CN105827135A - 死区时间插入预补偿的功率变换器 - Google Patents

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Abstract

一种功率变换器具有相桥臂，相桥臂具有跨接DC链路的上部开关装置和下部开关装置。装置之间的连接点被连接到负载。电流传感器检测从连接点流入负载的电流的方向。栅极驱动器响应于脉宽调制(PWM)以由可变占空比生成标称栅极信号而根据上部和下部栅极信号来激活装置。当检测到正电流方向时，则上部栅极信号具有相对于标称信号移动预定的偏置量的导通时间和关断时间，并且所述死区时间被增加到下部栅极信号。当检测到负方向时，则下部栅极信号具有相对于标称信号移动预定的偏置量的导通时间和关断时间，并且死区时间被增加到上部栅极信号。

Description

死区时间插入预补偿的功率变换器
背景技术
本发明总体涉及用于电动车辆的电驱动系统的包括逆变器的功率变换器，并且更具体地涉及用于控制开关装置使得死区时间间隔可以在不引入变换器的输出的任何显著失真的情况下插入的预补偿栅极驱动信号。
电动车辆，例如混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、以及纯电动车辆(BEV)，使用逆变器驱动的电机来提供牵引扭矩和再生制动扭矩。典型的电驱动系统包括DC(直流)电源(例如电池组或燃料电池)，DC电源通过接触器开关连接到可变电压变换器(VVC)以调节主DC链路电容器两端的主总线电压。逆变器连接在用于DC链路的主总线和牵引马达之间以便将DC功率转换成连接到马达的线圈以推进车辆的AC(交流)功率。第二逆变器也可以连接在主总线和发电机(如果存在的话)之间以提供从原动机——通常是内燃发动机——到DC链路的另一条功率流路径。
逆变器包括以桥式配置连接包括多个相桥臂的晶体管开关装置(例如绝缘栅双极型晶体管，或称IGBT)。典型的配置包括由具有三个相桥臂的逆变器驱动的三相马达。电子控制器接通和断开开关以便将来自总线的DC电压转化成施加到马达的AC电压，或将来自发电机的AC电压整流成总线上的DC电压。在每种情况下，逆变器响应于包括电机的旋转位置和流进每个相中的电流的各种感测到的条件来控制。
用于马达的逆变器可以优选脉宽调制DC链路电压，以便传送正弦电流输出的近似值以在所需的速度和扭矩下驱动马达。施加到IGBT的栅极的脉宽调制(PWM)控制信号根据需要使其接通和断开使得所产生的电流匹配所需的电流。
因为逆变器的每个相桥臂具有跨接DC链路的一对上部和下部开关装置，重要的是，这两个装置不能同时导通(即，接通)。否则，所产生的相桥臂的“直通”可能导致损坏开关装置。关于逆变器的PWM控制通常使用在相桥臂的上部和下部开关装置都断开期间的短的时间间隔——被称为死区时间——以便防止直通。然而，死区时间的插入已导致传送到负载的输出波形的失真和控制延迟的引入。
发明内容
在本发明的一个方面，一种功率变换器包含配置用于接收DC电源电压的DC链路和至少一个相桥臂。相桥臂包含跨接DC链路的上部开关装置和下部开关装置。上部开关装置和下部开关装置之间的连接点配置为连接到负载。用于相桥臂的电流传感器检测从连接点到负载的电流的方向为正或为负。栅极驱动器连接到相桥臂以响应于脉宽调制(PWM)以由可变占空比生成标称栅极信号而根据上部栅极信号激活上部开关装置并且根据下部栅极信号激活下部开关装置。当检测到正电流方向时，则上部栅极信号具有相对于标称栅极信号各自移动预定的偏置量的导通时间和关断时间，并且下部栅极信号具有相对于上部栅极信号的相应的关断时间延迟的导通时间并且具有相对于上部栅极信号的相应的导通时间提前的关断时间。当检测到负电流方向时，则下部栅极信号具有相对于标称栅极信号各自移动预定的偏置量的导通时间和关断时间，并且上部栅极信号具有相对于下部栅极信号的相应的关断时间延迟的导通时间并且具有相对于下部栅极信号的相应的导通时间提前的关断时间。
根据本发明的一个实施例，其中对于正电流方向和负电流方向二者，上部栅极信号和下部栅极信号被连续地生成，并且其中响应于检测到的电流方向为栅极驱动器选择相应的栅极信号。
根据本发明的一个实施例，其中脉宽调制包括PWM载波信号，其中当通过将PWM载波信号和来自可变占空比的正偏置进行比较而检测到正电流方向时，生成上部栅极信号和下部栅极信号，并且其中当通过将PWM载波信号和来自可变占空比的负偏置进行比较而检测到负电流方向时，生成上部栅极信号和下部栅极信号。
根据本发明的一个实施例，其中栅极信号是通过与选通每个比较信号与各自的延迟的比较信号而生成，其中延迟的比较信号是根据预定的死区时间tD而延迟。
根据本发明的一个实施例，其中载波信号具有预定的斜率，并且其中正偏置和负偏置之间的差除以预定的斜率等于预定的死区时间tD。
根据本发明的一个实施例，其中载波信号包含三角波形。
根据本发明的一个实施例，功率变换器进一步包含：
第二相桥臂，所述第二相桥臂包含跨接DC链路的第二上部开关装置和第二下部开关装置，其中第二上部开关装置和所述第二下部开关装置之间的第二连接点配置为连接到负载；
用于第二相桥臂的第二电流传感器，第二电流传感器检测从第二连接点流入负载的第二电流的方向为正或为负；以及
连接到第二相桥臂的第二栅极驱动器，第二栅极驱动器响应于第二PWM载波信号以由可变占空比生成标称第二栅极信号而根据第二上部栅极信号激活第二上部开关装置并且根据第二下部栅极信号激活第二下部开关装置；
其中当检测到所述正第二电流方向时，则第二上部栅极信号具有相对于标称第二栅极信号各自移动预定的偏置量的导通时间和关断时间，并且第二下部栅极信号具有相对于所述第二上部栅极信号的相应的关断时间延迟的导通时间并且具有相对于第二上部栅极信号的相应的导通时间提前的关断时间；并且
其中当检测到负第二电流方向时，则第二下部栅极信号具有相对于标称第二栅极信号各自移动第二预定的偏置量的导通时间和关断时间，并且第二上部栅极信号具有相对于第二下部栅极信号的相应的关断时间延迟的导通时间并且具有相对于第二下部栅极信号的相应的导通时间提前的关断时间。根据本发明的一个实施例，其中所述负载包含用于道路车辆的电动牵引马达，并且其中所述可变占空比对应于所述牵引马达的所需扭矩。
根据本发明，提供一种功率变换器，包含：
DC链路，DC链路配置用于接收DC电源电压；
相桥臂，相桥臂包含跨接DC链路的上部开关装置和下部开关装置，其中上部开关装置和下部开关装置之间的连接点配置为连接到负载；
用于相桥臂的电流传感器，电流传感器检测从连接点流入负载的电流的方向为正或为负；以及
连接到相桥臂的栅极驱动器，栅极驱动器根据上部栅极信号激活上部开关装置并且根据下部栅极信号激活下部开关装置；以及
控制器，控制器1)生成来自命令的占空比的正占空比偏置和负占空比偏置，2)将PWM载波信号与占空比偏置进行比较以生成第一比较信号和第二比较信号，3)将比较信号与各自的延迟的比较信号与选通以生成正预补偿的栅极驱动信号和负预补偿的栅极驱动信号，其中延迟的比较信号是根据预定的死区时间tD而延迟，4)当方向为正时，选择正预补偿的栅极驱动信号，并且5)当所述方向为负时，选择负预补偿的栅极驱动信号。
根据本发明的一个实施例，其中载波信号具有预定的斜率，并且其中正偏置占空比和负偏置占空比之间的差除以预定的斜率等于预定的死区时间tD。
根据本发明的一个实施例，其中载波信号包含三角波形。
根据本发明的一个实施例，其中负载包含用于道路车辆的电动牵引马达，并且其中可变占空比对应于牵引马达的所需扭矩。
附图说明
图1是示出了根据本发明的一个实施例的电动车辆的动力传动系统的示意性框图；
图2是示出了有插入死区时间和没有插入死区时间的栅极信号的生成的波形图；
图3是示出了一个相桥臂的示意图；
图4是示出了原始(即，标称)栅极驱动信号的修正的波形图，其中死区时间可以随后被插入到大体上无失真的栅极驱动信号中；
图5是示出了本发明的一个优选方法的流程图；
图6是示出了根据本发明的一个优选实施例的电路的框图。
具体实施方式
图1示出了作为用于实施本发明的死区时间插入的一种类型的车辆的混合动力电动车辆10。车轮11可以通过内燃发动机12和/或通过牵引马达13经由变速器14来驱动。为了提供电推进，马达13可以经由逆变器15来驱动，逆变器15在DC链路电容器16处接收DC链路电压。DC链路电压可以起因于由变换器(DC-DC)18引起的来自电池组17的DC功率的转换，如现有技术已知的那样。
逆变器15包括连接到马达相线圈23、24和25的相桥臂20、21和22。相桥臂20具有上部开关装置26和下部开关装置27，上部开关装置26和下部开关装置27串联跨接在DC链路16两端并且提供装置26和27之间的连接点28，连接点28连接到马达13的线圈23。同样地，相桥臂21具有上部开关装置30和下部开关装置31，同时相桥臂22具有上部开关装置32和下部开关装置33。连接点34和35分别连接到马达线圈24和25。
开关装置可以包含IGBT、反并联二极管、宽带隙场效应晶体管(FET)或其他装置。上部开关装置和下部开关装置中的每个具有连接到控制器38中的驱动器37的各自的栅极端子。连接到相桥臂的每个连接点的电流传感器40测量流过每个相线圈的电流。从传感器40测得的电流大小被提供到控制器38中的逻辑电路41，用于确定通过驱动器37施加到开关装置的PWM开关信号。如本领域已知的，测得的电流可以与根据扭矩需求42所确定的所需的马达电流进行比较，扭矩需求42可以从操作者输入例如从加速器踏板得到，使得操作者可以控制车辆速度。因此，电流反馈在逻辑电路41中确定PWM占空比，PWM占空比然后用于生成用于相桥臂开关装置的PWM开关信号的时序。
图2示出了PWM载波信号45，其在相比于马达的旋转频率的高频率(例如，大约5kHz)下生成为三角波形。使用用于基于电流控制来生成栅极驱动开关信号的已知PWM方法，PWM占空比信号46响应于检测到的电流和目标电流之间的任何误差而生成。将占空比46与PWM载波信号45进行比较以生成以下图2中所示的PWM信号。信号47是原始上部装置栅极信号GUO，当PWM载波信号45大于占空比信号46时GUO具有低逻辑电平，并且当占空比信号46大于PWM载波信号45时，GUO具有高逻辑电平。信号48示出了原始下部装置栅极信号GLO，其是GUO信号47的逻辑反相。这些原始(即，标称)栅极信号除了通过使用PWM载波信号之外，可以例如通过直接数值计算而生成。
为了避免使用原始栅极信号47和48可能发生的直通，常规的死区时间插入如下执行。通过将时间延迟(例如，固定的死区时间延迟tD)引入到信号47中得到波形50。固定的时间延迟代表避免由于上部栅极信号和下部栅极信号之间的噪声或传播延迟差可能发生的上部开关装置和下部开关装置的同时激活的足够长的死区时间插入(通常具有几微秒的持续时间)。通过原始栅极信号47和延迟的栅极信号50的与选通(AND-gating)(即，形成逻辑与)得到死区时间插入的上部开关装置栅极信号(GUDI)51。信号52示出了使用同样的固定延迟tD的下部栅极信号48的时间延迟版本。死区时间插入的下部开关装置栅极信号(GLDI)53被生成为原始下部装置栅极信号48和延迟的信号52的逻辑与。在现有技术中，死区时间插入的上部栅极信号51和下部栅极信号53(GUDI和GLDI)已分别用于在所有条件下驱动相桥臂开关装置(即，在每次开关事件时插入死区时间54)，其中开关装置导通的每个正转变已被延迟而开关装置关断的每个负转变不变。
图3更详细地示出了相桥臂20，其中电流i的大体上正弦流动55当从连接点28流入马达相线圈23时具有正方向并且当从线圈23流入连接点28时具有负方向。当相电流为正的时间期间，则换相发生在主动上部开关装置26a和被动下部开关装置27p之间。换言之，尽管主动装置26a和27a被交替激活，但是仅主动上部装置26a被导通并且下部主动装置27a不携带电流，因为电流方向与此相反。下部被动装置27p在上部主动装置26a未被激活的时间周期期间携带电流。同样地，当相电流为负时，换相发生在被动上部装置26p和主动下部装置27a之间。
原始标称PWM开关信号(在死区时间插入前)通过提供相电压v操作，旨在根据以下公式实现目标电流i：
i ( t ) = 1 L ∫ t 0 t v · d t + i ( t 0 )
其中L是相电感。积分的单位为伏秒。死区时间插入产生导致电流失真的丢失或额外的伏秒(取决于电流方向)。本发明的目的是预补偿PWM生成的信号以考虑由死区时间插入引入的丢失或额外的伏秒以便避免负载电流失真。更具体地，当检测到的电流方向为正时，则上部栅极信号具有相对于标称栅极信号各自移动预定偏置量(例如，等于死区时间tD)的导通时间和关断时间。因为它们同等移动，所以由主动上部开关装置传送的总伏秒没有偏差。下部栅极信号具有增加的死区时间，增加的死区时间通过相对于上部栅极信号的相应的关断时间延迟其导通时间并且相对于上部栅极信号的相应的导通时间提前其关断时间而产生。因为下部开关装置是被动的，所以死区时间插入在不产生失真的情况下实现。
当检测到的电流方向为负时，则下部栅极信号具有相对于标称栅极信号各自移动预定偏置量(例如，等于死区时间tD)的导通时间和关断时间。因为他们同等偏置，所以由主动下部开关装置传送的总伏秒没有偏差。上部栅极信号在增加的死区时间生成，增加的死区时间通过相对于下部栅极信号的相应的关断时间延迟其导通时间并且相对于下部栅极信号的相应的导通时间提前其关断时间而产生。因为在这种情况下上部开关装置是被动的，所以死区时间插入在不产生失真的情况下实现。
图4示出了用于生成预补偿死区时间插入栅极信号的一种优选方法的信号波形。在该方法中，PWM载波信号与偏置的占空比信号而不是与常规获得的可变占空比的标称值进行比较。因此，电流反馈用于确定占空比信号46的标称目标值。“+Δ”或“正偏置”占空比信号60通过占空比信号46增加预定的偏置量而获得。“-Δ”或“负偏置”占空比信号61通过从占空比信号46减去预定的偏置量而获得。PWM载波信号46具有预定的斜率。考虑到斜率和正偏置占空比和负偏置占空比之间的差(其等于两倍的预定偏置量)，死区时间窗口64定义等于所需的死区时间tD的时间间隔。在没有死区时间插入的情况下，死区时间窗口64集中在标称开关转变时间。
基于使用正偏置占空比和负偏置占空比的比较，导出当电流方向为正或为负时使用的单独的死区时间插入栅极信号对，具体如下。PWM载波与正偏置占空比的比较生成示为波形65的上部原始正偏置栅极信号GUO+。为了生成用于下部开关装置的相应的栅极信号的目的，上部栅极信号被反相以提供示为波形66的信号栅极信号GUO+和是提供用于形成当电流方向为正时使用的死区时间插入栅极信号的基础的预补偿信号。
PWM载波与负偏置占空比的比较生成示为波形67的上部原始负偏置栅极信号GUO-。为了生成用于下部开关装置的相应的栅极信号的目的，上部栅极信号被反相以提供示为波形68的信号栅极信号GUO-和是提供用于形成当电流方向为负时使用的死区时间插入栅极信号的基础的预补偿信号。
使用延迟和与选通过程修正预补偿信号以引入死区时间间隔。因此，上部原始正偏置栅极信号GUO+延迟死区时间tD以生成示为波形69的延迟的信号。波形69与未延迟的波形65的与选通生成示为波形70的上部死区时间插入的正偏置栅极信号GUO+DI。对于下部栅极信号，反相波形被延迟以便生成波形71，波形71与波形66通过与(AND)组合生成示为波形72的下部死区时间插入的正偏置栅极信号正偏置占空比对应于正负载电流，使得当负载电流为正时，选择波形70和72(分别对应于GUO+DI和)作为栅极驱动信号GU和GL。
对于负负载电流，负偏置占空比用于生成栅极驱动信号。因此，上部原始负偏置栅极信号GUO-被延迟，然后延迟的和未延迟的信号进行与选通以生成示为波形73的上部死区时间插入的负偏置栅极信号GUO-DI。反相波形被延迟，然后延迟的和未延迟的信号进行与选通以生成示为波形74的下部死区时间插入的负偏置栅极信号
如果标称占空比46用于使用图4中的PWM载波45生成标称栅极信号，则栅极信号边缘将发生在201、202和203。可以指出的是，上部装置在死区时间插入的栅极信号组合GUO+DI和中没有占空比偏差，即，GUO+DI70的逻辑高周期与从边缘201到边缘202的时间周期相同。因此，对于正电流方向，没有多余的或丢失的伏秒。同样地，下部装置在死区时间插入的栅极信号组合GUO-DI和中没有占空比偏差，即的逻辑高周期与从边缘202到边缘203的时间周期相同。因此，对于负电流方向，没有多余的或丢失的伏秒。
图5中示出了一种优选方法，其中对于正电流方向和负电流方向，上部和下部栅极信号是连续生成的，并且其中响应于检测到的电流方向为栅极驱动器选择相应的栅极信号。在步骤77，取样脉宽调制占空比信号(图2的信号46)。在步骤78，通过将PWM载波信号和通过从占空比命令增加和减去预定的偏置量形成的正偏置和负偏置进行比较而生成预补偿栅极信号。在步骤79，生成上部开关装置和下部开关装置的死区时间插入的栅极信号对，一对对应于负载电流的正方向并且另一对对应于负载电流的负方向。在步骤80进行检查以确定相桥臂的瞬时电流是否大于零(即，方向是否为正)。如果是，则在步骤81将使用正偏置占空比预补偿的死区时间插入的信号(即GUO+DI和)用于栅极驱动信号GU和GL。如果不是，则在步骤82将使用负偏置占空比预补偿的死区时间插入的信号(即GUO-DI和)用于栅极驱动信号GU和GL。在步骤83进行检查以确定马达操作是否已经结束。如果不是，则返回步骤77以继续取样调制信号，否则该方法在步骤84停止。
图6示出了用于栅极信号的预补偿以使得死区时间的插入不会导致电流失真的逻辑电路90。逻辑电路90可以包括如图所示的专用电子电路部件或者可以使用可编程的控制器——例如微控制器——来实施。PWM占空比命令(例如，使用常规PWM控制方法生成的)在加法器91中增加预定的偏置量。偏置量的大小对应于所需的死区时间间隔的一半，并且进一步依赖于PWM载波信号的斜率。更具体地，正偏置占空比和负偏置占空比之间的差(即，预定偏置量的大小的两倍)除以斜率应该等于所需的死区时间间隔tD。
将来自加法器91的正偏置占空比连接到比较器92的非反相输入。将PWM载波信号连接到比较器92的反相输入。响应于比较，比较器92输出原始上部栅极驱动信号GUO+到与门95的第一输入。以类似的方式，将由加法器93通过从命令的占空比减去预定的偏置量形成的负偏置占空比连接到比较器94的非反相输入。比较器94通过将负偏置占空比与它在其反相输入接收到的PWM载波信号进行比较以输出原始上部栅极驱动信号GUO-到与门104的第一输入。
比较器92的输出在延迟框96中延迟死区时间间隔tD，以用于提供向与门95的第二输入。与门95的输出对应于GUO+DI信号，并且它连接到多路复用器(MUX)97的第一输入。输入是一选择输入，当高逻辑电平(二进制“1”)信号存在于多路复用器97的选择输入端(SEL)时该选择输入通过多路复用器97。
比较器92的输出通过逆变器100反相以提供连接到与门101的一个输入的原始预补偿下部栅极驱动信号。逆变器100的输出在延迟框102中延迟死区时间间隔tD，以用于提供到与门101的第二输入。与门101的输出对应于信号，并且它连接到多路复用器103的第一输入。输入是一选择输入，当高逻辑电平(二进制“1”)信号存在于多路复用器103的选择输入端(SEL)时，该选择输入通过多路复用器103。
比较器94的输出在延迟框105中延迟死区时间间隔tD，以用于提供第二输入到与门104。与门104的输出对应于GUO-DI信号，并且它连接到多路复用器97的第二输入。输入是零选择输入，当低逻辑电平(二进制“0”)信号存在于多路复用器97的选择输入端(SEL)时，该零选择输入通过多路复用器97。
比较器94的输出通过逆变器106反相以提供连接到与门107的一个输入的原始预补偿下部栅极驱动信号。逆变器106的输出在延迟框108中延迟死区时间间隔tD，以用于提供到与门107的第二输入。与门107的输出对应于信号，并且它连接到多路复用器103的第二输入。输入是零选择输入，当低逻辑电平(二进制“0”)信号存在于多路复用器103的选择输入端(SEL)时，该零选择输入通过多路复用器103。
比较框110将流入相应的相中的瞬时电流的检测值与零进行比较，以便确定从相桥臂流入负载的电流的方向为正还是负。当方向为正时，框110提供高逻辑电平到多路复用器97和103的SEL输入。否则，负电流引起框110提供低逻辑电平到多路复用器97和103的SEL输入。因此，适当的死区时间插入的栅极信号对被应用到驱动器111中的放大器112和114的输入，并且相桥臂开关装置113和115以所需的死区时间操作而不会生成任何的电流失真。

Claims (5)

1.一种控制功率变换器的方法，包含：
生成用于驱动相桥臂中的各个开关装置的脉宽调制(PWM)上部和下部栅极信号；
检测从所述相桥臂到负载的电流方向；
当所述方向为正时，将死区时间插入到对应于第一比较信号的所述栅极信号中，所述第一比较信号通过比较PWM载波信号与来自可变PWM占空比的正偏置而获得。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包含以下步骤：
当所述方向为负时，将死区时间插入到对应于第二比较信号的所述栅极信号中，所述第二比较信号通过比较所述PWM载波信号与来自所述可变PWM占空比的负偏置而获得。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述插入步骤包含：
对每个比较信号与各自的延迟的比较信号进行与选通，其中所述延迟的比较信号是根据预定的死区时间tD而延迟。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述载波信号具有预定的斜率，并且其中所述正偏置和所述负偏置之间的差除以所述预定的斜率等于所述预定的死区时间tD。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述载波信号包含三角波形。
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