CN114679072A - 一种车用同步整流转速检测的直接频率跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子应用技术领域，涉及用于车用同步整流中的转速检测的直接频率跟踪算法。本发明的算法，包括1)自检测模块；(2)栅极控制模块；(3)频率解析模块。其基本工作流程简述如下，通过SD模块检测VDS，该模拟信号进入GC模块后经数字逻辑处理获得与相电压周期相关的数字信号，该数字信号进入FA模块后通过算法处理，解析得到转速信息，并产生相应的SCT值，反馈给GC模块生成栅极控制信号。本发明的有益效果为，该算法具有简单、高效、可移植、具备安全导通时间控制功能以及较高换相重叠免疫程度等优点。

Description

一种车用同步整流转速检测的直接频率跟踪方法
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种车用同步整流转速检测的直接频率跟踪方法。
背景技术
同步整流一般指在电路中将传统的导通电阻和导通压降较大的功率二极管用低导通电阻和低导通压降的功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SSemiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)来代替，从而实现整流损耗的降低，进而提升整流效率。对汽车发电同步整流而言，其相电压频率跟随转速改变，通过恒定的最小导通时间(Minimum On Time,MOT)来关断MOSFET是不适用的。而车用同步整流的相电压频率的两种获得方式，通过无源元件构成的附加电路采样和转速传感器采样分别会带来额外的功率损耗与芯片设计难度和成本的提升。
因此提出直接频率跟踪(Directly Frequency Tracking，DFT)方法来产生随转速变化为变化的安全导通时间，以确保同步整流在汽车交流发电时正常工作。DFT通过解析MOSFET的漏源电压直接获取相电压频率，无需额外的无源电路或传感器，并为开关管生成随转速变化的安全导通时间，实现直接频率跟随同步整流控制，进而实现对同步整流转速的精准检测。
发明内容
本发明主要针对车用同步整流中恒定MOT不适用于关断MOSFET的问题，通过提出了用于车用同步整流中转速检测的DFT方法。本发明的技术方案：直接频率跟踪方法主要包括(1)自检测模块(Self-Detector，SD)；(2)栅极控制模块(Gate Controller，GC)；(3)频率解析模块(Frequency Analyzer，FA)。其基本工作流程简述如下：
S1、发动机开始工作并外接负载时，通过SD模块获取其同步整流桥中MOSFET的漏源电压vDS，将vDS与开启电压von进行比较，判断vDS是否小于von，若是，则进入步骤S2，否则，进入步骤S6；
S2、在该相电压内，判断当前发电机转速n是否在允许转速之间，若是，则GC模块输出高电平，并且首次触发开通信号控制器，通过栅驱动开启MOSFET，此外FA模块输出高电平，不进行判断关断MOSFET操作；若否，则进入步骤S5；
S3、在FA模块输出从高电平转为低电平后，将vDS与关断电压voff进行比较，判断vDS是否大于voff，若是，则关断MOSFET，进入步骤S5，否则进入步骤S4，；
S4、判断vDS是否大于开启电压von，若是，进入步骤5；若不是，则在该相电压周期内，vDS第二次小于von，GC模块关断开通信号控制器，将MOSFET进行关断，此时实现了MOSFET跟随转速的安全导通。
S5、将vDS与复位电压vreset进行比较，判断vDS是否大于vreset，若是，则进行逻辑复位，否则回到步骤S4。
S6、将vDS与复位电压vreset进行比较，判断vDS是否大于vreset，若是，则进行逻辑复位，否则回到步骤S1。
该直接频率跟踪方法的实现载体包括：MCU、DSP、FPGA、ASIC、PLC等。
本发明的有益效果为：本发明所述的一种用于车用同步整流转速检测的直接频率跟踪方法，相比于传统的同步整流控制技术中频率检测中安全导通时间控制功能缺失、换相重叠免疫程度低等特点，本方案具有简单、高效、可移植、具备安全导通时间控制功能以及较高换相重叠免疫程度等优点。
附图说明
图1为以三相发电机为例的发电机同步整流控制***；
图2为本发明涉及直接频率跟踪方法的控制架构；
图3为本发明涉及的直接频率跟踪方法的工作流程图；
图4为联合仿真结果波形；
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
如图1所示为汽车发电机同步整流架构(以三相发电机为例)，转子角度传感器将发动机交流电机组角度传至转速检测模块中，并且通过输入脉冲信号以计算转速信息，转速检测模块提供转速相关信号与漏源的电压检测一并进行判断进而产生栅极控制信号，最终驱动栅极。
如图2所示为本发明涉及直接频率跟踪方法的控制架构。根据转速和相电压周期TS的关系：
Figure BDA0003592021600000031
定义相电压周期TS与漏源电压之间的关系函数为：
Ts＝G(vDS_h1,vDS_l1,vDS_h2,vDS_l2,...,vDS_hi,vDS_li),i＝1,2,3,... (2)
根据数学分析，先将MOSFET的漏源电压转化为漏源电流，因为该漏源电流为ω(角频率)和时间t的函数，经过傅里叶展开，可以得到式(3)和式(4)：
Figure BDA0003592021600000032
Figure BDA0003592021600000033
其中，t代表了MOSFET的导通时间，在式(4)中，ron_D(t)和tD是涉及本专利未提及的二极管的等效导通电阻和二极管导通时间，此外ron_M(t)和tM代表了MOSFET的等效导通电阻和MOSFET的导通时间。因此可以得知MOSFET的漏源电压包含转速信息，通过实时跟踪转速可以为同步整流开关管生成随转速变化的安全导通时间。
该算法实现电路主要由三个模块组成：1)自检测模块(由三个高精度高速比较器组成，分别是：开通比较器、关断比较器、复位比较器,Self-Detector,SD)；(2)栅极控制模块(主要包括三个D触发器和数个门电路,Gate Controller,GC)；(3)频率解析模块(主要包括数个计数器、比较器和门电路,Frequency Analyzer,FA)三个部分构成。基本工作流程如下：通过SD模块检测vDS，该模拟信号进入GC模块后经数字逻辑处理获得与相电压周期相关的数字信号，该数字信号进入FA模块后通过算法处理，解析得到转速信息，并产生相应的安全导通时间(Safe Conduction Time，SCT)值，反馈给GC模块生成栅极控制信号。
如图3所示本发明涉及的直接频率跟踪方法的工作流程图。GC从SD接收表征开关管状态的初始信号。经过逻辑处理后，GC将控制信号输出到栅极驱动器，以进一步驱动开关管。当MOSFET的漏源电压小于开启电压时，在该相电压周期内，如果转速在允许范围内，GC模块将输出高电平，通过栅驱动开启MOSFET。与此同时，FA的输出跳变至高电平，并且此时不再进行漏源电压与开启电压的比较。当SCT变为低之后，FA输出跳变至低电平，此时重新进行漏源电压与开启电压的比较，当比较的结果输出为高电平时，GC模块输出低电平后将MOSFET关断。当MOSFET漏源电压第二次降至MOSFET的开启电压时，GC模块将用不再进行开启MOSFET判断。由此，开关管通过DFT实现转速跟随的安全导通。
如图4为联合仿真结果波形，其曲线结果证明了DFT算法对于转速变化时对相电压频率的跟随，进而保证了不同相电压频率下MOSFET的正常导通。

Claims (1)

1.一种车用同步整流转速检测的直接频率跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、发动机开始工作并外接负载时，通过自检测模块获取同步整流桥中MOSFET的漏源电压vDS，将vDS与开启电压von进行比较，判断vDS是否小于von，若是，则进入步骤S2，否则，进入步骤S6；
S2、在相电压周期内，判断当前发电机转速n是否在允许转速之间，若是，则栅极控制模块输出高电平，并且首次触发开通信号控制器，通过栅驱动开启MOSFET，并通过频率解析模块输出高电平，不进行判断关断MOSFET操作；若否，则进入步骤S5；
S3、在频率解析模块输出从高电平转为低电平后，将vDS与关断电压voff进行比较，判断vDS是否大于voff，若是，则关断MOSFET，进入步骤S5，否则进入步骤S4；
S4、判断vDS是否大于开启电压von，若是，进入步骤5；若否，则在相电压周期内，vDS第二次小于von，通过栅极控制模块关断开通信号控制器，将MOSFET进行关断，此时实现了MOSFET跟随转速的安全导通；
S5、将vDS与复位电压vreset进行比较，判断vDS是否大于vreset，若是，则进行逻辑复位，否则回到步骤S4；
S6、将vDS与复位电压vreset进行比较，判断vDS是否大于vreset，若是，则进行逻辑复位，否则回到步骤S1。
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