CN1573345A - 监测功率输出级的方法 - Google Patents

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Abstract

监测功率输出级的方法，该功率输出级具有至少一个半桥，其由串联连接的上和下半导体开关形成，该半导体开关通过脉宽调制脉冲交替控制到导通状态和关断状态，本发明还提供了在上半导体开关导通和下半导体开关导通时的每种情况下测量下半导体开关两端的各个电压，在工作电压和上半导体开关导通时测得的下半导体开关两端电压之间形成了电压差，其中将该电压差和下半导体开关导通时测得的该下半导体开关两端电压与预定电压相比较，这个预定电压是半导体开关导通时其两端的最大允许电压，当该电压差和该下半导体开关的两端电压都高于该预定电压时，该功率输出级或其输出电路识别为故障。

Description

监测功率输出级的方法
本发明涉及一种监测功率输出级的方法，该功率输出级具有至少一个半桥，该半桥由上半导体开关和下半导体开关串联形成，向该半桥施加一个工作电压，可通过脉宽调制脉冲交替控制半导体开关使其工作在开关导通状态和开关关断状态，至少在一个半桥中的半导体开关之间的连接点处形成输出。
将配有半导体开关的功率输出级特别适用于在机动车辆中用于驱动负载，比如直流电机。尤其是在通过功率输出级和电机实现安全相关功能的情况下，其对于检查功率输出级以确定半导体开关的正确操作、短路以及过载是特别重要的。
根据本发明的方法可以实现这个目的，其中，在上半导体开关导通和下半导体开关导通时的所有情况下，测量下半导体开关两端的相应电压；在工作电压和上半导体开关导通时下半导体开关两端测得的电压之间形成了电压差；这个电压差和下半导体开关导通时在其两端测得的电压与预定电压相比较，该预定电压是半导体开关在导通时其两端可允许的最大电压，当该电压差和该测得的下半导体开关两端的电压都高于该预定电压时，该功率输出级或其输出电路识别为有故障。
根据本发明的方法能够在正常工作期间对功率输出级进行检测。根据本发明的方法还具有的优点是，与可产生脉宽调制脉冲的控制装置结合，可以进行测量、在它们之间形成电压差，并通过模拟/数字转换器和用于估算的适当程序或硬件以简易方式对电压进行比较，硬件连在模拟/数字转换器的下游。
根据本发明的方法的有利改进在于，在所有情况下能够在开关导通间隔的中心区域测量电压。这可以避免在脉冲边缘发生的瞬态过程而导致的错误测量。
根据本发明的方法可以在含有一个或多个半桥的功率输出级上实现。另一个改进之处在于在功率输出级包括至少两个半桥的情况下，可以在所有的下半导体开关都导通的第一时间测量下半导体开关两端的电压，和在所有的上半导体开关都导通的第二时间测量下半导体开关两端的电压。
根据本发明的方法可以按照第一时间和第二时间处于相同的脉冲周期内这样的方式实现。然而，如果例如这样对信号处理更好的话，也可以使第二时间与第一时间处于不同的脉冲周期。
本发明方法的许多应用中，预定电压可以设定为固定电压，或者预定电压可以选择为对于所有半导体开关都相同。然而，将半导体开关的电压或各个组半导体开关的电压单独地预先确定也会落在本发明的范围内。由于半导体开关的导通电阻R_Dson以及对于一个给定电流在半导体开关两端的电压降都与温度有关，所以可以根据本发明的开发将预定电压作为半导体开关的温度函数来控制。
为了防止损坏或进一步的损伤，本发明的方法可以使功率输出级在该功率输出级或其输出电路识别为故障时关断。然而，有可能产生其它反应，比如警告信号或是将事件输入到维修存储器。
本发明允许多种实施方式。这些实施方式的其中之一将在下文进行描述并通过附图中的多个附图示意性的表示，其中：
图1为示出了一种布置方式的电路图，其可以实施本发明方法；
图2为示出了图1中实施例的不同脉冲的图表。
图3示出了上半导体开关导通的时间间隔内B6桥接电路的情况，和
图4示出了下半导体开关导通的时间间隔内同一桥接电路的情况。
在所示的示意性实施例中，两个MOSFET Hu、Lu；两个MOSFET Hv、Lv；两个MOSFET Hw、Lw分别形成了一个具有输出端10、11、12的半桥7、8、9，输出端分别与一个永磁励磁的无刷同步电机的绕组13、14、15(采用星形电路的形式)的相应一个连接。向输入端16施加工作电压Ub。
这种设置还具有一个认为是与功率输出级结合的控制装置20，其由一个微机或一个数字信号处理器构成，并且对于理解本发明来讲不需要再进行更多详细的解释。控制装置20的输出与驱动电路21连接，驱动电路21产生用于MOSFET Hu到Lw的控制信号。控制装置20也与模拟/数字转换器20′连接，向转换器20′的输入端施加的是分压器22、23、24、25在所有情况下产生的电压。分压器具有比绕组13、14、15高得多的阻值，这是为了防止输出级的效率在工作中变差。分压器22到25是这样设计的，即在U+处于其最大可能值时不超过模拟/数字转换器的最大允许输入电压。
图2示出了对构成三相U、V、W的半导体开关的驱动，使上半导体开关在所有情况下都在电平H时导通，而下半导体开关则在电平为L时切换到导通阶段。在所有情况下示出了三个周期，它们的例如为50μs的持续时间对应于20kHz频率。由于这个频率远远高于旋转场的频率，所以形成旋转场的脉宽调制在图2中不能够看出。从而，图2示出了一个瞬间记录，其中U相的电平H的时间间隔为最大，W相的电平H的时间间隔为最小，而U相的电平L的时间间隔处于最小和W相的电平L的时间间隔为最大。
阴影区27和28表示时间周期，其中，一方面，所有的下半导体开关都导通(也参见图4)，另一方面所有的上半导体开关都导通(也参见图3)。在图2示出的时间tse和tc执行测量，特别是分别在开始和结束的时间以及周期的中心处的时间时，可以执行该测量。图2a和2b示出的示意性实施例的区别在于，在图2a所示的情况中时间tc处于相同周期内，而在图2b所示的情况中时间tc处于tse已经测量了的随后那个周期内。
图3示出了上半导体开关Hu、Hv和Hw都导通时功率输出级的状态。电流流过的那些导体进行加粗表示。电流方向用箭头表示。在所示的时间周期内没有施加工作电压。电流流动，是存储在绕组中的磁能的结果。在tc测量电压Uu、Uv和Uw以及工作电压Ub。
图4示出了下半导体开关Lu、Lv和Lw导通时电流和电压的情况。Uu、Uv和Uw是在这个周期内的时间tse处被测量的。
随后在控制器20中实施下列评估(图1)，在时间tc处的测量将是精确的：
Ub-Uu(tc)＜U_Dsmax
Ub-Uv(tc)＜U_Dsmax
Ub-Uw(tc)＜U_Dsmax
在时间tse处：
Uu(tse)＜U_Dsmax
Uv(tse)＜U_Dsmax
Uw(tse)＜U_Dsmax
如果差值之一或者测得的电压之一达到或超过预定电压U_Dsmax，那么就存在故障。如果一个半导体开关发生短路或，例如如果电机电源线短接到地或短接到工作电压，那么不能接受的高电流将会流过，这将引起相应的半导体开关两端电压降升高。这个信息用来进行故障识别和关断。

Claims (7)

1.一种监测功率输出级的方法，该功率输出级具有至少一个半桥，该半桥由串联连接的上和下半导体开关形成并给该半桥施加了工作电压，该半导体开关通过脉宽调制脉冲被交替地控制为导通状态和关断状态，至少一个半桥中的半导体开关之间的连接点构成了输出端，其特征在于在上半导体开关导通以及下半导体开关导通时的所有情况下测量下半导体开关两端的各个电压，在工作电压和上半导体开关导通时测得的下半导体开关两端的电压之间形成了电压差，其中将这个电压差和下半导体开关导通时测得的该下半导体开关两端的电压与预定电压相比较，这个预定电压是半导体开关导通时其两端的最大允许电压，当该电压差和该测得的下半导体开关两端的电压都高于该预定电压时，该功率输出级或其输出电路识别为有故障。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于在所有情况下在导通时间间隔中心区域测量该电压。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在功率输出级包括至少两个半桥的情况下，在所有下半导体开关都导通的第一时间测量下半导体开关两端的电压，和在所有上半导体开关都导通的第二时间测量下半导体开关两端的电压。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于该第一时间和该第二时间处于相同的脉冲周期内。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于该第二时间相对于第一时间处于不同的脉冲周期。
6.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于预定电压被控制为半导体开关的温度函数。
7.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于在该功率输出级或其输出电路识别为故障时关断该功率输出级。
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