DE10100716B4 - Method for operating an ohmic-inductive component - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb eines ohmsch-induktiven Bauteils (1), bei dem durch Schaltvorgänge eines Schaltelements (4) zwischen einem Ausgangszustand und einem Endzustand bei geschlossenem Schaltelement (4) ein Laststrom (IA) durch das ohmsch-induktive Bauteil (1) und bei geöffnetem Schaltelement (4) ein Freilaufstrom (IF) in einem Freilaufkreis fließt, wobei zur Variation der Stromänderungsgeschwindigkeit (dI/dt) des Laststroms (IA) während der Schaltvorgänge der Schaltvorgang des Schaltelements (4) in eine erste Schaltphase (SP1) mit einer vorgegebenen Zeitdauer (ΔtEin1, ΔtAus1) und in eine auf die erste Schaltphase (SP1) folgende zweite Schaltphase (SP2) unterteilt wird, wobei in der ersten Schaltphase (SP1) das Schaltelement (4) in eine Zwischenstellung zwischen dem Ausgangszustand und dem Endzustand gebracht wird, in der die Stromänderungsgeschwindigkeit (dI/dt) des Laststroms (IA) geringer als der maximal mögliche Wert ist, und wobei in der zweiten Schaltphase (SP2) das Schaltelement (4) in den Endzustand gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Schaltphase (SP1) die Zwischenstellung des Schaltelements (4) durch...A method for operating an ohmic-inductive component (1), wherein by switching operations of a switching element (4) between an initial state and a final state with closed switching element (4) a load current (I A ) by the ohmic-inductive component (1) and at open circuit element (4) a freewheeling current (I F ) flows in a freewheeling circuit, wherein for varying the rate of change of current (dI / dt) of the load current (I A ) during the switching operations of the switching operation of the switching element (4) in a first switching phase (SP1) a predetermined time period (at Ein1, .DELTA.t Out1) is divided and in a following the first switching phase (SP1) second switching stage (SP2), wherein in the first switching phase (SP1), the switching element (4) in an intermediate position between the initial state and the End state is brought in which the rate of change of current (dI / dt) of the load current (I A ) is less than the maximum possible value, and wherein in the second switching phase (S P2), the switching element (4) is brought into the final state, characterized in that in the first switching phase (SP1), the intermediate position of the switching element (4) by ...
Description
Ohmsch-induktive Bauteile, bsp. ohmsch-induktive Aktoren oder Elektromotoren, werden in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt, bsp. im Kraftfahrzeugbereich als Magnetventile oder Synchronmotoren. Diese ohmsch-induktiven Bauteile werden mit einem bestimmten Schaltverhältnis über ein mindestens ein aktiv steuerbares Schaltelement (bsp. als Bipolartransistor oder Feldeffekt-Transistor ausgebildete Schalttransistoren) aufweisendes Schaltteil (bsp. über einen elektronischen Schaltregler) angesteuert: während der Einschaltphase (Leitendphase) wird das ohmsch-induktive Bauteil über das Schaltelement mit einer bestimmten Eingangsspannung beaufschlagt, wodurch der durch das ohmsch-induktive Bauteil fließende Strom (exponentiell) ansteigt; während der Abschaltphase (Freilaufphase) wird die Eingangsspannung mittels des Schaltelements vom ohmsch-induktiven Bauteil getrennt, wodurch der durch das ohmsch-induktive Bauteil fließende Strom infolge der Selbstinduktion als Freilaufstrom in einem Freilaufkreis weiterfließt und sich allmählich abbaut.Resistive-inductive Components, eg ohmic-inductive actuators or electric motors Used in many applications, eg. in the automotive field as solenoid valves or synchronous motors. This ohmic-inductive Components are activated with a certain switching ratio via at least one controllable switching element (eg as a bipolar transistor or field-effect transistor trained switching transistors) having switching part (eg., Via a electronic switching regulator): during the switch-on phase (conducting phase) the ohmic-inductive Component over the switching element is supplied with a certain input voltage, whereby the current flowing through the resistive-inductive component increases (exponentially); while the shutdown phase (freewheeling phase) is the input voltage by means of of the switching element separated from the ohmic-inductive component, whereby the current flowing through the ohmic-inductive component due to the self-induction flows as freewheeling current in a freewheeling circuit and itself gradually degrades.
Insbesondere bei dynamisch sehr schnellen Applikationen ist auch ein schnelles Einschalten und Abschalten des Stroms durch das ohmsch-induktive Bauteil erwünscht, d.h. der Strom durch das ohmsch-induktive Bauteil soll beim Einschaltvorgang schnell aufgebaut und beim Abschaltvorgang schnell abgebaut werden. Zur Realisierung schneller Schaltvorgänge („hartes Schalten") kann dem Schaltteil eine Treiberstufe vorgeschaltet werden, die durch eine rasche Änderung der Eingangsspannung ein abruptes Einschalten und Abschalten des jeweiligen Schaltelements ermöglicht (beispielsweise gehen Schalttransistoren als Schaltelemente aus dem vollem Sperrzustand in den vollen Leitzustand über). Nachteilig hierbei sind jedoch die aufgrund des harten Schaltens und damit der schnellen Spannungsänderungen auftretenden signifikanten Rückwirkungen auf die Eingangsspannung, insbesondere in Form von Störspannungen. Bei vielen Systemanwendungen (bsp. in Konsumgütern oder mobilen Systemen) sollte bzw. darf (aufgrund legislativer Vorgaben) eine maximal zulässige Störspannung nicht überschritten werden. Die hierfür erforderlichen Filtermassnahmen (bsp. unter Verwendung von Elektrolyt-Kondensatoren oder Filterdrosseln) sind jedoch aufwendig, kostenintensiv, benötigen einen hohen Platzbedarf und wirken sich negativ auf die Lebensdauer der weiteren Bauteile des Systems aus.Especially with dynamically very fast applications is also a fast Switching on and off of the current through the resistive-inductive component he wishes, i.e. the current through the ohmic-inductive component should be fast during the switch-on process be built up and dismantled quickly during the shutdown. to Realization of fast switching operations ("hard switching") can the switching part a Driver stage are preceded by a rapid change the input voltage an abrupt turn on and off the respective switching element allows (For example, switching transistors go out as switching elements full lockout state to full conduction state). adversely However, these are due to the hard switching and thus the rapid voltage changes occurring significant repercussions on the input voltage, in particular in the form of interference voltages. For many system applications (eg in consumer goods or mobile systems) should or may (due to legislative requirements) have a maximum permissible interference voltage not exceeded become. The one for this required filter measures (eg using electrolytic capacitors or Filter chokes) are consuming, expensive, require one high space requirements and have a negative effect on the life of the other components of the system.
In
der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines ohmsch-induktiven Bauteil anzugeben, bei dem auf einfache und kostengünstige Weise die Rückwirkungen des Schaltvorgangs auf die Eingangsspannung beim Einschalten und Abschalten des Stroms durch das ohmsch-induktive Bauteil minimiert werden können.Of the Invention is based on the object, a method for operation specify an ohmic-inductive component, in which simple and cost-effective Way the repercussions the switching operation on the input voltage when switching on and off of the current through the resistive-inductive component can be minimized.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst.These Task is according to the invention solved by the features in the characterizing part of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.advantageous Embodiments of the method will become apparent from the other claims.
Während des Schaltvorgangs des Laststroms durch das ohmsch-induktive Bauteil (d.h. während des Einschaltvorgangs und des Abschaltvorgangs des Laststroms) wird erfindungsgemäss der Stromfluss des Laststroms durch ein ein variables Schaltverhalten ermöglichendes aktiv steuerbares Schaltelement in zwei aufeinanderfolgenden Schaltphasen des Schaltvorgangs unterschiedlich vorgegeben: das Schaltelement wird während der ersten Schaltphase des Schaltvorgangs derart linear geregelt, dass das Schaltelement zwischen seinen beiden eigentlichen Schaltzuständen (Ein-Zustand und Aus-Zustand) mindestens eine Zwischenstellung als Schaltzustand einnehmen kann, d.h. die Schaltcharakteristik des Schaltelements wird während der ersten Schaltphase des Schaltvorgangs derart verändert, dass es eine bestimmte Zwischenstellung (einen bestimmten Arbeitspunkt) zwischen den beiden Endstellungen einnimmt; insbesondere ist in der Zwischenstellung des Schaltelements aufgrund des veränderten Durchlassverhaltens des Schaltelements die Strom änderungsgeschwindigkeit des Laststroms geringer als maximal möglich. Hierzu wird das Schaltelement durch ein die Schaltcharakteristik des Schaltelements beeinflussendes, insbesondere von einer vorgeschalteten Treiberstufe bereitgestelltes Steuersignal am Steuereingang angesteuert; d.h. durch das Steuersignal der Treiberstufe wird der gewünschte Schaltzustand und damit die Schaltcharakteristik des Schaltelements vorgegeben: bsp. wird bei einem Schalttransistor als Schaltelement durch das Steuersignal der Treiberstufe die Durchlaßspannung (konstant oder zeitlich veränderlich) vorgegeben. Die Eingangsspannung am ohmsch-induktiven Bauteil und damit die Anstiegsrate des Laststroms (die Stromänderungsgeschwindigkeit) während des Schaltvorgangs (während des Einschaltvorgangs und Abschaltvorgangs) des Laststroms wird durch die in der ersten Schaltphase des Schaltvorgangs jeweils vorgegebene Zwischenstellung des Schaltelements bestimmt (bsp. durch die vorgegebene Durchlaßspannung des Schalttransistors): beim Einschaltvorgang wird das ohmsch-induktive Bauteil nicht schlagartig mit der (vollen) Eingangsspannung beaufschlagt (diese entspricht in der Regel der maximalen Versorgungsspannung), sondern quasi mit einer geringeren Versorgungsspannung als der Eingangsspannung, so daß auch die Anstiegsrate des Laststroms (die Stromänderungsgeschwindigkeit) geringer als maximal möglich ist; beim Abschaltvorgang wird der Übergang von der Leitendphase zur Freilaufphase verzögert, d.h. der Strom fließt nicht sofort im Freilaufkreis, sondern wird teilweise vom Schaltelement (im Ansteuerkreis) weitergeführt, so daß auch die Abfallrate des Laststroms (die Stromänderungsgeschwindigkeit) geringer als maximal möglich ist. Durch die Vorgabe des jeweiligen Zwischenzustands des Schaltelements und damit dessen Durchlaßverhalten (bsp. durch die Vorgabe der Durchlaßspannung des Schalttransistors) während des Schaltvorgangs (während des Einschaltvorgangs und des Abschaltvorgangs) des Laststroms kann die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) gesteigert werden und der erforderliche Filteraufwand zur Einhaltung bestimmter Randbedingungen stark reduziert werden; bsp. kann die Stromänderungsgeschwindigkeit während des Schaltvorgangs (während des Einschaltvorgangs und des Abschaltvorgangs) des Laststroms derart beeinflußt werden, daß die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) gerade den zulässigen Anforderungen entspricht und damit die Grenze der auf die Eingangsspannung zurückwirkenden Störspannungen (bei stark reduzierten Filtermaßnahmen) gerade eingehalten werden kann.During the switching operation of the load current through the resistive-inductive component (ie during the switch-on process and the switch-off process of the load current), the current flow of the load current is predetermined differently in two successive switching phases of the switching operation by means of an actively controllable switching element enabling a variable switching behavior the first switching phase of the switching operation is controlled linearly such that the switching element between its two actual switching states (on-state and off-state) can take at least one intermediate position as a switching state, ie the switching characteristic of the switching element is changed during the first switching phase of the switching operation such that it occupies a certain intermediate position (a certain operating point) between the two end positions; In particular, in the intermediate position of the switching element due to the changed passage behavior of the switching element, the current change rate of the load current is less than maximum possible. For this purpose, the switching element is controlled by a switching signal of the switching element influencing, in particular provided by an upstream driver stage control signal at the control input; ie by the control signal of the driver stage, the desired switching state and thus the switching characteristic of the switching element is specified: Ex. For a switching transistor as a switching element by the control signal of the driver stage, the forward voltage (constant or variable in time) is specified. The input voltage at the ohmic-inductive component and thus the rate of increase of the load current (the rate of change of current) during the switching operation (during the switch-on and switch-off process) of the load current is determined by the intermediate position of the switching element predetermined in each case in the first switching phase of the switching process (for example by the predefined value) Forward voltage of the switching transistor): during the switch-on process, the ohmic-inductive component is not abruptly supplied with the (full) input voltage (this usually corresponds to the maximum supply voltage), but quasi with a lower supply voltage than the input voltage, so that the rate of increase of the load current (the rate of change of current) is less than the maximum possible; During the shutdown, the transition from the Leitendphase to the freewheeling phase is delayed, ie the current does not flow immediately in the freewheeling circuit, but is partially continued by the switching element (in the drive circuit), so that the rate of decrease of the load current (the rate of change of current) is less than possible. By specifying the respective intermediate state of the switching element and thus its on-state behavior (eg., By specifying the forward voltage of the switching transistor) during the switching operation (during the switch-on and the shutdown) of the load current, the electromagnetic compatibility (EMC) can be increased and the required filter effort Compliance with certain boundary conditions are greatly reduced; bsp. For example, the rate of change of current during the switching operation (during the turn-on and turn-off process) of the load current can be influenced so that the electromagnetic compatibility (EMC) just complies with the permissible requirements and thus just keeps the limit of the interference voltages (with greatly reduced filter measures) acting on the input voltage can be.
Nach Beendigung der ersten Schaltphase, d.h. nach einer für das Schaltelement charakteristischen Zeitdauer, wird in der zweiten Schaltphase des Schaltvorgangs das Schaltelement in den gewünschten Schaltzustand (Endzustand) übergeführt. Die Zeitdauer der ersten Schaltphase des Schaltvorgangs muß beim Einschaltvorgang und beim Ausschaltvorgang so gewählt werden, daß der Strom im ohmsch-induktiven Bauteil am Ende der ersten Schaltphase den jeweiligen Zielwert (den zu diesem Zeitpunkt gewünschten Wert) erreicht hat. Insbesondere wird die Zeitdauer der ersten Schaltphase anhand der erwünschten Stromänderung des Laststroms, der erwünschten Stromänderungsgeschwindigkeit des Laststroms und der maximal möglichen Spannungsänderung am ohmsch-induktiven Bauteil vorgegeben.To Termination of the first switching phase, i. after one for the switching element characteristic period of time, is in the second switching phase of the switching operation the switching element in the desired Switching state (final state) transferred. The duration the first switching phase of the switching operation must be at power up and so selected during switch-off be that Current in the resistive-inductive component at the end of the first switching phase the respective target value (the one desired at that time) Value) has reached. In particular, the duration of the first switching phase on the basis of the desired current change of the load current, the desired Current rate of change the load current and the maximum possible voltage change specified on the ohmic-inductive component.
Die Vorgabe der Zwischenstellungen des jeweiligen Schaltelements, insbesondere auch die Zeitdauer der ersten Schaltphase des Schaltvorgangs, kann durch die Vorgabe von Höhe und zeitlichem Verlauf der Steuerspannung für das Schaltelement (bsp. der die Durchlaßspannung bedingenden Gate-Spannung oder Basis-Spannung eines Schalttransistors) betriebspunktabhängig realisiert werden; bsp. kann die Steuerspannung durch eine Steuereinheit mit nachfolgendem D/A-Wandler, bsp. einem Mikrokontroller mit nachgeschalteter Treiberstufe, generiert werden. Durch die Treiberstufe werden die (digitalen) Logiksignale (Steuersignale) der Steuereinheit in ein die Vorgabe bzw. Umschaltung der Schaltzustände (Betriebszustände) des Schaltelements bewirkendes Leistungssignal umgesetzt; d.h. durch die Steuereinheit kann der Zeitpunkt des Abschlusses der ersten Schaltphase erkannt und das Schaltelement (mittels der Treiberstufe) in den erwünschten Endzustand umgeschaltet werden. Hierdurch werden keine Ströme auf die Versorgungsleitungen für die Eingangsspannung bzw. Versorgungsspannung zurückgekoppelt, was zu einer deutlichen Verminderung an Störspannungen führt. Auch haben die dynamischen Eigenschaften der Bauteile des Freilaufkreises, insbesondere die dynamischen Eigenschaften von Freilaufdioden des Freilaufkreises (bsp. deren Sperrverzugsladung oder Recovery-Verhalten, zu deren Kompensation massive Störungen verursachende hohe Ströme erforderlich sind) keinen Einfluß mehr auf die EMV-Eigenschaften. Die Höhe und der zeitliche Verlauf der Steuerspannung für das Schaltelement und damit der jeweilige Schaltzustand des Schaltelements (Zwischenstellung, Endzustand) sowie die Zeitdauer der Schaltphasen des Schaltvorgangs (insbesondere der Einschaltzeitpunkt und der Abschaltzeitpunkt des Schaltelements sowie der Zeitpunkt für die Vorgabe der Zwischenstellung des Schaltelements) können durch Schaltflanken (Pegelübergänge) bzw. durch Logikpegel der durch die Steuereinheit generierten und von der Treiberstufe verarbeiteten Steuersignale vorgegeben werden, bsp. durch Pegelübergänge vom HIGH-Pegel zum LOW-Pegel oder umgekehrt vom LOW-Pegel zum HIGH-Pegel oder durch dauerhaftes Anlegen eines bestimmten Logikpegels (HIGH-Pegel oder LOW-Pegel) der Steuersignale.The Specification of the intermediate positions of the respective switching element, in particular also the duration of the first switching phase of the switching process, can by the specification of height and time course of the control voltage for the switching element (eg the forward voltage conditional gate voltage or base voltage of a switching transistor) operating point will be realized; bsp. can control voltage through a control unit with subsequent D / A converter, bsp. a microcontroller with downstream Driver level, to be generated. Through the driver stage, the (digital) logic signals (control signals) of the control unit in a the specification or switching of the switching states (operating states) of Implemented switching element causing power signal; i.e. by The control unit may be the time of completion of the first Switching phase detected and the switching element (by means of the driver stage) in the desired final state be switched. As a result, no currents on the supply lines for the input voltage or supply voltage fed back, which leads to a significant reduction in interference voltages. Also have the dynamic properties of the components of the freewheeling circuit, in particular the dynamic properties of freewheeling diodes of the Freewheeling circuit (eg its reverse delay charge or recovery behavior, to compensate for massive interference causing high currents required) have no influence on the EMC properties. The height and the timing of the control voltage for the switching element and thus the respective switching state of the switching element (intermediate position, final state) as well as the duration of the switching phases of the switching operation (in particular the switch-on and the switch-off of the switching element as well as the time for the specification of the intermediate position of the switching element) can by Switching edges (level transitions) or by logic levels generated by the control unit and by the driver stage processed control signals are specified, eg. by level transitions from HIGH level to LOW level or vice versa from LOW level to HIGH level or by permanent Applying a specific logic level (HIGH level or LOW level) the control signals.
Der Schaltvorgang für die Verbindung des ohmsch-induktiven Bauteils mit der Eingangsspannung und die Trennung des ohmsch-induktiven Bauteils von der Eingangsspannung wird von einem bsp. als Feldeffekt-Transistor FET ausgebildeten Schaltelement durchgeführt, dessen Gate-Elektrode mittels einer von der Treiberstufe generierten Steuerspannung als Steuersignal angesteuert wird und dessen Durchlaßspannung entsprechend dieser Steuerspannung variiert wird.The switching process for the connection of the ohmic-inductive component with the input voltage and the separation of the ohmic-inductive component from the input voltage is from a bsp. performed as a field effect transistor FET switching element whose gate electrode means one of the driver stage generated control voltage is driven as a control signal and the forward voltage is varied according to this control voltage.
Zur Vorgabe des Laststroms durch das ohmsch-induktive Bauteil, d.h. zum Einschalten und Abschalten des Stromflusses durch das ohmsch-induktive Bauteil können auch mehrere Schaltelemente verwendet werden, die dann entsprechend dem beschriebenen Schaltelement angesteuert werden.to Specification of the load current through the resistive-inductive component, i. for switching on and off the current flow through the resistive-inductive Component can Also, several switching elements are used, which then accordingly be driven the described switching element.
Vorteilhafterweise wird eine Vorgabe des Laststroms für das ohmsch-induktive Bauteil auf einfache und kostengünstige Weise mit nur wenigen Bauteilen und damit geringem Platzbedarf und geringem Aufwand der zugrundeliegenden Schaltungsanordnung ermöglicht. EMV-Anforderungen können einfacher erfüllt werden bzw. Einflüsse von elektromagnetischen Einstrahlungen minimiert werden, d.h. es ist eine hohe Funktionssicherheit durch eine Verringerung von aufgrund der Filtermaßnahmen bedingten ausfallträchtigen Bauteilen gegeben.advantageously, is a default of the load current for the resistive-inductive component on simple and inexpensive Way with only a few components and therefore small footprint and low cost of the underlying circuitry allows. EMC requirements can be simpler Fulfills be or influences are minimized by electromagnetic radiation, i. it is a high reliability due to a reduction of due the filter measures conditional failure Given components.
Die Erfindung soll nachstehend im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben werden.The Invention will be described below in connection with the drawing become.
Dabei zeigen:there demonstrate:
Gemäß dem Prinzipschaltbild
der
Zur
Generierung des Steuersignals UAN (der Steuerspannung)
für den
Steuereingang des Schaltelements
In
den Zeitdiagrammen der
Beispielhaft
wird angenommen, daß die Spannung
UL der durch das ohmsch-induktive Bauteil
Zum
Zeitpunkt t1 soll ein Abschalten des Laststroms IA durch
das ohmsch-induktive Bauteil
Zum
Zeitpunkt t2, d.h. nach Ablauf des Zeitintervalls ΔtAUS1 = t2 – t1 der ersten Schaltphase
SP1 des Abschaltvorgangs, geht das Steuersignal U2 am Steuereingang
E2 auf eine logische „1" (Spannung U2 = „1 "), wodurch die Treiberstufe
Zum
Zeitpunkt t3 soll der Strom IA durch das ohmsch-induktive
Bauteil
Zum
Zeitpunkt t4, d.h. nach Ablauf des Zeitintervalls ΔtE IN1 = t3 – t4 der
ersten Schaltphase SP1 des Einschaltvorgangs, geht das Steuersignal
U2 am Steuereingang E2 auf eine logische „1" (Spannung U2 = ≙ „1"), wodurch die Treiberstufe
Gemäß der
Der
Operationsverstärker
Claims (6)
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