KR20140076502A - Parallel connection of a number of half-bridges in h-bridges circuit modules - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 회로 장치뿐 아니라, 이러한 회로 장치를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to circuit devices as well as methods for operating such circuit devices.
자동차에는 다양한 목적을 위해, H-브리지 트랜지스터 회로들이 이용된다. 이를 위해, 상대적으로 거친 환경 조건들(열, 온도 변동, 습도 등)로 인해, 특히 파워 트레인(예: 스로틀 제어 장치, 배기가스 재순환 시스템, 가변 밸브 제어 장치, 가변 기하구조를 갖는 터보차저 등)의 영역에서 직류 모터들의 구동을 위해, 대개 모놀리식 집적 회로들(하기에서, H-브리지 IC, H-브리지 회로 모듈, 또는 H-브리지로서 표현됨)이 이용되는데, 상기 모놀리식 집적 회로들은 회로 트랜지스터들을 구비한 다수의 반브리지 외에도 내부 제어 및 모니터링 기능들, 특히 내부 전류 제한 및 자동 액티브 프리휠을 포함한다.In automobiles, H-bridge transistor circuits are used for various purposes. To this end, powertrain (e.g., throttle control, exhaust gas recirculation system, variable valve control, turbocharger with variable geometry, etc.), due to relatively harsh environmental conditions (heat, temperature fluctuations, Monolithic integrated circuits (hereinafter referred to as H-bridge IC, H-bridge circuit module, or H-bridge) are used for driving DC motors in the region of the monolithic integrated circuits In addition to a number of half-bridges with circuit transistors, they also include internal control and monitoring functions, particularly internal current limiting and automatic active freewheeling.
내부 전류 제한은, 연결된 컴포넌트를 위해 H-브리지의 반브리지에 의해 제공되는 전류가 자동으로 (대개 하이-사이드 트랜지스터의 내부 PWM 구동을 통해) 특정 값으로 제한되게끔 한다. 액티브 프리휠의 경우, 패시브 위상(하이-사이드 트랜지스터 오프)에서, 내부 프리휠 다이오드는 로두-사이드 트랜지스터의 스위치 온을 통해 브리지된다. 이는 손실 전력을 감소시킨다. H-브리지 IC는 상기 기능성을 제공하기 위해, 인터페이스, 예컨대 버스 인터페이스(예: SPI 버스)도 구비할 수 있는 내부 컴퓨팅 유닛을 포함한다. 인터페이스를 통해, H-브리지 IC의 구성 및 구동을 수행할 수 있고 데이터를 판독할 수 있다.The internal current limit causes the current provided by the half-bridge of the H-bridge to be limited to a specific value automatically (usually via internal PWM drive of the high-side transistor) for the connected component. In the active freewheel, in the passive phase (high-side transistor off), the internal freewheel diode is bridged through the switch-on of the low-side transistor. This reduces loss power. The H-bridge IC includes an internal computing unit, which may also include an interface, e.g., a bus interface (e.g., SPI bus), to provide the functionality. Through the interface, the configuration and operation of the H-bridge IC can be performed and the data can be read.
그러나 H-브리지 IC의 "지능형" 구성은 어려운 사항들을 야기하는데, 그 이유는, 여기서 뜻하지 않게, 예컨대 과전류 상황에서 모든 반브리지가 동기 방식으로 (다시 말해 동시에 온 및 오프되는 방식으로) 전류 제한 상태에 있지 않는다면, 개별 반브리지들 사이에 횡방향 전류가 발생할 수 있으므로, 상기 H-브리지 IC의 반브리지들이 병렬로 (입력단들 및 출력단들이 병렬로) 연결될 수 없기 때문이다.However, the "intelligent" configuration of the H-bridge IC causes difficulties because, unexpectedly, for example, in the overcurrent condition, all the half bridges are in a synchronous manner (i.e., Bridge ICs can not be connected in parallel (input and output stages in parallel) because the lateral currents can occur between the individual half-bridges, if not in the H-bridge IC.
그러나 특정 상황에서, 예컨대 높은 전류 및/또는 높은 온도의 조건에서, 상기 유형의 2개 이상의 반브리지를 병렬로 작동시키는 것이 바람직하다. 바로 자동차의 경우, 여기저기서 매우 높은 온도가 발생한다. 주변 온도가 더 높아질수록, 반브리지는 연결된 유닛을 위해 더 낮은 전력을 제공할 수 있다. 또한, 반브리지에서 전환할 수 있는 손실 전력이 모놀리식 구성을 통해 제한되기 때문에, 연결된 유닛의 전기 수요가 높거나, 높은 주변 온도 조건에서 상기 H-브리지 IC의 이용 시, 2개 이상의 반브리지를 병렬로 연결하는 것이 바람직하다.However, under certain circumstances, for example at high current and / or high temperature conditions, it is desirable to operate two or more half-bridges of this type in parallel. In the case of automobiles, very high temperatures occur here and there. The higher the ambient temperature, the more half the bridge can provide lower power for the connected unit. Further, since the loss power that can be switched in the half bridge is limited by the monolithic configuration, when the electric demand of the connected unit is high, or when the H-bridge IC is used in a high ambient temperature condition, Are connected in parallel.
본 발명에 따라서, 독립 청구항들의 특징들을 갖는 회로 장치뿐 아니라 상기 회로 장치를 작동시키기 위한 방법이 제안된다. 바람직한 구현예들은 종속항들 및 하기 설명의 대상이다.According to the present invention, a method for operating the circuit device as well as a circuit device having the features of the independent claims is proposed. Preferred embodiments are subject of the dependent claims and the following description.
본 발명은, H-브리지 IC의 2개의 반브리지의 병렬 연결이 실질적으로, 과전류 상황에서 모든 반브리지가 동기 방식으로 전류 제한 상태에 있지 않는다면, 자동 액티브 프리휠을 바탕으로 반브리지의 로두-사이드 트랜지스터가 전류 제한 상태에서 스위치 온되고 그에 따라 병렬 반브리지의 하이-사이드 트랜지스터와 함께 전류 제한 없이 단락을 형성하기 때문에, 의도하지 않은 횡방향 전류를 초래한다는 지식을 이용한다. 따라서 이미 액티브 프리휠의 저지를 통해 병렬 연결이 가능하다.The present invention is based on the fact that the parallel connection of two half bridges of an H-bridge IC is substantially in the overcurrent situation and not all half bridges are in a current limited state in synchronous manner, Utilizes the knowledge that it causes an unintended transverse current because it is switched on in the current limited state and thus forms a short circuit with the high-side transistor of the parallel half-bridge with no current limit. Therefore, parallel connection is possible through the inhibition of the active freewheel.
본 발명은, 자동차에서 지능형 H-브리지 IC들의 2개 이상의 반브리지를 병렬로 작동시킬 수 있는 가능성을 기술한다. 그러나 이러한 경우 H-브리지 IC들에 제공되어 있는 제어 및 모니터링 기능들은 유지된다.The present invention describes the possibility of operating two or more half bridges of intelligent H-bridge ICs in parallel in a vehicle. In this case, however, the control and monitoring functions provided to the H-bridge ICs are maintained.
병렬로 연결된 H-브리지들 내에서 발생하는 손실 전력은 매우 적게 유지된다.The loss power generated within the H-bridges connected in parallel remains very low.
본 발명의 범위에서, 액티브 프리휠을 선택적으로 비활성화시킬 수 있는 가능성이 있는 H-브리지 IC들이 제안되고 이용된다. 그럼으로써, 내부 전류 제한 상태에서도 2개 이상의 반브리지의 병렬 작동이 가능하다. 비활성화 가능성은 H-브리지 IC의 내부 컴퓨팅 유닛의 상응하는 구성을 통해, 예컨대 SPI 버스를 통한 구성 레지스터의 기록을 통해 수행될 수 있다.Within the scope of the present invention, H-bridge ICs that have the potential to selectively disable an active freewheel are proposed and utilized. Thereby, parallel operation of two or more half-bridges is possible even in the internal current limit state. Deactivation may be performed through a corresponding configuration of the internal computing unit of the H-bridge IC, for example, through writing of the configuration register via the SPI bus.
본 발명은 더 낮은 (평균) 전자 장치 온도와 향상된 효율을 유도한다. 과도 상태의 전력 피크에 대해 가능한 온도 상승도 증가된다. (평균) 시스템 동적 거동은 향상되고, 적용은 높은 주변 온도 조건에서도 더욱 견고해진다. 증가된 전력 피크를 통해, 연결된 유닛, 예컨대 스로틀 밸브도 마찬가지로 증가된 동적 거동으로 작동될 수 있다. 이는 재차 전체 시스템 동적 거동에 긍정적으로 작용한다.The present invention leads to lower (average) electronics temperature and improved efficiency. The possible temperature rise for the power peak in the transient state is also increased. (Average) system dynamic behavior is improved, and the application becomes more robust under high ambient temperature conditions. Through the increased power peak, connected units, such as throttle valves, can likewise be operated with increased dynamic behavior. This again has a positive effect on the overall system dynamic behavior.
전형적인 H-브리지 IC는 각각의 중앙 탭 단자(central tap terminal)를 구비한 2개 이상의 반브리지를 포함하고, 전기 공급할 유닛은 2개의 중앙 탭 단자 사이에, 또는 하나의 중앙 탭 단자와 접지 사이에 연결된다. 이제, 반브리지들의 병렬 연결 시, 하나의 반브리지에 하나 이상의 반브리지가 병렬 연결된다. 바람직하게, 전기 공급할 유닛은, 내부에 각각 2개 이상의 반브리지가 병렬 연결되어 있는 2개의 H-브리지 IC 사이에도 연결될 수 있다.Typical H-bridge ICs include two or more half bridges with respective central tap terminals, and the unit to be powered may be between two center tap terminals, or between one center tap terminal and ground . Now, in a parallel connection of half bridges, one or more half bridges are connected in parallel to one half bridge. Preferably, the unit for supplying electricity may be connected between two H-bridge ICs each of which has two or more half bridges connected in parallel.
바람직하게, 제1 반브리지의 액티브 프리휠은, 하나 이상의 병렬 연결된 제2 반브리지가 전류 제한 상태에 있다면, 비활성화된다.Preferably, the active half-bridge active frywheel is deactivated if one or more parallel-connected second half bridges are in the current limited state.
바람직하게, 모든 병렬 연결된 반브리지의 액티브 프리휠은, 연결된 유닛으로 공급될 전류에 따라서 활성화 또는 비활성화된다. 이는 비활성화된 액티브 프리휠을 통해 야기되는 손실 전력을 감소시킨다.Preferably, the active freewheel of all parallel-connected half bridges is activated or deactivated depending on the current to be supplied to the connected unit. This reduces the lost power caused by the deactivated active freewheel.
바람직하게, 액티브 프리휠은 외부에서 활성화 및 비활성화될 수 있으며, 이를 위해 바람직하게는 상응하는 입력단이 하나 이상의 H-브리지 IC에 제공된다. 입력단은 분리되거나, 버스 인터페이스(예: SPI)의 범위에서 실현할 수 있다. 활성화/비활성화는 예컨대 내부 구성 레지스터의 설정/삭제를 통해 이루어질 수 있다. 그러면, 액티브 프리휠의 활성화 및 비활성화는, 바람직하게는 상위의 유닛, 바람직하게는 마이크로컴퓨터 또는 제어 장치를 통해 이루어진다.Preferably, the active freewheel can be activated and deactivated externally, for which a corresponding input is preferably provided to one or more H-bridge ICs. The inputs can be isolated or realized in the range of bus interfaces (eg SPI). Activation / deactivation may be accomplished, for example, by setting / deleting the internal configuration register. Then, the activation and deactivation of the active freewheel is preferably performed through an upper unit, preferably a microcomputer or a control device.
한 바람직한 실시예에 따라서, 한 작동 모드에서, 특히 연결된 유닛에 대해 요구되는 전력 출력이 낮은 경우("절약 모드"), 모든 병렬 연결된 반브리지는 하나의 반브리지를 제외하고 완전하게 차단될 수 있으며, 그럼으로써 낮은 전력 출력은 상기 하나의 반브리지에 의해 단독으로 그에 따라 최적의 조건에서 수행된다. 요구되는 전력 출력이 더욱 높은 경우(전력 모드), 또 다른 작동 모드에서, 이러한 경우 비활성화된 액티브 프리휠을 포함한 추가 반브리지들이 병렬 활성화된다. 상기 두 작동 모드 사이의 적합한 전환 값 내지 임계값은 적용 또는 유닛에 따라 결정된다. 상기 전환 값 내지 임계값은 예컨대 사전에 계산할 수 있거나, 발생하는 손실 전력에 따라서 측정할 수 있다. 전환 값은 바람직하게 상위의 유닛에 저장된다.According to one preferred embodiment, in one operating mode, especially when the power output required for a connected unit is low ("economy mode"), all parallel connected half bridges can be completely blocked except for one half bridge , So that the low power output is performed by the one half bridge alone and accordingly in the optimum condition. In the case where the required power output is higher (power mode), in another operating mode, additional half-bridges including the inactive active freewheel in this case are activated in parallel. The appropriate switching value to threshold value between the two operating modes is determined depending on the application or unit. The switching value to the threshold value can be calculated in advance, for example, or can be measured in accordance with the generated loss power. The conversion value is preferably stored in the upper unit.
바람직하게, 반브리지들은 외부에서 활성화 및 비활성화될 수 있으며, 이를 위해 목적에 적합하게는 상응하는 입력단이 하나 이상의 H-브리지 IC에 제공된다. 입력단은 분리되거나, 버스 인터페이스(예: SPI)의 범위에서 실현할 수 있다. 활성화/비활성화는 예컨대 내부 구성 레지스터의 설정/삭제를 통해 이루어질 수 있다.Preferably, the half-bridges can be activated and deactivated externally, and corresponding inputs are provided to one or more H-bridge ICs for the purpose. The inputs can be isolated or realized in the range of bus interfaces (eg SPI). Activation / deactivation may be accomplished, for example, by setting / deleting the internal configuration register.
본 발명에 따른 컴퓨팅 유닛, 예컨대 자동차의 제어 장치는 프로그램 기술 측면에서 본 발명에 따른 방법을 실행하도록 구성된다.A control unit of a computing unit such as an automobile according to the present invention is configured to execute the method according to the present invention in terms of program technology.
특히 실행되는 제어 장치가 아직 다른 과제를 위해 사용되고 있고 어차피 제공되어 있는 경우, 본 방법은 소프트웨어의 형태로 보충되는 것도 바람직한데, 이는 특히 비용 발생이 적기 때문이다. 컴퓨터 프로그램을 제공하기 위한 적합한 데이터 캐리어는 특히 디스켓, 하드 디스크, 플래시 메모리, EEPROM, CD-ROM, DVD 및 기타 등등이다. 컴퓨터 네트워크(인터넷, 인트라넷 등)를 통한 프로그램의 다운로드도 가능하다. It is also desirable that the method be supplemented in the form of software, especially if the control device being executed is still used for other tasks and is provided anyway, especially since this is less costly. Suitable data carriers for providing computer programs are in particular diskettes, hard disks, flash memory, EEPROM, CD-ROM, DVD and the like. It is also possible to download programs via a computer network (Internet, intranet, etc.).
본 발명의 다른 장점 및 실시예는 명세서 및 첨부되는 도면에 제시된다. Other advantages and embodiments of the invention are set forth in the specification and the accompanying drawings.
당연하게, 상기 언급된 특징 및 하기 설명될 특징은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 각각 언급된 조합으로뿐만 아니라 다른 조합으로도 또는 개별적으로도 사용될 수 있다. Naturally, the above-mentioned features and the features to be described below can be used not only in the respective combinations mentioned but also in different combinations or individually, without departing from the scope of the invention.
본 발명은 실시예를 사용하여 도면에 개략적으로 도시되고 이하 도면을 참조하여 상세히 설명된다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention is schematically illustrated in the drawings using the embodiments and described in detail below with reference to the drawings.
도 1은 유닛의 전류 공급을 위한 본 발명에 따른 회로 장치의 한 바람직한 실시예이다.
도 2는 유닛의 작동 시 트랜지스터들의 프리휠 다이오드들에서의 손실 전력들을 나타낸 그래프이다.1 is a preferred embodiment of a circuit arrangement according to the present invention for current supply of a unit.
2 is a graph showing the losses in the free wheel diodes of the transistors in operation of the unit.
도 1에는, 유닛(200)의 전류 공급을 위한 본 발명에 따른 회로 장치(100)의 바람직한 실시예가 회로도로 도시되어 있다. 유닛(200)은 여기서 자동차의 전기 스로틀 장치의 전기 구동 장치[기어 장치를 포함한 직류 모터(M)]로서 형성된다. 회로 장치(100)도 전기 스로틀 장치의 부품이다. 상기 전기 스로틀 장치는 가솔린 엔진의 경우 흡기 트랙트(intake tract)에서 공기 공급을 조절한다. 전기 스로틀 장치는 전기 구동 장치 및 각도 센서를 구비한 스로틀 밸브를 포함한다.In Figure 1, a preferred embodiment of a
엔진 제어 장치(10)는 가속 페달 위치로부터 특히 스로틀 밸브의 필요한 개방도를 계산한다. 직류 모터는 기어 장치를 통해 스로틀 밸브 샤프트를 조정하고 그에 따라 공기량을 조절한다. 스로틀 장치는, 공기의 정밀한 조절을 이용하여, 엔진에서 출력되는 토크와 그에 따라 출력을 제어한다.The
회로 장치(100)는, 각각 2개의 반브리지(111, 112 또는 121, 122)를 구비한 2개의 동일한 H-브리지 회로 모듈 또는 IC(110, 120)를 포함한다. 그 외에도, 각각의 H-브리지 IC(110, 120)는 반브리지들의 트랜지스터들을 구동하도록 구성된 컴퓨팅 유닛(113, 123)도 포함한다. 컴퓨팅 유닛은 구동 단자들(114, 114', 115, 115', 116, 116' 또는 124, 124', 125, 125', 126, 126')에 인가된 신호들에 따라서 반브리지들의 트랜지스터들을 구동한다. 각각의 H-브리지 IC(110, 120)은 각각의 반브리지에 대해 단자(도에는 ' 표시가 없는 도면 부호 및 ' 표시가 있는 도면 부호)를 포함하며, 다시 말해 본 예시에서는 항상 2개의 단자를 포함한다. 각각의 트랜지스터에는 프리휠 다이오드가 병렬 연결된다. 이러한 프리휠 다이오드는 (예컨대 MOS 트랜지스터의 경우) 진성 프리휠 다이오드들이거나, (예컨대 IGBT의 경우) 분리된 소자들일 수 있다.The
단자들(114, 114' 또는 124, 124')은 예컨대 스위칭 시간을 사전 설정하기 위한 구동 입력단들이고, 단자들(115, 115' 또는 125, 125')은 허용 최대 전류를 사전 설정하기 위한 전류 제한 입력단들이며, 단자들(116, 116' 또는 126, 126')은 H-브리지 IC(110 또는 120) 내 액티브 프리휠을 비활성화하기 위한 프리휠 입력단들일 수 있다. 상기 단자들은 본 발명의 범위에서 회로 장치를 적절하게 구동하도록 구성된 엔진 제어 장치(10)와 연결된다.
또한, 각각의 H-브리지 IC(110, 120)는 각각의 반브리지에 대해, 전기 공급할 유닛들이 연결되는 2개의 트랜지스터 사이의 중앙 탭 단자로서의 출력 단자(119, 119' 또는 129, 129')를 포함한다.Further, each H-
도시한 회로 장치의 경우, 각각 2개의 반브리지(111 및 112, 또는 121 및 122)가 병렬 연결되며, 그럼으로써 그 구동 단자들과 출력 단자들은 병렬 연결된다. 그에 따라, 전기 스로틀 장치(200)는 일측에서 출력 단자들(119, 119') 사이에, 그리고 타측에서는 출력 단자들(129, 129') 사이에 연결된다.In the case of the illustrated circuit arrangement, two half-
또한, 각각의 H-브리지 IC(110, 120)는, 자동차의 전기 공급 시스템과 연결된 전류 공급을 위한 공급 단자들(117, 118 또는 127, 128)도 포함한다.Each H-
엔진 제어 장치(10)는 회로 장치(100)를 구동하도록 구성된다. 한 바람직한 실시예에 따라서, 전기 스로틀 장치(200)에 대해 요구되는 전력 출력이 적은 경우("절약 모드"), 병렬 연결된 반브리지들(112 및 122)은 (예컨대 구동 시간을 0으로 설정함으로써) 차단될 수 있으며(여기서 모든 구동 단자가 병렬 연결되지 않음으로써 개별 반브리지들이 작동되지 않을 수 있다.), 그럼으로써 낮은 전력 출력은 반브리지들(111 및 121)을 통해서만 수행된다. 요구되는 전력 출력이 더욱 큰 경우(전력 모드), 반브리지들(112 및 122)은 병렬 활성화되고, 반브리지들의 액티브 프리휠은 비활성화된다. 절약 모드와 전력 모드 사이의 전력 임계값은 적용에 따라서 결정될 수 있다. 예컨대 도 2에서 트랜지스터들의 프리휠 다이오드들에서의 손실 전력들은 예시에 따른 전기 스로틀 장치의 작동 시 PWM 구동 신호에 따라 매핑된다. PWM = 100%는 반브리지의 하이-사이드 트랜지스터의 연속 온(ON)을 의미한다.The
그래프 301은 전기 스로틀 장치의 직류 모터(M)의 양측에서 각각 2개의 병렬 연결된 반브리지에 대한 손실 전력을 표시한 것이고, 그래프 302는 전기 스로틀 장치의 직류 모터(M)의 양측에서 각각 하나만의 반브리지에 대한 손실 전력을 표시한 것이다. 여기서, 두 그래프는 303에서 교차하는 것을 알 수 있다. PWM이 303 미만인 경우, 손실 전력 302가 더 작으며(다시 말해, 여기서는 바람직하게 하나의 반브리지만이 작동됨 - "절약 모드"), 303을 상회하는 PWM의 경우, 손실 전력 301이 더 작다(다시 말해, 여기서는 바람직하게 두 반브리지가 병렬 작동됨 - "전력 모드").The
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