逆变器传感器输入的短路检测与阻止的制作方法

本公开涉及逆变器传感器输入的短路检测与阻止。

背景技术：

逆变器可被配置为将直流电转换为交流电或者将交流电转换为直流电。逆变器可连接至产生或汲取交流电的电机。仪表可被配置为将电机信息作为反馈或许可提供给逆变器。由于电机冷却剂金属含量或其它系统状况，电压相对低的仪表回路可能在操作期间出现短路。所述短路可能显著地增大仪表回路的电压。

技术实现要素：

一种车辆可包括逆变器，所述逆变器包括三态缓冲器。所述车辆还可包括短路检测电路，所述短路检测电路连接至逆变器并且被配置为：向三态缓冲器输出指示异常电气行为的禁止信号，使得逆变器输出被禁用。所述短路检测电路可响应于高值比较器信号指示偏离高电压阈值或者低值比较器信号指示偏离接地电压而输出所述禁止信号。

一种车辆可包括逆变器电路，所述逆变器电路包括微控制器。所述车辆还可包括短路保护电路，所述短路保护电路连接至逆变器电路并且具有传感器输入，所述短路保护电路被配置为：利用半导体电路将在微控制器的传感器输入处接收的电力限制在阈值以下持续与高值比较器信号或低值比较器信号所保持的时间一样长的时间。所述短路保护电路可响应于高值比较器信号指示偏离高电压阈值或者低值比较器信号指示偏离接地电压而限制所述接收的电力。

一种电机控制系统可包括单稳态电路，所述单稳态电路被配置为：向逆变器的微控制器和缓冲器输出禁用脉冲持续预定义持续时间使得逆变器的输出恒定，所述预定义持续时间大于与所述信号的下降沿相关联的持续时间。所述单稳态电路可响应于检测到来自检测与可允许的上限电压或可允许的接地电压阈值的偏离的比较器的信号的上升沿而输出所述禁用脉冲。

附图说明

图1是具有一对比较器的短路检测电路的示意图；

图2是具有一对比较器和单稳态电路的短路检测电路的示意图；

图3是具有一对半导体和单稳态电路的短路检测电路的示意图；

图4是仪表回路电压以及关联的组件状态的时序图。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种形式和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。

混合动力车辆或电动车辆可包括用于对车辆电池进行充电或者驱动电机的逆变器。逆变器可包括被配置为接收传感器或仪表信息的微控制器。微控制器可向连接至栅极驱动器的三态缓冲器输出脉冲宽度调制信号。栅极驱动器还可连接至电力模块或igbt以产生或接收与电机关联的交流电。电机可使用发动机冷却剂系统或另一冷却剂回路进行冷却。传感器或仪表可连接至电机并且可被嵌入在电机的冷却剂通道内或者位于电机的其它区域附近。

传感器可连接至逆变器的微控制器，以提供系统参数。传感器或仪表可以是被配置为向微控制器提供信息的任何装置。例如，传感器可以是电阻温度检测器(rtd)、热电偶、热敏电阻、霍尔传感器、编码器、分解器、换能器或其它类型的仪表。电机的定子绕组可承载大电流和电压，以产生磁场。传感器与定子绕组之间的短路可导致传感器回路上的高电压，这可能损坏微控制器或者提供错误的指示。

逆变器可具有短路检测电路，所述短路检测电路被配置为：响应于异常电气行为，将短路通知给微控制器，并且将缓冲器电路与微控制器的pwm信号断开电连接。异常电气行为可以是仪表回路上的高电压或低电压或者与接地电压的偏离。异常电气行为还可包括过电流情况。短路检测电路可具有被配置为检测与接地电压的偏离的比较器。接地比较器可将传感器回路的接地电压与电机的地进行比较。接地比较器可将传感器回路的接地电压与车辆的隔离地进行比较。短路检测电路可具有被配置为检测与高阈值电压或上限阈值电压的偏离的比较器。高值比较器可将传感器电压与电压源或电压轨(voltagerail)进行比较。电压源或电压轨可标称地高于回路的操作范围。例如，6伏特的电压轨可被用于驱动传感器电路和高值比较器。如果传感器回路超过六伏特，则比较器可输出真信号。

在至少一个其它实施例中，两个比较器都可使用精密的2.5伏特的参考电压。优选地，分压器电路可被用于调整比较器的参考电压，使得比较器可满足保护策略。2.5伏特的参考还可以是电池。分压器电路可设置2.5伏特的参考电压。电压调节器还可驱动2.5伏特的参考电压。例如，齐纳二极管配置或降压升压配置。两个比较器可被配置为响应于故障状况而指示高值。比较器可以是任何类型的。在一个实施例中，比较器由罗姆半导体制造并且型号为ba2903hfvm-c。比较器可如上所述地被配置为与参考值进行比较，或者比较器可被配置为将彼此进行比较，以响应于两个输入之间的电位超过特定值而指示故障。例如，每个比较器可被配置为：响应于特定线路电压偏离阈值或者跨越阈值而指示故障。在另一实施例中，比较器可被配置为：响应于特定电压之间的差超过阈值而指示故障。比较器输出可被馈送到逻辑或门。或门可将被用于启用三态缓冲器或微控制器输出的其它中断或许可进行组合。或门可连接至三态缓冲器触发器。三态缓冲器可以是德州仪器的sn54hct125型。

单稳态电路可被用于减小缓冲器电路和微处理器的波动(vacillation)。单稳态电路可以是德州仪器的cd74hc4538-q1或另一种器件。单稳态电路可被配置为基于比较器信号的上升沿输出脉冲。所述脉冲可被配置为禁止三态缓冲器的输出或微控制器的输出。随着逆变器输出被去除，电机中的高电压将消散。随着高电压消散，比较器的短路检测可被去除。脉冲的脉冲宽度或持续时间可至少是来自初始禁止信号的反馈所需的预期持续时间。例如，如果测试显示电机中的高电压在5ms以后耗散，则脉冲宽度或持续时间可以是至少6ms。持续时间可被增大以进一步防止逆变器输出波动。比较器可具有下降沿，这是因为逆变器的禁止将导致从电机中去除高电压。例如，比较器的上升沿可导致单稳态电路发射被配置为触发器的脉冲以使三态缓冲器断开连接。当在电机中来自逆变器的电流减小时，比较器信号可能经历下降沿。脉冲的持续时间可被配置为超过该相对反馈持续时间以在脉冲消散以后延迟缓冲器电路的重新连接。

在另外或相同的实施例中，单稳态脉冲持续时间大于微控制器的时钟周期或检测时间段。例如，微控制器可具有5毫秒的扫描周期。在这种情况下，单稳态脉冲的持续时间可大于5毫秒，以确保微控制器的软件检测故障状况或来自比较器的输出的变化。单稳态多谐振荡器的输出可禁用缓冲器电路，并且缓冲器电路的输出被馈送到微控制器。一旦微控制器检测到禁用的缓冲器或指示输入单一输入，则控制器禁用到缓冲器电路的输出(包括pwm信号)直到控制器进行输出前检查并且许可被满足时为止。

现参照图1，示出了短路检测电路101以及逆变器系统控制器(isc)或逆变器电路100的示意图。isc100包括微控制器102。微控制器可以是任何类型的，并且可被配置为向三态缓冲器电路104提供脉冲宽度调制(pwm)信号120。三态缓冲器104的输出可连接至栅极驱动器106的电路板或电路。栅极驱动器106的输出可驱动电力模块122的栅极，电力模块122产生用于驱动电机124的交流电信号。传感器或仪表126可设置在电机124上、设置在电机124内或设置在电机124附近，以监测系统参数。所述系统参数可与电机124相关或与电机124不相关。例如，可在电机附近监测与电机124不直接相关的系统参数，使得与电机关联的故障可导致传感器回路电压的升高。

传感器回路可具有电压源128和地130。传感器回路还可包括电容器116以及电阻器114和118。电容器被用于处理信号线上的任何噪声。传感器回路的输出可被馈入到微控制器102的输入通道。所述输入通道可以是模拟或数字输入。另外，比较器可连接至微控制器102的输入通道。

比较器对108和110可以是短路检测电路101的一部分。一个比较器可以是高值比较器108。另一个比较器可以是低值比较器110。高值比较器可被配置为检测与阈值电压值的偏离。偏离可以是超过阈值的百分比变化。例如，如果阈值是5伏特，则超过10％的偏离可导致比较器输出信号。意思是，如果传感器回路的电压超过5.5伏特或者小于4.5伏特，则将向微控制器102和或门112中的至少一个发送指示信号。在另一实施例中，高值比较器108可被配置为响应于传感器回路电压上升超过电压阈值而输出信号。例如，传感器回路的正常操作范围可以在0伏特与5伏特之间。阈值可被设置在6伏特。高值比较器108将响应于传感器回路电压上升超过6伏特而向微控制器102输出信号以指示故障或者向或门112输出信号以禁用缓冲器从而切断到电力模块和逆变器的pwm信号。

在另一实施例中，比较器系统可被定义为包括被用于检测感测线路上的短路的比较器108和110的窗口比较器拓扑结构。在该配置中，当窗口比较器的输入电压在-1.5伏特与6伏特之间时，窗口比较器的输出为低，否则窗口比较器的输出为高。如果来自感测线路的输入落在窗口比较器的范围内，则缓冲器处于正常输出状况，并且如果来自感测线路的输入落在窗口比较器的范围以外，则缓冲器输出被禁用。另外，微控制器还可在检测到缓冲器被禁用或来自窗口比较器的信号时被禁用。

低值比较器110可被配置为检测与阈值接地电压值的偏离。低值比较器110可将传感器回路接地电压130与固定接地电压进行比较。如果来自电机的交流电压被短接到传感器回路，则传感器接地电压可具有时变值。因此，可向低值比较器110添加1伏特的滞后检测。当检测到时变信号时，比较器可被配置为指示故障状况。低值比较器110可测量与预定量的偏离。例如，低值比较器110可响应于接地电压超过可接受的电压带(voltageband)而向微控制器102和或门112中的至少一个输出信号。所述可接受的电压带可大于+1伏特或者小于-1伏特。在另一实施例中，低值比较器110可响应于接地电压变为小于-1伏特而向微控制器102和或门112中的至少一个输出信号。在另一实施例中，低值比较器110可响应于接地电压变为大于1伏特而向微控制器102和或门112中的至少一个输出信号。在其它实施例中，可实现不同的短路或故障检测电路101。例如，短路检测电路101可以是对传感器回路电压与地之间的差进行比较的一个比较器。如果所述差超过阈值，则比较器可输出信号。如果比较器108和110中的任何一个输出信号，则所述信号可经由微控制器102或三态缓冲器104阻止逆变器100的操作。

现在参照图2，示出了短路检测电路以及逆变器系统控制器(isc)200的示意图。isc200包括微控制器202。微控制器可以是任何类型的并且可被配置为向三态缓冲器电路204提供脉冲宽度调制(pwm)信号220。三态缓冲器204的输出可连接至栅极驱动器206的电路板或电路。栅极驱动器206的输出可驱动电力模块222的栅极，电力模块222产生被用于驱动电机224的交流信号。传感器或仪表226可被设置在电机224上、设置在电机224内或设置在电机224附近，以监测系统参数。所述系统参数可与电机224相关或者与电机224不相关。例如，可在电机附近监测与电机224不直接相关的系统参数，使得与电机相关联的故障可导致传感器回路电压的升高。

传感器回路可具有电压源228和地230。传感器回路还可包括电容器216以及电阻器214和218。电阻器218和电容器216向微控制器202的输入添加低通滤波器。传感器回路的输出可被馈入微控制器202的输入通道。所述输入通道可以是模拟或数字输入。比较器可另外连接至微控制器202的输入通道。

比较器对208和210可以是短路检测电路201的一部分。一个比较器可以是高值比较器208。另一个比较器可以是低值比较器210。高值比较器可被配置为检测与阈值电压值的偏离。偏离可以是超过阈值的百分比变化。例如，如果阈值为5伏特，则超过10％的偏离可导致比较器输出信号。意思是，如果传感器回路的电压超过5.5伏特或者小于4.5伏特，则将向微控制器202和或门212中的至少一个发送指示信号。在另一实施例中，高值比较器208可被配置为响应于传感器回路电压上升超过电压阈值而输出信号。例如，传感器回路的正常操作范围可以在0伏特与5伏特之间。阈值可被设置在6伏特。高值比较器208将响应于传感器回路电压上升超过6伏特而向微控制器202和或门212中的至少一个输出信号。

低值比较器210可被配置为检测与阈值接地电压值的偏离。低值比较器210可将传感器回路接地电压230与固定参考电压进行比较。固定参考电压可以是来自电压调节器电路或独立电压源的接地电压或电压。例如，参考电压可来自精密的参考电压。低值比较器210可测量与预定量的偏离。例如，低值比较器210可响应于接地电压超过可接受的电压带而向微控制器202和或门212中的至少一个输出信号。所述可接受的电压带可大于+0.5伏特或小于-0.5伏特。在另一实施例中，低值比较器210可响应于接地电压变为小于-1伏特而向微控制器202和或门212中的至少一个输出信号。在另一实施例中，低值比较器210可响应于接地电压变为大于1伏特而向微控制器202和或门212中的至少一个输出信号。在其它实施例中，可实现不同的短路或故障检测电路201。例如，短路检测电路201可以是对传感器回路电压与地之间的差进行比较的一个比较器。如果所述差超过阈值，则比较器可输出信号。

除了被馈入或门212和微控制器202以外，比较器208和210中的一个或两个的输出还可被馈入单稳态电路232。比较器208和210的输出除了连接至单稳态电路232以外还可连接至或门212，以改善响应时间。如上所述，单稳态电路232可被配置为输出脉冲持续预定持续时间，以确保马达状态不波动。

现在参照图3，示出了短路检测电路以及逆变器系统控制器(isc)300的示意图。isc300包括微控制器302。微控制器可以是任何类型的并且可被配置为向三态缓冲器电路304提供脉冲宽度调制(pwm)信号320。三态缓冲器304的输出可连接至栅极驱动器306的电路板或电路。栅极驱动器306的输出可驱动电力模块322的栅极，电力模块322产生被用于驱动电机324的交流信号。传感器或仪表326可被设置在电机324上、设置在电机324内或设置在电机324附近，以监测系统参数。所述系统参数可与电机324相关或者与电机324不相关。例如，可在电机附近监测与电机324不直接相关的系统参数，使得与电机相关联的故障可导致传感器回路电压的升高。

传感器回路可具有电压源328和地330。传感器回路还可包括电容器316以及电阻器314和318。任何电容值和电阻值可被用于正确地配置每个应用的防护频带(guardband)、精度和低通滤波器要求。传感器回路的输出可被馈入微控制器302的输入通道。所述输入通道可以是模拟或数字输入。比较器可另外连接至微控制器302的输入通道。

比较器对308和310可以是短路检测电路301的一部分。一个比较器可以是高值比较器308。另一个比较器可以是低值比较器310。高值比较器可被配置为检测与阈值电压值的偏离。偏离可以是超过阈值的百分比变化。例如，如果阈值为5伏特，则超过10％的偏离可导致比较器输出信号。意思是，如果传感器回路的电压超过5.5伏特或者小于4.5伏特，则将向微控制器302和或门312中的至少一个发送指示信号。在另一实施例中，高值比较器308可被配置为响应于传感器回路电压上升超过电压阈值而输出信号。例如，传感器回路的正常操作范围可以在0伏特与5伏特之间。阈值可被设置在6伏特。高值比较器308将响应于传感器回路电压上升超过6伏特而向微控制器302和或门312中的至少一个输出信号。

低值比较器310可被配置为检测与阈值接地电压值的偏离。低值比较器310可将传感器回路接地电压330与固定参考电压进行比较。固定参考电压可来自电压调节器电路或独立电压源。例如，参考电压可以是接地电压或精密参考电压。低值比较器310可测量与预定量的偏离。例如，低值比较器310可响应于接地电压超过可接受的电压带而向微控制器302和或门312中的至少一个输出信号。所述可接受的电压带可大于+0.5伏特或小于-0.5伏特。在另一实施例中，低值比较器310可响应于接地电压变为小于-1伏特而向微控制器302和或门312中的至少一个输出信号。在另一实施例中，低值比较器310可响应于接地电压变为大于1伏特而向微控制器302和或门312中的至少一个输出信号。在其它实施例中，可实现不同的短路或故障检测电路301。例如，短路检测电路301可以是对传感器回路电压与地之间的差进行比较的一个比较器。如果所述差超过阈值，则比较器可输出信号。

除了被馈入或门312和微控制器302以外，比较器308和310中的一个或两个的输出还可被馈入单稳态电路332。比较器308和310的输出除了连接至单稳态电路332以外还可连接至或门312，以改善响应时间。如上所述，单稳态电路332可被配置为输出脉冲持续预定持续时间，以确保马达状态不波动。

仍然参照图3，检测电路301可被配置为短路保护电路或防止短路电路303的一部分。短路保护电路303可在短路事件期间约束或限制(cap)或中断传感器回路的功率、电压和电流。检测电路301可如上所述地类似地被配置有单稳态电路332。检测电路301以及比较器308和310的输出可在被单稳态电路332接收之前被馈送到或门334。或门334的输出可被用于启用或禁用开关336和338，开关336和338为短路保护电路303的一部分。在另一实施例中，或门334可位于单稳态电路332之后。来自或门的逻辑信号可具有用于启用或禁用通过开关336和338的电流流动的关联的高电压或低电压。开关336和338可以是任何半导体或晶体管(例如，mosfet、bjt)。开关336和338可被配置为将传感器回路与微控制器302断开连接。如图所示，比较器308和310相对于传感器326位于相应的开关336和338的下游。比较器308和310还可相对于传感器326位于相应的开关336和338的上游或另一侧上，以防止信号反弹或波动。

如图3所示，开关336是具有pnp掺杂配置的晶体管。开关338是具有npn掺杂配置的晶体管。在其它实施例中，可使用不同的晶体管配置或者可使用一对mosfet。开关可被用于将电路与高电压短路隔离。

现在参照图4，示出了复合时序图400。复合时序图400包括指示传感器回路的相对电压的传感器回路电压402的曲线。传感器回路电压402被示出为跨越高电压阈值414。在另一实施例中，传感器回路电压可偏离可接受的电压带。传感器回路电压可被限制在高电压限制416。上限电压阈值可等于高电压阈值414。如上所述的保护电路可保护isc的电路以免暴露于高电压下。高电压限制416可达到超过100伏特的瞬态水平。如上所公开的电容器的大小可减小短路期间的瞬态电压。随后，开关336和338可将传感器与isc断开连接。当传感器回路电压402跨越高电压阈值414时，高值比较器信号406的曲线或高电压检测电路输出高值。所述高值可进入单稳态电路或微控制器。类似地，复合时序图400包括指示地的相对电压的接地电压404的曲线。如上所述，接地电压和传感器回路电压可与恒定电压值进行比较。接地电压404的曲线被示出为跨越接地电压阈值418。传感器回路电压可由通过开关断开连接来限制。接地偏离限制可具有上限和下限。所述上限和下限可使用额外的开关来实现。上限电压阈值可等于接地电压阈值418。接地电压可被限制在电压限制420。如上所述的保护电路可将isc与传感器回路断开连接或者限制传感器回路电压，isc因短路而暴露在高电压下。在另一实施例中，接地电压404的曲线可偏离可接受的电压带。当接地电压404跨越接地电压阈值时，低值比较器408的曲线变高。可将输出馈送到单稳态电路或微控制器。当比较器值为高时，单稳态脉冲禁止信号412变高持续比三态缓冲器的持续时间更长的持续时间428，使得逆变器输出410被禁用。逆变器输出410可被禁用至少持续与单稳态脉冲一样长的时间。软件和硬件检查可在短路指示之后使逆变器输出410延迟恢复正常。延长的时间段产生反馈延迟426，在反馈延迟426中，逆变器输出410处于off(关闭)状态持续比比较器406和408输出禁止信号的时间更长的时间。脉冲长度可以是用于确保软件可检测保护电路或检测电路内的故障以使逆变器保持在关闭模式所需要的任何持续时间428。脉冲长度还可确保逆变器输出不波动。例如，取决于传感器类型以及与传感器关联的故障状况，脉冲可以是5ms或10ms。在一些实施例中，单稳态脉冲412可基于高值比较器信号406的on(导通)时间段422的上升沿而发生。单稳态脉冲412可基于低值比较器信号408的on时间段424的上升沿而发生。在高值比较器406的on时间段422或低值比较器408的on时间段424指示检测之后，单稳态脉冲412可在上升沿达到最小阈值时发生以触发单稳态振荡器。可允许的上限电压430的阈值定义在用信号传送偏离的指示之前的最大回路电压。可允许的接地电压432的阈值定义在用信号传送偏离的指示之前与预定接地参考电压的最大偏离。

说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合，以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。