CN107623514B - 半导体开关控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体开关控制装置，其能够在因短路等流有过电流的情况下抑制半导体开关的温度上升且适当地切断电流。半导体开关控制装置(1)包括设置在电池(3)的阳极和负载部(2)之间的FET(11)、设置在电池(3)的阴极和负载部(2)之间的FET(12)，在将比异常电流值大并且比最大电流值小的电流值作为电流限制值的情况下，其中，异常电流值表示流过FET(11)的第1漏极电流是过电流，最大电流值是FET(11)能够允许的第1漏极电流的最大电流值，将限制栅极电压施加在FET(12)，其中，限制栅极电压将第1漏极电流的电流值设定在电流限制值。

Description

半导体开关控制装置
技术领域
本发明涉及半导体开关控制装置。
背景技术
以往，电动汽车、混合动力电动汽车等搭载有马达等的负载部、用于驱动该负载部的电池、并以安全保护为目的而设置有使从电池流向负载部的电流通过或者切断的开关。虽然该开关主要用于机械式继电器，但近年来也考虑使用半导体开关。半导体开关在因短路等流有过电流的情况下，进行用于保护该半导体开关而切断电流的控制(例如，专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012－23899号公报
发明内容
本发明欲解决的问题
但是，有可能在因短路等流有过电流的情况下半导体开关过热且切断电流的控制变得困难。
因此，本发明是鉴于上述情况而完成的发明，其目的在于提供一种在因短路等流有过电流的情况下能够抑制半导体开关的温度上升且适当地切断电流的半导体开关控制装置。
用于解决问题的方案
为解决上述问题、实现目的，本发明所涉及的半导体开关控制装置，其特征在于，包括：第1半导体开关，其设置在电源的阳极和负载部之间、使从所述电源流向所述负载部的电流通过或者切断；第2半导体开关，其设置在所述负载部和所述电源的阴极之间、根据施加的设定栅极电压来调整从所述负载部流向所述电源的电流，限制流过所述第1半导体开关的电流；控制部，其控制所述第1半导体开关以及所述第2半导体开关，所述控制部在将比异常电流值大并且比最大电流值小的电流值作为电流限制值的情况下，其中，所述异常电流值表示流过所述第1半导体开关的电流即第1半导体输入电流是过电流；所述最大电流值是比所述异常电流值大且所述第1半导体开关能够允许的电流的最大电流值，将限制栅极电压作为所述设定栅极电压施加在所述第2半导体开关，其中，所述限制栅极电压将所述第1半导体输入电流的电流值设定在所述电流限制值。
另外，在上述半导体开关控制装置中，优选的是，所述第1半导体开关能够根据施加的栅极电压来调整从所述电源流向所述负载部的电流，施加有对通过电流不加以限制的栅极电压。
另外，在上述半导体开关控制装置中，优选的是，所述控制部在前第1半导体输入电流的电流值为所述异常电流值以下的情况下，使与施加在所述第1半导体开关的栅极电压同等的所述限制栅极电压施加在所述第2半导体开关，在所述第1半导体输入电流的电流值比所述异常电流值大的情况下，使所述限制栅极电压施加在所述第2半导体开关。
发明的效果
由于本发明所涉及的半导体开关控制装置将限制栅极电压施加在第2半导体开关，其中，限制栅极电压是用于将流过第1半导体开关的电流的电流值设定在比异常电流值大且比最大电流值小的电流限制值，所以在因短路等流有过电流的情况下能够抑制第1半导体开关的温度上升且适当地切断电流。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的半导体开关控制装置的构成例的框图。
图2是示出实施方式1所涉及的栅极电压和漏极电流的关系的图。
图3是示出实施方式1所涉及的短路发生时的动作例的框图。
图4是示出实施方式1所涉及的短路发生时的电流限制例的图。
图5是示出变形例所涉及的分流式电流检测例的框图。
图6是示出变形例所涉及的VDS式电流检测例的框图。
图7是示出实施方式2所涉及的半导体开关控制装置的主要部分的构成例的框图。
图8是示出实施方式3所涉及的半导体开关控制装置的构成例的框图。
附图标记的说明
1、1A、1B 半导体开关控制装置
2 负载部
2A 高电压负载部(负载部)
3 电池(电源)
3A 高电压电池(电源)
11、11a、11b FET(第1半导体开关)
12、12a、12b FET(第2半导体开关)
60 控制部
Ie 异常电流值
Im 最大电流值
Ith 电流限制值
Id 检测电流值(电流值)
VGS 限制栅极电压
具体实施方式
关于实施本发明的方式(实施方式)，参照附图详细地说明。本发明并不局限于以下实施方式所记载的内容。另外，在以下所记载的构成要素中包括本领域技术人员能够容易想到的、实质上相同的要素。进而，以下所记载的构成能够适当地组合。另外，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行构成的各种各样的省略、置换或者变更。
〔实施方式1〕
电动汽车、混合动力电动汽车等的车辆电源系统100如图1所示，搭载有马达等的负载部2、用于驱动该负载部2的电源即电池3，并且设置有以安全保护为目的而使从电池3流向负载部2的电流通过或者切断的半导体开关控制装置1。
实施方式1所涉及的半导体开关控制装置1包括：作为第1半导体开关的FET11(Field-effect transistor；电场效应晶体管)；作为第2半导体开关的FET12；驱动部31；驱动部32；电流检测部40；异常检测部50以及控制部60。
FET11设置在电池3的阳极和负载部2之间，具有使电流ON(打开)或者OFF(关闭)的功能，并且，具有根据施加的栅极电压调整从电池3流入到负载部2的电流的电流的功能。FET11是例如N沟道型的MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)T。FET11在与电流流动(正向电流)的方向相反的方向配置有体二极管(寄生二极管)D1。体二极管D1在电池3的阳极侧连接有阴极端子，在负载部2侧连接有阳极端子。FET11被后述的驱动部31驱动，使从电池3的阳极流向负载部2的电流通过或者切断。
FET12设置在负载部2和电池3的阴极之间，具有使电流ON或OFF的功能，并且，具有根据施加的栅极电压(设定栅极电压)来调整从负载部2流向电池3的电流的功能。FET12是例如N沟道型的MOSFET。FET12在与电流流动(正向电流)的方向相反的方向配置有体二极管(寄生二极管)D2。FET12被后述的驱动部32驱动，根据施加的限制栅极电压VGS来调整从负载部2流向电池3的电流，控制流向FET11的电流。
驱动部31基于控制部60的控制将FET11设定为ON或者OFF。另外，驱动部31基于从异常检测部50输出的检测信号将FET11设定为OFF。驱动部31与FET11的栅极端子连接，作为使FET11的开关为ON的控制，将ON电压施加在FET11的栅极端子，使电流从漏极端子流向源极端子。另外，驱动部31作为使FET11的开关为OFF的控制，将OFF电压施加在FET11的栅极端子，将从漏极端子流向源极端子的电流切断。
驱动部32基于控制部60的控制将FET12设定为ON或者OFF。驱动部32与FET12的栅极端子连接，作为使FET12的开关为ON的控制，将ON电压施加在FET12的栅极端子，使电流从漏极端子流向源极端子。另外，驱动部32作为使FET12的开关为OFF的控制，将OFF电压施加在FET12的栅极端子，将从漏极端子流向源极端子的电流切断。进而，驱动部32基于控制部60的控制来调整流向FET12的漏极电流。驱动部32在FET12的栅极端子施加被限制的ON电压(限制栅极电压VGS)，调整从漏极端子流向源极端子的电流。
电流检测部40检测在电池3和负载部2之间流过的电流。电流检测部40是例如使用了磁电转换要素即空穴要素的空穴式电流传感器，以非接触的方式检测电流值。电流检测部40检测在电池3的阳极和FET11之间流过的电流，将检测出的电流(检测电流)的电流值输出到异常检测部50以及控制部60。
异常检测部50检测电流的异常。异常检测部50与电流检测部40连接，基于从电流检测部40输出的检测电流的电流值(检测电流值)来检测出异常。异常检测部50在检测电流值极端大的情况下，检测为异常。例如，异常检测部50比较预先设定的电流标准值和检测电流值，在检测电流值超过电流标准值的情况下检测为异常，经由驱动部31使FET11为OFF。由此，异常检测部50在流有明显的过电流的情况下，能够将从电池3流向负载部2的电流即刻切断。由于异常检测部50如后述的控制部60那样不设置切断判定时间T来检测异常，所以，与控制部60进行过电流的判定相比能够更早地检测出检测电流的异常。
控制部60控制FET11以及FET12。控制部60经由驱动部31控制FET11，经由驱动部32控制FET12。控制部60在使FET11为ON的情况下，以施加对通电电流不加以限制的栅极电压的方式控制驱动部31。例如，控制部60施加栅极电压，该栅极电压是用于设定为与图2所示的最大电流值Im同等的电流值的栅极电压。由此，控制部60能够使FET11的漏极端子和源极端子之间的导通电阻变小。另外，控制部60在使FET12为ON的情况下，如图2所示，将限制栅极电压VGS施加在FET12，该限制栅极电压VGS将流过FET11的漏极电流即第1漏极电流(第1半导体输入电流)的电流值设定在电流限制值Ith。此外，图2示出第1漏极电流的电流值(以下，还称为检测电流值Id。)和栅极电压V的关系，纵轴表示检测电流值Id，横轴表示栅极电压V。此处，电流限制值Ith为预先规定的电压值，是比异常电流值Ie大，并且比最大电流值Im小的电流值。电流限制值Ith也可以是在异常电流值Ie和最大电流值Im之间的任一值。电流限制值Ith可以考虑例如异常电流值Ie和最大电流值Im的中央值。异常电流值Ie是表示流过FET11的第1漏极电流为过电流的电流值，例如比额定电流大的电流值。最大电流值Im是比异常电流值Ie大的电流值，是FET11能够允许的第1漏极电流的最大电流值。最大电流值Im例如是当第1漏极电流的检测电流值Id超过该最大电流值Im时FET11被破坏那样的电流值。此外，异常电流值Ie比最大电流值Im小，并且，只要是能够检测出流过FET11的第1漏极电流为过电流的电流值，可以是任何电流值。控制部60根据来自未图示的外部机器的要求控制FET11、12。例如，控制部60基于从外部机器输出的半导体驱动信号将FET11、12设定为ON。另外，控制部60例如基于从外部机器输出的异常检测信号将FET11、12设定为OFF。
接下来，对半导体开关控制装置1的动作例进行说明。在该例子中，如图3所示，对FET11的源极端子侧和FET12的漏极端子侧不经由负载部2连接而发生短路的情况进行说明。在这种情况下，半导体开关控制装置1如图4所示，在发生短路的时刻t1检测电流值Id上升，在与短路的发生大致相同的时候，检测电流值Id达到异常电流值Ie。半导体开关控制装置1为了计量切断判定时间T从时刻t1开始时间的计量。半导体开关控制装置1中，检测电流值Id在时刻t2到达电流限制值Ith，检测电流值Id被FET12限制在电流限制值Ith。也就是说，检测电流值Id从发生短路的时刻t1开始、与时间的经过一起上升，在时刻t2达到电流限制值Ith，其后，被限制在电流限制值Ith。半导体开关控制装置1中，从短路发生开始到判定切断的时间即切断判定时间T在时刻t3结束，由于在从时刻t1到时刻t3之间检测电流值Id不在异常电流值Ie以下，所以判断为发生短路，将FET11设定为OFF从而将从电池3流向负载部2的电流切断。
另一方面，半导体开关控制装置1中，在时刻t1检测电流值Id达到异常电流值Ie，当在经过切断判定时间T前检测电流值Id变为异常电流值Ie以下时，通过噪声等判定为检测电流值Id一时上升，不将FET11设定为OFF。像这样，由于半导体开关控制装置1设定了切断判定时间T，所以能够避免因噪声等所发生的误切断。此外，图4所示的虚线L是比较例，是在像以往那样未设置电流限制值Ith的情况下，在切断判定时间T内检测电流值Id达到最大电流值Im的例子。
如上所述，实施方式1所涉及的半导体开关控制装置1，在将比表示流过FET11的第1漏极电流为过电流的异常电流值Ie大，并且，比FET11能够允许的第1漏极电流的最大电流值Im小的电流值作为电流限制值Ith的情况下，将将第1漏极电流的电流值设定在电流限制值Ith的限制栅极电压VGS施加在FET12。由此，半导体开关控制装置1即使发生短路等而在FET11流有过电流，也能够使第1漏极电流的电流值比最大电流值Im小。因此，半导体开关控制装置1中，由于检测电流值Id不会超过最大电流值Im，所以能够抑制FET11的温度上升，并且能够保护FET11。而且，半导体开关控制装置1中，即使设置了短路等发生开始到切断为止的切断判定时间T，由于检测电流值Id不超过最大电流值Im，所以也能够抑制FET11的温度上升。另外，半导体开关控制装置1通过设置切断判定时间T，即使因噪声等检测电流值Id一时上升而超过异常电流值Ie，也能够防止误切断FET11。半导体开关控制装置1存在由于短路的条件FET12而超过安全动作区域(SOA)，FET12有故障的可能性，但即使在这种情况下，由于流过FET11的电流被限制，所以也能够保护FET11，能够在短路时等适当地切断电流。另外，由于半导体开关控制装置1不变更现有的FET11、FET12的构成就能够保护FET11，所以能够抑制成本增加。
另外，在半导体开关控制装置1中，FET11能够根据施加的栅极电压来调整从电池3流向负载部2的电流，施加对通电电流不加以制限的栅极电压。由此，半导体开关控制装置1能够使FET11的导通电阻变小，能够抑制流过FET11的电流的损失。
〔变形例〕
接下来，对实施方式1的变形例进行说明。虽然对电流检测部40是空穴式的电流传感器的例子进行了说明，但并不局限于此。例如，电流检测部40如图5所示的那样还可以是分流式的电流传感器(电流检测部40A)。在这种情况下，电流检测部40A包括分流电阻器41和差动放大电路42，将由分流电阻器41的电阻而产生的电压降通过差动放大电路42放大，从被放大的电压降来检测电流。另外，电流检测部40如图6所示的那样可以是VDS式电流传感器(电流检测部40B)。在这种情况下，电流检测部40B将由FET11而产生的电压降通过差动放大电路43放大，从被放大的电压降来检测电流。
另外，FET11、FET12不限定于MOSFET，例如，也可以是IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)。在这种情况下，设置在电池3的阴极和负载部2之间的电流调整用的IGBT(相当于实施方式1的FET12的IGBT)被施加限制栅极电压VGE，该限制栅极电压VGE将在集电极端子和发射极端子之间流动的集电极电流的电流值设定为电流限制值Ith。
〔参考例〕
作为实施方式1的参考例，FET11、FET12可以考虑使用双极晶体管。在这种情况下，设置在电池3的阴极和负载部2之间的电流调整用的双极晶体管(相当于实施方式1的FET12的双极晶体管)被以如下方式控制：在基极端子和发射极端子之间被施加电压并且基极电流流动，通过该基极电流使在集电极端子和发射极端子之间流动的集电极电流的电流值为电流限制值Ith。
〔实施方式2〕
接下来，对实施方式2所涉及的半导体开关控制装置1A进行说明。实施方式2所涉及的半导体开关控制装置1A中，对与实施方式1所涉及的半导体开关控制装置1同样的构成附上相同符号，省略详细的说明。与实施方式1的不同点在于：半导体开关控制装置1A为了使FET12的ON电阻减少，通常将FET12的栅极电压预先设定为较大，在发生短路等时变更为将第1漏极电流的电流值设定为电流限制值Ith的限制栅极电压VGS。
半导体开关控制装置1A如图7所示还包括差动放大电路71、半导体开关72以及稳压二极管73。差动放大电路71上，FET12的漏极电压输入到阳极，阈值电压Vref输入到阴极，将漏极电压和阈值电压Vref的差分放大并施加给半导体开关72的栅极端子。当稳压二极管73发生短路等时流有过电流且半导体开关72的栅极端子被施加时，将定电压(限制栅极电压VGS)施加在FET12的栅极端子。半导体开关控制装置1A中，在不流有过电流时将与FET11同等的栅极电压施加在FET12，在流有过电流时将与FET11同等的栅极电压变更为限制栅极电压VGS。此外，从与FET11同等的栅极电压变更为限制栅极电压VGS的时间是模拟电路进行处理所需要的时间，是比用于防止误切断而设定的切断判定时间T还短的时间。此外，虽然此处通过稳压二极管73而生成了限制栅极电压VGS，但也可以通过电阻的分压生成限制栅极电压VGS。
如上所述，实施方式2所涉及的半导体开关控制装置1A在不流有过电流、第1漏极电流的电流值为异常电流值Ie以下的情况下，将与施加在FET11的栅极电压同等的栅极电压施加在FET12，在流有过电流且第1漏极电流的电流值比异常电流值Ie大的情况下，将将第1漏极电流的电流值设定为电流限制值Ith的限制栅极电压VGS施加在FET12。由此，半导体开关控制装置1A在流过FET11的第1漏极电流不是过电流的情况下，由于将与FET11同等的栅极电压施加在FET12，所以能够减少FET12的ON电阻，能够抑制电力的损失。
〔实施方式3〕
接下来，对实施方式3所涉及的半导体开关控制装置1B进行说明。实施方式3所涉及的半导体开关控制装置1B对与实施方式1所涉及的半导体开关控制装置1同样的构成附上相同符号，省略详细的说明。与实施方式1不同点在于：半导体开关控制装置1B如图8所示适用于高电压的电路，具有从作为负载部的高电压负载部2A至作为电源的高电压电池3A将电力进行充电的充电经路。
半导体开关控制装置1B在高电压电池3A的阳极和高电压负载部2A之间包括上游侧的双向切断电路11A。上游侧的双向切断电路11A包括：作为第1半导体开关的FET11a；作为第1半导体开关的FET11b；驱动FET11a的驱动部31a以及驱动FET11b的驱动部31b。FET11a与FET11b源极端子彼此串联连接，FET11a的漏极端子与高电压电池3A连接，FET11b的漏极端子与高电压负载部2A连接。FET11a在电流从高电压电池3A流向高电压负载部2A时，即放电时作为开关发挥功能，FET11b在电流从高电压负载部2A流向高电压电池3A时，即充电时作为开关发挥功能。
同样，半导体开关控制装置1B在高电压负载部2A和高电压电池3A的阴极之间包括下游侧的双向调整电路12A。下游侧的双向调整电路12A包括：作为第2半导体开关的FET12a；作为第2半导体开关的FET12b；驱动FET12a的驱动部32a以及驱动FET32b的驱动部32b。FET12a与FET12b源极端子彼此串联连接，FET12b的漏极端子与高电压电池3A连接，FET12a的漏极端子与高电压负载部2A连接。FET12a在电流从高电压电池3A流向高电压负载部2A时，即放电时作为电流调整发挥功能，FET12b在电流从高电压负载部2A流向高电压电池3A时，即充电时作为电流调整发挥功能。
实施方式3所涉及的半导体开关控制装置1B，在放电时、比表示流过FET11a的第1漏极电流是过电流的异常电流值Ie大，并且，比FET11a能够允许的第1漏极电流的最大电流值Im小的电流值作为电流限制值Ith的情况下，将将第1漏极电流的电流值设定为电流限制值Ith的限制栅极电压VGS施加在FET12a。另外，半导体开关控制装置1B、在充电时、比表示流过FET11b的第1漏极电流是过电流的异常电流值Ie大，并且，比FET11b能够允许的第1漏极电流的最大电流值Im小的电流值作为电流限制值Ith的情况下，将将第1漏极电流的电流值设定为电流限制值Ith的限制栅极电压VGS施加在FET12b。由此，半导体开关控制装置1B在高电压电路中，即使在放电时发生短路等且在FET11a流有过电流，也能够使FET11a适当关闭。另外，半导体开关控制装置1B在高电压电路中，即使在充电时发生短路等且在FET11b流有过电流，也能够使FET11b适当关闭。

Claims (3)

1.一种半导体开关控制装置，其特征在于，包括：
第1半导体开关，其设置在电源的阳极和负载部之间，使从所述电源流向所述负载部的电流通过或者切断；
第2半导体开关，其设置在所述负载部和所述电源的阴极之间，根据施加的设定栅极电压来调整从所述负载部流向所述电源的电流，限制流过所述第1半导体开关的电流；
控制部，其控制所述第1半导体开关以及所述第2半导体开关，
所述控制部在将比异常电流值大并且比最大电流值小的电流值作为电流限制值的情况下，其中，所述异常电流值表示流过所述第1半导体开关的电流即第1半导体输入电流是过电流；所述最大电流值是比所述异常电流值大且所述第1半导体开关能够允许的电流的最大电流值，
将限制栅极电压作为所述设定栅极电压施加在所述第2半导体开关，其中，该限制栅极电压将所述第1半导体输入电流的电流值设定在所述电流限制值，
当所述第1半导体输入电流的电流值达到所述异常电流值时，在从达到所述异常电流值开始到所述第1半导体开关切断的切断判定时间内，在所述第1半导体输入电流的电流值不在所述异常电流值以下的情况下，所述控制部切断所述第1半导体开关；在经过所述切断判定时间前所述第1半导体输入电流的电流值变为所述异常电流值以下的情况下，所述控制部不切断所述第1半导体开关。
2.如权利要求1所述的半导体开关控制装置，
所述第1半导体开关能够根据施加的栅极电压来调整从所述电源流向所述负载部的电流，
施加有对通过电流不加以限制的栅极电压。
3.如权利要求1或2所述的半导体开关控制装置，
所述控制部在所述第1半导体输入电流的电流值为所述异常电流值以下的情况下，将与施加在所述第1半导体开关的栅极电压同等的栅极电压施加在所述第2半导体开关，
在所述第1半导体输入电流的电流值比所述异常电流值大的情况下，将所述限制栅极电压施加在所述第2半导体开关。
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