专利名称：用于旋转电机的控制与功率模块的制作方法
技术领域：
一般地，本发明涉及保护电气系统免受甩负载(load dump)。具体地，其适用于汽车领域。
背景技术：
在机动车辆中，称为“车载系统”的电气系统用于提供车辆所配备的电气装备。此类车载系统可以被比做DC电源总线。由至少一个电池提供电源。电池利用旋转电机以车辆热机(thermal engine)的旋转所提供的能量重新充电。旋转电机更一般地指任何单相或多相旋转电机，用于产生供应车载系统的输出DC电流。具体地，其可以是交流发电机或者交流发电机/起动器。
在车载系统中的电气负载、或者电池、或者两者突然断开的情况下，会产生甩负载的现象，其会造成车载系统上的过电压。这是因为由于在甩负载之后、该电机中的施感电流(inducing current)的调节动作不够快，该电机继续提供相同的输出电流，而车载系统侧上的电流消耗已经下降。
常规地，车辆电池为14伏特电池。原则上，由于其低的内部电阻，在甩负载的情况下，其将在车辆的车载系统上发生的电压峰值限制到大约17伏特。所述电池由此吸收小的过电压。但是，在断开电池(例如由于供电电缆断裂)的情况下，在车载系统上可能会发生非常高的过电压。这是因为由该电机提供的为连接到车载系统的电容(包括寄生电容)充电以及因此使车载系统的DC电压显著增加。
该过电压会产生破坏车载系统所提供的电气装备的风险。这就是为什么车辆上所有电气装备的规格都可以耐受大约32伏特的最大电压，这对应于大约20伏特的过电压。
已知有各种解决方案来将车载系统上电压限制到最大可接受电压，即车辆上的电气装备可以耐受而不会有破坏风险的最高电压。
例如，文献WO 03/032465提出了第一实施方式，其对于功率电路中的开关、使用对为了以给定电压的雪崩效应工作的、低于最大可接受电压的电压校准的功率MOSFET晶体管。由此，在甩负载的情况下，对车载系统电压的限制由构成桥式整流器的开关的功率晶体管进入雪崩来保证。
同一文献WO 03/032465还提出一种常规的解决方案，包括向车载系统添加齐纳二极管，以限制车载系统电压。
其他方案包括在车载系统中添加附加负载，以吸收甩负载情况下的多余能量。
这些已知方案具有某些优点，但是在由于高能量消耗的电气装备增加的趋势、而必然在未来在车辆中使用较大容量电池(例如42伏特)的环境下并不完美。这是因为根据未来欧洲标准(仍然在起草)的规定，车辆车载系统的电气装备规格可能必须能在高大48伏特的电压下工作，并且耐受58伏特的最大电压，这对应于仅仅10伏特的过电压。
但是MOSFET晶体管的限制电压或者削峰电压太高(高于58V)，并且控制不足以使其能够用于该环境下。这是因为MOSFET的削峰值具体依赖于诸如温度等参数。
另外，在使用具有MOS晶体管的齐纳二极管的情况下，它们必须能够吸收几百安培的电流，从而导致很大的体积以及额外的成本，因为必须将添加几个齐纳二极管。同样的情况适用于附加负载。
发明内容
因此，本发明目的在于，提出用于包含多相绕组的旋转电机的控制与功率模块，该模块包括-功率电路，包括用来与所述多相绕组相关的多个分支，以及-控制电路，被构造来当该电机工作在标称模式下时、控制所述功率电路，以获得对机动车辆的车载系统上电压的限制，这是对已知方案的替代方案。
本发明目的还在于，提供一种在控制与功率模块中实现的、控制旋转电机的方法。
为此，根据本发明的第一方面，该控制电路还被构造来-监控所述功率电路的输出电压；-当所述输出电压达到至少一个第一门限值时，锁定所述功率电路的至少一个分支在一通电状态下以使该电机工作在降级模式下。
由此，锁定所述功率电路的至少一个分支具有减少交流电发电机所生成的电流的效果。这可以使车载系统上的电压下降，因为保持与其连接的电气装备消耗了电流，同时等待调节来适配注入该电机的场绕组的激励电流。
在非限定性的实施方式中，控制电路还被构造来当所述输出电压达到第二门限值时，重新确立所述电机工作在标称模式下。由此，这使得可以当过电压不再存在时、返回到正常运行模式。
在非限定性的实施方式中，控制电路被构造来当所述输出电压达到第一门限值时，锁定所述功率电路的所有分支。由此短路该电机。其不再输出任何电流。因此，提供到车载系统的电压迅速下降，并且由此限制了过电压。
在非限定性的实施方式中，功率电路还包括能量存储部件。这些部件为电容器。由此，所述电容器实现迷你电池的功能。这是因为当该电机不再生成任何电流、或者生成的不够时，其向车载系统提供电流。这样，该电机提供的电流为零，但是由该电容器向连接到车载系统的电气装备供电。
在非限定性的实施方式中，所述至少第一门限值高于第二门限值。由此，当功率电路的输出电压超过大于该电机标称模式下的运行值的值时，触发降级模式。
在非限定性的实施方式中，第二门限值近似等于在标称模式下由功率电路提供的电压的标称值。由此，只有当车载系统上的电压值已经重新达到其标称值时，才离开降级模式。
在非限定性的实施方式中，所述至少第一门限值低于破坏要由功率电路的输出电压供电的电气装备的电压。由此，保护该电气装备免受过电压的破坏。
在非限定性的实施方式中，控制电路用来当锁定分支时，对于部分锁定时间，将该分支维持在第一导电状态；以及在其余锁定时间期间，将该分支维持在第二导电状态。该实施方式使得可以在一个分支的部件之间分配散热，并且交替进行。由此限制了其发热。
在非限定性的实施方式中，所述至少一个分支包括两个开关，并且其中在所述分支的给定导电状态下，一个开关导电，另一个开关截止。
在非限定性的实施方式中，控制电路用来将功率电路的所有被锁定的分支维持在相同的导电状态下。这使得可以短路一或多个相绕组，并且因此减少该电机生成的电流。
在非限定性的实施方式中，开关包含至少一个功率晶体管。
在非限定性的实施方式中，按照小于标称模式下的功率电路的运行频率的锁定频率进行对所述至少一个分支的锁定。由此，在车载系统上的电压下降得足以限制过电压所需的时间期间，该电机生成较低的电流或者不生成电流。
有利的是，本发明不添加任何电子部件。另外，其这使得可以在甩负载的情况下、维持到车载系统的电气部件的电力供应。
本发明的第二方面涉及一种多相可逆旋转电机，包含根据上面第一方面的控制与功率模块。
最后，本发明的第三方面涉及一种用于控制用于在标称模式下工作的旋转电机的方法，该电机包含多相绕组以及包括用来与所述多相绕组相关的多个分支的功率电路。该方法包括以下步骤-监控所述功率电路的输出电压；-当所述输出电压达到至少第一门限值时，锁定所述功率电路的至少一个分支在一通电状态下以使该电机工作在降级模式下。
在非限定性的实施方式中，所述方法包括以下补充步骤当所述输出电压达到第二门限值时，重新确立所述电机工作在标称模式下。
在非限定性的实施方式中，在锁定步骤中，当所述输出电压达到第一门限值时，锁定所述功率电路的所有分支。
在非限定性的实施方式中，在锁定分支的步骤期间，对于部分锁定时间，将该分支维持在第一导电状态；以及在其余锁定时间期间，将该分支维持在第二导电状态。
在非限定性的实施方式中，将功率电路的所有被锁定的分支维持在相同的导电状态下。
在非限定性的实施方式中，按照小于标称模式下的功率电路的运行频率的锁定频率，执行锁定所述至少一个分支的步骤。
从以下描述可以看出本发明的其他特征与优点。以下描述纯粹为说明性的，并且必须与附图一起阅读，附图中-图1为说明根据本发明第一方面的控制与功率模块、以及根据本发明第二方面的电机的实施方式的图示；-图2为在属于图1的控制与功率模块的功率电路的示例实施方式中包含的功率晶体管桥的图示；-图3示出当实现本发明时在甩负载的情况下车辆的车载系统上的电压的图示，以及所述车辆的电机的激励电流的图示；-图4a与4b为说明根据本发明的实施方式、在锁定所有分支的两种配置下图2的晶体管桥的状态的图示；-图5为说明在实践中制造用于测试图1的控制与功率模块的功能的电路的图示；-图6与图7为对于图5中电路的各种测试条件的、车载系统上的电压以及电机的激励电流的图示。
具体实施例方式
现在要在将本发明用于控制多相旋转电机(例如在背景技术中提到的那些中的一个)的情况下描述本发明。此处只关心作为这些电机的交流发电机工作的模式。该模式是交流发电机的唯一操作模式。其为其他类型的电机的可能操作模式的一种模式。对于以下的说明书，将采用交流发电机/启动器30、即可逆电机的非限定性例子。
另外，对于说明书的其余部分，可以将电气装备无差别地称为耗电器或者负载。
交流发电机/启动器30包含三个操作模式。本领域人员公知的有空闲模式、交流发电机模式(也称为发电机模式)、以及包含启动模式的马达模式。
图1示意性地说明根据本发明的交流发电机/启动器30。将交流发电机/启动器30安装在包含电气系统50(也称为车载系统)的车辆(未示出)中。
交流发电机/启动器30包括-机电部分20，-形成控制与功率模块10的电子部分，-高供电终端31，以及-低供电终端32。
通过电器系统50，两个终端31与32分别连接到电池40的正终端41与负终端42。在非限制性的例子中，电池40是一个42伏特电池。终端42与42上的电位分别表示为B+与B-。常规地，终端42连接到车辆的底盘，从而电位B-与地电位合并。电池电压表示为Ubat，即电池40的终端41与42之间的电位差。该电压为车载系统50上可用的电压，并且在交流发电机/启动器的终端31与32之间，显然在电池断开的情况下除外。但是，不严格地讲，车载系统50上、以及交流发电机/启动器的终端31与32之间的电压总是指定为Ubat，即使在电池断开的情况下也如此。在所采用的例子中，电池40为42V电池，这使得可以供应大耗电器，例如电加热或空调的电子部件、或者DC到DC转换器。应该注意不是所有的电气耗电器都一定设定为42V，而是某些可能保持设定为12V，例如车上收音机、风档刮水器或者车辆控制器。在这种情况下，存在第二12V电池(未显示)以及42V电池与第二12V之间的DC到DC转换器，所述转换器将由交流发电机/启动器30提供的电力转换为12V。
交流发电机/启动器的机电部分20包括-感应(induced)元件21，以及-施感(inducing)元件22。
在一个例子中，感应元件21为定子，施感器(inductor)20为转子。定子21包含数目为N的相绕组。在此处考虑的例子中，N等于3。换言之，根据本示例实施方式的交流发电机/启动器30为具有转子型场绕组与三相定子型电枢的电机。在图1所示的例子中，感应元件21的相绕组以星型配置安装，此处三相绕组公共端处的电压浮动。但是，这不是限制性的，也能够设想环形(例如三角型)配置。
控制与功率模块10包括-控制电路13，-激励电路14，其生成注入施感元件22的激励电流Iex，以及-电子功率电路15。
在非限定性的实施方式中，控制电路13包括微控制器。该微控制器接收在交流发电机/启动器的供电终端31与32之间可得的电压，即车载系统50上的电压Ubat，例如在耦合至内部模数转换器的模拟输入。电压Ubat由此由控制电路13监控。由此容易访问所述电压Ubat。
激励电路14可以包括电子部件的组合件。该设计本身共知，此处不需要再进一步详细描述。
功率电路15包括-高供电输入/输出，表示为VCC，-低供电输入/输出，表示为GND，-三相输入/输出，PHa、PHb和PHc，以及-开关桥及其控制电子器件，当该电机以交流发电机模式工作时也称为桥式整流器，而当该电机以马达模式工作时也称为逆变器(inverter)。
第一供电输入/输出VCC耦合于交流发电机/启动器的高供电终端31以接收电位B+。第二供电输入/输出GND耦合于交流发电机/启动器的低供电终端32以接收电位B-。由此，在功率电路15的输入/输出VCC与GND之间可得电压Ubat。
在操作中，三相输入/输出PHa、PHb和PHc耦合于此处设想的定子星形配置中的分别为21a、21b、21c的相绕组中一个的自由端。在定子环形配置的情况中，每个输入/输出PHa、PHb和PHc耦合于两个相绕组的公用节点中的一个。在所有情况下，输入/输出PHa、PHb和PHc都接收在相绕组21a、21b、21c中通过场绕组22的旋转而感应的电流，或者在这些绕组中提供从电池40吸取的电流。因此，并且在附图中，这些电流表示为Ia、Ib和Ic。
在非限定性的实施方式中，开关桥由图2中的图说明。控制电子器件(未示出)具体包含驱动器电路。它们本身公知，因此此处不需要再进一步详细描述它们。
开关桥包括三个分支Ba、Bb和Bc，分别与电枢21的三相绕组21a、21b、21c相关联。
在非限定性的实施方式中，每个分支包括两个开关。开关包括至少一个功率晶体管。优选地，开关包括并联安排的多个晶体管。这使得可以具有较少由于焦耳效应的损失。功率晶体管例如为MOSFET晶体管。在变型中，它们可以为IGBT(“Insulated Gate Bipolar Transistor”，绝缘栅极双极晶体管)晶体管或者双极功率晶体管。
由此，在非限定性的实施方式中，开关桥的分支Ba包含串联在输入/输出VCC与GND之间的低晶体管MLSa(或者“Low Side”(低侧)晶体管)与高晶体管MHSa(或者“High Side”(高侧)晶体管)。这些例如为NMOS晶体管。
MHSa的漏极与源极分别连接到功率电路15的输入/输出VCC与输入/输出PHa。类似地，MLSa的漏极与源极分别连接到功率电路15的输入/输出PHa与输入/输出GND。换言之，连接在一起的晶体管MLSa的漏极与晶体管MHSa的源极形成连接到功率电路15的输入/输出PHa的分支Ba的输出节点。
类似地，晶体管桥的分支Bb包含串联在输入/输出VCC与GND之间的低侧晶体管MLSb与高侧晶体管MHSb。这些也为NMOS晶体管。MHSb的漏极与源极分别连接到功率电路15的输入/输出VCC与输入/输出PHb。类似地，MLSb的漏极与源极分别连接到功率电路15的输入/输出PHb与输入/输出GND。换言之，连接在一起的晶体管MLSb的漏极与晶体管MHSb的源极形成连接到功率电路15的输入/输出PHb的分支Bb的输出节点。
最后，晶体管桥的分支Bc包含串联在输入/输出VBC与GND之间的低侧晶体管MLSc与高侧晶体管MHSc。这些也为NMOS晶体管。MHSc的漏极与源极分别连接到功率电路15的输入/输出VCC与输入/输出PHc。类似地，MLSc的漏极与源极分别连接到功率电路15的输入/输出PHc与输入/输出GND。换言之，连接在一起的晶体管MLSc的漏极与晶体管MHSc的源极形成连接到功率电路15的输入/输出PHc的分支Bc的输出节点。
应该注意对于高侧晶体管或者低侧晶体管，可以为如上所述地并联安排的晶体管组。
每个分支Ba、Bb和Bc包含两个可能的导电状态。这两个状态每个都对应于在其所耦合的、分别为功率电路15的PHa、PHb和PHc的输入/输出处的、分别为Ia、Ib和Ic的电流的流动方向。第一状态称为“高”导电状态，对应于该分支的高侧功率晶体管的导通状态以及低侧功率晶体管的截止状态。由此，例如对于第一分支Ba，相关电流Ia从相绕组21a流向高供电输入/输出VCC。相反，第二状态称为“低”导电状态，对应于该分支的低侧功率晶体管的导通状态以及高侧功率晶体管的截止状态。由此，例如相关电流Ia从低输入/输出GND流向相绕组21a。请考虑感应电流Ia、Ib和Ic为交流电流。
现在解释交流发电机/启动器30的操作。
在交流发电机操作模式下，当交流发电机/启动器在正常条件(即在标称模式下)下起作用时，通过交流发电机/启动器当由热机驱动时的旋转，生成电流It(在图1中显示)。然后，控制交流发电机/启动器30以整流感应电流Ia、Ib和Ic，并且调节施感电流Iex以及随后的随生成的电流It。应该说明感应电流Ia、Ib和Ic的幅度为施感电流Iex的函数，而所生成电流It为三个整流后的感应电流的函数。
为了由该电机进行所述调节(在图1中显示)，由激励电路14在近似100Hz的频率上对施感电流Iex进行限幅或截断。由此调节该电机从热机得到的扭矩，以及因此调节所述电机所生成的电力。
另外，为了进行整流(rectification)，使用功率电路15的开关桥。这使得可以进行感应电流Ia、Ib和Ic的整流。为此目的，或者控制电路13在该电机的大约1kHz电频率上(同步整流)控制该桥的开关的切换，或者所述开关作为常规二极管桥操作，此时这些开关都处于截止位置。本领域技术人员公知同步整流与作为二极管桥操作，将不详细描述它们。
还应该说明电机的电频率为热机的速度的频率、转子柱对的数目、以及带传送比(belt ratio)的函数，所述带放置在转子的轴上，并且以公知的方式允许该电机与热机之间的协同。
由此，该电机的电频率(其因此对应于功率电路的运行频率)适合于在交流电发电机模式下有效发挥作用，即优化了电流It的生成。
应该注意在空闲模式下，即当车辆静止时，分支中的所有开关都断开。
另外应该注意在马达模式下，存在对电池电压Ubat的限幅，并且这一般在20kHz上。这使得可以调节该电机的感应电流Ia、Ib和Ic、以及施感电流Iex，并且因此调节该电机所提供的扭矩，所述电机从电池吸取电流。此类限幅可能会干扰整个车载系统与电池。由此，为了稳定电池电压Ubat，功率电路15具有安排在输入/输出VCC与GND之间的、具有一般较高值的滤波电容。其例如为50mF的电容。由于该值相对较高，所以规定所述电容包含用于此功能的至少一个分立电容器(discrete capacitor)15a，例如化学电容器。
除标称模式之外，本发明还提出了降级模式，其中使该电机响应于甩负载操作。
返回到交流发电机模式，当该电机生成供应车辆中给定数目的电气装备的电流It、并且所述装备中的一个装备刚被切断时，存在该电机调节所生成的电流It的反应时间Tt。由此，在切断小电气装备(即消耗不多电流的装备，例如风档刮水器)的情况下，在车载系统上瞬时出现小的过电压，其容易被电池40吸收，这样在该电机的调节反应时间Tt期间、电池40作为缓冲器。
但是，在切断大电气装备(即消耗大量电流的装备，例如加热风档)的情况下、和/或在当其排空(discharge)时断开电池的情况(切断终端31的连接)下，会出现被称为甩负载的现象，其会造成可能会达到高值的瞬间过电压(在本领域技术术语中，有时该过电压被称为“过冲”)，并且可能由此会烧断与所述车载系统连接的所有电气装备。
应该注意以上表达方式“瞬间”指以下事实过电压只在减少注入场绕组22的激励电流Iex所需的时间期间(即在上述的电机反应时间T1期间)发生。该减少来自于激励电路14的调节，目的在于确保交流发电机/启动器的输出电流It对应于在交流发电机/启动器30保持连接的部分车载系统50中、继续被消耗的Ir(在图1中示出)的电流。
应该注意被消耗电流Ir表示电气装备中所有被消耗电流加上电池中消耗的电流。
另外应该注意在其排空的情况下，电池40可以比作大耗电器，因为此时其消耗大量的电流以重新充电；而在其充满的情况下，电池40可以比作小耗电器。
在图3中显示甩负载以及随后的激励电流Iex的调节。
该图3说明了输出电压Ubat、以及甩负载之后的激励电流Iex的变化，在降级模式下的电流调节以及交流发电机/启动器的操作。
-在图3所示的范围A中，电压Ubat等于标称操作电压U0，即在所采用的例子中为42伏特，并且激励电流Iex使得所生成的电流It等于所消耗的电流Ir。这为标称模式。
-在时间t0，发生甩负载，例如由于断开排空的电池40或者断开电池与另一负载。然后，所生成的电流It变得大于所消耗的电流Ir。此时，电容器15a的电容(以及耦合于车载系统的所有其他电子部件上的其他电容，包括寄生电容)利用所生成的电流It与所消耗的电流Ir之间的差异(即It-Ir)充电。因此，电压Ubat增加，然后变得大于标称电压U0。
-在时间t0之后非常短的时间，在时间t1，激励电流Iex由于控制电路13通过激励电路14所进行的调节而减少，其中所述控制电路13察觉到电压Ubat增加大于标称电压U0。
但是，在所采用的例子中，电压Ubat继续上升，这是因为激励电流Iex仍然太高。所生成的电流It仍然大于所消耗的电流Ir。
应该注意从时间t0开始的电压Ubat的斜坡201依赖于交流发电机/启动器所生成的电流It与在车载系统中所消耗的电流Ir之间的(正)差异，以及电容器15a的电容(以及耦合于车载系统的所有其他电子部件上的其他电容，包括寄生电容)。
由此，在所示范围B，It＞Ir，这仍然为标称模式，并且电容器15a的电容充电。
-当在时间t2、Ubat(通过较低的值)达到第一门限值US1时，控制电路13控制功率电路15在降级模式下操作，即减少该电机的性能，直至在特定情况下其被取消，如以下将详细看到的那样。
在该降级模式中，功率电路的分支Ba、Bb和Bc中的至少一个被锁定，被维持在其两种导电状态中的一种。
术语“被维持”必须参照标称模式中功率电路的控制频率Fq2考虑。换言之，当对于对应于标称模式下几个控制周期的时间长度、分支被控制保持在其两种导电状态中的一种时，则认为分支被锁定。
换言之，锁定频率Fq1低于标称模式下功率电路的操作频率Fq2(或者电机的电频率)，所述操作频率Fq2被设置于几kHz。在非限定性的实施方式中，锁定频率Fq1位于10Hz与100Hz之间，对应于10ms与100ms之间的周期。
所获得的效果为对于恒定电流Iex，交流发电机/启动器所生成的电流It减少。由此，激励电流Iex不仅由常规调节减少，而且由开关桥的一个分支或多个分支的锁定而减少。
在非限定性的实施方式中，为了分配由于分支中高侧功率晶体管MHS与低侧功率晶体管MLS之间的发热的损失，可以在锁定阶段，控制该分支以从一种导电状态达到另一种导电状态。由此，对于部分锁定时间，保持高侧晶体管MHS导通、并且保持低侧晶体管MLS截止，而在其他部分锁定时间反之(高侧晶体管截止、低侧晶体管导通)。这些时间可以例如分配在50％-50％或者10％-90％上。自然可以设想任何其他分配。
另外，在非限定性的实施方式中，根据甩负载之前的开关桥分支的导电状态，可以选择最小化要在降级模式中进行的开关切换。例如，如果在甩负载之前、两个分支Ba以及Bb处于“高”导电状态、而且第三分支Bc处于“低”导电状态，则为了进入降级模式，只要将就第三分支Bc置于“高”导电状态、并且如果希望锁定所有分支、则锁定该组合件可以了。
应该注意当功率电路15的几个分支被锁定，控制电路13维持所述分支在相同的锁定状态下，即在相同的导电状态下。由此，例如，被锁定分支的所有高侧晶体管MHS都导通，并且所述分支的所有低侧晶体管MLS都截止。
由此，通过锁定控制电路的一个或多个分支而获得的交流发电机/启动器所生成的电流It的减少、与通过调节而获得的减少(由电路13通过电路14控制的电流Iex的减少)相结合，具有以下效果在保持连接到车载系统50的电气装备中的消耗电流Ir高于交流发电机/启动器所生成的电流It的情况下，使电压Ubat下降。
由此，在车载系统所消耗的电流Ir高于交流发电机/启动器所生成的电流It的情况下，为了保证到连接到车载系统50的、必须保持服务的电气装备的供应，可以在车载系统50上提供并联的电容器。该电容器实现存储部件的功能，其在降级模式期间、向车辆的耗电部件(规格为42V，尤其是DC到DC转换器)恢复在甩负载之后的电压Ubat上升阶段期间存储的能量。由此，选择该电容器以在当电机短路时的整个期间为耗电器供电。应该注意在该外部电容器断开的情况下，过电压检测功能仍然保护车载系统，而且还保护桥式整流器。
此处，除当交流发电机/启动器处于标称模式时、其电容器过滤电压Ubat的限幅频率的功能之外，控制与功率模块10的电容器15a还可以有利地实现该补充功能。因此不需要专用于该蓄电池功能的补充部件。由此，所消耗的电流Ir等于所生成的电流It加上流经电容器的电流Ic(图1中显示)。常规地，将把电容器15a当作发电机。当其放电时，电流Ic为正。当其充电时，电流Ic为负。在图1中示出的电流Ic为正。
在交流发电机/启动器所生成的电流It大于电气装备所消耗的电流Ir的相反情况下，输出电压Ubat继续增加，尽管所生成的电流It减少。此时必须再锁定另一个分支，直至电压Ubat减少。
由此，在优选的实施方式中，如果输出电压Ubat通过较低值达到等于最大门限值Umax的第一门限值US1，则锁定功率电路15的所有分支。例如采用58伏特作为该最大值。在这种情况下，电枢21的所有相绕组都被短路，从而交流发电机/启动器所生成的电流It为零。这样，车载系统50上电压Ubat的减少会更迅速，如图3所式，时间t2与t3之间的范围C。
可以理解，在非限定性的实施方式中，最大门限电压Umax通过较低值基本等于连接到该电机连接到的车载系统50的电气装备可接受的最大电压，从而优选地保护其不被破坏。
另外，优选地，最大门限电压Umax也低于破坏桥式整流器的电子部件的电压。
在另一非限定性的实施方式中，不一定在考虑到破坏连接到车载系统的电气装备的电压的情况下选择最大门限值(在我们的例子中采用58V)，而是可以将其限制为较低值，例如52V，其相对于42伏特的标称电压、将限制车载系统中的过电压到10V而非16V。应该注意电气装备一般并联连接到电池40。
从以上可以看出，存在几个第一门限值US1，根据其锁定开关桥的一个、两个或三个分支。由此，在非限定性的实施方式中，第一门限值US1与开关桥的每个特定锁定相关。例如，第一关联门限值US1对于一个锁定分支等于45伏特，对于两个锁定分支等于55伏特，对于三个锁定分支等58伏特。
图4a与4b中的图为功率电路15当其所有分支都被锁定时的等效电路图。在图4a的情况下，所有高侧功率晶体管都导通(闭路)，低侧功率晶体管都保持截至(开路)。相反，在图4b的情况下，所有低侧功率晶体管保持都导通，高侧功率晶体管保持截至。
优选地，如上所述，交替根据图4a与4b的情况，以分配高侧功率晶体管与低侧功率晶体管之间的损失。换言之，在降级模式下控制功率电路15，以便对于锁定分支的、t2与t3之间的部分时间(理想地，如果如经常的情况下晶体管相同，则为一半时间)，处于图4a的情况；而在剩余时间处于图4b的情况。
总而言之，在单相电机(一个相绕组、两个分支)或者多相(N个相绕组、N个分支，N＞1)的一般情况下，由此可以锁定任何数目N-p的分支，其中p为0与N-1之间的整数，这提供了交流发电机/启动器30所生成的电流It的减少。由此，将短路相绕组，从而其对交流发电机/启动器所生成的总电流It的贡献将为零。应该注意没有被锁定的一或多个分支总是由控制电路13控制在操作频率Fq2上。
由此，例如，在三角形配置的情况下，当锁定两个分支时，对于锁定时间周期、即100ms，短路一个绕组；并且对于限幅电流的较短时间周期，即当工作几kHz的操作频率Fq2上的第三分支处于与两个被锁定分支相同的导电状态时，短路第二与第三绕组。
在另一例子中，如果只锁定一个分支，则对于限幅电流的较短时间周期，即当工作几kHz的操作频率Fq2上的另一分支处于与被锁定分支相同的导电状态时，短路一个绕组。
返回到图3，在所采用的例子中，第一门限值US1固定于58伏特。由此，在时间t2，通过锁定其所有分支，短路电机30。这样，交流发电机/启动器30所生成的总电流It为零。因此，由于连接到车载系统的电气装备的电流消耗，并且由于电容器15a的电容放电，电压Ubat减少。
从时间t2开始的电压Ubat的斜坡202依赖于在车载系统中所消耗的电流Ir，以及电容器15a的电容(以及耦合于车载系统的所有其他电容，包括寄生电容)。
由此，在所示范围C中，其为降级模式，具有为零的所生成电流It(即It＜Ir)，并且电容器15a的电容放电。
-当在时间t3、电压Ubat(通过较高值)达到第二门限值US2时，控制电路13重新确立功率电路15在标称模式下操作。所有被锁定的分支都被解锁。由此再次生成电流It。
自然地，第二门限值US2低于第一门限值US1。在非限定性的实施方式中，其等于在标称模式下在功率电路15的供电终端VCC与GND之间提供的标称电压U0，即此处为42伏特。
但是，如果场绕组22的激励电流Iex(其从时间t1开始下降)仍然使得交流发电机/启动器30所生成的电流It与在车载系统50中消耗的电流Ir之间的差仍然为正(It＞Ir)，则电容15a利用电流差It-Ir充电，并且因此电压Ubat再次增加，如图3的例子所示。
应该注意从时间t3开始的电压Ubat的斜坡203依赖于交流发电机/启动器所生成的电流It与在车载系统中所消耗的电流Ir之间的(正)差异，以及电容器15a的电容(以及耦合于车载系统的所有其他电子部件上的其他电容，包括寄生电容)。由此，在所示例子中，电压Ubat再次增加直到时间t4，但不会达到最大门限电压Umax。因此这仍然是标称模式。
由此，在所示范围D中，其为标称模式，It＞Ir并且电容器15a充电。
-在时间t4，电流Iex已下降得足以使交流发电机/启动器30所提供的电流It等于车载系统50中消耗的电流Ir。但是，电压Ubat仍然大于第二门限值42伏特。因此，控制电路13仍然调节激励电流Iex，以减少电压Ubat。
因此，电压Ubat开始再次下降。电流Iex继续减少，从而减少所生成的电流It。交流发电机/启动器30所生成的电流It与在车载系统50中消耗的电流Ir之间的差变为负(It＜Ir)。因此，电容器15a放电以供应车载系统中的电气装备，其中所生成的电流It不足以供应所有电气装备。
由此，在所示范围E中，其为标称模式，Ir＞It并且电容器15a放电。
-电流Iex下降，直至在时间t5电压Ubat通过较低值达到标称电压U0＝42伏特。
-从时间t5开始，再次增加电流Iex，以获得接近42伏特的电压Ubat。此时，所生成的电流It等于所消耗的电流Ir。
-从时间t6开始，电压Ubat保持相对恒定，并且基本等于42伏特。由此稳定了所述电压Ubat与电流Iex。因此终止了对激励电流Iex的调节。
由此，在所示范围G中，其为标称模式，It＝Ir并且调节终止。
下表汇总先前对图3所示例子的描述。
图5显示在实践中制造的、用来测试根据本发明的控制与功率模块10的功能的电路。
对于包含标准机电部分与根据本发明的控制与功率模块的交流发电机/启动器，进行测试。将电池替换为150F的电容器(“Supercap，超级电容”)。车载系统包括交流发电机/启动器输出处的、对应于40A耗电器的电阻性负载R，随后有对应于80A耗电器的电子负载R′。开关SW至于负载R与R′之间，以模拟电池加上耗电器断开、或者仅电池排空。第一门限值US1固定于52V。第二门限值US2固定于40V。到车载系统的对应连接的总长度L近似为4m。通过断开开关SW，来形成甩负载。
利用电子负载R′中的电流近似等于80A，进行第一测试(图6)。曲线61与曲线62分别给出作为时间函数的电压Ubat与电流Iex。此处达到电压Umax一次。因此，在降级模式下控制功率电路15，近似在t＝5ms与t＝15ms之间，其中所有分支都被锁定。
利用电子负载R′中的电流近似等于120A，进行第二测试(图7)。曲线71与曲线72分别给出作为时间函数的电压Ubat与电流Iex。此处达到电压Umax两次。在第一次，近似在t＝1ms与t＝6ms之间，控制功率电路15在降级模式下；然后在第二次，近似在t＝12ms与t＝17ms之间，其中所有分支都被锁定。
因此，根据本发明的控制与功率模块10具有许多优点，具体如下首先，不再象现有技术中那样需要使用并联的大量MOSFET，以对激励电流Iex的解激励时间维持削峰。另外，不再需要使用对于对应于激励电流Iex的解激励时间的给定时间削峰的、特定的MOSFET。
第二，不再需要局限于具有精确削峰值的MOSFET。因此，可以避免获得非常精确的削峰值的困难，该值为诸如温度等可变参数的函数。
第三，不使用附加部件。
第四，保护功率电路免受甩负载影响，从而不烧断功率晶体管。功率晶体管压力减少，这是因为在本发明的情形下，该晶体管不再执行电压削峰功能。
权利要求
1.一种用于包含多相绕组(21a，21b，21c)的旋转电机(30)的控制与功率模块(10)，该模块包括-功率电路(15)，包括用来与所述多相绕组(21a，21b，21c)相关的多个分支(Ba，Bb，Bc)，以及-控制电路(13)，被构造来当该电机工作在标称模式下时、控制所述功率电路(15)；其特征在于所述控制电路(13)还被构造来-监控所述功率电路(15)的输出电压(Ubat)；-当所述输出电压(Ubat)达到至少一个第一门限值(US1)时，锁定所述功率电路(15)的至少一个分支在一通电状态下以便使该电机工作在降级模式下。
2.如权利要求1所述的控制与功率模块，其中，所述控制电路(13)还被构造来-当所述输出电压(Ubat)达到第二门限值(US2)时，重新确立所述电机(30)工作在标称模式下。
3.如以上权利要求中任一项所述的控制与功率模块，其中，所述控制电路(13)还被构造来当所述输出电压(Ubat)达到第一门限值(US1)时，锁定所述功率电路(15)的所有分支。
4.如以上权利要求中任一项所述的控制与功率模块，其中，所述功率电路(15)还包括能量存储部件(15a)。
5.如权利要求2所述的控制与功率模块，其中，所述至少第一门限值(US1)高于所述第二门限值(US2)。
6.如权利要求2所述的控制与功率模块，其中，所述第二门限值(US2)基本等于在标称模式下由所述功率电路(15)提供的电压的标称值(U0)。
7.如以上权利要求中任一项所述的控制与功率模块，其中，所述至少一个第一门限值(US1)低于破坏要由所述功率电路(15)的输出电压(Ubat)供电的电气装备的电压。
8.如以上权利要求中任一项所述的控制与功率模块，其中，所述控制电路(13)用来当锁定分支时，对于部分锁定时间，将该分支维持在第一导电状态；以及在其余锁定时间期间，将该分支维持在第二导电状态。
9.如以上权利要求中任一项所述的控制与功率模块，其中，所述功率电路(15)的至少一个分支包括两个开关(MHS，MLS)，并且其中在所述分支的导电状态下，一个开关(MHS)导电，另一个开关(MLS)截止。
10.如以上权利要求中任一项所述的控制与功率模块，其中，所述控制电路(13)用来将功率电路(15)的所有被锁定的分支维持在相同的导电状态下。
11.如以上权利要求中任一项所述的控制与功率模块，其中，所述开关包含至少一个功率晶体管(MOS)。
12.如以上权利要求中任一项所述的控制与功率模块，其中，按照小于标称模式下的功率电路(15)的运行频率(Fq2)的锁定频率(Fq1)，进行对所述至少一个分支的锁定。
13.一种多相可逆旋转电机(30)，其包含如以上权利要求中任一项所述的控制与功率模块(10)。
14.一种用于控制用于在标称模式下工作的旋转电机(30)的方法，该电机包含多相绕组(21a，21b，21c)以及包括用来与所述多相绕组(21a，21b，21c)相关的多个分支(Ba，Bb，Bc)的功率电路(15)；其特征在于，其包括以下步骤-监控所述功率电路(15)的输出电压(Ubat)；-当所述输出电压(Ubat)达到至少第一门限值(US1)时，锁定所述功率电路(15)的至少一个分支在一通电状态下以便使该电机(30)工作在降级模式下。
15.如权利要求14所述的控制方法，还包括以下补充步骤当所述输出电压(Ubat)达到第二门限值(US2)时，重新确立所述电机(30)工作在标称模式下。
16.如权利要求14或15所述的控制方法，其中，在所述锁定步骤中当所述输出电压(Ubat)达到第一门限值(US1)时，锁定所述功率电路(15)的所有分支。
17.如权利要求14至16中任一项所述的控制方法，其中，所述功率电路(15)还包括能量存储部件(15a)。
18.如权利要求15所述的控制方法，其中，所述第二门限值(US2)基本等于在标称模式下由功率电路(15)提供的电压的标称值(U0)。
19.如权利要求14至18中任一项所述的控制方法，其中，所述至少第一门限值(US1)低于破坏要由功率电路(15)的输出电压(Ubat)供电的电气装备的电压。
20.如权利要求14至19中任一项所述的控制方法，其中，在所述锁定分支的步骤期间，对于部分锁定时间，将该分支维持在第一导电状态；以及在其余锁定时间期间，将该分支维持在第二导电状态。
21.如权利要求14至20中任一项所述的控制方法，其中，所述功率电路(15)的分支包括两个开关(MHS，MLS)，并且其中在所述分支的给定导电状态下，所述分支上的一个开关(MHS)导电，另一个开关(MLS)截止。
22.如权利要求14至21中任一项所述的控制方法，其中，将功率电路(15)的所有被锁定的分支维持在相同的导电状态下。
23.如权利要求14至22中任一项所述的控制方法，其中，按照小于标称模式下的功率电路(15)的运行频率(Fq2)的锁定频率(Fq1)，执行锁定所述至少一个分支的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用于旋转电机(30)的控制与功率模块(10)，该模块包括功率电路(15)，其包括多个分支(Ba，Bb，Bc)；以及控制电路(13)，其被设计用来当该电机工作在标称模式下时，控制所述功率电路(15)。本发明的模块的特征在于，控制电路(13)还被设计用来监控来自所述功率电路(15)的输出电压(Ubat)；当所述输出电压(Ubat)达到至少第一门限值(US1)时，锁定所述功率电路(15)的至少一个分支在一通电状态下以便使该电机工作在降级模式下。本发明用于交流发电机启动器。
文档编号H02H7/06GK101023575SQ200580029206
公开日2007年8月22日 申请日期2005年8月31日 优先权日2004年8月31日
发明者迈克尔·舍明, 弗朗索瓦－泽维尔·伯纳德, 弗雷德里克·勒鲁 申请人:法雷奥电机设备公司