(57)【要約】【課題】ブレードヒューズが開く時に生じる潜在的に有害なエネルギ散逸の影響を軽減するか除去すること。【解決手段】回路保護デバイスが、ソリッドステートリセット可能スイッチと、スイッチの第1部分と電気的に通じている第1端子であって、負荷に接続されるように構成された第1端子とを含む。第2端子が、スイッチの第2部分と電気的に通じているようにされ、第2端子は、電源に接続されるように構成される。コントローラが、累算されたエネルギが事前にセットされたI2t定格と一致するかこれを超える場合にスイッチが開かれることを可能にするように構成され、累算されたエネルギは、(i)負荷とスイッチとまたは(ii)電圧源とスイッチとのうちの1つの間の電気的点から感知された電流に基づく。【選択図】図1
2007174889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソリッドステートリセット可能スイッチと、
前記スイッチの第1部分と電気的に通じている第1端子であって、負荷に接続されるように構成された第1端子と、
前記スイッチの第2部分と電気的に通じている第2端子であって、電源に接続されるように構成された第2端子と、
累算されたエネルギが事前にセットされたI2t定格と一致するかこれを超える場合に前記スイッチが開かれることを可能にするように構成されたコントローラであって、前記累算されたエネルギが、(i)前記負荷と前記スイッチとまたは(ii)前記電源と前記スイッチとのうちの1つの間の電気的点から感知された電流に基づく、コントローラと
を含む、回路保護デバイス。
【請求項２】
前記ソリッドステートリセット可能スイッチが、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、シリコン制御整流器、および機械式リレーからなる群から選択されたタイプのスイッチである、請求項1に記載の回路保護デバイス。
【請求項３】
ハウジングを含み、このハウジングは、(i)前記第1端子および前記第2端子が、前記ハウジングの外部でアクセス可能であるもの、(ii)前記ハウジングは、さらに、少なくとも1つの交換可能ヒューズを受け入れるもの、(iii)前記ハウジングは、複数の前記回路保護デバイスを受け入れるもの、(iv)前記ハウジングは、少なくとも1つの過電圧デバイスを受け入れるもの、(v)前記ハウジングは、自動車ジャンクションボックスのハウジングであるもののうちの少なくとも1つである、請求項1に記載の回路保護デバイス。
【請求項４】
前記電気的点が、(i)前記第1端子と前記スイッチと、または(ii)前記第2端子と前記スイッチとのうちの1つの間に置かれる、請求項1に記載の回路保護デバイス。
【請求項５】
前記コントローラが、(i)マイクロプロセッサと、(ii)メモリと、(iii)集積回路と、(iv)アナログ-ディジタル変換器と、(v)タイマと、(vi)特定用途向け集積回路と、(vii)電圧レギュレータと、(viii)前記スイッチが置かれるプリント回路基板(「PCB」)と異なるPCBに置かれたソフトウェアとのうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の回路保護デバイス。
【請求項６】
前記累算されたエネルギが前記事前にセットされたI2t定格と一致するかこれを超える場合に、前記コントローラが、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタのゲートに印加される電圧が少なくとも実質的に0になることを可能にするように構成される、請求項1に記載の回路保護デバイス。
【請求項７】
前記コントローラが、(i)公称電流を保管し、時間セグメントに関する感知された電流を読み取り、(ii)前記感知された電流が前記公称電流を超える場合に、前記時間セグメントに関する前記累算されたエネルギに加算し、(iii)前記感知された電流が前記公称電流を超える場合に、前記時間セグメントに関する前記累算されたエネルギから減算する、請求項1に記載の回路保護デバイス。
【請求項８】
前記公称電流が、低過負荷保護、短絡保護、および過渡的サイクリングからなる群から選択された故障モードのタイプについてセットされる、請求項7に記載の回路保護デバイス。
【請求項９】
前記公称電流が、前記負荷の少なくとも1つの電力使用特性に基づいてセットされる、請求項7に記載の回路保護デバイス。
【請求項１０】
前記ソリッドステートリセット可能スイッチおよび前記コントローラが、同一ダイ上で提供される、請求項1に記載の回路保護デバイス。
【請求項１１】
前記第1端子および前記第2端子のうちの1つが、リセット可能でないヒューズ要素を形成するために薄くされる、請求項1に記載の回路保護デバイス。
【請求項１２】
前記リセット可能スイッチが、第1スイッチであり、可変電流負荷への電流の流れを変調するように構成された少なくとも1つの追加のリセット可能スイッチを含む、請求項1に記載の回路保護デバイス。
【請求項１３】
リセット可能スイッチと、
前記リセット可能スイッチと共に動作可能な論理インプリメンタであって、時間期間中に前記スイッチに接続された負荷への前記スイッチを通過するエネルギの総量が前記時間期間に関するエネルギの定格量と一致するかこれを超える時に前記スイッチを開くように構成された論理インプリメンタと
を含む、回路保護デバイス。
【請求項１４】
前記論理インプリメンタが、さらに、前記スイッチを通過するエネルギの前記総量が前記時間期間に関するエネルギの前記定格量未満である場合に、前記スイッチを閉じた状態に維持するように構成される、請求項13に記載の回路保護デバイス。
【請求項１５】
前記スイッチを通過するエネルギの前記総量が、I2tと等しく、Iが、前記スイッチを通過する電流の量であり、tが、前記時間期間である、請求項13に記載の回路保護デバイス。
【請求項１６】
前記論理インプリメンタが、さらに、(i)前記スイッチを通過する電流の量がピーク電流定格と一致するかこれを超えることと、(ii)前記スイッチを通過する電流の変化率が最大変化率定格と一致するかこれを超えることと、(iii)前記デバイスで測定される温度が最高温度定格と一致するかこれを超えることとのうちの少なくとも1つの際に前記スイッチを開くように構成される、請求項13に記載の回路保護デバイス。
【請求項１７】
前記論理インプリメンタが、(i)マイクロプロセッサと、(ii)メモリと、(iii)集積回路と、(iv)アナログ-ディジタル変換器と、(v)タイマと、(vi)特定用途向け集積回路と、(vii)電圧レギュレータと、(viii)前記スイッチが置かれるプリント回路基板(「PCB」)と異なるPCBに置かれたソフトウェアとのうちの少なくとも1つを含む、請求項13に記載の回路保護デバイス。
【請求項１８】
前記リセット可能スイッチが、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、シリコン制御整流器、および機械式リレーからなる群から選択されたタイプのスイッチである、請求項13に記載の回路保護デバイス。
【請求項１９】
前記リセット可能スイッチおよび前記論理インプリメンタのうちの少なくとも1つと電気的に通じている端子を含み、前記端子が、リセット可能でないヒューズ要素を形成するために薄くされる、請求項13に記載の回路保護デバイス。
【請求項２０】
リセット可能スイッチと、
前記リセット可能スイッチと共に動作可能な論理インプリメンタであって、(i)公称電流レベルを超えて存在する電流レベルに起因するエネルギを、時間期間中に前記スイッチを通過するエネルギの総量に加算し、(ii)公称電流レベル未満で存在する電流レベルに起因するエネルギを、前記スイッチを通過するエネルギの前記総量から減算し、(iii)前記スイッチを通過するエネルギの前記総量が前記時間期間に関するエネルギの定格量と一致するかこれを超える時に、前記スイッチを開くように構成された論理インプリメンタと
を含む、回路保護デバイス。
【請求項２１】
前記スイッチを通過するエネルギの前記総量が、I2tと等しく、Iが、前記スイッチを通過する電流の量であり、tが、前記時間期間である、請求項20に記載の回路保護デバイス。
【請求項２２】
前記論理インプリメンタが、さらに、(i)前記スイッチを通過する電流の量がピーク電流定格と一致するかこれを超えることと、(ii)前記スイッチを通過する電流の変化率が最大変化率定格と一致するかこれを超えることと、(iii)前記デバイスで測定される温度が最高温度定格と一致するかこれを超えることとのうちの少なくとも1つの際に前記スイッチを開くように構成される、請求項20に記載の回路保護デバイス。
【請求項２３】
前記論理インプリメンタが、(i)マイクロプロセッサと、(ii)メモリと、(iii)集積回路と、(iv)アナログ-ディジタル変換器と、(v)タイマと、(vi)特定用途向け集積回路と、(vii)電圧レギュレータと、(viii)前記スイッチが置かれるプリント回路基板(「PCB」)と異なるPCBに置かれたソフトウェアとのうちの少なくとも1つを含む、請求項20に記載の回路保護デバイス。
【請求項２４】
前記リセット可能スイッチが、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタおよびシリコン制御整流器からなる群から選択されたタイプのスイッチである、請求項20に記載の回路保護デバイス。
【請求項２５】
前記リセット可能スイッチおよび前記論理インプリメンタのうちの少なくとも1つと電気的に通じている端子を含み、前記端子が、リセット可能でないヒューズ要素を形成するために薄くされる、請求項20に記載の回路保護デバイス。
【請求項２６】
複数のリセット可能スイッチと、
前記リセット可能スイッチと共に動作可能な論理インプリメンタであって、時間期間中に前記スイッチのそれぞれを通過するエネルギの総量が前記時間期間に関するエネルギの定格量と一致するかこれを超える時に前記めいめいのスイッチを開くように構成された論理インプリメンタと
を含む、回路保護デバイス。
【請求項２７】
前記論理インプリメンタが、さらに、各スイッチを通過するエネルギの前記総量が前記時間期間に関するエネルギの前記定格量未満である場合に、前記スイッチを閉じた状態に維持するように構成される、請求項26に記載の回路保護デバイス。
【請求項２８】
各スイッチを通過するエネルギの前記総量が、I2tと等しく、Iが、前記スイッチを通過する電流の量であり、tが、前記時間期間である、請求項26に記載の回路保護デバイス。
【請求項２９】
前記論理インプリメンタが、さらに、(i)各スイッチを通過する電流の量がピーク電流定格と一致するかこれを超えることと、(ii)前記スイッチを通過する電流の変化率が最大変化率定格と一致するかこれを超えることと、(iii)前記デバイスで測定される温度が最高温度定格と一致するかこれを超えることとのうちの少なくとも1つの際に前記スイッチを開くように構成される、請求項26に記載の回路保護デバイス。
【請求項３０】
前記論理インプリメンタが、(i)マイクロプロセッサと、(ii)メモリと、(iii)集積回路と、(iv)アナログ-ディジタル変換器と、(v)タイマと、(vi)特定用途向け集積回路と、(vii)電圧レギュレータと、(viii)前記スイッチが置かれるプリント回路基板(「PCB」)と異なるPCBに置かれたソフトウェアとのうちの少なくとも1つを含む、請求項26に記載の回路保護デバイス。
【請求項３１】
各リセット可能スイッチが、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、シリコン制御整流器、および機械式リレーからなる群から選択されたタイプのスイッチである、請求項26に記載の回路保護デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路保護に関し、具体的には、リセット可能な回路保護に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブレードタイプヒューズなどの自動車用ヒューズが、当技術分野で既知である。現代の電気ブレードヒューズが、本発明の譲受人であるLittelfuse, Inc.社によって製造されてきた。ブレードヒューズは、電気自動車回路を電流過負荷から保護する。保護は、ヒューズ内に置かれたヒューズ要素が開くことから生じ、これによって、そのヒューズによって保護される回路への電流の流れが止められる。ある大きさで所定の時間の長さにわたる電流過負荷の際に、ヒューズ要素またはリンクが、壊れるか開く。
【０００３】
自動車製造業者は、常に、より多くの電気デバイスおよびアクセサリを自動車に追加している。その結果、ますます高くなる動作電圧、たとえば60ボルトから700ボルト超を有する自動車回路が、企図され、実施されつつある。より高い定格は、より堅牢な導電要素およびより多くの絶縁を必要とする。したがって、より低いコストに向かう傾向が、より高い容量に向かう傾向と競合する。
【０００４】
既知のブレードヒューズは、(i)絶縁ハウジングと、(ii)自動車のヒューズブロックから延びる雌型端子にはまる導電雄型端子と、(iii)雄型端子に接続されるヒューズ要素とを使用する。雄型端子は、通常、絶縁ハウジングの下に延びる。ヒューズブロック内に据え付けられた時に、ヒューズのハウジングは、雌型端子の上に乗る。そのような構成および配置のハウジングは、ヒューズを除去するか交換するために、ヒューズをつかみ、引っ張るか押し込む便利な装置または場所を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
すべてのブレードタイプヒューズが直面する懸念の1つは、ヒューズ要素が開く時に生じる。ヒューズ要素が開くことは、エネルギ、特に熱エネルギの解放と同時に起こる。ヒューズは、熱によって作動するデバイスであり、この熱による作動は、回路を開くためにその要素で生成される熱に頼る。特に低過負荷(たとえば、ヒューズの定格電流の110%から200%まで)で、かなりの量の熱が作られ、これが、ヒューズを直接に囲むものに干渉する可能性がある。したがって、ブレードヒューズが開く時に生じる潜在的に有害なエネルギ散逸の影響を軽減するか除去することが望ましい。
【０００６】
ブレードヒューズに関するもう1つの問題は、ブレードヒューズがリセット可能ではないことである。ブレードヒューズは、開いた後に交換されなければならない。ほとんどのブレードヒューズは、診断接点または完全性接点を有し、その結果、各ヒューズを、ヒューズブロックからそのヒューズを引き抜く必要なしにテストできるようになっている。それでも、ヒューズが開いたかどうかを判定するためのさまざまなブレードヒューズの完全性テストは、時間がかかる可能性がある。ヒューズが開いたことがわかった時に、ヒューズは、開いた理由または開いた時を示す能力を有しない。さらに、交換されるまでは、保護されている負荷が、部分的にまたは完全に損なわれる可能性がある。したがって、自動車用のリセット可能な過電流保護デバイスを提供することも望ましい。
【０００７】
ブレードヒューズなどのヒューズは、電流定格asとそのI2t値(またはレットスルー(let-through)エネルギ)の両方について選択される。多くの応用例で、サージが、機器の正常動作中に発生し、ヒューズは、そのような動作を許容しなければならない。1〜2分より長く続く過負荷について、ヒューズは、多くの場合に、主にその連続電流定格を基礎として選択されるが、そのような電流定格は、長期の過負荷電流より大きい。
【０００８】
頻繁でない通常の過負荷について、ヒューズ選択は、過負荷曲線(I2t曲線)を基礎として行うことができ、ここで、ヒューズは、たとえば公表された時間-電流曲線の75%に基づいて選択される。モータードライブまたはソフトスターターなどの反復的な過負荷について、ヒューズ選択は、過負荷曲線(I2t曲線)を基礎として行うことができ、ここで、ヒューズは、たとえば公表された時間-電流曲線の60%に基づいて選択される。実際には、ヒューズは、通常、2つのI2t定格すなわち、クリアリング定格(clearing rating)およびメルティング定格(melting rating)を有する。クリアリングI2T定格は、ヒューズが障害を認可する(クリアする)時にヒューズが通す総I2tである。メルティングI2T定格は、ヒューズ要素を溶かすのに必要な最小I2tである。したがって、既知の制御可能なI2t定格を有する自動車用の改善された過電流保護デバイスを提供することが、さらに望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書で説明するのは、ソフトウェアベースのコントローラ、特定用途向け集積回路(「ASIC」)、またはそのある組合せなどのコントローラを用いて動作する、1つまたは複数のソリッドステートスイッチングデバイスを使用するデバイスの例である。一実施形態のスイッチングデバイスは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(「MOSFET」)であり、このMOSFETは、コントローラからの制御された電圧出力をMOSFETのゲートで受け取って、電流が電源、たとえば車両バッテリからMOSFETのドレインに、およびMOSFETのソースから負荷、たとえば車両内の負荷に流れることを可能にし、または可能にしないのいずれかを行う。このMOSFETは、ゲートに印加される電圧が正であるn型MOSFETまたはゲートに印加される電圧が負であるp型MOSFETとすることができる。
【００１０】
コントローラは、応用例の目的に基づいて、異なる形でゲートに電圧を印加し、ゲートから電圧を除去する。本発明の装置の1つの主要な用途は、過電流保護または過電圧保護などの回路保護である。この場合に、電流センサが、MOSFETと直列に配置される。感知された電流が、ディジタル化され、その結果、特定の時点について、離散的な瞬時電流Itが既知になる。その離散的な既知の電流Itを、少なくとも3つの形で使用して、故障または障害が発生したかどうかを判定することができる。1つの形では、離散電流Itをピーク電流Imaxと比較する。ItがImaxより大きい場合に、コントローラは、MOSFETのゲートから正電圧を除去し、負荷への電流の流れを止める。
【００１１】
もう1つの形では、Itを以前の既知の電流It-1と組み合わせて使用して、瞬時変化率dI/dtを計算するが、このdI/dtは、(It - It-1)/tと等しい。その値が、セット最大変化率dI/dtmaxより大きい場合に、コントローラは、MOSFETのゲートから正電圧を除去し、負荷への電流の流れを止める。もう1つの形では、Itをエネルギ式で使用して、瞬時レットスルーエネルギを判定し、この瞬時レットスルーエネルギをすべての過去の瞬時レットスルーエネルギと積分して、回路を保護するMOSFETを通過した電流総エネルギEtotalを判定する。Etotalが、セット総エネルギEI2tより大きくなった場合に、コントローラは、MOSFETのゲートから電圧を除去し、負荷への電流の流れを止める。
【００１２】
この装置は、過熱保護も提供する。MOSFETの温度または接合部温度を感知する。感知された温度がディジタル化され、その結果、特定の時点について、離散的な瞬時温度Ttが既知になる。その離散的な既知の温度Ttを、セット最大温度Tmaxと比較する。TtがTmaxを超えて上昇する場合に、コントローラは、MOSFETのゲートから電圧を除去し、負荷への電流の流れを止める。同様に、この装置は、温度の瞬時変化率を監視し、これを温度の最大変化率と比較することができる。温度の最大変化率を超える場合に、コントローラは、MOSFETのゲートから電圧を除去し、負荷への電流の流れを止める。
【００１３】
このデバイスは、それに加えてまたはその代わりに、過電圧保護を提供することができる。MOSFETにまたがる電圧または負荷に印加される電圧を感知する。感知された電圧がディジタル化され、その結果、特定の時点について、離散的な瞬時電圧Vtが既知になる。その離散的な既知の電圧Vtを、セット最大電圧Vmaxと比較する。VtがVmaxを超えて上昇する場合に、コントローラは、MOSFETのゲートから正電圧を除去し、負荷への電流の流れを止める。上で述べたDI/dtおよびEtotalに似た、電圧の変化率dV/dtとVtを使用することによる積分エネルギとに関する電圧故障も、監視することができ、MOSFETのゲートでの電圧除去につなげることができる。
【００１４】
上で説明したパラメータのうちの少なくともいくつかがどのように監視され、計算され、実施されるかの一例を示す論理流れ図を、本明細書で示す。また、さまざまな過電流故障モードに関する電流およびエネルギのプロットを示す。具体的には、低過負荷故障モード、短絡故障モード、および過渡的サイクリング(transient cycling)故障モードを対照する。各場合に、特定の時間セグメントの瞬時電流が公称電流または期待される電流未満である時に、対応する瞬時エネルギEtがEtotalから減算される。特定の時間セグメントの瞬時電流が公称電流または期待される電流を超える時に、対応する瞬時エネルギEtがEtotalに加算される。3つの過電流故障モードのいずれかの下での負荷のEtotalまたは累積的EI2t tエネルギが、セットまたは定格総レットスルーエネルギEI2tに達する時に、MOSFETのゲートの電圧が除去され、負荷への電流の流れが止められ、故障の特定のモードに起因する損傷から負荷が保護される。
【００１５】
定格総レットスルーエネルギEI2t (ピーク定格またはdi/dt定格)は、負荷に固有であり、負荷の期待される電流使用または公称電流使用に依存するので、結果の過電流保護デバイスは、その負荷に合わせて完全に調整される。すなわち、標準交換ヒューズには、特定の定格、たとえば、1アンペア、2アンペア、10アンペアなどが与えられる。負荷に最も適するヒューズが、そのヒューズに関する完全な適合でない場合であっても選択される。この場合に、ソリッドステート保護デバイスの「定格」は、そうではなく、負荷要件に合わせられる。自動車ハーネス応用例の場合に、本発明のソリッドステート保護デバイスの「定格」を、保護を必要とするワイヤの正確な特性に合わせて調整することができる。
【００１６】
同様に、ある種の交換ヒューズは、たとえばゆっくり開くヒューズ、高速応答ヒューズなど、所望の開く特性を有するように選択される。たとえば、モーターは、始動される時にエネルギの初期サージを生じる。このモーターを保護するヒューズは、そのようなサージに対処する必要がある。その一方で、半導体デバイスは、通常は標準交換ブレードタイプヒューズによっては満足できない応答時間を必要とする。本明細書に記載の過電流保護デバイスは、半導体ベースであり、車両内またはこのデバイスを使用する他の応用例に現れる可能性がある事実上すべての負荷を保護するのに十分な応答時間を有する。
【００１７】
過電流保護および過電圧保護などの回路保護のほかに、このデバイスは、その代わりにまたはそれに加えて、モーターまたはディマーランプなどの可変電流負荷に供給される電流の量を制御可能に変更するように構成することができる。この場合に、MOSFETのゲートから電圧を除去するために特定の故障が発生するのを待つのではなく、コントローラは、負荷の所望の出力、たとえばモーター速度または光強度に対応するオン/オフ比で、MOSFETのゲートへの電圧をオンおよびオフに意図的に制御可能にパルス駆動する。パルス幅変調(「PWM」)と称するこの技法は、可変負荷を正確に制御するために、適当なフィードバック、たとえばモーターシャフトからのタコメータ信号を用いて動作することができる。
【００１８】
このデバイスのコントローラは、複数の異なる企図されたハードウェア構成のうちのいずれか1つを有することができ、これらのハードウェア構成では、異なる制御機能が、1つまたは複数の半導体ダイまたは半導体チップ上に置かれる。1実施態様で、マイクロコンピュータチップが、集積回路(「IC」)チップを用いて動作する。このマイクロコンピュータチップには、マイクロプロセッサ、読取専用メモリ(「ROM」)、およびランダムアクセスメモリ(「RAM」)が含まれる。もう1つの実施態様で、マイクロプロセッサ、ROM、およびRAMのうちの1つ、複数、またはすべてを、別々のチップ内に設けることができ、これらのチップは、電気的に、たとえばプリント回路基板(「PCB」)のトレースを介して、別々の(「IC」)チップと電気的に相互通信する。もう1つの実施態様で、マイクロプロセッサ、ROM、およびRAMのうちの1つ、複数、またはすべてを、ICチップを用いて単一チップ上に設けることができる。これらの実施態様のそれぞれが、少なくとも1つのMOSFETと共に動作可能であり、このMOSFETは、別々のチップ上に設けられ、あるいは、ICチップまたはICおよびマイクロコンピュータを含むチップなど、他のチップのうちの1つと共に一体化されるのいずれかである。
【００１９】
本発明において、コントローラは、ソフトウェアおよび/または特定用途向け集積回路(「ASIC」)の形のゲーテッドハードウェアの任意の適当な組合せを有することができ、ここで、本明細書で説明する論理ルーチン、データストレージ、および関連する回路網が、ASICのゲートを介して提供される。本明細書で説明するように、ASICは、速度および堅牢さに関する利点を提供するが、ソフトウェアは、柔軟性を提供する。したがって、ある種の特徴は、ASICによりよく適し、他の特徴は、ソフトウェア実装に役立つ可能性がある。コントローラにASICを含めることも企図されており、このASICは、MOSFETと同一のチップまたはPCB上に設けられ、他の機能性は、リモートPCB、たとえば車両のマザーボードまたはブレインボード(brainboard)上に置かれる。
【００２０】
上の要約に鑑みて、一実施形態で、回路保護デバイスが提供される。このデバイスは、ソリッドステートリセット可能スイッチを含む。第1端子が、スイッチの第1部分と電気的に通じているようにされる。第1端子は、負荷に接続されるように構成される。第2端子が、スイッチの第2部分と電気的に通じているようにされる。第2端子は、電源に接続されるように構成される。このデバイスは、さらに、コントローラを含み、このコントローラは、累算されたエネルギが事前にセットされたI2t定格と一致するかこれを超える場合にスイッチが開かれることを可能にするように構成される。累算されたエネルギは、(i)負荷とスイッチとまたは(ii)電圧源とスイッチとのうちの1つの間の電気的点から感知された電流に基づく。電気的点は、第1端子とスイッチと、または第2端子とスイッチとのうちの1つの間に置くことができる。
【００２１】
ソリッドステートリセット可能スイッチは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(「MOSFET」)とすることができる。あるいは、交流システムでは、シリコン制御整流器(「SCR」)を使用することができる。さらに、応用例は、ソリッドステート応用例としても、そうしなくてもよい。たとえば、このデバイスを、機械式リレーを制御するのに使用することができる。
【００２２】
このデバイスは、ハウジングを含み、(i)第1端子および第2端子が、ハウジングの外部でアクセス可能であり、(ii)ハウジングが、さらに、少なくとも1つの交換可能ヒューズを受け入れ、(iii)ハウジングが、複数の回路保護デバイスを受け入れ、(iv)ハウジングが、少なくとも1つの過電圧デバイスを受け入れ、(v)ハウジングが、自動車ジャンクションボックスのハウジングであるのうちの少なくとも1つである。言い換えると、自動車応用例または車両応用例で、このデバイスは、車両のジャンクションボックスと共に動作可能とすることができ、車両のジャンクションボックス内で構成することができ、あるいは、車両のジャンクションボックスになるように拡張することができる。
【００２３】
コントローラは、(i)マイクロプロセッサと、(ii)メモリと、(iii)集積回路と、(iv)アナログ-ディジタル変換器と、(v)タイマと、(vi)特定用途向け集積回路と、(vii)電圧レギュレータと、(viii)スイッチが置かれるプリント回路基板(「PCB」)と異なるPCBに置かれたソフトウェアと、(ix)マイクロプロセッサ、ランダムアクセスメモリ(「RAM」)、または読取専用メモリ(「ROM」)のうちのいずれか1つまたは複数を有するプログラマブル論理コントローラ(「PLC」)とのうちの少なくとも1つを含む。一実施形態で、これらの構成要素を、1つのパッケージに一体化することができる。
【００２４】
コントローラは、1つまたは複数のMOSFETと共に動作することができ、累算されたエネルギが事前にセットされたI2t定格と一致するかこれを超える場合に、MOSFETのゲートに印加される電圧が少なくとも実質的に0になることを可能にする。さらに、コントローラを、(i)公称電流値を保管し、時間セグメントに関する感知された電流を読み取り、(ii)感知された電流が公称電流を超える場合に、時間セグメントに関する累算されたエネルギに加算し、(iii)感知された電流が公称電流を超える場合に、時間セグメントに関する累算されたエネルギから減算するように構成することができる。
【００２５】
公称電流は、所与の負荷について期待される電流である。事前にセットされるI2t定格は、その負荷に関する累算されたエネルギ定格(時々レットスルーエネルギと称する)である。
【００２６】
もう1つの実施形態で、回路保護デバイスは、リセット可能スイッチと、リセット可能スイッチと共に動作可能な論理インプリメンタとを含む。論理インプリメンタは、時間期間中にスイッチに接続された負荷へのスイッチを通過するエネルギの総量が時間期間に関するエネルギの定格量と一致するかこれを超える時にスイッチを開くように構成される。論理インプリメンタは、さらに、スイッチを通過するエネルギの総量が時間期間に関するエネルギの定格量未満である場合に、スイッチを閉じた状態に維持するように構成される。論理インプリメンタを、式I2tを介して、通過するエネルギの総量を判定するように構成することができ、ここで、Iは、スイッチを通過する電流の量であり、tは、時間期間である。
【００２７】
論理インプリメンタを、さらに、(i)スイッチを通過する電流の量がピーク電流定格と一致するかこれを超えることと、(ii)スイッチを通過する電流の変化率が最大変化率定格と一致するかこれを超えることと、(iii)デバイスで測定される温度が最高温度定格と一致するかこれを超えることとのうちの少なくとも1つの際にスイッチを開くように構成することができる。
【００２８】
論理インプリメンタは、(i)マイクロプロセッサと、(ii)メモリと、(iii)集積回路と、(iv)アナログ-ディジタル変換器と、(v)タイマと、(vi)特定用途向け集積回路(「ASIC」)と、(vii)電圧レギュレータと、(viii)スイッチが置かれるプリント回路基板(「PCB」)と異なるPCBに置かれたソフトウェアとのうちの少なくとも1つを含むことができる。
【００２９】
もう1つの実施形態で、回路保護デバイスは、リセット可能スイッチと、リセット可能スイッチと共に動作可能な論理インプリメンタとを含む。この場合に、論理インプリメンタは、(i)公称電流レベルを超えて存在する電流レベルに起因するエネルギ値を、時間期間中にスイッチを通過するエネルギの総値に加算し、(ii)公称電流レベル未満で存在する電流レベルに起因するエネルギ値を、スイッチを通過するエネルギの総値から減算し、(iii)スイッチを通過するエネルギの総測定値がデバイスに関するエネルギの定格量と一致するかこれを超える時に、スイッチを開くように構成される。論理インプリメンタを、式I2tを介して、通過するエネルギの総量を判定するように構成することができ、ここで、Iは、スイッチを通過する電流の量であり、tは、時間期間である。
【発明の効果】
【００３０】
したがって、本発明の利益は、リセット可能な過電流装置を提供することである。
【００３１】
本発明のもう1つの利益は、より正確な回路を開く特性を有する過電流装置を提供することである。
【００３２】
本発明のもう1つの利益は、車両ジャンクションボックス内の電流ルーティングを単純にすることである。
【００３３】
本発明のもう1つの利益は、車両ジャンクションボックスアクセシビリティと交換ヒューズとの必要を減らすことである。
【００３４】
本発明のもう1つの利益は、過電流保護、スイッチング、ならびに可変速モーター制御およびライト減光用のパルス幅変調(「PWM」)のうちの1つまたは複数を提供する装置を提供することである。
【００３５】
本発明のもう1つの利益は、フラグ立て機能を有する装置を車両のマザーボードまたはブレインボードに与えることである。
【００３６】
本発明のもう1つの利益は、外部手動入力を受け入れる過電流装置を提供することである。
【００３７】
本発明のもう1つの利益は、熱による性能低下により鈍感な過電流装置を提供することである。
【００３８】
本発明の追加の特徴および利益は、次の「発明を実施するための最良の形態」および図面で説明され、それらから明白になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
ここで図面、具体的には図1および2を参照すると、本発明の装置の実施形態が、それぞれ装置10および100によって示されている。1実施態様で、装置10および100を、自動車、トラック、バン、オートバイ、モーペッド、および類似物などの車両のジャンクションボックスの1構成要素として据え付けることができる。装置10および100は、少なくとも、ヒューズ、リレー、および別々の診断構成要素の必要を(所与の負荷に関して)置換する。
【００４０】
もう1つの実施態様で、装置10および100を、そのような車両のジャンクションボックスになるように拡張することができ、ここで、ジャンクションボックス10および100には、本明細書で説明するソリッドステートハードウェアと組み合わせて、標準ジャンクションブロックヒューズ(たとえば、ブレードヒューズまたは雌型カートリッジヒューズ)などの他の構成要素が潜在的に含まれる。
【００４１】
装置10および100には、コントローラ20が含まれる。コントローラ20の構成要素は、一実施形態で、単一のプリント回路基板(「PCB」)上に置かれる。もう1つの実施形態で、コントローラ20の構成要素は、集積回路(「IC」)チップ上に一体化される。図示の実施形態では、コントローラ20には、マイクロコンピュータ30と集積回路40とが含まれる。マイクロコンピュータ30には、マイクロプロセッサ(「CPU」)32、ランダムアクセスメモリ(「RAM」)34、および読取専用メモリ36(「ROM」)が含まれる。マイクロコンピュータ30は、タイマ38を用いて動作する。代替案では、タイマ38がCPU 32に一体化される。
【００４２】
集積回路(「IC」)40は、アナログディジタル変換器(「A/Dコンバータ」)42および44を用いて動作する。代替実施形態では、A/Dコンバータ42および44のうちの一方または両方が、IC 40に一体化される。もう1つの代替実施形態では、A/Dコンバータ42および44のうちの一方または両方が、CPU 32に一体化される。IC 40は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(「MOSFET」)50を用いて動作する。
【００４３】
図示の実施形態では、IC 40が、温度センサ46およびMOSFET 50などの電気デバイスとマイクロコンピュータ30などの論理デバイスとの間のバッファを提供する。しかし、コントローラ20について本明細書で説明する論理のいずれかまたはすべてを、その代わりに、特定用途向け集積回路(「ASIC」)内のゲートを介して設けることができることを諒解されたい。ASICは、1つまたは複数の応用例の1つまたは複数の論理ルーチンを実行するようにセットされた半導体チップであり、この論理ルーチンは、MOSFET 50に接続される負荷およびMOSFET 50の目的に依存する。たとえば、下で説明するように、MOSFET 50を使用する溶断ルーチンは、ある負荷と別の負荷について(たとえば、異なるI2t定格または異なる公称電流について)異なるものとすることができる。所与の負荷について、このルーチンおよびMOSFET 50を、ある目的または別の目的に使用することができる(たとえば、ランプについて、MOSFET 50を、過電流保護デバイスとして使用するか、そのランプへの電流を変更することによってディマーとして働くのに使用する)。
【００４４】
ASICは、多数のチップ(たとえば、各MOSFET用の単一チップ)の作業を単一のより小さくより高速のパッケージに合併するように構成することができ、製造コストおよびサポートコストが減ると同時に、コントローラ20ならびに装置10および100の速度が高まる。ASICは、1実施態様で、0.25ミクロンテクノロジを使用し、この0.25ミクロンテクノロジは、単一の150MHzチップ上で500万個を超えるゲートをサポートすることができる。適当なASICチップは、たとえばIBM社によって提供される。
【００４５】
ASICを介して論理ルーチンをハードワイヤすることによって、コントローラ20のよりソフトウェアに基づくバージョンに関連する処理サイクル数が減り、性能および信頼性が高まる。ASICは、潜在的にROM 36をなくすことができる。RAM 34は、デバイス10および100の温度、電流、I2t、電力、モーター速度などの動作データを保管する。代替案では、そのようなデータを表すディジタル化された情報にフラグを立て、他の場所、たとえば車両のマザーボードに置かれたRAMに送ることができる。その場合に、RAM 34もなくすことができる。ASICは、その代わりに、車両のアーキテクチャ内のどこかに置かれた中央マイクロプロセッサに頼る。この場合に、ASICには、その中央マイクロプロセッサと通信するための少なくとも1つの入力または出力が含まれ、この中央マイクロプロセッサは、車両のジャンクションボックスまたはマザーボードの一部とすることができる。
【００４６】
しかし、コントローラ20の完全にハードワイヤされた実施態様が、あまりに柔軟でなくなる可能性があることを諒解されたい。ある種の応用例または負荷が、変化する標準規格、たとえば安全性標準規格、または異なる国の異なる標準規格の対象である場合がある。ある種の論理ルーチンが、進行中の研究および改善の対象である場合もある。その場合に、これらのルーチンをソフトウェアで保管することによって、速度および単純さを犠牲にして柔軟性を得ることが賢明である場合がある。しかし、デバイス10および100のコントローラ20の、バッファ管理、キュー管理、アドレスルックアップ、およびフロー分類などの汎用機能は、ほとんどリスクなしでASICシリコンによって処理することができる。コントローラ20には、ハードワイヤドASICルーチンとソフトウェアルーチンの任意の適当な組合せが含まれる。
【００４７】
上で説明した構成のいずれかの装置10および100のコントローラ20は、少なくとも、(i)下で説明する積分のために、規則的なインターバルまたはセグメントで分流器22(図示のようにヒューズ要素28とMOSFET 50のドレイン54との間に置かれるか、その代わりにMOSFET 50と負荷80との間に置かれる)から電流をサンプリングするためにカウンティングタイマを提供する機能、(ii)下で示すように離散電流値を電流エネルギアルゴリズムにプラグインすることを可能にする、所与の時間セグメントの間に負荷に流れる電流をA/Dコンバータ42を介して(たとえば、高精度抵抗および電圧測定デバイスを使用して)測定する機能、(iii)下で示す導関数アルゴリズムでその離散電流値を使用してdi/dtを判定する機能、および(iv)離散温度値を下で示す少なくとも1つの温度アルゴリズムにプラグインすることを可能にする、所与の時間セグメントの間のデバイス10および100の温度をA/Dコンバータ44を介して測定する機能を実行する。
【００４８】
装置100は、追加の機能性を有する。この場合に、コントローラ20は、さらに、外部スイッチ24から手動入力を受け入れるように構成される。スイッチ24は、まず、デバイス100に電力を与え、下で説明する積分ルーチンをリセットすることができる。たとえば、スイッチ24を、車両のイグニッションスイッチによって駆動することができ、この場合に、デバイス100は、エンジンのスイッチが入れられる時に電力を与えられる。その代わりに、スイッチ24が、デバイス100の進行中の動作に割り込むことができる。たとえば、スイッチ24を、オペレータが車両ライトを選択した時に閉じることができ、これによって、コントローラ20が車両ライトに関する追加ルーチンを実行するようになる。デバイス100は、複数のスイッチ24から入力を受け入れ、各スイッチ24およびそれに関連する負荷について別々のMOSFET 50を提供するように構成することができる。この場合に、別々の電流モニタが、MOSFETごとに設けられ、コントローラ20は、どの回路をいつ開くべきかを知る。
【００４９】
図示のように、装置100のコントローラ20は、さらに、負荷内の障害または装置100の内部での障害などのイベントの際にフラグ26を送るように構成される。フラグ26は、一実施形態で、車両のマザーボードまたはブレインボードに送られる。フラグ26には、障害が発生した時刻、障害のタイプ、障害の大きさ(たとえば、ピーク電流、総エネルギ、di/dt)、および、デバイス10および100の温度、適当な場合に負荷の電流デューティサイクル、負荷が継続的に動作していた時間の長さなどの他の関連情報など、情報のパケットを含めることができる。
【００５０】
フラグ26は、装置100の一部またはすべてのシャットダウンなど、任意の適当な反応をトリガすることができる。その代わりにまたはそれに加えて、フラグ26は、車両オペレータへのアラートまたは、ダッシュボードのインジケータランプの点灯、液体冷却剤の分配、冷却ファンの始動、ベントを開くことなどの修正動作をトリガする。
【００５１】
装置10および100は、過電流保護または他の電気機能を、1つまたは複数のMOSFET 50を介して1つまたは複数の負荷に提供する。MOSFET 50には、ソース52、ドレイン54、およびゲート56が含まれる。図示の実施形態では、ソース52は、負荷80と電気的に通信し、負荷80は、電気的に接地12に接続される。接地12は、下で図3に関して示すように、デバイス10および100のハウジングの外側に設けることができる。接地12は、負荷80から延びるワイヤ、リボン、コネクタ、または他の適当な電気接続デバイスを受け入れるように構成される。図示のように、ドレイン54は、電源接点またはバッテリ接点14と電気的に通信し、電源接点またはバッテリ接点14も、下で図3に関して示すように、デバイス10および100のハウジングの外側に設けることができる。電源接点14は、同様に、電圧源すなわち車両のバッテリから延びるワイヤ、ケーブル、コネクタ、または他の適当な電気接続デバイスを受け入れるように構成される。
【００５２】
一実施形態で、ヒューズ要素28は、バッテリ接点14およびMOSFET 50と直列に配置されて、MOSFETの破滅的故障の場合にシステムを保護する。ヒューズ要素28は、一実施形態で、デバイス10および100の内側に別々に配置される。あるいは、要素28を、シリコンダイのリードフレームの一部とすることができる。
【００５３】
装置10および100では、コントローラ20のASICまたはIC 40が、MOSFET 50のゲート56と電気的に通信する。n型トランジスタの場合に、当技術分野で既知のように、ソース52とドレイン54の両方が、負に帯電し、p型シリコンの正に帯電したウェルの上にある。コントローラ20が、正電圧をゲート56に印加する時に、p型シリコン内の電子が、ゲート56の下の領域に引き付けられ、ソース52とドレイン54の間の電子チャネルを形成する。電圧源またはバッテリが正電圧をドレイン54に印加する時に、電子が、ソース52からドレイン54に引っ張られる。この状態で、トランジスタ50はオンである。コントローラ20が、ゲート56の電圧を除去する時に、電子が、ソース52とドレイン54の間の領域に引き付けられず、電流経路を破壊し、トランジスタ50をターンオフする。
【００５４】
MOSFET 50は、代替案ではp型であり、これに関して、ゲート56に印加される電圧は、負である。例示を簡単にするために、本明細書で説明する例は、n型MOSFETを用いて使用される。
【００５５】
多数の車両の電気系が、12VDCバッテリによって電力を与えられる。電圧レギュレータを、たとえばIC 40内に設けて、下げられた(たとえば、4VDCから10VDC)定常電圧をMOSFET 50のゲート56に供給することができる。MOSFET 50は、一実施形態で、Super TO220パッケージ内で供給されるIR IPS0551T MOSFETであり、8アンペア連続ドレイン電流、6.0mΩ Rds(オン)、2ワット最大電力散逸を有する。MOSFET 50は、一実施形態で、完全に保護され、その温度が165℃を超える時またはドレイン電流が100アンペアに達する時に、開くかターンオフするように構成される。
【００５６】
ここで図3を参照すると、一実施形態で、デバイス10および100は、ディスクリートパッケージとして提供され、このパッケージを、たとえば、プリント回路基板にはんだ付けするかクリップで止め、あるいは車両のジャンクションボックスに他の形で接続することができる。この場合に、デバイス10および100には、ハウジング16が含まれ、このハウジング16は、一実施形態で、プラスチックエンクロージャまたは他の形で電気的に絶縁性のエンクロージャであり、このエンクロージャは、さまざまな構成要素を担持するリードフレームの上に成形することができる。図示のように、コントローラ20のASIC 40は、(i)ボンドワイヤ18dを介してMOSFET 50のゲート56と、および(ii)ボンドワイヤ18cを介してMOSFET 50のソース52と、電気的に通信する。MOSFET 50のドレイン54(図示せず)は、ソース52およびゲート56の下に置かれている。ドレイン54は、ダイの底面側に置かれる。ドレイン54は、ドレイン端子48bと電気的に通信する。一実施形態で、ハウジング16は、ドレイン端子48bの端がハウジング16を通って延び、少なくとも部分的にこのハウジングと同一の高さになるように成形される。
【００５７】
コントローラ20のASIC 40は、(i)ボンドワイヤ18eを介して入力端子48cと、および(ii)ボンドワイヤ18fを介してフラグ端子48dと、電気的に通信する。ハウジング16を、入力端子48cおよびフラグ端子48dのめいめいの端がハウジング16を通って延び、少なくとも部分的にこのハウジングと同一の高さになるように成形することができる。入力端子48cは、ASIC 40が、図2のデバイス100に関して上で述べた手動スイッチ24からの入力と電気的に通信することを可能にする。フラグ端子48dは、ASIC 40が、車両内の別のコントローラまたはPCBにフラグ26を電子的に送ることを可能にする。
【００５８】
図示の実施形態では、温度センサ46が、MOSFET 50に一体化されるかこれに取り付けられ、その結果、正確な温度をMOSFET 50で読み取ることができるようになる。温度センサ46は、MOSFETダイ上に形成される温度感知ダイオードなど、任意の適当なタイプとすることができる。温度センサ46は、ボンドワイヤ18cを介してASIC 40と電気的に通信する。
【００５９】
電流センサ22は、ボンドワイヤ18aを介してASIC 40と電気的に通信する。また、ジャンパ58が、MOSFET 50のソース52を電流センサ22およびソース端子48aに電気的にリンクするために設けられる。電流センサ22は、単一パッケージ内に設けることができる、高精度抵抗を用いて動作する電圧センサなど、任意の適当なタイプとすることができる。図1および2に、ドレイン54と共に動作する分流器22を示す。図3に、その代わりに電気的にソース端子48aに接続されたセンサ22を示す。代替案では、センサ22が、電気的にドレイン端子48bに接続される。ソース端子48aは、デバイス10および100を電気的に負荷に接続することを可能にし、この負荷は、電気的に接地12に接続される。同様に、MOSFET 50のドレイン54は、デバイス10および100を電気的に電源14に接続することを可能にする。
【００６０】
図3のデバイス10および11では、上で図1および図2に関して述べたA/Dコンバータ42が、ASIC 40に一体化され、したがって、図3では別々には参照されない。同様に、図3のデバイス10および11では、タイマ38が、ASIC 40に一体化され、したがって、図3では別々には参照されない。また、ヒューズ要素28は、リードフレームの一部を所望の厚さおよび断面積まで薄くして所望の定格をもたらすことによって形成することができる。ソース52のリードまたはドレイン54のリードを薄くして、ヒューズ要素28を形成することができる。好ましい実施形態では、ヒューズ28が、できる限り電源14の近くに置かれ、ドレイン54のリードを、図1、2、および5に示された配置に従って薄くされる可能性がより高いリードにする。スズまたはニッケルなどの異なる金属を、ヒューズ要素28の一部またはすべての上に置いて、ヒューズ要素がそこで開くように構成される「ホットスポット」を形成することができる。
【００６１】
ASIC 40とMOSFET 50の両方に単一のダイまたは単一の回路チップを使用することが、特に企図されている。同一のダイに置くことができるデバイス10および100の他の構成要素には、電流センサ22、A/Dコンバータ42、およびタイマ38が含まれる。この構成は、デバイス10および100の、効率的で便利でコンパクトでコスト効率のよい製造をもたらす。代替案では、ASIC 40、MOSFET 50、および上でリストした他の構成要素のうちのいずれか1つまたは複数が、1つまたは複数の別々のダイまたは回路チップに置かれる。
【００６２】
ここで図4を参照すると、デバイス10および100のもう1つの構成が示されている。この場合に、上で図1から3に関して説明した構成要素は、他の回路保護関連アイテムおよびジャンクションボックス関連アイテムと一体化される。また、コントローラ20の異なる実施形態が示されている。
【００６３】
図4では、デバイス10および100にハウジング60が含まれる。ハウジング60には、カバー62および基板64が含まれる。基板64は、一実施形態で、プリント回路基板(「PCB」)であり、このPCBは、FR-4材料、セラミック、ガラス、ポリイミドなどの材料から作られる。カバー62は、一実施形態で、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンを含むプラスチックなどの、成形された電気絶縁性の材料である。カバー62は、射出成形し、ブロー成形し、または任意の適当なプロセスを介して他の形で形成することができる。代替実施形態では、カバー62のうちで少なくともPCB 64の上にある部分が、エポキシ樹脂または他のタイプの電気絶縁性の保護コーティングである。カバー62は、カバー62内の開口を通って延びるコネクタ66aから66cを除いて、PCB 64を完全に囲むことができる。そうでない場合に、PCB 64の1面が、ハウジング60の1つの壁の少なくとも一部として働くことができる。
【００６４】
図示の実施形態では、上で図1および2に関して説明した構成要素が、PCB 64に表面実装される。しかし、そのような構成要素のうちの1つまたは複数を、軸方向に取り付けるか、ソケットを介して取り付けるか、デバイス10および100内に他の形で適当に固定できることを諒解されたい。
【００６５】
図4のPCB 64は、図1および2のブロック図に示された装置10および100の3つの異なるハードウェア構成を示す。図4では、IC 40aと共に動作可能な図示されたマイクロコンピュータ30aが、図1および2のブロック図の構成に対応する。この場合に、マイクロコンピュータ30aは、上で図1および2に関して説明したマイクロプロセッサ32、RAM 34、およびROM 36を使用する。マイクロコンピュータ30aは、IC 40aとは別々のチップ内に設けられる。IC 40aは、上でIC 40に関して説明した機能性を提供し、A/Dコンバータ42および44と、MOSFET用の電圧レギュレータと、温度、電流、電圧などを感知するのに必要な回路網とを一体化することができ、MOSFET 50を電気的に制御することができる。
【００６６】
図示されているように、IC 40aおよびマイクロコンピュータ30aは、たとえば4つの別々のMOSFET 50aから50dを制御する。各MOSFETの電気的制御は、上で図1および2のMOSFET 50に関して説明したものと同一である。具体的には、IC 40aは、MOSFET 50aから50dのそれぞれのゲート56aで所望の直流値を有する調整された定常電圧を供給することができる。電圧がこれらのゲートに印加される時に、電流が、電圧源(図示せず)から各MOSFET 50aから50dのドレインに、および各MOSFETのソースからそれに対応する負荷に流れることができる。したがって、マイクロコンピュータ30aおよびIC 40aは、各負荷を独立に制御することができる。各MOSFETを、過電流保護および過電圧保護を含む回路保護のために設けることができる。代替案では、MOSFET 50aから50dのうちの1つ、複数、またはすべてが、ゲート電圧のパルス幅変調(「PWM」)制御を可変電流負荷に提供して、その負荷からの所望の出力を達成することができる。図示されてはいないが、別々の電流分流器42が、MOSFET 50aから50dごとに設けられる。
【００６７】
MOSFET 50aから50dのうちの複数が、同一の負荷に対して動作することができる。たとえば、MOSFETのうちの1つが、たとえばディマーランプの過電流保護を提供することができ、MOSFETのうちの第2の1つが、そのランプの輝度を制御するのにPWMを使用することができる。コントローラ(マイクロコンピュータ30aおよびIC 40a)は、両方の機能を同時に制御することができる。代替案では、同一のMOSFET 50aから50dとマイクロコンピュータ30aおよびIC 40aとが、同一の負荷に対する二重の機能を実行するように構成される。たとえば、同一のMOSFETを使用して、車両の内部または外部のライトにスイッチング(オン/オフ)、PWM(減光)、および回路保護を提供することができる。もう1つの応用例には、オン/オフと速度(PWM)制御と回路保護(たとえば、ワイパがウィンドウに凍り付いている場合であっても、ドライバが電力を印加し続ける)とを必要とする、ウインドシールドワイパが含まれる。もう1つの応用例には、方向付きのオン/オフ、可能な速度、および回路保護(たとえば、ウィンドウがくっつく、あるいは、ボタンで遊んでいる子供が、ウィンドウが一番上または一番下まで移動した後であってもボタンを押し続ける)を必要とする、パワーウィンドウが含まれる。
【００６８】
マイクロコンピュータ30aおよびIC 40aに対して時計回りに進むと、コントローラのコンピュータ機能および電気回路機能は、符号30bおよび40bを付けられた単一のチップ上で組み合わされる。チップ30bおよび40bは、別々のチップ30aおよび40aと全く同一の機能を提供する。前と同様に、単一のチップ30bおよび40bは、複数のMOSFET 50eから50gを制御し、MOSFET 50eから50gのそれぞれは、本明細書で説明する機能のどれであっても実行することができる。
【００６９】
チップ30bおよび40bからさらに時計回りに進むと、デバイス10および100は、その代わりにまたはそれに加えて、コンピュータ機能性30c、集積回路機能性40c、およびMOSFETスイッチング機能性50hから50kを有する単一チップを提供することができる。本明細書で説明するように、MOSFET 50は、半導体ベースのデバイスである。したがって、コンピューティング機能、回路制御機能、およびMOSFET機能のそれぞれを、単一のチップ30c、40c、50hから50kの単一のダイ上に置くことが可能であり、企図されている。
【００７０】
構成(30a、40a)、(30b、40b)、または(30c、40c、50hから50k)のいずれもが、上で説明したソフトウェアベースの論理またはASICゲートベースの論理の任意の組合せを使用できることを諒解されたい。さらに、これらのチップ構成のそれぞれは、図示のように、温度センサ46aから46cと共に動作可能である。温度センサ46aから46cは、デバイス10および100の温度を測定し、この温度を、ジャンクションボックス温度と呼ぶことができる。温度センサ46aから46cは、一実施形態で、サーミスタであり、図示のように表面実装されるかカバー62内に他の形で固定されることができる。温度感知は、MOSFETに一体化された温度センサを用いて行うこともできる。たとえば、温度感知ダイオードを、MOSFETのシリコン内に組み込むことができる。
【００７１】
図4に示されたチップ構成のそれぞれが、コネクタ66aから66cに出力する。コネクタ66aから66cは、MOSFET 50aから50kと共に動作可能なめいめいの負荷へおよびそれらからのワイヤまたはリードをデバイス10および100に取り外し可能に接続することを可能にする。図示の実施形態では、コネクタ66aから66cは、PCB 64にスルーホール接続される。コネクタ66aから66cのそれぞれは、エンクロージャ62によって画定されるアパーチャを通って延びる表面を有し、このアパーチャは、ワイヤまたはリードをコネクタ66aから66cに取り外し可能に接続することを可能にする。コネクタ66aから66cは、代替案では、カバー62に固定され、関連するMOSFET 50に電気的にハードワイヤまたはワイヤボンディングされる。
【００７２】
図示を簡単にするために、図4では、PCB 64上のグラウンドトレースおよび供給トレースの図示が省略されている。デバイス10および100は、当業者に一般に既知のように、そのような回路網を提供する。
【００７３】
デバイス10および100は、自動車、トラック、バン、オートバイ、モーペッド、および類似物などの車両のジャンクションボックス内の構成要素として提供することができる。そのようなジャンクションボックスには、MOSFET 50aから50kによって提供される回路保護に加えて、ブレードヒューズ72および雌型カートリッジヒューズ74などの標準ヒューズを含めることができる。代替案では、図示のように、デバイス10および100自体を、車両用のジャンクションボックスとすることができ、交換ヒューズ72および74を受け入れるヒューズ部分70を含めることができる。すなわち、本明細書で説明するMOSFETスイッチングと組み合わせて標準交換ヒューズを設けることが、特に企図されている。1つの適当なブレードヒューズ72が、本発明の譲受人によって提供され、商標名Mini (登録商標)ヒューズの下で販売されている。1つの適当なカートリッジヒューズが、本発明の譲受人によって提供され、商標名Jcase (登録商標) Fuseの下で販売されている。
【００７４】
また、PCB 64上に示されているように、本明細書で説明するスマートスイッチングは、その代わりに、過電圧保護デバイス76などの他のタイプのディスクリート回路保護デバイスと共に動作可能である。他の適当な過電圧保護デバイスは、本発明の譲受人によって提供され、商標名PulseGuard (登録商標)の下で販売されている。そのデバイスは、ポリマベースの電圧可変材料を使用する。セラミックベースのバリスタなどの他のタイプの過電圧デバイスを、その代わりにまたはそれに加えて設けることができる。
【００７５】
ここで図5を参照すると、デバイス10および100の一実施形態が示されている。この場合に、コントローラ20は、複数のソリッドステートリセット可能スイッチ50aから50cを制御するかサポートする。一実施形態のデバイス10および100には、ハウジング(図示せず)が含まれ、このハウジングは、任意の適当な絶縁性のハウジングとすることができる。図5のデバイス10および100は、図4に示されたハードウェア構成のどれであっても有することができ、たとえば、コントローラ20のチップに、マイクロコンピュータ30、IC、またはASIC 40と、リセット可能なスイッチまたはMOSFET 50との任意の適当な組合せを含めることができる。
【００７６】
図示の実施形態では、コントローラ20が、3つのリセット可能なスイッチまたはMOSFET 50aから50cを制御しまたはサポートする。代替案では、リセット可能なスイッチ50aから50cが、シリコン制御整流器、機械式リレー、またはその任意の組合せである。より多数またはより少数のMOSFETを制御することができる。MOSFET 50aのゲート56aは、コントローラ20のGate 1節点またはジャンクションに接続される。MOSFET 50aのソース52aは、電気的に負荷80aに接続され、負荷80aは、電気的に接地12に接続される。ドレイン54aは、電気的に電流分流器またはセンサ22aに接続される。電流センサまたは分流器22aからの二重リードは、コントローラ20のCurrent Sense 1+節点またはジャンクションおよびCurrent Sense 1-節点またはジャンクションに電気的に接続される。ヒューズ28aは、電気的に電流センサまたは分流器22aに接続される。ヒューズ28aは、電流センサ22aとバッテリ源14の間に置かれ、MOSFET 50aのサーキッティング(circuiting)をより大きい過電流状態から保護する。
【００７７】
MOSFET 50bのゲート56bは、コントローラ20のGate 2節点またはジャンクションに接続される。MOSFET 50bのソース52bは、電気的に負荷80bに接続され、負荷80bは、電気的に接地12に接続される。ドレイン54bは、電気的に電流分流器またはセンサ22bに接続される。電流センサまたは分流器22bからの二重リードは、コントローラ20のCurrent Sense 2+節点またはジャンクションおよびCurrent Sense 2-節点またはジャンクションに電気的に接続される。ヒューズ28bは、電気的に電流センサまたは分流器22bに接続される。ヒューズ28bは、電流センサ22bと源14bの間に置かれ、MOSFET 50bの回路網をより大きい過電流状態から保護する。
【００７８】
MOSFET 50cのゲート56cは、コントローラ20のGate 3節点またはジャンクションに接続される。MOSFET 50cのソース52cは、電気的に負荷80cに接続され、負荷80cは、電気的に接地12に接続される。ドレイン54cは、電気的に電流分流器またはセンサ22cに接続される。電流センサまたは分流器22cからの二重リードは、コントローラ20のCurrent Sense 3+節点またはジャンクションおよびCurrent Sense 3-節点またはジャンクションに電気的に接続される。ヒューズ28cは、電気的に電流センサまたは分流器22cに接続される。ヒューズ28cは、電流センサ22cと源14bの間に置かれ、MOSFET 50cの回路網をより大きい過電流状態から保護する。
【００７９】
図5からわかるように、コントローラ20は、必要な接続をデバイス10および100の電子構成要素のすべてに提供する。関連するアナログ-ディジタル変換機能およびタイミング機能も、コントローラ20のチップの回路に一体化することができる。MOSFET 50aから50cごとに1つの、関連する温度センサ46も、コントローラ20のチップに一体化することができる。さらに、上で説明したように、ヒューズ要素28を、たとえばシリコンダイのリードフレームの薄くされた部分として形成することができる。
【００８０】
ここで図6を参照すると、ソリッドステートリセット可能スイッチ50を制御するのにコントローラ20が使用する(ソフトウェアまたはASICテクノロジを介して)論理の少なくとも一部の一実施形態が、シーケンス110を介して示されている。シーケンス110に示された論理は、回路保護応用例に関するものである。コントローラ20が、その代わりにそれに加えて、本明細書で説明したスイッチングまたはPWMなど、リセット可能なスイッチに関する異なる応用例について異なる論理を使用することを諒解されたい。
【００８１】
楕円112によって示されるように論理シーケンス110を開始する際に、論理シーケンス110は、ブロック114によって示されるように、あるパラメータをセットしまたは初期化する。ブロック114に、9つのそのようなパラメータが示されている。ブロック114に関して示されているように、時刻t-1の電流It-1に、当初は0をセットする。It-1の値は、ブロック124に関して下で説明するように、最初の電流の変化率すなわちdi/dtを計算するのに必要である。また、Tt-1の値は、ブロック124に関して下で説明するように、最初の温度の変化率すなわちdT/dtを計算するのに必要である。Tt-1には、当初に感知された温度Tt(ブロック122に関して)がセットされる。時刻t-1の総エネルギEtotal-1にも0がセットされる。Etotal-1の値は、ブロック126に関して示されている最初の電流総エネルギEtotalを計算するのに必要である。
【００８２】
サイクル時間または瞬時時間期間tstepは、やはり必要であり、この例では1マイクロ秒(「μs」)がセットされる。tstepを、単純にコントローラ20のマイクロプロセッサまたはASICのサイクリング周波数時間になるように選ぶこともできる。その場合に、このサイクリング周波数時間を、ブロック126に関して示されている関連する式で変数tstepの代わりに挿入することができる。しかし、図示の実施形態では、ステップ時間またはサイクル時間を、ユーザがプログラムすることができる。
【００８３】
countは、ブロック114に関して0に初期化される。一実施形態の、図1および2に示されたタイマ38は、カウンティングタイマである。タイマ38は、論理ループの再サイクリングの時間期間を提供するだけではなく、ループがサイクルされる回数も数える。その後、時間期間にカウントを乗じたものと等しい、経過した総時間を保持することができる。論理ループの初期カウントには、0がセットされる。
【００８４】
ブロック114に関して示されているように、さまざまな最大値または定格も、シーケンス110の始めに既知である。たとえば、最大電流またはピーク電流Imax、最大電流変化率すなわち最大dI/dt、最高温度Tmax、最大温度変化率または最大dT/dt、およびレットスルーエネルギ定格EI2tも、セットされまたは初期化される。これらの定格は、特定の負荷または作動限度に固有である。
【００８５】
公称電流Inも、ブロック114に関してセットされる。公称電流Inは、一実施形態で、所与の負荷によって引き出されると期待される電流値にある係数を乗じたものである。たとえば、公称電流Inは、期待される電流の流れが通常は公称電流Inの75%未満になるようにセットすることができる。一実施形態で、公称電流は、特定の応用例での特定の負荷について定数になると仮定される。スタートアップ電流または過渡的サイクリングが期待される場合であっても、公称電流Inは、定数としてセットされる(たとえば、過渡的サイクリングについては図9を参照されたい)。大きいスタートアップ電流または突入電流は、たとえば、ヘッドランプに伴って発生する可能性がある。冷えたランプは、フィラメントが暖まり、その抵抗が増えるまで、大きい電流流入を有する。この場合に、公称電流Inには、定数値がセットされ、この定数値は、たとえば、ヘッドランプが定常状態温度に達した後にそのヘッドランプが引き出すと期待される電流より25%多い。
【００８６】
ブロック114に関して初期化されまたはセットされるパラメータを、シーケンス110の各実施態様で事前にセットするかリセットすることができることを諒解されたい。
【００８７】
図2のデバイス100に関して上で説明したように、一実施形態で、コントローラ20は、手動スイッチ24から入力を受け入れる。手動スイッチ24は、たとえば、イグニッションまたは他のスタートアップタイプのスイッチとすることができ、このスイッチが、論理シーケンス110を開始する。代替案では、手動スイッチ24は、論理シーケンスがそれについて実行されている負荷への割込みである。この場合に、菱形116によって示されるように、最初の問合せを行って、手動入力が行われたかどうかを判定する。そのような入力が行われた場合には、論理シーケンス110は、ブロック118によって示されるように、その入力に作用する。
【００８８】
たとえば、過熱状態に、内部的にフラグを立て、手動スイッチ24からの入力をデバイス10および100にリモートから送らせることができる。この入力は、ライトスイッチまたはウィンドウ上昇スイッチからなど、手動入力とすることができる。この入力は、その代わりに、冷却ファンを始動するサーモスタットなど、別のコントローラによって自律的に生成することができる。
【００８９】
ブロック118に関して行われるアクションが、ゲート電圧を0に切り替えないと仮定すると、または、菱形116に関する判定で、手動入力または自動入力が存在しない場合に、シーケンス110は、A/Dコンバータと協力して1つまたは複数のセンサを介してリアルタイムである種のパラメータを入手する。ブロック120に関して示されているように、たとえば、シーケンス110は、たとえば図1および2に関して示したようにA/Dコンバータ42を通過する電流値Itを、電流分流器22から入手する。電流Itは、負荷に進む、たとえば電源(図1および2で接点14に接続された)からMOSFET 50を介して負荷80(図1および2に示されているように電気的に接地12に接続される)に進むtstepの瞬時電流を表す。
【００９０】
同様に、ブロック122に関して示されているように、シーケンス110は、感知された温度Ttを入手し、この感知された温度Ttは、図1および2のセンサ46によって感知され、A/Dコンバータ44を介して送られ、A/Dコンバータ44は、電流tstepに関する温度Ttの離散値を作る。当業者がシーケンス110のあるステップを再配置でき、たとえば、ブロック120および122の感知ステップを入れ替えるか、同時に実行できることを諒解されたい。ブロック124および126に関して示された計算ステップも、入れ替えるか、同時に実行することができる。
【００９１】
ブロック124によって示されるように、シーケンス110は、前の時間期間の瞬時電流It-1を現在の時間セグメントtstepの瞬時電流Itから減じることによって、電流の瞬時変化率dI/dtを計算する。It-1は、0に初期化されている。次に、その電流の変化(It-It-1)を、電流読みの間のクロックサイクルまたはクロック時間tstep、あるいはこの例では1μsによって割る。やはりブロック124に関して示されているように、シーケンス110は、前の時間期間の瞬時温度Tt-1を現在の時間セグメントtstepの瞬時温度Ttから減じることによって、温度の瞬時変化率dT/dtを計算する。Tt-1は、最初に感知された温度Ttになるように初期化され、最初の変化率は0になる。次に、その温度の変化(Tt-Tt-1)を、電流読みの間のクロックサイクルまたはクロック時間tstep、あるいはこの例では1μsによって割る。
【００９２】
ブロック126によって示されるように、シーケンス110は、複数の計算を実行して、電圧源からMOSFET 50を介して負荷に渡されたエネルギの総量を最終的に判定する。総エネルギEtotalの全体的な式は、Etotal-1 + Etである。Etotal-1は、前のサイクルで判定されたEtotalの値であり、初期化された時には0である。Etは、式Et = (It - In)2 tstepを介して判定される。本質的に、Etは、特定のサイクルまたは時間期間tstepの瞬時レットスルー電流である。
【００９３】
Etの式は、瞬時電流Itが、全体的な総エネルギEtotalに加算的エネルギまたは減算的エネルギのどちらを供給しているかを判定する。公称電流Inは、上で説明されている。感知された電流Itが、公称電流Inより大きい場合には、It - Inの関連するレットスルーエネルギI2tは加算的である。その代わりに、感知された電流Itが、平均電流または期待される電流Inより小さい場合には、対応するI2tエネルギは減算的である。Etは、ブロック126に関して計算された全体的なエネルギEtotalにエネルギを加算するか、またはこれからエネルギを減算するかのいずれかである。すなわち、図示のように、Etが0以上の場合には、Etotal = Etotal-1 + Etである。その一方で、Etが0未満の場合には、Etotal = Etotal-1 - Etである。
【００９４】
シーケンス110は、複数の判定を行い、これらの判定は、コントローラ20からMOSFET 50の方向で頂点に達して、MOSFETのゲート56をオンに切り替える(正電圧)、またはゲート56をオフに切り替える(0電圧)のいずれかになる。菱形128によって示されるように、感知された温度TtがTmaxより高い場合には、ブロック138によって示されるように、MOSFET 50のゲート56に印加される電圧に、0がセットされる。そうでない場合すなわち、TtがTmax以下である場合に、シーケンス110は、瞬時電流がピークを超えるかどうかの判定に進む。一実施形態の菱形130に関して行われる温度評価が、接合部温度または図1、2、および3に示されたセンサ46に関連する温度であることも諒解されたい。
【００９５】
菱形130によって示されるように、瞬時電流Itがピーク電流Imaxより大きい場合には、ブロック138によって示されるように、MOSFET 50のゲート56に印加される電圧に、0がセットされる。瞬時電流Itが最大電流Imax以下である場合には、シーケンス110は、電流の変化率が電流の最大許容変化率より大きいかどうかの判定に進む。
【００９６】
菱形132によって示されるように、電流の瞬時変化率dI/dtが電流の最大許容変化率dI/dtmaxより大きい場合には、ブロック138によって示されるように、ゲート電圧Vgateに0がセットされる。電流の瞬時変化率dI/dtが電流の最大変化率dI/dtmax以下である場合には、シーケンス110は、温度の変化率が温度の最大許容変化率より大きいかどうかの判定に進む。
【００９７】
菱形134によって示されるように、温度の瞬時変化率dT/dtが温度の最大許容変化率dT/dtmaxより大きい場合には、ブロック138によって示されるように、ゲート電圧Vgateに0がセットされる。温度の瞬時変化率dT/dtが温度の最大変化率dT/dtmax以下である場合には、シーケンス110は、総レットスルーエネルギEtotalが定格許容レットスルーエネルギEI2tより大きいかどうかの判定に進む。
【００９８】
I2tに関連するレットスルーエネルギは、通常、ヒューズのクリアリング中に回路内で作られる熱エネルギの測定値である。I2tは、ヒューズの当業者に既知の定格であり、ヒューズの選択を助ける。I2tは、「メルティングI2t」、「アーキング(arcing) I2t」、またはこの2つの合計(「クリアリングI2t」と称する)として表すことができる。「I」は、有効レットスルー電流(RMS)であり、これが二乗され、tは、開く時間を秒単位で表す。シーケンス110では、開く時間が、クロックサイクルまたはtstepであり、現在の例では1マイクロ秒である。
【００９９】
菱形136によって示されるように、総エネルギEtotalが、定格レットスルーエネルギEI2tより大きい場合には、ブロック138によって示されるように、MOSFET 50のゲート56の電圧に、0がセットされる。総エネルギEtotalが、EI2t以下である場合には、MOSFET 50のゲート56の電圧に、正の電圧または図示の例では5VDCがセットされる。図示の例では、コントローラ20は、MOSFET 50のゲート56の正電圧を維持するために、4つの故障検査をクリアする。その代わりに、4つの故障モードのうちのいずれかい1つまたは複数を検査することができる。瞬間的な感知された電圧Vt対Vmax、またはVtに基づく積分エネルギ計算などの追加の故障モードを検査することができる。菱形128、130、132、134、および136に関する比較のどれにおいても、その代わりに、感知されたパラメータがそのパラメータの定格以上(それを超えるのではなく)であるかどうかを調べることができ、その結果、故障モードをクリアするために、感知されたパラメータが定格未満であることが必要になることを諒解されたい。
【０１００】
図示されてはいないが、ゲート電圧を、ブロック114に関して正の値に初期化することができ、その結果、正の値が、ブロック122に関して瞬時電流について生成されるようになる。しかし、瞬時電流の0の値は、菱形130、132、および136に関して示された故障モードのいずれをもトリップせず、その結果、ゲート56の電圧には、シーケンス110の最初のサイクルの後に正の値がセットされるようになる。
【０１０１】
ブロック142によって示される次のステップでは、次のサイクルのEtotal-1に、終了したばかりのサイクルについてブロック126に関して計算されたEtotalをセットする。この形で、Etotal-1が、次のサイクルのブロック126について既知になる。同様に、次のサイクルの電流It-1に、ブロック120に関して感知された、終了したばかりのサイクルの瞬時電流Itをセットし、その結果、It-1が、ブロック124に関して行われる次の変化率計算に関して既知になる。また、ブロック142に関して示されているように、カウントが更新され、その結果、総動作時間を、総カウントに時間期間tstepを乗じることによって知ることができるようになる。
【０１０２】
シーケンス110は、MOSFET 50が自動的にリセット可能である一実施形態を示す。すなわち、菱形144に関して判定されるように、電力がデバイス10および100から除去されていない場合に、シーケンス110は、サイクリングを継続することを許され、その結果、Vgateに0をセットさせた故障の除去または回復の際に、コントローラ20がゲード電圧を正の値にリセットすることが可能になる。この形で、負荷は、自動的に再び電力を与えられる。たとえば、ジャンクションボックスでの温度が最大温度を超える(これは、負荷での故障以外の条件によって引き起こされる場合がある)場合に、負荷の機能を、感知される接合部温度TtがTmax以下になるや否や再開することができる。同様に、瞬時電流Itが、最大電流Imaxを超える最高点に達する場合に、コントローラ20は、電流がピーク電流以下になるまで負荷への電力を断つことができる。適切な時間遅れを自動リセット特徴と組み合わせて、故障が十分に静まるか十分に直されることを保証することができる。
【０１０３】
デバイス10、100のピーク電流、電流の変化率、またはEtotalの故障を自動リセット可能にするために、電流は、それでも、故障が静まったかどうかをコントローラ20が判定できるようにするために、少なくとも間欠的に感知される必要がある。過熱の場合に、温度センサ46は、Vgateに0がセットされた後であっても、温度の感知を継続することができる。たとえば過熱など、ある故障モードを自動リセット可能にすると同時に、たとえばピーク電流、電流の変化率またはEtotalの故障などの他の故障モードを、手動でリセットするか、たとえばスイッチ24からの入力の際などの外部イベントによってリセットしなければならないものとすることも企図されている。
【０１０４】
電力がデバイス10および100から除去される場合に、シーケンス110は、楕円146によって示されるように終了する。そうでない場合には、シーケンス110は、接合点148に戻り、これによって、前に説明した論理ループが完了し、再始動される。
【０１０５】
代替実施形態では、シーケンス110は、Vgateに0がセットされ、電力が負荷から除去された時に終了する。その場合に、シーケンス110が繰り返される前に、手動入力または自動入力とすることができる外部イベントが発生する必要がある。この場合に、5つの故障モードすなわち、(i)過熱、(ii)ピーク電流、(iii)電流の変化率、(iv)温度の変化率、または(v) Etotalのどれであっても、シーケンス110を終わらせることができる。
【０１０６】
ここで図7から9を参照すると、実際に引き出される電流(棒グラフの形および平滑化された曲線として示される)対公称電流のプロットが、3つの故障モードすなわち低過負荷、短絡、および過渡的サイクリングについて示されている。これらのプロットには、瞬時電流に関連する加算されるエネルギおよび減算されるエネルギも示されている。図7から9の各プロットについて、対応する累積的Etotalも示されており、これは、任意の時点の総レットスルーエネルギEI2tである。
【０１０７】
図7に関して示されているように、最初の6つの時間期間の公称電流のパーセンテージは、公称電流より小さい。これらの瞬時電流は、減算的エネルギを作り、この減算的エネルギは、0エネルギとして図示されている。時間期間7から始まって、たとえば接地への抵抗性接続に起因して、低過負荷故障が発生し、引き出される電流Itが、徐々に公称電流Inより大きくなる。時間期間9に、過電流の流れが、公称電流の約135%で一定になる。時間期間6の後の対応する瞬時レットスルーエネルギは、加算的である。総エネルギEtotalは、時間期間6の後に正になり、比較的一定の割合で上昇する。Etotalが、負荷の定格レットスルーエネルギに達するかこれを超える時に、Vgateに0がセットされ、負荷が保護される。
【０１０８】
図7では、電流増加の割合が、比較的ゆっくりであり、引き出されるピーク電流Itが、実質的に公称値を超えないので、最終的にコントローラ20にMOSFET 50のゲート56から正電圧を除去させる故障モード(すべての故障モードが監視されると仮定して)は、総レットスルーエネルギEtotalである可能性が高い。もう1つの可能性は、ジャンクションまたはデバイス10および100の温度が、最高温度Tmaxに達するかこれを超えることである。
【０１０９】
ここで図8の短絡プロットを参照すると、瞬時電流Itは、やはり最初の時間セグメント、この場合には最初の10個の時間セグメントの間には公称電流より少なく、減算的エネルギを作る。これらの瞬時電流は、減算的エネルギを作り、これらの減算的エネルギは、0エネルギとして示されている。時間セグメント11に、負荷が短絡を経験し、これによって、実際に引き出される電流がすばやく増加し、公称電流の1000パーセントに近づく。時間期間10の後の対応する瞬時レットスルーエネルギは、加算的である。総エネルギEtotalは、時間期間10の後に正になり、指数関数的割合で上昇する。
【０１１０】
Etotalが、負荷の定格レットスルーエネルギに達するかこれを超える時に、Vgateに0がセットされ、負荷が保護される。しかし、この場合に、Etotalが定格レットスルー電流に達する前に、引き出される電流Itが定格ピーク電流Imaxを超えるか電流の変化率dI/dtが電流の最大変化率dI/dtmaxを超え、Vgateを0にさせる場合がある。
【０１１１】
ここで図9を参照すると、過渡的故障プロファイルが示されている。上で述べたように、大きい突入電流が正常である、ある種の応用例が発生する。例に、モーターおよびソレノイドなどの誘導負荷が含まれる。フィラメント電球も、大きい突入電流を有する。フィラメント電球を例として使用すると、フィラメントの抵抗は、温度の関数である。当初に、電球は冷えており、抵抗は少ない。電球温度は、フィラメントが暖まる時に即座に上昇する。電球が点灯されるたびに、電流がスパイクする。この過渡現象は、通常は回路保護問題を提示しないが、繰り返されるサイクリングは、対応する配線を加熱し、損傷を引き起こす可能性がある。
【０１１２】
図9に示されているように、時間セグメント1から5、9から12、16から18、および22から25で、瞬時電流は、公称電流より少なく、結果のI2tエネルギは、減算的である。時間セグメント9から12、16から18、および22から25に示されているように、Etotalは、実際にはわずかに減少する。しかし、残りの過渡的時間期間中には、瞬時電流が公称電流の300パーセントまでスパイクし(たとえば、ワイヤが振動し、間欠的短絡を引き起こすことに起因して)、比較的ゆっくりなEtotalの全体的増加をもたらす。
最終的に、Etotalは、定格レットスルーエネルギ
【０１１３】
【数１】
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に達し、ゲート電圧を0にさせる。その代わりに、Etotalが定格レットスルーエネルギに達する前に、電流の変化率dI/dtが、電流の最大変化率dI/dtmaxを超え、Vgateに0をセットさせる場合がある。接合部での最高温度も、MOSFETをターンオフする最初の故障モードになり得る。この図では、公称値の300パーセントの過渡的スパイクが、最大電流Imaxをトリップするのに十分であるとは思われない。
【０１１４】
ここで図10Aから10Cを参照すると、3つの異なるパルス幅変調(「PWM」)デューティサイクルが示されている。これらのプロットのY軸に沿って示された0ボルトから12ボルトは、MOSFET 50のゲート56の電圧が正である時に、電圧源、たとえば12VDCを供給する車両バッテリを介して負荷に印加される電圧に対応する。負荷での電圧が、図10Aから10Cのさまざまな時について示されているように0ボルトである時に、MOSFET 50のゲート56の対応する電圧は、0である。
【０１１５】
Vgateが正である時間のパーセンテージを制御することによって、対応する負荷へのデューティサイクルを変更することができる。MOSFETは、このPWM技法を使用してすばやくオンおよびオフに切り替えられる。MOSFETは、事実上、正確な量の電流がモーターなどの可変電流負荷に流れることを可能にする制御ゲートである。コントローラ20およびMOSFET 50が、モーターの速度を制御するのに使用される時に、接地12とMOSFET 50のソース52との間に接続される負荷は、モータードライブである。モータードライブは、トランジスタ-トランジスタ論理(「TTL」)パルスまたはオン/オフ電圧信号を、対応するモーター電流に変換する。ゲートがすばやくオンおよびオフに切り替えられる時に、ドライブからモーターに流れる電流の量は、オン時間とオフ時間との間の比に依存する。この比が大きいほど、より多くの電流がドライブからモーターに流れる。この比が小さいほど、より少ない電流がドライブからモーターに流れる。モーターの実際の速度を測定するフィードバックシステムを介して、コントローラ20およびMOSFET 50は、PWMを介して正確に制御する。
【０１１６】
MOSFETによって制御されるPWMを使用して、たとえば、日中走行用ライト、劇場のライト、および車両内のソレノイドを制御することも企図されている。たとえば、ソレノイドを、ばね式の弁に結合することができる。パルスの幅が、ソレノイドがばねに働かせる力を制御する。パルスの幅が広いほど、弁がより大きく開く。
【０１１７】
正確な回路保護を提供するほかに、コントローラ20およびMOSFET 50を、その代わりに、車両内で使用されるモーターおよび減光するライトなど、変化する電流入力デバイスの制御に使用することができることを諒解されたい。この形で、単一のコントローラが、図4および5に関して示したように、1つまたは複数のMOSFETを用いて動作して、異なる負荷に同一の電気的機能を提供し、同一の負荷に異なる電気的機能を提供し、または異なる負荷に異なる電気的機能を提供することができる。
【０１１８】
本明細書で説明した現在好ましい実施形態に対するさまざまな変更および修正が、当業者に明白であることを理解されたい。そのような変更および修正は、本発明の趣旨および範囲から逸脱せず、本発明の意図された利益を減じることなく行うことができる。したがって、そのような変更および修正が、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】コントローラとソリッドステートリセット可能スイッチとを有する装置の一例を示す概略ブロック図である。
【図２】コントローラとソリッドステートリセット可能スイッチとを有する装置のもう1つの例を示す概略ブロック図である。
【図３】コントローラとソリッドステートリセット可能スイッチとを使用するデバイスの一実施形態を示す透視図である。
【図４】さまざまなコントローラ、ソリッドステートリセット可能スイッチ、および標準自動車ヒューズを使用するデバイスの一実施形態を示す透視図である。
【図５】複数のソリッドステートリセット可能スイッチをサポートするように構成されたコントローラを含むデバイスの一実施形態を示す概略図である。
【図６】リセット可能なスイッチと共に動作可能なコントローラによって実施される論理の少なくとも一部の一実施形態を示す概略流れ図である。
【図７】リセット可能なスイッチによって保護される低過負荷故障モードのエネルギ曲線を示す図である。
【図８】リセット可能なスイッチによって保護される短絡故障モードのエネルギ曲線を示す図である。
【図９】リセット可能なスイッチによって保護される過渡的サイクリング回路故障モードのエネルギ曲線を示す図である。
【図１０Ａ】コントローラおよびソリッドステートリセット可能スイッチと共に可変電流負荷にパルス幅変調「(PWM)」を提供することができる3つの異なるデューティサイクルを示す図である。
【図１０Ｂ】コントローラおよびソリッドステートリセット可能スイッチと共に可変電流負荷にパルス幅変調「(PWM)」を提供することができる3つの異なるデューティサイクルを示す図である。
【図１０Ｃ】コントローラおよびソリッドステートリセット可能スイッチと共に可変電流負荷にパルス幅変調「(PWM)」を提供することができる3つの異なるデューティサイクルを示す図である。
【符号の説明】
【０１２０】
10, 100  装置
12  接地
14  電源接点またはバッテリ接点
14b  源
16  ハウジング
18a〜18f  ボンドワイヤ
20  コントローラ
22, 22a〜22c  分流器
24  外部スイッチ
26  フラグ
28  ヒューズ要素
28a〜28c  ヒューズ
30, 30a  マイクロコンピュータ
30b  チップ
30c  コンピュータ機能性
32  マイクロプロセッサ
34  ランダムアクセスメモリ
36  読取専用メモリ
38  タイマ
40  集積回路
40a  IC
40b  チップ
40c  集積回路機能性
42  アナログディジタル変換器
44  アナログディジタル変換器
46, 46a〜46c  温度センサ
48a  ソース端子
48b  ドレイン端子
48c  入力端子
48d  フラグ端子
50  金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ
50a〜50g  MOSFET
50h〜50k  MOSFETスイッチング機能性
52, 52a〜52c  ソース
54, 54a〜54c  ドレイン
56, 56a〜56c  ゲート
58  ジャンパ
60  ハウジング
62  カバー
64  基板
66a〜66c  コネクタ
70  ヒューズ部分
72  ブレードヒューズ
74  雌型カートリッジヒューズ
76  過電圧保護デバイス
80, 80a〜80c  負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【外国語明細書】
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