JP2022525623A

JP2022525623A - 半導体スイッチの故障を確認する方法

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Publication number: JP2022525623A
Application number: JP2021555832A
Authority: JP
Inventors: エックフィリップ
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2022-05-18
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: DE102019106787B3; KR20210134788A; WO2020187543A1; EP3942696B1; US20220158633A1; CN113597741A; JP7441852B2; EP3942696A1; US11881848B2; KR102649874B1

Abstract

本発明は、半導体スイッチの故障を確認する方法を提供し、半導体スイッチは、可変デューティ・サイクルを有するＰＷＭ信号で駆動される。半導体スイッチの故障を確実かつ費用効果的に判定するために、半導体スイッチが１００％又は０％のデューティ・サイクルで動作する場合、システム全体の電流測定が評価され、一方、半導体スイッチは０％～１００％のデューティ・サイクルで動作する場合、半導体スイッチで生成された電圧パルスが評価されることが規定される。

Description

本発明は、可変デューティ・サイクルＰＷＭ信号で駆動される半導体スイッチの故障を確認する方法に関する。

半導体スイッチ（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、又はバイポーラ・トランジスタなど）の短絡や開回路などの故障をテストするには、半導体スイッチで、又はスイッチが統合されているシステム全体で電流又は電圧の測定を行う。電流測定の場合、半導体スイッチの相電流又はシステム全体の合計電流が監視される。電圧測定では、半導体スイッチでの電圧降下が監視される。

多くの場合、電源電圧などの様々な環境変数のもとで負荷／電力を確実に調整するために、可変デューティ・サイクルＰＷＭ信号で半導体スイッチを駆動する必要がある。可変デューティ・サイクルを有するＰＷＭ信号を使用した半導体スイッチの故障の診断は、次の２つのシナリオで限界に達する。

デューティ・サイクルが非常に高く、例えば９８％に設定されている場合、半導体スイッチを流れる電流及び半導体スイッチでの電圧は、永久短絡の電流及び電圧と有意な差はない。

同じことが非常に低いデューティ・サイクル、例えば２％にも当てはまる。この逆の場合、永久開回路の電流及び電圧と有意な差はない。

更に、単なる電流測定は、電源電圧などの環境変数に強く依存する結果をもたらす。

独国特許出願公開第１０２０１４２１４１５６号は、ブレーキシステムの少なくとも一つのバルブ・コイル（Ｌ）に供給するための電気負荷回路の切断経路の第１の半導体スイッチの機能を確認する方法を開示している。第１の半導体スイッチは、動作中に導電状態で動作し、負荷回路電流は、少なくとも１秒のパルス幅変調された半導体スイッチによって調整される。第１の半導体スイッチは、車両ブレーキシステムの動作中に、それが機能しているときに遮断状態に切り替わるように駆動され、遮断状態の指定された期間の後、第１の半導体スイッチは導通状態に戻るように駆動される。

独国特許出願公開第１０２０１００４２２９２号は、電気半導体スイッチの機能テストのための方法を開示し、電気半導体スイッチの制御端子は、点火時間に制御ユニットによって点火パルスが供給され、半導体スイッチを流れる電流振幅がゼロの値から外れる電流の流れ時間が検出され、点火時間と電流の流れ時間との時間差が評価されることで、半導体スイッチの機能テストを実行する。

本発明の一つの目的は、半導体スイッチの故障の存在を確実かつ費用効果的に判定することができる、上記のタイプの方法を作成することである。

この目的は、請求項１の特徴によって達成される。本発明の有利な拡張は、従属請求項に明記されている。

したがって、本発明は、半導体スイッチの故障を確認する方法を提供し、半導体スイッチは、可変デューティ・サイクルを有するＰＷＭ信号で駆動され、半導体スイッチは、１００％又は０％のデューティ・サイクルで動作するとき、システム全体の電流測定が評価され、一方、半導体スイッチが０％～１００％のデューティ・サイクルで動作するとき、半導体スイッチで（半導体スイッチの両端間に）生成された電圧パルスが評価される。

したがって、本発明は、ＰＷＭモードで動作するときの半導体スイッチの基本的に信頼できる診断に限定される。スイッチが永続的にアクティブ又は非アクティブ（デューティ・サイクル１００％又は０％）の場合、システム全体の電流測定が評価される。

本発明による方法は、半導体の交流電圧レベルのみを評価するので、電源電圧又は負荷などのほとんどの環境条件に依存しない。

高抵抗短絡などの故障も検出できる。このような故障は、単なる電圧及び電流測定では検出できない。

本発明による方法は、半導体スイッチの交流電圧レベルのみを評価するので、電源電圧又は負荷などのほとんどの周囲条件に依存しない。高抵抗短絡などの故障も、したがって単なる電圧及び電流測定では検出できない故障も、本発明による方法を用いて検出することができる。

半導体の機能故障を簡単かつ確実に判定するために、半導体スイッチで生成された電圧パルスが評価のためにカウントされる。評価の結果、開回路が電圧パルスを生成しない場合、半導体スイッチの短絡又は開回路が検出される。

１００％又は０％のデューティ・サイクルで信頼性が高く意味のある故障判定を保証するために、半導体スイッチで生成された電圧パルスの評価は中止され、システム全体の電流を測定することによって故障の存在が判定される。

本発明はまた、本発明による方法を実行するためのデバイスを提供し、半導体スイッチで生成された電圧パルスは、コンデンサを介してスイッチからタップオフされ、Ａ／Ｄ変換器に印加され、これは、評価のためにコントローラのカウンタ入力にデジタル信号を印加する。コンデンサは、診断回路で瞬間的な電流と電圧のパルスのみを生成する。したがって、デバイスのベースとなる回路は、少数の低費用構成要素で実装できる。

上記の診断方法を用いて、ダイオード相互接続（ＯＲ接続）を介して、２つのトランジスタからなるＡ／Ｄ変換器に複数の半導体スイッチを接続することができる。したがって、診断対象の半導体のＰＷＭアクティブ化が位相シフトされている場合、すべての半導体はＡ／Ｄ変換器とコントローラのタイマ入力を介して監視できる。

以下では、本発明は、以下の図面に基づいてより詳細に説明される。

半導体スイッチの故障を確認するための本発明による方法を実行するための、本発明によるデバイスの第１の実施形態の回路図を示す図である。２つの半導体スイッチを備えた回路の故障を確認するための図１のデバイスの修正の概略図を示す図である。

図１に示すデバイスは、半導体スイッチの故障を確認するための回路に基づいており、半導体スイッチは可変デューティ・サイクルＰＷＭ信号で駆動される。半導体スイッチＳ３のコレクタは、負荷抵抗ＨＣ３を介して正の電圧ＨＶ＋に接続され、スイッチの反対側は接地ＧＮＤ＿ＨＣに接続される。ＰＷＭ信号は半導体スイッチの入力に印加される。

電圧パルスのみがスイッチの診断に必要なため、コンデンサＣ４は、ＰＷＭ切り替えの場合に生成される半導体スイッチのコレクタからの電圧パルスをフィルタリングする。この回路構成は、回路の残りの部分が電源電位に永続的に接続されておらず、個々のパルスによってのみ負荷がかかるという追加の利点を提供する。これにより、継続的な損失が発生しないため、構成要素数を大幅に減らすことができる。

コンデンサは、抵抗Ｒ１０と抵抗Ｒ７を含む分圧器を介して接地ＧＮＤ＿ＨＣに接続されている。この分圧器は、生成された電圧パルスをより低い値に分割し、Ｃ４を流れるパルス電流を減らす。

コンデンサＣ４によって送信されたパルスは、ダイオードＤ１を介して、正のパルスとして次の信号調整ステージに転送される。この時点で、図には示されていないが、他の診断ブランチをそれらのカソードでリンクして（位相オフセットがある場合）、論理和（ＯＲ論理ゲート）を形成できる。

ＯＲゲートの後に接続されたツェナー（Ｚｅｎｅｒ）ダイオードＤ９は、後続の信号調整手段を過電圧から保護する。前記手段は、２つのトランジスタＱ１及びＱ２を含み、Ｑ１及びＱ２は、それぞれ抵抗器Ｒ１８、Ｒ１１及びＲ６、Ｒ９を介して単純なＡ／Ｄ変換器に接続され、ダイオードＤ９のカソードで正のパルスからデジタル信号「タイマ」を生成する。「タイマ」は、図には示されていないが、コントローラのカウンタ入力に供給される。コントローラでは、半導体スイッチの診断がソフトウェア・レベルで実行され、入力される「タイマ」パルスがカウントされる。半導体スイッチに故障が発生した場合、短絡又は開回路のいずれの場合でもパルスは生成されない。これにより、ソフトウェアは故障を検出し、適切な対策を開始できる。

デューティ・サイクルが０％～１００％の場合、ソフトウェア・レベルでのこの診断はオフに切り替えられ、回路の合計電流を介して故障診断が実行されることが好ましい。

コンデンサＣ４は、診断回路で瞬間的な電流及び電圧のパルスのみを生成する。これにより、回路を少数の低費用構成要素で実装できる。

２つの半導体スイッチの故障を同時にテストする場合の図１の回路の機能原理を図２に示す。

Claims

半導体スイッチが可変デューティ・サイクルを有するＰＷＭ信号で駆動され、前記半導体スイッチが１００％又は０％のデューティ・サイクルで動作するとき、システム全体の電流測定が評価され、一方、前記半導体スイッチが０％～１００％のデューティ・サイクルで動作するとき、前記半導体スイッチで生成された電圧パルスが評価されることを特徴とする、半導体スイッチの故障を確認する方法。
前記半導体スイッチで生成された電圧パルスが評価のためにカウントされ、評価の結果、開回路が電圧パルスを生成しない場合、前記半導体スイッチの短絡又は前記開回路が検出される、請求項１に記載の方法。
１００％又は０％のデューティ・サイクルで、評価は中止され、故障は、システム全体の電流測定を介して判定される、請求項２に記載の方法。
前記半導体スイッチ（Ｓ３）で生成された電圧パルスは、コンデンサ（Ｃ４）を介してスイッチからタップオフされ、Ａ／Ｄ変換器（Ｑ１、Ｑ２）に印加され、これは、評価のためにコントローラのカウンタ入力にデジタル信号（タイマ）を印加する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法を実施するためのデバイス。
前記コンデンサによってタップオフされた電圧パルスが、ダイオード（Ｄ４）によって、前記Ａ／Ｄ変換器（Ｑ１、Ｑ２）に印加される正のパルスに変換される、請求項４に記載のデバイス。