輸出組件以及運行方法

2023-05-29 08:26:26

輸出組件以及運行方法
【專利摘要】本發明涉及一種運行帶有輸出電路的輸出組件的方法，利用該輸出電路將導致電流的電壓接通到與輸出端連接的負載上，在輸出組件的電源電壓接口和輸出端之間運行第一驅動模塊，並通過第一控制輸入端來控制在輸出端上的電壓接通，在電源電壓接口和輸出端之間，運行與第一驅動模塊並聯的第二驅動模塊，也通過第二控制輸入端來控制用於在輸出端上的電壓接通，控制電路收到用於在啟動時間點將電壓接通到輸出端上的轉換指令，並控制電路在第一步驟中以第一控制輸入端或第二控制輸入端的交替控制來啟動，交替控制被執行持續第一時間段，並在此過程中第一驅動模塊引導電流持續第一控制時間，而第二驅動模塊引導電流持續第二控制時間。
【專利說明】輸出組件以及運行方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種運行帶有輸出電路的輸出組件的方法，利用該輸出電路將電壓接通到與輸出端相連接的負載上，其中，在輸出組件的電源電壓接口和輸出端之間運行第一驅動模塊，並且通過第一控制輸入端用於控制在輸出端上的電壓接通。
【背景技術】
[0002]為了例如將電容負載與可編程存儲的控制裝置的優選防故障的、數字輸出組件相連接，現在已使用了一種用於將正輸出電壓接通到輸出組件中的電子功率部件。這個電子功率元件優選地被構造成半導體開關元件。
[0003]尤其是在將電容負載與小串聯電阻相連接時，在開始的一瞬間會出現高接通電流。在短路情況下用於斷開的功率部件中，這個高電流會導致需要過電流監控或短路電流監控，並且由此導致斷開功率部件，這是不期望出現的。
[0004]專利申請文件DE 10 2006 030 448 Al公開了一種輸出組件的、用於接通至少一個所連接的負載的輸出電路。
[0005]由於輸出組件(尤其是在自動化技術中)的結構尺寸持續減小，所以在減小輸出組件的結構空間以及額外增大輸出組件的電路板上的電子部件的封裝密度的條件下，尋求一種將發熱限制在容許值上或者也儘可能小地保持功率損耗的方案。

【發明內容】

[0006]由此，本發明的目的在於提供一種輸出組件，該輸出組件能夠尤其是在接通電容負載的條件下克服接通過程開始時主導的高接通電流，並且由此使得輸出組件不過分地承載所產生的損耗熱。
[0007]在運行帶有輸出電路的輸出組件的方法方面，其中利用輸出電路將與輸出端相連接的負載上，其中在輸出組件的電源電壓接口和輸出端之間運行第一驅動模塊，並且通過第一控制輸入端來控制與輸出端的電壓接通，所述目的由此實現，即，在電源電壓接口和輸出端之間，運行與第一驅動模塊並聯的第二驅動模塊，並且也通過第二控制輸入端來控制用於在輸出端上的電壓接通，其中，控制電路收到用於在啟動時間點將電壓接通到輸出端上的轉換指令，並且控制電路在第一步驟中利用第一控制輸入端或第二控制輸入端的交替控制來啟動，其中，交替控制被執行持續第一時間段的持續中進行該交替控制，並且在這個交替控制過程中，第一驅動模塊引導電流持續第一控制時間，而第二驅動模塊引導電流持續第二控制時間。通過這兩個並聯的驅動模塊並且通過對這些驅動模塊在時間上的交替控制，能夠提高可能可接通的電容負載或最大允許的接通電流。在從接通瞬間到電容幾乎充滿的過渡時間中，兩個驅動模塊中始終只有一個是激活的。首先在第一控制時間內接通第一驅動模塊，其中，第一控制時間的時間段不足以觸發基於第一驅動模塊中的過電流的自動斷開。如果第一驅動模塊因此斷開或不再運行，類似地同時在第二控制時間接通第二驅動模塊，即使是在此時高電流流動的條件下第二控制時間同樣不足以觸發用於實現斷開的過電流監控。優選地，始終接通驅動模塊之一併且引導電流，其中，斷開各另一個驅動模塊。在兩個驅動模塊之間的這種交替地來回接通導致可以給電容負載充電。所產生的消耗功率由此均勻地被分配給兩個部件，並且與僅僅使用一個驅動模塊相比在每個驅動模塊上引起了較小的溫度升高。
[0008]為了在過電流時斷開，運行具有各一個斷流裝置的第一和第二驅動模塊，該斷流裝置設計用於只允許最大的電流確定地持續允許時間段，並且在超過允許時間段時切斷電流。
[0009]此外，第一控制時間和第二控制時間分別被選擇小於相應的斷流裝置的單個的允許時間段。
[0010]如果需接通的電容幾乎充滿，則在緊接著第一驅動模塊和第二驅動模塊的交替控制的第二步驟中，在第一時間段結束後，同時控制兩個驅動模塊。
[0011]隨著方法的第二步驟開始，電流在此期間一直下降到兩個驅動模塊在此時能夠固定接通的程度，其中，在為了在高接通電流不再主導的情況下也仍將輸出組件中持續產生的功率損耗保持得很小，則仍要實現將電流分配到兩個驅動模塊上。
[0012]在一個對於恆定時間段的備選方案中，通過電流測量裝置測定電流，並且與第一時間段無關地在第一步驟中進行驅動模塊的交替控制，直到測定到的電流超過預先確定的值為止。此後可以直接根據兩個驅動模塊的持續運行進行轉換。
[0013]另外可能的是，通過電壓測量裝置測定輸出端上的輸出電壓，並且與第一時間段無關地在第一步驟中進行驅動模塊的交替控制，直到測定到的電壓超過預先確定的值為止。此後也可以直接根據兩個驅動模塊的持續運行進行轉換。
[0014]利用該特殊的優點，這種方法被使用在輸出部件中，該輸出組件作為防故障的、針對功能性安全設計的自動化組件來運行。
[0015]尤其是在防故障應用方面，可以以有利的方式由此對該方法進行補充，即，運行具有斷線檢測裝置的第二驅動模塊，並且周期性地激活該第二驅動模塊用於對通向負載的導線進行斷線檢測，其中，在這個檢測時間期間，第一驅動模塊斷開。
[0016]同樣通過輸出組件這樣實現開頭所述的目的，該輸出組件包括輸出電路、輸出端、電源電壓接口、具有第一控制輸入端的第一驅動模塊，其中，第一驅動模塊設計用於將電壓接通到輸出端上，並且第一驅動模塊布置在電源電壓接口和輸出端之間，其特徵在於，在電源電壓接口和輸出端之間，具有第二控制輸入端的第二驅動模塊並聯於第一驅動模塊，並且該第二驅動模塊也設計用於在輸出端上的電壓接通，其中，控制電路具有指令輸入端、第一指令輸出端以及第二指令輸出端，並且控制電路設置用於在啟動時間點通過指令輸入端接收用於將電壓接通到輸出端上的接通指令，並且利用第一控制輸入端或第二控制輸入端的交替控制來啟動在輸出端上的電壓接通，該控制電路此外設計交替控制被執行持續第一時間段，並且第一驅動模塊引導電流持續第一控制時間，而第二驅動模塊引導電流持續第二控制時間。
[0017]在這種構造方式中，兩個驅動模塊優選地設計為帶有小導通電阻的半導體元件。例如，在場效應電晶體的完全導通的狀態下測量出相對較低歐姆的值，在此該值在幾毫歐姆以下。利用如此小的導通電阻，能夠實現最小的切換損耗，並且由此還能夠較小地保持持續的功率損耗。[0018]如果此時使用了具有這種小導通電阻的半導體開關元件，則具有以下優點，S卩，第一和第二驅動模塊分別設計具有各一個斷流裝置，該斷流裝置設計用於只允許最大的電流確定地持續允許時間段，並且在超過允許時間段時斷開電流。
[0019]在一個有利的構造方式中，這樣設計輸出組件，即，控制電路此外設計用於緊接著第一驅動模塊和第二驅動模塊的交替控制，在第一時間段結束後，同時控制兩個驅動模塊。由此將產生的損耗功率均勻地分配給兩個驅動模塊，並且與只使用一個驅動模塊相比在每個驅動模塊上引起了較小的溫度升高。
[0020]為了在不同的最大接通電流下能夠靈活地做出反應，有利的是，輸出組件具有測定電流的電流測量裝置，其中，控制電路對此還設計用於與於第一時間段無關地運行模塊的交替控制，直至測定到的電流超過預先確定的值為止。
[0021]還可以具有測定在輸出端上的電壓的電壓測量裝置，其中，控制電路對此設計用於與第一時間段無關地運行模塊的交替控制，直至測定到的電壓超過預先確定的值為止。
[0022]特別是在使用用於防故障的、針對功能性安全設計的自動化部件的輸出組件時，第二驅動模塊具有斷線檢測裝置，該斷線檢測裝置設計用於對通向負載的導線進行周期性的斷線檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]附圖示出了一個實施例，其中
[0024]圖1示出了具有第一驅動模塊和第二驅動模塊的輸出組件1，
[0025]圖2示出了對驅動模塊的控制的時間走勢，以及輸出端上的輸出電壓，以及
[0026]圖3示出了在待接通的負載方面的電壓-電流圖。
【具體實施方式】
[0027]根據圖1示出了輸出組件1，該輸出組件包括輸出電路10、輸出端2、電源電壓接口
3、具有第一控制輸入端21的第一驅動模塊11以及具有第二控制輸入端22的第二驅動模塊12。輸出組件I連同其輸出電路10設計用於通過輸出端2將電壓U接通到負載L上。
[0028]為了將輸出電路10中產生的損耗功率保持在界限內，提出這樣使用兩個電子半導體開關元件，也就是第一驅動模塊11和第二驅動模塊12，即，在電源電壓接口 3和輸出端2之間，第一驅動模塊11和第二驅動模塊12彼此並聯地布置，其中，交替地通過第一控制輸入端21控制第一驅動模塊11，通過第二控制輸入端22控制第二驅動模塊12。
[0029]此後，控制電路30在收到用於在啟動時間點TO將電壓U接通到輸出端上的接通指令40之後這樣運行，即，在第一步驟中開始交替地控制第一控制輸入端21或第二控制輸入端22，其中，執行交替控制持續第一時間段Tl (見圖3)，並且在該交替控制過程中，驅動模塊11引導電流I持續第一控制時間T11，而第二驅動模塊12引導電流I持續第二控制時間T2。第一和第二驅動模塊11，12具有各一個斷流裝置41，42。在此情況下，第一斷流裝置41和第二斷流裝置42設計用於只允許最大的電流確定地持續允許時間段TZ，並且在超過該允許時間段TZ的情況下切斷電流I。
[0030]如果電容負載在其電容方面幾乎充滿，那麼在控制電路30中實施的程序便可以轉入到方法的第二步驟中。這個第二步驟緊接著第一驅動模塊11和第二驅動模塊12的交替控制在第一時間段Tl結束後被執行，並且其後同時控制第一驅動模塊11和第二驅動模塊12。
[0031]對於固定設定的時間段Tl可替代地，輸出電路10具有電流測量裝置45，該電流測量裝置測定電流I，並且與第一步驟中的第一時間段Tl無關地進行驅動模塊11，12的交替控制，直至測定的電流I超過預先確定的值為止。
[0032]還可以通過電壓測量裝置46測定輸出端2上的輸出電壓38，並且與第一步驟中的第一時間段Tl無關地進行驅動模塊11，12的交替控制，直至測定的電壓超過預先確定的值為止。
[0033]第二驅動模塊12具有斷線檢測裝置44，其中，周期性地運行該斷線檢測裝置，並且對通向負載L的導線43執行斷線檢測，其中，在這個斷線檢測時間期間，第一驅動模塊11斷開。
[0034]利用圖2示出了驅動模塊11，12的控制的時間走勢35，以及輸出端2上的輸出電壓的電壓走勢38。第一個圖表示出了第一驅動模塊11的第一控制輸入端21上的信號走勢36。通過時間t示出「O」和「 I」之間的邏輯開關特性。通過控制電路30在啟動時間點TO以邏輯「I」控制第一控制輸入端21。在第一控制時間Tll執行該控制，並且在第一控制時間Tll結束後不再利用「I」控制第一驅動模塊11的第一控制輸入端21。
[0035]類似地，與斷開第一控制輸入端21同時地，利用第二信號走勢38在第二控制時間T12控制第二驅動模塊12的第二控制輸入端22。在第二控制時間T12結束後，重新交替地轉換到第一控制輸入端21上,從而使得第一驅動模塊11引導電流I。
[0036]隨著時間段Tl結束，由此出發，即電容幾乎被充滿，並且此時電容上流動的電流I不再高得使其在產生損耗功率方面有害。因此，此時可以同時控制第一控制輸入端21和第二控制輸入端22。
[0037]在圖2的另一個電壓圖中，示出了輸出組件I的輸出端2上的輸出電壓38。在激活第一驅動模塊11的啟動時間點T0，電壓逐漸升高。相應於時間T11，T12的控制，由此導致了電壓上升級。
[0038]圖3示出了電壓-電流圖50，利用該圖應該清楚地說明了如何通過交替接通電壓U來將電流I分配給兩個不同的驅動模塊11，12。在此，曲線示出了電流I的時間走勢51，其中，在啟動時間點TO之後，在第一控制時間Tll期間，電流I相當迅速地下滑。電流I向第一驅動模塊11加載持續控制時間Τ11。隨後實現了到第二驅動模塊12的交替轉換，並且此時第二驅動模塊12加載有電流I持續第二控制時間Τ12。由此電流I逐漸下降，並且驅動模塊11，12的載荷也變小。隨著第一時間段Tl結束，可以同時通過兩個驅動模塊11，12的控制輸入端21，22來實現控制，其原因在於，此時電流I已衰減到無法圖解說明的程度，就像是必須將熱土豆從一隻手丟到另一隻手中的感覺。
[0039]曲線52示出了電壓的時間走勢。
【權利要求】
1.一種運行帶有輸出電路(10)的輸出組件(I)的方法，利用所述輸出電路將電壓(U)接通到與輸出端(2)相連接的負載(L)上，所述電壓導致電流(I)，其中，在所述輸出組件(O的電源電壓接口(3)和輸出端(2)之間運行第一驅動模塊(11)，並且通過第一控制輸入端(21)來控制用於在所述輸出端(2)上的電壓接通，其特徵在於，在所述電源電壓接口(3)和所述輸出端(2)之間，運行與所述第一驅動模塊(11)並聯的第二驅動模塊(12)，並且也通過第二控制輸入端(22)來控制用於在所述輸出端(2)上的電壓接通，其中，控制電路(30 )收到用於在啟動時間點(TO )將電壓(U)接通到所述輸出端(2 )上的轉換指令(40 )，並且所述控制電路(30)在第一步驟中利用所述第一控制輸入端(11)或所述第二控制輸入端(12)的交替控制來啟動，其中，所述交替控制被執行持續第一時間段(Tl)，並且在所述交替控制過程中，所述第一驅動模塊(11)引導所述電流(I)持續第一控制時間(T11)，而所述第二驅動模塊(12)引導所述電流(I)持續第二控制時間(T12)。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，運行具有各一個斷流裝置(41，42)的所述第一驅動模塊和所述第二驅動模塊，所述斷流裝置設計用於只允許最大的所述電流(I)確定地持續允許時間段(TZ)，並且在超過所述允許時間段(TZ)時切斷所述電流(I)。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述第一控制時間(Tll)和所述第二控制時間(T12)分別被選擇小於相應的所述斷流裝置(41，42)的單個的所述允許時間段(TZ)。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，在緊接著所述第一驅動模塊(11)和所述第二驅動模塊(12)的所述交替控制的第二步驟中，在所述第一時間段(Tl)結束後，同時控制兩個所述驅動模塊(11，12 )。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中，通過電流測量裝置(45)測定所述電流(I)，並且與所述第一時間段(Tl)無關地在所述第一步驟中進行所述驅動模塊(11，12)的所述交替控制，直到測定到的所述電流(I)超過預先確定的值為止。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其中，通過電壓測量裝置(46)測定所述輸出端(2)上的輸出電壓(38)，並且與所述第一時間段(Tl)無關地在所述第一步驟中進行所述驅動模塊(11，12)的所述交替控制，直到測定到的所述電壓超過預先確定的值為止。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其中，所述輸出組件(I)作為防故障的、針對功能性安全設計的自動化組件來運行。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其中，運行具有斷線檢測裝置(44)的所述第二驅動模塊(12)，並且周期性地激活所述第二驅動模塊用於對通所述向負載(L)的導線(43 )進行斷線檢測，其中，在這個檢測時間期間，所述第一驅動模塊(11)斷開。
9.一種輸出組件(1)，包括輸出電路(10)、輸出端(2)、電源電壓接口(3)、具有第一控制輸入端(21)的第一驅動模塊(11)，其中，所述第一驅動模塊(11)設計用於在將電壓(U)接通到輸出端(2)上，並且所述第一驅動模塊布置在所述電源電壓接口(3)和所述輸出端(2)之間，其特徵在於，在所述電源電壓接口(3)和所述輸出端(2)之間，具有第二控制輸入端(22)的第二驅動模塊(12)並聯於所述第一驅動模塊(11)地布置，並且所述第二驅動模塊也設計用於在所述輸出端(2)上的所述電壓接通，其中，所述控制電路(30)具有指令輸入端(33)、第一指令輸出端(31)和第二指令輸出端(32)並且所述控制電路設計用於在所述啟動時間點(TO)通過所述指令輸入端(33)接收用於將所述電壓(U)接通到所述輸出端(2 )上的接通指令(40 )，並且利用所述第一控制輸入端(11)或所述第二控制輸入端(12)的交替控制來啟動在輸出端(2)上的所述電壓接通，所述控制電路此外設計為使得所述交替控制持續所述第一時間段(Tl)，並且所述第一驅動模塊(11)引導所述電流(I)持續所述第一控制時間(T11)，而所述第二驅動模塊(12)引導所述電流(I)持續所述第二控制時間(T12)。
10.根據權利要求9所述的輸出組件(1)，其中，所述第一和所述第二驅動模塊(11，12)設計具有各一個斷流裝置(41，42)，所述斷流裝置設計用於只允許最大的所述電流(I)確定地持續允許時間段(TZ)，並且在超過所述允許時間段(TZ)時切斷電流(I)。
11.根據權利要求9或10所述的輸出組件，其中，所述控制電路(30)此外設計用於緊接著所述第一驅動模塊(11)和所述第二驅動模塊(12)的所述交替控制，在所述第一時間段(Tl)結束後，同時控制兩個所述驅動模塊(11，12)。
12.根據權利要求11所述的輸出組件(1)，所述輸出組件具有測定所述電流(I)的電流測量裝置(45)，所述控制電路(10)對此還設計用於與所述第一時間段(Tl)無關地運行所述驅動模塊(11，12)的所述交替控制，直到測定到的所述電流(I)超過預先確定的值為止。
13.根據權利要求11或12所述的輸出組件(1)，所述輸出組件具有測定所述輸出端(2)上的電壓的電壓測量裝置(46)，其中，所述控制電路(10)對此還設計用於與所述第一時間段(Tl)無關地運行所述驅動模塊(11，12)的所述交替控制，直到測定到的所述電壓超過預先確定的值為止。
14.根據權利要求9至13中任一項所述的輸出組件(I)，其中，所述第二驅動模塊(12)具有斷線檢測裝置(44)，所述斷線檢測裝置設計用於對通向所述負載(L)的導線(43)進行周期性的斷線檢測。
【文檔編號】H03K17/14GK103684371SQ201310382337
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2012年8月29日
【發明者】米夏埃爾·德姆爾, 馬丁·菲希特爾舍雷爾, 塞萬·哈裡託尼安, 塞巴斯蒂安·肯普特尼爾, 託馬斯·金德爾, 馬蒂亞斯·柯尼希, 賴因哈德·馬克, 勒內·福格爾 申請人:西門子公司