CN106030319B

CN106030319B - 用于检测电流的电流探测装置和方法

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Publication number: CN106030319B
Application number: CN201480075452.4A
Authority: CN
Inventors: H.西弗特; S.布茨曼
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2019-07-23
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: CN106030319A; KR20160122730A; US10031162B2; JP6263272B2; WO2015120931A1; US20160356817A1; JP2017505914A; DE102014202634A1

Abstract

本发明提出了一种用于探测测量路径中的电流的方法和设备，其中所述测量路径中的电流与功率路径中的电流对应。为此，通过电流测量设备在测量路径中探测电流，而同时通过旁路设备，部分该电流与电流测量设备并行地被引导，以便这样减轻电流测量设备的负荷。

Description

用于检测电流的电流探测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测电流的电流分析电路和方法。尤其是，本发明涉及一种用于检测测量路径中的电流的电流探测装置和方法，所述测量路径引导与功率路径中的电流对应的电流。

背景技术

尽管本发明与具有感测端子的IGBT相关地被描述，但是此外本发明也可被用于任意的其它的应用情况，其中应该分析另一电流路径中的与功率路径中的电流对应的电流。

出版文献US 5,877,617公开了一种电路装置，其中用电流给电流路径中的负载馈电。此外，该电路装置还包括另一晶体管，所述另一晶体管提供了与所述用于负载的电流对应的电流。通过所述另一晶体管来提供的电流用于监控和分析用于负载的通过电流。

此外，为了测量和分析经过半导体开关的电流，例如具有绝缘栅的双极型晶体管（IGBT）是公知的，其中在附加的感测端子上提供了与经过半导体开关的主电路电流成比例的电流。在此，来自感测端子的电流是IGBT的发射极路径中的主电路电流的近似恒定的因子分之一。

在此，用于分析这样的IGBT的感测路径中的电流的电路装置必须针对IGBT的最大的接通持续时间并且也针对出现的最大电流而被确定尺寸。在此，尤其是在故障情况下，在感测路径中也可能出现相对大的电流。

因而，存在对用于电流探测的方法和设备的需求，所述方法使得能够通过另一测量范围以高的精确度探测电流。

发明内容

为此，按照第一方面，本发明提出了一种用于检测测量路径中的电流的电流探测装置，所述测量路径引导与功率路径中的电流对应的电流，所述电流探测装置具有：电流测量设备，所述电流测量设备被布置在测量路径中，而且所述电流测量设备被设计为提供与流经该电流测量设备的电流对应的输出信号；和旁路设备，所述旁路设备被设计为设定（einstellen）电的旁路电流，其中该旁路电流根据测量路径中的电流被设定，而且其中电流测量设备和旁路设备并行地被布置在测量路径中。

按照另一方面，本发明提出了一种用于检测测量路径中的电流的方法，所述测量路径引导与功率路径中的电流对应的电流，所述方法具有如下步骤：将电流测量设备布置在测量路径中；将旁路设备布置在测量路径中；根据在测量路径中流动的电流来设定流经旁路设备的电流；并且探测流经电流测量设备的电流。

本发明的优点

在此，本发明所基于的思想在于：在探测经过电流测量设备的电流时不是总是传导整个要探测的电流经过电流测量设备。更确切地说，部分电流通过旁路设备沿着电流测量设备伸展。为此，旁路设备与电流测量设备并行地被布置。

通过电流测量设备与旁路设备的并联，在其中电流测量设备探测电流的最大值域可以针对较微小的最大电流值而被设计。由于必须针对其来设计电流测量设备的较微小的最大值域，因此也可以更小地并且成本更有利地实现该电流测量设备。

此外，这样的具有较小的最大值域的电流测量设备也使得能够更准确地并且因此更精确地探测在该值域中的要检测的电流。因此，也可以提高总系统的精确度。

在此，流经旁路设备的并且因此减轻电流测量设备的负荷的电流可以根据由电流测量设备探测的电流并且因此根据整个要探测的电流而被适配。以这种方式，一方面可能在相对小的总电流的情况下传导大部分的经过电流测量设备的电流，而另一方面在相对大的总电流的情况下只须分析小部分的经过电流测量设备的电流。这使得能够刚好在微小的电流时实现很高的精确度，而同时可以在高电流时减轻总系统的负荷。

按照实施形式，旁路设备被设计为：如果经过电流测量设备的电流低于预先确定的第一阈值，那么可以不使电的旁路电流流经旁路设备。以这种方式，可以在微小的电流时检测并且探测经过电流测量设备的所有电流。这使得能够在小电流时实现很高的精确度。

按照实施形式，该旁路设备被设计为：如果经过电流测量设备的电流超过预先确定的第二阈值，那么设定与电流测量设备并行的电的旁路电流。以这种方式，在较大的电流时，部分该电流可以沿着电流测量设备伸展，使得该电流测量设备在大电流的情况下被减轻负荷并且因而必须针对较微小的最大电流而被设计。

按照实施形式，该旁路设备被设计为根据电流测量设备的输出信号来适配旁路电流。通过对与电流测量设备并行的旁路电流的这种动态的适配，在电流测量设备上被展出（vorfuehren）的电流可以可变地被适配。经此，例如可以连续地随着提高的总电流来提高与电流测量设备并行的旁路电流。可替换地，也可能的是：根据总电流以多个等级不同地来适配与电流测量设备并行的旁路电流。

按照实施形式，该旁路设备被设计为将经过电流测量设备的电流限制在预先确定的最大极限值内。经此，可以限制经过电流测量设备的最大电流，由此使得能够即使在很高的电流的情况下也不使电流测量设备过载。在这种情况下，该电流测量设备在预先确定的最大极限值之上输出恒定的输出信号，该输出信号即使在测量路径中的进一步升高的电流的情况下也不进一步升高。

按照实施形式，由电流测量设备提供的输出信号是电压信号。这种电压信号特别好地适合于在连接在下游的系统中的进一步处理。

按照实施形式，由电流测量设备提供的输出信号通过模拟－数字转换器被转换为数字信号。通过将模拟输出信号转换为数字信号，对测量值的数字的进一步处理也是可能的。

按照实施形式，该旁路设备包括参考电压源。该参考电压源被设计为提供预先确定的参考电压。该旁路设备被设计为将电压信号与由参考电压源提供的参考电压相比较。根据该比较，该旁路设备设定与电流测量设备并行的电的旁路电流。在此，通过限定以一个或者多个参考电压源的电压为形式的一个或者多个参考点，可能以简单的方式规定通过与电流测量设备并行的旁路设备被引导经过（vorbeileiten）的部分电流。

按照实施形式，该旁路设备包括电流镜电路。在此，该旁路设备被设计为基于在电压信号与参考电压之间的比较来操控电流镜电路。通过使用电流镜电路，可以良好地设定通过旁路设备沿电流测量设备被引导经过的电流。

此外，本发明还提出了一种用于提供电流的电路装置。该电路装置包括电流控制设备，所述电流控制设备被设计为在功率路径中提供电流。此外，所述电流控制设备还被设计为在测量路径中提供与功率路径中的所提供的电流对应的电的测量电流。此外，该电路装置还包括按照本发明的电流探测装置。

按照实施形式，电流控制设备包括具有绝缘栅极的双极型晶体管（IGBT）。在此，优选地，该IGBT包括感测端子，在所述感测端子上提供与功率路径对应的测量电流。

附图说明

本发明的其它的优点和实施形式从参考随附的附图的随后的描述得到。

在此：

图1示出了针对具有按照实施例的电流探测装置的用于提供电流的电路装置的电路图的示意图；

图2示出了具有如按照实施例的电流探测装置所基于的特性曲线的电压－电流曲线图的示意图；和

图3示出了针对如实施例所基于的用于检测电流的方法的流程图的示意图。

具体实施方式

尽管本发明随后关于具有用于提供测量电流的感测端子的具有绝缘栅极的双极型晶体管（IGBT）被描述，但是此外本发明也可应用于其它的用于提供电流的电路装置，其中应该借助于测量路径中的另一电流来分析功率路径中的电流。

图1示出了用于提供电流的电路装置1的示意图。电路装置1包括电流控制设备20（例如IGBT）。在此，该IGBT具有控制端子G。基于附在该控制端子G上的控制信号，可以设定在IGBT的输入端C与输出端E之间的功率路径中的电流I_E。在此，在感测端子S上，通过IGBT输出与功率路径中的电流I_E对应的测量电流。在此，在恒定的框架条件（诸如恒定的温度和相同的基底特性）的情况下，在功率路径中的电流I_E与测量路径中的测量电流I_S之间存在固定的电流变换比。为此，然而必要的是：在IGBT的输出端E与感测端子S上设定相同的电压比。

为了在IGBT的输出端E和感测端子S上设定所述相同的电压比，电路装置1包括补偿电路30。在图1中所示出的实施例中，该补偿电路30例如包括两个电压源U_B,1和U_B,2以及电流源I₀。此外，该补偿电路30还包括晶体管T₁至T₅。此外，其它的适合于在IGBT的输出端E和感测端子S上设定必要的电压比的补偿电路同样是可能的。

在此，通过电流探测装置10来探测测量路径中的电流I_S。在这种情况下，测量电流I_S首先流经补偿电路30的晶体管T₅和电流探测装置10的电阻R₀，以及流经电流测量设备11。在这里所示出的例子中，通过分流电阻R_S形成电流测量设备11。在此，在分流电阻R_S上，降落有与流经该电阻的电流成比例的电压U_S。在此，该电压降U_S可以被提供为输出信号，这是与电流I_S对应的测量值。可选地，电压U_S也可以通过分流电阻R_S借助于模拟－数字转换器13被转换为数字信号。因此，对所检测的测量值的数字的进一步处理也是可能的。此外，例如借助于适当的缩放装置（Sklaierung），还可以从这样被检测到的模拟的或者数字的信号推断出功率路径中的电流I_E。但是，即使在对输出信号（例如在分流电阻R_S上的电压U_S）进行模拟的进一步处理时也可以通过适当的连接在下游的缩放装置推断出完整的测量电流I_S并且因此也推断出功率路径中的电流I_E。

为了在相对大的测量电流I_S的情况下降低经过分流电阻R_S的电流，可以通过旁路路径的并联来减小经过分流电阻R_S的电流。为此，电流探测装置10包括旁路设备12。在此，该旁路设备12包括与分流电阻R_S串联地被布置的电阻R₀。在该电阻R₀上的电压降被输送给运算放大器OP的输入端。运算放大器OP将该电压降与参考电压源U_Ref的输出电压相比较。运算放大器OP的输出信号被输送给晶体管T₆的控制输入端，所述晶体管T₆就其而言操控由晶体管T₇和T₈以及两个电阻R₁和R₂构成的电流镜电路。如果在电阻R₀上的电压降超过由参考电压U_Ref提供的电压，那么通过运算放大器OP主动地操控晶体管T₆，由此该电流镜电路设定了旁路电流I_B。因此，该旁路电流I_B与经过分流电阻R_S的电流并行地流动。以这种方式划分测量电流I_S，使得经过电阻R₀的电压降一大于参考电压源U_Ref的电压，经过分流电阻R_S的电流就相对应地被减小了旁路电流I_B。因此，在这种情况下，随着测量电流I_S提高，在分流电阻R_S上的电压U_S不再与整个测量电流I_S成比例地升高。更确切地说，该电压降在此被减小了与旁路电流I_B成比例的部分。以这种方式，在大的测量电流I_S的情况下，经过分流电阻R_S的电流被减小，并且因此在分流电阻R_S上的电压提高也相对应地被减小。在对电流探测装置10的输出信号进行随后的分析时可以考虑并且补偿输出信号在测量电流I_S提高时的被展平的变化过程，以便重新推断出整个测量电流I_S并且因此推断出功率路径中的电流I_E。

图2示出了针对测量电流I_S与在分流电阻R_S上的电压降U_S之间的关系的电流－电压曲线图的示意图。在此，在第一区域Ⅰ中，电压提高首先与测量电流I_S完全成比例。如果测量电流I_S超过预先确定的极限值，那么旁路电流I_B开始在旁路设备12中流动。因此，在段Ⅱ中，电流－电压特性曲线的斜率减小。以这种方式可能的是：给第一段Ⅰ配备相对大的灵敏度，使得在相对微小的测量电流I_S的情况下存在电流－电压特性曲线的大的斜率。这使得能够在相对微小的测量电流I_S的情况下实现对小电流的很好的分辨和精确的分析。此外，在第二区域Ⅱ中的相对大的测量电流I_S的情况下，还可以减小电流－电压特性曲线的斜率，使得即使在相对大的测量电流I_S的情况下也不出现过度大的输出信号。因此，通过测量电流I_S的很大的动态范围得到输出信号U_S的较微小的动态范围，其中尽管如此可以很好地分辨相对小的测量电流I_S。

此外，为了进一步优化，也可能的是：在电流－电压特性曲线中也存在多于两个的子区域，而不是唯一的折点，在所述多于两个的子区域中，电流－电压特性曲线的斜率分别不同。为此，例如可以利用更多旁路支路来扩展按照图1的电路装置，或者比较多个参考电压，所述参考电压分别不同地操控共同的旁路支路。此外，其它的用于适配电流－电压特性曲线在多个子区域中的斜率的替换方案同样是可能的。

为了即使在很高的测量电流I_S的情况下也不使电流测量装置10超载（ueberbeanspruchen），可以将流经分流电阻R_S的最大电流限制在最大值内。在这种情况下，旁路设备12被配置为使得测量电流I_S的进一步提高完全流过旁路支路并且不导致经过电流测量设备11的电流进一步提高。

图3示出了针对实施形式所基于的方法100的流程图的示意图，所述方法用于检测在引导了与功率路径中的电流对应的电流的测量路径中的电流。在此，该方法100首先包括用于将电流测量设备布置在测量路径中的步骤110。此外，在步骤120中，旁路设备被布置在测量路径中。

此外，在步骤130中，根据测量路径中的电流来设定经过旁路设备12的电流。于是，在步骤130中探测经过电流测量设备的电流。根据所探测到的电流可以输出适当的输出信号。于是，可以缩放该输出信号，以便补偿没有由电流测量设备11检测到的旁路电流并且借助于适当的电流变换比来推断出功率路径中的电流I_E。

概括地说，本发明涉及一种用于探测测量路径中的电流的方法和设备，其中所述测量路径中的电流与功率路径中的电流对应。为此，通过电流测量设备在测量路径中探测电流，而同时通过旁路设备，部分该电流与电流测量设备并行地被引导，以便这样减轻电流测量设备的负荷。

Claims

1.用于检测测量路径中的电流（I_S）的电流探测装置（10），所述测量路径引导与功率路径中的电流（I_E）对应的电流，所述电流探测装置（10）具有：

电流测量设备（11），所述电流测量设备（11）被布置在测量路径中，而且所述电流测量设备（11）被设计为提供与流经所述电流测量设备（11）的电流对应的输出信号；和

旁路设备（12），所述旁路设备（12）被设计为设定电的旁路电流（I_B），其中所述电的旁路电流（I_B）根据所述测量路径中的电流（I_S）被设定，而且其中所述旁路设备（12）包括与所述电流测量设备（11）并行布置的电流镜电路和与所述电流测量设备（11）串联布置的电阻。

2.根据权利要求1所述的电流探测装置（10），其中，所述旁路设备（12）被设计为：如果所述测量路径中的电流（I_S）低于预先确定的第一阈值，那么不使电的旁路电流流经所述旁路设备（12）。

3.根据权利要求1或2所述的电流探测装置（10），其中，所述旁路设备（12）被设计为：如果所述测量路径中的电流（I_S）超过预先确定的第二阈值，那么设定与电流测量设备（11）并行的电的旁路电流（I_B）。

4.根据权利要求1或2所述的电流探测装置（10），其中，所述旁路设备（12）被设计为：根据所述电流测量设备（11）的输出信号来适配所述电的旁路电流（I_B）。

5.根据权利要求1或2所述的电流探测装置（10），其中，所述旁路设备（12）被设计为：将经过所述电流测量设备（11）的电流限制在预先确定的最大极限值内。

6.根据权利要求1或2所述的电流探测装置（10），其中，所述旁路设备（12）包括参考电压源（U_Ref），所述参考电压源（U_Ref）被设计为提供预先确定的参考电压，而且所述旁路设备（12）被设计为将电压信号与由所述参考电压源（U_Ref）提供的参考电压相比较并且根据所述比较来设定与所述电流测量设备（11）并行的电的旁路电流（I_B）。

7.根据权利要求6所述的电流探测装置（10），其中，所述旁路设备（12）基于在电压信号与参考电压之间的比较来操控所述电流镜电路。

8.用于提供功率路径中的电流（I_E）的电路装置（1），其具有：

电流控制设备（20），所述电流控制设备（20）被设计为提供所述功率路径中的电流（I_E），并且在测量路径中提供所述测量路径中的电流（I_S），所述测量路径中的电流（I_S）与所提供的所述功率路径中的电流（I_E）对应；和

根据权利要求1至7之一所述的电流探测装置（10）。

9.根据权利要求8所述的电路装置（1），其中，所述电流控制设备（20）包括具有绝缘栅极的双极型晶体管IGBT。

10.用于检测测量路径中的电流的方法（100），所述测量路径引导与功率路径中的电流对应的电流，所述方法（100）具有如下步骤：

将电流测量设备（11）布置（110）在测量路径中；

将旁路设备（12）布置（120）在测量路径中，其中所述旁路设备（12）包括与所述电流测量设备（11）并行布置的电流镜电路和与所述电流测量设备（11）串联布置的电阻；

根据在测量路径中流动的电流来设定（130）流经所述旁路设备（12）的电的旁路电流（I_B）；并且

探测（140）流经所述电流测量设备（11）的电流。