(57)【要約】  電源変換回路は、しばしば並列に動作するいくつかのMOSFETからなる。温度サイクリングと機械動作とが原因で、MOSFET又はMOSFETにおける各電子接続は故障する場合がある。本発明によれば、複数の並列なMOSFETに対する診断回路が与えられ、それが、MOSFETの温度又はMOSFETのゲート電圧の少なくとも一方に基づき、起こりうる障害を予測又は決定する。有利には、MOSFETの連続的な監視が与えられることができ、MOSFETの障害の早期決定が与えられることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に配置される第１のMOSFET及び第２のMOSFETと、前記第１及び第２のMOSFETの１つにおいて起こりうる障害を予測する診断回路とを有し、前記診断回路は、前記第１及び第２のMOSFETの少なくとも１つにおける温度と、前記第１及び第２のMOSFETの少なくとも１つにおけるゲート電圧との少なくとも一方に基づき、前記第１及び第２のMOSFETの１つにおける前記起こりうる障害を予測する、電子回路。
【請求項２】
更に、前記第１のMOSFETの第１の温度を測定するよう前記第１のMOSFETに配置される第１の温度センサを有し、前記診断回路は、前記第１の温度センサを用いて得られる前記第１のMOSFETでの前記第１の温度の上昇に基づき、前記第２のMOSFETにおける前記起こりうる障害を予測する、請求項１に記載の電子回路。
【請求項３】
更に、前記第１及び第２のMOSFETの第２の全体温度を測定するよう配置される第２の温度センサを有し、前記診断回路は、前記第２の全体温度の温度上昇に基づき、前記第１及び第２のMOSFETの１つにおける前記起こりうる障害を予測する、請求項１に記載の電子回路。
【請求項４】
更に、前記第２のMOSFETの第３の温度を測定するよう前記第２のMOSFETに配置される第３の温度センサを有し、前記診断回路は、前記第３の温度センサを用いて得られる前記第２のMOSFETでの前記第３の温度の下降に基づき、前記第２のMOSFETにおける前記起こりうる障害を予測する、請求項１に記載の電子回路。
【請求項５】
更に、前記第１のMOSFETの前記ゲート電圧を監視するゲート電圧監視ユニットを有し、前記診断回路は、前記第１のMOSFETにおける前記ゲート電圧の減少に基づき、前記第２のMOSFETにおける前記起こりうる障害を予測する、請求項１に記載の電子回路。
【請求項６】
前記診断回路は、前記第１及び第２のMOSFETの１つにおける前記起こりうる障害を予測するとき、警告メッセージを送信する、請求項１に記載の電子回路。
【請求項７】
前記電子回路は、特に自動車用途で使用される電源変換回路である、請求項１に記載の電子回路。
【請求項８】
第１のMOSFET及び第２のMOSFETを動作させる方法において、前記第１及び第２のMOSFETは並列に配置されており、該方法は、前記第１及び第２のMOSFETの少なくとも１つにおける温度と、前記第１及び第２のMOSFETの少なくとも１つにおけるゲートソース間電圧との少なくとも一方を求めるステップと、前記第１及び第２のMOSFETの少なくとも１つにおける前記温度と、前記第１及び第２のMOSFETの少なくとも１つにおける前記ゲート電圧との少なくとも一方に基づき、前記第１及び第２のMOSFETの１つにおいて起こりうる障害を予測するステップとを有する方法。
【請求項９】
更に、前記第１のMOSFETの第１の温度を求めるステップと、前記第１のMOSFETでの前記第１の温度の上昇に基づき、前記第２のMOSFETにおける前記起こりうる障害を予測するステップとを有する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
更に、前記第１及び第２のMOSFETの第２の全体温度を求めるステップと、前記第２の全体温度の温度上昇に基づき、前記第１及び第２のMOSFETの１つにおける前記起こりうる障害を予測するステップとを有する請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
更に、前記第２のMOSFETの第３の温度を求めるステップと、前記第２のMOSFETでの前記第３の温度の下降に基づき、前記第２のMOSFETにおける前記起こりうる障害を予測するステップとを有する請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
更に、前記第１のMOSFETの前記ゲート電圧を監視するステップと、前記第１のMOSFETの前記ゲート電圧の減少に基づき、前記第２のMOSFETにおける前記起こりうる障害を予測するステップとを有する請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
更に、前記第１及び第２のMOSFETの１つにおける前記起こりうる障害が予測されるとき、警告メッセージを送信するステップを有する請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１のMOSFETと第２のMOSFETとを動作させる電子回路及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
いくつかの並列なMOSFETからなる電力変換回路が、単一のパッケージ化されたデバイスと比較して、このような回路の出力領域を増大させるために製造される。このような回路は、自動車及び産業分野においてより一層広範な用途を見つける。これらの電力回路は、MOSFETの並列化によって高い定格電流を得る。
【０００３】
こうした電源回路において、その並列化されたMOSFETの１つ若しくは複数が故障する場合、又は例えば半田接続のような電気的接続が１つ若しくは複数壊れる場合に、完全な障害を避けるため、障害の生じたMOSFETを交換するための冗長なMOSFETを与えることが知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、MOSFETに起こりうる障害を予測又は決定することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に説明されるような、本発明の例示的な実施形態によれば、上記目的は並列に配置される第１のMOSFETと第２のMOSFETとを有する電子回路を用いて解決されることができる。更に、その第１及び第２のMOSFETの１つに起こりうる障害を予測する診断回路が与えられる。本発明のこの例示的な実施形態の側面によれば、診断回路は第１及び第２のMOSFETの１つに起こりうる障害を、第１及び第２のMOSFETの少なくとも１つにおける温度と第１及び第２のMOSFETの少なくとも１つにおけるゲート電圧との少なくとも一方に基づき予測する。
【０００６】
有利には、本発明のこの例示的な実施形態は、例えば、電源モジュールにおける第１及び第２のMOSFETの１つに起こりうる障害を、実際のエラー又は障害が発生する前に予測することを可能にすることができる。これにより、障害が予想されるMOSFET又はモジュールの交換が、障害が実際に発生する前に行われることができる。
【０００７】
更に、本発明のこの例示的な実施形態によれば、冗長なMOSFETを与えることは省略されることができ、一層簡単で一層安価な一層小さい電子回路が与えられることを可能にする。
【０００８】
請求項２に説明されるような、本発明の別の例示的な実施形態によれば、第１の温度センサが第１のMOSFETにおける第１の温度を測定するようそのMOSFETに配置されることができる。それから、診断回路は、第１のMOSFETにおける第１の温度の上昇に基づき第２のMOSFETに起こりうる障害を予測するようになされる。
【０００９】
請求項３に説明されるような、本発明の別の例示的な実施形態によれば、第１及び第２のMOSFETの全体温度を測定するために配置される第２の温度センサが与えられる。これにより、本発明のこの例示的な実施形態の側面によれば、第２の温度センサは、第１及び第２のMOSFETを含むモジュールのパッケージに配置されることができる。また、共通のヒートシンクに取り付けられる分離したMOSFETの場合、第２の温度センサは、その共通のヒートシンクに与えられることができる。本発明のこの例示的な実施形態による診断回路は、第１及び第２のMOSFETの全体温度の温度上昇に基づき、第１及び第２のMOSFETのいずれかに起こりうる障害を予測するようになされる。更に、環境温度又は基準温度を測定するため環境温度センサが与えられることもできる。
【００１０】
有利には、本発明のこの例示的な実施形態によれば、MOSFETの１つに起こりうる障害を予測するにはただ１つの温度センサを与えるだけで十分とすることができる。
【００１１】
請求項４に説明されるような、本発明の別の例示的な実施形態によれば、第３の温度センサが、第２のMOSFETの温度を測定するよう、第２のMOSFETに配置されて与えられる。本発明のこの例示的な実施形態による診断回路は、第２のMOSFETにおける第３の温度の下降に基づき、第２のMOSFETに起こりうる障害を予測するようになされる。
【００１２】
請求項５に説明されるような、本発明の別の例示的な実施形態によれば、第１のMOSFETのゲート電圧を監視するゲート電圧監視ユニットが与えられる。本発明のこの例示的な実施形態による診断回路は、第１のMOSFETにおけるゲート電圧の減少に基づき、第２のMOSFETに起こりうる障害を予測するようになされる。この実施形態は、好ましくは、ゲート電圧制御と共に実現されることができる。ゲート電圧制御によれば、ゲート電圧は、MOSFETを流れる電流及び／又はMOSFETの温度を均一化するよう調整される。
【００１３】
本発明のこの例示的な実施形態は、MOSFETの抵抗RDSonを制御するゲート電圧制御手段を有する電子回路又は電源モジュールにおいて有利な点を持つことができる。このようなRDSon制御は、動作中にMOSFETを流れる電流又は１つ若しくは複数のMOSFETの温度に基づき実現されることができる。好ましくは、このようなRDSon制御は、MOSFET間のカレントシェアリング(current sharing)を均一化することにより実現される。このような電子回路において、この第１のMOSFETのRDSonを増大させるよう第１のMOSFETのゲート電圧を減少させることによって、第１のMOSFETと第２のMOSFETとのRDSonが互いに両方のMOSFETが同じRDSonを持つ、つまり同じ電流負荷を負う(carry)よう調整される。言い換えれば、第２のMOSFETのRDSonに対する調整を行うため「より好適な」MOSFETのRDSonを増大させることにより、その「より好適な」MOSFETは人工的に劣化させられる。増大されたRDSonは、このMOSFETに起こりうる障害に対するインジケータ(indicator:指し示すもの)と捉えられることができる。
【００１４】
こうして、本発明のこの例示的な実施形態によれば、第１のMOSFETにおけるゲート電圧がそのRDSonを増大させるために減少されるとき、第２のMOSFETが増大されたRDSonを持つことが予想されることができ、この第２のRDSonがすぐに障害を生じるかもしれないことのインジケータとして捉えられることができる。
【００１５】
請求項６に説明されるような、本発明の別の例示的な実施形態によれば、診断回路は、第１及び第２のMOSFETのいずれかに起こりうる障害を予測するとき警告メッセージを送信する。有利には、このような電子回路が例えば自動車用途において使用される場合、警告メッセージは、診断システム又はサービスインジケータに出力されることができる。このメッセージに基づき、サービスメッセージ又は「MOSFETを交換せよ」というメッセージがユーザ又は操作者に対して出力されることができる。
【００１６】
請求項７に説明されるような、本発明の別の例示的な実施形態によれば、電子回路は、特に、自動車用途において使用される電源モジュールである。
【００１７】
請求項８に説明されるような、本発明の別の例示的な実施形態によれば、第１のMOSFET及び第２のMOSFETを動作させる方法が与えられる。この方法によれば、第１及び第２のMOSFETの１つに起こりうる障害は、第１及び第２のMOSFETの少なくとも１つにおける温度と、第１及び第２のMOSFETの少なくとも１つのゲート電圧との少なくとも一方に基づき予測される。有利には、これは、第１及び第２のMOSFETの動作における障害の早期予測を可能にすることができる。
【００１８】
請求項９から１３は、本発明の追加的な例示の実施形態を与える。
【００１９】
本発明の例示的な実施形態の要点は、第１及び第２のMOSFETの１つに起こりうる障害が、第１及び第２のMOSFETの少なくとも１つにおける温度と、第１及び第２のMOSFETの少なくとも１つのゲート電圧との少なくとも一方に基づき予測されることであると理解されることができる。本発明によれば、MOSFETに起こりうる障害を予測し、又はMOSFETの１つにおける実際の障害を決定することが可能になりうる。来るべき又は現存するMOSFETの障害が、電子回路における残りのデバイスに適用されるデバイス負荷における強い変動をもたらし、電子回路において異なる温度が生じることをもたらす場合がある。例えば、このような（起こりうる）障害は、電子回路の全体温度の上昇若しくは残りの個々のMOSFETにおける温度上昇、又は障害を持つMOSFET、つまり壊れたものにおける温度下降のいずれかとして、検出されることができる。また、MOSFET電流均一化制御と共に、あるMOSFETにおける（起こりうる）障害が別のMOSFETにおけるゲート電圧の減少に基づき検出されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明のこれら及び他の側面は、以下に述べられる実施形態から明らかとなり、又は実施形態を参照して説明されるであろう。
【００２１】
本発明の例示的な実施形態は、以下、図面を参照して説明されるであろう。
【００２２】
図１及び図２を参照してなされる以下の説明において、同じ参照番号は、同一の又は対応する要素を示すために使用される。
【００２３】
図１は、本発明による電子回路の第１の例示的な実施形態の簡略化された概要回路図を示す。本発明のこの例示的な実施形態の側面によれば、電子回路は、並列に配置される複数のMOSFET(パワーMOSFET)を有する電源モジュールである。しかしながら、当業者において明らかなように、本発明は、特に自動車用途において適した、共通ヒートシンクに取り付けられる分離したMOSFETに適用されることもできる。
【００２４】
図１における参照番号２は、ドライバを示す。その出力は、レジスタ４に接続される。ドライバ２とレジスタ４とは、複数のMOSFET、ここではそれぞれ互いに並列に配置される第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０を駆動するよう配置される。更に、動作中の第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０を流れる電流をそれぞれ測定する第１、第２及び第３の電流測定ユニット１４、１６及び１８が、それぞれ第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０に対応付けられて配置されて与えられる。第１、第２及び第３の電流測定ユニット１４、１６及び１８は、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０のオン抵抗RDSonを第１、第２及び第３の電流測定ユニット１４、１６及び１８における電流測定に基づき制御するMOSFET抵抗コントローラ１２に接続される。
【００２５】
参照番号２０、２２及び２４は、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０のゲート電圧を制御するよう配置される制御される電流源(controlled current sources)を示す。電流源２０、２２及び２４を与える代わりに、レジスタが与えられてもよい。これらのレジスタと共に、抵抗コントロール１２により制御される信頼性のあるレジスタが、それぞれレジスタ４へ直列に与えられることができる。
【００２６】
MOSFET抵抗コントローラは、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０のRDSonを個別に制御するようなされる。このため、ゲート電圧制御回路２６は、電流測定ユニット１４、１６及び１８により測定される少なくとも１つ（好ましくはすべて）の電流に基づき、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０のゲート電圧の少なくとも１つを制御、調整又は均一化するようなされる。第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０のゲート電圧は、制御された電流源２０、２２及び２４を用いて制御され、ゲート電圧制御回路２６を含むMOSFET抵抗コントロール１２を用いて制御される。好ましくは、その制御は、RDSonが互いに調整されるよう、つまり、MOSFET６、８及び１０を流れる電流が均一化されるようなものである。
【００２７】
本発明のこの例示的な実施形態の変形例によれば、電流測定ユニット１４、１６及び１８を与える代わりに、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０における少なくとも１つ（好ましくはすべて）の温度を測定する温度センサが設けられることができる。それから、ゲート電圧回路２６は、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０における少なくとも１つ（好ましくはすべて）の温度に基づき、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０におけるゲート電圧の少なくとも１つを個別に制御、調整又は均一化するようになされることができる。特に、その制御は、MOSFET６、８及び１０のRDSonが互いに調整されるよう、つまり、均一化されるようなものであってよい。その制御は、また、MOSFET６、８及び１０の温度又はMOSFET６、８及び１０を流れる電流が互いに調整されるよう、つまり均一化されるようなものであってもよい。
【００２８】
参照番号２８は、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０の１つにおいて起こりうる障害を予測する診断回路を示す。本発明のこの実施形態の側面によれば、診断回路は、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０における少なくとも１つ（好ましくはすべて）のゲート電圧に基づき、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０の少なくとも１つにおいて起こりうる又は実際の障害を予測又は決定する。第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０におけるゲート電圧は、診断回路２８を用いて測定されることができる。しかしながら、本発明のこの例示的な実施形態の側面によれば、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０の少なくとも１つにおけるゲート電圧は、そのゲート電圧に比例する制御される電流源２０、２２及び２４の駆動信号(driving signal)から直接に取られる(taken)こともできる。診断回路２８は、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０の１つのMOSFETにおける起こりうる障害を、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０における残りのMOSFETのゲート電圧の減少に基づき予測するようになされる。こうして、例えば、第１のMOSFET６のゲート電圧の減少が測定される場合、診断回路２８は、第２のMOSFET８の障害を予測又は決定する。
【００２９】
診断回路２８がMOSFET６、８及び１０の１つにおける障害を決定するか、又はMOSFET６、８及び１０の１つにおいて起こりうる障害を予測する場合、それらは例えば、デバイスの半田付け接合の劣悪な品質によってもたらされることがあるものだが、診断回路２８は、メッセージを、例えば、自動車の診断システム又はサービスシステムに送信する。このような場合において、サービスメッセージは、個々の電源モジュールの修理又は交換が行われることができるよう、操作者に発行されることができる。
【００３０】
この例示的な実施形態の側面によれば、MOSFET６、８及び１０のすべてのゲート電圧が測定される。そして、あるMOSFETにおいて起こりうる障害が、１つ又は複数存在する残りのMOSFETにおけるゲート電圧が減少するとき、検出される。こうして、例えば、電圧差がプリセットされた閾値を超えるとき、障害が決定されることができる。また、あるMOSFETにおいて、別のMOSFETと比較してとても高いゲート電圧が維持されるとき、障害が決定されることができる。
【００３１】
図２は、本発明による電子回路の第２の例示的な実施形態の簡略化された概要回路図を示す。図２に表される電子回路は、互いに並列に配置される複数のMOSFETを有する。好ましくは、図２に表される電子回路は、例えば、自動車用途の電源モジュールである。しかしながら、当業者において明らかなように、本発明は分離したMOSFETにも適用されることができる。
【００３２】
図２における参照番号３０は、温度センサ３２、３４、３６及び３８に接続される診断回路を示す。図２からわかるように、温度センサ３４、３６及び３８は、それぞれ、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０それぞれの個別の温度を個々に測定するよう、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０に配置される。
【００３３】
参照番号４０は、温度センサ３４、３６及び３８を含む第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０が、１つのパッケージに一体的に含まれるか、又は共通のヒートシンクに取り付けられることができることを示す、破線を指す。このパッケージ４０（又はヒートシンク）は、３つのMOSFET６、８及び１０の全体温度を測定する別の温度センサ３２と共に与えられる。言い換えれば、温度センサ３２は、並列に配置され、電源モジュールを形成するMOSFET６、８及び１０の全体温度を測定するよう配置される。本発明の側面によれば、センサ３４、３６及び３８を設けることなくセンサ３２を与えれば、十分である場合がある。
【００３４】
本発明のこの例示的な実施形態の１つの側面による診断回路３０は、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０におけるあるMOSFETの（起こりうる）障害を、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０における別のMOSFETの温度の上昇に基づき、予測又は決定するようになされる。こうして、例えば、第２のMOSFET８の障害が、第１及び第３のMOSFET６及び１０の両方における温度上昇に基づき決定されることができる。第２のMOSFET８又は第３のMOSFET１０における障害は、第１のMOSFET６の温度上昇に基づき決定されることができる。
【００３５】
これは、あるMOSFETが、そのRDSonが増大するようにフェールする(fail:故障する)又は減少する場合、もはや（又は、より低い程度までしか）電流を通す(carry)のに役に立たないであろうという事実に基づくものである。これにより、一層高い負荷、即ち一層の大電流が残りの(フェールしていない)MOSFETに適用されるよう、電流分布がシフトするであろう。残りのMOSFETにおけるデバイス負荷の増加により、これらのデバイスの温度は増加するだろう。更に、全体の損失の増大も又引き起こされる。この温度上昇は検出され、１つ又は複数のMOSFETにおける障害又は起こりうる障害のインジケータとして機能する。
【００３６】
更に、診断回路３０は、温度センサ３２を用いて測定される全体温度に基づき、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０の１つにおける（起こりうる）障害を予測又は決定するようになされることができる。こうして、上述したように第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０の１つが劣化又はフェールする場合、残りの要素の温度は増加する。この増加は、温度センサ３２を用いて検出され、MOSFET６、８及び１０の１つが劣化又はフェールすることのインジケータとして機能する。このような場合、センサ３４、３６及び３８は全く必要がない。言い換えれば、MOSFETの１つが劣化する場合、回路における全体の電力損失は増加する。この増加する電力損失は、温度の増加をもたらし、それは、本発明の側面によれば、起こりうる障害を予測するために検出され、及び使用されることができる。
【００３７】
更に、本発明のこの例示的な実施形態による診断回路３０は、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０の１つにおける障害を、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０におけるこの特定のMOSFETでの温度の温度下降に基づき決定するよう配置されることができる。これは、ある特定のMOSFETが劣化又はフェールする場合、そのRDSonの増大により、この特定のMOSFETでの電流負荷が減少し、従って、この特定のMOSFETで熱がより生成されないようになるという事実によるものである。この温度下降は検出され、このMOSFETが劣化又はフェールすることのインジケータとして機能する。診断回路３０は、第１、第２及び第３のMOSFET６、８及び１０の１つにおける障害を決定又は予測する場合、警告メッセージを、例えば、車における、例えば、診断システム又はサービスマネージャに送信するようになされる。このような警告メッセージは、運転者にサービスメッセージを促すことができる。
【００３８】
更に、本発明のこの例示的な実施形態の側面によれば、診断回路は、このような態様で拡張されることができる。もし第１の分割されたMOSFET６、８及び１０の１つにおける劣化又は障害を決定する場合、診断回路は、この特定のMOSFETをシャットオフする(shut off:停止する)。しかしながら、MOSFETは劣化されたとはいえ、全体の電力に貢献すべく未だに動作されることができる。本発明が、MOSFETを流れる電流及び／又はMOSFETの温度を均一化するようゲート電圧を調整するゲート電圧コントロールと組み合わされる場合、この劣化されたMOSFETを流れる電流又はこのMOSFETの温度は、もはやそのゲート電圧の制御には使用されるべきではない。
【００３９】
図２に表される回路は、図１を参照して説明されるレジスタコントロール１２と組み合わされることもできる。
【００４０】
本発明は、特に、N+1冗長システムの場合に利点がある。N+1冗長システムにおいては、MOSFETの１つが故障しても、システムは稼動し続けることができるが、警告メッセージが、例えば、診断システムに送信され、例えば、この特定の電源モジュール又はこの特定のMOSFETの交換を促す。
【００４１】
有利には、本発明の上述された例示的な実施形態は、例えば大電流モジュールのような電子回路を連続的にオンラインで監視することを可能にすることができる。特に、自動車電子機器において、部品の信頼性に関する需要が増加していることから、このような監視はより一層重要になりつつある。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明による電子回路の第１の例示的な実施形態の簡略化された概要回路図を示す図である。
【図２】本発明による電子回路の第２の例示的な実施形態の簡略化された概要回路図を示す図である。
【図１】
2007504795.tif 000003
【図２】
2007504795.tif 000004
【国際調査報告】
2007504795.tif 000005
2007504795.tif 000006
2007504795.tif 000007