CN103430470B - 用于检测与逆变器或相关机器相关的故障的系统 - Google Patents

Abstract

逆变器(111)包括第一对半导体装置(70，78)，所述第一对半导体装置具有开关端子，所述开关端子串联连接在直流总线的正端子(101)与负端子(99)之间。模拟接口(12)调节与半导体装置(70，78)的控制端子相关的测量节点(310)处的电压电平。模‑数转换器(14)具有用于接收测量节点(310)的调节的电压电平的模拟输入并输出每一个测量节点(310)的相应数字计数数据。数据处理器(22)适于根据数字计数与存储在数据存储器(24)中的与半导体装置(70，78)的开关状态对应的一个或多个参考范围的一致性检测逆变器中存在故障或不存在故障。

Description

用于检测与逆变器或相关机器相关的故障的系统

本文件在35U.S.C.119(e)下主张基于2011年3月21日提出申请的美国临时申请第61/454,690号并且题目为“SYSTEM FOR DETECTING A FAILURE ASSOCIATED WITH ANINVERTER OR ASSOCIATED MACHINE”的优先权。

技术领域

本发明涉及用于检测或诊断与逆变器或与逆变器相关的机器相关的故障的系统。

背景技术

在现有技术中，逆变器用于将直流数据总线上的直流(DC)电压转换成控制电动机的一个或多个交流信号。相反地，逆变器可以用于将从机器(例如，交流发电机或发电机)产生的交变电流转换成用于操作车辆或其它电动设备的直流电流。在一些现有技术结构中，逆变器包括在打开状态或关闭状态下可能会失效的一个或多个电源开关半导体。

一些现有技术可能试图在逆变器或机器在充分操作模式下以全功率操作之前检测逆变器或机器的故障或失效作为以小功率启动诊断过程的一部分。例如，一些现有技术系统具有以低于每当逆变器或机器开始或接通时逆变器的操作电压的电压运行的诊断过程周期。然而，这种现有技术系统不能够检测在前一诊断过程周期与下一个诊断过程周期之间的逆变器或机器的操作期间(或操作时间段)的故障。如此，需要一种用于在逆变器或机器的操作期间提供逆变器或机器的故障的实时检测的系统。

发明内容

根据一个实施例，系统能够检测与逆变器或与逆变器相关的机器相关的故障的系统。所述系统包括具有正端子和负端子的直流总线。逆变器包括具有开关端子的第一对半导体装置，所述开关端子串联连接在直流总线的正端子与负端子之间。模拟接口调节与半导体装置的控制端子相关的测量节点处的电压电平。模-数转换器具有用于接收测量节点的调节电压电平的模拟输入并输出相应的数字计数数据。数据处理器适于在数字计数数据与存储在数据存储器中的与半导体装置的开关状态对应的一个或多个参考范围不一致的情况下检测逆变器中的故障。相反地，数据处理器适于在数字数据计数与存储在数据存储器中的与半导体装置的开关状态对应的一个或多个参考范围一致的情况下检测逆变器中没有故障。

附图说明

图1是检测或诊断与逆变器相关或与逆变器相关的机器的故障的系统的一个实施例的方框图；以及

图2是检测或诊断与逆变器相关或与逆变器相关的机器的故障的系统的另一个实施例的方框图。

具体实施方式

根据一个实施例，图1显示了能够检测或诊断与逆变器或与逆变器相关的机器77相关的故障的系统111。系统111最适合用于实时地或在逆变器的操作模式(与预测试非操作模式不同)期间诊断、识别并分类逆变器(例如，功率级209)的失效。在操作模式中，逆变器(例如，功率级209)能够将直流电流转换成用于施加到机器177或用于控制机器177的电动机或电动机的一个或多个交流信号。在测试模式中，逆变器不能提供或输出用于施加到机器177或电动机的一个或多个交流信号。

在一个实施例中，系统111包括为直流总线98提供电能或直流电压的能量源109(例如，电池、燃料电池或机械驱动发电机)。直流总线98具有正端子101和负端子99。逆变器(例如，功率级209)可以具有一个或多个逆变器相(208，206和204)或切换部分，其中每一个相(208，206或204)或切换部分将单独的输出信号提供给逆变器的相应输出端子(304，306，308)。在一个实施例中，逆变器的每一个相(208，206或204)具有一对开关晶体管。开关晶体管被构造成从直流总线98接收直流电力。例如，逆变器功率级209的每一个相包括具有串联连接在直流总线98的正端子101与负端子99之间的开关端子(例如，集电极和发射极，或漏极和源极)的第一对半导体装置(例如，用于第一逆变器相208的70，78)。逆变器的一个或多个输出端子连接到负载机器177(例如，电动机)。

激励极10连接到开关晶体管(例如，用于第一逆变器相208的70，78)以根据电子数据处理系统16的命令数据控制开关晶体管。电子数据处理系统16可以经由数据端口18中的一个连接到车辆数据总线(未示出)。例如，车辆数据总线可以包括ISO(国际标准组织)兼容的数据总线或控制器局域网络数据总线以用于与一个或多个控制器、输入装置、或用于接收操作者输入(例如，用户输入速度或用于电动机的扭矩命令)的用户界面通信数据消息。激励极10控制开关晶体管以调节施加到机器177或电动机的输出信号，其中所述输出信号支持电动机或机器177的转速、扭矩、加速减速、或旋转方向。

模拟接口12连接到半导体装置的控制端子(半导体装置36，42，50，56，64，70，和78的基极或栅极)。例如，模拟接口12调节、平均或缩放在与相关半导体装置的控制端子相关的测量节点(310，312，314)处的电压电平。在图1的示例性示例中，测量节点包括用于第一逆变器相208的第一测量节点310、用于第二逆变器相206的第二测量节点312、用于第三逆变器相204的第三测量节点314、和用于制动电路202的第四测量节点316。在本文件中所述的图标中，参照直流总线98的负端子99的第一测量节点或其相关测量电压被称为Vpole_A；参照直流总线98的负端子99的第二测量节点312或其相关测量电压被称为Vpole_B；参照直流总线98的负端子99的第三测量节点或其相关测量电压被称为Vpole_C，以及参照直流总线98的负端子99的第四测量节点或其相关测量电压被称为Vpole_BC。

在一个实施例中，模拟接口12包括用于确定任何测量节点上的平均电压电平、中位数电压电平、或任何测量节点的均方根值的模拟平均电路。例如，可以参照直流总线98的负端子99测量任意测量节点上的任何这种电压电平。在一个实施例中，平均电压电平表示在参照采样周期或采样间隔期间估算的测量节点处的低压电平与高压电平之间的中点，其中所述采样周期或采样间隔可以参照由激励极10输出到功率级209的调制信号(例如，命令信号)的频率或周期限定。在另一个实施例中，平均电压电平还可以表示乘以在采样周期或采样间隔期间估算的测量节点的最小低压电平的绝对值和最大高压电平的绝对值的总和的一半。

在其它的实施例中，模拟接口12可以包括比例放大器、压缩放大器、或衰减放大器、或将施加到模-数转换器14的信号电平调节到用于处理的信号值的适当范围的另一个电路。

一个或多个模-数转换器14的输入连接到模拟接口12的输出。模-数转换器14具有用于接收测量节点(310，312，314，316)的已调节电压电平的模拟输入并输出相应数字计数数据115(例如，本文中所公开的图表中的ADC计数数据)或每个测量节点的相应电压数据。进而，模-数转换器14连接到电子数据处理系统16，所述电子数据处理系统可以存储测量的数字计数数据115，所述测量的数字计数数据还可以被称为存储的数字计数数据。

在数据处理系统16，数据处理器22适于在数字计数数据115与存储在数据存储器24中的与半导体装置的开关状态对应的一个或多个参考范围(例如，在类似于本文中所述的图标的诊断数据或查找表中)不一致的情况下检测到逆变器(例如，功率级209)中的故障。相反地，数据处理器22适于在数字计数数据115与存储在数据存储器24中的与半导体装置的开关状态对应的一个或多个参考范围一致的情况下检测到逆变器(例如，功率级209)中不存在故障。如在本文中所使用的，开关状态是指正确地起作用或未损坏的半导体装置是否处于活动的(“导通”或“关闭”)或不活动的(“断开”或“打开”)。例如，半导体装置的改变状态的故障可能会导致半导体装置在打开状态或关闭状态下的失效。

电子数据处理系统16可以控制能量源109或能量源109的开关电路107的电压电平输出以控制电压电平输出。虽然在能量源109的方框中示出了开关电路107，但是开关电路107可以：(1)与电池、发电机、或燃料电池单独地封装；或(2)作为中间物连接在能量源109、电池、发电机、或燃料电池与直流总线98之间，并且这种结构落入本文所附的权利要求的保护范围内。能量源109可以具有第一电压电平输出和第二电平输出，其中第二电平输出大于第一电平输出。在一个实施例中，第一电压电平可以包括等于或低于24伏直流的测试电压范围，而第二电压电平可以包括等于或大于48伏直流的操作电压范围。例如，测试电压范围主要用在用于测试在将全操作电压范围施加到直流总线98之前是否存在短路的测试模式中。

在一个实施例中，能量源109连接(例如，经由开关电路107)到直流总线98。开关电路107与能量源109相关联以用于在第一电压电平与第二电压电平之间或测试电压范围与操作电压范围之间调节直流总线98上的电压电平。数据处理系统16被构造成控制开关电路107以将直流总线98上的电压电平调节到目标电压电平。目标电压电平可以与诊断数据26或数据存储器24中的故障分类器113的软件指令相一致。

电压电平检测器103连接到直流总线98的至少一个端子。电压电平检测器103检测由能量源109施加到直流总线98的电压电平(例如，第一电压电平，第二电压电平，或测量的DC总线电平数据117)。电压电平检测器103的特征可以是电压压缩、对电压进行比例缩放、或用于调节直流总线98上的电压的其它技术以用于测量目的并通过辅助模-数转换器105或数据处理器22进行处理。

在一个实施例中，如图1所示，电压电平检测器103可以连接到用于将检测到的电压电平转换成相应的高压电平或相应的低压电平或以其它方式设置DC总线状态的辅助模-数转换器105。进而，辅助模-数转换器105的输出连接到数据处理系统16。

一个或多个电容器(32，34)连接在直流总线98的端子(99，101)的两端。如图所示，两个电阻器(28，30)串联连接在直流总线98的正端子101与负端子99之间。每一个电容器(32，34)可以包括用于过滤直流电流并保持直流总线98上的电压或电流处于大致一致水平或在期望的波动范围内(例如，在可接受的电流脉动的容许误差内)的电解电容器或电容器组合。例如，每一个电容器(32，34)可以减少或改善直流总线98的电流的波动，其中当与逆变器的一个或多个极相关的功率级209中的一个或多个半导体开关同时或迅速连续地启动或被切换时，则可能会出现所述电流的波动。

在一个实施例中，一个或多个电阻器(28，30)可以串联连接在直流总线98的正负端子99之间。例如，每一个电阻器(28或30)可以与相应的电容器(32或34，分别地)并联连接以形成过滤网(例如，电阻-电容(RC)过滤器)。

如先前所述，逆变器相的输出节点(304，306，308)可以连接到负载、电动机或机器177的相应电动机相端子。如图1所示，逆变器功率级209具有三个相，并且负载具有三个相，尽管可以使用从单个相到多个相结构的任意数量的相。虽然逆变器功率级209在图1中具有三个相，但是要理解的是逆变器或系统111可以具有从1到N的任意数量的相，其中N是正整数。如图所示，逆变器功率级209具有第一逆变器相208、第二逆变器相206和第三逆变器相204。进一步，逆变器功率级209具有用于对在与机动模式相对的制动模式下在机器117的操作期间由机器117产生的电流进行整流的制动电路202。

第一逆变器相208具有第一开关部分或第一对半导体装置(70，78)。第二逆变器相206具有第二开关部分或第二对半导体装置(56，64)。第三逆变器相204具有第三开关部分或第三对半导体装置(42，50)。逆变器功率级209的每一个相都包括第一开关晶体管(70，56，42)和第二开关晶体管(78，64，50)，且所述晶体管的各个开关端子(例如，集电极和发射极、或源极或漏极)相对于彼此串联连接在正端子101与负端子99之间。虽然第一开关晶体管(70，56，42)和第二开关晶体管(78，64，50)被示出为NPN晶体管，但是在可选的实施例中，第一开关晶体管和第二开关晶体管可以包括PNP晶体管、电场效应晶体管、或其它适当的半导体装置。

第一逆变器相208具有与第一开关晶体管(70)和第二开关晶体管(78)的基极(或栅极)相关的输入。在这里所述的图表中，第一逆变器相208的第一开关晶体管(70)被称为A+IGBT；第一逆变器相208的第二开关晶体管(78)被称为A-IGBT。虽然IGBT表示绝缘栅双极晶体管，但是在功率级209的任意相中，第一开关晶体管(例如，70)和第二开关晶体管(例如，78)可以包括电场效应晶体管、互补金属氧化物半导体、功率晶体管或其它适当的半导体装置。

第一逆变器相208具有连接到机器177(例如，永磁电机或感应式电机)的负载或第一绕组154的第一输出节点308。在可选的实施例中，第一绕组154可以被连接在机器177与输出节点308之间的电感器代替或表示。

第二逆变器相206具有与第一开关晶体管(56)和第二开关晶体管(64)的基极(或栅极)相关的输入。在这里所述的图表中，第二逆变器相206的第一开关晶体管(56)被称为B+IGBT；第二逆变器相206的第二开关晶体管(64)被称为B-IGBT。第二逆变器相206具有连接到机器117或机器117(例如，电动机)的第二绕组160的第二输出节点306。在可选的实施例中，第二绕组160可以被连接在机器177与输出节点306之间的电感器代替或表示。

第三逆变器相204具有与第一开关晶体管(42)和第二开关晶体管(50)的基极(或栅极)相关的输入。在这里所述的图表中，第三逆变器相204的第一开关晶体管(42)被称为C+IGBT；第三逆变器相204的第二开关晶体管(50)被称为C-IGBT。第三逆变器相204具有连接到机器117或机器17(例如，电动机)的第三绕组182的第三输出节点182。在可选的实施例中，第三绕组182可以被连接在机器77与输出节点304之间的电感器代替或表示。

每一个第一开关晶体管(70，56，42)的基极(或栅极)连接到激励极10。激励极10包括用于提供使第一开关晶体管活动(例如，接通)或不活动(例如，断开)的信号(例如，调制信号)偏置网或逻辑电路并受到电子数据处理系统16的控制。类似地，第二开关晶体管(78，64，50)的基极(或栅极)连接到激励极10或用于提供使第二开关晶体管活动(例如，接通)和不活动(例如，切断)的信号并受到电子数据处理系统16的控制。

如图1所示，每一个第一开关晶体管(70，56，42)的集电极连接到直流总线98的电压轨道或正端子101，而第一开关晶体管(70，56，42)的发射极连接到各个相的输出节点。每一个第二开关晶体管(78，64，50)的集电极连接到各个相的输出节点(308，306，304，分别地)，而第二开关晶体管(78，64，50)的发射极连接到(直流总线98的)另一个电压轨道或直流总线98的负端子99。

第一保护性二极管(72，58，44)并联连接在每一个第一开关晶体管(70，56，42)的集电极与发射极之间。第二保护性二极管(80，66，52)并联连接在每一个第二开关晶体管(80，66，52)的集电极与发射极之间。第一保护性二极管(72，58，44)和第二保护性二极管(80，66，52)分别通过当第一开关晶体管或第二开关晶体管在状态(例如，接通或断开)之间切换时为要被耗散的电流提供路径来防止瞬时电流损坏第一开关晶体管(70，56，42)和第二开关晶体管(78，64，50)。

再生制动电路202允许逆变器在整流模式和电动机或机器177中作用以在与机动模式相对的制动模式或发电模式中作为发电机操作。为了减少在制动模式下机器177的旋转能并由所述旋转能生成电能，机器177被命令在其中机器177生成用于施加到逆变器功率级209的输出节点(308，306，304)中的一个或多个的交变电流能的再生制动模式下操作。

制动模式晶体管36与整流二极管38和电阻器40的并联组合串联。制动模式晶体管36可操作以切换或引导电流到整流二极管38以整流由机器177产生的交变电流或在产生的交变电流的适当波形周期部分期间将所述交变电流转换成直流电流。保护性二极管39连接在制动模式晶体管36的发射极与集电极之间以保护晶体管36免受损坏电流，否则将会发生的损坏电流。在本文所述的图标中，制动模式晶体管36可以被称为BC IGBT。

电子数据处理系统16包括数据处理器22、数据存储器24和连接到数据总线20的一个或多个数据端口。数据处理器22，数据存储器24和数据端口18能够经由数据总线20彼此通信。

数据处理器22可以包括微处理器、微控制器、逻辑装置、算术逻辑单元、专用集成电路、可编程序逻辑阵列、场可编程门排列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、芯片上的可编程系统(PSoC)、或其它可编程电子装置。

数据存储器24可以包括任何电子存储器、随机存取存储器、非易失存储器、磁存储器、光存储装置、或用于存储数据的任何其它适当的装置或介质。每一个数据端口18可以包括输入/输出口、收发器、或用于经由传输线或以其它方式发送到电子装置、从电子装置进行接收或与电子装置通信的另一个装置。

在一种配置中，数据端口18可以连接到激励极10、模-数转换器14、辅助模-数转换器105和能量源109的开关电路107、和车辆数据总线(未示出)。

激励极10可以连接到数据端口18，使得数据处理系统16可以生成使偏压电路或激励极10不活动或活动的命令或输出信号；因此，控制逆变器(功率级209)的不活动或活动以防止对未失效逆变器电路或负载(例如，电动机)的损坏。开关电路107连接到数据端口18，使得数据处理系统16可以控制开关电路107的开关状态以提供直流总线98上的目标电压电平以在测试电压范围或较低的电压范围执行对功率级的测试或以其它方式控制直流总线98上的第一电压电平和第二电压电平以防止对功率级209、机器177或两者的损坏。

模-数转换器14有助于经由模拟接口12输入或接收测量节点处的测量数字计数数据115或测量的电压数据。辅助模-数转换器14有助于输入或接收来自电压电平检测器103的测量的直流总线电平数据117(直流总线逻辑电平)。

在一个实施例中，数据存储器24存储以下测量数据、参考数据或其它数据记录中的一个或多个：(1)诊断数据26(例如，本文中公开的格式为查找表形式的一个或多个图表)，(2)从本文中所述的这些表中获得的数据记录、文件、图表或数据结构，(3)故障分类器113软件或程序指令，(4)测量的模-数转换器(ADC)计数数据，(5)测量的数字计数数据115，(6)相对于负地电势或负端子99在相应测量节点处测量的电压或平均电压，(7)测量的直流总线98电压电平，(8)直流总线98的测量的逻辑电平，(9)DC总线电平数据117，和(10)功率级209中相应半导体装置(例如，开关晶体管或保护性二极管)的参考开关状态。

在一个实施例中，电压电平检测器103检测直流总线98的电压电平。辅助模-数转换器将确定的电压电平转换成直流总线98的逻辑电平或DC总线电平数据117。故障分类器113根据以下(a)和(b)将逆变器的故障分类成故障类别：(a)测量的数字计数数据115满足存储在数据存储器24中的与半导体装置的开关状态对应的一个或多个参考范围或状态；和(b)直流总线98的测量的逻辑电平或测量的DC总线电平119满足与半导体装置的开关状态对应且与数字计数数据115的相应参考范围对应的相应逻辑电平要求。数字计数数据115可以包括对于第一相在第一测量节点处、对于第二相在第二测量节点处、或对于第三相在第三测量节点处测量的电压的(模-数转换器14的)模-数转换器(ADC)计数或数字表示。在可选的实施例中，数字计数数据可以表示在任何测量节点处的另一电压、电流或其它电信号值。

如果模-数转换器14被实施为作为Δ编码化模-数转换器、计数模-数转换器或计数器匀变模-数转换器，则模-数转换器14可以包括电子计数器、电子数据处理器22(例如，微控制器)和比较器的组合。例如，计数器具有数字计数数据115的与模拟计数器输出信号的值相对应的数字计数器输出。模拟计数器输出信号被输入到比较器的一个输入。模拟输入信号(或要被数字化的参考信号)被输入到比较器的另一个输入。数据处理器22或微控制器递增或递减计数器(或被递减)以获得当比较器确定模拟输入信号和模拟计数器输出信号基本上相同时的目标计数器输出。当比较器确定模拟输入信号和模拟计数器输出信号基本上相等时，通过电子数据处理器读取或建立数字计数数据115。比较器可以用于当模拟输出信号和计数器输出信号相等以触发计数器的输出值(例如，数字计数数据)的读取时生成到数据处理器22的逻辑信号输入。

虽然计数模-数转换器可以用于转换器14以实施本文中公开的系统和发明，但是其它模-数转换器可以用于实施本发明并且落入本文所附权利要求的保护范围内。因此，本领域的普通技术人员要理解的是图表(这里公开)的中的任一个中所述的ADC计数值可以被相应的数字电压值、等效的数字电压值或数字电流值代替。

根据可以交替或累积地施加的各种示例，图1的系统可以检测逆变器的故障。

根据第一示例，在任意逆变器相(208，206，204)中，一对半导体装置包括在功率级209的相内的第一开关晶体管(70，56，42)和相应的第二开关晶体管(78，64，50)，并且如果(a)当第一开关晶体管被命令以获得活动状态时和当同一相的一对晶体管(例如，70和78)没有被命令或被命令获得不活动状态时第一开关晶体管(例如，70)的数字计数数据相同；和(b)直流总线98具有与测量的DC总线电平数据7相同的逻辑高状态，则某一些相的第一开关晶体管被确定为在断路状态下已经失效。

根据第二示例，第二保护性二极管(80，66，52)连接在半导体装置(78，64，50)中的一个的开关端子(例如，集电极和发射极，或漏极或源极)之间；如果出现下述情况，则第二保护性二极管(80，66，52)被确定为已经出现断路状态失效：(a)在第一逆变器相208的第一测量节点30处的数字计数数据115或电压数据在没有一个开关被命令时和在断开第一相208的第一开关晶体管70和第二相206的第二开关晶体管64时保持基本上相同；(b)数字计数数据115在第一状态下在第一测量节点308处保持成与在第二状态下在第二相206的第二测量节点306处基本上相同，其中第一状态包括第一相208的第一开关晶体管70和第二相206的第二开关晶体管64两者都关闭，并且其中第二状态包括第一开关晶体管70和第二开关晶体管64两者都断开；(c)在第一状态下，第一相208的第一测量节点308处的数字计数数据15大于第二相206的第二测量节点306处的数字计数数据115；(d)在第二状态下，第一相208的第一测量节点308处的数字计数数据115不同于第二相206的第二测量节点306处的数字计数数据115。

根据第三示例，第一保护性二极管(72，58，44)连接在半导体装置中的一个的开关端子(例如，集电极和发射极，或漏极或源极)之间；如果出现下述情况，则第一保护性二极管72被确定已经出现断路状态失效：(a)第一相208的第一测量节点308处的数字计数数据115在没有一个开关被命令时和在断开第二相206的第一开关晶体管(56)和第一相208的第二开关晶体管78时保持基本上相同；(b)数字计数数据115在第一状态下在第一测量节点308处保持成与在第二状态下在第二相206的第二测量节点306处基本上系统，其中第一状态包括第二相206的第一开关晶体管56和第一相208的第二开关晶体管78两者都闭合，并且其中第二状态包括第一开关晶体管56和第二开关晶体管78两者都断开；(c)在第一状态下，第一相208的第一测量节点308处的数字计数数据15低于第二相206的第二测量节点306处的数字计数数据115；和(d)在第二状态下，第一相208的第一测量节点308处的数字计数数据115不同于第二相206的第二测量节点306处的数字计数数据115。

根据第四示例，在一个配置中，电压电平检测器103检测直流总线98的电压电平或DC总线状态。数据处理器22测量当功率级209中的不同半导体装置处于某些相应的开关状态下时直流总线98的电压电平的下降速率。故障分类器113或数据处理器22包括软件指令，该软件指令根据测量的下降速率的差分识别任意相(208，206，204)的一对半导体装置中的失效的半导体装置。例如，如果半导体装置包括第一开关晶体管(70，56，42)和第二开关晶体管(78，64，50)，并且如果直流总线98的直流电流在发命令至具体相的第二开关晶体管的情况下比在发命令至具体相的第一开关晶体管的情况下下降得更快，则对于功率级209的所述具体相来说第一开关晶体管被确定为已经出现短路状态失效。

图1的系统能够在符合以下图表的各种示例性示例下检测与直流总线98相关的短路。

表1：情况1-所有开关是完好的并且多相AC电机被适当地与逆变器连接

表2：情况2-故障存在于逆变器供电的AC电机中，它可能存在于逆变器或电机中

表2-继续：情况2-故障存在于逆变器供电的AC电机中，它可能存在于逆变器或电机中

表2-继续：情况2-检测逆变器和AC电机之间的连接的故障

表3：情况3-所有开关是完好的并且多相SR电机被适当地与逆变器连接

表4：情况4-检测DC总线中的故障

表5：情况4-检测电机和逆变器两者的相位A中的故障，其中已通过测试的DC总线列于表4中

表1至5中的任一个可以被构造成能够被储存在控制系统40的存储器64中的一个或多个查找表、文件、数据库、数据记录或其他数据结构。在任一表中，存在ADC计数的两种可能性或排列，它取决于开关(逆变器中的IGBT)和被命令关闭和/或打开。上述可能性被列于表中的10位或12位模数转换器(ADC)(例如，模数转换器14)的下方。在表1至5中，通过感测交流节点电压(相对于负直流总线的逆变器中点电压)和获知Vpole_A、Vpole_B、Vpole_C、和Vpole_BC的ADC计数，则可以在逆变器供电的电机系统中检测出下列故障：(1)逆变器中的任一或一对开关晶体管(例如，IGBT)短路失效；(2)逆变器中的任一开关晶体管(例如，IGBT)断路失效；(3)逆变器中的任一二极管(例如，保护性二极管)短路或断路失效；(4)任一电容器短路失效；(5)逆变器或电机之间的任一电缆线短路或断路失效；(6)任一电机绕组短路或断路失效；(7)任一制动电路晶体管(例如，制动断路器IGBT)或二极管断路或短路失效；和(8)制动栅极电阻和/或电缆断路或短路失效。

在一些配置中，表1和2可以应用于图1和图2的系统，或应用于逆变器或相关永磁电机、感应式电机、或开关磁阻电机的故障诊断。表2可以被应用于与制动电路(210或202)或其开关晶体管(例如，斩波IGBT)相关的故障检测。

在所包括的表2-5中的任一个中，如果ADC计数没有遵循以上表1所述的方案，则可以断言在逆变器、交流电机(例如，电感电机和永磁电机)中存在失效。逆变器、电动机、或其它相关部件的这些故障或失效可以在之后被分类：(1)类别A：DC短路失效；(2)类别B：DC总线断路失效；(3)类别C：IGBT断路失效；(4)类别D：IGBT短路失效；(5)类别E：二极管断路失效；(6)类别F：二极管短路失效；和(7)类别G：电动机电缆没有与逆变器电极连接。

表3指出了图2中的V_pole_A+、V_pole_A-、V_pole_B+、V_pole_B-、V_pole_C+、V_pole_C-、和V_pole_BC的条件或相应状态。多相开关磁阻(SR)电机例如与图2的逆变器连接以形成逆变器机器组合211。

表4是用于检测例如与图2的开关磁阻系统结构的直流总线98相关的故障。

表5是用于检测例如与图2的开关磁阻系统结构的直流总线98相关的故障。表5可以从第一相(例如，相A)延伸到第二相(例如，相B)和第三相(例如，相C)，这是因为图1和图2的电路对于相A、B和C是类似的。对于第二和第三相来说，表5中所述的故障检测方法使用开关晶体管和二极管(例如，IGBT和二极管)分别用于相B和C以得到适当的电极电压或ADC计数。

关于表5，首先，如果DC总线98已经通过指示在直流总线98上没有短路并且没有检测到其它失效的电压测量测试，其次，数据处理系统16或故障分类器113可以包括用于继续检测逆变器、其相关机器(例如，电动机)和连接机器与逆变器的电缆中的故障的程序指令。

在一种配置中，如果满足指示半导体装置的短路或失效的一些条件，则电子处理系统16能够使得不能够在操作模式下在操作电压电平下进行逆变器的操作。在另一种配置中，在测试模式中，数据处理系统16生成测试信号以指示偏压电路或驱动器10选择性地启动第一逆变器相208、第二逆变器相206或第三逆变器相204的第一开关晶体管或第二开关晶体管，使得可以在逆变器功率级209的开关部分或相内识别短路。

在可选的实施例中，用户界面19(未示出)可以连接到数据总线20。用户界面19可以包括显示器、键区、键盘、定点装置、或用于经由数据处理系统16输入或监控与逆变器相关的数据(例如，诊断数据26)的另一种数据输入和数据输出装置。

在另一种配置中，电子数据处理系统16具有连接到数据总线20的用户界面19(未示出)以用于提供指示故障半导体装置或逆变器中的短路的位置或对所述故障半导体装置或所述短路的识别的诊断信息。

除了图2的系统11具有例如适用于开关磁阻电机或电动机的不同逆变器(例如，逆变器-电机组合211)之外，图2的系统11类似于图1的系统111。图1和图2中类似的附图标记表示类似的元件或特征。要注意的是图1和图2中的第一开关晶体管和第二开关晶体管的附图标记不对应于相应变换器的相同相，除非在图1和图2两者中第一开关晶体管被赋予附图标记42，56，和70，而第二开关晶体管被赋予附图标记50，64和78。

图1的系统最适合用于包括例如永磁电机或电动机、或感应电动机或机器的机器177。相比之下，图2的系统11主要应用于开关磁阻电机或电动机。图2的逆变器的每一个相(216，214，212)都具有在一对半导体(例如，70和78，56和64，以及42和50)之间的或参照图1的中间电机绕组213。如果同一相的任何开第一关晶体管和任何第二开关晶体管被认为串联连接，则中间电机绕组可以直接连接在第一开关晶体管(例如，第三相216的70)的发射极与第二开关晶体管(例如，第三相216的78)的集电极之间。

图2的逆变器-电机组合211的每一个相(212，214，216)具有与一对半导体装置(42和50，56和64，以及70和78)相关的多组二极管(48和46，68和62，或74和76)。所述组中的第一二极管(46，62，和74)的阳极(正端子)连接到第一开关晶体管(42，56，和70)的发射极和电动机或机器(例如，开关磁阻电机)的绕组213的第一端子。第二二极管(48，68，76)的阴极(负电极)连接到第二开关晶体管(50，64，78)的集电极和电动机或机器(例如，开关磁阻电机)的绕组213的第二端子。

电机绕组213连接在任何相(212，214，216)内的半导体装置(例如，42与50，56与64或70与78)之间，其中绕组213具有第一端子和第二端子。第一二极管(46，62，和74)的阴极连接负端子99并且其阳极连接到绕组213的第一端子。第二二极管(48，68，76)的阴极连接到绕组213的第二端子并且其阳极连接到直流总线98的正端子101。

在第一相212中，逆变器(例如，逆变器机器组合211)具有与所述一对半导体装置相关的一组二极管(46，48)。所述组中的第一二极管的阳极(正端子101)连接到第一开关晶体管的发射极和电动机的第一绕组54的第一端子。第二二极管(48，68，76)的阴极(负电极)连接到第二开关晶体管的集电极和电动机的第一绕组213的第二端子。第一相212的第一输出节点324连接到电机绕组213。

在第二相214中，逆变器具有与所述一对半导体装置(56和64)相关的一组二极管(62和68)。所述组中的第一二极管62的阳极(正端子)连接到第一开关晶体管56的发射极和电动机或机器的第二绕组60的第一端子。第二二极管68的阴极(负电极)连接到第二开关晶体管64的集电极和电动机或机器的第二绕组213的第二端子。第二相214的第二输出节点326连接到电机绕组213。

在第三相26中，逆变器具有与一对半导体装置(70，78)相关的一组二极管(74，76)。所述组中的第一二极管74的阳极(正端子101)连接到第一开关晶体管70的发射极和电动机或机器的第三绕组82的第一端子。第二二极管76的阴极(负电极)连接到第二开关晶体管78的集电极和电动机或机器的第三绕组82的第二端子。第二相214的第三输出节点326连接到电机绕组213。

在一个实施例中，与仅在逆变器的任一相中的一对半导体装置相比较，所述多组二极管(46，48，68，62，76，74)的增加为负载或电动机(例如，开关磁阻负载)提供更大的电流处理能力或改进的电流操纵。

上述图表同样适用于图1和图2的系统。所述系统和相关方法很好地适用于逆变器、电动机、或相关线路、导线、电缆、电子设备或电子元件中的故障的实时检测。在一个实施例中，图1或图2中的以下部件中的任一个可以在芯片上可编程系统(PSoC)体系结构或其它板载智能系统上实现，例如：激励极10、模拟接口12、模-数转换器14、辅助模-数转换器105、和电压电平检测器103以及数据处理系统16。因为所述设计可以容易地在芯片上可编程系统体系结构上或通过现有数据处理系统16的编程来实现，因此系统与可能需要额外的传感器、补充的单独部件或电子系统相比具有更大的成本效率。

在一种配置中，所述系统比较与由低侧晶体管(例如，IGBT)的激励极10相应施加的栅极信号相关的数字电压的状态。如果比较信号与期望的V_pole和等效ADC计数不一致，则故障及其位置被断定并记录在数据处理系统16(例如，场可编程门排列(FPGA)和数字信号处理器(DSP))中。之后，系统应该易于减轻或除去所发生的故障(一个或多个)的不良影响。

本文中所公开的系统有助于实时并且预加电诊断过程将防止系统中的级串联和突然失效。例如，在测试模式期间，低压下的预加电诊断检测系统被供电之前的早期失效。在测试模式中，数据处理系统16支持可以自动检测在逆变器的操作模式期间在高压下将要发生的失效的自诊断程序。所述系统最适合用于通过施加程序以跟踪由于逆变器、机器或相关部件中的各种重要零件的逐渐降解和老化导致可能会最终发生的失效来进行预先和预示保养。所述系统最适合用于执行实时诊断程序以检测系统在操作时的失效(故障)并减轻或除去这些故障的不良影响，同时减小逆变器、电动机、或相关部件的突然失效的风险。

已经描述了优选的实施例，显而易见的是可以在不背离如所附权利要求中限定的本发明的保护范围的情况下可以进行各种修改。

Claims (19)

1.一种用于检测与逆变器或与逆变器相关的机器相关的故障的系统，所述系统包括：

具有正端子和负端子的直流总线；

逆变器，所述逆变器包括具有开关端子的第一对半导体装置，所述开关端子串联连接在直流总线的正端子和负端子之间；

模拟接口，用于调节与半导体装置的基极或栅极控制端子相关的测量节点处的测量电压电平至调节电压电平；

模-数转换器，所述模-数转换器具有用于接收测量节点的调节电压电平的模拟输入并输出相应的数字计数数据；和

数据处理器，用于在数字计数数据与存储在数据存储器中的与半导体装置的开关状态对应的一个或多个参考范围不一致的情况下，检测逆变器中的故障，或用于在数字数据计数与存储在数据存储器中的与半导体装置的开关状态对应的一个或多个参考范围一致的情况下，检测逆变器中没有故障。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

电压电平检测器，用于检测直流总线的电压电平；

辅助模-数转换器，用于将确定的电压电平转换成直流总线的逻辑电平；

故障分类器，用于根据以下(a)和(b)将逆变器的故障分类成故障类别：

(a)测量的数字计数数据满足存储在数据存储器中的与半导体装置的开关状态对应的一个或多个参考范围；和

(b)直流总线的测量的逻辑电平满足对半导体装置的相应开关状态和数字计数数据的相应参考范围的相应逻辑电平要求。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括：

电压电平检测器，用于检测直流总线的电压电平；

数据处理器，所述数据处理器：

测量当不同的半导体装置处于某一些相应的开关状态下时电压电平下降速率；

根据测量的下降速率的差分识别所述一对半导体装置中的故障半导体装置。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，半导体装置包括第一开关晶体管和第二开关晶体管，如果直流总线的直流电流在发命令至第二开关晶体管的情况下比在发命令至第一开关晶体管的情况下下降得更快，则第一开关晶体管被确定为已经出现短路状态失效。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括：

电动机的绕组，所述绕组连接在半导体装置之间，所述绕组具有第一端子和第二端子；

第一二极管，所述第一二极管的阴极连接负端子并且其阳极连接到绕组的第一端子；和

第二二极管，所述第二二极管的阴极连接到绕组的第二端子并且其阳极连接到直流总线的正端子。

6.根据权利要求1所述的系统，其中：

能量源连接到直流总线；

开关电路与能量源相关，用于调节直流总线上的电压电平；和

数据处理系统被构造成控制开关电路以将直流总线上的电压电平调节到目标电压电平。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，模拟接口包括用于确定测量节点上的平均电压电平的模拟平均电路。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，对于某一相来说，所述一对半导体装置包括第一开关晶体管和第二开关晶体管，并且其中在以下情况下，所述某一相的第一开关晶体管被确定为已经出现断路状态失效：

(a)当第一开关晶体管被命令以获得活动状态时和当所述一对晶体管没有被命令或被命令以获得不活动状态时，第一开关晶体管的数字计数数据相同；以及

(b)直流总线具有逻辑高状态。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，对于某一相来说，第二保护性二极管连接在半导体装置中的一个的开关端子之间，在下述情况下第二保护性二极管被确定为已经出现断路状态失效：

(a)第一相的第一测量节点处的数字计数数据在没有一个开关被命令时以及在断开第一相的第一开关晶体管和第二相的第二开关晶体管时保持相同；

(b)数字计数数据在第一状态下在第一测量节点处保持成与在第二状态下在第二相的第二测量节点处相同，其中第一状态包括第一相的第一开关晶体管和第二相的第二开关晶体管两者都闭合，而其中第二状态包括第一开关晶体管和第二开关晶体管两者都被断开；

(c)在第一状态下，第一相的第一测量节点处的数字计数数据大于第二相的第二测量节点处的数字计数数据；以及

(d)在第二状态下，第一相的第一测量节点处的数字计数数据不同于第二相的第二测量节点处的数字计数数据。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，对于某一相来说，第一保护性二极管连接在半导体装置中的一个的开关端子之间，在下述情况下第一保护性二极管被确定为已经出现断路状态失效：

(a)第一相的第一测量节点处的数字计数数据在没有一个开关被命令时以及在断开第二相的第一开关晶体管和第一相的第二开关晶体管时保持相同；

(b)数字计数数据在第一状态下在第一测量节点处保持成与在第二状态下在第二相的第二测量节点处相同，其中第一状态包括第二相的第一开关晶体管和第一相的第二开关晶体管两者都闭合，而其中第二状态包括第一开关晶体管和第二开关晶体管两者都被断开；

(c)在第一状态下，第一相的第一测量节点处的数字计数数据低于第二相的第二测量节点处的数字计数数据；以及

(d)在第二状态下，第一相的第一测量节点处的数字计数数据不同于第二相的第二测量节点处的数字计数数据。

11.一种用于检测与逆变器或与逆变器相关的机器相关的故障的系统，所述系统包括：

具有正端子和负端子的直流总线；

逆变器，所述逆变器包括具有开关端子的第一对半导体装置，所述开关端子串联连接在直流总线的正端子与负端子之间；

模拟接口，用于调节与半导体装置的基极或栅极控制端子相关的测量节点处的测量电压电平至调节电压电平；

模-数转换器，所述模-数转换器具有用于接收测量节点的调节电压电平的模拟输入并输出相应的数字计数数据；

电压电平检测器，用于检测直流总线的电压电平；

辅助模-数转换器，用于将确定的电压电平转换成直流总线的逻辑电平；和

数据处理器，用于根据以下(a)和(b)识别逆变器的故障并将逆变器的故障分类成故障类别：

(a)测量的数字计数数据满足存储在数据存储器中的与半导体装置的开关状态对应的一个或多个参考范围；和

(b)直流总线的测量的逻辑电平满足对半导体装置的相应开关状态和数字计数数据的相应参考范围的相应逻辑电平要求。

12.根据权利要求11所述的系统，还包括：

数据处理器，所述数据处理器：

测量当不同的半导体装置处于某一些相应的开关状态时电压电平的下降速率；

根据测量的下降速率的差分识别所述一对半导体装置中的故障半导体装置。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，半导体装置包括第一开关晶体管和第二开关晶体管，如果直流总线的直流电流在发命令至第二开关晶体管的情况下比在发命令至第一开关晶体管的情况下下降得更快，则第一开关晶体管被确定为已经出现短路状态失效。

14.根据权利要求11所述的系统，还包括：

电动机的绕组，所述绕组连接在半导体装置之间，所述绕组具有第一端子和第二端子；

第一二极管，所述第一二极管的阴极连接负端子并且其阳极连接到绕组的第一端子；和

第二二极管，所述第二二极管的阴极连接到绕组的第二端子并且其阳极连接到直流总线的正端子。

15.根据权利要求11所述的系统，其中：

能量源连接到直流总线；

开关电路与能量源相关，用于调节直流总线上的电压电平；和

数据处理系统被构造成控制开关电路以将直流总线上的电压电平调节到目标电压电平。

16.根据权利要求11所述的系统，其中，模拟接口包括用于确定测量节点上的平均电压电平的模拟平均电路。

17.根据权利要求11所述的系统，其中，对于某一相来说，所述一对半导体装置包括第一开关晶体管和第二开关晶体管，并且其中在以下情况下，所述某一相的第一开关晶体管被确定为已经出现断路状态失效：

(a)当第一开关晶体管被命令以获得活动状态时和当所述一对晶体管没有被命令或被命令以获得不活动状态时，第一开关晶体管的数字计数数据相同；以及

(b)直流总线具有逻辑高状态。

18.根据权利要求11所述的系统，其中，对于某一相来说，第二保护性二极管连接在半导体装置中的一个的开关端子之间，在下述情况下第二保护性二极管被确定为已经出现断路状态失效：

(a)第一相的第一测量节点处的数字计数数据在没有一个开关被命令时以及在断开第一相的第一开关晶体管和第二相的第二开关晶体管时保持相同；

(b)数字计数数据在第一状态下在第一测量节点处保持成与在第二状态下在第二相的第二测量节点处相同，其中第一状态包括第一相的第一开关晶体管和第二相的第二开关晶体管两者都闭合，而其中第二状态包括第一开关晶体管和第二开关晶体管两者都被断开；

(c)在第一状态下，第一相的第一测量节点处的数字计数数据大于第二相的第二测量节点处的数字计数数据；以及

(d)在第二状态下，第一相的第一测量节点处的数字计数数据不同于第二相的第二测量节点处的数字计数数据。

19.根据权利要求11所述的系统，其中，对于某一相来说，第一保护性二极管连接在半导体装置中的一个的开关端子之间，在下述情况下第一保护性二极管被确定为已经出现断路状态失效：

(a)第一相的第一测量节点处的数字计数数据在没有一个开关被命令时以及在断开第二相的第一开关晶体管和第一相的第二开关晶体管时保持相同；

(b)数字计数数据在第一状态下在第一测量节点处保持成与在第二状态下在第二相的第二测量节点处相同，其中第一状态包括第二相的第一开关晶体管和第一相的第二开关晶体管两者都闭合，并且其中第二状态包括第一开关晶体管和第二开关晶体管两者都被断开；

(c)在第一状态下，第一相的第一测量节点处的数字计数数据低于第二相的第二测量节点处的数字计数数据；以及

(d)在第二状态下，第一相的第一测量节点处的数字计数数据不同于第二相的第二测量节点处的数字计数数据。