DE102021210716A1

DE102021210716A1 - Method and device for detecting a short circuit in a transistor

Info

Publication number: DE102021210716A1
Application number: DE102021210716.8A
Authority: DE
Inventors: Manuel Riefer; Jonathan Winkler; Sebastian Strache; Karl Oberdieck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2023-03-30
Also published as: WO2023046609A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Detektieren eines Kurzschlusses in einem Transistor (2), umfassend ein Aufmodulieren (101) eines ersten Signals mit wechselnder Amplitude auf eine Gatespannung des Transistors (2), wobei das erste Signal eine vordefinierte Frequenz aufweist, ein Detektieren (102) eines Gatestroms des Transistors (2) als ein zweites Signal, ein Vergleichen (103) einer Charakteristik des detektierten zweiten Signals mit einem Sollwert, und ein Erkennen (104) eines Kurzschlusses basierend auf einer Abweichung der Charakteristik des detektierten zweiten Signals von dem Sollwert.The present invention relates to a method (100) for detecting a short circuit in a transistor (2), comprising modulating (101) a first signal with changing amplitude onto a gate voltage of the transistor (2), the first signal having a predefined frequency, detecting (102) a gate current of the transistor (2) as a second signal, comparing (103) a characteristic of the detected second signal with a target value, and recognizing (104) a short circuit based on a deviation in the characteristic of the detected second signal from the setpoint.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren eines Kurzschlusses in einem Transistor.The present invention relates to a method and a device for detecting a short circuit in a transistor.

Es ist bekannt, dass durch die Injektion eines hochfrequenten Signals in das Gate eines Leistungshalbleiters und die Messung des entstehenden hochfrequenten Stroms ein interner Gatewiderstand des Leistungshalbleiters gemessen werden kann. Gates von Leistungshalbleitern sind zumeist aus Polysilizium gefertigt und weisen deswegen temperaturabhängige Eigenschaften auf. Daher erlaubt die Messung des internen Gatewiderstands Rückschlüsse auf die Temperatur des Leistungshalbleiters.It is known that an internal gate resistance of the power semiconductor can be measured by injecting a high-frequency signal into the gate of a power semiconductor and measuring the resulting high-frequency current. Gates of power semiconductors are mostly made of polysilicon and therefore have temperature-dependent properties. Therefore, measuring the internal gate resistance allows conclusions to be drawn about the temperature of the power semiconductor.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses in einem Transistor umfasst ein Aufmodulieren eines ersten Signals mit wechselnder Amplitude auf eine Gatespannung des Transistors, wobei das erste Signal eine vordefinierte Frequenz aufweist, ein Detektieren eines Gatestroms des Transistors als ein zweites Signal, ein Vergleichen einer Charakteristik eines Wechselstromanteils des detektierten zweiten Signals mit einem Sollwert, und ein Erkennen eines Kurzschlusses basierend auf einer Abweichung der Charakteristik des detektierten zweiten Signals von dem Sollwert.The method according to the invention for detecting a short circuit in a transistor comprises modulating a first signal with changing amplitude onto a gate voltage of the transistor, the first signal having a predefined frequency, detecting a gate current of the transistor as a second signal, comparing a characteristic of a AC component of the detected second signal with a target value, and detecting a short circuit based on a deviation of the characteristic of the detected second signal from the target value.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Detektieren eines Kurzschlusses in einem Transistor umfasst eine Treiberschaltung, welche dazu eingerichtet ist ein erstes Signal mit wechselnder Amplitude auf eine Gatespannung des Transistors aufzumodulieren, wobei das erste Signal eine vordefinierte Frequenz aufweist, einen Gatestrom des Transistors als ein zweites Signal zu detektieren, eine Charakteristik eines Wechselstromanteils des detektierten zweiten Signals mit einem Sollwert zu vergleichen, und einen Kurzschluss basierend auf einer Abweichung der Charakteristik des detektierten zweiten Signals von dem Sollwert zu erkennen.The device according to the invention for detecting a short circuit in a transistor includes a driver circuit which is set up to modulate a first signal with changing amplitude onto a gate voltage of the transistor, the first signal having a predefined frequency to detect a gate current of the transistor as a second signal comparing a characteristic of an AC component of the detected second signal with a target value, and detecting a short circuit based on a deviation of the characteristic of the detected second signal from the target value.

Der Transistor ist bevorzugt ein Leistungshalbleiter. Auch bevorzugt ist der Transistor ein MOSFET mit aus Polysilizium gefertigtem Gate.The transistor is preferably a power semiconductor. Also preferably, the transistor is a MOSFET with the gate made of polysilicon.

Das Aufmodulieren des ersten Signals und das Detektieren des Gatestroms erfolgt dabei insbesondere in einem Zeitintervall, in dem der Transistor durchgeschaltet ist und somit eine Gate-Source-Spannung, auch als Gatespannung bezeichnet, anliegt, die zum Schalten des Transistors geeignet ist. Das Aufmodulieren des ersten Signals mit wechselnder Amplitude auf die Gatespannung des Transistors erfolgt insbesondere dadurch, dass die Gatespannung des Transistors durch eine Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, die mit einer Wechselspannungsquelle in Serie geschaltet ist, die das erste Signal bereitstellt. Von der Wechselspannungsquelle wird eine Wechselspannung mit der vordefinierten Frequenz abgegeben. Die Gatespannung ist dabei so gewählt, dass durch diese der Transistor geschaltet werden kann. Die Amplitude der Wechselspannung ist im Vergleich zu der Gatespannung kleiner gewählt, so dass der Schaltvorgang des Transistors nicht durch die aufmodulierte Wechselspannung, also durch das erste Signal, beeinflusst wird.The first signal is modulated and the gate current is detected in particular in a time interval in which the transistor is switched on and a gate-source voltage, also referred to as gate voltage, which is suitable for switching the transistor is present. The first signal with changing amplitude is modulated onto the gate voltage of the transistor in particular in that the gate voltage of the transistor is provided by a DC voltage source which is connected in series with an AC voltage source which provides the first signal. An AC voltage with the predefined frequency is emitted from the AC voltage source. The gate voltage is selected in such a way that the transistor can be switched by it. The amplitude of the AC voltage is selected to be smaller than the gate voltage, so that the switching process of the transistor is not influenced by the modulated AC voltage, ie by the first signal.

Bei dem Detektieren des Gatestroms des Transistors wird bevorzugt eine Spannung über einen Messwiderstand erfasst, der vor einen Gatekontakt des Transistors geschaltet ist. Bevorzugt ist der Messwiderstand, die Gleichspannungsquelle und die Wechselstromquelle in Serie geschaltet. Das zweite Signal ist ein Verlauf des Gatestroms über die Zeit.When the gate current of the transistor is detected, a voltage is preferably recorded across a measuring resistor that is connected in front of a gate contact of the transistor. The measuring resistor, the direct voltage source and the alternating current source are preferably connected in series. The second signal is a history of the gate current over time.

Bei dem Vergleichen einer Charakteristik des detektierten zweiten Signals mit einem Sollwert wird das detektierte zweite Signal betrachtet, wobei ein Wechselstromanteil des zweiten Signals betrachtet wird, der aus dem ersten Signal resultiert.When comparing a characteristic of the detected second signal with a target value, the detected second signal is considered, with an AC component of the second signal being considered, which results from the first signal.

Der Sollwert ist abhängig von der Charakteristik gewählt. Das erste Signal wird typischerweise einen Einfluss auf den Gatestrom des Transistors nehmen und somit bei dem Detektieren des Gatestroms des Transistors in dem zweiten Signal reflektiert. Dabei kommt es jedoch durch die Materialeigenschaften des Transistors und insbesondere durch temperaturabhängige Eigenschaften des Transistors zu einer Veränderung bestimmter Signaleigenschaften, welche durch das erste Signal definiert sind und welche in dem zweiten Signal wiedergegeben sind. So spiegelt sich beispielsweise eine Frequenz und eine Amplitude des ersten Signals in dem zweiten Signal wieder. Die Signaleigenschaften sind dabei als die Charakteristik eines Signals anzusehen.The setpoint is selected depending on the characteristics. The first signal will typically have an impact on the gate current of the transistor and will thus be reflected in the second signal upon detection of the gate current of the transistor. However, the material properties of the transistor and in particular the temperature-dependent properties of the transistor result in a change in certain signal properties which are defined by the first signal and which are reproduced in the second signal. For example, a frequency and an amplitude of the first signal are reflected in the second signal. The signal properties are to be regarded as the characteristics of a signal.

Es kann insbesondere aus einem Unterschied zwischen einer Signaleigenschaft des ersten Signals gegenüber einer entsprechenden Signaleigenschaft des zweiten Signals auf eine Temperatur des Transistors geschlossen werden. Insbesondere wäre es somit auch vorteilhaft, wenn die Charakteristik des detektierten zweiten Signals unmittelbar mit einer Charakteristik des ersten Signals verglichen wird. Da die Charakteristik des ersten Signals jedoch bekannt ist, kann diese auch durch einen Sollwert vordefiniert sein. Der Sollwert ist somit entweder ein vordefinierter Wert oder ein Wert, der aus dem ersten Signal extrahiert wird.In particular, a temperature of the transistor can be inferred from a difference between a signal property of the first signal and a corresponding signal property of the second signal. In particular, it would therefore also be advantageous if the characteristic of the detected second signal is directly compared with a characteristic of the first signal. However, since the characteristic of the first signal is known, it can also be predefined by a desired value. The target value is thus either a predefined value or a value that is extracted from the first signal.

Bei dem Erkennen eines Kurzschlusses wird ein Kurzschluss basierend auf einer Abweichung der Charakteristik des detektierten zweiten Signals von dem Sollwert erkannt. Insbesondere dann, wenn es zu hohen Strömen in dem Transistor kommt, wird sich dieser stark erwärmen. Dies führt auch dazu, dass sich die Charakteristik des zweiten Signals gegenüber der Charakteristik des ersten Signals stark verändert. Abhängig davon, wie groß diese Veränderung ist, kann auf die Temperatur innerhalb des Transistors geschlossen werden. Da hohe Temperaturänderungen typischerweise bei einem Kurzschluss auftreten, kann aus der Abweichung der Charakteristik des detektierten zweiten Signals von dem Sollwert auch auf einen Kurzschluss geschlossen werden.When a short circuit is detected, a short circuit is detected based on a deviation of the characteristic of the detected second signal from the target value. In particular, when there are high currents in the transistor, it will heat up considerably. This also means that the characteristic of the second signal changes greatly compared to the characteristic of the first signal. Depending on how large this change is, conclusions can be drawn about the temperature inside the transistor. Since high temperature changes typically occur in the event of a short circuit, a short circuit can also be inferred from the deviation of the characteristic of the detected second signal from the setpoint value.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt.The method according to the invention is carried out by the device according to the invention.

Die Temperatur des Transistors wird somit über den internen Gatewiderstand des Transistors gemessen. Steigt im aktiven Betrieb des Halbleiters die Temperatur über einen Schwellwert an, so muss ein Fehler vorliegen und ein Kurzschluss wird erkannt, wobei bevorzugt ein Signal zur Kurzschlussabschaltung ausgelöst wird.The temperature of the transistor is thus measured via the internal gate resistance of the transistor. If the temperature rises above a threshold value during active operation of the semiconductor, then there must be a fault and a short circuit is detected, with a signal for switching off the short circuit preferably being triggered.

Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die sehr schnelle Erkennung einer Übertemperatur (bei einer Sinus-Frequenz von 3 MHz zum Beispiel 333 ns) und somit des Kurzschlusses. Zudem funktioniert dieses Verfahren unabhängig vom konkreten Aufbau des Moduls und benötigt lediglich die Implementierung der Temperaturmessung über die Messung des Gatewiderstandes mittels einer Frequenzüberlagerung, beispielsweise einer Sinusüberlagerung.The advantage of the method according to the invention is the very rapid detection of an overtemperature (at a sine frequency of 3 MHz, for example 333 ns) and thus of the short circuit. In addition, this method works independently of the specific structure of the module and only requires the implementation of the temperature measurement by measuring the gate resistance using frequency superimposition, for example a sine superimposition.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Bevorzugt ist bei dem Vergleichen der Charakteristik des detektierten zweiten Signals mit dem Sollwert die Charakteristik so gewählt, dass diese abhängig von einer Temperatur des Transistors ist. Gerade die Temperatur des Transistors ist ein besonders guter Indikator für einen Kurzschluss, womit durch die entsprechende Wahl der Charakteristik Kurzschlüsse besonders effizient erkannt werden können.When comparing the characteristic of the detected second signal with the desired value, the characteristic is preferably selected in such a way that it is dependent on a temperature of the transistor. The temperature of the transistor is a particularly good indicator of a short circuit, which means that short circuits can be detected particularly efficiently by selecting the appropriate characteristic.

Weiter bevorzugt ist bei dem Vergleichen der Charakteristik des detektierten zweiten Signals mit dem Sollwert die Charakteristik des zweiten Signals ein Effektivwert des zweiten Signals und dieser Effektivwert des zweiten Signals wird mit dem Sollwert verglichen, und bei dem Erkennen eines Kurzschlusses wird ein Kurzschluss dann erkannt, wenn der Effektivwert geringer als der Sollwert ist. Der Sollwert ist durch einen Schwellenwert definiert. Unter dem Effektivwert einer Wechselspannung, hier des zweiten Signals, versteht man insbesondere diejenige Gleichspannung, die am gleichen Widerstand in der gleichen Zeit die gleiche Verlustleistung wie die Wechselspannung liefert. Durch den Effektivwert kann die Charakteristik des detektierten zweiten Signals in einen einzigen Wert überführt werden. Dies ist besonders einfach zu realisieren, beispielsweise durch Bildung des quadratischen Mittelwerts. Dazu wird die Wurzel aus dem Mittelwert des Quadrats bestimmt. Die geschieht durch einen Gleichrichter, gefolgt von einem Quadrierer, einem Mittelwertbilder und einem Baustein zum Ziehen der Wurzel. Ein Vergleich mit dem Schwellenwert kann ebenfalls in einfacher Weise geschehen, beispielsweise durch einen Komparator. Der Schwellenwert wird dabei derart gewählt, dass dieser unterschritten wird, wenn tatsächlich ein Kurzschluss vorliegt. Der Sollwert kann beispielsweise für einen bestimmten Transistortyp experimentell ermittelt werden.More preferably, when comparing the characteristic of the detected second signal with the target value, the characteristic of the second signal is an effective value of the second signal and this effective value of the second signal is compared with the target value, and when a short circuit is detected, a short circuit is detected if the RMS value is less than the setpoint. The setpoint is defined by a threshold. The effective value of an AC voltage, in this case the second signal, is understood to mean in particular that DC voltage which delivers the same power loss as the AC voltage at the same resistor in the same time. The characteristic of the detected second signal can be converted into a single value by the effective value. This is particularly easy to implement, for example by forming the square mean value. To do this, the root of the mean value of the square is determined. This is done by a rectifier, followed by a squarer, an averaging device and a block for taking the square root. A comparison with the threshold value can also take place in a simple manner, for example using a comparator. The threshold value is selected in such a way that it falls below when there is actually a short circuit. The target value can be determined experimentally, for example, for a specific type of transistor.

Auch ist es vorteilhaft, wenn bei dem Vergleichen der Charakteristik des detektierten zweiten Signals mit dem Sollwert die Charakteristik des zweiten Signals eine Phase des zweiten Signals ist und die Phase des zweiten Signals mit einer Phase des ersten Signals verglichen wird, um eine Phasenabweichung zu ermitteln, und bei dem Erkennen eines Kurzschlusses ein Kurzschluss dann erkannt wird, wenn die Phasenabweichung kleiner als der Sollwert ist. Der Sollwert ist durch einen Schwellenwert definiert. So kommt es insbesondere durch hohe Temperaturen in dem Transistor auch zu einer Phasenverschiebung zwischen der Phase des ersten Signals und der Phase des zweiten Signals. Eine solche Phasenverschiebung kann besonders schnell detektiert werden, da beispielsweise kein Zeitintervall für eine Integralbildung benötigt wird. Folglich kann auch ein auftretender Kurzschluss besonders schnell detektiert werden.It is also advantageous if, when comparing the characteristic of the detected second signal with the setpoint value, the characteristic of the second signal is a phase of the second signal and the phase of the second signal is compared with a phase of the first signal in order to determine a phase deviation, and when a short circuit is detected, a short circuit is detected when the phase deviation is less than the target value. The setpoint is defined by a threshold. In particular, high temperatures in the transistor also result in a phase shift between the phase of the first signal and the phase of the second signal. Such a phase shift can be detected particularly quickly since, for example, no time interval is required for an integral formation. Consequently, a short circuit that occurs can also be detected particularly quickly.

Auch ist es vorteilhaft, wenn bei dem Vergleichen der Charakteristik des detektierten zweiten Signals mit dem Sollwert die Charakteristik ein Strom, insbesondere ein maximaler Strom, des zweiten Signals ist, und bei dem Erkennen eines Kurzschlusses ein Kurzschluss dann erkannt wird, wenn der Strom geringer als der Sollwert ist. Der Sollwert ist durch einen Schwellenwert definiert. So führt ein Temperaturanstieg des Transistors im Kurzschlussfall zu einem erhöhten Gatewiderstand, welcher durch einen verringerten Gatestrom erkannt werden kann.It is also advantageous if, when comparing the characteristic of the detected second signal with the setpoint value, the characteristic is a current, in particular a maximum current, of the second signal, and when a short circuit is detected, a short circuit is detected if the current is less than is the setpoint. The setpoint is defined by a threshold. A rise in temperature of the transistor in the event of a short circuit leads to an increased gate resistance, which can be recognized by a reduced gate current.

Bevorzugt ist das erste Signal mit wechselnder Amplitude ein hochfrequentes Signal, insbesondere ein Signal mit einer Frequenz von mehr als 1 MHz. Ein solches erste Signal weist den Vorteil auf, dass dieses besonders wenig Einfluss auf den Schaltvorgang des Transistors nimmt und zugleich eine besonders schnelle Detektion einer Phasenverschiebung ermöglicht. So kann beispielsweise eine Phasenverschiebung basierend auf einem Auftreten von Maximalwerten erfolgen, welche bei Signalen mit hohen Frequenzen häufiger auftreten als bei Signalen mit niedrigen Frequenzen.The first signal with changing amplitude is preferably a high-frequency signal, in particular a signal with a frequency of more than 1 MHz. Such a first signal has the advantage that it has particularly little influence on the switching process of the transistor and at the same time enables a particularly rapid detection of a phase shift. For example, a phase shift can take place based on the occurrence of maximum values, which occur more frequently in the case of signals with high frequencies than in the case of signals with low frequencies.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Signal mit wechselnder Amplitude ein sinusförmiges Signal ist. Ein solches Signal kann besonders einfach durch einen Schwingkreis erzeugt werden.Furthermore, it is advantageous if the signal with changing amplitude is a sinusoidal signal. Such a signal can be generated particularly easily by an oscillating circuit.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn ein Abschaltsignal bereitgestellt wird, wenn ein Kurzschluss erkannt wurde und/oder ein Abschalten des Transistors in Reaktion darauf erfolgt, dass ein Kurzschluss erkannt wurde. Es ist somit vorteilhaft, wenn Aktionen eingeleitet werden, die einer Beschädigung des Transistors durch den Kurzschluss entgegenwirken.Furthermore, it is advantageous if a switch-off signal is provided when a short circuit has been detected and/or the transistor is switched off in response to a short circuit being detected. It is therefore advantageous if actions are initiated which counteract damage to the transistor as a result of the short circuit.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Verfahren von einer integrierten Schaltung eines Gatetreibers ausgeführt wird, durch welche auch der Gatestrom des Transistors geschaltet wird. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass besonders kurze Schaltzeiten erreicht werden, da von derselben integrierten Schaltung, durch welche der Kurzschluss erkannt wird, auch die Gegenmaßnahmen, wie z. B. das Abschalten des Transistors, ausgeführt werden können.Furthermore, it is advantageous if the method is carried out by an integrated circuit of a gate driver, which also switches the gate current of the transistor. In this way it is possible that particularly short switching times can be achieved since the same integrated circuit through which the short circuit is detected, the countermeasures such. B. turning off the transistor can be performed.

Figurenlistecharacter list

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine Darstellung einer Anordnung eines Transistors in einem Inverter, und
4 eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Drain-Stromes durch einen Transistor bei Auftreten eines Kurzschlusses.

Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:

1 a flowchart of a method according to the invention,
2 a block diagram of a device according to the invention,
3 an illustration of an arrangement of a transistor in an inverter, and
4 a representation of a time profile of a drain current through a transistor when a short circuit occurs.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Detektieren eines Kurzschlusses in einem Transistor 2. Der Transistor 2 ist dabei insbesondere ein Transistor eines Inverters. Der Transistor ist dabei ein Leistungstransistor, hier ein MOSFET-Transistor. 1 1 shows a flow chart of a method 100 for detecting a short circuit in a transistor 2. The transistor 2 is in particular a transistor of an inverter. The transistor is a power transistor, here a MOSFET transistor.

Das Verfahren wird beispielsweise dann angestoßen, wenn der Transistor 2 in einen durchgeschalteten Zustand geschaltet wird, was durch Anlegen einer Gate-Source-Spannung, im Folgenden auch als Gatespannung bezeichnet, erfolgt.The method is triggered, for example, when the transistor 2 is switched to an on state, which takes place by applying a gate-source voltage, also referred to below as gate voltage.

In einem ersten Schritt 101 des Verfahrens erfolgt ein Aufmodulieren eines ersten Signals mit wechselnder Amplitude auf die Gatespannung des Transistors 2, wobei das erste Signal eine vordefinierte Frequenz aufweist. Die Gatespannung des Transistors 2 ist dabei die Spannung, die zwischen Gate und Source des Transistors angelegt wird, um diesen zu schalten. Auf diese Gatespannung wird ein hochfrequentes sinusförmiges Signal aufmoduliert. Die vordefinierte Frequenz ist dabei beispielsweise eine Frequenz von 3 MHz. Die Gatespannung ist dabei eine Gleichspannung, wobei ein Spannungswert der Gatespannung größer ist als eine Amplitude des ersten Signals. Dadurch wird verhindert, dass durch das erste Signal die Gatespannung des Transistors 2 so verändert wird, dass diese zu einem Schalten des Transistors 2 führt. Der Transistor 2 verbleibt somit während des gesamten Verfahrens 100 in dem eingeschalteten Zustand.In a first step 101 of the method, a first signal with changing amplitude is modulated onto the gate voltage of the transistor 2, the first signal having a predefined frequency. The gate voltage of the transistor 2 is the voltage that is applied between the gate and source of the transistor in order to switch it. A high-frequency sinusoidal signal is modulated onto this gate voltage. The predefined frequency is, for example, a frequency of 3 MHz. In this case, the gate voltage is a direct voltage, with a voltage value of the gate voltage being greater than an amplitude of the first signal. This prevents the first signal from changing the gate voltage of the transistor 2 in such a way that it causes the transistor 2 to switch. The transistor 2 thus remains in the on state throughout the method 100 .

Nach dem Aufmodulieren des ersten Signals auf die Gatespannung des Transistors 2 wird ein zweiter Schritt 102 ausgeführt, in dem ein Detektieren eines Gatestromes des Transistors 2 erfolgt. Der zeitliche Verlauf des detektierten Gatestroms des Transistors ist dabei ein zweites Signal. Der Gatestrom des Transistors 2 wird beispielsweise über einen dem Transistor 2 vorgeschalteten und mit dessen Gatekontakt verbundenen Messwiderstand gemessen. Der Gatestrom des Transistors 2 variiert mit der Gatespannung des Transistors. Somit wird beispielsweise durch das auf die Gatespannung des Transistors aufmodulierte sinusförmige erste Signal auch ein sinusförmiger Verlauf des zweiten Signals verursacht, welcher typischerweise dieselbe Frequenz aufweist, die durch das erste Signal vorgegeben ist.After the first signal has been modulated onto the gate voltage of transistor 2, a second step 102 is carried out, in which a gate current of transistor 2 is detected. The time course of the detected gate current of the transistor is a second signal. The gate current of the transistor 2 is measured, for example, via a measuring resistor connected upstream of the transistor 2 and connected to its gate contact. The gate current of the transistor 2 varies with the gate voltage of the transistor. Thus, for example, the sinusoidal first signal modulated onto the gate voltage of the transistor also causes a sinusoidal course of the second signal, which typically has the same frequency as that specified by the first signal.

In einem dritten Verfahrensschritt 103, welcher nach dem zweiten Verfahrensschritt 102 ausgeführt wird, folgt ein Vergleichen einer Charakteristik des detektierten zweiten Signals mit einem Sollwert. Die Charakteristik ist dabei eine Signaleigenschaft, die derart gewählt ist, dass diese abhängig von einer Temperatur des Transistors 2 ist. So ist die Charakteristik des detektierten zweiten Signals beispielsweise ein Effektivwert des zweiten Signals. So wird das zweite Signal beispielsweise integriert, um den Effektivwert zu bilden. Das Bilden des Effektivwertes kann dabei weitere Schritte umfassen. Der Effektivwert wird dann mit einem Sollwert verglichen. Wird der Transistor 2 erhitzt, wie dieses beispielsweise bei einem Kurzschluss erfolgt, so fällt eine Amplitude des zweiten Signals ab. In entsprechender Weise fällt auch der ermittelte Effektivwert des zweiten Signals ab. Ein Abfallen des Effektivwertes deutet somit an, dass es zu einer Erhitzung des Transistors kommt, was ein Anzeichen für einen vorliegenden Kurzschluss ist.In a third method step 103, which is carried out after the second method step 102, a characteristic of the detected second signal is compared with a desired value. In this case, the characteristic is a signal property which is selected in such a way that it is dependent on a temperature of the transistor 2 . For example, the characteristic of the detected second signal is an effective value of the second signal. For example, the second signal is integrated to form the RMS value. Forming the effective value can include further steps. The RMS value is then compared to a target value. If the transistor 2 is heated, as occurs, for example, in the event of a short circuit, the amplitude of the second signal drops. The determined effective value of the second signal also falls in a corresponding manner. A drop in RMS value thus indicates that the transistor is heating up, which is an indication of a short circuit.

In einem vierten Schritt 104, welcher nach dem dritten Schritt 103 ausgeführt wird, erfolgt ein Erkennen eines Kurzschlusses basierend auf einer Abweichung der Charakteristik des detektierten zweiten Signals von dem Sollwert. Dazu wird der Effektivwert des zweiten Signals mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Wie zuvor beschrieben, deutet ein Abfallen des Effektivwertes auf einen Kurzschluss hin. Je weiter der Effektivwert abfällt, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Kurzschluss vorliegt. Der Sollwert ist derart gewählt, dass dieser eine Schwelle definiert, ab der von einem Kurzschluss ausgegangen werden kann. Der Sollwert ist dabei für eine bestimmte Frequenz des ersten Signals festgelegt. Ist diese Frequenz bei der Verwendung des Transistors 2 immer gleich, so kann der Sollwert als ein fester Wert vordefiniert sein. Alternativ kann der Sollwert abhängig von einer Charakteristik des ersten Signals rechnerisch ermittelt werden.In a fourth step 104, which is carried out after the third step 103, a short circuit is detected based on a deviation of the characteristic of the detected second signal from the desired value. To do this, the effective value of the second signal is compared with a specified target value. As previously described, a drop in the RMS value indicates a short circuit. The further the rms value drops, the more likely it is that there is a short circuit. The setpoint is selected in such a way that it defines a threshold from which a short circuit can be assumed. The target value is defined for a specific frequency of the first signal. If this frequency is always the same when using the transistor 2, then the desired value can be predefined as a fixed value. Alternatively, the desired value can be determined by calculation as a function of a characteristic of the first signal.

Es wird somit ein Kurzschluss erkannt, wenn der Effektivwert den Sollwert unterschreitet. In diesem Falle wird ein fünfter Verfahrensschritt 105 ausgeführt, in dem ein Abschaltsignal bereitgestellt wird oder ein Abschalten des Transistors in Reaktion darauf erfolgt, dass der Kurzschluss erkannt wurde. Das Abschaltsignal wird dabei insbesondere einer übergeordneten Signalverarbeitungseinheit bereitgestellt, durch welche Schritte zur Reaktion auf den Kurzschluss eingeleitet werden können. Das Abschalten des Transistors 2 kann auch unmittelbar durch die Einheit erfolgen, durch die das Verfahren 100 ausgeführt wird. So wird das Verfahren beispielsweise durch eine integrierte Schaltung ausgeführt, die auch den Gatetreiber zum Ansteuern des Transistors 2 umfasst. So wird durch den Gatetreiber und somit durch die integrierte Schaltung auch der Gatestrom des Transistors 2 geschaltet. Es kann somit ein sehr kurzer Signalweg erreicht werden, durch welchen ein sehr schnelles Abschalten des Transistors 2 im Falle eines Kurzschlusses ermöglicht wird.A short circuit is thus detected when the effective value falls below the setpoint. In this case, a fifth method step 105 is carried out, in which a switch-off signal is provided or the transistor is switched off in response to the fact that the short circuit was detected. In this case, the switch-off signal is provided in particular to a higher-level signal processing unit, which can be used to initiate steps to react to the short circuit. The transistor 2 can also be switched off directly by the unit by which the method 100 is carried out. For example, the method is carried out by an integrated circuit that also includes the gate driver for driving the transistor 2 . The gate current of the transistor 2 is thus also switched by the gate driver and thus by the integrated circuit. A very short signal path can thus be achieved, which enables the transistor 2 to be switched off very quickly in the event of a short circuit.

In dem zuvor beschriebenen Beispiel ist die Charakteristik des detektierten zweiten Signals der Effektivwert des zweiten Signals. Alternativ dazu ist die Charakteristik des zweiten Signals eine Phasenabweichung zwischen der Phase des zweiten Signals und der Phase des ersten Signals. Die Phasenabweichung wird beispielsweise durch eine Zeit beschrieben, die zwischen einem Auftreten einer maximalen Amplitude des zweiten Signals und dem Auftreten einer maximalen Amplitude des ersten Signals verstreicht. In dem vierten Schritt 104 wird diese Phasenabweichung mit einem Sollwert verglichen. Je kleiner die Phasenabweichung ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Kurzschluss in dem Transistor vorliegt. Ab wann davon ausgegangen wird und in dem vierten Schritt 104 ein Kurzschluss erkannt wird, kann durch das Festlegen eines Wertes für den Sollwert erfolgen. Wird ein Kurzschluss erkannt, so wird in entsprechender Weise der fünfte Verfahrensschritt 105 ausgeführt.In the example described above, the characteristic of the detected second signal is the rms value of the second signal. Alternatively, the characteristic of the second signal is a phase deviation between the phase of the second signal and the phase of the first signal. The phase deviation is described, for example, by a time that elapses between the occurrence of a maximum amplitude of the second signal and the occurrence of a maximum amplitude of the first signal. In the fourth step 104, this phase deviation is compared with a target value. The smaller the phase deviation, the more likely it is that there is a short circuit in the transistor. From when this is assumed and a short circuit is detected in fourth step 104 can be determined by specifying a value for the setpoint. If a short circuit is detected, the fifth method step 105 is carried out in a corresponding manner.

In 2 ist ein Blockdiagramm dargestellt, durch welches eine Vorrichtung 1 zum Detektieren eines Kurzschlusses an einem Transistor 2 dargestellt ist. Durch die Vorrichtung 1 wird das Verfahren 100 ausgeführt. So wird das erste Signal durch einen Sinusgenerator 10 erzeugt und auf die Gatespannung des Transistors 2 aufmoduliert. Über einen Strommesswiderstand 11 wird das zweite Signal detektiert und einem Effektwertbilder 12 bereitgestellt. Zudem wird das Signal über den Strommesswiderstand 11 auch an einem Gate des Transistor 2 bereitgestellt. Durch den Effektivwertbilder 12 wird der Effektivwert des zweiten Signals ermittelt und einem Komparator 13 bereitgestellt. Durch den Komparator 13 wird der Effektivwert mit einem in einer Speichereinheit 14 hinterlegten Sollwert verglichen. Liegt der Effektivwert unter dem Sollwert, so wird durch den Komparator 13 ein Abschaltsignal an eine Steuereinheit 15.In 2 a block diagram is shown, through which a device 1 for detecting a short circuit on a transistor 2 is shown. The method 100 is carried out by the device 1 . The first signal is thus generated by a sine wave generator 10 and modulated onto the gate voltage of the transistor 2 . The second signal is detected via a current measuring resistor 11 and made available to an effect value generator 12 . In addition, the signal is also provided at a gate of the transistor 2 via the current measuring resistor 11 . The effective value of the second signal is determined by the effective value generator 12 and made available to a comparator 13 . The effective value is compared with a setpoint value stored in a memory unit 14 by the comparator 13 . If the effective value is below the target value, the comparator 13 sends a switch-off signal to a control unit 15.

Der Effektivwertbilder 12 ist dabei optional. Alternativ dazu kann die Charakteristik des zweiten Signals auch durch die Phasenabweichung definiert sein. In diesem Falle ist es möglich, das detektierte zweite Signal direkt dem Komparator bereitzustellen, wobei durch den Sollwert ein dem ersten Signal entsprechendes sinusförmiges hochfrequentes Signal bereitgestellt wird. Diese werden über den Komparator 13 miteinander verglichen und wenn es zu einer besonders kleinen Abweichung zwischen diesen Signalen kommt, dann kann auf eine besonders kleine Phasenabweichung geschlossen werden. Entsprechend einem in dem Komparator 13 gesetzten Schwellenwert kann damit die Signalausgabeschaltung 5 dazu getriggert werden, das Abschaltsignal auszugeben, wenn die Phasenabweichung größer als ein vordefinierter Schwellenwert ist.The effective value generator 12 is optional. As an alternative to this, the characteristic of the second signal can also be defined by the phase deviation. In this case it is possible to provide the detected second signal directly to the comparator, a sinusoidal high-frequency signal corresponding to the first signal being provided by the reference value. These are compared with one another via the comparator 13 and if there is a particularly small deviation between these signals, then a particularly small phase deviation can be concluded. Corresponding to a threshold value set in the comparator 13, the signal output circuit 5 can thus be triggered to output the switch-off signal when the phase deviation is greater than a predefined threshold value.

In 3 ist eine beispielhafte Anordnung des Transistors 2 mit einem weiteren Transistor 3 in einem Inverter gezeigt. Dabei stellt 3 ein Ersatzschaltbild dar, welches das Verhalten des Inverters im Falle eines Kurzschlusses in einer angeschlossenen Maschine beschreibt. So ist beispielsweise ersichtlich, dass der geschaltete Drain-Strom i_D des Transistors 2 durch ein induktives Element 4 der Last und ein weiteres induktives Element 5 der Spannungsversorgung sowie eine Kapazität 6 der Spannungsversorgung beeinflusst wird. Diese induktiven und kapazitiven Elemente nehmen im Falle eines Kurzschlusses Einfluss auf die Charakteristik des zweiten Signals, die bei der Kurzschlusserkennung durch das Verfahren 100 genutzt wird.In 3 an exemplary arrangement of the transistor 2 with a further transistor 3 in an inverter is shown. In doing so 3 represents an equivalent circuit diagram that describes the behavior of the inverter in the event of a short circuit in a connected machine. For example, it can be seen that the switched drain current i _D of the transistor 2 is influenced by an inductive element 4 of the load and a further inductive element 5 of the voltage supply, as well as a capacitance 6 of the voltage supply. In the event of a short circuit, these inductive and capacitive elements influence the characteristics of the second signal used in short circuit detection by method 100.

In 4 ist der Drain-Strom io, welcher durch den Transistor 2 geschaltet wird, über seinen zeitlichen Verlauf dargestellt. Dabei tritt in einem Zeitintervall t_plus ein Kurzschluss auf. Es ist ersichtlich, dass der Drain-Strom i_D ansteigt. Wird zu spät abgeschaltet, so kann die Drain Spannung des Transistors 2 auf einen Wert ansteigen, die auf Grund einer Überschreitung der Durchbruchspannung zu einem Lavinen-Durchbruch (Avalanche Durchbruch) führt. Erfindungsgemäß kann ein Kurzschluss noch innerhalb des Zeitpunktes t_plus detektiert werden, wodurch eine Beschädigung oder starke Belastung des Transistors 2 verhindert werden kann.In 4 is the drain current io, which is switched by the transistor 2, shown over time. A short circuit occurs in a time interval t _plus . It can be seen that the drain current i _D increases. If it is switched off too late, the drain voltage of the transistor 2 can rise to a value which, because the breakdown voltage is exceeded, leads to an avalanche breakdown (avalanche breakdown). According to the invention, a short circuit can still be detected within time t _plus , as a result of which damage or heavy loading of transistor 2 can be prevented.

Eine Erkennung des Fehlerfalls „Kurzschluss“ wird somit durch eine kontinuierliche und zeitlich hochaufgelöste Temperaturmessung des überwachten Leistungshalbleiters, also des Transistors 2, realisiert. Dazu wird der Leistungshalbleiter bevorzugt mit einer positiven Gatespannung betrieben, sowie ein Komparator hinzugefügt, welcher den gemessenen Gatewiderstand mit dem Sollwert für den maximalen Gatewiderstand vergleicht. Im normalen Fall hat der Gatewiderstand einen positiven Temperaturkoeffizienten (TK) und muss deshalb mit einem maximalen Wert verglichen werden. Falls ein negativer TK oder ein nicht lineares Gateelement verwendet wird, muss der Komparator 13 entsprechend des Temperaturgangs auf eine Grenztemperatur angepasst werden.A detection of the error “short circuit” is thus realized by a continuous temperature measurement of the monitored power semiconductor, ie the transistor 2, with high temporal resolution. For this purpose, the power semiconductor is preferably operated with a positive gate voltage, and a comparator is added, which compares the measured gate resistance with the target value for the maximum gate resistance. In the normal case, the gate resistance has a positive temperature coefficient (TC) and must therefore be compared with a maximum value. If a negative TC or a non-linear gate element is used, the comparator 13 must be adjusted to a limit temperature according to the temperature variation.

Wird eine Übertemperatur detektiert, so erzeugt der Komparator 13 ein Abschaltsignal. Durch die direkte Verbindung wird eine zeitnahe Fehlerreaktion sichergestellt. Parallel wird, welches an die einer übergeordnete Ebene das Fehlersignal, also die Steuereinheit 15, weitergeleitet wird. Dieses übergeordnete System kann beispielsweise ein intelligenter Gatetreiber oder die Steuerung des Inverters sein, je nach Aufbau des Systems und je nach Funktionsblock, in den die Fehlerabschaltungen implementiert sind.If an excess temperature is detected, the comparator 13 generates a switch-off signal. The direct connection ensures a timely error response. At the same time, the error signal, ie the control unit 15, is forwarded to a higher level. This higher-level system can be, for example, an intelligent gate driver or the control of the inverter, depending on the structure of the system and depending on the functional block in which the fault shutdowns are implemented.

Kurzschlüsse sind eine extreme Form der Überströme und können mit verschiedenen Stromanstiegsraten auftreten. Durch diese hohen Überströme wird der Halbleiter zerstört. Die Stromsteilheit bei den Kurzschlüssen entsteht dort abhängig von der Induktivität und der daran abfallenden Spannung. Bei Kurzschluss innerhalb des Leistungsmoduls (<30nH) ist die Stromsteilheit sehr hoch. Dadurch muss mit einer sehr kurzen Reaktionszeit (<2µs) auf diesen Fehler reagiert werden um eine Zerstörung des Halbleiters zu vermeiden. Sehr langsame Überströme (über mehrere Schaltperioden) werden durch die Strommessung des übergeordneten Systems (z.B. Inverter) erkannt und abgefangen. Besonders schwierig abzusichern sind Stromanstiegsraten im mittleren Zeitbereich (>3µs bis Ende der Schaltperiode), welche nicht ausreichend Schnell eine Reaktion z.B. über einen Anstieg der Schalterspannung erkennbar sind. Innerhalb der Stromaufbauphase und bevor eine klassische Kurzschlusserkennung diesen Fehler erkennt, wird bereits sehr viel Energie in den Halbleiter eingebracht und in dessen Folge zerstört. Exemplarisch für einen solchen Fehler, kann der Kurzschluss in einer Maschine wie im folgenden Ersatzschaltbild gezeigt auftreten.Short circuits are an extreme form of overcurrent and can occur at different current slew rates. The semiconductor is destroyed by these high overcurrents. The rate of current rise during short circuits depends on the inductance and the voltage drop across it. In the event of a short circuit within the power module (<30nH), the rate of current rise is very high. As a result, this error must be responded to with a very short response time (<2 µs) in order to avoid destroying the semiconductor. Very slow overcurrents (over several switching periods) are detected and intercepted by the current measurement of the higher-level system (e.g. inverter). It is particularly difficult to protect current rise rates in the medium time range (>3µs to the end of the switching period), which do not react quickly enough, e.g. via an increase in the switch voltage. During the current build-up phase and before a classic short-circuit detection detects this error, a lot of energy is already introduced into the semiconductor and consequently destroyed. As an example of such an error, the short circuit can occur in a machine as shown in the following equivalent circuit diagram.

Dabei wird der Überstrom z.B. über eine deutlich verringerte Lastinduktivität stark erhöht, was beispielhaft in den 3 und 4 dargestellt ist. Bei bisherigen Kurzschlusserkennungen werden diese mittelschnellen Kurzschlüsse nicht erkannt. Durch die hier beschriebene Erkennungsschaltung, sind auch diese kritischen Kurzschlüsse erkennbar und deutlich früher abschaltbar. Dies reduziert die Fehleranfälligkeit des Systems.Here, the overcurrent is greatly increased, for example, a significantly reduced load inductance, which is exemplary in the 3 and 4 is shown. With previous short-circuit detections, these medium-fast short-circuits are not detected. With the detection circuit described here, these critical short circuits can also be detected and switched off much earlier. This reduces the system's susceptibility to errors.

So umfasst insbesondere ein Gatetreiber-ASIC einen Sinus-Generator. Dieser speist die SiC-MOSFETs. Der Gatestrom wird durch einen extern bestückten Strommesswiderstand oder eine in den ASIC integrierte Strommessschaltung für jeden MOSFET einzeln gemessen. Die Gatestrom-Signale können mit Hilfe eines Effektivwertbilder bewertet werden, oder hinsichtlich des maximalen Stroms. Bei dieser Variante kann das Gatestrom-Signal direkt in den Komparator eingespeist werden. Der Effektivwertbilder kann in den Gatetreiber-ASIC integriert werden, genau wie ein Komparator und ein Digital/Analog-Wandler zur Einstellung der Abschalttemperatur. Da auch die Fehlerabschaltung in den Gatetreiber-ASIC integriert ist, lässt sich diese mit dem Komparatorsignal ansteuern und eine Größtenteils in den ASIC integrierte Temperaturmessung ist möglich. Auf Grund der geringen Signallaufzeiten innerhalb des ASICs erfolgt die Abschaltung mit einer sehr geringen Verzögerung nach Detektion der zu hohen Temperatur. Die Abschalttemperatur ist so zu wählen, dass sie ausreichend hoch ist, gegenüber den im regulären Betrieb erreichbaren Temperaturen.In particular, a gate driver ASIC includes a sine wave generator. This feeds the SiC MOSFETs. The gate current is measured individually for each MOSFET by an externally equipped current measuring resistor or a current measuring circuit integrated in the ASIC. The gate current signals can be evaluated using an RMS value calculator, or in terms of the maximum current. With this variant, the gate current signal can be fed directly into the comparator. The RMS generator can be integrated into the gate driver ASIC, as well as a comparator and a digital to analog converter for setting the cut-off temperature. Since the error shutdown is also integrated in the gate driver ASIC, it can be controlled with the comparator signal and a temperature measurement that is largely integrated in the ASIC is possible. Due to the short signal propagation times within the ASIC, the switch-off takes place with a very short delay after the excessive temperature has been detected. The switch-off temperature should be selected so that it is sufficiently high compared to the temperatures that can be reached in regular operation.

Nebst obenstehender Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 bis 4 verwiesen.In addition to the above disclosure, reference is made explicitly to the disclosure of 1 until 4 referred.

Claims

Method (100) for detecting a short circuit in a transistor (2), comprising: - modulating (101) a first signal with changing amplitude onto a gate voltage of the transistor (2), the first signal having a predefined frequency, - detecting (102) a gate current of the Tran sistor (2) as a second signal, - comparing (103) a characteristic of an AC component of the detected second signal with a target value, and - recognizing (104) a short circuit based on a deviation of the characteristic of the detected second signal from the target value.

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein when comparing (103) the characteristic of the detected second signal with the desired value, the characteristic is selected such that it is dependent on a temperature of the transistor (2).

Method (100) according to any one of Claims 1 or 2 , characterized in that: - when comparing (103) the characteristic of the detected second signal with the target value, the characteristic of the second signal is an rms value of the second signal and this rms value of the second signal is compared with the target value, and - when recognizing (104) of a short circuit a short circuit is detected when the effective value is lower than the setpoint.

Method (100) according to any one of Claims 1 or 2 , characterized in that: - in comparing (103) the characteristic of the detected second signal with the target value, the characteristic is a phase deviation between the phase of the second signal and the phase of the first signal; and - upon detection (104) of a short circuit, a short circuit is detected when the absolute value of the phase deviation is smaller than the desired value.

Method (100) according to any one of Claims 1 or 2 , characterized in that: - when comparing (103) the characteristic of the detected second signal with the target value, the characteristic is a current, in particular a maximum current, of the second signal; and - upon detection (104) of a short circuit, a short circuit is detected when the current is less than the target value.

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein the first signal with changing amplitude is a high-frequency signal, in particular a signal with a frequency of more than 1MHz.

A method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the alternating amplitude signal is a sinusoidal signal.

Method (100) according to one of the preceding claims, further comprising providing (105) a switch-off signal or switching off the transistor (2) in response to a short circuit being detected.

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein the method is carried out by an integrated circuit of a gate driver, by which the gate current of the transistor (2) is also switched.

Device (1) for detecting a short circuit in a transistor (2), comprising a driver circuit (3) which is set up to: - to modulate a first signal with changing amplitude onto a gate voltage of the transistor (2), the first signal having a predefined frequency, - to detect a gate current of the transistor (2) as a second signal, - compare a characteristic of an AC component of the detected second signal with a desired value, and - detect a short circuit based on a deviation of the characteristic of the detected second signal from the desired value.