CN108011355B - 在开关模块中使用的通信系统 - Google Patents

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Abstract

在开关模块中使用的通信系统包括耦合以控制开关模块的低侧开关的切换的低侧控制块。低侧控制块还耦合成以低侧基准系统地为基准。高侧控制块耦合以控制开关模块的高侧开关的切换。高侧控制块还耦合成以开关模块的浮动节点为基准。在稳态操作期间，低侧控制块耦合以在每个切换周期期间向高侧控制块发送信号，以接通和关断高侧开关。通过第一单线通信链路从高侧控制块向低侧控制块传输状态更新。

Description

在开关模块中使用的通信系统
技术领域
本发明大体上涉及半桥逆变器的低侧控制块与高侧控制块之间的故障和状态通信。更具体地，本发明涉及半桥逆变器模块中的高侧控制块和低侧控制块之间的通信，该半桥逆变器模块可以用于2相或3相无刷直流(dc)(BLDC)或同步电机驱动装置。
背景技术
家用和工业用电器诸如通风扇、冷却系统、冰箱、洗碗机、洗衣机/烘干机以及许多其他大型产品/货品通常利用将能量从电源传递至机械负载的电动机。用于驱动电动机的电能通过驱动系统提供，该驱动系统从电源(如，从交流(ac)低频源)中汲取电能。从电源中接收的电能通过功率转换器处理，并转换成期望形式的电能，电能被供应至电机以实现期望的机械输出。电机的期望的机械输出可以为例如电机的速度、电机轴的扭矩或位置。
电机及其相关的电路诸如电机驱动装置表示了网络负载的一大部分。电机驱动装置的功能、效率、大小和价格是这些产品的供应商考虑的挑战性和竞争性的因素。电机驱动装置中的功率转换器的功能包括向电机提供输入电信号，诸如用于电机轴上的期望的机械输出负载运动(如，旋转/力)的电压、电流、频率和相位。在一个示例中，功率转换器可以是将dc输入转变成期望的电压、电流、频率和相位的ac输出的逆变器。功率转换器的控制器响应于从传感器块接收的信号调节能量流。在闭环系统中，通过将实际值与期望值进行比较将低功率感测信号从电机或功率转换器发送至控制器。控制器根据实际值与期望值的比较调整输出，以维持目标输出。
因其较高的稳定性和效率而众所周知的无刷dc(BLDC)电机代替有刷dc和ac电机，成为市场上的热门选择。无刷dc电机广泛地用于家用电器，诸如冰箱、空调、吸尘器、洗衣机/烘干机以及其他大型货品和电动工具诸如电钻或其他电力工具。
BLDC电机需要功率转换器，该功率转换器通常包括三相或三个单相半桥开关模块的逆变级。半桥切换器模块可以包括在集成电路内的功率开关和控制器，这提供了具有较小尺寸和较高效率的紧凑型结构。半桥切换器的功能和操作的可靠性取决于从传感器接收的反馈和错误信号的处理以及用以调节期望的输出和针对可能的故障提供有效保护的控制器的响应。
发明内容
本发明的实施方案提供了在开关模块中使用的通信系统，包括：低侧控制块，所述低侧控制块耦合以控制所述开关模块的低侧开关的切换，其中，所述低侧控制块还耦合成以低侧基准系统地(low-side reference system ground)为基准；以及高侧控制块，所述高侧控制块耦合以控制所述开关模块的高侧开关的切换，其中，所述高侧控制块还耦合成以所述开关模块的浮动节点为基准，其中，在稳态操作期间，所述低侧控制块耦合以在每个切换周期期间向所述高侧控制块发送信号，以接通和关断所述高侧开关，其中，通过第一单线通信链路从所述高侧控制块向所述低侧控制块传输状态更新。
附图说明
参考以下附图对本发明的非限制性和非详尽的实施方案进行描述，其中，除非另有规定，否则贯穿各个视图，相同的附图标记指示相同的部分。
图1A示出了根据本发明的教导的分别耦合至高压总线并由单个控制器控制的三个半桥逆变器模块的示例性系统级块的全视图。
图1B示出了根据本发明的教导的电机绕组至底架的示例性短路故障，该短路故障可以导致通过高侧开关的短路电流，引起用于保护的高侧控制至低侧控制的通信。
图2示出了根据本发明的教导的示出了半桥逆变器模块内的开关器件和控制块以及包括高侧至低侧通信的相关信号的更多细节的实施例。
图3示出了根据本发明的教导的用于对高侧控制至低侧控制的状态报告进行编码和解码的示例性电路。
图4是根据本发明的教导的示出了时间间隔的示例的高侧至低侧通信的电流脉冲信号的一个实施例的时间图。
贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部件。本领域技术人员将理解，附图中的元件仅出于简洁和清楚的目的示出，并且不一定按比例绘制。例如，为了有助于提高对本发明的各种实施方案的理解，附图中的一些元件的尺寸可能相对于其他元件被放大。另外，为了帮助减少对本发明的这些各种实施方案的视图的阻挡，通常不描绘商业可行的实施方案中使用或需要的常用但容易理解的元件。
具体实施方式
为了提供对所描述实施方案的透彻理解，在下面的描述中陈述了具体的细节，诸如装置类型、电压、部件值、电路配置等。然而，本领域普通技术人员将理解，实践所描述的实施方案可能不需要这些具体的细节。还可以理解，为了避免使所描述的实施方案模糊不清，未详细描述或者以框图的形式示出公知的电路结构和元件。
贯穿整个说明书，提及“一个实施方案”、“实施方案”、“一个实施例”或“实施例”意味着包含该实施方案或实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，贯穿整个说明书，各处出现的词组“在一个实施方案中”、“在实施方案中”、“一个实施例”或“实施例”不一定都指同一实施方案或实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何适合的组合和/或子组合的方式结合在一个或多个实施方案或实施例中。特定特征、结构或特性可以包括在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能的其他适合的部件中。另外，可以理解本文提供的附图是出于向本领域普通技术人员进行解释的目的。
在本申请的上下文中，当晶体管处于“关断状态”或“关断”时，晶体管基本上不传导电流。相反，当晶体管处于“导通状态”或“导通”时，晶体管基本上能够传导电流。举例来说，在一个实施方案中，高压晶体管包括N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS)，其中高压支撑在第一端子(漏极)与第二端子(源极)之间。高压MOSFET包括功率开关，功率开关由集成控制器电路驱动以调节提供给负载的能量。出于本公开内容的目的，“接地”或“接地电位”指限定或测量电子电路或集成电路(IC)的所有其他电压或电位所参考的基准电压或电位。
半桥逆变器模块耦合以响应于系统控制器驱动多相电机。每个半桥逆变器模块的开关块包括耦合至低侧开关的高侧开关，其中高侧开关与低侧开关之间的中点端子耦合至多相电机的相应相端子。如将示出的，根据本发明的教导的实施例提供了与系统控制器(如，微控制器μC)对接的半桥逆变器模块的紧凑包容结构(inclusive structure)。因此，在一个实施例中，根据本发明的教导，受控的半桥逆变器(如，切换器)将需要较少的外部部件和减少的引脚使用量。
将理解，虽然本公开内容的示例性附图和描述重点在于用于多相电机驱动装置(如，BLDC电机)的半桥逆变器模块中高侧与低侧控制块或驱动器之间的状态和故障通信的应用，但这不应视为限制。正如本领域技术人员将会理解的，在包括以地(如，低侧开关的源极)为基准的低侧开关和控制块或驱动器以及以浮动节点(如，高侧开关的源极)为基准的高侧控制块或驱动器的任何开关器件/模块中都可以使用根据本发明的教导的实施例。在各种实施例中，所公开的高侧与低侧控制块或驱动器之间的故障和状态更新的通信的实施例为各种应用提供快速且可靠的保护。根据本发明的教导还可以理解，在本公开内容中示出的示例性负载可以是各种单相或多相负载，诸如ac或dc电机驱动装置或其他适合类型的负载。
如所提及的，BLDC电机在家用电器和电力工具中变得越来越受欢迎。BLDC电机变得越来越受欢迎的其中一些主要原因在于与有刷或通用电机相比，BLDC电机更高效、更可靠且可闻噪声更低。通常用2相或3相逆变器通过半桥开关配置驱动BLDC电机。与低压(LV)BLDC电机相比，高压(HV)BLDC电机提供更高的效率和更低的成本。离线电机驱动装置通常在整流ac电源(如，325V的dc总线)或功率因子校正(PFC)级输出(如，395V的dc总线)下运行。
具有半桥开关配置的逆变器一般与电机驱动装置一起使用。代替实施全桥开关配置，利用在一个单封装件(如，模块)中具有低侧控制块和高侧控制块的半桥开关电路允许支持为每个模块提供增强的布局灵活性以及简化的热管理的多相逆变器，诸如2相和3相逆变器。由于各种原因，利用用于电机驱动逆变器的模块化半桥电路结构可以降低整体系统成本。
例如，利用开关器件(如，MOSFET)上的HV缓冲器(如，分接头端子)，半桥模块可以完全自供电运行而不需要额外的辅助电源。另外，耦合作为多相逆变器的半桥模块(诸如2相或3相逆变器配置)可以与单个系统控制器(μC)一起运行，以集成保护特征，诸如HV总线感测和远程热感测。此外，还可以在半桥开关电路结构中集成(如，通过感测FET)用于控制电机和用于过电流(over current)故障保护的电流感测，这使得不需要昂贵的外部分流电阻器和相关联的电路。
将讨论用于将控制和保护信号从以浮动点为基准的高侧控制块传输到以系统地为基准的低侧控制块的有效方法和实施方式。根据本发明的教导的实施例提供有效的过程，该过程对检测到的故障进行编码，将编码通信从高侧控制块传递至低侧控制块，并且在以系统地为基准的系统控制器中对通信进行解码。根据本发明的教导的这种集成方案可以用于具有以不同参考节点(如，系统地)为基准的控制块的任何应用。本公开内容中的示例性电路和描述不应视为对本发明的广泛应用的限制。与具有增加的尺寸和成本的已知方案相比，描述用于在半桥逆变器模块中实施的具体实施例可以减少引脚数和外部电路部件。
根据本发明的教导还可以理解，虽然在本公开内容的示例性附图中系统控制器被描绘为微控制器μC，但在不同的应用中可以应用其他选项，诸如数字信号处理器(DSP)控制器或微处理器。
从高侧控制块或驱动器到低侧控制块或驱动器的有效通信允许信息被收集且从以浮动为基准的高侧驱动器被传达至以接地电位为基准的低侧控制块或驱动器。根据本发明的教导，利用这种适当的对接，额外的集成系统级保护特征是有可能的，这又降低基于逆变器的电机驱动装置的整体成本。
例如，通过浮动高侧驱动器监测高侧MOSFET的瞬时漏极电流可以监测装置级和系统级保护特征，以防止电机短路。可以通过高侧浮动驱动器监测低侧MOSFET的结点温度，因为高侧和低侧装置二者共享同一芯片粘接垫(die attach paddle)。高侧至低侧通信还额外地用于在高侧驱动器可完全运行且没有检测到故障时发送确认信号。在稳态操作中，为了接通和关断HS MOSFET，需要低侧(LS)至高侧(HS)控制的定期通信。LS在每个切换周期向HS驱动器发送一个脉冲，用于接通或关断HS MOSFET。如果高侧控制检测到故障，高侧控制则将故障类型传输至低侧控制。这允许低侧控制通过半桥逆变器模块的故障输出端子将故障发送至系统控制器(如，微控制器μC)。
为了说明，图1A示出了根据本发明的教导的包括三个半桥逆变器模块的多相电机驱动系统的系统级块的示例性实施方式，该三个半桥逆变器模块分别耦合至HV总线，并被单个系统控制器控制以驱动多相电机，诸如例如2相或3相电机。如图1A所示，每个半桥逆变器模块的每个开关块均包括串联至低侧开关的高侧开关，高侧开关和低侧开关耦合在HV总线104和地101之间。半桥逆变器模块110中的中点端子HB1 116、半桥逆变器模块120中的中点端子HB2 126和半桥逆变器模块130中的中点端子HB3 136耦合在各个半桥逆变器模块110、120和130的相应高侧开关与低侧开关之间，并且耦合以生成受控ac电压，该受控ac电压耦合至多相电机190的相应相端子A 191、B 192和C 193。
从高侧控制块或驱动器到低侧控制块或驱动器的有效通信允许信息被浮动高侧控制块或驱动器收集，以使信息被传达至以接地电位为基准的低侧控制块或驱动器。如所示，每个半桥逆变器模块110、120和130中的高侧和低侧控制块都具有彼此通信的通信链路113、123和133。根据本发明的教导，利用这种适当的对接，额外的集成系统级保护特征是有可能的，这又降低基于逆变器的电机驱动装置的整体成本。
由浮动高侧驱动器监测并通过高侧与低侧控制块或驱动器之间的链路通信的装置级和系统级保护特征可以包括：(1)监测高侧MOSFET的瞬时漏极电流，用于防止电机短路；(2)可以通过高侧浮动驱动器监测低侧LS MOSFET的结点温度，因为HS和LS装置二者共享同一散热垫(芯片粘接垫)；以及(3)当HS驱动器可完全运行且没有检测到故障时发送确认信号。
在一个实施例中，在浮动高侧控制块中监测或检测的并且被传输至以地为基准的低侧控制块或驱动器的故障和状态信息可以由低侧控制块直接监测或检测，然后通过多故障组中的装置之间的单线故障通信总线和/或系统控制器传输。
如图1A所示，半桥逆变器模块110包括开关配置115，该开关配置包括LS开关Q11117和HS开关Q12 118。半桥逆变器模块120包括开关配置125，该开关配置包括LS开关Q21127和HS开关Q22 128。半桥逆变器模块130包括开关配置135，该开关配置包括LS开关Q31137和HS开关Q32 138。半桥逆变器模块110中的LS和HS控制块111和112、半桥逆变器模块120中的LS和HS控制块121和122以及半桥逆变器模块130中的LS和HS控制块131和132运行对应的LS/HS开关。耦合至模块110、120和130的控制信号114、124和134与控制器μC 150传输反馈和运行信息。半桥逆变器模块110、120和130上的故障端子119、129和139分别通过单线故障总线140将故障和状态报告信息传输至系统控制器μC 150。可以理解，在每个半桥逆变器模块上可以存在额外的端子，图2中更详细地描述并示出了这些端子中的一些。
图1B示出了电机绕组和底架之间的示例性短路故障，该短路故障可以导致通过高侧开关的由高侧控制块或驱动器检测到的短路电流。这种故障需要通过“故障通信总线”将高侧至低侧控制块或驱动器通信(即，故障报告)从LS控制故障端子传达至系统μC进行适当的保护处理。
在图1B中，发生器160的三个相G1 161、G2 162和G3 163通过3相整流器模块170在滤波部件——电容CF 177和电阻器178——上生成高压HV总线104上的dc电压VDC 105。3相整流器模块170包括六个整流二极管171、172、173、174、175和176。为了期望的具有受控的速度和扭矩的功能，三相逆变器180上关于接地电位101的dc电压VDC 105在三相电机驱动装置190(如，BLDC电机)的三相端子A 191、B 192和C 193上生成具有调节的幅度和受控的频率的三相ac电压。如图1A中所示，三相逆变器180包括在电机驱动装置190上施加三相逆变电压的开关模块110、120和130，其中每个开关模块包括具有如图1A中所述的类似附图标记的高侧HS开关和低侧LS开关以及半桥中点。
如果出现火花或短路故障——这是常见的故障事件，并且在图1B中用象征性火花粗线195示出了在电机驱动装置190中从一个相绕组A 191到接地底架发生的火花或短路故障，则以粗点划线示出了短路故障电流的路径。电机驱动装置的底架通常耦合至安全地(如，耦合至埋地金属管道或地下井)。在图1B中，基于底架短路绕组(如，A 191)并基于传导发生器相(如，G1 161)，故障电流路径示出为从故障电机绕组191起，通过接地底架199M，经过接地路径196，到发生器160的公共地199G，到传导发生器相G1 161，然后到整流二极管171。然后，故障电流穿过开关模块110的高侧开关Q12 118和半桥中点HB1 116，最终，故障电流回到电机驱动装置190的故障绕组相A 191中。
在这种故障情况中可以观察到，故障电流仅可以通过高侧开关中的任一个进行传递和终止，对于用于适当保护的低侧控制和μC不可见，这可以造成致命的损害和安全危害。在已知方案中，这种高侧过电流故障通常仅可以由复杂的电路或由外部电流感测电阻检测到，因此造成电路板需要额外的成本和空间。
在根据本发明的教导的实施例中，用于故障和状态更新的高侧至低侧控制通信提供在电机驱动装置行业中用于可靠操作/运行半桥逆变器模块的效益成本方法和实施方式。根据本发明的教导的实施例节约了设计板的成本和尺寸，在其他替代的已知方案中，则需要多个外部部件以检测和防止HS开关和控制块中的故障。
图2是示出了根据本发明的教导的半桥逆变器模块、开关和控制块及其相关信号的更详细的实施例的图。在图1A和图1B的简化版本中，为了避免使本发明的教导模糊不清，未示出半桥逆变器模块的细节。基于本发明的教导可以理解，图1A和图1B中的半桥逆变器模块可以具有与如下所述的图2类似的详细结构。
如图2的实施例所描绘的，半桥逆变器模块200包括串联耦合的低侧MOSFET开关Q1217和高侧MOSFET开关Q2 218。高侧漏极H 205可以耦合至HV总线(如，图1A和图1B中的HV总线104)。低侧源极L 202耦合至系统地201。半桥中点216可以耦合至电机驱动装置的一个相端子(如，图1A或图1B中的电机190的A 191、B 192或C 193)。在一个实施例中，开关Q1 217和开关Q2 218可以分别包括通过感测FET端子272和282进行的电流感测。
MOSFET开关Q1 217耦合至栅驱动器271并从低侧LS控制和通信块211接收选通信号。MOSFET开关Q2 218耦合至栅驱动器282并从高侧HS控制块212接收选通信号。用于低侧开关217和高侧开关218的同步接通(即，选通)信号提供了不重叠的切换，这防止接通脉冲之间的具有适当停滞时间的直通。响应于LS控制211和HS控制212中的感测信号，在系统控制器μC 150(参见如图1A)内生成逻辑级选通信号，该感测信号通过通信链路213在控制块之间传输或传递。在一个实施例中，响应于从LS控制和通信块211接收的感测电流Isns253，在图1A的系统控制器150中可以计算低侧逻辑级选通信号INL 254和高侧逻辑级选通信号INH 255。在LS控制和通信块211中处理控制低侧LS开关Q1 217的低侧逻辑级选通信号INL 254。控制高侧HS开关Q2,218的高侧逻辑级选通信号INH 255通过通信链路213被传输至HS控制212，以生成用于高侧HS开关Q2,218的选通信号。
在一个实施例中，分别耦合至端子XL 275和XH 285的外部电阻器可以限定低侧开关Q1 217和高侧开关Q2 218的最大电流(即，电流极限)。可以理解，用于低侧开关和控制器的测量和信号以系统地201为基准。然而，用于高侧HS开关和控制块212的所有测量和信号都是通过内部垫214以耦合至端子HB 216的半桥中点215为基准。
在一个实施例中，LS和HS控制块可以诸如例如在启动期间通过电流源274和284自供电，在一个实施例中，电流源通过高侧漏极耦合至漏极H 205(如，从分接头端子)。在正常操作期间，分别通过端子BPL 252和BPH 258提供LS控制(和通信)块211和HS控制块212的内部电源。高侧电源端子BPH 258应该以HS开关Q2 218的耦合至半桥点HB 216的源极为基准。只要LS开关Q1 217接通，就将中点HB 216向下拉至系统地201。当LS开关Q1 217关断时，中点HB 216将会浮动，按照惯例LS开关通过自举电容器(未示出)耦合至中点HB 216。
在所描绘的实施例中，每个半桥模块均在其识别ID端子259处由限定信号识别和区分，该识别ID端子被配置成处于唯一的预定状态，以唯一地识别相应的半桥模块。例如，在一个实施例中，存在三个半桥模块。因此，每个半桥模块的ID端子可以是三态端子，且ID端子可以唯一地处于三个状态中的一个，其唯一地耦接至一种预定状态，即，耦合至“低”逻辑状态(如，耦合至系统地201)或耦合至低侧电源端子(如，耦合至BPL 252处的逻辑“高”)，或者可以是处于浮动(如，处于“高阻抗”断路状态)。这样，在各种实施例中，因此可以区分从每个半桥模块传递的启动信号，以唯一地识别相应的半桥模块，并且允许系统控制器μC进行响应。例如，在图2中，半桥模块200的识别端子ID 259耦合至低侧电源端子BPL 252，在一个实施例中识别端子ID可以电容地耦合至系统地201。半桥模块200的低侧源极、源极端子L 202和信号接地端子SGnd 203也将耦合至系统地201。
半桥模块200的系统监测端子SM 257可以通过电阻器耦合至HV总线(如，图1A和图1B中的HV总线104)。半桥中点端子HB 216可以耦合至多相电机的相端子中的一个上(如，图1A和图1B中电机驱动装置190的A 191、B 192或C 193)。在一个实施例中，电机驱动装置可以是包括在例如电器、电力工具等中的无刷3相电机。在半桥模块200中，BPH 258端子可以作为电源端子耦合至高侧HS控制块212，并且BPL 252端子可以作为电源端子耦合至低侧LS控制211。
低侧LS开关和高侧HS开关的瞬时感测电流(如，通过感测FET所感测的)在低侧LS控制和通信块211中被处理，以提供感测电流信号，该感测电流信号示出为在单引脚/端子Isns 253上的电流源251。电阻器上的电流信号可以生成在图1A的系统控制器150中进行处理的电压信号。在一个实施例中，仅在下一个LS开关接通的切换周期期间，HS开关中的任何过电流故障都通过通信链路213被报告给LS控制和通信块211。因此，不可以同时报告高侧和低侧的瞬时感测电流或过电流故障，因此，根据本发明的教导，为了将HS和LS开关二者中的电流事件报告给μC，仅需要单个引脚或端子Isns1 253。
如果高侧驱动器检测到故障，该高侧驱动器将故障的类型传输至低侧驱动器，这又允许低侧驱动器通过故障输出端子256和单线故障总线140(参见如图1A)将故障发送至系统控制器。从浮动的高侧控制212到地基准的低侧控制211的通信使用具有变化幅度的单个电流脉冲，在一个实施例中，该电流脉冲可以用于编码和表示不同的故障。下文在表1中呈现了所传输故障的优先级列表，并且图3中示出了用于从HS控制到LS控制的故障通信的编码/解码电路块的一个示例性实施方式。在一个实施例中，通过改变电流脉冲的幅度来对通信进行编码，以最小化LS驱动器对所传达信息进行解码(破译)所需的时间。
在一个实施例中，到每个半桥模块的和来自每个半桥模块的控制信号均耦合至系统控制器μC 150(参见如图1A；在其他实施例中，可以利用除了微控制器以外的不同控制块)。在一个实施例中，由低侧控制块211的或者由高侧控制块212感测然后通过通信链路213传输至低侧控制块211的故障信号将通过半桥模块200的故障端子256耦合至单线故障通信总线，该单线故障通信总线也耦合至系统控制器μC 150(参见如图1A)。
在一个实施例中，故障端子256可以传输下述中的任何一个：高侧开关或低侧开关中的过电压故障警告、多级欠电压故障警告、装置或系统级高温故障警告，和/或关断和过电流故障警告。在实施例中，故障警告耦合以通过多位故障字进行编码经单线故障总线(未示出)报告给系统控制器μC150，这可能造成系统控制器(或所使用的任何其他控制块)的控制参数变化、封锁或关断。另外，系统控制器还可以通过故障总线和控制信号双向地传输状态更新请求或发送非锁存命令。
稳态操作需要用于接通和关断HS MOSFET的从低侧驱动器到高侧驱动器的通信。LS驱动器在每个切换周期中向HS驱动器发送一个脉冲，用于接通或关断HS MOSFET。在高侧驱动器检测到故障的情况下，高侧驱动器将故障的类型传输至低侧驱动器。这允许低侧驱动器通过耦合至故障总线的故障端子将故障发送至系统控制器μC。如图2描绘的实施例所示，高侧控制块212与低侧控制和通信块211之间存在三个链路213。在一个实施例中，第一链路用于将接通脉冲传递至高侧驱动器以命令HS MOSFET接通，第二链路用于将关断脉冲传递至高侧驱动器以关断HS MOSFET，第三链路致力于用作高侧控制块与低侧控制块之间的单线通信链路，用以在每个切换周期中报告高侧检测的故障或状态更新。
下文表1按从高侧控制块212传输至低侧控制块211的优先级顺序列出了所传输信息的类型和高侧检测故障的一些示例。第一列中分类的优先级顺序以对系统功能的风险为基础。第二列中列出了所传输的故障或信息。第三列中示出了每个故障码所属的电流脉冲幅度的示例。第四列限定了故障的位置和信息。可以理解，在目标范围以外的电源电压的错误或故障应该具有最高的优先级，因为从高侧HS控制块到低侧LS控制块的任何通信都被停止或阻止。
Figure BDA0001447469920000131
表1：用于高侧检测故障或确认的高侧至低侧通信
如上所述，表1按优先级或风险的顺序列出了从HS控制块212传输的故障和信息。如果HS控制块212在同一时间检测到两个故障，HS控制块在下一次LS MOSFET 217接通时将具有较高优先级的故障传输至LS控制块211。
在一个实施例中，通信过程使用单个电流脉冲，该单个电流脉冲的幅度对故障的类型进行编码。在一个实施例中，可以利用多个电流源来提供这种具有对故障的类型进行编码的幅度的电流脉冲，如下文图3以多个电流源块320示出的。该单个电流脉冲最小化LS控制块211破译或解码所传达信息所需的通信时间tCOM，在一个实施例中，该通信时间最大为250ns。
确认脉冲表明没有检测到故障。当高侧电源电压VBPH(如，图2中的端子BPH 258处的电压)和内部电源轨(如，5V轨)在目标范围内且XH-端子285上不存在断路/短路故障时，每次LS MOSFET 217接通，HS控制块212就向LS控制块211发送确认脉冲(如，25μA电流脉冲)。这使LS控制块211验证HS至LS通信是否正常工作。HS控制块212在成功加电序列(power-up sequence，加电顺序)之后也会发送确认脉冲。
如果LS控制块211在LS MOSFET 217已经接通之后未接收到确认信号或脉冲，且低侧MOSFET栅电压VGSL已达到限定栅阈值VGSCOM(TH)(参见如图4中VGSCOM(TH)438)，LS控制块就继续等待确认信号脉冲直到其接收到脉冲，或者直到出现来自系统控制器μC 150的用于LSMOSFET 217的低侧选通信号INL(参见如图4中来自图2的端子INL 254的INL 420)的下降沿(falling edge)，以及LS MOSFET 217再次关断。如果在没有接收到通信脉冲的情况下出现低侧选通信号INL 420的下降沿，则装置通过“故障”输出端子向系统报告HS控制块或驱动器故障。当故障出现时，装置仅以HS控制块或驱动器故障的形式报告一次HS至LS通信故障。一旦故障清除，装置则通过故障端子传达表明已经清除HS控制故障的状态更新。
每次LS MOSFET通道接通时发生通信，这可以用HB点——LS MOSFET的漏极——被拉低至低侧MOSFET源极电位级之后，低侧选通信号INL为高来指示，该低侧MOSFET源极电位级耦合至源极L端子。为了保证LS MOSFET完全接通，LS控制块监测栅极至源极电压VGS，并且一旦栅极至源极电压达到阈值LS控制块就开始HS至LS通信。
图3示出了根据本发明的教导的用于对高侧检测故障或状态确认/更新进行编码和解码的各个电流源的一个示例性实施方式。可以理解，该实施例不是限制性的，并且通过结合用以对通过高侧控制检测到的故障进行编码或解码的不同数量的切换电流或电压源还可以利用根据本发明的教导的其他可能的实施方式。例如，在另一实施例中，甚至两个切换电流源就足以编码高达4个的故障事件(2N事件，其中N＝2)，或者三个切换电流源的组合可以区分高达8个的不同的故障事件(2N事件，其中N＝3)。然而，在图3描绘的实施例中，具有串联开关的每个单独的电流源代表高侧HS控制块212中的四个可检测故障之一。
如图3所描绘的实施例所示，第一多电流源块320包括各个电流源：在一个实施例中等于200μA的IS1 322；在一个实施例中等于100μA的IS2 324；在一个实施例中等于50μA的IS3 326；以及在一个实施例中等于25μA的IS4 328。在实施例中，电流源IS1 322、IS2 324、IS3326和IS4 328耦合至高侧电源端子BPH 304并由高侧电源端子供电。多开关块330包括开关器件SS1 332、SS2 334、SS3 336和SS4 338，这些开关器件通过高侧HS控制状态逻辑块310控制并且分别与电流源IS1 322、IS2 324、IS3 326和IS4 328串联耦合。高侧HS控制状态逻辑块310从以端子HB 303处的半桥节点为基准的高侧电源端子BPH 304接收电源电压。
通过改变或调整通过各个电流源IS1 322、IS2 324、IS3 326或IS4 328中的一个的单值电流脉冲的幅度来对通信进行编码，以最小化LS控制块211破译/解码所传达信息所需的时间，该时间在下文的图4中以时间间隔tcom示出，该时间在一个实施例中具有250ns的最大值。
编码的高侧故障或更新信息由幅度调整的电流脉冲384通过通信开关模块Scom380和单线链路383传递至低侧控制块，该幅度调整的电流脉冲在一个实施例中可以随着故障类型变化。可以理解，通信开关模块Scom 380包括与低压LV开关380B(如，MOSFET开关)串联耦合的高压HV JFET开关380A。JFET开关380A的控制端子381耦合至LV开关380B的低电位端子382(如，LV MOSFET的源端子)。因此，在LV开关380B的传导期间或接通时间，JFET开关380A保持处于接通状态，并且当LV开关380B变成关断状态时，HV JFET开关380A关断并缓冲或降低大部分的总线高压，以减轻LV开关380B上的关断电压。
状态解码器块340从以系统地301为基准的低侧电源端子BPL 302接收电源电压，并在每个切换周期中通过控制信号345命令接通通信开关Scom 380，以检索HS故障或状态更新的编码信号。编码信息通过多电流源块350和第二多开关块360传递至状态解码器块340。
单线通信链路383上的单通信开关Scom 380将编码的电流脉冲耦合至第二多开关块360进行电流镜像，第二多开关块包括连接二极管的NMOS361以及与第二多电流源块350串联的NMOS开关362、364、366和368，第二多电流源块包括通过低侧电源端子BPL 302供电的相同顺序的各个电流源：在一个实施例中等于200μA的I’S1 352；在一个实施例中等于100μA的I’S2 324；在一个实施例中等于50μA的I’S3 326；以及在一个实施例中等于25μA的I’S4328。第二多开关块360中的NMOS开关362、363和364通过与连接二极管的NMOS 361相同的选通信号进行选通，并且具有通道尺寸相同的NMOS晶体管361、362、363和364，以对通过链路383和通信开关Scom 380从第一多开关块330中的激活开关和多电流源块320中的串联传导电流源中传递的电流384进行镜像。
多电流源块350中的具有比镜像电流更低的值的那些电流源被提升至电源电压BPL 302，该电源电压提升多缓冲器块370中缓冲器(缓冲器371、372、373和/或374)的相关输入端并且在状态解码器块340的相关输入端(输入端341、342、343和/或344)处生成低信号。另一方面，多电流源块350中比镜像电流高的电流源可以传导至接地端子SGnd 301。因此，多缓冲器块370中的缓冲器(缓冲器371、372、373和/或374)的被拉低至地SGnd 301的相关输入端将在状态解码器块340的相关输入端(输入端341、342、343和/或344)处生成高信号。可以理解，从多缓冲器块370中的缓冲器至状态解码器块340的对应端子的逻辑二进制信号的组合被用于破译/解码高侧HS故障事件的通信数据。在一个实施例中，解码的数字数据输出380将通过低侧LS控制块(如，图2的LS控制和通信块211)并经过故障端子(如，图2的故障端子256)被传递至系统控制器，以生成适当的保护。
参考图2中通信信息的附图标记，表1中列出的HS控制块212中的状态更新和检测故障按其优先级顺序被列出。在HS控制212同时检测到两个故障的情况下，具有较高优先级的故障在下一次LS MOSFET 217接通时被传输至LS控制211。上文表1中第5行的确认脉冲表明没有检测到故障，因此表明高侧开关器件和高侧控制块的运行或操作正常。换言之，相电压VaPH和内部供电轨(如5V)在目标范围内，并且XH端子285上不存在断路或短路故障。每次LS MOSFET 217接通，确认脉冲就由HS控制212发送至LS控制211。这使LS控制211能够验证HS至LS通信对接是否正常工作。确认脉冲还可以在成功加电序列后由HS控制212发送。如果当LS MOSFET 217接通时没有接收到确认脉冲，则通过故障输出256(如图2中所示；或图1A中所示的端子119、129或139)将HS至LS通信丢失故障传输至系统控制器μC 150(如图1A所示)。在耦合至HB端子216并耦合至LS MOSFET漏极的半桥中点215被拉低朝向耦合至系统地201(或图3中的系统地301)的源极-L端子202的电位之后，每次LS MOSFET 217接通时(当端子INL 254为高时)发生通信。为了保证低侧LS MOSFET 217完全接通，如图4的图所示，低侧LS控制211监测LS MOSFET 217的栅极至源极电压VGS，并且一旦栅极至源极电压达到阈值VGS(TH)，LS控制就开始HS至LS通信。
图4是根据本发明的教导的示出了启动过程和从高侧HS控制至低侧LS控制的通信电流脉冲的示例性时间图。图4的上部图示出了相对于水平轴线上的时间410的低侧开关(如图2中的Q1 217)的逻辑输入选通信号INL 420。在时间t1 401处，低侧开关选通信号INL420从逻辑低422转变至逻辑高424。在一些传播延迟tDHL 412之后，响应于选通信号INL420，低侧开关(如图2中的Q1 217)的栅极-源极电压VGSL 430在时间t2 402到时间t3 403(或点432到点434)之间以斜率433从低水平431爬升至较高水平434，该斜率取决于低侧开关的栅极-源极电容的充电速率。在时间t3 403(或点434)处，栅极-源极电压VGSL 430已经达到低侧开关漏极至源极电容开始放电并且开关逐渐接通的阈值水平(VGS(TH) 435)。
图VHB 440示出了低侧开关的漏极电压(图2中的点215，耦合至半桥点HB 216)。在时间t3 403(点434)处，栅极-源极电压VGSL 430已经达到阈值VGS(TH) 435，并且半桥端子电压VHB 440以斜率443从高水平441下降至低水平445，同时低侧开关的栅极-漏极电容——也可以称为密勒电容——充电，这造成了栅极-源极电压图VGSL 430上的平坦或平稳区域435，该平坦或平稳区域在时间t4 404处延伸至点436，在该时间t4 404处，由半桥端子电压VHB440反映或表示的低侧开关的漏极电压降低至低水平445。
从栅极-漏极电容(即，密勒电容)完全充电的时间t4 404处，栅极-源极电容以斜率437从点436继续充电直至时间t5 405(图VGSL 430上的点438)，该时间是使通信开始的栅极-源极电压阈值VGS.COM(TH) 438。栅极-源极电压VGSL 430还可以增加至最终值439。在通信的栅极-源极电压阈值VGS.COM(TH) 438处，图ICOM 450上的HS至LS通信电流脉冲将编码信息传递至LS控制块。参考图3，编码的信息由链路383中的电流348进行传递，该编码信息通过由高压JFET 380B和低压开关380A构成的通信开关SCOM 380被传递至镜像多开关块360。在图4中，编码的通信电流脉冲Icom(Encode) 455具有从时间t5 405至时间t6 406的持续时间tcom416。在通信开关模块SCOM 380启动且开关380A接通的时间t5 405处，电流脉冲384可以通过连接二极管的NMOS晶体管361传到低侧解码器电路。在时间t6 406处，将通过状态解码器块340对电流脉冲的比较结果进行采样并解码。如图3和表1中提到的通信电流脉冲的幅度表示HS故障/状态的编码信息，该编码信息将通过图3中描述的状态解码器340进行解码。
如上所述，为了可靠的HS至LS通信，可靠的HS至LS通信最少需要INL高信号激活时间tNLH(COM)。只要INL选通信号在至少一预定时间tNLH(COM)——在一个实施例中最低为传播延迟规定的1μs——内为高，故障就可以通过故障端子(如，图2中的故障端子256)从HS控制块(如，图2中的HS控制块212)被传输并报告至故障总线和系统控制器(如，图1A中的系统控制器μC 150)。
本领域技术人员将理解，可以通过不同的版本和变型实施所公开的主题。例如，可以用任何分立或集成的Si、SiC、GaN或其他类型的高电子迁移率半导体开关实施开关器件。
上述对所示出的示例性实施方案的描述，包括摘要中所述的，不旨在在为详尽的或限制为所公开的精确形式或结构。本文所描述的主题的具体实施方案和实施例是出于说明目的，在不背离本发明较宽的精神和范围的情况下可以进行各种等同修改。实际上，可以理解具体的示例性电流、电压、电阻、装置大小等是为了解释目的提供的，在根据本发明的教导的其他实施方案和实施例中也可以采用其他值。

Claims (28)

1.在开关模块中使用的通信系统，包括：
低侧控制块，所述低侧控制块耦合以控制所述开关模块的低侧开关的切换，其中，所述低侧控制块还耦合成以低侧基准系统地为基准；以及
高侧控制块，所述高侧控制块耦合以控制所述开关模块的高侧开关的切换，其中，所述高侧控制块还耦合成以所述开关模块的浮动节点为基准，其中，在稳态操作期间，所述低侧控制块耦合以在每个切换周期期间向所述高侧控制块发送信号，以接通和关断所述高侧开关，其中，通过第一单线通信链路从所述高侧控制块向所述低侧控制块传输状态更新，其中从所述高侧控制块向所述低侧控制块的所述状态更新的通信使用具有变化幅度的单个电流脉冲。
2.根据权利要求1所述的通信系统，其中，第一通信链路、第二通信链路和第三通信链路耦合在所述高侧控制块与所述低侧控制块之间，其中，所述第一单线通信链路为所述第一通信链路，其中，所述第一通信链路将编码的状态更新从所述高侧控制块传输至所述低侧控制块，其中，所述第二通信链路耦合以向所述高侧控制块提供接通开关信号，并且其中，所述第三通信链路耦合以向所述高侧控制块提供关断开关信号。
3.根据权利要求1所述的通信系统，其中，所述高侧控制块耦合以在下一个所述低侧开关已经接通的切换周期期间通过第一通信链路将所述状态更新传输至所述低侧控制块。
4.根据权利要求1所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块到所述低侧控制块的编码的状态更新的通信是通过传递电流脉冲幅度的所述第一单线通信链路进行的。
5.根据权利要求4所述的通信系统，其中，通过所述第一单线通信链路进行的从所述高侧控制块到所述低侧控制块的所述编码的状态更新的通信发生在一通信时间段内，所述通信时间段具有比所述开关模块的切换周期的持续时间短的持续时间。
6.根据权利要求3所述的通信系统，其中，接收对故障进行编码的电流脉冲的以系统地为基准的所述低侧控制块将所述故障解码为多位二进制码，并且通过所述开关模块上的故障端子以及通过故障总线将所述故障传输至系统控制器，所述系统控制器也耦合成以所述低侧基准系统地为基准。
7.根据权利要求3所述的通信系统，其中，故障和信息从所述高侧控制块到所述低侧控制块的通信的优先级是按照所述故障和信息对开关器件和所述通信系统的风险的顺序。
8.根据权利要求7所述的通信系统，其中，当所述高侧控制块在同一时间检测到两个故障时，所述高侧控制块耦合以在下一次所述低侧开关接通时将具有较高优先级的故障传输至所述低侧控制块。
9.根据权利要求7所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块传输至所述低侧控制块的优先级最高的通信是系统错误故障。
10.根据权利要求9所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块到所述低侧控制块没有通信能够表明高侧电源电压在目标范围以外。
11.根据权利要求9所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块传输至所述低侧控制块的所述优先级最高的通信由具有基本上为0μA幅度的电流脉冲进行编码。
12.根据权利要求7所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块传输至所述低侧控制块的优先级第二高的通信是所述高侧开关处的过电流故障。
13.根据权利要求12所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块传输至所述低侧控制块的所述优先级第二高的通信由具有200μA幅度的电流脉冲进行编码。
14.根据权利要求7所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块传输至所述低侧控制块的优先级第三高的通信是所述低侧开关处的过温故障。
15.根据权利要求14所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块传输至所述低侧控制块的所述优先级第三高的通信由具有100μA幅度的电流脉冲进行编码。
16.根据权利要求7所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块传输至所述低侧控制块的优先级第四高的通信是所述低侧开关处的高温警告故障。
17.根据权利要求16所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块传输至所述低侧控制块的所述优先级第四高的通信由具有50μA幅度的电流脉冲进行编码。
18.根据权利要求7所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块传输至所述低侧控制块的优先级第五高的通信是确认信号，所述确认信号用以更新所述通信链路的状态来表明所述高侧开关和所述高侧控制块运行正常。
19.根据权利要求18所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块传输至所述低侧控制块的所述优先级第五高的通信由具有25μA幅度的电流脉冲进行编码。
20.根据权利要求18所述的通信系统，其中，所述高侧控制块耦合以在每个切换周期将所述确认信号传输至所述低侧控制块。
21.根据权利要求20所述的通信系统，其中，在所述低侧开关接通的每个切换周期中当接收到所述确认信号时表明没有检测到故障。
22.根据权利要求21所述的通信系统，其中，没有检测到故障表明：供电轨在目标范围内，且在高侧耦合端子上没有检测到断路或短路故障。
23.根据权利要求7所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块传输至所述低侧控制块的优先级第五高的通信是用以表明成功加电序列的确认信号。
24.根据权利要求18所述的通信系统，其中，在所述低侧开关的低侧栅电压已经达到规定接通阈值后，所述低侧控制块耦合以等候待从所述高侧控制块接收的所述确认信号。
25.根据权利要求24所述的通信系统，其中，所述低侧控制块耦合以在检测到所述低侧开关的低侧栅极电压的下降沿且没有接收到所述确认信号时，通过故障端子向系统控制器报告高侧至低侧通信故障。
26.根据权利要求25所述的通信系统，其中，所述低侧控制块耦合以在从所述高侧控制块接收到所述确认信号时，通过所述故障端子向所述系统控制器传达所述确认信号，以更新状态指示已清除高侧控制故障。
27.根据任一前述权利要求所述的通信系统，其中，从所述高侧控制块到所述低侧控制块的通信使用所述单个电流脉冲的所述幅度对故障的类型进行编码。
28.一种多相电机驱动系统，包括根据权利要求27所述的通信系统。
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10536140B1 (en) * 2015-12-03 2020-01-14 Navitas Semiconductor, Inc. Half bridge and oscillator power integrated circuit
US10886870B2 (en) * 2016-10-27 2021-01-05 Power Integrations, Inc. Single-wire bus multi-group fault communication for half-bridge inverter modules
US10008942B1 (en) 2017-04-12 2018-06-26 Power Integrations, Inc. High side signal interface in a power converter
US10187053B1 (en) * 2017-07-24 2019-01-22 Semiconductor Components Industries, Llc Drive circuit for power semiconductor devices
KR102559693B1 (ko) * 2017-09-05 2023-07-26 더 가버닝 카운슬 오브 더 유니버시티 오브 토론토 전기 차량용 전력 허브 및 동작 모드
JP6599564B1 (ja) * 2018-01-26 2019-10-30 新電元工業株式会社 電子モジュール
US11515253B2 (en) * 2018-01-26 2022-11-29 Shindengen Electric Manufacturing Co., Ltd. Electronic module
EP3595152B1 (en) 2018-07-12 2023-09-06 Power Integrations, Inc. Protecting semiconductor switches in switched mode power converters
CN108594733A (zh) * 2018-07-18 2018-09-28 龙城电装（常州）有限公司 单引脚多信号冷却风扇控制装置及其控制方法
GB201815301D0 (en) * 2018-09-20 2018-11-07 Rolls Royce Converter
US10998843B2 (en) * 2019-09-23 2021-05-04 Power Integrations, Inc. External adjustment of a drive control of a switch
US11437911B2 (en) 2020-12-22 2022-09-06 Power Integrations, Inc. Variable drive strength in response to a power converter operating condition
US11907054B2 (en) 2022-02-17 2024-02-20 Power Integrations, Inc. Multi-module system with single terminal error flag input/output
WO2024069369A1 (en) * 2022-09-28 2024-04-04 Delphi Technologies Ip Limited Systems and methods for bidirectional message architecture for inverter for electric vehicle

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103944360A (zh) * 2012-11-14 2014-07-23 电力集成公司 使用磁耦合电流隔离引线框架通信的开关模式功率转换器
CN104904108A (zh) * 2013-06-25 2015-09-09 富士电机株式会社 信号传递电路
CN105811374A (zh) * 2015-01-19 2016-07-27 英飞凌科技奥地利有限公司 免受功率开关处的硬换向事件的损害的保护

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61177020A (ja) * 1985-01-31 1986-08-08 Omron Tateisi Electronics Co スレシホ−ルドｓｐｄｔスイツチング回路
CN2609288Y (zh) * 2003-03-07 2004-03-31 深圳市和而泰电子科技有限公司 一种单线通信电路
DE10316539A1 (de) * 2003-04-10 2004-11-11 Siemens Ag Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen permanenterregten Gleichstrommotors
DE102004054374B3 (de) 2004-11-10 2006-05-11 Siemens Ag Schaltungsanordnung zur Bereitstellung eines Diagnosesignals für eine Leistungsschaltvorrichtung
US7365584B2 (en) 2006-06-02 2008-04-29 Freescale Semiconductor, Inc. Slew-rate control apparatus and methods for a power transistor to reduce voltage transients during inductive flyback
DE102008018244B3 (de) 2008-04-10 2009-11-19 Continental Automotive Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einer Leistungsbrückenschaltung
JP2010158092A (ja) * 2008-12-26 2010-07-15 Mitsubishi Electric Corp 電力変換装置
FR2948474A1 (fr) * 2009-07-22 2011-01-28 Proton World Int Nv Protocole de communication sur bus unifilaire
JP4942804B2 (ja) * 2009-11-04 2012-05-30 三菱電機株式会社 半導体電力変換装置
CN102377335A (zh) * 2010-08-16 2012-03-14 登丰微电子股份有限公司 晶体管模块及晶体管驱动模块
US9071169B2 (en) * 2011-02-18 2015-06-30 Ge Hybrid Technologies, Llc Programmable gate controller system and method
GB2497967B (en) 2011-12-23 2018-02-21 Reinhausen Maschf Scheubeck Fault-tolerant control systems
US8841940B2 (en) * 2013-02-06 2014-09-23 Infineon Technologies Austria Ag System and method for a driver circuit
US9647476B2 (en) * 2014-09-16 2017-05-09 Navitas Semiconductor Inc. Integrated bias supply, reference and bias current circuits for GaN devices
US9742288B2 (en) 2014-10-21 2017-08-22 Power Integrations, Inc. Output-side controller with switching request at relaxation ring extremum
JP6591220B2 (ja) * 2015-07-15 2019-10-16 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置および電力制御装置
US10381823B2 (en) * 2016-05-20 2019-08-13 Infineon Technologies Ag Device with power switch

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103944360A (zh) * 2012-11-14 2014-07-23 电力集成公司 使用磁耦合电流隔离引线框架通信的开关模式功率转换器
CN104904108A (zh) * 2013-06-25 2015-09-09 富士电机株式会社 信号传递电路
CN105811374A (zh) * 2015-01-19 2016-07-27 英飞凌科技奥地利有限公司 免受功率开关处的硬换向事件的损害的保护

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Publication number Publication date
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