CN112689958A - 减小在晶体管置于导通状态的时候产生的电磁干扰的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于用于减小在用于切换准谐振直流到直流电压转换器的晶体管置于导通状态的时候产生的电磁干扰的方法。该方法包括以下步骤：最初基于第一操控电流操控晶体管处于导通状态，通过控制模块控制（E1）驱动模块使得所述驱动模块在第一时刻将晶体管切换为阻断状态，从所述第一时刻开始触发（E2）持续时间计数器，以及如果计数器达到预定持续时间阈值，则通过驱动模块基于第二操控电流来操控（E3）晶体管处于导通状态，第二操控电流的强度小于第一操控电流的强度。

Description

减小在晶体管置于导通状态的时候产生的电磁干扰的方法
技术领域
本发明涉及直流到直流电压转换器的领域，并且更特别地涉及用于减小在用于切换准谐振直流到直流电压转换器的晶体管置于导通状态的时候产生的电磁干扰的方法。
背景技术
直流到直流（也称为DCDC）电压转换器使得能够将由馈电电池提供的输入电压（例如12V）转换为较高的输出电压（例如65V），或者反之亦然。原理在于，用电流对线圈充电，并借助于开关、特别是例如MOS型的晶体管周期性地切断电流。
在这样的解决方案中，将开关置于导通状态和置于阻断状态的交替产生了称为“切换损耗”的损耗。更确切地说，在将晶体管置于导通状态（本领域技术人员称为置于“开（ON）”）的时候，当电流尚在线圈中流动时、并且当晶体管在其两端具有正电压时，会产生这些损耗，损耗随同时在线圈和晶体管中流动的电流强度以及晶体管两端的电压而增大。然而，抑制这些损耗非常重要，因为它们会大幅降低转换器的效率。
一种使得能够减小切换损耗的解决方案称为“准谐振”DCDC转换器，该解决方案在于将晶体管置于导通状态的时刻的触发与时间间隔（称为“谐振时间间隔”）同步，在所述谐振时间间隔期间，在线圈中流动的电流强度为零或负（即，沿相反方向流动）并且晶体管两端的电压最小（或更好地，为零或负）。为此，转换器包括安装在晶体管的漏极和源极之间的谐振电容以及连接到晶体管栅极的栅极电阻。
然而，例如在中断之后接通转换器时，建立准谐振状态需要延迟。于是，当在将晶体管置于接通的时候首次将晶体管切换为导通状态而转换器尚未处于准谐振模式时，输入电压放电到晶体管和谐振电容中，并产生由晶体管辐射的发射，该晶体管于是产生天线一样的作用。栅极电阻的值越小，例如约4欧姆，放电越快，以确保线圈快速放电，从而使得能够实现较短的将晶体管置于导通状态的时间。这些干扰的影响在于超出针对这样的转换器期望的电磁发射相关极限的风险。
为了至少部分地弥补该缺点，一种已知的解决方案在于：使用两个并联的具有不同值的栅极电阻来代替单个栅极电阻，这两个电阻中的值较小的电阻与仅使来自晶体管栅极的电流通过的二极管串联。于是，将晶体管置于导通状态的电流流经值较大的栅极电阻，而当晶体管被切换为阻断状态（放电）时来自晶体管栅极的电流在值较小的栅极电阻和二极管中流动。藉此，由于将晶体管置于导通状态的电流显著小于将晶体管置于阻断状态的电流，因此在转换器置于接通的时候在晶体管中流动的电流较小，这降低了辐射发射和电磁干扰。然而，小电流值增加了将晶体管置于导通状态的时间，这可能会产生滞后，使得晶体管置于导通状态不再与谐振时间间隔重合，在所述谐振时间间隔期间，在线圈中流动的电流强度为零或负并且晶体管两端的电压最小，这样的滞后于是可能也会引起电磁干扰。
因此，需要一种简单、快速、可靠、成本低廉且有效的解决方案，以使得能够限制电磁干扰。
发明内容
为此，本发明首先目的在于用于减小在用于切换准谐振直流到直流电压转换器的晶体管置于导通状态的时候产生的电磁干扰的方法，所述转换器包括控制模块、感应线圈、场效应晶体管和驱动模块，驱动模块被馈送有由馈电提供的电流，所述晶体管包括漏极、源极和栅极，所述栅极连接到驱动模块，控制模块被配置成控制驱动模块以使所述驱动模块基于操控电流来操控晶体管处于导通状态或阻断状态，在导通状态中电流在漏极和源极之间导通，在阻断状态中阻断漏极和源极之间的电流，所述方法的值得注意之处在于，驱动模块包括持续时间计数器，所述方法包括以下步骤：
• 最初基于第一操控电流操控晶体管处于导通状态，通过控制模块控制驱动模块使得所述驱动模块在第一时刻将晶体管切换为阻断状态，
• 从所述第一时刻开始触发持续时间计数器，
• 如果计数器达到预定持续时间阈值，则通过驱动模块基于第二操控电流来操控晶体管处于导通状态，第二操控电流的强度小于第一操控电流的强度。
措辞“基于第二操控电流操控晶体管处于导通状态”意指对晶体管的接下来的操控（或下一操控）。
根据本发明的方法使得能够在转换器处于达到其准谐振的稳态之前的暂态时期减小晶体管栅极的操控电流的强度。这尤其使得能够避免用强电流操控晶体管，从而防止了所述晶体管产生电磁干扰，不会因此引起过热（这可能是由经常性的缓慢切换导致的）。
相反，如果计数器未达到预定持续时间阈值，则不改变（接下来的）操控电流强度。
优选地，预定持续时间阈值在10至50µs之间。
仍优选地，晶体管的操控电流的强度的减小量约为其初始值的75％至90％。所述初始值等于在转换器以准谐振模式操作的标称情况下由馈电提供的晶体管栅极的电流强度。
根据本发明的一个方面，如果计数器没有达到预定持续时间阈值，则操控电流的强度保持在其标称值（即，使用第一操控电流）。
本发明还涉及一种用于机动车辆的准谐振直流到直流电压转换器，所述转换器包括控制模块、感应线圈、场效应晶体管和驱动模块，驱动模块被馈送有由馈电提供的电流，所述晶体管包括漏极、源极和栅极，所述栅极连接到驱动模块，控制模块被配置成控制驱动模块以使所述驱动模块基于操控电流来操控晶体管处于导通状态或阻断状态，在导通状态中电流在漏极和源极之间导通，在阻断状态中阻断漏极和源极之间的电流，所述转换器的值得注意之处在于，驱动模块包括持续时间计数器，转换器被配置成：
• 最初基于第一操控电流操控晶体管处于导通状态，控制驱动模块使得所述驱动模块在第一时刻将晶体管切换为阻断状态，
• 从所述第一时刻开始触发持续时间计数器，
• 当计数器达到预定持续时间阈值时，基于第二操控电流操控晶体管处于导通状态，第二操控电流的强度小于第一操控电流的强度。
优选地，转换器被配置成减小在晶体管的导通状态中的晶体管的操控电流的强度直到下次将所述晶体管置于阻断状态为止。
在一个实施形式中，驱动模块包括经由中间点串联的第一开关和第二开关，所述第一开关一方面连接到馈电并且另一方面连接到所述中间点，所述第二开关一方面连接到中间点并且另一方面接地。
优选地，第一开关是用于将场效应晶体管置于导通状态（置于开）的晶体管，并且第二开关是用于将场效应晶体管置于阻断状态的晶体管。
根据本发明的一个方面，驱动模块还包括：第三开关；第一激励器（driver），其被配置成切换第一开关；第二激励器，其被配置成切换第二开关；以及用于驱动第三开关的驱动单元，其被配置成切换所述第三开关。
在优选实施形式中，驱动单元包括计数器、两个非（NON，英语为NOT）型逻辑门、两个与（ET，英语为AND）型逻辑门、以及例如“RS-Q”型逻辑触发器。
优选地，驱动模块包括电流测量单元。
最后，本发明涉及包括如上所述的转换器的机动车辆。
附图说明
在参考以非限制性示例的名义给出的附图而进行的以下描述期间，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，在附图中，对相似的对象给予相同的附图标记。
- 图1示出了根据本发明的转换器的一个实施形式。
- 图2示出了根据本发明的方法的一个实施形式。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的转换器1的示例。转换器1旨在安装在机动车辆中，例如以提供使得能够控制燃料喷射器2的输出电压。转换器1是准谐振直流到直流电压转换器1。
在下文描述的示例中，但非限制性地，转换器1是升压（boost）转换器1，其使得能够对称为“中间电容”Cint的电容进行再充电，以提供激活燃料喷射器2所需的能量。
转换器1将由车辆的电池提供的输入电压Vin（输入电流IL）转换为施加在中间电容Cint两端的输出电压Vout，这些电压是相对于地线M测量的。
转换器1包括控制模块10、感应线圈20、场效应晶体管30和驱动模块40。
感应线圈20安装在电路的输入端，以便当输入电流IL流经感应线圈20时对其进行充电。
二极管DI安装在感应线圈20和中间电容Cint的高端子之间，该端子对应于连接到喷射器2的转换器1的输出端。二极管DI从感应线圈20向中间电容Cint导通，但是从中间电容Cint向感应线圈20阻断，以防止中间电容Cint向转换器1中放电。
晶体管30包括漏极D、源极S和栅极G，所述栅极G连接到驱动模块40，以便所述驱动模块40操控晶体管30处于导通状态或阻断状态，在导通状态中电流在漏极D和源极S之间导通，在阻断状态中阻断漏极D和源极S之间的电流。源极S连接到地线M，并且栅极G经由栅极电阻Rg连接到驱动模块40。电容Cres在漏极D和源极S之间与晶体管30并联连接，以使转换器1准谐振。
在晶体管30截断时，在漏极D处测得的电压采取以下形式：方波随后是阻尼正弦振荡，所述阻尼正弦振荡绕转换器1的输入电压为中心并且以其周期为特征。
控制模块10被配置成向驱动模块40发送操控信号，以便所述驱动模块40控制晶体管30的栅极G，使得所述晶体管30切换为导通状态或阻断状态。换言之，驱动模块40被配置成在由控制模块10操控时产生用于操控晶体管30的栅极G的操控电流。优选地，源自控制模块10的操控信号是脉冲二进制型信号，并且使得驱动模块40能够知道是否应操控晶体管30处于导通状态（脉冲0=>1=>0）。
驱动模块40被配置成：晶体管30最初处于导通状态，在第一时刻操控晶体管30处于阻断状态，从所述第一时刻开始触发持续时间计数器460，在第二时刻产生晶体管30的操控电流以使所述晶体管30切换为导通状态，在所述第二时刻停止持续时间计数器460，并且如果在第一时刻和第二时刻之间经过的持续时间大于预定持续时间阈值，则减小处于其导通状态的晶体管30的操控电流的强度，直到下次将所述晶体管30置于阻断状态为止。
为此，在图2所示的实施形式中，驱动模块40包括第一激励器400、第二激励器410、第一开关420、第二开关430、第三开关440、第三开关440的驱动单元445、以及电流测量单元450。
第一开关420和第二开关430经由中间点P1串联连接。第一开关420一方面连接到馈电ALIM，并且另一方面连接到所述中间点P1。第二开关430一方面连接到中间点P1，并且另一方面连接到地线M。
优选地，第一开关420是用于将场效应晶体管30置于导通状态（置于开）的晶体管，并且第二开关430是用于将场效应晶体管30置于阻断状态的晶体管。优选地，第三开关440是不固定的，并且通过闭合置于开的电流的负反馈回路而使得能够减小所述置于开的电流。
第一激励器400被配置成在允许电流通过的闭合位置（导通状态）和禁止电流通过的断开位置（阻断状态）之间切换第一开关430。
同样，第二激励器410被配置成在允许电流通过的闭合位置（导通状态）和禁止电流通过的断开位置（阻断状态）之间切换第二开关430。
用于驱动第三开关440的驱动单元445被配置成：当第一开关420操控晶体管30处于导通状态时，切换所述第三开关440以使得能够调节流经所述第一开关420的电流。
在图1所示的优选实施形式中，驱动单元445包括计数器460、第一非型逻辑门470、第二非型逻辑门475、第一与型逻辑门480、第二与型逻辑门485和“RS-Q”型逻辑触发器490。
电流测量单元450使得能够测量当第三开关440闭合（导通状态）时在所述第三开关440中流动的电流。
第一激励器400包括第一输入端和第二输入端，第一输入端接收来自控制模块10的操控信号，第二输入端从电流测量单元450接收当第三开关440闭合（导通状态）时（尤其是在其置于导通状态的时候）在所述第三开关440中流动的电流的测量值，以便当第一开关420操控晶体管30处于导通状态时第一激励器400减小流过所述第一开关420的电流强度。第一激励器400的输出端使得能够操控第一开关420处于断开（阻断状态）或闭合（导通状态）。
第二激励器410是逆变器型激励器。第二激励器410接收由控制模块10提供的操控信号，并对其求补（complémenter）以操控第二开关430。
当来自控制模块10的操控信号具有0值（即为零）时，第一非型逻辑门470允许计数器460触发。
于是，当第一激励器400和第二激励器410从控制模块10接收到相同的操控信号时，它们同时断开或闭合第一开关420和第二开关430以操控晶体管30处于导通状态或阻断状态。更确切地说，当控制模块10以二进制值1发送接收的操控信号时，第一激励器400操控第一开关420闭合，而第二激励器410操控第二开关430断开。在这种情况下，在第一开关420和栅极电阻Rg中流动的电流操控晶体管30的栅极G，使得晶体管30的漏极D和源极S之间的连接导通（晶体管30处于导通状态）。相反，当控制模块10以二进制值0发送接收的操控信号时，第一激励器400操控第一开关420断开，而第二激励器410操控第二开关430闭合。在这种情况下，晶体管30的栅极G的电压下降，并且放电电流流过栅极电阻Rg和第二开关420。栅极G电压下降至晶体管30的传导阈值以下切断了晶体管30的漏极D和源极S之间的连接，使得在所述漏极D和所述源极S之间流动的电流也被切断（晶体管30处于阻断状态）。
计数器460包括第一输入端、第二输入端和输出端。当在第一输入端接收到值为1的二进制信号时，触发计数器460。当在第二输入端（通常称为“启用”）接收到值为1的二进制信号时，计数器460被重置为零。当计数器460达到预定持续时间阈值时，即在计数器460自至少等于预定持续时间阈值的持续时间以来已被触发且未（通过其通常称为“重置”的输入端）被重置为零时，在输出端生成二进制值1的信号。
该预定持续时间阈值被选为区分准谐振转换器1的操作的暂态和稳态。实际上，当转换器1在休息时段之后被激活时，例如当从点火钥匙联络车辆时，转换器1在变为准谐振之前需要称为“暂态时段”的初始时段。在该时段期间，在晶体管30变为阻断状态与随后的晶体管30变为导通状态之间经过的时间相对较长，而在转换器1处于准谐振的稳态下该时间则较短。然而，正是在该暂态期间可能产生大量的电磁干扰。于是，预定持续时间阈值被设定为使得区别暂态与稳态。例如，预定持续时间阈值可以在5至50µs之间。
现在将参考图2来描述图1的电路的实施示例。
晶体管30最初处于导通状态，其由调节电压（在这种情况下为馈电电压ALIM）提供的第一操控电流来操控。
首先，控制模块10在步骤E1控制驱动模块40，以使所述驱动模块40将晶体管30切换为阻断状态。更确切地说，控制模块10以二进制值0发送操控信号，以便晶体管30切换为阻断状态。该操控信号同时被第一激励器400和第二激励器410接收，第一激励器400于是操控第一晶体管420断开（二进制信号的值为0），第二激励器410于是操控第二开关430闭合（求补后的二进制信号的值为1），使得晶体管30在第一时刻切换为阻断状态。
在步骤E2中，由第一非型逻辑门470求补为值1的操控信号还在所述第一时刻触发计数器460。当计数器460在其重置为0的输入端接收到二进制值1时，所述计数器460随后将重置为零。
如果在控制模块10以二进制值1发送操控信号之前由计数器460测量的持续时间达到预定持续时间阈值（即，如果在等于预定持续时间阈值的持续时间经过时计数器尚未被重置为零），则计数器460产生二进制值1的信号，并通过第一与型逻辑门480和逻辑触发器490发送该信号，以操控第三开关440处于闭合。
得益于在第一激励器400的第二输入端上的电流测量单元450的电流测量值的负反馈（将该输入端与所述第一激励器400内的内部参考进行比较，该内部参考对应于较小的电流），这导致将在第一开关420中流动的电流强度限制为较小的值，优选地比标称值小75％至90％。
因此，在步骤E3中，得益于电流测量单元450的测量通过第三开关440向第一激励器400的负反馈，驱动模块40基于操控电流操控晶体管30处于导通状态，该操控电流的强度被限制为小于第一操控电流的强度的预定值。
相反，如果在控制模块10以二进制值1发送操控信号时（步骤E1）由计数器测量的持续时间尚未达到预定持续时间阈值，则由于逻辑触发器490被来自第二与型逻辑门485的二进制值1置为零，因此第三开关440不切换为导通状态。于是不限制用于将第一开关420置于导通状态（开）的电流的强度，并且将保持其高初始值，例如约100mA至1A。
应当注意，代替逻辑触发器190，可以使用使得能够（像RS型逻辑触发器190一样）防止信号同时切换的延迟电路。
因此，本发明有利地使得能够减小通常因基于晶体管30的标称电流将晶体管30置于导通状态而产生的电磁干扰。

Claims (10)

1.用于减小在用于切换准谐振直流到直流电压转换器（1）的晶体管（30）置于导通状态的时候产生的电磁干扰的方法，所述转换器（1）包括控制模块（10）、感应线圈（20）、场效应晶体管（30）和驱动模块（40），驱动模块（40）被馈送有由馈电（ALIM）提供的电流，所述晶体管（30）包括漏极（D）、源极（S）和栅极（G），所述栅极（G）连接到驱动模块（40），控制模块（10）被配置成控制驱动模块（40）以使所述驱动模块（40）基于操控电流来操控晶体管（30）处于导通状态或阻断状态，在导通状态中电流在漏极（D）和源极（S）之间导通，在阻断状态中阻断漏极（D）和源极（S）之间的电流，所述方法的特征在于，驱动模块（40）包括持续时间计数器（460），所述方法包括以下步骤：
• 最初基于第一操控电流操控晶体管（30）处于导通状态，通过控制模块（10）控制（E1）驱动模块（40）使得所述驱动模块（40）在第一时刻将晶体管（30）切换为阻断状态，
• 从所述第一时刻开始触发（E2）持续时间计数器（460），
• 如果计数器（460）达到预定持续时间阈值，则通过驱动模块（40）基于第二操控电流来操控（E3）晶体管（30）处于导通状态，第二操控电流的强度小于第一操控电流的强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，预定持续时间阈值在10至50µs之间。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，晶体管（30）的操控电流的强度的减小量约为75％至90％。
4.用于机动车辆的准谐振直流到直流电压转换器（1），所述转换器（1）包括控制模块（10）、感应线圈（20）、场效应晶体管（30）和驱动模块（40），驱动模块（40）被馈送有由馈电（ALIM）提供的电流，所述晶体管（30）包括漏极（D）、源极（S）和栅极（G），所述栅极（G）连接到驱动模块（40），控制模块（10）被配置成控制驱动模块（40）以使所述驱动模块（40）基于操控电流来操控晶体管（30）处于导通状态或阻断状态，在导通状态中电流在漏极（D）和源极（S）之间导通，在阻断状态中阻断漏极（D）和源极（S）之间的电流，所述转换器（1）的特征在于，驱动模块（40）包括持续时间计数器（460），转换器（1）被配置成：
• 最初基于第一操控电流操控晶体管（30）处于导通状态，控制驱动模块（40）使得所述驱动模块（40）在第一时刻将晶体管（30）切换为阻断状态，
• 从所述第一时刻开始触发持续时间计数器（460），
• 当计数器（460）达到预定持续时间阈值时，基于第二操控电流操控晶体管（30）处于导通状态，第二操控电流的强度小于第一操控电流的强度。
5.根据前一权利要求所述的转换器（1），其中，转换器（1）被配置成减小在晶体管（30）的导通状态中的晶体管（30）的操控电流的强度直到下次将所述晶体管（30）置于阻断状态为止。
6.根据前一权利要求所述的转换器（1），其中，驱动模块（40）包括经由中间点（P1）串联的第一开关（420）和第二开关（430），所述第一开关（420）一方面连接到馈电（ALIM）并且另一方面连接到所述中间点（P1），所述第二开关（430）一方面连接到中间点（P1）并且另一方面接地（M）。
7.根据前一权利要求所述的转换器（1），其中，第一开关（420）是用于将场效应晶体管（30）置于导通状态的晶体管，并且第二开关（430）是用于将场效应晶体管（30）置于阻断状态的晶体管。
8.根据前一权利要求所述的转换器（1），其中，驱动模块（40）还包括：第三开关（440）；第一激励器（400），其被配置成切换第一开关（420）；第二激励器（410），其被配置成切换第二开关（430）；用于驱动第三开关（440）的驱动单元（445），其被配置成切换所述第三开关（440）；以及电流测量单元（450）。
9.根据前一权利要求所述的转换器（1），其中，驱动单元（445）包括计数器（460）、两个非型逻辑门（470、475）、两个与型逻辑门（480、485）、以及逻辑触发器（490）。
10.机动车辆，其包括根据权利要求4至9中的一项所述的转换器（1）。
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