CN104247190A - 切换电路保护器 - Google Patents

Abstract

一种切换电路保护器，在控制半导体装置(11)在PWM驱动状态操作以驱动负载(RL)的状态下，当由温度估计器(22)估计的切换电路的缆线的估计温度超过阈值温度(Tth)时，该切换电路保护器将设置在使电源(VB)与负载(RL)连接的切换电路中的半导体装置(11)从PWM驱动状态切换为DC驱动状态。因此，当在缆线中产生过电流时，估计温度超过阈值温度(Tth)以切断半导体装置(11)。因此，能够通过切换电路保护器确定地保护切换电路。

Description

切换电路保护器

技术领域

本发明涉及一种切换电路保护器，当在切换电路中产生过电流时，该切换电路保护器立即切断并且保护将电力供应到安装在车辆中的负载的切换电路。

背景技术

通常，用于控制安装在车辆中的负载的控制器配备有切换电路保护器，该切换电路保护器用于当在负载中引起过电流时立即切断切换电路。专利文献1公开了这样一种传统的切换电路保护器。根据在专利文献1中公开的传统实例的切换电路保护器被构造成通过基于在负载中流过的电流计算切换电路(包括将负载连接到电源的缆线，和半导体开关)产生的热量和放射的热量并测量外界温度来估计切换电路的温度，并当估计的温度等于或高于阈值值时切断切换电路，从而保护连接到切换电路的负载。

然而，当半导体开关由PWM(脉冲宽度调制)控制以运行所述负载时，如果在估计温度中引起误差，根据传统实例的切换电路保护器可能不能当缆线过热时适当地切断半导体开关。下面通过参考图1示出的时序图说明这样的情况。

在图1中，绘图(a)表示用于估计温度的采样周期，绘图(b)表示利用PWM驱动的半导体开关的接通/关断信号的时序，以及绘图(c)表示在缆线中流过的电流。缆线的温度重复一循环，如曲线P11所示，当接通时温度上升并且当关断时温度下降。换言之，缆线的温度当接通半导体开关时上升，当关断半导体开关时下降。从而，缆线的温度变化以重复接通/关断状态的循环。

当在缆线的估计温度中引起误差时，估计温度可能表示出低于缆线的实际温度的数值，如图1中的曲线P12所示。即，虽然缆线的实际温度(曲线P11)超过了阈值Tth，估计温度(曲线P12)可能下降到低于阈值Tth。在这样的温度下，保护器不能够切断半导体开关。结果，缆线的温度可能上升而后超过阈值温度Tth。

引用列表

专利文献

专利文献1：US 2010/0254059A1

发明内容

在根据传统实例的切换电路保护器中，基于在缆线中流过的电流和导通时间检测上升温度和下降温度，并且基于该上升温度和下降温度估计电缆的温度。从而，当由PWM控制半导体开关时，即使当在估计温度中引起误差时缆线的温度超过了阈值温度Tth，切换电路保护器也不能够切断半导体开关。

鉴于上述问题作出本发明。本发明的目的是提供一种切换电路保护器，该切换电路保护器能够通过可靠地检测电路的温度的上升来切断切换电路，该切换电路控制半导体开关在PWM驱动状态下运行以驱动负载。

为实现该目的，根据本发明的第一方面的切换电路保护器保护将电源连接到负载的切换电路免于生热，该切换电路保护器包括：半导体开关，该半导体开关设置在所述切换电路中，以将所述负载从驱动状态切换到停止状态；电流传感器，该电流传感器用于检测在所述切换电路中流过的电流；控制器，该控制器被构造成当接收到驱动输入信号时，控制所述半导体开关以在PWM驱动状态下操作；温度估计器，基于在所述切换电路中流过的所述电流和所述电流的导通时间，该温度估计器估计所述切换电路的缆线的温度作为估计温度；异常判定器，当所述估计温度超过预定的阈值温度时，该异常判定器将关断指令输出到所述半导体开关；以及过电流判定器，该过电流判定器判定由所述电流传感器检测到的所述电流是否超过预定的阈值电流。当所述过电流判定器判定所述电流超过所述阈值电流时，所述控制器将所述半导体开关从所述PWM驱动状态改变为DC直流驱动状态。

所述控制器被构造成在所述过电流判定器判定为所述电流超过所述阈值电流之后，当所述电流下降到低于所述阈值电流时，控制所述半导体开关，以从所述DC驱动状态返回到所述PWM驱动状态。

在根据本发明的第一方面的切换电路保护器中，在控制半导体开关在PWM驱动状态下操作以驱动负载的状态下，一旦估计温度超过阈值温度，半导体开关从PWM驱动状态切换到DC驱动状态。因此，当产生过电流时，估计温度超过阈值温度，使得半导体开关由切换电路保护器切断。因此，切换电路保护器能够确定地保护切换电路和负载。

此外，当在负载中流过的电流下降到低于阈值电流时，可以控制半导体开关从DC驱动状态切换到PWM驱动状态。在这样的情况下，能够防止半导体开关被当接通半导体开关时引起的涌入电流或噪声的作用所影响。

附图说明

图1是示出在根据传统实例的切换电路保护器中的每个信号变化的时序图；

图2是示出包括根据实施例的切换电路保护器的负载驱动电路的电路图；

图3是示出根据实施例的切换电路保护器的过程操作的流程图；

图4是示出在根据实施例的切换电路保护器中的每个信号变化的时序图。

具体实施方式

以下，将通过参考附图说明本发明的实施例。

(构造说明)

图2是示出根据实施例的配备有切换电路保护器的负载驱动装置的构造的框图。如图2所示，负载驱动装置100包括：半导体装置11，该半导体装置11设置在电源VB与负载RL之间，以将负载RL从驱动状态切换到停止状态；以及控制器12，该控制器12控制半导体装置11的接通/关断状态。

半导体装置11包括诸如MOSFET这样的半导体开关，该半导体装置11根据从控制器12中输出的PWM(脉冲宽度调制)信号操作，以将电力供给到负载RL。半导体装置11包括诸如分流电阻器这样的电流传感器11a，该电流传感器11a将由电流传感器11a检测的电流信号输出到控制器12。

控制器12包括：三个连接到外部装置的连接端子N1、N2和N3；驱动信号发生器21；温度估计器22；异常判定器23；过电流判定器24；反相器25；以及与门26。

当从外部开关等提供了输入信号时驱动信号发生器21生成PWM信号，并且将生成的PWM信号输出到与门26。当从过电流判定器24提供了DC驱动指令信号时，驱动信号发生器21将PWM信号改变成DC信号，并且然后将该DC信号输出到与门26。

温度估计器22通过基于电流传感器11a检测的电流值和电流的导通时间的下文描述的方法估计切换电路的缆线的温度。

当由温度估计器22估计的缆线温度超过预定的阈值温度时，异常判定器23输出温度异常信号。即，异常判定器23将输出信号由低电平变成高电平。反相器25在将信号反转之后输出输入信号。即，当处于高电平的信号作为温度异常信号从异常判定器23中输出时，反相器25将高电平信号反转成低电平信号。

当由电流传感器11a检测的电流值超过预定的阈值电流Ith时，过电流判定器24将DC驱动指令信号输出到驱动信号发生器21。

当驱动信号发生器21的输出信号与反相器25的输出信号二者都位于高电平时，与门26输出位于高电平的信号。

(缆线温度的估计过程)

接下来，下文说明由温度估计器22估计缆线温度的过程。

首先，说明增加的温度的计算过程。当电流在连接到负载RL的缆线中流过时，能够根据下面的公式(1)计算缆线中消耗的功率：Pcin(瓦特)，

Pcin＝rc I²，...(1)

其中rc是缆线的阻抗(欧姆)，并且I是在缆线中流过的电流(安培)。

此外，能够根据下面的公式(2)计算每单位时间从缆线释放的能量：Pcout(瓦特)，

Pcout＝Qc(n-1)/(Cth Rth)，...(2)

其中Rth是缆线的热阻抗(摄氏度/瓦特)，Cth是缆线的热容量(焦耳/摄氏度)，并且Qc(n-1)是最终采样之后缆线的热量的最终值(焦耳)。

此外，基于公式(1)和(2)计算差值(Pcin-Pcout)，而后将该差值乘以在最近的采样之后经过的时间：dt(秒)。从而，能够计算在最近采样之后当前生成的热量或者放射的热量。因此，能够利用下面的公式(3)计算在最近采样之后当前在缆线中储存的热量：Qc(n)(dt)(焦耳)，

Qc(n)(dt)＝Qc(n-1)+(Pcin-Pcout)dt。...(3)

此外，能够通过将热量Qc(n)(dt)除以热容量Cth来计算缆线的增加的温度：dT(dt)(摄氏度)。即，能够利用下面的公式(4)计算增加的温度dT(dt)＝Qc(n)(dt)/Cth。...(4)

然后，将由公式(4)计算的dT(dt)加上根据最后采样而计算的最终估计温度(在初始阶段中，外界温度)，使得能够计算在最近采样之后当前的估计温度。

(操作说明)

通过参考图3中所示的流程图说明根据实施例的切换电路保护器的操作。

首先，在步骤S11中，驱动信号发生器21检测是否接通输入信号。当输入信号关断时(在步骤S11中为否)，驱动信号发生器21在步骤S15中将驱动信号关断。即，驱动信号发生器21不输出驱动信号(使输出信号为低电平)。

当接通输入信号时(步骤S11中为是)，根据由电流传感器11a检测的电流值，过电流判定器24判定在缆线中流过的电流是否超过了阈值电流Ith。当过电流判定器24判定为电流未超过阈值电流Ith时；即，判定在缆线中未产生过电流时(在步骤S12中为否)，在步骤S13中过电流判定器24将PWM信号的输出指令输出到驱动信号发生器21。即，当缆线中流过的电流是正常电流时，利用PWM控制半导体装置11以驱动负载RL。

当过电流判定器24判定电流超过阈值电流时；即，判定在缆线中产生了过电流时(在步骤S12中为是)，在步骤S14中过电流判定器24将DC信号的输出指令输出到驱动信号发生器21。因此，从驱动信号发生器21输出的驱动信号从PWM信号切换到DC信号。因此，使半导体装置11转换到DC驱动状态，即，保持在接通状态，使得半导体装置11将电力供应到负载RL。

接下来，通过参考图4示出的时序图进一步说明上文描述的操作。在图4中，绘图(a)表示控制器12的采样周期，绘图(b)表示半导体装置11的接通/关断信号，绘图(c)表示在切换电路中流过的电流，以及绘图(d)表示由温度估计器22估计的缆线的估计温度。

一旦PWM信号从驱动信号发生器21中输出，并且因此半导体装置11处于PWM驱动状态，如绘图(b)所示，半导体装置11在时间t1处接通。然后，如绘图(c)所示，与半导体装置11的接通状态相关联地，电流开始在切换电路的缆线中流过。随后，当在切换电路中流过的电流超过预定的阈值电流Ith时，过电流判定器24判定产生了过电流，并且驱动信号发生器21将输出信号从PWM信号变为DC信号。

因此，控制半导体装置11以在DC驱动状态中操作。从而，虽然如果维持了PWM驱动，半导体装置11应该在时间t3处关断，但是由于转换到DC驱动状态，半导体装置11在时间t3保持在接通状态下。

在时间t2温度估计器22开始估计缆线的温度，这是在时间t1之后的第一个采样时刻，并且估计的温度如绘图(d)所示地逐渐增加。估计的温度超过时间t3继续增加，并且在时间t4到达阈值温度Tth。因此，异常判定器23检测到缆线的温度异常，并从而将输出信号由低电平改变为高电平。

结果，与门26的输出信号从高电平转换为低电平，并且半导体装置11由此关断。由于当过电流判定器24判定在切换电路中流过的电流超过了阈值电流Ith时半导体装置11从PWM驱动状态转换到DC驱动状态，由温度估计器22估计的缆线的温度继续增加，而后到达了阈值温度Tth，并且结果，使半导体11切断。

当由电流传感器11a检测到的电流值减小而后下降到低于阈值电流Ith时，过电流判定器24将输出到驱动信号发生器21的信号从DC驱动指令改变为PWM驱动指令。因此，半导体装置11再次转换到PWM驱动状态，从而利用正常的操作驱动负载RL。

因此，在根据实施例的切换电路保护器中，电流传感器11a检测在切换电路中流过的电流，并且当电流超过阈值电流Ith时，半导体装置11被控制在DC驱动状态下操作。因此，在根据实施例的切换电路保护器中，即使当如在背景技术中描述的情况那样在缆线的实际温度与估计温度之间产生了误差，所述估计温度随时间增加，而后超过阈值温度Tth。因此，能够确定地切断半导体装置11，并且能够保护切换电路和负载RL免于过热。

例如，当在切换电路中产生了完全短路电路时，以切断半导体装置11的方式计算缆线的估计温度。因此，能够保护切换电路免于由于完全短路电路而生热。

此外，由于当在缆线中产生过电流时半导体装置11转换到DC驱动状态，能够减少半导体装置11在过电流状态下的切换次数。因此，能够减小对半导体装置11的损坏。

此外，当在半导体装置11转换到DC驱动状态之后，在缆线的估计温度超过阈值温度Tth之前，电流减小并下降到低于阈值电流Ith时，半导体装置11再次转换到PWM驱动状态，以返回到正常操作。即使当在接通半导体装置11时引起的涌入电流的情况下或在诸如噪声的短时过电流的情况下，半导体装置11未切断，并且半导体装置11一度转换到DC驱动状态时，半导体装置1能够相应地返回到PWM驱动状态。从而，能够驱动半导体装置11而不会意外切断半导体装置11。

虽然以上说明了根据实施例的切换电路保护器，但本发明不限于其描述，并且能够用具有同样功能的任意构造替代各个构造。

工业适用性

本发明能够用于保护驱动负载的切换电路免于过热。

Claims (2)

1.一种切换电路保护器，该切换电路保护器用于保护将电源连接到负载的切换电路免于生热，该切换电路保护器包括：

半导体开关，该半导体开关设置在所述切换电路中，以将所述负载从驱动状态切换到停止状态；

电流传感器，该电流传感器用于检测在所述切换电路中流过的电流；

控制器，该控制器被构造成当接收到PMW驱动输入信号时，控制所述半导体开关以在PWM驱动状态下操作；

温度估计器，基于在所述切换电路中流过的所述电流和所述电流的导通时间，该温度估计器估计所述切换电路的缆线的温度作为估计温度；

异常判定器，当所述估计温度超过预定的阈值温度时，该异常判定器将关断指令输出到所述半导体开关；以及

过电流判定器，该过电流判定器判定由所述电流传感器检测到的所述电流是否超过预定的阈值电流，其中

当所述过电流判定器判定所述电流超过所述阈值电流时，所述控制器将所述半导体开关从所述PWM驱动状态改变为DC驱动状态。

2.根据权利要求1所述的切换电路保护器，其中，

所述控制器被构造成在所述过电流判定器判定为所述电流超过所述阈值电流之后，当所述电流下降到低于所述阈值电流时，控制所述半导体开关，以从所述DC驱动状态返回到所述PWM驱动状态。