技术领域
[0001] 本
发明总体上涉及控制电
驱动器，尤其涉及用于电动机的电压控制的装置和方法。
背景技术
[0002] 电压源变换器可用于对三相交流(AC)电动机的相
电流进行控制，如结合在电驱动器中的三相交流电动机。一些电压源变换器采用切换
电路(如基于
半导体开关)来调整这些相电流并因此而控制电压源变换器的基本
输出电压分量。激活/无效电压源变换器的任何特定开关的能
力通常由一种栅极驱动电路提供，这种栅极驱动电路向这种开关提供一种栅极驱动源电压。
[0003] 大多数常规栅极驱动电路设计成带有固定源电压，且通常在作为多种性能折衷考虑的平衡的
基础上对这种源电压进行选择。这些折衷可对延迟、所要求的空载时间、瞬态响应、故障响应等造成影响。或者，可要求这种电压源变换器在大的
温度范围工作并具有主
电源电压的广泛功能。通常将用于这种栅极驱动电路的这种源电压选择为使这种电压源变换器能够在大多数(若非全部的话)这些工作条件下和由制造公差所导致的差异条件下工作。
[0004] 一般而言，通常将用于栅极驱动电路的源电压保持在一种固定
水平，这种水平低于用于升高的高压直流(DC)源电压水平(如升高的DC线路电压)周期的最大值。这种电压源变换器有时可遇到热
应力，而且在低输出电
频率的周期期间，可能不会将这种
热应力均匀地分布在这些变换器开关之间。例如，在这种变换器的热时间常数慢于这种变换器的电输出
角的变化时可能出现热应力的不均匀分布。这通常对小于约3Hz至在约0Hz的
失速条件的输出电基频出现。为了对这些变换器开关进行热保护，可对这种电压源变换器的电输出进行限制。这通常会降低这种变换器的载流能力。在以前可增加这种变换器的
硅片区域以增加载流能力，从而抵消这种降低。
[0005] 因此，希望提供用于动态控制一种电压源变换器的方法和装置，这种电压源变换器减少低速大电流条件期间的传导损失。此外，还希望提供增加电压源变换器的载流能力而限制这种变换器的非变动
硅片区域的损失的方法和装置。而且，从随后结合
附图和前面的技术领域和背景技术的详细描述和所附的
权利要求书就会明白本发明的其它理想特点和特征。
发明内容
[0006] 本发明提供用于控制电压源变换器的方法和装置，这种电压源变换器减少电动机中的电压畸变效应。在一种示范性
实施例中，提供一种用于经由变换器控制电动机的方法。将这种变换器构造成接收栅极电压并进一步构造成向该电动机提供输出电压以响应这种栅极电压。这种方法包括但并不一定仅限于在该电动机的速度的基础上
修改这种栅极电压。
[0007] 在另一个示范性实施例中，提供一种用于控制变换器的方法。这种变换器可用于向电动机提供输出电压。这种方法包括但并不一定仅限于：确定这种变换器的命令输出频率是否未超过第一预定
阈值；若这种变换器的命令输出频率未超过该第一预定阈值，确定这种变换器的命令
定子电流是否超过第二预定阈值；若该命令定子电流超过该第二预定阈值，则产生第一命令；以及若该命令定子电流并未超过该第二阈值，则产生第二命令。这种变换器接收回应于该第一命令的第一栅极电压并提供回应于该第一栅极电压的输出电压。这种变换器接收回应于该第二命令的第二栅极电压并提供回应于该第二栅极电压的输出电压。第一栅极电压大于第二栅极电压。
[0008] 在再一个示范性实施例中，提供一种变换器，这种变换器包括但并不一定仅限于栅极驱动电路和
控制器，这种栅极驱动电路具有输入端和输出端，被构造成耦合到开关网络，这种控制器耦合到这种栅极驱动电路的输入端。这种栅极驱动电路构造成向这种开关网络提供栅极电压，且这种开关网络可用于向电动机产生输出电压，以响应这种栅极电压。这种控制器构造成在这种电动机的速度的基础上修改这种栅极电压。
附图说明
[0009] 下面将结合附图对本发明进行描述，图中类似的附图标记表示类似的要素，且在这些图中：
[0010] 图1是根据本发明的一种示范性实施例的一种
电驱动系统的
框图；
[0011] 图2是示于图1中的变换器电路的电路图；
[0012] 图3是更详细地示出了示于图2中的变换器电路的一部分的框图；以及[0013] 图4是根据本发明的一种示范性实施例的用于控制变换器的方法的
流程图。
具体实施方式
[0014] 下面的详细描述从本质上来讲仅仅是示范性的，且并不旨在对本发明或本发明的应用和用途进行限制。而且，并不旨在受到在前面的技术领域、背景技术和发明内容或下面的详细描述中出现的任何明确表达的或暗指的理论的约束。
[0015] 本发明提供用于动态改变和调整一种变换器的栅极驱动电压的方法和装置，这种变换器用于向电动机提供输出电压。在一个实施例中，在低速大电流条件期间将这种栅极驱动电压增加以减少这种变换器的传导损失，并且特别是在变换器
热损失(如与升高的电流电平关联的)并不均匀地分布在这种变换器中时支持这种变换器的增加的载流能力。或者，可在较高的速度的变换器条件和升高的高压源条件期间采用较低的栅极驱动电压，以在故障条件期间增加这些变换器开关的工作裕度。
[0016] 参看图1，图中示出了根据本发明的一种示范性实施例的一种电驱动系统10。电驱动系统10包括控制器31、具有耦合到该控制器31输出端的输入端的变换器电路30和耦合到该变换器电路30输出端的电动机12(如一种交流(AC)电动机)。控制器31通常控制变换器电路30的切换动作，且变换器电路30产生用于驱动电动机12的AC电压。电动机12可以是通常用在车辆(如混合电车辆等)中的任何常规的AC电动机(如一种永磁机械等)。
[0017] 在一个实施例中，控制器31产生一种用于控制变换器电路30的切换动作的
脉宽调制(PWM)
信号。控制器31还可接收一种信号(如另一种PWM信号)并产生从控制器31控制变换器电路30的该PWM信号。或者，控制器31监测电驱动系统10的各种工作参数和条件。例如，控制器31监测用于
波动(如用于一种升高的值)、变换器温度、各种命令值和实际值(如变换器电路30的命令输出频率和变换器电路30的命令输出电流)等的提供给变换器电路30的主高压(如一种直流(DC)源电压)电平。
[0018] 变换器电路30接收这种PWM信号并将这种信号变换成用于驱动电动机12的电压
波形。在一个实施例中，变换器电路30是一种
三相电压源变换器。变换器电路30将源电压(Vdc)变换成AC电压，这种AC电压用于驱动电动机12。例如，变换器14在这种PWM信号的基础上从一种源电位(如一种
电池电位或DC
母线电压)产生三相电压(如Va、Vb、Vc)并用这些三相电压驱动电动机12。变换器电路30还可改变加到电动机12的电压的量，从而允许控制器31对电动机12的相电流进行控制。
[0019] 将会理解，在本
说明书中所描述的本发明的实施例包括一个或多个常规的处理器和储存的程序指令，这些程序指令控制一个或多个处理器以与某些非处理器电路(如切换网络)结合来执行用于控制/修改本说明书所描述的提供给变换器电路30的信号的一些、大多数或全部功能。因此，可将这些功能解释为用于控制一种变换器的方法的步骤。或者，可由一种无储存的程序指令的状态机来执行一些或全部功能，或者在一个或多个
专用集成电路(ASIC)中执行一些或全部功能，在一个或多个专用集成电路中，作为定制逻辑来执行每个功能或某些功能的一些组合。此外，可使用两种方式的组合。
[0020] 图2是示于图1中的变换器电路30的电路图。变换器电路30是一种耦合到电动机12的三相电路。更明确地来讲，变换器电路30包括电压源14、16和一种开关网络，这种开关网络具有耦合到电压源14、16的第一输入端和构造成耦合到电动机12的输出端。虽然将电压源14、16示为带有两个
串联源(如第一串联源14和第二串联源16)的一种分布DC线路，但也可使用单个电压源。
[0021] 这种开关网络包括带有反并联
二极管(即与每个开关反并联)的三对串联开关，这些反并联二极管对应于每个
相位。每对串联开关包括第一开关18、22和26和第二开关20、24和28，第一开关18、22和26具有耦合到电压源14、16的正
电极的第一
端子，第二开关20、24和28具有耦合到电压源14、16的负电极的第一端子并具有分别耦合到第一开关
18、22和26的第二端子的第二端子。虽然并未示出，但示于图1中的控制器31还可监测这些开关18、20、22、24、26和28的切换循环和变换器电路30的输出电压。
[0022] 在一个实施例中，这些开关18、20、22、24、26和28中的每一个是与一种二极管反并联耦合的晶体管(如一种绝缘栅极双极晶体管(IGBT)、金属
氧化物半导体
场效应晶体管(MOSFET)等)的组合。这种开关二极管组合允许这些开关18、20、22、24、26和28双向传导电流并单向传导阻断电压。为了调整电动机12的相电流(ia、ib、ic)，利用一种脉宽调制(PWM)方法控制开关对(如用于特定的相脚)，以使在该开关对中的一个开关处于“打开”，且在该开关对中的另一个开关处于“关闭”。例如，该三相电压源变换器的相脚中的开关对以互补方式运行，以使该开关对中的一个开关总是处于“打开”，且该开关对的另一个开关总是处于“关闭”。
[0023] 实际上，通常在这种电压源变换器的切换状态的每个转换期间，将一种消隐时间或空载时间插入。这种空载时间是一种短的间隔，在此间隔期间将这两个开关均选通为“关闭”。这就避免了特定相脚中的两个开关同时处于“打开”，这种同时打开可能将这种电压源变换器
短路。常规的PWM方法通常在任何
指定的切换循环期间切换这种变换器的两个相位，且余下的相位具有连续处于“打开”的一个开关。这种切换动作的结果是在该PWM信号的基础上从该源电位(如DC母线电压)产生三相电压(如Va、Vb、Vc)并用这些三相电压驱动电动机12。
[0024] 图3是更详细地示出了示于图2中的变换器电路30的一部分的框图。参看图2和图3，在一个实施例中，可将这些开关18、20、22、24、26和28中的任何一个构造成一种
半导体开关32，这种半导体开关32具有与二极管33反并联耦合的第一端子和第二端子。例如，在这种开关18(或开关22和26)的一种构造中，将半导体开关32的第一端子(如一种集电极)构造成耦合到一种正开关连接(如电压源14、16的正电极)，并将半导体开关32的第二端子(如一种发射极)构造成耦合到一种负开关连接(如电动机12的绕组中的一个)。在此示例中，二极管33具有一种耦合到半导体开关32的第二端子的
阳极并具有一种耦合到半导体开关32的第一端子的
阴极。在另一个示例中，在这种开关20(或开关24和28)的一种构造中，将该第一端子(如该集电极)构造成耦合到一种正开关连接(如电动机
12的绕组中的一个)，并将半导体开关32的第二端子(如该发射极)构造成耦合到一种负开关连接(如电压源14、16的负电极)。
[0025] 将这些开关18、20、22、24、26和28中的任何一个“打开”或“关闭”的控制能力由一种栅极驱动电路提供。在此实施例中，栅极驱动电路34耦合到半导体开关32(如在半导体开关32的栅极或基极)。栅极驱动电路34由一种电源(未示出)提供动力。例如，将栅极驱动电路34构造成耦合到这种电源的正端子和共用端子，从而从这种电源接收栅极驱动正源电压和栅极驱动共用源电压。可独立于至半导体开关32和二极管33的主电源电压(如DC母线电压)控制这种栅极驱动正源电压和/或栅极驱动共用源电压。在这种栅极驱动正源电压和栅极驱动共用源电压的基础上，这种栅极驱动电路向半导体开关32提供一种栅极电压。此外，栅极驱动电路34还可包含任何必要的
信号处理(如隔离、电平移动等)、其他故障保护电路等，以对半导体开关32和二极管33进行控制。
[0026] 一般而言，较高的栅极驱动源电压致使半导体开关32实现较深的饱和状态。这就降低这种开关的通态
电阻。对于指定的电流电平而言，降低这种开关的通态电阻能降低这种开关中的传导损失。在低输出电频率周期期间(如在电动机12的低速期间)，热应力通常并不均匀地分布在这些开关18、20、22、24、26和28之间。这通常在变换器电路30的热时间常数慢于电输出角的变化时出现(如对于小于约3Hz的输出电基本频率而言)。
[0027] 在一个实施例中，将变换器电路30的电输出限制(如由控制器31)在低输出频率(如小于约3Hz)，以解决热应力在这些开关18、20、22、24、26和28之间的不均匀分布。这通常导致变换器电路30在低输出频率时的降低的载流能力。为了增加变换器电路30的载流能力而保持这种工作裕度，可通过有效地增加由栅极驱动电路34提供给半导体开关32的栅极电压来减少传导损失。降低这种传导损失通常允许半导体开关32的载流能力的增加，而限制与变换器电路30的指定硅区域关联的损失。
[0028] 通过监测电动机12的工作参数和工作条件，控制器31可将这些工作参数和工作条件中的一种或多种与一个或多个阈值进行比较，以提供一种用于命令栅极电压由该变换器电路30产生的基础。在一个实施例中，对栅极驱动正源电压和/或栅极驱动共用源电压(如由控制器31直接或间接)进行调整，以响应这种命令栅极电压。
[0029] 通过有效地控制由栅极驱动电路34所提供的栅极电压并因此而控制关联的传导损失，可在变换器电路30受到热限制时的工作周期期间(如变换器电路30在低输出频率的工作期间，这种工作与电动机12的低工作速度关联)增加变换器电路30的载流能力。在一种示范性实施例中，对由栅极驱动电路34所提供的栅极电压进行有效的控制，以最大化变换器电路30的载流能力，而并不降低工作裕度，这些工作裕度可由于至栅极驱动电路34的升高的源电压(如基于这种栅极驱动正源电压和/或栅极驱动共用源电压)而出现。
[0030] 图4是根据本发明的一种示范性实施例的用于控制变换器的一种方法100。一般而言，在这种电动机的速度的基础上修改由这种变换器所接收的栅极电压。在一个实施例中，将这种电动机的工作条件与一个或多个阈值进行比较，以提供用于选择命令栅极电压的基础。参看图1至图4，确定电动机12的一个或多个工作条件是否满足耗散条件，如步骤105所示。在变换器电路30的运行期间，变换器电路30可具有一种变换器温度。控制器
31可将这种电流DC源电压与预定的升高的电压电平进行比较，并将这种变换器温度与预定的温度进行比较，以确定电动机12和/或变换器电路30是否在以能够支持增加的栅极电压的状态运行。例如，对于由升高的栅极电压而导致的栅极驱动损失的足够的耗散而言，这种DC源电压应低于预定的升高电压电平，且这种变换器温度应低于预定的升高温度。可在各种条件下的电动机12和/或变换器电路30的历史性能、一种或多种器件公差、系统性能要求等的基础上，选择预定的升高电压电平的值和预定的升高温度的值。
[0031] 若满足这些耗散条件，则将变换器电路30的命令输出频率(ωr*)与预定的频率阈值(ωthreshold)进行比较，以确定这种命令输出频率是否并未超过这种频率阈值，如步骤110所示。例如，若该DC源电压小于预定的升高电压电平且这种变换器温度应低于预定的升高温度，则将这种命令输出频率与这种频率阈值进行比较。若这种命令输出频率并未超过这*种频率阈值，则将变换器电路30的命令定子电流(Is)与电流阈值(Ithreshold)进行比较，以确定这种命令定子电流是否超过这种电流阈值，如步骤115所示。在一个实施例中，用
迟滞模仿这种电流阈值，并将这种命令定子电流的幅度与这种迟滞进行比较。
[0032] 若这种命令定子电流超过这种电流阈值，则产生第一命令，如步骤120所示。例如，若这种命令定子电流超过这种电流阈值，则控制器31产生一种用于增加的栅极电压* *(Vhigh)的栅极电压命令(Vgate)(如Vgate ＝Vhigh)。变换器电路30接收这种增加的栅极电压(如从栅极驱动电路34)以响应这种第一命令，并提供输出电压以响应这种增加的栅极电压。若这种命令定子电流并未超过这种电流阈值，则(如由控制器31)产生第二命令，如步骤125所示。例如，若这种命令定子电流并未超过这种电流阈值，则控制器31产生一种* *
用于降低的栅极电压或标称栅极电压(Vlov)的栅极电压命令(Vgate)(如Vgate ＝Vlow)。变换器电路30接收这种标称栅极电压以响应这种第二命令，并提供这种输出电压以响应这种标称栅极电压。若并不满足这些耗散条件或者若这种命令输出频率超过这种频率阈值，则也产生这种第二命令。
[0033] 在另一个实施例中，若这种变换器的命令输出频率超过另一个预定的频率阈值，则由控制器31产生第三命令。变换器电路30接收降低的栅极电压以响应这种第三命令，并提供这种输出电压以响应这种降低的栅极电压。这种降低的栅极电压可低于这种标称栅极电压，或者仅低于这种标称栅极驱动电压。在电动机12的较高速度的条件下和升高的高压源条件下(如升高的DC源电压电平)，采用较低的栅极电压(如低于标称栅极电压)允许这些开关18、20、22、24、26和28的增加的工作裕度，尤其是在故障条件下。
[0034] 一般而言，在一个实施例中，若电动机12的速度小于预定的阈值，则增加这种栅极电压。例如，将变换器电路30构造成接收第一栅极电压并具有与这种第一栅极电压关联的第一电流容量。若电动机12的速度小于这种预定的阈值(例如，若电动机12的旋转速度小于约3Hz)，则可将这种第一栅极电压增加到第二栅极电压。变换器电路30产生一种回应于这种第二栅极电压的输出电压，并向电动机12提供这种输出电压，以驱动电动机12。例如，由于对变换器电路30的电输出进行限制以解决热应力在这些开关18、20、22、24、26和28之间的不均匀分布。通过将第一栅极电压增加到第二栅极电压，将第一电流容量增加到第二电流容量。
[0035] 虽然在前面的详细描述中已介绍了至少两个示范性实施例，但应理解，存在着多种变化形式。还应理解，该示范性实施例或这些示范性实施例仅作为示例，且并不以任何方式对本发明的范围、适用性或构造进行限制。相反，前面的详细描述会向本领域中熟练的技术人员提供实施该示范性实施例或这些示范性实施例的便捷的路线图。应理解，在并不背离在所附的权利要求书及其等同的法律文件中提出的本发明的范围的情况下，可对元件的功能和布置进行各种变化。
