[发明专利]具有集成延迟电路的半导体开关

说明书

技术领域

本发明涉及具有集成延迟电路的半导体开关、用于对多级电负载进行脉宽调制控制的控制器及相应的方法。

背景技术

可以传统方式通过脉宽调制(PWM)来实现对诸如电加热器、白炽灯、DC电动机等电负载的功耗控制。在这种情况下，电源电压以周期性间隔接通和断开。可以通过占空比(即，在一个周期内的接通时间T_on与周期持续时间T_PWM之比)(参见图1)来连续地控制负载的功耗。接通时间T_on＝0代表断开状态，而接通时间T_on＝T_PWM意味着持续接通(即，最大功率)。与例如通过串联晶体管的电源电压或电流的线性控制相比，可以这种方式充分地降低在输出级的晶体管处出现的功耗。

用作PWM控制的输出或开关级(即，用作大电流的半导体开关)的器件优选地是MOSFET，该MOSFET通过其外部附加电路或已包括在其壳体中的必要附加电路进行控制和进行防过载(过电流、过电压以及过热)保护。图2中示出了这种受保护输出级，其通常也被称作高侧智能功率开关(smart power high-side-switch)并可以从例如International Rectifier处批量购得。这种输出级200的内部结构设计包括两个半导体芯片：实际的半导体开关(MOSFET)202以及控制和监控电路201。两个芯片并排布置或将一个置于另一个之上。在大开关电流(几十A)的情况下，单片集成电路解决方案(在一个半导体芯片上实现所有功能)并不非常普遍。

对于由定时(clocking)而产生并且可通过例如客室照明的恼人闪烁而变得明显的负载峰值，以及对于由切换处理引起的EMC问题(EMC：电磁兼容)，大电流负载(特别是在诸如电辅助加热系统或柴油机的电热塞的车辆电气系统中的大电流负载)的PMW控制是有缺点的。

欧洲专利EP 1157869B1公开了以每次仅由电流的上升或下降驱动一个加热级的方式通过脉宽调制来控制机动车辆的多级电辅助加热装置。

例如，在机动车辆中使用电辅助加热器(heating)，来加热客室中的空气，预热水冷式引擎的冷却剂或者加热燃料。这种辅助加热器一般包括控制装置和多个加热元件，该多个加热元件被结合以形成多个加热级。加热元件一般被实现为电加热电阻器，尤其被实现为PTC元件。

可以通过控制各个子负载(subload)以相移模式来实现显著有利的PWM控制，以保持由周期性电流波动引起的车辆电气系统上的负载尽可能小。如图3中示例性示出了三级负载，三个定时电流l_{load_1}、l_{load_2}、l_{load_3}对于每个级都相对于彼此移动了1/3个周期持续时间。以这种方式，在整个周期中总负载l_sum＝l_{load_1}+l_{load_2}+l_{load_3}可以被更均匀地分配。如图3中可以看出的，车辆电气系统经过的周期电流变化(纹波电流)的幅度仅是通过累加三个负载电路电流而获得的总电流的幅度的三分之一(＝1/n，n＝负载电路的数目)。如果没有以相移模式来实现定时，而是同时接通和断开所有负载级，则在车辆电气系统中将发生在电流1＝0和最大电流(所有负载电路的总电流)之间的电流波动。如在图3中还可以看出的，相移控制的另一个优点是纹波电流的频率已增至三倍(f_rip＝n*f_PWM)-这是在许多使用情况下所期望的效果。例如，这使得客室照明的闪烁频率移动到一个不明显的频率范围。

图4示出了传统控制装置400，其中，使用了微控制器(μC)403来实现多个负载电路R_{load_1}，…，R_{load_n}的相移控制。微控制器403根据经接口(例如，CAN总线)402提供的任意输入信息产生多个PWM信号，从而控制输出级404-1，…，404-n。如果受控的装置是电辅助加热器，则输入信息可以例如包括额定热输出以及此刻正讨论的车辆电气系统中可用的电功率。

通过微控制器来生成用于对多个负载电路进行相移控制的信号的缺点在于所需组件数量和总成本以及这些组件所需的空间相当大。此外，无论怎样都必须开发对于微控制器是昂贵组件的特定软件。