CN110435751A - 电动转向的控制 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及电动转向的控制。提供了一种控制电动助力转向系统的方法，该系统包括一个或多个逆变器桥，每一个连接到向车辆转向提供电力辅助的多相马达，每个逆变器包括与马达的各相相关联的多个开关元件，该方法包括：响应于检测到影响逆变器桥中的电流流动的预定义事件，通过将栅极‑源极电压施加到受影响的逆变器桥的开关元件阻止受影响的逆变器中的电流流动，开关元件被配置为在关断状态下在反向偏置超过反向导通阈值电压时导通，并且施加栅极‑源极电压包括施加负栅极‑源极电压，以仅在没有在漏极到源极方向上流过开关设备的超过阈值的电流时控制处于关断状态的开关元件的反向导通阈值电压。还提供了一种用于电动助力转向装置的控制系统。

Description

电动转向的控制
技术领域
本发明涉及电动助力转向(EPS)系统的控制。特别地，本发明涉及消除EPS系统中的阻尼电流，而不需要单独的相位隔离继电器。
背景技术
电力辅助转向(EPS)系统在现有技术中是众所周知的。由电动马达生成的功率被用来在与由转动方向盘的车辆驾驶员生成的检测到的需求转矩相同的方向上在转向柱中生成辅助转矩。
在EPS系统中采用的典型逆变器桥包括多个控制输送到马达的电流并由此控制马达的旋转的半导体开关元件。如果其中一个开关元件发生故障，例如短路(ON)故障，那么原则上可以通过打开(切断)其余的“好”的开关元件来禁用逆变器。图1(a)示意性地表示具有两个逆变器桥的EPS系统100中的功率流。电池110为双逆变器桥120、120'和作用于相同转向齿条上的两个马达130、130'供电。它们有独立的定子，但共享相同的转子。因此，每个马达130、130'贡献大约50％来辅助转向。如图1(b)中例示的，在逆变器桥120之一发生故障的情况下，EPS系统保持运行，因为另一个逆变器桥120'仍然可以提供帮助。但是，依赖于马达速度和位置，即使其被禁用，马达130内的反电动势(back-EMF，也被称为再生电压)的生成也可能驱动有故障的逆变器桥内的阻尼电流。
常见的开关元件(例如，MOSFET)通常具有与晶体管沟道并联的本征寄生“体”二极管，当反电动势超过阈值正向电压时，其允许阻尼电流在有故障的逆变器中循环，即使在开关元件被关断时。
这些阻尼电流生成与马达的运动相反的转矩，即，增加驾驶员感觉到的转向的阻力的破坏转矩。同时，阻尼电流也会导致过多热量生成，这会造成EPS系统中的进一步故障。当然，即使在发生故障的情况下也维持转向辅助是期望的，但是这种进一步的故障使其危险。虽然在这种双桥设计中避免了全部转向损失，但是有故障的桥中的阻尼将驾驶员从其余健康逆变器可获得的辅助的量减少到50％以下。
解决这个问题的已知方式包括断开有故障的逆变器和马达之间的相连接，以避免用于循环阻尼电流的闭合回路，这需要诸如内置阻断开关或继电器的附加功率组件。在大多数时候，当没有故障时，这些组件不起任何作用，但仍然占据宝贵的空间、散热，而且它们是昂贵的。
因此，抑制阻尼电流的替代方案是期望的。考虑到前述内容，设计了本发明的各个方面和实施例。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种控制电动助力转向(EPS)系统的方法，该系统包括一个或多个逆变器桥，每个逆变器桥连接到被配置为向车辆转向提供电力辅助的多相马达，其中每个逆变器包括多个开关元件，每个开关元件与马达的一相相关联。该方法可以包括响应于检测到影响逆变器桥中的一个或多个中的电流流动的预定义事件而防止在所述一个或多个受影响的逆变器中的电流流动。这可以通过将栅极-源极电压施加到受影响的(一个或多个)逆变器桥的开关元件中的一个或多个来实现。栅极-源极电压可以最初仅在没有在漏极到源极方向上流动的超过阈值的电流时施加到每个开关元件。
栅极-源极电压的最初施加可以在满足以下条件中的一个或多个条件时进行：当流过开关元件的电流为零时；电流在漏极到源极的方向上流动并且低于阈值水平；或者当电流在开关元件内在源极到漏极的方向上流动时。
对于最初施加，我们是指栅极-源极电压被施加到开关元件时的时刻，在该时刻之后它通常将在任何故障的持续时间内保持施加。本发明的方法中的栅极-源极电压仅在确定满足以上限定的条件之一时才引入。
在漏极到源极方向上流动的电流的阈值可以被选择为对应于小的、几乎为零的电流，其中可以安全地知道当最初施加栅极-源极电压时将不会对设备造成损坏。阈值可以被设置为零，使得如果在漏极到源极的方向上有任何电流流动，则将不会施加栅极-源极电压。
申请人已经认识到，在施加栅极-源极电压时，在漏极到源极方向上流过设备的电流将不会由于马达相的电感的影响而被防止继续流动，并且实际上可能增加。这可能导致开关元件损坏。通过选择最初施加栅极-源极电压的定时，可以避免这种损坏。
本发明可以通过测量或以其它方式确定在相位和电流方向上流动的电流并因此确定流过开关元件的电流来确定最初施加栅极-源极电压的时间。可以在相内的任何点处测量电流，例如在马达相绕组和开关元件之间，或者在马达相绕组和接地路径之间。
替代地，可以根据马达转子位置来确定定时，因为对于许多马达控制策略，可以从马达位置推断出流过开关元件的电流方向。
可以使用马达位置的测量或确定以及电流的测量或确定的组合。
该方法可以按顺序确定在每个开关元件中流动的电流，并且可以在施加栅极-源极电压安全的情况下施加栅极-源极电压，如果施加栅极-源极电压不安全，则移动到序列中的下一个开关。该方法可以连续地循环运行通过该序列，直到栅极-源极电压被施加到所有非故障开关元件。
当在任何给定时间仅可以确定或测量在一个相中流动的电流时，序列的使用是尤其有利的。
在替代方案中，可以在已经确定流过每个设备的电流为零、或者低于阈值、或者正在从源极流到漏极的同时，将负栅极-源极电压施加到每个开关元件。
本领域技术人员将认识到的是，在电流正在从源极到漏极流过开关元件的情况下，不需要降低到阈值以下，因为负电压可以在电流正在该方向上流动时的任何时间被安全地施加，而不管电流的大小如何。
有利地，本发明防止或至少基本上抑制阻尼电流，而不需要附加的电路组件(诸如占用宝贵空间、消耗功率并且昂贵的阻断继电器或开关)。当检测到故障时，本发明的各方面和实施例允许有故障的逆变器被有效地禁用。此外，本发明的实施例避免了由利用展现出寄生体二极管行为的开关元件的已知逆变器造成的问题。
多相电机可以被配置为作用于EPS系统的单个转向齿条上。
在本发明的一个方面或实施例中，预定义事件可以是或者可以包括逆变器桥内的所述开关元件之一处的故障事件或其内部的故障事件，或者EPS系统的电力中断。
所述开关元件之一处的故障事件或其内部的故障事件可以是阻止开关元件被关断的任何事件。例如，它可以是短路故障，或者是提供栅极电压的其控制电路中的故障。
如果检测到逆变器的开关元件之一中的故障事件，本发明的各方面和实施例提供了通过阻断受影响的逆变器中的电流来禁用受影响的逆变器的方法。一个或多个未受影响的逆变器可以继续正常操作。
如果检测到EPS系统的电力中断，本发明的各方面和实施例提供了通过阻断那些逆变器中的电流来禁用任何或全部逆变器的方法。造成电力中断的事件可以是当车辆关停时，例如停泊时。这也可以包括当车辆在修理厂维修时发生的事件。
本发明有利地提供了当车辆被切换并经历车轮转动/转向移动/旋转时保护EPS的方法，这种车轮转动/转向移动/旋转会生成反EMF并造成逆变器中的电流不受控制。
开关元件可以被配置为当反向偏置超过反向导通阈值电压时在关断状态下导通。
施加栅极-源极电压可以包括施加负栅极-源极电压，以控制处于关断状态的开关元件的反向导通阈值电压。
该方法还可以包括控制反向偏置阈值电压大于施加到开关设备的反向偏置。以这种方式，本发明的各方面和实施例提供了确保开关设备在受到由马达生成的高的反EMF时保持关断以阻挡阻尼电流的方法。
该方法还可以包括使用栅极驱动器将栅极-源极电压施加到开关设备。栅极驱动器可以连接到栅极电极和源极电极。
该方法还可以包括在正常模式下操作EPS系统，其中正常控制开关元件，以及在检测到预定义的事件时在阻断模式下操作EPS系统。
可以通过使用栅极驱动器向开关元件施加栅极-源极电压来启用阻断模式。栅极-源极电压可以为零或者为负。
根据本发明的实施例，开关可以位于栅极驱动器和源极电极之间，并且电阻器连接在栅极和漏极电极之间。开关在其两端并联有二极管。该二极管可以被配置为在与开关元件相同的方向上被偏置。用于与EPS系统一起使用的电阻器电路也可以是本发明的单独方面。
根据这个实施例，可以通过打开开关以断开栅极驱动器使其无法驱动开关元件来启用阻断模式。
该方法可以包括使用由马达生成的相电压(反EMF)来施加栅极-源极电压。打开开关可以允许栅极电压跟随漏极电压。打开开关可以允许所施加的栅极-源极电压由开关元件两端的反向偏置确定。
当开关打开时，所施加的栅极-源极电压可以由相电压的值确定。当开关被打开时，阻断模式可以以两种模式之一操作：
在第一阻断模式下，所施加的栅极-源极电压为负。所施加的栅极-源极电压可以由马达生成的相电压(反EMF)确定。所施加的负栅极-源极电压可以由开关元件两端的反向偏置来确定。当相电压在逆变器的电源电压之外时(例如，大于电池电压或低于地)，第一阻断模式被启用。开关元件和二极管反向偏置，并且栅极驱动器保持与开关元件断开。
在第二阻断模式下，所施加的栅极-源极电压由栅极驱动器确定，并且该方法可以包括使用栅极驱动器来保持开关设备关断。在这里，所施加的栅极-源极电压可以为零或者为负。当相电压在电源电压之间时(例如，小于电池电压或高于地)，这种阻断模式被启用。在第二阻断模式下，开关设备和二极管被正向偏置，并且栅极驱动器保持连接到开关元件。
该方法还可以包括确定开关元件两端的反向偏置，并且控制处于关断状态的反向导通阈值电压大于施加在开关元件两端的反向偏置，以阻止电流流动。
响应于检测到受影响的逆变器桥内所述开关元件之一处的故障事件或其内部的故障事件而阻止受影响的逆变器中的电流流动还可以包括切断受影响的逆变器中的其它开关元件。
响应于检测到EPS装置的电力中断而阻止受影响的逆变器内的电流流动还可以包括切断每个逆变器中的每个开关元件。
当在每一相中流动的电流低于预定义的阈值电流值时，可以施加负或零栅极-源极电压。
当在每一相中流动的电流低于预定义的阈值电流值时，开关可以打开。
启用阻断模式可以包括：当在每一相中流动的电流低于预定义的阈值电流值时，首先设置零栅极-源极电压，然后施加负栅极-源极电压，或打开开关。
检测故障事件可以包括监视以下中的一个或多个：所述/每个开关元件的源极-漏极电压；所述/每个开关元件内的电流方向；马达的相的电流或电压。该方法还可以包括将这些确定的参数中的一个或多个与对应的预定阈值进行比较。
有利地，阻止受影响的逆变器中的电流流动可以发生，而无需在马达和逆变器之间使用附加的电流阻断开关元件。
所施加的栅极-源极电压可以小于开关设备的最大源极-栅极电压额定值。所施加的栅极-源极电压可以基本上在0V至-1V的范围内，或者可以基本上在-1V至-2V的范围内，或者可以基本上在-2V至-3V的范围内，或者可以基本上在-3V到-4V的范围内，或者可以基本上在-4V到-5V的范围内。
根据本发明的第二方面，提供了用于包括一个或多个逆变器桥的电动助力转向(EPS)装置的系统。每个逆变器桥可以连接到被配置为向车辆转向提供电力辅助的多相马达。每个逆变器桥可以具有多个开关元件，每个开关元件与马达的一相相关联。该EPS系统可以具有被配置为控制开关元件以在正常操作下控制到马达的相的电流的控制部件。响应于检测到影响逆变器桥中的一个或多个的电流流动的预定义事件，它可以通过向受影响的逆变器桥的开关元件中的一个或多个施加栅极-源极电压来控制开关元件处于阻断模式，以阻止电流在一个或多个受影响的逆变器桥中流动。这可以根据第一方面的方法来实现。
开关元件可以被配置为在反向偏置超过反向导通阈值电压时在关断状态下导通，其中，当处于阻断模式时，控制部件被配置为通过向开关元件施加栅极-源极电压来控制反向导通阈值电压。栅极-源极电压可以为负。
控制部件可以包括连接在开关元件的栅极电极和源极电极之间的栅极驱动器。
在实施例中，控制部件还可以包括将栅极电极连接到开关元件的漏极电极的电阻器；连接在栅极驱动器和源极电极之间的开关，其中开关被配置为在正常操作下闭合并且在阻断模式下打开；以及与开关并联连接的二极管。
开关和二极管可以连接在栅极驱动器和栅极电极之间。
在阻断模式下，控制部件可以被配置为当开关元件被反向偏置时断开栅极驱动器使其无法驱动开关设备，使得栅极电极上的电压跟随漏极电压，并且栅极-源极电压由从马达生成的相电压施加。
可替代地，在阻断模式下，控制部件可以被配置为当开关元件正向偏置时维持栅极驱动器连接。
该系统还可以包括故障事件检测部件。故障检测部件可以包括监视部件，该监视部件被配置为监视以下中的一个或多个：所述/每个开关元件的源极-漏极电压；所述/每个开关元件内的电流方向；马达的相的电流或电压。监视部件或其它设备可以被配置为将这些确定的参数中的一个或多个与对应的预定阈值进行比较。
开关元件的反向导通阈值电压可以大于大约0.6V。阈值电压可以大于大约1V。阈值电压可以大于大约2V。阈值电压可以基本上等于或大于由马达生成的反EMF。阈值电压可以基本上等于或大于由马达施加到设备的反向偏压。
在根据本发明的第一和第二方面的实施例中，所施加的栅极-源极电压可以基本上在0V和-4V之间。在实施例中，其可以小于开关设备的最大源极-栅极电压额定值。
在根据本发明的第一和第二方面的实施例中，开关元件可以是氮化镓场效应晶体管(FET)，并且可选地或优选地，可以是n型增强模式氮化镓FET。
GaN开关元件常规用在较高电压应用中，而不用在汽车应用中(诸如电力转向)。本发明的实施例利用适用于汽车12V和48V应用中的GaN设备。有利地，本发明的实施例利用这种不展现出在当前布置中观察到的MOSFET的寄生体二极管行为的开关元件。本发明的各方面和实施例在开关设备名义上关断时提供对开关设备中的反向导通的控制，或者更具体而言，控制反向导通阈值电压，使得其与由马达的高的反EMF在设备上生成的反向偏置相当或优选地大于该反向偏置。因此，本发明不限于GaN设备，并且可以利用当以栅极可调阈值电压名义上关断时展现出体二极管或类二极管行为的任何半导体开关设备来实现该技术方案。
在根据本发明的第一和第二方面的实施例中，EPS系统可以包括至少两个逆变器桥。当检测到影响一个逆变器桥中的电流的预定义事件时，该方法还可以包括使用所述其它逆变器桥中的一个或多个来提供电力辅助。可替代地，EPS系统可以包括单个逆变器桥。在这里，反向阻断能力可以使得相隔离开关被移除。但是，由于系统中没有冗余，因此将不提供转向辅助。
在本发明的单独方面和实施例的上下文中描述的特征可以一起使用和/或可互换。类似地，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述了这些特征，但是这些特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。结合设备描述的特征可以具有关于(一个或多个)方法和计算机程序所定义的对应特征，并且具体设想这些实施例。
在提到“事件”或“故障条件”等时，这应当被广泛地解释。应当理解的是，这覆盖了“内部”故障/错误，例如短路。它还覆盖了可能使FET受到高的反EMF的“外部”事件，例如EPS马达在车辆维修期间以高速(由维修工程师)从外部转动并因此充当发电机。
附图说明
现在将参考附图的图示对本发明的实施例进行描述，在附图中：
图1(a)和(b)示出了已知的双桥EPS控制系统；
图2示出了包括Si MOSFET的双桥系统的一侧的简化示意图；
图3示出了用于图2的电路的仿真结果；
图4示出了包括GaN FET的双桥系统的一侧的简化示意图；
图5示出了对于VGS的若干不同值，Si MOSFET的反向偏置电流-电压特性和GaN FET的反向偏置电流-电压特性的仿真；
图6和7示出了用于图4的电路的仿真结果；
图7A示出了根据本发明实施例的栅极驱动电路配置；
图7B示出了从马达相位(反EMF)生成的时变电压和到逆变器的电源电压；
图8示出了包括Si MOSFET的双桥系统的一侧的简化示意图；
图9示出了图8的电路的仿真结果；
图10示出了包括GaN FET的双桥系统的一侧的简化示意图；
图11至14示出了用于图10的电路的仿真结果；
图15是根据本发明实施例的控制方法的流程图；以及
图16是根据本发明另一个实施例的控制方法的流程图。
具体实施方式
图1(a)和(b)表示已知的双桥EPS控制系统100。该系统包括分别连接到第一马达130和第二马达130'并被配置为驱动第一马达130和第二马达130'的第一逆变器桥120和第二逆变器桥120'。当驾驶员操作车辆(未示出)的方向盘140时，系统检测到需求转矩。马达130、130'依赖于作用在转向齿条上的需求转矩和车辆速度生成辅助转矩，以辅助转向车辆。两个马达130、130'可以物理地位于一个壳体中或者分开定位，但是在任一种情况下，它们都作用在同一个转向齿条上，并且在正常操作中各自贡献大约50％的转向功率。马达130、130'可以方便地是无刷三相AC永磁体同步马达(PMSM)。
图2示出了用来驱动三相马达130的逆变器桥120的已知电路布置，表示双桥EPS控制系统100(例如，如图1(a)、(b)所示)的一半。由于双桥控制系统的两个逆变器桥通常是完全相同的，因此这里只描述一个。由电池110在电源轨和地轨之间施加DC电压，并经由逆变器120连接到三相马达130。逆变器120包括三个并联臂(A、B、C)，每个并联臂具有一对串联连接在电源轨和地轨之间的硅(Si)MOSFET 122a、122b、124a、124b、126a、126b。马达相A、B、C以星形配置彼此连接并且从相应的一对MOSFET之间分支出。因此，MOSFET 122a、122b连接到马达130的第一相A，MOSFET 124a、124b连接到马达130的第二相B，并且MOSFET 126a、126b连接到马达130的第三相C。与每一相(臂A、B、C)相关联的MOSFET对彼此并联连接并连接到电池110。可以在电池110和MOSFET 122a、122b、124a、124b、126a、126b之间提供电源滤波器(未示出)。
MOSFET也以逆变器120的“高”侧上的MOSFET 122a、124a、126a和逆变器120的“低”侧上的MOSFET 122b、124b、126b这两个组来布置。术语“高”和“低”是仅仅为了参考的标签。每个MOSFET 122a、122b、124a、124b、126a、126b包括晶体管沟道和与晶体管沟道并联连接的本征体二极管。每个MOSFET 122a、122b、124a、124b、126a、126b的栅极连接到栅极驱动器，以将每个MOSFET接通或切断。每个栅极驱动器从控制块(未示出)接收控制信号。
在使用中，栅极驱动器(未示出)向每个MOSFET的栅极施加电压信号，以便以预定义的顺序快速地接通和切断它们，由此控制施加到马达的每一相的电压和流过绕组的电流。这进而控制由绕组生成的磁场的强度和朝向，并因此控制马达的转矩和速度。通过使用足够快速的脉宽调制(PWM)开关模式，可以施加相驱动波形，该波形近似于用于平滑地旋转马达所需的理想正弦波形。这在正常操作中适用于两个桥120、120'，即，两个桥120、120'的所有MOSFET在正常操作期间以受控方式接通和关断。
在逆变器120、120'内的任何或全部MOSFET 122a、122b、124a、124b、126a、126b上可能会出现故障。在图2和4的示例中，其中逆变器桥120的MOSFET 122a之一无法被关断(仅使用MOSFET 122a作为示例)，例如，因为其在短路故障模式下发生故障，或者在提供栅极电压的控制电路中存在故障，所以逆变器120'继续正常工作，如上所述。但是，因为在这种体系架构中没有将马达130与有故障的逆变器120隔离的手段，所以，由于马达130仍然旋转而由马达130生成的反EMF可以继续通过逆变器120驱动电流(依赖于马达130的速度和位置)，即使当逆变器120通过切断其余的未损坏的MOSFET而名义上被禁用。在这种情况下，可能过度和不受控制的阻尼电流将流过第一相A的现在不可控制的有故障的MOSFET 122a以及其它相B、C中未损坏的MOSFET 124a、126a的体二极管(当反EMF超过未损坏的MOSFET 124a，126a的体二极管的阈值正向电压(通常对于Si MOSFET为0.6V)时)。要注意的是，由于通过体二极管的导通，阻尼电流被半波整流。
因此，虽然仍然向车辆驾驶员提供转向辅助，但是工作的逆变器桥120'必须克服有故障的逆变器120的阻尼效应。总体转向辅助将小于50％。在示例性实施例中，对于40V的Si MOSFET和100A的相电流，体二极管对于给定的电流具有与在MOSFET沟道导通的情况下的MOSFET沟道相比更高的正向电压降。这导致过度的功率消耗(发热)，这可能导致进一步的故障。如果第一个故障导致了同一个桥120的另一相中的MOSFET(例如，MOSFET 124a)的故障，那么循环的电流将不再被半波整流，而是全AC。全AC电流增加了阻尼效应，因此是不期望的。
图3示出了当MOSFET 122a不能被关断并且所有其它MOSFET 122b、124a、124b、126a、126b都被切断时图2所示的电路的仿真结果。假设Si-MOSFET用于仿真。马达反EMF被任意设置为以50Hz的频率的2V，反EMF电压峰为6V，并且电池电压为12V。图(a)和(b)分别示出了健康MOSFET 124a中的漏极电流(Id)和功率消耗随时间的变化(针对MOSFET 126a发现了类似的结果)。这些曲线图示出了在体二极管导通期间大的负电流和高的平均功率消耗。曲线图(c)至(e)示出了三相中每一相上的反EMF。曲线图(f)示出了对应的MOSFET 124a源极-漏极电压(VDS)，也展现出大的电压降。高的正电压降(这个示例中大约3V峰)与MOSFET124a阻断阻尼电流时对应。在这里，Si MOSFET体二极管的阈值正向电压为0.6V，因此当VDS为负且超过那个阈值时，体二极管导通。
图4示出了根据本发明实施例的双桥EPS控制系统200的一半。系统200包括以类似于上述系统100的方式连接的电池210、马达230和逆变器220。逆变器220包括代替SiMOSFET 122a、122b、124a、124b、126a、126b的氮化镓(GaN)功率晶体管222a、222b、224a、224b、226a、226b。GaN FET被分别分组为“高侧”和“低侧”FET 222a、224a、226a；226a、226b、226c。
除了其它之外，GaN FET 222a、222b、224a、224b、226a、226b的特征在于，不存在并联于Si MOSFET共有的沟道的本征体二极管。因此，GaN FET在关断状态下具有不同的反向偏置操作机制。GaN晶体管优选地为n型增强模式晶体管。
类似于Si MOSFET，当GaN FET名义上被切断时，当它受到大于反向导通阈值电压的反向偏置时，它将导通。当受到由马达生成的高的反EMF时会发生这种反向偏置。但是，GaN FET的关键功能特性是反向导通阈值电压是栅极可调的并且足够大，以在需要时抑制反向导通。应当认识到的是，本发明不限于GaN FET，而是可应用于展现这里描述的GaN FET的功能特性的任何其它新兴的功率晶体管技术。
栅极经由栅极绝缘体与沟道电绝缘，但电容耦合到沟道。在相对于源极(VGS)施加零栅极偏置的情况下，栅极下方的沟道区域耗尽电子，使得GaN晶体管222a、222b、224a、224b、226a、226c关断(OFF，不导通)。在OFF状态下，随着VDS减小(负)，在栅极上相对于漏极和漂移区域产生正偏置，从而在栅极下方注入电子。一旦达到栅极阈值，GaN晶体管沟道将开始导通。如果VDS增加(正)，那么在栅极上相对于漏极和漂移区域产生负偏置，从而进一步耗尽晶体管沟道。因此，在零VGS的情况下，GaN晶体管222a、222b、224a、224b、226a、226c展现出与Si MOSFET的体二极管类似的类二极管行为。由于在零VGS下需要栅极阈值来接通GaN晶体管，因此GaN“二极管”的阈值正向电压大于典型Si MOSFET的体二极管。重要的是，因为必须达到栅极阈值以便让GaN二极管导通，所以可以通过施加非零的VGS来调节这个阈值。具体而言，通过施加负VGS，可以进一步增加二极管阈值。
图5示出了，对于VGS的若干不同值，GaN FET的反向偏置电流-电压特性的仿真。为了比较，图5中还示出了用于Si MOSFET的相同仿真。对于Si MOSFET，体二极管的反向偏置源极-漏极特性与VGS无关。相反，对于GaN FET，反向偏置源极-漏极特性展现出对VGS的强依赖性。特别地，通过施加负VGS，可以显著增加反向导通阈值电压。在所示的仿真中，通过将VGS从0V增加到-4V，阈值电压可以从大约2V增加到6V。在实际的设备中，阈值电压将依赖于具体的设备特性、材料质量、制造工艺等。当发生故障时，大且可控的阈值电压对逆变器220的操作具有显著的影响，如下面更详细讨论的。
图6示出了当GaN FET 222a不能被关断并且所有其它GaN FET 222b、224a、224b、226a、226b都通过施加零VGS而被关断时图4中所示的电路的仿真结果。仿真参数与用于图3的那些相同。图形(a)、(b)和(f)分别示出了健康GaN FET 224a中的漏极电流、功率消耗和VDS随时间的变化(对于MOSFET 226a发现了类似的结果)。数据以图3中所使用的相同标尺绘制。类似于图3的结果，当VDS为负并超过GaN二极管的阈值电压(对于零VGS约为2V)时，阻尼电流流动。值得注意的是，与Si MOSFET(参见例如图3)相比，GaN FET 224a展现出减小的漏极电流，但是，较大的阈值电压意味着所得到的峰功耗(图6中的曲线图(b))与Si MOSFET中大致相同。曲线图(c)至(e)示出了三相(A、B、C)中每一相上的反EMF。
在图7中，重复图6的仿真，但是对于每个未损坏的GaN FET 222b、224a、224b、226a、226b施加等于-3V的VGS(GaN FET 222a仍然持久地接通)。图形(a)、(b)和(f)分别示出了健康GaN FET 224a中的漏极电流、功率消耗和VDS随时间的变化(对于MOSFET 226a发现类似的结果)。如曲线图(a)和(b)所示，电路中没有阻尼电流，并且因此没有功率被消耗。换言之，GaN FET 222b、224a、224b、226a、226c有效地阻断了阻尼电流。这是由于通过施加负VGS而使得GaN FET“二极管”的阈值反向导通电压偏移到峰反EMF以上的结果。曲线图(c)至(e)示出了三相中每一相上的反EMF。
在实施例中，在系统200的正常操作期间(当没有故障时)，用来关断GaN FET222a、222b、224a、224b、226a、226c的VGS可以保持接近0V，以最小化导通损耗。当在逆变器220、220'之一中检测到故障时，例如，在GaN FET 222a、222b、224a、224b、226a、226c之一在短路模式下发生故障时，可以将负VGS施加到其余未损坏的GaN FET，以便阻断由来自马达230的反EMF生成的阻尼电流。一旦马达相电流降低到安全水平，就可以执行这个操作，以避免损坏健康的FET。例如，为了帮助安全关断，当通过GaN FET的电流接近零时，可以施加负VGS。每个设备中循环的电流电平可以使用众所周知的技术来测量，并且可以以具体应用为基础(例如，所使用的设备、热接口等)限定用于安全关断的电流阈值。
由于反EMF的幅度依赖于马达230的速度，因此可以使用图4中的逆变器电路220、220'来阻止阻尼电流，直到相对高的马达速度。典型的马达速度可以在0-6000rpm的范围内。根据本发明的阻断反向导通的方法受到GaN FET的最小额定VGS(在损坏设备之前可以施加的最大负电压)的限制。
在另一个实施例中，可以经由反EMF本身而不是通过栅极驱动器来施加负VGS，图7A示出了用于实现这个实施例的示例栅极驱动器电路配置。虽然图7A示出了用于GaN FET224a和224b的栅极驱动器连接(反相器220的臂B)，但它代表用于逆变器220的每个臂的栅极连接。下面的描述集中在GaN FET 224a，但是同样适用于逆变器220(或者根据情况来看，逆变器220')中的每个GaN FET。
栅极驱动器的输出将电压相对于源极而施加到栅极。栅极电阻器R2可以位于栅极驱动器的输出和栅极之间。通常，如图4所示，栅极驱动器连接到栅极和源极，并且栅极通过栅极绝缘体与源极-漏极电路隔离。在这个实施例中，栅极也经由电阻器R1连接到漏极。此外，开关SW1位于源极和栅极驱动器参考之间，并且二极管D1与开关SW1并联连接。虽然图7A示出了开关SW1和二极管D1位于源极和栅极驱动器参考之间，但是开关SW1和二极管D1也可以替代地位于栅极和栅极驱动器输出之间。图7A的电路以三种截然不同的模式操作，如下所述，
正常操作(模式1)：在正常操作下，开关SW1闭合。栅极驱动器正常地连接到电路，根据需要接通和切断GaN FET 224a，以向马达相B提供PWM相电压(Vph)。电阻器R1足够大，使得流过R1的电流最小化，并且栅极驱动器的输出决定了施加到栅极的电压。因此，R1在正常操作下对电路的操作的影响可以忽略不计。如果开关SW1打开，那么二极管D1被定向成使得其将正向偏置。
阻断模式：当在逆变器220、220'之一中检测到故障状态或故障事件时，例如，在GaN FET 222a、222b、224b、226a、226c之一在短路模式下发生故障、或者由于任何其它原因需要阻断阻尼电流时，通过在栅极驱动器上将VGS设置为零，其余的健康GaN FET名义上被切断。此外，开关SW1然后打开，由此阻止栅极驱动器驱动GaN FET。一旦马达相电流已经降低到安全水平，就可以执行这个操作，以避免损坏健康的FET。例如，为了帮助安全关断，当通过GaN FET的电流接近零时，GaN设备可以名义上被切断，并且开关SW1打开。每个设备中循环电流的水平可以使用众所周知的技术来测量，并且可以以具体应用为基础(例如，所使用的设备、热接口等)限定用于安全关断的电流阈值。例如，定时可以基于监视马达位置或每一相中的电流。
然后，图7A的栅极驱动器电路在阻断模式(开关SW1打开)下的操作依赖于反EMF的值以两种方式之一继续进行，如下讨论。
模式2：如果来自马达相的反EMF大于Vbat，使得Vph>Vbat，那么GaN FET 224a和二极管D1反向偏置。在这种场景中，应当施加负VGS来阻止GaN设备接通。当二极管D1反向偏置时，其不导通并且栅极驱动器保持断开使其无法驱动GaN FET 224a。这允许栅极上的电压跟随漏极电压。由于GaN FET 224a反向偏置，因此相对于源极的栅极电压(VGS)为负。所施加的负VGS大致等于施加到GaN FET 224a的反向偏置。这确保当在高的反EMF条件下反向偏置时GaNFET 224a保持关断OFF。
模式3：如果来自马达相的反EMF小于由电池提供的电压(Vbat)，使得Vph<Vbat，那么GaN FET 224a和二极管D1正向偏置。当二极管D1正向偏置时，它将在达到阈值接通电压时开始导通，此时，栅极驱动器正常连接到电路，并且可以保持GaN FET 224a关断(通过维持零VGS)。与正常操作模式(模式1)一样，电阻器R1对电路的操作的影响可以忽略不计。这确保阻尼电流在低的反EMF条件下被阻断。
为了在模式2下的有效操作，重要的是控制通过栅极驱动器的任何泄漏路径，以阻止栅极驱动器将栅极电压拉离漏极电压，这会导致GaN设备接通。
图7B示出了，与电源电压(12V Vbat，0V VGND)的典型值相比，Vph(反EMF)相对于时间的变化，示出了当马达旋转时电路如何在不同的模式下操作。在所示的示例中，Vph的幅度大于Vbat，并且随着反EMF变化，操作模式在模式2与模式3之间交替。换言之，VGS的值响应于反EMF的瞬时值而持续且自动变化。这意味着不需要对反EMF进行主动监视来启用阻断功能。要注意的是，当Vph>Vbat时，GaN FET 224a反向偏置，而对应的GaN FET 224b正向偏置。相反，当Vph<VGND时，GaN FET 224a正向偏置，而GaN FET 224b反向偏置。
开关SW1可以是Si MOSFET，而二极管D1可以是本征Si体二极管，具有低接通电压的特性。可替代地，开关SW1可以是具有或不具有体二极管的任何开关元件。当D1不是体二极管时，它可以是与开关元件并联连接的任何合适的二极管。二极管阈值电压优选地低，并且击穿电压优选地高。
电阻器R1的电阻可以基本上在1kΩ到10kΩ的范围内，或者在10kΩ到100kΩ的范围内。R1的值被选择为使通过它的电流最小化，并允许栅极驱动器控制栅极。其值将依赖于电路的特性(例如，电源电压、栅极电压和设备电阻)。栅极电阻器R2的值可以基本上在0Ω-10Ω的范围内。其值将依赖于电路的各种特性，包括所需的GaN FET的动态特性。
虽然在先前的实施例中描述了GaN设备，但是将理解的是，该方法的原理是当开关设备名义上被关断时控制开关设备中的反向导通，或者更具体地控制反向导通阈值电压，使得其与由马达230的高的反EMF在设备上生成的反向偏置相当或者优选地大于该反向偏置。因此，本发明不限于GaN设备，并且任何在名义上以栅极可调阈值电压切断时展现出体二极管或类二极管行为的半导体开关设备都可以被用来实现该技术方案。
有利地，本发明阻止或至少基本上抑制阻尼电流，而不需要附加的电路组件，该附加的电路组件诸如占用宝贵空间、消耗功率并且昂贵的阻断继电器或开关。当检测到故障时，本发明的各个方面和实施例允许有故障的逆变器被有效地禁用。
可以通过监视VDS来检测桥电源开关短路：当被监视的开关接通时高于预期(高于预定义的阈值)的电压意味着同一个相臂中的其它开关被短路(低电阻)。电源开关短路也可以通过监视漏极电流、VGS、马达速度、马达相的电流和电压中的一个或多个来检测。这些参数可以由任何众所周知的方式来监视。可以通过将所述参数中的任何一个与预定阈值比较来促进故障检测。
在上述实施例中，事件是内部故障事件，诸如一个或多个开关设备122a、122b、124a、124b、126a、126b；222a、222b、224a、224b、226a、226b中的短路故障。但是，影响电路中的电流的事件可以是由于影响马达130的运动的外部因素，同时所有开关设备122a、122b、124a、124b、126a、126b；222a、222b、224a、224b、226a、226b保持运行。例如，在车辆的修理厂维修期间如果马达130、130'恰好被用作发电机，那么可能造成这种事件。在车辆和EPS系统关断的场景中，两个逆变器中的开关元件都在OFF状态下被停用。如果方向盘旋转，那么马达130、130'的对应旋转生成反EMF。在这种情况下，如果反EMF相间电压超过电池电压的程度达到体二极管阈值电压，那么Si FET 122a、122b、124a、124b、126a、126b中的一些或全部的体二极管将导通。如果方向盘转动得足够快(例如，由用户或服务工程师)，那么可能会对EPS系统造成损坏。因此期望保护逆变器桥中的开关元件免受外部事件的影响。同样地，一旦Si MOSFET 122a、122b、124a、124b、126a、126b的体二极管上的电压降高于固定的、不受控制的阈值(通常为0.6V)，其将导通。
图8示出了仿真所有Si MOSFET 122a、122b、124a、124b、126a、126b切断并且马达130用作发电机的场景的电路100。图9示出了仿真的结果，在该仿真中，在60Hz的频率下生成9V的峰反EMF，电池电压为12V。在这些条件下，所使用的Si MOSFET(例如，NVMFS5C404N)将由于其体二极管而消耗大约4.5W。
图11示出了在零VGS条件下用于包括GaN FET 222a、222b、224a、224b、226a、226b的图10所示电路的仿真结果。图(a)、(b)和(f)分别示出，GaN FET 224a中的漏极电流、功率消耗和VDS随时间的变化(对于所有其它MOSFET 222a、222b、224b、226a、226b发现类似的结果)。曲线(c)至(e)示出了三个相A、B、C中的每一相的反EMF。如可以看出的，因为GaN类体二极管的反向导通阈值电压大于Si MOSFET体二极管的反向导通阈值电压，所以，在导通之前，GaN FET可以承受更高的反EMF，从而消耗更少的功率，在这个仿真中为0.2W。图12、13和14分别示出了，当VGS以1V的步长从0V减小至-4V时VDS、漏极电流和消耗的功率随时间变化的曲线。最值得注意的是，随着VGS从0V降至-4V，仿真中的峰漏极电流从880mA降至5.5μA，并且消耗的功率从1.5W降至60μW。因此，阻尼电流和功率消耗大大降低，并且避免了相关联的过量发热问题。
根据本发明的一个实施例，可以通过在车辆关停时经由栅极驱动器向GaN FET施加负栅极电压来实现免受外部事件(诸如维修厂维修)的影响。
在另一个实施例中，通过在车辆关停时保持开关SW1打开，可以使用图7A的栅极驱动器电路来实现免受外部事件的影响。
因此，本发明的各方面和实施例避免了在单个桥设计中对相隔离组件的需求。在双桥设计中，本发明的各方面和实施例允许在单道复原模式下接近50％性能的操作，而不需要使系统的尺寸过大。
在图15中总结了执行本发明实施例的方法。在步骤S10中，确定或检测在桥220、220'之一中发生故障事件。确定是否发生内部故障事件可以使用标准技术来实现，例如，监视每个桥中每个开关设备的VDS，并检查其是否在预定义的阈值或容限内。如果VDS在预定义的容限内，那么在步骤S11继续正常操作。如果VDS超出了预定义的容限，那么在步骤S12中，该方法接下来在步骤S13中确定在该相中流动的电流是否为零或低于阈值，或者是否正在从源极到漏极的方向上流动。
如果S13返回“是”，当且仅当那时，通过将零VGS施加到满足该条件的故障桥中的每个开关设备来禁用故障桥(220或220')的正常操作，直到该桥被完全禁用。在步骤S14中，通过向每个健康的开关施加负VGS来启用阻断模式。再次假设GaN FET 222a有故障，将负VGS施加到未损坏的GaN FET 222b、224a、224b、226a、226b。施加的VGS的值可以是可被施加的可能的最大负电压(基于设备规范)。如果步骤S13的答案为“否”，那么该方法将等待并且稍后重复S13，可能地在经过预定时间之后或者通过遵循如下所解释的序列。
为了将负栅极-源极电压施加到每个开关设备，该方法可以确定流过序列中的每一个的电流。如果设备中的电流满足使得能够施加负栅极-源极电压的标准，那么施加它。如果没有满足，那么该方法移动到序列中的下一个开关。在处理完所有开关元件之后；该序列从开始再次开始，以确定电流是否满足标准。这一直持续到负栅极-源极电压已被施加到每个开关元件。
该序列可以根据所使用的马达控制策略，特别是根据PWM开关模式来确定，因为这确定了在任何给定时间在每个相中流动的电流。
在实施例中，所施加的VGS的值可以依赖于马达的速度。例如，在较高马达速度的情况下(此时生成的反EMF可能较大)，可以施加较大的VGS。
图16中总结了执行本发明的实施例的方法，其中开关元件具有按顺序施加的负栅极-源极电压。在步骤S10中，确定或检测在桥220、220'之一中发生了故障事件。确定是否发生内部故障事件可以使用标准技术来实现，例如，监视每个桥中每个开关设备的VDS，并检查其是否在预定义的阈值或容限内。如果VDS在预定义的容限内，那么在步骤S11继续正常操作。如果VDS超出了预定义的容限，那么在步骤S12中，该方法接下来在步骤S13中确定在相中流动的电流是否为零或低于阈值，或者是否在从源极到漏极的方向上流动。如果是，那么通过对序列中的故障桥中的每个开关设备施加零VGS来禁用故障桥(220或220')的正常操作。在步骤S14中，通过在等待每个设备中的电流减少到低于某个阈值电流之后打开有故障的逆变器中的所有开关设备上的开关SW1来启用阻断模式。
健康的逆变器继续正常运行。由于有故障的逆变器中的阻尼电流被有效地抑制，因此健康的逆变器可以传递50％的功率辅助。如果检测到故障，那么可以进一步再次使用常规技术执行离线检查，以确定故障的实际性质。
因此，在双桥EPS控制系统中的开关设备出现故障的情况下，建立电路和过程，用于有效地禁用有故障的逆变器，以避免在其中循环的阻尼电流，同时功率由另一个“健康的”逆变器桥单独提供。这确保了健康的逆变器的功率输出不受有故障的逆变器的负面影响。
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Claims (10)

1.一种控制电动助力转向(EPS)系统的方法，所述系统包括一个或多个逆变器桥，每个逆变器桥连接到被配置为向车辆转向提供电力辅助的多相马达，其中每个逆变器包括多个开关元件，每个开关元件与马达的一相相关联，所述方法包括：
响应于检测到影响所述逆变器桥中的一个或多个逆变器桥中的电流流动的预定义事件，通过将栅极-源极电压施加到一个或多个受影响的逆变器桥的开关元件中的一个或多个开关元件来阻止所述一个或多个受影响的逆变器中的电流流动，其中开关元件被配置为在关断状态下在反向偏置超过反向导通阈值电压时导通，并且其中施加栅极-源极电压包括施加负栅极-源极电压，以仅在没有在漏极到源极方向上流过开关设备的、超过阈值的电流时控制处于关断状态的开关元件的反向导通阈值电压。
2.如权利要求1所述的方法，包括通过测量或以其它方式确定在相中流动的电流和电流方向并且因此确定流过开关元件的电流来确定最初施加栅极-源极电压的时间的步骤。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中最初施加栅极-源极电压的时间根据马达转子位置来确定。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中施加栅极-源极电压还包括使用栅极驱动器施加栅极-源极电压。
5.如权利要求4所述的方法，其中施加栅极-源极电压还包括：
(i)打开开关，从而断开栅极驱动器使其无法驱动开关设备，并使用由马达生成的相电压来施加栅极-源极电压；或者
(ii)打开开关并使用栅极驱动器施加栅极-源极电压。
6.一种用于电动助力转向(EPS)装置的控制系统，包括：
一个或多个逆变器桥，每个逆变器桥连接到被配置为向车辆转向提供电力辅助的多相马达，每个逆变器桥具有多个开关元件，每个开关元件与马达的一相相关联；以及
控制部件，被配置为控制开关元件以在正常操作下控制到马达的相的电流，并且响应于检测到影响所述逆变器桥中的一个或多个逆变器桥中的电流流动的预定义事件，根据权利要求1至5中任一项所述的方法，通过将栅极-源极电压施加到受影响的逆变器桥的开关元件中的一个或多个开关元件来控制开关元件处于阻断模式，以阻止受影响的所述一个或多个逆变器桥中的电流流动。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述控制部件包括连接在开关元件的源极电极和栅极电极之间的栅极驱动器。
8.如权利要求6所述的系统，其中所述控制部件还包括：
电阻器，将开关元件的栅极电极连接到漏极电极；
开关，连接在栅极驱动器和源极电极之间，或者连接在栅极驱动器和栅极电极之间，其中开关被配置为在正常操作下闭合并且在阻断模式下打开；以及
二极管，与所述开关并联连接。
9.如权利要求6至8中任一项所述的系统，其中预定义的事件是逆变器桥内的所述多个开关元件之一处的故障事件或所述多个开关元件之一内部的故障事件，并且所述系统还包括故障事件检测部件。
10.如权利要求9所述的系统，其中故障检测部件包括用于监视以下中的一个或多个的监视设备：
所述/每个开关元件的源极-漏极电压；
所述/每个开关元件内的电流方向；
马达的相的电流或电压。
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