在不同的地电位之间的信号的抗干扰的传输

摘要

本发明涉及一种耦合器（1），该耦合器用于通过至少一条第一信号线（4a）和第二信号线（4b）将模拟的由至少一个具有第一地电位（2a）的发送器（2）发出的信号（3）差分地传输给具有第二地电位（5a）的接收器（5），其中所述耦合器（1）具有用于所述信号（3）的通过第一信号线（4a）或者通过第二信号线（4b）传输的份额（3a、3b）的滤波装置（6），其中这个滤波装置（6）无电位或者使用所述第二地电位（5a）并且其中所述信号（3）的由滤波装置（6）滤波的份额（3a’、3b’）在比较器（7）中被合并，以用于形成有待输送给所述接收器（5）的信号（8），并且其中所述比较器（7）使用所述第二地电位（5a）。本发明还涉及一种用于进行信号传输的系统（50）以及一种具有所述耦合器（1）和/或系统（50）的变压器（100）。

说明书

技术领域

本发明涉及用于在具有第一地电位的发送器与具有第二地电位的接收器之间传输信号的装置。

背景技术

通常向用电来驱动的车辆的传动系中的电动马达馈送多相的交流电压。电能在车辆板上由电池、燃料电池或者其他能源通常作为直流电压来提供。所述多相的交流电压由这种直流电压用逆变器来产生。为此，用于所述电动马达的交流电压供给结构的相位在快速的时间节拍中交替地与直流电压源的正极和负极相连接。这通过所述逆变器中的由转换元件构成的布置结构来实现。DE 10 2012 209 276 A1公开了一种基于半导体转换元件的、包括用于所述转换元件的门的操控线路的逆变器，所述操控线路包括相应的门驱动器。

在此，通常向被连接到直流电压源的负极与交流电压供给结构的相位之间的、也被称为“低侧”转换元件的转换元件的门驱动器供给共同的门驱动器-电压供给结构。所述逆变器的各个转换元件的、在该逆变器的正常运行中快速节拍式的转换在直流电压电位与转换元件之间的连接电线的寄生的电感中感生电压，所述电压导致配属于交流电压供给结构的各个相位的不同门驱动器之间的接地偏移。

在特定的运行情况中，尤其相同的用于“低侧”转换元件的控制信号能够快速地在这些“低侧”转换元件之间来传输。一种用于这样的运行情况的实例是故障状态、尤其是逆变器的故障或者电传动系中的被探测到的短路，在所述故障状态中交流电压供给结构的相位借助于“低侧”转换元件用通过逆变器进行的“主动的短路”来相对于彼此短路。为了克服各个“低侧”门驱动器之间的在此出现的、可能短时间高达200V的接地偏移，为所述“低侧”门驱动器之间的信号传输使用分开电位的传输器。

发明内容

在本发明的范围内，已经开发了一种耦合器，该耦合器用于通过至少一条第一信号线和第二信号线将模拟的由至少一个具有第一地电位的发送器发出的信号差分地传输给具有第二地电位的接收器。这种耦合器具有用于信号的通过第一信号线或者通过第二信号线来传输的份额的滤波装置。在此，所述滤波装置要么无电位，要么其使用第二地电位，也就是说，它与接收器一起具有所述地电位。所述信号的由滤波装置来滤波的份额在比较器中被合并，以用于形成有待输送给接收器的信号。所述比较器使用所述第二地电位。

已经发现，通过这种方式能够在没有分开电位的结构元件的情况下克服发送器与接收器之间的接地偏移。换言之，所述耦合器能够用一种线路来实现，该线路用离散的结构元件可以敷用。这实现很大的成本优点，因为分开电位的结构元件十分昂贵。

同时，所述差分的传输也特别好地适合用于抑制通过在时间上持续变换的接地偏移被耦合输入到信号线中的干扰。这些干扰也就是主要是共模干扰。比较器中的计算将信号的通过两条信号线来传输的份额从彼此当中减去，通过这种方式已经去除大部分共模干扰（Gleichtaktstoerung）。这降低了对布置在前面的滤波装置的要求，所述要求又确定所述滤波装置的时间常数并且由此确定信号传输的可能的速度。恰好在传输比如用于主动的短路的与安全相关的控制信号时，延迟时间是重要的特征参量。因此，换句话说原则上能够用简单的RC滤波线路来不仅克服接地偏移而且抑制通过接地偏移的变化而施加到信号上的干扰，而没有采用差分的传输。为此，不过所述RC滤波线路也必须具有处于20μs的数量级中的时间常数，这对于许多与安全相关的应用来说已经太慢。用差分的传输能够利用快得多的时间常数。

在一种有利的设计方案中，所述滤波装置包括共模扼流圈。在所述共模扼流圈中，所述信号的通过两条信号线来传输的份额被导引到相互相反地缠绕的电磁线圈上，使得所述在两个信号份额中所包含的共模干扰的磁场相互抵消并且由此以感应的方式抑制共模干扰。所述时间常数在这里仅仅通过芯部的极限频率来限制，所述两个电磁线圈被缠绕到所述芯部上。

在另一种有利的设计方案中，所述滤波装置包括用于信号的通过第一信号线来传输的份额的第一低通滤波器和用于信号的通过第二信号线来传输的份额的第二低通滤波器。这些低通滤波器比如能够被构造为RC滤波器，其中能够实现比在非差分的传输时快得多的时间常数。比如，所述低通滤波器能够具有至多5μs、优选至多2μs的时间常数。这些时间常数还总是慢于共模扼流圈。为此，可以更小地并且更便宜地制造一种具有低通滤波器的实施方式，因为不需要磁芯。

所述第一地电位与第二地电位之间的接地偏移可能导致所述比较器经受以下意义上的负荷，即：在其输入端上没有加载符合规范的电压。因此，在另一种特别有利的设计方案中，所述耦合器包括至少一个反极性保护元件，所述反极性保护元件被构造用于将加载在至少一条信号线上的、处于比较器的至少一个输入端的规范之外的电压从这个输入端上引开。通过这种方式，能够有利地尤其避免基于半导体的比较器的提早的磨损。

为此，所述反极性保护元件比如能够包括两个二极管的、沿着锁止方向被连接到两个预先给定的电位之间的串联线路。而后，所述比较器的被保护的输入端与两个二极管之间的连接在串联线路中相连接。而后，用预先给定的电位来调节允许加载在比较器的输入端上的电压的范围。如果在所述信号线上加载电压，该电压低于较低的预先给定的电位或者高于较高的预先给定的电位，则通过所述通向相应的电位的二极管来引开这个电压。所述两个预先给定的电位就此而言用作“电荷吸收源”。

优选所述滤波装置的输入结构元件也被设计为足够耐电压且耐脉冲负荷的结构，以用于承受由于在时间上变化的接地偏移引起的干扰。这比如对于共模扼流圈来说涉及两个互相相反的绕组的导线横截面的尺寸设计以及相应的绝缘结构的耐电压强度。对于作为RC滤波器来实现的低通滤波器来说，主要使电阻经受负荷。

本发明也涉及一种系统，该系统用于通过至少一条第一信号线和第二信号线将模拟的由至少一个具有第一地电位的发送器发出的信号差分地传输给具有第二地电位的接收器。这种系统除了所描述的耦合器之外还包括逆转的第一放大器和非逆转的第二放大器，其中所述逆转的第一放大器由所述发送器的信号来形成信号的通过第一信号线来传输的份额，并且其中所述非逆转的第二放大器由所述发送器的信号来形成信号的通过第二信号线来传输的份额。所述放大器使用第一地电位，也就是说，它们与发送器一起具有所述地电位。

所述放大器不仅能够由发送器的唯一的信号来产生差分的信号对，而且也能够提高通过两条信号线来传输的信号份额的幅度。通过这种方式，能够进一步改进信噪比。

在此，由于所述接地偏移可能如此使所述放大器的输出端经受负荷，从而在那里通过所述信号线来加载处于相应的规范之外的电压。对于在半导体的基础上实现的放大器来说，所述半导体可能由此而提前磨损。因此，在另一种特别有利的设计方案中，设置了至少一个反极性保护元件，所述反极性保护元件被构造用于使加载在至少一条信号线上的、处于逆转的和/或非逆转的放大器的输出端规范之外的电压远离这个输出端。在此，所述反极性保护元件尤其比如能够包括被连接到逆转的或者非逆转的放大器的输出端与第一或者第二信号线之间的二极管。

如前面所解释的那样，所描述的耦合器和所描述的系统的重要的有效应用是逆变器的多个转换元件之间的信号传输，所述转换元件配属于由逆变器馈给的交流电压供给结构的不同的相位。因此，本发明也涉及一种变压器，该变压器用于在直流电压门上的直流电压与交流电压门上的多相的交流电压之间进行转换。这个变压器包括由转换元件构成的布置结构，通过所述转换元件所述交流电压门的每个相位可选能够与直流电压门的正极或负极相连接。为了在配属于所述布置结构的第一转换元件的第一门驱动器与配属于第二转换元件的第二门驱动器之间传输控制信号而设置了前面所描述的耦合器和/或前面所描述的系统，其中所述第二转换元件配属于交流电压门（102）的其他相位。

尤其这个耦合器和/或前面所描述的系统是所述转换元件、尤其是“低侧”转换元件的门驱动器的次级的操控机构。这个次级的操控机构仅仅用在所描述的特定的运行情况中。借助于这种相对于接地偏移而稳健的、安全的次级的信号传输来保证所述交流电压供给结构的安全运行，因为所述“低侧”转换元件的不希望的相同的信号不仅导致电机的不希望的转矩变化而且导致直流电压电位之间的短路并且由此导致所连接的电机的故障或者导致所述交流电压供给结构的毁坏。优选在所述交流电压供给结构的正常运行中所述高侧和“低侧”转换元件借助于初级的操控机构来操控。优选由此所述转换元件的次级的操控机构是所述初级的操控机构的补充的操控机构。所述初级的操控机构优选被实施为用于对变压器的转换元件进行操控的已知的操控线路之一。通过这种方式，如果在所述转换元件或者门驱动器之间存在接地偏移，则所述控制信号也能够快速并且无干扰地在转换元件或者转换元件的门驱动器之间传输。

在此，所述变压器尤其能够作为逆变器来运行，其中无论是将直流电压转换为交流电压还是相反都获得相同的作用。如果所述逆变器用在车辆的电传动系中，则运行方向也能够在行驶期间变化。因此，比如所述电动马达能够在制动时转换为按发电机方式的运行并且将能量返回馈入到车辆的牵引用电池中。

比如B6逆变器拥有三个“高侧”转换元件和三个“低侧”转换元件，其中通过所述“高侧”转换元件所述交流电压门的各一个相位能够与直流电压门的正极相连接，并且其中通过所述“低侧”转换元件所述交流电压门的各一个相位能够与直流电压门的负极相连接。如果作为转换元件而使用功率半导体、比如IGBTs或者MOSFETs，对于所述“高侧”转换元件来说各一集电器或者漏极接头就持续与直流电压门的正极相连接。对于所述“低侧”转换元件来说，各一发射体或者源接头持续与直流电压门的负极相连接。

由于在交流电压供给结构的运行中在HV+与HV-之间跳动的、同时代表着用于相应的门驱动器的参考电位的相电位，为了安全地操控所述“高侧”转换器而尤其按每个所分配的相位向这些转换元件的门驱动器供给分别独立的电压供给结构。而为了安全地操控所述“低侧”转换器，能够向这些转换元件的门驱动器供给共同的电压供给结构，因为其参考电位是直流电压门的可以静态地假设为恒定的负电位。由于在所述交流电压供给结构的运行中所述“低侧”转换元件的快速的转换过程，在所述“低侧”转换元件与所述直流电压门的负极之间的连接中感生电压，所述电压导致所述“低侧”门驱动器之间的瞬态的接地偏移。

尽管所述尤其在上面所描述的特定的运行情况中特别大的接地偏移用所描述的耦合器或系统也提供安全且快速的信号传输，通过这种方式由此能够实现一种得到改进的逆变器。在此，同时能够遵守比如与在故障情况中用来调节主动的短路的速度相关的要求。用分开电位的结构元件进行的信号传输以及对于所述“低侧”转换元件的共同供给的放弃尤其关于所需要的数目的结构元件、结构空间以及用于获得所要求的速度的重量会是比较昂贵的替代方案。

所描述的耦合器或者所描述的系统的优点不局限于交流电压供给结构、比如逆变器，而且比如也在其他设备、比如在DC-DC-变换器中呈现出来，其中在所述其他设备中应该操控功率半导体。但是，由于在寄生的电感上感生电压引起的接地偏移对于具有多相的交流电压门的逆变器来说特别明显。

附图说明

下面与对于本发明的优选的实施例的描述一起借助于附图对另外的改进本发明的措施进行详细描述。其中：

图1示出了具有耦合器1的示范性的系统50的方框图；

图2示出了用于实现在图1中示出的具有耦合器1的系统50的示范性的接线图；

图3示出了示范性的变压器100。

具体实施方式

根据图1，信号3应该由具有第一地电位2a的发送器2传输给具有第二地电位5a的接收器5。为此目的，所述系统50包括逆变的放大器10a以及非逆变的放大器10b，其中在所述逆变的放大器的输出端10a’上输出信号3的第一份额3a，并且其中在所述非逆变的放大器的输出端10b’上输出信号3的第二份额3b。这两个放大器10a和10b使用第一地电位2a，也就是说它们与发送器2一起具有所述第一地电位。

所述信号3的份额3a和3b通过信号线4a和4b被传输给耦合器1，该耦合器产生有待输送给接收器5的信号8。所述耦合器1在输入侧包括滤波装置 6。所述滤波装置6在这种实施例中包括用于信号3的通过第一信号线4a传输的份额3a的第一低通滤波器6a以及用于信号3的通过第二信号线4b传输的份额3b的第二低通滤波器6b。这两个滤波器使用第二地电位5a，也就是说，它与接收器5一起具有所述第二地电位。

所述信号3的由滤波器6a和6b滤波的份额3a’、3b’被输送给比较器7的输入端7a或7b。所述比较器7将份额3a’和3b’从彼此当中减去并且从所述结果中形成有待输送给接收器5的信号8。所述比较器使用接收器5的地电位5a。

图2示出了在图1中示出的系统1的一种示范性的线路技术上的实施方式。在这里能够看出一些在图1中为简明起见而略去的细节。因此，所述放大器10a、10b的输出端10a’、10b’用在本实施例中包括两个二极管的反极性保护元件11来得到保护，以防止信号线4a和4b上的过电压。类似地，所述比较器7的两个输入端7a和7b通过反极性保护元件9来得到保护，所述反极性保护元件分别包括由两个处于第二地电位5a＝9a与另一个正电位9b之间的二极管9c和9d构成的串联线路。所述比较器7a、7b的相应的输入端分别与两个二极管9c、9d之间的连接在串联线路中相连接。如果所述相应的电压离开电位9a和9b之间的区域，则其被引开，使得所述比较器7不经受负荷。

此外，在图2中可以看出，所述比较器7除了所集成的具有输入端7a和7b的组合件之外还具有布置在这个组合件的输出端后面的线路。这条线路保证被输送给所述接收器5的信号8处于所述接收器5所期望的电压范围内。

此外，在所述耦合器1的内部显现的是，所述滤波装置6中的低通滤波器6a和6b分别作为RC滤波器来实现。此外，能够看出逆变的放大器10a与非逆变的放大器10b之间的差别。这两个放大器10a和10b在这里用晶体管级来构造。但是，同样也能够使用成品的运算放大器，在所述成品的运算放大器中比如多个成品的运算放大器能够被合并在集成的转换电路中。

图3示出了作为逆变器来构造的具有直流电压门101和交流电压门102的变压器100的一种实施例。所述变压器100被构造用于通过所述转换元件103a-103f的时间上的节拍来将加载在直流电压门101上的中间电路电压U

用于对所述转换元件103a-103f的门进行操控的操控线路、尤其是门驱动器为简明起见而同样未在图3中绘入。尤其所述“高侧”转换元件103a、103c和103e的操控线路在彼此独立的情况下由分开的电源来供给。所述“低侧”转换元件103b、103d和103f的操控线路由共同的电源、共同的门驱动器-电源来供给。这在故障情况中可能导致“低侧”转换元件103b、103d和103f、尤其是“低侧”转换元件103b、103d和103f的操控线路之间的特别高的接地偏移。为了防止“低侧”转换元件103b、103d和103f、尤其是“低侧”转换元件103b、103d和103f的操控线路之间的信号传输的错误的响应，必需的是，借助于所述变压器的系统中的耦合器将控制信号3可靠地由作为发送器2来起作用的“低侧”转换元件103b传输到其他两个作为接收器5来起作用的“低侧”转换元件103d和103f上。在所述交流电压供给结构的正常运行中所述转换元件103b、103d和103f的独立的快速的节拍引起的结果是，在相对于直流电压门101的负极的相应的连接中的、不可避免的寄生的电感L

所述寄生的电感L