Brevet FR2951595A1 — publié le 20110422

DISPOSITIF DE CONTRÔLE DU FONCTIONNEMENT D'AU MOINS UN COMPOSANT ÉLECTRONIQUE DE TYPE MOS EN FONCTION DE LA VALEUR DE SA RÉSISTANCE DRAIN/SOURCE EN MODE PASSANT L'invention concerne les composants électroniques de type MOS (« Metal Oxyde Semiconductor » - semi-conducteur à oxyde métallique), et plus précisément le contrôle du fonctionnement de tels composants électroniques. Zo Dans de nombreux domaines, comme par exemple celui de l'électronique grand public, ou de l'aéronautique, ou encore des véhicules, éventuellement de type automobile, on avait l'habitude d'utiliser des circuits électriques constitués principalement de fusibles et de relais électromécaniques, destinés à commander l'ouverture ou la fermeture d'un 15 circuit et à assurer une protection contre d'éventuels courts circuits et/ou surtensions. Ces relais électromécaniques présentant plusieurs inconvénients, comme par exemple une fiabilité réduite, en raison de la corrosion et de la détérioration des contacts avec le temps, un encombrement important, une 20 incapacité d'effectuer une modulation de puissance, ou une impossibilité de permettre un diagnostic en cas de défaillance, il a été proposé de les remplacer (progressivement) par des relais électroniques. Ces derniers permettent en effet un diagnostic de panne électrique, un contrôle de la vitesse de commutation, une gestion de tâches multiples, et une réduction 25 notable de l'encombrement (notamment sur des cartes électroniques). En outre, ils consomment une (très) faible quantité de courant. L'invention a pour but de permettre un contrôle du fonctionnement de composants électroniques de type MOS, notamment dans le but de déterminer comment ils fonctionnent (mode normal / mode dégradé / mode 30 défaillant), afin qu'ils puissent être remplacés, éventuellement après avoir été inhibés, si possible avant d'être devenus défaillants. Elle propose tout d'abord à cet effet un dispositif, dédié au contrôle du fonctionnement d'au moins un composant électronique de type MOS (comprenant une jonction, un boîtier et un radiateur), et comprenant : - des premiers moyens de mesure propres à mesurer la température (TB) du boîtier, - des deuxièmes moyens de mesure propres à mesurer l'intensité d'un courant (I) circulant dans le composant électronique, et - des moyens de contrôle agencés pour déterminer la valeur d'une résistance drain/source (RDSon) du composant électronique en fonction de la température du boîtier (TB) mesurée, de l'intensité du courant (I) mesurée, d'une température de l'air ambiant (TA) mesurée, et de valeurs connues d'une résistance thermique (RTHJB) entre la jonction et le boîtier et d'une résistance thermique (RTHJA) entre la jonction et l'air ambiant. Le dispositif de contrôle selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - ses moyens de contrôle peuvent être agencés pour déterminer la valeur mesurée de la résistance drain/source (RDSon) à partir de la formule RDSon= TB ûTA - ses moyens de contrôle peuvent être agencés pour utiliser des température de boîtier (TB), intensité du courant (I) et température d'air ambiant (TA) mesurées pendant une phase de fonctionnement du composant électronique (ou régime permanent) ; - ses moyens de contrôle peuvent être agencés pour comparer la valeur mesurée de la résistance drain/source (RDSon) à un seuil choisi, et pour délivrer un signal d'alerte lorsque la valeur mesurée de la résistance drain/source (RDSon) est supérieure au seuil choisi ; - le seuil peut être choisi entre une première valeur correspondant à un début de fonctionnement dégradé du composant électronique et une seconde valeur correspondant à un début de défaillance du composant électronique ; - ses moyens de contrôle peuvent être agencés pour délivrer un signal (RTH,A ù RTH,B) * I2 ' d'alerte propre à inhiber le fonctionnement du composant électronique ; - il peut comprendre des troisièmes moyens de mesure propres à mesurer la température de l'air ambiant (TA). L'invention propose également un organe électronique comportant au moins un composant électronique de type MOS, comprenant une jonction, un boîtier et un radiateur, et au moins un dispositif de contrôle du type de celui présenté ci-avant et couplé au composant électronique. Ce composant électronique peut par exemple être agencé de manière à assurer une fonction de commutation. 1 o Les dispositif de contrôle et organe électronique présentés ci-avant peuvent être notamment utilisés dans un véhicule, éventuellement de type automobile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur 15 lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement et fonctionnellement un organe électronique comprenant un composant électronique de type MOSFET couplé à un exemple de réalisation d'un dispositif de contrôle selon l'invention, 20 - la figure 2 illustre schématiquement et fonctionnellement, dans une vue en coupe transversale, une partie d'un composant électronique de type MOSFET, - la figure 3 illustre schématiquement et fonctionnellement un circuit constituant la transcription du composant électronique de la figure 2 au 25 moyen de la loi d'Ohm thermique, et - les figures 4A et 4B sont des diagrammes illustrant respectivement des exemples d'évolution temporelle du paramètre interne RDSon et de la température (Tj) de la jonction d'un composant électronique de type MOSFET. 30 Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. L'invention propose un dispositif de contrôle (DC) destiné à contrôler le fonctionnement d'au moins un composant électronique (CE) de type MOS (« Metal Oxyde Semiconductor ») pouvant par exemple faire partie d'un organe électronique (0E). Dans ce qui suit on considère, à titre d'exemple illustratif et non limitatif, que le composant électronique (CE) fait partie d'un organe électronique (0E) de type calculateur. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type d'organe électronique. Elle concerne en effet tout type d'organe électronique comportant au moins un composant électronique (CE) de type MOS. Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple illustratif et non limitatif, que l'organe électronique (0E) est destiné à équiper un véhicule automobile, comme par exemple une voiture, un car (ou bus), ou un camion. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type d'application. Elle concerne en effet tout type de système comportant au moins un organe électronique (0E) et/ou au moins un composant électronique (CE) couplé ou pouvant être couplé à un dispositif de contrôle (DC) selon l'invention. Ainsi, elle concerne notamment tout type de véhicule, l'électronique grand public, et les aéronefs. De plus, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple illustratif et non limitatif, que le composant électronique (CE) est de type MOSFET (« Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » - semi-conducteur à oxyde métallique et à effet de champ). Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de composant électronique (CE). Elle concerne en effet tout composant électronique (CE) de la famille des MOSs. Le composant électronique pourra faire éventuellement partie d'un ASIC de technologie MOS. Enfin, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple illustratif et non limitatif, que le composant électronique (CE) est agencé de manière à assurer la commutation d'un circuit (RC). Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de composant électronique (CE). On a schématiquement et fonctionnellement illustré sur la figure 1 un organe électronique OE (ici de type calculateur) comprenant un composant électronique CE de type MOSFET couplé à un exemple de réalisation d'un dispositif de contrôle DC selon l'invention. On entend ici par « couplé » le fait d'être connecté de façon permanente (c'est-à-dire lors de la fabrication de l'organe électronique OE) ou de façon temporaire (en vue d'un contrôle ponctuel). Dans ce dernier cas, le dispositif de contrôle DC peut être agencé sous la forme d'un boîtier de contrôle que l'on connecte à des zones choisies d'un composant électronique CE (comme par exemple son drain D, sa source S, son boîtier B, ainsi qu'éventuellement son entrée de commande). Le drain D est couplé à une borne d'alimentation électrique BA (positive). La source S est par exemple couplée à un récepteur RC (tel qu'une entrée d'alimentation d'un autre organe électronique (par exemple un autre calculateur). Comme illustré très schématiquement sur la figure 2, un composant électronique CE de type MOS(FET) comprend une jonction J (comportant le drain D et la source S), un boîtier B (supportant la jonction J) et un radiateur R (solidarisé au boîtier B et destiné à dissiper sous forme de chaleur une partie de la puissance consommée). Un tel composant électronique CE est équivalent au circuit qui est illustré sur la figure 3 et qui constitue sa transcription au moyen de la loi d'Ohm thermique. Sur cette figure 3 : - la référence Tj désigne la température de la jonction J, - la référence TB désigne la température du boîtier B, - la référence TA désigne la température de l'air ambiant A, c'est-à-dire au voisinage du composant électronique CE, - la référence RTHBB désigne la résistance thermique du composant électronique CE entre sa jonction J et son boîtier B, - la référence RTHBR désigne la résistance thermique du composant électronique CE entre son boîtier B et son radiateur R, - la référence RTHRA désigne la résistance thermique du composant électronique CE entre son radiateur R et l'air ambiant A, - la référence RTHBA désigne la résistance thermique du composant électronique CE entre son boîtier B et l'air ambiant A, - la référence RTHRA désigne la résistance thermique du composant électronique CE entre sa jonction J et l'air ambiant A. On notera que dans une première approximation la résistance thermique RTHBR peut être considérée comme nulle et donc la résistance thermique RTHBA peut être considérée comme égale à la résistance thermique RTHRA. Par conséquent, on considère dans ce qui suit, compte tenu de l'approximation précitée, que la résistance thermique RTHBA est égale à la somme des résistances thermiques RTHBB et RTHBA (ou RTHRA). Compte tenu de ce qui précède, la température de jonction Tj peut être modélisée par les deux formules suivantes : 1 o Tj = TA + (RTHBA * P) (1) Tj = TB + (RTHBB * P) (2), où P est la puissance consommée par le composant électronique CE. Comme illustré sur la figure 1, un dispositif de contrôle DC, selon l'invention, comprend au moins des premiers moyens de mesure M1, des 15 deuxièmes moyens de mesure M2 et des moyens de contrôle MC. Les premiers moyens de mesure M1 sont agencés (ou conçus) de manière à mesurer la température TB du boîtier B. Ils sont couplés, d'une part, au boîtier B (de façon temporaire ou permanente), et d'autre part, aux moyens de contrôle MC afin de les alimenter en mesures de température de 20 jonction Tj. Les premiers moyens de mesure M1 peuvent par exemple être un thermocouple. Les deuxièmes moyens de mesure M2 sont agencés (ou conçus) de manière à mesurer l'intensité d'un courant I qui circule dans le composant électronique CE, de préférence entre son drain D et sa source S (comme 25 illustré). Ils sont couplés, de façon temporaire ou permanente, aux moyens de contrôle MC afin de les alimenter en mesures d'intensité d'un courant I. Comme illustré, ils peuvent par exemple être placés sur la ligne qui relie la borne d'alimentation électrique BA au drain D. Les deuxièmes moyens de mesure M2 peuvent par exemple comprendre une résistance faible mais 30 précise (faible tolérance) montée sur la ligne précitée et aux bornes de laquelle on mesure une tension de laquelle on déduit le courant I. Les moyens de contrôle MC sont agencés (ou conçus) de manière à déterminer la valeur de la résistance drain/source RDSon (caractéristique interne à l'état saturé (ou passant)) du composant électronique CE en fonction de la température du boîtier TB mesurée par les premiers moyens de mesure M1, de l'intensité du courant I mesurée par les deuxièmes moyens de mesure M2, de la température de l'air ambiant TA mesurée, de la valeur connue de la résistance thermique RTHJB (entre la jonction J et le boîtier B), et de la valeur connue de la résistance thermique RTHJA (entre la jonction J et l'air ambiant A). Par exemple, les moyens de contrôle MC peuvent être agencés pour déterminer la valeur mesurée de la résistance drain/source RDSon à partir de la formule RDSon= T ùTA Cette troisième formule (3) découle de l'écriture de l'égalité entre les deux formules (1) et (2) et de la prise en compte d'une quatrième formule définissant la puissance P qui est consommée par le composant électronique CE, à savoir P = RDSon * 12 (4). En effet, si l'on écrit (1) = (2) on obtient l'égalité : TA + (RTHJA * P) = TB + (RTHJB * P), qui, compte tenu de la formule (4), peut se réécrire : TA + (RTHJA * RDSon * 12) = TB + (RTHJB * RDSon * 12), d'où l'on déduit la formule (3) précitée. On notera que la formule (4) définit la puissance P qui est consommée par le composant électronique CE en régime permanent, ce qui ne représente que ses pertes par conduction (liées à sa résistance interne). Elle ne prend donc pas en compte les pertes qui sont induites lors de chaque commutation du fait que l'établissement du courant 1 et l'établissement de la tension ne se font pas simultanément lorsque le composant électronique CE possède un faible nombre de commutations (par exemple uniquement au démarrage du véhicule ou lors de l'allumage des feux de croisement ou des phares les pertes de commutation sont négligeables). Cela revient donc à considérer, dans une première approximation, que le courant 1 est sensiblement constant. On notera également que dans la formule (3), donnant RDSon, les B (RTH,A ù RTH,B) * 12 (3). valeurs des paramètres RTHJA et RTHJB sont avantageusement connues à l'avance et constantes dans le temps. En effet, la résistance thermique RTHJB dépend notamment de l'encapsulation de la jonction (ou puce) J dans le boîtier B et du type de technologie utilisée et est spécifiée dans le descriptif technique du composant électronique CE qui est fourni par le fondeur dudit composant électronique CE, et la résistance thermique RTHJA est égale à la somme des résistances thermiques RTHJB et RTHBA, cette dernière (RTHBA) dépendant notamment de l'application dans laquelle est utilisé le composant électronique CE, du routage, du mode d'implantation, des configurations des éventuels éléments mécaniques (radiateurs, drains thermiques, et analogues). Afin d'obtenir une bonne précision pour la valeur de la caractéristique interne RDSon, il est avantageux que les moyens de contrôle MC utilisent des température de boîtier TB, intensité du courant I et température d'air ambiant TA qui sont mesurées pendant une phase de fonctionnement du composant électronique CE pendant laquelle le courant I qui le traverse est sensiblement constant, et donc en régime permanent. Par exemple, dans le cas d'un véhicule automobile cette phase de fonctionnement peut correspondre à la fin d'un trajet, avant que le réseau de bord du véhicule ne s'endorme. Pour ce faire, on peut par exemple provoquer une unique commutation du composant électronique CE à diagnostiquer, puis effectuer les mesures nécessaires au calcul de la caractéristique interne RDSon (TA, TB, et I). On notera également que le dispositif DC peut comprendre des troisièmes moyens de mesure M3 propres à mesurer la température de l'air ambiant TA. Mais, cela n'est pas obligatoire lorsque le composant électronique CE est implanté dans un système dans lequel la température de l'air ambiant TA est un paramètre qui est déjà mesuré dans son voisinage. Dans ce cas, les moyens de commande MC reçoivent sur une entrée les mesures de température de l'air ambiant TA qui sont issues de troisièmes moyens de mesure externes. On notera également que les moyens de contrôle MC peuvent être, également et avantageusement, agencés de manière à comparer à un seuil choisi SL la valeur de la résistance drain/source RDSon qu'ils ont mesurée. Cette fonctionnalité est destinée à permettre un diagnostic du composant électronique CE. Si la résistance drain/source RDSon mesurée est inférieure au seuil choisi SL, rien ne se passe, tandis que si la résistance drain/source RDSon mesurée est supérieure au seuil choisi SL, les moyens de contrôle MC délivrent un signal d'alerte. De préférence, et comme illustré sur la figure 4A, le seuil SL est choisi entre une première valeur qui correspond à un début de fonctionnement dégradé du composant électronique CE et une seconde valeur qui correspond à un début de défaillance du composant électronique CE. Sur les figures 4A et 4B, la référence F1 désigne une phase de fonctionnement normal du composant électronique CE, la référence F2 désigne une phase de fonctionnement dégradé du composant électronique CE, et la référence F3 désigne une phase de fonctionnement défaillant du composant électronique CE. Les types de défaut rencontrés à la suite de défaillance peuvent être de différentes natures. Un composant électronique CE est dans une phase de fonctionnement normal F1 lorsque toutes ces caractéristiques électroniques et thermiques sont conformes aux données contenues dans son descriptif technique fourni par son fondeur. Un composant électronique CE est dans une phase de fonctionnement dégradé F2 lorsque certaines de ses grandeurs électroniques et/ou thermiques sont hors spécifications mais qu'aucune défaillance ne peut être constatée. Un composant électronique CE est dans une phase de fonctionnement défaillant F3 lorsqu'il ne remplit plus l'une au moins de ses fonctionnalités, par exemple du fait d'une délamination au niveau des interfaces boîtier/radiateur et/ou boîtier/jonction (ou puce), ou d'une fissuration des fils de connexion de la jonction (ou puce) au boîtier, ou d'une fusion locale de la couche de métallisation, ou encore d'une croissance des grains de la métallisation. Comme on peut le constater en comparant les courbes des figures 4A et 4B, la résistance drain/source RDSon présente dans les phases F1 et F2 et au début de la phase F3 un comportement qui est sensiblement identique à celui de la température de jonction Tj, laquelle, comme le sait l'homme de l'art, est représentative de l'état de fonctionnement d'un composant électronique de type MOS. Généralement, la défaillance franche du composant électronique CE est précédée d'une hausse lente de sa température de jonction Tj, et donc cette élévation de température peut être considérée comme un indicateur d'une défaillance prochaine. La chute brutale de température (pendant F3) est ensuite la signature de la défaillance du composant électronique CE. C'est la raison pour laquelle l'invention propose de déterminer la résistance drain/source RDSon d'un composant électronique CE afin d'en déduire l'état dans lequel il se trouve à un instant donné. On notera que le signal d'alerte peut être soit adressé à un afficheur que peut comprendre le dispositif DC lorsqu'il est rapporté et utilisé temporairement, soit à un ordinateur de bord couplé à un afficheur, soit au composant électronique CE (via son entrée de commande) afin d'inhiber son fonctionnement lorsqu'il est encore dans son état dégradé et ainsi éviter que sa prochaine défaillance n'occasionne des dégâts (comme par exemple une activation intempestive d'une fonction sécuritaire ou un court-circuit aggravé (ou CCA)). On comprendra que si l'on veut détecter une prochaine défaillance il faut que la valeur du seuil SL soit strictement inférieure à la valeur de RDSon 2o qui correspond au début de la troisième phase F3. En d'autres termes, et comme indiqué précédemment, il faut choisir judicieusement le seuil SL entre une première valeur qui est celle du début de la deuxième phase F2 et une seconde valeur qui est celle du début de la troisième phase F3. On notera que le seuil peut éventuellement être déterminé au moyen d'essais préalables 25 dits « à rupture ». L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de dispositif de contrôle et d'organe électronique décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Dispositif (DC) de contrôle du fonctionnement d'au moins un composant électronique (CE) de type MOS comprenant une jonction (J), un boîtier (B) et un radiateur (R), caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens de mesure (M1) propres à mesurer la température (TB) dudit boîtier (B), des deuxièmes moyens de mesure (M2) propres à mesurer l'intensité d'un courant (I) circulant dans ledit composant électronique (CE), et des moyens de contrôle (MC) agencés pour déterminer la valeur d'une résistance drain/source (RDSon) dudit composant électronique (CE) en fonction de ladite température du boîtier (TB) mesurée, de ladite intensité du courant (I) mesurée, d'une température de l'air ambiant (TA) mesurée, et de valeurs connues d'une résistance thermique (RTHJB) entre ladite jonction (J) et ledit boîtier (B) et d'une résistance thermique (RTHJA) entre ladite jonction (J) et l'air ambiant (A). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle (MC) sont agencés pour déterminer ladite valeur mesurée de la résistance drain/source (RDSon) à partir de la formule RDSon= TBùTA 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle (MC) sont agencés pour utiliser des températures de boîtier (TB), intensité du courant (I) et température d'air ambiant (TA) mesurées pendant une phase de fonctionnement dudit composant électronique (CE). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle (MC) sont agencés pour comparer ladite valeur mesurée de la résistance drain/source (RDSon) à un seuil choisi, et pour délivrer un signal d'alerte lorsque ladite valeur mesurée de la résistance drain/source (RDSon) est supérieure audit seuil choisi. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit seuil est choisi entre une première valeur correspondant à un début de (RTH,A ù RTH,B) * I2fonctionnement dégradé dudit composant électronique (CE) et une seconde valeur correspondant à un début de défaillance dudit composant électronique (CE). 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle (MC) sont agencés pour délivrer un signal d'alerte propre à inhiber le fonctionnement dudit composant électronique (CE). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des troisièmes moyens de mesure (M3) propres à mesurer ladite température de l'air ambiant (TA). 8. Organe électronique (0E) comportant au moins un composant électronique (CE) de type MOS comprenant une jonction (J), un boîtier (B) et un radiateur (R), caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un dispositif de contrôle (DC) selon l'une des revendications 1 à 7, couplé audit composant électronique (CE). 9. Organe électronique selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit composant électronique (CE) est agencé de manière à assurer une fonction de commutation. 10. Utilisation du dispositif de contrôle (D) selon l'une des revendications 1 à 7 et de l'organe électronique (0E) selon l'une des revendications 8 et 9 dans un véhicule.