CN105229907B - 半桥的控制设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于用电器控制设备包括：第一开关装置，其用于连接用于所述用电器的输出端与第一电势；第二开关装置，其用于连接所述输出端与第二电势；控制装置，其用于控制所述开关装置；第一采样装置，其用于根据所述第一开关装置的开关状态提供第一信号；第二采样装置，其用于根据所述第二开关装置的开关状态提供第二信号；和比较装置，其用于基于所确定的信号来确定所述开关装置的接通时间的差。

Description

半桥的控制设备
技术领域
本发明涉及一种半桥的控制设备。本发明尤其涉及一种用于借助半桥来控制用电器的控制设备。
背景技术
用电器可以借助半桥来控制，所述半桥包括用于连接用电器与正电势的第一开关装置和用于连接用电器与负电势的第二开关装置。在此，用电器的第二连接端通常处于预先确定的电势、尤其接地，或者可以借助另一半桥例如以对应的方式，然而以相反的极性控制。一些用电器——例如无刷式直流电动机或者多相交流电动机可能需要另外的半桥。
控制装置设置用于始终控制所述两个开关装置中的仅仅一个，以便将用电器与相应地期望的电势连接。例如基于制造公差或者基于对开关装置的温度影响，在开关装置之一的控制与电流通过开关装置的得以实现之间的延迟时间可能发生变化。通过半桥提供给用电器的、在时间上取平均的电势由此可能与预先确定的电势偏差。换言之，通过用电器的电流可以具有预先确定的偏移。尤其当用电器包括电感式或者电容式负载时，该偏移可能导致开关装置的或者用电器的增加的损耗和增加的负荷。
发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种用于用电器的控制设备，所述控制设备允许半桥的改善的控制。本发明借助具有独立权利要求的特征的控制设备解决所述任务。从属权利要求再现优选的实施方式。
根据本发明的、用于用电器的控制设备包括：第一开关装置，其用于连接用于所述用电器的输出端与第一电势；第二开关装置，其用于连接所述输出端与第二电势；控制装置，其用于控制所述开关装置；第一采样装置，其用于根据所述第一开关装置的开关状态提供第一信号；第二采样装置，其用于根据所述第二开关装置的开关状态提供第二信号；和比较装置，其用于基于所确定的信号来确定所述开关装置的接通时间的差。
通过这种方式可以简单地并且准确地确定半桥的开关装置的实际接通时间之间的差。由此可以及早并且准确地确定所连接的用电器中的电流的偏移。为了避免损坏，可以易化地采取相应的对策。
所述开关装置原则上可以包括任何种类的可控制的开关，例如半导体开关、如双极性晶体管、尤其是具有绝缘栅极电极(IGBT)。更优选地，所述开关装置之一包括场效应晶体管，其中，所配属的采样装置设置用于当所述场效应晶体管的栅极连接端与源极连接端之间的电压处于预先确定的阈值以下时确定闭合的开关状态。
所述确定可以借助比较器简单地并且准确地实施。相比于例如借助电流测量来确定流过开关装置的电流，该做法可以更简单地并且更成本有利地实施。比较器可以通过半导体技术与半桥或控制装置集成或者与两者集成，由此可以降低制造成本。
在第一变型方案中，比较装置可以是模拟地构建的。为此，比较装置可以包括积分比较器，所述积分比较器设置用于基于所确定的信号提供一个电压，所述电压与预先确定的电势的偏差是用于所述接通时间的差的度量。为此，所述信号具有不同的正负号地在时间上积分。如果所述信号具有相等的长度，即开关装置的接通时间相等，则在第一信号之前所提供的电压是与在第二信号之后的值相等的值。换言之，那么积分比较器的输出端上的电压在时间上平均不发生变化。
在第二变型方案中，比较装置是数字地构建的。比较装置包括数字计数器，所述数字计数器设置用于在所述第一信号期间向上计数保持不变的节拍信号并且在所述第二信号期间向下计数保持不变的节拍信号，或者反之亦然，其中，计数器读数与预先确定的读数的偏差是用于所述接通时间的差的度量。在此，当开关装置的接通时间相等时，计数器读数在时间上也不发生变化。因为在半桥上还保证了不同时控制两个开关装置，所以可以排除了同时施加第一信号和第二信号的冲突。
在一种实施方式中，周期性地控制所述开关装置，其中，每一个周期包括第一和第二开关装置的控制。可以在多个周期上进行所述信号的借助两个所述变型方案之一的比较。由此也可以准确地检测接通时间之间的最小差。
接通时间沿一个方向或者另一个方向的偶发差可以通过多个周期的观察来平均消除。
更优选地，开关装置由半桥或者由半桥的桥支路所包括。这样的电路例如应用在用于运行电动机、尤其无刷式电动机的集成控制设备中。在一种特别优选的实施方式中，控制装置设置用于如此控制开关装置，使得所述接通时间之间的差最小化。
控制装置也可以设置用于使死区时间(Totzeit)最小化，在所述死区时间期间所述第一开关装置和所述第二开关装置都不受控制。尤其，在输出端连接电感式负载的应用中、例如电动机的应用中，当所述负载的电感式部分强制要求连续的、在开关装置之一的二极管功能中导出(abgeleitet)的通过电流时，可能在一个开关装置的关断与另一个开关装置的接通之间的时间中存在高的损耗功率。如果使用场效应晶体管、尤其MOSFET作为控制装置，则当晶体管阻塞时，与导通方向相反的电流也可以流过。如果动态地匹配开关装置的控制，以便使死区时间最小化，则接通时间之间的不对称性可能存在或者通过所述匹配而增大。通过考虑接通时间差，可以实施死区时间的最小化，而不必冒着负载中的电流的所述偏移的风险。
附图说明
现在参考附图详细描述本发明，其中：
图1示出用于用电器的控制设备的电路图；
图2以第一实施方式示出用于图1的控制设备的比较装置；
图3以第二实施方式示出用于图1的控制设备的比较装置；
图4示出图1的控制设备上的流程。
具体实施方式
图1示出用于用电器105的控制设备100的电路图。用电器105包括第一连接端110和第二连接端115，电流可以在所述第一连接端和所述第二连接端之间流动。控制设备100包括控制装置125、第一开关装置130、第二开关装置135、第一采样装置140、第二采样装置145和比较装置150。
开关装置130和135共同构成半桥155。第一开关装置130设置用于控制从第一电势160至输出端120的通过电流，并且第二开关装置135设置用于控制从输出端120至第二电势165的通过电流。在所示出的实施方式中，用电器105的第一连接端110与输出端120连接。用电器105的第二连接端115可以与预先确定的电势连接或者例如可以与另一半桥155连接，所述预先确定的电势优选处于电势160和165之间，所述另一半桥与半桥155对应地构建并且尤其被反并联地控制，以便允许用电器105在一个方向或者另一个方向上被电流流经。
在所示实施方式中，开关装置130和135实施为MOSFET，其中，也可以使用其他可控制的晶体管或者开关。尤其，开关装置130和135两者都实施为N通道开关，其中，第一开关装置130构建成漏极电路(Drain-Schaltung)，并且第二电路135构建成源极电路(Source-Schaltung)。出于成本原因，该情形可以是有利的，然而，即使在开关装置130和135在其他方面相同的情况下，也可以允许开关装置130和135的不同开关行为、尤其不同的延迟时间。控制装置125与开关装置130和135连接用于控制。
采样装置140和145分别包括一个比较器170和一个电压源175。当第一开关装置130的栅极连接端与源极连接端之间的电压下降到所配属的电压源175的电压以下时，第一采样装置140发出正的第一信号。当第二开关装置135的漏极连接端与栅极连接端之间的电压下降到所配属的电压源175的电压以下时，第二采样装置145发出正的第二信号。在所示出的实施方式中，当分别对应的开关装置130、135处于闭合的开关状态中时，两个信号是正的。然而，也可以改变这些极性，从而当开关装置130、135分别处于导通状态中时，产生负的信号。
采样装置140和145的信号被提供给比较装置150，比较装置设置用于基于第一信号与第二信号的长度差来确定开关装置130和135的不同长度的接通时间。所述确定的结果优选被提供给控制装置125。控制装置125可以设置用于匹配被提供用于开关装置130和135的控制信号，以便尽可能地使所确定的差最小化。
此外，控制装置125可以设置用于使死区时间(Totzeit)最小化，在所述死区时间期间，第一开关装置130和第二开关装置135都不处于闭合的开关状态中。所述最小化尤其可以应用在开关装置130和135的周期性控制中，例如脉冲宽度调制(PWM)的范畴中得以应用。
图2以数字的第一实施方式示出用于图1的控制设备100的比较装置150。所示出的比较装置150包括数字计数器205，所述数字计数器设置用于向上或者向下计数节拍发生器210的优选均匀有规律的节拍信号。如果在第一控制输入端215处施加相应的信号，则上升地计数节拍发生器210的节拍信号，如果在第二控制输入端220处施加信号，则下降地计数节拍信号。计数方向也可以交换。控制输入端215和220与采样装置140或者145的输出端连接，以便接收其所提供的第一和第二信号。因为所提供的信号对应于开关装置130或者135的接通时间并且不允许两个开关装置130、135都处于闭合的开关状态中以阻止第一电势160与第二电势165之间的短接，所以控制输入端215和220处的两个信号也不是同时激活的。因此，对于计数器205不产生必须同时向上和向下计数的冲突。
计数器205在输出端225处提供其计数器读数。输出端225更优选与图1中的控制设备100的控制装置125连接。在一种简单的实施方式中，输出端225仅仅信令化：计数器205的计数器读数是否具有预先确定的值。在一种改善方案中也可以信令化：计数器读数是否处于围绕预先确定的值的预先确定的范围中。预先确定的读数器读数例如可以借助复位输入端230处的信号置位并且尤其可以是零。复位输入端230尤其可以通过控制装置125控制或者可以由开关装置130、135的控制信号之一推导出复位信号，以便分别仅确定一个周期中的开关时间。如果在计数器读数被置位之后例如分别以预先确定的持续时间首先控制第一开关装置130并且随后控制第二开关装置135，则数字计数器205首先向上计数步数(AnzahlSchritte)并且然后向下计数步数。如果将两个开关装置130、135相同长时间地闭合，则计数器205的当前计数器读数又相应于一开始所置位的计数器读数。否则，开关装置130、135的接通持续时间不等长。
在一种优选的实施方式中，在输出端225处提供所述确定的结果作为绝对的计数器读数，从而可以从控制装置125侧确定与预先确定的读数器读数的偏差。开关装置130、135通常被交替地并且周期性地控制，其中，可以在一个或者多个周期之后将计数器205复位到预先确定的读数器读数。
图3以模拟的第二实施方式示出用于图1的控制设备100的比较装置150，所述第二实施方式可以替代图2中所示的实施方式而应用到控制设备100中。控制输入端215和220以及输出端225由在图2中所示的实施方式承担，省去复位输入端230。所示出的比较装置150构建为围绕放大器305的积分比较器。受一定数量的电阻310控制地，在第一电容器315中根据第一控制输入端215处的第一信号在时间上对电压积分。类似地，在第二电容器320中，在时间上对第二控制输入端220处的第二信号进行积分。在此，第一信号的积分正向地进行，第二信号的积分负向地进行，其中，也可以使用信号与正负号的相反配属。在比较装置150的输出端225处提供一个电压，所述电压与预先确定的值的偏差表示开关装置130和135的接通时间的差。预先确定的值在此相应于在图2中所示的实施方式的计数器205的预先确定的读数器读数。
图4示出图1的控制设备100上的流程。在水平方向上绘出时间，在竖直方向上绘出值或者信号。第一信号405通过图1中的第一采样装置140提供并且分别施加在图2和图3的不同实施方式之一中的比较装置150的第一控制输入端215处。第二信号410以对应的方式由第二采样装置145提供并且分别施加在比较装置150的第二控制输入端220处。在图2的比较装置150的数字变型方案中，比较信号415代表数字计数器205的计数器读数并且在图3的模拟变型方案中代表放大器305的输出端225处的电压。
在时刻t0，两个信号405和410是未激活的，对应的开关装置130或者135因此是未闭合的，并且比较信号415采用预先确定的读数420。该读数尤其可以定义为零点。
在时刻t1控制第一开关装置130并且比较信号415在时间上线性增加。在时刻t2，又去活第一信号405。死区时间进行至时刻t3，在死区时间期间信号405或者410中没有一个是激活的。在此时间期间，比较信号415保持在其在时刻t2所采用的值上。
在时刻t3激活第二信号410之后，比较信号415以与其先前在时刻t1和t2之间增加的速度相等的速度下降。在时刻t4，比较信号415在这里所示出的例子中达到读数420。然而，第二信号410还更久地、更确切地说直至时刻t5保持激活并且那时才去活，随后比较信号415又保持在其当前值上。比较信号415在时刻t5之后的值小于读数420，这意味着，第二信号410比第一信号405久。在相反的情况下，当第一信号405比第二信号410久时，比较信号415在时刻t5——当两个信号405、410又被去活时——之后的值处于读数420之上。在两种情况下，比较信号415与读数420之间的间距的量值分别提供了用于信号405与410的持续时间的偏差大小的度量。

Claims (10)

1.一种用于用电器(105)的控制设备(100)，其中，所述控制设备(100)包括以下元件：
第一开关装置(130)，其用于将用于所述用电器(105)的输出端(120)与第一电势(160)连接；
第二开关装置(135)，其用于将所述输出端(120)与第二电势(165)连接；
控制装置(125)，其用于控制所述开关装置(130，135)；
第一采样装置(140)，其用于根据所述第一开关装置(130)的开关状态提供第一信号；
第二采样装置(145)，其用于根据所述第二开关装置(135)的开关状态提供第二信号；
比较装置(150)，其用于基于所述第一信号和所述第二信号的长度差来确定所述开关装置(130，135)的接通时间的差。
2.根据权利要求1所述的控制设备(100)，其中，所述开关装置(130，135)之一包括场效应晶体管，并且所配属的采样装置(140，145)设置用于当所述场效应晶体管的栅极连接端与源极连接端之间的电压处于预先确定的阈值以下时确定闭合的开关状态。
3.根据权利要求1或2所述的控制设备(100)，其中，所述比较装置(150)包括积分比较器(305)，所述积分比较器设置用于基于所确定的信号(405，410)提供一个电压，所述电压与预先确定的电势(420)的偏差是用于所述接通时间的差的度量。
4.根据权利要求1或2所述的控制设备(100)，其中，所述比较装置(150)包括数字计数器(205)，所述数字计数器设置用于在所述第一信号(405)期间向上计数保持不变的节拍信号并且在所述第二信号(410)期间向下计数保持不变的节拍信号，其中，计数器读数与预先确定的读数(420)的偏差是用于所述接通时间的差的度量。
5.根据权利要求1或2所述的控制设备(100)，其中，所述控制装置(125)设置用于在脉冲宽度调制的范畴内周期性地控制所述开关装置(130，135)。
6.根据权利要求3所述的控制设备(100)，其中，所述确定包括所述开关装置(130，135)的多个周期性控制。
7.根据权利要求1或2所述的控制设备(100)，其中，一半桥(155)包括所述开关装置(130，135)。
8.根据权利要求1或2所述的控制设备(100)，其中，一半桥的桥支路(155)包括所述开关装置(130，135)。
9.根据权利要求1或2所述的控制设备(100)，其中，所述控制装置(125)设置用于如此控制所述开关装置(130，135)，使得所述接通时间之间的差最小化。
10.根据权利要求1或2所述的控制设备(100)，其中，所述控制装置(125)设置用于使死区时间最小化，在所述死区时间期间所述第一开关装置(130)和所述第二开关装置(135)都不被控制。
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