CN101388638A - 具有改进的损耗分配的三相逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有改进的损耗分配的三相逆变器。一种逆变器电路将具有主侧和参考侧的直流电压源耦合到具有多个电相位的电动机或其它交流电机。逆变器电路包括开关、二极管和控制器。对于每个电相位，第一开关将电相位耦合到直流电压源的主侧且第二开关将电相位耦合到其参考侧。对于第一和第二开关中的每一个，相关联的反并联二极管配置成当与二极管相关联的开关无效时提供电通路。控制器耦合到第一和第二开关中每一个的开关输入，并配置成向那里提供控制信号，其中在低频模式下，提供给每个开关的控制信号包括第一部分和第二部分，其中第一部分包括第一脉宽调制方案且第二部分包括与第一调制方案不同的第二脉宽调制方案。

Description

具有改进的损耗分配的三相逆变器

技术领域

本发明一般涉及电动机，且更具体地涉及在混合动力车辆及其它应用中找到的电动机里使用的三相逆变器。

背景技术

近几年，所谓的“混合动力车辆”已经日趋流行。这些车辆通常用一个或多个电动机产生的功率补充由更常规的内燃机产生的功率，由此显著减少了燃料消耗，而对驾驶感受没有重大影响。

尽管混合动力车辆获得成功，然而，总是希望从存在于车辆上的电动机提供递增的功率水平。通常，通过提供额外的电动机、更大的电动机、现有电动机内更大的磁体结构，和/或通过在运行期间提高流过电动机的电枢线圈的电流，可以获得增加的功率。更特别地，逆变器电路已被设计成增加电动机系统内提供的功率。例如，常规的六开关、三桥臂式逆变器拓扑结构可以增加系统的功率，所述系统包括一个或多个三相电动机。然而，即便是此布置，也可能在其增加可用功率和/或减少逆变器的额定电流的能力方面受限制。尤其是，在低的基本工作频率处的热约束(thermal constraint)使得常规逆变器电路的难以生成所需的电流水平，由此导致了低速时降低的电动机转矩。

因此，希望提供一种改进的逆变器方案，用于从多电动机系统获得增加的功率，而不增加系统复杂性或增大电动机尺寸。尤其是，希望解决温度对逆变器操作的影响以在低的基频下生成额外的电动机转矩。此外，结合附图和前述技术领域及背景技术，根据随后的详细描述及所附权利要求书，本发明的其它可取的特征和特性将变得显而易见。

发明内容

提供此概括以引入一系列简化形式的概念精选，这些概念将在下面详细地进行说明。本概括并非意在标识所要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不打算用作辅助确定所要求保护的主题的范围。

在各种实施例中，逆变器电路将具有主侧(primary side)和参考侧的直流电压源耦合到电动机或具有多个电相位的其它交流电机。该逆变器电路包括开关、二极管和控制器。对于每个电相位，第一开关将该电相位耦合到直流电压源的主侧且第二开关将该电相位耦合到直流电压源的参考侧。对于第一和第二开关中的每一个，相关联的反并联二极管配置成当与该二极管相关联的开关无效(inactive)时，提供电通路。控制器耦合到第一和第二开关中每一个的开关输入，并配置成向那里提供控制信号，其中提供给每个开关的控制信号包括第一部分和第二部分，其中第一部分包括第一脉宽调制方案，且第二部分包括与第一调制方案不同的第二脉宽调制方案。第一和第二PWM方案的例子包括不连续脉宽调制(DPWM)最大或最小方案，空间矢量调制方案等。

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是示范性三相逆变器的电路图；

图2是逆变器中的三相电流的曲线图；

图3示出了示范性调制方案的各种曲线图；和

图4是各种示范性调制方案的时序图。

具体实施方式

下列描述一般涉及用于存储和升高在多电机电力系统中可用的电功率的方法和系统，所述多电动机电力系统诸如在许多混合动力汽车、卡车或其它车辆上发现的电力系统。然而，等效概念可以容易地应用于其它车辆的、工业的、航空航天的环境和/或其它环境。实际上，本文中描述的各种概念可以容易地适用于任何调制的逆变器系统。就此而言，下列详细说明本质上仅仅是示范性的，且并非打算限制本发明或本发明的应用及用途。此外，不打算受在前面的技术领域、背景技术、发明内容或者下面的详细描述中给出的明示的或暗含的理论的限制。

下列描述涉及被“连接”或“耦合”到一起的元件或节点或零件。如本文中使用的，除非另有明确规定，“连接”意思是一个元件/节点/零件在机械、逻辑、电气、或其它适当的意义上直接接合到另一元件/节点/零件(或直接与其通信)。同样，除非另有明确规定，“耦合”意思是一个元件/节点/零件在机械、逻辑、电气、或其它适当的意义上直接或间接地接合到另一元件/节点/零件(或者直接或间接与其通信)。术语“示范性”是用作“例子”的意思，而非“模型”的意思。此外，尽管附图可能描绘出元件的示例布置，但是附加的插入元件、装置、零件或部件可以存在于本发明的实际实施例中。

一般而言，在逆变器电路内部会出现与电动机相关联的热问题，因为存在于逆变器电路内的各种部件(例如，晶体管、二极管)以不均匀的速率耗散热能，尤其是在低的基本工作频率处。然而，通过调节电动机的各相位的调制，能以在逆变器电路各处分配热耗散的方式应用电能，由此允许额外的电流流过逆变器，继而甚至可以在相对低的工作频率下允许额外的电动机转矩。

现参考附图并首先参考图1，适合在汽车、卡车或其它车辆中使用的示范性电逆变器系统包括经由逆变器电路100与电机102相耦合的电池或其它功率源104。逆变器电路100合适地将来自源104的电能施加在电机102的多个电相位130、132、134上。通常响应于各种脉宽调制(PWM)或其它控制信号139A-F而施加此能量，所述其他控制信号由数字控制器137酌情产生并提供给电路100内的开关部件。

在图1中所示的示范性逆变器电路100中，使用在图1中示为开关106-116的三组开关元件，将电流施加到交流电机102的三个电相位130、132、134中的每一个上。开关106和108可以分别由信号139A和139B激活(activate)以施加正电流或负电流到相位130，且开关110和112分别由信号139C-D激活以施加正电流或负电流到相位132，以及开关114和116分别由信号139E-F激活以施加正电流或负电流到相位134。在各种实施例中，开关106-116用绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等实现。这种晶体管通常提供公共端(例如，基极端或栅极端)，其可以用控制信号139A-F驱动到相对较高或较低的电压，以由此实现装置的剩余端之间的电传导性。

在图1所示的实施例中，每个开关106-116图示为与二极管118-128反并联配置。一般而言，每个二极管在其配对的并联开关(companion parallel switch)处于无效状态时传导电流。然而，该二极管在与其配对开关传送电流的相反方向上传送电流。例如，二极管120通常在开关108有效(active)时传导电流，但在开关106有效时不传导电流。相反，二极管118通常在开关106被激活时传导电流，但在开关108有效时不传导电流。图1实施例中的开关110、112、114和116图示为分别类似地与二极管124、122、128和126配对。一般而言，通过调节每个开关元件106-116保持有效的持续时间，可以将所需的交流或直流电压施加到三个相位130、132、134中的任一相位上。示范性电压源逆变器电路的其他细节在美国专利号7,061,134中有所描述，不过在其它实施例中可以使用许多等效的逆变器拓扑结构和操作方案。

控制器137是能够给逆变器电路100的各种部件提供控制信号109A-F的任何装置、模块、电路、逻辑等。例如，控制器137可以用常规微处理器或微控制器实现，其通常包括存储在易失性或非易失性数字存储器内的软件或固件指令。在其它实施例中，控制器137用任何种类的编程门阵列、查找表或其它逻辑电路实现。尽管在图1中未示出，控制器137可以经由任何类型的多路复用/解复用或其它译码电路物理耦合到开关106-116，以减少控制器137上用于提供信号139A-F的逻辑引脚或其它输出的数目。此外，控制器137可以从交流电机102或与其相关联的任何传感器接收任何类别的输入信号143，以指示低频率工作条件的存在，如在下面更全面描述的。

源104是用于施加到逆变器电路100的任何电池、发电机、燃料电池或其它电能源。一般，功率源对应于提供直流电流(DC)到系统100的常规混合动力车辆电池或电池串联(series of batteries)。在图1的示范性实施例中，源104仅图示为施加在逆变器100的两个输入端之间的相对电压(VDC)，其可以按任何常规方式施加。

交流电机102是任何类型的感应电动机等，其具有对应于任何数目电相位的任何数目的电感绕组。例如，图1所示的交流电机102的实施例具有三个电相位，不过等效实施例可以利用两个、四个或任何数目的感应相位(inductive phase)。交流电机102根据传统的电气原理操作。例如，通过交替地将各绕组130、132、134连接到功率源104，可以形成各个电通路并酌情对电通路加以改变以产生机械转矩，所述机械转矩施加到任何数目的轮、飞轮或其它机械负载。

在图1所示的实施例中，每个电相位130、132、134可以通过逆变器电路100的各个部件可切换地耦合到功率源104的正端或负端，由此允许在任一方向上实现相位130、132、134的任意两相上的满干线电压(full rail voltage)或零电压。例如，开关106、110和114可切换地将相位130、132、134(分别)耦合到功率源104的正电压(或主)侧，而开关108、112、116将相位130、132、134(分别)耦合到功率源108的相反(例如，负或参考)侧。随后，为施加正电压或负电压到相位130、132、134中的任意两相之间，可以使用一个或多个适当的控制信号139A-F将与绕组相关联的一个或多个开关106-116激活。例如，为了在相位130与132之间的时间间隔期间施加正电压，相位130耦合到功率源104的正侧(即，用信号139B激活开关106)且相位132耦合到功率源104的负侧(即，用信号139C激活开关112)。电路中的电流流动取决于所施加的电压的极性和所连接的负载的功率因数。因此，如果130中的相电流具有正极性(即，在如图1中所示方向上流动)；其流过开关106。相反地，如果电流具有负极性，则其流过二极管118。类似地，相位132中的相电流将流过开关112或二极管124，这分别取决于在该时间间隔期间它的负极性或正极性。

图2示出了示范性的平衡三相方案的曲线图，其中施加到交流电机102的电流总量随时间保持相对恒定。例如，在时间210处，相位130中的电流(图1；图2中图示为曲线202)一般幅值为正，且相位132、134中的电流(图1；图2中分别图示为曲线204和206)符号为负，且相位134中的电流(曲线206)具有比相位132中的电流(曲线204)更负的幅值。使用图1所示的示范性符号规定，在时间210处的条件将导致开关106和二极管120在相位130上提供正电流，开关112和二极管122在相位132上提供负电流，且开关116和二极管126在相位134上提供负电流。为了示范性目的在下面使用此特定时间210；将理解信号202、204和206的相对幅值和相位将在工作期间不断发展变化。

再次，相电流130、132、134的相对幅值可以在交流工作期间相对于彼此而变化，其中根据基本工作频率下的适当PWM或其它调制方案而激活各开关106-116或使它们无效。在正常工作期间，相电流的极性通常相对快速地变化(例如，比电路的热时间常数更快)，所以温度一般不是很重要。然而，在低频率(或甚至直流)工作期间，在任一时间点施加的相电流可以在某一段时间保持相对恒定。因为开关106-116和二极管118-128响应于所施加的电流而产生热，长期不变的电流可以导致电路100的不均匀加热。继续图2的例子，开关106、112和116在工作期间将在时间210处散热，二极管120、122和126也是如此。逆变器电路100中的剩余部件将耗散极少热量或不散热，由此造成在低频下各部件耗散的热量不均衡。而且，希望将源104处提供的电流量限制在某个点，因为一个或多个部件接近它们的最大耐热性。

然而，通过使用更复杂的调制方案，可以矫正有效时间内的不平衡(及因此散热的不平衡)，且同时仍施加所需的驱动电流到交流电机102的每个相位。例如，控制器137中的电流调节器模块可以用来确定在各相位端130、132、134处调制的电压。例如，调节器零件适当地分割了在附接到每个相位端130、132、134的两个开关之间的切换时间，以在这些开关之间共享电流。

当在控制器137处感测到低工作频率条件时(例如，响应于输入信号143)，调制信号139A-F被适当地调节以补偿在直流操作或附近发生的温度效应。图3提供了脉宽调制方案的三个例子，其可以任何方式相互结合或以别的方式在各实施例中使用，以代表时间210处的三相电流130、132、134(图2)。现参考图3，方案302示出了常规的“不连续脉宽调制-最大零序电压”(DPWM-max)技术，且方案304和306分别示出了常规的“空间矢量调制”(SVM)和“不连续脉宽调制-最小零序电压”(DPWM-min)调制。使用DPWM-max方案302，信号139B(对应于开关106)在整个切换循环(switching cycle)保持有效(由此减少了由于状态过渡引起的热损耗)。信号139D和139F类似地在大部分切换时间保持有效。SVM方案304减少了开关106保持有效的时间量(与DPWM-max方案302相比)，但增加了由于开关106和二极管120之间的状态过渡而引起的热损耗。DPWM-min方案306更进一步减少了开关106中的传导损耗，但保持了由于切换时间内的切换过渡而引起的热损耗。可以在许多等效实施例中可选地或附加地使用其它调制方案。

一般而言，希望传送最大电流量的有效开关和二极管对(例如，在时间210处的开关106和二极管120)工作在它们的最大容许温度极限下，以最大化交流电机102可用的电流量。而且，希望开关106和二极管120(在此例子中)同时工作在它们的最大容许温度极限下或附近，这种情况在使用图3所示的调制方案302、304、306中的任何一个单一方案时都不会发生。不过，两个或多个PWM方案可以组合起来以在有效开关及有效二极管两者中实现更大的工作温度。例如，这两个方案可以在低频工作期间激活，以增加供应到有效相位的电流量，这继而将增加由电动机产生的转矩量。而且，组合调制方案可以允许利用开关与二极管之间的不同的最大工作温度(例如，如果两个部件是在分离的半导体管芯上制成的、由不同的材料制成，等等)。例如，随着由温度容限比常规硅更高的碳化硅(SiC)和其它较新材料制成的二极管日趋成熟可用，可以酌情利用这种增加的吸热能力。因此，形成在硅基片上的其它开关或IGBT可以与形成在SiC或其它基片上的二极管和/或其它部件一起工作，且应用于各部件的调制可以被调节或以其他方式加以改良以利用可用的任何可取的热特性。

例如，图4示出了示范性的调制方案400，其将SVM部分402与DPWM-min部分404组合起来。在此例子中，DPWM-min部分404比期间402在更高的频率下运行，不过不需要在所有实施例中实施此特征。SVM部分402的优势在于允许电流在非常低的基本工作频率或零基本工作频率下在几乎50％的切换时间通过开关106和二极管120两者。然而，PDWM-min部分404大大减少了由开关106(在此例子中)提供的电流量，由此与其它调制方案相比能实现有所增加的温度裕度(即，下降(drop))。

尽管图4将SVM部分402和DPWM-min部分404图示为在时间周期方面(in time period)近似等同，但是其它实施例可以不均衡地混合这两种调制方案以进一步调节调制的热效应。例如，增加的花费在SVM调制上的时间，可能以某些开关中(例如，上述例子中的开关106)增加的热耗散为代价，提供某些性能效益。各调制部分402、404的相对周期和持续时间可以在控制器137内计算并实时调整，和/或它们可以在运行以前以任何确定性或不确定性的方式进行编程。

诸如图4所示的混合PWM方案不需要在运行期间应用到所有点。在各种实施例中，控制器137识别“低工作频率”条件，并仅在这种条件期间应用混合调制。也就是说，仅在“低频率”模式期间才需要应用混合调制，以防止过多的热量在低频工作期间积聚在特定部件上。

如开始所述，上述各种技术可以应用于许多环境和应用中。在车辆的情况下，逆变器电路可以容易地部署在混合动力车辆或类似车辆中。类似的概念可以等效地酌情用于任何汽车、运输、航空航天、工业和/或其它环境中。

尽管已经在前述详细说明中给出了若干示范性实施例，应理解存在大量的变型。也应理解，这些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，前面的详细说明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各种改变，而不脱离由所附权利要求书及其法律等效物记载的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种逆变器电路，其将具有主侧和参考侧的直流电压源耦合到具有多个电相位的交流电机，所述逆变器电路包括：

用于该多个电相位中的每一个的第一开关和第二开关，第一开关将该电相位耦合到直流电压源的主侧，第二开关将该电相位与直流电压源的参考侧相耦合，其中第一开关和第二开关中的每一个还包括开关输入；

用于第一开关和第二开关中的每一个的相关联的反并联二极管，其配置成当与该二极管相关联的开关无效时，提供电通路；和

控制器，其耦合到第一开关和第二开关中每一个的开关输入，并配置成识别交流电机的低工作频率条件，并响应于此，给每个开关提供控制信号，所述控制信号包括第一部分和第二部分，其中第一部分包括第一脉宽调制方案且第二部分包括与第一调制方案不同的第二脉宽调制方案。

2.根据权利要求1所述的逆变器电路，其中第一脉宽调制方案是不连续脉宽调制方案。

3.根据权利要求2所述的逆变器电路，其中第二脉宽调制方案是空间矢量调制。

4.根据权利要求2所述的逆变器电路，其中不连续脉宽调制方案基于最大零序电压。

5.根据权利要求2所述的逆变器电路，其中不连续脉宽调制方案基于最小零序电压。

6.根据权利要求1所述的逆变器电路，其中第一开关和第二开关中的每一个均是绝缘栅双极晶体管。

7.根据权利要求6所述的逆变器电路，其中第一开关和第二开关中的每一个均形成在硅基片上。

8.根据权利要求7所述的逆变器电路，其中每个二极管形成在与该硅基片不同的基片上。

9.根据权利要求8所述的逆变器电路，其中不同的基片是碳化硅基片。

10.一种将具有主侧和参考侧的直流电压源耦合到具有多个电相位的交流电机的方法，该方法包括以下步骤：

使用主调制方案控制多个开关，所述多个开关的每一个将所述电相位之一耦合到直流电压源的主侧或参考侧；

识别低频工作条件；和

响应于该低频工作条件，将低频调制方案应用到每个开关，其中低频调制方案包括第一部分和第二部分，其中第一部分包括第一脉宽调制方案且第二部分包括不同于第一调制方案的第二脉宽调制方案。

11.根据权利要求10所述的方法，其中第一脉宽调制方案是不连续脉宽调制方案。

12.根据权利要求11所述的方法，其中第二脉宽调制方案是空间矢量调制。

13.根据权利要求11所述的方法，其中不连续脉宽调制方案基于最大零序电压。

14.根据权利要求11所述的方法，其中不连续脉宽调制方案基于最小零序电压。

15.一种将具有主侧和参考侧的直流电压源耦合到具有多个电相位的交流电机的系统，该系统包括：

使用主调制方案控制多个开关的装置，所述多个开关的每一个将所述电相位之一耦合到直流电压源的主侧或参考侧；

用于识别低频工作条件的装置；和

响应于该低频工作条件将低频调制方案应用到每个开关的装置，其中低频调制方案包括第一部分和第二部分，其中第一部分包括第一脉宽调制方案且第二部分包括不同于第一调制方案的第二脉宽调制方案。

16.根据权利要求15所述的系统，其中第一脉宽调制方案是不连续脉宽调制方案。

17.根据权利要求16所述的系统，其中第二脉宽调制方案是空间矢量调制。

18.根据权利要求16所述的系统，其中不连续脉宽调制方案基于最大零序电压。

19.根据权利要求16所述的系统，其中不连续脉宽调制方案基于最小零序电压。

20.一种用于车辆的电气系统，包括：

具有主侧和参考侧的直流电压源；

具有多个电相位的交流电机；和

将直流电压源耦合到交流电机的逆变器系统，其中该逆变器系统是如权利要求15所述的系统。

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