专利名称：使用专用集成电路的功率逆变器动态操作的控制模块的制作方法
技术领域：
0001]本发明总体涉及车辆驱动系统，且更具体地涉及具有逆
变器驱动系统的电动和/或混合动力车辆。
背景技术：
很多电气部件，包括在这些车辆中使用的电动机，从交 流(AC)电源接收电功率。然而，在这些应用中使用的电源(例如， 蓄电池)提供直流(DC)功率。因此，使用公知为"功率逆变器"的 装置将DC功率转换为AC功率。这些功率逆变器经常使用操作在不同 间隔的若干开关或晶体管以将DC功率转换为AC功率。 在操作期间，通常可以通过改变P賵信号的切换频率或 它们的产生方式来改进电动机和/或逆变器的效率。然而，使用软件动 态调节PWM信号所需的额外任务和计算可能增加处理开支并且因此降 低微处理器的吞吐量以及增加系统的等待时间。目前的系统在提供电 动机的动态实时操作方面受到挑战，并因此在效率方面受到限制。
发明内容
0006提供一种用于在车辆中的逆变器的控制模块的设备。控 制模块包括第一电路卡组件和安装在所述第一电路卡组件上的微处理器。所述微处理器构造成确定用于第一电机相的相调制指令和确定用 于所述逆变器的调制标准。集成电路通信地耦接到所述微处理器。所 述集成电路构造成基于所述相调制指令和所述相调制标准产生第一调 制信号，以及基于所述相调制指令和所述相调制标准产生第二调制信 本概要被提供来介绍筒化形式的一系列概念，这些概念 在下面的详细说明中将进一步描述。本概要无意辨识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也无意用作在确定所要求保护主题的范围时 的帮助。
通过参考详细描述和权利要求并结合附图可以得到对本
发明主题的更完全理解，其中在整个附图中，相似的附图标记标识相 似的元件。图2是根据一个实施例的适于用于图1的电气系统的控
制模块的框图； 图3是根据另一个实施例的适于用于图1的电气系统的 控制模块的框图； 图4是根据另一个实施例的适于用于图1的电气系统的 控制模块的框图；图6是根据另一个实施例的适于用于图1的电气系统的
控制模块的框图。
具体实施例方式
0017下面的详细说明本质上仅是说明性的，并且无意限制本
发明的实施例或这些实施例的应用和使用。如在此使用的，词语"示 范性"意指"用作例子、举例或示例"。作为示范而在此描述的任何 实施方式不必解释为优选的或优于其他实施方式。此外，无意受到在 前述技术领域、背景技术、发明内容或下面的详细说明中所提出的任 何明示或默示理论的限制。下面的描述提及"耦接"在一起的元件或节点或特征。
如在此所使用的，除非有相反的明示陈述，"耦接"意指一个元件/节 点/特征直接或间接地结合到另一个元件/节点/特征(或直接或间接地 与其连通)，而不必是机械地结合。因此，虽然在此所示的示意图描述元件的示范性布置，但是，额外的介入元件、装置、特征或部件可 以出现在所描述的本发明的实施例中。 为简洁起见，与系统(和系统的单个操作部件)的信号 处理、电流感测、电动机控制和其他功能方面有关的常规技术在此不 再详细描述。此外，在此包含的各种图形中示出的连接线意于表示各 种元件之间的示范性功能关系和/或物理耦接。应当明白，很多替代或 额外的功能关系或物理连接可出现在本发明的实施例中。 在此讨论的技术和概念涉及用于操作构造成驱动电动机 的功率逆变器的系统。控制模块构造成使用通信地耦接到集成电路的 微处理器操作功率逆变器，该集成电路优选地为专用集成电路(ASIC)。 借助于响应电动机的实时操作而调节切换频率和/或其他调制标准来
提供对功率逆变器的动态脉宽调制(P丽)控制，控制模块更加有效地 操作功率逆变器。 图2示出根据一个实施例的适于用在图1的电气系统IOO 中的控制模块200。控制模块200包括、但不限于微处理器202和集成 电路204。取决于实施例，控制模块200还可包括栅极驱动器206。在 图2中示出的实施例中，微处理器202、集成电路204和栅极驱动器 206可通信地耦接并且每个都安装在一个物理电路卡组件208上。栅极 驱动器206的输出耦接到逆变器的相脚210 (例如，逆变器106的脚 120、 122或124)，并且构造成操作开关212、 214，如下面更详细地 描述。应当理解，图2是控制模块的简化表示，并且不旨在以任何方 式限制本发明。此外，虽然图2为了描述方便描述构造成操作单个相 脚210的控制模块200，但是在实际中，控制模块200可操作任何数目 的相脚，如在本领域中将明白的。 在示范性实施例中，微处理器实现为能够执行用于实现 和/或执行如下所述功能的控制软件的通用目的处理单元。如图2中所 描述，微处理器202实施为与栅极驱动器206和集成电路204物理地 分开的集成电路芯片或集成电路封装。在示范性实施例中，微处理器 202确定用于与逆变器相脚210对应的电机相的相调制指令。微处理器 202基于转矩指令、能量源104的电压、电机108的角速度(例如，每 分钟的转数或RPM)和可能地电气系统100的其他操作参数确定用于电 机108的单个相的相调制指令。在示范性实施例中，集成电路204实现为专用集成电路
(ASIC)。如图2中所描述，集成电路204实现为与^:处理器202和 栅极驱动器206物理地分开并分离的部件或封装。集成电路204通信 地耦接到微处理器202，并且构造成基于由微处理器202确定的相调制 指令和调制标准产生用于逆变器相脚210中的开关212、 214的调制信 号。例如，基于切换频率(或切换周期的持续时间)，占空比百分数
(或开关212的高电平时间)和调制标准产生用于上面的开关212的 第一 P丽信号和用于第二开关214的第二 P丽信号。用于产生PWM信 号的各种方法在本领域中是公知的，并且因此在此不再详述。在示范 性实施例中，集成电路204构造成调节调制信号从而提供停滞时间
(dead time),也即是说，所产生的PWM信号包括延迟，使得开关212、214不在同一时间接通的情况下开关212、 214具有充分的时间量改变 状态(例如，从全接通到全断开)，开关212、 214在同一时间接通可 导致潜在破坏性的^争导(cross-conduction)短路或饱和故障情形。 例如，如果微处理器202确定和/或显示相脚210应使用基于边缘的不 连续P丽信号，那么集成电路204将产生用于开关212、 214的具有期 望切换频率和占空比的基于边缘的不连续PWM信号，并且调节PWM信 号以并入停滞时间。
0033] 根据一个实施例，集成电路构造成将所产生的调制信号 与相调制指令进行比较从而验证它们准确地反映相调制指令。如果集 成电路204确定所产生的调制信号不准确，那么集成电路204构造成 将预定的调制信号替代所产生的调制信号并且输出预定的调制信号。 预定的调制信号优选地设计成减少否则因如果所产生的调制信号用于 操作相脚210可能引起的不合期望的转矩。根据一个实施例，预定的 调制信号选择成使得相脚210中的开关212、 214两者都断开。此外， 如果集成电路204接收到不处在由切换频率限定出的限度内的相调制 指令，例如，如果开关212、 214处于接通状态的时间长度的总和(或 者各个占空比的总和)加上停滞时间大于由切换频率限定出的切换周 期，那么，集成电路204也可将预定的调制信号替代所产生的调制信号。
0034] 在示范性实施例中，栅极驱动器206实现为驱动开关212、 214并提供与集成电路204绝缘以及从集成电路204转换电压水平的功 率电路，如本领域中将明白的。如图2中所述，栅极驱动器206实施 为与微处理器202和集成电路204物理地分开的电路、封装、或部件 布置。栅极驱动器206构造成基于由集成电路204产生和/或提供的调 制信号调制逆变器相脚210中的开关212、 214。栅极驱动器206还可 包括能够检测和/或感测相脚210中跨导情形(例如，短路)的错误检 测电路，并且作为响应，向微处理器202指示该情形。微处理器202 优选地构造为或者通过直接连接(未示出)到相脚210或者经到集成 电路204的指令断开开关212、 214。 现在参考图3，根据一个实施例，可使用第一电路卡组件 302和第二电路卡组件304实现控制模块300。在该实施例中，微处理 器202和集成电路204以与上面在图2的情形中所述的相似方式安装 和/或附接到第一电路卡组件302并且通信地耦接。栅极驱动器206安 装和/或附接到第二电路卡组件304。在示范性实施例中，通过机械地 耦接两个电路卡组件302、 304，栅极驱动器206通信地耦接到微处理 器202和集成电路204。例如，电路卡组件302、 304可包括机械接口， 例如在机械耦接时在电路卡组件302、 304中间建立电气互连的配线线 束或弹簧装配配合装置。控制模块300的其余元件与上面参考图2所 述的控制模块200中出现的其对应元件类似。这些共有元件在此将不 再在控制模块300的情形下多余地详细描述。本领域中将明白的是， 图3中所述示出的实施例提供对于栅极驱动器206的物理隔离，其中， 栅极驱动器206操作在比微处理器202和集成电路204更大的功率下， 以及通过使用单独的电路卡组件302、 304提供改进的封装灵活性。 现在参考图4,在另一实施例中，可使用第一电路卡组件 402和第二电路卡组件404实现控制模块400,其中，第一电路卡组件 402具有安装和/或附接在其上的微处理器202,第二电路卡组件404 具有安装和/或附接在其上的集成电路204和栅极驱动器206。微处理 器202、集成电路204和栅极驱动器206可以以与上面在图2和图3的 情形中所述的相似方式安装和/或附接到相应的电路卡组件402、 404 并且通信地耦接。控制模块400的元件与上面参考图2和图3所述的 控制才莫块200、 300中出现的其 应元件类似。这些共有元件在此将不 再在控制模块400的情形下多余地详细描述。图4中所示的实施例提 供封装灵活性以增大微处理器202与逆变器之间的物理距离。通过使 微处理器202承受更不苛刻的操作条件，可减小对于微处理器202的 耐久性要求和成本。
如图5中所述，在示范性实施例中，微处理器502实施 为与集成电路504物理地分开的集成电路芯片或集成电路封装。在示 范性实施例中，集成电路504实现为与微处理器502物理地分开并分 离的专用集成电路(ASIC)。集成电路504产生调制信号，如上面关 于图2的集成电路204所述。集成电路504构造成基于所产生的调制 信号调制逆变器相脚210中的开关212、 214。在这一点上，集成电路 504可包括功率电路，该功率电路提供电压水平转换从而允许集成电路 504将开关212、 214接通和断开。集成电路504还可包括能够检测和/ 或感测相脚210中跨导情形(例如，短路)的错误检测电路，并且作 为响应，向微处理器502指示该情形。 图6示出根据一个实施例的适于用作图I的电气系统IOO 中的控制模块的控制模块600。控制模块600包括、但不限于微处理器 602、集成电路604和栅极驱动器206。在图6中所示的实施例中，微: 处理器602和集成电路604成一整体并形成在共同的半导体基底606 上。半导体基底606以常规方式安装和/或附接到第一电路卡组件608。 在示范性实施例中，通过机械地耦接两个电路卡组件304、 608,栅极 驱动器206通信地耦接到微处理器602和集成电路604。例如，电路卡 组件304、 608可包括用于建立电气互连的机械接口，如上面在图3的 情形中所述。本领域中将明白的是，图6中所述示出的实施例提供对于栅极驱动器206的隔离，栅极驱动器206操作在比微处理器602和集成电路604更大的功率下，以及通过使用单独的电路卡组件304、 608提供改进的封装灵活性。 总而言之，其他实施例可在不同类型的机动车、不同交通工具(例如，船舶和航空器)或不同电气系统中使用上述的系统和方法，因为其可在期望减少由功率模块引起的紋波电流的任何情形下实施。此外，电机和逆变器可具有不同数目的相，并且在此描述的系统不应该解释为受限于三相设计。在此讨论的基本原理可拓展到更高阶相系统，如本领域将理解的。 虽然在前面的详细描述中描述了至少一个示范性实施例，但是应当知道存在大量的变形。还应当明白在此描述的一个示范性实施例或多个示范性实施例不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或构造。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供方便的指引以实施所述的一个示范性实施例或多个示范性实施例。应当理解，在不偏离由所附权利要求限定出的本发明范围的情况下可以对元件的功能和布置做出各种变化，所述范围包括在提交本发明申请时的已知的等同方案和可预见的等同方案。
权利要求
1.一种用于车辆中的逆变器的控制模块，所述控制模块包括第一电路卡组件；安装在所述第一电路卡组件上的微处理器，所述微处理器构造成确定用于第一电机相的相调制指令；以及确定用于所述逆变器的调制标准；以及通信地耦接到所述微处理器的集成电路，所述集成电路构造成基于所述相调制指令和所述相调制标准产生第一调制信号；以及基于所述相调制指令和所述相调制标准产生第二调制信号。
2. 如权利要求l所述的控制模块，其特征在于，所述集成电路安装 在所述第一电路卡组件上。
3. 如权利要求2所述的控制模块，其特征在于，所述集成电路构造成基于所述第 一调制信号调制所述逆变器中的第 一开关；以及 基于所述第二调制信号调制所述逆变器中的第二开关，其中， 所述第一开关和所述第二开关包括所述逆变器的相脚。
4. 如权利要求2所述的控制模块，其特征在于，所述微处理器和所 述集成电路成一整体并且形成在共同的半导体基底上。
5. 如权利要求l所述的控制模块，其特征在于，还包括通信地耦接 到所述集成电路和所述逆变器的栅极驱动器，所述栅极驱动器构造成基于所述第一调制信号调制所述逆变器中的第 一开关；以及 基于所述第二调制信号调制所述逆变器中的第二开关，其中， 所述第一开关和所述第二开关包括所述逆变器的相脚。
6. 如权利要求5所述的控制模块，其特征在于，还包括耦接到所述 第一电路卡组件的第二电路卡组件，其中，所述栅极驱动器安装在所 述第二电路卡组件上。
7. 如权利要求6所述的控制模块，其特征在于，所述集成电路安装 在所述第二电路卡组件上。
8. 如权利要求7所述的控制模块，其特征在于，所述集成电路和所 述栅极驱动器每个都安装在所述第一电路卡组件上。
9. 如权利要求l所述的控制模块，其特征在于，所述集成电路构造 成基于所述相调制指令确定所述第一调制信号和所述第二调制信号是 否准确。
10. 如权利要求l所述的控制模块，其特征在于，所述集成电路构 造成通过对停滞时间进行调节来产生所述第一调制信号和所述第二调 制信号。
11. 如权利要求l所述的控制模块，其特征在于 所述微处理器构造成通过如下步骤确定所述相调制指令确定用于所述第一电机相的切换频率；以及 确定用于所述第一电才几相的占空比百分^t;以及 所述集成电路构造成基于所述切换频率、所述占空比百分数和所述调制标准产生 所述第一调制信号；以及基于所述切换频率、所述占空比百分数和所述调制标准产生 所述第二调制信号。
12. —种自动驱动系统，所述自动驱动系统包括 能量源；具有相的电动才几；在所述能量源与所述电动机之间耦接的逆变器，所述逆变器具 有与所述电动^^的所述相对应的相脚，其中，所述相脚包括第一开关 和第二开关；控制模块，所述控制模块耦接到所述逆变器，并且构造成调制 所述逆变器的所述相脚，从而在所述能量源与所述电动机之间实现期 望的功率流，其中所述控制模块包括微处理器，所述微处理器构造成确定用于所述电动机的所述相的相调制指令；以及 确定用于所述逆变器的调制标准； 通信地耦接到所述微处理器的集成电路，所述集成电路构造成基于所述相调制指令和所述相调制标准产生用于所 述第一开关的第一调制信号；以及基于所述相调制指令和所述相调制标准产生用于所述第二开关的第二调制信号；以及通信地耦接到所述集成电路和所述逆变器的所述相脚的栅极驱动器，所述栅极驱动器构造成基于所述第一调制信号调制所述第一开关；以及 基于所述第二调制信号调制所述第二开关。
13. 如权利要求12所述的自动驱动系统，其特征在于，所述控制 模块还包括第一电路卡组件，并且所述集成电路和所述微处理器都安 装在所述第一电路卡组件上。
14. 如权利要求13所述的自动驱动系统，其特征在于，所述微处 理器和所述集成电路成一整体并且形成在共同的半导体基底上。
15. 如权利要求13所述的自动驱动系统，其特征在于，所述控制 模块还包括耦接到所述第一电路卡组件的第二电路卡组件，并且所述 栅极驱动器安装在所述第二电路卡组件上。
16. 如权利要求12所述的自动驱动系统，其特征在于，所述集成 电路构造成基于所述相调制指令确定所述第一调制信号和所述第二调 制信号是否准确。
17. 如权利要求12所述的自动驱动系统，其特征在于，所述集成电路构造成通过对停滞时间进行调节来产生所述第一调制信号和所述 第二调制信号。
18. —种用于逆变器的控制模块，所述逆变器具有相脚，所述相 脚包括第一开关和第二开关，所述控制模块包括微处理器，所述微处理器构造成 确定切换周期的长度； 确定用于所述相脚的占空比百分数；以及 确定用于所述逆变器的调制标准； 通信地耦接到所述微处理器的专用集成电路，所述专用集成 电i 各构造成基于所述切换周期的所述长度、所述占空比百分数和所 述调制标准产生用于所述第一开关的第一调制信号；以及基于所述切换周期的所述长度、所述占空比百分数和所 述调制标准产生用于所述第二开关的第二调制信号，其中，所述第一 调制信号和所述第二调制信号对停滞时间进行调节。
19. 如权利要求18所述的控制模块，其特征在于，所述专用集成 电路耦接到所述相脚，并且构造成基于所述第一调制信号调制所述逆变器中的所述第一开关；以及基于所述第二调制信号调制所述逆变器中的所述第二开关。
20. 如权利要求18所述的控制模块，其特征在于，所述专用集成分数;定所i第一调制信^和所述第二i;制信号是否准确。'
全文摘要
本发明涉及使用专用集成电路的功率逆变器动态操作的控制模块，具体而言提供系统和设备设置用于控制模块，所述控制模块用于操作车辆中的逆变器。控制模块包括第一电路卡组件和安装在所述第一电路卡组件上的微处理器。所述微处理器构造成确定用于第一电机相的相调制指令和确定用于所述逆变器的调制标准。集成电路通信地耦接到所述微处理器。所述集成电路构造成基于所述相调制指令和所述相调制标准产生第一调制信号，以及基于所述相调制指令和所述相调制标准产生第二调制信号。
文档编号H02M7/42GK101683827SQ200910176289
公开日2010年3月31日 申请日期2009年9月24日 优先权日2008年9月24日
发明者D·L·科瓦列夫斯基, D·唐, M·L·塞洛吉, M·R·格赖姆斯, T·D·彼得森 申请人:通用汽车环球科技运作公司