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CN1329775A - 控制功率末级的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

为了进行低电磁干扰的驱动,用大充电电流(Ig1)对功率开关(T)进行充电,直到漏极电流(Id)超过一个电流阈值(Is),接着用一个与所需上升速度相应的小充电电流(Ig2)继续进行充电,直到漏极电压(Vd)低于预定的电压阈值(Vs),然后,用所述的大充电电流(Ig1)继续充电一个预定的时延(Tv);也可以以近似相反的顺序来进行控制。

Description

控制功率末级的方法和装置
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的控制电感负载的方法。本发明还涉及一种实现该方法的装置。
为了控制电感负载，采用具有晶体管、尤其是MOSFET晶体管的功率末级来作为功率开关。在关断晶体管时，电感负载的能量必须通过末级的齐纳作用被分解掉，或利用空转二极管进行消耗。在负载具有较高电感能量的情况下，在负载两端采用一个空转二极管。这种末级、尤其是脉冲式末级的缺点在于，它会引起较大的电磁干扰。
大家都知道的一个原因就是负载和功率开关之间连接点处的电压变化较快。譬如，在利用电阻对控制端进行高阻值控制的、具有MOSFET的电路中就会遇到这种原因。
引起电磁干扰的另一个原因还在于，由开关切换所导致的流经功率开关的电流变化较快。
US4,661,766中曾公开过一种具有空转二极管的用于电感负载的功率末级，其中，流经功率开关或空转二极管的电流变化速度被调整为一个预定值。然而，由此却大大延迟了所述的开关过程，也即延迟了从关断状态过渡到导通状态或与之相反的过程。
本发明的任务在于，提供一种控制电感负载的方法，利用其可以降低电磁干扰，而且可使开关延迟(延迟时间)及损耗功率保持较小。本发明的任务还在于创造一种实现该方法的装置。
根据本发明，该任务由权利要求1和3的特征部分来实现。
本发明电路的优点在于，可简单和正确地将电流变化速度只调整得如此之陡，使得不会出现大的干扰，同时电路延迟也不大。
下面借助附图来详细讲述本发明。其中：
图1为本发明功率末级的一个实施例，
图2为运行本发明方法的流程图，
图3为在接通负载时的电压及电流变化过程图，以及
图4为在断开负载时的电压及电流变化过程图。
如图1所示，下面借助一种应用于汽车中、且安装在集成电路内的脉冲式功率末级来讲述本发明，该功率末级被用来对具有空转二极管F的电感负载L进行开关切换。所述集成的功率末级譬如可以安放在图中未示出的马达控制器内，该功率末级从马达控制器中获得控制信号st，以便脉冲式地接通和关断譬如用于废气反馈调节阀的电感负载L。按照所调整的脉冲占空比来控制该阀的开放大小。
在未示出的电压源、譬如汽车电池的电极+Vb和GND上接有一个由电感负载L和功率开关T组成的串联电路，所述功率开关T用MOSFET来实现。
所述负载L位于功率开关T的漏极d和电压源正极+Vb之间。源极s通过测试电阻R与负极GND相接。在负载L上并联了一个电流流向正极+Vb的空转二极管F。为了保护功率开关T，在漏极d和门极g之间放置了一个串联电路，该串联电路由电流流向漏极d的齐纳二极管Z和电流流向门极g的二极管D组成。
功率开关T的控制是通过控制电路ST来实现的，在该控制电路中，把控制信号st、漏极电压Vd与预定电压阈值Vs的比较结果、以及流经功率开关T的电流与预定电流阈值Is的比较结果一起转换成用于恒流源K1～K4的控制信号k1～k4，其中流经功率开关T的电流在下文被称为漏极电流Id。如此来选择所述的电压阈值Vs，使得其约低于电池电压Vb(譬如Vb＝14V，Vs＝13V)，而且电流阈值Is约占漏极电流额定值Id的十分之一到二十分之一(譬如Id＝2A，Is＝100mA)。
为实现电压及电流比较，在控制电路ST中装设了两个比较器Cv及Ci，除了预定的阈值Vs和Is之外，它们还输入有漏极电压Vd和漏极电流Id(作为在测试电阻R上下降的电压值I’d)。
所述的恒流源K1～K4在接通状态时产生恒定的充电或放电电流Ig1～Ig4，所述功率开关T的门极利用该电流进行充电或放电。
控制电路ST和恒流源K1～K4利用可在电极+Vcc及GND上提取的供电电压Vcc进行工作，其中，相互并联的恒流源K1及K2被放置在正极+Vcc与门极g之间，而且在接通状态时加入指向门极g的充电电流Ig1和Ig2，同样相互并联的恒流源K3及K4被放置在门极g与负极GND之间，并在接通状态时加入从门极g指出的放电电流Ig3和Ig4。
恒流源K1和K3产生的电流Ig1、Ig3(譬如2mA)以因子10高出恒流源K2和K4(Ig2，Ig4)，按照所需的漏极电流上升或下降速度(电流变化速率)，恒流源K2和K4在此譬如产生0.2mA的电流，这在图1中是用恒流源K1～K4内指示相应电流方向的粗细箭头来表示的。
下面借助图1～4来讲述利用功率末级对电感负载进行开关切换的方法。图2所示的流程图画出了对负载进行脉冲式的连续接通和关断的方法过程。在下文中，用括弧设置的罗马数字说明是表示各个用罗马数字标示的方法步骤。
图3示出了在接通负载L时的电流及电压变化曲线，图4则示出的是在断开负载时的电流及电压变化曲线，其中画出了控制信号st、充电电流(在图3中具有正符号)、放电电流(在图4中具有负符号)、以及由此在漏极d处所得到的漏极电压Vd曲线和漏极电流Id曲线。此外，还标绘了电压阈值Vs和电流阈值Is。
图3和4示出了在脉冲式工作期间的电流及电压，也即不是在运行开始时第一次接通负载时的情况。
如果接通负载L的控制信号st在时间点t1时等于1(I)，则控制电路ST输出一个信号k1使恒流源K1接通(II)，由此有一个大的充电电流Ig1流向功率开关T的门极，以使其快速充电。此后，一旦上升的漏极电流Id在时间点t2超过阈值Is(III)，则恒流源K1被关断，并接通具有信号k2的恒流源K2来代替它(IV)，此时由该恒流源K2在门极上加载小的充电电流Ig2。
漏极电流Id现在以所需的上升速度而上升至其理论值，由此，在功率开关T的非导通状态下因流经的空转电流而比电池电压+Vb大出空转二极管F上的电压值的漏极电压Vd被降低，而且功率开关T过渡到电流导通状态。
一旦漏极电压Vd在时间点t3低于电压阈值Vs(V)，则恒流源K2被关断，而恒流源K1被再次接通一个预定的时延Tv(VI，VII)。通过该措施用较大的充电电流Ig1来完全地驱动所述的功率开关T，并使其漏源极之间的电阻最小化，因此在导通状态时功率开关T上只有极小的电压降。
在预定的时延Tv过去之后，在时间点t4再次断开恒流源K1；此时负载被完全接通(VIII)。该状态一直保持到控制信号st在时间点t5(见图4)变为零(IX)，也即此时应该关断负载L。
利用控制信号st＝0的结束来接通恒流源K3(X)，由此从功率开关T的门极流出一个大的放电电流Ig3。漏极电压Vd由此上升。如果其在时间点t6超过电压阈值Vs(XI)，则恒流源K3被关断，而恒流源K4导通(XII)，由此漏极电流Id以所需的、与放电电流Ig4相应的电流下降速度变小，并由空转支路接收该电流。漏极电压Vd重新上升至一个比电池电压+Vb大出空转二极管F两端电压的值。
一旦漏极电流低于电流阈值Is(XIII)，则恒流源K4被关断，并重新接通恒流源K3一个预定的时延Tv(XIV)，以便在此时用较大的放电电流Ig3腾出门极并使功率开关T关断。在预定的时延Tv过去之后(XV)，恒流源K3被关断(XVI)，由此再次实现输出状态。此时可继续施加脉冲(I)，或结束负载的驱动。
通过用较大或较小的充电或放电电流对功率开关进行交替地充放电，可以实现导通和关断延迟时间能保持较小(在只利用与所需的上升及下降速度相应的小充电或放电流进行控制时，需持续10～20倍长的时间)，而且没有或只出现微量的电磁干扰，这是因为所述漏极电流Id的上升和下降速度被限制在一个预定值。
在该实施例中，数值|Ig1|＝|Ig3|、|Ig2|＝|Ig4|、以及(充电时的)|Tv|＝(放电时的)|Tv|分别都是选择成相同的大小。但这些量也可根据需要选择成不同的大小。

Claims (3)

1.借助控制信号(st)控制功率末级、以便对通过功率开关(T)而串联在电压源的电极(+Vb，GND)上的负载(L)进行开关切换的方法，
其特征在于：
所述的功率开关(T)
—从控制信号(st)的开始处起，用一个预定的大充电电流(Ig1)进行充电，直到漏极电流(Id)超过预定的电流阈值(Is)(t1～t2)，
—然后，接下来用一个预定的小充电电流(Ig2)进行充电，直到漏极电压(Vd)低于预定的电压阈值(Vs)(t2～t3)，以及
—接着用一个预定的大充电电流(Ig1)充电一个预定的充电时延(Tv)(t3～t4)，
—从控制信号(st)的结束处起，用一个预定的大放电电流(Ig3)进行放电，直到漏极电压(Vd)超过所述预定的电压阈值(Vs)(t5～t6)，
—然后，接下来用一个预定的小放电电流(Ig4)进行放电，直到漏极电流(Id)低于所述预定的电流阈值(Is)(t6～t7)，以及
—接着用所述预定的大放电电流(Ig3)放电一个预定的放电时延(Tv)(t3～t4)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述漏极电流(Id)的最大上升速度由所述的小充电电流值(Ig2)确定，而其下降速度则由所述的小放电电流值(Ig4)确定。
3.用于实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于：
—在供电电压的正极(+Vcc)和功率开关(T)的门极(g)之间接有一个用于大充电电流(Ig1)的恒流源(K1)，且该恒流源(K1)上并联有一个用于小充电电流(Ig2)的恒流源(K2)，
—在所述功率开关(T)的门极(g)和供电电压的负极(GND)之间接有一个用于大放电电流(Ig3)的恒流源(K3)，且该恒流源(K3)上还并联有一个用于小放电电流(Ig4)的恒流源(K4)，以及
—设置一个在供电电压(Vcc)上工作的控制电路(ST)，按图2所示的控制程序，由该控制电路的开关信号(k1～k4)根据如下方面来接通和关断所述的恒流源(K1～K4)：
—控制信号(st)，
—漏极电压(Vd)同预定电压阈值(Vs)的比值Vd＞Vs或Vd＜Vs，
—流经功率开关(T)的漏极电流(Id)同预定电流阈值(Is)的比值Id＞Is或Id＜Is，以及
—至少一个预定的时延(Tv)。
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