(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワートランジスタデバイスの電流を検出するための装置（１）において、前記装置（１）は、
・パワートランジスタ（２）と、
・第１トランジスタ（４）及び第１抵抗（５）を有する第１直列回路（９）であって、前記第１抵抗（５）は、前記第１トランジスタ（４）のソース端子に接続されている、第１直列回路（９）と、
・第２トランジスタ（６）及び第２抵抗（７）を有する第２直列回路（１０）であって、前記第２抵抗（７）は、前記第２トランジスタ（６）のソース端子に接続されている、第２直列回路（１０）と、
・制御ユニット（８）と、
を備え、
前記第１直列回路（９）と前記第２直列回路（１０）と前記パワートランジスタ（２）とは、互いに並列に配置されており、
前記第１抵抗（５）は、前記第１トランジスタ（４）がスイッチオンされている場合には、前記第１トランジスタ（４）に導電的に接続され、
前記第２抵抗（７）は、前記第２トランジスタ（６）がスイッチオンされている場合には、前記第２トランジスタ（６）に導電的に接続され、
前記第１トランジスタ（４）のゲート端子は、前記パワートランジスタ（２）がスイッチオンされている場合には、前記パワートランジスタ（２）のゲート端子に導電的に接続され、
前記制御ユニット（８）は、前記パワートランジスタ（２）と前記第１トランジスタ（４）と前記第２トランジスタ（６）とを制御し、前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）をスイッチオンし、
前記制御ユニット（８）は、前記第１抵抗（５）における電圧降下を表す第１電圧電位（１１）を検出し、
前記制御ユニット（８）は、前記第１電圧電位（１１）と前記第１抵抗（５）とに基づいて電流を求め、
前記制御ユニット（８）は、前記電流が所定の閾値（２０）よりも小さい場合には、前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）をスイッチオフし、且つ、前記第２トランジスタ（６）をスイッチオンし、これによって前記電流は、前記第２トランジスタ（６）を通って流れ、
前記制御ユニット（８）は、タイマを有し、これによって前記制御ユニット（８）は、前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）の前記スイッチオフを、所定の期間にわたって実施し、当該期間が経過した後、前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）を再びスイッチオンし、且つ、前記第２トランジスタ（６）をスイッチオフする、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１抵抗（５）と前記第２抵抗（７）とは、それぞれ異なる抵抗値を有する、
請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記第１抵抗（５）は、前記第２抵抗（７）の抵抗値よりも小さく、且つ、前記第２抵抗（７）の抵抗値の少なくとも１０分の１の抵抗値を有する、
請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記第２抵抗（７）として、前記第２トランジスタ（６）のオン抵抗が機能する、
請求項１から３のいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記第１トランジスタ（４）と前記第２トランジスタ（６）とは、同一のトランジスタ型を有する、
請求項１から４のいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記トランジスタ型は、ｎ型ＭＯＳ又はｐ型ＭＯＳトランジスタである、
請求項５記載の装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項記載の、パワートランジスタデバイスの電流を検出するための装置を備える、自動車の電気系統負荷のための回路遮断器において、
前記回路遮断器は、ローサイドスイッチとして機能し、
前記回路遮断器は、
・パワートランジスタ（２）と、
・制御ユニット（８）と、
・前記パワートランジスタ（２）のドレイン端子を給電電圧に接続する負荷抵抗と、
・第１トランジスタ（４）及び第１抵抗（５）を有する第１直列回路であって、前記第１抵抗（５）は、前記第１トランジスタ（４）のソース端子に接続されている、第１直列回路と、
・第２トランジスタ（６）及び第２抵抗（７）を有する第２直列回路であって、前記第２抵抗（７）は、前記第２トランジスタ（６）のソース端子に接続されている、第２直列回路と、
を備え、
前記第１直列回路（９）と前記第２直列回路（１０）と前記パワートランジスタ（２）とは、互いに並列に配置されており、
前記第１抵抗（５）は、前記第１トランジスタ（４）がスイッチオンされている場合には、前記第１トランジスタ（４）に導電的に接続され、
前記第２抵抗（７）は、前記第２トランジスタ（６）がスイッチオンされている場合には、前記第２トランジスタ（６）に導電的に接続され、
前記第１トランジスタ（４）のゲート端子は、前記パワートランジスタ（２）がスイッチオンされている場合には、前記パワートランジスタ（２）のゲート端子に導電的に接続され、
前記制御ユニット（８）は、
・前記パワートランジスタ（２）と前記第１トランジスタ（４）と前記第２トランジスタ（６）とを制御し、前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）をスイッチオンし、
・前記第１抵抗（５）における電圧降下を表す第１電圧電位（１１）を検出し、
・前記第１電圧電位（１１）と前記第１抵抗（５）とに基づいて電流を求め、
・前記電流が所定の閾値（２０）よりも小さい場合には、前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）をスイッチオフし、且つ、第２トランジスタ（６）をスイッチオンし、これによって前記電流は、前記第２トランジスタ（６）を通って流れ、
・前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）の前記スイッチオフを、所定の期間にわたって実施し、当該期間が経過した後、前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）を再びスイッチオンし、且つ、前記第２トランジスタ（６）をスイッチオフする、
ことを特徴とする回路遮断器。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項記載の、パワートランジスタデバイスの電流を検出するための装置を備える、自動車の電気系統負荷のための回路遮断器において、
前記回路遮断器は、ハイサイドスイッチとして機能し、
前記回路遮断器は、
・パワートランジスタ（２）と、
・制御ユニット（８）と、
・前記パワートランジスタ（２）のソース端子をアースに接続する負荷抵抗と、
・第１トランジスタ（４）及び第１抵抗（５）を有する第１直列回路であって、前記第１抵抗（５）は、前記第１トランジスタ（４）のソース端子に接続されている、第１直列回路と、
・第２トランジスタ（６）及び第２抵抗（７）を有する第２直列回路であって、前記第２抵抗（７）は、前記第２トランジスタ（６）のソース端子に接続されている、第２直列回路と、
を備え、
前記第１直列回路（９）と前記第２直列回路（１０）と前記パワートランジスタ（２）とは、互いに並列に配置されており、
前記第１抵抗（５）は、前記第１トランジスタ（４）がスイッチオンされている場合には、前記第１トランジスタ（４）に導電的に接続され、
前記第２抵抗（７）は、前記第２トランジスタ（６）がスイッチオンされている場合には、前記第２トランジスタ（６）に導電的に接続され、
前記第１トランジスタ（４）のゲート端子は、前記パワートランジスタ（２）がスイッチオンされている場合には、前記パワートランジスタ（２）のゲート端子に導電的に接続され、
前記制御ユニット（８）は、
・前記パワートランジスタ（２）と前記第１トランジスタ（４）と前記第２トランジスタ（６）とを制御し、前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）をスイッチオンし、
・前記第１抵抗（５）における電圧降下を表す第１電圧電位（１１）を検出し、
・前記第１電圧電位（１１）と前記第１抵抗（５）とに基づいて電流を求め、
・前記電流が所定の閾値（２０）よりも小さい場合には前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）をスイッチオフし、且つ、前記第２トランジスタ（６）をスイッチオンし、これによって前記電流は、前記第２トランジスタ（６）を通って流れ、
・前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）の前記スイッチオフを、所定の期間にわたって実施し、当該期間が経過した後、前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）を再びスイッチオンし、且つ、前記第２トランジスタ（６）をスイッチオフする、
ことを特徴とする回路遮断器。
【請求項９】
請求項１から６のいずれか１項記載の装置におけるパワートランジスタデバイスの電流を検出するための方法において、前記方法は、
・前記制御ユニット（８）によって前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）をスイッチオンし、前記第１トランジスタ（４）の前記ソース端子に接続された前記第１抵抗（５）に通電させるステップ（２００）と、
・前記第１抵抗（５）における電圧降下を表す第１電圧電位（１１）を検出するステップ（２１０）と、
を有し、
前記制御ユニット（８）によって前記第１電圧電位（１１）と前記第１抵抗（５）とに基づいて電流を求め、
前記電流が所定の閾値（２０）よりも小さい場合には、前記制御ユニット（８）によって前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）をスイッチオフし、且つ、前記第２トランジスタ（６）をスイッチオンし、これによって前記電流が、前記第２トランジスタ（６）を通って流れるようにし、
前記制御ユニット（８）によって、前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）の前記スイッチオフを、所定の期間にわたって実施し、当該期間が経過した後、前記パワートランジスタ（２）及び前記第１トランジスタ（４）を再びスイッチオンし、且つ、前記第２トランジスタ（６）をスイッチオフする、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、パワートランジスタデバイスの電流を検出するための装置及び方法と、このような装置を有する回路遮断器とに関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチ又はトランジスタにおける電流を検出するための間接的な方法として、このスイッチの順方向電圧を測定することが知られている。順方向電圧は、オーム領域では電流に比例する電圧を供給するので、オン抵抗を用いて電流を求めることが可能である。
【０００３】
さらには、電流検出回路を負荷電流回路に対して並列に接続して、負荷回路における電流を検出することができる電流検出方法が知られている。このためには電流検出トランジスタを、負荷トランジスタに対して並列に、同一のチップ上に集積することができる。この場合には、２つのトランジスタの各ドレイン端子も各ゲート端子も、互いに接続されている。負荷電流を求めるために、電流検出抵抗における電圧降下が検出される。
【０００４】
この場合には、電流検出トランジスタの抵抗の製造のばらつき又は非線形性が分流比に対して直接的に作用し、電流検出抵抗における電圧に直接的な影響を及ぼすことが欠点である。
【０００５】
さらには、アナログデジタル変換器を用いて電流検出を実施することが知られている。精確な測定を実施するためには、精確な測定抵抗を使用する必要がある。測定抵抗の線形性により、高いダイナミックレンジを有する適合された評価回路によって電流を検出することが可能である。
【０００６】
この場合には、評価回路が例えばオフセット電圧によって測定範囲を小さい電流に限定していることが欠点である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、小さい電流を高精度で検出することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の開示
パワートランジスタデバイスの電流を検出するための本装置及び本方法は、パワートランジスタと、第１直列回路と、第２直列回路とを備え、前記パワートランジスタと前記第１直列回路と前記第２直列回路とは、互いに並列に配置されている。前記第１直列回路は、第１トランジスタ及び第１抵抗を有し、前記第１抵抗は、前記第１トランジスタの負荷電流回路に配置されている。前記第２直列回路は、第２トランジスタ及び第２抵抗を有し、前記第２抵抗は、前記第２トランジスタの負荷電流回路に配置されている。前記第１抵抗は、前記第１トランジスタがスイッチオンされている場合、即ち、導通している場合には、前記第１トランジスタに導電的に接続されている。この場合、導電的に接続されているというのは、負荷電流回路が通電状態であるということを意味している。前記第２抵抗は、前記第２トランジスタがスイッチオンされている場合、即ち、導通している場合には、前記第２トランジスタに導電的に接続されている。前記第１トランジスタのゲート端子は、前記パワートランジスタがスイッチオンされている場合には、前記パワートランジスタのゲート端子に導電的に接続されている。前記第２直列回路は、前記パワートランジスタがスイッチオフされている場合に導通する。さらには、前記パワートランジスタと前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとを制御する制御ユニットが設けられている。前記制御ユニットは、前記パワートランジスタ及び前記第１トランジスタをスイッチオンし、第１電圧電位を検出する。前記第１電圧電位は、前記第１抵抗における電圧降下を表す。前記制御ユニットは、前記第１電圧電位と前記第１抵抗とに基づいて電流を求める。前記制御ユニットは、前記電流が所定の閾値よりも小さい場合には前記パワートランジスタ及び前記第１トランジスタをスイッチオフする。それと同時に前記制御ユニットは、前記第２トランジスタをスイッチオンし、これによって前記電流は、実質的に前記第２トランジスタを通って流れる。この場合、前記所定の閾値は、前記パワートランジスタの負荷回路内の所定の小さい電流を表す。
【０００９】
この場合の利点は、パワートランジスタ及び第１トランジスタをスイッチオフすることによって、パワートランジスタデバイスにおける比較的小さい電流を測定することができることである。
【００１０】
１つの発展形態では、前記制御ユニットは、タイマを有し、これによって前記制御ユニットは、前記第１トランジスタの前記スイッチオフを、所定の期間にわたって実施する。
【００１１】
この場合に有利には、第１トランジスタが所定の期間の間しかスイッチオフされない場合に、本装置の全体損失が最小化される。
【００１２】
別の１つの実施形態では、前記第１抵抗と前記第２抵抗とは、それぞれ異なる抵抗値を有する。特に前記第１抵抗は、前記第２抵抗よりも小さい抵抗値を有し、好ましくは前記第２抵抗の抵抗値の少なくとも１０分の１の抵抗値を有する。
【００１３】
この場合の利点は、並列に接続された複数の直列回路において、複数の異なる大きさの電流を検出することができることである。
【００１４】
１つの発展形態では、前記第２トランジスタのオン抵抗が、前記第２抵抗として機能する。
【００１５】
この場合に有利には、追加的な測定抵抗が不要となり、これによって本装置がよりコンパクトになる。
【００１６】
別の１つの実施形態では、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとは、同一のトランジスタ型を有する。特にこれは、ｎ型ＭＯＳ又はｐ型ＭＯＳトランジスタである。
【００１７】
この場合の利点は、装置の構造が簡単になることである。
【００１８】
自動車の電気系統負荷のための本発明に係る回路遮断器は、パワートランジスタデバイスの電流を検出するための本発明に係る装置を有する。この場合、前記回路遮断器は、ローサイドスイッチ又はハイサイドスイッチとして機能することができる。ローサイドスイッチの場合には、前記回路遮断器は、前記パワートランジスタのドレイン端子を給電電圧に接続する負荷抵抗を有する。ハイサイドスイッチの場合には、前記回路遮断器は、前記パワートランジスタのソース端子をアースに接続する負荷抵抗を有する。
【００１９】
さらなる利点は、実施形態に関する以下の説明又は従属請求項から明らかとなる。
【００２０】
図面の簡単な説明
以下、本発明を、好ましい実施形態と添付図面とに基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】パワートランジスタデバイスの電流を検出するための装置を示す図である。
【図２】パワートランジスタデバイスの電流を検出するための方法を示す図である。
【図３】パワートランジスタの負荷電流回路における所定の小さい電流を表す所定の閾値が記載された電流・電圧曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、パワートランジスタ２の電流を検出するための装置１を示す。装置１は、制御ユニット８と、第１直列回路９と、第２直列回路１０とを有する。第１直列回路９と第２直列回路１０とは、互いに並列に配置されている。第１直列回路９は、第１トランジスタ４及び第１抵抗５を有する。第１抵抗５は、第１トランジスタ４の負荷電流回路に配置されており、即ち、第１抵抗５は、第１トランジスタ４がスイッチオンされている場合には、第１トランジスタ４に導電的に接続されている。この場合、導電的に接続されているというのは、負荷電流回路が電流を流しているということを意味している。第２直列回路１０は、第２トランジスタ６及び第２抵抗７を有し、即ち、第２抵抗７は、第２トランジスタ６がスイッチオンされている場合には、第２トランジスタ６に導電的に接続されている。第２抵抗７は、第２トランジスタ６の負荷電流回路に配置されている。この場合、第１抵抗５及び第２抵抗７は、測定抵抗として、即ち、いわゆる電流検出抵抗又はセンス抵抗として機能し、第１抵抗５は、一般的に高抵抗に選択される第２抵抗７よりも低い値を有する。第１抵抗５に対する第２抵抗７の比は、例えば１／Ｎ×ＦＬであり、但し、Ｎは、パワートランジスタ２及び第１トランジスタ４の分流比又はサイズ比である。ＦＬは、パワートランジスタの負荷電流回路における静止電流に対する負荷電流の比である。１つの実施例では、分流比Ｎ＝１０００であり、静止電流に対する負荷電流の比ＦＬ＝１Ａ／０．１ｍＡであり、この場合には、第１抵抗５は例えば３００Ωの値を有し、第２抵抗は例えば３０００Ωの値を有する。
【００２３】
任意選択的に、第２トランジスタ６のオン抵抗を第２抵抗７として機能させてもよい。
【００２４】
制御ユニット８は、第１電圧電位１１及び第２電圧電位１２を検出することができる少なくとも２つの入力部と、基準電圧、例えばアースを検出することができる１つの入力部１６とを有する。制御ユニット８はさらに、少なくとも１つの第１出力部１４と、少なくとも１つの第２出力部１５とを有する。第１出力部１４は、第２トランジスタ６のゲートを制御し、第２出力部１５は、パワートランジスタ２のゲート及び第１トランジスタ４のゲートを制御する。装置１は、パワートランジスタデバイスを含み、このパワートランジスタデバイスでは、パワートランジスタ２の負荷電流回路に対して並列に、第１直列回路９と第２直列回路１０とが配置されている。第１トランジスタ４のゲート端子は、パワートランジスタ２のゲート端子に接続されている。パワートランジスタ２がスイッチオンされている場合には、ゲートが直接的に接続されていることによって第１トランジスタ４もスイッチオンされている。パワートランジスタ２のドレイン端子３は、給電電圧に接続可能である。
【００２５】
別の１つの実施例では、装置１は、例えば車両の照明又は制御装置のような電気負荷用のローサイドスイッチに使用され、これによって電気負荷のアースがスイッチングされる。このためにパワートランジスタ２のドレイン端子３が、電気負荷を介して給電電圧に接続される。
【００２６】
別の１つの実施例では、装置１は、例えば車両の照明又は制御装置のような電気負荷用のハイサイドスイッチに使用され、これによって電気負荷の給電電圧がスイッチングされる。このためにパワートランジスタ２のソース端子が、電気負荷を介してアースに接続され、パワートランジスタ２のドレイン端子が、給電電圧に接続される。
【００２７】
別の１つの実施例では、装置１は、ローサイドスイッチとして機能するレベル変換器に使用され、これによってレベル変換器のアースがスイッチングされる。このためにパワートランジスタ２のドレイン端子３が、負荷抵抗を介して給電電圧に接続される。
【００２８】
別の１つの実施例では、装置１は、ハイサイドスイッチとして機能するレベル変換器に使用され、これによってレベル変換器の給電電圧ピンがスイッチングされる。このためにパワートランジスタ２のソース端子が、負荷抵抗を介してアースに接続され、パワートランジスタ２のドレイン端子が、給電電圧に接続される。
【００２９】
別の１つの実施例では、第２直列回路１０が、信号評価ユニットと一緒に１つのＡＳＩＣに集積される。高抵抗の第２抵抗により、この集積が省スペースに実現される。ＡＳＩＣの最終試験では、調整を容易に実現することができる。任意選択的に、第１トランジスタ４のゲートドライバと第２トランジスタ６のゲートドライバとをＡＳＩＣ上に集積してもよい。
【００３０】
図２は、パワートランジスタの電流を検出するための方法を示す。本方法は、ステップ２００において、パワートランジスタのゲートと第１トランジスタのゲートとが、制御装置によって制御又はスイッチオンされることによって開始する。これによって第１抵抗が通電され、従って、次のステップ２１０において、第１抵抗における電圧降下を表す第１電圧電位が検出される。次のステップ２１５では、第１電圧電位と第１抵抗とに基づいて電流が求められる。次のステップ２２０では、この電流が所定の閾値２０を下回っているかどうかがチェックされる。この所定の閾値２０は、図３に図示されており、パワートランジスタの電源回路又は負荷電流回路における電気負荷の電流範囲を画定している。この所定の閾値は、特に１ｍＡ未満である。下回っている場合には、次のステップ２３０においてパワートランジスタ及び第１トランジスタがスイッチオフされ、且つ、第２トランジスタがスイッチオンされ、これによって小さい電流を、第２トランジスタを用いて検出することが可能となる。下回っていない場合には、本方法は、終了するか、又は、ステップ２１０を続行する。
【００３１】
任意選択的に、ステップ２３０において、パワートランジスタ及び第１トランジスタを、所定の期間、好ましくは短い期間、例えばナノ秒範囲の期間にわたってスイッチオフすることができ、これによって本装置における損失が最小化される。この期間が経過した後、パワートランジスタ及び第１トランジスタが再びスイッチオンされ、且つ、第２トランジスタがスイッチオフされ、これによって本方法は、ステップ２１０を続行する。
【００３２】
別の１つの実施例では、本方法は、第１トランジスタのゲートと第２トランジスタのゲートとが、制御ユニットによって制御又はスイッチオンされることによって開始する。これによって第１抵抗と第２抵抗とが通電され、従って、次のステップにおいて、第１抵抗における電圧降下を表す第１電圧電位と、第２抵抗における電圧降下を表す第２電圧電位とが検出される。次のステップでは、第１部分電流と第２部分電流とに基づいて合計電流が求められる、即ち、第１部分電流と第２部分電流とが足し合わされる。この場合、第１部分電流は、第１電圧電位と第１抵抗とに基づいて求められ、第２部分電流は、第２電圧電位と第２抵抗とに基づいて求められる。次のステップでは、この合計電流が所定の閾値２０を下回っているかどうかがチェックされる。この所定の閾値２０は、図３に図示されている。この所定の閾値は、特に１ｍＡ未満である。下回っている場合には、次のステップにおいて第１トランジスタがスイッチオフされ、これによって小さい合計電流を、第２トランジスタを用いて検出することが可能となる。下回っていない場合には、本方法は終了する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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