专利名称：并联mosfet的失效预测的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子电路和一种操作第一MOSFET和第二MOSFET的方法。
制作了由若干并联的MOSFET组成的功率转换电路，以便和单封装器件相比，扩大这种电路的功率范围。这种电路在汽车和工业领域得到越来越广泛的应用。因为MOSFET的并联，这种功率电路获得了高的额定电流。
为了避免在一个或多个并联的MOSFET失效或一个或多个电学连接(例如焊料连接)断裂情况下这种功率电路完全失效，已知提供冗余MOSFET来替换失效的MOSFET的方法。
本发明的一个目标是预测或确定MOSFET的可能失效。
根据权利要求1所述的本发明的示例性实施例，上述目标可以通过一种电子电路获得，该电路包括并联的第一MOSFET和第二MOSFET。而且，提供用于预测第一和第二MOSFET之一的可能失效的诊断电路。根据本发明的该示例性实施例的一个方面，该诊断电路至少基于第一和第二MOSFET中至少一个的温度和第一和第二MOSFET中至少一个的栅电压之一，预测第一和第二MOSFET之一的可能失效。
有利的是，例如本发明的该实施例允许在实际的错误或失效发生之前预测功率模块的第一和第二MOSFET之一的可能失效。因此，可以在失效实际发生之前执行被预测失效的MOSFET或模块的改变。
而且，根据本发明的该示例性实施例，冗余MOSFET的提供可以省略，使得能够提供更简单、更便宜和更小巧的电子电路。
根据权利要求2所述的本发明的另一个示例性实施例，可以在第一MOSFET处安置第一温度传感器以测量该MOSFET的第一温度。然后，诊断电路适于基于第一MOSFET处的第一温度的升高预测第二MOSFET的可能失效。
根据权利要求3所述的本发明的另一个示例性实施例，提供第二温度传感器，安置它是为了测量第一和第二MOSFET的总体温度。因此，根据本发明的该示例性实施例的一个方面，第二温度传感器可以安置在包括第一和第二MOSFET的模块的封装体上。而且，在分立的MOSFET安装在公共热沉上的情况下，第二温度传感器可以在公共热沉上提供。根据本发明的该示例性实施例的诊断电路适于基于第一和第二MOSFET的总体温度的温度升高，预测第一和第二MOSFET之一的可能失效。而且，可以提供环境温度传感器以测量环境温度或参考温度。
有利的是，根据本发明的该示例性实施例，仅提供一个温度传感器就足以预测一个MOSFET的可能失效。
根据权利要求4所述的本发明的另一个示例性实施例，提供安置在第二MOSFET处的第三温度传感器，以测量该第二MOSFET的温度。根据本发明的该示例性实施例的诊断电路被调整，使得其基于第二MOSFET处的第三温度下降预测第二MOSFET的可能失效。
根据权利要求5所述的本发明的另一个示例性实施例，提供栅电压监测单元以监测第一MOSFET的栅电压。根据本发明的该示例性实施例的诊断电路，适于基于第一MOSFET的栅电压的降低预测第二MOSFET的可能失效。该实施例优选地结合一个栅电压控制实现，根据该栅电压控制，各栅电压被调整以均衡流经MOSFET的电流和/或MOSFET的温度。
在包括栅电压控制装置以控制MOSFET的电阻RDSon的电子电路或功率模块中，本发明的该示例性实施例是有优势的。这种RDSon控制可以基于工作时流经MOSFET的电流实现，或基于一个或多个MOSFET的温度的基础上实现。优选地，执行这种RDSon控制以均衡MOSFET之间的电流分配。在这种电子电路中，通过减小第一MOSFET的栅电压来增加第一MOSFET的RDSon，第一MOSFET和第二MOSFET的RDSon相互调整使得两个MOSFET具有相同的RDSon，即，承载相同的电流负载。换句话说，通过增加“较好的”MOSFET的RDSon，人为地恶化该“较好的”MOSFET以调整它到第二MOSFET的RDSon。RDSon增加可以看成是该MOSFET的可能失效的指示。
这样，根据本发明的该实施例的示例性实施例，当第一MOSFET的栅电压降低以增加其RDSon时，可以预测第二MOSFET的RDSon增加，这可以看成是第二RDSon很快将要失效的指示。
根据权利要求6所述的本发明的另一个示例性实施例，当其预测第一和第二MOSFET其中之一可能失效时，诊断电路发送一个警告消息。有利的是，例如这种电子电路用在汽车应用中的情况，警告信息可以输出到诊断系统或服务指示器。基于该消息，一个服务或“改变MOSFET”消息可以输出给用户或操作者。
根据权利要求7所述的本发明的另一个示例性实施例，该电子电路是功率模块，特别是用于汽车应用的功率模块。
根据权利要求8所述的本发明的另一个示例性实施例，提供一种操作第一MOSFET和第二MOSFET的方法。根据该方法，至少基于第一和第二MOSFET中至少一个的温度和第一和第二MOSFET中至少一个的栅电压之一，预测第一和第二MOSFET之一的可能失效。有利的是，这可以允许在第一和第二MOSFET的操作中早期预测失效。
权利要求9到13提供了本发明的进一步的示例性实施例。
至少基于第一和第二MOSFET中至少一个的温度和第一和第二MOSFET中至少一个的栅电压之一，预测第一和第二MOSFET之一的可能失效，可以看作是本发明的示例性实施例的主旨。根据本发明，可以预测MOSFET的可能失效或确定MOSFET中一个的实际失效。即将到来的或现存的MOSFET失效导致施加到电子电路中的其他器件的器件压力的巨大改变，这会导致在该电子电路中产生不同的温度。例如，这种(可能)失效可以作为电子电路总体温度升高或剩余单个MOSFET的温度升高，或作为失效的MOSFET即毁坏的MOSFET的温度降低，被检测到。而且，结合MOSFET电流均衡控制，一个MOSFET的(可能)失效可以基于另一个MOSFET的栅电压降低的检测到。
参考此后描述的实施例，本发明的这些或其它方面将显而易见并将得到阐述。
下面参照如下附图描述本发明的示例性实施例，附图中
图1示出了根据本发明的电子电路的第一示例性实施例的简化的示意性电路图。
图2示出了根据本发明的电子电路的第二示例性实施例的简化的示意性电路图。
下面参考图1和图2的描述中，相同的参考数字用来指示相同或相应的元件。
图1示出了根据本发明的电子电路的第一示例性实施例的简化的示意性电路图。根据本发明的该示例性实施例的一个方面，该电子电路是功率模块，包括多个并联的MOSFET(功率MOSFET)。然而对于熟练的技术人员，显然本发明还可以应用于安装在公共热沉上的分立的MOSFET，因为它们特别适用于汽车应用。
图1中的参考数字2表示驱动器，其输出与电阻器4相连。驱动器2和电阻器4用来驱动多个MOSFET，这里是分别相互并联的第一、第二和第三MOSFET 6、8和10。而且提供第一、第二和第三电流测量单元14、16和18，它们分别与第一、第二和第三MOSFET6、8和10相关联安置以分别测量工作时流经第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的电流。第一、第二和第三电流测量单元14、16和18与MOSFET电阻控制器12相连，以基于第一、第二和第三电流测量单元14、16和18的电流测量，控制第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的开态电阻RDSon。
参考数字20、22和24表示受控电流源，它们用来控制第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的栅电压。代替提供电流源20、22和24，也可以提供电阻器。结合这些电阻器，可以分别提供与电阻器4串联的由电阻控制12控制的可靠电阻器。
MOSFET电阻控制器适于单独控制第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的RDSon。因此，栅电压控制电路26适于基于由电流测量单元14、16和18确定的电流的至少之一(优选全部)，控制、调整或均衡第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中的至少一个栅电压。第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的栅电压通过受控电流源20、22和24控制，这些电流源由包括栅电压控制电路26的MOSFET电阻控制12控制。优选地，这种控制使RDSon相互调整，即，流经MOSFET 6、8和10的电流被均衡。
根据本发明的该示例性实施例的不同形式，代替提供电流测量电路14、16和18，可以提供温度传感器用于测量第一、第二和第三MOSFET6、8和10其中至少一个(优选全部)的温度。然后，栅电压电路26适于基于第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的温度中的至少一个(优选全部)，单独控制、调整或均衡至少第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的栅电压之一。尤其是，这种控制使得MOSFET 6、8和10的RDSon相互调整，即均衡。这种控制还可以使MOSFET 6、8、10的温度或流经MOSFET6、8和10的电流相互调整，即均衡。
参考数字28表示诊断电路，其用于预测第一、第二和第三MOSFET6、8和10之一的可能失效。根据本发明的该示例性实施例的一个方面，该诊断电路基于第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中至少一个(优选全部)的栅电压，预测或确定第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中至少一个的可能或实际失效。第一、第二和第三MOSFET 6、8和10的栅电压可以通过诊断电路28确定。然而，根据本发明的该示例性实施例的一个方面，第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中至少一个的栅电压也可以直接从受控电流源20、22和24的驱动信号获得，这些驱动信号与栅电压成比例。诊断电路28适于使得其基于第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中的其他MOSFET的栅电压降低预测第一、第二和第三MOSFET 6、8和10之一的可能失效。这样，例如，如果确定第一MOSFET 6的栅电压降低，则诊断电路预测或确定第二MOSFET 8的失效。
在诊断电路28确定MOSFET 6、8和10之一失效或预测MOSFET 6、8和10之一可能失效(可能例如由器件的焊接点质量退化导致)的情况下，诊断电路28发送消息到例如汽车的诊断系统或服务系统。这些情况下，可以向操作者发布服务消息，使得能够执行相应功率模块的修理或调换。
根据该示例性实施例的一个方面，确定MOSFET 6、8和10的所有栅电压。然后，当其他MOSFET中的一个或多个的栅电压减小时，检测一个MOSFET的可能失效。这样，例如，当电压差超过预设阈值时可以判定失效。而且，当一个MOSFET的栅电压比其他MOSFET高出很多时，可以确定该MOSFET处的失效。
图2示出了根据本发明的电子电路的第二示例性实施例的简化的示意性电路图。图2中示出的电子电路包括多个相互并联的MOSFET。优选地，图2所示的电子电路是功率模块，例如，用于汽车应用的功率模块。然而，对于熟练的技术人员显而易见本发明可以用于分立的MOSFET。
图2中参考数字30表示与温度传感器32、34、36和38相连的诊断电路。可以从图2获知，温度传感器34、36和38分别安置在第一、第二和第三MOSFET 6、8和10处，使得它们分别测量第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中每一个的单独的温度。
参考数字40指示虚线，它表示包括温度传感器34、36和38的第一、第二和第三MOSFET 6、8和10可以集成到一个封装体内或安装到公共热沉上。该封装体40(或热沉)可以配备有另一个温度传感器32，其测量三个MOSFET 6、8和10的总体温度。换句话说，温度传感器32设置成其测量MOSFET 6、8和10的总体温度，MOSFET 6、8和10并联安置并形成功率模块。根据本发明的一个方面，提供传感器32而不需要提供传感器34、36和38就足够了。
根据本发明的该示例性实施例的一个方面的诊断电路30适于使得其基于第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中另一个MOSFET的温度升高，预测或确定第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中一个MOSFET的(可能)失效。这样，例如，可以基于第一和第三MOSFET 6和10两个的温度升高，确定第二MOSFET 8的失效。可以基于第一MOSFET 6的温度升高，确定第二MOSFET 8或第三MOSFET 10的失效。
这基于这样的事实，在一个MOSFET失效或减小使它的RDSon增加的情况下，它不再(或更低程度地)帮助传输电流。因此，电流分布发生偏移，使得较高的负载即较高的电流施加到剩余MOSFET。因为剩余(未失效)MOSFET的器件压力增加，这些器件的温度将升高。而且，也导致总损耗的增加。该温度升高被检测到，并用作一个或多个MOSFET的失效或可能失效的指示。
而且，诊断电路30适于使得其基于由温度传感器32确定的总体温度，预测或确定第一、第二和第三MOSFET 6、8和10之一的(可能)失效。这样，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，剩余元件的温度增加。这种增加被温度传感器32检测到，并用作MOSFET 6、8和10之一退化或失效的指示。这种情况下，传感器34、36和38不是必要的。换句话说，如果一个MOSFET退化，则电路的总功率损失增加。这种功率损失的增加导致温度增加，根据本发明的一个方面，该温度增加可以被检测到并用来预测可能失效。
此外，根据本发明的该示例性实施例的诊断电路30可设置成使得其基于第一、第二和第三MOSFET 6、8和10中一个处温度的温度下降，确定第一、第二或第三MOSFET 6、8和10中该特定MOSFET的失效。这是因为这样的事实，如果一个特定MOSFET退化或失效，由于它的RDSon增加，该特定MOSFET的电流负载降低，使得在该特定MOSFET中产生较小的热量。该温度降被检测到并用作该MOSFET退化或失效的指示。诊断电路30适于使得如果其确定或预测第一、第二和第三MOSFET6、8和10之一失效，它发送警告消息到例如汽车的例如诊断系统或服务管理器。这种警告消息可以促使将服务消息发送给驾驶员。
而且，根据本发明的该示例性实施例的一个方面，该诊断电路可以以这种方式扩展，如果它确定第一分段的MOSFET 6、8和10之一退化或失效，它切断该特定MOSFET。然而，甚至该退化的MOSFET仍然可以工作，对总功率有贡献。如果本发明结合栅电压控制，根据该栅电压控制，各栅电压被调整以均衡流经MOSFET的电流和/或MOSFET的温度，流经该退化的MOSFET的电流或该MOSFET的温度不应该再用来控制栅电压。
图2所示的电路还可以与图1描述的电阻控制12结合。
本发明在N+1冗余系统中特别有优势，其中，如果一个MOSFET失效，系统仍能工作，但例如可以发送警告消息到诊断系统，例如促进该特定MOSFET的或该特定功率模块的改变。
有利的是，上述本发明的示例性实施例允许连续地在线监测例如大电流模块的电子电路。特别是在汽车电子中，因为对元件的可靠性的要求不断增加，这种监测变得越来越重要。
权利要求
1.一种电子电路，包括第一MOSFET和第二MOSFET，其中第一和第二MOSFET并联设置；以及诊断电路，用于预测第一和第二MOSFET之一的可能失效；其中该诊断电路至少基于第一和第二MOSFET中至少一个的温度和第一和第二MOSFET中至少一个的栅电压之一，预测第一和第二MOSFET之一的可能失效。
2.权利要求1所述的电子电路，进一步包括设置在第一MOSFET处的第一温度传感器，用于测量第一MOSFET的第一温度；其中诊断电路基于第一MOSFET处的第一温度的升高，预测第二MOSFET的可能失效，该第一温度的升高通过第一温度传感器确定。
3.权利要求1所述的电子电路，进一步包括第二温度传感器，用于测量第一和第二MOSFET的第二总体温度；其中诊断电路基于该第二总体温度的温度升高，预测第一和第二MOSFET之一的可能失效。
4.权利要求1所述的电子电路，进一步包括设置在第二MOSFET处的第三温度传感器，用于测量第二MOSFET的第三温度；其中诊断电路基于第二MOSFET处的第三温度的降低，预测第二MOSFET的可能失效，该第三温度的降低通过第三温度传感器确定。
5.权利要求1所述的电子电路，进一步包括栅电压监测单元，用于监测第一MOSFET的栅电压；其中诊断电路基于第一MOSFET的栅电压的降低，预测第二MOSFET的可能失效。
6.权利要求1所述的电子电路，其中诊断电路在它预测第一和第二MOSFET之一可能失效时发送警告消息。
7.权利要求1所述的电子电路，其中该电子电路是特别用在汽车应用中的功率转换电路。
8.操作第一MOSFET和第二MOSFET的方法，其中该第一和第二MOSFET并联设置，该方法包括以下步骤至少确定第一和第二MOSFET中至少一个的温度和第一和第二MOSFET中至少一个的栅-源电压之一；基于所述至少第一和第二MOSFET中至少一个的温度和第一和第二MOSFET中至少一个的栅电压之一，预测第一和第二MOSFET之一的可能失效。
9.权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤确定第一MOSFET的第一温度；基于第一MOSFET处的第一温度的升高，预测第二MOSFET的可能失效。
10.权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤确定第一和第二MOSFET的第二总体温度；基于该第二总体温度的温度升高，预测第一和第二MOSFET之一的可能失效。
11.权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤确定第二MOSFET的第三温度；基于该第二MOSFET处的第三温度的降低，预测第二MOSFET的可能失效。
12.权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤监测第一MOSFET的栅电压；基于该第一MOSFET的栅电压的降低，预测第二MOSFET的可能失效。
13.权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤当预测到第一和第二MOSFET之一可能失效时，发送警告消息。
全文摘要
功率转换电路通常由若干并联工作的MOSFET组成。因为热循环和机械运作，MOSFET或MOSFET的各个电连接可能失效。根据本发明，提供一种用于多个并联的MOSFET的诊断电路，其至少基于MOSFET的温度或MOSFET的栅电压之一预测或确定可能的失效。有利的是，可以提供MOSFET的连续监测，并可以提供MOSFET失效的早期确定。
文档编号H03K17/12GK1846353SQ200480025163
公开日2006年10月11日 申请日期2004年8月20日 优先权日2003年9月3日
发明者T·迪尔鲍姆 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司