具有混合开关的电流源逆变器的制作方法

1.本公开涉及电流源逆变器，并且更具体地，涉及一种具有混合开关实施方案的电流源逆变器和整流器。


背景技术：

2.混合电动或电池电动车辆变速器通常包括一个或多个高电压机器电动机器，如电力牵引马达。电动机器向可再充电直流(dc)电池组输送电力/为其充电或从其汲取电力。通电的电动机器调整变速器的各种齿轮组的扭矩，以实现最佳系统效率。转换器通常被用于将电压转换成合适的水平，以供车辆中的电动机器和/或附件负载使用。
3.逆变器(如电流源逆变器或电压源逆变器)的半导体开关经由脉冲宽度调制或其它开关控制信号来控制，以将电池输出电压转换成交流(ac)输出电压。来自逆变器的ac输出电压最终被传输到电动机器的个别相绕组，并且通电的电动机器为车辆的动力传动系统提供动力。


技术实现要素：

4.根据几个方面，一种电流源逆变器包括：包括多个开关装置的第一相桥臂；包括多个开关装置的第二相桥臂；以及包括多个开关装置的第三相桥臂。所述电流源逆变器还包括：包括至少一个开关装置的零状态相桥臂，其中，所述零状态相桥臂被配置成从用以防止电流流动的断开状态转变成用以允许死区时间期间正端子与负端子之间的电流流动的闭合状态。
5.在其它特征中，所述第一相桥臂的多个开关装置包括双向开关装置和单向开关装置，其中，到负载的节点连接设置在所述双向开关装置与单向开关装置之间。
6.在其它特征中，所述双向开关装置包括串联连接的第一开关和第二开关。
7.在其它特征中，所述第一开关和第二开关包括电压控制开关。
8.在其它特征中，所述电压控制开关包括硅绝缘栅双极晶体管(igbt)、碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、硅超结mosfet、氮化镓(gan)场效应晶体管(fet)、sic结栅场效应晶体管(jfet)、宽带隙(wbg)装置或超宽带隙装置(uwbg)中的至少一个。
9.在其它特征中，所述单向开关装置包括与二极管串联的开关。
10.在其它特征中，所述第一桥臂的多个开关装置包括串联连接的至少第一单向开关和第二单向开关，所述第二桥臂的多个开关装置包括串联连接的至少第一单向开关和第二单向开关，并且所述第三桥臂的多个开关装置包括串联连接的至少第一双向开关和第二定向开关。
11.在其它特征中，所述零状态相桥臂的至少一个开关装置包括单向开关装置。
12.在其它特征中，所述零状态相桥臂的至少一个开关装置包括双向开关装置。
13.根据几个方面，一种电流源逆变器包括：包括多个开关装置的第一相桥臂；包括多个开关装置的第二相桥臂；以及包括多个开关装置的第三相桥臂。所述电流源逆变器还包
括：包括至少一个双向开关装置的零状态相桥臂，其中，所述零状态相桥臂被配置成从用以防止电流流动的断开状态转变成用以允许死区时间期间正端子与负端子之间的电流流动的闭合状态。
14.在其它特征中，所述第一相桥臂的多个开关装置包括双向开关装置和单向开关装置，其中，到负载的节点连接设置在所述双向开关装置和单向开关装置之间。
15.在其它特征中，所述双向开关装置包括串联连接的第一开关和第二开关。
16.在其它特征中，所述第一开关和第二开关包括电压控制的开关。
17.根据几个方面，一种电流源逆变器，包括：包括多个开关装置的第一相桥臂；包括多个开关装置的第二相桥臂；和包括多个开关装置的第三相桥臂。所述电流源逆变器还包括：包括至少一个单向开关装置的零状态相桥臂，其中，所述零状态相桥臂被配置成从用以防止电流流动的断开状态转变成用以允许死区时间期间正端子与负端子之间的电流流动的闭合状态。
18.在其它特征中，所述第一相桥臂的多个开关装置包括双向开关装置和单向开关装置，其中，到负载的节点连接设置在所述双向开关装置与单向开关装置之间。
19.在其它特征中，所述双向开关装置包括串联连接的第一开关和第二开关。
20.在其它特征中，所述第一开关和第二开关包括电压控制开关。
21.在其它特征中，所述电压控制开关包括硅绝缘栅双极晶体管(igbt)、碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、硅超结mosfet、氮化镓(gan)场效应晶体管(fet)、sic结栅场效应晶体管(jfet)、宽带隙(wbg)装置或超宽带隙装置(uwbg)中的至少一个。
22.在其它特征中，所述单向开关装置包括与二极管串联的开关。
23.在其它特征中，所述第一桥臂的多个开关装置包括串联连接的至少第一单向开关和第二单向开关，所述第二桥臂的多个开关装置包括串联连接的至少第一单向开关和第二单向开关，并且所述第三桥臂的多个开关装置包括串联连接的至少第一双向开关和第二定向开关。
24.依据本文中所提供的描述，其它适用范围将变得显而易见。应当理解，描述和特定示例仅旨在出于图示的目的，并且不旨在限制本公开的范围。
附图说明
25.本文中描述的附图仅出于图示的目的，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
26.图1是根据示例实施方案的电气系统的框图；
27.图2至图4是根据各种实施方案的电流源逆变器的电路图；
28.图5是根据示例实施方案的电流源逆变器的零状态桥臂的电路图；以及
29.图6是展示了包括两个开关状态之间的死区时间的示例栅极控制信号的曲线图。
具体实施方式
30.以下描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、应用或使用。
31.图1展示了根据示例实施方案的示例电气系统100。电气系统100可以包括车辆部件(如车辆的动力传动系和/或牵引驱动部件)，所述车辆部件的普通功能可以包括为牵引
马达提供动力以生成马达扭矩并且将马达扭矩输送到驱动轮，以用于车辆的推进或以用于在车辆上执行其它有用的工作。如所示出的，电气系统100可以包括电池102、控制器104、栅极驱动器106、电流源逆变器108和马达110。
32.在示例实施方案中，电池102可以包括车载可再充电能量储存系统(rechargeable energy storage system，ress)，所述ress可以包括被适配成用于储存被用于推进电驱动车辆的高电压电能的一个或多个高电压独立可再充电电池组。例如，取决于所期望的车辆里程、总车辆重量和从ress汲取电力的各种负载的额定功率，ress可以是额定为大约400到大约800伏直流(vdc)或更高的深循环、高安培容量电池系统。
33.控制器104可以包括至少一个处理器和用于存储计算机可读指令的足够的存储器。存储器包括有形非暂时性存储器，例如只读存储器，无论是光学的、磁性的、闪存的还是其它的。控制器104还包括足够量的随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等等以及高速时钟、模数和数模电路系统和输入/输出电路系统和装置以及适当的信号调节和缓冲电路系统。控制器104可以从车辆的一个或多个电子控制单元(electronic control unit，ecu)接收充电请求信号。例如，与车辆相关联的ecu可以提供扭矩增加请求信号。基于扭矩增加请求信号，控制器104可以将控制信号传输到栅极驱动器106，以控制电流源逆变器108内的一个或多个开关向负载110供应ac输出电压或输出电流。电流源逆变器108可以支配往返负载110的电能的传输。如所示出的，栅极驱动器106可以经由总线112连接到电流源逆变器108。总线112提供栅极驱动器106与电流源逆变器108的开关和/或桥臂中的每一个之间的连接。在各种实施方案中，控制器104可以包括向栅极驱动器106提供脉冲宽度调制信号的脉冲宽度调制器。栅极驱动器106可以基于从脉冲宽度调制器接收的信号来操作电流源逆变器108。
34.在示例实施方案中，负载110包括牵引马达202(见图2)。牵引马达202可以包括多个机器绕组，所述多个机器绕组可以提供至少三相电流以产生旋转磁场，以使牵引马达202的转子旋转从而推进车辆。
35.图2至4展示了电流源逆变器108的示例实施方案。如下文更详细讨论的，图2和图3中所展示的电流源逆变器108包括相桥臂，所述相桥臂包括不同的开关，例如，相桥臂的一个开关包括完全双向开关装置，并且另一个开关包括反向电压阻断单向开关装置。如下文所讨论的，单向开关装置可以包括串联连接的至少两个电压控制开关。图4展示了这样的示例实施方案：其中，电流源逆变器108包括各自包含至少两个单向开关装置的两个桥臂和包含至少两个双向开关装置的单个桥臂。
36.实施方案中的每个实施方案可以进一步包括另一个桥臂(例如，零状态桥臂)，所述另一个桥臂包括至少一个电压控制开关。如本文中所讨论的，可以控制零状态桥臂以减轻电流源逆变器108内的开路。在示例实施方案中，零状态桥臂可以包含与二极管串联的电压控制开关(例如，单向开关装置)。在另一个示例实施方案中，零状态桥臂可以包含双向开关装置，所述双向开关装置包括串联连接的两个电压控制开关。在这些实施方案中，双向开关装置的电压控制开关的栅极端子连接到栅极驱动器106的相同输出。
37.电压控制开关可以包括但不限于硅绝缘栅双极晶体管(igbt)、碳化硅(sic)金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、硅(si)超结mosfet、氮化镓(gan)场效应晶体管(fet)、sic结栅场效应晶体管(jfet)、其它宽带隙(wbg)或超宽带隙(uwbg)半导体电力开关
装置或者栅极信号被施加到其对应栅极以改变给定开关的接通/关断状态的其它合适开关。应当理解，在一些实施方案中，开关可以包括电流控制开关。
38.如本文中所使用的，二极管可以指具有各种额定值的各种类型(如p-n结型、肖特基(schottky)势垒型等)的二极管。如本领域技术人员所理解的，二极管是主要在一个方向上将电流从阳极传导到阴极的双端子电气部件。
39.参考图2和图3，电流源逆变器108包括零状态桥臂204和多个相桥臂206、208、210，所述多个相桥臂包括如下文更详细描述的一个或多个开关装置。相桥臂206、208、210各自连接到牵引马达202的对应机器相端子，例如，牵引马达202的机器绕组中的一个。
40.如所示出的，相桥臂206、208、210各自包括相应的完全双向开关装置和/或反向电压阻断单向开关装置。相桥臂206包括第一双向开关装置218，所述第一双向开关装置包括第一开关220和第二开关222，例如，电压控制开关。相桥臂206还包括单向开关装置290，所述单向开关装置包括第三开关224和第一二极管226。相桥臂208包括第二双向开关装置228，所述第二双向开关装置包括第四开关230和第五开关232。相桥臂208还包括单向开关装置292，所述单向开关装置包括第六开关234和第二二极管236。相桥臂210包括第三双向开关装置238，所述第三双向开关装置包括第七开关240和第八开关242。相桥臂210还包括单向开关装置294，所述单向开关装置包括第九开关244和第三二极管246。
41.总线112可以连接到开关220、222、224、230、232、234、240、242、244的各种栅极端子。在示例实施方案中，包括双向开关装置218、228、238的开关的栅极端子连接到栅极驱动器106的对应输出(例如，总线112)。例如，开关220、222的栅极端子连接到第一输出，用于开关230、232的栅极端子连接到第二输出，并且用于开关240、242的栅极端子连接到第三输出。因此，用于双向开关装置218、228、238的栅极端子各自接收对应的栅极控制信号。用于开关222、232、242的栅极端子连接到单独的栅极驱动器106输出。
42.基于来自控制器104的控制信号，栅极驱动器106向开关220、222、224、230、232、234、240、242、244的栅极端子提供栅极控制信号，以使开关220、222、224、230、232、234、240、242、244在断开状态与闭合状态之间转变，以控制电流源逆变器108内的电流流动。
43.如图2和图3中所示，将相应相桥臂206、208、210连接到牵引马达202的节点280、282、284设置在相桥臂206、208、210的双向开关装置218、228、238与同对应相桥臂206、208、210的二极管226、236、246串联连接的开关224、234、244之间。在这些实施方案中，与二极管226、236、246串联连接的开关224、234、244(例如，单向开关装置290、292、294)允许在一个方向上的电流流动。如图2和图3中所示，在一些实施方案中，双向开关装置218、228、238和单向开关装置290、292、294的位置可以交换(例如，可互换)。虽然图2和图3展示了仅三(3)个相，但是应当理解，本公开的各种实施方案可以扩展到n个数量的相，其中n是整数。
44.图4展示了包括相桥臂302、304、306的电流源逆变器106的示例实施方案。如所示出的，相桥臂302、304包括单向开关装置306、308、310、312。单向开关装置306、308、310、312各自包括与二极管322、324、326、328串联连接的相应开关314、316、318、320。如所示出的，节点330、332定位在相桥臂302、304的单向开关装置之间。相桥臂306包括第一双向开关装置334和第二双向开关装置336。双向开关装置334包括串联连接的开关338、340，并且双向开关装置336包括串联连接的开关342、344。将相桥臂306连接到牵引马达202的节点346定位在双向开关装置334、336之间。
45.零状态相桥臂204可以提供正端子272与负端子274之间的连接，以减轻电流源逆变器108内的开路。在图2至图4中所展示的实施方案中，零状态相桥臂204可以包括单向开关装置276。单向开关装置276包括与二极管292串联连接的开关290。图5展示了包括双向开关装置278的零状态相桥臂204的示例实施方案。双向开关装置278可以包括串联连接的开关294、296。
46.电流源逆变器108可以从电流源201接收电流(例如，由电池102和电感器203提供的电流)。电感器203连接在电流源201与正端子272之间。电感器203可以是具有各种电感值的各种类型的电感器。如本领域技术人员所理解的，电感器是当电流流过其时在磁场中储存能量的无源双端子电气部件。如本领域技术人员所理解的，可以基于电流源逆变器108的应用区域来选择电感器203的电感值以承载负载电流。
47.在所示出的实施方案中，由栅极驱动器106提供的栅极信号的总数量可以是七(7)，因为用于每个单向开关装置和每个双向开关装置的栅极端子连接到栅极驱动器106的输出。这样，与包含所有双向开关装置的电流源逆变器相比，本文中所描述的电流源逆变器108可能需要相对较低的栅极信号复杂性和较低的成本。相对于包含所有单向开关装置的电流源逆变器，电流源逆变器108的效率也可以相对较高。
48.图6是展示了由栅极驱动器106生成的栅极控制信号的示例曲线图600。死区时间(db)602包括在第一开关状态604与第二开关状态606之间。开关状态604、606指的是用于控制电流源逆变器108的相桥臂的各种开关将电流从电流源201供应到负载110的时间段。如所展示的，开关状态604、606的各部分可以与死区时间602至少部分地重叠。在死区时间602期间，零状态相桥臂204从断开状态转变成闭合状态，以减轻电流源逆变器108的相桥臂内的可能开路。
49.本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型旨在处于本公开的范围内。这种变型不应被视为脱离本公开的精神和范围。