CN111835184A - 用于避免同时进行接通/关断切换的动态载波波形修改 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“用于避免同时进行接通/关断切换的动态载波波形修改”。一种电力电子切换系统具有：功率转换器，其包括分别设置在与电机电气连接并限定所述电机的不同相位的并联路径中的开关元件。所述系统还具有控制器，所述控制器输出从对应于所述开关元件的载波波形和参考波形导出的对所述开关元件的切换命令，并根据所述参考波形之间的幅值差来为所述载波波形中的一个生成形状，使得响应于所述差大于第一阈值，所述形状为第一类型，并且响应于所述差小于第二阈值，所述形状为不同于所述第一类型的第二类型。

Description

用于避免同时进行接通/关断切换的动态载波波形修改
技术领域
本公开涉及对功率半导体装置的控制。
背景技术
功率半导体在某些电力电子设备(诸如开关模式电源)中用作开关或整流器。功率半导体也称为功率装置，或者当在集成电路中使用时，也称为功率集成电路(IC)。功率半导体通常以换流模式(其为接通或关断)使用，并且具有针对此类用途而优化的设计。功率半导体在输送数十毫瓦的系统(例如，耳机放大器)和输送千兆瓦的系统(例如，高压直流输电线)中均有使用。
某些金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是一种类型的功率半导体，是耗尽型沟道装置：建立从漏极到源极的传导路径可能需要电压而不是电流。在低频下，这可以减小栅极电流，因为仅需要在开关期间对栅极电容充电。开关时间的范围为几十纳秒到几百微秒。通常，MOSFET装置不是双向的并且不是反向电压阻断的。
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是另一种类型的功率半导体，通常具有与双极结型晶体管(BJT)和MOSFET共有的特性。它可能具有高栅极阻抗，并且因此具有低栅极电流要求，如同MOSFET。它在操作模式中也可能具有低接通状态压降，如同BJT。某些IGBT可以用于阻断正电压和负电压两者，并且与MOSFET装置相比具有减小的输入电容。
发明内容
一种电力电子切换系统具有：功率转换器，其包括分别设置在与电机电气连接并限定电机的不同相位的并联路径中的开关元件；以及控制器。所述控制器输出从对应于所述开关元件的周期性载波波形和参考波形导出的对所述开关元件的切换命令，并且响应于所述参考波形的幅值差下降到预定阈值以下，改变所述周期性载波波形中的一个的形状以防止所述开关元件的同时切换。
一种电力电子切换系统具有：功率转换器，其包括分别设置在与电机电气连接并限定电机的不同相位的并联路径中的开关元件；以及控制器。所述控制器输出从对应于所述开关元件的载波波形和参考波形导出的对所述开关元件的切换命令，并根据所述参考波形之间的幅值差来为所述载波波形中的一个生成形状，使得响应于所述差大于第一阈值，所述形状为第一类型，并且响应于所述差小于第二阈值，所述形状为不同于所述第一类型的第二类型。
一种用于控制电力电子切换系统的方法包括：输出对分别设置在与电机电气连接并限定电机的不同相位的并联路径中的开关元件的切换命令。所述切换命令是从对应于开关元件的周期性载波波形和参考波形导出。所述方法还包括，响应于所述参考波形的幅值差下降到预定阈值以下，改变周期性载波波形中的一个的相位以防止所述开关元件的同时切换。
附图说明
图1是电力系统的示意图。
图2是车辆的示意图。
图3是与图2的一对开关的非重叠切换瞬间相关联的电压与时间的曲线图。
图4是与图2的该对开关的重叠切换瞬间相关联的电压与时间的曲线图。
图5A是载波波形幅值以及第一和第二参考波形幅值与时间的曲线图。
图5B和图5C分别是与图5A的波形相关联的第一和第二切换脉冲幅值与时间的曲线图。
图6A和图6C分别是第一和第二载波和参考波形幅值与时间的曲线图。
图6B和图6D分别是与图6A和图6C的波形相关联的第一和第二切换脉冲幅值与时间的曲线图。
图7A和图7C分别是第一和第二载波和参考波形幅值与时间的曲线图。
图7B和图7D分别是与图7A和图7C的波形相关联的第一和第二切换脉冲幅值与时间的曲线图。
图8A和图8C分别是第一和第二载波和参考波形幅值与时间的曲线图。
图8B和图8D分别是与图8A和图8C的波形相关联的第一和第二切换脉冲幅值与时间的曲线图。
具体实施方式
本文描述了本公开的各个实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可以采用未明确示出或描述的各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可以被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅解释为教导本领域普通技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个来示出和描述的各种特征可以与在一个或多个其他附图中所示出的特征进行组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可以是特定应用或实施方式所期望的。
在多桥臂功率转换器或连接到共同DC总线的多个功率转换器中，每当两个不同桥臂中的半导体开关的接通(关断)瞬间重叠(同时切换)时，半导体装置上就会产生比相应的接通(关断)瞬间不重叠时更高的电压尖峰。
参考图1，例如，电力系统10包括牵引电池12和与牵引电池12并联的一对桥臂14、16。桥臂14包括串联的半导体开关18、20。桥臂16包括串联的半导体开关22、24。也示出了相关联的寄生电感Lcom、L1p、L1n、L2p、L2n。在这样的系统中，每当桥臂14、16中的切换的接通(关断)瞬间重叠(同时切换)时，半导体装置上就会产生比相应的接通(关断)瞬间不重叠时更高的电压尖峰。例如，当半导体开关18、22的关断瞬间重叠时，在半导体开关18、22上就会产生比关断瞬间不重叠时更高的电压尖峰。在同时切换期间流过桥臂14、16共同的寄生电感Lcom的电流(di/dt)的组合瞬时变化(d(i1+i2)/dt)大于非同时切换期间的瞬时变化，从而导致寄生电感Lcom两端的电压Vcom更高，如图1所示。这种额外的过压尖峰可能会导致无法耐受这种电压的装置出现问题，从而导致选择具有更高耐压的装置，从而可能增加成本和/或体积。
上面的内容也适用于连接到共同DC总线的多个功率转换器。参考图2，例如，车辆26包括动力系统28。动力系统28包括牵引电池30、DC-DC转换器32、一对逆变器34、发电机38、马达40和控制器42。所述DC-DC转换器包括电容器42、电感器44、一对串联的半导体开关46、48和直流侧电容器50。逆变器34包括与彼此和直流侧电容器50并联的相臂52、54、56。相臂52包括串联的半导体开关58、60。相臂54包括串联的半导体开关62、64。并且相臂56包括串联的半导体开关66、68。同样地，逆变器36包括与彼此和直流侧电容器50并联的相臂70、72、74。相臂70包括串联的半导体开关76、78。相臂72包括串联的半导体开关80、82。并且相臂74包括串联的半导体开关84、86。
由发电机38产生的电力可以通过逆变器34从AC变换成DC，并通过DC-DC转换器降压以输送到牵引电池30。来自牵引电池30的电力可以通过DC-DC转换器32升压，并通过逆变器36从DC变换成AC，以输送到马达40。控制器42与牵引电池30、DC-DC转换器32、逆变器34、36、发电机38和马达40通信并控制它们的操作。控制器42还可以执行本文设想的算法/方法/过程。
参考图2和图3，在开关58、76未经历同时切换时对开关58、76两端的电压的实验观察发现峰值电压分别为350V和300V。参考图2和图4，在开关58、76经历同时切换时对开关58、76两端的电压的实验观察发现峰值电压分别为385V和370V。
参考图5A至图5C，由于调制(参考)波形和载波波形之间的比较，所以生成了由控制器生成的至半导体开关装置的切换信号。如果桥臂的调制波形的值大于载波波形，则该桥臂的对应顶部开关的切换脉冲处于高态，否则处于低态。描绘了当参考波形具有相同值时同时进行关断切换的瞬间的示例。
在此，我们建议通过使用载波的一个或多个性质(诸如其波形、相位、频率、振幅或斜率)的改变来有意地以动态(实时)或预编程方式移动涉及同时切换的装置中的一个的切换瞬间，而避免在不同逆变器桥臂中的半导体装置之间发生切换重叠。
参考图6A至图6D，示出了动态载波波形改变的示例。在正常操作下使用三角波形。每当由于参考波形之间的幅值差下降到阈值以下而预期潜在的同时切换事件时，载波波形中的一个(例如，波形2)就会从三角形状动态地变为具有相同频率的锯齿形状且锯齿的前沿位于图6A的三角载波波形的谷点。可以基于模拟/测试结果和应用需求来选择阈值。这确保了第二桥臂中的关断事件严格发生在锯齿波形的前沿，从而避免了由于图6A的三角载波的同时谷点而导致的同时关断。在一个载波波形周期完成之后，在预定时间段之后，或者响应于参考波形之间的幅值差超过某个阈值(其可以不同于用于触发改变的阈值)，一旦克服了同时发生的切换事件，就可以将第二桥臂的载波波形从锯齿状恢复到原始的三角形几何形状。在适当瞬间施加在第二桥臂上的强制关断有效地避免了关断切换重叠。
参考图7A至图7D，代替仅改变载波波形中的一个，两个载波波形可以都改变。第一桥臂和第二桥臂的两个载波波形分别从三角形变为前沿和下降沿锯齿状。因此，两个桥臂的顶部开关中的关断事件被一个锯齿形时间周期隔开。
参考图8A至图8D，可以改变载波波形中的一个(或两个)的相位。响应于参考波形之间的幅值差下降到阈值以下，可以使所述载波波形中的一个具有零频率的驻留时间或在返回到原始切换频率之前的某个时间段内具有不同的切换频率(虚线)。
代替动态地改变载波波形中的一个或两个来避免同时切换，可以通过生成固定的载波几何形状来对载波波形进行预编程，这将始终防止不希望的同时切换事件。作为一个示例，使用前沿锯齿载波波形，但彼此之间相移了例如时间周期的一半，使得发生两个波形的前沿(以及因此关断切换)被给定的相移隔开。可以示出使用相移的下降沿载波波形的类似的示例。
使用边沿同步的前沿和下降沿锯齿载波波形，可以避免在切换桥臂之间发生同时关断和同时接通事件。尽管使用边沿同步会导致在同一瞬间在一个桥臂中接通，而在另一个桥臂中关断，但是过压尖峰却不如两个桥臂中的同时接通或关断情况下那样大。实际上，由于在两个桥臂中的切换电流波形中相反的di/dt性质，在这种情况下使用边沿同步可能具有减少过压尖峰的有益效果。
也可以修改载波波形的其他性质(包括但不限于频率、振幅和斜率)以便避免切换重叠的发生。尽管在以上示例中，为了简化和易于理解，已经示出了三角和锯齿载波波形修改，但是也可以考虑其他波形。除了避免切换重叠之外，还可以开发载波修改方案以结合其他益处。例如，将载波频率的随机变化引入允许范围内的一个或两个波形，也可能有利于实现改善的噪声、振动和粗糙度性能。
所公开的算法、过程、方法、逻辑或策略可以递送到处理装置、控制器或计算机和/或由其实施，所述处理装置、控制器或计算机可以包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，算法、过程、方法、逻辑或策略可以存储为可由控制器或计算机以许多形式执行的数据和指令，所述形式包括但不限于：永久地存储在各种类型的制品上的信息，所述各种类型的制品可以包括持久不可写存储介质(诸如ROM装置)；以及可变地存储在可写存储介质(诸如软盘、磁带、CD、RAM装置以及其他磁介质和光学介质)上的信息。算法、过程、方法、逻辑或策略也可以以软件可执行对象实施。替代地，它们可以全部地或部分地使用合适的硬件部件来体现，所述合适的硬件部件诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其他硬件部件或装置，或硬件、软件和固件部件的组合。
在说明书中所使用的用词是描述用词而非限制用词，并且应当理解，可以在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可以被组合以形成可能未明确描述或示出的另外的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为在一个或多个期望的特性方面提供优于其他实施例或现有技术实施方式的优点或相比其他实施例或现有技术实施方式是优选的，但是本领域的普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的整体系统属性，所述期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维修性、重量、可制造性、组装简易性等。因此，被描述为关于一个或多个特性不如其他实施例或现有技术实施方式所期望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。
根据本发明，提供了一种电力电子切换系统，其具有：功率转换器，其包括分别设置在与电机电气连接并限定电机的不同相位的并联路径中的开关元件；以及控制器，所述控制器被编程为输出从对应于所述开关元件的周期性载波波形和参考波形导出的对所述开关元件的切换命令，并且响应于所述参考波形的幅值差下降到预定阈值以下，改变所述周期性载波波形中的一个的形状以防止所述开关元件的同时切换。
根据一个实施例，所述周期性载波波形中的所述一个在所述改变之前具有第一形状且在所述改变之后具有第二形状，并且其中所述控制器还被编程为响应于具有所述第二形状的所述周期性载波波形中的所述一个的周期的完成，将所述载波波形中的所述一个恢复到所述第一形状。
根据一个实施例，所述第一形状是三角形和锯齿状中的一者，并且所述第二形状是三角形和锯齿状中的另一者。
根据一个实施例，所述载波波形中的所述一个在所述改变之前具有第一形状且在所述改变之后具有第二形状，并且其中所述控制器还被编程为响应于所述差超过第二预定阈值，将所述载波波形中的所述一个恢复到所述第一形状。
根据一个实施例，所述第一形状是三角形和锯齿状中的一者，并且所述第二形状是三角形和锯齿状中的另一者。
根据一个实施例，所述周期性载波波形在所述改变之前具有相同的形状。
根据一个实施例，所述周期性载波波形具有相同的相位。
根据一个实施例，所述并联路径与一个或多个电机电气连接并且限定一个或多个电机的不同相位。
根据本发明，提供了一种电力电子切换系统，其具有：功率转换器，其包括分别设置在与电机电气连接并限定电机的不同相位的并联路径中的开关元件；以及控制器，所述控制器被编程为输出从对应于所述开关元件的载波波形和参考波形导出的对所述开关元件的切换命令，并且根据所述参考波形之间的幅值差为所述载波波形中的一个生成形状，使得响应于所述差大于第一阈值，所述形状为第一类型，并且响应于所述差小于第二阈值，所述形状为不同于所述第一类型的第二类型。
根据一个实施例，所述第一类型是三角形或锯齿状中的一者，并且所述第二类型是三角形或锯齿状中的另一者。
根据一个实施例，所述载波波形具有相同的相位。
根据一个实施例，所述第一和第二阈值是相同的。
根据一个实施例，所述并联路径与一个或多个电机电气连接并且限定一个或多个电机的不同相位。
根据本发明，提供了一种用于控制电力电子切换系统的方法，其具有以下步骤：输出对分别设置在与电机电气连接并限定电机的不同相位的并联路径中的开关元件的切换命令，其中所述切换命令从对应于所述开关元件的周期性载波波形和参考波形导出；以及响应于所述参考波形的幅值差下降到预定阈值以下，改变所述周期性载波波形中的一个的相位以防止所述开关元件的同时切换。
根据一个实施例，所述周期性载波波形中的所述一个在所述改变之前具有第一相位且在所述改变之后具有第二相位，还包括：响应于具有所述第二相位的所述周期性载波波形中的所述一个的周期的完成，将所述载波波形中的所述一个恢复到所述第一相位。
根据一个实施例，所述载波波形中的所述一个在所述改变之前具有第一相位且在所述改变之后具有第二相位，还包括：响应于所述差超过第二预定阈值，将所述载波波形中的所述一个恢复到所述第一相位。
根据一个实施例，所述载波波形在所述改变之前具有相同的形状。
根据一个实施例，在所述改变之前，所述形状是三角形的。
根据一个实施例，在所述改变之前，所述形状是锯齿状的。

Claims (15)

1.一种电力电子切换系统，其包括：
功率转换器，所述功率转换器包括分别设置在与电机电气连接并限定所述电机的不同相位的并联路径中的开关元件；以及
控制器，所述控制器被编程为：
输出从对应于所述开关元件的周期性载波波形和参考波形导出的对所述开关元件的切换命令，并且
响应于所述参考波形的幅值差下降到预定阈值以下，改变所述周期性载波波形中的一个的形状以防止所述开关元件的同时切换。
2.如权利要求1所述的电力电子切换系统，其中所述周期性载波波形中的所述一个在所述改变之前具有第一形状且在所述改变之后具有第二形状，并且其中所述控制器还被编程为响应于具有所述第二形状的所述周期性载波波形中的所述一个的周期的完成，将所述载波波形中的所述一个恢复到所述第一形状。
3.如权利要求2所述的电力电子切换系统，其中所述第一形状是三角形和锯齿状中的一者，并且所述第二形状是三角形和锯齿状中的另一者。
4.如权利要求1所述的电力电子切换系统，其中所述载波波形中的所述一个在所述改变之前具有第一形状且在所述改变之后具有第二形状，并且其中所述控制器还被编程为响应于所述差超过第二预定阈值，将所述载波波形中的所述一个恢复到所述第一形状。
5.如权利要求4所述的电力电子切换系统，其中所述第一形状是三角形和锯齿状中的一者，并且所述第二形状是三角形和锯齿状中的另一者。
6.如权利要求1所述的电力电子切换系统，其中所述周期性载波波形在所述改变之前具有相同的形状。
7.如权利要求1所述的电力电子切换系统，其中所述周期性载波波形具有相同的相位。
8.一种电力电子切换系统，其包括：
功率转换器，所述功率转换器包括分别设置在与电机电气连接并限定所述电机的不同相位的并联路径中的开关元件；以及
控制器，所述控制器被编程为：
输出从对应于所述开关元件的载波波形和参考波形导出的对所述开关元件的切换命令，并且
根据所述参考波形之间的幅值差来为所述载波波形中的一个生成形状，使得响应于所述差大于第一阈值，所述形状为第一类型，并且响应于所述差小于第二阈值，所述形状为不同于所述第一类型的第二类型。
9.如权利要求8所述的电力电子切换系统，其中所述第一类型是三角形或锯齿状中的一者，并且所述第二类型是三角形或锯齿状中的另一者。
10.如权利要求8所述的电力电子切换系统，其中所述载波波形具有相同的相位。
11.如权利要求8所述的电力电子切换系统，其中所述第一阈值和所述第二阈值相同。
12.一种用于控制电力电子切换系统的方法，其包括：
输出对分别设置在与电机电气连接并限定所述电机的不同相位的并联路径中的开关元件的切换命令，其中所述切换命令是从对应于所述开关元件的周期性载波波形和参考波形导出；以及
响应于所述参考波形的幅值差下降到预定阈值以下，改变所述周期性载波波形中的一个的相位以防止所述开关元件的同时切换。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述周期性载波波形中的所述一个在所述改变之前具有第一相位且在所述改变之后具有第二相位，所述方法还包括：响应于具有所述第二相位的所述周期性载波波形中的所述一个的周期的完成，将所述载波波形中的所述一个恢复到所述第一相位。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述载波波形中的所述一个在所述改变之前具有第一相位且在所述改变之后具有第二相位，所述方法还包括：响应于所述差超过第二预定阈值，将所述载波波形中的所述一个恢复到所述第一相位。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述载波波形在所述改变之前具有相同的形状。
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