冲击电流抑制电路及其抑制冲击电流的方法与流程

本发明涉及冲击电流抑制技术。

背景技术：

一辆汽车中会使用大量的控制器,有一部分控制器包含功率模块，该功率模块例如是能够提供一定的功率的电源变换器,它们可以直接驱动电机或者电磁阀负载。在功率模块中，需要较大容值的母线电容以维持设备的正常运行，控制器的内部母线与控制器的输入电源之间通常会通过一个输入功率开关相连，此输入功率开关通常为半导体开关，如mos管、三极管等。在控制器上电的过程中，输入功率开关导通，母线电容充电。如果不加以控制，在输入功率开关导通时会产生巨大的浪涌电流，从而影响供电网络并且会在半导体器件上产生不期望的大应力。

目前，常见的减小输入功率开关闭合时的冲击电流的方法主要有以下两种：

方法1、缓慢地驱动输入功率开关让其工作在线性区来限制浪涌电流，或者连续地短暂导通输入功率开关来限制平均功率，使得产生的应力不超过输入功率开关的安全工作区间。方法1的局限性在于输入功率开关的导通、关断过程的伏安特性是非线性的，造成浪涌电流的峰值非常难以控制，并且随环境温度变化很大。在给母线电容充电中有大量的能量损耗在输入功率开关内部,导致输入功率开关不得不使用更高电流和功率规格的半导体开关器件，造成成本大幅上升；

方法2、如图1所示，在第一开关s1两端并联一个电阻r1与第二开关s2的串联组合给后端的母线电容c1预充电。第二开关s2导通进行预充电时，由于电阻r1的存在使得电路中的电流小于等于输入电压/r1，从而抑制了浪涌电流。在预充电完毕以后、接通第一开关s1时，第一开关s1两端的电压降相对于没有预充电的情况下较小，因此在第一开关s1导通的过程中,浪涌电流和第一开关s1的应力也相应减小。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够有效抑制开关导通时所产生的冲击电流、通用性好、成本低的冲击电流抑制电路。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种抑制冲击电流的方法。

本发明实施例提供了一种冲击电流抑制电路，包括：第一开关，连接在输入电压与母线电容之间；预充电支路，与第一开关并联连接，预充电支路包括串联连接的第二开关和电阻；第三开关，连接在母线电容与负载之间，负载与母线电容并联连接；控制装置，控制装置的输出端分别与第一开关的控制端、第二开关的控制端和第三开关的控制端连接；控制装置用于控制第二开关导通且控制第一开关和第三开关断开，以使输入电压通过预充电支路向母线电容充电，在输入电压与母线电容电压之间的电压差值小于等于预设的第一电压差阈值时，先控制第一开关导通，在第一开关正常导通后，依次控制第二开关断开、第三开关导通。

本发明实施例还提供了一种上述冲击电流抑制电路抑制冲击电流的方法，包括以下步骤：

控制装置控制第二开关导通且控制第一开关和第三开关断开，使输入电压通过预充电支路向母线电容充电；

控制装置判断输入电压与母线电容电压之间的电压差值是否小于等于预设的第一电压差阈值，在输入电压与母线电容电压之间的电压差值小于等于预设的第一电压差阈值时，先控制第一开关导通，在第一开关正常导通后，依次控制第二开关断开、第三开关导通。

本发明的另一实施例提供了一种冲击电流抑制电路，包括：第一开关，连接在输入电压与母线电容之间，母线电容与负载并联连接；预充电支路，与第一开关并联连接，预充电支路包括串联连接的第二开关和电阻；控制装置，控制装置的输出端分别与第一开关的控制端、第二开关的控制端和负载的使能端连接；控制装置用于控制第二开关导通且控制第一开关断开和负载失能，以使输入电压通过预充电支路向母线电容充电，在输入电压与母线电容电压之间的电压差值小于等于预设的第一电压差阈值时，先控制第一开关导通，在第一开关正常导通后，依次控制第二开关断开、使能负载。

本发明的另一实施例还提供了上述的冲击电流抑制电路抑制冲击电流的方法，包括以下步骤：

控制装置控制第二开关导通且控制第一开关断开和负载失能，使输入电压通过预充电支路向母线电容充电；

控制装置判断输入电压与母线电容电压之间的电压差值是否小于等于预设的第一电压差阈值，在输入电压与母线电容电压之间的电压差值小于等于预设的电压差阈值时，先控制第一开关导通，在第一开关正常导通后，依次控制第二开关断开、使能负载。

采用上述技术方案后，本发明至少具有以下优点和特点：

1、本发明中，通过控制第三开关断开或者使负载失能可以切断负载，在第二开关导通、完成母线电容的充电后，第一开关导通时两端的电压差更接近于0v,因此第一开关导通时的浪涌电流和应力更小，可满足更严苛的浪涌电流要求。相应地，可以选用低成本的小电流低功率半导体开关器件作为第一开关，从而达到降低成本的效果；

2、相比现有技术，本发明实施例在同等条件下可以选择更高阻值、更低功率等级的电阻，既不会对第一开关导通过程中的浪涌电流产生明显影响，又可以使得第二开关导通过程中冲击电流更低，更大阻值、更低功率等级的电阻的封装也更小，从而可降低成本，并减小在预充电阶段母线电路的电流消耗。相应地，在本发明的实施例中，也可以选用更低成本的小电流低功率半导体开关器件作为第二开关，从而达到降低成本的效果；

3、采用本发明实施例，对负载的调整不会导致在第一开关导通过程中的浪涌电流的明显变化。这意味本发明实施例的通用性更高，例如仅在负载变化的情况下设计方案可以不变，从而可以降低设计、测试以及生产阶段的成本；

4、在第二开关导通的过程中，由于负载处于不工作的状态，即使负载出现预料之外的变化，也不会造成浪涌电流的增加，损坏开关器件。

附图说明

图1示出了现有的冲击电流抑制电路的电路原理图。

图2示出了根据本发明第一实施例的冲击电流抑制电路的电路原理图。

图3示出了根据本发明第一实施例的控制装置发送给第一开关、第二开关和第三开关的控制信号的示意图。

图4示出了根据本发明第二实施例的冲击电流抑制电路的电路原理图。

图5示出了传统的没有设置第三开关s3的汽车底盘控制器产品在预充电阶段的母线电容电压、第一开关s1导通时的冲击电流、第一开关s1导通时的瞬时功耗的仿真波形图。

图6示出了改进后设有第三开关s3的汽车底盘控制器产品在预充电阶段的母线电容电压、第一开关s1导通时的冲击电流、第一开关s1导通时的瞬时功耗的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

发明人在实践中发现，在本说明书“背景技术”部分中所描述的方法2存在着如下不足：

1、第二开关s2导通后，负载9也被通电，产生工作电流，导致电阻r1上一直存在压降，因而，在第一开关s1导通的过程中，仍然会存在一定的浪涌电流，进而不得不使用高成本的大电流高功率半导体开关器件。此外，随着汽车电子设计的日益精密化，对浪涌电流的控制要求也将愈来愈严格，因此方法2在未来迟早会无法满足更严苛的浪涌电流要求；

2、现有技术中，一般尽可能选择更低阻值、更高功率等级的电阻r1，可在一定程度上减小电阻r1两端的压降，从而降低第一开关s1闭合时的冲击电流，但相应地，更低阻值的r1也意味着第二开关s2导通时的浪涌电流抑制效果变差，此外，更小阻值高功率的电阻r1意味着更高的功耗、更大的封装，以及需要使用高成本的大电流高功率半导体开关器件作为第二开关s2，这导致成本上升、功耗增加；

3、在不同的设计方案中，需根据输入电压、负载9以及浪涌电流设计要求调整电阻r1的大小，这意味着需要更多的时间、设备、人力来重新选择和测试电阻r1以满足方案设计要求，以及在工厂中需储存和管理更多种类的电阻r1，从而造成成本的大幅上升；

4、若在第二开关s2导通过程中，负载9中发生意料之外的变化，例如负载9因故障或使用环境恶化导致流过负载9的电流比正常范围大，则可能导致负载9上的电压出现意料之外的增大，即第一开关s1导通过程中的浪涌电流也会比意料中的变大，这可能进一步导致不期望的后果，例如可能导致开关器件损坏或故障，或负载9以外的其它电路故障。

现有技术无法解决上述技术问题。

图2示出了根据本发明第一实施例的冲击电流抑制电路的电路原理图。根据本发明第一实施例的冲击电流抑制电路包括第一开关s1、预充电支路、第三开关s3、第一电压检测电路11、第二电压检测电路12以及控制装置3。

第一开关s1连接在输入电压与母线电容c1之间。预充电支路与第一开关s1并联连接，预充电支路包括串联连接的第二开关s2和电阻r1。第三开关s3连接在母线电容c1与负载9之间，负载9与母线电容c1并联连接。输入电压可以是由供电电源提供，也可以是电压变换电路提供。第一开关s1为产品的输入安全开关，一般采用半导体功率开关，如mos管等。在本实施例中，第二开关s2和第三开关s3也采用半导体开关。

第一电压检测电路11用于检测输入电压的大小；第二电压检测电路12用于检测母线电容c1的电压大小。

控制装置3的输入端分别与第一电压检测电路11的输出端和第二电压检测电路12的输出端连接，控制装置3的输出端分别与第一开关s1的控制端、第二开关s2的控制端和第三开关s3的控制端连接。控制装置3用于控制第二开关s2导通且控制第一开关s1和第三开关s3断开，以使输入电压通过预充电支路向母线电容c1充电，并实时判断输入电压与母线电容c1的电压之间的电压差值是否小于等于预设的电压差阈值，在输入电压与母线电容c1的电压之间的电压差值小于等于预设的电压差阈值时，先控制第一开关s1导通，在第一开关s1正常导通后，依次控制第二开关s2断开、第三开关s3导通。

可选地，控制装置为产品内部的mcu。

根据本发明第一实施例的冲击电流抑制电路抑制冲击电流的方法，包括以下步骤：

步骤a1、控制装置3控制第二开关s2导通且控制第一开关s1和第三开关s3断开，使输入电压通过预充电支路向母线电容c1充电；

在产品的开机阶段，第一开关s1、第二开关s2和第三开关s3都是断开的，当控制装置3侦测到产品满足开机条件(例如开机按钮被按下，或者输入电压进入到预定的开机范围，或者产品被网络唤醒)时，会控制第二开关s2导通，此时输入电压通过电阻r1、第二开关s2构成的预充电支路给母线电容c1充电，充电峰值电流的大小不会超过输入电压/r1，因此峰值电流可控且易调整，可以依据需要控制的峰值充电电流和所需充电时间预先设定电阻r1的值。在此过程中第三开关s3的作用是把母线的负载9与母线断开，使得母线上的实际负载非常小，充电过程结束后母线电容c1的电压与输入电压非常接近；

步骤a2、控制装置3判断输入电压与母线电容c1的电压之间的电压差值是否小于等于预设的第一电压差阈值(该第一电压差阈值的大小例如为1v)，在输入电压与母线电容电压之间的电压差值小于等于预设的第一电压差阈值时，先控制第一开关s1导通，在第一开关s1正常导通后，依次控制第二开关s2断开、第三开关s3导通。在控制第一开关s1导通时，由于此时的母线电容电压已经预先充电到非常接近输入电压，因此第一开关s1在导通的过程中不会产生大的冲击电流和高应力。图3示出了根据本发明第一实施例的控制装置3发送给第一开关s1、第二开关s2和第三开关s3的控制信号的示意图。

进一步地，控制装置3自控制第二开关s2导通且控制第一开关s1和第三开关s3断开之时起、经过第一预设时间时，若判断输入电压与母线电容电压之间的电压差值仍大于预设的第一电压差阈值，则表明产品存在缺陷或外部条件不满足要求，控制装置3控制第一开关s1和第三开关s3断开，以保护电路。第一预设时间可选择为300ms。第一预设时间也可根据实际的电路参数进行调整。

进一步地，控制装置3自控制第一开关s1导通之时起实时判断输入电压与母线电容c1的电压之间的电压差值是否小于等于预设的第二电压差阈值，在输入电压与母线电容电压之间的电压差值小于等于预设的第二电压差阈值时，控制装置3判定第一开关s1正常导通。在第一开关s1正常导通时，输入电压与母线电容c1的电压之间的电压差值接近于0v。第二电压差阈值小于前述的第一电压差阈值，本实施例中，预设的第二电压差阈值选择为0.1v，该阈值也可根据实际电路参数进行调整。作为替代方式，也可以在控制装置3控制第一开关s1导通后，经过第二预设的时间，例如为100us，控制装置3直接判定第一开关s1已经正常导通。第二预设的时间也可根据实际电路参数进行调整。

作为第一实施例的变形，还可以选择不设置第一电压检测电路11和第二电压检测电路12。相应地，控制装置3自控制第二开关s2导通且控制第一开关s1和第三开关s3断开之时起，经过第一预设时间(本实施例中可选择为300ms)时，控制装置3直接判定输入电压与母线电容电压之间的电压差值已经小于等于预设的第一电压差阈值，控制装置先控制第一开关s1导通，在第一开关s1正常导通后，依次控制第二开关s2断开、第三开关s3导通。其中，控制装置3控制第一开关s1导通之时起、经过第二预设时间(例如为100us)时，控制装置3判定第一开关s1已经正常导通。

图4示出了根据本发明第二实施例的冲击电流抑制电路的电路原理图。根据本发明第二实施例的冲击电流抑制电路包括第一开关s1、预充电支路、第一电压检测电路11、第二电压检测电路12以及控制装置3。

第一开关s1连接在输入电压与母线电容c1之间，母线电容c1与负载9并联连接。预充电支路与第一开关s1并联连接，预充电支路包括串联连接的第二开关s2和电阻r1。

第一电压检测电路11用于检测输入电压的大小；第二电压检测电路12用于检测母线电容c1的电压大小。

控制装置3的输入端分别与第一电压检测电路11的输出端和第二电压检测电路12的输出端连接，控制装置3的输出端分别与第一开关s1的控制端、第二开关s2的控制端和负载9的使能端连接。控制装置3用于控制第二开关s2导通且控制第一开关s1断开和负载9失能(disable)，以使输入电压通过预充电支路向母线电容c1充电，并实时判断输入电压与母线电容的电压c1之间的电压差值是否小于等于预设的电压差阈值，在输入电压与母线电容c1的电压之间的电压差值小于等于预设的电压差阈值时，先控制第一开关s1导通，在第一开关s1正常导通后，依次控制第二开关s2断开、使能负载9。

第二实施例与第一实施例的主要区别之处在于，取消了第三开关s3，将第三开关s3所实现的功能由控制装置3发送的使能信号和失能信号来实现。比如说，有一些负载9为ic芯片，其可以接受失能信号从而进入失能状态(此处所说的失能也包括休眠状态)，进而可消除或降低ic芯片的消耗电流。

根据本发明第二实施例的冲击电流抑制电路抑制冲击电流的方法，包括以下步骤：

步骤b1、控制装置3控制第二开关s2导通且控制第一开关s1断开和负载9失能，使输入电压通过预充电支路向母线电容c1充电；

步骤b2、控制装置3判断输入电压与母线电容c1的电压之间的电压差值是否小于等于预设的第一电压差阈值，在输入电压与母线电容c1的电压之间的电压差值小于等于预设的第一电压差阈值时，先控制第一开关s1导通，在第一开关s1正常导通后，依次控制第二开关s2断开、使能负载9。

进一步地，控制装置3自控制第二开关s2导通且控制第一开关s1断开和负载9失能之时起、经过第一预设时间时，如判断输入电压与母线电容电压之间的电压差值大于预设的第一电压差阈值，则表明产品存在缺陷或外部条件不满足要求，控制装置3控制第一开关s1断开和负载失能，以保护电路。第一预设的时间可选择为300ms。

进一步地，控制装置3自控制第一开关s1导通之时起实时判断输入电压与母线电容c1的电压之间的电压差值是否小于等于预设的第二电压差阈值，在输入电压与母线电容电压之间的电压差值小于等于预设的第二电压差阈值时，控制装置3判定第一开关s1正常导通。在第一开关s1正常导通时，输入电压与母线电容c1的电压之间的电压差值接近于0v。第二电压差阈值小于前述的第一电压差阈值，本实施例中预设的第二电压差阈值选择为0.1v，该阈值也可根据实际电路进行调整。作为替代方式，控制装置3自控制第一开关s1导通之时起，经过第二预设时间(例如为100us)时，控制装置3直接判定第一开关s1已经正常导通。

作为第二实施例的变形，还可以选择不设置第一电压检测电路11和第二电压检测电路12。相应地，控制装置3自控制第二开关s2导通且控制第一开关s1断开和负载9失能之时起、经过第一预设的时间(本实施例中可选择为300ms)时，控制装置3直接判定输入电压与母线电容电压之间的电压差值已经小于等于预设的第一电压差阈值，控制装置先控制第一开关s1导通，在第一开关s1正常导通后，依次控制第二开关s2断开和使能负载9。其中，控制装置3自控制第一开关s1导通之时起、经过第二预设时间(例如为100us)时，控制装置3判定第一开关s1已经正常导通。以下结合一具体的应用实施例对本发明的工作原理进行说明。

汽车底盘控制器的输入电压(供电电压)为13.5v,母线电容为710uf,使用100ohm的电阻预充电。输入电源通过100ohm电阻提供的电流已经可以使母线上的传感器接口芯片(即负载9)正常工作。没有设置第三开关s3时，在预充电阶段母线上的负载电流为30ma，在设置了第三开关s3并断开第三开关s3让传感器接口芯片进入待机状态后,母线上的负载电流减小到4ma以下。

图5示出了传统的没有设置第三开关s3的汽车底盘控制器在预充电阶段的母线电容电压、第一开关s1导通时的冲击电流、第一开关s1导通时的瞬时功耗的仿真波形图。汽车底盘控制器没有设置第三开关s3时,母线电容的电压在第二开关s2导通300ms以后只能预充电到10v，在第一开关s1导通过程中母线电容的电压充电到最终值13.5v，在这个过程中最大冲击电流为21a，第一开关s1的损耗能量为1.8mj。

图6示出了改进后设有第三开关s3的汽车底盘控制器在预充电阶段的母线电容电压、第一开关s1导通时的冲击电流、第一开关s1导通时的瞬时功耗的仿真波形图。汽车底盘控制器设置了第三开关s3后,母线电容的电压在第二开关s2导通300ms以后能预充电到12.6v，在第一开关s1导通过程中母线电容的电压充电到最终值13.5v，在这个过程中最大冲击电流只有7a，第一开关s1的损耗能量为0.1mj。

本发明实施例的冲击电流抑制电路能够较好地控制充电电流和时间,并且充电过程中的能量损耗大部分集中在电阻内部,对半导体开关的压力较小,从而可以选用低成本的小电流低功率半导体开关作为第一开关和第二开关，降低了成本。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。