死区时间插入预补偿的功率变换器的制造方法
【专利摘要】一种功率变换器具有相桥臂，相桥臂具有跨接DC链路的上部开关装置和下部开关装置。装置之间的连接点被连接到负载。电流传感器检测从连接点流入负载的电流的方向。栅极驱动器响应于脉宽调制(PWM)以由可变占空比生成标称栅极信号而根据上部和下部栅极信号来激活装置。当检测到正电流方向时，则上部栅极信号具有相对于标称信号移动预定的偏置量的导通时间和关断时间，并且所述死区时间被增加到下部栅极信号。当检测到负方向时，则下部栅极信号具有相对于标称信号移动预定的偏置量的导通时间和关断时间，并且死区时间被增加到上部栅极信号。
【专利说明】死区时间插入预补偿的功率变换器
【背景技术】
[0001] 本发明总体设及用于电动车辆的电驱动系统的包括逆变器的功率变换器，并且更 具体地设及用于控制开关装置使得死区时间间隔可W在不引入变换器的输出的任何显著 失真的情况下插入的预补偿栅极驱动信号。
[0002] 电动车辆，例如混合动力电动车辆化EV)、插电式混合动力电动车辆(P皿V)、W及 纯电动车辆(BEV)，使用逆变器驱动的电机来提供牵引扭矩和再生制动扭矩。典型的电驱动 系统包括DC(直流）电源(例如电池组或燃料电池），DC电源通过接触器开关连接到可变电压 变换器(VVC) W调节主DC链路电容器两端的主总线电压。逆变器连接在用于DC链路的主总 线和牵引马达之间W便将DC功率转换成连接到马达的线圈W推进车辆的AC(交流)功率。第 二逆变器也可W连接在主总线和发电机(如果存在的话)之间W提供从原动机一一通常是 内燃发动机一一到DC链路的另一条功率流路径。
[0003] 逆变器包括W桥式配置连接包括多个相桥臂的晶体管开关装置(例如绝缘栅双极 型晶体管，或称IGBT)。典型的配置包括由具有S个相桥臂的逆变器驱动的S相马达。电子 控制器接通和断开开关W便将来自总线的DC电压转化成施加到马达的AC电压，或将来自发 电机的AC电压整流成总线上的DC电压。在每种情况下，逆变器响应于包括电机的旋转位置 和流进每个相中的电流的各种感测到的条件来控制。
[0004] 用于马达的逆变器可W优选脉宽调制DC链路电压，W便传送正弦电流输出的近似 值W在所需的速度和扭矩下驱动马达。施加到IGBT的栅极的脉宽调制(P丽)控制信号根据 需要使其接通和断开使得所产生的电流匹配所需的电流。
[0005] 因为逆变器的每个相桥臂具有跨接DC链路的一对上部和下部开关装置，重要的 是，运两个装置不能同时导通（即，接通）。否则，所产生的相桥臂的"直通"可能导致损坏开 关装置。关于逆变器的PWM控制通常使用在相桥臂的上部和下部开关装置都断开期间的短 的时间间隔一一被称为死区时间一一W便防止直通。然而，死区时间的插入已导致传送到 负载的输出波形的失真和控制延迟的引入。
【发明内容】
[0006] 在本发明的一个方面，一种功率变换器包含配置用于接收DC电源电压的DC链路和 至少一个相桥臂。相桥臂包含跨接DC链路的上部开关装置和下部开关装置。上部开关装置 和下部开关装置之间的连接点配置为连接到负载。用于相桥臂的电流传感器检测从连接点 到负载的电流的方向为正或为负。栅极驱动器连接到相桥臂W响应于脉宽调制(PWM) W由 可变占空比生成标称栅极信号而根据上部栅极信号激活上部开关装置并且根据下部栅极 信号激活下部开关装置。当检测到正电流方向时，则上部栅极信号具有相对于标称栅极信 号各自移动预定的偏置量的导通时间和关断时间，并且下部栅极信号具有相对于上部栅极 信号的相应的关断时间延迟的导通时间并且具有相对于上部栅极信号的相应的导通时间 提前的关断时间。当检测到负电流方向时，则下部栅极信号具有相对于标称栅极信号各自 移动预定的偏置量的导通时间和关断时间，并且上部栅极信号具有相对于下部栅极信号的 相应的关断时间延迟的导通时间并且具有相对于下部栅极信号的相应的导通时间提前的 关断时间。
[0007]根据本发明的一个实施例，其中对于正电流方向和负电流方向二者，上部栅极信 号和下部栅极信号被连续地生成，并且其中响应于检测到的电流方向为栅极驱动器选择相 应的栅极信号。
[000引根据本发明的一个实施例，其中脉宽调制包括PWM载波信号，其中当通过将PWM载 波信号和来自可变占空比的正偏置进行比较而检测到正电流方向时，生成上部栅极信号和 下部栅极信号，并且其中当通过将PWM载波信号和来自可变占空比的负偏置进行比较而检 测到负电流方向时，生成上部栅极信号和下部栅极信号。
[0009] 根据本发明的一个实施例，其中栅极信号是通过与选通每个比较信号与各自的延 迟的比较信号而生成，其中延迟的比较信号是根据预定的死区时间tD而延迟。
[0010] 根据本发明的一个实施例，其中载波信号具有预定的斜率，并且其中正偏置和负 偏置之间的差除W预定的斜率等于预定的死区时间tD。
[0011] 根据本发明的一个实施例，其中载波信号包含=角波形。
[0012] 根据本发明的一个实施例，功率变换器进一步包含：
[0013] 第二相桥臂，所述第二相桥臂包含跨接DC链路的第二上部开关装置和第二下部开 关装置，其中第二上部开关装置和所述第二下部开关装置之间的第二连接点配置为连接到 负载；
[0014] 用于第二相桥臂的第二电流传感器，第二电流传感器检测从第二连接点流入负载 的第二电流的方向为正或为负；W及
[001引连接到第二相桥臂的第二栅极驱动器，第二栅极驱动器响应于第二P歷载波信号 W由可变占空比生成标称第二栅极信号而根据第二上部栅极信号激活第二上部开关装置 并且根据第二下部栅极信号激活第二下部开关装置；
[0016] 其中当检测到所述正第二电流方向时，则第二上部栅极信号具有相对于标称第二 栅极信号各自移动预定的偏置量的导通时间和关断时间，并且第二下部栅极信号具有相对 于所述第二上部栅极信号的相应的关断时间延迟的导通时间并且具有相对于第二上部栅 极信号的相应的导通时间提前的关断时间;并且
[0017] 其中当检测到负第二电流方向时，则第二下部栅极信号具有相对于标称第二栅极 信号各自移动第二预定的偏置量的导通时间和关断时间，并且第二上部栅极信号具有相对 于第二下部栅极信号的相应的关断时间延迟的导通时间并且具有相对于第二下部栅极信 号的相应的导通时间提前的关断时间。根据本发明的一个实施例，其中所述负载包含用于 道路车辆的电动牵引马达，并且其中所述可变占空比对应于所述牵引马达的所需扭矩。
[001引根据本发明，提供一种功率变换器，包含：
[0019] DC链路，DC链路配置用于接收D地源电压；
[0020] 相桥臂，相桥臂包含跨接DC链路的上部开关装置和下部开关装置，其中上部开关 装置和下部开关装置之间的连接点配置为连接到负载；
[0021] 用于相桥臂的电流传感器，电流传感器检测从连接点流入负载的电流的方向为正 或为负；W及
[0022] 连接到相桥臂的栅极驱动器，栅极驱动器根据上部栅极信号激活上部开关装置并 且根据下部栅极信号激活下部开关装置;W及
[0023] 控制器，控制器1)生成来自命令的占空比的正占空比偏置和负占空比偏置，2)将 P丽载波信号与占空比偏置进行比较W生成第一比较信号和第二比较信号，3)将比较信号 与各自的延迟的比较信号与选通W生成正预补偿的栅极驱动信号和负预补偿的栅极驱动 信号，其中延迟的比较信号是根据预定的死区时间tD而延迟，4)当方向为正时，选择正预补 偿的栅极驱动信号，并且5)当所述方向为负时，选择负预补偿的栅极驱动信号。
[0024] 根据本发明的一个实施例，其中载波信号具有预定的斜率，并且其中正偏置占空 比和负偏置占空比之间的差除W预定的斜率等于预定的死区时间tD。
[0025] 根据本发明的一个实施例，其中载波信号包含=角波形。
[0026] 根据本发明的一个实施例，其中负载包含用于道路车辆的电动牵引马达，并且其 中可变占空比对应于牵引马达的所需扭矩。
【附图说明】
[0027] 图1是示出了根据本发明的一个实施例的电动车辆的动力传动系统的示意性框 图；
[0028] 图2是示出了有插入死区时间和没有插入死区时间的栅极信号的生成的波形图；
[0029] 图3是示出了一个相桥臂的示意图；
[0030] 图4是示出了原始（即，标称)栅极驱动信号的修正的波形图，其中死区时间可W随 后被插入到大体上无失真的栅极驱动信号中；
[0031] 图5是示出了本发明的一个优选方法的流程图；
[0032] 图6是示出了根据本发明的一个优选实施例的电路的框图。
【具体实施方式】
[0033] 图1示出了作为用于实施本发明的死区时间插入的一种类型的车辆的混合动力电 动车辆10。车轮11可W通过内燃发动机12和/或通过牵引马达13经由变速器14来驱动。为了 提供电推进，马达13可W经由逆变器15来驱动，逆变器15在DC链路电容器16处接收DC链路 电压。DC链路电压可W起因于由变换器(DC-DC)IS引起的来自电池组17的DC功率的转换，如 现有技术已知的那样。
[0034] 逆变器15包括连接到马达相线圈23、24和25的相桥臂20、21和22。相桥臂20具有上 部开关装置26和下部开关装置27,上部开关装置26和下部开关装置27串联跨接在DC链路16 两端并且提供装置26和27之间的连接点28,连接点28连接到马达13的线圈23。同样地，相桥 臂21具有上部开关装置30和下部开关装置31，同时相桥臂22具有上部开关装置32和下部开 关装置33。连接点34和35分别连接到马达线圈24和25。
[0035] 开关装置可W包含IGBT、反并联二极管、宽带隙场效应晶体管(FET)或其他装置。 上部开关装置和下部开关装置中的每个具有连接到控制器38中的驱动器37的各自的栅极 端子。连接到相桥臂的每个连接点的电流传感器40测量流过每个相线圈的电流。从传感器 40测得的电流大小被提供到控制器38中的逻辑电路41，用于确定通过驱动器37施加到开关 装置的PWM开关信号。如本领域已知的，测得的电流可W与根据扭矩需求42所确定的所需的 马达电流进行比较，扭矩需求42可W从操作者输入例如从加速器踏板得到，使得操作者可 W控制车辆速度。因此，电流反馈在逻辑电路41中确定PWM占空比，PWM占空比然后用于生成 用于相桥臂开关装置的PWM开关信号的时序。
[0036] 图2示出了 PWM载波信号45，其在相比于马达的旋转频率的高频率（例如，大约 5kHz)下生成为S角波形。使用用于基于电流控制来生成栅极驱动开关信号的已知P歷方 法，PWM占空比信号46响应于检测到的电流和目标电流之间的任何误差而生成。将占空比46 与PWM载波信号45进行比较W生成W下图2中所示的PWM信号。信号47是原始上部装置栅极 信号Guo,当P歷载波信号45大于占空比信号46时Guo具有低逻辑电平，并且当占空比信号46 大于PWM载波信号45时，Guo具有高逻辑电平。信号48示出了原始下部装置栅极信号Glo,其是 Guo信号47的逻辑反相。运些原始（即，标称)栅极信号除了通过使用PWM载波信号之外，可W 例如通过直接数值计算而生成。
[0037] 为了避免使用原始栅极信号47和48可能发生的直通，常规的死区时间插入如下执 行。通过将时间延迟(例如，固定的死区时间延迟tD)引入到信号47中得到波形50。固定的时 间延迟代表避免由于上部栅极信号和下部栅极信号之间的噪声或传播延迟差可能发生的 上部开关装置和下部开关装置的同时激活的足够长的死区时间插入(通常具有几微秒的持 续时间）。通过原始栅极信号47和延迟的栅极信号50的与选通(AND-gating)(即，形成逻辑 与)得到死区时间插入的上部开关装置栅极信号(Gudi)51。信号52示出了使用同样的固定延 迟tD的下部栅极信号48的时间延迟版本。死区时间插入的下部开关装置栅极信号(Gldi)53 被生成为原始下部装置栅极信号48和延迟的信号52的逻辑与。在现有技术中，死区时间插 入的上部栅极信号51和下部栅极信号53(Gudi和Gldi)已分别用于在所有条件下驱动相桥臂 开关装置（即，在每次开关事件时插入死区时间54)，其中开关装置导通的每个正转变已被 延迟而开关装置关断的每个负转变不变。
[0038] 图3更详细地示出了相桥臂20,其中电流i的大体上正弦流动55当从连接点28流入 马达相线圈23时具有正方向并且当从线圈23流入连接点2別寸具有负方向。当相电流为正的 时间期间，则换相发生在主动上部开关装置26a和被动下部开关装置27p之间。换言之，尽管 主动装置26a和27a被交替激活，但是仅主动上部装置26a被导通并且下部主动装置27a不携 带电流，因为电流方向与此相反。下部被动装置27p在上部主动装置26a未被激活的时间周 期期间携带电流。同样地，当相电流为负时，换相发生在被动上部装置26p和主动下部装置 27a之间。
[0039] 原始标称PWM开关信号(在死区时间插入前)通过提供相电压V操作，旨在根据W下 公式实现目标电流i:
[0040]
[0041] 其中L是相电感。积分的单位为伏秒。死区时间插入产生导致电流失真的丢失或额 外的伏秒(取决于电流方向）。本发明的目的是预补偿PWM生成的信号W考虑由死区时间插 入引入的丢失或额外的伏秒W便避免负载电流失真。更具体地，当检测到的电流方向为正 时，则上部栅极信号具有相对于标称栅极信号各自移动预定偏置量（例如，等于死区时间 tD)的导通时间和关断时间。因为它们同等移动，所W由主动上部开关装置传送的总伏秒没 有偏差。下部栅极信号具有增加的死区时间，增加的死区时间通过相对于上部栅极信号的 相应的关断时间延迟其导通时间并且相对于上部栅极信号的相应的导通时间提前其关断 时间而产生。因为下部开关装置是被动的，所W死区时间插入在不产生失真的情况下实现。
[0042] 当检测到的电流方向为负时，则下部栅极信号具有相对于标称栅极信号各自移动 预定偏置量(例如，等于死区时间tD)的导通时间和关断时间。因为他们同等偏置，所W由主 动下部开关装置传送的总伏秒没有偏差。上部栅极信号在增加的死区时间生成，增加的死 区时间通过相对于下部栅极信号的相应的关断时间延迟其导通时间并且相对于下部栅极 信号的相应的导通时间提前其关断时间而产生。因为在运种情况下上部开关装置是被动 的，所W死区时间插入在不产生失真的情况下实现。
[0043] 图4示出了用于生成预补偿死区时间插入栅极信号的一种优选方法的信号波形。 在该方法中，PWM载波信号与偏置的占空比信号而不是与常规获得的可变占空比的标称值 进行比较。因此，电流反馈用于确定占空比信号46的标称目标值。"+A"或"正偏置"占空比 信号60通过占空比信号46增加预定的偏置量而获得。"-A"或"负偏置"占空比信号61通过 从占空比信号46减去预定的偏置量而获得。PWM载波信号46具有预定的斜率。考虑到斜率和 正偏置占空比和负偏置占空比之间的差(其等于两倍的预定偏置量），死区时间窗口 64定义 等于所需的死区时间tD的时间间隔。在没有死区时间插入的情况下，死区时间窗口 64集中 在标称开关转变时间。
[0044] 基于使用正偏置占空比和负偏置占空比的比较，导出当电流方向为正或为负时使 用的单独的死区时间插入栅极信号对，具体如下。PWM载波与正偏置占空比的比较生成示为 波形65的上部原始正偏置栅极信号Guo+。为了生成用于下部开关装置的相应的栅极信号的 目的，上部栅极信号被反相W提供示为波形66的信号焉；；；；。栅极信号Guch和巧;;；；；是提供用 于形成当电流方向为正时使用的死区时间插入栅极信号的基础的预补偿信号。
[0045] PWM载波与负偏置占空比的比较生成示为波形67的上部原始负偏置栅极信号Guo-。 为了生成用于下部开关装置的相应的栅极信号的目的，上部栅极信号被反相W提供示为波 形68的信号馬；；；：。栅极信号Guo-和巧；三是提供用于形成当电流方向为负时使用的死区时 间插入栅极信号的基础的预补偿信号。
[0046] 使用延迟和与选通过程修正预补偿信号W引入死区时间间隔。因此，上部原始正 偏置栅极信号Guch延迟死区时间toW生成示为波形69的延迟的信号。波形69与未延迟的波 形65的与选通生成示为波形70的上部死区时间插入的正偏置栅极信号Guchdi。对于下部栅极 信号，反相波形召;品被延迟W便生成波形71，波形71与波形66通过与(AND)组合生成示为 波形72的下部死区时间插入的正偏置栅极信号召;;正偏置占空比对应于正负载电流， 使得当负载电流为正时，选择波形70和72(分别对应于Guchdi和(宜;;作为栅极驱动信号 Gu和Gl。
[0047] 对于负负载电流，负偏置占空比用于生成栅极驱动信号。因此，上部原始负偏置栅 极信号Guo-被延迟，然后延迟的和未延迟的信号进行与选通W生成示为波形73的上部死区 时间插入的负偏置栅极信号Guo-di。反相波形豆品被延迟，然后延迟的和未延迟的信号进行 与选通W生成示为波形74的下部死区时间插入的负偏置栅极信号(豆;P
[004引如果标称占空比46用于使用图4中的PWM载波45生成标称栅极信号，则栅极信号边 缘将发生在20U202和203。可W指出的是，上部装置在死区时间插入的栅极信号组合Guchdi 和品k中没有占空比偏差，即，Guo+di 70的逻辑高周期与从边缘201到边缘202的时间周 期相同。因此，对于正电流方向，没有多余的或丢失的伏秒。同样地，下部装置在死区时间插 入的栅极信号组合Guo-DI和(君;；中没有占空比偏差，即74的逻辑高周期与从边 缘202到边缘203的时间周期相同。因此，对于负电流方向，没有多余的或丢失的伏秒。
[0049] 图5中示出了一种优选方法，其中对于正电流方向和负电流方向，上部和下部栅极 信号是连续生成的，并且其中响应于检测到的电流方向为栅极驱动器选择相应的栅极信 号。在步骤77,取样脉宽调制占空比信号（图2的信号46)。在步骤78,通过将PWM载波信号和 通过从占空比命令增加和减去预定的偏置量形成的正偏置和负偏置进行比较而生成预补 偿栅极信号。在步骤79,生成上部开关装置和下部开关装置的死区时间插入的栅极信号对， 一对对应于负载电流的正方向并且另一对对应于负载电流的负方向。在步骤80进行检查W 确定相桥臂的瞬时电流是否大于零(即，方向是否为正）。如果是，则在步骤81将使用正偏置 占空比预补偿的死区时间插入的信号（即611〇+〇谢(^5；；^)。1)用于栅极驱动信号6沸6^如果 不是，则在步骤82将使用负偏置占空比预补偿的死区时间插入的信号（即Guo-DI租扫;; 用于栅极驱动信号Gu和Gl。在步骤83进行检查W确定马达操作是否已经结束。如果不是，贝U 返回步骤77 W继续取样调制信号，否则该方法在步骤84停止。
[0050] 图6示出了用于栅极信号的预补偿W使得死区时间的插入不会导致电流失真的逻 辑电路90。逻辑电路90可W包括如图所示的专用电子电路部件或者可W使用可编程的控制 器--例如微控制器--来实施。PWM占空比命令(例如，使用常规PWM控制方法生成的）在 加法器91中增加预定的偏置量。偏置量的大小对应于所需的死区时间间隔的一半，并且进 一步依赖于PWM载波信号的斜率。更具体地，正偏置占空比和负偏置占空比之间的差（即，预 定偏置量的大小的两倍)除W斜率应该等于所需的死区时间间隔tD。
[0051] 将来自加法器91的正偏置占空比连接到比较器92的非反相输入。将PWM载波信号 连接到比较器92的反相输入。响应于比较，比较器92输出原始上部栅极驱动信号Guch到与口 95的第一输入。W类似的方式，将由加法器93通过从命令的占空比减去预定的偏置量形成 的负偏置占空比连接到比较器94的非反相输入。比较器94通过将负偏置占空比与它在其反 相输入接收到的PWM载波信号进行比较W输出原始上部栅极驱动信号Guo-到与口 104的第一 输入。
[0052] 比较器92的输出在延迟框96中延迟死区时间间隔tD，W用于提供向与口95的第二 输入。与口95的输出对应于Guchdi信号，并且它连接到多路复用器(MUX)97的第一输入。输入 是一选择输入，当高逻辑电平(二进制"r)信号存在于多路复用器97的选择输入端(S化)时 该选择输入通过多路复用器97。
[0053] 比较器92的输出通过逆变器100反相W提供连接到与口 101的一个输入的原始预 补偿下部栅极驱动信号。逆变器100的输出在延迟框102中延迟死区时间间隔tD，W用于提 供到与口 101的第二输入。与口 101的输出对应于信号，并且它连接到多路复用器 103的第一输入。输入是一选择输入，当高逻辑电平(二进制"r)信号存在于多路复用器103 的选择输入端(S化)时，该选择输入通过多路复用器103。
[0054] 比较器94的输出在延迟框105中延迟死区时间间隔tD，W用于提供第二输入到与 口 104。与m〇4的输出对应于Guo-DI信号，并且它连接到多路复用器97的第二输入。输入是零 选择输入，当低逻辑电平(二进制"0")信号存在于多路复用器97的选择输入端(S化)时，该 零选择输入通过多路复用器97。
[0055] 比较器94的输出通过逆变器106反相W提供连接到与口 107的一个输入的原始预 补偿下部栅极驱动信号。逆变器106的输出在延迟框108中延迟死区时间间隔tD，W用于提 供到与口 107的第二输入。与口 107的输出对应于(扫品)Di信号，并且它连接到多路复用器 103的第二输入。输入是零选择输入，当低逻辑电平(二进制"0")信号存在于多路复用器103 的选择输入端(S化)时，该零选择输入通过多路复用器103。
[0056] 比较框110将流入相应的相中的瞬时电流的检测值与零进行比较，W便确定从相 桥臂流入负载的电流的方向为正还是负。当方向为正时，框110提供高逻辑电平到多路复用 器97和103的沈L输入。否则，负电流引起框110提供低逻辑电平到多路复用器97和103的SEL 输入。因此，适当的死区时间插入的栅极信号对被应用到驱动器111中的放大器112和114的 输入，并且相桥臂开关装置113和115W所需的死区时间操作而不会生成任何的电流失真。
【主权项】
1. 一种控制功率变换器的方法，包含： 生成用于驱动相桥臂中的各个开关装置的脉宽调制(PWM)上部和下部栅极信号； 检测从所述相桥臂到负载的电流方向； 当所述方向为正时，将死区时间插入到对应于第一比较信号的所述栅极信号中，所述 第一比较信号通过比较PWM载波信号与来自可变PWM占空比的正偏置而获得。2. 根据权利要求1所述的方法，进一步包含以下步骤： 当所述方向为负时，将死区时间插入到对应于第二比较信号的所述栅极信号中，所述 第二比较信号通过比较所述PWM载波信号与来自所述可变PWM占空比的负偏置而获得。3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述插入步骤包含： 对每个比较信号与各自的延迟的比较信号进行与选通，其中所述延迟的比较信号是根 据预定的死区时间tD而延迟。4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述载波信号具有预定的斜率，并且其中所述正偏 置和所述负偏置之间的差除以所述预定的斜率等于所述预定的死区时间t D。5. 根据权利要求2所述的方法，其中所述载波信号包含三角波形。
【文档编号】H02M7/5387GK105827135SQ201610023508
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月14日
【发明人】迈克尔·W·德格尼尔, 陈清麒, 菊池润
【申请人】福特全球技术公司