專利名稱：一種包括熱保護(hù)開關(guān)晶體管的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種裝置，該裝置包括一個用于在通電模式向連接到所述裝置上的負(fù)載供電的電路結(jié)構(gòu)，還包括一個驅(qū)動級，一個適合于向驅(qū)動級提供導(dǎo)通脈沖的控制單元，以及一個包括開關(guān)晶體管的輸出級，其中，該開關(guān)晶體管在通電模式中，當(dāng)導(dǎo)通脈沖產(chǎn)生時，可以被驅(qū)動級導(dǎo)通，并經(jīng)歷一傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)時間間隔，當(dāng)該時間間隔結(jié)束時，可以被截止，并經(jīng)歷一非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，另外，驅(qū)動級可以適合于監(jiān)控開關(guān)晶體管的工作溫度和激活斷電模式，當(dāng)開關(guān)晶體管的工作溫度超過第一限制溫度制時，該模式被激活，在斷電模式中，盡管會產(chǎn)生導(dǎo)通脈沖，但開關(guān)晶體管被驅(qū)動級驅(qū)動，一直位于非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)。
開頭段中所定義的類型的設(shè)備，可以從有關(guān)文件中得知，例如DE38 43 277 A1.在已知的設(shè)備中，其電路結(jié)構(gòu)包括一個控制單元，該控制單元包括一個電流敏感電阻和一個時鐘發(fā)生器，該控制單元向驅(qū)動級提供導(dǎo)通脈沖，并且當(dāng)導(dǎo)通脈沖產(chǎn)生時，在通電模式中，當(dāng)導(dǎo)通脈沖很高時，開關(guān)晶體管可以被驅(qū)動級驅(qū)動進(jìn)入傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)。
在已知設(shè)備的工作過程中，輸出級的開關(guān)晶體管經(jīng)受某一工作溫度。在故障情況下，例如開關(guān)晶體管一直導(dǎo)通，或者與所述設(shè)備相連的負(fù)載被短路，開關(guān)晶體管的工作溫度會迅速升高，就會出現(xiàn)開關(guān)晶體管的工作溫度達(dá)到或超過最大允許溫度的風(fēng)險，結(jié)果是開關(guān)晶體管被損傷甚至毀壞。為了消除這一情況，驅(qū)動級被裝配成不僅可以監(jiān)控輸出級的工作溫度，而且可以在開關(guān)晶體管的工作溫度超過第一限制溫度時激活斷電模式，其中第一限制溫度低于最大允許溫度。為了激活斷電模式，驅(qū)動級包括一個與溫度有關(guān)的電阻，即具有負(fù)溫度系數(shù)的NTC電阻。NTC電阻通過熱傳導(dǎo)連接與開關(guān)晶體管相連，這樣，NTC電阻可經(jīng)受開關(guān)晶體管的瞬時工作溫度。NTC電阻的一端與控制單元的輸出端相連，另一端與驅(qū)動級的第二個電阻相連，并與第二個電阻一起形成一個與溫度有關(guān)的分壓器，控制單元的導(dǎo)通脈沖可以施加到該分壓器上，分壓器的接頭連接到開關(guān)級的控制輸入端，也連接到控制單元的輸出端，并且分壓器包括兩個具有可控硅結(jié)構(gòu)的晶體管。依賴于瞬時與溫度有關(guān)的分壓器電阻的阻抗比，開關(guān)級可以被轉(zhuǎn)換到相應(yīng)于通電模式的非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，也可以被轉(zhuǎn)換到相應(yīng)于斷電模式的傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)。
當(dāng)開關(guān)晶體管的工作溫度在通電模式中的故障條件下升高時，NTC電阻通過熱傳導(dǎo)連接被迅速加熱，結(jié)果NTC電阻的阻值下降。當(dāng)開關(guān)晶體管的工作溫度超過第一限制溫度時，NTC電阻的阻值下降，從而使得開關(guān)級依據(jù)分壓器電阻間的阻值比，被驅(qū)動進(jìn)入其傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，并且使得通過控制單元施加到驅(qū)動級的導(dǎo)通脈沖經(jīng)過開關(guān)級被消耗到某一參考電位，這樣，在已知裝置中，斷電模式被激活，在該模式中，盡管有來自驅(qū)動級的開關(guān)脈沖產(chǎn)生，開關(guān)晶體管并不被導(dǎo)通，而是一直處于其非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，結(jié)果只有很低的能量或完全沒有能量施加到負(fù)載上。
在斷電模式中，開關(guān)晶體管處于其非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，并且因此不會由于開關(guān)狀態(tài)的改變，在開關(guān)晶體管中產(chǎn)生開關(guān)損耗，從而使開關(guān)晶體管的工作溫度和NTC電阻的溫度因冷卻下降。當(dāng)開關(guān)晶體管的溫度降到低于第二限制溫度時，NTC電阻的阻值上升，導(dǎo)致開關(guān)級由于分壓器電阻之間的阻值比而被截止，這樣，通電模式被恢復(fù)。
但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在已知的裝置中，故障時開關(guān)晶體管的工作溫度快速升高，以至于通過經(jīng)熱傳導(dǎo)連接與開關(guān)晶體管相連的與溫度有關(guān)的電阻，即NTC電阻，而被激活的斷電模式的激活作用太遲，從而使得在與溫度有關(guān)的電阻達(dá)到第一限制溫度之前，開關(guān)晶體管會由于過熱被毀壞。另外還發(fā)現(xiàn)，在已知裝置中，當(dāng)傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)的時間間隔結(jié)束時，開關(guān)晶體管只是被驅(qū)動級相對緩慢地驅(qū)動到非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，作為結(jié)果，由于開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換而在開關(guān)晶體管內(nèi)消耗的能量相對較高，并且開關(guān)晶體管的工作溫度持續(xù)上升。但是這種開關(guān)晶體管工作溫度的持續(xù)增加，將縮短開關(guān)晶體管的壽命，這是所不希望發(fā)生的。
本發(fā)明的一個目的是解決上述由于熱傳導(dǎo)慣性引起的問題，并且提供一種開頭段所定義的改進(jìn)的裝置，其中輸出級的開關(guān)晶體管即使在故障情況下溫度迅速升高時也不會毀壞。在開頭段所定義的裝置中，這一問題被很簡單地解決，其中驅(qū)動級包括一個敏感晶體管的基極-射極二極管和敏感電阻的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)與開關(guān)晶體管的基極-射極二極管并聯(lián)連接，敏感晶體管的基極與開關(guān)晶體管的發(fā)射極相連接，驅(qū)動級還包括一個導(dǎo)通晶體管，其基極與敏感晶體管的集電極相連接，其集電極與敏感晶體管的基極相連接，驅(qū)動級還包括一個導(dǎo)通電阻，該電阻的第一端與導(dǎo)通晶體管的發(fā)射極相連接，第二端與導(dǎo)通晶體管的集電極相連接，并且敏感晶體管被裝配成基本上不受開關(guān)晶體管工作溫度的影響。在這種方式中，通過很簡單的方法使得開關(guān)晶體管的基極-射極二極管兩端的與溫度有關(guān)的電壓在通電模式中被用于監(jiān)控開關(guān)晶體管的工作溫度，并且當(dāng)開關(guān)晶體管的工作溫度超過第一限制溫度時，激活斷電模式，其中該電壓無時延地伴隨開關(guān)晶體管的工作溫度，作為結(jié)果，斷電模式被無時延地激活，并且因此開關(guān)晶體管被高可靠性地保護(hù)，以免于損傷和毀壞。
在一種根據(jù)本發(fā)明的裝置中，已經(jīng)被證明，如果敏感晶體管和導(dǎo)通晶體管有可控硅構(gòu)成，則十分有利。驅(qū)動級通過敏感晶體管和導(dǎo)通晶體管的結(jié)合而非常簡單地實現(xiàn)。
在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，還被證明，如果驅(qū)動級還包括一個齊納二極管，則更加有利，其中該齊納二極管的第一端與導(dǎo)通電阻的第一端相連接，第二端與開關(guān)晶體管的基極相連接，這就將裝置工作過程中跨接在導(dǎo)通電阻第一端與開關(guān)晶體管基極之間的電壓限制到齊納電壓。在這種方式中，可以實現(xiàn)驅(qū)動級的開關(guān)晶體管由其傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)向非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)迅速的轉(zhuǎn)換，作為結(jié)果，只產(chǎn)生很低的開關(guān)損耗，并因此可以延長開關(guān)晶體管的壽命。通過采用齊納二極管和限制導(dǎo)通電阻第一端與開關(guān)晶體管基極之間的電壓到齊納電壓，還可以便利地采用市場上買得到的晶體管，或者采用市場上買得到的便宜的可控硅用作敏感晶體管和導(dǎo)通晶體管，因為不需要具有高絕緣強度的昂貴的高壓晶體管。
在一種根據(jù)本發(fā)明的裝置中還被證明，如果驅(qū)動級還包括一個截止級，則十分有利，通過該截止級，可以縮短開關(guān)晶體管由其傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)向非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時間，并且該截止級包括一個截止電阻，一個截止電容和一個截止晶體管，該截止晶體管的發(fā)射極與截止電阻的第一端和導(dǎo)通電阻的第一端相連，該截止晶體管的基極與截止電阻的第二端和截止電容的第一端相連接，該截止晶體管的集電極與開關(guān)晶體管的基極相連接，并且該截止電容的第二端與開關(guān)晶體管集電極相連接。在這種方式中，通過截止級的激勵，可以實現(xiàn)開關(guān)晶體管開關(guān)狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換，從而使得開關(guān)晶體管可以通過包括截止級的驅(qū)動級，由其傳導(dǎo)狀態(tài)向非傳導(dǎo)狀態(tài)快速地轉(zhuǎn)換，作為結(jié)果，可以實現(xiàn)非常低的開關(guān)損耗，并因此實現(xiàn)開關(guān)晶體管的壽命的延長。
在一種根據(jù)本發(fā)明的裝置中進(jìn)一步被證明，如果驅(qū)動級是由集成電路實現(xiàn)的，則十分有利，這會使得驅(qū)動級具有低成本和高可靠性。
本發(fā)明的上述以及其它觀點將在下文對實施例的描述中明了，并且將以這些示例型實施例為基礎(chǔ)進(jìn)行闡述。
現(xiàn)在將參考附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，其中該附圖顯示了兩個示例型實施例，但發(fā)明并不限于此。


圖1顯示了一種根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的裝置，該裝置以開關(guān)模式供電，其中驅(qū)動級包括一個用于監(jiān)控開關(guān)晶體管的工作溫度的敏感晶體管和敏感電阻，驅(qū)動級還包括一個齊納二極管和截止級，這使得開關(guān)晶體管可以在傳導(dǎo)狀態(tài)和非傳導(dǎo)狀態(tài)之間快速切換。
圖2A是在圖1所示裝置中發(fā)生的導(dǎo)通電流Is的波形圖，圖2B是由圖1所示裝置產(chǎn)生的跨接在負(fù)載兩端的輸出電壓UA的波形圖。所述波形也在圖4所示的根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例的裝置中發(fā)生。
圖3顯示了開關(guān)晶體管的基極-射極二極管以及敏感晶體管的基極-射極二極管兩端的與溫度有關(guān)的電壓和電流圖4顯示了一種根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例的裝置，該裝置在汽車中用作自動熱保險裝置。
圖1顯示了一種形成開關(guān)模式供電的裝置1，該裝置1包括在通電模式中向與裝置1的輸出端3相連接的負(fù)載4供電的電路結(jié)構(gòu)2。在斷電模式中，該裝置1只能通過其輸出端3向負(fù)載4提供很少的能量，或者幾乎不提供能量。負(fù)載4，圖中顯示為電阻，包括一個充電器和一個與之相連的電池。在第一個輸入端5的相對于參考電位6的直流輸入電壓UE施加到裝置1上，其中直流輸入電壓UE可以具有，例如，110V到300V的電壓范圍。
電路結(jié)構(gòu)2的驅(qū)動級7與輸入端5相連接，使得直流輸入電壓UE可以施加到驅(qū)動級7上?？刂茊卧?可提供脈沖形導(dǎo)通電流Is，該電流包括一系列導(dǎo)通脈沖，其波形i如圖2A所示，可以經(jīng)驅(qū)動級7的控制端8施加到驅(qū)動級7中。輸出級12的開關(guān)晶體管11由高壓晶體管構(gòu)成，其基極與驅(qū)動級7的控制輸出端10相連接，開關(guān)晶體管11接收來自控制輸出端10的基極電流IBS。
驅(qū)動級7還包括一個與開關(guān)晶體管11的發(fā)射極相連的電壓輸出端13。開關(guān)晶體管11的集電極與輸出級12中的續(xù)流二極管14的負(fù)極相連，該二極管的正極與參考電位6相連。開關(guān)晶體管11的集電極還與輸出級12的儲能線圈15的第一端相連接，該線圈的第二端與輸出級12的充電電容16的第一端相連接。充電電容16的第二端與參考電位6相連。儲能線圈15和充電電容16的公共端同時與裝置1的輸出端3和控制單元9的反饋輸入端17相連接。通過反饋輸入端17，控制單元9可以接收跨接在與裝置1的輸出端3相連的負(fù)載4兩端以及充電電容16兩端的輸出電壓UA，其波形如圖2B所示?？刂萍?的反饋輸入端17與反饋級18相連接，并依賴于輸出電壓UA，將控制單元9的電流源晶體管19驅(qū)動到其傳導(dǎo)或非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，該電流源晶體管19的基級與反饋級18相連接。電流源晶體管19的發(fā)射級與參考電位6相連，集電極經(jīng)電流源電阻20與驅(qū)動級7的控制端8相連。輸出級12和控制單元9形成一個直流-直流轉(zhuǎn)換器，這是為本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的。
當(dāng)控制級9在時刻tEIN向驅(qū)動級7提供導(dǎo)通電流IS的導(dǎo)通脈沖時，該導(dǎo)通電流的波形如圖2A所示，輸出級12的開關(guān)晶體管11在通電模式中的導(dǎo)通過程中被驅(qū)動到傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，這導(dǎo)通過程將在下文進(jìn)行詳細(xì)描述。作為結(jié)果，輸入電壓UE施加到續(xù)流二極管14上，該二極管被反向偏置。所述電壓同樣施加到儲能線圈15和充電電容16的串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)與續(xù)流二極管14并聯(lián)連接。該電壓在儲能線圈15中產(chǎn)生鋸齒形線圈電流IL，此電流對充電電容16充電。作為結(jié)果，充電電容16兩端的電壓上升到最大輸出電壓UA-MAX，其中該電壓對應(yīng)于輸出電壓UA，并且其信號波形如圖2B所示。
驅(qū)動級7在前向時間間隔TEIN結(jié)束之后，在時刻tAB使開關(guān)晶體管11截止，一旦截止過程終止，控制單元9不再向驅(qū)動級7提供導(dǎo)通電流IS的導(dǎo)通脈沖，這將在下文進(jìn)行詳細(xì)描述。在回掃(flyback)時間間隔TAB內(nèi)，由于電能通過充電電容16施加到負(fù)載4上，輸出電壓UA下降。當(dāng)反饋級檢測到最小輸出電壓UA-MIN時，反饋級18使電流源晶體管19導(dǎo)通，作為結(jié)果，由電流源晶體管19和電流源電阻20形成的電流源向驅(qū)動級7的控制端8提供導(dǎo)通電流IS，之后驅(qū)動級在通電模式中導(dǎo)通開關(guān)晶體管11，并且重新向充電電容16充電。從而使通過裝置1的輸出端3向負(fù)載4施加電壓的輸出電壓UA在某一平均輸出電壓UA-MIT附近改變。這樣，反饋級18依賴于經(jīng)輸出端3與裝置1相連的負(fù)載4控制開關(guān)晶體管11的回掃時間間隔TAB在裝置1的工作過程中，輸出級12中開關(guān)晶體管11承受工作溫度TS。在故障情況下，例如開關(guān)晶體管11一直被驅(qū)動到傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，或者與裝置1相連的負(fù)載4被短路，此時開關(guān)晶體管11的工作溫度TS迅速升高，因此會有開關(guān)晶體管11因為超過第一限制溫度TG1而被損壞，甚至毀壞的風(fēng)險。為了防止開關(guān)晶體管11被損壞，裝置1的驅(qū)動級7還適應(yīng)于監(jiān)控開關(guān)晶體管11的工作溫度TS，以及激活斷電模式，該模式在開關(guān)晶體管11的工作溫度超過第一限制溫度TG1時被激活，在斷電模式中，開關(guān)晶體管11一直被截止，而不管導(dǎo)通電流IS的導(dǎo)通脈沖的產(chǎn)生。為此，驅(qū)動級7包括一個敏感晶體管21的基極-射極二極管和敏感電阻22的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)與開關(guān)晶體管11的基極-射極二極管并聯(lián)連接，敏感晶體管21的基極與開關(guān)晶體管11的射極相連接。為此，驅(qū)動級還包括一個導(dǎo)通電阻24，該導(dǎo)通電阻的第一端25與導(dǎo)通晶體管23的發(fā)射極相連接，第二端26與導(dǎo)通晶體管23的集電極相連接。導(dǎo)通晶體管23和導(dǎo)通電阻24的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電阻對于開關(guān)晶體管11來說形成了其動態(tài)射極電阻抗27。旁漏電阻(bleeder resi stor)28的第一端與導(dǎo)通電阻24的第一端25相連，第二端與導(dǎo)通晶體管23的基極相連接。電路結(jié)構(gòu)2中的驅(qū)動級7的敏感晶體管21被裝配成基本上不受開關(guān)晶體管11的工作溫度TS的影響。在工作過程中，這會導(dǎo)致敏感晶體管21和開關(guān)晶體管11之間的工作溫度差TD，其中敏感晶體管21基本上經(jīng)受裝置1的環(huán)境溫度TU，而開關(guān)晶體管11經(jīng)受工作溫度TS。當(dāng)開關(guān)晶體管的工作溫度TS沒有超過第一限制溫度TG1時，溫差TD也會因此不超過某一給定值，裝置1處于通電模式。當(dāng)開關(guān)晶體管的工作溫度TS超過第一限制溫度TG1時，作為結(jié)果，溫差TD超過某一給定值，斷電模式發(fā)生，這將在下文進(jìn)行詳細(xì)說明。
當(dāng)導(dǎo)通晶體管23，敏感晶體管21和開關(guān)晶體管11在通電模式或者斷電模式中都處于非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，并且控制單元9向驅(qū)動級7提供截止電流IS的導(dǎo)通脈沖時，開關(guān)晶體管11的導(dǎo)通過程在驅(qū)動級7被啟動。在導(dǎo)通過程中，導(dǎo)通過程IS基本上分為到開關(guān)晶體管11基極的基極驅(qū)動電流IBS和到敏感晶體管21發(fā)射極的射極敏感電流IEU該基極驅(qū)動電流IBS已經(jīng)使開關(guān)晶體管11導(dǎo)通。但是，在這種情況下，開關(guān)晶體管11的動態(tài)射極電阻27由導(dǎo)通電阻24的高阻抗決定，開關(guān)晶體管11幾乎不能向儲能線圈20注入任何線圈電流IL，作為結(jié)果，開關(guān)晶體管11基本上表現(xiàn)為如同工作在非傳導(dǎo)狀態(tài)一樣。
當(dāng)開關(guān)晶體管11工作在傳導(dǎo)狀態(tài)時，敏感晶體管21基本上具有相同的工作溫度，例如工作溫度T1，并因此具有很小的或沒有溫差TD，裝置1的通電模式從而被激活，圖3中的二極管特性曲線KT1對于兩個晶體管11和21的基極-射極二極管都適用?；鶚O驅(qū)動電流IBS在開關(guān)晶體管11的基極-射極二極管兩端產(chǎn)生電壓UEB-S(T1)，該電壓UEB-S(T1)在敏感晶體管21的基極-射極二極管兩端產(chǎn)生電壓UBE-(T1)，在敏感電阻22兩端產(chǎn)生電壓UR-(T1)，敏感晶體管21的基極-射極二極管兩端的電壓UBE(T1)使敏感晶體管21導(dǎo)通。導(dǎo)通的敏感晶體管21經(jīng)旁漏電阻28饋送旁漏電流IAB經(jīng)導(dǎo)通晶體管23的基極饋送基極導(dǎo)通電流IBE，該基極導(dǎo)通電流IBE也使導(dǎo)通晶體管23導(dǎo)通。由導(dǎo)通晶體管23和導(dǎo)通電阻24的并聯(lián)結(jié)構(gòu)形成的動態(tài)射極電阻27，由于導(dǎo)通晶體管23的傳導(dǎo)作用而具有非常小的阻值，作為結(jié)果，直流輸入電壓UE施加到續(xù)流二極管14的兩端，完成導(dǎo)通過程。這將通過導(dǎo)通晶體管23和開關(guān)晶體管11產(chǎn)生小初始鋸齒狀線圈電流IL，該電流使儲能電容器16重新充電，該電容器已經(jīng)放電到輸出電壓UA-MIN。當(dāng)控制單元9向驅(qū)動級7提供導(dǎo)通電流IS的導(dǎo)通脈沖時，開關(guān)晶體管11將被驅(qū)動級在通電模式的時間間隔TEIN內(nèi)導(dǎo)通，其中開關(guān)晶體管11的工作溫度Ts小于第一限制溫度TG1。
相反，在故障情況下，開關(guān)晶體管11呈現(xiàn)一個迅速升高的工作溫度T2,T2等于或大于第一限制溫度TG1，并且在敏感晶體管21和開關(guān)晶體管11的工作溫度之間存在一個大的、迅速增加的溫差TD，二極管特性曲線KT1對于工作溫度為T1的敏感晶體管21的基極-射極二極管適用，而二極管特性曲線KT2對于工作溫度為T2開關(guān)晶體管11的基極-射極二極管適用，開關(guān)晶體管已經(jīng)在故障情況下被加熱到迅速上升的工作溫度T2。由來自控制單元9的導(dǎo)通電流IS引起的開關(guān)晶體管11的基極驅(qū)動電流IBS在敏感晶體管21的基極-射極二極管兩端產(chǎn)生電壓UBE-(T2)，在敏感電阻22兩端產(chǎn)生電壓UR-(T2)。敏感晶體管21的基極-射極二極管兩端的電壓UBE-(T2)，在此情形下值很小，不足以使敏感晶體管21截止。因此，作為開關(guān)晶體管11的動態(tài)射極電阻27保持高阻的結(jié)果，開關(guān)晶體管23保持非傳導(dǎo)狀態(tài)。由于開關(guān)晶體管11的高動態(tài)射極電阻27，該開關(guān)晶體管11基本上不向儲能線圈15提供線圈電流IL，結(jié)果開關(guān)晶體管11表現(xiàn)為如同處于非傳導(dǎo)狀態(tài)一樣。
當(dāng)敏感晶體管21和開關(guān)晶體管11的工作溫度之間產(chǎn)生大的溫差TD時，驅(qū)動級7就激活裝置1的斷電模式。裝置1的導(dǎo)通晶體管11的導(dǎo)通過程，在此情形下處于斷電模式，使得開關(guān)晶體管11繼續(xù)基本處于截止?fàn)顟B(tài)，而不管導(dǎo)通電流IS的導(dǎo)通脈沖的出現(xiàn)。
當(dāng)開關(guān)晶體管11的工作溫度TS在故障情況下迅速升高時，電壓UEB-S無時延地改變，該電壓是在驅(qū)動級7的每一次導(dǎo)通過程時在基極-射極二極管兩端的電壓，這是因為電壓UEB-S直接依賴于開關(guān)晶體管11的與溫度有關(guān)的二極管特性。有利的是，斷電模式在裝置1發(fā)生故障時被驅(qū)動級7無時延地激活，這樣，開關(guān)晶體管11就可以高度可靠的防止損壞和毀壞。
裝置1還包括一個齊納二極管29，其第一端30，即，負(fù)極與導(dǎo)通電阻24的第一端25相連接，其第二端31，即正極與開關(guān)晶體管11的基極相連接，在裝置1的工作過程中，該齊納二極管把導(dǎo)通電阻24的第一端25與開關(guān)晶體管11的基極間的電壓UZD限制到齊納電壓UZ，其典型值約為10V。
當(dāng)在通電模式的導(dǎo)通操作之后，導(dǎo)通晶體管23和開關(guān)晶體管11都被導(dǎo)通時，流經(jīng)兩個晶體管11和23的線圈電流IL以鋸齒波形式增加。導(dǎo)通晶體管23的發(fā)射極和集電極之間的電壓UEC-X從流經(jīng)導(dǎo)通晶體管23的線圈電流IL的某一給定值開始非?？焖僭黾?，因為該導(dǎo)通晶體管已經(jīng)由于線圈電流IL的電荷載流子而飽和。隨著線圈電流IL以鋸齒波形式進(jìn)一步增加，電壓UEC-X將增加，直到齊納二極管29兩端的電壓UZD基本上達(dá)到齊納電壓UZ，其中電壓UEC-X是導(dǎo)通晶體管23的飽和電壓。此時齊納二極管29開始導(dǎo)通，并傳載齊納電流IZ，該電流取代了經(jīng)集電極流向開關(guān)晶體管11的電流的一部分。這將產(chǎn)生開關(guān)晶體管11的反向基極驅(qū)動電流IBS該電流使得在開關(guān)晶體管的傳導(dǎo)狀態(tài)發(fā)生基極-集電極電荷的減少，直到開關(guān)晶體管11不能維持線圈電流IL，線圈電流IL迅速衰減。結(jié)果，開關(guān)晶體管11的發(fā)射極和集電極之間的電壓UEC-S迅速增加。流經(jīng)旁漏電阻28的旁漏電流IAB使得導(dǎo)通晶體管23的基極-射極電荷耗盡，并因此排除導(dǎo)通晶體管23的偶然導(dǎo)通現(xiàn)象。
有利的是，所述通過驅(qū)動級實現(xiàn)的開關(guān)晶體管11的截止過程使得開關(guān)晶體管11可以由其傳導(dǎo)狀態(tài)快速地向非傳導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，也即，很短的開關(guān)時間。開關(guān)晶體管11的開關(guān)損耗取決于開關(guān)時間以及在開關(guān)時間內(nèi)流經(jīng)開關(guān)晶體管11的線圈電流IL和在開關(guān)時間內(nèi)開關(guān)晶體管兩端的電壓UEC-S的乘積。開關(guān)晶體管11由于短的開關(guān)時間而產(chǎn)生的小開關(guān)損耗使得開關(guān)晶體管11在工作過程中始終保持低的工作溫度TS，這會延長開關(guān)晶體管11的壽命。有利的是，電壓UZD通過齊納二極管29被限制到齊納電壓UZ，這使得使用低成本的市場上可買到的晶體管作為敏感晶體管21和導(dǎo)通晶體管23成為可能，因為不需要具有高絕緣強度的價格昂貴的高壓晶體管。
裝置1的驅(qū)動級還包括截止級32，通過該截止級，開關(guān)晶體管11可以非常迅速地由傳導(dǎo)狀態(tài)向非傳導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而開關(guān)晶體管11的開關(guān)時間可以被縮短。截止級32包括截止電阻33，截止電容34和截止晶體管35，該截止晶體管35的發(fā)射極與截止電阻33的第一端36和導(dǎo)通電阻24的第一端25相連接，該截止晶體管25的基極與截止電阻33的第二端37和截止電容34的第一端39相連接，并且截止晶體管35的集電極與開關(guān)晶體管11的基極相連接，所述截止電容34的第二端39與開關(guān)晶體管11的集電極相連接。
當(dāng)裝置1在通電模式被激活，并且開關(guān)晶體管11在截止時刻tAB的截止過程有效以后已經(jīng)被截止時，如圖2B所示，儲能線圈15兩端產(chǎn)生的電壓UL的極性發(fā)生變化，作為結(jié)果，線圈電流IL，該電流以鋸齒波形式衰減，經(jīng)續(xù)流二極管19，流經(jīng)儲能線圈15注入儲能電容器16，并在開關(guān)晶體管11的集電極產(chǎn)生電壓瞬態(tài)。該電壓瞬態(tài)也產(chǎn)生在截止電容34的第二端39處，其中截止電容34的第二端39與開關(guān)晶體管11的集電極相連。截止電容34兩端的電壓UCA在截止電阻33兩端產(chǎn)生電壓URA該電壓把截止晶體管35驅(qū)動到傳導(dǎo)狀態(tài)。流經(jīng)截止晶體管35的截止電流移走齊納二極管29中的電荷載流子，并加速開關(guān)晶體管11的基極-集電極電荷的湮滅，從而縮短開關(guān)時間。這樣做具有一種優(yōu)點，即可以提供開關(guān)晶體管11的開關(guān)時間的額外減小項，作為結(jié)果，產(chǎn)生很小的開關(guān)損耗，從而實現(xiàn)開關(guān)晶體管11的的很長的壽命。
截止晶體管23，在截止過程中已經(jīng)因為電荷載流子而飽和，其電壓UEC-X在此情形下相應(yīng)地基本上達(dá)到齊納電壓UZ，在開關(guān)時間內(nèi)仍有足夠的電荷使開關(guān)晶體管11的射極-基極二極管反向偏置，并且形成一反向偏置電壓。此反向偏置電壓提高開關(guān)晶體管的絕緣強度，這是有利的，例如當(dāng)儲能線圈15由具有寄生電感的變壓器構(gòu)成時。
應(yīng)注意電路結(jié)構(gòu)2中的晶體管也可以用反向的晶體管實現(xiàn)。那么，每一個npn晶體管應(yīng)該由pnp晶體管代替，反之亦然。
還要注意在實際中按照類似可控硅結(jié)構(gòu)連接的晶體管21和23，由可控硅40構(gòu)成，把敏感晶體管21和導(dǎo)通晶體管23與可控硅40結(jié)合，可以非常簡單地實現(xiàn)驅(qū)動級7。
圖4說明了裝置1在汽車41中用作自動熱保險裝置，以對汽車電池42提供電保護(hù)，其中該汽車電池通過裝置1與裝配成負(fù)載的兩個閃爍燈43相連接。裝置1的驅(qū)動級7和控制單元9由集成電路44構(gòu)成，這樣可以得到一種成本很低的裝置1。裝置1的輸出級12由開關(guān)晶體管11和終端電阻45構(gòu)成，終端電阻45的第一端與開關(guān)晶體管11的集電極相連接，終端電阻45的第二端與參考電位6相連接，其中裝置1的第一輸入端5具有12V的直流電壓。
在汽車42中具有一脈沖發(fā)生器46，當(dāng)汽車的駕駛者激活閃爍模式時，該脈沖發(fā)生器向控制單元9中的電流源晶體管19提供由如圖2A所示的導(dǎo)通電流IS的導(dǎo)通脈沖形成的周期性矩形閃爍脈沖。在裝置1中，導(dǎo)通時刻tEIN由閃爍脈沖的下降沿決定，截止時刻tAB由閃爍脈沖的上升沿決定。這樣，驅(qū)動級7的導(dǎo)通過程和截止過程就由閃爍脈沖的邊沿的產(chǎn)生決定，即由脈沖發(fā)生器46決定。
當(dāng)閃爍脈沖的下降沿出現(xiàn)時，控制單元9向驅(qū)動級7提供導(dǎo)通電流Is的導(dǎo)通脈沖。當(dāng)裝置1的通電模式被激活時，敏感晶體管21，導(dǎo)通晶體管23，以及開關(guān)晶體管11都在導(dǎo)通過程中被導(dǎo)通，且一經(jīng)導(dǎo)通，閃爍燈43就開始閃亮。當(dāng)閃爍脈沖的上升沿出現(xiàn)時，控制單元9不向驅(qū)動級7提供導(dǎo)通電流IS，作為結(jié)果，閃爍燈43熄滅。
在故障情形下，例如閃爍燈43由于濕度的增加而被短路，開關(guān)晶體管11的工作溫度TS升高。開關(guān)晶體管11被設(shè)計成可以至少在前向時間間隔TEIN內(nèi)可以保持非周期性出現(xiàn)的大輸出電流IA。由于因大輸出電流IA引起的開關(guān)晶體管11的工作溫度TS升高，裝置1被驅(qū)動級7置為斷電模式，如上所述，作為結(jié)果，開關(guān)晶體管11處于非傳導(dǎo)狀態(tài)，而不管有來自脈沖發(fā)生器46的閃爍脈沖下降沿的出現(xiàn)。
適合的是，當(dāng)過度的潮濕結(jié)束，當(dāng)閃爍燈的短路情況不再發(fā)生時，開關(guān)晶體管11一經(jīng)冷卻，裝置1的通電模式就被恢復(fù)。由于在汽車41中把裝置1用作自動熱保險裝置，就不再需要傳統(tǒng)的一次性保險裝置，該傳統(tǒng)保險裝置在閃爍燈43短路時融斷，以保護(hù)汽車中的電線和電池42，并且因此被替換，現(xiàn)在的好處是不再需要這種替換。
權(quán)利要求
1．一種包括用于在通電模式中向與裝置本身相連接的負(fù)載(4)供電的電路結(jié)構(gòu)的裝置(1)，包括驅(qū)動級(7)和適應(yīng)于向驅(qū)動級(7)提供導(dǎo)通脈沖的控制單元(9)，以及包括開關(guān)晶體管(11)的輸出級(12)，其中該開關(guān)晶體管(11)在通電模式中，當(dāng)導(dǎo)通脈沖產(chǎn)生時被驅(qū)動級(7)導(dǎo)通，并在時間間隔(TEIN)內(nèi)處于傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，而在時間間隔(TEIN)終止后被截止，處于非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，另外，驅(qū)動級(7)適應(yīng)于監(jiān)控開關(guān)晶體管(11)的工作溫度(TS)，并激活斷電模式，該斷電模式在開關(guān)晶體管(11)的工作溫度(TS)超過第一限制溫度(TG1)時被激活，且在該斷電模式中，開關(guān)晶體管(11)被驅(qū)動級(7)始終驅(qū)動在非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)，而不管導(dǎo)通脈沖的出現(xiàn)，其特征在于，驅(qū)動級(7)包括一種敏感晶體管(21)的基極-射極二極管和敏感電阻(22)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)與開關(guān)晶體管(11)的基極-射極二極管并聯(lián)連接，敏感晶體管(21)的基極與開關(guān)晶體管(11)的發(fā)射極相連接，而且驅(qū)動級(7)還包括一個導(dǎo)通晶體管(23)，該導(dǎo)通晶體管(23)的基極與敏感晶體管(21)的集電極相連接，該導(dǎo)通晶體管(23)的集電極與敏感晶體管(21)的基極相連接，驅(qū)動級(7)還包括一個導(dǎo)通電阻(24)，該導(dǎo)通電阻(24)的第一端(25)與導(dǎo)通晶體管(23)的發(fā)射極相連接，該導(dǎo)通電阻(24)第二端(26)與導(dǎo)通晶體管(23)的集電極相連接，并且敏感晶體管(21)被配置成基本上不受開關(guān)晶體管(11)的工作溫度(Ts)的影響。
2權(quán)利要求1中的裝置(1)，其特征在于敏感晶體管(21)和導(dǎo)通晶體管(23)由可控硅(40)構(gòu)成。
3上述任一權(quán)利要求中的裝置(1)，其特征在于，驅(qū)動級(7)還包括一齊納二極管(29)，該齊納二極管的第一瑞(30)與導(dǎo)通電阻(24)的第一端相連接，該齊納二極管的第二端(31)與開關(guān)晶體管(11)的基極相連接，這就將電壓(UZD)限制到齊納電壓(UZ)，電壓(UZ)在裝置(1)的工作過程中產(chǎn)生在導(dǎo)通電阻(24)的第一端(25)和開關(guān)晶體管(11)的基極之間。
4上述任一權(quán)利要求中的裝置(1)，其特征在于，驅(qū)動級(7)還包括截止級(32)，通過該截止級可以縮短開關(guān)晶體管(11)由傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)向非傳導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時間，并且截止級(32)包括截止電阻(33)，截止電容(34)和截止晶體管(35)，該截止晶體管(35)的發(fā)射極與截止電阻(33)的第一端(36)和導(dǎo)通電阻(24)的第一端(25)相連接，該截止晶體管(35)的基極與截止電阻(33)的第二端(37)和截止電容(34)的第一端(38)相連接，該截止晶體管(35)的集電極與開關(guān)晶體管(11)的基極相連，并且所述電容(34)的第二端(39)與開關(guān)晶體管(11)的集電極相連接。
5上述任一權(quán)利要求中的裝置(1)，其特征在于驅(qū)動級(7)由集成電路(44)實現(xiàn)。
全文摘要
一種用于在通電模式中向與之相連接的負(fù)載(4)供電的裝置(1),該裝置包括驅(qū)動級(7),控制單元(9),該控制單元(9)適應(yīng)于向驅(qū)動級(7)提供導(dǎo)通脈沖,以及一個帶有開關(guān)晶體管(11)的輸出級(12),其中在通電模式中,當(dāng)導(dǎo)通脈沖產(chǎn)生時,開關(guān)晶體管在時間間隔(T
文檔編號H03K17/082GK1215508SQ97193602
公開日1999年4月28日 申請日期1997年10月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月9日
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