CN111697954B - 开关设备以及开关设备的运行方法 - Google Patents

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Abstract

提出尤其是机动车车载电网的开关设备(2)，用于电负载(4)与能量源(6)的电连接，开关设备具有带有开关单元(9)的主电流路径(8)，开关单元具有至少一个功率开关(10)，电负载凭借功率开关在供应模式中与能量源连接，开关设备还具有与主电流路径并联的旁路电流路径(12)，其中布置有第一开关元件(14)。还设有切断模式，其中，所述至少一个功率开关断开且电负载仅与旁路电流路径连接，以减少存储在电负载内的电能。还设有诊断模式，其中，开关单元断开且电负载仅通过旁路电流路径与能量源连接，以对电负载供电。还设有控制单元(22)，用于启动诊断模式。此外提出了开关设备的运行方法。

Description

开关设备以及开关设备的运行方法
技术领域
本发明涉及开关设备以及开关设备的运行方法，以使电负载与能量源进行电连接。
背景技术
在供电网络中，尤其在机动车车载电网中，现有的电消耗器通常通过开关设备与能量源进行电连接。在此，例如将机动车的电池用作能量源。
所述开关设备通常具有电功率开关，其作为隔离元件布置在消耗器与能量源之间。本文所涉及的消耗器尤其为高电流消耗器，例如电动马达，其在运行中具有高于10安或高于50安并且尤其具有高于100安的电流消耗。
为了确保功率开关的功能，通常必须检查功率开关的运行能力。然而在此同时地，不应断开原通过待检查的功率开关与能量源相连接的各个消耗器的电能供应。
所述功率开关在切断、亦即开路的情况下也应免遭负的电压脉冲，所述电压脉冲尤其在切断电感负载时产生。
发明内容
由此出发，本发明的任务在于给出开关设备以及开关设备的运行方法，凭借其将电消耗器可靠地与电源相连接。
针对所述开关设备的任务按照本发明通过开关设备来完成。所述开关设备尤其是用于机动车车载电网的开关设备，所述开关设备用于电负载与能量源的电连接，所述开关设备具有：
-主电流路径，其具有开关单元，所述开关单元具有至少一个功率开关，通过所述功率开关，所述电负载在供应模式中与能量源连接，
-与所述主电流路径并联的旁路电流路径，在所述旁路电流路径中布置有第一开关元件，
其中，
-设有用于切断所述负载的切断模式，在所述切断模式中，所述开关单元断开并且所述电负载与旁路电流路径连接，以减少存储在所述电负载内的电能，以及
-设有诊断模式，在所述诊断模式中，所述至少一个功率开关断开并且所述电负载仅通过旁路电流路径与能量源连接，以对所述电负载供电，并且，
-其中，所述诊断模式能通过控制单元启动。
所述开关设备构造为尤其用于机动车车载电网的开关设备并且用于使电负载与能量源进行电连接。在此，所述电负载例如应理解为所述机动车内的所有类型的电消耗器，并且优选为电感负载。负载的概念在此包括一个消耗器或也包括多个消耗器。特别地，所述负载涉及高电流负载，如开始所限定地那样。所述能量源在此优选应理解为机动车电池或布置在机动车内的变压器。
所述开关设备具有主电流路径，主电流路径具有开关单元，开关单元具有至少一个功率开关。所述主电流路径和开关单元设计用于对与其连接的负载(一个或多个消耗器)以(最大)总工作电流进行供电。尤其在短时负荷的情况下，所述总工作电流尤其大于10安或大于50安、并且尤其大于100安、例如高至1000安。功率开关在本文中通常应理解为用于开关电负载的开关，尤其用于以至少1安、优选至少5安或也可以是至少10安的电流强度来切换电流。在所述开关单元中通常相互并联地布置有多个功率开关。所述一个或多个功率开关优选构造为半导体开关并且尤其构造为功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。通过功率开关，电负载在供应模式中与能量源进行连接。所述供应模式应理解为开关设备的(运行)模式，其相当于下述运行状态，在此状态下，所述至少一个功率开关接通并且所述电负载优选无例外地、亦即连续地与能量源连接，从而所述电负载被供以电能。
开关设备还具有与主电流路径并联的旁路电流路径，在旁路电流路径中布置有第一开关元件。
设有切断模式，其中，中断通过主电流路径对负载的供电，就是说所述负载被切断。这通过断开开关单元来实现，亦即断开布置于其内的功率开关。在此，所述切断应理解为，所述功率开关从导通状态切换至阻断状态、亦即断开。通常，在所述切断模式中，不以源自能量源的电能对所述负载进行供应。
在至少一个通过所述开关单元连接的负载中以及如有必要在线路内，高的能量、尤其是存储的感应能量必须被耗散。对此，通常构造有于主电流路径并联的支路或空转路径，所述负载与所述支路或空转路径在切断模式中连接，并且所存储的电能通过所述支路或空转路径减少并耗散。对此通常地，所述空转路径通过开关元件接通。在所述空转路径中布置有至少一个合适的消耗器，例如一个或多个功率电阻，以便减少所存储的能量。
所述空转路径在此由旁路电流路径形成。因此在切断模式中，布置在旁路电流路径中的第一开关元件是接通的。就这点而言，所述电负载在切断模式中仅通过旁路电流路径与能量源连接。
在切断命令的情况下并且于是尤其在所述电负载发生故障时进行所述开关单元的切断并且因此进行断开，以将有故障的电负载与机动车车载电网分开。切断例如也在下述情况下进行，即，通过上级的控制器进行相应的要求，所述控制器发出切断命令。
尤其在构造为电感负载的电负载的情况下，在切断并且因此在分离所述电负载与能量源之间的电连接的情况下，出现负的电压脉冲(也称作负的电压尖峰)。根据电磁感应定律，所述负的电压脉冲是由在供应模式下流经电负载的载荷电流的下降并且由存储在所述电负载内的感应能量造成的。在有故障的空转路径的情况下，所述负的电压脉冲导致断开的至少一个功率开关重新转变为导通状态、就是说非期望地接通。于是，在所述不期望的接通之后，存储在所述电负载内的感应能量(也称作感应切断能量)在所述至少一个功率开关内放出，这可导致其过载并且因此导致功率开关的故障并且因此导致开关设备的故障。
由于在切断模式中所述电负载仅通过旁路电流路径与能量源连接，所以实现的是，所述电负载的感应能量通过旁路电流路径放出且消耗。对此，在旁路电流路径中已经布置有所提到的功率消耗器。所述功率消耗器具有尤其多个串联的功率电阻。因此，所述至少一个功率开关在切断模式中得以保护。所述旁路电流路径由此也称作支路路径。
此外设有诊断模式，其中，所述开关单元也断开，通过主电流路径对负载进行的供电中断。所述电负载仅通过旁路电流路径与能量源连接并且通过旁路电流路径以来自所述能量源的能量进行供应。就是说与在切断模式中不同地，在所述诊断模式内，所述电负载与能量源的通过旁路电流路径实现的电连接用于对电负载进行供电。由此实现的是，尽管开关单元在诊断模式中断开，但是向所述电负载供应电能是不中断的。因此实现的是，除了通过主电流路径对电负载进行供电以外，也通过旁路电流路径实现对电负载的供电，并且对电负载的无中断的供电在主电流路径中的开关单元断开的情况下也使功率开关得到保障。
在诊断模式中还进行所述开关设备的诊断，并且如有必要进行所连接的负载的诊断。尤其进行对所述开关单元的一个或多个功率开关的在其功能性方面的检查。
此外设有控制单元，其用于启动各个不同的模式并且尤其用于启动诊断模式，特别地通过操控不同的开关元件，具体地说例如通过操控在主电流路径中的开关元件和在旁路电流路径中的第一开关元件。所述控制单元优选构造为微控制器。
通过所述开关设备以及不同的模式(供应模式，切断模式以及诊断模式)实现一种开关设备，其一方面这样构造，即，在切断的情况下使得存储在电负载内的感应能量减少，并且另一方面确保向所述电负载无中断地供电，尤其是在所述至少一个功率开关在用于检查所述功率开关的功能性的诊断模式中处于断开状态、亦即阻断状态的情况下。
所述旁路电流路径并且尤其是布置于其中的用于断开和接通所述旁路电流路径的第一开关元件在此优选仅设计成用于(最大)总工作电流的一部分(例如最多50％、最多25％并且进一步地优选至少5％或10％)，而所述主电流路径和布置于其中的开关单元设计成用于所述(最大)总工作电流。
按照优选的设计方案，所述第一开关元件这样构造，即，其自动接通并且在所述负载切断的情况下，所述负载与用于减少所存储的电能的功率消耗器连接。因此无需主动进行操控。所述支路或空转路径的开通因此与控制命令无关地、仅基于在切断时出现的电压脉冲而进行。
尤其地，所述开关元件对此构造为半导体开关、尤其构造为MOSFET并且特别地构造为功率MOSFET。第一开关元件因此具有栅极连接部，栅极连接部具有栅极电势。此外，所述第一开关元件具有源极连接部，在所述源极连接部上连接有电负载。所述第一开关元件的漏极连接部在此优选与能量源连接。优选地，所述栅极电势通过接地连接部与接地电势电连接。
所述优选的设计方案基于下述考虑，即，在切断所述至少一个功率开关的情况下，通过所述栅极电势与接地电势的电连接，在存在负的电压脉冲的情况下，所述电负载通过旁路电流路径与能量源自动连接。换言之，所述旁路电流路径的第一开关元件的接通通过下述方式实现，即，通过负的电压脉冲实现在栅极电势与源极电势之间的电压差，所述电压差按照数值与(预先规定的且固定的)控制电压相比具有至少相同的数值并且优选具有较大的数值，所述控制电压必须施加在栅极连接部与源极连接部之间，因此所述第一开关元件从(高阻的)阻断状态过渡至(低阻的)导通状态。因此，所述第一开关元件在切断模式中由于所述电感负载的切断特性而实现自动接通。所以，尤其无需主动的和/或外部的开关信号。所述设计方案的优点一方面在于简化开关耗费，并且另一方面在于非必需的主动监测的必要性。
优选地，所述旁路电流路径具有二极管，其布置在第一开关元件的栅极连接部与接地电势之间。所述二极管优选沿截止方向与接地电势电连接。
合乎目的地，在旁路电流路径中布置有电阻元件作为功率消耗器。所述电阻元件优选涉及欧姆电阻并且特别地涉及功率电阻。所述电阻元件用于在切断模式中将存储在电负载内的电能且优选为感应能量进行转换。所述电能通过电阻元件在切断模式中转换为热能。通过布置所述电阻元件实现简单且可靠的转换，并且因此实现在切断模式中耗散所述电负载的电能。此外，通过将电阻元件特别地设计为功率电阻且通过将第一开关元件特别地设计为功率MOSFET，所述构件具有高的耐热性。
一般来说，整个开关设备(特别是电阻元件和第一开关元件以及开关单元)，除了适于切换高的电流和能量，也用于高的温度要求，即，其功能性在优选100℃至150℃的温度范围内不会受损。所述开关设备因此也适合于布置在热学要求高的区域内。例如，将其用在车辆的驱动电动马达的区域内。
按照优选的设计方案，在诊断模式中，所述第一开关元件的栅极电势具有与能量源的电势相同的数值。所述相同的数值在此应理解为，所述栅极电势的数值基本上相当于所述能量源的电势的数值。关于基本上在此应理解为，所述栅极电势具有数值，该数值除了由于在开关过程中出现的电压降可能导致的公差之外具有与所述能量源的电势相同的数值。所述能量源的电势例如应理解为布置在机动车内的电池的工作电压或已提到的变压器的输出电压。
优选地，设有第二开关元件，以使所述第一开关元件的栅极连接部与能量源在诊断模式中电连接。由此，所述能量源的电势因此施加在所述第一开关元件的栅极连接部上。所述栅极连接部的电连接在此优选在相连接部处进行，亦即在能量源的“阳极”处进行。通过所述第二开关元件实现在诊断模式中，所述栅极连接部与能量源的可逆的且可控的电连接。
因此在前文提到的通过控制单元启动所述诊断模式的情况下，通过接通第二开关元件进行栅极连接部与能量源的电连接。
按照合乎目的的进一步方案，所述控制单元这样设置，即，检测施加在电负载上的输出电压。对此，所述控制单元或是具有电压检测单元，或是与这样的电压检测单元连接。所述输出电压在此应理解为用以对所述电负载供电的电压。
所述进一步方案基于下述考虑，即，当在诊断模式中通过旁路电流路径向负载供电的情况下，施加在电负载上的输出电压与电负载通过主电流路径与能量源连接时的输出电压相比，具有优选2V至4V更小的数值。所述输出电压的电压差是这样造成的，即，在通过第一开关元件的栅极连接部与能量源的电连接而使第一开关元件接通的情况下、并且在栅极电势与能量源的电势在诊断模式中连接的情况下，能量源的电源电压的一部分下降，并且因此，在诊断模式中施加在电负载上的输出电压减小。所述电源电压的一部分在此应理解为已提到的2V至4V。
因此总体来说，根据所述输出电压能识别出所述主电流路径是否断开以及旁路电流路径是否接通。通过检测施加在电负载上的输出电压，从所述控制单元方面能够区分供应模式和诊断模式的开关状态。特别地，由此以简单的方式可靠地确定，待实施的诊断的前提条件是否存已具备。相应地在优选的进一步方案中，与所检测的输出电压相关地规定诊断的开始，亦即尤其是对开关单元的功率开关的检查的开始。
优选地，所述控制单元这样设置，即，在所述诊断模式中检查所述至少一个功率开关。在此，所述控制单元这样设置，即，所述至少一个功率开关尤其在其功能性方面进行检查。在这种情况下，所述检查在不中断对负载的供电的情况下进行。所述检查尤其在低消耗的状态下进行，就是说，检查在被所连接的负载仅需要总运行负荷中的一部分的情况下进行。
优选地，所述控制单元与电流测量元件连接。替代地，所述控制单元具有电流测量元件。所述电流测量元件在此这样设置，即，检测流经所述电负载的载荷电流。此外，控制单元这样设置，即，与所检测的载荷电流相关地通过操控所述第一开关元件并且优选地通过操控至少一个功率开关，在所述供应模式与诊断模式之间转换。
所述设计方案基于下述考虑，即，这样选择对至少一个功率开关进行诊断的时机并且因此选择启动诊断模式，即，在电负载的电流消耗较低并且因此流经其的载荷电流较低的情况下启动所述诊断模式。较低的电流消耗在此应理解为例如当电负载处于静止状态(也称作待命状态)中或广义地处于电流需求较低的状态中时出现的电流消耗。所述静止状态在此应理解为电负载的下述状态，在该状态中，或是电负载的所有功能都不是有效的，或是优选地，电负载的所有功能中仅一部分是有效的。若电负载处于这样的静止状态中并且这在控制单元方面通过检测较低的载荷电流被识别，那么所述控制单元将供应模式切换至诊断模式，并且因此对至少一个功率开关进行检查，同时确保通过旁路电流路径对电负载供电。通常地，在有需要时切换至诊断模式，即当载荷电流低于设计用于旁路电流路径的电流时，亦即例如比设计用于主电流路径中的开关单元的(最大)总工作电流低50％或低25％或也可低10％。所述诊断模式优选仅在所述负载处于这样的电流需求较低的状态中时才启动。
作为备选方案，从外部、例如通过操控单元操控所述开关单元。在这种情况下，所述操控单元从控制单元得到开关命令，以断开或接通所述开关单元，从而这样在供应模式和诊断模式之间转换，反之亦然。
按照优选的设计方案，所述旁路电流路径通常设计用于与主电流路径相比较低的电流。这例如适用于装在两个电流路径中的开关元件和/或也适用于所述两个路径中关于(总)导线截面方面的考虑。所述设计方案基于下述考虑，即，如前文已提到地，所述旁路电流路径优选在诊断模式期间用于向尤其处于静止状态中的电负载供电。由此，所述旁路电流路径在诊断模式中承受与主电流路径相比较低的电流负载。通过将旁路电流路径设计用于较低的电流还实现了材料和成本节省。
本文所述的开关设备的基本优点通过所述开关设备的下述两个能实现的功能来体现，即，一方面在切断(切断模式)的情况下减少电负载内的电能，而另一方面在检查至少一个功率开关的情况下(诊断模式)确保供电，其中所述切断模式和诊断模式基本上均通过旁路电流路径来实现。在此具有决定性意义的还在于所述第一开关元件这样连接并且能操控，即，一方面针对切断模式自动连接，而且针对诊断模式主动地转变为接通状态。因此，通过旁路电流路径并且通过第一开关元件、结合第二开关元件实现双重功能。
针对方法提出的任务按照本发明通过开关设备的运行方法来完成。所述方法尤其用于通过开关设备使电负载与能量源电连接，其中，
-通过具有开关单元的主电流路径，在供应模式中，通过接通所述开关单元使所述电负载与能量源连接，所述开关单元具有至少一个功率开关，
-在切断模式中，所述负载被切断以及所述开关单元为此断开，并且所述电负载通过接通所述第一开关元件与旁路电流路径连接，以减少存储在所述电负载内的电能，以及
-在诊断模式中，所述开关单元断开并且所述第一开关元件接通，从而所述电负载仅通过旁路电流路径与能量源连接，其中，在所述诊断模式中检查所述至少一个功率开关并且同时通过旁路电流路径确保对所述电负载的电能供应。
所述开关设备尤其涉及前文已提到的开关设备。
因此在关于具有至少一个功率开关的主电流路径的方法中，电负载在供应模式中通过接通至少一个功率开关而与能量源连接。
在切断模式中，所述至少一个功率开关断开并且所述电负载仅通过具有第一开关元件的旁路电流路径、通过接通所述第一开关元件的方式与能量源连接。在此，存储在电负载内的电能通过旁路电流路径减少。在此优选地，在旁路电流路径中布置有电阻元件，以将所述电能转换为热能。
在诊断模式中，所述至少一个功率开关断开并且所述第一开关元件接通。在此，所述电负载仅通过旁路电流路径与能量源连接，其中，在所述诊断模式中检查至少一个功率开关并且同时通过旁路电流路径确保对所述电负载的电能供应。
优选地，所述第一开关元件构造为半导体开关，其在所述切断模式中通过由所述负载在切断之后造成的负的电压脉冲而自动接通。
此外优选地，在所述诊断模式中，所述第一开关元件通过第二开关元件有效地接通。
关于所述开关设备所提及的优点和优选的设计方案应适用于所述方法，反之亦然。
附图说明
本发明的实施例将在下文中根据附图进一步阐述。附图以局部非常简化的表现方式示出。
图1示出所述开关设备的粗略的示意性电路图，
图2示例性地示出在切断和再次接通负载时所述开关设备的输出电压的分布以及负载电流的分布，
图3示例性地示出所述开关设备与开关元件的控制信号相关的输出电压的分布。
相互对应的部件在所有附图中均以相同的附图标记表示。
具体实施方式
在图1中示意性示出的开关设备2构造为尤其用于机动车车载电网的开关设备并且用于使电负载4与能量源6进行电连接。所述电负载涉及一个或多个消耗器、例如电动马达。电负载4在本实施例中呈现为电感负载4，因此在按照图1的电路图中呈现为线圈。能量源6在图1中仅示意性地表示。能量源6涉及例如未示出的机动车的电池、布置在在机动车内的变压器或电容器。开关设备2具有与能量源6相连接的输入端E和连接于负载4的输出端A。在运行中，在输出端A进而在电负载4上作用有电载荷或输出电压UA并且在输出端A处提供载荷电流IL。
此外，开关设备2具有主电流路径8，其具有开关单元9，所述开关单元包括至少一个功率开关10并且优选具有多个相互并联的功率开关10。在本实施例中，开关设备2具有两个功率开关10。功率开关10在本实施例中构造为功率MOSFET。通过功率开关10，电负载4在供应模式中与能量源6进行电连接。所述供应模式在此应理解为开关设备2的正常运行状态，在该正常运行状态中，功率开关10优选持久地接通、亦即导通。主电流路径8和开关单元9特别地在短时负荷的情况下构造用于下述的最大总工作电流，通常在高于50安至例如500安或也可以是1000安的范围内。
开关设备2还具有与主电流路径8并联的旁路电流路径12，在旁路电流路径中布置有在本实施例中构造为半导体开关的第一开关元件14。因此，借助于第一开关元件14同样能实现能量源6与电负载4之间的导电连接。在旁路电流路径12中还布置有与第一开关元件14串联的功率消耗器、尤其是电阻20。
第一开关元件14具有栅极连接部16，其具有栅极电势UG。栅极连接部16并且因此栅极电势UG与接地电势M电连接。同样地，旁路电流路径12具有二极管18，该二极管布置在栅极连接部16与接地电势M之间，以及沿截止方向与接地电势M电连接。
此外，作为开关设备2的一部分设有第二开关元件24，其用于第一开关元件14的栅极连接部16与能量源6、尤其与能量源6的相连接部26(“阳极”)的可控的电连接。
最后，设有控制单元22，通过该控制单元操控开关设备2的各种功能，如下文还将阐述地。特别地，控制单元22也用于操控所述功率开关10和第二开关元件24。对此，该控制单元以未在此详细描述的方式分别与各个开关元件10、24的控制端S连接。
切断模式：
栅极连接部16以及栅极电势UG与接地电势M的电连接用于第一开关元件14在切断模式中的自动接通。在此，切断模式应理解为开关设备2的下述运行模式，其中，负载4通过开关单元9的断开而切断，亦即，开关单元9成为开路。
在负载4内以及或许在用于负载4的供应线路内存储(剩余)能量。在电感负载4的情况下，由于电磁感应定律和载荷电流的下降以及存储在负载4内的感应能量导致呈负的电压脉冲形式的负的反向电压。
基于栅极连接部16与接地电势M的电连接，由于所述负的电压脉冲，在切断的情况下，在第一开关元件14的栅极连接部16上的控制电压被超过并且因此使第一开关元件14自动接通。
由此，在负载4切断的情况下，电负载4自动地通过旁路电流路径12与能量源6电连接。因此，在所述切断之后由于存储的能量仍流通的电流通过旁路电流路径12导出。所存储的(剩余)电能被转换，并且转换为电阻20中的热能。由此，使主电流路径8中的开关单元9的功率开关10得以保护。
如果所述反向电压又低于某一数值，那么第一开关元件14又自动断开，从而负载4完全与能量源6分离。
因此，所述切断模式用于在开关单元9切断的情况下，减少存储在电负载4内的电能。
在切断情况下、亦即在所述切断模式期间的电压和电流分布示例性地根据图2示出：
上方曲线示出在输出端A的输出电压UA的分布，并且进而示出施加于负载4上的负载电压的分布。下方曲线示出载荷电流IL的分布。在这种情况下，虚线“HS”示出经过主电流路径8的载荷电流IL的分布，而粗实线“NS”示出经过旁路电流路径12的载荷电流IL的分布。所标明的电压和电流的数值仅为示例性的、而非实际的数值。
在大约0.5毫秒的时刻，负载4通过开关单元9切断，亦即，功率开关10成为开路。这导致负的电压脉冲(例如从+15V至约-20V)。在所述切断之后，载荷电流IL在几纳秒或几毫秒内从例如几百安(例如约300安)的额定电流连续地降至0安。由于所述负的电压脉冲，第一开关元件14接通并且载荷电流IL流经旁路电流路径12。若所述负载电压或输出电压UA又上升直至某一数值，在本示例中约-3V，那么第一开关元件14再次断开并且负载4与能量源6分离。
在开关单元9接通之后，在本示例中约在5毫秒时，载荷电流IL以及输出电压UA又上升至所述输出数值。
诊断模式：
此外，还设有诊断模式，在该诊断模式中，开关单元9也是断开的并且负载4仅通过旁路电流路径12与能量源6连接。在该诊断模式期间，特别地对一个或多个功率开关10进行检查。
为此设有控制单元22，在本实施例中根据图1，该控制单元是开关设备2的一部分。控制单元22优选构造为微控制器或者具有微控制器。控制单元22并不强制性地为所述开关设备的组成部分。例如，该控制单元构造为独立的结构单元或布置在独立的结构单元内。该控制单元例如与所述开关设备或者与所述开关设备2的其余部件分开布置。其例如涉及上级的控制装置。无论是否具有控制单元22，开关设备2的各个部件优选布置在同一个电路板上。
此外，控制单元22构造用于启动所述诊断模式。对此，第二开关元件24由控制单元22适当地操控，从而第一开关元件14的栅极连接部16与能量源6连接。
通过第一开关元件14的栅极连接部16与能量源6的相连接部26的电连接，栅极电势UG在诊断模式中具有与所述能量源的电势UE相同的数值。能量源6的电势UE在此相当于例如所述机动车电池的工作电压。
通过这种措施，第一开关元件14被接通，从而负载4与能量源6通过旁路电流路径12连接。于是，在规定的诊断范围内检查所述无功率接通的功率开关10。
原则上应注意，所述负载(亦即所述一个或多个消耗器)在多个不同的负载状态下运行。这通过未在此进一步示出的控制设备来控制。所述负载/所述消耗器例如涉及电动马达，从而其负荷能力和容纳的电流通过所述控制设备按照需求进行操控。
通常所述诊断在负载4与能量源6不分离的情况下进行。在这种情况下，所述诊断在负载4的低负荷的运行状态期间进行。为了确保在低负荷状态下可靠地进行所述诊断并同时对负载4进行供电，规定下述特别的措施。
首先，控制单元22这样设置，以便检测输出电压UA。为此，控制单元22在本实施例中与电压检测单元30连接。控制单元22对此这样设置，与所检测的输出电压UA相关地辨别供应模式和诊断模式。这种设计方案基于下述考虑，即，在诊断模式中的输出电压UA比在供应模式中的输出电压UA低优选2V至4V。一般来说，所述供应模式的特征在于，开关单元9是接通的，另外优选第一开关元件14是断开的。
因此，无论是对于供应模式的还是对于诊断模式的输出电压UA设有有代表性的电压数值，根据所述电压数值，控制单元22将所述两个模式(供应模式和诊断模式)相互区分开，亦即特别地将开关单元9和第一开关元件14的开关状态相互区分开。
控制单元22还用于确定实时的载荷电流IL并且为此例如与开关设备2的电流测量元件28连接。作为备选方案，控制单元22也通过其它方式得到关于实时的载荷电流IL的信息，例如从控制设备得到、例如从用作负载的马达的马达控制机构得到。然而这未在优选的实施例变型中作出规定。
电流测量元件28在本实施例中用于直接测量流经电负载4的载荷电流IL。此外，控制单元22这样设置，即，与所检测的载荷电流IL相关地通过操控所述第一开关元件14和至少一个功率开关10，在所述供应模式与诊断模式之间转换。因此，如果根据载荷电流IL识别出低负荷状态，旁路电流路径12就通过对第一开关元件14(借助于第二开关元件24)的受控接通而启动。
优选地，控制单元22也用于操控所述功率开关10，以使其断开。由此，总体上从供应模式转换为诊断模式，在该供应模式中，开关单元9接通并且第一开关元件14断开。为此转换，控制单元22将所提到的控制或开关信号传递至各个控制端，所述控制或开关信号使得功率开关断开并且使得第一开关元件14接通。在此，第一开关元件14的接通优选在时间方面(短地，少于1毫秒)在至少一个功率开关10断开之前进行，从而在短的时间间隔内，所述电负载4既通过主电流路径8又通过旁路电流路径12与能量源6电连接。由于通过旁路电流路径12对电负载4进行供电，因此实现对所述电负载的无中断的供电、尤其在诊断模式中无中断的供电。
在所述供应模式与诊断模式之间的转换根据图3进行说明。
上方曲线示出输出电压UA的分布，根据其可辨别所述两个模式。下方部分视图示出两个曲线，其中，上面的曲线示出用于开关单元9的开关的第一开关信号S1的分布，而下面的曲线示出用于第二开关元件24的开关的第二开关信号S2的分布。
正如可清楚看到地，首先在供应模式中，所述开关信号S1处于高水平，从而所述功率开关这样被操控，即，所述功率开关并且进而所述主路径8是接通的。然后补充地，所述开关信号S2施加至第二开关元件24，从而旁路电流路径12也接通，并且供电短期地通过两个路径8、12进行。接着，所述第一开关信号的控制电压至少降低至功率开关10断开的程度。这在所述输出电压方面由于有代表性的约为3V的电压降而变得明显。然而继续施加有足够的输出电压UA，从而继续对负载4供电。
在所述诊断模式中，所述诊断在接着再次转换到供应模式之前(提升S1的控制电压并且切断S2的控制电压)进行。
本发明不应受限于本文所描述的实施例。更确切地说，本领域技术人员由本文也能得出本发明的其它变型，而不背离本发明的主题。此外尤其地，所有结合所述实施例描述的单个特征也能以其它方式相互组合，而不背离本发明的主题。
附图标记列表：
2 开关设备
4 电负载
6 能量源
8 主电流路径
9 开关单元
10 功率开关
12 旁路电流路径
14 第一开关元件
16 栅极连接部
18 二极管
20 电阻元件
22 控制单元
24 第二开关元件
26 相连接部
28 电流测量元件
30 电压检测单元
UA 输出电压
UE 能量源的电源电压
UG 栅极电势
IL 载荷电流
M 接地电势
E 输入端
A 输出端
S 控制端
S1 开关信号
S2 开关信号

Claims (15)

1.一种开关设备(2)，所述开关设备用于电负载(4)与能量源(6)的电连接，所述开关设备具有：
-主电流路径(8)，其具有开关单元(9)，所述开关单元具有至少一个功率开关(10)，通过所述功率开关，所述电负载(4)在供应模式中与能量源(6)连接，
-与所述主电流路径(8)并联的旁路电流路径(12)，在所述旁路电流路径中布置有第一开关元件(14)，
其中，所述开关设备(2)被设置为-在用于切断所述电负载(4)的切断模式中，所述开关单元(9)被断开并且所述电负载(4)与旁路电流路径(12)连接，以减少存储在所述电负载(4)内的电能，以及
-在诊断模式中，所述开关单元(9)被断开并且所述电负载(4)仅通过旁路电流路径(12)与能量源(6)连接，以在所述开关单元(9)断开时确保对所述电负载(4)不中断地供电，并且，
-其中，所述诊断模式能通过控制单元(22)启动，并在所述诊断模式中对所述开关设备(2)进行诊断。
2.根据前述权利要求所述的开关设备(2)，
其中，所述第一开关元件(14)构造成在切断所述电负载(4)的情况下自动接通。
3.根据权利要求2所述的开关设备(2)，
其中，所述第一开关元件(14)构造为半导体开关并且具有栅极连接部(16)，所述栅极连接部具有栅极电势(UG)，所述栅极电势与接地电势(M)电连接。
4.根据权利要求1所述的开关设备(2)，
其中，所述旁路电流路径(12)具有二极管(18)，所述二极管布置在所述第一开关元件(14)的栅极连接部(16)与接地电势(M)之间，并且沿截止方向与所述接地电势(M)电连接。
5.根据权利要求1所述的开关设备(2)，
其中，在所述旁路电流路径(12)中布置有功率消耗器，以转换存储在所述电负载(4)内的电能。
6.根据权利要求3所述的开关设备(2)，
其中，所述栅极电势(UG)在诊断模式中具有与所述能量源的电势(UE)相同的数值。
7.根据权利要求2所述的开关设备(2)，
其中，设有第二开关元件(24)，以使所述第一开关元件(14)的栅极连接部(16)与能量源(6)在诊断模式中电连接。
8.根据权利要求1所述的开关设备(2)，
其中，所述控制单元(22)设置成检测施加在所述电负载(4)上的输出电压(UA)。
9.根据权利要求8所述的开关设备(2)，
其中，所述控制单元(22)设置成与所述输出电压(UA)相关地开始进行诊断。
10.根据权利要求1所述的开关设备(2)，
其中，所述控制单元(22)设置成在所述诊断模式中检查所述至少一个功率开关(10)。
11.根据权利要求1所述的开关设备(2)，
其具有用于检测所述电负载(4)的载荷电流(IL)的电流测量元件(28)，并且所述控制单元(22)被设置成与所检测的载荷电流(IL)的数值相关地在供应模式和诊断模式之间进行转换。
12.根据权利要求1所述的开关设备(2)，
其中，所述旁路电流路径(12)设计成用于与所述主电流路径(8)相比较小的电流。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的开关设备(2)，其特征在于，所述开关设备(2)是用于机动车车载电网的开关设备。
14.一种开关设备(2)的运行方法，所述开关设备用于使电负载(4)与能量源(6)电连接，其中，
-通过具有开关单元(9)的主电流路径(8)，在供应模式中，通过接通所述开关单元(9)使所述电负载(4)与能量源(6)连接，所述开关单元具有至少一个功率开关(10)，
-在切断模式中，所述电负载(4)被切断以及所述开关单元(9)为此断开，并且所述电负载(4)通过接通第一开关元件(14)与旁路电流路径(12)连接，以减少存储在所述电负载(4)内的电能，以及
-在诊断模式中，所述开关单元(9)断开并且所述第一开关元件(14)接通，从而所述电负载(4)仅通过旁路电流路径(12)与能量源(6)连接，其中，在所述诊断模式中检查所述至少一个功率开关(10)并且同时通过旁路电流路径(12)确保对所述电负载(4)的电能供应。
15.根据权利要求14所述的方法，
其中，
-所述第一开关元件(14)构造为半导体开关，其在所述切断模式中通过由所述电负载(4)在切断之后造成的电压脉冲而自动接通，并且
-在所述诊断模式中，所述第一开关元件(14)通过第二开关元件(24)有效地接通。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1528040A (zh) * 2001-04-06 2004-09-08 ����µ��ɷ����޹�˾ 具有断路熔断器的电源
CN105450204A (zh) * 2014-09-19 2016-03-30 英飞凌科技奥地利有限公司 用于开关设备的故障检测
CN105445602A (zh) * 2014-09-23 2016-03-30 大陆汽车有限公司 诊断电路和用于运行诊断电路的方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3610890B2 (ja) * 1999-09-20 2005-01-19 株式会社デンソー 電気負荷駆動回路
JP4792636B2 (ja) * 2001-01-11 2011-10-12 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 誘導性負荷駆動回路
GB2432258B (en) * 2005-11-11 2009-05-20 P G Drives Technology Ltd Switch
DE102006040737A1 (de) * 2006-08-31 2008-03-06 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zur Nebenschluss-Erkennung an einer Ventilendstufe
US7715160B2 (en) * 2007-10-29 2010-05-11 Infineon Technologies Ag Monitoring a load driven by a power semiconductor switch
CA2860171C (en) * 2011-12-22 2021-09-21 Siemens Aktiengesellschaft Hybrid dc circuit breaking device
US10234887B2 (en) * 2012-12-26 2019-03-19 Allegro Microsystems, Llc Output driver having reduced electromagnetic susceptibility and associated methods
US9787085B2 (en) * 2014-04-18 2017-10-10 International Business Machines Corporation Hot plug device providing turn on FETs with a softstart capability
EP3051643B1 (en) * 2015-01-30 2017-09-06 General Electric Technology GmbH Dc circuit breaker with counter current generation
US9595949B2 (en) * 2015-05-27 2017-03-14 Nec Energy Solutions, Inc. Control of a clamp circuit during transient conditions
KR102058198B1 (ko) 2016-12-12 2019-12-20 주식회사 엘지화학 상시 전원 공급을 위한 병렬 회로를 이용하여 배터리의 릴레이의 고장을 진단하는 장치 및 방법
US10581241B2 (en) * 2017-06-22 2020-03-03 Silicon Laboratories Inc. Clamping inductive flyback voltage to reduce power dissipation
JP7334734B2 (ja) * 2018-04-23 2023-08-29 株式会社Ｇｓユアサ 故障診断方法、蓄電素子の管理装置及びシステム

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1528040A (zh) * 2001-04-06 2004-09-08 ����µ��ɷ����޹�˾ 具有断路熔断器的电源
CN105450204A (zh) * 2014-09-19 2016-03-30 英飞凌科技奥地利有限公司 用于开关设备的故障检测
CN105445602A (zh) * 2014-09-23 2016-03-30 大陆汽车有限公司 诊断电路和用于运行诊断电路的方法

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