CN101951219B

CN101951219B - 旋转电机的功率变换器

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Publication number: CN101951219B
Application number: CN201010226039.7A
Authority: CN
Inventors: 近藤泰三; 多湖方一; 堀畑晴美
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-07-09
Also published as: FR2947970B1; US20110006710A1; JP2011036121A; FR2947970A1; CN101951219A; JP5510729B2; US8513907B2; DE102010017810A1

Abstract

提供了一种旋转电机的功率变换器，其被设计为即使在功率变换器处于瞬时状态或经受非期望变化的情况下，仍然保证期望长度的电流续流持续时间，其中在该电流续流持续时间内，允许电流从旋转电机续流。功率变换器配有控制器和布置在旋转电机的电源和绕组之间的开关电路。开关电路具有分组成上臂和下臂的开关。控制器进行工作以控制上臂和下臂之一的开关之一的断开操作，以在断开开关之一之后产生期望长度的电流续流持续时间，从而最小化整流损失并且避免电流从电源回流到绕组。

Description

旋转电机的功率变换器

技术领域

本发明一般涉及配备有开关电路和控制器的旋转电机的功率变换器，更具体地，涉及被设计为在处于瞬时状态或者经受非期望变化时保证改进的操作可靠性的功率变换器。

背景技术

转让给与本申请相同的受让人的日本专利第一次公开No.2004-7964公开了用于三相电动发电机的逆变器，并且教导了这样的技术：基于各相中另一相的MOS晶体管的接通时间，即断开该MOS晶体管的时间设置各相之一的MOS晶体管的断开时间，即断开该MOS晶体管的时间(即，在120度的电角前进之后)，并且基于电动发电机的速度或励磁电流控制器的开关的脉冲信号的占空因数以最大60度的电角来考虑断开定时。

上述***在120度到180度电角之间改变MOS晶体管的接通持续时间。根据电动发动机的速度或处于前馈模式的励磁电流控制器的开关的占空因数确定这个改变的范围。然而，当***处于瞬时状态或处理例如***特性的老化退化或周围温度变化的意外变化时，这种控制在准确地设置MOS晶体管的接通持续时间方面遇到困难，这导致断开时间的非期望的偏移。例如，当***处于瞬时状态时，由于激磁线圈的时间常数的影响，无论励磁电流控制器的开关的占空因数如何，可改变断开时间。当意外变化已发生时，也导致断开时间的非期望的偏移。断开时间的提前通常导致逆变器中整流损失的增加。相反地，断开时间的延迟导致电流从电源回流到电动发动机的绕组。换句话说，电流续流(freewheel)到充当整流装置的MOS晶体管的持续时间易变化，因而导致***运行可靠性的退化。

发明内容

因此，本发明的主要目的是避免现有技术的缺点。

本发明的另一个目的是提供一种旋转电机的功率变换器的改进结构，旋转电机被设计为保持电流续流持续时间恒定，从而当功率变换器处于瞬时状态或经受意想不到的变化时，保证功率变换器运行的可靠性。

根据本发明的一个方面，提供一种旋转电机，例如用于机动车辆的电动发电机的功率变换器。功率变换器包括：(a)开关电路，布置在旋转电机的电源和相绕组之间，该开关电路配有被分组成上臂和下臂的开关；和(b)控制器，其控制上臂和下臂的接通和断开操作。控制器控制上臂和下臂之一的接通和断开操作以将电流续流持续时间设置为上臂和下臂的所述之一的断开操作之后的选定时间长度，其中在所述电流续流持续时间内允许续流电流(flywheel current)，即从旋转电机续流的电流，从旋转电机流出，并且所述电流续流持续时间是在相绕组处感应的相电压超过第一阈值的时刻和所述相电压降到低于第二阈值的时刻之间的时间长度。

旋转电机不限于发电机。电动发电机也可以被用作旋转电机。上臂和下臂的数量取决于旋转电机的相的数量。旋转电机可以具有单个相、两个相，或三个或更多相。开关均可以通过FET(例如，MOSFET，JFET或MESFET)、IGBT、GTO或功率晶体管来实现。电流续流持续时间表示一个时间段，在该时间段中，当开关被控制在开关操作时，电流由于在相绕组处感应的电压(即，反电动势)而续流。可以针对整个功率变换器或针对每一个相设置电流续流持续时间。续流电流可以穿过开关中由P-N结形成的寄生二极管，并联连接到开关的整流装置(即，续流二极管)，或并联连接到开关的缓冲电路。定义电流续流持续时间的开始和结束的第一阈值和第二阈值取决于使用条件(例如，旋转电机类型、旋转电机的使用目的、旋转电机的相的数量、开关的类型、或并联连接到开关的整流装置或缓冲电路的存在)。第一和第二阈值之间的量值关系可以取决于使用条件。第一阈值可以大于或小于第二阈值。

如上所述，本发明的功率变换器进行工作以控制各臂之一的断开操作，以使电流续流持续时间保持期望长度，该期望长度在各臂之一的断开操作之后提供，从而保证设置将在接通-断开操作中后续控制其它臂的时间的准确性。这最小化整流损失，并且避免电流从电源回流到相绕组。

在本发明的优选模式中，当相电压达到第三阈值并且然后达到第四阈值时，控制器可以接通上臂和下臂之一。第三和第四阈值之间的量值关系可以取决于使用条件。控制器进行工作以在不使用旋转电机的角位置和旋转电机中的电流的情况下断开臂，因而消除了对测量旋转电机的角位置和旋转电机中的电流的传感器的需要。这导致功率变换器的生产成本的减少，和整流损失的减少，以及避免电流从电源回流到相绕组。

当相电流达到第五阈值时，控制器可以接通上臂和下臂之一。可以根据使用条件确定第五阈值。如果控制器在相电流已达到第五阈值时未接通臂之一，则导致整流损失的增加和电流从电源回流到相绕组。控制器的上述操作减轻了这样的问题。

当旋转电机的角位置达到指定位置时，控制器可以接通上臂和下臂之一。例如旋转变压器(resolver)或旋转编码器的位置传感器可以被用来测量旋转电机的角位置。可选地，可以使用来自另一传感器的输出数学计算角位置。如果已知旋转电机的参考角位置(例如，电角为零(0))，则可以根据从旋转电机经过该参考角位置时起经过的时间导出角位置。如果控制器在旋转电机的角位置已达到指定位置时未接通臂之一，则导致整流损失的增加和电流从电源回流到相绕组。控制器的上述操作减轻了这样的问题。

功率变换器还可以包含用于测量旋转电机的角位置和输出指示该角位置的信号的位置传感器。控制器可以根据来自位置传感器的输出断开上臂和下臂之一。例如，当由位置传感器调整的旋转电机的角位置达到0度、120度和240度电角中的一个时，控制器断开上臂和下臂之一以后续保证电流续流持续时间。如果例如速度突变的意外变化出现在旋转电机中，但是控制器在正常时间断开臂之一，则可以导致电流续流持续时间的开始时间的延迟，这导致无法保证期望长度的电流续流持续时间。控制器的上述操作减轻了这样的问题，因而无论旋转电机的工作条件如何，最小化整流的损失并且避免电流从电源回流到相绕组。

功率变换器还可以包含用于测量相绕组中产生的相电流和输出指示该相电流的信号的电流传感器。控制器可以根据来自电流传感器的输出断开上臂和下臂之一。如果例如速度突变的意外变化出现在旋转电机中，但是控制器在正常时间断开臂之一，则可以导致电流续流持续时间的开始时间的延迟，这导致无法保证期望长度的电流续流持续时间。控制器的上述操作减轻了这样的问题，因而无论旋转电机的电负载如何，最小化整流的损失并且避免电流从电源回流到相绕组。

控制器可以根据旋转电机的速度、相电流和相电压中的至少之一确定电流续流持续时间的长度。具体地，无论第一和第二阈值如何，控制器导出期望长度的电流续流持续时间。例如，控制器可以增加或减小由第一和第二阈值确定的电流续流持续时间。可选地，如果尚未提供电流续流持续时间，则控制器根据旋转电机的速度、相电流或相电压中的至少之一新确定所需长度的电流续流持续时间。这最小化整流的损失并且避免电流从电源回流到相绕组，导致功率变换器运行可靠性的提高。

当旋转电机的速度、相电流或相电压中的至少之一处于容许范围之外时，控制器可以立即或在经过指定时间段之后断开上臂和下臂之一。容许范围可以由每单位时间速度、相电流或相电压的变化的上限和下限或每单位时间其容许值来确定。如上所述，可以根据使用条件确定指定时间段。控制器的上述操作最小化了整流的损失，并且避免电流从电源回流到相绕组。

控制器把上臂和下臂置于断开状态，除非在相绕组中产生的电流大于给定值。换言之，当产生的电流变得大于给定值时，控制器开始切换上臂和下臂，从而保证旋转电机的控制的稳定。

控制器监视相电压。当相电压具有非正常值时，控制器可以断开上臂和下臂的对应部分或所有上臂和下臂以初始化功率变换器，从而避免无法控制臂以提高功率变换器运行的可靠性。

控制器可以监视上臂和下臂的开关的接通操作和断开操作之一的序列。当所监视的序列是非正常序列时，控制器可以断开上臂和下臂的对应部分或所有上臂和下臂以初始化功率变换器，从而避免无法控制臂以提高功率变换器运行的可靠性。

控制器可以根据电流续流持续时间断开上臂和下臂之一。这消除了对测量旋转电机的角位置或旋转电机中的电流的传感器的需要，因而最小化功率变换器的生产成本和整流的损失，并且避免电流从电源回流到相绕组。

当未提供电流续流持续时间时，控制器可以在比根据电流续流持续时间计算的时间更早的时间断开上臂和下臂之一。换句话说，当尚未确定电流续流持续时间时，控制器在比相电压达到第一阈值的时间，即由第一和第二阈值指定的电流续流持续时间的开始时间更早的时间断开臂之一。这保证允许续流电流流动的时间段，并且该时间段比电流续流持续时间的长度更长。

根据本发明的第二方面，提供一种多相旋转电机的功率变换器，包括：(a)开关电路，布置在旋转电机的电源和相绕组之间，该开关电路配有被分组成针对所述相绕组的每个的上臂和下臂的开关；和(b)控制器，其控制上臂和下臂的每一个开关的接通和断开操作。控制器控制上臂和下臂之一的开关之一的断开操作以将电流续流持续时间设置为所述开关的所述之一的断开操作之后的选定时间长度，其中在所述电流续流持续时间内允许续流电流，即从旋转电机续流的电流，从旋转电机流出，并且所述电流续流持续时间是在所述相绕组中与作为断开操作的目标的所述开关的所述之一相关联的相绕组处感应的相电压超过第一阈值的时刻和所述相电压降到低于第二阈值的时刻之间的时间长度。当相电压达到第三阈值并且然后达到第四阈值时，控制器接通所述开关的所述之一。

在本发明的优选模式中，控制器可以根据第一延迟时间断开开关的所述之一，所述第一延迟时间从接通目标开关，即各相之一的作为断开操作的目标的开关之一，或非目标开关，即所述各相中另一个的未作为断开操作的目标的开关之一的时刻开始。

控制器可以根据针对与所述开关的所述之一相关的各相之一设置的电流续流持续时间，断开所述开关的所述之一。

控制器可以根据针对非目标开关，即未作为断开操作的目标的所述开关之一设置的电流续流持续时间，断开开关的所述之一。

控制器可以在经过第二延迟时间之后，断开开关的所述之一，第二延迟时间从断开非目标开关，即现在未作为断开操作的目标的开关之一的时刻开始。

控制器可以根据旋转电机的速度、相电流或相电压中的至少之一，确定电流续流持续时间的长度。

当旋转电机的速度、相电流或相电压中的至少之一处于容许范围之外时，控制器可以立即或在经过指定时间段之后断开开关之一。

控制器把上臂和下臂置于断开状态，除非在相绕组的对应相绕组中产生的电流大于给定值。换言之，当产生的电流变得大于给定值时，控制器开始切换上臂和下臂，从而保证旋转电机的控制的稳定。

控制器可以监视相电压。当相电压具有非正常值时，控制器可以断开上臂和下臂的对应部分或所有上臂和下臂。

控制器可以监视上臂和下臂的开关的接通操作和断开操作之一的序列。当所监视的序列是非正常序列时，控制器可以断开上臂和下臂的对应部分或所有上臂和下臂。

当未提供电流续流持续时间时，控制器可以在比根据电流续流持续时间计算的时间更早的时间断开开关的所述之一。

根据本发明的第三方面，提供一种多相旋转电机的功率变换器，包括多个整流器模块，其进行工作以将多相旋转电机中产生的交流电流转换为直流电流。每个整流器模块是针对旋转电机的相绕组之一提供的，并且布置在电源和相绕组的所述之一之间。每个整流器模块配有充当上臂和下臂的开关和控制上臂和下臂的每个的接通操作和断开操作的控制器。控制器控制上臂和下臂之一的断开操作以将电流续流持续时间设置为上臂和下臂的所述之一的断开操作之后的选定时间长度，其中在所述电流续流持续时间内允许续流电流，即从所述相绕组中的对应相绕组续流的电流流出，并且所述电流续流持续时间是在所述相绕组中与作为断开操作的目标的上臂和下臂的所述之一相关联的目标相绕组处感应的相电压超过第一阈值的时刻和所述相电压降到低于第二阈值的时刻之间的时间长度。

附图说明

根据下面提供的详细说明和本发明的优选实施例的附图更加全面地理解本发明，然而，这些不应被用来将本发明限于特定实施例，而只是用于说明和理解的用途。

在附图中：

图1是根据本发明的功率变换器的电路图；

图2是示例出图1的功率变换器的控制模式的瞬时状态的图；

图3是驱动图1的功率变换器的逆变器电路的驱动控制程序的流程图；

图4和5是在图3的程序中执行的同步控制程序的流程图；

图6是演示图1的功率变换器的逆变器的臂的相电压和状态的变化的时序图；

图7(a)是针对旋转电机的不同速度演示相电压的变化的图；

图7(b)和7(c)是演示在预计旋转电机的速度突然改变时，如何改变电流续流持续时间的图；

图8是示例出旋转电机中相电压的变化的模式的图；

图9是示出根据本发明第二实施例的功率变换器的框图；而

图10是示出图9的功率变换器中安装的整流器模块的内部结构的电路图。

具体实施方式

参照附图，在若干附图中类似附图标记表示类似部分，具体在图1中，示出了根据本发明的功率变换器10。

在下面的论述中，″连接″是指″电连接″，除非另作说明。逻辑值遵循正逻辑。高水平(真、一(1)、或接通)由″H″表示，而低水平(假、零(0)、或断开)由″L″表示。

功率变换器10被设计为控制旋转电机20(也称作电动发电机)的操作(即，旋转或停止)，并且配备有励磁控制器12、驱动器16、控制器17、开关电路18和电源E。电源E在这里被称作直流(DC)电源。

旋转电机20由例如三相直流无刷电机(即励磁绕组同步电机)实现。旋转电机20包含星形连接的U相绕组Lu，V相绕组Lv和W相绕组Lw，，以及励磁电流If流过的励磁绕组Lf。

开关电路18是三相(即，U-相、V-相和W-相)逆变器电路，并且以电机模式工作以将从电源E提供的直流电压转换成三相交流电压以驱动旋转电机20，并且以发电机模式工作以全波整流来自于旋转电机20的三相交流电压。功率变换器10的基本操作(即，开关电路18)是典型的，并且这里省略了对其详细的说明。开关电路18配有开关Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，和整流装置D1、D2、D3、D4、D5和D6。开关Q1到Q6均可以通过MOSFET实现。整流装置D1到D6均可以通过二极管实现。开关Q1、Q3和Q5形成上臂。开关Q2、Q4和Q6形成下臂。开关Q1和Q4为U相工作。开关Q2和Q5为V相工作。开关Q3和Q6为W相工作。整流装置D1与开关Q1并联连接，并且充当续流二极管，其中从旋转电机20续流的电流流过该续流二极管。类似地，像整流二极管D1那样，整流装置D2到D6分别与开关Q2到Q6并联连接进行工作。

控制器17接收来自外部控制器(未示出)的指令，或来自各种传感器(未示出)的输出，以在电机模式产生开关Q1到Q6的控制信号，该控制信号为PWM(脉宽调制)信号，以及在发电模式产生用于通过开关Q1到Q6实现同步整流的控制信号，该控制信号为PWM信号。控制器17由CPU构成以执行逻辑程序，然而，可通过配备有一些电路元件的硬连线逻辑来实现。

驱动器16响应来自控制器17的控制信号，以产生和输出驱动信号到开关电路18的开关Q1到Q6的栅极，以接通或断开开关Q1到Q6。

励磁控制器12响应来自控制器17的输出，以控制流过励磁绕组Lf的励磁电流If。励磁控制器12由开关Q7和整流装置D7组成。例如，开关Q7是MOSFET。例如，整流装置D7是二极管。

功率变换器10也包含电流传感器11、13和14。电流传感器11测量流出旋转电机20的续流电流Ir的值。电流传感器13测量流过励磁绕组Lf的励磁电流If的值。电流传感器14测量流过U相绕组的U相电流Iu，流过V相绕组的V相电流Iv，和流过W相绕组的W相电流Iw的值。电流传感器11、13和14可以是配备有霍尔器件的磁类型的。功率变换器10还包含位置传感器15，其测量例如旋转电机20中装配的转子的旋转构件的角位置P。位置传感器15由磁或光学类型中任一种的旋转变压器构成。

下面将参考图2到8描述控制开关电路18的开关操作的功率变换器10的操作。图2演示了功率变换器10的瞬时状态。图3是驱动控制程序的流程图。图4和5是同步控制程序的流程图。图6是说明臂的相电压或状态的变化的时序图。图7(a)针对旋转电机20的不同速度演示了相电压的变化。图7(b)和7(c)演示了在预计旋转电机20的速度突然改变时相电压的变化。图8说明了相电压变化的波型的例子，以基于三相电压诊断旋转电机20。U相、V相和W相这三相只在电角方面不同，并且为了简化起见下面的论述只对U相进行。因此，开关Q1也被称为上臂。开关Q4也被称为下臂。

如图2所示，控制器17基于瞬时状态将控制信号输出到开关电路18。在图2中，环绕数字表示功率变换器10的顺序状态。如图3所示，在初始状态或状态0，功率变换器10处于驱动控制模式。如图4和5所示，在状态1到6，功率变换器10处于同步控制模式。如图2中演示的，对于U、V和W相，状态是一样的。如前所述，为了方便起见对U相进行以下论述。

在图2到5中使用以下条件。

C1：U相电流Iu大于初动电流(initial motion current)值Is(Iu＞Is)；

C2：控制状态为状态0；

C3：U相电压Vu低于阈值电压V_TH+(Vu＜V_TH+)；

C4：控制状态为状态1；

C5：U相电压Vu大于或等于阈值电压Vs(Vu≥VTH+)；

C6：控制状态为状态2；

C7：上臂的接通持续时间T_ONU大于或等于阈值持续时间T_THU(T_ONU≥T_THU)；

C8：控制状态为状态3；

C9：U相电压Vu低于阈值电压V_TH+(Vu＜V_TH+)；

C10：控制状态为状态4；

C11：U相电压Vu低于或等于阈值电压V_TH-(Vu＜V_TH-)；

C12：控制状态为状态5；

C13：下臂的接通持续时间T_OND大于或等于阈值持续时间T_THD(T_OND≥T_THD)；

C14：控制状态为状态6；和

C15：U相电压Vu低于阈值电压V_TH+(Vu＜V_TH+)。

初始状态表示在旋转电机20经受其工作条件的意外变化时，紧接在启动或初始化功率变换器10之后功率变换器10的状态。控制器17断开所有开关Q1到Q6。除非满足条件C1，否则初始状态持续。当满足条件C1时，进入状态0。

状态0是U相电压Vu开始被施加于旋转电机20的U相绕组Lu的状态。除非满足条件C3，否则状态0持续。当满足条件C3时，状态0转变为状态1。

状态1是U相电压Vu正在升高但是仍未达到阈值电压V_TH+的状态。除非满足条件C5，否则状态1持续。当满足条件C5时，状态1转变为状态2。

状态2是U相电压Vu超过阈值电压V_TH+的状态。控制器17接通上臂，即开关Q1。除非满足条件C7，否则状态2持续。当满足条件C7时，状态2转变为状态3。

状态3是开关Q1的接通持续时间超过持续时间阈值T_THU的状态。控制器17断开开关Q1。除非满足条件C9，否则状态3持续。当满足条件C9时，状态3转变为状态4。

状态4是由于断开开关Q1而在旋转电机20的U相绕组Lu处感应电压，使得电流续流到开关电路18的状态。除非满足条件C11，否则状态4持续。当满足条件C11时，状态4转变为状态5。

状态5是在旋转电机20的U相绕组Lu处感应的电压降到低于阈值电压V_TH-的状态。控制器17接通下臂，即开关Q4。除非满足条件C13，否则状态5持续。当满足条件C13时，状态5转变为状态6。

状态6是开关Q4的接通持续时间超过持续时间阈值T_THD的状态。控制器17断开开关Q4。除非满足条件C15，否则状态6持续。当遇到条件C15时，状态6回到状态1。

下面参考图3到5描述实现图2的瞬时状态的步骤序列。针对三个相：U相、V相和W相中的每一个执行图3到5的程序。为简单起见，下面仅涉及U相。

在进入驱动控制模式之后，启动图3的程序。例程前进到步骤10，其中控制器17断开上臂的开关Q1和下臂的开关Q4，并且控制状态被初始化成状态0。如上所述，这同样适用于V相和W相。具体地，在步骤10，所有开关Q1到Q6处于断开状态。当开关Q1到Q6全部断开时，使整流仅通过整流装置D1到D6实现。如以后描述的，这同样适用于步骤13。

在控制状态被初始化之后，例程前进到步骤11，其中控制器17监视旋转电机20的工作条件。具体地，控制器17分析位置传感器15的输出，以确定旋转电机20的角位置P和速度。另外，控制器17也分析电流传感器13和14的输出，并且分别确定励磁电流If和U相电流Iu(即，在U相绕组Lu中生成的电流)。使用U相电流Iu，可以根据U相绕组Lu的电阻值计算U相电压Vu。

例程前进到步骤12，其中确定如在步骤11导出的U相电流Iu是否大于初动电流值Is，即是否满足条件C1。如果得到意味着U相电流Iu低于或等于初动电流值Is的回答“否”，则控制器17断定U相电压Vu尚未施加于旋转电机10的U相绕组Lu。例程接着前进到步骤13，其中像在步骤10中那样，控制器17断开开关Q1和Q4，并且将控制状态置于状态0。例程接着返回到步骤11。

可选地，在步骤12得到意味着U相电流Iu大于初动电流值Is的回答“是”，控制器17断定U相电压Vu开始施加于旋转电机20的U相绕组Lu并且在步骤14进入同步控制模式。

当进入步骤14时，控制器17开始执行图4的程序。关于是否满足条件C2和C3进行第一次检查。具体地，在步骤20，确定是否满足控制状态0。如果得到回答“是”，则例程前进到步骤21，其中确定U相电压Vu是否低于阈值电压V_TH+，即是否满足条件C3。如果得到回答“是”，则控制器17断定U相电压Vu正在升高但是尚未达到阈值电压V_TH+。例程接着前进到步骤22，其中控制状态被设置成状态1。随后，进行第二次检查。步骤22用于识别电角，并且因而在控制状态已经为状态0的条件下进行。因此，仅当控制状态已经从功率变换器20被启动的初始状态变化时，或紧接在旋转电机经历意想不到的变化之后，进行步骤22。如果在步骤20得到意味着控制状态不是状态0的回答“否”，或如果在步骤21得到意味着U相电压Vu大于或等于阈值电压V_TH+的回答“否”，则进行第二次检查。

第二次检查要确定是否满足条件C4和C5。具体地，在步骤23，确定控制状态是否是状态1，即是否满足条件C4。如果得到回答“是”，则例程前进到步骤24，其中确定U相电压Vu是否大于或等于阈值电压V_TH+，即是否满足条件C5。如果得到回答“是”，则控制器17断定指定电压正施加于U相绕组Lu。

在步骤24，可选地，可以确定由电流传感器14测量的相电流(例如，U相电流Iu)是否大于或等于阈值电流I_TH+，或是否小于或等于阈值电流I_TH-。当旋转电机20正工作于发电机模式时，换言之，充当发电机时，可以确定流到外部载荷的电流是否大于或等于阈值电流I_TH+，或是否小于或等于阈值电流I_TH-。可选地，可以确定由位置传感器15测量的旋转电机20的转子的角位置P是否处于指定角度(例如，5度)。可以确定上述条件中的一些条件是否被同时满足。阈值电流I_TH+和阈值电流I_TH-优选地被确定为具有彼此不同的滞后值以避免抖动。参考电流值是升高时电流Ir的值，但是可以设置成降低时的值。

当满足条件C4和C5时，例程前进到步骤25，其中控制器17接通上臂的开关Q1，把指示开关Q1保持接通的时间长度的接通持续时间T_ONU初始化为零(0)，并且将控制状态置于状态2。例程接着执行第三次检查。可选地，如果在步骤23得到意味着控制状态不是状态1的回答“否”，或在步骤24得到意味着U相电流Vu低于阈值电压V_TH+的回答“否”，则例程执行第三次检查。

进行第三次检查以确定是否满足条件C6和C7。具体地，在步骤26，确定控制状态是否是状态2，即是否满足条件C6。如果得到回答“是”，则例程前进到步骤27，其中确定接通持续时间T_ONU是否大于或等于阈值持续时间T_THU。如果得到意味着达到开关Q1应当断开的时间的回答“是”，则例程前进到步骤29。

可选地，可以如下进行步骤27的确定。可以确定如由电流传感器14测量的相电流(例如，U相电流Iu)是否已经达到指定值。可选地，可以确定由位置传感器15测量的旋转电机20(即，转子)的角位置P是否处于指定角度(例如，150度)。可选地，可以确定是否达到第一延迟时间(例如，若干毫秒)，即，从三个相U、V和W中作为控制器17进行的断开操作的目标的相(例如，U相的开关Q1或Q4)或另一相(例如，V或W相)被接通开始所经过的时间。如果U相的开关Q1是要断开的目标，则控制器17确定是否已经达到从接通开关Q1或Q4开始，或现在未作为要断开的目标的W相的下臂的开关Q6开始所经过的第一延迟时间。可选地，可以确定第二延迟时间(例如，若干毫秒)是否已经达到，第二延迟时间是从现在未作为要断开的目标的非目标相的臂(例如，V或W相的开关)被断开开始所经过的时间。如果U相的开关Q1是要断开的目标，则控制器17确定是否已经达到从现在未作为要断开的目标的V相的下臂的开关Q5已经被断开开始所经过的第二延迟时间。现在作为控制器17要接通或断开的目标的开关Q1到Q6中的一个或三相U、V和W中的一个也被称为目标开关或目标相。开关Q1到Q6中的其它开关或三相U、V和W的其它相也被称为非目标开关或非目标相。可选地，在步骤27可以确定是否已经经过根据目标相的电流续流持续时间T_RU或T_RD中的任意一个选择的时间。可选地，可以确定旋转电机20的速度、相电流和相电压中的至少一个是否处于容许范围以外。例如，确定每单位时间旋转电机20的速度、相电流和相电压中的至少一个的变化是否上升超过上限或降到低于下限。如果上升超过上限或者降到低于下限，则例程前进到步骤29。下限和上限中的任一个或两者优选地根据环境条件来选择。如果未提供电流续流持续时间T_RU，则控制器17可以在接通持续时间T_ONU超过阈值持续时间T_THU之前，换言之，比根据电流续流持续时间T_RU计算的时间更早地确定已经满足条件C7。例程接着前进到步骤29以断开开关Q1。可以确定上述条件中的一些条件是否被同时满足。

下面将参考图7(a)描述每单位时间旋转电机20的速度变化处于容许范围之外的例子。上面曲线指示在旋转电机20的速度低时U相电压Vu的变化。下面的曲线指示在旋转电机20的速度高时U相电压Vu的变化。上面的和下面的曲线被绘制为在上臂要被接通的时间t12彼此一致。当在时间t12处接通上臂并且旋转电机20的速度较低时，在时间t15处断开的上臂会保证电流续流持续时间T_RU。如果在时间t12处接通上臂之后由于某种原因旋转电机20的速度经历突变，则即使在执行反馈控制时，与接通持续时间T_ONU的长度无关地在时间t15处断开上臂可导致难以保证所需长度的电流续流持续时间T_RU。

为避免上述问题，控制器17根据每单位时间旋转电机20的速度变化缩短接通持续时间T_RU，并且在比时间t15更早的时间t13处断开上臂。例如，速度变化的速率大于10000rpm/sec，第一和第二时间长度(后面会详细描述)被乘以1.5以减少阈值持续时间T_THU，从而经由步骤27导致接通持续时间T_ONU的减少。这保证所需长度的电流续流持续时间T_RU。图7(a)仅演示了上臂的情况。上述情况也适用于下臂。

在时间t12处接通上臂时的阈值电压V_TH4+和在时间t15和t18处接通下臂时的阈值电压V_TH4-也被称为第四阈值。也被称为第三阈值的阈值电压V_TTHa和V_TH3b被设置在阈值电压V_TH4+和V_TH4-之间。在图7(a)的例子中，阈值电压V_TH3a被确定为大于阈值电压V_TH3b，但是可选地，阈值电压V_TH3a可以被确定为小于或等于阈值电压V_TH3b(V_TH3a≤V_TH3b)。当U相电压Vu上升时，使用阈值电压V_TH3a。当U相电压Vu降低时，使用阈值电压V_TH3b。具体地，在图7(a)的例子中，U相电压Vu在时间ta处达到阈值电压V_TH3a，以及在时间tb和tc处达到阈值电压V_TH3b。

回来参照图4，如果在步骤27得到意味着满足条件C6和C7的回答“是”，则例程前进到步骤29，其中控制器17断开开关Q1，将开关Q1的电流续流持续时间T_RU初始化为零(0)，并且将控制状态设置为状态3。随后进行第四次检查。可以在满足条件C6和C7的同时(即，无任何时间间隔)，或在从满足条件C6和C7开始经过指定时间段之后，断开开关Q1。

如果在步骤26得到意味着尚未满足条件C6，即，控制状态不是状态2的回答“否”，则进行第四次检查。可选地，如果在步骤27得到意味着控制状态为状态2的回答“否”，但是接通持续时间T_ONU小于阈值持续时间T_THU(T_ONU＜T_THU)，则例程前进到步骤28，其中接通持续时间T_ONU增加。例程接着前进到第四次检查。

第四次检查要确定是否满足条件C8和C9。具体地，在步骤30，确定控制状态是否是状态3，即是否满足条件C8。如果得到回答“是”，则例程前进到步骤31，其中确定U相电压Vu是否低于阈值电压V_TH+，即是否满足条件C9。如果得到回答“是”，则表示通过在步骤29断开开关Q1产生的续流电流Ir正从旋转电机20流到整流装置D1。例程接着前进到步骤33，其中控制器17计算后续控制循环中使用的阈值持续时间T_THU，并且将控制状态设置成状态4。例程前进到第五次检查。在步骤33，根据以下公式(1)确定后续控制循环中使用的阈值持续时间T_THU。

后续控制循环中使用的阈值持续时间T_THU＝这个控制循环中的阈值持续时间T_THU+(第一时间长度-电流续流持续时间T_RU)---(1)

等式(1)中的第一时间长度被确定为后续控制循环中使用的电流续流持续时间T_RU的期望或目标值。可以根据旋转电机20的速度、相电流和相电压中的至少一个确定电流续流持续时间T_RU。可以使用为上臂或下臂中任意一个或三个相中的任何相准备的电流续流持续时间T_RU。

参考图7(a)讨论了当电流续流持续时间T_RU被设置成标准值并且旋转电机20的速度经历突变时控制器17的操作。下面将参考图7(b)和7(c)描述当旋转电机20的速度预计突然变化时控制器17的其它操作。

在图7(b)的例子中，电流续流持续时间T_RU变为比图7(a)的例子中的续流持续时间T_RU更长。例如，控制器17可以在每单位时间旋转电机20的速度的变化超过第一变化阈值时，或每当控制器17期望时，改变或增加电流续流持续时间T_RU。电流续流持续时间T_RU越长，在后续控制循环中使用的、要在等式(1)中计算的阈值持续时间T_THR越短。这使得经由步骤27确定的接通持续时间T_ONU更短。因此，即使在上臂接通之后由于某种原因旋转电机20的速度突然提高，仍得到期望值的电流续流持续时间T_RU。对于下臂同样如此，并且这里省略其详细说明。

在图7(c)的例子中，第一时间长度被设置为小于图7(a)的例子中的第一时间长度。例如，控制器17可以在每单位时间旋转电机20的速度的变化超过第二变化阈值时，或每当控制器17期望时，改变或降低第一时间长度。第二变化阈值可以等于或不同于第一变化阈值。与图7(b)相比，第一时间长度越小，用于后续控制循环的、要在等式(1)中计算的阈值持续时间T_THR越短。这使得经由步骤27确定的接通持续时间T_ONU更短。因此，即使在上臂接通之后由于某种原因旋转电机20的速度突然提高，由于已经缩短接通持续时间T_ONU，所以也会得到期望值的电流续流持续时间T_RU。对于下臂同样如此，并且这里省略其详细说明。

回来参照图4，如果在步骤30得到意味着控制状态不是状态3的回答“否”，则进行第五次检查。类似地，如果在步骤31得到意味着控制状态为状态3的回答“否”，但是U相电压Vu大于或等于阈值电压V_TH+，则例程前进到步骤32，其中电流续流持续时间T_RU增加。例程接着前进到第五次检查。

在图5的步骤40和41中进行第五次检查，以确定是否满足条件C10和C11。

在步骤40，确定是否满足控制状态4。如果得到回答“是”，则例程前进到步骤41，其中确定U相电压Vu是否低于或等于阈值电压V_TH-，即是否满足条件C11。如果得到回答“是”，则控制器17断定流出旋转电机20的续流电流Ir几乎消失。如上参考图4所述，在步骤41的确定可以可选地以其它方式进行。在图5的步骤序列中，例如，非目标臂指示开关Q1。

如果在步骤41得到意味着满足条件C11的回答“是”，则例程前进到步骤42，其中控制器17接通下臂的开关Q4，将指示开关Q4保持接通的时间长度的接通持续时间T_ONU初始化为零(0)，并且将控制状态设置为状态5。例程接着执行第六次检查。可选地，如果在步骤40得到意味着控制状态不是状态4的回答“否”，或在步骤41得到意味着控制状态是状态4的回答“否”，但是U相电流Vu大于阈值电压V_TH-，则例程执行第六次检查。

进行第六次检查以确定是否满足条件C12和C13。具体地，在步骤43，确定控制状态是否是状态5，即是否满足条件C12。如果得到回答“是”，则例程前进到步骤44，其中确定接通持续时间T_ONU是否大于或等于阈值持续时间T_THD。如果得到意味着已经达到开关Q4应当断开的时间的回答“是”，则例程前进到步骤46。如在图4的步骤27中描述的，在步骤44的确定可以可选地以其它方式进行。如果未提供电流续流持续时间T_RD，则控制器17可以在接通持续时间T_OND超过阈值持续时间T_THD之前，换言之，比根据电流续流持续时间T_RD计算的时间更早地断定已经满足条件C13，并且在下面的步骤46断开开关Q4。

具体地，如果已经满足条件C12和C13，则例程前进到步骤46，其中控制器17断开开关Q4，将电流续流持续时间T_RD初始化为零(0)，并且将控制状态设置为状态6。例程接着前进到第七次检查。可以在满足条件C12和C13的同时(即，无任何时间间隔)，或在从满足条件C12和C13开始经过指定时间段之后，断开开关Q4。

如果在步骤43得到意味着控制状态不是状态5，即未满足条件C12的回答“否”，则例程前进到第七次检查。可选地，如果在步骤45得到意味着控制状态为状态5的回答“否”，但是接通持续时间T_OND小于阈值持续时间T_THD(T_OND＜T_THD)，则例程前进到步骤45，其中接通持续时间T_OND增加。例程接着前进到第四次检查。

第七次检查要确定是否满足条件C14和C15。具体地，在步骤47，确定控制状态是否是状态6，即是否满足条件C14。如果得到回答“是”，则例程前进到步骤48，其中确定U相电压Vu是否低于阈值电压V_TH+，即是否满足条件C15。如果得到回答“是”，则表示通过在步骤46断开开关Q4产生的续流电流Ir正从旋转电机20流到整流装置D4。例程接着前进到步骤50，其中控制器17确定后续控制循环中使用的阈值持续时间T_THD，并且将控制状态设置成状态1。例程接着前进到步骤51，其中在步骤50，根据以下公式(2)确定后续控制循环中使用的阈值持续时间T_THD。

后续控制循环中使用的阈值持续时间T_THD＝这个控制循环中的阈值持续时间T_THD+(第二时间长度-电流续流持续时间T_RD)---(2)

等式(2)中使用的第二时间长度被确定为后续控制循环中使用的电流续流持续时间TRD的期望或目标值。如上所述，第二时间长度可以被选择为等于或不同于第一时间长度。可以根据旋转电机20的速度、相电流和相电压中的至少一个确定电流续流持续时间T_RD。可以使用为上臂或下臂中的任一个或三个相U、V和W中的任何相准备的电流续流持续时间T_RD。

如果在步骤47得到意味着控制状态不是状态6的回答“否”，则例程前进到步骤51。可选地，如果控制状态为状态6，但是U相电压Vu大于或等于阈值电压V_TH+，即在步骤48得到回答“否”，则例程前进到步骤49，其中电流续流持续时间T_RD增加。例程接着前进到步骤51。

在步骤51，控制器17执行相电压诊断功能，以根据相电压Vu、Vv和Vw的组合诊断旋转电机20。例程接着前进到步骤52，其中控制器17执行相电压诊断功能，以根据驱动或激励开关Q1到Q6的驱动模式诊断旋转电机20。后面会参考图8详细描述步骤51和52中的诊断操作。在步骤52之后，例程终止同步控制任务，然后返回到步骤20以再次开始。如果在步骤51或52确定旋转电机20出故障，则控制器17可以开始执行图3的驱动控制程序，或可选地断开上臂和下臂中出故障的臂的对应部分。例如，如果U相出故障，则控制器17可以断开开关Q1和Q4。

下面参考图6讨论图3到5中的步骤序列的例子。在图6中，横坐标轴指示时间。最上面的曲线指示U相电流Iu的受控变化。第二曲线指示V相电压Vu的受控变化。第三和第四曲线指示开关Q1和Q4的接通-断开操作。第五曲线指示电流续流持续时间T_RU。第六曲线指示电流续流持续时间T_RD。假定当接通或复位功率变换器10时，在时间t0处初始化功率变换器10。

当在时间t1处U相电压Vu超过阈值电压V_TH-时，功率变换器10的控制状态(即，开关电路18)处于状态1(参见图4中的步骤22)。随后，当在时间t2处U相电压Vu超过阈值电压V_TH+时，控制状态处于状态2(参见图4的步骤25)。在后续控制循环(即，后续接通-断开周期)中与时间t2一致的时间t2和时间t8处，U相电流Iu超过阈值电流I_TH+。阈值电流I_TH+也被称为第五阈值。

当进入状态2时，控制器17接通上臂的开关Q1，使得U相电压Vu会处于阈值电压V_TH+和电源E的电压V_B+(在正端子)之间。只要开关Q1保持接通，则接通持续时间T_ONU继续增加(参见步骤28)。

在接通持续时间T_ONU超过阈值持续时间T_THU的时间t3处，开关Q1被断开，使得控制状态处于状态3(参见图4的步骤29)。当开关Q1被断开使得续流电流Ir从旋转电机20流出时，会使得U相电压Vu上升高于阈值电压T_TH+。在时间t3处使用的阈值电压V_TH+被称为第一阈值。只要U相电压Vu在阈值电压V_TH+之上，则电流续流持续时间T_RU继续增加(参见步骤32)。电流续流持续时间T_RU持续，直到U相电压Vu随续流电流Ir的减少而减少到低于阈值电压V_TH+的时间t4。在时间t4处使用的阈值电压V_TH+被称为第二阈值。在这个实施例中，第一和第二阈值被确定为具有相同值，但是可以可选地彼此不同。

在时间t4处，控制状态处于状态4。当续流电流Ir的流动消失时，会导致U相电压Vu快速下降。当在时间t5处U相电压Vu降到低于阈值电压V_TH-时，控制状态处于状态5(参见图5的步骤42)。在时间t5处，U相电流Iu低于阈值电流I_TH-。阈值电流I_TH-是第五阈值。在状态5中，接通下臂的开关Q4，使得U相电压Vu处于阈值电压V_TH-和电源E的电压V_B-(在负端子)之间。只要开关Q4保持接通，则接通持续时间T_OND继续降低(参见图5的步骤45)。

在接通持续时间T_OND超过阈值持续时间T_THD的时间t6处，开关Q4被断开，使得控制状态处于状态6(参见图5的步骤46)。当开关Q4被断开使得续流电流Ir从旋转电机20流出时，会使得U相电压Vu降到低于阈值电压T_TH-。在时间t6处使用的阈值电压V_TH-对应于第一阈值。只要U相电压Vu低于阈值电压V_TH-，则电流续流持续时间T_RD持续增加(参见步骤49)。电流续流持续时间T_RD持续，直到U相电压Vu超过阈值电压V_TH-的时间t7。在时间t7之后，重复与时间t1到时间t7之间的操作相同的操作。在时间t7处使用的阈值电压V_TH-对应于第二阈值。时间t7之后U相电压Vu的上升与时间t1之后U相电压Vu的上升相同。阈值V_TH-也对应于第二阈值。

下面将参考图8详细地描述图5的步骤51中进行的诊断。在图8中，横坐标轴指示时间。最上面的曲线指示U相电压Vu。第二曲线指示V相电压Vv。第三曲线指示W相电压Vw。

例如，首先参考U相电压Vu描述接通开关Q1和Q4中的每个的时间。接通上臂的开关Q1的时间t20和接通下臂的开关Q4的时间t26之间的间隔相当于180度的电角。类似地，接通开关Q4的时间t26和接通开关Q1的时间t32之间的间隔相当于180度的电角。换句话说，按照180度的电角间隔，交替地接通上臂的开关Q1和下臂的开关Q4。对于相对U相电压Vu偏移120度电角的V相电压Vv，和相对U相电压Vu偏移240度电角的W相电压Vw，情况也是如此。交替地断开上臂的开关Q1和下臂的开关Q4的时间对于V和W相也是如此。

下面将描述接通上臂的开关Q1到Q3的时间。接通U相的开关Q1的时间t20和接通V相的开关Q2的时间t24之间的间隔相当于120度的电角。接通V相的开关Q2的时间t24和接通W相的开关Q3的时间t28之间的间隔相当于120度的电角。类似地，接通W相的开关Q3的时间t28和接通U相的开关Q1的时间t32之间的间隔相当于120度的电角。具体地，在120度电角的循环中，按所列顺序，顺序地接通开关Q1、Q2和Q3。对于下臂的开关Q4、Q5和Q6，情况也是如此。断开开关Q4、Q5和Q6的时间对于V和W相也是如此。

当旋转电机20正常旋转时，开关Q1到Q6的上述顺序接通-断开操作会产生电压，如下面表1所列。表1表示U相的开关Q1和Q4被接通或断开时，U相、V相和W相电压Vu、Vv和Vw。通过V相的开关Q2和Q5和W相的开关Q3和Q6的接通-断开操作也获得相同电压。

表1

如果U相、V相和W相电压Vu、Vv和Vw中的至少一个具有不同于表1中所列出的值，这意味着旋转电机20处于瞬时状态或经受意外变化，换言之，除表1所列之外的电压水平正施加于开关Q1到Q6中的至少一个。在这种情况下，开关电路18的控制状态处于初始状态。具体地，控制器17执行图3的步骤10以断开所有开关Q1到Q6，并且再一次开始驱动控制程序和同步控制程序。可选地，控制器17可以断开属于U相、V相和W相中处于异常电压水平的相的上臂的开关Q1到Q3之一和下臂的开关Q4到Q6之一，并且继续执行上述操作。

下面将详细地描述图5的步骤52中进行的诊断。当旋转电机20正常旋转时，控制器17以如下所示的相继次序控制开关Q1到Q6的接通操作。上述情况也适用于开关Q1到Q6的断开操作。

U相的上臂(即，开关Q1)→W相的下臂(即，开关Q6)→V相的上臂(即，开关Q2)→U相的下臂(即，开关Q4)→W相的上臂(即，开关Q3)→W相的下臂(即，开关Q5)

如果开关Q1到Q6的接通或断开操作没有按上述相继次序执行，则表示旋转电机20处于瞬时状态或经受意外变化。在这种情况下，无论在步骤51的诊断如何，开关电路18的控制状态处于初始状态。具体地，控制器17执行图3的步骤10以断开所有开关Q1到Q6，并且再一次开始驱动控制程序和同步控制程序。可选地，控制器17可以断开属于U相、V相和W相中与上述相继次序失配的相的上臂的开关Q1到Q3之一和下臂的开关Q4到Q6之一，然后继续执行上述操作。

这个实施例的功率变换器10具有以下优点。

如从图4、5和6可以看出的，控制器17进行工作以控制上臂和下臂(例如，开关Q1、Q2或Q3)之一的断开操作，以保证U相电压Vu超过阈值电压T_TH+(即，第一阈值)的时间和U相电压Vu随后降到低于阈值电压T_TH+(即，第二阈值)的时间之间的期望长度的时间(例如，电流续流持续时间T_RU)，在该时间中，允许续流电流Ir从旋转电机20流出。对V相电压Vv和W相电压Vw进行相同操作。作为在断开操作中控制的目标臂的上臂和下臂之一根据循环控制定时对应于开关Q1、Q2和Q3或开关Q4、Q5和Q6。控制器17分别将电流续流持续时间T_RU和T_RD保持在第一和第二时间长度，从而保证设置要在后续控制循环中控制臂(例如，开关Q4、Q5和Q6)之一的时间的准确度。这导致整流损失的减少，并且避免电流从电源E回流到相绕组Lu、Lv或Lw。

当U相电压Vu超过阈值电压V_TH3a(即，第三阈值)，然后达到阈值电压V_TH4+(即，第四阈值)时，如从步骤23和24和图7可以看出的，控制器17接通开关Q1(即，上臂)。类似地，当U相电压Vu降到低于阈值电压V_TH3b(即，第三阈值)，然后达到阈值电压V_TH4-(即，第四阈值)时，如从步骤40和41和图7可以看出的，控制器17接通开关Q4(即，下臂)。控制器17用和U相电压Vu同样的方式控制V相电压Vv和W相电压Vw。通过上述方案，控制器17进行工作以控制开关电路18的臂的开操作，而不使用角位置P和电流，因而排除对测量旋转电机20的角位置P和旋转电机20中的电流的传感器的需要。这导致功率变换器10的生产成本的减少，和整流损失的减少，以及避免电流从电源E回流到相绕组Lu、Lv或Lw。

当U相电流Iu达到第五阈值(即，阈值电流I_TH+或I_TH-)时，控制器17接通开关Q1或开关Q4(参见图4的步骤24和图5的步骤41)。控制器17还对V相电流Iv和W相电流Iw执行相同操作。如果在U相电流Iu、V相电流Iv和W相电流Iw达到第五阈值时控制器17未以上述方式接通开关Q1到Q6，则导致整流损失增加，并且电流从电源E回流到相绕组Lu、Lv和Lw。然而，上述操作减轻这些问题。

当旋转电机20的角位置P达到指定位置时，如上所述，控制器17可以进行工作以接通开关Q1或开关Q4(参见图4的步骤24和图5的步骤41)。如果在角位置P已经达到指定位置时控制器17未以上述方式接通开关Q1到Q6，则导致整流损失增加的可能性增加，并且电流从电源E回流到相绕组Lu、Lv和Lw。然而，上述操作减轻这些问题。

控制器17可以被设计为根据来自位置传感器15的输入断开上臂和下臂之一(参见图4的步骤27和图5的步骤46)。如果意外变化(例如，速度突变)出现在旋转电机20中，则可能无法保证期望长度的电流续流持续时间T_RU或T_RD。然而，当旋转电机20的位置达到指定位置时，控制器17断开臂之一，从而保证期望长度的电流续流持续时间T_RU或T_RD。无论旋转电机20的操作如何，这最小化整流的损失，并且避免电流从电源E回流到相绕组Lu、Lv或Lw。

可选地，控制器17可以被设计为根据来自电流传感器14的输入断开上臂和下臂之一(参见图4的步骤27和图5的步骤46)。如果意外变化(例如，速度突变)出现在旋转电机20中，则可能无法保证期望长度的电流续流持续时间T_RU或T_RD。然而，当旋转电机20中的相电流达到指定数值时，控制器17断开臂之一，从而保证期望长度的电流续流持续时间T_RU或T_RD。无论旋转电机20的操作如何，这最小化整流的损失，并且避免电流从电源E回流到相绕组Lu、Lv或Lw。

控制器17可以被设计为根据第一延迟时间，即从目标相的臂之一或非目标相的臂之一被接通开始所经过的时间，断开上臂和下臂之一(即，目标臂)(参见图4的步骤27和图5的步骤46)。如果意外变化(例如，速度突变)出现在旋转电机20中，则可能无法保证期望长度的电流续流持续时间T_RU或T_RD。然而，控制器17进行工作以在接通目标相或非目标相的上臂和下臂之一之后经过指定时间段(即，第一延迟时间)后断开上臂和下臂之一，从而保证期望长度的电流续流持续时间T_RU或T_RD。例如，如果U相的开关Q1作为断开操作的目标，则控制器17在从接通开关Q1或接通不是断开操作的目标的W相的下臂的开关Q6开始经过第一延迟时间之后断开。无论旋转电机20的操作如何，这最小化整流的损失，并且避免电流从电源E回流到相绕组Lu、Lv或Lw。

控制器17可以被设计为根据针对U、V和W相中的目标(即，目标相)提供的电流续流持续时间T_RU或T_RD来断开上臂和下臂之一(参见图4的步骤27和图5的步骤46)。具体地，无论旋转电机20的角位置P或旋转电机20的电流如何，控制器17根据针对目标相提供的电流续流持续时间T_RU或T_RD控制目标相的臂的操作。这消除了对测量旋转电机20中的角位置P或电流的传感器的需要，从而导致功率变换器10的生产成本的减少和整流损失的减少，以及避免了电流从电源E回流到相绕组Lu、Lv或Lw。

可选地，控制器17可以被设计为根据针对U、V和W相中的非目标(即，非目标相)提供的电流续流持续时间T_RU或T_RD来断开上臂和下臂之一(参见图4的步骤27和图5的步骤46)。具体地，无论旋转电机20的角位置P或旋转电机20的电流如何，控制器17根据针对非目标相提供的电流续流持续时间T_RU或T_RD控制目标相的臂的操作。这消除了对测量旋转电机20中的角位置P或电流的传感器的需要，从而导致功率变换器10的生产成本的减少和整流损失的减少，以及避免了电流从电源E回流到相绕组Lu、Lv或Lw。另外，即使目标相经受循环电气干扰，控制器17仍根据非目标相控制臂的操作，从而最小化控制操作的误差，并且提高控制器17的反应速度。

可选地，控制器17可以被设计为根据第二延迟时间，即从非目标相的臂被断开起经过的时间，断开U、V和W相中的目标相的上臂和下臂之一(参见图4的步骤27和图5的步骤46)。具体地，在断开非目标相的臂之后经过指定时间段(即，第二延迟时间)后，控制器17进行工作以断开目标相的上臂和下臂之一，因而消除对测量旋转电机20的角位置P或旋转电机20中的电流的传感器的需要。这导致功率变换器10的生产成本的减少，无论旋转电机20的操作如何而最小化整流的损失，并且避免电流从电源E回流到相绕组Lu、Lv或Lw。另外，即使目标相经受循环电气干扰，控制器17可以根据非目标相控制臂的操作，从而最小化控制操作的误差，并且提高控制器17的反应速度。

控制器17可以被设计为根据速度、相电流Lu、Lv或Lw或相电压Vu、Vv或Vw中的至少一个确定电流续流持续时间T_RU或T_RD(参见图4的步骤33和图5的步骤50)。具体地，无论第一和第二阈值如何，控制器17指定或改变电流续流持续时间T_RU或T_RD的长度。例如，控制器17可以增加或减少由第一和第二阈值确定的电流续流持续时间T_RU或T_RD。可选地，如果电流续流持续时间T_RU或T_RD尚未提供，则控制器17根据旋转电机20的速度、相电流或相电压中的至少一个，新确定所需长度的电流续流持续时间T_RU或T_RD。这保证允许续流电流Ir从旋转电机20流出的期望长度的时间段。这导致整流的损失的减少，避免电流从电源E回流到相绕组Lu、Lv或Lw，并且提高功率变换器10运行的可靠性。

控制器17可以被设计为在旋转电机20的速度、相电流Iu、Iv或Iw和相电压Vu、Vv或Vw中的至少一个处于容许范围之外的同时或之后预定时间段处断开开关电路18的臂(参见图4的步骤27和29和图5的步骤44和46)。具体地，如果意外变化(例如，速度突变)出现在旋转电机20中，使得旋转电机20的速度、相电流Iu、Iv或Iw和相电压Vu、Vv或Vw中的至少一个处于容许范围之外，则控制器17断开臂，从而保证期望长度的电流续流持续时间T_RU或T_RD。这最小化整流的损失，并且避免电流从电源E回流到相绕组Lu，Lv或Lw。

控制器17可以这样设计：当通过断开上臂和下臂之一产生的续流电流Ir达到参考电流值时，上臂和下臂中的其它臂被接通(参见图4的步骤24和25和图5的步骤41和42)。这避免续流电流Ir过多流到上臂和下臂之一，从而保证功率变换器10运行的可靠性。

控制器17在开关电路18的上臂和下臂的每个在接通-断开操作中正受控制时监视相电压Vu、Vv和Vw。如果相电压Vu、Vv和Vw中的至少一个具有非正常水平，则控制器17禁用臂的对应部分或所有臂(参见步骤51和表1)。具体地，控制器17断开臂的对应部分或所有臂以将控制状态置于初始状态，从而阻止对应臂由于相电压Vu、Vv和Vw之一被施加到开关Q1到Q6中的对应开关而失去控制。

控制器17进行工作以诊断与相U、V和W相关的臂的接通-断开操作序列。如果发现所诊断的序列不同于指定序列，则如在图5的步骤52和图8中描述的，控制器17禁用臂的对应部分或所有臂(即，开关Q1到Q6)。具体地，在上述情况下，控制器17断定旋转电机20出故障并且断开臂的对应部分或所有臂以使控制状态处于初始状态，从而阻止对应臂由于臂的接通-断开操作序列的改变而失去控制，这保证功率变换器10运行的可靠性。

当未提供电流续流持续时间T_RU或T_RD时，控制器17在比根据电流续流持续时间T_RU或T_RD计算的时间更早的时间断开臂(参见图4的步骤29和图5的步骤46)。例如，控制器17缩短后续控制循环中使用的、等式(1)或(2)中指定的阈值持续时间T_THU或T1D，使得开关Q1和Q4在电流续流持续时间T_RU或T_RD开始之前被断开(即，图6中的时间t3或时间t6)。这保证允许续流电流Ir流出旋转电机20的、比电流续流持续时间T_RU或T_RD更长的时间段，从而最小化整流的损失并且避免电流从电源E回流到相绕组Lu、Lv或Lw，这会导致运行功率变换器10的可靠性提高。

当相绕组Lu、Lv和Lw的每个中产生的电流大于指定值时，控制器17进行工作以执行开关操作，从而接通开关Q1到Q6中的对应开关。换言之，当相电流Iu、Iv和Iw中的每个不是足够大以保证旋转电机20的控制的稳定(参见图3的步骤13)时，控制器17将开关Q1到Q6中的对应开关保持在断开状态。控制器17可以被设计为在开关Q1到Q6的开关操作期间监视相电压Vu、Vv和Vw中的每个，并且当相电压Vu、Vv和Vw中的任何一个小于指定值时，保持开关Q1到Q6中的对应开关断开以避免旋转电机20的控制的不稳定。控制器17监视相电流Iu、Iv和Iw，而不是监视相电压Vu、Vv和Vw。

虽然根据优选实施例公开了本发明以利于对其更好地理解，然而应当理解，本发明可以以各种方式实现而不偏离本发明的原理。因此，应当理解，本发明包含所有可能实施例和对所示实施例的修改，其可以在不偏离所附权利要求书中提出的本发明的原理的前提下实现。

上述实施例的控制器17使用来自电流传感器14的输出测量相电流Iu、Iv和Iw(参见图3的步骤11)，但是可以被设计为根据例如旋转电机20的角位置P或速度或励磁电流If的其它参数计算相电流Iu、Iv和Iw。例如，在这种情况下，可取的是，要由整流装置D1和D4整流的相电流Iu被修形成梯形波形。当所计算的相电流Iu、Iv和Iw超过初动电流值Is时，控制器17可以发现相电流Iu、Iv和Iw开始被施加到旋转电机20的相绕组Lu、Lv和Lw的事实，因而如在上述实施例中描述的那样得到相同操作和效果。

条件C3需要U相电压Vu降到低于V_THA-以便知道电角(参见图4的步骤21)，然而可以在步骤21检查另一条件。例如，可以确定如经由电流传感器14测量的相电流(例如，U相电流Iu)是否已经达到指定电流值。也可以确定经由位置传感器15测量的旋转电机20的角位置P是否达到指定角位置。可以使用这些条件的任一个或两个。

上述实施例的励磁控制器12包括开关Q7和整流装置D7，然而可选地，可以由交流发电机的调节器电路形成。该结构也可以控制励磁电流If，因而得到与上述实施例中的操作和效果相同的操作和效果。

电流传感器11、13和14中的每一个是配备有霍尔器件的磁类型的，但是可选地，可以由另一类型的电流传感器形成。例如，可以使用电磁感应型传感器或法拉第效应传感器。在使用电磁感应型传感器的情况下，环形铁芯和线圈被围绕电流汇流条布置，以测量由相电流的流动产生的感应电动势。在使用法拉第效应传感器的情况下，测量当线偏振光进入沿场方向布置的光纤时与场强度成比例旋转的偏振波的方位角的旋转角度，以确定场的强度(即，电流)。

如上所述，位置传感器15由旋转变压器构成，然而，可以由另一类型的传感器实现，以测量旋转电机20的转子的位置。例如，可以使用旋转编码器(即，光电检测器)或线圈。旋转编码器包括具有开缝的旋转盘，光源和光电检测器。光电检测器响应由光源发射的光的输入，以将模拟或数字信号输出到控制器17。当磁凸极经过线圈附近时，线圈产生电动势，并且以模拟或数字信号的形式将电动势输出到控制器17。

开关电路18配有与旋转电机20的相数匹配的三相逆变器电路，但是可以包含具有针对单个相、两个相或四个或更多相的上臂和下臂的逆变器电路。具体地，使用相数与旋转电机20相同的逆变器电路。

图9图解了功率变换器10的第二实施例，其被设计为控制用于机动车辆的发电机31的操作。发电机31充当旋转电机，并且包含两个定子绕组32和33、励磁绕组34、两个整流器模块组35和36、和发电控制器37。整流器模块组35和36中的每个作为针对定子绕组32和33之一的开关电路工作。可选地，发电控制器37和整流器模块组35和36可以布置在发电机31外部。

定子绕组32是由例如X相绕组、Y相绕组和Z相绕组构成并且围绕定子芯(未示出)裹绕的多相绕组。定子绕组33是由例如U相绕组、V相绕组和W相绕组构成，并且以30度电角的间隔偏离定子绕组32、围绕定子芯裹绕的多相绕组。定子绕组32和34以及定子芯构成发电机31的定子。

励磁绕组34围绕场磁极(未示出)裹绕并且形成发电机31的转子，其中场磁极被布置为面对定子芯的内围。当励磁电流流过励磁绕组34时，它会使场磁极磁化，从而产生旋转磁场，使得在定子绕组32和33处出现交流电压。

整流器模块组34被电连接到定子绕组32以整体形成三相全波整流电路(桥式电路)，并且进行工作以将定子绕组32中感应的交流电流转换成直流电流。整流器模块组34由整流器模块构成，其中整流器模块的数量与定子绕组32的相一样多。在这个实施例中，整流器模块组34由整流器模块35X、35Y和35Z构成。整流器模块35X被连接到定子绕组32的X相绕组。整流器模块35Y被连接到定子绕组32的Y相绕组。类似地，整流器模块35Z被连接到定子绕组32的Z相绕组。

整流器模块组36被电连接到定子绕组33以整体形成三相全波整流电路(桥式电路)，并且进行工作以将定子绕组33中感应的交流电流转换成直流电流。整流器模块组36由整流器模块构成，其中整流器模块的数量与定子绕组33的相一样多。在这个实施例中，整流器模块组36由整流器模块36U、36V和36W构成。整流器模块36U被连接到定子绕组33的U相绕组。整流器模块36V被连接到定子绕组33的V相绕组。类似地，整流器模块36W被连接到定子绕组33的W相绕组。

发电控制器37充当激励电流控制电路以控制流过励磁绕组34的激励电流(也称作磁化电流)，从而调节由发电机31产生的电压(即，整流器模块35X、35Y和35Z和整流器模块36U、36V和36W中的每个的输出电压)。发电控制器37也通过通信端子和通信线路与作为外部控制器的电子控制单元(ECU)38耦合，以在自身和ECU 38之间建立双向串行通信(例如，利用LIN(本地互连网络)协议的所谓LIN通信)，从而向ECU 38发送消息或从ECU 38接收消息。

图10图解了整流器模块35X的内部结构。其它整流器模块35Y、35Z、36U、36V和36W具有相同结构，这里省略其详细说明。

整流器模块35X包括两个MOS晶体管50和51，和控制电路54。MOS晶体管50作为上臂(即，高侧臂)的开关工作，其在MOS晶体管50的源极处连接到定子绕组32的X相绕组，并且在MOS晶体管50的漏极处通过充电线42连接到存储电池39的正端子和电气载荷40。MOS晶体管51作为下臂(即，低侧臂)的开关工作，其在MOS晶体管51的漏极处连接到定子绕组32的X相绕组，并且在MOS晶体管51的源极处连接到存储电池39的负端子(即，地)。如图10中清楚地图解的，MOS晶体管50和51中的每个配备有在其源极和漏极之间并联布置的二极管。并联连接到MOS晶体管50和51的二极管通过其寄生二极管(即，体二极管)实现，但是可选地，可以是分立的二极管。MOS晶体管50和51的至少之一可以由另一类型的开关器件代替。

整流器模块35X的MOS晶体管50和51分别形成上臂和下臂。如上所述，其它整流器模块35Y、35Z、36U、36V和36W具有与整流器模块35X相同的结构。具体地，整流器模块35Y具有形成Y相绕组的上臂和下臂的MOS晶体管50和51。整流器模块35Z具有形成Z相绕组的上臂和下臂的MOS晶体管50和51。整流器模块36U具有形成U相绕组的上臂和下臂的MOS晶体管50和51。整流器模块36V具有形成V相绕组的上臂和下臂的MOS晶体管50和51。整流器模块36W具有形成W相绕组的上臂和下臂的MOS晶体管50和51。相同的上臂和下臂被用于X相绕组、Y相绕组、Z相绕组、U相绕组、V相绕组和W相绕组中的每个，因而有利于方便制造具有不同数目的相绕组的功率变换器。

通过上述讨论能够明白，整流器模块35X、35X、35Z、36U、36V和36W中的每个被设计为执行图1所示的开关电路18、驱动器16和控制器17的一部分的功能。换言之，控制电路54进行工作以监视在X相绕组、Y相绕组、Z相绕组、U相绕组、V相绕组和W相绕组的对应相绕组处出现的相电压，并且控制上臂和下臂(即，MOS晶体管50和51)中的每个的断开操作，以便以和第一实施例中描述的相同的方式保证允许续流电流Ir流动的期望长度的时间。通过测量在MOS晶体管50和51中的任意一个处出现的漏电压，可以在控制电路54中导出相电压。

Claims

1.一种旋转电机的功率变换器，包括：

开关电路，布置在旋转电机的电源和相绕组之间，所述开关电路配有被分组成上臂和下臂的MOS晶体管；和

控制器，其控制上臂和下臂的接通和断开操作，所述控制器控制上臂和下臂之一的断开操作以将电流续流持续时间设置为所述上臂和下臂的所述之一的断开操作之后的选定时间长度，其中在所述电流续流持续时间内在所述上臂和下臂的所述之一的断开操作之后通过所述MOS晶体管的寄生二极管来对电流进行整流，并且所述电流续流持续时间是在相绕组处感应的相电压超过第一阈值的时刻和所述相电压降到低于第二阈值的时刻之间的时间长度，所述控制器控制所述上臂和下臂中的每个处于所述接通操作的接通持续时间，并且根据以下公式(1)和(2)基于所述电流续流持续时间来确定后续控制循环中使用的作为所述接通持续时间的阈值的阈值持续时间：

针对所述上臂，后续控制循环中使用的阈值持续时间T_THU=这个控制循环中的阈值持续时间T_THU+(第一时间长度-电流续流持续时间T_RU)(1)；以及

针对所述下臂，后续控制循环中使用的阈值持续时间T_THD=这个控制循环中的阈值持续时间T_THD+(第二时间长度-电流续流持续时间T_RD)(2)，

其中，所述第一时间长度被确定为后续控制循环中使用的电流续流持续时间T_RU的期望或目标值，而所述第二时间长度被确定为后续控制循环中使用的电流续流持续时间T_RD的期望或目标值，其中所述第二时间长度被选择为等于或不同于所述第一时间长度。

2.如权利要求1所述的功率变换器，其中当所述相电压达到第三阈值并且然后达到第四阈值时，所述控制器接通所述上臂和下臂的所述之一。

3.如权利要求1所述的功率变换器，其中当相电流达到第五阈值时，所述控制器接通所述上臂和下臂的所述之一。

4.如权利要求1所述的功率变换器，其中当旋转电机的角位置达到指定位置时，所述控制器接通所述上臂和下臂的所述之一。

5.如权利要求2所述的功率变换器，还包括：

位置传感器，其进行工作以测量旋转电机的角位置，并且输出指示所述角位置的信号，并且其中所述控制器根据来自位置传感器的输出断开所述上臂和下臂的所述之一。

6.如权利要求2所述的功率变换器，还包括：

电流传感器，其进行工作以测量相绕组中产生的相电流并且输出指示所述相电流的信号，并且其中所述控制器根据来自电流传感器的输出断开所述上臂和下臂的所述之一。

7.如权利要求1所述的功率变换器，其中所述控制器根据旋转电机的速度、相电流或相电压中的至少之一确定电流续流持续时间的长度。

8.如权利要求1所述的功率变换器，其中当旋转电机的速度、相电流或相电压中的至少之一处于容许范围之外时，所述控制器立即或在经过指定时间段之后断开所述上臂和下臂的所述之一。

9.如权利要求1所述的功率变换器，其中所述控制器把所述上臂和下臂置于断开状态，除非在所述相绕组中产生的电流大于给定值。

10.如权利要求1所述的功率变换器，其中所述控制器监视所述相电压，当所述相电压具有非正常值时，所述控制器断开上臂和下臂的对应部分或所有上臂和下臂。

11.如权利要求1所述的功率变换器，其中所述控制器监视上臂和下臂的MOS晶体管的接通操作和断开操作之一的序列，当所监视的序列是非正常序列时，所述控制器断开上臂和下臂的对应部分或所有上臂和下臂。

12.如权利要求1所述的功率变换器，其中所述控制器根据所述电流续流持续时间断开所述上臂和下臂的所述之一。

13.如权利要求12所述的功率变换器，其中当未提供所述电流续流持续时间时，所述控制器在比根据所述电流续流持续时间计算的时间更早的时间断开所述上臂和下臂的所述之一。

14.一种多相旋转电机的功率变换器，包括：

开关电路，布置在旋转电机的电源和相绕组之间，所述开关电路配有被分组成针对所述相绕组的每个的上臂和下臂的MOS晶体管；和

控制器，其控制上臂和下臂的每一个MOS晶体管的接通和断开操作，所述控制器控制上臂和下臂之一的MOS晶体管之一的断开操作以将电流续流持续时间设置为所述MOS晶体管的所述之一的断开操作之后的选定时间长度，其中在所述电流续流持续时间内在所述上臂和下臂之一的MOS晶体管的所述之一的断开操作之后通过所述MOS晶体管的寄生二极管来对电流进行整流，并且所述电流续流持续时间是在所述相绕组中与作为断开操作的目标的所述MOS晶体管的所述之一相关联的相绕组处感应的相电压超过第一阈值的时刻和所述相电压降到低于第二阈值的时刻之间的时间长度，当所述相电压达到第三阈值并且然后达到第四阈值时，所述控制器接通所述MOS晶体管的所述之一，所述控制器控制所述上臂和下臂的每一个MOS晶体处于所述接通操作的接通持续时间，并且根据以下公式(1)和(2)基于所述电流续流持续时间来确定后续控制循环中使用的作为所述接通持续时间的阈值的阈值持续时间：

15.如权利要求14所述的功率变换器，其中所述控制器根据第一延迟时间断开所述MOS晶体管的所述之一，所述第一延迟时间从接通目标MOS晶体管，即各相之一的作为断开操作的目标的所述MOS晶体管之一，或非目标MOS晶体管，即所述各相中另一个的未作为断开操作的目标的所述MOS晶体管之一的时刻开始。

16.如权利要求14所述的功率变换器，其中所述控制器根据针对与所述MOS晶体管的所述之一相关的所述相之一设置的所述电流续流持续时间，断开所述MOS晶体管的所述之一。

17.如权利要求14所述的功率变换器，其中所述控制器根据针对非目标MOS晶体管，即未作为所述断开操作的目标的所述MOS晶体管之一设置的所述电流续流持续时间，断开所述MOS晶体管的所述之一。

18.如权利要求14所述的功率变换器，其中所述控制器在经过第二延迟时间之后，断开所述MOS晶体管的所述之一，所述第二延迟时间从断开非目标MOS晶体管，即现在未作为所述断开操作的目标的所述MOS晶体管之一的时刻开始。

19.如权利要求14所述的功率变换器，其中所述控制器根据所述旋转电机的速度、相电流或所述相电压中的至少之一，确定所述电流续流持续时间的长度。

20.如权利要求14所述的功率变换器，其中当所述旋转电机的速度、相电流或所述相电压中的至少之一处于容许范围之外时，所述控制器立即或在经过指定时间段之后断开所述MOS晶体管的所述之一。

21.如权利要求14所述的功率变换器，其中所述控制器把所述上臂和下臂置于断开状态，除非在所述相绕组的对应相绕组中产生的电流大于给定值。

22.如权利要求14所述的功率变换器，其中所述控制器监视所述相电压，当所述相电压具有非正常值时，所述控制器断开所述上臂和下臂的对应部分或所有所述上臂和下臂。

23.如权利要求14所述的功率变换器，其中所述控制器监视所述上臂和下臂的所述MOS晶体管的接通操作和断开操作之一的序列，当所监视的序列是非正常序列时，所述控制器断开所述上臂和下臂的对应部分或所有所述上臂和下臂。

24.如权利要求14所述的功率变换器，其中当未提供所述电流续流持续时间时，所述控制器在比根据所述电流续流持续时间计算的时间更早的时间断开所述MOS晶体管的所述之一。

25.一种多相旋转电机的功率变换器，包括：

多个整流器模块，其进行工作以将所述多相旋转电机中产生的交流电流转换为直流电流，每个所述整流器模块是针对所述旋转电机的相绕组之一提供的，并且布置在电源和所述相绕组的所述之一之间，每个所述整流器模块配有充当上臂和下臂的MOS晶体管和控制所述上臂和下臂的每个的接通操作和断开操作的控制器，所述控制器控制所述上臂和下臂之一的断开操作以将电流续流持续时间设置为所述上臂和下臂的所述之一的断开操作之后的选定时间长度，其中在所述电流续流持续时间内在所述上臂和下臂的所述之一的断开操作之后通过所述MOS晶体管的寄生二极管来对电流进行整流，并且所述电流续流持续时间是在所述相绕组中与作为断开操作的目标的所述上臂和下臂的所述之一相关联的目标相绕组处感应的相电压超过第一阈值的时刻和所述相电压降到低于第二阈值的时刻之间的时间长度，所述控制器控制所述上臂和下臂中的每个处于所述接通操作的接通持续时间，并且根据以下公式(1)和(2)基于所述电流续流持续时间来确定后续控制循环中使用的作为所述接通持续时间的阈值的阈值持续时间：