DE102021214971A1

DE102021214971A1 - Verfahren zum Überprüfen der Abschaltfähigkeit eines MOSFETs

Info

Publication number: DE102021214971A1
Application number: DE102021214971.5A
Authority: DE
Inventors: Erwin Kessler; Christian GIL
Original assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-06-29
Also published as: WO2023116991A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Überprüfen der Abschaltfähigkeit einer als Unterbrechungsschalter zwischen einer Spannungsversorgung und einem Steuergerät verwendeten elektronischen Sicherung (3) in Form eines MOSFETs beschrieben, bei dem der MOSFET im bestimmungsgemäßen Betrieb durchgeschaltet ist und im linearen Bereich betrieben wird, bei dem zum Überprüfen der Abschaltfähigkeit die Gate-Source-Spannung (VGS) des MOSFETs bis zum Erreichen eines vorgegebenen Schwellwerts um einen vorgegebenen Wert (dV) reduziert wird und nach dem Erreichen des Schwellwerts wieder auf den vorherigen Wert zum Durchschalten des MOSFET erhöht wird und bei dem überprüft wird, ob sich beim Reduzieren der Gate-Source-Spannung (VGS) die Drain-Source-Spannung (VDS) des MOSFETs erhöht.

Description

In heutigen Energieversorgungsarchitekturen von Fahrzeugen werden elektronische Steuergeräte, die auch während eines Parkmodus des Fahrzeugs mit Strom versorgt werden, direkt aus der 12V-Fahrzeugbatterie versorgt. Dabei ist die Verkabelung zwischen Batterie und Steuergeräten derzeit zumeist durch Schmelzsicherungen geschützt.
Angetrieben durch den Versorgungsbedarf z.B. des autonomen Fahrens werden die Schmelzsicherungen häufig durch elektronische Sicherungen ersetzt, die oft als e-fuses bezeichnet werden.
Die elektronischen Sicherungen werden typischerweise mittels elektronischer Schalter in Form von MOSFETs realisiert. Die MOSFET-Steuerung kann Teil eines intelligenten Netzschalters sein oder über spezifische integrierte Schaltkreise (ICs) realisiert werden, die durch diskrete Schaltungsblöcke ergänzt werden.
Dabei ist es möglich und üblich, dass die elektronischen Sicherungen Diagnoseinformationen wie den Strom durch den Schalter, die Temperatur des Schalters und weitere nützliche Informationen liefern. Alle diese Informationen werden überwiegend zur Verfügung gestellt, während eine elektronische Sicherung im geschlossenen Zustand ist. Eine oft fehlende Information ist, ob eine geschlossene elektronische Sicherung geöffnet werden kann, wenn die Situation eine Öffnung erfordern würde.
Bei einer Schmelzsicherung ist der Ausfallzustand der Sicherungsvorrichtung eine offene Sicherung, wobei im Falle einer elektronischen Sicherung ein Defekt des Schaltelements zu einem geschlossenen Schalter führen kann. Dies würde dazu führen, dass im Falle eines Ereignisses, das das Öffnen der Sicherung erfordern würde, diese Öffnung aufgrund des Defekts der elektronischen Sicherung nicht realisiert werden kann.
Grundsätzlich wäre es möglich, eine elektronische Sicherung in bestimmten Situationen auszuschalten, um zu prüfen, ob die Abschaltfähigkeit noch gegeben ist. Bei einigen kritischen Steuergeräten, die über eine elektronische Sicherung versorgt werden, ist es jedoch nicht erlaubt, die Versorgung für eine bestimmte Zeit zu unterbrechen.
In dem Datenblatt zum integrierten Schaltkreis VFN1048F von ST wird ein Steuer-IC für einen High-Side-Schalter mit e-fuse Schutz für Anwendungen im Automobil beschrieben. Der integrierte Schaltkreis verfügt über einen Selbsttest für externe FETs hinsichtlich ihrer Fähigkeit, nicht-leitend geschaltet werden zu können (stuck-on). Hierzu wird der FET ausgeschaltet und anschließend die Drain-Source-Spannung des FET von dem integrierten Schaltkreis überwacht. Der Selbsttest kann dabei durch ein Stopp-Signal beendet werden oder durch Erreichen eines festgelegten Schwellwerts für die Drain-Source-Spannung. Im letzteren Fall wird der Selbsttest gestoppt, wenn die Drain-Source-Spannung diesen Schwellwert überschreitet.
Allerdings wird auch hier der FET ausgeschaltet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Überprüfen der Abschaltfähigkeit eines MOSFETs anzugeben, bei dem ein Abschalten des MOSFETs vermieden wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demgemäß wird bei einem Verfahren zum Überprüfen der Abschaltfähigkeit einer als Unterbrechungsschalter zwischen einer Spannungsversorgung und einem Steuergerät verwendeten elektronischen Sicherung in Form eines MOSFETs, bei dem der MOSFET im bestimmungsgemäßen Betrieb durchgeschaltet ist und im linearen Bereich betrieben wird, und bei dem zum Überprüfen der Abschaltfähigkeit die Gate-Source-Spannung des MOSFETs bis zum Erreichen eines vorgegebenen Schwellwerts reduziert wird und nach dem Erreichen des Schwellwerts wieder auf den vorherigen Wert zum Durchschalten des MOSFET erhöht wird, überprüft, ob sich beim Reduzieren der Gate-Source-Spannung die Drain-Source-Spannung (V_DS) des MOSFETs erhöht.
Die mit einem MOSFET realisierte elektronische Sicherung wird also nicht vollständig abgeschaltet. Während eines bestimmten Testablaufs wird der MOSFET nur teilweise abgeschaltet. Das bedeutet, dass der MOSFET von dem sogenannten RDSon-gesteuerten Schaltzustand in den Sättigungs-Betriebsbereich gesteuert wird, indem die Gate-Source-Steuerspannung des MOSFET reduziert oder die Gatekapazität entladen wird. Beim Eintritt in den Sättigungs-Betriebsbereich erhöht sich der Spannungsabfall über der Laststrecke des MOSFET, also dessen Drain-Source-Spannung deutlich.
Der Wechsel in den Sättigungs-Betriebsbereich bringt den Vorteil, dass der Spannungsabfall innerhalb eines kleinen Zeitfensters für einen recht hohen Ausgangsstrombereich erreicht werden kann. Eine kleine Testzeit und ein geringer Spannungsabfall reduzieren die thermische Belastung für das Schaltelement. Außerdem bringt es den Vorteil, die Möglichkeit einer vollständig integrierten Lösung zu bieten.
In einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens erfolgt die Ansteuerung und Überprüfung des MOSFETs mittels einer Steuer- und Diagnoseschaltung, die von einer Steuereinheit angesteuert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens erfolgt die Reduzierung der Gate-Source-Spannung in Zeitbereichen, in denen das Steuergerät keinen hohen Strombedarf hat.
Hierdurch ergibt sich keine Beeinträchtigung des normalen Betriebs.
Die Erfindung soll nachfolgen anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigt

1 ein Prinzipschaltbild eines über eine elektronische Sicherung geschützten Steuergeräts, das aus einer Spannungsversorgungquelle versorgt wird,
2 ein bekanntes Kennlinienfeld eines MOSFETs zur Verdeutlichung der Betriebsbereiche und
3 einen Verlauf der Gate-Source-Spannung und des Drainstroms eines erfindungsgemäß angesteuerten MOSFETs.

Die 1 zeigt in schematischer Weise zwei Anschlussklemmen 1, 2 für eine Spannungsquelle, beispielsweise eine 12-Volt Batterie in einem Kraftfahrzeug. Die Anschlussklemme 1 für den Pluspol der Spannungsquelle ist über eine elektronische Sicherung 3 mit einem Steuergerät 4 verbunden.
Die elektronische Sicherung 3 ist mit einem MOSFET gebildet und im Normalbetrieb, in dem das Steuergerät 4 von der Spannungsquelle versorgt wird, voll durchgeschaltet, um den Durchlasswiderstand des MOSFET - meist als R_DSon bezeichnet - möglichst klein zu halten.
Das Steuergerät 4 ist von einer Art, die nicht vollständig von der Spannungsversorgung getrennt werden darf, so dass eine Überprüfung der Abschaltfähigkeit des MOSFETs durch dessen vollständiges Öffnen nicht in Frage kommt.
Der MOSFET wird im dargestellten Ausführungsbeispiel von einer Steuer- und Diagnoseschaltung 5 angesteuert, die ihrerseits von einer Steuereinheit 6 angesteuert wird.
In der 2 ist zur Verdeutlichung das Kennlinienfeld eines MOS-Feldeffekttransistors mit einer Arbeitsgeraden dargestellt. Im Normalbetrieb wird der MOSFET mit einer hohen Gate-Source-Spannung V_GS angesteuert, so dass sein Durchlasswiderstand R_DSon kleinstmöglich wird. Dies ist in der 2 mit dem Punkt A verdeutlicht. Der Transistor wird im sogenannten linearen Bereich betrieben, da der Spannungsabfall V_DS an seiner Laststrecke proportional zum Drainstrom I_D ist.
In erfindungsgemäßer Weise wird während einer Testphase, die in dem Diagramm der 3 zum Zeitpunkt t1 beginnt, zu einem etwas verzögerten Zeitpunkt t2 begonnen, die Gateelektrodenkapaziät zu entladen, was durch einen Entladestrom I_dc angedeutet ist. Nach einer gewissen Zeit beginnt sich die Gate-Source-Spannung V_GS zu verringern, bis sie nach einer Entladezeit t_dc einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, der um ein Maß dV geringer ist als die normale Gate-Source-Spannung V_GS. Danach wird die Gateelektrodenkapaziät mit einem Ladestrom I_c wieder aufgeladen, wodurch die Gate-Source-Spannung V_GS wieder ansteigt, bis sie nach einer Ladezeit t_c wieder den Ausgangswert erreicht.
Durch die Entladung der Gateelektrodenkapaziät und die damit einhergehende Verringerung der Gate-Source-Spannung V_GS wandert der Arbeitsbereich des MOSFET in den in der 2 dargestellten schraffierten Bereich des Kennlinienfeldes. Hierdurch erhöht sich die Drain-Source-Spannung V_DS des MOSFETs signifikant, was detektiert werden kann, was vorzugsweise mittels der Ansteuer- und Diagnoseschaltung 5 erfolgt. Diese Erhöhung der Drain-Source-Spannung V_DS ist dann ein Zeichen dafür, dass die als MOSFET realisierte elektronische Sicherung 3 im Ernstfall geöffnet werden kann und folglich funktionsfähig ist.
Der Abschaltfähigkeitstest wird in einem Fahrzeugstatus mit begrenztem Strombedarf am Ausgang der elektronischen Sicherung 3 durchgeführt. Dies kann z.B. in der Phase sein, in der das versorgte Steuergerät 3 noch in Betrieb ist, aber keine stromfressenden Lasten aktiviert. In diesem Status sorgt die Stromaufnahme des Steuergeräts 3 für eine schnelle Spannungsabfallphase während des Schaltfähigkeitstests und begrenzt die Verlustleistung des MOSFET während des linearen Modus.
Im Idealfall definiert ein kommunikationsnetzwerkbasiertes Energiemanagement Ereignisse für den Abschaltfähigkeitstest basierend auf den gesammelten Informationen über den Fahrzeugstatus und den Status der versorgten Steuergeräte.

Claims

Verfahren zum Überprüfen der Abschaltfähigkeit einer als Unterbrechungsschalter zwischen einer Spannungsversorgung und einem Steuergerät verwendeten elektronischen Sicherung (3) in Form eines MOSFETs, bei dem der MOSFET im bestimmungsgemäßen Betrieb durchgeschaltet ist und im linearen Bereich betrieben wird, bei dem zum Überprüfen der Abschaltfähigkeit die Gate-Source-Spannung (V_GS) des MOSFETs bis zum Erreichen eines vorgegebenen Schwellwerts um einen vorgegebenen Wert (dV) reduziert wird und nach dem Erreichen des Schwellwerts wieder auf den vorherigen Wert zum Durchschalten des MOSFET erhöht wird und bei dem überprüft wird, ob sich beim Reduzieren der Gate-Source-Spannung (V_GS) die Drain-Source-Spannung (V_DS) des MOSFETs erhöht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ansteuerung und Überprüfung des MOSFETs mittels einer Steuer- und Diagnoseschaltung (5) erfolgt, die von einer Steuereinheit (6) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Reduzierung der Gate-Source-Spannung (V_GS) in Zeitbereichen erfolgt, in denen das Steuergerät (4) keinen hohen Strombedarf hat.