專利名稱：用于開關元件的過流檢測設備的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及檢測開關元件中的過流異常的過流檢測設備。
背景技術：
功率MOS晶體管典型地具有極大的導通電阻溫度系數α。眾所周知的是，為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)提供過流保護電路，以保護逆變器電路的IGBT以免在IGBT中出現過流。日本專利特開2002-26707已經提出，提供考慮了檢測電壓的溫度特性的過流保護電路，以保護所述逆變器電路的IGBT以免在IGBT中出現過流。在這個公開的過流保護電路中，來自在半導體芯片內部提供的二極管的檢測電壓和參考電壓被饋送到運算放大器 (op-amp)。接著，所述運算放大器將所述檢測電壓和參考電壓之間的差與過流檢測參考值相比較。通過這種方式，所述晶體管的導通電阻溫度系數影響過流檢測電流值的程度被抑制了。
發明內容
然而，在上述傳統的過流保護設備中，所述運算放大器的使用增大了所述過流檢測設備的整體成本，并要求所述過流檢測設備中額外的空間用于容納所述運算放大器。所說明的實施例中，公開了一種不使用運算放大器的過流檢測設備。因此，在所說明的實施例中，所述過流檢測設備的整體成本與需要運算放大器的過流檢測設備相比可減小。此外，在所說明的實施例中，所述過流檢測設備與需要運算放大器的過流檢測設備相比，能夠更加緊湊。考慮到已知技術的狀態，提供了一種不使用運算放大器的過流檢測設備。基本上， 在所說明的實施例中，用于開關元件的所述過流檢測設備配備有基準電源、比較電路、電流轉換元件、第一電阻器和第二電阻器。所述比較電路包括接收對應于在所述開關元件中流動的電流的電壓的第一輸入端子、以及接收從所述基準電源提供的參考電壓的第二輸入端子。所述電流轉換元件串聯連接在所述基準電源和所述比較電路的第二輸入端子之間。所述電流轉換元件將檢測所述開關元件的溫度的溫度檢測元件的電壓轉換為對應于所述溫度檢測元件的電壓的電流。所述第一電阻器串聯連接到所述比較電路的第二輸入端子的基準電源側，即，位于所述基準電源和所述比較電路的第二輸入端子之間。所述第二電阻器串聯連接到所述比較電路的第二輸入端子的接地側，即，位于接地和所述比較電路的第二輸入端子之間。因此，通過向所述比較電路的輸入端子提供用于檢測過流的參考電壓，這個過流檢測設備不使用運算放大器。具體地，通過使用電流轉換元件將所述開關元件的溫度檢測元件的電壓值轉換為電流、并使用電阻器來將所述電流轉換為電壓，而得到所述參考電壓。 換言之，所述電流轉換元件被用于將具有溫度特性的溫度檢測元件的電壓值轉換為對應的電流值。所述電流值具有與所述開關元件的感測電壓相似(相同符號)的溫度特性，且能夠通過適當地設置所述電阻器的值，將所述電流值的溫度特性修改為對應于所述感測電壓的溫度系數。所述溫度特性的這個修改是通過使用電流轉換元件完成的，因此，不需要使用昂貴且占用空間的運算放大器。
下面參考組成這個原始公開的一部分的附圖圖1是顯示了根據第一實施例的過流檢測設備的電路圖；圖2是顯示了根據第二實施例的過流檢測設備的電路圖；圖3是顯示了根據第三實施例的過流檢測設備的電路圖；圖4是顯示了掩蔽比和參考電壓對開關元件的結點溫度的特性繪圖的曲線圖；以及圖5是顯示了過流檢測電平對開關元件的結點溫度的繪圖的曲線圖。
具體實施例方式下面將參考附圖解釋所選實施例。本領域的技術人員從這個公開可以顯而易見， 所述實施例的以下說明僅僅被提供用于示例，并不是為了限制如附加的權利要求和它們的等價物所定義的本發明。首先參考圖1，說明了根據第一實施例的過流檢測設備的電路圖。這個過流檢測設備能夠被用作檢測諸如智能電源模塊的開關元件的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)中的異常的設備。這個第一實施例將示例所述過流檢測設備的這樣的應用。然而，所述過流檢測設備并不局限于這樣的應用，并可以被應用到不同類型的開關元件。如下面解釋的，由于所述過流檢測設備在檢測是否存在過流狀況時不使用運算放大器，這個說明的實施例的過流檢測設備能夠相對便宜、相對緊湊。在這個實施例中，所述過流檢測設備用來檢測開關元件1(如IGBT)中的電流異常。所述開關元件1通過從柵極驅動電路(未顯示)發送到所述開關元件1的柵極G的柵極PWM信號而被切換，且集電極電流Io由于導通驅動(on-drive)信號，從所述開關元件1 的集電極C流向發射極E。在這個實施例中，所述開關元件1是具有電流檢測端子3的晶體管。當所述集電極電流Io由于被發送到柵極G的導通驅動信號而從所述集電極C流向發射極E時，電流Is流向所述電流檢測端子3。所述電流Is與電流Io成比例(如，Is = Ιο/Ν ；其中，電流Io和Is的掩蔽比N是已知的)。從所述電流檢測端子3流出的電流Io/ N通過電流檢測電阻器Rsens而被轉換為電壓，即，檢測電壓或感測電壓Vsens，且所述檢測電壓Vsens被提供到比較器8的正輸入端子。所述開關元件1具有溫度檢測元件4，其包括用于檢測所述開關元件1的溫度的二極管。所述溫度檢測元件4的正端子通過溫度檢測端子5連接到電壓轉換電阻器Rl，并且， 流經所述連接的電流被轉換為電壓。所轉換的電壓被提供到電流轉換元件6的基極。在這個說明的實施例中，所述溫度檢測元件4具有負的溫度特性，使得當溫度增大時，所述感測電壓減小。提供參考電壓Vcc的基準電源7通過電阻R3和電流轉換元件6連接到所述比較器8的負端子，所述電流轉換元件6包括PNP晶體管。電阻器R2和電容器Cl被連接在所述比較器8的負端子和接地之間。所述電阻器R2用來將從所述電流轉換元件6流出的電流Iref轉換為電壓，而所述電容器Cl用來使這個電壓穩定化。下面解釋根據這個實施例的過流檢測設備的操作原理和效果。所述感測電壓 Vsens能夠根據下面的等式1表示，其中，Io是在開關元件1中流動的主電流，Ιο/Ν是由關于所述主電流的掩蔽比(1 N)確定的感測電流，以及Rsens是用于將所述感測電流轉換為感測電壓Vsens的電阻器的電阻值。Vsens = (Io/N) XRsens (1)根據等式1，當所述掩蔽比N具有負的溫度特性時(即，當所述掩蔽比N響應于溫度的增大而減小時)，如圖4中的曲線a所示，所述感測電壓Vsens具有正的溫度特性(即， 所述感測電壓Vsens響應于溫度的增大而增大)。即，所述感測電壓Vsens具有與圖4中的曲線b相似的溫度特性。同時，所述開關元件1的溫度檢測元件4的電壓Vtemp被提供到所述電流轉換元件(PNP晶體管)6的基極端子，而參考電壓Vcc通過電阻器R3連接到所述電流轉換元件6 的發射極端子。用這種方式，所述溫度檢測元件4的溫度檢測電壓能夠被轉換為電流。在這種情況下，在所述電流轉換元件(PNP晶體管)中流動的電流Iref可以根據下面的等式 2表示，其中，Vbe是存在于所述電流轉換元件(PNP晶體管)的基極和發射極之間的電壓。Iref = (Vcc-Vbe-Vtemp) /R3 (2)通過獲得所述電流Iref關于溫度T的導數，可以得到下面所示的等式3。這里，假定所述電流轉換元件(PNP晶體管)6的基極和發射極之間的電壓Vbe不具有溫度特性。δ Iref/ δ T = (_ δ Vtemp/ δ Τ) /R3 (3)根據等式3，當來自所述溫度檢測元件4的溫度檢測電壓具有負的溫度特性時，流經所述晶體管6的電流Iref具有正的溫度特性。當所述電流Iref被電阻器R2轉換為電壓時，所述比較器8的輸入電壓Voc可以根據下面顯示的等式4表示。Voc = (Vcc-Vbe-Vtemp) X R2/R3 (4)獲得兩邊關于溫度的導數，得到下面示出的等式5 δ Voc/ δ T = (_ δ Vtemp/ δ Τ) X R2/R3 (5)因此，根據這個實施例的過流檢測設備中，提供到所述比較器8的輸入電壓Voc的正溫度系數(具有如圖4中的曲線b所示的正的溫度特性)能夠通過調整電阻值R2和R3 的比而改變。換言之，通過調整R2和R3的比(R2/R;3)使得所述輸入電壓Voc的溫度特性的斜率與所述感測電壓Vsens的正溫度特性的斜率相同，獨立于所述開關元件1的溫度而起作用的過流檢測設備能夠通過僅提供如圖1所示的電流轉換元件(PNP晶體管)而實現。下面將更詳細地解釋設置電阻值R2和R3的方法。當所述掩蔽比N的溫度特性是負的時，如圖4中的曲線a所示(S卩，所述掩蔽比N隨著溫度增大而減小)，所述比R2/R3應該被設置為與所述掩蔽比N的溫度系數的斜率的絕對值(正號)相等。用這個方式，所述感測電壓Vsens的正的溫度特性能夠被抵消。
圖5中的曲線a說明了圖1所示的過流檢測設備中的電阻器R2和R3的值已經被適當地設置為使得過流檢測電平不取決于溫度的情況。相反地，圖5中的曲線b顯示了用設備得到的所述過流檢測電平的測量，在所述設備中，如圖1所示的所述過流檢測設備的晶體管6已經被除去，且所述溫度檢測端子5不被連接到所述比較器8的負輸入端子。如圖5中的曲線a所示，根據這個實施例，所述過流檢測電平受到所述開關元件1的半導體結點部分的結點溫度的變化的非常小的影響。第二實施例現在參考圖2，下面將解釋根據第二實施例的過流檢測設備。圖2是顯示了根據第二實施例的過流檢測設備的電路圖。考慮到第一和第二實施例之間的相似性，第二實施例中與第一實施例的部分相同的部分將被賦予與第一實施例的部分相同的參考編號。此外， 為了簡潔，第二實施例中與第一實施例的部分相同的部分的說明會被省略。在所述第一實施例中，假定組成所述電流轉換元件6的PNP晶體管的基極和發射極之間的電壓Vbe不取決于溫度，因此，所述基極-發射極電壓Vbe不出現在等式3中。然而，有些時候，所述電流轉換元件6的基極-發射極電壓Vbe會響應于除了所述開關元件1 的結點溫度Tj之外的環境溫度而變化。因此，在此第二實施例中，可變電壓裝置被用作基準電源7，以便補償所述電流轉換元件6的基極-發射極電壓Vbe的溫度特性。此外，所述設備基本上與第一實施例相同，因此，所述部分的說明在這里被省略。除了所述開關元件1的結點溫度之外的溫度的示例包括安裝所述電流轉換元件6 的基板的溫度。在這個實施例中，溫度傳感器10被用于檢測所述基板的溫度，而控制裝置 11修改所述基準電源7的參考電壓Vcc，以便抵消所檢測到的基板溫度中的變化的影響。更具體地，所述控制裝置11控制所述基準電源7的電壓Vcc，使得所述電壓Vcc隨著傳感器 10檢測到的溫度的增大而減小。用這個方式，能夠在不考慮由所述電流轉換元件6的溫度變化弓I起的特性波動的情況下檢測過流。第三實施例現在參考圖3，下面將解釋根據第三實施例的過流檢測設備。在這個實施例中，包括與過流轉換元件6相同的PNP晶體管的電流轉換元件9被用于減小所述電流轉換元件6 的環境溫度的影響。所述電流轉換元件9的基極端子被連接到基準電源7，其具有很小的溫度依賴程度，且所述電流轉換元件9的發射極端子被連接到參考電壓點。所述電流轉換元件9被安裝在與電流轉換元件6相同的基板上。在這個實施例中，前面的等式2能夠被修改為等式2 ‘，如下所示，其中，Vref是基準電源7的電壓，且Vbe(9)是連接到所述基準電源7的PNP晶體管9的基極和發射極之間的電壓。Iref = ((Vref+Vbe(9))-Vbe-Vtemp)/R3 (2')由于所述PNP晶體管9與組成所述電流轉換元件6的PNP晶體管相同，并被安裝在相同的基板上，所以，所述基極-發射極電壓Vbe(9)和Vbe相等，且等式2'能夠被重寫為以下所示的等式2"。Iref = (Vref-Vtemp) /R3 (2 “)簡而言之，因為所述電流轉換元件6的基極-發射極電壓Vbe的影響通過提供所述電流轉換元件9被抵消(消除)了，所以，能夠得到不受所述電流轉換元件6的溫度特性影響的過流檢測電路。 雖然僅有選中的實施例被挑選以說明本發明，本領域的技術人員從本公開可以明顯看出，在不脫離附加的權利要求所定義的本發明的范圍的情況下，能夠作不同的改變和修改。一個實施例的結構和功能能夠被另一個實施例所采用。不需要在特定的實施例中一次性呈現所有優勢。每一個對現有技術來說獨特的特征，單獨或與其他特征相結合，都應該認為是本申請人的進一步的發明的獨立說明，包括由這些特征實體化的結構和/或功能性概念。因此，根據本發明的所述實施例的說明僅僅是為了舉例，而不是為了限制由附加的權利要求和它們的等價物所定義的本發明的范圍。
權利要求
1.一種用于開關元件的過流檢測設備，包括基準電源；比較電路，其包括接收對應于在所述開關元件中流動的電流的電壓的第一輸入端子、 以及接收從所述基準電源提供的參考電壓的第二輸入端子；串聯連接在所述基準電源和所述比較電路的第二輸入端子之間的電流轉換元件，所述電流轉換元件將檢測所述開關元件的溫度的溫度檢測元件的電壓轉換為對應于所述溫度檢測元件的電壓的電流；串聯連接到所述比較電路的第二輸入端子的基準電源側的第一電阻器，其位于所述基準電源和所述比較電路的第二輸入端子之間；以及串聯連接到所述比較電路的第二輸入端子的接地側的第二電阻器，其位于接地和所述比較電路的第二輸入端子之間。
2.如權利要求1所述的過流檢測設備，其中所述第二電阻器的電阻值與所述第一電阻器的電阻值之間的比關于溫度的溫度特性被設置為使得所述溫度特性的斜率的絕對值等于所述開關元件的掩蔽比的溫度特性的斜率的絕對值，并使得所述溫度特性的斜率的符號與所述開關元件的掩蔽比的溫度特性的斜率的符號相反。
3.如權利要求1或2所述的過流檢測設備，還包括電壓調節裝置，其根據所述電流轉換元件的溫度特性來調節所述基準電源的電壓。
4.如權利要求3所述的過流檢測設備，其中該電壓調節裝置包括可變電壓裝置、檢測所述電流轉換元件的溫度的溫度檢測部件、 和基于由所述溫度檢測部件檢測到的所述電流轉換元件的溫度來控制所述可變電壓裝置的控制部件，所述控制部件還控制所述可變電壓裝置，使得可變電壓裝置的電壓依照所述電流轉換元件的溫度的增大而減小。
5.如權利要求3所述的過流檢測設備，其中所述電流轉換元件包括PNP晶體管。
6.如權利要求5所述的過流檢測設備，其中所述電壓調節裝置包括與所述電流轉換元件的PNP晶體管相同的附加PNP晶體管，所述基準電源連接到所述附加PNP晶體管的基極，而所述電流轉換元件的PNP晶體管的發射極連接到所述附加PNP晶體管的發射極。
全文摘要
一種開關元件(1)的過流檢測設備，包括基準電源(7)、比較電路(8)、電流轉換元件(6)、第一電阻器(R3)和第二電阻器(R2)。所述比較電路(8)包括接收對應于在所述開關元件中流動的電流的電壓的第一輸入端子和接收所述基準電源(7)供應的參考電壓的第二輸入端子。所述電流轉換元件(6)將檢測所述開關元件(1)的溫度的溫度檢測元件(4)的電壓轉換為對應于所述溫度檢測元件(4)的電壓的電流。所述第一電阻器(R3)串聯連接到所述比較電路(8)的第二輸入端子的基準電源側。所述第二電阻器(R2)串聯連接到所述比較電路(8)的第二輸入端子的接地側。
文檔編號H03K19/08GK102217196SQ200980145598
公開日2011年10月12日 申請日期2009年12月11日 優先權日2008年12月12日
發明者丸山涉 申請人:日產自動車株式會社