用于识别接通电感负载时线路短路或线路中断的方法

摘要

本发明涉及用于识别电路装置中线路短路或线路中断的方法，该电路设置具有由电感负载和第一开关元件组成的串联电路，该串联电路连接在供电电压源的高与低电位之间，其中电感负载与第一开关元件的连接点通过至少一个齐纳元件要么与供电电压源的高或低电位连接要么与第一开关元件的控制端子连接，使得在流过电感负载的电流由于第一开关元件切换为不导通而中断时，储存在电感负载内的磁能通过齐纳元件变得导通而能够得到降低，其中在第一开关元件切换为不导通后，确定电感负载与第一开关元件的连接点上的电压并将出现的电压脉冲的持续时间与第一预先规定的持续时间进行比较，以及在持续时间短于第一预先规定的持续时间的情况下推断出线路中断或短路。

说明书

背景技术

现代化的发动机控制设备具有大量例如大功率MOSFET或IGBT形式的，但 也有其他晶体管形式的电子开关元件，必要时这些电子开关元件以专用集成电路 实现，诸如用于例如喷油嘴的阀门线圈的外部负载可以连接到所述电子开关元 件，以便可以将所述外部负载接通和断开。这些负载与发动机控制设备的连接大 多通过布线在车辆电缆束内的线路进行。

这种与发动机控制设备连接的负载和所述负载与发动机控制设备之间的连 接线路必须可以被诊断。此外，负载连接的中断或供电电压电位或地之后的负载 连接的短路必须通过发动机控制设备进行识别。在高压侧开关与低压侧开关之间 的电感负载所运行的半桥配置内可能也必须检测供电电压电位之后在至负载的 高压侧连接或低压侧连接上的负载连接是否出现短路。

为识别负载与发动机控制设备存在的连接，例如可以在负载的接通状态下进 行电流测量，其中，没有电流或电流明显过低表明连接线路中断。附加或替换地， 在负载的断开状态下，可以在负载与开关元件的连接点上馈入诊断电流，在线路 中断的情况下，该诊断电流调整出与供电电压源的电位不同的、可以被检测的电 压水平。

应当以所谓的半桥拓扑为例展示依据现有技术确定相对于供电电压电位的 短路。设置在高压侧开关与低压侧开关之间的负载在两个开关断开的断电状态下 依据电压是不确定的。负载上的电压通过泄漏电流得到确定。因此典型的是在断 开状态下，通过与负载阻抗相比高欧姆的诊断布线来产生在负载上调整出以下电 压的诊断电流，该电压与供电电压电位和地电位不同。在无故障的状态下，断开 状态下高压侧开关上出现相当于供电电压电位和诊断电压之差的电压，而在低压 侧开关上出现相当于诊断电压的电压。

在断电状态下，相对于供电电压电位的短路无论是在高压侧负载连接上还是 在低压侧负载连接上都将两条连接线路的电压上升到供电电压电位。因此于是高 压侧开关上的电压为0伏而低压侧开关上的电压等于供电电压电位。

借助开关上电压的这种变化，可以推断出相对于供电电压电位的短路。但这 样不能确定短路的位置是在高压侧连接线路上还是在低压侧连接线路上。

在借助高压侧开关调节或控制负载电流的半桥配置中，供电电压电位之后的 短路在足够长的负载操控时导致低压侧开关内的过电流条件。这种过电流条件正 常情况下导致输出级的保护断电。低压侧开关内出现过电流可以作为对相对于供 电电压电位短路的指示使用。但这样不能确定短路的位置是在高压侧连接线路上 还是在低压侧连接线路上，因为两种可能性都会导致低压侧过电流。

根据现有技术用于确定相对于供电电压电位短路的准确位置的一种解决方 案在于，确定低压侧路径内电流上升的速度。高压侧连接线路上相对于供电电压 电位的短路会造成通过电感负载减缓电流上升的后果，而低压侧连接线路上的短 路则引起快速的电流上升，因为这种电流上升仅通过小的短路电感减缓。因此通 过确定电流上升的速度可以确定短路的位置。但这一点需要复杂的诊断电路。

如果使电感负载断电和不存在与负载并联的空转电路，那么负载上的电压会 上升超出供电电压。这种电压上升通过一方面使负载电流快速下降和另一方面防 止所连接的电子部件免遭过压的负载电压稳压加以限制。该负载电压稳压脉冲的 时间长度基本上取决于电感、齐纳元件的齐纳电压和断电时间点时的电流振幅。

DE 10 2008 035 325 A1描述了一种用于检测连接端子之间负载存在的方法， 其中供电电压在接通持续时间期间周期性地被施加到连接端子上，分析在时间上 处于接通持续时间之一之后的至少一个分析时间点期间连接端子之一上的电位 并产生负载中断信号，该负载中断信号取决于在分析时间点时的连接端子上电位 与施加供电电压时的连接端子上电位是否存在大于预先规定比较值的偏差。作为 有源的稳压在这里的一个实施例中，与供电电压源的连接端子之间的电感负载串 联的低压侧开关的栅极与该电感负载和低压侧开关的连接点通过导通方向上极 化的第一齐纳二极管连接，其中，可选地第二齐纳二极管可以在截止方向上设置 在低压侧开关的控制端子与地电位之间。但依据那里的公开内容不应当检测短 路。

EP 0 059 774 B1描述了一种用于监视电感直流电压消耗器的方法，其中检查 运行装备、开关元件的功能和布线。在此方面，消耗器和放大器串联在供电网的 正极与负极之间。在放大器与消耗器的连接点和正极之间连接有二极管和齐纳二 极管。如果放大器通过控制电压的失去而被断开，那么消耗器通过齐纳二极管放 电。由此产生的信号电压在电阻上被提取并在考虑预先规定的比较值情况下关于 电压峰值的脉冲长度在微计算机内加以分析，以便识别干扰。

发明内容

本发明的任务因此在于，在对通过电感负载断电引起的感应电压进行有源或 无源的稳压时，可以简单检测线路中断或存在的负载连接和/或电感负载的连接端 子相对于供电电位或地的短路。

该任务依据权利要求1通过一种用于识别电路装置中线路短路或线路中断的 方法得以解决，该电路装置具有由电感负载、第一可控开关元件和第二可控开关 元件组成的串联电路，该串联电路连接在供电电压源的高与低电位之间，其中， 电感负载利用第一连接端子通过第一开关元件与供电电压源的高电位连接并利 用第二连接端子通过第二开关元件与供电电压源的低电位连接，以及其中电感负 载与第一开关元件的连接点通过至少一个齐纳元件要么与供电电压源的高或低 电位连接，要么与第一开关元件的控制端子连接，使得在流过电感负载的电流由 于第一可控开关元件切换为不导通而中断时，储存在电感负载内的磁能可以通过 变导通的齐纳元件而得到降低，其中，在第一开关元件切换为不导通后，确定电 感负载与第一开关元件的连接点上的电压并将出现的电压脉冲的持续时间与第 一预先规定的持续时间进行比较，以及在持续时间短于第一预先规定的持续时间 的情况下推断出线路中断或短路，其中在不出现过电流条件的情况下，仅推断出 线路中断。

依据本发明检测这种具有期待的最小长度的负载电压稳压脉冲被用于推断 出与电感负载存在连接。未出现期待的齐纳脉冲说明与负载的连接存在故障。识 别时齐纳脉冲的最小长度是必要的，因为短路连接也具有可以产生齐纳脉冲的电 感。但该齐纳脉冲与正常的负载稳压相比持续时间更短，因为短路电感与负载电 感不同。

借助负载稳压脉冲识别所连接的负载的概念可以在不同的电路拓扑中应用。 第一种可能性是使用仅一个低压侧开关，其中电感负载的连接端子直接与高供电 电压电位连接，其中，负载的第二连接端子通过开关与中断负载电流的低供电电 压电位连接。通过负载电感驱动的电压上升在开关的负载侧连接端子上进行。

第二种可能性是所谓的半桥电路，其中负载处于两个开关之间。高压侧开关 将负载与供电电压的高电位连接或分离，而第二低压侧开关将该负载与供电电压 的低电位或地电位连接或分离。

依据权利要求2，在如权利要求1所定义的电路拓扑中，在出现过电流条件 并在第二开关元件切换为不导通后所出现的电压脉冲的持续时间长于第一预先 规定的持续时间情况下，推断出电感负载的第一连接端子相对于供电电压源的高 电位短路。

依据权利要求3，在出现过电流条件并在第二开关元件切换为不导通后所出 现的电压脉冲的持续时间短于比第一预先规定的持续时间短的第二预先规定的 持续时间情况下，推断出电感负载的第二连接端子相对于供电电压源的高电位短 路。

如果识别出低压侧负载路径内的可以推断出相对于高供电电压电位短路的 过电流条件，那么短路的位置是在高压侧连接线路上还是在低压侧连接线路上可 以通过负载电压齐纳脉冲的出现来加以确定，其中，借助齐纳脉冲的持续时间进 行区分，因为依据短路是在电感负载的高压侧上还是在低压侧上出现，由于电感 负载的高压侧上短路时该电感负载内仍然流动的电流而出现更长的齐纳脉冲。

因为短路线路本身也具有电感，所以此外依据权利要求4，在出现过电流条 件并在第一或第二开关元件切换为不导通后所出现的电压脉冲的持续时间长于 第二预先规定的持续时间并且短于比第二预先规定的持续时间长以及比第一预 先规定的持续时间短的第三预先规定的持续时间情况下，推断出电感负载上的短 路。

虽然电感负载在这里短路，从而出现的齐纳脉冲短于存在电感负载时的齐纳 脉冲，但由于短路电流路径的电感，齐纳脉冲长于在电感负载的低压侧连接端子 相对于高供电电压电位短路时的齐纳脉冲。

因此依据本发明的方式，通过测量电感负载断电时出现的齐纳脉冲并将其持 续时间与预先规定的特征性脉冲持续时间进行比较，可以区分线路中断、电感负 载的高压侧连接端子相对于高供电电位的短路、电感负载的低压侧连接端子相对 于高供电电位的短路和电感负载上的短路。

附图说明

下面借助实施例利用附图对本发明进行详细说明。其中：

图1示出依据现有技术的电路装置，包括电感负载和带有通过齐纳二极管的 空转路径的低压侧开关；

图2示出依据现有技术具有无源齐纳电路的半桥拓扑内的电感负载；

图3示出具有标出故障情况的半桥拓扑；以及

图4a-4c示出相应故障情况下的齐纳脉冲持续时间。

具体实施方式

图1示出第一电路拓扑，用于借助例如可以作为功率MOSFET或IGBT或其 他晶体管构成的第一开关元件SE接通和断开电感负载L。在此方面，电感负载L 和第一开关元件SE串联在未详细示出的供电电压源的高电位V_SUP与低电位GND 之间。

如果第一可控开关元件SE由于例如可以利用微处理器形成的控制电路的相 应控制信号而被切换为导通，那么电流I1从高电位V_SUP通过电感负载L和开关 元件SE流向供电电压源的低电位GND。由此电感负载L被操作，例如接通电磁 阀。

通过断开地操控第一开关元件SE而中断电流I1，由此电感负载L内感应出 可能会导致第一开关元件SE损坏的电压。为避免这一点，将齐纳元件ZE在截止 方向上连接在电感负载L和第一开关元件SE的连接点与供电电压源低电位GND 之间。齐纳元件ZE例如可以作为抑制二极管或齐纳二极管构成。作为对如图1 所示那样的无源稳压的替换，也可以将齐纳元件ZE的阳极端子与第一开关元件 SE的控制端子，例如与功率MOSFET或IGBT的栅极端子连接，以便在齐纳元 件ZE的阴极上具有确定的电压时使第一开关元件SE重新接通。

作为补充，图1中在电感负载L的供电电位侧的连接端子与供电电压的低电 位GND之间还设置空转二极管FD。因此在齐纳元件ZE阴极上的电压达到预先 规定的齐纳电压情况下，得到流过空转二极管FD、电感负载L和齐纳元件ZE的 电流I2，由此储存在电感负载L内的磁能可以迅速下降。

图4a示出在电感负载L和第一开关元件SE的连接点上的电压V_LS分布。在 那里可以看出，在第一开关元件SE的断电状态下，该电压V_LS采取高供电电压 电位V_SUP的数值。如果在一个确定的时间点上第一开关元件SE被闭合地操作， 那么电压V_LS采取接近供电电压源低电位GND的数值，其中，电压差通过第一 开关元件SE的导通电压得到。

电压V_LS由于通过电感负载L和第一开关元件SE的电流增加而一直上升到 断开第一开关元件SE的时间点，在该时间点上，电流I1中断并且由此电压V_LS 非常迅速地上升。由于此前流过电感负载L的电流I1的大小、电感负载L的电 感和电阻的大小以及高供电电压电位V_SUP的大小，造成相应的时间流逝，直至储 存在电感负载L内的磁能下降，而电流I2中断，由此电感负载L的低压侧的连 接端子上为那里的电压V_LS重新出现正的供电电压电位V_SUP。

相同的情况针对如图2所示并通常称为半桥拓扑的另一电路拓扑产生。在这 里，电感负载L利用其第一连接端子通过第一可控元件SE1与供电电压源的高供 电电压电位V_SUP连接，并利用其第二连接端子通过第二可控开关元件SE2与供电 电压源的低供电电压电位GND连接。通常在这种半桥拓扑中，电感负载L借助 第二可控开关元件SE2与地电位GND连接，而通过周期性接通和断开第一可控 开关元件SE1将流过电感负载L的电流调节到确定的数值。

以与根据图1的电路拓扑中相同的方式，在这里也连接齐纳元件ZE和空转 二极管FD。

电感负载L的可以被提取电压V_LS的低压侧第二连接端子与放大电路VS的 输入端连接，该放大电路的输出端通到未示出的例如可以通过控制电路实现的分 析电路。

图3最后在根据图2的电路拓扑中示出可能的故障状态。在此方面，I表示 线路中断，II表示电感负载L的高压侧连接端子与高供电电压电位V_SUP的短路， III表示电感负载L的低压侧第二连接端子与高供电电压电位V_SUP的短路以及IV 表示电感负载L上的短路。

在所要观察的第一种情况I下，线路中断时图4a所示的持续时间相当长的齐 纳脉冲完全被取消，因为由于线路中断没有电流流过电感负载L并因此电感负载 L内不能储存断电时可能导致感应电压V_LS的磁能。

现在以依据本发明的方式分析如图4a所示的齐纳脉冲的持续时间，其方法是 一方面将该电压V_LS与阈值SE进行比较，而此外将齐纳脉冲的持续时间与第一 预先规定的持续时间T1进行比较。如果齐纳脉冲的持续时间小于第一预先规定 的持续时间T1并且没有识别出过电流条件，那么以依据本发明的方式推断出线 路中断。

但如果在根据图2和3的半桥拓扑中存在电感负载L的连接端子之一与高供 电电位V_SUP的短路，那么在相应的时间后会识别到过电流条件并将电路去激活。 然后在齐纳元件ZE阴极上得到的齐纳脉冲的持续时间在其持续时间上明显不 同。在电感负载L的第一高压侧连接端子与高供电电压电位V_SUP短路的情况下， 会得到根据图4a的电压分布，该电压分布相当于完好的线路，但额外需要用于识 别短路的过电流条件。

但如果存在电感负载L的第二低压侧连接端子与高供电电压电位V_SUP的短 路，那么仅需降低储存在短路线路内的磁能，这样导致图4b非常短的脉冲。现 在很容易识别这两种明显不同的脉冲持续时间，其方法是将在出现过电流条件时 的脉冲持续时间一方面与第一预先规定的持续时间T1和另一方面与第二预先规 定的持续时间T2进行比较，并在超过第一预先规定的持续时间T1情况下推断出 高压侧短路，而在脉冲持续时间小于第二预先规定的持续时间T2的情况下，推 断出低压侧短路。

如果电感负载L上存在短路，如图3采用IV标注的那样，那么除了连接线 路的电感之外，电感负载L上也出现短路线路的电感，从而脉冲略大于相对于正 供电电压电位V_SUP的低压侧短路时并且该脉冲持续时间相应更长。通过适当选择 第二预先规定的持续时间T2以及大于第二预先规定的持续时间T2和小于第一预 先规定的持续时间T1的第三预先规定的持续时间T3，在根据图4c所测量的齐纳 脉冲的持续时间小于第三预先规定的持续时间T3并大于第二预先规定的持续时 间T2情况下，电感负载L上的这种短路可以得到检测。

依据本发明方法的一个重要特征是，利用通过电路拓扑造成的反馈，以便可 以检测线路中断和/或与高或低供电电压电位的短路位置。仅需定量分析齐纳电压 脉冲的出现。因此可以取消具有高的时间分辨率和测量精度的测量。这一点在不 进行负载电流测量——利用这种负载电流测量可以通过分析电流振幅和电流上 升时间推断出短路位置——的情况下特别有利。仅仅为了将在电感负载的低压侧 连接线路上相对于正供电电压电位的短路与负载上的短路区分开来，需要进行具 有时间上更精确分辨率的脉冲长度测量。