CN108336986B - 开关装置以及用于运行这种开关装置的方法以及机动车车载电网 - Google Patents

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Abstract

描述一种开关装置，其包括：具有第一最小接通电阻RDS(on)的第一功率开关(10)；具有第二最小接通电阻R′DS(on)的第二功率开关(20)，其中，所述第一功率开关(10)和所述第二功率开关(20)构造用于通断整个用电器电流回路(30)；用于操控的装置(40)，其构造用于彼此独立地通断所述第一功率开关(10)和所述第二功率开关(20)；其中，所述第一最小接通电阻RDS(on)超出所述第二最小接通电阻R′DS(on)至少10％。还提出一种用于运行这种开关装置的方法，其中，所述方法包括：通断第一功率开关(10)，受阈值控制地通断第二功率开关(20)。

Description

开关装置以及用于运行这种开关装置的方法以及机动车车载 电网
技术领域
本发明涉及一种开关装置、优选涉及一种基于半导体的功率开关的装置、以及一种用于运行这种开关装置的方法。本发明尤其涉及一种用于在敏感供电网络上运行功率开关的装置。
背景技术
在现代车辆中，越来越多地安装有电压高于12V的供电网络。例如48V的车载电网，该车载电网由于持续增加的用电器数量、显著增大的功率要求以及多个其他原因而会在将来加强使用。与目前主要使用的12V或24V车载电网相比，这种电网的误差容限明显较小。尤其在48V车载电网中几乎不再能够容许出现可能的过电压。这种过电压尤其出现在接通过程和关断过程中，其中，高电流被通断。
其结果是，不再允许突然地关断或接通各个部分电网，而这目前在12V电网中是常见的。图3示例性地表明用电器在48V电网中的这种突然的接通过程。可以看出存在于用电器上的电压具有最大电压超过80V的明显过冲。即使作用时间很短，高电压峰值的出现也可能导致所连接的用电器损坏。
为了避免过冲，对48V电网中的用电器进行“软”通断。使相应的通断过程在时间上延迟，使得存在于用电器上的电压在通断过程期间仅缓慢地被提高。然而在这种设置下不利的是，在此，作为功率开关用于进行通断的晶体管在一段时间内保持在所谓的线性区内。在该区域中，功率开关表现得如欧姆电阻并且产生高损耗，功率开关将该高损耗转换为热量。
然而，不再允许将新式的功率开关运行在线性区内，否则它们在这些工作点中具有比功率开关的较旧的技术明显更差的性能。在此，与较旧的技术相比，较新的技术的特征尤其在于越来越小的接通电阻RDS(on)。此外在较新的技术中，芯片面积减小。为了限制电流，需要将来进一步降低线性运行中的栅源电压。然而，较小的栅源电压加剧功率开关中的电流的局部化/丝化(Filamentierung)并且提高破坏风险，因为所产生的损耗功率不再分布到整个功率开关的表面上，因此可能会在功率开关内部产生逐点的过载(
Figure BDA0001552738740000021
)。
因此在新式功率开关中，不仅(由于改善性能而)减小的芯片面积是不利的，而且附加地由于(在工作点相同情况下)减小的栅源电压而使在并联电路方面的稳定性降低也是不利的。与较旧的技术相比，新式功率开关的优点在于，在芯片面积保持不变的情况下减小的接通电阻RDS(on)(也称为导通电阻)和/或减小的开关损耗。这可以实现成本节约。
发明内容
根据本发明，提供一种开关装置、一种用于机动车的包括这种开关装置的车载电网以及一种用于运行这种开关装置的方法。
根据本发明的开关装置包括：具有第一最小接通电阻RDS(on)的第一功率开关；具有第二最小接通电阻R′DS(on)的第二功率开关，其中，第一功率开关和第二功率开关构造用于通断共同的用电器电流回路；用于操控的装置，其构造用于彼此独立地通断第一功率开关和第二功率开关；其中，第一最小接通电阻RDS(on)超出第二最小接通电阻R′DS(on)至少10％。
优选地，所述功率开关涉及基于半导体的受电压控制的场效应晶体管(FET)。在此，尤其可以涉及阻挡层场效应晶体管(SFET)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。通常，FET具有栅电极、源电极以及漏电极。通过将通断电压施加到栅电极上，可以对FET的源电极与漏电极之间的电流通量(电流)进行控制。优选地，在栅电极无电压的情况下，FET对于源电极与漏电极之间的电流是截止的。
优选地，通断过程(“接通”)包括从功率开关的截止状态(即没有电流流过漏电极和源电极)变换到功率开关的导通状态中(即有电流流过漏电极和源电极)。替代地，通断过程(“关断”)包括从功率开关的导通状态(即有电流流过漏电极和源电极)变换到功率开关的截止状态(即没有电流流过漏电极和源电极)中。在此，由流过功率开关的漏电极和源电极的电流的存在来定义导通状态。实际流过的电流可以(可调节地)取决于施加在功率开关的漏电极上的通断电压。
将FET的漏电极与源电极之间的静态(开关频率0Hz)电阻(以欧姆为单位测量)称为接通电阻RDS(on)(T,UDS,ID)(英语也称为Static Drain-to-Source On-Resistance)。接通电阻RDS(on)作为漏电极/源电极之间的电压UDS与漏极电流ID的商得出。在此，将FET的漏电极/源电极之间的在FET的特定允许工作范围内的最小电阻称为最小接通电阻RDS(on)。
FET的接通电阻RDS(on)基本上取决于三个因素。在此涉及通断过程的温度、栅电极/源电极之间施加的电压UGS以及漏极电流ID。漏极电流ID又取决于漏电极/源电极之间施加的电压UDS。优选地，在25℃的温度的情况下确定晶体管的最小接通电阻RDS(on)。为了确定晶体管的最小接通电阻RDS(on)，栅电极/源电极之间的电压UGS优选处于UGS＝1/2∣VGS∣，其中，VGS相应于晶体管的最大允许栅源电压。在英语中将最大允许栅源电压称为：Maximum Gate-Source Voltage Rating(根据IEC134的绝对最大额定值系统)。因此，在最大允许栅源电压的一半时运行晶体管的情况下得出FET的最小接通电阻RDS(on)。
FET的最小接通电阻RDS(on)的确定优选通过分析地或图形化地从接通电阻RDS(on)与漏极电流ID的相关性的测量曲线中对于漏极电流ID为0A(外推曲线与RDS(on)轴的交点)外推电阻值来实现。然而，一些测量曲线示出如下接通电阻RDS(on)：所述接通电阻RDS(on)低于可能通过这种外推法对于漏极电流ID为0A而确定的值。在这种情况下，则从测量曲线的全局最小值(即在ID不等于0A的情况下)得出最小接通电阻RDS(on)。
第一最小接通电阻RDS(on)优选超出第二最小接通电阻R′DS(on)至少10％。优选的是，第一最小接通电阻RDS(on)超出第二最小接通电阻R′DS(on)至少50％、优选至少100％、优选至少500％、优选至少1000％、还优选至少5000％。
将具有至少一个用电器的回路称为共同的用电器电流回路，该用电器电流回路通过至少一个第一功率开关以及至少一个第二功率开关可控制。在此，可控制表示，通过与至少一个第一功率开关以及至少一个第二功率开关的电连接可以接通和关断所述至少一个用电器。电连接尤其可以涉及至少一个第一功率开关和至少一个第二功率开关的串联连接、并联连接或交替连接(Wechselschaltung)。
优选地，使流过用电器电流回路的电流分布到多个功率开关上。在此，特别优选地，除了具有第一最小接通电阻RDS(on)的第一功率开关以外，该开关装置还包括至少一个另外的构造相同的功率开关，其中，至少两个第一功率开关彼此如此连接，使得通过所述功率开关接通的电流分布到这些功率开关上。特别优选地，除了具有第二最小接通电阻R′DS(on)的第二功率开关以外，该开关装置还包括至少一个另外的构造相同的功率开关，其中，至少两个第二功率开关彼此如此连接，使得通过所述功率开关接通的电流分布到这些功率开关上。
也优选的是，除了具有第一最小接通电阻RDS(on)的第一功率开关以外，该开关装置还包括至少一个另外的功率开关，其中，至少两个功率开关如此彼此连接，使得通过所述功率开关接通的电流分布到这些功率开关上。也优选的是，除了具有第二最小接通电阻R′DS(on)的第二功率开关以外，该开关装置还包括至少一个另外的功率开关，其中，至少两个功率开关如此彼此连接，使得通过所述功率开关接通的电流分布到这些功率开关上。与此无关，可以将满足它们的最小接通电阻RDS(on)与R′DS(on)之间的根据本发明的关系的所有功率开关明确区分为共同的用电器电流回路的至少一个第一功率开关和至少一个第二功率开关。
这种用于对流过的电流进行分布的由多个第一功率开关或多个第二功率开关构成的连接的特征可以是：等效电路图中的多个第一功率开关也可以由单个第一功率开关所代替。相应地，等效电路图中的用于对流过的电流进行分布的多个第二功率开关可以由单个第二功率开关所代替。
优选地，用于操控的装置涉及控制电路，该控制电路构造用于彼此独立地通断第一功率开关和第二功率开关。优选地，也可以通过用于操控的装置来实现其他功率开关和/或用电器电流回路的通断。
根据本发明的用于运行这种开关装置的方法原则上包括以下步骤：通断第一功率开关并且受阈值控制地通断第二功率开关。尤其可以在接通第一功率开关之后的确定的时间区间(时间阈值)结束后接通第二功率开关。
在根据本发明的方法的另一构型中可以设置受阈值控制地通断第一功率开关。尤其可以在关断第二功率开关之后的时间区间(时间阈值)结束后关断第一功率开关。
根据本发明的开关装置具有如下优点：为了降低功率损耗，可以使用具有新式结构的功率开关(即具有相对较低的接通电阻RDS(on)的功率开关)，而不产生电压过冲的问题。为此，为了通断用电器电流回路，将这些新式功率开关与具有较旧结构的功率开关(即具有相对较高的接通电阻的功率开关)与具有新式结构的功率开关进行组合。通过用于操控的装置可以在不同时刻通断这些具有不同结构的功率开关。由此为了用电器的“软”通断，尤其可以在线性区内运行具有较旧结构的功率开关。优选地，可以通过在时间上延迟地切换到具有新式结构的功率开关而降低稳定运行中的导通损耗。
也可以通过一个(或多个)具有较旧结构的功率开关接通或关断多个彼此独立的用电器电流回路(通道)。在此优点是，不是每个通道都单独需要一个附加的开关。本发明的这种实施方式尤其可以涉及至少一个第一功率开关和多个第二功率开关的串联电路，所述多个第二功率开关彼此独立并且彼此并联，其中，每个第二功率开关通断至少一个独立的用电器。
根据本发明的方法可以非常有利地实现：通过受阈值控制地(优选关于相应的另一功率开关的先前的通断过程)通断第一功率开关或第二功率开关，可以以理想的方式将第一功率开关与第二功率开关的相应的电子特性彼此组合。尤其可以在根据本发明的方法中将第二功率开关(新式结构)的优点——即由于较小的(最小的)接通电阻RDS(on)而在稳定运行中引起较小的导通损耗和/或较小的开关损耗——与第一功率开关(较旧结构)的优点——即能够稳定地在其线性区内在所需的工作点处运行功率开关的可行方案——特别有利地彼此组合。
在本发明的第一实施方式中，第一功率开关与第二功率开关可以彼此并联布置。在此，既可以通过第一功率开关也可以通过第二功率开关来通断用电器电流回路。同样可能的是，可以使电流在用电器电流回路中同时既流过第一功率开关也流过第二功率开关。有利的是，可以通过两个功率开关在用电器电流回路中彼此独立地通断用电器。如果第一功率开关(较旧结构)和第二功率开关(新式结构)彼此并列连接，则具有较旧结构的功率开关可以通过线性区承担用电器的“加速运行”，随后可以通过新式功率开关将该具有较旧结构的功率开关跨接(überbrücken)，以便将总体上产生的损耗功率保持得很低。
在本发明的第二实施方式中，第一功率开关和第二功率开关可以彼此串联布置。由此，尤其可以通过一个(或多个与之并联的)第一功率开关同时地接通或关断多个彼此独立的用电器电流回路。在此有利的是，不是每个通道都单独需要一个附加的开关。
优选地，用于操控的装置构造用于通过阈值调节来控制第一功率开关或第二功率开关。所基于的阈值尤其可以涉及时间阈值、确定的电压值、确定的电流值或它们的组合。优选地，在一个功率开关(第一功率开关或第二功率开关)的通断过程(接通或断开)之后，在确定的时间段耗尽之后也通断相应的另一功率开关。同样优选地，在一个功率开关(第一功率开关或第二功率开关)的通断过程(接通或关断)之后，在用电器电流回路中的测量点达到确定的电压值或电流值之后，也通断相应的另一功率开关。有利的是，可以在具有较小导通损耗的功率开关与具有有利的开关性能的功率开关(即具有较高导通损耗的具有较旧结构的功率开关)之间自动变换。
优选地，可以使用于操控的装置的阈值调节的阈值动态地匹配于周围环境条件。周围环境条件尤其可以涉及温度(例如外部空气温度或芯片温度)或空气湿度。优选地，将时间阈值匹配于功率开关的开关特性的可能的温度相关性。例如可以在朝更低的温方向上增大时间阈值。
优选地，第一功率开关和第二功率开关可以在它们相应的漏电极与源电极之间具有相同的最大允许漏源电压VDS。在英语中，最大允许漏源电压可以称为：Maximum Drain-Source Voltage Rating(根据IEC134的绝对最大额定值系统)。通常，随着最大允许漏源电压VDS的增大，接通电阻RDS(on)也增大。因此，为了在稳定运行中实现尽可能低的导通损耗，使用适用于相应的用电器电流回路的具有尽可能最小的最大允许漏源电压VDS的功率开关来进行通断。
本发明的另一方面包括机动车的车载电网，该车载电网具有根据本发明的开关装置。这种根据本发明的开关装置尤其可以集成在机动车的48V车载电网中。
本发明有利的扩展方案在说明书中描述。
附图说明
借助附图和接下来的描述进一步阐述本发明的实施例。附图示出：
图1示出根据本发明的开关装置的第一实施方式的电路的示意图；
图2示出根据本发明的开关装置的第二实施方式的电路的示意图；
图3示出在现有技术中的48V车载电网中的接通过程情况下的示例性的电压变化过程；
图4示出在具有根据本发明的开关装置的48V车载电网中的接通过程情况下的示例性的电压变化过程。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的开关装置的第一实施方式的电路的示意图。用电器32通过用电器电流回路30与48车载电网的电池34连接。用电器电流回路30能够通过第一功率开关10和第二功率开关20通断。在此，第一功率开关10和第二功率开关20彼此并联布置。除第二功率开关20以外，还有两个另外的第二功率开关20′、20″，其中，第二功率开关20、20′、20″如此彼此连接，使得在用电器电流回路接通的情况下，总电流分布到所有第二功率开关20、20′、20″上。
通过用于操控的装置40来实现第一功率开关10和第二功率开关20、20′、20″的通断。优选地，用于操控的装置40与用电器电流回路30内的先前的通断过程在时间上相关地通断至少一个功率开关10、20、20′、20″。优选地，用于操控的装置40与功率开关10、20、20′、20″的相应的栅电极12、22、22′、22″连接。优选地，通过用于操控的装置40通过施加通断电压来控制功率开关10、20、20′、20″。在该示图中，第一功率开关10的源电极与功率开关20、20′、20″的栅电极22、22′、22″导电地连接。
因此，(较旧结构的)第一功率开关和(较新结构的)第二功率开关彼此并联连接，使得第一功率开关首先可以通过线性区承担用电器的“加速运行”，其中，然后通过新式的第二功率开关将第一功率开关跨接，以便将总体上产生的损耗功率保持得很低。
在图2中示出根据本发明的开关装置的第二实施方式的电路的示意图。在此，示出能够通过分别一个第二功率开关20、20′、20″彼此独立通断的多个用电器32、32′、32″。第二功率开关20、20′、20″以及能够分别通过所述第二功率开关通断的用电器32、32′、32″通过用电器电流回路30与48V车载电网的电池34连接。在此涉及由三个用电器32、32′、32″构成的并联电路，其中，该并联电路的每个支路可以通过各一个第二功率开关20、20′、20″被独立通断。此外，用电器电流回路30能够通过彼此并联布置的两个第一功率开关10、10′通断。在此有利的是，不是每个通道都单独需要附加的开关。
为了总用电器电流的相互分布，第一功率开关10、10′彼此并联布置。在用电器电流回路30中，彼此并联布置的两个第一功率开关10、10′与用电器30、30′、30″的并联电路串联连接。因此，仅当所属的第二功率开关20以及至少一个第一功率开关10或10′连接到通路时，才有电流流过用电器32。
通过用于操控的装置40来实现第一功率开关10、10′和第二功率开关20、20′、20″的通断。优选地，用于操控的装置40与用电器电流回路30内的先前的通断过程在时间上相关地通断至少一个功率开关10、10′、20、20′、20″。优选地，用于操控的装置40与功率开关10、10′、20、20′、20″的相应的栅电极12、12′、22、22′、22″连接。优选地，通过用于操控的装置40通过施加通断电压来控制功率开关10、10′、20、20′、20″。
在图3中，示出在现有技术中的48V车载电网中的接通过程情况下的示例性的电压变化过程。可以看出，在接通之后存在于用电器上的电压的显著过冲超过80V。随后，电压值在多个振荡周期内衰减很弱。在超过1000μs的时间段之后，才在48V车载电网的额定电压下达到近似恒定的电压值。
在图4中，示出在具有根据本发明的开关装置的48V车载电网中的接通过程情况下的示例性的电压变化过程。通过“软”接通，将存在于用电器上的电压基本上线性地(两个垂直线之间的区域)从0V增大到近似48V的电压值。在此，虽然随后可看出电压值在进一步的时间变化过程中轻微振荡，然而在接通之后，施加在用电器上的电压的过冲却被限制在50V以下。
在此，可以将具有第一最小接通电阻RDS(on)的第一功率开关(其中，第一最小接通电阻RDS(on)相对较高，因此可以实现第一功率开关在线性区内的高效运行)用于“软”通断。在用电器处达到48V的额定电压之后，可以通过由具有第二最小接通电阻R′DS(on)的第二功率开关的接通或切换来提供用电器电流，其中，第二最小接通电阻R′DS(on)相对较低，因此可以实现用电器的具有较小功率损耗的稳定运行。

Claims (7)

1.一种开关装置，其包括：
具有第一最小接通电阻RDS(on)的第一功率开关(10)；
具有第二最小接通电阻R′DS(on)的第二功率开关(20)，
其中，所述第一功率开关(10)和所述第二功率开关(20)构造用于通断共同的用电器电流回路(30)；
用于操控的装置(40)，其构造用于彼此独立地通断所述第一功率开关(10)和所述第二功率开关(20)；
其中，
所述第一最小接通电阻RDS(on)超出所述第二最小接通电阻R′DS(on)至少10％，
其特征在于，
所述用于操控的装置(40)构造用于通过阈值调节来控制所述第一功率开关(10)和/或所述第二功率开关(20)，其中，使所述用于操控的装置(40)的所述阈值调节的阈值动态地匹配于周围环境条件。
2.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述第一功率开关(10)和所述第二功率开关(20)彼此并联布置。
3.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述第一功率开关(10)和所述第二功率开关(20)彼此串联布置。
4.根据上述权利要求中任一项所述的开关装置，其中，所述功率开关是MOSFET，其中，所述MOSFET构造用于，分别借助所述用于操控的装置(40)通过施加在所述MOSFET的栅电极(12，14)上的通断电压被通断。
5.根据上述权利要求中任一项所述的开关装置，其中，所述第一功率开关(10)和所述第二功率开关(20)在它们的相应的漏电极与源电极之间具有相同的最大允许漏源电压VDS。
6.一种用于运行根据上述权利要求中任一项所述的开关装置的方法，其中，通过阈值调节来控制所述第一功率开关(10)和/或所述第二功率开关(20)，其中，使所述阈值调节的阈值动态地匹配于周围环境条件。
7.一种机动车车载电网，所述车载电网具有根据权利要求1至5中任一项所述的开关装置。
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