CN104617933B - 减少功率级的功率消耗的电路及其方法 - Google Patents

Abstract

一种驱动感性负载(30)的电路(100)，所述电路包括：与所述感性负载(30)串联连接的驱动开关(10)；跨接在所述感性负载(30)上的续流开关(20)；开关控制器(50)，其耦合到驱动开关(10)和续流开关(20)，用于控制驱动和续流开关(10，20)的开关ON/OFF，从而控制所述感性负载(30)的操作；所述电路的特征在于：感测装置(61)，其当所述驱动开关(10)的开关OFF被检测到时感测感性负载(30)的高压侧(35)上的电压，以及所述开关控制器(50)适于基于所述感性负载(30)的高压侧(35)的所述感测的电压接通所述续流开关(20)。

Description

减少功率级的功率消耗的电路及其方法

技术领域

本发明涉及功率级电路，并描述了一种用于减少功率级电路的功率消耗的方法，其中功率级电路驱动感性负载，并尤其涉及缩减功率级电路从驱动功率级的开关OFF到续流功率级的开关ON的死区时间。

背景技术

汽车应用或工业应用使用电机控制的子系统或感应致动器。在汽车应用中典型的例子是用于驱动冷却风扇，泵，以及移动座位，后视镜，或护翼(flap)的电机。现代汽车一般有70至100个电机/致动器或感性负载。功率级电路用于控制感性负载的操作。这些涉及特定类型的开关电路，其使用两个开关(驱动和续流)，并且实现这些开关的方法之一是用功率MOSFET。驱动开关选择性地耦合感性负载到正电源/地，而续流开关选择性地续流所存储的能量。脉冲宽度调制(PWM)控制电路用于控制驱动功率开关和续流开关。由于感性负载存储能量，选择性地让出存储的能量也是很重要的。因此，一个续流二极管并联耦合到感性负载。当驱动开关处于ON状态时，电流流过感性负载，并且因此它储存能量。当驱动开关处于OFF状态时，电流流过续流二极管。然而，相比于MOSFET，二极管消耗更多的功率。因此，MOSFET优选做出续流动作以减少功率消耗。采用以开关为基础的功率MOSFET，控制开关的死区时间是非常重要的，以避免交叉传导。作为一个例子，对于一个续流至地的结构，死区时间是指从驱动开关的开关OFF到续流开关的开关ON、或者从续流开关的开关OFF到驱动开关的开关ON之间的延迟。在已知的现有技术中，开关的控制是利用死区时间发生器进行的。在现有技术中公知的一般状态中，死区时间发生器仅由逻辑门组成，使得所产生的死区时间很容易受制造、温度和其它操作条件的影响。如果所产生的死区时间太短，则输出级电路的功率开关可以同时导通，产生大电流，导致功率开关过热以及甚至击穿。如果产生的死区时间过长，功率级电路的效率就会降低，并且功率消耗大大增加。

传统的方法将依赖于操作条件和设备公差的恒定死区时间增加。这降低了效率，并降低了系统的最大开关频率。已经引入了减小死区时间的不同方法。所引入的系统需要操作条件和系统要求，其不能在可变速度的驱动系统中实现。一个典型的电机控制系统相对于传统的系统的主要区别是：

-变化的负载电流方向。

-无稳态条件。

-外部电机控制器，这意味着没有关于实际的占空比的信息。

-电机绕组中的感应电压。

因此，需要更多的努力来优化电机控制系统的死区时间。

本发明的优点

如独立权利要求和从属权利要求所述的发明具有以下优点。根据独立权利要求的发明提供了一种用于操作感性负载的电路和方法。对续流开关的开关ON是基于感性负载上的电压的极性来控制的。指示极性变化的输出信号被产生到开关控制器，以接通续流开关，从而使得感性负载可通过续流开关的晶体管放电。通过接通续流开关，续流开关的死区时间因此被减小到几乎可以忽略的值，并且将仅等于驱动开关的下降时间，从而降低了功率消耗和其它电磁干扰。

附图的简要说明

本发明的一个实施例被以下面的原则参照附图说明。附图是，

图1：示出了根据当前发明的电路的一个例子；

图2，图3a和3b示出了电流和时间特性，并示出了感性负载的操作模式；以及

图4：示出了减少电路的功率消耗的方法。

本发明的详细说明：

图1示出用于控制诸如螺线管阀的感性负载30的操作的电路100的一个例子。该螺线管阀具有多种应用，如用于控制燃料喷射系统中的燃料喷射器的操作，或用于在低压泵中泵送燃料。该电路100包括：与感性负载30串联连接的驱动开关10；跨接在感性负载30两端的续流开关20；耦接到驱动开关10和续流开关20的开关控制器50，用来控制驱动和续流开关10，20的开关ON/OFF，以控制感性负载30的操作；感测装置61，当检测到驱动开关10为开关OFF时，感测感性负载30的高压侧35的电压。开关控制器50是适于在所述感性负载30的高压侧35感测的电压的基础上接通续流开关20。当在感性负载的高压侧感测的电压低于参考电压(V_ref)时，开关控制器50接通续流开关20。

在一个配置中，驱动开关10选择性地耦合到电源(UBatt)的正端，以及续流开关20选择性地续流到参考地(Gnd)。在第二配置中，驱动开关10可以被连接到参考地(Gnd)，以及所述续流开关20可以被连接到所述电源(UBatt)的正端，以便于续流。本领域的技术人员能够根据需求设计任何合适的配置。

开关控制器50被耦合到驱动开关10和续流开关20，用于控制第一和续流开关的开关ON/OFF，从而控制感性负载30的操作。

驱动和续流开关10，20为MOSFET开关，其分别具有一个本体二极管12，13和一个场效应晶体管(晶体管)14，15。电流分流元件40与感性负载30串联连接。感性负载30可通过接通驱动开关10被充电，并可通过续流开关20被放电。当感性负载30被完全充电时，它然后被允许通过MOSFET开关20的本体二极管13或者通过晶体管15放电。如果续流开关20的晶体管15没有被接通，感性负载30通过MOSFET开关20的本体二极管13放电。如果晶体管15被接通，那么感性负载30通过MOSFET开关20的晶体管15放电。通过本体二极管13的功率消耗更多，并且因此需要接通晶体管15以降低续流开关20中的功率消耗，只要驱动开关10被关断。

开关控制器50是一个与状态机处理器52集成在一起的电子控制单元(ECU)，其中状态机处理器52分别经由高侧驱动电路18和续流驱动电路54驱动驱动开关10和续流开关20。开关控制器50还包括：产生装置58，其根据状态机处理器52的操作状态产生开关ON和开关OFF信号；以及监控装置56，其监测感测装置61的输出信号Vds_fbk，以决定状态机处理器52的条件，从而以第一模式或续流模式操作感性负载；以及检测装置57，其检测驱动开关10和续流开关20的开关ON/OFF状态。

开关控制器50适于按照所要求的波形(由流或电压)操作感性负载30。无论哪种方式，该操作包括“第一模式”和“续流模式”，如图2中所示。

状态机处理器52基于PWM控制信号(V_Pulse)60和感测装置61的输出信号Vds_fbk产生到产生装置的接通/断开请求，以接通/断开电源开关10，20。检测装置57检测PWM信号V_Pulse的接通和断开时间，以检测驱动开关10和续流开关20的接通和断开状态。

高侧驱动电路18包括一个自举电路，其在驱动开关10的ON和OFF状态期间确保充足的栅-源电压。续流驱动电路54包含电气网络，其由电阻和电容组合组成，续流驱动电路54过滤出被给予续流开关20的选通线路中的小故障，并保证续流开关20的无意接通和断开状态不会发生。

设计高侧驱动电路18用于确保EMC在按照前述标准的安全限值内。这意味着该电路是符合关于按照规范的抗扰性和辐射的。这意味着该电路是以这样一种方式设计的，即没有其它电路可以影响其工作(如果不是所希望的)，它也不能影响另一电路的行为(如果不是所希望的)。

感测装置61是一个电压比较器，其比较在感性负载30的高压侧35感测的电压与参考电压(V_ref)，以产生一输出信号(Vds_fbk)，其指示续流开关20的接通。电压比较器61的正端连接到感性负载30的高压侧端子35。电压比较器61的负端连接到参考电压V_ref63。参考电压是一个预定的电压。

如图2所示，当开关控制器50接通驱动开关10时，通过感性负载30的电流增加。当达到所需的电流阈值时，或者在PWM控制信号V_Pulse的某个导通时间后，驱动开关10被关断。这是很便利的，通过监测具有所提供的电流分流元件40的电路中的瞬时电流，或通过紧跟监控装置57的输入。根据操作状况(电池电压，工作温度，结温，老化效应等)，驱动开关10到开关OFF的时间在每个周期中都是变化的。因此，实际的死区时间从一个周期到另一个周期都是变化的。

图2和图3a，3b示出了电流和时间特性，并示出感性负载30的操作模式。在图2中，X轴表示时间特性，以及Y轴表示电流特性。感性负载30工作在第一模式和续流模式。在第一模式下，电流i1为感性负载30充电。在续流模式下，电流i2从感性负载30放电。上升电流i1示出了感性负载30的充电，并且下降电流i2示出了从感性负载30放电的电流。开关控制器50通过接通/关断驱动开关10和续流开关20控制感性负载30的操作。当第一电源开关10在ON状态时，感性负载30被充电。当驱动开关10被完全关断时，被充电的感性负载开始放电。感性负载30上的电压降由一个监控装置56通过读出电压比较器61的输出信号Vds_fbk被监控。电压比较器61的输出信号Vds_fbk被馈送到开关控制器50。开关控制器50的状态机处理器52根据电压比较器61的输出信号Vds_fbk采取如下述的适当动作。当驱动开关10被接通时，电流流过感性负载30，产生感性负载30上的电压降。此时电压比较器61的正端将看到一个正电压，其大于提供给电压比较器61负端的参考电压V_ref。因此，馈送到开关控制器50的电压比较器61的输出将是高。当驱动开关10被关断时，此时感性负载30上的电压降将逐渐开始减少。驱动开关10完全关断的时刻，感性负载30上的极性将反转。即，电压比较器61的正端会看到一个负电压，与提供给电压比较器61的负端的参考电压V_ref相比。因此，馈送到开关控制器50的电压比较器61的输出信号将是低。一旦电压比较器61的输出信号Vds_fbk为低，开关控制器50将经由续流驱动电路54激活续流开关20。因此，当在感性负载30的高压侧35所感测的电压小于参考电压(V_ref)时，开关控制器50接通续流开关20。因此，从驱动开关10关断到续流开关20接通之间的恒定死区时间的限值此时被大大减小，因为电压比较器61基于驱动开关10的下降时间自己指示何时切换。这种方法的优点还在于切换期间也注意硬件的老化效应。当在感性负载30的高压侧35感测的电压低于一个参考电压(V_ref)时，续流开关20的场效应晶体管15被接通，以使被充电的感性负载30放电。因此，在驱动开关10的开关接通时间中，电流i1给感性负载30充电，并且在驱动开关10被完全关断时，开始通过续流开关20的单独的场效应晶体管15对电流i2放电。从而基于感性负载30上的电压的极性来控制续流开关20的接通。

图3a示出了现有技术中的死区时间和功率消耗，并且图3b示出了根据本发明的减少的死区时间和功率消耗。在图3a中，1表示正常活跃续流的情况下的固定死区时间，以及2表示所导致的增加的功率消耗。如图3b中示出的，在同一操作点死区时间3相比于固定的死区时间1概念减小了。如图3b中示出的，3指示基于操作条件的死区时间，以及4表示所产生的减少的功率消耗。在如图3a所示的公知的现有技术中，由于死区时间被固定为最坏的情况，实际的死区时间可能是较小的。由于此，存在这样的时间帧，其中体二极管13是导通的。这会增加功率消耗。使用所提出的发明，通过体二极管13的导通被高度优化到几乎接近0的值。这是由于这样的事实，即感性负载30的放电是由电压比较器61检测到，并产生输出信号Vds_fbk到开关控制器以接通续流开关20。换句话说，现在避免了通过体二极管13的导通。同样，续流仅经由MOSFET的导通通道15(晶体管)来实现。

图4示出了降低电路的功率消耗的方法。该方法减少了驱动感性负载30的电路100的功率消耗。该方法由开关控制器50操作。该方法检测感性负载30的操作，通过测量感性负载30的上升电流i1和下降电流i2，通过监测通过分流元件40的电流，并且还通过监视PWM信号。PWM信号具有ON和OFF时间。在ON时间(第一模式)中，驱动开关10被接通，并且在OFF时间(续流模式)中，续流开关20被接通。在PWM信号V_Pulse的ON时间，电流i1的流动在第一模式期间通过驱动开关10对感性负载30充电，并且在续流模式期间充电的感性负载30通过续流开关20对电流i2放电。方法包括以下步骤：(S1)检测驱动开关10的开关OFF状态；(S2)当检测到驱动开关的开关OFF状态时，感测感性负载30的高压侧35的电压；(S3)生成指示续流开关15的开关ON的信号；以及(S4)当指示开关ON的信号生成时，在续流模式期间将续流开关20接通。当续流开关20被接通时，感性负载30在续流模式期间通过续流开关20的场效应晶体管15对电流i2放电。

根据独立权利要求的本发明提供了一种用于操作感性负载的电路和方法。接通续流开关20是基于感性负载30上的电压的极性来控制的。指示极性变化的输出信号被生成到开关控制器50，以将接通续流开关20，从而使得感性负载30可通过续流开关20的晶体管15放电。通过接通续流开关20，续流开关的死区时间从而几乎减小到可忽略的值，并且将仅等于驱动开关的下降时间，从而降低了功率消耗和其它电磁干扰。

因此，本发明的优点在于降低续流开关20中的功率消耗。功率消耗的降低能够减小续流开关20所需的散热片的尺寸。这也意味着，用于散热的装置的壳体可以更小。因为现在紧凑电路可能具有缩小的尺寸，PCB上消耗更小的空间，并且因此电路的成本也降低了。此外，相比于其它功率级MOSFET控制电路，由于驱动开关的优化的死区时间，这提高了电路的响应。

必须理解的是，在上述的详细描述中说明的实施例仅是说明性的，并不限制本发明的范围。本发明的范围仅由权利要求的范围所限制。上述实施例的许多修改和变化被设想到，并且在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种驱动感性负载（30）的电路（100），所述电路包括：

与所述感性负载（30）串联连接的驱动开关（10）；

与所述感性负载（30）跨接的续流开关（20）；

开关控制器（50），其耦合到驱动开关（10）和续流开关（20），用于控制驱动和续流开关（10，20）的接通/关断，从而控制所述感性负载（30）的操作，所述电路的特征在于，

感测装置（61），其当所述驱动开关（10）的关断被检测到时感测所述感性负载（30）的高压侧（35）的电压；以及

所述开关控制器（50）适于基于所述感性负载（30）的高压侧（35）的所述感测的电压而接通所述续流开关（20）。

2.根据权利要求1的电路，其中所述驱动和续流开关（10，20）是MOSFET开关，所述MOSFET开关具有本体二极管（12，13）和场效应晶体管（14，15）。

3.根据权利要求1或2的电路，其中所述感测装置（61）比较所述感性负载（30）的高压侧（35）的所述感测的电压与参考电压（V_ref），以生成输出信号（Vds_fbk），所述输出信号指示所述续流开关（20）的接通。

4.根据权利要求1或2的电路，其中当所述感性负载（30）的高压侧（35）的所述感测的电压小于参考电压（V_ref）时，所述续流开关（20）的场效应晶体管（15）被接通，以使充电的感性负载（30）放电。

5.根据权利要求1或2的电路，其中在驱动开关（10）的接通时间期间，电流i1对感性负载（30）充电，并且当驱动开关（10）完全被关断时，开始单独通过续流开关（20）的场效应晶体管（15）以电流i2放电。

6.一种减少驱动感性负载（30）的电路（100）的功率消耗的方法，其中，电流i1的流动在第一模式期间通过驱动开关（10）对所述感性负载（30）充电，并且所述充电的感性负载（30）在续流模式期间通过续流开关（20）以电流i2放电，所述方法的特征在于：

- 检测所述驱动开关（10）的关断状态；

-当检测到所述驱动开关的所述关断状态时，感测在所述感性负载（30）的高压侧（35）的电压；

- 基于所述高压侧（35）的所述电压生成指示所述续流开关（20）的接通的信号；以及

- 当指示接通的所述信号生成时，在所述续流模式期间接通所述续流开关（20）。

7.根据权利要求6的方法，其中当所述续流开关（20）接通时，所述感性负载（30）在所述续流模式期间通过所述续流开关（20）的场效应晶体管（15）以电流i2放电。