用於減小驅動感性負載的電路的功率損耗的方法
2023-09-13 08:02:15 1
用於減小驅動感性負載的電路的功率損耗的方法
【專利摘要】公開了一種減少用於驅動感性負載(30)的電路(100)的功率損耗的方法。在第一模式期間，電流i1經由第一電力開關(10)對所述感性負載(30)進行充電，且在續流模式期間，所述充電後的感性負載(30)經由第二電力開關(20)來釋放電流i2，所述方法的特徵在於：檢測所述第一電力開關(10)的關斷狀態；在所述第一電力開關(10)切換後的關斷狀態以後檢測第一死區時間的流逝；並在所述續流模式期間導通所述第二電力開關(20)。
【專利說明】用於減小驅動感性負載的電路的功率損耗的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及功率級電路，且描述了一種用於減少驅動感性負載的功率級電路的功率損耗的方法，並特別涉及用於縮短死區時間的發明。
【背景技術】
[0002]機動車應用或工業應用使用了電動機控制的子系統或感性致動器。機動車應用中典型的示例是用來驅動冷卻風扇、泵以及移動座椅、鏡子、或風門片的電動機。現代汽車典型地具有70至100個之間的電動機/致動器或感性負載。將功率級電路用於控制感性負載的運行。這些包含使用兩個開關(高側和低側)的專門類型的開關電路，且實現這些開關的一種方式是利用功率MOSFET電晶體。高側開關選擇性地將感性負載耦合至正向電源，而低側開關選擇性地將感性負載耦合至地。脈衝寬度調製(PWM)控制電路被用於控制高側開關和低側開關。由於感性負載存儲能量，因此重要的是，還選擇性地耗盡存儲的能量。因此與感性負載並聯耦合續流二極體。當高側開關處於導通狀態時，電流流經感性負載並因此感性負載被充電。當高側開關處於關斷狀態時，電流流過續流二極體。然而，相較於M0SFET，二極體損耗更多的功率。因此，MOSFET優選執行續流動作。採用基於功率MOSFET的轉換，控制開關的死區時間是非常重要的。死區時間指的是在高側開關的關斷轉換為低側開關的導通或者高側開關的導通轉換為低側開關的關斷之間的延遲。在已知的現有技術中，採用死區時間發生器來實現開關的控制。在現有技術的已知通常狀態下，死區時間發生器僅由邏輯門組成，使得產生的死區時間容易受到製造或溫度的影響。若產生的死區時間太短，那麼輸出級電路的電力開關會被同時導通，產生大電流，引起電力開關過熱，甚至擊穿。若產生的死區時間太長，那麼功率級電路的效率會被降低，且功率損耗會大大增加。
[0003]傳統的方法添加了與運行狀態和設備容差無關的恆定的死區時間。這降低了效率，並降低了系統的最大開關頻率。用來使死區時間最小化的不同方法已被提出。所提出的系統需要在變速、驅動系統中無法得到滿足的運行狀態和系統需求。典型的電動機控制系統相較於傳統系統的主要區別在於:
[0004]-變化的負載電流方向。
[0005]-無穩態工況。
[0006]-外部電動機控制器，其意味著不存在關於實際佔空比的信息。
[0007]-電動機繞組中的感應電壓。
[0008]因此，需要更多的努力用來優化電動機控制系統的死區時間。
【發明內容】
[0009]發明目的
[0010]本發明的目的是克服所屬領域已知技術的缺點。本發明的另一個目的是提供用於以有效的方式操作感性負載並因此降低驅動感性負載的功率級電路的功率損耗的一種系統和方法。本發明的另一個目的是基於感性負載的操作，選取功率級電路中的開關的最佳的死區時間，使得功率損耗可進一步被降低。
[0011]本發明的有益效果
[0012]如在獨立權利要求和從屬權利要求中請求保護的本發明具有以下有益效果。根據獨立權利要求的本發明提供了一種用於操作感性負載的系統和方法。控制第二電力開關的轉換速率，使得第二電力開關的切換時間得以縮短。因此，第二電力開關的死區時間得以縮短，從而降低了功率損耗和其他的電磁幹擾損耗。第一電力開關和第二電力開關的死區時間被配置為避免在第一電力開關與第二電力開關之間可能存在的短路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]下文中參照附圖對本發明的示範實施例進行大體說明。這些附圖是，
[0014]圖1示出了根據當前發明的電路的結構圖；
[0015]圖2和圖3示出了電流和時間的特性並示出了感性負載的操作模式；以及
[0016]圖4示出了減少電路的功率損耗的方法。
【具體實施方式】
[0017]圖1示出了裝備在車輛(未示出)中的用來控制譬如電磁閥之類的感性負載30的操作的電路100的框圖。電磁閥用於控制燃料噴射系統中燃料噴射器的操作。電路100包括與感性負載30串聯連接的第一電力開關10，跨接在感性負載30兩端的第二電力開關20。在一種構造中，第一電力開關10可選擇性地耦合至電源(Ubatt)的正極端子，且第二電力開關20可選擇性地耦合至參考地。在第二種構造中，第一電力開關10可連接至參考地，且第二電力開關20可連接至電源(Ubatt)的正極端子。所屬領域技術人員可依照需求設計任何合適的構造。開關控制器50耦合至第一電力開關10和第二電力開關20，用於控制第一和第二電力開關的導通/關斷，以控制感性負載30的操作。
[0018]第一和第二電力開關10、20分別是具有本徵體二極體12、13和場效應電晶體(電晶體)(14、15)的MOSFET開關。分流元件40與感性負載30串聯連接。
[0019]開關控制器50是與PWM控制器60、狀態機處理器52、耦合至高側驅動電路18用來驅動第一電力開關10的自舉(boot strap)電路56以及耦合至可變阻性負載70用來驅動第二電力開關20的低側驅動電路54集成在一起的電子控制器單元。可變阻性負載70包括與開關SW串聯連接的阻性負載Rp以及並聯連接的該組合。可變電阻R2通過閉合這些開關動態地計算出。
[0020]開關控制器50適用於以雙接點電流調節模式操作感性負載30，以控制平均電流流經感性負載30，且通過PWM控制器60接收來自分流電阻器40的電流反饋，用來產生PWM信號，該PWM信號保持流經感性負載30的電流在預定的上限和下限閾值之間擺動。如圖2所示，雙點電流調節操作由「第一模式」和「續流模式」組成。
[0021]狀態機處理器52基於PWM控制器信號產生用於電力開關10、20的導通/關斷請求。
[0022]自舉電路56在第一電力開關10的導通和關斷狀態期間確保足夠的柵極-源極電壓。
[0023]高側驅動電路(18)被設計為確保EMC落入按照規定標準的安全限度內。這意味著關於按照規範的抗擾性和輻射，該電路是服從的。這隱含著該電路是以沒有其他電路能夠影響其工作(如果是非期望的)，或是其不能影響其他電路的狀態(如果是非期望的)的方式來進行設計的。
[0024]開關控制器50適用於增加第二電力開關20的轉換速率，使得在第一電力開關10關斷之後第二電力開關20導通的時間得以縮短。與串聯電阻Rl組合的可變電阻R2可被配置為期望的電阻值，憑此可提高第二電力開關的轉換速率。此外，電阻R2、Rl和電容器Cl被配置成提供第二電力開關20的第二死區時間，以用來安全關斷。選取R1、R2和Cl的值，使得第二死區時間小於第一死區時間。第二電力開關20在第一電力開關10完全關斷之後，且在第一死區時間結束之後導通，用以避免第一電力開關10和第二電力開關20的短路。第一死區時間是安全的等待時間，憑藉該安全的等待時間，第一電力開關10完全關斷，並安全地導通第二電力開關20。第二死區時間是安全的等待時間，憑藉該安全的等待時間第二電力開關20完全關斷並且是安全地，第一電力開關10能夠導通。
[0025]轉換速率指的是電壓關於時間的變化的速率。其是確定功率MOSFET完全導通或完全關斷所花費的有效時間的一個因素。
[0026]第一死區時間是發送至第一電力開關10的關斷命令與發送至第二電力開關(20)的導通命令之間的時間差，且第二死區時間是發送至第二電力開關20的關斷命令與發送至第一電力開關10的導通命令之間的時間差。通過對R2、R1和Cl的值的適當配置可縮短第二死區時間，因此有效地提高第二電力開關的轉換速率。
[0027]圖2和圖3示出了電流和時間特性，並示出了感性負載30的操作模式。在圖2中，X軸示出了時間特性，且y軸示出了電流特性。感性負載30以第一模式和續流模式操作。在第一模式期間，電流il為感性負載30充電。在續流模式期間，電流i2從感性負載30放電。升高的電流il示出了感性負載30的充電，且下降的電流i2示出了從感性負載30的放電。開關控制器50通過接通/關斷第一電力開關10和第二電力開關20來控制感性負載30的操作。當第一電力開關10工作在導通狀態時，感性負載30被充電。當第一電力開關10完全關斷時開始放電。放電電流i2流經第二電力開關20的體二極體13，直到第二電力開關20被導通。如果第二電力開關20沒有導通，那麼體二極體13導通。體二極體損耗更多的功率，並因此針對感性負載30的每個續流模式，增加了功率損耗。
[0028]圖3示出了在續流模式期間減少電路的功率損耗。如圖3所示，X軸示出了時間，且Y軸示出了電壓(伏特)、電流(安培)和功率(ν*Α)特性。如圖所示，Y軸示出了用於導通/關斷第一電力開關10和第二電力開關20的PWM信號。信號g_hsps經高側柵極驅動電路56驅動第一電力開關10，且信號g_afw經低側柵極驅動電路54驅動第二電力開關20。電流IL是流經以第一模式和續流模式操作的感性負載30的電流。電壓Vgs_AFW是當第二電力開關20導通時穿過第二電力開關20的電壓，且Vgs_HSBatt是當第一電力開關10導通時穿過第一電力開關10的電壓信號。Vds_AFW是當漏極電流Id_AFW流經第二電力開關20時，穿過第二電力開關20的電壓。信號PD_AFW示出了在第一死區時間之後第二電力開關20的電晶體15導通並且第一電力開關10斷開時，流經第二電力開關20的功率損耗得以減少。
[0029]如圖3所示，當PWM信號g_hsps導通時，如採用10-0N所示，第一電力開關10導通。流經感性負載30(電流il)的電流IL增大並達到最大限度。一旦電流il達到上閾值，開關控制器50通過讀取流經分流器的電流來檢測該最大限度，並通過允許第一死區時間用於完全關斷，來關斷第一電力開關10。在第一死區時間期間，第二電力開關20處於完全關斷的狀態，用以避免第一電力開關10和第二電力開關20的短路，該短路否則會引起開關的故障。一旦第一電力開關10關斷，電流i2開始經由第二電力開關20的體二極體13進行放電。如圖3所示，功率損耗PD_AFW處於峰值。在第一死區時間之後，開關控制器50通過提高轉換速率來導通第二電力開關20。這有助於經由電晶體15的導通。電晶體15快速導通，且允許電流i2經由第二電力開關20的電晶體15的導通通道進行放電，這如圖3所示，減少了功率損耗。對於第二電力開關20完全導通的時間段，功率損耗的減少是有效的。一旦放電電流達到下閾值，第二電力開關20在小於第一死區時間的第二死區時間內是關斷的。開關控制器50檢測第二死區時間的流逝，並導通第一電力開關10。只要需要感性負載30的致動，開關控制器50就在上限和下限之間，以兩個操作限制來操作感性負載30。
[0030]圖4示出了減少電路的功率損耗的方法。該方法減少了驅動感性負載30的電路100的功率損耗。該方法由開關控制器50來操作。該方法通過測量感性負載30的升高電流il和下降電流i2來檢測感性負載30的操作。在第一模式期間，電流il流經第一電力開關10為感性負載30充電，且在續流模式期間，被充電的感性負載30經由第二電力開關20放出電流i2。在步驟S01，通過測量憑藉導通第一電力開關10而流經感性負載30的升高的電流，來檢測第一模式。一旦電流il對感性負載30充電且電流il達到上限，則關斷第一電力開關10。在步驟S02,由於第一電力開關10需要一段安全時間用來完全關斷,在導通第二電力開關20之前，提供第一死區時間。在下一步驟S03中，在第一電力開關10關斷之後，在第二電力開關20續流模式期間，感性負載30經第二電力開關20的體二極體13開始放電。測量第一電力開關10的關斷和第一死區時間的流逝。在下一步驟S04中，通過提高轉換速率導通第二電力開關20，並由此第二電力開關20的電晶體15快速導通，且因此電流i2開始流經第二電力開關20的電晶體15。由於感性負載30經由電晶體15而不是體二極體13來釋放電流，所以第二電力開關20轉換速率的提高減少了第二電力開關20的體二極體13兩端的功率損耗。通過選擇性配置可變阻性負載70，並與電阻器Rl相組合，來改變第二電力開關20的轉換速率。轉換速率的提高導致:相較於第一電力開關10的導通時間，第二電力開關20的導通時間縮短。可基於PWM信號或在分流元件40處感測的電流調節來控制第一電力開關10和第二電力開關20的導通/關斷時間。通過關斷第二電力開關20，實現從續流模式向第一模式的轉變。由於第二電力開關20的轉換速率被提高，非常快地實現導通，並因此可在短時間內完全關斷第二電力開關20。相較於第一死區時間是非常短的第二死區時間在第一電力開關10被導通之前消逝。這確保了不存在時間/存在很短時間來供第一電力開關10的體二極體12進行導通。
[0031]由於提高的轉換速率和R2、Rl和Cl的設定，第二死區時間現在得到優化，因此其相較於第一死區時間是非常短的。對於功率級電路，更長的死區時間意味著更長的空閒相位，以及因此更慢的響應。具有縮短的死區時間提供了電路的改進的響應時間的有益效果。
[0032]因此，本發明有利於減少第二電力開關(20)中的功率損耗。減少功率損耗使得第二電力開關(20)所需的散熱器的尺寸得以減小。這還意味著用於散熱的設備的外殼可以更小。由於可具有減小尺寸的緊湊電路現在是可能的，所以在PCB上消耗的空間更少，以及因此電路的成本更少。此外，由於第二電力開關的優化的死區時間，與由其他功率級MOSFET控制的電路相比，這改善了電路的響應行為。
[0033]應當理解，上面詳細說明中闡釋的實施例僅是說明性的，並且不限制本發明的範圍。本發明的範圍僅由權利要求的範圍限制。上述實施例的多種修改和變化是設想到的並且落入本發明的範圍之內。
【權利要求】
1.一種減少用於驅動感性負載(30)的電路(100)的功率損耗的方法,其中,在第一模式期間，電流il經由第一電力開關(10)對所述感性負載(30)進行充電，並且在續流模式期間，充電後的所述感性負載(30)經由第二電力開關(20)來釋放電流i2，所述方法的特徵在於: -檢測所述第一電力開關(10)的關斷狀態； -在所述第一電力開關(10)切換後的關斷狀態以後，檢測第一死區時間的流逝；以及 -在所述續流模式期間，在提高所述第二電力開關(20)的轉換速率的情況下，導通所述第二電力開關(20)，並減小用於關斷所述第二電力開關(20)的第二死區時間，其中通過選擇性地配置可變阻性負載(70)、電阻Rl和電容器Cl來改變第二電力開關(20)的轉換速率。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，在所述續流模式期間，當所述第二電力開關(20)處於導通狀態時，所述感性負載(30)經由所述第二電力開關(20)的電晶體(15)來釋放所述電流i2。
3.一種用於驅動感性負載(30)的電路(100)，所述電路包括， -與所述感性負載(30)串聯連接的第一電力開關(10)； -跨接在所述感性負載(30)兩端的第二電力開關(20)； -耦合至所述第一電力開關(10)和所述第二電力開關(20)的開關控制器(50)，所述開關控制器(50)用於控制所述第一電力開關和所述第二電力開關(10、20)的導通/關斷時間，以便 控制所述感性負載(30)的操作； -所述開關控制器(50)適用於提高所述第二電力開關(20)的轉換速率，從而實現了在所述第一電力開關(10)的關斷之後所述第二電力開關(20)的導通時間的減小；並且 -所述開關控制器(50)適用於提高所述第二電力開關(20)的轉換速率，從而實現了所述第二電力開關(20)的關斷時間的減小。
4.根據權利要求3所述的電路，其中，所述第一電力開關和所述第二電力開關(10、20)是具有本徵體二極體(12、13)和場效應電晶體(15)的MOSFET開關。
5.根據權利要求3所述的電路，其中，在第一種構造中，所述第一電力開關(10)連接至電源(Ubatt)的正極端子，並且所述第二電力開關(20)連接至所述電源的負極端子(地)。
6.根據權利要求3或4所述的電路，其中，電流il在所述第一電力開關(10)的導通時間期間，對所述感性負載(30)進行充電，並且當所述第一電力開關(10)被關斷時，開始經由所述第二電力開關(20)的所述體二極體(13)釋放電流i2。
7.根據權利要求3或4所述的電路，其中，所述第二電力開關(20)的轉換速率的提高實現了所述第二電力開關(20)的所述電晶體(15)的更快導通，並且當所述第一電力開關(10)被關斷時，放電電流i2流經所述第二電力開關(20)的所述電晶體(15)。
8.根據權利要求3或4所述的電路，其中，所述第二電力開關(20)轉換速率的提高降低了所述第二電力開關(20)的所述體二極體(13)上的功率損耗。
9.根據權利要求3或4所述的電路，其中，所述第二電力開關(20)的關斷時間小於第一電力開關(10)的關斷時間。
10.根據權利要求3所述的電路，其中，以基於時間的PWM信號或在分流元件(40)處感測的電流為基礎來控制所述第一電力開關和所述第二電力開關(10、20)的導通/關斷時間。
11.根據權利 要求3所述的電路，其中，所述感性負載(30)是用來致動燃料噴射器的螺 線管致動器。
【文檔編號】F02M51/06GK103715888SQ201310584935
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2012年9月28日
【發明者】M·巴迪格爾, A·塞爾萬馬尼, S·K·賈格德埃桑, P·尚卡拉納拉亞納 申請人:羅伯特·博世技術與業務解決方案公司, 羅伯特·博世有限公司