CN111095762A - 控制单元、逆变器、组件、车辆以及用于控制逆变器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制逆变器(3)的控制单元(17)，逆变器(3)具有直流链路电容器(6)、多个输出相位(20)以及设置在半桥(10)中并与直流链路电容器(6)和输出相位(20)相连接的多个开关元件(13、14)，其中在故障模式下，控制单元被配置为控制开关元件(13、14)采用输出相位(20)短路的有源短路状态，其中，控制单元被配置为：如果同时满足第一条件和第二条件，控制开关元件(13、14)从有源短路状态转换为半桥的开关元件(13、14)被断开的续流状态，其中第一条件为代表直流链路电容器(6)上的压降的电压测量信号(26)指示直流链路电容器的正电位(11)和直流链路电容器(6)的负电位(12)之间的电压低于预定正电压阈值，第二条件为代表逆变器(3)的输入(8)和开关元件(13、14)之间流动的电流(29)的电流测量信号(28)指示从正电位(11)到负电位(12)的方向上的电流(29)大于或等于零以下的预定电流阈值；以及如果满足第一条件但不满足第二条件，则保持和/或采用有源短路状态。

Description

控制单元、逆变器、组件、车辆以及用于控制逆变器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制逆变器的控制单元，该逆变器具有直流链路电容器、多个输出相位以及设置在半桥中并与直流链路电容器和输出相位相连接的多个开关元件，其中在故障模式下，控制单元被配置为控制开关元件采用有源短路状态，其中输出相位被短路。此外，本发明涉及逆变器、组件、车辆以及用于控制逆变器的方法。
背景技术
众所周知，逆变器将提供给直流链路的直流电压转换成供应电机的定子绕组的交流输出电流。逆变器包括控制单元，该控制单元被配置为控制逆变器的开关元件，使得在正常操作模式下产生交流输出电流。由于故障，控制单元被切换到故障模式，在该模式下，连接到直流链路的电位的开关元件被断开，并且连接到直流链路的另一电位的开关元件被接通，从而缩短了定子绕组。这种开关配置通常称为有源短路。但是，大多数的压控半导体开关元件具有常闭特性。因此，在失去控制单元的电源的情况下，所有开关元件都永久性地关闭。已知在断电时使用直流链路电容器为控制单元供电。当平滑电容器放电至预定阈值或低于预定阈值时，可以从电机回收能量以便对平滑电容器进行充电。
从EP2433830A1中已知这种控制单元，EP2433830A1公开了一种用于多相逆变器的控制器，该控制器包括上部开关和下部开关以及平滑电容器，该平滑电容器布置在直流链路中并且被连接到用于驱动车辆的三相同步电机。控制器被配置为控制逆变器，使得在由于闭合所有上部开关或所有下部开关而引起的有源短路形成的安全状态期间来自同步电机的电能被回收。其中，通过断开逆变器的所有开关，同步电机被运行为无源发电机，其中，平滑电容器被充电到直流链路电压的第一阈值。车辆的电子负载由平滑电容器的电能供应。在较高的第二阈值以上时，通过直流链路的电压自动闭合所有下部开关或所有上部开关，从而使同步电机的绕组短路。在低于第一阈值之后，通过自动打开闭合的开关来释放有源短路。
但是，尽管直流链路电容器仍连接直流电压源，但在触发直流链路电容器再充电时，例如车辆的电池，可能会发生不希望的制动扭矩。这可能是由不同的安全功能引起的，例如一种用于检测逆变器故障的功能以及另一种独立于逆变器而实现的用于将直流电压源与直流链路断开的功能。因此，这些功能的干扰可能会导致制动扭矩。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的控制单元，特别是允许稳定地运行的控制单元。
根据本发明，上述目的通过初始描述的控制单元来解决，该控制单元被配置为：如果同时满足第一条件和第二条件，控制开关元件从有源短路状态转换到半桥的开关元件被断开的续流状态，其中第一条件为代表直流链路电容器上的压降的电压测量信号指示直流链路电容器的正电位和直流链路电容器的负电位之间的电压低于预定正电压阈值，第二条件为代表逆变器的输入和开关元件之间流动的电流的电流测量信号指示从正电位到负电位的方向上的电流大于或等于小于零的预定电流阈值；如果满足第一条件但不满足第二条件，则保持和/或采用有源短路状态。
本发明基于这样的考虑，即，通过监控输入和开关元件之间流动的电流，可以避免不期望的制动扭矩，因为制动扭矩是由于负的、且绝对值高于电流阈值的电流而产生的。因此，如果不满足第二条件，即便尽管满足第一条件指示需要对直流链路电容器充电，控制单元仍保持或采用有源短路状态。有利地，因为在给直流链路电容器再充电时避免了不希望的制动扭矩，根据本发明的控制单元允许逆变器在功能安全性要求方面更稳定地运行。
优选地，选择电压阈值使其允许供应与直流链路电容器并联、并被配置为供应控制单元的直流转换单元。优选地，电压阈值具有介于30V与100V之间的值。优选地，根据电机的大小和/或可容许的制动扭矩来选择电流阈值。电流阈值可以具有介于-30A与-5A之间、优选介于-20A与-10A之间的值。
此外，控制单元可以被配置为：如果满足第三条件，控制开关元件从续流状态转换到有源短路状态，其中第三条件为电压测量信号指示正电位和负电位之间的电压高于或达到预定的第二电压阈值。其中，第二电压阈值可以表示直流链路电容器充足电的电压电平。
尤其地，所述控制单元被配置为：通过控制断开连接至每个半桥的正电位的开关元件以及通过控制接通连接至每个半桥的负电位的开关元件，或通过控制接通连接至每个半桥的正电位的开关元件以及通过控制断开连接至每个半桥的负电位的开关元件，将输出相位有源短路。
优选地，控制单元被配置为控制另一个或其它半桥的所有开关元件在续流状态下断开。因此，完全续流状态，也称为“安全脉冲关闭”(SPO)，可用于为直流链路电容器充电。
典型地，控制单元被配置为：如果检测到故障，控制开关元件从正常模式转移至故障模式，其中，正常模式下将用于在输出相位提供多相交流电流的脉冲信号提供给开关元件。故障信号可以由控制单元产生，或者可以由逆变器的安全单元获得。安全单元可以根据E-Gas 3级标准实施安全监控。在逆变器的正常操作模式中，控制单元可以被配置为提供脉冲信号，使得开关元件被接通和断开以提供交流电流，其中控制单元可以被配置为在接收到故障信号时禁止脉冲信号。
开关元件可以是压控开关元件，特别是包括诸如绝缘栅型场效应晶体管或绝缘栅型双极晶体管的功率晶体管。
另外，本发明涉及一种逆变器，其包括根据本发明的控制单元。
而且，本发明涉及一种电机和根据本发明的逆变器的组件，该逆变器被配置为向电机供电。
此外，本发明涉及一种包括根据本发明的组件的车辆，其中，电机被配置成驱动车辆。该组件可以包括直流电压源，例如，为逆变器供电的高压电池。该组件可以包括开关，通过该开关，直流电压源可连接到逆变器。
最后地，本发明涉及一种用于操作逆变器的方法，该逆变器具有直流链路电容器、多个输出相位以及设置在半桥中并与直流链路电容器和输出相位相连接的多个开关元件，包括以下步骤：在故障模式下采用有源短路状态，其中输出相位被短路的；评估是否满足第一条件，第一条件为代表直流链路电容器上的压降的电压测量信号指示直流链路电容器的正电位和直流链路电容器的负电位之间的电压低于预定正电压阈值；评估是否满足第二条件，第二条件为代表逆变器的输入和开关元件之间流动的电流的电流测量信号指示从正电位到负电位的方向上的电流大于或等于零以下的预定电流阈值；如果满足第一条件和第二条件，则将开关元件从有源短路状态转换为续流状态，在续流状态下，半桥(10)的开关元件(13、14)断开；如果满足第一条件但不满足第二条件，则保持或采用有源短路状态。
关于本发明的逆变器的所有陈述类似地适用于本发明的电机、本发明的组件、本发明的车辆和本发明的方法，从而也可以实现本发明的逆变器的上述优点。
附图说明
下面参考示意性附图公开本发明的进一步细节和优点，其中：
图1是逆变器和电机的组件的框图；以及
图2是车辆实施方式的框图。
具体实施方式
图1是电机2、逆变器3以及经由开关5连接到逆变器3的直流电压源4的组件1。该开关可由作为组件1的一部分的电子控制单元(ECU)5a控制。
逆变器3包括直流链路电容器6，该直流链路电容器6用于平滑由连接到逆变器3的输入8的直流电压源4提供的电压。电压测量单元7与直流链路电容器6并联。此外，逆变器3包括功率单元9，该功率单元9包括在直流链路电容器6的正电位11和直流链路电容器6的负电位12之间并联的三个半桥10。每个半桥10包括连接到正电位11的开关元件13和连接到负电位12的开关元件14。每个开关元件13、14包括功率晶体管15，例如绝缘栅型场效应晶体管或绝缘栅型双极晶体管，以及与之并联的二极管16。在晶体管15是绝缘栅型场效应晶体管的情况下，二极管16由晶体管15的体二极管形成。
此外，逆变器3包括控制单元17和直流转换单元18。直流转换单元18包括反激式转换器，并且被配置为将在直流链路电容器6上的压降转换为用于控制单元7的电源电压。其中，在控制单元17的是外部低压电源(例如为低压电池，未示出)不能提供足够电量的情况下，使用电源电压。对于汽车应用，这可能是由于丢失相应端子(例如，根据DIN 72552的“Klemme 30”)而发生。
最后地，逆变器3包括电流测量单元19，该电流测量单元19在输入端8和直流链路电容器6之间的正电位11处互连。可替代地，电流测量单元19连接在直流链路电容器6和半桥10之间。
在正常操作模式下，控制单元17被配置为在逆变器6的输出相位20处提供用于提供多相交流电流的脉冲信号。如果逆变器3的安全单元21(例如实施E-Gas 3级标准)检测到故障，则提供故障信号21a。其中，安全单元21的故障检测功能独立于外部故障检测功能，外部故障检测功能例如由电子控制单元5a实现，其触发开关5断开，从而将直流电压源4与逆变器3断开连接。
控制单元17包括逻辑部分22，该逻辑部分22被配置为向开关元件14、15提供控制信号23，使得它们被转换为有源短路状态或续流状态。其中，如果逻辑部分22的输入信号24为逻辑1，则采用有源短路状态，而如果逻辑部分22的输入信号24为逻辑0，则采用续流状态。在有源短路状态下，连接到每个半桥10的正电位11的开关元件13被控制为断开，并且连接到每个半桥10的负电位12的开关元件14被控制为接通。可替代地，每个半桥10的开关元件13被控制为接通，并且每个半桥10的开关元件14被控制为断开。在续流状态下，一个、两个或所有半桥10的两个开关元件14、15都断开。因此，二极管16用作整流器，以恢复由电机2提供的电磁力(例如，e.m.f.)。
控制单元17包括第一比较器部分25，其从电压检测单元7获得电压测量信号26。借助于第一比较器部分25，实现了第一条件，该第一条件为代表直流电容器6上的压降的电压测量信号指示正极端子11和负极端子12之间的电压低于预定的第一电压阈值。示例性地，第一电压阈值为80V。此外，控制单元17包括第二比较器部分27，其从电流检测单元19获得电流测量信号28。借助于第二比较器部分，实现第二条件，该第二条件为代表输入8和开关元件14、15之间流动的电流29的电流测量信号28指示从正电位到负电位12的方向上的电流29大或等于零以下的预定电流阈值。示例性地，电流阈值为-15A。
除此之外，第一比较器部分25具有实现第三条件的滞后功能，该条件为电压测量信号26指示正电位11和负电位12之间的电压高于或达到比第一电压阈值更高的预定的第二电压阈值。
如果满足相应条件，则第一比较器部分25或第二比较器部分27的输出信号30、31分别为逻辑1，否则为逻辑0。输出信号30、31是控制单元10的与-门32的输入。与-门32的输出33被馈送到非-门34，非-门34的输出35和故障信号21a是与-门36的输入，该与-门36提供逻辑部分22的输入信号24作为输出。
当通过电子控制单元5a断开开关5时，由于直流链路电容器6不再由直流电压源4充电，直流链路电容器6被放电。因此，如果直流链路电容器6完全放电，则直流转换单元18不能向控制单元17供电。然而，控制单元17被配置为控制开关元件14、15从有源短路状态转换为续流状态，从而通过电机整流后的e.m.f对直流链路电容器6进行充电，以经由输出相位20进行供电。然而，当独立于电子控制单元5a工作的安全单元21在开关5闭合时仍提供故障信号21a时，负电流29可能会导致出现不期望的制动扭矩。为了避免在负电流29过高的情况下的制动扭矩，控制单元17被配置为在满足第一条件但不满足第二条件的情况下维持或采用有源短路状态。换言之，如果负电流29低于电流阈值，则控制单元17避免续流状态。注意，由于在达到或超过第二电压阈值时则再次采用有源短路状态，其指示直流链路电容器6已经被充电至足够的电荷量。
控制单元17，特别是逻辑部分22和门32、34、36，可以离散地或在复杂的可编程逻辑器件(CPLD)中或在现场可编程门阵列(FPGA)中实现。可替代地，前述逻辑功能在计算机程序中实现，特别是在微控制器上运行。
图2是包括组件1的车辆37的实施方式的框图，其中电机2被配置成驱动车辆37。

Claims (12)

1.一种用于控制逆变器(9)的控制单元(17)，所述逆变器(3)具有直流链路电容器(6)、多个输出相位(20)以及设置在半桥(10)中并与所述直流链路电容器(6)和所述输出相位(20)相连接的多个开关元件(13、14)，其中在故障模式下，所述控制单元(17)被配置为控制所述开关元件(13、14)采用有源短路状态，在所述有源短路状态下所述输出相位(20)被短路，其特征在于，所述控制单元被配置为控制所述开关元件(13、14)
-从所述有源短路状态转换为所述半桥(10)的所述开关元件(13、14)被断开的续流状态，如果同时满足
–第一条件，所述第一条件为：代表直流链路电容器(6)上的压降的电压测量信号(26)指示所述直流链路电容器的正电位(11)和所述直流链路电容器(6)的负电位(12)之间的电压低于预定正电压阈值，和
–第二条件，所述第二条件为：代表所述逆变器(3)的输入(8)和所述开关元件(13、14)之间流动的电流(29)的电流测量信号(28)指示从所述正电位(11)到所述负电位(12)的方向上的所述电流(29)大于或等于预定电流阈值(小于零)，
–保持和/或采用所述有源短路状态，如果满足所述第一条件但不满足所述第二条件。
2.根据权利要求1所述的控制单元，其中所述电压阈值具有30V至100V之间的值。
3.根据权利要求1或2所述的控制单元，其中所述电流阈值具有-30A至-5A之间的值，优选地具有-20A至-10A之间的值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的控制单元，所述控制单元(17)被配置为：如果满足第三条件，控制所述开关元件(13、14)从所述续流状态转换到所述有源短路状态，其中所述第三条件为：所述电压测量信号(28)指示所述正电位(11)和所述负电位(12)之间的电压高于或达到预定的第二电压阈值。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的控制单元，其中所述控制单元被配置为：通过控制断开连接至每个所述半桥(10)的所述正电位(11)的所述开关元件(13)以及通过控制接通连接至每个所述半桥(10)的所述负电位(12)的所述开关元件(14)，或通过控制接通连接至每个所述半桥(10)的所述正电位(11)的所述开关元件(13)以及通过控制接通连接至每个所述半桥(10)的所述负电位(12)的所述开关元件(14)，将所述输出相位(20)有源短路。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的控制单元，其中所述控制单元被配置为控制另一个或其它半桥的所有开关元件(13、14)在所述续流状态下被断开。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的控制单元，其中所述控制单元(17)被配置为：如果检测到故障，控制所述开关元件(13、14)从正常模式转移至故障模式，其中，所述正常模式下将用于在所述输出相位(20)提供的多相交流电流的脉冲信号提供给所述开关元件(13、14)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的控制单元，其中所述开关元件(13、14)是压控开关元件，特别是包括功率晶体管(15)的压控开关元件。
9.一种逆变器(3)，包括根据权利要求1至8中的任一项所述的控制单元(17)。
10.一种组件(1)，包括电机(2)和根据权利要求9所述的逆变器(3)，所述逆变器(3)被配置为向所述电机(2)供电。
11.一种车辆(37)，包括根据权利要求10所述的组件(1)，其中所述电机(2)被配置为驱动所述车辆(37)。
12.一种用于操作逆变器(3)的方法，所述逆变器(3)具有直流链路电容器(6)、多个输出相位(20)以及设置在半桥(10)中与所述直流链路电容器(6)和所述输出相位(20)相连接的多个开关元件(13、14)，包括以下步骤：
–在故障模式下采用有源短路状态，其中所述输出相位(20)被短路；
–评估是否满足第一条件，所述第一条件为：代表直流链路电容器(6)上的压降的电压测量信号(26)指示所述直流链路电容器的正电位(11)和所述直流链路电容器(6)的负电位(12)之间的电压低于预定正电压阈值；
–评估是否满足第二条件，所述第二条件为：代表所述逆变器(3)的输入(8)和所述开关元件(13、14)之间流动的电流(29)的电流测量信号(28)指示从所述正电位(11)到所述负电位(12)的方向上的所述电流(29)大于或等于零以下的预定电流阈值；
–如果满足所述第一条件和所述第二条件，则将所述开关元件(13、14)从所述有源短路状态转换为所述半桥(10)的所述开关元件(13、14)被断开的续流状态，如果满足所述第一条件但不满足所述第二条件，则保持或采用所述有源短路状态。
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