CN105191094A - 半桥的控制 - Google Patents

Abstract

半桥包括用于使连接端与第一电势连接的第一开关装置和用于使连接端与第二电势连接的第二开关装置。用于控制半桥的方法包括以下步骤：在第二开关装置断开期间输出用于第一开关装置的闭合信号的步骤，以及确定闭合信号的开始和在第一开关装置上施加的电压的衰落之间的等待时间。随后，根据所确定的等待时间使位于第二开关装置的断开和第一开关装置的闭合之间的死区时间最小化。

Description

半桥的控制

技术领域

本发明涉及一种半桥的控制，所述半桥用于控制用电器。本发明尤其涉及在半桥上开关状态的时间顺序的优化。

背景技术

为了控制电用电器、例如电动机或者电加热装置，可以使用具有半桥的桥电路。半桥包括用于使连接端与第一电势连接的第一开关装置和用于使连接端与第二电势连接的第二开关装置。用电器在连接端和适合的电势之间运行。所述电势可以固定地选择或者借助另一半桥控制。在此，两个半桥可以给用电器分别提供彼此互补的电势，从而通过半桥的控制可以控制经过用电器的电流方向。

半桥的开关装置必须如此接通，使得两个开关装置不同时闭合。否则，大的短路电流流经开关元件，由此可能损坏或者破坏开关元件。在此要注意的是，如果开关装置实施为场效应晶体管，所述开关装置自身在关断的状态中电流可以以一个方向经过。为了避免通过开关装置的短路电流，因此在开关装置中的一个的断开和另一开关装置的闭合之间通常加入预确定的死区时间，在所述死区时间期间没有开关装置闭合。所述死区时间通常根据最坏情况计算和安全附加来确定。

死区时间越长，则在半桥上的损失功率可能越大地下降。如果开关装置断开，则损失功率确定为流过的电流与在开关装置上下降的电压的乘积。在场效应晶体管的情形中，电流可以位于10A的范围中而下降的二极管电压为约1伏特。在约一微秒的死区时间期间，损失功率因此为约10μJ。在闭合的状态中，开关装置的损失功率为流过的电流的平方与导通电阻的乘积，其中后者在场效应晶体管的情况下可以位于约6mΩ的范围中。在具有周期持续时间50μs的脉宽调制中，损失功率因此在死区时间之外为约30μJ。虽然死区时间仅仅为周期持续时间的约2％，但是所述死区时间因此具有损失功率的约30％的份额。

发明内容

因此，本发明的任务是，说明用于控制半桥的方法、计算机程序产品和控制装置，从而降低损失功率。本发明借助具有独立权利要求的特征的方法、计算机程序产品和控制装置来解决所述任务。从属权利要求描述优选实施方式。

半桥包括用于使连接端与第一电势连接的第一开关装置和用于使连接端与第二电势连接的第二开关装置。根据本发明的用于控制半桥的方法包括在第二开关装置断开期间输出用于第一开关装置的闭合信号的步骤，以及确定所述闭合信号的开始和施加在第一开关装置上的电压的衰落之间的等待时间。随后，根据所确定的等待时间使位于第二开关装置的断开和第一开关装置的闭合之间的死区时间最小化。

由此，死区时间的动态匹配可以在半桥的连续运行之内或者之外实现。换言之，在最小化死区时间期间，可以使通过半桥控制的用电器通电或者不通电。特别地，当等待时间取决于外部影响、例如周围环境温度时，可以通过所述方法确保，实施开关装置的优化控制，从而使死区时间最小化并且降低损失功率。电磁兼容性(EMV)也可以改善。如果开关装置包括MOSFET，则电磁干扰的辐射可以决定性地由MOSFET的体二极管和寄生电感决定。所述振荡回路越短地激活，电磁发射可以越小地减小。如果足够准确地控制半桥的开关装置，则如有必要也可以取消MOSFET上的缓冲元件(所谓的缓冲器(Snubber))。

在一种特别优选的实施方式中，所述方法也用于相反的开关过程。为此，确定在闭合信号的结束和在第一开关装置上施加的电压上升之间的另一等待时间。然后，根据所确定的另一等待时间使位于第二开关装置的闭合和第一开关装置的断开之间的另一死区时间最小化。

优选地，在死区时间的最小化期间，比用于第二开关装置的断开信号至少提前预确定的等待时间地输出用于第一开关装置的闭合信号。如果闭合信号在用于第二开关装置的断开信号之前的恰好等待时间时给出，则死区时间可以减小至0。因为第一开关装置的等待时间已知，所以可以可靠防止死区时间到负的区间中的减小，从而两个开关装置同时闭合。

在一个优选变型方案中，交替闭合开关装置，以便借助脉宽调制来控制与连接端连接的用电器。用电器尤其可以设置在机动车的车载上。用电器例如可以包括电动机或者另一电负载。机动车的车载上的用电器借助脉宽调制的控制是流行的，从而所述方法可以有助于使机动车的车载上的损失功率最小化。因此，可以有助于减小机动车消耗或者机动车的有害物质排放。

在另一实施方式中，所述方法还包括在第一开关装置断开期间输出用于第二开关装置的闭合信号的步骤，确定闭合信号的开始和施加在第二开关装置上的电压的衰落(Einbrechen)之间的等待时间的步骤，以及根据所确定的等待时间使位于第一开关装置的断开和第二开关装置的闭合之间的死区时间最小化的步骤。

通过所述方法的如此的对称的构型可以检测半桥的两个开关装置的等待时间并且在开关装置的切换时使相关的死区时间最小化。

在另一构型中，设置具有另一连接端的另一半桥，以便运行半桥的连接端之间的用电器，并且不同半桥的开关元件如此以闭合信号供给，使得所述开关元件尽可能同时闭合。因此，所述方法也可以用于由两个半桥组成的H桥的控制。也可以以相应的方式控制具有两个以上的半桥的桥电路。

所述方法以特别的方式适于换向式或者无刷式电动机的控制，其中可以设置两个、三个或者四个半桥。电动机尤其可以构成雨刮器、窗升降器或者机动车的车载上的另一装置的驱动。

通过彼此相关的开关装置的接通时刻的同步可以实现死区时间的特别精确的调节。通过半桥的使用也可以控制用电器，其中电流流向是重要的、例如电动机。

在一种优选实施方式中，周期性地实施等待时间的确定。由此，可以使死区时间与开关装置的自身变化的等待时间匹配。第一开关装置例如可以包括场效应晶体管，所述场效应晶体管具有温度相关的等待时间。在场效应晶体管在加热的或者冷却的周围环境的运行期间，可以通过等待时间的周期性的确定来补偿所述效应。

根据本发明的计算机程序产品包括计算机代码模块，其用于当所述计算机程序产品在处理装置上运行或者存储在计算机可读的数据载体上时实施所述方法。

根据本发明的用于控制半桥的控制装置(所述半桥具有用于使连接端与第一电势连接的第一开关装置和用于使连接端与第二电势连接的第二开关装置)包括：用于向第一开关装置输出闭合信号的第一控制装置、用于向第二开关装置输出断开信号的第二控制装置、用于确定施加在第一开关装置上的电压衰落的比较器和用于确定在第二开关装置断开期间闭合信号的开始和电压的衰落之间的等待时间的时间测量器。在此，第一控制装置设置用于根据所确定的等待时间使位于第二开关装置的断开和第一开关装置的闭合之间的死区时间最小化。

在此，所述开关装置尤其可以包括场效应晶体管。场效应晶体管可以集成在控制装置中。由此，可以提供紧凑且有功率能力的控制装置，借此可以以减小的损失功率来控制用电器。

优选地，开关装置设置用于在具有强烈变化的温度的周围环境中的使用。所述周围环境例如可以包括机动车的车载上的执行器、模块或者控制单元。

附图说明

现在，参照附图详细描述本发明。附图示出：

图1：用于控制半桥的设备的电路图；

图2：具有图1的设备的H桥的电路图；

图3：用于确定图1和2的桥中的一个的开关装置的等待时间的方法的流程图；

图4：用于借助图1或2的设备中的一个来脉宽调制地控制用电器的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出用于在机动车105的车载上使用的控制装置100。控制装置100设置用于控制半桥110，其中半桥110可以集成在控制装置100中。半桥110包括第一开关装置115和第二开关装置120，它们可以分别例如实施为用于HEV或EV的双极型晶体管IGBT(具有绝缘的门电极的晶体管)或者实施为场效应晶体管、进一步优选地实施为MOSFET。第一开关装置115设置用于使连接端125与第一电势130连接，而第二开关装置120设置用于使连接端125与第二电势135连接。

在连接端125和地连接端之间，用电器140可以与半桥110或者控制装置100连接。用电器140例如可以包括电动机，尤其在机动车的车载上，例如用于雨刮器的操作。地电势优选位于第一电势130和第二电势135之间。

为了控制开关装置115和120设置处理装置145，所述处理装置尤其可以实施为可编程的微计算机。优选地，控制装置100包括接口150，所述接口与处理装置145连接，以便能够实现外部控制元件和控制装置100之间的通信。第一比较器155分配给第一开关装置115并且如果在第一开关装置115上施加的电压衰落，则处理装置145提供信号。为了所谓的漏极/源极监视，第一比较器155可以设置用于在运行中探测短路的第一开关装置115。优选地，第一比较器155由控制装置包括或者与其集成地实施。

第二比较器160分配给第二开关装置120并且其他方面与第一比较器155相同地构造。此外，设置时间测量器165，所述时间测量器与处理装置145连接。时间测量器165例如可以构造为可编程的计数器或者计时器。在此，时间测量器165可以通过处理装置145启动或者停止并且计数器状态可以设置或者读取。在另一实施方式中，时间测量器165可以通过比较器155或160的信号中的一个启动或者停止。

处理装置145设置用于借助时间测量器165和第一比较器155来确定等待时间，所述等待时间在闭合信号向第一开关装置115的输出和开关装置115的实际闭合之间经过(vergehen)。实际的闭合可以在第一开关装置115上施加的电压的衰落方面识别。如果电压衰落，则第一比较器155可以向处理装置145或者时间测量器165输出相应的信号。在具有第二比较器160的所示出的优选实施方式中，也可以对于第二开关装置120的等待时间实施相应的确定。

在本示例中，处理装置145设置用于根据先前确定的等待时间向第一开关装置115并且如果必要向第二开关装置120输出断开信号，从而开关装置115和120的实际闭合时间可以改善地与分别其他开关装置115、120或者另一外部开关装置的断开时间一致。处理装置145尤其设置用于向开关装置115和120交替地提供闭合信号，以便实现用电器140的脉宽调制。

图2以另一实施方式示出图1的装置100的电路图，其中在图2中也没有示出在图1中示出的所有元件。在所示出的实施方式中，除半桥110以外设置另一半桥205，所述另一半桥相应地构造并且其导出的另一连接端210与用电器140的另一连接端连接。另一半桥205包括第三开关装置215和第四开关装置225，给所述第三开关装置分配第三比较器220，给所述第四开关装置分配第四比较器230。所述另一半桥205包括比较器220和230优选由控制装置100包括或者与其集成地实施。用电器140尤其可以是换向式或者无刷式电动机。

在所示出的实施方式中，处理装置145优选设置用于也确定第三开关装置215和第四开关装置225的等待时间。此外，处理装置145设置成，开关装置115、120、215和225根据所确定的等待时间设置有断开信号或者闭合信号。通常，分别共同地闭合或者断开在图2中对角错位示出的开关装置，从而或者开关装置155和225或者开关装置220和160同时闭合。开关装置155、160、220和230的以便断开和闭合的控制可以在脉宽调制的范畴内实现。所确定的等待时间优选如此补偿，使开关装置对115和225或120和215的接通与开关装置的分别其他对120和215或115和225的关断之间的死区时间尽可能最小化。

图3示出用于控制图1或2的半桥110或205的方法的流程图。方法300尤其设置用于在处理装置145上的运行。

在方法300的第一部分中，确定第一开关装置115的等待时间，其中方法300的所述阶段也可以以相应的方式应用于每一个另一受控制的开关装置120、215和225。在第一步骤305中，断开同一半桥110、205的所述另一开关装置，在本情形中是第二开关装置120。如果所述另一开关装置已经断开，则可以取消所述步骤。在随后的步骤310中，输出用于第一开关装置115的闭合信号。同时或者在其之前或者在其之后尽可能短地，在步骤315中启动时间测量器165。随后在步骤320中检测第一开关装置115上的电压衰落。同时或者在其之后尽可能短地，在步骤325中停止时间测量器165。在步骤330中，可以从时间测量器165读取第一开关装置115的等待时间。等待时间是第一开关装置115需要的、以便能够响应于闭合信号实现电流从第一电势130流到连接端125的时间。

借此，结束第一开关装置115的等待时间的确定。在方法300的随后的阶段中，所确定的等待时间可以用于改善地控制第一开关装置115的开关时间(Schaltzeit)。为此，在步骤335中确定应当闭合第一开关装置115的时刻。随后在步骤340中等待，直至所确定的时刻减去所确定的等待时间出现。随后在步骤345中，向第一开关装置115输出闭合信号。在步骤350中的等待时间期满之后，在步骤355中闭合开关装置115。

在一种特别优选的实施方式中，如果断开第一开关装置115并且断开第二开关装置110，则方法300以相应的方式也用于相反的开关过程。为此，以上描述要分别交换开关装置115和120并且交换接通或者关断。因此，确定闭合信号的结束和在第一开关装置上施加的电压的上升之间的另一等待时间并且根据所确定的另一等待时间使位于第二开关装置的闭合和第一开关装置的断开之间的另一死区时间最小化。方法300的不同实施可以交替，例如在用电器140的周期性的控制的范畴内。

图4示出用于借助图1或2的控制装置100中的一个来脉宽调制地控制用电器140的方法的流程图。方法400同样设置用于在处理装置145上的实施。以下，示例性地从图1的构造出发；然而，也可以以相应的方式支持图2的构造，其中如上已经描述的那样，例如尽可能同时闭合或者断开分别对角错位示出的开关装置115、120、215和225。

在第一步骤405中，断开两个开关装置115和120。在随后的步骤410中，向第一开关装置115输出闭合信号。在先前确定的等待时间的期满之后，在步骤415中闭合第一开关装置115。在步骤420中，所述步骤结合脉宽调制也称作开相(On-Phase)，第一开关装置115保持闭合。在随后的步骤425中，向第二开关装置120输出闭合信号，以便结束所述开相。此外，在步骤430中向第一开关装置115输出断开信号。在步骤435中，断开第一开关装置115。然而，第二开关装置120由于其等待时间还没有闭合。与此相应地，在步骤440中死区时间期满。随后，在随后的步骤445中死区时间结束并且闭合第二开关装置120。

在脉宽调制的范围中称作关相(Off-Phase)的步骤450中，第二开关装置120保持闭合。在步骤455中，向第一开关装置115输出闭合信号而在步骤460中向第二开关装置120输出断开信号。第二开关装置120快速地断开并且在步骤465中断开，而第一开关装置115由于其还没有期满的等待时间所以还没有闭合。在步骤470中，紧接着另一死区时间。在随后的步骤475中，闭合第一开关装置115并且死区时间结束。电路再次处于步骤420的开相中并且方法400可以重新实施。

Claims (10)

1.一种用于控制半桥(110)的方法(300，400)，所述半桥具有用于使连接端(125)与第一电势(130)连接的第一开关装置(115)和用于使所述连接端(125)与第二电势(135)连接的第二开关装置(120)，其中，所述方法(300)包括以下步骤：

在所述第二开关装置(120)断开期间输出(310)用于所述第一开关装置(115)的闭合信号；

确定(330)所述闭合信号的开始(310)和在所述第一开关装置(115)上施加的电压的衰落(320)之间的等待时间；

根据所确定的等待时间使位于所述第二开关装置(120)的断开和所述第一开关装置(115)的闭合(355)之间的死区时间最小化(335-355)。

2.根据权利要求1所述的方法(300，400)，其中，确定所述闭合信号的结束和在所述第一开关装置(115)上施加的电压的上升之间的另一等待时间，并且根据所确定的另一等待时间使位于所述第二开关装置(120)的闭合和所述第一开关装置(115)的断开之间的另一死区时间最小化。

3.根据权利要求1或2所述的方法(300，400)，其中，在最小化所述死区时间期间，比用于所述第二开关装置(120)的断开信号至少提前所述预确定的等待时间地输出用于所述第一开关装置(115)的闭合信号。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300，400)，其中，交替地闭合所述开关装置(115，120)，以便借助脉宽调制来控制与所述连接端连接的用电器(140)。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300，400)，所述方法还包括以下步骤：

在所述第一开关装置(115)断开期间输出(310)用于所述第二开关装置(120)的闭合信号；

确定(330)所述闭合信号的开始(310)和在所述第二开关装置(120)上施加的电压的衰落(320)之间的等待时间；

根据所确定的等待时间使位于所述第一开关装置的断开和所述第二开关装置(120)的闭合(355)之间的死区时间最小化(335，355)。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300，400)，其中，周期性地实施所述等待时间的确定(305-330)。

7.一种计算机程序产品，其具有计算机代码模块，其用于当所述计算机程序产品在处理装置(145)上运行或者存储在计算机可读的数据载体上时实施根据以上权利要求中任一项所述的方法(300，400)。

8.一种用于控制半桥(110)的控制装置(100)，所述半桥具有用于使连接端(125)与第一电势(130)连接的第一开关装置(115)和用于使所述连接端(125)与第二电势(135)连接的第二开关装置(120)，其中，所述控制装置(100)包括以下：

第一控制装置(145)，其用于向所述第一开关装置(115)输出闭合信号；

第二控制装置(145)，其用于向所述第二开关装置(120)输出断开信号；

比较器(115)，其用于确定在所述第一开关装置(115)上施加的电压衰落；

时间测量器(165)，其用于确定在所述第二开关装置(120)断开期间所述闭合信号的开始和所述电压的衰落之间的等待时间；

其中，所述第一控制装置(145)设置用于根据所确定的等待时间使位于所述第二开关装置(120)的断开和所述第一开关装置(115)的闭合之间的死区时间最小化。

9.根据权利要求8所述的控制装置(100)，其中，所述开关装置(115，120)包括场效应晶体管。

10.根据权利要求8或9所述的控制装置，其中，所述开关装置(115，120)设置用于在具有强烈变化的温度的周围环境(105)中的使用。