CN105980866A - 用于测量电流的方法和电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电路装置，具有开关装置（1），所述开关装置被设计用于在开关周期的持续时间内在功率路径中提供第一电压（UE）和第一电流（IE）以及在测量路径中提供第二电压（US）和第二电流（IS），其中第一电流与第二电流相对应；具有电流测量设备（2），所述电流测量设备（2）布置在测量路径中并且被设计用于提供与第一电流相对应的输出信号（UM）；以及具有控制电路（3、4），所述控制电路（3、4）被设计用于在测量周期的持续时间内将电流测量设备激活，并且在测量周期结束后又将其去活。

Description

用于测量电流的方法和电路装置
技术领域
本发明涉及用于对测量路径中的电流进行电流测量的方法和电路装置，其中所述测量路径中的电流与功率路径中的电流相对应。本发明尤其涉及用于对于具有感测端子的晶体管进行电流测量的方法和电路装置。
背景技术
尽管本发明和本发明所基于的问题根据具有感测端子的IGBT（具有绝缘栅极电极的双极型晶体管）被阐述，但是本发明也可以应用于任意其它晶体管或者由晶体管组成的电路，其中设置感测端子。
出版物US 5,877,617A 公开一种电路装置，其中负载被馈送第一电流。所述第一电流经由功率路径中的第一晶体管被提供。此外，电路装置包括第二晶体管，所述第二晶体管与第一晶体管并联，并且所述第二晶体管在测量路径中提供与功率路径中的第一电流成比例的第二电流。在此情况下，第二电流用于监控和分析通过负载的通过电流。
出版物US 5,200,878 A公开一种包括具有绝缘栅极电极的双极型晶体管（IGBT）的电路装置，所述具有绝缘栅极电极的双极型晶体管被构造有附加的感测端子，所述感测端子提供与发射极电流成比例的感测电流。两个电流的比例在确定的条件下几乎是恒定的，并且以足够的精度仅取决于晶体管的技术实现。在此情况下，感测端子典型地用作测量路径，以及发射极端子用作功率路径。由于比例性，原则上可以通过测量感测电流来确定发射极电流。此外，所述出版物描述具有感测端子的这样的IGBT的栅极电极的操控电路。
用于测量感测电流的典型的电路装置规定：在IGBT的开关周期的总持续时间上分析感测电流。在该情况下，这样的电路装置的构件必须针对IGBT的开关周期的最大持续时间以及尤其针对在此出现的平均电流和降落（abfallend）的功率被确定尺寸。这例如可能使得所使用的构件的冷却是必要的。
发明内容
本发明按照一个方面实现电路装置，其具有开关装置，所述开关装置被设计用于在开关周期的持续时间内在功率路径中提供第一电压和第一电流以及在测量路径中提供第二电压和第二电流，其中所述第一电流与第二电流相对应；具有电流测量设备，所述电流测量设备布置在测量路径中并且被设计用于提供输出信号，所述输出信号与第一电流相对应；并且具有控制电路，所述控制电路被设计用于在测量周期的持续时间内将电流测量设备激活，并且在测量周期结束后又将其去活。
本发明按照另一方面实现用于对按照本发明的电路装置的测量路径中的电流进行电流测量的方法，具有以下步骤：在开关周期的持续时间内将开关装置激活；借助于控制电路在测量周期的持续时间内将电流测量设备激活，并且通过电流测量设备输出与测量路径中的电流相对应的输出信号。
发明优点
本发明的思想是实现限制时间持续时间的电路装置，其中测量路径中的电流在所述持续时间上被分析，所述电流与功率路径中的电流相对应。这通过控制电路实现，所述控制电路在测量周期的持续时间内将电流测量设备激活，并且在测量周期结束后又将其去活。
按照本发明的解决方案的显著的优点在于，用于测量测量路径中的电流所需要的电路元件可以以明显更小的结构形式被实施。因为测量路径中的电流仅在受限制的持续时间内流动，所以平均损耗功率明显比在电流连续流动情况下小。此外也可以通过限制平均损耗功率来减少与此相关联的要排出的热量。一方面，这能够实现电路装置的成本较低的和要更简单地构成的构造。另一方面，电路装置的较小温升在此对电路装置的寿命产生正面的影响。因此，例如可以实现用于IGBT的电流测量的电路装置，所述电路装置不必根据IGBT的开关周期的最大持续时间被确定尺寸。相反地，用于电流测量的电路元件的尺寸确定通过测量周期的持续时间来确定。
按照一个优选的改进方案，开关装置可以包括BJT、MOSFET、JFET和/或IGBT。因此有利地，开关装置包含一个或多个可主动切换的半导体器件，如可以以小型化形式以大的数量集成在单个半导体衬底中的半导体器件。这可以是BJT（双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、JFET（结式场效应晶体管）和/或IGBT（具有绝缘栅极电极的双极型晶体管）或者其它合适的半导体开关。
此外，按照一个优选的改进方案，开关装置可以尤其被实施为具有感测端子的IGBT。这样的IGBT除了栅极端子、集电极端子和发射极端子外还拥有所谓的感测端子，所述感测端子提供与发射极电流相对应的电流。因此，感测端子可以以有利的方式被使用用于分析发射极电流，并且因此为IGBT的调节打基础。
优选地，电流测量设备的测量周期的持续时间可以小于开关装置的开关周期的持续时间。电流测量尤其可以在比开关装置的开关周期的持续时间明显更短的时间间隔上进行。因此在许多应用情况下足够的是，仅一次短时间地读入电流值，而开关装置明显较长时间地接通。
此外，控制电路优选地在开关装置的开关周期的开始时激活电流测量设备。这具有优点：电流测量设备的激活可以通过开关装置的激活来触发，并且因此自动地在时间上与所述开关装置的激活耦合。
按照另一优选的改进方案，控制电路可以包括单稳态触发器。单稳态触发器是有利的开关器件，用于仅在固定地预先给定的、有限的时间间隔内激活其它开关元件。单稳态触发器被这样地构成，使得所述单稳态触发器在激活后仅在确定的时间间隔内保持激活。
按照一个优选的改进方案，控制电路可以包括晶体管。所述晶体管可以被设计用于，将电流测量设备激活以及去活。此外，所述晶体管可以包括控制端子，所述控制端子可以由单稳态触发器操控。所述晶体管在该有利的扩展方案中用作可主动切换的元件，所述元件由单稳态触发器在受限制的时间间隔内被导通或关断。
按照另一优选的改进方案，电流测量设备可以被设计用于，提供与第一电流成比例的电压信号。例如可以通过安装分流电阻特别简单地在电流测量设备的输出端处提供成比例的电压信号。
优选地，电路装置此外可以包括补偿电路，所述补偿电路被设计用于，在开关周期期间调节开关装置的第一电压和第二电压的比例。
此外，补偿电路优选地可以包括运算放大器。所述运算放大器可以被设计用于，通过负反馈调节开关装置的第一电压和第二电压。在负反馈中使用运算放大器是经常使用的和有效的解决方案，以便主动地调节两个电压的比例。
附图说明
随后根据实施方式参考图阐述本发明的其它的特征和优点。
图1示出用于在IGBT情况下测量电流的示例性电路装置的电路图的示意图；
图2示出按照本发明的一个实施方式用于在IGBT情况下测量电流的电路装置的电路图的示意图；
图3a示出按照本发明的另一实施方式用于在IGBT情况下测量电流的方法的流程图的示意图；和
图3b示出按照本发明的另一实施方式用于在IGBT情况下测量电流的方法的操控信号的时间变化曲线图表。
具体实施方式
在图中，相同的附图标记表示相同的或者功能相同的元件。
图1示出用于在IGBT情况下测量电流的示例性电路装置的电路图的示意图。
在图1中，附图标记10表示电路装置并且附图标记1表示IGBT，所述IGBT包括栅极端子G、集电极端子C、发射极端子E和感测端子S。由操控电路利用供应电压U­B1和UB2经由栅极端子G操控IGBT 1。IGBT在功率路径中提供发射极电流IE，并且在测量路径中提供与之成比例的感测电流IS，以及提供发射极电压UE和感测电压US。在确定的条件下，两个电流的比例几乎是恒定的，并且以足够的精度仅取决于晶体管1的技术实现。在此情况下，感测端子用作测量路径，并且发射极端子用作功率路径。由于比例性，只要边界条件对于测量路径和功率路径是相同的，那么可以通过测量感测电流IS确定发射极电流IE。通过在单个半导体衬底上的电路的集成，通过生产和温度引起的可能的影响被最小化。但是，发射极电流IE通常以非线性的方式取决于发射极电压UE，使得只有当发射极电压UE和感测电压US相同时，两个电流的比例才几乎是恒定的。
此外，图1示出被设计用于测量IS的测量电阻RM。由于测量电阻RM中的电压降UM，需要补偿电路将发射极电压UE和感测电压US保持在相同水平。对此，补偿电路尤其包含晶体管T1以及与之连接的运算放大器OP，两个电压UE、US被施加到所述运算放大器的两个输入端上。此外，负的供应电压UB2负责：尽管所述测量电阻RM，感测端子S和发射极端子E仍处于相同的电势上。
在此，图1中的电路装置10必须针对IGBT 1的开关周期的最大持续时间以及尤其针对在此出现的平均电流以及降落的损耗功率被确定尺寸。
图2示出按照本发明的一个实施方式用于在IGBT情况下测量电流的电路装置的电路图的示意图。
在图2中，附图标记10表示电路装置。所述电路装置尤其包括具有栅极端子G、集电极端子C、发射极端子E和感测端子S的IGBT 1，其中IGBT 1经由栅极端子G由操控电路利用供应电压UB1和UB2来操控。IGBT 1在具有感测电压US的测量路径中提供电流IS，以及在具有发射极电压UE的功率路径中提供电流IE。此外，电路装置10包括电流测量设备2、补偿电路3和控制电路4。电流测量设备由具有在其上降落的电压UM的分流电阻RM组成。补偿电路3接在电流测量设备2和IGBT 1之间，所述补偿电路3包括运算放大器OP和晶体管T1。控制电路4接在补偿电路3之前，所述控制电路包括单稳态触发器5，另一晶体管6连接在所述单稳态触发器5的输出端上，所述另一晶体管6在其侧又与运算放大器OP的负输入端连接。
测量路径中的电流IS与功率路径中的电流IE相对应，并且因此可以被使用用于确定功率路径中的电流IE。在对于两个电流或者对于测量路径和功率路径相同的边界条件情况下，两个电流尤其是以近似恒定的比例性因子彼此成比例。然而由于IE和UE­的非线性依赖性，两个电压必须是相同大的，以便两个电流的恒定的比例得以保证。为了确保在IGBT 1的发射极端子E处和感测端子S处的所述一致的电压关系，电路装置10包括补偿电路3。在图2中示出的实施方式中，对此补偿电路3例如包含运算放大器OP，两个电压US和UE分别以反馈的方式被施加到所述运算放大器的两个输入端上。
在此，通过电流测量设备2测量测量路径中的电流IS。在此情况下，电流IS首先流过晶体管T1，以及接着流过分流电阻RM。在此，与流过所述电阻的电流成比例的电压UM降落在分流电阻RM处。从中可以获得电压信号，然后为了继续处理，所述电压信号例如可以借助于模拟数字变换器（ADC）被转换为数字信号。因此，ADC可以例如以确定的时钟间隔促使读取电压信号以及因此测量功率路径中的电流IE。由于分流电阻RM中的电压降UM需要的是：补偿电路被电支撑（abgestützt）在相对于IGBT 1的发射极端子E较低的电势上。这通过以下方式实现，即供应电压UB2被设定为负的。
IGBT 1在开关周期TB的持续时间内被导通。在该时间间隔中，电流测量设备2在时间间隔TM内被激活。此外，控制电路4位于图2上的电路装置10中，所述控制电路4被设计用于将电流测量设备2激活，或者在测量周期T­M结束后又将其去活。对此，控制电路4包括单稳态触发器5，所述单稳态触发器5的输出端与晶体管6的栅极端子连接。晶体管6再次与运算放大器OP的输入端之一连接。在所述实施方式中，用于单稳态触发器5的激活信号与IGBT 1的激活信号同时实现。单稳态触发器5在其激活的持续时间内再次将晶体管6截止。晶体管6如此与运算放大器OP的输入端连接，使得只要晶体管6未截止、也即只要晶体管6接通，那么后者被短接。通过将运算放大器OP的两个输入端短接，所述运算放大器OP不再产生输出电压，使得基极电流不再流过晶体管T1，因此所述晶体管截止并且因此也没有电流流过电流测量设备2。在所述实施方式中，单稳态触发器5的激活持续时间对应于测量周期TM。因此在所述实施方式中，测量周期TM通过IGBT 1的开关周期TB的开始来触发，其方式是单稳态触发器5被激活。此外，在所述实施方式中规定：测量周期TM的持续时间小于开关周期TB的持续时间。由此，一方面电流测量的持续时间因此被限制。另一方面，用于IGBT 1的电流测量的采样时间点由此被放置于IGBT 1的开关周期TB的起始处。ADC例如可以从而每时钟周期读入一次当前的电流值，而补偿电路3和电流测量设备2在IGBT 1的整个操控时间期间不必是活跃的。此外，IGBT 1的激活信号被用作用于电流测量的触发器。此外规定，通过ADC对电流值的读入同样地通过IGBT 1的激活信号被同步。ADC的读入例如可以被放置（legen）在测量周期TM终止之前不久，使得要测量的电流在IGBT 1、补偿电路3和电流测量设备2的接通阶段后已经安全地到达了恒定值。通过补偿电路3和电流测量设备2的受限制的激活持续时间，在分流电阻RM和晶体管T1上的平均损耗功率相对于电路装置强烈地减少，其中电流测量设备2在IGBT 1的全部开关周期TB期间是激活的。相同的情况适用于供应电压UB2的平均电流。因此结果实现：电路装置10可以以较小的结构形式被实施，并且因此可以明显成本更低地和更简单地被构成。
在图2中示出的实施方式应被看作是示例性的。尽管本发明在这里利用具有感测端子的IGBT来实施，但是本发明也可以应用于任意其它的晶体管或者由晶体管组成的电路，其中设置感测端子或者其中与功率路径中的电流相对应的、测量路径中的电流被提供。所安装的晶体管可以是BJT、MOSFET、JFET和/或IGBT。此外，也设置其它的开关装置和半导体开关。上面提及的技术也被设置用于两个晶体管T1和6。此外，晶体管6也可以在其它位置处被安装到用于将电流测量设备去活的电路装置中，只要开关器件存在，所述电路装置确保：晶体管T1在测量周期TM的持续时间内截止。
图3a示出按照本发明的另一实施方式用于在IGBT情况下测量电流的方法的流程图的示意图。
在图3a中示出的方法用于对测量路径中的电流IS进行电流测量，所述电流IS与功率路径中的电流IE相对应。所述方法例如可以被使用用于电路装置10的、在图2中示出的实施方式。
在图3a中附图标记100表示用于测量电流的方法。所述方法包括以下步骤：在开关周期TB的持续时间内激活110开关装置1，借助于控制电路4在测量周期TM的持续时间内激活120电流测量设备2，和通过电流测量设备2输出130与测量路径中的电流IS相对应的输出信号。
图3b示出按照本发明的另一实施方式用于在IGBT情况下测量电流的方法的操控信号的时间变化曲线图表。
在图3b中描绘的操控信号的变化曲线图表描述在图3a中示意性地示出的方法的具体实施方案。例如可以利用在图3a中的方法或者利用在图3b中的操控信号运行在图2中示出的电路装置10。以下示例性地根据图2的电路装置10阐述图3a或者图3b的方法。
在图3b中根据时间示出三个组件的激活信号。最下面描绘IGBT 1的开关的周期TB。在中间示出电流测量设备2的状态。所述电流测量设备2在测量周期TM的持续时间内被接通，其中测量周期TM明显地短于IGBT 1的开关周期TB。开关周期TB例如可以被设置在50μs至100μs的范围内，而测量周期TM仅大约持续10μs至15μs。最上面示例性地示出ADC的采样时间点，所述ADC每时钟周期读出一次IGBT 1的电流IS。与开关周期TB同时地开始测量周期TM。而ADC的采样时间点被放置在测量周期TM终止之前不久，以便电流IS可以尽可能精确地被测量并且不受IGBT的接通过程影响。电路装置10的时钟周期例如可以为100μs，也即IGBT 1以10 kHz的频率被接通和关断，并且ADC与此相应地也以10 kHz的频率读入电流值。所说明的值和流程应被看作是示例性的。原则上，也设置其它的实施方式，所述实施方式确保，测量路径中的电流仅在受限制的时间间隔期间被分析，并且此外所述测量可以被放置在IGBT 1的开关周期TB的起始处。

Claims (11)

1.电路装置，具有：
开关装置（1），所述开关装置（1）被设计用于在开关周期（TB）的持续时间内在功率路径中提供第一电压（UE）和第一电流（IE）以及在测量路径中提供第二电压（US）和第二电流（IS），其中所述第一电流（IS）与所述第二电流（IE）相对应；
电流测量设备（2），所述电流测量设备（2）布置在测量路径中并且被设计用于提供输出信号，所述输出信号与所述第一电流（IS）相对应；和
控制电路（4），所述控制电路（4）被设计用于在测量周期（TM）的持续时间内将电流测量设备（2）激活，并且在测量周期（TM）结束后又将其去活。
2.按照权利要求1所述的电路装置，其中所述开关装置（1）包括BJT、MOSFET、JFET和/或IGBT。
3.按照权利要求2所述的电路装置，其中所述开关装置（1）被实施为具有感测端子的IGBT。
4.按照上述权利要求之一所述的电路装置，其中电流测量设备（2）的测量周期（TM）的持续时间小于开关装置（1）的开关周期（TB）的持续时间。
5.按照上述权利要求之一所述的电路装置，其中所述控制电路（4）在开关装置（1）的开关周期（TB）的开始时将电流测量设备（2）激活。
6.按照上述权利要求之一所述的电路装置，其中所述控制电路（4）包括单稳态触发器（5）。
7.按照权利要求6所述的电路装置，其中所述控制电路（4）包括晶体管（6），所述晶体管（6）被设计用于将电流测量设备（2）激活和去活，并且所述晶体管（6）包括能够由单稳态触发器（5）操控的控制端子。
8.按照上述权利要求之一所述的电路装置，其中所述电流测量设备（2）被设计用于提供与第一电流（IS）成比例的电压信号（UM）。
9.按照上述权利要求之一所述的电路装置，此外具有：
补偿电路（3），所述补偿电路（3）被设计用于在开关周期（TB）期间调节开关装置的第一电压（UE）和第二电压（US）的比例。
10.按照权利要求９所述的电路装置，
其中所述补偿电路（3）包括运算放大器（OP），所述运算放大器（OP）被设计用于通过负反馈调节开关装置（1）的第一电压（UE）和第二电压（US）。
11.用于对按照权利要求1至10之一所述的电路装置的测量路径中的电流进行电流测量的方法，具有以下步骤：
在开关周期（TB）的持续时间内将开关装置（1）激活（110）；
借助于控制电路（4）在测量周期（TM）的持续时间内将电流测量设备（2）激活（120）；和
通过电流测量设备（2）输出（130）与测量路径中的电流（IS）相对应的输出信号。
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