本发明涉及一种用于操控电机的逆变器中的供能电路、一种用于操作供能电路的方法以及一种安全控制装置。
背景技术：
1、在现代具有电驱动的车辆应用中，逆变器的或逆变器中的供能电路也称为pdn或pdtn(配电电网，英语：power distribution network，或配电电网树，英语：powerdistribution network tree)。该配电电网的任务是将电力分配给逆变器的各个用电设备，例如传感器、通信电路(例如can、lin收发器)，特别是高侧(hs)和低侧(ls)开关的栅极驱动器电路，以及功能安全电路或mcu(微控制器单元,英语：microcontroller unit)等。从这个意义上说，逆变器是一种设备，它有内部供能电路及其所供应的部件，包括开关，例如以半桥的形式，以及用于连接外部电源和电机的连接部。
2、如今，出于功能安全的要求，pdn可能有两种主要电源。电动汽车(ev)的常见电源是低压电池(例如12v)，也称为kl30电网或低压电网。第二电源可以是高压直流电池或具有例如800v或400v标称电压的高压直流母线(高压电网)。这种高压或高电压系统尤其可以用作电车辆驱动器的能源，例如永磁同步马达(pmsm)，其通过逆变器连接到高压电网。
3、如果发生事故或紧急停机，逆变器应转换到预定义的安全状态。为了避免中间电路电容器被电机充电(特别是在使用pmsm时)，通常使用有源短路(asc，英语：active shortcircuit)技术，其中通常闭合所有低侧(ls)开关或所有高侧(hs)开关，从而停止从电机到中间电路的能量传输。
4、本发明旨在改进这一概念，以便即使在所涉及部件的电源出现问题的情况下也能可靠地实现安全状态。
5、ep 1 561 269 a1涉及一种具有至少两个局部车载电气系统的车载电气系统，在每个局部车载电气系统中都可获得供应电压。此外，提供连接到局部车载电气系统之一的用电设备。可以通过两个不同的供应路径向用电设备施加供应电压。两条供应路径通过解耦器件彼此解耦。
技术实现思路
1、根据本发明，提出了具有独立权利要求的特征的用于操控电机(特别是车辆中的电机)的逆变器中的供能电路、用于操作供能电路的方法以及安全控制装置。有利的改进是从属权利要求和以下描述的主题。应当强调的是，下面描述的特征和优点同样适用于供能电路及其操作方法。
2、本发明描述了一种在逆变器中的供能电路中改进电源的可能性，使得即使在发生故障的情况下也能可靠地实现车辆中的逆变器或电机的安全状态。
3、具体来说，供能电路具有至少三个不同的支路，即高压支路、低压支路和替换供应支路。高压支路设计为连接到高压电网(特别是在车辆中)，低压支路设计为连接到低压电网(特别是在车辆中)，其中高压电网的标称电压电平高于低压电网的标称电压电平。高压支路和低压支路具有相应的连接部，用于连接到高压电网或低压电网。这些连接部特别是从逆变器的壳体引出。
4、高压电网的标称电压电平(下文中也称为高压电平)可以例如显著高于特别是60v的允许接触电压，例如高达几百伏。低压电网和替换供应支路的标称电压电平尤其可以基本上相同，也就是说，它们可以彼此相差例如5v的最大阈值，并且可以例如，对应于常见的车辆低电压，例如12v或24v。
5、高压支路通过操作直流电压转换器连接到低压支路，高压支路通过与操作直流电压转换器不同的替换供应直流电流变换器连接到替换供应支路。以此方式，尽管使用两个不同的直流电压转换器来提高功能安全性和可靠性，但在直流电压转换器适当操作的情况下，两个支路也可以由高压支路提供电力或能量。如果操作直流电压转换器出现故障，替换供应支路仍可供电。还有用于将电机连接到高压支路的逆变器电路或整流器电路。
6、如已知的，逆变器电路或整流器电路用于将电机的交流电压连接部连接至高压网络的直流电压连接部。为此，逆变器电路具有多个半导体开关，每个半导体开关都可以根据操控信号打开(不导通)和闭合(导通)。半导体开关可以包括mosfet和igbt，例如氮化镓(gan)或碳化硅(sic)fet。
7、逆变器电路又由低压支路供应能量或电力。在一个实施例中，逆变器电路可以具有多个高侧半导体开关和多个低侧半导体开关以及分别用于一个或多个半导体开关的至少一个栅极驱动器电路，其中该用于高侧或低侧半导体开关的至少一个栅极驱动器电路由低压支路供应能量。栅极驱动器电路用于将操控信号施加到半导体开关的控制连接部(例如mosfet的栅极连接部)。在一个实施例中，至少ls半导体开关的栅极驱动器电路(下文中称为ls栅极驱动器电路)和/或hs半导体开关的栅极驱动器电路(下文中称为hs栅极驱动器电路)由替换供应支路供给或能够供给。这意味着，例如，在低压支路发生故障或失效的情况下，仍然可以通过有源短路实现安全状态。用于高侧或低侧半导体开关的至少一个栅极驱动器电路可以由至少一个偏置电压供应电路供应电压，该偏置电压供应电路又由替换供应支路供应或可以供应能量。替代地，用于高侧或低侧半导体开关的至少一个栅极驱动器电路也可以绕过偏置电压供应电路而直接由替换供应支路供应能量。
8、供能电路还具有安全控制装置，该安全控制装置也由低压支路供应能量。安全控制装置设置为：在存在关断情况时将逆变电路切换到安全状态。这尤其可能导致有源短路(确定有源短路(hs/ls)的类型并闭合所有hs开关或闭合所有ls开关)。特别是当发生或检测到故障时确定存在关闭情况。
9、为了提高功能安全性，逆变器电路和安全控制装置现在也由或者可以由替换供应支路供应能量。
10、根据本发明的用于操作根据本发明的供能电路的方法包括在存在关断情况的情况下使逆变器电路进入安全状态。
11、特别是在程序和/或电路技术方面，设置根据本发明的安全控制装置，例如集成电路(例如ic、asic或fpga)，以执行根据本发明的方法。
12、本发明显著提高了逆变器的供能电路的功能安全性，这在人身安全方面具有特殊的优势，特别是在具有高压支路的情况下。本发明仅需要很少的常规构件来实现，因此可以非常容易且成本有效地实现。
13、在一个实施例中，操作直流电压转换器和替换供应直流电压转换器中的每一个都可以是非绝缘直流电压转换器，例如降压变换器(英语：buck converter)、同步变换器、sepic变换器(单端初级电感变换器，英语：single ended primary inductanceconverter)、变换器、zeta变换器等。在非绝缘直流电压转换器中，在输入电网和输出电网之间没有电流分离。这些通常使用起来很便宜。
14、在一个实施例中，操作直流电压转换器和替换供应直流电压转换器中的每一个也都可以是绝缘直流电压转换器，例如反激变换器(逆向变换器，英语：fly-backconverter)、正激变换器(正向变换器，英语：forward converter)、推挽变换器(推挽式变换器，英语：push-pull converter)等。绝缘直流电压转换器具有输入电网和输出电网之间的电流分离，其通常使用变压器来实现。这些提高了安全性，但在重量、安装空间和成本方面更加复杂。在高电压范围(>60v)中，使用绝缘直流电压转换器出于安全原因是有利的，或者如有必要，必须使用绝缘直流电压转换器。
15、在一个实施例中，低压支路和替换供应支路之间设置有阻断电路，其阻止低压支路和替换供应支路之间的能量流。这可以防止，两个支路之一中的故障影响另一个支路。这种阻断电路尤其可以在必要情况下在现有连接点处具有一个或多个二极管和/或开关。开关可以包括半导体开关或机械开关(继电器)。如果所供应的部件(例如逆变器电路)仅具有一个必须连接到或可连接到低压支路和替换供应支路的电源连接部，则可以存在连接点。就设计和电路技术而言，这是一项非常简单的措施，以实现通用但无电抗的电源。
16、在一个实施例中，低压支路具有供应支路和电网支路，其中逆变器电路和安全控制装置由供应支路供应能量，并且其中电网支路被设置为连接到电压供应，如低压电网。第二阻断电路，例如二极管，布置在供应支路和操作直流电压转换器之间，其防止能量从供应支路流入操作直流电压转换器，和/或布置在供应支路和电网支路之间，其防止能量从供应支路流入电网支路。由此，低压电网或操作直流电压转换器中的故障可以与供应支路分开。
17、在一个实施例中，操作直流电压转换器可以通过第一安全断开电路与低压支路分离和/或可以通过第一高压断开电路与高压支路分离。这意味着，如果低压支路出现故障，则可以避免损坏操作直流电压转换器或高压支路，或者如果操作直流电压转换器出现故障，则可以避免损坏低压支路或高压支路。
18、在一个实施例中，用于高侧(hs)半导体开关的栅极驱动器电路可以通过第二安全断开电路与低压支路分离。这意味着，如果hs栅极驱动器电路出现故障，可以避免低压支路受损。
19、在一个实施例中，用于低侧(ls)半导体开关的栅极驱动器电路可以通过第三安全断开电路与低压支路分离。这意味着，当ls栅极驱动器电路出现故障时，可以避免低压支路的损坏，并且当低压支路出现故障时，可以避免ls栅极驱动器电路的损坏。如上所述，ls栅极驱动器电路特别地也由替换供应支路供电或者能够由替换供应支路供电，使得在低压支路中出现故障的情况下，其能够或将被分离。
20、在一个实施例中，替换供应直流电压转换器可以通过第四安全断开电路与替换供应之路分离和/或可以通过第二高压断开电路与高压支路分离。这意味着，如果替换供应支路出现故障，则可以避免损坏替换供应直流电压转换器或高压支路，或者如果替换供应直流电压转换器出现故障，则可以避免损坏替换供应支路或高压支路。
21、在无差错操作中，安全断开电路和高压断开电路中的每一个都可以闭合或导通，使得所有支路如上所述连接并发挥作用。安全断开电路和高压断开电路中的每一个可以可选地设置为：响应于外部断开信号和/或当检测到故障，例如，当超过流过其的电流的电流值时断开，即切换到非导通状态。
22、安全断开电路和高压断开电路中的每一个可以可选地包括一个或多个半导体开关或机械开关(继电器)。特别地，高压断开电路还可以是可被动断开的并且被设计为保险丝的形式，例如熔断保险丝。
23、在一个实施例中，安全控制装置被设置成：当所述第一、第二、第三和第四安全断开电路中的至少一个处于非导通状态时确定存在关断情况。这意味着可以可靠地检测到关断情况。
24、在一个实施例中，安全控制装置被设置为：如果操作直流电压转换器和/或替换供应直流电压转换器有故障，则确定存在关断情况。这意味着在此类故障情况下可以可靠地建立安全状态。
25、在一个实施例中，安全控制装置和/或逆变器电路均具有至少两个电源电路，其中至少两个电源电路中的第一个由低压支路供应或能够供应能量并且至少两个电源电路中的第二个由替换供应支路供应或能够供应能量。这种具有两个(特别是冗余)电源电路的解决方案可以避免低压支路和替换供应支路之间的连接点，这也简化了或者可能使得上述阻断电路变得不必要。电源电路用于从输入电压(在本例中为低电压电平)生成所供应的部件中所需的电压。通常，电源电路本身可以包括直流电压转换器、低压差线性调节器(低压差稳压器，英语：low dropout regulator)等。
26、本发明的进一步优点和改进由说明书和附图得出。
27、本发明使用示例性实施例在附图中示意性地示出，并且下面参考附图进行描述。
1.用于操控电机(500)的逆变器(1)中的供能电路(100)，所述供能电路(100)具有：
2.根据权利要求1所述的供能电路(100)，其中，阻挡电路(40a、40b)布置在所述低压支路(120)和所述替换供应支路(130)之间，所述阻挡电路防止所述低压支路(120)和所述替换供应支路(130)之间的能量流动。
3.根据权利要求1或2所述的供能电路(100)，其中，所述低压支路(120)包括用于向所述逆变器(1)的部件分配电力的供应支路(120a)和用于连接到低压电网的电网支路(120b)，其中所述逆变器电路(115)和所述安全控制装置(123)由所述供应支路(120a)供应能量，其中所述电网支路(120b)被设计为连接到电压供应，
4.根据前述权利要求中任一项所述的供能电路(100)，其中，所述操作直流电压转换器(10)通过第一安全断开电路(31)能够与低压支路(120)分离，和/或通过第一高压断开电路(f1)能够与高压支路(110)分离。
5.根据前述权利要求中任一项所述的供能电路(100)，其中，所述逆变器电路(115)具有多个高侧半导体开关(116a)和多个低侧半导体开关(116b)以及用于高侧半导体开关和低侧半导体开关的至少一个栅极驱动器电路(210；310)，其中所述至少一个栅极驱动器电路(210；310)由所述低压支路(120)供应能量。
6.根据权利要求5所述的供能电路(100)，其中，用于所述高侧半导体开关(116a)的至少一个栅极驱动器电路(210)通过第二安全断开电路(32)能够与低压支路(120)分离。
7.根据权利要求5或6所述的供能电路(100)，其中，用于所述低侧半导体开关(116b)的至少一个栅极驱动器电路(310)通过第三安全断开电路(33)能够与低压支路(120)分离。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的供能电路(100)，其中，用于低侧半导体开关(116b)的至少一个栅极驱动器电路(310)和/或用于高侧半导体开关(116a)的至少一个栅极驱动器电路(210)由所述替换供应支路(130)供应能量或能够供应。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的供能电路(100)，其中，用于所述半导体开关的至少一个栅极驱动器电路(210；310)各自具有用于每个高侧半导体开关(116a)和/或低侧半导体开关(116b)的恰好一个栅极驱动器电路(210；310)。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的供能电路(100)，其中，用于所述高侧半导体开关和低侧半导体开关的至少一个栅极驱动器电路(210；310)由至少一个偏置电压供应电路(230；330)供应电压，其中所述至少一个栅极驱动器电路(210；310)和/或至少一个偏置电压供应电路(230；330)由所述低压支路(120)供应能量。
11.根据前述权利要求中任一项所述的供能电路(100)，其中，所述替换供应直流电压转换器(20)通过第四安全断开电路(34)能够与替换供应支路(130)分离，和/或通过第二高压断开电路(f2)能够与高压支路(110)分离。
12.根据权利要求4至11中任一项所述的供能电路(100)，其中，所述安全控制装置(123)被设置成：当第一、第二、第三和第四安全断开电路(31-34)中的至少一个处于非导通状态时确定存在关断情况。
13.根据前述权利要求中任一项所述的供能电路(100)，其中，所述安全控制装置(123)和/或所述逆变器电路(115)具有至少两个电源电路(123a、123b)，其中所述至少两个电源电路中的第一电源电路(123a)由所述低压支路(120)供应能量或能够被供应能量，并且所述至少两个电源电路中的第二电源电路(123b)由所述替换供应支路(130)供应能量或能够被供应能量。
14.用于操作根据前述权利要求中任一项所述的供能电路(100)的方法，包括：在存在关断情况的情况下，使逆变器电路(115)进入安全状态。
15.根据权利要求14所述的方法，包括：当第一、第二、第三和第四安全断开电路(31-34)中的至少一个检测到故障时和/或当第一、第二、第三和第四安全断开电路(31-34)中的至少一个处于打开状态时，识别出存在关断情况。
16.根据权利要求14或15所述的方法，包括：当操作直流电压转换器(10)和/或替换供应直流电压转换器(20)中发生故障时，识别出存在关断情况。
17.根据至少引用权利要求5时的权利要求14至16中任一项所述的方法，包括：当用于高侧半导体开关和低侧半导体开关的至少一个栅极驱动器电路(210；310)检测到故障时，特别是在来自所述低压支路(120)的能量供应中，识别出存在关断情况。
18.安全控制装置(123)，所述安全控制装置被设置为执行根据权利要求14至17中任一项所述的方法。
19.具有根据权利要求1至13中任一项所述的供能电路(100)和/或具有根据权利要求18所述的安全控制装置(123)的逆变器(1)。
