具有变压器的电路和对应的方法与流程

1.本申请涉及一种具有变压器的电路以及一种对应的方法，尤其涉及能够实现例如在漏电流方面的诊断的电路和方法。


背景技术：

2.在不同的应用中，例如在汽车应用中，必须在不同的电压域之间传输信号，例如在以高压工作的电路部分(例如在＞20v或＞100v的范围内，例如400v)与以低压工作的电路部分(例如5v或12v)之间传输信号。在此，上述电压值仅应理解为示例。
3.在此，用于在多个电压域之间进行信号传输的一个可行性是变压器。这种变压器的一种特定的类型是所谓的无芯变压器(在英文中“coreless transformers”)，其中变压器的线圈设置在基底、尤其半导体基底上的不同金属层中，所述金属层具有处于其之间的电介质。在此，线圈通常由保护环围绕，所述保护环接地。
4.这种变压器能够在提供绝缘屏障的同时提供信号传输，所述绝缘屏障防止电流、尤其直流电流在多个电压域之间流动。在此，在许多应用中，重要的或甚至安全关键的是，所述绝缘屏障完好，并且例如没有漏电流流过绝缘屏障。


技术实现要素：

5.提供根据本发明的电路以及本发明的方法。下面的说明书限定其他实施方式。
6.在此，根据一个实施例提供电路，所述电路包括变压器和围绕变压器的保护环。变压器具有设置在基底上的第一线圈和在第一线圈上方设置在基底上的第二线圈，以及在第一线圈与第二线圈之间的电介质。此外，电路具有诊断电路，所述诊断电路设立成，在正常运行模式下，将保护环置于接地电势，以及在诊断运行模式下，在保护环与接地电势之间的测量阻抗处截取测量电压或测量电流，以便因此能够探测漏电流。
7.同样提供用于这种变压器的用于探测漏电流的对应的方法，其中所述方法包括，在正常运行模式下，将保护环置于接地电势，以及在诊断运行模式下，在保护环与接地电势之间的测量阻抗处截取测量电压或测量电流，以便探测漏电流。
8.在上文中的概述仅仅提供关于一些实施例的简短概览并且不应解释为限制性的，因为其他实施例也能够具有与在上文中所讨论的不同的特征。
附图说明
9.图1是根据一个实施例的电路的俯视图。
10.图2是图1的电路的一部分的示意性横截面视图。
11.图3示出图1的电路的保护环。
12.图4是用于图解说明根据一个实施例的方法的流程图。
13.图5是根据一个实施例的电路的图表。
14.图6是根据另一实施例的电路的图表。
具体实施方式
15.在下文中详细阐述不同的实施例。所述实施例仅用作为示例并且不应解释为限制性的。例如，在其他实施例中，所示出的特征、部件或方法步骤中的一些特征、部件或方法步骤能够省略或者通过替选的特征、部件或方法步骤代替。除了详尽示出的特征、部件和方法步骤之外，也能够提供其他特征、部件或方法步骤，尤其是在传统变压器电路中使用的、因此在此不详尽描述的特征和部件。
16.在下文中描述的实施例涉及在所谓的无芯变压器中的漏电流诊断。图1是根据一个实施例的电路的图表。
17.图1的电路包括集成高压电路10(高压ic)和集成低压电路11(低压ic)。在此，术语“高压”和“低压”首先应相对于彼此理解，即集成高压电路10在比集成低压电路11更高的电压下工作。例如，集成高压电路10能够在＞20v或＞100v的电压下工作，例如在400v的电压下工作。
18.集成低压电路11例如能够包括传感器电路、计算电路和/或逻辑电路。应注意的是，任何其他类型的电路也能够在集成低压电路11中和在集成高压电路10中使用。
19.在一些实施例中，集成高压电路10能够包括用于接通高电流或高电压、例如用于操控三相电马达的功率晶体管，而集成低压电路11能够包括用于控制功率晶体管的控制电路。
20.为了能够将信号、例如用于在上文中提到的功率晶体管的控制信号在集成高压电路10与集成低压电路11之间传输，提供包括第一变压器12a和第二变压器12b的变压器装置。经由变压器12a、12b，信号能够在集成高压电路10与集成低压电路11之间感应地传输。
21.在图1的实施例中，每个变压器12a、12b具有带有两个线圈对的差分设计方案。这能够改善信号传输的质量。变压器的这种差分设计方案或单极设计方案能够以任何传统方式进行。变压器12a、12b通过键合线与集成高压电路10耦联。
22.为了图解说明，在图2中示出这种变压器的简化的横截面视图。在此，在图2中，第一线圈21设置在基底24上方的第一金属层中，而第二线圈20设置在基底24上方的第二金属层中。在线圈20、21之间设置有电介质22。基底24能够是半导体基底，在所述半导体基底上，在图1的情况下，也构成有其余的集成低压电路11。然后，第二线圈20借助键合线25与集成高压电路10连接，而第一线圈21通过(未示出的)金属连接部、例如在第一线圈21的第一金属层中或在其他金属层中与其余的集成低压电路11连接。能够对应地设计变压器的差分设计方案中的其他线圈对和其他变压器(例如图1的变压器12a、12b)的其他线圈对。
23.围绕图1的变压器12a、12b设置有保护环13。所述保护环通过与围绕整个集成低压电路11的保护环14独立的环结构形成。保护环13和14的作为独立的环结构的所述实现方案在图3中再次清楚地示出。应注意的是，尤其在下面更详细地描述的正常运行模式下，两个保护环13和14能够处于相同的接地电势。
24.如在图2中对于保护环26所示，保护环13例如能够通过多个金属层中的金属部段的垂直连接(过孔；“vertical interconnect access”)形成。尤其在图2的情况下，所述金属层包括如下金属层，在所述金属层中也构成有第一线圈21和第二线圈20。
25.图1的保护环13或图2的保护环26形成用于变压器的横向绝缘。具有变压器和保护环的这种设置引起在集成高压电路10的高压域与集成低压电路11的低压域之间的绝缘屏
障。所述绝缘屏障在图2中作为绝缘屏障23以虚线绘制。
26.在无故障的状态下，没有漏电流流过所述绝缘屏障，例如没有直流电流从集成高压电路10的高压域流向集成低压电路11的低压域。
27.为了能够探测在绝缘屏障没有正确工作的情况下可能出现的这种漏电流，图1的集成低压电路11具有诊断电路15。在电路的正常运行模式下，其中信号在集成高压电路10与集成低压电路11之间借助于变压器12a和12b传输，则诊断电路15将保护环13接地。相反，在诊断运行模式下，诊断电路15能够在保护环13与接地之间的测量阻抗处截取并且分析测量电流或测量电压，以便探测漏电流。通过在所示出的实施例中保护环13作为与保护环14独立的环结构实现，在诊断电路在测量阻抗处截取测量电流或测量电压的所述诊断运行模式下，保护环14的功能由此不受损害，因为在诊断运行模式下，所述保护环也能够直接与接地、尤其与也用于保护环13的相同的接地电势连接。
28.在图4中示出一种对应的方法。在此，图4的过程的顺序不应解释为限制性的，并且不同的过程也能够分别多次或以其他顺序执行。图4的方法能够借助于在上文中参照图1至图3讨论的设备执行，尤其借助于图1的诊断电路15执行。为了简化以及为了避免重复，在对图4的方法进行阐述时，参考对于图1至图3的以上阐述。然而，图4的方法也能够与图1至图3的电路无关地实现。
29.在图4中的40中，在正常运行模式下，将变压器装置的保护环置于接地电势。对此的示例包括图1的保护环13和图2的保护环26。在正常运行模式下，然后变压器如以上所阐述的那样用于传输信号，例如在不同的电压域之间传输信号。
30.在图4中的41中，在诊断运行模式下，在保护环与接地电势之间的测量阻抗处检测测量电压或测量电流。在此可选地，在42中，能够将测试电压施加在变压器上。然后，基于测量电压或测量电流，能够推断出漏电流存在或不存在。诊断运行模式能够在不同时刻多次执行。例如能够在产品测试期间执行诊断运行模式以探测可能的漏电流，例如在将集成低压电路11交付给顾客之前。附加地或替选地，也能够每次在启动包括具有变压器的对应电路的系统时执行诊断运行模式。在机动车作为系统的情况下，这能够在启动马达前例如与机动车的其他诊断功能一起执行。诊断运行模式也能够在包括变压器的电路的预期的使用寿命期间以规则的间隔或不规则的间隔执行。因此，在此讨论的诊断运行模式和漏电流的探测不限于特定的时刻。
31.在下文中，参照图5和图6更详细地阐述这种诊断电路和这种方法的细节。
32.图5示出根据一个实施例的电路的电路图表。
33.在图5中示出的电路包括具有第一线圈对53a、53b和第二线圈对54a、54b的差分变压器。如所示出的那样，第一线圈对的第一线圈53a和第二线圈对的第一线圈54a与用于发送和/或接收信号的通信电路51连接。通信电路51例如能够设置在高压域中，例如设置在图1的集成高压电路10中。第一线圈53a的第一端子和第一线圈54a的第二端子从通信电路51接收要发送的信号和/或给通信电路51提供接收信号，而第一线圈53a的第二端子和第一线圈54a的第一端子接地。第一线圈对的第二线圈53b和第二线圈对的第二线圈54b以对应的方式与用于发送和/或接收信号的通信电路50连接，其中再次，第二线圈53b的第一端子和第二线圈54b的第二端子用于发送或接收信号，并且第二线圈53b的第二端子和第二线圈54b的第一端子处于接地电势。通信电路50例如能够设置在低压域中，例如设置在集成低压
电路11中。
34.保护环、如图1的保护环13或图2的保护环26在图5中具有附图标记52。通过线圈对和保护环52，形成与图2的绝缘屏障23相对应的绝缘屏障58。保护环52与诊断电路55连接，并且诊断电路55与接地电势56连接。在正常运行模式下，通信电路50和51彼此通信，并且诊断电路55将保护环52置于接地电势56。所述通信能够以任何传统方式实现。
35.在诊断运行模式下，诊断电路55在测量阻抗处截取测量电流或测量电压，所述测量阻抗在保护环52与接地电势56之间连接。在诊断运行模式下，例如能够通过通信电路51或通过专用测试电路将测试电压施加到第一线圈53a、54a的端子上。在诊断运行模式下，例如能够将在运行中出现的最大电压作为测试电压施加到绝缘屏障上。例如能够使用集成低压电路，以便控制集成高压电路中的用于操控马达的功率晶体管。在这种情况下，能够在诊断运行模式中操控所述功率开关(例如在三相操控的情况下闭合所有高压侧开关)，以便因此施加这种最大电压。所述最大电压能够大于在正常运行模式下在正确进程中出现的最大电压。例如，在正常运行模式下，在三相操控的情况下，通常并非所有高压侧开关同时闭合。换言之，也能够考虑例如在故障情况下在操控中可能出现的电压。因此，也能够施加比运行中的最大电压更高的电压作为测试电压，以便确保安全裕量。
36.在绝缘屏障58中出现故障的情况下，故障电流ifault如通过箭头57所表明的那样流过绝缘屏障，并且经过保护环然后流过诊断电路55的测量阻抗，从而能够检测。
37.以这种方式，能够检查绝缘屏障58的故障，例如绝缘屏障是否完好。
38.用于实现诊断电路55的示例在图6中示出。已经参照图5阐述的元件和部件具有相同的附图标记并且不再次讨论。
39.在图6的示例中，诊断电路包括控制逻辑装置65，所述控制逻辑装置在正常运行模式与诊断运行模式之间切换。此外，诊断电路包括开关晶体管61，所述开关晶体管连接在保护环52与接地电势56之间。
40.在正常运行模式下，控制逻辑装置65操控开关晶体管61闭合，使得所述开关晶体管在保护环52与接地电势56之间提供低欧姆连接，从而将保护环52置于接地电势。
41.在诊断运行模式下，控制逻辑装置65操控晶体管61断开，使得所述晶体管在其端子之间基本上绝缘。此外，在诊断运行模式下，控制逻辑装置65能够去激活通信电路50，例如将其关断。
42.与晶体管61并联地，测量阻抗60连接到保护环52与接地电势56之间。测量阻抗60例如能够包括测量电阻。如果漏电流57流动，则这导致降落在测量阻抗60上的电压降，所述电压降能够通过测量装置64测量。为了测量，测量装置64例如能够包括比较器、模数转换器或另一电压测量装置。在另一实施例中，测量阻抗60能够包括电容。在这种情况下，如果存在漏电流57，则其对电容充电，并且测量装置64能够评估充电的时间变化曲线，以便检测漏电流57的大小ifault。在一些实现方案中，将电容用作为测量阻抗60比使用电阻提供更好的噪声性能。电阻和电容的组合也是可行的，以便形成测量阻抗60。
43.如果以此方式测量的电压或者以此方式测量的电流超过指示漏电流的阈值，则控制逻辑装置65输出故障信号fault。
44.可选地，诊断电路还能够包括：电容62，所述电容连接到保护环52与晶体管61的控制端子之间；以及电阻63，所述电阻连接到晶体管61的控制端子与接地端子56之间。以这种
方式，诊断电路还能够用作为抵御静电放电的保护电路(esd保护，来自英文“electrostatic discharge”)。通过电容62的电容值c1和电阻63的电阻值r1形成rc元件，所述rc元件的时间常数选择成，使得在esd事件的典型的上升时间中，所述rc元件接通晶体管61。因此，例如在保护环52处发生esd事件时，在诊断运行模式下，晶体管61也接通，以便将对应的电荷导出到接地。以这种方式，在诊断运行模式期间，晶体管61也用于esd事件的钳位(klemmen)。
45.一些实施例通过下面的示例限定：
46.示例1.一种电路，所述电路包括：
47.变压器，所述变压器具有
48.第一线圈，所述第一线圈设置在基底上，
49.第二线圈，所述第二线圈在第一线圈上方设置在基底上，以及
50.在第一线圈与第二线圈之间的电介质，以及
51.围绕变压器的保护环，以及
52.诊断电路，所述诊断电路设立用于，在正常运行模式下，将所述保护环置于接地电势，并且在诊断运行模式下，在保护环与接地电势之间的测量阻抗处截取测量电压或测量电流，以探测漏电流。
53.示例2.根据示例1的电路，其中诊断电路包括在保护环与接地电势之间的开关，并且设立用于，在正常运行模式下闭合开关，以及在诊断运行模式下断开开关。
54.示例3.根据示例1或2的电路，所述电路还包括与开关并联的由电阻和电容构成的串联电路，其中电阻与电容之间的节点与开关的控制输入端连接。
55.示例4.根据示例1至3中任一项的电路，其中测量阻抗包括电阻和/或电容。
56.示例5.根据示例1至4中任一项的电路，所述电路还包括用于基于测量电压或测量电流来探测漏电流的评估电路。
57.示例6.根据示例1至5中任一项的电路，其中第一线圈包括第一差分线圈对，并且第二线圈包括第二差分线圈对。
58.示例7.根据示例1至6中任一项的电路，其中电路设立用于，在正常运行模式下经由变压器传输信号。
59.示例8.一种用于在具有变压器和围绕变压器的保护环的电路中探测漏电流的方法，其中变压器包括：
60.第一线圈，所述第一线圈设置在基底上，
61.第二线圈，所述第二线圈在所述第一线圈上方设置在基底上，以及
62.在第一线圈与第二线圈之间的电介质，
63.其中所述方法包括：
64.在正常运行模式下，将保护环置于接地电势，以及
65.在诊断运行模式下，在保护环与接地电势之间的测量阻抗处截取测量电压或测量电流，以探测漏电流。
66.示例9.根据示例8的方法，所述方法还包括：
67.在正常运行模式下，闭合保护环与接地电势之间的开关，以及
68.在诊断运行模式下，断开开关。
69.示例10.根据示例8或9中任一项的方法，其中测量阻抗包括电阻或电容。
70.示例11.根据示例8至10中任一项的方法，其中在产品测试期间，在启动包括变压器的系统时执行诊断运行模式和/或在变压器的使用寿命中重复地执行诊断运行模式。
71.示例12.根据示例8至11中任一项的方法，所述方法还包括在正常运行模式下经由变压器传输信号。
72.示例13.根据示例8至12中任一项的方法，所述方法还包括在诊断运行模式下，将测试电压施加到变压器上。
73.示例14.根据示例13的方法，其中测试电压大于或等于在电路运行中出现的最大电压。
74.示例15.根据示例1至7中任一项的电路，所述电路设立用于执行根据示例8至14中任一项的方法。
75.虽然已经在本说明书中说明和描述了特定的实施例，然而本领域技术人员已知，能够选择多个替选的和/或等效的实现方案作为用于在本说明书中示出和描述的特定实施例的替换方案，而不偏离所示出的发明的范围。意在，本申请覆盖在此讨论的特定实施例的所有适配方案或变型形式。因此，有意的是，本发明仅通过实施例和实施例的等效方案限制。