CN101908833A - 逆变器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种逆变器装置，其包括：由多个桥接的半导体开关元件形成的桥接电路；驱动单元，其具有分别输出用于开通和关断桥接电路的上臂半导体开关元件和下臂半导体开关元件的驱动信号的上臂光电耦合器和下臂光电耦合器；以及控制单元，其包括产生驱动信号并将驱动信号供应给上臂光电耦合器和下臂光电耦合器的驱动信号发生电路，其中控制单元包括上臂截断电路和下臂截断电路，所述上臂截断电路和下臂截断电路根据从外部输入的截断信号，分别截断上臂半导体开关元件的驱动信号和下臂半导体开关元件的驱动信号，并且上臂截断电路和下臂截断电路根据具有相互反转的逻辑的截断信号来执行截断操作。

Description

逆变器装置

技术领域

本发明涉及使截断半导体开关元件的驱动信号的功能冗余化的逆变器装置。

背景技术

欧洲标准“EN954-1”(ISO13849-1)被认为是机械装置的基本安全标准。对于如表1所示的欧洲标准“EN954-1”，对机械装置要求的安全要求事项以及与这些要求事项相对应的系统性能按照类别进行分类。

例如，除了类别“1”的要求之外，表1的类别“3”还规定：设计应该提供冗余以便安全功能不会由于单一故障而受损。

表1

类别	要求(简述)	系统性能
			B	机械控制系统的安全相关部件和/或它们的保护设备以及它们的组件应该根据相关的标准设计、构建、选择、组装和组合使得它们可以承受住预期的影响。应该应用基本安全原则。	当故障发生时，可能会导致安全功能的损失。
1	类别B的要求适用，还使用经试验证明有用的安全组件和安全原则。	如针对类别B所述，但是安全相关功能具有更高的安全相关可靠性(可靠性越高，故障发生的可能性越小)。
			2	类别B的要求和使用经试验证明有用的安全原则适用。机器控制系统应该在机器启动时检查安全功能并周期性地检查安全功能。如果检测到故障，应该启动安全状态，或者如果不能启动安全状态，则应该给出警报。	通过检查来检测安全功能的损失。故障的发生可能会导致检测间隔之间的安全功能的损失。
3	类别B的要求和使用经试验证明有用的安全原则适用。系统应该被设计成使得该系统的任何一个部分中的单一故障不会导致安全功能的损失。在可行的情况下，应该检测单一故障。	当单一故障发生时，始终执行安全功能。将检测出一些但不是所有故障。未检测出的故障的累积可能会导致安全功能的损失。
			4	类别B的要求和使用经试验证明有用的安全原则适用。系统应该被设计成使得该系统的任何一个部分中的单一故障不会导致安全功能的损失。在下一次要求安全功能时或之前检测单一故障。如果无法进行该检测，则故障的累积不应导致安全功能的损失。	当故障发生时，始终执行安全功能。将及时检测出故障以防止安全功能的损失。

图4至6示出为了符合类别“3”而冗余地设计的逆变器装置的现有技术。

在图4中所示的第一现有技术中，100A是逆变器装置，200是作为负载的电动机。逆变器装置100A包括控制单元110A和驱动单元(电源单元)120A。

产生IGBT门信号的CPU 111和第一截断电路112布置在控制单元110A上，第二截断电路121、驱动光电耦合器122以及IGBT桥接电路123布置在驱动单元120A上。IGBT桥接电路123是由六个桥接的IGBT形成的三相桥接电路，三相的输出端子连接到电动机200。

在前述配置中，通常，由CPU 111产生的门信号经过第一截断电路112并且被输入到驱动光电耦合器122中，并且通过利用驱动光电耦合器122的输出信号来驱动IGBT桥接电路123的IGBT，交流电压被施加到电动机200。通过这种方式，电动机200旋转。

而且，在由于发生异常、故障等而需要停止电动机200的情况下，来自外部的截断信号被输入到第一和第二截断电路112和121。在这里，存在光学地检测某人已经接近安装有电动机200的制造线的光幕的输出信号等作为截断信号。

由于门信号和驱动光电耦合器122的一次侧电源(primary sidepower source)被响应于截断信号而运转的第一和第二截断电路112和121截断，所以电动机200被可靠地停止。

通过以这种方式使用双重的截断电路112和121来使门信号截断功能具有冗余，系统的安全性得到了保持。

此外，在图5中所示的第二现有技术中，100B是逆变器装置，并且200是电动机，如前所述。逆变器装置100B包括控制单元110B和驱动单元120B。

产生IGBT门信号的CPU 111以及第一和第二截断电路112和113布置在控制单元110B上，驱动光电耦合器122和IGBT桥接电路123布置在驱动单元120B上。

在前述配置中，通常，由CPU 111产生的门信号经过第一和第二截断电路112和113，并且被输入到驱动光电耦合器122，并且通过利用驱动光电耦合器122的输出信号来驱动IGBT桥接电路123的IGBT，交流电压被施加到电动机200。通过这种方式，电动机200旋转。

而且，在来自外部的截断信号被输入控制单元110B上的第一和第二截断电路112和113时，门信号被响应于截断信号而运转的第一和第二截断电路112和113截断，这意味着电动机200被可靠地停止。

同样对于该现有技术，通过使用控制单元110B上的双重的截断电路112和113来使门信号截断功能具有冗余，系统的安全性得到了保持。

此外，示出第三现有技术的图6是IEC61800-5-2附录B的图B.3中示出的电路。

在图6中，100C是逆变器装置，120C是驱动单元，122是驱动光电耦合器，122X是上臂光电耦合器，122Y是下臂光电耦合器，并且123是IGBT桥接电路。

截断信号a被输入其中的控制单元130包括CPU 131、第一截断电路132、存储器133、时钟发生电路134以及光电耦合器122X的电源截断晶体管135。截断信号b被输入其中的截断单元140包括第二截断电路141、监视计时器142和光电耦合器122Y的电源截断晶体管143。而且，136是截断确认电路。

在前述配置中，通常，由CPU 131产生的门信号被输入到驱动光电耦合器122，并且通过利用驱动光电耦合器122的输出信号来驱动IGBT桥接电路123的上和下臂IGBT，交流电压被施加到电动机200。通过这种方式，电动机200旋转。

在来自外部的截断信号被输入控制单元130中的第一截断电路132时，通过将截断命令a’发送给CPU 131并且CPU 131关断晶体管135，来截断上臂光电耦合器122X的电源。而且，在来自外部的截断信号b被输入到截断单元140中的第二截断电路141时，通过利用截断命令b’直接关断晶体管143，来截断下臂光电耦合器122Y的电源。

该配置使得在截断命令a’和b’被输入到CPU 131时，IGBT门信号自身也被截断。

此外，晶体管135和143的动作信号被反馈到CPU 131，在截断操作时，CPU 131发出命令，并且截断确认信号从截断确认电路136输出。

根据该现有技术，由于驱动光电耦合器122的电源和IGBT门信号被截断，所以电动机200被可靠地停止。

在JP-A-9-238476([0011]至[0023]段，图1等)中，公开了这样的技术：在构成电力桥接电路的半导体元件的异常检测和保护电路中，按照类别检测、存储各种异常(负载短路、过电流流入半导体元件或控制电源电压的下降)，并停止对半导体元件的开关操作，将异常报告给集成控制系统。

对于第一和第三现有技术，将截断信号从控制单元110A传递到驱动单元120A，或者从控制单元130和截断单元140传递到驱动单元120C是必要的。由于该原因，用于进行截断信号的传递的连接器的引脚的数目增加，并且电路变得复杂。同样，对于第一现有技术，必须将截断电路121安装在驱动单元120A上，驱动单元120A的尺寸增加。

对于第二现有技术，由于两个截断电路112和113安装在控制单元110B上，所以截断电路的配置在控制单元110B内完结，因此可以简化驱动单元120B的电路配置。

然而，在例如IGBT桥接电路123具有三相的情况下，六个门信号由CPU 111产生，由于门信号必须被输入截断电路112和113并从截断电路112和113输出，所以配线变得复杂。而且，存在这样的问题：截断电路在控制单元110B上的安装面积增加，并且单元整体的尺寸增加。

对于JP-A-9-238476([0011]至[0023]段，图1等)中所述的现有技术，由于异常检测电路、异常存储电路等的数目需要与异常的种类数目相一致，所以存在这样的问题：这导致了更复杂和更大的电路配置。

发明内容

在此，本发明的目的是在为了满足欧洲标准“EN954-1”等的安全标准而使截断功能冗余化的逆变器装置中，使电路配置能够得到简化，并使电路整体能够得到小型化。

为了实现前述目的，根据本发明的一个方面的逆变器装置包括由桥接的诸如IGBT的半导体开关元件形成的桥接电路，驱动单元，以及控制单元。

在这里，驱动单元具有上臂光电耦合器和下臂光电耦合器，所述上臂光电耦合器和下臂光电耦合器分别输出用于开通和关断上臂开关元件和下臂开关元件的驱动信号(门信号)。而且，控制单元包括诸如CPU的驱动信号发生电路，该驱动信号发生电路产生驱动信号并将驱动信号供应给上臂光电耦合器和下臂光电耦合器。

控制单元包括上臂截断电路和下臂截断电路，所述上臂截断电路和所述下臂截断电路根据从外部输入的截断信号，分别截断上臂开关元件的驱动信号和下臂开关元件的驱动信号。在这里，上臂截断电路和下臂截断电路配置成根据具有相互反转的逻辑的截断信号来执行截断操作。

上臂截断电路和下臂截断电路连接在驱动信号发生电路与上臂光电耦合器和下臂光电耦合器之间，并且以这样的方式使上臂截断电路和下臂截断电路冗余化：截断至少上臂开关元件的驱动信号或下臂开关元件的驱动信号。

合乎需要的是，故障检测电路连接在上臂截断电路和下臂截断电路的输出侧，并且故障检测电路的输出信号被反馈给驱动信号发生电路。而且，合乎需要的是，驱动信号发生电路向外部输出基于故障检测电路的输出信号产生的故障检测信号。

优选的是，故障检测电路包括由例如各自连接在上臂截断电路和下臂截断电路的输出侧与直流电源之间的多个二极管形成的线“或”电路(wired OR circuit)，并且线“或”电路的输出信号被反馈给驱动信号发生电路。

根据本发明，通过将上臂截断电路和下臂截断电路安装在控制单元上，可以使截断功能在控制单元内完结，并且不存在驱动单元的电路配置变得复杂或尺寸增加的危险。而且，由于可以通过仅替换控制单元来构成符合或不符合安全标准的逆变器装置，所以可以根据所需的安全规格来灵活地提供产品。

此外，通过减少需要被截断的驱动信号的数目，可以实现电路配置的简化以及配线数目的减少。

而且，通过使用具有相互反转的逻辑的截断信号来使上臂截断电路和下臂截断电路运转，即使在上和下臂截断信号之间发生短路故障的情况下，也可以通过利用可靠地停止电动机的安全转矩停止(STO)功能来进一步提高逆变器装置的安全性。

附图说明

图1是示出本发明的实施例的框图；

图2是示出本发明的工作实例的电路图；

图3A是示出在工作实例中正常时的截断操作的时序图；

图3B是示出在工作实例中截断时的操作的时序图；

图3C是示出在工作实例中截断时的操作的时序图；

图4是示出第一现有技术的框图；

图5是示出第二现有技术的框图；并且

图6是示出第三现有技术的框图。

具体实施方式

在下文中，将基于附图给出本发明的实施例的说明。图1是示出该实施例的配置的框图。

在图1中，300是驱动充当负载的电动机200的逆变器装置。逆变器装置300包括端子座单元400、控制单元500和驱动单元600。

用于将来自外部的截断信号S 1分成两个信号并将这两个信号输入到控制单元500中的信号输入元件401和402设置在端子座单元400上。在图1中，信号输入元件401和402被显示为二极管。

使截断信号S1之一的逻辑反转的反相电路501设置在控制单元500上，反相电路501的输出信号S2被输入到充当驱动信号发生电路的CPU 510中，并且还输入到上臂截断电路520中。同样，另一个截断信号S1作为具有未改变的逻辑的信号S3被输入到CPU 510和下臂截断电路530中。

在这里，以与信号S1相同的方式，也将信号S2和S3称作截断信号。

三个上臂门信号S4从CPU 510输出。门信号S4经过上臂截断电路520，并作为门信号S6被输入到驱动单元600中所包括的上臂光电耦合器610中。以相同的方式，三个下臂门信号S5从CPU 510输出。门信号S5经过下臂截断电路530，并作为门信号S7被输入到驱动单元600中所包括的下臂光电耦合器620中。

而且，故障检测电路540连接到各截断电路520和530，故障检测电路540的输出信号(反馈信号)S8被输入到CPU 510中。在这里，故障是指例如这种状态：截断信号S2或S3、门信号S6或S7或者反馈信号S8不变地固定在低电平或高电平。

驱动单元600包括光电耦合器610和620以及三相IGBT桥接电路630，上臂光电耦合器610将门信号输出到构成IGBT桥接电路630的上臂IGBT U、V和W，并且下臂光电耦合器620将门信号输出到下臂IGBT X、Y和Z。

在本实施例中，示出了将IGBT用作半导体开关元件的情况，但是也可以使用FET或其它半导体开关元件。而且，在本实施例中，IGBT桥接电路630与上和下臂光电耦合器610和620一起安装在驱动单元600上，但是IGBT桥接电路630也可以安装在与驱动单元600分立的单元上。

工作实例1

接下来，图2是前述实施例的具体工作实例的电路图。在图2中，相同的附图标记将赋予给与图1中描绘的各单元相对应的各组件。

在图2中，701是使截断信号S1发出的开关，它是例如如前所述检测某人已经接近制造线的事实的光幕的开关。开关701的一端连接到控制单元500中所包括的直流电源503，通过使通常开通的开关701关断，截断信号S1经由端子座单元400被输入到控制单元500中。

包括在端子座单元400中的401a和402a是与信号输入元件401和402相对应的信号线。

在控制单元500上，501是使截断信号S1之一反转的反相电路，从反相电路501输出的截断信号S2被输入到CPU 510和上臂截断电路520中。502是传输具有未改变的逻辑的另一个截断信号S1的信号传输电路，从信号传输电路502输出的截断信号S3被输入到CPU 510和下臂截断电路530中。

这里，反相电路501和信号传输电路502可以使用例如光电耦合器来构成。

连接器551连接在反相电路501和信号传输电路502的输出侧。连接器551用于将截断信号S2和S3以及反馈信号S8传输到外部。

同样如图1中所示，来自CPU 510的三个上臂门信号S4和三个下臂门信号S5被分别输入到上臂截断电路520和下臂截断电路530中。各截断电路520和530由例如具有输出使能门(output enable gate)的三态缓冲器形成，其中使能门为低电平有效(负逻辑)的电路构成上臂截断电路520，而使能门为高电平有效(正逻辑)的电路构成下臂截断电路530。

从上臂截断电路520输出的门信号S6被输入到驱动单元600中所包括的上臂光电耦合器610中，并且从下臂截断电路530输出的门信号S7被输入到下臂光电耦合器620中。

从上臂光电耦合器610输出的门信号被施加到IGBT桥接电路630中的上臂IGBT U、V和W，并且从下臂光电耦合器620输出的门信号被施加到下臂IGBT X、Y和Z。在图2中，仅示出三相中的一相，即IGBT U和X，并且省略了IGBT的其它相。

故障检测电路540连接在各截断电路520和530的输出侧，作为故障检测电路540的输出信号的反馈信号S8被输入到CPU 510中。

故障检测电路540包括例如构成线“或”电路的二极管541和542。二极管541和542的被共接的阳极经由上拉电阻器545连接到直流电源。而且，二极管541的阴极连接到上臂截断电路520的输出端子，并且二极管542的阴极连接到下臂截断电路530的输出端子。

二极管541和542的阳极经由三态缓冲器543和缓冲器544连接到CPU 510的反馈信号输入端子。三态缓冲器543的使能门经由上拉电阻器546连接到直流电源。

CPU 510基于反馈信号S8而产生故障检测信号S9，并且故障检测信号S9从端子座单元400的输出端子403输出到外部。

接下来，将参照图3A至3C的时序图，给出工作实例的操作的说明。

例如，当在逆变器装置300使电动机200运转期间，光幕检测到有人已经接近制造线时，开关701被关断。与此同时，截断信号S1被输入到反相电路501和信号传输电路502中。

此时，具有相互反转的逻辑的截断信号S2和S3分别从反相电路501和信号传输电路502发出，截断信号S2被输入到上臂截断电路520的使能门中，并且截断信号S3被输入到下臂截断电路530的使能门中。

由于该原因，各截断电路520和530的输出侧具有高阻抗，并且各截断电路520和530的输出端子实质上与上臂光电耦合器610和下臂光电耦合器620隔断，这意味着上臂和下臂门信号S6和S7停止输入到光电耦合器610和620中。

因此，当在反相电路501、信号传输电路502、截断电路520和530等中不存在故障并且它们中的每一个都正常工作时，IGBT桥接电路630中的所有IGBT U、V、W、X、Y和Z都被关断，并且IGBT桥接电路630的运转停止，进而电动机200的运转停止。

而且，即使在例如上臂截断电路520中存在故障的情况下，只要下臂截断电路530正常工作，输入到下臂IGBT X、Y和Z的所有门信号S7也会被截断，这意味着IGBT桥接电路630和电动机200的运转被可靠地停止。通过以这种方式使门信号截断功能具有冗余，可以提高系统的安全性能。

图3A是示出前述截断操作的时序图，门信号S4至S7被显示为PWM信号。

接下来，作为电路故障的一个实例，将说明发生故障时的操作，其中输入到上臂截断电路520的截断信号S2被不变地固定在低电平。

如图3A中所示，由于截断信号S1的输入，截断信号S2应该从低电平正常地反转成高电平。然而，在例如在截断信号S2和S3之间发生短路故障并且截断信号S2的电平被下拉到截断信号S3的电平的情况下，截断信号S2被不变地固定在低电平，如图3B所示。

在这种情况下，由于上臂截断电路520为低电平有效，所以门信号S6被输出，但是另一个正常截断信号S3(低电平)被输入到下臂截断电路530中，以与图3A所示相同的方式，输入到下臂IGBT的门信号S7被截断。因此，即使在截断信号S2和S3之间发生短路故障的情况下，也可以实现消除电动机转矩的安全转矩停止(STO，safety torqueoff)功能，而不受短路故障的影响。同时，高电平反馈信号S8从故障检测电路540输入到CPU 510中，并且CPU 510基于反馈信号S8以及截断信号S2和S3而开通故障检测信号S9并将其输出到外部，如图3B所示。

作为电路故障的另一实例，将说明在截断信号S2和S3之间发生短路故障，截断信号S3的电平被上拉到截断信号S2的电平，并且输入到下臂截断电路530的截断信号S3被不变地固定在高电平时的操作。

如图3A中所示，由于截断信号S1的输入，截断信号S3应该从高电平正常地反转成低电平。然而，如图3C中所示，截断信号S3被不变地固定在高电平。

在这种情况下，由于下臂截断电路530为高电平有效，所以门信号S7被输出，但另一个正常截断信号S2(高电平)被输入到上臂截断电路520中，以与图3A中所示相同的方式，输入到上臂IGBT的门信号S6被截断。因此，即使在截断信号S2和S3之间发生短路故障的情况下，也可以实现消除电动机转矩的安全转矩停止(STO)功能，而不受短路故障的影响。同时，高电平反馈信号S8从故障检测电路540输入到CPU 510中，并且CPU 510基于反馈信号S8以及截断信号S2和S3而开通故障检测信号S9并将其输出到外部，如图3C所示。

尽管将不再给出详细说明，即使在门信号S6或S7或者反馈信号S8被固定在高电平或低电平的这种情况下，也可以利用故障检测电路540和CPU 510来检测出故障。

根据该工作实例，通过将上臂截断电路520和下臂截断电路530安装在控制单元500上，可以使截断功能在控制单元500内完结，并且不存在驱动单元600的电路配置变得复杂或尺寸增加的危险。而且，由于可以通过仅替换控制单元500来构成符合欧洲标准“EN954-1”等的安全标准的逆变器装置以及不符合安全标准的逆变器装置，所以可以根据所需的安全规格来灵活地提供产品。

此外，在例如三相逆变器装置的情况下，为了实现消除电动机转矩的安全转矩停止(STO)功能，这样的配置是足够的：上臂和下臂截断电路520和530各自截断三个门信号(总共六个)。即，对于图5的前述已知技术，六个门信号(总共12个)由双重的各截断电路112和113截断，而对于本工作实例，由于信号的数目减少了一半，所以可以简化截断电路和配线。

而且，在图1和2中，由于使用具有相互反转的逻辑的截断信号S2和S3来使截断电路520和530运转，所以可以通过利用安全转矩停止(STO)功能来进一步提高逆变器装置的安全性，其中安全转矩停止(STO)功能通过截断门信号来可靠地停止电动机，而不受截断信号S2和S3的短路故障的影响。

不管逆变器装置的相数如何都可以适用的本发明可以应用在例如三相逆变器或单相逆变器中。而且，不限于在工厂制造线上驱动电动机的情况，本发明还可以用在驱动各种产业用或家用的负载的逆变器装置中。

Claims (5)

1.一种逆变器装置，包括：

由多个桥接的半导体开关元件形成的桥接电路；

具有上臂光电耦合器和下臂光电耦合器的驱动单元，所述上臂光电耦合器和所述下臂光电耦合器分别输出用于开通和关断所述桥接电路的上臂半导体开关元件和下臂半导体开关元件的驱动信号；以及

包括驱动信号发生电路的控制单元，所述驱动信号发生电路产生所述驱动信号，并将所述驱动信号供应给所述上臂光电耦合器和所述下臂光电耦合器，其中

所述控制单元包括上臂截断电路和下臂截断电路，所述上臂截断电路和所述下臂截断电路根据从外部输入的截断信号，分别截断所述上臂半导体开关元件的驱动信号和所述下臂半导体开关元件的驱动信号，并且

所述上臂截断电路和所述下臂截断电路根据具有相互反转的逻辑的所述截断信号来执行截断操作。

2.如权利要求1所述的逆变器装置，其中

所述上臂截断电路和所述下臂截断电路连接在所述驱动信号发生电路与所述上臂光电耦合器和所述下臂光电耦合器之间。

3.如权利要求2所述的逆变器装置，其中

故障检测电路连接在所述上臂截断电路和所述下臂截断电路的输出侧，并且所述故障检测电路的输出信号被反馈给所述驱动信号发生电路。

4.如权利要求3所述的逆变器装置，其中

所述驱动信号发生电路向外部输出基于所述故障检测电路的所述输出信号产生的故障检测信号。

5.如权利要求3所述的逆变器装置，其中

所述故障检测电路包括连接在所述上臂截断电路和所述下臂截断电路的输出侧与直流电源之间的线“或”电路，并且所述线“或”电路的输出信号被反馈给所述驱动信号发生电路。

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