CN104396134A

CN104396134A - 用于控制逆变器的方法和设备

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Publication number: CN104396134A
Application number: CN201380032326.6A
Authority: CN
Inventors: A.德弗洛里奥
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2033-04-22
Also published as: DE102012210641A1; WO2013189630A1; CN104396134B; US20150340982A1; US9602038B2

Abstract

本发明涉及一种用于借助空间矢量调制控制逆变器（10）的方法（40），尤其是用于控制电机（14），其中逆变器（10）具有多个可控开关（S）和对应的多个续流二极管（D），并且所述逆变器构建用于提供空间矢量（I*，U*）形式的多相电流（IU，IV，IW）和多相电压，尤其是用于为电机（14）多相地供给电流（IU，IV，IW），其中所述逆变器（10）被控制用于建立开关（S）的多个彼此相继的不同的开关状态（V0-V7），其中所述逆变器（10）借助两个开关状态（V0，V7）被切换到无电压切换的开关状态（V0，V7）中，其中，根据开关（S）和/或续流二极管（D）的负荷额定值（m）来改变所述开关状态（V0，V7）的接通持续时间（t0-t7），并且其中根据所述开关（S）至少之一和/或所述续流二极管（D）之一的温度（T_S，T_D）来设定所述负荷额定值（m）。

Description

用于控制逆变器的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于借助空间矢量调制控制逆变器、尤其是用于控制电机的方法，其中逆变器具有多个可控开关和对应的多个空转二极管，并且该逆变器构建用于提供空间矢量形式的多相电流和多相电压，尤其是用于为电机多相地供给电流，其中逆变器被控制，以设立开关的多个彼此相继的不同的开关状态，其中逆变器借助两个开关状态被切换到无电压切换的开关状态中。

此外本发明涉及一种用于控制逆变器的设备，所述逆变器具有多个可控的功率开关和对应的多个空转二极管，它们连接用于提供空间矢量形式的多相电流和多相电压，尤其是用于为电机多相地供给电流，所述设备带有控制器，所述控制器构建用于控制逆变器，使得逆变器取开关的多个彼此相继的不同的开关状态，并且其中逆变器能取两个无电压切换的开关状态。

此外本发明涉及一种带有至少一个用于提供驱动功率的电机、用于控制所述电机的逆变器以及用于控制上述类型逆变器的设备的机动车传动系统。

背景技术

在一般的三相耗电器和具体的三相电机的技术领域中已知不同的控制方法。在此，当前通常优选空间矢量调制的方法用于控制三相耗电器。在这种控制方法中，空间矢量通过八个基础电压矢量的彼此相继的设定而形成。为了提供相电压，基础电压矢量被脉冲宽度调制地切换，使得产生相应的控制电压。

在已知的控制方法中，借助带有功率半导体开关的逆变器来控制耗电器。用于产生电压空间矢量的、八个彼此相继的基础电压矢量的设定通过交替地接通和关断逆变器的确定的功率半导体开关而实现。在空间矢量旋转速度非常小的情况下，或者说只要三相耗电器为电机，则在所述受控制的电机转速小的情况下，各个功率半导体开关被非常频繁地或非常长时间地切换并且因此由于非常长时间或非常频繁流过的电流而被施加热负荷。因此，必须针对非常长的接通时间和非常大的电流来设计功率半导体开关，由此所述逆变器一般在技术上是费事的。

为了应对尤其是功率半导体开关的热过载，例如在WO2010/000548A2中提出，在确定的脉冲宽度调制周期内取消两个无电压切换的开关状态之一，以降低功率半导体开关的开关损耗。

因为逆变器的各个功率半导体开关的负荷、尤其是热负荷取决于所提供的电流空间矢量的相位角，或者说逆变器的各个功率半导体开关针对所提供的电流空间矢量的确定相位角被不同地施加负荷，所以例如在DE10393516T1中提出：在所提供的电流空间矢量的确定角度区间内应用确定的零矢量，以减少功率半导体开关的开关损耗。

在此，缺点在于：在确定的控制状况中，尤其是在空间矢量的旋转速度非常小的情况下，所出现的损耗会对各个功率半导体开关和/或各个空转二极管在热学上强烈地施加负荷，由此功率半导体开关和/或空转二极管的过载不可避免。

发明内容

因此根据本发明提供了一种用于借助开头所提及类型的空间矢量调制来控制逆变器的方法，其中开关状态的接通持续时间根据开关的和/或空转二极管的负荷额定值来改变，并且其中所述负荷额定值根据至少一个开关和/或空转二极管的温度而被设定。

此外，根据本发明因此提供了一种用于控制开头所提及类型的逆变器的设备，其中控制器构建用于根据开关的和/或空转二极管的负荷额定值来改变开关状态的接通持续时间，并且其中控制器构建为：根据开关至少之一和/或空转二极管之一的温度来设定负荷额定值。

最后根据本发明提供了一种机动车传动系统，所述机动车传动系统带有至少一个用于提供驱动功率的电机、用于控制电机的逆变器以及带有用于控制上述类型逆变器的设备。

本发明的优点

通过根据逆变器的开关或空转二极管的温度设定尤其是热负荷额定值、并且在开关状态的接通持续时间内的损耗功率相应地根据负荷额定值而变化，可以均匀地设定开关和/或空转二极管的温度。换言之，根据负荷额定值来对开关和/或空转二极管施加负荷。

由此，也可以针对所要求的电压空间矢量和电流空间矢量的临界相角有目的地设定开关和/或空转二极管的优化的温度分布。因此可以避免热峰值并且可以一般地针对较小的热负荷来设计可控开关和/或空转二极管，由此所述逆变器一般可以在技术上较不费事并且成本较低地被制造。此外通过开关和/或空转二极管的均匀负荷，逆变器的寿命一般得以延长。

优选的，负荷额定值根据开关中的两个或空转二极管中的两个的温度差或开关之一和空转二极管之一的温度差而改变。

由此可以实现更均匀的热负荷，因为测量的温度差被直接用作调节量。

在此尤其优选的是，两个开关中的第一开关或两个空转二极管中的第一空转二极管与高供给电压电势关联并且两个开关中的第二开关或两个空转二极管的第二空转二极管与低供给电压电势关联。

由此，可以比较逆变器上侧的器件和逆变器下侧的器件之间的温度差，使得逆变器的上侧和下侧之间的温度差异能够得到平衡。

此外优选的是，第一开关或第一空转二极管为与高供给电压电势关联的、被最强地施加负荷的元件，并且第二开关或第二空转二极管为与低供给电压电势关联的、被最强地施加负荷的元件。

由此可以避免逆变器的热负荷峰值。

此外，一般优选的是，第一无电压切换的开关状态的接通持续时间根据负荷额定值而改变。

由此，可以用简单的措施避免或平衡逆变器不均匀的热负荷。

此外优选的是，每个脉冲宽度调制周期的开关状态的接通持续时间都在改变。

由此可以快速并且精确地对抗不均匀的热负荷。

此外，优选的是，根据所述负荷额定值来改变每个脉冲宽度调制周期中第一无电压切换的开关状态的接通持续时间与每个脉冲宽度调制周期中这些无电压切换的开关状态的总持续时间之比。

由此，能够用简单的措施将负荷额定值精确地设定为任意值。

此外优选的是，逐步地、迭代地根据至少一个开关和/或至少一个空转二极管的温度确定负荷额定值。

由此能够提供逆变器的热负荷的连续适配。

此外优选的是，测量至少一个开关和/或至少一个空转二极管的温度。

由此能够精确确定逆变器的热负荷。

可替代地优选的是，评估至少一个开关的和/或至少一个空转二极管的温度。

由此能够以技术上微小的花费确定逆变器的温度并且因此确定逆变器的热负荷。

结果，即使在电压空间矢量和/或电流空间矢量的小旋转频率的情况下，逆变器也可以通过本发明被均匀地施加负荷，其方式是，相应地改变在开关状态的接通持续时间上的损耗功率，而不影响所提供的电压空间矢量和/或电流空间矢量。由此逆变器的热负荷可以均匀地分布在开关和/或空转二极管上，由此能够针对较小负荷来设计逆变器，并且由此逆变器的寿命能够得到提高。

不言而喻，本发明方法的特征、特性和优点也同样相应地适于或可用于本发明的设备。

附图说明

图1以示意形式示出了用于控制三相耗电器的逆变器；

图2示出了用于阐述空间矢量调制方法的复数矢量图，所述空间矢量调制方法用于控制耗电器的逆变器；

图3以示意形式示出了用于设定不同电压空间矢量的三个相电压的变化曲线；以及

图4以示意形式示出了用于基于逆变器的开关和/或空转二极管的温度来确定负荷额定值的详细的流程。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了用于控制耗电器、尤其是电机的逆变器，并且整体用10标记。

所述逆变器10与直流电压源12相连接，并且用于对耗电器14三相地通电，所述耗电器14在此情况下构建为电机14。所述逆变器具有三个半桥，这些半桥与直流电压源12并联连接，并且分别具有两个可控开关S。在开关S之间分别形成半桥抽头16，这些半桥抽头分别与电机14的相U、V、W的相导线相连。

开关S分别与一个空转二极管D并联连接，所述空转二极管能够实现在相反方向上的电流流动。

在图1中，开关S根据提供给开关S的相U、V、W并且根据与直流电压源12的高电势或与直流电压源12的低电势的关联性被标记为SHA、SLA、SHB、SLB、SHC、SLC。相应地，空转二极管被标记为DHA、DLA、DHB、DLB、DHC、DLC。

通过开关S的变换地断开和闭合，在各个相导线U、V、W之间分别施加控制电压，使得相应地分别出现相电流IU、IV、IW，所述相电流驱动电机14。逆变器10优选借助半导体开关构建。逆变器的开关借助示意性示出的控制单元18变换地断开和闭合，以便提供带有确定变化曲线的相电压，并且提供旋转的电压空间矢量以及对电机14相应地通以相电流IU、IV、IW。

在图2中示出了用于阐述空间矢量调制的复数矢量图，并且整体用20标记，所述空间矢量调制用于控制耗电器14或者说电机14。

在矢量图20中示出了带有电机14的控制角度阿尔法的电压矢量V*。此外在矢量图20中示出了六个基础电压矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6，这些基础电压矢量在逆变器10的各个开关S或者两个开关S闭合并且电机相应地受控制时得到。为了设定具有最大长度的电压矢量V*，所述电压矢量在本例中具有在基础电压矢量V1和V2之间的控制角度阿尔法，通过根据基础电压矢量V1和基础电压矢量V2对逆变器10进行交替地控制来实现该电压矢量。两个基础电压矢量V1、V2以预先定义的开关频率被交替地设定，使得在基础电压矢量V1、V2的接通持续时间相同的情况下得到具有30o相角的电压矢量V*。如果必须设定具有更大的控制角度阿尔法的电压矢量V*，则相应地延长基础电压矢量V2的接通持续时间并且缩短基础电压矢量V1的接通持续时间。由此，通过按节拍地控制逆变器10的开关S可以实现具有任意控制角度阿尔法的电压矢量V*。在此，电压空间矢量通过逆变器10来提供，接着根据所控制的负载14产生该电流空间矢量。

如果电压矢量V*如在图2中所示出的情况一样地应当以比基础电压空间矢量V1、V2更小的大小（更小的长度）来设定，则相应地设定零电压矢量V0、V7，其中在逆变器10的上侧的开关SHA、SHB、SHC断开或在逆变器10的下侧的开关SLA、SLB、SLC断开。其他的开关S分别被相应地闭合。电压矢量V*可以相应地通过基础电压空间矢量V1和V2与零电压矢量V0、V7之一的组合来实现。

根据电压空间矢量V*产生电流空间矢量I*。电流空间矢量I*具有根据受控制的耗电器14而产生的幅值和相角。电流空间矢量I*的相角可以与电压空间矢量V*的相角α同相或具有相移。

为了给耗电器14或者说电机14通电而提供电压空间矢量V*，其方式是，以快速的顺序相继地设定不同的电压空间矢量V1-V6和零电压矢量V0、V7。逆变器10的不同开关S和不同空转二极管D在电压空间矢量V*快速旋转的情况下被均匀地施加负荷，尤其是相均匀地被施加负荷。如果电压空间矢量V*的旋转频率非常小或者为零，例如在电机14小转速的情况下，相U、V、W的逆变器10的相应开关S和空转二极管D在长时间段内被施加负荷，使得可能出现相应开关S和空转二极管D的过载并且逆变器10的开关S和空转二极管D一般不均匀地、尤其是相不均匀地被施加负荷。为了避免单个开关S和空转二极管D的过载，必须采取措施以将负荷分布在不同的开关S和空转二极管D上。电损耗功率和因此开关S或空转二极管D的温度是电压空间矢量V*的大小V、相角阿尔法_V、电流空间矢量I*的大小I和相角阿尔法_I的函数。

在图3中示出了在脉冲宽度调制周期T内三相U、V、W的相电压的变化曲线，以便依次设定基础电压空间矢量V0、V1、V2、V7。在脉冲宽度调制周期T内，可以改变各个基础电压空间矢量V0、V1、V2、V7的接通持续时间t0、t1、t2、t7，以便能够精确地设定电压空间矢量V*。

因为零电压矢量V0仅仅对与电压源12的低电势关联的开关SLA、SLB、SLC施加负荷，并且因为零电压矢量V7相应地仅仅对与直流电压源12的高电势关联的开关SHA、SHB、SHC施加负荷，所以可以通过对零电压矢量V0、V7的有目的地分配来平衡在上部开关SHA、SHB、SHC或空转二极管DHA、DHB、DHC与下部开关SLA、SLB、SLC或空转二极管DLA、DLB、DLC之间的不均匀的负荷。相应的负荷值m通过以下公式来计算：

其中m为负荷值，t0为零电压矢量V0的接通持续时间并且t7为零电压矢量V7的接通持续时间。因此负荷值m可以设定在值1与值0之间，其中在值1的情况下，逆变器10的上部开关SHA、SHB、SHC或上部空转二极管DHA、DHB、DHC被更强烈地施加负荷，而在值0的情况时，逆变器10的下部开关SLA、SLB、SLC或下部空转二极管DLA、DLB、DLC被更强烈地施加负荷。这特别是适于计算负荷值m，只要使用两个基础电压空间矢量V1-V6和至少一个零电压矢量V0、V7，如同例如针对根据图3的控制序列那样。

总体来说，一般的负荷值lsm也可以基于开关S之一的一般的接通时间t来加以确定。在此，选出开关S之一，如例如被最强地施加负荷的那一个。在此，对于逆变器10的上侧的开关SHA、SHB、SHC之一，负荷值lsm通过以下公式来计算：

而对于逆变器10的下侧开关SLA、SLB、SLC之一，负荷值lsm通过以下公式来计算：

其中t_min为开关S的最小可能接通持续时间，t_max为开关S的最大可能接通持续时间，以便设定当前电压空间矢量V*，并且t_on为在相应脉冲宽度调制周期T中的当前接通持续时间，其设定当前电压空间矢量V*。由此出现进一步的自由度，以便能够设定lsm。在此需要注意的是，一般的负荷值lsm保持不变，与使用哪一个开关来用于计算无关。由此能够考虑逆变器10的一个开关S的负荷以设定新的负荷额定值。在此，负荷值m可以通过一般的负荷值lsm代替。

在图4中示出了基于开关S和/或空转二极管D的评估的或者测量的温度T_D、T_s确定负荷值m并且设定新的负荷额定值m的方法。在图4中，整体用40来标记所述方法。

开关S和空转二极管D的温度T_D、T_s一般用作方法40的初始量。在42中，通过温度T_D、T_s求得被最强地施加负荷的上部开关SH、被最强地施加负荷的上部二极管DH、被最强地施加负荷的下部开关SL和被最强地施加负荷的下部二极管DL。换言之，求得各自具有最高温度的器件。由这些温度，在44和46中求得上部开关SH或上部空转二极管T_H的最高温度T_H和下部开关SL或空转二极管DL的最高温度T_L。因为空转二极管D和开关Ｓ具有不同的负荷极限或者说针对不同的最高负荷温度而设计，因此必须针对空转二极管Ｄ的温度T_D确定相应的比较值，以便所述比较值能够与开关Ｓ的温度T_s进行比较，而且用以下公式：

其中T_DV为空转二极管Ｄ的温度的比较值、T_D为空转二极管D的温度并且因子c为常量。在特别的实施方式中，因子c也可以是空转二极管的温度T_D的函数。相应地，利用上述公式对空转二极管D的温度T_D因子化，以便能够比较开关S的温度T_S和空转二极管D的温度T_D，如其在48中所示的一样。在求和点50处，求得上侧的最高温度T_H与下侧的最高温度T_L之间的差dT。在52中，根据温度差dT确定被改变的负荷额定值m，以相应地平衡温度差dT。只要温度差dT大于0，则负荷额定值m减小，而只要温度差dT小于0，则负荷额定值m增大。根据这样确定的负荷额定值m，在54中为接着的脉冲宽度调制周期T确定新的接通持续时间t0-t7。在新的脉冲宽度调制周期T之后，求得开关S和空转二极管D的改变的温度T_D、T_S，如同在56中所示的那样，并且将其作为新的初始量提供给方法14，如其通过反馈58所表明的那样。由此，可以基于开关S和/或空转二极管D的测量或估计的温度针对每个脉冲宽度调制周期T确定新的负荷额定值m，以便对相应的开关S和空转二极管D均匀地施加负荷。因此通过对上侧的器件温度和下侧的器件温度进行比较以及通过对负荷值m进行适配，可以达到上侧器件相对于下侧器件的更均匀负荷。

在52和54中，也可以根据温度差dT选出预先定义的控制序列，其中在dT大于0的情况下，选出带有小负荷值m的序列，而在dT小于0的情况下，选出带有较大负荷值m的序列。在此，设定这些序列的V*分别相同。由此能够降低逆变器10中的开关损耗。预先定义的序列优选存储在特性曲线族中。

在方法40的替代的实施方式中，使用损耗值代替器件S、D的温度来确定负荷额定值m，所述损耗值通过各自器件S、D的损耗功率在预先定义的时间段内的积分或通过各自器件S、D中的电流I在预先定义的时间段内的积分和/或通过各自器件S、D中的电流的平方I²在预先定义的时间段内的积分求得或确定。

在方法40的另一实施方式中，使用各自器件S、D中的电损耗P或电流I和/或使用在各自器件S、D中的电流的平方I²代替器件S、D的温度来确定负荷额定值m，所述电损耗或电流和/或电流的平方分别借助低通滤波器加以滤波。

Claims

1.用于借助空间矢量调制控制逆变器（10）的方法（40），尤其是用于控制电机（14），其中逆变器（10）具有多个可控开关（S）和对应的多个空转二极管（D），并且所述逆变器构建用于提供空间矢量（I*，U*）形式的多相电流（IU，IV，IW）和多相电压，尤其是用于为电机（14）多相地供给电流（IU，IV，IW），其中所述逆变器（10）被控制用于建立开关（S）的多个彼此相继的不同的开关状态（V0-V7），其中所述逆变器（10）借助两个开关状态（V0，V7）被切换到无电压切换的开关状态（V0，V7）中，

其特征在于，

根据开关（S）和/或空转二极管（D）的负荷额定值（m）来改变所述开关状态（V0，V7）的接通持续时间（t0-t7），并且其中根据所述开关（S）至少之一和/或所述空转二极管（D）之一的温度（T_S，T_D）来设定所述负荷额定值（m）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中根据在两个开关（S）之间的或在两个空转二极管（D）之间的或在一个开关（S）和一个空转二极管（D）之间的温度差（dT）来改变所述负荷额定值（m）。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述两个开关（S）中的第一开关或所述两个空转二极管（D）中的第一空转二极管与高供给电压电势关联，而所述两个开关（S）中的第二开关或所述两个空转二极管（D）中的第二空转二极管与低供给电压电势关联。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一开关（S）或所述第一空转二极管（D）为与高供给电压电势关联的、被最强地施加负荷的元件，而第二开关（S）或第二空转二极管（D）为与低供给电压电势关联的、被最强地施加负荷的元件。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中根据所述负荷额定值（m）来改变第一无电压切换的开关状态（V0，V7）的接通持续时间（t0，t7）。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中在脉冲宽度调制周期（T）之内改变所述开关状态（V0-V7）的接通持续时间（t0-t7）。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中根据所述负荷额定值（m）来改变每个脉冲宽度调制周期（T）中第一无电压切换的开关状态（V0，V7）的接通持续时间（t0，t7）与每个脉冲宽度调制周期（T）中无电压切换的开关状态（V0，V7）的总持续时间之比。

8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中逐步地、迭代地根据至少一个开关（S）和/或至少一个空转二极管（D）的温度（T_S，T_D）确定所述负荷额定值（m）。

9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其中测量所述至少一个开关（S）和/或所述至少一个空转二极管（D）的温度（T_S，T_D）。

10.根据权利要求1至8之一所述的方法，其中估计所述至少一个开关（S）和/或所述至少一个空转二极管（D）的温度（T_S，T_D）。

11.根据权利要求1至10之一所述的方法，其中根据与高供给电压电势关联的开关（S）和/或空转二极管（D）的最大和最小的可能的损耗（P_Hmax，P_Hmin）并且根据与低供给电压电势关联的开关（S）和/或空转二极管（D）的最大和最小的可能的损耗（P_Lmax，P_Lmin）来确定用于设定电压空间矢量（V*）或电流空间矢量（I*）的负荷额定值（m）。

12.用于控制逆变器（10）的设备（18），所述逆变器具有多个可控功率开关（S）和对应的多个空转二极管（D），这些功率开关和空转二极管连接用于提供空间矢量（I*，V*）形式的多相电流（IU，IV，IW）和多相电压，尤其是为电机（14）多相地供给电流，所述设备带有控制器（18），所述控制器（18）构建用于控制逆变器（10），使得所述逆变器（10）取开关（S）的多个彼此相继的不同的开关状态，并且其中所述逆变器（10）能够取两个无电压切换的开关状态（V0，V7），其特征在于，所述控制器（18）构建用于根据开关（S）和/或空转二极管（D）的负荷额定值（m）改变至少一个开关状态（V0-V7）的接通持续时间（t0-t7），并且其中所述控制器（18）构建用于根据所述开关（S）至少之一和/或所述空转二极管（D）之一的温度（T_S，T_D）来设定所述负荷额定值（m）。

13.机动车传动系统，带有至少一个用于提供驱动功率的电机（14）、用于控制所述电机（14）的逆变器（10）和带有根据权利要求12的用于控制逆变器（10）的设备（18）。