具有选择的死区时间插入的功率变换器的制造方法
【专利摘要】一种功率变换器具有一个或多个相桥臂，每个相桥臂具有上部和下部开关装置。电流传感器检测从各臂流动的电流大小。栅极驱动器响应于PWM控制信号而根据确定的栅极信号启用上部和下部装置。当检测到的电流大小大于正阈值时，则下部栅极信号包括死区时间插入并且上部栅极信号不包括死区时间插入。当检测到的电流大小小于负阈值时，则上部栅极信号包括死区时间插入并且下部栅极信号不包括死区时间插入。当检测到的电流大小在正阈值和负阈值之间时，则上部栅极信号和下部栅极信号都包括死区时间插入。极大降低了输出失真和控制延迟。
【专利说明】
具有选择的死区时间插入的功率变换器
【背景技术】
[0001]本发明总体涉及包括用于电动车辆的电力驱动系统的逆变器的功率变换器，以及更具体地涉及选择性地插入用于控制开关装置以避免直通而在变换器的输出中没有引入任何明显失真的死区时间。
[0002]电动车辆——例如混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)以及纯电动车辆(BEV)—一使用逆变器驱动的电机以提供牵引扭矩和再生制动扭矩。典型的电力驱动系统包括通过接触器开关与可变电压变换器(VVC)连接的直流(DC)电源(例如电池组或燃料电池)以调整主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以便将直流电源转换为与电机线圈耦合以推进车辆的交流(AC)信号。第二逆变器也可以连接在主总线和发电机(如果存在的话)之间以提供从原动机一一典型的内燃发动机一一到直流链路的另一动力流路径。
[0003]逆变器包括在具有多个相桥臂的桥接配置中连接的晶体管开关装置(例如绝缘栅双极型晶体管，或IGBT)。典型的配置包括由具有三个相桥臂的逆变器驱动的三相马达。电子控制器打开和关闭开关以便使总线的DC电压逆变为施加给马达的AC电压，或将发电机的AC电压整流为总线上的DC电压。在不同情况下，响应于感测到的包括电机的旋转位置和每个相位中的电流的各种状态而控制逆变器。
[0004]马达的逆变器优选脉宽调制DC链路电压以便传输近似正弦的电流输出以在所需速度和扭矩驱动马达。施加给IGBT的栅极的脉宽调制(PWM)控制信号必要时打开和关闭它们以便产生的电流符合所需的电流。
[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，所以两个装置不能同时导电(也就是打开)是很重要的。否则，产生的相桥臂的“直通”可能导致损坏开关装置。典型地使用被称为死区时间的短时间间隔一一在该时间间隔期间相桥臂的上部和下部开关装置都是被关闭的一一与逆变器的PWM控制以便防止直通。然而，死区时间的插入已经导致使传输给负载的输出波形失真和引入控制延迟。
【发明内容】
[0006]在本发明的一个方面，功率变换器由配置为接收直流电源电压的直流链路和至少一个相桥臂构成。相桥臂包含跨接直流链路的上部开关装置和下部开关装置，其中上部和下部开关装置之间的连接点配置为与负载一一例如车辆的电力牵引马达一一连接。用于相桥臂的电流传感器检测从连接点流向负载的电流大小。栅极驱动器与相桥臂连接以响应于脉宽调制(PWM)控制信号而根据上部栅极信号启用上部开关装置并且根据下部栅极信号启用下部开关装置。当检测到的电流大小大于正阈值时，则下部栅极信号包括死区时间插入并且上部栅极信号不包括死区时间插入。当检测到的电流大小小于负阈值时，则上部栅极信号包括死区时间插入并且下部栅极信号不包括死区时间插入。当检测到的电流大小在正阈值和负阈值之间时，则上部栅极信号和下部栅极信号都包括死区时间插入。
[0007]根据本发明的一个实施例，其中栅极驱动器产生有和无死区时间插入的栅极驱动信号的版本，以及其中第一栅极驱动器响应于检测到的电流大小分别与正和负阈值的比较而选择每个栅极驱动信号的版本。
[0008]根据本发明的一个实施例，其中栅极驱动器由可编程的控制器和放大器组成。
[0009]根据本发明的一个实施例，本发明的功率变换器进一步包含:
[0010]第二相桥臂，第二相桥臂包含跨接直流链路的第二上部开关装置和第二下部开关装置，其中第二上部和下部开关装置之间的第二连接点配置为与负载连接；
[0011]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向负载的第二电流大小；以及
[0012]与第二相桥臂连接的第二栅极驱动器，第二栅极驱动器响应于PWM控制信号而根据第二上部栅极信号启用第二上部开关装置并且根据第二下部栅极信号启用第二下部开关装置；
[0013]其中当检测到的第二电流大小大于正阈值时，则第二下部栅极信号包括死区时间插入并且第二上部栅极信号不包括死区时间插入；
[0014]其中当检测到的第二电流大小小于负阈值时，则第二上部栅极信号包括死区时间插入并且第二下部栅极信号不包括死区时间插入；以及
[0015]其中当检测到的第二电流大小在正阈值和负阈值之间时，则第二上部栅极信号和第二下部栅极信号都包括死区时间插入。
[0016]根据本发明的一个实施例，其中负载由用于道路车辆的电动牵引马达组成，以及其中PffM控制信号对应于牵引马达所需的扭矩。
[0017]本发明还提供一种功率变换器，包含:
[0018]直流链路，直流链路配置为接收直流电源电压；
[0019]相桥臂，相桥臂包含跨接直流链路的上部开关装置和下部开关装置，其中上部和下部开关装置之间的连接点配置为与负载连接；
[0020]用于相桥臂的电流传感器，电流传感器检测从连接点流向负载的电流大小；以及
[0021]与相桥臂连接的栅极驱动器，栅极驱动器根据上部栅极信号启用上部开关装置并且根据下部栅极信号启用下部开关装置;以及
[0022]控制器，控制器I)将脉宽调制(P丽)载波信号与命令的占空比进行比较以产生原始上部和下部栅极驱动信号；2)插入各死区时间以产生修正的上部和下部栅极驱动信号；3)响应于检测到的电流大小大于正阈值而选择原始上部栅极驱动信号以驱动上部开关装置，否则，选择修正的上部栅极驱动信号；以及4)响应于检测到的电流大小小于负阈值而选择原始下部栅极驱动信号以驱动下部开关装置，否则，选择修正的下部栅极驱动信号。
[0023]根据本发明的一个实施例，其中控制器通过以下产生修正的上部和下部栅极驱动信号:I)将原始上部和下部栅极驱动信号延迟一死区时间常数;2)将原始上部栅极驱动信号和延迟的上部栅极驱动信号输入至上部与门以产生修正的上部栅极驱动信号；以及3)将原始下部栅极驱动信号和延迟的下部栅极驱动信号输入至下部与门以产生修正的下部栅极驱动信号。
[0024]根据本发明的一个实施例，其中控制器通过以下产生修正的上部和下部栅极驱动信号:I)产生与命令的占空比偏置一预定偏置值的正和负偏置占空比；2)将PffM载波与负偏置占空比进行比较以产生修正的上部栅极驱动信号；以及3)将PWM载波与正偏置占空比进行比较以产生修正的下部栅极驱动信号。
[0025]本发明还提供一种控制功率变换器的方法，包含:
[0026]将脉宽调制(PWM)载波信号与命令的占空比进行比较以产生用于相桥臂的原始上部和下部栅极驱动信号；
[0027]插入各死区时间以产生修正的上部和下部栅极驱动信号；
[0028]检测从相桥臂到负载的电流大小；
[0029]响应于检测到的电流大小大于正阈值而选择原始上部栅极驱动信号以驱动相桥臂中的上部开关装置，否则，选择修正的上部栅极驱动信号；以及
[0030]响应于检测到的电流大小小于负阈值而选择原始下部栅极驱动信号以驱动相桥臂中的下部开关装置，否则，选择修正的下部栅极驱动信号。
[0031]根据本发明的一个实施例，其中插入死区时间的步骤由以下组成:
[0032]将原始上部和下部栅极驱动信号延迟一死区时间常数；
[0033]将原始上部栅极驱动信号和延迟的上部栅极驱动信号输入至上部与门以产生修正的上部栅极驱动信号；以及
[0034]将原始下部栅极驱动信号和延迟的下部栅极驱动信号输入至下部与门以产生修正的下部栅极驱动信号。
[0035]根据本发明的一个实施例，其中插入死区时间的步骤由以下组成:
[0036]产生与命令的占空比偏置一预定的偏置值的正和负偏置占空比；
[0037]将PffM载波与负偏置占空比进行比较以产生修正的上部栅极驱动信号；以及
[0038]将PffM载波与正偏置占空比进行比较以产生修正的下部栅极驱动信号。
【附图说明】
[0039]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原理框图；
[0040]图2是示出了具有有和无插入的死区时间的生成栅极信号的波形图；
[0041]图3是示出了一个相桥臂的示意图；
[0042]图4是示出了用于确定是否应该将死区时间插入到栅极驱动信号的阈值电流水平的波形图；
[0043]图5是示出了根据一个优选的实施例的有和无死区时间的插入的选择栅极驱动信号的原理框图；
[0044]图6是示出了本发明的一个优选的方法的流程图；
[0045]图7是示出了用于产生具有死区时间插入的栅极信号的可供选择的实施例的波形图；
[0046]图8是示出了用于选择图7的栅极信号的电路的框图。
【具体实施方式】
[0047]图1示出了作为用于实施本发明的选择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通过变速器14可以由内燃发动机12和/或牵引马达13驱动。为了提供电力推进，可以通过接收DC链路电容器16的DC链路电压的逆变器15驱动马达13。DC链路电压可以通过本领域已知的变换器18来转换来自电池组17的直流电源而产生。
[0048]逆变器15包括与马达相线圈23、24和25连接的相桥臂20、21和22。相桥臂20具有串联跨接DC链路16的上部开关装置26和下部开关装置27并且在装置26和27之间提供与马达13线圈23连接的连接点28。类似地，相桥臂21具有上部开关装置30和下部开关装置31，而相桥臂22具有上部开关装置32和下部开关装置33。连接点34和35分别与马达线圈24和25连接。
[0049]开关装置可以由IGBT、反并联二极管、宽带隙场效应晶体管(FET)或其它装置组成。每个上部和下部开关装置具有各自的与控制器38中的驱动器37连接的栅极端子。与相桥臂的每个连接点连接的电流传感器40测量流过每个相线圈的电流。将来自传感器40的测得的电流大小提供给控制器38中的逻辑电路41用于确定将要通过驱动器37施加给开关装置的PWM开关信号。正如本领域已知的，可以将测得的电流与根据扭矩需求42所确定的所需的马达电流进行比较，扭矩需求42可以来自操作者输入一一例如加速器踏板一一以便操作者可以控制车辆速度。因此，电流反馈确定逻辑电路41内的PWM占空比，然后使用PffM占空比产生用于相桥臂开关装置的PWM开关信号的时序。
[0050]图2示出了相比于马达的转动频率在高频下(例如大约5kHz)以三角波形产生的PWM载波信号45。使用根据电流控制来产生栅极驱动开关信号的已知PWM方法，响应于在检测到的电流和目标电流之间的任何误差而产生PWM占空比信号46。占空比信号46与PffM载波信号45相比较产生图2中以下示出的PffM信号。信号47是原始上部装置栅极信号Guo，当PffM载波信号45大于占空比信号46时其具有低的逻辑电平并且当占空比信号46大于PffM载波信号45时其具有高的逻辑电平。信号48示出了作为Guo信号47的逻辑反相的原始下部装置栅极信号 Glo ο
[0051]为了避免可能发生的直通，使用原始栅极信号47和48，可以如下执行死区时间插入。通过将固定的时间延迟引入到信号47获得波形50。固定的时间延迟表示避免由于上部和下部栅极信号之间的噪声或传播延迟差(典型地具有几微秒的持续时间)可能产生的同时启用上部和下部开关装置的足够长的死区时间插入。通过形成所示的原始栅极信号47和延迟的栅极信号50的逻辑与(AND)来获得死区时间插入的上部开关装置栅极信号(GUDI)51。信号52示出了使用相同的固定延迟的下部栅极信号48的时间延迟版本。将死区时间插入的下部开关装置栅极信号(GLDI)53产生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，在所有情况下已经分别使用死区时间插入的上部和下部栅极信号51和53(GUDI和Gldi)来驱动相桥臂开关装置，也就是在每个开关事件中具有死区时间54的插入。
[0052]图3更详细地示出了相桥臂20，其中当电流i从连接点28流入马达相线圈23时大体上正弦流动的电流i具有正值并且当电流i从线圈23流入连接点28时其具有负值。图4是表示任何一个相线圈的相电流56，其根据马达速度改变频率。该频率通常低于PWM开关频率。本发明对当相电流大于正阈值1>。5时的高电流区域57和当相电流小于负阈值T^g时的低电流区域58进行区分。在当相电流足够正(也就是在Tpcis以上的区域57中)的时间期间，则用于那个相桥臂的开关装置换相在有源上部开关装置26a和无源下部开关装置27p之间发生。换句话说，即便交替地启用有源装置26a和27a，仅有源上部装置26a是打开的并且下部装置27a没有电流，因为电流方向与其相反。无源下部装置27p在有源上部装置26a没有被启用的时间周期期间有电流。在那些情况下，本发明仅为下部开关装置插入死区时间。通过确保电流方向与有源下部装置27a相反，仅为下部开关装置的死区时间仍然防止任何直通。然而，由于没有死区时间被插入到上部开关装置的栅极信号并且在i>TPcis的状态下有源上部装置26a控制负载电流，因而没有引入失真或控制延迟。类似地，当电流在区域58内非常负时，换相在无源上部装置26p和有源下部装置27a之间发生。那么仅为上部装置的栅极信号执行死区时间插入。没有直通的顾虑因为有源上部开关装置26a没有电流，而因为有源下部装置27a没有死区时间插入因此再次避免了失真或控制延迟问题。当相电流在正阈值Tpcis和负阈值TNf3g之间时，本发明继续为上部和下部栅极驱动信号插入死区时间以便没有由电流检测误差、偏置或噪声引起的直通的可能性。在逆变器马达驱动应用中，该狭窄的电流带的整体效应是很少关心的因为低水平的电流意味着电流失真和控制延迟也是非常小的。通过考虑预期的输出电流纹波和测得的电流值中的不确定因素来确定阈值的值。阈值的绝对值典型地可以相等。
[0053]总结优选的死区时间插入策略，当检测到的相电流大小i大于TPcis(在区域57内)时，则上部栅极信号Gu不包括死区时间插入(也就是设置为与图2的信号47相对应的Guo)并且下部栅极信号Gl包括死区时间插入(也就是设置为与图2的信号53相对应的Gldi)。当检测到的电流大小i小于负阈值了^时，则上部栅极信号Gu包括死区时间插入(也就是Gu设置为与图2的信号51相对应的Gudi)并且下部栅极信号Gl不包括死区时间插入(也就是Gl设置为与图2的信号48相对应的Glq)。当检测到的电流大小在阈值Tpcis和TNeg之间时，则上部栅极信号Gu和下部栅极信号Gl都包括如图2的信号51和53所不的死区时间插入Gudi和Gldi。
[0054]图5示出了根据本发明的一个优选实施例的用于确定选择的死区时间的插入的逻辑电路60。逻辑框60可以包括所示的专用电子电路部件或可以使用可编程的控制器一一例如微控制器一一来实施。比较器61具有接收占空比命令信号(例如图2的占空比信号46)的同相输入。比较器61具有接收P丽载波信号的反相输入。响应于比较，比较器61将原始上部栅极驱动信号Guo输出给多路复用器62的第一输入。第一输入是选择一的输入，当高逻辑电平(二进制数“I”)信号存在于多路复用器62的选择输入(SEL)时第一输入穿过多路复用器62。此外，通过逆变器63逆变比较器61的输出以将原始下部栅极驱动信号Glq提供给多路复用器64的第一(选择一的)输入。根据固定的死区时间插入延迟值而在延迟框65中延迟来自比较器61的原始上部栅极驱动信号Guo，而且将延迟的信号输入至与门66的第一输入。来自比较器61的原始上部栅极驱动信号Guo与与门66的第二输入连接。与多路复用器62的选择零的输入连接的与门66的输出提供具有死区时间插入信号Gudi的上部栅极驱动。类似地，来自逆变器63的输出在延迟框67中延迟并且与与门68的第一输入连接。与门68的第二输入与逆变器63的输出连接。与门68的输出将具有死区时间插入信号Gldi的下部栅极驱动提供给多路复用器64的选择零的输入。
[0055]比较框70接收检测到的用于相应的相桥臂的电流测量值i并且将它与正阈值Tpcis和负阈值1^8进行比较。当电流i大于正阈值时则将高逻辑电平信号发送给多路复用器62的SEL输入以便将第一输入的原始上部栅极驱动信号Guo从多路复用器62输出给驱动器电路71中的放大器72的输入。否则，至多路复用器62的选择的输入的输入具有低的值并且输出将具有死区时间插入Gudi的上部栅极驱动信号提供给放大器72。来自放大器72的放大/缓冲信号驱动上部开关装置73的栅极以提供具有在控制行动中避免直通而没有添加明显的失真或延迟的选择的死区时间插入的栅极信号Gu。
[0056]类似地，来自比较框70的第二输出根据检测到的电流i是否小于负阈值来控制多路复用器64的选择(SEL)输入。因此，原始下部栅极驱动信号Glq或具有死区时间插入6训的下部栅极驱动信号通过多路复用器64与驱动器电路71中的放大器74和下部开关装置75的栅极耦合。
[0057]图6总结了优选的方法，其中该方法开始于步骤80并且在步骤81中使用图2的PWM调制(也就是占空比)信号46执行对脉宽调制信号采样。在步骤82中将PffM载波信号与占空比命令进行比较产生原始栅极信号对Guo和Glo。在步骤83中，为上部和下部开关装置产生死区时间插入的栅极信号对Gudi和Gldi。在步骤84中执行核查以确定瞬时相电流是否大于正阈值。如果是这样的话，则在步骤85中将没有死区时间插入Guo的原始上部栅极驱动信号分配为栅极驱动信号，否则，在步骤86中选择死区时间插入的上部栅极驱动信号GUDI。然后，在步骤87中将电流i与负阈值进行比较。如果i小于负阈值则在步骤88中使用原始下部栅极驱动信号Gu)，否则在步骤89中选择死区时间插入的下部栅极驱动信号Gldi。因此，在相桥臂中的PWM开关使用选择的死区时间插入以便切换有足够大的电流的开关装置而没有死区时间以便避免失真和控制延迟。在步骤90中执行核查以确定是否已经终止马达的运行。如果不是这样，则返回至步骤81以继续对调制信号采样，否则该方法在步骤91结束。
[0058]图7说明了用于产生不需要图5所示的延迟框的死区时间插入的信号的可供选择的方法。取代使用明确的信号延迟，通过从占空比信号46添加或减去固定的偏置(表示为A )来获得偏置占空比92和93，并且当产生栅极驱动信号时，偏置值被用于与PWM载波进行比较。因此，基于将占空比46与PffM载波45进行比较以通常的方式获得原始上部和下部栅极驱动信号Guo和GLQ，这为原始信号提供了过渡94和95。为了产生死区时间插入信号，将PffM载波信号45与偏置占空比进行如下比较。为了产生下部栅极死区时间插入驱动信号，将PffM载波45与正偏置占空比92(也就是命令的占空比+Δ)进行比较并且逆变比较结果。因此，具有死区时间插入Gldi的下部栅极驱动信号等于从正偏置占空比92获得的逆变的上部栅极驱动信号Giro+。如图7所示，信号Guo+具有与P丽载波45与正偏置占空比92的相交点同时发生的过渡96和98。为了产生上部死区时间插入栅极驱动信号GUDI，使用负偏置占空比93。为该信号示出过渡97和99，该信号也表示为Guo-因为该信号是使用负偏置产生的。因此，通过将偏置用于占空比，获得了提供死区时间间隔的栅极驱动信号的过渡时间的变化。如上所述以相同的方式将使用图7所示的方法获得的信号输入至图8的用于选择原始或死区时间插入信号的各多路复用器100和101。
【主权项】
1.一种控制功率变换器的方法，包含: 产生用于驱动相桥臂中的各开关装置的上部和下部栅极信号； 检测从所述相桥臂到负载的电流大小； 如果所述电流大小大于正阈值，则仅在所述下部栅极信号中插入死区时间；以及 如果所述电流大小小于负阈值，则仅在所述上部栅极信号中插入死区时间。2.根据权利要求1所述的方法，进一步包含步骤: 如果所述电流大小在所述正阈值和所述负阈值之间，则在所述上部栅极信号和所述下部栅极信号中都插入死区时间。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述功率变换器是用于电动道路车辆的电动牵引马达的逆变器。
【文档编号】H02M7/5387GK105827136SQ201610027939
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月15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