用于在功率开关故障时控制三相维也纳整流器的方法与流程

本发明涉及一种用于在针对具有三相输入的充电设备的三相维也纳(vienna)整流器的功率开关故障时控制该维也纳整流器的方法。

背景技术：

这种充电设备特别适合于用作电动汽车或混合动力汽车中的车载设备。

这些车辆配备有高压电池，并且通常包括车载充电器，即用于对电池进行充电的直接安装在车辆上的设备。这些充电设备的主要功能是使用配电网上可获得的电力对电池进行再充电。针对充电设备、尤其是针对车载充电器的期望标准是高效、总体尺寸较小、电隔离、高可靠性、操作安全、电磁干扰发射较低、并且输入电流谐波水平较低。

在此，我们关注具有三相输入的充电设备的类别，这些具有三相输入的充电设备比具有单相输入的充电设备具有更高的充电功率。图1示出了装配在电动车辆或混合动力车辆上的用于使用三相电网30来对车辆的高压电池进行再充电的隔离充电设备10的已知拓扑结构，该车载充电设备10经由该电网的线路阻抗40连接到该三相电网。

为了实施具有电隔离的ac-dc转换功能的目的，已知使用包括第一ac-dc转换器和第二dc-dc(直流到直流)转换器12的充电设备10的方式，该第一ac-dc转换器包括功率因数校正(或“pfc”，“powerfactorcorrection”)电路20以限制输入电流谐波，该第二dc-dc转换器用于调节负载并且用于为安全使用提供隔离功能。输入滤波器13常规地结合在车载充电设备10的输入端处，相对于三相电网30在pfc电路20的上游。

pfc电路20由集成控制器(未示出)控制，该集成控制器分析并实时校正电流相对于电压的行为。据此，其通过与电压的整流正弦进行比较而推导出波形误差，并且通过控制由于高频截止而产生的能量的量和电感中的能量储存来校正这些波形误差。更确切地，其功能是在充电器的电源输入端处获得非相移的且尽可能是正弦的电流。

针对pfc电路20，已知如尤其在现有技术文献cn104811061中披露的、实施具有三个开关的三电平三相整流器的方式，该三电平三相整流器通常被称为三相维也纳整流器，如现有技术文献ep94120245和图2中所描述的。

就功率因数校正的性能而言，选择这种拓扑结构特别有利。

在三相维也纳整流器20中，三相交流输入电压30的每个相都通过对应的电感la、lb、lc连接到整流器20的分别设有功率开关单元m1、m2、m3的开关臂1、2、3。

这些功率开关单元m1、m2、m3各自被置于对应的电感la、lb、lc与中点o之间，该中点在整流器20的两个输出电压vdch与vdcl之间，这两个输出电压分别与连接在中点o同正供电线路h之间的第一输出电容器c1上的电压、以及连接在中点o同负供电线路l之间的第二输出电容器c2上的电压相对应。

通常，为了控制这种维也纳整流器20，在电感la、lb、lc的上游或替代性地在下游并且还在整流器20的输出端处测量电压和电流ia、ib、ic，并且使用控制回路来生成调节开关m1、m2、m3的平均导通时间所需的占空比。

在本说明书中，为了简单起见，术语“单元m1”和术语“开关m1”以等效方式使用，但是正式来说，单元m1包括高开关m1h和低开关m1l。

在现有技术中，将占空比施加于三相维也纳整流器的每个开关臂在于：根据电流在臂上流动的方向而使用两个开关中的一个或另一个。

然而，当开关臂的开关变为故障并在闭合位置被阻断时，无法再对其进行控制，并且因此无法再提供期望的正弦电流。

为了克服维也纳整流器中的故障部件的问题，存在已知的文献us9293909，在该文献中附加系统使得故障部件能够与系统断开连接，从而备用部件可以被连接。然而，如果发生故障，则这种解决方案不能提供充电器的连续操作，因为需要更换操作。这还需要备用部件的存在，从而导致充电器的额外成本。

因此，需要一种在开关臂的开关故障时适用于三相维也纳整流器的控制系统，该控制系统可以提供维也纳整流器的连续操作。

技术实现要素：

提出了一种用于控制包括三个开关臂的三相维也纳整流器的方法，每个开关臂与电相相关联，每个开关臂包括高受控功率开关，该高受控功率开关与低受控功率开关串联且相反地装配；当开关臂包括在断开状态下被阻断的故障开关时，该方法包括：

-识别包括所述故障开关的故障开关臂以及其他两个起作用的臂的步骤；

-接收控制电压值的步骤，该控制电压值对应于要施加在这两个起作用的臂之间的电压值；

-将输出dc电压(vdc)的值保持为比所述三相维也纳整流器的输入端处的两个电相之间的电压差大的值的步骤；

-接收所测量的dc电压值的步骤；

-根据这两个起作用的臂之间的所述接收的电压值以及所述测量的dc电压来计算要施加于这两个起作用的臂的该高受控开关和该低受控开关的占空比的步骤；以及

-控制步骤，该控制步骤包括将所计算出的占空比施加于该三相维也纳整流器，其中，当包括所述故障开关的电相提供在一时间间隔期间有利于电流流动的路径时，在此时间间隔期间，中间电压电相的导通开关保持闭合。

因此，即使在开关臂的一个或两个受控开关故障时，也可以确保在蓄电池充电器中三相维也纳整流器的操作，而无需添加辅助部件。

换句话说，可以在不添加任何辅助部件的情况下提高充电系统的可用性，并且即使在开关臂的开关故障时，也可以从三相电网对车辆进行再充电。

特别地，要施加于该高受控开关和该低受控开关的占空比根据同该故障开关臂相关联的相的电压值与第一相电压值以及与第二相电压值的比较，该第一相电压值对应于与第一起作用的臂关联的相，该第二相电压值对应于与第二起作用的臂关联的相。

因此，根据相对简单地进行的相电压测量，简单地计算占空比。

特别地，当与该故障开关臂相关联的相的电压值在该第一电压值与该第二电压值之间时，将这些占空比同时施加于该第一起作用的臂的高开关和该第二起作用的臂的低开关，所述占空比等于1减去所接收的电压与两倍所测量的dc电压的之间的比率，使得α1h＝α3l＝1-v13/(2*vdc)。

特别地，当与该故障开关臂相关联的相的电压值大于该第一相电压值和该第二相电压值时，以及

当该第一相电压值与该第二相电压值之间的电压差具有与该控制电压值相同的符号时，

则将占空比施加于该第二起作用的臂的低开关，此占空比被计算为使得其等于1减去该控制电压与所测量的dc电压之间的比率，使得：

α3l＝1-v13/vdc，

而该第一起作用的臂的高开关保持闭合。

特别地，当与该故障开关臂相关联的相的电压值大于该第一相电压值和该第二相电压值时，以及

当该第一相电压值与该第二相电压值之间的电压差具有与该控制电压值相反的符号时，

则将占空比施加于该第一起作用的臂的低开关，此占空比被计算为使得其等于1加上所接收的电压与所测量的dc电压之间的比率，使得：

α1l＝1+v13/vdc，

而该第二起作用的臂的高开关保持闭合。

特别地，当与该故障开关臂相关联的相的电压值小于该第一相电压值和该第二相电压值时，以及

当该第一相电压值与该第二相电压值之间的电压差具有与该控制电压值相同的符号时，

则将占空比施加于该第一起作用的臂的高开关，此占空比被计算为使得其等于1减去所接收的电压与所测量的dc电压之间的比率，使得：

α1h＝1-v13/vdc，

而该第二起作用的臂的低开关保持闭合。

特别地，当与该故障开关臂相关联的相的电压值小于该第一相电压值和该第二相电压值时，以及

当该第一相电压值与该第二相电压值之间的电压差具有与该控制电压值相反的符号时，

则将占空比施加于该第二起作用的臂的高开关，此占空比被计算为使得其等于1加上所接收的电压与所测量的dc电压之间的比率，使得：

α3l＝1+v13/vdc；

而该第一起作用的臂的低开关保持闭合。

本发明还涉及一种用于控制包括三个开关臂的三相维也纳整流器的设备，每个开关臂与电相相关联，每个开关臂包括高受控功率开关，该高受控功率开关与低受控功率开关串联且相反地装配；该设备包括：

-用于识别包括故障开关的故障开关臂以及其他两个起作用的臂的装置；

-用于接收控制电压值的装置；

-用于接收测量的dc电压值的装置；

-用于根据这两个起作用的臂之间的所述接收的电压值和所述测量的dc电压来计算要施加于这两个起作用的臂的该高受控开关和该低受控开关的占空比、且该计算的方式为使得没有电流流经该故障开关臂的装置；以及

-用于控制将所计算出的占空比施加于该三相维也纳整流器的装置。

本发明还涉及一种被设计为连接到三相电网的蓄电池充电器，该蓄电池充电器包括：被设计为连接到该三相电网的线路阻抗，包括三相维也纳整流器的第一ac-dc转换器，连接到蓄电池组的第二dc-dc转换器，以及如上文描述的用于控制所述三相维也纳整流器的设备。

本发明还涉及一种汽车，该汽车包括如上文描述的蓄电池充电器。

附图说明

参考附图，通过精读以下仅用于指导而非限制意图提供的对本发明的特定实施例的描述，本发明的其他特性和优点将变得明显，在附图中：

-图1是根据本发明的实施例的蓄电池充电器的示意图；

-图2是现有技术中已知的三相维也纳整流器的示意图；

-图3是通过根据图2的三相维也纳整流器的相电压的表示。

具体实施方式

在例如电动汽车或混合动力汽车中的被设计为连接到三相电网的蓄电池充电器包括功率因数校正级，该功率因数校正级包括三相维也纳整流器20。

图2示出了如本发明中所使用的现有技术中已知的三相维也纳整流器20的结构。

三相维也纳整流器2包括三个并联输入连接，这些输入连接各自经由串联的电感线圈la、lb、lc耦合到三相供电电网30的一个相，并且各自连接到形成三相维也纳整流器20的第一开关臂1、第二开关臂2和第三开关臂3的一对开关m1、m2、m3。

每对开关m1、m2、m3包括头尾相接串联组件(也称为相反组件)，该头尾相接串联组件由当相应输入电流ia、ib、ic为正时工作的第一相应开关m1h、m2h、m3h(称为高开关m1h、m2h、m3h)和当该相应输入电流为负时工作的第二相应开关m1l、m2l、m3l(称为低开关m1l、m2l、m3l)组成。换言之，在开关支路上工作的单一开关用于电流斩波。这些开关由闭合和断开受控的半导体部件形成，诸如与二极管反向并联连接的sic-mos(碳化硅-金属氧化物半导体的英文缩写)晶体管。这种类型的半导体适合于非常高的开关频率。开关m1h、m2h、m3h也被称为高开关，并且开关m1l、m2l、m3l被称为低开关。

三相维也纳整流器20还包括三个并联支路1’、2’、3’，这些支路各自包括两个二极管d1h和d1l、d2h和d2l以及d3h和d3l，这些二极管形成六二极管三相电桥，从而允许进行单向能量传递并使得从三相供电电网30取得的电流和电压能够被整流。

三相维也纳整流器20的每个输入端经由对应的并联输入连接而连接到位于同一并联支路1’、2’、3’的两个二极管之间的连接点。

并联支路1’、2’、3’的两个共享端形成两个输出端子h和l，这两个输出端子分别是三相维也纳整流器20的正输出端子和负输出端子，这些端子被设计为耦合到dc-dc设备12。

每个相的开关臂1、2、3也各自分别连接在位于第一支路1、第二支路2和第三支路3的两个二极管之间的连接点xa、xb、xc与三相维也纳整流器20的输出电压vdch和vdcl的中点o之间，这些输出电压分别与整流器的正输出端子h之间的输出电容器c1上的电压、以及中点o与三相整流器20的负输出端子l之间的输出电容器c2上的电压相对应。

根据图1所示的总体拓扑结构，输出电容器c1、c2上的电压由连接在三相维也纳整流器20的输出端处的充电设备的dc-dc转换器独立控制。换言之，三相维也纳整流器20的输出电压由dc-dc转换器12来控制。

与充电器10的电源输入端交织的三相维也纳整流器20具有用于充电器的功率因数校正功能。这种功能可以防止由充电器产生的干扰电流(谐波)流经位于维也纳整流器20上游的电网的阻抗。

借助于具有固定开关频率等于140khz的可变占空比的六个pwm(来自英文“pulsewidthmodulation”)控制信号来控制三相电网30的每个相a、b、c的开关臂1、2、3，这些控制信号由三相维也纳整流器(20)的控制设备(例如针对高采样频率的fpga类型的部件)控制。

因此，控制设备适于确定整流器的开关臂的开关的开关命令的占空比，需要这些占空比来控制整流器的输入端处的正弦电流。

然而，当维也纳整流器的功率开关故障时，由于引起诸如短路等其他损坏的风险，于是开关臂1、2、3不可用。

然而，为了即使在功率开关故障时也确保充电器的操作，该控制设备适于实施以降级模式进行控制的方法。

因此，本发明的目的是，确保在开关臂1、2、3由于其控制开关中的一个或两个而变得不可用的情况下能够维持维也纳整流器的操作。因此，可以向用户指示电池充电器中存在问题，同时使用户能够在进行维修之前以降级模式对电池进行再充电。特别地，在汽车的情况下，如果充电器在本发明的意义上变得发生故障，则用户可以至少部分地对他的车辆进行再充电，以便行驶到汽车修理厂进行维修。

此控制方法包括识别包括所述故障开关的故障开关臂以及其他两个起作用的臂的步骤。

为此目的，在维也纳整流器的控制卡中实施电诊断装置(未示出)，以便检测维也纳整流器20的控制开关是否被阻断。这种诊断装置不是本发明的主题，并且是本领域技术人员已知的。因此，这种诊断装置使得可以检测到开关发生故障，并且因此还可以识别出完全起作用的开关臂1、2、3。

然后执行接收这两个起作用的臂之间的电压值(v13)的步骤。

还执行接收以独立且自动的方式控制的、所测量的dc电压值(vdc)的步骤。

根据这些测量结果以及与开关臂1、2、3相关联的电相电压a、b、c的测量结果，计算要施加于这两个起作用的臂的高受控开关和低受控开关的占空比。

为了解释此计算占空比的步骤，我们考虑第二开关臂2的开关发生故障的示例。因此，相b的开关臂2发生故障。因此，分别与相a和相c相关联的开关臂1、3是起作用的臂。

显然，本发明不仅限于这种情况，并且其向另一个故障开关臂的调换与这个示例完全相同，从而可以与故障开关臂无关地执行该方法。

因此，目的是在一个元件被阻断的情况下控制流经维也纳整流器20的电流。在该充电器的拓扑结构中，在断开状态下被阻断的臂不会阻止电流在连接到这个臂的二极管中流动。例如，在开关m2h和m2l在断开状态下被阻断的情况下，电流仍可以根据每个相之间的电压而在二极管d1h或d1l中流动。

因此，需要创建包含永远不会产生有利于电流在具有故障元件的臂中流动的路径的这种约束的命令。

在本实施例示例中，开关臂2的开关中的一个或两个开关在断开状态下被阻断。在这两种情况下，需要在臂2的两个开关设置为处于断开状态的情况下进行充电。

为了仅使用臂1和3来正确地充电，我们将必须施加称为控制电压v13的电压v13，该电压对应于这两个起作用开关臂1、3之间的、从控制算法获得的目标电压。

控制电压v13是正电压。然而，如果必须获得负电压v13，则本领域技术人员可以容易地执行实施例的这个示例的描述的调换，例如通过颠倒以下描述中的两个起作用的臂1和3。

该施加方法允许在臂1与2之间以及在臂3与2之间存在电压的事实。

参考图3，计算占空比的方法于是考虑了三种不同的情况，这些情况与相电压值va、vb、vc有关，这些相电压值与开关臂1、2、3的电压相对应：故障臂2的电压可能是最高的，如在范围c3和c4中；其可能是最低的，如在范围c6和c1中；或者故障臂2的电压可能处于中间，如在范围c2和c5中。

在为中间电压的情况下(如在图3中的范围c2和c5中)，其中与故障开关臂2相关联的相b上的电压位于起作用的臂的电压之间，于是通过同时命令施加根据以下等式计算的占空比：

α1h＝α3l＝1-v13/(2*vdc)

其中，α1h和α3l分别是要施加于第一起作用的臂1的高开关m1h和第一起作用的臂1的低开关m3l的占空比；

v13是控制电压，并且

vdc是所测量的dc电压值。

这是因为在这种中间情况下，故障开关臂2具有介于这两个起作用开关臂1和3的电压之间的电压。因此，故障臂2没有提供有利于电流流动的任何路径(电流总是从最高电压流动并返回到最低电压)。当仅m1h闭合或仅m3l闭合时，相同的论点同样适用。当整组开关断开时，不再存在任何电流路径，并且电感器放电。

在最高电压的情况下，其中与故障开关臂2相关联的相b上的电压大于起作用的臂1和3的电压，于是考虑两种子情况：

-在范围c3中，第一起作用的臂1的相电压va大于第二起作用的臂3的相电压vc，并且因此第一相电压值va与第二相电压值vc之间的电压差va-vc具有与控制电压值v13相同的符号；以及

-在范围c4中，第一起作用的臂1的相电压va小于第二起作用的臂3的相电压vc，并且因此第一相电压值va与第二相电压值vc之间的电压差va-vc具有与控制电压值v13相反的符号。

在范围c3的情况下，目的是在第一起作用的臂1中获得正电流i1，因为i1的期望符号与控制电压v13相同。

为了确保开关臂2不会汲取电流，具有最高相电压的第一起作用的臂1必须提供与相2相比更有利的电流路径(假设相2的开关在断开状态下被阻断)。由于相2的电压高于相1的电压，因此不得断开开关m1h；否则，电流将从其电压更高的相2流出。

此外，在开关m1h闭合的情况下，通过第一起作用的臂1的路径将仅在以下条件下是有利的：在整个范围c3中，vdc必须大于v2-v1(也写为v21)。

在范围c3中，峰间幅值为vr的电网中的v2-v1的最大值等于1.5*vr，也就是说，在额定为230vrms相对中性线的典型欧洲三相电网中该最大值为487v。

因此，为了确保系统保持可控，vdc必须至少等于此电压阈值，可以向该电压阈值添加裕量，以便确保500v的电压vdc。

在标称操作下，电压vdc设置为450v，使得为降级模式建议的值相对相似。

应当注意，对于实施例的整个示例，并且不管所考虑的周期的范围或部分如何，都施加500v的电压vdc。

因此，在范围c3内，开关m3l的控制占空比α3l计算如下：

α3l＝1-v13/(vdc)；

并且第一起作用的臂1的高开关m1h保持永久闭合，因此占空比α1h＝1。

在第二种子情况下，在范围c4中，通过类似的论点，但颠倒了这两个起作用的臂1和3的顺序，因此控制占空比将为：

α1l＝1-v31/(vdc)

其也可以写为：

α1l＝1+v13/(vdc)；

然后，第二起作用的臂的高开关m3h在整个范围c4内被闭合，从而使占空比α3h＝1。

最后，我们将考虑第三种情况(称为最低电压情况)，其中与故障开关臂2相关联的相b上的电压小于起作用的臂1和3的电压，并且通过使用与称为最高电压情况的情况类似的论点来考虑两种子情况：

-在范围c1中，第一起作用的臂1的相电压va大于第二起作用的臂3的相电压vc，并且因此第一相电压值va与第二相电压值vc之间的电压差va-vc具有与控制电压值v13相同的符号；以及

-在范围c6中，第一起作用的臂1的相电压va小于第二起作用的臂3的相电压vc，并且因此第一相电压值va与第二相电压值vc之间的电压差va-vc具有与控制电压值v13相反的符号。

在实施例的这个示例中，在范围c1的子情况下，故障臂2的电压是最低的，不能断开开关m3l，因为这将存在产生通过故障臂2的更有利路径的风险。

因此，开关m3l保持闭合。

当开关m1h闭合时，通过第二起作用的臂3的返回路径保持有利，经受与之前相同的vdc电压条件。因此，在此范围内，vdc也必须设置为大于487v。

因此，在范围c1的子情况下，根据以下等式将控制占空比α1h施加于第一起作用的臂1的高开关m1h：

α1h＝1-v13/(vdc)，

其中第二起作用的臂3的低开关m3l在整个范围c1内保持闭合，从而使占空比α3l＝1。

如同范围c6的子情况一样，根据以下等式将控制占空比α3h施加于第二起作用的臂3的高开关m3h：

α3h＝1-v31/(vdc)，

其也可以写为：

α3h＝1+v13/(vdc)，

并且其中第一起作用的臂1的低开关m1l在整个范围c6内保持闭合，从而使占空比α1l＝1。

因此，可以在不添加任何辅助部件的情况下提高汽车的蓄电池充电器的可用性，使得即使三相维也纳整流器部分地故障时，也可以从三相电网对汽车进行再充电。