CN103782517A - 负载电路的控制器 - Google Patents

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Abstract

两个半导体开关(Q1，Q2)并联连接到用于连接电源与负载的负载电路中。半导体开关(Q1，Q2)受到控制以便交替地导通和断开。结果，因为电流仅流到半导体开关(Q1，Q2)中的任一个，所以通过电流传感器(12，22)检测到的偏移误差是任一个半导体开关的偏移误差，并且能够以高精度检测电流。因此，当流过负载的电流变得过大时，进行控制以切断电路，可以实现高精度的切断控制。

Description

负载电路的控制器
技术领域
本发明涉及一种用于利用多个半导体开关来控制负载电路导通/断开状态的控制器。
背景技术
在诸如电动机或灯的车载负载中，负载的驱动和停止通过切换诸如FET的半导体开关的导通和断开状态进行控制，该半导体开关例如置于相关负载与蓄电池之间。对于提供有大电流的车载负载的负载电路，提出了设置并联连接的多个半导体开关且通过相同控制信号来控制半导体开关的技术，从而分散流过负载电路的电流以减少流过每个半导体开关的电流，因而限制热产生(参见专利文献1)。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP 2001-310720A
发明内容
然而，在专利文献1中公开的现有实例中，由于构成每个半导体开关的相应元件的变化，在流过相应半导体开关的电流中产生偏差，从而引起了某个半导体开关的发热值可能增加的问题。
为了解决上述问题，因此，本发明目的在于提供负载电路的控制器，该负载电路的控制器能够均衡并联连接的半导体开关的各个发热值。
为了达到以上目的，根据本发明的第一方面提供了一种负载电路的控制器，该负载电路将电源与负载连接，该控制器包括：多个半导体开关，该多个半导体开关并联布置并且配置成：通过切换所述半导体开关的导通和断开状态，来控制所述负载的驱动和停止；电流传感器，该电流传感器为所述半导体开关分别设置以检测流过所述半导体开关的电流；以及控制单元，该控制单元配置成将控制信号输出到所述半导体开关，使得当驱动指令信号输入到所述控制单元时，在关于每个所述半导体开关的不同导通时间区域和不同断开时间区域中，使所述半导体开关导通和断开；并且该控制单元配置成基于由所述电流传感器检测到的所述电流来切断所述半导体开关。
由于并联连接的半导体开关布置于负载电路中并且半导体开关的导通时间区域和断开时间区域分别设置，所以可以减少在电流传感器中固有的偏移误差影响，允许高精度的电流检测。因此，如果过电流流过负载电路，则控制器能够立即检测到这样的情况并切断负载电路。
电流传感器可配置成利用运算放大器来产生与流过所述半导体开关的所述电流成比例的参考电流，从而基于所产生的所述参数电流来检测流过所述半导体开关的所述电流。
由于电流传感器包括运算放大器并且利用运算放大器产生与流过半导体开关的电流成比例的参考电流，以基于所产生的参考电流来检测流过半导体开关的电流，所以可以提高检测电流的精度。
控制单元可配置成设定所述半导体开关的各个导通时间区域和断开时间区域，使得所述半导体开关中任何一个半导体开关导通。
由于半导体开关控制为使得它们中的任何一个导通，所以可以减少存在于电流传感器中的偏移误差影响，允许以高精度检测电流。
控制单元可配置成：依次设定所述半导体开关的各个导通时间区域，并且还设定所述半导体开关的所述导通时间区域和各个断开时间区域，使得在当前时间将导通的所述半导体开关的所述导通时间区域略微重叠在下一个时间将导通的所述半导体开关的所述导通时间区域。
由于在当前时间将导通的半导体开关断开之前，在下一个时间将导通的半导体开关导通，所以略微重叠的时间存在于将半导体开关切换为导通时，使得噪声产生能够减少。
附图说明
图1是示出设置有根据本发明的实施例的控制器的负载电路的说明图。
图2是等效地示出存在于根据实施例的控制器的各个配线中的电阻的说明图，还示出两者都处于断开状态下的第一半导体开关(Q1)和第二半导体开关(Q2)。
图3是等效地示出存在于根据实施例的控制器的各个配线中的电阻的说明图，还示出两者都处于导通状态下的第一半导体开关(Q1)和第二半导体开关(Q2)。
图4是等效地示出存在于根据实施例的控制器的各个配线中的电阻的说明图，还示出处于断开状态下的第一半导体开关(Q1)和处于导通状态下的第二半导体开关(Q2)。
图5是等效地示出存在于根据实施例的控制器的各个配线中的电阻的说明图，还示出处于导通状态下的第一半导体开关(Q1)和处于断开状态下的第二半导体开关(Q2)。
图6是示出设置于根据实施例的控制器中的电流传感器的配置的电路图。
图7是示出根据实施例的控制器的各个半导体开关的导通时间区域和断开时间区域的时序图。
图8是示出根据实施例的控制器的各个半导体开关的温度上升的特性示意图。
图9是示出当在根据实施例的控制器中适当地建立半导体开关的导通/断开时间时的各个半导体开关的导通时间区域、断开时间区域以及温度变化的时序图。
图10是示出根据实施例的修改例的控制器的各个半导体开关的导通时间区域和断开时间区域的时序图。
具体实施方式
下文中，将参考附图描述根据本发明的实施例。
如图1所示，根据实施例的控制器100布置在蓄电池VB与负载RL之间以控制负载RL的导通/断开状态，并且包括：每个都并联连接的第一半导体开关电路11和第一半导体开关电路21；控制单元31；以及相加电路32。
第一半导体开关电路11由一个半导体芯片形成，并且包括：由MOSFET构成的第一半导体开关Q1；和第一电流传感器12，该第一电流传感器12用于检测流过第一半导体开关Q1的电流。第一半导体开关Q1的漏极通过端子TB11连接到蓄电池VB。第一半导体开关Q1的源极通过端子TB12连接到诸如电机或灯的负载RL。第一半导体开关Q1的栅极通过端子TB13(虽然图中省略TB13与Q1之间的连接线)连接到控制单元31。第一电流传感器12通过端子TB14连接到相加电路32。
半导体开关电路21由一个半导体芯片形成，并且包括：由MOSFET构成的第二半导体开关Q2；和第二电流传感器22，该第二电流传感器22用于检测流过第二半导体开关Q2的电流。第二半导体开关Q2的漏极通过端子TB21连接到蓄电池VB。第二半导体开关Q2的源极通过端子T22连接到负载RL。第二半导体开关Q2的栅极通过端子TB23(虽然图中省略TB23与Q2之间的连接线)连接到控制单元31。第二电流传感器22通过端子TB24连接到相加电路32。相加电路32的输出端子连接到控制单元31。
如图2所示，在将蓄电池VB与第一半导体开关电路11连接的配线(图1中VB与TB11之间的配线)中存在电阻Ra1，在第一半导体开关电路11与负载RL之间(图1中TB12与RL之间的配线)存在电阻Ra2，并且在第一半导体开关Q1中存在导通电阻Rafet。同样地，在将蓄电池VB与第二半导体开关电路21连接的配线(图1中VB与TB21之间的配线)中存在电阻Rb1，在第二半导体开关电路21与负载RL之间(图1中TB22与RL之间的配线)存在电阻Rb2，并且在第二半导体开关Q2中存在导通电阻Rbfet。
接着，将参考图6的电路图描述第一电流传感器12、第二电流传感器22和相加电路32的详细配置。如图6所示，第一半导体开关Q1包括多源极FET，该多源极FET包括第一主FET(Q1a)和第一次FET(Q1b)。第一和第二支线连接到第一主FET(Q1a)的源极。第一主FET(Q1a)的源极的第一支线经由图1所示端子TB12连接到负载RL。第一主FET(Q1a)的源极的第二支线连接到第一放大器AMP11的输入端子中的一个输入端子。此外，第一和第二支线连接到第一次FET(Q1b)的源极。第一次FET(Q1b)的源极的第一支线连接到由P型MOSFET构成的第三半导体开关Q11的源极。第一次FET(Q1b)的源极的第二支线连接到第一放大器AMP11的输入端子中的另一个输入端子。
第一放大器AMP11的输出端子连接到第三半导体开关Q11的栅极。第三半导体开关Q11的漏极经由感测电阻Rs接地。
第一放大器AMP11将控制信号输出到第三半导体开关Q11的栅极，使得第一主FET(Q1a)的源极电压变为等于第一次FET(Q1b)的源极电压。因此，流过第三半导体开关Q11的电流与流过第一半导体开关Q1的电流成比例。
第二半导体开关Q2构成多源极FET，该多源极FET包括第二主FET(Q2a)和第二次FET(Q2b)。第二主FET(Q2a)的源极连接到第二放大器AMP21的输入端子中的一个输入端子。第二次FET(Q2b)的源极连接到第二放大器AMP21的输入端子中的另一个输入端子。
第二放大器AMP21的输出端子连接到由P型MOSFET构成的第四半导体开关Q21的栅极。第四半导体开关Q21的源极连接到第二次FET(Q2b)。第四半导体开关Q21的漏极经由感测电阻Rs接地。
第二放大器AMP21将控制信号输出到第四半导体开关Q21的栅极，使得第二主FET(Q2a)的源极电压变为等于第二次FET(Q2b)的源极电压。因此，流过第四半导体开关Q21的电流与流过第二半导体开关Q2的电流成比例。
通过将流过第三半导体开关Q11的电流与流过第四半导体开关Q21的电流(参考电流)相加获得的相加电流流过感测电阻器Rs。因此，通过测量感测电阻器Rs两端间的电压，可以测量流过负载RL的电流。即，第一电流传感器12和第二电流传感器22利用运算放大器来产生与流过第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2的电流成比例的参考电流，然后基于所产生的参考电流来检测流过第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2的电流。感测电阻器Rs对应于图1所示的相加电路32。
基于通过将流过第二半导体开关Q2的电流Ib与流过第一半导体开关Q1的电流Ia相加获得的电流Ic，当电流Ic超过预定阈值时，图1所示的控制单元31使第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2断开以切断负载电路，从而执行控制以保护整个电路。或者，控制单元31基于电流Ic来估计负载电路的导线温度。然后，当所估计的温度超过阈值时，控制单元31切断负载电路以执行控制来保护整个电路免受过热。
根据实施例，通过交替地切换第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2的各个导通/断开状态，由于这些开关Q1和Q2中一个开关导通同时另一个开关断开，而使在流过第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2的电流中偏差受到限制。接着，下文中，将在两种情况下描述电流中的偏差：第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2同时导通以驱动负载RL(在传统方法中)；以及第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2交替地导通/断开以驱动负载RL(在实施例中)。
[使第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2同时导通的情况]
首先，我们现在描述在下述情况下的操作：通过将第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2同时导通，而使流过负载RL的电流分散到第一半导体开关电路11和第二半导体开关电路21。根据图2所示的等效电路，经过第一半导体开关电路11的电路的电阻(称为“Ra，，)能够由以下等式(1)表示：
Ra＝Ra1+Rafet+Ra2  (1)
同样地，经过第二半导体开关电路21的电路的电阻(称为“Rb，，)能够由以下等式(2)表示：
Rb＝Rb1+Rbfet+Rb2  (2)
因此，如图3所示，当将第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2同时导通时，电流Ia流过第一半导体开关电路11，同时电流Ib流过第二半导体开关电路21。由于电流Ia与电流Ib的比率(即，Ia/Ib)等于电阻的倒数比，所以得到等式“Ia/Ib＝Rb/Ra”。
此时，除非存在第一放大器AMP11与第二放大器AMP21之间的偏移误差，图6中的第一电流传感器12和第二电流传感器22将检测在第一半导体开关Q1两端之间以“Vafet＝Rafet×Ia”表示的电压Vafet和在第二半导体开关Q2两端之间以“Vbfet＝Rbfet×Ib”表示的电压Vbfet。然而，实际上，因为事实上偏移误差Vaoffset和Vboffset存在于第一放大器AMP11和第二放大器AMP21中，所以将检测到由以下等式(3)和(4)表示的相应电压Vafet和Vbfet：
Vafet＝Rafet×Ia+Vaoffset  (3)
Vbfet＝Rbfet×Ib+Vboffset  (4)
因此，电流Ia、Ib的各个测量值Iasens、Ibsens将通过以下等式(5)、(6)检测：
Iasens＝(Vafet/Rafet)＝Ia+Vaoffset/Rafet  (5)
Ibsens＝(Vbfet/Rbfet)＝Ib+Vboffset/Rbfet  (6)
如果流过负载RL的电流由Ic表示，则利用通过将等式(6)与等式(5)相加而获得的以下等式(7)来检测测量值Icsens，如下：
Icsens＝Ic+Vaoffset/Rafet+Vboffset/Rbfet  (7)
从等式(7)可以看出，如果通过将第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2同时导通来将电流施加于负载RL，则第一电流传感器12和第二电流传感器22的偏移误差分量将添加到电流Ic从而被固有地测量。此外，从等式(7)应当注意，电阻Rafet、Rbfet的相应值变得越小，偏移误差(对于电流Ic)的影响变得越大。因此，如果使电阻Rafet、Rbfet的值更小以抑制第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2的热产生，即，焦耳生热“Rafet×Ia2+Rbfet×Ib2”，则偏移误差的影响会进一步增强。
[使第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2交替地导通的情况]
接着，我们描述在下述情况下的操作：通过使第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2交替地导通，而将电流提供给负载RL。在这种情况下，第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2以这样一种方式被控制：当第一半导体开关Q1导通时，第二半导体开关Q2处于断开时间区域内，而当第一半导体开关Q1断开时，第二半导体开关Q2处于导通时间区域内，如图7所示。
然后，当第一半导体开关Q1为导通时(参见图5)，流过负载RL的电流Ic的测量值Icsens由以下等式(8)表示，而当第二半导体开关Q2为导通时(参见图4)，流过负载RL的电流Ic的测量值Icsens由以下等式(9)表示。
Icsens＝Ic+Vaoffset/Rafet  (8)
Icsens＝Ic+Vboffset/Rbfet  (9)
从等式(8)和(9)可以发现，当交替地操作第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2时，仅产生一个电流传感器的误差。
因此，应当理解，使半导体开关中的任一个导通仅能够减小放大器所具有的偏移误差的影响。
此外，由于不一定存在第一半导体开关Q1具有与第二半导体开关Q2的导通电阻相同的导通电阻的情况，所以如果第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2的导通时间区域及其断开时间区域均匀地建立，则在各个半导体开关的发热值中可能发生偏差，引起任一半导体开关的温度上升变大的问题。
根据实施例，根据每个半导体开关的温度升高的容易性来执行对导通时间区域和断开时间区域控制，使得第一半导体开关Q1的温度等于第二半导体开关Q2的温度。具体地，对于其温度易于升高的半导体开关，将导通时间区域设定为较短。相反地，对于其温度难以升高的半导体开关，将导通时间区域设定为较长。
关于判断温度是否易于升高，可以采用以下各种方法：使用半导体开关的电阻和热阻的理论值；在设计基板之后取得样本的实际测量值，并且随后基于所取得的实际测量值来判断容易性；在装运之前的检验时关于每个产品测量温度上升的程度；等等。
例如，如图8所示，如果由于在一定的时间周期内通电，第一半导体开关Q1的温度变为T1，而第二半导体开关Q2的温度变为比T1更高的T2，则通过将第一半导体开关Q1的导通时间设定为t1，同时将第二半导体开关Q2的导通时间设定为t2(t2＜t1)，如图9(a)和9(b)所示，而使第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2的温度均匀化。具体地，如图9(c)所示，第一半导体开关Q1的温度随着曲线p1所示的温度升降的重复而变化，同时第二半导体开关Q2的温度随着曲线p2所示的温度升降的重复而变化。因此，由于各温度将收敛于温度T1和T2的平均值，所以可以均衡第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2的温度。
因此，在根据实施例的负载电路的控制器100中，第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2彼此并联布置，而且被控制成使得第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2中的任一个导通。因此，即使当偏移误差存在于第一电流传感器12的第一放大器AMP11和第二电流传感器22的第二放大器AMP21这两者中时，也可以减少偏移误差的影响。出于这个原因，控制器能够以高精度检测电流。因此，当基于所检测的电流值进行对切断第一半导体开关电路11和第二半导体开关电路21的控制时，能够实现高精度的截止控制。
而且，即使在第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2的导通电阻中存在变化，通过适当地设定第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2的导通时间区域和断开时间区域，变得可以均衡整个装置的温度。
[修改例的描述]
接着，将描述上述实施例的修改例。在上述实施例中，如图7所示，半导体开关的操作控制成使得一个半导体开关导通，同时另一个半导体开关被断开。根据修改例，如图10(a)和图10(b)所示，半导体开关的操作控制成使得，将第一半导体开关Q1从其断开状态切换到导通状态的定时略早于将第二半导体开关Q2从其导通状态切换到断开状态的定时达时间Δt。即，在两个半导体开关的各个导通时间区域之间设置有略微重叠的时间段。
根据这样的结构，在使各个半导体开关导通/断开时可以减少噪声。
上文中，已经基于所示实施例描述了本发明的负载电路的控制器。然而，本发明并不仅限于所述实施例，相应部分的结构可分别利用具有相似功能的任何结构来代替。
在上述实施例中，例如，我们已经描述了将第一半导体开关电路11和第二半导体开关电路12并联连接且控制所述操作使得第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2交替地导通的一个实例。然而，本发明并不限于此，通过设置三个以上半导体开关电路并且各个半导体开关电路的半导体开关依次导通的配置，可以实现与以上相似的效果。
工业实用性
本发明可用于在利用多个半导体开关来驱动负载的情况下防止电流的偏差。

Claims (4)

1.一种负载电路的控制器，该负载电路将电源与负载相连接，该控制器包括：
多个半导体开关，该多个半导体开关并联布置并且配置成：通过切换所述半导体开关的导通和断开状态，来控制所述负载的驱动和停止；
为所述半导体开关分别设置的电流传感器，以检测流过所述半导体开关的电流；以及
控制单元，该控制单元配置成将控制信号输出到所述半导体开关，使得当驱动指令信号输入到所述控制单元时，在相对于每个所述半导体开关的不同导通时间区域和不同断开时间区域中，使所述半导体开关导通和断开；并且该控制单元配置成基于由所述电流传感器检测到的所述电流，切断所述半导体开关。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中
所述电流传感器被配置成：利用运算放大器来产生与流过所述半导体开关的所述电流成比例的参考电流，从而基于所产生的所述参数电流来检测流过所述半导体开关的所述电流。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中
所述控制单元被配置成：设定所述半导体开关的各个导通时间区域和断开时间区域，使得所述半导体开关中的任何一个半导体开关导通。
4.根据权利要求1所述的控制器，其中
所述控制单元被配置成：依次设定所述半导体开关的各个导通时间区域，并且还设定所述半导体开关的所述导通时间区域和各个断开时间区域，使得在当前时间将导通的所述半导体开关的所述导通时间区域略微重叠在下一个时间将导通的所述半导体开关的所述导通时间区域。
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