本发明涉及一种开关装置，用于通断带有励磁绕组的电的机器、特别是机动车发电机的电的励磁电流。
背景技术：
(机动车)车辆大多具有车载电网，通过作为发电机工作的电的机器，例如他励的同步电机，给所述车载电网供应电压。为了调节车载电网电压，在此可以控制或调节发电机的励磁电流。发电机在此通常通过整流器(带有作为整流器元件的二极管或半导体开关)与车载电网连接。因为所述类型的发电机在励磁场中往往具有大电感，进而在调节中具有大的时间常数，所以希望在需要情况下尽快地改变即增大或减小励磁电流。因此希望为此有相比于车载电网电压更大的电压可供使用。为此可以采用带二极管和晶体管的电路，然而它们在发电机调节器或其电路中占用了相当多的地方或芯片面积。
此外，us8,008,895b2公开了一种发电机调节器，其能提高励磁电压，其方式为，借助电容器给励磁绕组的接头施加负电位。
技术实现要素：
根据本发明提出一种具有权利要求1的特征的开关装置，其用于通断带有励磁绕组的电的机器的电的励磁电流。在另一方面中，本发明涉及一种具有本发明的开关装置的电的机器和一种具有本发明的电的机器的车载电网。从属权利要求以及后续说明所述为有利的设计。
本发明采用了如下措施：为了通断励磁电流，采用了带有主开关的主开关单元和带有第一副开关的副开关单元，主开关用于使得励磁绕组的第一接头与电压源的第一极连接，第一副开关用于使得励磁绕组的第二接头与附加电压源的第一极连接，其中，附加电压源的第二极与所述电压源的第二极连接或可连接。通过这种方式，励磁绕组上的电压(励磁电压)可以借助附加电压源予以改变，特别是为了快速地励磁和/或为了快速地去励磁而相对于本来的电压源的电压予以提高。
主开关和/或副开关在此例如可以构造成半导体开关如晶体管，比如构造成场效应晶体管特别是mosfet。此外，主开关单元和/或副开关单元除了具有主开关或副开关外，还可以具有其它开关和/或二极管。
本发明在此提供了如下优点：开关装置的用于快速励磁和/或用于快速去励磁的功能可以分离出来，特别是事后加装。这意味着，该功能并非必须一定要与其它的电的和/或电子的组件耦接，而是可以与这些组件分开地提供。换句话说，本发明提供了如下优点：在要被设计用于转子的快速励磁和/或去励磁的开关装置中或者针对所述开关装置，可以单独地提供用于改变励磁电压的副开关单元，而针对并非要被设置用于转子的快速励磁和/或去励磁的其它开关装置，可以省去提供副开关单元。
这由此提供了如下优点：通常的开关装置例如能以简单的方式被用作基本开关装置，并且可以通过给本发明的开关装置提供副开关单元得到改善，其于是可以实现快速的励磁和/或快速的去励磁。
通过这种方式，本发明提供了如下优点：例如可以提供未配备副开关单元的基本开关装置，并且可以与其分开地提供副开关单元，仅仅这种开关装置设有副开关单元，其应在快速的励磁和/或去励磁方面满足特殊要求。
此外，本发明提供了如下优点：例如可以对统一的基本开关装置进行大规模生产，这些基本开关装置例如并非被设计用于实现快速的励磁和/或去励磁，因而可以特别成本低廉地制得，而应适合于转子的快速的励磁和/或去励磁的这种开关装置则可以配备单独地提供的用于改变励磁电压的副开关单元。优选地，副开关单元由此与主开关单元分开地或独立地构造。
另外，副开关机构可以统一设计，并且可以与在客户连接和/或功能方面具有各不相同的特定于客户的表现的主开关机构组合。
此外，本发明提供了如下优点：可以减小基本开关单元的芯片尺寸或占用区，因为在基本开关单元中不必设置用于快速励磁和/或去励磁的组件，而仅仅在这种要被设计用于转子的快速励磁和/或去励磁的开关装置中通过附加地提供副开关单元来增大芯片尺寸和/或占用区。
另外，副开关单元可以用于限制或中断流经转子的励磁电流，如果例如主开关停留在导通状态下。由此可以减轻或者甚至避免对开关装置和/或对励磁绕组和/或对可能与其连接的车载电网的其它部件的损坏，这些损坏例如可能因过大的电流和/或电流流动持续时间过长或电压太高而引起。这由此提供了如下优点：可以借助副开关单元实现冗余的切断。这样就能提高开关装置的可靠性，和/或减小对开关装置本身的以及与其连接的组件的损坏。同时，在该实施方式中，副开关单元可以用于在车载电网电压的调节方面承担起主开关单元的功能。特别地可以—在主开关持久地导通情况下—有节奏地接通和切断副开关之一，用于调节车载电网电压。这允许发电机(有可能时间受限地)继续工作，并延长了可供使用的时间，以便达到可靠的状态。
有利的是，作为车载电网电压的给定值，相比于针对主开关机构，针对副开关机构规定了较大的值，但该值不大于最大允许的车载电网电压值。由此避免副开关机构干预调节，只要主开关机构工作正常。
优选使得附加电压源极化，从而励磁绕组上的电压大于电压源的电压。这具有如下优点：励磁电压或者在励磁线圈两端之间施加的电压可以通过附加电压源得到提高，并且能够以此方式实现较大的励磁电流。
副开关单元优选具有第二副开关，用于使得励磁绕组的第二接头与电压源的第二极连接。通过这种方式，励磁和去励磁也可以常规地在电压源的电压不变的情况下进行。
优选地，副开关单元具有在励磁绕组的第二接头和电压源的第一极之间的二极管。这提供了如下优点：励磁绕组的快速去励磁可以朝向电池电位进行，即使未连接外部的附加电压源(同样在故障情况下)。
优选地，主开关单元和/或副开关单元被设计成集成电路ic(英文：integratedcircuit)，尤其是设计成特定于应用的集成电路asic(英文：applicationspecificintegratedcircuit)。主开关单元或副开关单元由此能够以紧凑的和/或封闭的形式予以提供，并以简单的方式设置在开关装置中，和/或集成到该开关装置中。特别地，通过这种方式，主开关单元或副开关单元能够以紧凑的方式却彼此分开地予以提供。
但原则上，主开关单元和/或副开关单元也可以具有分立的构造，也就是说，由各个电的或电子的组件构成，例如当集成晶体管的导通电阻太高时。
优选把主开关单元和副开关单元至少部分地设置在共同的壳体中，尽管这并非强制需要。把主开关单元和副开关单元设置在共同的壳体中，这提供了如下优点：开关装置能够特别紧凑地和/或作为封闭的单元予以提供。例如，主开关单元和副开关单元可以设置在共同的电路板上。这提供了如下优点：可以改善主开关单元和副开关单元的配合，因为如果它们尽可能靠近地共同地设置在壳体中和/或设置在电路板上，则有时出现的对开关装置中的主开关单元和副开关单元的相互作用和/或通信的干扰影响可以得到减轻和/或予以避免。
开关装置优选具有被设计用来控制主开关单元和/或副开关单元的逻辑单元。替代地或附加地，开关装置被设计用于由外部逻辑单元予以控制或调节。特别地，这种逻辑单元可以被设计用于控制存在于开关装置中的半导体开关。
根据另一种优选的实施方式，主开关单元和/或副开关单元分别具有自己的被设计用来控制主开关单元或副开关单元的逻辑单元。在此可以有利的是，主开关单元和副开关单元的逻辑单元相互连接，从而它们能够相互通信，以便避免或防止针对开关装置的功能的各不相同的调节或控制和由此产生的缺点。为了检查两个逻辑单元的功能能力和正确的工作，也可以设置上级的逻辑单元比如看门狗。
本发明的其它优点和设计可由说明书和附图得到。
附图说明
本发明借助实施例在附图中被示意性地示出，下面将参照附图介绍本发明。
图1为车载电网的电路图，其带有通常的开关装置；
图2为车载电网的电路图，其带有根据本发明的一种优选实施方式的开关装置；
图3a和3b示出在励磁绕组励磁和去励磁时励磁电流的示范性的曲线。
具体实施方式
作为技术背景，图1所示为特别是(机动车)车辆的车载电网10的电路图，其带有通常的比如由现有技术已知的开关装置20，且带有电压源11和负载或电池1。
电压源11具有电的机器或发电机，后者带有定子12、置于该定子12之后的整流器14、带励磁绕组16的特别是可以被车辆的发动机驱动的转子、和并非根据本发明的开关装置20(所谓的场调节器或发电机调节器)，该开关装置用于规定流经励磁绕组16的励磁电流。
通常的开关装置20具有例如集成电路比如asic形式的主开关单元22，其中，这尤其可以是通常的开关单元。开关装置20和主开关单元22分别用环绕的虚线标出。
主开关单元22具有例如构造成晶体管的主开关22c和用于自由流动的二极管22a，借助该主开关可以通断流经主开关单元22的电流。在其它实施方式中，二极管22a和/或晶体管22c也可以分别构造成fet和/或mosfet。此外，主开关单元22具有逻辑单元22b，借助于该逻辑单元可以控制主开关22c。
另外，主开关单元22具有可以通过主开关22c连接的用于电压源11的第一极的接头22d和用于励磁绕组16的第一接头16a的接头22g(也称为df+)。
然后在励磁绕组16的上面示出的第一接头16a上，在主开关22c闭合的情况下，施加电池电位(b+)。根据所示的、通常的实施方式，下面示出的第二接头16b处于电压源的第二极(地30)的电位，即在此处于地电位(或b-)。
为了对转子或励磁绕组16励磁，可以脉冲宽度调制地使得主开关22c闭合和断开，由此使得励磁电流从电压源11通过主开关22c经由励磁绕组16流向地30。励磁电流的大小在此基本上由主开关22c的接通和切断的节拍速率来决定。通过这种方式可以把车载电网电压调节至给定值。
图2所示为特别是(机动车)车辆的车载电网100的电路图，其带有根据本发明的一种优选实施方式的开关装置200，且带有电压源11和负载或电池1。
关于该电路图的特别是开关装置200的、也在图1所示的通常的开关装置20中构造的元件的说明，参见那里的说明。
图2中所示的优选实施方式与图1中所示范例的区别尤其在于，开关装置200除了具有主开关单元22外，还具有副开关单元24。
副开关单元24在此具有二极管24a、逻辑单元24b和—在所示范例中的—两个副开关24c和24d。其中的副开关24d设置在励磁绕组16的第二接头16b和附加电压源34的第一极之间。附加电压源34的第二极与电压源11的第二极(地30)连接。附加电压源34例如可以构造成直流电压变换器。
副开关24c设置在励磁绕组16的第二接头16b与电压源11的第二极(地30)之间。
根据其它优选的实施方式，也可以在副开关单元24中构造与此不同数量的副开关24c或24d。
借助两个副开关24c和24d，可以实现利用流经主开关单元22的励磁电流给励磁绕组16馈电，其中，励磁绕组16的第一接头16a处于正电位b+，励磁绕组16的第二接头16b在副开关24c接通时接地，或者—在本发明的意义下—在副开关24d接通时处于相对于地的负电位，该负电位由附加电压源34提供。由此可以在励磁时相对于电池电压提高励磁绕组上的电压，从而励磁过程更快地进行。为了加速去励磁，电流朝向附加电压源34的附加电压自由流动(类似于经由二极管24a朝向车载电网电压自由流动)。
通过这种方式，可以实现为了励磁线圈16的励磁和/或去励磁而特别是动态地改变对励磁线圈16的馈电，而不必为此提供特殊构造的主开关单元22。特别地，通常的主开关单元22可以与副开关单元24连接，以便实现励磁电压提高。
根据优选的实施方式，主开关单元22的和副开关单元24的逻辑单元22b和24b传输数据地相互连接，并且经过设计，从而它们的控制和/或调节动作至少部分地相互协调，以便实现同步的动作。也可以(任选地)设置上级的逻辑单元201，用于证实和/或监视同步的工作。该上级的逻辑单元例如同样设置在开关装置内部。
根据其它实施方式，例如也可以给开关装置构造唯一的逻辑单元，该逻辑单元特别是可以设置在主开关单元22中，以便由此控制一个或多个所述主开关22c与一个或多个所述副开关24c和24d。另外在图2中可看到，副开关单元24可以优选作为封闭的单元，优选作为独立的集成电路比如asic，与主开关单元22分开地予以提供，并由此例如可以事后补装到或添加到通常的有时只有一个主开关单元的开关装置20中。
此外，根据该优选实施方式的副开关单元提供了如下有利的效果：副开关24c和24d能够至少部分地引起对流经励磁线圈16的励磁电流的电流限制。这可以特别是在如下时刻是有利的：在主开关22c有故障和/或受损情况下(此时该主开关持久地导通)，可以避免电流不受控地流经励磁线圈，因为可以利用副开关24c和/或24d来中断流经励磁线圈16的电流流动或励磁电流。特别有利地，副开关单元24也可以用作励磁电流的正式的电流调节器，进而用作车载电网电压的正式的调节器，如上已述。
图3a以曲线图参照时间(水平轴)示范性地绘出流经励磁绕组16的励磁电流(竖直轴)的幅度走势。如果按通常的方式对励磁电流进行控制和/或调节，也就是说，励磁绕组16的第二接头16b上的电位不降低，则励磁电流的幅度走势如曲线110所示。这相当于励磁电流流经副开关24c。起初，励磁电流的幅度具有初始值100，然后，在时间点102闭合主开关22c和副开关24c时，励磁电流的幅度沿着曲线110连续地上升到例如终值130。
相反，如果借助附加电压源34使得励磁绕组16的第二接头16b上的电位降低，则励磁电流的幅度依照较陡峭的曲线120。在这种情况下，副开关24c断开，而副开关24d闭合。
由此可以通过在励磁时降低励磁绕组16的第二接头16b上的电位，来实现使得励磁电流幅度明显更快地或更陡峭地上升。这样就可以实现励磁电流的改善的动态性，因为相比于在通常情况下，可以实现在可用范围内(这里直至值130)励磁电流的明显更快的上升。
以类似的方式，本发明也在励磁线圈去励磁时提供了优点，如图3b中所示。曲线210参照时间示出了在按照通常的方式仅用主开关22c控制励磁电流时励磁电流的走势。这相当于自由地流过副开关24c。起初，励磁电流幅度具有终值204(＝130)，在时间点202断开主开关22c(副开关24c保持闭合)时，电流经由二极管22a自由流动，直至又达到初始值230(＝100)。
如果希望沿着曲线220快速地去励磁，则按照第一种替代方案在开关24d闭合而开关24c断开的情况下，与在励磁绕组16的第二接头16b上的降低的电位相对地进行自由流动(这提高了空载电压)，或者，按照第二种替代方案在开关24d断开且开关24c断开的情况下，经由二极管24a朝向电压源11的第一极的电位(b+)进行自由流动。在这些情况下，曲线依照走势220。
由此可以在去励磁时通过降低在励磁绕组16的第二接头16b上的电位来实现使得励磁电流幅度明显更快速地或更陡峭地降低。这样就可以实现励磁电流的改善的动态性，因为相比于在通常情况下，可以实现励磁电流的明显更快的降低。