监测装置和监测方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及监测装置和监测方法。本发明专利技术公开了一种用于半导体开关元件(2、32)的监测装置(1、31)，所述开关元件具有控制输入(3、33)、功率输入(4、34)和功率输出(5、35)，所述监测装置包括实施为通过电荷载体(7)对所述开关元件(2、32)的控制输入(3、33)进行充电的电荷载体源(6、36)，并且包括设计成检测来自所述开关元件(2、32)的控制输入(3、33)的电荷载体泄漏(9)并且当所述电荷载体泄漏(9)位于指定的阈值(10)以上时则发出警告信号(12)的测量装置(8)。本发明专利技术还公开了一种相应的监测方法。

Monitoring device and monitoring method

The present invention relates to a monitoring device and monitoring method. The invention discloses a semiconductor switching element (2, 32) of the monitoring device (1, 31), the switching element has a control input (3, 33), power input (4, 34) and power output (5, 35), the monitoring device for charge carriers (including the implementation of the 7) of the switching element (2, 32) of the control input (3, 33) of the charge carrier source charging (6, 36), and includes designed to detect from the switching element (2, 32) of the control input (3, 33) leakage of charge carriers (9) and when the charge carrier leakage (9) at a specified threshold (10) above is a warning signal measuring device (12) (8). The invention also discloses a corresponding monitoring method.

【技术实现步骤摘要】
监测装置和监测方法
本专利技术涉及一种用于半导体开关元件的监测装置和相应的监测方法。
技术介绍
下面将主要结合车辆中的车载电气系统来描述本专利技术。然而，应当理解，本专利技术可以用于必须开关电力消耗设备的任何应用中。诸如MOSFET之类的电子半导体开关元件越来越多地用作车辆中的车载电气系统中的机电继电器的替代物。半导体开关元件的优点在于开关寿命周期数量大、功率损耗较低、开关时间更短和开关无噪声。然而，MOSFET可能会出故障，从而失去切断电流的能力。根据所谓的沟槽技术构建了具有小于0.7mΩ的导通电阻(也称为漏极-源极导通电阻)的现有的40V的MOSFET，其替代了平面技术。与平面MOSFET相反，沟槽MOSFET具有垂直结构。它们具有较短的电流路径，并且电池较小。因此，与平面MOSFET相比，可以在基材上以更高的密度容纳更多的电池。因此，数以万计的电池可以在一个管芯上并联。MOSFET的基本功能是当在栅极(控制输入)和源极(功率输出)之间施加电压时，栅极上形成电荷，特定电池中的np通道变为导通。栅极与P和N基材之间绝缘。因此，栅极对P和N基材总是作为电容。现在，在电池过载的情况下，可能发生电池结构被破坏并且材料混合，导致失效或故障。当这种情况发生时，漏极(功率输入)和源极(功率输出)之间的阻挡层消失，并且栅极端子的绝缘被破坏。MOSFET则变得永久导通。结果，不能再断开特定的负载。US2006/0250188A1公开了放大器系统和用于放大器系统的功率输出场效应晶体管(FET)的完整性测试的测试电路和方法。其中描述了保护电路，其使过电压保护可用于放大器系统的部件并在泄漏测量期间关闭或隔离部件。DE102012100830A1描述了一种漏电流检测系统。该系统包括将脉冲供给到耦合电容的脉冲发生器；检测耦合电容的电压的电压检测器；漏电流确定单元，其将由电压检测器检测的电压与阈值进行比较，并且基于比较结果确定直流电源是否存在电流泄漏。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是实现MOSFET的可靠操作。该目的是通过独立权利要求的主题实现的。为此，提供了一种用于半导体开关元件的监测装置，其具有控制输入、功率输入和功率输出，诸如MOSFET。监测装置包括一个电荷载体源，其设计成用电荷载体对开关元件的控制输入进行充电；以及一个测量装置，其设计成从开关元件的控制输入检测电荷载体泄漏、即电流，并且如果电荷载体泄漏高于指定的阈值，则发出警告信号。此外，提供了一种用于监测半导体开关元件的方法，该开关元件具有控制输入、功率输入和功率输出，所述方法包括以下步骤：通过电荷载体源为开关元件的控制输入充入电荷载体；从所述开关元件的控制输入检测电荷载体泄漏，并且如果所述电荷载体泄漏高于指定的阈值，则发出警告信号。与半导体开关元件(以下简称为MOSFET)相关的四种基本故障机制是：1.过电压导致栅极和np阻挡层的绝缘层击穿。该过程类似于电容的(穿刺状)过压击穿。2.由于过电流，电源电池过热并发生故障。3.当导通负载关断时，电感中包含的能量在开关元件即MOSFET中转换。至少每当保护电路不足或根本没有时是这样的。由电流变化引起的过电压导致基材中其他电荷载体的浪涌释放(所谓的雪崩击穿)。以这种方式，围绕线路的磁场的能量在MOSFET中变成热能。热能可能导致(多个)MOSFET电池的破坏。4.MOSFET在线性区域工作，因为栅极没有充分充电，栅极至源极电压在2V和5V之间。MOSFET电池现在以可调电阻(晶体管)的方式工作。特别是在沟槽MOSFET的情况下，许多并联电池的工作点不相同的事实带来问题。这意味着一些电池比另一些电池更具导电性。这些电池相应地转化更多的能量损失，这可导致个别电池的损坏。本专利技术基于认识到不可能在任何情况下都避免MOSFET的损坏或击穿。除非这种解释是根本不正确的，否则不必假定所有并联连接的MOSFET电池将由于过载而同时被破坏。相反，单个电池将单独失效，即那些必须处理最高功率损耗或具有最弱结构的电池。转移到单个电池中的非常高的能量对相邻的电池引起过度的应力(热点)，结果是源自单个电池的故障扩散到区域内的电池，直到整个MOSFET发生故障并失效。因此，本专利技术致力于在MOSFET完全失效之前的早期阶段就认识到MOSFET的初期损坏。因此，本专利技术的解决方案的目的是如果可能的话识别出首先损坏的一个或多个电池，从而允许诸如车辆控制装置的更高级别的控制逻辑转换到安全状态并关断MOSFET。根据本专利技术，通过测量来自MOSFET的控制输入即栅极的电荷载体泄漏来识别MOSFET中的有缺陷的电池。该电荷载体泄漏也可以称为漏电流。正常状态下的每个MOSFET都有一定的漏电流。然而，增大的漏电流表明MOSFET中至少有一些电池已经损坏或已经失效。这里的阈值可以例如由半导体开关元件的制造商指定，或者可以通过实验来确定。为此，例如，可以在显微镜下检查具有不同漏电流的单个半导体开关元件，以便识别每个漏电流的缺陷电池的数量。通常，MOSFET的可允许的漏电流为15μA-20μA。例如，监测装置可以在每个接通过程中监测半导体开关元件的状态。此外，可以识别例如在印刷电路板上或在监测装置和开关元件之间的输入线中的损坏或由此产生的杂散电流。此外，本专利技术的特别有利的实施例和进一步发展可以在从属权利要求和以下描述中找到，其中不同实施例的特征可以组合以形成新的实施例。具体来说，一个类别的权利要求的独立权利要求也可以类似地进一步开发成不同类别的从属权利要求。在一个实施例中，电荷载体源可以配置成对控制输入循环地充电直到控制输入上的控制电压的预定的上阈值，并且在每次充电过程之后中断电荷载体的供给，直到控制输入的控制电压达到下阈值。在MOSFET中，栅极的控制输入与源极的功率输出之间的电压差对于互连是决定性的。因此，控制电压应被理解为该电压差，而不是诸如对地的绝对电压。这里的第一阈值可能略低于半导体开关元件的最大控制电压，例如低0.1V至1V。对于高达40V的MOSFET的最大允许栅极电压通常为20V。栅极通常由18V齐纳二极管保护。然而，由于齐纳二极管不具有急剧变化的曲线，而是缓和的曲线，所以栅极充电电压通常设定在14V至15V的最大值。下阈值可以略高于其接通电压或互连电压，通常为大约8V。接通电压或互连电压应理解为开关元件完全接通的电压，即在其饱和区域内。在MOSFET中，控制输入的电压也称为栅极电压，控制输入本身也称为栅极。因此，控制电压在诸如8V和14V的两个电压值之间来回振荡。在该振荡过程期间，开关元件连续地完全连接。因此，也可以在正常操作期间确定开关元件的状态。在另一个实施例中，监测装置可以具有电压源或电流源形式的电荷载体源。在另一个实施例中，监测装置可以是阻塞装置，其配置成当电荷载体源不工作时，即不形成电荷载体或不提供电压或电流时，防止电荷载体从控制输入向电荷载体源移动。此外，当电荷载体源工作时，阻塞装置可以使电荷载体从电荷载体源向控制输入移动，即电荷载体或电压或电流可用。如果电荷载体源关闭，则与控制电压达到上限值的情况一样，电荷载体可流回电荷载体源。因此，为了避免电荷载体泄漏的测量失真，在这种状态下，也可以防止电荷载体从控制输入向电荷载体源移动。电流源通常具有非常本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于半导体开关元件(2、32)的监测装置(1、31)，所述开关元件具有控制输入(3、33)、功率输入(4、34)和功率输出(5、35)，所述监测装置包括构造成通过电荷载体(7)对所述开关元件(2、32)的控制输入(3、33)进行充电的电荷载体源(6、36)，其中，所述电荷载体源(6、36)还构造成对控制输入(3、33)进行循环充电直到为控制输入(3、33)上的控制电压(14、39)预定的上阈值(17)，并且构造成在每个充电程序之后中断电荷载体供给直到控制输入(3、33)的控制电压(14、39)达到下阈值(18)，以及包括设计成检测来自所述开关元件(2、32)的控制输入(3、33)的电荷载体泄漏(9)并且当所述电荷载体泄漏(9)位于指定的阈值(10)以上时则发出警告信号(12)的测量装置(8)。

【技术特征摘要】
2016.05.18 DE 102016109137.51.一种用于半导体开关元件(2、32)的监测装置(1、31)，所述开关元件具有控制输入(3、33)、功率输入(4、34)和功率输出(5、35)，所述监测装置包括构造成通过电荷载体(7)对所述开关元件(2、32)的控制输入(3、33)进行充电的电荷载体源(6、36)，其中，所述电荷载体源(6、36)还构造成对控制输入(3、33)进行循环充电直到为控制输入(3、33)上的控制电压(14、39)预定的上阈值(17)，并且构造成在每个充电程序之后中断电荷载体供给直到控制输入(3、33)的控制电压(14、39)达到下阈值(18)，以及包括设计成检测来自所述开关元件(2、32)的控制输入(3、33)的电荷载体泄漏(9)并且当所述电荷载体泄漏(9)位于指定的阈值(10)以上时则发出警告信号(12)的测量装置(8)。2.根据权利要求1所述的监测装置(1、31)，包括实施为电压源的电荷载体源(6、36)，或者实施为电流源的电荷载体源(6、36)。3.根据权利要求2所述的监测装置(1、31)，包括阻塞装置(13、43)，其配置成当电荷载体源(6、36)不工作时防止电荷载体从所述控制输入(3、33)移动到所述电荷载体源(6、36)，并且当电荷载体源(6、36)工作时允许电荷载体从电荷载体源(6、36)移动到控制输入(3、33)。4.根据权利要求3所述的监测装置(1、31)，包括设置为二极管形式并在通行方向布置在所述电荷载体源(6、36)和所述控制输入(3、33)之间的阻塞装置(13、43)。5.根据前述权利要求中任一项所述的监测装置(1、31)，其中，所述测量装置(8)实施为检测所述控制输入(3、33)和所述功率输出(5、35)之间的控制电压(14、39)，并且确定控制电压(14、39)从上阈值(17)下降到下阈值(18)所需的时间(15)；其中，所述测量装置(8)配置成基于所检测的时间(15)来计算所述电荷载体泄漏(9)的绝对值。6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的监测装置(1、31)，其中，所述测量装置(8)适于在测量周期的开始和结束时检测所述控制电压(14、39)，其中测量周期具有指定的持续时间，其中，所述测量装置(8)适于基于在所述测量周期的开始和结束时检测到的控制电...

【专利技术属性】
技术研发人员：米夏埃尔·沃尔特贝格，
申请(专利权)人：利萨·德雷克塞迈尔有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE