CN114096857A - 用于测量流经pwm控制电感负载的电流的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量流经电感负载（M）的电流的设备（10），该电感负载通过具有至少两个半导体开关（T1，T2）的半桥电路（HB）通电，其中，这些半导体开关（T1，T2）根据PWM方法以互补方式接通和断开。根据本发明的设备（10）具有：监测装置（12），该监测装置用于确定该至少两个半导体开关（T1，T2）中的至少一个开关（T1）的接通状态和断开状态；同步测量放大器（A2），该同步测量放大器由该监测装置（12）控制，并且用于在该半导体开关（T1）的确定接通状态期间测量该半导体开关（T1）处存在的电压降（U1），并对该压降进行倍增以形成倍增电压（U2）；以及同步电压跟随器（A3），该同步电压跟随器由监测装置（12）控制，以便生成电压信号（OUT），该电压信号是该电感负载（M）中的电流的特性，并且该电压信号在该半导体开关（T1）的接通状态下跟随该倍增电压（U2）而在该半导体开关（T1）的断开状态下保持基本不变或根据预定义曲线减小。本发明还提出了一种对应的电流测量方法。

Description

用于测量流经PWM控制电感负载的电流的设备和方法
本发明涉及一种用于测量流经电感负载的电流的设备，该电感负载通过具有至少两个半导体开关的半桥电路通电，其中，这些半导体开关根据PWM（脉宽调制）方法以互补方式接通和断开。本发明还涉及一种测量这种电流的方法。
当例如使用PWM方法来操作诸如电动机等电感负载时，通常需要测量当前流经电感负载的电流，也就是说，例如生成测量信号，该测量信号是该电流的特性，然后，可以在电动机运行的情况下有利地使用该测量信号，例如用于电动机控制中的调节或控制，或者例如用于确定转子的角位置。
例如，现有技术披露了用于进行此测量的方法，在该方法中测量并放大了与电动机串联布置的测量电阻器处的电压降以形成适当的测量信号。该方法的缺点在于电源支路上存在额外的电压降，这降低了系统的效率。此外，该解决方案还会引起额外的成本并且需要额外的空间来安装测量电阻器。
现有技术中已知的其他方法使用例如磁变压器或磁耦合变压器。然而，这样的变换器或变压器也会导致较高的额外成本，并且也难以集成或小型化。
最广泛意义上的磁性方法还包括使用霍尔传感器，利用霍尔传感器将由流经电感负载的电流引起的磁场强度转换成测量信号（例如模拟电压信号）。其缺点首先是精度有限，并且还有霍尔传感器的布置对于机械不对准较为敏感。
此外，已知通常被称为“SmartDriver”或使用称为“SenseFET”技术的集成电路专门用于对电动机通电。在这种情况下，通过使与实际输出电流成比例的电流分量流入功率晶体管的方式来分隔和调节所述功率晶体管的某些部分。该技术的优点是电源电路中没有额外的电压降；然而，需要特定的断路器。因此，这些方法无法利用任何半导体开关（例如任何FET等）来实施。进一步的缺点是对测量放大器的要求很高并且测量精度有限。
此外，现有技术还描述了通过测量断路器处的电压降来实现对流经接通的断路器的电流的测量的方法。例如，在DE 43 38 714 A1中，在断路器的接通状态下测量电流以便确定开关的合适断开状态，并且从而实现开关模式电源中的调节。
此外，例如从涉及音频放大器的WO 2008/075306 A1中已知使用半导体开关处的电压降来测量电流。
这些已知的布置不能如通常所希望的或例如许多数字控制或调节装置所要求的那样提供连续的测量信号。
DE 198 03 040 A1描述了一种用于测量电源电路中的极性反转保护开关中的电流的方法。然而，该开关本身不是时钟控制的，并且因此可以毫不费力地测量电流。
本发明的目的是实现开篇提到的类型的电流测量，即，测量通过具有多个PWM时钟控制的半导体开关的半桥电路而被驱动通过电感负载的电流，其中，希望能够在具有较好精度的同时以较少的损耗和相对较低水平的努力来实现该测量。
特别地，本发明的目的在于指定如下的设备和方法，通过该装置和方法可以在半桥电路的脉宽调制断路器中测量电感负载的电流（特别是例如电动机的电流），并将该电流作为连续的电流测量信号输出。
根据本发明的第一方面，该目的是通过权利要求1所述的设备来实现的。从属权利要求涉及本发明的有利改进。根据本发明的设备具有：
- 监测装置，该监测装置被设计为确定该至少两个半导体开关中的至少一个开关的接通状态和断开状态，
- 同步测量放大器，该同步测量放大器由该监测装置控制，并且被设计为在该半导体开关的确定接通状态期间测量该半导体开关处存在的电压降，并对该压降进行倍增以形成倍增电压，以及
- 同步电压跟随器，该同步电压跟随器由监测装置控制并生成电压信号，该电压信号是该电感负载中的电流的特性，并且该电压信号在该半导体开关的接通状态下跟随该倍增电压而在该半导体开关的断开状态下保持基本不变或根据预定义曲线减小。
即使所讨论的半导体开关以脉宽调制的方式来控制（接通和断开），同步电压跟随器也有利地生成连续信号，该连续信号是电感负载中的电流的特性。特别地，由同步电压跟随器生成的电压信号可以与电感负载中的电流成比例。由于根据本发明的电流测量是基于对（至少）一个半导体开关处的电压降的测量和处理的，因此没有像使用特定测量电阻器时那样的损耗。
由于根据本发明的设备被提供为与PWM控制的半桥电路结合使用，因此该设备的监测装置的输入可以例如被馈送控制半桥电路无论如何都需要的PWM控制信号。
作为替代或补充方案，监测装置的输入可以被馈送如下的控制信号，所述控制信号是从所讨论的半导体开关的控制输入（例如FET中的栅极）中分支出来的。
最后，作为这些可能性的替代或补充方案，监测装置的输入可以被馈送如下的电压信号，所述电压信号是从连接到所讨论的半导体开关的电感负载的接头分接出来的。
所有上述信号使监测装置能够确定该至少一个半导体开关的接通状态和断开状态。
在一个实施例中，监测装置被实施为数字计算机装置，特别是例如程控数字计算机装置（例如微控制器），或者表示这种计算机装置的部分功能。
同步测量放大器可以例如通过适当接线的运算放大器（例如与作为非反相放大器或反相放大器的两个电阻器接线）来实施。
同步电压跟随器可以例如通过适当接线的运算放大器（负反馈运算放大器）来实施。
然而，在本发明的范围内，同步测量放大器和同步电压跟随器必须能够与所讨论的半导体开关的接通和断开过程同步操作。为此，可以为这些部件提供对应的控制输入，以便能够基于监测装置来输入或施加对应的控制信号，该控制信号例如在半导体开关的接通状态下接通测量放大器和电压跟随器，并在半导体开关的断开状态下再次断开这两个部件。
为了实现尽可能无失真的接通和断开，可以特别有利地将同步测量放大器设计为例如是所谓的跨导放大器（压控电流源）或包含该跨导放大器。例如，这可以防止在测量放大器中设置的控制环路的瞬变过程期间的不利过冲，从而使所产生的误差最小化。
在一个实施例中，该同步电压跟随器被设计为在该半导体开关的断开状态期间保持该电压信号基本不变。
在一个实施例中，这是使用电容器来实施的，该电容器布置在电压跟随器的输出处，以便如此保持由电压跟随器生成的电压信号不变，如上所述。于是，恒压信号对应于在所讨论的半导体开关被接通的前一阶段结束时存在的那个电压跟随器输出信号。
在另一个实施例中，该同步电压跟随器被设计为在该半导体开关的断开状态期间根据预定义曲线减小该电压信号。
这也可以例如使用布置在电压跟随器的输出处的电容器来实施，其中，将另外提供在断开状态期间用于电容器的预定放电的装置。在最简单的情况下，这种放电装置可以由平行于电容器的无源（例如欧姆）电阻器形成。在另一个实施例中，经由平行于电容器布置并由监测单元控制的可控电流源进行放电。
在一个改进方案中，该半导体开关的断开状态期间的该预定义曲线近似于该电感负载中的预期电流降低，并且/或者该预定义曲线被设计为能够配置的并且能够经由编程接口来定义。
这可以有利地提高电流测量的精度。
前述编程接口可以设置在程控计算机装置上，该程控计算机装置形成或至少包含监测装置。
在本发明的特别有利的实施例或使用中，规定电感负载由电动机、特别是例如由直流（DC）电动机形成。
在这种情况下，特别地，监测装置、可能还有同步测量放大器和同步电压跟随器可以有利地与PWM电动机控制装置组合在集成电路中。
一个实施例涉及车辆中的电动机，诸如用于激活可调节车辆部件的电动机，例如用于调节车辆座椅或其部件或用于调节车辆的封闭元件（例如车窗、天窗盖、引擎盖等）的电动机。作为替代方案，车辆中的电动机可以被提供例如用于驱动流体泵。
在一个实施例中，该设备进一步具有用于检测该半导体开关的温度的温度检测装置、以及基于（由电压跟随器生成的）该电压信号和该半导体开关的检测温度来确定流经该电感负载的电流的评估装置。
特别地，这里可以规定将温度检测结果用于确定所讨论的半导体开关在接通状态下的电阻（例如，使用存储的查找表等，以便为测量温度指派对应的电阻）。接通电阻的温度相关的校正有利地使得能够减少原本会由温度相关性造成的系统测量误差。
如果该布置（例如，在半导体开关的接通电阻、由同步测量放大器和同步电压跟随器组成的信号处理布置的偏移和增益方面）的绝对误差被校准并用于校正确定的电流值，则同样可以实现测量精度的提高。适合于此（并且可能是根据温度来检测）的校正参数可以例如被存储在监测装置中，并且在设备操作期间被用于（更精确地）评估由电压跟随器生成的电压信号（可能还考虑测量温度）。
在一个实施例中，该设备进一步具有用于将流经该电感负载的测量电流与规定阈值进行比较的比较装置、以及在该阈值被超过时生成指示超过的过载信号的评估装置。
比较装置可以例如由电压比较器形成，该电压比较器的输入是一方面电压跟随器生成的电压信号，以及另一方面预定的（例如固定的或例如由评估装置定义的）参考电压。
评估装置可以例如由一个或上述的数字计算机装置、特别是例如程控数字计算机装置形成，该数字计算机装置也可以特别是形成例如监测装置。
使用该实施例可以有利地实施“短路监测”。
在一个实施例中，该半桥电路具有多个半桥，每个半桥都具有两个半导体开关，并且该设备还具有可控选择装置，通过该可控选择装置能够选择这些半导体开关的中的多个半导体开关之一用来测量流经该电感负载的电流。
根据该实施例的第一变体，该设备包括同步测量放大器和布置在其下游的同步电压跟随器（如上所述），其中，可以通过选择装置将同步测量放大器的输入可变地连接到各个半导体开关，以在选定半导体开关的接通状态期间测量和倍增所述半导体开关处的电压降，并将其馈送到布置在下游的同步电压跟随器的输入。
根据本实施例的第二变体，该设备包括同步测量放大器和同步电压跟随器的相应布置（连接到相应的半导体开关），同步测量放大器和同步电压跟随器布置在各个半导体开关的下游，其中，通过选择装置可变地选择多个电压跟随器之一或其输出，在该选择装置的输出处分接并再次使用是电感负载中的电流的特性的电压信号（例如用于进一步评估）。
在这两种变体中，选择装置可以例如由数字计算机装置或前述数字计算机装置来形成或控制。在使用电动机控制的情况下，计算机装置可以例如经由数字总线系统连接到“电动机管理”装置（例如微控制器）（同样被设计为计算机装置）。这使得例如可以将电动机管理的规格传输到选择装置。
根据本发明的另一方面，提出了一种集成电路，该集成电路用于控制用于对电感负载（例如DC电动机）通电的半桥电路并且用于测量流经该电感负载的电流，其中，该半桥电路具有至少一个第一半桥和第二半桥，该第一半桥具有两个第一半导体开关，该第二半桥具有两个第二半导体开关，并且其中，该集成电路具有：
- PWM控制装置，该PWM控制装置用于根据PWM方法（例如基于所供应的PWM控制信号）以互补方式接通和断开该半桥电路的半导体开关，
- 如前述权利要求之一所述的第一设备，该第一设备连接到该两个第一半导体开关中的至少一个开关，
- 如前述权利要求之一所述的第二设备，该第二设备连接到该两个第二半导体开关中的至少一个开关，以及
- 控制装置，通过该控制装置可以选择该第一设备或该第二设备用来对流经该电感负载（M）的电流进行测量。
非常一般而言，在本发明的范围内，术语“半桥电路”表示具有一个或多个半桥的电路。这里的术语“半桥”表示如两个可控半导体开关（特别是例如FET（场效应晶体管），例如MOSFET）的串联连接，其中，在使用的情况下，该串联电路连接到电源电压，并且电感负载的一个接头连接到这两个半导体开关之间的抽头（“中心抽头”）。
例如，可以提供前述集成电路来控制（单个）电动机，并且在这种情况下控制（单个）半桥，该半桥的中心抽头连接到电动机的一个接头，而电动机的另一个接头连接到例如固定电位（例如，电接地电位或电源电位）。
作为替代方案，为了控制（单个）电动机，例如也可以使用具有两个半桥的半桥电路，这些半桥的中心抽头（在各个半导体开关之间）连接到电动机的两个接头之一。
在一个改进方案中，前述集成电路被提供用于控制多个电感负载，特别是例如多个电动机，并且在这种情况下具有适当多个半桥。
举例来说，第一半桥、第二半桥和第三半桥可以用于控制第一电动机和第二电动机，其中，第一电动机连接到第一半桥和第二半桥的中心抽头，并且第二电动机连接到第二半桥和第三半桥的中心抽头。
作为替代方案，例如，第一电动机可以连接到第一半桥和第二半桥的中心抽头，并且第二电动机可以连接到第一半桥和第三半桥的中心抽头。
根据这些原理，集成电路可以被设计为控制“n”个电动机，其中n表示要控制的电动机的数量，其中，这里使用的半桥电路可以然后具有例如由集成电路控制的总共“n + 1”个半桥。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于测量流经电感负载（例如电动机）的电流的方法，该电感负载通过具有至少两个半导体开关的半桥电路通电，其中，这些半导体开关根据PWM方法以互补方式接通和断开，其中，该方法包括以下步骤：
- 监测该至少两个半导体开关中的至少一个以便确定该至少两个半导体开关中的该至少一个开关的接通状态和断开状态，
- 在该半导体开关的确定接通状态期间测量该半导体开关处存在的电压降，
- 在该半导体开关的确定接通状态期间，对在该半导体开关处测量的电压降进行同步倍增以形成倍增电压，以及
- 生成电压信号，该电压信号是该电感负载中的电流的特性，并且该电压信号在该半导体开关的接通状态下跟随该倍增电压而在该半导体开关的断开状态下保持基本不变或根据预定义曲线减小。
在这里描述的这种方法或设备在本发明范围内的优选用途是测量流经电动机（特别是例如DC电动机）的电流，该电动机用在车辆中以用于进行车辆部件的可控操作（例如调整）（如上文已经描述的）。
根据本发明的集成电路的有利用途是对多个电动机（特别是DC电动机）通电，以及测量（当前通电的电动机的）相应电动机电流，例如在车辆中用于进行多个车辆部件的可控操作（例如调整）。
这里针对根据本发明的设备或根据本发明的集成电路（和/或在此上下文中描述的半桥电路的特征）描述的实施例和特殊配置也可以以与根据本发明的方法（或根据本发明的用途）的实施例或特殊配置类似的方式单独地或以任何组合提供，反之亦然。
在该方法的一个实施例中，规定例如电压信号通过同步电压跟随器生成。为此，可以在该方法中使用上面已经进一步描述的类型的电压跟随器。
在一个实施例中，规定半导体开关的电阻是温度相关的，并且规定该方法进一步包括以下步骤：
- 检测该半导体开关的温度，以及
- 基于该电压信号以及该半导体开关的检测温度确定流经该电感负载的电流。
可以使用专门设置在相关半导体开关上的温度传感器来检测温度。作为替代或补充方案，可以规定使用如下的半导体开关，该半导体开关已经具有温度传感器和用于提供具有温度特性的信号的对应信号输出。
假设无论如何生成的特性电压信号没有简单地这样使用，则电流可以特别是例如以程控的方式来确定（例如还考虑测量温度和/或前述类型的校正参数）。
在一个实施例中，规定该方法进一步包括以下步骤：
- 将流经该电感负载的测量电流与规定阈值进行比较，以及
- 在该测量电流超过该阈值时生成指示该阈值已被超过的过载信号。
特别是在提供可变阈值而不是固定规定阈值的情况下，电流与阈值的比较可以涉及以程控的方式预先定义阈值。
过载信号也可以根据需要例如以程控方式生成。
在一个实施例中，规定在该半导体开关的断开状态下，该电压信号根据预定义曲线减小。
为此，优选地，将被施加在所讨论的半导体开关的接通状态期间生成的特性电压信号的电容器和与电容器并联布置的用于对所述电容器进行放电的电流源结合使用。在最简单的情况下，电流源可以由欧姆电阻器形成，欧姆电阻器提供与电容器的当前充电电压成比例的放电电流。作为替代方案，例如，可以使用可控电源来对电容器进行放电。
在一个实施例中，规定该半导体开关的断开状态期间的该预定义曲线近似于该电感负载中的预期电流降低，并且/或者该预定义曲线被设计为能够配置的并且能够经由编程接口来定义。
为此，例如，可以以适当方式测量电容器和电阻器的上述并联布置的电容值和电阻值，即适应在断开状态期间电感负载中的电流减少的预期时间曲线，或者可以以适当方式控制与电容器平行布置的电流源。
在一个实施例中，规定电感负载由电动机、特别是DC电动机形成。
如果在特定应用中不需要反转DC电动机的旋转方向，则可以例如通过仅具有一个半桥的半桥电路来对电动机通电，该半桥具有两个半导体开关，这些半导体开关以互补方式接通和断开。在这种情况下，电动机的未连接到半桥的接头可以连接到例如固定电位（例如，电接地电位或电源电位）。然而，作为替代方案，在该应用中也可以使用具有两个半桥的半桥电路，每个半桥都具有两个半导体开关。
在一个实施例中，规定半桥电路具有多个半桥，在每种情况下半桥都具有两个半导体开关，并且规定该方法进一步包括以下步骤：选择多个半导体开关中的一个开关以来测量流经该电感负载的电流。
根据第一变体，选择半导体开关是因为要将该半导体开关连接到用于测量电压降并进一步处理测量信号的装置，而根据第二变型，选择半导体开关是因为要从所提供的多个这种测量和处理装置（对应于多个可选半导体开关）中选择一个装置，然后所述装置的被提供的电压信号（电感负载中电流的特性）会被使用或（可能在评估之后）利用以进行电流测量。
在本发明的有利设计中，该设备集成在集成电动机控制模块中，使用该模块，可以在电动机的各种运行条件下检测电动机的电流。
下文将基于示例性实施例参照附图来更详细地描述本发明，在附图中：
图1是根据示例性实施例的用于控制电动机的电路布置的基本电路图，该电路布置配备有用于测量流经电动机的电流的设备，
图2通过举例示出了在图1中设备的操作期间产生的各种电压的时间曲线，
图3是具有根据修改的示例性实施例的电流测量设备的电路布置的基本电路图，以及
图4是根据另一示例性实施例的用于控制电动机的电路布置的基本电路图，该电路布置配备有用于测量流经电动机的电流的设备。
图1示出了用于电动机M（通常：电感负载，在此情况下：DC电动机）的PWM（脉宽调制）控制的电路布置以及用于测量流经电动机M的电流的设备10。
在所示的示例中，电动机M通过半桥电路来通电，该半桥电路包括（至少）一个半桥HB，该半桥由两个可控的半导体开关T1和T2的串联电路形成。
在所示的示例中，这两个开关T1和T2各自被设计为MOSFET。然而，在不同于此的情况下，考虑半导体开关的其他实施例，特别是例如从用于控制电机的半桥的现有技术中已知的“断路器”。
在图1中，半桥电路一方面连接到电源电位VS并且另一方面连接到电接地GND。
电动机M的两个接头中的一个接头（图1中左侧）连接到半桥HB的中心抽头（在T1与T2之间），并且电动机M的两个接头中的另一个接头（图1中右侧）连接到例如固定电位（例如电源电位VS）。
在不同于此的情况下，电动机M的后一个接头也可以特别是连接到例如所示类型的另一半桥的中心抽头（在这方面还参见图4的示例）。
电动机M的PWM控制经由两个开关T1和T2来进行，这两个开关是基于PWM控制信号“PWM”经由各自的栅极驱动器GS1和GD2以互补方式控制的。
例如，信号PWM可以是模拟信号或数字信号（例如数据信号），并且定义电动机控制的期望PWM占空比。信号PWM被馈送到PWM控制装置CTL，该控制装置使用该信号来生成用于控制栅极驱动器GD1、GD2的互补控制信号，该互补控制信号进而生成用于开关T1、T2的栅极（通常：控制接头）的控制电位，所述控制电位适合于以互补方式低损耗地接通和断开开关T1、T2。
在图1中用U1表示半桥HB的中心抽头处的电位。根据半桥HB的PWM控制，当电路布置运行时，U1在电位GND与VS之间来回改变。
例如，在本发明范围内有利的PWM控制的PWM周期可以在1 ms到10 μs的范围内。
根据所示的示例性实施例，电流测量设备10具有以下部件：
- 监测装置12，该监测装置被设计为确定开关T1和T2（在这种情况下：MOSFET）的接通状态和断开状态，
- 同步测量放大器A2，该同步测量放大器由监测装置12控制，并且被设计为在所述开关T1的确定接通状态（在这种情况下：U1-GND）期间测量开关T1处存在的电压降，并对该电压降进行倍增以形成倍增电压U2，
- 同步电压跟随器A3，该同步电压跟随器由监测装置12控制并生成电压信号OUT，该电压信号是电动机电流的特性，并且该电压信号在开关T1的接通状态下跟随倍增电压U2而在开关T1的断开状态下保持基本不变。
为了确定电动机M中的电流，评估在接通阶段跨开关T1两端的电压降。
图2示出了当设备10运行时，在PWM控制周期（在这种情况下，例如100 μs）期间作为时间t的函数的以下电压的示例性曲线：
U1：半桥HB的中心抽头处的半桥电压，
U2：同步测量放大器A2的输出处的倍增电压，以及
OUT：同步电压跟随器A3的输出处的特性电压信号。
在监测装置12中通过PWM控制信号PWM来确定开关T1的接通阶段或接通状态，该控制信号也是为此被馈送到监测装置12的，或者如图1中所示，该控制信号由PWM控制装置CTL转发到监测装置12。
作为替代或补充方案，也如图1所示，监测装置12可以直接在开关T1处分接相关信号，诸如开关T1的栅极（通常：控制输入）处的电位和/或半桥电位U1。
在开关T1的接通状态下，通过由监测装置12生成的同步信号“ON/OFF”来接通同步测量放大器A2和同步电压跟随器A3，并且将开关T1处与半桥电位U1相对应的电压降进行倍增以形成倍增电压U2，并经由同步电压跟随器A3输出作为特性电压信号OUT。
在开关T1的断开状态下，断开同步测量放大器A2和同步电压跟随器A3。然后，在同步电压跟随器A3的输出处的电容器CA保持状态（电压信号OUT）不变，直到开关T1下一次处于接通状态为止。
设备10的一个优点是在其输出处提供连续输出信号（OUT），即使所讨论的半导体开关（在本例中为：开关T1）是用脉宽调制来控制的，由于测量放大器A2的所示配置，示例中的输出信号也会与电感负载（在这种情况下：电动机M）中的（峰值）电流成比例。
为了实现尽可能无失真的接通和断开，同步测量放大器A2被设计为跨导放大器（具有电压输入和电流输出）。
在本示例中，设备10的输出电压（即特性电压信号OUT）与开关T1的接通状态下的峰值电流成比例（欧姆定律），并且是连续可用的。
在所示的示例中，PWM控制装置CTL和监测装置12在结构上组合在控制和监测装置20中，该控制和监测装置可以实施为例如集成电路。
尽管如图1所示，在这样的集成电路中，可以例如另外集成栅极驱动器GD1、GD2和/或测量放大器A2和/或电压跟随器A3。
换句话说，设备10因此可以有利地至少部分地、或完全地集成到半桥驱动器的控制模块中。其结果是，在实际中可以用最少的额外努力在控制模块中测量电感负载中的电流，并且在电动机控制的应用中可以使该电流可用于例如电动机管理。
尽管在图1的示例中，电动机电流经由“低侧”MOSFET T1来测量，在不同于此的情况下，设备10也可以适于在“高侧”路径中进行测量，即，测量和进一步处理开关T2处的电压降。为此，例如可以提供模拟“电平移位器”来提供必要的控制信号并对输出信号（OUT）解耦，并且例如可以将“电平移位器”集成到控制和监测装置20中。
在下面对进一步示例性实施例的描述中，相同的附图标记用于具有相同效果的部件。在这种情况下，这里基本上仅讨论与已经描述的（多个）示例性实施例的差异，并且除此以外明确参考对先前示例性实施例的描述。
图3示出了与图1中的电流测量设备相比被略微修改的电流测量设备10的电路布置。
在图3的示例性实施例中，在所讨论的开关（T1）的断开状态下，可以通过输出电容器CA的受控放电来模拟电动机M（通常：电感负载）中的电流曲线。
为此，设备10另外具有用于实现电容器CA在断开状态期间的可控放电的可控电流源CS。在这种情况下，电流源CS可以（如图3所示）由监测装置12使用无论如何都会提供的同步信号ON/OFF（或其反相变体）来控制。
因此，可以有利地例如与电感负载中的平均电流成比例地提供设备10的输出信号（即特性电压信号OUT）。
图4示出了其中通过PWM控制半桥电路对电动机M通电的示例性实施例，该半桥电路包括两个半桥HB1和HB2，每个半桥分别具有两个开关T11、T21和T12、T22。
在本示例中，电动机M被布置在两个半桥HB1和HB2的桥接支路中，使得由于总共四个开关T11、T21、T12、T22的可控性，可以实现更多样的PWM策略。
对应于两个半桥HB1、HB2的数量，在本示例中提供了两个PWM控制装置CTL1和CTL2用来进行电动机M的PWM控制，向这些控制装置馈送PWM控制信号PWM，以便分别生成开关相应的相关联开关T11、T21和T12、T22所需的控制信号，并将所述控制信号施加到控制输入（栅极）。
本示例中用于测量流经电动机M的电流的设备10包括已经参照图1至图3描述的类型的两个电流测量设备12-1，A2-1，A3-1和12-2，A2-2，A3-2（对应于布置“12，A2，A3”），如图4所示，这两个电流测量设备被分配给半桥HB1和HB2的相应低侧开关T11或T12。
设备10还包括选择和评估装置32。
在该示例中，一方面，可以通过选择和评估装置32控制这两个电流测量设备12-1，A2-1，A3-1和12-2，A2-2，A3-2的操作。为此，如图4所示，例如PWM控制信号PWM也可以经由选择和评估装置32馈送到这两个电流测量设备或包括在其中的监测装置12-1和12-2，这些电流测量设备以上述方式同步（即，例如同时接通和断开）同步测量放大器A2-1或A2-2和同步电压跟随器A3-1或A3-2的被分别分配的布置。
然而，在不同于此的情况下，如前所述，监测装置12-1和12-2还可以利用直接在开关T11和T12处分接的相关信号来监测开关状态。
另外，通过选择和评估装置32可选地选择由这两个电流测量设备12-1，A2-1，A3-1和12-2，A2-2，A3-2提供的输出信号OUT1、OUT2之一，并在设备10的输出处作为输出信号OUT提供。
因此，在该示例性实施例中，可以有利地选择两个开关T11和T12之一来测量流经电动机M的电流。
例如，可以根据用于“电动机管理”的装置（未示出）的对应规格来控制该选择，其中，这样的电动机管理装置还可以生成例如PWM控制所需的信号PWM。
在图4的所示示例中，所提及的电动机管理的规格可以作为编程信号“prog”经由编程装置（例如数字接口）传输到控制模块30，该控制模块包含PWM控制装置CTL1、CTL2和选择和评估装置32，并且在与图4中所示不同的情况下，该控制模块还可以另外包含电流测量设备12-1，A2-1，A3-1和12-2，A2-2，A3-2。
通过例如经由数字总线系统馈送的编程信号“prog”和功能类似于多路复用装置的选择和评估装置32，可以选择可用开关（在这种情况下：T11和T12）之一来进行电流测量，并且可以将选定的电流测量的结果（在这种情况下：信号OUT）传输到例如更高级别的控制装置（例如特别是前述的电动机管理装置）。有利地，可以通过对不同电流测量设备的可编程选择来实现特别灵活的电动机管理。
通常有利的是，至少一个电流测量装置、或者如图4所示多个（在这种情况下：两个）电流测量设备集成到一个模块（在这种情况下：控制模块30）中，该模块还包含被提供用于控制所讨论的开关（在这种情况下：T11，T21，T12，T22）的装置（在这种情况下：CTL1，CTL2）。
例如，这样的模块（诸如所示的控制模块30）可以有利地实施为用于控制用于对电感负载通电的半桥电路并测量流经电感负载的电流的集成电路。在这种情况下，半桥电路特别是可以具有至少一个第一半桥和第二半桥，该第一半桥具有两个第一半导体开关，该第二半桥具有两个第二半导体开关，例如如图4所示。
为了减少图1和图3的电流测量设备10和图4的两个电流测量设备的测量误差，如上所述的所有示例性实施例都考虑测量所讨论的一个或多个开关的温度（用于电流测量），以便确定这些开关的（温度相关的）接通电阻，或者以依赖于温度的方式校正所述接通电阻。
在本发明的上下文中，适宜地不直接将信号OUT或例如多个这样的信号（例如图4中的OUT1、OUT2）之一用作电流测量的“确定变量”，而是仅通过在考虑测量温度的同时评估信号OUT来形成该确定变量。在这些示例中，例如可以在（适当设计的）控制和监测装置20（图1和图3）中或在控制模块30中（图4）中执行评估。在图4中，例如，可以将由开关T11、T12分接的温度测量信号馈送到控制模块30以用于此目的，以便首先根据测量温度进一步处理分别选择的信号OUT1或OUT2，然后输出所述信号作为“经温度校正的”信号OUT。
特别地，本发明用于提供如下的设备和方法，可以通过该设备和方法测量流经任何半导体开关（特别是诸如FET或MOSFET等标准功率开关）的电动机电流，作为通过半桥电路实施的PWM电动机控制的一部分。这里可以有利地提供连续测量信号。测量本身不会造成电源电路中的任何额外损耗。测量电子装置可以有利地被集成到用于PWM电动机控制的控制模块中。

Claims (17)

1.一种用于测量流经电感负载（M）的电流的设备（10），该电感负载通过具有至少两个半导体开关（T1，T2）的半桥电路（HB）通电，其中，这些半导体开关（T1，T2）根据PWM方法以互补方式接通和断开，
其特征在于，该设备（10）具有：
- 监测装置（12），该监测装置被设计为确定该至少两个半导体开关（T1，T2）中的至少一个开关（T1）的接通状态和断开状态，
- 同步测量放大器（A2），该同步测量放大器由该监测装置（12）控制，并且被设计为在该半导体开关（T1）的确定接通状态期间测量该半导体开关（T1）处存在的电压降（U1），并对该压降进行倍增以形成倍增电压（U2），
- 同步电压跟随器（A3），该同步电压跟随器由监测装置（12）控制并生成电压信号（OUT），该电压信号是该电感负载（M）中的电流的特性，并且该电压信号在该半导体开关（T1）的接通状态下跟随该倍增电压（U2）而在该半导体开关（T1）的断开状态下保持基本不变或根据预定义曲线减小。
2.如权利要求1所述的设备（10），其中，该同步电压跟随器（A3，CA）被设计为在该半导体开关（T1）的断开状态期间保持该电压信号（OUT）基本不变。
3.如权利要求1所述的设备（10），其中，该同步电压跟随器（A3，CA，CS）被设计为在该半导体开关（T1）的断开状态期间根据预定义曲线减小该电压信号（OUT）。
4.如权利要求3所述的设备（10），其中，该半导体开关（T1）的断开状态期间的该预定义曲线近似于该电感负载（M）中的预期电流降低，并且/或者其中，该预定义曲线被设计为能够配置的并且能够经由编程接口来定义。
5.如前述权利要求之一所述的设备（10），其中，该电感负载（M）由DC电动机形成。
6.如前述权利要求之一所述的设备（10），进一步具有用于检测该半导体开关（T1）的温度的温度检测装置、以及基于该电压信号（OUT）以及该半导体开关（T1）的检测温度来确定流经该电感负载（M）的电流的评估装置。
7.如前述权利要求之一所述的设备（10），进一步具有用于将流经该电感负载（M）的测量电流与规定阈值进行比较的比较装置、以及在该阈值被超过时生成指示该超过的过载信号的评估装置。
8.如前述权利要求之一所述的设备（10），其中，该半桥电路具有多个半桥（HB1，HB2），每个半桥都具有两个半导体开关（T11，T21，T12，T22），并且该设备（10）还具有可控选择装置（32），通过该可控选择装置能够选择这些半导体开关（T11，T21，T12，T22）中的多个半导体开关（T11，T12）之一用来测量流经该电感负载（M）的电流。
9.一种集成电路（30），该集成电路用于控制用于对电感负载（M）通电的半桥电路（HB1，HB2）并且用于测量流经该电感负载（M）的电流，其中，该半桥电路（HB1，HB2）具有至少一个第一半桥（HB1）和第二半桥（HB2），该第一半桥具有两个第一半导体开关（T11，T21），该第二半桥具有两个第二半导体开关（T12，T22），
其中，该集成电路（30）具有：
- PWM控制装置（CTL1，CTL2），该PWM控制装置用于根据PWM方法以互补方式接通和断开该半桥电路（HB1，HB2）的半导体开关（T11，T21，T12，T22），
- 如前述权利要求之一所述的第一设备（12-1，A2-1，A3-1），该第一设备连接到该两个第一半导体开关（T11，T21）中的至少一个开关（T11），
- 如前述权利要求之一所述的第二设备（12-2，A2-2，A3-2），该第二设备连接到该两个第二半导体开关（T12，T22）中的至少一个开关（T12），
- 控制装置（32），通过该控制装置能够选择该第一设备（12-1，A2-1，A3-1）或该第二设备（12-2，A2-2，A3-2）用来测量流经该电感负载（M）的电流。
10.一种用于测量流经电感负载（M）的电流的方法，该电感负载（M）通过具有至少两个半导体开关（T1，T2）的半桥电路（HB）通电，其中，这些半导体开关（T1，T2）根据PWM方法以互补方式接通和断开，
其特征在于，该方法包括以下步骤：
- 监测该至少两个半导体开关（T1，T2）中的至少一个（T1）以便确定该至少两个半导体开关（T1，T2）中的该至少一个开关（T1）的接通状态和断开状态，
- 在该半导体开关（T1）的确定接通状态期间测量该半导体开关（T1）处存在的电压降（U1），
- 在该半导体开关（T1）的确定接通状态期间，对在该半导体开关（T1）处测量的电压降（U1）进行同步倍增以形成倍增电压（U2），
- 生成电压信号（OUT），该电压信号是该电感负载（M）中的电流的特性，并且该电压信号在该半导体开关（T1）的接通状态下跟随该倍增电压（U2）而在该半导体开关（T1）的断开状态下保持基本不变或根据预定义曲线减小。
11.如权利要求10所述的方法，其中，该电压信号（OUT）通过同步电压跟随器（A3）生成。
12.如权利要求10或11所述的方法，其中，该半导体开关（T1）的电阻是温度相关的，并且其中，该方法进一步包括以下步骤：
- 检测该半导体开关（T1）的温度，
- 基于该电压信号（OUT）以及该半导体开关（T1）的检测温度确定流经该电感负载（M）的电流。
13.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，该方法进一步包括以下步骤：
- 将流经该电感负载（M）的测量电流与规定阈值进行比较，
- 在该测量电流超过该阈值时生成指示该阈值已被超过的过载信号。
14.如权利要求10至13之一所述的方法，其中，在该半导体开关（T1）的断开状态下，该电压信号（OUT）根据预定义曲线减小。
15.如权利要求14所述的方法，其中，该半导体开关（T1）的断开状态期间的该预定义曲线近似于该电感负载（M）中的预期电流降低，并且/或者其中，该预定义曲线被设计为能够配置的并且能够经由编程接口来定义。
16.如权利要求10至15之一所述的方法，其中，该电感负载（M）由DC电动机形成。
17.如权利要求10至16之一所述的方法，其中，该半桥电路具有多个半桥（HB1，HB2），每个半桥都具有两个半导体开关（T11，T21，T12，T22），并且该方法进一步包括以下步骤：选择这些半导体开关（T11，T21，T12，T22）中的多个半导体开关（T11，T12）之一用来测量流经该电感负载（M）的电流。
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