CN101388615A - 用于将直流功率转换为交流功率的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将直流功率转换为交流功率的方法和系统。提供了用于将直流(DC)功率转换为交流(AC)功率的方法。基于第一载波信号产生交流功率的第一相位。基于第二载波信号而产生交流功率的第二相位。

Description

用于将直流功率转换为交流功率的方法和系统
技术领域
本发明一般涉及功率逆变器，且更具体地涉及用于将直流功率转换为交流功率的方法和系统。
背景技术
近年来，技术的进步以及不断发展的风格喜好已引起汽车设计的重大变化。其中一个变化涉及汽车内的电气和驱动系统的复杂性，特别是代用燃料车辆，诸如混合动力车辆、电动车辆和燃料电池车。这些代用燃料车辆通常使用电动机(或许结合另一个致动器)来驱动车轮。
在这些车辆中使用的包括电动机(electric motor)的许多电气部件从交流(AC)电源接收电功率。然而，在这些应用中使用的功率源(即，电池)仅提供直流(DC)功率。因而，称为为功率逆变器的装置被用来将直流功率转换为交流功率，所述功率逆变器经常利用以各种时间间隔操作的若干开关或晶体管来将直流功率转换为交流功率。
近年来，已经研发出“z源”逆变器，其相比常规的功率逆变器具有若干优点。例如，由于包含在其中的阻抗源(例如，包括一个或多个电感器)，z源逆变器具有产生大于或小于所提供的直流功率的电压的输出电压的能力。然而，诸如脉宽调制(PWM)之类的用于控制逆变器内开关的常规方法导致纹波电流(ripple current)以相对低的频率流过电感器。结果，必须在这种功率逆变器中使用非常大且昂贵的电感器，因为所需的电感器尺寸与纹波电流的频率成比例。
因此，希望提供一种用于将直流功率转换为交流功率的方法和系统，该方法和系统允许使用较小且较便宜的电感器。此外，结合附图和前述的技术领域及背景技术，本发明的其它可取特征和特性将根据随后的详细描述及所附权利要求书而变得显而易见。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于将直流(DC)功率转换为交流(AC)功率的方法。基于第一载波信号产生交流功率的第一相位。基于第二载波信号产生交流功率的第二相位。
在另一实施例中，提供了一种用于通过功率逆变器操作多相电机(motor)的方法，对于该电机的每个相位，所述功率逆变器都具有一对开关。产生第一载波信号，且产生第一调制信号。第一载波信号和第一调制信号共同确定第一波形。基于第一波形操作功率逆变器中的第一对开关。产生第二载波信号，且产生第二调制信号。第二载波信号和第一调制信号共同确定第二波形。基于第二波形操作功率逆变器中的第二对开关。
在又一实施例中，提供了一种汽车驱动系统。该汽车驱动系统包括直流(DC)电源、电动机、功率逆变器和处理器。直流电源耦合到电动机。功率逆变器包括第一对开关和第二对开关，且耦合到电动机和直流电源以接收来自直流电源的直流功率，并提供交流(AC)功率给电动机。处理器与电动机、直流电源和功率逆变器成可操作通信。处理器配置成产生第一载波信号，基于第一载波信号操作功率逆变器中的第一对开关，产生第二载波信号，并且基于第二载波信号操作功率逆变器中的第二对开关。
附图说明
将在下文中结合下列附图描述本发明，其中相同的数字表示相同的元件，且
图1是根据本发明一个实施例的示范性汽车的示意图；
图2是在图1的汽车内的逆变器系统的方块图；
图3是在图1的汽车内的功率逆变器的示意图；
图4是由图2的逆变器系统产生的用来控制图3的功率逆变器的第一、第二和第三组载波信号与调制信号以及直通调制(shoot-throughmodulation)信号及相关联波形的图示；
图5是图4的第一组载波信号与调制信号以及相关联波形的图示；
图6是图4的第二组载波信号与调制信号以及相关联波形的图示；和
图7是图4的第三组载波信号与调制信号以及相关联波形的图示。
具体实施方式
下列详细描述本质上仅是示范性的，且并不打算限制本发明或本发明的应用及用途。此外，不打算受前面的技术领域、背景技术、发明内容或下面的具体描述中给出的明示或暗示的理论的约束。
下列描述涉及被“连接”或“耦合”到一起的元件或零件。如本文中所使用的，除非另有明确声明，“连接”是指一个元件/零件直接接合到另一元件/零件(或直接与其通信)，且不一定是通过机械方式。同样，除非另有明确声明，“耦合”是指一个元件/零件直接或间接接合到另一元件/零件(或者直接或间接地与其通信)，且不一定是通过机械方式。然而，应当理解到，尽管下面可能在一个实施例中说明两个元件是“连接”的，但是在可选实施例中类似元件可以是“耦合”的，且反之亦然。因而，尽管这里示出的示意图描绘了元件的示范性布置，但在实际实施例中可以存在其它插入(intervening)元件、装置、零件或部件。也应该理解到，图1-7仅仅是说明性的且可以不按比例绘制。
图1到图7示出了一种用于将直流功率转换为交流功率的方法和系统。基于第一载波信号产生交流功率的第一相位。基于第二载波信号产生交流功率的第二相位。在一个实施例中，第一相位的产生包括基于第一载波信号操作功率逆变器中的第一组开关，且第二相位的产生包括基于第二载波信号操作功率逆变器中的第二组开关。
图1示出了根据本发明一个实施例的车辆10或“汽车”。汽车10包括底盘12、车体14、四个车轮16和电子控制系统(或电子控制单元(ECU)18)。车体14布置在底盘12上且基本上封闭汽车10的其它部件。车体14和底盘12可以共同形成车架。车轮16的每一个均在车体14的相应拐角附近转动地耦合到底盘12。
汽车10可以是许多不同类型汽车中的任一种，诸如轿车、货车、卡车、或运动型多功能车(SUV)，且可以是两轮驱动(2WD)(即后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)或全轮驱动(AWD)。车辆10也可以合并许多不同类型发动机(或致动器)中额任一种或它们的组合，所述发动机诸如汽油燃料内燃机或柴油燃料内燃机、“灵活燃料型车辆”(FFV)发动机(即，使用汽油和酒精的混合物)、气态化合物(例如，氢气和/或天然气)燃料发动机、或燃料电池、燃烧/电动机混合发动机，以及电动机。
在图1所示出的示范性实施例中，汽车10是混合动力车辆、且还包括致动器(actuator)组件(或动力系)20、电池22、功率逆变器(或逆变器)24和散热器26。致动器组件20包括内燃机28和电动机/发电机(或电机)系统(或组件)30。在一个实施例中，电动机系统30包括一个或多个正弦缠绕的(sinusoidally-wound)三相交流(AC)电机/发电机(或电机)(例如，永磁式或感应式电机)，诸如通常在机动车辆(例如，牵引驱动控制系统等等)中使用的电机。如本领域技术人员将理解的，每个电动机包括定子组件(包括导电线圈)、转子组件(包括铁磁芯)、和冷却流体(即，冷却剂)。正如通常所理解的，电动机内的定子组件和/或转子组件可以包括多个(例如，十六个)电磁极。
仍参考图1，且如下面更详细说明的，内燃机28和电动机系统30是集成的，从而使得两者都通过一个或多个驱动轴32机械地耦合到至少一些车轮16。散热器26连接到车架的外部，且尽管没有详细示出，散热器包括贯穿其中的包含冷却流体(即，冷却剂)的多个冷却通道，所述冷却流体诸如水和/或乙二醇(即，“防冻剂”)，且所述散热器耦合到发动机28和逆变器24。再参考图1，在所描绘的实施例中，逆变器24接收冷却剂并与电动机30一起共享冷却剂。散热器26可以类似地连接到逆变器24和/或电动机30。
电子控制系统18与致动器组件20、电池22和逆变器24可操作通信。尽管没有详细示出，电子控制系统18包括诸如逆变器控制模块和车辆控制器的各种传感器和汽车控制模块，或电子控制单元(ECU)，以及至少一个处理器和/或存储器，所述存储器包括存储在其上(或另一种计算机可读介质中)的用于执行如下所述的过程和方法的若干指令。
参考图2，图示了根据本发明示范性实施例的电压源逆变器系统(或电力驱动系统)34。电压源逆变器系统34包括控制器36、耦合到控制器36的输出的逆变器24、耦合到逆变器24的第一输出的电机30，以及调制器38，所述调制器38的输入耦合到逆变器24的第二输出，且其输出耦合到控制器36的输入。控制器36和调制器38可以是与图1所示的电子控制系统集成。
图3更详细地示出了图1和图2的逆变器24。逆变器24包括耦合到电机30的三相电路。更具体地，逆变器24包括开关网络，所述开关网络具有耦合到电压源Vdc(例如，电池22)的第一输入和耦合到电机30的输出。尽管图示了单个电压源，但是可以使用带有两个串联源的分布式直流链路。
该开关网络包括具有对应于每个相位的反并联二极管(即，与每个开关反并联)的三对(a、b和c)串联开关。每对串联开关包括：第一开关或晶体管(即，“高”开关)40、42和44，其具有耦合到电压源22的正电极的第一端子；和第二开关(即，“低”开关)46、48和50，其具有耦合到电压源22的负电极的第二端子并具有耦合到相应第一开关40、42和44的第二端子的第一端子。
在一个实施例中，如通常所理解的，逆变器24是“z源”逆变器且包括耦合在电池22与第一、第二和第三对开关之间的阻抗源52，阻抗源52包括电感部件(或至少一个电感器)和电容部件(或至少一个电容器)。在所描述的实施例中，电感部件包括具有第一电感部分54和第二电感部分56的分离电感器(split inductor)，每个电感部分都具有第一侧和第二侧。第一电感部分54连接在第一开关40、42和44与电池22的正电极之间。第二电感部分56连接在第二开关46、48和50与电池22的负端子之间。
电容部件包括第一电容器58和第二电容器60，它们以“X”形配置连接到第一电感部分54和第二电感部分56。也就是说，第一电容器58具有连接到第一电感部分54的第一侧的第一端子以及连接到第二电感部分56的第二侧的第二端子。第二电容器60具有连接到第一电感部分54的第二侧的第一端子以及连接到第二电感部分56的第一侧的第二端子。在所描述的实施例中，逆变器24还包括附加开关62，附加开关62可以类似于开关40-50且用来允许在直流总线的逆变器侧上维持较高电压。
根据本特定发明的各方面，在操作期间，仍参考图1，通过以交替的方式用内燃机28和电动机组件30给车轮16提供功率和/或同时用内燃机28和电动机组件30给车轮16提供功率，来操作车辆10。为了给电动机组件30供电，从电池22给逆变器24提供直流功率，所述逆变器在将功率传送到电动机30之前将直流功率转化为交流功率。正如本领域技术人员将理解的，直流功率到交流功率的转换基本上是通过以“切换频率”操作(即，重复地切换)逆变器24内的开关40-50而实行的，所述切换频率诸如12千赫兹(kHz)。
再参考图2，一般而言，控制器36产生脉宽调制(PWM)信号用于控制逆变器24的切换动作。在优选实施例中，控制器36优选地产生连续PWM(CPWM)信号，其中每个上部和下部开关在逆变器24的每个切换循环(switching cycle)的一部分时间导通。逆变器24然后将PWM信号转换为经调制的电压波形，用于操作电机30。
图4用图形示出了根据本发明一个实施例的由控制器36(和/或调制器38)产生的用于操作开关40-50的PWM信号。如图所示，产生了三个单独的载波信号和三个单独的调制信号，每个用于图3所示开关(a、b和c)中的相应一对。特别地，控制器36(和/或调制器38)产生第一载波信号64、第一调制信号66、第二载波信号68、第二调制信号70、第三载波信号72、和第三调制信号74。在一个实施例中，控制器36还产生高直通调制信号76和低直通调制信号78。
如将在下面更详细说明的，每组载波信号和调制信号以及直通调制信号76和78可以组合以产生“高”波形80和“低”波形82。应注意到，图4中所示波形80和82对应于第一载波信号64和第一调制信号66。如本领域技术人员将理解的，三组单独的载波信号和调制信号增加了流过逆变器24内的电感部件的纹波电流的频率，如也在图4中描绘的纹波电流84所示。
为清晰起见，图5、6和7的每一个均用图形示出了除直通调制信号76和78以外的仅一组载波信号和调制信号以及相关联的波形。图5示出了第一载波信号64和第一调制信号66。如从图5中明显可见的是，当第一调制信号66具有大于第一载波信号64的幅值时和/或每当第一载波信号64超过(pass beyond)直通载波信号76和78时，高波形80处于“高”或“开(on)”状态。图5中所示的高波形80用来控制逆变器24内的第一对开关(a)中的第一开关或高开关40。当第一调制信号66具有小于第一载波信号64的幅值时和/或每当第一载波信号64超过直通载波信号76和78时，低波形82处于“高”或“开”状态。图5中所示的低波形82用来控制逆变器24内的第一对开关(a)中的第二开关或低开关46。
图6示出了第二载波信号68和第二调制信号70。按照类似于上述的方式，高波形86和低波形88是根据第二载波信号68和第二调制信号70以及直通载波信号76和78形成的。图6所示高波形86用来控制逆变器24内的第二对开关(b)中的第一开关42，且图6所示的低波形88用来控制逆变器24内的第二对开关(b)中的第二开关48。
图7示出了第三载波信号72和第三调制信号74。按照类似于上述的方式，高波形90和低波形92是根据第三载波信号72和第三调制信号74以及直通载波信号76和78形成的。图7中所示的高波形90用来控制逆变器24内的第三对开关(c)中的第一开关44，且图7中所示的低波形92用来控制逆变器24内的第三对开关(c)中的第二开关50。
如通常所理解的，波形80、82、86、88、90和92以及开关的对应操作确定了逆变器24的不同桥臂的输出电压，且因而确定了施加在电机30内的绕组两端的电压。照此，每对开关(a、b和c)的操作产生了传送到电机30的交流功率的相应相位。
上述方法和系统的一个优点是由于用于操作每对开关(或电动机每个相位)的单独且交错的载波信号，增加了逆变器内电感部件中的纹波电流频率。在利用三相电机的一个实施例中，纹波电流的频率与对所有三个相位使用单载波信号的情况(24kHz、或者两倍于12kHz的载波频率)相比增至三倍(例如，到72kHz)。因此，逆变器内的电感部件的尺寸可以被减小(例如，减小到使用单载波信号时其尺寸的1/3)。
在除了汽车以外的实施方式中，诸如水运工具和航空器，其它实施例可以利用上述的方法和系统。电动机和功率逆变器可以具有不同数量的相位，诸如两个或四个。可以使用其它形式的功率源，诸如电流源和负载，所述负载包括二极管整流器、可控硅变流器、燃料电池、电感器、电容器、和/或它们的任意组合。
尽管已经在前述详细描述中给出了至少一个示范性实施例，应理解存在大量的变型。也应理解，一个或多个示范性实施例仅是例子，且不打算以任何方式限定本发明的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述将给本领域技术人员提供实施示范性实施例的便利指南。应理解，可以对元件的功能与布置作出多种改变，而不脱离由所附的权利要求书及其法律等效物记载的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于将直流(DC)功率转换为交流(AC)功率的方法，该方法包括：
基于第一载波信号产生交流功率的第一相位；和
基于第二载波信号产生交流功率的第二相位。
2.根据权利要求1所述的方法，其中第一相位的产生包括基于第一载波信号操作功率逆变器中的第一组开关，且第二相位的产生包括基于第二载波信号操作功率逆变器中的第二组开关。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
产生第一和第二载波信号；
产生第一调制信号，且其中第一组开关的操作进一步基于第一调制信号；和
产生第二调制信号，且其中第二组开关的操作进一步基于第二调制信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中第一载波信号和第一调制信号共同确定第一波形，且其中第一组开关的操作进一步基于第一波形。
5.根据权利要求4所述的方法，其中第二载波信号和第二调制信号共同确定第二波形，且其中第二组开关的操作进一步基于第二波形。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
产生第三载波信号；和
基于第三载波信号产生交流功率的第三相位。
7.根据权利要求6所述的方法，其中第三相位的产生包括基于第三载波信号操作功率逆变器中的第三组开关。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括产生第三调制信号，第三载波信号和第三调制信号共同确定第三波形，且其中第三组开关的操作进一步基于第三波形。
9.一种通过功率逆变器操作多相电机的方法，对于电机的每个相位，所述功率逆变器都具有用于该相位的一对开关，该方法包括：
产生第一载波信号；
产生第一调制信号，第一载波信号和第一调制信号共同确定第一波形；
基于第一波形操作功率逆变器中的第一对开关；
产生第二载波信号；
产生第二调制信号，第二载波信号和第一调制信号共同确定第二波形；和
基于第二波形操作功率逆变器中的第二对开关。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
产生第三载波信号；
产生第三调制信号，第三载波信号和第三调制信号共同确定第三波形；和
基于第三波形操作功率逆变器中的第三对开关。
11.一种汽车驱动系统，包括：
电动机；
耦合到电动机的直流(DC)电源；
包括第一对开关和第二对开关的功率逆变器，所述功率逆变器耦合到电动机和直流电源以接收来自直流电源的直流功率并提供交流(AC)功率给电动机；和
处理器，其与电动机、直流电源和功率逆变器可操作通信，所述处理器配置成：
产生第一载波信号；
基于第一载波信号操作功率逆变器中的第一对开关；
产生第二载波信号；和
基于第二载波信号操作功率逆变器中的第二对开关。
12.根据权利要求11所述的汽车驱动系统，其中处理器还配置成：
产生第一调制信号，第一载波信号和第一调制信号共同确定第一波形，且第一对开关的操作进一步基于第一波形；和
产生第二调制信号，第二载波信号和第二调制信号共同确定第二波形，且第二对开关的操作进一步基于第二波形。
13.根据权利要求12所述的汽车驱动系统，其中电动机是多相电动机，且其中功率逆变器中的第一和第二对开关中的每一对是与电动机的相应第一相位和第二相位相关联的。
14.根据权利要求13所述的汽车驱动系统，其中电动机是三相电动机，且其中功率逆变器还包括与电动机的第三相位相关联的第三对开关。
15.根据权利要求14所述的汽车驱动系统，其中处理器还配置成：
产生第三载波信号；和
基于第三载波信号操作第三对开关。
16.根据权利要求15所述的汽车驱动系统，其中处理器还配置成产生第三调制信号，第三载波信号和第三调制信号共同确定第三波形，且第三对开关的操作进一步基于第三波形。
17.根据权利要求16所述的汽车驱动系统，其中功率逆变器还包括耦合在直流功率源和第一、第二及第三对开关之间的阻抗源。
18.根据权利要求17所述的汽车驱动系统，其中阻抗源包括至少一个电感器和至少一个电容器。
19.根据权利要求18所述的汽车驱动系统，其中该至少一个电感器包括具有第一和第二电感部分的分离电感器，所述第一和第二电感部分具有第一和第二侧，且该至少一个电容器包括第一和第二电容器，第一电容器具有连接到第一电感部分的第一侧的第一端子和连接到第二电感部分的第二侧的第二端子，且第二电容器具有连接到第一电感部分的第二侧的第一端子和连接到第二电感部分的第一侧的第二端子。
20.根据权利要求19所述的汽车驱动系统，其中第一、第二和第三对开关包括多个晶体管。
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