CN101355320A - 直流-交流升压转换器***的电压链路控制 - Google Patents

直流-交流升压转换器***的电压链路控制 Download PDF

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CN101355320A CNA2008102147645A CN200810214764A CN101355320A CN 101355320 A CN101355320 A CN 101355320A CN A2008102147645 A CNA2008102147645 A CN A2008102147645A CN 200810214764 A CN200810214764 A CN 200810214764A CN 101355320 A CN101355320 A CN 101355320A
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Abstract

本发明涉及直流－交流升压转换器***的电压链路控制。公开了用于直流升压转换器的***和方法。该***和方法通过开关结构将电感器和直流/交流逆变器的输入电容器的操作结合，从而给该直流/交流逆变器供电。该开关结构由控制器基于各种控制模式产生的多个控制信号和反馈信号控制。

Description

直流-交流升压转换器***的电压链路控制
技术领域
本发明的实施例通常涉及电功率转换器，并且更特别地涉及直流-交流逆变器。
背景技术
逆变器是用于将直流(DC)转换为交流(AC)的电子电路。逆变器被用于广泛的应用中，从用于计算机的小的不间断电源到大的电力传输设施应用，以及变速工业驱动。逆变器还用于从燃料电池或光伏太阳能电池电源提供交流功率源。常见的应用是给交流电动机供电。
三相是可以由逆变器产生并且用于电功率应用的交流的常见类型。一种重要的三相负载类型是交流电动机(electric motor)。三相交流电动机具有简单的设计、在低RPM时的高转矩以及高效率。三相电机用于泵、风扇、鼓风机、压缩机、电气机车和内燃电力传动机车以及许多其他种类的电机(motor)驱动设备。三相电机比具有相同额定功率的单相电机更加紧凑、价格更低、振动更小、持续时间更长，并且因此对于高于10HP(7.5kW)的电机优先于单相电动机。混合车辆、燃料电池车辆和电动车辆通常使用三相电机，因为它们的高起动转矩可以用来将车辆加速至有效速度。三相电机还可以用作用于再生制动的发电机。
混合车辆、燃料电池车辆和电动车辆通常具有直流功率源。例如，这些车辆可以使用电池、超电容器、燃料电池和燃料动力发电机，它们都产生直流功率。此外，不同的源通常会具有不同的电压，需要使用逆变器进行电压转换从而有效地利用它们的电压。一种方法是使用电压转换器获得各种操作电压。
电压转换器通常包括电容器以调节输入至逆变器的直流功率。该电容器可能是大型的并且昂贵的。因此，期望具有一种减少该输入电容器的尺寸的***。此外，结合附图以及上述的技术领域和背景技术，根据随后的具体描述和随附的权利要求书，其他期望的特征和特性将变得显而易见。
发明内容
公开了用于直流-交流升压转换器***的***和方法。该***和方法通过开关结构将电感器和直流/交流逆变器的输入电容器的操作组合起来，从而给该直流/交流逆变器供电。该开关结构由控制器基于各种控制模式和反馈信号产生的多个控制信号进行控制。
该***具有逆变器以及电压源，所述逆变器具有第一直流输入、第二直流输入、控制输入和配置为耦合至负载的交流输出，所述电压源具有耦合至第一节点的第一输出和耦合至第二直流输入的第二输出。该***还具有连接至第一节点、第一直流输入和第二直流输入的升压转换器。多相负载可以耦合至逆变器的交流输出。控制器也可以耦合至控制输入，其中该控制器配置为接收来自升压转换器和逆变器的反馈信号，并且控制流经升压转换器和逆变器的电流。
这里描述的直流升压方法首先确定处理多个控制信号和反馈信号的控制器的控制模式。然后该方法操作升压转换器。该升压转换器基于控制信号和反馈信号通过开关控制从电压源向逆变器流动的电流。然后该方法操作逆变器。该逆变器基于该多个控制信号和反馈信号生成用于给负载供电的交流输出。然后该方法通过逆变器将功率传送至负载。
附图说明
在下文中将结合下列附图描述直流-交流升压转换器***的实施例，其中相同的数字表示相同的元件，并且
图1是直流-交流升压转换器***的实施例的示意图；以及
图2是说明直流-交流升压过程的实施例的流程图。
具体实施方式
下面的具体实施例本质上仅仅是示范性，并不意味着限制本发明或本发明的应用和使用。此外，并不打算受任何在上述技术领域、背景技术、发明内容或下面的具体实施方式中呈现的明示的或暗示的理论限制。
这里可以根据功能和/或逻辑方块部件和各个处理步骤来描述本发明的实施例。可以理解，这些方块部件可以由配置为执行指定功能的任意数量的硬件、软件、和/或固件部件实现。例如，本发明的实施例可以使用各种集成电路部件，例如存储元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等等，这些元件可以在一个或多个微处理器或其他控制设备的控制下执行各种功能。另外，本领域技术人员将理解可以结合任意数量的车辆应用来实行本发明的实施例，并且这里描述的***仅仅是本发明的一个示例实施例。
为了简洁起见，在这里不详细描述涉及车辆电气部分以及***的其他功能方面(和***的单个操作部件)的传统技术和部件。此外，包含在这里的多个附图中显示的连接线意在表示不同元件之间的示例功能关系和/或物理耦合。应该注意到，在本发明的实施例中可以存在许多可选的或附加的功能关系或物理连接。
如这里所使用的，“节点”表示任何内部或外部参考点、连接点、结点、信号线、导电元件等等，在该“节点”处存在给定信号、逻辑电平、电压、数据模式、电流或数量。此外，两个或多个节点可以由一个物理元件实现(并且两个或多个信号可以被复用、调制、或者被区分，即使它们以共用模式被接收或输出)。
下面的描述可能涉及“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或零件(feature)。如这里所使用的，除非另有明确规定，“连接”表示一个元件/节点/零件直接接合到另一个元件/节点/零件(或者直接与其通信)，并且不一定是通过机械方式。同样地，除非另有明确规定，“耦合”表示一个元件/节点/零件直接或间接地接合到另一个元件/节点/零件(或者直接或间接与其通信)，并且不一定是通过机械方式。因此，尽管图1中的示意图描述了元件的示例布置，但是本发明的实施例中可以存在附加的***元件、设备、零件或部件(假定***的功能性不会受到不利影响)。
这里在一个实际的非限制性应用，即用于具有三相电动机的车辆的直流-交流升压转换器***的情境里描述本发明的实施例。三相逆变器用于变频驱动应用。在逆变器设计中使用许多不同的电源电路拓扑结构和控制策略。不同的设计方法用于解决不同的问题，这些问题可能的重要程度根据逆变器被使用的方式而不同。尽管这里描述的技术可以应用于车辆的电气***的操作，但是本发明的实施例不限于这样的车辆应用，并且这里描述的技术还可以用在其他功率转换***中。
升压转换器(升高电压转换器)是其输出直流电压大于输入直流电压的功率转换器。可以认为升压转换器是属于包含至少两个半导体开关(例如，基于二极管的开关和基于晶体管的开关)以及至少一个能量存储元件的一类开关型电源(SMPS)。通常将由电感器和电容器组合组成的滤波器附加到升压转换器，以改善其输出性能。
图1是用于车辆的直流升压转换器***100的示意图，其被适当地配置为执行这里详细描述的操作。***100适合用于具有电力牵引发动机的车辆(例如，完全电动车辆或混合车辆)。实际的直流升压转换器***100可以包括除了图1中示出的那些以外的许多电气部件、电路和控制器单元。这里将不详细描述直流升压转换器***100的传统子***、特征和方面。如图1所示，对于该实施例，***100可以包括但不限于：升压转换器102、逆变器104、电容器C1和控制器108，其中电容器C1为升压转换器102和逆变器104所共用。如图1所示，升压转换器102耦合至电压源110，并且逆变器104耦合至机器(machine)106或其他负载。
机器106耦合至受控开关(controlled switch)Q2-Q7的交流输出节点144/146/148。对于本实例，机器106包括为动力系和再生制动提供功率或附加功率的交流电机。交流电机通常用于该应用，因为它们在负荷情况下提供高转矩和大功率。实际上，机器106可以是但不限于，感应式或同步三相或多相交流电机。
电压源110配置为支持混合车辆或电动车辆的操作。电压源110具有耦合至节点114的第一极或端子，以及耦合至节点116的第二极或端子。对于该实施例，节点114和116分别对应于正参考电位和负(地)参考电位。电压源110可以以这种方式耦合至升压转换器102，升压转换器102又提供功率至逆变器104。电压源110配置为通过节点114和节点116为升压转换器102提供电压和电流。对于该实施例，由电压源110提供的电压是相对高的直流电压，对于该应用可以是大约200伏特。电压源110可以是例如发电机、燃料电池、蓄电池(例如铅酸、镍金属氢化物或锂离子蓄电池)或若干超电容器。
升压转换器102基于***100中存在的多个控制信号和反馈信号控制从电压源110流向逆变器104的电流。升压转换器102的该实施例包括但不限于：电感器L1、受控开关S1和S2、门触点(gate contact)150、门触点152和二极管D1。升压转换器102具有耦合至电压源110的第一极的在节点114处的第一输入，以及耦合至电压源110的第二极的在节点116处的第二输入。本说明将这些节点称为升压转换器102的“输入”，因为在大多数操作条件下，电流将流进这些输入，然而在例如再生制动的一些操作条件下，电流可能沿负方向流动(再充电电流)。升压转换器102还具有在节点118处的第一输出极和节点116处的第二输出极之间定位的***100中的直流输出。
电感器L1耦合在节点114和节点112之间，并且用来抵抗直流电压中的波动，以及存储能量。对于该实施例的电感器L1的适当大小应该是大约50微亨。电感器L1可以与开关S1和S2结合使用，以通过交替地存储和释放电感器L1的电荷而增加(因此“升高”)电压源110的电压。
关于开关S1和S2，图示的实施例使用IGBT受控开关。然而实际上，可以使用其他类型的受控开关。受控开关S1耦合在节点112和节点118之间。在该实施例中，受控开关S1的集电极对应于节点118，并且受控开关S1的发射极对应于节点112。受控开关S2耦合在节点112和节点116之间。在该实施例中，受控开关S2的集电极对应于节点112，并且受控开关S2的发射极对应于节点116。根据机器106的额定功率、电源110的额定电压和节点118处的期望升高的电压而选择受控开关的电流容量。在该实施例中，所有受控开关的电流容量相同。门触点150和152的每一个耦合至控制器108，用于控制开关S1和S2的操作。分别将门触点150和152配置为响应于由控制器108提供的控制信号而允许电流流动或者阻挡电流流动。
在该应用中，受控开关S1和S2控制从电压源110流向逆变器104的电流。因此，由来自控制器108的控制信号接通和关断受控开关S1和S2，从而控制从电压源110流向逆变器104的电流，逆变器104又将直流转换为适于机器106使用的交流。受控开关S1与逆变器104结合控制并提供功率至机器106。受控开关S1和S2组合起来影响功率/电流是否从电压源110流出。
通过单独地或者一起改变开关S1和S2的关断和闭合时间，升压转换器102控制进入逆变器104的直流电压的幅值。实际上，通过逆变器104改变直流电压以保持固定的调制指数(Mi)。调制指数是逆变器104的输出电压与逆变器104运行在六步骤模式时的最大可能输出电压的比值。Mi等于1意味着逆变器104运行在六步骤模式下，并且Mi等于0意味着逆变器104产生0伏特的交流输出电压。RMS电容器电流应力在高调制指数下最小。升压转换器102可以用来保持例如大约0.9的Mi。与逆变器一起使用的高压直流电容器通常价格昂贵、体积庞大并且由于来自逆变器的高纹波电流而可能需要定期维修。在高Mi下操作逆变器减少了电容器纹波电流、电容器成本、尺寸，并且减少了故障。
可以控制开关S1以允许反向电流流进升压转换器102。因此，可以通过开关S1对电压源110再充电，开关S1允许再充电电流从三相负载106流向电压源110，其中再充电电流是从运行在发电机模式下的三相负载106流出的电流。此外，开关S1耦合在节点112和节点118之间。因此，在再生操作条件下控制开关S1持续导通以易于电压源110的再充电。
包括电容器C1以提供功率调节并且平滑逆变器104的电压浪涌。电容器C1具有耦合至节点116的第一极和耦合至节点118的第二极。包括电容器C1以缓冲电压源110和输出节点118之间的电能。实际上，电容器C1可以实现为超电容器或者任何适合的电容元件或电容性装置。电容器C1还可以表示在混合车辆的其他部件中自然存在的电容，所述其他部件例如有源电气总线和/或功率电子器件(这些部件可能包含电容器、功率输出级等等)。电容器C1的电容可以从一个应用到另一个应用变化，这取决于机器106所需的功率。在该实施例中，电容器C1的电容大约为1000微法。
逆变器104配置为响应于***100中存在的多个控制信号和反馈信号而产生用于负载(例如机器106)的交流输出。逆变器104本身是用于单电压源逆变器的通用体系结构，并且可以是三相或多相逆变器。对于本实例，逆变器104是一逆变器电路，其包括：受控开关Q2-Q7、二极管(参考数字120、122、124、126、128和130)以及门触点(参考数字132、134、136、138、140和142)。逆变器104具有耦合至节点118的第一输入和耦合至节点116的第二输入。逆变器104还具有一组如下耦合的交流输出：对应于节点144的第一交流输出、对应于节点146的第二交流输出和对应于节点148的第三交流输出。在本实施例中，受控开关Q2-Q7的各自的集电极和发射极如下耦合：Q2在节点118和节点144之间，Q4在节点118和节点146之间，Q6在节点118和节点148之间，Q3在节点116和节点144之间，Q5在节点116和节点146之间，Q7在节点116和节点148之间。
受控开关的电流容量与机器106的额定功率和总线118处的最大电压有关。在本实例中，所有受控开关Q2-Q7的电流容量相同。由于大多数负载包含电感，所以在受控开关上分别跨接二极管(参考数字120、122、124、126、128和130)以提供流过受控开关的双向电流。在这个方面，每一个受控开关Q2-Q7在其发射极和集电极之间包含相应的二极管，从而允许在再生操作期间来自负载的负电流对电压源110充电。实际上，在车辆的再生制动期间，机器106可以对电压源110再充电(假定电压源110是可再充电的设备)。在机器106的再生制动期间，电流从机器流进节点144、146和148(即，负的或再充电电流)。本实施例使用门触点132、134、136、138、140和142处理这样的电流。具体地，门触点耦合至控制器108以使得能够控制各个开关(为了简洁起见，在图1中没有示出从控制器108至每一个门触点的各个控制信号)。响应于来自控制器108的控制信号的电压而切换受控开关Q2-Q7以允许电流流动或者阻挡电流流动。在再生期间，开关被断开，使得负电流流过二极管，并且最终回到电压源110。
控制器108可以实现为车辆计算模块、集中式车辆处理器、专用于开关装置的子***计算模块等等的一部分。控制器108通常是软件控制的设备。在正常条件下，它操作受控开关S1、S2和Q2-Q7以产生车辆运行期间的三相交流电。
升压转换器102和逆变器104装置由控制器108激励，控制器108可以以允许控制输入信号154/158/164路由的方式耦合至装置102/104。优选地控制输入信号154/158/164由控制器108响应于各种控制模式和从升压转换器102和/或逆变器104获得的反馈信号156/160/162而产生。在运行中，控制器108接收反馈信号156/160/162，并且根据车辆当前的状态或所需的功率流(power flow)，例如是再生制动模式还是正常运行模式有效，控制受控开关的接通(actuation)。控制器108基于预定的切换模式而激活受控开关S1、S2和Q2-Q7，并且控制器可以配置为基于反馈信号156/160/162而调整该模式。这样，由控制器产生用于控制信号的控制模式从而激活(activate)受控开关S1、S2和Q2-Q7。每一个开关可以通过其相应的控制输入按照以下在图2的情形中所解释的预定占空比而被激活。
图2是说明使用用于电动、混合电动或燃料电池车辆的升压转换器控制高压直流总线的过程200的流程图，该过程可以由上述***100执行。过程200的实施例确定控制模式，产生多个控制和反馈信号，通过受控开关操作升压转换器，操作逆变器以产生用于给负载供电的交流输出，并且将功率传送至三相负载。关于过程200所执行的各种任务可以通过软件、硬件、固件或它们的任意组合来执行。为了说明的目的，过程200的以下描述可能引用上面关于图1提到的元件。在实际的实施例中，过程200的多个部分可以由直流升压转换器***100的不同元件执行，例如电压源110、升压转换器102、逆变器104和控制器108。
升压转换器操作过程200的该实施例首先确定控制模式(任务202)。可以通过考虑不同的状态条件，例如车轮的RPM、汽油引擎的功率输出、汽油引擎的RPM、电压源110中的充电量和这些参数之间的各种关系而进行该确定。例如，如果车辆在制动，那么如果电压源可再充电，机器应该将功率发送给电压源并且确定再生模式。在这方面，该控制模式可以仅允许来自电压源110的正电流，或者对电压源110和C1再充电的负电流。
接下来，过程200产生如上面在图1的情形中解释的控制信号和反馈信号(任务203)。然后过程200通过受控开关S1和S2操作升压转换器，从而基于该控制信号和反馈信号控制来自电压源的电流流经电感器并且进入逆变器(任务204)。使用受控开关S1和S2结合受控开关Q2-Q7和适当的控制，可以更精确地控制流向机器的电流。用预定的占空比切换S1和S2控制来自电压源110的功率流。可以一起或独立地使用脉宽调制(PWM)操作受控开关S1和S2和受控开关Q2-Q7，从而单独地或组合地为机器提供功率。由每秒的窄脉冲数量表示的频率被称为开关频率或载波频率。由于电感器L1可以用于存储电荷并且因此增加电压使其超过电压源110的电压，将来自受控开关S1和S2与受控开关Q2-Q7的电流结合起来使得允许更多的选择。使用例如受控开关S1和S2结合受控开关Q2-Q7的切换模式的组合，将产生更多变化水平的电压。该过程基本上将电源110的电压升高至节点118处的电压，使得逆变器104以固定的调制指数Mi运行，该固定调制指数Mi使得电容器C1上的RMS电流应力最小。在本实例中，调制指数大约为0.9。
然后，过程200通过受控开关Q2-Q7操作逆变器以产生用于给三相负载供电的交流输出(任务206)。对于本实施例，通过脉宽调制(PWM)控制信号使每一个受控开关Q2-Q7导通和关断。PWM提供控制信号以操作受控开关Q2-Q7，从而产生调制指数为Mi的期望交流输出电压。
通过控制发送给开关S1和S2的控制信号的占空比而调节来自电压源110的功率。基于需要多少来自电压源110的功率而确定占空比。在电动(motoring)过程中，当S2关断时，电压源110和电容器C1通过二极管D1并联连接，以通过逆变器104提供电流(功率)给机器106。在发电过程中，电流(功率)通过逆变器104和开关S1从机器106流向电压源110和电容器C1。通过如上面在图1的情形中解释的控制器控制用于开关S1和S2的控制信号的占空比。例如，在占空比为30％的条件下，开关S2在切换周期的30％导通。
然后过程200传送功率至负载(任务208)。对于本实施例，负载是电机。根据车辆操作模式，电机可以操作为通过逆变器接收来自电压源110的功率的负载，或者操作为将功率通过受控开关S1和S2以及受控开关Q2-Q7返还至第一电压源110的发电机。电机的性能取决于来自上述受控开关S1和S2以及受控开关Q2-Q7的切换的电流水平。然后过程200返回至任务202。
根据该方法，可以使用具有较低故障概率和成本的小尺寸电容器来控制高压直流总线，而不是使用昂贵的、大体积高压直流总线电容器。
虽然在上述具体实施例中给出了至少一个示范性实施例，应该理解存在大量的变化。还应该理解，一个或多个示范性实施例仅仅是实例，并且不打算以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反地，上述详细描述将为本领域技术人员提供实现一个或多个示范性实施例的便利指导方针。应该理解，可以在元件的功能和布置上进行不同的改变而不会脱离由随附的权利要求书及其法律等同物所限定的本发明的范围。

Claims (18)

1.一种直流升压转换器***，该***包括：
逆变器，其包括第一直流输入、第二直流输入、多个交流输出和多个第一控制输入，其中该多个交流输出配置为耦合至负载；
升压转换器，其耦合至第一节点、第一直流输入和第二直流输入，该升压转换器包括多个第二控制输入，其中该升压转换器配置为在第一节点和第二直流输入处耦合至直流电压源；
耦合在第一直流输入和第二直流输入之间的电容器；以及
控制器，其耦合至该多个第一控制输入和该多个第二控制输入，该控制器配置为接收来自逆变器的多个第一反馈信号和来自升压转换器的多个第二反馈信号，并且该控制器配置为控制流经升压转换器和逆变器的电流。
2.根据权利要求1所述的***，其中逆变器包括单电源多相逆变器。
3.根据权利要求1所述的***，其中升压转换器包括：
电感器，其耦合在第一节点和第二节点之间；
第一开关，其耦合在第二节点和第二直流输入之间，并且由该多个第二控制输入中的一个控制；以及
第二开关，其连接在第二节点和第一直流输入之间，并且由该多个第二控制输入中的另一个控制。
4.根据权利要求1所述的***，其中控制器还配置为控制该多个第一控制输入和该多个第二控制输入的占空比。
5.根据权利要求1所述的***，还包括耦合至该多个交流输出的多相负载。
6.根据权利要求1所述的***，其中升压转换器配置为在逆变器的第一直流输入和第二直流输入上产生具有高调制指数的电压。
7.根据权利要求6所述的***，其中该高调制指数大于0.9。
8.根据权利要求1所述的***，其中升压转换器配置为产生高于直流电压源的电压的电压。
9.一种用于升高直流电压的方法，该方法包括：
确定控制模式；
响应于该控制模式而产生多个控制信号和反馈信号；
基于该控制信号和反馈信号操作多个开关，从而控制来自电压源的电流流过电感器并且进入逆变器；
响应于该控制信号和反馈信号而产生用于给负载供电的多个交流输出；以及
通过逆变器将功率传送至负载。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括调制该多个控制信号以表示脉宽调制的信号。
11.根据权利要求9所述的方法，其中控制模式对应于允许再充电电流流至电压源的操作状态。
12.根据权利要求9所述的方法，其中基于用于该多个开关的第一组占空比产生多个交流输出。
13.根据权利要求9所述的方法，其中基于用于该多个开关的第二占空比而控制电流的流动。
14.根据权利要求9所述的方法，其中控制电流的流动产生具有高调制指数的电压。
15.根据权利要求14所述的方法，其中该高调制指数大于约0.9。
16.根据权利要求9所述的方法，其中控制电流的流动所产生的电压高于耦合至逆变器的电压源的电压。
17.一种直流升压转换器，包括：
第一直流输出；
第二直流输出；
具有第一端和第二端的电感器；
耦合在第二端和第二直流输出之间的第一开关；以及
耦合在第二端和第一直流输出之间的第二开关。
18.根据权利要求17所述的直流升压转换器，还包括耦合在第二端和第一直流输出之间的二极管，其中该二极管配置为允许电流流过升压转换器。
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