CN113597740A - 驱动器电路的保护设备和用于保护驱动器电路的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于操控半导体开关的驱动器电路的保护。为此评估所述驱动器电路和所述半导体开关的控制连接端之间的串联电阻中的电压降。如果串联电阻两端的电压降超过预定阈值并且超过该阈值至少预定的持续时间,则接着停用用于所述半导体开关的驱动器电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于操控半导体开关的驱动器电路的保护设备和一种保护用于操控半导体开关的驱动器电路的方法。本发明还涉及一种用于半导体开关的控制设备以及一种逆变器装置。
背景技术
例如用于完全或部分电驱动的车辆中的电驱动***通常包括由变流器馈电的电机。所述变流器在此通常包括多个带有功率半导体开关的半桥。这些功率半导体开关经由驱动器电路操控,所述驱动器电路放大控制信号以便提供足够的电功率来操控所述功率半导体开关。
文献DE 10 2015 217 175 A1公开了一种用于车辆的逆变器的操控电路。所述逆变器被设计用于将来自电储能器的直流电压转换为交流电流,利用该交流电流运行车辆的电机。所述操控电路包括为所述逆变器的开关元件产生逆变器控制信号的驱动器单元。
在功率半导体开关有缺陷的情况下,在功率半导体开关的控制连接端和功率半导体开关的其他输出端之间可能发生短路。通过这种短路可能对用于操控功率半导体开关的驱动器级的输出端施加很强的负载。
发明内容
本发明公开了具有独立权利要求特征的一种用于操控半导体开关的驱动器电路的保护设备以及一种保护用于操控半导体开关的驱动器电路的方法。其他有利的实施方式是从属权利要求的主题。
据此规定:
一种用于操控半导体开关的驱动器电路的保护设备。所述驱动器电路借助于电串联电阻与所述半导体开关的控制连接端电耦合。所述保护设备被设计为检测所述驱动器电路的串联电阻两端的电压降。所述保护设备还被设计为如果在探测到的电压降中探测到预定特征,则停用所述驱动器电路。特别地,如果探测到的电压降超过预定值至少达到预给定的持续时间,则可以停用所述驱动器电路。
此外还规定:
一种保护用于操控半导体开关的驱动器电路的方法,其中所述驱动器电路借助于电串联电阻与所述半导体开关的控制连接端电耦合。该方法包括检测所述驱动器电路的串联电阻两端的电压降的步骤,以及如果在探测到的电压降中探测到预定特征则停用所述驱动器电路的步骤。特别地,如果探测到的电压降超过预定阈值至少达到预给定的持续时间,则可以停用所述驱动器电路。
本发明的优点
本发明基于以下知识,即在功率半导体开关存在故障的情况下,特别是在短路的情况下,在所述功率半导体开关的控制连接端和其他连接端之间可能发生短路。在这种短路的情况下,可能对向所述功率半导体开关的控制输入端馈电的驱动器电路施加非常强的负载,也就是说,可能流过相对高的电流。驱动器电路输出端上的这种强负载必要时可能会导致驱动器级或其他组件内的进一步损坏。由此存在功率半导体开关中的故障导致驱动器电路进一步损坏的危险。
因此,本发明的一个想法是考虑该认识并为半导体开关的驱动器电路设置保护,该保护在故障情况下使得具有故障的半导体开关的驱动器级能够被可靠地关闭。通过这种方式,可以预防驱动器级内的进一步损坏。此外,通过尽可能实时地关闭有故障的半导体开关的驱动器级,还可以避免所述故障传播到其他组件,例如其他驱动器级等。
如果及早识别出有故障的功率半导体开关并且接着针对该半导体开关停用所涉及的驱动器级,则必要时可以防止所述故障传播到其他组件。这使得例如可以在故障情况下将电***转换到安全的运行状态中,例如主动短路等。通过这种方式可以提高电驱动***的安全性。
此外,通过在连接的半导体开关中出现故障的情况下停用所述驱动器电路,可以防止其他组件的损坏。由此可以在故障情况下减少受损组件的数量。这使得可以进行快速且成本有利的维修。
根据一种实施方式,所述保护设备包括低通滤波器。所述低通滤波器被设计为过滤探测到的所述串联电阻两端的电压降。特别地,所述低通滤波器可以被设计为过滤探测到的电压降中的高频分量。在操控所述半导体开关期间常见的开关过程通常导致短的、高频的开关脉冲。通过适当的低通滤波可以消除或至少最小化这些开关脉冲,从而在运行期间由于常见的开关脉冲而导致的所述串联电阻两端的电压降对要评估的信号没有显著影响。
根据一种实施方式,所述保护设备包括比较装置。所述比较装置被设计为将探测到的串联电阻两端的电压降的值与预定阈值进行比较。如果探测到的串联电阻两端的电压降,特别是串联电阻两端经过平滑或低通滤波的电压降超过预给定阈值,则这可能意味着半导体开关的驱动器电路的输出端在较长的时间段内被施加了很强的负载。这通常仅在故障情况下才出现。
根据一种实施方式,可以适配所述比较装置的预定阈值。特别地,所述比较装置的预定阈值可以根据所述驱动器电路的供电电压加以适配。如果向所述驱动器电路供应多于一个电压,则可以根据多个供电电压中的至少一个来适配所述阈值。通过适配用于探测故障情况的阈值,还可以考虑框架条件的波动,例如波动的供电电压等。从而例如驱动器电路的供电电压的波动也可能导致即使在正常、无故障的运行中也会在串联电阻两端产生更高或更低的电压降。可以通过探测阈值的适当适配来考虑和补偿这种效应。
根据一种实施方式,所述保护设备包括存储装置。所述存储装置被设计为如果所述比较装置探测到所述电压降超过了预定阈值,则从第一状态转换到第二状态。特别地,当串联电阻两端的电压降再次低于预定阈值时,所述存储装置也可以保持第二状态。通过这种方式可以保证在探测到故障后永久关闭驱动器电路。例如,所述存储装置可以是双稳态多谐振荡器,例如触发器等。必要时可以通过施加合适的复位信号来复位所述存储装置,也就是转换到第一状态。如果所述存储装置处于第一状态,则可以激活用于操控半导体开关的驱动器电路。
此外,设置了一种用于半导体开关的控制设备,所述控制设备具有驱动器电路和根据本发明的保护设备。所述驱动器电路被设计为在所述半导体开关的控制输入端提供控制信号。
此外,设置了一种具有多个半导体开关和上述控制设备的逆变器装置,其中每个驱动器电路被设计为操控多个半导体开关中的至少一个。
根据所述逆变器装置的一种实施方式,为所述多个半导体开关中的每个半导体开关设置单独的控制装置。
只要有意义,上述设计和扩展可以任意相互组合。本发明的其他设计、扩展和实施还包括上面或下面关于实施例描述的本发明特征的未明确提及的组合。特别地,本领域技术人员还将添加各个方面作为对本发明相应基本形式的改进或补充。
附图说明
下面基于附图解释本发明的其他特征和优点。在此:
图1示出了具有根据一种实施方式的保护设备的用于半导体开关的控制设备的示意图;
图2示出了具有根据另一实施方式的保护设备的用于半导体开关的控制设备的示意图;
图3示出了根据一种实施方式的逆变器装置的示意图;以及
图4示出了基于根据一种实施方式的用于保护驱动器电路的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据一种实施方式的用于操控半导体开关3的控制设备的框图的示意图。用于操控半导体开关3的控制设备包括驱动器电路2和用于驱动器电路2的保护设备1。在驱动器电路2的输入端E上可以提供控制信号,该控制信号由驱动器电路2制备,以便在驱动器电路2的输出端A上提供具有足够的电压大小和功率以驱动半导体开关3的控制连接端的操控信号。为此,驱动器电路2的输入信号可以由电路23(例如栅极驱动器IC等)接收和制备。接着该信号可以由放大器电路22放大并经由串联电阻21在输出端A上提供。驱动器电路2的输出端A电耦合到半导体开关3的控制连接端,使得输出端A上提供的信号可以操控半导体开关3。
在操控半导体开关3期间,在相对较短的时间段期间有电流从驱动器电路2的输出端A流到半导体开关3的控制连接端。
如果在半导体开关3中出现故障情况,则在半导体开关3的控制连接端和半导体开关3的其他连接端之间也可能出现短路。该短路可能导致更大的电流可以在更长的时间段期间从驱动器电路2的输出端A流向半导体开关3的方向。这种高电流在此还导致串联电阻21两端的对应电压降。
用于驱动器电路2的保护设备1与驱动器电路2耦合,使得保护设备1可以探测到串联电阻21两端的电压降。用于半导体开关3的控制连接端的正常开关过程仅导致相对较短的电流脉冲并且由此带来串联电阻21两端的短电压降,而半导体开关3中的故障导致更长的电流,并且由此还导致串联电阻21两端的电压降持续更长的时间。这种持续时间长于预给定持续时间的电压降可以由保护设备1识别。接着保护设备1可以停用驱动器电路2。例如,保护设备1可以在驱动器电路2上提供控制信号,该控制信号激活或停用驱动器电路2。例如,只有保护设备1发出主动释放信号,才可以激活驱动器电路2。如果关闭该主动释放信号,则接着也停用驱动器电路2。当然也可以反过来,即,保护设备1输出主动信号以停用驱动器电路2。
如上所述,在正常运行期间,用于操控半导体开关2的正常控制脉冲仅在串联电阻21两端引起相对短暂的电压降。相反,在故障情况下,可以在更长的时间段期间探测到串联电阻21两端的电压降。为了区分这两种状态,可以在保护设备1中为驱动器电路2设置低通滤波器11,该低通滤波器过滤与串联电阻21两端的电压降相对应的信号。通过这种方式可以消除或至少最小化高频信号分量,从而仅评估串联电阻21两端的电压降的低频分量以用于进一步评估。对于所述低通滤波可以使用任意低通滤波器,例如RC元件等。
接着可以将对应制备的信号输送到比较装置12,该比较装置将探测到的串联电阻21两端的电压降与预给定阈值进行比较。如果探测到的串联电阻21两端的电压降超过所述预给定阈值,则这可以评估为半导体开关3中出现故障的指示。
必要时可以适配由比较装置12用来比较串联电阻21两端的电压降的所述预给定阈值。例如,可以根据驱动器电路2的供电电压来适配用于比较的阈值。驱动器电路2的供电电压的变化在某些情况下可能导致从驱动器电路2到半导体开关3的控制连接端的电流也根据供电电压的大小而变化。通过(动态)适配比较装置12中的探测阈值,可以考虑这种效应并在必要时进行补偿。
比较装置12的输出端可以与存储装置13耦合。当比较装置12探测到串联电阻21两端的电压降超过所述预给定阈值时,存储装置13可以例如从第一状态切换到第二状态。此外,即使串联电阻21两端的电压降再次下降到低于所述预给定阈值,存储装置13也可以保持在第二状态。通过这种方式,在探测到故障后,也就是在串联电阻21两端的电压降的超过达到预给定的持续时间后,存储装置13可以探测到故障并提供用于停用驱动器电路2的关闭信号。在探测到故障后应当永久保持该关闭信号。例如,为此可以使用触发器等。必要时可以借助于复位信号(reset)来复位存储装置13。
图2示出了根据另一实施方式的用于半导体开关3的控制设备的框图的示意图。根据图2的控制设备与上述控制设备的区别特别是在于驱动器电路2的驱动IC 23将控制信号分成两个信号。对应的信号路径由字母a和b表征。为了闭合半导体开关3,上部路径a例如可以引导正输出电流。于是在这种情况下,路径b是高欧姆的。为了断开半导体开关3,下部路径b可以引导负输出电流。于是在这种情况下,路径a是高欧姆的。通过这种方式生成用于断开和闭合半导体开关3的分离的控制信号。此外,用于操控半导体开关3的控制设备以及特别是保护设备1对应于根据图1的上述实施方式。
图3示出了根据一种实施方式的逆变器装置的示意图。所述逆变器装置可以包括例如三个半桥,每个半桥具有两个半导体开关3。这些半导体开关3中的每一个都可以由驱动器电路2操控。此外,可以为每个驱动器电路2设置根据上述实施方式之一的保护设备1。通过这种方式可以为半导体开关3的驱动器电路2设置单独的保护。特别是如果在半导体开关3之一中出现故障,特别是控制连接端和其他连接端之间出现短路,则对应的驱动器电路2可以通过对应的保护设备1停用。在此,其余半导体开关和相关联驱动器电路2的运行不受影响。特别是如果逆变器电路例如是为了操控电机而设置的,则在半导体开关3之一中出现故障的情况下,可以将所述逆变器装置转换到安全的运行状态。
例如,这种安全的运行状态可以是主动短路,其中所有上部或下部的半导体开关同时闭合。例如,如果在下部半导体开关3之一中出现故障并且在对应的半导体开关3中出现与之相关的短路,则其余两个下部半导体开关同样可以闭合。三个上部半导体开关3在此都断开。在上部半导体开关3之一发生短路的情况下,也可以进行类似的过程。在此,通过停用有故障的半导体开关3的驱动器电路,可以继续安全地操控其余的半导体开关3。
图4示出了基于根据实施方式的保护用于操控半导体开关的驱动器电路的方法的流程图的示意图。该方法特别是可以应用于用于操控半导体开关3的驱动器电路2,其中驱动器电路2借助于电串联电阻21与半导体开关3的控制连接端电耦合。在步骤S1中,检测驱动器电路2的串联电阻21两端的电压降。在步骤S2中,当在探测到的电压降中探测到预定特征时,停用驱动器电路2。如上所述,所述预定特征例如可以是所述电压降在预定时间段期间超过阈值。为此,如上所述,可以借助于低通滤波器过滤所述电压降并且可以将过滤后的电压降与阈值进行比较。如果探测到的电压降超过预给定阈值,并且如果该阈值被超过至少预给定的持续时间,则可以停止对半导体开关的操控。当探测到的电压降再次低于预给定阈值时,也可以保持该停止。
总之,本发明涉及用于操控半导体开关的驱动器电路的保护。为此评估驱动器电路和半导体开关的控制连接端之间的串联电阻中的电压降。如果串联电阻两端的电压降超过预给定阈值并且超过该阈值至少预定持续时间,则接着停用用于半导体开关的驱动器电路。
Claims (10)
1.一种用于操控半导体开关(3)的驱动器电路(2)的保护设备(1),其中所述驱动器电路(2)借助于电串联电阻(21)与所述半导体开关(3)的控制连接端电耦合,
其中所述保护设备(1)被设计为检测所述驱动器电路(2)的串联电阻(21)两端的电压降,并且如果在探测到的电压降中探测到预定特征,则停用所述驱动器电路(2)。
2.根据权利要求1所述的保护设备(1),具有低通滤波器(11),所述低通滤波器(11)被设计为过滤探测到的所述串联电阻(21)两端的电压降。
3.根据权利要求1或2所述的保护设备(1),具有比较装置(12),所述比较装置(12)被设计为将探测到的所述串联电阻(21)两端的电压降的值与预定阈值进行比较。
4.根据权利要求3所述的保护设备(1),其中所述预定阈值是可适配的。
5.根据权利要求4所述的保护设备(1),其中所述预定阈值能够根据所述驱动器电路(2)的至少一个供电电压加以适配。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的保护设备(1),具有存储装置(13),所述存储装置(13)被设计为如果所述比较装置(12)探测到所述电压降超过了所述预定阈值,则从第一状态转换到第二状态。
7.一种用于半导体开关(3)的控制设备,具有:
驱动器电路(2),其被设计为在所述半导体开关(3)的控制输入端上提供控制信号,以及
根据权利要求1至6中任一项所述的保护设备(1)。
8.一种逆变器装置,具有:
多个半导体开关(3-i),以及
多个根据权利要求7所述的控制设备,
其中每个控制设备被设计为操控所述多个半导体开关(3-i)中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的逆变器装置,其中为所述多个半导体开关(3-i)中的每个半导体开关(3-i)设置单独的控制装置。
10.一种用于保护操控半导体开关(3)的驱动器电路(2)的方法,其中所述驱动器电路(2)借助于电串联电阻(21)与所述半导体开关(3)的控制连接端电耦合,其中所述方法包括以下步骤:
检测(S1)所述驱动器电路(2)的串联电阻(21)两端的电压降;以及
如果在探测到的电压降中探测到预定特征,则停用(S2)所述驱动器电路(2)。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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