场效应晶体管和相关的故障检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种电子装置(9)，其包括：‑常开型场效应功率晶体管(11)，其包括控制电极(111)和第一及第二导通电极(112、113)；‑控制电路(21)，其包括连接到控制电极的电阻元件(211)，该控制电路被配置为用于通过电阻元件将晶体管的阻断电势施加到控制电极，所述阻断电势低于第一和第二导通电极的电势；‑用于检测第一和第二导通电极之间的短路的检测电路(31)，其被配置为用于在晶体管的阻断期间测量控制电极的电势，以便将所测量到的电势与参考电势进行比较，并且根据该比较的结果生成故障信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及场效应功率晶体管，尤其是对常开型场效应晶体管的短路故障的检测。多种应用都利用在开关中使用的常开型场效应功率晶体管。越来越多的应用使用直流电压电源，例如用于机动车牵引。nMos功率晶体管常用于安全功能，例如用于将连接端子与电压源隔离。当这样的功率晶体管遇到短路故障时，电压源可能会施加非常快速地达到高幅度的短路电流。为了避免出现与这样的电流相关的严重过热或故障，必须在非常短的时间内检测到晶体管的故障，以便实施安全措施，尤其是控制其他晶体管的断开或者防止它们闭合。在已知的故障检测装置中，尚未找到任何足够快速和可靠地检测场效应功率晶体管的故障的成本合理的解决方案。文献US7847702描述了一种用于检测具有低功率水平的集成部件中的故障的电路。在这样的集成部件中不对由栅极和源极之间的绝缘体受损所造成的故障模式进行监控，因为与由于栅极和漏极之间的绝缘体受损所造成的故障相反地，这是一种非常少见的故障模式。文献US2003/103306描述了一种用于为电动机供电的常开型功率晶体管。检测电路验证阻断电压被施加到晶体管的栅极，并且同时验证晶体管的漏极处的异常电压的出现。这样的检测电路仅允许确定漏极和源极之间的短路。归档在因特网地址http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/chap11k.htm下的出版文献解释了与常开型场效应功率晶体管相关的问题。场效应功率晶体管在栅极和漏极之间所具有的绝缘体厚度比其在栅极和源极之间所具有的绝缘体厚度大得多。事实上，栅极和漏极之间的绝缘体是必须在阻断状态下确保耐压的绝缘体。由于施加了低得多的电势差，栅极和源极之间的绝缘体厚度更加减小。本专利技术旨在解决这些不便中的一个或更多个。特别地，本专利技术的目的在于在源极和漏极之间出现短路之前提前检测到场效应晶体管的故障。本专利技术由此涉及如所附权利要求中所限定的电子装置。参照附图，本专利技术的其他特征和优点将从以下说明性而绝非限制性地做出的描述中清楚地显现出来，在附图中：-图1为包括场效应功率晶体管和短路检测电路的电子装置的第一实施例的示意图；-图2和图3为在不存在和存在故障的情况下，晶体管及其控制电路的电气特性的示意图；-图4示出在出现短路时，图1的晶体管的参数变化；-图5示意性地示出检测电路的一个变型；-图6为包括并联连接的两个场效应功率晶体管和短路检测电路的电子装置的第二实施例的示意图；-图7示意性地示出图6的检测电路的功能；-图8和图9示出处于两种工作状态下的包括场效应功率晶体管及其检测电路的系统；-图10为图1的电子装置的变型。图1为根据本专利技术的第一实施例的电子装置9的示意图。电子装置9包括常开型场效应功率晶体管11。功率晶体管能够设计为例如用于在两个导通电极之间施加至少等于50V、通常至少等于100V的电势差，并且穿过至少等于5A、通常至少等于10A的电流。在该实施例中，晶体管11是N型MosFET晶体管。晶体管11在此以本身已知的方式包括形成控制电极的栅极111、形成第一导通电极的源极112和形成第二导通电极的漏极113。在此，源极112连接到接地电势。电子装置9还包括用于在栅极111上施加控制电势的控制电路21，该控制电势允许选择性地使晶体管11断开或闭合。因此，电子电路21在节点Vc处施加这样的电势：该电势要么取值为晶体管11的闭合值Von，要么取值为晶体管11的断开值Voff。控制电路21包括连接在节点Vc和栅极111之间的电阻元件211。电阻元件211在此为纯电阻性的。以本身已知的方式，电阻元件211可包括两个分支，分支中的每一个都包括二极管和电阻。二极管由此反向并联连接。每个分支的电阻都可具有不同的值，以便晶体管11具有不同的断开和闭合速度。电子装置9还包括用于检测源极112和漏极113之间的短路的检测电路31。检测电路31包括被配置为用于测量栅极111的电势(例如，通过测量栅极111和源极112之间的电势差)的电压计313。检测电路31还包括比较器311和处理电路312。电压计313在比较器311的输入端施加所测量的电势。比较器311还在另一输入端接收参考值Vref。比较器311根据所测量的电势和参考值Vref之间的比较而生成输出信号。处理电路312接收比较器311的输出信号，并且根据该输出信号的水平生成异常信号。异常信号能够以本身已知的方式用于预防所检测到的异常的后果，例如用于操作安全开关、断开其他晶体管或防止它们闭合。专利技术人实施了一种MosFet技术的常开型场效应功率晶体管的老化的模拟器。在不存在散热器的情况下使这些晶体管经历开关操作循环以便产生加速的老化。专利技术人研究了这些晶体管的故障的出现。专利技术人系统地观察到短路形式的早期故障。专利技术人还观察到故障系统地在晶体管处于断开状态时或被切换向断开状态时发生。专利技术人还观察到，99％的故障都导致晶体管的栅极和源极之间的电绝缘体的受损。因此，与本领域技术人员的先验技术不同，所提出的本专利技术旨在对场效应晶体管的阻断或断开状态期间故障的出现进行检测。更具体地说，本专利技术提出通过提前检测栅极和源极之间的异常漏电流来预测源极和漏极之间的短路的出现。通常，通过施加控制电势，使得场效应晶体管的控制电极和第一导通电极之间的电势差为零，从而使该电势差小于该晶体管的阈值电压，进而使场效应晶体管保持断开。在此，控制电路21被配置为用于在节点Vc处施加比第一和第二导通电极112和113的电势小的电势Voff。因此，控制电路21在此被配置为用于获得栅极111和源极112之间的阻断晶体管11的负电势差。电势Voff例如比导通电极112和113中的每一个的电势小至少0.2V，优选小至少0.5V，或小至少阈值电压的值。为了便于理解这样的阻断电势水平的使用，图2和图3示意性地示出在节点Vc和源极112之间的晶体管11及其控制电路21的电气特性。在图2中，晶体管11没有故障。晶体管11的栅极111和源极112之间的结构包括电绝缘体，并且其能够由电容器114来模拟。在图3中，由于栅极111和源极112之间的电绝缘体受损，晶体管11发生故障。由此能够由电阻115来模拟晶体管11的栅极111和源极112之间的结构。由此，在节点Vc和源极112之间形成分压电桥。在图3所示的状态中，由于节点Vc和源极112之间施加有非零电势差，所以电阻115引起施加到控制节点21的电势与施加到栅极111的电势之间的差。如果在栅极111上所测得的栅极电势超过值Vref，则比较器311提供相应的输出信号。当处理电路312确定所测得的栅极电势超过晶体管11断开时的值Vref(并且因而与控制节点21的电势不同)时，其生成异常信号。处理电路312可以在生成异常信号之前将其他情况考虑在内，例如，要求比较器311用信号通知在足够的时期期间超过值Vref的情况，以避免在过渡阶段期间发生不合时宜的触发。图4的示图一方面使用实线示出穿过场效应晶体管的电流，另一方面示出在几次连续的开关操作期间该晶体管的栅极电势。短划线曲线对应于在不存在故障的情况下晶体管的栅极电势。点线曲线对应于在存在短路的情况下晶体管的栅极电势。在图中所示的晶体管的断开切换期间出现短路，并且所假定断开的晶体管被电流穿过。在控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子装置(9)，其特征在于，所述电子装置(9)包括：‑常开型场效应功率晶体管(11)，其包括栅极(111)、源极和漏极(112、113)；‑控制电路(21)，其包括连接到控制电极的电阻元件(211)，所述控制电路被配置为用于通过所述电阻元件将所述晶体管的阻断电势施加到所述栅极，所述阻断电势小于所述源极和所述漏极的电势；‑用于检测所述栅极和所述源极之间的漏电流以便预测所述源极和所述漏极之间的短路的检测电路(31)，其被配置为用于在所述晶体管的阻断期间测量所述栅极的电势，将所测量到的电势与参考电势进行比较，并且根据该比较的结果生成异常信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.27 FR 14548081.一种电子装置(9)，其特征在于，所述电子装置(9)包括：-常开型场效应功率晶体管(11)，其包括栅极(111)、源极和漏极(112、113)；-控制电路(21)，其包括连接到控制电极的电阻元件(211)，所述控制电路被配置为用于通过所述电阻元件将所述晶体管的阻断电势施加到所述栅极，所述阻断电势小于所述源极和所述漏极的电势；-用于检测所述栅极和所述源极之间的漏电流以便预测所述源极和所述漏极之间的短路的检测电路(31)，其被配置为用于在所述晶体管的阻断期间测量所述栅极的电势，将所测量到的电势与参考电势进行比较，并且根据该比较的结果生成异常信号。2.根据权利要求1所述的电子装置(9)，其中，所述场效应晶体管(11)选自CMOS、JFET、IGBT和HEMT晶体管。3.根据权利要求1或2所述的电子装置(...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗朗索瓦·塔韦尼亚，皮埃尔·佩里雄，
申请(专利权)人：雷诺有限合伙公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR