CN105680680A - 故障安全接口 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种故障安全接口电路，其被布置成提供逆变器启用输入来驱动逆变器，该电路由第一电压来供电，并且该电路包括：充电泵，包括充电泵输入和充电泵输出，该充电泵输出被耦接到电路输出；以及脉冲输入，其被布置成向充电泵输入供给脉冲电力；其中，充电泵输出被布置成：仅当脉冲输入向充电泵输入供给脉冲电力时，产生与第一电压不同的第二电压，并且其中，电路输出被布置成：当在充电泵输出处产生第二电压时，提供逆变器启用输入。

Description

故障安全接口
技术领域
本发明涉及故障安全接口。该故障安全接口特别适用于逆变器启用输入，并且尤其适合用于电机驱动的逆变器启用输入。
背景技术
机械装置通常包括如下部件，在正常操作期间，当操作者正在移动时如果与这些部件接触，则这些部件对操作者来说是危险的。
这样的机械装置通常由电机来驱动。出于安全原因，通常需要采用控制系统来，以高度完整性来允许和阻止电机的操作(并且因此允许和阻止机器操作)。例如，当打开安全防护装置或安全门以允许进入机器的移动时可能危险的一部分时，必须防止电机驱动机器。这样的功能的完整性的典型水平会是大约每小时10-8的危险性故障概率。为了实现这一点，采用如下电路设计：确保大多数部件故障和故障的组合致使防止电机驱动机器，从而机器不操作。
传统上，利用机电式接触器来实现启用或禁用电机的操作的能力，所述机电式接触器中的至少两个将被布置成与电机串联。接触器通常设置有辅助监视触头，使得可以检测到一个接触器的主触头的不正确位置，并且通过断开接触器的电磁体的两个线圈来防止电路的完成。
近期，固态控制器(其驱动逆变器来将直流电转换成一组相控的交流电，以在电机中产生旋转磁场)已配备有安全相关输入。所述输入允许通过电子方式来防止电机的操作。
为了保持电机的转矩，相应功率半导体的按照所需顺序的协调切换和持续激活是必要的。逆变器的功率半导体器件中的一个或更多个发生错误导通，这不会引起电机中的持续转矩。对于具有光滑(非突出)转子的电机，逆变器的功率半导体器件的任何故障不产生转矩。对于具有永磁体和/或凸点的电机，逆变器中的一对短路功率半导体器件可以导致短暂校准扭矩，由此电机部分地旋转，然而，电流将快速增大，直到由保护装置中断(例如保险丝)或功率半导体器件中的至少一个的破坏性故障为止。
作为另外的示例，在电力并网发电逆变器应用中，相同的原理适用于逆变器驱动变压器而非电机的情况。逆变器的功率半导体器件的错误导通不能在变压器中产生交替磁通，并且因此从变压器次级线圈无法产生持续输出。换言之，逆变器功率器件的故障引起直流电，因为变压器依靠交流电来进行其操作，所以所述直流电无法通过变压器进行转换。
为了安全可靠地控制这样的逆变器，在逆变器控制输入端子与逆变器的功率半导体之间需要接口，其中，该逆变器控制输入端子通常使用逻辑信号例如24V直流电，该功率半导体保持逆变器的危险性故障的所需低概率。
机电继电器已经被用于针对这样的接口提供必要的电气隔离和电平转换。然而，继电器具有在危险方向上的相对较高的故障概率，并且具有在机械耗损之前的相对较短的时间。这导致在监视的同时使用成对的继电器来检测故障状况。
近期，通常由复杂的数字电路和可编程数字处理器来执行用于操作逆变器的功率半导体控制信号的产生。这样的布置不提供所需较低的危险性故障概率，因为大多数的数字电路无法以相同的概率进入可用逻辑状态中的任一种状态。此外，数字电路和功能的复杂性使得其难以可靠地且可信地表明在电路在操作期间可能经受的电路的条件和条件顺序的所有组合情况下的足够低的危险故障概率。例如，可能难以预料在可变温度条件以及在电路的各种装置的每一个引脚上的逻辑电平的组合的每一个可能的顺序的情况下电路如何反应。
如果在安全关键功能中采用复杂的数字电路和可编程电路，则典型地一起使用至少两个独立信道与诊断和交叉检查功能，以检测故障或错误。这些系统允许通过不受已被检测到的特定故障影响的信道来禁用逆变器。如可以看到的，即使在这样的系统中，也需要提供不依赖于复杂电路的用于禁用逆变器的装置，以便实现危险性故障的所需较低概率。
因此，期望的是具有一种特别是用于逆变器的故障安全接口，其采用具有良好定义的故障模式的简单电子部件。在这样的接口中，期望的是大多数部件故障和部件故障的组合引起安全故障。换言之，逆变器未提供有所需波形的故障，并且因此连接到逆变器的电机不被驱动。
在某些条件下需要防止逆变器的具有高度完整性的操作的情况下，相同的方法适用于使用逆变器的发电机。例如，这可能是由逆变器馈送的公用配电网络的部分已经从电力网络的主体分离并且必须被禁用的情况。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种根据所附权利要求中的权利要求1所定义的故障安全接口电路。因此，提供了一种故障安全接口电路，其被布置成提供逆变器启用输入来驱动逆变器，该电路由第一电压来供电，并且该电路包括：充电泵，包括充电泵输入和充电泵输出，该充电泵输出被耦接到电路输出；以及脉冲输入，其被布置成向充电泵输入供给脉冲电力；其中，充电泵输出被布置成：仅当脉冲输入向充电泵输入供给脉冲电力时，产生与第一电压不同的第二电压，并且其中，电路输出被布置成当在充电泵输出处产生第二电压时提供逆变器启用输入。
可选地，脉冲输入由第一电压来供给。
可选地，第二电压的极性与脉冲输入的极性相反。
可选地，第二电压的量值大于脉冲输入的峰值量值。
可选地，该电路还被布置成提供第二逆变器启用输入来驱动逆变器，该电路还由第三电压来供电，该电路还包括：第二充电泵，其包括第二充电泵输入和第二充电泵输出，该第二充电泵输出被耦接到第二电路输出；以及第二脉冲输入，其被布置成向第二充电泵输入供给脉冲电力；其中，第二充电泵输出被布置成：仅当第二脉冲输入向第二充电泵输入供给脉冲电力时，产生与第三电压不同的第四电压，并且其中，电路输出和第二电路输出被布置成：当在相应的第一充电泵输出和第二充电泵输出处产生第二电压和第四电压时，分别提供第一逆变器启用输入和第二逆变器启用输入。
可选地，第二脉冲输入由第三电压来供给。
可选地，第三电压的极性与第二脉冲输入的极性相反。
可选地，第三电压的量值大于第二脉冲输入的峰值量值。
可选地，至少一个隔离器装置被布置成：当被耦接到电路输出与逆变器输入之间时，产生逆变器启用输入。
可选地，至少一个隔离器装置被布置成：当被耦接到第二电路输出与第二逆变器启用输入之间时，产生第二逆变器启用输入。
可选地，隔离器装置包括电磁装置，例如光隔离器。
可选地，逆变器包括多相逆变器。
可选地，逆变器被布置成对电机进行驱动。
可选地，第一电压和第二电压具有相反的极性和/或具有不同的量值。
可选地，第三电压和第四电压具有相反的极性和/或具有不同的量值。
可选地，第二电压和第四电压具有不同的量值和/或不同的极性。
可选地，第一电压、第二电压、第三电压和第四电压各自具有不同的量值。
可选地，故障安全接口是逆变器的故障安全接口。
根据本发明的第二方面，提供了一种方法，该方法提供了一种根据所附权利要求中的权利要求21所定义的故障安全接口。因此，提供了一种用于提供故障安全接口的方法，该方法提供用于驱动逆变器的逆变器输入，该方法包括：向充电泵提供第一电压，该充电泵包括充电泵输入和充电泵输出；将充电泵输出耦接到电路输出；向充电泵输入供给来自脉冲输入的脉冲电力，并且由此在充电泵输出处产生第二电压，该第二电压不同于第一电压；以及当在充电泵输出处产生第二电压时，经由电路输出提供逆变器输入。
在从属权利要求中限定了另外的可选特征。
附图说明
现在将仅通过举例的方式并参照附图来描述实施方式，在附图中：
图1示出了根据本文所述的实施方式的单信道故障安全接口的系统概览图；
图2示出了根据本文所述实施方式的双信道故障安全接口的系统概览图；
图3示出了根据本文所述实施方式的提供正输出的故障安全接口的信道；
图4示出了根据本文所述实施方式的提供负输出的故障安全接口的信道；
图5示出了根据本文所述实施方式的提供正升压输出的故障安全接口的信道；
图6示出了根据本文所述实施方式的提供负升压输出的故障安全接口的信道；
图7示出了根据实施方式的向逆变器的一部分提供禁用输入的故障安全接口的信道的系统图；
图8示出了根据实施方式的向逆变器的另一部分提供禁用输入的故障安全接口的信道的系统图；
图9示出了根据实施方式的双信道故障安全接口的系统图。
在图中，贯穿附图用相同的附图标记来表示相同的元件。
具体实施方式
概述
总体上，通过图1的虚线的左手边表示的故障安全接口1a提供了输出10的可靠的启用/禁用功能。输出10是电路的到虚线的右手边的供电轨。输出可以向隔离器12供电，而隔离器12可以通过逆变器13来驱动电机14。由产生输出10的充电泵15提供可靠的启用/禁用功能。此处，输出10被称为端子输出。端子输出10与充电泵15的启用输入17具有相反的极性，或者端子输出10是在量值上高于在故障安全接口中的任何其它供电轨或输入的升压输出。隔离器部件12可以耦接到端子输出10，以这样的方式使得在没有端子输出10的情况下隔离器部件12无法进行操作。在没有隔离器输出的情况下，在逆变器13中无法产生正确顺序的电压和电流，并且因此电机14无法由逆变器13驱动。
该电路被布置成使得当启用输入17处于禁用状态时，故障无法引起充电泵15产生端子输出10。在没有端子输出的情况下，即使试图例如通过PWM19针对逆变器13以所需顺序切换隔离器12，隔离器由于隔离器12和端子输出10的布置而仍然无法产生输出。
相应地，提供了可以启用和禁用信道2的单信道故障安全接口。信道2包括故障安全接口的安全相关部件，这将在本文中进一步讨论。
图2示出了包括信道2和另一信道3的双信道故障安全接口1b。信道3提供端子输出11的可靠的启用/禁用功能。端子输出11是与端子输出10不同的供电轨，并且也是电路的到虚线的右手边的供电轨。由产生输出11的充电泵16提供信道3的可靠启用/禁用功能。端子输出11与充电泵16的启用输入18具有相反的极性，或者端子输出11是在量值上高于在故障安全接口中的任何其它供电轨或输入的升压输出。信道3的操作与信道2的操作基本相同，除了端子输出11可以与端子输出10具有不同的极性和/或量值。
在图2中，由输出10、11中的一者或二者提供可靠启用/禁用功能。相应地，提供了可以独立地启用和禁用每个信道2、3的双信道故障安全接口。
因此，明显的是，一个信道(图1)或双信道(图2)可以通过逆变器13向电机14提供故障安全接口。
对交流电机或无刷直流电机(一种交流电机)进行操作的固态驱动器特别适合于如下故障安全接口，在该故障安全接口中，驱动器使用逆变器13将直流电转换成一组相控交流电，以在电机14中产生旋转磁场。
详细描述
端子输出10、11的启用/禁用功能
图3和图4是其中端子输出10、11与各个充电泵15、16的启用输入17、18具有相反极性的布置。
图3示出了提供正端子输出10的布置。由于存在被称为脉冲波或“脉冲串”的脉冲输入，所以图3的布置的启用输入17被提供给端子T1和T2。脉冲串可以例如是方波，并且可以由振荡器(例如专用集成电路)或其它的振荡器(如555定时器)和相关联的支持部件来提供。振荡器可以替代地包括分立元件，其包括逻辑门和/或晶体管。T1向系统提供参考线或“接地”线，并且被耦接到端子T3。因为端子T3是系统的输出端子，所以存在输入(T1)与输出(T3)之间的公共连接。T2提供以T1为参考的脉冲串。脉冲串在T2处提供随时间的交流电压输出：峰值电压输出，其中脉冲串的电压处于最大量值或零电压输出。在图3的布置中，脉冲串是负脉冲，使得峰值输出是相对于T1的负电压。
在T2处提供的脉冲串输入被连接至放大器A1的输入。放大器A1使得提供足够的电流来供给输出负载，并且放大器A1可以包括集成放大器、光耦接器的输出级或由常规设计的分立元件组成的放大器。例如，放大器可以是使用双极晶体管的推挽免费发射极跟随器(push-pullcomplimentaryemitterfollower)。在该布置中，放大器A1被配置成由负的直流电源电压-V来供电，该放大器A1被连接成跨图3的端子T3(接地)和T4。当脉冲串信号T2产生其峰值输出(即相对于T1处的电压的负电压)时，放大器A1还输出负电压，该负电压可以等于跨T3和T4的负直流电源。当脉冲串信号T2向放大器A1提供其零输出时，A1在与接地线T1/T3相同的电位处输出。
放大器A1的输出被连接到充电泵，其包括电容器C1、C2和二极管D1、D2。电容器C1的第一板被耦接到放大器A1的输出。电容器C1的第二板被耦接到二极管D1的阴极和二极管D2的阳极二者。二极管D1的阳极被耦接到接地线T1/T3，而二极管D2的阴极被耦接到输出端子T5。电容器C2被耦接在端子T5与接地线T1/T3之间。当T2脉冲串产生其峰值输出(即负电压)时，放大器A1将负电压-V输出到电容器C1的第一板。由于二极管D1被耦接在接地线T1/T3与电容器C1的第二板之间，所以由放大器A1向电容器C1提供的负电压-V由于在接地线T1/T3与放大器A1的输出之间的电位差而产生跨电容器C1的电位V。因此，电容器C1如所理解的那样被充电。
在对C1充电后，当T2脉冲串提供其零输出时，跨电容器C1的电位差V将正电压输出+V“泵送”到正向偏置的二极管D2，该二极管D2连接到输出端子T5。端子T5是图1或图2的端子输出10。由于图3的布置由端子T4处的负电压-V来供给，并且在端子T5处输出正电压+V，所以该布置提供2*V的输出电压电位(减去系统中的任何固有损耗)，从而有效地使由输入电源提供的电压电位加倍。
图4示出了提供负端子输出11的另一布置。由于脉冲串的存在，由端子T1、T2向图4的布置提供启用输入18。T1再次向系统提供参考线或接地线并且被连接到输出端子T3，而T2提供脉冲串信号，其产生峰值电压输出和零电压输出。与图3的布置不同，在图4的布置中，放大器A1被配置成由正直流电源+V来供电，该放大器A1被连接成跨图4的端子T3(接地)和端子T4。此外，在图4的布置中，脉冲串是正脉冲，使得其峰值输出是相对于T1/T3处的电压的正电压。当脉冲串信号T2产生其峰值输出至放大器A1时，放大器A1输出正电压+V，该正电压+V可以等于跨T3和T4的正直流电源。
在图4的布置中，放大器A1的输出还被连接到充电泵，其包括在与图3的配置不同的配置下的电容器C1、C2和二极管D1、D2。如图3，电容器C1的第一板被耦接到放大器A1的输出。电容器C1的第二板被耦接到二极管D1的阳极和二极管D2的阴极二者。二极管D1的阴极被耦接到接地线T1/T3，而二极管D2的阳极被耦接到输出端子T5。电容器C2被耦接在端子T5和接地线或参考T1/T3之间。当T2脉冲串产生其峰值输出(即正电压)时，放大器A1还将与跨T3和T4的正直流电源相等的正电压+V输出到电容器C1的输入侧。二极管D1被连接在接地线T1/T3与电容器C1的输出侧之间。因此，由放大器A1向电容器C1提供的正电压+V产生跨电容器C1的电位V。因此，电容器C2如所理解的那样被充电。
在对C1充电后，当T2脉冲串提供其零输出时，跨C1的电位差V将正电压输出+V“泵送”到正向偏置的二极管D1，该二极管D1连接到接地线T1/T3。这引起在输出端子T3与端子T5之间的电位V。然而，由于接地线T1/T3被保持在接地电平处，所以T5相对于T3处于电位-V，以便保持跨端子T3和端子T5的电位V。在图4的布置中，端子T5对应于图2的端子输出11。由于图4的设置由端子T4处的正电压+V来供给，并且在端子T5处输出负电压-V，所以该布置提供2*V的输出电压(减去系统中的任何固有损耗)，从而有效地使由输入电源提供的电压电位加倍。
在图3和图4的布置中，相对于相应的直流电源输入T4的极性，端子输出10、11的极性(其由相应的端子T5来提供)被反转。这提供了防止包括故障的组合在内的许多可能故障的故障安全。一个可能的故障组合是：输入T2成为困高(stuckhigh)或困低、或导致困高或困低状态的任何其它故障以及电容器C1的短路。在这种情况下，由于输入T2的极性没有被充电泵反转，所以在端子T5处的任何输出将不具有用于驱动电路的正确极性。因此，当端子输出10、11处不存在所需电压时，在端子输出10、11处的输出(T5)将不使得(一个或更多个)隔离器12进行操作。
图5和图6为替选的布置，其中端子输出10、11的电压量值大于各充电泵15、16的启用输入17、18。
图5示出了在输出T5处提供正“升压”电位的布置。由于脉冲串的存在，由端子T1、T2向图5的布置提供启用输入17。T1/T3再次向系统提供接地线。如先前关于图3所描述的那样，T2向放大器A1提供在此情况下为正的脉冲串。在此布置中的电源是跨端子T4与端子T3(接地)的正直流电源电压+V，并且因此放大器A1由正直流电源来供电。
在此布置中，由T2提供的脉冲串为正脉冲，使得其峰值电压输出为正电压。因此，当脉冲串产生其峰值输出时，放大器A1还输出正电压+V。放大器A1的输出被连接到与图3的充电泵具有相同配置的充电泵，除了D1的阳极被耦接到系统的最高正直流电源+V即T4(对照在图3中为接地)。
在图5的布置中，端子T4和T5是输出端子。由图4的布置来驱动的电路，即一个或更多个隔离器12和随后的电路(参见图1或图2)，使得在端子T4处提供的正直流电源电压+V不足以操作端子T5处的驱动电路。如现在将描述的，由于充电泵，在T5处提供有足以操作驱动电路的“升压”电位。
当T2脉冲串提供其零输出时，由于T4供给线(+V)与放大器A1的输出(零或地电位)之间的电位差而产生跨电容器C1的电位V。电容器C1如所理解的那样被充电。重要的是要注意，即使在图5的布置中的二极管D1和D2允许电流从T4流动到T5，如前所述的T4的直流电源也不足以操作驱动电路。
当T2脉冲串提供其正峰值输出时，放大器A1的输出向电容器C1提供电压+V。如所理解的那样，T4供给线和跨电容器C1的电位差V的组合使得在端子T5处输出2*V的电压(减去系统中的任何固有损耗)。图5的布置也因此有效地使跨T3和T4的输入电压供给的电压电位加倍。如在图3的布置中，端子T5是图1或图2的端子输出10。
由于驱动电路需要比由跨端子T4和T3的输入电源提供的电位更大的电位，并且由于由T3供给的电力是系统的最高电力供给，所以存在可以在部件故障的情况下出现的无故障模式。部件中的任何故障将导致充电泵故障，并且因此操作驱动电路所需的升压电位将不会由T5来提供。
图6示出了在输出T5处提供负“升压”电位的布置。由于脉冲串的存在，由端子T1、T2向图6的布置提供启用输入18。T1/T3再次向系统提供接地线或参考线。如先前关于图3所描述的那样，T2向放大器A1提供在此情况下为正的脉冲串。在此布置中的一个电源是跨端子T4与端子T3(接地)的正直流电源电压+V，并且因此放大器A1由正直流电源来供电。
至于图5的布置，由T2提供的脉冲串为正脉冲，使得其峰值电压输出为正电压。因此，当脉冲串产生其峰值输出时，放大器A1还输出正电压+V。放大器A1的输出被连接到与图4的充电泵具有相同配置的充电泵，除了二极管D1的阴极被耦接到负直流电源即T6(对照在图4中为接地)。T6提供相对于T1/T3的负电位-V。
在图6的布置中，端子T5和T6是输出端子。由图5的布置来驱动的电路即一个或更多个隔离器12和随后的电路(参见图1或图2)使得在端子T4处提供的正直流电源电压+V既不具有正确的极性也不具有足够的量值以在端子T5处操作驱动电路。此外，在部件故障允许这样与T5耦接的情况下，在端子T6处提供的负电源不具有足够的量值以在端子T5处操作驱动电路。如现在将描述的，由于充电泵，在T5处设置有足以操作驱动电路的负“升压”电位。
当T2脉冲串提供其正峰值输出时，放大器A1的输出向电容器C1提供电压+V。由于电容器C1被耦接到负供电轨T6(其提供负电位-V)，所以跨电容器的电位为-2*V。电容器C1如所理解的那样被充电。
当T2脉冲串提供其零输出时，因为跨电容器C1的电位为-2*V，所以放大器A1的输出(0)与T5之间的电位差为-2*V。因此，如所理解的那样，在端子T5处输出-2*V的电压(减去系统中的任何固有损耗)。图6的布置有效地使量值加倍，并且反转了跨T3和T4的输入电压供给的电压电位的极性。所述另一种方式，图6的布置有效地使跨T3和T6的电压供给的电压电位加倍。如在图4的布置中，端子T5为图2的端子输出11。
如在图5中，由于与由跨端子T4和T3的输入电源提供的量值和极性相比，驱动电路需要较大的量值和相反极性的电位，并且由于由T6提供的电力是系统中的最高负电源，所以可以出现允许驱动电路在部件故障的情况下进行操作的无故障模式。部件的任何故障将导致充电泵故障，并且因此操作驱动电路所需的具有正确极性和量值的升压电位将不会由T5来提供。因此，不存在可以导致T5处的电位的负值大于T6处的电位的负值的故障。
可以使用图3至图6的各个布置中的任一布置来提供图1的单信道故障安全接口1a。此外，可以将图3至图6的布置中的任意布置一起使用，以便提供图2的双信道故障安全接口1b。例如，可以通过图3至图6的布置中的任一布置来提供信道2，也可以通过图3至图6的布置中的任一布置来提供信道3(如果存在)。事实上，可以通过同一布置来提供信道2和信道3二者。例如，可以通过图2的布置来提供信道2，也可以由图2的布置来提供信道3，由独立的启用输入来控制每个信道。因此，由每个信道的充电泵15、16提供的端子输出10、11可以包括：两个正输出、两个负输出或者每个极性的输出。
在所有上述设置中，可以对脉冲串T2的频率和占空比进行调节，使得对电容器C1的连续充电和放电在端子T5处产生连续的正输出(图3和图5)或负输出(图4和图6)。虽然脉冲串T2被指定为正脉冲或负脉冲，但是本领域技术人员将理解的是，可以通过使用在放大器A1的输入处的交流电耦合接来反转脉冲的极性。例如，图3的布置可以因此使用正脉冲来操作。
在上述充电泵中，如所理解的那样，可以存在与C1串联的电阻，以限制流入电容器C1中的峰值电流。
如所理解的那样，跨端子T3和T5(图3和图4)或端子T4和T5(图5)或端子T5和T6(图6)提供有可选电容器C2，以使信号平滑。
如果在上述布置的任一布置中脉冲串信号T2失效，则输入T2处于困高状态、困低状态或三态，并且通过对电容器C1充电和放电无法产生端子输出10、11。此外，在放大器A1或驱动放大器A1的任何电路中的任何静态故障(其还引起困高状态或困低状态)的情况下，也无法通过对电容器C1充电和放电来产生端子输出10、11。在每个故障模式下，所需的充电/放电循环被破坏，并且因此T5供给将会发生故障。
可以看出，在大量部件故障的情况下，上述布置提供了逆变器的安全(抑制)条件，从而消除了所有可能不安全故障模式。这是由于图3至图6的充电泵借助于端子输出10、11(T5)来创建用于驱动电路的供电轨。驱动电路的供电轨必须存在，否则驱动电路将不操作。因此，由于除非(一个或更多个)充电泵按预期方式进行操作否则不设置驱动电路的供电轨，所以上述布置在本质上是安全的。在图3至图6的电路中的故障无法引起提供用于驱动电路的合适的供电轨。
故障安全逆变器禁用输入
图7示出了提供逆变器禁用输入的单信道故障安全接口的示例的系统图，其中端子输出10(T5)具有正极性。因此由图3或图5的布置来提供图7的信道。隔离器12可以被耦接在端子输出10与跨T3和T4的电源之间。隔离器12可以包括如图7所示的具有LED的光隔离器，或者可以是能够产生光或其它电磁能量的任何类似的装置，或者是能够提供电隔离的任何其它装置，其设计使得如果其输入具有错误的极性，则其本质上无法产生输出。LED可以具有其阳极，所述阳极通过分立切换装置60被耦接到端子输出10。切换装置60可以是双极型晶体管、MOSFET或任何其它合适的装置。PWM19经由切换装置60提供LED阳极到端子输出10的耦接，并且PWM19可操作成调节隔离器12输出。代替PWM19，可以使用任何适合的调制方式如电压矢量控制或磁通矢量控制，其中使用各种技术来调节脉冲宽度，以在电机或负载的行为方面进行优化。这些替选方案提供具有经调制宽度的脉冲。另一种合适的调制技术是准方形操作，即不具有宽度调制。
可以看出，仅当端子输出10由相应的启用输入17适当地启用时，光隔离器的LED可以发光。即使PWM19尝试将LED耦接到端子输出10，隔离器12在端子输出10不提供合适的输出的情况下仍然无法提供输出。
如果隔离器12被耦接到逆变器13的功率半导体，那么清楚的是，在端子输出10不具有适当的极性和/或量值的情况下，功率半导体无法被驱动，并且因此逆变器无法向连接的电机14提供所需的波形。在图7和图8中，为清楚起见示出了仅一个隔离器，然而可以将另外的隔离器以类似的方式耦接到逆变器的其它功率半导体。
当端子输出10不具有必要的极性和/或量值时，以对应于图6的方式连接的任何隔离器12或其它装置被禁用。可以将图7的布置用于如图所示的三相逆变器桥13，然而，可以以这种方式驱动任何多相逆变器。因此，如果当产生正确顺序的电压和电流的近似值时仅产生电机转矩，则端子输出10的可靠和故障安全启用功能提供由逆变器13驱动的电机14的可靠和故障安全的操作。
图8示出了提供逆变器禁用输入的单信道故障安全接口的示例的系统图，其中终端输出11(T5)具有负极性。因此，由图4或图6的布置来提供图8的信道。如果逆变器控制电路具有内部负供电轨，则优选地使用图6的布置，其中图6的端子T6和隔离器LED12阳极被连接到负供电轨。以与图7中所示方式相同的方式来实现通过启用输入18和隔离器12对逆变器13的控制。
关于如图7和图8中所示的三相逆变器桥13，可以对图7和图8的单信道进行组合，以通过将隔离器12耦接到端子输出10或端子输出11来提供双信道故障安全控制。
在图9中示出了这样的双信道故障安全控制的示例。端子输出10、11可以包括两个正输出、两个负输出或每个极性的输出。图9示出了当端子输出10为正而端子输出11为负时的布置。然而，可以反转端子输出10和11的极性，端子输出10为负而端子输出11为正，或者端子输出10和11可以具有相同的极性。相应地，可以使用图3至图6的设置中的一个或更多个来提供图9中所示的双信道故障安全控制。
如图所示，两个独立信道2、3各自对逆变器13的六个功率半导体器件中的三个的端子输出进行控制。如在以下的故障模式部分所描述的，通过隔离图3至图6的部件来获得独立双信道。
逆变器的顶部的三个功率半导体可以由三个隔离器12来进行控制,这三个隔离器12通过三个相应的切换装置60(为清楚起见示出了仅一个这样的隔离器)被耦接到端子输出10，并且逆变器的底部的三个功率半导体可以由三个隔离器12来进行控制,这三个隔离器12通过三个相应的切换装置(为清楚起见示出了仅一个这样的隔离器)被耦接到端子输出11。
利用这样的双信道布置，启用输入17、18二者必须处于启用状态，以产生合适的相应端子输出10、11，而端子输出10、11又允许隔离器产生输出来驱动逆变器的相应的功率半导体。可以在独立的启用输出17、18之间执行交叉检查以指示故障。可以关闭在双信道与故障安全接口之间的任何失配。
隔离器12被示出为光隔离器。然而，在故障安全接口中还可以采用包含变压器或电容耦接布置的替代的隔离器。
故障模式
现在将描述其中危险性故障可能影响故障安全接口的完整性的各种潜在故障模式。将示出无故障可以减少启用/禁用功能的完整性，从而提供了以高完整性禁用逆变器驱动的能力。
在图3至图6示出的充电泵15、16中的所有部件可以是具有明确定义的故障模式(例如短路、开路、泄漏、随时间和温度变化的值等)的分立部件。取决于应用程序，通过去除引起放大器的寄生振荡(其可能引起危险性故障)的故障模式的可能性，分立部件放大器A1的使用可以是有利的。
充电泵被设置成使得在充电泵部件或放大器A1内部不存在如下部件故障，其可能导致足以操作驱动电路的端子输出10、11(T5)的意外输出。向各端子输出10、11传送电力依赖于充电泵的操作，这是因为端子输出10、11需要具有与输入电源(图3和图4)的极性相反的极性的电压，或者端子输出10、11需要具有比由输入电源(图5和图6)提供的量值的电压更大的量值的电压。任何部件的故障阻碍极性的反转或电压量值的增加，并且因此逆变器无法操作。
如在本文中已经公开的，提供了一种允许低电平控制信号17和/或18可靠地启用和禁用逆变器驱动的功率半导体器件13的故障安全接口。实现了以下优点：
1.在图1的单信道实施方式中，所有的安全相关部件都包含在单个电路中。在结合故障安全接口使用的电路中的无故障或故障的组合可以引起端子输出10的非预期产生，并且因此在电机14中引起非预期的扭矩。
2.在图2的双信道实施方式中，所有的安全相关部件都包含在包括两个独立信道2、3的单个电路中。可以将这些信道一起定位在分立电路板上(利用PCB布线原则，以避免一个端子输出10、11能够泄漏到另一个上)，或者为了增大故障的恢复力，可以将一个信道定位在一个分立的电路板上。如已经示出的，在结合故障安全接口使用的任何其它电路中的无故障或故障组合可以引起端子输出10、11的非预期产生，并且因此在电机14中引起非预期的扭矩。
3.在其中双信道产生相反极性的端子输出的实施方式中，其它电路无法呈现出由于使一个端子输出通电而能够使另一个端子输出通电的故障。在本实施方式中，如果通电的端子输出泄漏到未通电的端子输出，则在未通电端子输出上的隔离器12将需要具有与由泄漏端子输出提供的极性相反的极性的端子输出，以便被正确地偏置以供操作。当使用相反的端子输出极性时，当两个信道位于同一电路板上时，PCB布线原则可以因此放宽为：即使一个端子输出泄漏到另一个，也不会发生错误的隔离器12输出。
4.单信道或双信道故障安全接口可以与许多逆变器设计结合使用，另外，不必详细评估整个电路的被布置成控制逆变器驱动器的部分的故障影响，因为它们将不影响信道2和/或信道3的故障安全功能的完整性。
5.信道2和/或信道3的所有安全相关部件可以是如下常用电子部件，对于该电子部件而言存在成熟的故障率数据，并且明确定义了故障模式。
6.当经由隔离器12被耦接到逆变器桥13时，单个部件故障和两个独立的部件故障的组合不会在端子输出10和/或端子输出11处引起适当极性电压的非预期产生，或者不会在这些端子输出处引起足够量值的电压的非预期产生，并且因此不会引起在电机14中的转矩的非预期产生。
本文所描述的是一种包括由具有明确定义的故障模式的分立部件提供的安全可靠的启用功能的故障安全接口。该接口不需要复杂的电路或构架，也不需要固有不可靠的、具有短寿命并且昂贵的电子机械装置。
虽然本文已说明并描述了具体的实施方式和布置，但是在不脱离本发明的如在权利要求中所陈述的范围的情况下，其它布置也是可能的。例如，可以将多于两个信道进行组合以提供更高程度的交叉检验。

Claims (29)

1.一种故障安全接口电路，其被布置成提供逆变器启用输入来驱动逆变器，所述电路由第一电压供电，并且所述电路包括：
充电泵，包括充电泵输入和充电泵输出，所述充电泵输出被耦接到电路输出；以及
脉冲输入，其被布置成向所述充电泵输入供给脉冲电力；
其中，所述充电泵输出被布置成：仅当所述脉冲输入向所述充电泵输入供给脉冲电力时，产生与所述第一电压不同的第二电压，并且其中，所述电路输出被布置成：当在所述充电泵输出处产生所述第二电压时，提供所述逆变器启用输入。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述脉冲输入由所述第一电压来供给。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电路，其中，所述第二电压的极性与所述脉冲输入的极性相反。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的电路，其中，所述第二电压的量值大于所述脉冲输入的峰值量值。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的电路，其中，所述电路进一步被布置成：提供第二逆变器启用输入来驱动所述逆变器，所述电路还由第三电压供电，所述电路进一步包括：
第二充电泵，其包括第二充电泵输入和第二充电泵输出，所述第二充电泵输出被耦接到第二电路输出；以及
第二脉冲输入，其被布置成向所述第二充电泵输入供给脉冲电力；
其中，所述第二充电泵输出被布置成：仅当所述第二脉冲输入向所述第二充电泵输入供给脉冲电力时，产生与所述第三电压不同的第四电压，并且其中，所述电路输出和所述第二电路输出被布置成：当在相应的第一充电泵输出和第二充电泵输出处产生所述第二电压和所述第四电压时，分别提供第一逆变器启用输入和所述第二逆变器启用输入。
6.根据权利要求5所述的电路，其中，所述第二脉冲输入由所述第三电压来供给。
7.根据权利要求5所述的电路，其中，所述第三电压的极性与所述第二脉冲输入的极性相反，并且/或者所述第三电压的量值大于所述第二脉冲输入的峰值量值。
8.根据权利要求1所述的电路，其中，至少一个隔离器装置被布置成：当被耦接在所述电路输出与所述逆变器启用输入之间时，产生所述逆变器启用输入。
9.根据权利要求5所述的电路，其中，至少一个隔离器装置被布置成：当被耦接在所述第二电路输出与所述第二逆变器启用输入之间时，产生所述第二逆变器启用输入。
10.根据权利要求8或9所述的电路，其中，所述隔离器装置包括电磁装置。
11.根据权利要求8或9所述的电路，其中，所述隔离器装置包括光隔离器。
12.根据权利要求1或权利要求2所述的电路，其中，所述逆变器包括多相逆变器。
13.根据权利要求1或权利要求2所述的电路，其中，所述逆变器被布置成对电机进行驱动。
14.根据权利要求1或权利要求2所述的电路，其中，所述第一电压和所述第二电压具有相反的极性。
15.根据权利要求1或权利要求2所述的电路，其中，所述第一电压和所述第二电压具有不同的量值。
16.根据权利要求5所述的电路，其中，所述第三电压和所述第四电压具有相反的极性。
17.根据权利要求5所述的电路，其中，所述第三电压和所述第四电压具有不同的量值。
18.根据权利要求5所述的电路，其中，所述第二电压和所述第四电压具有不同的量值和/或不同的极性。
19.根据权利要求5所述的电路，其中，所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和所述第四电压各自具有不同的量值。
20.根据权利要求1或权利要求2所述的电路，其中，所述故障安全接口是所述逆变器的故障安全接口。
21.一种提供故障安全接口的方法，所述方法提供逆变器启用输入以驱动逆变器，所述方法包括：
向充电泵提供第一电压，所述充电泵包括充电泵输入和充电泵输出；
将所述充电泵输出耦接到电路输出；
向所述充电泵输入供给来自脉冲输入的脉冲电力，并且由此在所述充电泵输出处产生第二电压，所述第二电压不同于所述第一电压；以及
当在所述充电泵输出处产生所述第二电压时，经由所述电路输出来提供所述逆变器启用输入。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述脉冲输入由所述第一电压来供给。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的方法，其中，所述第二电压的极性与所述脉冲输入的极性相反。
24.根据权利要求21或权利要求22所述的方法，其中，所述第二电压的量值大于所述脉冲输入的峰值量值。
25.根据权利要求21或权利要求22所述的方法，进一步包括提供第二逆变器启用输入以驱动逆变器，并且进一步包括：
向第二充电泵提供第三电压，所述第二充电泵包括第二充电泵输入和第二充电泵输出；
将所述第二充电泵输出耦接到第二电路输出；
向所述第二充电泵输入供给来自第二脉冲输入的脉冲电力，并且由此在所述第二充电泵输出处产生第四电压，所述第四电压不同于所述第三电压；以及
经由所述电路输出和所述第二电路输出分别提供第一逆变器启用输入和所述第二逆变器启用输入。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第二脉冲输入由所述第三电压来供给。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第三电压的极性与所述第二脉冲输入的极性相反，并且/或者所述第三电压的量值大于所述第二脉冲输入的峰值量值。
28.根据权利要求21或权利要求22所述的方法，进一步包括：将隔离器装置耦接在所述电路输出与所述逆变器启用输入之间，所述隔离器装置提供所述逆变器启用输入。
29.根据权利要求25所述的方法，进一步包括：将隔离器装置耦接在所述第二电路输出与所述第二逆变器启用输入之间，所述隔离器装置提供所述第二电路启用输入。
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