JP2005508009A - 半導体回路要素の欠陥検出方法および回路と、電子式制動力コントローラとドライビングダイナミクスコントローラにおける回路の使用 - Google Patents

Abstract

負荷（３）を接続するための出力部を有する電子制御装置内の電子的な構成要素の欠陥を検出するための方法と回路において、１個または複数の半導体回路要素の接点（Ｇ，Ｓ，Ｄ）、特に切換えられる接点（Ｓ，Ｄ）で、電流（Ｉ_L ）が冗長的に測定される。回路は自動車用電子式制動力コントローラまたはドライビングダイナミクスコントローラで使用される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体回路要素、特に電界効果半導体回路要素の欠陥を検出するための方法と、請求項３の前提部分に記載した回路と、請求項９に記載した回路の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車ブレーキ装置のための電子制御装置は、ドライビングセイフティに寄与するかあるいは最近はブレーキング機能自体のような基本的な車両機能を含む機能を益々多く実施している。ドライビングセイフティを改善するための機能の例はアンチロックコントロール（ＡＢＳ）またはドイラビングダイナミクスコントロール（ＥＳＰ：電位スタビリティプログラム）である。ブレーキ機能自体は、電気油圧式ブレーキ（ＥＨＢ）または電気機械式ブレーキ（ＥＭＢ）のような新しい電子式ブレーキシステムでは、ブレーキの電子制御装置によって行われる。従って、電子制御装置の信頼性、エラー許容誤差およびエラー処理に対して多大の要求がなされる。
【０００３】
自動車ブレーキシステム用の電子制御装置において安全装置を設けることが知られている。この安全装置は電子制御装置に含まれる電子要素の欠陥を検出することができる。このような欠陥を検出する際に、例えば制御装置の停止または制御装置の緊急時モードへの切換えのような適当な対策を設けることができる。欠陥を検出するために、安全に関する回路部分を二重または多重に（冗長的に）形成することができる。複数倍設けられる回路部分の機能の比較によって、多くの場合、発生するエラーを検出することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、請求項１記載の電子要素の欠陥を検出する方法と、請求項３記載の回路を提案する。
【０００５】
電子コントローラにおいて、パワー電界効果トランジスタ（パワーMOSFET、FET)のような半導体要素は、特にブレーキ圧力を制御する電気機械式液圧弁を制御すために使用される。
【０００６】
特にブレーキコントローラまたはドライビングダイナミクスコントローラのための電子制御装置において実施される本発明による方法により、例えば少なくとも１つのパワードライバステージや少なくとも１つの再循環ドライバステージに付設されたＦＥＴのような電子要素の欠陥を検出することができる。パワードライバステージと再循環ドライバステージは好ましくは、特に１個または複数の半導体回路要素および／または１個または複数の電流測定装置のような電子的な要素を含んでいる。
【０００７】
好ましくは各々１つのパワードライバステージが負荷に接続されている。この場合、負荷は特に誘導負荷、例えば弁コイルである。
【０００８】
電流を測定するために、半導体回路要素として、好ましくはセンス半導体回路要素が使用される。このセンス半導体回路要素は好ましくはセンスＦＥＴである。
【０００９】
冗長的な電流測定とは、少なくとも２個の電流測定装置を備えた冗長的な回路構造体内で電流をチャックすることであると理解される。この場合、電流測定装置は並列に配置してもよいし、直列に配置してもよい。
【００１０】
半導体回路要素の出力部の電流の測定、例えばＦＥＴの場合のドレン−ソース−電流の測定のほかに、この半導体の規定の機能を監視するために、半導体回路要素の制御ラインと出力部の一つとの間の電流、例えばゲート−ソース−電流を測定することが合目的である。
【００１１】
冗長的な電流測定のために、個々の要素を多重形成する以外に、運転信頼性を高めるために、同じ出力部を接続する（駆動する、切換える）少なくとも２つの半導体回路要素を使用すると更に合目的である。その際、特にこの各要素において、固有の電流測定を行うことができる。同じ出力部を接続するこの半導体回路要素の場合好ましくは、半導体回路要素の制御ラインは信号入力によって一緒に駆動される。複数の半導体回路要素による出力部の駆動とは、この１つまたは複数の半導体回路要素によって、出力部に接続された誘導負荷の誘導電流が切換えられることを意味する。
【００１２】
要素の欠陥が本発明の方法によって検出されると、１個または複数の手段が、故障した半導体要素のための代替要素の活動化、ブレーキ制御システムの停止、部分運転の活動化またはインストルメントパネルにおけるエラー信号の表示のグループの１つまたは複数の手段が実施される。
【００１３】
本発明は更に、１個または複数の半導体回路要素が備えられ、この半導体回路要素がそれぞれ、制御ラインを接続するための制御接点と、好ましくは誘導負荷（例えば弁コイル）接続するための電流接点と、半導体回路要素を通る電流（Ｉ_LSまたはＩ_LS）を測定するための電流測定装置を備えている、特に上記の本発明による方法を実施するための回路に関する。この回路の場合、冗長的な電流測定のための少なくとも２個の別個の電流測定装置が設けられ、この電流測定装置は場合によっては一部が１個または複数の共通の要素（Ｒ_S ＊）特に抵抗要素を備えている。
【００１４】
電流測定が抵抗要素の電圧降下の測定によって行われると有利である。抵抗要素は基板に一体化する場合、オンチップ抵抗または好ましくは個別型抵抗要素である。この場合、後者はオンチップ抵抗と比べて小さな許容誤差で製作可能である。
【００１５】
本発明は更に、自動車用の電子式制動力コントローラまたはドライビングダイナミクスコントローラにおける前述の回路の使用に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の有利な実施形は、従属請求項と、図面に基づく次の説明から明らかになる。図面に基づく説明は、本発明の若干の実施の形態を含んでいる。
【００１７】
図１の回路には、センス（Sense ）ＦＥＴ１は負荷３（例えば弁コイル）に通じる端子１５に接続されている。ゲートＧにおけるゲート電圧に応じて、電流Ｉ_L が負荷３を流れる。負荷（端子２６）の第２の接続部は基準電位Ｖ_REF に対して電圧を有する正の電位Ｖ_REF に接続されている。負荷電流を測定するために、センスＦＥＴ１の付加的なセンス出力部を利用することができる。このセンス出力部では、非常に小さなセンス電流Ｉ_S が流れる。電流を電圧信号Ｕ_S に変換するために、センス出力部は抵抗Ｒ_S を介して基準電位に案内されている。
【００１８】
センスＦＥＴの作用は例えば米国特許第５，０７９，４５６号明細書またはドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５２０７３５号公報から明らかである。それによれば、パワーＦＥＴ１８の負荷電流は、小さな面積の類似のＦＥＴ８が半導体材料上でパワーＦＥＴ１８のすぐ近くで平行に接続配置されていることによって検出可能である。小さなＦＥＴを流れる電流Ｉ_S はパワーＦＥＴの負荷電流に対して充分に比例するがしかし、電流Ｉ_S は構造的に定められる数値の比だけ負荷電流よりも小さい。この数値の比はパワーＦＥＴとセンスＦＥＴの間の使用されるチップ面積の比に一致している。
【００１９】
図２はセンスＦＥＴを示している。このセンスＦＥＴは図１のセンスＦＥＴと異なり、冗長的な２つのセンスＦＥＴ領域８を備えている。両センスＦＥＴ領域はそれぞれ、固有の測定抵抗４（Ｒ_S ）を介して基準電位まで案内されている。従って、冗長的な電流測定を行うことができる。負荷電流に比例する電圧Ｕ_S は端子５，６の間および端子２７，６の間で読み取ることができる。
【００２０】
図示した回路は図５の回路と異なり、測定抵抗４のエラーの検出またはセンスＦＥＴのエラーの検出に制限される。このセンスＦＥＴのエラーは、例えば構成要素が完全に溶けたときに、半導体のセンスＦＥＴ分野でも広がる。
【００２１】
重要な構成要素を半導体基板９上にまとめた図３の回路は、負荷３を制御するために並列に接続された２個のセンスＦＥＴ１，１′を備えている。センスＦＥＴ１，１′が共通の１つのドライバステージとして解釈可能であることは、破線の枠１７によって明らかである。
【００２２】
基板９は回路要素１，１′のほかに、基準抵抗４と信号増幅器７とからなる２個の電流測定装置を備えている。この信号増幅器によって、抵抗４で低下するその都度の電圧を測定することができる。測定された電圧は出力部ＡＤＣ１，ＡＤＣ２を経て１個または複数のＡ／Ｄ変換器３８に供給される。回路の端子１５はローサイドアクチュエータとして負荷３に接続されている。端子１５は基板上でセンスＦＥＴ１，１′のドレン領域Ｄに通じている。センスＦＥＴのゲートＧは一緒に制御線１６を経て端子１９に案内されている。この端子を経て、図示していないロジックから、制御信号を供給することができる。回路要素１，１′のセンスＦＥＴの範囲にはそれぞれ、電流に比例する電圧を発生するために、個別的な抵抗要素Ｒ_S ，Ｒ_S が接続されている。抵抗Ｒ_S で低下する電圧は最後に増幅ステージ７によって読み取ることできる。
【００２３】
図３のセンスＦＥＴ１，１′は好ましくは直接並ばないように半導体基板上に配置されている。それによって、半導体要素の欠陥と、欠陥に基づいて発生する熱が、他の半導体要素の欠陥を生じない。
【００２４】
図４の回路はドライバに付設された各々の負荷３，３′を駆動するための複数のドライバ２４を備えた実施の形態である。ここでも、図３のように、負荷がセンスＦＥＴによって駆動されるがしかし、後述するように、図示上の理由から、図３と異なるセンスＦＥＴ１，１″の図示方法が使用される。図４では、センスＦＥＴ１のセンス電流部分８が独立したＦＥＴ記号として示してある。パワーＦＥＴ１の負荷電流部分１８は別個のＦＥＴ記号として示してある。
【００２５】
図３と異なり、電流測定は外部の個別的な測定抵抗４を使用して行われる。この測定抵抗には、ｎ倍（ｎ＞１）設けられたセンスＦＥＴ１，１′のセンス部分８が端子１０の信号（Select）を介して選択できるように接続可能である。センス−ＦＥＴ−範囲を選択するために、パワーＦＥＴ１８のゲート２０は付加的なＦＥＴ１２（パストランジスタ）を介してセンＦＥＴ１のセンス電流部分８のゲート２１に接続されている。更に、ゲート２０と駆動端子２２（ドライブ１）が接続されている。ＦＥＴ１２のゲートは選択端子１０（選択１）に案内され、インバータ１１はＦＥＴ１３のゲートに案内されている。ＦＥＴ１３のソース端子は基準電位に接続されている。ＦＥＴ１３のドレン端子はセンス電流部分８のゲートに接続されている。負荷電流部分１８とセンス電流部分８のドレン端子は一緒に端子１５まで案内されている。ソース端子２３は端子２８を介して基準抵抗４に接続されている。端子２８は増幅器７まで案内されている。この増幅器は回路の出力部ＡＤＣに、更に処理可能な信号を準備する。出力部ＡＤＣの信号は、回路の規定通りの機能の場合、その都度選択されたコイル電流に比例する。端子ＡＤＣはデジタル信号をデジタル開始回路３９に供給するＡ／Ｄコンバータに接続されている。このデジタル監視回路は選択出力部を備え、この選択出力部によって、センスＦＥＴがドライバステージで選択可能である。
【００２６】
図４の回路の運転の際、出力部ＡＤＣを経て案内される信号は、端子１０のハイレベルによって選択されたコイルを通る電流を示す。この場合、ローレベルはこの時点で、残りのアセンブリ２４のその他の端子１０に信号を供給しなければならない。端子１０のハイレベルによるドライバステージ４０の選択は、ＦＥＴ１３を開放し、ＦＥＴ１２を閉じる。これによって、ＦＥＴ１のセンス電流部分が活動化するので、センス電流Ｉ_S は抵抗４を通って流れる。端子１０の“ロー”レベルの場合、センス電流部分８が非活動化するので、端子１０の“ハイ”レベルによる電流測定が残りのアンセンブリ２２の一つで行うことが可能である。
【００２７】
個々のドライバステージのセンスＦＥＴ１は図３に示すように、冗長性を高めるために、図３の実施の形態に対応して並列接続あるいは図５に示すように“直列接続”の２個のセンスＦＥＴ１，１′によって置き換え可能である。抵抗要素４も、基板の外に配置された個別的な複数の要素の形に冗長的に形成することが可能である。
【００２８】
本発明の方法に従って、図３に示すように同じでない電流分布が監視装置３９内で、センスＦＥＴ１，１′で測定された電流の比較によって検出されると、欠陥信号は端子Ｆ（図４）に出力される。
【００２９】
図５には、誘導負荷３を駆動するための回路が概略的に記載されている。この回路には、負荷３を駆動するためのドライバステージ２５のほかに、再循環ドライバステージ２９が付加的に設けられている。
【００３０】
図示した回路は、図３の回路と比べて、センスＦＥＴのパワー部分の欠陥を付加的に検出することできるという利点がある。この欠陥は例えば回路抵抗Ｒ_DSonを徐々にまたは急に変更することになる。更に、再循環ステージのセンスＦＥＴの欠陥を検出することができる。
【００３１】
図６に基づいて回路の機能を説明する。端子１９の矩形の信号３３によってドライバステージ２５を駆動することによって、コイル誘導に基づいてパルスポーズ内に存在する誘導電流Ｌ_L （フリーホイーリング電流）は再循環ステージ２９を経てコイルに戻し供給することが可能である。そのために、再循環ステージ２９は端子３０の信号３３に対して相補的な信号３４によって駆動される。
【００３２】
ドライバステージ２５と再循環ステージ２９はそれぞれ好ましくは１個または複数のＦＥＴを含むことができる。
【００３３】
ドライバ２５の駆動は図３に示した上記回路に相応して、ロジックを介して端子１９によって行われる。この端子は半導体回路要素の駆動ラインに接続されている。端子１９に供給される信号に対して相補的な信号が、端子３０を経て供給される。
【００３４】
ドライバステージ２５と再循環ステージがそれぞれ前述の電流測定装置を備えていることが重要である（例えば各々のステージに１個のセンスＦＥＴ）。これによって、パルス幅変調（ＰＷＭ）の原理に従ってコイルが駆動されるときに、コイルを流れる電流を冗長的に決定することができる。この回路は、図３に示したセンスＦＥＴを並列に配置した回路と比べて、半導体欠陥を付加的に検出することができるという利点がある。この半導体欠陥の場合、回路抵抗Ｒ_DSonの変化が発生する。このよな欠陥が既存の半導体回路要素においてのみ発生する（単一の欠陥）と仮定すると、欠陥はドライブ相でのドライバステージを通る電流と、ドライブ相での再循環ステージを通るフリーホイーリング電流とを比較することによって検出することが可能である。
【００３５】
電流測定は図３に相応して測定抵抗４の電圧を読み取ることによって行うことができる。この場合、読み取られた電圧信号はここでも増幅ステージ７によって増幅され、出力部ＡＤＣ１，ＡＤＣ２を経て１個または複数のアナログデジタル変換器３８に案内される。
【００３６】
前述の回路は、ドライバ電流とフリーホイーリング電流の間の偏差の検出を可能にする。この偏差は、ドライバステージまたは再循環ステージで測定された電流が実際のコイル電流と一致していないときに発生する。この場合、１つのセンスＦＥＴの欠陥が考えられる。これは例えばアンチロックコントロールシステムを停止する。図５の回路によって、半導体欠陥のほかに、抵抗３１（Ｒ_p2），３２（Ｒ_p1）によって示したシャントを検出することができる。このシャントは欠陥に基づいて、ドライバステージに対して平行にあるいは再循環ステージに対して平行に発生する。
【００３７】
抵抗３２に対応するシャントの場合、センスＦＥＴ２５によって電流Ｉ_Sense1≒Ｉ_LS＝Ｉ_L ＋Ｉ_Leak1 が測定される。この場合、Ｉ_L はコイルを通る電流であり、Ｉ_Leak1 は抵抗３２からの漏洩電流である。並列回路Ｒ_DSon，Ｒ_p1に基づいて、Ｉ_Sense1は電流Ｉ_Leak1 も一緒に含んでいる。ドライバ２５を介して例えば１Ｖの電圧が最も大きく低下することができるという仮定によって、Ｉ_Leak1 ＜１Ｖ＜Ｒ_p1が生じる。再循環ステージを介して同様の最大で約１Ｖの電圧が低下し得ると仮定すると、ＦＥＴ２５を停止した後で、再循環電流Ｉ_Sense2≒Ｉ_Recirc＝Ｉ_L −Ｉ_Leak1 が生じる。ここでＩ_Leak1 ＜（Ｖ_REFx＋１Ｖ）／Ｒ_p1である。これにより、ドライバ２５のシャントの際の抵抗３２を経ての正の漏洩電流Ｉ_Leak1 の場合にセンスＦＥＴによって決定されたドライバ電流が高められ、測定された再循環電流Ｉ_RecircがセンスＦＥＴ２９内で低下するので、回路によって検出可能な、Ｉ_Sense1とＩ_Sense2の間の電流差が生じる。
【００３８】
抵抗３１（Ｒ_p2）によって示した、再循環ステージに対して平行なシャントの場合、駆動相の間、シャントなしの場合よりも大きな電流Ｉ_LS＝Ｉ_L ＋Ｉ_Leak2 が必要となる。この場合にも、関係Ｉ_Leak2 ＞（Ｖ_REF −１Ｖ）／Ｒ_p2はドライバステージの１Ｖの最大電圧降下に当てはまる。コイル電流がステージ２９から流出するフリーホイーリング相の間、このステージのセンスＦＥＴで電流Ｉ_Sense2≒Ｉ_L ＝Ｉ_Recirc−Ｉ_Leak2 が測定される。ここで、Ｉ_Recirc＞−１Ｖ／Ｒ_p2である。再循環ドライバのトランジスタ内の投入抵抗Ｒ_DSonと抵抗Ｒ_p2の並列回路によって、小さな電流Ｉ_Sense2が測定される。従って、回路によって検出可能な、Ｉ_Sense1とＩ_Sense2の間の電流差が生じる。
【００３９】
上記の方法は、抵抗３２が零よりも大きいという前提で、シャントの検出を可能にする。ドライバステージ２５またはセンスＦＥＴに対して平行な短絡の場合、電流差Ｉ_Sense1，Ｉ_Sense2だけでは欠陥検出が不可能である。従って、図５の回路装置では好ましくはコンパレータ３５を備えた監視装置が付加的に設けられている。このコンパレータは端子１５′（コイル出力部）で設定された電圧を下回ることを監視する。上記の短絡の発生時に“ハイ”から“ロー”に変わる端子３６の信号の付加的な監視により、従来検出できなかった欠陥も、回路によって検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】電流測定装置を備えた、負荷を駆動するためのセンスＦＥＴを有する回路を示す図である。
【図２】冗長的な電流測定装置を備えた、負荷を駆動するための回路を示す図である。
【図３】それぞれ１個の電流測定装置を備えた、並列接続のセンスＦＥＴを有する回路を示す図である。
【図４】電流測定装置と外部の基準抵抗を備えた、複数の負荷を駆動するための回路を示す図である。
【図５】再循環ドライバを備えた回路を示す図である。
【図６】図５の回路を説明するための回路装置の電流と信号の変化を示すグラフである。

Claims (9)

1. 負荷（３，３′）を駆動するための１つまたは複数の出力部（１５，１５′）を有する電子制御装置内の電子的な構成要素の欠陥を検出するための方法において、１個または複数の半導体回路要素の接点（Ｇ，Ｓ，Ｄ）、特に切換えられる接点（Ｓ，Ｄ）で、半導体回路要素を流れる電流（Ｉ_L ）が冗長的に測定され、この場合負荷（３，３′）を流れる電流に関する２つの電流値（Ｉ_S ，Ｉ_Sense1，Ｉ_Sense2）の比較が同一でない電流分布を示すときに、半導体回路要素のエラー機能が検出されることを特徴とする方法。
2. 半導体回路要素のゲート電位および／またはドレン電位（２７）が、目標電位との比較によって決定され、偏差が認められるときに、回路欠陥が検出されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. １個または複数の半導体回路要素（１，１′，１″，２５，２９）が備えられ、この半導体回路要素がそれぞれ、制御ライン（２，１６）を接続するための制御接点（Ｇ）と、１つまたは複数の負荷（３，３′）を接続するための電流接点（Ｓ，Ｄ）と、半導体回路要素を通る電流（Ｉ_S ）を測定するための少なくとも１個の電流測定装置（４，５，６，７，８）を備えている、特に請求項１または２記載の方法を実施するために回路において、負荷（３，３′）に供給される電流（Ｌ_L ）と、この負荷から回路に戻される電流（Ｉ_Recirc）が、同じ負荷に付設された少なくとも２個の電流測定装置によって測定され、比較装置（３８，３９）が設けられ、この比較装置が電流測定装置によって測定された電流を互いに比較することを特徴とする回路。
4. 電流測定装置がセンス半導体回路要素（１，１′，２５，２９）を備えていることを特徴とする、請求項３記載の方法。
5. センス半導体回路要素が共通の半導体材料（９）に一体的に連結され、電流測定のために、選択可能な共通の基準要素（Ｒ_S ＊）、特に基準抵抗が設けられ、この基準要素が半導体材料に一体的に連結されていないことを特徴とする、請求項３または４記載の回路。
6. 電流測定のために、基準要素（Ｒ_S ＊）の電圧降下が測定され、各々の半導体回路要素が接続回路（１０・・・１３）によって基準要素に導電可能に接続可能であることを特徴とする、請求項５記載の回路。
7. 少なくとも２個の負荷（３，３′）がそれぞれ負荷に付設されたドライバによって駆動され、各ドライバが少なくとも１個のセンス半導体回路要素を備え、このセンス半導体回路要素のセンス電流部分（８）が選択端子（１０）を介して接続可能であることを特徴とする、請求項３〜６の少なくとも一つに記載の回路。
8. 半導体回路要素の故障時に、正常に機能する半導体回路要素（１′）が故障した半導体回路要素の切換え機能を受け持つように、半導体回路要素（１，１′）が共通の出力部（１５）に導電可能に接続されていることを特徴とする、請求項３〜７の少なくとも一つに記載の回路。
9. 自動車用電子式制動力コントローラまたはドライビングダイナミクスコントローラにおける、請求項３〜８記載の回路の使用。