用于逆变器的保护电路以及逆变器系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及针对逆变器、特别是针对用于电动机的逆变器的保护电路，其中，该逆变器包括控制系统以及受该控制系统控制的功率元件，并且其中该控制系统被实施用于控制脉冲的周期性发布。本发明还涉及相应的逆变器系统。
【背景技术】
[0002]逆变器系统被广泛地使用于实践中。逆变器系统从输入电压生成交变电压，其频率和振幅在很大程度上可选择。逆变器系统的一重要的应用是对电动机(例如，永久励磁同步电动机)的控制。非常频繁地，输入电压由能量供应网提供，其中逆变器系统被连接到该能量供应网的三相之一或全部。在具有直流-中间电路的逆变器系统中，逆变器从输入电压生成直流电压，其由该逆变器系统的功率元件逆变成期望的交变电压。为此目的，功率元件包括半导体开关，其由控制系统(通常经由脉宽调制信号(PMW信号))来控制。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或者场效应管常常被用作半导体开关。
[0003]逆变器系统中可能发生，个体的半导体开关不再正常工作的情况。在这里，半导体开关维持在低阻抗状态的差错是相对而言不关键的。在这种情形中，要么负载限流器发生作用，要么半导体开关由于自发热而毁坏。半导体开关维持在足够高阻抗的状态中的状况的重要性也是相对而言不关键的，因为并不预期在负载处会有有问题的电流。然而，其中半导体开关具有如此阻抗以使得该半导体处的功率损耗太低以至于不会因惰性热积累而毁坏半导体并且同时阻止中间电路变为短路的差错状况是特别关键的。在这种境况中，不受控的电流被引导到负载，而在这里没有通常的保护措施(诸如限流)起作用。
[0004]这种状态发展的一种选择称为ΡΤ0Μ(部分开启模式)。在这种境况中，任意性的控制电压可以被施加到半导体开关，而在这里有缺陷半导体开关的状态不改变。由此，控制电压不再能够控制该半导体开关。类似的差错状况是所谓的栅极损耗，其中控制电压不再被施加到该半导体开关，因为例如接合线断开了或者应当向该半导体开关发射相应的控制电压的控制系统未能正确地工作。在这种状况中，半导体开关也维持在未定义的状态。
[0005]在以上两个差错状况中，不受控电流被施加到负载，其能够加热该负载或者触发该负载的故障甚至是损坏，而这是不允许的。例如，当逆变器系统为同步电机生成三相交流电网并且逆变器桥的一条路径不再正确地操作之时，在定子中生成的旋转场便以极其不对称的方式被施加。这导致了该电动机的可观机械应力并且能够毁坏定子的永久带电线圈的绕组。在以上两种情形中，不再能够确保应用和用户的安全状态。因此需要一种保护电路，其还允许在这些差错状况中安全地关闭逆变器系统。
[0006]根据VDE(电工技术、电子和信息技术协会)差错分析法，就以上所提及的PTOi^P/或栅极损耗而言，甚至有另一任意性的差错必须被补偿。这主要涉及半导体控制的故障，其在特定的情境下不再能够以受控的方式被关闭。在这种情形中，保护电路必须还允许补偿这种关键差错组合。
[0007]本发明因此是基于要实施并进一步拓展文初所提到类型的保护电路和逆变器系统的目的，其在功率元件和/或控制系统故障的情形中能够被切换到安全状态。
【发明内容】
[0008]根据本发明，以上所列的目的由权利要求1的特征所取得。相应地，所议保护电路的特征在于安全元件、开关布置、和控制电路，其中，该安全元件被安排在去往该功率元件的馈线中，其中该开关布置被连接到该安全元件，从而该开关布置在处于导电状态时桥接该安全元件，其中该控制电路包括控制输入，控制脉冲被施加在该控制输入处，并且其中该控制电路被实施成一旦接收到控制脉冲或者数个相继控制脉冲，就向该开关布置发射开关信号长达预定的时间段，这使得该开关布置在周期性地接收到控制脉冲时导通，并且在控制脉冲缺失时，该开关布置在预定时段之后断开，并且对该逆变器的保护由安全元件触发。
[0009]针对逆变器系统，以上所述的目的由权利要求14的特征所取得。相应地，根据本发明，该逆变器系统包括控制系统、功率元件、和保护电路，其中该控制系统被实施成用于向该功率元件发布控制信号以生成并输出交变电压，其中该控制系统被附加地实施成周期性地发布输入到该保护电路的控制脉冲。
[0010]本发明首先认识到，保护电路在控制系统的控制脉冲被恰适地使用时能够特别良好地对逆变器内的差错情境作出反应。这里，在本上下文中，所有的信号都被认为是显示出控制系统在功能上就绪的控制脉冲。这些控制脉冲能够因此也被称作心跳信号或者看守信号。因此，控制系统周期性地发射控制脉冲，其中一个控制脉冲优选地由在该控制系统中操作的微型计算机(例如，微控制器)发射。用于生成和周期性地发布控制脉冲的相应程序和方法由现有技术而知。
[0011]为了使用这些控制脉冲，根据本发明的保护电路包括安全元件、开关布置、和控制电路。该安全元件被安排在去往该逆变器的该功率元件的馈线中。该开关布置被连接到该安全元件，从而该开关布置在处于导电状态中时桥接该安全元件。以此方式，通过将该开关布置切换到导电状态，就保护该安全元件免受潜在的过载的危害。
[0012]控制电路被使用在根据本发明的保护电路中，以用于从控制系统的控制脉冲生成用于该开关布置的控制信号。为了这一目的，该控制电路具有控制脉冲被输入到其中的控制输入。该控制电路基于接收到的控制脉冲或者数个相继控制脉冲来生成用于该开关布置的开关信号。该开关信号被保持在某个值长达预定的时段，这将该开关布置设置成导电状态(可能通过使附加的组件介入)。
[0013]通过根据本发明的控制脉冲和控制电路的这一组合，能够对此在周期性接收到控制脉冲的情形中，恒定地将开关信号发射到该开关布置，从而使得该开关布置维持在导电状态中。当控制脉冲缺失时，给出了(直到该预定的时段过期为止)通过在控制电路处发布新的控制脉冲来“刷新”开关信号的选项。若预定的时段过期而没有接收到另一控制脉冲，那么就不再生成开关信号，并且该开关布置被断开，即，离开导电状态，并且由此在该开关布置的这两个端子之间呈现了高阻抗状况。以此方式，在馈线中流向功率元件的电流不再经由该开关布置而是经由安全元件。以此方式，能够触发安全元件。这里，例如，电流通量的限制可以被设置成预定值以产生该馈线与该功率元件的高阻抗分隔。以此方式，保护电路的安全操作能够在正常状态中达成而同时当控制脉冲缺失时保护了逆变器和/或连接着的负载。以此方式，在没有任何额外的附加电路系统的情况下，保护电路能够被生成，藉此即使功率元件处发生PTOM或栅极损耗，也能够将该功率元件设置成安全操作状态。以此方式，保护了逆变器和连接到该逆变器的负载免受进一步损坏。
[0014]术语“馈线”(其中安排有安全元件)可涉及能量源与功率元件之间的各种区域。当逆变器具有例如直流电压中间电路时，安全元件能够被安排在用于正性中间电路直流电压的线缆中。若逆变器被连接到能量源网络，也有可能将安全元件安排在交流区域中。在单相耦合中，安全元件能够被安排在去往所使用的相的连接线中。在三相耦合中，可以为每个相提供恰适的安全元件，其中由此也应当提供数个切换器件或者至少提供切换器件的数个独立端子。
[0015]这里，在本上下文中“导电状态”被理解成该开关布置的开关触点的两个端子之间的阻抗具有低阻抗值，优选地为低于I Ω，特别优选地为低于0.1 Ω。
[0016]开关信号的发布在其后被终止的“预定时段”优选地由控制电路的设计来定义。这里，该时段是参考控制脉冲来选择的，从而该预定时段大于两个相继的控制脉冲之间的时段长度。优选地，该预定时段比两个相继控制脉冲之间的时段长度长五倍(尤其优选地长十倍)。
[0017]该安全元件可以用各种方式来形成。这里，术语“安全元件”一般涉及能够将馈线中的潜在电流通量限制于最大值的组件或组装件。这可以通过一旦超过了最大功率负载就中断电路(诸如，例如，熔丝)，或者通过限流效应(诸如，例如电阻)来实现。本领域普通技术人员知晓满足这些要求的不同组件，其中一些优选的示例性实施例在以下被参考。对于安全元件的大小设定而言，关键在于一旦达到临界阶段，该安全元件就安全地触发。这一般将取决于逆变器与连接到该逆变器的负载的标准操作条件。例如，当该逆变器操作的负载包括电动机时，该逆变器通常被特别地调节至所驱动的电动机，并且在许多情形中甚至被集成到该电动机的外壳中。以此方式，