CN103548266B - 用于运行功率输出级的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于运行功率输出级（2）、尤其是电机的方法，该功率输出级包括带有至少一个半桥（1）的桥式电路（3），其中所述半桥（1）具有两个串联连接的功率半导体开关（4，5），所述功率半导体开关在正常运行中分别被供应运行控制电压，以便设定功率电压，并且其中为了短路监控而检测各自功率半导体开关（4，5）的功率电压（v4，v5）。在此规定，为了在检验运行中检验短路监控的功能，对于功率半导体开关（4，5）至少暂时同时设定测试控制电压，该测试控制电压在运行控制电压之下。
Description
技术领域
本发明涉及用于运行功率输出级、尤其是电机的方法，该功率输出级包括带有至少一个半桥的桥式电路，其中所述半桥具有两个串联连接的功率半导体开关，所述功率半导体开关在正常运行中被供应运行控制电压，以便设定功率电压，并且其中为了短路监控而检测各自功率半导体开关的功率电压。
此外，本发明还涉及尤其是用于执行上述方法的用于运行功率输出级、尤其是电机的装置，具有带有包括至少一个半桥的桥式电路，其中所述半桥具有两个串联连接的功率半导体开关，所述功率半导体开关在正常运行中被供应运行控制电压，以便设定功率电压，并且具有监控装置，所述监控装置为了短路监控而检测各自功率半导体开关的功率电压。
背景技术
开头所述类型的方法和装置由现有技术已知。在对于包括电传动设备的机动车的传动装置、例如混合动力传动装置或仅仅用于电传动车辆的传动装置中，通常设置有功率输出级用于操控各自电机，所述功率输出级包括功率半导体开关例如MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）或IGBT（带有绝缘栅电极的双极型晶体管）以及相应地所分配的空转二极管。为了操控多相的、永久和/或外部激励的电机，通常给每个相分配功率输出级的一个半桥。各自的半桥包括两个串联连接的功率半导体开关，所述功率半导体开关在正常运行中被供应运行控制电压，以便设定所希望的功率电压。
为了确保运行安全，此外，已知的是，监控各自功率半导体开关的或在各自功率半导体开关处或上的功率电压，以便能够检测短路状况。当功率半导体开关之一由于失灵而短路时，则半桥的逻辑不再能够维持额定脉冲模式，该额定脉冲模式被预先给定给用于力矩输出的电机。尤其是当尽管第一功率半导体开关短路而与其串联连接的第二功率半导体开关接通时。在这种情况下，通常不允许地高的电流流动，该电流在最坏情况下导致在功率回路中的火灾，因为通常通过功率半导体开关接通的电能量是非常高的，并且该电压范围是如此大，使得电弧也许长时间保持。这两个功率半导体开关的驱动电路优选监控各自功率电压。如果该功率电压在接通状态中过大，则假定：过电流流动并且通过关断或者去激活功率半导体开关而将全部半导体桥切换到空转中。这也称为去饱和监控或Dsat监控。在此充分利用功率半导体开关的特性，即它们在过大电流、所谓的去饱和电流的情况下引起功率电压的过比例的上升。提供给这些开关的控制电压通常是高的，使得在运行电流处于半桥或逆变器的标称范围中时尽可能小的电压下降，也即明显在去饱和电流之下，由此减少或最小化半导体的开关和导通损耗。
对于传动装置的安全性现在基本的是：只有当保证没有不受控的、可能让车辆失控的转矩变化对传动支路起作用时，所述传动装置才应该运行。因此，与安全性有关的、睡眠的故障必须通过测试或冗余来排除或者最小化到可忍受的残余风险。在去饱和监控中这是有问题的，因为只有当短路情况人为导致时才能够识别按规定的功能。因为短路电流或去饱和电流通常比正常运行中的标称电流高很多，因此人为导致的短路在无其他预防措施的情况下缩短参与的电组件的寿命并且也许导致不受控的转矩变化。
发明内容
本发明方法因此规定，为了在检验运行中检验短路监控的功能，对于半桥的两个功率半导体开关至少暂时同时设定测试控制电压，该测试控制电压在运行控制电压之下。功率半导体开关因此优选被馈送电压供给，该电压供给下降到以下值，在所述值时开关驱动器的电压监控还不进行响应。由于所述一个半桥的两个功率半导体开关至少暂时同时被供应该测试控制电压，因此半桥的短路被模拟。因为此外测试控制电压处于运行控制电压之下，因此在此产生的短路电流有比当施加运行控制电压时更低的结果。功率半导体开关在更短的时间内开始去饱和，由此短路监控快速响应并且消除短路。在短路期间流动的电流在该情况下通过选择测试控制电压而优选被设定得如此低，使得在电机处的由此产生的力矩脉冲如此小，使得其尤其是通过电机转子的惯性矩安全地被整合掉（wegintegriert）或者被衰减，从而没有不允许的力矩到达传动支路中。当该电机不运行或者不应当生产转矩时，优选执行短路监控功能的检验。
优选地，首先给所述功率半导体开关中的一个功率半导体开关供应测试控制电压并且接着给另一个功率半导体开关供应测试控制电压。在此，对该一个功率半导体开关的测试控制电压的供应合乎目的地维持如此长时间，直到另一个功率半导体开关至少暂时同时地被供应该测试控制电压，因为通过同时存在测试控制电压模拟短路。合乎目的地，在两个功率半导体开关上同时或者首先仅仅对于这两个功率半导体开关中的一个并且接着对于另一个进行电压监控。
特别优选地，使用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或带有绝缘栅电极的双极型晶体管（IGBT）作为功率半导体开关。优选地，预先给定运行控制电压作为运行栅极电压，并且预先给定测试控制电压作为测试栅极电压，以便将漏极源极电压设定为功率电压。因此控制电压合乎目的地是各自功率半导体开关的栅极电压。
优选将测试栅极电压选择为使得功率半导体开关在电流稍微地高于标称电流时去饱和（entsättigen）。在此，标称电流是当不存在短路时将会通过施加的测试栅极电压实际设定的电流。因为如上所述地选择了测试栅极电压，因此实现短路监控快速地响应并且流动的电流对于电组件来说是无危险的。
特别优选地，将功率半导体开关的接通时间选择为使得流动的电流保持在2.5倍标称电流之下。功率半导体开关于是（在标准部件的前提下）最晚在1μs之后的范围中开始去饱和。也即，短路监控优选被设定为使得该短路监控稍微晚地进行响应并且消除短路。在大约5μs之后，检验或者测试结束，尤其是如果使用现有技术器件的话。
此外规定：在检验期间优选通过逆变器在停止状态中将电机切换到安全状态中。合乎目的地，逆变器为具有半桥的逆变器。在此，逆变器的操控可以根据电机类型来适配。
在检验期间，优选为了提高安全性而将能量源经由预充电电阻连接到半桥上。能量源例如为牵引电池或者其他能量存储器。通过经由该预充电电阻连接防止：大电流能够在较长时间上在逆变器中或在半桥中流动。该预充电电阻用于，功率输出级的中间回路电容器的充电电流在施加运行电压的情况下不采取太高的值并且由于系统决定的低电感结构而不出现漏极电压的振荡。
本发明的装置的特征在于，为了在检验运行中检验监控装置的功能，针对功率半导体开关至少暂时同时设定测试控制电压，该测试控制电压处于运行控制电压之下。优选由分配给各自功率半导体开关的驱动电路来执行所述检验。其他的实施方式由权利要求和上面的实施得到。
附图说明
下面应该借助实施例更详细阐述本发明。为此，
唯一的图以简化图的方式示出半桥。
具体实施方式
该图示出了传动装置的这里未更详细示出的功率输出级2的半桥1，该传动装置作为传动总成包括至少一个电机，该电机通过功率输出级2、更确切地说通过具有半桥1的桥式电路3来操控。桥式电路3合乎目的地包括多个这种半桥1，它们分别被分配给电机的相。半桥1具有两个串联连接的功率半导体开关4和5，其优选分别被构造为MOSFET或者IGBT开关元件。以常见的方式和方法给每个功率半导体开关4，5分配空转二极管6或7。半桥1被分配给上述电机的确定的相或者支路，其中支路施加在端子Phx上，所述端子Phx连接在功率半导体开关4的源极端子和功率半导体开关5的漏极端子之间以及在空转二极管6和7之间。半桥1通过施加在功率半导体开关4的漏极端子上的相应运行电压UB来供应，而功率半导体开关5的源极端子与地GND连接。其余的在逆变器中存在的开关元件出于一目了然性原因未被示出。半桥1作为桥式电路3的部分构成这里没有进一步示出的逆变器8的组成部分，该逆变器8产生用于电机的脉冲模式。
功率半导体开关4和5分别通过作为控制电压的能预先给定的栅极电压G4或者G5运行或者操控。由此，相应地预先给定半桥1或者逆变器8的脉冲模式的逻辑。当电路的元件之一、尤其是功率半导体开关4，5之一由于失灵而短路时，半桥1陷入临界状态。假设功率半导体开关4失灵，那么电势UB持续地施加在电机的支路上或者Phx上。逆变器8的逻辑现在不再能够维持使电机输出力矩的额定脉冲模式。尤其是当尽管功率半导体开关4（高侧）被短路驱动电路仍然将功率半导体开关5（低侧）接通时。在该情况下，通常不允许地高的电流从UB流向GND。在最坏情况下，可能出现在功率回路中的火灾，因为在UB处所提供的电能量是非常高的，并且电压范围如此大使得电弧也许长时间保持，也即其燃烧电压小于UB。为了避免这一点，这两个功率半导体开关4、5的这里未更详细示出的驱动电路监控作为各自功率电压的漏极源极电压U4或U5。如果这些漏极源极电压在接通状态中过大，则假设过电流或去饱和电流并且整个半桥1切换到空转中。该所谓的去饱和监控充分利用功率半导体开关4、5的特性，所述功率半导体开关4、5在过大的饱和电流的情况下具有电压U4，U5的过比例的上升。为了运行半桥1，在正常运行中给功率半导体开关4、5优选分别提供栅极电压，该栅极电压是如此高，使得在运行电流在逆变器8的标称范围中的情况下下降尽可能很小的电压，也即显著在去饱和范围之下，以便将半导体元件的开关和导通损耗最小化。
为了保证安全性，设置有监控装置，该监控装置监控功率半导体开关4、5的短路。为了能够保证在运行中的安全性，优选地在电机停止时在其功能性方面检验短路监控，从而可以保证，当由于失灵实际上出现短路时可以识别该短路并且可以由短路监控装置通过关断功率半导体开关来排除该短路。
为了检验短路监控，这里没有更详细示出的、优选集成在驱动电路中的监控装置至少暂时地同时对功率半导体开关4、5供应测试栅极电压，该测试栅极电压处于运行栅极电压之下。按照本实施例，栅极测试电压下降到如下值，在该值时驱动电路的电压监控还不进行响应。这些值在此被选择得如此低，使得功率半导体开关4、5在电流稍微高于标称电流、也即根据应用情况例如从两倍标称电流起去饱和。优选地，相继地将功率半导体开关4、5切换到短路，其方式是首先对一个并且然后对另一个功率半导体开关供应测试栅极电压。在此，选择功率半导体开关4、5的接通时间，使得电流将会保持在2.5倍标称电流之下。常见的半导体元件于是大约晚一微秒（1μs）开始去饱和。也即，这样设定去饱和监控，使得该去饱和监控稍晚响应并且消除短路。只要使用标准器件，则在最晚5微秒（5μs）之后该检验结束。该传动设备的电机在该检验期间优选停止并且通过逆变器8切换到安全状态。在检验期间形成的力矩脉冲是如此小，使得该力矩脉冲通过电机的转子的惯性矩被安全地衰减或者整合掉并且因此没有不允许的力矩到达车辆的驱动支路中。优选在检验所有相期间从中间回路中提取的能量根据应用被限定到直至1Ws或者至少被限定到小于1Ws、尤其是小于3Ws的值。
优选至少在检验期间为了提高安全性，将牵引电池经由预充电电阻连接到半桥1上，使得该牵引电池提供运行电压UB。也可以经由该预充电电阻连接其他能量提供者或者其他能量源。由此实现，在较长的时间上没有大电流在逆变器8中流动。此外优选的是，一旦在逆变器的中间回路中达到在20伏和80伏之间、尤其是在30伏和65伏之间的电压，就中断预充电。这些电压足够实施短路监控的上述检验。通过这种方式和方法进一步减少各个器件的负荷。
因此上述方法能够实现短路监控的检验，而无不产生可能导致电组件损坏的高短路电流。在具有功率输出级2的机动车的传动支路中不引入危险的、尤其是不受控的转矩。功率输出级2合乎目的地具有多个这样的半桥，以便构成桥式电路3。出于一目了然性原因，后面仅仅参考这些半桥之一，其中这些半桥是相同的。通过上述方法能够在开始运转电机之前发现可能睡眠的故障。在此不需要费用多的开关元件冗余。此外，上述方法即使在已经存在或者是现有逆变器情况下也能够以相对小的耗费加装。
Claims (12)
1.一种用于运行功率输出级（2）的方法，该功率输出级包括带有至少一个半桥（1）的桥式电路（3），其中所述半桥（1）具有串联连接的两个功率半导体开关（4，5），所述两个功率半导体开关在正常运行中分别被供应运行控制电压，以便设定功率电压，并且其中为了短路监控而检测各自功率半导体开关（4，5）的功率电压（U4，U5），
其特征在于，在检验运行中为了检验短路监控的功能，对于两个功率半导体开关（4，5）至少暂时同时设定处于运行控制电压之下的测试控制电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率输出级（2）是电机。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，首先给所述功率半导体开关（4，5）中的一个功率半导体开关供应测试控制电压并且接着给另一个功率半导体开关（5，4）供应测试控制电压。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，使用金属氧化物半导体场效应晶体管或带有绝缘栅电极的双极型晶体管作为功率半导体开关（4，5）。
5.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述运行控制电压是运行栅极电压，所述测试控制电压是测试栅极电压并且所述功率电压是漏极源极电压（U4，U5）。
6.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，将所述测试栅极电压选择为使得所述功率半导体开关（4，5）在电流高于标称电流时去饱和。
7.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，将功率半导体开关（4，5）的接通时间选择为使得流动的电流保持在2.5倍标称电流之下。
8.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在检验期间，通过逆变器（8）在停止状态中将电机切换到安全状态中。
9.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在所述检验期间，将能量源经由预充电电阻连接到半桥（1）上。
10.一种用于运行功率输出级（2）的装置，带有包括至少一个半桥（1）的桥式电路（3），其中所述半桥（1）具有串联连接的两个功率半导体开关（4，5），所述两个功率半导体开关（4，5）在正常运行中被供应运行控制电压，以便设定功率电压，并且带有监控装置，所述监控装置为了短路监控而检测各自功率半导体开关（4，5）的功率电压（U4，U5），其特征在于，在检验运行中，为了检验监控装置的功能，对于两个功率半导体开关（4，5）至少暂时同时设定处于运行控制电压之下的测试控制电压。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述功率输出级（2）是电机。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |