CN105429500A - 用于电机的逆变电路 - Google Patents

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Abstract

一种电连接在高压总线和多相电机之间的逆变电路，包括多个开关对。每一开关对包括在一节点处与第二开关串联电连接的第一开关。每一个节点电连接到多相电机的一相，第一开关电连接在高压总线的正压侧和所述节点之间，且第二开关电连接在高压总线的负压侧和所述节点之间。第一开关配置为常闭开关。第二开关配置为常闭开关。

Description

用于电机的逆变电路
技术领域
本发明涉及用于电动机/发电机的逆变电路。
背景技术
电机，例如多相电动机/发电机，具有定子绕组，所述定子绕组通过来自逆变器模块的交流电而被通电，所述逆变器模块电连接到高压DC电源总线。在具体运行状态期间，包括高速低载荷或外载荷状态下，电机(例如永磁体(PM)马达)可以运行在无油门调节发电机(uncontrolledgenerator，UCG)模式，其中马达的反电动势增加，造成马达输出电压大于高压总线上的电压。该多余的输出电压会造成充电电流流动通过布置为与逆变器的开关并联的一个或多个二极管并到达高压蓄电池。在UCG模式下发生的充电电流流动会造成多余电流流过逆变器的部件或对高压蓄电池过充电，这会不利地影响逆变器或高压蓄电池的使用寿命。设计者会选择电部件设计因素和降额方案(deratingschemes)，其能得知UCG模式下的多余充电的发生。
发明内容
一种电连接在高压总线和多相电机之间的逆变电路，包括多个开关对。每一开关对包括在一节点处与第二开关串联电连接的第一开关。每一个节点电连接到多相电机的一相，第一开关电连接在高压总线的正压侧和所述节点之间，且第二开关电连接在高压总线的负压侧和所述节点之间。第一开关配置为常闭开关。第二开关配置为常闭开关。
本发明提供一种电连接到多相电机的逆变电路，包括：多个开关对，每一个开关对包括在一节点处与第二开关串联电连接的第一开关，每一个节点电连接到多相电机的一相，每一开关对的第一开关电连接在正高压DC电源总线和所述节点之间，且每一开关对的第二开关电连接在负高压DC电源总线和所述节点之间；每一开关对的第一开关配置为常闭开关；和每一开关对的第二开关配置为常开开关。
所述的逆变电路中，每一开关对的第一开关包括IGBT开关。
所述的逆变电路中，第一开关包括级联开关。
所述的逆变电路中，每一个第一开关包括与低压pMOS开关串联电连接的JFET开关。
所述的逆变电路中，每一开关对的第二开关包括JFET开关。
所述的逆变电路中，多相电机布置为星形构造。
所述的逆变电路中，多相电机布置为三角形构造。
本发明提供一种电连接在高压DC电源总线和多相电机之间的逆变电路，包括：多个开关对，每一开关对包括电连接到多相电机的一相的节点；每一开关对包括在所述节点与第二开关串联电连接的第一开关，其中每一开关对的第一开关电连接在高压DC电源总线的正压侧和所述节点之间，且每一开关对的第二开关电连接在高压DC电源总线的负压侧和所述节点之间；操作性地电连接到第一开关每一个的第一栅极驱动电路，和操作性地电连接到第二开关每一个的第二栅极驱动电路；第一开关每一个仅在被第一栅极驱动部启动时传导电流；和第二开关每一个除非被第二栅极驱动部停用否则传导电流。
所述的逆变电路中，第一开关每一个包括IGBT开关。
所述的逆变电路中，第一开关每一个包括级联开关。
所述的逆变电路中，第一开关每一个包括与低压pMOS开关串联电连接的JFET开关。
所述的逆变电路中，第二开关每一个包括JFET开关。
本发明提供一种电连接到高压DC电源总线的逆变电路，包括：多个开关对，每一开关对包括一节点；每一开关对包括在所述节点与第二开关串联电连接的第一开关，其中每一开关对的第一开关电连接在高压DC电源总线的正压侧和所述节点之间，且每一开关对的第二开关电连接在高压DC电源总线的负压侧和所述节点之间；操作性地电连接到第一开关每一个的第一栅极驱动电路，和操作性地电连接到第二开关每一个的第二栅极驱动电路；其中第一开关每一个为常闭开关；和其中第二开关每一个为常闭开关。
所述的逆变电路中，第一开关每一个包括IGBT开关。
所述的逆变电路中，第一开关每一个包括级联开关。
所述的逆变电路中，第一开关每一个包括与低压pMOS开关串联电连接的JFET开关。
所述的逆变电路中，第二开关每一个包括JFET开关。
在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
附图说明
参考附图通过例子描述一个或多个实施例，其中:
图1示意性地示出了根据本发明的用于控制多相电机操作的逆变电路的第一实施例；
图2示意性地示出了根据本发明的用于控制多相电机操作的逆变电路的第二实施例；和
图3图形显示了根据本发明的包括控制多相电机的逆变电路的***的模拟操作，包括相对于时间显示的DC总线电压(V)和相电流(A)，其中在逆变器的多相侧将故障引入到***中。
具体实施方式
现在参见附图，其中显示的目的仅是展示某些实施例而不是为了对其进行限制，图1示意性地示出了用于控制多相电机140操作的逆变电路100的第一实施例。多相电机140配置为三相永磁体电动机/发电机，其具有布置为星形构造的定子支腿(leg)，但是可以是任何合适的多相构造。逆变电路100经由正高压DC电源总线(HV+)102和负高压DC电源总线(HV-)104电连接到高压DC电源。高压DC电源可包括高压电能量存储装置(例如高压蓄电池或电容器)、高压电功率发电机或其他相关系的装置或***。逆变电路100包括在HV+102和HV-104之间串联电连接的多个开关对112和114、122和124、以及132和134。每一开关对对应于多相电机140的一相，第一开关在一节点处与相应第二开关串联连接。具体说，开关对112和114在节点116串联连接，开关对122和124在节点126串联连接，且开关对132和134在节点136串联连接。节点116、126和136电连接到多相电机140的额定第一、第二和第三相，以对其传递电功率。第一栅极驱动电路106控制第一开关或高压侧开关112、122和132的启动和停用，且第二栅极驱动电路108控制第二开关或低压侧开关114、124和134的启动和停用。第一和第二栅极驱动电路106、108包括任何合适电子装置，其能启动和停用开关112和114、122和124、以及132和134，以响应于在控制器105处而来的控制信号实现HV+102和HV-104中的一个与多相电机140的一相之间的电力传递。控制器105产生控制信号，其被通信到第一和第二栅极驱动电路106、108，以响应于逆变器开关控制模式来启动和停用开关112和114、122和124、以及132和134，所述逆变器开关控制模式可包括脉宽调制(PWM)模式、六步控制模式或其他合适控制模式。逆变电路100包括其他电部件，包括电容器(例如DC总线电容器142)、电阻器(例如总线电阻器144)和其他电路部件，以实现与电噪声抑制、负载平衡等有关的功能。
第一开关112、122和132每一个配置为常闭开关(normally-OFFswitch)，这意味着开关在被第一栅极驱动部106启动时传导电流。在一个实施例中，第一开关112、122和132是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其每一个具有并联布置的二极管。第一开关112、122和132每一个具有16V的栅极驱动启动电压和-8V的栅极驱动停用电压，由此实现常闭状态。第一栅极驱动部106启动第一开关112、122和132每一个，以响应于逆变器开关控制模式实现电流从其中流过。第二开关114、124和134每一个是常闭开关，这意味着开关除非被第二栅极驱动部108停用否则将传导电流。第二开关114、124和134可以是任何种类的常开(normally-ON)半导体开关，例如包括结型场效应晶体管(JFET)、硅碳(SiC)JFET或其他宽能带隙的常开开关，其每一个具有并联布置的二极管。第二开关114、124和134每一个具有0V的栅极驱动启动电压和-8V的栅极驱动停用电压，由此实现常开状态。第二栅极驱动部108启动第二开关114、124和134每一个，以响应于逆变器开关控制模式实现电流从其中流过。起初，在第一和第二栅极驱动电路106、108停止工作而高压板(inverterboard)被供电时，第一开关112、122和132以及第二开关114、124和134保持在闭状态(OFFstate)，由此避免电流击穿。在没有电路故障的操作期间，第一和第二栅极驱动电路106、108产生启动信号以启动和停用第一开关112、122和132以及第二开关114、124和134，以操作电机140，以产生扭矩。
在没有控制功率的故障状态下，栅极驱动输出电压由于通过下拉电阻器的连接而变为零。第一开关112、122和132为闭状态且第二开关114、124和134为开状态(ONstate)，节点116、126和136和来自电机140的支腿被短接，且由此停止在无油门调节发电机(UCG)模式下操作的发生。在电机140用于在车辆上提供牵引扭矩时，例如电动车或混合动力电动车，在高压蓄电池被完全充电且不能接收额外充电时，由于车辆动量的效果，会通过在高速度下巡航的车辆造成UCG模式。
图2示意性地示出了用于控制多相电机240的逆变电路200的第二实施例。多相电机240的实施例配置为三相永磁体电动机/发电机，如所示的，但是可以是任何合适的多相构造。逆变电路200经由正高压电源总线(HV+)202和负高压电源总线(HV-)204电连接到高压DC电源。高压DC电源可电气地包括高压电能量存储装置、高压电功率发电机或其他相关的装置或***。电路包括在HV+202和HV-204之间串联电连接的多个开关对212和214、222和224、以及232和234。每一开关对对应于多相电机240的一相，第一开关在一节点处与相应第二开关串联连接。具体说，开关对212和214在节点216串联连接，开关对222和224在节点226串联连接，且开关对232和234在节点236串联连接。节点216、226和236电连接到多相电机240的额定第一、第二和第三相，以对其传递电功率。第一栅极驱动电路206控制第一开关或高压侧开关212、222和232的启动和停用，且第二栅极驱动电路208控制第二开关或低压侧开关214、224和234的启动和停用。第一和第二栅极驱动电路206、208包括任何合适电子装置，其能启动和停用开关212和214、222和224、以及232和234，以响应于在控制器205处而来的控制信号实现HV+202和HV-204中的一个与多相电机240的一相之间的电力传递。控制器205产生控制信号，以控制第一和第二栅极驱动电路206、208，以在脉宽调制(PWM)模式、六步控制模式或其他合适逆变器开关控制模式下启动和停用开关212和214、222和224、以及232和234。逆变电路200包括其他电部件，包括电容器(例如DC总线电容器242)、电阻器(例如总线电阻器244)和其他电部件，以实现与电噪声抑制、负载平衡等有关的功能。
第一开关212、222和232每一个配置为常闭开关，这意味着开关在被第一栅极驱动部206启动时传导电流。在一个实施例中，第一开关212、222和232是级联开关(cascodeswitch)，其每一个包括与低压开关213串联电连接的JFET开关211，在一个实施例中低压开关是p型金属氧化物半导体(LV-pMOS)开关。使用LV-pMOS开关的级联开关构造在UCG模式操作期间将第一开关212、222和232转换为常闭结构。第一开关212、222和232每一个具有16V的栅极驱动启动电压和-8V的栅极驱动停用电压，由此实现常闭状态。第一栅极驱动部206启动第一开关212、222和232每一个，以响应于逆变器开关控制模式实现电流从其中流过。每一个第二开关214、224和234配置为常开开关，这意味着开关除非被第二栅极驱动部208停用否则将传导电流。在该实施例中，第二开关214、224和234是结型场效应晶体管(JFET)，例如硅碳(SiC)JFET，其每一个具有并联布置的二极管。第二开关214、224和234每一个具有0V的栅极驱动启动电压和-8V的栅极驱动停用电压。第二栅极驱动部208启动第二开关214、224和234每一个，以响应于逆变器开关控制模式实现电流从其中流过，且实现常开状态。在没有控制功率的故障状态下，第二开关214、224和234为开状态，节点216、226和236和来自电机240的相应支腿被短接，且由此停止无油门调节发电机(UCG)模式下操作的发生，在该模式下马达反电动势增加。第二开关214、224和234配置为SiCJFET，而没有额外的LVpMOS以使其常开，以防止在故障期间在UCG模式下操作。这确保了在UCG模式下操作期间AC侧与DC侧绝缘。由此，电力不能从马达流动到DC总线。这减少了跨经DC总线电容器242发生意外电压增加的发生。
参考图1和2所述的逆变电路采用不同类型开关，例如SiIGBT，SiCJFET开关，其具有不同固态结构。通过在第一和第二栅极驱动电路的阻抗、电流等(Rg，Ig，Qg，死区时间等)方面来设计驱动能力来解决固态结构不匹配的问题，以匹配相应开关的上升和下降时间的对称，且提供适于开关的栅极电压选择，以实现开关接通和开关断开。可实施其他特征以增加装置强度和降低JFET开关的输出阻抗，以提供相当于IGBT开关的操作。
术语控制器、控制模块、模块、控制部、控制单元、处理器和相似的术语是指专用集成电路(一个或多个)(ASIC)、电子回路(一个或多个)、执行一个或多个软件或固件程序或过程的中央处理单元(一个或多个)(例如是微处理器(一个或多个))和相关的存储器和存储部(只读、可编程只读、随机存取、硬件驱动等)、组合的逻辑回路(一个或多个)、输入/输出回路(一个或多个)和装置、信号调节和缓冲器电路和提供所述功能的其他部件的组合。软件、固件、程序、指令、控制程序、代码、算法和相似的术语是指任何控制器可执行的指令集，包括校准和查找表。每一个控制器执行控制程序(一个或多个)，以提供期望功能，包括监测来自传感装置和其他联网控制器的输入和执行控制和诊断的程序，以控制促动器的操作。程序可以以规律间隔执行，例如在正在进行的操作期间每一个100微秒一次。控制器之间以及控制器、促动器和/或传感器之间的通信可以使用直接有线链路、网络通信总线链路、无线链路或任何其他合适的通信链路实现。
图3图形显示了包括用于控制多相电机的逆变电路的***的模拟操作，包括在垂直轴线上的总线电压(V)320和相应相电流(A)330和在水平轴线上的时间310。在时间点305，在逆变器的多相侧将故障引入到***，本文中称为三相故障。线322和332显示了第一和第二开关全部配置为常闭开关的已知逆变器***，例如所有开关为IGBT。线324和334显示了第一和第二开关全部配置为常闭开关的已知逆变器***的操作，例如所有开关为IGBT。线326和336显示了参考图1和2所述的逆变电路的实施例，其中第一开关配置为常闭开关且第二开关配置为常开开关。在三相故障在时间点305被引入时，在故障包括三相开路故障之后的三相短路故障时，通过线322所示的已知***的DC总线电压立即从小于400V急速上升到550V。类似地，在三相故障在时间点305处被引入，在故障包括接触器闭合动作之后的三相短路故障时，通过线324所示的已知***的DC总线电压立即从小于400V急速上升到大于460V。相反，三相故障在时间点305被引入，在故障包括接触器闭合动作之后的三相短路故障时，参考图1和2中的一个所述且通过线326所示的逆变电路的DC总线电压实际上减少。这种操作降低电机的额定功率，因为电机不是必须被设计为要适应与三相电路故障相关的电涌。
参考图1和2所述的逆变电路有利地防止由于UCG模式下的操作而造成的不期望的超电压，且减少与电流和电压中时间变化率改变(time-ratechange)相关的电磁干扰(EMI)。使用JFET开关减少封装尺寸，因为SiCJFET开关在实体上比具有相似的额定功率的IGBT开关小。SiCJFET开关还在开/闭切换期间产生更少的过冲，和在LVpMOS开关从低压侧移走时减少开关震荡和回路电感，如参考图2所述的。参考图1和2所述的逆变电路还允许以低额定功率设计功率部件，因为由于与UCG模式下的操作相关的超电压造成的应力的风险减小或被消除。进而，在UCG模式下操作期间，第二或低压逆变器开关自动地处于开状态，防止产生的电力从电机流动到逆变电路，并通过辅助电路部件(例如DC电容器、电阻器和传感器)进行散耗。由此，参考图1和2所述的逆变电路有利地通过防止UCG模式下的操作和相关的高压以及避免在高功率事件下对功率散耗的需要，而使得这种部件的损坏最小化或防止这种损坏。
附图中的详细的描述和显示是对本发明的支持和描述，而本发明的范围仅通过权利要求限定。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (10)

1.一种电连接到多相电机的逆变电路，包括：
多个开关对，每一个开关对包括在一节点处与第二开关串联电连接的第一开关，每一个节点电连接到多相电机的一相，每一开关对的第一开关电连接在正高压DC电源总线和所述节点之间，且每一开关对的第二开关电连接在负高压DC电源总线和所述节点之间；
每一开关对的第一开关配置为常闭开关；和
每一开关对的第二开关配置为常开开关。
2.如权利要求1所述的逆变电路，其中每一开关对的第一开关包括IGBT开关。
3.如权利要求1所述的逆变电路，其中第一开关包括级联开关。
4.如权利要求3所述的逆变电路，其中每一个第一开关包括与低压pMOS开关串联电连接的JFET开关。
5.如权利要求1所述的逆变电路，其中每一开关对的第二开关包括JFET开关。
6.如权利要求1所述的逆变电路，其中多相电机布置为星形构造。
7.如权利要求1所述的逆变电路，其中多相电机布置为三角形构造。
8.一种电连接在高压DC电源总线和多相电机之间的逆变电路，包括：
多个开关对，每一开关对包括电连接到多相电机的一相的节点；
每一开关对包括在所述节点处与第二开关串联电连接的第一开关，其中每一开关对的第一开关电连接在高压DC电源总线的正压侧和所述节点之间，且每一开关对的第二开关电连接在高压DC电源总线的负压侧和所述节点之间；
操作性地电连接到第一开关每一个的第一栅极驱动电路，和操作性地电连接到第二开关每一个的第二栅极驱动电路；
第一开关每一个仅在被第一栅极驱动部启动时传导电流；和
第二开关每一个除非被第二栅极驱动部停用否则传导电流。
9.如权利要求8所述的逆变电路，其中第一开关每一个包括IGBT开关。
10.一种电连接到高压DC电源总线的逆变电路，包括：
多个开关对，每一开关对包括一节点；
每一开关对包括在所述节点处与第二开关串联电连接的第一开关，其中每一开关对的第一开关电连接在高压DC电源总线的正压侧和所述节点之间，且每一开关对的第二开关电连接在高压DC电源总线的负压侧和所述节点之间；
操作性地电连接到第一开关每一个的第一栅极驱动电路，和操作性地电连接到第二开关每一个的第二栅极驱动电路；
其中第一开关每一个为常闭开关；和
其中第二开关每一个为常闭开关。
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