多種應(yīng)用都利用在開關(guān)中使用的常開型場效應(yīng)功率晶體管。越來越多的應(yīng)用使用直流電壓電源，例如用于機動車牽引。nMos功率晶體管常用于安全功能，例如用于將連接端子與電壓源隔離。當這樣的功率晶體管遇到短路故障時，電壓源可能會施加非?？焖俚剡_到高幅度的短路電流。為了避免出現(xiàn)與這樣的電流相關(guān)的嚴重過熱或故障，必須在非常短的時間內(nèi)檢測到晶體管的故障，以便實施安全措施，尤其是控制其他晶體管的斷開或者防止它們閉合。

在已知的故障檢測裝置中，尚未找到任何足夠快速和可靠地檢測場效應(yīng)功率晶體管的故障的成本合理的解決方案。文獻US7847702描述了一種用于檢測具有低功率水平的集成部件中的故障的電路。在這樣的集成部件中不對由柵極和源極之間的絕緣體受損所造成的故障模式進行監(jiān)控，因為與由于柵極和漏極之間的絕緣體受損所造成的故障相反地，這是一種非常少見的故障模式。

文獻US2003/103306描述了一種用于為電動機供電的常開型功率晶體管。檢測電路驗證阻斷電壓被施加到晶體管的柵極，并且同時驗證晶體管的漏極處的異常電壓的出現(xiàn)。這樣的檢測電路僅允許確定漏極和源極之間的短路。

歸檔在因特網(wǎng)地址http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/fr/chap11k.htm下的出版文獻解釋了與常開型場效應(yīng)功率晶體管相關(guān)的問題。場效應(yīng)功率晶體管在柵極和漏極之間所具有的絕緣體厚度比其在柵極和源極之間所具有的絕緣體厚度大得多。事實上，柵極和漏極之間的絕緣體是必須在阻斷狀態(tài)下確保耐壓的絕緣體。由于施加了低得多的電勢差，柵極和源極之間的絕緣體厚度更加減小。

本發(fā)明旨在解決這些不便中的一個或更多個。特別地，本發(fā)明的目的在于在源極和漏極之間出現(xiàn)短路之前提前檢測到場效應(yīng)晶體管的故障。本發(fā)明由此涉及如所附權(quán)利要求中所限定的電子裝置。

參照附圖，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將從以下說明性而絕非限制性地做出的描述中清楚地顯現(xiàn)出來，在附圖中：

-圖1為包括場效應(yīng)功率晶體管和短路檢測電路的電子裝置的第一實施例的示意圖；

-圖2和圖3為在不存在和存在故障的情況下，晶體管及其控制電路的電氣特性的示意圖；

-圖4示出在出現(xiàn)短路時，圖1的晶體管的參數(shù)變化；

-圖5示意性地示出檢測電路的一個變型；

-圖6為包括并聯(lián)連接的兩個場效應(yīng)功率晶體管和短路檢測電路的電子裝置的第二實施例的示意圖；

-圖7示意性地示出圖6的檢測電路的功能；

-圖8和圖9示出處于兩種工作狀態(tài)下的包括場效應(yīng)功率晶體管及其檢測電路的系統(tǒng)；

-圖10為圖1的電子裝置的變型。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電子裝置9的示意圖。電子裝置9包括常開型場效應(yīng)功率晶體管11。功率晶體管能夠設(shè)計為例如用于在兩個導通電極之間施加至少等于50V、通常至少等于100V的電勢差，并且穿過至少等于5A、通常至少等于10A的電流。

在該實施例中，晶體管11是N型MosFET晶體管。晶體管11在此以本身已知的方式包括形成控制電極的柵極111、形成第一導通電極的源極112和形成第二導通電極的漏極113。在此，源極112連接到接地電勢。

電子裝置9還包括用于在柵極111上施加控制電勢的控制電路21，該控制電勢允許選擇性地使晶體管11斷開或閉合。因此，電子電路21在節(jié)點Vc處施加這樣的電勢：該電勢要么取值為晶體管11的閉合值Von，要么取值為晶體管11的斷開值Voff。控制電路21包括連接在節(jié)點Vc和柵極111之間的電阻元件211。電阻元件211在此為純電阻性的。以本身已知的方式，電阻元件211可包括兩個分支，分支中的每一個都包括二極管和電阻。二極管由此反向并聯(lián)連接。每個分支的電阻都可具有不同的值，以便晶體管11具有不同的斷開和閉合速度。

電子裝置9還包括用于檢測源極112和漏極113之間的短路的檢測電路31。檢測電路31包括被配置為用于測量柵極111的電勢(例如，通過測量柵極111和源極112之間的電勢差)的電壓計313。檢測電路31還包括比較器311和處理電路312。電壓計313在比較器311的輸入端施加所測量的電勢。比較器311還在另一輸入端接收參考值Vref。比較器311根據(jù)所測量的電勢和參考值Vref之間的比較而生成輸出信號。處理電路312接收比較器311的輸出信號，并且根據(jù)該輸出信號的水平生成異常信號。異常信號能夠以本身已知的方式用于預防所檢測到的異常的后果，例如用于操作安全開關(guān)、斷開其他晶體管或防止它們閉合。

發(fā)明人實施了一種MosFet技術(shù)的常開型場效應(yīng)功率晶體管的老化的模擬器。在不存在散熱器的情況下使這些晶體管經(jīng)歷開關(guān)操作循環(huán)以便產(chǎn)生加速的老化。發(fā)明人研究了這些晶體管的故障的出現(xiàn)。發(fā)明人系統(tǒng)地觀察到短路形式的早期故障。發(fā)明人還觀察到故障系統(tǒng)地在晶體管處于斷開狀態(tài)時或被切換向斷開狀態(tài)時發(fā)生。發(fā)明人還觀察到，99％的故障都導致晶體管的柵極和源極之間的電絕緣體的受損。因此，與本領(lǐng)域技術(shù)人員的先驗技術(shù)不同，所提出的本發(fā)明旨在對場效應(yīng)晶體管的阻斷或斷開狀態(tài)期間故障的出現(xiàn)進行檢測。更具體地說，本發(fā)明提出通過提前檢測柵極和源極之間的異常漏電流來預測源極和漏極之間的短路的出現(xiàn)。

通常，通過施加控制電勢，使得場效應(yīng)晶體管的控制電極和第一導通電極之間的電勢差為零，從而使該電勢差小于該晶體管的閾值電壓，進而使場效應(yīng)晶體管保持斷開。在此，控制電路21被配置為用于在節(jié)點Vc處施加比第一和第二導通電極112和113的電勢小的電勢Voff。因此，控制電路21在此被配置為用于獲得柵極111和源極112之間的阻斷晶體管11的負電勢差。電勢Voff例如比導通電極112和113中的每一個的電勢小至少0.2V，優(yōu)選小至少0.5V，或小至少閾值電壓的值。

為了便于理解這樣的阻斷電勢水平的使用，圖2和圖3示意性地示出在節(jié)點Vc和源極112之間的晶體管11及其控制電路21的電氣特性。在圖2中，晶體管11沒有故障。晶體管11的柵極111和源極112之間的結(jié)構(gòu)包括電絕緣體，并且其能夠由電容器114來模擬。在圖3中，由于柵極111和源極112之間的電絕緣體受損，晶體管11發(fā)生故障。由此能夠由電阻115來模擬晶體管11的柵極111和源極112之間的結(jié)構(gòu)。由此，在節(jié)點Vc和源極112之間形成分壓電橋。在圖3所示的狀態(tài)中，由于節(jié)點Vc和源極112之間施加有非零電勢差，所以電阻115引起施加到控制節(jié)點21的電勢與施加到柵極111的電勢之間的差。

如果在柵極111上所測得的柵極電勢超過值Vref，則比較器311提供相應(yīng)的輸出信號。當處理電路312確定所測得的柵極電勢超過晶體管11斷開時的值Vref(并且因而與控制節(jié)點21的電勢不同)時，其生成異常信號。處理電路312可以在生成異常信號之前將其他情況考慮在內(nèi)，例如，要求比較器311用信號通知在足夠的時期期間超過值Vref的情況，以避免在過渡階段期間發(fā)生不合時宜的觸發(fā)。

圖4的示圖一方面使用實線示出穿過場效應(yīng)晶體管的電流，另一方面示出在幾次連續(xù)的開關(guān)操作期間該晶體管的柵極電勢。短劃線曲線對應(yīng)于在不存在故障的情況下晶體管的柵極電勢。點線曲線對應(yīng)于在存在短路的情況下晶體管的柵極電勢。在圖中所示的晶體管的斷開切換期間出現(xiàn)短路，并且所假定斷開的晶體管被電流穿過。在控制電路在該晶體管的柵極上施加斷開電勢的階段期間，出于柵極和源極之間的電阻特性的緣故，有效地施加到柵極的電勢大于其在不存在短路的情況下應(yīng)有的電勢。該異常柵極電勢被裝置的檢測電路檢測到。

相反地，在之后的晶體管的閉合切換期間，柵極電勢小于其在不存在短路的情況下應(yīng)有的電勢。

這樣的電子裝置9允許在安全應(yīng)用中使用場效應(yīng)功率晶體管，這是因為能夠以非?？焖偾铱煽康姆绞綑z測到短路的出現(xiàn)。此外，該檢測是在晶體管的斷開階段期間而非在閉合階段期間進行的，這允許盡可能快地檢測到短路，從統(tǒng)計學方面而言，短路主要發(fā)生在斷開階段期間。

此外，該檢測是在源極和漏極之間出現(xiàn)短路之前提早進行的。柵極和源極之間的絕緣體的受損實際上在源極和漏極之間出現(xiàn)短路之前引起可檢測的漏電流。

本發(fā)明所使用的對柵極電勢的測量避免了可能會在使用兩個導通電極之間的電勢差來檢測短路時遇到的錯誤檢測，并且還允許避免對高的電勢差的測量。本發(fā)明所使用的對柵極電勢的測量比對柵極電流進行測量以獲得對短路的快速檢測的成本低得多。此外，本發(fā)明所使用的對柵極電勢的測量能夠集成在控制電路21中。

電阻元件211的電阻值影響短路檢測的靈敏度。該負載電阻越高，故障期間的柵極電勢的變化就越大，因而更容易檢測該故障。相反地，高的電阻值使晶體管的切換減慢。如上所述，通過使用具有不同電阻值的兩個分支，能夠?qū)⒏叩碾娮柚涤糜谝a(chǎn)生晶體管的斷開的那個分支，由此，僅使該斷開減慢。

圖5示出檢測電路31的一個變型。在該變型中，濾波器314夾置于電壓計313和比較器311之間。該濾波器314用于消除瞬時電壓峰值，以便避免短路的錯誤檢測。濾波器314例如是低通濾波器。因此，濾波器的截止頻率小于晶體管的等效切換頻率，并且足夠低到允許短的故障檢測時間。對于大約10μs的檢測時間而言，可以使用例如500kHz的截止頻率。

圖6為根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的電子裝置9的示意圖。電子裝置9包括常開型場效應(yīng)功率晶體管12和13。晶體管12和13在此具有與圖1的晶體管11相同的結(jié)構(gòu)。晶體管12和13并聯(lián)連接，它們各自的源極122和132連接到相同的電勢，并且它們各自的漏極123和133連接到相同的電勢。

電子裝置9還包括用于在晶體管12的柵極121上施加控制電勢的控制電路22和用于在晶體管13的柵極131上施加控制電勢的控制電路23。使控制電路22和23同步以同時在分別的節(jié)點Vc處施加斷開電勢Voff或閉合電勢Von?？刂齐娐?2和23分別包括連接在柵極121和131與節(jié)點Vc之間的電阻元件221和231。當然地，控制電路22和23可由單個控制電路來代替。

電子裝置9還包括測量電路32和測量電路33，測量電路32包括用于測量柵極121的電勢的電壓計323，測量電路33包括用于測量柵極131的電勢的電壓計333。電子裝置9還包括接收分別由電壓計323和333測量的電勢的檢測電路34。

圖7示意性地示出圖6的電子裝置9的檢測電路34的示例的不同功能。檢測電路34在此包括濾波電路341和濾波電路342，在濾波電路341的輸入端施加有由電壓計323所測得的電勢，在濾波電路342的輸入端施加有由電壓計333所測得的電勢。濾波電路341和342用于消除可能會導致不合時宜的錯誤檢測的瞬時電壓峰值。檢測電路34還包括電路343，其在其輸入端接收由濾波器341和342所過濾的電勢。電路343在輸出端輸出這些經(jīng)過濾的電勢之間的差。電路344的功能是在其輸出端輸出經(jīng)過濾的電勢之間的差的絕對值。該差的絕對值被施加在比較器345的第一輸入端。閾值Ref被施加在比較器345的另一輸入端。當差的絕對值超過閾值Ref時，比較器345產(chǎn)生異常信號。

因此，根據(jù)該第二實施例，晶體管12和13具有同時短路故障的概率估計為極低。因此，無故障的晶體管的柵極電勢用作用于檢測短路晶體管的異常柵極電勢的比較基準?？芍赋龅氖?，當這些晶體管中的一個被破壞時，由于所有電流都通過該晶體管，所以它對另一晶體管形成保護。

該第二實施例尤其允許通過克服晶體管之間的差異和與這樣的晶體管的老化相關(guān)聯(lián)的差異來對短路進行可靠的檢測。

圖8和圖9示出包括常開型場效應(yīng)功率晶體管11及其檢測電路31的系統(tǒng)。該系統(tǒng)還包括直流電壓源4(例如電化學蓄電池組)和受控開關(guān)14，例如場效應(yīng)功率晶體管。

該系統(tǒng)包括兩個極41和42，和在極41和42之間并聯(lián)連接的兩個分支。第一分支包括串聯(lián)連接的晶體管11和直流電壓源4。第二分支包括被配置為例如常閉型的開關(guān)14。開關(guān)14和晶體管11通過節(jié)點43連接。

在圖8中，系統(tǒng)處于存儲配置，在該配置中，源極4的正端子通過處于斷開狀態(tài)的晶體管11與極42隔離。源極4的負端子保持連接到極41。為了使極41和42之間的電勢差為零，將開關(guān)14閉合。

在圖9中，系統(tǒng)處于給電負載供電的配置。在該配置中，源極4的正端子由處于閉合狀態(tài)的晶體管11連接到極42。極42和節(jié)點43通過處于斷開狀態(tài)的開關(guān)14與極41隔離。

在圖8的配置中，風險在于晶體管11會經(jīng)歷短路故障，直流電壓源4因此會發(fā)送短路電流通過晶體管11和閉合的開關(guān)14。為了防止這種情況，當控制電路31檢測到晶體管11處出現(xiàn)短路時，其生成控制開關(guān)14的斷開或禁止該開關(guān)14閉合的異常信號。由此，于是能夠使系統(tǒng)保持在圖9的配置中，該配置允許避免直流電壓源4產(chǎn)生短路電流。

在第一實施例中，值Vref可以是可變的。于是能夠以不同的方式設(shè)置值Vref。圖10的示例示出根據(jù)第一實施例的電子裝置9的一個變型。在該變型中，檢測裝置31包括緩沖存儲器315。緩沖存儲器315接收在晶體管11的斷開階段期間由電壓計313所測得的電勢。緩沖存儲器315在其輸出端具有時移地施加該測量值。由此，值Vref由對柵極111上的電勢的在先測量所限定。

也可通過用于對柵極111和源極112之間的結(jié)構(gòu)進行模擬的電容來產(chǎn)生值Vref。

電阻元件211、221和231的實現(xiàn)形式可以為可變電阻?？梢岳绺鶕?jù)所需的檢測靈敏度來調(diào)節(jié)它們的電阻值，而無需系統(tǒng)地犧牲功率晶體管的開關(guān)動態(tài)性。

在上述各個示例中，所述常開型場效應(yīng)功率晶體管是MosFET型晶體管。本發(fā)明同樣適用于任意其他類型的常開型場效應(yīng)功率晶體管，諸如HEMT、IGBT、JFET技術(shù)中的那些類型。對于所有這些類型的晶體管，控制電極的絕緣體故障都可能會導致短路。

本發(fā)明主要是在包括電池組并帶有被用作該電池組的串聯(lián)開關(guān)的常開型功率晶體管的系統(tǒng)的應(yīng)用中來詳細描述的。然而，根據(jù)本發(fā)明的電子裝置能夠包括許多其他應(yīng)用，例如通過將這樣的晶體管連接在逆變器的橋臂中、例如用于電動化應(yīng)用。