DE102005036178A1

DE102005036178A1 - Elektronikschaltungs-Schutzvorrichtung mit I2t oder anderer Funktion

Info

Publication number: DE102005036178A1
Application number: DE102005036178A
Authority: DE
Inventors: Vincent Thiery
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2006-02-23
Also published as: KR20060049048A; KR100734542B1; JP4250622B2; US7619865B2; US20060023383A1; JP2006067785A

Abstract

Eine Schaltungsschutzvorrichtung enthält eine Stromerfassungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, dass sie an einen Ausgangsleistungsschalter angeschlossen wird, um ein für den Ausgangsstrom repräsentatives Rückkopplungssignal zu liefern, wobei ein Überstromsensor darauf anspricht, dass das Rückkopplungssignal einen im Voraus einstellbaren Referenzpegel übersteigt, um ein Überstromalarmsignal zu liefern, einen Funktionsgenerator, der auf das Rückkopplungssignal anspricht, um ein erstes gemäß einem im Voraus einstellbaren Funktionsverhältnis mit dem Ausgangsstrom zusammenhängendes Signal zu liefern, eine Integrationsschaltung, die mit dem Ausgang des Funktionsgenerators verschaltet ist, um ein zweites für das Produkt des ersten Signals und t repräsentatives Signal zu liefern, wobei t die nach der Erzeugung eines Überstromalarmsignals verstrichene Zeit ist, und eine Steuerungsschaltung, die auf einen im Voraus einstellbaren Wert des zweiten Signals anspricht, um eine Gatterschaltung für den Leistungsschalter zu sperren, wobei das Abschaltsignal zu einer Zeit geliefert wird, die von der Größe des Überstromsignals abhängt. Die Steuerungsschaltung schaltet auch die Gatterschaltung im Wesentlichen ohne Verzögerung aus, wenn der Ausgangsstrom einen zweiten im Voraus eingestellten Grenzwert übersteigt, der einen Kurzschlusszustand repräsentiert. Ein entsprechendes Verfahren und ein Funktionsgenerator in der Form einer Schaltung zur schrittweisen linearen Annäherung sind ebenfalls ...

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung basiert auf, und beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldungen 60/598,130, eingereicht am 2. August 2004, und 60/624,562, eingereicht am 3. November 2004, auf deren Offenbarungsbehalt in vollem Umfang Bezug genommen wird, als wäre er hier vollständig dargelegt.
Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schaltungsschutzvorrichtungen und insbesondere auf elektronische Schaltungen, die in der Weise einer Zwei-Element-Sicherung oder eines thermisch-magnetischen Unterbrechers funktionieren, um Halbleiter-Leistungsschalter und die Verkabelungen im elektrischen System für Automobile oder andere Anwendungen zu schützen. Die Vorrichtungen können im Ansprechen auf einen hohen Fehlerstrom den Ansteuerungsstrom eines Leistungsschalters schnell abschalten und können auch gemäß einer I²t-Funktion oder einer anderen gewünschten Funktion im Ansprechen auf eine Überlast niedrigeren Pegels eine zeitverzögerte Abschaltfunktion bieten. Die Erfindung wird im Zusammenhang des elektrischen Systems eines Automobils beschrieben, doch wird dem Fachmann klar sein, dass auch andere Halbleitervorrichtungsanwendungen in Frage kommen, mit denen die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise eingesetzt werden kann.
Stand der Technik
Sicherungen sind wohlbekannte Kabelschutzvorrichtungen, die im Ansprechen auf hohe Fehlerströme, z.B. über ungefähr 1000% des Nennwerts, eine im Wesentlichen unmittelbare Auslösung oder im Ansprechen auf Überströme von bis zu 500% bis 1000% des Nennstroms eine verzögerte Auslösung leisten können. Sogenannte Zwei-Element-Sicherungen und mechanische Trennschalter sind ebenfalls wohlbekannte Vorrichtungen, welche diese beiden Funktionen in einem einzigen Gerät leisten können. Dies ist dann vorteilhaft, wenn sowohl ein schnelles Abschalten unter Kurzschlussbedingungen als auch ein zeitverzögertes Auslösen zum Berücksichtigen vorübergehender Einschaltstoßströme benötigt werden. Sicherungen und Trennschalter können diese Funktionen in vielen Fällen zufriedenstellend erfüllen, doch gibt es Anwendungen, für welche herkömmliche Vorrichtungen nicht gut geeignet sind.
Zum Beispiel werden zum Schutz der elektrischen Systeme von Automobilen getrennte schnell wirkende und zeitverzögerte Sicherungen üblicherweise eingesetzt, auch wenn Zwei-Element-Sicherungen für Anwendungen in der Automobilindustrie verfügbar sind.
Scheinwerferschaltungen und Motoren sind Beispiele für Anwendungen, die eine zeitverzögerte Auslösefähigkeit erfordern. Die Scheinwerfer von Automobilen sind einem großen Bereich von Temperaturen ausgesetzt, und wenn sie bei sehr niedrigen Temperaturen eingeschaltet werden, können bei ihnen bei einer Temperatur von –40°C sehr große Einschaltstoßströme auftreten, die z.B. zehn Mal so groß wie der normale Betriebsstrom sind. Auch Motoren können große Einschaltstoßströme verursachen.
Auch abgesehen von der Tatsache, dass für den Fall eines Kurzschlusses oder einer Überstrombedingung ein Vorrat unterschiedlicher Typen von Sicherungen bereitgehalten werden muss, ist der Ersatz von ausgebrannten Sicherungen in einem Automobil allgemein unbequem, weil die Sicherungen sowohl im Fahrgastraum als auch im Motorraum oft an einem schwer zugänglichen Ort angeordnet sind.
Herkömmliche Trennschalter liefern eine doppelte Schutzfunktion und können leicht rückgesetzt werden, doch sind auch die kleinsten thermisch-magnetischen Trennschalter und die Paneele, auf denen sie konstruktionsgemäß installiert werden, zum praktischen Einsatz in der Automobilindustrie nicht klein genug und müssten an einer ungünstigen Stelle angeordnet werden. Noch eine größere Bedeutung haben jedoch die Kosten dieser Trennschalter.
Es gibt Komponenten mit einem ähnlichen Ziel, d.h. bei einem Strom, der niedriger als der Einschaltstoßstrom ist, einen Schutz zu bieten. Dabei wird so vorgegangen, dass der Schutzstrom über eine bestimmte Zeit, nachdem der Leistungsschalter eingeschaltet wurde, auf einem hohen Pegel verbleibt, und der Schutzstrom nach Verstreichen dieser Zeit auf einen niedrigeren Pegel gesetzt wird. Der Hauptnachteil bei dieser Vorgehensweise besteht darin, dass das Verhalten nur von der Zeit und nicht von der Verlustleistung abhängt. Wenn zum Beispiel eine Glühlampe ersetzt wird, während der Schalter eingeschaltet ist, dann ist der Stromschutz niedrig und wird die Lampe nie angeschaltet, weil die Vorrichtung beim Einschaltstoßstrom der Glühlampe in den Schutzmodus schaltet.
Außerdem sollte zu einem besseren Stromschutz die Steuerung von der tatsächlichen Verlustleistung abhängen.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer Schaltungsschutzvorrichtung, die zum Schutz geschalteter Halbleiter-Leistungsvorrichtungen in der Anwendung bei Automobilen und dergleichen geeignet ist, die sowohl einen unmittelbaren Kurzschlussschutz als auch ein zeitverzögertes Auslösen zum Berücksichtigen vorübergehender Einschaltstoßströme leisten kann und nicht unter den Nachteilen herkömmlicher Geräte leidet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung deckt den oben beschriebenen Bedarf durch Vorsehen einer Schaltungsschutzvorrichtung und eines Schaltungsschutzverfahrens für geschaltete Halbleiter-Leistungsvorrichtungen, die zur Verwendung mit elektrischen Systemen von Automobilen oder ähnliche Anwendungen beabsichtigt sind, welche eine zeitverzögerte Abschaltung, wenn der Laststrom einen ersten voreinstellbaren Grenzwert überschreitet, der eine Überstrombedingung repräsentiert, sowie eine sofortige Abschaltung vorsehen, wenn der Strom einen zweiten voreinstellbaren Grenzwert erreicht, der einen Kurzschlusszustand repräsentiert. Die Zeitverzögerung zur Überstromabschaltung wird gemäß dem Grad bestimmt, zu dem der Laststrom den ersten Grenzwert überschreitet, indem ein Signal erzeugt wird, das die Größe I²t repräsentiert, wobei I der Laststrom und t die verstrichene Zeit ist. Alternativ können auch andere Funktionsverhältnisse verwendet werden. Im allgemeinsten Sinn kann ein beliebiges Polynom in der Form (a+bi+ci²+di³) verwendet werden. Als ein nicht einschrän kendes Beispiel wird in der folgenden Beschreibung aus Gründen der Übersichtlichkeit das Verhältnis mit I² verwendet.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Schaltungsschutzvorrichtung eine Stromerfassungsschaltung, die mit einem Leistungsschalter verbunden ist, um ein für den Ausgangsstrom I repräsentatives Rückkopplungssignal zu liefern, einen Überstromsensor, der darauf anspricht, dass das Rückkopplungssignal einen im Voraus einstellbaren Referenzpegel überschreitet, um ein Überstromalarmsignal zu liefern, eine Funktionsgeneratorschaltung, die auf den Ausgangsstrom anspricht, um ein erstes für das Verhältnis mit I² (oder für ein anderes gewünschtes Verhältnis) repräsentatives Signal zu erzeugen, eine Integrationsschaltung, die mit dem Ausgang der Funktionsgeneratorschaltung verbunden ist, um ein zweites für das erste Signal und t repräsentatives Signal zu erzeugen, wobei t die nach der Erzeugung des Überstromalarmsignals verstrichene Zeit ist, sowie eine Steuerschaltung, die auf einen im Voraus einstellbaren Wert des zweiten Signals anspricht, zum Liefern eines Abschaltsignals zum Sperren einer Gatterschaltung für den Leistungsausgangsschalter, wobei das Abschaltsignal zu einer Zeit geliefert wird, die von der Stärke des Überstromsignals abhängt.
Weiter wird gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung die erste Signalfunktion durch eine Schaltung zur schrittweisen linearen Annäherung erzeugt, die eine kalibrierte Stromquelle und eine Integrationsschaltung aufweist. Außerdem ist gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung die Steuerungsschaltung eine Auffangschaltung, die zum Sperren einer Ansteuerungsschaltung für einen Leistungsschalter konstruiert ist. Ein zusätzliches Merkmal gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Steuerungsschaltung so konstruiert ist, dass sie darauf reagiert, dass ein Ausgangsstrom einen im Voraus einstellbaren Kurzschluss-Strom-Referenzpegel überschreitet, um die Steuerungsschaltung ohne Zeitverzögerung zu betreiben, um die Treiberschaltung zu sperren.
In einer Variation des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung kann das erforderliche Funktionsverhältnis zwischen dem Stromrückkopplungssignal und dem Steuerungssignal auch in anderer Art und Weise implementiert werden. Zum Beispiel kann die Implementierung auch teilweise oder vollständig digital sein, indem ein Strombild in ein digitales Wort umgewandelt wird und die erforderliche Funktion durch eine entsprechende Berechnung generiert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren zum Schützen eines elektrischen Systems eines Automobils oder dergleichen mit einem Halbleiter-Ausgangsleistungsschalter die folgenden Schritte: Anschließen einer Stromerfassungsschaltung an den Leistungsschalter zum Erhalten eines für den Ausgangsstrom I der Stromversorgung repräsentativen Rückkopplungssignals, Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem im Voraus einstellbaren Referenzpegel, der einen Überstromzustand repräsentiert, Erzeugen eines ersten Signals gemäß einem Verhältnis f(I)², wenn ein Überstromzustand besteht, Integrieren des ersten Signals zum Liefern eines zweiten Signals, das für das erste Signal mal t repräsentativ ist, wobei t die seit dem Beginn eines Überstromzustands verstrichene Zeit ist, und Liefern eines Steuerungssignals zum Sperren der Leistungsversorgung, wenn das zweite Signal einen zweiten im Voraus einstellbaren Referenzpegel übersteigt, wobei das Steuerungssignal zu einer Zeit geliefert wird, die von der Stärke des Überstromsignals abhängt.
Weiter wird gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung das zweite Signal durch eine schrittweise lineare Annäherung oder eine digitale Berechnung erzeugt. Außerdem betreibt gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung das Steuerungssignal eine Auffangschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine Ansteuerungsschaltung für den Ausgangsleistungsschalter zu sperren. Ein zusätzliches Merkmal gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das Steuersignal ohne Zeitverzögerung erzeugt wird, wenn der Ausgangsstrom einen im Voraus einstellbaren Kurzschluss-Strom-Referenzpegel übersteigt.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist eine Schaltung zur schrittweisen linearen Annäherung zum Erzeugen des ersten Signals aus einer Reihe von Stromspiegelschaltungen aufgebaut, die durch das Rückkopplungssignal parallel angesteuert werden und an den Ausgang der vorhergehenden Stromspiegelungsschaltung in Reihe angeschlossen sind, eine Stromreferenzquelle für jede Stromspiegelungsschaltung und eine Addierungsschaltung, die mit den Stromspiegelschaltungen und den Stromreferenzquellen verbunden ist, um ein Ausgangssignal gemäß einer schrittweise additiven Formel zu liefern.
Weiter gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung bestimmen die Spiegelverhältnisse die Steigung der entsprechenden Teile der schrittweisen Annäherung. Als ein nicht einschränkendes Beispiel hängt das Spiegelverhältnis R_n des n-ten Stromspiegels mit dem Spiegelverhältnis (n-1)-ten Stromspiegels gemäß der Formel R_n = 2R_(n-1) zusammen.
Demgemäß werden nach dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Stromreferenzpegel so ausgewählt, dass sie die entsprechenden Ströme bestimmen, über denen Steigungsveränderungen auftreten.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Schaltung zur schrittweisen linearen Annäherung so ausgelegt werden, dass sie auch andere Funktionen, die nicht quadratische Funktionen sind, in der allgemeinen Form (a+bi+ci²+di³...) erzeugt.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnung(en)
1 ist ein einen Überblick bietendes Blockdiagramm, das eine Anwendung der vorliegenden Erfindung zeigt, die für eine beispielhafte Schaltung Schutz bietet, die einen MOSFET-Leistungsschalter verwendet.
2 zeigt weitere Einzelheiten der beispielhaften Implementierung von 1, welche die I²t Funktion verwendet.
3 zeigt die Implementierung einer Schaltung zur schrittweisen linearen Annäherung, welche das I²-Signal liefert.
4 ist ein Wellenformdiagramm, das das Verhalten der in 3 gezeigten Schaltung zeigt.
5 ist eine Tabelle, die das Funktionsverhalten des gesamten Betriebs der Vorrichtung zeigt.
In den Zeichnungen werden die gleichen Teile überall mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Gemäß 1 steuert die Schaltungsschutzvorrichtung, die allgemein mit 10 bezeichnet ist, einen Ausgangsschaltertransistor 12 an, der zu Illustrationszwecken als ein MOSFET gezeigt ist, der jedoch auch ein IGBT oder ein anderer Leistungsschalter sein könnte. 1 zeigt auch die Konstruktion des Systems als eine integrierte Schaltung, welche den MOSFET 12 enthält, doch könnten die Schutzschaltung und der Leistungsschalter auch zusammen gepackt sein. Außerdem können auch diskrete Komponenten verwendet werden.
Außerdem wird darauf hingewiesen, dass der Leistungsschalter auch in der Form einer vollständigen Brücke oder einer Halbbrücke mit High- und Low-Positions-Transistorschaltern sein könnte, die zusammen an einen Ausgangsknoten 54 angeschlossen sind. In diesem Fall wäre jedem Ausgangsschalter eine Schutzschaltung 10 zugeordnet.
Die Schutzvorrichtung 10 soll den Betrieb des MOSFET 12 über eine Ansteuerungsschaltung 14 einer beliebigen herkömmlichen oder gewünschten Konstruktion steuern. Eine herkömmliche Ladungspumpe 18 und eine geeignete Verpolschutzschaltung 20 können ebenfalls vorgesehen sein. Die Ansteuerungsschaltung 14 ist mit der Schutz-Logikschaltung verbunden, welche bestimmt, wann die Ansteuerungsschaltung 14 gesperrt werden sollte.
Die Schutzvorrichtungsschaltung enthält eine Eingabeschaltung 22, die mit einer Logiksignal-Eingangsklemme 24, einem Schmitt-Trigger-26, einem Auffang-Flip-Flop 28 und einem UND-Gatter 16 verbunden ist.
Der Schmitt-Trigger 26 liefert das SET-Eingangssignal für die Auffangschaltung 28 und auch ein Eingangssignal für das UND-Gatter 16. Das Rücksetz-Eingangssignal für die Auffangschaltung 28 wird durch ein ODER-Gatter 30 geliefert. Dieses empfängt ein erstes Eingangssignal von einem I²t- Funktionsgenerator 32, der unten noch eingehender beschrieben wird, der ein zeitverzögertes Überstrom-Ausschaltsignal liefert. Das zweite Eingangssignal stammt von einer Strom-Erfassungs-Ausgangs-Schwellenschaltung 34 eines beliebigen geeigneten Typs, welche ein sofortiges Kurzschluss-Ausschaltsignal liefert. Das dritte Eingangssignal wird von einem Temperatursensor 36 geliefert, der einen Schutz gegen übermäßige Temperaturanstiege in der Vorrichtung liefert.
Die Überlast-Abschaltfunktion wird durch einen Komparator 38 und den I²t-Funktionsgenerator 32 implementiert. Diese sind eingehender in den 2 und 3 veranschaulicht. Der Komparator 38 wird von einer Referenzspannungsquelle 40 sowie einem Stromrückkopplungssignal an der Klemme 42 (siehe 1) gespeist. Die Referenzspannungsquelle 40 setzt im Voraus einen gewünschten Schwellenpegel, der einen Überstromzustand repräsentiert, und die Klemme 42 liefert ein Rückkopplungssignal, das einen vom Leistungsausgangs-MOSFET 32 gelieferten Laststrom repräsentiert. Das Stromrückkopplungssignal wird von einer Schaltung aus Dioden 44 und 46, Transistoren 48 und 50 und einem Operationsverstärker 52 erzeugt, der das Gate des Transistors 50 ansteuert. Das positive Eingangssignal für den Operationsverstärker 52 wird von einer Ausgangsklemme 54 geliefert, und das negative Eingangssignal wird vom Knoten zwischen den Transistoren 48 und 50 geliefert.
2 zeigt die allgemeine Konstruktion eines nicht einschränkenden beispielhaften I²t-Funktionsgenerators 32 zusammen mit dem Komparator 38, der das Überstrom-Alarmsignal liefert. Die beispielhafte Schaltung zur I² schrittweisen linearen Annäherung selbst ist in 3 gezeigt. Gemäß 2 ist die I²-Signalquelle als eine Stromquelle 56 angegeben, die über einen geeigneten Transistorschalter 58 an einen Kondensator 60 angeschlossen ist, der eine Schmitt-Trigger-Zwei-Pegel-Schwellenschaltung 62 speist. Die Spannungsquelle 40 setzt einen Schwellenpegel für den Komparator 38, der den Nennwert der geschützten Verdrahtung und der geschützten Komponenten des Systems repräsentiert, um immer dann ein Steuerungssignal für den Schalter 58 zu liefern, wenn der durch das Rückkopplungssignal repräsentierte Strom an der Stromrückkopplungsquelle 42 den Überstromgrenzwert überschreitet. Wenn der Schalter 58 geschlossen wird, wird der Kondensator 60 durch das I²-Stromsignal aus der Quelle 56 geladen, und wenn er für die Schaltung 62 den oberen Schwellenpegel erreicht, wird auf der Leitung 64 als ein Eingangssignal an das ODER-Gatter 30 ein Ausgangssignal geliefert, um die Auffangschaltung 28 rückzusetzen. Wenn dies geschieht, geht das Q-Ausgangssignal der Auffangschaltung 28 auf den niedrigen Pegel und das Ausgangssignal des UND-Gatters 16 auch auf den niedrigen Pegel und wird auf der Leitung 66 zum Sperren der Ansteuerungsschaltung 14 ein Signal geliefert.
Die am Kondensator 60 anliegende Spannung wird durch eine Neustart-Entladungs-Stromquelle 68 gesteuert. Der Kondensator 60 bleibt genügend geladen, um ein Setzen der Auffangschaltung 28 zu verhindern, bis die Spannung am Eingang der Schaltung 62 unter den unteren Schwellenwert fällt.
Zum Neustarten der Ansteuerungsschaltung 14 muss das Signal an der Eingangsklemme 24 einen neuen Zyklus durchlaufen, um die Auffangschaltung 28 über den Schmitt-Trigger 26 zu setzen. Dies ermöglicht es dem Ausgangssignal des UND-Gatters 16, die Ansteuerungsschaltung 14 zu reaktivieren. Bis jedoch der Kondensator 60 genügend unter den unteren Schwellenwert der Triggerschaltung 62 entladen ist, verhindert jedoch das ODER-Gatter 30 ein Setzen der Auffangschaltung 28. Auf diese Weise öffnet sich, nachdem das Rückkopplungssignal unter den Überstromschwellenwert des Komparators 38 gefallen ist, der Schalter 58, und die Stromquelle 68 entlädt den Kondensator 60. Die Funktionalität der oben beschriebenen Schaltung ist in der Wahrheitswertetabelle von 5 veranschaulicht, deren Spalten die Betriebsbedingungen, das Signal an der Eingangsklemme 24, das Signal an der Ausgangsklemme 54 und die Spannung an der Rückkopplungsklemme 42 auflisten.
Die gezeigte Konstruktion stellt sicher, dass beim Ersetzen einer Glühbirne die Schaltung nicht im Aus-Zustand verriegelt bleiben kann. Wenn daher zum Beispiel eine Glühbirne ersetzt wird, während der Schalter eingeschaltet ist, dann ist der Stromschutzpegel niedrig, jedoch kann die Vorrichtung aufgrund des Einschaltstoßstroms der Glühbirne nicht im Schutzmodus verbleiben.
Gemäß 3 umfasst eine Schaltung 56 für eine schrittweise lineare Annäherung vier Stromspiegelungsschaltungen M56, M57, M58 und M59 und entsprechende zugeordnete Stromreferenzschaltungen M51, M52, M53 und M54, die wie gezeigt verschaltet sind. Das von der Stromrückkopplungsklemme 42 kommende Signal wird in einer beliebigen geeigneten Art und Weise weitergeleitet, um durch einen Widerstand R53 einen Strom zu leiten, der eine Strom spiegelungsschaltung M55 speist, die ein Spiegelungsverhältnis von eins hat, um für die zuvor erwähnten Spiegelungsschaltungen M56 bis M59 Eingangssignale zu liefern. Die letzteren sind so konstruiert, dass sie optimale Spiegelungsverhältnisse vorsehen, die zur Synthese einer Quadrierungsfunktion geeignet sind. Spiegelungsverhältnisse für die Spiegelungsschaltungen M56 – M59 sind vorzugsweise 1X, 2X, 4X bzw. 8X. Diese Verhältnisse definieren die Steigungen der schrittweise erfolgenden Annäherungskomponenten.
Die Stromreferenzen M51 bis M54 liefern gemäß den Stromverhältnissen von 1:3:16:64 Stromsignale an die jeweiligen Spiegelungsschaltungen M56 bis M59. Diese Verhältnisse bestimmen die Strompegel für die Spiegelungsschaltungen, bei denen sich die Steigung der Annäherungskomponenten ändert.
Der von den Spiegelungsstromschaltungen M56 – M59 erzeugte Gesamtstrom wird dann beim Widerstand R55 summiert. Für jeden der Spiegelungschaltungsarme sind Diodenschaltungen D17 bis D20 vorgesehen, um die Stromdifferenz zwischen einem Stromspiegel und der zugeordneten Stromreferenz zu berücksichtigen.
Wenn insbesondere zum Beispiel bei einer Betrachtung des Arms M56 bis M51 der Strom, den M56 einzuleiten versucht, kleiner als der Strom ist, den M51 einzuleiten versucht, dann ist die Spannung bei der Kathode der Diode D17 nahe der VDD-Versorgungspannung, so dass aufgrund der Blockierungseigenschaft der Diode von diesem Arm kein Strom durch den Widerstand R55 fließt. Wenn der Strom, den M56 einzuleiten versucht, größer als der Strom ist, den M51 einzuleiten versucht, dann ist die Spannung an der Kathode der Diode 17 in der Nähe der Erdungsspannung (GND), so dass Strom von M56 durch den Widerstand R55 fließt.
Im Betrieb sind für die angegebenen Spiegelverhältnisse und Referenzstromverhältnisse die vom Ausgang des Summierungswiderstands R55 gelieferten Signale so, wie sie durch die Ausdrücke 1 bis 4 unten angegeben sind: If IR<IM51: IM16=0 (1) If IM51 < IR53 < IM52: IR55 = (IR53 – IM51) (2) If IM52 < 2 × IR53 < IM53: IR55 = (IR53 – IM51) + (2 × IR53 – IM52) (3) If IM53 < 4 × IR53 < IM54: IR55 = (IR53 – IM51) + (2 × IR53 – IM52) + (4 × IR53 – IM53) (4).
4 zeigt die Wirksamkeit der durch die Schaltung 56 vorgesehenen schrittweisen linearen Annäherung. Hier ist eine Simulation von I² in Abhängigkeit von einem den Strom I repräsentierenden Eingangssignal als Wellenform A gezeigt, im Vergleich mit einer tatsächlichen I²-Funktion, die durch die Wellenform B angezeigt ist. Die Wellenformen C bis F repräsentieren die jeweiligen Beiträge einer jeden Stufe der Simulation, wie sie an den entsprechenden Dioden D17 – D20 vorgesehen sind. Wie zu sehen ist, liefert das zusammengesetzte Ausgangssignal für die wie oben beschrieben optimierten Spiegelverhältnisse und Stromreferenzen für einen großen Bereich von Eingangssignalen eine exzellente Annäherung einer tatsächlichen Quadratfunktion.
Die I²t-Funktion ist ziemlich vorteilhaft, da sie in direktem Verhältnis zur in das System eingeleiteten Energie steht, die ihrerseits mit einer potentiellen Beschädigung aufgrund von Wärme zusammenhängt.
Die Schaltung zur schrittweisen linearen Annäherung kann alternativ auch zur Annäherung anderer Funktionen, wie zum Beispiel I³, In(I), cos(I)... optimiert werden, wobei die einzige Einschränkung darin besteht, dass die Steigungen der Annäherungskomponenten ihre Richtung nicht ändern. Dies wird in einfacher Weise durch Berechnungen oder durch empirische Simulation bewerkstelligt.
Auch wenn die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit bestimmten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde, werden dem Fachmann andere Variationen und Modifikationen und auch andere Einsatzbereiche ersichtlich sein. Daher ist auch beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hier vorgestellte spezifische Offenbarung eingeschränkt ist, sondern dass sie den vollen durch die beiliegenden Ansprüche erlaubten Umfang bekommen soll.

Claims

Schaltungsschutzvorrichtung für ein elektrisches System, mit einem Halbleiter-Ausgangs-Leistungsschalter, wobei die Schaltungsschutzvorrichtung umfasst: – eine elektronische Stromerfassungsschaltung, die an die Stromversorgung angeschlossen ist, um ein für die Stromausgangsleistung I der Stromversorgung repräsentatives Rückkopplungssignal zu liefern; – eine Schwellenvorrichtung, die darauf anspricht, dass das Rückkopplungssignal einen ersten im Voraus einstellbaren Referenzpegel überschreitet, um ein Überstromalarmsignal zu liefern; – eine Funktionserzeugungsschaltung, die im Ansprechen auf das Rückkopplungsalarmsignal ein für das Funktionsverhältnis f(I) repräsentatives Signal erzeugt; – eine Integrationsschaltung, die an einen Ausgang der Funktionserzeugungsschaltung angeschlossen ist, um ein für die Größe f(I)·t repräsentatives Signal zu liefern, wobei t die nach der Erzeugung eines Überstromalarmsignals verstrichene Zeit ist; und – eine Steuerungsschaltung, die auf einen ersten Schwellenwert des Ausgangssignals der Integrationsschaltung anspricht, um ein Abschaltsignal zum Sperren der Stromversorgung zu liefern.
Schaltungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsschaltung aus einer Auffangschaltung besteht, die dazu zu betreiben ist, dass sie in einen ersten Zustand gesetzt werden kann, um eine Ansteuerungsschaltung für den Leistungsschalter zu sperren, und in einen zweiten Zustand gesetzt werden kann, um die Ansteuerungsschaltung für den Leistungsschalter freizugeben.
Schaltungsschutzvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Funktionserzeugungsschaltung eine Quadrierungsschaltung ist, die ein Signal gemäß dem Funktionsverhältnis f(I)=I² erzeugt.
Schaltungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Funktionserzeugungsschaltung zum Liefern einer schrittweisen linearen Annäherung von I² in Abhängigkeit von einem den Ausgangsstrom I repräsentierenden Eingangssignal betrieben wird.
Schaltungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsschaltung im Ansprechen darauf betreibbar ist, dass ein Ausgangsstrom einen im Voraus einstellbaren zweiten Kurzschluss-Strom-Referenzpegel überschreitet, um die Steuerungsschaltung für den Leistungsschalter im Wesentlichen ohne Zeitverzögerung zu sperren.
Schaltungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, weiter mit einer Löschschaltung für die Integrationsschaltung und wobei die Steuerungsschaltung dazu betreibbar ist, die Stromversorgungs-Ansteuerungsschaltung nur dann freizugeben, wenn das Ausgangssignal der Integrationsschaltung unter einem zweiten Schwellenwert ist.
Schaltungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Funktionsverhältnis in der Form f(I)=a+bi²+ci³... ist.
Schaltung zur schrittweisen linearen Annäherung, die auf ein eine Variable I repräsentierendes Eingabesignal anspricht, um gemäß einem gewünschten Funktionsverhältnis f(I) ein eine Variable repräsentierendes Ausgangssignal zu erzeugen, wobei die Schaltung umfasst: – eine Vielzahl von Stromspiegelschaltungen, die in Reihe geschaltet sind, wobei jede durch ein anderes Spiegelverhältnis gekennzeichnet ist; – wobei die Stromspiegelschaltungen durch das Eingangsvariablensignal von I und durch das Ausgangssignal des in der Reihe vorhergehenden Stromspiegels parallel angesteuert werden; – eine Vielzahl von Stromreferenzquellen für die entsprechenden Stromspiegelschaltungen, wobei jede Stromreferenzquelle einen anderen Wert hat; und – eine mit den Stromspiegelschaltungen und den Stromreferenzquellen verbundene Addierungsschaltung zum Liefern des Ausgangssignals, das die Ausgangsvariable gemäß einer Kombination von Strömen der Vielzahl von Stromspiegelschaltungen repräsentiert.
Schaltung zur schrittweisen Annäherung nach Anspruch 8, wobei: – die Spiegelverhältnisse so ausgewählt werden, dass die Steigung einer Komponente einer Kurve bestimmt wird, welche die Ausgangsvariable in Abhängigkeit von der Eingangsvariablen repräsentiert; und – die Stromreferenzwerte so ausgewählt werden, dass die entsprechenden Werte der Eingangsvariablen bestimmt werden, über der Steigungsänderungen stattfinden.
Schaltung zur schrittweisen linearen Annäherung nach Anspruch 9, wobei die Spiegelverhältnisse und die Stromreferenzen so ausgewählt werden, dass die Eingabevariable I gemäß dem Funktionsverhältnis f(I)=I² mit der Ausgabevariable in Verhältnis steht.
Schaltung zur schrittweisen linearen Annäherung nach Anspruch 8, wobei das Funktionsverhältnis in der Form f(I)=a+bi²+ci³... ist.
Verfahren zum Schützen eines elektrischen Systems oder dergleichen, das einen Halbleiter-Ausgangsleistungsschalter aufweist, mit den folgenden Schritten: – Anschließen einer Stromerfassungsschaltung an den Leistungsschalter zum Erhalten eines für den Ausgangsstrom I des Leistungsschalters repräsentativen Rückkopplungssignals; – Vergleichen des Rückkopplungssignals mit dem einen Überstromzustand repräsentierenden im Voraus einstellbaren Referenzpegel; – Erzeugen eines ersten mit dem Strom I zusammenhängenden Signals gemäß einem im Voraus eingestellten Funktionsverhältnis; – Integrieren des ersten Signals zum Liefern eines für das Produkt des ersten Signals und t repräsentativen zweiten Signals, wobei t die seit dem Beginn eines Überstromzustands verstrichene Zeit ist; und – Liefern eines Steuerungssignals zum Abschalten einer Ansteuerungsschaltung für den Leistungsschalter, wenn das zweite Signal einen zweiten im Voraus einstellbaren Referenzpegel übersteigt, wobei das Steuerungssignal zu einer Zeit geliefert wird, die von der Stärke des Überstromsignals abhängt.
Verfahren nach Anspruch 12, weiter mit dem Schritt des Abschaltens der Ansteuerungsschaltung mit im Wesentlichen keiner Zeitverzögerung, wenn I einen zweiten einen Kurzschlusszustand repräsentierenden, im Voraus eingestellten Pegel übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Funktionsverhältnis in der Form f(I)=I² ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Funktionsverhältnis in der Form f(I)=a+bi²+ci³... ist.