CN113228513A - 包括限流装置的开关系统 - Google Patents

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L.多门格
P.吉安尼克普洛斯
H.伊哈达登
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Abstract

本发明涉及一种开关系统(1)，包括用于从电压源(+Vbat)提供电荷的电源线(2)，所述电源线具有主开关(Q1)，主开关(Q1)包括第一主端子(D)和第二主端子(S)，主电流(lp)用于在第一主端子(D)和第二主端子(S)之间通过，和控制端子(G)，用于选择性地将主开关(Q1)置于闭合、断开或半闭合状态，处于半闭合状态的主开关(Q1)相当于由控制端子控制并连接在第一和第二主端子之间的可变电阻器，其特征在于，开关系统(1)还包括限流装置(3)，其被设计为当主电流(lp)超过最大电流阈值时，降低进入控制端子(G)的控制电流(lg)，从而使主开关管(Q1)从闭合状态转变到半闭合状态，从而限制主电流。

Description

包括限流装置的开关系统
技术领域
本发明涉及包括限流装置的开关系统、包括这样的开关系统的开关臂和包括根据本发明的开关臂的H桥。
本发明还涉及包括这样的开关臂或这样的开关系统的电压转换器。
最后，本发明还涉及电气系统，该电气系统包括具有由这样的电压转换器控制的盘绕转子的旋转电机。
背景技术
已知包括用于机动车辆的旋转电机的电气系统，该旋转电机包括盘绕转子(coiled rotor)。这样的旋转电机可以是仅包括一种交流发电机模式的交流发电机，或包括电动机模式和交流发电机模式的起动-交流发电机(starter-alternator)。
在电动机模式或交流发电机模式中，转子的励磁线圈由H桥型的电压转换器提供电流，该电压转换器包括电子开关，例如晶体管，尤其是金属氧化物栅极场效应晶体管，也称为MOSFET晶体管。
众所周知，控制转子的电压转换器可能是永久性或暂时性过电流的来源，例如，当转子的线圈出现故障时。因此，例如，当芯片，尤其是铜，连接具有不同电位的两个电子元件，例如，转子的输入和输出时，可能会发生暂时性过电流。机动车辆电池也可能是电压转换器内部过电流的来源。
过电流是其值超过安全阈值的电流，该安全阈值被定义为最大运行电流强度乘以系数的乘积。最大运行电流强度是指在正常运行模式下，转子线圈上游或下游最脆弱的电子元件所能支持的最大电流强度值。超过这一阈值后，转换器的电子元件或车辆的其他设备的电子元件可能会因此损坏。
因此，需要检测这样的过电压，并且如果适用，还需要保护最脆弱的部件，尤其是电压转换器的电子开关。
为此，从现有技术中已知的开关系统，其包括用于从电压源向转子供电的电源线，所述电源线包括具有第一主端子和第二主端子的主开关，主电流lp打算在其之间通过，和控制端子，由控制装置控制，用于选择性地将主开关置于闭合或断开状态，其特征在于，通过霍尔效应传感器测量在主电源线中循环的电流，并且当霍尔效应传感器测量的电流强度超过安全阈值时，主开关打开。
现有技术的这种简单方法允许通过打开主开关切断在主电源线中的电流来保护最脆弱的部件，尤其是电压转换器的开关。
然而，在主开关打开之前可能会经过很长时间，因为当开关为MOSFET时，这样的系统的反应时间(尤其是与霍尔效应传感器和用于控制开关的系统的延迟相关联)通常约为12(dozen)μs，而过电流可以在不到3μs内达到数百安培。这些在3μs后达到的电流水平与MOSFET的“安全工作区”(SOA)不兼容。
发明内容
本发明的目的是至少部分克服这一缺点。
为此，根据第一方面，本发明涉及开关系统，包括：
a.用于从电压源提供电荷的电源线，所述电源线包括：
b.主开关，包括：
i.第一主端子和第二主端子，主电流用于在第一主端子和第二主端子之间通过；以及
ii.控制端子，用于选择性地将主开关置于闭合、断开或半闭合状态，处于半闭合状态的主开关相当于由控制端子控制并连接在第一和第二主端子之间的可变电阻器；
其中，开关系统还包括限流装置，该限流装置被设计为当主电流超过最大电流阈值时，降低进入控制端子的控制电流，以使主开关从闭合状态转变到半闭合状态，从而限制主电流。
值得注意的是，这种开关系统允许比现有技术的已知开关系统更快地限制主电流。实际上，限流装置通过降低进入控制端子的控制电流来实现快速反应，从而使开关处于半闭合状态，而不使用开关的控制电路。
根据本发明的开关系统还可以具有单独考虑或以所有技术上可能的组合考虑的以下特征中的一个或多个。
在本发明的特定实施例中，调节处于半闭合状态的主开关的可变电阻的值，以便将主电流限制在最大电流阈值。
在本发明的特定实施例中，电源线还包括测量电阻器，主电流通过该测量电阻器，并且其中限流装置包括第一端子和第二端子，所述测量电阻器连接在第一端子和第二端子之间，其中，限流装置被设计成根据第一端子和第二端子之间的电阻电压的函数来改变控制电流的减少量，以便在电阻电压超过阈值电压时将主开关置于半闭合位置。
在本发明的特定实施例中，限流装置还包括：
a.控制线，包括连接到主开关的控制端子的控制输出、控制输入和电连接在控制输入和控制输出之间的控制电阻器，控制电阻器被布置成由设定点电流通过；
b.第一和第二匹配晶体管，其各自具有电流输入端子、电流输出端子和控制端子：
i.所述第一和第二晶体管的控制端子和第二晶体管的电流输入端子直接连接在一起；
ii.第一晶体管的输出端子直接连接到限流装置的第二端子，并且第二晶体管的输出端子直接连接到限流装置的第一端子，使得第一晶体管的控制端子和限流装置的第二端子之间的电压等于在电源线的测量电阻器的端子上的电压和在第二晶体管的控制端子和限流装置的第一端子之间的电压之和；以及
iii.第一晶体管的输入端子连接到控制输出，以从流经控制电阻器的设置点电流中分流出电流，以降低进入控制端子的控制电流；
iv.第二晶体管的输入端子连接到控制线的输入，在控制输入端子和控制电阻器之间。
如本领域技术人员所公知的，匹配晶体管是具有相同技术特征并且最常位于同一外壳中的晶体管。
在本发明的特定实施例中，第一和第二晶体管是NPN型双极型晶体管。
在本发明的具体实施例中，限流装置还包括：
a.连接在控制输出和第一晶体管的电流输入端子之间的偏置电阻器；
b.偏置晶体管，包括电连接到控制输出的电流输入端子、电流输出端子和控制端子；
c.安装在限流装置的第二端子和第三晶体管的输出端子之间的集电极电阻器；
d.连接电阻器，其通过第一端子连接到第一晶体管的电流输入端子，并通过第二端子连接到偏置晶体管的控制端子；
e.连接到限流装置的第二端子和连接电阻器的第二端子的电容器。
在本发明的特定实施例中，偏置晶体管Q5是PNP双极晶体管。
在本发明的特定实施例中，主开关是功率晶体管，优选为金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据第二方面，本发明的另一个目的是一种开关臂，包括高侧开关和低侧开关，这两个开关在中心抽头处连接在一起，并且其中两个开关中的至少一个，优选为高侧开关，包括在根据本发明的开关系统中。
根据第三方面，本发明的另一目的是包括根据本发明的第二方面的至少一个开关臂的H桥。
根据第四方面，本发明的另一个目的是电压转换器，包括根据本发明第一方面的开关系统或根据本发明第二方面的至少一个开关臂。
根据第五方面，本发明的另一目的是电气系统，包括：
a.电压转换器，包括根据本发明第二方面的开关臂；
b.旋转电机，包括转子，该转子包括励磁线圈，所述励磁线圈通过其端子之一连接到所述至少一个开关臂的中心抽头。
附图说明
本发明的进一步特征和优点将从描述中显而易见，该描述通过参照附图作为非限制性示例提供，其中：
[图1]示出了根据第一实施例的开关系统的框图；
[图2]示出了根据第一实施例的开关系统的电气图；
[图3]示出了根据第二实施例的开关系统的电气图。
为了更清楚起见，在整个附图中使用相同的附图标记来标识相同或相似的元件。
具体实施方式
[图1]示出了根据第一实施例的开关系统1的电气框图，该开关系统1连接到电荷，在这种情况下是转子的励磁线圈Lexc。
开关系统1包括电源线2，如在[图1]中的虚线矩形所示。电源线2允许从电压源供应励磁线圈Lexc，在这种情况下是直流电压源+Vbat。
电源线2包括具有第一主端子D和第二主端子S的主开关Q1，主电流lp打算在其之间通过。
主开关Q1还包括控制端子G，用于选择性地将主开关Q1置于闭合、断开或半闭合状态。在其半闭合状态下，主开关Q1相当于连接在由控制端子G控制的第一主端子D和第二主端子S之间的可变电阻器。
在此描述的示例中，励磁线圈Lexc由H桥供电，该H桥包括并联安装在接地和直流电压源+Vbat之间的第一和第二开关臂。每个开关臂包括在中心抽头处连接在一起的高侧开关和低侧开关，H桥的两个臂的每一个的中心抽头连接到励磁线圈Lexc的不同端子。
在此描述的示例中，主开关Q1是第一开关臂的高侧开关，并且H桥的所有开关都是金属氧化物栅场效应晶体管，也称为MOSFET晶体管。该示例还包括N型增强型MOSFET晶体管。
换言之，第一开关臂包括低侧开关，即MOSFET Q23，其源极连接到地，漏极连接到第一臂的中心抽头31。MOSFET Q1的漏极连接到直接供电源极+Vbat，并且MOSFET Q1的源极连接到中心抽头31。
第二开关臂包括高侧开关Q25和低侧开关，即MOSFET Q24，其源极连接到地，漏极连接到第二开关臂的中心抽头。作为可替换的实施例，高侧开关可以由二极管代替，其阴极连接到直接电源+Vbat。
当主开关Q1打开时，低侧开关Q23与低侧开关Q24一起允许励磁线圈Lexc的受控退磁。
开关系统1还包括限流装置3，如[图1]中的矩形所示。
限流装置3包括连接在控制单元U和主开关Q1的控制端子，即MOSFET Q1的栅极之间的控制线4。
更具体地说，控制线4包括连接到主开关Q1的控制端子G的控制输出4G和连接到控制单元U的控制输入4U。
开关Q1因此由控制单元U控制，控制单元U更为人所知的是“驱动器”，其将控制电压施加到端子4U，允许根据在端子4G处的结果电压将主开关Q1置于闭合、断开或半闭合状态。
控制线4还包括连接在控制输入4U和控制输出4G之间的控制电阻器R4。
限流装置3还被设计为当主电流lp超过最大电流阈值时，降低进入主开关Q1的控制端子G的控制电流lg，以使主开关Q1从闭合状态转变到半闭合状态，从而限制主电流lp。
换言之，限流装置3被布置成从流经控制电阻器R4的电流中分流出分流电流I30。
换言之，MOSFET Q1从闭合状态转变为半闭合状态，即MOSFET Q1从导通状态转变为线性模式运行区。
因此，调节在线性模式下的主开关Q1的可变电阻值被调节(regulated)为进入控制端子G的控制电流lg的函数。
因此，限流装置3调节控制电流lg，以便将主电流lp限制在第一阈值。
因此，这样的开关系统1允许通过调制电源线2的电阻来限制电源线2中的主电流lp。
例如，最大电流阈值被选择为对应于电源线2中的组件之一可以支持的最大电流。在此描述的示例中，最大电流阈值是40A。
电源线2还包括测量电阻器Rs，主电流lp通过该测量电阻器。在此描述的示例中，测量电阻器Rs连接在MOSFET Q1的源极和中心抽头31之间。
在此描述的示例中，测量电阻器Rs具有2mΩ的值。
限流装置3还包括第一端子B1和第二端子B2。因此，限流装置3通过这两个端子B1和B2并联到测量电阻器Rs。
换言之，在本实施例中，限流装置3被设计为当所测量的电压超过阈值电压时，根据在电阻器Rs的端子处测量的电压Vrs，即，在第一B1和第二B2端子之间测量的电压来改变控制电流lg。阈值电压值对应于测量电阻Rs的值乘以第一最大电流阈值的乘积。
参照[图2]，现在将更详细地描述本发明第一实施例中的限流装置3。
在本发明的实施例中，限流装置3包括第一Q30和第二Q31匹配晶体管，每个晶体管具有电流输入端子、电流输出端子和控制端子。
在此描述的示例中，晶体管Q30和Q31是NPN型双极型晶体管。
第一晶体管Q30包括控制端子B30，在这种情况下是其基极，连接到第二晶体管Q31的控制端子B31，在这种情况下是基极。此外，第二晶体管Q31的基极连接到第二晶体管Q31的电流输入端子C31，在这种情况下是集电极。
因此，三个端子B31、B30和C31具有相同的电位。
第一晶体管Q30的输出端子E30，在这种情况下为发射极，连接到限流装置3的第二端子B2。
第二晶体管Q31的输出端子E31，在这种情况下是发射极，连接到限流装置3的第一端子B1。
因此，第一晶体管Q30的控制端子B30和端子E30之间的电压Vbe30等于第二晶体管Q31的控制端子B31和端子E31之间的电压Vbe31和电压Vrs之和。换言之，电压Vbe30和电压Vbe31具有相同的控制电位，并且这两个电压之间的差对应于与主电流lp成比例的电压Vrs。因此，根据下面的公式[Math.1]，电阻电压Vrs等于第一晶体管Q30的控制端子和输出端子之间的电压减去第二晶体管的输出端子和控制端子之间的电压。
[Math.1]
Vrs＝Vbe30-Vbe31
第一晶体管Q30的输入端子C30，在这种情况下是集电极，连接到控制线4的输出4G，在这种情况下，输入端子C30直接连接到输出4G。换言之，输出端子4G、开关Q1的控制端子G和输入C30具有相同的电位。
第一晶体管Q30被布置成从流经控制电阻器R4的电流中分流出分流电流I30。
第二晶体管Q31的输入端子C31通过第一偏置电阻器R31连接到控制线4的输入端子4U。换言之，第一偏置电阻器R31通过其端子之一连接到控制端子4U，并且通过其另一端子连接到第二晶体管Q31的输入端子C31。
限流装置3的设计意味着主电流证实了公式[Math.2]。
[Math.2]
Figure BDA0003119071840000071
因此，主电流的限制取决于第一Q30和第二Q31晶体管的偏置点以及电阻Rs。
在选择电阻Rs之后，两个晶体管的偏置点定义了主电流将被限制的值。
第一晶体管Q30以线性模式运行，并且以集电极电流I30偏置，根据公式[Math.3]，该集电极电流等于由控制单元U施加到控制输入4U的电压Vu，减去第一晶体管Q30的发射极和集电极之间的电压Vce30，并除以控制电阻R4的值。第一晶体管Q30的偏置点还取决于主晶体管Q1的跨导、测量电阻Rs的值和控制电阻R4的值。
[Math.3]
Figure BDA0003119071840000081
第二晶体管Q31也被偏置，使得该第二晶体管以线性模式运行。在第二晶体管Q31的基极和集电极连接在一起的情况下，在此描述的示例中，发射极和集电极之间的电压以及第二晶体管Q31的基极和发射极之间的电压相等，大约为0.6V。第二晶体管Q31以集电极电流偏置，根据公式[Math.4]，其中该集电极电流Ic31等于被控制单元U施加到控制输入4U的电压Vu除以第一偏置电阻R31的值。在此描述的示例中，集电极电流约为250μA。因此，第一偏置电阻R31的值的选择取决于第二晶体管Q31的所需偏置点。
[Math.4]
Figure BDA0003119071840000082
在两个晶体管Q30和Q31匹配的情况下，电压Vrs越高，第一晶体管Q30的发射极和集电极之间的表观电阻越低，因此分流电流I30增加得越多。
测量电阻Rs的值的选择是在测量电阻Rs的损耗与第一Q30和第二Q31匹配晶体管在其参数Vbe上的灵敏度之间折衷的结果。测量电阻Rs需要足够低以不产生过大损耗，并且同时足够大以在其端子之间引起足够高的电压降以允许分流出电流I30以限制电流lp，其中在电流lp的所述减小是由于在控制电阻器R4的端子处的电压降导致晶体管Q1的栅极和源极之间的电压降低而引起的。
在输入4U处的电压等于控制电阻器R4端子上的电压Vr4、控制端子G和晶体管Q1的输出S之间的电压Vgs和电压Vrs之和。
因此，匹配晶体管Q30、Q31、测量电阻器Rs和第一偏置电阻器R31作为第一期望阈值、控制电阻R4和主开关Q1的特征的函数，尤其是作为其线性模式运行特征的函数。
因此，这样的开关系统1允许通过在控制电阻器R4的输出分流出电流I30来降低进入控制输入G的控制电流lg，在测量电阻器Rs的端子上的电压越高，该电流I30越高。
参照[图3]，现在将在本发明的第二实施例中更详细地描述限流装置3，该第二实施例与第一实施例相同，除了它还包括偏置电路5。
该偏置电路5包括：
1.第二偏置电阻器R30；
2.连接电阻器R5；
3.偏置晶体管Q5，在这种情况下为PNP双极晶体管，包括电流输入端子E5、电流输出端子C5和控制端子B5；
4.集电极电阻器R50；以及
5.电容器5C。
在此描述的示例中，电流输入端子E5是晶体管Q5的发射极，电流输出端子C5是晶体管Q5的集电极，而控制端子B5是晶体管Q5的基极。
第二偏置电阻器R30连接在控制线的输出4G和第一晶体管Q30的输入C30之间。换言之，第二偏置电阻器R30将输入C30电连接到控制输出4G。
偏置晶体管Q5的发射极E5连接到控制线4的控制输出4G，集电极C5通过集电极电阻R50连接到限流装置3的第二输入端子B2。
偏置晶体管Q5的控制端子还通过电容器5C连接到限流装置3的第二输入端子B2，并通过连接电阻器R5连接到第一晶体管Q30的端子C30。
当然，本发明不限于参照附图描述的实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下考虑可替换的实施例。
例如，在前述实施例中，主晶体管Q1是MOSFET晶体管。作为可替换的实施例，该晶体管可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

Claims (10)

1.一种开关系统(1)，包括用于从电压源(+Vbat)提供电荷的电源线(2)，所述电源线包括主开关(Q1)，该主开关(Q1)包括第一主端子(D)、第二主端子(S)和控制端子(G)，主电流(lp)用于在所述第一主端子(D)和所述第二主端子(S)之间通过，控制端子(G)用于选择性地将主开关(Q1)置于闭合、断开或半闭合状态，处于半闭合状态的所述主开关(Q1)相当于由所述控制端子控制并连接在所述第一主端子和所述第二主端子之间的可变电阻器，其特征在于，所述开关系统(1)还包括限流装置(3)，其被设计为当所述主电流(lp)超过最大电流阈值时，降低进入所述控制端子(G)的控制电流(lg)，从而使所述主开关(Q1)从所述闭合状态转变到所述半闭合状态，从而限制所述主电流。
2.如权利要求1所述的开关系统，其中，调节处于所述半闭合状态的所述主开关(Q1)的可变电阻的值，以便将所述主电流(l)限制在所述最大电流阈值。
3.如权利要求1或2所述的开关系统，其特征在于，所述电源线(2)还包括测量电阻器(Rs)，所述主电流(lp)通过该测量电阻器(Rs)，并且其中所述限流装置(3)包括第一(B1)端子和第二(B2)端子，所述测量电阻器(Rs)连接在所述第一(B1)端子和所述第二(B2)端子之间，并且在于所述限流装置(3)被设计成根据所述第一(B1)端子和所述第二(B2)端子之间的电阻电压(Vrs)来改变所述控制电流(lg)的减少量，以便在所述电阻电压(Vrs)超过阈值电压(Vmax)时将所述主开关(Q1)置于所述半闭合位置。
4.如权利要求3所述的开关系统，其中，所述限流装置(3)包括：
a.控制线(4)，包括连接到所述主开关(Q1)的所述控制端子(G)的控制输出(4G)、控制输入(4U)和控制电阻器(R4)，所述控制电阻器(R4)电连接在所述控制输入(4U)和所述控制输出(4G)之间的，所述控制电阻器(R4)被设置成由设定点电流(lc)通过；
b.第一匹配晶体管和第二匹配晶体管(Q30，Q31)，各自具有电流输入端子(C30，C31)、电流输出端子(E30，E31)和控制端子(B30，B31)：
i.第一和第二晶体管(Q30、Q31)的所述控制端子(B30、B31)和所述第二晶体管的所述电流输入端子(C31)直接连接在一起；
ii.所述第一晶体管(E30)的所述输出端子直接连接到所述限流装置(3)的所述第二端子(B2)，并且所述第二晶体管(Q31)的所述输出端子(E31)直接连接到所述限流装置的所述第一端子(B1)，使得所述第一晶体管(Q30)的所述控制端子(E30)与所述限流装置(3)的所述第二端子(B2)之间的电压(Vbe30)等于所述电源线(2)的所述测量电阻器(Rs)的端子处的电压(Vrs)与所述第二晶体管(Q31)的控制端子(E31)与所述限流装置(3)的所述第一端子(B1)之间的电压(Vbe31)之和；以及
iii.所述第一晶体管(Q30)的所述输入端子连接到控制输出(4G)，以便从流经所述控制电阻器(R4)的所述设定点电流(lc)中分流出分流电流(I30)，以便降低进入所述控制端子(G)的所述控制电流(lg)；
iv.所述第二晶体管(Q31)的输入端子通过第一偏置电阻器(R31)连接到所述控制线(2)的输入(4U)。
5.如前述权利要求所述的开关系统，其中，所述限流装置(3)还包括：
a.连接在所述第一晶体管(Q30)的所述电流输入端子(E30)和所述控制输出(4G)之间的第二偏置电阻器(R30)；
b.偏置晶体管(Q5)，包括电流输入端子(E5)、电流输出端子(C5)和控制端子(B5)，该电流输入端子(E5)电连接到所述控制输出(4G)；
c.安装在所述限流装置(3)的所述第二端子(B2)和所述第三晶体管(Q5)的输出端子之间的集电极电阻器(R50)；
d.连接电阻器(R5)，其通过第一端子连接到所述第一晶体管(Q30)的所述电流输入端子(C30)，并通过第二端子连接到所述偏置晶体管(Q5)的所述控制端子；
e.电容器(5C)，连接到所述限流装置(3)的所述第二端子(B2)和所述连接电阻器(R5)的所述第二端子。
6.如前述任一权利要求所述的开关系统，其中，所述主开关(Q1)是功率晶体管，优选为金属氧化物半导体场效应晶体管。
7.一种开关臂，包括高侧开关(Q1)和低侧开关，这两个开关在中心抽头处连接在一起，并且其中所述两个开关中的至少一个，优选是高侧开关，包括在前述权利要求之一所述的开关系统中。
8.一种H桥，包括如前述权利要求所述的至少一个开关臂。
9.一种电压转换器，包括如权利要求1至6之一所述的至少一个开关系统(1)或如权利要求7所述的至少一个开关臂。
10.一种电气系统，包括：
a.电压转换器，包括如权利要求7所述的开关臂；
b.旋转电机，包括转子，转子包括励磁线圈(Lexc)，所述励磁线圈(Lexc)通过其端子中的一个连接到所述至少一个开关臂的中心抽头。
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