CN104917434B - 用于功率电子变换器的无传感器式电流感测方法 - Google Patents

用于功率电子变换器的无传感器式电流感测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种设备，包括具有半导体开关的功率电子开关电路和与功率电子开关电路通信的装置。该装置包括被配置成用于基于半导体开关上的第一电压、控制半导体开关的控制信号和半导体开关的第一电压电流特性来估算通过功率电子开关电路的电流的处理器。

Description

用于功率电子变换器的无传感器式电流感测方法
技术领域
示例性实施例涉及功率变换电路和用于估算流过功率电子变换器和/或在其中使用的开关的电流的方法。
背景技术
常规的低成本电流感测方法在高功率换流器和变换器应用中采用开环电流传感器。开环电流传感器是霍尔(Hall)元件、硅铁磁芯、电子电路和连接器的集成密封塑料管壳组件。该开环电流传感器由于其磁芯中的铁耗而遭遇较大的温度升高。因此，开环电流传感器在对流过由其监测和/或感测的功率电子开关的电流的处理方面带来了限制。
另外，在该电流传感器的成本和性能水平之间存在正比关系。此外，装配、封装、可靠性和热问题是也关注的。由电流传感器占据的体积空间使得功率电子组件中的许多周围区域是不可用的。这种不可用的空间会不利地影响功率电子组件的功率密度(kW/Kg)和/或能量密度(kW/liter)，设计的脆弱性增加，如电流传感器中难以以快速和及时方式检测到并且补救的热失效模式。
发明内容
一些实施例涉及用于估算流过功率电子变换器和/或在功率变换电路中使用的开关的电流的方法和装置。
在一示例性实施例中，一种设备包括具有半导体开关的功率电子开关电路和与功率电子开关电路通信的装置。该装置包括被配置成用于基于半导体开关上的第一电压、控制半导体开关的控制信号、和半导体开关的第一电压电流特性来估算通过功率电子开关电路的电流的处理器。
在一示例性实施例中，一种电气结构包括第一设备，所述第一设备包括具有半导体开关和第一装置的第一功率电子开关电路，所述第一装置包括被配置成用于基于第一功率电子开关电路的半导体开关上的第一电压、控制第一功率电子开关电路的半导体开关的第一控制信号、和第一功率电子开关电路的半导体开关的第一电压电流特性来估算一电流中流过第一功率电子开关电路的第一部分的第一处理器。该电气结构进一步包括第二设备，所述第二设备包括第二装置和第二功率电子开关电路，所述第二装置包括被配置成用于基于第二功率电子开关电路的半导体开关上的第二电压、控制第二功率电子开关电路的半导体开关的第二控制信号和第二功率电子开关电路的半导体开关的第一电压电流特性来估算所述电流中流过第二功率电子开关电路的第二部分的第二处理器。处理器进一步包括被配置成用于基于电流的估算的第一部分和电流的估算的第二部分来估算所述电流的第三处理器。
在一示例性实施例中，一种方法包括测量第一功率电子开关电路的半导体开关上的第一电压并且基于测量的第一电压、控制半导体开关的控制信号和半导体开关的第一电压电流特性来估算通过功率电子开关电路的电流。
附图说明
根据下文与附图结合的详细描述将更清楚地理解示例性实施例。图1-5B表示本文中描述的非限制性的示例性实施例。
图1图示了根据示例性实施例的设备，其包括功率电子开关电路和用于估算流过功率电子开关电路的电流的装置；
图2图示了根据示例性实施例的、估算流过图1中示出的功率电子开关电路的电流的方法的流程图；
图3图示了根据示例性实施例的另一设备，其包括功率电子开关电路和用于估算流过功率电子开关电路的电流的装置；
图4图示了根据示例性实施例的、估算流过图3中示出的功率电子开关电路的电流的方法的流程图；
图5图示了根据示例性实施例的电气结构，其具有高压侧设备和低压侧设备以及每个设备中用于估算流过包括在每个设备中的功率电子开关电路的电流的一部分的装置；
图6图示了根据示例性实施例的另一电气结构，其具有高压侧设备和低压侧设备以及每个设备中用于估算流过包括在每个设备中的功率电子开关电路的电流的一部分的装置；
图7A-C图示了根据示例性实施例的、具有HS和LS功率电子开关电路的变换器相以及变换器相的相电流的方向；
图8图示了根据示例性实施例的、可用于混合动力车辆中的车载发电和牵引系统的双换流器系统，其使用了参照图1-2描述的多个装置；和
图9图示了根据示例性实施例的、具有三相输出和n相开关磁阻电机的永磁体发电机，其使用了参照图1-2描述的多个装置。
具体实施方式
现在将参照图示一些示例性实施例的附图更充分地描述一些示例性实施例。
因此，尽管能够对示例性实施例进行各种修改并且形成可替换形式，但是附图通过示例的方法示出所述实施例并且本文将详细描述所述实施例。然而，应该理解，目的不是将示例性实施例限制到公开的具体形式，而是相反，示例性实施例将覆盖落入权利要求的范围内的所有的修改例、等同例和替换。在对附图的所有描述中，相同的数字指示相同的元件。
将理解，虽然在本文中术语第一、第二等可以用于描述各种元件，但是这些术语不应该限制这些元件。这些术语仅用于区别一个元件与另一元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且，类似地，第二元件可以被称为第一元件，这没有脱离示例性实施例的范围。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项目的任意结合和所有结合。
将理解，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，其可以直 接连接或耦接到可以存在的其它元件或插入元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，其中不存在插入元件。应该以相同方式理解用于描述元件之间的关系的其它措辞(例如，“在...之间”与“直接在...之间”，“邻近”与“直接邻近”等。)。
本文中使用的术语仅为了描述具体的实施例并且不旨在限制示例性实施例。如本文所用，单数形式“a”、“an”和“the”旨在同样包括复数形式，除非上下文以其他方式明确表示。将进一步理解，当在本文中使用术语“包括”和/或“包含”时，指出存在规定的部件、整体、步骤、操作、元件和/或构件，但是不排除存在或增加一个或多个其它的部件、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组群。
还应该注意，说明的功能/作用可以以一些可替换的实现方式不按照图中图示的次序出现。例如，实际上可以大致同时执行或有时可以以相反次序执行连续示出的两个图，这取决于涉及的功能/作用。
除非另有规定，否则本文中使用的所有术语具有的意义与示例性实施例属于的技术领域中的人员通常理解的意义相同。将进一步理解，例如限定在通常使用的字典中的那些术语应该理解成具有的意义与其在相关技术的内容中的意义一致，而不应理解成理想化的意义或过度正式的意义，除非本文中明确地如此限定。
示例性实施例的部分和对应的详细描述呈现在软件、或对计算机存储器中的数据位的操作的算法和符号表示方面。这些描述和表示是本领域的技术人员向本领域的其他技术人员有效表达其工作的实质的方式。算法，作为本文使用的术语，并且如其被通常使用的那样，被认为是通向结果的一序列有条理的步骤。该步骤对物理量进行要求的物理操纵。通常，虽然不一定，这些物理量采取能够被存储、传送、组合、比较、和以其他方式操纵的光信号、电信号、或磁信号的形式。主要由于普遍使用的原因，有时方便地将这些信号称为位、值、要素、符号、字符、术语、数字等。
在以下描述中，将参照可以执行为实现具体任务或采用具体的抽象数据类型的、包括例行程序、程序、目标、成分、数据结构等的程序模块或功能性过程并且可以使用现有的硬件执行的操作的作用和 符号表示(例如，成流程图的形式)来描述说明性实施例。该现有的硬件可以包括一个或多个中央处理器(CPUs)、数字信号处理器(DSPs)、专用集成电路、现场可编程门阵列(FPGAs)计算机等。
然而，应该明白，所有的这些术语和类似的术语将与适当的物理量相关并且仅是应用于这些物理量的方便的符号。除非以其他方式具体地规定，或如从讨论所显而易见的，诸如“处理”或“计算”或“确定”或“显示”等术语指操作被表示为计算机系统的寄存器和存储器中的物理电子量的数据并且将其转换成类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其它的这种信息存储、传送或显示装置中的物理量的其它数据的计算机系统或类似的电子计算装置的作用和过程。
还注意到执行示例性实施例的方面的软件通常被编码在一些形式的实体(或记录)存储介质上或通过一些类型的传送介质来执行。有形存储介质可以是磁介质(例如，软盘或硬盘)或光介质(例如，光盘只读存储器，或“CD ROM”)，并且可以只读或随机存取。类似地，传送介质可以是绞合线对、同轴电缆、光纤、或技术人员已知的一些其它适当的传送介质。示例性实施例不受任何规定的实现方式的这些方面的限制。
图1图示了根据示例性实施例的设备，其包括功率电子开关电路和用于估算流过功率电子开关电路的电流的装置。设备100可以包括功率电子开关电路102和电流感测装置104(在下文称为装置104)。
功率电子开关电路102可以包括半导体开关106和二极管108。电流IIGBT(或可选地，IMOSFET)可以流过功率电子开关电路102，如图1所示，可以确定该电流的估算值，如下文将描述的那样。半导体开关106可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，其具有栅极110、集电极112和发射极114。半导体开关106还可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(例如，nMOS、pMOS等)，其中元件110、112和114可以分别是栅极、漏极和源极。将认识到，半导体开关106不受限于以上IGBT和FET类型的晶体管，还可以包括任何其它已知的或将被开发的半导体基晶体管。
装置104可以包括第一电路116、数字装置118、处理器120和 存储器122。第一电路116可以包括直流电压源116-1、第一电阻元件116-2、第二电阻元件116-3、二极管116-4、以及连接在第一电阻元件116-2和接地之间的电容元件116-5。数字装置118可以具有内置模数转换器(ADC)，内置模数转换器可以是具有高精度(例如误差小于0.5％)的高速转换器(例如，转速时间是100纳秒)。数字装置118还可以具有用于接收信号和/或输出信号的输入/输出端口，如将在下文所述。存储器122可以是任何类型的存储装置，如上所述。存储器122可以由处理器120访问。在一示例性实施例中，存储器122可以是与装置104通信的分立单元。在一示例性实施例中，可以使用现场可编程门阵列(FPGA)取代存储器122。在一示例性实施例中，FPGA可以与微处理器一起使用以形成完整的片系统。因此，取代处理器120和存储器122，可以使用完整的片上系统。
如下文将参照图2更具体地描述，第一电路116可以测量IGBT晶体管106的集电极-发射极电压(Vce)(或可选地，MOSFET晶体管的漏极-源极电压(VDS))。数字装置118可以经由内置ADC数字化Vce(VDS)。此外，数字装置118可以能够读取IGBT晶体管的栅极-发射极电压(Vge)(或，可选地，MOSFET晶体管的栅极源极电压(VGS))的状态(开或闭)。Vge(或，可选地Vgs)可以是由数字装置118直接从控制信号128读取的数字化信号。在一示例性实施例中，可以基于控制信号128确定半导体开关106的栅极电压。控制信号128可以确定半导体开关106的导通/断开状态。例如，当控制信号128是高电平(H)时，半导体开关106导通，并且当控制信号128是低电平(L)时，半导体开关106断开。H或L还可以分别被表示为‘1’或‘0’。
在一示例性实施例中，如果Vge(或，可选地Vgs)是模拟信号，则数字装置118可以经由内置ADC数字化该模拟信号。
在一示例性实施例中，数字化Vge(或，可选地Vgs)可以被换流器和控制系统124获得，如下所述。因此，换流器和控制系统124可以将关于Vge(或，可选地Vgs)的信息传递到数字装置118，或可替换地将Vge(或，可选地Vgs)直接传递到处理器120以被使用，如将在下文所述。
在一示例性实施例中，由数字装置118读取Vge(或，可选地Vgs)而不是从换流器和控制系统124接收该信息，可以引起Vge(或，可选地Vgs)与半导体开关106上的电压降的测量值(例如，Vce)同步，并且如此避免由用于将信息从换流器和控制系统124发送到处理器120的额外的连接器/电缆引起的任何延迟。
如将在下文参照图2所述，处理器120可以基于数字化电压和至少半导体开关104的电压电流特性估算通过功率电子开关电路102的电流。
由处理器120估算的电流然后可以被换流器和/或控制系统124使用以控制电机126的期望参数(例如，速度、转矩等)。电机126可以是混合电机、重型设备电机等中的任一种，但是不受限于此。在一示例性实施例中，可能希望某个转矩和某个速度用于操作电机126。为提供该转矩/速度，换流器和控制系统124向电机126中的电动马达供应具有被调节的幅值和频率的受控电流，其中可以基于由装置104的处理器120估算的电流来确定所述受控电流。可以通过接通或断开功率电子开关电路(例如，功率电子开关电路102)将被调节的幅值和频率供给到电机126中的电动马达。
图2图示了根据示例性实施例的、估算流过图1示出的功率电子开关电路的电流的方法的流程图。在S200处，当半导体开关106(IGBT晶体管106，或可选地，MOSFET晶体管106)处于操作状态时(例如，半导体开关106处于导通状态)，装置104的第一电路116测量第一电压(例如，Vce，或可选地，VDS)。例如，当半导体开关106导通时，电容器116-5(C1)可以放电到比半导体开关106上的电压高二极管116-4(D3)上的电压降的量的电平。二极管116-4上的电压可以保持恒定并可忽视较小温度波动，因为在上文所述的电压平衡状态下(例如，电容器116-5(C1)放电的量比半导体开关106上的电压高二极管116-4(D3)上的电压降的量)，没有电流经由电阻器116-3(R3)和二极管116-4从电容器116-5流到半导体开关106。因此，电容器116-5上的电压降可以与半导体开关106上的电压相同并且因而其值可以被测量以测量半导体开关106上的电压(例如，IGBT中的Vce，或可 选地，FET中的VDS)。
在S210处，装置104的数字装置118可以数字化第一电压。如上所述，数字装置118可以进一步根据半导体开关106的类型读取半导体开关106的Vge或VGS。
在S215处，装置104的处理器120可以接收功率电子开关电路的估算温度。可以从换流器/控制系统124提供该估算温度。半导体开关106可以显示不同温度下的不同的伏安(还可以被称为伏特-安培)特性。类似地，二极管108可以显示不同温度下的不同的电压电流(还可以被称为伏安)特性。半导体开关106在一温度范围内的不同的伏安特性和/或二极管108在一温度范围内的不同的伏安特性可以被编程/存储在存储器122中。
在一示例性实施例中，存储器122不仅可以已经在其上编程或存储了半导体开关106/二极管108的不同的电压电流特性数据，还可以已经在其上编程或存储了用在一个或多个功率电子开关电路中的任何额外的半导体开关/二极管和/或其它的电子电路元件的不同的电压电流特性数据。
半导体开关106和/或二极管108的电压电流特性数据最初可以由半导体开关106和/或二极管108的制造商/供应商提供。此外，半导体开关106和/或二极管108的电压电流特性可以由用户调节。例如，对该电压电流特性的调节可以基于现场测试、经验数据、马达载荷/发电机载荷/发电机载荷特性和/或基于可以用作半导体开关106和二极管108的替换物的半导体开关/二极管的电压电流特性，其中所述替换物可以已经由不同的制造商/供应商生产/提供。
因此，在S220处并且一旦接收到估算温度，则处理器120可以访问存储器122并且从被存储在存储器122上的数据中确定对应于半导体开关106和/或二极管108的对应的一个电压电流特性数据。
在S225处，装置104经由处理器120可以估算流过半导体开关106的第一电流。处理器120可以使用三个输入估算第一电流。这三个输入可以是半导体开关106的集电极-发射极或漏极-源极上的数字化的第一电压、半导体开关106的Vge或VGS(例如，指示半导体开 关106是否导通或断开)、和半导体开关106的对应于接收到温度的电压电流特性。
在一示例性实施例中，处理器120可以通过执行采取基于多项式的电流估算算法的程序来估算第一电流，所述算法的次数/阶次和形式可以是设计选择和/或根据经验确定的内容。例如，在算法的初始配置中，可以进行测试，在测试期间，可以执行各种形式和次数/阶次的多项式，并且结果(例如，估算的电流)可以与由例如高保真、高精度和高准确度电流探针测量的电流相比以确定该多项式的适当的形式和次数/阶次。类似的技术可以应用于确定其它的适当的多项式，下文将描述用于确定其它值(电流、电压等)的多项式。
处理器120可以估算在每特定的时间间隔内流过功率电子开关电路102的电流，其中该时间间隔的数量可以由处理器120的时钟(未示出)的时钟频率控制(例如，时钟频率可以在纳秒范围内)。在一示例性实施例中，处理器120可以估算每当功率电子开关电路102将其状态从导通变成断开和从断开变成导通时流过功率电子开关电路102的电流。此外，处理器120的时钟可以与控制信号128的开关频率同步。因为换流器控制系统与处理器120和数字装置118通信，因此时钟可以与功率电子开关电路102的开关频率同步。
为估算所述电流，处理器120可以根据以下公式将接收到的三个输入输入到程序中：
iIGBT_estimated(n)＝f(vce_digitized(n)，vge_state (n)，TJ_sw_estimated) (1)
其中，n对应第n个采样时间间隔，iIGBT_estimated(n)是流过半导体开关106的第n个采样时间间隔估算电流，f是执行多项式的函数，vce_digitized(n)是半导体开关106在第n个采样时间间隔处的数字化第一电压(例如，Vce，或可选地，VDS)，vge_state(n)是半导体开关106在第n个采样时间间隔处的数字化Vge或VGS，并且TJ_sw_estimated是功率电子开关电路106的估算温度。将认识到，如果半导体开关106是MOSFET晶体管，则iIGBT_estimated(n)可以由iMOSFET_estimated(n)替代。
一旦处理器120在S225处估算第一电流，则处理器120在S230处估算流过二极管108在第(n+1)个采样时间间隔内的第二电流。在 一示例性实施例中，处理器120可以按照下述方式估算第二电流。
为估算流过功率电子开关电路102的电流，处理器120可以基于在S225处确定的流过半导体开关106的估算的第一电流来首先确定第n个采样时间间隔内二极管108上的电压降。处理器120可以使用具有适当形式和次数/阶次的多项式来确定在第n个采样时间间隔内二极管108上的电压降。处理器可以按照以下公式确定二极管108上侧的电压降：
vd(n)＝f(iIGBT_estimated(n)，vge_states(n)，(volt-ampere)diode，TJ_sw_estimated) (2)
其中vd(n)是二极管108上将被确定的在第n个采样时间间隔内的电压降，f是执行适当多项式的函数，iIGBT_estimated(n)(或，可选地，iMOSFET_estimated(n))是在S225处估算的流过半导体开关106的第n个采样时间间隔电流，(volt-ampere)diode是二极管108在TJ_sw_estimated的的伏安特性，TJ_sw_estimated是功率电子开关电路的估算温度。
一旦确定了二极管上的电压降，则处理器120可以估算第(n+1)个采样时间间隔内流过二极管108的第二电流。处理器120可以使用具有适当形式和次数/阶次的多项式来估算流过二极管108的该电流。处理器可以按照以下公式估算流过二极管108的该电流：
idiode_estimated(n+1)＝f{vd(n)，(volt-ampere)diode，TJ_sw_estimated} (3)
其中idiode_estimated(n+1)是流过二极管108流动的将被估算的第(n+1)个采样时间间隔电流，vd(n)是二极管108上的第n个采样时间间隔电压降，f是执行适当的多项式的函数，(volt-ampere)diode是二极管108的伏安特性，TJ_sw_estimated是功率电子开关电路的估算温度。
在S235处，处理器120可以基于在S225处估算的第一电流和在S230处估算的第二电流来估算流过功率电子开关电路的电流isw_estimated。在一示例性实施例中，处理器120可以将流过功率电子开关的电流估算为分别在S225和S230处估算的第一电流和第二电流的总和。
在一示例性实施例中，如参照图1-2所述并且通过使用基于多项式的电流估算算法来估算流过功率电子开关电路102的电流，消除了对使用具有上述缺点的外部电流传感器的需求。
图3图示了根据示例性实施例的另一设备，其包括功率电子开关电路和用于估算流过功率电子开关电路的电流的装置。设备300类似于设备100，除如下所述外。由图3中的附图标记300、302、304、306、308、310、312、314、316-1到316-5、318、320、322、324、326和328标明的元件与由图1中的附图标记100、102、104、106、108、110、112、114、116-1到116-5、118、120、122、124、126和128标明的元件相同。因此，省略了设备300的与设备100的被描述的元件对应的元件的描述。
如图3所示，与其对应部分102相比，装置302包括如将在下文所述的额外的第二电路330，可以利用第二电路330测量二极管308上的电压。类似于第一电路316，第二电路还包括电压源330-1、第一电阻元件330-2、第二电阻元件330-3、二极管330-4和电容元件330-5。
图4图示了根据示例性实施例的、估算流过图3示出的功率电子开关电路的电流的方法的流程图。在S400处，装置304经由第一电路316测量半导体开关306的集电极-发射极/漏极-源极上的第一电压(Vge或VDS，这取决于半导体开关306的类型)。第一电路316测量半导体开关306的集电极-发射极/漏极-源极上的第一电压的方式与图2中在S200处描述的方式相同。
在S405处，装置304经由第二电路330测量二极管308上的第二电压。例如，当二极管308导通时(例如，当半导体器件306断开时)，电容器330-5(C2)可以放电到一电平，该电平比二极管308上的电压高二极管330-4(D4)上的电压降的量。二极管330-4上的电压可以保持恒定并且可忽视较小温度波动，因为在上文所述的电压平衡状态下(例如，电容器330-5(C2)放电二极管330-4上的电压降的量加上二极管308上的电压)，没有电流经由电阻器330-3(R4)和二极管330-4从电容器330-5流到二极管308。因此，电容器330-5上的电压降可以与二极管308上的电压相同并且因而其值可以被测量以测量二极管308上的电压。
在S410处，装置304经由数字装置318分别数字化在S400和 S405处测量的第一电压和第二电压。数字装置318可以进一步数字化半导体开关306的Vge或VGS，这取决于半导体开关306的类型。数字装置318与参照图1描述的数字装置118相同。
在S415处，处理器320可以接收功率电子开关电路302的估算温度。处理器320类似于处理器120，可以从换流器/控制系统324接收估算温度。
在S420处，类似于关于S220描述的过程，处理器320可以基于在S415处接收的功率电子开关电路的估算温度来确定半导体开关306/二极管308的适当的电压电流特性。
在S425处，装置304经由处理器320可以估算通过功率电子开关电路302的电流isw_estimated。装置304可以使数字化的第一电压和第二电压与在S410处确定的半导体开关306的数字化的Vge或VGS同步。装置304然后可以将同步电压馈送到处理器320中。处理器320可以执行基于多项式的电流估算算法，所述电流估算算法可以使用数字化的第一电压和第二电压、半导体开关306的数字化Vge或VGS以及功率电子开关电路302的估算温度。所执行的基于多项式的算法的输出可以是流过功率电子开关电路302的估算电流。如上所述，基本的多项式的形式和次数/阶次可以基于经验研究和/或可以是设计选择的内容。
在一示例性实施例中，如参照图3-4所述并且通过使用基于多项式的电流估算算法来估算流过功率电子开关电路302的电流，消除了对使用具有上述缺点的外部电流传感器的需求。
在一示例性实施例中，诸如图1的换流器124和/或图3的换流器324指令的换流器可以是在电机(例如，混合电机)中用作机载发电系统和牵引系统的双系统换流器。因此，不同的功率电子开关系统可以与双系统换流器的高压侧(HS)和低压侧(LS)相关。为估算每个相的换流器(例如，换流器124/324)的电流，需要估算该电流中流过HS功率电子开关电路的第一部分和该电流中流过LS功率电子开关电路的第二部分。
图5图示了根据示例性实施例的电气结构，其具有高压侧设备和 低压侧设备以及每个设备中用于估算一电流中流过包括在每个设备中的功率电子开关电路的部分的装置。如图5所示，电气结构550包括一对HS设备500-HS、LS设备500-LS和处理器555。HS侧设备500-HS包括HS功率电子开关电路502-HS和HS装置504-HS。LS侧设备500-LS包括LS功率电子开关电路502-LS和LS装置504-LS。HS设备500-HS与图1示出的设备100相同。LS设备500-LS与图1示出的设备100相同。因此，对于规定的采样时间间隔，HS装置504-HS的处理器以与上文参照图2描述的相同方式估算该电流中流过HS功率电子开关电路502-HS的第一部分，iphase_estimated_HS。类似地，对于规定的采样时间间隔，LS装置504-LS的处理器以与上文参照图2描述的相同方式估算该电流中流过LS功率电子开关电路502-LS的第二部分iphase_estimated_LS。
随后，处理器555可以通过，例如，将分别由504-HS和504-LS的处理器估算的iphase_estimated_HS和iphase_estimated_LS相加来估算电流iphase_estimated。随后，iphase_estimated可以由换流器524使用以控制电机526。
图6图示了根据示例性实施例的另一电气结构，其具有高压侧设备和低压侧设备以及每个设备中用于估算一电流中流过包括在每个设备中的功率电子开关电路的部分的装置。如图6所示，电气结构650包括一对HS设备600-HS、LS设备600-LS和处理器655。HS侧设备500-HS包括HS功率电子开关电路602-HS和HS装置604-HS。LS侧设备600-LS包括LS功率电子开关电路602-LS和LS装置604-LS。HS设备600-HS与图3示出的设备300相同。LS设备600-LS与图3示出的设备300相同。HS装置604-HS的处理器以与上文参照图4描述的相同方式估算该电流中流过HS功率电子开关电路602-HS的第一部分iphase_estimated_HS。LS装置604-LS的处理器以与上文参照图4描述的相同方式估算该电流中流过LS功率电子开关电路602-LS的第二部分iphase_estimated_LS的。
随后，处理器655可以通过，例如，将分别由604-HS和604-LS的处理器估算的iphase_estimated_HS和iphase_estimated_LS相加来估算电流iphase_estimated。随后，iphase_estimated可以由换流器624使用以控制电机626。
图7A-C图示了根据示例性实施例的、具有HS和LS功率电子开关电路的换流器相以及该变换器相的相电流的方向。如图7A所示，iphase是分别来自HS功率电子开关电路702-HS和LS功率电子开关电路702-LS的两个电流iphase-HS和iphase-LS的合量。如图7B所示，当半导体开关706-HS接通时，iphase-HS流过半导体开关706-HS，同时没有电流流过二极管708-HS。并且，当半导体开关706-HS接通时，半导体开关706-LS断开并且iphase-LS流过二极管708-LS。因此，iphase是流过半导体开关706-HS的电流和流过二极管708-LS的电流的总和。类似地，如图7C所示，当半导体开关706-HS断开时，半导体开关706-LS接通，并且因而iphase可以是流过二极管708-HS的电流和流过半导体开关706-LS的电流的总和。
基于参照图2描述的方法，参照图7A-C描述的对电流和电压的确定可以基于下文。可以首先根据以下方程(4)确定半导体开关706-HS在第n个采样时间间隔内的iIGBT_estimated(n)_HS：
iIGBT_estimated(n)_HS＝f(vce_digitized(n)_HS,vge_state(n),TJ_sw_estimated_HS) (4)
使用用于HS的估算的IGBT电流，可以根据以下方程(5)确定LS二极管708-LS上的电压降：
vd(n-1)_LS＝f(iIGBT_estimated(n-1)_HS,vge_state(n-1)_HS,vge_state(n-1)_LS，(volt-ampere)diode_LS，TJ_sw_estimated_LS) (5)
使用二极管708-LS上的估算的电压降，可以根据以下方程(6)确定流过LS二极管708-LS的电流：
idiode_estimated(n)_LS＝f{vd(n-1)_LS，(volt-ampere)diode_LS，TJ_sw_estimated_LS} (6)
因此，iphase可以由下式给出：
isw_estimated(n)iIGBT_estimated(n)_HS+idiode_estimated(n)_LS (7)
在一示例性实施例中，应用参照图4(例如，测量半导体开关706-HS/706-LS和二极管708-HS/708-LS上的电压降)至图7描述的方法，可以按照下述方式确定iphase：
iphase_estimated(n)_HS＝iIGBT_estimated(n)_HS+idiode_estimated(n)_HS (8)
iphase_estimated(n)_LS＝iIGBT_estimated(n)_LS+idiode_estimated(n)_LS (9)
其中(8)和(9)中的iIGBT_estimated(n)_HS、iIGBT_estimated(n)_LS、 idiode_estimated(n)_HS和idiode_estimated(n)_LS可以基于HS/LS半导体开关和二极管上测量的电压降确定，由下式给出：
vsw_digitized(n)_HS＝vce_digitized(n)_HS+vd_digitized(n)_HS (10)
vsw_digitized(n)_LS＝vce_digitized(n)_LS+vd_digitized(n)_LS (11)
iphase_estimated(n)_HS＝f{vsw_digitized(n)_HS，vge_state(n)_HS，vge_state(n)_LS} (12)
iphase_estimated(n)_LS＝f{vsw_digitized(n)_LS,vge_state(n)_HS，vge_state(n)_LS} (13)
然后，
iphase_estimated(n)＝iphase_estimated(n)_HS+iphase_estimated(n)_HS (14)
图8图示了根据示例性实施例的、可用于混合动力车辆中的机载发电系统和牵引系统的双换流器系统，其使用了参照图1-2描述的多个装置。图8图示了用于机载发电系统的电路配置800-A，其中诸如参照图1和图3描述的多个装置被用于双换流器系统中(例如，被编号并且作为多个装置的示例示出的800HS/LS)。每个设备都包括功率电子开关电路(例如，802-HS或802-LS)和用于估算流过功率电子开关802-HS/802-LS中对应的一个的电流的装置(例如，804-HS或804-LS)。估算电流(例如，装置804-HS的输出isw-sg1或装置804-LS的输出isw-sg4)然后可以被用于控制与一对HS/LS功率电子开关电路(例如，802-HS和802-LS)关联的由发电机850生成的三相电流的每一相，如图8所示。
此外，图8图示了用于机载牵引系统的电路配置800-B，其中诸如参照图1至图3描述的多个装置被以与关于电路配置800-A描述的类似的方式使用。
尽管图8图示了可用于混合动力车辆中的机载发电系统和牵引系统的双换流器系统，所述双换流器系统使用了参照图1-2描述的多个装置，但是还可以使用(与参照图1-2描述的装置同时使用或代替其使用)参照图3-4描述的多个装置。
图9图示了根据示例性实施例的、具有三相输出和n相开关磁阻电机的永磁体发电机，其使用了参照图1-2描述的多个装置。
图9图示了可以具有三相输出的永磁体(PM)发电机的电路配置900-A，其中利用了诸如参照图1和图3描述的多个装置(例如，被编 号并且作为多个装置的示例示出的800HS/LS)。每个设备都包括功率电子开关电路(例如，902-HS或902-LS)和用于估算流过功率电子开关902-HS/902-LS中对应的一个的电流的装置(例如，904-HS或904-LS)。估算电流(例如，装置904-HS的输出isw-sg1或装置904-LS的输出isw-sg4)然后可以被用于控制永磁体发电机900-A的与一对HS/LS功率电子开关电路(例如，902-HS和902-LS)相关的、由发电机950生成的三相输出中的每一相，如图9所示。
此外，图9图示了可以是n-相开关磁阻电机的电路配置900-B，其中诸如参照图1至图3描述的多个装置被以与关于电路配置900-A描述的类似的方式使用。
存在与n相开关磁阻电机900-B的每个相相关的四个操作模式。因此，对开关磁阻(SR)电机900-B的相1的描述将被作为n相开关磁阻电机900-B的示例给出。
在模式1中，图9示出的功率电子开关电路970(ST11)和功率电子开关电路972(ST12)接通。因此，将建立通过SR牵引电机绕组974的电流(iphase_1)。当电机绕组974跨接在换流器的连接至开关功率电子开关电路970和972换流器的直流总线和直流总线前端(+Vdc)时(在图3中示出但是未在图9中示出)，将换流器直流总线电压应用在电机绕组974上将促使通过电机绕组974的电流(iphase_1)上升。然后如下表示SR电机相电流：
iphase_1＝ist11＝ist12 (15)
在模式2中，功率电子开关电路970(ST11)接通并且功率电子开关电路(ST12)断开。因此，流过SR电机的电流将惯性流动(free wheel)并且没有电压将被施加到SR电机绕组974上。因此，通过SR电机的电流量可以以由电机时间常数控制的速度下降。因此，
iphase_1＝ist11＝idt11 (16)
在模式3中，功率电子开关电路970(ST11)断开并且功率电子开 关电路(ST12)接通。因此，通过SR电机的电流将惯性流动并且没有电压将被施加到SR电机绕组974上。因此，通过SR电机的电流量可以以由电机时间常数(τ)控制的速度下降。因此，
iphase_1＝ist12＝idt12 (17)
在模式4中，功率电子开关电路970(ST11)和功率电子开关电路(ST12)断开。因此，流过SR电机的电流将惯性流过二极管976(DT12)和二极管978(DT11)并且回到换流器直流，导致再生制动(regenerative braking)。因此，反向电压(-Vdc)将被施加到SR电机绕组974上。由于施加反向电压(-Vdc)，通过SR电机绕组974的电流将以比上述的惯性流动的电流状态更快的速度下降。因此，
iphase_1＝idt12＝idt11 (18)
根据公式(15)至(18)，将认识到，如果使用参照图1-2描述的方法估算通过功率电子开关970和972(ST11和ST12)和二极管976和978(DT11和DT12)的电流，则可以以不使用任何外部电流传感器的方式精确地估算SR电机900-B的相电流，这提供了下文描述的优点。
尽管图9图示了具有三相输出和n-相开关磁阻电机的永磁体发电机，所述永磁体发电机使用了参照图1-2描述的多个装置，但是还可以使用(与参照图1-2描述的装置同时使用或代替其使用)参照图3-4描述的多个装置。
在又一示例性实施例中，参照图1和图3描述的装置可以被用于对具有梯形反电动势(emf)和方波形电流的无刷直流马达需要的换流器进行电流感测。
如上所述，上文参照图1-4描述的示例性电流感测装置和基于对应的多项式的估算方法消除了对传统上用于感测功率电子开关电路的电流的外部电流传感器的需求。
上述利用电流感测装置和相关联的方法的一些优点包括，第一，由于消除了电流传感器和相关联的组件，可以实现较大的成本降低。第二，将消除由电流传感器导致的误差，因此，由于消除了电流传感器和电流传感器处理电路导致的变化，因而电动驱动控制系统将提供改进的和精确的性能。第三，电动驱动装置将能够对电动驱动装置中 的诸如过电流状态和缺少至车辆底盘的换流器输出的异常状态反应更快。这可能由于在快速数字处理器(例如，图1的处理器120)中执行的电流估算方案，其中相关联的时钟时间可以是纳秒级的，而不是常规电流传感器的微秒级传感器反应。第四，上述的电流感测装置将导致电动驱动装置中的电流传感器的数量的消除或减少，因此导致了具有更小占用空间的更简单的整体换流器系统、与之相关联的较低成本、和由于消除了传感器失效导致的故障而增加的可靠性，所述传感器失效可以是由于振动和由例如该传感器中的自我加热导致的高温而失效的常规电流传感器具有的情况。
如此描述示例性实施例，将明显的是，可以以许多方式改变示例性实施例。这种改变不被认为违反示例性实施例的精神和范围，并且对于本领域的技术人员明显的所有的这种修改旨在被包括在权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种用于估算电流的设备，包括：
具有半导体开关的功率电子开关电路；和
与所述功率电子开关电路通信的装置，所述装置包括处理器，该处理器被配置成：
测量所述半导体开关上的第一电压；
用于基于所测量的第一电压、控制半导体开关的控制信号和半导体开关的第一电压电流特性来估算通过半导体开关的半导体开关特定电流；
基于所估算的半导体开关特定电流、所述控制信号和所述功率电子开关电路的二极管的第二电压电流特性来确定所述二极管上的第二电压；
基于所确定的第二电压和第二电压电流特性来估算通过所述二极管的二极管特定电流；以及
基于所估算的半导体开关特定电流和所估算的二极管特定电流来估算通过功率电子开关电路的电流。
2.根据权利要求1所述的设备，其中
所述装置进一步包括被配置成用于测量所述半导体开关上的所述第一电压的第一电路。
3.根据权利要求2所述的设备，其中
所述装置进一步包括被配置成用于数字化所测量的第一电压的模数转换器，并且
所述处理器被配置成用于基于被数字化的所测量的第一电压、所述控制信号和第一电压电流特性来估算所述半导体开关特定电流。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述处理器被配置成用于
接收所述功率电子开关电路的估算温度，并且
确定对应于所接收的估算温度的第一电压电流特性和第二电压电流特性。
5.根据权利要求1所述的设备，其中
所述装置进一步包括第一电路和第二电路，
所述第一电路被配置成用于测量所述第一电压，
所述第二电路被配置成用于测量所述第二电压。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述装置进一步包括数模转换器，所述数模转换器被配置成用于
数字化所测量的第一电压和所测量的第二电压，并且
用于基于被数字化的所测量的第一电压、控制半导体开关的控制信号和半导体开关的第一电压电流特性来估算通过半导体开关的半导体开关特定电流；
基于被数字化的所测量的第二电压和第二电压电流特性来估算所述二极管特定电流。
7.根据权利要求1所述的设备，其中
所述半导体开关是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和场效应晶体管(MOSFET)中的至少一种，并且
所述第一电压是IGBT的集电极-发射极电压和MOSFET的漏极-源极电压中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述装置被配置成用于将估算的电流发送到换流器以控制电机。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述处理器被配置成用于通过将所述第一电压、控制信号和第一电压电流特性输入到基于多项式的电流估算算法中而估算所述电流。
10.一种用于估算电流的电气结构，包括：
第一设备，所述第一设备包括具有半导体开关和第一装置的第一功率电子开关电路，所述第一装置包括第一处理器，所述第一处理器被配置成：
用于基于所述第一功率电子开关电路的半导体开关上的第一电压、控制所述功率电子开关电路的半导体开关的第一控制信号、和所述功率电子开关电路的半导体开关的第一电压电流特性来估算一电流中流过所述第一功率电子开关电路的第一部分；
第二设备，所述第二设备包括第二功率电子开关电路和第二装置，所述第二装置包括第二处理器，所述第二处理器被配置成：
测量所述第二功率电子开关电路的半导体开关上的第二电压；
基于所测量的第二电压来估算流过所述第二功率电子开关电路的半导体开关的半导体开关特定电流；
基于所估算的半导体开关特定电流来估算流过所述第二功率电子开关电路的二极管的二极管特定电流；并且
用于基于所估算的半导体开关特定电流、所估算的二极管特定电流、控制所述第二功率电子开关电路的半导体开关的第二控制信号、和所述第二功率电子开关电路的半导体开关的第一电压电流特性来估算所述电流中流过所述第二功率电子开关电路的第二部分；和
第三处理器，所述第三处理器被配置成用于基于所述电流的所估算的第一部分和所述电流的所估算的第二部分来估算所述电流。
11.根据权利要求10所述的电气结构，其中
所述第一设备进一步包括被配置成用于测量所述第一功率电子开关电路的半导体开关上的第一电压的第一电路，并且
所述第一处理器被配置成用于
基于所测量的第一电压来估算流过所述第一功率电子开关电路的半导体开关的半导体开关特定电流，
基于所估算的半导体开关特定电流来估算流过所述第一功率电子开关电路的二极管的二极管特定电流，以及
基于所估算的半导体开关特定电流和所估算的二极管特定电流来估算所述电流的所述第一部分。
12.根据权利要求10所述的电气结构，其中所述第二设备进一步包括被配置成用于测量第二电压的第一电路。
13.根据权利要求10所述的电气结构，其中
所述第一设备进一步包括
第一电路，所述第一电路被配置成用于测量所述第一功率电子开关电路的半导体开关上的第一电压，和
第二电路，所述第二电路被配置成用于测量所述第一功率电子开关电路的二极管上的第三电压，并且
所述第一处理器被配置成用于基于所测量的第一电压、所测量的第三电压、第一控制信号、第一功率电子开关电路的半导体开关的第一电压电流特性、和第一功率电子开关电路的二极管的第二电压电流特性来估算所述电流中流过所述第一功率电子开关电路的所述第一部分。
14.根据权利要求10所述的电气结构，其中
所述第二设备进一步包括
第一电路，所述第一电路被配置成用于测量第二电压，和第二电路，所述第二电路被配置成用于测量所述第二功率电子开关电路的二极管上的第三电压，和
所述第二处理器被配置成用于基于所测量的第二电压、所估算的半导体开关特定电流、所估算的二极管特定电流、所测量的第三电压、第二控制信号、第二功率电子开关电路的半导体开关的第一电压电流特性、和第二功率电子开关电路的二极管的第二电压电流特性来估算所述电流中流过所述第二功率电子开关电路的所述第二部分。
15.一种用于估算电流的方法，包括下述步骤：
测量功率电子开关电路的半导体开关上的第一电压；以及
基于所测量的第一电压、控制所述半导体开关的控制信号和所述半导体开关的第一电压电流特性来估算通过所述半导体开关的半导体开关特定电流；
基于所估算的半导体开关特定电流、所述控制信号和所述功率电子开关电路的二极管的第二电压电流特性来确定所述二极管上的第二电压；以及
基于所确定的第二电压和第二电压电流特性来估算通过所述二极管的二极管特定电流，以及
基于所估算的半导体开关特定电流和所估算的二极管特定电流来估算通过所述功率电子开关电路的电流。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括下述步骤：
数字化所测量的第一电压，其中
估算通过所述半导体开关的半导体开关特定电流的步骤是基于被数字化的所测量的第一电压、所述控制信号和第一电压电流特性来估算所述半导体开关特定电流。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括下述步骤：
接收所述功率电子开关电路的估算温度，并且
确定对应于所接收的估算温度的第一电压电流特性和第二电压电流特性。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括下述步骤：
数字化所测量的第一电压和所测量的第二电压，其中
估算通过所述半导体开关的半导体开关特定电流的步骤是基于被数字化的所测量的第一电压、控制所述半导体开关的控制信号和所述半导体开关的第一电压电流特性来估算所述半导体开关特定电流，以及
估算所述二极管特定电流的步骤是基于被数字化的所测量的第二电压和第二电压电流特性来估算所述二极管特定电流。
19.根据权利要求15所述的方法，其中
所述半导体开关是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和场效应晶体管(MOSFET)中的至少一种，并且
所述第一电压是IGBT的集电极-发射极电压和MOSFET的漏极-源极电压中的至少一种。
20.根据权利要求15所述的方法，进一步包括下述步骤：
发送所估算的电流到换流器以控制电机。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述换流器以不使用电流传感器的方式控制所述电机。
22.根据权利要求15所述的方法，其中估算通过所述功率电子开关电路的电流的步骤是通过将所述第一电压、控制信号和第一电压电流特性输入到基于多项式的电流估算算法来估算所述电流。
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