DE102021130006B3

DE102021130006B3 - Verfahren zum bestimmen eines einschaltwiderstands eines feldeffekt-transistors, modul zur stromerfassung mit einem feldeffekt-transistor und elektronische sicherung mit dem modul

Info

Publication number: DE102021130006B3
Application number: DE102021130006.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Abel
Original assignee: HKR Automotive GmbH
Current assignee: HKR Automotive GmbH
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2023-02-16
Anticipated expiration: 2041-11-18
Also published as: WO2023088827A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen eines Einschaltwiderstands eines Feldeffekt-Transistors weist auf: eine Vorab-Stufe vor einer Verwendung des Feldeffekt-Transistors (1) und eine Betriebs-Stufe bei einem Betrieb des Feldeffekt-Transistors (1) als ein Schalter. Die Vorab-Stufe enthält: Bestimmen einer Referenz-Umgebungstemperatur des Feldeffekt-Transistors (1), Messen eines Referenz-Ausgangsstroms des Feldeffekt-Transistors (1) bei eingeschaltetem Feldeffekt-Transistor (1) bei der Referenz-Umgebungstemperatur, Messen einer Referenz-Ausgangsspannung des Feldeffekt-Transistors (1) bei eingeschaltetem Feldeffekt-Transistor (1) bei der Referenz-Umgebungstemperatur, Bestimmen eines Referenz-Einschaltwiderstands des Feldeffekt-Transistors (1) anhand des Referenz-Ausgangsstroms und der Referenz-Ausgangsspannung, Bestimmen eines Temperaturkorrekturfaktors für den Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors (1), Speichern des Temperaturkorrekturfaktors, und Speichern des Referenz-Einschaltwiderstands. Die Betriebs-Stufe enthält: Messen einer Ist-Temperatur des Feldeffekt-Transistors (1), und Bestimmen eines Ist-Einschaltwiderstands des Feldeffekt-Transistors (1) aus dem Referenz-Einschaltwiderstand, der Differenz zwischen der Ist-Temperatur und der Referenztemperatur und dem Temperaturkorrekturfaktor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Einschaltwiderstands eines Feldeffekt-Transistors (FET), ein Modul zur Stromerfassung mit einem Feldeffekt-Transistor und eine elektronische Sicherung mit dem Modul.
In der Praxis werden Strommessungen oder Stromerfassungen z.B. für die Auswertung von Überstromereignissen und Ähnlichem häufig indirekt über die Messung des Spannungsabfalls über einem bekannten Widerstand gemessen. Die Verwendung von Shunt-Widerständen, d.h. exakten niederohmigen Widerständen mit einem geringen Temperaturkoeffizienten, haben jedoch eine erhöhte Verlustleistung oder einen erhöhten Aufwand für eine Spannungsauswertung zur Folge. Eine Summenstrommessung hat aufgrund der I²R-Verluste eine noch höhere Verlustleistung als bei der Messung von Strangströmen, und daher ist diese Technik ohne separates Kühlsystem nicht vorteilhaft. Eine Einzelstrommessung beinhaltet hohe Materialkosten und einen hohen Platzbedarf.
Eine Alternative dazu ist die Messung der Einzelströme durch Messung einer Schalterspannung, wenn ein Schalter zum Abschalten einer Stromzufuhr z.B. bei einem Überstromereignis eingesetzt wird. Wenn ein N-Kanal-MOSFET bzw. N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor als Schalter eingesetzt wird, entspricht die Schalterspannung der Drain-Source-Spannung dieses MOSFET. Der Widerstand eines derartigen Schalters weist jedoch einen hohen Temperaturkoeffizienten auf, womit die Strommessung stark durch die Temperatur beeinflusst wird und somit ohne Temperaturkorrektur ungenau ist.
Außerdem setzt die Strommessung mittels eines Spannungsabfalls über einem Widerstand voraus, dass der Widerstandswert bekannt ist. Dieser ist jedoch insbesondere bei einem Halbleiterschalter wie einem Feldeffekt-Transistor aufgrund der Bauteiltoleranzen und der starken Temperaturabhängigkeit nicht genau genug bekannt.
Die US 2019/ 0 173 381 A1 offenbart ein Verfahren zur Stromerfassung mit einer Einschaltwiderstandskorrektur für einen MOS-Transistor. Es wird eine Näherungstemperatur eines MOS-Transistorschalters mittels eines Temperatursensors gemessen. Aus der gemessenen Temperatur wird unter Verwendung einer gespeicherten Sensorverstärkung und einer Offset-Korrekturfunktion des Sensors eine korrigierte Temperatur berechnet. Es wird eine Gate-Ansteuerspannung des MOS-Transistors gemessen, und es wird ein Spannungskorrekturfaktor unter Verwendung einer gespeicherten Spannungskorrekturfunktion berechnet. Die gespeicherte Spannungskorrekturfunktion ist eine Funktion der korrigierten Temperatur und der Gate-Ansteuerspannung. Weiterhin wird ein Einschaltwiderstands-Spannungsabfall über dem MOS-Transistor gemessen, und dann wird der Strom unter Verwendung des gemessenen Spannungsabfalls und des Spannungskorrekturfaktors berechnet. Hierbei wird jedoch die Gate-Ansteuerspannung des MOS-Transistorschalters gemessen und es wird ein Spannungskorrekturfaktor auf der Grundlage einer Spannungskorrekturfunktion, die eine Funktion der korrigierten Temperatur und der Gate-Ansteuerspannung ist, ermittelt und diese auf den gemessenen Spannungsabfall RDS_ON über dem MOS-Transistorschalter angewendet, um den Strom unter Verwendung des gemessenen Spannungsabfalls und des Spannungskorrekturfaktors zu berechnen. Somit wird gemäß der US 2019/ 0 173 381 A1 nicht der Einschaltwiderstand RDS_ON selbst korrigiert bzw. bestimmt, und es wird die Gate-Ansteuerspannung benötigt.
Datenblätter von Feldeffekt-Transistoren geben beispielsweise einen maximalen Wert für den Einschaltwiderstand (Drain-Source-Widerstand) R_DSon mit einer Toleranz im Bereich von ±15 bis 20% an. Die Verwendung dieses Wertes ist somit zu ungenau, da der tatsächliche Widerstandswert stark temperaturabhängig ist. Außerdem geben Datenblätter von Feldeffekt-Transistoren beispielsweise eine typische Temperaturkennlinie des Einschaltwiderstands, d.h. R_DSon = f(T) an.
Die DE 102 09 021 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen eines Einschaltwiderstands eines Feldeffekt-Transistors. Eine interne Referenztemperatur wird mit einem internen Temperatursensor ermittelt, und es wird ein zugehöriger Referenz-Einschaltwiderstand werksseitig ermittelt und in einer Verarbeitungseinheit gespeichert. Im Betrieb wird die interne Temperatur des Transistors gemessen, und es wird der Einschaltwiderstand bei der gemessenen Temperatur anhand einer Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und der Referenztemperatur und einer prozessabhängigen konstanten Größe ermittelt.
Die DE 10 2020 106 348 B3 offenbart ein Verfahren zum Ermitteln bzw. Schätzen eines Innenwiderstands eines Feldeffekttransistors als eine Zustandsgröße auf Basis eines thermischen Zustandsmodells des Feldeffekttransistors mit zwei Temperaturerfassungswiderständen und einem Temperatursensor.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen eines Einschaltwiderstands eines Feldeffekt-Transistors zu schaffen, das den Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors während dessen Betrieb genau bestimmen kann. Außerdem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Modul zur Stromerfassung mit einem Feldeffekt-Transistor zu schaffen, das während des Einsatzes des Feldeffekt-Transistors als Schalter den Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors genau bestimmen kann, um darauf basierend den Ausgangsstrom des Feldeffekt Transistors bestimmen zu können.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Einschaltwiderstands eines Feldeffekt-Transistors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein Modul zur Stromerfassung mit einem Feldeffekt-Transistor mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gerichtet.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Einschaltwiderstands eines Feldeffekt-Transistors geschaffen, wobei das Verfahren aufweist: eine Vorab-Stufe vor einer Verwendung des Feldeffekt-Transistors, die enthält: Bestimmen einer Referenz-Umgebungstemperatur des Feldeffekt-Transistors, Messen eines Referenz-Ausgangsstroms des Feldeffekt-Transistors bei eingeschaltetem Feldeffekt-Transistor bei der Referenz-Umgebungstemperatur, Messen einer Referenz-Ausgangsspannung des Feldeffekt-Transistors bei eingeschaltetem Feldeffekt-Transistor bei der Referenz-Umgebungstemperatur, Bestimmen eines Referenz-Einschaltwiderstands des Feldeffekt-Transistors anhand des Referenz-Ausgangsstroms und der Referenz-Ausgangsspannung, Bestimmen eines Temperaturkorrekturfaktors für den Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors, Speichern des Temperaturkorrekturfaktors, und Speichern des Referenz-Einschaltwiderstands, und eine Betriebs-Stufe bei einem Betrieb des Feldeffekt-Transistors als der Schalter, die enthält: Messen einer Ist-Temperatur des Feldeffekt-Transistors, und Bestimmen eines Ist-Einschaltwiderstands des Feldeffekt-Transistors aus dem Referenz-Einschaltwiderstand, der Differenz zwischen der Ist-Temperatur und der Referenztemperatur und dem Temperaturkorrekturfaktor.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht somit aus einer Vorab-Stufe vor der Verwendung des Feldeffekt-Transistors, die beispielsweise in einer Produktionslinie bei der Herstellung eines Moduls, das den Feldeffekt-Transistor enthält, durchgeführt werden kann. Hier kann beispielsweise die Umgebungstemperatur in der Produktionslinie als Referenz-Umgebungstemperatur des Feldeffekt-Transistors verwendet werden. Diese ist zumeist bekannt und muss somit nicht notwendigerweise gemessen werden. Sie beträgt beispielsweise 25°C, wie sie auch häufig für Angaben in Datenblättern verwendet wird. Somit kann in der Vorab-Stufe auf die Verwendung eines separaten Temperatursensors verzichtet werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann jedoch zusätzlich die Temperatur des Feldeffekt-Transistors beispielsweise in der Nähe desselben gemessen werden.
Der Referenz-Ausgangsstrom des Feldeffekt-Transistors kann dabei mit einem externen Amperemeter bzw. Strommessgerät gemessen werden, wenn die Stromzufuhr zu einem elektrischen Verbraucher in der Produktionslinie, der nicht der Verbraucher für einen späteren Einsatz sein muss, über den Feldeffekt-Transistor als Schalter eingeschaltet ist. Zusätzlich wird dann die Ausgangsspannung des Feldeffekt-Transistors gemessen, so dass dann entsprechend dem ohmschen Gesetz der Referenz-Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors bei der Referenz-Umgebungstemperatur bestimmt oder berechnet werden kann. Somit wird in der Vorab-Stufe ein Referenz-Einschaltwiderstand bei der Referenz-Umgebungstemperatur ermittelt und gespeichert. Ein derartiger Referenz-Widerstand bei einer Referenz-Umgebungstemperatur ist gewöhnlich nicht bekannt, sondern wird nur mit einer gewissen Toleranz beispielsweise in Datenblättern in der Form der oben beschriebenen Temperaturkennlinie des Einschaltwiderstands angegeben. Erfindungsgemäß kann diese Toleranz auf einen Bereich von ±1 bis 2% reduziert werden.
Weiterhin wird ein Temperaturkorrekturfaktor für den Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors bestimmt und gespeichert, um diesen für die Temperaturkorrektur des Einschaltwiderstands, d.h. des Referenz-Einschaltwiderstands, während des Betriebs des Feldeffekt-Transistors zu verwenden. In der anschließenden Betriebs-Stufe bei einem Betrieb bzw. Einsatz des Feldeffekt-Transistors als Schalter beispielsweise in einem Modul wie einer elektronischen Sicherung, wird eine Ist-Temperatur des Feldeffekt-Transistors gemessen. Dieses kann mit einem in dem verwendeten Modul vorhandenen Temperatursensor erfolgen, der in der Nähe des Feldeffekt-Transistors beispielsweise auf einer entsprechenden oder derselben Leiterplatte angebracht ist. Häufig besitzen Transistor-Chips bereits einen derartigen Temperatursensor. Dann wird der Ist-Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors, d.h. der derzeitige Einschaltwiderstand während des Betriebs, aus dem Referenz-Einschaltwiderstand, der Differenz zwischen der Ist-Temperatur und der Referenz-Temperatur und dem Temperaturkorrekturfaktor bestimmt bzw. ermittelt.
Der Einschaltwiderstand ist vorzugsweise ein Drain-Source-Widerstand des Feldeffekt-Transistors, die Referenz-Ausgangsspannung ist vorzugsweise eine Drain-Source-Spannung des Feldeffekt-Transistors, und der Referenz-Ausgangsstrom ist vorzugsweise ein Source-Strom und/oder Drain-Strom des Feldeffekt-Transistors.
Der Feldeffekt-Transistor kann dabei beispielsweise ein MOS-Transistor oder ein GaN-Transistor sein. Da ein MOS-Feldeffekt-Transistor über die Gate-Source-Spannung angesteuert wird und hierüber nahezu kein Strom fließt, sind der Source-Strom und der Drain-Strom quasi identisch. Somit kann der Referenz-Ausgangsstrom der Source-Strom und/oder der Drain-Strom sein.
Der Temperaturkorrekturfaktor kann auf der Grundlage einer gegebenen Temperaturkennlinie des Einschaltwiderstands bestimmt werden, wobei die Temperaturkennlinie vorzugsweise aus einem Datenblatt des Feldeffekt-Transistors verwendet wird.
Eine Temperaturkennlinie ist häufig aus einem Datenblatt eines Feldeffekt-Transistors bekannt. Dementsprechend kann der Temperaturkorrekturfaktor aus einer derartigen Temperaturkennlinie abgelesen bzw. ermittelt werden.
Die Temperaturkennlinie kann auch als Funktion oder als Nachschlagtabelle für eine spätere Verwendung in elektronischer Form abgespeichert werden.
Die Temperaturkennlinie kann somit auch selbst als Funktion oder als Nachschlagtabelle gespeichert werden, so dass auf diese zur Ermittlung des Temperaturkorrekturfaktors in der Produktionslinie oder auch später im Betrieb Bezug genommen werden kann. So ist es beispielsweise auch denkbar, eine derartige Temperaturkennlinie, wie sie in einem Datenblatt eines Feldeffekt-Transistors angegeben wird, vom Hersteller des Feldeffekt-Transistors in elektronisch speicherbarer Form zu erhalten. Dieses erspart eine händische Auswertung der Temperaturkennlinie.
Der Temperaturkorrekturfaktor kann eine Steigung einer linearen Approximations-Funktion der Temperaturkennlinie des Einschaltwiderstands sein.
Bei einem Feldeffekt-Transistor bezieht sich die Temperaturkennlinie in einem Datenblatt beispielsweise auf den Drain-Source-Durchlasswiderstand in Abhängigkeit von der Temperatur wie RDSon = f(T). Wenn diese Temperaturkennlinie keine lineare Funktion darstellt, wird beispielsweise die Temperaturkennlinie linear approximiert, so dass dann die Steigung dieser linearen Approximations-Funktion als Temperaturkorrekturfaktor für den Einschaltwiderstand verwendet werden kann.
Der Temperaturkorrekturfaktor kann auch eine Steigung einer Tangente der Temperaturkennlinie des Einschaltwiderstands bei dem Referenz-Einschaltwiderstand und/oder eine Steigung einer Geraden, die die Kennlinie bei dem Referenz-Einschaltwiderstand und bei einem zweiten Widerstand schneidet, sein.
Außerdem kann der Temperaturkorrekturfaktor einen Eigenerwärmungskorrekturfaktor enthalten, der auf der Grundlage eines Sperrschicht-zu-Gehäuse-Wärmewiderstands des Feldeffekt-Transistors bestimmt wird.
Da aktuelle Feldeffekt-Transistoren beispielsweise einen sehr geringen Einschaltwiderstand bei der Umgebungstemperatur besitzen, kann normalerweise auf die Berücksichtigung der Eigenerwärmung bei vielen Anwendungen verzichtet werden. Bestehen jedoch höhere Toleranzanforderungen, kann die Eigenerwärmung durch einen Eigenerwärmungskorrekturfaktor berücksichtigt werden, der beispielsweise auf der Grundlage des Sperrschicht-zu-Gehäuse-Wärmewiderstands R_thJC des Feldeffekt-Transistors bestimmt wird.
Der gemäß dem Verfahren bestimmte Ist-Einschaltwiderstand kann zur Bestimmung eines Ausgangsstroms des Feldeffekt-Transistors bei dem Betrieb des Feldeffekt-Transistors als Schalter verwendet werden.
Ein erfindungsgemäßes Modul zur Stromerfassung enthält den Feldeffekt-Transistor, eine Auswerteeinheit, die den Temperatursensor enthalten kann, aber nicht muss, einen Speicher zum Speichern der berechneten oder ermittelten Werte wie des Referenz-Einschaltwiderstands, des Temperaturkorrekturfaktors und/oder gegebenenfalls der Temperaturkennlinie als Funktion oder Nachschlagtabelle und weiterer Daten bzw. Kenngrößen. Für eine entsprechende Eingabe der Temperaturkennlinie und/oder des Temperaturkorrekturfaktors sowie gegebenenfalls weiterer Größen oder Daten kann gegebenenfalls eine entsprechende Schnittstelle zur Auswerteeinheit vorhanden sein und verwendet werden (beispielsweise JTAG-Schnittstelle oder Bootloader LIN oder eine externe Schnittstelle). Der Feldeffekt-Transistor wird vorzugsweise als ein Schalter zum Ein- und Ausschalten der Stromzufuhr eines elektrischen Verbrauchers verwendet.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Moduls mit einem Feldeffekt-Transistor als Schalter im Vorab-Betrieb in einer Produktionslinie; und
2 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Moduls mit einem Feldeffekt-Transistor als Schalter im Betrieb mit einem elektrischen Verbraucher.

Im Folgenden wird eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform zum Bestimmen eines Einschaltwiderstands eines Feldeffekt-Transistors anhand der 1 und 2 beschrieben. 1 zeigt ein Modul 3, das beispielsweise eine elektronische Sicherung ist, die im Betrieb einen Strom eines elektrischen Verbrauchers 4 überwacht und gegebenenfalls bei einem Überstrom den Feldeffekt-Transistor 1 als Schalter über beispielsweise eine Auswerteeinheit 2, die das Gate des Feldeffekt-Transistors 1 ansteuert, ausschaltet. Die Auswerteeinheit 2 ist in der Lage, die Spannung U_DS, d.h. die Drain-Source-Spannung, als Ausgangsspannung U_A des Feldeffekt-Transistors bzw. Schalters zu messen.
Zunächst schaltet die Auswerteeinheit 2 den Feldeffekt-Transistor 1 über dessen Gate ein. Die in dem Modul 3 implementierte Auswerteeinheit 2 misst dann die Spannung U_DS zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss. Durch Einschalten des Feldeffekt-Transistors 1 wird in dem elektrischen Verbraucher 4, beispielsweise einer Prüflast in der Produktionslinie, ein Stromfluss generiert, der durch eine Strommesseinrichtung 5 wie ein Amperemeter außerhalb des Moduls 3 in der Produktionslinie gemessen wird. Der erfasste Stromwert wird als ein Ist-Stromwert I_Ist in die Auswerteeinheit 2 eingegeben. Die Auswerteeinheit 2 berechnet aus der Spannung U_DS und dem Ist-Stromwert I_Ist den Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors 1 und speichert diesen in einem nicht gezeigten Speicher für den späteren Betrieb als Referenz-Einschaltwiderstand ab. Der Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors 1, der hier berechnet wird, wird beispielsweise entsprechend I_Ist = U_DS/ R_DSon berechnet, wobei R_DSon der Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors 1 ist. Der somit berechnete Einschaltwiderstand wird als Referenz-Einschaltwiderstand R_Referenz verwendet. Dieser Widerstand kann zusammen mit (in Zuordnung zu) der Umgebungstemperatur (Referenz-Umgebungstemperatur), bei der die Spannung U_DS und der Ist-Stromwert I_Ist gemessen werden, gespeichert werden. Wie oben beschrieben reicht es hier auch aus, wenn die Umgebungstemperatur nicht speziell gemessen wird, wenn diese als bekannt angenommen werden kann.
Außerdem wird zu einem geeigneten Zeitpunkt vor dem eigentlichen Betrieb des Moduls 3 ein Korrekturfaktor K_Faktor in der Auswerteeinheit in demselben Speicher wie beispielsweise der Referenz-Einschaltwiderstand R_Referenz oder in einem anderen Speicher gespeichert.
Der Korrekturfaktor K_Faktor kann beispielsweise anhand eines Datenblattes des in dem Modul 3 verwendeten Feldeffekt-Transistors 1 ermittelt werden. Wenn dort die Temperaturkennlinie für den Einschaltwiderstand R_DSon gegeben ist, kann beispielsweise aus zwei Wertepaaren der Kennlinie, beispielsweise den Wertepaaren [R_DSon25; 25°C] und [R_DSon175; 175°C], die Steigung einer durch diese beiden Wertepaare verlaufenden Graden ermittelt werden. Hierbei werden vorzugsweise der ermittelte Referenz-Einschaltwiderstand R_Referenz und die zugehörige Referenz-Umgebungstemperatur T_Referenz, beispielsweise 25°C, als ein erstes Wertepaar der Kennlinie zur Ermittlung des Korrekturfaktors K_Faktor verwendet.
Alternativ kann der Korrekturfaktor K_Faktor auch experimentell ermittelt werden, beispielsweise indem vorab, beispielsweise in der Produktionslinie, bei mindestens zwei verschiedenen Umgebungstemperaturen der zugehörige Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors 1 in dem Modul 3 wie oben beschrieben ermittelt wird. Wenn mehrere Einschaltwiderstandswerte bei mehreren Temperaturen gemessen werden, kann zur Ermittlung einer entsprechenden Geraden eine lineare Regression bzw. Approximation verwendet werden.
Es ist jedoch auch denkbar, dass die Kennlinie des Datenblatts des Feldeffekt-Transistors 1 selbst beispielsweise in elektronischer Form (als digitale Funktion oder digitale Werte oder als Nachschlagtabelle) beschafft wird (beispielsweise vom Hersteller) und hieraus entsprechende Werte zur Ermittlung einer Steigung einer Geraden aus der Kennlinie ohne Messung verwendet werden. Weiterhin können auch Auswertung und Ermittlung des Korrekturfaktors K_Faktor anhand der Kennlinie bzw. Nachschlagtabelle durch die Auswerteeinheit 2 selbst durchgeführt werden, wobei dann beispielsweise auch die Temperaturkennlinie aus dem Datenblatt in der Auswerteeinheit gespeichert werden kann. Hierzu zählt auch, dass beispielsweise die Kennlinie und/oder die lineare Approximation der Kennlinie in einer Nachschlagtabelle (Look-up-Tabelle) gespeichert wird und diese zur Ermittlung des Korrekturfaktors herangezogen wird.
Außerdem sei noch angemerkt, dass in der Vorab-Stufe bei der Messung des Stroms und der Spannung U_DS (beispielsweise in der Produktionslinie) vorzugsweise ein nur sehr geringer oder sehr kurzer Stromimpuls auf den Feldeffekt-Transistor gegeben wird, so dass sich die Temperatur des Feldeffekt-Transistors im Wesentlichen nicht ändert und somit von einer konstanten Temperatur ausgegangen werden kann.
Somit stehen nun der Referenz-Einschaltwiderstand R_Referenz und der Korrekturfaktor K_Faktor für den folgenden Betrieb des Moduls 3 für eine Strommessung bzw. Stromüberwachung des Ausgangsstroms I_A des Moduls und somit des durch den elektrischen Verbraucher 4 fließenden Stroms zur Verfügung.
Der Betrieb des Moduls 3 mit einem elektrischen Verbraucher 4, d.h. die Verwendung des Moduls 3 in der Praxis, beispielsweise als bzw. in einer elektronischen Sicherung, wird im Folgenden anhand der 2 beschrieben. In 2 ist die Messeinrichtung 5 für die Messung des Stromes nicht vorhanden, und es ist zusätzlich ein Temperatursensor 6 gezeigt. Dieser Temperatursensor 6 ist zwar in 1 nicht gezeigt, aber kann dort selbstverständlich bereits normalerweise vorhanden sein.
Im laufenden Betrieb des Moduls 3, wenn der Feldeffekt-Transistor 1 als Schalter eingeschaltet ist, wird die Temperatur (beispielsweise Leiterplattentemperatur oder Pin-Temperatur des Schalters) gemessen und der Auswerteeinheit 2 als Ist-Temperatur T_Ist zur Verfügung gestellt. Wie oben erwähnt, kann der Temperatursensor 6 auch direkt in der Auswerteeinheit 2 enthalten sein. Vorzugsweise ist der Temperatursensor 6 in der Nähe des Feldeffekt-Transistors 1 angeordnet oder zumindest derart angeordnet, dass die Temperatur an der Messstelle der Temperatur des Feldeffekt-Transistors 1 mit ausreichender Genauigkeit entspricht. Die Auswerteeinheit 2 bestimmt dann den Ist-Einschaltwiderstand R_Ist des Feldeffekt-Transistors 1 beispielsweise anhand der folgenden Gleichung (1) aus dem Referenz-Einschaltwiderstand R_Referenz, der Differenz ΔT zwischen der gemessenen Ist-Temperatur T_Ist und der Referenz-Umgebungstemperatur T_Referenz, und dem Temperaturkorrekturfaktor K_Faktor. $R_{ist} = R_{Referenz} + K_{Faktor} \cdot Δ T,$
wobei ΔT (in Kelvin) die Differenz zwischen der momentanen gemessenen Temperatur T_Ist (im Betrieb) und der Referenz-Umgebungstemperatur T_Referenz ist.
Dieser Ist-Einschaltwiderstand Rist kann dann z.B. ebenfalls in einem Speicher der Auswerteeinheit 2 gespeichert werden. Außerdem kann nun die Auswerteeinheit 2 durch Messen bzw. Erfassen der Ausgangsspannung U_A bzw. U_DS des Feldeffekt-Transistors 1 den Ausgangsstrom I_A entsprechend Rist = U_A / I_A. bestimmen. Dieser Strom I_A kann dann beispielsweise ebenfalls von der Auswerteeinheit 2 oder einer anderen elektronischen Steuereinheit bzw. Auswerteeinheit überwacht werden (z.B. elektronische Sicherung bzw. EFUSE), beispielsweise in Bezug auf die Überschreitung eines zulässigen Stromes des elektrischen Verbrauchers 4.
Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, die auf der ersten Ausführungsform basiert, womit auf diese Bezug genommen wird und deren Beschreibung nicht wiederholt wird, wenn nicht auf besondere Gegebenheiten verwiesen wird. Die zweite Ausführungsform berücksichtigt zusätzlich die Eigenerwärmung des Feldeffekt-Transistors 1 während dessen Betrieb. Somit entspricht die Vorab-Stufe der zweiten Ausführungsform derjenigen der ersten Ausführungsform.
Die Eigenerwärmung eines Feldeffekt-Transistors setzt sich aus der Verlustleistung Pv des Feldeffekt-Transistors und dem thermischen Widerstand R_thJC zusammen.
In erster Näherung gilt: $P_{V} = I^{2} \cdot R_{DSon25}$
$Δ T_{eigen} = P_{V} \cdot R_{thJC},$
wobei ΔT_eigen die Eigenerwärmung bzw. der Eigenerwärmungsfaktor des Feldeffekt-Transistors ist und R_DSon25 der Einschaltwiderstand bei 25°C ist. Der Sperrschicht-zu-Gehäuse-Wärmewiderstand R_thJC kann aus einem Datenblatt des Feldeffekt-Transistors entnommen oder messtechnisch ermittelt werden.
Der Strom I ist der geschaltete Gesamtstrom, und bei Verwendung von mehreren Kanälen bzw. Feldeffekt-Transistoren wird der Gesamtstrom beispielsweise durch die Anzahl der Feldeffekt-Transistoren geteilt, um den Strom I zu erhalten.
Als Strom I kann hier der vorab gemessene Strom I_A bzw. I_Ist von der Messeinrichtung 5 wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben verwendet werden. Dieser Strom kann dann beispielsweise auch für die spätere Verwendung in einem Speicher des Moduls 3, beispielsweise in der Auswerteeinheit 2, gespeichert werden. Der oben genannte Widerstand R_DSon25 kann dem Referenz-Einschaltwiderstand R_Referenz entsprechen, der oben beschrieben wurde.
Die Eigenerwärmung ΔT_eigen kann in einem Speicher des Moduls 3 bzw. der Auswerteeinheit 2 für die weitere Verwendung im Betrieb des Moduls 3 gespeichert werden.
Andererseits kann der Ausgangsstrom I_A des Feldeffekt-Transistors 1 während des Betriebs wie oben in der ersten Ausführungsform beschrieben ermittelt bzw. berechnet werden und in Verbindung mit dem berechneten Ist-Einschaltwiderstand zur Ermittlung der Verlustleistung Pv des Feldeffekt-Transistors entsprechend obiger Gleichung (2) verwendet werden. Die Eigenerwärmung ΔT_eigen des Feldeffekt-Transistors ergibt sich somit anhand der obigen Gleichung (3) aus der Verlustleistung Pv und dem Sperrschicht-zu-Gehäuse-Wärmewiderstand R_thJC. Der Sperrschicht-zu-Gehäuse-Wärmewiderstand R_thJC kann aus einem Datenblatt des Feldeffekttransistors entnommen oder zuvor in Versuchen ermittelt werden.
Dann kann eine korrigierte Temperaturdifferenz ΔT_korr durch Addition der von dem Temperatursensor 6 gemessenen Temperatur T_Ist und der Eigenerwärmung des Feldeffekt-Transistors ΔT_eigen in Bezug auf die gemessene Ist-Temperatur T_Ist (beispielsweise 50°C) anhand der folgenden Gleichung (4) ermittelt werden. $Δ T_{kor} = T_{Ist} + Δ T_{eigen} - T_{Referenz}$
Diese korrigierte Temperatur ΔT_korr kann dann somit in die obige Gleichung (1) anstelle der Temperaturdifferenz ΔT zur Ermittlung des Ist-Einschaltwiderstands R_Ist eingesetzt werden.
Die Eigenerwärmung ΔT_eigen kann jedoch auch anhand einer Nachschlagtabelle (Look-up-Tabelle) ermittelt werden. Hierzu enthält die Nachschlagtabelle beispielsweise Temperaturdifferenzen als Eigenerwärmungsparameter ΔT_eigen (gemessene Temperatur der Auswerteeinheit bzw. Leiterplatte T_Ist- Temperatur des Chips bzw. Feldeffekttransistors) in Zuordnung zu den jeweiligen Strömen I. Somit muss die Auswerteeinheit die Eigenerwärmung ΔT_eigen nicht errechnen, sondern schlägt in der Nachschlagtabelle unter Verwendung des berechneten Ausgangsstroms I_A, der auf der Grundlage des ermittelten Ist-Einschaltwiderstand R_Ist und der zugehörigen gemessenen Ausgangsspannung U_A ermittelt wird, die zugehörige Eigenerwärmung ΔT_eigen nach.
Die korrigierte Temperatur T_korr des Feldeffekt-Transistors ergibt sich dann aus der Addition der gemessenen Ist-Temperatur T_Ist und der Eigenerwärmung ΔT_eigen, die aus der Nachschlagtabelle erhalten wird.
Dieses wir kurz anhand eines Beispiels beschrieben:

Die gemessene Temperatur T_Ist (mit Temperatursensor 6) der Auswerteeinheit 2 beträgt beispielsweise 50°C. Daraus würde sich ein R_DSon150 von 1 mOhm (R_Ist) ergeben. Aus einer gemessenen Ausgangsspannung U_A bzw. U_DS von 10mV errechnet die Auswerteinheit 2 somit einen Ausgangsstrom I_A von 10 A.

Aus der Nachschlagtabelle ergibt sich für einen Strom von 10 A eine Eigenerwärmung von 50 Kelvin. Dann folgt $Chip - Temperatur = T_{Ist} + Δ T_{eigen} = 50 ° C + 50 Kelvin = 100 ° C .$
Der R_DSon100 ist aber nicht 1 mOhm, sondern 1,2 mOhm, also berechnet die Auswerteeinheit 2 den tatsächlichen bzw. korrigierten Strom I_A bzw. I_DS basierend auf R_DSon100 = 1,2 mOhm: $I_{DS} = U_{DS} / RDSon100 \to 10 mV/1,2 mOhm = 8,3 A .$

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Einschaltwiderstands eines Feldeffekt-Transistors (1), wobei das Verfahren aufweist: eine Vorab-Stufe vor einer Verwendung des Feldeffekt-Transistors (1), die enthält: Bestimmen einer Referenz-Umgebungstemperatur des Feldeffekt-Transistors (1), Messen eines Referenz-Ausgangsstroms des Feldeffekt-Transistors (1) bei eingeschaltetem Feldeffekt-Transistor (1) bei der Referenz-Umgebungstemperatur, Messen einer Referenz-Ausgangsspannung des Feldeffekt-Transistors (1) bei eingeschaltetem Feldeffekt-Transistor (1) bei der Referenz-Umgebungstemperatur, Bestimmen eines Referenz-Einschaltwiderstands des Feldeffekt-Transistors (1) anhand des Referenz-Ausgangsstroms und der Referenz-Ausgangsspannung, Bestimmen eines Temperaturkorrekturfaktors für den Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors (1), Speichern des Temperaturkorrekturfaktors, und Speichern des Referenz-Einschaltwiderstands, und eine Betriebs-Stufe bei einem Betrieb des Feldeffekt-Transistors (1) als der Schalter, die enthält: Messen einer Ist-Temperatur des Feldeffekt-Transistors (1), und Bestimmen eines Ist-Einschaltwiderstands des Feldeffekt-Transistors (1) aus dem Referenz-Einschaltwiderstand, der Differenz zwischen der Ist-Temperatur und der Referenztemperatur und dem Temperaturkorrekturfaktor.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einschaltwiderstand ein Drain-Source-Widerstand des Feldeffekt-Transistors (1) ist, die Referenz-Ausgangsspannung eine Drain-Source-Spannung des Feldeffekt-Transistors (1) ist, und der Referenz-Ausgangsstrom ein Source-Strom und/oder Drain-Strom des Feldeffekt-Transistors (1) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Temperaturkorrekturfaktor auf der Grundlage einer gegebenen Temperaturkennlinie des Einschaltwiderstands bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Temperaturkennlinie aus einem Datenblatt des Feldeffekt-Transistors (1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Temperaturkennlinie als Funktion oder als Nachschlagtabelle gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Temperaturkorrekturfaktor eine Steigung einer linearen Approximations-Funktion der Temperaturkennlinie des Einschaltwiderstands enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Temperaturkorrekturfaktor eine Steigung einer Tangente der Temperaturkennlinie des Einschaltwiderstands bei dem Referenz-Einschaltwiderstand und/oder eine Steigung einer Geraden, die die Kennlinie bei dem Referenz-Einschaltwiderstand und bei einem zweiten Widerstand schneidet, enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Temperaturkorrekturfaktor einen Eigenerwärmungskorrekturfaktor enthält, der auf der Grundlage eines Sperrschicht-zu-Gehäuse-Wärmewiderstands des Feldeffekt-Transistors (1) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der bestimmte Ist-Einschaltwiderstand zur Bestimmung eines Ausgangsstroms (I_A) des Feldeffekt-Transistors (1) bei dem Betrieb des Feldeffekt-Transistors (1) als der Schalter verwendet wird.
Modul (3) zur Stromerfassung mit einem Feldeffekt-Transistor, das aufweist: einen Feldeffekt-Transistor (1), eine Auswerteeinheit (2), einen Speicher, und einen Temperatursensor (6), wobei die Auswerteeinheit (2) ausgelegt ist, ein Signal einer Referenz-Umgebungstemperatur von außerhalb des Moduls (3) zu empfangen, ein Signal eines Referenz-Ausgangsstroms des bei der Referenz-Umgebungstemperatur eingeschalteten Feldeffekt-Transistors (1) von außerhalb des Moduls (3) zu empfangen, ein Signal einer Referenz-Ausgangsspannung des bei der Referenz-Umgebungstemperatur eingeschalteten Feldeffekt-Transistors (1) zu empfangen, einen Referenz-Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors (1) anhand des Referenz-Ausgangsstroms und der Referenz-Ausgangsspannung zu bestimmen, einen Temperaturkorrekturfaktor für den Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors (1) zu bestimmen, den Temperaturkorrekturfaktor in dem Speicher zu speichern, den Referenz-Einschaltwiderstand in dem Speicher zu speichern, ein Signal einer Ist-Temperatur des Feldeffekt-Transistors (1) von dem Temperatursensor (6) während eines Betriebs des Moduls mit einem elektrischen Verbraucher (4) zu empfangen, und einen Ist-Einschaltwiderstand des Feldeffekt-Transistors (1) aus dem Referenz-Einschaltwiderstand, der Differenz zwischen der Ist-Temperatur und der Referenz-temperatur und dem Temperaturkorrekturfaktor zu bestimmen.
Modul (3) nach Anspruch 10, wobei der Einschaltwiederstand ein Drain-Source-Widerstand des Feldeffekt-Transistors (1) ist, die Referenz-Ausgangsspannung eine Drain-Source-Spannung des Feldeffekt-Transistors (1) ist, und der Referenz-Ausgangsstrom ein Source-Strom und/oder Drain-Strom des Feldeffekt-Transistors (1) ist.
Modul (3) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Auswerteeinheit (2) ausgelegt ist, den Temperaturkorrekturfaktor auf der Grundlage einer Temperaturkennlinie des Einschaltwiderstands zu bestimmen.
Modul (3) nach Anspruch 12, wobei die Temperaturkennlinie als Funktion oder als Nachschlagtabelle in dem Speicher gespeichert ist.
Modul nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Auswerteeinheit (2) ausgelegt ist, den Temperaturkorrekturfaktor als eine Steigung einer linearen Approximations-Funktion der Temperaturkennlinie des Einschaltwiderstands zu bestimmen.
Modul (3) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Temperaturkorrekturfaktor eine Steigung einer Tangente der Temperaturkennlinie des Einschaltwiderstands bei dem Referenz-Einschaltwiderstand und/oder eine Steigung einer Geraden, die die Kennlinie bei dem Referenz-Einschaltwiderstand und bei einem zweiten Widerstand schneidet, enthält.
Modul (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei der Temperaturkorrekturfaktor einen Eigenerwärmungskorrekturfaktor enthält, der auf der Grundlage eines in dem Speicher gespeicherten Sperrschicht-zu-Gehäuse-Wärmewiderstands des Feldeffekt-Transistors (1) bestimmt wird.
Modul (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die Auswerteeinheit (2) ausgelegt ist, einen Ist-Strom (I_Ist) des elektrischen Verbrauchers (4) auf der Grundlage des Ist-Einschaltwiderstands während des Betriebs des Moduls (3) mit dem elektrischen Verbraucher (4) zu bestimmen.
Elektronische Sicherung, die ein Modul (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 17 enthält, wobei der Feldeffekt-Transistor (1) ein Schalter zum Ein- und Ausschalten der Stromzufuhr des elektrischen Verbrauchers (4) ist.