CN103780067B - 功率电子电路、电子机械和检测功率电子电路功能的方法 - Google Patents

功率电子电路、电子机械和检测功率电子电路功能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种功率电子电路，一种具有该功率电子电路的电子机械（1）和一种用于检测该功率电子电路的功能的方法。该功率电子电路具有包括至少一个功率半导体开关（23）的功率部件（22），该功率部件通过使至少一个功率半导体开关（23）交替地接通和断开，由电压产生用于电负载（9）的时钟电压；和控制电子装置（25），用于控制该交替地接通和断开的功率半导体开关（23）。

Description

功率电子电路、电子机械和检测功率电子电路功能的方法
技术领域
本发明涉及一种功率电子电路，一种具有该功率电子电路的电子机械和一种用于检测这种功率电子电路的功能的方法。
背景技术
专利文献DE10059173C1公开了一种与使用安全技术的逆变器相关的用于交流电动机的驱动控制装置。对该逆变器的功率晶体管的控制通过脉冲阻塞来实施。在发生故障的情况下，通过脉冲阻塞装置使逆变器的各个功率晶体管截止，在此，使各个用于功率晶体管的控制装置的供电电压断开。脉冲阻塞装置的功能将受到定期检测，例如在每次接通电源电压之后。
发明内容
本发明的目的在于，能够在功率电子电路的连续运行过程中检测功率电子电路的控制电子装置的功能。
本发明的目的通过一种功率电子电路来实现，该功率电子电路具有：
包括至少一个功率半导体开关的功率部件，并将该功率部件设计为，通过使该至少一个功率半导体开关交替地接通和断开，由电压产生用于电负载的时钟电压；和
控制电子装置，用于控制该交替地接通和断开的功率半导体开关，该控制电子装置具有：光电耦合器，其包括构成光发射器的输入级和构成光接收器的输出级；与光发射器并联连接的第一半导体开关；和与由第一半导体开关和光发射器组成的并联电路串联连接的第二半导体开关，在此将第一半导体开关设计为，根据脉冲模式交替地打开和关闭，从而使电流根据脉冲模式流过光发射器，使光发射器根据脉冲模式发射光，所发出的光由光接收器接收，以产生相应的用于至少一个功率半导体开关的控制信号。
本发明的另一方面涉及一种电子机械，其具有根据本发明的功率电子电路、由该功率电子电路提供时钟电压的电负载和控制装置，该控制装置根据脉冲模式通过控制器打开和关闭第一半导体开关。
根据本发明的功率电子电路例如是时钟电源，也就是产生用于电负载的时钟电压的电源。这通过交替地接通和断开的功率半导体开关来实现。正如本领域技术人员所公知的那样，可以使用例如功率晶体管作为功率半导体开关。功率晶体管例如是FET或MOSFET晶体管。时钟电源的一个例子是逆变器，其可以基于直流电压产生交流电压。特别是将逆变器设计为，基于直流电压产生三相交流电压并具有多个功率半导体开关，这些功率半导体开关例如通过脉冲宽度调制而交替地打开和关闭，从而驱动例如作为电负载的交流电动机。
根据本发明的电子机械例如是机器人，特别是工业机器人。机器人通常具有机器人臂和控制装置。机器人臂具有多个依次设置并通过关节相连接的节肢以及用于使节肢彼此相对运动的电机。一般情况下使用作为功率部件的逆变器来控制电机。因此，这种根据本发明的机器人包括至少一个逆变器，其功率半导体开关借助于一个或多个基于本发明的功率电子电路的控制电子装置加以控制。在控制装置上优选运行用于使机器人臂的各个节肢运动的控制程序，并将控制装置设置为，控制一个或多个控制电子装置或其第一半导体开关。
为了打开或关闭该至少一个功率半导体开关，根据本发明的功率电子电路具有控制电子装置，其根据脉冲模式控制该至少一个功率半导体开关。特别是为了实现电隔离（galvanische Trennung），该控制电子装置包括光电耦合器，其具有作为输入级的光发射器和作为输出级的光接收器。光发射器包括例如发光二极管，其在电流流过光发射器或在光发射器上加载电压时发光。光发射器和光接收器这样实现光耦合：光接收器接收光发射器所产生的光，并紧接着形成相应的、例如电流或电压形式的电信号。该电信号是功率半导体开关的控制信号。光接收器包括例如具有后置连接的驱动级的光电二极管，但是也可以例如包括光电晶体管，光闸流管（Fotothyristor），光电双向晶闸管（Fototriac），光电施密特触发器或光达林顿晶体管。
第一半导体开关与光电耦合器或其光发射器并联连接。第一半导体开关例如实施为第一晶体管。优选第一晶体管是第一双极型晶体管。现在，如果在该并联电路上加载电压，则可以通过接通或断开第一半导体开关来控制通过光电耦合器的光发射器的电流，而且由于在打开第一半导体开关时有电流流过光发射器，光发射器将发光，并由此使光电耦合器的输出级例如关闭功率半导体开关。相反，当关闭第一半导体开关时，光电耦合器的输入端或光发射器短路且不发光。因此光电耦合器或控制电子装置将控制功率半导体开关使其打开。
根据本发明的功率电子电路的控制电子装置还具有第二半导体开关。第二半导体开关例如实施为第二晶体管，优选为第二双极型晶体管，并与由光电耦合器或其光发射器和第一半导体开关组成的并联电路串联连接。
特别是将第二半导体开关用于切断功率部件。特别是设置为，在正常运行中使第二半导体开关关闭，并为了实现快速切断而打开第二半导体开关。因此，当第二半导体开关关闭时，也就是在正常运行中时，有电流与第一半导体开关的开关状态无关地流过第二半导体开关。当第二半导体开关打开时，没有电流流过光电耦合器的光发射器，而与第一半导体开关的开关状态无关，因此控制电子装置可以控制功率半导体开关使其打开。
因此在根据本发明的功率电子电路的一种实施方式中将功率电子电路设计为：在正常运行期间，根据脉冲模式交替地打开和关闭第一半导体开关，并使第二半导体开关关闭；在测试运行期间，根据脉冲模式交替地打开和关闭第一半导体开关，使第二半导体开关在至少一个功率半导体开关打开的时间点打开，并在该功率半导体开关再次关闭之前再次关闭。因此在根据本发明的电子机械的一种变形中，还可以将其控制装置设计为：在正常运行期间，根据脉冲模式交替地打开和关闭第一半导体开关，并允许第二半导体开关关闭；在测试运行期间，根据脉冲模式交替地打开和关闭第一半导体开关，并使第二半导体开关在至少一个功率半导体开关打开的时间点打开，并在该功率半导体开关再次关闭之前再次关闭。因此，即使在功率电子电路或电子机械连续运行时为了测试的目的而开放第二半导体开关的功能，也不会干扰这种连续运行或者对其造成很大影响。
本发明的另一方面涉及一种用于测试根据本发明的功率电子电路或根据本发明的电子机械的功率电子电路的方法，其具有以下方法步骤：
根据脉冲模式交替地打开和关闭第一半导体开关，
在至少一个功率半导体开关打开的时间点打开第二半导体开关，并在该功率半导体开关再次关闭之前再次关闭该第二半导体开关。
为了能够检测功率半导体开关的功能，可以在测试运行期间对施加在第二半导体开关上的电信号进行分析，以检测第二半导体开关是否可靠地打开。该电信号例如是施加在第二半导体开关上的电压或流经第二半导体开关的电流。如果使用电流作为电信号，则在流经第二半导体开关的电流的绝对值超过设定的最小值时，尽管第二半导体开关应该是打开的也能推断出损坏的第二半导体开关。否则的话第二半导体开关是运行正常的。
还可以使用第二半导体开关将对逆变器或功率部件的截止或释放转换用于其他目的。例如，可以由可编程模块提供用于控制第一半导体开关的信号，该模块需要一定的时间进行初始化，并且在此期间尚不能提供用于第一半导体开关的定义的信号。可以将根据本发明的电子机械的控制装置设计为，在功率电子电路初始化期间能够打开第二半导体开关。
附图说明
在附图中示例性示出了本发明的实施例。其中：
图1示出了具有机器人臂的机器人，
图2示出了用于使机器人臂的节肢运动的电驱动器的部分电路图，
图3示出了电驱动器的控制电子装置的电路图。
具体实施方式
图1以透视图示出了具有机器人臂2的机器人1。
在本实施例中，机器人臂2具有多个依次设置并通过关节连接的节肢。节肢特别是指固定的或可运动的支架3和相对于支架3围绕垂直延伸的轴A1可转动地支承的转盘4。在本实施例中，机器人臂2的其他节肢包括摇臂5、悬臂6和优选为多轴的机器人手7，机器人手7具有例如为法兰8的固定装置，用于固定未详细示出的终端执行器。摇臂5在下端部、例如在未详细示出的摇臂轴承头上围绕优选为水平的轴A2可摆动地支承在转盘4上。悬臂6又围绕同样优选为水平的轴A3可摆动地支承在摇臂5的上端部上。悬臂6在端侧优选以其三个轴A4、A5、A6支承机器人手7。
为了使机器人1或其机器人臂2运动，机器人1以通常公知的方式具有与控制装置10相连接的电驱动器21。在图2中部分地示出了该电驱动器21的电路图。在图1中只示出了几个固定在机器人臂2中或机器人臂2上的电驱动器21的电机9。电驱动器21的功率电子装置例如设置在未详细示出的控制柜的壳体内，在控制柜内例如还设有控制装置10。在本实施例中，电机9为三相交流电机，例如三相交流同步电机。也可以将电驱动器的功率电子装置设置在机器人臂2中和/或机器人臂2上。
如专业人员所公知的那样，在本实施例中功率电子装置具有：未详细示出的整流器，其基于电网电压产生直流电压；与整流器后置连接且同样未详细示出的中间电路，该中间电路具有用于使直流电压平滑的中间电路电容器和多个与中间电路电容器后置连接的变流器或逆变器22。经平滑的直流电压是逆变器11的供电电压并施加在例如节点40上。逆变器22分别前置连接一电机9，从而使逆变器22如专业人员所公知的那样向其电机9提供合适的三相电压。
在例如为计算机的控制装置10上运行计算机程序，控制装置10利用计算机程序在机器人1的运行中控制机器人1，使法兰8或所谓的工具中心点执行预定的运动。必要时控制装置10还如专业人员所公知的那样控制电驱动器21。电驱动器21可以是受控电驱动器，控制装置10生成用于该受控电驱动器或其逆变器22的额定信号（Soll-Signale）。
在本实施例中，每个逆变器22例如具有六个例如为功率晶体管23的功率半导体开关。功率晶体管23特别是以FET技术实现，但是也可以是其他的晶体管或功率半导体开关。逆变器22特别是包括三个半桥。
在机器人1运行时这样控制逆变器22或其功率晶体管23：使它们产生与各种应用相应的三相电压，该电压将加载在相应的电机9上。为此，利用控制电路24并使用专业人员原则上公知的脉宽调制来控制逆变器22或其功率晶体管23，特别是功率晶体管23的栅极。因此，逆变器22包括控制电路24基本上是一种功率电子电路，特别是时钟电源（getaktetesNetzteil）。
在本实施例中，控制电路24包含多个控制电子装置25，其中每个控制电子装置都配有一个功率晶体管23。各个控制电子装置25用于控制其所对应的功率晶体管23。在图2中为清楚起见只示出了两个控制电子装置25，它们分别对应一个所示出的逆变器22的半桥。在图3中详细示出了其中一个控制电子装置。
在本实施例中，每个控制电子装置25具有光电耦合器26和第一半导体开关27以及第二半导体开关28。两个半导体开关27、28特别是实现为第一晶体管33和第二晶体管34。这两个晶体管33、34例如是双极型晶体管。
在本实施例中，光电耦合器26包括作为光发射器29的输入级，当在光电耦合器26的输入端加载电压时，该光发射器29发射光。光发射器29特别是由发光二极管35实现。光电耦合器26具有作为输出级的光接收器30，其将由光发射器29或光电二极管35发出的光转换为电信号，该电信号为用于相应地配属于控制电子装置25的功率晶体管23的控制信号。在本实施例中，输出级或光接收器30具有与光发射器29或发光二级管35相耦合的光电二极管31和后置连接该光电二极管31的驱动级32。驱动级32的输出端连接相应的功率晶体管23的栅极。但是光接收器30例如也可以包括光电晶体管，光闸流管，光电双向晶闸管，光电施密特触发器或光达林顿晶体管。
在本实施例中，，控制电子装置25的第一半导体开关27或第一晶体管33与光电耦合器26的输入级或光发射器29并联连接，使得在第一半导体开关27闭合时光电耦合器26的输入端或其光发射器29电短路。如果第一半导体开关27是第一双极型晶体管33，则特别是使第一晶体管33的集电极和发射极与光电耦合器26的光发射器29或发光二级管35连接，并通过控制其基极使第一晶体管33接通或断开。
在本实施例中，控制电子装置25的第二半导体开关28或第二晶体管34与由光电耦合器26和第一半导体开关27组成的并联电路串联连接。
在机器人的运行中，在控制电子装置25上施加有电压或供电电压V，特别是施加在包括第二半导体开关28和由光电耦合器26和第一半导体开关27组成的并联电路的串联电路上。
在正常运行中，第二半导体开关28闭合或者说第二晶体管34导电，并通过脉冲宽度调制打开和关闭第一半导体开关27，从而相应于所选择的脉冲宽度调制来控制功率晶体管23。
光电耦合器26通过施加在第一晶体管33的基极上的脉冲宽度调制的脉冲模式（Pulsmuster）38来控制功率晶体管23。在本实施例中，施加在第一晶体管27的基极上的脉冲模式38表示用于光电耦合器26的输出级的逆脉冲模式（光电耦合器26的输出信号39），因为当第一半导体开关27打开时，在相应的光电耦合器26的光发射器29上加载电压，并由此使光学耦合器26在第一半导体开关27打开时接通功率晶体管23。如果相反，相应的第一半导体开关27关闭，则相应的光电耦合器26的光发射器29短路连接，并由此使相应的功率晶体管断开。这种形式的控制电子装置25的结构的结果是：当第二半导体开关28闭合时，与脉冲宽度调制、即第一半导体开关27的开关状态无关地始终有电流流过第二半导体开关28。
在本实施例中，第二半导体开关28例如在紧急情况下将通过使逆变器打开而自动关闭逆变器22。这样，就没有电压加载在光电耦合器26上，并且功率晶体管23切换到非导通状态（截止状态）。
在本实施例中，在正常运行期间对第二半导体开关28或第二晶体管34进行测试。优选该测试可以循环进行。
这种测试通过以下方式进行：
在正常运行期间，在根据脉冲模式38使相应的功率晶体管23截止的时间段内打开相应的第二半导体开关28。由此确保这种测试在正常运行期间不会影响逆变器22的正常运行。
为了检测相应的第二半导体开关28，需要至少在测试期间对施加在相应的第二半导体开关28上的电信号进行检测和分析。该电信号例如是施加在相应的半导体开关28上的电压，在将第二晶体管34作为第二半导体开关28的情况下，该电压为其集电极和发射极之间的电压。例如，如果该电压的绝对值超过预定的值或至少近似等于施加在控制电子装置25上的供电电压，则相应的第二半导体开关28被可靠地打开，或者相应的第二晶体管34被可靠地截止。因此可以由此认定：所测试的第二半导体开关28运行正常。如果相反，施加在被测试的第二半导体开关28上的电压的绝对值相对较小，特别是至少约近似于零，则所测试的第二半导体开关28没有打开，或相应的第二晶体管没有截止。由此可以确定所测试的第二半导体开关28是有缺陷的。这种测试特别是可以通过控制装置10自动地进行，该控制装置例如通过相应的计算机程序来控制第二半导体开关28并对相应的电信号进行分析。
如果发现有缺陷的第二半导体开关28，则例如可以由控制装置10生成相应的报警信号。
还可以使用流经所测试的第二半导体开关28的电流作为用于检测第二半导体开关28的电信号。由于光学耦合器26和第一半导体开关27是并联连接的，因此与第一半导体开关27的开关状态无关，只要第二半导体开关28是闭合的，就始终有电流通过第二半导体开关28。因此如果被测试的第二半导体开关28是有缺陷的并且没有打开，则就是在测试第二半导体开关28期间也有不可忽视的电流流过。因此，可以根据特别是利用控制装置10对该电流的自动分析推断出有缺陷的第二半导体开关28，其中，例如对该电流的绝对值进行分析，当在测试期间该电流的绝对值大于预设的最小值时，可以判断第二半导体开关28是有缺陷的。
在这种情况下需要注意的是，对第二半导体开关28的测试要求尽可能短的时间间隔。这样就可以实现例如对用于逆变器22的脉冲宽度调制比的调整范围只有很小的限制或没有限制。通过适当地选择用于第一晶体管27的集电极电阻36和发射极电阻37和适当的工作点调整，可以加速第一晶体管33和第二晶体管34的开关进程。因此这是可能的，因为在第一晶体管33和第二晶体管34的分支中的电路拓扑结构原则上相当于射地-基地放大器（Kaskodenschaltung）。在此，在对第一晶体管33的脉冲宽度调制信号的过程中的逻辑“1”期间施加在第一晶体管33的基极上的电压相当于常用的射地-基地放大器的基极直流电压。
在本实施例中，还可以使用第二半导体开关28将对逆变器22的截止或释放转换用于其他目的。例如，可以通过可编程的模块提供用于逆变器22的脉冲宽度调制的信号，该模块需要一定的时间进行初始化，并且在此期间尚不能向第一半导体开关27提供定义的控制信号。当第二半导体开关28在此期间保持处于截止状态或打开时，至少可以降低逆变器22发生故障的危险。

Claims (10)

1.一种功率电子电路，具有：
包括至少一个功率半导体开关(23)的功率部件(22)，其根据所述至少一个功率半导体开关(23)的交替地接通和断开，由供电电压产生用于电负载(9)的时钟电压；和
控制电子装置(25)，用于控制所述功率半导体开关(23)的交替地接通和断开，该控制电子装置具有：光电耦合器(26)，该光电耦合器(26)包括构成为光发射器(29)的输入级和构成为光接收器(30)的输出级；与所述光发射器(29)并联连接的第一半导体开关(27)；和与由所述第一半导体开关(27)和所述光发射器(29)组成的并联电路串联连接的第二半导体开关(28)，其中，将所述第一半导体开关(27)设计为，根据脉冲模式(38)交替地打开和关闭，从而根据该脉冲模式使电流流过所述光发射器(29)，由此使所述光发射器(29)相应于所述脉冲模式(38)发射光，所发射的光由所述光接收器(30)接收，以产生相应的用于所述至少一个功率半导体开关(23)的控制信号(39)，并且
其中，在正常运行期间根据所述脉冲模式(38)交替地打开和关闭所述第一半导体开关(27)，并使所述第二半导体开关(28)关闭，并在测试运行期间根据所述脉冲模式(38)交替地打开和关闭所述第一半导体开关(27)，并使所述第二半导体开关(28)在所述至少一个功率半导体开关(23)打开的时间点打开，并在所述功率半导体开关(23)再次关闭之前再次关闭。
2.如权利要求1所述的功率电子电路，其中，将所述功率部件设计为逆变器(22)，和/或所述脉冲模式(38)基于脉冲宽度调制，和/或将所述第一半导体开关(27)设计为第一晶体管(33)和/或将所述第二半导体开关(28)设计为第二晶体管(34)。
3.如权利要求2所述的功率电子电路，其中，将所述功率部件设计为用于产生三相交流电压的逆变器(22)。
4.如权利要求1所述的功率电子电路，其中，在测试运行期间对施加在所述第二半导体开关(28)上的电信号进行分析，以检测所述第二半导体开关(28)是否可靠地打开。
5.一种电子机械，具有如权利要求1至4中任一项所述的功率电子电路，由该功率电子电路提供时钟电压的电负载(9)和控制装置(10)，该控制装置通过控制器根据脉冲模式(38)打开和关闭第一半导体开关(27)。
6.如权利要求5所述的电子机械，所述控制装置(10)在正常运行期间，根据所述脉冲模式(38)交替地打开和关闭所述第一半导体开关(27)，并使第二半导体开关(28)关闭；在测试运行期间，根据所述脉冲模式(38)交替地打开和关闭所述第一半导体开关(27)，并使所述第二半导体开关(28)在至少一个功率半导体开关(23)打开的时间点打开，并在该功率半导体开关(23)再次关闭之前再次关闭。
7.如权利要求6所述的电子机械，所述控制装置(10)在测试运行期间对施加在所述第二半导体开关(28)上的电信号进行分析，以检测所述第二半导体开关(28)是否可靠地打开。
8.如权利要求5至7中任一项所述的电子机械，所述控制装置(10)在所述功率电子电路初始化期间使所述第二半导体开关(28)打开。
9.一种用于测试如权利要求1或2所述的功率电子电路的方法，其具有以下方法步骤：
根据脉冲模式(38)交替地打开和关闭第一半导体开关(27)，以及
在至少一个功率半导体开关(23)打开的时间点打开第二半导体开关(28)，并在该功率半导体开关(23)再次关闭之前再次关闭所述第二半导体开关(28)。
10.如权利要求9所述的方法，具有以下步骤：对在所述第二半导体开关(28)打开的时间点上施加在所述第二半导体开关(28)上的电信号进行分析，以检测所述第二半导体开关(28)是否可靠地打开。
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