CN101309019A

CN101309019A - 高效发电机

Info

Publication number: CN101309019A
Application number: CNA2008101277177A
Authority: CN
Inventors: C·S·纳穆杜里; L·郝
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-05-17
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2008-11-19
Also published as: DE102008023779A1; US7919949B2; US20080284385A1

Abstract

高效发电机。一种发电机系统包括三相AC电机和应用低导通电阻MOSFET开关的有源整流器电桥，用于将来自电机的AC电流转换为DC电流。本系统还包括开关控制电路，用于与三相电流同步切换MOSFET开关。该系统确定电机的单相接地电压作为开关控制电路的输入。控制电路从单相接地电压计算得出相间电压。控制电路然后确定每个相间电压是高于还是低于第一和第二预定阈值电压，如果相间电压高于第一阈值电压，则控制电路断开该开关，如果相间电压低于第二阈值电压，则控制电路接通该开关。

Description

高效发电机

相关申请的交叉引用

[0001]本申请要求美国临时申请No.60/938,537的权益，该美国申请的申请日为2007年5月17日，发明名称为高效发电机。

技术领域

[0002]本申请总地涉及一种发电机系统，尤其涉及用于车辆的发电机系统，其包括应用低导通电阻金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关的有源整流器电桥，和控制该开关的控制方案。

背景技术

[0003]车辆应用由耦合到车辆发动机的皮带驱动的发电机，以产生电能。车用发电机一般应用具有三相定子绕组的AC同步电机、在爪极转子上的DC励磁绕组、电压调节器以及三相二极管桥式整流器以产生DC输出。同步电机的励磁电流由电压调节器控制，以调节发电机的DC输出电压。永磁铁已经应用于爪极设备中以增加给定发电机的能量输出和发电机效率。

[0004]高效发电机一般应用成形的导体定子绕组以降低铜损、更薄的定子叠片以降低铁损、低滑动轴承、层叠的转子构造和永磁励磁，所有这些都显著地增加了发电机的成本和质量。

[0005]如上所述，已知的发电机配件一般应用三相二极管电桥来将AC电流转换成DC电流，其中二极管取决于通过三相电线的电流传播方向而传导。三相电机一般需要六个二极管。三相二极管电桥一般会占发电机总损失的20％-50％。尤其是，用于传导二极管的功率量在100安培时可提供大约180瓦特的功率损失和大约1.8伏特的总二极管电压损失。

发明内容

[0006]根据本发明的教导，公开的发电机系统包括三相AC电机和应用低导通电阻开关的有源整流器电桥，如MOSFET开关，以将来自电机的AC电流转换为DC电流。本系统还包括开关控制电路，以与三相电流同步地切换MOSFET开关。该系统利用电机的单相接地电压或相间电压(phase-to-phase voltage)作为开关控制电路的输入。如果测量单相接地电压(phase-to-ground voltage)，则控制电路首先从单相接地电压确定相间电压。相间电压还可以直接使用差分放大电路进行测量。控制电路然后确定每个相间电压都是高于还是低于第一或第二预定阈值电压，其中如果相间电压高于第一阈值电压，则控制电路断开该开关，如果相间电压低于第二阈值电压，则控制电路接通该开关。如果电机的速度低于预定阈值，则该系统还使开关失效。

[0007]参照所附附图，本发明的其它特性将随着以下的描述和所附的权利要求更加清楚。

附图说明

[0008]图1是根据本发明的一实施例的包括应用MOSFET开关的有源整流器电桥的发电机系统的示意图；

[0009]图2(a)-2(b)是示出根据本发明的一实施例的在图1的发电机系统中选择性地接通和断开MOSFET开关的过程的流程图；和

[0010]图3(a)-3(b)是示出根据本发明的另一实施例的在图1的发电机系统中选择性地接通和断开MOSFET开关的过程的流程图。

具体实施方式

[0011]涉及应用包括MOSFET开关的有源整流器电桥的发电机系统的本发明实施例的下述讨论，其本质仅仅是示例性的，而并不试图限制本发明或其应用或使用。

[0012]图1是根据本发明的一实施例的发电机系统10的示意图。系统10包括三相绕线转子同步电机12，例如爪极电机，在电机12的转子56具有磁场线圈58和在电机12的定子54上具有三相AC同步电枢线圈。在非限制性实施例中，电机12是伦德尔(Lundell)电机。在爪极之间在电机12的转子56中合并入永磁铁，以便为由磁场线圈58产生的磁通提供附加的磁通，其中，总磁通负责产生电枢线圈中的电压。

[0013]系统10还包括电压调节器14，其通过整流生成的AC电压来调节在系统10的正轨道16和负轨道18之间产生的DC电压V_dc。DC电压用于在车辆中驱动DC负载20，并对车辆电池22充电，其中电阻Rbat是电池22的内电阻。电压调节器14对电机12内的磁场线圈58提供脉宽调制(PWM)控制。尤其是，电压调节器14提供信号到MOSFET开关24，以允许控制电流被发送到磁场线圈58。

[0014]系统10包括具有许多二极管28、30、32、34、36和38的逆变/整流电路26，其通过和阻塞电流以将来自电枢线圈的AC电流整流为DC电流，以操作负载20和对车辆电池22充电。逆变/整流电路26也包括许多MOSFET开关40、42、44、46、48和50，其各自耦合在二极管28、30、32、34、36和38两端，并且当二极管导通时，即当电流以正向偏置方向流过二极管时，围绕二极管提供低电阻电流通路。开关控制电路52依照二极管28、30、32、34、36或38是否导通来控制开关40、42、44、46、48和50是打开还是闭合。二极管28、30、32、34、36和38可是各MOSFET开关40、42、44、46、48和50内的整体体-漏二极管(integral body-drain diodes)。此外，二极管28、30、32、34、36和38可以是齐纳二极管，该齐纳二极管在遭受到超过反向击穿电压的相反过电压时具有箝压能力。

[0015]在电路26中用节点A、B和C标识的在定子端之间的单相接地电压V_A、V_B和V_C，以及电池接地或负轨道18被输入到控制电路52，以确定电机12的转子位置。可以应用分压电路(未显示)来在节点A、B和C和接地轨道18之间的相电压还分成到适合于控制电路52的电平。该信息允许控制电路52知道要闭合哪些MOSFET开关40、42、44、46、48和50以提供电流整流。尤其是，当合适的二极管28、30、32、34、36和38导通以提供整流时，与二极管28、30、32、34、36或38相关联的开关40、42、44、46、48或50闭合以提供旁路二极管28、30、32、34、36或38的低电流通道。来自控制电路52的输出线被应用到MOSFET开关40、42、44、46、48和50的栅极端，以提供闭合开关的信号。

[0016]每个MOSFET开关40、42、44、46、48和50的接通和断开是通过在来自电机12的输出波形的正负半周期间将相间电压与预定高和低阈值水平进行比较而被控制的。MOSFET开关40、42、44、46、48和50的控制电路52还利用一个或多个单相接地电压V_A、V_B和V_C的频率来检测发电机速度(RPM)。对于在预定阈值之下的发电机速度，MOSFET开关40、42、44、46、48和50是失效的，以防止电池22通过发电机绕组进行不期望的放电。

[0017]图2(a)-2(b)的流程图60示出了根据本发明的一个实施例的用于切换MOSFET开关40、42、44、46、48和50的操作，以提供电流整流。该算法在框62处初始化校准参数并使MOSFET开关40、42、44、46、48和50失效(打开)。校准参数可以包括由控制电路52使用的电压阈值和最小RPM(这两者将在以下进行介绍)，以及其它对发电机系统10的操作必要的系统参数。

[0018]算法然后在框64处测量了每个相位和电池地之间的电压以获得单相接地电压V_A、V_B和V_C，以供输入到控制电路52。单相接地电压V_A、V_B和V_C可能需要衰减或放大到适合控制电路52中的数字电路的电平。该算法然后在框66处从单相接地电压V_A、V_B和V_C，分别按照V_A-V_B、V_B-V_A、V_B-V_C、V_C-V_B、V_C-V_A和V_A-V_C，来计算相间电压V_AB、V_BA、V_BC、V_CB、V_CA和V_AC。也可能直接从V_AB、V_BC和V_CA按照V_BA＝-V_AB、V_CB＝-V_BC和V_AC＝-V_CA，来计算V_BA、V_CB和V_AC。也可能使用差分放大器或其它合适的设备直接测量相间电压。

[0019]该算法进一步地在框66处例如使用一个或多个单相接地电压V_A、V_B和V_C的频率或一个或多个相间电压V_AB、V_BC和V_CA的频率来确定电机12的速度。算法然后在判断菱形68处确定电机12的RPM是否高于预定的阈值RPM_TH，如果不是，返回框62以初始化校准参数。当电机12的速度低于预定RPM时，该算法防止接通MOSFET开关40、42、44、46、48和50，以防止电池22通过发电机绕组进行不期望的放电。

[0020]如果在判断菱形68处判断电机12的速度高于阈值RPM_TH，则算法将每个MOSFET开关40、42、44、46、48和50的相间电压与预定的阈值电压V_TH1+和V_TH1-进行比较。如果某特定的相间电压是高于该阈值电压V_TH1+，那么算法将闭合与所述相间电压相关联的开关40、42、44、46、48或50。如果MOSFET开关40、42、44、46、48或50的特定相间电压是低于阈值电压V_TH1-，则控制电路52将使该开关打开。一旦特定的MOSFET开关40、42、44、46、48或50被打开或闭合，它将一直保持该位置，直到越过阈值以改变其状态。如此选择阈值电压V_TH1+和V_TH1-以使得特定的MOSFET开关40、42、44、46、48或50将随着相关联的二极管的导通而打开或闭合。在一实施例中，阈值电压V_TH1+在V_dc±1V的范围内，或在V_dc到V_dc+0.25V的范围内，其中V_dc是在正轨道16和负轨道18两端的电压。在一实施例中，阈值电压V_TH1-在±1V的范围内或-10mV或+10mV的范围内。

[0021]单独的通道72中示出对于每个MOSFET开关40、42、44、46、48和50进行的每次相间电压比较。算法在判断菱形74处确定特定MOSFET开关40、42、44、46、48或50的相间电压是否高于预定的阈值V_TH1+。如果在判断菱形74处相间电压高于该阈值电压V_TH1+，那么算法在框76处闭合该MOSFET开关40、42、44、46、48或50。否则维持MOSFET开关40、42、44、46、48或50在其之前的状态。算法然后在判断菱形78处确定相间电压是否低于阈值电压V_TH1-，如果是，在框80处打开MOSFET开关40、42、44、46、48或50。否则维持MOSFET开关40、42、44、46、48或50在其之前的状态。然后所有的输出信号在框82处被发送到MOSFET开关40、42、44、46、48和50，处理过程返回至框64。

[0022]可以想像，电压调节功能和MOSFET控制功能可以由单独的电子控制电路单独地提供，也可以将这两项功能合并入单个电子控制电路中。电子控制电路可以使用离散的和/或集成电路、微控制器、数字信号处理器或专用集成电路(ASIC)组合而实现。

[0023]通过使用MOSFET开关和上面讨论的控制方法，发电机系统10具有超越应用纯二极管整流器电桥的发电机系统的许多优点。特别是，发电机系统10显著地降低了发电机整流损失，显著降低了散热器的工作温度，由于降低了热负载而可能通过减少了风扇的空气流动来降低风扇损失和噪音，并提高了发电机系统10的总效率，及改善了车辆燃油经济。此外，所描述的控制方法无需附加的传感器，如相电流传感器、DC总线电流传感器或转子位置传感器，这些传感器都会大大地增加成本和/或由于传感器中能量损失所带来的效率降低。

[0024]可以仅使用三相间电压V_AB、V_BC和V_CA来控制MOSFET开关40、42、44、46、48或50。图3(a)-3(b)的流程图90示出了根据本发明的这一个实施例的用于切换MOSFET开关40、42、44、46、48和50的操作，以提供电流整流，其中与流程图60相类似的单元由相同的附图标记进行标注。在该实施例中，框66已经由框92所代替，其中只计算相间电压V_BC、V_CB和V_AC。由于相间电压V_BA、V_CB和V_AC是未知的，那些相间电压与阈值电压V_TH1+和V_TH1-的比较需要改变为已知的相间电压。特别是，如图所示，流程图90中的菱形判断框94、96、98、100、102和104已经改变为包括与阈值电压V_TH1+和V_TH1-有合适关系的相间电压V_AB、V_BC和V_CA。

[0025]前述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域的技术人员可以从这些讨论和所附的附图和不同变化的权利要求中容易地进行识别，在不脱离下述权利要求定义的本发明的精神和范围下进行修改和变化。

Claims

1、一种发电机系统，包括：

AC电机，包括多个电枢线圈；

与电枢线圈电耦合的整流电路，所述整流电路包括多个开关；以及

控制电路，提供控制信号到整流电路，以使开关接通或断开，从而将AC信号转换成DC信号，所述控制电路确定所述电机的相间电压是高于第一预定阈值电压还是低于第二预定阈值电压，其中如果所述电机的特定相位的相间电压高于第一预定阈值电压，则控制电路接通与所述特定相位相关联的开关，并且其中如果这个相位的相间电压低于第二预定阈值电压，则断开该开关。

2、根据权利要求1所述的系统，其中控制电路确定电枢线圈的单相接地电压，并从单相接地电压计算得到相间电压。

3、根据权利要求1所述的系统，其中控制电路直接测量电枢线圈的相间电压。

4、根据权利要求1所述的系统，其中控制电路确定所述电机的速度是否低于预定速度阈值，并且如果电机的速度低于该速度阈值，则禁止接通开关。

5、根据权利要求1所述的系统，其中所述开关是MOSFET开关。

6、根据权利要求1所述的系统，其中所述电机包括三个电枢线圈。

7、根据权利要求6所述的系统，其中控制电路基于与电枢线圈相关联的三个相位的三个单相接地电压来计算六个相间电压。

8、根据权利要求6所述的系统，其中控制电路基于与电枢线圈相关联的三个相位的三个单相接地电压来计算三个相间电压。

9、根据权利要求6所述的系统，其中三个电枢线圈基本上是电对称的。

10、根据权利要求1所述的系统，其中第一预定阈值电压是正值，且第二预定阈值电压不同于第一预定阈值电压。

11、根据权利要求1所述的系统，其中整流电路包括电耦合到每个开关两端的二极管。

12、根据权利要求11所述的系统，其中二极管是具有箝压能力的齐纳二极管。

13、根据权利要求11所述的系统，其中所述开关是MOSFET开关，并且二极管是在各自MOSFET开关内的整体体-漏二极管。

14、一种用于车辆的发电机系统，所述系统包括：

三相AC电机，包括三个电枢线圈；

与电枢线圈电耦合的整流电路，所述整流电路包括六个MOSFET开关；以及

控制电路，提供控制信号到整流电路，以将使MOSFET开关接通或断开，从而将来自所述电机的AC信号转换成DC信号，所述控制电路确定电枢线圈的单相接地电压，并从这些单相接地电压计算六个相间电压，所述控制电路进一步确定所述电机的相间电压是否高于第一预定阈值电压和低于第二预定阈值电压，其中如果所述电机的特定相位的相间电压高于第一预定阈值电压，则控制电路接通与所述相位相关联的开关，并且如果所述相位的相间电压低于第二预定阈值电压，则断开该开关。

15、根据权利要求14所述的系统，其中控制电路确定所述电机的速度是否低于预定速度阈值，并且如果所述电机的速度低于该速度阈值，则禁止接通开关。

16、根据权利要求14所述的系统，其中整流电路包括电耦合到每个开关两端的二极管。

17、根据权利要求16所述的系统，其中二极管是具有箝压能力的齐纳二极管。

18、根据权利要求16所述的系统，其中二极管是在各自MOSFET开关内的整体体-漏二极管。

19、根据权利要求14所述的系统，其中第一预定阈值电压是正值，且第二预定阈值电压不同于第一预定阈值电压。

20、一种对来自AC电机的AC信号进行整流的方法，所述方法包括：

确定所述电机的每个相位与预定接地之间的电压；

从单相接地电压计算相间电压；

将相间电压与第一预定阈值电压和第二预定阈值电压进行比较；

如果所述电机的特定相位的相间电压高于第一预定阈值电压，则接通与所述相位相关联的开关；并且

如果所述相位的相间电压低于第二预定阈值电压，则断开该开关。

21、根据权利要求20所述的方法，进一步包括确定所述电机的速度，并且如果所述电机的速度低于预定速度，则禁止闭合开关。

22、根据权利要求20所述的方法，其中AC电机是包括三个电枢线圈的三相AC电机。

23、根据权利要求22所述的方法，其中确定所述电机的每个相位和预定接地之间的电压包括确定三个单相接地电压，并且从所确定的单相接地电压计算相间电压包括计算六个相间电压。

24、根据权利要求20所述的方法，其中所述开关是MOSFET开关。

25、根据权利要求20所述的方法，进一步包括提供电耦合到每个开关两端的二极管。

26、根据权利要求25所述的方法，其中二极管是具有箝压能力的齐纳二极管。

27、根据权利要求25所述的方法，其中开关是MOSFET开关，并且其中二极管是在各自MOSFET开关内的整体体-漏二极管。