CN102404262B - 用于运行功率半导体的驱动器的pwm输出端的方法 - Google Patents

用于运行功率半导体的驱动器的pwm输出端的方法 Download PDF

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Abstract

用于运行功率半导体的驱动器的PWM输出端的方法，用来在功率半导体的驱动器(2)的PWM输出端(4)输出模拟值(A)，在该方法中：-将模拟值(A)转换为固定PWM频率(fP)的具有两个信号电平(Hi、Lo)的PWM信号(6)，并且-在二进制附加值(F)的非激活状态(0)下：-在PWM输出端(4)输出PWM信号(6)，或者-在附加值(F)的激活值(1)下：-在PWM输出端(4)一起输出PWM信号(6)和附加信号(18)，其中，作为附加信号(18)，以大于PWM频率(fP)的信号频率(fS)将PWM信号(6)当前的信号电平(Hi、Lo)与各自另一信号电平(Lo、Hi)交替输出。

Description

用于运行功率半导体的驱动器的PWM输出端的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行功率半导体的驱动器的PWM输出端的方法。
背景技术
功率半导体，例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)通常需要驱动器来对其进行驱控。驱动器将低功率的逻辑信号转换为高功率的开关信号，该高功率的开关信号然后能直接供应给功率半导体的开关输入端，例如，IGBT的栅极，并且最终对它进行开关。
驱动器在此通常除了具有其原有的开关功能，还具有不同的辅助功能。例如，在功率半导体上测量温度或者电压，即，模拟值，或者当驱动器或者半导体发生故障时生成是/否-错误信号，即，二进制的附加值。在此，常用的电压值为例如0-10V。驱动器不仅输出这样的模拟值，也输出二进制的附加值。为此，驱动器通常具有PWM输出端，用来以PWM信号形式输出模拟值。另外，二进制的值在附加的输出端输出。使用驱动器的客户按照自己的需求将有关的输出端接上，以便继续处理那里存在的信号。换句话说，在输出端上接着通向客户逻辑的传输链路。
模拟值在驱动器内转化为具有固定的PWM频率的PWM信号。在此，PWM输出端具有PWM信号的第一信号电平(Hi)和第二信号电平(Lo)，PWM输出端在这两个信号电平间交替。因为传输链路也只具有两个信号电平，其应理解为数字式的，并且例如能通过光波导实现。换句话说，要传输的模拟值或者模拟信号由发送器转换为具有固定频率的PWM信号。在此，在一个PWM时钟周期中，信号电平越长时间地处于1，需发送的模拟值越高。
在接收器侧，也就是说，在传输链路的末端，即在由客户连接的电路中，接收器为这两个信号电平的每一个又依次输出限定的电平。在此，接收器既能模拟式实现也能数字式实现。在模拟接收器中，接收的PWM信号例如通过低通滤波器(如RC环节)平滑成模拟输出值。在数字评价中，接收器对已知频率的PWM信号进行采样。在此，接收器的采样率决定其精度。
公知的是，二进制的附加值单独地在第二传输链路(其同样具有两个信号电平)，例如，第二光导纤维上传输。
发明内容
本发明具有以下任务，即，提供一种改善的用于运行功率半导体的驱动器的PWM输出端的方法。
该任务通过如下的方法解决，即，用于运行功率半导体的驱动器的PWM输出端的方法，其中：
将由所述驱动器输出的模拟值转换为固定PWM频率的具有第一信号电平和第二信号电平的PWM信号，并且
当由所述驱动器输出的二进制的附加值为第一非激活值时：将所述PWM信号在所述PWM输出端输出，
当所述附加值为第二激活值时：将所述PWM信号与附加信号一起在所述PWM输出端输出，其中，
作为附加信号，以大于所述PWM频率的信号频率，将根据所述PWM信号确定的第一信号电平或第二信号电平与各自另一信号电平轮流输出。
要由驱动器输出的模拟值像通常一样转化为具有第一和第二信号电平的、固定PWM频率的PWM信号。
根据本方法，在附加值具有它的第一值的情况下，PWM信号(如现有技术公知地，或者如通常一样)借助于两个信号电平通过传输链路传输。PWM信号即如通常一样在PWM输出端输出。
然而，如果附加值采用其另外一个，即第二值，则PWM信号和附加信号一起在PWM输出端输出。在此，附加信号以以下方式构成，即，以大于PWM频率的信号频率，输出根据PWM信号规则存在的第一或第二信号电平并与此轮流地或者说交替地输出各自另一信号电平。
换句话说，根据本发明，只要二进制的附加值采用其第一(也叫做非激活的)值，PWM信号就如惯常地由驱动器输出。与此相反，当附加值的第二值出现或者存在时，附加在PWM信号上还有一个高频的(信号频率大于PWM频率)信号输出。换句话说，该附加的信号在于将当前的PWM电平高频地交替成另一电平。特别地，信号频率大大地大于PWM频率，即，例如以5倍、10倍、20倍、50倍、100倍或者更大。
模拟值是例如由驱动器在功率半导体上确定的温度值或者电压值。附加值是例如二进制的错误信号，该错误信号对于无错误的运行提供0作为第一值，否则提供1作为第二值。
换句话说，即，在附加值的第二值时，将迄今的PWM信号用相比较而言高频率的附加信号来重叠。
此外，在传输链路的末端，在PWM输出端输出的总信号可以被模拟地和/或者数字地评价。在此例如，附加信号通过模拟的高通器件与PWM信号分离，并且两个信号被分别评价。附加信号的数字评价能例如利用大于双倍信号频率的采样频率实现。与此相反地，PWM信号如公知那样通过适当的评价方法转换回模拟值。
通常情况下，附加值比模拟值具有更高的优先权。例如，尽快识别错误信号比在这个时间点上(即在出现归属于错误信号的错误时)也获知正确的温度更重要。因此在发送附加信号时可容忍的是：在那时，模拟信号，也就是说原有的PWM信号的评价结果失真。在这类情况下，模拟值具有次要的意义并且其信息允许被破坏。
但是希望的是，模拟值的信息即使在存在附加信号时也不被破坏。输出的PWM信号通常在接收器上通过评价方法转换回模拟值。该评价方法在下面假设是已知的。
在本方法的一个优选的实施方式中，在已知的评价方法下，在附加信号中，信号电平在PWM时钟周期内依赖于该评价方法以以下方式选择，即，使得模拟值作为该评价方法的结果保持一样。
因此，在评价方法结束时，模拟值不依赖于附加信号是否调制到PWM信号上地获得。换句话说，附加信号以以下方式设计，即，使得附加信号关于PWM信号或者其评价方法例如是零均值的，即，评价方法的结果不失真。因此，即使在传输附加信号时，模拟值也保持可评价或者说保持一样。
在存在附加信号时，信号电平需根据附加信号的设计(即，换句话说，条件，例如时间规则)来交替，对于这种设计有着不同的方案：
在第一方案中，附加信号仅仅只在PWM信号或者采用第一信号电平或者采用第二信号电平时才输出。对此的前提是，PWM信号中每个PWM时钟周期各自均具有两个信号电平。换句话说，即，附加信号只在PWM信号的Hi电平或者Lo电平期间传输。该方案特别适合于与传输链路末端的数字评价结合。在这个实施方式中，继续遵守原始PWM信号中电平更替的时间界限。因此，尽管有附加信号，数字评价仍然能可靠地识别PWM时钟周期内原始PWM信号的电平界限。因此，PWM的占空比以及由此模拟值能正确地重建。
在此，缺点却为，对附加信号中的信号更替的传输和探测可能会延迟上PWM信号的Hi电平或者Lo电平的最大持续时间，即，最大能延迟上大约一个PWM时钟周期。对于在附加值方面对时间要求特别严格的应用，该方案并不适合。
在另选的特别适合于在传输链路末端模拟评价的实施方式中，附加信号以以下方式选择，即，使得在PWM时钟周期内，在PWM信号的第一信号电平的时间间隔内由附加信号去除的信号部分在PWM信号的第二信号电平时利用由附加信号添补的信号部分来修复。
换句话说，在存在附加信号的情况下，信号电平的高频更替以以下方式选择，即，使得对于重建模拟信号重要的信号内容，特别是例如在PWM时钟周期中在信号分布曲线下的积分值保持一样。
例如，在PWM信号的Hi电平中，通过施加附加信号也产生Lo电平，这些Lo电平相对于原始的PWM信号减小了由信号覆盖的积分值。因此，在原始的PWM信号的Lo电平中，由附加信号在PWM时钟周期的剩余过程中生成附加的Hi电平，这些Hi电平又补偿上述被减小的积分值。
即使在存在附加信号时，该方法方案例如在对PWM信号低通滤波时，也始终获得PWM时钟周期内原始PWM信号的值。换句话说，附加信号以以下方式与PWM信号调谐，即，使得该PWM信号与评价相关的信号内容保持不变，并且由此评价方法提供不变的值。
在本方法的另外一个优选的实施方式中，附加信号的信号频率依赖于别的附加信息来改变。通过这种布置，并不只将二进制的附加信号传输为激活的或者非激活的。通过相应地选择的不同信号频率，能附加传输附加信号的不同的值。理想情况下，通过信号频率细微分级地改变或者连续地改变(附加于附加值以及至少作为对于原始模拟值的替换)，还能以频率编码的形式经由相同的传输链路传输另外的、与附加值耦合的模拟值。
附图说明
本发明的更深入的介绍参考附图中的实施例。其中分别在概要的原理草图中示出：
图1根据本发明的驱动器与评价电路，
图2PWM信号与附加信号。
具体实施方式
图1示出用于未示出的功率半导体的、具有PWM输出端4的驱动器2。在PWM输出端4处，功率半导体的温度作为模拟值A应被输出为PWM信号6。PWM信号的输出，即详细资料如时间等，按照驱动器2的制造商的规格实现。图1此外还示出作为接收器11的评价电路8，其由驱动器2的客户或者买家开发或者构建，用来将PWM信号6重新转化回模拟值A。PWM信号6的传输通过作为传输链路10的光波导实现。评价电路8包括传输链路10上接着的接收放大器12、模拟低通滤波器14和模拟放大器16。评价电路8由此模拟式地工作。
图2通过12比特值，即，0至212-1＝4095之间的值的传输的例子，详细地示出时间t上的PWM信号6。例如，在此，温度为0℃的相应值为0，以及300℃相应于4095的值。图2示出200℃的模拟值作为值2730的传输。PWM信号6具有恒定的PWM频率fP，即，每个PWM时钟周期7具有相同的周期持续时间TP。因此，根据公知的PWM方法，在一个PWM时钟周期内，2730/4095*TP久的“开”(On)时间Ton由较高的第一信号电平Hi占据，并且对于剩余的持续时间，即，“关”(Off)时间Toff＝TP-Ton＝4095-(2730/4095*TP)由较低的第二信号电平Lo占据。
额外地，驱动器2除此之外还应该输出二进制的附加值F，即错误信号，该错误信号能采用为0的第一值N(无错误)和为1的第二值E(错误)。根据本发明输出同样通过PWM输出端4实现。
图2中PWM信号6中，附加值F首先是非激活的，即，该附加值具有其等于0的第一值N。直到错误时间点tF时才在驱动器2上产生应该被传达的错误。因此，根据本发明，自错误时间点tF起，即，当错误信号F被激活或者采用其等于1的第二值E时，输出附加信号18。按照此附加信号18，以大于PWM频率fP＝1/TP的信号频率fS交替地将PWM信号6的根据原始的PWM信号有效的当前的信号电平Hi并与此轮流地将另一电平(这个情况下为Lo)通过传输链路10传输。这一直发生至On时间Ton的末端。在On时间Ton的末端，附加信号18的传输被中止直至下一个PWM时钟周期，以将信号保持在Lo。
对于图1中示出的具有低通滤波器14和高通滤波器22的信号评价的模拟方案，另选的，也能实现一种通过采样电路24的以虚线示出的数字评价，该采样电路24既能输出模拟值A也能输出探测的附加值F。
因为根据上述，信号中的PWM信息不被破坏，即Off时间Toff能被清楚地识别，所以模拟值A保持一样。这样，评价电路12仍然总是能输出正确的模拟值A。对于数字评价的情况，遵守On时间Ton的界限，从而使模拟值A能正确地被重建。
在上述评价电路18的模拟方案中，附加信号F的评价通过根据图1的在接收放大器21后分支的具有高通滤波器22的高通分支20实现。
在一个另选的实施方式中，附加信号18(以虚线示出)在Off时间Toff内还继续。换句话说，通过在Off时间Toff内插入附加信号18的额外的脉冲获得每个PWM时钟周期的整个信号的积分值W。也就是说，在On时间Ton内“缺失”的Hi信号部分，在Off时间Toff内补交或者补充，以便使模拟评价重新导致相同的模拟值A。原始PWM信号的由信号分布曲线覆盖的积分面积和用附加信号补充的信号分布曲线的积分面积于是相等。
在图2中，附加信号18具有固定的信号频率fS。在另选的，只是象征性示出的本发明的实施方法中，信号频率fS还能根据附加信息I来改变。换句话说，附加信息I于是被频率编码在信号频率fS中。在接收器方面或者客户方面，附加信息I则又能在高通分支20或者在采样电路24中从接收的PWM信号6和附加信号18中重建。
附图标记列表
2驱动器
4PWM输出端
6PWM信号
8评价电路
10传输链路
12接收放大器
14低通滤波器
16放大器
18附加信号
20高通分支
22高通滤波器
24采样电路
A模拟值
t时间
TP周期持续时间
fPPWM频率
TonOn时间
ToffOff时间
Hi、Lo信号电平
F附加值
tF错误时间点
fS信号频率
I附加信息
W积分值
N、E值

Claims (5)

1.用于运行功率半导体的驱动器(2)的PWM输出端(4)的方法，其中：
将由所述驱动器输出的模拟值(A)转换为固定PWM频率(fP)的具有第一信号电平(Hi)和第二信号电平(Lo)的PWM信号(6)，并且
当由所述驱动器输出的二进制的附加值(F)为第一非激活值(N)时：将所述PWM信号(6)在所述PWM输出端(4)输出，
当所述附加值(F)为第二激活值(E)时：将所述PWM信号(6)与附加信号(18)一起在所述PWM输出端(4)输出，其中，
作为附加信号(18)，以大于所述PWM频率(fP)的信号频率(fS)，将根据所述PWM信号确定的第一信号电平(Hi)或第二信号电平(Lo)与各自另一信号电平(Lo、Hi)轮流输出。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，输出的所述PWM信号(6)在接收器(11)处通过已知的评价方法转换回所述模拟值(A)，其中，在所述附加信号(18)中，所述信号电平(Hi、Lo)在PWM时钟周期(7)内依赖于所述评价方法以以下方式选择，即，使得所述模拟值(A)作为所述评价方法的结果保持一样。
3.按照权利要求2所述的方法，其中，每个PWM时钟周期(7)具有两个信号电平(Hi、Lo)，其中，所述附加信号(18)仅仅只在所述PWM信号(6)采用所述第一信号电平(Hi)或者所述第二信号电平(Lo)时才输出。
4.按照权利要求2所述的方法，其中，所述附加信号(18)以以下方式选择，即，使得在PWM时钟周期(7)内，在所述PWM信号(6)的第一信号电平(Hi)中由所述附加信号(18)去除的信号部分在所述PWM信号(6)的第二信号电平(Lo)时利用由所述附加信号添补的信号部分来修复。
5.按照前述权利要求之一所述的方法，其中，使所述附加信号(18)的所述信号频率(fS)依赖于附加信息(I)来改变，所述附加信息(I)被频率编码在所述信号频率(fS)中。
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