CN113965056A - 安全扭矩关断电路及包括该电路的变频器 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有安全扭矩关断(STO)功能的电路及包括该电路的变频器。根据实施例，该电路可以包括：第一STO通道，配置为根据第一STO信号控制向变频器的高侧驱动器的供电的通断；第二STO通道，配置为根据第二STO信号控制向变频器的低侧驱动器的供电的通断；第三STO通道，配置为根据所述第一STO信号和所述第二STO信号的逻辑运算结果，控制来自变频器的控制器的驱动控制信号向所述高侧驱动器和所述低侧驱动器的提供，其中，所述逻辑运算为：所述第一STO信号和所述第二STO信号中的至少一个信号有效时，该逻辑运算结果也有效。

Description

安全扭矩关断电路及包括该电路的变频器

技术领域

本公开涉及电子电路领域，更具体地，涉及具有改进可靠性的安全扭矩关断(STO)电路及包括该电路的变频器。

背景技术

当前，安全扭矩关断(STO)电路多采用双通道设计，并且为了提高安全性，双通道多采用动态检测机理，或使用动态电源。但是，动态检测机理逻辑复杂；动态电源必须采用体积大、成本高的电气隔离变压器，这无疑都给设计和成本带来不利影响。

发明内容

有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种具有改进可靠性的安全扭矩关断(STO)电路及包括该电路的变频器。

根据本公开的实施例，提供了一种具有STO功能的电路，包括：第一STO通道，配置为根据第一STO信号控制向变频器的高侧驱动器的供电的通断；第二STO通道，配置为根据第二STO信号控制向变频器的低侧驱动器的供电的通断；第三STO通道，配置为根据第一STO信号和第二STO信号的逻辑运算结果，控制来自变频器的控制器的驱动控制信号向高侧驱动器和低侧驱动器的提供，其中，所述逻辑运算为第一STO信号和第二STO信号中的至少一个信号有效时，该逻辑运算结果也有效。

根据实施例，可以根据有效的第一STO信号停止向高侧驱动器的供电。类似地，可以根据有效的第二STO信号停止向低侧驱动器的供电。

第一STO通道可以包括：第一隔离器件，包括第一原边和第一副边，其中第一原边配置为接收第一STO信号；和由第一副边控制通断的第一开关器件，连接在高侧驱动器的供电电源与高侧驱动器之间，其中，第一副边被连接为在第一STO信号有效时关断第一开关器件。第二STO通道可以包括：第二隔离器件，包括第二原边和第二副边，其中第二原边配置为接收第二STO信号；和由第二副边控制通断的第二开关器件，连接在低侧驱动器的供电电源与低侧驱动器之间，其中，第二副边被连接为在第二STO信号有效时关断第二开关器件。

第三STO通道可以包括：第三隔离器件，包括第三原边和第三副边，其中第三原边配置为接收第一STO信号和第二STO信号的逻辑运算结果，其中，第三副边被连接为在第一STO信号与第二STO信号中至少之一为有效时停止提供驱动控制信号。

第三原边可以连接在第一STO信号与地之间，以形成从第一STO信号经第三原边到地的电流路径，该电路还可以包括设置在该电流路径中的开关器件，该开关器件的控制端子受第二STO信号控制。例如，开关器件可以连接在第一STO信号与第三原边之间，或者连接在第三原边与地之间。

该电路还可以包括：连接至开关器件的控制端子的栅极驱动器，其中，栅极驱动器由第二STO信号控制运行。

或者，第三原边可以连接在第一STO信号与地之间，以形成从所述第一STO信号经第三原边到地的电流路径，该电路还可以包括与该电流路径并联的旁通支路，旁通支路受第二STO信号控制。例如，旁通支路可以包括开关器件，开关器件的控制端子受第二STO信号控制。

或者，第三副边的输出可以连接到控制器的使能端子。例如，第三隔离器件可以包括光耦，第三副边的一端连接至第一供电电源，另一端通过电阻器连接到地电压，且另一端处的输出电压连接到控制器的使能端子。

或者，第三STO通道还可以包括：由第三副边控制通断的第三开关器件，连接在控制器与高侧驱动器、低侧驱动器之间。例如，第三开关器件可以包括：第一传输门，连接在控制器与高侧驱动器之间，用于从控制器向高侧驱动器传输驱动控制信号；以及第二传输门，连接在控制器与低侧驱动器之间，用于从控制器向低侧驱动器传输驱动控制信号，其中第三副边的输出分别连接至第一传输门和第二传输门的使能端子。；例如，第三隔离器件可以包括光耦，第三副边的一端通过电阻器连接至第一供电电源，另一端连接至地电压，且所述一端处的输出电压分别连接至第一传输门和第二传输门的使能端子。

或者，第三副边的输出可以连接至向控制器提供时钟信号的时钟发生器。该电路还可以包括：由第三副边控制通断的第三开关器件，连接在时钟发生器的供电电源与时钟发生器之间，其中，第三副边被连接为在第一STO信号与第二STO信号中至少之一为有效时关断第三开关器件。

根据别公开的实施例，可以由分立元件构成“与”门，以执行所述逻辑运算。

根据本公开的实施例，该电路还可以包括：第一开关，配置为控制第一STO信号向第一STO通道的提供与否；第二开关，配置为控制第二STO信号向第二STO通道的提供与否；以及第三开关，配置为控制该电路的接地与否。

根据本公开的实施例，提供了一种变频器，包括上述电路。

根据本公开的实施例，提供了一种具有安全扭矩关断STO功能的电路，包括：三个STO通道，分别接收第一STO信号、第二STO信号以及第一STO信号和第二STO信号的逻辑运算后的信号，并根据所接收的信号来分别控制变频器的高侧驱动器的供电、低侧驱动器的供电以及驱动控制信号的提供，其中，所述逻辑运算为：第一STO信号和第二STO信号中的至少一个信号有效时，该逻辑运算后的信号也有效；驱动控制信号是变频器的控制器提供给高侧驱动器和低侧驱动器的。

根据本公开的实施例，STO电路包括三个STO通道，从而变成“三取一”(“one outof three”，简写为“1oo3”)结构，每个通道都可以独立地关断电机。换言之，根据本公开实施例的STO电路可以容忍2重故障而使STO功能仍然起作用，即硬件容错(“Hardware FaultTolerance”，简写为“HFT”)＝2。因此，采用这种STO电路的变频器可以简单有效地实现更高的安全等级。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了一种具有安全扭矩关断(STO)功能的电路方框图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的具有STO功能的电路的原理图；

图3至5分别示意性示出了根据本公开实施例的具有STO功能的电路的电路图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的实现电平信号“与”运算的多种电路图；

图7示出了根据本公开实施例的具有STO功能的电路的输入部分的示意图。

贯穿附图，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

除非另外明确指出，否则本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含特定数量在一些实施例中例如±10％或更多或更少的变化。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等用词，以修饰相应的元件，其本身并不代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，或是其重要性。序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

图1示意性示出了一种具有安全扭矩关断(STO)功能的电路方框图。

该电路图示意性地示出了用变频器控制电机的信号走向和示意性的连接关系。如图1所示，根据操作电压的高低和安全性的考虑，该电路可以分为低压(例如，保护特低电压，PELV)侧和高压侧两部分。低压侧主要涉及与低电压相关的操作，例如各种控制信号；而高压侧主要涉及与高电压相关的操作，例如向负载(例如，电机)的供电。出于电气安全性的考虑，在低压侧与高压侧之间，通常会设置电隔离部件，例如光耦101。光耦101一方面可以实现低压侧与高压侧之间的电气隔离，另一方面可以将低压侧的控制通过光学方式传送到高压侧。在以下的描述中，以光耦为例描述电隔离部件。但是应该理解的是，本公开不限于此。例如，也可以使用容耦、磁耦等既能在低压侧与高压侧之间实现电气隔离又能传递信号的部件。

具体地，光耦101可以包括原边101P和副边101S。原边101P可以是发光二极管(LED)的形式，根据在信号输入端处接收到的STO信号而导通或截止。一般地，STO信号在高电平(例如，约24V)时为“无效”状态，即，指示电机正常运转而不必关断；而在非高电平(例如，低电压如0V或者开路)时为“有效”状态，即，指示关断电机。在此，所谓“高电平”，是指可以使光耦101的原边101P的LED有效导通的电压；而“非高电平”，是指使光耦101的原边101P的LED保持截止的电压。例如，当STO信号为高电平(导致加在LED两端的电压高于LED的导通电压)时，LED可以导通并以此发光；而当STO信号被使能(enable)(例如，低电平或开路)而有效时，LED可以截止。副边101S可以是三极管的形式，原边101P的LED发出的光信号可以用作其基极信号。更具体地，当原边101P的LED导通并发光时，副边101S的三极管可以导通；而当原边101P的LED截止并不发出光时，副边101S的三极管可以截止。

因此，副边101S可以根据原边所接收到的STO信号而接通或关断。副边101S的这种通/断可以控制供电电路103的供电。例如，副边101S三极管导通时，控制供电电路103向外供电；副边101S三极管截止时，使供电电路103停止供电。于是，由供电电路103进行供电的电机驱动器105可以基于原边101P所接收到的STO信号而相应地进行工作(有供电的情况)或停止工作(无供电的情况)。

在光耦中，原边101P为二极管的形式而副边101S为三极管的形式，且两者之间通过光学方式来传递信号。如上所述，本公开不限于此。例如，容耦可以是电容器的形式，磁耦可以是变压器的形式。无论电隔离部件的形式如何，在本公开中，所谓“原边”是指接收STO信号的一侧，而“副边”是指电隔离部件的另一侧，且随原边接收到的STO信号的高低电平而呈现不同的状态(例如，根据连接方式而输出不同电平的信号)，并因此可以控制所连接电路的输出。

电机驱动器105可以在供电电路103供电的情况下根据电机控制器107所提供的驱动控制信号进行操作。具体地，电机驱动器105可以根据电机控制器107所提供的驱动控制信号(用于控制电机的转动/停止、转速等，例如，脉冲宽度调制(PWM)信号)，向电机输出驱动信号，以驱动电机运转。通常，电机控制器107所提供的驱动控制信号如PWM信号为低电压(例如，约3.3V)信号。电机驱动器105可以利用供电电路103的供电，输出高电压(例如，约18V)的驱动信号。驱动信号与驱动控制信号相对应，例如为相同波形的PWM信号。

电机驱动器105通过开关器件例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，可以向电机提供转动扭矩。对于三相电机，通常可以设置六个IGBT，高侧和低侧各三个。电机驱动器105输出的驱动信号可以耦接至IGBT的栅极，以控制IGBT的通断。相应地，电机控制器107可输出针对这六个IGBT的六路驱动控制信号如PWM信号。电机驱动器105可以包括分别针对高侧IGBT和低侧IGBT的高侧驱动器和低侧驱动器(例如，参见图2中的305H和305L)，它们分别接收来自电机控制器107的相应的三路驱动控制信号，并输出针对相应三个IGBT的三路(栅)驱动信号。通过调整PWM信号的占空比，可以调整电机的转速。

在图1的示例中，仅示出了单个STO通道。还可以设置双STO通道。通常，这两路STO通道分别设置，从而形成冗余配置。例如，一路可以用于控制针对高侧IGBT的高侧驱动器，另一路可以用于控制针对低侧IGBT的低侧驱动器。每一路可以分别接收STO信号。当任一路的STO信号被使能而有效时，相应的驱动器可以被断电，从而停止驱动相应的高侧或低侧IGBT，并使得电机停止工作，实现STO功能。

根据本公开的实施例，提供了一种三通道的STO配置。这三个通道可以响应于有效的STO信号而分别独立地输出用于关断电机的信号，从而降低了由于单个通道或双通道中的故障而导致不能关断电机的风险。

图2示意性示出了根据本公开实施例的具有STO功能的电路的原理图。

如图2所示，根据该实施例的电路具有分别针对高侧驱动器305H和低侧驱动器305L的两个STO通道(可以分别称作“第一STO通道”和“第二STO通道”)，分别响应于第一STO信号STO_a和第二STO信号STO_b而动作。第一STO通道包括第一隔离器件301a，第二STO通道可以括第二隔离器件301b。如上所述，第一隔离器件301a和第二隔离器件302a可以包括光耦、容耦、磁耦等具有隔离作用的元器件。

第一隔离器件301a接收第一STO信号STO_a，其输出控制高侧驱动器305H的操作，例如，响应于有效的第一STO信号STO_a，切断供电电源(Vdd1)向高侧驱动器305H的供电。此时，第一开关器件303a连接在高侧驱动器305H的供电电源(Vdd1)与高侧驱动器305H之间，且第一隔离器件301a的输出可以控制第一开关器件303a的通断。第二隔离器件301b可以接收第二STO信号STO_b，其输出可以控制低侧驱动器305L的操作，例如，响应于有效的第二STO信号STO_b，切断供电电源(Vdd2)向低侧驱动器305L的供电。此时，第二开关器件303b连接在低侧驱动器305L的供电电源(Vdd2)与低侧驱动器305L之间，且第二隔离器件301b的输出可以控制第二开关器件303b的通断。

在图中，示出了两个STO通道的隔离器件301a和301b分别通过开关器件303a和303b来控制高低侧驱动器305H和305L的供电。然而，本公开不局限于此。隔离器件301a和301b的输出还可以连接到高低侧驱动器305H和305L的使能端子，从而可以通过使能或禁用(disable)高低侧驱动器305H和305L来控制它们的操作。例如，当第一STO信号STO_a和第二STO信号STO_b中任一个或两个信号被使能(有效)时，相应的隔离器件的输出可以禁用相应侧的驱动器，使之停止工作。

第一STO通道和第二STO通道可以分别如图1所示进行工作。例如，当第一STO信号STO_a和第二STO信号STO_b中任一信号被使能(有效)时，相应的开关器件303a或303b可以切断向相应驱动器305H或305L的供电，从而使驱动器305H或305L停止工作。

除了第一STO通道和第二STO通道之外，该电路还可以包括针对电机控制器307的第三STO通道。第三STO通道可以包括第三隔离器件301c，其输出可以控制电机控制器307向高、低侧驱动器305H、305L提供驱动控制信号。例如，第三开关器件303c可以连接在电机控制器307与高、低侧驱动器305H、305L之间，且第三隔离器件301c的输出可以控制第三开关器件303c的通断。本领域技术人员应理解，对于信号源向某部件提供信号的控制，不限于在信号源(在该示例中，电机控制器307)与该部件(在该示例中，高、低侧驱动器305H、305L)的传输路径中使用开关器件，也可以采用其他方式。例如，可以控制信号源的运行等等。类似地，第三隔离器件301c可以包括光耦、容耦、磁耦等具有隔离作用的元器件。

第三STO通道可以基于第一STO信号STO_a和/或第二STO信号STO_b来动作。具体地，如果第一STO信号STO_a和第二STO信号STO_b中任一个(或两个)被使能(意味着应该关断电机)，则第三STO通道也可以通过关断第三开关器件303c来切断从电机驱动器307向高、低侧驱动器305H、305L提供驱动控制信号。也即，第一STO信号STO_a和第二STO信号STO_b中任一个或两个有效可以使第三STO通道动作，这可以通过第一STO信号STO_a和第二STO信号STO_b之间的电平信号“与”来实现。图2示意性示出了用于实现电平信号“与”的“与”门309。需要指出的是，这里的“与”门309仅表示一种功能模块，可以通过不同的电路配置例如简单地使用若干分立器件来实现，这将在下文中参考图6进一步说明。

在切断从电机驱动器307向高、低侧驱动器305H、305L提供驱动控制信号的情况下，高、低侧驱动器305H、305L由于没有接收到驱动控制信号而不能生产相应的驱动信号，因此可以停止驱动电机转动。于是，在第一STO通道和第二STO通道之外，提供了第三STO通道作为冗余配置，有利于提高可靠性和安全性。

如图2所示，只需要设置第三隔离器件301c、“与”门309、开关器件303c，即可实现冗余配置，而无需改变电路的其他部分。因此，只需少量成本(主要是第三隔离器件301c的成本)，即可实现更高等级的安全性。

第三STO通道有多种实现方式，以下将描述其中一些示例实现方式。在这些示例中，为了方便描述电路的操作，以光耦为例描述电隔离部件。

图3示意性示出了根据本公开实施例的具有STO功能的电路的电路图。

如图3所示，根据该实施例的电路具有三STO通道设置，包括第一光耦OP1、第二光耦OP2和第三光耦OP3。第三光耦OP3的原边LED的阳极可以连接为接收第一STO信号STO1，阴极可以通过开关器件409(例如，NPN型晶体管)接地。第二STO信号STO2可以连接至开关器件409的控制端子(例如，基极端子)。在该示例中，第一STO信号STO1可以视为第三光耦OP3的原边LED的供电源，第三光耦OP3的原边LED连接在供电源STO1与地之间，开关器件409(在第三光耦OP3的原边LED的阴极与地之间)可以根据第二STO信号STO2而接通或关断第三光耦OP3的原边LED所在的电路。这样，第一STO信号STO1和第二STO信号STO2中的任一个或两个被使能即可关断第三光耦OP3的原边LED，例如当第一STO信号STO1被使能时第三光耦OP3的原边LED由于缺失供电源而关断，当第二STO信号STO2被使能时第三光耦OP3的原边LED由于到地的连接切断而关断。于是，实现了第一STO信号STO1和第二STO信号STO2的电平信号的“与”运算。本领域技术人员知道各种“与”运算电路，图3中所示电路仅仅是一个示例。

在本示例中，在STO1和STO2的信号输入端处，分别连接有例如15V的稳压二极管D1和D2。通过稳压二极管D1和D2，可以提供稳定的STO触发门限电压。

第一光耦OP1的副边三极管的一端被上拉至电源电压FVGD+，另一端接地。另外，在本示例中，在副边三极管的输出处连接有低通滤波电路，以便提供稳定输出。在该示例中，示出了由电阻器R11和电容器C1构成的RC低通滤波电路，在电容器C1的两端处提供滤波输出。另外，在电容器C1的两端，还可以连接电阻器R1，以便提供电容器C1的放电路径(电阻器R1相当于RC低通滤波电路的负载)。本领域技术人员知道各种低通滤波电路，图3中所示电路仅仅是一个示例。

第一开关器件Q1(例如，PMOSFET)连接在电源电压FVGD+与高侧驱动器405H之间，且第一光耦OP1的副边的滤波输出可以控制第一开关器件Q1的通断。当第一开关器件Q1导通时，电源电压FVGD+可以作为供电VGD而被提供给高侧驱动器405H。高侧驱动器405H可以基于供电VGD，根据来自电机控制器407的驱动控制信号如PWM信号，输出针对高侧IGBT的栅极驱动信号。

第二光耦OP2的副边三极管类似地连接，其一端被上拉至电源电压FVGD+，另一端接地。同样地，在副边三极管的输出处可以连接有低通滤波电路，例如由电阻器R22和电容器C2构成的RC低通滤波电路，且电阻器R2可以连接至电容器C2两端作为负载，在此不再赘述。

第二开关器件Q2(例如，PMOSFET)连接在电源电压FVGD+与低侧驱动器405L之间，且第二光耦OP2的副边的滤波输出可以控制第二开关器件Q2的通断。当第二开关器件Q2导通时，电源电压FVGD+可以作为供电VSL而被提供给低侧驱动器405L。低侧驱动器405L可以基于供电VSL，根据来自电机控制器407的驱动控制信号如PWM信号，输出针对低侧IGBT的栅极驱动信号。

第三光耦OP3的副边的一端可以连接至电源电压Vcc，另一端可以通过电阻器R3接地。第三光耦OP3的副边的输出信号(例如，发射极处的电压)在正常工作时为高电平(此时电机控制器407应正常提供驱动控制信号)，而在STO被触发(例如，STO1和STO2中任一个或两个被使能)时为低电平(此时电机控制器407不提供驱动控制信号)。也即，第三光耦OP3的副边的输出信号可以与电机控制器407的使能逻辑相同。因此，第三光耦OP3的副边的输出信号可以连接到电机控制器407的使能端子EN。

在STO被触发(例如，STO1和STO2中至少一个被使能)时，第一光耦OP1和第二光耦OP2中的相应一个以及第三光耦OP3均截止，相应地它们各自的副边三极管均截止。在第一光耦OP1和第二光耦OP2中截止的光耦所在的STO通道中，电容器C1或C2可以通过电阻器R1或R2放电。当电容器C1或C2两端的电压下降到低于开关器件Q1或Q2的阈值电压时，可使开关器件Q1或Q2截止。由于开关器件Q1或Q2截止，高侧驱动器405H或低侧驱动器405L将接收不到供电VGD或VSL，并因此停止工作，从而可以关断电机的扭矩。另外，在第三光耦所在的第三STO通道中，第三光耦的副边截止从而其输出信号被下拉到地，从而电机控制器407的使能端子EN可以被下拉到地电压，从而不能向高侧驱动器405H和低侧驱动器405L传递驱动控制信号，因此高侧驱动器405H和低侧驱动器405L可以停止驱动电机转动。

在该示例中，在第三STO通道中，不是如图2所示那样使用开关器件来控制通/断，而是通过使能端子控制电机控制器407自身的运行。当然，本公开不限于此。例如，可以在电机控制器407与高侧驱动器405H之间以及电机控制器407与低侧驱动器405L之间分别设置开关器件，并根据第三光耦的副边的输出信号来控制这些开关器件。

图4示意性示出了根据本公开实施例的具有STO功能的电路的电路图。

如图4所示，根据该实施例的STO电路是三STO通道设置，包括第一光耦OP1、第二光耦OP2和第三光耦OP3。这些光耦在原、副边处的连接与以上结合图3描述的相同，在此不再赘述。另外，类似于第一光耦OP1和第二光耦OP2，在第三光耦OP3的副边处，也如上所述设置了例如由电阻器R33和电容器C3构成的RC低通滤波电路，且电阻器R3可以连接至电容器C3两端作为负载。另外，关于开关器件509、电机控制器507、高侧驱动器505H、低侧驱动器505L，可以参见之前对相应部件的描述。

在该示例中，第三光耦OP3的副边的输出信号不是连接到电机控制器的使能端子，而是连接到与电机控制器507相连的时钟发生器511。时钟发生器511可以例如基于晶振而生成时钟信号CLK。电机控制器507可以基于时钟信号CLK，生成驱动控制信号如PWM信号。第三开关器件Q3(例如，PMOSFET)可以连接在电源电压Vcc(时钟发生器的供电电源)与时钟发生器511的供电端子之间，且第三光耦OP3的副边的滤波输出可以控制第三开关器件Q3的通断。当第三开关器件Q3导通时，电源电压Vcc可以被传递至时钟发生器511，从而时钟发生器511可以工作而产生时钟信号CLK。相反，当第三开关器件Q3截止时，时钟发生器511断电，不能产生时钟信号CLK，使电机控制器507停止提供驱动控制信号。

以上结合图3和图4说明了通过控制电机控制器的自身运行而实现三通道STO功能的不同示例。本领域技术人员明了，还存在多种不同的方式来控制电机控制器的运行。

图5示意性示出了根据本公开实施例的具有STO功能的电路的电路图。

如图5所示，根据该实施例的STO电路是三STO通道设置，包括第一光耦OP1、第二光耦OP2和第三光耦OP3。第一光耦OP1、第二光耦OP2在原、副边处的连接与以上结合图3描述的相同，在此不再赘述。第三光耦OP3的副边的一端通过电阻器R3上拉至电源电压Vcc，另一端接地。第三光耦OP3的副边的输出信号(例如，集电极处的电压)在正常工作时为低电平，而在STO被触发(例如，STO1和STO2中任一个被使能)时为高电平。另外，关于电机控制器607、高侧驱动器605H、低侧驱动器605L，可以参见之前对相应部件的描述。

在该示例中，不是使用晶体管而是使用传输门作为第三开关器件。例如，第一传输门613a可以连接在电机控制器607与高侧驱动器605H之间，且第二传输门613_b可以连接在电机控制器607与低侧驱动器605L之间。第一传输门613_a和第二传输门613_b可以在被使能时将电机控制器607产生的驱动控制信号分别传输至高侧驱动器605H和低侧驱动器605L。第三光耦OP3的副边的输出可以连接至第一传输门613_a和第二传输门613_b各自的使能端子ENB。在此，使能端子ENB可以低电平有效。当第三光耦OP3的副边导通时，第一传输门613_a和第二传输门613_b各自的使能端子ENB被下拉至地电压，而被使能，可以传输驱动控制信号。相反，当第三光耦OP3的副边截止时，第一传输门613_a和第二传输门613_b各自的使能端子ENB被上拉至电源电压Vcc，此时，第一和第二传输门被禁用，因此不能传输驱动控制信号。

以上以图3至图5为例描述了本发明三个STO通道的设置和工作原理。然而，本发明不局限于此。例如，第一STO通道和第二STO通道不是必然地要控制高、低侧驱动器，第三STO通道也不是必然地控制电机控制器。相反，通过适应性地调整电路拓扑，可以实现第一STO通道控制低侧驱动器或者电机控制器，第二STO通道控制高侧驱动器或电机控制器，或者第三STO通道控制高侧或低侧驱动器。总之，以两个STO信号的“与”运算作为另一个STO通道的输入信号，且输出实现对驱动控制信号的提供进行控制的三通道方案，都应该落入本发明的范围。

图6示意性示出了根据本公开实施例的实现电平信号“与”运算的多种电路图。

如图6中的(a)所示，可以采用不同类型的开关器件如N型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管来实现图3中所示的开关器件409。

在图3和图6中的(a)所示的示例中，开关器件连接到第三光耦OP3的原边的阴极。但是，本公开不限于此，例如开关器件也可以连接到第三光耦OP3的原边的阳极，如图6中的(b)所示，第三光耦OP3的原边LED的阳极可以通过开关器件(例如，NMOS)而连接为接收第一STO信号STO1，阴极可以连接至地。第二STO信号STO2可以连接为控制开关器件的控制端子。在该示例中，第一STO信号STO1同样可以视为第三光耦OP3的原边LED的供电源，第三光耦OP3的原边LED连接在供电源STO1与地之间，开关器件(在供电源STO1与第三光耦OP3的原边LED的阳极之间)可以根据第二STO信号STO2而接通或关断第三光耦OP3的原边LED所在的电路。

或者，代替使用第二STO信号STO2直接控制开关器件的控制端子，可以采用栅极驱动器，如图6中的(c)所示，第三光耦OP3的原边LED的阳极可以通过开关器件(例如，NMOS)而连接为接收第一STO信号STO1，阴极可以连接至地。第二STO信号STO2可以连接为控制栅极驱动器，栅极驱动器可以驱动开关器件的栅极。当第二STO信号STO2未被使能(例如，高电平)时，栅极驱动器可以运行从而驱动开关器件导通；而当第二STO信号STO2被使能(例如，低电平或开路)时，栅极驱动器可以停止运行从而开关器件关断。

在上述实施例中，通过NMOS来实现开关器件。但是，本公开不限于此。例如，如图6中的(d)所示，可以使用P型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管来实现开关器件。由于PMOS的驱动逻辑与NMOS的驱动逻辑相反，因此在该示例中，第二STO信号STO2可以通过例如其与供电源STO1之间连接的反相器和电阻器来实现对PMOS栅极的驱动。当然，基于第二STO信号STO2驱动PMOS晶体管的电路不限于此。

在上述实施例中，通过开关器件控制第三光耦OP3的原边LED所在的电路(供电源STO1与地之间)。但是，本公开不限于此。例如，如图6中的(e)所示，可以设置与第三光耦OP3的原边LED并联在第一STO信号STO1(供电源)与地之间的旁通支路。旁通支路可以包括开关器件如PNP晶体管，第二STO信号STO2可以连接为控制开关器件的控制端子。在此，第二STO信号STO2可以连接为在未被使能(例如，高电平)时使开关器件关断，从而第三光耦OP3的原边LED正常工作，而在使能(例如，低电平或开路)时使开关器件接通，从而第三光耦OP3的原边LED被短路而停止工作。

在实现“与”逻辑的各种电路中，第一STO信号STO1与第二STO信号STO2可以互换。

图7示出了根据本公开实施例的具有STO功能的电路的输入部分的示意图。

如图7所示，可以由电源PS(例如，24V直流电源)来提供STO信号。在此，设置第一开关SW1和第二开关SW2，以分别控制第一STO信号STO1和第二STO信号STO2向第一光耦OP1和第二光耦OP2的输入。另外，还设置第三开关SW3，控制电路的接地(在该示例中，接地可以意味着连接至电源PS的负极)。电路中各部件(例如，在以上实施例中描述的各个部件)的接地端子可以共同连接至地COM。第一开关SW1、第二开关SW2和第三开关SW3可以一起接通或关断。在该示例中，与三通道相适应，设置了三个开关。于是，不仅在电路内部还在电路输入处，均实现了3通道架构，从而在电路内外均能容忍2重故障同时保障STO功能不丧失，极大提供了安全性和可靠性。

在图7中，仅为方便起见，没有示出“与”门以及光耦之后的电路。注意，图7所示的配置适用于以上描述的各种电路配置。

如上所述，根据本公开实施例的具有STO功能的电路可以应用于变频器中，实现可靠性更高的变频器。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (19)

1.一种具有安全扭矩关断STO功能的电路，包括：

第一STO通道，配置为根据第一STO信号控制向变频器的高侧驱动器的供电的通断；

第二STO通道，配置为根据第二STO信号控制向变频器的低侧驱动器的供电的通断；

第三STO通道，配置为根据所述第一STO信号和所述第二STO信号的逻辑运算结果，控制来自变频器的控制器的驱动控制信号向所述高侧驱动器和所述低侧驱动器的提供，

其中，所述逻辑运算为：所述第一STO信号和所述第二STO信号中的至少一个信号有效时，该逻辑运算结果也有效。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，

所述第一STO通道包括：

第一隔离器件，包括第一原边和第一副边，其中所述第一原边配置为接收所述第一STO信号；和

由所述第一副边控制通断的第一开关器件，连接在所述高侧驱动器的供电电源与所述高侧驱动器之间，

其中，所述第一副边被连接为在所述第一STO信号有效时关断所述第一开关器件，

所述第二STO通道包括：

第二隔离器件，包括第二原边和第二副边，其中所述第二原边配置为接收所述第二STO信号；和

由所述第二副边控制通断的第二开关器件，连接在所述低侧驱动器的供电电源与所述低侧驱动器之间，

其中，所述第二副边被连接为在所述第二STO信号有效时关断所述第二开关器件。

3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第三STO通道包括：

第三隔离器件，包括第三原边和第三副边，其中所述第三原边配置为接收所述第一STO信号和所述第二STO信号的逻辑运算结果，

其中，所述第三副边被连接为在所述第一STO信号与所述第二STO信号中至少之一为有效时停止提供所述驱动控制信号。

4.根据权利要求3所述的电路，其中，

所述第三原边连接在所述第一STO信号与地之间，以形成从所述第一STO信号经所述第三原边到地的电流路径，

所述电路还包括设置在所述电流路径中的开关器件，所述开关器件的控制端子受所述第二STO信号控制。

5.根据权利要求4所述的电路，其中，所述开关器件连接在所述第一STO信号与所述第三原边之间，或者连接在所述第三原边与地之间。

6.根据权利要求4所述的电路，还包括：

连接至所述开关器件的控制端子的栅极驱动器，其中，所述栅极驱动器由所述第二STO信号控制运行。

7.根据权利要求3所述的电路，其中，

所述第三原边连接在所述第一STO信号与地之间，以形成从所述第一STO信号经所述第三原边到地的电流路径，

所述电路还包括与所述电流路径并联的旁通支路，所述旁通支路受所述第二STO信号控制。

8.根据权利要求7所述的电路，其中，所述旁通支路包括开关器件，所述开关器件的控制端子受所述第二STO信号控制。

9.根据权利要求3所述的电路，其中，所述第三副边的输出连接到所述控制器的使能端子。

10.根据权利要求9所述的电路，其中，

所述第三隔离器件包括光耦，所述第三副边的一端连接至第一供电电源，另一端通过电阻器连接到地电压，且所述另一端处的输出电压连接到所述控制器的使能端子。

11.根据权利要求3所述的电路，其中，所述第三STO通道还包括：

由所述第三副边控制通断的第三开关器件，连接在所述控制器与所述高侧驱动器、所述低侧驱动器之间。

12.根据权利要求11所述的电路，其中，所述第三开关器件包括：

第一传输门，连接在所述控制器与所述高侧驱动器之间，用于从所述控制器向所述高侧驱动器传输所述驱动控制信号；以及

第二传输门，连接在所述控制器与所述低侧驱动器之间，用于从所述控制器向所述低侧驱动器传输所述驱动控制信号，

其中所述第三副边的输出分别连接至所述第一传输门和所述第二传输门的使能端子。

13.根据权利要求12所述的电路，其中，

所述第三隔离器件包括光耦，所述第三副边的一端通过电阻器连接至第一供电电源，另一端连接至地电压，且所述一端处的输出电压分别连接至所述第一传输门和所述第二传输门的使能端子。

14.根据权利要求3所述的电路，其中，所述第三副边的输出连接至向所述控制器提供时钟信号的时钟发生器。

15.根据权利要求14所述的电路，还包括：

由所述第三副边控制通断的第三开关器件，连接在所述时钟发生器的供电电源与所述时钟发生器之间，

其中，所述第三副边被连接为在所述第一STO信号与所述第二STO信号中至少之一为有效时关断所述第三开关器件。

16.根据权利要求1所述的电路，还包括：

由分立元件构成的“与”门，配置为执行所述逻辑运算。

17.根据权利要求1所述的电路，还包括：

第一开关，配置为控制所述第一STO信号向所述第一STO通道的提供与否；

第二开关，配置为控制所述第二STO信号向所述第二STO通道的提供与否；以及

第三开关，配置为控制所述电路的接地与否。

18.一种变频器，包括根据权利要求1至17中任一项所述的电路。

19.一种具有安全扭矩关断STO功能的电路，包括：

三个STO通道，分别接收第一STO信号、第二STO信号以及所述第一STO信号和所述第二STO信号的逻辑运算后的信号，并根据所接收的信号来分别控制变频器的高侧驱动器的供电、低侧驱动器的供电以及驱动控制信号的提供，其中，所述逻辑运算为：所述第一STO信号和所述第二STO信号中的至少一个信号有效时，该逻辑运算后的信号也有效；所述驱动控制信号是变频器的控制器提供给高侧驱动器和低侧驱动器的。

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