CN101849273A - 用于向电压或电流释放开关设备供给功率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

为了能够免除用于主要向(具有用于操作电压或电流释放的线圈的)电压或电流释放开关设备的控制单元供给功率的昂贵的开关模式功率供给，本发明提出一种用于向电压或电流释放开关设备供给功率的装置(1)，其具有第一供给电压(U₁)，用于提供直流电压的存储电容器(12)和整流二极管(11)，以及用于提供至少一个其他供给电压(U₂)的电压调节设备(13)，通过可预定义的比较值来确定第一供给电压(U₁)的值，该装置提供有用于脉宽调制的设备(7)，以维持操作电压或电流释放的线圈(6)的引入电流和/或保持电流，并且线圈(6)用作充当功率供给的设备(1)的阻抗器，其中在没有测量电阻器的情况下来调节功率。在用于向包括具有至少一个线圈(6)的至少一个电压或电流释放的该类型的电压或电流释放开关设备供给功率的方法中，通过与可预定义的比较值进行比较来确定第一供给电压(U₁)，通过电压调节设备(13)来设置至少一个其他供给电压(U₂)，将线圈(6)用作充当功率供给的功率供给装置(1)的阻抗器，并且流过线圈(6)的电流用于构建开关设备的供给电压，并且通过脉宽调制来在供给输入电压(U)的范围上维持流过线圈(6)的电流。

Description

用于向电压或电流释放开关设备供给功率的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于向包括具有至少一个线圈的电压和电流释放的电压或电流释放开关设备供给功率的装置和方法，具有第一供给电压(所述第一供给电压的值是由可预定义的比较值来确定)，用于提供直流电压的存储电容器和整流二极管，以及用于提供至少一个其他供给电压的电压调节设备。

背景技术

已经从EP1009003B1得知，其提供了一种具有包括电磁体的控制设备的装置，所述装置包括：与连接到线圈的供给电压的端子的电子开关串行放置的至少一个保持线圈、用于测量在保持线圈中流动的保持电流的测量模块、用于激励电磁体的控制设备、以及用于向控制设备供给功率的模块。用于向控制单元供给功率的模块串行地连接到保持线圈和电子开关，以使得保持线圈和电子开关被供给有保持电流。保持电流测量模块包括测量开关，该测量开关与控制模块的功率供给(power supply)模块并行连接并且具有额外的电子开关，并且还包括与其串行连接的测量电阻器。控制模块连接到电阻器的端子并且连接到额外的电子开关的控制电极，额外的电子开关以有规律的间隔被切换到导通状态。功率供给模块包括串行连接到线圈和电子开关的齐纳二极管、以及另一个二极管，该另一个二极管与电容器串行连接到齐纳二极管的端子。功率供给模块还包括与齐纳二极管串行连接的二极管或与电容器并行连接的电压调节电路。辅助电压供给调节电路与电容器并行连接。辅助供给电压被供给到微控制器。没有被调节的第二辅助供给电压是该电容器的电压。穿过线圈的调节的保持电流的通道受微处理器的控制。在周期性的间隔处，微处理器对其输出中的两个同时进行动作，每个输出通向晶体管，在一种情况下，这些晶体管在源极侧被连接到供给电路，并且在另一种情况下，这些晶体管在栅极侧被连接到供给电路。在需要测量在源极侧连接到两个晶体管之一的电阻器处的电压时，微处理器向两个电阻器发送控制命令。另一个晶体管在栅极侧连接到电压调整电路，所述电压调整电路继而位于微处理器的信号输出中的一个处。

DE29909901U1提出一种用于包含驱动线圈和电枢的接触驱动器(contactor drive)的电子驱动控制模块。为了在没有控制线圈电流的情况下提供驱动控制，通过在由整流电路提供的具有高动态的供给电压的宽静态和动态范围上的驱动线圈的相应的脉宽，来产生优化大小的平均激励电流。这是在引入(pull-in)和保持(holding)两者的过程期间实现的。通过避免线圈电流测量，根据单从供给电压得到的脉宽控制来实现高动态。平均激励电压应当虚拟地独立于供给电压并且采用如下值：该值使得电枢被最优闭合动态(optimal closing dynamics)所吸引，并且被稳固地保持在最小功率。微处理器监视输入电压以确保其保持在许可的电压范围上，并且当其降到该范围以下或超出该范围时，避免接触驱动器开启，或者当达到该范围时，接触驱动器被激活。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于向电压或电流释放(release)开关设备供给功率的装置和方法(该电压或电流释放开关设备包括电压或电流释放的线圈)，而无需独立的开关模式功率供给的构造，并且尤其无需提供线性控制器，与现有技术(特别是EP1009003B1)的装置相比，本发明的装置在构造上更为简单。

本发明的目的被实现为根据权利要求1的前序部分的装置，其中提供脉宽调制设备以维持激励(actuate)电压或电流释放的线圈的引入电流和保持电流，线圈充当用作功率供给的装置的阻抗器，在没有测量电阻器的情况下调节功率。通过电压或电流释放开关设备来实现该目的，所述设备包括根据权利要求7的前序部分的该类型的装置，其中电压或电流释放的线圈被提供为充当电源的装置的阻抗器，并且提供脉宽调制设备以维持线圈电流的引入或保持。本发明的目的被实现为一种根据权利要求12的前序部分的用于向该类型的电压或电流释放开关装置供给功率的方法，其中线圈被用作充当功率供给的电压供给装置的阻抗器，流过线圈的电流用于生成开关设备的供给电压，并且通过脉宽调制在供给电压的范围上维持流过线圈的电流。在从属权利要求中进一步限定了本发明。

这样，产生了用于供给功率的设备和方法、或包括该类型的功率供给装置的开关设备，其中，不再需要构造独立的功率供给以确保功率被供给到控制单元。在供给电压被施加之后，插棒式铁心(plunger)被引入到至少一个电压或电流释放的区域中，并且被保持在该新的位置中。在电压释放的情况下，开关装置特别是功率开关此后可以被再次开启。在该情况下，插棒式铁心没有被锁定在引入的位置中。与之形成对比，在电流释放的情况下，当供给电压被施加时，开关设备特别是功率开关被释放，并且防止开关设备特别是功率开关被再次开启。使用激励电压或电流释放的线圈作为阻抗器的功率供给装置而不是独立的功率供给被用于为执行激活操作的控制单元供电。可以提供充当引入或保持线圈的单个线圈。对于要被提供的至少两个线圈来说，其中的一个还可以是引入线圈并且另一个是保持线圈。下文将仅使用术语“线圈”，但是应当理解其包括上述两种变体。

流经线圈的电流用于向控制单元供给功率。考虑到该电流，可以在功率供给装置内生成电压，并且在可预定义的阈值以上，该电压可以有益地用于向控制单元或脉宽调制设备供给功率。控制单元可以包括脉宽调制设备或被连接在上述设备之前或之后。

已知流过电压或电流释放的线圈的电流在引入操作期间比在保持状态高。但是，通过提供脉宽调制设备，无论供给电压如何，引入电流和保持电流可以保持恒定。这样，可以为功率供给装置在整个供给电压范围上恒定的电流。

所以，无需分流器或测量电阻器来测量流过至少一个线圈的电流，从而在该情况下，与现有技术相比，可以很大程度地减小电路的复杂性。鉴于根据施加的供给电压的脉宽调制，流过电压或电流释放的线圈的引入和/或保持电流被维持或维持在恒定值，因此不需要使用分流器来这样测量电流。因此，在保持或引入线圈上的电压被保持恒定，从而保持或引入电流是恒定的。与EP1009003B1形成对比的是，不需要测量设备来确定电流。

在EP1009003B1中，根据测量的电流来断开或连接时钟控制的晶体管(clocked transistor)。所以，由于测量电阻器，需要增加的电路复杂性来调节引入或保持电流。

有益地，根据本发明，在供给输入电压源和功率供给装置之间提供仅一个开关模块。特别地，该类型的开关模块被形成为开关晶体管，特别是自锁定(self-locking)场效应晶体管，例如n沟道MOSFET。该晶体管在栅极侧被有益地连接到脉宽调制设备，在漏极侧被连接到激励电压或电流释放的、并且同时用作充当功率供给的功率供给装置的阻抗器的线圈，并且在源极侧被连接到功率供给装置的其他部件(特别是阻止电流反向流动的二极管)的源极侧上。

功率供给装置有益地包括以反方向工作的至少一个齐纳二极管。提供以反方向工作的该类型的二极管以生成供给电压的最大值，因此，可以在功率供给装置的电容器处经由整流二极管生成第一供给电压。可以将该第一电压供给到控制单元和/或脉宽调制设备。

除了功率供给装置的存储电容器之外，还可以提供至少一个其他存储电容器，其有益地与齐纳二极管并联，并与整流二极管一起，提供直流电压作为第一供给电压。该其他存储电容器有益地并行连接到电压调节设备或连接到电压调节设备的下游，以提供其他供给电压。这使得可以提供至少一个其他供给电压作为整流电压，通过电压调节设备来调节所述电压的电平。该至少一个其他供给电压还可以被供给到开关设备或脉宽调制设备的控制单元。根据供给电压的所需电平来有益地选择第一和其他供给电压的电平，特别是针对开关设备或脉宽调制设备的控制单元来进行所述选择。特别是通过电压调节设备，取决于应用可以将两个供给电压之一设置为各种电平，并且两个供给电压之一可以适合于专门的需求。

供给输入电压初始地被施加到功率供给装置或包含该装置的开关设备的部分。因此，在装置的方向上，通过开关模块(特别是上述开关晶体管)来进行连接。现在，可以在该装置中生成用于为开关设备供给功率的至少两个供给电压。在装置中生成的供给电压有益地与可预定义的或预定的阈值进行比较，并且当达到阈值时，通过该供给电压来激活触发脉宽调制操作的控制单元和/或脉宽调制设备。这意味着在装置内的电压到达第一可预定义的供给电压阈值时，该供给电压被供给到其随后开始操作的控制单元或脉宽调制单元。在该情况下，以可预定义或预定的时间间隔、在控制单元或脉宽调制设备的区域中测量供给的供给输入电压，并且根据其确定脉宽调制的电流开启时间。这样，根据供应到控制单元或脉宽调制设备的供给输入电压的测量值来确定脉宽调制的电流开启时间，以使得线圈电压被保持恒定，从而流过线圈的电流也被保持恒定。所以，流过线圈的电流在整个供给输入电压范围上保持恒定。继而由充当功率供给的功率供给装置来使用该恒定电压，也就是说，继而由该电流来为功率供给装置供给功率，所述电流在整个供给输入电压范围上保持恒定，并且根据其在以可预定义的电平产生其他恒定供给电压。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，在下文中将参照附图更详细地描述其实施例，在附图中：

图1是根据本发明的结合控制单元、脉宽调制设备和用于激励开关设备的电压或电流释放的线圈的功率供给装置的示意图；以及

图2是示出了在图1中所示的功率供给装置、线圈和脉宽调制设备的细节的示意图。

附图标记

1     功率供给装置

2     控制单元

3     电压测量模块

4     滤波和整流设备

5     自锁定场效应晶体管

6     线圈

7     脉宽调制(PWM)设备

8     供给电压测量设备

10    齐纳二极管

11    整流二极管

12    第一存储电容器

13    电压调节设备

14    第二存储电容器

15    第一输出

16    第二输出

20    第一电压端子

21    第二电压端子

22    第三电压端子

U     供给输入电压

U₁    第一供给电压

U₂    第二供给电压

具体实施方式

图1是开关设备的部分的电路的示意图，开关设备包括功率供给装置1、具有三个电压端子20、21、22的控制单元2、电压测量模块3、以及滤波和整流设备4。在输出侧，控制单元以自锁定场效应晶体管5的形式连接到开关模块。在图1和2中，该晶体管被形成为n沟道MOSFET。

在漏极侧，场效应晶体管5连接到线圈6。以类似于电压测量模块3的方式，线圈还被连接到滤波和整流设备4。滤波和整流设备4连接到供给输入电压U。电压测量模块3和线圈6两者(线圈6可以是引入线圈或保持线圈，或可以被形成为两个线圈，即引入线圈和保持线圈，或者可以两个部分被形成为引入和保持线圈)被供给有滤波和整流脉冲(交流)供给输入电压。电压测量模块3在该滤波和整流供给输入电压经由第一电压端子20而被供给到控制单元2之前，测量该滤波和整流供给输入电压。可以经由第二和第三电压端子21、22来供给其他供给电压(例如，15V电压和3.3V电压)作为控制单元2的供给电压。

在该实施例中，在控制单元内部提供了脉宽调制设备7。还提供了用于测量供给输入电压U的设备8。使用在该点测量的相应的供给输入电压值来及时计算脉宽调制的新开启时间。为了该目的，控制单元包括例如微控制器，其相应地激活脉宽调制设备或执行脉宽调制操作。如在本文所引用的DE102007031955中所描述的，执行该类型的脉宽调制操作。

一旦该供给输入电压U被连接，通过场效应晶体管5来进行连接，从而允许在功率供给装置1内生成电压。这在图2的详细视图中更清楚地显示。

图2仅示出了线圈6、自锁定场效应晶体管5、脉宽调制设备7、以及齐纳二极管10、整流二极管11、第一存储电容器12、电压调节设备13、和第二存储电容器14。后面的部件被并行地连接，并且齐纳二极管10、第一和第二存储电容器12、14、和电压调节设备13接地。功率供给装置1还包括两个输出15、16，所述输出供给了两种不同供给电压U₁和U₂。

齐纳二极管10在反向工作并且生成供给电压的最大值。第一供给电压U₁(其根据可预定义的齐纳值即齐纳电压的值来确定)被整流以形成直流电压，并且经由整流二极管11和第一存储电容器12在第一输出15处提供该第一供给电压U₁。在装置1的第二输出16处经由电压调节设备13和第二存储电容器14还提供直流电压作为第二供给电压U₂。

在预定或可预定义的时间间隔处，由设备8来测量供给输入电压以测量供给输入电压，并且使用在该时刻处测量的电压值U来及时计算脉宽调制设备7的新开启时间。这样，流过线圈6的电流(引入和/或保持线圈)在整个许可的供给电压范围上保持恒定。同时，如上所述因为还使用了流过线圈的电流，向功率供给装置1供给在整个许可的供给输入电压范围上为恒定的电流，以向功率供给装置1供给功率。所以，在该情况下，线圈6充当装置1的阻抗器，以生成功率供给并且用于激励开关设备(未示出)的电压或电流释放。

除了上述和在图中所示的功率供给装置的实施例之外，许多其他实施例也是可能的，在这些实施例中，独立于施加的供给电压来执行脉宽调制，以维持引入或保持线圈的引入或保持电流，流过引入或保持电流的线圈还被用作在电压或电流释放开关设备内的功率供给装置的阻抗器。

Claims (15)

1.一种用于向包括电压或电流释放的至少一个线圈(6)的电压或电流释放开关设备供给功率的装置(1)，所述装置(1)具有第一供给电压(U₁)，用于提供直流电压的存储电容器(12)和整流二极管(11)，以及用于提供至少一个其他供给电压(U₂)的电压调节设备(13)，通过可预定义的比较值来确定所述第一供给电压(U₁)的值，其特征在于

提供脉宽调制设备(7)以维持激励所述电压或电流释放的所述线圈(6)的引入电流和/或保持电流，并且所述线圈(6)用作充当功率供给的所述装置(1)的阻抗器，在没有测量电阻器的情况下来调节所述电流。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于

所述脉宽调制设备(7)将所述线圈(6)的引入电流和保持电流维持在恒定值。

3.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于

所述线圈(6)包括引入线圈和保持线圈。

4.根据上述任一权利要求所述的装置(1)，其特征在于

提供至少一个电压限制部件(10)以生成所述供给电压。

5.根据权利要求4所述的装置(1)，其特征在于

所述电压限制部件是以反方向工作的齐纳二极管(10)。

6.根据上述任一权利要求所述的装置(1)，其特征在于

提供至少一个其他存储电容器(14)，并且所述至少一个其他存储电容器(14)连接到所述电压调节设备(13)的下游，以提供所述其他供给电压(U₂)。

7.一种包括根据上述任一权利要求所述的装置(1)的电压和/或电流释放开关设备，其特征在于

将电压或电流释放的至少一个线圈(6)提供为充当功率供给的所述装置(1)的阻抗器，并且提供脉宽调制设备(7)以维持所述线圈(6)的引入或保持电流。

8.根据权利要求7所述的开关设备，其特征在于

将所述线圈(6)提供为激励电压或电流释放的引入线圈和保持线圈。

9.根据权利要求7所述的开关设备，其特征在于

所述线圈(6)是激励电压或电流释放的引入线圈或保持线圈。

10.根据权利要求7到9中的任何一项所述的开关设备，其特征在于

在所述供给输入电压(U)的源和所述功率供给装置(1)之间提供开关模块(5)。

11.根据权利要求10所述的开关设备，其特征在于

所述开关模块是开关晶体管，尤其是自锁定场效应晶体管(5)。

12.一种用于向包括具有至少一个线圈(6)的至少一个电压或电流释放的电压或电流释放开关设备供给功率的方法，通过与可预定义的比较值进行比较来确定第一供给电压(U₁)，通过电压调节设备(13)来调节至少一个其他供给电压(U₂)，其特征在于

将线圈(6)用作充当功率供给的功率供给装置(1)的阻抗器，并且流过所述线圈(6)的电流用于生成所述开关设备的供给电压，并且通过脉宽调制来在供给输入电压(U)的范围上维持流过所述线圈(6)的电流。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于

施加所述供给输入电压(U)，通过连接到所述线圈(6)的开关模块(5)在所述功率供给装置(1)的方向上进行连接，并且在所述功率供给装置(1)中生成用于为所述开关设备供给功率的至少两个供给电压(U₁，U₂)。

14.根据权利要求12至13中的任何一项所述的方法，其特征在于

以可预定义或预定的时间间隔来测量供给的所述供给输入电压(U)，并且根据其来确定所述脉宽调制的电流开启时间。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于

根据针对供给到控制单元(2)或脉宽调制设备(7)的供给输入电压(U)所测量的值，来确定所述脉宽调制的电流开启时间，使得流过所述线圈(6)的电流保持恒定。

Images