CN112840565B - 直流到直流电压转换器的控制方法 - Google Patents

直流到直流电压转换器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于一种用于控制直流到直流电压转换器的方法，该直流到直流电压转换器用于电流驱动机动车辆热力发动机的至少一个燃料喷射器。该方法包括以下步骤：当晶体管从阻断状态切换为导通状态时，触发（E1）计数器测量时间；如果在称为预定“观测”持续时间的持续时间结束时尖峰电流的强度未达到其最大值，则操控（E2）晶体管以使所述晶体管从导通状态切换为阻断状态；使晶体管保持（E3）处于阻断状态达称为预定“冷却”持续时间的持续时间；以及操控（E4）晶体管以使所述晶体管在冷却持续时间期满时切换为导通状态。

Description

直流到直流电压转换器的控制方法
技术领域
本发明涉及直流到直流电压转换器的领域，并且更特别地涉及这样的直流到直流电压转换器：其旨在车载在热力发动机型机动车辆中例如以提供驱动燃料喷射器所需的能量。
背景技术
在热力发动机型机动车辆中，已知使用直流到直流(也称为DCDC)电压转换器来提供驱动燃料喷射器所需的能量。这样的转换器尤其是使得能够将例如约12V的由车辆电池提供的电压转换为较高(例如65V)的目标输出电压，目标输出电压使得能够对称为“中间”电容的电容进行再充电，中间电容连接到转换器的输出端并将电流提供给驱动模块，驱动模块使得能够根据计算机的操控来驱动燃料喷射器。
于是，当计算机操控驱动模块时，驱动模块使用由中间电容提供的电流来驱动燃料喷射器。这样，中间电容放电，然后转换器激活以对其再充电，直到输出电压再次升至其目标值。
转换器的内部工作原理在于，用由电池提供的电流对线圈充电，并借助于开关、尤其是晶体管(例如MOS型晶体管)周期性地切断电流。当开关闭合时，线圈充电，而当开关断开时，存储在线圈中的能量以电流的形式传输到中间电容以对其进行再充电。于是，开关的闭合和断开状态的交替产生锯齿状电流，称为尖峰电流。
该尖峰电流的强度使得输出电压能够更快或更慢地再次上升。于是，当尖峰电流的强度较高时，转换器的输出电压在电压下降之后很快再次上升，相反，当尖峰电流的强度较低时，转换器的输出电压缓慢地再次上升。在这两种情况下，当输出电压达到其目标值时，转换器停止产生尖峰电流。
此外，由车辆的馈电电池提供的输入电压越低，就越需要增大使转换器的输出电压再次上升至其目标值所需的尖峰电流的强度。在这种情况下会导致转换器的电子组件过热，这可能导致大量损耗，从而损坏转换器。此外，当输入电压太低时，尖峰电流未达到转换器的输出电压再次上升至其目标值所需的峰值，这大大降低了转换器的效率。
为了部分地弥补这些缺点，一种已知的解决方案包括使用比较器来比较输入电压值与预定底限阈值，并在所述值降至低于所述底限阈值时停止操控晶体管。转换器的切断底限阈值由转换器在高环境温度下的过热来决定。然而，所需馈电电压(尤其是在机动车环境中)在低温下比在较热的环境温度下要更低。因此，随温度恒定的馈电电压底限无法优化转换器的尺寸设计。实际上，恒定的底限阈值导致转换器尺寸过大，使得在低温下要求的馈电电压处降低了过热底限，这是一个很大的缺点。
另一种已知的解决方案包括使用比较器来比较输出电压值与预定底限阈值，并在所述值降至低于所述底限阈值时停止操控晶体管。基于输出电压底限阈值的切断可能会导致在尖峰电流未能达到其峰值时在相对较长的时间之后停止转换器。在这种情况下，转换器在很长的时间内不提供功率或仅提供很少的功率，该很长的时间即中间电容放电所需的时间加上随之而来的必要的冷却延迟，这又是一个很大的缺点。
因此，需要一种简单、快速、可靠、廉价且高效的解决方案来优化对转换器的尖峰电流的操控。
发明内容
为此，本发明首先目的在于一种用于控制直流到直流电压转换器的方法，该直流到直流电压转换器用于电流驱动机动车辆热力发动机的至少一个燃料喷射器，所述转换器包括控制模块和连接到场效应晶体管的感应线圈，场效应晶体管包括漏极、源极和栅极，所述栅极连接到控制模块以使所述控制模块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，在阻断状态中在漏极和源极之间阻断电流，晶体管的导通和阻断状态的交替产生锯齿状电流，称为尖峰电流，其强度由最大值来界定，所述最大值称为“峰值”，并且尖峰电流使得转换器能够向称为“中间”电容的电容的端子递送输出电压，由计算机经由驱动模块来操控中间电容的放电以便操控至少一个燃料喷射器，转换器被配置成使所述输出电压趋向于目标值，该方法的值得注意之处在于其包括以下步骤：
·当晶体管从阻断状态切换为导通状态时，触发计数器测量时间，
·如果在称为预定“观测”持续时间的持续时间结束时尖峰电流的强度未达到其最大值，则操控晶体管以使所述晶体管从导通状态切换为阻断状态，
·使晶体管保持处于阻断状态达称为预定“冷却”持续时间的持续时间，
·操控晶体管以使所述晶体管在冷却持续时间期满时切换为导通状态。
于是，根据本发明的方法使得能够通过观测到尖峰电流未很快达到其峰值(意味着转换器的输入电压过低)而停止转换器达预定延迟，以使得其组件能够冷却，并从而降低损耗，同时限制其效率降低。要注意到，由于转换器在每次停止后很快被再次激活，这使得能够在馈电电压较低期间保持一部分输出功率。此外，在较冷温度下，转换器的这些停止自然地产生比在较高环境温度下更低的电压(在较冷时电阻降低)，这因此使得能够在较冷时在较低电压下继续工作，并且更容易地满足客户要求。
优选地，预定观测持续时间在50至100微秒之间。
有利地，预定冷却持续时间在0至2000微秒之间。在观测持续时间足以保护转换器的情况下，该时间尤其可能为零。
本发明还涉及一种直流到直流电压转换器，该直流到直流电压转换器用于电流驱动机动车辆热力发动机的至少一个燃料喷射器，所述转换器包括控制模块和连接到场效应晶体管的感应线圈，场效应晶体管包括漏极、源极和栅极，所述栅极连接到控制模块以使所述控制模块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，在阻断状态中在漏极和源极之间阻断电流，晶体管的导通和阻断状态的交替产生锯齿状电流，称为尖峰电流，其强度由最大值来界定，所述最大值称为“峰值”，并且尖峰电流使得转换器能够向称为“中间”电容的电容的端子递送输出电压，由计算机经由驱动模块来操控中间电容的放电以便操控至少一个燃料喷射器，转换器被配置成使所述输出电压趋向于目标值。控制模块被配置成：
·将晶体管从阻断状态切换为导通状态，
·当晶体管切换为导通状态时，触发计数器测量时间，
·如果在称为预定“观测”持续时间的持续时间结束时尖峰电流的强度未达到其最大值，则操控晶体管以使所述晶体管从导通状态切换为阻断状态，
·使晶体管保持处于阻断状态达称为预定“冷却”持续时间的持续时间，
·操控晶体管以使所述晶体管在冷却持续时间期满时切换为导通状态。
优选地，控制模块包括用于测量尖峰电流达到或未达到其峰值所花费的时间的计数器。
有利地，控制模块包括比较器，其用于比较定义在电流测量分流器两端的电压与表示尖峰电流的峰值的参考电压，所述电流测量分流器连接在晶体管的源极与地线之间。
根据本发明的一个方面，控制模块包括或型逻辑门，其第一输入端连接到计数器的输出端，并且其第二输入端连接到比较器的输出端。
有利地，控制模块包括逻辑单元，其被配置成发送用于操控晶体管的栅极的操控信号，以使所述晶体管变换为导通状态或阻断状态。
仍有利地，控制模块包括逻辑触发器，例如SR-Q型逻辑触发器，其在第一输入端上接收逻辑单元发送的操控信号，以便将晶体管切换为导通状态，并且在第二输入端上接收逻辑门的输出，以便将晶体管切换为阻断状态。
根据本发明的一个方面，控制模块包括驱动器，其接收逻辑触发器的输出作为输入，并且作为输出提供用于操控晶体管的栅极的电压，以将晶体管切换为导通或阻断状态。
最后，本发明涉及一种包括如上所述的转换器的机动车辆。
附图说明
在参考附图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，附图是以非限制性示例的名义给出的，并且其中，向相似的对象赋予相同的附图标记。
-图1示出了根据本发明的转换器的一个实施例。
-图2示出了图1的转换器的局部视图，其中详细示出了控制模块的示例。
-图3示出了根据本发明的方法的一个实施例。
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，例如以便提供使得能够控制燃料喷射器2的输出电压Vout。转换器1是准谐振直流到直流电压转换器。
在下面描述的示例中，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”电容的电容Cint进行再充电，该电容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，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和电压比较器50。
感应线圈20安装在电路的输入端，以便在输入电流IL流过它时对它进行充电。
二极管DI安装在感应线圈20与中间电容Cint的高端子之间，高端子对应于转换器1的连接到喷射器2的输出端。
二极管DI从感应线圈20向中间电容Cint是导通的，但是从中间电容Cint向感应线圈20是阻断的，以防止中间电容Cint放电到转换器1中。
晶体管30包括漏极D、源极S和栅极G，所述栅极G连接到控制模块10，以使所述控制模块10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，在阻断状态中在漏极D和源极S之间阻断电流。源极S经由分流电阻Rs连接到地线M。
栅极G经由控制电阻Rc连接到控制模块10。在该非限制性示例中，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。
晶体管30的导通和阻断状态的交替产生锯齿状电流，称为尖峰电流Ipeak，其强度由最大值来界定，并使得转换器1能够递送输出电压Vout，输出电压Vout定义在称为“中间”电容Cint的电容两端，由计算机(未示出且本身已知)经由驱动模块(未示出且本身已知)来操控中间电容Cint的放电以便操控燃料喷射器2。转换器1被配置成使输出电压Vout趋向于例如65V的目标值。
控制模块10被配置成将晶体管30从阻断状态切换为导通状态，并计算自所述切换以来经过的时间。如果在称为预定“观测”持续时间的持续时间结束时尖峰电流Ipeak的强度未达到其最大值，则控制模块10被配置成操控晶体管30以使所述晶体管30从导通状态切换为阻断状态。优选地但非限制性地，预定观测持续时间在50至100微秒之间。
控制模块10还被配置成使晶体管30保持处于阻断状态达称为预定“冷却”持续时间的持续时间，并操控晶体管30以使所述晶体管30在冷却持续时间期满时切换为导通状态。优选地但非限制性地，预定冷却持续时间在0至2000微秒之间(如果观测持续时间足以保护转换器，则该时间为零)。
图2描绘了使得能够实施这些功能的控制模块10的示例。在此示例中，控制模块10首先包括逻辑单元110、计数器120、或型逻辑门130(OR/+)、SR-Q型逻辑触发器140、驱动器150、比较器160和递送参考电压Vref的生成器170。
逻辑单元110例如采用集成电路的形式，并且使得能够经由逻辑触发器140的输入端S和输出端Q以及经由驱动器150向晶体管30发送切换为导通状态的操控。
参考图2和图3，当逻辑单元110操控晶体管30从阻断状态变为导通状态时，逻辑单元110将控制脉冲发送到逻辑触发器140的输入端S，使得所述逻辑触发器140经由驱动器150来操控晶体管30的栅极G以便所述晶体管30变为导通。
这样，逻辑触发器140的输出信号也被发送到计数器120以便在步骤E1中触发所述计数器120。计数器120进行的时间测量被发送到逻辑门130以模拟达到峰值电流，并且被发送到逻辑单元110，逻辑单元110暂停对晶体管30的操控达预定冷却持续时间。
并行地，比较器160将定义在分流电阻Rs两端的电压与由生成器170提供的参考电压Vref(例如0.3V)进行比较，并在定义在分流电阻Rs两端的电压变为等于参考电压Vref时将计数器120重置为0。
如果在计数器120进行的时间测量未达到预定观测持续时间之前定义在分流电阻Rs两端的电压就变为等于参考电压Vref，则比较器160生成输出信号，该输出信号一方面将计数器120重置为零，并且另一方面，相继经由逻辑门130、逻辑触发器140的输入端R和驱动器150而操控晶体管30停止。
相反，如果计数器120进行的时间测量达到预定观测持续时间而定义在分流电阻Rs两端的电压不等于参考电压Vref，则这意味着尖峰电流Ipeak的强度由于转换器1的输入电压Vin(即，车辆的馈电电池递送的电压)过低而未达到其峰值。
在这种情况下，计数器120在步骤E2中经由逻辑门130、逻辑触发器140和驱动器150操控晶体管30，以使所述晶体管30从导通状态切换为阻断状态。计数器120还操控逻辑单元110，以使逻辑单元110暂停对晶体管30的操控达规定的冷却持续时间。
接下来，在步骤E3中，逻辑单元110使晶体管30保持阻断状态达预定冷却持续时间，例如达1000微秒，以使转换器1的电子组件有时间冷却，从而减小了转换器1的损耗和效率降低。
最后，当冷却持续时间期满时，逻辑单元110在步骤E4中再次操控晶体管30处于其导通状态，以使其再次将输入电压Vin转换为输出电压Vout，从而使得能够对中间电容Cint进行再充电。
于是，根据本发明的方法使得能够在尖峰电流Ipeak没有足够快地达到其峰值时暂停转换器1的操作，以限制其过热、并在给定的时间内使其冷却。

Claims (12)

1.用于控制直流到直流电压转换器(1)的方法，该直流到直流电压转换器(1)用于电流驱动机动车辆热力发动机的至少一个燃料喷射器(2)，所述转换器(1)包括控制模块(10)和连接到场效应晶体管(30)的感应线圈(20)，场效应晶体管(30)包括漏极(D)、源极(S)和栅极(G)，所述栅极(G)连接到控制模块(10)以使所述控制模块(10)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，在阻断状态中在漏极(D)和源极(S)之间阻断电流，晶体管(30)的导通和阻断状态的交替产生锯齿状电流，称为尖峰电流(Ipeak)，其强度由最大值来界定，所述最大值称为峰值，并且尖峰电流(Ipeak)使得转换器(1)能够向称为中间电容(Cint)的电容的端子递送输出电压(Vout)，由计算机经由驱动模块来操控中间电容(Cint)的放电以便操控至少一个燃料喷射器(2)，转换器(1)被配置成使所述输出电压(Vout)趋向于目标值，该方法的特征在于，其包括以下步骤：
·当晶体管(30)从阻断状态切换为导通状态时，触发(E1)计数器(120)测量时间，
·如果在称为预定观测持续时间的持续时间结束时尖峰电流(Ipeak)的强度未达到其最大值，则操控(E2)晶体管(30)以使所述晶体管(30)从导通状态切换为阻断状态，
·使晶体管(30)保持(E3)处于阻断状态达一定的持续时间，该持续时间称为预定冷却持续时间，
·操控(E4)晶体管(30)以使所述晶体管(30)在冷却持续时间期满时切换为导通状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，预定观测持续时间在50至100微秒之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，预定冷却持续时间在0至2000微秒之间。
4.直流到直流电压转换器(1)，其用于电流驱动机动车辆热力发动机的至少一个燃料喷射器(2)，所述转换器(1)包括控制模块(10)和连接到场效应晶体管(30)的感应线圈(20)，场效应晶体管(30)包括漏极(D)、源极(S)和栅极(G)，所述栅极(G)连接到控制模块(10)以使所述控制模块(10)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，在阻断状态中在漏极(D)和源极(S)之间阻断电流，晶体管(30)的导通和阻断状态的交替产生锯齿状电流，称为尖峰电流(Ipeak)，其强度由最大值来界定，所述最大值称为峰值，并且尖峰电流(Ipeak)使得转换器(1)能够向称为中间电容(Cint)的电容的端子递送输出电压(Vout)，由计算机经由驱动模块来操控中间电容(Cint)的放电以便操控至少一个燃料喷射器(2)，转换器(1)被配置成使所述输出电压(Vout)趋向于目标值，转换器(1)的特征在于，控制模块(10)被配置成：
·将晶体管(30)从阻断状态切换为导通状态，
·当晶体管(30)切换为导通状态时，触发计数器(120)测量时间，
·如果在称为预定观测持续时间的持续时间结束时尖峰电流(Ipeak)的强度未达到其最大值，则操控晶体管(30)以使所述晶体管(30)从导通状态切换为阻断状态，
·使晶体管(30)保持处于阻断状态达一定的持续时间，该持续时间称为预定冷却持续时间，
·操控晶体管(30)以使所述晶体管(30)在冷却持续时间期满时切换为导通状态。
5.根据权利要求4所述的转换器(1)，其中，控制模块(10)包括用于测量尖峰电流达到或未达到其峰值所花费的时间的计数器(120)。
6.根据权利要求4或5所述的转换器(1)，其中，控制模块(10)包括比较器(160)，其用于比较定义在电流测量分流器两端的电压与表示尖峰电流(Ipeak)的峰值的参考电压(Vref)，所述电流测量分流器连接在晶体管(30)的源极(S)与地线(M)之间。
7.根据权利要求6所述的转换器(1)，其中，控制模块(10)包括或型逻辑门(130)，其第一输入端连接到计数器(120)的输出端，并且其第二输入端连接到比较器(160)的输出端。
8.根据权利要求4、5和7中的一项所述的转换器(1)，其中，控制模块(10)包括逻辑单元(110)，其被配置成发送用于操控晶体管(30)的栅极(G)的操控信号，以使所述晶体管(30)变换为导通状态。
9.根据权利要求6所述的转换器(1)，其中，控制模块(10)包括逻辑单元(110)，其被配置成发送用于操控晶体管(30)的栅极(G)的操控信号，以使所述晶体管(30)变换为导通状态。
10.根据权利要求8所述的转换器(1)，其中，控制模块(10)包括逻辑触发器(140)，其在第一输入端上接收逻辑单元(110)发送的操控信号，以便将晶体管(30)切换为导通状态，并且在第二输入端上接收逻辑门(130)的输出，以便将晶体管(30)切换为阻断状态。
11.根据权利要求9所述的转换器(1)，其中，控制模块(10)包括逻辑触发器(140)，其在第一输入端上接收逻辑单元(110)发送的操控信号，以便将晶体管(30)切换为导通状态，并且在第二输入端上接收逻辑门(130)的输出，以便将晶体管(30)切换为阻断状态。
12.机动车辆，其包括根据权利要求4至11中的一项所述的转换器(1)。
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