本發(fā)明涉及馬達驅(qū)動電路系統(tǒng)的改進，特別地但非排他地用于電動助力轉(zhuǎn)向組件。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是已知的類型，其中電馬達對轉(zhuǎn)向裝置的一部分施加輔助轉(zhuǎn)矩，從而輔助車輛的駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤。馬達通?？梢酝ㄟ^減速齒輪箱作用于轉(zhuǎn)向柱或者可以作用于轉(zhuǎn)向齒條(rack)。在轉(zhuǎn)動方向盤時，對駕駛員施加到轉(zhuǎn)向裝置的轉(zhuǎn)矩的測量結(jié)果被傳遞到處理器，處理器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩需求信號，該轉(zhuǎn)矩需求信號進而用于控制馬達以產(chǎn)生所需的輔助轉(zhuǎn)矩。施加與駕駛員施加的轉(zhuǎn)矩具有相同意義的輔助轉(zhuǎn)矩減少了轉(zhuǎn)動方向盤所需的力量。

馬達(諸如多相永磁體馬達)可以是星形連接或y形連接，由馬達控制電路和馬達驅(qū)動電路控制。馬達驅(qū)動電路包括可以斷開和閉合的開關，以響應于由控制電路提供的控制模式而將馬達的相連接到dc源(諸如電池或地)。具體而言，每一相通過頂部晶體管連接到正電源軌，當頂部電晶體管導通時，將馬達相連接到與正電源軌連接的電池正極端子。類似地，每一相通過底部晶體管連接到負電源軌。當?shù)撞烤w管導通時，將相連接到與電池負極或地連接的負軌。兩個晶體管(頂部晶體管和底部晶體管)形成作為驅(qū)動電路的心臟的多臂橋電路的一個臂。通過斷開和閉合開關，可以選擇性地并且獨立地使電流路由通過馬達的每一相。

控制電路包括數(shù)字電路或模擬電路或兩者的某種組合?？刂齐娐返墓δ苁窍驑蚓w管供應控制信號，從而按照進而使得電流根據(jù)給定馬達轉(zhuǎn)矩和速度所需流經(jīng)相的模式斷開和閉合橋晶體管。一般而言，該模式將由控制電路根據(jù)馬達位置和由轉(zhuǎn)矩傳感器在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中測量的轉(zhuǎn)矩來設置。通常，橋的每個臂的模式包括脈寬調(diào)制波形。

典型的現(xiàn)有技術(shù)馬達和驅(qū)動電路的示例在附圖的圖1中示出。電池(未示出)向具有頂部開關2、3、4和底部開關5、6、7的三相橋供應電力，這些開關向三相永磁體馬達8饋電。所示的開關是mosfet，但也可以是任何其它類型的半導體開關，諸如雙極晶體管。在本文中提到mosfet器件時，讀者應當理解，這意在一般性地覆蓋任何固態(tài)繼電器或開關。

該布置的問題在于，可能出現(xiàn)故障模式，其中橋的一個臂中的頂部開關和橋的另一個臂中的底部開關可能都被卡在閉合位置，因而導致存在dc電流從電池通過正軌、通過馬達的至少兩相并返回到負軌的永久路徑。這可能由于許多原因而發(fā)生，這些原因諸如控制電路導致不正確地指示晶體管保持閉合的控制模式被應用到驅(qū)動電路的故障，或者開關故障。當發(fā)生該故障狀況時，馬達抵抗轉(zhuǎn)動，使駕駛員難以轉(zhuǎn)動方向盤。

為了防止沿著前一段中所述的路徑從電源吸取電流，剩余的橋開關可能處于故障模式，在該模式下，它們都被關斷(即，開路)。但是，電流仍然有可能沿著如附圖的圖2中所示的路徑流經(jīng)馬達。由于馬達的電感，在故障模式下流動的任何電流將依賴于電流方向繼續(xù)流經(jīng)故障的橋開關和其它兩個頂部或底部mosfet的體二極管。

在沒有其它源存在的情況下，由于能量在馬達繞組的電阻中和導通的mosfet體二極管的正向電壓降上耗散，因此該故障電流將衰減為零。這在圖3中示出。

但是，該情況并不能適當?shù)馗綦x馬達；來自駕駛員的繼續(xù)的(無輔助)轉(zhuǎn)向輸入將使馬達旋轉(zhuǎn)，因而在繞組之間生成反電動勢電壓。只要該反電動勢超過mosfet體二極管(故障mosfet旁邊的頂部或底部mosfet)的正向電壓，電流將再次流動，因而給出半波整流的周期性電流波形，抵抗駕駛員的動作(馬達阻尼)。這在附圖的圖4中示出。

這是不可接受的情況，必須在適用的安全需求所設置的短的時間內(nèi)對其進行整流。

為了確保電流不由于當馬達物理旋轉(zhuǎn)(例如，通過駕駛員)時的反電動勢vbemf1,2而流動，已知在每個馬達相中放置附加的隔離開關(在本文中被稱為固態(tài)相隔離繼電器(sspir))。該術(shù)語涵蓋包括mosfet和雙極晶體管的一系列固態(tài)開關。當故障發(fā)生時，驅(qū)動電路被置于故障事件模式，在該模式下，這些開關保持斷開(不導通)，以確保相中沒有電流流過。在圖5中示出每個相中具有隔離開關的簡單的電路(在本文中被稱為固態(tài)相隔離繼電器(sspir))。

雖然sspir的使用似乎是對問題的完美和全面的解決方案，但是申請人之前已經(jīng)認識到，當sspir在高電流流經(jīng)它時有意或無意地斷開時，sspir出現(xiàn)問題。在該情況下，sspir兩端的電壓將由于在斷開之前的時刻增大的漏極-源極電阻而快速上升，直到達到開關的擊穿電壓(雪崩條件)，除非受到外部裝置的限制。在存在高電流的情況下，高電壓的該組合導致短的高功率脈沖。該脈沖中包含的能量可能導致sspir的短路故障，從而達不到其目的。這在圖6中示出。

已知在斷開sspir之前等待馬達中的電流衰減。但是，這并不是解決sspir的可能的短路故障問題的完全的解決方案?？紤]基于12伏供電電池的代表性汽車應用，其中，在檢測到故障橋mosfet后，橋mosfet斷開，如圖6中所示。來自駕駛員的繼續(xù)的(無輔助)轉(zhuǎn)向輸入將使馬達旋轉(zhuǎn)，因而在繞組之間生成周期性的反電動勢電壓。只要該反電動勢超過mosfet體二極管(在故障mosfet旁邊的頂部或底部mosfet)的正向電壓，電流將再次流過(半波整流)，因而抵抗駕駛員的動作(馬達阻尼)。該電流可能足夠高，以至于隨后斷開sspir的任何嘗試都將使其進入雪崩模式，在該模式下，耗散的功率超過sspir的額定值，導致災難性故障。

過去已經(jīng)嘗試通過提供在sspir斷開期間吸收能量的緩沖器電路來克服該限制，否則會由于sspir中功率耗散過大而導致sspir損壞。但是，提供緩沖器電路本身可能造成緩沖器電路不能處理電流的突然變化的問題，并且在任何情況下，在緩沖器中引入附加的部件都會增加成本并導致更多潛在的故障點。

本發(fā)明的目的是改善與使用sspir相關聯(lián)的問題，而無需使用附加的緩沖器電路系統(tǒng)。

根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供了用于驅(qū)動具有兩相或更多相的馬達的馬達驅(qū)動電路，所述馬達驅(qū)動電路包括：

馬達橋，對于馬達的每一相具有橋臂，橋臂包括上開關和下開關，在正常運行中這些開關可以斷開和閉合，以響應于來自馬達控制電路的驅(qū)動信號而調(diào)制施加到相應相的電壓，

至少一個固態(tài)相隔離繼電器sspir，其在將馬達的相應相連接到相應橋臂的電氣路徑中串聯(lián)提供，sspir在正常運行中閉合，使得電流可以在該相中流動，并且sspir在故障運行模式下保持斷開，以防止電流在該相中的流動，

其特征在于包括：

監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測相中的電流波形，從而至少在故障運行模式下提供輸出，該輸出指示何時斷開sspir是安全的而不會由于雪崩模式導致sspir的損壞；以及

控制電路，其在正常運行期間將電壓施加到每個器件，該電壓足以保持sspir閉合并且在故障運行模式下對監(jiān)測裝置的輸出作出響應，從而使施加到每個sspir的電壓降低至使sspir在安全時間斷開的電平。

因此，本發(fā)明確保sspir不會由于sspir中的過多功率耗散而在斷開時被損壞，功率耗散已知為流經(jīng)馬達的電流與sspir兩端的電壓降的乘積的函數(shù)。這是通過對電流波形的仔細監(jiān)測來實現(xiàn)的。

在每一相提供有相應sspir的情況下，監(jiān)測裝置通過獨立地監(jiān)測每一相中的電流波形，使得每個sspir的斷開定時獨立于其它sspir。每個sspir的斷開可以獨立完成，因此它們不必然要全部同時斷開，而是僅在安全的情況下斷開。

監(jiān)測每一相中流動的電流的電流監(jiān)測電路可以監(jiān)測電流的幅度，或者它可以直接或間接地監(jiān)測電流的變化率。直接地監(jiān)測是指監(jiān)測實際電流或電流的變化率，而間接地監(jiān)測是指監(jiān)測隨著電流或電流變化率而變化的參數(shù)。

優(yōu)選地，監(jiān)測裝置監(jiān)測依賴于電流變化率的信號，特別地，監(jiān)測裝置確定依賴于相應相中的電流變化率的信號何時為負。該事件指示電流正在下降，并且是斷開sspir的安全時間的指示。

在一個布置中，監(jiān)測裝置可以有其正在監(jiān)測的信號的閾值變化率，在輸出指示斷開開關是安全的之前，該閾值變化率必須被超過。因此，被監(jiān)測的信號中不會使變化率超過閾值的小的波動將不會造成輸出被觸發(fā)。

在一個優(yōu)選的布置中，來自監(jiān)測電路的輸出信號可以包括二值切換輸出，其中當電壓在檢測閾值以下時該二值切換輸出具有第一值，并且當電壓在閾值以上且正在下降時該二值切換輸出具有第二值。該信號的改變可以提供使控制裝置斷開sspir的觸發(fā)。

在一個特別有利的布置中，監(jiān)測電路通過監(jiān)測指示sspir兩端的電壓降的信號來監(jiān)測電流波形。如果sspir是mosfet器件，則sspir兩端的電壓降是指漏極-源極電壓。該電壓將隨著sspir的電阻和電流的變化而變化，雖然電阻在監(jiān)測期間可能改變，但是該信號將隨著電流的變化而變化。

這尤其有利，因為它允許監(jiān)測電流而無需任何附加的電路系統(tǒng)，諸如必須在相中串聯(lián)放置的專用的電流感測電阻器。

所監(jiān)測的信號可以是實際下降的電壓，或者是如在分壓器兩端測量的實際電壓的一部分。

監(jiān)測裝置可以包括低通濾波器，電壓信號通過該低通濾波器，監(jiān)測裝置監(jiān)測經(jīng)濾波的信號。之后，所監(jiān)測的信號將是作為sspir兩端的電壓降的導數(shù)或者該電壓的一部分的信號。

在簡單的布置中，電流監(jiān)測電路可以包括rc濾波器，rc濾波器中電阻r至少部分地依賴于器件電阻。

通過監(jiān)測器件電壓的變化率，并且如果超過負變化率的閾值則觸發(fā)，如果電流監(jiān)測電路檢測到電流波形已經(jīng)過峰值并且正在下降，則電流監(jiān)測電路將觸發(fā)。對于當馬達被駕駛員轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)的經(jīng)整流的周期性波形，這將在電流下降到零時發(fā)出信號通知安全時間。

申請人已經(jīng)認識到，在sspir閉合的正常運行中，sspir兩端的電阻降將非常小，并且為了監(jiān)測這一點，將需要非常敏感的監(jiān)測電路。

因此，在細化中，為了提供使用較不敏感的電路系統(tǒng)較容易測量的電壓，控制電路可以被配置為使得在啟動故障模式之后，施加到柵極的電壓隨時間逐漸下降，使得在到達sspir斷開處的電壓之前它逐漸通過閾值區(qū)域，在該閾值區(qū)域中漏極源極電阻對于柵極電壓的小的變化大幅變化。

由于難以精確地控制電壓以給出已知的電阻，以及突然切換到電阻過高并因此發(fā)生雪崩故障的電壓的風險，因此控制電路可以被布置成使電壓從閾值電壓處或接近閾值電壓的第一電壓緩慢下降至在sspir斷開處的電壓以下的第二電壓。緩慢下降是指電壓在至少20毫秒或至少50毫秒內(nèi)從閾值下降到斷開電壓?？梢噪S著馬達的轉(zhuǎn)速的變化來選擇該時間，使得當馬達處于其最大額定速度時，需要電流波形的至少兩個周期來下降通過閾值區(qū)域。

在閾值所指的電壓處，例如圖16中所示的電阻-柵極電壓曲線通過明顯的拐點，并且在該電壓處，對于基極電壓(或者，在雙極器件的情況下為基極電流)的給定的變化，與當其保持在顯著高于該閾值或拐點電壓的電壓(電流)時相比，電阻開始以高得多的速率上升。對于典型的器件，這將是大約4-5伏，其中完全斷開電壓大約為2伏或更小。當完全斷開時，電阻實際上是無窮大。

在故障運行模式啟動之后，sspir控制電路可以被配置為使施加到每個sspir的柵極或基極的電壓快速下降到更接近sspir的閾值但在閾值電壓以上的電平，并且隨后使電壓隨時間更緩慢地降低以通過閾值。理想情況下，該下降使電壓快速到恰在閾值以上的點，但為了安全起見，最好使電壓下降到閾值以上例如約2-3伏的電壓并且之后逐漸下降。

快速初始下降然后緩慢下降確保了自然下降到sspir斷開處的電壓的總時間不像如果對于給定的電壓緩慢下降而沒有快速下降所需的時間那么長。這確保了當電流太低以至于不能觸發(fā)監(jiān)測器時器件在可接受的時間段內(nèi)自然地斷開，同時不會下降太快從而使得監(jiān)測電路在達到雪崩條件之前能夠觸發(fā)。

用于sspir的控制電路可以包括連接到sspir的柵極或基極的儲存電容器，其在故障事件開始之后提供電壓，在斷開sspir之前，該電壓的全部或減少的比例在閾值處或恰在閾值以上被施加到柵極。

控制電路可以被配置為提供從儲存電容器吸取電流的路徑，以使柵極電壓朝著sspir斷開電壓逐漸下降通過閾值。

可以選擇在柵極處的高初始下降速率和較緩慢的隨后電壓下降速率，以確保sspir在預定義的最大時間段之后斷開，而不管在相中流動的電流，即，獨立于監(jiān)測裝置的任何輸出。這確保當?shù)碗娏髁鲃訒r繼電器斷開，這將不足以以其它方式觸發(fā)監(jiān)測裝置的輸出。典型的時間可以是100毫秒或更少。

在一個方便的布置中，sspir控制電路可以被配置為將來自固定電壓源的電壓施加到sspir的柵極(對于mosfet)或基極(對于雙極晶體管)，這是在馬達正常運行期間在閾值電壓以上以確保sspir閉合的相當大的電壓。這確保sspir允許電流流經(jīng)相。該電壓可以被選擇為在器件閾值以上，在至少14伏或更高。對于具有大約5伏的閾值的sspir，初始的快速下降可以是大約4或5伏至大約9-10伏。

當故障事件啟動時，控制電路可以將柵極與固定電壓源隔離。在提供儲存電容器的情況下，這將變成替代電壓源。當連接到電源時，儲存電容器將由固定電壓源保持充電(toppedup)。

sspir控制裝置可以包括與每個sspir關聯(lián)的鉗位電路(clampcircuit)，其通過使施加到sspir的柵極或基極的電壓快速下降，在安全時間快速斷開sspir。在通過儲存電容器設置電壓的情況下，鉗位電路可以被配置為提供從電容器快速吸取電流的路徑。

鉗位電路優(yōu)選地被配置為在馬達以其峰值設計速度旋轉(zhuǎn)時使得柵極處的電壓在少于由于反電動勢產(chǎn)生的經(jīng)整流的電流波形的半周期的時間內(nèi)下降到sspir斷開處的電平。這確保它在電流再次上升之前完全關斷。在鉗位期間，電壓的緩慢的逐漸下降變成快得多的下降。

應當指出，在使用雙極晶體管代替mosfet的情況下，控制器將控制基極電流而不是電壓。讀者將理解該差異，并且對mosfet中控制柵極電壓的任何引述也應當被理解為對雙極器件中的基極電流的等同控制的公開。

如上面所提到的，本發(fā)明可以在馬達的每一相中提供sspir，并且監(jiān)測裝置和控制裝置可以獨立地控制每個sspir。因此，可以監(jiān)測每一相中的電流波形，使得每個sspir被安全地切斷。

當故障事件被觸發(fā)時，控制裝置啟動對sspir的斷開。設想這可以由各種不同的事件觸發(fā)。

例如，電路可以包括橋監(jiān)測裝置，其生成指示橋的開關不正確運行的信號，

橋切斷控制裝置，在接收到來自第一監(jiān)測裝置的指示橋的開關不正確運行的信號時，斷開橋的剩余開關并且保持開關斷開，并且輸出由sspir的控制電路用以啟動故障事件模式的信號。

開關不正確運行是指開關損壞并被卡住為閉合，或者開關由不正確的驅(qū)動信號不正確地保持閉合。

橋監(jiān)測裝置可以形成監(jiān)測驅(qū)動電路的完整性的診斷裝置的一部分。其可以被布置成監(jiān)測驅(qū)動電路的以下一個或多個運行參數(shù)：

診斷裝置可以包括包括至少兩部分的電路系統(tǒng)：

1)診斷感測電路系統(tǒng)，用于對sspir的電壓供應并且用于由橋提供的每個相電壓；以及

2)診斷觸發(fā)電路系統(tǒng)，其操作(exercise)控制裝置和監(jiān)測裝置。

診斷電路系統(tǒng)和算法可以被配置為驗證以下功能：

1)對每個sspir的柵極或基極的電壓供應可以被切換，并且不管關聯(lián)的相電壓為何，它都可以提供足夠的電壓以將每個sspir維持在導通狀態(tài)。

2)在導通狀態(tài)下，每個sspir可以在關聯(lián)的相和馬達端子之間提供連接。

3)在關斷狀態(tài)下，每個sspir可以在關聯(lián)的相和馬達端子之間提供足夠的隔離。

4)在斷開每個sspir之后，每個sspir在足以使感應性故障電流衰減的最小持續(xù)時間內(nèi)保持關斷。

5)在橋初始切斷之后，每個sspir將在由安全需求設置的最大持續(xù)時間內(nèi)斷開。

6)在橋初始切斷之后，每個sspir可以被觸發(fā)為在短的持續(xù)時間(短于與上述4和5關聯(lián)的持續(xù)時間)內(nèi)斷開

7)在橋初始切斷之后，每個sspir具有位于“必須運行”和“不能運行”水平內(nèi)的觸發(fā)靈敏度(以再生馬達電流)。

此外，診斷電路系統(tǒng)和算法必須在整個運行溫度范圍內(nèi)以及對于所有角速率(包括零和最大值)的馬達旋轉(zhuǎn)的情況下滿足上述1至7。

診斷電路系統(tǒng)可以在啟動時或運行時確定完整性，并且如果電路被認為是有缺陷的，則可以中止驅(qū)動電路的運行。

馬達驅(qū)動電路可以包括電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動電路。該電路可以驅(qū)動連接到車輛的方向盤的馬達。

根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供了一種驅(qū)動具有多個相的馬達的方法，其中每一相通過相應的固態(tài)相隔離繼電器(sspir)連接到橋驅(qū)動器，該方法包括在故障事件被啟動的情況下按次序執(zhí)行以下步驟：

確定在每一相中流動的電流處于可以安全地斷開sspir而不會由于sspir進入雪崩模式導致?lián)p壞的水平的時間，以及在識別出安全時間的情況下斷開sspir。

該方法可以包括監(jiān)測在每一相中流動的電流波形，或者監(jiān)測隨著電流波形而變化的信號，以檢測電流何時已經(jīng)過峰值，并且一旦峰值已經(jīng)被經(jīng)過就斷開sspir。

該方法可以包括通過監(jiān)測sspir兩端的電壓降來間接地監(jiān)測電流波形。該電壓將依賴于sspir的電流和電阻，但是通過保持電阻相對恒定或確保其逐漸升高，電壓的任何負變化將是電流的負變化的函數(shù)并且指示斷開的安全時間。

該方法可以包括在故障事件啟動之后使sspir的柵極電壓(或者對于雙極器件為基極電流)下降到閾值電平，在閾值電平處，器件電阻隨電壓的變化而急劇變化，并且在那時監(jiān)測器件兩端的電壓降，作為指示電流波形的信號。

該方法可以包括檢測該電壓的變化率何時超過閾值負值。

現(xiàn)在將僅通過舉例的方式參考附圖描述本發(fā)明的三個實施例，其中附圖如下：

圖1是代表用于汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)馬達電路的一般示意圖；

圖2是對應于圖1的示意圖，示出了當其中一個開關故障時電流在馬達四處流動的潛在路徑；

圖3是對應于圖1的示意圖，示出了甚至在與馬達電感關聯(lián)的馬達中電流的感應性衰減導致橋已經(jīng)閉合之后，電流流動的替代路徑；

圖4也是對應于圖1的示意圖，示出了當馬達迅速旋轉(zhuǎn)時由馬達中的反電動勢導致的另一電流源；

圖5是替代電路的示意圖，其中由馬達相和橋之間串聯(lián)連接的開關保護馬達的每一相；

圖6是對應于圖5的示意圖，示出了甚至當橋閉合時由馬達中的反電動勢導致的電流流動的路徑；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的連接到馬達的馬達驅(qū)動電路的實施例的示意圖；

圖8是與單個sspir關聯(lián)的控制電路的示意圖；

圖9是在單個sspir兩端耗散的功率相對于橋開關斷開之后的時間的曲線圖，其指示當馬達以最大預期速度(在該示例中為5000rpm)旋轉(zhuǎn)時在時間t＝50ms(毫秒)處啟動故障事件；

圖10是對于圖9中繪制的事件，器件中的電壓和電流隨時間變化的曲線圖；

圖11是對于其中故障事件被觸發(fā)并且馬達處于空閑狀態(tài)的測試臺的測試運行，柵源-源極電壓vgs、漏極-源極電壓vds和漏極源極電流ids相對于時間的曲線圖；

圖12是對于其中馬達自由旋轉(zhuǎn)的重復測試，圖11的曲線圖的類似集合；

圖13是對于其中馬達被驅(qū)動器強制以高速轉(zhuǎn)動的重復測試，圖11的曲線圖的類似集合；

圖14是圖13的曲線圖的放大視圖；

圖15是圖13的曲線圖的替代的放大視圖；

圖16是示出隨柵極電壓(柵極-源極電壓)變化的sspir漏極-源極電阻并且示出當電壓下降至大約5伏以下時電阻開始快速上升的閾值的示意圖；以及

圖17是用于馬達驅(qū)動電路的一個sspir的示例性控制電路和監(jiān)測電路，如圖11至圖15的測試中所使用的。

如圖7中所示，示出了用于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的馬達驅(qū)動電路100。馬達101包括三相馬達，其具有在公共的星形點102處連接在一起的三相u、v和w。每一相的未連接在星形點處的端部經(jīng)由多個固態(tài)相隔離繼電器(sspir)104、105、106連接到馬達橋電路103的相應支路，其中每個sspir與每一相串聯(lián)。該示意圖針對每個sspir示出了作為單獨元件的內(nèi)部二極管和密勒(miller)電容(與mosfet器件關聯(lián))。

馬達橋電路未詳細示出，但通常與圖1中所示的一致。每個臂或支路包括通過頂部mosfet開關將馬達連接到電池電源的正側(cè)的上部，以及通過底部mosfet開關將馬達相連接到電池電源的負側(cè)的下部。每個臂中的頂部和底部開關使得能夠通過閉合頂部晶體管并且同時斷開底部晶體管而將相連接到正側(cè)。它們還使得能夠通過閉合底部晶體管并且同時斷開頂部晶體管而將相連接到地。類似地，它們允許通過同時斷開頂部和底部晶體管而使相保持浮置。

通過由基于微處理器和橋驅(qū)動器的控制電路(未示出)施加到開關的切換模式來控制橋的頂部和底部mosfet的斷開和閉合。該模式指示在任何時間每個開關是否應當斷開和閉合。在如圖所示使用mosfet開關的情況下，模式可以簡單地包括施加在晶體管的柵極-源極端子之間以使其閉合的正電壓，或者當開關要閉合時柵極-源極端子之間的零電壓。切換模式的選擇依賴于馬達在任何給定時間的位置、要實現(xiàn)的期望馬達轉(zhuǎn)矩以及期望的馬達速度。假定馬達位置和速度被測量并被饋送到微處理器，連同指示來自馬達的所需轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩需求信號。由微處理器處理這些測量結(jié)果和信號以產(chǎn)生期望的模式?？梢允褂酶郊拥男盘杹泶_定期望的逆變器切換模式。該控制電路在本領域中是眾所周知的，因此這里不再詳細討論。

診斷電路120與橋關聯(lián)。其包括確定橋的開關的故障事件的監(jiān)測裝置，以及當從第一監(jiān)測裝置接收到指示橋的開關故障的信號時斷開橋的剩余開關的橋切斷控制裝置。

每個sspir是如圖所示包括mosfet晶體管的固態(tài)開關104、105、106。在使用中，這是常閉的(漏極-源極導通)。這些開關在正常運行中通過從sspir控制裝置108施加到柵極的電壓而保持閉合?？刂蒲b置在該示例中是模擬電路并且在圖8中被示為方框，并且在圖7中更詳細地示出。示例性電路在圖17中示出。控制電路布置在三個相同的部分中，其中每個部分與每個sspir關聯(lián)。為了方便，下面給出單個控制電路和sspir的運行，另外兩個以相同的方式工作。

控制電路用于在正常運行模式下保持sspir閉合，并在故障事件(停機)被觸發(fā)時將其安全地斷開?？刂齐娐讽憫趤碜韵鄳O(jiān)測電路113的輸出信號，其中監(jiān)測電路113監(jiān)測隨著流經(jīng)sspir的電流而變化的信號以識別斷開的安全時間。因此，sspir只有在斷開是安全的情況下才被控制電路108斷開，安全時間被定義為sspir兩端的電流和電壓不會達到如果持續(xù)足夠長時間則不會使sspir進入雪崩擊穿的水平的時間。

該示例中的柵極電源電壓得自28v電源，但在柵極處不能超過20v(絕對最大值，典型值為14-15v)，器件的閾值為大約4-5v，如前所述。在常閉狀態(tài)下，控制裝置因此向每個mosfet施加例如15伏的柵極電源電壓，并且在該模式下，除了在閉合的mosfet兩端提供小的固定電壓降之外，每個sspir對馬達的運行沒有顯著影響。

現(xiàn)在將參考圖17所示的詳細電路來更詳細地解釋控制電路108和監(jiān)測電路113的運行。

如圖7和圖17的詳細示意圖所示，控制裝置的三個相同的部分共享公共開關109，公共開關109在<切斷>被禁用的正常運行中閉合。開關109經(jīng)由反向阻塞二極管將柵極電源電壓107連接到低壓差調(diào)節(jié)器(ldo)110，低壓差調(diào)節(jié)器110將接通狀態(tài)柵極電壓設置在大約15伏，而不管額定為約28伏的電源電壓?？刂蒲b置還包括儲存電容器11，其在柵極電源中有短暫下降的情況下保持柵極電壓。

控制電路還包括在正常模式下不運行的比例柵極控制電路112，以及在正常模式下同樣不運行的柵極鉗位電路114。雖然被示為單獨的方框，但是這些都是每個sspir的控制電路的組成部分。

圖7和圖17的示例中的監(jiān)測裝置113包括與每個sspir關聯(lián)的邊緣檢測電路113，其間接地監(jiān)測流經(jīng)sspir的電流的變化率，并且當電流在達到峰值后下降到閾值比率之上時產(chǎn)生輸出信號。這指示它是斷開的安全時間，并且該信號被饋送到控制裝置108。當該信號指示電流已經(jīng)過峰值時，控制裝置通過激活柵極鉗位112快速斷開開關來進行響應，其中柵極鉗位112將柵極電壓快速拉低至sspir斷開(非導通)處以下的低電壓。

在正常運行中，診斷裝置只是簡單地觀察橋，但是如果識別出mosfet有故障，則切斷控制裝置強制所有其它mosfet都斷開(非導通狀態(tài))。這是馬達保護的第一階段，<切斷>事件的啟動。在該事件被啟動之后，sspir被斷開以提供附加的保護，但是僅在當確定這樣做安全的時候斷開sspir。開關的該兩階段受控斷開確保給出高程度的保護以及開關損壞的低風險。

在<切斷>故障事件啟動之后，在橋開關斷開之后控制裝置立刻斷開開關109，因此將每個sspri的柵極電源電壓與柵極隔離開。這進而使得形成sspir控制電路的一部分的比例柵極控制電路變?yōu)榛顒拥?。在那時，該控制電路從提供完全導通狀態(tài)的柵極電壓切換到提供在儲存電容器111上保持的電壓的可變比例，即，在柵極閾值電平附近。例如，如果閾值為4-5伏，則比例控制電路使柵極處的電壓下降到電容器15伏的2/3左右，該電壓被大大降低但是在緩慢下降開始時仍然比閾值高出安全邊際。

在<切斷>開始之后，隨著時間經(jīng)過，儲存電容器111上的電壓隨時間衰減。比例柵極控制電路112繼續(xù)供應儲存電容器處的電壓的更小的比例，使得柵極電壓在由適用的安全需求設置的持續(xù)時間(典型為100ms)內(nèi)達到關斷狀態(tài)(即，sspir斷開)。

當柵極電壓下降時，它將通過閾值區(qū)域，閾值區(qū)域是指sspirmosfet的導通狀態(tài)電阻(rds-on)上升的區(qū)域。由于馬達再生(regeneration)引起的任何故障電流將導致sspir兩端穩(wěn)定地增加的電壓波形(vds)。一旦該電壓超過檢測閾值，監(jiān)測裝置監(jiān)測到該電壓。這是間接地指示電流波形正在做什么的信號，因為電壓依賴于電阻和電流。

由于sspirmosfet的固有miller電容(漏極-柵極電容)以及比例柵極控制電路的相對高的阻抗，導致vds正向上升的故障電流也將導致柵極電壓(vgs)的上升。這導致rds-on的瞬時減小，因而限制了vds的上升。如圖所示，可以通過附加的外部漏極-柵極電容來增強該效應。該機制確保在增加的故障電流流動時開關不被斷開，因為柵極電壓的下降被停止并且因此逐漸斷開被停止。

最終，相中的電流將下降。這是因為反電動勢與rpm成比例(通常，一旦故障事件被觸發(fā)則rpm下降，因為那時橋一般將被禁用)，加上sspir電阻隨著柵極電壓下降而上升，因而增加了器件的導通狀態(tài)電阻，該導通狀態(tài)電阻以函數(shù)i＝v/r與電流相關。電流的該下降由監(jiān)測裝置(圖7中的電路標記的邊緣檢測)間接地監(jiān)測，該監(jiān)測裝置檢測負向vds波形。一旦其被檢測為在閾值電平(由vds邊緣檢測電路設置)以上，則監(jiān)測電路將信號輸出到形成sspir控制電路的一部分的柵極鉗位，其中該信號觸發(fā)鉗位電路114(在該示例中為“晶閘管式”柵極鉗位電路)。柵極鉗位電路使儲存電容器以及sspirmosfet柵極上的電壓(經(jīng)由二極管)二者快速放電。這使sspir快速斷開。

假設vds電壓的下降對應于電流的下降是安全的，因為雖然絕對的器件電阻是未知的，但是已知其隨時間逐漸上升，因此其本身不能導致高的電壓下降速率，確實會有助于穩(wěn)定電流的增加的電壓。因此，該電壓適用于間接監(jiān)測電流波形，并且以該方式使用sspir消除了對單獨的電流感測電阻器的需要。

為了滿足適用的安全完整性等級(sil)需求，必須在上電時和其它時間可以根據(jù)需求驗證sspir控制電路的正確運行。

圖9和圖10示出了在典型的故障事件中圖7的馬達驅(qū)動電路的運行。在該示例中，橋電路在時間t＝50毫秒處切斷，這提示用于sspir的控制裝置的操作立即進入故障事件模式。該曲線圖僅對應于一個sspir并且包括功率pwr_sspri、對應于相中的電流的漏極-源極電流ids、柵極電壓vgs、儲存電容器上的電壓vreservoir以及器件兩端的從漏極到源極的電壓降vds。

在故障事件之前，sspir的柵極被保持在由為儲存電容器充電的ldo設置的大約14伏。這顯著高于典型mosfet的大約4-5伏的閾值電壓，如圖16中所示(圖中明顯的拐點的區(qū)域)。在故障事件開始時，比例柵極控制開始并且柵極電壓快速下降到在儲存電容器電壓上保持的電壓的比例。在該情況下，電壓下降到電容器電壓以下大約5伏，即，下降到大約10伏，然后，當電容器電壓逐漸減小時，朝著大約5伏的閾值緩慢下降。然后，當儲存電流被抽出達大約80毫秒時，其可以被視為隨時間逐漸減小。應當指出，在該示例中，sspir具有大約5伏的閾值，因此電壓清楚地在該電平附近，但仍然遠高于sspir被斷開處的電平(在該示例中為大約2伏)。

由于當馬達以5000rpm旋轉(zhuǎn)時的反電動勢，相電流ids周期性變化。在大約40毫秒之后，柵極電壓下降到閾值電壓以下，達到器件電阻快速上升的程度。電阻的該上升使得器件中的功率快速上升，但通過器件中miller電容的效應使得柵極電壓上升因而降低電阻，使其保持被限制。

一旦該周期中的相電流開始下降，在大約85毫秒，閾值檢測器觸發(fā)鉗位。然后，這快速去除了儲存電容器中的電荷，這使得柵極電壓下降到在該示例中sspir斷開處的4伏電平以下。

因此開關快速斷開，但是僅在這樣做安全時斷開。對于任何顯著的時間，器件中的功率不上升超過500瓦。功率脈沖的功率和持續(xù)時間的該限制一起是防止雪崩故障發(fā)生的原因。

該特定實現(xiàn)中的限制為大約800mj(例如，在1ms內(nèi)平均功率為800w)，或者在高溫運行時大約400mj(設計為在該下限內(nèi)運行)。

為了更清楚地理解運行，圖11至圖15是在模擬電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的測試臺上獲得的從故障事件開始到sspir斷開的各種馬達運行狀況期間獲得的測試曲線圖。測試臺包括當由驅(qū)動器強制驅(qū)動時具有大約5000rpm的最大額定旋轉(zhuǎn)速度的馬達，以及具有根據(jù)圖17配置的控制和監(jiān)控電路的驅(qū)動電路。每個sspirmosfet具有大約4-5伏的閾值以及2伏或更小的斷開柵極電壓。使用28伏的柵極電源電壓，并且電容器在被耗盡之前控制比例控制器在接下來的100毫秒左右的時間內(nèi)快速下降到10伏(高于閾值大約4伏左右)。

圖11示出了第一次測試的結(jié)果，其中在10ms(每個分度10ms)內(nèi)去除</切斷>，馬達處于空閑狀態(tài)。

·黃色跡線為vgs(柵極電壓)，每個分度為5v。它上升并在14v保持10ms，快速下降到大約7v(即，7伏立即被“比例柵極驅(qū)動cct”移除)，然后緩慢衰減(跟蹤儲存電容器衰減小于7v)，在另一個70ms之后達到3v。

·品紅色為vds(漏極-源極電壓)，每個分度為5v。在測試設置中，當釋放</切斷>時，它從10v立即下降到0v，然后在20ms內(nèi)緩慢上升(即，緩慢關斷)，在</切斷>之后大約50ms開始被大約3.5v的vgs置位(asserted)。

·青色為ids(漏極電流)，每個分度為20a，得自5mω電阻器兩端的100mvp-d，用于獲得對測試電路的測量。它始終保持在零(馬達靜止)。

圖12示出在</切斷>去除(和有效的橋故障插入)之前馬達自由旋轉(zhuǎn)。由于(恰在故障插入之前)22v的相-相開路反電動勢引起的初始故障電流的峰值為大約96a。該故障電流引入反向轉(zhuǎn)矩，因而使馬達制動，使得電流峰值在40ms后僅達到大約10a。沒有發(fā)生觸發(fā)，sspir在60ms之后的某個點自然斷開，這通過vds不再返回到零來證明。

圖13示出了對于馬達正在顯著的驅(qū)動器輸入的情況下旋轉(zhuǎn)的情況重復的測試。125a的初始電流峰值持續(xù)20ms，并且僅當rds上升時才出現(xiàn)衰減，這通過上升的vds信號來證明。

圖14是與圖13相同的測試結(jié)果，放大(1ms/div)以示出在</切斷>之后大約28ms的觸發(fā)和快速柵極關斷。由于剩余10a的故障電流，在vds中存在窄的尖峰，由于高的負di/dt使電流快速變?yōu)榱悖虼嗽摷夥鍘缀趿⒓聪?。在這里可以看到miller電容的效應有助于關斷，從而導致柵極電壓的負下沖(-2v)。

最后，圖15也與圖13相同。在vgs紋波中可以清楚地看到miller電容的效應，在每個正向電流脈沖時vgs紋波稍微上升，導致關聯(lián)的vds上升被抑制/延遲，而ids的下降造成vgs和vds的同時下降。在ids達到零之后，vgs在大約5ms內(nèi)從其負向下降恢復，返回到穩(wěn)態(tài)指數(shù)衰減曲線。

應當理解，上述示例不意在限制保護范圍。例如，雖然示例使用mosfet作為sspir，但是可以使用雙極晶體管。在該情況下，控制裝置不是改變柵極電壓而是改變基極電流。這可以通過小的修改使用所示電路容易地實現(xiàn)，其中儲存電容器通過電阻器供應基極電流。因此，可以將對使柵極電壓逐漸下降的引述替換為等同的對使柵極電流逐漸下降的引述。