監測功率輸出級的方法
2023-07-29 12:43:16 1
專利名稱：監測功率輸出級的方法
技術領域：
本發明涉及一種監測功率輸出級的方法，該功率輸出級具有至少一個半橋，該半橋由上半導體開關和下半導體開關串聯形成，向該半橋施加一個工作電壓，可通過脈寬調製脈衝交替控制半導體開關使其工作在開關導通狀態和開關關斷狀態，至少在一個半橋中的半導體開關之間的連接點處形成輸出。
將配有半導體開關的功率輸出級特別適用於在機動車輛中用於驅動負載，比如直流電機。尤其是在通過功率輸出級和電機實現安全相關功能的情況下，其對於檢查功率輸出級以確定半導體開關的正確操作、短路以及過載是特別重要的。
根據本發明的方法可以實現這個目的，其中，在上半導體開關導通和下半導體開關導通時的所有情況下，測量下半導體開關兩端的相應電壓；在工作電壓和上半導體開關導通時下半導體開關兩端測得的電壓之間形成了電壓差；這個電壓差和下半導體開關導通時在其兩端測得的電壓與預定電壓相比較，該預定電壓是半導體開關在導通時其兩端可允許的最大電壓，當該電壓差和該測得的下半導體開關兩端的電壓都高於該預定電壓時，該功率輸出級或其輸出電路識別為有故障。
根據本發明的方法能夠在正常工作期間對功率輸出級進行檢測。根據本發明的方法還具有的優點是，與可產生脈寬調製脈衝的控制裝置結合，可以進行測量、在它們之間形成電壓差，並通過模擬/數字轉換器和用於估算的適當程序或硬體以簡易方式對電壓進行比較，硬體連在模擬/數字轉換器的下遊。
根據本發明的方法的有利改進在於，在所有情況下能夠在開關導通間隔的中心區域測量電壓。這可以避免在脈衝邊緣發生的瞬態過程而導致的錯誤測量。
根據本發明的方法可以在含有一個或多個半橋的功率輸出級上實現。另一個改進之處在於在功率輸出級包括至少兩個半橋的情況下，可以在所有的下半導體開關都導通的第一時間測量下半導體開關兩端的電壓，和在所有的上半導體開關都導通的第二時間測量下半導體開關兩端的電壓。
根據本發明的方法可以按照第一時間和第二時間處於相同的脈衝周期內這樣的方式實現。然而，如果例如這樣對信號處理更好的話，也可以使第二時間與第一時間處於不同的脈衝周期。
本發明方法的許多應用中，預定電壓可以設定為固定電壓，或者預定電壓可以選擇為對於所有半導體開關都相同。然而，將半導體開關的電壓或各個組半導體開關的電壓單獨地預先確定也會落在本發明的範圍內。由於半導體開關的導通電阻R_Dson以及對於一個給定電流在半導體開關兩端的電壓降都與溫度有關，所以可以根據本發明的開發將預定電壓作為半導體開關的溫度函數來控制。
為了防止損壞或進一步的損傷，本發明的方法可以使功率輸出級在該功率輸出級或其輸出電路識別為故障時關斷。然而，有可能產生其它反應，比如警告信號或是將事件輸入到維修存儲器。
本發明允許多種實施方式。這些實施方式的其中之一將在下文進行描述並通過附圖中的多個附圖示意性的表示，其中
圖1為示出了一種布置方式的電路圖，其可以實施本發明方法；圖2為示出了圖1中實施例的不同脈衝的圖表。
圖3示出了上半導體開關導通的時間間隔內B6橋接電路的情況，和圖4示出了下半導體開關導通的時間間隔內同一橋接電路的情況。
在所示的示意性實施例中，兩個MOSFET Hu、Lu；兩個MOSFET Hv、Lv；兩個MOSFET Hw、Lw分別形成了一個具有輸出端10、11、12的半橋7、8、9，輸出端分別與一個永磁勵磁的無刷同步電機的繞組13、14、15(採用星形電路的形式)的相應一個連接。向輸入端16施加工作電壓Ub。
這種設置還具有一個認為是與功率輸出級結合的控制裝置20，其由一個微機或一個數位訊號處理器構成，並且對於理解本發明來講不需要再進行更多詳細的解釋。控制裝置20的輸出與驅動電路21連接，驅動電路21產生用於MOSFET Hu到Lw的控制信號。控制裝置20也與模擬/數字轉換器20′連接，向轉換器20′的輸入端施加的是分壓器22、23、24、25在所有情況下產生的電壓。分壓器具有比繞組13、14、15高得多的阻值，這是為了防止輸出級的效率在工作中變差。分壓器22到25是這樣設計的，即在U+處於其最大可能值時不超過模擬/數字轉換器的最大允許輸入電壓。
圖2示出了對構成三相U、V、W的半導體開關的驅動，使上半導體開關在所有情況下都在電平H時導通，而下半導體開關則在電平為L時切換到導通階段。在所有情況下示出了三個周期，它們的例如為50μs的持續時間對應於20kHz頻率。由於這個頻率遠遠高於旋轉場的頻率，所以形成旋轉場的脈寬調製在圖2中不能夠看出。從而，圖2示出了一個瞬間記錄，其中U相的電平H的時間間隔為最大，W相的電平H的時間間隔為最小，而U相的電平L的時間間隔處於最小和W相的電平L的時間間隔為最大。
陰影區27和28表示時間周期，其中，一方面，所有的下半導體開關都導通(也參見圖4)，另一方面所有的上半導體開關都導通(也參見圖3)。在圖2示出的時間tse和tc執行測量，特別是分別在開始和結束的時間以及周期的中心處的時間時，可以執行該測量。圖2a和2b示出的示意性實施例的區別在於，在圖2a所示的情況中時間tc處於相同周期內，而在圖2b所示的情況中時間tc處於tse已經測量了的隨後那個周期內。
圖3示出了上半導體開關Hu、Hv和Hw都導通時功率輸出級的狀態。電流流過的那些導體進行加粗表示。電流方向用箭頭表示。在所示的時間周期內沒有施加工作電壓。電流流動，是存儲在繞組中的磁能的結果。在tc測量電壓Uu、Uv和Uw以及工作電壓Ub。
圖4示出了下半導體開關Lu、Lv和Lw導通時電流和電壓的情況。Uu、Uv和Uw是在這個周期內的時間tse處被測量的。
隨後在控制器20中實施下列評估(圖1)，在時間tc處的測量將是精確的Ub-Uu(tc)＜U_DsmaxUb-Uv(tc)＜U_DsmaxUb-Uw(tc)＜U_Dsmax在時間tse處Uu(tse)＜U_DsmaxUv(tse)＜U_DsmaxUw(tse)＜U_Dsmax如果差值之一或者測得的電壓之一達到或超過預定電壓U_Dsmax，那麼就存在故障。如果一個半導體開關發生短路或，例如如果電機電源線短接到地或短接到工作電壓，那麼不能接受的高電流將會流過，這將引起相應的半導體開關兩端電壓降升高。這個信息用來進行故障識別和關斷。
權利要求
1.一種監測功率輸出級的方法，該功率輸出級具有至少一個半橋，該半橋由串聯連接的上和下半導體開關形成並給該半橋施加了工作電壓，該半導體開關通過脈寬調製脈衝被交替地控制為導通狀態和關斷狀態，至少一個半橋中的半導體開關之間的連接點構成了輸出端，其特徵在於在上半導體開關導通以及下半導體開關導通時的所有情況下測量下半導體開關兩端的各個電壓，在工作電壓和上半導體開關導通時測得的下半導體開關兩端的電壓之間形成了電壓差，其中將這個電壓差和下半導體開關導通時測得的該下半導體開關兩端的電壓與預定電壓相比較，這個預定電壓是半導體開關導通時其兩端的最大允許電壓，當該電壓差和該測得的下半導體開關兩端的電壓都高於該預定電壓時，該功率輸出級或其輸出電路識別為有故障。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於在所有情況下在導通時間間隔中心區域測量該電壓。
3.根據權利要求1或2的方法，其特徵在於，在功率輸出級包括至少兩個半橋的情況下，在所有下半導體開關都導通的第一時間測量下半導體開關兩端的電壓，和在所有上半導體開關都導通的第二時間測量下半導體開關兩端的電壓。
4.根據權利要求3的方法，其特徵在於該第一時間和該第二時間處於相同的脈衝周期內。
5.根據權利要求3的方法，其特徵在於該第二時間相對於第一時間處於不同的脈衝周期。
6.根據前述權利要求之一的方法，其特徵在於預定電壓被控制為半導體開關的溫度函數。
7.根據前述權利要求之一的方法，其特徵在於在該功率輸出級或其輸出電路識別為故障時關斷該功率輸出級。
全文摘要
監測功率輸出級的方法，該功率輸出級具有至少一個半橋，其由串聯連接的上和下半導體開關形成，該半導體開關通過脈寬調製脈衝交替控制到導通狀態和關斷狀態，本發明還提供了在上半導體開關導通和下半導體開關導通時的每種情況下測量下半導體開關兩端的各個電壓，在工作電壓和上半導體開關導通時測得的下半導體開關兩端電壓之間形成了電壓差，其中將該電壓差和下半導體開關導通時測得的該下半導體開關兩端電壓與預定電壓相比較，這個預定電壓是半導體開關導通時其兩端的最大允許電壓，當該電壓差和該下半導體開關的兩端電壓都高於該預定電壓時，該功率輸出級或其輸出電路識別為故障。
文檔編號H02H7/08GK1573345SQ200410055288
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月14日 優先權日2003年5月16日
發明者M·亨寧格爾 申請人:西門子公司