CN102301252A - 用于组件的电位隔离的功能检查 - Google Patents

Abstract

对于半导体组件(31)提供了一种用于功能检查的方法和电路。功能检查通过使用变压器(33)电位隔离地进行。所述检查本身基于对电容器和电感器的串联电路(44)与半导体组件本身的、取决于频率的阻抗的确定。该阻抗受到半导体组件的传导状态的强烈影响，即，受到其瞬时的导通性或截止性影响。

Description

用于组件的电位隔离的功能检查

技术领域

本发明涉及一种用于功能检查的方法以及一种用于半导体开关的功能检查电路，特别是用于电动车辆中的使用。

背景技术

永磁激励的同步电机(PSM)例如在电动汽车中用于驱动。在那里(也可以在其他应用中)其按照场衰减运行被使用，即，磁场通过场衰减的电流减小。由此可以达到更高的转数。在电动汽车中作为用于PSM的运行的驱动系统例如还设置DC蓄电池和在蓄电池与PSM之间的、用于将单相的蓄电池电压转换为三相的电动机电源的转换器。

在PSM的高转数的情况下导致在前连接的转换器的故障，结果缺少场衰减的电流。只要转数保持高，也就是至少对于短的时间，通过电动机的磁铁感应出一个电压，该电压高于正常的和期望的中间电路电压或蓄电池电压。然而在目前的蓄电池的情况下，太高的电压是毁坏性的。

用于保护蓄电池的可能结构在于，在转换器和蓄电池之间设置一个或多个二极管和与二极管并联的一个或多个半导体开关。在此特别具有优势的是，在任何时候都可以断开半导体开关。

提高可靠性的一种可能性是使用冗余的半导体开关。然而由此相应于所使用的附加的半导体开关的数量而提高了在半导体开关中损失的电损耗功率。避免该缺陷的一种可能性在于检查半导体开关是否是能工作的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种功能检查电路，借助该功能检查电路可以以简单的方式确定组件的工作能力。

关于检查方法，上述技术问题通过具有权利要求1的特征的检查方法解决。关于检查电路，上述技术问题通过具有权利要求6的特征的检查电路解决。

在按照本发明的用于组件的功能检查的方法中，将组件与检查电路相连，其中，检查电路包括变压器。可以理解的是，合适地一次地进行连接并且由此将检查电路电固定地与待检查的组件相连。于是检查电路是电子结构的固定的组成部分，在该电子结构中还设置了组件。但是还可以当要进行检查时才建立连接。

此外在检查电路中产生交流电压。该交流电压在检查电路中根据为此的通常的规则传播并且传播到组件中。检查电路内不同的点处的交流电压的幅值取决于检查电路的具体结构、组件的尺寸、交流电压的频率和组件的传导状态(Leitungszustand)。

组件的传导状态在此例如可以是组件导通的状态。在诸如IGBT之类的半导体开关的情况下这意味着该半导体开关接通并且在IGBT上仅降落剩余电压。IGBT的输出电容(该输出电容影响对于交流电压的取决于频率的阻抗)于是短路。

在诸如IGBT之类的半导体开关的情况下，还存在另一个截止的传导状态，对于该截止断开IGBT。在该情况下IGBT的输出电容不短路并且与对于交流电压的取决于频率的阻抗一起作用。

传导状态的另一个例子是通过二极管导通或通过二极管截止。在此传导状态通常不受控制所影响，而是仅通过在二极管上的现有的电压差来调整。尽管如此，传导状态还是可以通过其对检查电路和二极管的取决于频率的阻抗的影响来确定。

如已经结合例子描述的，按照本发明从检查电路和组件的对于交流电压的共同的阻抗来确定组件的传导状态。

用于组件的功能检查的本发明检查电路为此具有变压器。此外还设置至少一个用于产生具有可确定的频率的交流电压的馈入电路。最后设置至少一个用于确定在该频率下检查电路的和组件的阻抗的测量电路。

按照本发明的方法和按照本发明的检查电路的优点是，二者都允许对组件的传导状态进行电位隔离的检查。在组件短时地被施加高的电压时，这是特别具有优势的。例如在电动汽车的情况下就是这样，在该电动汽车中在蓄电池和转换器之间的中间电路电压可以为600V或更高。在这些情况下，传导状态的确定和以接近地的电压电平将相应的信号电传输到例如微处理器是可能的。由此对于人员的访问明显改善结构的安全性。

在此合适的是，这样构造检查电路，使得测量电路布置在变压器的初级侧，而组件与次级侧相连。也就是说，测量电路与组件电位隔离地布置并且避免其他方式的电位隔离，例如以光学方式。

为了确定检查电路和组件对于交流电压的共同阻抗，优选选择组件的待检查的传导状态并且对于交流电压选择一个频率，该频率与待检查的传导状态

匹配。传导状态例如是电导通的状态，例如在半导体开关的情况下在接通的状态时的情况。该传导状态的另一个例子是二极管，其中在二极管两侧的电压是这样的，使得二极管导通。对于另一个传导状态的例子是截止状态，该截止状态发生在断开的半导体开关的情况下或者在当电压在二极管的两侧相应调整时的二极管的情况下。

在频率的选择中存在尽可能大的自由性。组件的传导状态原则上影响检查电路的和组件的对于交流电压的取决于频率的共同阻抗。组件在导通的状态下对阻抗仅贡献微不足道的电容，因为组件的固有电容通过组件本身短路。组件在该情况下对阻抗贡献最大程度的电阻分量。在截止状态下则相反。在此组件对阻抗贡献最大程度的电容性的或必要时还有电感性的分量。即，如果组件不是处于待检查的传导状态下，则共同阻抗几乎总是与在待检查的传导状态下不同。

但是特别具有优势的是，这样选择频率，使得在待检查的传导状态下阻抗几乎为零。由此产生特别明显的信号并且可以探测组件与其通常的特性的稍微的偏离。

为了获得接近零的阻抗，合适的是，检查电路除了变压器之外还具有至少一个串联电容器和一个串联电感。它们优选互相串联并且与变压器串联连接。检查电路的该结构优选导致共振频率的存在，在该共振频率下阻抗实际上为零。共振频率在此除了别的之外取决于组件的阻抗，即，取决于其传导状态。优选选择在待检查的传导状态的情况下的共振频率作为对于交流电压的频率。

检查电路或检查方法特别适合于可关断的组件，例如诸如MOSFET或IGBT之类的半导体开关。检查电路或检查方法同样还适合于诸如二极管之类的组件，其虽然不是直接可控的，但是可以通过其他方式改变其传导状态。这些组件具有至少两个不同的传导状态。原则上还可以，对单个部件的组应用检查电路或检查方法。例如还可以检查由IGBT和二极管组成的并联电路。在该情况下，所有存在的部件影响共同阻抗。

在此检查电路和检查方法的使用绝不限于本文开头描述的电动车辆领域，而是可以通用地采用该方法。

通过对于两种传导状态分析各自产生的阻抗，可以利用交流电压来检查这两种传导状态。在此通过选择相应的共振频率，可以将交流电压的频率与这两种传导状态匹配。阻抗在该传导状态下为零或几乎为零并且在另一种传导状态下取另外一个值。在该情况下，检查电路合适地仅包括一个用于产生交流电压的装置并且结构尽可能简单。

同样可能的是，通过例如对于检查始终选择合适的共振频率，将交流电压的频率与分别恰好呈现的待检查的传导状态匹配。由此非常精确的测量总是可能的。同样在该情况下检查电路合适地仅包括一个用于产生交流电压的装置，然而这样构造该装置，使得频率是可变更的。

第三种替换在于，产生两个或必要时更多个电压。为此，检查电路优选包括两个或多个用于产生交流电压的装置。然后可以优选将这些频率与每一个待检查的传导状态匹配，即，例如选择各个共振频率。在用于产生交流电压的装置中不需要进行频率转换。

利用在检查电路中设置的至少一个测量电路进行阻抗的确定。测量电路优选包括频率滤波器、特别是高通或低通滤波器，以便将交流电压的信号与其他信号分离。特别具有优势的是，同时产生多个不同频率的交流电压。为了获得在测量电路中的基本上相应于阻抗的电压信号，合适的是，测量电路连接到检查电路的一个相应于分压器的中间点的点上。在此，馈入电路的输出电阻是分压器的一个电阻并且检查电路的其他元件，即，变压器和组件和诸如串联电容器和串联电感之类的其他元件是分压器的另一个电阻。

检查电路的一种可能的采用方案是具有过压保护装置的转换器电路，具有：

-用于将单相的电压转换为三相的电压的转换器，

-在转换器的单相侧设置的二极管，

-与二极管并联的半导体开关，

-与转换器电路的单相的输入侧相连的单相的蓄电池，和

-按照上述权利要求中任一项所述的用于二极管和半导体开关的检查电路。

这样的转换器电路例如用于诸如电动汽车之类的电动车辆。作为半导体开关优选使用IGBT。目前典型地作为成品的组件可以获得具有并联的二极管的IGBT。替换地，使用MOSFET作为半导体开关。该MOSFET由于其结构而已经包含了一个二极管。即，合适地在使用MOSFET的情况下不再需要独立的二极管，二极管是MOSFET的一部分。

二极管在此合适地嵌入到转换器的对于正电压的输入导线中，即转换器的单相侧的相接头(Phasenanschluss)。此外优选这样嵌入二极管，使得二极管允许电流流入转换器而截止从转换器侧来的正电压。

转换器电路通过二极管而保护连接到单相侧的设备免于过载，例如保护汽车蓄电池免于过载。但同时通过并联布置的半导体开关而允许跨接二极管，例如允许从转换器的方向到蓄电池的反馈。

优选可以在驱动系统中使用转换器电路。该驱动系统除了转换器电路之外具有至少一个电动机，该电动机例如是特别对于场衰减运行构造的永磁激励的同步电机。电动机合适地与转换器电路的三相的输出侧相连。此外具有至少一个单相的蓄电池。该蓄电池与转换器电路的单相的输入侧相连。在此对于保护蓄电池免于过压来说合适的是，正的蓄电池接头通过二极管与转换器电路相连。这样的驱动系统例如可以用于诸如电动汽车之类的电动车辆。

驱动系统优选具有用于确定代表了转换器的单相的输入侧上的电压的装置。例如该装置可以存在于用于在转换器的范围内设置的中间电路电容器上进行电压测量的装置中。

在对于驱动系统的优选运行方法中，在电动机运行状态下从蓄电池对电动机进行馈电。即在该步骤中合适地进行电动机的驱动，这相应于“给油”。在另一个状态下，即反馈运行状态下，进行通过电动机对蓄电池的馈电。在电动车辆的情况下，该状态典型地在制动时发生。在制动时试图从车辆的运动中重新获得尽可能多的能量并且存储到蓄电池中。在此在反馈运行状态下接通半导体开关。即，如果要进行反馈，则将转换器电路的二极管(该二极管在其他情况下对于反馈是截止的)通过半导体开关跨接。最后在转换器故障的情况下断开半导体开关。由此又结合截止的二极管防止了蓄电池被过载。

对于转换器的故障的确定，存在不同的可能性。因为对于本方法重要的是，避免蓄电池的过压，所以优选确定代表了转换器的单相的输入侧的电压的值并且，只要该值至少达到阈值，则确定转换器的故障并且由此合适地断开半导体开关，如果他是接通的话。例如为此可以测量在设置在转换器的单相侧上的中间电路电容器上的电压。

如果半导体开关在发生转换器故障的情况下是接通的，则二极管无需其他动作就可防止过压传递到蓄电池。在该情况下防止半导体开关例如在制动过程中被接通。

具有优势的是，转换器本身这样构造，使得其可以经受住在缺少场衰减的电流的情况下可能出现的电压。于是不需要对于转换器本身的单独的保护。

仍采用检查电路，以便能够在任何时候都能确定，半导体开关和二极管实际上是否取其期望的或预计的传导状态。在此为了检查二极管的导通性，蓄电池电压必须大于中间电路电压。在电动机运行状态下，即在加速情况下是这样。为了检查截止性，中间电路电压必须大于蓄电池电压。该情况在从电动机向蓄电池反馈时发生。半导体开关和二极管然后记录由中间电路电压和蓄电池电压形成的差电压。然后例如通过半导体开关的主动的接通来检查半导体开关的开关性能。特别具有优势的是，在电动机运行状态下，即，在“给油”期间，将转换器短时地切换到反馈状态。在短时的切换期间，检查半导体开关的功能。在此切换的时间优选短，使得不发生电动车辆的可以察觉的延迟。

附图说明

以下借助附图详细解释本发明优选的，然而绝不是限制性的实施例。在此特征是示意性示出的并且相应的特征利用相同的附图标记表示。其中，

图1示出了检查电路，

图2示出了具有检查电路的驱动系统，

图3示出了用于驱动系统的驱动方案，

图4示出了检查电路的阻抗的取决于频率的特性。

具体实施方式

图1示意性示出了用于半导体开关31的示例性的检查电路11的结构。半导体开关31可以是任意类型并且由此在图1中仅作为简单的开关示出。半导体开关31的取决于电压的输出电容在此作为附加的电容器41示出。

检查电路11本身具有与半导体开关31并联设置的附加电容器32。该附加电容器用于放大半导体开关31的取决于电压的输出电容并由此独立于电压。在附加电容器32之后设置串联电路44。该串联电路具有串联连接的第一串联电容器34、变压器33、串联电感35和第二串联电容器36。在串联电路44之后连接第一和第二交流电压源37、38，它们互相并联连接并且连接到串联电路44。此外第一和第二测量位置39、40与串联电路44的末端相连。

串联电路44的组件与半导体开关31一起形成取决于频率的阻抗。分析该阻抗的特性，以便识别，半导体开关31的开关状态是否相应于期望的开关状态，根据半导体开关31种类的不同，该开关状态例如通过在其控制极(Gate)上施加的电压来确定。

为了解释工作方式，参考图4。图4示出了串联电路44和半导体开关31的总阻抗随频率的变化。在此具有在第一测试频率下的阻抗最小值的第一曲线45相应于在闭合的半导体开关31的情况下的特性。相反，具有在第二测试频率下的阻抗最小值的第二曲线46相应于在打开的半导体开关31的情况下的特性。因为在闭合的开关的情况下其输出电容是短路的，所以第一测试频率低于第二测试频率。

这样运行第一交流电压源37，使得其产生具有作为频率的第一测试频率的交流电压。这样运行第二交流电压源38，使得其产生具有作为频率的第二测试频率的交流电压。在此可以同时地、交替地、一直地或仅在特定的测试时间运行交流电压源37、38。

从串联电路44的和半导体开关31的取决于频率的阻抗，与半导体开关31的开关状态(Schalterstellung)和集成到交流电压源37、38中的电阻相关地产生对于这两个交流电压的每一个的强度，该强度在该实施例中在串联电路44的面向交流电压源37、38的一侧被测量。

此外第一测量位置39具有低通滤波器42，该低通滤波器与使用的第一测试频率一致。在低通滤波器42之后连接二极管和互相并联连接电容器和电阻。在电阻上可以量取信号，该信号相应于在第一测试频率下串联电路44和半导体开关31的阻抗。如从图4可以获知的，该值在开关打开的情况下具有取决于单个组件的具体的特征和在半导体开关31上的电压的值。然而如果开关闭合，则该值实际上为零。

第二测量位置40又具有高通滤波器43，该高通滤波器与使用的第二测试频率一致。在高通滤波器43之后仍是二极管和互相并联的电容器和电阻。在电阻上可以量取信号，该信号在该情况下相应于在第二测试频率下串联电路44和半导体开关31的阻抗。如从图4可以获知的，该值在开关闭合的情况下具有取决于单个组件的具体特征和半导体开关31上的电压的值。当开关断开时，该值在此实际上为零。

即，两个测量位置39、40提供如下的明显提示：开关实际上是否表现为闭合的，即，导通的，并且由此在半导体开关31上的电压消失为直到一个取决于具体的半导体开关31的剩余值并且固有电容短路。同样可以确定，半导体开关31是否实际上表现为断开，即，截止。根据交流电压源37、38的运行种类的不同，可以连续地进行该检查。

本发明不限于半导体开关31的特定种类，而是对于任何种类的半导体开关31，诸如MOSFET、IGBT，但还有二极管都可以应用本发明。以下根据图2结合第二实施例描述特殊的应用。

在第二实施例中，考察用于电驱动的车辆的驱动系统，例如用于电动汽车的驱动系统。驱动系统具有以永磁激励的同步电机形式的电动机1。按照场衰减运行来运行电动机1。其三个相输入端以公知方式与转换器2的输出导线9相连。转换器2具有以常规的构造方式从电动机1的三条输出导线9的每一条出发两对分别并联连接的二极管和半导体开关，它们然后以公知形式综合为两条输入导线8。这两条输入导线8通过中间电路电容器3相连。

此外这两条输入导线8引导到DC蓄电池4的接头。在蓄电池4的正的接头和转换器2之间设置蓄电池保护装置6。蓄电池保护装置6由二极管5和与二极管5并联连接的IGBT 7组成。在此这样采用二极管5，使得其在离开蓄电池4的方向上导通并且在转换器2向蓄电池4的方向上截止。IGBT 7与控制装置10相连。控制装置10还具有用于电压测量的两条电连接线。由此可以测量在中间电路电容器3上降落的电压。

以下根据在图3示出的流程图解释驱动系统的运行。在此假定，在电动机启动步骤20中，启动此处考察的电动车辆。在电动机的情况下这不一定意味着电动机的实际的运转，例如在内燃机情况下那样，而是仅表示起始点。如果电动车辆是出车准备就绪的，则其处于中间状态，在该中间状态中，不进行从电动机的反馈，也不驱动电动机。该状态，即，空转，在后面总是出现，但是不再详细描述。

以下考察两种运行状态，这两种运行状态照例交替并且与已经提到的空转交替出现。在电动机启动20之后通常首先进行电动机运行22。在该步骤或运行状态，从蓄电池4对电动机1馈电，以驱动电动车辆。在电动机运行22中断开IGBT7。

如果要制动电动车辆，则将驱动系统切换到制动运行23。然后在制动运行23中进行从电动机1向蓄电池4的反馈，以便对蓄电池4重新充电并且由此进行能量反馈。转换器2于是作为整流器使用。因为在该情况下二极管5截止地工作，所以在制动运行23中接通IGBT 7，以便跨接二极管5并且使得可以进行反馈。

控制装置10进行IGBT 7的通断。在此控制装置10测量在中间电路电容器3上降落的电压并且根据事先确定的用于电压的阈值来确定，转换器2是否正常地工作。如果转换器2发生故障，则缺少场衰减的电流并且电动机1中的磁铁在输出导线9中感应出一个提高的电压。如果在转换器2上的该电压被传输到输入导线8，则该电压会导致蓄电池4的损坏。然后控制装置10根据电压测量来确定，是否存在这样的故障情况21。如果存在故障情况21，则控制装置10断开IGBT 7。由此又禁止了在蓄电池4的方向上的电流传导，因为二极管5截止。由此避免了对蓄电池4的损坏。

对于电动车辆中蓄电池的功能，非常具有优势的是，在任何时候都确保，蓄电池保护装置6是能够导通和截止的。为了能够检查这一点，在图2的电路中插入一个用于蓄电池保护装置6的检查电路11，该检查电路在图2中仅简化地表示。检查电路11允许持续地或周期性地检查蓄电池保护装置6的实际的传导状态。因为正是在电动车辆中在蓄电池保护装置6的范围中会出现高于600V的电压，所以特别具有优势的是，此处由于变压器33而可以电位隔离地进行检查。由此可以以接近地的电位来运行检查电路11的在变压器的那一边的部分，特别地还有测量位置39、40和由此必要时相连的分析处理器，不管该分析处理器是现在额外地对于检查电路11设置的还是与另一个已经存在的微处理器一起使用。

在第二实施例中对于二极管5的导通性的检查必要的是，蓄电池4的电压高于中间电路电压。在电动机运行22中就是这样。相反对于截止性的检查，中间电路电压必须高于蓄电池4的电压。这在制动运行23，即，向蓄电池4的反馈中就是这样。在该情况下，通过断开和接通IGBT 7，既可以检查IGBT 7的截止能力也可以检查导通能力。

为了在电动机运行22期间也可以检查IGBT 7的截止性和导通性，在本发明的该实施例中在电动机运行22期间短时地切换到制动运行23。在此合适地不进行任何机械的制动，而是仅短时地使用制动运行23，以便在中间电路中产生一个电压，该电压超过蓄电池4的电压。由此在到制动运行23的短的切换时间期间可以进行对IGBT 7的检查。到制动运行23的切换的持续时间在此合适地为，一方面使得可以进行对IGBT 7的检查，另一方面通过电动车辆的机械组件的惯性确保了，对于车辆的驾驶者预计不会出现任何可以察觉的影响。

Claims (11)

1.一种用于组件(31，5，6，7)的功能检查的方法，具有步骤：

-将组件(31，5，6，7)与包括变压器(33)的检查电路(11)相连，

-在检查电路(11)中产生至少一个交流电压，

-确定检查电路(11)和组件(31，5，6，7)的对于交流电压的、取决于组件(31，5，6，7)的传导状态的阻抗，

-从所述阻抗中确定传导状态。

2.根据权利要求1所述的方法，还具有步骤：

-选择待检查的传导状态，

-为所述交流电压选择一个与待检查的传导状态匹配的频率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，这样选择所述频率，使得在待检查的传导状态下阻抗几乎为零。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用开关(31，7)作为组件(31，7)，并且选择两个待检查的传导状态，其中，待检查的第一传导状态代表接通的开关(31，7)，而待检查的第二传导状态代表断开的开关(31，7)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，产生两个交流电压。

6.一种用于组件(31，5，6，7)的功能检查的检查电路(11)，具有：

-变压器(33)，

-至少一个馈入电路(37，38)，用于产生具有可确定的频率的交流电压，

-至少一个测量电路(39，40)，用于确定检查电路(11)和组件(31，5，6，7)的在所述频率下的阻抗。

7.根据权利要求6所述的检查电路(11)，其中，所述馈入电路(37，38)与变压器(33)的次级线圈相连并且其初级线圈与组件(31，5，6，7)并联。

8.根据权利要求6或7所述的检查电路(11)，具有至少一个串联电容器(36)和至少一个串联电感(35)，它们与变压器(33)串联连接。

9.一种由至少一个组件(31，5，6，7)和根据权利要求6至8中任一项所述的检查电路(11)组成的电路。

10.根据权利要求9所述的电路，其中，所述组件(31，5，6，7)是半导体组件(5，7)或多个组件的组(6)。

11.一种具有过压保护装置(6)的转换器电路，具有：

-用于将单相的电压转换为三相的电压的转换器(2)，

-在转换器(2)的单相侧设置的二极管(5)，

-与二极管(5)并联的半导体开关(7)，

-与转换器电路的单相的输入侧相连的单相的蓄电池(4)，和

-按照上述权利要求中任一项所述的用于二极管(5)和半导体开关(7)的检查电路(11)。

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