CN102217196B - 用于开关元件的过流检测设备 - Google Patents

Abstract

一种开关元件(1)的过流检测设备，包括：基准电源(7)、比较电路(8)、电流转换元件(6)、第一电阻器(R3)和第二电阻器(R2)。所述比较电路(8)包括接收对应于在所述开关元件中流动的电流的电压的第一输入端子和接收所述基准电源(7)供应的参考电压的第二输入端子。所述电流转换元件(6)将检测所述开关元件(1)的温度的温度检测元件(4)的电压转换为对应于所述温度检测元件(4)的电压的电流。所述第一电阻器(R3)串联连接到所述比较电路(8)的第二输入端子的基准电源侧。所述第二电阻器(R2)串联连接到所述比较电路(8)的第二输入端子的接地侧。

Description

用于开关元件的过流检测设备

对相关申请的交叉引用

本申请要求2008年12月12日提交的日本专利申请2008-316488的优先权。这里通过引用将日本专利申请2008-316488的全部公开包含于此。

技术领域

本发明一般涉及检测开关元件中的过流异常的过流检测设备。

背景技术

功率MOS晶体管典型地具有极大的导通电阻温度系数α。众所周知的是，为绝缘栅双极晶体管（IGBT）提供过流保护电路，以保护逆变器电路的IGBT以免在IGBT中出现过流。日本专利特开2002-26707已经提出，提供考虑了检测电压的温度特性的过流保护电路，以保护所述逆变器电路的IGBT以免在IGBT中出现过流。在这个公开的过流保护电路中，来自在半导体芯片内部提供的二极管的检测电压和参考电压被馈送到运算放大器（op-amp）。接着，所述运算放大器将所述检测电压和参考电压之间的差与过流检测参考值相比较。通过这种方式，所述晶体管的导通电阻温度系数影响过流检测电流值的程度被抑制了。

发明内容

然而，在上述传统的过流保护设备中，所述运算放大器的使用增大了所述过流检测设备的整体成本，并要求所述过流检测设备中额外的空间用于容纳所述运算放大器。所说明的实施例中，公开了一种不使用运算放大器的过流检测设备。因此，在所说明的实施例中，所述过流检测设备的整体成本与需要运算放大器的过流检测设备相比可减小。此外，在所说明的实施例中，所述过流检测设备与需要运算放大器的过流检测设备相比，能够更加紧凑。

考虑到已知技术的状态，提供了一种不使用运算放大器的过流检测设备。基本上，在所说明的实施例中，用于开关元件的所述过流检测设备配备有基准电源、比较电路、电流转换元件、第一电阻器和第二电阻器。所述比较电路包括接收对应于在所述开关元件中流动的电流的电压的第一输入端子、以及接收从所述基准电源提供的参考电压的第二输入端子。所述电流转换元件串联连接在所述基准电源和所述比较电路的第二输入端子之间。所述电流转换元件将检测所述开关元件的温度的温度检测元件的电压转换为对应于所述温度检测元件的电压的电流。所述第一电阻器串联连接到所述比较电路的第二输入端子的基准电源侧，即，位于所述基准电源和所述比较电路的第二输入端子之间。所述第二电阻器串联连接到所述比较电路的第二输入端子的接地侧，即，位于接地和所述比较电路的第二输入端子之间。

本申请还提供了一种用于开关元件的过流检测设备，包括：基准电源；比较电路，其包括接收对应于在所述开关元件中流动的电流的电压的第一输入端子、以及接收从所述基准电源提供的参考电压的第二输入端子；电流转换元件，串联连接在所述基准电源和所述比较电路的第二输入端子之间，所述电流转换元件将检测所述开关元件的温度的温度检测元件的电压转换为对应于所述温度检测元件的电压的电流；第一电阻器，串联连接在所述基准电源和所述电流转换元件的发射极端子之间；以及第二电阻器，串联连接在所述比较电路的第二输入端子和接地之间，其中，所述第二电阻器的电阻值与所述第一电阻器的电阻值之间的比被设置为等于所述开关元件的掩蔽比的温度特性的斜率的绝对值，并使得所述比较电路的第二输入端子的输入电压的温度特性的斜率的符号与所述开关元件的掩蔽比的温度特性的斜率的符号相反，其中所述掩蔽比是所述开关元件的集电极电流Io与感测电流Is之比。

因此，通过向所述比较电路的输入端子提供用于检测过流的参考电压，这个过流检测设备不使用运算放大器。具体地，通过使用电流转换元件将所述开关元件的温度检测元件的电压值转换为电流、并使用电阻器来将所述电流转换为电压，而得到所述参考电压。换言之，所述电流转换元件被用于将具有温度特性的温度检测元件的电压值转换为对应的电流值。所述电流值具有与所述开关元件的感测电压相似（相同符号）的温度特性，且能够通过适当地设置所述电阻器的值，将所述电流值的温度特性修改为对应于所述感测电压的温度系数。所述温度特性的这个修改是通过使用电流转换元件完成的，因此，不需要使用昂贵且占用空间的运算放大器。

附图说明

下面参考组成这个原始公开的一部分的附图：

图1是显示了根据第一实施例的过流检测设备的电路图；

图2是显示了根据第二实施例的过流检测设备的电路图；

图3是显示了根据第三实施例的过流检测设备的电路图；

图4是显示了掩蔽比和参考电压对开关元件的结点温度的特性绘图的曲线图；以及

图5是显示了过流检测电平对开关元件的结点温度的绘图的曲线图。

具体实施方式

下面将参考附图解释所选实施例。本领域的技术人员从这个公开可以显而易见，所述实施例的以下说明仅仅被提供用于示例，并不是为了限制如附加的权利要求和它们的等价物所定义的本发明。

首先参考图1，说明了根据第一实施例的过流检测设备的电路图。这个过流检测设备能够被用作检测诸如智能电源模块的开关元件的绝缘栅双极晶体管（IGBT）中的异常的设备。这个第一实施例将示例所述过流检测设备的这样的应用。然而，所述过流检测设备并不局限于这样的应用，并可以被应用到不同类型的开关元件。如下面解释的，由于所述过流检测设备在检测是否存在过流状况时不使用运算放大器，这个说明的实施例的过流检测设备能够相对便宜、相对紧凑。

在这个实施例中，所述过流检测设备用来检测开关元件1（如IGBT）中的电流异常。所述开关元件1通过从栅极驱动电路（未显示）发送到所述开关元件1的栅极G的栅极PWM信号而被切换，且集电极电流Io由于导通驱动（on-drive）信号，从所述开关元件1的集电极C流向发射极E。在这个实施例中，所述开关元件1是具有电流检测端子3的晶体管。当所述集电极电流Io由于被发送到栅极G的导通驱动信号而从所述集电极C流向发射极E时，电流Is流向所述电流检测端子3。所述电流Is与电流Io成比例（如，Is=Io/N；其中，电流Io和Is的掩蔽比N是已知的）。从所述电流检测端子3流出的电流Io/N通过电流检测电阻器Rsens而被转换为电压，即，检测电压或感测电压Vsens，且所述检测电压Vsens被提供到比较器8的正输入端子。

所述开关元件1具有温度检测元件4，其包括用于检测所述开关元件1的温度的二极管。所述温度检测元件4的正端子通过温度检测端子5连接到电压转换电阻器R1，并且，流经所述连接的电流被转换为电压。所转换的电压被提供到电流转换元件6的基极。在这个说明的实施例中，所述温度检测元件4具有负的温度特性，使得当温度增大时，所述感测电压减小。

提供参考电压Vcc的基准电源7通过电阻R3和电流转换元件6连接到所述比较器8的负端子，所述电流转换元件6包括PNP晶体管。电阻器R2和电容器C1被连接在所述比较器8的负端子和接地之间。所述电阻器R2用来将从所述电流转换元件6流出的电流Iref转换为电压，而所述电容器C1用来使这个电压稳定化。

下面解释根据这个实施例的过流检测设备的操作原理和效果。所述感测电压Vsens能够根据下面的等式1表示，其中，Io是在开关元件1中流动的主电流，Io/N是由关于所述主电流的掩蔽比（1:N）确定的感测电流，以及Rsens是用于将所述感测电流转换为感测电压Vsens的电阻器的电阻值。

Vsens=(Io/N)×Rsens          (1)

根据等式1，当所述掩蔽比N具有负的温度特性时（即，当所述掩蔽比N响应于温度的增大而减小时），如图4中的曲线a所示，所述感测电压Vsens具有正的温度特性（即，所述感测电压Vsens响应于温度的增大而增大）。即，所述感测电压Vsens具有与图4中的曲线b相似的温度特性。

同时，所述开关元件1的温度检测元件4的电压Vtemp被提供到所述电流转换元件（PNP晶体管）6的基极端子，而参考电压Vcc通过电阻器R3连接到所述电流转换元件6的发射极端子。用这种方式，所述温度检测元件4的温度检测电压能够被转换为电流。在这种情况下，在所述电流转换元件（PNP晶体管）中流动的电流Iref可以根据下面的等式2表示，其中，Vbe是存在于所述电流转换元件（PNP晶体管）的基极和发射极之间的电压。

Iref=(Vcc-Vbe-Vtemp)/R3          (2)

通过获得所述电流Iref关于温度T的导数，可以得到下面所示的等式3。这里，假定所述电流转换元件（PNP晶体管）6的基极和发射极之间的电压Vbe不具有温度特性。

δIref/δT=(-δVtemp/δT)/R3            (3)

根据等式3，当来自所述温度检测元件4的温度检测电压具有负的温度特性时，流经所述晶体管6的电流Iref具有正的温度特性。

当所述电流Iref被电阻器R2转换为电压时，所述比较器8的输入电压Voc可以根据下面显示的等式4表示。

Voc=(Vcc-Vbe-Vtemp)×R2/R3          (4)

获得两边关于温度的导数，得到下面示出的等式5：

δVoc/δT=(-δVtemp/δT)×R2/R3           (5)

因此，根据这个实施例的过流检测设备中，提供到所述比较器8的输入电压Voc的正温度系数（具有如图4中的曲线b所示的正的温度特性）能够通过调整电阻值R2和R3的比而改变。换言之，通过调整R2和R3的比（R2/R3）使得所述输入电压Voc的温度特性的斜率与所述感测电压Vsens的正温度特性的斜率相同，独立于所述开关元件1的温度而起作用的过流检测设备能够通过仅提供如图1所示的电流转换元件（PNP晶体管）而实现。

下面将更详细地解释设置电阻值R2和R3的方法。当所述掩蔽比N的温度特性是负的时，如图4中的曲线a所示（即，所述掩蔽比N随着温度增大而减小），所述比R2/R3应该被设置为与所述掩蔽比N的温度系数的斜率的绝对值（正号）相等。用这个方式，所述感测电压Vsens的正的温度特性能够被抵消。

图5中的曲线a说明了图1所示的过流检测设备中的电阻器R2和R3的值已经被适当地设置为使得过流检测电平不取决于温度的情况。相反地，图5中的曲线b显示了用设备得到的所述过流检测电平的测量，在所述设备中，如图1所示的所述过流检测设备的晶体管6已经被除去，且所述温度检测端子5不被连接到所述比较器8的负输入端子。如图5中的曲线a所示，根据这个实施例，所述过流检测电平受到所述开关元件1的半导体结点部分的结点温度的变化的非常小的影响。

第二实施例

现在参考图2，下面将解释根据第二实施例的过流检测设备。图2是显示了根据第二实施例的过流检测设备的电路图。考虑到第一和第二实施例之间的相似性，第二实施例中与第一实施例的部分相同的部分将被赋予与第一实施例的部分相同的参考编号。此外，为了简洁，第二实施例中与第一实施例的部分相同的部分的说明会被省略。

在所述第一实施例中，假定组成所述电流转换元件6的PNP晶体管的基极和发射极之间的电压Vbe不取决于温度，因此，所述基极-发射极电压Vbe不出现在等式3中。然而，有些时候，所述电流转换元件6的基极-发射极电压Vbe会响应于除了所述开关元件1的结点温度Tj之外的环境温度而变化。因此，在此第二实施例中，可变电压装置被用作基准电源7，以便补偿所述电流转换元件6的基极-发射极电压Vbe的温度特性。此外，所述设备基本上与第一实施例相同，因此，所述部分的说明在这里被省略。

除了所述开关元件1的结点温度之外的温度的示例包括安装所述电流转换元件6的基板的温度。在这个实施例中，温度传感器10被用于检测所述基板的温度，而控制装置11修改所述基准电源7的参考电压Vcc，以便抵消所检测到的基板温度中的变化的影响。更具体地，所述控制装置11控制所述基准电源7的电压Vcc，使得所述电压Vcc随着传感器10检测到的温度的增大而减小。用这个方式，能够在不考虑由所述电流转换元件6的温度变化引起的特性波动的情况下检测过流。

第三实施例

现在参考图3，下面将解释根据第三实施例的过流检测设备。在这个实施例中，包括与过流转换元件6相同的PNP晶体管的电流转换元件9被用于减小所述电流转换元件6的环境温度的影响。所述电流转换元件9的基极端子被连接到基准电源7，其具有很小的温度依赖程度，且所述电流转换元件9的发射极端子被连接到参考电压点。所述电流转换元件9被安装在与电流转换元件6相同的基板上。

在这个实施例中，前面的等式2能够被修改为等式2'，如下所示，其中，Vref是基准电源7的电压，且Vbe（9）是连接到所述基准电源7的PNP晶体管9的基极和发射极之间的电压。

Iref=((Vref+Vbe(9))-Vbe-Vtemp)/R3    (2')

由于所述PNP晶体管9与组成所述电流转换元件6的PNP晶体管相同，并被安装在相同的基板上，所以，所述基极-发射极电压Vbe（9）和Vbe相等，且等式2'能够被重写为以下所示的等式2''。

Iref=(Vref-Vtemp)/R3       (2'')

简而言之，因为所述电流转换元件6的基极-发射极电压Vbe的影响通过提供所述电流转换元件9被抵消（消除）了，所以，能够得到不受所述电流转换元件6的温度特性影响的过流检测电路。

虽然仅有选中的实施例被挑选以说明本发明，本领域的技术人员从本公开可以明显看出，在不脱离附加的权利要求所定义的本发明的范围的情况下，能够作不同的改变和修改。一个实施例的结构和功能能够被另一个实施例所采用。不需要在特定的实施例中一次性呈现所有优势。每一个对现有技术来说独特的特征，单独或与其他特征相结合，都应该认为是本申请人的进一步的发明的独立说明，包括由这些特征实体化的结构和/或功能性概念。因此，根据本发明的所述实施例的说明仅仅是为了举例，而不是为了限制由附加的权利要求和它们的等价物所定义的本发明的范围。

Claims (5)

1.一种用于开关元件的过流检测设备，包括：

基准电源；

比较电路，其包括接收对应于在所述开关元件中流动的电流的电压的第一输入端子、以及接收从所述基准电源提供的参考电压的第二输入端子；

电流转换元件，串联连接在所述基准电源和所述比较电路的第二输入端子之间，所述电流转换元件将检测所述开关元件的温度的温度检测元件的电压转换为对应于所述温度检测元件的电压的电流；

第一电阻器，串联连接在所述基准电源和所述电流转换元件的发射极端子之间；以及

第二电阻器，串联连接在所述比较电路的第二输入端子和接地之间，

其中，所述第二电阻器的电阻值与所述第一电阻器的电阻值之间的比被设置为等于所述开关元件的掩蔽比的温度特性的斜率的绝对值，并使得所述比较电路的第二输入端子的输入电压的温度特性的斜率的符号与所述开关元件的掩蔽比的温度特性的斜率的符号相反，其中所述掩蔽比是所述开关元件的集电极电流Io与感测电流Is之比。

2.如权利要求1所述的过流检测设备，还包括：

电压调节装置，其根据所述电流转换元件的温度来调节所述基准电源的电压。

3.如权利要求2所述的过流检测设备，其中：

该电压调节装置包括可变电压装置、检测所述电流转换元件的温度的温度检测部件、和基于由所述温度检测部件检测到的所述电流转换元件的温度来控制所述可变电压装置的控制部件，所述控制部件还控制所述可变电压装置，使得可变电压装置的电压依照所述电流转换元件的温度的增大而减小。

4.如权利要求2所述的过流检测设备，其中：

所述电流转换元件包括PNP晶体管。

5.如权利要求4所述的过流检测设备，其中：

所述电压调节装置包括与所述电流转换元件的PNP晶体管相同的附加PNP晶体管，所述基准电源连接到所述附加PNP晶体管的基极，而所述电流转换元件的PNP晶体管的发射极连接到所述附加PNP晶体管的发射极。

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