[发明专利]包括用于防止短路过电流的装置的自动、高可靠性、全冗余的电子电路断路器

说明书

一种可编程电源(PPSE)开关元件。在优选实施例中，PPSE包括：前功率晶体管、主开关晶体管和可选的串联的至少一个反向电流阻断晶体管(优选MOSFET)，每个晶体管的栅极均连接到栅极驱动器；与晶体管串联连接的电感器和分流电阻器；连接在地电位和结点之间的电荷存储电容器，该结点位于电感器和分流电阻器之间；高速NPN晶体管，其集电极连接到前功率晶体管，其发射极经由分流电阻器连接到主开关晶体管的输出端；与分流电阻器并联的电流测量元件；电压放大器；以及高速MCU。

相关申请的引用

本申请要求2015年3月16日提交的第237775号以色列专利申请的优先权，该申请的全部内容以引用的方式并入本申请。

技术领域

本发明一般涉及电子熔断器。特别地，本发明涉及可编程电子熔断器，该熔断器用于防止短路条件下的高电流，消除电源电流浪涌，防止开关元件损坏并提高熔断器的整体可靠性。

背景技术

可编程电源开关系统(PPSS)和可编程电源开关元件(PPSE)和方法对于AC和DC电流的应用在本领域中是公知的。这样的系统被冠以不同的名称，如“智能电源开关”、“保护系统”、“电子熔断器”等。本领域当前公知的大多数系统涉及短路或开路负载的检测，并且随后执行对电源和负载分支的保护和隔离。然而，对于这些系统，如果MOSFET发生故障，那么这些系统不能在相关开关内提供任何保护或冗余。此外，如果在检测到短路和负载分支与电源的断开之间存在延迟，那么MOSFET——短路的负载，和电源将暴露在过电流中，这可能降低整个系统电压甚至熔化MOSFET。

目前市场上的系统主要包括机械熔断器、热熔断器和磁性熔断器。近来，已经开发出基于MOSFET、SiC MOSFET IGBT、功率晶体管或SCR/Triac的电子熔断器。这些系统可以检测短路，然后断开负载与电压源的连接，但是在断开完成前电压源和MOSFET都将吸收高电流。电池和燃料电池的相对较高的内部电阻限制了系统的可靠性，但是，由于这些类型的熔断器不能足够快速地响应以防止电池出现高电流浪涌的情况，从而使得电池几乎肯定会被损坏。

例如，如果能量源是内部电阻为0.5Ω的24V的电池，即使是1毫秒的50A的短路也会引起电池的短路，导致电气开关系统中的所有负载失去能量。由于短路电流过高，电池附近连接电容将无法实际解决此问题。

类似地，如果能量源是例如连接到内部电阻为5mΩ的MOSFET的内部电阻为1m部的24V的车载电池，短路将导致24V/0.006Ω＝4000A的电流。因此，在检测到短路之前即便只有1ms的延迟也将引起电池短路，从而导致电气开关系统中的所有负载失去能量。由于短路电流过高，MOSFET将会熔化。

在电源具有高阻抗的情况下，本领域已知的电源开关系统通常将明显不希望有的浪涌电流引入到电路中。另一方面，在电源是阻抗非常低的电池或供电装置的情况下，短路将不可避免地，至少是短暂地，产生高电流。包含MOSFET的典型电路无法处理即使只有1μs的这样的瞬态高电流(几千安培数量级)。这样的情况会熔化晶体管并使负载永久短接。

在短路或开路负载条件下迅速地将能量源与负载分支隔离从而保护能量源和开关元件免受这种情况下产生的瞬态高电流的影响，确保MOSFET的可靠性和隔离度，并且符合标准的熔断器座的PPSS/PPSE仍然是一个长期的，尚未满足的需求。

发明内容

本文公开的发明的目的是在本发明的情况下以改进的电子熔断器的形式提供这样一种PPSS和PPSE。