CN117060699A - 用于进行电流限制的电路装置和电力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于进行电流限制的电路装置和具有这样的电路装置的电力系统，其中电流限制控制电路的输出接头通过限制电阻与半导体开关的控制输入端连接，电流限制控制电路设置用于改变电流限制控制电路在输出接头上的输出阻抗，半导体开关设置用于根据通过电流限制控制电路进行的操控来调节电能量源与负载之间的电路中的电流，电感设置用于与电能量源连接并且与负载的接头连接，电流限制控制电路的输入端与电感连接，并且电流限制控制电路设置用于识别电感的由过电流引起的电压降并且作为对此的反应来降低其输出阻抗，并且由此基于限制电阻上的电压降来提高半导体开关的输出阻抗，使得半导体开关中的提高的输出阻抗抵抗过电流。

Description

用于进行电流限制的电路装置和电力系统
技术领域
本发明涉及一种用于进行电流限制的电路装置和一种具有这样的电路装置的电力系统。
背景技术
由现有技术已知的是诸如以电池电力驱动的车辆的驱动系那样的电力系统，在所述电力系统中对故障状态、尤其是低阻抗的短路进行查明，并且在所述电力系统中在故障情况下实施合适的措施，用以限制并且/或者防止损坏所述电力系统的部件。
尤其在以电池电力运行的车辆中重要的是在毫秒范围内阻止电短路，例如在牵引电池和逆变器之间的电路中的电短路。在传统上，为此借助测量电子器件来监控分流器上的电压，以便在超过确定的电压时对采用爆燃技术的电池断路系统(英语：pyrofuse，爆炸熔断器)进行操控，从而使呈现短路的电路中断。
DE 102019202163A1描述了用于在电短路的情况下在车辆的电池系统中关断电池单池的装置和方法。为此要使用测量元件，以便在电流强度梯度的基础上产生测量电压。通过与所述测量元件相连接的模拟电路来识别短路，其中所述模拟电路操控开关，以便中断电流。
发明内容
按照本发明的第一方面，提出一种用于进行电流限制的电路装置，所述电路装置能够有利地在以电池电力运行的车辆中使用，以便在出现过电流的情况下保护尤其是车辆的驱动系的例如牵引电池和/或其他的部件以防损坏。应当指出的是，根据本发明的电路装置不局限于这样的应用范围并且原则上能够在任意的电力系统中有利地使用。
所述电路装置具有电感、限制电阻、栅极电阻、栅极驱动器、电流限制控制电路以及半导体开关，其中所述电流限制控制电路的输出接头通过限制电阻与半导体开关的控制输入端(通常是栅极接头)相连接。所述限制电阻例如作为独立的元器件并且/或者作为电路装置的固有的输出电阻并且/或者作为电流限制控制电路的输出接头与半导体开关的控制输入端的电连接件并且/或者以分立和/或集成的方式来构造。
所述电流限制控制电路设置用于改变电流限制控制电路在输出接头上的输出阻抗，以便由此来操控半导体开关。
所述栅极驱动器通过栅极电阻与半导体开关的控制输入端相连接并且由此附加地与限制电阻相连接，并且所述栅极驱动器设置用于操控半导体开关用以进行打开和闭合(所述闭合明确地也一同包括半导体开关的介于完全闭合与完全打开之间的可能的操控状态)。换言之，所述栅极电阻和限制电阻形成了分压器，该分压器根据所述电流限制控制电路的输出阻抗得到调节。
所述半导体开关设置用于根据通过电流限制控制电路进行的操控来调节在电能量源(下面也简称为“能量源”)与电负载(下面也简称为“负载”)之间的电路中的电流。为此，所述半导体开关的负载段(通常是半导体开关的源极接头与漏极接头之间的沟道)被串联连接在能量源与负载之间。
所述电感设置用于通过第一接头直接地或间接地(例如通过诸如开关、导线等另外的部件)与电能量源的接头相连接并且通过第二接头直接地或间接地(例如通过诸如开关、导线等另外的部件)与负载的接头相连接。
所述电流限制控制电路的第一输入接头与电感的第一接头电连接，并且所述电流限制控制电路的第二输入接头与所述电感的第二接头电连接，使得在电感上下降的电压施加在电流限制控制电路的输入端上，所述在电感上下降的电压通过在由能量源和负载构成的电路中的由过电流造成的电流梯度所引起。
通过这种方式，所述电流限制控制电路设置用于检测在电感上的由过电流引起的电压降并且作为对此的反应来降低其输出阻抗，以便因此基于限制电阻上的电压降来提高半导体开关的输出阻抗，使得所述半导体开关中的提高的输出阻抗抵抗过电流。
“由过电流引起的电压降”尤其能够理解为通过电路中的短路所造成的电压降。替代地或补充地，“由过电流引起的电压降”能够更普遍地理解为通过电路中的超过了为该电路预限定的允许电流梯度的电流梯度所造成的电压降。
根据本发明的电路装置例如可以如此来设计，使得正在发生的短路通过所述电路装置在很早的时刻——在该时刻达到了具有短路特征的电流梯度——就已经被抵抗，由此能够实现特别快的短路应对控制。
除了对过电流进行特别快的识别和特别快的操控之外，根据本发明的电路装置此外还提供下述优点，即在使用了所述电路装置的电路之内的部件能够可靠地得到保护，以防止由过电流引起损坏。此外，所述电路装置提供下述优点，即一旦由过电流引起的电流梯度衰减，则能够通过合适地确定所述电路装置的电参数来自动地对该电路中的负载和/或其他的负载重新进行能量供应。例如，如果过电流通过被耦合到电路中的在时间上受限制的干扰脉冲和/或类似的暂时出现的事件所造成，则能够设想这样的情况。由此可以提高电路的部件的可用性，这尤其在将根据本发明的电路装置与以电池电力驱动的车辆的驱动系的监控相关联地使用的情况下能够产生有利的效果。
从属权利要求表明了本发明的优选的改型方案。
在本发明的一种有利的设计方案中，半导体开关是功率半导体开关，作为替代方案或补充方案是MOSFET、IGBT或JFET，并且此外作为替代方案或补充方案是基于Si、SiC或GaN的半导体开关。此外能够实现的是，所述半导体开关是拓扑的半导体开关，所述拓扑的半导体开关由多个(比如两个、三个、四个或更多)并联连接的单个半导体开关构成。后者尤其可以在借助半导体开关对较高的电流进行转换和/或降低的情况下有利地使用。特别有利的是，将电流限制电路构造成模拟电路，因为根据本发明的电路装置通过这种方式能够特别快地对存在的过电流进行反应。
所述电感优选是寄生电感和/或分立的元器件和/或线圈和/或变压器。作为替代方案或补充方案，所述电感是分流电阻的电感和/或电路的导线和/或导线区段的电感和/或汇流排的电感和/或电路板的印制导线的电感。尤其在电感是电路的本来存在的部件的寄生电感的情况下，能够实现以特别成本有利且容易的方式来实施根据本发明的电路装置。分流元件的寄生电感例如能够通过分流元件的几何尺寸来精确地确定。此外能够实现的是，借助在电路的存在的部件上(例如在提到的分流元件上)额外添加的一个或多个接端来以灵活的方式设定用于根据本发明所需要的电感的合适的值。
所述电路装置有利地设置用于持久地维持半导体开关的由过电流引起的提高的输出阻抗(例如基于锁存器电路)，使得即使过电流的起因(例如短路)仍然存在，但是根据由过电流引起的电流梯度在电感上的电压降的减小也不会导致所述半导体开关的完全的再偏置导通。作为替代方案能够实现的是，如果在电感上的电压降减小，则提高的输出阻抗在预限定的时间段之后回到过电流出现之前的原始数值。这另外提供了下述优点，即短暂出现的过电流(例如由于耦合的干扰脉冲造成的过电流)不会导致半导体开关的输出阻抗的持续降低。所述预限定的时间段有利地根据可能出现的干扰脉冲的预期持续时间和/或有别于此的造成过电流的事件的预期持续时间来确定。
在本发明的另一种有利的设计方案中，所述电路装置设置用于在通过电流限制控制电路来处理之前，借助低通滤波器、尤其借助RC低通滤波器对表示在电感上的电压降的信号进行低通滤波，所述低通滤波尤其设立用于使对电路产生影响的干扰信号平滑或者使其减小。此外有利的是，所述电路装置具有放电电阻，该放电电阻与RC低通滤波器的电容器并联连接，并且该放电电阻根据能量源与负载之间的电流限制的期望持续时间来确定。此外，作为替代方案或补充方案，将二极管连接在电感的第二接头与电流限制控制电路的第二输入接头之间，所述二极管一方面负责只有存在正的电流梯度时才通过所述电流限制控制电路进行过电流识别或者过电流反应，并且所述二极管另一方面适合于通过它的正向电压来滤出电感上的较小的电压降(例如通过干扰脉冲造成的电压降)，使得这样的电压降不会导致电路中的负载电流减小。
所述电路装置优选地设置用于，在预限定的第一电压阈值被电感上的电压降超过的情况下，完全地阻止通过半导体开关的电流。这例如通过关断电路来实现，所述关断电路的输入端同样与电感的接头相连接并且所述关断电路的输出端直接与半导体开关的控制接头连接，使得所述半导体开关的控制输入端被拉向所述半导体开关的源极电位的方向，或者优选地被拉到所述半导体开关的源极电位上。
在本发明的另一种有利的设计方案中，限制电阻是线性的限制电阻和/或非线性的限制电阻，并且尤其是齐纳二极管。在使用齐纳二极管的情况下产生下述优点，即由栅极电阻和限制电阻形成的分压器不必根据电路装置的具体设计方案来确定，因为取而代之地在所述齐纳二极管上的基本上恒定的电压降(例如6V)对于半导体开关的控制输入端的操控而言是重要的。所述电流限制控制电路优选在双极晶体管的基础上并且/或者在MOSFET的基础上构造，其输出阻抗在存在过电流的情况下通过对所述双极晶体管或MOSFET的控制输入端的操控来调整。
进一步优选的是，所述电路装置设置用于，只有在电感上的电压降超过预限定的第二电压阈值时，才降低所述电流限制控制电路的输出阻抗。这例如能够在前面说明的二极管的基础上确定，并且/或者在能够用于改变电流限制控制电路的输出阻抗的双极晶体管的正向电压的基础上确定。
所述电能量源例如是电池，且尤其是用于可电驱动的车辆的驱动电池。所述电池例如设置用于提供处在48V到1000V的范围内的电压且优选在200V和800V之间的电压，而不因此局限于前面所提到的电压范围。所述负载优选是用于车辆的驱动系的逆变器和/或空调压缩机和/或电加热装置和/或车载充电器等。此外，如果所述负载与中间电路电容器并联连接(在所述负载中并且/或者在电路的其它部分区域中发生短路的情况下，通过所述中间电路电容器来产生特别高的电流梯度)，则根据本发明的电路装置尤其能够特别有利地应用，因为电池的电感在短路情况下最初不起限制电流的作用。
根据本发明的第二方面提出一种电力系统，该电力系统具有根据前面的说明所述的电路装置、电能量源(例如电池)、负载(例如与电动马达相连接的逆变器)和用于车辆的车载电网。所述车辆例如是轿车、载货车、公共汽车、轨道车辆或两轮车。此外，所述车载电网设置用于将电能量源的电能传输给负载。所述电路装置设置用于，如果流动经过所述车载电网的电流对应于过电流，则借助对半导体开关的操控来减小负载与电能量源之间的电流。
附图说明
下面参照附图对本发明的实施例进行详细说明。其中：
图1示出了根据本发明的电力系统的电路图，该电力系统具有按照第一实施方式的用于进行电流限制的根据本发明的电路装置；并且
图2示出了根据本发明的电路装置的按照第二实施方式的电流限制控制电路的电路图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电力系统的电路图，所述电力系统具有按照第一实施方式的根据本发明的电路装置5。所述电力系统在这里是以电池电力驱动的车辆的驱动系的电力系统。
所述电力系统除了具有用于进行电流限制的电路装置5之外还具有作为车辆的驱动系的电池30来构造的电能量源、作为驱动系的逆变器40来构造的负载、与逆变器40并联连接的电容器CL和车辆的车载电网80。所述电容器CL例如设置用于使车载电网电压稳定。因此，在逆变器40中发生短路的情况下，该逆变器首先通过电容器CL得到供电，而不是通过电池30。
所述电路装置5具有电感L，该电感以第一接头L1与电池30的接头32相连接并且该电感以第二接头L2通过MOSFET 20(例如SiC-MOSFET)与逆变器40的接头42相连接，所述MOSFET也能够由多个并联连接的SiC-MOSFET 20组成。所述电感L在这里是分流电阻的寄生电感L。
所述电感L有利地尽可能靠近地(比如以几毫米到几厘米的距离)与MOSFET 20的源极接头连接，以便在出现较高的电流梯度时避免通过在根据本发明的电路装置5的源极与电流限制控制电路10之间的杂散电感在MOSFET 20的栅极接头22处产生额外的电压降。
此外，所述电路装置具有栅极驱动器25，该栅极驱动器通过栅极电阻RG与MOSFET20的栅极接头22电连接且与限制电阻RB电连接，并且设置用于操控MOSFET 20用以进行打开和闭合。因此，对根据本发明的短路监控而言，应以通过栅极驱动器25对MOSFET 20进行操控为出发点，其中所述MOSFET 20闭合，使得电流I能够在电池30与逆变器40之间流动。
所述电流限制控制电路10设置用于改变电流限制控制电路10的在该电流限制控制电路10的输出接头12上的输出阻抗，以便独立于通过栅极驱动器25对MOSFET 20进行的当前操控来对MOSFET 20进行操控。换言之，所述电流限制控制电路10设置用于，即使当通过所述栅极驱动器25并行地提供用于使MOSFET 20完全偏置导通的栅极电压(例如18V)，也调整MOSFET 20的偏置导通的程度。
所述电流限制控制电路10通过第一输入接头14与电感L的第一接头L1相连接，并且该电流限制控制电路通过第二输入接头16与电感L的第二接头L2相连接。
通过电流限制控制电路10的二极管D1和双极晶体管60的各自的正向电压来防止较小的干扰脉冲对所述电流限制控制电路10的影响，方法是：这些正向电压确定通过电压VL必须至少达到的第二电压阈值，以便执行根据本发明的电流限制。
此外，所述二极管D1设置用于抑制或者防止振荡并且对感生的电压VL进行整流，使得短路识别只在电容器CL的放电方向上起作用。最后，通过所述双极晶体管60来设定电流限制控制电路10的输出阻抗。
在当前的电路中发生低阻抗的短路的情况下，在电感L中感生的电压VL作为输入变量施加在电流限制控制电路10的输入端14、16上。由于施加的电压VL而导通的双极晶体管60通过电阻RB相应地导致MOSFET 20上的栅极-源极-电压VGS的降低、例如从18V的电压值降低到6V的电压值，由此电路中的电流I被限制到期望的电流值。
通过电阻RD和双极晶体管60的基极与发射极之间的电流(Stromfluss)确定了MOSFET 20的栅极-源极-电压VGS被降低、直到该栅极-源极-电压VGS再升高到例如18V的持续时间。通过双极晶体管60的基极与发射极之间的电流产生的电压降借助于基极-发射极-电压VBE来标识。
所述电阻RF和电容器C形成低通滤波器50，该低通滤波器附加地促使非临界的干扰脉冲被滤除。
能够设想的是，借助于锁存器电路来扩展电路装置5，所述锁存器电路设置用于在发生短路之后将MOSFET 20的栅极-源极-电压VGS持久地保持在受限制的电流值。
作为替代方案或补充方案能够实现的是，在由于较高的电流梯度而根据本发明降低电流I之后借助于电路装置5的扩展来完全打开MOSFET 20，以便完全中断电路。有利地在预限定的第一电压阈值被电压VL超过时执行所述完全中断。
此外能够实现的是，通过齐纳二极管来代替限制电阻RB，以便用由齐纳二极管预先给定的电压来操控MOSFET 20的栅极。
此外要指出的是，替代地，电感L能够布置在电池30与逆变器40之间的支路中，在图1中没有将MOSFET 20布置在所述支路中。此外能够实现的是，将MOSFET 20同样布置在这个另外的支路中。
图2示出了根据本发明的电路装置5的按照第二实施方式的电流限制控制电路10的电路图，其中这个电流限制控制电路10在可供使用的电感L非常小时(例如1nH到5nH)并且/或者在电流增加较小时(例如10A/μS到100A/μs)能够尤其用于短路识别和电流限制。此外能够实现的是，将图2中示出的电流限制控制电路10与图1中示出的电流限制控制电路10并行地使用。在图1中示出的电流限制控制电路10在电流梯度较大的情况下反应较快，而在图2中示出的电流限制控制电路10与此相比较慢地、但对此较敏感地进行反应，即在电流梯度较小的情况下就已经进行反应。
要指出的是，作为按照第一实施方式的电流限制控制电路10的替代方案，按照第二实施方式的电流限制控制电路10能够用在电路装置5或者在那里示出的电力系统中(或者也可以独立于这种具体的设计方案来使用)，因此，为了避免重复而参阅关于图1的实施方案并且下面只阐述与图1的区别。
此外要指出的是，为了更好地理解，电流限制控制电路10在其输出接头12处具有部件RB、D3，它们超出实际的电流限制控制电路10的范围配属于上级的根据本发明的电路装置5。
当前的电流限制控制电路10借助于输入接头14、16例如与电路装置5的电感L的在图1中示出的接头L1、L2电连接。
按照第二实施方式的电流限制控制电路10借助于电源电压VCC来供应，其中这个电源电压例如能够是通过图1中的栅极驱动器25来提供的电压。有利的是，所述电源电压VCC提供大于5V的电压值。
通过二极管D2的正向电压来预设必须被电压VL超过的、用于比较器100的第二电压阈值，以便执行根据本发明的电流限制。为了调整第二电压阈值，例如能够设想将一个或多个另外的二极管与二极管D2串联地布置。
基于在这里被构造成齐纳二极管的二极管D3来确定图1中示出的半导体开关20的栅极-源极-电压，该栅极-源极-电压在短路情况下相应地导致在图1中示出的电路的电流限制。
代替如在图1中的双极晶体管60，在这里设置MOSFET 70用以调节电流限制控制电路10的输出阻抗，一旦第二电压阈值被电压VL超过，则所述MOSFET 70通过比较器100来闭合。
此外，设置了电流限制电阻RP1、RP2、RB和RB′。
借助于所述电流限制电阻RP1可以避免MOSFET 70的不明确的操控状态，方法是：这个电流限制电阻借助于所谓的上拉电阻将电压提高到栅极电压或电源电压。同时，它在比较器100将其输出端拉到地时限制电流。
所述电流限制电阻RP2将比较器100的负输入端拉到限定的电位上并且此外在二极管D2导通时限制电流。
所述电流限制电阻RB与栅极电阻RG一起限制通过MOSFET 70和通过二极管D3的电流。此外，它防止了通过快速切换能够引起的振荡。
所述电流限制电阻RB′限制电流，以便在MOSFET 70切换时在MOSFET 70的栅极上不产生高的瞬态电流峰值。
此外，按照第二实施方式的电流限制控制电路10能够有利地借助于比较器100的输入端处的(未示出的)反相运算放大器进行扩展，由此能够以较小的允许误差特别灵活地调节第二电压阈值。

Claims (10)

1.用于进行电流限制的电路装置(5)，其具有：
·电感(L)，
·限制电阻(RB)，
·栅极电阻(RG)，
·电流限制控制电路(10)，
·半导体开关(20)，以及
·栅极驱动器(25)，
其中
·所述电流限制控制电路(10)的输出接头(12)通过限制电阻(RB)与所述半导体开关(20)的控制输入端(22)相连接，
·所述栅极驱动器(25)通过栅极电阻(RG)与所述半导体开关(20)的控制输入端(22)相连接并且与所述限制电阻(RB)相连接，并且设置用于操控半导体开关(20)用以进行打开和闭合，
·所述电流限制控制电路(10)设置用于改变所述电流限制控制电路(10)在输出接头(12)上的输出阻抗，用以操控所述半导体开关(20)，
·所述半导体开关(20)设置用于根据通过所述电流限制控制电路(10)进行的操控来调节在电能量源(30)与负载(40)之间的电路中的电流(I)，
·所述电感(L)设置用于通过第一接头(L1)直接或间接地与电能量源(30)的接头(32)相连接并且通过第二接头(L2)直接或间接地与负载(40)的接头(42)相连接，
·所述电流限制控制电路(10)的第一输入接头(14)与所述电感(L)的第一接头(L1)电连接，并且所述电流限制控制电路(10)的第二输入接头(16)与所述电感(L)的第二接头(L2)电连接，以及
·所述电流限制控制电路(10)设置用于识别所述电感(L)的由过电流引起的电压降(VL)并且作为对此的反应来降低其输出阻抗，以便由此基于所述限制电阻(RB)上的电压降来提高所述半导体开关(20)的输出阻抗，使得所述半导体开关(20)中的提高的输出阻抗抵抗过电流。
2.根据权利要求1所述的电路装置(5)，其中
·所述半导体开关(20)是
ο功率半导体开关，和/或
οMOSFET、IGBT或JFET，和/或
ο基于Si、SiC或GaN的半导体开关(20)，和/或
ο拓扑的半导体开关(20)，其由多个并联连接的单个半导体开关构成，并且/或者
·所述电流限制电路构造成模拟电路。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(5)，其中所述电感(L)是
·寄生电感，和/或
·分立的元器件，和/或
·线圈，和/或
·电感
ο分流电阻的电感，和/或
ο电路的导线和/或导线区段的电感，和/或
ο汇流排的电感，和/或
ο电路板的印制导线的电感，和/或
·变压器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(5)，其中所述电路装置(5)设置用于：
·使所述半导体开关(20)的提高的输出阻抗持久地维持，或者
·当所述电感(L)上的电压降(VL)减小时，使所述半导体开关(20)的提高的输出阻抗在预限定的时间段后回到过电流出现之前的原始的数值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(5)，其中
·所述电路装置(5)
ο设置用于，在通过所述电流限制控制电路(10)来处理之前，借助低通滤波器(50)、尤其借助RC低通滤波器对表示所述电感(L)上的电压降(VL)的信号进行低通滤波，所述低通滤波尤其设立用于使对电路产生影响的干扰信号平滑，并且/或者
ο具有放电电阻(RD)，所述放电电阻与RC低通滤波器的电容器(C)并联连接，并且所述放电电阻根据在能量源(30)与负载(40)之间的电流限制的期望持续时间来确定，并且/或者
·将二极管(D1)连接在所述电感(L)的第二接头(L2)与电流限制控制电路(10)的第二输入接头(16)之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(5)，其中所述电路装置(5)设置用于，如果预限定的第一电压阈值被所述电感(L)上的电压降(VL)超过，则完全地阻止通过所述半导体开关(10)的电流(I)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(5)，其中
·所述限制电阻(RB)是线性的和/或非线性的限制电阻并且尤其是齐纳二极管，并且/或者
·所述电流限制控制电路(10)基于双极晶体管(60)并且/或者基于MOSFET(70)来构造，其输出阻抗在存在过电流的情况下得到调整。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(5)，其中所述电路装置(5)设置用于，只有在所述电感(L)上的电压降(VL)超过预限定的第二电压阈值时，才使所述电流限制控制电路(10)的输出阻抗降低。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(5)，其中
·所述电能量源(30)是电池并且尤其是用于可电驱动的车辆的驱动电池，并且/或者
·所述负载(40)是用于车辆的驱动系的逆变器，并且/或者
·所述负载(40)与中间电路电容器(CL)并联连接。
10.电力系统，其具有：
·根据前述权利要求中任一项所述的电路装置(5)，
·电能量源(30)，
·负载(40)，以及
·用于车辆的车载电网(80)，
其中
·所述车载电网(80)设置用于将电能量源(30)的电能传输给所述负载(40)，并且
·所述电路装置(5)设置用于，如果流动经过所述车载电网(80)的电流(I)对应于过电流，则借助对所述半导体开关(20)的操控来减小所述负载(40)与电能量源(30)之间的电流(I)。
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