CN107165734A - 用于脉冲式地操控感应负载的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于脉冲式地操控感应负载的方法，其中第一高边开关被连接在所述感应负载的第一接头与第一电位接头之间，其中第二高边开关被连接在所述感应负载的第二接头与第一电位接头之间，其中第一低边开关被连接在所述感应负载的第一接头与第二电位接头之间，其中第二低边开关被连接在所述感应负载的第二接头与第二电位接头之间，其中在操控阶段期间所述第一高边开关和所述第二低边开关闭合，其中在第一空载阶段期间所述第一低边开关和所述第二低边开关闭合，其中在第二空载阶段期间所述第一高边开关和所述第二高边开关闭合，并且其中重复地实施：所述操控阶段、随后所述第一空载阶段、随后再度所述操控阶段并且随后所述第二空载阶段。

Description

用于脉冲式地操控感应负载的方法
技术领域
本发明涉及一种用于脉冲式地操控感应负载的方法以及用于实施所述方法的计算单元和计算机程序。
背景技术
桥接电路能够例如在机动车中用于操控电磁的执行器、像例如喷入式喷射器或者阀。为此目的，桥接电路能够具有感应负载，所述感应负载能够通过多个开关来操控。这些开关的第一部分能够被连接在所述感应负载与高电位之间并且形成所谓的高边支路，而所述开关的另一部分则在所述感应负载与低电位之间形成低边支路。
例如，在喷入式喷射器中能够通过操控所述感应负载来使磁衔铁从其静止位置运动出来并且释放用于燃料流的路径。通过脉冲式地操控所述感应负载、也就是通过时钟控制地快速地接通和切断所述桥接电路的各个开关，能够将所述磁衔铁保持在所期望的位置中，以便将所述燃料流量调节到所期望的数值。
发明内容
根据本发明提出了：具有独立专利权利要求的特征的、用于脉冲式地操控感应负载的方法以及用于实施所述方法的计算单元和计算机程序。有利的设计方案是从属权利要求和以下说明书的主题。
所述感应负载能够通过被连接在第一与第二电位接头之间的桥接电路或者说H桥接电路来操控。第一高边开关被连接在所述感应负载的第一接头与所述第一电位接头之间，第二高边开关被连接在所述感应负载的第二接头与所述第一电位接头之间。所述第一高边开关和第二高边开关尤其相应地形成所谓的高边支路。低边支路相应地由第一低边开关和第二低边开关构成。所述第一低边开关被连接在所述感应负载的第一接头与所述第二电位接头之间，所述第二低边开关被连接在所述负载的第二接头与所述第二电位接头之间。
所述第一电位接头以有利的方式与相对较高的电位电连接、例如与供给电压电连接，所述第二电位接头以有利的方式与相对较低的电位、尤其与地线电连接。
作为相应的高边开关或者说低边开关，能够分别使用单个开关元件或者也能够分别使用多个开关元件、必要时不同结构类型的开关元件。作为高边开关和低边开关，例如能够使用晶体管、尤其MOSFET晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管）或者IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管）。
在操控阶段期间，所述第一高边开关和所述第二低边开关闭合。在这种情况下，电流能够在所述电位接头之间穿过所述感应负载流动。在第一空载阶段期间，所述第一低边开关和所述第二低边开关闭合。在这种情况下，电流穿过所述感应负载和所述低边支路的开关流动。在第二空载阶段中，电流穿过所述感应负载并且穿过所述高边支路的开关流动。在该第二空载阶段期间，所述第一高边开关和所述第二高边开关闭合。在此，其余未提到的开关在各个阶段（操控阶段和空载阶段）中相应地断开。
在所述方法的范围内，操控阶段和空载阶段相互交替，以用于脉冲式地操控所述感应负载。重复地实施：所述操控阶段、随后所述第一空载阶段、随后再度所述操控阶段并且随后所述第二空载阶段。
在桥接电路的传统的操控过程中，要么仅所述第一空载阶段要么仅所述第二空载阶段与所述操控阶段交替地实施。由此在传统的操控中，为了相应的所实施的空载阶段而操纵的开关承受高负荷。而其余开关则几乎不承受负荷，这导致所述桥接电路的不均匀的负荷。能量损耗或者说开关损耗由此在所述桥接电路中不对称地分布。因此，经常将不同的类型和/或功率等级的开关用于所述高边支路和低边支路，或者各个开关能够以不同的方式布置。根据使用何种空载阶段，针对相应的支路使用必要时更有负荷能力的开关，所述开关具有更低的开关损耗。
通过在所述方法的范围内重复地、交替地实施所述操控阶段和所述第一及第二空载阶段，能够防止所述桥接电路的这种不均匀的负荷。负荷或者说开关损耗能够均匀地被分配到所述桥接电路的各个开关上。因为不是只有所述开关的一部分被使用并且处于持续负荷之下，所以尤其能够延长所有开关的使用寿命，并且能够降低各个开关的失效或者说故障的危险。也能够更简单地补偿开关的失效或者说故障，因为在这种情况下能够以传统的运行方式以所述空载阶段中的仅一个空载阶段进行交替。因为通过交替第一空载阶段和第二空载阶段对于这两个单个空载阶段来说能够降低开关频率，所以尤其能够改善所述桥接电路的电磁兼容性（EMV）。
尤其能够实现所述各个开关的所产生的热量的均匀分布。由此不会出现为所述桥接电路而设置的冷却体的不均匀的负荷或者说所述冷却体中的局部过热。由所述开关所产生的废热能够有效地被排出。
有利的是，作为第一高边开关和第二高边开关并且作为第一低边开关和第二低边开关分别使用结构相同的元件。通过将负荷均匀地分布到所有开关上，这些开关能够设计成结构相同。没有必要使用不同的开关来补偿不均匀的负荷。此外，也能够针对所有的开关使用结构相同的操控电路或者说驱动开关电路。由此实现了所述桥接电路的灵活的并且不复杂的结构。
有利的是，分别将半导体开关元件如晶体管、优选MOSFET或者IGBT用作第一高边开关和第二高边开关并且用作第一低边开关和第二低边开关。尤其将结构相同的半导体开关元件用于所述各个开关，这实现了简单的结构以及对所述感应负载的有效的操控。
优选通过脉冲式地操控所述感应负载来实施脉宽调制。有利的是，相应的高边开关或者说低边开关分别借助于脉宽调制（PWM）来控制。由此尤其能够有针对性地调设穿过所述感应负载的电流。
根据一种有利的实施方式，通过脉冲式地操控所述感应负载来操控机动车中的元件。所述感应负载尤其能够作为线圈布置在相应的元件中或者说是该元件的一部分。在这种情况下，所述第一电位接头例如能够与机动车车载电网的供给电压或者说与机动车电池电连接，并且所述第二电位接头能够与地线电连接。
对相应的执行器的操控能够通过所述方法以特别简单并且有效的方式来实施。用于机动车领域的桥接电路由此能够设计得特别简单，所述各个开关的负荷以及用于断开/闭合所述开关的相应的操控电路或者说驱动开关电路的负荷能够保持得较低。相应的执行器的失效或者说故障的危险——这可能导致整个机动车的安全风险——能够降低，由此也避免了麻烦并且昂贵的维修。
优选借助于所述感应负载来操控能够电磁操纵的执行器。通过脉冲式的操控尤其将受所述执行器影响的物理参量调节到所期望的额定值。尤其在脉宽调制的过程中通过脉冲式的操控能够以有利的方式无级地操控所述执行器并且能够连续地改变相应的受所述执行器影响的物理参量。
有利的是，通过脉冲式地操控所述感应负载来操控喷射器或者说磁性喷射器、尤其燃料喷入式喷射器。通过操控所述感应负载来尤其使磁衔铁从其静止位置运动出来，由此释放燃料流。通过所述脉冲式的操控能够将所述磁衔铁保持在所期望的位置中，由此能够调节燃料流量或者说所喷入的燃料量。
优选能够借助于所述负载来操控阀例如内燃机的阀、例如废气再循环阀。通过操控所述感应负载能够使所述阀尤其从其关闭位置打开。通过所述脉冲式的操控尤其能够将所述阀与喷射器相类似地保持在所期望的打开位置中。
优选借助于所述感应负载来操控活门、例如用于调节内燃机的吸入空气量的节气门。这种活门的打开位置也能够通过所述脉冲式的操控尤其保持在所期望的数值上。
根据本发明的计算单元、例如机动车的控制器尤其在程序技术方面被设立用于：实施根据本发明的方法。
还有利的是，以计算机程序的形式来实现所述方法，因为这造成特别低的成本，尤其当执行的控制器还用于其他任务并且因此本来就存在时。用于提供所述计算机程序的合适的数据载体尤其是磁性的、光学的和电子的存储器像例如硬盘、闪存、EEPROM、DVD等。通过计算机网络（互联网、内联网等）下载程序也是可行的。
本发明的其他优点和设计方案由说明书和附图得出。
附图说明
本发明借助实施例在附图中示意性地示出并且在下文中参照附图来描述。
图1示意性地示出了具有感应负载的桥接电路，所述感应负载能够在根据本发明的方法的一种优选的实施方式的过程中被操控；
图2示意性地示出了具有感应负载的桥接电路在不同的阶段期间的情况，所述不同的阶段能够在根据本发明的方法的一种优选的实施方式的过程中被实施；
图3示意性地示出了开关图，所述开关图描述了根据现有技术对桥接电路的传统的操控；
图4示意性地示出了开关图，所述开关图描述了根据现有技术对桥接电路的传统的操控；并且
图5示意性地示出了开关图，所述开关图描述了按照根据本发明的方法的一种优选的实施方式对桥接电路的脉冲式的操控。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了具有感应负载110的桥接电路100。
所述桥接电路100例如布置在机动车中。所述感应负载110尤其是线圈、例如用于喷入燃料的喷射器的部分。所述桥接电路100被连接在第一电位接头101与第二电位接头102之间。所述第一电位接头101例如与机动车车载电网中的机动车电池103电连接，所述第二电位接头102与地线104电连接。所述感应负载110具有第一接头111和第二接头112并且被连接到所述桥接电路的电桥支路中。
高边支路120相应地由第一高边开关121和第二高边开关122构成。所述第一高边开关121被连接在所述感应负载110的第一接头111与所述第一电位接头101之间，所述第二高边开关122被连接在所述第二接头112与所述第一电位接头101之间。
第一低边开关131和第二低边开关132相应地形成低边支路130。所述第一低边开关131被连接在所述感应负载110的第一接头111与所述第二电位接头102之间，所述第二低边开关132被连接在所述第二接头112与所述第二电位接头102之间。
每个高边开关和低边开关121、122、131、133在此例如分别构造为MOSFET晶体管。所有MOSFET晶体管121、122、131、133在该示例中都构造成结构相同。
优选在脉宽调制的过程中通过脉冲式地操控各个高边开关和低边开关能够有针对性地调设穿过所述感应负载的电流。由此能够将所述喷射器的磁衔铁保持在所期望的位置中并且能够调节所喷入的燃料量。
为此目的设置了控制器140，所述控制器操控并且相应地断开或者闭合所述各个高边开关和低边开关。所述控制器140尤其在程序技术方面被设立用于：实施根据本发明的方法的优选的实施方式。
所述控制器140在此以下述方式操控各个MOSFET晶体管121、122、131、133：使得重复地实施：操控阶段、随后第一空载阶段、随后再度所述操控阶段并且随后第二空载阶段。
这种脉冲式的操控在下文中借助图2来阐述，在图2中示出了所述桥接电路100在操控的不同阶段中的情况。
在图2a中示出了所述桥接电路100在所述操控阶段中的情况。在所述操控阶段期间，所述第一高边开关121和所述第二低边开关132闭合并且被有效地操控。其余开关（也就是所述第二高边开关122和所述第一低边开关131）断开。在这种情况下，电流从所述第一极接头101经过所述晶体管121穿过所述感应负载110并且穿过所述晶体管132流动。通过电流在图2a到2f中分别通过用粗体绘示的线示出。
随后实施第一空载阶段，所述第一空载阶段在图2b和2c中示出。在此，首先断开并且不再有效地操控所述第一高边开关121。所述第二低边开关132继续闭合。
如在图2b中所示出的那样，首先所述感应负载110维持所述通过电流。在此，电流穿过所述感应负载110、所述第二低边开关132并且穿过（还没有闭合的）MOSFET晶体管131的空载二极管流动。所述第一空载阶段的这部分被称为死区时间（英语：“break beforemake”，先开后合）并且尤其用于防止短路。
如在图2c中示出的那样，随后闭合所述MOSFET晶体管131，以便通过所述低边支路130继续维持在图2b中所示出的通过电流。所述第一空载阶段的这部分被称为有效的空载阶段。
随后又结束对所述第一低边开关131的有效的操控。又如在图2b中所示出的那样，首先在另一死区时间的过程中通过所述感应负载110来维持所述通过电流，电流又穿过所述晶体管131的空载二极管流动。随后再度闭合所述第一高边开关121。所述第一空载阶段由此结束并且再度实施所述操控阶段，如在与图2a相类似的图2d中再度所示出的操控阶段那样。
在该再度的操控阶段之后，断开所述第二低边开关132并且实施所述第二空载阶段，在所述第二空载阶段中这两个高边开关121和122闭合。
所述第二空载阶段在图2e和2f中示出。如在图2e中所示出的那样，首先所述感应负载110维持所述通过电流。在此，电流在所述死区时间（Totzeit）的过程中穿过所述第一高边开关121、穿过所述感应负载110以及所述第二高边开关122的空载二极管流动。
如在图2f中所示出的那样，随后在所述有效的空载阶段的过程中闭合所述第二高边开关122，由此通过所述高边支路120继续维持通过电流。
随后又结束对所述MOSFET晶体管122的有效的操控，由此如在图2e中所示出的那样，空载电流再度穿过所述MOSFET晶体管122的空载二极管流动。随后再度闭合所述第二低边开关132，并且再度以根据图2a的操控阶段开始。
这种脉冲式的操控实现了：分别结构相同地构设所有四个高边及低边开关。由此能够简单地、灵活地并且不复杂地来设计所述桥接电路100。此外，在所述控制器140中也能够针对所有四个开关使用结构相同的操控电路或者说驱动开关电路。
根据传统的方式，仅在这两个上文所描述的空载阶段中的一个空载阶段的过程中操控桥接电路，所述桥接电路与在图1中所示出的桥接电路相类似。用于这种传统的根据现有技术的操控的示例在图3和4中示出。
在此，在图3中示意性地示出了开关图，所述开关图描述了对图1中的桥接电路100的传统的非根据本发明的操控。在这种操控的过程中重复地实施操控阶段和低边空载阶段。
曲线321表征了所述第一高边开关121的开关位置，曲线331表征了所述第一低边开关131的开关位置。曲线322描述了所述第二高边开关122，并且曲线332描绘了所述第二低边开关132。相应的曲线321、322、331和332的数值“1”在此意味着：相应的开关闭合（“接通”），数值“0”意味着：相应的开关断开（“切断”）。
在时刻t31实施所述操控阶段，在所述操控阶段中所述第一高边开关121和所述第二低边开关132闭合。所述第二高边开关122和所述第一低边开关131在此断开。
随后在时刻t32实施所述第一空载阶段，在所述第一空载阶段中所述开关131和132闭合。在时刻t33再度实施所述操控阶段，在时刻t34再度实施所述第一空载阶段，在时刻t35又实施所述操控阶段，并且在时刻t36又实施所述第一空载阶段。
如由图3可以看出的那样，所述第二低边开关132在此始终闭合并且持久有效地被操控（见曲线332），与之相反，所述第二高边开关122始终断开（见曲线322）。
类似的情况适用于对所述桥接电路100的传统的非根据本发明的下述操控，在该操控的过程中仅重复地实施操控阶段和高边空载阶段。这种非根据本发明的操控的开关图在图4中示意性地示出。
曲线421在此表征了所述第一高边开关121的开关位置，曲线431表征了所述第一低边开关131，曲线422表征了所述第二高边开关122，并且曲线432表征了所述第二低边开关132。
在时刻t41、t43和t45实施所述操控阶段，在所述操控阶段中所述第一高边开关121和所述第二低边开关132闭合。在时刻t42、t44和t46实施所述第二空载阶段，在所述第二空载阶段中所述开关121和122闭合。
如在图4中可以看出的那样，在这种操控中所述第一高边开关121始终闭合（见曲线421），与之相反，所述第一低边开关131始终断开（见曲线431）。
与这些非根据本发明的操控不同，在图5中示意性地示出了在所述方法的范围内对所述桥接电路的脉冲式的操控的开关图，如参照图2所阐述的操控那样。
曲线521描述了所述第一高边开关121，曲线531描述了所述第一低边开关131，曲线522描述了所述第二高边开关122，并且曲线532描述了所述第二低边开关132。
在此，如在图2a中所示出的那样，在时刻t51实施所述操控阶段。如在图2c中所示出的那样，随后在时刻t52实施所述第一空载阶段。在时刻t53再度实施所述操控阶段。如在图2f中所示出的那样，随后在时刻t54实施所述第二空载阶段。在时刻t55再度实施所述操控阶段。紧接着的再度是所述第一空载阶段（时刻t56）、所述操控阶段（时刻t57）和所述第二空载阶段（时刻t58）。
如在图5中可以看出的那样，所述各个MOSFET晶体管121、122、131和132通过对所述桥接电路100的脉冲式的操控均匀地承受负荷。所述开关121、122、131和132中的每个开关都在所述阶段的一些阶段中被操控并且在其他阶段中重又保持断开。由此能够防止：各个开关持久地被操控并且持久地承受负荷，这会对所述开关的使用寿命产生负面影响并且会导致潜在的失效。此外，废热由此在所述桥接电路100中均匀地产生并且能够有效地被排出。

Claims (12)

1.用于脉冲式地操控感应负载（110）的方法，
其中第一高边开关（121）被连接在所述感应负载（110）的第一接头（111）与第一电位接头（101）之间，
其中第二高边开关（122）被连接在所述感应负载（110）的第二接头（112）与所述第一电位接头（101）之间，
其中第一低边开关（131）被连接在所述感应负载（110）的所述第一接头（111）与第二电位接头（102）之间，
其中第二低边开关（132）被连接在所述感应负载（110）的所述第二接头（112）与所述第二电位接头（102）之间，
其中在操控阶段期间，所述第一高边开关（121）和所述第二低边开关（132）闭合，
其中在第一空载阶段期间，所述第一低边开关（131）和所述第二低边开关（132）闭合，
其中在第二空载阶段期间，所述第一高边开关（121）和所述第二高边开关（122）闭合，并且
其中重复地实施：所述操控阶段、随后所述第一空载阶段、随后再度所述操控阶段并且随后所述第二空载阶段。
2.按权利要求1所述的方法，其中作为第一及第二高边开关（121、122）并且作为第一及第二低边开关（131、132）分别使用结构相同的元件。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中作为第一及第二高边开关（121、122）并且作为第一及第二低边开关（131、132）分别使用至少一个晶体管。
4.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过脉冲式地操控所述感应负载（110）来实施脉宽调制。
5.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过脉冲式地操控所述感应负载（110）来操控机动车中的元件。
6.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过脉冲式地操控所述感应负载（110）来操控能够电磁操纵的执行器。
7.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过脉冲式地操控所述感应负载（110）来操控喷射器。
8.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过脉冲式地操控所述感应负载（110）来操控阀。
9.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过脉冲式地操控所述感应负载（110）来操控活门。
10.计算单元（140），所述计算单元被设立用于：实施按前述权利要求中任一项所述的方法。
11.计算机程序，当所述计算机程序在计算单元（140）上执行时，所述计算机程序促使所述计算单元（140）实施按权利要求1到9中任一项所述的方法。
12.机器可读的存储介质，所述机器可读的存储介质具有存储在其上的按权利要求11所述的计算机程序。
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