專利名稱：電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種其中半導(dǎo)體開關(guān)元件設(shè)置在電源與負(fù)載之間的電源電路，更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于檢測半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通故障的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備。
背景技術(shù)：
通常，在包括設(shè)置在電源與負(fù)載之間的諸如MOSFET等的半導(dǎo)體元件以及用于導(dǎo)通和截止該半導(dǎo)體元件從而控制導(dǎo)通和截止對負(fù)載的供電的開關(guān)的電源電路上，如果該半導(dǎo)體元件發(fā)生導(dǎo)通故障，則該半導(dǎo)體元件進(jìn)入不能控制，并因此不能停止對負(fù)載供電的狀態(tài)。在這種情況下，如果設(shè)置的過電流保護(hù)功能塊認(rèn)為該半導(dǎo)體元件被正常截止，則該過電流保護(hù)功能塊被損壞。在這種情況下，如果在該半導(dǎo)體元件的下游端同時發(fā)生了諸如線路短路和接地的故障，則它們產(chǎn)生的問題是，不能保護(hù)該半導(dǎo)體元件和線路。
因此，為了防止其中半導(dǎo)體元件設(shè)置在負(fù)載的高端(即，電源端)的電源電路的半導(dǎo)體元件發(fā)生導(dǎo)通故障，通常考慮采用下面的方法(a)至(d)。
(a)在半導(dǎo)體元件的上游端(電源端)設(shè)置熔絲。
(b)互相串聯(lián)連接兩個半導(dǎo)體元件，而且在兩個半導(dǎo)體元件之一發(fā)生導(dǎo)通故障時，利用另一個半導(dǎo)體元件可以截止電路。
(c)提高半導(dǎo)體元件和控制電路的可靠性，使其可靠以減小發(fā)生導(dǎo)通故障的概率。
(d)制備導(dǎo)通故障檢測電路和備用電路(back up circuit)。在半導(dǎo)體元件發(fā)生故障時，可以將故障信息輸出到備用電路，以利用備用電路截止電源電路。
然而，在上述方法中，方法(a)和(b)不切實際，因為增加了部件數(shù)量，增大了空間，因此，增加了成本。此外，作為方法(c)，例如，已知在JP-A-2000-152691(專利文獻(xiàn)1)公開的方法。然而，該方法沒有提供直流問題解決方式，而且不能確定該方法是否足以防止發(fā)生導(dǎo)通故障。最后，根據(jù)方法(d)，需要在外部設(shè)置監(jiān)測和控制功能，而且與方法(a)和(b)相同，由于增加了部件數(shù)量，所以增大了設(shè)備空間，因此，增加了成本，所以方法(d)也不切實際。
此外，還存在另一種方法，在該方法中，將熔絲和繼電器(接觸式開關(guān))組裝在一起，用于實現(xiàn)高端切換。根據(jù)該方法，即使在該繼電器上發(fā)生導(dǎo)通故障時，熔絲也獨立工作。因此，過電流保護(hù)功能不被損壞，而且在可靠性方面不存在問題。
然而，包括熔絲和繼電器的開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝需要的空間大，而且它產(chǎn)生大量熱發(fā)射。然而，在為了解決空間和發(fā)熱問題，而利用諸如FET的半導(dǎo)體元件代替該開關(guān)器件時，F(xiàn)ET的導(dǎo)通故障成為障礙。如果利用FET代替該開關(guān)器件，則導(dǎo)通故障防止裝置是必須的，而且當(dāng)前沒有有效的解決方法，如上所述。
如上所述，在根據(jù)相關(guān)技術(shù)將諸如FET的半導(dǎo)體元件用作開關(guān)單元的電源電路中，在發(fā)生半導(dǎo)體導(dǎo)通故障時，沒有裝置截止該半導(dǎo)體，以致通過該半導(dǎo)體的電流不受控制的繼續(xù)流過。
因此，為了解決該導(dǎo)通故障問題，建議了一種新方法，其中一旦檢測到導(dǎo)致導(dǎo)通故障的現(xiàn)象，在半導(dǎo)體有能力截止其自身時，該半導(dǎo)體可以在其到達(dá)導(dǎo)通故障之前被關(guān)閉。

發(fā)明內(nèi)容
因此，提出了本發(fā)明以解決上述問題，而且本發(fā)明的目的是提供用于電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備，它檢測用作用于切換電源電路的導(dǎo)通和截止的開關(guān)器件的半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通故障指標(biāo)(indication)，在電路的截止功能失效之前，截止該半導(dǎo)體元件，因此，保護(hù)電源電路。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備，其用于檢測電源電路的半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通故障。該電源電路包括設(shè)置在電源與負(fù)載之間的半導(dǎo)體元件，而且通過切換該半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通和截止，對驅(qū)動和停止該負(fù)載進(jìn)行控制。該導(dǎo)通故障檢測設(shè)備包括驅(qū)動電路，用于將用于切換半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通和截止的驅(qū)動信號送到半導(dǎo)體元件的驅(qū)動端；第一電阻器，設(shè)置在驅(qū)動電路與驅(qū)動端之間；以及導(dǎo)通故障檢測單元，其檢測第一電阻器產(chǎn)生的電壓是否超過預(yù)定值，而且在該電壓超過預(yù)定值時，確定該半導(dǎo)體元件發(fā)生導(dǎo)通故障。
優(yōu)選的，該導(dǎo)通故障檢測單元包括比較單元，其將利用第一電阻器的一端的電壓獲得的第一電壓與利用第一電阻器的另一端的電壓獲得的第二電壓進(jìn)行比較，然后，通過該比較單元獲得的結(jié)果，檢測第一電阻器產(chǎn)生的電壓是否超過預(yù)定值。
優(yōu)選的，半導(dǎo)體元件由N型MOSFET構(gòu)成，構(gòu)造該電源電路以使N型MOSFET的漏極連接到電源，而其源極連接到負(fù)載；根據(jù)電源電壓，該驅(qū)動電路輸出驅(qū)動信號；以及根據(jù)N型MOSFET的柵極電壓和電源電壓，導(dǎo)通故障檢測單元檢測第一電阻器中產(chǎn)生的電壓是否超過預(yù)定值。
優(yōu)選的，半導(dǎo)體元件由N型MOSFET構(gòu)成，而且導(dǎo)通故障檢測單元包括接地單元，用于在確定半導(dǎo)體元件上發(fā)生導(dǎo)通故障時，使驅(qū)動電路停止供給驅(qū)動信號，然后，通過其電阻比第一電阻器的電阻小的第二電阻器，將該N型MOSFET的柵極接地。
優(yōu)選的，半導(dǎo)體元件由P型MOSFET構(gòu)成，而且該導(dǎo)通故障檢測單元包括斷路單元，其在確定半導(dǎo)體元件上發(fā)生導(dǎo)通故障時，使驅(qū)動電路停止供給驅(qū)動信號，然后，通過其電阻比第一電阻器的電阻小的第三電阻器，將該P(yáng)型MOSFET的柵極連接到電源。
根據(jù)本發(fā)明的該方面，在半導(dǎo)體元件上的絕緣層被損壞，而且泄漏電流流過的情況下，測量因為泄漏電流流過第一電阻器產(chǎn)生的壓降。當(dāng)該壓降超過預(yù)定值時，檢測到半導(dǎo)體元件上發(fā)生導(dǎo)通故障的現(xiàn)象。因此，在半導(dǎo)體元件發(fā)生導(dǎo)通故障之前的時間點，可以檢測到指出表示發(fā)生導(dǎo)通故障的指標(biāo)。此外，如果在該半導(dǎo)體元件具有截止能力時，截止該半導(dǎo)體元件，則確實可以保護(hù)該電路。
因此，根據(jù)本發(fā)明的該方面，導(dǎo)通故障檢測單元包括比較單元，而且該比較單元將第一電阻器兩端產(chǎn)生的電壓進(jìn)行比較。當(dāng)在第一電阻器兩端的電壓超過預(yù)定值時，表示該半導(dǎo)體元件近期(near further)將發(fā)生導(dǎo)通故障。這意味著，可以以高精度檢測導(dǎo)通故障。
根據(jù)本發(fā)明的該方面，在該半導(dǎo)體元件由N一型MOSFET構(gòu)成時，根據(jù)連接到N型MOSFET的漏極的電源的電壓與N型MOSFET的柵極的電壓之間的壓差，可以確定在第一電阻器產(chǎn)生的電壓超過該預(yù)定值。因此，可以以高精度檢測導(dǎo)通故障。此外，在驅(qū)動電路包括電荷泵時，可以檢測到該電荷泵的輸出電壓是否異常。
根據(jù)本發(fā)明的該方面，在導(dǎo)通故障檢測單元檢測到用作半導(dǎo)體元件的N型MOSFET發(fā)生導(dǎo)通故障時，接地單元可以使N型MOSFET的柵極通過其電阻值比連接到該柵極的第一電阻器的電阻值小的第二電阻器接地。因此，確實可以使N型MOSFET的柵極電平接近地電平。此外，確實可以截止該N型MOSFET。
根據(jù)本發(fā)明的該方面，在導(dǎo)通故障檢測單元檢測到用作半導(dǎo)體元件的P型MOSFET發(fā)生導(dǎo)通故障時，斷路單元可以使P型MOSFET的柵極通過其電阻值比連接到該柵極的第一電阻器的電阻值小的第三電阻器連接到電源。因此，確實可以使P型MOSFET的柵極電壓接近電源電壓。此外，確實可以截止該P(yáng)型MOSFET。


圖1是示出用于將電源電壓施加到負(fù)載以驅(qū)動該負(fù)載的通用電源電路結(jié)構(gòu)的電路圖；圖2是示出用于切換的FET1的柵極電壓與功率損耗之間關(guān)系的特性曲線圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的用于電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)的電路圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的用于電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)的電路圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的用于電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)的電路圖。
具體實施例方式
下面，將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。首先，說明在驅(qū)動諸如安裝在車輛上的燈、電動機(jī)等的負(fù)載時使用的通用電源電路(不包括導(dǎo)通故障檢測設(shè)備的電路)上，在用于切換的FET上發(fā)生導(dǎo)通故障的過程。
如圖1所示，電源電路將驅(qū)動功率送到負(fù)載RL。該電源電路包括電池E(輸出電壓VB；例如，12V的直流電壓)，用作安裝在車輛上的電源；N型MOSFET T1(下面簡稱為“FET”)，其設(shè)置在電池E的正極輸出端與負(fù)載RL之間；以及驅(qū)動電路1(驅(qū)動電路)，其用于將驅(qū)動信號輸出到該FET T1的柵極(驅(qū)動端)。
FET T1的漏極連接到電池E的正極端，而FET T1的源極被連接到負(fù)載RL的一端，而負(fù)載RL的一端接地。此外，電池E的正極端連接到驅(qū)動電路1，以將驅(qū)動功率送到驅(qū)動電路1。
驅(qū)動電路1包括電荷泵(charge pump)2(輸出電壓Vcp；例如，10V的直流電壓)、晶體管Td1和Td2、FET Td3至Td5、電阻器Rd1至Rd4以及二極管Dd1。此外，顯示在各晶體管Rd1至Rd4的參考編號附近的每個數(shù)值分別表示特定電阻值例子。例如，可以理解，電阻器Rd1的電阻值被設(shè)置為50kΩ。
下面說明驅(qū)動電路1的具體配置。在驅(qū)動電路1中，電池E的正極端電源線分支到兩個系統(tǒng)。然后，一條支線被連接到電荷泵2的負(fù)極端，而另一條支線通過二極管Dd1和電阻器Rd4連接到FET Td4的漏極(N型)。該FET Td4的源極接地。此外，將低活動輸入信號電壓Vi提供到FET Td4的柵極。
電荷泵2的正極端(plus-side terminal)被分支到兩個系統(tǒng)。一條支線連接到晶體管Td1(NPN型)的集電極，晶體管Td1的發(fā)射極連接到晶體管Td2(PNP型)的發(fā)射極，而晶體管Td2的集電極被連接到地。另一條支線連接到FET Td3(P型)的源極，而FET Td3的漏極通過電阻器Rd2連接到晶體管FET Td4的漏極。
電阻器Rd1設(shè)置在FET Td3的柵極與源極之間。此外，F(xiàn)ET Td3的柵極通過電阻器Rd3連接到FET Td5(N型)的漏極，而其源極接地。此外，F(xiàn)ET Td5的柵極被連接到FET Td4的漏極。
此外，晶體管Td1和Td2的基極共同地連接到FET Td4的漏極。此外，驅(qū)動信號輸出布線連接到在晶體管Td1的發(fā)射極與晶體管Td2的發(fā)射極之間的連接點。驅(qū)動信號輸出布線通過柵極電阻器Rg(電阻器)連接點FET T1的柵極。
接著，說明圖11所示的電源電路的運(yùn)行過程。輸入信號電壓Vi用作有效低電壓，該有效低電壓使FET T1在L電平導(dǎo)通，而使該FETT1在高(H)電平截止。如果輸入信號電壓Vi變成L電平，則FET Td4截止，而且晶體管Td2也截止。此外，F(xiàn)ET Td5和FET Td3、以及晶體管Td1也導(dǎo)通。電壓(VB+Vcp)(其對應(yīng)于在電池E的電壓VB與被設(shè)置為約10V的電荷泵2的輸出電壓Vcp的和)變成驅(qū)動電路1的輸出電壓VD。該輸出電壓VD通過柵極電阻器Rg被提供到FET T1的柵極。結(jié)果，該FET Td被導(dǎo)通，并且，將功率從電池E送到負(fù)載RL，以驅(qū)動該負(fù)載RL。
此外，如果輸入信號電壓Vi變成高電平，則FET Td4和晶體管Td2被導(dǎo)通，而FET Td5和FET Td3以及晶體管Td1截止。結(jié)果，F(xiàn)ETTd1的柵極通過柵極電阻器Rg和晶體管Td2接地。因此，F(xiàn)ET T1被截止，并且對負(fù)載RL的供電被截止。
在這種情況下，作為導(dǎo)致用于驅(qū)動負(fù)載RL的FET T1發(fā)生故障的因素之一，存在產(chǎn)生泄漏電流的柵極絕緣層的損壞。柵極絕緣層被損壞的原因是，因為該柵極絕緣層非常薄。假定柵極絕緣層的損壞是FETT1發(fā)生故障的主要原因。如果絕緣層被損壞，則柵極與漏極之間或者柵極與源極之間產(chǎn)生電流泄漏。其中，如果在柵極與源極之間產(chǎn)生漏電流，則在柵極與源極之間發(fā)生短路，因此導(dǎo)致FET T1發(fā)生故障。此時，F(xiàn)ET T1被截止，然后，執(zhí)行故障安全操作。因此，幾乎不存在安全性問題。
同時，由于在柵極與漏極之間產(chǎn)生的漏電流導(dǎo)致FET出現(xiàn)導(dǎo)通故障，所以FET不能執(zhí)行故障安全操作。因此，出現(xiàn)麻煩問題。
通常，用于功率控制的FET具有這樣的結(jié)構(gòu)，即，作為元件的多個FET(下面成為“元件FET”)互相并聯(lián)，而元件FET的數(shù)量在幾十萬到幾百萬的范圍內(nèi)。因此，假定即使在發(fā)生該絕緣層的損壞時，也不同時損壞整個元件FET的柵極與漏極之間的絕緣層，部分元件FET的絕緣層開始損壞、而其他部分元件FET的其他絕緣層被逐漸損壞，這樣導(dǎo)致FET發(fā)生導(dǎo)通故障。
根據(jù)上面的描述，在圖1所示的電路中，假定在柵極與漏極之間的絕緣層被損壞之后到發(fā)生導(dǎo)通故障的過程是如下(a)至(c)描述的過程。
(a)在FET T1導(dǎo)通時，如果因為某種原因部分元件FET的柵極與漏極之間的絕緣層被損壞，則通過其絕緣層被損壞的元件FET，該柵極和漏極電連接在一起。如果柵極與漏極之間的泄漏電阻是Ra(圖1所示的電阻器Ra等效示出泄漏電阻)，則其值在正常狀態(tài)下是無窮大的Ra的值因為該絕緣層被損壞而減小，然后，變成有限值。然而，泄漏電阻Ra取決于該絕緣層被損壞的程度和該絕緣層被損壞的范圍。在大多數(shù)情況下，如果與柵極電阻器Rg(1至2kΩ)相比，可以認(rèn)為，泄漏電阻Ra在初級階段保持為具有足夠大的電阻值。
在正常狀態(tài)下，驅(qū)動電路1的輸出電壓VD等于FET T1的柵極電壓VG。然而，如果該絕緣層被損壞，而且泄漏電阻Ra變成有限值，則泄漏電流Ig通過泄漏電阻器Ra從柵極流到漏極。此外，如果泄漏電流Ig流過，則在柵極電阻器Rg產(chǎn)生壓降，而且柵極電壓VG變?yōu)楸闰?qū)動電路1的輸出電壓VD低。此時，通過等式1表示柵極電壓VG。
等式1VG＝VD-Rg*IG此外，如果絕緣層被損壞的范圍增大，則泄漏電阻Ra減小，而泄漏電流Ig增大。柵極電壓VG的減小增大。因此，通過檢測泄漏電流Ig和柵極電阻器Rg上的壓降，可以得知FET T1上發(fā)生的絕緣層被損壞的程度。通常，F(xiàn)ET T1的閾值電壓Vth是4V或者低于4V。因此，如果滿足條件VG＞VB+4V，則即使元件FET的部分的絕緣層被損壞，F(xiàn)ET T1的導(dǎo)通電阻也保持為大約正常值。不增加FET T1的發(fā)熱量，而且FET T1的熱損壞不會迅速進(jìn)展。
(b)在FET T1截止時，在絕緣層不被損壞的正常情況下，柵極電壓VG的一端通過設(shè)置在驅(qū)動電路1上的晶體管Td2接地，并且，柵極電壓VG降低到約0.6V，并且變?yōu)榈陀贔ET T1的閾值電壓Vth。結(jié)果，該FET T1被截止。同時，在FET T1處于狀態(tài)(a)時，即，在FET T1內(nèi)的絕緣層被損壞時，提供到驅(qū)動電路1的輸入信號電壓Vi變成H電平。此時，即使晶體管Td2導(dǎo)通，該FET T1的柵極電壓VG也不降低到0.6V。在泄漏電阻Ra小時，柵極電壓VG可能增大，因此，F(xiàn)ET T1不被截止。即，發(fā)生導(dǎo)通故障。
此時，利用等式2表示柵極電壓VG。
等式2VG＝VB*Rg/(Ra+Rg)此外，在等式2中，忽略了晶體管Td2的發(fā)射極與基極之間的壓降。
如果柵極電壓VG變得比FET T1的閾值電壓Vth高，則即使在提供到驅(qū)動電路1的輸入信號電壓Vi變成高電平時，該FET T1也不截止。在這種情況下，如果在柵極電壓VG變得等于閾值電壓Vth時計算泄漏電阻Ra，則利用等式3表示它。
VG＝VB*Rg/(Ra+Rg)＝Vth等式3Ra＝Rg(VB-Vth)/Vth
此外，根據(jù)等式3，利用等式3’表示在輸入信號電壓Vi變成H電平時FET T1被截止的條件。
等式3’Ra≤Rg(VB-Vth)/Vth在常規(guī)N型MOSFET中，閾值電壓Vth在2至4V的范圍內(nèi)。因此，在等式3’中，隨著柵極電阻器Rg的增大，電池E的電壓VB升高，而閾值電壓Vth被降低，即使泄漏電阻Ra增大，該FET T1也被截止。
此外，如果滿足條件VG＞Vth，則FET T1作為源極跟隨器(follower)工作。如果漏極電流被設(shè)置為ID(流過負(fù)載RL的電流)，則滿足條件VG-Vth＝RL*ID，因此，利用等式4來表示漏極與源極之間的電壓VDS。
等式4VDS＝VB-(VG-Vth)＝VB-RL*ID此時，如果將FET T1上產(chǎn)生的功率消耗稱為P[W]，則利用等式5表示功率消耗P。
等式5P＝VDS*ID＝{VB-(VG-Vth)}*ID＝{VB-(VG-Vth)}*(VG-Vth)/RL在這種情況下，作為一個示例，在VB被設(shè)置為12V、Vth被設(shè)置為2V以及RL被設(shè)置為2Ω的狀態(tài)下，如果利用曲線圖表示FET T1的功率消耗P與柵極電壓VG之間的關(guān)系，則利用圖2所示的曲線表示它。
從圖2所示的曲線圖可以理解，如果柵極電壓VG超過Vth＝2V，則開始產(chǎn)生功率消耗，而且在VG是8V時，功率消耗達(dá)到最大。作為特定例子，在假定VG是4V時，產(chǎn)生10W的功率消耗。此外，如果將FET T1的溝道對空氣的熱阻設(shè)置為20℃/W，則溫度升高200℃。在柵極電阻Rg是1.5kΩ時，如果VG＝4V，則根據(jù)等式2，泄漏電阻Ra變成3kΩ。這說明，在FET T1處于截止?fàn)顟B(tài)下時，即使泄漏電阻Ra相當(dāng)高，漏極電流也開始流過FET T1。
不僅其絕緣層被損壞的元件FET、而且正常元件FET也導(dǎo)致處于截止?fàn)顟B(tài)的FET的功率消耗產(chǎn)生熱輻射。如果漏極電流開始流過，則即使在它是小電流時，因為電壓VDS高，也導(dǎo)致大的功率消耗。在FETT1從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)通狀態(tài)的中間階段，產(chǎn)生大的功率消耗。在VDS是VB/2時，產(chǎn)生最大的功率消耗。這說明，在它發(fā)生導(dǎo)通故障之前，F(xiàn)ET T1被燒壞的概率高。具體地說，在因為部分絕緣層被損壞導(dǎo)致漏電流開始流過后，在從地電平過渡到使FET發(fā)生導(dǎo)通故障狀態(tài)的電源電壓電平時，在FET T1的源極電壓的中間區(qū)，產(chǎn)生的功率消耗最大。如果延長使FET的源極電壓保持在位于地電平與電源電壓電平之間的該中間區(qū)的時間間隔，則FET T1可能在發(fā)生導(dǎo)通故障之前被燒壞。
如果漏極電流開始流過處于截止?fàn)顟B(tài)的FET T1，則因為功率消耗而產(chǎn)生熱輻射。因此，因為該熱量，增大了元件FET絕緣層的損壞范圍，或者損壞了該正常元件FET。
(c)在狀態(tài)(b)，當(dāng)在泄漏電阻Ra變得較小的情況下，使處于截止?fàn)顟B(tài)的FET T1導(dǎo)通時，柵極電阻器Rg兩端的壓降VD-VG升高，而且壓降VG-VB接近Vth。結(jié)果，由于FET T1的柵極與源極之間的電壓降低，所以在使FET T1導(dǎo)通時，F(xiàn)ET T1的漏極與源極之間的電壓VDSon升高，并且，在導(dǎo)通狀態(tài)期間FET T1的熱輻射迅速升高。在正常狀態(tài)下，將VDSon設(shè)置為50V，而將Vth設(shè)置為2V的情況下，如果VG變?yōu)閂B，則VDSon基本上等于Vth。根據(jù)關(guān)系式2V/50mV＝40得出，與正常狀態(tài)相比，該功率消耗變?yōu)檎顟B(tài)下的功率消耗的40倍。如果保持在該狀態(tài)，則FET T1會因為熱輻射而被損壞，而且它處于不能控制的狀態(tài)，即，不能被截止的狀態(tài)，這樣進(jìn)入到導(dǎo)通故障狀態(tài)。
注意上面的描述，如果部分元件FET導(dǎo)致?lián)p壞在柵極與漏極之間的絕緣層，則在截止FET T1時，產(chǎn)生泄漏電流，因此，產(chǎn)生熱輻射。如果FET T1在被截止時因為發(fā)熱而開始被損壞，則在使FET T1導(dǎo)通時，在FET T1的柵極與源極之間的電壓被降低，而且，在FET T1導(dǎo)通時，F(xiàn)ET T1的熱輻射增大。FET T1截止時的熱輻射機(jī)制與FET T1導(dǎo)通時的熱輻射機(jī)制不同。換句話說，在FET T1截止時的熱輻射集中在絕緣層開始被損壞的早期階段，而FET T1導(dǎo)通時的熱輻射集中在損壞該絕緣層進(jìn)行中的后期階段。兩種熱輻射機(jī)制互相作用。最后，假定該絕緣層因為發(fā)熱被損壞，而且在FET T1發(fā)生導(dǎo)通故障。
因此，根據(jù)在(a)至(c)描述的內(nèi)容，本發(fā)明采用下面描述的方法(1)和(2)。
(1)由于絕緣層損壞發(fā)生在元件FET的部分的柵極與漏極之間，所以在因為發(fā)熱而損壞FET T1的過程中，泄漏電阻Ra減小，泄漏電阻Ra的減小導(dǎo)致流過柵極電阻器Rg的泄漏電流Ig增大，這樣提高了柵極電阻器Rg上的壓降。因此，如果在FET T1導(dǎo)通時測量柵極電阻器Rg上的壓降，則可以事先檢測因為絕緣層的損壞發(fā)生的導(dǎo)通故障。即，在達(dá)到完全的導(dǎo)通故障之前的階段，可以檢測到發(fā)生導(dǎo)通故障的指標(biāo)(indication)。此時，隨著柵極電阻器Rg增大，提高了檢測靈敏度。
(2)如果根據(jù)在(1)描述的序列檢測到達(dá)到導(dǎo)通故障的現(xiàn)象，則截止該FET T1。為了截止FET T1，在驅(qū)動電路1接地時，應(yīng)該滿足條件VG＜Vth。如果在FET T1的柵極與地之間的電阻小，則可以輕而易舉地滿足該條件。即，這樣構(gòu)造該電路，以使FET T1截止時，柵極與地之間的電阻變得小于柵極電阻Rg。
下面將說明具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的實施例。圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的用于電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)的電路圖。在圖3中，利用同樣的參考編號表示與圖1所示電源電路的組成單元相同的組成單元，而且省略說明它們。
圖3所示的電源電路與圖1所示電源電路的不同之處在于，它包括導(dǎo)通故障檢測電路11(導(dǎo)通故障檢測單元)、柵極接地電路12(接地單元)以及濾波電路13，而驅(qū)動電路1包括“或”電路OR1。
導(dǎo)通故障檢測電路11包括設(shè)置在FET T1的柵極與地之間的電阻器R1和R2的串聯(lián)電路；以及設(shè)置在電池E的正極端(輸出電壓VB)與地之間的電阻器R3和R4以及直流電源3(輸出電壓VA)的串聯(lián)電路。該導(dǎo)通故障檢測電路11進(jìn)一步包括比較器CMP1(比較單元)。電阻器R1與R2之間的連接點P1連接到比較器CMP1的反相輸入端，而電阻器R3與R4之間的連接點P2連接到比較器CMP1的非反相輸入端。
此外，比較器CMP1的輸出端連接到濾波電路13。該濾波電路13的輸出端連接到設(shè)置在驅(qū)動電路1上的“或”電路OR1的一個輸入端，而對“或”電路OR1的另一個輸入端施加輸入信號電壓Vi。在開始時間，濾波電路13以這樣的方式工作，即，只要在輸入信號Vi從H電平變更為L電平后，在過渡周期內(nèi)，比較器CMP1輸出H電平，濾波電路就輸出L電平。顯示在圖3所示各電阻器R1至R7的附近的每個數(shù)值分別示出電阻器R1至R7的特定電阻值的例子。例如，電阻器R1的電阻值被設(shè)置為100kΩ。
柵極接地電路12包括晶體管T2(NPN型)，用于將FET T1的柵極接地；電阻器R5，設(shè)置在晶體管T2的集電極與FET T1的柵極之間；以及設(shè)置在“或”電路OR1的輸出端與地之間的電阻器R6和R7的串聯(lián)電路。電阻器R6與R7之間的連接點P3連接到晶體管T2的基極。此外，電阻器R5的電阻值是(例如)100Ω。以這樣的方式設(shè)置電阻器R5的電阻值，使其小于柵極電阻器Rg的電阻值，而柵極電阻器Rg的電阻值(例如)為1.5kΩ。
接著，將說明根據(jù)本發(fā)明實施例的具有上述結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備的功能。在這種情況下，選擇電阻器R1至R4的電阻值，以滿足條件R1＝R1和R3＝R4。此外，將比較器CMP1的反相輸入端(點P1)和非反相輸入端(點P2)的電壓分別設(shè)置為V1和V2，而將直流電源3的輸出電壓(被稱為“基準(zhǔn)電壓”)設(shè)置為VA。
如果設(shè)置條件R2/(R1+R2)＝R4/(R3+R4)＝a(a表示分壓比)，而VG-VB＝δ，則獲得等式6。
V1＝VG*a＝(VB+δ)a等式6V2＝(VB-VA)a+VA從等式6，如果在滿足條件V1＝V2時，計算δ，則利用等式7表示它。
(VB+δ)a＝(VB-VA)a+VA等式7δ＝VA*(1-a)/a從等式7，在滿足條件V1＝V2時，即，在比較器CMP1的輸出被反相時，通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓VA和分壓比a，可以將對應(yīng)于該條件的δ設(shè)置為任意值。例如，如果設(shè)置條件VA＝4V，而a＝0.5，則δ變?yōu)?V。即，如果滿足條件VG＞(VB+4V)，則比較器CMP1的輸出變成L電平，而如果滿足條件VG＜(VB+4V)，則比較器CMP1的輸出變成H電平。
同時，在FET T1導(dǎo)通時，由于驅(qū)動電路1的輸出電壓VD變成VB+Vcp，所以利用等式8表示對應(yīng)于柵極電阻器Rg的壓降的Rg*Ig。
等式8Rg*Ig＝VD-VG＝(VB+Vcp)-(VB+δ)＝Vcp-δ因此，在Vcp是10V，而δ是4V時，即，在柵極電阻器Rg產(chǎn)生6V或者更大的壓降時，比較器CMP1的輸出電平變成H電平。如果比較器CMP1的輸出電平變成H電平，而且該狀態(tài)保持預(yù)定時間，則確定在柵極與漏極之間發(fā)生絕緣層損壞，而且“或”電路OR1的輸出電平被允許變成H電平。即，如果比較器CMP1的輸出信號變成H電平，則在經(jīng)歷了預(yù)定時間之后，通過濾波電路13，將H電平的信號輸入到驅(qū)動電路1的“或”電路OR1的輸入端，因此，“或”電路OR1的輸出信號變成H電平。結(jié)果，驅(qū)動電路1的輸出端通過晶體管Td2被連接到地，與此同時，晶體管T2導(dǎo)通，而FET T1的柵極通過包括柵極電阻Rg和電阻R5的并聯(lián)合成電阻(利用“Rg‖R5”表示)接地。
此時，利用等式9表示柵極電壓VG。
等式9VG＝VB*(Rg‖R5)/{(Rg‖R5)+Ra}在這種情況下，與不設(shè)置電阻器R5的情況相比，柵極電壓VG相對于同樣的泄漏電阻器Ra被減小，這樣可以容易地滿足條件VG＜Vth。
如果柵極電阻器Rg增大，則更容易檢測到從柵極流到漏極的泄漏電流Ig，而如果電阻R5減小，則即使泄漏電阻Ra減小，也可以使FETT1截止。這樣，綜合地選擇柵極電阻器Rg和電阻器R5的電阻值，以檢測在柵極與漏極之間出現(xiàn)的絕緣層損壞(元件FET的絕緣層的部分損壞)，而且在FET T1具有截止能力時，該FET T1能夠被截止。因此，可以防止FET T1到達(dá)導(dǎo)通故障。
以這種方式，在根據(jù)本發(fā)明第一實施例的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備上，在FET T1上發(fā)生絕緣層的損壞，漏極電流升高，連接點P1的電壓V1降低，而連接點P2的電壓V2不發(fā)生變化。在這種情況下，驅(qū)動電路1的輸出端被連接到地，并且停止將驅(qū)動信號提供到FET T1。因此，在FET T1發(fā)生導(dǎo)通故障之前，該FET T1被截止，因此，從而可以保護(hù)FET T1、負(fù)載以及諸如電布線的電路構(gòu)成部件。
此外，在驅(qū)動電路1的輸出端被連接到地的同時，柵極接地電路12的晶體管T2被導(dǎo)通，而FET T1的柵極通過電阻器R5(R5＜Rg)被連接到地。因此，確實可以使柵極電壓VG低于閾值電壓Vth，從而確實可以截止FET T1。
此外，在第一實施例中，設(shè)置在驅(qū)動電路1上的電荷泵2的壓降產(chǎn)生與減小的Ra的壓降對點1的電壓V1的相同影響。即，即使在泄漏電阻Ra無窮大的狀態(tài)下(在絕緣層的損壞不發(fā)生的狀態(tài)下)，在電荷泵2的輸出電壓降低時，該連接點P1的電壓V1可能小于連接點P2的電壓V2，并且，F(xiàn)ET T1被截止。因此，可能檢測到電荷泵2的輸出電壓是異常的。
下面，將說明本發(fā)明的第二實施例。圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的用于電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)的電路圖。由于圖4所示第二實施例與圖3所示第一實施例的不同之處僅在導(dǎo)通故障確定電路11(導(dǎo)通故障檢測單元)的結(jié)構(gòu)，所以將說明第一實施例與第二實施例在結(jié)構(gòu)方面的差別。
圖4所示的導(dǎo)通故障檢測電路11包括設(shè)置在驅(qū)動電路1一側(cè)的FET T1的柵極電阻器Rg的一端與地之間的電阻器R1和R2的串聯(lián)電路；以及設(shè)置在位于FET T1一側(cè)的柵極電阻器Rg的一端與地之間的電阻器R3和R4以及直流電源3的串聯(lián)電路。此外，在電阻器R1與R2之間的連接點P11(電壓V1，第一電壓)連接到比較器CMP1的非反相輸入端，而在電阻器R3與R4之間的連接點P12(電壓V2，第二電壓)連接到比較器CMP1的反相輸入端。
此外，在將直流電源3輸出的基準(zhǔn)電壓VA設(shè)置為6V的狀態(tài)下，如果在導(dǎo)通故障確定電路內(nèi)，柵極電阻器Rg的壓降變成6V或者更大，則比較器CMP1的輸出信號從L電平反轉(zhuǎn)為H電平，設(shè)置在驅(qū)動電路1上的晶體管Td2和柵極接地電路12的晶體管T2導(dǎo)通，并且，通過包括柵極電阻器Rg和電阻器R5的并聯(lián)電路，F(xiàn)ET T1的柵極被連接到地。即，在圖4所示的第二實施例中，在直接測量柵極電阻器Rg的壓降，而且測量電壓變成預(yù)定電平，然后，保持預(yù)定時間，則可確定發(fā)生在FET T1的柵極與源極之間的絕緣層的損壞，并且，將該柵極連接到地，這樣截止FET T1。
這樣，在根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備上，根據(jù)柵極電阻器Rg的壓降，確定FET T1的柵極與漏極之間的絕緣層被損壞。在這種情況下，在確定該絕緣層被損壞時，該FET T1被截止。因此，可以防止因為絕緣層的損壞而發(fā)生導(dǎo)通故障。
此外，由于根據(jù)柵極電阻器Rg兩端的電壓來檢測泄漏電流的發(fā)生，所以與第一實施例相比，可以僅檢測FET T1的絕緣層的損壞，而不考慮電荷泵2的輸出電壓的降低。
下面，將說明本發(fā)明的第三實施例。圖5是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的用于電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)的電路圖。
在第一和第二實施例中，作為用于對負(fù)載RL的驅(qū)動和停止進(jìn)行切換的半導(dǎo)體元件，已經(jīng)采用了N型MOSFET T1。然而，在第三實施例中，使用P型MOSFET T11。即，第三實施例與第一和第二實施例的不同之處在于，采用P型MOSFET T11和根據(jù)對MOSFE類型所做的修改而不同的電路結(jié)構(gòu)。
下面將說明特定的電路結(jié)構(gòu)。在用作設(shè)置在電池E與負(fù)載RL之間的半導(dǎo)體元件的P型MOSFET(下面簡稱為“FET”)上，其源極連接到電池E的正極端，而漏極連接到負(fù)載RL的一端。
此外，根據(jù)本發(fā)明第三實施例的電源電路包括驅(qū)動電路31，其將驅(qū)動信號輸出到FET T11的柵極；導(dǎo)通故障確定電路21；斷路電路22(斷路單元)；以及濾波電路13。
驅(qū)動電路31包括電阻器Rd1和Rd2、FET Td3和Td4(N型)、晶體管Td1(NPN型)、晶體管Td2(PNP)型以及“或”電路OR1。作為一種特定結(jié)構(gòu)，連接到驅(qū)動電路31的電池E的電源線被分支為3個系統(tǒng)。一條分支電源線通過電阻器Rd2和FET Td4接地，另一個分支電源線通過電阻器Rd1和FET Td3接地，而另一個分支電源線通過晶體管Td1和Td2接地。
兩個晶體管Td1和Td2每個的柵極連接到FET Td3的漏極，而FETTd3的柵極連接到FET Td4的漏極。此外，晶體管Td1的發(fā)射極與晶體管Td2的發(fā)射極之間的連接點連接到用于輸出驅(qū)動電路31的輸出電壓VD的布線。
將該FET Td4的柵極連接到“或”電路OR11的輸出端。該“或”電路OR11的一個輸入端連接到濾波電路13的輸出端，而將輸入信號電壓Vi施加到另一個輸入端。
導(dǎo)通故障檢測電路21包括由設(shè)置在FET T11的柵極與地之間的電阻器R1和R2構(gòu)成的串聯(lián)電路、比較器CMP11(比較單元)以及直流電源23(輸出電壓VA)。此外，電阻器R1與R2之間的連接點P21(電壓V11)連接到比較器CMP11的非反相輸入端，而直流電源23的正極輸出端連接到反相輸入端。此外，比較器CMP11的輸出端連接點濾波電路13。
斷路單元22包括由P型MOSFET T12和電阻器R5構(gòu)成的串聯(lián)電路。該FET T12的源極連接到電池E的正極輸出端，而其漏極連接到電阻器R5的一端。電阻器R5的另一端連接到FET T11的柵極。此外，該FET T12的柵極連接到FET Td4的漏極。
下面，將說明具有上述結(jié)構(gòu)的第三實施例的運(yùn)行過程。如果輸入信號電壓Vi的電平從H電平轉(zhuǎn)變?yōu)長電平，則首先將濾波電路13復(fù)位為L電平。因此，“或”電路OR11的輸出信號變成L電平，并且，F(xiàn)ET Td4被截止。因此，該FET Td3和晶體管Td2被導(dǎo)通，并且，F(xiàn)ETT11的柵極通過柵極電阻器Rg連接到地。結(jié)果，該FET T11被導(dǎo)通。
如果FET T11的柵極與漏極之間的電阻Ra表示泄漏電阻，則在正常狀態(tài)下，泄漏電阻Ra無窮大。然而，如果在FET T11的柵極與源極之間的發(fā)生絕緣層的損壞，則泄漏電阻Ra變成有限值，泄漏電流Ig流過FET T11的漏極→通過Ra到FET T11的柵極→柵極電阻器Rg→電阻器Td2→地的通路，因此，在柵極電阻器Rg上產(chǎn)生壓降。
在這種情況下，在導(dǎo)通故障確定電路21的電阻被設(shè)置為R1＝R2，而將基準(zhǔn)電壓設(shè)置為VA＝3V的狀態(tài)下，如果泄漏電流Ig升高，而Rg*Ig超過6V，則比較器CMP11的輸出變成H電平。如果該狀態(tài)維持預(yù)定的時間，則“或”電路OR11的輸出變成H電平。結(jié)果，該FET Td4被導(dǎo)通，該FET Td3和晶體管Td2被截止，而晶體管Td1被導(dǎo)通。通過柵極電阻器Rg，F(xiàn)ET T11的柵極的電壓升高到電池E的電壓VE。此外，由于在FET Td4導(dǎo)通時，該FET T12的柵極被連接到地，所以FET T1被導(dǎo)通，而且，該FET T11的柵極通過具有低電阻的電阻器R5連接到電源VB。因此，即使Rg*Ig大于6V，也可以確實截止FET T11。
以這種方式，在根據(jù)本發(fā)明第三實施例的電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備上，即使在將P型MOSFET T11用作用于對驅(qū)動和停止負(fù)載進(jìn)行切換的半導(dǎo)體元件時，與上述第二實施例相同，在FET T11的柵極與漏極發(fā)生絕緣層的損壞，并因此而流過泄漏電流，則通過檢測柵極電阻器Rg上產(chǎn)生的壓降，可以檢測到發(fā)生絕緣層的損壞。因此，可以確實截止FET T11。
到此為止，參考附圖已經(jīng)說明了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備，但是本發(fā)明并不局限于此，可以利用同樣功能的任意結(jié)構(gòu)代替每個部件的結(jié)構(gòu)。
例如，在上述實施例中，描述了電池安裝在車輛內(nèi)作為電源，而且燈和電動機(jī)安裝在車輛內(nèi)作為負(fù)載的例子。然而，本發(fā)明并不局限于此，且本發(fā)明還可以應(yīng)用于其他電源電路。
此外，在上述實施例中，N型或者P型MOSFET已經(jīng)用作開關(guān)半導(dǎo)體元件，但是本發(fā)明并不局限于此。可以使用結(jié)型晶體管或者IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)。
由于可以檢測到開關(guān)半導(dǎo)體元件內(nèi)發(fā)生導(dǎo)通故障的指標(biāo)，所以可以截止該半導(dǎo)體元件，因此，不損壞截止功能，而且可以有效保護(hù)該電路。
權(quán)利要求
1.一種電源電路的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備，其用于檢測電源電路的半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通故障，該電源電路包括設(shè)置在電源與負(fù)載之間的半導(dǎo)體元件，并且通過切換該半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通和截止，對該負(fù)載的驅(qū)動和停止進(jìn)行控制，其包括驅(qū)動電路，將用于切換半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通和截止的驅(qū)動信號提供到半導(dǎo)體元件的驅(qū)動端；第一電阻器，設(shè)置在驅(qū)動電路與該驅(qū)動端之間；以及導(dǎo)通故障檢測單元，用于檢測在第一電阻器產(chǎn)生的電壓是否超過預(yù)定值，而且在該電壓超過預(yù)定值時，確定該半導(dǎo)體元件發(fā)生導(dǎo)通故障。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備，其中該導(dǎo)通故障檢測單元包括比較單元，用于將通過在第一電阻器一端的電壓獲得的第一電壓與通過在第一電阻器的另一端的電壓獲得的第二電壓進(jìn)行比較，并且，基于該比較單元獲得的結(jié)果，檢測在第一電阻器產(chǎn)生的電壓是否超過預(yù)定值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備，其中該半導(dǎo)體元件由N型MOSFET構(gòu)成；這樣構(gòu)造該電源電路，使N型MOSFET的漏極連接到電源，而其源極連接到負(fù)載；基于電源電壓，該驅(qū)動電路輸出驅(qū)動信號；以及基于N型MOSFET的柵極電壓和電源電壓，該導(dǎo)通故障檢測單元檢測在第一電阻器產(chǎn)生的電壓是否超過預(yù)定值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備，其中該半導(dǎo)體元件由N型MOSFET構(gòu)成，以及該導(dǎo)通故障檢測單元包括接地單元，其在確定半導(dǎo)體元件上發(fā)生導(dǎo)通故障時，使驅(qū)動電路停止提供驅(qū)動信號，以及通過其電阻比第一電阻器的電阻小的第二電阻器，將該N型MOSFET的柵極連接到地。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)通故障檢測設(shè)備，其中該半導(dǎo)體元件由P型MOSFET構(gòu)成，以及該導(dǎo)通故障檢測單元包括斷路單元，其在確定半導(dǎo)體元件上發(fā)生導(dǎo)通故障時，使驅(qū)動電路停止提供驅(qū)動信號，以及通過其電阻比第一電阻器的電阻小的第三電阻器，將該P(yáng)型MOSFET的柵極連接到電源。
全文摘要
一種導(dǎo)通故障檢測設(shè)備，其檢測電源電路的FET T1的導(dǎo)通故障，該電源電路包括設(shè)置在電池E與負(fù)載RL之間、并且對該負(fù)載RL進(jìn)行驅(qū)動和停止控制的FET T1。該導(dǎo)通故障檢測設(shè)備包括驅(qū)動電路1，其將用于切換半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通和截止的驅(qū)動信號提供到FET T1的柵極；柵極電阻器Rg，其設(shè)置在驅(qū)動電路1與FET T1的柵極之間；以及導(dǎo)通故障檢測電路11，其用于檢測柵極電阻器Rg的壓降是否超過預(yù)定值，并且在柵極電阻器Rg的壓降超過預(yù)定值時，確定在FET T1上發(fā)生導(dǎo)通故障。
文檔編號H02H7/20GK1988385SQ20061016905
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者大島俊藏 申請人:矢崎總業(yè)株式會社