CN102204098B - 带有半导体开关的防短路的半桥电路 - Google Patents

带有半导体开关的防短路的半桥电路 Download PDF

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Abstract

在带有半导体开关的半桥电路中，在电势端子(P1)和地(P2)之间与两个半导体开关(M1，M2)串联连接有电感器(L)，并且在电感器(L)上降落的电压被截取。如果该电压超过预先确定的阈值，则作用链运行，通过其最后将半导体开关之一(M2)关断。当形成短路电流时，于是在电感器(L)上引起特别高的电压。通过半导体开关之一(M2)的关断，在短路电流形成时立即阻止了短路电流。

Description

带有半导体开关的防短路的半桥电路
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的开关装置以及一种根据权利要求7的前序部分所述的方法。
背景技术
半桥电路已知为：两个开关在此串联在第一电势端子和第二电势端子之间，其中第二电势端子典型地处于地电势。通过控制开关，可以影响在两个开关之间的电势。已知的是，提供带有半导体开关以及尤其是晶体管作为开关的这种半桥电路。
由于错误控制(Fehlsteuerung)和故障，在电路中会出现短路。比较大的短路电流在此会持续地损坏半导体开关。
发明内容
本发明的任务是，提供一种根据权利要求1的前序部分所述的电路装置，其中半导体开关特别有效地受保护而免受由于短路导致的损坏。同样，本发明的任务是，提出一种根据权利要求7的前序部分所述的有效的方法。
该任务在具有权利要求1的前序部分所述特征的电路装置情况下通过权利要求1的特征部分的特征来解决。根据本发明的方法在权利要求7中说明。
特别有利的扩展方案在从属权利要求中。
根据本发明，由此在电路装置中在两个电势端子之间的串联电路中，通常即在(半桥)电路的半导体开关和电势端子之一之间的任何地方提供电感性元件。此外，存在作用链(Wirkkette)的元件，使得在预先确定的条件下，在电感性元件上降落的电压引起半导体开关中的至少一个的关断，即晶体管中的至少一个的截止。
提供电感性元件考虑的事实是，在出现短路的情况下，通过串联电路从第一电势端子流到第二电势端子的电流短期内强烈地升高。电流的升高引起在电感性元件上的电压的下降，该电压随后被分析。
可以将作用链在形式上划分为单个的功能装置。例如，可以表达为，存在用于关于至少一个预先确定的标准来分析在电感性元件上降落的电压的装置，以及存在用于在满足预先确定的标准的情况下用于将半桥的半导体开关的至少之一截止的装置。这种装置尤其是可以包括微控制器。微处理器可以作为用于分析的装置来对在电感性元件上降落的电压尤其是就其时间变化曲线进行分析。当时间变化曲线满足确定的条件时，可以设计尤其是晶体管的截止，并且在此于是可以考虑不同的场景。另一微处理器在其从用于分析的装置获得相应的信息信号之后于是可以将控制指令发送给要截止的晶体管的控制端子。同一微处理器也可以同时用作用于分析的装置和用于截止的装置。
除了已经提及的微控制器或微处理器之外，特别有利的是，在作用链中仅仅设置电子器件，使得仅仅隐含地进行对下降的电压的分析。
在最简单的情况中，所基于的是，电流强度的改变必须超过预先确定的阈值。该阈值对应于针对在电感性元件上降落的电压的阈值。与阈值相关的电路在最简单的情况中使用齐纳二极管。在齐纳二极管上可以施加电压直至齐纳电压，而并没有电流流动。在超过齐纳电压时，自发地出现强电流的流动。该电流可以在作用链的范围中使用。作用链可以包括辅助晶体管。因为晶体管可以通过电压来控制，所以流过齐纳二极管的电流可以通过电阻元件来引导。由此当齐纳二极管和电阻元件构成的串联电路与电感性元件并联连接，而电阻元件的两个端子与第一辅助晶体管的两个端子耦合(尤其包括控制端子)时，得到可靠的控制。于是，通过在电阻元件上降落的电压确定了第一辅助晶体管的接通。对于在电阻元件上降落的电压在针对辅助晶体管限定的阈值以下(典型地为0.7V)，第一辅助晶体管截止，在阈值以上，其接通。
在第一辅助晶体管接通的情况下，这可以直接影响半桥电路中的晶体管上并且将其截止。
因为在电感性元件上降落的电压仅仅是电流强度变化的度量，而并非针对其绝对值，所以可以证明为有利的是，考虑电压的时间变化曲线。一般而言，这可以通过作用链包括时间元件来实现。
时间元件在最简单的情况中简单地包括电容性元件(电容器)，其被充电。在上面提及的优选的带有齐纳二极管、电阻元件和第一辅助晶体管的电路装置中，尤其是可以设计的是，第一辅助晶体管的两个端子之一(例如其集电极端子)与电势端子耦合，并且第一辅助晶体管的另一端子(特别是并非基极端子，即控制端子，而是优选为发射极端子)通过电容性元件与另一电势端子耦合。随后发生如下情况：在将电压施加到电势端子(例如通过将电势施加到电势端子之一并且将另一电势端子接地)的情况下，当该第一辅助晶体管接通时，电流流过第一辅助晶体管。该电流于是对电容性元件充电。现在，电容性元件可以用其两个端子与第二辅助晶体管的相应的端子耦合，使得通过在电容性元件上降落的电压确定第二辅助晶体管的接通。如果例如作为第二辅助晶体管的MOSFET的栅极和源极与电容器耦合，则针对电容器上降落的电压在阈值以上其接通。现在如果第二辅助晶体管的不同于栅极端子的端子用于将作为半桥电路的半导体开关的两个晶体管之一的控制端子与其他端子之一短路，则半桥电路的该晶体管如愿地截止。
以所提及的方式来使用电子器件一方面已经在存在大的短路电流的期间实现了快速关断，另一方面也在比较慢地形成短路电流的情况下及时地将半桥电路的两个半导体开关之一关断。
通过合适地选择变量，可以将预先确定的、其中进行截止的标准固定。电感性元件应当具有10nH到500nH之间的电感，典型地选择数百nH的值。齐纳二极管的齐纳电压可以在2V到数百伏之间，例如33V。电感和齐纳电压可以与预先确定的标准匹配地选择。可以设计的是，从超过50A/μs的电流上升开始，作用链开始运行。典型地，在100A/μs到1000A/μs之间的电流上升情况下才触发作用链。
变量的准确选择取决于所设计的截止延迟时间(“反向恢复时间”)和在电路中的可预期的负载电流。
根据本发明的方法包括：截取通过流过半导体开关的电流引起的电压，并且提供在作用链中的元件，当被截取的电压满足至少一个预先确定的条件时，触发作用链，使得于是被截取的电压在至少一个预先确定的条件下通过作用链引起两个半导体开关之一的关断，即尤其是两个晶体管之一的截止。通过晶体管的截止，阻止了从第一电势端子至第二电势端子的电流，并且由此也阻止了短路电流。
附图说明
下面要借助实施例进一步阐述本发明。其中：
图1示出了根据本发明的电路装置的部分示意图，以及
图2示出了根据本发明的电路装置的一个具体实施形式。
具体实施方式
图1和2示出了半桥电路，其中使用晶体管、在此为MOSFET M1和M2作为开关。半桥电路意味着，两个开关，在此即晶体管M1和M2串联，更确切地说，串联在电势端子Vcc0和第二电势端子(其在此称为接地端子)之间。在两个晶体管M1和M2之间的电势点P上连接有实际的负载RL。通过控制开关M1和M2，确定在电势点P上的电势，并且由此确定在负载RL上降落的电压或者流过负载RL的电流。
晶体管M1和M2应当被保护避免由于短路电流而损坏或者损毁。这种短路电流在其出现时从电势Vcc0通过两个晶体管M1和M2流到地。通过晶体管M1和M2之一的截止，由此可以阻止短路电流。为此必需的是，检测短路电流的出现。为此，在针对Vcc0的电势端子和地之间的串联电路(Reinschaltung)中设置电感器L。在电感器L的两侧上的端子P1和P2上截取在电感器L上降落的电压。当流过电感器的电流的电流强度变化时，该电压于是在电感上降落。尤其是在形成短路电流期间，情况如此。在此，短路电流应当在其形成期间借助在电感器L上降落的电压来识别。在端子P1和P2上截取的电压因此被输送给分析单元A。该分析单元A现在使得在满足预先确定的标准情况下通过所截取的电压来将开关M2截止。为此，分析单元A通过线路LT1(其与晶体管M2的栅极连接)直接激励晶体管M2并且引起其截止。可替选地，分析单元通过线路LT2通知晶体管M2的栅极的控制单元S满足了预先确定的标准，并且控制单元S激励栅极，使得晶体管M2截止。控制单元S可以是特别提供的控制单元或者是本来就设置在半桥电路中用于激励晶体管M2的控制单元。
分析单元A可以如控制单元S那样构建为微控制器或者微处理器，它们可以明确地根据预先确定的标准来分析截取的电压。
然而，当仅仅使用电子器件时，图1中的电路装置特别简单并且快速地工作。在图2中示出了带有电子器件的图1中的电路装置的一个优选的实施形式。
在图2中的电路装置中，在电感器L上的抽头P2通过电阻R1和齐纳二极管D与电势点P3连接，该电势点通过电阻R2与电势点P4连接。电势点P4可以直接与抽头P1耦合，在此电源V示出为连接在其间，在电源上例如存在12V的电压。电势点P4与辅助供电电势Vcc1耦合，该辅助供电电势例如相对于地处于5V到20V之间。与电阻R2并联连接有电容器C1。电势点P4与第一辅助晶体管T1的发射极耦合，其中其基极与电势点P3耦合。晶体管T1的集电极通过电阻R4和电容器C2构成的串联电路与电势点P1耦合。任选地，如前面所示的那样，与电阻R4和电容器C2构成的串联电路并联连接有电阻R3。在电阻R4和电容器C2之间的电势点P5与第二辅助晶体管(在此为MOSFET)的栅极耦合。第二辅助晶体管的源极与电势点P1耦合，并且其漏极端子与晶体管M2的栅极耦合。此外，晶体管M2的栅极可以由控制单元S1通过电阻R5来激励。
现在，该电路如下工作：
如果在电势Vcc0和地之间存在通过晶体管M1和M2的短路电流，则流过电感器L的电流的电流强度强烈地升高。由此，在电感器L中产生在阈值以上的电压，其中阈值通过齐纳二极管D的齐纳电压以及电源V所给出的电压来确定。在超过该阈值时，齐纳二极管D不再截止，而是电流从电势端子Vcc1通过电阻R2和齐纳二极管D以及电阻R1流到地。由此，电阻R2上的电压下降。由此，晶体管T1接通，并且电流通过其，例如从电势端子Vcc1通过晶体管T1、电阻R1、电感器L流到地，或者由于存在电源V，电流流动。在电流流过晶体管T1时，电容器C2逐渐充电。电容器C2的电容现在选择为使得在预先确定的时间之后在电容器C2上存在电压，使得晶体管T2接通。随后，通过晶体管T2将晶体管M2的栅极与该晶体管M2的源极短接，并且将晶体管M2截止。
通过齐纳二极管D，必要时与电源V协作，给定阈值标准，从何时起晶体管T2开始接通。电阻R4与电容器C2协作作为时间元件，该时间元件延迟晶体管C2的接通：首先必须将电容器C2充电到相应的电压。由此，隐含地对于短路电流提供了标准，即存在电流强度在时间上的改变，该改变超过最小值，使得超过在端子P1和P2之间的最小电压。通过时间元件设置附加条件，即通过电流强度在时间上的改变以及由此由于该改变引起的电压在时间上的改变超过阈值的情况在预先确定的持续时间上有效。然而，该持续时间并未被固定，而是当电流上升特别大时缩短，因为这样电容器C2特别快地被充电。由此，隐含地存在其中截止晶体管M2的电流上升情形的完整体系。虽然存在时间元件，仍然保证了截止比较短期地进行，使得在形成所检测到的短路电流的情况下，晶体管M1和M2不会损坏。
本发明在此针对半桥电路进行了描述。其也可以使用在具有两个半桥的全桥中以及多相系统中，例如带有n个半桥的n相桥中，其中n是大于2的自然数。在多个半桥的情况下，不必针对每个半桥提供各自的电感性元件，而是唯一的电感性元件就足够，该电感性元件被插入至电势端子的共同的连接线路中。

Claims (6)

1.一种电路装置，其带有在第一电势端子和第二电势端子之间串联连接的两个半导体开关(M1，M2)，
其特征在于作用链的元件以及串联连接在所述第一电势端子和所述第二电势端子之间的电感性元件(L)，使得在预先确定的条件下，在电感性元件(L)上降落的电压引起半导体开关中的至少一个(M2)关断，所述电感性元件(L)与所述两个半导体开关(M1，M2)串联连接在所述第一电势端子和所述第二电势端子之间其中，
所述作用链包括齐纳二极管(D)，所述齐纳二极管(D)和电阻元件(R2)构成的串联电路设置为与电感性元件(L)并联连接，并且第一辅助晶体管(T1)的两个端子与电阻元件(R2)的两个端子(P3，P4)耦合，使得通过在电阻元件(R2)上降落的电压确定第一辅助晶体管(T1)的接通，
所述作用链还包括时间元件(R4，C2)，所述第一辅助晶体管(T1)的所述两个端子的一个端子(P4)与第三电势端子(Vcc1)耦合，以及第一辅助晶体管的第三端子通过电容性元件(C2)与第四电势端子(P1)耦合，使得在将电压施加到这些电势端子上并且第一辅助晶体管(T1)接通时，电流流过第一辅助晶体管，该电流将电容性元件(C2)充电，并且其中电容性元件(C2)以其两个端子(P1，P5)与第二辅助晶体管(C2)的两个端子耦合，使得通过在电容性元件(C2)上降落的电压确定第二辅助晶体管(T2)的接通。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于作用链的元件以及串联连接在所述第一电势端子和所述第二电势端子之间的电感性元件(L)，使得在预先确定的条件下，在电感性元件(L)上降落的电压引起半导体开关中的至少一个(M2)截止。
3.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述半导体开关是晶体管，所述第二辅助晶体管(T2)的端子(P1)与两个串联连接的晶体管(M1，M2)的一个晶体管(M2)的端子耦合，使得在第二辅助晶体管(T2)接通时将两个半导体开关的该晶体管(M2)截止。
4.一种用于保护带有两个半导体开关的串联电路免受损坏的方法，其特征在于，
截取通过流经半导体开关的电流引起的电压，并且提供在作用链中的元件，使得在至少一个预先确定的条件下所截取的电压通过作用链引起两个半导体开关之一关断，其中，
所述作用链包括齐纳二极管(D)，
所述齐纳二极管(D)和电阻元件(R2)构成的串联电路设置为与电感性元件(L)并联连接，并且第一辅助晶体管(T1)的两个端子与电阻元件(R2)的两个端子(P3，P4)耦合，使得通过在电阻元件(R2)上降落的电压确定第一辅助晶体管(T1)的接通，其中，所述电感性元件(L)与所述两个半导体开关串联连接在一起，
所述作用链还包括时间元件(R4，C2)，所述第一辅助晶体管(T1)的两个端子的一个端子(P4)与电势端子(Vcc1)耦合，以及第一辅助晶体管的另一端子通过电容性元件(C2)与另一电势端子(P1)耦合，使得在将电压施加到这些电势端子上并且第一辅助晶体管(T1)接通时，电流流过第一辅助晶体管，该电流将电容性元件(C2)充电，并且其中电容性元件(C2)以其两个端子(P1，P5)与第二辅助晶体管(C2)的两个端子耦合，使得通过在电容性元件(C2)上降落的电压确定第二辅助晶体管(T2)的接通。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，提供在作用链中的元件，使得在至少一个预先确定的条件下所截取的电压通过作用链引起两个半导体开关之一截止。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述带有两个半导体开关的串联电路是带有两个晶体管的半桥电路。
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