專利名稱：并聯mosfet的失效預測的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電子電路和一種操作第一MOSFET和第二MOSFET的方法。
制作了由若干并聯的MOSFET組成的功率轉換電路，以便和單封裝器件相比，擴大這種電路的功率范圍。這種電路在汽車和工業領域得到越來越廣泛的應用。因為MOSFET的并聯，這種功率電路獲得了高的額定電流。
為了避免在一個或多個并聯的MOSFET失效或一個或多個電學連接(例如焊料連接)斷裂情況下這種功率電路完全失效，已知提供冗余MOSFET來替換失效的MOSFET的方法。
本發明的一個目標是預測或確定MOSFET的可能失效。
根據權利要求1所述的本發明的示例性實施例，上述目標可以通過一種電子電路獲得，該電路包括并聯的第一MOSFET和第二MOSFET。而且，提供用于預測第一和第二MOSFET之一的可能失效的診斷電路。根據本發明的該示例性實施例的一個方面，該診斷電路至少基于第一和第二MOSFET中至少一個的溫度和第一和第二MOSFET中至少一個的柵電壓之一，預測第一和第二MOSFET之一的可能失效。
有利的是，例如本發明的該實施例允許在實際的錯誤或失效發生之前預測功率模塊的第一和第二MOSFET之一的可能失效。因此，可以在失效實際發生之前執行被預測失效的MOSFET或模塊的改變。
而且，根據本發明的該示例性實施例，冗余MOSFET的提供可以省略，使得能夠提供更簡單、更便宜和更小巧的電子電路。
根據權利要求2所述的本發明的另一個示例性實施例，可以在第一MOSFET處安置第一溫度傳感器以測量該MOSFET的第一溫度。然后，診斷電路適于基于第一MOSFET處的第一溫度的升高預測第二MOSFET的可能失效。
根據權利要求3所述的本發明的另一個示例性實施例，提供第二溫度傳感器，安置它是為了測量第一和第二MOSFET的總體溫度。因此，根據本發明的該示例性實施例的一個方面，第二溫度傳感器可以安置在包括第一和第二MOSFET的模塊的封裝體上。而且，在分立的MOSFET安裝在公共熱沉上的情況下，第二溫度傳感器可以在公共熱沉上提供。根據本發明的該示例性實施例的診斷電路適于基于第一和第二MOSFET的總體溫度的溫度升高，預測第一和第二MOSFET之一的可能失效。而且，可以提供環境溫度傳感器以測量環境溫度或參考溫度。
有利的是，根據本發明的該示例性實施例，僅提供一個溫度傳感器就足以預測一個MOSFET的可能失效。
根據權利要求4所述的本發明的另一個示例性實施例，提供安置在第二MOSFET處的第三溫度傳感器，以測量該第二MOSFET的溫度。根據本發明的該示例性實施例的診斷電路被調整，使得其基于第二MOSFET處的第三溫度下降預測第二MOSFET的可能失效。
根據權利要求5所述的本發明的另一個示例性實施例，提供柵電壓監測單元以監測第一MOSFET的柵電壓。根據本發明的該示例性實施例的診斷電路，適于基于第一MOSFET的柵電壓的降低預測第二MOSFET的可能失效。該實施例優選地結合一個柵電壓控制實現，根據該柵電壓控制，各柵電壓被調整以均衡流經MOSFET的電流和/或MOSFET的溫度。
在包括柵電壓控制裝置以控制MOSFET的電阻RDSon的電子電路或功率模塊中，本發明的該示例性實施例是有優勢的。這種RDSon控制可以基于工作時流經MOSFET的電流實現，或基于一個或多個MOSFET的溫度的基礎上實現。優選地，執行這種RDSon控制以均衡MOSFET之間的電流分配。在這種電子電路中，通過減小第一MOSFET的柵電壓來增加第一MOSFET的RDSon，第一MOSFET和第二MOSFET的RDSon相互調整使得兩個MOSFET具有相同的RDSon，即，承載相同的電流負載。換句話說，通過增加“較好的”MOSFET的RDSon，人為地惡化該“較好的”MOSFET以調整它到第二MOSFET的RDSon。RDSon增加可以看成是該MOSFET的可能失效的指示。
這樣，根據本發明的該實施例的示例性實施例，當第一MOSFET的柵電壓降低以增加其RDSon時，可以預測第二MOSFET的RDSon增加，這可以看成是第二RDSon很快將要失效的指示。
根據權利要求6所述的本發明的另一個示例性實施例，當其預測第一和第二MOSFET其中之一可能失效時，診斷電路發送一個警告消息。有利的是，例如這種電子電路用在汽車應用中的情況，警告信息可以輸出到診斷系統或服務指示器。基于該消息，一個服務或“改變MOSFET”消息可以輸出給用戶或操作者。
根據權利要求7所述的本發明的另一個示例性實施例，該電子電路是功率模塊，特別是用于汽車應用的功率模塊。
根據權利要求8所述的本發明的另一個示例性實施例，提供一種操作第一MOSFET和第二MOSFET的方法。根據該方法，至少基于第一和第二MOSFET中至少一個的溫度和第一和第二MOSFET中至少一個的柵電壓之一，預測第一和第二MOSFET之一的可能失效。有利的是，這可以允許在第一和第二MOSFET的操作中早期預測失效。
權利要求9到13提供了本發明的進一步的示例性實施例。
至少基于第一和第二MOSFET中至少一個的溫度和第一和第二MOSFET中至少一個的柵電壓之一，預測第一和第二MOSFET之一的可能失效，可以看作是本發明的示例性實施例的主旨。根據本發明，可以預測MOSFET的可能失效或確定MOSFET中一個的實際失效。即將到來的或現存的MOSFET失效導致施加到電子電路中的其他器件的器件壓力的巨大改變，這會導致在該電子電路中產生不同的溫度。例如，這種(可能)失效可以作為電子電路總體溫度升高或剩余單個MOSFET的溫度升高，或作為失效的MOSFET即毀壞的MOSFET的溫度降低，被檢測到。而且，結合MOSFET電流均衡控制，一個MOSFET的(可能)失效可以基于另一個MOSFET的柵電壓降低的檢測到。
參考此后描述的實施例，本發明的這些或其它方面將顯而易見并將得到闡述。
下面參照如下附圖描述本發明的示例性實施例，附圖中
圖1示出了根據本發明的電子電路的第一示例性實施例的簡化的示意性電路圖。
圖2示出了根據本發明的電子電路的第二示例性實施例的簡化的示意性電路圖。
下面參考圖1和圖2的描述中，相同的參考數字用來指示相同或相應的元件。
圖1示出了根據本發明的電子電路的第一示例性實施例的簡化的示意性電路圖。根據本發明的該示例性實施例的一個方面，該電子電路是功率模塊，包括多個并聯的MOSFET(功率MOSFET)。然而對于熟練的技術人員，顯然本發明還可以應用于安裝在公共熱沉上的分立的MOSFET，因為它們特別適用于汽車應用。
圖1中的參考數字2表示驅動器，其輸出與電阻器4相連。驅動器2和電阻器4用來驅動多個MOSFET，這里是分別相互并聯的第一、第二和第三MOSFET 6、8和10。而且提供第一、第二和第三電流測量單元14、16和18，它們分別與第一、第二和第三MOSFET6、8和10相關聯安置以分別測量工作時流經第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的電流。第一、第二和第三電流測量單元14、16和18與MOSFET電阻控制器12相連，以基于第一、第二和第三電流測量單元14、16和18的電流測量，控制第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的開態電阻RDSon。
參考數字20、22和24表示受控電流源，它們用來控制第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的柵電壓。代替提供電流源20、22和24，也可以提供電阻器。結合這些電阻器，可以分別提供與電阻器4串聯的由電阻控制12控制的可靠電阻器。
MOSFET電阻控制器適于單獨控制第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的RDSon。因此，柵電壓控制電路26適于基于由電流測量單元14、16和18確定的電流的至少之一(優選全部)，控制、調整或均衡第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中的至少一個柵電壓。第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的柵電壓通過受控電流源20、22和24控制，這些電流源由包括柵電壓控制電路26的MOSFET電阻控制12控制。優選地，這種控制使RDSon相互調整，即，流經MOSFET 6、8和10的電流被均衡。
根據本發明的該示例性實施例的不同形式，代替提供電流測量電路14、16和18，可以提供溫度傳感器用于測量第一、第二和第三MOSFET6、8和10其中至少一個(優選全部)的溫度。然后，柵電壓電路26適于基于第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的溫度中的至少一個(優選全部)，單獨控制、調整或均衡至少第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的柵電壓之一。尤其是，這種控制使得MOSFET 6、8和10的RDSon相互調整，即均衡。這種控制還可以使MOSFET 6、8、10的溫度或流經MOSFET6、8和10的電流相互調整，即均衡。
參考數字28表示診斷電路，其用于預測第一、第二和第三MOSFET6、8和10之一的可能失效。根據本發明的該示例性實施例的一個方面，該診斷電路基于第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中至少一個(優選全部)的柵電壓，預測或確定第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中至少一個的可能或實際失效。第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的柵電壓可以通過診斷電路28確定。然而，根據本發明的該示例性實施例的一個方面，第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中至少一個的柵電壓也可以直接從受控電流源20、22和24的驅動信號獲得，這些驅動信號與柵電壓成比例。診斷電路28適于使得其基于第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中的其他MOSFET的柵電壓降低預測第一、第二和第三MOSFET 6、8和10之一的可能失效。這樣，例如，如果確定第一MOSFET 6的柵電壓降低，則診斷電路預測或確定第二MOSFET 8的失效。
在診斷電路28確定MOSFET 6、8和10之一失效或預測MOSFET 6、8和10之一可能失效(可能例如由器件的焊接點質量退化導致)的情況下，診斷電路28發送消息到例如汽車的診斷系統或服務系統。這些情況下，可以向操作者發布服務消息，使得能夠執行相應功率模塊的修理或調換。
根據該示例性實施例的一個方面，確定MOSFET 6、8和10的所有柵電壓。然后，當其他MOSFET中的一個或多個的柵電壓減小時，檢測一個MOSFET的可能失效。這樣，例如，當電壓差超過預設閾值時可以判定失效。而且，當一個MOSFET的柵電壓比其他MOSFET高出很多時，可以確定該MOSFET處的失效。
圖2示出了根據本發明的電子電路的第二示例性實施例的簡化的示意性電路圖。圖2中示出的電子電路包括多個相互并聯的MOSFET。優選地，圖2所示的電子電路是功率模塊，例如，用于汽車應用的功率模塊。然而，對于熟練的技術人員顯而易見本發明可以用于分立的MOSFET。
圖2中參考數字30表示與溫度傳感器32、34、36和38相連的診斷電路。可以從圖2獲知，溫度傳感器34、36和38分別安置在第一、第二和第三MOSFET 6、8和10處，使得它們分別測量第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中每一個的單獨的溫度。
參考數字40指示虛線，它表示包括溫度傳感器34、36和38的第一、第二和第三MOSFET 6、8和10可以集成到一個封裝體內或安裝到公共熱沉上。該封裝體40(或熱沉)可以配備有另一個溫度傳感器32，其測量三個MOSFET 6、8和10的總體溫度。換句話說，溫度傳感器32設置成其測量MOSFET 6、8和10的總體溫度，MOSFET 6、8和10并聯安置并形成功率模塊。根據本發明的一個方面，提供傳感器32而不需要提供傳感器34、36和38就足夠了。
根據本發明的該示例性實施例的一個方面的診斷電路30適于使得其基于第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中另一個MOSFET的溫度升高，預測或確定第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中一個MOSFET的(可能)失效。這樣，例如，可以基于第一和第三MOSFET 6和10兩個的溫度升高，確定第二MOSFET 8的失效。可以基于第一MOSFET 6的溫度升高，確定第二MOSFET 8或第三MOSFET 10的失效。
這基于這樣的事實，在一個MOSFET失效或減小使它的RDSon增加的情況下，它不再(或更低程度地)幫助傳輸電流。因此，電流分布發生偏移，使得較高的負載即較高的電流施加到剩余MOSFET。因為剩余(未失效)MOSFET的器件壓力增加，這些器件的溫度將升高。而且，也導致總損耗的增加。該溫度升高被檢測到，并用作一個或多個MOSFET的失效或可能失效的指示。
而且，診斷電路30適于使得其基于由溫度傳感器32確定的總體溫度，預測或確定第一、第二和第三MOSFET 6、8和10之一的(可能)失效。這樣，如果第一、第二和第三MOSFET 6、8和10之一退化或失效，如上所述，剩余元件的溫度增加。這種增加被溫度傳感器32檢測到，并用作MOSFET 6、8和10之一退化或失效的指示。這種情況下，傳感器34、36和38不是必要的。換句話說，如果一個MOSFET退化，則電路的總功率損失增加。這種功率損失的增加導致溫度增加，根據本發明的一個方面，該溫度增加可以被檢測到并用來預測可能失效。
此外，根據本發明的該示例性實施例的診斷電路30可設置成使得其基于第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中一個處溫度的溫度下降，確定第一、第二或第三MOSFET 6、8和10中該特定MOSFET的失效。這是因為這樣的事實，如果一個特定MOSFET退化或失效，由于它的RDSon增加，該特定MOSFET的電流負載降低，使得在該特定MOSFET中產生較小的熱量。該溫度降被檢測到并用作該MOSFET退化或失效的指示。診斷電路30適于使得如果其確定或預測第一、第二和第三MOSFET6、8和10之一失效，它發送警告消息到例如汽車的例如診斷系統或服務管理器。這種警告消息可以促使將服務消息發送給駕駛員。
而且，根據本發明的該示例性實施例的一個方面，該診斷電路可以以這種方式擴展，如果它確定第一分段的MOSFET 6、8和10之一退化或失效，它切斷該特定MOSFET。然而，甚至該退化的MOSFET仍然可以工作，對總功率有貢獻。如果本發明結合柵電壓控制，根據該柵電壓控制，各柵電壓被調整以均衡流經MOSFET的電流和/或MOSFET的溫度，流經該退化的MOSFET的電流或該MOSFET的溫度不應該再用來控制柵電壓。
圖2所示的電路還可以與圖1描述的電阻控制12結合。
本發明在N+1冗余系統中特別有優勢，其中，如果一個MOSFET失效，系統仍能工作，但例如可以發送警告消息到診斷系統，例如促進該特定MOSFET的或該特定功率模塊的改變。
有利的是，上述本發明的示例性實施例允許連續地在線監測例如大電流模塊的電子電路。特別是在汽車電子中，因為對元件的可靠性的要求不斷增加，這種監測變得越來越重要。
權利要求
1.一種電子電路，包括第一MOSFET和第二MOSFET，其中第一和第二MOSFET并聯設置；以及診斷電路，用于預測第一和第二MOSFET之一的可能失效；其中該診斷電路至少基于第一和第二MOSFET中至少一個的溫度和第一和第二MOSFET中至少一個的柵電壓之一，預測第一和第二MOSFET之一的可能失效。
2.權利要求1所述的電子電路，進一步包括設置在第一MOSFET處的第一溫度傳感器，用于測量第一MOSFET的第一溫度；其中診斷電路基于第一MOSFET處的第一溫度的升高，預測第二MOSFET的可能失效，該第一溫度的升高通過第一溫度傳感器確定。
3.權利要求1所述的電子電路，進一步包括第二溫度傳感器，用于測量第一和第二MOSFET的第二總體溫度；其中診斷電路基于該第二總體溫度的溫度升高，預測第一和第二MOSFET之一的可能失效。
4.權利要求1所述的電子電路，進一步包括設置在第二MOSFET處的第三溫度傳感器，用于測量第二MOSFET的第三溫度；其中診斷電路基于第二MOSFET處的第三溫度的降低，預測第二MOSFET的可能失效，該第三溫度的降低通過第三溫度傳感器確定。
5.權利要求1所述的電子電路，進一步包括柵電壓監測單元，用于監測第一MOSFET的柵電壓；其中診斷電路基于第一MOSFET的柵電壓的降低，預測第二MOSFET的可能失效。
6.權利要求1所述的電子電路，其中診斷電路在它預測第一和第二MOSFET之一可能失效時發送警告消息。
7.權利要求1所述的電子電路，其中該電子電路是特別用在汽車應用中的功率轉換電路。
8.操作第一MOSFET和第二MOSFET的方法，其中該第一和第二MOSFET并聯設置，該方法包括以下步驟至少確定第一和第二MOSFET中至少一個的溫度和第一和第二MOSFET中至少一個的柵-源電壓之一；基于所述至少第一和第二MOSFET中至少一個的溫度和第一和第二MOSFET中至少一個的柵電壓之一，預測第一和第二MOSFET之一的可能失效。
9.權利要求8所述的方法，進一步包括以下步驟確定第一MOSFET的第一溫度；基于第一MOSFET處的第一溫度的升高，預測第二MOSFET的可能失效。
10.權利要求8所述的方法，進一步包括以下步驟確定第一和第二MOSFET的第二總體溫度；基于該第二總體溫度的溫度升高，預測第一和第二MOSFET之一的可能失效。
11.權利要求8所述的方法，進一步包括以下步驟確定第二MOSFET的第三溫度；基于該第二MOSFET處的第三溫度的降低，預測第二MOSFET的可能失效。
12.權利要求8所述的方法，進一步包括以下步驟監測第一MOSFET的柵電壓；基于該第一MOSFET的柵電壓的降低，預測第二MOSFET的可能失效。
13.權利要求8所述的方法，進一步包括以下步驟當預測到第一和第二MOSFET之一可能失效時，發送警告消息。
全文摘要
功率轉換電路通常由若干并聯工作的MOSFET組成。因為熱循環和機械運作，MOSFET或MOSFET的各個電連接可能失效。根據本發明，提供一種用于多個并聯的MOSFET的診斷電路，其至少基于MOSFET的溫度或MOSFET的柵電壓之一預測或確定可能的失效。有利的是，可以提供MOSFET的連續監測，并可以提供MOSFET失效的早期確定。
文檔編號H03K17/12GK1846353SQ200480025163
公開日2006年10月11日 申請日期2004年8月20日 優先權日2003年9月3日
發明者T·迪爾鮑姆 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司