CN118117542A - 用于运行电机的驱控组件和方法 - Google Patents

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CN118117542A CN202311627903.8A CN202311627903A CN118117542A CN 118117542 A CN118117542 A CN 118117542A CN 202311627903 A CN202311627903 A CN 202311627903A CN 118117542 A CN118117542 A CN 118117542A
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卡维·哈格韦尔迪
克里斯蒂安·斯蒂格勒
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Abstract

本发明涉及一种用于运行电机的驱控组件，具有用于驱控转子绕组的调控电路机构(220)，该调控电路机构具有高端开关(TF_H)、半导体器件(TF_L)和去激励开关(S1)。转子绕组的第一端子(F+)能经由高端开关(TF_H)连接到正的供电端子(B+)上，转子绕组的第一端子(F+)能经由半导体器件(TF_L)连接到负的供电端子(B‑)上，并且转子绕组的第二端子(F‑)能经由去激励开关(S1)连接到负的供电端子(B‑)上。如果在正常运行中为了去激励半导体器件(TF_L)而导通并且去激励开关被断开，则形成去激励电路(K)，经由所述去激励电路来对转子绕组去激励。驱控组件设置用于在存在至少一个故障时通过将转子绕组与正的供电端子分离和/或去激励而占据安全状态。在此，存在附加的高端开关(Q1)，其驱控电路经由另一驱控电路来供电，和/或设置有安全查询电路，其输出信号在去激励期间不改变，和/或可以执行诊断，以便在存在故障时检验用于占据安全状态的功能能力。

Description

用于运行电机的驱控组件和方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行具有转子绕组和定子绕组的电机的驱控组件和方法，以及一种电机。
背景技术
电机可以用于在机动车中将机械能转换成电能并且反之亦然。通常为了驱控或运行电机并且在那里尤其是定子绕组的相使用变流器(或逆变器)。典型的电机例如具有三相、五相、六相或更多相。为此，变流器通常对每个相具有半桥，该半桥又分别包括两个开关，例如MOSFET、IGBT或其他半导体器件。此外，可以设置如下驱控电路，该驱控电路用于驱控半桥的各个开关；在此例如涉及栅极驱动器电路。因此，例如可以将由车载电网、电池或燃料电池提供的直流电压转换成用于定子绕组的交流电压；同样地，变流器相反地例如能够在整流器的意义中使用。
电机可以配备有电激励装置，也就是说设置有转子绕组(或激励绕组)。为了驱控转子绕组，可以设置有如下调控电路机构，该调控电路机构连接到转子绕组上。这样的调控电路机构通常具有至少一个开关、例如MOSFET、IGBT或者其他半导体器件，以便能够将电压例如从车载电网或者电池施加到转子绕组上，也就是说以便接通和关断激励电流。但是同样在此也可以使用半桥，该半桥包括两个开关，即一个高端开关和一个低端开关。在此也可以设置有驱控电路，该驱控电路用于驱控所述一个开关或者所述多个开关，也就是所谓的栅极驱动器电路。
根据电机的类型和根据定子绕组的相的数量，可以总共使用这些驱控电路(栅极驱动器电路)中的一个或多个，以便驱控调控电路机构和变流器的半桥。驱控电路因此也可以驱控多个半桥，例如调控电路机构的那些半桥和例如变流器的两个半桥。
所述一个或多个驱控电路又可以例如通过所谓的串行外围接口(“SerialPeripheral Interface”，SPI)连接在计算单元上，像比如微控制器单元(“微控器单元”，MCU)或马达控制器上。然后，驱控电路可以从那里接收相应的驱控指令，所述驱控电路对这些驱控指令进行转换。
发明内容
根据本发明，提出具有独立权利要求的特征的用于运行电机的驱控组件和方法以及电机。有利的设计方案是从属权利要求以及以下说明的主题。
本发明涉及一种具有转子绕组和定子绕组的电机的运行，更确切地说在使用具有调控电路机构和尤其也具有变流器以及必要时一个或多个所属的驱控电路的驱控组件的情况下，如开头已经详细解释的那样。
可以设置保护功能，以便在故障情况下保护电机、具有变流器的驱控组件、调控电路机构及其驱控电路、以及也保护计算单元或具有必要时其他负载的车载电网。这样的故障或异常条件是例如过电流或过电压。如果识别出这种故障，则可以通知整个驱控组件或各个部件这种情况；这可以通过激活关断路径来实现，由此驱控组件过渡到安全状态中。在此，例如转子绕组应当与车载电网分离并且放电。
在此，安全状态在变流器中尤其是应当理解为到车辆的车载电网中的电流的中断，或者通过电机的相的短接或者通过被动方法、像比如齐纳二极管。
电机的一些或所有相被故意短接的过程也被称为有源短接或有源相短接。在此，通常例如或者变流器的半桥的所有高端开关(将相与车载电网电压的正端子或正极连接的开关)或者变流器的半桥的所有低端开关(将相与车载电网电压的负端子或负极(＝地)连接的开关)同时闭合(切换为导通)。然后，通常分别断开(切换为不导通)其他开关。
转子绕组或者在其中存储的能量(所谓的去激励)的放电通常(例如在调控电路机构中的半桥的情况下)通过如下方式进行，即断开开关，通过该开关将转子绕组连接到车载电网电压的正端子或者说正极上，所谓的B+(高端开关)；由此将主供电装置与激励电路(具有转子或激励绕组的电路)分离。另一个开关(低端开关，在调控运行中合适地被驱控)被闭合并且另一个开关(在正常运行中闭合的去激励开关)被断开以去激励，从而电流可以经由例如与安全开关并联连接的电阻(放电电阻)流动(于是在去激励电路中出现循环电流)并且由此被消除。为此要注意的是，替代低端开关也可以使用其他半导体器件、像比如(续流)二极管。
为了识别故障，可以使用被查询的不同信号。这样的信号可以包括例如用于每个驱控电路(栅极驱动器电路)的故障信号、例如来自外部的外部故障信号、以及例如来自MCU的一般许可信号。
在正常状态下，也就是说，当在电机运行时没有故障时，这些信号例如可以都提供值1。通过在(故障识别电路中的)查询中的“与”连接，则能够实现安全开关保持闭合。一旦其中一个信号改变其值，例如改变为0，则安全开关被断开。
然而，在这种用于运行电机的驱控组件中可能出现不同的故障或问题，其利用之前所阐述的可行方案不能或不能被充分地消除，也就是说不能实现安全的状态。下面将说明这种故障。
a)在调控电路机构的高端开关中出现故障(例如持续接通)的情况下，不能确保安全状态，因为转子绕组(激励线圈)不能与电源(即B+)分离。
b)在调控电路机构的低端开关中有故障(即在两个方向上中断)的情况下不能确保安全状态，因为在去激励期间不能实现电流，即不能形成或不能闭合去激励电路。
c)如果故障识别电路或安全查询电路(“故障检测电路”)不能识别到故障，则由于对有故障的识别已经不能进入安全状态。
d)驱控电路(栅极驱动器电路)中的内部故障的出现可能导致驱控电路在过压或其它故障的情况下不能做出响应。因此，对于单个故障，不能实现安全状态。因此同样不能达到更高的安全等级。
e)栅极驱动器电路可以不独立于MCU执行有源短接(ASC)。然而，MCU不是可靠的单元以创建有源短接所需的所有条件或执行动作，例如，对于MCU中的问题，栅极驱动器电路不能执行有源短接。
f)栅极驱控器电路不能通知其它栅极驱控器电路需要有源短接。通过SPI的通信在故障情况下通常是不够可靠的。
g)激励器电路的电流传感器中的故障不会导致去激励电路的中断，并且由此引起高的过压。
h)在所谓的接线端40(48V电池的正导线)上监控潜在的过压也是困难的。
在本发明的范围内，现在提出不同的可行方案，利用所述可行方案可以消除或避开前述情况中的一种或多种，在所述情况中故障不导致安全的状态。尤其是，所提出的不同可行方案也可以组合或一起使用。
根据本发明的一个方面，通过设置附加的高端开关，该附加的高端开关与所述高端开关串联连接，使得该高端开关冗余地被设计，由此可以实现转子绕组与正的供电端子(B+)的可靠分离，即使当该高端开关中的一个发生故障或应该持久地导通或者以其他方式不能断开(持续接通)时也是如此。
为该附加的高端开关设置有驱控电路(栅极驱动器电路)，其经由驱控组件的至少一个另外的驱控电路或部分驱控电路被供应能量，尤其是根据所谓的启动原理。启动原理允许对于附加的高端开关的浮动电压(英文为“floating voltage”)。附加的高端开关在正常运行中闭合(导通)，但是可以通过驱控电路断开。该另一驱控电路或部分驱控电路例如可以是用于驱控电机的变流器的开关的驱控电路，即例如不同的相(经由变流器中的相应的半桥)或确定的相，附加地或替选地也可以是用于调控电路机构的至少高端开关(以及必要时低端开关)的驱控电路。这些驱控电路例如可以通过所谓的启动原理必要时与相应的电容器连接。通常，驱控电路例如可以单独地被设置用于(例如变流器或调控电路机构的)半桥；这种高端开关于是也可以被考虑用于驱控附加的高端开关。同样地，驱控电路也能够设为用于驱控多个、例如三个半桥。于是同样可以为此考虑该驱控电路，但是也可以仅考虑该驱控电路的一部分(部分驱控电路)，例如针对特定的半桥或相的部分。
驱控组件也可以被设置用于为了驱控附加的高端开关而获得安全查询电路的输出信号，并且基于该输出信号来切换附加的高端开关。为此，例如可以设置另一个半导体开关，如稍后还要详细解释的那样。为了解释安全查询电路和输出信号，参考以下陈述。
根据本发明的另一方面，驱控组件具有安全查询电路(例如刚才提到的安全查询电路)，其被设置成借助输出信号引起安全状态，尤其通过在连接转子绕组的情况下转子绕组被去激励的方式。转子绕组与正的供电端子的分离于是可以例如通过驱控调控电路机构的高端开关或者如果需要的话通过驱控所提及的附加的高端开关来实现(例如利用输出信号，如刚刚描述的那样)。
通常，安全查询电路例如可以检查或查询不同的、尤其是安全相关的信号，并且如果例如其中之一不存在或者不以所要求的值存在，则输出输出信号。
此外，驱控组件被设置用于当转子绕组经由去激励电路被去激励时，不改变安全查询电路的输出信号，直至转子绕组被去激励直至预先给定的阈值，优选完全地被去激励。这可以优选地通过在去激励期间激活切换机制、尤其是产生切换信号来进行，所述切换机制或切换信号确保安全查询电路的输出信号不改变。由此避免输出信号(可以是安全信号)的过早的复位或重新启动，所述复位或重新启动可能会中断去激励。
根据本发明的另一方面，驱控电路设置用于在开始正常运行(即例如电机的正常运行)之前和/或在开始正常运行时执行诊断，以便在存在故障时检验用于占据安全状态的功能能力。这允许提高安全性，因为如果所设置的用于占据安全状态的故障机制不应该正常工作，那么电机根本不必起动或者也不允许起动；因此，相应地也不会出现潜在的故障。
诊断可以检查一个或多个不同方面，这将在下面简要地进行解释。参考附图进行更详细的解释。诊断尤其包括：检查附加的高端开关的和/或用于附加的高端开关的驱控电路的功能能力。优选地，诊断还包括：检查高端开关的和/或构造为低端开关的半导体器件的和/或用于高端开关和/或低端开关的驱控电路的功能能力。同样地，诊断可以包括：检查去激励开关和/或用于去激励开关的驱控电路的功能能力。此外，诊断可以包括：不改变安全查询电路的输出信号，直至转子绕组被去激励直至预先给定的阈值，优选完全地被去激励，以便检查驱控组件的功能能力。
例如至少一个二极管、尤其是TVS或齐纳二极管可以与去激励开关并联连接，所述二极管位于去激励电路中。也可以使用与去激励开关并联的两个(或更多个)串联连接的二极管。因此可以取消开头提到的放电电阻。于是可以经由这些二极管中的一个或多个进行去激励。利用TVS二极管尤其是相比于使用放电电阻实现更快的去激励。替代地，齐纳二极管也可以被使用以实现相同的效果。
在这种情况下，诊断可以包括检查至少一个二极管的功能能力。
也有利的是，如果存在的话至少一个二极管与低端开关并联连接。优选地，多个二极管分别与低端开关并联连接(即相互并联并且与开关并联)。这提高了电路的可靠性和鲁棒性。如果低端开关失效，则这些二极管可以保证去激励电路的连续性并且也降低低端开关上的热电压。
也合适的是，附加的去激励开关与去激励开关串联连接。在那里于是也可以并联连接有至少一个二极管、尤其TVS或齐纳二极管，其位于去激励电路中。通过两个去激励开关、例如MOSFET以其并联的二极管可以在这些开关或二极管组之一失灵的情况下总是还有具有二极管的另一开关支持去激励过程。
优选地，调控电路机构具有测量点、尤其是测量电阻，该测量点设置在转子绕组的第二端子和驱控组件的负的供电端子之间或者说连接在那里。由此测量点或测量电阻例如与一个去激励开关和/或另外的去激励开关串联连接。此外，于是尤其设置有电流测量机构和/或过电流测量机构，其被设置用于检测激励绕组中经由测量点的电流并且至少在超过所测量的电流的预先确定的阈值时促使占据安全状态。
在测量电阻中的频繁的故障是开放的电路，因此并联的(另外的)测量电阻(与相应的电流测量机构)可以确保用于激励电流和去激励电流的电流路径以及激励电流的监控。同样，与所提及的至少一个二极管的连接可以是这样的，即，即使在测量点或测量电阻(所述至少一个二极管也与其并联)有故障时，所述连接也不会被分离。
以所描述的方式，仍然能够识别一个或多个前述故障，或者仍然能够实现安全状态。在此要指出，所提出的不同的预防措施可以单独地、以任意组合或共同地使用。
此外，本发明涉及一种具有转子绕组和定子绕组并且具有根据本发明的驱控组件的电机。
本发明同样涉及一种用于在使用根据本发明的驱控组件的情况下运行具有转子绕组和定子绕组的电机的方法。在此，在运行期间存在至少一个故障时，通过将转子绕组与正的供电端子分离和/或去激励，占据安全状态。
关于电机和方法的优点和其它设计方案，为了避免重复，参考前述关于驱控组件的陈述，其在此相应地适用。
本发明的其它优点和设计方案由说明书和附图得出。
本发明借助于实施例在附图中示意性地示出并且在下面参照附图进行描述。
附图说明
图1示出了具有用于运行电机的驱控组件的车载电网的电路图，如本发明能够基于的那样。
图2以更详细的视图示出图1中的驱控组件的一部分。
图3a和3b示出了根据本发明的驱控组件的一种优选的实施方式。
图4示出了根据本发明的驱控组件的另一优选的实施方式的一部分。
图5a和5b示出了根据本发明的驱控组件的另一优选的实施方式的一部分。
具体实施方式
图1示出了车载电网100、尤其(机动)车辆的电路图，所述车载电网具有电机102以及电池或者蓄能器108(例如电池)，所述电机具有定子绕组104和转子绕组106、例如也具有位置传感器103，所述电池或者蓄能器具有车载电网正端子B+和车载电网负端子B-(地)，其用作正(正极)或者说负(负极)供电端子。此外，设置有一个中间电路电容器C(也可以是多个)。
例如，所述电机是具有五个相U、V、W、X和Y或相应的相绕组的五相电机102。应理解的是，本发明也能够在具有其他的相数的、例如三个或六个等的电机中使用。
此外，设置有驱控组件110，该驱控组件具有电压调控器或者调控电路机构120，该调控电路机构120设置用于将激励电流施加到转子绕组106上或者调控该激励电流。为此，转子绕组可以以其第一端子F+和其第二端子F-连接到调控电路机构120上。调控电路机构120为此具有两个开关(高端开关和低端开关)，它们在图2中示出。
此外，设置有变流器(或逆变器)130，所述变流器针对每个相具有半桥(示例性地，对于相U标明半桥130u并且对于相Y标明半桥130)，所述半桥包括两个开关(高端开关和低端开关)，例如MOSFET、IGBT。这些开关在此对于相U的高端开关和低端开关用TU_H和TU_L表示；相应地适用于其它相V、W、X和Y的开关。
此外，还设置有驱控电路或栅极驱动器电路140。驱控电路140可以示例性地驱控12个半导体开关并且为此分别与相关的控制或栅极端子之一连接(通过箭头示出)。示例性地，驱控电路140控制调控电路机构120的两个开关以及相U、V、W、X和Y的开关。应当提到，代替一个驱控电路也可以设置两个或更多个驱控电路。因此，例如一个第一驱控电路可以驱控该调控电路机构120的这两个开关以及相U和V的开关，而一个第二驱控电路可以驱控相W、X和Y的开关。驱控电路140例如可以从上级计算单元150、如MCU获得信号或向那里传输信号。例如，也可以借助于单独的驱控电路或单独的栅极驱动器电路(在所示的五相电机的示例中可能需要六个驱控电路)来驱控调控电路机构120的每个相或开关。
此外，对于相U和Y示例性地示出相电流iU或iY以及激励电流iF。也可以测量其它相电流。为此例如可以设置合适的测量机构。VDC表示正电源电压(经由B+)的分接头。
在图2中以更详细的视图示出了图1中的驱控组件110的一部分，更确切地说尤其是调控电路机构120。在那里尤其示出了高端开关TF_H和低端开关TF_L，它们经由驱控电路140被驱控，在此示例性地通过脉冲来图解说明。驱控电路140又可以通过MCU 150促使对高端HS和低端LS的相应驱控，在此用信号SHigh和SLow来表示。在此，高端开关TF_H和低端开关TF_L形成半桥或者是半桥的一部分。此外，用于控制低端开关的驱控电路的电源VCC通过用于控制高端开关的电容器CBST连接。
在此，高端开关TF_H布置在转子绕组106的第一端子F+和驱控组件的正的供电端子B+之间。低端开关TF_L被布置在转子绕组的第一端子F+与驱控组件的负的供电端子B-之间。此外，去激励开关S1被布置在转子绕组的第二端子F-与驱控组件的负的供电端子B-之间。
在正常运行中可以通过闭合(切换为导通)低端开关TF_L和断开(切换为非导通)去激励开关S1来形成去激励电路，经由所述去激励电路可以使转子绕组106去激励。这样的去激励电路以K表示并且示例性地包括两个二极管D1和D2，例如TVS二极管，其与去激励开关S1并联连接。代替二极管，通常也可以设置放电部件、像比如电阻。
驱控组件110此外设置用于在存在至少一个故障时占据安全状态，其方式是转子绕组106与正的供电端子B+分离和/或被去激励。为此，可以断开高端开关TF_H和/或断开去激励开关S1。
在此规定，在存在故障时驱控用于去激励开关的驱控电路144，以便断开去激励开关。为此例如可以使用故障信号SF。
此外，与由去激励开关S1和二极管D1、D2构成的并联电路串联地设置有测量或分流电阻Rsh，所述测量或分流电阻与用于测量激励电流iF的电流测量机构152相关联。代替分流电阻Rsh和电流测量机构152为此通常也能够设有其他类型的电流测量机构。测量的激励电流iF可以被传送到MCU 150。同样可以设置过电流测量机构154，其至少在超过所测量的电流的预先确定的阈值时促使占据安全状态。在此，输出故障信号FOC(激励绕组中的过电流)，然后可以在必要时相应地处理该故障信号FOC。
如所阐述的那样，在这种驱控组件中会出现不同的故障或问题，所述故障或问题利用常见的可行方案不能或不能被充分地消除，也就是说不能实现安全的状态。基于在图1和2中所示的驱控电路110，现在应参考以下附图阐述本发明的不同的优选的实施方式。
在图3a和3b中示出了根据本发明的驱控组件210的一种优选的实施方式。所述驱控组件210原则上相应于根据图1和2的驱控组件110，从而就这点而言也可以参照那里的描述。附图标记分别增加了100。下面将更具体地说明不同之处。在图3a中示出了包括调控电路机构220的驱控组件210的主要部分，而在图3b中示出了变流器(或逆变器)230。
驱控组件210尤其具有用于调控电路机构220的高端开关TF_H和低端开关TF_L的驱控电路240f(参见图3a)以及用于变流器230的各个相U、V、W、X和Y的半桥(在此仅标记相Y的半桥230y)的单独的驱控电路240u等。驱控电路240f和240u等可以如在此所示的那样是分离的，或者也可以适当地组合，例如像针对图1和2所阐述的那样被组合成两个用于各三个霍尔桥的驱控电路。
在图3a和3b中以及部分地也已经在图2中以及在还要跟随的图中示出不同的信号，下面应特别参考所述信号并且因此应当在上文中简短地阐述。
应当注意，信号可以采用两个值“0”(或“低”，即，低电压电平)和“1”(或“高”，即，高电压电平)中的一个，并且因此可以例如切换合适的半导体开关或触发一些其他动作。此外，也可以通过信号提供能量或电流或电压供应。在这种情况下，信号的值不一定是重要的，因为过低的电压例如自动地意味着缺少能量供应。
安全信号SF：这是安全查询电路的输出信号；这种信号例如可以检查或查询不同的、尤其是与安全性相关的信号，并且如果例如其中一个信号不存在或不以所要求的值存在，则输出输出信号。当所有信号提供值“1”时，输出信号或安全信号SF也提供值“1”，即，所有都是正常的。如果存在故障，则输出信号或安全信号SF传送值“0”。参考图5a和5b更详细地解释安全查询电路。
信号或故障信号FOC(激励绕组中的过电流)：Rsh电流或者降到Rsh之上的电压(从电流测量机构252)被发送到比较器(过电流测量机构254)并且与所期望的设定进行比较。如果电流超过设定的阈值，则保护输出变为“0”，否则为“1”。
信号F1：MCU给予附加的高端开关Q1用于闭合的许可，使得驱控电路准备好运行。
信号F2：该信号从MCU获得，并且允许启动激励。当信号的值为“1”(高)并且输出信号或安全信号的值为“1”时，去激励开关S1闭合；否则去激励开关S1保持断开。
F3_F、F3_U等：该信号对于每个半桥的每个驱控电路(驱控器电路)而言存在，并且该信号指示该驱控电路识别故障或非正常行为或有源短接请求。这些信号被提供给安全查询电路，并且通知其它驱控电路关于故障等，并且通过安全信号SF激活其它驱控电路(针对每个半桥)的有源短接。
信号F4：该信号在转子绕组的去激励期间直至预先给定的阈值优选完全地被输出并且在此不改变。这个信号可以被馈送到安全查询电路，使得其输出信号(故障信号SF)在这个时间内不改变。
BST_F、BST_U等：该信号提供至半桥的启动电容器的正侧的连接(用于驱控电路机构的F、用于变流器中的相或半桥的U等)。由此可以为附加的高端开关Q1提供能量供应。
信号V1：在此涉及在调控电路机构120的第二端子F-上的测量的电压。
信号V2：在此涉及借助测量机构246测量的在高端开关TF_H上的电压，所述电压例如可以被适当地处理并且被转发给MCU 150。
在驱控电路240f、240u等与MCU 250之间例如可以交换所谓的SPI和栅极信号：监控信号和设定可经由SPI被传输和接收。所产生的PWM信号(用于驱控开关)被发送到驱控电路。
补充于图1，附加的高端开关Q1与高端开关TF_H串联连接，从而高端开关TF_H冗余地设计。在不存在故障或缺陷的情况下，附加的高端开关Q1闭合或切换为导通。这在此通过驱控电路243来实现，该驱控电路243将信号BST_U和BST_F作为输入来获得。这意味着，驱控电路243通过驱控电路240f和240u被供以能量(或者说是电流或电压)。
如在图3a中可见，因此通过二极管D1或D2以及电阻R1和R2在附加的高端开关Q1的栅极上施加电压(这根据所谓的启动原理进行，对此参见在驱控电路240f和240u等中所使用的电容器CBST和CBST_U等)。二极管使电流不会流回到驱控电路240f和240u。它们在驱控电路243中形成O形环，并且电路可以例如经由CBST或CBST_U被供电。
此外，还设置有另一开关或半导体开关Q5，其栅极通过信号F1来控制，并且故障信号SF施加在该开关或半导体开关上。在正常状态下，故障信号SF具有值“1”，即提供电压。通过信号F1可以闭合附加的高端开关Q1。如果应占据安全状态，但是高端开关TF_H应发生故障并且不能再断开，则这可以通过附加的高端开关Q1进行。也就是说，当故障信号取值为“0”时，所述附加的高端开关Q1断开。
例如，两个二极管D21、D22与去激励开关S1并联连接(如图2中已经示出的)。对去激励开关S1的激励经由驱控电路244进行，所述驱控电路在此比驱控电路144在图2中更详细地示出。
在不存在故障或缺陷的情况下，去激励开关S1被闭合或切换为导通。如果应当占据安全状态或转子绕组应该被去激励，则可以断开去激励开关S1。在正常运行中，可以经由信号F2进行去激励，经由所述信号可以切换开关Q7。但是同样可以通过控制开关Q6的故障信号SF进行去激励。其它部件(开关Q4、二极管D4、电阻R5、R6、R7、R9)用于该驱控的具体转换。
此外，二极管DF1与低端开关TF_L并联连接。由此，对于低端开关TF_L也存在一定的冗余或者提高鲁棒性。如果低端开关TF_L应该是有缺陷的，则通过这些二极管保证去激励过程。
如所提及的那样，在调控电路机构120的第二端子F-上可以测量电压V1。为此设置有合适的部件(电容器C1、电阻R10、R21以及二极管D5、D6)。电源电压VDD例如是3.3V或5V。
此外，在调控电路机构120的第二端子F-上量取或输出信号F4。这可以通过合适的电路实现，在此借助电阻R4以及二极管D3(齐纳二极管)。
在图4中示出了另一优选的实施方式中的驱控组件的一部分，即调控电路机构320或其一部分。该驱控组件或者调控电路机构320原则上相应于根据图1和2的驱控组件110或者调控电路机构120或者根据图3a和3b的驱控组件210或者调控电路机构220，从而就这点而言也可以参考那里的描述。附图标记分别增加了100和200。
与调控电路机构220的区别在此尤其在于，附加的去激励开关S2与去激励开关S1串联连接，从而去激励开关S1被冗余地设计。与去激励开关S1一样，例如两个二极管D31、D32也与附加的去激励开关S2并联连接。这些具有与并联连接到去激励开关S1的二极管相同的功能，并且可以以相同的方式被构造。
在不存在故障或缺陷的情况下，附加的去激励开关S2-如同常规的去激励开关S1-被闭合或切换为导通。如果要占据安全状态或转子绕组应该被去激励，但是去激励开关之一应该是有缺陷的并且不再能够被断开，则这可以经由相应另外的去激励开关进行。为了驱控去激励开关S1和S2，设置两个驱控电路344或345。这些驱控电路可以分别例如如驱控电路144或244那样被构建；两个驱控电路344和345获得故障信号SF作为输入。
在图5a和图5b中示出了根据本发明的驱控组件的另一优选实施方式的一部分，即安全查询电路501。安全查询电路在图5a中示意性地以其逻辑电路来示出，并且在图5b中以具体的电路连接来示出。
如已经提到的，安全查询电路501例如获得不同的、尤其是安全相关的信号。这些信号例如可以是已经提到的信号FOC、F3_F、F3_U等直到F3_Y，以及其他的信号F5、F5和F7。
当例如MCU或其软件中的逻辑要求安全状态时，信号F5被设置为值“0”。
信号F6用于监控一般的电压或能量供应。当其正确地工作时，该信号提供值“1”，否则提供值“0”。
信号F7说明是否可能存在过电压(例如在接线端40的情况下)。如果是，则该信号提供值“0”，否则提供值“1”。
所有这些信号在逻辑上是“与”逻辑的，即，一旦这些信号中的一个输出值“0”，则安全查询电路501提供值“0”作为输出信号(故障信号SF)。如在图5b中可见，这可以借助于合适的(未示出的)开关实现，所述开关然后可以切换开关Q12。
此外，信号F4现在还被结合到这里。只要这个信号F4提供值“1”(只要实现转子绕组的去激励，就是这种情况)，开关Q13就被切换，从而故障信号SF提供值“0”。输出信号或故障信号SF因此在去激励期间保持为“0”(被锁定)。也就是说，如果所有其他信号在此期间都切换到值“1”(在实践中例如除了一个之外的所有信号都可以连贯地为“1”，即仅一个必须再次切换到“1”)，则输出信号或故障信号SF将再次切换到“1”。
下面现在应该尤其在使用所述驱控组件210的情况下对所述电机的优选的运行进行解释。
正常状态意味着，不存在故障并且驱控组件可以常规地控制电机。在这种模式下，实施以下动作：变流器的所有开关例如经由来自MCU的PWM信号(或由MCU产生的另一类型的调制信号)而被触发。为了运行电机，需要接通激励，因此开关Q1和S1(以及S2，如果存在的话)闭合(导通)。开关TF_H和TF_L由MCU通过驱控电路240加以控制。激励电流被调控。
安全查询电路的输出信号或故障信号SF在此具有值“1”，信号F1的值在此是“0”，并且信号F2的值是“1”。
当信号FOC、F3_F、F3_U等、F5、F6或F7中的一个取值“0”时，安全信号SF同样切换到“0”(参见图5a、图5b)。于是，激活或促成安全状态并且变流器转变到安全状态，这意味着，无论变流器还是调控电路机构的所有低端开关都闭合(切换为导通)，并且所有高端开关断开(切换为非导通)。高端开关和低端开关的状态也可以交换。也可以考虑，高端开关和低端开关在状态之间闭合并且断开地以特定的频率来回接通。在所有情况下，这意味着有源短接。
也就是说，该机制被激活安全信号SF；为此，可以在相关的驱控电路上设置合适的输入端子，像比如在图3a、3b中可见的那样。
去激励过程开始并继续进行，直到存储在转子绕组(激励线圈)中的能量达到零。开关Q1和S1(以及必要时S2)是断开的。在此，故障信号SF闭合开关Q6，即，如果SF具有值“0”，则开关Q6关断。Q6的闭合又导致开关Q4的闭合。如果SF的值为“0”，则开关Q1也通过开关Q5(例如，可以是耗尽MOSFET)关断。
去激励电流(循环电流)流经开关TF_L和反并联二极管DF1(在此也可以设置多个反并联二极管)，然后流经激励线圈并且最后流经TVS二极管。循环电流在图2中通过虚线示出；这相应地适用于图3a以及图4。
在TVS二极管D21和D22(以及必要时D31和D32)上的瞬时过压接通这些TVS二极管，并且在该模式期间，激励电流流过这些二极管。应该注意，取决于激励电压、在去激励模式下的瞬态过电压、部件的热阻和TVS二极管的损失功率，可以选择适当数量的TVS二极管。TVS二极管的接近恒定的电压帮助将线圈去激励得比使用放电电阻代替TVS二极管(在图2中示出TVS二极管)明显更快。
通过信号F4锁定故障信号SF(安全扫描电路的输出信号)的值的机制(“锁定机制”)确保故障信号SF的值保持为“0”。这确保了，转子绕组被完全去激励并且去激励过程必要时不会由于故障信号SF的改变而被中断。
如所提及的那样，所提出的电路提供多种可行方案(或机制)，以便在故障情况下确保驱控组件以及电机的安全状态。
安全电路(或状态聚合器)：由此，可以实现如上所述的安全功能。如果期望(还要)更高的安全水平，则也可以使用另一安全查询电路。两者例如可以冗余地使用，即例如接收相同的(或者例如仅部分相同的)信号作为输入。还可考虑的是，MCU可以驱控(触发)一个或两个安全查询电路。输出信号也可以被互连，使得当至少一个输出信号变为“0”时，所产生的故障信号于是取值“0”。
用于去激励的二极管或TVS二极管：例如，存在一组TVS二极管和其并联的去激励开关S1(例如MOSFET)。该组可以包括在一个或多个二极管之间。为了更高的安全水平例如也可以设置两组这样的具有第二去激励开关S2的二极管(参见图4)。如果组之一出现故障，则另一组可以确保去激励过程，尽管具有较低的电压(例如，两个TVS二极管而不是四个TVS二极管串联)，这导致相比于所有TVS二极管的更慢的去激励过程。
与调控电路机构的低端开关TF_L并联的二极管DF1：在去激励过程期间，开关TF_L被闭合。如果这个开关由于某些原因而不能被断开，则电流将流过并联二极管并且还流过开关TF_L的体二极管。在此也可以设置两个或更多个并联的低端二极管开关TF_L。通过使用例如两个并联的二极管(所述二极管可以分别承载总电流)，可以避免用于开关TF_L的耗费的诊断。
具有由于故障信号SF而去激励的有源短接：有源短接例如定义为变流器的相U、V、W、X和Y的低端开关的短接，即低端开关必须闭合(切换为导通)。当故障信号SF要求这一点、即具有值“0”时，一个驱控电路或多个驱控电路(根据使用多少驱控电路，参见例如在图3b中每个半桥的个别驱控电路)实施或引起该有源短接。也可以考虑，在有源短接时在一个或多个驱控电路发生内部故障时被触发。
应当注意，由于在有源短接期间低端开关的热负荷，存在如下可行方案，即，在高端和低端开关之间切换这种有源短接(在高端和低端开关之间切换)。为了实现该切换功能，例如需要具有可设定的频率的振荡电路，以便改变高端和低端开关的栅极信号。由于开关Q1用来在安全状态下将激励线圈从正电源电压分离，所以在TF_H和TF_L之间的切换对于去激励过程不会造成问题；例如，去激励电流可以流经二极管DF1。
例如，去激励机制可以被定义为通过断开开关Q1和断开去激励开关S1(以及必要时S2)将线圈(转子绕组)与正的供电端子B+分离。开关TF_L由于相关的有源短接而闭合；即使开关TF_L保持打开，去激励电流也可以流过DF1和DF2(或者在使用MOSFET TF_L的情况下的体二极管)。
激励电流测量和通过所述测量电阻和过电流测量机构对驱控电路的过电流识别：如图2、3a或4所示，激励电流可以利用分流电阻或测量电阻(Rsh)来测量，也可考虑两个或更多个分流电阻或测量电阻。测量的电流的输出被发送到MCU用于控制目的(即，信号或电流iF)。过电流测量机构监控激励电流或场电流。例如，如果场电流超过特定的阈值(例如额定值)达到特定的时间，则识别机制(信号)的值从“1”变为“0”。这通过激活故障信号SF而导致安全状态。
要提及的是，也能够使用其他类型来测量激励电流，例如霍尔传感器。
为了制造更可靠的去激励电路，二极管D22(或者一般地(最后)组中的最后一个二极管)可以直接连接到负的供电端子或直接连接到相关的电流轨(如图4所示)。在测量电阻失效的情况下，去激励电路不被分离，并且去激励电流总是流过TVS二极管(即，例如D21、D22、D31和D32)。如果使用单个测量电阻，则应当一直提供TVS二极管到B-的该直接连接。
诊断，以便在存在故障时检验用于占据安全状态的功能能力：这种诊断可以是一个或多个安全机制的一部分。如所提及的那样，可以检查不同部件或功能的功能能力。
诊断可以包括检查附加的高端开关Q1和/或用于附加的高端开关的驱控电路(例如243)的功能能力。如所提及的，附加的高端开关Q1经由故障信号SF和信号F1来控制。这些信号控制开关Q5(MOSFET，例如耗尽型MOSFET)，并且可以如下控制附加的高端开关Q1。
如果故障信号SF具有值“1”并且信号F1具有值“0”，则附加的高端开关Q1闭合。在两个信号的值的其他三个可能的组合中，附加的高端开关Q1断开。但是同样可以(根据逆变器的具体构造而定)规定，当故障信号SF具有值“1”并且信号F1具有值“1”时，高端开关Q1保持闭合或已经闭合。换言之，于是鉴于高端开关Q1是断开还是闭合的问题不取决于信号F1，而是仅取决于故障信号SF。
在可以测试附加的高端开关Q1之前，可以建立用于其驱控电路的能量供应，也就是说，给启动电容器、例如CBST和CBST_U(参见图3a、3b)或者其他的和/或另外的部件充电。相关的高端开关、即例如TF_H和TF_U为此可以被断开，以至少在例如10ms的一定的持续时间上闭合逆变器的相的相关的低端开关。
在诊断开始时，信号F1可以首先取值“1”，如果不存在故障，则故障信号SF也为“1”，并且调控电路机构的高端开关TH_F的漏极上的电压可以由MCU读取。该电压应为0V。
然后，信号F1可取值“0”(即，信号应相应地被切换)。因此，应当接通附加的高端开关Q1。此时，调控电路机构的高端开关TH_F的漏极处的电压(电压V2)可以由MCU测量或者说检测；该电压应当对应于B+的值，即例如48V。如果是，则可以认为附加的高端开关Q1是具备功能能力的。根据逆变器的结构而定例如可以：也就是说仅仅规定，将故障信号SF切换到值“0”，以便检查高端开关Q1的功能能力。
该诊断也可以包括：检查调控电路机构的高端开关TH_F和/或低端开关TL_F的和/或用于高端开关和/或低端开关的驱控电路的功能能力。为此，附加的高端开关Q1可以被接通，也就是被闭合。于是可以在例如10ms的一定的持续时间上将PWM脉冲施加到高端开关TH_F和/或低端开关TL_F(或其栅极)。在此，激励电流iF应达到或超过例如0.5A的一定的值。如果是这样，则可以认为，高端开关TH_F和/或低端开关TL_F是具备功能能力的。
诊断也可以包括：检查去激励开关S1和/或S2的和/或用于去激励开关的驱控电路的功能能力。如所提及的，去激励开关S1和/或S2可以经由信号SF和F2被控制。可以执行多个步骤来进行诊断。
因此，首先，可以接通附加的高端开关Q1(例如SF可以为“1”，F1可以被切换到“0”)。然后，PWM脉冲可以被施加到调控电路机构的高端开关TH_F和/或低端开关TL_F(或其栅极)。然后可以测量或检测激励电流iF。所述激励电流应当是零，因为去激励开关S1(或S2)被关断，即断开。然后，信号F2的值可以被设置为“1”。然后，可以重新测量或检测激励电流iF。现在，该PWM脉冲应该具有相应于PWM脉冲的占空比的值。如果是，则可以认为去激励开关S2具备功能能力。
诊断也可以包括：不改变安全查询电路的输出信号，直至转子绕组(优选完全地)被去激励直至预先给定的阈值(所谓的“锁定机制”)，从而来检查驱控组件的功能能力。
为此，附加的高端开关Q1和去激励开关S1应当被接通，即被闭合。于是可以在例如10ms的一定的持续时间上将PWM脉冲施加到激励电路上，即高端开关TH_F和/或低端开关TL_F(或其栅极)。在此，激励电流iF应达到或超过例如0.5A的一定的值。激励电流iF在此应该优选经由测量电阻测量并且由MCU读取。
故障信号SF然后可以被激活，即，被切换到值“0”，例如经由软件指令(来自MCU)。在该激活之后的一定时间段(例如3ms)内，可以将安全查询电路的所有输入(信号)(参见图5a、5b)设置为值“1”(例如经由软件指令)。但是在此，故障信号SF的值应当保持值“0”。如果是，则可以认为“锁定机制”具备功能能力。
诊断也可以包括：检查至少一个二极管、即例如TVS二极管的功能能力。为此，附加的高端开关Q1和去激励开关S1应当被接通，即被闭合。于是可以在例如10ms的一定的持续时间上将PWM脉冲施加到激励电路上，即高端开关TH_F和/或低端开关TL_F(或其栅极)。在此，激励电流iF应达到或超过例如0.5A的一定的值。激励电流iF在此应该优选经由测量电阻测量并且由MCU读取。
故障信号SF然后可以被激活，即，被切换到值“0”，例如经由软件指令(来自MCU)。然后，可以测量或检测在调控电路机构120的第二端子F-处的电压(电压或信号V1)。该电压或其变化曲线应该具有峰值或脉冲的形式，并且具有例如5ms的特定的持续时间；这由二极管或TVS二极管的接通而产生。在此，电压的最大值应对应于所使用的二极管或TVS二极管的所有击穿电压的总和。如果是这样，则可以认为所述二极管或TVS二极管具备功能能力。

Claims (12)

1.一种用于运行电机(102)的驱控组件(210)，所述电机具有转子绕组(106)和定子绕组(104)，所述驱控组件具有调控电路机构(220、320)，所述调控电路机构连接到所述转子绕组(106)上并且被设置用于驱控所述转子绕组(106)，其中所述调控电路机构(220、320)具有高端开关(TF_H)、半导体器件(TF_L)、尤其是低端开关和去激励开关(S1)，
其中，所述高端开关(TF_H)被布置成使得转子绕组(106)的第一端子(F+)能够通过该高端开关连接到所述驱控组件的正的供电端子(B+)，
其中，所述半导体器件(TF_L)被布置成使得所述转子绕组的第一端子(F+)能够经由所述半导体器件连接到所述驱控组件的负的供电端子(B-)上，
其中，所述去激励开关(S1)被布置成使得所述转子绕组的第二端子(F-)能够经由所述去激励开关连接到所述驱控组件的负的供电端子(B-)上，
其中，所述驱控组件(210)被设置为使得当在正常运行中为了去激励所述半导体器件(TF_L)是导通的并且去激励开关(S1)断开时，形成去激励电路(K)，经由所述去激励电路来对所述转子绕组(106)进行去激励，
其中，所述驱控组件(210)被设置用于在存在至少一个故障时占据安全状态，其方式是，转子绕组(106)与正的供电端子(B+)分离，和/或，在连接转子绕组(106)时转子绕组(106)被去激励，其中
a)所述驱控组件(210)具有附加的高端开关(Q1)和用于所述附加的高端开关的驱控电路(243)，所述附加的高端开关与所述高端开关(TF_H)串联连接，使得所述高端开关(TF_H)冗余地被设计，所述驱控电路经由所述驱控组件的至少一个另外的驱控电路或部分驱控电路被供应能量，和/或
b)所述驱控组件(210)具有安全查询电路，所述安全查询电路被设置用于借助输出信号促使占据安全状态，尤其是其方式是，在连接转子绕组(106)的情况下转子绕组被去激励，其中驱控组件被设置用于当转子绕组(106)经由去激励电路(K)被去激励时不改变安全查询电路的输出信号，直至转子绕组被去激励直至预先给定的阈值，优选完全地去激励，和/或
c)所述驱控组件(210)设置用于在开始正常运行之前和/或在开始正常运行时执行诊断，以便在存在故障时检验用于占据安全状态的功能能力。
2.根据权利要求1所述的驱控组件(210)，其中，所述至少一个另外的驱控电路或部分驱控电路包括驱控电路或部分驱控电路以驱控所述电机的变流器的开关、尤其是相和/或所述调控电路机构(220)的至少所述高端开关(TF_H、TF_L)。
3.根据权利要求1或2所述的驱控组件(210)，其中，用于附加的高端开关的驱控电路被设置用于获得安全查询电路的输出信号，并且基于输出信号来切换所述附加的高端开关(Q1)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的驱控组件(210)，其中，所述驱控组件被设置用于当转子绕组(106)经由去激励电路(K)被去激励时，通过在去激励期间激活切换机制、尤其是产生切换信号来不改变安全查询电路的输出信号，直至转子绕组被去激励直至预先给定的阈值、优选完全地被去激励，其中，所述切换机制确保安全查询电路的输出信号不改变。
5.根据前述权利要求中任一项所述的驱控组件(210)，其中，所述诊断包括：检查所述附加的高端开关(Q1)的和/或用于附加的高端开关(Q1)的驱控电路的功能能力。
6.根据前述权利要求中任一项所述的驱控组件(210)，其中，所述诊断包括：检查高端开关(TF_H)和/或构造为低端开关的半导体器件(TF_L)和/或用于高端开关和/或低端开关的驱控电路的功能能力。
7.根据前述权利要求中任一项所述的驱控组件(210)，其中，所述诊断包括：检查去激励开关(S1)和/或用于所述去激励开关的驱控电路的功能能力。
8.根据前述权利要求中任一项所述的驱控组件(210)，其中，所述诊断包括：不改变安全查询电路的输出信号，直至转子绕组被去激励直至预先给定的阈值，优选完全地去激励，从而来检查驱控组件的功能能力。
9.根据前述权利要求中任一项所述的驱控组件(210)，具有至少一个二极管(D21、D22)、尤其是TVS或齐纳二极管，所述二极管与去激励开关(S1)并联连接并且位于去激励电路(K)中，其中所述诊断包括检查至少一个二极管的功能能力。
10.根据前述权利要求中任一项所述的驱控组件(210)，具有带有分别带有两个开关(TU_H、TU_L、TV_H、TV_L、TW_H、TW_L、TX_H、TX_L、TY_H、TY_L)的多个半桥的变流器(130)，其中，所述半桥分别连接到定子绕组的多个电相之一上，并且其中，变流器(130)被设置用于驱控定子绕组(104)，并且具有一个或多个驱控电路(240、242)以用于驱控变流器的开关和调控电路机构(220)的至少高端开关(TF_H、TF_L)。
11.一种电机(102)，其具有转子绕组(106)和定子绕组(104)并且具有根据前述权利要求中任一项所述的驱控组件(210)。
12.一种用于运行根据权利要求11所述的电机(102)的方法，其中，在运行期间存在至少一个故障时，通过将所述转子绕组(106)与正的供电端子(B+)分离和/或将所述转子绕组(106)去激励，占据安全状态。
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