DE102010064168A1 - Verfahren zur Ansteuerung der Schalttransistoren eines Gleichrichters - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung der Schalttransistoren eines Gleichrichters, welcher zur Umwandlung der von einem Kraftfahrzeuggenerator bereitgestellten Phasenspannungen in eine Gleichspannung vorgesehen ist. Die Schalttransistoren enthalten jeweils eine parasitäre Diode. Den Steueranschlüssen der Schalttransistoren wird jeweils ein Einschaltsignal zur Einleitung der leitenden Phase und ein Ausschaltsignal zur Beendigung der leitenden Phase zugeführt. Zeitgleich mit der Bereitstellung eines Einschaltsignals wird ein Timer gestartet wird und das Ausschaltsignal nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer bereitgestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung der Schalttransistoren eines Gleichrichters.
  • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren steigt der Stromverbrauch in Kraftfahrzeugen stetig an. Um diesen Anstieg des Stromverbrauchs möglichst gering zu halten wird versucht, die Effizienz des Generators des jeweiligen Kraftfahrzeugs zu erhöhen.
  • Derzeit verwendete Kraftfahrzeuggeneratoren sind in der Regel als dreiphasige Generatoren ausgelegt. Bei der Ausgangsspannung eines derartigen Generators handelt es sich um eine dreiphasige Wechselspannung, die einem Gleichrichter zugeführt wird, welcher die dreiphasige Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt und diese Gleichspannung dem Bordnetz des jeweiligen Kraftfahrzeugs bereitstellt.
  • Ein derartiger Gleichrichter weist drei parallel zueinander angeordnete Zweige auf, die jeweils einer Phase des Generators zugeordnet sind und jeweils eine Reihenschaltung zweier Dioden aufweisen Eine dieser Dioden ist eine Highside-Diode, bei der jeweils anderen Diode handelt es sich um eine Lowside-Diode.
  • Es ist des Weiteren bereits bekannt, die Dioden eines Gleichrichters zum Zwecke der Verringerung der Verlustleistung durch Schalttransistoren zu ersetzen Dabei kommen vorzugsweise Mosfets zum Einsatz. Dabei entsteht aber das Problem, dass die Mosfets jeweils zu einem geeigneten Zeitpunkt eingeschaltet und zu einem geeigneten weiteren Zeitpunkt ausgeschaltet werden müssen. Erfolgt diese Schaltung der Mosfets nicht zum geeigneten Zeitpunkt, dann entsteht in unerwünschter Weise Verlustleistung.
  • Eine Möglichkeit der Ansteuerung der Mosfets besteht darin, den Spannungsabfall über dem jeweiligen Mosfet zu messen und dann, wenn dieser Spannungsabfall negativ ist, den Mosfet anzusteuern. Dieses Prinzip ist bei der Einleitung der leitenden Phase des Mosfets unproblematisch, da der Spannungsabfall an der parasitären Diode des jeweiligen Mosfets hinreichend groß ist und demzufolge gut ausgewertet werden kann. Der Mosfet kann angesteuert werden, noch ehe die parasitäre Diode im Mosfet leitend wird. In der leitenden Phase des Mosfets ist der Spannungsabfall am Mosfet hingegen sehr klein und liegt lediglich im Bereich einiger mV (Millivolt). Treten beim Vorliegen derart kleiner Spannungsabfälle Störungen auf, dann kann dies zu einem ungewünschten und unkontrollierten Ausschalten des jeweiligen Mosfets kommen. Dadurch entsteht im Mosfet eine vergleichsweise hohe Verlustleistung und der Mosfet erhitzt sich in unerwünschter Weise.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Verfahren zur Ansteuerung der Schalttransistoren eines Gleichrichters mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass Störungen, die während der Einschaltzeit der Schalttransistoren auftreten, nicht zu einem unerwünschten Ausschalten des jeweiligen Schalttransistors führen können. Dadurch wird die Verlustleistung des Gleichrichters reduziert. Dieser Vorteil wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass das Ausschaltsignal nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer nach dem Vorliegen des Einschaltsignals bereitgestellt wird, wobei diese vorgegebene Zeitdauer in jeder Ansteuerperiode des Schalttransistors von neuem bestimmt wird Durch diese Bestimmung der tatsächlichen möglichen Zeitdauer in jeder Ansteuerperiode wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass auf Drehzahlschwankungen sehr schnell reagiert werden kann. Wird die Drehzahl größer und damit die gemessene Zeitdauer kleiner, dann wird die nächste vorgegebene Zeitdauer reduziert. Falls durch einen zu großen Drehzahlgradienten die Einschaltzeit des Schalttransistors mit dem veränderlichen Zeitintervall größer als die gemessene Zeit ist, d. h. es fließt ein positiver Strom durch den Schalttransistor, dann wird das veränderliche Zeitintervall auf Null zurückgesetzt und das feste Zeitintervall der vorgegebenen Zeitdauer entsprechend reduziert.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender Erläuterung anhand der Zeichnung. Es zeigt
  • 1 eine Skizze einer Vorrichtung zur Ansteuerung der Schalttransistoren eines Gleichrichters und
  • 2 ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Ansteuerung der Schalttransistoren eines Gleichrichters.
  • Die 1 zeigt eine Skizze einer Vorrichtung zur Ansteuerung der Schalttransistoren eines Gleichrichters. In dieser Skizze ist ein Kraftfahrzeuggenerator 1 gezeigt, welcher an seinen Ausgängen Phasenspannungen U1, U2 und U3 bereitstellt. Diese Phasenspannungen, bei denen es sich jeweils um Wechselspannungen handelt, werden mittels eines Gleichrichters 2 in eine Gleichspannung umgewandelt, die dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt wird.
  • Der Gleichrichter 2 weist insgesamt sechs Schalttransistoren 3, 4, 5, 6, 7 und 8 auf, bei denen es sich beim gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils um einen Mosfet handelt. Die Ansteuerung dieser Schalttransistoren erfolgt mittels eines Treibers 9, welcher dem Steueranschluss des jeweiligen Schalttransistors in jeder Ansteuerperiode zu einem jeweils geeigneten Zeitpunkt ein Einschaltsignal zur Einleitung der leitenden Phase und ein Ausschaltsignal zur Beendigung der leitenden Phase bereitstellt.
  • Jeder der Mosfets 3, 4, 5, 6, 7 und 8 enthält eine nicht gezeichnete parasitäre Diode.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt ein zeitgesteuertes Ansteuern der Mosfets. Dabei wird als Trigger zum Starten einer Zeitmessung der Spannungsabfall an der parasitären Diode des jeweiligen Mosfets genutzt. Die Ausschaltung dieses Mosfets erfolgt nach einer vorgegebenen Zeit, welche unter Verwendung eines Timers ermittelt und unter Verwendung eines Regelalgorithmus derart optimiert wird, dass zum Ausschaltzeitpunkt an der parasitären Diode noch eine hinreichend große Spannung gemessen werden kann, vorzugsweise eine Spannung, deren Spannungswert größer gleich 400 mV ist.
  • Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass im Unterschied zum Stand der Technik, bei welchem das Ausschaltsignal beim Vorliegen von sehr kleinen Spannungsabfällen an dem noch leitenden Schalttransistor, die kleiner sind als 50 mV, ermittelt wird, eine Auswertung derart kleiner Spannungsabfälle zur Ermittlung des Ausschaltzeitpunkts vermieden wird. Folglich können bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens während der Einschaltzeit des jeweiligen Mosfets auftretende Störungen nicht zu einem unkontrollierten und unerwünschten Ausschalten des jeweiligen Mosfets führen.
  • In vorteilhafter Weise wird bei der vorliegenden Erfindung als Trigger für den Start der Zeitmessung die Vorwärtsspannung der parasitären Diode ausgewertet. Zeitgleich mit dem Start der Zeitmessung wird vom Treiber 9 das Einschaltsignal zur Einleitung der leitenden Phase des jeweiligen Mosfets bereitgestellt. Das Ausschaltsignal zur Beendigung der leitenden Phase des Mosfets wird nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer bereitgestellt. Diese Zeitdauer wird im stationären Drehzahlbereich in ein festes Zeitintervall und ein veränderbares Zeitintervall aufgeteilt. Das veränderbare Zeitintervall wird unter Verwendung eines Regelalgorithmus von Ansteuerintervall zu Ansteuerintervall auf ein Minimum optimiert. Nach der Abschaltung des jeweiligen Mosfets kann an der parasitären Diode des Mosfets noch ein Spannungsabfall hinreichender Größe gemessen werden, ohne dass die parasitäre Diode des Mosfets leitend ist.
  • Die 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Ansteuerung der Schalttransistoren eines Gleichrichters. In diesem Diagramm ist längs der Abszisse die Zeit t und längs der Ordinate eine der Phasenspannungen U aufgetragen. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass der Timer gestartet wird, wenn die Phasenspannung gleich der Flussspannung der parasitären Diode des jeweiligen Mosfets (UDiode) unter Massepotential ist. Beim nächsten Nulldurchgang und dem Abwarten einer Hysterese (UHys) wird der Timer ausgelesen. Diese gemessene Zeit T wird für die nächste Ansteuerperiode in zwei Zeitintervalle aufgeteilt, namlich ein festes Zeitintervall TFix und ein veränderbares Zeitintervall TDyn.
  • In den nächsten Ansteuerperioden wird jeweils die Zeit gemessen, in der der Spannungsabfall über der parasitären Diode des Mosfets größer als 400 mV ist und das veränderbare Zeitintervall TDyn wird in dem Sinne zum Positiven angepasst, dass das veränderbare Zeitintervall auf ein Minimum sinkt. Umgekehrt wird das veränderliche Zeitintervall negativ angepasst, wenn unmittelbar nach dem Ausschalten des Mosfets die an der parasitären Diode des Mosfets gemessene Spannung einen Wert aufweist, der kleiner als 50 mV ist.
  • Die vorstehend beschriebenen Messvorgänge werden bei einem Lowside-Mosfet durchgeführt, beispielsweise dem Lowside-Mosfet 4. Für die Ansteuerung des zugehörigen Highside-Mosfets, beispielsweise des Highside-Mosfets 3, können die beim Lowside-Mosfet ermittelten Zeiten genutzt werden, da die Dauer der leitenden Phase des Highside-Mosfets gleich der Dauer der leitenden Phase des jeweils zugehörigen Lowside-Mosfets ist.
  • Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise besteht darin, dass aufgrund der Messung der Zeit in jeder Ansteuerperiode auf eventuelle Drehzahlschwankungen sehr schnell reagiert werden kann. Bei steigender Drehzahl und somit kleiner werdender gemessener Zeit wird das veränderbare Zeitintervall verkleinert. Falls durch einen zu großen Drehzahlgradienten die Einschaltzeit mit dem veränderbaren Zeitintervall größer als die gemessene Zeit ist, d. h. es fließt ein positiver Strom durch den Mosfet, dann wird das veränderbare Zeitintervall auf Null zurückgesetzt und das feste Zeitintervall der Einschaltzeit entsprechend reduziert.
  • Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass nur auf Spannungen reagiert werden muss, die z. B größer als 400 mV sind. Durch eine Maximierung der leitenden Phase des Mosfets wird die Verlustleistung des Gleichrichters reduziert. Des Weiteren konnen bei einer Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung die benötigten Mosfet-Großen reduziert werden und es wird die Möglichkeit eines Einsatzes neuer Mosfet-Technologien eröffnet. Ferner wird ein Auftreten von Rückströmen vermieden.
  • Die oben angegebenen Spannungswerte wurden im Rahmen der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels angegeben. Alternativ dazu können auch andere Spannungswerte, insbesondere nach unten optimierte Spannungswerte verwendet werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Reglung auf eine minimale Restzeit nach der Einschaltphase, wobei diese Restzeit an der positiven Spannung der nicht leitenden parasitären Diode des jeweiligen Schalttransistors gemessen werden kann. Ziel dieser Regelung ist es, diese Zeit zu minimieren, weil in dieser Zeit ein eingeschalteter Schalttransistor noch Leistung an das Versorgungsnetz abgeben könnte.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Ansteuerung der Schalttransistoren eines Gleichrichters, welcher zur Umwandlung der von einem Kraftfahrzeuggenerator bereitgestellten Phasenspannungen in eine Gleichspannung vorgesehen ist, wobei die Schalttransistoren jeweils eine parasitäre Diode enthalten und wobei den Steueranschlüssen der Schalttransistoren jeweils ein Einschaltsignal zur Einleitung der leitenden Phase und ein Ausschaltsignal zur Beendigung der leitenden Phase bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zeitgleich mit der Bereitstellung des Einschaltsignals ein Timer gestartet wird und das Ausschaltsignal nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer bereitgestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschaltsignal als Reaktion auf das Erkennen eines Spannungsabfalls an der parasitären Diode des Schalttransistors bereitgestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeitdauer derart geregelt wird, dass das Ausschaltsignal zu einem Zeitpunkt bereitgestellt wird, an welchem die an der parasitären Diode abfallende Spannung noch größer ist als ein vorgegebener erster Spannungswert.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene erste Spannungswert 50 mV beträgt
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeitdauer in ein festes Zeitintervall und ein veränderbares Zeitintervall aufgeteilt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das veränderbare Zeitintervall von Ansteuerperiode zu Ansteuerperiode optimiert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Ansteuerperiode mittels des Timers die vorgegebene Zeitdauer ermittelt wird, diese vorgegebene Zeitdauer für eine darauffolgende zweite Ansteuerperiode in das feste und das veränderbare Zeitintervall aufgeteilt wird, in darauffolgenden weiteren Ansteuerperioden die Zeit gemessen wird, in welcher der Spannungsabfall über der parasitären Diode kleiner ist als ein vorgegebener zweiter, positiver Spannungswert, und das veränderbare Zeitintervall derart geregelt wird, dass das veränderbare Zeitintervall zu einem Minimum wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene zweite Spannungswert 400 mV beträgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Falle, dass nach der Bereitstellung eines Ausschaltsignals der Spannungsabfall an der parasitären Diode größer ist als der vorgegebene zweite Spannungswert, das veränderbare Zeitintervall vergrößert wird, oder dass in dem Falle, dass nach der Bereitstellung eines Ausschaltsignals der Spannungsabfall an der parasitären Diode kleiner ist als der vorgegebene erste Spannungswert, das veränderbare Zeitintervall verkleinert wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalttransistoren Mosfets sind.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftfahrzeuggenerator ein Drei- oder Mehrphasen-Generator ist, jeder Phase des Generators ein Highside-Schalttransistor und ein Lowside-Schalttransistor des Gleichrichters zugeordnet ist, eine Messung der vorgegebenen Zeitdauer beim Lowside-Schalttransistor vorgenommen wird und die Bestimmung der Ansteuerzeit der entsprechenden Highside-Schalttransistoren unter Verwendung der beim Lowside-Schalttransistor gemessenen Zeitdauer vorgenommen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Highside-Schalttransistoren und die Lowside-Schalttransistoren aus einer Parallelschaltung mehrerer Schalttransistoren gebildet werden.
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