专利名称：：用于降低电压源逆变器损耗的装置、系统和方法
技术领域：
：本发明一般涉及电压源逆变器，并且更特别涉及当供给电压到电动机以在低输出频率产生大量扭矩时，管理在电压源逆变器中的电源开关的热特性和电流失真。
背景技术：
：许多应用(例如，用于电动或者混合动力车的电机驱动系统)利用电压源逆变器(VSI)。通常，该VSI供给电压到多相电动机(例如交流电(AC)电动机)，其接着驱动电动或者混合车辆的车轮。当VSI供给电压到电动机时，当电动机正在低输出频率(包括零输出频率)产生大量扭矩时，会在VSI内部产生关于电源开关的热管理问题。也就是说，当接收到恒定输入电压(即，直流(DC)电压)时，该VSI应用低(或者零)电压通过电动机相。当运行在低输出频率时，相对于输入电压，由VSI供给的平均电压是较小的。然而，VSI供给的电流可为用于VSI的开关额定电流。当电动机在低或者零输出频率时产生大量扭矩时，由于緩慢地改变在VSI中的AC电流，通常会产生这些热管理问题。也就是说，在VSI中的电源开关要求连续地传送峰值相电流或者至少传送峰值相电流一个持续期时间，其会导致在电源开关内部的恒定高功率耗散并且表示对于VSI开关的最坏情况的运行条件。对于此情况的传统解决方案是在零输出频率和下降输出电流处对VSI运行进4亍时间限制。不幸地，该解决方案对于一些应用(例如，电动和混合动力车辆)是有问题的，因为在电动才几施加的大量扭矩期间(例如，在车辆起动期间)其限制了时间。因此，当电动机在低输出频率(包括零输出频率)处产生大量扭矩时，需要一种降低逆变器损耗的装置，系统和方法。而且，本发明的其它所需特征和特性将从结合附图和上述
技术领域：
和
背景技术：
，在随后的详细说明和附加的权利要求中变得明显。
发明内容提供一种降低连接到电动机上的逆变器中损耗的装置。一个装置包括传感器，其可连接到电动机上并且构造来检测工作频率和电动机产生的扭矩量。该装置还包括一个控制器，其连接到传感器上并且构造来基于检测频率和扭矩确定零向量调制(ZVM)。本发明的多个实施例还提供一种降低连接到电动机的逆变器中损耗的系统。一个系统包括检测电动机的阈值输出频率的装置和检测电动机的阈值扭矩的装置。该系统还包括基于检测的阈电路频率和阈值扭矩确定用于逆变器的ZVM的装置。还提供一种降低连接到电动机上的逆变器中损耗的方法。一种方法包括检测电动机运行在低于阈值频率和检领'J电动机产生扭矩高于阈值扭矩量的步骤。该方法还包括基于检测的频率和扭矩确定用于逆变器的ZVM的步骤。本发明将结合下面附图在下文中进行描述，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且图1是传统电才几驱动系统的示意图；图2是用于管理在图1的电压源逆变器和交流电动机中的电源开关的热特'性和电流失真的系统控制器的一个示例实施例的示意图；图3是示出了图2的系统控制器的更详细描述的示意图；图4是示出了图3的系统控制器逆变器开关状态的不同结合的示意的六角空间矢量结构图；图5是示出了图4的六角空间矢量结果图的一部分的示例空间矢量示意图，并且表示输出电压的所需大小和相位；i图6是当供给电压到电动机以在低输出频率产生大量扭矩时，用于降低在逆变器中的损耗的方法的一个示例实施例的程序框图；和图7是根据本发明的不同示例的实施例，示出了当ZVM应用到图2的逆变器时状态的图表。具体实施例方式下面的详细说明实际上仅仅是示例的并且意图限制本发明，或者本发明的应用和使用。而且，也不意图通过存在于
技术领域：
，
背景技术：
，概要或者下面具体实施方式中任何清楚或者暗示理论中得到限制。图1是示出了传统的电机驱动系统100的示意图，其包括电压源逆变器(VSI)IIO和交流电(AC)电动才几120。VSI110包括电源(Vban),多个二极管(例如，二极管Dn-D23)和多个开关(例如，开关111-123)。图1还示出了VSIllO，其具有用于示例目的的多个结点(例如，结点Nu-Nu)。如图1所示，Vbatt包括连接到结点Nn的正线端(+),和连接到结点Nu的负线端(-)。该二极管Dn的阴极连接到结点Nll,并且阳极连接到结点Nu。该二极管Du的阴才及连接到结点N12,并且阳极連接到結点Nm。该二极管Dn的阴极连接到结点Nu,并且阳极连接到結点Nm。同样地，该二极管Du的阴极连接到结点Nu,并且阳极连接到结点N12。该二极管D22的阴极连接到结点N14,并且阳极连接到结点N12。该二极管D23的阴极连接到结点Nu,并且阳极连接到结点Nu。二极管Dn-D23每个与开关111-123的对应一个并联连接。该二极管与开关并联连接的结合被称为"电源开关"结构。每个电源开关可在两个方向上传送电流，并且还能在一个方向上停止电压。两个串联的电源开关形成通常称为"逆变器分支"。如图1所示，VSI110包括三个逆变器分支(例如，逆变器分支150,250和350)。开关111-123控制在VSI110的每个相应分支的一部分中的电流的流动。在一个实施例(见图2)中，开关111-123是利用高频脉沖宽度调制(PWM)技术的软件控制开关。如在此使用的，提及的"上部开关"是指一个或多个开关111-113,并且提及的"下部开关"是指一个或多个开关121-123。交流电动机120包括连接到VSI110上的三个终端(例如，终端I!-l3)。终端h连接到结点Nu上，终端12连接到结点Nm上，和终端13连接到结点N^上。交流电动机120由从VSIllO中供给的电压进行激励，并且基于供给电压产生机械输出。VSI110包4舌六个电流双向的，电压单向的电源开关(例如，开关lll,112,113,121,122和123)。在运行期间，在每个逆流器分支中的一个开关打开并且另一个开关关闭。在此结构中，关闭开关可允许电流在逆变器分支的一部分内流动，但是打开开关可阻止电流在该部分中流动。例如(见图1),关闭开关111允许电流从电源Vban经过结点N13流到终端L。可选择地，关闭开关111还允许电流以相对的方向乂人终端II流到供给源Vbatt(经由结点N13),这取决于交流电动机120的操作条件。1采用了高频PWM技术来控制输出电压的大小，相位角和频率。也就是说，当电源开关被控制运行在基本上恒定的转换频率(fsw)下，开关工作循环一皮调制来产生所需大小，相位和频率的三相电压。图2是当交流电动机120正在低速产生大量扭矩时，管理在VSI110中的电源开关的热特性和电流失真的系统控制器200的一个示例实施例的示意图。系统200包括连接到交流电动机120上的一个或多个传感器210。所采用的传感器可为物理硬件传感器或者它们的虚拟的软件或者数学等同物一个或者结合。—个或多个传感器210构造来^^测交流电动沖几120正产生的扭矩(或者扭矩的当前-图标表示)和交流电动机120的旋转频率。交流电动机120正产生的扭矩和其正运行的旋转频率从传感器210传送到系统控制器220中。系统控制器220,除了连接到传感器210之外，还连接到VSIllO。系统控制器220构造来接收交流电动机120的检测扭矩和旋转频率并且可选择地应用零向量调制(下面描述)到VSI110上。更具体地说，如果交流电动机120正产生的扭矩大于扭矩的阈值量，并且正运行的旋转频率低于阅值旋转频率，则系统控制器220应用零向量调制。图3是示出了系统控制器220的更详细的示意图，该系统控制器220包括多个开关控制器211-223，它们构造来分别控制开关111-123。系统控制器220是构造来从传感器210中接收数据，处理该接收的数据并且基于该处理的数据传送控制信号到开关控制器211-223的控制装置。在一个实施例中，系统控制器220包括硬件和/或软件，其构造来从脉宽调制器(未示出)中接收PWM信号。该PWM信号包括用于运行一个或多个电源开关(下面讨论)的指令和基于接收的PWM信号产生单个电源开关控制信号，如在现有技术中已知的。例如和参见图1-3，系统控制器220实施作为处理单元，其包括一个或多个存储器装置2210(例如，可编程序只读存储器(PROM),可擦可编程序只读存储器(EPROM),电可擦可编程只读存储器7(EEPROM)等等)，该装置储存软件来起动系统控制器220以指导多个运行过程。系统控制器220还包括数据库2220(例如，查表)其包括空间矢量结构(例如，参见下面的表1),对于任何给定的开关组合，其限定在每个逆变器分支(下面描述)内部的开关相关的开关空间矢量。开关控制器211-223是构造来从系统控制器220中接收控制信号并且供给控制信号到相关电源开关的控制设备。在一个实施例中，开关控制器211-223包括硬件和/或软件，其构造来供给电源开关信号到它们相应的电源开关上，以响应从系统控制器220中供给的控制信号。也就是说，开关控制器211提供电源开关控制信号到由开关111和二极管Du组成的电源开关上。类似地，剩余的开关控制器每个提供电源开关控制信号到它们相应的电源开关上。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表1是表示与VSIIIO和系统控制器220(分别参见图1-3)相关的数据库(例如，查表)。在表l中的开关空间矢量V。-V7与用于任何给定开关组合的每个逆变器分支内部的电源开关相关。逆变器分支150，250和350每个表示两个电流双向，电压单向的电源开关，其中在逆变器分支内部的一个开关打开，而在逆变器分支内部的另一个开关关闭。通过允许每个开关空间矢量Vo-V7与具体的逆变器开关状态相关联，当三个相对地电压加起来为零时，建立了开关空间矢量VcrV7。如表1所示，包括三个逆变器分支(每个逆变器分支包括两个电源开关)的VSI提供8个可能的开关空间矢量结合(即，VcrV7)。在一个例子中，并且参见图1-3和表1，"O"表示显示逆变器分支的上部开关处于打开开关状态，同时逆变器分支内部的下部开关处于关闭开关器分支内部的上部开关处于关闭开i状态。在此例子中,、开关i间矢量V!表示逆变器分支150设定为开关111闭合和开关121打开。而且，逆变器分支250设定为开关122关闭和开关112打开，并且逆变器分支350设定为开关123关闭和开关113打开。表1还包括对于每个开关结构指示"零"状态或者"激活"状态的状态栏。激活状态表示相关的开关结构产生被应用到负荷(例如，交流电动机120)上的净电压。零状态表示相关的开关结构产生有效缩短的负荷。图4是六角的空间矢量结构图400,其根据本发明示例的实施例示出了系统控制器220(见图2和表1)的逆变器开关状态的可能结合。在图4中，利用从表1中得到的激活状态(VrV6)来形成六角的空间矢量结构图400的顶点，并且该零状态(Vo,V"位于六角的空间矢量结构图400中心。放置在六边形边界内部的不同激活状态之间的区域被称为'、=1,s=2,s=3,s=6"并且被称为"空间矢量"区域。空间矢量区域是基于定义每个相应区域的开关空间矢量V()-V7的一个。在使用期间，落入六角的空间矢量结构图400边界内部的任何电压要求可通过在每个循环基础上开关空间矢量的结合进行产生。产生电压要求伴随有在一个周期内调整一个或多个激活状态和/或一个或多个零状态工作循环的结合(这将参见图5在下面进行描述)。在一个例子中，并且参见图4,落入空间矢量区域'、=1"范围内的电压要求可通过调整在给定时期TS内部的工作循环的激活状态V!和V2和零状态Vo和V7的结合来产生，以实现所需电压。图5是示出了六角的空间矢量结构图400(参见图4)的一部分的示例空间矢量区域图500,并且参考矢量丫*表示六角的空间矢量结构图400的输出电压的所需幅值和相位。在一个实施例中(参见图4和图5),映射参考向量V"'j空间矢量区域图500使得可确定空间矢量区域(例如，图4的空间矢量区域s=l)。在此实施例中，空间矢量区域的确定允许与激活状态的空间矢量VrV7(其定义了在给定开关时间区域Ts内部的空间矢量区域)相关的工作循环tl-t6的确定。一旦对于激活状态空间矢量VrV6的工作循环tH6确定，然后可以确定对于零状态开关空间矢量Vo和V7的工作循环t0。在参见图5的一个例子中，零状态开关空间矢量Vo和V7的总的工作循环to+t7等于周期Ts的持续时间减去对于开关空间矢量Vi和V2的工作循环h和t2。这个例子可表示为下面的数学公式(^(to+t7)/T,l-[(t,+t2)/Ts(1)在此例子中，在开关周期Ts期间可使用零状态开关空间矢量Vo和/或V7，以实现开关周期Ts的完成，而不会影响传送到负荷的输出电压的平均值。在一个实施例中，零状态开关空间矢量Vo和/或V"7的利用可允许PWM顺序的最优化，以实现，例如最小开关损耗，最小电压畸变，最小电流失真等等。而且，零状态开关空间矢量Vo和/或V7的利用允许在传送最大电流的逆变器分支的VSI电源开关之中的传导损耗的分配。在低输出频率情况下，参考矢量V《具有较小幅值。在一个实施例中，对于参考矢量V"々零向量工作循环"dz"可数学表示为dz》(to+t7)/Ts》欣+t2)/Ts〗(2)当利用PWM使得最高相电流没有开关，对于传送最大电流量(Imax)的电源开关的功率损耗等于最大传导功率(Pe。nd)损耗(即，(Pc。nd是(Imax)的函数))。当对于零向量工作循环"d"的持续时期传送峰值电流的开关的传导损耗大于在峰值电流和开关频率(f，)处需要将开关打开和关闭的能量值(Esw)时，该功率损耗可降低。在一个例子中并且继续参见图5,零向量工作循环"4"是对于零状态开关空间矢量V7的工作循环dz。在此例子中，该表达式可数学表示为[Pc。nd(Imax)dz>[ESw'fsw](3)零状态开关空间矢量Vo的利用或者V7和/或零状态开关空间矢量Vo和V7的结合的利用被称为"零向量调制"(ZVM)。该零状态开关空间矢量V。或者V7可在ZVM频率fzvm和零向量调制工作循环4vm处周期性地选择，以减小在传送最大电流的开关中的功率损耗。利用0.5的ZVM工作循环dzvm的100Hz的fz徵是ZVM实施的例子。当利用ZVM时，对于经历最大应力值的电源开关的ZVM周期(Tzvm)的平均功率损耗可数学表示为Pcond(Imax)-dzvm[Pcond(Imax)■dz-Esw'fswj,(4)其中ZVM工作循环4糧是对于图5中的实施例的零状态开关空间矢量Vo的补充的零状态工作循环(即，对于传送最大电流的开关的功率损耗降低)。但是，传送最大电流的逆变器分支的总的损耗可增加并且该增量可数学表示为2■(dzvm)(E训)(fsw)(5)基于公式4和5,利用更小的补充ZVM工作循环4疆导致经历最大应力值的电源开关的功率损耗，同时在总的逆变器损耗中的相对较小的增加。在参见图5的例子中，对于0.7的零状态开关空间矢量V7,与工作循环d7—起利用的10Hz的ZVM频率fzwm,和利用零状态开关空间矢量V。的0.65的ZVM工作循环4咖导致在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)逆变器内部的微不足道的开关损耗。在此例子中，ZVM降低了传送最大电流量的电源开关内部的功率损耗，从而允许结点温度的控制。图6是根据本发明的一个示例的实施例，示出了在VSI(例如，VSI110)中改善热量管理的方法600的程序框图。方法600开始于监控交流电动机120(步骤610)。监控交流电动机120以确定交流电动才几120是否运行在小于阈值频率的频率(步骤620)。在一个实施例中，该阈值频率是在大约3Hz到大约5Hz的范围之内。其他的实施例可构思为阈值频率可小于3Hz或大于5Hz。如果交流电动机120运行的频率大约阈值频率，ZVM不应用到VSI110上(步骤625)。还对交流电动机120进行监控以确定交流电动机120产生的扭矩量是否大于阈值的扭矩量(步骤630)。在一个实施例中，扭矩的阔值量是在交流电动机120能够产生最大扭矩的大约50%到大约70%的范围内。其它实施例可构思为扭矩的阈值量是为交流电动机120能够产生的最大扭矩的小于50%或者大于大于70%。如果交流电动机120产生的扭矩量小于扭矩的阈值量，ZVM不应用到VSI110上(步骤635)。如果交流电动机120运行的频率小于阈值频率并且产生的扭矩量大于扭矩的阈值量，对于VSI110确定ZVM(步骤640)。在一个实施例中，与检测的低输出频率状态相关的所需输出电压(幅值和相位)或者所需输出电压矢量(例如，"参考矢量")被映射为空间矢量结构图内部的空间矢量区域。在参见图4和5的例子中，通过调整在给定时期Ts内部的对于激活状态开关空间矢量VI和V2和零状态开关空间矢量Vo和V7的结合可产生落入空间矢量区域"sH"的电压要求，以实现所需电压。在此例子中并参见表1,每个激活和零状态开关空间矢量包括定义在表1中的三个相关的逆变器分支结构(例如，逆变器分支150,250和350)。然后将确定的ZVM应用到VSI110上，以减少VSI110(步骤650)的热应力。在一个实施例中，包括该参考矢量的空间矢量区域可通过两个激活状态开关的空间矢量和零矢量定义。在运行周期内部的预先确定的时间(例如，激活状态工作循环)的激活状态开关空间矢量利用的结合可产生参考矢量。该剩余时间(例如，运行周期减去激活状态工作循环)被分配来利用零状态开关空间矢量的结合。在参见图5的例子中，对于开关空间矢量Vi和V2的工作循环^和t2基于参考矢量V^角定。零状态开关空间矢量V。和V的总的工作循环to+t7等于周期Ts的持续时间减去开关空间矢量V！和V2的工作循环t!和t2。在此例子中，在开关周期Ts期间，可利用零状态开关空间矢量Vo或者V7，或者量状态开关空间矢量Vo和V7的结合，以实现开关周期Ts的完成，而不会影响传送给负荷的输出电压的平均值。然后，基于与参见表1的具体逆变器分支结构相关的激活和零状态开关空间矢量的工作循环，电源被传送给负载(例如，交流电动机120)。还对交流电动机120进行监控以确定ZVM是否应该应用到VSI110(步骤660)上。在已经应用ZVM之后，还监控交流电动机120以确定是否工作频率和扭矩状态保持和ZVM应该持续应用，或者确定工作频率和/或扭矩状态不再存在并且ZVM应该停止应用。而且，在ZVM被应用之前还可监控交流电动机120,以确定是否工作频率和扭矩状态存在以便ZVM应该应用到VSI110上，或者确定工作频率和/或扭矩状态持续不存在并且ZVM不应该继续应用。图7是根据本发明的不同示例的实施例，示出了当ZVM应用到VSI110时的状态的图标700。图表700的垂直轴表示交流电动才几120能够产生的扭矩值(作为百分比)，并且图标700的横轴表示交流电动机120的运行频率。图表700表示当交流电动机120产生的扭矩值大于扭矩的阈值量(例如，交流电动才几120能够产生的4^矩的50%-70%)并且交流电动才几的工作频率小于阈值工作频率(例如，3-5Hz)时，ZVM可应用到VSI110。图表700还示出了当交流电动机120产生的扭矩值小于扭矩的阈值量和/或交流电动机的工作频率大于阈值工作频率时，ZVM不应用到VSI110中。虽然阈值扭矩和阈值运行频率的具体范围已经描述了，本发明构思为任何扭矩值和/或运行频率，无论表示为百分比和/或绝对值。也就是说，本发明不限于上述示例的数值。虽然至少一个示例的实施例已经存在于上述详细描述中，应该理解的是存在许多变化。还应该理解的是示例的一个或多个实施例仅仅是例子，决不意图限制本发明的范围，应用性或者结构。相反地，上述详细描述将提供本领域技术人员方便的路线图来实施示例的一个或多个实施例。应该理解的是不脱离附加权利要求中叙述的范围和它的法定等同物的情况下，在功能和元件布置方面会产生许多变化。权利要求1.一种降低连接到电动机上的逆变器中损耗的装置，其包括传感器，其可连接到电动机上并且构造来检测工作频率和电动机产生的扭矩量；和控制器，其连接到传感器并且构造来基于检测的频率和扭矩确定逆变器的零向量调制(ZVM)。2.如权利要求1所述的装置，其中该控制器构造来应用确定的ZVM到逆变器。3.如权利要求2所述的装置，其中如果检测的频率小于预先确定的频率宾且检测的扭矩大约预先确定的扭矩值，所述控制器构造来应用确定的ZVM到逆变器。4.如权利要求3所述的装置，其中如果检测的频率大于预先确定的频率，所述控制器构造来停止应用确定的ZVM到逆变器。5.如权利要求3所述的装置，其中如果检测的扭矩小于预先确定的扭矩值，所述控制器构造来停止应用的确定的ZVM到逆变器。6.如权利要求l所述的装置，其中该电动机是交流电电动机。7.—种降低连接到电动机上的逆变器中损耗的系统，其包括检测电动机的阈值输出频率的装置；检测电动机的阈值扭矩大的装置；和基于检效'J的阈值输出频率和阈值扭矩确定用于逆变器的零向量调制(ZVM)的装置。8.如权利要求7所述的系统，还包括应用确定的ZVM到电动机的装置。9.如权利要求8所述的系统，还包括响应检测到电动机输出扭矩大于阈值输出频率而停止应用确定的ZVM到逆变器的装置。10.如权利要求8所述的系统，还包括响应检测到电动机的扭矩小于阈值扭矩而停止应用确定的ZVM到逆变器的装置。11.如权利要求8所述的系统，还包括响应检测到电动机输出频率大于阈值输出频率并且电动机的扭矩小于阈值扭矩而停止应用确定的ZVM到逆变器的装置。12.—种降低连接到电动机上的逆变器中损耗的方法，该方法包括下面步骤才全测电动机正运行在^氐于阈值频率下；检测电动机产生的扭矩高于阈值扭矩量；和基于检测的频率和扭矩确定逆变器的零向量调制(ZVM)。13.如权利要求12所述的方法，还包括应用确定的ZVM到逆变器的步骤。14.如权利要求13所述的方法，还包括下面步骤才企测电动机正运行在高于该阈值频率下；变器。。；_,'<、、15.如权利要求13所述的方法，还包括下面步骤检测电动机产生的扭矩低于该阈值扭矩量；和响应于电动才几生产4丑矩4氐于阈值扭矩量而停止应用确定的ZVM到逆变器。16.如权利要求13所述的方法，还包括下面步骤才全测电动机正运行在高于该阈值频率；检测电动机产生的扭矩低于该阈值扭矩量；量而停止应用确定的ZVM到逆变器。17.如权利要求12所述的方法，其中该阈值频率在大约3Hz到大约5Hz的范围内。18.如权利要求12所述的方法，其中该阈值频率为大约为4Hz。19.如权利要求12所述的方法，其中该阈值扭矩量为逆变器扭矩的最大值的大约50%。20.如权利要求12所述的方法，其中该阈值扭矩量在逆变器的扭矩的最大值的大约50%到大约70%的范围内。全文摘要提供降低电压源逆变器损耗的装置，系统和方法。一个装置包括传感器，其可连接到电动机上并且构造来检测电动机的工作频率和电动机产生的扭矩量。该装置还包括一个控制器，其连接到传感器上并且构造来基于检测频率和扭矩确定零向量调制(ZVM)。一个系统包括检测电动机的阈值输出频率的装置和检测电动机的阈值扭矩的装置。该系统还包括基于检测的阈值频率和阈值扭矩确定用于逆变器的ZVM的装置。该方法包括检测电动机运行在低于阈值频率和产生扭矩高于阈值扭矩量。该方法还包括基于检测的频率和扭矩确定逆变器的ZVM。文档编号H02P23/03GK101316094SQ20081010957公开日2008年12月3日申请日期2008年6月2日优先权日2007年5月31日发明者B·A·韦尔奇科,S·E·舒尔茨,S·海蒂申请人:通用汽车环球科技运作公司