DE102017210457A1 - Halbleiterschalter-Steuervorrichtung - Google Patents

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Mitsuaki Morimoto
Eiichiro Oishi
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Yazaki Corp
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Abstract

Eine Halbleiterschalter-Steuervorrichtung (1) umfasst einen FET (12) und einen FET (11), die nebeneinander angeordnet sind und deren Source-Anschlüsse in Reihe verbunden sind. Ein Drain-Anschluss des FET (12) ist mit einer Hochspannungsbatterie (3) verbunden, und ein Drain-Anschluss des FET (11) ist mit einer Hochspannungslast (2) verbunden. Eine Steuereinrichtung (50) bestimmt den Temperaturzustand eines Minusseite-Hauptrelais 10B mit dem darin enthaltenen FET (11) basierend auf einer Vorwärtsspannung (Vfa) einer Körperdiode (D2) des FET (12).

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG(EN)
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-131731 vom 1. Juli 2016 und schließt diese hier vollständig unter Bezugnahme ein.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Erfindungsfeld
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterschalter-Steuervorrichtung.
  • 2. Stand der Technik
  • Herkömmlicherweise enthalten Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und ähnliches eine Hochspannungslast wie etwa einen Antriebsmotor, eine Hochspannungsbatterie für das Betreiben der Hochspannungslast sowie Schalter zum Durchlassen oder Blockieren eines von der Hochspannungsbatterie zu der Hochspannungslast fließenden Stroms, um die Sicherheit zu gewährleisten. Als derartige Schalter werden vorwiegend mechanische Relais verwendet. in den letzten Jahren hat man sich jedoch bemüht, Halbleiterschalter für derartige Schalter zu verwenden (siehe zum Beispiel das offengelegte japanische Patent Nr. 2012-235629 ).
  • Weil sich die Temperatur eines Halbleiterschalters aufgrund der Wärmerzeugung bei einer elektrischen Leitung erhöht, muss der Temperaturzustand des Halbleiterschalters bestimmt werden und muss eine Erhöhung der Temperatur unterdrückt werden. Es besteht jedoch Bedarf für eine Verbesserung bei der Bestimmung des Temperaturzustands des Halbleiterschalters.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterschalter-Steuervorrichtung anzugeben, die den Temperaturzustand eines Halbleiterschalters bestimmen kann.
  • Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, umfasst eine Halbleiterschalter-Steuervorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Halbleiterschaltermodul, das zwischen einer Stromversorgung und einer Last vorgesehen ist und konfiguriert ist, um einen zwischen der Stromversorgung und der Last fließenden Strom durchzulassen oder zu blockieren, und eine Steuereinrichtung, die das Halbleiterschaltermodul steuert, wobei das Halbleiterschaltermodul einen Vorwärtsschalter mit einer Körperdiode, die in einer Vorwärtsrichtung, die der Flussrichtung des Stroms entspricht, angeordnet ist, und einen neben dem Vorwärtsschalter angeordneten Rückwärtsschalter mit einer Körperdiode, die in einer der Flussrichtung des Stroms entgegengesetzten Richtung angeordnet ist, umfasst, wobei der Vorwärtsschalter und der Rückwärtsschalter jeweils einen Source-Anschluss und einen Drain-Anschluss aufweisen, wobei die Source-Anschlüsse in Reihe miteinander verbunden sind, wobei ein Drain-Anschluss mit der Stromversorgung verbunden ist und der andere Drain-Anschluss mit der Last verbunden ist oder wobei die Drain-Anschlüsse in Reihe miteinander verbunden sind, wobei ein Source-Anschluss mit der Stromversorgung verbunden ist und der andere Source-Anschluss mit der Last verbunden ist, und wobei die Steuereinrichtung den Temperaturzustand des Halbleiterschaltermoduls basierend auf einer Vorwärtsspannung der Körperdiode des Vorwärtsschalters bestimmt.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung bestimmt in der Halbleiterschalter-Steuervorrichtung die Steuereinrichtung den Temperaturzustand des Halbleiterschaltermoduls aus der Temperatur der Körperdiode des Vorwärtsschalters, die basierend auf der Vorwärtsspannung der Körperdiode des Vorwärtsschalters und einem in dem Vorwärtsschalter fließenden Strom erhalten wird.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung weiterhin umfassen: eine Vorladeschaltung, die den Rückwärtsschalter steuert und einen konstanten Fluss eines Vorladestroms gestattet, wobei, wenn die Vorladesteuerung durch die Vorladeschaltung durchgeführt wird, die Steuereinrichtung den Temperaturzustand des Halbleiterschaltermoduls aus der Vorwärtsspannung der Körperdiode des Vorwärtsschalters und einem die Temperatur der Körperdiode des Vorwärtsschalters bestimmenden Schwellwert bestimmt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann in der Halbleiterschalter-Steuervorrichtung, wenn die Vorwärtsspannung der Körperdiode des Vorwärtsschalters vor dem Bestimmen des Temperaturzustands des Halbleiterschaltermoduls außerhalb des Bereichs einer Bezugsspannung, die ein Bezug der Vorwärtsspannung ist, liegt, die Steuereinrichtung bestimmen, dass der Vorwärtsschalter ausgefallen ist, und schaltet den Rückwärtsschalter aus, um den Strom zu blockieren.
  • Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile sowie die technische und industrielle Bedeutung der Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine Konfiguration einer Halbleiterschalter-Steuervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
  • 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Steuerung eines FET gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 3 ist ein Diagramm, das eine Vorwärtskennlinien-Map gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 4 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für die Operationen der Halbleiterschalter-Steuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Operationen der Halbleiterschalter-Steuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 6 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für die Konfiguration der Hauptkomponenten einer Halbleiterschalter-Steuervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
  • 7 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für die Operationen der Halbleiterschalter-Steuervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführlingsformen beschränkt. Anstelle der unten beschriebenen Komponenten könnten auch andere dem Fachmann bekannte und im Wesentlichen gleiche Komponenten verwendet werden. Außerdem können die nachfolgend beschriebenen Konfigurationen miteinander kombiniert werden. Es können verschiedene Hinzufügungen, Auslassungen, Ersetzungen oder Änderungen an den hier beschriebenen Konfigurationen vorgenommen werden, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
  • Erste Ausführungsform
  • Wie in 1 gezeigt, umfasst ein Fahrzeugstromversorgungssystem 100 für ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug eine Hochspannungslast 2 als eine Last wie etwa einen Wechselrichter 21, der einen Gleichstrom zu einem Wechselstrom wandelt und zu einem Antriebsmotor zuführt, eine Hochspannungsbatterie 3 als eine Stromversorgung für das Betreiben der Hochspannungslast 2 und eine Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 (1A, 1B) zum Durchlassen oder Blockieren eines zwischen der Hochspannungsbatterie 3 und der Hochspannungslast 2 fließenden Stroms, um die Sicherheit zu gewährleisten.
  • Die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1A gemäß einer ersten Ausführungsform ist auf einer Pluselektrodenseite der Hochspannungsbatterie 3 vorgesehen und schaltet ein Plusseite-Hauptrelais 10A als ein Halbleiterschaltermodul zum Durchlassen oder Blockieren des von der Hochspannungsbatterie 3 in die Hochspannungslast 2 fließenden Stroms. Die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1B ist auf einer Minuselektrodenseite der Hochspanungsbatterie 3 vorgesehen und schaltet ein Minusseite-Hauptrelais 10B als ein Halbleiterschaltermodul zum Durchlassen oder Blockieren eines von der Hochspannungslast 2 zu der Hochspannungsbatterie 3 fließenden Stroms. Die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1A weist eine ähnliche Konfiguration auf wie die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1B und sieht eine ähnliche Steuerung vor, sodass hier auf eine wiederholte ausführliche Beschreibung verzichtet wird. Im Folgenden wird die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1B beschrieben. Die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1B ist derart konfiguriert, dass sie das Minusseite-Hauptrelais 10B, eine Differenzverstärkerschaltung 20, einen Treiberschaltungsabschnitt 30, einen Stromdetektor 40 und eine Steuereinrichtung 50 enthält.
  • Das Minusseite-Hauptrelais 10B ist zwischen der Minuselektrodenseite der Hochspannungsbatterie 3 und der Hochspannungslast 2 vorgesehen, um einen von der Hochspannungslast 2 zu der Minuselektrodenseite der Hochspannungsbatterie 3 fließenden Strom durchzulassen oder zu blockieren. Außerdem ist auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Minusseite-Hauptrelais 10B das Plusseite-Hauptrelais 10A vorgesehen. Das Plusseite-Hauplrelais 10A ist zwischen der Pluselektrodenseite der Hochspannungsbatterie 3 und der Hochspanungslast 2 vorgesehen, um einen von der Pluselektrodenseite der Hochspannungsbatterie 3 zu der Hochspannungslast 2 fließenden Strom durchzulassen oder zu blockieren.
  • Das Minusseite-Hauptrelais 10B ist derart konfiguriert, dass es einen FET (Feldeffekttransistor) 11 und einen FET 12 enthält. Die FETs 11 und 12 sind zum Beispiel N-Kanal-MOS (Metalloxidhalbleiter) FETs. Der FET 11 ist ein Rückwärtsschalter mit einer Körperdiode (parasitären Diode) D1, die in einer Richtung angeordnet ist, die der Flussrichtung des Stroms I (nachfolgend auch als Vorwärtsstrom I (Ia, Ib) bezeichnet, sofern nicht anderes spezifiziert) von der Hochspannungslast 2 zu der Minuselektrodenseite der Hochspannungsbatterie 3 entgegengesetzt ist. Der Anodenanschluss der Körperdiode D1 ist mit der Minuselektrodenseite der Hochspannungsbatterie 3 verbunden, und der Kathodenanschluss ist mit der Seite der Hochspannungslast 2 verbunden. Der FET 11 wird durch einen später beschriebenen Treiberschaltungsabschnitt 30 betrieben, um den von der Hochspannungslast 2 zu der Minuselektrodenseite der Hochspannungsbatterie 3 fließenden Strom I durchzulassen oder zu blockieren. Der FET 12 ist ein dem FET 11 ähnlicher FET und ist ein Vorwärtsschalter, wobei eine Körperdiode D2 in einer Vorwärtsrichtung angeordnet ist, die der Flussrichtung des Stroms I entspricht. Der Kathodenanschluss der Körperdiode D2 ist mit der Minuselektrodenseite der Hochspannungsbatterie 3 verbunden, und der Anodenanschluss ist mit der Seite der Hochspannungslast 2 verbunden. Der FET 12 wird durch den Treiberschaltungsabschnitt 30 betrieben, und eine Übergangstemperatur (nachfolgend einfach als Temperatur bezeichnet), die eine Temperatur des Übergangs der Körperdiode D2 ist, wird basierend auf einer Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 gemessen. Dabei gibt die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 den Spannungsabfall (Potentialdifferenz) der Körperdiode D2 für den Fall an, dass der Vorwärtsstrom I fließt. Der FET 11 und der FET 12 sind nebeneinander angeordnet, wobei die Source-Anschlüsse in Reihe verbunden sind, der Drain-Anschluss des FET 12 mit der Hochspannungsbatterie 3 verbunden ist und der Drain-Anschluss des FET 11 mit der Hochspannungslast 2 verbunden ist. Zum Beispiel sind der FET 11 und der FET 12 nahe nebeneinander angeordnet und auf der Leiterplatte montiert, wobei sie in einem durch eine Bare-Chip-Montage modularisierten Zustand oder in einem durch Kunstharz abgedichteten Zustand montiert sind.
  • Die Differenzverstärkerschaltung 20 gibt die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 des FET 12 aus. Die Differenzverstärkerschaltung 20 ist mit dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss der Körperdiode D2 verbunden und verstärkt die Potentialdifferenz zwischen der Anodenanschlussseite und der Kathodenanschlussseite, um die Potentialdifferenz als die Vorwärtsspannung Vfa zu der Steuereinrichtung 50 auszugeben.
  • Der Treiberschaltungsabschnitt 30 ist derart konfiguriert, dass er eine Treiberschaltung 31 zum Betreiben des FET 11, eine Treiberschaltung 32 zum Betreiben des FET 12 und eine Vorladungsschaltung 33 zum Steuern der Vorladung des FET 11 enthält. Die Treiberschaltung 31 ist mit einem Gate-Anschluss des FET 11 verbunden und legt eine EIN-Spannung an dem Gate-Anschluss des FET 11 als eine Steuerung für das Einschalten des Schalters des FET 11 an, sodass ein Strom von dem Drain-Anschluss zu dem Source-Anschluss fließt. Außerdem legt die Treiberschaltung 31 eine AUS-Spannung an dem Gate-Anschluss des FET 11 als eine Steuerung zum Ausschalten des Schalters des FET 11 an, sodass der von dem Drain-Anschluss zu dem Source-Anschluss fließende Strom blockiert wird. Die Treiberschaltung 32 ist mit dem Gate-Anschluss des FET 12 verbunden und legt eine EIN-Spannung an dem Gate-Anschluss des FET 12 als eine Steuerung zum Einschalten des Schalters des FET 12 an, sodass der Strom von dem Source-Anschluss zu dem Drain-Anschluss fließen kann. Außerdem legt die Treiberschaltung 32 eine AUS-Spannung an dem Gate-Anschluss des FET 12 als eine Steuerung zum Ausschalten des Schalters des FET 12 an, sodass der von dem Source-Anschluss zu dem Drain-Anschluss fließende Strom blockiert wird.
  • Die Vorladeschaltung 33 verhindert das Fließen eines Einschaltstoßstroms von der Hochspannungsbatterie 3 zu der Hochspannungslast 2, wenn eine Hochspannungsschaltung mit der Hochspannungsbatterie 3 und der Hochspannungslast 2 betätigt wird. Die Vorladeschaltung 33 ist mit dem Gate-Anschluss des FET 11 verbunden und legt eine Vorladespannung an dem Gate-Anschluss des FET 11 an, sodass ein konstanter Vorladestrom fließt. Zum Beispiel gestattet die Vorladeschaltung 33 ein Fließen eines Vorladestroms nur, während ein Kondensator CL des Wechselrichters 21 des Hochladestroms 2 geladen wird.
  • Der Stromdetektor 40 erfasst das Fließen des Vorwärtsstroms I zwischen der Hochspannungsbatterie 3 und der Hochspannungslast 2. Zum Beispiel erfasst der Stromdetektor 40 das Fließen des Vorwärtsstroms I zwischen dem Minusseite-Hauptrelais 10B und der Hochspannungslast 2 und gibt einen Stromwert des erfassten Vorwärtsstroms I zu der Steuereinrichtung 50 aus.
  • Die Steuereinrichtung 50 steuert das Minusseite-Hauptrelais 10B über den Treiberschaltungsabschnitt 30. Die Steuereinrichtung 50 ist derart konfiguriert, dass sie eine elektronische Schaltung enthält, die vor allem durch einen wohlbekannten Mikrocomputer konfiguriert wird, der eine CPU, einen ROM, einen RAM als eine Speichereinheit und eine Schnittstelle enthält. Die Steuereinrichtung 50 weist einen Anormalitätsdiagnosemadus zum Diagnostizieren einer Anormalität des Minusseite-Hauptrelais 10B auf. Die Steuereinrichtung 50 führt den Anormalitätsdiagnosemodus mit einem vorbestimmten Zyklus aus. Wenn sich die Steuereinrichtung 50 nicht in dem Anormalitätsdiagnosemodus befindet, setzt die Steuereinrichtung 50 wie in 2 gezeigt den FET 11 zu EIN und den FET 12 zu EIN, um den Vorwärtsstrom Ia zwischen dem Source-Anschluss und dem Drain-Anschluss der FETs 11 und 12 durchzulassen, sodass der Vorwärtsstrom Ia von der Hochspannungslast 2 zu der Hochspannungsbatterie 3 fließt. In dem Anormalitätsdiagnosemodus setzt die Steuereinrichtung 50 den FET 11 zu EIN und den FET 12 zu AUS, um den Vorwärtsstrom Ib zwischen dem Source-Anschluss und dem Drain-Anschluss des FET 11 durchzulassen und den Vorwärtsstrom Ib durch die Körperdiode D2 des FET 12 durchzulassen, ohne ihn zwischen dem Source-Anschluss und dem Drain-Anschluss des FET 12 durchzulassen, sodass der Vorwärtsstrom Ib von der Hochspannungslast 2 zu der Hochspannungsbatterie 3 fließt. Dabei bestimmt die Steuereinrichtung 50 den Temperaturzustand des FET 11 (Minusseite-Hauptrelais 10B) aus der Temperatur der Körperdiode D2, die basierend auf der Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 und dem Vorwärtsstrom Ib erhalten wird. Außerdem bestimmt die Steuereinrichtung 50 einen Ausfall des FET 12 basierend auf der Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2.
  • Insbesondere ist die Steuereinrichtung 50 derart konfiguriert, dass sie einen Temperaturberechner 51, einen Überhitzungsdetektor 52 und einen FET-Ausfalldetektor 53 enthält. Der Temperaturberechner 51 berechnet die Temperatur der Körperdiode D2 des FET 12. Der Temperaturberechner 51 berechnet die Temperatur der Körperdiode D2 basierend auf der Vorwärtsspannung Vfa und dem Vorwärtsstrom Ib des FET 12. Zum Beispiel speichert wie in 3 gezeigt der Temperaturberechner 51 eine Vorwärtskennlinien-Map (K-Faktor), die die Vorwärtskennlinie der Körperdiode D2 angibt, in der Speichereinheit. Die Vorwärtskennlinien-Map zeigt die Beziehung zwischen der Vorwärtsspannung Vfa, dem Vorwärtsstrom Ib und der Temperatur. In der Vorwärtskennlinien-Map gibt die vertikale Achse den Vorwärtsstrom Ib wieder, gibt die horizontale Achse die Vorwärtsspannung Vfa wieder und ist die Temperatur in einem Bereich gezeigt, der aus dem Vorwärtsstrom Ib und der Vorwärtsspannung Vfa bestimmt wird. In der Vorwärtskennlinien-Map wird die Temperatur der Körperdiode D2 aus der Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 und dem Vorwärtsstrom Ib bestimmt. Zum Beispiel neigt in der Vorwärtskennlinien-Map bei einem bestimmten Stromwert des Vorwärtsstroms Ib die Temperatur der Körperdiode D2 dazu, höher zu sein, wenn die Vorwärtsspannung Vfa niedriger ist. Der Temperaturberechner 51 berechnet die Temperatur der Körperdiode D2 aus der Vorwärtsspannung Vfa und dem Vorwärtsstrom Ib mit Bezug auf die Vorwärtskennlinien-Map und gibt das Berechnungsergebnis an den Überhitzungsdetektor 52 aus. In der ersten Ausführungsform berechnet der Temperaturberechner 51 die Temperatur der Körperdiode D2 unter Verwendung der Vorwärtskennlinien-Map, wobei der Temperaturberechner 51 jedoch nicht darauf beschränkt ist.
  • Der Überhitzungsdetektor 52 erfasst den Temperaturzustand des FET 12 (des Minusseite-Hauptrelais 10B). Der Überhitzungsdetektor 52 vergleicht die Temperatur der Körperdiode D2 mit einem Temperaturschwellwert der Körperdiode D2. Dabei ist der Temperaturschwellwert der Körperdiode D2 ein Wert zum Bestimmen, ob sich der FET 12 in einem überhitzten Zustand befindet oder nicht, und wird zuvor basierend auf Experimenten oder ähnlichem gesetzt. Wenn die Temperatur der Körperdiode D2 den Temperaturschwellwert überschreitet, bestimmt der Überhitzungsdetektor 52, dass sich der FET 12 in einem überhitzten Zustand befindet. Und wenn die Temperatur der Körperdiode D2 gleich oder niedriger als der Temperaturschwellwert ist, bestimmt der Überhitzungsdetektor 52, dass sich der FET 12 in einem korrekten Temperaturzustand befindet. Wenn der FET 12 überhitzt ist, kann die Steuereinrichtung 50 bestimmen (schätzen), dass sich der neben dem FET 12 angeordnete FET 11 ebenfalls in einem überhitzten Zustand befindet. Der Grund hierfür ist, dass ähnliche FETs für das FET 11 und das FET 12 verwendet werden und die FETs in dem benachbarten Zustand modularisiert sind. Wenn bestimmt wird, dass sich der FET 11 in einem überhitzten Zustand befindet, steuert die Steuereinrichtung 50 die Treiberschaltung 51, um den FET 11 zu AUS zu setzen, sodass der von dem Drain-Anschluss des FET 11 zu dem Source-Anschluss fließende Strom blockiert wird. Wenn sich dagegen der FET 12 in einem korrekten Temperaturzustand befindet, kann die Steuereinrichtung 50 bestimmen (schätzen), dass sich auch der FET 11 in einem korrekten Temperaturzustand befindet. Wenn bestimmt wird, dass sich der FET 11 in einem korrekten Temperaturzustand befindet, fährt die Steuereinrichtung 50 fort, den FET 11 einzuschalten.
  • Der FET-Ausfalldetektor 53 erfasst einen Ausfall des Minusseite-Hauptrelais 10B. Der FET-Ausfalldetektor 53 vergleicht die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 mit der Bezugsspannung Vfb, die als ein Bezug der Vorwärtsspannung Vfa dient. Wenn die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 außerhalb des Bereichs der Bezugsspannung Vfb liegt, bestimmt der FET-Ausfalldetektor, dass der FET 12 ausgefallen ist. Dabei ist die Bezugsspannung Vfb ein Bereich, innerhalb von welchem sich die Vorwärtsspannung Vfa der Normalkörperdiode D2 ändert. Wenn der FET 12 ausgefallen ist, steuert die Steuereinrichtung 50 die Treiberschaltung 31, um den FET 11 zu AUS zu setzen. Wenn dagegen die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 in dem Bereich der Bezugsspannung Vfb liegt, bestimmt der FET-Ausfalldetektor 53, dass der FET 12 nicht ausgefallen ist. Wenn der FET 12 nicht ausgefallen ist, bestimmt die Steuereinrichtung 50 den Temperaturzustand des FET 11.
  • Im Folgenden wird ein Beispiel für die Operationen der Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1B mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben. Wie in 4 gezeigt setzt die Steuereinrichtung 50 zu der Zeit t1 das Plusseite-Hauptrelais 10A zu EIN (Schritt S1). Dann setzt die Steuereinrichtung 50 zu der Zeit t2 den FET 11 und den FET 12 des Minusseite-Hauptrelais 10B zu EIN (Schritt S2). Dann setzt die Steuereinrichtung 50 zu der Startzeit t3 des Anormalitätsdiagnosemodus den FET 12 zu AUS (Schritt S3). Dann bestimmt die Steuereinrichtung 50, ob die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 innerhalb des Bereichs der Bezugsspannung Vfb liegt (Schritt S4). Wenn die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 innerhalb des Bereichs der Bezugsspannung Vfb liegt (Schritt S4: JA), berechnet die Steuereinrichtung 50 die Übergangstemperatur der Körperdiode D2 (Schritt S5). Zum Beispiel berechnet die Steuereinrichtung 50 die Temperatur der Körperdiode D2 aus der Vorwärtsspannung Vfa und dem Vorwärtsstrom Ib der Körperdiode D2 mit Bezug auf die Vorwärtskennlinien-Map. Dann bestimmt die Steuereinrichtung 50, ab die Übergangstemperatur der Körperdiode D2 den Temperaturschwellwert überschreitet (Schritt S6). Wenn die Übergangstemperatur der Körperdiode D2 den Temperaturschwellwert überschreitet (Schritt S6: JA), bestimmt die Steuereinrichtung 50, dass der FET 11 überhitzt ist (Schritt S7). Wenn nämlich die Übergangstemperatur der Körperdiode D2 den Temperaturschwellwert überschreitet, bestimmt die Steuereinrichtung 50, dass der FET 12 überhitzt ist, und bestimmt (schätzt) weiterhin, dass auch der neben dem FET 12 angeordnete FET 11 überhitzt ist. Dann setzt die Steuereinrichtung 50 den FET 11 zu AUS und blockiert den von der Hochspannungslast 2 zu der Minuselektrodenseite der Hochspannungsbatterie 3 fließenden Strom I (Schritt S8) und beendet den Prozess. Zu diesem Zeitpunkt informiert die Steuereinrichtung 50 den Fahrer des Fahrzeugs, indem sie eine Benachrichtigungseinheit wie etwa eine Warnleuchte im Fahrzeug (nicht gezeigt) verwendet.
  • Wenn in dem oben beschriebenen Schritt S4 bestimmt wird, dass die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 außerhalb des Bereichs der Bezugsspannung Vfb liegt (Schritt S4: NEIN), bestimmt die Steuereinrichtung 50, dass der FET 12 ausgefallen ist (Schritt S9). Die Steuereinrichtung setzt den FET 11 zu AUS, um den von der Hochspannungslast 2 zu der Minuselektrodenseite der Hochspannungsbatterie 3 fließenden Strom I zu blockieren (Schritt S8), womit der Prozess abgeschlossen wird. Wenn in dem oben beschriebenen Schritt S6 bestimmt wird, dass die Übergangstemperatur der Körperdiode D2 gleich oder niedriger als der Temperaturschwellwert ist (Schritt S6: NEIN), bestimmt die Steuereinrichtung 50, dass sich der FET 11 in einem korrekten Temperaturzustand befindet (Schritt S10). Zu dem Zeitpunkt 14 schaltet die Steuereinrichtung den FET 12 von AUS zu EIN (Schritt S11) und wird der Anormalitätsdiagnosemodus erneut mit einem vorbestimmten Zyklus ausgeführt (Schritt S3).
  • Wie oben beschrieben, sind in der Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 (1A, 1B) gemäß der ersten Ausführungsform der FET 11 und der FET 12 nebeneinander angeordnet, sind die Source-Anschlüsse derselben in Reihe verbunden, ist der Drain-Anschluss des FET 12 mit der Hochspannungsbatterie 3 verbunden und ist der Drain-Anschluss des FET 11 mit der Hochspannungslast 2 verbunden. Weiterhin bestimmt die Steuereinrichtung 50 den Temperaturzustand des FET 11 (des Minusseite-Hauptrelais 10B) basierend auf der Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 des FET 12.
  • Dadurch kann die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 den Temperaturzustand des FET 11 basierend auf der Übergangstemperatur der Körperdiode D2 im Vergleich zu einem Fall, in dem die Temperatur um den Halbleiterschalter herum durch einen herkömmlichen Thermistor oder ähnliches gemessen wird, genau bestimmen. Weil im Stand der Technik die Temperatur um den Halbleiterschalter herum durch einen Thermistor oder ähnliches gemessen wird, wird die thermische Handhabung basierend auf dem Wert des thermischen Widerstands der Packung des Halbleiterschalters durchgeführt. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, einen ausreichenden Spielraum sicherzustellen, sodass die Performanz des Halbleiterschalters nicht vollständig erhalten werden kann. Weil dagegen die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 die Übergangstemperatur des FET 11 basierend auf der Temperatur der Körperdiode D2 des FET 12 bestimmen kann, muss kein großer Spielraum in der thermischen Handhabung des FET 11 vorgesehen werden und kann die Performanz des FET 11 sicher erhalten werden. Je näher der FET 11 und der FET 12 nebeneinander angeordnet sind, desto genauer kann die Übergangstemperatur des FET 11 bestimmt werden.
  • Außerdem bestimmt die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 den Temperaturzustand des FET 11 aus der Temperatur der Körperdiode D2, die basierend auf der Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 des FET 12 und dem durch den FET 12 fließenden Vorwärtsstrom Ib erhalten wird. Deshalb kann die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 den Temperaturzustand des FET 11 basierend auf der Übergangstemperatur der Körperdiode D2 bestimmen, die basierend auf der Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 und dem Vorwärtsstrom Ib berechnet wird.
  • Wenn die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 des FET 12 außerhalb des Bereichs der Bezugsspannung Vfb als eines Bezugs für die Vorwärtsspannung Vfa liegt, bestimmt die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1, dass der FET 12 ausgefallen ist, und setzt den FET 11 zu AUS. Dadurch kann die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 verhindern, dass der Überhitzungszustand des FET 11 in dem Zustand bestimmt wird, in dem die Temperatur der Körperdiode D2 aufgrund des Ausfalls des FET 12 nicht gemessen werden kann.
  • Weiterhin bestimmt die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 den Temperaturzustand des FET 11 basierend auf der Vorwärtsspannung Vfa, wobei aber auch der Temperaturzustand des Minusseite-Hauptrelais 10B mit dem darin enthaltenen FET 11 bestimmt werden kann.
  • Zweite Ausführungsform
  • Im Folgenden wird eine Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1C gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. In der Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1C gemäß der zweiten Ausführungsform werden gleiche Komponenten wie in der Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 der ersten Ausführungsform durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier auf eine wiederholte ausführliche Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass, wenn eine Vorladesteuerung durch die Vorladeschaltung 33 durchgeführt wird, die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1C die Temperatur der Körperdiode D2 aus der Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 des FET 12 ohne Verwendung des Vorwärtsstroms Ib bestimmt. Die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1C ist derart konfiguriert, dass sie einen Komparator 54 anstelle des Temperaturberechners 51 und des Überhitzungsdetektors 52 enthält. Wie in 6 gezeigt, vergleicht der Komparator 54 die aus der Differenzverstarkerschaltung 20 ausgegebene Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 mit dem Spannungsschwellwert Vt, der die Temperatur der Körperdiode D2 bestimmt, und gibt das Vergleichsergebnis aus. Dabei ist der Spannungsschwellwert Vt auf der Basis von zum Beispiel der Größe eines Vorladestroms voreingestellt. Der Komparator 54 vergleicht die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 mit dem Spannungsschwellwert Vt der Körperdiode D2. Wenn die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 kleiner ist als der Spannungsschwellwert Vt, weil die Temperatur der Körperdiode D2 relativ hoch ist, gibt der Komparator an die Steuereinrichtung 50 ein Überhitzungsblockierungssignal aus, das angibt, dass sich der FET 12 in einem überhitzten Zustand befindet. Wenn das Überhitzungsblockierungssignal von dem Komparator 54 ausgegeben wird, bestimmt die Steuereinrichtung 50, dass sich der FET 11 in einem überhitzten Zustand befindet, und setzt den FET 11 zu AUS. Wenn dagegen die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 höher ist als der Spannungsschwellwert Vt, weil die Temperatur der Körperdiode D2 relativ niedrig ist, gibt der Komparator 54 das Überhitzungsblockierungssignal nicht zu der Steuereinrichtung 50 aus. Wenn wie oben beschrieben die Vorladesteuerung durchgeführt wird, verwendet die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1C gemäß der zweiten Ausführungsform nicht den Vorwätsstrom Ib, sondern wechselt von der Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 des FET 12 zu der Temperatur der Körperdiode D2. Wenn die Vorladesteuerung durchgeführt wird, wendet die Steuereinrichtung 50 wie in 7 gezeigt die Vorladespannung zum Zeitpunkt t10 auf den FET 11 in einem Zustand an, in dem der FET 12 zu AUS gesetzt ist, sodass der Vorwärtsstrom Ib als ein konstanter Strom fließen kann.
  • Wenn wie oben beschrieben in der Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1C gemäß der zweiten Ausführungsform die Vorladesteuerung durch die Vorladeschaltung 33 durchgeführt wird, wird der Temperaturzustand des FET 11 (Minusseite-Hauptrelais 10B) aus der Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 des FET 12 und dem die Temperatur der Körperdiode D2 des FET 12 bestimmenden Spannungsschwellwert Vt bestimmt. Wenn also die Vorladesteuerung durchgeführt wird, kann die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1C die Temperatur der Körperdiode D2 basierend auf der Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D2 ohne Verwendung des Vorwärtsstroms Ib bestimmen. Deshalb ist es nicht erforderlich, die Temperatur der Körperdiode D2 unter Verwendung des Vorwärtsstroms Ib und der Vorwärtsspannung Vfa zu berechnen. Weil also der Rechenaufwand für die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1C kleiner als derjenige für die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 (1A, 1B) gemäß der ersten Ausführungsform ist, kann die Temperatur der Körperdiode D2 einfach berechnet werden. Weiterhin bestimmt die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1C den Temperaturzustand des FET 11 basierend auf der Vorwärtsspannung Vfa und dem Spannungsschwellwert Vt, wobei aber auch der Temperaturzustand des Minusseite-Hauptrelais 10B mit dem darin enthaltenen FET 11 bestimmt werden kann.
  • Modifiziertes Beispiel
  • Im Folgenden wird ein modifiziertes Beispiel beschrieben. Die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 wurde anhand eines Beispiels beschrieben, in dem der Temperaturzustand des Minusseite-Hauptrelais 10B bestimmt wird, wobei aber auch eine Konfiguration verwendet werden kann, in welcher der Temperaturzustand des Plusseite-Hauptrelais 10A bestimmt wird.
  • Außerdem wurde ein Beispiel beschrieben, in dem die Source-Anschlüsse des FET 11 und des FET 12 in Reihe miteinander verbunden sind, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Zum Beispiel können die Drain-Anschlüsse des FET 11 und des FET 12 in Reihe miteinander verbunden sein. In diesem Fall ist, was den FET 11 und den FET 12 betrifft, der Source-Anschluss des FET 11 mit der Hochspannungsbatterie 3 verbunden und ist der Source-Anschluss des FET 12 mit der Hochspannungslast 2 verbunden.
  • Vorstehend wurde beispielhaft ein Entladen der Hochspannungsbatterie 3 beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung aber auch auf ein Laden der Hochspannungsbatterie 3 mit der Hochspanungslast 2 angewendet werden kann. Wenn die Hochspannungsbatterie 3 geladen wird, ist die Richtung des Vorwärtsstroms Ib der Richtung, in welcher die Hochspannungsbatterie 3 entladen wird, entgegengesetzt. In diesem Fall fließt der Vorwärtsstrom Ib von der Minusseite der Hochspannungsbatterie 3 zu der Hochspannungslast 2. Wenn die Hochspannungsbatterie 3 geladen wird, ist die Körperdiode D1 in der Vorwärtsrichtung angeordnet, die der Flussrichtung des Vorwärtsstroms Ib entspricht, sodass der FET 11 als ein Vorwärtsschalter für das Erfassen der Temperatur funktioniert. Wenn die Hochspannungsbatterie 3 geladen wird, ist die Körperdiode D2 in der Richtung angeordnet, die der Flussrichtung des Vorwärtsstroms Ib entgegengesetzt ist, sodass der FET 12 als ein Rückwärtsschalter für das Durchlassen oder Blockieren des Stroms funktioniert. Die Steuereinrichtung 50 misst die Temperatur der Körperdiode D1, indem sie die Vorwärtsspannung Vfa der Körperdiode D1 des FET 11 erfasst und den Temperaturzustand des FET 12 basierend auf der gemessenen Temperatur der Körperdiode D1 bestimmt.
  • Und weil der FET-Ausfalldetektor 53 verwendet wird, um einen Ausfall des FET 12 zu bestimmen, muss der FET-Ausfalldetektor nicht als eine wesentliche Komponente für das Bestimmen des Temperaturzustands des FET 11 betrachtet werden.
  • Außerdem kann die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 auf andere Schaltungsaufbauten als die Hochspannungsschaltung mit der Hochspannungsbatterie 3 und der Hochspannungslast 2 angewendet werden. Zum Beispiel kann die Halbleiterschalter-Steuervorrichtung 1 auf eine Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung angewendet werden, um einen Temperaturzustand eines Schaltelements der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung zu bestimmen.
  • In einer Halbleiterschalter-Steuervorrichtung gemäß der Ausführungsform kann durch das Bestimmen des Temperaturzustands eines Halbleiterschaltermoduls basierend auf der Vorwärtsspannung einer Körperdiode eines Vorwärtsschalters der Temperaturzustand des Halbleiterschaltermoduls genau bestimmt werden.
  • Die Erfindung wurde anhand von spezifischen Ausführungsformen beschrieben, wobei der durch die Ansprüche definierte Erfindungsumfang jedoch nicht darauf beschränkt ist. Die hier beschriebenen Ausführungsformen können auf verschiedene Weise durch den Fachmann modifiziert und geändert werden, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2016-131731 [0001]
    • JP 2012-235629 [0003]

Claims (4)

  1. Halbleiterschalter-Steuervorrichtung, umfassend: ein Halbleiterschaltermodul, das zwischen einer Stromversorgung und einer Last vorgesehen ist und konfiguriert ist, um einen zwischen der Stromversorgung und der Last fließenden Strom durchzulassen oder zu blockieren, und eine Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, um das Halbleiterschaltermodul zu steuern, wobei: das Halbleiterschaltermodul umfasst: einen Vorwärtsschalter, der eine Körperdiode aufweist, die in einer Vorwärtsrichtung, die der Flussrichtung des Stroms entspricht, angeordnet ist, und einen Rückwärtsschalter, der neben dem Vorwärtsschalter angeordnet ist und eine Körperdiode aufweist, die in einer der Flussrichtung des Stroms entgegengesetzten Richtung angeordnet ist, wobei der Vorwärtsschalter und der Rückwärtsschalter jeweils einen Source-Anschluss und einen Drain-Anschluss aufweisen, wobei die Source-Anschlüsse in Reihe miteinander verbunden sind, wobei ein Drain-Anschluss mit der Stromversorgung verbunden ist und der andere Drain-Anschluss mit der Last verbunden ist oder wobei die Drain-Anschlüsse in Reihe miteinander verbunden sind, wobei ein Source-Anschluss mit der Stromversorgung verbunden ist und der andere Source-Anschluss mit der Last verbunden ist, und wobei die Steuereinrichtung den Temperaturzustand des Halbleiterschaltermoduls basierend auf einer Vorwärtsspannung der Körperdiode des Vorwärtsschalters bestimmt.
  2. Halbleiterschalter-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Steuereinrichtung den Temperaturzustand des Halbleiterschaltermoduls aus der Temperatur der Körperdiode des Vorwärtsschalters bestimmt, die basierend auf der Vorwärtsspannung der Körperdiode des Vorwärtsschalters und einem in dem Vorwärtsschalter fließenden Strom erhalten wird.
  3. Halbleiterschalter-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin umfasst: eine Vorladeschaltung, die den Rückwärtsschalter steuert und einen konstanten Fluss eines Vorladestroms gestattet, wobei, wenn die Vorladesteuerung durch die Vorladeschaltung durchgeführt wird, die Steuereinrichtung den Temperaturzustand des Halbleiterschaltermoduls aus der Vorwärtsspannung der Körperdiode des Vorwärtsschalters und einem die Temperatur der Körperdiode des Vorwärtsschalters bestimmenden Schwellwert bestimmt.
  4. Halbleiterschalter-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: wenn die Vorwärtsspannung der Körperdiode des Vorwärtsschalters vor dem Bestimmen des Temperaturzustands des Halbleiterschaltermoduls außerhalb des Bereichs einer Bezugsspannung, die ein Bezug der Vorwärtsspannung ist, liegt, die Steuereinrichtung bestimmt, dass der Vorwärtsschalter ausgefallen ist, und den Rückwärtsschalter ausschaltet, um den Strom zu blockieren.
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