用于控制的转换速率的方法及其设备的制造方法
【专利摘要】本发明涉及控制MOSFET转换速率的方法，MOSFET连接到用于将电流供应到电负载的电池(600)。方法包括的步骤是：提供MOSFET的状态转变；监测MOSFET的漏极?源极电压；提供通过MOSFET的栅极的可变电流，且如果MOSFET的漏极?源极电压满足作为电池电压VBAT的函数的预定状态，则提供通过MOSFET的栅极的恒定电流。
【专利说明】
用于控制的转换速率的方法及其设备
技术领域
[0001 ]本发明的技术领域涉及控制金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的转换速率(sIew rate)的方法和设备JOSFET具体用于对具有低电阻的电负载进行供电和控制，例如用于柴油发动机的点火塞(glow plug)。
【背景技术】
[0002 ] 已知的是MOSFET可用于控制脉宽调制(P丽)过程，其中脉冲宽度基于通过MOSFET提供的输入而被调制。
[0003]还已知的是，柴油发动机设置有陶瓷或金属点火塞，用于允许发动机的冷起动和用于在发动机运行期间优化燃烧性能。
[0004]点火塞位于发动机的燃烧室中且通过电开关(例如M0SFET)电连接到电压功率源，例如车辆的电池，通过PWM过程控制且被电子控制单元(E⑶)驱动。
[0005]限定MOSFET晶体管性能的参数中之一为控制信号的“转换速率”，其用于控制MOSFETo
[0006]转换速率是指每单位时间允许的最大电压变化。
[0007]在MOSFET用于为具有低电阻且因此吸收高电流的外部负载供电时转换速率必须被控制，例如在点火塞的情况下，否则脉宽调制(PWM)过程所需的快速通信将产生辐射或传导噪声，其会损坏电路的电子部件，使得电磁兼容性(EMC)需求变差。
[0008]为了解决该问题，已知的是在MOSFET的栅极和漏极之间使用外部串联电阻器和外部电容器。
[0009]但是，该方案的缺点是这种部件必须在所使用的具体MOSFET上进行调节，且其性能根据电池电压而改变。
[0010]另一已知的方案是在所有的ON-OFF和OFF-ON转变期间施加恒定电流。
[0011]然而，该方案不能用于具有高栅极电荷的M0SFET，因为传输延迟会太长。
[0012]所公开的实施例的目的是改善EMC性能，且同时提供适用于各种MOSFET的方案，还考虑到了这种MOSFET可以用于控制具有高栅极电荷的部件。
[0013]这些和其他目标通过独立权利要求限定的本发明的实施例实现。从属权利要求包括所述实施例的优选和/或有利方面。
【发明内容】
[0014]本发明的实施例提供一种方法，其控制MOSFET的转换速率，MOSFET连接到用于为电负载供应电流的电池，方法包括的步骤是:
[0015]提供MOSFET的状态转变；
[0016]监测MOSFET的漏极-源极电压；
[0017]提供通过MOSFET的栅极的可变电流，且
[0018]如果MOSFET的漏极-源极电压满足作为电池电压的函数的预定状态，则提供通过MOSFET的栅极的恒定电流。
[0019]该实施例的优势是允许改善EMC性能，因为在MOSFET的0FF-0N转变情况下和在MOSFET的OFF-ON转变情况下，其性能相对于电池电压是比率式的(rat1metric)。
[0020]该实施例与电池电压供应成比率式关系，因为方法步骤之间的转变通过监测漏极-源极MOSFET电压和将其与电池电压本身产生的临界值比较来确定的。
[0021 ] 而且该方案依赖于采用的MOSFET类型，而是相反，其适用于各种MOSFET设定，还考虑了具有高栅极电荷的部件。
[0022]根据本发明的另一实施例，在MOSFET的OFF-ON转变中，要满足的预定状态是MOSFET的漏极-源极电压低于作为电池电压函数的第一临界电压。
[0023]该实施例的优势是允许MOSFET的OFF-ON转变中MOSFET转换速率的适当控制。
[0024]根据本发明的另一实施例，第一临界电压等于VBAT/4。
[0025]该实施例的优势是方法步骤之间的转变通过与电池电压成比例的参数确定，允许该方案与电池电压供应成比率式关系。
[0026]根据本发明的另一实施例，在MOSFET的OFF-ON转变中，通过采用连接到MOSFET的栅极的第一电流产生器而提供通过MOSFET的栅极的恒定电流。
[0027]该实施例的优势是第一电流产生器可用作提供预定恒定电流的电流镜。
[0028]根据本发明的另一实施例，通过在关闭位置中让第一电流产生器(610)旁路的第一开关提供通过MOSFET (560)的栅极的可变电流。
[0029]该实施例的优势是最大电流值被预驱动电路的电阻器限制。
[0030]根据本发明的另一实施例，在MOSFET的ON-OFF转变中，要满足的预定状态是MOSFET的漏极-源极电压大于作为电池电压函数的第二临界电压。
[0031 ] 该实施例的优势是允许MOSFET的ON-OFF转变中MOSFET转换速率的适当控制。
[0032]根据本发明的进一步实施例，第二临界电压等于VBAT/6。
[0033]该实施例的优势是方法步骤之间的转变通过与电池电压成比例的参数确定，允许该方案与电池电压供应成比率式关系。
[0034]根据本发明的另一实施例，在MOSFET的ON-OFF转变中，通过采用连接到MOSFET的栅极的第二电流产生器而提供通过MOSFET的栅极的恒定电流。
[0035]该实施例的优势是第二电流产生器可用作吸收预定恒定电流的电流镜。
[0036]根据本发明的进一步实施例，通过在关闭位置中让第二电流产生器(610)旁路的第二开关提供通过MOSFET (560)的栅极的可变电流。
[0037]该实施例的优势是最大电流值被预驱动电路的电阻器限制。
[0038]方法可在计算机程序的辅助下执行，计算机程序包括代码用于如上所述方法所有步骤的程序代码，且是包括计算机程序的计算机程序产品的形式。方法还可斯斯文文电磁信号，所述信号被调制以承载数据位序列，其代表执行方法所有步骤的计算机程序。
[0039]根据本发明的另一方面，提供一种一种用于控制MOSFET的转换速率的设备，MOSFET连接到电池，其用于向电负载供应电流，设备包括:
[0040]提供MOSFET的状态转变的器件；
[0041 ]用于监测MOSFET的漏极-源极电压的器件；
[0042] 预驱动电路，用于提供通过MOSFET的栅极的可变电流，和如果MOSFET的漏极-源极电压满足作为电池电压的函数的预定状态，则用于提供通过MOSFET的栅极的恒定电流。
[0043]该方面的优势是允许改善EMC性能，因为其性能相对于电池电压的比率式的。
[0044]设备的性能与电池电压供应成比率式关系，因为之间的转变通过监测漏极-源极MOSFET电压和将其与从电池电压本身产生的临界值比较而确定。
[0045]而且该方案适用于各种MOSFET设定，还考虑了具有高栅极电荷的部件。
[0046]最后，设备所需的所有电路可容易地整合在具有有限硅空间占用的ASIC方案中。
[0047]根据本发明的另一方面，预驱动电路包括第一电流产生器，其布置在馈送节点和第一中间节点之间。
[0048]该方面的优势是第一电流产生器可用作提供预定恒定电流的电流镜。
[0049]根据本发明的另一方面，预驱动电路包括在关闭位置中让第一电流产生器旁路的第一开关。
[0050]该方面的优势是最大电流值被预驱动电路的电阻器限制。
[0051]根据本发明的进一步方面，预驱动电路进一步包括第二电流产生器，其布置在第二节点和地面节点之间。
[0052]该方面的优势是第二电流产生器可用作吸收预定恒定电流的电流镜。
[0053]根据本发明的另一方面，预驱动电路包括在关闭位置中让第二电流产生器旁路的第二开关。
[0054]该方面的优势是最大电流值被预驱动电路的电阻器限制。
[0055]根据本发明的另一方面，电负载是用于柴油发动机的电热塞。
[0056]该方面的优势该允许运行具有低电阻且因此具有高电流的部件。
【附图说明】
[0057]现在参考附随附图通过例子将描述各种实施例，其中相同的附图标记表示，且其中:
[0058]图1显示了汽车系统；
[0059]图2是属于图1的汽车系统的内燃发动机的横截面；
[0060]图3显示了用于MOSFET的电路的示意图，其用于在OFF-ON转变中向电负载供电；[0061 ]图4代表作为OFF-ON转变中时间函数的图3的主变量；
[0062 ]图5显示了用于MOSFET的电路的示意图，其用于在ON-OFF转变中向电负载供电；
[0063 ]图6代表作为ON-OFF转变中时间函数的图5的电路的主变量；
[0064]图7代表OFF-ON转变的流程图，且
[0065]图8代表ON-OFF转变流程图。
【具体实施方式】
[0066]参考附图描述示例性实施例，而不是要限制应用和使用。
[0067]—些实施例可以包括汽车系统100，如图1和2所示，其包括内燃发动机(ICE) 110，所述内燃发动机具有发动机缸体120，所述汽缸体限定至少一个汽缸125，所述至少一个汽缸具有联接为让曲轴145旋转的活塞140。.汽缸盖130与活塞140协作以限定燃烧室150。燃料和空气混合物(未示出)设置在燃烧室150中且被点燃，形成的热膨胀排出气体造成活塞140的往复运动。通过至少一个燃料喷射器160提供燃料，且通过至少一个进入口 210提供空气。从与高压燃料栗180流体连通的燃料分配管170以高压向燃料喷射器160提供燃料，所述高压燃料栗增加从燃料源190接收的燃料压力。汽缸125每一个具有至少两个阀215，所述阀通过凸轮轴135促动，所述凸轮轴与曲轴145实时地旋转。阀215选择性地允许空气从端口210进入燃烧室150且交替地允许排出气体通过端口 220离开。在一些例子中，凸轮相位器155可以选择性地改变凸轮轴135和曲轴145之间的正时。
[0068]电热塞360位于在燃烧室150中，所述电热塞是加热元件，其针对发动机的冷起动且还针对燃烧室中燃烧性能的改善而被电激活。
[0069 ]电热塞360电连接到电压功率源，例如汽车系统的电池，且被控制为具有on状态和off状态。根据可行实施例，电热塞360的0N/0FF状态被用于控制开关的电子控制单元(ECT)控制。如将在后文更详细公开的，根据可行实施例，可提供开关(例如MOSFET 560)以控制电热塞360的0N/0FF状态。
[0070]空气可以通过进气歧管200分配到空气进气口(一个或多个)210。空气进气管道205可以从周围环境将空气提供到进气歧管200。
[0071]在其他实施例中，可以提供节流阀本体330，以调节进入歧管200中的空气流。
[0072]在其他实施例中，可以提供例如涡轮增压器230(具有压缩机240，其旋转地联接到涡轮机250)这样的强制空气系统。压缩机240的旋转增加管道205和歧管200中空气的压力和温度。设置在管道205中的内部冷却器260可以降低空气的温度。通过从排气歧管225接收排出气体，涡轮机250旋转，所述排气歧管从排气口 220引导排出气体且在通过涡轮机250膨胀之前经过一系列叶片。排气离开涡轮机250且被引导到排气系统270中。该例子显示了可变几何涡轮机(VGT)，VGT促动器290布置为让叶片运动，以改变经过涡轮机250的排气的流动。在其他实施例中，涡轮增压器230可以是固定几何结构的和/或包括废气门。
[0073]发动机的排气被引导到排气系统270。
[0074]排气系统270可以包括排气管275，所述排气管具有一个或多个排气后处理装置280。排气后处理装置可以是配置为改变排气成分的任何装置。排气后处理装置280的一些例子包括但不限于催化转换器(两向和三向(two and three way))、氧化催化器、贫NOx捕获器、碳氢化合物吸收器、选择性催化还原(SCR)系统和颗粒过滤器。其他实施例可以包括联接在排气歧管225和进气歧管200之间的排气循环(EGR)系统300 JGR系统300可以包括EGR冷却器310，以降低EGR系统300中的排气温度。EGR阀320调节EGR系统300中的排气流动。
[0075]汽车系统100可以进一步包括与相关于ICEl10的一个或多个传感器450和/或装置通信且与存储器系统或数据承载器460和接口总线通信的电子控制单元(E⑶)45(LE⑶450可以从各种传感器接收输入信号，所述传感器配置为产生与相关于ICE 110的各种物理参数成比例的信号。传感器包括但不限于空气流量、温度传感器340、歧管压力和温度传感器350、可以整合到点火塞360中的燃烧压力传感器、冷却剂和油温液位传感器380、燃料分配管压力传感器400、凸轮位置传感器410、曲柄位置传感器420、排气压力和温度传感器430、EGR温度传感器440和加速踏板位置传感器445。进而，E⑶450可以产生到各种控制装置的输出信号，所述控制装置布置为控制ICE 110的运行，包括但不限于燃料喷射器160、节流阀本体330、EGR阀320、可变几何涡轮机(VGT)促动器290、和凸轮相位器155。应注意，虚线用于表示ECU 450和各种传感器和装置之间的通信，但是为了清楚，其中的一些被省略。
[0076]现在参见图3，显示了用于MOSFET 560的电路的示意图，其用于在OFF-ON转变中向电负载供电。
[0077]电负载可以例如是用于的电热塞360。
[0078]根据图3，电热塞360、M0SFET 560和电池600按顺序串联连接，MOSFET 560是电热塞360的控制电路520的一部分，电热塞360还连接到地极510。
[0079]MOSFET 560具有三个端子。这三个端子是漏极530、栅极540和源极550。源极550连接到电热塞360的输入端子，栅极540连接到预驱动电路500，其将在后文详细描述，且漏极530连接到电池600。
[0080]如本领域已知的，电热塞360具有电阻加热线圈，所述线圈包括调节线圈和加热线圈，用于增加燃烧室150中新鲜空气的温度。这些线圈将新鲜空气加热，以用于随被注入的柴油点火。
[0081 ] MOSFET 560用作根据PffM过程的电子开关。
[0082]漏极530和源极550之间的电连接通过栅极540上的电压信号(从预驱动电路500而来)而被转为ON或OFF。
[0083]电池500用作电能量源，用于电压和电流提供到电热塞360。电压源V_GATE将电力供应到预驱动电路500，以用于其运行。
[0084]预驱动电路500控制MOSFET 560栅极540，使得从电池600而来的电能流动可关闭或转为on，优选是通过可调整的占空比实现。在MOSFET 560闭合时，电热塞360转为on(电热塞的on状态)，反之亦然，在MOSFET 560打开时，电热塞360转为off (电热塞的off状态)。
[0085]预驱动电路500进一步包括第一开关SWl和第二开关SW2，其中第一开关SWl可以用于让第一电流产生器610旁路(bypass)，且第二开关SW2可以用于让第二电流产生器620旁路。
[0086]更具体地，在预驱动电路500中，第一电流产生器610布置在馈送节点605和第一中间节点615之间，其中第一开关SWl在关闭位置时将馈送节点605与第一中间节点615连接，将第一电流产生器610旁路。
[0087]以相似的方式，第二电流产生器620布置在第二中间节点625和地节点635之间，其中第二开关SW2在关闭位置中时将中间节点625与地节点635连接，让第二电流产生器620旁路。
[0088]预驱动电路500进一步包括逻辑单元630、电阻器640和地端子650。
[0089]预驱动电路500可有利地经由ASIC或离散部件使用小硅区域(small siliconarea)实施在内部开发的电子控制单元(ECU)上。
[0090]在运行中，如上所述，MOSFET 560在PffM过程下运行，即通过一系列0N-0FF脉冲，或换句话说，通过一系列状态转变，即0FF-0N和0N-0FF转变。
[0091]图4显示了作为0FF-0N转变中的时间函数的图3的电路的主变量，且相应地，图7显示了 0FF-0N转变流程图。
[0092 ]根据本发明的实施例，0FF-0N转变以以下方式执行。
[0093]用于从MOSFET的OFF状态转变到ON状态的命令被给予逻辑单元630，如图7流程图的图块700中的命令=I所示。
[0094]该命令还具有关闭第一开关SWl且将可变电流提供到MOSFET 560的栅极540的效果，电流最大值仅通过预驱动电路500中的电阻器640限制。
[0095]一旦漏极-源极MOSFET电压达到比其临界电压低(图块720)，则第一开关SWl打开且第一电流产生器610(用作电流镜)将恒定电流提供到MOSFET 560的栅极540(图块730)。
[0096]临界电压可以是电池电压VBAT的函数，例如具有VBAT/4的值。
[0097]采用可变电流的第一步骤确保小的传输延迟，且采用恒定电流的第二步骤确保提供到电热塞的电压缓慢增加，以便避免EMC问题。
[0098]图6显示了作为ON-OFF转变中时间函数的、图5的电路的主变量，且相应地图8显示了 ON-OFF转变流程图。
[0099 ]根据本发明的实施例，ON-OFF转变以以下方式执行。
[0100]用于从MOSFET的ON状态转变到OFF状态的命令被给予逻辑单元630，如图8的流程图中图块800中的命令=O所示。
[0101]该命令还具有关闭第二开关SW2，将可变电流提供到MOSFET 560的栅极540的效果，电流最大值仅通过预驱动电路500中的电阻器640限制。
[0102]一旦漏极-源极MOSFET电压达到比其临界电压更大的值(图块820)，则第一开关SW2打开且第二电流产生器610(用作电流镜)吸收从MOSFET 560的栅极540而来的恒定电流(图块730)。
[0103]在这种情况下，临界电压也可以是电池电压VBAT的函数，例如具有VBAT/6的值。
[0104]采用可变电流的第一步骤确保小的传输延迟，且采用恒定电流的第二步骤确保提供到电热塞的电压缓慢降低，以便避免EMC问题。
[0105]通常，在所述的所有实施例中，如果MOSFET的漏极-源极电压满足作为电池电压函数的预定状态，则提供经过MOSFET 560的栅极540的恒定电流。
[0106]尽管至少一个示例性实施例已经在前述
【发明内容】
和【具体实施方式】中进行了描述，但是应理解存在许多变化例。还应理解，一个或多个示例性实施例仅是例子，且目的不是以任何方式限制范围、适用性或构造。相反，前面的摘要和详细描述为本领域技术人员提供了实施至少一个示例性实施例的便捷方式，应理解，以对示例性实施例中所述的元件的功能和布置做出各种改变，而不脱离权利要求及其等效方式限定的范围。
[0107]附图标记
[0108]100汽车系统
[0109]HO内燃发动机(ICE)
[0110]120发动机缸体
[0111]125 汽缸
[0112]130汽缸盖
[0113]135凸轮轴
[0114]140 活塞
[0115]145 曲轴
[0116]150燃烧室
[0117]155凸轮相位器
[0118]160燃料喷射器
[0119]170燃料分配管
[0120]180燃料泵
[0121]190燃料源
[0122]200进气歧管
[0123]205空气进气管道
[0124]210进入空气端口
[0125]215汽缸的阀
[0126]220排气端口
[0127]225排气歧管
[0128]230高压涡轮增压器
[0129]240高压压缩机
[0130]250高压涡轮机
[0131]260冷却系统
[0132]270排气系统
[0133]275排气管
[0134]280排气后处理装置
[0135]290VGT 促动器
[0136]300EGR 系统
[0137]310EGR 冷却器
[0138]320EGR 阀
[0139]330节流阀本体
[0140]340空气流量和温度传感器
[0141]350歧管压力和温度传感器
[0142]360电热塞
[0143]380冷却剂和油温液位传感器
[0144]400燃料分配管压力传感器
[0145]410凸轮位置传感器
[0146]420曲柄位置传感器
[0147]430排气压力和温度传感器
[0148]445加速器踏板位置传感器
[0149]450电子控制单元(ECU)
[0150]460数据承载器
[0151]500预驱动电路
[0152]510电热塞的地极
[0153]520控制电路
[0154]530漏极
[0155]540栅极
[0156]550源
[0157]560MOSFET
[0158]600电池
[0159]605馈送节点
[0160]610第一电流产生器
[0161]615第一中间节点
[0162]620第二电流产生器
[0163]625第二中间节点
[0164]630逻辑单元
[0165]635地节点
[0166]640电阻器
[0167]650地端子
[0168]700图块
[0169]710图块
[0170]720图块
[0171]730图块
[0172]800图块
[0173]810图块
[0174]820图块
[0175]830图块
[0176]SWl第一开关
[0177]SW2第二开关
[0178]VBAT电池电压
【主权项】
1.一种控制MOSFET(560)转换速率的方法，MOSFET(560)连接到电池(600)，用于向电负载供应电流，该方法包括的步骤是: 提供MOSFET (560)的状态转变； 监测MOSFET (560)的漏极-源极电压； 提供通过MOSFET (560)的栅极(540)的可变电流，且 如果MOSFET (560)的漏极-源极电压满足作为电池电压(VBAT)的函数的预定状态，则提供通过M0SFET(560)的栅极(540)的恒定电流。2.如权利要求1所述的方法，其中在MOSFET(560)的OFF-ON转变中，要满足的预定状态是M0SFET(560)的漏极-源极电压低于作为电池电压(VBAT)函数的第一临界电压。3.如权利要求2所述的方法，其中第一临界电压等于VBAT/4。4.如权利要求2所述的方法，其中在M0SFET(560)的OFF-ON转变中，通过采用连接到M0SFET(560)的栅极(540)的第一电流产生器(610)而提供通过M0SFET(560)的栅极的恒定电流。5.如权利要求4所述的方法，其中通过在关闭位置中让第一电流产生器(610)旁路的第一开关(SWl)提供通过MOSFET (560)栅极的可变电流。6.如权利要求1所述的方法，其中在MOSFET(560)的ON-OFF转变中，要满足的预定状态是M0SFET(560)的漏极-源极电压大于作为电池电压(VBAT)函数的第二临界电压。7.如权利要求6所述的方法，其中第二临界电压等于VBAT/6。8.如权利要求6所述的方法，其中在M0SFET(560)的ON-OFF转变中，通过采用连接到M0SFET(560)的栅极(540)的第二电流产生器(620)而提供通过M0SFET(560)的栅极的恒定电流。9.如权利要求8所述的方法，其中通过在关闭位置中让第二电流产生器(620)旁路的第二开关(SW2)提供通过MOSFET (560)的栅极的可变电流。10.—种用于控制M0SFET(560)的转换速率的设备，M0SFET(560)连接到电池(600)，该电池用于向电负载供应电流，设备包括: 提供MOSFET (560)的状态转变的器件； 用于监测M0SFET(560)的漏极-源极电压的器件； 预驱动电路(500)，用于提供通过MOSFET (560)的栅极(540)的可变电流，和如果MOSFET(560)的漏极-源极电压满足作为电池电压(VBAT)的函数的预定状态，则用于提供通过MOSFET (560)的栅极(540)的恒定电流。11.如权利要求10所述的设备，其中预驱动电路(500)包括布置在馈送节点(605)和第一中间节点(615)之间的第一电流产生器(610)。12.如权利要求11所述的设备，其中预驱动电路(500)包括在关闭位置中让第一电流产生器(610)旁路的第一开关(SW1)。13.如权利要求10所述的设备，其中预驱动电路(500)进一步包括布置在第二中间节点(625)和地节点(635)之间的第二电流产生器(620)。14.如权利要求13所述的设备，其中预驱动电路(500)包括在关闭位置中让第二电流产生器(620)旁路的第二开关(SW2)。15.如权利要求10所述的设备，其中电负载是用于柴油发动机(110)的电热塞(360)。
【文档编号】F02P19/02GK106065839SQ201610262623
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年4月25日 公开号201610262623.5, CN 106065839 A, CN 106065839A, CN 201610262623, CN-A-106065839, CN106065839 A, CN106065839A, CN201610262623, CN201610262623.5
【发明人】S.阿尔普
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司