产生第一输出和第二输出的电路及控制其的方法与流程

本发明涉及故障安全接口领域，尤其涉及一种产生第一输出和第二输出的电路及控制其的方法。本项发明特别适合于逆变器禁用输入，尤其适合于有关电动机驱动装置的逆变器禁用输入。

背景技术：
机械设备通常都包含有各种零部件，而在正常的运行过程中，如果操作人员在这类零部件的运行时接触到了这些零部件，将会对操作人员造成危险。这些机械设备通常都由电动机驱动。考虑到安全的原因，通常都需要采用一个控制系统，以便以高水平的完整性允许并避免人员对电动机的操作（从而进行机器操作）。例如，如果打开了安全罩或安全门以便能够接触到在运行时具有危险性的机器的零部件，则必须阻止电动机对机械设备进行驱动。根据每小时10-8的指令需求，该项功能的完整性的标准水平将是出现危险性故障的概率。为了实现这一目标，我们采用电路设计以确保大部分的部件故障以及各种故障的组合导致电动机停止驱动机械设备，从而确保机械设备不会运行。传统地，可以利用机电式接触器实现启用或禁用电动机运行的能力，其中至少两个机电式接触器应当同电动机串联布置。一般情况下，接触器都配备了辅助监控触点，从而可以检测接触器的主触点是否处于不正确的位置，并通过断开接触器电磁铁的两个线圈而完成电路。近期，固态控制器配备了与安全相关的输入，固态控制器驱动逆变器将直流电源转换为定相交流电源、从而可以在电动机内产生一个转动磁场。该输入可以通过电子方式阻止电动机运行。为了保持电动机中的转矩，需要按照相应功率半导体元件的要求顺序持续进行有效的、协调的切换。如果逆变器的一个或多个功率半导体元件出现了错误传导的情况，就会导致电动机内转矩是不持续的。对于具有平滑铁芯转子（非凸极转子）的电动机而言，逆变器某个功率半导体元件所发生的任何故障都不会产生任何转矩。对于永磁体和/或凸极的电动机而言，逆变器内的一对短路功率半导体装置可以造成短暂的回正转矩，而电动机可以借此回正转矩部分转动；但是，电流会迅速提高，直到被保护装置（例如保险丝）所中断、或被至少一个功率半导体装置的破坏性故障所中断。作为进一步实例，在电力并网发电逆变器的应用当中，如果逆变器驱动的是变压器而不是电动机，则相同的原理仍然适用。逆变器功率半导体装置的错误传导不会在变压器中产生一个交变磁通量，因此变压器次级线圈不会产生持续性输出。换句话说，逆变器功率装置中出现的故障可以产生直流电，而该直流电无法通过变压器进行转移，因为变压器的运行依赖于交流电。为了对该类逆变器进行安全可靠的控制，需要在逆变器控制输入端和逆变器功率半导体元件之间设置一个接口，该类控制输入端一般都使用24伏直流电，而逆变器功率半导体元件可以将逆变器发生危险性故障的概率保持在所要求的低水平上。机电式继电器用于为该类接口提供必要的电隔离和电平转换。但是，各个继电器在危险方向都具有相对较高的故障可能性，而在机械破损前的时间都相对较短。这种情况导致了需要成对使用继电器，并且同时进行监控，以便检测故障情况。近期，一般情况下是通过复杂的数字电子电路和可编程数字处理器产生有关逆变器运行的功率半导体元件控制信号。这种布置并不能确保提供所要求的低概率的危险性故障，因为大部分数字电路在每一种可用的逻辑状态下都具有相同的故障可能性。此外，由于数字电路和功能的复杂性，很难以可靠和确定的方式证明在所有条件组合下以及电路在运行过程中所遵守的条件顺序下都具有足够低的危险故障概率。例如，可能很难预测电路在可变温度条件下以及各种逻辑水平组合的所有可能顺序下对各种电路装置任何一个插销所起到的作用。如果在重要安全功能中采用复杂的数字电子电路和可编程电路，那么在一般情况下，应当至少使用两个具有诊断性和交互检查功能的独立信道，以便检测出故障或错误。该类系统可以通过没有受到所检测出的特殊故障影响的那条信道实现对逆变器的禁用。可以看出，即使在该类系统中，也需要提供不依赖于复杂电路的逆变器禁用方式，以确保达到所要求的低危险故障概率。因此，需要提供一个故障安全接口，尤其是对于采用已明确定义故障模式的简单电子部件的逆变器而言，需要一个故障安全接口。在这种接口中，都期望很大一部分的部件故障以及部件故障的组合都会导致安全故障。换句话说，如果在没有为逆变器提供所要求的波形的情况下发生了故障，就不会驱动同逆变器相连的电动机。同样的方法也适用于使用了逆变器的发电机。在这种情况下，如果规定了特定的条件，则必须阻止具有高水平完整性的逆变器的运行。例如，如果由逆变器馈电的部分公共配电网络与电力网络的主体分离，则必须将其予以禁用。

技术实现要素：
针对上述问题，一方面，本发明提供了一种电路。即一种产生第一输出和第二输出的电路，所述第一输出和第二输出分别由第一开关模式转换器和第二开关模式转换器产生，其中第一开关模式转换器和第二开关模式转换器都包括转换器输入、转换器输出、转换器控制器、转换器控制器启用输入和半导体功率切换装置；启动输入被配置为向控制器供电，半导体功率切换装置连接在所述转换器输入和转换器控制器之间，其中第一转换器的第一输出和第二转换器的第二输出分别产生一电压，当启用转换器控制器时，其电压幅值分别高于转换器控制器启用输入和转换器输入上的电压幅值。举例说明：通过第一输出和第二输出驱动逆变器输入的隔离装置，可以实现下游装置强大、可靠的启用/禁用功能。如果去除了具有较高幅值的输出（通过禁用转换器控制器），则第一输出和第二输出所驱动的后续电路并不运行。此外，在转换器控制器被禁用的情况下，系统内的任何故障都不会不小心地产生具有较高幅值的输出。因此，可以实现下游装置强大、可靠的启用/禁用功能。可选地，转换器控制器启动输入同样可以为转换器输入供电，通过拆除可能会涉及到故障模式中的电源轨从而进一步增强可靠的启用/禁用功能，使电路设计更加简单。可选地，所述每个转换器控制器可对所述半导体功率转换装置分别进行转换，以分别提供第一电压输出或第二电压输出。可选地，当至少一个隔离器装置联接在第一电压输出和第一转换器输入之间时，该隔离器装置产生一个输出，且当至少另一个隔离器装置联接在第二电压输出和第二转换器输入之间时，该另一个隔离器装置产生另一个输出。通过提供该类布置，隔离装置只有在启用了第一输出和第二输出时才具有电力供应。因此，只有在启用了第一输出和第二输出时才可以运行由隔离装置的输出所驱动的后续下游电路。通过提供第一输出和第二输出的可靠启用/禁用、以及后续电路的可靠运行，如由逆变器驱动的电动机，可以实现隔离装置驱动状态下的逆变器对于电动机的驱动。可选地，设置逆变器来驱动电动机，还可以进一步设置脉宽调制控制器，其按顺序连接各个隔离装置，以便对电动机进行驱动。可选地，第一电压输出和第二电压输出具有相等的幅值和/或第一电压输出和第二个电压输出的极性相反。通过提供分别受到独立启用/禁用输入控制的两个输出，还提供了对启用/禁用信号的验证和交叉检验，以便对运行的正确性和输出运行的可靠性进行额外的检查。可选地，第一开关模式转换器和第二开关模式转换器中的一个还包含逆向转换器。可选地，第一开关模式转换器和第二开关模式转换器中的一个还包含正向转换器。可选地，隔离装置还包含光学隔离器。可选地，隔离装置包括电磁装置。另一方面，本发明还提供了一种控制从第一开关模式转换器和第二开关模式转换器输出的第一输出和第二输出的方法。该方法包括：为第一开关模式转换器和第二开关模式转换器分别提供输入电压；为第一开关模式转换器和第二开关模式转换器的转换器控制器提供来自于转换器控制器启用输入的电力；在转换器输入和每个开关模式转换器的控制器之间联接开关模式转换器的半导体功率转换装置；启用转换器控制器，从而产生第一转换器的第一输出和第二转换器的第二输出，第一输出和第二输出的电压幅值都高于转换器控制器启用输入和转换器输入的电压幅值。可选地，所述半导体功率切换装置与所述转换器控制器进行切换，分别提供第一电压输出或第二电压输出。可选地，当至少一个隔离装置联接在第一电压输出和第一个转换器输入之间时，该至少一个隔离装置产生一个输出，当至少另一个隔离装置联接在第二电压输出和第二转换器输入之间时，该另一个隔离装置产生另一个输出。可选地，该方法进一步还包括通过脉宽调制控制器和切换装置来控制设置在电压输出和转换器输入之间的每个隔离装置的联接。可选地，通过隔离装置的输出来驱动逆变器。可选地，通过逆变器来驱动电动机；而且进一步地，通过脉宽调制控制器对按顺序连接每个隔离装置，从而驱动电动机。可选地，第一电压输出和第二电压输出具有相同的幅值和/或其中的第一低压输出和第二电压输出的极性相反。可选地，第一开关模式转换器和第二开关模式转换器中的一个还包含了一个逆向转换器。可选地，第一开关模式转换器和第二开关模式转换器中的一个还包含了一个正向转换器。可选地，隔离装置还包含了一个光学隔离器。可选地，隔离装置包括电磁装置。其他可选特征在从属权利要求中具体说明。附图说明通过举例的方式、并参照以下图纸对具体实施例进行说明：下面，我们只会通过举例的方式、并参照以下图纸对实施方案进行说明：图1是本发明实施方案之一提供的系统概览图；图2是本发明实施方案中提供的具有正增高输出的双信道故障安全接口的其中一条信道；图3是本发明实施方案中提供的具有正增高输出的双信道故障安全接口的其中一条信道；图4是本发明实施方案中提供的具有负增高输出的双信道故障安全接口的其中一条信道；图5是本发明实施方案中提供的具有负增高输出的双信道故障安全接口的其中一条信道；图6是本发明实施方案之一提供的具有逆变器一部分禁用输入的双信道故障安全接口的其中一条信道的系统图；图7是本发明实施方案之一提供的具有逆变器另一部分禁用输入的双信道故障安全接口的其中一条信道的系统图；图8是本发明实施方案之一提供的双信道故障安全接口的系统图；在上述附图中，类似的元素都用类的编号来表示。具体实施方式概述在概述中，由附图1中虚线左侧所表示的故障安全接口1提供了至少两个输出（输出10和输出11）的可靠启用/禁用功能。每一个输出都可以为一个或多个隔离器供电，而每一个隔离器也都可以通过逆变器13驱动电动机14。开关模式转换器15和开关模式转换器16提供了可靠的启用/禁用功能，而每一个转换器分别产生了被称为增高电压输出（+正或-负）的输出10和输出11，其幅值均高于故障安全接口中的任何其他电源轨。可以将至少一个隔离部件12以某种方式分别连接到增高电压输出10和11上，以便确保当没有出现由每个开关模式转换器的启用输入17和18所确定的增高电压的情况下，每个隔离部件12无法运行。在没有隔离器输出的情况下，在逆变器13中无法产生正确顺序的电压和电流；因此，逆变器13无法驱动电动机14。电路的布置方式可以确保启用输入17和18处于禁用状态时，没有任何故障可以导致开关模式转换器15和16产生其各自的增高输出10和11。在没有任何增高输出的情况下，即使企图为逆变器13，按照所要求的顺序转换隔离器12（如利用脉宽调制控制器19），由于隔离器以及增高电压输出10和11的设置，隔离器也无法产生一个输出。因此，在可以独立启用和禁用信道2和信道3的情况下，提供了一个双信道故障安全接口。信道2和信道3都包含了故障安全接口所用的、同安全相关的部件；下文中将会对该零部件进行进一步的描述。操作交流电动机或无刷直流电动机（一种交流电动机类型）的固态驱动装置尤其适合于故障安全接口，其中驱动装置使用逆变器13将直流供电转换为一组定相交流供电、以便在电动机14中产生一个转动磁场。增高输出10和11的启用/禁用功能图2显示了对双信道故障安全接口的其中一条信道的一种布置。正如本领域技术人员所知，布置了一个功率半导体切换装置20、电感器22、电阻器24和二极管26，同时还有采用逆向模式的增高开关模式转换器15和16。但是，功率半导体切换装置20被显示为一个双极型晶体管；可选地，也可以使用金属氧化物半导体场效应晶体管或任何其他合适的切换装置。轨道+Vcont23和-Vcont25提供了转换器输入。在图2所示的布置中，+Vcont是比-Vcont更加正向的电压；而且在一般情况下，-Vcont处于接地电位状态。功率半导体切换装置20连接在转换器输入+Vcont23和控制器27之间。正如本领域技术人员所知，利用控制器27对功率半导体切换装置20进行切换，从而由开关模式转换器在电压增高轨道10和11上输出一个正向电压。该电压的幅值高于+Vcont、-Vcont以及启用输入17和18的幅值。应当注意到，控制器27的电力由启用输入17和18提供。该输入可能为直流逻辑输入。控制器27中可包含振荡器，以便对转换器电力装置20进行转换。控制器27中可包含专用控制器集成电路或其他振荡器（例如555型定时器和相关的支持部件），或者也可包含分立元器件，包括逻辑闸和/或晶体管。或者，启用输入也可以为转换器输入供电。如图3所示，提供在电压增高轨道10和11上提供正向电压的另一种单一信道的布置方式。正如本领域技术人员所知，在这种布置方式中，处于逆向模式下的增高开关模式转换器包含变压器32。或者，可以采用处于正向模式下的开关模式转换器，以产生电压增高输出。正如本领域技术人员所知，位于如图3中次级绕组顶端的变压器点标记具体表示了该项布置方式。图2和图3显示了双信道故障安全接口其中一条信道的布置方式。该接口提供了正压增高输出10和11，其幅值高于+Vcont、-Vcont以及启用输入17和18的幅值。根据概览所述，电压增高可以包含负电压。图4和图5以类似于图2和图3的所示方式，显示了在电压增高轨道的负向幅值高于转换器输入以及启用输入17和18的幅值的情况下的各种布置方式。图4显示了图2倒置之后的情况。轨道Vcont25和Vcont28提供了转换器输入，Vcont28比Vcont25更加负向。电容器40将控制器27的输出连接到切换装置20中，在该种布置方式中，切换装置20包含了即插即用型晶体管。图5包含了图3所示的布置方式的改编情况，它利用一个额外的负向轨道29提供负向电压增高输出10和11。或者，利用图3的倒置情况以与图4相同的方式提供负向电压增高输出10和11。通过结合图2至图5中任一布置方式，可以实现双信道故障安全接口。即如图1中所示的接口，通过信道2和3表示。由每条信道开关模式转换器15和16所提供的电压增高输出10和11可包含两个正向输出、两个负向输出、或每个极性一个输出。可以利用图2至图5中所示的电阻器24测量功率半导体元件切换装置20中的电流并反馈到控制器27。在没有损害故障安全接口完整性的情况下，通过防止超过功率部件的额定值予以启用，从而使该类反馈能够在正常（无故障）条件下帮助各个信道进行正确运行。故障安全逆变器禁用输入图6显示了具有逆变器禁用输入的双信道故障安全接口的其中一条信道的实例系统图。电压增高输出10即为图6中的正极。隔离器12联接在电压增高输出10和+Vcont23之间。隔离器12可包含如图6所示具有LED指示灯的光隔离器，或者可以是能够发光或产生其他电磁能量的任何类似装置，或者是能够提供电隔离性能的任何其他装置。可以通过分立式切换装置60将LED指示灯的阴极连接到最高正向供电轨道（电压增高）上。切换装置60可以是双极性晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管或任何其他合适的装置。利用脉宽调制控制器19可以通过切换装置60将LED指示灯的阴极连接到电压增高上，并且可以运行，并可对隔离器12的输出进行调制。任何合适的调制方法可用于替代脉宽调制控制器19，如利用各种技术对电动机或负荷行为的某一方面进行优化的情况下使用电压矢量控制装置或磁通矢量控制装置。这些替代方案可提供具有调制宽度的脉冲。另一种合适的调制技术为准方形运行技术，即没有宽度调制。可以看出，只有在电压增高输出10被相应的启用输入17启用的情况下才会点亮光隔离器的LED指示灯。即使脉宽调制控制器19企图将LED指示灯连接到了电压增高10上，隔离器也无法在没有电压增高10的情况下提供一个输出。如果将隔离器12连接到逆变器13的功率半导体元件上，那么可以清楚的看出，在没有电压增高输出10的情况下，就无法驱动功率半导体元件，因此逆变器无法将所需波形提供给与其连接的电动机14。在图6和图7中，仅明确显示了一个隔离器；但是，还可以类似的方式将额外的隔离器连接到逆变器的其他功率半导体元件上。当不存在电压增高10时，禁用任何隔离器12或以图6所示的方式对应连接的其他装置。可通过所示的三相逆变器桥利用图6中的布置方式，可利用这种方式驱动任何多相逆变器。因此，只有在接近电压和电流的正确序列时形成了电动机转矩，电压增高的可靠故障安全启用功能才能提供由逆变器13所驱动的电动机14的可靠的故障安全性运行。图7显示了在电压增高11属于负极性的情况下，具有逆变器禁用输入的双信道故障安全接口其中一条信道的实例系统图。利用如图6所示的相同方式，通过启用输入18和隔离器12实现对逆变器13的控制。利用如图6和图7中所示的三相逆变器桥13，可以将隔离器12连接到电压增高输出10或电压增高输出11，从而实现对双信道故障安全的控制。如图8所示，电压增高10和11可包含两个正向增高输出、两个负向增高输出、或每个极性一个增高输出。图8显示了电压增高10处于正向而电压增高11处于负向时的布置方式。如图所示，两个独立的信道2和3分别控制了逆变器13的六个功率半导体装置其中三个率半导体装置的电压增高输出。根据下文故障模式中所述的方式将图2至图5中的部件隔离，就可以得到两个信道的独立性。通过三个相应的切换装置60（仅显示了其中一个隔离器进行明确说明）将三个隔离器连接到电压增高10，从而可以对逆变器顶部的三个功率半导体元件进行控制；通过三个相应的切换装置（仅显示了其中一个隔离器进行明确说明）将三个隔离器12连接到电压增高11，从而可以对逆变器底部的三个功率半导体元件进行控制。通过这种双信道布置，启用输入17和18必须针对所要产生的相应电压增高输出而处于启用状态，从而使隔离器产生一个输出，以驱动相应的逆变器功率半导体元件。针对所指示的故障，可以在分离的启用输出17和18之间进行交叉检查。在两个信道以及故障安全接口之间的任何失配情况都会被关闭。隔离器12被显示为光隔离器。但是，在故障安全接口中还可以使用包括变压器或电容耦合布置在内的其他替代隔离器。故障模式接下来说明各种潜在的故障模式，其中危险性故障可能影响到故障安全接口的完整性。将会发现，没有任何故障能够降低启用/禁用功能的完整性。在图2至图5中所示的转换器15和转换器16可为具有明确故障模式的分立部件（如短路、开路、泄漏、数值随时间和温度改变等）。除了通过相应的启用输入17和18所获得的电源之外，控制器27没有任何电力供应，而且其布置方式可以确保在控制器27的范围之内没有任何在启用输入17和18没有处于启用状态时（则控制器没有任何电源）可以导致半导体功率切换装置20发生无意切换的部件故障。功率到电压增高输出10和11的转换依赖于半导体功率切换装置20的持续主动切换状态。在启用输入17和18处于禁用状态时，没有任何部件故障会导致电压增高轨道被通电，因为控制器内没有任何部件直接连接到电源上。任何故障所造成的影响只是下文中所说的功率损失。从现有直流电源（包括但不限于Vcont轨道23和25）到启用输入17和18的电力供应短路或泄漏可以影响到启用功能的完整性。对电路的布置方式可以确保没有将任何部件连接到该电源上，因此在启用信号17和18没有处于启用状态时不会有任何可以导致转换器15和16出现启用情况的危险部件故障。在印刷电路板或其他电路布图过程中，在短路可以导致危险性故障的情况下，可以通过对任何印刷电路板或电路节点适当的分离、保护和绝缘等方式，将直流电源各个导体之间发生短路的可能性降低到最低。可从图2到图5中看出，将功率半导体切换装置20连接在Vcont轨道23，25，28以及显示为双极性晶体管的控制器27之间。在晶体管集电器和基极端之间发生的短路或泄漏有可能潜在地向控制器27供电。然而，同样类型的短路或泄漏如果不足以使控制器运行，但可能会促使晶体管持续传导。因此，在功率半导体切换装置20由于晶体管持续传导而没有发生切换的情况下，电路会使其自身禁用；而在一般情况下晶体管会被毁坏。这种故障会导致晶体管以其自身的线性模式运行，同时该晶体管将会采用切换模式，从而由于过度的功率耗散使其自身被毁坏。在任何一种情况下，转换器15和16都不会发挥功能，因此相应的压力增高输出10和11都不会被通电，从而没有任何隔离器12的输出和电动机14保持在禁用状态。故障安全接口1可以同外部可编程安全系统（如微处理器系统）一起使用。由如上所述的控制器27所提供的开关模式转换器15和16的切换要求可以按类似方式应用于硬件看门狗上。作为控制器27、以及开关模式转换器15和16各自的替代，可以通过软件所控制的处理器数字输出得到功率半导体切换装置20的转换脉冲。如果在软件周期的适当部分对数字输出进行了转换，那么只要在创建软件时遵守了必要的准则，故障安全接口的独立信道就可以保持故障安全性。不论在高能状态或低能状态下，可以导致数字输出被“卡住”的任何故障或处理器错误都具有相同的效应，即禁用每个开关模式转换器的控制器27，也会安全禁用所连接的任何逆变器13。根据上面所述，本发明提供了一个电路，可以使低水平控制信号17和18以可靠的方式对逆变器13驱动装置的功率半导体装置进行启用和禁用。本发明具有以下优点：1.在包含了两个独立信道2和3的单一电路中容纳了同安全相关的所有部件。可以将该类信道一起设置在一个分立式电路板上（根据印刷电路板的布置准则，应当避免一个电压增高能够将电力泄漏到另一个电压增高上）；或针对所增加的故障弹性，也可以将一个信道设置在一个分立式电路板上。如上述所述，同故障安全接口一起使用的任何其他电路中所出现的任何故障或故障组合不会导致电压增高10和11进行意外的运行，从而电动机14也不会有任何意外的转矩。2.在有两条信道产生具有相反极性的电压增高输出的具体实施例中，没有任何其他电路能显示由于一个电压增高输出接通电源而导致另一个电压增高输出被通电的故障。在该具体实施例中，如果将通电的电压增高泄漏到未通电的电压增高上，未通电电压增高上的隔离器12就会需要与泄漏电压增高输出的极性相反的电压增高，以便为了运行而正确地增加偏压。如果使用了相反的电压增高极性，那么在两条信道都处于同一电路板上时，即使有一个电压增高泄漏到了另一个电压增高上，印刷电路板的布置准则也被放宽，从而就不会产生隔离器12的错误输出。3.故障安全接口可以同许多逆变器设计一起使用；而且，用于控制逆变器驱动装置的整体电路的各个部分不需要进行有关其故障影响的详细评估，因为这类部分不会对两条信道2和3的故障安全功能完整性造成任何影响。4.信道2和3的所有安全性部件可能都属于具有成熟故障率数据以及明确规定了故障模式的常用电子部件。5.如果通过隔离器12连接到了逆变器桥13上，则任何单一部件故障以及两个独立部件故障的任意组合都不会导致电压增高10和11进行意外的运行，因此电动机14也不会有任何意外的转矩。本发明中所说的故障安全接口包含具有明确故障模式的分立式部件所提供的安全的、可靠的启用功能。该接口并不需要复杂的电路或结构，也不需要一些不可靠、预期使用寿命较短、并且价格昂贵的任何机电装置。虽然显示并阐述了本发明的具体实施例和布置方式，但是任何在权利要求范围内等同的其他布置方式也在本发明的保护范围内。例如，可以将两条以上的信道组合在一起，以提供更高程度的交叉检查。此外，可以用级联或串联的成对装置（如共射共基放大器或复合晶体管）代替单个半导体切换装置，同时保持故障完整性。适合于本发明所述的在故障安全接口中提供电压增高输出的其他开关模式拓扑包括了各种布置方式，这些方式具有大部分部件故障可造成输出损失、而小部分部件或没有任何部件的故障会造成输出意外出现的性质。