本發(fā)明涉及一種功率半導(dǎo)體保護(hù)裝置。

背景技術(shù)：

由現(xiàn)有技術(shù)已知多種用于保護(hù)功率半導(dǎo)體的設(shè)備。

其中，要將真正短路與虛假短路區(qū)分開來，已被證明為是大難題。虛假短路例如是由于尤其是在接通時(shí)表現(xiàn)得就像短路一樣的電容負(fù)載而產(chǎn)生的。也就是說，有時(shí)相當(dāng)大的電流會(huì)流過，直到電容負(fù)載相應(yīng)地被充電。

因此，在過去要不斷反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，要來識(shí)別虛假短路。

例如由專利號(hào)DE 10 2012 103 551 A1已知一種電子保險(xiǎn)設(shè)備，所述保險(xiǎn)設(shè)備會(huì)根據(jù)過載電流斷開可控的開關(guān)并且根據(jù)輸出端上的電壓改變重新開啟。

這些設(shè)備的不足是，其首先是基于載電流并且斷開，只有在一定的時(shí)間之后才能夠根據(jù)重啟條件實(shí)現(xiàn)接通。由此經(jīng)常需要不必要長的時(shí)間，以便給電容負(fù)載充電。另外，識(shí)別相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)樾枰４妗皻v史”值。此外，在這種布置中，經(jīng)常非常困難的是，在開關(guān)打開后，電容負(fù)載要通過并列放置的電阻負(fù)載放電，因此，識(shí)別系統(tǒng)可能將所要充電的電容（部分）負(fù)載錯(cuò)誤地識(shí)別為短路。在該處所權(quán)利要求的裝置尤其是在涉及到打開電容負(fù)載時(shí)已經(jīng)被證明為非常困難，因?yàn)檫@里早在開啟時(shí)就已經(jīng)滿足了斷開條件并且由此沒有任何歷史電壓值來進(jìn)行比較。

此外，由此前已知的解決方案，不能做出任何與開關(guān)的實(shí)際狀態(tài)相關(guān)的論斷，因?yàn)樵谶@里只觀察到負(fù)載方面。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的根本目的是提供一種功率半導(dǎo)體保護(hù)裝置，是加以改進(jìn)的且成本有利的用于偵測短路的設(shè)裝置，其避免了現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)或多個(gè)缺陷。

上述目的的解決方案根據(jù)本發(fā)明通過獨(dú)立權(quán)利要求所述的特征得出。本發(fā)明的有利設(shè)計(jì)由從屬權(quán)利要求加以說明。

其中：

一種功率半導(dǎo)體保護(hù)裝置，包括有：電流計(jì)、電壓計(jì)以及開關(guān)；所述電流計(jì)測量通過所述裝置的電流，所述開關(guān)用于斷開通過所述裝置的電流通路，所述電壓計(jì)測量打開狀態(tài)下所述開關(guān)的電壓；所述裝置具有：

如果所述電流計(jì)測量到的電流超過第一個(gè)電流閾值，則控制所述開關(guān)在一個(gè)預(yù)定時(shí)間內(nèi)切斷電流通路，在所述預(yù)定時(shí)間內(nèi)，所述電壓計(jì)測量開關(guān)的電壓；

在重新接通電流通路的情況下，所述開關(guān)重復(fù)上述控制，通過測量多次切斷電流通路時(shí)開關(guān)上的電壓變化判斷電路是否存在短路。

進(jìn)一步是：所述電壓計(jì)在切斷電流通路的時(shí)間內(nèi)測量到的電壓大于第一電壓閾值時(shí)，判斷負(fù)載為電容性負(fù)載。

進(jìn)一步是：所述預(yù)定時(shí)間的確定取決于之前所測量的電流值。

一種過載電流檢測裝置，包括分流電阻器、與分流電阻并聯(lián)的電流計(jì)；計(jì)算單元以及開關(guān)；所述電流計(jì)通過測量并聯(lián)分流電阻（R）電壓確定通過所述裝置的電流，所述開關(guān)用于斷開通過所述設(shè)備的電流通路；所述裝置具有：

如果所述電流計(jì)測量的電流超過第一電流閾值，則控制所述開關(guān)在一個(gè)預(yù)定的時(shí)間內(nèi)切斷電流通路；

持續(xù)測量所述裝置的電流值，獲取分流電阻的電能量，當(dāng)電能量超過最大電能時(shí)，控制所述開關(guān)永久切斷電流通路。

本發(fā)明是一種改進(jìn)的且劃算的避免現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)的功率半導(dǎo)體保護(hù)裝置。

附圖說明

下面參照附圖借助優(yōu)選的實(shí)施方式進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的總覽圖；

圖2為本發(fā)明的實(shí)施方式的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面更深入地參照附圖闡述本發(fā)明。在此要注意的是，所說明的不同方面可分別單獨(dú)地或者相互組合地加以應(yīng)用。也就是說，每個(gè)方面均可結(jié)合本發(fā)明的不同實(shí)施方式來使用，只要沒有明確地說明作為純粹的替選方案。

此外，下面為簡便起見，通常僅借助一個(gè)實(shí)體。但只要沒有明確附注，本發(fā)明也可分別具有更多個(gè)相關(guān)實(shí)體。就這方面而言，使用語詞“一個(gè)”僅應(yīng)被理解為是指，在一種簡單的實(shí)施方式中使用至少一個(gè)實(shí)體。

在本發(fā)明如圖1所示：一種功率半導(dǎo)體保護(hù)裝置1具有電流計(jì)U_R、電壓計(jì)U_SW和開關(guān)SW。為了更好地概覽，所述裝置1在圖中被虛線的框圈出。

所述功率半導(dǎo)體在附圖中并不是必需要被示出。也就是說，所述功率半導(dǎo)體可以是一種元件（未示出的），但或者所述開關(guān)SW本身就是由功率半導(dǎo)體、例如MOS-FET-晶體管（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）來提供。但本發(fā)明并非僅限于此。

其中，所述電流計(jì)U_R測量通過所述設(shè)備1的電流I。為此，原則上各種形式的電流測量均可行，要么是通過所誘導(dǎo)的磁場（例如羅氏線圈、霍爾傳感器），但要么是通過分流電阻R以及諸如此類上的電流測量。

所述開關(guān)SW用于斷開通過所述設(shè)備1的電流通路。原則上可采用各種類型的開關(guān)，例如機(jī)械開關(guān)或者電子開關(guān)、例如可控的（場效應(yīng)）晶體管。

此外，所述裝置使用對所述開關(guān)SW上的電壓進(jìn)行測量的電壓計(jì)U_SW。因?yàn)樗鲩_關(guān)SW在理想情況下構(gòu)成短路，因此，在所述開關(guān)SW的打開狀態(tài)下要測量電壓就已經(jīng)足夠，因?yàn)樵陂_關(guān)SW關(guān)閉時(shí)電壓只需要為零。

但可分別按照所述開關(guān)SW的類型來規(guī)定，例如所述開關(guān)SW本身構(gòu)成極小的電阻，因此，電流測量例如將能夠使用關(guān)閉的開關(guān)作為分流電阻R。這樣一種情況可例如在使用半導(dǎo)體開關(guān)（例如可控的（場效應(yīng)）晶體管）時(shí)出現(xiàn)。

就這點(diǎn)而言，上面所述的分配要被理解為是功能性的，并不會(huì)限制實(shí)際的實(shí)施。

所述裝置具有：

如果所述電流計(jì)U_R測量的電流I超過第一電流閾值I_ref，也就是說，I＞I_ref，這樣控制所述開關(guān)SW在一段預(yù)定時(shí)間t_aus內(nèi)切斷開所述裝置1的電流通路。其中，通常不會(huì)緊接著執(zhí)行電流通路的電流測量，而是只有在設(shè)定的一段預(yù)定的最小接通時(shí)間t_ein內(nèi)才會(huì)測量通過所述裝置的電流I。

現(xiàn)在可以在切斷的所述一段預(yù)定時(shí)間t_aus內(nèi)，通過所述電壓計(jì)U_SW測量所打開的開關(guān)SW上的電壓。

這一電壓可被保存下來。其中，保存要被理解為是廣義的，既可意味著將當(dāng)前的電壓保存在電容器內(nèi)，也可意味著測量值的保存。

在經(jīng)過預(yù)定時(shí)間t_aus之后，所述開關(guān)SW再次被接通，從而電流重新通過所述裝置1朝負(fù)載V流動(dòng)。

現(xiàn)在如果由于過載電流反復(fù)操控所述開關(guān)SW，那么，通過多次測量電壓U_SW的變化來判斷電路是否出現(xiàn)構(gòu)成嚴(yán)重危險(xiǎn)的真實(shí)短路。

由此就可實(shí)現(xiàn)，即：在（反復(fù)）切斷以及出現(xiàn)電容性負(fù)載V的情況下，電壓計(jì)U_SW在所述開關(guān)SW上測出的電壓小于額定電壓。這是由于，電容性負(fù)載是通過流過的電流充電的，因此這是在所述開關(guān)SW打開后在所述電容性負(fù)載V上存在通過電流充電的電壓。與此相反的是，在實(shí)際電路中，在所述開關(guān)SW打開后，所述負(fù)載方面的電壓因此為0伏。

這可例如借助簡單的差分壓測量來證明，例如惠斯通測量電橋或者差分運(yùn)算放大器或者開關(guān)SW上的各種其他適合的裝置來進(jìn)行確認(rèn)。

在存在真實(shí)短路的情況下，要控制所述開關(guān)SW永久斷開電流通路。

其中，控制可以是主動(dòng)的控制（“打開”）或者被動(dòng)的停止（“關(guān)閉”），取決于所述開關(guān)SW的類型。也就是說，所述開關(guān)SW既可被實(shí)施為開啟器，也可被實(shí)施為關(guān)閉器。

另外，在本發(fā)明的另一種有利的設(shè)計(jì)中識(shí)別出，由于電容性負(fù)載的充電出現(xiàn)短時(shí)的過載電流。如果電壓計(jì)U_SW在電流通路短時(shí)中斷t_aus過程期間測量到所述開關(guān)SW上的電壓超過第一電壓閾值U_ref，就可認(rèn)為負(fù)載是電容性負(fù)載V。簡單的說明是，即：在（反復(fù)）切斷以及出現(xiàn)電容性負(fù)載V的情況下，所述開關(guān)SW上會(huì)出現(xiàn)小于額定電壓的電壓U_SW。這是由于，電容負(fù)載是通過流過的電流充電的，因此在所述開關(guān)SW打開后在所述電容負(fù)載V上存在通過電流充電的電壓。所述負(fù)載上的這一電壓U_V導(dǎo)致開關(guān)U_SW上的電壓小于額定電壓。就這方面而言，現(xiàn)可由差異存在（等于U_ref=0V）或者由特定差異的存在（等于U_diff=U_Netz-U_V＞U_ref）識(shí)別出電容性負(fù)載V。但就這點(diǎn)而言，也可通過開關(guān)U_SW上的電壓基于小于特定的限值來識(shí)別電容性負(fù)載的存在。

另外，在本發(fā)明的再另一種有利的設(shè)計(jì)中，斷開的預(yù)定時(shí)間t_aus的確定取決于之前所測量的電流I。也就是說，電流I例如明顯大于電流閾值I_ref，那么，電流就可切斷較長的時(shí)間，而在例如電流僅略微大于電流閾值I_ref的情況下，那么，電流就可被切斷較短的時(shí)間。因此，例如半導(dǎo)體開關(guān)并不是被過載，而只是電容負(fù)載的快速充電。

當(dāng)然本發(fā)明也可如下來設(shè)計(jì)。

一種過載電流檢測裝置1，包括具有分流電阻R的電流計(jì)U_R、計(jì)算單元SE和開關(guān)SW。

所述電流計(jì)U_R通過所述分流電阻R上的電壓測量所述裝置1的電流，所述開關(guān)SW用于斷開所述裝置1的電流通路。如上所述，所述分流電阻是所述開關(guān)SW的內(nèi)阻。

如果所述電流計(jì)U_R測量出的電流I超過第一電流閾值I_ref，則控制所述開關(guān)SW在一段預(yù)定時(shí)間t_aus內(nèi)切斷電流通路。

持續(xù)測量所述裝置1的電流值（預(yù)定時(shí)間t_aus內(nèi)），獲取已知分流電阻R的電能量。所述電能量可由電流和電壓關(guān)系計(jì)算獲得、也可由電阻和電流關(guān)系或者說電阻和電壓來測定獲取。當(dāng)電能量超過最大電能W_max的情況下，控制所述開關(guān)SW永久切斷電流通路。因?yàn)楫?dāng)所述分流電阻是所述開關(guān)SW的內(nèi)阻（開關(guān)SW為電子開關(guān)），所以這里的持續(xù)測量所述裝置1的電流值是在兩種狀態(tài)下的持續(xù)測量，一種是在預(yù)定時(shí)間t_aus內(nèi)所述開關(guān)SW打開斷路的狀態(tài)下，測量電子開關(guān)的開路內(nèi)阻電流，另一種在結(jié)束預(yù)定時(shí)間t_aus所述開關(guān)SW接通電流通路的狀態(tài)下，測量電子開關(guān)短路內(nèi)阻電流。兩種情況最大電能W_max的設(shè)置值也不同。當(dāng)然還有一種是當(dāng)分流電阻R是獨(dú)立接入串接開關(guān)SW的電阻，在結(jié)束預(yù)定時(shí)間t_aus后或之前所述開關(guān)SW接通電流通路的狀態(tài)下，測量獨(dú)立接入串接開關(guān)SW的電阻的電流。

如圖2中所示的那樣來實(shí)施一種相應(yīng)的流程。

在第一個(gè)步驟S50中，所述開關(guān)SW被這樣控制，使得電流流向負(fù)載V。在經(jīng)過預(yù)定的時(shí)間t_ein之后，在步驟S100中，測量通過所述裝置1的電流I。

另外，也可選地規(guī)定，在步驟S50之后，也通過適合的電壓計(jì)來測量負(fù)載V方面的電壓U_V。這一步驟可在步驟S100的過程期間或者之后來進(jìn)行。

在步驟S300中檢驗(yàn)，是否滿足斷開條件，即所測量的電流I是否超過第一電流閾值I_ref。

如果不是這種情況，所述系統(tǒng)就返回步驟S100并且重新執(zhí)行環(huán)路。

如果電流I大于第一電流閾值I_ref，那么，所述開關(guān)SW就在步驟S400中先臨時(shí)被打開。

接著，測定流過所述裝置1或者說所述開關(guān)SW的電能W。在此，分別根據(jù)這種測定是否還必需測定電壓，來測定所述開關(guān)SW上的電壓U_SW，但或者由已知的電阻R和此前所測量的電流來測定電能W。

如果電能W大于特定的最大電能W_max，那么，所述開關(guān)SW就不再被接通并且上述流程終止。

如果電能W反之在此小于（或等于）特定的最大電能W_max，那么在步驟S675中，就等待一段時(shí)間t_aus，上述流程重新從步驟S50開始運(yùn)行。

當(dāng)然，超過的條件也可通過其他條件等效地被替換。

上面所提到的步驟或者說裝置可以是控制單元SE的組成部分或者說由其來實(shí)施。控制單元可例如是一種微控器或者ASIC或者FPGA。

本發(fā)明可例如非常有利地應(yīng)用于供電。在其中經(jīng)常會(huì)看到大功率的開關(guān)電源件，具有可控的功率半導(dǎo)體作為開關(guān)元件。

在此尤其有利的是，借助本發(fā)明，可借助作為開關(guān)SW的實(shí)施方式的功率半導(dǎo)體上的電壓降，基于向所述功率半導(dǎo)體內(nèi)的能量輸入，來測量實(shí)際的負(fù)載。這種能量輸入的測量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了二進(jìn)制的狀態(tài)識(shí)別（電容性負(fù)載，短路），因?yàn)檫@種識(shí)別必須在很大程度上提供安全界限。

因此，使用上述的本發(fā)明，也可實(shí)現(xiàn)在需要的情況下在特定的時(shí)間段、例如10，...50ms內(nèi)提供電流，該電流明顯超過指定的額定電流、例如2倍至10倍。