用于減少開關損耗的動態(tài)IGBT柵極驅動的制作方法
本申請總體上涉及對柵極電流具有至少兩個恒定電流水平的混合動力電動的動力傳動系統(tǒng)中的igbt的柵極電流的控制。
背景技術：
包括混合動力電動車輛(hev)和電池電動車輛(bev)的電氣化車輛依靠牽引電池來向牽引馬達提供電力以用于推進，依靠牽引電池和牽引馬達之間的電力逆變器將直流(dc)電力轉換為交流(ac)電力。通常的ac牽引馬達是三相馬達，三相馬達可通過分別以120度相位分離驅動的三個正弦信號進行供電。牽引電池被配置為在特定電壓范圍內工作。通常的牽引電池的端電壓是大于100伏特的dc電壓，牽引電池可以選擇性地被稱為高電壓電池。然而，可通過在不同的電壓范圍內(通常，以比牽引電池的電壓高的電壓)工作來實現(xiàn)電機的性能改善。
許多電氣化車輛包括dc-dc轉換器，dc-dc轉換器也被稱為可變電壓轉換器(vvc)，用于將牽引電池的電壓轉換為電機的工作電壓水平。可包括牽引馬達的電機可能需要高電壓和高電流。由于電壓、電流和開關的需求，絕緣柵雙極型晶體管(igbt)通常用于在電力逆變器和vvc中產生信號。
技術實現(xiàn)要素：
一種車輛，包括電機、igbt和柵極驅動器。igbt具有柵極、發(fā)射極和集電極，并且被配置為使電荷流過電機的相。柵極驅動器被配置為：使電流以第一水平流至柵極，并且響應于所述相上的電壓的時間積分大于預定水平而使電流從第一水平轉變?yōu)樾∮诘谝凰降牡诙健?/p>
一種控制車輛動力傳動系統(tǒng)的igbt的方法包括：使電流以第一水平流至igbt的柵極；響應于igbt上的電壓的時間積分大于預定閾值，使電流從第一水平轉變至小于第一水平的第二水平。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種控制電力系統(tǒng)的igbt的方法，所述方法包括：通過柵極驅動器使電流以第一水平流至igbt的柵極；響應于igbt上的電壓的時間積分超過預定閾值，使電流從第一水平轉變至小于第一水平的第二水平。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第一水平是基于igbt的柵極電容的。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第二水平是基于igbt的集電極電流的變化率的，使得與igbt反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管兩端的反向偏置二極管電壓不超過擊穿閾值。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在起始于柵極驅動器接收到igbt導通信號時且結束于柵極驅動器使igbt截止時的時間段內進行所述時間積分。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述預定閾值從與電流相關聯(lián)的電勢被推導得到，使得與igbt反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管兩端的過沖電壓不超過二極管極限值。
一種車輛動力傳動系統(tǒng)包括igbt和柵極驅動器。igbt具有柵極、發(fā)射極和集電極。柵極驅動器被配置為：使電流以第一水平流至柵極，并且響應于產生的集電極至發(fā)射極的電壓的時間積分大于預定水平而使電流從第一水平轉變?yōu)樾∮诘谝凰降牡诙健?/p>
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第一水平是基于igbt的柵極電容以及igbt的寄生電感的。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述車輛動力傳動系統(tǒng)還包括與igbt反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管，其中，所述預定水平從與電流相關聯(lián)的電壓被推導得到，使得續(xù)流二極管兩端的過沖電壓不超過二極管極限值。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第二水平是基于igbt的集電極電流的變化率的，使得最大二極管電壓不超過擊穿閾值。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在起始于柵極驅動器接收到igbt導通信號時且結束于柵極驅動器使igbt截止時的時間段內進行所述時間積分。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第一水平是基于與igbt的柵極相關聯(lián)的寄生電感以及igbt的溫度的。
附圖說明
圖1是示出了典型的動力傳動系統(tǒng)和能量儲存組件以及二者之間的電力逆變器的混合動力車輛的示圖。
圖2是車載的可變電壓轉換器的示意圖。
圖3是車載的電動馬達逆變器的示意圖。
圖4是柵極電流相對于時間的曲線示圖。
圖5是用于驅動igbt的柵極的方法的流程圖。
圖6是igbt柵極驅動電路的示意圖。
具體實施方式
在此描述本公開的實施例。然而，應理解，公開的實施例僅為示例并且其它實施例可采取各種和替代的形式。附圖不一定按比例繪制；一些特征會被夸大或最小化以顯示特定組件的細節(jié)。因此，在此公開的具體結構和功能性的細節(jié)不應被解釋為限制，而僅作為用于教導本領域技術人員多樣地采用本發(fā)明的代表性基礎。如本領域的普通技術人員將理解的，參考任一附圖說明和描述的各種特征可與一個或更多個其它附圖中說明的特征進行組合，以產生未明確說明或描述的實施例。說明的特征的組合提供了用于典型應用的代表性實施例。然而，與本公開的教導一致的特征的各種組合和變型可被期望用于特定應用或實施方式。
諸如金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)或絕緣柵雙極型晶體管(igbt)、反激二極管或續(xù)流二極管的半導體器件被廣泛應用在各種各樣的供電系統(tǒng)中，包括但不限于消費、醫(yī)療和工業(yè)應用(例如，電動馬達和電力逆變器)。這里，說明了對igbt的柵極控制；然而，這些構思和結構也適用于mosfet。igbt的操作由柵極驅動器供應的柵極電壓控制。傳統(tǒng)的柵極驅動器通?；诶孟蘖麟娮杵魇┘拥絠gbt柵極的電壓(大于閾值電壓)，傳統(tǒng)的柵極驅動器由可開關的電壓源和柵極電阻器組成。小的柵極電阻會使開關速度快、開關損耗低，但也會導致半導體器件的負荷(stress)較大，例如，過電壓負荷。因此，柵極電阻被選擇用于在開關損耗、開關延遲與負荷之間尋求折衷。
與傳統(tǒng)的用于igbt導通的柵極驅動器關聯(lián)的一些缺點包括：對開關延遲時間、電流變化率和電壓變化率的控制有限，使得優(yōu)化開關損耗受到限制。另一個缺點是，柵極電阻通?；谧畈钋闆r的工作狀況來被選擇，從而導致在正常工作狀況下的開關損耗過量。例如，在高dc總線電壓下，柵極電阻基于電流相對于時間的變化(di/dt)而被選擇，以便在負載的二極管反激期間避免過量的二極管電壓過沖。然而，在低dc總線電壓下，被選擇以針對高總線電壓進行保護的柵極電阻的使用會導致過量的開關損耗，這是因為盡管二極管過電壓低于閾值，但是開關速度卻由于柵極電阻而減小。
為了針對整個開關軌跡和所有的操作范圍實現(xiàn)最佳的開關性能，智能柵極驅動策略是至關重要的。這里，呈現(xiàn)了提出的逐步式(stepwise)電流源柵極驅動策略，該策略利用工作狀況(例如，電壓、負載電流、溫度等)的反饋，以使igbt導通。在一個實施例中，兩步式(two-step)柵極驅動分布概況(profile)由在第一預定時間內驅動的高電流脈沖(ig1)以及跟隨的在第二預定時間內驅動的低電流脈沖(ig2)組成。高電流脈沖被選擇用于縮短導通延遲時間，以及提高開關速度并降低開關損耗。低電流脈沖降低開關速度，以避免關聯(lián)的續(xù)流二極管上的過量電壓過沖。每個脈沖階段的時序自適應于igbt工作狀況(例如，開關電壓(vce))，以實現(xiàn)整個操作范圍的最佳開關性能。柵極驅動器可基于工作狀況產生最長的ig1，以便實現(xiàn)開關損耗最小化，同時將二極管電壓過沖保持在安全極限值之內。在低電壓的情況下，ig1可以在導通瞬態(tài)期間一直存在，從而允許快速完成開關瞬態(tài)，以避免過量的導通損耗。
圖1描繪了可被稱為插電式混合動力電動車輛(phev)的電氣化車輛112。插電式混合動力電動車輛112可包括機械地連接到混合動力傳動裝置116的一個或更多個電機114。電機114能夠作為馬達或發(fā)電機運轉。此外，混合動力傳動裝置116機械地連接到發(fā)動機118?；旌蟿恿鲃友b置116還機械地連接到驅動軸120，驅動軸120機械地連接到車輪122。電機114可在發(fā)動機118啟動或者關閉時提供推進和減速能力。電機114還能夠作為發(fā)電機操作并且可通過回收在摩擦制動系統(tǒng)中通常將作為熱損耗掉的能量來提供燃料經濟效益。電機114還可通過允許發(fā)動機118以效率更高的速度運轉并允許混合動力電動車輛112在某些狀況下運轉在發(fā)動機118關閉的電動模式下來減少車輛排放。電氣化車輛112還可以是電池電動車輛(bev)。在bev構造中，發(fā)動機118可以不存在。在其它構造中，電氣化車輛112可以是不具有插電能力的全混合動力電動車輛(fhev)。
牽引電池或電池組124儲存可以被電機114使用的能量。車輛電池組124可提供高電壓直流電(dc)輸出。牽引電池124可電連接到一個或更多個電力電子模塊126。一個或更多個接觸器142在斷開時可將牽引電池124與其它組件隔離并且在閉合時可將牽引電池124與其它組件連接。電力電子模塊126還電連接至電機114并且提供在牽引電池124與電機114之間雙向傳輸能量的能力。例如，牽引電池124可提供dc電壓而電機114可使用三相交流電(ac)工作來運轉。電力電子模塊126可將dc電壓轉化為三相ac電流以運轉電機114。在再生模式下，電力電子模塊126可將來自用作發(fā)電機的電機114的三相ac電流轉化為與牽引電池124兼容的dc電壓。
車輛112可包括在牽引電池124與電力電子模塊126之間電連接的可變電壓轉換器(vvc)152。vvc152可以是被配置為增大或升高由牽引電池124提供的電壓的dc/dc升壓轉換器。通過增大電壓，可減小電流需求，從而導致電力電子模塊126和電機114的布線尺寸減小。此外，電機114可以以較高的效率和較低的損耗運轉。
除提供用于推進的能量之外，牽引電池124還可提供用于其它車輛電系統(tǒng)的能量。車輛112可包括dc/dc轉換器模塊128，dc/dc轉換器模塊128將牽引電池124的高電壓dc輸出轉化為與低電壓車輛負載兼容的低電壓dc供應。dc/dc轉換器模塊128的輸出可電連接至輔助電池130(例如，12v電池)，用于對輔助電池130充電。低電壓系統(tǒng)可電連接至輔助電池130。一個或更多個電負載146可連接至高電壓總線。電負載146可具有適時地操作和控制電負載146的關聯(lián)的控制器。電負載146的示例可以是風扇、電加熱元件和/或空調壓縮機。
電氣化車輛112可被配置為從外部電源136對牽引電池124進行再充電。外部電源136可以連接到電插座。外部電源136可電連接至充電器或電動車輛供電設備(evse)138。外部電源136可以是由公共電力公司提供的配電網(wǎng)絡或電網(wǎng)。evse138可提供電路和控制，以調節(jié)和管理電源136與車輛112之間的能量傳輸。外部電源136可將dc或ac電力提供至evse138。evse138可具有用于插入到車輛112的充電端口134中的充電連接器140。充電端口134可以是被配置為將電力從evse138傳輸至車輛112的任何類型的端口。充電端口134可電連接至充電器或車載電力轉換模塊132。電力轉換模塊132可調節(jié)從evse138供應的電力，以將適當?shù)碾妷核胶碗娏魉教峁┲翣恳姵?24。電力轉換模塊132可與evse138相互作用，以協(xié)調至車輛112的電力傳輸。evse連接器140可具有與充電端口134的對應凹槽匹配的引腳?？蛇x擇地，被描述為被電耦合或電連接的各種組件可使用無線感應耦合來傳輸電力。
一個或更多個車輪制動器144可被提供用于使車輛112減速以及防止車輛112移動。車輪制動器144可為液壓致動的、電致動的或前述致動方式的一些組合。車輪制動器144可以是制動系統(tǒng)150的一部分。制動系統(tǒng)150可包括用于運轉車輪制動器144的其它組件。為了簡要起見，附圖描繪了制動系統(tǒng)150與車輪制動器144中的一個之間的單一連接。隱含了制動系統(tǒng)150與其它車輪制動器144之間的連接。制動系統(tǒng)150可包括監(jiān)測與協(xié)調制動系統(tǒng)150的控制器。制動系統(tǒng)150可監(jiān)測制動組件并且控制車輪制動器144用于車輛減速。制動系統(tǒng)150可對駕駛員命令做出響應并且還可自主運轉以實施諸如穩(wěn)定性控制的功能。制動系統(tǒng)150的控制器可實施當被另一控制器或子功能請求時施加請求的制動力的方法。
車輛112中的電子模塊可通過一個或更多個車輛網(wǎng)絡進行通信。車輛網(wǎng)絡可包括多個用于通信的信道。車輛網(wǎng)絡的一個信道可以是諸如控制器局域網(wǎng)(can)的串行總線。車輛網(wǎng)絡的信道中的一個可包括由電氣與電子工程師協(xié)會(ieee)802標準族定義的以太網(wǎng)。車輛網(wǎng)絡的其它信道可包括模塊之間的離散連接，并可包括來自輔助電池130的電力信號。不同的信號可通過車輛網(wǎng)絡的不同信道進行傳輸。例如，視頻信號可通過高速信道(例如，以太網(wǎng))進行傳輸，而控制信號可通過can或離散信號進行傳輸。車輛網(wǎng)絡可包括協(xié)助在模塊之間傳輸信號和數(shù)據(jù)的任意硬件組件和軟件組件。車輛網(wǎng)絡未在圖1中示出，但可以隱含了車輛網(wǎng)絡可連接到存在于車輛112中的任何電子模塊?？纱嬖谲囕v系統(tǒng)控制器(vsc)148以協(xié)調各個組件的操作。
圖2描繪了被配置為升壓轉換器的vvc152的示圖。vvc152可包括輸入端子，所述輸入端子可通過接觸器142連接到牽引電池124的端子。vvc152可包括連接到電力電子模塊126的端子的輸出端子。vvc152可被操作為使輸出端子處的電壓大于輸入端子處的電壓。車輛112可包括監(jiān)測和控制在vvc152內的各個位置處的電參數(shù)(例如，電壓和電流)的vvc控制器200。在一些配置中，vvc控制器200可被包括作為vvc152的一部分。vvc控制器200可確定輸出電壓基準
可以控制vvc152的輸出電壓以達到期望的基準電壓。在一些配置中，vvc152可以是升壓轉換器。在vvc控制器200控制占空比的升壓轉換器配置中，輸入電壓vin、輸出電壓vout與占空比d之間的理想關系可使用下列等式示出：
期望的占空比d可通過測量輸入電壓(例如，牽引電池電壓)并將輸出電壓設置為基準電壓來確定。vvc152可以是將電壓從輸入電壓降低為輸出電壓的降壓轉換器。在降壓配置中，可以推導出將輸入電壓和輸出電壓與占空比相關聯(lián)的不同表達式。在一些配置中，vvc152可以是可以增大或減小輸入電壓的降壓-升壓轉換器。此處描述的控制策略不限于特定的可變電壓轉換器拓撲。
參照圖2，vvc152可升高或“提升”由牽引電池124提供的電力的電勢。牽引電池124可提供高電壓(hv)dc電力。在一些配置中，牽引電池124可提供150伏特與400伏特之間的電壓。接觸器142可串聯(lián)電連接在牽引電池124與vvc152之間。在接觸器142閉合時，hvdc電力可從牽引電池124傳輸?shù)絭vc152。輸入電容器202可與牽引電池124并聯(lián)電連接。輸入電容器202可穩(wěn)定總線電壓并減小任意電壓和電流紋波。vvc152可接收hvdc電力并根據(jù)占空比來升高或“提高”輸入電壓的電勢。
輸出電容器204可電連接在vvc152的輸出端子之間。輸出電容器204可穩(wěn)定總線電壓并減小vvc152的輸出處的電壓和電流紋波。
進一步參照圖2，vvc152可包括用于升高輸入電壓以提供升高的輸出電壓的第一開關器件206和第二開關器件208。開關器件206和開關器件208可被配置為選擇性地使電流流向電負載(例如，電力電子模塊126和電機114)。開關器件206和開關器件208中的每個可由vvc控制器200的柵極驅動電路(未示出)獨立控制并可包括任意類型的可控開關(例如，絕緣柵雙極型晶體管(igbt)和場效晶體管(fet))。柵極驅動電路可將基于控制信號(例如，pwm控制信號的占空比)的電信號提供給開關器件206和開關器件208中的每個。二極管可被跨接在開關器件206和開關器件208中的每個上。開關器件206和開關器件208可各自具有相關的開關損耗。開關損耗是在開關器件的狀態(tài)改變(例如，開/關和關/開的轉換)期間產生的功率損耗?？赏ㄟ^在轉換期間流經開關器件206和開關器件208的電流以及開關器件206上的電壓和開關器件208上的電壓來量化開關損耗。開關器件還可具有在所述器件開啟時產生的相關的傳導損耗。
車輛系統(tǒng)可包括用于測量vvc152的電參數(shù)的傳感器。第一電壓傳感器210可被配置為測量輸入電壓(例如，電池124的電壓)，并將相應的輸入信號(vbat)提供給vvc控制器200。在一個或更多個實施例中，第一電壓傳感器210可測量輸入電容器202兩端的電壓，該電壓與電池電壓相對應。第二電壓傳感器212可測量vvc152的輸出電壓并將相應的輸入信號(vdc)提供給vvc控制器200。在一個或更多個實施例中，第二電壓傳感器212可測量輸出電容器204兩端的電壓，該電壓與dc總線電壓相對應。第一電壓傳感器210和第二電壓傳感器212可包括將電壓縮放到適于vvc控制器200的水平的電路。vvc控制器200可包括用于對來自第一電壓傳感器210和第二電壓傳感器212的信號進行濾波和數(shù)字化的電路。
輸入電感器214可串聯(lián)電連接在牽引電池124與開關器件206、208之間。輸入電感器214可在將能量儲存在vvc152中與釋放vvc152中的能量之間轉換，以使可變的電壓和電流能夠作為vvc152的輸出而提供，并且能夠達到期望的電壓升高。電流傳感器216可測量通過輸入電感器214的輸入電流并將相應的電流信號(il)提供給vvc控制器200。通過輸入電感器214的輸入電流可以是vvc152的輸入電壓與輸出電壓之間的電壓差、開關器件206和開關器件208的導通時間以及輸入電感器214的電感l(wèi)共同作用的結果。vvc控制器200可包括用于對來自電流傳感器216的信號進行縮放、濾波和數(shù)字化的電路。
vvc控制器200可被編程為控制vvc152的輸出電壓。vvc控制器200可通過車輛網(wǎng)絡從vvc152和其它控制器接收輸入，并確定控制信號。vvc控制器200可監(jiān)測輸入信號(vbat,vdc,il,
提供給vvc152的控制信號可被配置為以特定的開關頻率來驅動開關器件206和開關器件208。在開關頻率的每個周期內，開關器件206和開關器件208可以以特定的占空比工作。所述占空比限定開關器件206和開關器件208處于開啟狀態(tài)和關閉狀態(tài)的時間量。例如，100％的占空比可使開關器件206和開關器件208工作在無關閉的持續(xù)開啟狀態(tài)下。0％的占空比可使開關器件206和開關器件208工作在無開啟的持續(xù)關閉狀態(tài)。50％的占空比可使開關器件206和開關器件208在半個周期內工作在開啟狀態(tài)下并且在另一半周期內工作在關閉狀態(tài)下。用于兩個開關器件206、208的控制信號可以是互補的。即，發(fā)送到開關器件之一(例如，開關器件206)的控制信號可以是發(fā)送到另一開關器件(例如，開關器件208)的控制信號的相反版本。
由開關器件206和開關器件208控制的電流可包括紋波分量，該紋波分量的幅值隨著電流幅值以及開關器件206和開關器件208的開關頻率和占空比的變化而變化。相對于輸入電流，狀況最差的紋波電流的幅值出現(xiàn)在相對高的輸入電流的狀況期間。當占空比不變時，電感器電流的增大導致紋波電流幅值的增大(根據(jù)圖4說明)。紋波電流的幅值還與占空比相關。當占空比等于50％時，出現(xiàn)最大幅值的紋波電流。電感器紋波電流幅值和占空比之間的一般關系可根據(jù)圖5被示出?；谶@些因素，在高電流以及中等范圍的占空比狀況下實施測量以減小紋波電流幅值可能是有益的。
在設計vvc152時，可以選擇電感器214的電感值和開關頻率以滿足最大容許的紋波電流幅值。紋波分量可以是出現(xiàn)在dc信號中的周期性變量。紋波分量可以通過紋波分量的幅值和紋波分量的頻率來定義。紋波分量可具有處于可聽到的頻率范圍內的諧波，其可增加車輛的噪聲信號。此外，紋波分量可能為精確控制由電源供電的器件造成困難。在進行開關的瞬間，開關器件206和開關器件208可以在最大電感器電流(dc電流加紋波電流)處關閉，這會導致在開關器件206兩端和開關器件208兩端產生大電壓峰值。由于尺寸和成本的限制，可基于傳導電流選擇電感值。通常，隨著電流增大，電感可由于達到飽和而減小。
可以選擇開關頻率以限制在最差情況情境(例如，最高輸入電流和/或占空比接近50％的狀況)下的紋波電流分量的幅值。開關器件206和開關器件208的開關頻率可被選擇為大于連接到vvc152的輸出的馬達/發(fā)電機逆變器的開關頻率(例如，5khz)的頻率(例如，10khz)。在一些應用中，vvc152的開關頻率可被選擇為預定的固定頻率。通常為了滿足噪聲和紋波電流的規(guī)格而選擇預定的固定頻率。然而，預定的固定頻率的選擇可能無法在vvc152的全部工作范圍內提供最佳性能。預定的固定頻率可在特定集合的工作狀況下提供最佳結果，但可能是在其它工作狀況下的折衷。
增大開關頻率可減小紋波電流幅值并降低開關器件206和開關器件208的電壓負荷，但可能導致更高的開關損耗。雖然可針對最差情況的紋波狀況而選擇開關頻率，但是在最差情況的紋波狀況下，vvc152可僅在占總工作時間的小百分比的時間內工作。這會導致可降低燃料經濟性的不必要的高開關損耗。此外，固定的開關頻率可將噪聲頻譜集中在非常狹窄的范圍內。在這個狹窄的范圍內噪聲密度增大可導致顯著的噪聲、振動和不平順性(nvh)問題。
vvc控制器200可被編程為基于占空比和輸入電流而改變開關器件206和開關器件208的開關頻率。在保持最差情況的工作狀況下的紋波電流目標的同時，開關頻率的改變可通過減小開關損耗來改善燃料經濟性并減少nvh問題。
在相對高的電流狀況期間，開關器件206和開關器件208可能經歷增大的電壓負荷。在vvc152的最大工作電流處，可能期望選擇相對高的開關頻率，從而減小紋波分量的幅值并且開關損耗水平是合理的。可以基于輸入電流幅值來選擇開關頻率，使得開關頻率隨著輸入電流幅值的增大而增大。開關頻率可增大至預定的最大開關頻率。預定的最大開關頻率可以處于在較低的紋波分量幅值與較高的開關損耗之間提供折衷的水平?？梢栽诠ぷ麟娏鞣秶鷥劝凑针x散步長改變開關頻率或持續(xù)改變開關頻率。
vvc控制器200可被編程為響應于電流輸入小于預定的最大電流而減小開關頻率。所述預定的最大電流可以是vvc152的最大工作電流。開關頻率的改變可以基于輸入到開關器件206和開關器件208的電流的幅值。當電流大于預定的最大電流時，開關頻率可被設置為預定的最大開關頻率。紋波分量的幅值可隨著電流的減小而減小。通過以隨著電流減小而減小的開關頻率工作，開關損耗減小。開關頻率可基于輸入到開關器件的功率而變化。由于輸入功率是輸入電流和電池電壓的函數(shù)，因此輸入功率和輸入電流可以以相似的方式被使用。
由于紋波電流還受占空比影響，因此開關頻率可基于占空比而變化?？苫谳斎腚妷号c輸出電壓之間的比而確定占空比。這樣，開關頻率還可以基于輸入電壓與輸出電壓之間的比而變化。當占空比接近50％時，預測的紋波電流幅值為最大值并且開關頻率可被設置為預定的最大頻率。預定的最大頻率可以是被選為使紋波電流幅值最小化的最大開關頻率值。開關頻率可在占空比范圍內按照離散步長改變或持續(xù)改變。
vvc控制器200可被編程為響應于占空比與在預測的紋波分量幅值處于最大值時的占空比值(例如，50％)之間的差值而從預定的最大頻率起減小開關頻率。當所述差值小于閾值時，開關頻率可被設置為預定頻率。當所述差值減小時，開關頻率可向著預定的最大頻率增大，以減小紋波分量幅值。當所述差值小于閾值時，開關頻率可被設置為預定的最大頻率。
開關頻率可被限制在預定的最大頻率與預定的最小頻率之間。預定的最小頻率可以是大于連接到可變電壓轉換器152的輸出的電力電子模塊126的預定開關頻率的頻率水平。開關頻率還可基于與igbt的柵極相關聯(lián)的寄生電感。
參照圖3，系統(tǒng)300被設置用于控制電力電子模塊(pem)126。圖3中的pem126被示出為包括多個開關302a至302f(例如，igbt)，所述多個開關302a至302f被配置為共同操作為具有第一相腳316、第二相腳318和第三相腳320的逆變器。雖然逆變器被示出為三相轉換器，但是逆變器可包括附加的相腳。例如，逆變器可以是四相轉換器、五相轉換器、六相轉換器等。此外，pem126可包括多個轉換器，并且pem126中的每個轉換器包括三個或更多個相腳。例如，系統(tǒng)300可控制pem126中的兩個或更多個逆變器。pem126還可包括具有高電力開關(例如，igbt)的dc至dc轉換器，以經由升壓、降壓或其組合來將電力電子模塊的輸入電壓轉換為電力電子模塊的輸出電壓。
如圖3所示，逆變器可以是dc至ac轉換器。在操作中，dc至ac轉換器可通過dc總線304(包括dc總線304a和304b)從dc電力線路(powerlink)306接收dc電力，并將dc電力轉換為ac電力。ac電力經由相電流ia、ib和ic傳輸以驅動ac電機(也被稱為電機114，諸如圖3中描繪的三相永磁同步電機(pmsm))。在這樣的示例中，dc電力線路306可包括用于向dc總線304提供dc電力的dc蓄電池。在另一示例中，逆變器可操作為將來自ac電機114(例如，發(fā)電機)的ac電力轉換成dc電力的ac至dc轉換器，dc總線304可將dc電力提供給dc電力線路306。此外，系統(tǒng)300還可控制其它電力電子拓撲結構中的pem126。
繼續(xù)參照圖3，逆變器的相腳316、318和320中的每個都包括電力開關302，電力開關302可由各種類型的可控開關來實現(xiàn)。在一個實施例中，每個電力開關302可包括二極管和晶體管(例如，igbt)。圖3中的二極管被標記為da1、da2、db1、db2、dc1和dc2，而圖3中的igbt被分別標記為sa1、sa2、sb1、sb2、sc1和sc2。電力開關sa1、sa2、da1和da2是三相轉換器的相腳a的一部分，相腳a在圖3中被標記為第一相腳a316。類似地，電力開關sb1、sb2、db1和db2是三相轉換器的相腳b318的一部分，電力開關sc1、sc2、dc1和dc2是三相轉換器的相腳c320的一部分。逆變器可根據(jù)逆變器的特定配置而包括任意數(shù)量的電力開關302或電路元件。二極管(dxx)與igbt(sxx)并聯(lián)連接，然而，由于極性為了合適的操作而被反向，因此這種構造通常被稱作反向并聯(lián)。這種反向并聯(lián)構造中的二極管還被稱作續(xù)流二極管。
如圖3所示，電流傳感器csa、csb和csc被設置以分別感測相腳316、318和320處的電流流動。圖3示出了與pem126分開的電流傳感器csa、csb和csc。然而，電流傳感器csa、csb和csc可根據(jù)pem126的配置而被集成為pem126的一部分。圖3中的電流傳感器csa、csb和csc被安裝成分別與相腳a、b和c(即，圖3中的相腳316、318和320)串聯(lián)，并分別為系統(tǒng)300提供反饋信號ias、ibs和ics(也在圖3中示出)。反饋信號ias、ibs和ics可以是由邏輯器件(ld)310處理的原始電流信號，或者可被嵌入關于流過各自的相腳316、318和320的電流的數(shù)據(jù)或信息，或者可利用所述數(shù)據(jù)或信息被編碼。此外，電力開關302(例如，igbt)可包括電流感測能力。電流感測能力可包括被配置有電流鏡像輸出，電流鏡像輸出可提供表示ias、ibs和ics的數(shù)據(jù)/信號。所述數(shù)據(jù)/信號可表明流過各自的相腳a、b和c的電流的流動方向或電流大小，或者電流的流動方向和大小。
再參照圖3，系統(tǒng)300包括邏輯器件(ld)或控制器310。邏輯器件(ld)或控制器310可由各種類型的電子器件和/或基于微處理器的計算機或控制器、或者它們的各種組合來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)控制pem126的方法，控制器310可執(zhí)行嵌入有所述方法或利用所述方法編碼并且存儲在易失性存儲器312和/或永久存儲器312中的計算機程序或算法?？蛇x地，邏輯可被編碼到離散邏輯、微處理器、微控制器中或者被編碼到存儲在一個或更多個集成電路芯片中的邏輯陣列或門陣列中。如圖3所示的實施例，控制器310接收并處理反饋信號ias、ibs和ics以控制相電流ia、ib和ic，使得相電流ia、ib和ic根據(jù)各種電流模式或電壓模式而流過相腳316、318和320并進入電機114的各個繞組。例如，電流模式可包括流入和流出dc總線304或dc總線電容器308的相電流ia、ib和ic的模式。圖3的dc總線電容器308被示出為與pem126分開。但是，dc總線電容器308可被集成為pem126的一部分。
如圖3所示，存儲介質(下文稱為存儲器)312(諸如，計算機可讀存儲器)可存儲嵌入有方法或利用方法編碼的計算機程序或算法。此外，存儲器312可存儲關于pem126中的各種工作狀況或組件的數(shù)據(jù)或信息。例如，存儲器312可存儲關于流過各個相腳316、318和320的電流的數(shù)據(jù)或信息。存儲器312可以是圖3所示的控制器310的一部分。但是，存儲器312可被布置在可由控制器310訪問的任何適當?shù)奈恢谩?/p>
如圖3所示，控制器310向電力轉換器系統(tǒng)126發(fā)送至少一個控制信號236。電力轉換器系統(tǒng)126接收控制信號236以控制逆變器的開關配置，從而控制流過各個相腳316、318和320的電流。所述開關配置是逆變器中的電力開關302的開關狀態(tài)的集合。一般來講，逆變器的開關配置決定了逆變器如何轉換dc電力線路306與電機114之間的電力。
為了控制逆變器的開關配置，逆變器基于控制信號236來將逆變器中的每個電力開關302的開關狀態(tài)改變?yōu)殚_啟狀態(tài)或關閉狀態(tài)。在示出的實施例中，為了將電力開關302切換到開啟狀態(tài)或關閉狀態(tài)，控制器/ld310向每個電力開關302提供柵極電壓(vg)，從而驅動每個電力開關302的開關狀態(tài)。柵極電壓vga1、vga2、vgb1、vgb2、vgc1和vgc2(如圖3所示)控制各個電力開關302的開關狀態(tài)和特性。雖然在圖3中逆變器被示出為電壓驅動的器件，但是逆變器也可以是電流驅動的器件，或者通過在開啟狀態(tài)與關閉狀態(tài)之間切換電力開關302的其它策略被控制?？刂破?10可基于電機114的轉速、鏡像電流或igbt開關的溫度來改變每個igbt的柵極驅動。柵極驅動的改變可根據(jù)多個柵極驅動電流而被選擇，在所述多個柵極驅動電流中，柵極驅動電流的變化與igtbt的開關速度的變化成比例。
還是如圖3所示，相腳316、318和320中的每個包括兩個開關302。但是，在相腳316、318和320中的每個中只有一個開關可以處于開啟狀態(tài)，以不會短接dc電力線路306。因此，在每個相腳中，下面開關的開關狀態(tài)通常與相應的上面開關的開關狀態(tài)是相反的。因此，相腳的高狀態(tài)表示相腳中的上面開關處于開啟狀態(tài)并且下面開關處于關閉狀態(tài)。類似地，相腳的低狀態(tài)表示相腳中的上面開關處于關閉狀態(tài)并且下面開關處于開啟狀態(tài)。作為結果，具有電流鏡像能力的igbt可以是全部的igbt、igbt的子集(例如，sa1、sb1、sc1)或者單個igbt。
在圖3示出的三相轉換器示例的激活狀態(tài)期間會發(fā)生兩種情形：(1)兩個相腳處于高狀態(tài)而第三個相腳處于低狀態(tài)，或者(2)一個相腳處于高狀態(tài)而其它的兩個相腳處于低狀態(tài)。因此，三相轉換器中的一個相腳(可針對逆變器的特定激活狀態(tài)而被定義為“參考”相)的狀態(tài)與具有相同狀態(tài)的其它兩個相腳(或“非參考”相)的狀態(tài)相反。因此，在逆變器的激活狀態(tài)期間，非參考相要么都處于高狀態(tài)，要么都處于低狀態(tài)。
圖4是表示柵極電流402相對于時間404的分布概況400的示例曲線示圖。這里，分布概況400包括在時間406處柵極電流402增大至第一柵極電流水平(level)408(ig1)。柵極電流402被基本保持到轉變時間410，在轉變時間410時，第一柵極電流水平408降低至第二柵極電流水平412(ig2)。柵極電流保持在第一柵極電流水平408(ig1)的時間被稱作高時間或初始柵極電流驅動時間(t1)。第一柵極電流水平408可基于包括器件特性、工作狀況和負載特性的很多因素?？赏ㄟ^性能和成本之間的權衡來解釋第一柵極電流水平408?？傮w而言，第一柵極電流水平408越高，損耗越小。然而，柵極電流受到柵極驅動器能力的限制，同樣，與柵極驅動器相關聯(lián)的成本通常與柵極驅動器能力成正比。器件特性包括柵極電阻、柵極電容、閾值電壓、最大集電極電流、二極管正向電流以及其它igbt特性。工作狀況包括溫度、開關速度、pwm占空比、電源電壓和車輛速度。負載特性包括電感、電阻、最大電流、旋轉速度、勢能、動能以及其它電氣特性或機電特性。第二柵極電流水平412可基于包括用于第一柵極電流水平408的因素的很多因素。第二柵極電流水平412通過最差工作情況(即，最大dc總線電壓和最大負載電流)下的二極管電壓峰值來被確定。第二柵極電流水平412(ig2)自時間410保持至時間414。柵極電流保持在第二柵極電流水平412(ig2)的時間被稱作低時間或第二柵極電流驅動時間(t2)。
轉變時間410可通過各種方法(包括預設驅動分布概況、開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、模擬控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)、模糊邏輯控制系統(tǒng)和神經網(wǎng)絡系統(tǒng))來實現(xiàn)。在第一實施例中，轉變時間可以響應于在由igbt驅動的負載的時間段上的積分(也稱作時間積分)大于參考閾值。器件特性可包括柵極電阻或柵極電容。工作狀況可包括開關速度或igbt溫度。負載特性可包括負載電感、負載電容或負載電阻。在另一實施例中，轉變時間可以響應于測量的從igbt的發(fā)射極到集電極的電壓的時間積分大于參考閾值。
圖5是用于驅動igbt的柵極的方法的示例流程圖500。在操作502，控制器接收信號，以在控制器進行到操作504之后導通igbt器件。在操作504，控制器確定初始柵極電流水平。通常，導通開關損耗與柵極電流水平成反比。然而，初始柵極電流還會受到柵極驅動器能力的限制，同樣，與柵極驅動器相關聯(lián)的成本通常與柵極驅動器能力成正比。例如，具有較高驅動能力的柵極驅動器通常比具有較低驅動能力的柵極驅動器昂貴。
在操作504，控制器基于包括igbt器件的開關損耗、柵極驅動器損耗、柵極驅動電路的能力的諸多因素來選擇初始柵極電流。一旦初始柵極電流被選擇，控制器便進行到操作506。例如，初始柵極電流水平可以是來自圖4的ig1。
在操作506，控制器監(jiān)測igbt器件的工作狀況。監(jiān)測的工作狀況包括igbt器件的集電極和發(fā)射極之間的電壓、流入igbt器件的集電極的電流、與igbt的集電極或發(fā)射極連接的負載兩端的電壓、流至與igbt的集電極或發(fā)射極連接的負載的電流或igbt器件的溫度。所述監(jiān)測可包括測量特性和計算分量的時間積分。例如，用于驅動電機的逆變器可具有與電機的每個相連接的igbt器件。igbt器件的控制器可計算或接收與igbt連接的電機的相上的電壓的時間積分，作為輸入。通常，直接測量igbt上的電壓。igbt上的電壓和電機的相上的電壓之間的差等于dc總線電壓以及寄生電感上的部分壓降。
在操作508，控制器將操作506感測的信號與觸發(fā)值進行比較。例如，控制器可將與igbt連接的電機的相上的電壓的時間積分與預定值進行比較。初始柵極電流的長度是重要的，這是因為初始柵極電流驅動時間越長，使得igbt的di/dt越高，續(xù)流二極管兩端的電壓峰值越高。這里，初始柵極電流驅動時間逐漸增大，直到負載(例如，用于逆變器的電機的相或用于dc-dc轉換器的電感器負載)的電壓的時間積分大于預定閾值為止。預定閾值是續(xù)流二極管兩端的電壓達到小于igbt的擊穿電壓的極限值時的點。該電壓取決于很多條件(例如，電機的電源電壓或dc-dc轉換器的電源電壓)。當?shù)扔诨虼笥陬A定閾值時，控制器將進行到操作510。當時間積分小于預定閾值時，控制器將返回到操作506。
在操作510中，控制器將柵極電流降低至低柵極電流水平，并監(jiān)測igbt的操作。例如，在圖4中，柵極電流從ig1降低至ig2，操作510可包括：從ig1轉變至ig2，隨后監(jiān)測igbt操作，直至時間414。在實踐中，初始柵極電流水平通常大于低柵極電流水平。低柵極電流水平被選擇，以在多個工作范圍期間避免續(xù)流二極管兩端的過量電壓過沖。通常，最差情況的工作狀況(例如，最大dc總線電壓)被選擇，以確定低柵極電流水平。一旦確定了基準，便可逐漸增大低柵極電流水平，直至續(xù)流二極管兩端的電壓峰值大于極限值。因此，低柵極電流水平可基于dc總線電壓或電池電壓來被確定。
在操作512，控制器比較施加到igbt的柵極的電荷量，如果施加到柵極的電荷等于充分提高的電荷水平，則控制器可將柵極電流降低至柵極泄漏電流水平，并進行到操作514。在操作514，控制器停止用柵極電流驅動igbt器件。
圖6是igbt柵極驅動電路600的示例原理圖。這里，柵極驅動器602被配置為驅動igbt604的柵極。電路600包括比較器606，比較器606用于響應于輸入大于閾值而切換狀態(tài)。比較器的輸入可通過電阻器608與igbt604的集電極連接。響應于施加到igbt604的柵極的電壓大于閾值電壓，igbt604開始在igbt604的發(fā)射極和集電極之間傳導電流。用于測量igbt604的發(fā)射極和集電極之間的電壓的時間積分的一個電路用于使能mosfet612，從而使電流經由電阻器608流至電容器614和電阻器616。當時間積分大于由vref表示的閾值時，比較器606將向柵極驅動器602輸出信號，以實現(xiàn)從ig1至ig2的轉變?；谄谕牟僮?，柵極電阻器610可被包括以實現(xiàn)軟導通和軟轉變。本示例性電路被配置為確定針對vce的時間積分，然而，類似的電路可用于確定針對諸如負載的其它組件的時間積分?；谪撦d的時間積分的操作的優(yōu)點包括對電流工作狀況(例如，旋轉速度、電機的動能、電機的勢能)的自適應調節(jié)。類似地，類似的電路可用在vvc中，以針對電力電感器(例如，輸入電感器214)確定時間積分。該自適應系統(tǒng)可調節(jié)轉變時間410的點，例如，ig1脈沖長度將隨著dc總線電壓減小而增大，并可隨著dc總線電壓增大而減小。
在此公開的處理、方法或算法可被傳送到處理裝置、控制器或計算機/通過處理裝置、控制器或計算機實現(xiàn)，其中，所述處理裝置、控制器或計算機可包括任何現(xiàn)有的可編程電子控制單元或專用電子控制單元。類似地，處理、方法或算法可按照許多形式被存儲為可由控制器或計算機執(zhí)行的數(shù)據(jù)和指令，所述形式包括但不限于：永久地存儲在不可寫入的存儲介質(諸如，只讀存儲器(rom)裝置)上的信息和可改變地存儲在可寫入的存儲介質(諸如軟盤、磁帶、致密盤(cd)、隨機存取存儲器(ram)裝置以及其它磁性介質和光學介質)上的信息。所述處理、方法或算法還可被實施為軟件可執(zhí)行對象。可選地，所述處理、方法或算法可利用合適的硬件組件(諸如專用集成電路(asic)、現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)、狀態(tài)機、控制器或者其它硬件組件或裝置)或者硬件、軟件和固件組件的組合來整體或部分地實現(xiàn)。
雖然上文描述了示例性實施例，但是并不意味著這些實施例描述了權利要求包含的所有可能的形式。說明書中使用的詞語為描述性詞語而非限制性詞語，并且應理解，在不脫離本公開的精神和范圍的情況下可以做出各種改變。如前所述，可組合各個實施例的特征以形成本發(fā)明的可能未明確描述或說明的進一步的實施例。雖然關于一個或更多個期望特性，多個實施例可能已被描述為提供優(yōu)點或優(yōu)于其它實施例或現(xiàn)有技術的實施方式，但是本領域普通技術人員應該認識到，根據(jù)具體應用和實施方式，一個或更多個特征或特性可被折衷以實現(xiàn)期望的整體系統(tǒng)屬性。這些屬性可包括但不限于成本、強度、耐用性、生命周期成本、可銷售性、外觀、包裝、尺寸、可維修性、重量、可制造性、裝配的便利性等。因此，被描述為在一個或更多個特性方面不如其它實施例或現(xiàn)有技術的實施方式的實施例并不在本公開的范圍之外，并且可被期望用于特定的應用。
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