Conmutador semiconductor con desconexión en cortocircuito.

Conmutador electrónico con un elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1;

IC2) para conmutar la corriente bajo carga de un consumidor de corriente continua eléctrico (RCarga) dispuesto entre una salida de conexión (SALIDA) del elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) y la masa, conteniendo el elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) un circuito de vigilancia para la detección de un cortocircuito y un equipo de memoria para el almacenamiento del resultado de la detección, caracterizado por una entrada de señal de control (S), abriéndose y cerrándose el conmutador electrónico dependiendo de una señal de control aplicada en la entrada de señal de control (S) y del resultado de la detección almacenado en el equipo de memoria, un condensador (C1) que está previsto entre una conexión de tensión de funcionamiento (VCC) del elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) y una conexión de masa (IN/GND; GND) del elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) y un circuito adicional (T31; D41; R72) que con una caída de la tensión en la conexión de tensión de funcionamiento (VCC) del elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) tira del potencial de la conexión de masa (IN/GND; GND) del elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) hasta un valor por debajo del potencial de la masa.

Conmutador semiconductor con desconexión en cortocircuito La presente invención se refiere a conmutadores semiconductores para conmutar la corriente bajo carga de un consumidor eléctrico y particularmente a conmutadores semiconductores con circuito de vigilancia integrado para la protección contra sobrecorriente y cortocircuito.

En muchos ámbitos, los conmutadores semiconductores han desplazado, debido a sus propiedades de conmutación excelentes, a los relés electromecánicos convencionales. Los actuales conmutadores semiconductores están compuestos la mayoría de las veces de un MOSFET de potencia para conmutar la corriente bajo carga así como un circuito de control y vigilancia integrado y se ofrecen por diversos fabricantes con las denominaciones Smart Power Mosfets, Intelligent Power Switch o IPS, Profet, IntelliMAX y otros.

Los conmutadores semiconductores que son adecuados para conmutar la tensión de alimentación positiva de un consumidor se denominan habitualmente conmutadores del lado de alto potencial (highside) . El circuito de control y vigilancia de estos conmutadores contiene una bomba de carga para la generación de una tensión de control lo suficientemente alta que se requiere para poder controlar el MOSFET de potencia de canal N. Ya que en este caso se trata de transistores de conmutación puros que estáticamente pueden adoptar solamente los estados encendido o apagado, no es deseable que los mismos alcancen el funcionamiento lineal, es decir, un estado no completamente encendido o apagado. Por tanto, estos elementos constitutivos poseen un reconocimiento de subtensión que desconecta de forma dirigida el MOSFET en cuanto la tensión de alimentación ya no es suficiente para el funcionamiento seguro de la bomba de carga. Además, estos elementos constitutivos, sin embargo, también poseen mecanismos protectores que desconectan el MOSFET con sobrecorriente o cortocircuito. Además, estos elementos constitutivos también poseen una protección de batería inversa que hace que el MOSFET sea conductor de forma inversa con un cambio de polaridad de la tensión de funcionamiento (terminal de VCC de forma negativa con respecto a la masa) . En la Fig. 1 está representado un posible diagrama de bloques de un elemento constitutivo de este tipo.

La desconexión de subtensión desconecta el MOSFET en cuanto la tensión de funcionamiento VCC pasa por debajo de un determinado valor UUV. Cuando vuelve a ascender a la tensión de alimentación VCC y ha superado un determinado valor (con histéresis adecuada con respecto al valor de desconexión) se vuelve a conectar el MOSFET.

Además de la desconexión de subtensión está previsto también un mecanismo para devolver todo el circuito a unestado de partida definido. Una REINICIALIZACIÓN (RESET) de este tipo de todo el circuito se realiza con una disminución de la tensión de funcionamiento VCC por debajo de una tensión URS, que se encuentra por debajo del umbral de desconexión de subtensión UUV, URS < UUV. En cuanto vuelve a aumentar la tensión de alimentación VCC y ha superado un determinado valor (con histéresis adecuada con respecto al valor de desconexión) , el circuito vuelve a activarse.

La desconexión de sobrecorriente o cortocircuito desconecta por encima de una determinada corriente bajo carga el MOSFET para proteger el mismo frente a una sobrecarga. Además se almacena en este caso el estado "sobrecorriente/cortocircuito" en un elemento de memoria (circuito biestable (flipflop) ) para impedir una conexión automática cuando vuelva a disminuir la corriente bajo carga. Después de una desconexión de sobrecorriente o cortocircuito realizada, el conmutador semiconductor integrado puede volver a hacerse funcionar sólo mediante una desconexión y conexión definida.

Se encuentran aplicaciones para tales conmutadores semiconductores, por ejemplo, en el ámbito automovilístico, en el que se tienen que conmutar consumidores de corriente continua eléctricos, tales como, por ejemplo, lámparas y accionadores, con corrientes bajo carga del orden de magnitud desde 1…10 A. Existen mayores requisitos en cuanto a la capacidad portadora de corriente del conductor semiconductor, por ejemplo, en calefactores adicionales eléctricos, que pueden presentar potencias de algunos kW, de tal manera que para el control de tales dispositivos calefactores con tensiones de a bordo de 10…500 V tienen que conmutarse corrientes de algunos 10…100 A. Los requisitos con respecto a la máxima tensión de conmutación (10…500 V) y frecuencia de conmutación (0…100 Hz) a este respecto en la mayoría de los casos son comparativamente bajos.

El mecanismo protector convencional que se ha descrito anteriormente frente a sobrecorriente y cortocircuito puede fallar en ciertas circunstancias, sobre todo durante la conmutación de grandes corrientes (de algunos 10 A a 100 A) y cuando la línea de entrada de la tensión de alimentación presenta una inductancia notable de algunos !H. Este problema se refiere particularmente a la eléctrica de vehículos motorizados, en la que los consumidores eléctricos están separados con frecuencia por un haz de cables extendido de la fuente de corriente (generador o batería) . A este respecto, en el caso de un cortocircuito, provocado por la resistencia inductiva de la inductancia de línea puede producirse una caída de la tensión de alimentación VCC en la conexión de tensión de funcionamiento (terminal de VCC) del conmutador semiconductor integrado. Si a este respecto la tensión de alimentación VCC cae por debajodel umbral de desconexión de REINICIALIZACIÓN URS, entonces el elemento constitutivo realiza una REINICIALIZACIÓN y borra el elemento de memoria. El estado "sobrecorriente/cortocircuito" de este modo no se puede almacenar. Esto tiene como consecuencia que se produce inmediatamente después de la desconexión una nueva conexión. Si sigue existiendo el cortocircuito se repite de nuevo el mismo ciclo. El elemento constitutivo de este modo se somete de forma extrema a esfuerzo, ya que durante cada ciclo de conmutación tiene que transformar una energía de E=1/2*IL*l/RL* (VCC + IVoutI) * In (1 + (IL*RL) / (IVoutI) )

en calor, siendo IL= carga/corriente de cortocircuito, L= inductancia de línea, RL= resistencia de carga, VCC= tensión en el drenaje (drain) (terminal de VCC) , IVoutI= magnitud de la tensión en la fuente (terminal de salida) .

En el caso de cortocircuito, por lo tanto, sería deseable una desconexión permanente, en la que una reconexión se realizase solamente mediante una retirada definitiva de la señal de conexión en la conexión de control IN/GND. Con este fin, el conmutador semiconductor integrado se comprueba por tanto habitualmente con un microcontrolador que desconecta con reconocimiento de un cortocircuito el control de transistor. Sin embargo, esto está asociado con una gran complejidad en cuanto a la técnica de conmutación.

Por el documento EP 0 599 455 A2 se conoce un circuito protector contra sobrecorriente para un transistor de potencia. Este circuito protector contiene un detector de corriente que genera una señal de tensión que indica la magnitud de la corriente que fluye a través del transistor de potencia. Si esta corriente supera un umbral predefinido, mediante el circuito protector se impide en primer lugar un aumento adicional de la corriente antes de que se desconecte completamente con una continuidad del cortocircuito después de un tiempo predefinido. Por este documento se conoce también un "circuito de retención", que retiene una señal de modulación por amplitud de impulso aplicada en la entrada de control de transistor de potencia en el caso de cortocircuito en el nivel de "encendido" hasta que se haya realizado la desconexión controlada del transistor de potencia.

Por los documentos EP 1 176 685 A1 y US 2004/0207967 se conocen asimismo conmutadores semiconductores con circuito protector contra sobrecorriente. Este circuito protector contiene una fuente de corriente de referencia que imita el recorrido de corriente transitorio durante la conexión de la carga. Un comparador compara la corriente a través del FET de potencia con la potencia de referencia para detectar un cortocircuito eventualmente presente y desconectar el FET de potencia. Después de la desconexión realizada se conecta de nuevo el conmutador semiconductor con un cierto tiempo de retraso, estando previstos un contador y una unidad de memoria para desconectar permanentemente el conmutador semiconductor después de un número predefinido de intentos de conexión.

Sin embargo, en los conmutadores semiconductores convencionales con... [Seguir leyendo]

1. Conmutador electrónico con un elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) para conmutar la corriente bajo carga de un consumidor de corriente continua eléctrico (RCarga) dispuesto entre una salida de conexión (SALIDA) del elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) y la masa, conteniendo el elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) un circuito de vigilancia para la detección de un cortocircuito y un equipo de memoria para el almacenamiento del resultado de la detección, caracterizado por una entrada de señal de control (S) , abriéndose y cerrándose el conmutador electrónico dependiendo de una señal de control aplicada en la entrada de señal de control (S) y del resultado de la detección almacenado en el equipo de memoria, un condensador (C1) que está previsto entre una conexión de tensión de funcionamiento (VCC) del elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) y una conexión de masa (IN/GND; GND) del elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) y un circuito adicional (T31; D41; R72) que con una caída de la tensión en la conexión de tensión de funcionamiento (VCC) del elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) tira del potencial de la conexión de masa (IN/GND; GND) del elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) hasta un valor por debajo del potencial de la masa.

2. Conmutador electrónico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el circuito adicional (T31; D41; R72) la conexión de masa (GND) del conmutador semiconductor integrado con la masa.

3. Conmutador electrónico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el circuito adicional (T31; D41; R72) la conexión de masa (IN/GND) del conmutador semiconductor integrado con la entrada de señal de control (S) del conmutador electrónico.

4. Conmutador electrónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, estando diseñado el circuito adicional (T31; D41; R72) de tal forma que la disminución de la tensión a lo largo del circuito adicional (T31; D41; R72) durante el funcionamiento normal asciende esencialmente a 0 voltios.

5. Conmutador electrónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, estando diseñado el circuito adicional (T31; D41; R71) de tal forma que la disminución de tensión a lo largo del circuito adicional (T31; D41; R72) con una caída de la tensión en la conexión de tensión de funcionamiento (VCC) del elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) se corresponde esencialmente con la tensión de funcionamiento durante el funcionamiento normal.

6. Conmutador electrónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el circuito adicional (T31; D41; R72) está formado por un resistor óhmico (R72) .

7. Conmutador electrónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el circuito adicional (T31; D41; R72) está formado por un diodo (D41) conectado durante el funcionamiento normal en dirección de paso.

8. Conmutador electrónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el circuito adicional (T31; D41; R72) está formado por un transistor (T31) que está controlado durante el funcionamiento normal y que se bloquea con una caída de la tensión en la conexión de tensión de funcionamiento (VCC) .

9. Conmutador electrónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado contiene adicionalmente un circuito protector contra cambio de polaridad y en el que la conexión de masa (IN/GND; GND) del elemento constitutivo de conmutador semiconductor integrado (IC1; IC2) está unida adicionalmente mediante una conexión en serie de un resistor óhmico (R51) y un diodo (D52) conectado durante el funcionamiento normal en dirección de bloqueo con la masa.

10. Red de a bordo de vehículo motorizado con una fuente de corriente (UB) , un haz de cables (L) unido con la fuente de corriente (UB) y un consumidor eléctrico (RCarga) , en el que el consumidor eléctrico (RCarga) está conectado mediante un conmutador electrónico (200; 300; 400; 500; 600; 700) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9 en un extremo opuesto con respecto a la fuente de corriente (UB) del haz de cables (L) .