CN104682682B - 识别有源桥式整流器至少一个有源开关元件功能中的缺陷 - Google Patents

Abstract

识别有源桥式整流器至少一个有源开关元件功能中的缺陷。本发明涉及一种用于识别机动车车载电网（10）的有源桥式整流器（40）的至少一个有源开关元件（41a－41f）的功能中的缺陷的方法，所述有源桥式整流器将一定数量的交流电压（u（v））转化为直流电压（u（b+））。交流电压（u（v））和直流电压（u（b+））中的至少一个的电压变化曲线被检测。基于电压变化曲线中的一个或多个的最大值和/或最小值相互之间的和/或与预先给定的值的比较，确定至少一个有源开关元件（41a－41f）的功能中存在缺陷。用于实施相应的方法的装置同样是本发明的主题。

Description

识别有源桥式整流器至少一个有源开关元件功能中的缺陷

技术领域

本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的用于识别机动车车载电网的有源桥式整流器的至少一个有源开关元件的功能中的缺陷的方法以及用于实施这样的方法的装置。

背景技术

为了由旋转电流系统给直流系统馈电、例如通过多项电流发电机给机动车车载电网馈电，可以使用不同结构形式的整流器。在机动车车载电网中，对应于在此通常构造的三相、四相、或五相的旋转电流发电机，通常使用六脉冲、八脉冲、十脉冲实施方式的桥式整流器。然而，本发明也适用于其它相数的桥式整流器。

如果随后简化地谈及发电机，那么在此也可能是可以发电机形式和以电动机形式运行的电机、例如所谓的起动发电机。

通常在机动车车载电网中使用无源的整流器。整流器因此是“无源的”，因为整流器在其相应的半桥中具有无源的整流器元件、例如齐纳二极管。这样的整流器元件的开关状态仅仅通过施加的电压来确定，所述整流器元件因此是不可控的。

然而诸如在DE 10 2009 046 955 A1中所解释的，在机动车中有源或受控的桥式整流器的使用是值得期望的。这因此尤其是这样的情况，因为在正常运行中有源的桥式整流器相对于无源的或不受控的桥式整流器具有较少的损耗功率。

在有源的桥式整流器中，相应的有源开关元件被设置为整流器元件（例如MOSFET）。所述有源开关元件总是在传统的无源整流器中在那里设置的二极管可能变得导通时受到操控。这也参考附图1进一步被解释。通常在相应的有源桥式整流器中高侧开关元件总是在正半波施加在所分配的发电机相上时导通连接。相应地，低侧开关元件总是在负半波施加在所分配的发电机相上时导通连接。半桥的高侧和低侧开关元件的同时操控实现不了。

如果有源桥式整流器的开关元件不再可操控，那么此外可以通过开关元件的倒置二极管来进行整流。然而由于在这些开关元件上的提高的通向电压，在桥式整流器中出现较高的温度。此外，效率减小。有源的桥式整流器因此不应该时间无限制地在相应的状态中运行。

为了可以在这样的情况下引入合适的措施，值得期望的是识别机动车车载电网中的有源整流器的开关元件的功能中的缺陷。

发明内容

在该背景下，本发明提出了根据独立权利要求的前序部分所述的用于识别机动车车载电网的有源桥式整流器的至少一个有源开关元件的功能中的缺陷的方法和用于实施这样的方法的装置。从属权利要求和随后说明书的主题是构型方案。

本发明的优点

本发明提出一种用于识别机动车车载电网的有源桥式整流器的至少一个有源开关元件的功能中的缺陷的方法。有源开关元件的“功能中的缺陷”在此不仅应理解为由有源开关元件本身的故障——例如分层、合金短路等等——所导致的缺陷，而且应理解为由错误的操控、例如操控线路中的中断所导致的缺陷。只要有源开关元件不全部失效，在两种情况下就得出相同的效果。如之前所解释的，相应的有源开关元件拥有倒置二极管，通过所述倒置二极管在操控或可操控性失效的情况下还可以如在传统的无源二极管整流器中那样进行无源的整流。然而如所解释的，这伴随着提高的损耗功率、放热和减小的效率。因此这样的有源开关元件的功能中存在缺陷。

如就此而言已知的，相应的桥式整流器将施加在相应的相端子上的一定数量的交流电压转化为通过直流电压端子输出的直流电压。相端子与发电机定子的相应的定子绕组或相应的接线点连接，通过直流电压端子对机动车车载电网馈电。

传统的发电机拥有电压调节，该电压调节将机动车车载电网电压、即在整流器的直流电压端子上施加的电压用作调节量。相应的发电机调节器因此已经拥有用于分析相应电压的装置。机动车车载电网中的这样的发电机调节器或其它合适的控制设备此外拥有用于分析在相端子中的至少一个上施加的电压的装置，例如以便确定发电机转速。

根据本发明规定，基于一个或多个相应检测的电压变化曲线的最大值和/或最小值相互之间的比较和/或与预先给定的值的比较来确定至少一个有源开关元件的功能中有缺陷的确定。

如一般已知的，在相端子上施加的电压或电压变化曲线是交流电压。借助整流器由这些交流电压所产生的直流电压或相应的电压变化曲线具有一定的波动。相应波动的电压变化曲线的周期性最大值可以被确定。其周期对应于在相端子上施加的电压或电压变化曲线的周期并且因此与发电机转速相关。所述最大值例如位于预先给定的阈值之上。相应的情况也适用于这样的电压变化曲线的最小值，所述最小值例如位于预先给定的阈值以下。在相应的电压变化曲线中的最大值随后也被称为电压波峰。

尤其是在其中有源桥式整流器的整流器支路的有源开关元件的仅仅一部分涉及到缺陷的情况下，得出不对称效应，所述不对称效应表现为所提及的直流电压的电压变化曲线中的最大值之间的显著的差别。因此如果直流电压的电压变化曲线中的最大值区别大于预先给定的值，那么可以确定至少一个有源开关元件的功能中有缺陷。

如果涉及到有源桥式整流器的上面的整流器支路的所有有源开关元件，那么这样的不对称效应在直流电压的电压变化曲线中不显示出。在这样的情况下，至少一个有源开关元件的功能中的缺陷通过以下方式被确定，即交流电压之一的至少一个电压变化曲线中的最大值与直流电压的电压变化曲线的最大值区别大于预先给定的值。

在有源桥式整流器的下面的整流器支路的所有有源开关元件都涉及到缺陷时，相应的不对称效应同样少地显示出。在该情况下，缺陷可以通过以下方式被确定，即交流电压或相电压之一的至少一个电压变化曲线中的至少一个最小值位于预先给定的值以下。

本发明尤其是基于以下效应的分析，所述效应通过流经整流器的有源开关元件的倒置二极管的电流得出。本发明尤其是基于以下确定，即温度和电流对倒置二极管的通向电压的影响相较于轨道电阻上的电压降（即当相应的开关元件导通连接时）是小的。最大值的分析因此可以良好地应用为针对功能诊断的标准。

本发明尤其是使得能够识别有源整流的失效并且将这报告给上级的控制设备。这可以通过合适的方式通知驾驶员。如果失效被忽略，那么所使用的半导体的极限温度可能在确定的车辆运行点中被超过。这可能导致整流器的完全失效。该车辆停住。

因此根据本发明的一种实施方式可以规定，基于对至少一个有源开关元件的功能中存在缺陷的确定，减小有源桥式整流器的负荷，例如避免相应的车辆运行点。本发明也尤其是适用于在制造中的最终检查。

根据本发明同样被设置的控制设备和相应的机动车车载电网以相同的方式从之前所解释的优点获益。

根据本发明的计算单元、例如机动车车载电网的有源桥式整流器的控制设备尤其是在程序技术上被设置用于执行该方法。

该方法以软件形式的实施也是有利的，因为这导致特别少的成本，尤其是当实施的控制设备还被用于其它的任务并且因此无论如何都存在时。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是磁盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD－ROM、DVD等等。程序通过计算机网络（因特网、内联网等等）的下载也是可能的。

本发明的其它优点和构型方案从说明书和附图得出。

可以理解，之前所述并且随后还要解释的特征不仅可以在分别说明的组合中、而且也可以在其它的组合中或单独地使用，而不脱离本发明的范围。

本发明借助实施例在附图中示意性地被示出并且在下文中参考附图详细地被描述。

附图说明

图1以示意性的部分图示出具有带发电机的装置的机动车车载电网和桥式整流器。

图2以图表的形式示出具有发电机和无损的桥式整流器的装置中的电压变化曲线。

图3以图表的形式示出具有发电机和有缺陷的桥式整流器的装置中的电压变化曲线。

图4以图表的形式示出具有发电机和有缺陷的桥式整流器的装置中的电压变化曲线。

图5以图表的形式示出具有发电机和有缺陷的桥式整流器的装置中的电压变化曲线。

图6以图表的形式示出具有发电机和有缺陷的桥式整流器的装置中的电压变化曲线。

图7以图表的形式示出具有发电机和有缺陷的桥式整流器的装置中的电压变化曲线。

图8根据本发明的优选实施方式图解说明有利的测量时间点。

在图中相互对应的元件具有一致的附图标记并且出于清楚的原因不重复解释。

具体实施方式

在图1中以三相系统为例示意性地示出具有发电机20、30、桥式整流器40和控制设备50的装置。所述的装置是在此仅仅部分被示出的机动车车载电网10的部分。

发电机20、30包括具有端子21a、21b和21c、励磁线圈22和通信线路COM的发电机调节器20以及具有以三角电路在开关点31a、31b和31c相互连接的三个定子绕组32的定子30。

桥式整流器40在图1中作为六脉冲桥式整流器40被示出，该六脉冲桥式整流器被设置用于对三相发电机20、30的旋转电流进行整流。然而，以相同的方式例如也可以使用四相、五相、六相或七相发电机20、30并且使用相应地与此匹配的八脉冲、十脉冲、十二脉冲或十四脉冲的桥式整流器40。

桥式整流器1具有三个以A、B和C表示的半桥，所述半桥分别通过其中间抽头与发电机相或相应的相端子U、V和W连接。发电机相U、V和W分别通过开关点31a、31b和31c连接到定子30或该定子30的定子绕组32上。

半桥A、B和C利用其末端分别与直流电压端子连接。端子之一用B+来表示；例如是正电池极和/或机动车车载电网10的相应的供电线路。另外的端子（也经常用B-来表示）可以与地GND连接。

半桥A、B和C分别具有有源开关元件41a至41f。这些有源开关元件分别被包含在半桥A、B和C的上支路H（高侧）和下支路L（低侧）中。开关元件41a至41f例如被构造为MOSFET并且分别具有倒置二极管（没有附图标记）。如可以看出的，通过这些开关元件分别在相U、V和W上施加正半波的情况下电流可以流经高侧开关元件41a至41c（“从发电机20、30出来”）并且在施加负半波的情况下电流可以流经低侧开关元件41a至41c（“进入发电机20、30中”）。为此必须分别存在相应的电位降落，该电位降落超过二极管电压。然而在此情况下出现相应的损耗，所述损耗降低效率并且引起提高的温度。

相位端子U、V和W因此可以根据开关元件41a至41f的相应操控在所述的时间期间也分别有效地被操控。因此，分别在相U、V和W上施加正半波时相应的高侧开关元件41a至41c被操控并且在施加负半波时相应的低侧开关元件41d至41f被操控并且（与倒置二极管并行地）被导通连接。因此损耗减小。

开关元件41a至41f的操控通过控制设备50通过未被示出的操控线路通过所述开关元件的相应的栅极端子（没有附图标记）来进行。在此，控制设备50可以共同地被设置用于所有半桥A、B和C。替代于此地，半桥A、B和C中的每个也可以具有单独的控制设备。如果情况是后者那样，那么功能可以任意地在单独的控制设备与共同的控制设备50之间分配。

换句话说，所示出的装置的正常运行包括：将开关元件41a至41f操控为，使得在相端子U、V和W上施加的电压信号根据符号交替地与直流电压端子B+和GND导通。例如在负荷下降情况下的特别运行模式同样是可能的，但是其不是本申请的主题。

在相端子U、V和W相对于地GND之间下降的电压在本申请的范围内用u（u）、u（v）和u（w）来表示。在B+和地GND之间（即在整流器40的直流电压端子之间）下降的电压用u（b+）来说明。

发电机调节器20被设置用于调节由所示出的装置提供的输出电压。发电机调节器20通过端子21a被馈送端子B+的电压u（b+）并且分析该电压。电压u（b+）被用作调节量并且持续地利用额定电压调整。

现代的发电机调节器20典型地以具有功率电子设备的集成电路的形式来构造。通信接口23在此通过已经提及的通信端子COM来连接并且被设置用于例如与控制设备50交换信息。

发电机调节器20此外被构造用于分析至少一个相端子U、V和W上的信号，以便借此确定发电机20、30的转速。在图1中所示出的装置中，发电机调节器20在此通过端子21b与相位V连接。该发电机调节器因此分析电压u（v）。

在图2至图7中以电压变化曲线的相应图表的形式相对于横轴上的时间ms分别示出纵轴上的以V为单位的在相端子U、V和W上施加的电压u（u）、u（v）和u（w）（图表2A至7A、2B至7B或2C至7C）。此外，图2至7相对于横轴上以ms为单位的时间示出了纵轴上以V为单位的在端子B+上相对于地施加的电压u（b+）（图表2D至7D）。相应的电压变化曲线在图1至6和7中仅仅示出了12V以上的值。

由励磁绕组22（参见图1）所产生的旋转磁场在定子30的三个绕组32的每个绕组中产生交流电压。在端子31a至31c上施加的交流电压——其同时是相端子U上的相应的相电压——由整流器40中的开关元件41a至41f整流。相的全波整流引起所述半波的正和负的包络线相加成为在图表2D至7D中所示出的电压u（b+）形式的经整流的、轻微波动的发电机电压。

在图2中，在此在所有开关元件41a至41f中进行的有效的整流被图解说明。换句话说，图2图解说明了如在图1中所示出的并且在所有开关元件41a至41f无损并且按规定被操控的情况下的装置中的相应的电压变化曲线。如果测量相端子U或31a、V或31b和W或31c上相对于地GND的电压，则得出在图表2A至2C中所示出的电压变化曲线u（u）、u（v）和u（w）。相电压u（u）典型地、如在图1中所示出的那样由发电机调节器20来分析，以便确定发电机的转速。

在相端子V或31b与发电机电压u（b+）之间或相端子V或31b与地端子u（GND）之间的电压差对应于上面的整流元件（41b）或下面的整流元件（41e）相对于相V的电压降：

或

如所提及的，电压u（b+）（图表2D）通过相应的半波相加具有一定的波。这样波动的电压u（b+）的最大值随后被称为电压波峰或简称为波峰。

在对称地构造的装置、即对称地构造的发电机20、30和无损整流器40中，最大值或波峰位于相同的电压水平上。由于定子30到整流器40的各个支路和连接的轻微不同的长度，得出可能轻微的差别，随后称为不对称。电压u（b+）的最大波峰高度在此在图2至7中用来表示，最小波峰高度用来表示。在图2中，它们的差别——在此用来表示——最小。用和在图中图解说明了各个整流元件上的电压降。

在图3中，开关元件41d（参见图1）、即半桥A的低侧开关元件的操控或该开关元件41d本身中的缺陷的影响被图解说明。开关元件41d因此不再有效地导通连接，电流流动仅仅通过该开关元件41d的倒置二极管实现。因此涉及到在相端子U或31a上施加的电压u（u）的整流。由于开关元件41d的倒置二极管上的电压降增大，当与相端子V和W连接的高侧开关元件41b和41c变为导通时，在端子b+上施加的电压u（b+）的波峰降低。由此得出的、和的值之差——在图中如所提及地用来表示——可以被考虑用于诊断这样的故障情况。所述差明显大于如关于图2所解释的无损的整流器中的差。

在图4中以相应的方式图解说明高侧开关元件41a或其操控中的缺陷。直接涉及到的又是仅仅相端子U或31a。出现通过高侧开关元件41a中的倒置二极管的整流。由于该倒置二极管上的电压降增大，当被连接到相端子V和W上的低侧开关元件41e和41f变为导通时，在端子b+上所施加的电压U（b+）中的波峰下降。相应的差又可以被考虑用于诊断相应的故障情况。

在图5中图解说明了高侧开关元件41a以及低侧开关元件41d或相应的操控中的缺陷的影响。直接涉及到的又是仅仅相端子U或31a。通过开关元件41a和41d的倒置二极管实现整流。值仅仅在相端子U（31a）不参与时在电压u（b+）中出现。在所有其它的情况中，电压U（b+）中的波峰如之前所描述的那样下降。因此此外在和之间存在显著的差别，该差别可以如之前所解释的那样被考虑用于诊断的目的。

在图6中图解说明所有低侧开关元件41d、41e和41f或相应的操控中的缺陷的影响。因此在此涉及到的是相端子U或31a、V或31b和W或31c。在所有情况中，整流通过开关元件41d、41e和41f的倒置二极管实现。如可以看出的，现在在和的值之间不再得出差别，因为所述的效应在整流器40中不引起不对称。在该情况中可以分别分析负差值电压、或。对此适宜的是，如在图1中图解说明的那样，分析相端子V（参见发电机调节器20的调节端子21b）。如果在此探测到提高的电压降，那么也可以识别出这样的失效。

在图7中图解说明所有的高侧开关元件41a、41b和41c或分配给它们的操控中的缺陷。相应的失效又是对称的，从而在和之间不得出差别或相应的差别可能位于在图2中所示出的范围中。尽管如此也可以在这样的故障情况中进行诊断，如所图解说明的那样例如通过分析电压u（u）与u（b+）、u（v）与u（b+）或u（w）与u（b+）之间的最大电压差来进行诊断。在此，与发电机调节器连接的相（参见图1，相V）也适宜地被用于诊断。

通过发电机20、30的换向，信号u（b+）根据发电机转速变化。然而，换向的影响在大约6000rpm以下的转速范围中是小的。对于较高的发电机转速，必要时可以借助低通滤波器对信号u（b+）进行滤波。

信号u（b+）的电压的分析优选地如在图8中（图8此外基本上对应于图2至7的图表2D至7D）图解说明的那样在波峰中间处进行。相应的测量时间点在此用TM来表示。

Claims (11)

1.用于识别机动车车载电网（10）的有源桥式整流器（40）的至少一个有源开关元件（41a－41f）的功能中的缺陷的方法，所述有源桥式整流器将一定数量的交流电压（u（u）、u（v）、u（w））转化为直流电压（u（b+）），其中交流电压（u（u）、u（v）、u（w））和直流电压（u（b+））中的至少一个的电压变化曲线被检测，其特征在于，基于电压变化曲线中的一个或多个的最大值相互之间和/或最小值相互之间的比较和/或电压变化曲线中的一个或多个的最大值和/或最小值与预先给定的值的比较，确定在至少一个有源开关元件（41a－41f）的功能中存在缺陷，

其中如果直流电压（u（b+））的电压变化曲线中的最大值区别大于预先给定的值，则确定至少一个有源开关元件（41a－41f）的功能中有缺陷。

2.根据权利要求1所述的方法，其中如果交流电压（u（u）、u（v）、u（w））之一的至少一个电压变化曲线中的最大值与直流电压（u（b+））的电压变化曲线中的最大值区别大于预先给定的值，则确定至少一个有源开关元件（41a－41f）的功能中有缺陷。

3.根据权利要求1所述的方法，其中如果交流电压（u（u）、u（v）、u（w））之一的至少一个电压变化曲线中的至少一个最小值位于预先给定的值以下，则确定至少一个有源开关元件（41a－41f）的功能中有缺陷。

4.根据权利要求1所述的方法，其中确定有源桥式整流器（40）的整流器支路（L）的有源开关元件（41a－41f）中的一个或一部分的功能中有缺陷，根据权利要求2确定有源桥式整流器（40）的上面的整流器支路（L）的所有有源开关元件（41d－41f）有缺陷和/或根据权利要求3确定有源桥式整流器（40）的下面的整流器支路（H）的所有有源开关元件（41a－41d）有缺陷。

5.根据上述权利要求1至3之一所述的方法，其中基于对至少一个有源开关元件（41a－41f）的功能中存在缺陷的确定，减小有源桥式整流器（40）的负荷。

6.根据上述权利要求1至3之一所述的方法，其中基于对至少一个有源开关元件（41a－41f）的功能中存在缺陷的确定，输出故障信号。

7.根据上述权利要求1至3之一所述的方法，所述方法在制造时被用在检查有源桥式整流器（40）中。

8.控制设备（50），所述控制设备被设置用于执行根据上述权利要求之一的方法。

9.机动车车载电网，其具有有源桥式整流器（40）和根据权利要求8的控制设备（50）。

10.机器可读的存储介质，其具有存储在其上的计算机程序，在所述计算机程序在控制设备（50）上实施时，所述计算机程序促使所述控制设备（50）执行根据权利要求1至7之一所述的方法。

11.根据权利要求10所述的机器可读的存储介质，其中所述控制设备（50）是根据权利要求8所述的控制设备（50）。