CN111480296A - 控制可电操作的马达的半导体桥的方法、控制装置和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制可电操作的马达(7)的半导体桥(4)的方法，该半导体桥(4)由第一可控半导体开关(5)和单独的第二可控半导体开关(6)根据脉宽调制信号(18)进行控制、以用于对该可电操作的马达(7)供应电能(VS)，根据该脉宽调制信号(18)，通过斜坡发生器(10)产生具有预定的斜坡斜率(22)的斜坡信号(20)、以用于控制该两个可控半导体开关(5，6)中的一个。本发明还涉及一种控制装置(2)和一种设备(1)。

Description

控制可电操作的马达的半导体桥的方法、控制装置和设备
本发明涉及一种用于控制可电操作的马达的半导体桥的方法，该半导体桥由第一可控半导体开关和单独的第二可控半导体开关根据脉宽调制信号来控制、以用于向可电操作的马达供应电能。特别地，马达可以是用于机动车辆的可电操作的马达，该马达例如用作车窗升降器机构或用于门释放或座椅调节机构中的调节马达。本发明还涉及一种控制装置和一种设备。
例如，在机动车辆中使用的DC马达通常由继电器或半导体控制。如果需要对可电操作的马达进行可变控制，则可以通过脉宽调制来控制半导体，这些半导体例如可以是MOSFET或IGBT。在这种情况下，开关被定期地接通或断开以达到所需的功率。在这种情况下，开关过程尤其取决于半导体和设备的参数，其结果是，必须考虑开关时间或开关斜率的公差，特别是如果控制电流保持为低以实现开关速度的高电磁兼容性。这样的结果是，脉宽调制控制的采样度明显变化，特别是用于开关的短路检测和保护装置只能对短路作出较迟的反应。这意味着开关不能可靠地操作。
EP 1986322 B1还披露了一种用于电负载的脉宽调制激活的输出级。输出级包括用于输入第一脉宽调制信号的第一输入、用于根据第一脉宽调制信号的占空比来激活电负载的功率半导体开关、用于产生与第一脉宽调制信号相比被延迟的第二脉宽调制信号的延迟电路、以及用于输出第二脉宽调制信号的信号输出。延迟电路包括第一检测器电路，该第一检测器电路确定第一脉宽调制信号的周期并产生第二脉宽调制信号，从而与第一脉宽调制信号相比，该第二脉宽调制信号被延迟了由控制信号确定的经确定的周期持续时间的一部分。这种脉冲到脉冲调制的缺点在于，调节装置必须非常复杂，并且在每次启动调节器之后，都需要相应的上升时间，这意味存在着其中开关没有被可靠提供的周期。
本发明的目的是提供一种方法、控制装置和设备，借助该方法、控制装置和设备，半导体桥的开关速度独立于所使用的MOSFET，并且具有改善的电磁兼容性。
此目的通过根据独立专利权利要求的方法、控制装置和设备实现。
本发明的一个方面涉及一种用于控制可电操作的马达的半导体桥的方法，该半导体桥由第一可控半导体开关和单独的第二可控半导体开关根据脉宽调制信号来控制、以用于向该可电操作的马达供应电能。
根据该脉宽调制信号，通过斜坡发生器产生具有可预定的斜坡斜率的斜坡信号、以用于控制该两个可控半导体开关中的一个。
结果，可以独立于MOSFET的参数值的类型来激活MOSFET的栅极，从而可以独立于所使用的MOSFET来控制半导体桥的开关速度。此外，由于可预定地控制的斜坡斜率，因此可以通过改善的电磁兼容性来进行半导体桥的开关。此外，通过该方法，特别是在操作条件下，可以缩短并稳定栅极运行时间。通过缩短且稳定的栅极延迟还可以实现脉宽调制信号的改善的占空比。这也允许对相应半导体开关是否已经开关进行改善的监测。此外，可以使用预控制来使半导体桥的开关在无反馈的情况下对电输出处的干扰不敏感。
特别地，可电操作的马达是机动车辆的可电操作的马达。例如，可电操作的马达可以是机动车辆中的调节马达。作为可电操作的马达的示例，可以提及车窗升降器马达或门释放马达或座椅调节马达。特别地，这种调节马达需要可变的控制，从而不同的功率可以被发送至调节马达。因此可以实现电动马达的不同设置。因此，半导体桥特别地控制作为用于可电操作的马达(尤其是用于机动车辆中的调节马达)的供电电压的电能。特别地，可电操作的马达是可以通过直流电操作的可电操作的马达。
在以下的说明中，假设可控半导体开关是闭合开关，从而，如果栅极不被供电，则可控半导体开关是断开的且因此是不导电的。
同样可能的是，可控半导体开关被设计为动合触点，其结果是，下文说明的方法仅基于控制件的相应参数值而改变。
根据有利的实施例，当该第一可控半导体开关断开时，用于预定的断开值的斜坡信号可以表示用于该第一可控半导体开关的断开信号和用于第二可控半导体开关的闭合信号。特别地，可以提供的是，断开值例如为0伏特，从而当斜坡信号达到0伏特时，第一可控半导体开关断开。特别地，仅当第一可控半导体开关断开时，第二可控半导体开关闭合。这可以防止半导体桥中的短路。
也被证明有利的是，斜坡信号由斜坡发生器产生为具有预定的下降时间，使得用于该第二可控半导体开关的闭合信号至少仅在该下降时间之后产生。特别地，斜坡信号的电压在可预定的下降时间内线性下降。当斜坡信号的电压下降时，可电操作的马达的供电电压也以类似斜坡的方式自动下降。特别地，可以通过用于第一可控半导体开关的斜坡信号的预定的下降时间来确定第二可控半导体开关闭合的确切时间点。因此，可以实现对半导体桥的改进和更可靠的控制。
同样有利的是，用于该第二可控半导体开关的闭合信号仅在该下降时间之后和预定的淡出时间之后产生。由此可以产生时间缓冲器，从而可以确保，当第二可控半导体开关闭合时，第一可控半导体开关断开。因此可以可靠地防止供电电压的短路。
还有利的是：当存在该脉宽调制信号的预定的断开值时，产生用于该第二可控半导体开关的断开信号；当该第二可控半导体开关断开时，产生用于该第一可控半导体开关的闭合信号。如果例如脉宽调制信号跳到逻辑1，则这例如可以表示第二可控半导体开关的断开信号。仅当第二可控半导体开关完全断开时，第一可控半导体开关才闭合，从而可以可靠地防止供电电压短路。
根据另一有利的实施例，当该第二可控半导体开关断开时，用于该第一可控半导体开关的斜坡信号可以产生为具有预定的上升时间。换言之，当第二可控半导体开关完全断开时，斜坡信号被施加到第一可控半导体开关，使得供电电压同样以类似斜坡的方式升高。结果，即使当第一可控半导体开关闭合时，也可以独立于所使用的半导体开关的类型可靠地执行开关过程。特别地，这可以提高半导体桥的开关速度。此外，当第一可控半导体开关闭合时，也可以提高电磁兼容性。这可以允许实现对用于向可电操作的马达供电的半导体桥的可靠控制。
通过电压跟随器放大斜坡信号也是有利的。电压跟随器特别是电压增益为一的放大器，在这种情况下，特别是仅电流被放大。由于即使在负载下也可以提供足够的电流来控制半导体开关，因而可以实现半导体桥的改善的操作。
也已经被证明有利的是，通过输入装置预定斜坡信号的特别是线性的下降时间和/或上升时间、和/或淡出时间。例如，人可以经由输入装置手动地设置斜坡信号的下降时间和/或上升时间、和/或淡出时间。这使得可以对特殊条件进行单独响应。此外，还可以由微控制器预定下降时间和/或上升时间、和/或淡出时间。因此，该方法可以用于大量不同的可电操作的马达或半导体桥。
也已经被证明有利的是，监测用于该第一可控半导体开关的斜坡信号的第一开关电压、以及用于该第二可控半导体开关的第二开关电压。结果，可以可靠地检查相应的可控半导体开关处于哪个功能状态或操作状态。结果，由于通过监测连续地知道半导体开关的相应状态，因此可以提高半导体桥的开关速度，从而尽管开关速度快，也可以可靠地防止短路。
同样有利的是，该控制通过微控制器执行，从而至少该脉宽调制信号由该微控制器提供。特别地，同样可以提供的是，除了脉宽调制信号之外，还通过微控制器控制下降时间和/或上升时间、和/或淡出时间。这允许实现对半导体桥的可靠控制。
本发明的另一方面涉及一种控制装置。该控制装置被设计成用于执行如前述方面中的一个方面或其有利的实施例所述的方法。
本发明的又一方面涉及一种设备，该设备具有控制装置、具有带有两个可控半导体开关的半导体桥、具有可电操作的马达、并且具有用于产生脉宽调制信号的微控制器。
根据该设备的有利实施例，该第一可控半导体开关可以作为高侧开关而连接，该第二可控半导体开关作为低侧开关而连接，并且该第一可控半导体开关可以通过该斜坡信号是可控制的。
本发明还包括根据本发明的控制装置和根据本发明的设备的发展，这些发展具有如已经结合根据本发明的方法的发展描述的特征。为此，在此不再描述根据本发明的控制装置和根据本发明的设备的相应发展。
在这方面，控制装置和设备具有允许执行该方法或其有利实施例的物理特征。
下文描述了本发明的示例性实施例。在这方面：
图1示出了根据本发明的设备的实施例的框图；
图2示出了示意性电压特性图；并且
图3示出了另外的示意性电压特性图。
下文说明的示例性实施例是本发明的优选实施例。在示例性实施例中，该实施例的所描述部件各自表示本发明的单独特征，这些单独特征将被彼此独立地考虑，这些单独特征也彼此独立地发展本发明，并且因此也被单独地或以不同于所示组合的组合被认为是本发明的一部分。此外，所描述的实施例还可以由已经描述的本发明的另外特征进行补充。
在附图中，具有相同功能的元件各自提供有相同的附图标记。
图1示意性地示出了设备1的实施例。设备1具有控制装置2和微控制器3。此外，设备1具有半导体桥4，在当前情况下，该半导体桥由第一可控半导体开关5和第二可控半导体开关6形成。此外，在两个可控半导体开关5、6之间连接了可以经由半导体桥4控制的可电操作的马达7。特别地，供电电压VS可以经由半导体桥4控制。特别地，可电操作的马达7是机动车辆的可电操作的马达7。例如，可电操作的马达7可以是例如在车窗升降器或座椅调节装置中使用的调节马达。可电操作的马达7特别是直流马达，从而可电操作的马达7以直流电压形式的电能作为供电电压VS来操作。因为特别是在调节马达的情况下必须调节功率，所以在当前示例性实施例中必须通过半导体桥4根据可电操作的马达7所需的功率来控制供电电压VS。
第一半导体开关5和第二半导体开关6特别地被设计为MOSFET或IGBT。第一可控半导体开关5具有可控第一栅极13，第二可控半导体开关6具有可控第二栅极14。特别地提供的是，可控半导体开关5、6是闭合开关，从而当栅极13、14未被供电时，可控半导体开关5、6断开并且因此不导电。
同样可能的是，可控半导体开关5、6被设计为动合触点，其结果是，下文说明的方法仅基于控制件的相应参数值而改变。
第一半导体开关5特别是作为高侧开关而连接，第二可控半导体开关6在当前情况下特别是作为低侧开关而连接。换言之，第一可控半导体开关5连接在负载(特别是可电操作的马达7)上方，并且因此被连接在供电电压VS和电接地8之间。第二可控半导体开关6特别地被连接在负载(换言之，可电操作的马达7)和电接地8之间。
在当前示例性实施例中，控制装置2具有控制器9，该控制器特别地被设计用于控制半导体桥4。此外，控制装置2具有斜坡发生器10，通过该斜坡发生器可以产生斜坡信号20。斜坡发生器10特别是经由在供电点VR和V0之间的附加斜坡电压被供电。附加斜坡电压可以是例如13伏特。
此外可以提供的是，控制装置2具有用于电流放大的电压跟随器11，通过该电压跟随器可以放大斜坡发生器10的斜坡信号20。
在当前示例性实施例中，控制装置2特别具有第一电输出12，第一电输出12联接至第一可控半导体开关5的栅极13。
控制装置2还具有栅极驱动器15，通过该栅极驱动器可以激活第二可控半导体开关6的栅极14。特别地，可以通过栅极驱动器15而在另一个电输出16处提供控制电压，通过该控制电压可以激活第二可开关半导体开关6。
此外可以提供的是，控制装置2具有输入装置17，该输入装置可以由人手动控制或由微控制器3控制。特别地，可以经由输入装置17预定斜坡信号20的特别是线性的下降时间A1和/或上升时间A2、和/或淡出时间A3。
脉宽调制信号18可以特别地通过微控制器3发送到控制器9。提供的是，半导体桥4根据脉宽调制信号18控制半导体桥4，从而可以通过脉宽调制信号18向可电操作的马达7供应供电电压VS。
控制信号19可以进而根据脉宽调制信号18而从控制器9被发送到斜坡发生器10。特别地，可以通过输入装置17在斜坡发生器10中设置下降时间A1和/或上升时间A2。斜坡发生器10进而产生斜坡信号20，该斜坡信号被发送到电压跟随器11，使得仅对斜坡信号20进行电流放大。也可以通过控制器9经由另外的控制信号19来控制栅极驱动器15。此外可以提供的是，控制器9具有监测装置21，通过该监测装置，可以监测用于第一可控半导体开关5的斜坡信号20的第一开关电压V1、以及用于第二可控半导体开关6的第二开关电压V2。
在根据本发明的用于控制可电操作的马达7的半导体桥4的方法的情况下，半导体桥4设置有第一可控半导体开关5和单独的第二可控半导体开关6，半导体桥4是根据脉宽调制信号18来控制的、以用于向可电操作的马达7供应电能。提供的是，根据脉宽调制信号18，通过斜坡发生器10产生具有预定的斜坡斜率22的斜坡信号20、以用于控制两个可控半导体开关5、6中的一个。在当前示例中，特别地提供的是，通过斜坡信号20来控制第一可控半导体开关5。
图2示意性地示出了随时间的电压特性图。特别地，在图2中，时间t被绘制在x轴A上，电压V以伏特为单位被绘制在y轴O上。图2特别示出了取决于脉宽调制信号18的斜坡信号20的特性。在当前的图2中，示出了具有斜坡斜率22的第一斜坡信号20a、以及具有与第一斜坡信号20a不同的斜坡斜率22的第二斜坡信号20b。
在当前情况下，脉宽调制信号18例如被设计的方式为使得其被设计为在0伏特和5伏特之间的方波信号。例如，5伏特可以被解释为逻辑1，0伏特可以被解释为逻辑0。在当前示例性实施例中，电压数应仅通过举例的方式来看待，决不是决定性的。它们仅用于展示本发明的理念。
在时间t0处，脉宽调制信号18具有5伏特，这可以特别地解释为逻辑1。在当前示例性实施例中，斜坡信号20具有22伏特。在时间t1处，脉宽调制信号18下降到0伏特。然后，斜坡信号20同样“下降”。在时间t2处，第一斜坡信号20a达到0伏特极限，该极限特别可以看作断开值，从而示出了用于第一可开关半导体开关5的断开信号，使得第一可开关半导体开关5断开。在时间t2'处，所示的第二斜坡信号20b达到对应的0伏特标记。在当前示例中，在斜坡信号20a、20b上可以看到0.7伏特的负电压，而这由于二极管电压而在第一可开关半导体开关5中是明显的。在t1和t2之间或在t1和t2'之间的时间跨度对应于下降时间A1。
在时间t3处，脉宽调制信号18再次从逻辑0跳到逻辑1。因为特别是第二可控半导体开关6仅必须在时间t3处(见图3)断开，所以斜坡信号20a、20b对应地仅在时间t4处施加到第一可控半导体开关5。斜坡信号20a、20b因此以斜坡斜率22回到22伏特的电压。在时间t5处，第一斜坡信号20a再次达到22伏特，并且在时间t5'处，第二斜坡信号20b再次达到22伏特。在t4和t5之间或在t4和t5'之间的时间对应于斜坡信号20的上升时间A2。
图3示出了另外的示意性电压特性图。时间t被绘制在x轴A上，电压以伏特为单位被绘制在y轴O上。相对于脉宽调制信号18和相对于斜坡信号20的电压特性与图2中的表示相同。供电电压VS被示出为电压特性23。在脉宽调制信号18在时间t1处从逻辑1下降到逻辑0之后，由于第一可控半导体开关5处的延迟参数，供电电压VS在时间t6处以类似斜坡的方式下降。图3还示出了对应于斜坡信号20a、20b的两个电压特性23a、23b。在当前示例性实施例中，示出了与第一斜坡信号20a相对应的电压特性23a、以及与第二斜坡信号20b相对应的电压特性23b。在时间t7处，供电电压VS达到0伏特，由于二极管电压，电压特性23a或23b进一步下降到0伏特以下。在时间t8处，第二可开关半导体开关6闭合。特别地，第二可控半导体开关6的闭合仅在第一可控半导体开关5在时间t2处闭合时才发生。在t2和t8之间的时间跨度被称为淡出时间A3，其可以被预定为安全措施，从而可以可靠地假设不存在短路。在时间t2'和t8'处同样适用，它们仅指示电压特性23a和23b之间的差异。第二开关电压V2在图3中由电压特性24表示，或者表示为第二开关电压V2的第一电压特性24a、以及第二开关电压V2的第二电压特性24b。
在时间t3处，脉宽调制信号18再次从逻辑0设置为逻辑1。电压特性24在时间t3处下降，从而在预定的断开值(特别是0伏特)时，在电压值在时间t9处在第二可开关半导体开关6上下降之后和在时间t4的反应时间之后，开关电压V1再次在第一可开关半导体开关5的栅极13处斜坡上升，直到其在时间t5或t5'处再次达到全电压。
总体上，该示例示出了如何通过本发明来提供用于控制具有恒定斜坡斜率22并且没有短路的半导体桥4的方法和系统。
标记清单
1 设备
2 控制装置
3 微控制器
4 半导体桥
5 第一可控半导体开关
6 第二可控半导体开关
7 可电操作的马达
8 电接地
9 控制器
10 斜坡发生器
11 电压跟随器
12 第一电输出
13 栅极
14 栅极
15 栅极驱动器
16 第二电输出
17 输入装置
18 脉宽调制信号
19 控制信号
20 斜坡信号
20a 第一斜坡信号
20b 第二斜坡信号
21 监测装置
22 斜坡斜率
23 供电电压特性
23a 供电电压的第一特性
23b 供电电压的第二特性
24 第二开关电压
24a 第二开关电压的第一电压特性
24b 第二开关电压的第二电压特性
V1 第一开关电压
V2 第二开关电压
VS 供电电压
VR 供电点
V0 供电点
A1 下降时间
A2 上升时间
A3 淡出时间

Claims (13)

1.一种用于控制可电操作的马达(7)的半导体桥(4)的方法，该半导体桥(4)由第一可控半导体开关(5)和单独的第二可控半导体开关(6)根据脉宽调制信号(18)来控制，以用于向该可电操作的马达(7)供应电能(VS)，
其特征在于，
根据该脉宽调制信号(18)，通过斜坡发生器(10)产生具有可预定的斜坡斜率(22)的斜坡信号(20)、以用于控制该两个可控半导体开关(5，6)中的一个。
2.如权利要求1所述的方法，
其特征在于，
当该第一可控半导体开关(5)断开时，用于预定的断开值的该斜坡信号(20)表示用于该第一可控半导体开关(5)的断开信号、以及用于该第二可控半导体开关(6)的闭合信号。
3.如权利要求2所述的方法，
其特征在于，
该斜坡信号(20)由该斜坡发生器(10)产生为具有预定的下降时间(A1)，使得用于该第二可控半导体开关(6)的该闭合信号至少仅在该下降时间(A1)之后产生。
4.如权利要求3所述的方法，
其特征在于，
用于该第二可控半导体开关(6)的该闭合信号仅在该下降时间(A1)之后和预定的淡出时间(A3)之后产生。
5.如前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
当存在该脉宽调制信号(18)的预定的断开值时，产生用于该第二可控半导体开关(6)的断开信号；当该第二可控半导体开关(6)断开时，产生用于该第一可控半导体开关(5)的闭合信号。
6.如权利要求5所述的方法，
其特征在于，
当该第二可控半导体开关(6)断开时，用于该第一可控半导体开关(5)的该斜坡信号(20)产生为具有预定的上升时间(A2)。
7.如前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
该斜坡信号(20)通过电压跟随器(11)放大。
8.如前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
该斜坡信号(20)的下降时间(A1)和/或上升时间(A2)、和/或淡出时间(A3)通过输入装置(17)预定。
9.如前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
监测用于该第一可控半导体开关(5)的斜坡信号(20)的第一开关电压(V1)、以及用于该第二可控半导体开关(6)的第二开关电压(V2)。
10.如前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
该控制通过微控制器(3)执行，从而至少该脉宽调制信号(18)由该微控制器(3)提供。
11.一种控制装置(2)，该控制装置被设计成执行如权利要求1至10之一所述的方法。
12.一种设备(1)，该设备具有如权利要求11所述的控制装置(2)、具有带有该两个可控半导体开关(5，6)的半导体桥(4)、具有该可电操作的马达(7)、并且具有用于产生该脉宽调制信号(18)的该微控制器(3)。
13.如权利要求12所述的设备(1)，
其特征在于，
该第一可控半导体开关(5)作为高侧开关而连接，该第二可控半导体开关(6)作为低侧开关而连接，并且该第一可控半导体开关(5)能够通过该斜坡信号(20)控制。
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