CN103187862A - 在矩阵变换器中切换期间的电荷泵电压的抑制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在矩阵变换器中切换期间的电荷泵电压的抑制。通过在转换(空载)时间期间脉冲启动(暂时闭合)任何“处于危险”的开关，保护矩阵变换器的开关免遭在转换(空载)时间期间潜在的损害的电荷泵电压堆积。“处于危险”的开关的暂时闭合使在并联联接的电容器两端的任何电压堆积放电，这保护处于危险的开关免于损坏或者故障。

Description

在矩阵变换器中切换期间的电荷泵电压的抑制
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年12月30日提交的美国临时申请61/582,040号的权益。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明是在由美国能源部授予的编号为DE-FC26-07NT43123的合同下由美国政府扶持进行的。美国政府在本发明中享有一定权利。
技术领域
技术领域总的涉及车辆中的电气系统，尤其是涉及利用电流绝缘和矩阵变换器的车辆能量输送系统。
背景技术
矩阵变换器可用于电动和/或混合动力车辆里在将电力提供到电源输出(EPO)的使用前提下或用于电网用途而将直流(DC)能量转换成AC能量，同时以低成本同时实现电流绝缘、低谐波失真和高功率密度。在矩阵变换器的DC向AC的能量转换过程中，当从一个极性切换到另一极性时，在矩阵变换器的初级侧提供有转换周期(通常称为“空载时间(dead time)”)。在第一极性期间，电流在半个循环中沿一个方向在变压器初级绕组中流动。然后存在空载时期，电流在剩余的半个循环中沿另一个方向流动。随后该过程重复发生。然而，即使有这种保护，当矩阵变换器从续流方式切换到动力输送方式时，对于电荷泵动作，也可能形成在处于关闭状态的矩阵变换器的开关两端的潜在的损害电压。
因此，希望能阻止在矩阵变换器中潜在的损害电压的产生或者存在。进一步，本发明的其他的期望特征和特性从随后的详细描述和所附权利要求中，结合附图及前述技术领域和背景将变得显而易见。
发明内容
提供用于抑制电荷泵电压来保护矩阵变换器开关的方法。方法包括在续流方式和动力输送方式之间的转换时期期间，暂时闭合多个通常断开的开关中的特定开关，由此在转换时期期间保护该特定开关。
提供配置为在续流方式和动力输送方式中工作的矩阵变换器。矩阵变换器包括联接到变换模块的电池。隔离模块联接到变换模块，开关矩阵具有多个开关。控制器联接到变换模块和开关矩阵，并配置成控制开关矩阵在续流方式和动力输送方式之间工作，以便通过在续流方式和动力输送方式之间的转换时期期间暂时闭合通常断开的特定开关来在该转换时期期间保护该特定开关。
本发明提供了以下技术解决方案。
解决方案1.在具有多个开关且在续流方式和动力输送方式中工作的矩阵变换器内，一种用于在续流方式和动力输送方式之间的转换时期期间保护开关的方法包括，暂时闭合多个开关中的在该转换时期期间通常断开的特定开关，由此在转换时期期间保护该特定开关。
解决方案2.根据解决方案1的方法，其中暂时闭合该特定开关包括在转换时期的一部分内闭合该特定开关。
解决方案3.根据解决方案1的方法，其中暂时闭合该特定开关包括在几乎全部转换时期内闭合该特定开关。
解决方案4.根据解决方案1的方法，其中暂时闭合该特定开关包括向该特定开关施加一个或者多个控制脉冲，使得该特定开关在一个或者多个控制脉冲的施加期间暂时闭合。
解决方案5.根据解决方案1的方法，其中暂时闭合该特定开关包括暂时闭合该特定开关一段时间，该时间足够使与该特定开关并联的电容器放电。
解决方案6.在具有多个开关且在续流方式和动力输送方式中工作的矩阵变换器内，一种用于在续流方式和动力输送方式之间的转换时期期间保护开关的方法包括：
确定多个开关中的特定开关在转换时期期间处于在该特定开关两端的电荷泵电压积累的危险；和
在转换时期期间暂时闭合该特定开关，由此保护该特定开关在转换时期期间免受电荷泵电压积累。
解决方案7.根据解决方案6的方法，其中暂时闭合该特定开关包括在转换时期的一部分内闭合该特定开关。
解决方案8.根据解决方案6的方法，其中暂时闭合该特定开关包括在几乎全部转换时期内闭合该特定开关。
解决方案9.根据解决方案6的方法，其中暂时闭合该特定开关包括向该特定开关施加一个或者多个控制脉冲，使得该特定开关在一个或者多个控制脉冲的施加期间暂时闭合。
解决方案10.根据解决方案6的方法，其中暂时闭合该特定开关包括暂时闭合该特定开关一段时间，该时间足够使与该特定开关并联的电容器放电。
解决方案11.一种具有多个开关且配置成在续流方式和动力输送方式中工作的矩阵变换器，包括：
电池；
变换模块，其联接到电池；
隔离模块，其联接到变换模块；
开关矩阵，其联接到隔离模块，该开关矩阵具有多个开关；以及
控制器，其联接到变换模块和开关矩阵，该控制器配置成控制开关矩阵在续流方式和动力输送方式之间工作，并配置成通过在续流方式和动力输送方式之间的转换时期期间暂时闭合通常断开的特定开关而在该转换时期期间保护该特定开关。
解决方案12.根据解决方案11的矩阵转换器，其中电池包括下列电源组中的一个或者多个：高压电池组、燃料电池或者超电容器。
解决方案13.根据解决方案11的矩阵转换器，其中变换模块包括逆变器。
解决方案14.根据解决方案11的矩阵转换器，其中隔离模块包括变压器，用于在变换模块和开关矩阵之间提供电流隔离。
解决方案15.根据解决方案11的矩阵转换器，其中多个开关各自具有配置成与多个开关中的相应一个开关相并联的电容器。
解决方案16.根据解决方案15的矩阵转换器，其中暂时闭合该特定开关使在配置成与该特定开关并联的电容器两端的任何积累的电荷泵电压放电。
解决方案17.根据解决方案11的矩阵转换器，其中控制器配置成在转换时期期间向该特定开关施加一个或者多个控制脉冲。
解决方案18.根据解决方案11的矩阵转换器，其中控制器配置成判断多个开关中的哪一个构成在转换时期期间处于电荷泵电压积累的危险中的该特定开关。
解决方案19.根据解决方案11的矩阵转换器，其中多个开关中的每个开关包括从下列晶体管组中选出的晶体管：双极结型晶体管、场效应晶体管或者IGBT。
解决方案20.根据解决方案19的矩阵转换器，多个开关中的每个开关以反并联构造并联联接到各自的二极管。
附图说明
下文将结合下列附图描述本发明，相同的附图标记代表相同的部件，并且
图1是根据示例性实施例适合于利用本公开的电气系统的电气原理图；
图2是在示例性的工作阶段期间，图1中的矩阵变换器的简化等效电气原理图；
图3-4是在工作的过渡阶段期间，图2中的矩阵变换器的简化等效电气原理图；
图5A和5B是在工作的过渡阶段期间在图3-4中的矩阵变换器开关两端形成的电压波形的图示；
图6是用于根据示例性实施例的图1中的矩阵变换器的控制机构的功能框图；
图7是图6中的控制机构的控制波形的时间安排的图示；和
图8是图示用于根据示例性实施例的图1中的矩阵变换器的控制方法的流程图。
详细描述
下面的详细描述本质上仅仅是示例性的，不意味着限制本公开的主题或其用途。而且，不意味着被任何明示或者暗示的存在于前述技术领域、背景技术、发明内容或者随后的详细描述中的理论所限制。
在本文中，相关术语，例如第一和第二以及类似的术语，单独地用于把一个实体或者动作同另一个实体或者动作区分开，而没有必要需要或者意指在这些实体或者动作之间的任何实际的这种关系或者顺序。数字序号，例如“第一”、“第二”、“第三”等等，仅仅指代多数中的不同个体，除非通过权利要求语言明确地限定，其并不意味着任何顺序或者次序。
另外，随后的描述提及的元件或者零件被“连接”或者“联接”在一起。正如这里所使用的，“连接”可指一个元件/零件直接接合到另一个元件/零件(或者与其直接相连通)，不一定机械地连接。类似地，“联接”可指一个元件/零件与另一个元件/零件直接或者间接接合(或者直接或者间接相通)，不一定机械地联接。但是，应该理解的是，尽管两个元件在一个实施例中在下面描述为被“连接”，但是在替代的实施例中，类似的元件可以被“联接”，反之亦然。这样，尽管这里所示的原理图描述了元件的示例布置，附加的中间元件、装置、零件或者部件可存在于实际实施例中。
一些实施例和应用按照功能和/或逻辑块元件和不同过程步骤被如上描述。但是，应该意识到，这些块元件可以由任意数量的配置成执行特定功能的硬件、软件和/或固件元件来实现。例如，系统或者元件的实施例可以使用多种集成电路部件，例如，存储元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查询表等等，其可以在一个或者多个微处理器或者其它控制装置的控制下执行多种功能。另外，本领域技术人员可以意识到，这里描述的实施例仅仅是示例性应用。
最后，为了简短，涉及车辆机械和电器部分和系统的其他功能方面(以及系统的各独立工作元件)的传统技术和元件在这里就不详细描述了。此外，在这里包含的多个附图中示出的连接线目的是表示各种元件之间的示例功能关系和/或物理联接。应该注意的是，在本发明的实施例中可以存在许多替代的或者附加的功能关系或者物理连接。同样应该理解的是，图1-3仅仅是说明性的，不是按比例绘制的。
在本公开中，这里呈现的任意概念通常可以适用于电动或者混合动力车辆，正如这里所使用的，术语“车辆”泛指非生命运输机构。这些车辆的例子包括汽车，例如巴士、小汽车、卡车、运动型多用途车辆、厢式货车，和机械轨道车辆，例如火车、有轨电车和矿车等等。另外，术语“车辆”不被任何具体的推进技术例如汽油、柴油、氢或者多种其他替代燃料所局限。
图1描述了适于用于车辆例如电动和/或混合动力车辆的电气系统100的示例性实施例。这种电气系统的配置和工作是已知的，并且在专利号为7,599,204的共同未决的、普通转让的美国专利和公开号为2011/0115285的美国专利公开中被描述，二者通过引用并入这里。
如图1所示，电气系统100包括但是不局限于电池102、变换模块104、隔离模块106、开关矩阵108和控制模块116；开关矩阵108具有感应元件110和电容元件112，且两者之间提供有输出114。在示例性实施例中，控制模块116联接到变换模块104和开关矩阵108，且操作以控制来自电池102的DC能量向AC能量的转换，AC能量在输出114处供给AC电源输出(EPO，图1未示出)，下面将进行更详细的描述。
应该理解的是，图1是出于解释的目的而对电气系统100的简化表示，并不意味着以任何方式限制于这里描述的主题的范围或者适用性。这样，尽管图1描述了在电路元件和/或终端之间是直接电连接，但是，替代实施例可以使用功能实质上相似的中间电路元件和/或部件。
在示例性实施例中，电池102是能存储再生能源的可充电高电压电池组。在其他实施例中，电池102可包括燃料电池、超电容器或者另一个合适的DC能量存储装置。在这点上，电池102可构成用于车辆中电动机的电气系统100的初级能量源。在示例性实施例中，电池102具有从约200至500伏特DC的标称DC电压范围。
在图示实例中，电池102联接到变换模块104，该变换模块将来自电池102的DC能量转换成提供给隔离模块106的高频能量。在这点上，变换模块104作为逆变器工作。隔离模块106布置在变换模块104和开关矩阵108之间，并可以实现为提供电流隔离的隔离变压器，如下面更详细论述的。
在示例性实施例中，开关矩阵108有助于电流(或者能量)从隔离模块106流到AC EPO(图1未示出)。在图示实施例中，开关矩阵108实现为包括八个开关元件118-125，每个开关元件具有配置成与各自开关元件反并联的二极管126-133和配置成与各自开关元件并联的电容器134-141。在示例性实施例中，开关元件118-125是晶体管，可以使用任意合适的半导体晶体管开关而实现，例如双极结型晶体管(例如IGBT)、场效应晶体管(例如MOSFET)或者本领域已知的任何其他相当的装置。开关元件118-125中的每一个具有由控制模块116提供的控制(或者致动)输入142-149，下面将对其做论述。开关和二极管是反并联的，意味着开关和二极管是具有反向或者反电极的电并联。反并联配置考虑了双向电流流动同时单向地阻断电压，如本领域可以意识到的。在这种配置中，穿过开关的电流方向与穿过各自二极管的容许电流的方向相反。因此，为了方便，但并非是限制，开关矩阵108在这里可以替代地被称为矩阵变换模块或者矩阵变换器。
在示例性实施例中，感应元件110实现为配置成在矩阵变换模块108的节点150和节点152之间电串联的电感器。当矩阵变换器108作为充电器工作时，在电气系统100工作期间，电感器110起高频感应能量存储元件的作用。在示例性实施例中，电容元件112实现为与位于矩阵变换器108的节点150和节点152之间的电感器110串联联接的电容器，它们相配合地配置成为从输出114流向电源输出(EPO)的电流提供高频滤波器。
在示例性实施例中，隔离模块106提供在变换模块104和矩阵变换器108之间的电流隔离。在图示实施例中，隔离模块106实现为高频变压器，即为在高频下特殊功率电平设计的变压器，高频例如是矩阵变换器108的开关118-125的开关频率(例如50kHz)。在示例性实施例中，隔离模块106包括联接到变换模块104的第一组线圈154和联接到矩阵变换器108的第二组线圈156。为了解释的目的，线圈154在这里可称为构成初级线圈段(或者初级侧)，线圈156的组在这里可称为构成次级线圈段(或者次级侧)。线圈154和156提供了以传统方式磁性地耦合来形成变压器的感应元件，这是本领域可以意识到的。
控制模块116通常代表配置成控制变换模块104和调整矩阵变换器108的开关118-125以便获得电池102和AC EPO之间所需的功率流的硬件、固件和/或软件，如下文将更详细描述的。控制模块116可以实施或实现为通用处理器、特殊目的处理器、微处理器、微控制器、按内容寻址的存储器、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、离散门或者晶体管逻辑、离散硬件部件、或者它们的任何组合，其设计为支持和/或执行这里所描述的功能。
图2是在示例性的工作阶段期间，图1的矩阵变换器108的简化等效电气原理图。在图示实例中，AC电压信号200由隔离模块106(图1中)提供至矩阵变换器108。AC电压信号200具有正电压202(+Vdc)和负电压204(-Vdc)，其由图1中的变换模块104产生。从正电压202向负电压204的转换中，规定了转换时间206，在该时间内，AC电压波形200是在零伏特(0Vdc)。
根据示例性实施例，转换时间(通常称为“空载时间”)用来矩阵变换器108开关的保护。如同这里所用的，“空载时间”应理解为指在矩阵变换器108的其他开关闭合(或者接通)之前矩阵变换器108的特定开关可断开(或者切断)的固定时间量。在图示实施例中，开关118、121、123和124组成一组正开关，其能够使电流从矩阵变换器108沿正向(由箭头210所示)流动，而开关119、120、122和125组成一组负开关，其能够使电流从矩阵变换器108在矩阵变换器108的节点150和节点152之间沿负向(与箭头210反向)流动。
在图2的图示实例中，矩阵变换器108使在矩阵变换器108的上部212中的开关118-121闭合，并使在矩阵变换器108的下部214的开关122-125断开。这种开关配置允许矩阵变换器的上部212以“续流”方式工作。在续流方式中，(图1的)控制模块116控制矩阵变换器108的开关118-125，使得节点150和152被短路在一起(假设是理想开关)。这样做的一种方法是使A_BUS总线216对两个节点150和152短路。节点150和152之间的电压被短路在一起，且钳位到A_BUS总线216的电压(除了在开关两端的一些小的电压降)。当以续流方式工作时，因为节点150和152被短路在一起(假设理想开关)，因此电力没有传递给输出114。(图1的)控制模块116采用续流方式使电流保持在电力传递期间流过电感器来避免电流中断，电流中断会产生损害或者毁坏开关的相当大的回扫电压。可以意识到，由于工作的其他阶段的二元性，矩阵变换器108的下部214可以通过使B_BUS总线218短路到节点150和152形成续流。
现在参见图3-5，图3-4所示的是在示例性的工作阶段期间，在(图2的)转换(空载)时间206内矩阵变换器108工作的简化等效电气原理图，图5所示的是电压波形。
当矩阵变换器108准备结束续流方式到动力输送方式时，开关124两端的电压被钳位到A_BUS电压。当总线电压200如图2所示从202变化到204时，零电压被施加穿过A_Bus总线216和B_Bus总线218。零电压的时间间隔通常被称为空载时间。在空载时间期间，A_Bus总线216和B_Bus总线218上被施加短路。开关124两端的电压通过施加的穿过A_Bus总线216和B_Bus总线218的短路被放电(如图5A的502所示)，跨接开关125的电容器141如图5A的504所示充电。当矩阵变换器108准备在空载时间期间切换到动力输送方式时，开关123接通。矩阵变换器108在这种模式下的等效电路如图4所示。在转换(空载)时间(图2的206)期间，0Vdc被施加穿过A_Bus总线216和B_Bus总线218。当开关123接通时，其使在矩阵变换器108的下部214中的电感器(图1的110)电流的一部分转向，其如图5B的506所示给电容器140充电。这样就导致了如图5B的508所示的跨开关124两端发生(在本实例中)的电荷泵机构。根据电感器(图1的110)电流的大小，开关124两端的电压504可以斜坡上升到“崩溃”水平，其潜在地损害开关124或者致使开关124故障。接着开关118和119断开(图4)，可以意识到，由于二元性的原理，开关118-125中的任何一个在矩阵变换器108的其他工作阶段期间会成为潜在损害的“处于危险状态”的开关。本公开的示例性实施例抑制了处于危险状态的任何开关两端的电荷泵电压，用于保护矩阵变换器108和电气系统100(图1)。
现在参见图6-7，其示出了用于图1的矩阵变换器108的控制机构的功能方框图。根据示例性实施例，本公开用于在转换(空载)时间期间施加控制脉冲来一次或者多次暂时地闭合任何存在潜在损害危险的开关。这样做使并联的电容器放电，防止电荷泵电压堆积在电容器两端以及因此在开关两端。图6示出控制模块116，其提供结合图1论述过的开关控制142-149。但是，在本公开的示例性实施例中，脉冲发生器600在空载时间206期间提供一个或者多个控制脉冲702，如图7中所示。在一些实施例中，脉冲发生器600通过导体602联接到逻辑块604，逻辑块使用控制波形700(图7)对开关控制信号142-149进行逻辑“或”运算来提供控制信号142′-149′。在其他实施例中，脉冲发生器600和/或逻辑块604可集成在控制模块116内，如会意识到的。
即使当控制模块116的程序设计会使处于危险状况的开关关断(断开)，由逻辑块604提供的逻辑“或”功能通过控制信号142′-149′之一使控制脉冲702传递到处于危险状况的开关。这通过在转换(空载)时间206期间一次或者多次暂时地闭合处于危险状态的开关和对并联到处于危险状态的开关的电容器放电来防止(图5的)电荷泵电压504。在图3-5的实例中，开关124“处于危险状态”，并会接收控制脉冲以使电容器140放电(通过接通开关124将电容器短路)由此保护开关124避免由于电荷泵机构导致的潜在的损害电压的斜坡上升。
图7是控制波形700参照于从(图1的)隔离模块106提供到矩阵变换器108的AC电压信号200的定时的图示。可以看出，当AC电压信号200在正电压202(+Vdc)和负电压204(-Vdc)之间移动时，转换(空载)时间206提供零电压(0Vdc)作为AC电压波形200。在转换(空载)时间期间，控制波形700提供一个或者多个(图示为一个)控制脉冲702，如上所述，其将暂时地闭合(接通)处于危险状态的开关来保护该开关。
图8是图示用于根据示例性实施例的图1中的矩阵变换器的控制方法800的流程图。出于图示的目的，图8的方法的下列描述涉及前面提到的与图1-7有关的元件。还应当意识到，图8的方法可包括任意数量的附加或者替代的任务，图8的方法可以结合进更全面的具有这里没有详细描述的附加功能的程序或者过程中。而且，只要预期的全面的功能性能保持完整，图8所示的一项或者多项任务能以不同于所示的不同顺序执行。
程序从判定802开始，其决定转换(空载)时间(图2中的206)是否已经开始。否定决定导致矩阵变换器(图1的108)的常规工作804。但是，如果判定802的决定是转换(空载)时间已经开始，步骤806提供一个或者多个开关控制脉冲(图6的142′-149′)，其包括控制脉冲(图7的702)来闭合(接通)任何具有潜在的损害电荷泵电压的处于危险状况的开关，该电荷泵电压在与该开关并联的电容器两端形成。这使并联电容器放电用以保护处于危险状况的开关。其次，判定808决定转换(空载)时间是否已经过去。如果是，在步骤804接下来进行常规工作，并且程序800返回以寻找下一个转换(空载)时间。如果转换(空载)时间没有过去，程序800返回以在步骤806内继续应用控制脉冲(图7的702)来保护矩阵变换器(图1的108)的处于危险状态的开关。
虽然在前述详细描述中已展示了至少一个示例性实施例，但应意识到存在有大量的变形。同样应意识到，一个或都个示例性实施例仅仅是例子，并不意味着以任何方式限制了本公开的范围、适用性或者配置。相反地，之前的详细描述向本领域技术人员提供了实现示例性实施例的捷径。应理解的是，可以在不脱离附加权利要求和其合法等效物所揭示的本公开的范围的情况下，在元件功能和配置上进行不同的变化。

Claims (10)

1.在具有多个开关且在续流方式和动力输送方式中工作的矩阵变换器内，一种用于在续流方式和动力输送方式之间的转换时期期间保护开关的方法，包括，暂时闭合多个开关中的在该转换时期期间通常断开的特定开关，由此在转换时期期间保护该特定开关。
2.根据权利要求1的方法，其中暂时闭合该特定开关包括在转换时期的一部分内闭合该特定开关。
3.根据权利要求1的方法，其中暂时闭合该特定开关包括在几乎全部转换时期内闭合该特定开关。
4.根据权利要求1的方法，其中暂时闭合该特定开关包括向该特定开关施加一个或者多个控制脉冲，使得该特定开关在一个或者多个控制脉冲的施加期间暂时闭合。
5.根据权利要求1的方法，其中暂时闭合该特定开关包括暂时闭合该特定开关一段时间，该时间足够使与该特定开关并联的电容器放电。
6.在具有多个开关且在续流方式和动力输送方式中工作的矩阵变换器内，一种用于在续流方式和动力输送方式之间的转换时期期间保护开关的方法，包括：
确定多个开关中的特定开关在转换时期期间处于在该特定开关两端的电荷泵电压积累的危险；和
在转换时期期间暂时闭合该特定开关，由此保护该特定开关在转换时期期间免受电荷泵电压积累。
7.一种具有多个开关且配置成在续流方式和动力输送方式中工作的矩阵变换器，包括：
电池；
变换模块，其联接到电池；
隔离模块，其联接到变换模块；
开关矩阵，其联接到隔离模块，该开关矩阵具有多个开关；以及
控制器，其联接到变换模块和开关矩阵，该控制器配置成控制开关矩阵在续流方式和动力输送方式之间工作，并配置成通过在续流方式和动力输送方式之间的转换时期期间暂时闭合通常断开的特定开关而在该转换时期期间保护该特定开关。
8.根据权利要求7的矩阵转换器，其中多个开关各自具有配置成与多个开关中的相应一个开关相并联的电容器。
9.根据权利要求8的矩阵转换器，其中暂时闭合该特定开关使在配置成与该特定开关并联的电容器两端的任何积累的电荷泵电压放电。
10.根据权利要求7的矩阵转换器，其中控制器配置成在转换时期期间向该特定开关施加一个或者多个控制脉冲。
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