专利名称：用于控制dc电动机的开关设备的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于控制DC电动机的开关设备的装置和方法。更具体地，本发明涉及用于控制DC电动机的开关设备的装置和方法，其能够使用硬件电路设计控制死区时间。
背景技术：
通常，在混合动力车辆中，三相脉宽调制(PWM)逆变器作为功率变换器用于将三相交流电供应至具有高功率输出的DC电动机。在用于驱动DC电动机的半桥电路中，两个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关设备能够在相互之间独立地切换。然而，当这两个设备同时接通时，DC输出短路，并且大量电流通过其流动，这能够毁坏设备。因此，开关设备以互补开关方式操作，使得在任何给定的时间两个设备的接通/关断状态相互对立。
然而，在两个设备的接通/关断切换过程中，由于选通信号传播延迟时间的差异并且因为半导体开关设备接通的时间与半导体开关设备关断的时间之间的差异，存在这两个设备可同时均接通的可能性。
具体地，开关设备关断的时间总是比开关设备接通的时间更长，因此，当同时应用用于切换两个设备的接通/关断状态的选通信号时，两个设备可同时均接通，从而引起有害的短路事件，因此造成功率损耗。
如此，为了在两个设备的接通/关断切换过程中防止该有害的短路事件，在预定时间过去后，将接通信号应用至待接通的设备，从而确保其它设备适当地关断。接通信号延迟的时间被称为死区时间。
通常，在车辆中，设置有微控制器的控制器经软件程序控制死区时间。然而，如果控制器未装备有微控制器，则不能经软件程序控制死区时间，因此，需要设置适当的防范措施。
上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。发明内容
本发明提供用于控制DC电动机的开关设备的装置和方法，其通过设置用于控制DC电动机的开关设备的半导体芯片，即使在现有车辆控制器中没有安装微控制器时，也能够以片上方式控制死区时间。
一方面，本发明提供用于控制直流(DC)电动机的开关设备的装置，该装置包括:开关设备，其安装在半导体芯片中以采用半桥构成芯片的内部电路；和死区时间控制器，其设置在半导体芯片上，并配置成通过在操作开关设备的过程中控制死区时间周期来发送选通信号并且操作与电动机直接连接的开关设备。在一些示例性实施方式中，开关设备可包括成对操作的一对M0SFET，并且死区时间控制器可包括在两个开关设备之间应用死区时间的时钟发生器、分频器、检测器、计数器、和延时器。
在另一方面，本发明提供用于控制直流(DC)电动机的开关设备的方法，该方法包括:由控制器产生时钟信号；由控制器分割时钟信号的频率；由控制器检测输入至分频器的时钟信号与通过分频器分割的时钟信号之间的相位差，并且由控制器产生上升信号或下降信号；由控制器，通过对上升/下降信号进行计数产生控制位；和由控制器，按照基于控制位，在两个成对操作的开关设备的切换过程中，延迟接通信号的方式应用死区时间，从而获得互补开关操作。在示例性实施方式中，可将用于对上升信号进行计数的上升计数器和用于对下降信号进行计数的下降计数器设计成相互对称，使得在相同范围内进行计数。另外，可基于上升信号或下降信号的计数数量确定死区时间。在成对操作的两个开关设备之间应用的死区时间周期可以比在不同对中操作的两个开关设备之间应用的死区时间周期更短。以下讨论本发明的其它方面和示例性实施方式。
现在将参考附示的本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中:图1是示出根据本发明的示例性实施方式的用于控制DC电动机的开关设备的半导体芯片的示意图；图2是示出根据本发明的示例性实施方式的用于控制FET设备的电路的图；图3是示出根据本发明的示例性实施方式的用于死区时间控制的时间图；并且图4示出根据本发明的示例性实施方式的死区时间控制算法。附图中所提到的附图标记包括对在下面进一步讨论的下列元件的参考:10:半导体芯片11:MCU12:电压调节器13 =FET栅极驱动器14:放大器15 =MOSFET16:DC 电动机20:死区时间控制器21:重置设备22:时钟发生器23:分频器24:检测器25:计数器26:延时器27&28 =MOSFET27a:第一 MOSFET
27b:第二 MOSFET28a:第三 MOSFET28b:第四 MOSFET40:时钟信号41:信号波形应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施例方式下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两个或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。以下讨论本发明的上述和其它特征。图1是示出根据本发明的示例性实施方式的用于控制DC电动机的开关设备的半导体芯片的示意图，并且图2是示出根据本发明的示例性实施方式的用于控制FET设备的电路的图。本发明提供用于控制DC电动机开关设备的装置和方法，其能够经片上硬件电路设计而不是需要微控制器的软件程序控制死区时间。根据本发明的示例性实施方式的用于控制DC电动机的开关设备的装置可在脉宽调制(PWM)控制半导体芯片10上配置场效应晶体管(FET)栅极驱动器13和作为主要内部电路的半桥或全桥。PWM控制半导体芯片10还可在32kB存储器中设置例如4kB存储器，并且可包括设置有例如256B RAM、3kB XRAM、振荡器、AD变换器等等的电动机控制单元(MCU) 11、电压调节器12、FET栅极驱动器13、放大器(OP AMP) 14等等。使用PWM控制半导体芯片10的配置，可以配置死区时间控制器20。控制器20可包括时钟发生器22、分频器23、检测器24、计数器25、和延时器26，和作为内部电路的两个半桥。死区时间控制器20产生待应用至由两个半桥组成的两个MOSFET 27和28的选通信号C0UT60、CC60、C0UT61和CC61，并且死区时间控制器20可切换两种互补的开关状态，使得两个MOSFET 27和28的接通/关断状态互不相同。此处，将选通信号C0UT60和CC60发送至一对第一和第二 MOSFET 27a和27b，并且将选通信号C0UT61和CC61发送至另一对第三和第四M0SFET28a和28b。如图1矩形框内所指示，内部电路由两个半桥组成，并且在每个半电桥内两个MOSFET 27和28 (即，开关设备)成对操作。如图1所示，在图1矩形框外设置与内部电路的半桥分别连接的P通道MOSFET 15和N通道MOSFET 15。P通道MOSFET 15和N通道MOSFET 15成对操作，并且P通道MOSFET15与DC电动机16直接连接，从而控制DC电动机16。此处，需要控制内部死区时间，以防止分别成对操作的第一和第二 MOSFET 27a和27b或第三和第四MOSFET 28a和28b在内部电路中同时操作，并且需要控制外部死区时间，以防止第一和第二 M0SFET27a和27b之一或第三和第四MOSFET 28a和28b之一同时操作。内部死区时间表示用于防止成对操作的两个MOSFET 27和28在内部电路中同时操作的死区时间，并且外部死区时间表示用于防止在其它对中分开操作的两个MOSFET 27a和28a同时操作。在本发明的示例性实施方式中，内部死区时间周期可被确定为例如4比特，并且外部死区时间周期可被确定为例如8比特。死区时间控制器20被配置为硬件电路设计并包括用于重置时钟信号的重置设备
21、用于产生具有预定频率的时钟信号的时钟发生器22、用于分割频率的分频器23、用于检测时钟信号40之间的相位差并产生上升/下降信号的检测器24、对上升/下降信号进行计数的计数器25、和用于延迟接通信号的时间的延时器26以控制死区时间。此处，时钟信号被用于合并至少两个电路操作且具有预定频率。下面将描述用于控制以上述方式配置的装置的死区时间的方法，所述装置用于控制DC电动机。图3是根据本发明的示例性实施方式的用于死区时间控制的时间图，并且图4示出根据本发明的示例性实施方式的死区时间控制算法。首先，将通过时钟发生器22产生的时钟信号重置，以移除频率噪音并开始死区时间控制。然后，经分频器23将通过时钟发生器22产生的例如24Hz的时钟信号除以4，从而使用例如6Hz的频率(S100和SI 10)。随后，检测器24检测输入至分频器23的第一时钟信号40a与通过分频器23分割的第二时钟信号40b之间的相位差。当第一时钟信号40a的相位领先于第二时钟信号40b的相位时，检测器24产生上升信号，并且当第二时钟信号40b的相位领先于第一时钟信号40a的相位时，产生下降信号(S120和S130)。计数器25连续地接收由检测器24产生的上升/下降信号并对接收的上升/下降信号进行计数，从而产生待应用至延时器26的控制位(S140和S150)。此处，在例如I至150的范围内进行对上升/下降信号的计数。这样做的原因是死区时间的产生周期落在上述计数范围内。此处，上升计数器25和下降计数器25设计成相互对称，以便于基于计数的计算。例如，为了在从I增加至300的计数器中测量5和296，当计数器被分成300步并对称地设计成上升计数器(I至150)和下降计数器(150至I)时，并且当测量4的周期时，可以测量与两端处的数字I和300间隔相等的点5和296。因此，使硬件电路设计简化并且促进控制。然后，延时器26接收由计数器25产生的控制位，并基于接收的控制位，控制应用至每个MOSFET 27和28的死区时间(用于延迟接通信号)。下面将参考图3和图4更加详细地描述死区时间控制方法。如图3所示，通过检测器24检测的上升/下降信号(即上升/下降计数器使能信号)设计成相对于O对称，使得计数器25被分成从最高计数位置开始计数的下降计数周期和从最低计数位置开始计数的上升计数周期。例如，参考下降计数周期中选通信号CC60和C0UT60的信号波形41，当从最高计数位置150计数至130时，从死区时间控制器20应用至第二 MOSFET 27b的选通信号CC60从高(1，接通)向低(0，关断)转变，然后，当从130计数至126时，即在内部死区时间(tDint，4比特)过去之后，应用至第一 MOSFET 27a的选通信号C0UT60从低(O)向高⑴转变(S140 和 S141)。此外，参考选通信号CC60和CC61的信号波形41，当在下降计数周期中向下计数至130时，从死区时间控制器20应用至第二 M0SFET27b的选通信号CC60从高(1，接通)向低(0，关断)转变，然后，当从130计数至122时，即在外部死区时间(tD INT，8比特)过去之后，应用至第四MOSFET 28b的选通信号CC61从高(I)向低(O)转变(S140和S142)。而且，参考选通信号CC61和C0UT61的信号波形41，当向下计数至122时，从死区时间控制器20应用至第四MOSFET 28b的选通信号CC61从高向低转变，并且当从122计数至118时，即在内部死区时间(4比特)过去之后，应用至第三MOSFET 28a的选通信号C0UT61从低向高转变(S142和S143)。而且，参考上升计数周期中的选通信号C0UT61和CC61的信号波形41，当从最低计数位置O计数至122时，从死区时间控制器20应用至第三MOSFET 28a的选通信号C0UT61从高(1，接通)向低(0，关断)转变，然后，当从122计数至126时，即在内部死区时间(tDint，4比特)过去之后，应用至第四MOSFET 28b的选通信号CC61从低(O)向高⑴转变(S150 和 S151)。此外，参考选通信号C0UT61和C0UT60的信号波形41，当在上升计数周期中计数至122时，从死区时间控制器20应用至第三M0SFET28a的选通信号C0UT61从高(1，接通)向低(0，关断)转变，然后，当计数至130时，即在外部死区时间(tD INT，8比特)过去之后，应用至第一 MOSFET 27a的选通信号C0UT60从高(I)向低(O)转变(S150和S152)。而且，参考选通信号C0UT60和CC60的信号波形41，当在上升计数周期中计数至130时，从死区时间控制器20应用至第一 MOSFET 27a的选通信号C0UT60从高向低转变，并且当从130计数至134时，即在内部死区时间(4比特)过去之后，应用至第二 MOSFET 27b的选通信号CC60从低向高转变(S152和S153)。此处，内部死区时间应用于成对操作的第一与第二 MOSFET 27a和27b之间，并且外部死区时间应用于不同对中操作的第二 MOSFET27b与第四M0SFET28b之间，或不同对中操作的第一 MOSFET 27a与第三MOSFET 28a之间。因此，根据本发明，死区时间控制器20确保两个设备之间的互补操作，从而以如下方式防止功率损耗，即通过在一对第一和第二 M0SFET27a和27b (或第三和第四MOSFET28a和28b)操作过程中应用内部死区时间并且在另外成对的第一和第三M0SFET27a和28a (或第二和第四MOSFET 27b和28b)操作过程中应用外部死区时间，在死区时间(例如，4比特)过去之后，一个设备关断，并且另一个设备接通。此外，由于通过将片上硬件电路设计并入半导体芯片10来控制死区时间周期，可以除去需要微控制器的软件控制，并因此使系统和软件负载优化。进一步地，当输入PWM占空比变化时，可以控制内部/外部死区时间周期。如上所述，根据本发明的用于控制DC电动机的开关设备的装置和方法具有以下优势。第一，由于可以通过将片上硬件电路设计并入到半导体芯片中来控制死区时间周期，可以除去通过现有微控制器来控制的软件，并优化系统和软件负载。第二，当输入PWM占空变化时，可以控制内部/外部死区时间周期。第三，可以以如下方式确保用于防止功率损耗的两个设备之间的互补操作，即通过在一对第一和第二 MOSFET (或第三和第四M0SFET)操作过程中应用内部死区时间并且在另外成对的第一和第三MOSFET (或第二和第四M0SFET)操作过程中应用外部死区时间，在死区时间(例如，4比特)过去之后，一个设备关断，并且另一个设备接通。本发明参考其示例性实施方式进行了详细描述。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。
权利要求
1.一种用于控制直流(DC)电动机的开关设备的装置，所述装置包括: 开关设备，其安装在半导体芯片中以采用半桥构成所述半导体芯片的内部电路；和 死区时间控制器，其设置在所述半导体芯片上，并配置成通过在操作所述开关设备的过程中控制死区时间周期来发送选通信号并操作与电动机直接连接的所述开关设备。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述开关设备包括成对操作的一对MOSFET。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述死区时间控制器包括在两个开关设备之间应用死区时间的时钟发生器、分频器、检测器、计数器、和延时器。
4.一种用于控制直流(DC)电动机的开关设备的方法，所述方法包括: 由控制器产生时钟信号； 由所述控制器分割所述时钟信号的频率； 由所述控制器检测输入至分频器的时钟信号与通过分频器分割的时钟信号之间的相位差并产生上升信号或下降信号； 由所述控制器，通过对所述上升/下降信号进行计数来产生控制位；和 由所述控制器，按照基于所述控制位，在两个成对操作的开关设备的切换过程中，延迟接通信号的方式应用死区时间，从而获得互补开关操作。
5.如权利要求4所述的方法，其中用于对所述上升信号进行计数的上升计数器和用于对所述下降信号进行计数的下降计数器设计成相互对称，使得在相同范围内进行计数。
6.如权利要求4所述的方法，其中基于上升信号或下降信号的计数数量确定所述死区时间。
7.如权利要求4所述的方法，其中在成对操作的两个开关设备之间应用的死区时间周期比在另外成对操作的两个开关设备之间应用的死区时间周期更短。
全文摘要
本发明公开的是一种用于控制DC电动机的开关设备的装置和方法，其通过设置用于控制DC电动机的开关设备的半导体芯片，即使在车辆控制器中没有安装微控制器时，也以片上方式控制死区时间。更具体地，开关设备安装在半导体芯片中，从而采用半桥构成芯片的内部电路，并且死区时间控制器设置在半导体芯片上，且配置成通过在操作开关设备的过程中控制死区时间周期来发送选通信号并驱动与电动机直接连接的开关设备。
文档编号H02P7/28GK103166550SQ20121009767
公开日2013年6月19日 申请日期2012年4月5日 优先权日2011年12月12日
发明者宋好得, 张相贤 申请人:现代自动车株式会社, 起亚自动车株式会社