CN107005197B - 驱控信号和数据信号的传输 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在功率半导体装置(13)的驱控装置(12)与控制装置(9)之间传输驱控信号(3)和第一数据信号(4)的方法。为了将用于运行物理传输通道的耗费和用于在控制装置(9)与驱控装置(12)之间布置物理连接的成本最小化而提出，驱控信号(3)的和第一数据信号(4)的在控制装置(9)与驱控装置(12)之间的传输同时地并且经由共同的传输通道进行，其中，第一数据信号(4)与驱控信号(3)通过数字的调制方法或编码方法进行组合。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在用于功率半导体装置的驱控装置与控制装置之间传输驱控信号和第一数据信号的方法。
此外，本发明涉及一种用于执行这种方法的设备。
本发明还涉及一种系统，其用于利用至少一个这样的设备在控制装置与驱控装置之间将至少一个驱控信号和至少一个第一数据信号数字地传输并且以相反方向将至少一个反馈信号与至少一个第二数据信号一起数字地传输。
背景技术
这样的方法在驱控功率半导体时使用，特别在变流器中使用。可能的应用为：电动驱动器、风力系统、轨道系统和动力技术。通过在控制装置与驱控装置之间的接口应当传输两种不同的类型的信号：
-用于对功率半导体和其反馈进行驱控的、时间确定(zeitdeterministische)的实时信号，以及
-具有附加信息的数据信号，其例如用于参数化、诊断和测量值的传递。
时间确定的实时信号不允许在其形状上进行改变，并且仅允许在时间上延迟一个小的精准确定的值、即传输路程的运行时间。
两种信息不允许相互影响。由于在控制装置的保护作用中或者在应用具有半导体装置的高开关频率的情况中高的时间要求，驱控信号的和反馈信号的频率能够并且允许高于附加信息的数据传输率。
迄今为止，由于特别的信号要求而使用两个不同的物理传输通道。物理传输通道是如下的连接，利用该连接来传输能在测量技术上检测的信号。在该情况下，两个不同的物理传输通道例如是两个不同的、互不影响的电缆。经由光纤的连接或无线连接同样是物理传输通道。因为信号在两个电缆上互不影响，所以传输经由两个不同的传输通道进行。
上述用于传输的常规解决方案与用于运行两个不同传输通道的附加耗费以及与用于在控制装置与驱控装置之间布置物理连接的成本相关。在例如是以太网、局部操作网(LON)、控制器局域网(CAN)、通用串行总线(USB)的已知的数据接口传输协议中，驱控信号的和反馈信号的传递由于驱控信号的和反馈信号的时间确定的实时要求而不能实现。
从EP 2 371 054 A2中已知了用于供给马达的变流器，其中，在控制电子模块与耦连模块之间设置有用于信号传输的第一接口，并且在耦连模块与制动斩波器模块之间以及在耦连模块与每个相模块之间分别设置用于信号传输的第二接口。
在DE 10 2011 014 753 Al中公开了驱动系统和用于运行驱动系统的方法，该驱动系统具有至少一个由变流器供给的电动机。在马达处布置有至少一个传感器和一个执行机构，其中，变流器和马达通过混合电缆连接。混合电缆具有强电流电线和弱电流电线，其中，将至少两条信号线和两条供电线作为弱电流电线使用。经由信号线能够传输由传感器检测的值以及特别在时间上偏移的、用于执行机构的确定的驱控数据。
在WO 2010/060585 A2中公开了用于供给马达的变流器，其公开了用于产生用在可驱控的半导体开关、特别是功率半导体开关的驱控信号的控制电子模块、以及分别与发动机馈电线连接的相模块，该变流器具有半导体开关和带有可驱控的半导体开关的制动斩波器模块，其中，在控制电子模块与耦连模块之间设置有用于信号传递的第一接口，并且在耦连模块与制动斩波器模块之间以及在耦连模块与每个相模块之间分别设置用于信号传输的第二接口。
在DE 10 2012 211 312 Al中公开了用于通过在用在传输磁共振成像的高频信号的相应输入接口处提供至少两个输入信号的方式、经由共同的高频线同时地传输至少两个高频传输信号的方法，其中，输入信号是具有相同载波频率的信号。
发明内容
本发明的目的在于给出开头所述类型的方法，在其中将用于运行物理传输通道的耗费和用于在控制装置与驱控装置之间布置物理连接的成本最小化。
根据本发明，该目的通过开头所述类型的方法如下地实现，即驱控信号的和第一数据信号的传输同时地并且经由共同的传输通道进行，其中，第一数据信号与驱控信号通过数字的调制方法或编码方法进行组合，其中，反馈信号与第二数据信号一起以相反方向进行传输，其中，将比驱控信号的间隔长度更短的编码长度用于第一数据信号，和/或将比反馈信号的间隔长度更短的编码长度用于第二数据信号。
这样的连接例如能够通过混合过程执行。信息在接收侧由解调器或解码器完全地恢复。
驱控信号的和第一数据信号的传输经由共同的物理传输通道进行。物理传输通道例如能够是电缆，但也能够是光纤。因为必须遵守对于驱控信号的时间确定的实时要求，所以必须同时进行传输。例如常规的时间复合方法不满足该要求，在该方法中以不同的时间间隔相互独立地传输不同的信号。
本发明的优点例如在电缆连接的情况中在于，在将例如能够是开关信号的驱控信号与第一数据信号一起传输时，以及在将反馈信号与第二数据信号一起传输时，分别省略一个电缆，并且相应地将用于运行接口的耗费最小化。用于布置在控制装置与驱控装置的电缆的成本同样减少。另外的优点在于，相对于现有技术，机械的误差来源的数量通过所需的插接连接的数量的减少而减少，并且取决于原理地消除了在驱控信号与第一数据信号之间的或者在反馈信号与第二数据信号之间的串扰。
反馈信号例如能够由监视功率半导体装置的监视传感器产生。该实施方式的优点在于，对于附加信息的传输而言不需要附加的物理传输通道，并且与反馈信号和第二数据信号分开传输相比明显减少了耗费以及成本。
编码长度描述了第一或第二数据信号的位的长度。因为能够仅在离散的时间点进行驱控信号的和反馈信号的改变，所以对于驱控信号和反馈信号而言存在恒定的间隔长度，其中，在间隔之中不进行改变。其是特别有利的，因为驱控信号和反馈信号能够完全地和不变地重建。传输时间段由至少两个间隔长度组成。
根据本发明，该目的还通过用于执行这样的方法的设备实现，其中，该设备具有发射器、传输通道和接收器，其中，发射器具有混合装置，该混合装置设置用于驱控信号与至少一个第一数据信号的组合，或用于反馈信号与至少一个第二数据信号的组合。
该设备是有利的，因为对于附加信息的传输而言不需要附加的接口，并且与分开的物理接口相比明显减少了耗费以及成本。
发射器具有混合装置，该混合装置设置用于驱控信号与至少一个第一数据信号的组合，或用于反馈信号与至少一个第二数据信号的组合。这是特别有利的，因为该架构能够简单和有利地在硬件中实现。
根据本发明，该目的还通过一种系统实现，其用于利用至少一个这样的设备在控制装置与驱控装置之间将至少一个驱控信号和至少一个第一数据信号数字地传输并且以相反方向将至少一个反馈信号与至少一个第二数据信号一起数字地传输，其中，驱控装置设置用于利用模拟的驱控信号驱控功率半导体装置。
以有利的方式，驱控信号和第一数据信号近似地以矩形的形状存在。驱控信号和第一数据信号优选地具有两个不同的信号电平，它们例如对应于“低”电平和“高”电平、或者“开/关”电平、或者逻辑“0”和逻辑“1”。这是特别有利的，因为能够简单、有效率和低成本地实现例如驱控信号与第一数据信号的组合。
以特别有利的方式，驱控信号以比第一数据信号更高的数据传输率(Datenrate)进行传输，和/或反馈信号以比第二数据信号更高的数据传输率进行传输。对此，编码长度优选地小于间隔长度，其中，传输时间段包括至少两个间隔长度。其具有的优点为，遵守用于驱控信号和反馈信号的时间确定的实时要求。
在一个有利的设计方案中，在应用XOR逻辑运算或者XNOR逻辑运算的情况下，第一数据信号与驱控信号进行组合，和/或第二数据信号与反馈信号进行组合。缩写XOR和XNOR来自组合学(Kombinatorik)，其中，XOR逻辑运算是异或逻辑运算的缩写，并且XNOR逻辑运算是同或逻辑运算的缩写。
在XOR或者XNOR逻辑运算中，在编码长度内，驱控信号与第一数据信号并且反馈信号与第二数据信号通过XOR逻辑运算或XNOR逻辑运算相互在逻辑上连接。其具有的优点为，这样的逻辑连接借助于相应的门能够简单、有效率和低成本地实现。
以特别有利的方式，借助于脉冲相位编码和/或脉冲宽度编码对数据信号特别地通过反转(Invertierung)进行编码。
在脉冲相位编码或脉冲相位调制、短PPM(脉冲位置调制)又或者脉冲位置编码中，在取决于第一数据信号的或者第二数据信号的值的传输时间段之中，在不同的编码时间点上添加编码长度。在编码长度内反转驱控信号或者反馈信号。
在也被称为脉冲长度调制或者脉宽调制的脉冲宽度编码或者脉冲宽度调制中，在取决于第一数据信号的或者第二数据信号的值的传输时间段之中，编码长度改变。在编码长度内反转驱控信号或者反馈信号。
能够实现编码变化方案的任意的组合。因此，能够对多值的(mehrwertige)第一或者第二数据信号和/或多个第一或者第二数据信号进行编码。
在一个优选的实施方式中，多个第一数据信号与一个驱控信号进行组合，和/或多个第二数据信号与一个反馈信号进行组合。这些数据信号能够是相互相关的或不相关的。相关的数据信号具有的优点为，能够传输多值的信息。不相关的数据信息具有的优点为，能够同时传输来自多个数据源中的附加信息。
在一个有利的设计方案中，由多个传输时间段的数据信号形成数据协议。传输时间段是多个间隔的连接，该间隔用于传输一个或多个数字的信息。数据协议的应用提高了连接的可靠性，因为根据协议能确定全部信息是否到达以及错误是否存在。
在一个特别有利的实施方式中，接收器具有：设置用于识别同步时间点的装置；至少一个位识别单元，其设置用于恢复和输出数据信号；驱控识别单元，其设置用于恢复和输出驱控信号或反馈信号；和锁相环，其设置用于为位识别单元和驱控识别单元提供参考时间点。该实施方案具有的优点为，接收器能够仅借助于编码的信号与发射器同步，并且因此取消了附加的同步线。
附图说明
接下来根据附图所示的实施例详细描述和阐述本发明。在此示出：
图1示出用于驱控功率半导体装置的系统的示意图，
图2示出发射器的示意图，
图3示出接收器的示意图，
图4示出用于借助于XOR逻辑运算将未编码的驱控信号或反馈信号分别与数据信号进行编码的时间流程图，
图5示出用于借助于脉冲相位编码将未编码的驱控信号或反馈信号分别与数据信号进行编码的时间流程图，
图6示出用于借助于脉冲宽度编码将未编码的驱控信号或反馈信号分别与数据信号进行编码的时间流程图。
具体实施方式
图1示出了用于驱控功率半导体装置13的系统1的示意图，该示意图中具有控制装置9、驱控装置12、功率半导体装置13以及两个用于分别利用数据信号4、5对驱控信号3或反馈信号6进行编码的设备2。每个设备都由发射器10和接收器11组成。驱控信号3和第一数据信号4由控制装置9产生并且由发射器10组合成第一编码信号7。从该信号7中由接收器11重建驱控信号3和第一数据信号4。借助于驱控装置12为功率半导体装置13输送驱控信号14。功率半导体装置13的驱控装置12的反馈信号6与第二数据信号5一起由发射器10组合成第二编码信号8。从该信号8中由接收器11重建反馈信号6和第二数据信号5，并且将它们反馈给控制装置以用于进一步处理。
为了调制或混合信号3、4、5、6，在该方法中能够引入下述调制变化方案或编码变化方案，对此参见图4至图6：XOR或XNOR逻辑运算、脉冲相位编码和脉冲宽度编码。对于全部三种编码变化方案适用的是：
-编码长度27、27a、27b比间隔长度25更短。
-传输时间段26由至少两个间隔长度25组成。
在XOR或者XNOR逻辑运算中，在编码长度27内，驱控信号3与第一数据信号4并且反馈信号6与第二数据信号5通过XOR逻辑运算或XNOR逻辑运算相互在逻辑上连接。
在脉冲相位编码中，在取决于第一数据信号4的或者第二数据信号5的值的传输时间段之中，在不同的编码时间点28a、28b上添加编码长度27。在编码长度27内反转驱控信号3或者反馈信号6。
在脉冲宽度编码中，在取决于第一数据信号4的或者第二数据信号5的值的传输时间段之中，改变编码长度27a、27b。在编码长度内反转驱控信号3或者反馈信号6。
编码变化方案的任意的组合是可实现的。因此，能够对多值的第一或者第二数据信号和/或多个第一或者第二数据信号进行编码。
图2示出了发射器10的示意图，其具有混合装置15。示例性地描述了由驱控信号3和第一数据信号4构成的、第一编码信号7的编码。在此，驱控信号3和第一数据信号4被输送给混合装置15并且组合成第一编码信号7。此外还输送基准时钟脉冲16。
以相同的方式，由反馈信号6和第二数据信号5进行第二编码信号8的生成。
图3示出了接收器11的示意图。在接收器中，从编码信号7、8中获得驱控信号3或者反馈信号6以及数据信号4、5。在此，扫描和处理编码信号7、8。
接收器由用于识别同步时间点17的装置、锁相环20、驱控识别单元18和位识别单元19组成。
示例性地描述了来自第一编码的信号7的、对驱控信号3和第一数据信号4的重建。第一编码信号7同时地输送给用于识别同步时间点17的装置、驱控识别单元18和位识别单元19。由用于识别同步时间点17的装置探测合适的、供给给锁相环20的同步时间点30。锁相环20的输出信号为驱控识别单元18和位识别单元19提供参考时间点29。示例性地，通过驱控识别单元18从第一编码信号7中恢复驱控信号3，并且由位识别单元19恢复第一数据信号4。
以相同的方式，从第二编码信号8中进行对反馈信号6和第二数据信号5的重建。
图4示出了用于借助于XOR逻辑运算将未编码的驱控信号或反馈信号22分别与数据信号进行编码的时间流程图。未编码的驱控信号或反馈信号22沿着时间轴21延伸，该信号分布到在传输时间段26之中的多个间隔25中。对于在传输时间段中的相同时间点上的值“0”或“1”，附加信息通过XOR逻辑运算进行编码。可替换地，编码能够以XNOR逻辑运算进行。根据XOR逻辑运算的真值表，在利用“0”编码时的信号走向23在编码时间点28时不改变。相反地，在利用“1”编码时的信号走向24在编码时间点28时在恒定的编码长度27上反转。
图5示出了用于借助于又或者称为脉冲相位编码的脉冲相位调制将未编码的驱控信号或反馈信号22分别与数据信号进行编码的时间流程图。在该编码变化方案中，编码时间点28改变，而编码长度27保持恒定。在利用“0”编码时的信号走向23在用于“0”的编码时间点28b时在编码长度27上反转，在利用“1”编码时的信号走向24在用于“1”的编码时间点28a时在相同的编码长度27上反转。
图6示出了用于借助于又或者称为脉冲宽度编码的脉冲宽度调制将未编码的驱控信号或反馈信号22分别与数据信号进行编码的时间流程图。在该编码变化方案中，信号走向在编码时间点28时在任何情况下都反转。在利用“0”编码时的信号走向23和在利用“1”编码时的信号走向24以编码长度27进行区分。可选地，能够附加地改变编码时间点28。在利用“0”编码时的信号走向23在用于“0”的编码时间点28b时在用于“0”的编码长度27b上反转，在利用“1”编码时的信号走向24在用于“1”的编码时间点28a时在用于“1”的编码长度27a上反转。
总之，本发明涉及一种用于在功率半导体装置13的驱控装置12与控制装置9之间传输驱控信号3和第一数据信号4的方法。为了将用于运行物理传输通道的耗费和用于在控制装置9与驱控装置12之间布置物理连接的成本最小化而提出，驱控信号3的和第一数据信号4的传输同时地并且经由共同的传输通道进行，其中，第一数据信号4与驱控信号3通过数字的调制方法或编码方法进行组合。
Claims (21)
1.一种用于在用于功率半导体装置(13)的驱控装置(12)与控制装置(9)之间传输驱控信号(3)和第一数据信号(4)的方法，
其中，所述驱控信号(3)的和所述第一数据信号(4)的从所述控制装置(9)到所述驱控装置(12)的传输同时地并且经由共同的传输通道进行，
其中，所述第一数据信号(4)与所述驱控信号(3)通过数字的调制方法或编码方法进行组合，
其中，反馈信号(6)与第二数据信号(5)一起以与所述驱控信号(3)的和所述第一数据信号(4)的传输方向相比相反的方向进行从所述驱控装置(12)到所述控制装置(9)的传输，
其中，将比所述驱控信号(3)的间隔长度(25)更短的编码长度(27)用于所述第一数据信号(4)，和/或将比所述反馈信号(6)的间隔长度(25)更短的编码长度(27)用于所述第二数据信号(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述驱控信号(3)和所述第一数据信号(4)以矩形的形状存在。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反馈信号(6)和所述第二数据信号(5)以矩形的形状存在。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述第二数据信号(5)与所述反馈信号(6)通过数字的调制方法或编码方法进行组合。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述驱控信号(3)以比所述第一数据信号(4)更高的数据传输率进行传输，和/或所述反馈信号(6)以比所述第二数据信号(5)更高的数据传输率进行传输。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述驱控信号(3)以比所述第一数据信号(4)更高的数据传输率进行传输，和/或所述反馈信号(6)以比所述第二数据信号(5)更高的数据传输率进行传输。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在应用异或逻辑运算或者同或逻辑运算的情况下，所述第一数据信号(4)与驱控信号(3)进行组合，和/或所述第二数据信号(5)与反馈信号(6)进行组合。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，在应用异或逻辑运算或者同或逻辑运算的情况下，所述第一数据信号(4)与驱控信号(3)进行组合，和/或所述第二数据信号(5)与反馈信号(6)进行组合。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，借助于脉冲相位编码和/或脉冲宽度编码对所述第一数据信号(4)或所述第二数据信号(5)进行编码。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，借助于脉冲相位编码和/或脉冲宽度编码对所述第一数据信号(4)或所述第二数据信号(5)进行编码。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，对所述第一数据信号(4)或所述第二数据信号(5)通过反转进行编码。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，多个第一数据信号(4)与一个驱控信号(3)进行组合，和/或多个第二数据信号(5)与一个反馈信号(6)进行组合。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，多个第一数据信号(4)与一个驱控信号(3)进行组合，和/或多个第二数据信号(5)与一个反馈信号(6)进行组合。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，至少一个多值的第一数据信号(4)与至少一个驱控信号(3)进行组合，和/或至少一个多值的第二数据信号(5)与至少一个反馈信号(6)进行组合。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，至少一个多值的第一数据信号(4)与至少一个驱控信号(3)进行组合，和/或至少一个多值的第二数据信号(5)与至少一个反馈信号(6)进行组合。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，对数字的信息和/或数据协议进行传输。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，对数字的信息和/或数据协议进行传输。
18.一种用于执行根据权利要求1至17中任一项所述的方法的设备(2)，
其中，所述设备具有发射器(10)、传输通道和接收器(11)，
其中，所述发射器(10)具有混合装置(15)，所述混合装置设置用于驱控信号(3)与至少一个第一数据信号(4)的组合，或用于反馈信号(6)与至少一个第二数据信号(5)的组合。
19.根据权利要求18所述的设备(2)，其中，所述接收器(11)具有：
-用于识别同步时间点(17)的装置；
-至少一个位识别单元(19)，所述位识别单元设置用于恢复和输出所述第一数据信号(4)或所述第二数据信号(5)；
-驱控识别单元(18)，所述驱控识别单元设置用于恢复和输出所述驱控信号(3)或所述反馈信号(6)；和
-锁相环(20)，所述锁相环设置用于为所述位识别单元(19)和所述驱控识别单元(18)提供参考时间点(29)。
20.一种用于利用至少一个根据权利要求18或19所述的设备在控制装置(9)与驱控装置(12)之间将至少一个驱控信号(3)和至少一个第一数据信号(4)数字地传输并且以相反方向将至少一个反馈信号(6)与至少一个第二数据信号(5)一起数字地传输的系统(1)，
其中，所述驱控装置(12)设置用于利用模拟的驱控信号(14)驱控功率半导体装置(13)。
21.根据权利要求20所述的系统(1)，其中，所述功率半导体装置(13)具有至少一个变流器。
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