CN108206509A - 保护电路元件的电路和方法、具有电路的车辆及控制方法 - Google Patents

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张智雄
李基宗
申相哲
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Hyundai Motor Co
Kia Motors Corp
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Abstract

本发明提供一种保护电路元件的电路和方法、具有电路的车辆及控制方法。用于保护电路元件的电路包括：电路元件；驱动信号发生器，用于向电路元件施加驱动电压；以及电感器，具有电连接至电路元件的第一端子。电路保护器获得与施加至电路元件的驱动电压以及电感器的第一端子和第二端子之间的差分电压有关的信息，将施加至电路元件的驱动电压与第一参考电压进行比较，将差分电压与第二参考电压进行比较，然后根据比较结果向驱动信号发生器传输控制信号。

Description

保护电路元件的电路和方法、具有电路的车辆及控制方法
技术领域
本发明涉及用于保护电路元件的电路和方法、具有该电路的车辆和用于控制该车辆的方法，更具体地，涉及电路保护，通过更快速且可靠地检测施加至电路元件的过电流来克服短路。
背景技术
通常，通过驱动车身上装配的一个或多个车轮来驱动车辆以在道路或轨道上移动。车辆可分类为例如三轮或四轮车辆、二轮车辆，例如摩托车、施工机械、自行车、在轨道上沿着铁轨行驶的火车等。
电动机安装在车辆内部以具有操作车辆所需的动力。安装在车辆内的电动机可包括例如直流(DC)电动机、交流(AC)电动机、DC无刷电动机或线性感应电动机。电动机基于安装位置或目的实现各种功能。例如，安装在油泵中的电动机可循环供应至需要机油的发动机或变速器的机油，例如发动机机油或变速器机油。此外，安装在电动车辆中的电动机可允许车辆通过将车辆中的电池中充入的电能转换为机械能来获得转动车轮所需的动力。
发明内容
本发明提供一种用于保护电路元件的电路和方法、具有该电路的车辆以及用于控制该车辆方法，通过更迅速且更可靠地检测施加至电路元件的过电流来适当地处理短路。
根据一个方面，用于保护电路元件的电路可包括：电路元件；驱动信号发生器，配置为向电路元件施加驱动电压；电感器，具有电连接至电路元件的第一端子；以及电路保护器，配置为获得与施加至电路元件的驱动电压以及电感器的第一端子和第二端子之间的差分电压有关的信息，将施加至电路元件的驱动电压与第一参考电压进行比较，将差分电压与第二参考电压进行比较，以及根据比较结果将控制信号传输至驱动信号发生器。
电路保护器可包括差分电压传感器，配置为确定施加至电感器的电压与从电感器输出的电压之间的差值。电路保护器还可包括：第一比较器，配置为将驱动电压与第一参考电压进行比较；和第一锁存器，配置为基于第一比较器的输出进行操作。电路保护器还可包括：第二比较器，连接至差分电压传感器并配置为将差分电压与第二参考电压进行比较；和第二锁存器，配置为基于第二比较器的输出进行操作。
附加地，电路保护器可包括连接至第一和第二锁存器的与门元件。电路元件可包括至少一个晶体管，晶体管具有双极结型晶体管(BJT)、晶闸管、场效应晶体管(FET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)中的至少一种。驱动信号发生器可配置为将驱动电压施加至至少一个晶体管的基极或栅极。驱动信号发生器可配置为：响应于从电路保护器接收的控制信号，停止向电路元件施加电压或改变驱动电压。
车辆可包括：至少一个电路元件；驱动信号发生器，配置为向至少一个电路元件施加驱动电压；以及控制器，配置为接收施加至电路元件的驱动电压，测量从电路元件输出的电信号的电压的变化，将施加至电路元件的驱动电压与第一参考电压进行比较，将电压的变化与第二参考电压进行比较，以及根据比较结果向驱动信号发生器传输控制信号。电路元件可包括连接至电动机的线圈的电动机驱动器的至少一个开关元件。电动机可配置为生成用于使安装在车辆上的车轮旋转所需的机械能。
根据另一方面，用于保护电路元件的方法可包括：通过驱动信号发生器将驱动电压施加至电路元件并且基于驱动电压来操作电路元件；检测施加至电路元件的驱动电压；将驱动电压与第一参考值进行比较；检测施加从电路元件输出的电流的电感器的两个端子之间的差分电压；将差分电压与第二参考值进行比较；当驱动电压超过第一参考值并且差分电压超过第二参考值时，将控制信号传输至驱动信号发生器；以及根据控制信号操作驱动信号发生器。
电路元件可包括至少一个晶体管，至少一个晶体管具有双极结型晶体管(BJT)、晶闸管、场效应晶体管(FET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)中的至少一种。驱动信号发生器可配置为将驱动电压施加至至少一个晶体管的基极或栅极。根据控制信号操作驱动信号发生器可包括：响应于控制信号而停止通过驱动信号发生器对电路元件施加电压，和修改驱动电压并通过驱动信号发生器将修改的驱动电压施加至电路元件。
根据另一方面，用于控制具有根据至少一个开关元件的操作驱动的电动机的车辆的方法可包括：通过驱动信号发生器向开关元件施加驱动电压并且基于驱动电压来操作开关元件；检测施加至开关元件的驱动电压；将驱动电压与第一参考值进行比较；检测施加从开关元件输出的电流的电感器的两个端子之间的差分电压；将差分电压与第二参考值进行比较；当驱动电压超过第一参考值并且差分电压超过第二参考值时，向驱动信号发生器传输控制信号；以及根据控制信号，停止向电动机的开关元件施加驱动信号或通过驱动信号发生器向电动机的开关元件施加具有不同电压的驱动信号。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其它目的、特征和优点对于本领域普通技术人员来说将变得更加明显，其中：
图1是根据本发明的示例性实施例的用于保护电路元件的电路的框图；
图2是根据本发明的示例性实施例的电路保护器的框图；
图3是根据本发明的示例性实施例的用于保护电路元件的电路的电路图；
图4示出根据本发明的示例性实施例的电路元件正常操作时的曲线图；
图5示出根据本发明的示例性实施例的使电路元件出现短路电流时的曲线图；
图6是根据本发明的示例性实施例的车辆的框图；
图7是根据本发明的示例性实施例的电动机系统的电路图；以及
图8是示出根据本发明的示例性实施例的用于保护电路元件的方法的流程图。
具体实施方式
应当理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语一般包括机动车辆，例如客车(包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆)、船只(包括各种船舶和轮船)、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、燃烧机、插电式混合电动车辆、氢动力车辆和其它替代燃料车辆(例如，源自石油以外的资源的燃料)。
虽然将示例性实施例描述为使用多个单元来实现示例性过程，但是应当理解，示例性过程也可由一个或多个模块来实现。附加地，应当理解，术语“控制器/控制单元”指代包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置为存储模块，并且处理器具体配置为执行所述模块以实现下面进一步描述的一个或多个过程。
此外，本发明的控制逻辑可体现为包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光数据存储设备。计算机可读记录介质还可以分布在网络耦合计算机系统中，使得计算机可读介质例如由远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)以分布式方式存储和执行。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意图限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”也意图包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整体，步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
除非具体陈述或从上下文中显而易见，如本文所使用的，术语“约”应理解为在本领域的正常容差(tolerance)范围内，例如在平均值的2个标准差内。“约”可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非从上下文中另有说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。
图1是根据本发明的示例性实施例的用于保护电路元件的电路的框图。参考图1，用于保护电路元件的电路1可包括：作为被保护对象的电路元件20；驱动信号发生器10，配置为将电路元件20的操作所需的电压Vge施加至电路元件20；电感器30，电连接至电路元件20；以及电路保护器40，配置为保护电路1中的电路元件20免于例如短路。
驱动信号发生器10可电连接至至少一个电路元件20，并且配置为对要被操作的电路元件20施加具有特定电压Vge(以下称为驱动电压)的电信号。从驱动信号发生器10施加的电压Vge可为直流(DC)电压或交流(AC)电压。当向电路元件20施加AC电压时，驱动电压Vge可包括有效电压。驱动信号发生器10和电路元件20可配置为具有在至少一条信号线上传送的电信号。至少一条信号线可利用导线或印刷电路来实施。
至少一条信号线可从至少一个节点19处分开。分支信号线可连接至电路保护器40。因此，当从驱动信号发生器10将驱动电压Vge施加至电路元件20时，也可将约等于驱动电压Vge的电压Vp施加至电路保护器40。换句话说，当电流从驱动信号发生器10传送至电路元件20时，电流的一部分也传送至电路保护器40，在这种情况下，施加至电路保护器40的电压Vp可约等于驱动电压Vge。
电路元件20是电路保护器40保护的目标，例如免于短路。电路元件20可电连接至驱动信号发生器10，并配置为基于从驱动信号发生器10施加的电压Vge实现预定的操作。特别地，对应于施加的电压Vge，电路元件20可实现预定的操作。
此外，电路元件20也可电连接至电感器30。特别地，信号线可形成在电路元件20与电感器30之间。信号线可包括导线或电路。虽然作为示例，电路1中包括单个电路元件20，但是在一些其他示例性实施例中，可存在包括在电路1中的多个电路元件20。
在示例性实施例中，电路元件20可包括开关元件。开关元件可配置为转发或阻断接收的电信号。另外，开关元件可包括晶体管。当电路元件20为晶体管时，驱动信号发生器10的电压Vge可施加至晶体管的基极或栅极。在本发明的示例性实施例中，可通过双极结型晶体管(BJT)、晶闸管、场效应晶体管(FET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)中的至少一个来实施晶体管。FET可以包括金属半导体场效应晶体管(MESFET)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
电感器30可电连接至电路元件20，并且可通过与施加的电流的变化量成比例地感应电压来防止快速的电流变化。在一些示例性实施例中，电感器30可包括可变电感器。电感器30也可用线圈来实施。此外，电感器30可具有连接至电路元件20的第一端和连接至另一电路元件、部件、器件或接地的第二端。
连接电感器30的第一端与电路元件20的信号线可从节点37处分开，并且分支线路可连接至电路保护器40。连接电感器30的第二端与其它电路元件、部件、器件或接地的信号线可从节点39分开，并且分支线路也可连接至电路保护器40。因此，电流中施加至电感器30之前的部分和电流的从电感器30输出的部分可传送至电路保护器40。
电路保护器40可配置为：基于从连接驱动信号发生器10与电路元件20的信号线分支的信号线上传送的电信号和在从位于电感器30的两个端子处的多个节点37、39分支的信号线上传送的电信号，确定电路元件20是否损坏或确定损坏的可能性，并且基于确定结果生成并输出用于驱动信号发生器10的控制信号。
图2是根据本发明的示例性实施例的电路保护器的框图。参考图2，电路保护器40可包括差分电压传感器41、比较器42和信号发生器45。
差分电压传感器41可配置为检测位于电感器30的两个端子处的多个节点37、39上的差分电压Vd。差分电压Vd是指多个节点之间的电压差。差分电压传感器41可配置为将检测到的差分电压Vd输出并传输至比较器42。差分电压传感器41可利用通常被设计为检测两个节点之间的电压差的传感器或仪表设备来实现。
此外，比较器42可配置为从驱动信号发生器10和差分电压传感器41两者接收电信号，并且基于接收到的电信号将电信号传输至信号发生器45或阻断电信号(例如，允许或限制信号传输)。比较器42可配置为将约等于从驱动信号发生器10输出的驱动电压Vge的电压Vp与预定参考值(以下称为第一参考值)进行比较。特别地，第一参考值可由用户或设计者任意定义。可基于驱动信号发生器10和/或电路元件20的类型以各种方式定义第一参考值。第一参考值可为第一参考电压。比较器42可配置为通过将电压Vp与第一参考电压进行比较来获得比较结果。因此，可测量是否从驱动信号发生器10向电路元件20施加过电流或过电压。
比较器42还可配置为将从差分电压传感器41传送的差分电压Vd与另一预定参考值(以下称为第二参考值)进行比较。第二参考值可由用户或设计者任意定义。第二参考值可与第一参考值相同或不同。可基于驱动信号发生器10、电路元件20和/或电感器30的类型以各种方式定义第二参考值。同样，第二参考值可包括第二参考电压，并且比较器42可配置为通过将差分电压Vp与第二参考电压进行比较来获得比较结果。
当电路1短路时，流经电感30两个端子的电流的变化量di/dt增加，并且因此感应电压，V＝Lx*di/dt，也增加。因此，当电路1短路时，差分电压Vd增加。因此，比较器42可配置为通过确定差分电压Vd是否大于特定阈值(即，第二参考值)来确定电路1是否已经短路。当等于或接近驱动电压Vge的电压Vp等于或大于第一参考电压，并且同时差分电压Vd等于或大于第二参考值时，比较器42可配置为根据比较结果生成并传输电信号至信号发生器45。换句话说，当两个输入电信号的电压超过其参考值时，比较器42可配置为输出电信号。
相反，当约等于驱动电压Vge的电压Vp小于第一参考电压时，或当差分电压Vd小于第二参考电压时，比较器42可配置为响应于比较结果而不生成任何电信号。因此，信号发生器45可能不会从比较器42接收任何电信号。
即使当驱动信号发生器10输出过电压/过电流时，电路1也可能不会短路。此外，由于噪声，所以例如，驱动信号发生器10的电压Vge可能超过第一参考值。即使当驱动信号发生器10的电压Vge超过第一参考值时，如上所述，比较器42也还可配置为确定电感器30两个端子之间的差分电压Vd是否大于第二参考电压，并且因此，防止基于驱动信号发生器10的过电压/过电流的输出的错误确定。因此，电路保护器40可配置为更准确地检测电路1是否短路。
可利用设计者考虑的各种类型的比较器电路来实施比较器42。信号发生器45可配置为接收与来自比较器42的比较结果对应的电信号。响应于从比较器42接收电信号，信号发生器45可配置为生成并输出与接收到的电信号对应的控制信号。从信号发生器45输出的电信号可传送至驱动信号发生器10。
在示例性实施例中，驱动信号发生器10可配置为根据从信号发生器45传输的控制信号停止生成驱动信号。在另一示例性实施例中，取决于控制信号，驱动信号发生器10可配置为生成具有不同电压和/或电流的驱动信号。特别地，驱动信号发生器10可配置为输出具有比现有输出驱动信号的电压/电流相对低的电压和/或电流的驱动信号。
现在将更详细地描述用于保护电路元件的电路1。图3是根据本发明的示例性实施例的用于保护电路元件的电路的电路图。参考图3，电路元件20可为IGBT 21。IGBT 21为即使在低驱动功率下也能够实现快速开关的电路元件。
此外，IGBT 21可包括栅极22、集电极23和发射极24，并且集电极23和发射极24基于施加至栅极22的电压而导通。因此，电流可在或不在集电极23与发射极24之间流动。驱动信号发生器10可为配置为将特定电压Vge施加至栅极22以操作IGBT 21的栅极驱动器11。栅极驱动器11可通过线路连接至IGBT 21的栅极22。因此，当从栅极驱动器11输出特定电平的驱动电压Vge时，驱动电压Vge可施加至栅极22以操作IGBT 21。来自驱动信号发生器10的线路可在节点处分开，并且分支线路可电连接至第一比较器43。
一旦将从驱动信号发生器10输出的驱动电压Vge施加至栅极22，IGBT 21的集电极23和发射极24就变为导通状态，因此，电流Ic在IGBT 21的发射极24与线圈31之间流动。电感器30可利用线圈31来实施。在线圈31内部，可插入非磁性物质，或者可安装铁磁性物质，例如铁或铁氧体。替换地，线圈31的内部可不安装附加元件。
线圈31的第一端子可通过至少一条线路电连接至IGBT 21的发射极24。连接发射极24与线圈31的一个端子的线路可在节点37处分开。分支线路可连接至差分电压传感器41。线圈31的第二端子可通过至少一条线路连接至各种部件或设备，或者可以连接至地G，如图3所示。连接至线圈31的另一端子的线路可在节点39处分开。分支线路还可连接至差分电压传感器41。在IGBT 21的发射极24与线圈31的第一端子之间流动的电流可增加或减小，因此，线圈31中可生成寄生电容。如上所述，电路保护器40可包括差分电压传感器41、比较器42和信号发生器45。
发射极24与线圈31的第一端子之间的电压(以下称为第一电压)可通过从连接发射极24与线圈31的第一端子的线路分开的线路施加至差分电压传感器41。换句话说，差分电压传感器41可配置为获得与施加至线圈31的第一端子的电压有关的信息。此外，线圈31的第二端子处的电压(以下称为第二电压)可通过从连接至线圈31的第二端子的线路分开的线路施加至差分电压传感器41。换句话说，差分电压传感器41可配置为获得与线圈31的输出电压有关的信息。
此外，差分电压传感器41可配置为获得输入的第一和第二电压之间的差值。差分电压传感器41可配置为分别测量第一和第二电压，并且计算测量的第一和第二电压之间的差值。替换地，差分电压传感器41可配置为使用设计者可考虑的各种方法来确定第一和第二电压之间的差值。在一些示例性实施例中，差分电压传感器41可配置为计算第一和第二电压之间的比率。
由差分电压传感器41获得的差分电压Vd可通过电路或引线传输至第二比较器44。比较器42可包括第一比较器43和第二比较器44。第一比较器43可配置为接收从栅极驱动器11输出的约等于驱动电压Vge的电压Vp，将接收到的电压Vp与第一参考电压电压Vr1进行比较，以及基于比较结果输出电信号。在示例性实施例中，第一比较器43可设计为当接收到的电压Vp超过第一参考电压Vr1时输出电信号。在一些示例性实施例中，第一比较器43可配置为即使当接收到的电压Vp等于第一参考电压Vr1时也输出电信号。第一比较器可电连接至第一锁存器46，并且当接收到的电压Vp超过第一参考电压Vr1时，从第一比较器43输出的电信号可传输至第一锁存器46。
第二比较器44可配置为接收从差分电压传感器41输出的差分电压Vd，并将接收到的差分电压Vd与第二参考电压Vr2进行比较。然后，第二比较器44可配置为基于比较结果输出电信号。在示例性实施例中，第二比较器44可配置为当差分电压Vd超过第二参考电压Vr2时输出电信号。在一些示例性实施例中，第二比较器44可配置为即使当差分电压Vd等于第二参考电压Vr2时也输出电信号。第二比较器44可电连接至第二锁存器47，并且从第二比较器44输出的电信号可通过引线或电路传输至第二锁存器47。
在示例性实施例中，信号发生器45可包括第一锁存器46、第二锁存器47和与门(AND gate)元件。第一和第二锁存器46和47可包括分别连接至第一和第二比较器43和44的输入端子，并且当从第一和第二比较器43和44输出的电信号施加至第一和第二锁存器相应的输入端子时而被激活。响应于从第一比较器43接收电信号，第一锁存器46可被激活以输出与从第一比较器43传输的电信号对应的电信号。类似地，响应于从第二比较器44接收电信号，第二锁存器47可配置为输出与从第二比较器44传输的电信号对应的电信号。第一锁存器46的输出端子可连接至与门元件49的两个输入端子中的一个，并且第二锁存器47的输出端子可连接至与门元件49的两个输入端子中的另一个。
当电信号输入至与门元件49的两个输入端时，与门元件49可配置为输出与输入的电信号对应的电信号，即控制信号。换句话说，当从第一锁存器46的输出端子输出的电信号输入至与门元件49的一个输入端子(例如，第一输入端子)并且从第二锁存器47的输出端子输出的电信号输入至与门元件49的另一输入端子(例如，第二输入端子)时，与门元件49可配置为输出控制信号。当没有电信号施加至与门元件49的至少一个输入端子时，可防止与门元件49输出任何电信号。
如上所述，由于当输入电压Vp大于第一参考电压Vr1时，电信号可输入至与门元件49的一个输入端子，并且当差分电压Vd大于第二参考电压Vr2时，电信号可输入至与门元件49的另一输入端子，所以当输入电压Vp(即，从栅极驱动器11输出的驱动电压Vge)大于第一参考电压Vr1并且差分电压Vd大于第二参考电压Vr2时，与门元件49可配置为输出控制信号。输出控制信号可传输至栅极驱动器11，并且响应于接收控制信号，可与控制信号对应来操作栅极驱动器11，从而防止对IGBT 21的损坏，例如短路。因此，用于保护电路元件的电路1能够防止IGBT 21的故障或误动作。
现在将更详细地描述用于保护例如IGBT 21的电路元件的电路1的过程。图4示出当电路元件正常操作(例如，没有误差、误动作或短路)时的曲线图，并且图5示出短路电流流过电路元件时的曲线图。图4和图5均自上而下示出电压、电流和差分电压的变化。在图4和图5中，x轴表示时间，y轴自上而下表示电压、电流和差分电压的大小。
参考图4，当栅极驱动器11在外部控制下在时间t1处被激活时，栅极驱动器11可配置为输出具有特定电压Vge的电信号。特别地，驱动电压Vge逐渐增加直到时间t2，并且从时间t2到t3保持为恒定值f1，以在IGBT 21的栅极22与集电极23之间填充电压Vgc。时间段(从t2到t3)中的恒定电压f1小于正常情况(例如，没有误差、误动作或短路)下的第一参考值Vr1。正常情况可包括电路元件20不会被损坏的情况，例如当栅极驱动器11正常操作或电路1未短路时。
当栅极驱动器11输出具有特定电压Vge的电信号时，在IGBT 21的发射极24与线圈31之间流动的电流Ic相应地增加。在驱动电压Vge保持恒定大小的时间点t2处，电流暂时降低，然后再次增加。当在发射极24与线圈31之间流动的电流Ic增加时，随着电流Ic增加，寄生电感在时间段(t1与t2之间)中瞬间增加。感应电压以及因此差分电压Vd相应增加。当电路1正常操作时，差分电压Vd的大小小于第二参考电压Vr2。
此外，当由于IGBT 21的开关臂短路(arm-short)而出现短路电流并且因此引起在IGBT 21的发射极24与线圈31之间流动快速变化的电流时，IGBT 21可能被损坏。具体地，当大量的电流在IGBT 21中流动时，IGBT 21消耗过多的功率，Ic*t，这里t为时间，这可能损坏IGBT 21。如图5所示，当栅极驱动器11不正常操作或电路1短路时，从栅极驱动器11输出的驱动电压Vge从时间t1开始迅速增加，并从时间t2开始保持为恒定值f2。特别地，由于驱动电压Vge的迅速增加，使恒定电压f2的大小相对大于参考电压Vr1。
根据在t1与t2之间的时间段期间驱动电压Vge的迅速增加，在IGBT 21的发射极24与线圈31之间流动的电流Ic也迅速增加。在发射极24与线圈31之间流动的电流Ic的迅速增加导致寄生电感的迅速增加，这也导致感应电压的迅速增加。差分电压Vd在时间(从t1到t2)期间相应地迅速变化。特别地，差分电压Vd的大小相对大于第二参考电压Vr2。因此，当栅极驱动器11不正常操作或电路1短路时，从栅极驱动器11输出的驱动电压Vge的迅速增加暂时使驱动电压Vge大于第一参考电压Vr1，并且因此，第一比较器43可配置为向第一锁存器46输出并传输电信号。差分电压Vd也可超过第二参考电压Vr2，并且第二比较器44可配置为向第二锁存器47输出并传输电信号。
由于第一和第二锁存器46和47都输出电信号，所以与门元件49可配置为向栅极驱动器11输出对应的电信号。响应于接收电信号，栅极驱动器11可操作为防止电路元件(即，IGBT21)的损坏或停止操作。因此，可保护电路元件IGBT 21免于短路。图3至图5的示例性实施例使用IGBT 21作为电路元件20，但不限于此。在一些示例性实施例中，用于保护电路元件的电路1可通过使用例如MOSFET而不是IGBT21来实施。
现在将结合图6和图7描述应用用于保护电路元件的电路的车辆的示例性实施例。图6是根据本发明的示例性实施例的车辆的框图。在一些示例性实施例中，车辆100可为典型的化石燃料车辆或电动车辆。
化石燃料车辆使用发动机将化石燃料的燃烧能量转换为机械能，并使用机械能来转动车轮101。电动车辆可为公共电动车辆，其使用电动机来具有转动车轮101所需的动力。电动车辆的电动机通过将电池160中充入的电能转换为机械能来获得车轮101的转动所需的动力。电动车辆可包括以下中的至少一种：利用电动机获得动力的典型电动车辆(EV)、使用来自化石燃料的燃烧的热能和电能来获得动力的混合电动车辆(HEV)以及使用来自化石燃料的燃烧的热能和电能并且从外部给予电能以在嵌入的电池中充电的插电式混合电动车辆(PHEV)。
参考图6，车辆100可包括电动机系统110、控制器140和电池160。电动机系统110和控制器140可通过电缆或无线通信网络连接以彼此交互。无线通信网络可使用例如蓝牙、无线保真(Wi-Fi)、控制器局域网(CAN)、Wi-Fi直接、近场通信(NFC)等的技术来实施。
此外，电动机系统110和电池160，或者控制器140和电池160可通过至少一条导线或金属电路电连接，因此，电力可供应至电动机系统110和控制器140。电动机系统110、控制器140和电池160可安装在车辆100内的区域中。例如，电动机系统100可安装在车辆100的发动机室中，或者安装在发动机室与仪表板之间。电池160可安装在车辆100的发动机室中，或者安装在车辆100的底部，或者安装在车辆100的后座和后装载空间之间的空间中，或者安装在车辆100的后装载空间中，但不限于此。
电动机系统110可包括电动机120、电动机驱动器200和电路保护器300。电动机120可配置为将电能转换为机械能，即旋转能量。可驱动电动机120，使车辆100获得车辆100的各种操作所需的动力。车辆100的各种操作可包括例如车轮1的旋转、燃料泵操作、油泵操作和/或可根据电动机120的操作来实现驾驶员座椅/乘客座椅的后背的调整。电动机120可为DC电动机、AC电动机、DC无刷电动机或线性感应电动机中的至少一种。此外，电动机120可为设计者可考虑的任何不同类型的电动机。如图6所示，电动机120可包括定子121、线圈122和转子123。定子121可固定地形成在电动机120的外框架的内侧并且位于转子123周围。在示例性实施例中，定子121可包括环形框架。
图7是根据本发明的示例性实施例的电动机系统的电路图。线圈122可安装为缠绕在定子121的至少一个突起周围，用于产生与所施加的电流对应的磁场。线圈122可包括多个线圈122a、122b、122c，如图7所示。例如，当为三相电动机时，线圈122可包括三个线圈122a、122b和122c。三个线圈122a、122b和122c可安装在定子121的环形框架上的特定点处。特别地，安装在环形框架上的特定点处的线圈122a、122b和122c可延伸到与特定点相对的另一点。
相应线圈122a至122c可通过电路或导线270、280和290电连接至电动机驱动器200。根据电动机驱动器200的操作，交流电流可流过或不流过线圈122a至122c，因此，在环形框架内产生对应的磁场。基于线圈122a至122c周围产生的磁场，转子123可围绕环形框架内的特定旋转轴旋转。转子123可使用永磁体来实施。来自转子123的旋转动力可传送至需要动力的部件，例如车轮、燃料泵、油泵和/或用于通过各种其它部件(例如，齿轮或轴)来调整驾驶员座椅的后背的电动机。
转子123可以特定的旋转频率旋转。转子123的旋转频率可对应于电动机驱动器200的相应开关元件210至260的开关频率。开关频率是指相应开关元件210至260的导通/截止操作在单位时间内重复的次数。各个开关元件210至260根据开关频率重复启动和停止操作。电动机驱动器200可配置为从电池160接收具有一定电压的电信号，并将供应的电流施加至电动机120的线圈122。在示例性实施例中，电动机驱动器200可使用逆变器来实施。
再次参考图2，电动机驱动器200可包括开关元件210至260中的至少一个。各个开关元件210至260可配置为选择性地操作，使得从电池160输入的电流可传输至至少两个线圈122a至122c。开关元件210至260可使用BJT、晶闸管、FET(例如MOSFET)和IGBT中的至少一种来实施。开关元件210至260可成对设置为210和220、230和240以及250和260。电压可施加至每对开关元件210和220、230和240、250和260中的第一开关元件210、230、250，并且每对开关元件中第二开关元件220、240、260连接至地。
附加地，电流可通过每对开关元件210至260中的一个开关元件210、230、250传送至电动机驱动器200，并且已经通过两个线圈122a至122c的电流可通过开关元件210至260的每对中的第二开关元件220、240、260从电动机驱动器200传送出。特别地，基于开关元件210和220、230和240或250和260中正在操作的那对，AC电流在特定方向上流入特定线圈。例如，当第一和第四开关元件210和240操作时，AC电流依次流过第一线圈122a和第二线圈122b，并且当第一和第六开关元件210和260操作时，电流依次流过第一线圈122a和第三线圈122c。
此外，当第三和第六开关元件230和260操作时，电流依次流过第二线圈122b和第三线圈122c；当第二和第三开关元件220和230操作时，电流依次流过第二线圈122b和第一线圈122a；当第四和第五开关元件240和250操作时，电流依次流过第三线圈122c和第二线圈122b。另外，当第二和第五开关元件220和250操作时，电流依次流过第三线圈122c和第一线圈122a。因此，基于开关元件210至260的操作，AC电流在特定方向上流过设置在不同位置处的多个线圈122a至122c中的两个，因此，在电动机120内部空间中依次产生与AC电流的大小和方向对应的磁场，使转子123旋转。
参考图7，至少一个开关元件，例如第二开关元件220可电连接至驱动信号发生器221和电感器222。特别地，驱动信号发生器221可连接至第二开关元件220的栅极，并且电感器222可连接至第二开关元件220的发射极。
如上所述，驱动信号发生器221可配置为将预定电压Vge施加至第二开关元件220的栅极，并且一定电流Ic流入电感器222。驱动信号发生器221可包括例如栅极驱动器。栅极驱动器可使用至少一个集成芯片来实施。从驱动信号发生器221输出的电压Vge也可施加至电路保护器300。此外，电感器222的两个端子之间的电压可施加至电路保护器300，这又基于电感器222的两个端子之间的电压确定了电感器222的两个端子之间的差分电压。
类似地，电路保护器300可配置为将从驱动信号发生器221输出的电压Vge和电感器222的两个端子之间的差分电压与第一和第二参考值(也称为第一和第二参考电压)分别进行比较，并且根据比较结果生成控制信号并将控制信号传输至驱动信号发生器221。当从驱动信号发生器221输出的电压Vge大于第一参考电压并且电感器222的两个端子之间的差分电压大于第二参考电压时，电路保护器300可配置为生成控制信号并将控制信号传输至驱动信号发生器221。
在一些示例性实施例中，电路保护器300可利用差分电压传感器、比较器和信号发生器来实施，如图2所示。更具体地，如图3所示，电路保护器300可包括连接至电感器222的两个端子的差分电压传感器、连接至驱动信号发生器221和差分电压传感器的多个比较器、多个锁存器以及连接至多个锁存器的与门元件，其中多个锁存器中的每个都连接至多个比较器的每个。相应部件的操作如上所述，因此以下描述中将省略其细节。
驱动信号发生器221可配置为根据接收到的控制信号停止向第二开关元件200施加驱动电压Vge或者调整施加的驱动电压Vge。因此，由于驱动信号发生器221基于电路保护器300的操作而操作，所以可更准确且迅速地保护电动机驱动器200中的各个开关元件210至260。例如，驱动信号发生器221可配置为操作为防止至少一个开关元件210至260由于开关臂短路而被损坏。
尽管图7示出电连接至驱动信号发生器221和电感器222的第二开关元件220，但是其它开关元件210、230至260可以相同的方式或部分修改的方式电连接至栅极驱动器和电感器并安装有栅极驱动器和电感器。连接至器件210、230至260的栅极驱动器和电感器可如上所述进行操作。此外，安装有其它开关元件210、230至260的栅极驱动器和电感器也可以与上述相同的方式或以部分修改的方式电连接至电路保护器。如上所述，电路保护器可配置为基于驱动电压和差分电压来操作安装有其它开关元件210、230至260的栅极驱动器。
此外，控制器150可配置为执行车辆100的一般操作。例如，控制器150可配置为将控制信号传输至电动机系统110的电动机驱动器200和电路保护器300中的至少一个以执行它们的操作。控制器150可通过利用使用至少一个半导体芯片和相关部件的处理器来实施。处理器可为例如中央处理单元(CPU)或微控制单元(MCU)。对于车辆100，处理器可为车辆控制器件。然而，分别布置为实现各种操作和处理的任何类型的处理器都可用于控制器150。
控制器150可配置为根据预定程序进行操作。预定程序可存储在与控制器150分离布置的存储设备中。在示例性实施例中，控制器150可设计为允许电路保护器300实现前述操作。换句话说，电路保护器300可由控制器150代替。从驱动信号发生器221输出的电压Vge或从电感器222的两个端子之间输出的电压可传送至控制器150，这又可配置为基于提前预定的定义来确定开关元件220是否有故障。
电池160可配置为向需要电能的各个部件供应电能。例如，电池160可配置为供电，使电动机驱动器112驱动电动机。换句话说，电池160可配置为供电，使驱动信号发生器221操作各个开关元件210至260。此外，电池160可配置为根据需要向电路保护器300供电，以允许电路保护器300实现保护开关元件210至260所需的各种操作。
现在将参考图8描述用于保护电路元件的方法和用于控制车辆的方法。图8是示出根据本发明的示例性实施例的用于保护电路元件的方法的流程图。下面描述的方法可由具有处理器和存储器的整体控制器执行。
参考图8，首先，在400中，可将驱动电压施加至要被保护的电路元件，例如开关元件，并且可从电路元件输出电流。可通过驱动信号发生器来实现将电压施加至电路元件。从电路元件输出的电流可传送至电连接至电路元件的电感器。在与400相同或不同的时间处，在420中，可检测并确定施加至电路元件的驱动电压。此外，在与检测驱动电压相同或不同的时间处，可测量电感器的两个端子之间的电压，并且可确定电感器的两个端子之间的差分电压。可通过由控制器操作的电路保护器来实现对于驱动电压和差分电压的检测和确定。
在440、460中，驱动电压和差分电压可依次与其相应参考电压进行比较。特别地，在440中，驱动电压可与第一参考电压进行比较。当驱动电压大于第一参考电压(在440中为“是”)时，差分电压可与第二参考电压进行比较。当驱动电压小于第一参考电压(在440中为“否”)时，现有操作保持不变。例如，驱动电压发生器可根据预定情况继续施加现有的驱动电压。
当差分电压大于第二参考电压(在460中为“是”)时，在480中，可将控制信号传输至驱动信号发生器。当差分电压小于第二参考电压(在460中为“否”)时，未生成用于驱动电压发生器的控制信号。当控制信号传输至驱动信号发生器时，在500中，响应于接收控制信号，驱动信号发生器可配置为实现对应的操作。例如，驱动信号发生器可配置为停止将驱动电压施加至要被保护的电路元件。在另一示例中，驱动信号发生器可配置为改变施加至要被保护的电路元件的驱动电压。
尽管图8的示例性实施例示出了将驱动电压与第一参考电压进行比较，然后将差分电压与第二参考电压进行比较，但是比较顺序不限于此。例如，可在将驱动电压与第一参考电压进行比较之前将差分电压与第二参考电压进行比较。此外，可同时实现驱动电压与第一参考电压的比较以及差分电压与第二参考电压的比较。
用于保护电路元件的方法可等同地或通过一些修改应用于控制车辆的方法。当将用于保护电路元件的方法应用于控制车辆的方法时，要被保护的电路元件可为设置在车辆的电动机系统内的电动机驱动器的开关元件(例如，BJT、MOSFET或IGBT)。车辆的电动机系统可设置在电动车辆内，用于获得驱动车轮的动力，而不限于此。电动机系统可为布置成实现车辆实现的功能的各种类型的电动机系统中的任何一种。另外，驱动信号发生器可为连接到开关元件的栅极(或基极)的栅极驱动器，用于向栅极(或基极)供应驱动电压。电路保护器可使用额外的电路或设置在车辆内的任何控制设备(例如，车辆控制设备或MCU)来实施。
根据用于保护电路元件的电路和方法、具有该电路的车辆以及用于控制该车辆的方法的示例性实施例，可通过更迅速且更可靠地检测施加至电路元件的过电流来适当地克服短路。根据用于保护电路元件的电路和方法、具有该电路的车辆以及用于控制该车辆的方法的示例性实施例，能够设计可以相对低的成本保护电路元件的电路。根据用于保护电路元件的电路和方法、具有该电路的车辆以及用于控制该车辆的方法的示例性实施例，可快速检测由短路引起的故障，从而即使当电流密度增加时，也能更适当地保护例如功率模块的电路免于损坏。附加地，可保护电路免受损坏，从而节省维护和/或修理车辆的费用。

Claims (16)

1.一种用于保护电路元件的电路，包括：
电路元件；
驱动信号发生器，配置为向所述电路元件施加驱动电压；
电感器，具有电连接至所述电路元件的第一端子；以及
电路保护器，配置为获得与施加至所述电路元件的驱动电压以及所述电感器的第一端子和第二端子之间的差分电压有关的信息，将施加至所述电路元件的驱动电压与第一参考电压进行比较，将所述差分电压与第二参考电压进行比较，以及根据比较结果向所述驱动信号发生器传输控制信号。
2.根据权利要求1所述的用于保护电路元件的电路，其中，所述电路保护器包括差分电压传感器，所述差分电压传感器配置为确定施加至所述电感器的电压与从所述电感器输出的电压之间的差值。
3.根据权利要求2所述的用于保护电路元件的电路，其中，所述电路保护器包括第一比较器和第一锁存器，所述第一比较器配置为将所述驱动电压与所述第一参考电压进行比较，所述第一锁存器配置为基于所述第一比较器的输出进行操作。
4.根据权利要求3所述的用于保护电路元件的电路，其中，所述电路保护器包括第二比较器和第二锁存器，所述第二比较器连接至所述差分电压传感器并配置为将所述差分电压与所述第二参考电压进行比较，所述第二锁存器配置为基于所述第二比较器的输出进行操作。
5.根据权利要求4所述的用于保护电路元件的电路，其中，所述电路保护器还包括连接至所述第一锁存器和所述第二锁存器的与门元件。
6.根据权利要求1所述的用于保护电路元件的电路，其中，所述电路元件包括至少一个晶体管，所述晶体管具有选自由以下组成的组中的至少一种：双极结型晶体管(BJT)、晶闸管、场效应晶体管(FET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
7.根据权利要求6所述的用于保护电路元件的电路，其中，所述驱动信号发生器配置为将所述驱动电压施加至所述至少一个晶体管的基极或栅极。
8.根据权利要求1所述的用于保护电路元件的电路，其中，所述驱动信号发生器配置为：响应于从所述电路保护器发送的控制信号，停止向所述电路元件施加电压或改变所述驱动电压。
9.一种车辆，包括：
至少一个电路元件；
驱动信号发生器，配置为向所述至少一个电路元件施加驱动电压；以及
控制器，配置为接收施加至所述电路元件的驱动电压，测量从所述电路元件输出的电信号的电压的变化，将施加至所述电路元件的驱动电压与第一参考电压进行比较，将所述电压的变化与第二参考电压进行比较，以及基于比较结果向所述驱动信号发生器传输控制信号。
10.根据权利要求9所述的车辆，其中，所述电路元件包括电动机驱动器的至少一个开关元件，所述电动机驱动器的至少一个开关元件连接至电动机的线圈。
11.根据权利要求10所述的车辆，其中，所述电动机配置为生成使安装在所述车辆上的车轮旋转所需的机械能。
12.一种用于保护电路元件的方法，包括：
通过控制器由驱动信号发生器将驱动电压施加至电路元件，并且基于所述驱动电压来操作所述电路元件；
通过所述控制器检测施加至所述电路元件的驱动电压；
通过所述控制器比较所述驱动电压与第一参考值；
通过所述控制器检测电感器的两个端子之间的差分电压，从所述电路元件输出的电流施加至所述电感器；
通过所述控制器比较所述差分电压与第二参考值；
当所述驱动电压超过所述第一参考值并且所述差分电压超过所述第二参考值时，通过所述控制器向所述驱动信号发生器传输控制信号；以及
根据所述控制信号，通过所述控制器操作所述驱动信号发生器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电路元件包括至少一个晶体管，所述至少一个晶体管具有选自由以下组成的组中的至少一种：双极结型晶体管(BJT)、晶闸管、场效应晶体管(FET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述驱动信号发生器配置为将所述驱动电压施加至所述至少一个晶体管的基极或栅极。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，根据所述控制信号操作所述驱动信号发生器包括：
响应于所述控制信号，通过所述控制器停止由所述驱动信号发生器向所述电路元件施加电压；和
通过所述控制器修改所述驱动电压并且由所述驱动信号发生器将修改的驱动电压施加至所述电路元件。
16.一种用于控制具有根据至少一个开关元件的操作而驱动的电动机的车辆的方法，包括：
通过控制器由驱动信号发生器将驱动电压施加至所述开关元件，并且基于所述驱动电压来操作所述开关元件；
通过所述控制器检测施加至所述开关元件的驱动电压；
通过所述控制器比较所述驱动电压与第一参考值；
通过所述控制器检测电感器的两个端子之间的差分电压，从所述开关元件输出的电流施加至所述电感器；
通过所述控制器比较所述差分电压与第二参考值；
当所述驱动电压超过所述第一参考值并且所述差分电压超过所述第二参考值时，通过所述控制器向所述驱动信号发生器传输控制信号；以及
根据所述控制信号，通过所述控制器停止向电动机的开关元件施加驱动信号或者由所述驱动信号发生器向所述电动机的开关元件施加具有不同电压的驱动信号。
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