CN104584355B - 用于在负载减少时操控有源桥式整流器的方法、整流器装置和计算机程序产品 - Google Patents

Abstract

建议一种用于操控具有有源开关元件（S）的桥式整流器（1）的方法，其中在正常运行中利用电压信号操控有源开关元件（S）中的至少一个，该电压信号的电压在至少一个开关时间内从第一电压值被改变到第二电压值，其中在确定出桥式整流器（1）处的负载减少情况下将所述至少一个开关时间延长可预先给定的时间间隔。相应的整流器装置和计算机程序产品同样是本发明的主题。

Description

用于在负载减少时操控有源桥式整流器的方法、整流器装置 和计算机程序产品

技术领域

本发明涉及用于在负载减少时操控具有有源开关元件的桥式整流器的方法、被设立用于执行这种方法的整流器装置以及计算机程序产品。

背景技术

为了从交流系统对直流系统馈电，可以采用不同结构方式的整流器。本申请在此涉及有源的或受控的桥式整流器，其具有例如以已知的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）形式的有源开关元件。在机动车车载电网中，对应于在那里通常构建的交流发电机在六脉冲实施中经常使用桥式整流器。但是本发明以相同的方式适用于用于其他相数的桥式整流器，例如用于五相发电机和在其他使用情景中。

诸如在DE 10 2009 046 955 A1中所阐述的，因为有源桥式整流器相比于无源的或不受控的桥式整流器具有较小的损耗功率，所以在机动车中所述有源桥式整流器的使用尤其是值得期望的。

但是，尤其是在有源桥式整流器情况下临界的故障情况是负载减少（英语：LoadDump（负载突降））。如果在高激励的发电机和相应高的所发出的电流情况下发电机处的负载（例如通过关断消耗器）而突然被减小并且这不通过直流电压网中的电容性地起作用的元件（例如机动车车载电网中的电池）截获，则这种负载减少出现。

在此情况下，在极端情况下可以通过发电机此外将能量供应到网络中直至大约300至500ms的持续时间。所述能量必须能够在桥式整流器中被转化（消除），以便保护后置的电组件免受过压损害。该保护在无源的或不受控的桥式整流器情况下通常通过整流器二极管本身进行，因为在那里损耗能量可以被转化成热量。但是在当前可获得的有源开关元件、例如MOSFET中，不能完全模仿这些特性。因此需要附加的保护策略。

在负载减少时，例如上部或下部整流器分支的几个或所有开关元件可能完全或暂时被短路，如也例如在所提及的DE 10 2009 046 955 A1所讨论的那样。相应的操控信号在此可以这样被时钟控制，使得最小的电压水平不被低于并且最大的电压水平不被超过。

但是在一个半波内对操控信号的多次时钟控制具有缺点，因为为此对于每个相均需要分析电路并且为了维持车载电网电压应设置相应的中间电路电容。这在发电机处的安装地点处由于热边缘条件和所需要的抗振强度而实在难以实现。但是尤其是在分离相应的相间短路情况下也可能出现快速的电流变化，所述电流变化与现有的线路电感组合地导致电压峰值。由此可能损坏所连接的组件。

因此，此外存在在负载减少时用于有源桥式整流器的改善的保护策略的需求。

发明内容

以此为背景，本发明建议具有独立权利要求的特征的用于在负载减少时操控具有有源开关元件的桥式整流器的方法、被设立用于执行这种方法的整流器装置以及计算机程序产品。

发明优点

本发明的一个主要方面在于，为了在负载减少时操控桥式整流器的至少一个有源开关元件使用电压信号作为操控信号，所述电压信号具有至少一个与正常运行相比延长的开关时间。在此在本申请的范围中将“开关时间”理解为直至操控信号从较低的第一电压值出发升高到较高的第二电压值或者从较高的第二电压值降低到较低的第一电压值、也即相应地（在两个方向之一上）发生了变化为止消逝的时间。在本发明的范围中因此操控信号的斜率被改变。

至少一个有源开关元件在负载减少时被使用用于将所施加的电压信号至少暂时接通到地（也即如所阐述的那样“短路”）。在这种相中，所使用的有源开关元件被操控，也即被加载操控信号，所述操控信号的电压值足以经由至少一个有源开关元件建立在有源开关元件的可切换的端子之间、例如至地的连接。相应的操控信号例如是施加给桥式整流器的有源开关元件（例如MOSFET）的栅极的电压信号。有源开关元件的可切换的端子例如是其漏极端子和源极端子。

但是，除了晶体管之外，其他有源开关元件也适用于使用在本发明的范围中，前提条件是，通过利用在第一和第二电压值之间的不同的电压值操控可以在相应的开关端子之间产生不同的电阻值，所述开关端子可以通过有源开关元件切换。例如，可以使用至少一个有源开关元件，其中包括在第一和第二电压值之间逐渐调整电压值的操控与在开关端子之间的导通电阻的逐渐改变（例如线性或以数学或根据经验可求取的函数的形式）相关。

如一般已知的，在晶体管、诸如所提及的MOSFET情况下在漏极和源极之间的导通电阻取决于在栅极和源极之间所施加的电压。在所谓的阈电压（英语为Threshold Voltage（阈电压））之下，经由晶体管在漏极和源极之间的连接是高欧姆性的，在该阈电压之上是低欧姆性的。

但是在达到阈电压时，导通电阻不突然地下降到其最小值，在所述最小值情况下该导通电阻根据常用的语言惯用法“被接通”。这在下面也结合图4来阐明。更确切地说，虽然当在栅极和源极之间的电压提高到阈电压之上时，电阻首先强烈地降落，但是仅降落到处于其最小值之上的确定的值上。只有当在栅极上所施加的电压进一步被提高时，例如提高1至2V时，才出现最小的导通电阻。

用于在负载减少时操控有源桥式整流器的至少一个有源开关元件的操控信号的所提及的较低的第一电压值因此优选地将近（例如0.1V）地处于阈电压之下，较高的第二电压值处于该阈电压之上，而且处于以下值处，在所述值时，导通电阻接近其最小值。较高的第二电压值例如可以位于导通电阻之上0.1至2V。

换句话说建议使用操控信号，在所述操控信号情况下在较低的第一电压（例如阈电压）和较高的第二电压（例如以下电压，在所述电压情况下晶体管接通）之间的特定电压范围在两个方向上不比在特定的预先给定的持续时间中更快地被经历。较低的第一电压和较高的第二电压例如可以基于制造商说明和/或通过测量被确定。例如，较低的第一电压通过制造商被说明为阈电压，较高的第二电压被说明为“RDS_on”或以可比的值的形式被说明。

该操控所基于的考虑因此是，在相应较慢的电压变化时在所述的范围中在漏极和源极之间的导通电阻仅缓慢地变化。这尤其是在从较高的第二电压过渡到较低的第一电压时是有利的。在相应的操控情况下，通过各自的开关元件的电流流动和从而短路最后被中断并且电流代替地被馈入到连接到整流器上的直流电压网中。在从较低的第一电压过渡到较高的第二电压时，短路相应地被激活。

如果在负载减少时所述的区域分别较缓慢地被经历，则导通电阻代替如迄今突然地那样现在渐渐地被改变。在导通电阻改变的时间中，例如在线路电感中所存储的电流可能减少，而不出现显著的过电压（在中止短路时）或欠电压（在激活短路时）。由此可靠地避免这样的过电压或欠电压。

本发明操控方案在此在所提及的从较高的第二电压过渡到较低的第一电压时、也即在中止短路时自然是特别有利的。在传统的操控情况下，现有的电感首先经常不能吸收在该情况下经由开关元件馈入的电流，使得电压上升。即使在从较低的第一电压过渡到较高的第二电压时（也即在激活短路时）在应用本发明方法时也得出优点。在该情况下，欠电压被避免。电压峰值或电压降落从而通过本发明方法总计地尽可能得以避免并且不再能够损害例如直接在整流器处所安装的电子设备、诸如调节器。

所述的特定持续时间例如可以基于方程式来求取。U_L表示在现有的引线电感处的感应电压并且从而再现在直流电压网的标称电压或额定电压与桥式整流器的直流电压输出端处的电压（B+）之间的所允许的电压偏移。对于例如6V的最大允许的感应电压U_L和1.5μH的给定的引线电感，电流升高允许为不超过4A/μs。

此外，可以有利地关心：在多个开关元件处不同时地进行相间短路的中断。为此，适当的时间数值作为缓冲器被调整。由此，各个相电流错开地被释放，这附加地限制引线中的感应电压升高。如果各个操控的开始利用根据本发明延长的开关时间、例如由于在识别阈中的容差而在错开的时刻进行，则对于相应的偏移，有时也可能已经是足够的。在其他情况下，为此例如可以使用已知的限时元件。

如也在下面详尽地阐述的，为了根据本发明放慢地操控、也即例如为了产生相应的电压斜坡用于接通或切断开关元件在最简单的情况下可以使用RC环节。用于产生延长的开关时间的其他方案也是可设想的。

本发明相对于传统的方法提供一系列优点。例如建议，在负载减少时通过外部布线将有源开关元件、例如MOSFET置于线性运行情况并且从而产生对应于已知的齐纳二极管的系统特性。然而，在功率电子器件中在这种运行情况下必须实施高的电损耗功率。而根据本发明仅出现比较小的电损耗功率。开关元件因此可以不太稳健地来设计，这节省成本。

本发明也相对于其中为了消除在负载减少时释放的能量规定完全或暂时短路几个或所有开关元件的开头所阐述的方法提供优点。尤其是，根据本发明，不需要为了维持车载电网电压传统地所需要的紧密连接的中间回路电容。如开头所提及的，相应的中间回路电容在发电机处的安装地点处由于热边缘条件和所需要的抗振强度而可能在所有情况下以相当多的耗费被安置。

但是尤其是由于根据本发明所建议的措施在解除相间短路时出现的急速电流变化和从而电压峰值显著地被减小或完全被避免。后置的组件因此不必装备有相应耗费的过压保护。

根据本发明的计算单元、例如机动车的控制设备或整流器控制装置尤其是在程序技术上被设立用于执行本发明方法。

尤其是当实施控制设备还被用于其他任务并且从而原本存在时，以软件形式实施该方法也是有利的，因为这引起特别小的成本。用于提供计算机程序的适当的数据载体尤其是磁盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD-ROM、DVD等等。通过计算机网络（因特网、内联网等）下载程序也是可能的。

本发明的其他优点和扩展方案从说明书和附图中得出。

可以理解的是，前述的和下面还要阐述的特征不仅能够在分别所说明的组合、而且能够以其他组合或单独地使用，而不偏离本发明的范围。

根据实施例在附图中示意性示出本发明并且下面参照附图详尽地予以描述。

附图说明

图1以示意图示出具有可以根据本发明被操控的有源桥式整流器的装置。

图2示出根据现有技术在负载减少时在操控有源桥式整流器时的电流变化过程。

图3示出有源桥式整流器中的可根据本发明的实施方式操控的有源开关元件的特性曲线。

图4以示意图示出用于测试负载减少的装置，所述装置可以根据本发明被运行。

图5示出根据现有技术被操控的有源桥式整流器处的电流和电压变化过程。

图6示出根据本发明的实施方式被操控的有源桥式整流器处的电流和电压变化过程。

图7示出根据本发明的实施方式用于操控有源开关元件的电路。

在图中，相同的或彼此相应的元件用相同的附图标记说明。放弃重复的阐述。

具体实施方式

在图1中，以三相系统为例示意性地示出了具有桥式整流器1和发电机2的装置。桥式整流器1可以根据本发明的特别优选的实施方式被操控。所述桥式整流器在图1中被示出为六脉冲桥式整流器，其被设立用于对三相发电机2的交流电进行整流。但是以相同的方式例如也可以使用五相、六相或七相发电机2和相应匹配的桥式整流器1。

桥式整流器1具有三个半桥U、V和W，所述半桥经由输入端u、v和w与发电机2的相应的输出端连接和从而与各自的发电机绕组连接。

半桥U、V和W在输出端侧例如连接到正电池极B+和负电池极B-和/或直流电压网的相应的供应线路B+和B-。端子B-可以与地连接。半桥U、V和W分别具有有源开关元件S，例如MOSFET，其分别被包含到各自半桥Ｕ、Ｖ和Ｗ的上部分支Ｈ和下部分支Ｌ中。

输入端ｕ、ｖ和ｗ按照有源开关元件Ｓ的相应布线可以与Ｂ＋和/或B-连接，其中半桥U、V和W的两个开关元件的同时操控可以被避免，以便防止在B+和B-之间的“热路径”。

有源开关元件S可以经由其各自的栅极端子G被加载通过控制装置3经由未示出的操控线路根据操控模式所提供的操控信号。发电机的正常运行包括，如此操控有源开关元件S，使得发电机2的与之相连接的发电机绕组的在相应的输入端u、v和w上施加的电流信号交替地向B+和B-接通。这有规则地如此进行，使得当在输入端u、v和w上施加正半波时各自的信号向B+接通，而在施加负半波时信号向B-接通。在B+处的输出电压的调整也可以通过相应的时钟控制进行。

负载减少可以在图1中所示的装置中基于在B+上施加的电压被检测。如果在此情况下所定义的阈值被超过，则可以判决负载减少。

在所识别的负载减少时对整流器1的操控可以如此进行，使得发电机2的相绕组中的至少一个分别经由输入端u、v和w之一与整流器1的半桥连接的相绕组在时间上定义地与B-、也即例如与地连接。这也被称为“短路”。随后，电压下降。如果接地又被中断（各自的短路也即被中止），则电压又升高。该流程可以被用于调节输出电压和/或用于降低发电机的过电压。如所提及的，但是在此情况下可能出现由于电流峰值或电压峰值引起的问题，因为相应的电流突然地被形成或降低。通过电压峰值在半桥中产生高的损耗功率，所述损耗功率可能导致热破坏。利用相应的操控信号的高频时钟控制的相应调节是耗费的并且必要时引起在电磁兼容性方面的问题。

特定地例如也可以分别将整流器1的恰好一个输入端u、v和w在从连接到该输入端上的相绕组施加完整的正半波的时间间隔期间与B-连接并且同时地或者替换于此地分别将整流器1的恰好一个输入端u、v和w在从连接到该输入端上的相绕组施加完整的负半波的时间间隔期间与B+连接。但是在此情况下也得出可能出现的电流峰值或电压峰值的问题。

在图2中示出根据现有技术在负载减少时在对有源桥式整流器1的这种操控时的发电机电流变化过程。在图2中所示的图表中，相对于在x轴上的以ms为单位的时间t在y轴上作为以A为单位的电流I绘出发电机电流变化过程i。

如已经结合图1所阐述的，在负载减少时的传统操控的范围中开关元件S在确定的时间间隔21期间例如对B-短路。而在时间间隔22期间，将电流发出到直流电压网中。如可以看出的，电流在此突然地从例如0A提高到100A并且相应地突然减小。由此如所阐述的，与车载电网中的线路电感相关联地可以形成具有相应的负效应的电压峰值。这根据本发明可以被避免，因为通过相应延长的开关时间，电流变化过程具有较平坦的信号边沿。换句话说，这能够实现电流从线路电感到开关元件或相反的“软”接管。根据本发明的实施方式可实现的改善从下面阐述的图5和6中、尤其是那里的部分图表A中可以看出。

在图3中示出用于桥式整流器的根据本发明的实施方式可操控的有源开关元件的特性曲线31、32和33。例如，在此情况下是在图1中所示的桥式整流器1的开关元件S、例如相应的MOSFET的特性曲线31、32和33。

在x轴上说明在有源开关元件的栅极和源极之间的电压、也即例如控制装置3的用于操控有源开关元件S所使用的操控信号的电压值。y轴说明由此得出的以mΩ为单位的导通电阻。特性曲线31、32和33涉及21、52或82A的电流流动。

如可以看出的，在开关元件的栅极和源极之间的电压为大约5V至6V时发生导通电阻到大约3mΩ（所谓的阈电压）上的急速降落。然而，这里首先仍不达到大约1.8mΩ的最小值。在虚线示出的包括大约2V的区域34中，因此可以通过适配在栅极和源极之间施加的电压来影响导通电阻。如果在负载减少时缓慢地经历例如8V至4V的该区域，在图2中所示的上升的电流升高可以被抑制。现有的线路电感因此包含足够的时间，以便施展相应的缓冲作用。因此，不再产生有害的过电压或欠电压。

图4以示意图示出用于测试或仿真负载减少的装置40，所述装置40根据本发明可以被使用。该装置40包括如先前参照图1所阐述的发电机2。在该发电机2上施加电压U1。

装置40的电容器41和42以及负载电阻43和44代表实际车载电网的电容或电阻。在所述电容器或负载电阻上落有电压U2。它们经由线路47连接到发电机2上并且可以经由开关45和46被切换。线路47模仿车辆车载电网的电感，由于所述电感在负载减少情况下在U1和U2之间出现电压差。

在负载减少测试开始时闭合两个开关45和46。发电机2向车载电网发出电流，所述电流从电压U2和负载电阻43和44中来计算出。

负载减少可以通过断开开关45或46之一来模仿。断开开关45在此对应于负载下降到0%,如在实际中例如由于在发电机处的电池接线柱脱落引起的。而开关46的断开模仿有时的负载下降，如通过在车载电网中关断较大的电阻性负载引起的。“减少的”负载电流的高度可以通过负载电阻44的电阻值调整，剩余的车载电网电流的高度可以通过负载电阻43的电阻值调整。

要注意的是，由于发电机的脉冲形电流发出（参见图2）为了对直流电压网进行连续的电压供应需要例如以电容器形式的能量存储器。这在常见的直流电压网、例如机动车车载电网中总是情况如此。但是在中断所阐述的相间短路时，由于线路电感而发生电压提高。

图5和6示出根据现有技术（图5）和根据本发明的实施方式（同样6）被操控的有源桥式整流器处的电流和电压变化过程。在此情况下是具有相应的整流器的三相发电机，如例如在图1的装置中所示的。电流和电压变化过程分别以A或V为单位在部分图表A至D的各自的y轴上相对于在共同的x轴上以ms为单位的时间来说明。图5和6根据如在图4中所示的装置中出现的电流和电压被阐明。但是，相应的电流和电压类似地在实际的负载减少情形中出现。

用垂直的实线分别表示以下时刻，从所述时刻起在各自的开关元件中开始激活短路，虚线相应地说明以下时刻，从所述时刻起从而开始中止短路。

部分图表A用IG表示地示出发电机发出电流。该发电机发出电流例如可以在图4的装置40中在线路47中被测量。在部分图表B1和B2中，对应于图4的电压U2和U1的电压变化过程被示出。部分图表C1至C3示出在所使用的三相发电机的发电机相u至w处的相电压V(u)至V(w)。部分图表D示出各自的相电流。

如尤其是从图5和6的部分图表B1和B2的综述中可以看出的，尤其是电压U1中的波动在传统的操控（图5）范围中达到可能对于所安装的电子设备施加有害影响的值。这在根据本发明的实施方式（图6）操控时被避免。

图7总计地用70表示地示出根据本发明的实施方式在负载减少时放慢的操控的在电路技术上的实施。

经由例如在发电机输出端处与正电压极B+连接（参见图1）的端子71借助于比较器72持续地监控相应的电压用于识别负载减少。如果在端子71处识别出负载减少，则经由比较器72输出输出信号。

斜坡控制装置73基于比较器72的输出信号限制信号边沿的斜度用于操控开关元件、例如图1的开关元件S，如多次阐述的那样。

优先化装置74将在输入端75上施加的规则的操控信号关断相间短路的持续时间。由此通过在开关元件S的栅极G处的栅极驱动器76调整相应放慢的电压变化。

Claims (13)

1.用于操控具有有源开关元件（S）的桥式整流器（1）的方法，其中在正常运行中利用电压信号操控有源开关元件（S）中的至少一个，该电压信号的电压在至少一个开关时间内从开关时间开始时的第一电压值被改变到开关时间结束时的第二电压值，其中第一和第二电压值中的较低电压值处于开关元件（S）的阈电压之下并且第一和第二电压值中的较高电压值处于开关元件（S）的阈电压之上，其中在确定出桥式整流器（1）处的负载减少时将至少一个开关时间延长能预先给定的时间间隔，使得电压信号的斜率在切换情况下被减小。

2.根据权利要求1所述的方法，其中作为至少一个有源开关元件（S）使用以下至少一个有源开关元件（S），即其中通过利用在第一和第二电压值之间的不同的电压值来操控可以在通过有源开关元件（S）可切换的第一和第二开关端子之间产生不同的电阻值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中在至少一个所使用的有源开关元件（S）情况下，将包括在第一和第二电压值之间逐渐调整电压值的操控与逐渐改变在第一和第二开关端子之间的导通电阻相关。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中作为至少一个有源开关元件（S）使用至少一个晶体管，其中通过电压信号对至少一个晶体管的栅极（G）加载。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。

6.根据权利要求4所述的方法，其中作为第一电压值使用处于至少一个晶体管的阈电压之下的电压值并且其中作为第二电压值使用处于至少一个晶体管的阈电压之上的电压值。

7.根据权利要求1至3所述的方法，其中基于通过桥式整流器（1）在正常运行中所输出的输出信号来确定负载减少。

8.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中在确定出负载减少时，在半桥（U、V、W）上施加的电压信号通过至少一个有源开关元件（S）至少暂时被引导给接地端子（B-）。

9.根据前述权利要求6所述的方法，其中在确定出负载减少时，在半桥（U、V、W）上施加的电压信号通过至少一个有源开关元件（S）至少暂时被引导给接地端子（B-）。

10.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中在对有源桥式整流器（1）馈电的电网中基于最大允许的电压提高和至少一个电感值确定时间间隔，其中使开关时间延长所述时间间隔。

11.根据前述权利要求6所述的方法，其中在对有源桥式整流器（1）馈电的电网中基于最大允许的电压提高和至少一个电感值确定时间间隔，其中使开关时间延长所述时间间隔。

12.具有带有有源开关元件（S）的桥式整流器（1）的整流器装置，所述整流器装置被设立用于执行根据权利要求1至11之一所述的方法，其中所述整流器装置具有控制装置（3），所述控制装置被设立用于利用电压信号操控有源开关元件（S）中的至少一个，所述电压信号的电压在至少一个开关时间内可以从第一电压值变化到第二电压值；被设立用于确定桥式整流器（1）处的负载减少的装置，以及被设立用于在所确定的负载减少时使至少一个开关时间延长能预先给定的时间间隔的装置。

13.用于操控具有有源开关元件（S）的桥式整流器（1）的设备，所述设备包括：

用于在正常运行中利用电压信号操控有源开关元件（S）中的至少一个的装置，该电压信号的电压在至少一个开关时间内从开关时间开始时的第一电压值被改变到开关时间结束时的第二电压值，其中第一和第二电压值中的较低电压值处于开关元件（S）的阈电压之下并且第一和第二电压值中的较高电压值处于开关元件（S）的阈电压之上，和

用于在确定出桥式整流器（1）处的负载减少时将至少一个开关时间延长能预先给定的时间间隔，使得电压信号的斜率在切换情况下被减小的装置。