切換電路保護器的製造方法
2023-07-09 01:45:31 1
切換電路保護器的製造方法
【專利摘要】一種切換電路保護器，在控制半導體裝置(11)在PWM驅動狀態操作以驅動負載(RL)的狀態下，當由溫度估計器(22)估計的切換電路的纜線的估計溫度超過閾值溫度(Tth)時，該切換電路保護器將設置在使電源(VB)與負載(RL)連接的切換電路中的半導體裝置(11)從PWM驅動狀態切換為DC驅動狀態。因此，當在纜線中產生過電流時，估計溫度超過閾值溫度(Tth)以切斷半導體裝置(11)。因此，能夠通過切換電路保護器確定地保護切換電路。
【專利說明】切換電路保護器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種切換電路保護器，當在切換電路中產生過電流時，該切換電路保護器立即切斷並且保護將電力供應到安裝在車輛中的負載的切換電路。
【背景技術】
[0002]通常，用於控制安裝在車輛中的負載的控制器配備有切換電路保護器，該切換電路保護器用於當在負載中引起過電流時立即切斷切換電路。專利文獻I公開了這樣一種傳統的切換電路保護器。根據在專利文獻I中公開的傳統實例的切換電路保護器被構造成通過基於在負載中流過的電流計算切換電路(包括將負載連接到電源的纜線，和半導體開關)產生的熱量和放射的熱量並測量外界溫度來估計切換電路的溫度，並當估計的溫度等於或高於閾值值時切斷切換電路，從而保護連接到切換電路的負載。
[0003]然而，當半導體開關由PWM(脈衝寬度調製)控制以運行所述負載時，如果在估計溫度中引起誤差，根據傳統實例的切換電路保護器可能不能當纜線過熱時適當地切斷半導體開關。下面通過參考圖1示出的時序圖說明這樣的情況。
[0004]在圖1中，繪圖(a)表示用於估計溫度的採樣周期，繪圖(b)表示利用P麗驅動的半導體開關的接通/關斷信號的時序，以及繪圖(C)表示在纜線中流過的電流。纜線的溫度重複一循環，如曲線Pll所示，當接通時溫度上升並且當關斷時溫度下降。換言之，纜線的溫度當接通半導體開關時上升，當關斷半導體開關時下降。從而，纜線的溫度變化以重複接通/關斷狀態的循環。
[0005]當在纜線的估計溫度中引起誤差時，估計溫度可能表示出低於纜線的實際溫度的數值，如圖1中的曲線P12所示。即，雖然纜線的實際溫度(曲線Pll)超過了閾值Tth，估計溫度(曲線P12)可能下降到低於閾值Tth。在這樣的溫度下，保護器不能夠切斷半導體開關。結果，纜線的溫度可能上升而後超過閾值溫度Tth。
[0006]引用列表
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:US 2010/0254059A1
【發明內容】
[0009]在根據傳統實例的切換電路保護器中，基於在纜線中流過的電流和導通時間檢測上升溫度和下降溫度，並且基於該上升溫度和下降溫度估計電纜的溫度。從而，當由PWM控制半導體開關時，即使當在估計溫度中引起誤差時纜線的溫度超過了閾值溫度Tth，切換電路保護器也不能夠切斷半導體開關。
[0010]鑑於上述問題作出本發明。本發明的目的是提供一種切換電路保護器，該切換電路保護器能夠通過可靠地檢測電路的溫度的上升來切斷切換電路，該切換電路控制半導體開關在PWM驅動狀態下運行以驅動負載。
[0011]為實現該目的，根據本發明的第一方面的切換電路保護器保護將電源連接到負載的切換電路免於生熱，該切換電路保護器包括:半導體開關，該半導體開關設置在所述切換電路中，以將所述負載從驅動狀態切換到停止狀態；電流傳感器，該電流傳感器用於檢測在所述切換電路中流過的電流；控制器，該控制器被構造成當接收到驅動輸入信號時，控制所述半導體開關以在PWM驅動狀態下操作；溫度估計器，基於在所述切換電路中流過的所述電流和所述電流的導通時間，該溫度估計器估計所述切換電路的纜線的溫度作為估計溫度；異常判定器，當所述估計溫度超過預定的閾值溫度時，該異常判定器將關斷指令輸出到所述半導體開關；以及過電流判定器，該過電流判定器判定由所述電流傳感器檢測到的所述電流是否超過預定的閾值電流。當所述過電流判定器判定所述電流超過所述閾值電流時，所述控制器將所述半導體開關從所述PWM驅動狀態改變為DC直流驅動狀態。
[0012]所述控制器被構造成在所述過電流判定器判定為所述電流超過所述閾值電流之後，當所述電流下降到低於所述閾值電流時，控制所述半導體開關，以從所述DC驅動狀態返回到所述PWM驅動狀態。
[0013]在根據本發明的第一方面的切換電路保護器中，在控制半導體開關在PWM驅動狀態下操作以驅動負載的狀態下，一旦估計溫度超過閾值溫度，半導體開關從PWM驅動狀態切換到DC驅動狀態。因此，當產生過電流時，估計溫度超過閾值溫度，使得半導體開關由切換電路保護器切斷。因此，切換電路保護器能夠確定地保護切換電路和負載。
[0014]此外，當在負載中流過的電流下降到低於閾值電流時，可以控制半導體開關從DC驅動狀態切換到PWM驅動狀態。在這樣的情況下，能夠防止半導體開關被當接通半導體開關時引起的湧入電流或噪聲的作用所影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是示出在根據傳統實例的切換電路保護器中的每個信號變化的時序圖；
[0016]圖2是示出包括根據實施例的切換電路保護器的負載驅動電路的電路圖；
[0017]圖3是示出根據實施例的切換電路保護器的過程操作的流程圖；
[0018]圖4是示出在根據實施例的切換電路保護器中的每個信號變化的時序圖。
【具體實施方式】
[0019]以下，將通過參考【專利附圖】
【附圖說明】本發明的實施例。
[0020](構造說明)
[0021]圖2是示出根據實施例的配備有切換電路保護器的負載驅動裝置的構造的框圖。如圖2所示，負載驅動裝置100包括:半導體裝置11，該半導體裝置11設置在電源VB與負載RL之間，以將負載RL從驅動狀態切換到停止狀態；以及控制器12，該控制器12控制半導體裝置11的接通/關斷狀態。
[0022]半導體裝置11包括諸如MOSFET這樣的半導體開關，該半導體裝置11根據從控制器12中輸出的PWM(脈衝寬度調製)信號操作，以將電力供給到負載RL。半導體裝置11包括諸如分流電阻器這樣的電流傳感器11a，該電流傳感器Ila將由電流傳感器Ila檢測的電流信號輸出到控制器12。
[0023]控制器12包括:三個連接到外部裝置的連接端子N1、N2和N3 ;驅動信號發生器
21;溫度估計器22 ;異常判定器23 ;過電流判定器24 ;反相器25 ;以及與門26。
[0024]當從外部開關等提供了輸入信號時驅動信號發生器21生成PWM信號，並且將生成的PWM信號輸出到與門26。當從過電流判定器24提供了 DC驅動指令信號時，驅動信號發生器21將PWM信號改變成DC信號，並且然後將該DC信號輸出到與門26。
[0025]溫度估計器22通過基於電流傳感器Ila檢測的電流值和電流的導通時間的下文描述的方法估計切換電路的纜線的溫度。
[0026]當由溫度估計器22估計的纜線溫度超過預定的閾值溫度時，異常判定器23輸出溫度異常信號。即，異常判定器23將輸出信號由低電平變成高電平。反相器25在將信號反轉之後輸出輸入信號。即，當處於高電平的信號作為溫度異常信號從異常判定器23中輸出時，反相器25將高電平信號反轉成低電平信號。
[0027]當由電流傳感器Ila檢測的電流值超過預定的閾值電流Ith時，過電流判定器24將DC驅動指令信號輸出到驅動信號發生器21。
[0028]當驅動信號發生器21的輸出信號與反相器25的輸出信號二者都位於高電平時，與門26輸出位於高電平的信號。
[0029](纜線溫度的估計過程)
[0030]接下來，下文說明由溫度估計器22估計纜線溫度的過程。
[0031]首先，說明增加的溫度的計算過程。當電流在連接到負載RL的纜線中流過時，能夠根據下面的公式(I)計算纜線中消耗的功率=Pcin(瓦特)，
[0032]Pcin = rc I2,...(I)
[0033]其中rc是纜線的阻抗(歐姆)，並且I是在纜線中流過的電流(安培)。
[0034]此外，能夠根據下面的公式(2)計算每單位時間從纜線釋放的能量=Pcout (瓦特)，
[0035]Pcout = Qc (n-1) / (Cth Rth)，...(2)
[0036]其中Rth是纜線的熱阻抗(攝氏度/瓦特)，Cth是纜線的熱容量(焦耳/攝氏度)，並且Qc (η-1)是最終採樣之後纜線的熱量的最終值(焦耳)。
[0037]此外，基於公式(I)和(2)計算差值(Pcin-Pcout)，而後將該差值乘以在最近的採樣之後經過的時間:dt(秒)。從而，能夠計算在最近採樣之後當前生成的熱量或者放射的熱量。因此，能夠利用下面的公式(3)計算在最近採樣之後當前在纜線中儲存的熱量:Qc (n) (dt)(焦耳),
[0038]Qc (n) (dt) = Qc (n-1) + (Pcin-Pcout) dt0...(3)
[0039]此外，能夠通過將熱量Qc (n) (dt)除以熱容量Cth來計算纜線的增加的溫度:dT(dt)(攝氏度)。即，能夠利用下面的公式(4)計算增加的溫度dT(dt) =Qc (n) (dt)/Cth。…(4)
[0040]然後，將由公式(4)計算的dT(dt)加上根據最後採樣而計算的最終估計溫度(在初始階段中，外界溫度)，使得能夠計算在最近採樣之後當前的估計溫度。
[0041](操作說明)
[0042]通過參考圖3中所示的流程圖說明根據實施例的切換電路保護器的操作。
[0043]首先，在步驟Sll中，驅動信號發生器21檢測是否接通輸入信號。當輸入信號關斷時(在步驟Sll中為否)，驅動信號發生器21在步驟S15中將驅動信號關斷。S卩，驅動信號發生器21不輸出驅動信號(使輸出信號為低電平)。
[0044]當接通輸入信號時(步驟Sll中為是)，根據由電流傳感器Ila檢測的電流值，過電流判定器24判定在纜線中流過的電流是否超過了閾值電流Ith。當過電流判定器24判定為電流未超過閾值電流Ith時；S卩，判定在纜線中未產生過電流時(在步驟S12中為否)，在步驟S13中過電流判定器24將PWM信號的輸出指令輸出到驅動信號發生器21。即，當纜線中流過的電流是正常電流時，利用PWM控制半導體裝置11以驅動負載RL。
[0045]當過電流判定器24判定電流超過閾值電流時；即，判定在纜線中產生了過電流時(在步驟S12中為是)，在步驟S14中過電流判定器24將DC信號的輸出指令輸出到驅動信號發生器21。因此，從驅動信號發生器21輸出的驅動信號從PWM信號切換到DC信號。因此，使半導體裝置11轉換到DC驅動狀態，即，保持在接通狀態，使得半導體裝置11將電力供應到負載RL。
[0046]接下來，通過參考圖4示出的時序圖進一步說明上文描述的操作。在圖4中，繪圖(a)表示控制器12的採樣周期，繪圖(b)表示半導體裝置11的接通/關斷信號，繪圖(C)表示在切換電路中流過的電流，以及繪圖(d)表示由溫度估計器22估計的纜線的估計溫度。
[0047]一旦PWM信號從驅動信號發生器21中輸出，並且因此半導體裝置11處於PWM驅動狀態，如繪圖(b)所示，半導體裝置11在時間tl處接通。然後，如繪圖(C)所示，與半導體裝置11的接通狀態相關聯地，電流開始在切換電路的纜線中流過。隨後，當在切換電路中流過的電流超過預定的閾值電流Ith時，過電流判定器24判定產生了過電流，並且驅動信號發生器21將輸出信號從PWM信號變為DC信號。
[0048]因此，控制半導體裝置11以在DC驅動狀態中操作。從而，雖然如果維持了 PWM驅動，半導體裝置11應該在時間t3處關斷，但是由於轉換到DC驅動狀態，半導體裝置11在時間t3保持在接通狀態下。
[0049]在時間t2溫度估計器22開始估計纜線的溫度，這是在時間tl之後的第一個採樣時刻，並且估計的溫度如繪圖(d)所示地逐漸增加。估計的溫度超過時間t3繼續增加，並且在時間t4到達閾值溫度Tth。因此，異常判定器23檢測到纜線的溫度異常，並從而將輸出信號由低電平改變為高電平。
[0050]結果，與門26的輸出信號從高電平轉換為低電平，並且半導體裝置11由此關斷。由於當過電流判定器24判定在切換電路中流過的電流超過了閾值電流Ith時半導體裝置11從PWM驅動狀態轉換到DC驅動狀態，由溫度估計器22估計的纜線的溫度繼續增加，而後到達了閾值溫度Tth，並且結果，使半導體11切斷。
[0051]當由電流傳感器Ila檢測到的電流值減小而後下降到低於閾值電流Ith時，過電流判定器24將輸出到驅動信號發生器21的信號從DC驅動指令改變為PWM驅動指令。因此，半導體裝置11再次轉換到PWM驅動狀態，從而利用正常的操作驅動負載RL。
[0052]因此，在根據實施例的切換電路保護器中，電流傳感器Ila檢測在切換電路中流過的電流，並且當電流超過閾值電流Ith時，半導體裝置11被控制在DC驅動狀態下操作。因此，在根據實施例的切換電路保護器中，即使當如在【背景技術】中描述的情況那樣在纜線的實際溫度與估計溫度之間產生了誤差，所述估計溫度隨時間增加，而後超過閾值溫度Tth。因此，能夠確定地切斷半導體裝置11，並且能夠保護切換電路和負載RL免於過熱。
[0053]例如，當在切換電路中產生了完全短路電路時，以切斷半導體裝置11的方式計算纜線的估計溫度。因此，能夠保護切換電路免於由於完全短路電路而生熱。
[0054]此外，由於當在纜線中產生過電流時半導體裝置11轉換到DC驅動狀態，能夠減少半導體裝置11在過電流狀態下的切換次數。因此，能夠減小對半導體裝置11的損壞。
[0055]此外，當在半導體裝置11轉換到DC驅動狀態之後，在纜線的估計溫度超過閾值溫度Tth之前，電流減小並下降到低於閾值電流Ith時，半導體裝置11再次轉換到PWM驅動狀態，以返回到正常操作。即使當在接通半導體裝置11時引起的湧入電流的情況下或在諸如噪聲的短時過電流的情況下，半導體裝置11未切斷，並且半導體裝置11 一度轉換到DC驅動狀態時，半導體裝置I能夠相應地返回到PWM驅動狀態。從而，能夠驅動半導體裝置11而不會意外切斷半導體裝置11。
[0056]雖然以上說明了根據實施例的切換電路保護器，但本發明不限於其描述，並且能夠用具有同樣功能的任意構造替代各個構造。
[0057]工業適用性
[0058]本發明能夠用於保護驅動負載的切換電路免於過熱。
【權利要求】
1.一種切換電路保護器，該切換電路保護器用於保護將電源連接到負載的切換電路免於生熱，該切換電路保護器包括: 半導體開關，該半導體開關設置在所述切換電路中，以將所述負載從驅動狀態切換到停止狀態； 電流傳感器，該電流傳感器用於檢測在所述切換電路中流過的電流； 控制器，該控制器被構造成當接收到PMW驅動輸入信號時，控制所述半導體開關以在PWM驅動狀態下操作； 溫度估計器，基於在所述切換電路中流過的所述電流和所述電流的導通時間，該溫度估計器估計所述切換電路的纜線的溫度作為估計溫度； 異常判定器，當所述估計溫度超過預定的閾值溫度時，該異常判定器將關斷指令輸出到所述半導體開關；以及 過電流判定器，該過電流判定器判定由所述電流傳感器檢測到的所述電流是否超過預定的閾值電流，其中 當所述過電流判定器判定所述電流超過所述閾值電流時，所述控制器將所述半導體開關從所述PWM驅動狀態改變為DC驅動狀態。
2.根據權利要求1所述的切換電路保護器，其中， 所述控制器被構造成在所述過電流判定器判定為所述電流超過所述閾值電流之後，當所述電流下降到低於所述閾值電流時，控制所述半導體開關，以從所述DC驅動狀態返回到所述PWM驅動狀態。
【文檔編號】H02H5/04GK104247190SQ201380021551
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年4月5日 優先權日:2012年4月24日
【發明者】上田圭祐, 丸山晃則, 中村吉秀, 生田宜範 申請人:矢崎總業株式會社