电源开关电路的制作方法

本发明总体上涉及一种电源开关电路，特别是用于汽车应用。

背景技术：

1、半导体广泛用于功率开关应用，诸如无电流可控开关、逆变器、开关模式电源、dc/dc转换器和电动机控制单元。一个突出的例子是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，也称为功率mosfet。它包括绝缘栅极以及分别称为漏极和源极的输入端和输出端。栅极处的电压或电势控制漏极与源极之间的导电性。

2、在功率开关应用中使用的半导体可能以使它们不可控制的方式被劣化，并且可能导致过热和甚至火灾。例如，功率mosfet中的快速氧化可能导致栅极与漏极之间的短路。当电流从输出端(源)流出时，mosfet两端的电压可能变得显著，导致快速达到数十瓦特的功率消耗。这种功率消耗可能导致设备过热，甚至着火。即使可以检测到这种有害的功率消耗，由于栅极与漏极之间的短路也无法关断mosfet。设备处于不可控制和危险状态。

3、为了避免进一步的损坏，有时使用所谓的pcb熔丝。这些是印刷电路板(pcb)上的特殊导体路径，被布置成在过流的情况下熔化。当熔化时，这种熔丝产生高温，甚至可能引起火灾。此外，在对pcb板或放置在其上的部件进行更新或维护的情况下，pcb熔丝难以管理。因此，设计避免上述问题的电源开关电路是一项极具挑战性的任务。

技术实现思路

1、本发明提供一种电源开关电路，包括：具有第一控制输入端的第一半导体开关(q1)和具有第二控制输入端的第二半导体开关(q2)，其中，所述第一半导体开关(q1)和所述第二半导体开关(q2)串联连接；比较器，其被配置成将第一电压与第二电压进行比较，并且如果所述第一电压超过所述第二电压第一预定阈值则输出第一电信号，并且如果所述第二电压超过所述第一电压第二预定阈值则输出第二电信号，其中，所述第一电压对应于所述第一半导体开关(q1)两端的电压降，并且所述第二电压对应于所述第二半导体开关(q2)两端的电压降；以及组合器，其被配置成组合所述第一信号和所述第二信号，并将组合的信号馈送到所述第一半导体开关和第二半导体开关的所述第一控制输入端和第二控制输入端。

2、通过串联布置两个半导体开关，未损坏的开关可以中断流过损坏的开关的电流。两个开关都被损坏的可能性非常低。当流过损坏的开关的电流中断时，过热和着火的风险显著降低。通过监测和比较两个开关两端的电压降来检测损坏的半导体开关。只要两个开关正确工作，两个电压降预期是相似的。损坏的半导体开关通常呈现出比未损坏的开关更高的电压降。因此，一旦一个电压降开始上升到高于另一个电压降，这就可能是两个开关之一可能损坏的信号。如果两个电压降之一超过另一个电压降预定阈值，则比较器输出电信号。电信号被组合成指示两个开关之一发生故障的组合信号。该组合信号被馈送到半导体开关的控制输入端以关闭开关。即使损坏的开关不会对这样的信号作出反应(例如在mosfet的情况下由于栅极与漏极之间的短路)，另一个未损坏的开关仍将断开并将阻止电流流过损坏的开关。

3、半导体开关可以是mosfet。一方面，mosfet有利地允许在快速切换时间以非常小的切换电流控制高电流。另一方面，如上所述，mosfet可能遭受快速氧化或者可能被损坏。随后的过电流可能导致过热甚至着火。因此，本发明在使用mosfet时特别有效。

4、组合信号可以被配置成控制第一半导体开关和/或第二半导体开关的操作。以这种方式，在电压降的异常差异的情况下，至少未损坏的半导体开关可以由组合的控制信号关断，以避免进一步的损坏并降低着火的风险。

5、所述第一阈值和第二阈值可以相同。例如，当使用具有类似特性的类似半导体开关(例如相同类型的开关)时就是这种情况，并且可以简化电路设计。

6、所述电源开关电路还可以包括：第一差分放大器，其被配置成测量所述第一半导体开关两端的电压降，并向所述比较器输出经放大的电压；以及第二差分放大器，其被配置成测量所述第二半导体开关两端的电压降，并向所述比较器输出经放大的电压。这样，甚至可以检测到半导体开关两端的小电压降，并且可以在过热之前很好地检测到半导体开关之一中的故障。然后可以通过切断未损坏的开关来避免进一步的损坏。

7、电源开关电路可以被配置成使得组合信号断开第一半导体开关和第二半导体开关中的至少一个。如上所述，这避免了对故障开关的进一步损坏，并且基本上降低了过热和着火的风险。

8、所述电源开关电路还可以包括被配置成锁存所述第一信号和所述第二信号的锁存器。为了诊断的目的，可以读出锁存器的内容，例如确定哪个开关使电路关闭。锁存的信号也可以作为阻挡并且禁止开关的控制输入，以避免再次接通电路。锁存器可以仅在检查和维护电路时复位。

9、锁存器可以被配置成向组合器提供锁存的第一信号和锁存的第二信号。因此，组合器能始终将组合信号提供给开关的控制输入端，并抑制再次接通电路。只有当锁存器被复位时，组合信号才可以清除控制输入，并且电路的正常操作可以例如在检查和维护之后恢复。

10、组合器可以是逻辑门。这样，可以将第一信号和第二信号组合为单个信号，并且如果只有一个开关引起异常电压降，则可以关闭整个电路。优选地，组合器可以是or门。

11、所述电源开关电路还可以包括被配置成延迟所述第一信号和所述第二信号的延迟模块。因此，在使电路关闭之前，第一信号和第二信号需要具有一定的持续时间。这样，可以避免由假信号或负载变化引起的误报警，并且改善了电路的操作稳定性。

12、延迟模块可以包括rc电路。这使得能够节约成本地实现延迟模块。可以通过选择适当的电阻和电容值来调整延迟模块的时间常数。

13、第一信号可以指示第一半导体开关的故障，第二信号可以指示第二半导体开关的故障。如上所述，结合组合器，仅出现第一信号和第二信号中的一个就足以使整个电路关断并避免进一步的损坏。此外，使用锁存器，可以存储第一信号或第二信号的出现，以避免再次接通电路并用于诊断目的。

14、所述电源开关电路还可以包括至少一个输出，其指示用于诊断目的的第一半导体开关和/或第二半导体开关的故障。例如，可以将输出提供给控制单元，该控制单元适于在电路故障或可以记录故障的情况下采取进一步的动作。例如，如果在汽车应用中使用该电路，则故障可以被指示给驾驶员，并且另外为了维护的目的而被记录。

15、所述电源开关电路还可以包括被配置成同时切换所述第一半导体开关和所述第二半导体开关的公共输入端。因此，公共输入端可以用于同时接通和断开两个开关。该电路可用于切换大电流，其附加优点是其内部功率部件的故障检测和随后的自动关闭，以避免进一步的损坏、过热和甚至火灾。

16、所述电源开关电路可以被配置成切换用于汽车应用的电力。切换大电流是车辆中的经常任务，并且要避免由于故障部件而导致的过热或甚至火灾。

17、本发明的另一方面涉及一种系统，其包括如本文所述的电源开关电路和连接到所述电源开关电路的负载，使得所述电源开关电路被配置成控制所述负载的操作。所述负载可以是电动机、致动器、电磁阀、灯、发光二极管(led)、可再充电电池或电气控制单元。通常，该系统可以在车辆中实现。

18、本发明还涉及一种控制电流的方法。该方法包括如下步骤：测量第一半导体开关两端的第一电压降；测量与所述第一半导体开关串联连接的第二半导体开关两端的第二电压降；将所述第一电压降与所述第二电压降进行比较；以及如果所述第一电压降超过所述第二电压降第一预定阈值，或者如果所述第二电压降超过所述第一电压降第二预定阈值，则关断所述第一半导体开关和所述第二半导体开关中的至少一个。

19、通过串联布置两个半导体开关，未损坏的开关可以中断流过损坏的开关的电流。两个开关都被损坏的可能性非常低。当流过损坏的开关的电流中断时，过热和着火的风险显著降低。通过监测和比较两个开关两端的电压降来检测损坏的半导体开关。只要两个开关正确工作，两个电压降预期是相似的。损坏的半导体开关通常呈现出比未损坏的开关更高的电压降。因此，一旦一个电压降开始上升到高于另一个电压降，这就可能是两个开关之一可能损坏的信号。