用於確定負載電流的方法和設備與流程
2023-06-21 15:24:26
本發明涉及一種按照在權利要求1的前序部分中詳細限定的類型的用於確定負載電流的方法。此外本發明還涉及一種按照權利要求5的前序部分所述的設備。
背景技術：
由現有技術已知的是，越來越多地電氣保險裝置和/或繼電器特別是在車輛或機動車中通過電子構件並特別是通過自保護的半導體開關代替。這些優選集成的半導體開關在此例如具有包括用於負載電流的電流檢測的測量單元的測量裝置和/或防止短路的自保護。在此這可以通過用於監控和/或分析的測量裝置在確定的測量範圍上來檢測。
在已知的具有半導體開關的設備的解決方案中不利的是，具有非常小的電流強度的電流僅能以高的不準確性來檢測(確定)。在此經常值得期望的是，增大測量範圍，以便例如以高準確度和/或精度檢測在特別是大約0a(安培)直至至少40a的測量範圍中的電流，其中，也應確定非常小的例如<10ma(毫安)的電流。測量範圍的相應增大和/或精度的改善在此與用於製造半導體的高成本相關聯。原因例如是測量誤差，該測量誤差主要在小電流的測量中是顯著的。如此利用測量裝置的電流測量具有確定的誤差，該誤差例如通過不期望的誤差電流引起。誤差和/或誤差電流例如通過測量裝置引起，特別是通過測量裝置的放大器引起。在此，誤差和/或誤差電流例如與製造誤差、溫度和負載電流的電流強度的水平有關。
技術實現要素：
因此本發明的任務是，至少部分克服上述缺點。特別是本發明的任務在於，能實現改善地和/或成本更有利地確定用於半導體開關的負載電流，其中優選地提高測量精度。
上述任務通過一種具有權利要求1的特徵的方法以及一種具有權利要求5的特徵的設備解決。本發明另外的特徵和細節由相應的從屬權利要求、說明書和附圖產生。在此結合按照本發明的方法所述的特徵和細節自然也適用於結合按照本發明的設備，並且相應反之亦然，從而關於對於各個發明方面的公開內容總是或可以相互參照。
按照本發明的方法用於確定在半導體開關中和/或在特別是用於車輛或機動車的半導體開關內的負載電流。為此設有至少一個測量裝置，其中，負載電流的測量被與測量裝置有關的傳輸係數所影響。在此優選地，測量裝置具有至少一個測量單元、特別是第一測量單元和第二測量單元，其中，第一測量單元確定和/或(固有地)具有第一傳輸係數而第二測量單元確定和/或(固有地)具有第二傳輸係數。測量單元(亦即第一和第二測量單元)例如構成為用於電流測量的電流傳感器。
按照本發明在此該方法包括以下步驟：
a)以第一傳輸係數執行負載電流的第一測量，其中，利用第一測量確定第一測量結果；
b)以第二傳輸係數執行負載電流的第二測量，其中，利用第二測量確定第二測量結果，第一傳輸係數有別於第二傳輸係數，以便識別測量結果中的誤差；
c)通過比較第一測量結果與第二測量結果來確定校正的測量結果，如此使得至少減小並且特別是基本上消除誤差。
由此實現如下優點，通過比較第一測量結果與第二測量結果可以顯著降低特別是通過誤差電流引起的誤差。在此通過確定校正的測量結果非常準確地確定或測量負載電流。因為誤差主要在小的電流強度下是明顯或重要的並且妨礙測量的可靠分析，所以按照本發明的方法例如也能實現檢測(亦即確定)小的負載電流，例如<＝40毫安和/或<＝20毫安和/或<10毫安。在此通過半導體開關給至少一個負載通以負載電流，其中，校正的測量結果與負載電流成比例。在此校正的測量結果特別是具有誤差，該誤差小於第一測量結果和/或第二測量結果的誤差。
特別是傳輸係數是比例係數並且在此確定在測量結果與負載電流之間的比例。優選地，測量單元的和/或測量單元與測量裝置的其他構件的相應組合的傳輸係數是固有的，從而第一測量單元具有確定的和/或恆定的和/或已知的傳輸係數，而第二測量單元具有確定的和/或恆定的和/或恆定的和/或已知的傳輸係數。
優選地，在此實施按照步驟c)的比較，以便確定具有減小的誤差的校正的測量值，該測量值具有與誤差電流、溫度(例如半導體開關的溫度和/或環境溫度)和/或與負載電流的至少減小的關係和/或較小的誤差公差。誤差特別是如下測量誤差，該測量誤差通過測量裝置的至少一個構件(特別是放大單元)並且特別是由誤差電流引起。測量裝置和/或半導體開關在此特別是如此構成，使得誤差電流僅僅正和/或負地定向(然而不是0a)並且再例如總是具有不等於0a的確定的電流強度。在為0a(安培)的理想誤差電流的情況下，在0a的負載電流強度的情況下在測量裝置的輸出端上測量的測量信號和因此測量結果同樣是0a。在定向為正的誤差電流的情況下，然而總是有電流在輸出端上流出。在放大單元的定向為負的誤差電流的情況下，僅僅從要測量的電流(負載電流)的確定的電流強度開始才輸出測量信號，由此小的電流不再是可測量的。而且誤差電流在小的負載電流的情況下獲得更高的份額，從而關於傳輸係數的相對誤差增加。這因此導致電流測量亦即在半導體開關中負載電流的確定的較小的精度。按照本發明的方法以及按照本發明的設備在此能實現降低該誤差，從而小的負載電流強度也變得可測量。因此總體上提高負載電流的確定的精度。
此外，特別是步驟a)和步驟b)可以以任意順序或備選地同時實施並且步驟c)在步驟a)和b)之後實施。也可以考慮的是，按照步驟c)已經至少部分與步驟a)和b)同時地實施比較，其中，至少部分地考慮第一和第二測量結果以用於確定校正的測量結果。因此也可以考慮的是至少部分交叉實施步驟a)、步驟b)和步驟c)，其中必要時也可以異步地在步驟c)中考慮第一和第二測量結果。
有利地，可以在本發明的範圍中規定，比較通過至少一個算術運算實現，其中特別是第一傳輸係數和第二傳輸係數用作用於算術運算的已知變量。算術運算或一系列至少2、3、4和/或5個不同算術運算例如可以通過半導體開關單元的構件特別是在內部例如通過邏輯單元和/或通過控制分析裝置實施。也可以規定的是，外部控制分析裝置為了實施至少一個算術運算與半導體開關(電氣)連接。在此，比較和/或算術運算引起如下，即減小和/或基本上消除第一測量結果和第二測量結果中的誤差以及特別是誤差電流，從而計算具有減小的誤差的校正的測量結果。在此特別是按照本發明重要的是，利用至少兩個具有不同傳輸係數的測量結果來計算。例如在下文中描述算術運算，其中，校正的測量結果(l_korr)例如可通過以下公式確定。為此必須首先按照步驟a)和步驟b)確定第一測量結果(i_m1)和第二測量結果(i_m2)：
i_m1＝il/k1+if(1)
i_m2＝il/k2+if(2)
在此il是負載電流，而k1是第一傳輸係數，而k2是第二傳輸係數，並且if是誤差或誤差電流，而「/」是除法運算，而「+」是加法運算。誤差電流(至少大約)對於兩個測量是相同的。接著實現比較，其中，公式(1)按if轉換並且隨後作為if代入公式(2)中。
if＝i_m1-il/k1(3)
l_m2＝il/k2+l_m1-il/k1(4)
結果，校正的測量結果或測量信號在測量裝置的輸出端上為：
l_korr＝il＝(i_m2-i_m1)/(1/k2-1/k1)(5)
結果，亦即校正的測量結果因此獨立於誤差電流。
此外可以考慮的是，第一測量和第二測量同時和/或交替實現，並且特別是在內部通過半導體開關實現，其中，優選地第一測量結果與第二測量結果的比較特別是按照步驟c)在半導體開關的外部(亦即在半導體開關之外)實現。由此特別是產生半導體開關單元的成本更有利和更緊湊的結構形式。為了實施比較，例如在半導體開關之外控制分析裝置可以與測量裝置的輸出端電氣連接以便接收測量信號。
此外可以在本發明的範圍中規定，預定第一傳輸係數和第二傳輸係數和/或使其相互成固定比例並且優選第一傳輸係數是第二傳輸係數的整數多倍。由此產生如下優點，即校正的測量結果的可簡單和成本有利實現的可計算性。傳輸係數在此例如可以通過相應地選擇測量裝置的構件、特別是第一測量單元和第二測量單元來預定。為了能夠以第二傳輸係數進行第二測量，特別是可以將第二測量單元附加於第一測量單元而引入半導體開關中。優選地，選擇開關單元還可以集成到半導體開關中，選擇開關單元與第一測量單元和第二測量單元電氣連接並且在第一測量單元與第二測量單元之間切換。選擇開關單元例如通過邏輯單元驅控，其中驅控由外部例如通過控制分析裝置而通過控制輸入端是可能的。此外可以規定，半導體開關和/或測量裝置如此構成，使得在測量裝置輸出端上的測量信號並且特別是測量裝置的誤差電流總是定向為正。
本發明的技術方案同樣是用於利用特別是用於車輛或機動車的半導體開關確定負載電流的設備，其中，半導體開關具有至少一個測量裝置和至少一個半導體開關單元，以便開關在負載上的負載電流，其中，設有第一測量單元和第二測量單元用於執行負載電流的測量，以便通過測量的比較來獲得校正的測量結果。因此，按照本發明的設備待測與參照按照本發明的方法詳細闡述的相同的優點。優選地，在此按照本發明的設備可運行按照本發明的方法。在此優選地，測量裝置具有至少一個測量單元、特別是第一測量單元和第二測量單元。第一和第二測量單元優選設置在半導體開關單元中和/或特別是整體地和/或完全集成在半導體開關單元內。此外可以在按照本發明的設備中設有電氣測量信號輸出端以用於根據負載電流和/或校正的測量結果和/或第一測量單元的第一測量結果和/或第二測量單元的第二測量結果來輸出測量裝置的測量信號。測量信號輸出端例如用於通過例如控制分析裝置檢測校正的測量結果或外部檢測第一和/或第二測量結果或相應的測量信號，以便根據該測量結果/測量信號確定校正的測量結果。在此，第一和第二測量單元可以如此設置在半導體開關和特別是半導體開關單元中，使得第一和第二測量單元的測量特別是同時或依次在帶有負載電流的電氣線路上實現。
此外可以考慮的是，第一測量單元確定和/或具有第一傳輸係數而第二測量單元確定和/或具有第二傳輸係數，其中，第一傳輸係數不同於第二傳輸係數，以便如此識別在測量結果中的誤差。在此第一測量單元和第二測量單元可以如此構成，使得第一傳輸係數為第二傳輸係數的整數多倍和/或使得第一傳輸係數與第二傳輸係數相互成固定比例。也可以考慮的是，具有另外的傳輸係數的另外的測量單元用於確定負載電流和/或比較以用於確定校正的測量結果。
有利地可以在本發明中規定，半導體開關構成為用於負載電流測量的智能集成半導體開關，並且優選具有集成的保護裝置特別是用於保護免於短路和/或超壓。保護裝置可以具有例如保護單元，其在超過預定的電流強度時中斷流經電流。因此確保按照本發明的設備的安全和可靠的運行。保護裝置和/或至少一個保護單元還可以特別是完全集成在半導體開關中。
此外還可以考慮的是，第一測量單元和第二測量單元特別是完全和/或單片地集成在半導體開關單元中，其中特別是半導體開關單元構成為功率半導體開關和/或功率金屬氧化物半導體場效應管(功率mosfet)。由此產生如下可能，即通過半導體開關也開關高的負載電流，特別是直至最大10a和/或20a和/或30a和/或40a和/或100a和/或200a。半導體開關單元在此可以特別是完全和/或單片地集成在半導體開關中，其中，半導體開關例如還具有另外的構件、例如集成的邏輯單元和/或放大單元和/或保護裝置。優選地，半導體開關單元和/或半導體開關和/或測量單元和/或邏輯單元和/或放大單元在此構成為半導體結構元件。
此外在本發明的範圍中有利的可以是，特別是設有電子選擇開關單元、特別是多路復用器，其中，第一測量單元和第二測量單元如此與選擇開關單元電氣連接，使得通過選擇開關單元可開關利用第一測量單元的第一測量和利用第二測量單元的第二測量。選擇開關單元特別是在外部可通過例如控制分析裝置驅控。
此外可以想到的是，控制分析裝置(特別是微控制器)與半導體開關電氣連接，特別是如此使得第一測量單元的第一測量結果和第二測量單元的第二測量結果的分析可通過控制分析裝置實施。優選地，按照本發明的設備具有控制分析裝置，其與半導體開關電氣連接。在此，控制分析裝置例如可以不僅與至少一個控制輸入端和/或至少一個測量信號輸出端連接。如此控制分析裝置可以通過選擇開關單元的電氣驅控來控制測量過程、例如在第一測量單元與第二測量單元之間的切換，和/或同時接收測量信號、確定測量結果並且通過比較第一和第二測量結果來確定校正的測量結果。因此能實現簡單和成本有利地結構，以便獲得用於負載電流的改善的校正的測量結果。
附圖說明
本發明另外的優點、特徵和細節由以下說明產生，其中參照附圖詳細描述本發明的實施例。在此在權利要求和說明書中提及的特徵可以分別本身單獨地或以任意組合地是對於本發明重要的。圖中：
圖1示出按照本發明的設備和半導體開關的各部件的示意電路圖；
圖2示出按照本發明的設備和半導體開關的一個示意圖；
圖3示出按照本發明的設備和半導體開關的另一示意圖；
圖4示出按照本發明的設備和半導體開關的另一示意圖；
圖5示出按照本發明的設備和半導體開關的另一示意圖；
圖6示出用於用於示出按照本發明的方法的示意圖。
具體實施方式
圖1示意地示出按照本發明的設備10的電路圖，其中，設備10包括半導體開關20。半導體開關20還特別是集成地具有半導體開關單元22。半導體開關單元22和/或半導體開關20在此是電子結構元件並且特別是電子或半導體開關，其以半導體結構元件形式來實現模擬開關如繼電器的功能。為此，半導體開關20和/或半導體開關單元22特別是具有至少一個場效應電晶體、特別是功率mosfet或者構成為功率mosfet或場效應電晶體。此外，按照本發明的設備10具有電源30，所述電源特別是能實現：負載40的負載電流il可以通過半導體開關單元22或通過半導體開關20來開關。接通在此例如引起，半導體開關單元22能實現流經負載40的負載通過電流，其中在關斷時阻止負載通過電流。半導體開關20的電源30為此與邏輯單元29和/或半導體開關單元22連接。另外的控制輸入端20.2設在半導體開關20上，以便可以在外部控制開關過程。通過第一電氣控制輸入端20.2a驅控例如驅控單元23、特別是具有集成的充電管的mosfet-柵極-驅動器。驅控單元23的輸出端在此控制半導體開關單元22。在此，驅控單元23的輸出端為此優選與(構成為功率mosfet)的半導體開關單元22的柵極電氣連接。半導體開關20特別是保護裝置26的另一控制通過邏輯單元29實現。邏輯單元29優選集成在半導體開關20中並且具有第二控制輸入端20.2b。通過第二控制輸入端20.2b可以由外部驅控邏輯單元29的功能。除了驅控例如保護裝置26之外，這例如也能通過由邏輯單元29驅控溫度測量單元28實現。必要時也可以通過邏輯單元29控制和/或分析測量裝置21。測量裝置21在此具有第一測量單元21.1a和第二測量單元21.1b，它們分別檢測負載電流il並且將測量信號電氣輸出給放大單元27。測量信號接著由放大單元27改變特別是放大並且在測量信號輸出端20.1輸出。特別是在此，所有控制輸入端20.2和輸出端特別是測量信號輸出端20.1被保護裝置26保護免於超壓。
為了可以在第一測量單元21.1a與第二測量單元21.1b之間切換，半導體開關20還具有選擇開關單元24，選擇開關單元24不僅與第一測量單元21.1a而且與第二測量單元21.1b電氣連接。在此特別是外部控制信號和/或邏輯單元29可以驅控選擇開關單元24。選擇開關單元24可以根據該驅控要麼輸出第一測量單元21.1a的第一測量信號要麼輸出第二測量單元21.1b的第二測量信號給放大單元27，其中，放大單元27放大由選擇開關單元24輸出的信號並且作為測量信號在測量信號輸出端20.1上輸出。如通過虛線所示，按照本發明的設備還可以具有控制分析裝置25。控制分析裝置25在此用於通過控制輸入端20.2並且特別是第二控制輸入端20.2b驅控半導體開關20、特別是邏輯單元29。控制分析裝置25也可以檢測和分析在測量信號輸出端20.1上的信號，以便確定校正的測量結果。為此控制分析裝置25特別是設置在半導體開關外部。
在圖2中示出按照本發明的設備10的各部件的另一示意圖。在此，特別是控制輸入端20.2亦即第一控制輸入端20.2a和第二控制輸入端20.2b和/或測量信號輸出端20.1和/或半導體開關輸出端20.3構成為焊盤(bondpad)。焊盤特別是具有合金化的和/或摻雜的金和/或鋁和/或銅，以便確保可靠的電氣導通。如圖2中還可見的是，測量單元21.1亦即第一測量單元21.1a和第二測量單元21.1b連同溫度測量單元28集成在半導體開關單元22中，而半導體開關單元22、驅控單元23、邏輯單元29、放大單元27和選擇開關單元24並且特別是還有保護裝置26的保護單元26.1集成在半導體開關20中。在第一測量單元21.1a與第二測量單元21.1b之間的切換在此通過選擇開關單元24實現並且特別是通過在控制輸入端20.2特別是第二控制輸入端20.2b(外部)上的信號來驅控。
在圖3中示出按照本發明的設備10的各部件的另一示意圖。在此第一測量單元21.1a和第二測量單元21.1b集成在半導體開關單元22中。此外，第二控制輸入端20.2b設在邏輯單元29上並且測量信號輸出端20.1設在測量裝置21上。測量裝置21在此特別是包括放大單元27、第一測量單元21.1a和第二測量單元21.1b。
圖4示出按照本發明的設備10的各部件的另一示意圖。在此第一測量單元21.1a和第二測量單元21.1b的分析在內部亦即在半導體開關20內和/或通過半導體開關20實現。相應地不設有選擇開關單元24。放大單元和/或內部的控制分析裝置25在此可實現外部控制分析裝置25的功能並且優選地實施(測量信號和/或測量結果的)集成的模擬和/或數字(信號)分析，特別是用於按照步驟c)確定校正的測量結果。優選地，在模擬分析中並行檢測測量單元21的測量信號並且通過模擬電路通過至少一個算術運算對其進行分析。該分析的結果、特別是校正的測量結果隨後在測量信號輸出端20.1上輸出。在數字分析中優選地串行檢測測量單元21的測量信號、例如通過斬波方法。所述至少一個算術運算隨後數字地通過數字的內部的控制分析裝置25實現。(校正的)測量結果隨後可以作為數字和/或串行可讀取的測量信號輸出在測量信號輸出端20.1上。同樣可以規定，設有數字-模擬轉換器，以便將數字測量信號轉換為模擬測量信號並且在測量信號輸出端20.1上輸出。
圖5示出按照本發明的設備10的另一示意圖，其中，內部的控制分析裝置25設在半導體開關20中。控制分析裝置25在此可以接收放大單元27的信號並且與放大單元27電氣連接和/或集成在放大單元27中。此外控制分析裝置25和/或放大單元27和/或半導體開關20為了實施數字(信號)分析而具有不同的分析模塊。這些分析模塊例如至少是模擬-數字轉換器和/或如微處理器的運算單元和/或數字-模擬轉換器和/或串行接口和/或模擬輸出級和/或數字串行輸出級。由此確保可靠的數字分析。
圖6示意地顯示按照本發明的方法100。在第一方法步驟100.1中在此實現以第一傳輸係數k1執行負載電流il的第一測量，其中，利用該第一測量確定第一測量結果。按照第二方法步驟100.2，執行負載電流il的第二測量，其中，在第二測量中應用第二傳輸係數k2。第二傳輸係數k2在此不同於第一傳輸係數k1。利用第二測量在此確定第二測量信號。按照第三方法步驟100.3由此確定校正的測量結果，使得實施第一測量結果與第二測量結果的比較，特別是如此使得至少減小誤差if。
各實施形式的上述闡明僅僅在示例的範疇內描述本發明。不言而喻地，各實施形式的各個特徵——只要技術上是有意義的——可以相互自由組合，而不會脫離本發明的保護範圍。
附圖標記列表
10設備
20半導體開關
20.1測量信號輸出端
20.2控制輸入端
20.2a第一控制輸入端
20.2b第二控制輸入端
20.3半導體開關輸出端
21測量裝置
21.1測量單元
21.1a第一測量單元
21.1b第二測量單元
22半導體開關單元
23驅控單元
24選擇開關單元
25控制分析裝置
26保護裝置
26.1保護單元
27放大單元
28溫度測量單元
29邏輯單元
30電源
40負載
100方法
100.1第一方法步驟
100.2第二方法步驟
100.3第三方法步驟
il負載電流
if誤差、誤差電流
k傳輸係數
k1第一傳輸係數
k2第二傳輸係數