用于使至少一个半导体开关运行的方法和电路装置、用于使电机运行的方法和变流器与流程

本发明涉及一种用于利用至少一个经过脉宽调制的驱动器信号来运行至少一个半导体开关的方法以及电路装置。此外，本发明还涉及一种用于使具有所述的电路装置的电机运行的方法和变流器。

背景技术：

带有多重的、尤其是三重的半桥电路的变流器、尤其是逆变器（Inverter）具有正电压侧的半导体开关和负电压侧的半导体开关，这些半导体开关由经过脉宽调制的驱动器信号交替地或彼此反向地接通和关断。由此，从直流电源中产生多相的、尤其是三相的交流电流（相电流），利用所述交流电流例如使电机运行。

为了更好地、尤其是损耗优化地和无故障地调节或控制电机，有帮助的是，根据变流器或电机的状态来调整交流电流或相电流。

技术实现要素：

由此，本发明的任务在于指明了一种可能性，利用该可能性能够以简单且成本低廉的方式来调整交流电流或相电流，以适应于具有半导体开关的变流器的状态或要利用该变流器来使其运行的电机的状态，以致尤其是能够优化开关损耗并且能够避免开关故障。

该任务通过独立权利要求的主题来解决。有利的构建方案是从属权利要求的主题。

按照本发明的第一方面，提供了一种用于利用至少一个经过脉宽调制的驱动器信号来运行（尤其是调节或者控制）至少一个半导体开关的方法。按照该方法，在所述经过脉宽调制的驱动器信号被传输用于使所述半导体开关（例如变流器的半导体开关）运行之前，数字数据被调制在所述驱动器信号上。以被调制在驱动器信号上的方式来传输的数字数据包含关于用于使所述半导体开关运行的测量值、参考变量（Fuehrungsgroesse）/控制变量和/或操纵变量的信息。

经过脉宽调制的驱动器信号具有信号电平、信号周期持续时间并且因此具有信号频率以及占空比，它们可以根据半导体开关（例如变流器的半导体开关或要利用该半导体开关来使其运行的电机的半导体开关）的运行状态来设定。

数字数据以数字信号的形式或以位串的形式被调制在驱动器信号上。数字信号具有如下信号频率：所述信号频率为驱动器信号的信号频率的至少5倍、优选地至少10倍、尤其是至少100倍、特别是至少1000倍。

通过将数字信号调制在驱动器信号上，驱动器信号在一定程度上用作数字数据的载波信号。

不同于其中以被调制在“高频的”载波信号上的方式传输“低频的”数据信号的常规信号调制，在上述方法中，比较“高频的”数字信号以调制在相对于该数字信号“低频的”驱动器信号上的方式来传输。

数字数据可以包含关于测量变量的信息，所述测量变量例如可以是针对半导体开关的输出电流（负载段电流（Laststreckenstroeme））或针对相电流的测量值，或者是针对具有该半导体开关的变流器的中间电路电压的测量值。

此外，数字数据可以包含关于参考变量/控制变量的信息，参考值和/或控制值是用于带有半导体开关的变流器的控制/调节执行机构的输入变量的瞬时值。

此外，数字数据可以包含关于操纵变量的信息，所述操纵变量即在控制技术中和在调节技术中使用的执行机构的输出变量（设置（Stellung）），借助所述执行机构可以有针对性地介入控制段或调节对象中。

通过上述列出的信息作为数字信号以被调制在驱动器信号上的方式来传输，不用考虑如下数据连接：所述数据连接要不然为了传输所述信息而会是必需的，并且由此也不用考虑由于数据连接中的中断引起的可能的干扰。通过较少的数据连接又减小了变流器的复杂性，并且因此也减小了变流器的制造成本。

由此指明了如下可能性：利用该可能性能够以简单且成本低廉的方式调整具有半导体开关的变流器的交变电流或相电流，以适应于所述变流器的状态，以致尤其是能够优化开关损耗并且能够避免开关故障。

优选地，利用上面所述的方法来运行同一个半桥电路的正电压侧的半导体开关和负电压侧的半导体开关。在此，正电压侧的半导体开关和/或负电压侧的半导体开关分别借助经过脉宽调制的第一驱动器信号和/或经过脉宽调制的第二驱动器信号来运行，其中前面所述的数字数据以被调制在所述第一驱动器信号和/或所述第二驱动器信号上的方式来传输。

优选地，在第一驱动器信号和第二驱动器信号之间设置有时滞，用于保护半桥电路免受电短路。数字数据例如在时滞期间被传输。

也就是说，数字数据被调制在驱动器信号的处于时滞中的信号部分中。在此，数字数据或数据信号被编码，使得数据信号的每个数据位都具有50%的高电平和50%的低电平。由此，数据信号与驱动器信号相比是高频的，并且可以在接收到被调制过的驱动器信号之后通过滤波而与驱动器信号分开。由此，即使所述数据信号在驱动器信号的时滞期间被传输，所述数据信号对驱动器信号的开关特性也没有产生负面影响。

优选地，第一驱动器信号和第二驱动器信号根据经过脉宽调制的控制信号（或从经过脉宽调制的控制信号中）来产生。在此，第一驱动器信号和第二驱动器信号以相对于控制信号偏移了延迟时间的方式来生成。在该延迟时间期间，数字数据以被调制在第一驱动器信号和/或第二驱动器信号上的方式来传输。

也就是说，数字数据被调制在驱动器信号的处于延迟时间中的信号部分中。数字数据因此在延迟时间期间被调制在驱动信号中的一个上，或者被调制在这些驱动器信号上，并且在所述驱动信号中的一个上或者在这些驱动器信号上被传输。

由于延迟时间，驱动器信号相对于控制信号偏移了相同的时段，其中驱动器信号（或相邻的具有驱动器信号的高电平的信号部分）彼此又间隔开了时滞。

延迟时间在此优选地显著短于驱动器信号或经过脉宽调制的控制信号的信号周期，尤其是为驱动器信号或经过脉宽调制的控制信号的信号周期最多十分之一、特别是最多二十分之一、最多五十分之一或者最多一百分之一。由此，延迟时间相较于驱动器信号的信号周期几乎不起决定作用，并且也对驱动器信号的占空比没有产生负面影响或仅产生微小得可忽略的影响。

在此，数字数据优选地被调制在第一驱动器信号和/或第二驱动器信号上，使得第一驱动器信号或第二驱动器信号的信号电平、信号电平持续时间和/或占空比可以与被调制过的数字数据无关地改变。

由于驱动器信号以相对于控制信号仅错移了预定义的延迟时间的方式来生成，所以驱动器信号的信号边沿陡度、信号电平、信号电平持续时间（相应的信号电平的持续时间）和/或占空比优选地可以与要被调制的或被调制过的数字数据无关地改变。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于借助半桥电路的正电压侧的半导体开关和负电压侧的半导体开关来运行电机的方法，其中正电压侧的半导体开关和/或负电压侧的半导体开关按照前面所描述的方法来运行。

优选地，按照前面所描述的方法以被调制过的方式传输给第一驱动器信号和/或第二驱动器信号的数字数据包含关于用于使电机运行的变流器的开关速度、中间电路电压、相电流、运行状态和/或运行故障的信息，所述信息为了使电机最优运行而不得不被考虑或在电机运行时出现并且能够由适当的传感器检测或测量。

按照本发明的还有另一方面，提供了一种用于利用至少一个经过脉宽调制的驱动器信号来运行至少一个半导体开关的电路装置、尤其是驱动器电路。该电路装置包括调制器，该调制器配置为：将数字数据调制在经过脉宽调制的驱动器信号上。在此，数字数据包括关于用于使半导体开关运行的测量变量和/或参考变量/控制变量和/或操纵变量的信息。

优选地，该电路装置配置为：分别利用经过脉宽调制的第一驱动器信号和经过脉宽调制的第二驱动器信号来运行半桥电路的正电压侧的半导体开关和负电压侧的半导体开关。在此，调制器此外还配置为：将数字数据调制在第一驱动器信号和/或第二驱动器信号上。

按照本发明的还有另一方面，提供了一种用于使电机运行的变流器、尤其是逆变器（Inverter）。变流器包括至少一个半桥电路以及至少一个前面所描述的电路装置，所述半桥电路具有正电压侧的半导体开关和负电压侧的半导体开关，所述电路装置用于使正电压侧的半导体开关和/或负电压侧的半导体开关运行。在此，该电路装置在每种情况下都经由控制信号输出端与相应的半导体开关的控制端子电相连。

变流器尤其是包括三个、六个或者九个半桥电路以及前面所描述的电路装置，所述半桥电路分别具有正电压侧的半导体开关和负电压侧的半导体开关，所述电路装置用于使半桥电路的正电压侧的半导体开关和/或负电压侧的半导体开关运行。为此，该电路装置具有相对应数目的控制信号输出端，该电路装置经由所述控制信号输出端与相应的半导体开关的控制端子电相连并且控制相对应的半导体开关。

在此，变流器的电路装置此外优选地还配置为：将关于变流器和/或电机的开关速度、中间电路电压、相电流、运行状态和/或运行故障的信息作为数字数据以被调制在第一驱动器信号和/或第二驱动器信号上的方式来传输。

只要上面所描述的用于利用经过脉宽调制的驱动器信号来运行半导体开关的方法的有利的构建方案另外可转用于上面所描述的用于使半导体开关运行的电路装置上或者可转用于上面所述的方法或可转用于上面所述的用于使电机运行的变流器上，这些有利的构建方案就也应被视为用于使电机运行的电路装置、方法和变流器的有利的构建方案。

附图说明

在下文，参照所附的附图更详细地阐述了本发明的示例性的实施形式。在此：

图1以示意图示出了根据本发明的实施形式的用于使电机运行的逆变器的电路拓扑结构；

图2A、图2B以示意性信号图示出了经过脉宽调制的控制信号以及没有或带有被调制过的数字数据的经过脉宽调制的驱动器信号。

具体实施方式

图1示出了用于使电机EM运行的逆变器IV（或其部分）。

逆变器IV包括功率输出级，该功率输出级具有三个彼此在很大程度上同样地构造的半桥电路HB，所述半桥电路HB彼此并联电连接并且电连接在正供电线路与负供电线路之间。为了简单地示出逆变器IV，在图1中示例性地仅绘出了三个半桥电路HB中的一个。半桥电路HB分别包括正电压侧的半导体开关HL1和负电压侧的半导体开关HL2。这些半导体开关HL1、HL2彼此串联连接在相应的半桥电路HB中，并且分别经由相线路PL分别与电机EM的三个定子绕组中的一个定子绕组直接电相连，所述相线路PL电连接在相应的半桥电路HB的半导体开关HL1、HL2之间的接线点上。

此外，逆变器IV包括电路装置SA，用于激励（Ansteuern）半导体开关HL1、HL2。该电路装置SA包括六个彼此基本上类似构造的栅极驱动器GT1、GT2，所述栅极驱动器GT1、GT2构造为用于激励六个半导体开关HL1、HL2。栅极驱动器GT1、GT2在每种情况下都经由信号输出端与相应的半导体开关HL1、HL2的栅极端子电相连。为了简单地示出逆变器IV，在图1中示例性地仅绘出两个栅极驱动器GT1、GT2，用于激励三个半桥电路HB中的一个半桥电路的正电压侧的半导体开关HL1和负电压侧的半导体开关HL2。栅极驱动器GT1、GT2处于电路装置SA的高压侧HV上，在该电路装置SA的高压侧HV中存在为例如48伏特的电压水平。

此外，该电路装置SA包括六个彼此基本上类似构造的分压器PT1、PT2，所述分压器PT1、PT2分别具有两个信号输入端和两个信号输出端。分压器PT1、PT2在每种情况下都经由信号输入端分别与相应的栅极驱动器GT1、GT2的另一信号输出端电相连。分压器PT1、PT2在每种情况下都经由信号输出端分别与相应的栅极驱动器GT1、GT2的信号输入端电相连。分压器PT1、PT2在每种情况下都经由另外的信号输入端分别与随后要描述的信号调制器MO的信号输出端电相连。分压器PT1、PT2在每种情况下都经由另外的信号输出端分别与随后要描述的微控制器（控制电子装置，用英语表达为“Controll Board（控制板）”）MK的信号输入端电相连。为了简单地示出逆变器IV，在图1中示例性地仅绘出两个分压器PT1、PT2，所述分压器PT1、PT2分别与用于激励半桥电路HB的正电压侧的半导体开关HL1的栅极驱动器GT1和与用于激励半桥电路HB的负电压侧的半导体开关HL2的栅极驱动器GT2电相连。

分压器PT1、PT2配置为：将电势在电路装置SA的前面所述的高压侧HV与电路装置SA的低压侧NV之间进行直流隔离（galvanisch trennen），并且因此保护电路装置SA和其部件免受过电压，在所述电路装置SA的低压侧NV中存在为例如12伏特的电压水平。

此外，该电路装置SA包括前面所述的信号调制器MO，所述信号调制器MO在每种情况下都经由信号输出端与相应的分压器PT1、PT2的信号输入端电相连。随后描述信号调制器MO的作用方式。

此外，该电路装置SA包括信号发生器SG，所述信号发生器SG在信号输出侧与信号调制器MO的信号输入端电相连。该信号发生器SG配置为：从经过脉宽调制的控制信号SS中生成六个经过脉宽调制的驱动器信号TS1、TS2，六个半导体开关HL1、HL2以由所述经过脉宽调制的驱动器信号TS1、TS2来激励的方式运行。

此外，该电路装置SA包括前面所述的微控制器MK，所述微控制器MK经由信号输出端与信号调制器MO的另一信号输入端电相连。随后描述微控制器MK的作用方式。

此外，该电路装置SA包括中间电路电压计ZM，该中间电路电压计ZM经由信号输出端与微控制器MK的另一信号输入端电相连。中间电路电压计ZM在输入侧电连接到逆变器IV的在图1中未示出的中间电路电容器的两个电流端子上，并且中间电路电压计ZM配置为：在电机EM运行期间，在中间电路电容器上测量中间电路电压，而且将所测量的中间电路电压值经由信号输出端转发给微控制器MK。

此外，该电路装置SA包括相电流计PM，所述相电流计PM经由信号输出端与微控制器MK的另一信号输入端电相连。相电流计PM在输入侧电连接在相线路PL上，并且相电流计PM配置为：在电机EM运行期间，测量流经相线路PL的相电流，将所测量的相电流值经由信号输出端转发给微控制器MK。

该电路装置SA可以具有其他测量单元，所述其他测量单元配置为测量其他运行参数（诸如温度）和/或检测在电机EM上或在逆变器IV上的运行状态或者运行故障，并且经由其相应的信号输出端在每种情况下都与微控制器MK的另外的信号输入端电相连。所述测量单元配置为：在电机EM运行期间，检测相对应的运行参数、相对应的运行状态或运行故障，并且将相对应的（测量）值转发给微控制器MK。

栅极驱动器GT1、GT2和其他处于电路装置SA的高压侧HV上的功率电子部件与半导体开关HL1、HL2一起构造功率电子单元LE。

处于该电路装置SA的低压侧LV上的电路部件（诸如信号调制器MO、信号发生器SG和微控制器MK）一起构造中央控制电子装置SE。

低压侧LV通过分压器PT1、PT2与高压侧HV直流隔离。

在已依据图1描述了逆变器IV的电路拓扑结构之后，随后依据图2A、图2B详细地描述逆变器IV的作用方式。

为了能够低损耗地且无故障地使电机EM运行，功率输出级的半导体开关HL1、HL2必须根据如下各种参数来激励：所述各种参数基于关于电机EM的所需的开关速度、中间电路电压、相电流、运行状态和/或根据在逆变器IV中的或在电机EM中的运行故障的信息来确定。为此，必须以测量值的形式检测相关信息，并且所述相关信息作为数字数据被转发给栅极驱动器GT1、GT2，以致栅极驱动器GT1、GT2可以根据所述信息相对应地调节和优化半导体开关HL1、HL2的激励。

为了在没有附加开销的情况下或在有尽可能小的附加开销的情况下克服这一点，微控制器MK配置为，以对于本领域技术人员已知的方式分析测量值以及关于运行状态或者运行故障的信息，并且基于所述测量值生成数字数据，依据所述数字数据调整驱动器信号TS1、TS2，以激励半导体开关HL1、HL2，其中微控制器MK经由信号输入端从中间电路电压计ZM、相电流计PM以及其他测量单元接到所述测量值，微控制器MK经由其他信号输入端从栅极驱动器GT1、GT2以其他测量值的形式接到所述关于运行状态或者运行故障的信息。微控制器MK将数字数据以数字信号DS的形式传送给信号调制器MO。

信号发生器SG从经过脉宽调制的控制信号SS中生成经过脉宽调制的驱动器信号TS1、TS2。在此，信号发生器SG生成驱动器信号TS1、TS2，使得为了激励相应的半桥电路HB的正电压侧的半导体开关HL1和负电压侧的半导体开关HL2，驱动器信号TS1、TS2彼此具有时滞TZ。此外，信号发生器SG生成驱动器信号TS1、TS2，使得所有驱动器信号TS1、TS2相对于控制信号SS偏移预给定的延迟时间VZ。时滞TZ和延迟时间VZ在图2A中阐明。信号发生器SG紧接着将驱动器信号TS1、TS2转发给信号调制器MO。

信号调制器MO将数字信号DS调制到驱动器信号TS1、TS2上，其方式是：所述信号调制器MO将包含在数字信号DS中的数字数据以高频位串BF的形式调制到相应的信号部分中，所述相应的信号部分在比较低频的驱动器信号TS1、TS2的延迟时间VZ中。在此，相对应的信号部分简单地通过数字信号DS的数字位串BF“替换”，正如在图2B中所阐明的那样。

信号调制器MO紧接着将利用数字信号DS调制过的驱动器信号TS1'、TS2´经由分压器PT1、PT2转发给栅极驱动器GT1、GT2。

通过对于本领域技术人员已知的解调方法，栅极驱动器GT1、GT2将数字信号DS或数字数据与相应的驱动器信号TS1'、TS2´分开。

为此，栅极驱动器GT1、GT2分别包括第一滤波器FT1和第二滤波器FT2，所述第一滤波器FT1用于将驱动器信号TS1、TS2从进行接收的被调制过的驱动器信号TS1'、TS2´中过滤出来，所述第二滤波器FT2用于将数据信号DS从调制过的驱动器信号TS1'、TS2´中过滤出来。滤波器FT1、FT2在输入侧电连接在相应的栅极驱动器GT1、GT2的输入端上。

此外，栅极驱动器GT1、GT2分别包括数据解码器DD，用于从通过滤波获得的相应的数字信号DS中解码数字数据。数据解码器DD在信号输入侧与相应的第二滤波器FT2的信号输出端电相连。

此外，栅极驱动器GT1、GT2分别包括驱动器信号控制器TK，用于根据被解码的数字数据调整通过滤波获得的相应的驱动器信号TS1、TS2。驱动器信号控制器TK经由信号输入端在信号输入侧与相应的第一滤波器FT1的信号输出端电相连。此外，驱动器信号控制器TK经由另一信号输入端在信号输入侧与相应的数据解码器DD的另一信号输出端电相连。

在电机EM运行时，相应的栅极驱动器GT1、GT2的相应的第一滤波器FT1从接收到的被调制过的驱动器信号TS1'、TS2´滤出相应的驱动器信号TS1、TS2，并且将所述相应的驱动器信号TS1、TS2转发给驱动器信号控制器TK。同时，相应的栅极驱动器GT1、GT2的相应的第二滤波器FT2从相同的被调制过的驱动器信号TS1'、TS2´滤出相应的数据信号DS，并且将所述相应的数据信号DS转发给相对应的数据解码器DD。数据解码器DD对数据信号DS进行解码，并且从在数据信号DS1、DS2中包含的数字数据获得关于必须如何调整驱动器信号TS1、TS2的有用信息，以便例如使电机EM高效地运行或者排除在电机EM中的运行故障。

为了避免数据错误，在数据解码器DD从数字数据中滤出所需的信息之前，数据解码器DD在此执行奇偶校验。奇偶检验（用英语表达为“Parity Check”）以对于本领域技术人员已知的方式进行，诸如通过对数字信号DS的多重抽样或者依据奇偶校验码（用英语表达为“Parity-Check-Codes”）进行，所述奇偶检验码已在调制阶段期间由信号调制器MO插入到数据信号DS中。

紧接着，数据解码器DD将有用信息转送给相应的驱动器信号控制器TK。驱动器信号控制器TK接着基于有用信息调整相应的经过滤波的驱动器信号TS1、TS2，并且将经过调整的驱动器信号TS1、TS2经由相应的信号输出端转送给对应的半导体开关HL1、HL2的栅极端子，而且因此相对应地控制半导体开关HL1、HL2。

所传输的数字数据尤其可以包含：

-中间电路信息、诸如在中间电路电容器上测量的中间电路电压；

-相电流信息、诸如在相线路PL上测量的相电流值；

-指令，所述指令在故障的情况下在半导体开关HL1、HL2中或在逆变器IV中作为数字数据被传输。在存在这种指令的情况下，半导体开关HL1、HL2例如被置于诊断模式中。

利用中间电路信息、如在中间电路电容器上测量的中间电路电压，可以确定，过电压峰值在半导体开关HL1、HL2的过去的开关阶段期间结果有多高。这又说明半导体开关HL1、HL2可以多快地接通/关断，而在此没有出现危险的过电压峰值。

如果测量到的中间电路电压远低于预给定的最大允许的参考中间电路电压，那么（基于从数字数据获得的有用信息）可以更陡峭地设定驱动器信号TS1、TS2的信号边沿，并且因此可以更快地执行半导体开关HL1、HL2的开关过程。由此，减小开关损耗，并且提高逆变器的整体效率。

与此相反，如果测量到的中间电路电压接近预给定的参考中间电路电压并且即将发生在逆变器IV中的过电压，那么（基于有用信息）可以更平缓地设定驱动器信号TS1、TS2的信号边沿，并且因此可以更缓慢地执行半导体开关HL1、HL2的开关过程。由此防止由于过电压引起的迫在眉睫的危险。由此延长了半导体开关HL1、HL2的使用寿命，并且因此延长了逆变器IV的使用寿命。

基于相电流信息，尤其是基于在相线路PL上测量的相电流，优化半导体开关HL1、HL2的接通特性，并且减小在半导体开关HL1、HL2中的开关损耗和减小EMV（电磁兼容性）干扰。

基于微控制器MK经由状态线路接到的故障信号，微控制器MK生成相对应的数字信号DS，所述数字信号DS将栅极驱动器GT1、GT2和因此也将半导体开关HL1、HL2置于预定义的诊断模式中，在该诊断模式期间以对于本领域技术人员已知的方式可以确定故障的地点和精确的类型。

利用上面所描述的电路装置SA，在栅极驱动器GT1、GT2与微控制器MK之间的几乎成本适中地扩展的通信是可能的。可以通过上面所描述的作用方式显著地减小开关损耗。此外，改善了半导体开关HL1、HL2的EMV特性。此外，扩展了诊断可能性，这有助于提高整个系统的可用性。

滤波器FT1、FT2的滤波时间和在数据解码器DD中的数据解码的持续时间彼此相互协调，使得在驱动器信号TS1、TS2中没有时间延迟并且也没有信号失真。尤其是，用于对数据信号DS进行滤波的第二滤波器FT2的滤波器时间设定为短于用于对驱动器信号TS1、TS2进行滤波的第一滤波器FT1的滤波时间。

驱动器信号TS1、TS2的滤波、数据解码和调整的过程的同步可以借助预定义的起始位（诸如在驱动器信号TS1、TS2中的边沿变换或确定的序列的边沿变换的情况下）进行，所述起始位并入数据解码器DD处，其中在存在起始位时，相对应的栅极驱动器GT1、GT2的信号输出端或控制路径可以首先被锁定。

由此确保了，起始位的边沿变换或电平变换对半导体开关HL1、HL2的激励没有影响。只有当数字数据的所有位已被接收到（通过识别预定义的停止位）时，相对应的栅极驱动器GT1、GT2的控制路径或相对应的信号输出端才又被释放。

通过在栅极驱动器GT1、GT2中的前面所描述的智能的解码方法，所述激励相对于常规激励的情况是不变或仅微小到可忽略地变化，以致不出现负面影响，诸如不出现提高的抖动效应或者减小的开关动态特性。