DE102021117603A1

DE102021117603A1 - Safe-torque-off(sto)-schaltung und diese beinhaltender frequenzumrichter

Info

Publication number: DE102021117603A1
Application number: DE102021117603.4A
Authority: DE
Inventors: Xiaoran Xu; Liang Xiao
Original assignee: Zhejiang Holip Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Holip Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2022-01-20
Also published as: US11831258B2; US20220021324A1

Abstract

Es werden eine Schaltung mit Safe-Torque-Off(STO)-Funktionalität und ein diese beinhaltender Frequenzumrichter bereitgestellt. Gemäß Ausführungsformen kann die Schaltung Folgendes umfassen: einen ersten STO-Kanal, ausgelegt zum Steuern eines Ein-/Ausschaltens einer Leistungsversorgung an einen hochseitigen Treiber eines Frequenzumrichters basierend auf einem ersten STO-Signal, einen zweiten STO-Kanal, ausgelegt zum Steuern eines Ein-/Ausschaltens einer Leistungsversorgung an einen tiefseitigen Treiber des Frequenzumrichters basierend auf einem zweiten STO-Signal und einen dritten STO-Kanal, ausgelegt zum Steuern einer Zufuhr eines Ansteuerungssteuersignals von einer Steuerung des Frequenzumrichters an den hochseitigen Treiber und den tiefseitigen Treiber basierend auf einem Ergebnis einer logischen Operation des ersten STO-Signals und des zweiten STO-Signals, wobei die logische Operation dazu ausgelegt ist, als Reaktion darauf, dass das erste und/oder das zweite STO-Signal aktiv ist, zu bewirken, dass das Ergebnis aktiv ist.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Elektronikschaltung und insbesondere eine Safe-Torque-Off(STO)-Schaltung mit verbesserter Zuverlässigkeit und einen diese beinhaltenden Frequenzumrichter.
HINTERGRUND
Derzeit weist eine Safe-Torque-Off(STO)-Schaltung im Allgemeinen eine Doppelkanalkonfiguration auf, in der ein dynamischer Detektionsmechanismus oder eine dynamische Leistungsversorgung im Allgemeinen für beide Kanäle verwendet wird, um die Sicherheit zu verbessern. Jedoch ist der dynamische Detektionsmechanismus logisch komplex, und bei der dynamischen Leistungsversorgung muss ein sperriger und kostspieliger Transformator zur elektrischen Isolation eingesetzt werden, wodurch Entwurf und Kosten nachteilig beeinflusst werden.
KURZDARSTELLUNG
Im Angesicht des Obenstehenden soll die vorliegende Offenbarung unter anderem eine Safe-Torque-Off(STO)-Schaltung mit verbesserter Zuverlässigkeit und einen diese beinhaltenden Frequenzumrichter bereitstellen.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird eine Schaltung mit einer STO-Funktionalität bereitgestellt, die Folgendes umfasst: einen ersten STO-Kanal, ausgelegt zum Steuern eines Ein-/Ausschaltens einer Leistungsversorgung an einen hochseitigen Treiber eines Frequenzumrichters basierend auf einem ersten STO-Signal; einen zweiten STO-Kanal, ausgelegt zum Steuern eines Ein-/Ausschaltens einer Leistungsversorgung an einen tiefseitigen Treiber des Frequenzumrichters basierend auf einem zweiten STO-Signal; einen dritten STO-Kanal, ausgelegt zum Steuern einer Zufuhr eines Ansteuerungssteuersignals von einer Steuerung des Frequenzumrichters an den hochseitigen Treiber und den tiefseitigen Treiber basierend auf einem Ergebnis einer logischen Operation des ersten STO-Signals und des zweiten STO-Signals. Die logische Operation ist dazu ausgelegt, als Reaktion darauf, dass das erste und/oder das zweite STO-Signal aktiv ist, zu bewirken, dass das Ergebnis aktiv ist.
Gemäß Ausführungsformen kann die Leistungsversorgung an den hochseitigen Treiber als Reaktion auf ein aktives erstes STO-Signal gestoppt werden. Gleichermaßen kann die Leistungsversorgung an den tiefseitigen Treiber als Reaktion auf ein aktives zweites STO-Signal gestoppt werden.
Der erste STO-Kanal kann Folgendes umfassen: eine erste Isolationsvorrichtung mit einer ersten Primärseite und einer ersten Sekundärseite, wobei die erste Primärseite zum Empfangen des ersten STO-Signals ausgelegt ist; und eine erste Schaltvorrichtung, die zwischen eine Leistungsversorgung des hochseitigen Treibers und den hochseitigen Treiber geschaltet ist und dazu ausgelegt ist, unter Steuerung der ersten Sekundärseite ein- oder ausgeschaltet zu werden, wobei die erste Sekundärseite derart verbunden ist, dass die erste Schaltvorrichtung als Reaktion auf ein aktives erstes STO-Signal ausgeschaltet wird. Der zweite STO-Kanal kann Folgendes umfassen: eine zweite Isolationsvorrichtung mit einer zweiten Primärseite und einer zweiten Sekundärseite, wobei die zweite Primärseite zum Empfangen des zweiten STO-Signals ausgelegt ist; und eine zweite Schaltvorrichtung, die zwischen eine Leistungsversorgung des tiefseitigen Treibers und den tiefseitigen Treiber geschaltet ist und dazu ausgelegt ist, unter Steuerung der zweiten Sekundärseite ein- oder ausgeschaltet zu werden, wobei die zweite Sekundärseite derart verbunden ist, dass die zweite Schaltvorrichtung als Reaktion auf ein aktives zweites STO-Signal ausgeschaltet wird.
Der dritte STO-Kanal kann Folgendes umfassen: eine dritte Isolationsvorrichtung mit einer dritten Primärseite und einer dritten Sekundärseite, wobei die dritte Primärseite zum Empfangen des Ergebnisses der logischen Operation des ersten STO-Signals und des zweiten STO-Signals ausgelegt ist und wobei die dritte Sekundärseite derart verbunden ist, dass die Zufuhr des Ansteuerungssteuersignals als Reaktion darauf, dass das erste STO-Signal und/oder das zweite STO-Signal aktiv ist, gestoppt wird.
Die dritte Primärseite kann zwischen das erste STO-Signal und Masse geschaltet sein, um einen Strompfad von dem ersten STO-Signal zu der Masse über die dritte Primärseite zu bilden. Die Schaltung kann ferner eine in dem Strompfad angeordnete Schaltvorrichtung umfassen, wobei ein Steueranschluss der Schaltvorrichtung durch das zweite STO-Signal gesteuert wird. Beispielsweise kann die Schaltvorrichtung zwischen das erste STO-Signal und die dritte Primärseite oder zwischen die dritte Primärseite und die Masse geschaltet sein.
Die Schaltung kann ferner einen mit dem Steueranschluss der Schaltvorrichtung verbundenen Gate-Treiber umfassen, wobei ein Betrieb des Gate-Treibers durch das zweite STO-Signal gesteuert wird.
Alternativ kann die dritte Primärseite zwischen das erste STO-Signal und Masse geschaltet sein, um einen Strompfad von dem ersten STO-Signal zu der Masse über die dritte Primärseite zu bilden. Die Schaltung kann ferner einen Bypass-Zweig in Parallelschaltung mit dem Strompfad umfassen, wobei der Bypass-Zweig durch das zweite STO-Signal gesteuert wird. Der Bypass-Zweig kann beispielsweise eine Schaltvorrichtung umfassen, wobei ein Steueranschluss der Schaltvorrichtung durch das zweite STO-Signal gesteuert wird.
Alternativ kann ein Ausgang von der dritten Sekundärseite mit einem Freigabeanschluss der Steuerung verbunden sein. Beispielsweise kann die dritte Isolationsvorrichtung einen Optokoppler umfassen, und ein Ende der dritten Sekundärseite ist mit einer ersten Leistungsversorgung verbunden und das andere Ende ist über einen Widerstand mit einer Massespannung verbunden. Eine Ausgangsspannung an dem anderen Ende ist mit dem Freigabeanschluss der Steuerung verbunden.
Alternativ kann der dritte STO-Kanal ferner eine dritte Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen die Steuerung und den hochseitigen und den tiefenseitigen Treiber geschaltet ist und dazu ausgelegt ist, unter Steuerung der dritten Sekundärseite ein- oder ausgeschaltet zu werden. Die dritte Schaltvorrichtung kann beispielsweise Folgendes umfassen: ein erstes Übertragungsgatter, das zwischen die Steuerung und den hochseitigen Treiber geschaltet ist und zum Übertragen des Ansteuerungssteuersignals von der Steuerung zu dem hochseitigen Treiber ausgelegt ist; und ein zweites Übertragungsgatter, das zwischen die Steuerung und den tiefseitigen Treiber geschaltet ist und zum Übertragen des Ansteuerungssteuersignals von der Steuerung zu dem tiefseitigen Treiber ausgelegt ist. Ein Ausgang von der dritten Sekundärseite ist mit Freigabeanschlüssen des ersten Übertragungsgatters bzw. des zweiten Übertragungsgatters verbunden. Beispielsweise kann die dritte Isolationsvorrichtung einen Optokoppler umfassen, und ein Ende der dritten Sekundärseite ist über einen Widerstand mit einer ersten Leistungsversorgung verbunden und das andere Ende ist mit einer Massespannung verbunden. Eine Ausgangsspannung an dem einen Ende ist mit den Freigabeanschlüssen des ersten Übertragungsgatters bzw. des zweiten Übertragungsgatters verbunden.
Alternativ kann ein Ausgang von der dritten Sekundärseite mit einem Taktgenerator verbunden sein, der zum Liefern eines Taktsignals an die Steuerung ausgelegt ist. Die Schaltung kann ferner eine dritte Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen eine Leistungsversorgung des Taktgenerators und den Taktgenerator geschaltet ist und dazu ausgelegt ist, unter Steuerung der dritten Sekundärseite ein- oder ausgeschaltet zu werden. Die dritte Sekundärseite ist derart verbunden, dass die dritte Schaltvorrichtung als Reaktion darauf, dass das erste STO-Signal und/oder das zweite STO-Signal aktiv ist, ausgeschaltet wird.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann ein UND-Gatter durch diskrete Komponenten gebildet werden, um die logische Operation durchzuführen.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Schaltung ferner Folgendes umfassen: einen ersten Schalter, ausgelegt zum Steuern, ob das erste STO-Signal in den ersten STO-Kanal eingegeben werden soll oder nicht; einen zweiten Schalter, ausgelegt zum Steuern, ob das zweite STO-Signal in den zweiten STO-Kanal eingegeben werden soll oder nicht; und einen dritten Schalter, ausgelegt zum Steuern, ob die Schaltung mit Masse verbunden werden soll oder nicht.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird ein die obige Schaltung beinhaltender Frequenzumrichter bereitgestellt.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird eine Schaltung mit einer Safe-Torque-Off(STO)-Funktionalität bereitgestellt, die Folgendes umfasst: drei STO-Kanäle, ausgelegt zum Empfangen eines ersten STO-Signals, eines zweiten STO-Signals bzw. eines durch eine logische Operation des ersten STO-Signals und des zweiten STO-Signals erhaltenen Signals, und zum Steuern einer Leistungsversorgung an einen hochseitigen Treiber, einer Leistungsversorgung an einen tiefseitigen Treiber bzw. einer Zufuhr eines Ansteuerungssteuersignals in einem Frequenzumrichter basierend auf den empfangenen Signalen. Die logische Operation ist dazu ausgelegt, als Reaktion darauf, dass das erste STO-Signal und/oder das zweite STO-Signal aktiv ist, zu bewirken, dass das durch die logische Operation erhaltene Signal aktiv ist, und das Ansteuerungssteuersignal wird durch eine Steuerung des Frequenzumrichters an den hochseitigen Treiber und den tiefseitigen Treiber geliefert.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die STO-Schaltung drei STO-Kanäle, von denen jeder unabhängig einen Motor stoppen kann, was zu einer „One-out-of-Three“-Konfiguration (bzw. 1003-Konfiguration) führt. Anders ausgedrückt kann die STO-Schaltung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zwei Ausfälle tolerieren, während die STO-Funktionalität weiter funktioniert, d. h. Hardwarefehlertoleranz (bzw. HFT) = 2. Daher lässt sich mit dem Frequenzumrichter mit der STO-Schaltung einfach und effizient ein höherer Sicherheitsgrad erreichen.
Figurenliste
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen davon unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor, wobei Folgendes gilt:

1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Schaltung mit einer STO-Funktionalität veranschaulicht;
2 ist ein Prinzipdiagramm, das eine Schaltung mit einer STO-Funktionalität gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung schematisch veranschaulicht;
3 bis 5 sind Schaltdiagramme, die jeweils Schaltungen mit einer STO-Funktionalität gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulichen;
6 ist ein Diagramm, das verschiedene Schaltungen, die eine UND-Operation an Pegelsignalen durchführt, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulicht;
7 ist ein schematisches Diagramm, das einen Eingangsabschnitt einer Schaltung mit einer STO-Funktionalität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

In den Zeichnungen beziehen sich gleiche oder ähnliche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass diese Beschreibungen lediglich beispielhaft und veranschaulichend sind und die vorliegende Offenbarung nicht einschränken sollen. Darüber hinaus werden in der folgenden Beschreibung Beschreibungen gut bekannter Strukturen und Technologien ausgelassen, um zu vermeiden, dass Konzepte der vorliegenden Offenbarung unnötigerweise unklar gemacht werden.
Hier verwendete Terminologien dienen lediglich der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und sollen die vorliegende Offenbarung nicht einschränken. Wörter wie „ein“, „eine“ oder „der/die/das“ sollen gemäß vorliegender Verwendung die Bedeutungen von „mehrere“ oder „vielfache“ beinhalten, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Darüber hinaus geben Begriffe wie „umfassen“ oder „beinhalten“ gemäß vorliegender Verwendung das Vorliegen genannter Merkmale, Schritte, Operationen und/oder Elemente an, schließen jedoch nicht das Vorliegen oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Schritte, Operationen oder Elemente aus.
Alle hier verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) sollen die allgemeine Bedeutung gemäß Verständnis durch Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet haben, sofern nicht etwas anderes definiert ist. Es sei angemerkt, dass die hier verwendeten Begriffe so zu interpretieren sind, dass ihre Bedeutungen mit dem Kontext der Beschreibung konsistent sind, und nicht ideal oder übermäßig formell zu interpretieren sind.
In der Beschreibung und den Ansprüchen angeführte Zahlen sind Annäherungen, die in Abhängigkeit von den durch die vorliegende Offenbarung zu erhaltenen gewünschten Eigenschaften variieren können, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Insbesondere sind sämtliche in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendete Zahlen, die Komponenteninhalte, Reaktionsbedingungen oder dergleichen angeben, als in allen Fällen durch den Begriff „etwa“ modifiziert zu verstehen. Im Allgemeinen soll der Ausdruck Variationen um eine bestimmte Menge von beispielsweise ± 10% oder mehr oder weniger in einigen Ausführungsformen beinhalten.
Ordnungszahlen wie „erstes“, „zweites“ und „drittes“ in der Beschreibung und den Ansprüchen, die einem Element vorangestellt sind, geben weder eine Ordnungszahl des Elements noch die Reihenfolge, in der das Element mit einem anderen Element oder in einem Herstellungsverfahren eingereiht ist oder dessen Bedeutung an. Die Verwendung von Ordnungszahlen dient lediglich dazu, ein Element mit einem gewissen Namen von einem anderen Element mit demselben Namen zu unterscheiden.
1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Schaltung mit einer STO-Funktionalität veranschaulicht.
Das Schaltdiagramm veranschaulicht schematisch Signalflüsse und schematische Verbindungen beim Steuern eines Motors durch einen Frequenzumrichter. Wie 1 gezeigt, kann die Schaltung basierend auf Betriebsspannungspegeln und auch zu Sicherheitszwecken in eine Niederspannungsseite (z. B. PELV-Seite (PELV: Funktionskleinspannung mit sicherer Trennung)) und eine Hochspannungsseite unterteilt werden. Die Niederspannungsseite betrifft im Allgemeinen Operationen mit Niederspannungen, wie etwa verschiedene Steuersignale; während die Hochspannungsseite im Allgemeinen Operationen mit Hochspannungen betrifft, wie etwa Leistungsversorgung einer Last (z. B. eines Motors). Zum Zweck der elektrischen Sicherheit gibt es im Allgemeinen einen elektrischen Isolator, wie etwa einen Optokoppler 101, der zwischen der Niederspannungsseite und der Hochspannungsseite vorgesehen ist. Mit dem Optokoppler 101 lässt sich einerseits eine elektrische Isolation zwischen der Niederspannungsseite und der Hochspannungsseite erzielen und andererseits eine Steuerung optisch von der Niederspannungsseite zu der Hochspannungsseite übertragen. In der folgenden Beschreibung wird der Optokoppler als ein Beispiel des elektrischen Isolators beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt ist. So sind beispielsweise auch Komponenten wie ein kapazitiver Koppler, ein magnetischer Koppler oder dergleichen, mit denen sich eine elektrische Isolation und auch ein Signaltransfer zwischen der Niederspannungsseite und der Hochspannungsseite erzielen lassen, möglich.
Insbesondere kann der Optokoppler 101 eine Primärseite 101P und eine Sekundärseite 101S beinhalten. Die Primärseite 101P kann in Form einer Leuchtdiode (LED) vorliegen, die als Reaktion darauf, dass ein STO-Signal an einem Signaleingang empfangen wird, ein- oder ausgeschaltet wird. Im Allgemeinen befindet sich das STO-Signal bei einem hohen Pegel (z. B. etwa 24 V) in einem „inaktiven“ Zustand, der angibt, dass der Motor normal arbeitet, ohne gestoppt werden zu müssen, und befindet sich bei einem nichthohen Pegel (z. B. einer niedrigen Spannung wie etwa 0 V oder einem Leerlaufzustand) in einem „aktiven“ Zustand, der angibt, dass der Motor zu stoppen ist. Hier bezieht sich der „hohe Pegel“ auf eine Spannung, die die LED auf der Primärseite 101P des Optokopplers 101 effektiv einschalten kann, und der „nichthohe“ Pegel bezieht sich auf eine Spannung, bei der die LED auf der Primärseite 101P des Optokopplers 101 ausgeschaltet bleibt. Beispielsweise kann, wenn das STO-Signal auf einem hohen Pegel ist (was dazu führt, dass eine Spannung an der LED größer als eine EIN-Spannung der LED ist), die LED eingeschaltet wird, sodass Licht von ihr emittiert wird. Wenn das STO-Signal dahingehend freigegeben wird (z. B. bei einem niedrigen Pegel oder in einem Leerlaufzustand), aktiv zu sein, kann die LED ausgeschaltet werden. Die Sekundärseite 101S kann in Form eines Transistors vorliegen, wobei eine Basis ein durch die LED der Primärseite 101P emittiertes optisches Signal empfängt. Insbesondere kann der Transistor der Sekundärseite 101S eingeschaltet werden, wenn die LED der Primärseite 101 P eingeschaltet ist und Licht emittiert, oder ausgeschaltet werden, wenn die LED der Primärseite 101P ausgeschaltet ist und kein Licht emittiert.
Die Sekundärseite 101S kann somit abhängig von dem auf der Primärseite empfangenen STO-Signal ein- oder ausgeschaltet werden. Ein derartiges Ein-/Ausschalten der Sekundärseite 101S kann eine Leistungsversorgung einer Leistungsversorgungsschaltung 103 steuern. Die Leistungsversorgungsschaltung 103 kann beispielsweise dahingehend gesteuert werden, Leistung nach außen abzugeben, wenn der Transistor auf der Sekundärseite 101S eingeschaltet ist, und die Leistungsabgabe zu stoppen, wenn der Transistor auf der Sekundärseite 101S ausgeschaltet ist. Ein Motortreiber 105, der durch die Leistungsversorgungsschaltung 103 gespeist wird, kann dann basierend auf dem STO-Signal, das durch die Primärseite 101P empfangen wird, entsprechend arbeiten (mit der Leistung) oder stoppen (ohne die Leistung).
In dem Optokoppler liegt die Primärseite 101P in Form einer Diode und die Sekundärseite 101S in Form eines Transistors vor, und Signale werden optisch zwischen ihnen übertragen. Wie oben beschrieben, ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann es einen kapazitiven Koppler in Form eines Kondensators oder einen magnetischen Koppler in Form eines Transformators geben. Unabhängig von der speziellen Form des elektrischen Isolators bezieht sich die „Primärseite“ in der vorliegenden Offenbarung auf eine Seite, die das STO-Signal empfängt, und die „Sekundärseite“ bezieht sich auf die andere Seite des elektrischen Isolators, die basierend auf dem hohen und dem niedrigen Pegel des durch die Primärseite empfangenen STO-Signals verschiedene Zustände wiedergibt (z. B. abhängig von ihrer Verbindung Signale mit unterschiedlichen Pegeln ausgibt) und somit eine Ausgabe einer damit verbundenen Schaltung steuern kann.
Der Motortreiber 105 mit der von der Leistungsversorgungsschaltung 103 zugeführten Leistung kann basierend auf einem durch eine Motorsteuerung 107 gelieferten Ansteuerungssteuersignal arbeiten. Insbesondere kann der Motortreiber 105 basierend auf dem durch die Motorsteuerung 107 gelieferten Ansteuerungssteuersignal ein Ansteuerungssignal (zum Beispiel ein Pulsbreitenmodulations(PWM)-Signal zum Steuern von Drehung/Stopp, Drehzahl oder dergleichen des Motors) an den Motor ausgeben, um den Motor zum Arbeiten anzusteuern. Im Allgemeinen handelt es sich bei dem durch die Motorsteuerung 107 gelieferten Ansteuerungssteuersignal, wie etwa einem PWM-Signal, um ein Signal mit niedriger Spannung (z. B. etwa 3,3 V). Der Motortreiber 105 kann das Ansteuerungssignal mit einer hohen Spannung (z. B. etwa 18 V) mit der von der Leistungsversorgungsschaltung 103 zugeführten Leistung ausgeben. Das Ansteuerungssignal entspricht dem Ansteuerungssteuersignal und ist beispielsweise ein PWM-Signal mit derselben Wellenform wie das Ansteuerungssteuersignal.
Der Motortreiber 105 kann dem Motor über Schaltvorrichtungen, wie etwa Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT), ein Drehmoment bereitstellen. Für einen Dreiphasenmotor werden im Allgemeinen sechs IGBT vorgesehen, drei für die Hoch-Seite und drei für die Tief-Seite. Das durch den Motortreiber 105 ausgegebene Ansteuerungssignal kann mit Gates der IGBT gekoppelt werden, um ein Ein-/Ausschalten der IGBT zu steuern. Dementsprechend kann die Steuerung 107 sechs Ansteuerungssteuersignale, wie etwa PWM-Signale, für die sechs IGBT ausgeben. Der Motortreiber 105 kann einen hochseitigen Treiber für die hochseitigen IGBT und einen tiefseitigen Treiber für die tiefseitigen IGBT beinhalten (siehe z. B. 305H und 305L in 2), von denen jeder drei entsprechende der Ansteuerungssteuersignale von der Motorsteuerung 107 empfängt und drei (Gate-)Ansteuerungssignale für drei entsprechende der IGBT ausgibt. Die Drehzahl des Motors kann durch Anpassen eines Tastgrads des PWM-Signals angepasst werden.
In dem Beispiel von 1 wird nur ein einziger STO-Kanal veranschaulicht. Doppel-STO-Kanäle können vorgesehen werden. Im Allgemeinen sind die zwei STO-Kanäle separat angeordnet, was zu einer redundanten Konfiguration führt. Beispielsweise kann einer von ihnen dazu verwendet werden, den hochseitigen Treiber für die hochseitigen IGBT zu steuern, und der andere kann dazu verwendet werden, den tiefseitigen Treiber für die tiefseitigen IGBT zu steuern. Jeder von ihnen kann das STO-Signal separat empfangen. Wird das STO-Signal eines beliebigen der Kanäle dahingehend freigegeben, aktiv zu sein, kann der entsprechende Treiber heruntergefahren werden, wodurch das Ansteuern der entsprechenden hochseitigen oder tiefseitigen IGBT gestoppt und somit der Motor gestoppt wird, um die STO-Funktionalität zu implementieren.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird eine dreikanalige STO-Konfiguration bereitgestellt. Die drei Kanäle können jeweils unabhängig als Reaktion auf ein aktives STO-Signal ein Signal zum Stoppen des Motors ausgeben, wodurch das Risiko, dass der Motor aufgrund eines Ausfalls eines einzelnen oder von zwei der Kanäle nicht gestoppt wird, reduziert wird.
2 ist ein Prinzipdiagramm, das eine Schaltung mit einer STO-Funktionalität gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung schematisch veranschaulicht.
Wie in 2 gezeigt, weist die Schaltung gemäß der Ausführungsform zwei STO-Kanäle (die als „ein erster STO-Kanal“ bzw. „ein zweiter STO-Kanal“ bezeichnet werden können) für einen hochseitigen Treiber 305H bzw. einen tiefseitigen Treiber 305L auf, die als Reaktion auf ein erstes STO-Signal STO_a bzw. ein zweites STO-Signal STO_b agieren. Der erste STO-Kanal kann eine erste Isolationsvorrichtung 301a beinhalten und der zweite STO-Kanal kann eine zweite Isolationsvorrichtung 301b beinhalten. Wie oben beschrieben, können die erste Isolationsvorrichtung 301a und die zweite Isolationsvorrichtung 302a Komponenten mit Isolationsfunktionen beinhalten, wie etwa Optokoppler, kapazitive Koppler, magnetische Koppler und dergleichen.
Die erste Isolationsvorrichtung 301a kann das erste STO-Signal STO_a empfangen und eine Ausgabe zum Steuern des Betriebs des hochseitigen Treibers 305H z. B. durch Trennen der Leistung von einer Leistungsversorgung (Vdd 1) an den hochseitigen Treiber 305H als Reaktion darauf, dass das erste STO-Signal STO_a aktiv ist, aufweisen. In diesem Fall kann eine erste Schaltvorrichtung 303a zwischen die Leistungsversorgung (Vdd 1) des hochseitigen Treibers 305H und den hochseitigen Treiber 305H geschaltet sein, und die Ausgabe von der ersten Isolationsvorrichtung 301a kann ein Ein-/Ausschalten der ersten Schaltvorrichtung 303a steuern. Die zweite Isolationsvorrichtung 301b kann das zweite STO-Signal STO_b empfangen und eine Ausgabe zum Steuern des Betriebs des tiefseitigen Treibers 305L z. B. durch Trennen der Leistung von einer Leistungsversorgung (Vdd 2) an den tiefseitigen Treiber 305L als Reaktion darauf, dass das zweite STO-Signal STO_b aktiv ist, aufweisen. In diesem Fall kann eine zweite Schaltvorrichtung 303b zwischen die Leistungsversorgung (Vdd 2) des tiefseitigen Treibers 305L und den tiefseitigen Treiber 305L geschaltet sein, und die Ausgabe von der zweiten Isolationsvorrichtung 301b kann ein Ein-/Ausschalten der zweiten Schaltvorrichtung 303b steuern.
In der Figur sind die Isolationsvorrichtungen 301a und 301b in den zwei STO-Kanälen so veranschaulicht, dass sie die Leistungsversorgung an den hochseitigen und den tiefseitigen Treiber 305H und 305L über die Schaltvorrichtungen 303a bzw. 303b steuern. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Ausgänge von den Isolationsvorrichtungen 301a und 301b können auch mit Freigabeanschlüssen des hochseitigen und des tiefseitigen Treibers 305H und 305L verbunden sein, um die Operationen des hochseitigen und des tiefseitigen Treibers 305H und 305L durch Freigeben oder Sperren des hochseitigen und des tiefseitigen Treibers 305H und 305L zu steuern. Ist bzw. sind beispielsweise eines oder beide des ersten und des zweiten STO-Signals STO_a und STO_b freigegeben (aktiv), so kann bzw. können die Ausgabe(n) von der bzw. den entsprechenden Isolationsvorrichtung(en) den bzw. die Treiber auf der bzw. den entsprechenden Seite(n) sperren, um deren Betrieb zu stoppen.
Der erste und der zweite STO-Kanal können jeweils wie in 1 gezeigt arbeiten. Ist beispielsweise eines des ersten und des zweiten STO-Signals STO_a und STO_b freigegeben (aktiv), so kann die entsprechende Schaltvorrichtung 303a oder 303b die Leistungsversorgung an den entsprechenden Treiber 305H oder 305L trennen, wodurch der Betrieb des Treibers 305H oder 305L gestoppt wird.
Die Schaltung kann einen dritten STO-Kanal für eine Motorsteuerung 307 zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten STO-Kanal beinhalten. Der dritte STO-Kanal kann eine dritte Isolationsvorrichtung 301c beinhalten, wobei eine Ausgabe von dieser die Motorsteuerung 307 dahingehend steuern kann, Ansteuerungssteuersignale an den hochseitigen und den tiefseitigen Treiber 305H und 305L zu liefern. Beispielsweise kann eine dritte Schaltvorrichtung 303c zwischen die Motorsteuerung 307 und den hochseitigen und den tiefseitigen Treiber 305H und 305L geschaltet sein, und die Ausgabe von der dritten Isolationsvorrichtung 301c kann ein Ein-/Ausschalten der dritten Schaltvorrichtung 303c steuern. Durchschnittsfachleute sollten verstehen, dass die Steuerung zum Liefern eines Signals von einer Signalquelle an eine Komponente nicht auf die Verwendung einer Schaltvorrichtung in einem Übertragungspfad zwischen der Signalquelle (in diesem Beispiel der Motorsteuerung 307) und der Komponente (in diesem Beispiel dem hochseitigen und dem tiefseitigen Treiber 305H und 305L) beschränkt ist. Es kann eine Vielzahl verschiedener Verfahren geben, beispielsweise ein Verfahren zum Steuern des Betriebs der Signalquelle oder dergleichen. Gleichermaßen kann die dritte Isolationsvorrichtung 301c Komponenten mit Isolationsfunktionen beinhalten, wie etwa Optokoppler, kapazitive Koppler, magnetische Koppler und dergleichen.
Der dritte STO-Kanal kann basierend auf dem ersten STO-Signal STO_a und/oder dem zweiten STO-Signal STO_b agieren. Insbesondere wenn eines (oder beide) des ersten STO-Signals STO_a und des zweiten STO-Signals STO_b freigegeben ist (was bedeutet, dass der Motor gestoppt werden sollte), kann der dritte STO-Kanal auch die Zufuhr der Ansteuerungssteuersignale von dem Motortreiber 307 an den hochseitigen und den tiefseitigen Treiber 305H und 305L durch Ausschalten der dritten Schaltvorrichtung 303c trennen. Der dritte STO-Kanal kann also als Reaktion darauf, dass eines oder beide des ersten und des zweiten STO-Signals STO_a und STO_b aktiv ist, freigegeben werden, was durch eine UND-Operation zwischen Signalpegeln des ersten STO-Signals STO_a und des zweiten STO-Signals STO_b implementiert werden kann. 2 veranschaulicht schematisch ein UND-Gatter 309 zum Implementieren der UND-Operation. Es sei angemerkt, dass das UND-Gatter 309 lediglich im Prinzip veranschaulicht ist, um ein Modul zum Durchführen der UND-Operation zu repräsentieren. Das UND-Gatter 309 kann in verschiedenen Schaltungskonfigurationen implementiert werden, beispielsweise indem einfach verschiedene diskrete Komponenten verwendet werden, was nachstehend unter Bezugnahme auf 6 weiter erläutert wird.
Falls die Zufuhr der Ansteuerungssteuersignale von dem Motortreiber 307 an den hochseitigen und den tiefseitigen Treiber 305H und 305L getrennt wird, können der hochseitige und der tiefseitige Treiber 305H und 305L keine entsprechenden Ansteuersignale erzeugen, da sie die Ansteuerungssteuersignale nicht empfangen, und somit das Ansteuern des Motors zum Drehen stoppen. Daher ist der dritte STO-Kanal zusätzlich zu dem ersten STO-Kanal und dem zweiten STO-Kanal als eine redundante Konfiguration vorgesehen, was für eine Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Sicherheit von Vorteil ist.
Wie in 2 gezeigt, kann die redundante Konfiguration erzielt werden, indem lediglich die dritte Isolationsvorrichtung 301c, das UND-Gatter 309 und die Schaltvorrichtung 303c bereitgestellt werden, ohne andere Teile der Schaltung zu ändern. Daher ist es möglich, einen höheren Grad an Sicherheit zu relativ geringen Kosten (die hauptsächlich durch die dritte Isolationsvorrichtung 301c verursacht werden) zu erzielen.
Es gibt eine Vielzahl von Implementierungen des dritten STO-Kanals, von denen einige nachstehend beschrieben werden. In diesem Beispiel wird der Optokoppler zur Zweckmäßigkeit der Beschreibung des Betriebs der Schaltung als ein Beispiel des elektrischen Isolators beschrieben.
3 ist ein Schaltdiagramm, das eine Schaltung mit einer STO-Funktionalität gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung schematisch veranschaulicht.
Wie in 3 gezeigt, weist die Schaltung gemäß der Ausführungsform eine dreikanalige STO-Anordnung einschließlich eines ersten Optokopplers OP1, eines zweiten Optokopplers OP2 und eines dritten Optokopplers OP3 auf. Der dritte Optokoppler OP3 weist eine primärseitige LED auf, die eine Anode, die dahingehend verbunden ist, ein erstes STO-Signal STO1 zu empfangen, und eine über eine Schaltvorrichtung 409 (z. B. einen NPN-Transistor) mit Masse verbundene Kathode aufweisen kann. Ein zweites STO-Signal STO2 kann mit einem Steueranschluss (z. B. einem Basisanschluss) der Schaltvorrichtung 409 verbunden sein. In diesem Beispiel kann das erste STO-Signal STO1 als eine Leistungsversorgung an die primärseitige LED des dritten Optokopplers OP3 betrachtet werden, die primärseitige LED des dritten Optokopplers OP3 ist zwischen die Leistungsversorgung STO1 und die Masse geschaltet und die Schaltvorrichtung 409 (zwischen der Kathode der primärseitigen LED und dem dritten Optokoppler OP3 und der Masse) kann basierend auf dem zweiten STO-Signal STO2 den Schaltungspfad, in dem sich die primärseitige LED des dritten Optokopplers OP3 befindet, ein- oder ausschalten. Auf diese Weise kann die primärseitige LED des dritten Optokopplers OP3 als Reaktion darauf, dass eines oder beide des ersten STO-Signals STO1 und des zweiten STO-Signals STO2 freigegeben wird bzw. werden, ausgeschaltet werden. Beispielsweise kann der dritte Optokoppler OP3 aufgrund eines Fehlens der Leistungsversorgung, wenn das erste STO-Signal STO1 freigegeben ist, oder aufgrund eines Trennens einer Verbindung mit der Masse, wenn das zweite STO-Signal STO2 freigegeben ist, ausgeschaltet werden. Somit wird eine UND-Operation von Signalpegeln des ersten STO-Signals STO1 und des zweiten STO-Signals STO2 implementiert. Es gibt verschiedene Schaltungen zum Durchführen der UND-Operation, und die 3 gezeigte Schaltung ist lediglich veranschaulichend.
In diesem Beispiel sind Zenerdioden D1 und D2 von beispielsweise 15 V an Signaleingängen von STO1 bzw. STO2 verbunden. Die Zenerdioden D1 und D2 sind vorgesehen, um eine stabile STO-Triggerschwellenspannung einzustellen.
Der erste Optokoppler OP1 kann einen sekundärseitigen Transistor aufweisen, von dem ein Ende auf eine Versorgungsspannung FVGD+ hochgezogen wird und das andere Ende mit Masse verbunden ist. Darüber hinaus ist in diesem Beispiel eine Tiefpassfilterschaltung an einem Ausgang des sekundärseitigen Transistors verbunden, um eine stabile Ausgabe bereitzustellen. In diesem Beispiel ist eine aus einem Widerstand R11 und einem Kondensator C1 bestehende RC-Tiefpassfilterschaltung veranschaulicht, um eine gefilterte Ausgabe über dem Kondensator C1 zu liefern. Darüber hinaus kann auch ein Widerstand R1 über dem Kondensator C1 verbunden sein, um einen Entladepfad für den Kondensator C1 bereitzustellen (der Widerstand R1 dient als eine Last der RC-Tiefpassfilterschaltung). Es gibt verschiedene Tiefpassfilterschaltungen im Stand der Technik, und die 3 gezeigte Schaltung ist lediglich veranschaulichend.
Eine erste Schaltvorrichtung Q1 (z. B. PMOSFET) ist zwischen die Versorgungsspannung FVGD+ und einen hochseitigen Treiber 405H geschaltet, und die gefilterte Ausgabe von der Sekundärseite des ersten Optokopplers OP1 kann ein Ein-/Ausschalten der ersten Schaltvorrichtung Q1 steuern. Ist die erste Schaltvorrichtung Q1 eingeschaltet, so kann die Versorgungsspannung FVGD+ als eine Leistungsversorgung VGD an den hochseitigen Treiber 405H geliefert werden. Der hochseitige Treiber 405H mit der Leistungsversorgung VGD kann ein Gate-Ansteuerungssignal für einen hochseitigen IGBT basierend auf einem Ansteuerungssteuersignal, wie etwa einem PWM-Signal von einer Motorsteuerung 407, ausgeben.
Der zweite Optokoppler OP2 kann einen ähnlich verbundenen sekundärseitigen Transistor aufweisen, von dem ein Ende auf die Versorgungsspannung FVGD+ hochgezogen wird und das andere Ende mit Masse verbunden ist. Gleichermaßen kann eine Tiefpassfilterschaltung, wie etwa eine aus einem Widerstand R22 und einem Kondensator C2 bestehende RC-Tiefpassfilterschaltung, an einem Ausgang des sekundärseitigen Transistors verbunden sein, und ein Widerstand R2 kann als eine Last über dem Kondensator C2 verbunden sein. Ausführliche Beschreibungen davon werden hier ausgelassen.
Eine zweite Schaltvorrichtung Q2 (z. B. PMOSFET) ist zwischen die Versorgungsspannung FVGD+ und einen tiefseitigen Treiber 405L geschaltet, und die gefilterte Ausgabe von der Sekundärseite des zweiten Optokopplers OP2 kann ein Ein-/Ausschalten der zweiten Schaltvorrichtung Q2 steuern. Ist die zweite Schaltvorrichtung Q2 eingeschaltet, so kann die Versorgungsspannung FVGD+ als eine Leistungsversorgung VSL an den tiefseitigen Treiber 405L geliefert werden. Der tiefseitige Treiber 405L mit der Leistungsversorgung VSL kann ein Gate-Ansteuerungssignal für einen tiefseitigen IGBT basierend auf einem Ansteuerungssteuersignal, wie etwa einem PWM-Signal von der Motorsteuerung 407, ausgeben.
Der dritte Optokoppler OP3 kann eine Sekundärseite aufweisen, von der ein Ende mit einer Leistungsversorgungsspannung Vcc verbunden ist und das andere Ende über einen Widerstand R3 mit Masse verbunden ist. Ein Ausgangssignal (z. B. eine Spannung an einem Emitter) der Sekundärseite des dritten Optokopplers OP3 ist während eines normalen Betriebs auf einem Hoch-Pegel (wobei die Motorsteuerung normalerweise die Ansteuerungssteuersignale liefern sollte) oder auf einem Tief-Pegel, wenn das STO getriggert wird (z. B. eines oder beide von STO1 und STO2 freigegeben sind) (wobei die Motorsteuerung 407 das Liefern der Ansteuerungssteuersignale stoppt). Das Ausgangssignal der Sekundärseite des dritten Optokopplers OP3 weist also die gleiche Freigabelogik wie die Motorsteuerung 407 auf. Daher kann ein Ausgangssignal der Sekundärseite des dritten Optokopplers OP3 mit einem Freigabeanschluss EN der Motorsteuerung 407 verbunden sein.
Wird das STO getriggert (z. B. mindestens eines des STO1 und des STO2 ist freigegeben), so wird bzw. werden der bzw. die entsprechende(n) des ersten und des zweiten Optokopplers OP1 und OP2 und auch des dritten Optokopplers OP3 beide/alle ausgeschaltet und ihre jeweiligen sekundärseitigen Transistoren beide/alle ausgeschaltet. In dem STO-Kanal, in dem sich der ausgeschaltete des ersten Optokopplers OP1 und des zweiten Optokopplers OP2 befindet, kann der Kondensator C1 oder C2 über den Widerstand R1 oder R2 entladen werden. Fällt die Spannung an dem Kondensator C1 oder C2 unter eine Schwellenspannung der Schaltvorrichtung Q1 oder Q2 ab, so kann die Schaltvorrichtung Q1 oder Q2 ausgeschaltet werden. Da die Schaltvorrichtung Q1 oder Q2 ausgeschaltet ist, empfängt der hochseitige Treiber 405H oder der tiefseitige Treiber 405L nicht die Leistungsversorgung VGD oder VSL und stoppt somit seinen Betrieb, sodass ein Drehmoment des Motors ausgeschaltet werden kann. Darüber hinaus wird in dem dritten STO-Kanal, in dem sich der dritte Optokoppler befindet, die Sekundärseite des dritten Optokopplers ausgeschaltet, sodass ihr Ausgangssignal auf die Masse heruntergezogen wird, und somit kann der Freigabeanschluss EN an der Motorsteuerung 407 auf die Massespannung heruntergezogen werden, was zu einer Unterbrechung des Lieferns der Ansteuerungssteuersignale an den hochseitigen Treiber 405H und den tiefseitigen Treiber 405L bewirkt, wodurch somit das Ansteuern des Motors zum Drehen gestoppt wird.
In diesem Beispiel wird die Motorsteuerung 407 in dem dritten STO-Kanal durch den Freigabeanschluss EN anstatt durch die Schaltvorrichtung, wie in 2 gezeigt, gesteuert. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können Schaltvorrichtungen zwischen der Motorsteuerung 407 und dem hochseitigen Treiber 405H bzw. zwischen der Motorsteuerung 407 und dem tiefseitigen Treiber 405L vorgesehen sein und basierend auf dem Ausgangssignal der Sekundärseite des dritten Optokopplers gesteuert werden.
4 ist ein Schaltdiagramm, das eine Schaltung mit einer STO-Funktionalität gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung schematisch veranschaulicht.
Wie in 4 gezeigt, handelt es sich bei der STO-Schaltung gemäß der Ausführungsform um eine dreikanalige STO-Anordnung einschließlich eines ersten Optokopplers OP1, eines zweiten Optokopplers OP2 und eines dritten Optokopplers OP3. Verbindungen der Optokoppler auf deren jeweiliger Primär-und Sekundärseite sind die gleichen wie die oben in Verbindung mit 3 beschriebenen und werden hier nicht erneut beschrieben. Darüber hinaus ist, ähnlich dem ersten Optokoppler OP1 und dem zweiten Optokoppler OP2, auf der Sekundärseite des dritten Optokopplers OP3 auch eine beispielsweise aus einem Widerstand R33 und einem Kondensator C3 bestehende RC-Tiefpassfilterschaltung vorgesehen, und ein Widerstand R3 kann als eine Last über dem Kondensator C3 verbunden sein. Darüber hinaus kann bezüglich einer Schaltvorrichtung 509, einer Motorsteuerung 507, einem hochseitigen Treiber 505H und einem tiefseitigen Treiber 505L, die in der Figur veranschaulicht sind, Bezug auf die obigen Beschreibungen der entsprechenden Komponenten genommen werden.
In diesem Beispiel ist das Ausgangssignal der Sekundärseite des dritten Optokopplers OP3 nicht mit dem Freigabeanschluss der Motorsteuerung verbunden, sondern mit einem Taktgenerator 511, der mit der Motorsteuerung 507 verbunden ist, verbunden. Der Taktgenerator 511 kann ein Taktsignal CLK beispielsweise basierend auf einem Kristalloszillator erzeugen. Die Motorsteuerung 507 kann ein Ansteuerungssteuersignal, wie etwa ein PWM-Signal, basierend auf dem Taktsignal CLK erzeugen. Eine dritte Schaltvorrichtung Q3 (z. B. PMOSFET) kann zwischen eine Leistungsversorgungsschaltung Vcc (Leistungsversorgung des Taktgenerators) und einen Leistungsversorgungsanschluss des Taktgenerators 511 geschaltet sein, und die gefilterte Ausgabe der Sekundärseite des dritten Optokopplers OP3 kann ein Ein-/Ausschalten der dritten Schaltvorrichtung Q3 steuern. Ist die dritte Schaltvorrichtung Q3 eingeschaltet, so kann die Leistungsversorgungsspannung Vcc zu dem Taktgenerator 511 übertragen werden, und somit kann der Taktgenerator 511 dahingehend arbeiten, das Taktsignal CLK zu erzeugen. Ist dagegen die dritte Schaltvorrichtung Q3 ausgeschaltet, so wird der Taktgenerator 511 ausgeschaltet, um das Taktsignal CLK nicht zu erzeugen, und somit stoppt die Motorsteuerung 507 die Zufuhr der Ansteuerungssteuersignale.
Beispiele, in denen die dreikanalige STO-Funktionalität durch Steuern des Betriebs der Motorsteuerung erzielt wird, sind oben in Verbindung mit 3 und 4 beschrieben. Durchschnittsfachleute erkennen, dass es viele verschiedene Wege zum Steuern des Betriebs der Motorsteuerung gibt.
5 ist ein Schaltdiagramm, das eine Schaltung mit einer STO-Funktionalität gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung schematisch veranschaulicht.
Wie in 5 gezeigt, handelt es sich bei der STO-Schaltung gemäß der Ausführungsform um eine dreikanalige STO-Anordnung einschließlich eines ersten Optokopplers OP1, eines zweiten Optokopplers OP2 und eines dritten Optokopplers OP3. Verbindungen der Optokoppler auf deren jeweiliger Primär-und Sekundärseite sind die gleichen wie die oben in Verbindung mit 3 beschriebenen und werden hier nicht erneut beschrieben. Ein Ende der Sekundärseite des dritten Optokopplers OP3 wird über einen Widerstand R3 auf eine Leistungsversorgungsspannung Vcc hochgezogen und das andere Ende ist mit Masse verbunden. Ein Ausgangssignal (z. B. eine Spannung an einem Kollektor) der Sekundärseite des dritten Optokopplers OP3 ist während eines normalen Betriebs auf einem Tief-Pegel oder auf einem Hoch-Pegel, wenn das STO getriggert wird (z. B. eines des STO 1 und des STO 2 freigegeben ist). Darüber hinaus kann bezüglich einer Motorsteuerung 607, einem hochseitigen Treiber 605H und einem tiefseitigen Treiber 605L, die in der Figur veranschaulicht sind, Bezug auf die obigen Beschreibungen der entsprechenden Komponenten genommen werden.
In diesem Beispiel wird anstelle eines Transistors ein Übertragungsgatter als die dritte Schaltvorrichtung verwendet. Beispielsweise kann ein erstes Übertragungsgatter 613_a zwischen die Motorsteuerung 607 und den hochseitigen Treiber 605H geschaltet sein und ein zweites Übertragungsgatter 613_b zwischen die Motorsteuerung 607 und den tiefseitigen Treiber 605L geschaltet sein. Das erste Übertragungsgatter 613_a und das zweite Übertragungsgatter 613_b können bei Freigabe Ansteuerungssteuersignale, die durch die Motorsteuerung 607 erzeugt werden, zu dem hochseitigen Treiber 605H bzw. dem tiefseitigen Treiber 605L übertragen. Der Ausgang der Sekundärseite des dritten Optokopplers OP3 kann mit einem Freigabeanschluss ENB jedes des ersten und des zweiten Übertragungsgatters 613_a und 613_b verbunden sein. Hier kann der Freigabeanschluss ENB bei einem Tief-Pegel aktiv sein. Ist die Sekundärseite des dritten Optokopplers OP3 eingeschaltet, so können die jeweiligen Freigabeanschlüsse ENB des ersten und des zweiten Übertragungsgatters 613_a und 613_b auf die Massespannung heruntergezogen werden und somit dahingehend freigegeben werden, die Ansteuerungssteuersignale zu übertragen. Ist die Sekundärseite des dritten Optokopplers OP3 dagegen ausgeschaltet, so können die jeweiligen Freigabeanschlüsse ENB des ersten und des zweiten Übertragungsgatters 613_a und 613_b auf die Leistungsversorgungsspannung Vcc hochgezogen werden und somit gesperrt werden, um die Ansteuerungssteuersignale nicht zu übertragen.
Die Anordnungen und Funktionsprinzipien der drei STO-Kanäle gemäß dem erfinderischen Konzept sind oben unter Bezugnahme auf 3-5 beispielhaft beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise ist es nicht zwingend notwendig, dass der erste und der zweite STO-Kanal den hochseitigen und den tiefseitigen Treiber steuern oder dass der dritte STO-Kanal die Motorsteuerung steuert. Stattdessen ist es durch adaptives Anpassen der Schaltungstopologie auch möglich, dass der erste ST -Kanal den tiefseitigen Treiber oder die Motorsteuerung steuert, der zweite STO-Kanal den hochseitigen Treiber oder die Motorsteuerung steuert oder der dritte STO-Kanal den hochseitigen oder den tiefseitigen Treiber steuert. Zusammenfassend sollte eine dreikanalige Konfiguration, bei der die UND-Operation der zwei STO-Signale als eine Eingabe in den dritten STO-Kanal verwendet wird, und wovon eine Ausgabe die Zufuhr des Ansteuerungssteuersignals steuert, im Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen.
6 ist ein Diagramm, das verschiedene Schaltungen, die eine UND-Operation an Pegelsignalen durchführt, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulicht.
Wie in 6 (a) gezeigt, kann die in 3 gezeigte Schaltvorrichtung 409 mit einer anderen Art von Schaltvorrichtung, wie etwa einem N-Typ-MetallOxid-Halbleiter(NMOS)-transistor, implementiert sein.
In den in 3 und 6(a) gezeigten Beispielen ist die Schaltvorrichtung mit der Kathode der Primärseite des dritten Optokopplers OP3 verbunden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Schaltvorrichtung mit der Anode der Primärseite des dritten Optokopplers OP3 verbunden sein. Wie in 6(b) gezeigt, kann die Anode der primärseitigen LED des dritten Optokopplers OP3 dahingehend verbunden sein, das erste STO-Signal STO1 über die Schaltvorrichtung (z. B. NMOS) zu empfangen, und ihre Kathode kann mit der Masse verbunden sein. Das zweite STO-Signal STO2 kann dahingehend verbunden sein, einen Steueranschluss der Schaltvorrichtung zu steuern. In diesem Beispiel kann das erste STO-Signal STO1 auch als eine Leistungsversorgung an die primärseitige LED des dritten Optokopplers OP3 betrachtet werden, die primärseitige LED des dritten Optokopplers OP3 ist zwischen die Leistungsversorgung STO1 und die Masse geschaltet und die Schaltvorrichtung (zwischen der Leistungsversorgung STO1 und der Anode der primärseitigen LED des dritten Optokopplers OP3) kann basierend auf dem zweiten STO-Signal STO2 den Schaltungspfad, in dem sich die primärseitige LED des dritten Optokopplers OP3 befindet, ein- oder ausschalten.
Alternativ kann, anstatt den Steueranschluss der Schaltvorrichtung durch das zweite STO-Signal STO2 direkt zu steuern, ein Gate-Treiber verwendet werden. Wie in 6(c) gezeigt, kann die Anode der primärseitigen LED des dritten Optokopplers OP3 dahingehend verbunden sein, das erste STO-Signal STO1 über die Schaltvorrichtung (z. B. NMOS) zu empfangen, und ihre Kathode kann mit der Masse verbunden sein. Das zweite STO-Signal STO2 kann dahingehend verbunden sein, den Gate-Treiber zu steuern, der wiederum ein Gate der Schaltvorrichtung ansteuern kann. Ist das zweite STO-Signal STO2 nicht freigegeben (z. B. bei einem Hoch-Pegel), so kann der Gate-Treiber dahingehend arbeiten, die Schaltvorrichtung dahingehend anzusteuern, eingeschaltet zu werden; und ist das zweite STO-Signal STO2 freigegeben (z. B. bei einem Tief-Pegel oder in einem Leerlaufzustand), so kann der Gate-Treiber seinen Betrieb stoppen, sodass die Schaltvorrichtung ausgeschaltet wird.
In den obigen Ausführungsformen ist die Schaltvorrichtung durch einen NMOS implementiert. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann, wie in 6(d) gezeigt, die Schaltvorrichtung durch einen P-Typ-Metall-Oxid-Halbleiter(PMOS)-Transistor implementiert sein. Da der PMOS verglichen mit dem NMOS eine invertierte Ansteuerungslogik aufweist, kann das zweite STO-Signal STO2 in diesem Beispiel ein Gate des PMOS beispielsweise mittels eines Invertierers und eines Widerstands, die zwischen dieses und die Leistungsversorgung STO1 geschaltet sind, ansteuern. Natürlich ist die Schaltung, die einen PMOS-Transistor basierend auf dem zweiten STO-Signal STO2 ansteuert, nicht darauf beschränkt.
In den obigen Ausführungsformen wird der Schaltungspfad, in dem sich die primärseitige LED des dritten Optokopplers OP3 befindet (zwischen der Leistungsversorgung STO1 und der Masse) durch die Schaltvorrichtung gesteuert. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann, wie in 6(e) gezeigt, ein zwischen das erste STO-Signal STO1 (Leistungsversorgung) und die Masse geschalteter Bypass-Zweig in Parallelschaltung mit der primärseitigen LED des dritten Optokopplers OP3 vorgesehen sein. Der Bypass-Zweig kann eine Schaltvorrichtung, wie etwa einen PNP-Transistor, beinhalten, und das zweite STO-Signal STO2 kann dahingehend verbunden sein, einen Steueranschluss der Schaltvorrichtung zu steuern. Hier kann das zweite STO-Signal STO2 dahingehend verbunden sein, die Schaltvorrichtung auszuschalten, wenn es nicht freigegeben ist (z. B. bei einem Hoch-Pegel), um zu bewirken, dass die primärseitige LED des dritten Optokopplers OP3 normal arbeitet, und die Schaltvorrichtung einzuschalten, wenn es freigegeben ist (z. B. bei einem Tief-Pegel oder in einem Leerlaufzustand), um zu bewirken, dass die primärseitige LED des dritten Optokopplers OP3 kurzgeschlossen wird und ihren Betrieb stoppt.
In den verschiedenen Schaltungen zum Durchführen der UND-Logik sind das erste STO-Signal STO1 und das zweite STO-Signal STO2 austauschbar.
7 ist ein schematisches Diagramm, das einen Eingangsabschnitt einer Schaltung mit einer STO-Funktionalität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Wie in 7 gezeigt, können die STO-Signale durch eine Leistungsversorgung PS (z. B. eine 24-V-DC-Leistungsversorgung) geliefert werden. Hier sind ein erster Schalter SW1 und ein zweiter Schalter SW2 vorgesehen, um eine Eingabe des ersten STO-Signals STO1 und des zweiten STO-Signals STO2 in den ersten Optokoppler OP1 bzw. den zweiten Optokoppler OP2 zu steuern. Darüber hinaus ist auch ein dritter Schalter SW3 vorgesehen, um eine Masseverbindung (z. B. in diesem Beispiel eine Verbindung mit einer negativen Elektrode der Leistungsversorgung PS) der Schaltung zu steuern. Komponenten (beispielsweise die in den obigen Ausführungsformen beschriebenen Komponenten) in der Schaltung können gemeinsam mit einer Masse COM verbunden sein. Der erste Schalter SW1, der zweite Schalter SW2 und der dritte Schalter SW3 können gemeinsam ein- oder ausgeschaltet werden. In diesem Beispiel sind die drei Schalter entsprechend den drei Kanälen vorgesehen. Daher wird eine dreikanalige Architektur nicht nur in der Schaltung, sondern auch an einem Eingang der Schaltung implementiert, und somit können zwei Ausfälle in oder außerhalb der Schaltung toleriert werden, während die STO-Funktionalität weiterhin funktioniert, was zu einer stark verbesserten Sicherheit und Zuverlässigkeit führt.
In 7 sind das UND-Gatter und Teile der Schaltung stromabwärts des Optokopplers lediglich der Zweckmäßigkeit halber nicht gezeigt. Es sei angemerkt, dass die in 7 gezeigte Konfiguration auf die verschiedenen oben beschriebenen Schaltungskonfigurationen anwendbar ist.
Wie oben beschrieben, kann die Schaltung mit der STO-Funktionalität gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf einen Frequenzumrichter angewendet werden, um eine höhere Zuverlässigkeit zu erzielen.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wurden oben beschrieben. Diese Ausführungsformen sind jedoch lediglich zur Veranschaulichung bereitgestellt und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken. Die reine Tatsache, dass die obigen Ausführungsformen separat beschrieben sind, bedeutet nicht zwangsweise, dass Maßnahmen in diesen Ausführungsformen nicht vorteilhaft in Kombination verwendet werden können. Der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung wird durch die Ansprüche und auch durch deren Äquivalente definiert. Verschiedene Substitutionen und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, und alle derartigen Substitutionen und Modifikationen sollten innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung liegen.

Claims

Schaltung mit einer Safe-Torque-Off(STO)-Funktionalität, die Folgendes umfasst: einen ersten STO-Kanal, ausgelegt zum Steuern eines Ein-/Ausschaltens einer Leistungsversorgung an einen hochseitigen Treiber eines Frequenzumrichters basierend auf einem ersten STO-Signal; einen zweiten STO-Kanal, ausgelegt zum Steuern eines Ein-/Ausschaltens einer Leistungsversorgung an einen tiefseitigen Treiber des Frequenzumrichters basierend auf einem zweiten STO-Signal; und einen dritten STO-Kanal, ausgelegt zum Steuern einer Zufuhr eines Ansteuerungssteuersignals von einer Steuerung des Frequenzumrichters an den hochseitigen Treiber und den tiefseitigen Treiber basierend auf einem Ergebnis einer logischen Operation des ersten STO-Signals und des zweiten STO-Signals, wobei die logische Operation dazu ausgelegt ist, als Reaktion darauf, dass das erste und/oder das zweite STO-Signal aktiv ist, zu bewirken, dass das Ergebnis aktiv ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste STO-Kanal Folgendes umfasst: eine erste Isolationsvorrichtung, die eine erste Primärseite und eine erste Sekundärseite umfasst, wobei die erste Primärseite zum Empfangen des ersten STO-Signals ausgelegt ist; und eine erste Schaltvorrichtung, die zwischen eine Leistungsversorgung des hochseitigen Treibers und den hochseitigen Treiber geschaltet ist und dazu ausgelegt ist, unter Steuerung der ersten Sekundärseite ein- oder ausgeschaltet zu werden, wobei die erste Sekundärseite derart verbunden ist, dass die erste Schaltvorrichtung als Reaktion darauf, dass das erste STO-Signal aktiv ist, ausgeschaltet wird, der zweite STO-Kanal Folgendes beinhaltet: eine zweite Isolationsvorrichtung, die eine zweite Primärseite und eine zweite Sekundärseite umfasst, wobei die zweite Primärseite zum Empfangen des zweiten STO-Signals ausgelegt ist; und eine zweite Schaltvorrichtung, die zwischen eine Leistungsversorgung des tiefseitigen Treibers und den tiefseitigen Treiber geschaltet ist und dazu ausgelegt ist, unter Steuerung der zweiten Sekundärseite ein- oder ausgeschaltet zu werden, wobei die zweite Sekundärseite derart verbunden ist, dass die zweite Schaltvorrichtung als Reaktion darauf, dass das zweite STO-Signal aktiv ist, ausgeschaltet wird.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der dritte STO-Kanal Folgendes umfasst: eine dritte Isolationsvorrichtung, die eine dritte Primärseite und eine dritte Sekundärseite umfasst, wobei die dritte Primärseite zum Empfangen des Ergebnisses der logischen Operation das ersten STO-Signals und des zweiten STO-Signals ausgelegt ist, wobei die dritte Sekundärseite derart verbunden ist, dass die Zufuhr des Ansteuerungssteuersignals als Reaktion darauf, dass das erste STO-Signal und/oder das zweite STO-Signal aktiv ist, gestoppt wird.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei die dritte Primärseite zwischen das erste STO-Signal und Masse geschaltet ist, um einen Strompfad von dem ersten STO-Signal zu der Masse über die dritte Primärseite zu bilden, und die Schaltung ferner eine in dem Strompfad angeordnete Schaltvorrichtung umfasst, wobei ein Steueranschluss der Schaltvorrichtung durch das zweite STO-Signal gesteuert wird, wobei die Schaltvorrichtung zwischen das erste STO-Signal und die dritte Primärseite oder zwischen die dritte Primärseite und die Masse geschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 4, die ferner Folgendes umfasst: einen mit dem Steueranschluss der Schaltvorrichtung verbundenen Gate-Treiber, wobei ein Betrieb des Gate-Treibers durch das zweite STO-Signal gesteuert wird.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei die dritte Primärseite zwischen das erste STO-Signal und Masse geschaltet ist, um einen Strompfad von dem ersten STO-Signal zu der Masse über die dritte Primärseite zu bilden, und die Schaltung ferner einen Bypass-Zweig in Parallelschaltung mit dem Strompfad umfasst, wobei der Bypass-Zweig durch das zweite STO-Signal gesteuert wird, wobei der Bypass-Zweig eine Schaltvorrichtung umfasst, wobei ein Steueranschluss der Schaltvorrichtung durch das zweite STO-Signal gesteuert wird.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei ein Ausgang von der dritten Sekundärseite mit einem Freigabeanschluss der Steuerung verbunden ist, und wobei die dritte Isolationsvorrichtung einen Optokoppler umfasst, und ein Ende der dritten Sekundärseite mit einer ersten Leistungsversorgung verbunden ist und das andere Ende über einen Widerstand mit einer Massespannung verbunden ist, wobei eine Ausgangsspannung an dem anderen Ende mit dem Freigabeanschluss der Steuerung verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei der dritte STO-Kanal ferner Folgendes umfasst: eine dritte Schaltvorrichtung, die zwischen die Steuerung und den hochseitigen und den tiefenseitigen Treiber geschaltet ist und dazu ausgelegt ist, unter Steuerung der dritten Sekundärseite ein- oder ausgeschaltet zu werden.
Schaltung nach Anspruch 8, wobei die dritte Schaltvorrichtung Folgendes umfasst: ein erstes Übertragungsgatter, das zwischen die Steuerung und den hochseitigen Treiber geschaltet ist und zum Übertragen des Ansteuerungssteuersignals von der Steuerung zu dem hochseitigen Treiber ausgelegt ist; und ein zweites Übertragungsgatter, das zwischen die Steuerung und den tiefseitigen Treiber geschaltet ist und zum Übertragen des Ansteuerungssteuersignals von der Steuerung zu dem tiefseitigen Treiber ausgelegt ist, wobei ein Ausgang von der dritten Sekundärseite mit Freigabeanschlüssen des ersten Übertragungsgatters bzw. des zweiten Übertragungsgatters verbunden ist; und wobei die dritte Isolationsvorrichtung einen Optokoppler umfasst, und ein Ende der dritten Sekundärseite über einen Widerstand mit einer ersten Leistungsversorgung verbunden ist und das andere Ende mit einer Massespannung verbunden ist, wobei eine Ausgangsspannung an dem einen Ende der dritten Sekundärseite mit den Freigabeanschlüssen des ersten Übertragungsgatters bzw. des zweiten Übertragungsgatters verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei ein Ausgang von der dritten Sekundärseite mit einem Taktgenerator verbunden ist, der zum Liefern eines Taktsignals an die Steuerung ausgelegt ist.
Schaltung nach Anspruch 10, die ferner Folgendes umfasst: eine dritte Schaltvorrichtung, die zwischen eine Leistungsversorgung des Taktgenerators und den Taktgenerator geschaltet ist und dazu ausgelegt ist, unter Steuerung der dritten Sekundärseite ein- oder ausgeschaltet zu werden, wobei die dritte Sekundärseite derart verbunden ist, dass die dritte Schaltvorrichtung als Reaktion darauf, dass das erste STO-Signal und/oder das zweite STO-Signal aktiv ist, ausgeschaltet wird.
Schaltung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: ein UND-Gatter, das aus diskreten Komponenten besteht und zum Durchführen der logischen Operation ausgelegt ist.
Schaltung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: einen ersten Schalter, ausgelegt zum Steuern, ob das erste STO-Signal in den ersten STO-Kanal eingegeben werden soll oder nicht; einen zweiten Schalter, ausgelegt zum Steuern, ob das zweite STO-Signal in den zweiten STO-Kanal eingegeben werden soll oder nicht; und einen dritten Schalter, ausgelegt zum Steuern, ob die Schaltung mit Masse verbunden werden soll oder nicht.
Frequenzumrichter, der eine Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.
Schaltung mit einer Safe-Torque-Off(STO)-Funktionalität, die Folgendes umfasst: drei STO-Kanäle, ausgelegt zum Empfangen eines ersten STO-Signals, eines zweiten STO-Signals bzw. eines durch eine logische Operation des ersten STO-Signals und des zweiten STO-Signals erhaltenen Signals, und zum Steuern einer Leistungsversorgung an einen hochseitigen Treiber, einer Leistungsversorgung an einen tiefseitigen Treiber bzw. einer Zufuhr eines Ansteuerungssteuersignals in einem Frequenzumrichter basierend auf den empfangenen Signalen, wobei die logische Operation dazu ausgelegt ist, als Reaktion darauf, dass das erste STO-Signal und/oder das zweite STO-Signal aktiv ist, zu bewirken, dass das durch die logische Operation erhaltene Signal aktiv ist, und wobei das Ansteuerungssteuersignal durch eine Steuerung des Frequenzumrichters an den hochseitigen Treiber und den tiefseitigen Treiber geliefert wird.