电子开关的制作方法

本发明涉及用于开关负载的电子开关，该电子开关具有在直流电压接头与负载接头之间延伸的电流路径，功率晶体管和检测负载电流的电流传感器接到该电流路径中，并且该电子开关具有依赖于负载电流来驱控功率晶体管的控制或调节装置。

背景技术：

这种类型的电子开关(也称为电子自动开关或者电子继电器)用于开关负载并且在低压范围(DC 24V)工作。这样的开关特别适合用于在电流分配系统中使用，其例如由EP 1 186 086 B1公知。在这种公知的电流分配系统中，一定数量的电流回路借助例如也是时控的直流电流的网络件(Netzteil)一起馈电，其中，这里所使用的电子开关也承担用于管理各个电流回路中的短路和过载电流的电子保护开关功能，并且在这样的过载或者短路的情况下可靠地、必要时在联接了有效的电流限制的情况下断开。

与线性网络件相结合，由DE 20 302 275 A1公知了这样的电子开关。该电子开关在工作接头与负载接头之间延伸的电流路径中具有功率晶体管(MOSFET)和调节装置，为了以限制电流的方式驱控功率开关(半导体开关)，向该调节装置输送由电流传感器在电流路径中检测到的测量值。调节装置(其根据一个实施方案包括作为比较器工作的运算放大器)为了其电压供应与充电泵相连，以便在调节装置的控制输入部上实现用于功率晶体管工作所需的电压升高，这又能够实现使用场效应晶体管(MOSFET)的相对低成本的N沟道变型方案作为开关负载的元件。

在这种具有充电泵的电子开关的实际使用中，已经表明不仅电路拓扑结构的成本提高，而且在公知的电子开关接入24V直流电网中的情况下，功率损耗也不期望地高达尤其是450mW至500mV。

技术实现要素：

本发明的任务是提供一种特别低损耗的、尤其是在电路技术方面以低成本且高效率实现的电子开关(电子继电器)。优选地，该电子开关还应当能够以简单的方式承担电子保护开关的功能。

根据本发明，该任务利用权利要求1的特征来解决。优选的设计方案、变型方案和改进方案是从属权利要求的主题。

为此，用于开关负载的按照电子继电器的方式工作的电子开关在直流电压接头与负载接头之间延伸的电流路径中具有尤其实施为场效应晶体管(MOSFET)的功率晶体管和检测负载电流的电流传感器，电流传感器的测量信号连接至控制功率晶体管的控制或调节装置上。控制或调节装置接到转换器电路的具有形式为变压器的电隔离的次级回路中，转换器电路的初级回路通过受控的、尤其是自控的开关系统引导到直流电压接头上。

在此，本发明出于如下考虑：为了实现尽可能低损耗地工作的电子开关，该电子开关的供电电路不应当是以线性网络件类型的形式工作，而是应当根据开关网络件的原理工作。因此，按照基于开关网络件的转换器原理(直流电压转换器)工作的电子开关或者电子保护开关也同样可以出众地不仅特别低损耗地、而且高效率地实施。

电子开关(保护开关)的转换器电路可以借助相应的电子器件受控地或者自控地实施。因此，转换器电路有利地按照具有电隔离的直流电压转换器的反激转换器原理或谐振转换器原理来工作。在优选是自控的转换器电路的情况下，符合目的的是将两个作用到变压器的初级绕组上的晶体管和/或至少一个用于形成振荡回路的结构元件接到电子开关的转换器电路的初级回路中。

转换器电路由接在负载侧的功率开关的输入侧的工作直流电压(例如24V_直流输入电压)产生由此优选根据降压转换器或降压变换器的原理生成的输出电压，以向用于功率开关的控制或调节装置供应例如5v_直流供电或工作电压。适合的是，控制或调节装置因此具有在输出侧与功率晶体管的控制输入端相连的运算放大器，转换器电路的输出电压连接至运算放大器的供电接头上。

在电子开关的控制或调节装置的该实施方案的有利的设计方案中，运算放大器依赖于负载电流与参考值的偏差来控制功率开关。为此，有利地将运算放大器的其中一个比较器输入端连接至接到转换器电路次级回路中的分压器的形成参考值的抽头上。在将电子器件接入电子开关的转换器电路中的情况下(该电子开关于是也可以充当保护开关)，该参考值也可以由电子器件预给定。

优选地，设置有以合适的方式接到转换器电路的初级回路中的控制电子器件，用于执行保护开关功能，尤其是用于进行电流限制，和/或用于驱控转换器电路的开关系统。该电子开关因此可以经由电子器件在用于实现过载或短路保护的电流限制和/或额定电流方面，例如通过总线系统进行参数化。

在另外的有利的设计方案中，将用于校准转换器电路的输出电压的构件(二极管)接到直流电压接头上，和/或将二极管接到转换器电路的变压器的初级绕组上，和/或将至少一个与变压器的初级绕组形成(谐振)振荡回路的构件(电容器)接到转换器电路的初级回路中。

利用本发明实现的优点尤其在于，具有转换器电路的电子开关或者保护开关的实施可以结合用于功率晶体管(半导体开关)且用于控制或调节电子器件的电压供应，在电压供应中优选按照开关网络件的类型并且尤其在直流24V电网或工作电压接头上。此外，电子保护开关可以无充电泵地工作并且可以在电路技术方面低成本地构建。此外，通过借助根据本发明的电子开关或者保护开关，实现了功率损耗的约50％的降低，例如从480mW降低到240mW。

附图说明

下面参照附图更详细地说明本发明的实施例。其中：

图1以框图示意性地示出根据转换器原理工作的电子开关(保护开关)，其具有用于控制转换器电路的初级侧开关的电子器件；以及

图2在根据图1的图示中示出具有自控的转换器电路的电子开关(保护开关)。

彼此相应的部件在两个图中设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1和2中示意性地示出的电子开关1包括功率晶体管或者半导体开关2，尤其是MOSFET，半导体开关在漏极-源极侧接到电流路径3中。在该电流路径3中，在功率晶体管2之后接有例如分流器形式的电流传感器4。电流路径3在工作电压接头5与正的负载输出端6a之间延伸，待开关的负载7的正极联接到正的负载输出端6a上，而负载7的负极联接到电子开关1的相应的负的负载接头6b上。该负载接头6b连接至参考电势(-U_B)或者接地电势GND。具有尤其是U_B＝24V_直流的正的工作电压(+U_B)作为直流电压(DC)实际在开关1的工作电压接头5上。

在负载7联接上并且开关1闭合的情况下，即，在驱控开关的功率晶体管2在导通方向上的情况下，负载电流I_L从工作电压接头5出发经过电流路径3和负载7向着参考电势或者接地电势GND流动。流动经过电流路径3并且经过负载7的电流I_L借助电流传感器4作为电压降形式的测量值或者相应的测量信号S_IL通过分流器4连接至控制或调节装置8上。

控制或调节装置8主要包括运算放大器9，向运算放大器的一个比较器输入端输送测量信号S_IL并且向运算放大器的另一个比较器输入端输送参考值S_R。参考值S_R和用于接通和切断功率晶体管2的控制信号一样可以由控制电子器件10产生。该控制电子器件10例如设有用于总线系统11的接头，通过该总线系统可以将外部信号提供到电子开关1上和/或将诊断或者故障信号传递到上级装置上。

功率晶体管2以其漏极接头D与工作电压接头5相连并且以其源极接头S经由电流传感器4与正的负载接头6a相连。栅极G作为功率晶体管2的控制输入端与控制或调节装置8的输出端相连。因此，其运算放大器9在输出侧与功率晶体管2的控制输入端G相连。

控制或者调节装置8或者运算放大器9的电压供应借助具有变压器13的转换器电路12进行。转换器电路12在输入侧连接至工作电压接头5上并且经由电容器C₁以及必要时的其他无源结构元件(例如经由负载接头6d)连接至接地电势GND。转换器电路12的输入电压U_E因此相当于工作电压U_B。通过变压器13实现转换器电路12的初级回路14与次级回路15之间的电隔离。控制或调节装置以及因此其运算放大器9接到转换器电路的次级回路15中。

此外，转换器12的次级回路15主要由二极管D₁形式的网络件和滤波或平流电容器C₂组成。根据一个实施方案，为了形成参考值S_R，设置有同样接到次级回路15中的分压器R₁、R₂，其中，分压器的抽头17与控制或调节装置8或者其运算放大器9的参考输入端相连。通过选择电阻比R₁、R₂，可以例如预先规定或者调整出电子开关1的额定电流(I_N)，例如通过将两个电阻R₁、R₂中的一个实施为电位计来实现。

然而，参考值S_R也可以优选地设定开关1的有效的电流限制的阈值，其中，该阈值可以是例如相应额定电流I_N的1.5倍至2倍。因此，在过载或者短路的情况下，流动经过电流路径3的负载电流I_L可以借助功率晶体管2进行有效的限制，其中，负载电流借助控制或调节装置8从例如先前完全导通的状态相应地进行调控。然后，电流被限制到调整出的或预先规定的参考值S_R，其中，在调整出的断开时间结束之后实现功率晶体管2的完全截止，并因此将负载7关断(断开情况)。

有利地，转换器电路12按照具有降压调节的开关网络件的方式工作，使得转换器电路12的相应于工作电压U_B的输入电压U_E在次级侧变换成相对较低的输出电压U_A。借助该相对较低的输出电压对控制或调节装置8进行能量供应。转换器电路12的输出电压U_A可以例如为5V。然而转换器电路12也可以作为升压调节器工作，例如以便根据使用的晶体管类型在其栅极G上获得比其漏极D上更高的电压。

变压器13的次级绕组L₂接到次级回路15中，而变压器3的初级绕组L₁接到初级回路14中。在转换器电路12的初级回路14中设置有平流电路和/或整流电路17，该平流电路和/或整流电路可以例如由电阻和电容器以及二极管(齐纳二极管)来构建并且用于电子器件10的电压供应。此外，在转换器电路12的初级回路14中存在有用于校准输出电压U_A的二极管D₂。

根据图1的实施方案，转换器电路12根据反激转换器原理实施为具有接到初级回路14中的晶体管或者功率晶体管19，而根据图2的实施方案，转换器电路12按照谐振转换器原理或者正激转换器原理工作。在这种实施方案中，用矩形脉冲驱控晶体管19，矩形脉冲的脉冲频率尤其大于或等于16kHz。与此相应的在初级侧产生的交变电压被变换到晶体管13的次级侧，并在那里被整流，以便作为输出电压(直流电压，DC)供使用。

在根据图1的实施方案的情况下，转换器电路12的接到初级回路14中的晶体管(功率晶体管)19在驱控侧与例如脉冲宽度调制器(PWM)20形式的驱动器相连，驱动器又与电子器件10相连并受其驱控。

在根据图2的实施方案的情况下，电容器C₃和/或C₄与变压器13的电感、尤其是变压器的初级绕组L₁一起形成振荡回路。该电感也可以通过附加的线圈形成。在该实施方案的情况下，两个晶体管T₁、T₂以合适的方式(例如在用于产生初级侧交变电压的推挽模式)作用到变压器13的初级绕组L₁上。变换到晶体管13的次级侧上的交变电压又被整流并作为输出电压U_A(直流电压，DC)供使用。为此，将晶体管T₁和T₂以未详细示出的类型和方式在晶体管电路20内与其他构件(电阻、电容器)以如下方式相连，即，例如总是将两个晶体管中的一个导通，而另一个晶体管截止，并且反之亦然。

本发明不局限于上述实施例。相反，本领域技术人员从中也可以得出本发明的其他变化方案，而不偏离本发明的主题。尤其是所有结合实施例所描述的单个特征还可以按其他方式彼此组合，而不偏离本发明的主题。

附图标记列表

1 电子保护开关/开关

2 功率晶体管/MOSFET

3 电流路径

4 电流传感器/分流器

5 工作电压接头

6a (正的)负载接头

6b (负的)负载接头

7 负载

8 控制/调节装置

9 运算放大器

10 电子器件

11 总线系统

12 转换器电路

13 变压器

14 初级回路

15 次级回路

16 整流器/二极管

17 抽头

18 整流/平流电路

19 功率晶体管/晶体管

20 驱动器/PWM

21 晶体管电路

C_n 电容器(n＝1、2、3、4)

D 漏极

G 栅极

GND 接地电势

I_L 负载电流

L₁ 初级绕组

L₂ 次级绕组

R_1,2 欧姆电阻

S 源极

S_IL 测量值/测量信号

S_R 参考值

U_E 输入电压

U_A 输出电压

U_B 工作电压