(57)【要約】電力半導体における迅速な短絡防止装置を提案する。この装置では少なくとも１つの電力半導体（１０、３８）を介して少なくとも１つの電気負荷（２４）に負荷電流（ＩＬ）が印加され、電流検出手段（１４、１８、４６）により電気負荷（２４）に印加される負荷電流（ＩＬ）に対する尺度量（Ｖｉｓ）が調整され、半導体保護回路（３０、３２、３４、３６）により、電力半導体（１０）の損傷が迫っているとき、当該の電力半導体が保護動作モードで駆動される。ここで半導体保護回路のほか、少なくとも１つの別の電子モジュール（６２、７２、７４）が設けられており、負荷電流（ＩＬ）または負荷電流の尺度量（Ｖｉｓ）と限界値（６０、ＶＣＣ）とが比較される。また監視手段が設けられており、この監視手段により、限界値（６０、ＶＣＣ）が上方超過または下方超過された場合に電力半導体（１０）が電気負荷（２４）に関連する保護動作モードで駆動される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電力半導体（１０、３８）を介して少なくとも１つの電気負荷（２４）に負荷電流（ＩＬ）が印加され、
電流検出手段（１４、１８、４６）により電気負荷（２４）に印加される負荷電流（ＩＬ）に対する尺度量（Ｖｉｓ）が調製され、
半導体保護回路（３０、３２、３４、３６）により、電力半導体（１０）の損傷の危険が迫っているとき、当該の電力半導体が保護動作モードで駆動される
電力半導体における迅速な短絡防止装置において、
半導体保護回路（３０、３２、３４、３６）のほか、少なくとも１つの別の電子モジュール（６２、７２、７４）が設けられており、負荷電流（ＩＬ）または負荷電流の尺度量（Ｖｉｓ）と所定の限界値（６０、ＶＣＣ）とが比較され、
監視手段（３４、７６、７８、８６）が設けられており、該監視手段により、限界値（６０、ＶＣＣ）が上方超過または下方超過された場合に電力半導体（１０）が電気負荷（２４）に関連する保護動作モードで駆動される
ことを特徴とする電力半導体における迅速な短絡防止装置。
【請求項２】
電子モジュールとして比較器（６２、７４）および／またはトランジスタ段（７２）が設けられている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
ロック回路が設けられており、該回路により電気負荷（２４）に関連する保護動作モードの新たな開始が遮断される、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
限界値（６０、ＶＣＣ）が上方超過または下方超過された場合に電気負荷（２４）に関連する保護動作モードで半導体保護回路（３０、３２、３４、３６）がアクティブとなる、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
電力半導体（１０、３８）の制御入力側（１６）が電流検出に使用される、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
ロック回路のステータスが検出される、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
電気負荷（２４）に関連する保護動作モードで当該の電気負荷（２４）に許可可能な最小の負荷電流（ＩＬ）または許可可能な最大の負荷電流（ＩＬ）が印加される、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
車両の２電圧電源回路網で使用される、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
従来技術
本発明は独立請求項の上位概念記載の電力半導体における迅速な短絡防止装置に関する。
【０００２】
文献Ａ．Ｂｌｅｓｓｉｎｇ， Ａ．Ｇｒａｆ， Ｐ．Ｓｏｍｍｅｒ， ”Ｓｅｎｓｅ−Ｈｉｓｉｄｅ−Ｓｃｈａｌｔｅｒ ｕｅｂｅｒｎｉｍｍｍｔ Ｓｉｃｈｅｒｕｎｇｓｆｕｎｋｔｉｏｎｅｎ”， ｉｎ： ”Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ５−６／９７” の３２頁〜３５頁から、重要な保護機能の組み込まれたセンスハイサイドスイッチ（ＢＴＳ６４０Ｓ２）が知られる。つまりここには常にアクティブのオーバーヒート遮断部と電流制限手段とが設けられている。この電力半導体のいわゆるセンス出力側では、負荷電流に比例する信号が取り出される。このセンス電圧はマイクロコントローラのＡ／Ｄコンバータを介して評価され、例えば保護機能部のためにさらに処理される。
【０００３】
ただしこの電力半導体には内部の電流制限手段や、遮断電流の値を外部から変更するための手段は設けられていない。電力半導体の使用状況に応じて、接続された負荷で発生する最大ピーク電流は種々に強く変化する。たいていの場合、電流制限手段は電力電子回路のメーカで電力半導体の保護を保証するためにきわめて高度に調整されている。各アプリケーションごとに持続電流および／または最大ピーク電流の正確に適合化された電力半導体を使用することはできないため、しばしば設計の合わない電力半導体を使用しなければならない。これにより例えば短絡が発生したときこれを識別して対抗手段を導入するまでに、プラグ、基板、導体路、ケーブルまたは短絡シンクを通って不要に高い電流が流れることになる。短絡に関連するモジュールを電力半導体の短絡電流に合わせて設計する必要をできるだけ低減するためには、電力半導体の短絡時の遮断を迅速に行うことが望ましい。アプリケーションへの適応が可能な短絡遮断部は２電圧電源回路網（１２Ｖ・４２Ｖ）に関連して、２つの電圧レベル間での短絡を制御する点で特に重要である。
【０００４】
このような多電圧電源回路網は、例えば独国特許出願公開第１９９４４８３３号公報に記載されている。ここでは多電圧電源回路網の２つの電圧レベルのあいだに短絡防止手段が設けられており、短絡が低減され、２つの電圧レベル間の短絡の効果が抑圧され、および／または短絡時に損傷のおそれのある負荷が保護および遮断される。生じうる過電流の評価はプログラム制御された状態でマイクロコントローラにより行われる。
【０００５】
本発明の課題は、短絡防止の確実性を高めた装置を提供することである。しかもこれを低コストで達成することが望ましい。
【０００６】
この課題は独立請求項の特徴部分に記載の構成により解決される。
【０００７】
本発明の利点
本発明の電力半導体における迅速な短絡防止装置には、少なくとも１つの電力半導体が設けられており、この電力半導体を介して少なくとも１つの電気負荷に負荷電流が印加される。ここには電流検出手段が設けられており、電気負荷に印加される負荷電流に対する尺度量が調整される。また半導体保護回路により、電力半導体の損傷の危険が迫っているとき、当該の電力半導体が保護動作モードで駆動される。本発明によれば、半導体保護回路のほか、少なくとも１つの別の電子モジュールが設けられており、負荷電流または負荷電流の尺度量と限界値とが比較される。ここで監視手段が設けられており、この監視手段により、限界値が上方超過または下方超過された場合に電力半導体が保護動作モードで電気負荷に相応に駆動される。
【０００８】
本発明によれば付加的な負荷電流監視がハードウェア回路により実現される。これによりソフトウェアベースの評価に比べて、生じうるオーバーロードの識別が迅速になるという利点が得られる。これにより迅速に電気負荷を確実に保護する対抗措置を導入できる。電力半導体の短絡を遮断する際の値は有利にはユーザによって設定可能である。したがってユーザは電力半導体の限界値を適宜設計して任意の負荷を駆動できるようになる。
【０００９】
有利な実施形態では、ロック回路が設けられており、この回路により限界値が中間時点で下回られたとき、電力半導体の作動が遮断される。スイッチオン過程およびスイッチオフ過程が電力半導体および電気負荷にとって特に危険であるため、ロック回路により電力半導体および／または電気負荷の破壊防止の確実性が高められる。ロック状態はさらなる処理の際に問い合わされる。意図的なアンロック信号によってはじめて電力半導体にふたたび通常動作を行わせることができる。こうした意図的な制御によりユーザが電力半導体の保護機能部に対して望む制御可能性が高められる。
【００１０】
他の有利な実施形態は従属請求項および以下の説明から得られる。
【００１１】
図面
本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。
【００１２】
図１、図２には電力半導体の典型的な構成が示されている。図３には電力半導体の内部に実現された付加的な保護機能部が示されている。図４には電力半導体の外側に構成された保護機能部が示されている。図５には本発明の電力半導体装置が有利に使用される典型的な２電圧電源回路網が示されている。
【００１３】
実施例の説明
集積された電力半導体１０は少なくとも１つの負荷出力側１２を有しており、この出力側を介して負荷２４へ負荷電流ＩＬが供給される。負荷電流はアース２６へ流れる。電力半導体１０の作動のためにスイッチング手段２０が設けられており、このスイッチング手段が閉成されると電力半導体１０の制御入力側１６は論理基準電位２２へ置かれる。電力半導体１０はカレントミラー出力側１４を有しており、負荷電流ＩＬに比例する電流は測定抵抗１８を介して論理基準電位２２へ流れる。測定抵抗１８で生じる電圧降下Ｖｉｓが評価される。
【００１４】
図２の実施例では電力半導体１０の個々のコンポーネントが詳細に示されている。ここには種々の保護機能部および評価機能部が設けられており、例えば電圧源３０、過電圧防止部３２、電流制限手段３４、ゲート保護部３６、固有のパワースイッチ３８、電圧センサ４０、電荷ポンプ４２、誘導負荷に対する保護回路４４、電流検出部４６、静電防止手段４８、論理回路５０、および温度センサ５２である。このほかに図１のコンポーネントに相応する外部コンポーネントも設けられている。
【００１５】
図３の実施例は電力半導体１０の電流制限手段３４に内部で直接に作用する保護回路として用いられる。このためにスイッチング手段２０が閉成されて電力半導体１０がアクティブになると、カレントミラー出力側１４は測定抵抗１８を介して制御入力側１６に接続される。測定抵抗１８で降下する電圧Ｖｉｓは比較器６２により基準電圧６０と比較される。比較器６２の出力信号が電流制限手段３４に供給される。
【００１６】
図４の実施例では測定抵抗１８で降下する電圧Ｖｉｓが例えばＲＣ素子から成るフィルタ７０により平滑化される。平滑化された出力電圧はトランジスタ段７２またはこれに代わる比較器７４の反転入力側に供給される。平滑化された電圧Ｖｉｓが所定の限界値ＶＣＣを上回ると、トランジスタ段７２の出力信号も比較器段７４の出力信号も論理０となる。これらの出力信号が第１のＡＮＤゲート７６へ供給され、さらにその出力信号が第２のＡＮＤゲート７８で入力信号として用いられる。第１のＡＮＤゲート７６の出力信号はホールド抵抗（Ｓｅｌｂｓｔｈａｌｔｅｗｉｄｅｒｓｔａｎｄ）８０を介して第１のＡＮＤゲート７６の第２の入力側へ達する。アンロック信号８４もダイオードを介して同様に第１のＡＮＤゲート７６の第２の入力側へ達する。さらにロック回路またはホールド回路（Ｓｅｌｂｓｔｈａｌｔｅｓｃｈａｌｔｕｎｇ）のステータスも２つの抵抗を介して問い合わされ、Ｐｉｎを介してロック回路のアンロック信号８４も供給される。第２のＡＮＤゲート７８の第２の入力側には電力半導体１０（および負荷２４）の規則的な駆動信号８２が印加される。通常駆動モードでの作動要求があるとスイッチング手段８６が駆動され、電力半導体１０の制御入力側１６が論理基準電位２２に置かれ、これにより図４には示されていない電気負荷２４に負荷電流ＩＬが印加される。
【００１７】
図５には車両の２電圧電源回路網の主要な構成部分が示されている。個々に云うと、参照記号Ｇでジェネレータ、例えば車両機関によって駆動されるクローポールジェネレータが示されている。ジェネレータＧは例えば４２Ｖの出力電圧ＵＯを送出し、これは直接にバッテリＢ１の定格電圧３６Ｖでの充電に用いられる。ジェネレータＧとバッテリＢ１とのあいだの配線抵抗は抵抗Ｒ１、Ｒ２で示されている。ジェネレータＧには電圧ＵＯを供給すべき電流消費部Ｖ１が接続されている。ここで電流消費部Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８は電気負荷２４の実施例として示されており、これは例えば電力半導体Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を介してジェネレータＧに接続される。電力半導体Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は構造に応じてインバースダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３および内部抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５を有している。
【００１８】
第２のバッテリＢ２はジェネレータＧから直流電圧変換器Ｗ１を介して充電される。直流電圧変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）Ｗ１は電圧ＵＯ＝４２ＶをバッテリＢ２の定格電圧１２Ｖでの充電に適したＵ１＝１４Ｖへ変換する。電圧変換器Ｗ１からバッテリＢ２への電圧Ｕ１の供給はスイッチＳ１と配線抵抗Ｒ９を備えた線路とを介して行われる。抵抗Ｒ９はバッテリＢ２の内部抵抗を含む。
【００１９】
バッテリＢ２は比較的小さな電圧、例えば１２Ｖ〜１４Ｖを必要とする電流消費部への給電に用いられる。この接続は信号パワーディストリビュータ（Ｓｉｇｎａｌ−Ｌｅｉｓｔｕｎｇｓｖｅｒｔｅｉｌｅｒ）Ｖ２を介して行われる。当該の電流消費部は参照記号Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５で示されており、これらは電力半導体Ｈ４、Ｈ５、Ｈ７を介してスイッチオンされる。電力半導体はそれぞれインバースダイオードＤ４、Ｄ５、Ｄ６を有している。電流消費部Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５間の配線抵抗はＲ１０、Ｒ１１、Ｒ１２で示されている。
【００２０】
ＳＬＶ２を介して１２Ｖ〜１４Ｖの電圧を供給すべき電流消費部にはツェナーダイオードＺ１および別のダイオードＤ７の判別部が属しており、これらは相互に過電圧保護部を形成している。ただしツェナーダイオードＺ１および別のダイオードＤ７は可能な電圧制限手段の１つとして例示したにすぎない。その他の制限回路を使用しても良い。
【００２１】
２つの電圧レベルのそれぞれに対する電流消費部は最適な駆動モードへの電圧要求に依存して選択される。スタータは例えば１２Ｖバッテリに接続されるか、または３６Ｖバッテリに接続される。電力半導体が１４Ｖ側で使用される場合、スイッチは当該の電力半導体につねに設けられているインバースダイオードを介して短絡した１４Ｖ負荷に導通してしまい、これにより４２Ｖ用には構成されていない１４Ｖ負荷全体が危険にさらされる。図５にはこのような短絡の例が示されている。抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ１３とのあいだの電圧側の抵抗ＲＫが短絡しているが、その作用は本発明により緩和される。抵抗ＲＫによって示されている短絡をどの程度まで制限できるかについて、以下詳細に説明する。
【００２２】
図１、図２の実施例では、測定抵抗１８がカレントミラー出力側１４の出力電流ＩＳを負荷電流ＩＬに比例する（一般には直接に比例する）電圧信号Ｖｉｓへ変換する。測定抵抗１８は適用のケースごとに問題となる電流領域を値０とピーク電流とのあいだでＡ／Ｄコンバータにとって通常の電圧領域、例えば０Ｖ〜５Ｖの領域へマッピングする。測定抵抗１８で降下する電圧Ｖｉｓが５Ｖよりも大きい場合、所望の電流領域を外れてしまう。このことは一般にエラーのケースをシグナリングしており、例えばシステム全体での短絡が起こっていることになる。この場合、電力半導体１０を保護モードで駆動しなければならない。保護モードとしては例えば電流制限手段による駆動、または電力半導体１０の完全な遮断などが考えられる。
【００２３】
一般に電力半導体１０は論理基準電位２２を取り出す手段を有さず、測定抵抗１８での論理基準電位２２に対する電圧降下は検出できない。この問題を解決するために、測定抵抗１８で降下する電圧Ｖｉｓを制御入力側１６で取り出される電位に対して測定することが提案される。なぜなら電力半導体１０を駆動する場合、スイッチング手段２０が閉成され、これにより制御入力側１６が論理基準電位２２へ置かれるからである。また監視が重要となってくるのは電力半導体１０がアクティブであるときのみなので、制御入力側１６は前述の適用形態に適している。
【００２４】
図３によれば、電子モジュールとしての比較器６２が測定抵抗１８で降下する電圧Ｖｉｓと基準電圧６０とを比較する。これは前述の理由から５．５Ｖ付近にあり、負荷電流ＩＬの動作領域の上方超過を確実に検出できる。測定抵抗１８で降下する電圧Ｖｉｓが基準電圧６０を上回ると、比較器６２の出力信号により電力半導体１０内に集積されている電流制限手段３４がアクティブとなる。この電流制限手段により直接に電力半導体１０、３８が遮断されるか、または測定抵抗１８で降下する電圧が最大で５．５Ｖにまで制御される。これにより負荷電流ＩＬが基準電圧６０に比例する値へ制限される。ユーザは基準電圧６０を各適用ケースまたは駆動すべき電気負荷２４へ適合化することができる。付加的な回路は既存の電力半導体１０の回路に比べて小さく、新たにかかるコストはきわめて小さい。しかも本発明によれば、電力半導体１０の機能を半導体回路そのものの内部への介入なしに著しく確実に保証することができる。ユーザは従来の配線を変更する必要はない。
【００２５】
図４の実施例では外部の監視手段が設けられており、これにより同時に電力半導体１０の迅速な遮断が達成される。保護機能の実現に対して、図３の実施例とは異なり、ここでは電力半導体１０の内部の電流制限手段３４に依存する必要はない。電流制限手段に代えて、電力半導体１０の遮断は制御入力側１６を介して行われる。これを以下に説明する。
【００２６】
通常駆動モードでは負荷電流ＩＬは許可領域にある。したがって第１のＡＮＤゲート７６の出力信号は論理１のステータスを有しており、駆動信号８２は阻止されずにスイッチング手段８６の制御入力側へ接続されている。駆動信号８２が負荷２４の作動要求をシグナリングすると、スイッチング手段８６により制御入力側１６が論理基準電位２２へ置かれる。これにより負荷２４に負荷電流ＩＬが印加される。負荷電流ＩＬに比例する信号はカレントミラー出力側１４へ供給される。測定抵抗１８で降下する電圧Ｖｉｓは（オプションで設けられる）ＲＣ素子７０により平滑化される。このようにして平滑化された出力信号はトランジスタ段７２または比較器段７４へ供給され、これが設定された限界値を上方超過するか否かが監視される。この実施例では限界値はＶＣＣ信号として選定されているので、約５Ｖである。
【００２７】
測定抵抗１８で降下する平滑化電圧Ｖｉｓが５Ｖの基準電圧ＶＣＣを上回る場合、トランジスタ段７２または比較器段７４から論理０の出力信号が送出される。論理０のこの出力信号は第１のＡＮＤゲート７６へ供給され、その出力信号も論理０の値をとる。第１のＡＮＤゲート７６の出力信号は第２のＡＮＤゲート７８の入力信号としても使用されるので、第２のＡＮＤゲート７８の出力信号の値も論理０のステータスへ変化する。このときスイッチング手段８６は駆動されず、制御入力側１６は論理基準電位２２へは置かれない。これにより電力半導体１０が遮断され、負荷２４を流れる負荷電流ＩＬも遮断される。
【００２８】
電力半導体１０が直ちに再びアクティブとなるのを阻止するために、ロック回路が設けられている。このために第１のＡＮＤゲート７６の出力信号がホールド抵抗８０を介して第１のＡＮＤゲート７６の第２の入力側へ達する。このように、いったん監視機能部がアクティブになって論理０の信号が第１のＡＮＤゲート７６の第２の入力側へ印加されると、２つのＡＮＤゲート７６、７８の出力信号は所定の期間だけ論理０にとどまる。ロック回路のステータスは信号８４により問い合わされる。他の評価法を用いても良い。論理０のステータスを有するロック信号は保護機能部がアクティブとなったことをシグナリングする。電力半導体１０を再び駆動可能にするためには、ユーザが論理１のステータスを有する信号８４を第１のＡＮＤゲート７６の第２の入力側へ供給しなければならない。通常の場合、負荷電流ＩＬは限界値ＶＣＣを超過しなくなるので、第１のＡＮＤゲート７６に論理１の２つの信号が印加され、その出力信号が同様に論理１の値を有する。これにより出力信号８２は第２のＡＮＤゲート７８の出力側に導通され、スイッチング手段８６の所望の作動が制御入力側１６への相応の信号印加により許可される。このようにして半導体１０は再び駆動可能となり、電気負荷２４を通る負荷電流ＩＬも再び流れるようになる。
【００２９】
電力半導体１０は図５の実施例では前述のように電力半導体Ｈ１〜Ｈ６として使用することができる。多電圧電源回路網の異なる電圧レベルＵ１とＵ０とのあいだで短絡が発生すると、電子モジュールが早い時点で許容不能な負荷電流ＩＬを検出し、対抗措置を導入するのに寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】電力半導体の第１の構成を示す図である。
【図２】電力半導体の第２の構成を示す図である。
【図３】電力半導体の内部に実現された付加的な保護機能部を示す図である。
【図４】電力半導体の外部に実現された付加的な保護機能部を示す図である。
【図５】典型的な２電圧電源回路網を示す図である。
【国際公開パンフレット】
2004505599.tif 000003
2004505599.tif 000004
2004505599.tif 000005
2004505599.tif 000006
2004505599.tif 000007
2004505599.tif 000008
2004505599.tif 000009
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2004505599.tif 000019
2004505599.tif 000020
2004505599.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成14年4月16日(2002.4.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
少なくとも１つの電力半導体（１０、３８）を介して少なくとも１つの電気負荷（２４）に負荷電流（ＩＬ）が印加され、
電流検出手段（１４、１８、４６）により電気負荷（２４）に印加される負荷電流（ＩＬ）に対する尺度量（Ｖｉｓ）が調製され、
半導体保護回路（３０、３２、３４、３６）により、電力半導体（１０、３８）の損傷の危険が迫っているとき、当該の電力半導体（１０、３８）が保護動作モードで駆動される
電力半導体における迅速な短絡防止装置において、
半導体保護回路（３０、３２、３４、３６）のほか、少なくとも１つの別の電子モジュール（６２、７２、７４）が設けられており、該モジュールにより負荷電流（ＩＬ）または負荷電流の尺度量（Ｖｉｓ）と所定の限界値（６０、ＶＣＣ）とが比較され、
監視手段（３４、７６、７８、８６）が設けられており、該監視手段により、限界値（６０、ＶＣＣ）が上方超過または下方超過された場合に電力半導体（１０）が電気負荷（２４）に関連する保護動作モードで駆動され、
ここで限界値が（６０、ＶＣＣ）が上方超過または下方超過されると、電気負荷（２４）に関連する保護動作モードで半導体保護回路（３０、３２、３４、３６）がアクティブとなる
ことを特徴とする電力半導体における迅速な短絡防止装置。
【国際調査報告】
2004505599.tif 000022
2004505599.tif 000023
2004505599.tif 000024
2004505599.tif 000025
2004505599.tif 000026
2004505599.tif 000027