專利名稱：降低逆變器熱點區(qū)溫度和整體損耗的脈沖寬度調(diào)制方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子逆變器，尤其涉及降低用于永磁同步電動機(PMSM)的電子逆變器 中功率裝置的熱點區(qū)溫度和功率損耗的方法和裝置。
背景技術(shù)：
電力機械，比如電動車輛或混合動力車輛，可以通過電力驅(qū)動系統(tǒng)使用電能推進， 該電力驅(qū)動系統(tǒng)可以包括連接到電動機的電源電路，比如電子逆變器。在這種配置中，電源 電路能可控地將電源中的電力傳給電動機以驅(qū)動負(fù)荷，比如車輛驅(qū)動橋。對于三相同步電 動機來說，電源電路可以包括有三相接腳的逆變器，每一個接腳都包括開關(guān)，所述開關(guān)能分 別控制以提供期望的逆變器輸出。例如，作為電動機的轉(zhuǎn)矩需求的函數(shù)的驅(qū)動信號可以通 過逆變器控制器提供給逆變器。實踐中，可以將逆變器設(shè)置成雙向電流流動，使得電流既能 從逆變器流向電動機也能從電動機流向逆變器。
由于逆變器的電流取決于電動機的轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)矩需求，當(dāng)電動機的角旋轉(zhuǎn)大幅降低 或完全停止時，在轉(zhuǎn)子鎖定或電動機鎖定模式過程中會出現(xiàn)問題。當(dāng)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩等于車輛重 量時，例如當(dāng)車輛爬坡或障礙物阻擋車輪時，電動機的旋轉(zhuǎn)會減慢或停止?？刂破鲿ㄟ^增 加供應(yīng)電動機的電流來增加電動機的轉(zhuǎn)矩或旋轉(zhuǎn)。然而，由于電動機不是充分旋轉(zhuǎn)，增加的 電流會集中到單個接腳中。比如，一個逆變器接腳中的電流會是另外兩個接腳的兩倍。高 電流集中會使該接腳中的開關(guān)裝置變熱并增加與該裝置運轉(zhuǎn)有關(guān)的功率損耗。
鑒于這種現(xiàn)象，將逆變器的開關(guān)裝置設(shè)計成能耐受轉(zhuǎn)子鎖定運轉(zhuǎn)過程中可以預(yù)期 的特定的熱點區(qū)溫度。耐受的熱點區(qū)的溫度越高，該裝置的尺寸要求越大，最終，裝置成本 也越高。遺憾的是，轉(zhuǎn)子鎖定電流集中和熱點區(qū)的溫度越高，設(shè)備損耗越高，功率變換系統(tǒng) 的整體運轉(zhuǎn)損耗也越高。
人們已經(jīng)進行了各種嘗試，以減少轉(zhuǎn)子鎖定情況下的功率損耗。傳統(tǒng)的解決方法 是減少脈沖寬度調(diào)制(PWM)的轉(zhuǎn)換頻率以降低逆變器的功率損耗。盡管這個解決方案可以 降低逆變器的開關(guān)損耗，但由于傳導(dǎo)損耗在功率裝置的損耗中通常占主導(dǎo)因素，其效果有 限。最近，提出了各種面向軟件的解決方案。例如，美國專利公開號為2010/0185350、名稱 為“電動車輛的控制裝置、具備該控制裝置的電動車輛、電動車輛的控制方法以及存儲有用 于使計算機執(zhí)行該控制方法的程序的計算機可讀存儲介質(zhì)”、專利權(quán)人為豐田自動車株式 會社的專利公開了根據(jù)電動發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩指令(TR)和電機轉(zhuǎn)數(shù)(MRN)設(shè)定載波頻率(FC) 的載波頻率設(shè)定單元。PWM信號生成單元生成對應(yīng)于相應(yīng)的相電壓指令(Vu，Vv，Vw)的調(diào) 相波，并且根據(jù)各調(diào)相波與具有載波頻率(FC)的載波之間的量值關(guān)系來生成相位PWM信號 (Pu, Pv, Pw)。當(dāng)載波頻率(FC)低于預(yù)設(shè)的頻率時，PWM中心控制單元生成用于對PWM中心 進行可變控制的PWM中心校正值(ACE)并且輸出到PWM信號。豐田的公開教導(dǎo)了一種依 賴載波頻率的逆變器過熱的問題的解決方案。但是，還需要一個經(jīng)濟的、面向硬件的解決方 案，可以不考慮并且獨立于PWM載波頻率地使用該解決方案降低裝置的功率損耗和熱點區(qū) 的溫度。發(fā)明內(nèi)容
示例系統(tǒng)包括逆變電路和脈沖寬度調(diào)制(PWM)方案模塊，該方案模塊用于將逆變 器相電流從高損耗的裝置遷移到低損耗的裝置以降低逆變器熱點區(qū)的溫度和功率損耗。在 一個示例性實施例中，PWM方案模塊會被設(shè)定為當(dāng)耦合到逆變電路的電動機處于電動機鎖 定狀態(tài)時遷移相電流。舉例說明，但不僅限于此，能將電流從相對高損耗的絕緣柵雙極晶體 管(IGBT)遷移到相對低損耗的在同一接腳的二極管。PWM方案模塊能被用于更改PWM的調(diào) 制信號，該調(diào)制信號用于提供PWM控制信號以滿足電動機指令電壓的要求。PWM方案模塊也 能用于不影響載波頻率或逆變器輸出地遷移電流。
在一個示例性實施例中，PWM方案模塊包括用于執(zhí)行損耗減少方案的方案控制模 塊，在該方案中逆變器相電流從高損耗裝置遷移到低損耗裝置。在一個示例性實施例中， PWM方案模塊可以用于修改用來調(diào)制PWM載波信號的調(diào)制信號。在一個示例性實施例中， PWM方案模塊能控制轉(zhuǎn)換信號模塊提供轉(zhuǎn)換信號，該轉(zhuǎn)換信號與PWM調(diào)制信號結(jié)合提供轉(zhuǎn) 換調(diào)制信號。示例性的PWM方案模塊可以用于在電動機處于轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)時遷移逆變器相 電流。相應(yīng)地，PWM方案模塊可以包括用于測定電動機處于轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)的狀態(tài)檢測模塊。 但是，PWM方案模塊也可以用于在電動機處于正常的“非鎖定”狀態(tài)時遷移電流以減少逆變 器的開關(guān)損耗。
降低熱點區(qū)溫度的示例方法可以包括測定電動機處于轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)，執(zhí)行熱點 區(qū)降低PWM方案，測定電動機不再處于轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)，停止熱點區(qū)降低方案的執(zhí)行。在一 個示例性實施例中，本發(fā)明的方法可以包括從逆變電路的接腳中的高損耗裝置向低損耗裝 置遷移相電流。比如，電流能從絕緣柵雙極晶體管(IGBT)遷移到二極管。在一個示例方法 中，與高頻載波信號協(xié)同向逆變器提供PWM控制信號的低頻調(diào)制信號可以被修改。例如，可 將PWM參考電壓轉(zhuǎn)換成較低的值。在一個示例性實施例中，電流遷移過程不依賴于載波頻 率，也不影響逆變器的輸出。本發(fā)明的方法可以提供兼容所有開關(guān)頻率的面向硬件的解決 方案，該方案能降低逆變器熱點區(qū)溫度和功率損耗，從而允許在逆變電路中使用更小、更便 宜的功率電子裝置。


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圖1示出了具有PWM方案模塊(PSM)的示例系統(tǒng)。2示出了一個示例系統(tǒng)。3示出了一個示例系統(tǒng)。4A示出了一個示例系統(tǒng)。4B示出了一個示例系統(tǒng)。5示出了一個示例系統(tǒng)。6示出了一個示例方法的流程圖。7示出了一個示例方法的流程圖。8A示出了一個示例逆變電路在無PWM轉(zhuǎn)換時的逆變器電流和信號。 SB示出了使用轉(zhuǎn)換的PWM調(diào)制信號時的逆變器電流和信號。9示出了執(zhí)行與未執(zhí)行PWM損耗方案時的逆變電路的結(jié)果對比。
圖10示出了執(zhí)行與未執(zhí)行PWM損耗方案時的逆變電路的結(jié)果對比。
具體實施方式
在此介紹本發(fā)明的示例性實施例；然而，本發(fā)明可以以多種替代方式實施，這對于 本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。為便于理解本發(fā)明并為權(quán)利要求提供根據(jù)，本說明包括 若干附圖。為了強調(diào)本發(fā)明的新穎特征，附圖未按比例繪制并且省略了有關(guān)元素。圖中描繪 的結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)的目的是教導(dǎo)本領(lǐng)域的技術(shù)人員實施本發(fā)明，而不應(yīng)被解釋為限制。比 如，各種系統(tǒng)中的控制模塊和元件可以被不同地設(shè)置和/或結(jié)合，而不應(yīng)被視為限于這里 給出的示例性配置。
圖1表明示例車輛100的示意圖。車輛100可以是任何適當(dāng)?shù)念愋?，例如電動?輛或混合動力車輛。在至少一個實施例中，車輛100可包括第一輪組112、第二輪組114、 發(fā)動機116、混合動力車輛驅(qū)動橋118和電力驅(qū)動系統(tǒng)120。電力驅(qū)動系統(tǒng)120可以用于 向第一和/或第二輪組112，114提供轉(zhuǎn)矩。電力驅(qū)動系統(tǒng)120可具有任何合適的配置；例 如，它可以包括電力電子變換器(PEC) 122形式的電力轉(zhuǎn)換電路，該變換器耦合到永磁同步 電動機(PMSM) 126。PMSM126可耦合到功率傳輸單元130，功率傳輸單元130可以被耦合到 差速器140以控制輪組114?？梢灶A(yù)期，PMSM126可以起到電動機的作用，將電能轉(zhuǎn)化為動 能，或者作為發(fā)電機，將動能轉(zhuǎn)化為電能。在一個示例性實施例中，PEC122可通過接口電纜 127連接到作為電動機的第一 PMSM，也可通過第二接口電纜(未圖示)連接到作為發(fā)電機的 第二 PMSM (未圖示)。而且，在混合動力車輛中，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的，電力驅(qū)動 系統(tǒng)120可以是并聯(lián)驅(qū)動、串聯(lián)驅(qū)動或者分流混合驅(qū)動。接口電纜127可以是高壓三相接 口電纜，，PEC122可以通過該接口電纜為PMSM126提供電力。在一個示例性實施例中，電纜 127用于傳導(dǎo)不同相的三相電流。例如，電纜127包括一組三根電纜，每一根用于傳導(dǎo)特定 相的電流。
PEC122可包括用于向PMSM 126提供電力的硬件電路，并且可以電耦合到車輛控 制系統(tǒng)(VCS) 150，通過車輛控制系統(tǒng)，PEC122可以接收來自其他控制單元關(guān)于車輛系統(tǒng)操 作和控制的信號。PEC122可被耦合到配置為使用PWM方案來控制和提高PEC的性能的脈沖 寬度調(diào)制(PWM)方案模塊(PSM) 124。在一個示例性實施例中，PSM 124控制PWM調(diào)制信號 以降低PEC的功率損耗，尤其是在電動機處于電動機鎖定或轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)的期間。
PMSM126可由一個或多個功率源提供動力驅(qū)動車輛牽引輪。PMSM126可以是任何 適當(dāng)?shù)念愋?，例如電動機、電動發(fā)電機或起動發(fā)電機。另外，PMSM126可以與用于回收能量 的再生制動系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。
功率傳輸單元130可被選擇性耦合到至少一個PMSM126。功率傳輸單元130可以 是任何合適的類型，比如多擋“級別比率”變速器、無級變速器或者電子無轉(zhuǎn)換變速器，正如 本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。功率傳輸單元130可適于驅(qū)動一個或更多的車輪。在圖1所 示的實施例中，功率傳輸單元130以任何適當(dāng)?shù)姆绞竭B接到差速器140，比如與驅(qū)動軸或其 它機械裝置連接。差速器140通過軸142，例如輪軸或半軸，可以連接到第二輪組114的每 個車輪。
車輛100也可以包括車輛控制系統(tǒng)(VCS) 150，用于監(jiān)測和/或控制車輛100的各 個方面。VCS150可被耦合到PEC122、功率傳輸單元140以及它們的各個元件以監(jiān)測和控制運轉(zhuǎn)和性能。VCS150可具有任何適當(dāng)?shù)呐渲?，并且可包括一個或多個控制器或控制模塊。 在圖2所示的示例性實施例中，VCS150包括動力系統(tǒng)控制模塊(PCM) 152、驅(qū)動橋控制模塊 (TCM) 154、車輛穩(wěn)定控制模塊(VSCM) 156、高壓電池控制模塊(HVBCM) 158和牽引電池控制 模塊(TBCM)160?？刂颇K152-160可被設(shè)置成如箭頭線標(biāo)示的那樣彼此相連，然而可以預(yù) 見，控制模塊之間的相互連接可做出不同的安排。另外，一個或多個控制模塊152-160可以 用于連接和/或控制車輛100的各個方面。例如，TBCM160可以監(jiān)測環(huán)境屬性(比如溫度)和 控制一個或多個功率源的運行。驅(qū)動橋控制模塊TCM154可與PEC122連接以控制PMSM126 和提供給車輛牽引輪的轉(zhuǎn)矩值。值得注意的是，TCM154可以選擇性地嵌入到PEC122中。
圖3示出示例系統(tǒng)300，其中圖1中的PEC122體現(xiàn)為示例PEC310。PEC310可包 括第一功率源312。在不同的實施例中，比如混合電動車輛實施例，可以提供額外的動力系 統(tǒng)。例如，可以提供第二動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有電源或者類似內(nèi)燃機的非電功率源。第一功 率源312可以是任何適當(dāng)?shù)念愋汀＠?，第一功率?12可以是電源，例如具有多個電性互 聯(lián)的電池的電池組、電容器或燃料電池。如果使用電池組，其可以是任何適當(dāng)?shù)姆N類，例如 鎳金屬氫化物(Ni—MH)、鎳鐵(Ni—Fe )、鎳鎘(Ni—Cd )、鉛酸、鋅溴(Ni — Cd )或鋰基電池。 如果使用電容器，其可以是任何適當(dāng)?shù)姆N類，例如超電容器、超級電容器、電化學(xué)電容器、雙 電層電容器，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。在一個示例性實施例中，一個電池組可以與 一個或多個電容器配合使用。
功率源312可耦合到用于向PMSM330提供交流電的逆變電路314。用于提供PWM驅(qū) 動信號的逆變器控制器316可以耦合到逆變電路314。PSM320可耦合到逆變器控制器316 以執(zhí)行PWM方案，以降低逆變電路314中的功率損耗，特別是在(但并不局限于)PMSM330處 于鎖定狀態(tài)期間。在一個示例性實施例中，旋轉(zhuǎn)傳感器(未圖示)可耦合到PMSM330并用于 向PEC310、PSM320和/或VCS150提供電動機旋轉(zhuǎn)數(shù)。
逆變器控制器316可以用于控制逆變電路314的運行，因此可以包括硬件、軟件、 固件或者它們的一些組合。逆變器控制器316可包括一個基于微處理器的控制裝置317， 用于執(zhí)行控制功能和處理信息。控制裝置317可以用于執(zhí)行軟件算法以及存儲信息。逆變 器控制器316可包括一個電動機/發(fā)電機控制單元(MG⑶)318。在一個示例性實施例中， MGCU318可以是印制電路板的形式，其具有接收反饋電流、接收或建立參考電流和電壓、調(diào) 整電流、支配電壓和電流，以及執(zhí)行其他與PMSM330的命令和控制相關(guān)聯(lián)的操作的必需的 電路。逆變器控制器316可以從檢測電纜127中的電流的傳感器(未圖示)接收輸入。例如， 該傳感器檢測到的反饋電流可以被接收到MG⑶318。逆變器控制器316，例如通過MG⑶318， 也能從用于檢測PMSM330的運動的傳感器(未圖示)接收輸入。逆變器控制器316可以充當(dāng) PSM320和逆變電路314之間的連接裝置，使PSM320能通過逆變器控制器316執(zhí)行PWM方案 來影響逆變電路314的運轉(zhuǎn)。
圖4A示出系統(tǒng)400，其中，逆變器控制器316體現(xiàn)為示例逆變器控制器402， PSM320體現(xiàn)為示例PSM430。包括耦合到MG⑶406的控制裝置404的逆變器控制器402可 以耦合到PSM430。示例MGCU406可包括用于根據(jù)轉(zhuǎn)矩需求提供所需的定子繞組電壓的電流 /電壓控制單元410，以及為逆變電路314生成PWM驅(qū)動信號的信號生成模塊420。
圖4B示出示例性實施例450，其中功率源452耦合到逆變電路454。逆變電路454 包括具有上部開關(guān)單元AU和下部開關(guān)單元AL的接腳A，具有上部開關(guān)單元BU和下部開關(guān)單元BL的接腳B，以及具有上部開關(guān)單元CU和下部開關(guān)單元CL的接腳C。相電流IA與接腳A關(guān)聯(lián)，相電流IB與接腳B關(guān)聯(lián)，相電流IC與接腳C關(guān)聯(lián)。每個相電流IA、IB、IC都被供應(yīng)到三相PMSM456的定子繞組。在一示例性實施例中，PWM信號生成模塊420為逆變電路454的三相接腳生成驅(qū)動信號。
再參照圖4A，舉例來說，但非為限制，電流/電壓控制單元410可包括指令電流單元412，該指令電流單元412用于接收轉(zhuǎn)矩需求Tk并在PMSM轉(zhuǎn)子的d_q坐標(biāo)系中輸出所需的指令電流ID。和IQ。。另外，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元414可以用于接收IA，、IB、I。、反饋相電流并將它們轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系以提供輸出‘和IQF。直接反饋和指令電流‘和Idc可被比較器 413接收，比較器413用于基于它們之間的差值生成輸出ed。類似地，正交反饋和指令電流 Iqf和Iqc可以被比較器415接收，比較器415用于基于它們之間的差值輸出eQ。電流調(diào)節(jié)器416可以用于接收eD和eQ，并使用它們提供輸出電壓Vd和Vq，這是本領(lǐng)域已知的。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元418可以從轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化Vd和Vq生成定子線圈532，534，和536的各自的相電壓C。三個相電壓VA、％和^可提供給PWM信號生成模塊420，該模塊用于使用相電壓VA、 Vb和V。為逆變電路454提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號SA、SB和S。。例如，Sa可以應(yīng)用到接腳A，Sb可以應(yīng)用到接腳B，S?？梢詰?yīng)用到接腳C。
PWM信號生成模塊420可包括PWM信號控制器422、載波信號模塊424、調(diào)制信號模塊426和比較器428。載波信號模塊424可以用于提供載波信號V。-，該載波信號可為PWM 提供開關(guān)頻率。舉例來說，載波信號模塊424可包括高頻信號發(fā)生器。在一個示例性實施例中，載波信號模塊424可以用于生成三角波載波信號，該三角波載波信號特征在于頻率范圍是1. 25Khz到lOKhz，并且該模塊可被PWM信號控制器422控制。
調(diào)制信號模塊426可以用于提供PWM調(diào)制信號\，舉例來說可包括低頻或直流信號發(fā)生器。在一示例性實施例中，調(diào)制信號Vm可以是(或者表征為)每一接腳的參考電壓Vk 的形式，例如逆變電路454的接腳A、B和C的參考電壓VM、Veb和 VK。。因此，調(diào)制信號模塊可包括一個或多個用于提供參考電壓的裝置。PWM信號控制器422可以用于接收電壓VA、 Vb和V。，并且，基于這些電壓，指引載波信號模塊和調(diào)制信號模塊424、426提供輸出，該輸出用來為逆變電路454提供適當(dāng)?shù)腜WM驅(qū)動信號SA，Sb, S。。舉例來說，但非為限制，驅(qū)動信號SA，SB, Sc可以是電壓電平和占空比的形式，其應(yīng)用于逆變電路454的接腳A、B和C的各個開關(guān)單元的控制極。
PSM430可以用于執(zhí)行或指引PWM方案以降低系統(tǒng)400中的熱點區(qū)溫度和功率損耗。在一個示例性實施例中，PSM430可包括狀態(tài)檢測模塊432、方案控制模塊434和調(diào)制信號模塊436。每一模塊可包括硬件、軟件、固件或它們的一些組合。狀態(tài)檢測模塊432可以用于測定耦合到逆變電路(例如逆變電路454)的電動機(比如PMSM456)處于轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)。在一個示例性實施例中，狀態(tài)檢測模塊432可接受關(guān)于反饋電流IA、IB和I。的輸入，并且高電流持續(xù)地集中到一個接腳中可作為電動機鎖定的象征。舉例來說，但非為限制，狀態(tài)檢測模塊可接受關(guān)于電動機旋轉(zhuǎn)的輸入，該輸入來自VCS 150、MGCU 320或直接來自耦合到電動機的角旋轉(zhuǎn)傳感器(未圖示)。角旋轉(zhuǎn)數(shù)低于預(yù)設(shè)的最小值時表明電動機處于鎖定狀態(tài)。
PSM430可進一步包括用于執(zhí)行PWM方案的方案控制模塊434，以降低裝置熱點區(qū)溫度和功率損耗。在一示例性實施例中，方案控制模塊434可改變PWM調(diào)制信號以執(zhí)行熱點和損耗降低方案。舉例來說，但非為限制，在方案控制模塊434的指示下，轉(zhuǎn)換信號模塊 436可以用于向PWM信號生成單兀420提供轉(zhuǎn)換信號VSHIFT。信號Vshift可與調(diào)制信號Vm在信號組合器427中結(jié)合以提供轉(zhuǎn)換過的調(diào)制信號VM’，該轉(zhuǎn)換過的調(diào)制信號可提供給比較器 428并用于生成控制信號SA、&和\。在一示例性實施例中，調(diào)制信號Vm可以是參考信號 Ve的形式，并且信號Vshift可在信號組合器427中并入?yún)⒖夹盘朶，以提供可以輸入到比較器428的轉(zhuǎn)換過的。因此，轉(zhuǎn)換過的的Vea’、Veb’和Vk?！煞謩e地提供給接腳A、B和C。 比較器可比較V和載波信號Vcakk以生成轉(zhuǎn)換過的PWM信號SA、Sb和S。。在一示例性實施例中，信號Vshift可使參考電壓Vr向下轉(zhuǎn)換,也·就是說,Vshift可以是負(fù)值，或者從Vr中減去。 轉(zhuǎn)換參考電壓Vk可改變PWM信號并減少逆變器占空比，減小傳導(dǎo)損耗。另外，改變PWM信號可將相電流從高傳導(dǎo)損耗的設(shè)備，比如IGBT，移往低傳導(dǎo)損耗的設(shè)備，比如二極管。
圖5示出示例系統(tǒng)500，該系統(tǒng)中的PWM方案模塊可降低熱點區(qū)溫度和功率損耗。 系統(tǒng)500包括通過電容器C耦合到逆變電路510的功率源502。逆變器電路510耦合到電動機530和逆變器控制單元540，該控制單元用于為逆變器電路510提供驅(qū)動信號。在一個示例性實施例中，電動機530是包括三個獨立線圈532、534和536的PMSM。逆變器電路 510可包括三相接腳A、B和C，該三相接腳分別耦合到線圈532、534和536并分別和相電流 IA、Ib和Ic相關(guān)聯(lián)，當(dāng)該相電流流向電動機530時被認(rèn)為是正向，而流出電動機530時是反向。
接腳A、B和C中的每一個均具有上部和下部開關(guān)單元，每一個開關(guān)單元均具有有源裝置，比如絕緣柵雙極晶體管，和半有源裝置，比如二極管。例如，接腳A可具有上部開關(guān)單元512，其包括IGBTau及與之反向平行的上部二極管Dau，還具有下部開關(guān)單元514，其包括下部IGBTa及與之反向平行的下部二極管Dau。同樣地，接腳B可具有上部開關(guān)單元516， 其包括上部IGBTbu&與之反向平行的上部二極管Dbu，還具有下部開關(guān)單元518，其包括下部 IGBTbl及與之反向平行的下部二極管D&。同樣，接腳C可包括上部開關(guān)單元520，其包括上部IGBTai和上部二極管Dai,還包括下部開關(guān)單元522，其包括下部IGBTa和下部二極管Da。
在一個典型的非電動機鎖定PWM周期中，電流每次流過開關(guān)單元的一個裝置，并且每次流過接腳的一個開關(guān)單元，因此，在正常運轉(zhuǎn)模式中，一個接腳在一個逆變周期中的總功率在四個裝置之間分配。但是，在電動機鎖定狀態(tài)時，一些開關(guān)裝置根本就不運轉(zhuǎn)，使得一個接腳的功率僅在兩個裝置之間分配，由此增加了裝置的功率損耗和溫度。例如，在電動機鎖定狀態(tài)，上部的二極管Dau和下部IGBTa可能沒有導(dǎo)電，IGBTbu和二極管D&也可能沒導(dǎo)電，同樣，IGBTa^P二極管Da也可能不導(dǎo)電。因此，在每一接腳中，電流可能集中在兩個裝置中，而不是四個，這增加了導(dǎo)電的IGBT設(shè)備的損耗和溫度。
圖6示出了降低熱點區(qū)溫度的示例方法600。在框602，可以測定電動機處于轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)。例如，狀態(tài)檢測模塊432可接收關(guān)于相電流IA、B和c的輸入且比較它們的大小以測定電動機被鎖定。譬如，高強度電流持續(xù)地集中在一個接腳中表明轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)。通過進一步的示例，狀態(tài)檢測模塊432可以從VCS 150、MG⑶320、或者直接從耦合到電動機的角旋轉(zhuǎn)傳感器接收關(guān)于電動機轉(zhuǎn)動的輸入。角旋轉(zhuǎn)數(shù)低于預(yù)先設(shè)定的最小值表明電動機處于鎖定狀態(tài)。
在框604,可執(zhí)行損耗降低PWM方案。在一不例性實施例中，損耗降低PWM方案的執(zhí)行可包括將電流從高損耗裝置遷移到低損耗裝置。例如，電流可從IGBTau遷移到D&。圖7示出了遷移電流的示例方法700。在框702中可以提供轉(zhuǎn)換信號VSHIFT。例如，方案控制模 塊434可提示轉(zhuǎn)換信號發(fā)生器436生成轉(zhuǎn)換信號VSHIFT。在框704，轉(zhuǎn)換信號可用來提供修 正的PWM調(diào)制信號。例如，Vshift可以結(jié)合來自調(diào)制信號模塊426的Vm以提供修正的調(diào)制信 號VM’。在一示例性實施例中，調(diào)制信號是Vm是參考電壓Vk的形式。調(diào)制信號發(fā)生器426 可以用于向每一個逆變器接腳提供參考電壓，即為接腳A、B和C分別提供VM、Veb和VK。，并 且轉(zhuǎn)換信號Vshift可以加入到每一個參考電壓中以提供轉(zhuǎn)換過的參考電壓Vea’、Veb’和Vkc’。 在一示例性實施例中，每個接腳的轉(zhuǎn)換信號Vshift是相同的，但是，可以預(yù)期的是，轉(zhuǎn)換信號 在接腳之間可以不同。在框706，轉(zhuǎn)換過的調(diào)制信號VM’可用于提供PWM驅(qū)動信號。例如， V與載波信號Vcakk可在比較器428中比較以向逆變電路510提供PWM驅(qū)動信號。
在一不例性實施例中，載波信號和轉(zhuǎn)換過的調(diào)制信號可以生成PWM驅(qū)動信號,該 驅(qū)動信號可將相電流從高損耗的裝置遷移到低損耗的裝置，譬如從IGBTau遷移到二極管 Dp因為實施本發(fā)明可降低IGBT傳導(dǎo)的平均電流集中度，所以可以降低IGBT的熱點區(qū)的 溫度。
在參照圖6，示例性方法600可進一步包括，在框606測定電動機不再處于轉(zhuǎn)子鎖 定狀態(tài)。例如，使用前述的輸入，狀態(tài)檢測模塊432可測定轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)不再有效。相應(yīng)地， 在框608，運行可以回復(fù)到正常的運轉(zhuǎn)模式，該模式中不執(zhí)行轉(zhuǎn)換，并且使用Vm而不是VM’為 逆變器生成PWM驅(qū)動信號。這可以通過停止轉(zhuǎn)換信號Vshift的生成實現(xiàn)。
值得注意的是，本發(fā)明的方法可包括即使電動機處于正?；蛘叻擎i定狀態(tài)時的 PWM轉(zhuǎn)換。正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)的PWM轉(zhuǎn)換可以將PWM推進到極致，這會導(dǎo)致不連續(xù)的脈沖寬度調(diào) 制(DPWM)，其可使開關(guān)損耗降到最低。因此，可降低逆變器總體功率損耗，增加電動車輛的 燃料經(jīng)濟性。
圖8示出了一個系統(tǒng)的效果，例如系統(tǒng)500，其中電動機處于轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)，并且 PWM信號以正常的、未轉(zhuǎn)換的方式執(zhí)行，也就是說沒有Vshift信號生成。在這個示例中，調(diào)制 信號Vm的形式分別是參考電壓VKA、VKB和\c。載波Vcmk可與上述參考電壓一起用于為逆變 器接腳A、B和C生成PWM信號S_a, S_b，and S_c。逆變器相電流用Iga、Igb和Igc表示， 正值標(biāo)志電流從逆變器流向電動機，負(fù)值標(biāo)志電流從電動機流向逆變器。正如圖8A所示， 從逆變器流向電動機的電流Iga的大小大約是從電動機流向逆變器的電流Igb、Igc的兩 倍，這表明電動機的鎖定狀態(tài)。圖9和圖10示出了圖8A所示條件下的、在正常的(未轉(zhuǎn)換 的)PWM期間的逆變器占空比和逆變器的三相接腳的功率損耗。參照圖8A、圖9和圖10，可 以看出，接腳A的占空比只是僅僅比其他接腳的稍長，但是接腳A的功率損耗大大高于其他 接腳。這是因為電流集中在IGBTua，其具有相對高的功率損耗，包括傳導(dǎo)和開關(guān)功率損耗。
圖8B示出了執(zhí)行降低熱點區(qū)溫度的PWM方案的效果。在此處，參考電壓Vra、Vrb 和Vrc被轉(zhuǎn)換為較低的值-50. 00。雖然載波頻率保持不變，轉(zhuǎn)換過的參考電壓如所示的改 變PWM信號Sa、Sb、和Sc，并且減少逆變器占空比。參照圖9、圖10，其中也示出了執(zhí)行PWM 損耗降低方案的效果，使用轉(zhuǎn)換過的參考電壓的接腳A的占空比從使用未轉(zhuǎn)換過的參考電 壓相關(guān)的O. 527占空比減少到了 O. 37。逆變器的功率損耗從高功率損耗的裝置轉(zhuǎn)換到低功 率損耗的裝置。例如，對于接腳A，與上部IGBTua相關(guān)的功率損耗減少，而與下部二極管Du 相關(guān)的功率損耗增加。盡管接腳A的總功率損耗沒有明顯的變化，降低與IGBTua相關(guān)的平 均電流和功率損耗減低了裝置必須耐受的熱點區(qū)的溫度。因此，逆變器設(shè)計者可以得到關(guān)于IGBT和二極管的尺寸和成本的不同的權(quán)衡設(shè)計的可能性。例如，IGBTs可以減小尺寸， 或者目前存在的逆變器的最大容量增加了。值得注意的是，當(dāng)執(zhí)行PWM轉(zhuǎn)換時，盡管逆變器 的占空比降低，但是逆變器電流Iga、Igb和Igc保持不變。從而可以降低最大功率損耗或 因而發(fā)生的熱點區(qū)溫度而不影響逆變器的輸出功率。
如圖9和圖10所示，對于圖8A和圖8B例示的轉(zhuǎn)子鎖定情況，PWM轉(zhuǎn)換可更平均 地平衡接腳A的上部IGBTau和下部D&之間的功率損耗。例如，無PWM轉(zhuǎn)換時，上部IGBTau 的功率損耗是673瓦，而PWM轉(zhuǎn)換時，功率損耗減少到551瓦。同樣，接腳B和C的功率損 耗更平均地在IGBT裝置和二極管裝置之間保持平衡，緩解了 IGBT裝置的壓力。因為IGBT 設(shè)備熱點區(qū)的溫度下降，本發(fā)明使功率裝置的尺寸得以減小。因為功率裝置的成本是逆變 器總成本的主要組成部分，能縮小元件的尺寸可以顯著地降低逆變器硬件成本。
盡管圖8A和圖SB示出了逆變器的電動機鎖定狀態(tài)的示例，其中電流集中在接腳 A上部，應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)電動機處于轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)時，可存在六種可能的逆變器電流布局。電 流可集中在三相接腳A、B和C每一個的上部或下部。對于每一種情形，本發(fā)明可將電流從 高損耗裝置遷往低損耗裝置。通過借助于PWM損耗降低方案的執(zhí)行控制驅(qū)動信號，可以產(chǎn) 生從IGBT到二極管或者從二極管到IGBT的電流遷移，并且可以在改變或不改變載波頻率 的情況下進行，由此，可提供一個簡單、經(jīng)濟的解決方案，該方案可避免依賴復(fù)雜、昂貴的軟 件。
本發(fā)明提供降低逆變器功率裝置的最大功率損耗的裝置和方法，由此降低其熱點 區(qū)溫度，而對逆變器的性能無不利影響。在電動機鎖定運行期間，逆變器電流可集中在一個 接腳，促使功率裝置變熱并導(dǎo)致熱點區(qū)高溫。PWM方案用于將電流從高損耗裝置遷移到低損 耗裝置，以降低高損耗裝置的溫度。在一個示例性實施例中，將參考電壓轉(zhuǎn)換為較低的值， 降低逆變器的占空比并合理地平衡流過接腳的上部和下部的電流。該方案的執(zhí)行和載波頻 率無關(guān)，且無需改變載波頻率。PWM損耗降低方案可使PWM占空比朝著低總體傳導(dǎo)損耗的方 向轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)子鎖定運行期間，功率損耗從功率損耗最高的裝置遷移到其它裝置，這可顯著 地降低逆變器的熱點區(qū)溫度。例如，逆變器熱點區(qū)溫度可降低百分之二十。逆變器熱點區(qū) 溫度降低可允許逆變器功率裝置減小尺寸，降低了硬件成本。對于目前的逆變器設(shè)計，執(zhí)行 損耗降低PWM方案可提高逆變器的最大容量。在正常的電動機驅(qū)動運轉(zhuǎn)期間，即非轉(zhuǎn)子鎖 定運轉(zhuǎn)期間，通過轉(zhuǎn)換PWM信號執(zhí)行PWM損耗降低方案可以把調(diào)制推進到極致，成為不連續(xù) PWM (DPWM)，其可最大限度地減少開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù) 領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許之更動與改進，因此本發(fā)明 之保護范圍當(dāng)視權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，其特征在于，包括 逆變電路；和 脈沖寬度調(diào)制(PWM)方案模塊(PSM)，該方案模塊用于將所述的逆變電路中的相電流從高損耗裝置遷移到低損耗裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的PSM用于當(dāng)耦合到所述的逆變電路的電動機處于轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)時遷移所述的相電流。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的PSM用于將所述的電流從接腳的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)遷移到所述接腳的二極管。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的PSM用于將所述的電流從所述接腳的二極管遷移到所述接腳的絕緣柵雙極晶體管。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的PSM用于修改調(diào)制信號，該調(diào)制信號用于為所述的逆變電路提供PWM控制信號。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的PSM用于轉(zhuǎn)換PWM參考電壓，該參考電壓用于為所述的逆變電路提供PWM控制信號。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的電流遷移與PWM載波頻率無關(guān)。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，在耦合到所述的逆變電路的電動機的非轉(zhuǎn)子鎖定運轉(zhuǎn)期間執(zhí)行所述的電流遷移。
全文摘要
本發(fā)明是降低逆變器熱點區(qū)溫度和整體損耗的脈沖寬度調(diào)制方案。根據(jù)本發(fā)明，可執(zhí)行PWM方案降低驅(qū)動同步電動機的逆變電路中的裝置的功率損耗和熱點區(qū)的溫度。本發(fā)明的方法包括將相電流從高損耗的功率裝置遷移到低損耗的功率裝置。可以修改PWM調(diào)制信號以改變逆變器的占空比以及向低損耗的方向遷移相電流。例如，PWM參考信號可以轉(zhuǎn)換為較低的值。當(dāng)電動機處于轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)時可移執(zhí)行PWM損耗降低方案以降低裝置熱點區(qū)的溫度。當(dāng)電動機處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)時也可以執(zhí)行PWM損耗降低方案，將脈沖寬度調(diào)制(PWM)推進為不連續(xù)的脈沖寬度調(diào)制(DPWM)，以降低開關(guān)和總體損耗。當(dāng)永磁同步電動機(PMSM)作為電動機運轉(zhuǎn)時可以實施該方案，再生制動期間也可實施。
文檔編號H02M7/5395GK103001557SQ20121034246
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者陳禮華, 陳清麒, 邁克爾·W·德格尼爾, 沙拉姆·薩雷 申請人:福特全球技術(shù)公司