JP2017529776A - 電子回路遮断器 - Google Patents

Abstract

本発明は、半導体スイッチ（２）を備えた電子回路遮断器（１）に関し、前記半導体スイッチのドレイン接続部（Ｄ）および前記半導体スイッチのソース接続部（Ｓ）は、電圧入力（５）と負荷出力（６）との間に接続され、かつ前記半導体スイッチのゲート接続部（Ｇ）は、負荷電流（ＩＬ、Ｉｄｓ）を表す信号（ＳＩ）を入力端において供給される制御部（９）に接続され、制御部（９）は、ドレイン−ソース間電圧（Ｖｄｓ）を取得し、この電圧および検出された負荷電流（ＩＬ、Ｉｄｓ）から、半導体スイッチ（２）のゲート接続部（Ｇ）に送られる制御信号（ＳＧ）を生成し、当該制御信号（ＳＧ）を用いて半導体スイッチ（２）の電力（ＰＦＥＴ）が最大電力値（Ｐｍａｘ）以下に調整される。

Description

本発明は、半導体スイッチを備えた電子回路遮断器に関し、半導体スイッチのソース接続部およびドレイン接続部は、電圧入力と負荷出力との間に接続され、かつ半導体スイッチのゲート接続部は、負荷電流を表す信号を入力端において供給される制御部に接続される。

このタイプの電子スイッチまたは回路遮断器は、例えば、独国実用新案第２０３ ０２ ２７５ Ｕ１号明細書から知られている。電子スイッチは、動作電圧接続部と負荷接続部との間で電流経路に接続される、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）の形態の半導体スイッチを有する。直流電圧ネットワークで信頼性の高い電流制限を達成するために、電流経路で電流センサによって検出される測定値が制御デバイスの比較器入力に供給される。スイッチオン信号が存在し、基準値を下回る測定値であるとき、制御デバイスは半導体スイッチを導通にバイアスするのに対して、基準値を超える測定値では、制御デバイスは電力用トランジスタを切断するようにバイアスし、電力用トランジスタに流れる電流を基準値に制限する。

短絡保護および／または過負荷保護として電子回路遮断器を各々有する多くの回路を有する、低電圧範囲における電力分配システム、特に２４ＶのＤＣ範囲における電力分配システムは、欧州特許第１ １８６ ０８６ Ｂ１号明細書から知られている。回路はクロック電源部によって一緒に供給される。過負荷の発生時には、例えば定格電流（Ｉ_Ｎ）の１．１倍だけ調整可能な閾値を超えたとき、電子回路遮断器は遅延時間の満了後にスイッチを切られるのに対し、短絡の発生時には、電流制限が最初に生じ、さらなる閾値（例えば、２×Ｉ_Ｎ）を超えた後、回路遮断器は特定のターンオフ時間の満了後にスイッチを切られる。

トリップ回路を介してマイクロプロセッサによってトリガされ、時間遅延を伴って負荷への電力供給を中断する電子回路遮断器は、欧州特許出願公開第１ １５０ ４１０ Ａ２号明細書から知られている。回路遮断器の部分的な中断は、事前にまたは同時に生じる。

スイッチブロックの各々が、ＭＯＳＦＥＴの形態の電子スイッチ、および共有のマイクロプロセッサを介して電子スイッチを制御する比較器を有する、複数のスイッチブロックを用いた電子回路遮断器の部分的な中断は、欧州特許第１ ２９４ ０６９ Ｂ１号明細書から同様に知られている。過電流の場合、負荷への電力供給は、少なくとも１つのスイッチの部分的な抑制後に続く時間遅延の後に中断される。

電子回路遮断器の半導体スイッチは、特に容量性負荷を切り替えるために、かつ／または容量性負荷を過電流および短絡から保護するために、コンデンサを充電するための定電流源として利用される。本明細書によって用いられる半導体スイッチ、および特にＭＯＳＦＥＴは、切替中またはコンデンサの充電中に突入電流の結果としての電力損失をサポートすることが可能でなければならない。この状況のために、電子回路遮断器、特に定電流制限を有する電子回路遮断器は、通常、この電力損失を十分に考慮に入れるように、特大の半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）で設計される。しかしながら、用いられる半導体スイッチのこのタイプの寸法決定は、費用の増加および電子回路遮断器の回路内での相応に大きいスペース要求につながる。

代わりの選択肢は、パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて半導体スイッチのクロック駆動を試みることである。しかしながら、これは駆動経費を増加させるだけではない。むしろ、ＰＷＭ駆動は、誘導負荷の場合に問題につながる。

独国実用新案第２０３ ０２ ２７５ Ｕ１号明細書 欧州特許第１ １８６ ０８６ Ｂ１号明細書 欧州特許出願公開第１ １５０ ４１０ Ａ２号明細書 欧州特許第１ ２９４ ０６９ Ｂ１号明細書

本発明の目的は、明示した不利益を回避しつつ、可能な限り効果的に動作する電子回路遮断器を提供することである。特に、特大の半導体スイッチおよびそのコストのかかる駆動は、この場合に回避されるはずである。

さらに、このような電子回路遮断器を動作させるための適当な方法が提供されるであろう。このタイプの動作方法は、特に負荷に対するスイッチオンプロセス中にこのような電子回路遮断器の半導体スイッチを制御し、かつ／または調整するための適当な駆動方法として特に理解されるであろう。

電子回路遮断器に関して、前述の目的は、請求項１の特徴により本発明に従って達成される。有利な実施形態および改良形態は、請求項１に従属する請求項の主題である。動作または駆動方法に関して、前述の目的は、請求項７の特徴により本発明に従って達成される。有利な改良形態は、請求項７に従属する請求項の主題である。

この目的に向けて、電圧入力と負荷出力との間に接続された半導体スイッチのゲート接続部に接続される制御または調整デバイスは、半導体スイッチのドレイン−ソース間電圧を決定し、かつ前記電圧からおよび検出された負荷または半導体電流（ドレイン−ソース間電流）から、半導体スイッチに対するゲート信号を生成し、および信号に基づいて半導体スイッチの電力は最大電力値以下になるように調整されるものとする。

本発明は、この点について、容量性負荷の充電プロセス中に動的電流制限が利用されるという前提に基づいており、動的電流制限は、定電流制限と対照的に特定の閾値に設定されず、半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）のドレイン−ソース間電圧の実際の値に依存し、半導体スイッチに実際に流れる電流（ドレイン−ソース間電流）とドレイン−ソース間電圧との間の関係が常に半導体スイッチの安全な動作範囲内に保たれるという条件で動的に変化する。電流制御は、この場合、アナログ手段によってまたはマイクロプロセッサを使用して生じ得る。

この能動的な電流制御に起因して、半導体スイッチの電力損失が調整された方法で制御され得るため、半導体スイッチは、したがって、主な電力損失に対してより小さい寸法とすることができる。加えて、半導体スイッチのこのタイプの電力制御は、ゲート信号波形から実質的に独立しているため、誘導負荷を同様に確実に切り替えかつ保護することができる。

半導体スイッチのドレイン−ソース間電圧は、直接決定するか、または利用可能な電圧値から導出することができる。したがって、半導体スイッチのドレイン電圧または電子回路遮断器の入力電圧、および半導体スイッチのソース電圧または電子回路遮断器の出力側負荷電圧は、有利には検出され、制御部にそれぞれの電圧値として供給される。制御部は、特に差分形成により、電圧値から半導体スイッチのドレイン−ソース間電圧を決定する。

半導体スイッチの電力調整のために使用される測定電流値は、特に電子回路遮断器のスイッチオンプロセス中、半導体スイッチと負荷との直列接続に起因して、負荷に流れる負荷電流に対応し、負荷電流は、半導体スイッチおよび負荷の電流経路で電流センサによって検出される。半導体スイッチの電力調整は、その後、検出または決定されたドレイン−ソース間電圧と負荷電流との積の形成によって生じる。この場合、半導体スイッチは、半導体スイッチの電力が特定の最大電力値以下、例えば５０Ｗ以下となるように、半導体スイッチのゲート接続部を介してトリガされる。

有利には、電子回路遮断器は、さらに、過負荷および／または短絡の発生時に負荷を流れる電流を特定の所定の電流閾値に制限するように、定電流制限で設計される。

本発明の例示的な実施形態について、図面を使用して以下により詳細に説明する。

電流制御の正経路に制御される半導体スイッチを備え、かつ、例えばマイクロプロセッサの形態で、半導体スイッチの電力制御のために設定および提供される制御部を備えた電子回路遮断器をブロック図で示す。 電流が段階的または階段状に増加する場合に、特に容量性負荷のスイッチオンプロセス中の半導体スイッチの電力制御の結果としての負荷電流および負荷電圧プロファイルを電流／電圧時間ダイアグラムで示す。 電流が傾斜状に増加する場合の電流および電圧プロファイルを図２に準じたダイアグラムで示す。

互いに対応する部品およびパラメータは、すべての図で同じ参照符号を与えられる。

概略的に例示された電子回路遮断器１は、ＭＯＳＦＥＴの形態の電力用トランジスタまたは半導体スイッチ２を備え、その下流で電流センサ４が電流経路３、すなわち、回路遮断器１の正経路に接続される。電流経路３は、動作電圧接続部または電圧入力５と正の負荷接続部６との間に延在する。切り替えられる負荷Ｌの正極は、前記負荷接続部に接続されるのに対して、負荷の負極は、回路遮断器１の対応する負の負荷接続部７に接続されることになっている。例示的な実施形態における前記接続部７は、接地ＧＮＤに導かれる。例えば、２４Ｖ（ＤＣ）の直流電圧の形態で電源部８の電流または電圧源によって生成される動作または入力電圧Ｖ_Ｅは、電子回路遮断器１の電圧入力５において印加される。

接続電圧源８および接続負荷Ｌの場合、回路遮断器１の動作中、負荷電流Ｉ_Ｌは、電圧入力５から電流経路３を経て、したがって半導体スイッチ２のドレイン−ソース経路を経て負荷Ｌにわたって進み、基準電位にまたは接地ＧＮＤに流出する。半導体スイッチ２と負荷Ｌとの間に流れるこの負荷電流Ｉ_Ｌは、電流センサ４によって検出される。半導体スイッチ２と負荷Ｌとの直列接続のため、半導体スイッチ２に流れるドレイン−ソース間電流Ｉ_ｄｓに対応する検出電流Ｉ_Ｌは、制御部９の第１の入力Ｅ_Ｉに電流信号Ｓ_Ｉとして送られる。

この電流測定に基づいて、過負荷または短絡負荷の発生時に電流Ｉ_Ｌが所定の最大電流値に少なくとも一時的に制限されるように、制御部によって定電流制限の範囲内で半導体スイッチをトリガすることができる。これは、例えば過負荷の場合、定格電流Ｉ_Ｎの１．１倍である。短絡の場合、この最大電流値は、例えば定格電流Ｉ_Ｎの２倍とすることができる。過負荷および短絡の場合のために１つのみの閾値があるとき、最大電流値は、例えば定格電流Ｉ_Ｎの１．５倍とすることができる。

第１の電圧信号Ｓ_Ｖｄは、第２の入力Ｅ_Ｖｄを介して制御部９にさらに供給される。この電圧は、第１の電圧センサ１０によって検出され、例示的な実施形態では、入力または動作電圧Ｖ_Ｅおよび半導体スイッチ２のドレイン接続部Ｄにおける半導体スイッチ２のドレイン電圧Ｖ_ｄの両方に対応する。

第２の電圧信号Ｓ_Ｖｓは、制御部９にさらに供給される。例示的な実施形態では、これは、半導体スイッチ２のソース接続部Ｓにおけるソース電圧Ｖｓおよび負荷電圧Ｖ_Ｌの両方を意味する。電圧信号Ｖ_ｓは、したがって対応する第２の電圧センサ１１によって検出され、制御部９の第３の入力Ｅ_Ｖｓに送られる。

検出された電圧値Ｖ_ｄおよびＶ_ｓから、ならびに電流センサ４によって検出された負荷電流Ｉ_Ｌに対応する検出されたドレイン−ソース間電流Ｉ_ｄｓから、制御部９は、関係式Ｐ_ＦＥＴ＝（Ｖ_ｄ−Ｖ_ｓ）・Ｉ_ｄｓに従って半導体スイッチ２の現在の電力Ｐ_ＦＥＴを決定し、電力Ｐ_ＦＥＴが特定の最大電力値Ｐ_ｍａｘを超えないように、前記電流Ｉ_ｄｓの適切な制限による負荷および半導体電流Ｉ_Ｌ（＝Ｉ_ｄｓ）の動的電流制限によって、電力Ｐ_ＦＥＴを調整する。この電力値は、例えば、Ｐ_ｍａｘ＝５０Ｗであり、その値は、半導体スイッチ２の適切な動的トリガにより、必要に応じて達成されるが、その値を超えることはない。この目的のために、制御部９は適切な制御信号Ｓ_Ｇを生成し、この制御信号Ｓ_Ｇは、制御部９の出力Ａ_Ｇにおいて引き出すことができ、半導体スイッチ２のゲート接続部Ｇに送られる。

半導体スイッチ２のドレイン−ソース間電圧Ｖ_ｄｓおよび半導体スイッチ２に流れる電流Ｉ_ｄｓを検出し評価することによって、かつＰ_ｍａｘ以下である電力値Ｐ_ＦＥＴへの半導体スイッチ２の対応する電力制限の結果として、制御部９による半導体スイッチ２のこの動的電流制限、電流制御または電流調整に基づき、比較的低電力の半導体スイッチ２を使用することができる。

１０Ａの回路遮断器（Ｉ_Ｎ＝１０Ａ）を５Ｗ未満の標準電力損失で実装するための従来技術では、容量性負荷の場合にスイッチオン効果に起因して回路遮断器が３００ＷのＭＯＳＦＥＴを装備しなければならないのに対して、動的電流制限による本発明の電力制御を用いて、十分により小さい寸法のＭＯＳＦＥＴを半導体スイッチ２として使用することができる。

図２は、負荷電流Ｉ_Ｌが段階的または階段状に増加する場合に、それに応じて調整される半導体スイッチ２のゲート信号Ｓ_Ｇの結果として、容量性負荷Ｌのスイッチオンプロセス中の半導体スイッチ２の電力制御の結果としての負荷電流Ｉ_Ｌおよび負荷電圧Ｖ_Ｌのプロファイルを電流／電圧時間ダイアグラムで示す。図３は、電流が傾斜状に増加する場合の状況を示す。

本発明は、上述の例示的な実施形態に限定されない。むしろ、本発明の他の変形形態は、本発明の主題から逸脱することなく、当業者によって本明細書から同様に導出することができる。具体的には、例示的な実施形態に関連して説明されたさらなるすべての個々の特徴は、本発明の主題から逸脱することなく、異なる方法で互いに組み合わせることもできる。

１ 電子回路遮断器
２ 半導体スイッチ
３ 電流経路／正経路
４ 電流センサ
５ 電圧入力
６ 負荷接続部（正）
７ 負荷接続部（負、接地）
８ 電圧源／電源部
９ 制御部
１０ 第１の電圧センサ
１１ 第２の電圧センサ
Ａ_Ｇ 出力
Ｄ ドレイン／接続部
Ｅ_Ｉ 第１の入力
Ｅ_Ｖｄ 第２の入力
Ｅ_Ｖｓ 第３の入力
Ｇ ゲート／接続部
ＧＮＤ 接地／基準電位
Ｌ 負荷
Ｓ ソース／接続部
Ｓ_Ｉ 電流信号
Ｓ_Ｖｄ 第１の電圧信号
Ｓ_Ｖｓ 第２の電圧信号
Ｓ_Ｇ ゲート信号
Ｉ_ｄｓ 半導体／ドレイン−ソース間電流
Ｉ_Ｌ 負荷電流
Ｉ_Ｎ 定格電流
Ｖ_Ｅ 動作／入力電圧
Ｖ_ｄ ドレイン電圧
Ｖ_ｓ ソース電圧
Ｖ_ｄｓ ドレイン−ソース間電圧
Ｐ_ＦＥＴ 半導体電力
Ｐ_ｍａｘ 電力値／最大電力

Claims (10)

1. 半導体スイッチ（２）を備えた電子回路遮断器（１）であって、前記半導体スイッチ（２）のドレイン接続部（Ｄ）およびソース接続部（Ｓ）は電圧入力（５）と負荷出力（６）との間に接続され、かつ前記半導体スイッチ（２）のゲート接続部（Ｇ）は制御部（８）に接続され、負荷電流（Ｉ_Ｌ、Ｉ_ｄｓ）を表す信号（Ｓ_Ｉ）が入力端において前記制御部（９）に供給される、電子回路遮断器（１）において、
   前記制御部（９）は、ドレイン−ソース間電圧（Ｖ_ｄｓ）を取得し、前記ドレイン−ソース間電圧（Ｖ_ｄｓ）および前記検出された負荷電流（Ｉ_Ｌ、Ｉ_ｄｓ）から、前記半導体スイッチ（２）の電力（Ｐ_ＦＥＴ）を最大電力値（Ｐ_ｍａｘ）以下に調整する制御信号（Ｓ_Ｇ）を生成し、当該制御信号（Ｓ_Ｇ）を前記半導体スイッチ（２）の前記ゲート接続部（Ｇ）に送ることを特徴とする、電子回路遮断器（１）。
2. 前記制御部（９）は、前記半導体スイッチ（２）のドレイン電圧（Ｖ_ｄ）を表し、かつソース電圧（Ｖ_ｓ）を表す電圧信号（Ｓ_Ｖｄ、Ｓ_Ｖｓ）を供給されることを特徴とする、請求項１に記載の電子回路遮断器（１）。
3. 前記制御部（９）は、前記入力端において、入力電圧（Ｖ_Ｅ）および／または前記半導体スイッチ（２）の前記ドレイン電圧（Ｖ_ｄ）を検出する電圧計（１０）に、ならびに負荷電圧（Ｖ_Ｌ）および／または前記半導体スイッチ（２）の前記ソース電圧（Ｖ_ｓ）を検出する電圧計（１１）に接続されることを特徴とする、請求項１または２に記載の電子回路遮断器（１）。
4. 前記制御部（９）は、前記検出されたドレインまたは入力電圧（Ｖ_ｄ、Ｖ_Ｅ）と前記検出されたソースまたは負荷電圧（Ｖ_ｓ、Ｖ_Ｌ）との差分から、前記半導体スイッチ（２）の前記ドレイン−ソース間電圧（Ｖ_ｄｓ）を決定することを特徴とする、請求項２または３に記載の電子回路遮断器（１）。
5. 前記制御部（９）は、前記検出された負荷電流（Ｉ_Ｌ）に応じて、過負荷および／または短絡の発生時に前記負荷電流（Ｉ_Ｌ）が閾値（Ｉ_ｍａｘ）に制限されるように前記半導体スイッチ（２）をトリガすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子回路遮断器（１）。
6. 前記半導体スイッチ（２）は、前記ドレイン接続部（Ｄ）が前記電圧入力（５）と関連付けられ、かつ前記ソース接続部（Ｓ）が前記負荷出力または接続部（６）と関連付けられる、電界効果トランジスタ、特に、ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子回路遮断器（１）。
7. 電子回路遮断器（１）を動作させるための、および／または前記回路遮断器（１）の半導体スイッチ（２）をトリガするための方法であって、半導体スイッチ（２）が電圧入力（５）と負荷出力（６）との間に接続され、負荷電流（Ｉ_Ｌ、Ｉ_ｄｓ）およびドレイン−ソース間電圧（Ｖ_ｄｓ）から導出された制御信号（Ｓ_Ｇ）がトリガ側で前記半導体スイッチ（２）に供給され、前記制御信号（Ｓ_Ｇ）を用いて前記半導体スイッチ（２）の電力（Ｐ_ＦＥＴ）が最大電力値（Ｐ_ｍａｘ）以下に調整される、方法。
8. 前記半導体スイッチ（２）の前記電力（Ｐ_ＦＥＴ）は、少なくとも負荷（Ｌ）のスイッチオンプロセス中に前記最大電力値（Ｐ_ｍａｘ）以下に調整される、請求項７に記載の方法。
9. 前記半導体スイッチ（２）の前記ドレイン−ソース間電圧（Ｖ_ｄｓ）は、ドレインまたは入力電圧（Ｖ_ｄ、Ｖ_Ｅ）およびソースまたは負荷電圧（Ｖ_ｓ、Ｖ_Ｌ）から決定される、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記半導体スイッチ（２）は、過負荷および／または短絡の発生時に前記負荷電流（Ｉ_Ｌ）が閾値（Ｉ_ｍａｘ）に制限されるようにトリガされる、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。

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