电子保护开关的制作方法

本发明涉及一种电子保护开关，该电子保护开关具有半导体开关，其源极联接端和其漏极联接端接在电压输入端与负载输出端之间，并且其栅极联接端与控制装置连接，在输入侧将代表负载电流的信号输送给该控制装置。

背景技术：

这样的电子开关或者保护开关例如根据de20302275u1是公知的。电子开关具有形式为mosfet(metall-oxid-halbleiter-feldeffekttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)的半导体开关，该半导体开关在工作电压联接端与负载联接端之间接入电流路径中。为了在直流电网中实现可靠的电流限制，将由电流传感器在电流路径中检测到的测量值输送给调节装置的比较器输入端。在存在接通信号的情况下并且在测量值低过参考值的情况下，调节装置驱控半导体开关导通(aufsteuern)，而在测量值超过参考值的情况下，调节装置驱控功率晶体管关断(zusteuern)并且将流过该功率晶体管的电流限制到参考值上。

从ep1186086b1公知一种在低压范围内、尤其是在24vdc范围内的配电系统，该配电系统具有若干电流电路，该电流电路分别具有电子保护开关作为短路和/或过载保护。这些电流电路借助于时控的电源设施来共同供电。在过载情况下，在能调整的电流阈值、例如在额定电流(in)的1.1倍被超过时，电子保护开关在延时期满之后截止，而在短路情况下，首先进行电流限制并且在另一电流阈值(例如2×in)被超过的情况下，保护开关在确定的关断时间期满之后截止。

从ep1150410a2公知一种借助于微处理器通过触发电路来驱控的电子保护开关，该电子保护开关以具有延时的方式中断向负载的能量供应。在此之前或者与此同时实现保护开关的部分中断。

具有多个开关块的电子保护开关的部分中断也根据ep1294069b1是公知的，这些开关块分别具有形式为mosfet的电子开关和通过共同的微处理器控制该电子开关的比较器。在过流的情况下，在跟随部分禁止至少一个开关之后的延时之后中断向负载的能量供应。

为了连通尤其是容性负载和/或为了保护容性负载免于过流和短路，电子保护开关的半导体开关充当用于给电容充电的恒流源。半导体开关和尤其是在这种情况下所采用的mosfet必须有能力在连通期间或在给电容充电的过程中可以承受由于接通电流而引起的损耗功率。基于这种情况，电子保护开关、尤其是这种具有恒定的电流限制的电子保护开关通常被设计为具有设计规格过大的半导体开关(mosfet)，以便充分地考虑到该损耗功率。然而，对所采用的半导体开关这样地设计规格导致成本耗费提高并且导致在电子保护开关的电路之内的相应很大的空间需求。

替选的可能性在于：借助于脉冲宽度调制(pwm)执行对半导体开关的时控的驱控。然而，由此不仅是提高了驱控耗费。更确切地说，pwm驱控导致在感性负载情况下会出问题。

技术实现要素：

本发明所基于的任务在于：在避免所提到的缺点的情况下，给出一种尽可能高效地工作的电子保护开关。在这种情况下，尤其应该避免设计规格过大的半导体开关及其高耗费的驱控。

此外，还要给出一种适合于运行这种电子保护开关的方法。这种运行方法尤其是应该被理解为一种用于尤其是在负载的接通过程期间对这种电子保护开关的半导体开关进行控制和/或调节的合适的驱控方法。

按照本发明，关于电子保护开关，所提到的任务通过权利要求1的特征来解决。有利的设计方案和改进方案是其从属权利要求的主题。按照本发明，关于运行方法或驱控方法，所提到的任务通过权利要求7的特征来解决。有利的改进方案是其从属权利要求的主题。

为此规定：与接在电压输入端与负载输出端之间的半导体开关的栅极联接端连接的控制或者调节装置获知半导体开关的漏极-源极电压，并且基于该漏极-源极电压以及基于检测到的负载或者半导体电流(漏极-源极电流)产生用于半导体开关的驱控信号，借助该驱控信号将半导体开关的功率调整为小于或者等于最大功率值。

在此，本发明从如下构想出发：在容性负载的充电过程期间使用动态的电流限制，该动态的电流限制与恒定的电流限制的不同之处在于并不是设定确定的阈值，而是依赖于半导体开关(mosfet)的漏极-源极电压的当前值并且动态地改变阈值，使得在当前流过半导体开关的电流(漏极-源极电流)与漏极-源极电压之间的比例始终保持在半导体开关的可靠的运行或者操作范围内。在这种情况下，可以利用类似的机构或者在使用微处理器的情况下来实现电流控制。

因为基于主动的电流控制可以按受控方式控制半导体的损耗功率，所以鉴于会出现的损耗功率可以将半导体开关的规格设计得相应比较小。此外，因为半导体开关的这样的功率控制实际上不依赖于驱控信号的波形，所以也可以可靠地对感性负载进行开关和保护。

半导体开关的漏极-源极电压要么可以直接获知要么可以基于可供使用的电压值推导出。这样，可以按有利的方式获知半导体开关的漏极电压或者电子保护开关的输入电压以及获知半导体开关的源极电压或者电子保护开关的输出侧的负载电压，并且将它们输送给控制装置作为相应的电压值。该控制装置从中、尤其是通过形成电压差来确定半导体开关的漏极-源极电压。

由于半导体开关与负载串联，用于尤其是在电子保护开关的接通过程期间对半导体开关进行功率调整的电流测量值相当于流过该负载的负载电流，该负载电流借助于半导体开关和负载的电流路径中的电流传感器来检测。于是，通过由检测到的或获知的漏极-源极电压和负载电流的乘积来实现对半导体开关的功率调整。在此，半导体开关通过其栅极联接端来驱控，使得该半导体开关的功率小于或者等于所确定的最大功率值、例如50w。

有利地，电子保护开关附加地利用恒定的电流限制来实施，以便在过载情况下和/或短路情况下将流过负载的电流限制到确定的预先给定的电流阈值上。

附图说明

随后，本发明的实施例依据附图详细阐述。其中：

图1以方框电路图示出了一种电子保护开关，其具有置于电流控制的正路径(pluspfad)中的受控的半导体开关以及具有形式为例如微处理器的被设置和设立成用于对电子保护开关进行功率控制的控制装置；

图2以电流/电压时间示意图示出了在阶梯形或者楼梯形的电流升高情况下尤其是容性负载接通期间对半导体开关进行功率控制而导致的负载电流和负载电压的变化过程；以及

图3以按照图2的示意图示出了在斜坡形的电流升高的情况下的电流和电压变化过程。

彼此相对应的部分和参数在所有附图中配备有相同的附图标记。

具体实施方式

示意性示出的电子保护开关1包括形式为mosfet的功率晶体管或者半导体开关2，在电流路径3、也就是保护开关1的正路径中，电流传感器4接在该mosfet之后。电流路径3在工作电压联接端或者说电压输入端5与正的负载联接端6之间延伸。要开关的负载l的正极联接到正的负载联接端6上，而其负极联接到保护开关1的相应的负的负载联接端7上。该联接端7在本实施例中被接地gnd。由电源设施8的电流源或者电压源产生的例如形式为具有24v(dc)的直流电压的工作电压或者输入电压ve被施加到电子保护开关1的电压输入端5上。

在联接了电压源8和联接了负载l的情况下，在保护开关1运行时，负载电流il从电压输入端5经过电流路径3并且因此经过半导体开关2的漏极-源极环节以及经过负载l流向参考电位或者接地gnd。借助于电流传感器4来检测流过半导体开关2和负载l的负载电流il。检测到的电流il作为电流信号si导向控制装置9的第一输入端ei，并且检测到的电流il由于半导体开关2与负载l的串联而相当于流过半导体开关2的漏极-源极电流ids。

依据上述电流测量，在恒定的电流限制的范围内可以借助于控制装置来驱控半导体开关，使得在过载情况下或者在短路情况下，负载电流il至少暂时被限制到预先给定的最大电流值上。在过载情况下，该最大电流值例如为额定电流in的1.1倍。在短路情况下，该最大电流值例如可以为额定电流in的2倍。在针对过载情况和短路情况的仅一个阈值的情况下，该最大电流值例如可以为额定电流in的1.5倍。

此外，通过第二输入端evd将第一电压信号svd输送给控制装置9。在本实施例中，借助于第一电压传感器10检测到的电压不仅相当于输入电压或者工作电压ve而且相当于半导体开关2在其漏极联接端d上的漏极电压vd。

此外，将第二电压信号svs输送给控制装置9。在本实施例中，第二电压信号svs不仅是在半导体开关2的源极联接端s上的源极电压vs而且也是负载电压vl。将另一方面由相应的第二电压传感器11检测到的电压信号vs输送给控制装置9的第三输入端evs。

基于检测到的电压值vd和vs以及基于检测到的与借助于电流传感器4检测到的负载电流il相应的漏极-源极电流ids，控制装置9按照关系pfet＝(vd-vs)·ids获知半导体开关2的当前的功率pfet，并且该控制装置以对负载和半导体电流il(＝ids)进行动态的电流限制的方式通过相应地限制该电流ids来调整功率pfet，使得功率pfet不超过确定的最大功率值pmax。最大功率值例如是pmax＝50w，必要时通过对半导体开关2的相应的动态的驱控达到了最大功率值，但不会超过该最大功率值。为此，控制装置9生成相应的控制信号sg，能在控制装置9的输出端ag上截取该控制信号并且将其导向半导体开关2的栅极联接端g上。

由于借助于控制装置9通过对半导体开关2的漏极-源极电压vds和流过半导体开关2的电流ids进行的检测和评估而对半导体开关2进行动态的电流限制、电流控制或者电流调节，以及由于相应地将半导体开关2的功率限制到小于或者等于pmax的功率值pfet上，可以采用功率比较低的半导体开关2。

也就是说，在现有技术中，为了实施具有小于5w的标准损耗功率的10a保护开关(in＝10a)，该保护开关由于在容性负载的情况下的接通效应(einschalteffekt)而必须配备有300w的mosfet，而借助于按照本发明的功率控制可以通过动态的电流限制将设计规格明显更小的mosfet用作半导体开关2。

图2以电流/电压时间示意图示出了在负载电流il的阶梯形或者楼梯形的升高的情况下在容性负载l的接通过程期间对半导体开关2进行功率控制而导致的负载电流il和负载电压vl的变化过程，该接通过程是由半导体开关2的相应调整的驱控信号sg导致的。图3示出了在斜坡形的电流升高的情况下的状况。

本发明不限于上文所描述的实施例。更确切地说，本发明的其他变型方案也可以由本领域技术人员从中推导出来，而不偏离本发明的主题。此外，尤其是所有与实施例相关联地描述的单个特征也可以以其他方式彼此相结合，而不偏离本发明的主题。

附图标记列表

1电子保护开关

2半导体开关

3电流/正路径

4电流传感器

5电压输入端

6负载联接端(正)

7负载联接端(负、接地)

8电压源/电源设施

9控制装置

10第一电压传感器

11第二电压传感器

ag输出端

d漏极/联接端

ei第一输入端

evd第二输入端

evs第三输入端

g栅极/联接端

gnd接地/参考电位

l负载

s源极/联接端

si电流信号

svd第一电压信号

svs第二电压信号

sg驱控信号

ids半导体/漏极-源极电流

il负载电流

in额定电流

ve工作/输入电压

vd漏极电压

vs源极电压

vds漏极-源极电压

pfet半导体功率

pmax功率值/最大功率