JP7185698B2 - 電界効果トランジスタ用の保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、第１の電界効果トランジスタ用の保護回路であって、特に自動車に使用される保護回路に関する。電界効果トランジスタは、ソース端子、ドレイン端子、及びさらにゲート端子を備える。ソース端子とドレイン端子との間の導電接続は、ゲート端子を介してオンオフを切り換えることができる。

ポンプやサーボモータ等を駆動するための電界効果トランジスタ（いわゆるＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を有する回路が既に知られている。特許文献１は、そのような回路において電界効果トランジスタの温度監視を行うことを開示している。この温度監視は、電界効果トランジスタを介して駆動されるモータを損傷から保護することを意図して行われる。例えば、電気回路の短絡した場合など、温度が限界値を超えていると仮定する。そのため、電界効果トランジスタの温度を周囲温度と比較し、測定された温度差が定められた限界値を超えたらすぐに、電界効果トランジスタを介して電流を流すのを停止する。この場合、限界値に達した原因を、さらに分化して評価することは不可能である。

米国特許第７，７５９，８９１号

従って、本発明の目的は、従来技術に関して存在する問題を少なくとも部分的に解決することであって、具体的には、電界効果トランジスタを介して伝導される電流を正確に評価できる保護回路を提供することである。ここでは、可能な限り費用対効果が高い保護回路を提供することを意図している。

これらの目的は、請求項１の特徴による保護回路によって達成される。前記保護回路の及び本発明のさらに有利な実施形態は、さらなる請求項において明示される。なお、各請求項において個々に提示される特徴は、技術的に実現可能な態様で互いに組み合わせることができ、本発明のさらなる実施形態を定めることができる。また、各請求項において明示される特徴は、本明細書において、本発明のさらに好ましい実施形態が提示され、より正確により詳細に説明される。

第１の電界効果トランジスタと、制御デバイスと、第１の温度センサとを少なくとも備えた保護回路が、これ対して寄与している。第１の電界効果トランジスタは、第１のソース端子と、第１のドレイン端子と、第１のゲート端子とを有する。第１のソース端子と第１のドレイン端子との間の第１の電圧［ボルト］は、制御デバイスにより決定することができる。第１の温度センサは、第１の電界効果トランジスタの変化する第１の温度［摂氏］を検知することができる。第１の電界効果トランジスタの第１の（電気的）抵抗［オーム］と、（それにより）第１の電界効果トランジスタを介して伝導される第１の電流（［アンペア］単位の電流強度）は、制御デバイスにより第１の温度に基づいて決定することができる。

ここでは、特に、第１の電界効果トランジスタの（現在の）第１の温度を、センサ手段や計算によって決定することを提案する。しかし、前記温度は、周囲温度とは特に比較されない。ここでは、特に、第１の温度のみが決定されるものとし、この第１の温度に応じて変化する、第１の電界効果トランジスタの第１の抵抗が推測される。そして、第１の電界効果トランジスタ全体に亘って降下する第１の電圧と第１の抵抗が分かれば、第１の電界効果トランジスタを介して伝導される第１の電流を決定する（特に計算で）ことができる。

特に、このため、第１の電界効果トランジスタの特性について、即ち、第１の電界効果トランジスタの第１の温度の関数としての第１の電気抵抗の変動について知ることができ、制御デバイス内に格納される。

特に、第１の温度と第１の抵抗との間の関係は（動作範囲内では少なくとも近似的に）線形であり、この関係はここであらかじめ定めることができる。この線形な関係は、第１の抵抗の絶対値が第１の抵抗の平均値の５０％から２００％までの間で変化する第１の抵抗の値の範囲に少なくとも存在することが好ましい。第１の抵抗の平均値は、第１の温度のあらかじめ定めた基準温度（例えば摂氏２０度）における値とする。

第１の電界効果トランジスタは、第１のドレイン端子を介して電圧源に接続することができる。電圧源と第１の電界効果トランジスタとの間に、第２の電界効果トランジスタが配置されている。第２の電界効果トランジスタは、第２のソース端子と、第２のドレイン端子と、第２のゲート端子とを有する。第２のドレイン端子と第２のソース端子との間の第２の電圧は、制御デバイスによって決定することができる。第２の電界効果トランジスタの変化する第２の温度は、（センサ手段を通して）第２の温度センサによって検知することができる。（第１の電界効果トランジスタに関して上に述べたように）第２の電界効果トランジスタの第２の電気抵抗と、（それにより）第２の電界効果トランジスタを介して伝導される第２の電流は、第２の温度に基づいて決定することができる。

電圧源により、電圧は、特に最大で１００ボルトとされ、特に１２ボルト、２４ボルト、４８ボルトとされる。

第１のソース端子は、少なくとも１つの電気機械に接続可能であり、且つ、この電気機械を経由して電気的アースに接続可能である。

第３の電界効果トランジスタを、電気機械とアースとの間に配置可能である。また、この第３の電界効果トランジスタを介して伝導される第３の電流を決定するための電気計測用抵抗器が、第３の電界効果トランジスタとアースとの間に配置されている。

計測用抵抗器（シャントとも呼ばれる）は、特に低抵抗の電気抵抗器であり、電流強度の測定用の（適していれば実質的に電流強度の測定専用の）電気抵抗器である。シャントを通して流れる電流により、その強度に比例した電圧降下が発生し、この電圧降下を測定する。

特に、計測用抵抗器はさらに制御デバイスに導電的に接続されており、これにより、第３の電界効果トランジスタを介して伝導される電流を制御デバイスによって監視することができる。

このような計測用抵抗器を配置したり、又は、回路内に又は保護回路内（即ち、第１及び第２の電界効果トランジスタの領域内）にもう一つ計測用抵抗器を配置したりするには、コストがかかる。そのため、ここでは、１つの計測用抵抗器に対する少なくとも補助として、（又は、計測用抵抗器の代用として、又はその両方として）、電界効果トランジスタの抵抗の変化を検知するための温度センサを少なくとも１つ設け、抵抗の変化に基づいて、電界効果トランジスタにより伝導される電流を低減可能にすることを提案する。

電気機械の定格電力［ワット］は、１０キロワット未満とすることができ、特に５キロワット未満とすることができ、好ましくは１キロワット未満とすることができる。

少なくとも第１の電流（又は第２の電流又はその両方）は、第１の温度（又は第２の温度又はその両方）の変化により、２．０アンペア未満の精度で確認することができ、特に１．５アンペア未満の精度で確認することができ、好ましくは１．０アンペア未満の精度で確認することができる。

少なくとも第１の温度センサ（又は第２の温度センサ又はその両方）は、アナログ－デジタル変換器を介して制御デバイスに接続可能である。アナログ－デジタル変換器により、温度センサのアナログ信号をデジタル信号に変換することができる。この変換は、必要な分解能で行うことができ、これにより、電流を必要な精度で又は要求される精度で決定できる。

電気機械と、上述の保護回路とを備える自動車両が提案する。ここで、第１の電界効果トランジスタの第１のソース端子は、少なくとも電気機械に接続されており、且つ、電気機械を経由して電気的アースに接続されている。

保護回路に関する説明は、個々に且つ組み合わせて自動車両に関する説明に使用することができ、逆もまた同様である。

さらに、電気回路を動作させる又は保護する又はその両方を行うための方法を提案する。ここで、この電気回路は、上述の保護回路を少なくとも１つ備える。本方法は、
ａ）第１のソース端子と第１のドレイン端子との間の第１の電圧を決定するステップと、
ｂ）第１の電界効果トランジスタの第１の温度を検知するステップと、
ｃ）第１の電界効果トランジスタを介して伝導される第１の電流を（制御デバイスによって）計算するステップと
を少なくとも含む。

第１のソース端子は、少なくとも１つの電気機械に接続可能であり、且つ、電気機械を経由して電気的アースに接続可能である。ここで、第３の電界効果トランジスタが、電気機械と電気的アースとの間に配置されている。第３の電界効果トランジスタを介して伝導される第３の電流を決定するための計測用抵抗器を、第３の電界効果トランジスタと電気的アースとの間に配置することができる。プロセスｉ）においては、第３の電流を決定することができ、プロセスｉｉ）においては、第１の電流と第３の電流（又は第２の電流又はこれらの電流すべて）とを、制御デバイスで評価することができる。

個々の電流を評価することにより、保護回路の状態を推測することができる。特に、短絡を識別し評価することができる。この評価に基づいて、保護回路の動作が継続可能かどうか、又は、警告メッセージを伝えるべきかどうか、又は、保護回路の動作を少なくとも一時的に中断すべきか又は制限した態様で継続すべきか、これらについて判断することができる。特に、限界値を制御デバイス内に記憶可能であり、これにより、定められた限界値に達した場合に、定められた測定を開始することができる。

本方法に関する説明は、個々に且つ組み合わせて保護回路や自動車両に関する説明に使用することができ、逆もまた同様である。

用心として、本願明細書で使用されている数詞（第１の」、「第２の」、「第３の」…）の主な（唯一の）目的は、複数の同種の物体・変数・プロセスを区別することであり、したがって、特に、前記物体・変数・プロセスの如何なる相互依存性又は順序又はその両方を必ずしも暗示するものではないことに留意されたい。相互依存性又は順序又はその両方が必要である場合には、これは本明細書に明示されるものとし、又は、記載の特定の実施形態の検討から当業者には明らかとなる。

本発明及び技術分野を、以下で、概要図を参照してより詳細に説明する。本発明は、図説する例示的な実施形態により限定されないものとする。特に、特段の記載がない限り、図面により説明された本質的事項の部分的な態様を抽出し、これを他の構成要素や洞察と組み合わせることも可能である。

保護回路１を有する電気回路２８を備えた自動車両２７を示す。

電気回路２８は、電圧源１２と、電気機械２２と、アース２３とを備える。制御デバイス６は、電気回路２８により、電気機械２２の動作を調整し監視する。第１の電界効果トランジスタ２用の保護回路１は、第１の電界効果トランジスタ２と、制御デバイス６と、さらに第１の温度センサ８とを備える。この第１の電界効果トランジスタ２は、第１のドレイン端子３と、第１のソース端子４と、第１のゲート端子５とを有する。また、制御デバイス６によって第１のドレイン端子３と第１のソース端子４との間の第１の電圧７を決定することができ、第１の温度センサ８によって第１の電界効果トランジスタ２の変化する第１の温度９を検知することができる。第１の電界効果トランジスタ２の第１の抵抗１０と、それにより第１の電界効果トランジスタ２を介して伝導される第１の電流１１は、制御デバイス６により第１の温度９に基づいて決定することができる。

ここでは、第１の温度９のみが決定されるものであり、この第１の温度９に応じて変化する、第１の電界効果トランジスタ２の第１の抵抗１０が推測される。第１の電界効果トランジスタ２全体に亘って降下する第１の電圧７と第１の抵抗１０が分かれば、第１の電界効果トランジスタ２を介して伝導される第１の電流１１を決定することができる。

第１の電界効果トランジスタ２は、第１のドレイン端子３を介して電圧源１２に接続されている。電圧源１２と第１の電界効果トランジスタ２との間に、第２の電界効果トランジスタ１３が配置されている。第２の電界効果トランジスタ１３は、第２のドレイン端子１４と、第２のソース端子１５と、第２のゲート端子１６とを有する。第２のドレイン端子１４と第２のソース端子１５との間の第２の電圧１７は、制御デバイス６によって決定することができる。第２の電界効果トランジスタ１３の変化する第２の温度１９は、第２の温度センサ１８によって検知することができる。第２の電界効果トランジスタ１３の第２の抵抗２０と、それにより第２の電界効果トランジスタ１３を介して伝導される第２の電流２１は、第２の温度１９に基づいて決定することができる。

第３の電界効果トランジスタ２４が、電気機械２２とアース２３との間に配置されている。また、第３の電界効果トランジスタ２４を介して伝導される第３の電流２６を決定するための計測用抵抗器２５が、この第３の電界効果トランジスタ２４とアース２３との間に配置されている。

計測用抵抗器２５は、制御デバイス６に接続されており、これにより、第３の電界効果トランジスタ２４を介して伝導される第３の電流２６を制御デバイス６によって監視することができる。

第１の温度センサ８及び第２の温度センサ１８は、アナログ－デジタル変換器２９を介して制御デバイス６に接続される。アナログ－デジタル変換器２９により、温度センサ８、１８のアナログ信号をデジタル信号に変換することができる。この変換は、必要な分解能で行うことができ、これにより、電流１１、２１を必要な精度で又は要求される精度で決定できる。アナログ－デジタル変換器２９により、さらに電圧７、１７を検知可能であり、特に、デジタル信号への変換が可能である。

各電流１１、２１、２６を評価することにより、保護回路１や回路２８の状態を推測することができる。特に、短絡を識別し評価することができる。この評価に基づいて、保護回路１や回路２８の動作を継続可能かどうか、又は、警告メッセージを伝えるべきかどうか、又は、保護回路１や回路２８の動作を少なくとも一時的に中断すべきか又は制限した態様で継続すべきか、これらについて判断することができる。特に、電流１１、２１、２６の限界値や、電流１１、２１、２６の割合の限界値などを、制御デバイス６内に記憶可能であり、これにより、定められた限界値に達した場合に、定められた測定を開始することができる。制御デバイス６により、制御信号３０、３１、３２を、電界効果トランジスタ２、１３、２４のゲート端子５、１６に伝送することができ、電界効果トランジスタ２、１３、２４の対応するスイッチングを行うことができる。

１ 保護回路
２ 第１の電界効果トランジスタ
３ 第１のドレイン端子
４ 第１のソース端子
５ 第１のゲート端子
６ 制御デバイス
７ 第１の電圧
８ 第１の温度センサ
９ 第１の温度
１０ 第１の抵抗
１１ 第１の電流
１２ 電圧源
１３ 第２の電界効果トランジスタ
１４ 第２のドレイン端子
１５ 第２のソース端子
１６ 第２のゲート端子
１７ 第２の電圧
１８ 第２の温度センサ
１９ 第２の温度
２０ 第２の抵抗
２１ 第２の電流
２２ 電気機械
２３ アース
２４ 第３の電界効果トランジスタ
２５ 計測用抵抗器
２６ 第３の電流
２７ 自動車両
２８ 回路
２９ アナログ－デジタル変換器
３０ 第１の制御信号
３１ 第２の制御信号
３２ 第３の制御信号

Claims (7)

1. 保護回路（１）であって、
   第１のドレイン端子（３）と、第１のソース端子（４）と、第１のゲート端子（５）とを有する第１の電界効果トランジスタ（２）と、
   前記第１のドレイン端子（３）と前記第１のソース端子（４）との間の第１の電圧（７）を決定することができる制御デバイス（６）と、
   前記第１の電界効果トランジスタ（２）の変化する第１の温度（９）を検知することができる第１の温度センサ（８）と
   を少なくとも備え、
   前記第１のソース端子（４）は、
   少なくとも１つの電気機械（２２）に接続されており、且つ、
   前記電気機械（２２）を経由して電気的アース（２３）に接続されており、
   第３の電界効果トランジスタ（２４）が、前記電気機械（２２）と前記電気的アース（２３）との間に配置されており、
   前記第３の電界効果トランジスタ（２４）を介して伝導される第３の電流（２６）を決定するための計測用抵抗器（２５）が、前記第３の電界効果トランジスタ（２４）と前記電気的アース（２３）との間に配置されており、
   前記第１の電界効果トランジスタ（２）の第１の抵抗（１０）と、前記第１の電界効果トランジスタ（２）を介して伝導される第１の電流（１１）は、前記制御デバイス（６）により、前記第１の温度（９）に基づいて決定することができる
   ことを特徴とする保護回路（１）。
2. 請求項１に記載の保護回路（１）であって、
   前記第１の電界効果トランジスタ（２）は、前記第１のドレイン端子（３）を介して電圧源（１２）に接続されており、
   前記電圧源（１２）と前記第１の電界効果トランジスタ（２）との間に、第２の電界効果トランジスタ（１３）が配置されており、
   前記第２の電界効果トランジスタ（１３）は、第２のドレイン端子（１４）と、第２のソース端子（１５）と、第２のゲート端子（１６）とを有し、
   前記第２のドレイン端子（１４）と前記第２のソース端子（１５）との間の第２の電圧（１７）は、前記制御デバイス（６）によって決定することができ、
   前記第２の電界効果トランジスタ（１３）の変化する第２の温度（１９）は、第２の温度センサ（１８）によって、さらに検知することができ、
   前記第２の電界効果トランジスタ（１３）の第２の抵抗（２０）と、前記第２の電界効果トランジスタ（１３）を介して伝導される第２の電流（２１）は、前記第２の温度（１９）に基づいて決定することができる
   ことを特徴とする保護回路（１）。
3. 請求項１または請求項２に記載の保護回路（１）であって、
   前記電気機械（２２）の定格電力は、１０キロワット未満である
   ことを特徴とする保護回路（１）。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の保護回路（１）であって、
   少なくとも前記第１の電流（１１）は、前記第１の温度（９）の変化により、２．０アンペア未満の精度で確認可能である
   ことを特徴とする保護回路（１）。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の保護回路（１）であって、
   少なくとも前記第１の温度センサ（８）は、アナログ－デジタル変換器（２９）を介して前記制御デバイス（６）に接続されている
   ことを特徴とする保護回路（１）。
6. 電気機械（２２）と、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の保護回路（１）とを備える自動車両（２７）であって、
   前記第１の電界効果トランジスタ（２）の前記第１のドレイン端子（３）は、少なくとも前記電気機械（２２）に接続されており、且つ、前記電気機械（２２）を経由して電気的アース（２３）に接続されている
   ことを特徴とする自動車両（２７）。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の保護回路（１）を少なくとも１つ備える電気回路（２８）を動作させる方法であって、
   ａ）前記第１のドレイン端子（３）と前記第１のソース端子（４）との間の第１の電圧（７）を決定するステップと、
   ｂ）前記第１の電界効果トランジスタ（２）の第１の温度（９）を検知するステップと、
   ｃ）前記第１の電界効果トランジスタ（２）を介して伝導される第１の電流（１１）を計算するステップと、
   ステップｉ）と、
   ステップｉｉ）と、
   を少なくとも含み、
   前記第１のソース端子（４）は、少なくとも１つの電気機械（２２）に接続されており、且つ、前記電気機械（２２）を経由して電気的アース（２３）に接続されており、
   第３の電界効果トランジスタ（２４）が、前記電気機械（２２）と前記電気的アース（２３）との間に配置されており、
   前記第３の電界効果トランジスタ（２４）を介して伝導される第３の電流（２６）を決定するための計測用抵抗器（２５）が、前記第３の電界効果トランジスタ（２４）と前記電気的アース（２３）との間に配置されており、
   前記ステップｉ）において、前記第３の電流（２６）が決定され、
   前記ステップｉｉ）において、前記第１の電流（１１）の値と前記第３の電流（２６）の値とが、
   前記制御デバイス（６）で評価される
   ことを特徴とする方法。
   

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