnosis.

Da die einzelnen Phasen des Wandlers durch das PWM-Signal des Mikrocontrollers zeitlich versetzt gesteuert werden und dem Mikrocontroller zudem die Information eines Teilausfalls/Komplettausfalls einer Phase durch das rückgeführte Komparator-Signal der Messschaltung zur Verfügung steht, ist durch einen internen softwaretechnischen Vergleich zwischen dem ausgehenden PWM-Signal zur Ansteuerung der Treiber und des Diagnosesignals der Messschaltung eine exakte Bestimmung der ausgefallenen Phase möglich. Durch die Information der exakt ausgefallenen Phasennummer kann eine Symmetrierung der funktionstüchtigen Phasen durchgeführt werden. Hierdurch kann ein Notlaufbetrieb des Wandlers bereitgestellt werden. Ein Beispiel hierfür wäre eine Erhöhung der Einschaltdauer der Phasen 1, 3 und 4 beim Teilausfall von MOSFETs in Phase 2. Dadurch sinkt die Strombelastung von Phase 2 und folglich wird die Lebensdauer der verbleibenden MOSFETs erhöht.Since the individual phases of the converter are controlled offset in time by the PWM signal of the microcontroller and the microcontroller is also the information of a partial failure / complete failure of a phase by the returned comparator signal of the measuring circuit is available, by an internal software comparison between the outgoing PWM signal for controlling the driver and the diagnostic signal of the measuring circuit an exact determination of the failed phase possible. By informing the exactly failed phase number, a symmetrization of the functional phases can be carried out. As a result, an emergency operation of the converter can be provided. An example of this would be an increase in the duty cycle of the phases 1 . 3 and 4 Partial failure of MOSFETs in phase 2 , This reduces the current load from phase 2 and consequently the life of the remaining MOSFETs is increased.

Der Schwellwert 840 des Komparators (Bezugsziffer 490 in 6) wird schrittweise beim Booten der Komponente erhöht, bis der Peak-Wert des aufbereiteten Messsignals detektiert wird. Überschreitet der Schwellwert das aufbereitete Messsignal, kippt der Komparator-Ausgang und der Peak-Wert des Messsignals ist detektiert. Anhand dieses Maximal-Werts wird individuell der Schwellwert 840 eingestellt. Mit diesem Verfahren ist es möglich, äußere Einflüsse auf die Diagnose zu minimieren, da somit Einflüsse, wie die Umgebungstemperatur oder EMV-Strahlung, bereits grundlegend im Initialisierungslauf berücksichtigt werden können. Die Problematik eines fehlerhaften Initialisierungslaufes aufgrund eines bereits vorhandenen unbekannten Teilausfalls von MOSFETs vor oder während der Initialisierung kann vernachlässigt werden. Begründet werden kann dies damit, dass die Diagnose kontinuierlich aktiv ist, sobald der Wandler in Betrieb ist.The threshold 840 of the comparator (reference numeral 490 in 6 ) is incrementally increased upon booting of the component until the peak value of the conditioned measurement signal is detected. If the threshold value exceeds the processed measuring signal, the comparator output tilts and the peak value of the measuring signal is detected. On the basis of this maximum value becomes individually the threshold value 840 set. With this method, it is possible to minimize external influences on the diagnosis, since thus influences, such as the ambient temperature or EMC radiation, can already be fundamentally taken into account in the initialization run. The problem of a faulty initialization run due to an already existing unknown partial failure of MOSFETs before or during initialization can be neglected. This can be justified by the fact that the diagnosis is continuously active as soon as the converter is in operation.

Das Verfahren kann für die Überwachung bei allen Wandlern mit parallel geschalteten Halbleiter- oder Multiphasenwandlern eingesetzt werden. Insbesondere bei den Wandlern, bei denen eine erhöhte Eigendiagnose und Notlaufeigenschaften erforderlich sind, z. B. bei einem automatisierten Fahren oder im Limp-Home-Betrieb.The method can be used for monitoring all converters with parallel-connected semiconductor or multi-phase converters. In particular, in the transducers in which an increased self-diagnosis and emergency running properties are required, eg. B. in an automated driving or limp home operation.

Das Verfahren kann auch vorsehen, dass während eines Boot- bzw. Startvorgangs ein Initialisierungslauf durchgeführt wird, welcher die Schwellwerte der Komparatorschaltung festlegt. Hierdurch werden äußere Umgebungseinflüsse, wie bspw. Temperatur, EMV-Strahlung, Bauteiltoleranzen usw., minimiert, so dass die Diagnosegenauigkeit und somit deren Güte erhöht wird.The method may also provide that an initialization run is performed during a boot process that sets the thresholds of the comparator circuit. As a result, external environmental influences, such as. Temperature, EMC radiation, component tolerances, etc., minimized, so that the diagnostic accuracy and thus their quality is increased.

Das Verfahren kann auch bei anderen Produkten als die hierin beschriebenen eingesetzt werden, bei denen hohe Ströme geschaltet werden und somit parallele Halbleiter verbaut sind.The method can also be used with other products than those described herein, in which high currents are switched and thus parallel semiconductors are installed.

Claims

Method for detecting an at least partial failure of at least one semiconductor component which is connected in parallel with other semiconductor components, in which a profile of a supply, which is represented by a measurement signal, of a driver (300), which is provided for driving the semiconductor components, determined and evaluated is determined and from a post-processing of the course, whether at least one of the parallel-connected semiconductor devices has failed.

Method according to Claim 1 in which at least one semiconductor component is a semiconductor switch.

Method according to Claim 1 or 2 in which the course of the supply current is measured with a measuring resistor (304, 504) nested in series with a supply string.

Method according to Claim 1 or 2 in which the course of the supply is measured with a blocking capacitor (306) on the driver.

Method according to one of Claims 1 to 4 in which a measurement signal, which indirectly represents the measured profile of the supply current, is processed by an operational amplifier before an evaluation.

Method according to one of Claims 1 to 5 in which the measuring signal is conditioned by a signal conditioning circuit (400) before an evaluation, with which a DC offset is removed and an amplification of the measuring signal is carried out and subsequently the mean value, the root mean square or the maximum height of the signal is determined.

Method according to one of Claims 1 to 6 in which, for evaluation, the measurement signal is compared with a threshold value (482), in particular by means of a threshold value formed by a PWM signal, by means of a comparator circuit (490) which outputs a signal which is used for the evaluation.

Method according to one of Claims 1 to 7 in which, during a boot process, an initialization run is performed which determines the thresholds (482) of the comparator circuit (490).

Method according to one of Claims 1 to 8th in which, in the case of a circuit with parallel, successively connected phases, a failure of a parallel-connected semiconductor component with only one circuit arrangement is detected.

Method according to one of Claims 1 to 9 in which, in the case of a circuit with parallel, successively connected phases, the failure of a complete phase is detected.

Circuit arrangement for detecting an at least partial failure of at least one semiconductor component which is suitable for carrying out a method according to one of the Claims 1 to 10 is set up.

Circuit arrangement according to Claim 11 having a comparator circuit (490) whose output signal is to be used for evaluation.

Circuit arrangement according to Claim 11 or 12 which is associated with a signal conditioning circuit (400).