CN102280869A - 开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种开关装置，其包括：开关元件；以及限流电路，其在流过开关元件的电流超过短路检测阈值时限制流过开关元件的电流。限流电路限制流过开关元件的电流，直到流过开关元件的电流变得等于或小于电流限制取消阈值为止，其中，该电流限制取消阈值小于短路检测阈值。

Description

开关装置
技术领域
本发明涉及一种包括开关元件和限流电路的开关装置，其中，该限流电路在出现负载短路时限制流过开关元件的电流。
背景技术
包括开关元件和限流电路的开关装置是众所周知的。这样的开关装置中的限流电路起在出现负载短路时限制流过开关元件的电流的作用。例如，JP-B-3125622公开了一种如这样的开关装置的半导体装置。
在以上专利文献中所公开的半导体装置包括智能功率模块和驱动器。智能功率模块包括IGBT(绝缘栅双极晶体管)、电流检测器以及过电流限制电路。驱动器包括过电流保护电路和驱动电路。
过电流限制电路在电流检测器的输出电压超过预定工作电压时将栅极电压逐步减低到预定电平，由此限制流过IGBT的电流。在从电流检测器的输出电压超过预定工作电压经过预定时间之后，过电流保护电路关断IGBT。过电流限制电路的工作电压被设置为比过电流保护电路的工作电压高的电平。
当连接到IGBT的负载短路时，在IGBT导通时过度的短路电流迅速地流过IGBT。当电流检测器的输出电压超过工作电压时，过电流限制电路限制流过IGBT的电流。在从电流检测器的输出电压超过工作电压起经过预定时间之后，过电流保护电路关断IGBT。换句话说，首先限制流过IGBT的电流，然后关断IGBT。因此，当出现负载短路时，保护IGBT。
如上所述，当电流检测器的输出电压超过过电流限制电路的工作电压时，过电流限制电路限制流过IGBT的电流。当限制了流过IGBT的电流时，电流检测器的输出电压降低。然后，当电流检测器的输出电压变得等于或低于过电流限制电路的工作电压时，过电流限制电路取消对流过IGBT的电流的限制。取消对电流的限制导致流过IGBT的电流的增大，这又增大了电流检测器的输出电压。然后，当电流检测器的输出电压超过过电流限制电路的工作电压时，过电流限制电路再次限制流过IGBT的电流。
以此方式，交替地重复对流过IGBT的电流的限制和限制取消，直到过电流限制电路关断IGBT为止。这样的情况的出现将引起IGBT的损耗。如果损耗超过能量容限，则IGBT将不能被保护免受过电流，而是将损坏。
发明内容
实施例提供了一种开关装置，其能够防止对流过开关元件的电流的限制和限制取消的交替重复，并且以在出现负载短路的情况下启动的保护操作可靠地保护开关元件免受短路。
作为实施例的方面，提供了一种开关装置，其包括：开关元件；以及限流电路，其在流过开关元件的电流超过短路检测阈值时限制流过开关元件的电流，其中，该限流电路限制流过开关元件的电流，直到流过开关元件的电流变得等于或小于电流限制取消阈值为止，其中，该电流限制取消阈值小于短路检测阈值。
附图说明
在附图中：
图1是示出根据本发明实施例的开关装置的电路图；
图2A和图2B示出了在出现负载短路时开关装置中的IGBT的集电极电流波形和栅极电压波形；
图3示出了在出现过电流时IGBT的集电极电流波形；以及
图4是示出应用了该实施例的逆变器装置的电路图。
具体实施方式
参照附图，在下文中将描述本发明的实施例。首先，参照附图1，描述根据实施例的开关装置的配置。图1是示出根据实施例的开关装置的电路图。
图1中所示的开关装置1通过基于从外部输入的驱动信号导通/关断开关元件，控制流过负载L1的电流。开关装置1包括IGBT(绝缘栅双极晶体管)10(开关元件)、电流检测电路11、短路电流限制电路12(限流装置)、过电流保护电路13(过电流保护装置)以及驱动电路14。
IGBT 10是通过导通/关断来控制流过负载L1的电流的元件。IGBT10还用作在出现负载短路时限制流过负载L1的电流的元件。IGBT 10设置有电流流过的电流感测端子，电流与集电极电流成比例并且小于集电极电流。IGBT 10具有连接到负载L1的一端的集电极。负载L1的另一端连接到驱动电源。IGBT 10具有接地的发射极和经由栅极电阻器100连接到驱动电路14的栅极。电流感测端子连接到电流检测电路11。
电流检测电路11检测IGBT 10的集电极电流。具体地，电流检测电路11输出与集电极电流对应的电压。电流检测电路11由电流感测电阻器110构成。电流感测电阻器110具有连接到IGBT 10的电流感测端子的第一端和接地的第二端。电流感测电阻器110的第一端还连接到限制电路12和过电流保护电路13。
短路电流限制电路12基于IGBT 10的集电极电流而检测负载短路，并且在出现负载短路时限制IGBT 10的集电极电流。当IGBT 10的集电极电流超过短路检测阈值时，限制电路12确定出现负载短路。在集电极电流已超过短路检测阈值之后，限制电路12将集电极电流限制为预定值(该预定值大于电流限制取消阈值而小于短路检测阈值)，直到集电极电流变得等于或小于电流限制取消阈值(该电流限制取消阈值小于短路检测阈值)为止。限制电路12包括短路检测阈值生成电路120(在下文中就称为“短路阈值电路120”)、电流限制取消阈值生成电路121(在下文中就称为“取消阈值电路121”)、阈值切换电路122、比较器123以及箝位电路124。
短路阈值电路120生成短路检测阈值。具体地，短路阈值电路120以电压形式输出短路检测阈值。短路检测阈值用于基于IGBT 10的集电极电流而确定负载L1中短路的出现。短路阈值电路120由串联连接的电阻器120a和120b构成。电阻器120a具有连接到电路电源的端，而电阻器120b具有接地端。串联连接的电阻器120a和120b之间的连接点连接到阈值切换电路122。由电阻器120a和120b分担的、电路电源的电压被输出作为短路检测阈值。
取消阈值电路121生成电流限制取消阈值。具体地，取消阈值电路121以电压形式输出电流限制取消阈值。在基于集电极电流而限制IGBT10的集电极电流之后，电流限制取消阈值用于确定对电流限制的取消。电流限制取消阈值被设置为小于短路检测阈值的值。取消阈值电路121被配置成还用作稍后将描述的过电流检测阈值生成电路130。
对于比较器123，阈值切换电路122基于比较器123的输出而切换短路阈值电路120和取消阈值电路121之间的连接。具体地，阈值切换电路122切换作为比较器123的比较基准的、短路检测阈值和电流限制取消阈值。
在IGBT 10的集电极电流超过短路检测阈值之前，阈值切换电路122将短路阈值电路120连接到比较器123。当IGBT 10的集电极电流超过短路检测阈值时，阈值切换电路122将取消阈值电路121连接到比较器123。
阈值切换电路122由开关122a和122b构成。开关122a是a触点(a-contact)开关，而开关122b是b触点(b-contact)开关。开关122a具有连接到串联连接的电阻器120a和120b之间的连接点的一端和连接到比较器123的另一端。开关122b具有连接到取消阈值电路121的一端和连接到比较器123的另一端。开关122a和122b具有连接到比较器123的控制端子。
比较器123是如下元件：其将电流检测电路11的输出电压与短路阈值电路120的输出电压或取消阈值电路121的输出电压进行比较。具体地，比较器123将IGBT 10的集电极电流与短路检测阈值或电流限制取消阈值进行比较。
在IGBT 10的集电极电流超过短路检测阈值之前，比较器123将电流检测电路11的输出电压与短路阈值电路120的输出电压进行比较。当IGBT 10的集电极电流超过短路检测阈值时，比较器123将电流检测电路11的输出电压与取消阈值电路121的输出电压进行比较。
比较器123具有连接到电流感测电阻器110的第一端的同相输入端子。比较器123具有连接到开关122a和122b中的每一个的端的反相输入端子。比较器123具有输出端子，该输出端子连接到开关122a和122b的控制端子并且连接到箝位电路124。
箝位电路124基于比较器123的输出而将IGBT 10的栅极电压(控制电压)固定为预定箝位电压。箝位电压被设置为如下电压：其允许IGBT10的集电极电流大于电流限制取消阈值而小于短路检测阈值。箝位电路124具有连接到比较器123的输出端子的输入端子。箝位电路124具有连接到栅极电阻器100的端的输出端子。
过电流保护电路13基于IGBT 10的集电极电流而检测过电流，并且关断IGBT 10。当IGBT 10的集电极电流连续超过小于短路电流检测阈值的过电流检测阈值预定时间间隔时，过电流保护电路13确定出现过电流，并且关断IGBT 10。过电流保护电路13包括上述的过电流检测阈值生成电路130(在下文中就称为“过电流阈值电路130”)、比较器131、延迟电路132以及故障输出电路133。
过电流阈值电路130生成过电流检测阈值。如上所述，过电流阈值电路130还用作取消阈值电路121以生成电流限制取消阈值。具体地，过电流阈值电路130以电压形式输出过电流检测阈值。过电流检测阈值用于基于IGBT 10的集电极电流而确定过电流的出现。过电流检测阈值被设置为小于短路检测阈值的值。
过电流阈值电路130由串联连接的电阻器130a和130b构成。电阻器130a具有连接到电路电源的端，而电阻器130b具有接地端。串联连接的电阻器130a与130b之间的连接点连接到开关122b的端和比较器131。由电阻器130a和130b分担的、电路电源的电压被输出作为过电流检测阈值。
比较器131是将电流检测电路11的输出电压与过电流阈值电路130的输出电压进行比较的元件。具体地，比较器131将IGBT 10的集电极电流与过电流检测阈值进行比较。比较器131具有连接到电流感测电阻器110的第一端的同相输入端子。比较器131具有连接到串联连接的电阻器130a与130b之间的连接点的反相输入端子。比较器131具有连接到延迟电路132的输出端子。
延迟电路132基于比较器131的输出而确定过电流状态的产生。当比较器131的输出连续处于高电平预定时间间隔时，延迟电路132确定IGBT10的集电极电流处于过电流状态。然后，延迟电路132将停止信号输出到驱动电路14并将警报信号输出到故障输出电路133。延迟电路132具有连接到比较器131的输出端子的输入端子。延迟电路132具有连接到故障输出电路133和驱动电路14的输出端子。
故障输出电路133基于从延迟电路132输出的警报信号而外部地通知过电流状态。故障输出电路133具有连接到延迟电路132的一个输出端子的输入端子。
驱动电路14基于来自外部的驱动信号而驱动IGBT 10。驱动电路14还用作如下电路：其用于基于从延迟电路132输出的停止信号而停止驱动IGBT 10。驱动电路14具有连接到延迟电路132的另一输出端子的输入端子和经由栅极电阻器100连接到IGBT 10的栅极的输出端子。
现在参照图1至图3，在下文中将描述开关装置1的操作。图2A和2B示出了在出现负载短路时IGBT 10的集电极电流波形和栅极电压波形。图3示出了在出现过电流时IGBT 10的集电极电流波形。
在图1中，当连接到IGBT 10的集电极的负载L1短路时，在IGBT10导通时过度的短路电流迅速流过IGBT 10。当电流检测电路11的输出电压超过过电流阈值电路130的输出电压时，处于低电平的比较器131输出变成高电平。具体地，如图2A和图2B所示，当IGBT 10的集电极电流超过过电流检测阈值时(t1)，图1中所示的比较器131的低电平输出变成高电平。
然后，当电流检测电路11的输出电压超过短路阈值电路120的输出电压时，处于低电平的比较器123的输出变成高电平。具体地，如图2A和图2B所示，当IGBT 10的集电极电流超过短路检测阈值时(t2)，图1中所示的比较器123的低电平输出变成高电平。
当比较器123的输出变成高电平时，箝位电路124将IGBT 10的栅极电压固定为预定箝位电压。结果，如图2A和图2B所示，IGBT 10的集电极电流被限制为预定值，其中，该预定值大于电流限制取消阈值而小于短路检测阈值。因此，IGBT 10被可靠地保护而无需使得取消短路检测。
在图1中，当比较器123的输出变成高电平时，阈值切换电路122使短路阈值电路120从比较器123断开，并且替代地将取消阈值电路121连接到比较器123。具体地，将IGBT 10的集电极电流的比较基准从短路检测阈值改变为小于短路检测阈值的电流限制取消阈值。更具体地，比较基准改变成过电流检测阈值。
如上所述，将IGBT 10的集电极电流限制为预定值，其中，该预定值大于电流限制取消阈值而小于短路检测阈值。另外，将IGBT 10的集电极电流的比较基准改变为小于短路检测阈值的电流限制取消阈值。因此，处于高电平的比较器123的输出将不会变成低电平。相应地，如图2A和图2B所示，IGBT 10的集电极电流由箝位电路124连续限制。以此方式，与传统技术不同，将不交替地重复对集电极电流的限制和限制取消。
此后，在图1中，当比较器131的输出的高电平状态持续了预定时间间隔时，延迟电路132确定IGBT 10的集电极电流处于过电流状态。然后，延迟电路132将停止信号输出到驱动电路14并且将警报信号输出到故障输出电路133。如图2A和图2B所示，在延迟电路132输出停止信号时，驱动电路14停止驱动IGBT 10(t3)。另外，在延迟电路132输出警报信号时，故障输出电路133外部地通知出现过电流状态。
另一方面，在图1中，在IGBT 10导通时过电流流过IGBT 10的情况下，集电极电流增大，但是该增大不像短路电路那样快。当电流检测电路11的输出电压超过过电流阈值电路130的输出电压时，处于低电平的比较器131的输出变成高水平。具体地，如图3所示，当IGBT 10的集电极电流超过过电流检测阈值时(t4)，图1中所示的比较器131的低电平输出变成高电平。
然后，在图1中，当比较器131的输出的高电平状态持续了预定时间间隔时，延迟电路132确定IGBT 10的集电极电流处于过电流状态。然后，延迟电路132将停止信号输出到驱动电路14并且将警报信号输出到故障输出电路133。如图3所示，在延迟电路132输出停止信号时，驱动电路14停止驱动IGBT 10(t5)。另外，在延迟电路132输出警报信号时，故障输出电路133外部地通知出现过电流状态。
由于IGBT 10的驱动在IGBT 10的集电极电流超过短路检测阈值之前停止，因此，集电极电流将不像在出现负载短路时那样被限制。
根据本实施例，在IGBT 10的集电极电流超过短路检测电流、随后变得等于或小于短路检测阈值的情况下，不取消对集电极电流的限制，除非集电极电流变得等于或小于电流限制取消阈值(该电流限制取消阈值小于短路检测阈值)。相应地，防止出现对集电极电流的限制和限制取消的交替重复。因此，防止IGBT 10由于超过能量容限的集电极电流而损坏。
根据本实施例，过电流检测阈值还用作电流限制取消阈值。因此，不需要单独提供电流限制取消阈值，由此简化了配置。
根据本实施例，IGBT 10的集电极电流被限制为预定值，其中，该预定值大于电流限制取消阈值而小于短路检测阈值。相应地，对集电极电流的限制可靠地持续而无需取消。因此，防止IGBT 10由于短路电流而损坏。
根据本实施例，在限制电流时，栅极电压由箝位电路124固定为预定箝位电压。将箝位电压设置为使得IGBT 10的集电极电流会大于电流限制取消阈值而小于短路检测阈值。因此，将IGBT 10的集电极电流可靠地限制为大于电流限制取消阈值而小于短路检测阈值的电流。
上述实施例涉及IGBT 10控制流过负载L1的电流的开关装置的示例。然而，电路配置不限于在以上实施例中所介绍的配置。
如图4所示，本发明可应用于逆变器装置2(电功率转换器)，其安装在车辆中来用于将电池B的DC(直流)功率转换成AC(交流)功率以提供给AC电动机M。逆变器装置2包括IGBT 20至24。在IGBT 20与IGBT 23之间、IGBT 21与IGBT 24之间、以及IGBT 22与IGBT 25之间建立串联连接。IGBT 20与IGBT 23的串联连接、IGBT 21与IGBT24的串联连接、以及IGBT 22与IGBT 25的串联连接是并联连接的。更具体地，本发明可应用于IGBT 23至25的开关电路。因此，在IGBT 20至22(负载)中出现短路时启动的保护操作中，防止出现对流过IGBT 23至25的集电极电流的限制和限制取消的交替重复。
在下文中，将总结上述实施例的多个方面。
为了解决上述问题，要求当检测到短路时，流过IGBT(绝缘栅双极晶体管)的电流可靠地保持在固定值处，以使得不会取消短路检测。
作为实施例的一方面，提供了一种开关装置，其包括：开关元件；以及限流电路，其在流过开关元件的电流超过短路检测阈值时限制流过开关元件的电流，其中，限流电路限制流过开关元件的电流，直到流过开关元件的电流变得等于或小于电流限制取消阈值为止，其中，该电流限制取消阈值小于短路检测阈值。
利用该配置，在流过开关元件的电流超过短路检测电流、随后变得等于或小于短路检测阈值的情况下，不取消对电流的限制，除非电流变得等于或小于电流限制取消阈值，其中，该电流限制取消阈值小于短路检测阈值。相应地，防止出现对电流的限制和限制取消的交替重复，以可靠地实现防止短路的保护。因此，防止开关元件由于会超过能量容限的电流而损坏。
开关装置还包括过电流保护电路，其在过电流状态持续了预定时间间隔时关断开关元件，其中，在过电流状态下，流过开关元件的电流超过小于短路检测阈值的过电流检测阈值。电流限制取消阈值是过电流检测阈值。
利用该配置，过电流检测阈值还用作电流限制取消阈值。因此，不需要单独提供电流限制取消阈值，从而简化了配置。
在开关装置中，限流电路将流过开关元件的电流限制为预定值，其中，该预定值大于电流限制取消阈值而小于短路检测阈值。
利用该配置，电流限制可靠地持续而无需取消。因此，防止开关元件由于短路电流而损坏。
在开关装置中，限流电路固定开关元件的控制电压以限制流过开关元件的电流。
利用该配置，可靠地限制流过开关元件的电流。
开关装置用在电功率转换器中，该电功率转换器安装在车辆中并转换功率。
利用电功率转换器安装在车辆中的这种配置，在上臂和下臂中出现短路的情况下启动的保护操作中，防止对流过开关元件的电流的限制和限制取消的交替重复。因此，防止开关元件由于会超过能量容限的电流而损坏。
应该理解，本发明不限于上述配置，而是本领域技术人员可想到的任何和全部变型、改变或等同方案应认为落入本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种开关装置，其包括：
开关元件；以及
限流电路，其在流过所述开关元件的电流超过短路检测阈值时限制流过所述开关元件的电流，其中，
所述限流电路限制流过所述开关元件的电流，直到流过所述开关元件的电流变得等于或小于电流限制取消阈值为止，其中，所述电流限制取消阈值小于所述短路检测阈值。
2.根据权利要求1所述的开关装置，还包括：
过电流保护电路，其在过电流状态持续了预定时间间隔时关断所述开关元件，其中，在所述过电流状态下，流过所述开关元件的电流超过小于所述短路检测阈值的过电流检测阈值，其中，
所述电流限制取消阈值是所述过电流检测阈值。
3.根据权利要求1所述的开关装置，其中，
所述限流电路将流过所述开关元件的电流限制为预定值，其中，所述预定值大于所述电流限制取消阈值而小于所述短路检测阈值。
4.根据权利要求3所述的开关装置，其中，
所述限流电路固定所述开关元件的控制电压以限制流过所述开关元件的电流。
5.根据权利要求1所述的开关装置，其中，
所述开关装置用在电功率转换器中，所述电功率转换器安装在车辆中并且转换功率。
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