專利名稱：用于旋轉(zhuǎn)電機的控制與功率模塊的制作方法
技術(shù)領域：
一般地，本發(fā)明涉及保護電氣系統(tǒng)免受甩負載(load dump)。具體地，其適用于汽車領域。
背景技術(shù)：
在機動車輛中，稱為“車載系統(tǒng)”的電氣系統(tǒng)用于提供車輛所配備的電氣裝備。此類車載系統(tǒng)可以被比做DC電源總線。由至少一個電池提供電源。電池利用旋轉(zhuǎn)電機以車輛熱機(thermal engine)的旋轉(zhuǎn)所提供的能量重新充電。旋轉(zhuǎn)電機更一般地指任何單相或多相旋轉(zhuǎn)電機，用于產(chǎn)生供應車載系統(tǒng)的輸出DC電流。具體地，其可以是交流發(fā)電機或者交流發(fā)電機/起動器。
在車載系統(tǒng)中的電氣負載、或者電池、或者兩者突然斷開的情況下，會產(chǎn)生甩負載的現(xiàn)象，其會造成車載系統(tǒng)上的過電壓。這是因為由于在甩負載之后、該電機中的施感電流(inducing current)的調(diào)節(jié)動作不夠快，該電機繼續(xù)提供相同的輸出電流，而車載系統(tǒng)側(cè)上的電流消耗已經(jīng)下降。
常規(guī)地，車輛電池為14伏特電池。原則上，由于其低的內(nèi)部電阻，在甩負載的情況下，其將在車輛的車載系統(tǒng)上發(fā)生的電壓峰值限制到大約17伏特。所述電池由此吸收小的過電壓。但是，在斷開電池(例如由于供電電纜斷裂)的情況下，在車載系統(tǒng)上可能會發(fā)生非常高的過電壓。這是因為由該電機提供的為連接到車載系統(tǒng)的電容(包括寄生電容)充電以及因此使車載系統(tǒng)的DC電壓顯著增加。
該過電壓會產(chǎn)生破壞車載系統(tǒng)所提供的電氣裝備的風險。這就是為什么車輛上所有電氣裝備的規(guī)格都可以耐受大約32伏特的最大電壓，這對應于大約20伏特的過電壓。
已知有各種解決方案來將車載系統(tǒng)上電壓限制到最大可接受電壓，即車輛上的電氣裝備可以耐受而不會有破壞風險的最高電壓。
例如，文獻WO 03/032465提出了第一實施方式，其對于功率電路中的開關、使用對為了以給定電壓的雪崩效應工作的、低于最大可接受電壓的電壓校準的功率MOSFET晶體管。由此，在甩負載的情況下，對車載系統(tǒng)電壓的限制由構(gòu)成橋式整流器的開關的功率晶體管進入雪崩來保證。
同一文獻WO 03/032465還提出一種常規(guī)的解決方案，包括向車載系統(tǒng)添加齊納二極管，以限制車載系統(tǒng)電壓。
其他方案包括在車載系統(tǒng)中添加附加負載，以吸收甩負載情況下的多余能量。
這些已知方案具有某些優(yōu)點，但是在由于高能量消耗的電氣裝備增加的趨勢、而必然在未來在車輛中使用較大容量電池(例如42伏特)的環(huán)境下并不完美。這是因為根據(jù)未來歐洲標準(仍然在起草)的規(guī)定，車輛車載系統(tǒng)的電氣裝備規(guī)格可能必須能在高大48伏特的電壓下工作，并且耐受58伏特的最大電壓，這對應于僅僅10伏特的過電壓。
但是MOSFET晶體管的限制電壓或者削峰電壓太高(高于58V)，并且控制不足以使其能夠用于該環(huán)境下。這是因為MOSFET的削峰值具體依賴于諸如溫度等參數(shù)。
另外，在使用具有MOS晶體管的齊納二極管的情況下，它們必須能夠吸收幾百安培的電流，從而導致很大的體積以及額外的成本，因為必須將添加幾個齊納二極管。同樣的情況適用于附加負載。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明目的在于，提出用于包含多相繞組的旋轉(zhuǎn)電機的控制與功率模塊，該模塊包括-功率電路，包括用來與所述多相繞組相關的多個分支，以及-控制電路，被構(gòu)造來當該電機工作在標稱模式下時、控制所述功率電路，以獲得對機動車輛的車載系統(tǒng)上電壓的限制，這是對已知方案的替代方案。
本發(fā)明目的還在于，提供一種在控制與功率模塊中實現(xiàn)的、控制旋轉(zhuǎn)電機的方法。
為此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該控制電路還被構(gòu)造來-監(jiān)控所述功率電路的輸出電壓；-當所述輸出電壓達到至少一個第一門限值時，鎖定所述功率電路的至少一個分支在一通電狀態(tài)下以使該電機工作在降級模式下。
由此，鎖定所述功率電路的至少一個分支具有減少交流電發(fā)電機所生成的電流的效果。這可以使車載系統(tǒng)上的電壓下降，因為保持與其連接的電氣裝備消耗了電流，同時等待調(diào)節(jié)來適配注入該電機的場繞組的激勵電流。
在非限定性的實施方式中，控制電路還被構(gòu)造來當所述輸出電壓達到第二門限值時，重新確立所述電機工作在標稱模式下。由此，這使得可以當過電壓不再存在時、返回到正常運行模式。
在非限定性的實施方式中，控制電路被構(gòu)造來當所述輸出電壓達到第一門限值時，鎖定所述功率電路的所有分支。由此短路該電機。其不再輸出任何電流。因此，提供到車載系統(tǒng)的電壓迅速下降，并且由此限制了過電壓。
在非限定性的實施方式中，功率電路還包括能量存儲部件。這些部件為電容器。由此，所述電容器實現(xiàn)迷你電池的功能。這是因為當該電機不再生成任何電流、或者生成的不夠時，其向車載系統(tǒng)提供電流。這樣，該電機提供的電流為零，但是由該電容器向連接到車載系統(tǒng)的電氣裝備供電。
在非限定性的實施方式中，所述至少第一門限值高于第二門限值。由此，當功率電路的輸出電壓超過大于該電機標稱模式下的運行值的值時，觸發(fā)降級模式。
在非限定性的實施方式中，第二門限值近似等于在標稱模式下由功率電路提供的電壓的標稱值。由此，只有當車載系統(tǒng)上的電壓值已經(jīng)重新達到其標稱值時，才離開降級模式。
在非限定性的實施方式中，所述至少第一門限值低于破壞要由功率電路的輸出電壓供電的電氣裝備的電壓。由此，保護該電氣裝備免受過電壓的破壞。
在非限定性的實施方式中，控制電路用來當鎖定分支時，對于部分鎖定時間，將該分支維持在第一導電狀態(tài)；以及在其余鎖定時間期間，將該分支維持在第二導電狀態(tài)。該實施方式使得可以在一個分支的部件之間分配散熱，并且交替進行。由此限制了其發(fā)熱。
在非限定性的實施方式中，所述至少一個分支包括兩個開關，并且其中在所述分支的給定導電狀態(tài)下，一個開關導電，另一個開關截止。
在非限定性的實施方式中，控制電路用來將功率電路的所有被鎖定的分支維持在相同的導電狀態(tài)下。這使得可以短路一或多個相繞組，并且因此減少該電機生成的電流。
在非限定性的實施方式中，開關包含至少一個功率晶體管。
在非限定性的實施方式中，按照小于標稱模式下的功率電路的運行頻率的鎖定頻率進行對所述至少一個分支的鎖定。由此，在車載系統(tǒng)上的電壓下降得足以限制過電壓所需的時間期間，該電機生成較低的電流或者不生成電流。
有利的是，本發(fā)明不添加任何電子部件。另外，其這使得可以在甩負載的情況下、維持到車載系統(tǒng)的電氣部件的電力供應。
本發(fā)明的第二方面涉及一種多相可逆旋轉(zhuǎn)電機，包含根據(jù)上面第一方面的控制與功率模塊。
最后，本發(fā)明的第三方面涉及一種用于控制用于在標稱模式下工作的旋轉(zhuǎn)電機的方法，該電機包含多相繞組以及包括用來與所述多相繞組相關的多個分支的功率電路。該方法包括以下步驟-監(jiān)控所述功率電路的輸出電壓；-當所述輸出電壓達到至少第一門限值時，鎖定所述功率電路的至少一個分支在一通電狀態(tài)下以使該電機工作在降級模式下。
在非限定性的實施方式中，所述方法包括以下補充步驟當所述輸出電壓達到第二門限值時，重新確立所述電機工作在標稱模式下。
在非限定性的實施方式中，在鎖定步驟中，當所述輸出電壓達到第一門限值時，鎖定所述功率電路的所有分支。
在非限定性的實施方式中，在鎖定分支的步驟期間，對于部分鎖定時間，將該分支維持在第一導電狀態(tài)；以及在其余鎖定時間期間，將該分支維持在第二導電狀態(tài)。
在非限定性的實施方式中，將功率電路的所有被鎖定的分支維持在相同的導電狀態(tài)下。
在非限定性的實施方式中，按照小于標稱模式下的功率電路的運行頻率的鎖定頻率，執(zhí)行鎖定所述至少一個分支的步驟。


從以下描述可以看出本發(fā)明的其他特征與優(yōu)點。以下描述純粹為說明性的，并且必須與附圖一起閱讀，附圖中-圖1為說明根據(jù)本發(fā)明第一方面的控制與功率模塊、以及根據(jù)本發(fā)明第二方面的電機的實施方式的圖示；-圖2為在屬于圖1的控制與功率模塊的功率電路的示例實施方式中包含的功率晶體管橋的圖示；-圖3示出當實現(xiàn)本發(fā)明時在甩負載的情況下車輛的車載系統(tǒng)上的電壓的圖示，以及所述車輛的電機的激勵電流的圖示；-圖4a與4b為說明根據(jù)本發(fā)明的實施方式、在鎖定所有分支的兩種配置下圖2的晶體管橋的狀態(tài)的圖示；-圖5為說明在實踐中制造用于測試圖1的控制與功率模塊的功能的電路的圖示；-圖6與圖7為對于圖5中電路的各種測試條件的、車載系統(tǒng)上的電壓以及電機的激勵電流的圖示。
具體實施例方式
現(xiàn)在要在將本發(fā)明用于控制多相旋轉(zhuǎn)電機(例如在背景技術(shù)中提到的那些中的一個)的情況下描述本發(fā)明。此處只關心作為這些電機的交流發(fā)電機工作的模式。該模式是交流發(fā)電機的唯一操作模式。其為其他類型的電機的可能操作模式的一種模式。對于以下的說明書，將采用交流發(fā)電機/啟動器30、即可逆電機的非限定性例子。
另外，對于說明書的其余部分，可以將電氣裝備無差別地稱為耗電器或者負載。
交流發(fā)電機/啟動器30包含三個操作模式。本領域人員公知的有空閑模式、交流發(fā)電機模式(也稱為發(fā)電機模式)、以及包含啟動模式的馬達模式。
圖1示意性地說明根據(jù)本發(fā)明的交流發(fā)電機/啟動器30。將交流發(fā)電機/啟動器30安裝在包含電氣系統(tǒng)50(也稱為車載系統(tǒng))的車輛(未示出)中。
交流發(fā)電機/啟動器30包括-機電部分20，-形成控制與功率模塊10的電子部分，-高供電終端31，以及-低供電終端32。
通過電器系統(tǒng)50，兩個終端31與32分別連接到電池40的正終端41與負終端42。在非限制性的例子中，電池40是一個42伏特電池。終端42與42上的電位分別表示為B+與B-。常規(guī)地，終端42連接到車輛的底盤，從而電位B-與地電位合并。電池電壓表示為Ubat，即電池40的終端41與42之間的電位差。該電壓為車載系統(tǒng)50上可用的電壓，并且在交流發(fā)電機/啟動器的終端31與32之間，顯然在電池斷開的情況下除外。但是，不嚴格地講，車載系統(tǒng)50上、以及交流發(fā)電機/啟動器的終端31與32之間的電壓總是指定為Ubat，即使在電池斷開的情況下也如此。在所采用的例子中，電池40為42V電池，這使得可以供應大耗電器，例如電加熱或空調(diào)的電子部件、或者DC到DC轉(zhuǎn)換器。應該注意不是所有的電氣耗電器都一定設定為42V，而是某些可能保持設定為12V，例如車上收音機、風檔刮水器或者車輛控制器。在這種情況下，存在第二12V電池(未顯示)以及42V電池與第二12V之間的DC到DC轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器將由交流發(fā)電機/啟動器30提供的電力轉(zhuǎn)換為12V。
交流發(fā)電機/啟動器的機電部分20包括-感應(induced)元件21，以及-施感(inducing)元件22。
在一個例子中，感應元件21為定子，施感器(inductor)20為轉(zhuǎn)子。定子21包含數(shù)目為N的相繞組。在此處考慮的例子中，N等于3。換言之，根據(jù)本示例實施方式的交流發(fā)電機/啟動器30為具有轉(zhuǎn)子型場繞組與三相定子型電樞的電機。在圖1所示的例子中，感應元件21的相繞組以星型配置安裝，此處三相繞組公共端處的電壓浮動。但是，這不是限制性的，也能夠設想環(huán)形(例如三角型)配置。
控制與功率模塊10包括-控制電路13，-激勵電路14，其生成注入施感元件22的激勵電流Iex，以及-電子功率電路15。
在非限定性的實施方式中，控制電路13包括微控制器。該微控制器接收在交流發(fā)電機/啟動器的供電終端31與32之間可得的電壓，即車載系統(tǒng)50上的電壓Ubat，例如在耦合至內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入。電壓Ubat由此由控制電路13監(jiān)控。由此容易訪問所述電壓Ubat。
激勵電路14可以包括電子部件的組合件。該設計本身共知，此處不需要再進一步詳細描述。
功率電路15包括-高供電輸入/輸出，表示為VCC，-低供電輸入/輸出，表示為GND，-三相輸入/輸出，PHa、PHb和PHc，以及-開關橋及其控制電子器件，當該電機以交流發(fā)電機模式工作時也稱為橋式整流器，而當該電機以馬達模式工作時也稱為逆變器(inverter)。
第一供電輸入/輸出VCC耦合于交流發(fā)電機/啟動器的高供電終端31以接收電位B+。第二供電輸入/輸出GND耦合于交流發(fā)電機/啟動器的低供電終端32以接收電位B-。由此，在功率電路15的輸入/輸出VCC與GND之間可得電壓Ubat。
在操作中，三相輸入/輸出PHa、PHb和PHc耦合于此處設想的定子星形配置中的分別為21a、21b、21c的相繞組中一個的自由端。在定子環(huán)形配置的情況中，每個輸入/輸出PHa、PHb和PHc耦合于兩個相繞組的公用節(jié)點中的一個。在所有情況下，輸入/輸出PHa、PHb和PHc都接收在相繞組21a、21b、21c中通過場繞組22的旋轉(zhuǎn)而感應的電流，或者在這些繞組中提供從電池40吸取的電流。因此，并且在附圖中，這些電流表示為Ia、Ib和Ic。
在非限定性的實施方式中，開關橋由圖2中的圖說明。控制電子器件(未示出)具體包含驅(qū)動器電路。它們本身公知，因此此處不需要再進一步詳細描述它們。
開關橋包括三個分支Ba、Bb和Bc，分別與電樞21的三相繞組21a、21b、21c相關聯(lián)。
在非限定性的實施方式中，每個分支包括兩個開關。開關包括至少一個功率晶體管。優(yōu)選地，開關包括并聯(lián)安排的多個晶體管。這使得可以具有較少由于焦耳效應的損失。功率晶體管例如為MOSFET晶體管。在變型中，它們可以為IGBT(“Insulated Gate Bipolar Transistor”，絕緣柵極雙極晶體管)晶體管或者雙極功率晶體管。
由此，在非限定性的實施方式中，開關橋的分支Ba包含串聯(lián)在輸入/輸出VCC與GND之間的低晶體管MLSa(或者“Low Side”(低側(cè))晶體管)與高晶體管MHSa(或者“High Side”(高側(cè))晶體管)。這些例如為NMOS晶體管。
MHSa的漏極與源極分別連接到功率電路15的輸入/輸出VCC與輸入/輸出PHa。類似地，MLSa的漏極與源極分別連接到功率電路15的輸入/輸出PHa與輸入/輸出GND。換言之，連接在一起的晶體管MLSa的漏極與晶體管MHSa的源極形成連接到功率電路15的輸入/輸出PHa的分支Ba的輸出節(jié)點。
類似地，晶體管橋的分支Bb包含串聯(lián)在輸入/輸出VCC與GND之間的低側(cè)晶體管MLSb與高側(cè)晶體管MHSb。這些也為NMOS晶體管。MHSb的漏極與源極分別連接到功率電路15的輸入/輸出VCC與輸入/輸出PHb。類似地，MLSb的漏極與源極分別連接到功率電路15的輸入/輸出PHb與輸入/輸出GND。換言之，連接在一起的晶體管MLSb的漏極與晶體管MHSb的源極形成連接到功率電路15的輸入/輸出PHb的分支Bb的輸出節(jié)點。
最后，晶體管橋的分支Bc包含串聯(lián)在輸入/輸出VBC與GND之間的低側(cè)晶體管MLSc與高側(cè)晶體管MHSc。這些也為NMOS晶體管。MHSc的漏極與源極分別連接到功率電路15的輸入/輸出VCC與輸入/輸出PHc。類似地，MLSc的漏極與源極分別連接到功率電路15的輸入/輸出PHc與輸入/輸出GND。換言之，連接在一起的晶體管MLSc的漏極與晶體管MHSc的源極形成連接到功率電路15的輸入/輸出PHc的分支Bc的輸出節(jié)點。
應該注意對于高側(cè)晶體管或者低側(cè)晶體管，可以為如上所述地并聯(lián)安排的晶體管組。
每個分支Ba、Bb和Bc包含兩個可能的導電狀態(tài)。這兩個狀態(tài)每個都對應于在其所耦合的、分別為功率電路15的PHa、PHb和PHc的輸入/輸出處的、分別為Ia、Ib和Ic的電流的流動方向。第一狀態(tài)稱為“高”導電狀態(tài)，對應于該分支的高側(cè)功率晶體管的導通狀態(tài)以及低側(cè)功率晶體管的截止狀態(tài)。由此，例如對于第一分支Ba，相關電流Ia從相繞組21a流向高供電輸入/輸出VCC。相反，第二狀態(tài)稱為“低”導電狀態(tài)，對應于該分支的低側(cè)功率晶體管的導通狀態(tài)以及高側(cè)功率晶體管的截止狀態(tài)。由此，例如相關電流Ia從低輸入/輸出GND流向相繞組21a。請考慮感應電流Ia、Ib和Ic為交流電流。
現(xiàn)在解釋交流發(fā)電機/啟動器30的操作。
在交流發(fā)電機操作模式下，當交流發(fā)電機/啟動器在正常條件(即在標稱模式下)下起作用時，通過交流發(fā)電機/啟動器當由熱機驅(qū)動時的旋轉(zhuǎn)，生成電流It(在圖1中顯示)。然后，控制交流發(fā)電機/啟動器30以整流感應電流Ia、Ib和Ic，并且調(diào)節(jié)施感電流Iex以及隨后的隨生成的電流It。應該說明感應電流Ia、Ib和Ic的幅度為施感電流Iex的函數(shù)，而所生成電流It為三個整流后的感應電流的函數(shù)。
為了由該電機進行所述調(diào)節(jié)(在圖1中顯示)，由激勵電路14在近似100Hz的頻率上對施感電流Iex進行限幅或截斷。由此調(diào)節(jié)該電機從熱機得到的扭矩，以及因此調(diào)節(jié)所述電機所生成的電力。
另外，為了進行整流(rectification)，使用功率電路15的開關橋。這使得可以進行感應電流Ia、Ib和Ic的整流。為此目的，或者控制電路13在該電機的大約1kHz電頻率上(同步整流)控制該橋的開關的切換，或者所述開關作為常規(guī)二極管橋操作，此時這些開關都處于截止位置。本領域技術(shù)人員公知同步整流與作為二極管橋操作，將不詳細描述它們。
還應該說明電機的電頻率為熱機的速度的頻率、轉(zhuǎn)子柱對的數(shù)目、以及帶傳送比(belt ratio)的函數(shù)，所述帶放置在轉(zhuǎn)子的軸上，并且以公知的方式允許該電機與熱機之間的協(xié)同。
由此，該電機的電頻率(其因此對應于功率電路的運行頻率)適合于在交流電發(fā)電機模式下有效發(fā)揮作用，即優(yōu)化了電流It的生成。
應該注意在空閑模式下，即當車輛靜止時，分支中的所有開關都斷開。
另外應該注意在馬達模式下，存在對電池電壓Ubat的限幅，并且這一般在20kHz上。這使得可以調(diào)節(jié)該電機的感應電流Ia、Ib和Ic、以及施感電流Iex，并且因此調(diào)節(jié)該電機所提供的扭矩，所述電機從電池吸取電流。此類限幅可能會干擾整個車載系統(tǒng)與電池。由此，為了穩(wěn)定電池電壓Ubat，功率電路15具有安排在輸入/輸出VCC與GND之間的、具有一般較高值的濾波電容。其例如為50mF的電容。由于該值相對較高，所以規(guī)定所述電容包含用于此功能的至少一個分立電容器(discrete capacitor)15a，例如化學電容器。
除標稱模式之外，本發(fā)明還提出了降級模式，其中使該電機響應于甩負載操作。
返回到交流發(fā)電機模式，當該電機生成供應車輛中給定數(shù)目的電氣裝備的電流It、并且所述裝備中的一個裝備剛被切斷時，存在該電機調(diào)節(jié)所生成的電流It的反應時間Tt。由此，在切斷小電氣裝備(即消耗不多電流的裝備，例如風檔刮水器)的情況下，在車載系統(tǒng)上瞬時出現(xiàn)小的過電壓，其容易被電池40吸收，這樣在該電機的調(diào)節(jié)反應時間Tt期間、電池40作為緩沖器。
但是，在切斷大電氣裝備(即消耗大量電流的裝備，例如加熱風檔)的情況下、和/或在當其排空(discharge)時斷開電池的情況(切斷終端31的連接)下，會出現(xiàn)被稱為甩負載的現(xiàn)象，其會造成可能會達到高值的瞬間過電壓(在本領域技術(shù)術(shù)語中，有時該過電壓被稱為“過沖”)，并且可能由此會燒斷與所述車載系統(tǒng)連接的所有電氣裝備。
應該注意以上表達方式“瞬間”指以下事實過電壓只在減少注入場繞組22的激勵電流Iex所需的時間期間(即在上述的電機反應時間T1期間)發(fā)生。該減少來自于激勵電路14的調(diào)節(jié)，目的在于確保交流發(fā)電機/啟動器的輸出電流It對應于在交流發(fā)電機/啟動器30保持連接的部分車載系統(tǒng)50中、繼續(xù)被消耗的Ir(在圖1中示出)的電流。
應該注意被消耗電流Ir表示電氣裝備中所有被消耗電流加上電池中消耗的電流。
另外應該注意在其排空的情況下，電池40可以比作大耗電器，因為此時其消耗大量的電流以重新充電；而在其充滿的情況下，電池40可以比作小耗電器。
在圖3中顯示甩負載以及隨后的激勵電流Iex的調(diào)節(jié)。
該圖3說明了輸出電壓Ubat、以及甩負載之后的激勵電流Iex的變化，在降級模式下的電流調(diào)節(jié)以及交流發(fā)電機/啟動器的操作。
-在圖3所示的范圍A中，電壓Ubat等于標稱操作電壓U0，即在所采用的例子中為42伏特，并且激勵電流Iex使得所生成的電流It等于所消耗的電流Ir。這為標稱模式。
-在時間t0，發(fā)生甩負載，例如由于斷開排空的電池40或者斷開電池與另一負載。然后，所生成的電流It變得大于所消耗的電流Ir。此時，電容器15a的電容(以及耦合于車載系統(tǒng)的所有其他電子部件上的其他電容，包括寄生電容)利用所生成的電流It與所消耗的電流Ir之間的差異(即It-Ir)充電。因此，電壓Ubat增加，然后變得大于標稱電壓U0。
-在時間t0之后非常短的時間，在時間t1，激勵電流Iex由于控制電路13通過激勵電路14所進行的調(diào)節(jié)而減少，其中所述控制電路13察覺到電壓Ubat增加大于標稱電壓U0。
但是，在所采用的例子中，電壓Ubat繼續(xù)上升，這是因為激勵電流Iex仍然太高。所生成的電流It仍然大于所消耗的電流Ir。
應該注意從時間t0開始的電壓Ubat的斜坡201依賴于交流發(fā)電機/啟動器所生成的電流It與在車載系統(tǒng)中所消耗的電流Ir之間的(正)差異，以及電容器15a的電容(以及耦合于車載系統(tǒng)的所有其他電子部件上的其他電容，包括寄生電容)。
由此，在所示范圍B，It＞Ir，這仍然為標稱模式，并且電容器15a的電容充電。
-當在時間t2、Ubat(通過較低的值)達到第一門限值US1時，控制電路13控制功率電路15在降級模式下操作，即減少該電機的性能，直至在特定情況下其被取消，如以下將詳細看到的那樣。
在該降級模式中，功率電路的分支Ba、Bb和Bc中的至少一個被鎖定，被維持在其兩種導電狀態(tài)中的一種。
術(shù)語“被維持”必須參照標稱模式中功率電路的控制頻率Fq2考慮。換言之，當對于對應于標稱模式下幾個控制周期的時間長度、分支被控制保持在其兩種導電狀態(tài)中的一種時，則認為分支被鎖定。
換言之，鎖定頻率Fq1低于標稱模式下功率電路的操作頻率Fq2(或者電機的電頻率)，所述操作頻率Fq2被設置于幾kHz。在非限定性的實施方式中，鎖定頻率Fq1位于10Hz與100Hz之間，對應于10ms與100ms之間的周期。
所獲得的效果為對于恒定電流Iex，交流發(fā)電機/啟動器所生成的電流It減少。由此，激勵電流Iex不僅由常規(guī)調(diào)節(jié)減少，而且由開關橋的一個分支或多個分支的鎖定而減少。
在非限定性的實施方式中，為了分配由于分支中高側(cè)功率晶體管MHS與低側(cè)功率晶體管MLS之間的發(fā)熱的損失，可以在鎖定階段，控制該分支以從一種導電狀態(tài)達到另一種導電狀態(tài)。由此，對于部分鎖定時間，保持高側(cè)晶體管MHS導通、并且保持低側(cè)晶體管MLS截止，而在其他部分鎖定時間反之(高側(cè)晶體管截止、低側(cè)晶體管導通)。這些時間可以例如分配在50％-50％或者10％-90％上。自然可以設想任何其他分配。
另外，在非限定性的實施方式中，根據(jù)甩負載之前的開關橋分支的導電狀態(tài)，可以選擇最小化要在降級模式中進行的開關切換。例如，如果在甩負載之前、兩個分支Ba以及Bb處于“高”導電狀態(tài)、而且第三分支Bc處于“低”導電狀態(tài)，則為了進入降級模式，只要將就第三分支Bc置于“高”導電狀態(tài)、并且如果希望鎖定所有分支、則鎖定該組合件可以了。
應該注意當功率電路15的幾個分支被鎖定，控制電路13維持所述分支在相同的鎖定狀態(tài)下，即在相同的導電狀態(tài)下。由此，例如，被鎖定分支的所有高側(cè)晶體管MHS都導通，并且所述分支的所有低側(cè)晶體管MLS都截止。
由此，通過鎖定控制電路的一個或多個分支而獲得的交流發(fā)電機/啟動器所生成的電流It的減少、與通過調(diào)節(jié)而獲得的減少(由電路13通過電路14控制的電流Iex的減少)相結(jié)合，具有以下效果在保持連接到車載系統(tǒng)50的電氣裝備中的消耗電流Ir高于交流發(fā)電機/啟動器所生成的電流It的情況下，使電壓Ubat下降。
由此，在車載系統(tǒng)所消耗的電流Ir高于交流發(fā)電機/啟動器所生成的電流It的情況下，為了保證到連接到車載系統(tǒng)50的、必須保持服務的電氣裝備的供應，可以在車載系統(tǒng)50上提供并聯(lián)的電容器。該電容器實現(xiàn)存儲部件的功能，其在降級模式期間、向車輛的耗電部件(規(guī)格為42V，尤其是DC到DC轉(zhuǎn)換器)恢復在甩負載之后的電壓Ubat上升階段期間存儲的能量。由此，選擇該電容器以在當電機短路時的整個期間為耗電器供電。應該注意在該外部電容器斷開的情況下，過電壓檢測功能仍然保護車載系統(tǒng)，而且還保護橋式整流器。
此處，除當交流發(fā)電機/啟動器處于標稱模式時、其電容器過濾電壓Ubat的限幅頻率的功能之外，控制與功率模塊10的電容器15a還可以有利地實現(xiàn)該補充功能。因此不需要專用于該蓄電池功能的補充部件。由此，所消耗的電流Ir等于所生成的電流It加上流經(jīng)電容器的電流Ic(圖1中顯示)。常規(guī)地，將把電容器15a當作發(fā)電機。當其放電時，電流Ic為正。當其充電時，電流Ic為負。在圖1中示出的電流Ic為正。
在交流發(fā)電機/啟動器所生成的電流It大于電氣裝備所消耗的電流Ir的相反情況下，輸出電壓Ubat繼續(xù)增加，盡管所生成的電流It減少。此時必須再鎖定另一個分支，直至電壓Ubat減少。
由此，在優(yōu)選的實施方式中，如果輸出電壓Ubat通過較低值達到等于最大門限值Umax的第一門限值US1，則鎖定功率電路15的所有分支。例如采用58伏特作為該最大值。在這種情況下，電樞21的所有相繞組都被短路，從而交流發(fā)電機/啟動器所生成的電流It為零。這樣，車載系統(tǒng)50上電壓Ubat的減少會更迅速，如圖3所式，時間t2與t3之間的范圍C。
可以理解，在非限定性的實施方式中，最大門限電壓Umax通過較低值基本等于連接到該電機連接到的車載系統(tǒng)50的電氣裝備可接受的最大電壓，從而優(yōu)選地保護其不被破壞。
另外，優(yōu)選地，最大門限電壓Umax也低于破壞橋式整流器的電子部件的電壓。
在另一非限定性的實施方式中，不一定在考慮到破壞連接到車載系統(tǒng)的電氣裝備的電壓的情況下選擇最大門限值(在我們的例子中采用58V)，而是可以將其限制為較低值，例如52V，其相對于42伏特的標稱電壓、將限制車載系統(tǒng)中的過電壓到10V而非16V。應該注意電氣裝備一般并聯(lián)連接到電池40。
從以上可以看出，存在幾個第一門限值US1，根據(jù)其鎖定開關橋的一個、兩個或三個分支。由此，在非限定性的實施方式中，第一門限值US1與開關橋的每個特定鎖定相關。例如，第一關聯(lián)門限值US1對于一個鎖定分支等于45伏特，對于兩個鎖定分支等于55伏特，對于三個鎖定分支等58伏特。
圖4a與4b中的圖為功率電路15當其所有分支都被鎖定時的等效電路圖。在圖4a的情況下，所有高側(cè)功率晶體管都導通(閉路)，低側(cè)功率晶體管都保持截至(開路)。相反，在圖4b的情況下，所有低側(cè)功率晶體管保持都導通，高側(cè)功率晶體管保持截至。
優(yōu)選地，如上所述，交替根據(jù)圖4a與4b的情況，以分配高側(cè)功率晶體管與低側(cè)功率晶體管之間的損失。換言之，在降級模式下控制功率電路15，以便對于鎖定分支的、t2與t3之間的部分時間(理想地，如果如經(jīng)常的情況下晶體管相同，則為一半時間)，處于圖4a的情況；而在剩余時間處于圖4b的情況。
總而言之，在單相電機(一個相繞組、兩個分支)或者多相(N個相繞組、N個分支，N＞1)的一般情況下，由此可以鎖定任何數(shù)目N-p的分支，其中p為0與N-1之間的整數(shù)，這提供了交流發(fā)電機/啟動器30所生成的電流It的減少。由此，將短路相繞組，從而其對交流發(fā)電機/啟動器所生成的總電流It的貢獻將為零。應該注意沒有被鎖定的一或多個分支總是由控制電路13控制在操作頻率Fq2上。
由此，例如，在三角形配置的情況下，當鎖定兩個分支時，對于鎖定時間周期、即100ms，短路一個繞組；并且對于限幅電流的較短時間周期，即當工作幾kHz的操作頻率Fq2上的第三分支處于與兩個被鎖定分支相同的導電狀態(tài)時，短路第二與第三繞組。
在另一例子中，如果只鎖定一個分支，則對于限幅電流的較短時間周期，即當工作幾kHz的操作頻率Fq2上的另一分支處于與被鎖定分支相同的導電狀態(tài)時，短路一個繞組。
返回到圖3，在所采用的例子中，第一門限值US1固定于58伏特。由此，在時間t2，通過鎖定其所有分支，短路電機30。這樣，交流發(fā)電機/啟動器30所生成的總電流It為零。因此，由于連接到車載系統(tǒng)的電氣裝備的電流消耗，并且由于電容器15a的電容放電，電壓Ubat減少。
從時間t2開始的電壓Ubat的斜坡202依賴于在車載系統(tǒng)中所消耗的電流Ir，以及電容器15a的電容(以及耦合于車載系統(tǒng)的所有其他電容，包括寄生電容)。
由此，在所示范圍C中，其為降級模式，具有為零的所生成電流It(即It＜Ir)，并且電容器15a的電容放電。
-當在時間t3、電壓Ubat(通過較高值)達到第二門限值US2時，控制電路13重新確立功率電路15在標稱模式下操作。所有被鎖定的分支都被解鎖。由此再次生成電流It。
自然地，第二門限值US2低于第一門限值US1。在非限定性的實施方式中，其等于在標稱模式下在功率電路15的供電終端VCC與GND之間提供的標稱電壓U0，即此處為42伏特。
但是，如果場繞組22的激勵電流Iex(其從時間t1開始下降)仍然使得交流發(fā)電機/啟動器30所生成的電流It與在車載系統(tǒng)50中消耗的電流Ir之間的差仍然為正(It＞Ir)，則電容15a利用電流差It-Ir充電，并且因此電壓Ubat再次增加，如圖3的例子所示。
應該注意從時間t3開始的電壓Ubat的斜坡203依賴于交流發(fā)電機/啟動器所生成的電流It與在車載系統(tǒng)中所消耗的電流Ir之間的(正)差異，以及電容器15a的電容(以及耦合于車載系統(tǒng)的所有其他電子部件上的其他電容，包括寄生電容)。由此，在所示例子中，電壓Ubat再次增加直到時間t4，但不會達到最大門限電壓Umax。因此這仍然是標稱模式。
由此，在所示范圍D中，其為標稱模式，It＞Ir并且電容器15a充電。
-在時間t4，電流Iex已下降得足以使交流發(fā)電機/啟動器30所提供的電流It等于車載系統(tǒng)50中消耗的電流Ir。但是，電壓Ubat仍然大于第二門限值42伏特。因此，控制電路13仍然調(diào)節(jié)激勵電流Iex，以減少電壓Ubat。
因此，電壓Ubat開始再次下降。電流Iex繼續(xù)減少，從而減少所生成的電流It。交流發(fā)電機/啟動器30所生成的電流It與在車載系統(tǒng)50中消耗的電流Ir之間的差變?yōu)樨?It＜Ir)。因此，電容器15a放電以供應車載系統(tǒng)中的電氣裝備，其中所生成的電流It不足以供應所有電氣裝備。
由此，在所示范圍E中，其為標稱模式，Ir＞It并且電容器15a放電。
-電流Iex下降，直至在時間t5電壓Ubat通過較低值達到標稱電壓U0＝42伏特。
-從時間t5開始，再次增加電流Iex，以獲得接近42伏特的電壓Ubat。此時，所生成的電流It等于所消耗的電流Ir。
-從時間t6開始，電壓Ubat保持相對恒定，并且基本等于42伏特。由此穩(wěn)定了所述電壓Ubat與電流Iex。因此終止了對激勵電流Iex的調(diào)節(jié)。
由此，在所示范圍G中，其為標稱模式，It＝Ir并且調(diào)節(jié)終止。
下表匯總先前對圖3所示例子的描述。

圖5顯示在實踐中制造的、用來測試根據(jù)本發(fā)明的控制與功率模塊10的功能的電路。
對于包含標準機電部分與根據(jù)本發(fā)明的控制與功率模塊的交流發(fā)電機/啟動器，進行測試。將電池替換為150F的電容器(“Supercap，超級電容”)。車載系統(tǒng)包括交流發(fā)電機/啟動器輸出處的、對應于40A耗電器的電阻性負載R，隨后有對應于80A耗電器的電子負載R′。開關SW至于負載R與R′之間，以模擬電池加上耗電器斷開、或者僅電池排空。第一門限值US1固定于52V。第二門限值US2固定于40V。到車載系統(tǒng)的對應連接的總長度L近似為4m。通過斷開開關SW，來形成甩負載。
利用電子負載R′中的電流近似等于80A，進行第一測試(圖6)。曲線61與曲線62分別給出作為時間函數(shù)的電壓Ubat與電流Iex。此處達到電壓Umax一次。因此，在降級模式下控制功率電路15，近似在t＝5ms與t＝15ms之間，其中所有分支都被鎖定。
利用電子負載R′中的電流近似等于120A，進行第二測試(圖7)。曲線71與曲線72分別給出作為時間函數(shù)的電壓Ubat與電流Iex。此處達到電壓Umax兩次。在第一次，近似在t＝1ms與t＝6ms之間，控制功率電路15在降級模式下；然后在第二次，近似在t＝12ms與t＝17ms之間，其中所有分支都被鎖定。
因此，根據(jù)本發(fā)明的控制與功率模塊10具有許多優(yōu)點，具體如下首先，不再象現(xiàn)有技術(shù)中那樣需要使用并聯(lián)的大量MOSFET，以對激勵電流Iex的解激勵時間維持削峰。另外，不再需要使用對于對應于激勵電流Iex的解激勵時間的給定時間削峰的、特定的MOSFET。
第二，不再需要局限于具有精確削峰值的MOSFET。因此，可以避免獲得非常精確的削峰值的困難，該值為諸如溫度等可變參數(shù)的函數(shù)。
第三，不使用附加部件。
第四，保護功率電路免受甩負載影響，從而不燒斷功率晶體管。功率晶體管壓力減少，這是因為在本發(fā)明的情形下，該晶體管不再執(zhí)行電壓削峰功能。
權(quán)利要求
1.一種用于包含多相繞組(21a，21b，21c)的旋轉(zhuǎn)電機(30)的控制與功率模塊(10)，該模塊包括-功率電路(15)，包括用來與所述多相繞組(21a，21b，21c)相關的多個分支(Ba，Bb，Bc)，以及-控制電路(13)，被構(gòu)造來當該電機工作在標稱模式下時、控制所述功率電路(15)；其特征在于所述控制電路(13)還被構(gòu)造來-監(jiān)控所述功率電路(15)的輸出電壓(Ubat)；-當所述輸出電壓(Ubat)達到至少一個第一門限值(US1)時，鎖定所述功率電路(15)的至少一個分支在一通電狀態(tài)下以便使該電機工作在降級模式下。
2.如權(quán)利要求1所述的控制與功率模塊，其中，所述控制電路(13)還被構(gòu)造來-當所述輸出電壓(Ubat)達到第二門限值(US2)時，重新確立所述電機(30)工作在標稱模式下。
3.如以上權(quán)利要求中任一項所述的控制與功率模塊，其中，所述控制電路(13)還被構(gòu)造來當所述輸出電壓(Ubat)達到第一門限值(US1)時，鎖定所述功率電路(15)的所有分支。
4.如以上權(quán)利要求中任一項所述的控制與功率模塊，其中，所述功率電路(15)還包括能量存儲部件(15a)。
5.如權(quán)利要求2所述的控制與功率模塊，其中，所述至少第一門限值(US1)高于所述第二門限值(US2)。
6.如權(quán)利要求2所述的控制與功率模塊，其中，所述第二門限值(US2)基本等于在標稱模式下由所述功率電路(15)提供的電壓的標稱值(U0)。
7.如以上權(quán)利要求中任一項所述的控制與功率模塊，其中，所述至少一個第一門限值(US1)低于破壞要由所述功率電路(15)的輸出電壓(Ubat)供電的電氣裝備的電壓。
8.如以上權(quán)利要求中任一項所述的控制與功率模塊，其中，所述控制電路(13)用來當鎖定分支時，對于部分鎖定時間，將該分支維持在第一導電狀態(tài)；以及在其余鎖定時間期間，將該分支維持在第二導電狀態(tài)。
9.如以上權(quán)利要求中任一項所述的控制與功率模塊，其中，所述功率電路(15)的至少一個分支包括兩個開關(MHS，MLS)，并且其中在所述分支的導電狀態(tài)下，一個開關(MHS)導電，另一個開關(MLS)截止。
10.如以上權(quán)利要求中任一項所述的控制與功率模塊，其中，所述控制電路(13)用來將功率電路(15)的所有被鎖定的分支維持在相同的導電狀態(tài)下。
11.如以上權(quán)利要求中任一項所述的控制與功率模塊，其中，所述開關包含至少一個功率晶體管(MOS)。
12.如以上權(quán)利要求中任一項所述的控制與功率模塊，其中，按照小于標稱模式下的功率電路(15)的運行頻率(Fq2)的鎖定頻率(Fq1)，進行對所述至少一個分支的鎖定。
13.一種多相可逆旋轉(zhuǎn)電機(30)，其包含如以上權(quán)利要求中任一項所述的控制與功率模塊(10)。
14.一種用于控制用于在標稱模式下工作的旋轉(zhuǎn)電機(30)的方法，該電機包含多相繞組(21a，21b，21c)以及包括用來與所述多相繞組(21a，21b，21c)相關的多個分支(Ba，Bb，Bc)的功率電路(15)；其特征在于，其包括以下步驟-監(jiān)控所述功率電路(15)的輸出電壓(Ubat)；-當所述輸出電壓(Ubat)達到至少第一門限值(US1)時，鎖定所述功率電路(15)的至少一個分支在一通電狀態(tài)下以便使該電機(30)工作在降級模式下。
15.如權(quán)利要求14所述的控制方法，還包括以下補充步驟當所述輸出電壓(Ubat)達到第二門限值(US2)時，重新確立所述電機(30)工作在標稱模式下。
16.如權(quán)利要求14或15所述的控制方法，其中，在所述鎖定步驟中當所述輸出電壓(Ubat)達到第一門限值(US1)時，鎖定所述功率電路(15)的所有分支。
17.如權(quán)利要求14至16中任一項所述的控制方法，其中，所述功率電路(15)還包括能量存儲部件(15a)。
18.如權(quán)利要求15所述的控制方法，其中，所述第二門限值(US2)基本等于在標稱模式下由功率電路(15)提供的電壓的標稱值(U0)。
19.如權(quán)利要求14至18中任一項所述的控制方法，其中，所述至少第一門限值(US1)低于破壞要由功率電路(15)的輸出電壓(Ubat)供電的電氣裝備的電壓。
20.如權(quán)利要求14至19中任一項所述的控制方法，其中，在所述鎖定分支的步驟期間，對于部分鎖定時間，將該分支維持在第一導電狀態(tài)；以及在其余鎖定時間期間，將該分支維持在第二導電狀態(tài)。
21.如權(quán)利要求14至20中任一項所述的控制方法，其中，所述功率電路(15)的分支包括兩個開關(MHS，MLS)，并且其中在所述分支的給定導電狀態(tài)下，所述分支上的一個開關(MHS)導電，另一個開關(MLS)截止。
22.如權(quán)利要求14至21中任一項所述的控制方法，其中，將功率電路(15)的所有被鎖定的分支維持在相同的導電狀態(tài)下。
23.如權(quán)利要求14至22中任一項所述的控制方法，其中，按照小于標稱模式下的功率電路(15)的運行頻率(Fq2)的鎖定頻率(Fq1)，執(zhí)行鎖定所述至少一個分支的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于旋轉(zhuǎn)電機(30)的控制與功率模塊(10)，該模塊包括功率電路(15)，其包括多個分支(Ba，Bb，Bc)；以及控制電路(13)，其被設計用來當該電機工作在標稱模式下時，控制所述功率電路(15)。本發(fā)明的模塊的特征在于，控制電路(13)還被設計用來監(jiān)控來自所述功率電路(15)的輸出電壓(Ubat)；當所述輸出電壓(Ubat)達到至少第一門限值(US1)時，鎖定所述功率電路(15)的至少一個分支在一通電狀態(tài)下以便使該電機工作在降級模式下。本發(fā)明用于交流發(fā)電機啟動器。
文檔編號H02H7/06GK101023575SQ200580029206
公開日2007年8月22日 申請日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月31日
發(fā)明者邁克爾·舍明, 弗朗索瓦－澤維爾·伯納德, 弗雷德里克·勒魯 申請人:法雷奧電機設備公司