CN118107390A - 具有检测栅极阈值电压漂移的测量电路的半导体保险装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将用电设备(112)与电池电动车辆的电源(111)安全断开的半导体保险装置(200)。半导体保险装置(200)包括：至少一个半导体开关元件(211)，其能够在电源(111)和用电设备(112)之间进行切换。半导体开关元件(211)具有用于控制半导体开关元件(211)导通和截止的栅极控制接口(212)；驱动电路(221)，其被设计为向至少一个半导体开关元件(211)的栅极控制接口(212)施加驱动电压(223)，该驱动电压小于半导体开关元件(211)的预定栅极阈值电压(501)；测量电路(222)，其被设计为确定栅极控制接口(212)处的栅极电荷；和控制器(220)，其被设计为基于栅极电荷检测栅极阈值电压(501)的漂移，并在检测到栅极阈值电压漂移时指示至少一个半导体开关元件(211)的故障(501)。

Description

具有检测栅极阈值电压漂移的测量电路的半导体保险装置

技术领域

本发明涉及用于切断电池电动车辆中的过电流的电气和电子保险装置领域。具体地，本发明涉及一种具有测量电路的半导体保险装置，该测量电路用于检测电池电动车辆的栅极阈值电压的漂移，特别是基于借助栅极电荷测量对栅极阈值电压漂移进行的诊断。

背景技术

当切断持续的过电流时，在高压(HV)范围内，尤其是在电池电动车辆中，通常采用电气保险装置，特别是熔断保险装置。在达到临界电流之前，熔断保险装置会因产生的热量而熔化并断开电源。或者，可以使用带有半导体的电子保险装置。在电子保险装置中，必须首先检测到过电流，然后才能启动断开过程。为此，必须记录并评估流经电子保险装置元件的过电流。有多种基于线路温度或平均电流的计算来执行断开的评估方法。然而，事实证明，这种断开速度太慢，并且突然的短路事件可能会损坏或毁坏电子保险装置。高压领域的安全要求(例如电动汽车的安全要求)无法得到保证。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是提出一种用于安全地断开电池电动车辆中的过电流的设计，其中不会出现上述缺点。

本发明的解决方案基于如下构思，即，提供基于半导体的保险装置或半导体保险装置(以下也称为数字保险装置“dFuse”)，它能够可靠地检测短路电流等关键过电流并可以比接触器(Schütze)、熔断保险装置或烟火-熔断装置(Pyro-Fuses)更快地分离它们。为了确保在HV范围内安全断开符合ASIL B的半导体保险装置，需要根据例如SIC-MOSFET、IGBT、SI-MOSFET等技术对半导体进行诊断。这种诊断是借助栅极电荷对栅极阈值电压漂移进行的检测，如本发明中所公开的。这可以确保不会发生不期望的接通，或者确保在发生短路时能够安全断开。

这里介绍的栅极阈值电压漂移检测的工作原理如下：在主接触器或第二个主接触器(根据dFuse的安装位置)启用(freigeben)整个***之前，向控制接口(MOSFET的栅极)施加电压，该电压小于常规的栅极阈值电压，例如4V。

通过栅极电阻上的电流测量和随后的积分来确定栅极电荷。“仅”线性栅极-源极电容被充电至阈值电压。如果栅极阈值电压发生漂移，非线性栅极-漏极电容(密勒电容)也会被充电，表示栅极电荷的突增。借助合适的测量电路，可以检测到这种非线性增加，从而推断栅极阈值电压发生了漂移。

这里介绍的栅极阈值电压漂移检测可用于低压(LV)范围和高压(HV)范围内的所有类型的电子保险装置或dFuse或半导体保险装置。通过此处描述的栅极阈值电压漂移检测，可以提供满足ASIL-B或更高安全断开要求的高压半导体保险装置。传统产品无法满足这些要求。

根据第一方面，上述技术问题通过一种用于将用电设备与电池电动车辆的电源安全断开的半导体保险装置来实现，其中半导体保险装置包括以下：至少一个半导体开关元件，其可以在电源和用电设备之间进行切换，其中，至少一个半导体开关元件具有栅极控制接口，其用于控制半导体开关元件的导通和断开，以便将用电设备切换至电源或从电源断开；驱动电路，其被设计为向至少一个半导体开关元件的栅极控制接口施加小于至少一个半导体开关元件的预定栅极阈值电压的驱动电压；测量电路，其被设计为用于确定至少一个半导体开关元件的栅极控制接口处的栅极电荷；控制器，其被设计为基于栅极电荷来检测栅极阈值电压的漂移，并且当检测到栅极阈值电压的漂移时指示至少一个半导体开关元件的故障。

因此，当检测到栅极阈值电压的漂移时，控制器可以诊断至少一个半导体开关元件的故障，并快速断开至少一个半导体开关元件，以便可以更换它。

这种半导体保险装置由于栅极阈值电压漂移检测而提供的技术优势是，可靠地诊断半导体开关元件是否仍然起作用并且能够可靠地断开。半导体保险装置确保不会发生不期望的接通，或者在短路时保证安全断开。

因此，半导体保险装置可以确保符合ASIL要求的保护功能。

在场效应晶体管或MOSFET中，栅极阈值电压是流过与最大漏极电流可相比较的电流时的栅极电压或栅极-源极电压。栅极阈值电压可以在晶体管数据表中找到。在场效应晶体管中，半导体开关元件的功率路径是漏极和源极端子之间的路径。

根据半导体保险装置的示例性实施例，控制器被设计为控制驱动电路，以便将驱动电压施加到至少一个半导体开关元件的栅极控制接口。控制器被设计为用于控制测量电路，以响应于栅极控制接口处的驱动电压的施加来确定至少一个半导体开关元件的控制接口处的栅极电荷。

这提供了技术优势，即测量电路可以与驱动电路同步工作，从而可以非常精确地确定栅极电荷。

根据半导体保险装置的示例性实施例，至少一个半导体开关元件的栅极控制接口具有栅极电阻；驱动电路被设计为用于向栅极控制接口的栅极电阻施加驱动电压。

这提供了技术优势，即栅极电阻两端出现电压差，可用于确定电流，从而确定栅极电荷。

根据半导体保险装置的示例性实施例，测量电路被设计为确定栅极电阻处的栅极电流并基于栅极电流确定栅极控制接口处的栅极电荷。

这提供了技术优势，即可以通过栅极电流轻松确定栅极电荷，因为栅极电流和栅极电荷之间存在数学关系。

根据半导体保险装置的示例性实施例，测量电路被设计为基于施加到栅极电阻的驱动电压和施加到栅极控制接口的栅极电压之间的差来确定栅极电流。

这提供了技术优势，即可以容易地确定栅极电流，因为如果已知栅极电阻的值，则可以使用欧姆定律根据栅极电阻上的电压差和栅极电阻来确定栅极电流。

根据半导体保险装置的示例性实施例，测量电路被设计为基于栅极电流的时间积分来确定栅极电荷。

这提供了可以容易地确定栅极电荷的技术优势，因为电流I和电荷Q之间的关系根据公式I＝dQ/dt给出。

根据半导体保险装置的示例性实施例，控制器被设计为基于栅极电荷的非线性增加来检测栅极阈值电压的漂移。

这提供了可以精确确定栅极阈值电压的漂移的技术优势。因为如果栅极阈值电压发生漂移，除了栅极-源极电容之外，非线性栅极-漏极电容也会被充电。这与栅极电荷的非线性增加有关。

根据半导体保险装置的示例性实施例，栅极电荷的非线性增加基于至少一个半导体开关元件的栅极-漏极电容的非线性充电过程。

这提供了易于识别栅极电荷的非线性增加的技术优势，从而可以容易地检测到栅极阈值电压的漂移。

根据半导体保险装置的示例性实施例，控制器被设计为基于栅极电荷与栅极电荷关于至少一个半导体开关元件的栅极-源极电压的预定曲线的比较来检测栅极阈值电压的漂移。

这提供了以下技术优点：在栅极电荷的曲线中，每个半导体开关元件的该特性是相同的，使得可以基于半导体开关元件的数据表非常精确地确定栅极阈值电压的漂移。

根据半导体保险装置的示例性实施例，栅极电荷关于至少一个半导体开关元件的栅极-源极电压的预定曲线线性增加直至栅极阈值电压，然后具有突增并在突增后继续上升。

这提供的技术优势在于，由于这种突增特性，即使栅极阈值电压的微小漂移也会对栅极电荷产生重大影响，从而可以根据栅极电荷非常精确地确定栅极阈值电压的漂移。

附图说明

下面使用示例性实施例和附图更详细地描述本发明。在附图中：

图1示出了用于对电池电动车的电池进行充电的充电***100的***电路图；

图2示出了根据本发明的用于电池电动车辆的半导体保险装置200的简化框图；

图3示出了根据本发明实施例的半导体保险装置200的电路图；

图4示出了具有不同栅极电压下的栅极电荷的示例性时间曲线的图400；和

图5是根据半导体开关元件的数据表的栅极电荷关于栅极-源极电压的示例性曲线500的图。

具体实施方式

附图仅是示意性表示并且仅用于解释本发明。相同或具有相同效果的元件一致地设有相同的附图标记。

在下面的详细描述中，参考了附图，附图形成了详细描述的一部分，并且在附图中以示例的方式示出了可以在其中实践本发明的具体实施例。应当理解，在不脱离本发明的构思的情况下，可以使用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变。因此，以下详细描述不应被视为限制性的。此外，应当理解，除非另外具体说明，本文描述的各种实施例的特征可以彼此组合。

将参考附图描述这些方面和实施例，其中相同的附图标记通常指代相同的元件。在下面的描述中，出于解释目的阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的一个或多个方面的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，一个或多个方面或实施例可以以减少的具体细节水平来体现。在其他情况下，众所周知的结构和元件以示意性形式呈现以便于描述一个或多个方面或实施例。应当理解，在不脱离本发明的构思的情况下，可以使用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变。

图1示出了用于对电池电动车辆的电池进行充电的充电***100的***电路图。

充电***100包括车辆的电气和电子部件(在左侧示出)以及充电基础设施的电气和电子部件(在右侧示出)。充电基础设施包括用于对车辆的电池140充电的充电桩120，电容器C₁并联连接到该充电桩并且电感器L₁串联连接到该充电桩。

在车辆侧，车辆的电气和电子部件包括用于驱动车辆的电池140或高压(HV)存储装置，其与电池的第一极上的电感L3和第二极上的电感L4串联连接在充电电流路径130中。

车辆中的充电路径130中连接有S-Box 110(开关盒)，这使得能够对电池140充电。SBox 110还被连接至牵引路径和一个或多个辅助用电设备路径。SBox 110控制对电池140的充电以及经由电池140对牵引路径和辅助用电设备装置路径的操作。未示出用于连接到充电基础设施的开关。

牵引路径包括电动机150，电容器C₂并联连接到电动机，并且电感器L₂串联连接到该电动机。

辅助用电设备路径包括并联连接的一个或多个电子元件，例如PTC 151和KMV152，这些电子元件并联连接了电容器C₃，并且串联连接了电感器L₅。

SBox 110包括充电基础设施侧的保险装置F1 200，其可以是如本公开中所呈现的根据本发明的半导体保险装置200。SBox 110还包括电池侧的保险装置F₃、电感器L_SBox以及具有并联开关S₃₁和S₃₂的电路，它们与充电电流路径130中的保险装置F₁串联连接。电池侧的保险装置F₃也可以设计为根据本发明的半导体保险装置。具有开关S₄和S₂的第二电路在保险装置F₁和电感器L_SBox之间分支，以便当车辆与充电基础设施断开时将牵引路径和辅助用电设备路径切换到电池140。辅助用电设备路径经由保险装置F₂连接到第二电路。保险装置F₂还可以被设计为根据本发明的半导体保险装置，其中，保险装置不用于断开充电路径130，而是用于断开电池140和辅助用电设备路径151、152之间的电流路径。

SBox 110还包括与充电基础设施并联连接的电容C_SBox。

图2示出了根据本发明的用于电池电动车辆的半导体保险装置200的简化框图。

半导体保险装置200用于将用电设备112与电池电动车辆的电源111安全地断开。例如，这可以是电池140与充电桩120的分离，如图1所示，或者可以是电机150或辅助单元151、152与电池140的分离，如图1所示。

半导体保险装置200包括至少一个半导体开关元件211，其可以在电源111和用电设备112之间切换。图2中仅示出了一个这样的半导体开关元件211，但是这可以是多个半导体开关元件，这些半导体开关元件例如可以彼此并联连接，以增加整个电路的载流能力，或者也可以是半导体开关元件对的并联连接，其中各对开关元件反向串联连接，以实现双向截止。

至少一个半导体开关元件211具有栅极控制接口212，其用于控制半导体开关元件211的接通和断开，以便将用电设备112切换到电源111或者将其与电源111断开。半导体开关元件211可以是例如MOSFET或IGBT，其中栅极控制接口212对应于栅极端子。

半导体保险装置200包括驱动电路221，其被设计为将驱动电压223施加到至少一个半导体开关元件211的栅极控制接口212，该驱动电压223小于至少一个半导体开关元件211的预定栅极阈值电压501(参见图5)。

预定栅极阈值电压也称为标称栅极阈值电压并且可以从半导体开关元件的数据表中读取。

特别地，这里可以施加比预定栅极阈值电压小一个预定阈值的驱动电压223，使得栅极阈值电压的自然波动不会导致无意的漂移检测。

为了安全分离，阈值电压的下降是关键的，也正是要检测的情况。对于其他应用，栅极阈值电压的正漂移也可能很关键。为此目的，可能需要施加可以检测这种正漂移的驱动电压223，例如大于栅极阈值电压的驱动电压。

图5示出了根据半导体开关元件的数据表的栅极电荷关于栅极-源极电压的示例性曲线500，从中可以看到特征栅极阈值电压501。

半导体保险装置200包括测量电路222，其被设计为用于确定至少一个半导体开关元件211的栅极控制接口212处的栅极电荷227。

半导体保险装置200还包括控制器220，控制器220被设计为基于栅极电荷227检测栅极阈值电压501的漂移，并且当检测到栅极阈值电压501漂移时指示至少一个半导体开关元件211的故障。

控制器220可被设计为用于控制驱动器电路221并将驱动器电压223施加到至少一个半导体开关元件211的栅极控制接口212。

控制器220可被设计为用于控制测量电路222，以响应于栅极控制接口212处的驱动器电压223的施加来确定至少一个半导体开关元件211的控制接口212处的栅极电荷227。

至少一个半导体开关元件211的栅极控制接口212可以具有栅极电阻R8，如图3中更详细地示出的。驱动电路221可以被设计为将驱动电压223施加到栅极控制接口212的栅极电阻R8。

测量电路222可以被设计为用于确定栅极电阻R8处的栅极电流225并且基于栅极电流225来确定栅极控制接口212处的栅极电荷227，如图3中更详细地所示。

测量电路222可以被设计为基于施加到栅极电阻R8的驱动电压223和施加到栅极控制接口212的栅极电压226之间的差来确定栅极电流225，如图3中更详细地示出的。

测量电路222可以被设计为基于栅极电流225随时间的积分来确定栅极电荷227，如图3中更详细地所示。

控制器220可以被设计为基于栅极电荷227的非线性增加来检测栅极阈值电压501的漂移，例如相应于图5所示。

栅极电荷227的非线性增加可以基于至少一个半导体开关元件211的栅极-漏极电容的非线性充电过程，如下文更详细地描述。

控制器220可以被设计为基于栅极电荷227与栅极电荷关于至少一个半导体开关元件211的栅极-源极电压的预定曲线500的比较来检测栅极阈值电压501的漂移。

如图5所示，栅极电荷227关于至少一个半导体开关元件211的栅极-源极电压的预定曲线500可以线性增加直至栅极阈值电压501，然后具有突增502并且在突增502后继续上涨。

图3示出了根据本发明实施例的半导体保险装置200的电路图。

图3中的半导体保险装置200对应于图2中所示的半导体保险装置200，其中驱动电路221和测量电路222与半导体开关元件211的连接的细节如图3中所示。半导体开关元件211可以是MOSFET M1，如图3中示例所示。

半导体开关元件211具有用于控制半导体开关元件211的导通和截止的栅极控制接口212。栅极控制接口212对应于MOSFET M1的栅极端子，如图3所示。

驱动电路221被设计为向MOSFET M1的栅极控制接口212施加驱动电压(U_G-驱动器)223，该驱动电压小于MOSFET M1的预定栅极阈值电压。驱动电路221例如可以是电压源V1。

测量电路222被设计为用于确定MOSFET M1的栅极控制接口212处的栅极电荷(Q-栅极)227。

控制器220(参见图2)被设计为基于栅极电荷227来检测栅极阈值电压的漂移，并且当检测到栅极阈值电压的漂移时断开MOSFET M1。

MOSFET M1的栅极控制接口212具有栅极电阻R8。驱动电路221被设计为将驱动电压223施加到栅极控制接口212的栅极电阻R8。

测量电路222被设计为用于确定栅极电阻R8处的栅极电流225并基于栅极电流225来确定栅极控制接口212处的栅极电荷227，如图3所示。栅极电流225在此被确定为(V(U_G-驱动器)-V(U_G-MOSFET))/100，其中100对应于栅极电阻R8的电阻值。

测量电路222被设计为基于施加到栅极电阻R8处的驱动器电压V(U_G-驱动器)223与施加到栅极控制接口212处的栅极电压V(U_G-MOSFET)226之间的差来确定栅极电流225，如图3所示。

测量电路222被设计为基于栅极电流225随时间的积分来确定栅极电荷Q_栅极227，如图3所示：V＝idt((V(U_G-驱动器)-V(U_G MOSFET))/100)。

下面更详细地解释半导体保险装置200的功能。

在主接触器或第二主接触器(取决于dFuse的安装位置)启用(freigeben)整个***(参见图1)之前，使用驱动电路将电压施加到dFUSE 200的控制接口212(MOSFET的栅极)电路(V1，221)，该电压小于典型的栅极阈值电压(U_G_MOSFET，226)。

使用测量电路(如图3中的B1或222所示)在栅极电阻R8处测量电压差U_G-驱动器-U_G MOSFET，然后除以R8的值(对应于栅极电流)，然后积分(对应于栅极电荷)。

图4示出了具有不同栅极电压下的栅极电荷的示例性时间曲线的图400。

栅极电荷随着栅极电压线性增加，直到达到栅极阈值电压，如从曲线401、402、403中可以看出。如果栅极阈值电压发生漂移，则除了栅极-源极电容之外，非线性栅极-漏极电容也会被充电。可以看到栅极电荷的非线性增加，如从曲线404和405中可以看出的。

图5示出了根据半导体开关元件的数据表的栅极电荷相对于栅极-源极电压的示例性曲线500的图。

栅极电荷的值在元件数据表中有详细记录，并且可以看到达到阈值电压时的非线性增加，如图5中的示例所示。

从图5中的曲线可以看出，在栅极电压为4V且电荷约为50nC的情况下测量是正常的。相反，当栅极电压为4V且电荷约为90nC时，测量是不正常的，因为密勒电容已充电并且栅极阈值电压已向下移动。

附图标记列表

100充电***

110开关盒(SBox)

120充电桩

140电池或高压(HV)存储装置

150电动机或牵引器

151辅助用电设备，PTC电阻

152辅助用电设备KMV

111电源

112用电设备，负载

130半导体开关元件的充电电流路径或开关路径

131电流、充电电流、短路电流

200半导体保险装置，dFuse，基于半导体的保险装置

211半导体开关元件，M1

221驱动电路，V1

222测量电路，B1

220控制器

212半导体开关元件的栅极控制接口或控制接口子

223驱动电压，U_G-驱动器

227栅极电荷，Q_栅极

226栅极控制接口的栅极电压，U_G MOSFET

R8栅极电阻

400具有栅极电荷的时间曲线的图400

401UG-MOSFET＝2V时栅极电荷的时间曲线

402U_G-MOSFET＝3V时栅极电荷的时间曲线

403U_G-MOSFET＝4V时栅极电荷的时间曲线

404U_G-MOSFET＝5V时栅极电荷的时间曲线

405U_G-MOSFET＝6V时栅极电荷的时间曲线

500栅极电荷与栅极-源极电压的关系曲线

501栅极阈值电压，V阈值

502突增

Claims (10)

1.一种用于将用电设备(112)与电池电动车辆的电源(111)安全地断开的半导体保险装置(200)，其中，所述半导体保险装置(200)包括以下部分：

至少一个半导体开关元件(211)，所述半导体开关元件能够在所述电源(111)和所述用电设备(112)之间切换，其中，至少一个所述半导体开关元件(211)具有用于控制所述半导体开关元件(211)接通和断开的栅极控制接口(212)，以便将用所述电设备(112)切换至所述电源(111)或将其与所述电源(111)断开；

驱动电路(221)，所述驱动电路被设计为向至少一个所述半导体开关元件(211)的栅极控制接口(212)施加驱动电压(223)，该驱动电压小于该至少一个半导体开关元件(211)的预定栅极阈值电压(501)；

测量电路(222)，所述测量电路被设计为用于确定至少一个所述半导体开关元件(211)的栅极控制接口(212)处的栅极电荷；和

控制器(220)，所述控制器被设计为基于所述栅极电荷来检测栅极阈值电压(501)的漂移，并且当检测到栅极阈值电压(501)的漂移时诊断为至少一个所述半导体开关元件(211)的故障。

2.根据权利要求1所述的半导体保险装置(200)，

其中，所述控制器(220)被设计为用于控制所述驱动电路(221)，以便将所述驱动电压(223)施加到至少一个所述半导体开关元件(211)的所述栅极控制接口(212)；

其中，所述控制器(220)被设计成用于控制所述测量电路(222)，以响应于所述栅极控制接口(212)上的所述驱动电压(223)的施加来确定至少一个所述半导体开关元件(211)的所述控制接口(212)处的栅极电荷。

3.根据权利要求1或2所述的半导体保险装置(200)，

其中，至少一个所述半导体开关元件(211)的所述栅极控制接口(212)具有栅极电阻(R8)；并且

其中，所述驱动电路(221)被设计为将所述驱动电压(223)施加到所述栅极控制接口(212)的所述栅极电阻(R8)。

4.根据权利要求3所述的半导体保险装置(200)，

其中，所述测量电路(222)被设计为用于确定所述栅极电阻(R8)处的栅极电流(225)并且基于所述栅极电流(225)确定所述栅极控制接口(212)处的栅极电荷(227)。

5.根据权利要求4所述的半导体保险装置(200)，

其中，所述测量电路(222)被设计为基于施加到所述栅极电阻(R8)的驱动电压(223)和施加到所述栅极控制接口(212)的栅极电压(226)之间的差来确定所述栅极电流(225)。

6.根据权利要求4或5所述的半导体保险装置(200)，

其中，所述测量电路(222)被设计为基于所述栅极电流(225)的时间积分来确定所述栅极电荷(227)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的半导体保险装置(200)，

其中，所述控制器(220)被设计为基于栅极电荷(227)的非线性增加来检测栅极阈值电压(501)的所述漂移。

8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体保险装置(200)，

其中，所述栅极电荷(227)的非线性增加基于至少一个所述半导体开关元件(211)的栅极-漏极电容的非线性充电过程。

9.根据前述权利要求中任一项所述的半导体保险装置(200)，

其中，所述控制器(220)被设计为基于栅极电荷与栅极电荷(227)关于至少一个半导体开关元件(211)的栅极-源极电压的预定曲线(500)的比较来检测栅极阈值电压(501)的漂移。

10.根据权利要求9所述的半导体保险装置(200)，

其中，所述栅极电荷(227)关于至少一个半导体开关元件(211)的栅极-源极电压的预定曲线(500)线性增加直至栅极阈值电压(501)，然后具有突增(502)并且在突增后(502)继续上升。