JP2018533276A - 電子回路遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、制御ユニット（５）と、電圧入力部（６）と負荷出力部（７）との間の電流路（４）に接続された制御可能な半導体スイッチ（６）とを備える電子回路遮断器（１）に関する。
【解決手段】 前記半導体スイッチ（３）は、電圧制御電流源回路（２）に一体化されており、その出力電流（Ｉ_Ｌ）は、負荷（Ｌ）が接続されている場合、前記制御ユニット（５）によって、前記半導体スイッチ（２）の電力が最大電力値（Ｐ_ｍａｘ）以下になるように調節される。ここで、制御ユニット（５）は、設定値（Ｉ_ｓｅｔ）を、前記電圧制御電流源回路（２）に出力し、電圧制御電流源回路（２）から差分値（Ｓ）を受け取り、差分値（Ｓ）は、出力電流（Ｉ_Ｌ）を表す瞬時値（Ｉ_ｉｓｔ）と設定値（Ｉ_ｓｅｔ）との偏差から形成され、前記半導体スイッチ（３）に、これを駆動するための制御信号として供給される。
【選択図】 【図１】

Description

本発明は、制御ユニットと、電圧入力部と負荷出力部との間の電流路に接続された制御可能な半導体スイッチとを備える電子回路遮断器に関する。本発明はさらに、このような電子回路遮断器の制御方法に関する。

このような電子回路遮断器は、例えば、DE 203 02 275 U1から知られている。この電子回路遮断器は、動作電圧端子と負荷端子との間の電流路に接続された、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）の形の半導体スイッチを備えている。直流電圧ネットワークにおいて確実な電流制限を行うために、電流センサによって電流路内で測定された測定値が、制御装置のコンパレータ入力部に供給される。ターンオン信号が印加された場合や、測定値が基準値を下回った場合には、制御装置が半導体スイッチを開放するように制御し、他方、測定値が基準値を上回った場合には、制御装置が電力トランジスタを閉鎖するように制御して、これを介して流れる電流を基準値に制限する。

EP 1 186 086 B1からは、低電圧領域、特に２４ＶのＤＣ領域における配電システムが知られている。この配電システムは、多数の回路を備え、各回路には１つの電子回路遮断器が、短絡防止器及び／又は過負荷防止器として設けられている。これらの回路は、クロックド電源によって、一括して電源供給される。過負荷の場合、調節可能な電流閾値、例えば公称電流（Ｉ_Ｎ）の１．１倍を超えた時に、電子回路遮断器の遮断が遅延時間の経過後に行われ、他方、短絡の場合は、まず電流制限が行われ、別の電流閾値（例えば、２×Ｉ_Ｎ）を超えると、回路遮断器の遮断が所定のターンオフ時間の経過後に行われる。

EP 1 150 410 A2からは、マイクロプロセッサによりトリップ回路を介して駆動される電子回路遮断器が知られている。この電子回路遮断器は、負荷に対するエネルギー供給を時間遅延して遮断する。その前又は同時に、回路遮断器の部分的な遮断が行われる。

複数のスイッチユニットを備える電子回路遮断器を部分的に遮断することは、EP 1 294 069 B1からも知られている。各スイッチユニットは、ＭＯＳＦＥＴの形の電子スイッチと、これを共通のマイクロプロセッサを介して制御するコンパレータとを有している。過電流の場合、負荷へのエネルギー供給は、少なくとも１つのスイッチを部分的に停止させた後の時間遅延の後に、遮断される。

特に容量性負荷を接続するために、及び／又は、これを過電流及び短絡から保護するために、電子回路遮断器の半導体スイッチが、容量を充電するための定電流源として使用される。半導体スイッチ、及び、特にここで使用されるＭＯＳＦＥＴは、接続の間に、又は、容量を充電する間に、突入電流により生じる電力損失に耐え得る必要がある。この状況を鑑み、電子回路遮断器、特にアクティブな電流制限を行う電子回路遮断器は、通常、この電力損失を十分吸収することができるように特大の半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）を有して構成されている。しかしながら、使用する半導体スイッチをこのように特大に構成することは、コスト高を導くと共に、これに応じた広い空間を電子回路遮断器の回路内に必要とする。

本発明の課題は、上述の欠点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であって、半導体スイッチの寸法が特大になること、及び、その駆動に手間がかかることが回避される電子回路遮断器を提供することに有る。さらに、このような電子回路遮断器を、特に負荷のターンオン工程中も、制御（駆動）するために適した方法が提供される。

本発明によれば、上述の課題は、電子回路遮断器については請求項１の特徴により解決され、方法については請求項７の特徴により解決される。有効な構成及び発展形態は、各従属請求項の対象である。

本発明によれば、制御可能な半導体スイッチは、電圧制御電流源を形成しながら接続されている、すなわち、対応する電圧制御電流源回路に一体化されている。この電流源回路の出力電流は、負荷が接続されている場合、制御ユニットによって、半導体スイッチの電力が最大電力値以下になるように調節される。制御ユニットは、出力電流の設定値を電圧制御電流源回路に供給し、この電流源回路から、差分値を受け取る。差分値は、出力電流と設定値との偏差から形成される。差分値は、半導体スイッチを駆動させるように機能し、半導体スイッチの制御側に、制御信号（制御電圧）として供給される。

このため制御ユニットには、好適には、電圧制御電流源回路の出力電流を表す電圧が、瞬時値及びその出力電圧として供給される。過負荷若しくは短絡時、又は、容量性負荷がオンされた時に、電圧制御電流源回路内で又は電圧制御電流源回路によって形成される差分値が閾値から偏差している場合、この状態は、差分値に基づき、制御ユニットによって認識され、好ましくはまず電流制限が行われる。加えて、制御ユニットは、出力電流の設定値を、半導体スイッチの最大電力値が超過されないように設定する、すなわち、半導体スイッチは常に、その最大電力損失を考慮して、その安全動作領域内で動作する。

有効な構成では、電子回路遮断器の制御ユニットは、過負荷又は短絡時、従って容量性負荷がオンされた時にも、出力電流の設定値を、半導体スイッチの最大電力値を考慮し、出力電圧が時間と共に上昇する場合にのみ、設定値が最小値から上昇するように調節する。ここで、電子回路遮断器の制御ユニットが設定値を調節することは、好適には、出力電流（負荷電流）が段階的に上昇するように離散的なステップで行われる。出力電流が一定である期間又は段階の間、制御ユニットは、測定された出力電圧に基づき、これが上昇しているかどうかを確認する。出力電圧が上昇している場合、設定値を次のより高い値に設定し、その結果、出力電流もより高い段階値に上昇する。この工程は、出力電圧が常に上昇し続けていると仮定した場合、最大値に達するまで繰り返される。あるいは、出力電圧が上昇していない場合、半導体スイッチが遮断され、電子回路遮断器がトリップし、負荷が電流路から分離する。

特に好適な構成では、電子回路遮断器の電圧制御電流源回路は、比較器として動作する演算増幅器を備える。演算増幅器の入力部側には、出力電流を表す瞬時値と、制御ユニットからの出力電流の設定値とが供給される。この演算増幅器は、出力部側において、制御ユニットの入力部と、好ましくは増幅器回路を介して半導体スイッチの制御側とに接続されている。演算増幅器の入力部に供給される瞬時値と、同じく入力部に供給される設定値とは、電圧値である。これらの差又は差分値が、演算増幅器の出力部において、対応する電圧差分値になる。この電圧差分値は、瞬時値とその時の既定の設定値との偏差と同じであるか、又は、これに比例する。

したがって、設定値が、電子回路遮断器の電圧制御電流源回路のその時の出力電圧に応じて、好ましくは段階的により高い値に設定されるならば、演算増幅器は、出力部側において瞬時値との差分を生成することにより、対応して上昇する半導体スイッチ用の制御電圧を提供し、その結果半導体スイッチは、対応して徐々に開放され（相互接続され）、出力電流が対応して上昇する。これによって、再び、瞬時値が上昇する。

電圧制御電流源回路に一体化された半導体スイッチを備える電子回路遮断器の制御方法では、電圧制御電流源回路の出力電流、及び、好ましくは出力電圧が検出され、半導体スイッチの電力が最大電力値以下に調節される。

特に短絡時、すなわち容量性負荷のターンオン工程の間には、出力電流は、好ましくはまず、ある電流値に制限される。このため、電流源回路の出力電流は、好適には、瞬時値として折り返され、これが出力電流の設定値と比較される。設定値／瞬間値比較の結果から、電圧差（差分値）が形成される。これは、直接、半導体スイッチの駆動に使用される。電圧差又は対応する差分値は、閾値との偏差がある場合、まず電流制限を開始させる。次に、出力電圧に応じて設定値を調節する、すなわち、特に、設定値を上昇又は低下させる。ここでこの調節は、一方では、半導体スイッチの電力が最大電力値以下になり、他方では、出力電圧が時間と共に上昇している場合にのみ、出力電流が第１の電流値（最小値）から上昇するように行われる。

換言すると、瞬時値として持続的に検出される出力電流が設定値から偏差している場合、この偏差を表す電圧差分値を、一方では、半導体スイッチを直接駆動して出力電流をアクティブに制限するために、他方では、電圧制御電流源のその時の出力電圧を考慮しながら半導体スイッチの電力を測定するために、及び場合によっては電力制限を行うために、最大値に上昇させる。これは、出力電流の設定値を対応して調節し、すなわち変更し、場合によっては低下させることによって行われる。

特に電子回路遮断器のターンオン工程の間に、半導体スイッチの電力を調節するために上昇させた電流源回路の出力電流の電流測定値は、半導体スイッチと接続された負荷とが直列接続されているため、これらを介して流れる負荷電流に相当する。この負荷電流は、半導体スイッチ及び負荷の電流路におけるミラー回路によって、電圧瞬時値として検出される。

その後、半導体スイッチの電力調節は、関係式Ｐ＝Ｕ・Ｉに従って、検出された出力電流と測定された出力電圧又は負荷電圧に基づき、これと電圧制御電流源回路の所定の入力電圧との差によって、電圧が、半導体スイッチを介して、すなわちそのドレイン−ソース経路を介して算出される。ここで、半導体スイッチは、その電力（電力損失）が常に、すなわちどの動作状態においても、所定の最大電力値以下になるように駆動される。

本発明によって得られる利点は、特に、出力電流を持続的に検出する電圧制御電流源（電流源回路）において接続される電子回路遮断器の半導体スイッチが、どの動作状態においても、従って、過負荷又は短絡時、及び、容量性負荷の充電工程の間にも、電力に関して常に安全領域において、最大電力値、例えば５０Ｗ以下の電力（電力損）で動作する点にある。

特に容量性負荷のターンオン工程の間の、時間的に制限された短絡の場合、調節可能な電流源回路の電圧差分値により、一方では出力電流又は負荷電流が半導体スイッチによって制限され、他方では、この調節可能な電圧差分値が検出されることにより、この状態が認識される。したがって、出力電流用の設定値は、半導体スイッチの最大電力損失又は最大電力値が、その安全領域内になるように設定される。

電圧制御電流源回路（電流源）の出力電圧を同時に監視することにより、まず、これが、所定の期間内で上昇しているかどうかが判定される。場合によっては、半導体スイッチの電力に関する安全領域を考慮して、出力電流の設定値を上昇させる。あるいは、長時間の過負荷又は短絡であると推定されると、電子回路遮断器が停止され、出力電流は、半導体スイッチによってゼロに設定される。

この設定値の調節により、半導体スイッチの電力は、どの動作状態においても制御され、半導体スイッチは、制御対象の電力損失の割には、小さい寸法を有することが可能である。ここで、電圧制御電流源回路は、例えばＰＭＯＳ電界効果トランジスタを通常動作において使用する際に、瞬間値／設定値比較により形成された半導体スイッチを制御するための電圧差分値がゼロよりも小さくなるように（＜０Ｖ）、動作することが有効である。この状態では、制御ユニットは動作しないことが可能であり、従って消費電力は小さい。一旦、電圧差分値が閾値を上回ると、すなわち、例えばゼロよりも大きくなると（＞０Ｖ）、制御ユニットは反応して、設定値を低下させ、出力電圧を検出し、その時間経過に基づき、出力電圧が１つの時間窓内で上昇すると、出力電圧の設定値を好ましくは離散的なステップで上昇させる。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照しながらより詳細に説明する。
電圧制御電流源回路の正極電流路に接続された制御可能な半導体スイッチと、その電力制御のために配置及び構成された、例えばマイクロプロセッサの形の制御ユニット又は制御装置とを備える、電子回路遮断器を示すブロック図。 電子回路遮断器の制御方法の方法手順を示すフロー図。 容量性負荷の充電工程中の、電子回路遮断器の電圧制御電流源回路の出力電流（負荷電流）の経過を示す電流−時間図。 出力電流が制御されて段階的に上昇する際の、電圧制御電流源回路の出力電圧の経過を示す、図３に対応する電圧−時間図。

全ての図面において、対応しあう部材及びパラメータには、同一の参照符号が付されている。

概略的に示される電子回路遮断器１は、正極電流路４において電力トランジスタ又は半導体スイッチ３を備える電圧制御電流源回路２と、例えばマイクロコントローラの形の制御ユニット又は制御装置５とを含む。電流路３は、動作電圧端子又は電圧入力部６と、（正極）負荷端子又は負荷出力部７との間を延びている。これに、切り替えの対象である負荷Ｌの正極が接続され、その負極は、接地又はグランドに繋がっている。例えば、直流電圧の形の２４Ｖ（ＤＣ）の動作電圧又は入力電圧Ｖ_ｉｎが、電子回路遮断器１の電圧入力部６に印加される。制御可能な半導体スイッチ３は、本実施形態では、いわゆるＰＭＯＳ（ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ又はＰＭＯＳＦＥＴ）によって実現されている。すなわち、電流をチャネルに流すために正電荷キャリア（ホール）が使用される金属酸化膜半導体電界効果トランジスタによって、実現されている。

直流電圧源が接続されていると共に負荷Ｌが接続されている場合、回路遮断器１が動作すると、負荷電流が、電圧入力部６から電流路３を介して、従って半導体スイッチ３のドレイン・ソース経路を介して、そして負荷Ｌを介して、基準電位又はグランド（接地）に向かって流れる。この半導体スイッチ３及び負荷Ｌを介して流れる負荷電流は、電圧制御電流源回路２の出力電流Ｉ_Ｌに相当する。出力電流Ｉ_Ｌは、電圧制御電流源回路２によって検出される。このために、この回路は、その図１に示される接続において、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、及び演算増幅器ＯＰ１、並びに、トランジスタＱ４、及び、グランド（接地）又は基準電位に導かれる抵抗Ｒ７を含む。

電圧制御電流源回路２の抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及び、演算増幅器ＯＰ１、並びに、トランジスタＱ４、及び、接地に接続された抵抗Ｒ７により、いわゆる電流ミラーが行われ、抵抗Ｒ１を介して流れる出力電流Ｉ_Ｌが、抵抗Ｒ７において比較的小さい電流値に、いわば折り返される。出力電流が例えば１Ａであれば、抵抗Ｒ７を介して流れる電流は、例えば１ｍＡである。抵抗Ｒ７における対応する電圧値が、出力電流Ｉ_Ｌの瞬時値Ｉ_ｉｓｔとして、演算増幅器ＯＰ２の正極入力部に供給される。

電圧制御電流源回路２は、基本的には、差分を生成する比較器として動作する演算増幅器ＯＰ２を含む。その（正極）入力部Ｅ_（＋）には、抵抗Ｒ７が繋がっており、すなわち、出力電流Ｉ_Ｌの瞬時値Ｉ_ｉｓｔが供給される。演算増幅器ＯＰ２の反転入力部Ｅ_（−）は、抵抗Ｒ８を介して制御ユニット５の出力部Ａ_Ｉｓｅｔに繋がっている。制御ユニット５は、出力部Ａ_Ｉｓｅｔを介して、出力電流Ｉ_Ｌの設定値Ｉ_ｓｅｔを演算増幅器ＯＰ２に供給する。演算増幅器ＯＰ２の出力部Ａ_ｓと反転入力部Ｅ_（−）との間には、キャパシタＣ２が接続されている。

電圧制御電流源回路２の演算増幅器ＯＰ２の出力部Ａ_ｓは、制御ユニット５の入力部Ｅ_ＩＬｉｍに繋がっている。制御ユニット５の別の入力部Ｅ_Ｖｏｕｔは、電流路４上の半導体スイッチ３と負荷端子７との間に繋がっている。加えて、電流源回路２の演算増幅器ＯＰ２の出力部Ａ_ｓは、半導体スイッチ３の制御側に、すなわち、その制御入力部（ゲート）に接続されている。本実施形態では、この接続は、電圧制御電流源回路２の増幅器８を介して行われている。

電子回路遮断器１及びその電圧制御電流源回路２の通常動作状態では、制御ユニット５の出力部Ａ_Ｉｓｅｔ、従って設定値Ｉ_ｓｅｔは、出力電流Ｉ_Ｌが好ましくは最大負荷電流よりも大きくなるように設定されている。この通常の条件下では、電子回路遮断器１の負荷電圧又は出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、その入力電圧Ｖ_ｉｎに等しい。

過負荷若しくは短絡時、又は、容量性負荷Ｌがオンされた時には、まず、半導体スイッチ３を対応して駆動させることによって、出力電流Ｉ_Ｌを定格値Ｉ_Ｎｏｍにアクティブに制限する。この状態は、制御ユニット５によって認識される。なぜなら、制御ユニット５は、演算増幅器ＯＰ２の出力部Ａ_ｓに接続されているからである。演算増幅器ＯＰ２は、その時の瞬時値Ｉ_ｉｓｔと既定の設定値Ｉ_ｓｅｔとの間の差分を生成し、出力部側において、対応して変更された差分値Ｓを半導体スイッチ３用の制御信号（制御電圧）として供給する。演算増幅器ＯＰ２のこの変更された差分値Ｓは、半導体スイッチ３を対応して駆動させ、その結果、半導体スイッチ３が対応して閉鎖するように制御され、出力電流Ｉ_Ｌが電流制限値Ｉ_ｍａｘに制限される。また、過負荷又は短絡は、可変の出力電圧（負荷電圧）Ｖ_ｏｕｔに基づき、制御ユニット５によって検出される。

過負荷又は短絡が認識されるとすぐに、電圧制御電流源回路２の出力電流Ｉ_Ｌは、設定値Ｉ_ｓｅｔを対応して変更させることによって、半導体スイッチ３の最大電力損失Ｐ_ｍａｘがその安全動作領域内になるように設定される。同時に、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが監視される。

予め設定可能な期間内に出力電圧Ｖ_ｏｕｔが上昇しない場合、出力電流Ｉ_Ｌはゼロ（０Ａ）に設定される。すなわち、電子回路遮断器１は、負荷出力部又は負荷端子７をオフする。

反対に、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが上昇すると、設定値Ｉ_ｓｅｔを、半導体スイッチ３の安全領域内において、好ましくは段階的に上昇させ、その結果、出力電流Ｉ_Ｌも対応して段階的に上昇する。ここで、電力、すなわち半導体スイッチ３の電力損失は、常に最大電力値Ｐ_ｍａｘ以下に維持される。これは、制御ユニット５が、設定値Ｉ_ｓｅｔと出力電圧Ｖ_ｏｕｔとの積（Ｖ_ｏｕｔ・Ｉ_ｓｅｔ）を算出することによって行われる。設定値Ｉ_ｓｅｔを半導体スイッチ３の許容される電力領域内において上昇させることは、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが新たに電子回路遮断器３又はその電流源回路２の入力電圧Ｖ_ｉｎに等しくなるまで、好ましくは少しずつ行われる。

特に電子回路遮断器１が容量性負荷Ｌに対してオンされる際にも適したこの制御方法は、図２に示されるフロー図によって説明される。開始後に、すなわち、電子回路遮断器１がオンされると、制御ユニット５によって、設定値Ｉ_ｓｅｔがその時の定格電流Ｉ_Ｎｏｍに設定される。次に、設定された設定値Ｉ_ｓｅｔが電流制限値又は最大値Ｉ_ｍａｘよりも大きいかどうかが判定される。設定された設定値Ｉ_ｓｅｔが電流制限値又は最大値Ｉ_ｍａｘよりも大きい場合、次のステップにおいて、その時の設定値Ｉ_ｓｅｔとその時の出力電圧Ｖ_ｏｕｔとの積を算出し、この積が最大電力値Ｐ_ｍａｘよりも大きいかどうかが判定される。この積が最大電力値Ｐ_ｍａｘよりも大きい場合、設定値Ｉ_ｓｅｔを最小値Ｉ_Ｍｉｎに設定する。これは、例えば、出力電流Ｉ_Ｌの定格値Ｉ_Ｎｏｍのわずか２０％に相当することが好ましい。

図４は、この状態を、電流−時間図Ｉ_Ｎｏｍ（ｔ）により示す図である。ここでは、ｘ軸に、時間ｔがμｓの単位で示され、ｙ軸に、定格の負荷電流又は出力電流Ｉ_Ｌが定格値Ｉ_Ｎｏｍ（％）として示されている。出力状態では、設定値Ｉ_ｓｅｔは、出力電流Ｉ_Ｌの定格値Ｉ_Ｎｏｍに設定される。この状態は、設定値Ｉ_ｓｅｔが最大値Ｉ_ｍａｘを下回り、半導体スイッチ３の電力（Ｖ_ｏｕｔ・Ｉ_ｓｅｔ）が最大電力値Ｐ_ｍａｘを下回っている限り、維持される。

ｔ＝４００の時点で、回路遮断器１が容量性負荷Ｌをオンする。ほぼ同時に、制御ユニット５は、出力電流Ｉ_Ｌの設定値Ｉ_ｓｅｔを定格値Ｉ_Ｎｏｍの２０％に設定する。設定値Ｉ_ｓｅｔを低下させることにより、半導体スイッチ３は、演算増幅器ＯＰ２を介して、差分値Ｓに基づき対応して閉鎖されるように制御される。予め設定可能な例えばΔｔ＝１００の期間が経過した後、この調節又は制御又は管理に対する反応を、その時の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（ｔ＝５００）を求めることによって検出する。出力電圧がゼロであるならば（Ｖ_ｏｕｔ＝０）、電子回路遮断器３が作動する。反対に、出力電圧ゼロでないならば（Ｖ_ｏｕｔ≠０）、すなわち、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが０より大きい所定の電圧値Ｖ_ｔに達したならば、設定値Ｉ_ｓｅｔを、通常電流Ｉ_Ｎｏｍの例えば３０％に相当する一段階値Ｉ_ｓｔｅｐだけ上昇させる。

続いて、設定値Ｉ_ｓｅｔが既に定格値Ｉ_Ｎｏｍに達しているかどうかを判定する。設定値Ｉ_ｓｅｔが既に定格値Ｉ_Ｎｏｍに達している場合、制御アルゴリズムが新たに開始され、設定値Ｉ_ｓｅｔが定格値Ｉ_Ｎｏｍに等しいかどうかが判定される。設定値Ｉ_ｓｅｔと定格値Ｉ_Ｎｏｍとが等しくない場合、設定値Ｉ_ｓｅｔを段階的に上昇させた後の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ及び特にその上昇を判定しつつ、設定値をさらにＩ_ｓｔｅｐ分上昇させて、プログラムの手順を行う。出力電圧Ｖ_ｏｕｔが電圧値Ｖ_ｔを上回っていないならば、電子回路遮断器３を、新たに作動させる。

設定値Ｉ_ｓｅｔしたがって出力電流Ｉ_Ｌを逐次的、好ましくは段階的に上昇させることと、定格の負荷電圧又は出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（％）の時間経過との関係は、図３及び図４に示される図から明らかである。つまり、設定値Ｉ_ｓｅｔを逐次的に上昇させることによって出力電流Ｉ_Ｌが上昇し、これによって出力電圧Ｖ_ｏｕｔも持続的に上昇するならば、設定値Ｉ_ｓｅｔは、出力電流Ｉ_Ｌが定格値Ｉ_Ｎｏｍに達するまで上昇する。図４に示される電圧曲線は、時間についてμｓの単位で表し、容量性負荷Ｌがオンされた場合の典型的なケースを示している。

この方法及び図２に示されるフロー図に対応するアルゴリズムによって、半導体スイッチ３は、過負荷又は短絡時には、出力電流又は負荷電流Ｉ_Ｌが少なくとも短時間で既定の最大電流制限値Ｉ_ｍａｘに制限され、この際その電力損失が最大電力値Ｐ_ｍａｘ以下になるように、一定の電流制限の範囲において駆動される。電流制限値Ｉ_ｍａｘは、例えば、回路遮断器１の公称電流の１．５〜２倍である。

制御ユニット５が設定値Ｉ_ｓｅｔを演算増幅器ＯＰ２に、従って電圧制御電流源回路２に供給するので、半導体スイッチ３の電力は、どの動作状態においても、制御ユニット５によって制御される。このため、半導体スイッチ３は、制御対象の電力損失の割には、小さい寸法を有することが可能である。

本実施形態によれば、有利にも瞬間値／設定値比較を行う電圧制御電流源回路２を備えるＰＭＯＳ電界効果トランジスタを使用することにより、過負荷又は短絡時の電流制限が、実質的に自動的に行われる。これは、閾値に達した又は上回った時に、演算増幅器ＯＰ２の出力部Ａ_ｓにおいて差分値Ｓが生成されるため、半導体スイッチ３が自動的に閉鎖するように制御されることにより行われる。つまり、通常動作時は、差分値Ｓ、すなわち、制御信号として半導体スイッチ３を制御する電圧差分値は、ゼロよりも小さい（＜０Ｖ）。この状態では、制御ユニット５は動作しないことが可能であり、従って消費電力は小さい。一旦、差分値Ｓが、閾値Ｓ_０つまりＳ_０＝０Ｖを上回ると、すなわちゼロよりも大きくなると（＞０Ｖ）、制御ユニット５は反応して、設定値Ｉ_ｓｅｔを低下させる。ここで、その前又は同時に、半導体スイッチは、差分値Ｓ≧Ｓ_０によって制御され、Ｉ_Ｌ≦Ｉ_ｍａｘの電流制限を行う。

本発明は、上述の実施形態に限定されない。むしろ、本発明の他の様々な変形例が、当業者により、本発明の対象から逸脱することなく可能である。特に、また、実施形態に関連して記載される全ての個々の特徴を、本発明の対象から逸脱することなく、別の方法で互いに組み合わせることも可能である。

したがって、例えば、ＰＭＯＳの代わりに、別の種類のＭＯＳＦＥＴ又はバイポーラトランジスタを、半導体スイッチ３として使用してもよい。また、増幅器８は、省かれていてもよく、又は、増幅器スイッチとして形成してもよい。

１ 電子回路遮断器
２ 電圧制御電流源回路
３ 半導体スイッチ
４ 電流路／正極路
５ 制御ユニット／制御装置
６ 電圧入力部
７ 負荷端子／負荷出力部
８ 増幅器
Ａ_Ｉｓｅｔ 出力部
Ａ_ｓ 出力部
Ｃ１，２ キャパシタ
Ｅ_（＋） （正極）入力部
Ｅ_（−） 反転入力部
Ｅ_ｖｏｕｔ 入力部
Ｅ_ＩＬｉｍ 入力部
Ｌ 負荷
ＯＰ１，２ 演算増幅器
Ｑ２，４ トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ８ 電気抵抗
Ｉ_Ｌ 出力電流／負荷電流
Ｉ_ｍａｘ 最大値／電流制限値
Ι_Ｍｉｎ 最小値
Ι_Ｎｏｍ 定格値
Ｉ_ｓｅｔ 設定値
Ｖ_ｉｎ 動作電圧／入力電圧
Ｖ_ｏｕｔ 出力電圧
Ｐ_ｍａｘ 最大電力値
Ｓ 差分値／制御信号
Ｓ_０ 閾値

したがって、設定値が、電子回路遮断器の電圧制御電流源回路のその時の出力電圧に応じて、好ましくは段階的により高い値に設定されるならば、演算増幅器は、出力部側において瞬時値との差分を生成することにより、対応して上昇する半導体スイッチ用の制御電圧を提供し、その結果半導体スイッチは、対応して徐々に閉鎖され（相互接続され）、出力電流が対応して上昇する。これによって、再び、瞬時値が上昇する。

概略的に示される電子回路遮断器１は、正極電流路４において電力トランジスタ又は半導体スイッチ３を備える電圧制御電流源回路２と、例えばマイクロコントローラの形の制御ユニット又は制御装置５とを含む。電流路４は、動作電圧端子又は電圧入力部６と、（正極）負荷端子又は負荷出力部７との間を延びている。これに、切り替えの対象である負荷Ｌの正極が接続され、その負極は、接地又はグランドに繋がっている。例えば、直流電圧の形の２４Ｖ（ＤＣ）の動作電圧又は入力電圧Ｖ_ｉｎが、電子回路遮断器１の電圧入力部６に印加される。制御可能な半導体スイッチ３は、本実施形態では、いわゆるＰＭＯＳ（ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ又はＰＭＯＳＦＥＴ）によって実現されている。すなわち、電流をチャネルに流すために正電荷キャリア（ホール）が使用される金属酸化膜半導体電界効果トランジスタによって、実現されている。

直流電圧源が接続されていると共に負荷Ｌが接続されている場合、回路遮断器１が動作すると、負荷電流が、電圧入力部６から電流路４を介して、従って半導体スイッチ３のドレイン・ソース経路を介して、そして負荷Ｌを介して、基準電位又はグランド（接地）に向かって流れる。この半導体スイッチ３及び負荷Ｌを介して流れる負荷電流は、電圧制御電流源回路２の出力電流Ｉ_Ｌに相当する。出力電流Ｉ_Ｌは、電圧制御電流源回路２によって検出される。このために、この回路は、その図１に示される接続において、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、及び演算増幅器ＯＰ１、並びに、トランジスタＱ４、及び、グランド（接地）又は基準電位に導かれる抵抗Ｒ７を含む。

ｔ＝４００の時点で、回路遮断器１が容量性負荷Ｌをオンする。ほぼ同時に、制御ユニット５は、出力電流Ｉ_Ｌの設定値Ｉ_ｓｅｔを定格値Ｉ_Ｎｏｍの２０％に設定する。設定値Ｉ_ｓｅｔを低下させることにより、半導体スイッチ３は、演算増幅器ＯＰ２を介して、差分値Ｓに基づき対応して閉鎖されるように制御される。予め設定可能な例えばΔｔ＝１００の期間が経過した後、この調節又は制御又は管理に対する反応を、その時の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（ｔ＝５００）を求めることによって検出する。出力電圧がゼロであるならば（Ｖ_ｏｕｔ＝０）、半導体スイッチ３が作動する。反対に、出力電圧ゼロでないならば（Ｖ_ｏｕｔ≠０）、すなわち、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが０より大きい所定の電圧値Ｖ_ｔに達したならば、設定値Ｉ_ｓｅｔを、定格値Ｉ_Ｎｏｍの例えば３０％に相当する一段階値Ｉ_ｓｔｅｐだけ上昇させる。

Claims (10)

1. 制御ユニット（５）と、電圧入力部（６）と負荷出力部（７）との間の電流路（４）に接続された制御可能な半導体スイッチ（６）とを備える電子回路遮断器（１）において、
   前記半導体スイッチ（３）は、電圧制御電流源回路（２）に一体化され、前記電圧制御電流源回路（２）の出力電流（Ｉ_Ｌ）は、負荷（Ｌ）が接続されている場合、前記制御ユニット（５）によって、前記半導体スイッチ（２）の電力が最大電力値（Ｐ_ｍａｘ）以下になるように調節され、ここで、前記制御ユニット（５）は、設定値（Ｉ_ｓｅｔ）を前記電圧制御電流源回路（２）に出力し、前記電圧制御電流源回路（２）から差分値（Ｓ）を受け取り、前記差分値（Ｓ）は、前記出力電流（Ｉ_Ｌ）を表す瞬時値（Ｉ_ｉｓｔ）と設定値（Ｉ_ｓｅｔ）との偏差から形成され、前記半導体スイッチ（３）に、これを駆動するための制御信号として供給されることを特徴とする、電子回路遮断器（１）。
2. 前記電圧制御電流源回路（２）の出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）が、前記制御ユニット（５）に供給され、前記制御ユニット（５）は、前記半導体スイッチ（３）の電力を、好ましくは出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）と設定値（Ｉ_ｓｅｔ）とから算出して、最大電力値（Ｐ_ｍａｘ）を出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）に応じて調節す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. 前記制御可能な半導体スイッチ（３）は、電圧制御電流源回路（２）の内部で、過負荷又は短絡時に、出力電流（Ｉ_Ｌ）が最大電力値（Ｐ_ｍａｘ）を考慮して制限されるように駆動されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電子回路遮断器（１）。
4. 前記制御ユニット（５）は、過負荷又は短絡時に、出力電流（Ｉ_Ｌ）の設定値（Ｉ_ｓｅｔ）を予め設定可能又は予め設定された最小値（Ｉ_Ｍｉｎ）に調節し、出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）が時間と共に上昇する場合に、定格値（Ｉ_Ｎｏｍ）まで上昇させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子回路遮断器（１）。
5. 前記制御ユニット（５）は、前記出力電流（Ｉ_Ｌ）の設定値（Ｉ_ｓｅｔ）を、前記出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）に応じて段階的に上昇させることを特徴とする、請求項４に記載の電子回路遮断器（１）。
6. 前記電圧制御電流源回路（２）は、演算増幅器（ＯＰ２）を備え、前記演算増幅器（ＯＰ２）の入力部側には、出力電流（Ｉ_Ｌ）の瞬時値（Ｉ_ｉｓｔ）及び設定値（Ｉ_ｓｅｔ）が供給され、出力部側において前記制御ユニット（５）の入力部（Ｅ_ＩＬｉｍ）及び半導体スイッチ（３）の制御側に接続されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子回路遮断器（１）。
7. 電圧制御電流源回路（２）に一体化された制御可能な半導体スイッチ（３）を備える電子回路遮断器（１）の制御方法であって、
   − 前記電流源回路（２）の出力電流（Ｉ_Ｌ）を瞬時値（Ｉ_ｉｓｔ）として検出し、これを設定値（Ｉ_ｓｅｔ）と比較し、半導体スイッチ（３）を駆動するための制御信号として機能する差分値（Ｓ）を生成し、
   − 前記電流源回路（２）の出力電流（Ｉ_Ｌ）の設定値（Ｉ_ｓｅｔ）を、前記半導体スイッチ（２）の電力が常に最大電力値（Ｐ_ｍａｘ）以下になるように調節する、方法。
8. 前記瞬時値（Ｉ_ｉｓｔ）及び前記設定値（Ｉ_ｓｅｔ）から形成される前記出力電流（Ｉ_Ｌ）の差分値（Ｓ）が閾値（Ｓ_０）に達した、又は、上回っている場合に、前記出力電流（Ｉ_Ｌ）を電流値（Ｉ_ｍａｘ）に制限することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記電流源回路（２）の出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）を検出し、前記出力電流（Ｉ_Ｌ）の設定値（Ｉ_ｓｅｔ）を、前記出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）に応じて調節することを特徴とする、請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記過負荷又は短絡時に、前記出力電流（Ｉ_Ｌ）の設定値（Ｉ_ｓｅｔ）を、最小値（Ｉ_Ｍｉｎ）に調節し、続いて、前記出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）が時間と共に上昇する場合にのみ、前記出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）に応じて、特に段階的に上昇させることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。

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