CN102088187A - 利用半导体装置为总线电压放电的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
提供了为电压总线放电的系统和方法。电系统包括联接于第一电压轨的第一开关，在第一开关和第二电压轨之间联接的第二开关，以及联接于第一开关和第二开关的控制系统。控制系统被配置成交替激活第一开关和第二开关，使得在第一电压轨和第二电压轨之间的势能通过第一开关和第二开关耗散。
Description
技术领域
本文介绍的主题的实施例大体涉及机动车辆中的电系统，更具体的说，本主题的实施例涉及适用于为电力以及混合动力汽车中的高电压总线电容放电的放电电路。
背景技术
近年来，技术上的进步以及在样式上不断演进的品味导致汽车设计中的重要变化。变化之一包括汽车中各电系统的电源使用和复杂性，尤其是替代燃料车辆，如混合动力车、电动车和燃料电池车。
在大多数混合动力车辆中，诸如电容的能量存储装置经常被用于在动力传动系统中通过捕获能量来提高效率，或者当主能量源不能足够快的提供所需功率时在运行期间提供额外功率。如，可再生制动可被用于通过将动能转换成电能并将电能存储在一组电容中留待以后使用的方式捕获能量。为了适应汽车中的高电压运行，经常使用电容组或超级电容，因为它们有能力快速存储能量并能够比其他能量源更高速率地放电。然而，在电源从电路中移走或车辆关闭后，电容可以保持电荷。因此，在关闭车辆后或在存取容纳电容的设备前应该恰当地将高电压电容放电。
将电容放电通常可通过放置并联于电容或总线终端的放电或泄放电阻实现。这些设计除了需要额外的部件，还需要有能力处理高均值功率耗散的放电电阻。这些电阻通常占据较大的表面积，经常需要额外的线束、连接器以及热沉，阻碍了在电路板上设立放电电阻。除了增加的空间需求，这些放电电路在正常运行模式期间不被使用。
发明内容
根据一实施例，提供了电系统。电系统包括联接于第一电压轨的第一开关、在第一开关与第二电压轨之间联接的第二开关以及联接于第一开关与第二开关的控制系统。控制系统被配置成交替激活第一开关和第二开关，使得在第一电压轨与第二电压轨之间的势能通过第一开关与第二开关耗散。
根据另一实施例，提供了用在车辆中的电系统。电系统包括电压总线、联接于电压总线的容性元件、具有一个或多个绕组的电动机以及在电压总线和电动机间联接的逆变器模块。逆变器模块包括一个或多个逆变器相臂，其中各逆变器相臂对应于电动机的相应绕组。电系统进一步包括联接于逆变器模块的控制系统，其中控制系统配置成操作一个或多个逆变器相臂，以便将功率传递给电动机，并且响应于放电条件，切换至少一个逆变器相臂以将电压总线上的势能耗散。
在另一实施例中，提供了利用逆变器模块将第一导体元件与第二导体元件之间的势能放电的方法。逆变器模块包括联接于第一导体元件的第一组一个或多个开关，以及联接于第二导体元件的第二组一个或多个开关。该方法包括识别放电条件，并且响应于放电条件，通过第一组开关或第二组开关交替耗散势能，其中第一组开关与第二组开关不同时耗散能量。
本发明还提供以下发生方案。
1. 一种电系统，包括：
联接于第一电压轨的第一开关；
在所述第一开关与第二电压轨间联接的第二开关；以及
与所述第一开关和所述第二开关联接的控制系统，其中，所述控制系统被配置成交替激活所述第一开关与所述第二开关，使得在所述第一电压轨与所述第二电压轨之间的势能通过所述第一开关与所述第二开关耗散。
2. 根据技术方案1所述的电系统，其特征在于，进一步包括：
联接于所述第一电压轨的第三开关；以及
在所述第三开关与所述第二电压轨之间联接的第四开关，其中，所述控制系统联接于所述第三开关与所述第四开关，其中：
所述控制系统被配置成交替激活所述第三开关和所述第四开关，使得所述势能通过所述第三开关与所述第四开关耗散；
所述第三开关与所述第一开关被同时激活；以及
所述第四开关与所述第二开关被同时激活。
3. 根据技术方案2所述的电系统，其特征在于：
所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关以及所述第四开关的每一个均包括晶体管；以及
所述控制系统被配置成：
将具有第一持续时间的第一电压脉冲施加到所述第一开关，其中，当施加所述第一电压脉冲时，所述第二开关不导通电流；
将具有所述第一持续时间的第二电压脉冲与所述第一电压脉冲施加到所述第三开关，其中，当施加所述第二电压脉冲时，所述第四开关不导通电流；
在将所述第一电压脉冲施加到所述第一开关后，将具有第二持续时间的第三电压脉冲施加到所述第二开关，其中，当施加所述第三电压脉冲时，所述第一开关不导通电流；以及
将具有所述第二持续时间的第四电压脉冲与所述第三电压脉冲施加到所述第四开关，其中，当施加所述第四电压脉冲时，所述第三开关不导通电流。
4. 根据技术方案3所述的电系统，其特征在于，所述第一持续时间与所述第二持续时间是相等的，其中，所述第一持续时间与所述第二持续时间每个都大于或等于所述第一开关从OFF态过渡到ON态所需的最小时间量。
5. 根据技术方案3所述的电系统，其特征在于，所述控制系统被配置成在施加了所述第一电压脉冲和所述第二电压脉冲之后的一死区时间之后，施加所述第三电压脉冲和所述第四电压脉冲，所述死区时间对应于所述第一开关从ON态过渡到OFF态所需的最小时间量。
6. 根据技术方案5所述的电系统，其特征在于，所述控制系统被配置成：
在施加了所述第三电压脉冲之后的所述死区时间之后，将具有所述第一持续时间的第五电压脉冲施加到所述第一开关，其中，当施加所述第五电压脉冲时，所述第二开关不导通电流；以及
将具有所述第一持续时间的第六电压脉冲与所述第五电压脉冲同时施加到所述第三开关，其中，当施加所述第六电压脉冲时，所述第四开关不导通电流。
7. 根据技术方案1所述的电系统，其特征在于，所述控制系统被配置成：
将第一电压脉冲施加到所述第一开关，所述第一电压脉冲具有第一持续时间，所述第一持续时间对应于所述第一开关从OFF态过渡到ON态所需的时间量，其中，当施加所述第一电压脉冲时，所述第二开关处于OFF态；
在将所述第一电压脉冲施加到所述第一开关之后的一死区时间之后，将具有所述第一持续时间的第二电压脉冲施加到所述第二开关，所述死区时间对应于所述第一开关从ON态过渡到OFF态所需的时间量，使得当施加所述第二电压脉冲时，所述第一开关处于OFF态；
在将所述第二电压脉冲施加到所述第二开关之后的所述死区时间之后，将具有所述第一持续时间的第三电压脉冲施加到所述第一开关，使得当施加所述第三电压脉冲时，所述第二开关处于OFF态；以及
在将所述第三电压脉冲施加到所述第一开关之后的所述死区时间之后，将具有所述第一持续时间的第四电压脉冲施加到所述第二开关，使得当施加所述第四电压脉冲时，所述第一开关处于OFF态。
8. 根据技术方案1所述的电系统，其特征在于，所述控制系统被配置成识别放电条件，其中，所述控制系统响应于所述放电条件而交替激活所述第一开关与所述第二开关。
9. 根据技术方案8所述的电系统，其特征在于，进一步包括：
包括所述第一电压轨与所述第二电压轨的总线；
能量源；以及
在所述总线与所述能量源间联接的开关装置，其中，所述控制系统被配置成响应于识别到所述放电条件而断开所述开关装置以使所述能量源从所述总线分离。
10. 根据技术方案1所述的电系统，其特征在于，进一步包括：
电机，具有在所述第一开关与所述第二开关间联接的第一绕组，其中，所述控制系统包括：
控制器，被配置成产生操作所述第一开关与所述第二开关以将功率传送给所述电机的第一命令信号；
脉冲发生器，被配置成产生切换所述第一开关与所述第二开关以将所述势能放电的第二命令信号；以及
门驱动电路，被配置成将电压施加到所述第一开关与所述第二开关以操作所述第一开关与所述第二开关，其中：
所述门驱动电路初始联接于所述控制器，使得所述门驱动电路根据所述第一命令信号将电压施加到所述第一开关与所述第二开关以操作所述电机；以及
响应于放电条件，所述门驱动电路联接于所述脉冲发生器，使得所述门驱动电路根据所述第二命令信号将电压施加到所述第一开关与所述第二开关，以便交替激活所述第一开关与所述第二开关，使得耗散所述势能。
11. 一种车辆中的电系统，所述电系统包括：
电压总线；
联接于所述电压总线的容性元件；
具有一个或多个绕组的电动机；
在所述电压总线与所述电动机之间联接的逆变器模块，所述逆变器模块包括一个多个逆变器相臂，其中，每个逆变器相臂与所述电动机的相应绕组对应；以及
联接于所述逆变器模块的控制系统，其中，所述控制系统被配置成：
操作所述一个或多个逆变器相臂以将功率传送给所述电动机；以及
响应于放电条件，切换至少一个所述逆变器相臂以耗散所述电压总线上的势能。
12. 根据技术方案11所述的电系统，其特征在于，所述电压总线包括正轨与负轨，其中：
每个逆变器相臂包括在所述正轨与所述电动机的相应绕组之间联接的正开关，以及在所述负轨与所述电动机的相应绕组之间联接的负开关；
所述控制系统被配置成通过使至少一个逆变器相臂在第一态和第二态间交替来切换至少一个所述逆变器相臂；
在所述第一态，所述正开关导通电流且所述负开关不导通电流；以及
在所述第二态，所述负开关导通电流且所述正开关不导通电流。
13. 根据技术方案12所述的电系统，其特征在于，所述控制系统被配置成协调地切换所述一个或多个逆变器相臂，使得在所述第一态时，所述一个或多个逆变器相臂的一个或多个正开关同时闭合，且所述一个或多个逆变器相臂的一个或多个负开关断开，并且在所述第二态时，所述一个或多个负开关同时闭合，且所述一个或多个正开关断开。
14. 根据技术方案11所述的电系统，其特征在于，所述电压总线包括正轨和负轨，其中：
所述逆变器模块包括第一逆变器相臂，所述第一逆变器相臂具有联接于所述正轨的正开关及联接于所述负轨的负开关；以及
响应于所述放电条件，所述控制系统被配置成以开关周期来切换所述第一逆变器相臂，所述开关周期对应于所述正开关从断开状态过渡到闭合状态所需的时间量、所述正开关从闭合状态过渡到断开状态所需的时间量、所述负开关从断开状态过渡到闭合状态所需的时间量、以及所述负开关从闭合状态过渡到断开状态所需的时间量之和。
15. 一种利用联接于第一导体元件及第二导体元件的逆变器模块为在所述第一导体元件和所述第二导体元件之间的势能放电的方法，所述逆变器模块包括联接于所述第一导体元件的第一组一个或多个开关以及联接于所述第二导体元件的第二组一个或多个开关，所述方法包括：
识别放电条件；以及
响应于所述放电条件，通过所述第一组开关或所述第二组开关交替耗散所述势能，其中，所述第一组开关与所述第二组开关不同时耗散能量。
16. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述逆变器模块包括多个相臂，每个相臂包括所述第一组开关的第一开关和所述第二组开关的第二开关，所述第二开关被配置在所述第一开关与所述第二导体元件之间，其中，交替耗散所述势能包括协调地切换所述多个相臂。
17. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，切换所述多个相臂包括在将电压施加到所述第一组开关的控制端和将电压施加到所述第二组开关的控制端之间交替。
18. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，通过所述第一组开关或所述第二组开关交替耗散所述势能包括：
闭合所述第一组开关，其中，当所述第一组开关闭合时，所述第二组开关不导通电流；以及
在闭合所述第一组开关后闭合所述第二组开关，其中，当所述第二组开关闭合时，所述第一组开关不导通电流。
19. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于：
闭合所述第一组开关包括将电压施加到所述第一组开关的控制端并持续第一持续时间，所述第一持续时间等于闭合所述第一组开关所需的时间量；以及
闭合所述第二组开关包括，在将电压施加到所述第一组开关之后的第一死区时间之后，将电压施加到所述第二组开关的控制端并持续第二持续时间，所述第二持续时间等于闭合所述第二组开关所需的时间量，所述第一死区时间对应于在将电压施加到所述第一组开关之后，所述第一组开关停止导通电流所需的时间量。
20. 根据技术方案19所述的方法，其特征在于，交替耗散所述势能包括重复以下步骤：
在将电压施加到所述第二组开关之后的第二死区时间之后，将电压施加到所述第一组开关的控制端并持续所述第一持续时间，所述第二死区时间对应于在将电压施加到所述第二组开关后，所述第二组开关停止导通电流所需的时间量；以及
在将电压施加到所述第一组开关之后的所述第一死区时间之后，将电压施加到所述第二组开关的控制端并持续所述第二持续时间。
提供本概要用以简化的形式介绍概念的选择，下面的具体介绍会进一步介绍。本概要不是旨在确定要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不用于辅助确定要求保护的主题的范围。
附图说明
当结合以下附图考虑，通过参考具体介绍及权利要求可以获得对主题更全面的理解，其中遍及各图，相同的附图标记指示相似的元件。
图1是根据一实施例的适用于车辆的电系统的示意图；
图2示出了根据一实施例的时序图，用于操作一个或多个逆变器相臂的开关元件从而为图1的电系统中的总线电压放电；以及
图3是根据一实施例的适用于图1的电系统的控制过程的流程图。
具体实施方式
下面的具体介绍在本质上仅仅是说明性的，不是旨在限制主题实施例或者限制此实施例的应用与用途。如本文所用，词汇“示范”指“作为示例、例子或图例”。本文介绍的作为示范的任何实现不必构建为比其他实现更优的或更有利的。另外，无意被在当前技术领域、背景、概述或下面的具体介绍中的任何明示的或暗示的理论限制。
工艺与技术在本文是依据功能和/或逻辑块部件介绍，参考由各计算部件或装置执行的操作、处理任务及功能的符号表示。应该理解的是，图示的各块部件可以由任意数量的配置成执行特定功能的硬件、软件和/或固件部件实现。如，系统或部件的实施例可以使用在一个或多个微处理器或其他控制装置的控制下可执行各种功能的各集成电路部件，如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查询表等。
如本文所用，“节点”指任何内部的或外部的参考点、连接点、结点、信号线、导体元件等，给定的信号、逻辑电平、电压、数据模式、电流或量处于节点上。此外，两个或多个节点可以由一个物理元件（两个或多个信号即使在公共节点上被接收或输出，也可以被复用、调制或区别）实现。
下面的介绍涉及被一起“连接的”或“联接的”元件、节点或特征。如本文所用，除非明确表述，否则，“连接的”指一个元件/节点/特征与另一元件/节点/特征直接连接（或直接连通），不必是机械地。同样地，除非明确表述，否则，“联接的”指一个元件/节点/特征与另一元件/节点/特征直接或间接的连接（或直接的或间接的连通），不必是机械地。因此，尽管图可以描绘元件的一个示范布置，额外的中间元件、装置、特征或部件会处于所描绘的主题实施例中。另外，某些术语在下面的描述中也仅用于参考，因此不是旨在限制。除非上下文清楚指明，否则指结构的术语“第一”、“第二”以及其它的此类数字术语不是暗示顺序或次序。
为了简洁起见，与电能量和/或功率转换、基于晶体管的开关控制、脉冲宽度调制（PWM）以及系统的其他功能方面（以及系统的个体操作部件）相关的常规技术在这里不具体介绍了。另外，本文包含的各图中所示的连接线旨在表示各元件间的示范功能关系和/或物理联接。应该注意的是，许多备选的或额外的功能关系或物理连接也会出现在主题的实施例中。
本文讨论的技术和概念大体涉及对存在于电路、结构以及系统（如电力和混合动力车辆驱动系统）中的高电压放电的系统和方法。汽车的驱动系统的各功能以及特征是周知的，为了简洁起见，本文仅简要提及多个常规方面，或者整体忽略这些常规方面而不提供周知的细节。
图1根据一实施例图示了适用在车辆中的电系统100。电系统100包括但不限于总线102、容性元件104、逆变器模块106、电机108和控制系统110。逆变器模块106联接在总线102与电机108之间，并且逆变器模块106在控制系统110的控制下将交流功率从总线102提供给电机108，如下面详细介绍。应该理解的是，图1是电系统100的简化表示，用于解释的目的及描述的方便，图1不是旨在以任何方式限制此处所述的主题的范围或应用。因此，尽管图1描述了电路元件和/或终端间的直接电连接，备选实施例可能运用中间电路元件和/或部件而以基本相似的方式行使功能。
在示范实施例中，总线102作为一对导体元件而实现，如导线、线缆或母线。在这方面，总线102的第一导体元件112对应于正参考电压，第二导体元件114对应于负参考电压，其中正参考电压与负参考电压的差被视为总线102的电压（或者，总线电压）。因此，为了方便起见而不限制，第一导体元件112在本文中可称为总线102的正轨，第二导体元件114在本文中可称为总线102的负轨。在示范实施例中，总线102包括高电压总线，高电压总线在电系统100的正常运行期间具有范围从300伏到大约500伏或更高的总线电压。
在实践中，总线102通过被适当配置的开关装置118（如接触器、继电器等）联接于直流（DC）能量源116（如电池或电池组、燃料电池或燃料电池堆、DC/DC转换器输出等）。在这方面，当开关装置118闭合时，直流能量源116为总线102提供直流电压/电流，通过逆变器模块106，直流电压/电流被转换为交流功率并提供给电机108。如图示，容性元件104，如电容，在总线102的正轨112与负轨114之间联接，介于直流能量源116与逆变器模块116之间，用来捕获电系统100中的能量或减小总线102上的电压纹波，如同在本领域中应理解的。在示范实施例中，断开开关装置118以分离能量源且允许存储在电容104上和/或电系统100中的别处的电压从总线102放电，如下面更详细的介绍所述。
在示范实施例中，电机100作为电动机实现，取决于实施例，可以是感应电机、永磁电机或适于所需应用的其他类型电机。尽管未示出，但是电机108也可以包括集成于其中的变速器，使得电机及变速器机械地联接于车辆的驱动轴。如图1所示，在示范实施例中，电机108包括多相交流（AC）电机，且包括一组绕组120（或线圈），其中每个绕组对应于电机108的相应相位。
在示范实施例中，逆变器模块106包括逆变器，其具有在总线102的正轨112与负轨114之间联接的一个或多个相臂122、124、126。每个逆变器相臂122、124、126包括一对开关，每个开关具有一个与之相关的续流二极管，以及在开关与二极管组之间的相应输出节点，如图示及下面更详细的介绍。逆变器相臂的输出节点128、130、132各自电连接于电机108的相应相位。在示范实施例中，在正常电机运行期间，当开关装置118闭合时，控制系统110提供脉冲宽度调制（PWM）信号以所需的正时及占空比操作（即断开和闭合）相臂122、124、126的开关，将来自总线102的直流电压转换成在输出节点128、130、132处所需的交流电压。如上文所述，输出节点128、130、132联接于绕组120，以常规的方式提供通过绕组120的交流电压并操作电机108。
在图1所示的实施例中，逆变器模块106及电机108各自具有三相。然而，应该理解的是，本文介绍的原理及主题适用于具有任意数量相位的系统，可如本领域应理解的做相应修改。因此，尽管本文介绍的主题处于三相实现的背景下，但是主题不限于三相应用，可以应用于具有任意数量相位的逆变器及/或电机中。
如上所述，逆变器模块106的每个相臂122、124、126包括一对开关134、136、138、140、142、144，续流二极管135、137、139、141、143、145反相并联联接于各开关。开关134、136、138、140、142、144与二极管135、137、139、141、143、145反相并联，意味着它们相反或逆极性电并联。反相并联配置允许双向电流流动而单向阻碍电压，如本领域应理解的。在这种配置中，通过开关134、136、138、140、142、144的电流方向与允许通过相应的二极管135、137、139、141、143、145的电流方向相反。在示范实施例中，开关134、136、138、140、142、144作为半导体装置实现，如绝缘栅双极晶体管（IGBT）、场效应晶体管（例如，MOSFET）或其他合适的半导体开关装置。
在图1所示的实施例中，第一相臂122包括在正轨112和第一输出节点128间连接的第一组开关134和二极管135，以及在第一输出节点128和负轨114间连接的第二组开关136和二极管137，其中第一开关134配置成允许电流从正轨112流向第一输出节点128，第二开关136配置成允许电流从输出节点128流向负轨114。类似地，第二相臂124包括在正轨112和输出节点130间连接的开关138和二极管139，以及在输出节点130和负轨114间连接的另一开关140和二极管141，第三相臂126包括在正轨112和输出节点132间连接的开关142和二极管143，以及在输出节点132和负轨114间连接的另一开关144和二极管145。为了方便起见，联接于正轨112的开关134、138、142在本文可替代地统称为正开关组（或正开关），联接于负轨114的开关136、140、144在本文可替代地统称为负开关组（或负开关）。
控制系统110通常代表被配置成调节（断开和/或闭合）逆变器模块106的开关的硬件、固件和/或软件（或其组合）。在示范实施例中，控制系统110包括控制器150、门驱动电路152、选择装置154以及脉冲发生器156。如下面更具体的介绍，在示范实施例中，控制器150和脉冲发生器156通过选择装置154选择性地联接于门驱动电路152，以便将功率传送给电机108，或者将电压总线102放电。
控制器150通常代表被配置成获得在电压总线102和电机108之间的期望功率流的硬件、固件和/或软件（或其组合）。在这方面，控制器150确定和/或产生用来修正逆变器相臂122、124、126的开关的占空比和/或正时的控制信号，以控制在输出节点128、130、132上的电压，如本领域应理解的。控制器150可由被设计成支持和/或执行本文所述功能的通用处理器、微处理器、微控制器、内容寻址存储器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、任何合适的可编程逻辑装置、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件或它们任意组合来实施或实现。
脉冲发生器156通常代表被配置成产生控制信号以通过操作逆变器模块106的相臂来为总线102放电的硬件、固件和/或软件（或其组合）。在示范实施例中，脉冲发生器156被配置成产生切换逆变器模块106的相臂122、124、126的控制信号。如本文所用，切换相臂应该是理解为使相臂在第一态和第二态间交替，第一态是连接到正轨112的开关（逆变器相臂的正开关）导通电流（即，闭合或ON态），并且连接到负轨114的开关（逆变器相臂的负开关）不导通电流（即，断开或OFF态），第二态是连接到正轨112的开关不导通电流，并且连接到负轨114的开关导通电流。在这方面，脉冲发生器156产生导致逆变器模块106在第一态和第二态间交替的控制信号，在第一态中正开关134、138、142是闭合的（或变为ON）而负开关136、140、144是断开的（或变为OFF），在第二态中正开关134、138、142是断开的（或变为OFF）而负开关136、140、144是闭合的（或变为ON）。在示范实施例中，相臂122、124、126被同时切换或交替，使得正开关134、138、142协调地断开/闭合、负开关136、140、144协调地断开/闭合，以避免在电机108上产生扭矩。
在示范实施例中，脉冲发生器156被配置成在基于逆变器模块106和/或门驱动电路152的硬件部件可达到的最高频率处切换逆变器相臂122、124、126（即，在各态间交替）。在这方面，在实际实施例中，逆变器相臂的正、负开关（如，逆变器相臂122的开关134和开关136）不应该同时闭合以避免出现直通情况，该情况导致相应相臂的开关处理不期望的大量功率。因此，在示范实施例中，逆变器模块106需要对应于在断开相臂一开关、闭合相臂另一开关之间的最小时间量的死区时间（dead time），以确保开关不同时闭合，即，确保之前闭合或处于ON态的开关在相臂的另一开关开始导通电流前停止导通电流（如，通过返回到断开或OFF态）所需的最小时间量。在这方面，在示范实施例中，脉冲发生器156产生命令信号，该信号导致第一电压脉冲被施加到相臂第一开关（如开关134）的控制端（如门端），接着是没有电压施加到相臂的任一开关（即，相臂的任一开关都不导通电流）的死区时间，接着是第二电压脉冲被施加到相臂第二开关（如开关136）的控制端，接着是相臂的任一开关都不导通电流的第二死区时间。
例如，如图2所示，在示范实施例中，脉冲发生器156产生命令信号，该信号导致具有持续时间t 1 的第一电压脉冲被施加到相臂第一开关（如开关134）的控制端。在这方面，第一电压脉冲的电压高于第一开关的阈值电压，第一电压脉冲的持续时间t 1 大于或等于第一开关从不导通电流的断开状态（或OFF态）过渡到闭合状态（或ON态）所需的最小时间量。如图所示，没有电压（或小于阈值电压的电压）施加到相臂的第二开关（如开关136），使得第二开关不导通电流。在示范实施例中，第一电压脉冲后面跟着死区时间t d ，在死区时间内没有电压施加到相臂的任一开关。在这方面，死区时间对应于第一开关从闭合（或ON）态过渡到第一开关不再导通电流的断开（或OFF）态所需的最小时间量。在死区时间之后，具有持续时间t 2 的第二电压脉冲被施加到相臂第二开关的控制端。第二电压脉冲的电压高于第二开关的阈值电压，第二电压脉冲的持续时间t 2 大于或等于第二开关从不导通电流的断开状态（或OFF态）过渡到闭合状态（或ON态）所需的最小时间量。在示范实施例中，逆变器相臂的开关包括相同的部件，使得第一电压脉冲的持续时间与第二电压脉冲的持续时间相等（即 
）。在示范实施例中，第二电压脉冲后面跟着没有电压施加到相臂的任一开关的另一死区时间t d ，在重复将电压脉冲施加到第一开关的步骤前等待一个死区时间，将电压脉冲施加到第二开关，等待另一死区时间，等等，通过开关交替地将总线102的势能耗散，如下面更具体的介绍。因此，切换逆变器相臂的开关周期（即开关频率的倒数）对应于第一脉冲持续时间、第二脉冲持续时间加上两个死区时间的和。
在示范实施例中，电压脉冲的持续时间t 1 、t 2 等于开关134、136、138、140、142、144从断开状态（或OFF态）过渡到闭合状态（或ON态）所需的最小时间量。通过减小电压脉冲的持续时间，提高了开关频率（即减小了开关周期），因而减小了将电压总线112放电所需的时间量。另外，开关134、136、138、140、142、144导通电流的时间量减小了，因而限制了开关134、136、138、140、142、144的压力。在示范实施例中，脉冲发生器156被配置成重复开关周期以延长的时间段来切换逆变器相臂的开关，直到总线102的电压被充分的放电，如下面更具体的介绍。
再参考图1，控制器150与脉冲发生器156通过选择装置154各自联接于门驱动电路152，其中选择装置154通常代表可操作以控制控制器150与脉冲发生器156中的哪一个被联接到门驱动电路152的硬件、固件和/或软件（或其组合）。门驱动电路152通常代表被配置成运用高频脉冲宽度调制（PWM）来调制（断开和/或闭合）逆变器模块106的开关的硬件（如放大器、电流缓冲器、电平转换电路、光隔离器、门驱动器等）。在这方面，门驱动电路152联接于开关134、136、138、140、142、144中的每一个的控制端（或门端），并配置成响应于通过选择装置154从控制器150或脉冲发生器156处接收到的控制信号而运用高频脉冲宽度调制（PWM）。
在示范实施例中，控制器150和/或控制系统110被配置成检测放电条件及响应于检测到放电条件而操纵选择装置154，将脉冲发生器156联接于门驱动电路152。如本文所用，放电条件应该被理解为期望将存储在电系统（如通过电容104或联接于总线102的另一元件）的电压放电以便防止静电放电或其他负面效应的情形。例如，放电条件可以是尝试访问包含高电压部件的单元或舱室、车辆撞车或事故、或关闭容纳电系统的车辆。尽管未图示出，控制器150和/或控制系统110可以被配置成利用一个或多个传感器检测放电条件或接收来自另一车辆模块（如电子控制单元）的指示放电条件的输入信号。如下所述，在放电模式，控制系统110操作逆变器模块106，通过切换逆变器相臂122、124、126，在指定时间周期内将电压轨112、114间的势能耗散到安全水平。
应该注意的是，尽管图1将脉冲发生器156和控制器150作为分离的、不同的元件来描述，但是在某些实际的实施例中，脉冲发生器156的特征和/或功能可以由控制器150来实现，在这些实施例中，脉冲发生器156及选择装置154是不必出现的。根据一实施例，响应于放电条件，控制器150被配置成在控制系统110可达到的最大开关频率处将正开关组134、138、142和负开关组136、140、144的占空比设置为50%（然后提供死区时间）。例如，如果控制系统110的最大开关频率是30 kHz且所需的死区时间是2微秒，控制器150产生控制信号，导致门驱动电路152将持续时间为14.5微秒的第一电压脉冲施加到正开关组134、138、142，在2微秒死区时间后，将持续时间为14.5微秒的第二电压脉冲施加到负开关组136、140、144。
现在参考图3，在示范实施例中，如下所述，电系统可被配置成执行控制过程300及其它任务、功能和操作。各任务可由软件、硬件、固件或其任意组合执行。用于说明目的，下面的介绍可以联系图1并参考上面提及的元件。在实践中，可由所述系统的不同元件，如逆变器模块106、控制系统110、控制器150、脉冲发生器156和/或门驱动电路152执行任务、功能及操作。应该理解的是，任意数量的其它或备选的任务可能被包括或可能被合并进本文没有具体介绍的、具有其它功能的更全面的程序或过程中。
参考图3且继续参考图1及图2，可执行控制过程300来为电压总线（如总线102）放电而不需要专用为电压放电的额外硬件部件。在示范实施例中，控制过程300开始于操纵逆变器模块将功率（或电流）传送到车辆中的电机/传送来自车辆中的电机的功率（任务302）。在这方面，控制器150确定或产生信号以控制逆变器模块106的开关的占空比（即相应开关闭合或断开的时间量）及用于操作开关的正时（即，开关何时闭合或断开）。选择装置154被初始配置为使得控制器150联接于门驱动电路152，使得响应于来自控制器150的控制信号，门驱动电路152产生PWM信号，该信号利用合适的占空比和正时来操作逆变器模块106的开关以获得流到/来自电机108的所需功率。在示范实施例中，控制过程300通过确定放电条件是否存在或已经发生（任务304）继续进行。在这方面，控制系统110和/或控制器150监测电系统100是否处于期望将总线102上或被电容104存储的电压放电的情况，如上所述。根据一实施例，响应于识别到放电条件，联接于开关装置118的控制系统110断开开关装置118以使能量源116从总线分离。
在示范实施例中，响应于检测出或识别出放电条件，通过切换逆变器相臂来操纵逆变器模块为电压总线放电（任务306），控制过程300继续进行。在这方面，控制系统110被配置成切换逆变器模块106的相臂122、124、126中的至少一个来将总线102和/或电容104的电压耗散。在示范实施例中，所有的逆变器相臂122、124、126被同时切换，协调地交替激活（即闭合或变为ON）正开关134、138、142或负开关136、140、144，以便将总线102的势能通过正开关134、138、142或负开关136、140、144交替耗散，同时防止在电机108上产生扭矩。逆变器相臂被切换或在各态间交替，以便将总线102的电压放电（或耗散）到所需水平。
例如，根据一个或多个实施例，响应于识别出放电条件，控制器150可以激活选择装置154，将脉冲发生器156联接于门驱动电路152来切换逆变器相臂。脉冲发生器156产生命令信号，该信号使门驱动电路152将电压脉冲施加到正开关134、138、142的控制端（如门端）以充足持续时间，使得正开关134、138、142闭合或变为ON同时维持负开关136、140、144处于断开或OFF态。在示范实施例中，具有相同持续时间和正时的电压脉冲被施加到正开关134、138、142的门端，使得正开关134、138、142同时处于闭合或ON状态（即对于相同的持续时间，在相同的时间点上）。当正开关134、138、142从断开过渡到闭合状态时，来自总线102的电流流动通过开关134、138、142，因此驱动输出128、130、132（及与之相关的寄生电容）到正轨电压，并将总线102的一些电压耗散。通过同步地和/或同时地闭合正开关134、138、142，处于输出节点128、130、132上的电压基本相等，从而施加到电机绕组120的相位的电压基本相等（即，通过各开关的电压降处于现实的和/或实际的工作误差内），使得在电机108上产生的扭矩基本为零。脉冲发生器156提供的命令信号使门驱动电路152随后从正开关134、138、142上移走电压脉冲一个死区时间间隔，以便允许开关134、138、142停止导通电流（即回到断开或OFF态）。在死区时间间隔后，命令信号使门驱动电路152将电压脉冲施加到负开关136、140、144的控制端（如门端）以充足持续时间，使得负开关136、140、144闭合或变为ON，同时维持正开关134、138、142处于断开或OFF态。当负开关136、140、144从断开过渡到闭合态时，来自总线102的电流流动通过负开关136、140、144以驱动输出节点128、130、132到负轨电压，进一步将总线102的电压耗散。如上所述，重复命令信号以切换或使逆变器相臂在各态间交替，以便将总线102上的电压放电（或耗散）到所需水平。在示范实施例中，逆变器相臂122、124、126被切换，直到总线102的电压被放电到低于或等于60伏的电压。
简要概括，上述的系统和/或方法的优点是高电压总线可被放电而不需要额外的放电部件，如放电电阻或继电器。另外，总线可以以允许总线快速放电而仍减小半导体器件上的功率吸收或压力的方式放电。如上所述，逆变器相臂被尽可能快的切换，以达到快速放电，并提供了死区时间和减小逆变器相臂的开关导通电流的时间量。另外，上述的系统和方法可应用于不同类型的汽车、不同的交通工具（如船只、飞行器）或其他电系统，因为它可以在高电压总线需要被可靠放电的任何情形中执行。
尽管在上面的具体介绍提供了至少一个示范实施例，应该理解的是存在许多变型。还应理解的是，本文介绍的示范实施例或方案组不是旨在以任何方式限制权利要求的主题的范围、应用或配置。相反，前述的具体介绍将会为本领域的技术人员在实现所述的实施例或方案组提供便利的路线图。应该理解的是，在元件的功能和布置上所作的各种变化不脱离权利要求限定的范围，该范围包括在提交本专利申请时的已知等同物或可预见的等同物。
Claims (10)
1. 一种电系统，包括：
联接于第一电压轨的第一开关；
在所述第一开关与第二电压轨间联接的第二开关；以及
与所述第一开关和所述第二开关联接的控制系统，其中，所述控制系统被配置成交替激活所述第一开关与所述第二开关，使得在所述第一电压轨与所述第二电压轨之间的势能通过所述第一开关与所述第二开关耗散。
2. 根据权利要求1所述的电系统，其特征在于，进一步包括：
联接于所述第一电压轨的第三开关；以及
在所述第三开关与所述第二电压轨之间联接的第四开关，其中，所述控制系统联接于所述第三开关与所述第四开关，其中：
所述控制系统被配置成交替激活所述第三开关和所述第四开关，使得所述势能通过所述第三开关与所述第四开关耗散；
所述第三开关与所述第一开关被同时激活；以及
所述第四开关与所述第二开关被同时激活。
3. 根据权利要求2所述的电系统，其特征在于：
所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关以及所述第四开关的每一个均包括晶体管；以及
所述控制系统被配置成：
将具有第一持续时间的第一电压脉冲施加到所述第一开关，其中，当施加所述第一电压脉冲时，所述第二开关不导通电流；
将具有所述第一持续时间的第二电压脉冲与所述第一电压脉冲施加到所述第三开关，其中，当施加所述第二电压脉冲时，所述第四开关不导通电流；
在将所述第一电压脉冲施加到所述第一开关后，将具有第二持续时间的第三电压脉冲施加到所述第二开关，其中，当施加所述第三电压脉冲时，所述第一开关不导通电流；以及
将具有所述第二持续时间的第四电压脉冲与所述第三电压脉冲施加到所述第四开关，其中，当施加所述第四电压脉冲时，所述第三开关不导通电流。
4. 根据权利要求3所述的电系统，其特征在于，所述第一持续时间与所述第二持续时间是相等的，其中，所述第一持续时间与所述第二持续时间每个都大于或等于所述第一开关从OFF态过渡到ON态所需的最小时间量。
5. 根据权利要求3所述的电系统，其特征在于，所述控制系统被配置成在施加了所述第一电压脉冲和所述第二电压脉冲之后的一死区时间之后，施加所述第三电压脉冲和所述第四电压脉冲，所述死区时间对应于所述第一开关从ON态过渡到OFF态所需的最小时间量。
6. 根据权利要求5所述的电系统，其特征在于，所述控制系统被配置成：
在施加了所述第三电压脉冲之后的所述死区时间之后，将具有所述第一持续时间的第五电压脉冲施加到所述第一开关，其中，当施加所述第五电压脉冲时，所述第二开关不导通电流；以及
将具有所述第一持续时间的第六电压脉冲与所述第五电压脉冲同时施加到所述第三开关，其中，当施加所述第六电压脉冲时，所述第四开关不导通电流。
7. 根据权利要求1所述的电系统，其特征在于，所述控制系统被配置成：
将第一电压脉冲施加到所述第一开关，所述第一电压脉冲具有第一持续时间，所述第一持续时间对应于所述第一开关从OFF态过渡到ON态所需的时间量，其中，当施加所述第一电压脉冲时，所述第二开关处于OFF态；
在将所述第一电压脉冲施加到所述第一开关之后的一死区时间之后，将具有所述第一持续时间的第二电压脉冲施加到所述第二开关，所述死区时间对应于所述第一开关从ON态过渡到OFF态所需的时间量，使得当施加所述第二电压脉冲时，所述第一开关处于OFF态；
在将所述第二电压脉冲施加到所述第二开关之后的所述死区时间之后，将具有所述第一持续时间的第三电压脉冲施加到所述第一开关，使得当施加所述第三电压脉冲时，所述第二开关处于OFF态；以及
在将所述第三电压脉冲施加到所述第一开关之后的所述死区时间之后，将具有所述第一持续时间的第四电压脉冲施加到所述第二开关，使得当施加所述第四电压脉冲时，所述第一开关处于OFF态。
8. 根据权利要求1所述的电系统，其特征在于，所述控制系统被配置成识别放电条件，其中，所述控制系统响应于所述放电条件而交替激活所述第一开关与所述第二开关。
9. 一种车辆中的电系统，所述电系统包括：
电压总线；
联接于所述电压总线的容性元件；
具有一个或多个绕组的电动机；
在所述电压总线与所述电动机之间联接的逆变器模块，所述逆变器模块包括一个多个逆变器相臂，其中，每个逆变器相臂与所述电动机的相应绕组对应；以及
联接于所述逆变器模块的控制系统，其中，所述控制系统被配置成：
操作所述一个或多个逆变器相臂以将功率传送给所述电动机；以及
响应于放电条件，切换至少一个所述逆变器相臂以耗散所述电压总线上的势能。
10. 一种利用联接于第一导体元件及第二导体元件的逆变器模块为在所述第一导体元件和所述第二导体元件之间的势能放电的方法，所述逆变器模块包括联接于所述第一导体元件的第一组一个或多个开关以及联接于所述第二导体元件的第二组一个或多个开关，所述方法包括：
识别放电条件；以及
响应于所述放电条件，通过所述第一组开关或所述第二组开关交替耗散所述势能，其中，所述第一组开关与所述第二组开关不同时耗散能量。
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