CN109075564B - 用于将逆变器的相主动短接的系统以及机动车驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将逆变器(1)的相(U、V、W)主动短接的系统，其中，逆变器(1)具有用于将电流施加到相(U、V、W)上的功率半导体开关(5、5A、5B)，该系统具有用于操纵功率半导体开关(5、5A、5B)的驱动电路(7)，并且具有保护电路(9)，保护电路为了将相(U、V、W)主动短接而致使功率半导体开关(5、5A、5B)中的至少几个功率半导体开关闭合。在此，保护电路(9)直接地，也就是不经由驱动电路(7)绕道地操纵功率半导体开关(5、5A、5B)以进行主动短接。此外，本发明还涉及一种具有这种系统的机动车驱动装置。

Description

用于将逆变器的相主动短接的系统以及机动车驱动装置

技术领域

本发明涉及一种用于将逆变器的相主动短接的系统。此外，本发明还涉及一种具有用于运行驱动装置的电机的逆变器的机动车驱动装置，该机动车驱动装置具有这种用于将逆变器的相主动短接的系统。

背景技术

众所周知的是，逆变器具有功率半导体开关，诸如MOSFET或IGBT，其用于将具有特定的频率的电流施加到逆变器的相上。为此，在输入侧，将直流电输送给逆变器。功率半导体开关通过驱动电路来操纵，即分别接通(导电)或关断(不导电)。为此，功率半导体开关的栅极或基极端子通过驱动电路被相应地操控。驱动电路又通过控制器来操控。该控制器确定通过驱动电路的分别所属的驱动器应该操纵其中每个功率半导体开关中的哪个功率半导体开关以及应该操纵多久。尤其是，该控制器将PWM信号(PWM＝脉冲宽度调制)输出给驱动电路，驱动电路相应地操纵功率半导体开关。

用逆变器来运行的电机，诸如同步电机，例如PSM(＝永磁体同步电机)如它们常常作为牵引驱动装置被用在混合动力车辆或电动力车辆中那样作为危急安全的子系统在发生故障情况下必须达到安全状态。这一情况通常是如下工作点，在该工作点，电机产生降低了的转矩，该降低了的转矩可能使机动车不稳定。

在同步电机、如PSM中，安全状态有选择地是主动短接(AKS)(也被称为短接模式)或者逆变器锁止(也被称为空转)。在主动短接/短接模式下，借助于逆变器的功率半导体开关有意地将电机的几个或所有相绕组短接。该模式可以用半导体开关的不同的开关位置来建立。在逆变器锁止/空转时，关断逆变器的控制器。由此，使功率半导体开关处于断开状态中。然而，当电机接着(仍)旋转，那么在这种情况下经由在逆变器或功率半导体开关中始终存在的二极管在逆变器的中间回路中将感应出电压。该感应出来的电压可能超过了功率半导体开关的截止电压。这可能会造成所涉及的功率半导体开关发生桥式短接和/或损坏。因而，通常选择主动短接/短接模式作为安全状态。

通常，逆变器的功率半导体开关被相互电互连为桥式电路，典型地为B6桥式电路。于是，功率半导体开关将每个相都划分成由高压侧开关和低压侧开关构成的对。通常，使用IGBT二极管组合或MOSFET作为功率半导体开关。短接模式典型地经由同时闭合几个或所有高压侧开关或者替选地几个或所有低压侧开关来建立。分别对置的侧的功率半导体开关保持断开。当所有相的高压侧开关或低压侧开关都闭合时，则在是三相式逆变器的情况下是指三相短接模式，或者在是多相式逆变器的情况下是指全部相的短接模式。

常常或者仅仅要么将低压侧开关用于主动短接，要么将高压侧开关用于主动短接，这是因为这可以通过硬件电路非常容易地实现。然而于是，执行主动短接就被限于这些开关。变换的主动短接也是公知的。在这种情况下，在低压侧开关与高压侧开关之间进行变换用来产生短接。

机动车电驱动装置必须满足非常严格的安全要求。因此，必须确保没有不容许的(驱动或制动)转矩被施加在机动车的驱动轴上。为此，必须不断地监控机动车驱动装置的核心部件和功能。在识别出功能故障时，必须引入并且到达安全状态。如所阐述的那样，这一点在运行同步电机的逆变器的情况下大多是对相进行主动短接。

由DE 10 2008 026 549 A1公知了一种用于主动短接逆变器的相的系统。在此，前置有保护控制器，用于通过栅极驱动电路来请求主动短接。因此，主动短接由总归存在的并且在正常运行时使用的栅极驱动电路引起。

还公知的是，为了主动短接，将逆变器的控制器解除激活，而且经由驱动电路的操控线路中的上拉电阻和下拉电阻来建立主动短接。因此，主动短接在这里也通过现有的驱动电路引起。

在这些系统中存在问题在于，驱动电路本身以及驱动电路的电能供应装置被用于执行危急安全的功能，即主动短接。因而，必须对它们进行监控并且通过安全功能来考虑。

发明内容

本发明的任务是就这方面对现有技术进行改进，尤其是提供一种能被简单地监控的用于将逆变器的相主动短接的系统。

该任务通过如下用于将逆变器的相主动短接的系统以及具有逆变器的机动车驱动装置来解决。

优选的实施方式能在下文中得知。

因此，提出了一种用于将逆变器的相主动短接的系统以及一种具有逆变器和这种系统的机动车驱动装置。

该逆变器具有功率半导体开关，其用于将电流、例如PWM电流施加到相上。由此，能给电机，如旋转磁场电机的与相电连接的相绕组通电。还设置有驱动电路，其用于操纵功率半导体开关，即用于接通和关断功率半导体开关。为此，驱动电路在正常运行时尤其是以本身公知的方式操控功率半导体开关的基极端子。视功率半导体开关的结构类型而定地，基极端子也能被理解为栅极端子。

在该系统中也设置保护电路，该保护电路为了将相主动短接而致使其中至少几个功率半导体开关闭合。因此，保护电路被相应实施。该保护电路尤其仅用于引入和保持主动短接。用于闭合功率半导体开关来产生主动短接的线路图可以是本身公知的线路图。

现在设置的是，保护电路直接地，也就是不经由驱动电路绕道地操纵功率半导体开关以进行主动短接。因此，系统和保护电路被与此相应地来实施。因此，保护电路与驱动电路是自给自足的。因此，与驱动电路无关地由保护电路来建立主动短接。因此，保护电路不需要正在运转的或接通的或通电的驱动电路。于是，可以简单地实施保护电路。尤其地，保护电路比驱动电路电地构建得更简单。因此，对于主动短接来说，不需要对驱动电路进行监控。因此，可以取消或者简单地实施对驱动电路的安全性监控。与此相应地，对保护电路的监控能简单地来完成。

为此，优选设置的是，保护电路与功率半导体开关的基极端子电接触以进行主动短接。也就是说，直接通过保护电路来进行对功率半导体开关的基极或栅极的操控，而且并不绕道经过驱动电路或类似的电路。

逆变器尤其被用于将来自直流电支路的直流电转换成在相上的(准)交变电流或转换成各个相上的时控的电流脉冲。因而，逆变器也可被称作脉冲式逆变器。功率半导体开关例如实施为MOSFET或IGBT，或实施为IGBT二极管组合。如所阐述的那样，功率半导体开关在逆变器正常运行时通过驱动电路来操纵，即通过操控各自的基极端子来有针对性地接通或关断。驱动电路又通过逆变器的控制器来被操控。因此，控制器确定通过驱动电路的分别所属的驱动器应该操纵其中每个功率半导体开关中的哪个功率半导体开关以及应该操纵多久。

逆变器的功率半导体开关优选彼此互连成具有高压侧开关和低压侧开关的桥式电路，例如互连成B6桥式电路。因此，尤其给每个相都设置有一对功率半导体开关，即一个高压侧开关和一个低压侧开关。逆变器可以是三相式的或者是多相式的(超过三相)。

保护电路被实施成用于为了将相主动短接而将附属于这些相的几个或所有高压侧开关或低压侧开关闭合。为了产生主动短接，优选操纵一侧的所有半导体开关。这方面可以以如下形式来实现，即，将所有高压侧开关都接通而所有低压侧开关都关断，或者将所有低压侧开关都接通而所有高压侧开关都关断。当针对逆变器的直流电支路设置分离装置时，则可以将所有低压侧开关和所有高压侧开关都接通来产生主动短接。于是，分离装置通过如下方式防止了在直流电支路中发生短接，即，分离装置将直流电线路断开或分离开。

优选地，保护电路为了将相主动短接而被实施成用于将恒定的电压施加到附属于这些相的几个或所有高压侧开关或低压侧开关的基极端子上。于是，被如此通电的功率半导体开关被安全地闭合了短接所需的持续时间。

优选地，该系统被实施成用于将逆变器的驱动电路以及尤其是控制器解除激活以进行主动短接。因此确保了驱动电路不对主动短接施加例如由于对功率半导体开关的有错误的不期望的操纵所造成的影响。尤其可以通过如下方式来导致解除激活，即，关断控制器和/或驱动电路的电能供应装置，并且/或者关断驱动电路内部的所有驱动器，并且/或者关断驱动电路的用于功率半导体开关(即通向功率半导体开关的基极端子)的所有输出端，并且/或者关断驱动电路的用于控制器的所有输入端。

优选地，系统被实施成用于当驱动电路(又)被激活时，将保护电路解除激活。尤其是当接通驱动电路的电能供应装置时，系统自动地将保护电路解除激活。因此，对驱动电路的激活被理解为有意地结束主动短接的征兆。因此，驱动电路相对于保护电路是处于支配地位的。尤其是可以通过如下方式来引起该激活，即，接通驱动电路的和/或控制器的电能供应装置，并且/或者接通在驱动电路之内的所有驱动器，并且/或者接通驱动电路的用于功率半导体开关(即通向功率半导体开关的基极端子)的所有输出端或特定的输出端，并且/或者接通驱动电路的用于控制器的所有输入端或特定的输入端。

如上面所提及的那样，还提出了一种机动车驱动装置。在这种情况下，机动车驱动装置尤其可以是机动车驱动系统。机动车驱动装置具有用于机动车驱动装置的电机在逆变器的相上运行的逆变器。电机优选地是旋转磁场电机，尤其是同步电机。特别优选地，电机是PSM。电机尤其可用作牵引驱动装置，即用于提供转矩来驱动或制动车辆。替选地，该电机可用作执行器驱动装置，即用于操纵机动车驱动装置的执行器，如机动车机组或其它的机动车部件。机动车驱动装置具有所提出的用于将逆变器的相主动短接的系统。由此，可以使电机简单地转变为主动短接。因此，简化了对机动车驱动装置的安全性监控。

特别优选地，所提出的系统按如下地进行工作：

·一旦监控功能确定电机在如尤其是由电机发出的转矩的额定值与实际值之间的偏差提高，或者一旦监控功能确定有其他保护目标被损害，就将驱动电路的各个驱动器和驱动器电流供应装置解除激活。此外，将逆变器锁止设定在低压侧。然后，功率半导体开关的基极端子不再通过驱动电路被通电。

·激活用于主动短接的保护电路。该保护电路将恒定的电压施加给所要短接的相的有选择的是高压侧开关的或低压侧开关的基极端子。由此，引入了主动短接。

·一旦再次激活驱动电流供应装置，驱动电路就接管保护电路。保护电路被解除激活。因此，驱动电路相对于保护电路在操控上处于支配地位。

在系统方面有利的是，用低得多的花费来保护并且检查各个电路功能。在现有技术中，从逆变器控制器直至每个功率半导体开关的基极端子的整个信号路径都必须能被检查。该路径包含软件和任何参与的硬件，诸如驱动器IC、电压源和另外的有源和无源电器件。而在所提出的系统中，所描述的路径就不必在整体上都是安全的。在此，在发生故障的情况下，出发点是驱动电路或控制器发生功能故障，因此这些驱动电路或控制器为了安全起见而被解除激活。仅仅对于相对小的可校验的电路部件来说，即对于保护电路到功率半导体开关的路径来说，必须确保高的安全的功能性并且对该高的安全的功能性进行监控。

附图说明

在下文，本发明依据附图被详细阐述，从这些附图能得知本发明的另外的优选的实施方式和特征。其中示意性地示出：

图1：机动车驱动装置；

图2：逆变器和保护电路；

图3：具有逆变器和保护电路的系统。

在这些附图中，相同或功能相同的构件设有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中示出的机动车驱动装置具有逆变器1和电机2，如尤其是同步电机、优选是PSM。电机2被用作牵引驱动装置而且因此与车轮3机械耦合，这些车轮3因此能被电机2驱动。电机2和逆变器1示例性地三相实施，也就是说它们在当前具有三个相U、V、W。为了运行，电机2由逆变器1经由这些相U、V、W来供应电能。

因此，逆变器1在输出侧具有三个相端子。逆变器1在输入侧具有两个直流电端子用以与各一个直流电线路DC+和DC-联接。直流电线路DC+、DC-与直流电源4的各一个极接触。直流电源4例如可以是牵引电池或者直流发电器。逆变器1也具有控制器，其对逆变器1进行操控，即控制或调节来使电机2运行。控制器可以是逆变器的一部分。为此，控制器操控驱动电路，该驱动电路又操纵逆变器1的功率半导体开关。

图3示出了逆变器1，如其优选地在根据图1的机动车驱动装置中使用。在此，示例性地涉及如下三相式逆变器，其用于使电机2运行，即用于给相U、V、W通电，电机2，详细的是电机2的相绕组与这些相U、V、W耦合。

在逆变器1中，功率半导体开关5彼此互连成桥式电路，这里示例性地彼此互连成B6桥式电路。因此，以本身公知的方式通过成对的串联的功率半导体开关5来给每个相U、V、W设置电半桥。因此，给每个相都设置有正好一个高压侧开关5A和正好一个低压侧开关5B。开关5、5A、5B中的每个开关都可通过单个的或多个半导体开关元件构成。因而，开关5、5A、5B也分别可以被称为半导体阀。半桥彼此并联在逆变器1的直流电支路的两个直流电线路DC+、DC-之间。此外，中间回路电容器6在直流电支路中与半桥并联在这两个直流电线路DC+、DC-之间。

逆变器1被用于将来自直流电支路的直流电转换成在相U、V、W上的(准)交变电流。由此，在电机2中产生旋转磁场，该旋转磁场将转矩施加到电机2的转子上。该转矩要么可以被用于驱动要么可以被用于制动。

逆变器1具有驱动电路7。该驱动电路与各个功率半导体开关5的基极端子接触。视功率半导体开关5的结构类型而定地，基极端子也可被理解为栅极端子。驱动电路7包含驱动器，其用于操纵功率半导体开关5，即用于断开或接通以及闭合或关断。功率半导体开关5在逆变器1和电机2正常运行时通过驱动电路7来操纵，即通过操控各自的基极端子来有针对性地接通或关断。

驱动电路7通过逆变器1的控制器8来操控。控制器8确定通过驱动电路的分别所属的驱动器应该操纵其中每个功率半导体开关5中的哪个功率半导体开关以及应该操纵多久。例如，将应该被施加在电机2上的额定转矩和/或额定转速提供给控制器8。控制器8从中获知相U、V、W中的分别所需的电流变化曲线并且相应地以时控方式操控驱动电路7，例如通过PWM信号来进行。然后，驱动电路7将控制器8的操控信号转化成用于功率半导体开关5的基极端子的相应的信号，也就是说它们相应地被操纵。

现在，在发生故障情况下，例如当在逆变器1和/或电机2上的一个或多个值，例如针对电机2的转矩的值不容许地与相应的额定值有强烈偏差时，会要求在逆变器1和电机2中建立被限定的安全状态。在当前，安全状态是相U、V、W中的主动短接。为此，有选择地闭合高压侧开关5A中的两个或者优选是所有高压侧开关，或者替选地闭合所有低压侧开关5B。断开分别对置的或对应的低压侧/高压侧开关5B、5A。由此，在参与此的相U、V、W中出现主动短接。该主动短接在电机1中生成一定的制动力矩。在用于机动车驱动装置中时，该制动力矩优选引起对所属的机动车的稳定，然而在任何情况下都不会导致不稳定。因此，达到了安全状态。

被设置成用于执行主动短接的系统具有保护电路9。保护电路9未被分配到驱动电路7上。因此，该保护电路与驱动电路7自给自足。为此，保护电路9直接操纵参与主动短接的功率半导体开关5，即不需要驱动电路7。为此，保护电路与用于主动短接的功率半导体开关5的基极端子电接触。在当前，驱动电路7和保护电路9因此共享相对应的基极端子。

在此，仅将功率半导体开关5的低压侧开关5B用于主动短接。这些低压侧开关以阴影线来示出。因而，保护电路9仅仅与低压侧开关5B的基极端子接触。不存在与高压侧开关5A的基极端子的接触。因此，高压侧开关5A不能通过保护电路9本身来操纵。

原则上，通过保护电路9也可以操控高压侧开关5A用于主动短接，而不是低压侧开关5B。于是，保护电路9与高压侧开关5A的基极端子接触，即恰好不与低压侧开关5B的那些基极端子接触。替选于此，保护电路9也可以与高压侧开关5A的基极端子和低压侧开关5B的基极端子都接触。于是，保护电路9可以被实施成用于有选择地闭合高压侧开关5A或低压侧开关5B。

于是，对于主动短接来说，也可以交替地闭合高压侧开关5A和低压侧开关5B。于是，或者也可以闭合用于主动短接的其中所有功率半导体开关5。然而，因为在此直流电支路，即直流电线路DC+和DC-同样被短接，所以这里推荐的是，通过适当的措施，例如一个或多个附加的开关来断开或分开直流电线路DC+和DC-。

系统被实施成用于为了执行主动短接而例如在逆变器锁止的范围内将驱动电路7解除激活。因此，没有给高压侧开关5A的基极端子施加电位。由此，高压侧开关5A被自动断开。为此，特别优选地，关断在驱动电路7之内的驱动器和/或驱动电路7到基极端子的输出端和/或驱动电路7到控制器8的输入端。

保护电路9通过逆变器1的直流电支路来供应电能。为此，保护电路与直流电线路DC+和DC-接触。替选地，也可为保护电路9设置例如形式为自己的电池的自给自足的电流供应装置，或者该电流供应装置可以由例如具有12、24或48V的低压电网来实现。

图3示出了一种驱动系统，尤其是车辆驱动装置，如来自图1的那个驱动系统。该驱动系统由第一平面A和第二平面B组成。第二平面B形成监控功能，该监控功能监控第一平面A的功能性。在第二平面B内的监控尤其可以以在实际值与额定值之间进行比较的形式来实现。在第二平面B内也可以进行合理性检查和/或激活性检查等等。当第二平面被识别出有错误，例如在额定值与实际值之间的偏差过大或者驱动系统的组成部分被不期望未激活时，则第二平面B可以请求驱动系统的安全状态。

第一平面A具有控制器8和驱动电路7。如图1和2所阐述地，它们借助于逆变器1来运行电机2。可涉及来自图1和图2的逆变器1和电机。控制器8和驱动电路7尤其可以是图2的那些。于是，对此所表达出的阐述也适用于图3。附加地，在图3中示出了通常设置在控制器8与驱动电路7之间的电流隔离部7A。该电流隔离部通过相应地实施的并且接在中间的耦合器7B来引起。

第二平面8至少监控控制器8和驱动电路7的功能。第二平面B也被实施成用于监控用于将主动短接引入逆变器1的相U、V、W中的系统并且至少当需要安全状态时对其进行操纵。为此，该系统类似于图2地具有保护电路9。该保护电路因此如关于图2所阐述的那样来实施。因而，对此所表达出的阐述也适用于图3。针对主动短接，该保护电路被直接操纵，即在没有驱动电路7的情况下操纵逆变器1的相应的功率半导体开关5。

在此，示例性地向第一和第二平面A、B预先给定额定转矩M_额定。在第一平面A，从中获知用于逆变器1的功率半导体开关5的为此所需的PWM信号。然后相应地，这些功率半导体开关由驱动电路7来操纵。附在电机2上的实际转矩M_实际同样被获知，例如被测量或计算。然后，在第二平面B中，例如通过如下方式来检查第一平面A的功能性，即，在那里，至少在额定转矩与实际转矩M_额定、M_实际之间进行比较。替选地或者除此之外，也可以监控其他值，诸如转速或电流或电压、中间结果、或者第一平面A的部件的状态。

如果通过第二平面B确定有不容许的值、值偏差或者状态等等，则该第二平面将请求逆变器1和电机2的安全状态。为此，该第二平面输出相应的信号用来将主动短接置入保护电路9上(信号路径“置入AKS”)。与此并行地，该第二层平面通过相应的信号还请求将第一平面A(信号路径“将平面A解除激活”)解除激活。将第一平面A解除激活包含将控制器8以及驱动电路7解除激活，即逆变器锁止。由此，驱动电路不再将信号/电流施加给逆变器1的功率半导体开关的基极端子。如上面阐述的那样，保护电路9将主动短接引入逆变器9的几个或所有相U、V、W中。

通过其他的、尤其是上级的信号，可以解除由保护电路9引起的逆变器锁止以及主动短接，例如通过第二平面B或通过外部访问来进行。因此，于是使第一层A被再次激活，这伴随着将保护电路9解除激活。

附图标记列表

1 逆变器

2 电机

3 车轮

4 直流电源

5 功率半导体开关

5A 高压侧开关

5B 低压侧开关

6 中间回路电容器

7 驱动电路

7B 耦合器

8 控制器

9 保护电路

A 第一平面、功能平面

B 第二平面、监控功能、监控平面

DC+、DC- 直流电线路

M_实际 实际转矩

M_额定 额定转矩

U、V、W 相

Claims (8)

1.用于将逆变器(1)的相(U、V、W)主动短接的系统，其中，所述逆变器(1)具有用于将电流施加到所述相(U、V、W)上的功率半导体开关(5、5A、5B)，

所述系统具有用于操纵所述功率半导体开关(5、5A、5B)的驱动电路(7)，并且

所述系统具有保护电路(9)，所述保护电路为了将所述相(U、V、W)主动短接而致使所述功率半导体开关(5、5A、5B)中的至少几个功率半导体开关闭合，

其特征在于，所述保护电路(9)直接操纵所述功率半导体开关(5、5A、5B)以进行主动短接。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述保护电路(9)与所述功率半导体开关(5、5A、5B)的基极端子电接触以进行主动短接。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述系统被实施成用于将所述驱动电路(7)解除激活以进行主动短接。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述系统被实施成用于为了主动短接而关断所述逆变器(1)的控制器(8)的和/或所述驱动电路(7)的电能供应装置，并且/或者关断所述驱动电路(7)内部的驱动器，并且/或者关断所述驱动电路(7)的用于所述功率半导体开关(5、5A、5B)的输出端，并且/或者关断所述驱动电路(7)的用于所述逆变器(1)的控制器(8)的输入端。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述系统被实施成用于当所述驱动电路(7)被激活时，将所述保护电路(9)解除激活。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述功率半导体开关(5、5A、5B)彼此互连成具有高压侧开关(5A)和低压侧开关(5B)的桥式电路，并且

其中，所述保护电路(9)被实施成用于为了将所述相(U、V、W)主动短接而将附属于这些相(U、V、W)的几个或所有高压侧开关(5A)或低压侧开关(5B)闭合。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述保护电路(9)被实施成用于为了将所述相(U、V、W)主动短接而将恒定的电压施加到附属于这些相(U、V、W)的几个或所有高压侧开关(5A)或低压侧开关(5B)的基极端子上。

8.具有逆变器(1)的机动车驱动装置，所述机动车驱动装置用于使所述机动车驱动装置的电机(2)在所述逆变器(1)的相(U、V、W)上运行，

其特征在于具有根据权利要求1至7中任一项所述的用于将所述相(U、V、W)主动短接的系统。