CN102165680A - 同步整流器的触发 - Google Patents
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Abstract
一种用于将发电机产生的相电压整流的整流器桥式电路，包括：带有多个整流元件的正半桥，以及带有多个整流元件的负半桥，其中整流元件分别包括带有并联连接的二极管的可控开关，并且设置有用于接通/关断开关的触发电路，并且借助特性曲线族或者数学函数来计算开关的接通时间t开关接通额定和/或关断时间t开关关断额定。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于将发电机产生的、用于触发（Ansteuern）整流元件的相电压整流的整流器桥式电路。
背景技术
整流器用于将交流电压转变为直流电压。已知的整流器在此通常以桥电路构建，其具有多个二极管作为整流元件。常见的构型是所谓的半桥或者全桥整流器。机动车三相发电机通常也包括桥式整流器用于为车载电网提供直流电压。整流器具有通过二极管的电阻和输出电流预先给定的损耗功率。该损耗功率通过电路技术措施（例如每个相并联连接多个二极管）只能不明显地被降低。因此已知的是，通过有源开关例如MOSFET晶体管来替代整流器二极管，由此可以明显降低损耗功率。然而，使用有源开关需要与相频率同步地触发开关。在此，开关的接通时刻和关断时刻特别关键。借助控制装置来触发开关在已知的整流器中比较复杂并且不精确。
发明内容
因此，本发明的任务是，借助简单的并且稳健的分析电子装置来实现带有半导体开关的整流器桥式电路，以及实现一种用于触发整流器桥式电路的开关的方法，其特别简单并且精确地工作并且可以在各种工作状态中起作用。
根据本发明，该任务通过在权利要求1中所述的特征来解决。本发明的其他扩展方案是从属权利要求的主题。本发明的主要思想在于，借助特性曲线族或者函数来计算相应开关的接通时间t开关接通和/或开关的关断时间t开关关断。特性曲线族或者函数在此使用机械特定的参数如转速ng或者转速ng和激励电流IE或者转速ng和激励电流IE和发电机电压UG或者转速ng和激励电流IE和转子的转角Phi作为输入量。作为附加的输入参数，可以使用转速和/或激励电流和/或发电机电压和/或转子的转速的变化。
当然，替代所说明的量也可以使用与它们成比例的其他的输入参数。作为例子，在此例如可以替代使用发电机转速ng而提出使用发电机的相的交流电压的频率或者不同相的接通时刻的时间间距。替代激励电流也可以使用发电机电流或者在一个相中的电流。
为了控制开关，设计了一种用于产生控制信号的装置，发电机的相电压、转速和/或激励电流和/或发电机电压和/或转子的转角被输送给所述装置，并且由此产生控制信号。开关的接通条件通过测量与开关并联的二极管的正向电压来确定。由此，对于整流元件得到相在最佳的“自然”换向时刻的换向。现在可以以所希望的方式将开关的关断时刻与该时刻相关。接通时刻的与正向电压相关的控制具有重要的优点，即其可以用逻辑电路特别简单地并且成本低廉地构建。
附图说明
下面借助附图示例性地进一步阐述本发明。其中：
图1a示出了通过带有爪极转子的用于机动车的交流电动发电机组的纵剖面图，
图1b示出了带有有源开关的桥式整流器的结构，
图2示出了以三角形连接的交流电动发电机组的三相实施形式，
图3示出了以五角星形连接的交流电动发电机组的五相实施形式，
图4示出了以七角钝星形连接的交流电动发电机组的七相实施形式，
图5a示出了相电压的原理上的变化曲线，
图5b示出了在根据本发明触发开关时相电流、开关电流和二极管电流以及者电压，
图6示出了在t开关关断上的调节，
图7示出了在t开关关断上的调节以及简化的特性曲线族，
图8示出了在t开关接通上的调节，
图9示出了在t开关关断上的调节。
具体实施方式
在图1a中示出了通过用于机动车的交流电动发电机组100的剖面图。该交流电动发电机组尤其是具有两件式的壳体113，其由第一端盖113.1和第二端盖113.2构成。端盖113.1和端盖113.2其中容纳带有圆环形的叠片组117的定子116，在叠片组的向内开放和轴向延伸的槽119中插入定子绕组118。环形定子116以其径向向内取向的表面包围电磁激励的转子120，该转子构建为爪极转子。转子120尤其是由两个爪极板122和123构成，在其外圆周上设置有分别在轴向方向上延伸的爪极指124和125。两个爪极板122和123在转子120中设置为使得其在轴向方向上延伸的爪极指124、125在转子120的圆周上彼此作为北极和南极交替。
由此，在相反地磁化的爪极指124和125之间产生磁性地所需的爪极间隙，它们由于朝着其自由端部逐渐变细的爪极指124和125而朝着机器轴线略微倾斜地延伸。在该爪形间隙中可以引入永磁体用于进行漏磁通量补偿。对于以下本发明实施例的描述以及在权利要求中的描述，该走向简化地称为轴向。转子120借助轴127和位于每个转子侧上的每个滚动轴承128而可旋转地安置到相应的端盖113.1或113.2中。其具有两个轴向的端面，在这些端面上分别固定有通风装置130。这些通风装置130基本上包括板状的或者片状的区段，通风装置叶片以已知的方式从该区段出来。
通风装置130用于通过在端盖113.1和113.2中的开口140来实现在电机100的外侧和内室之间的空气交换。为此，开口140设置在端盖113.1和113.2的轴向端部上，通过这些开口借助通风装置130将冷却空气吸入电机100的内室中。该冷却空气通过通风装置130的转动径向向外地被加速，使得其可以穿过让冷却空气通过的、在传动侧上的绕组头部145和在电子设备侧上的绕组头部146。通过该效应，冷却了绕组头部145、146。冷却空气在穿过绕组头部145、146之后或者在这些绕组头部145、146的环流之后，采用了径向向外的路径通过未示出的开口。
在图1a中在右侧上有保护帽147，其保护不同的部件免受环境影响。于是，该保护帽147例如覆盖滑环组件149，滑环组件为激励绕组151提供激励电流。围绕该滑环组件149设置有冷却体153，其在此用作受控的整流器/逆变器的冷却体以及控制设备的冷却体。在端盖113.2和冷却体153之间设置有连接板156，其将该绕组端子线与控制设备的端子或者整流器/逆变器的端子连接。
图1b示出了带有有源开关的桥式整流器的结构，该结构在考虑时可以作为根据本发明的方法的基础。在电路中的标记用于更好的理解。在二极管D1－D6的至少一个或者每个上的电压被分析，这例如通过具有开关阈值为例如3.3V的比较器来进行。
根据本发明，描述了一种用于产生控制信号的调节方法，所述控制信号用于带有有源开关元件的整流器。这些信号在此无需位置传感器并且无需高精度的模拟电路地借助在具有最小容差的二极管上的正向电压测量或者电流测量来获得。然而在该电路装置情况下重要的是，与有源开关并联地还有无源二极管。
因此，该方法或者该电路特别适于具有有源开关的整流器，其已经在半导体结构例如MOSFET晶体管中具有这些二极管。在其中无需引入附加的二极管。主要目的是通过简单地产生控制信号来成本低廉并且稳健地给出同步整流，并且由此降低整流损耗。本发明提供了一种触发策略，其在简单的分析电子设备情况下实现稳健的触发，该触发可以在可变的运行状态下起作用。
有源开关的接通条件可以容易地通过分析在MOSFET的反向二极管上的电压来得到。在典型为0.7V的正向电压情况下，能够以例如0.35V的边界值可靠地检测接通条件。然而，一旦触发，该信号就中断，因为二极管正向电压通过MOSFET的RDS_on而被桥接。在此，有利于效率上的增益。在前面的发明中，提出了通过随后相的相电压或者通过计算来确定关断决定。这在关于转速和激励电流的动态情况下被认为是有问题的。重要的是，通过有意识地提前关断在滞后环节中产生信号，针对其时间宽度可以进行调节。
在图2中借助电路图示出了交流发电机100，其带有三个构成相的绕组相190、191、192。所有绕组相190、191、192的整体形成定子绕组118。三个构成相的绕组相190、191、192连接为作为三角形的基本电路，其中所连接的相在三角形的角部中形成大约60o仰角（el.）的角。在三角形的角200、201、202的连接点上连接有整流器/逆变器桥式电路129。绕组相如下连接。绕组部分相190在连接点200与绕组部分相191连接。绕组相191在其对置的端部上在连接点201上与绕组相192连接。绕组相192在其对置的端部上在连接点202上与绕组相190连接。连接点优选轴向上位于电子设备侧的绕组头部146上或者位于其旁边，以便实现尽可能短的连接路径。为此，连接点200、201、202的绕组相190、191、192的要连接的各端子线优选从在圆周方向上直接相邻的槽119出来。
绕组相190、191、192的连接点200、201、202与独立控制的桥式逆变器－桥式整流器119连接，该桥式逆变器－桥式整流器119由三个低侧开关208和五个高侧开关209构建。低侧开关的数目对应于高侧开关的数目并且对应于构成相的绕组相的数目。低侧开关和高侧开关优选通过MOS（金属氧化物半导体）晶体管、双极性晶体管、IGPT（绝缘栅双极性晶体管）或者类似开关部件构成。在使用双极性晶体管或者IGPT的情况下，面结型二极管与高侧开关或者低侧开关分别并联连接，使得二极管的直流流动方向分别相对于开关部件的直流方向相应地反转。
优选的是，使用功率晶体管（其载流子为电子）作为高侧开关或者低侧开关的晶体管，因为它们降低了电阻损耗和成本，即在所有类型的MOS晶体管中选择n沟道MOS晶体管，在所有类型的双极性晶体管中选择npn晶体管，或者在所有类型的IGPT中选择绝缘栅npn晶体管。在直流电压侧并联连接有控制设备，其通过影响流过激励绕组151的电流来调节发电机的电压。控制设备可以附加地还具有至整流器的连接，以便确定通过构成相的绕组感应的电压的交流电压频率，并且由此确定电动发电机组的当前转速。
控制设备可选地设计用于接收转子位置信号、通信端子的信号以及控制信号。控制设备同样在工作中，以便基于所接收的信号来产生相应部件的栅极电压VG1－VG6，由此将所产生的栅极电压VG1－VG6提供给开关元件的栅极端子G1－G6，以便分别可切换地控制其接通状态和关断状态。
在图3中借助电路图示出了带有五个构成相的绕组相170、171、172、173、174的交流发电机100。所有绕组相170、171、172、173、174的整体形成定子绕组118。五个构成相的绕组相170、171、172、173、174连接为作为五角星（也称为五角星形）的基本电路，其中分别在星的尖角中连接的相形成大约36o仰角（el.）的角度。在五角星的尖角180、181、182、183、184的连接点上连接有整流器桥式电路129。绕组相如下连接。
绕组部分相170在连接点180上与绕组部分相171连接。绕组相171在其对置的端部上在连接点181上与绕组相172连接。绕组相172在其对置的端部上在连接点182上与绕组相173连接。绕组部分相173在其对置的端部上在连接点183上与绕组相174连接。绕组相174在其对置的端部上在连接点184上与绕组相170连接。连接点优选轴向上位于电子设备侧的绕组头部146上或者其旁边，以便实现尽可能短的连接路径。
为此，连接点180、181、182、183、184的绕组相170、171、172、173、174的要连接的各端子线优选从在圆周方向直接相邻的槽119出来。绕组相170、171、172、173、174的连接点180、181、182、183、184与独立的桥式整流器/桥式逆变器连接，其由五个低侧开关和五个高侧开关159构建。其余的结构对应于图2的结构。所测量的是二极管上的电压以及由此确定发电机的当前的转速。车载电网示意性地通过车辆电池30以及通过车辆用电器33示出。
图4包含带有七个构成相的绕组的一种有利的连接方式。
带有2×3相的结构同样可以作为实现目的的定子配置，其中独立的三相系统相对于彼此电偏移。
图5a示出了（相）电压的原理性变化曲线。在此适用：LL_电压相Y示出了在空转电压情况下的理论变化曲线，U_Y_二极管示出了在使用传统的二极管整流器情况下的电压变化曲线，U_Y_Mosfet示出了在使用理想开关情况下的电压变化曲线。
有问题的是作出关断决定，因为在被导通的（durchgesteuerten）状态中，电池电压被施加到发电机上。此外，预计的是，关断时刻可以通过在系统中的动态变化（转速变化、负载跳变、激励场变化）而被持续地改变。
图5b示出了相空转电压相对于地的理论变化曲线。在此，例如说明了在使用U_BAT和相Y之间的、切换阈值为300mV的比较器情况下上半波形的具体记录。
其含义是：
LL_电压相Y. B+表示在桥式整流器端子上的整流后的电压的变化曲线。触发Y表示用于触发开关的信号。
Y_二极管表示在没有使用开关的纯粹二极管工作情况下相电压相对于地的理论变化曲线。
Y_MOSFET表示相电压相对于地的实际的变化曲线，其中在第一时刻中，在t二极管接通期间，电压由于在二极管上的电压降Uf而升高。一旦满足MOSFET的接通条件，时段t二极管接通结束，并且开始时段t开关接通。在该时段期间，电压相相对于地仅仅最小地处于发电机电压之上。在时刻T1断开开关，电压相相对于地上升到以二极管工作的值。二极管在此在时间t开关关断上承受电流。
一种可能的根据本发明的方法如下进行：
在时刻T_0可以根据比较器的识别而作出触发决定。在开关上的电压中断。比较器信号变为“关断”。在时刻T_1，触发逻辑基于所学习的占空比关断开关。该系统过渡到二极管运行中，相的电压超过比较器阈值，比较器信号跳变到“接通”。一旦系统自然地换向则达到T_2。基于所测量的时间差T_2-T_1，可以建立对于所控制的时间差T_2-T_1的调节器，该调节器将T_0和T_1之间的激活范围最大化，并且由此将效率最大化。作为针对T_2-T_1的额定值设定，使用与转速n相关的特性曲线族，因为在下部的转速范围中必须维持系统的较高的动态特性。此外，激活窗口的长度与机器的激励电流相关。这通过窗口宽度T_2-T_1的调节来实现。T_2-T_1应当准确地绝不等于零。
本发明的主要优点是，借助每个开关仅仅一个防干扰的模拟比较装置来可靠地识别MOSFET的接通和关断时刻。时间控制有利地以数字方式进行，同样地针对限定的、尤其是最小的时间T_2-T_1的调节也以数字方式进行。
另外的主要优点是，调整系统中动态变化的自适应再调节，尤其是转速变化、负载跳变、激励场变化等等，目的是在最小的干扰敏感性情况下实现最大的性能。
图6示出了本发明的第一实施形式的结构。在此使用了特性曲线族，使得作为输入量使用转速ng或者转速ng和激励电流IE或者转速ng和激励电流IE和发电机电压UG或者转速ng和激励电流IE和转子的转角Phi，并且作为输出量要输出t开关关断。该值提供给调节器作为额定值。
在图7中示出了第一实施例的具体说明，其中t开关关断额定由特性曲线族来计算，使得具有发电机转速ng作为输入量。调节器实施为PI调节器。
图8示出了本发明的第二实施形式的结构。在此，使用特性曲线族，使得作为输入量使用转速ng或者转速ng和激励电流IE或者转速ng和激励电流IE和发电机电压UG或者转速ng和激励电流IE和转子的转角Phi，并且作为输出量要输出t开关接通。该值提供给调节器作为额定值。
图9示出了第三实施例的原理。在此，测量时间t开关关断。如果其大于0，则进行调节算法，其将时间t开关关断调节到值t开关关断最小。值t开关关断最小优选是恒定值或者换向持续时间的按百分比的部分，或者接通持续时间。在此，值t开关关断小于或等于0。
Claims (13)
1.一种用于将发电机产生的相电压整流的整流器桥式电路，包括：带有多个整流元件的正半桥，以及带有多个整流元件的负半桥，所述整流元件分别包括带有并联连接的二极管的可控开关，其设置有用于接通/关断开关的触发电路，其特征在于，借助特性曲线族或者数学函数来计算开关的接通时间t开关接通额定和/或关断时间t开关关断额定。
2.根据权利要求1所述的整流器桥式电路，其特征在于，特性曲线族或者数学函数具有发电机转速ng或者发电机转速ng和激励电流IE或者发电机转速ng和激励电流IE和发电机电压UG或者发电机转速ng和激励电流IE和转子的转角Phi作为输入参数。
3.根据权利要求1所述的整流器桥式电路，其特征在于，特性曲线族或者数学函数具有发电机转速ng和接上持续时间与理论最大接上持续时间（换向时间）的比例作为输入参数。
4.根据权利要求2或3所述的整流器桥式电路，其特征在于，特性曲线族或者数学函数具有发电机转速ng的变化或者发电机转速ng的变化和激励电流IE的变化或者发电机转速ng的变化和激励电流IE的变化和发电机电压UG的变化或者发电机转速ng的变化和激励电流IE的变化和转子的转角Phi的变化作为附加的输入参数。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的整流器桥式电路，其特征在于，在控制的范围中使用从特性曲线族或者数学函数计算的值t开关接通。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的整流器桥式电路，其特征在于，存在调节器，其借助t开关关断额定和t开关关断实际来调节t开关关断。
7.根据上述权利要求中的任一项所述的整流器桥式电路，其特征在于，调节器在低转速和/或小的激励电流情况下更快速地进行调节。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的整流器桥式电路，其特征在于，当开关的接通时间超过换向时间时，基于调节器的接通时间被设置为零。
9.根据上述权利要求中的任一项所述的整流器桥式电路，其特征在于，在较小的激励电流和/或较低的转速情况下在特性曲线族或者数学函数内的超前较大。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的整流器桥式电路，其特征在于，借助比较器来确定开关的接通时刻。
11.根据权利要求10所述的整流器桥式电路，其特征在于，采用二极管正向电压作为比较器的输入量，并且在0.7V的正向电压、优选0.35V的二极管正向电压情况下使开关导通。
12.根据权利要求1－5中的任一项所述的整流器桥式电路，其特征在于，调节将关断持续时间t开关关断最小化到值t开关关断最小。
13.根据权利要求12所述的整流器桥式电路，其特征在于，当开关的接通时间超过换向时间时，基于调节器的接通时间被设置为来自特性曲线族或者数学函数的值t开关接通额定，其中该超前限定T开关关断额定与整个换向时间的按百分比的比例。
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