用于对多逆变器功率变换器的控制的装置及方法与流程

本申请要求2014年6月20日提交的的美国临时申请序列号62/014907的权益，据此将该申请通过引用全部合并。

发明领域

本发明的实施例一般涉及功率变换器。其他实施例涉及对合并多个离散的逆变器的功率变换器的控制。

发明背景

固态功率变换器往往用来将高电压电流从发电机或交流发电机提供给诸如车辆马达的电气负载。这类功率变换器包括用来使电流换向的半导体功率开关并且，还可以包括电容元件和/或电感元件，其用来帮助调整电压。将领会，功率变换器还能够在许多其他设置中使用。

通常，通过经由对应的栅极驱动单元而将两个不同的栅极电压电平交替地应用于个别的半导体功率开关来操作功率变换器。一个（较高的）栅极电压对开关进行正向偏压或驱动，然而，另一个（较低的或反向）栅极电压将开关关闭。然而，在半导体功率开关能够传导多少电流中限制半导体功率开关。当被正向偏压时，每个功率开关以跨开关的相对小的电压下降在正向上传导相当大的电流。尽管跨正向偏压的功率开关的相对低的电压，仍能够发生电阻加热。结果，对于大的电气负载，能够有必要操作具有并联连接的多个开关的功率变换器。这种并联的功率变换器往往将以模块布置，每个模块本质上是逆变器。然后，由控制系统对模块化逆变器进行协调。

虽然耐久性是半导体开关设计中的考虑因素，但电气设计约束引起(entail)半导体功率开关的各种层由具有不同的热性质(具体地，不同的热膨胀系数)的材料制作。因此，随着时间的推移，热应力能够潜在导致分层、端子的脱粘或疲劳开裂。热应力还能够导致诸如电流细丝(current filamenting)和柯肯德尔空洞形成的电化学失效。

通过将加热/冷却循环维持于定义成不管连续的开启/关闭循环，都使温度波动最小化的设计包络内来能够致使热应力效应更可预测，并且，能够使热应力效应缓解。

通常，开关电连接点分成多个端子，以允许高电流。这个的示例是大的电流负载的功率变换器由并联连接的多个逆变器（多逆变器功率变换器或“多变换器”）构造时。多变换器呈现已知的混乱系统，其中，与并联的逆变器的同步切换的小的偏差能够引起电气性能和电流流量中的大的波动。实际上，同步呈现对使用并联的设备的一个关键的挑战-即使几微秒的时间选择偏移也能够造成电路的部分中的显著地过量的电流流量，并且能够驱动组件失效。

鉴于上文，可期望改进多变换器中的多个逆变器中的切换的同步，以便使非预期的电路振荡缓解。

技术实现要素：

在实施例中，控制装置（例如，用于对多逆变器功率变换器进行控制）包括支撑结构（例如，电路板和/或壳体）、附接到支撑结构的控制逻辑电路（例如，FPGA和/或处理器）以及附接到支撑结构的控制输出端子。控制逻辑电路配置成生成用于对并联耦合的至少两个逆变器进行控制的控制信号,该控制信号用于通过控制输出端子的输出。支撑结构可作为单个单元从至少两个逆变器附接到的机架可移除地拆卸，支撑结构包括控制逻辑电路和附接于此的控制输出端子。以这种方式，根据本发明的方面，共用控制装置（即，单卡片控制器）配置成对多个并联连接的逆变器进行控制。

在另一实施例中，控制装置（例如，用于对多逆变器功率变换器进行控制）包括支撑结构（例如，电路板和/或壳体）、附接到支撑结构的控制逻辑电路（例如，FPGA和/或处理器）以及附接到支撑结构的控制输出端子。控制逻辑电路配置成生成用于对并联耦合的至少两个逆变器的相应的多个半导体开关进行控制的控制信号,该控制信号用于通过控制输出端子的输出。至少两个逆变器的输出与至少一个共用负载端子连接。控制逻辑电路配置成以固定的采样率生成分别存在于至少一个共用负载端子中的至少一个输出电流的至少一个所采样的输出电流。控制逻辑电路配置成,至少部分地基于至少一个所采样的输出电流与至少一个参考电流值的比较而生成控制信号。至少一个参考电流值可以按固定的采样率生成，并且，根据本发明的方面，以固定的采样率生成（创建和/或更新）参考和所采样的输出电流允许对逆变器切换频率的控制。例如，这可以促进多个并联连接的高功率逆变器的单个控制器控制。

附图说明

从参考附图而阅读下面的非限制性的实施例的描述，将更好地理解本发明，其中，以下：

图1示出根据本发明的实施例的多变换器及相关联的控制器或控制装置；

图2示出根据另一实施例的具有控制器和栅极驱动单元的多变换器；

图3示出根据本发明的方面的多变换器控制系统；

图4是根据实施例的控制装置的示意图；

图5是车辆中的适当的位置的控制装置的实施例的示意图；并且，

图6是根据另一实施例的控制装置的示意图。

具体实施方式

在下文，将详细地参考本发明的示范性的实施例，在附图中图示这些实施例的示例。在任何可能的情况下，在附图通篇中使用的相同的参考字符指相同或相似的部分，而不重复地描述。虽然相对于多变换器而描述本发明的示范性的实施例，但本发明的实施例通常还可应用于在使并联的半导体开关同步中的使用。

图1示出多变换器100，多变换器100包括多个三相逆变器101、102、103（共同地称为“101等”）。在其他实施例中，多变换器100能够包括附加的逆变器，其在配置上不需要为三相的。每个逆变器包括多个相腿110，并且，每个相腿包括高相位半导体开关112，高相位半导体开关112在DC+（正DC电源）轨116与负载端子A、B或C之间连接。每个相腿110还包括低相位开关114，在负载端子A、B或C与DC-（负/接地DC电源）轨118之间，低相位开关114与高相位开关串联连接。多变换器100由集成控制器120控制，集成控制器120将驱动电压发送至若干开关112、114的栅极端子122，以便使DC+和DC-电压换向至负载端子A、B以及C。例如，在三相逆变器中，如所示，可以交替地切换相腿，以便将DC功率转换成三相AC功率，例如，三个腿的输出可以是彼此相移120度的AC波形。逆变器101等并联连接，意味着相腿的输出与共用的三个负载端子A、B、C连接，而不是各自与单独的负载连接。集成控制器120感测负载端子电流Ia、Ib、Ic，并且，调整驱动电压的时间选择，以便以在下文中参考图3中所示出的多变换器控制系统而进一步讨论的方式，使各种开关112、114同步，并且，将负载端子电流维持于预期的参考值。

图2示出不同的多变换器200，多变换器200包括多个三相逆变器202、204，三相逆变器202、204由中央控制器210驱动，中央控制器210对栅极驱动单元（“GDU”）220进行调制。每个逆变器202或204包括多个相腿110，并且，每个栅极驱动单元220将驱动电压发送至其相应的开关112或114的栅极端子122。根据如在下文中参考图3而进一步讨论的多变换器控制系统300，中央控制器210感测负载端子电流Ia、Ib、Ic，并且，对栅极驱动单元220进行调制，以便将负载端子电流维持于预期的参考值或接近预期的参考值。如应当领会的，然而，图1的实施例包括三个并联的三相逆变器，图2的实施例包括两个并联的三相逆变器。

在实施例中，如图3中所示出的，多变换器控制系统300包括监控模块310，监控模块310生成主计数器TC和辅助计数器STC。主计数器TC是在实现监控模块310的处理器的时钟时间步触发的快速计数器。即，监控模块可以包括处理器，其中根据处理器的时钟而触发快速计数器。辅助计数器STC是由主计数器TC驱动的慢计数器。例如，辅助计数器STC可以按主计数器TC的预定的值增加并且循环。备选地，辅助计数器STC可以根据系统参数而按主计数器TC的可变的值增加并且循环。监控模块310将辅助计数器STC连同主计数器TC一起馈送至波形发生器320。

波形发生器320实现滞环电流控制（HCC）过程330，过程330从负载端子A、B、C接收反馈电流322，响应于反馈电流而生成开关命令324，并且，将开关命令发送至多个并联连接的逆变器 101、102……“n”（在该示例中，n = 大于或等于3的全部的实数，意味着可能存在2个、3个或多个逆变器）以便维持到负载端子的脉冲宽度调制（PWM）电流的参考值326。开关命令324可以是直接地发送至个别的开关的栅极端子的驱动电压电平，或开关命令324可以是发送至个别的开关的栅极驱动单元220的开启/关闭持续时间，或开关命令324可以是发送至逆变器的调制器的调制器设置，其中调制器指示栅极驱动单元发送驱动电压，以驱动端子。

滞环电流控制过程330将主计数器TC用作用来生成340参考电流326的源。HCC过程330将辅助计数器STC用作用来从查找表354检索350调制器输出值352的指针，并且，还用作用于对反馈电流322进行采样360的计时器。因而，仅在波形发生器320检索350所更新的调制器输出值352的同时，波形发生器320也对反馈电流322进行采样360。同时，波形发生器320对参考电流326与所采样的反馈电流322之间的电流误差372进行评估370，并且，对电流误差372是否跨越滞环死区382进行评估380。然后，波形发生器320基于调制器输出值352和死区跨越评估380而产生390开关命令324。在限制392开关命令324以观察用于开启时间、关闭时间以及死时间的最小值394之后，然后，波形发生器320发送400开关命令324。

如图3中所示出的，多变换器控制系统300能够配置成在波形发生器320内相继地或同时地实现多个HCC过程330，多个HCC过程330与多变换器100内的多个逆变器101、102……n相对应。在图3中所示出的实施例中，监控模块310生成多个相移值402和多个对应的逆变器选择信号404。对于温度控制，在物理上使各种逆变器101等跨多变换器100的结构而分散。因而，各种各样的信号路径将波形发生器320与逆变器中的每个连接。因此，相移值402对波形发生器320与各种逆变器101等的开关之间的与逆变器选择信号404相对应的不同的信号路径和随后的信号延迟进行补偿。更具体地，每个相移值402使主计数器TC偏移，以创建逆变器特定的主计数器TC，其然后允许创建逆变器特定的辅助计数器STC。然后，由波形发生器320将逆变器特定的STC用于检索350调制器输出值352，将调制器输出值352叠加于三角形载波上，以生成一组点火命令，这组点火命令被发送至通过逆变器选择信号404来识别的逆变器。

使用主计数器TC连同逆变器特定的相移402允许使半导体开关命令324与亚微秒的时间选择同步。这增强电流共享、热平衡以及负载控制。

相同控制过程还能够用于辅助计数器STC上，辅助计数器STC是查找表354的指针。这样做允许波形发生器320使半导体开关命令324在若干逆变器101等中交错用于甚至更好的热平衡。逆变器将负载共享和时间共享，因而限制总体RMS及功率损失。

可以在单个卡片中实现多变换器控制系统300，在所述情况下，通过在单卡片CPU上运行的间断服务例程-花费大约30-60微秒的有限的时间量而对单独的逆变器101等进行驱动。这借助于电流共享的电抗器而将同步能力限制于在许多应用中可以接受的程度。

为了降低成本，以及多变换器的大小和复杂度，可以跨若干卡片而实现多变换器控制系统300的某些实施例。具体地，通过交错的开关命令的时间共享使用两个单独的卡片来控制逆变器点火-部分地用于冗余度并且部分地用来规避上文提到的时间约束。

多变换器控制系统300可以在FPGA或ASIC中实现，或在使用软件的处理器中实现。在多个逆变器101等中的不同的逆变器要求不同的用于选择开关命令的算法时，可以使用波形发生器320的FPGA的实现。在这种情况下，监控模块310或波形发生器320可以根据逆变器选择信号404而辨别FPGA。

在另一实施例中，参考图4，控制装置400包括支撑结构402、附接到支撑结构的控制逻辑电路404以及附接到支撑结构的控制输出端子406。控制逻辑电路配置成生成用于对并联耦合的至少两个逆变器410、412进行控制的控制信号408,该控制信号408用于通过控制输出端子的输出。支撑结构可作为单个单元而从至少两个逆变器附接到的机架414可移除地拆卸，支撑结构包括控制逻辑电路和附接于此的控制输出端子。以这种方式，根据本发明的方面，控制装置可以配置为单个单元（即，单卡片控制器），其用来对多个并联连接的逆变器进行控制。

支撑结构可以是例如电路系统能够永久地附着于的电路板或其他刚性基片（即，卡片）。备选地或另外地，支撑结构可以包括执行相同目的的壳体或包围卡片的独立的壳体。在实施例中，控制逻辑电路包括对多个并联连接的逆变器进行控制所必需的附接到单个卡片的全部的电路系统。

在另一实施例中，支撑结构402包括可从机架414的卡片槽416可移除地拆卸的卡片。在该示例中，机架可以是卡片盒。参考图8，机架可以安置于车辆418中，从而反映在实施例中，控制装置配置成对给牵引马达、车辆辅助负载等供电的逆变器进行控制。

控制输出端子406是包括一个或多个导体的电气母线等，该电气母线建立控制逻辑电路与逆变器之间的电连接，以便控制逻辑电路将控制信号传递至逆变器。控制输出端子可以包括使装置和逆变器互相连接的一个或多个汇流排、电线、电缆等，或与其电附接。在实施例中，在支撑结构附接到框架时，控制输出端子配置成自动地建立控制逻辑电路与逆变器（或附接到框架的母线，其中，母线转而电连接至逆变器）之间的可拆卸的电连接。例如，控制输出端子可以包括多个传导调整片(tab)，这些传导调整片配置成接纳于附接到框架的对应的传导槽中。

如上文中所注意到的，逆变器可以包括晶体管或其他半导体开关,其配置成在控制的点火模式（如由控制装置生成）中接通和关断，以将一个电气波形转换成另一个波形，例如，将DC转换成三相AC。在实施例中，半导体开关包括SiC（碳化硅）开关（例如，SiC晶体管）。SiC开关可以具有例如促进在低功率应用中使用如本文中所阐述的控制系统300（或其他控制系统/装置）的电气性质。

控制装置400可以与图3的控制系统300类似地配置。根据一个方面，图3的控制体系结构允许对多个高功率的并联连接的逆变器的单卡片控制可能是必需的控制准确度的水平。另外地或备选地，控制逻辑电路可以包括一个或多个FPGA和/或处理器。

在实施例中，例如，参考图6，控制逻辑电路404配置成生成作为点火模式的控制信号408,其用于对至少两个逆变器410、412的相应的多个半导体开关进行控制。至少两个逆变器的输出与至少一个共用负载端子420连接。控制逻辑电路配置成以某采样率生成分别存在于至少一个共用负载端子420中的至少一个输出电流I_n的至少一个所采样的输出电流422。控制逻辑电路配置成至少部分地基于至少一个所采样的输出电流422与至少一个参考电流值424的比较而生成控制信号/点火模式。根据一个方面，采样率可以是固定的采样率，并且，控制逻辑电路可以另外配置成以固定的采样率生成至少一个参考电流值。另外地，固定的采样率可以基于控制逻辑电路的至少一个计数器输出426，即，由控制逻辑电路实现的至少一个计数器428的至少一个计数器输出。

在另一实施例中，控制逻辑电路配置成进一步基于如下来生成点火模式:至少一个所采样的输出电流与至少一个参考电流值之间的差异是否跨越一个或多个滞环死区，以及从存储器430检索的一个或多个调制器输出值。（按照图3，调制器输出值可以存储为查找表）。控制逻辑电路可以配置成基于一个或多个计数器输出而检索一个或多个调制器输出值。

在本文中的实施例中的任何中，每个逆变器101、102、102、202、204等可以具有从10 kW至3000 kW的输出功率，从而反映它们可以定大小用于处理例如从辅助负载（例如，10 kW）至车辆牵引马达（例如，2200+ kW）的任何事。

在另一实施例中，控制装置包括支撑结构、附接到支撑结构的控制逻辑电路以及附接到支撑结构的控制输出端子。（这可以与如在上文中关于图4-5而描述的类似。）控制逻辑电路配置成生成用于对并联耦合的至少两个逆变器的相应的多个半导体开关进行控制的控制信号,该控制信号用于通过控制输出端子的输出。（至少两个逆变器的输出与至少一个共用负载端子连接。）控制逻辑电路配置成以固定的采样率生成分别存在于至少一个共用负载端子中的至少一个输出电流的至少一个所采样的输出电流。控制逻辑电路还配置成至少部分地基于至少一个所采样的输出电流与至少一个参考电流值的比较而生成控制信号。

而且，控制逻辑电路可以配置成以固定的采样率生成至少一个参考电流值，并且，固定的采样率可以基于控制逻辑电路的至少一个计数器输出。

在另一实施例中，控制逻辑电路配置成进一步基于如下来生成控制信号:至少一个所采样的输出电流与至少一个参考电流值之间的差异是否跨越一个或多个滞环死区，以及从控制逻辑电路的存储器检索的一个或多个调制器输出值。

控制逻辑电路可以包括第一计数器和由第一计数器驱动的第二计数器。在此，控制逻辑电路配置成检索一个或多个调制器输出值，并且，基于第二计数器的输出而生成至少一个所采样的输出电流。而且，控制逻辑电路配置成基于第一计数器的输出而生成至少一个参考电流值。

在另一实施例中，多变换器控制装置包括至少一个处理器，并且，配置成实现监控模块和波形发生器。波形发生器配置成响应于反馈电流和逆变器选择信号而产生控制信号，并且，将控制信号发送至多个逆变器中的每个。波形发生器进一步配置成基于由监控模块所提供的计数器，仅以预定的间隔对反馈电流进行采样。

在另一实施例中，控制装置配置成根据针对那个逆变器而预定的相移来调整对于多个逆变器中的每个的控制信号。

在另一实施例中，控制装置包括控制逻辑电路，控制逻辑电路配置成生成用于对并联耦合的至少两个逆变器（例如，三相逆变器）进行控制的控制信号。控制逻辑电路配置成对存在于逆变器的共用负载端子中的输出电流进行采样，并且，将所采样的电流与所生成的电流参考比较。可以按固定的速率对输出电流进行采样和/或生成电流参考。相对于电流参考周围的滞环死区，对所采样的电流与电流参考之间的误差进行评估。基于（i）对于逆变器中的所选择的一个的所检索的调制器输出值以及（ii）如相对于滞环死区所评估的误差来生成控制信号。控制逻辑电路可以实现第一及第二计数器，其用于对电流参考生成进行协调、对输出电流进行采样、对调制器输出值进行检索等。控制装置可以如图4-5中所示出并解释那样进一步配置。

在另一实施例中，用于对并联连接的多个逆变器进行控制的方法包括利用控制装置（例如，如图1-6的任何中所示），在逆变器的一个或多个共用负载端子中，生成一个或多个输出电流中的一个或多个所采样的输出电流。以固定的频率对输出电流进行采样。方法进一步包括：将一个或多个所采样的输出电流与一个或多个参考电流值比较；以及至少部分地基于一个或多个所采样的输出电流与一个或多个参考电流值的比较而生成用于对逆变器的半导体开关进行控制的控制信号。方法可以进一步包括以固定的频率生成一个或多个参考电流值。

在另一实施例中，方法进一步包括利用控制装置来建立第一计数器、第二计数器、多个相移值以及与相移值对应的多个逆变器选择信号。基于第一计数器和第二计数器的计数器输出而生成所采样的输出电流和一个或多个参考电流值。方法进一步包括：根据与逆变器选择信号中的一个对应的相移值中的一个来调整控制信号；并且将所调整的控制信号传递至通过逆变器选择信号中的所述一个来识别的逆变器中的一个的开关。

另一实施例提供用于对多逆变器功率变换器中的多个逆变器进行滞环电流控制的方法。方法包括：以对于多个逆变器中的每个逆变器的预定义的间隔，基于功率变换器的预期的输出而设置参考电流；对电流反馈进行采样；对电流误差和死区跨越进行评估；对用于设置开关命令的算法进行评估；根据最小开启/关闭时间和死时间来限制开关命令；以及指挥逆变器的开关。

在一些实施例中，在FPGA中实现如下的方法：提供用于运行多个计算的并联路径，其中FPGA同时地对于多个逆变器而对电流反馈进行采样，对电流误差和死区跨越进行评估，并且，对用于逆变器开关命令的算法进行评估。在其他实施例中，在FPGA中实现如下的方法：相继地对于多个逆变器中的每个：建立用于设置开关命令的算法；设置参考电流；对电流反馈进行采样；对电流误差和死区跨越进行评估；对所建立的用于设置开关命令的算法进行评估；限制开关命令；以及指挥开关。

在另一实施例中，用于对来自单个控制装置的并联的多个逆变器进行控制的方法包括：在控制装置中，建立主计数器和辅助计数器以及多个相移值和与相移值对应的多个逆变器选择信号；对反馈电流进行采样，并且，将所采样的反馈电流与参考电流比较；产生开关命令；根据与逆变器选择信号对应的相移值来调整开关命令；以及将开关命令发送至通过逆变器选择信号来识别的逆变器的开关。方法可以进一步包括基于主计数器而仅以预定的间隔对反馈电流进行采样。

要理解,上面描述意图是说明性的而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可彼此结合使用。另外，可进行多种修改以使具体状况或材料适合本发明的教导，而没有背离其范围。虽然本文所述材料的尺寸和类型意图定义本发明的参数，但是它们决不是限制性的，而是示范的实施例。在审查上面描述时，许多其他实施例对于本领域的那些技术人员将是显而易见的。术语“包括”和“其中”用作相应术语“包含”和“其中”的易懂英语等同物。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“上部”、“下部”、“底部”、“顶部”等只不过用作标记，而不是意图对其对象强加数字或位置要求。

本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明的若干实施例，并且，还使本领域的技术人员能够实施本发明的实施例，包括制作并使用任何设备或系统和执行任何合并的方法。

如本文所使用的，以单数叙述并且以单词"一"或“一个”进行的元素或步骤应理解为不排除多个元素或步骤，除非明确规定此种排除。此外，对本发明的"一个实施例"的提及不意图解释为排除也合并所述特征的附加实施例的存在。此外，除非明确相反地规定，否则，“包含”、“包括”、或“具有”具有特定属性的元素或多个元素的实施例可包括不具有那个属性的附加此类元素。