CN114600362A - 控制装置以及具有这种控制装置的桥式电路 - Google Patents

控制装置以及具有这种控制装置的桥式电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于受控的交流电生成的桥式电路的桥式电路控制装置。控制装置具有：用于桥支路的每个FET的电压表，其中每个电压表可以与相应的FET连接以用于漏极‑源极电压测量并且输出测量值和/或状态值；场效应晶体管，作为用于每个交流电输出端的相隔离器，其中，一个或多个相隔离器可以分别与交流电输出端连接并且可以分别通过控制信号来切换；以及逻辑电路，用于检测电压表的数值并且将控制信号分别输出到相隔离器。此外，本发明涉及一种具有这种控制装置的桥式电路。

Description

控制装置以及具有这种控制装置的桥式电路
技术领域
本发明涉及一种用于功率模块或逆变器的控制装置，尤其是用于受控的交流电生成的桥式电路的控制装置。本发明还涉及一种具有这种控制装置的桥式电路。
背景技术
逆变器(英文Inverter)是将直流电压转换为交流电压的电气设备。桥式电路是逆变器的示例性实施方式，具有一个或多个并联的桥支路并且可以借助脉宽调制信号产生正弦形的交流电流或交流电压。桥支路通过至少一个高侧(简称HS)开关和至少一个低侧(简称LS)开关构成，其中交流电流输出端位于两个开关之间。HS开关处于直流电压的一个电位并且LS开关处于直流电压的另一个电位。
当前，半导体断路器，诸如场效应晶体管(缩写为FET)作为在逆变器或功率模块与待驱动的电动机之间的隔离器或开关使用，以便例如在功率模块中短路的情况下将电动机与功率模块电断开。为了减小电动机的制动效果，这种隔离或分离是必要的。然而，去激活在接通或导通状态下将功率模块与电动机相连的相隔离器并不总是没有问题的，因为如果突然中断电流，则电动机的电感会产生高电压峰值，该高电压峰值将损伤并且甚至毁坏逆变器的部件和其它开关元件，诸如相隔离器。
根据现有技术，存在许多基于电机的转子角速度来使相隔离器去激活的解决方案。然而，这些解决方案带来高制造成本，尤其是对于相隔离器，因为在角速度和相隔离器的电流中断能力之间仅存在间接相关性，并且因此为了防止高压峰值而需要过大尺寸的相隔离器。还存在基于检测通过相隔离器的零安培电流来去激活相隔离器的许多其他方法。然而，为此在三相交流电的相中需要额外的电流表，以便将相隔离器在该特定的零安培点上分离或借助所述相隔离器中断相导体。
应当注意，电动机通常由三相交流电供电，其中每个相形成正弦信号并且相对于其它相偏移120°。这些相被称为U相、V相和W相。
发明内容
本发明的目的在于，避免或至少最小化上述问题和缺点。尤其提供一种能够识别多种、例如短路场景并且随后进行相隔离的装置。该装置在此应能够实现可靠的电流中断，可以简单且成本低廉地制造并且具有长使用寿命。
为了实现上述目的，本发明提供一种根据权利要求1所述的用于逆变器、特别是用于受控的交流电生成的桥式电路的控制装置。
具体地，在此涉及用于受控的交流电生成的桥式电路的控制装置。桥式电路配备有至少一个桥支路，该桥支路具有至少一个高侧场效应晶体管FET、至少一个低侧FET和位于其间的交流电输出端。控制装置具有
-用于桥支路的每个FET的电压表，其中用于漏极-源极电压测量的每个电压表可以与相应的FET连接并且输出测量值和/或状态值；
-用于每个交流电输出端的作为相隔离器的场效应晶体管，其中，所述一个/多个相隔离器能够分别与交流电输出端连接并且能够分别通过控制信号进行切换；和
-用于检测电压表的数值并将控制信号分别输出到相隔离器的逻辑电路。
逻辑电路设计用于根据检测的数值输出用于阻断相应的一个/多个相隔离器的控制信号。
该解决方案在于，通过测量在FET处、尤其在其体二极管处的电压降，定性地和/或定量地确定相应的相的电流强度和电流方向。因此，每个FET的漏极和源极连接端电连接到一个电压表；即电压表的数量对应于桥式电路的FET的数量。在HS和/或LS FET上进行电压测量。逻辑电路接收指示应将一个或多个特定相或所有相从桥式电路分离或中断的阻断信号。
控制装置具有的优点是以少量的部件测出桥式电路或逆变器中特定的特性。一旦这些特性或状态值或者测量值已产生并被传送到逻辑电路，则确定可以输出用于中断相隔离器的控制信号。优选地，电压被周期性地，即在时间上以恒定的间隔测量或者实时测量，以确定不同相位的交流电流。
已经证实为有利的是，电压表设计用于确定和输出第一和第二状态：
-当所测量的电压低于预定的数值、尤其低于-0.5伏时，则为第一状态，并且第一状态用于确定电流方向；和
-当所测量的电压高于预定的数值，尤其高于-0.5伏时，则为第二状态，并且第二状态用于确定要么没有电流流过FET的体二极管、要么FET产生漏极-源极短路并损坏。
该实施方式的优点是，电压表可以附加或替代其测量值确定状态值，该状态值被提供给逻辑电路并且因此可以得出关于桥式电路和其状态的结论。在第一状态下，尤其确定电流流过体二极管，由此可以确定电流方向。
在另一有利的实施方式中，控制装置包括主控制电路(也称为EPAS)或者可与主控制电路连接，其中EPAS可在任何时间并且尤其是在控制装置和/或桥式电路的运行期间确定预定的数值。EPAS为此配有例如FET的数据并且可以根据所测量的电压值得出关于FET和/或其体二极管的状态的结论。附加地或替代地，主控制电路可以向逻辑电路输出阻断信号。阻断信号的输出可以通过用户的输入手动地触发和/或通过电子电路或测量电路(诸如所述和/或其他电压表)自动地触发。
在另一有利的实施方式中，一个/多个相隔离器的源极连接端可与以交流电供电的负载连接。在此涉及相隔离器的第一有利布置，该相隔离器能够或者被通过其漏极连接端连接在交流电输出端上或以其源极连接端连接在负载上。逻辑电路尤其设置为考虑相隔离器控制时的此种布置。
优选地，逻辑电路被设计用于在检测到通过电压表测量的在高侧FET上的电流引导时，输出控制信号以阻断所属的高侧FET交流电输出端的相隔离器。换言之：控制信号可以优选在测量到相应的电流引导时才输出。由于相隔离器的布置，可以使用相应的高侧FET来阻断相应的相隔离器。即使阻断了相隔离器，但是电流还可以从电动机的线圈、特别是其相位经由相隔离器的体二极管和高侧FET的体二极管被导出。由此避免了在相应的相中的电流的突然中断或者通过电动机的线圈的高电压峰值。
此外，逻辑电路还可以被设计用于根据所检测的数值确定高侧FET没有短路并且在高侧FET的体二极管中的电流引导以在相应的相隔离器的体二极管的导通方向上进行，并且因此输出用于阻断相应的高侧FET交流电输出端的相隔离器的控制信号。根据在高侧FET上的电压表的测量值和状态值可以确定，在该FET上不存在短路以及通过高侧FET的体二极管和相应的相隔离器的体二极管的电流引导在相同的方向上进行。一旦识别到这些条件，就输出用于阻断相隔离器的相应的控制信号，并且电流可以继续流过相应的体二极管。
优选地，逻辑电路设计用于根据所检测的数值确定低侧FET没有短路并且在低侧FET的体二极管中的电流引导以在相应的相隔离器的体二极管的导通方向上进行，并且该数值表示在同一相位的高侧FET的体二极管中没有电流引导，并且因此输出用于阻断相应的低侧FET交流电输出端的相隔离器的控制信号。
同样地，逻辑电路可以设计为，在两个任意的相隔离器已经被去激活之后，根据所检测的数值确定，在相应的低侧FET的体二极管中没有沿导通方向进行的电流引导，并且这些数值表示在最后的相位的高侧FET的体二极管中没有电流引导，并且因此输出用于阻断最后的低侧FET交流电输出端的相隔离器的控制信号。
此外，逻辑电路可以设计为，当用于高侧FET的电压表正好使其状态从体二极管中的电流引导变化为体二极管中没有电流引导并且用于低侧FET的电压表示出在两个其他相的体二极管中没有电流引导时，输出用于阻断相隔离器的控制信号。
在另一有利的实施方式中，一个/多个相隔离器的漏极连接端可以与以交流电供电的负载连接。在此涉及相隔离器的第二有利布置，所述相隔离器以其源极连接端连接或可连接在交流电输出端处或以其漏极连接端连接或可连接在负载处。在这种情况下，体二极管被连接为使得电流可以从桥式电路的桥支路流向线圈。逻辑电路尤其设置为考虑相隔离器控制时的此种布置。
逻辑电路优选设计为，在检测到由电压表测量的在低侧FET上的电流引导时，发出用于阻断对应的低侧FET交流电输出端的相隔离器的控制信号。该有利的设计方案实现了能够确定何时可以阻断相应相的相隔离器。为此，低侧FET的体二极管必须具有电流引导。
同样地，逻辑电路可以被设计为，根据所检测到的数值来确定低侧FET没有短路并且在低侧FET的体二极管中的电流引导在相应的相隔离器的体二极管的导通方向上进行，并且因此输出用于阻断相应的低侧FET交流电输出端的相隔离器的控制信号。该有利的实施方式说明了相隔离器可以通过控制信号阻断的两个条件。
优选地，逻辑电路被设计为，当没有电压表测量到电流引导时，输出用于阻断所有相隔离器的控制信号。这说明了需要阻断所有相隔离器的情况。在此，尤其可以涉及直流电压源的短路。
同样地，逻辑电路可以被设计为，当在高侧的所有电压表至少一次示出在高侧FET的体二极管中的电流引导，而电压表没有示出在低侧FET的体二极管中的电流引导时，输出用于阻断所有相隔离器的控制信号。
此外，证明为有利的是，逻辑电路被设计为，检测或接收不是来自电压表的外部的阻断信号，并且基于该阻断信号通过向相隔离器输出控制信号来启动相隔离。同样，替代地或附加地，可以根据电压表所检测的数值通过逻辑电路本身产生阻断信号。电压表的数值为逻辑电路给出在哪个时间点可以关闭或阻断相隔离器的条件或前提。
本发明同样涉及一种具有根据本发明前述任意方面或实施方式的控制装置的3相桥式电路。
附图说明
下面描述的附图涉及根据本发明的控制装置的优选实施例，其中，这些附图不用于限定，而是基本上用于说明本发明。来自不同附图但具有相同附图标记的元件是相同的；因此，对来自一幅附图的元件的说明也适用于来自其他附图的具有相同标记或相同编号的元件。
其中，
图1示出了具有根据本发明的控制装置的3相桥式电路，其中，桥式电路连接在电动机上，
图2示出了具有根据第二优选实施例的控制装置的同样为3相的桥式电路，其中，在桥式电路的输出端处连接有带三个线圈的电机，
图3示出了在直流电压短路情况下的电流-时间图，
图4示出了在高侧FET短路的情况下的电流-时间图，和
图5示出了在低侧FET短路的情况下的电流-时间图。
具体实施方式
图1示出了作为逆变器的三相桥式电路8，其具有第一、第二和第三桥支路9、10和11。这些桥支路相互并联设置。每个桥支路9、10和11分别具有一个高侧场效应晶体管12、14、16和一个低侧场效应晶体管13、15、17以及在两个FET之间的交流电输出端23、24、25。HS-FET 12、14和16分别以其漏极连接端连接至直流电压的正电势，而LS-FET 13、15和17以其源极连接端连接至直流电压的负电势。每个FET以其并联形成在漏极和源极连接端之间的体二极管示出。第一桥支路9的HS-FET 12是体二极管18，并且第一桥支路9的LS-FET 13是体二极管19。在另外两个桥支路10和11中，FET相同地构造。每个FET与电压表连接以便尤其测量漏极和源极之间的体二极管电压。在图1中尤其示出了HS-FET 12的电压表2和LS-FET 13的第二电压表3，它们是根据本发明的控制装置1的一部分。控制装置1具有电压表(仅示出了2、3)、逻辑电路4和相隔离器5、6、7。所有六个电压表与逻辑电路4连接，该逻辑电路根据由电压表输出的测量值和/或状态值向相应的相隔离器5、6、7输出控制信号。控制信号被发送到相隔离器5、6和7的相应栅极连接端，以切断通过它们的电流。相应的相隔离器5、6、7的源极连接端与电机26的线圈27、28、29连接。因为相隔离器5、6、7的体二极管具有与场效应晶体管12、14和16相同的导通方向，所以当电流从线圈27、28、29通过相隔离器5、6、7流到相应的高侧场效应晶体管时，相应的相隔离器被关断。一旦相应的相隔离器被阻断，电流就可以通过相应的体二极管来绕行，由此可以防止突然的电流中断并且可以针对高电压峰值保护相隔离器。
图2示出了相同的三相桥式电路8，其具有电机26和其线圈27、28、29。控制电路1与图1的控制电路的不同之处在于，相隔离器5、6、7以相反的形式连接，即，以其漏极连接端连接到线圈并且以其源极连接端连接到交流电输出端23、24、25。因此，一旦电流通过低侧场效应晶体管的体二极管并且通过相隔离器，就可以关断相应的相隔离器，以便阻断电流。电流在此可以通过相隔离器的体二极管绕行。
图3至图5示出了电流-时间图，其中定性地示出了不同电流的信号强度。在此示出了相电流U、V、W、一个阻断信号(图表中的顶部信号)和三个控制信号(图表中的三个底部信号)。随后示出的阻断信号和控制信号分别具有等于接通和关断信号的阶跃。
图3示出了具有彼此偏移120°的三个相U、V、W或相31、32、33的电流-时间图。在根据本发明的控制装置的逻辑电路中生成或接收的阻断命令A30促使控制装置阻断相隔离器。为此，首先输出用于相U的控制信号34、然后输出用于相V的控制信号35并且最后输出用于相W的控制信号36，以便分别阻断相应的相隔离器。在输出控制信号时要注意满足特定的条件，即相的电流必须为负或零。如可以看到的那样，在控制信号36之后，整个相电流为零。
图4示出了电流-时间图，其中在这种情况下存在高侧场效应晶体管短路。其特征在于，相U、V和W或相38、39、40不能正确地以三相电流产生。一旦在逻辑电路中产生或接收到阻断命令B 37，则相隔离器被阻断，其中电流可以通过相隔离器和低侧场效应晶体管的体二极管。这在此情况下是相V。然后，相W以及因此其相隔离器被阻断，并且最后，最后的相隔离器的相U被阻断。最后，相电流完全为零并且保护电机免受由于电流峰值而可能的损坏。
图5示出了例如在低侧FET短路的情况下的电流-时间图。类似于图4，相U、V、W或相45、46、47没有构成为正确的三相电流。一旦在逻辑电路中产生或接收到阻断命令C 44，并且没有电压表检测到体二极管的尤其是特定时间段内的电流引导，则可以同时关断所有相隔离器。
附图标记说明
1 控制装置
2 第一桥支路的HS-FET的电压表
3 第一桥支路的LS-FET的电压表
4 逻辑电路
5 作为第一相隔离器的相U的FET(Q7)
6 作为第二相隔离器的相V的FET(Q8)
7 作为第三相隔离器的相W的FET(Q9)
8 作为逆变器的三相桥式电路
9 第一桥支路
10 第二桥支路
11 第三桥支路
12 第一桥支路的高侧场效应晶体管，HS-FET(Q1)
13 第一桥支路的低侧场效应晶体管，LS-FET(Q2)
14 第二桥支路的高侧场效应晶体管(Q3)
15 第二桥支路的低侧场效应晶体管(Q4)
16 第三桥支路的高侧场效应晶体管(Q5)
17 第三桥支路的低侧场效应晶体管(Q6)
18 Q1的体二极管
19 Q2的体二极管
20 Q7的体二极管
21 Q8的体二极管
22 Q9的体二极管
23 第一桥支路-相U的交流电输出端
24 第二桥支路-相V的交流电输出端
25 第三桥支路-相W的交流电输出端
26 电机
27 电机的第一线圈(L1)
28 电机的第二线圈(L2)
29 电机的第三线圈(L3)
30 阻断信号A
31 交流电流-相U
32 交流电流-相V
33 交流电流-相W
34 用于Q7-相U的控制信号
35 用于Q8-相V的控制信号
36 用于Q9-相W的控制信号
37 阻断信号B
38 交流电流-相U
39 交流电流-相V
40 交流电流-相W
41 用于Q7-相U的控制信号
42 用于Q8-相V的控制信号
43 用于Q9-相W的控制信号
44 阻断信号C
45 交流电流-相U
46 交流电流-相V
47 交流电流-相W
48 用于Q7-相U的控制信号
49 用于Q8-相V的控制信号
50 用于Q9-相W的控制信号

Claims (15)

1.一种用于受控的交流电生成的桥式电路的控制装置，所述桥式电路具有至少一个桥支路，所述桥支路具有至少一个高侧场效应晶体管FET，至少一个低侧FET和位于二者之间的交流电输出端，
其特征在于，
所述控制装置具有
-用于桥支路的每个FET的电压表，其中每个电压表能够与相应的FET连接以测量漏极-源极电压并且输出测量值和/或状态值；
-作为用于每个交流电输出端的相隔离器的场效应晶体管，其中，所述一个/多个相隔离器能够分别与交流电输出端连接并且能够分别通过控制信号切换；和
-逻辑电路，用于检测电压表的数值并且用于分别向相隔离器输出控制信号，
其中，所述逻辑电路根据所检测的数值输出用于阻断相应的一个/多个相隔离器的控制信号。
2.根据权利要求1所述的控制装置，
其特征在于，
所述电压表设计为确定并输出第一和第二状态：
-当所测量的电压低于预定的数值、尤其低于-0.5伏时，则为第一状态，并且所述第一状态用于确定电流方向；和
-当所测量的电压高于预定的数值，尤其高于-0.5伏时，则为第二状态，并且所述第二状态用于确定要么没有电流流过FET的体二极管、要么FET产生漏极-源极短路并损坏。
3.根据权利要求2所述的控制装置，
其特征在于，
所述控制装置具有能够在任意时间并且在所述控制装置和/或所述桥式电路运行期间确定预定的数值的主控制电路。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制装置，
其特征在于，
所述一个/多个相隔离器的源极连接端能够与待通过交流电供电的负载连接。
5.根据权利要求4所述的控制装置，
其特征在于，
所述逻辑电路设计用于在检测到通过电压表测量的在高侧FET上的电流引导时输出控制信号，以便阻断对应的高侧FET交流电输出端的相隔离器。
6.根据权利要求5所述的控制装置，
其特征在于，
逻辑电路设计为根据所检测的数值确定高侧FET没有短路并且在高侧FET的体二极管中的电流引导在相应的相隔离器的体二极管的导通方向上进行，并且因此输出用于阻断相应的高侧FET交流电输出端的相隔离器的控制信号。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的控制装置，
其特征在于，
所述一个/多个相隔离器的漏极连接端能够与待通过交流电供电的负载连接。
8.根据权利要求7所述的控制装置，
其特征在于，
所述逻辑电路设计用于在检测到通过电压表测量的在低侧FET上的电流引导时输出控制信号，以阻断相应的低侧FET交流电输出端的相隔离器。
9.根据权利要求8所述的控制装置，
其特征在于，
所述逻辑电路设计用于根据所检测的数值确定所述低侧FET没有短路并且在所述低侧FET的体二极管中的电流引导在相应的相隔离器的体二极管的导通方向上进行，并且由此输出用于阻断相应的低侧FET交流电输出端的相隔离器的控制信号。
10.根据权利要求8所述的控制装置，
其特征在于，
逻辑电路被设计用于根据所检测的数值确定低侧FET没有短路并且在低侧FET的体二极管中的电流引导在相应的相隔离器的体二极管的导通方向上进行，并且该数值表示在同一相上的高侧FET的体二极管中没有电流引导，并且因此输出用于阻断相应的低侧FET交流电输出端的相隔离器的控制信号。
11.根据权利要求8所述的控制装置，
其特征在于，
该逻辑电路设计用于，在两个任意的相隔离器已去激活之后，根据所检测的数值确定，在相应的低侧FET的体二极管中没有沿导通方向的电流引导，并且该数值表示在最后的相上的高侧FET的体二极管中没有电流引导，并且因此输出用于阻断最后的低侧FET交流电输出端的相隔离器的控制信号。
12.根据权利要求8所述的控制装置，
其特征在于，
所述逻辑电路设计为，当用于高侧FET的电压表正好使其状态从体二极管中的电流引导变化为体二极管中没有电流引导、并且用于低侧FET的电压表示出在另外两个相上的体二极管中没有电流引导时，输出用于阻断相隔离器的控制信号。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的控制装置，
其特征在于，
所述逻辑电路设计为，当没有电压表测量到电流引导时，输出用于阻断所有相隔离器的控制信号。
14.根据权利要求1至11中任一项所述的控制装置，
其特征在于，
所述逻辑电路设计为，当在高侧的所有电压表至少一次示出在高侧FET的体二极管中的电流引导，而电压表没有示出在低侧FET的体二极管中的电流引导时，输出用于阻断所有相隔离器的控制信号。
15.三相桥式电路，其具有根据权利要求1至14中任一项所述的控制装置，所述桥式电路具有三个桥支路，其中每个桥支路具有高侧场效应晶体管FET，低侧FET和位于二者之间的交流电输出端。
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