获得较低的最小升压比的可变电压转换器调制制造技术

用于电驱动系统的可变电压转换器具有在正母线和负母线之间串联的上部和下部开关器件。电感器将开关器件之间的连接点连接到DC电池。控制器配置为根据基于转换器的预期升压比的PWM栅极信号来驱动开关。当预期升压比大于预定升压比时，PWM栅极信号对于上部和下部开关器件都插入标称死区时间。当预期升压比小于预定升压比时，为了在再生操作期间扩大可实现的升压比范围，PWM栅极信号对上部开关器件不插入死区时间并且使下部开关器件保持持续断开。

Variable voltage converter modulation with lower minimum boost ratio

The variable voltage converter for an electric drive system has upper and lower switching devices connected in series between the positive bus and the negative bus. The inductor connects the connection points between the switch devices to the DC battery. The controller is configured to drive the switch according to the PWM gate signal based on the expected boost ratio of the converter. When the expected boost ratio is greater than the preset boost ratio, the PWM gate signal inserts the nominal dead time for the upper and lower switching devices. When the expected boost ratio is less than the predetermined boost ratio, the PWM gate signal does not insert dead time for the upper switch device and keeps the lower switch device continuously disconnected in order to expand the range of the boost ratio that can be realized during the regenerating operation.

【技术实现步骤摘要】
获得较低的最小升压比的可变电压转换器调制
本专利技术大体涉及用于电动车辆的电驱动系统中的可变电压转换器，并且更具体地，涉及占空比调制以及使用转换器中的功率开关器件的可选死区时间插入，以在升压模式下操作时实现更大范围的升压比。
技术介绍
诸如混合动力电动车辆(hybridelectricvehicle，HEV)、插电式混合动力电动车辆(plug-inhybridelectricvehicle，PHEV)、和电池电动车辆(batteryelectricvehicle，BEV)的电动车辆使用逆变器驱动的电机来提供牵引力矩。典型的电驱动系统可以包括直流(direct-current，DC)电源(诸如电池组或燃料电池)，DC电源通过接触器开关连接到可变电压转换器(variablevoltageconverter，VVC)以调节主DC链路电容器两端的主母线电压。一个三相马达逆变器连接在主母线和牵引马达之间，以便将DC母线电力转换成连接到马达绕组的交流(alternatingcurrent，AC)电压以推动车辆。在车辆的再生制动期间，马达由车轮驱动并且可以用于传送电力以对电池充电。另一个三相变频器将发电机连接到DC母线。发电机可以由内燃发动机驱动以对电池充电。在充电期间，VVC将主母线电压转换为适于对DC电池组充电的电压。使用电源开关的适当调制，VVC可以将由电池提供的直流电压提升为更高的电压以在改进的车辆性能水平下驱动马达。当用于从输入侧向输出侧提升电压时，该转换器被称为升压转换器。在混合动力车辆领域中，通常通过再生制动对电池充电，其中车轮的机械能通过发电机、或通过作为发电机运转的马达转换成电能并通过VVC提供给电池。VVC也可以在直通模式中工作，其中瞬态电流从电池侧流向逆变器侧/从变频器侧流向电池侧而电压不升高。VVC包括上部和下部晶体管开关器件(例如绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor)，IGBT)，上部和下部晶体管开关器件具有通过电感器连接到电源电池的中间连接点。开关器件串联在正和负DC母线之间。电子控制器根据提供所需的VVC模式的调制方案提供开关信号(即栅极信号)以接通和关断开关器件。通常使用脉冲宽度调制来控制由VVC导致的电压升高，其中可以改变开关信号的占空比以便于将VVC电压调节到所需大小。VVC的“升压比”定义为输出电压与输入电压之比。在直通模式下，升压比为1。在其他情况下，升压比大于1(即VVC的逆变器侧的电压高于VVC的电池侧的电压)。为了避免DC链路短路，重要的是上部和下部器件不同时导通(即打开)。通常在开关信号的任何转换处插入短时间间隔(称为死区时间)，在该转换期间，上部和下部开关器件均关断以便于防止这种直通。然而，插入死区时间会改变脉冲宽度调制(PWM，Pulsewidthmodulation)开关信号的有效占空比。在再生操作期间，例如死区时间可以使最小可实现的升压比增益到显著高于1.0的值(例如在20kHz附近的高PWM开关频率时高达1.25)。较低的升压比的不可用性可能导致主DC母线上的电压高于所需、或导致强制使用直通模式，使得由于主DC母线电压低于所需而导致电机产生的转矩较低。
技术实现思路
在本专利技术的一个方面中，电驱动系统中的可变电压转换器包括在正母线和负母线之间串联的上部开关器件和下部开关器件。电感器将上部和下部开关器件之间的连接点连接到DC电源。控制器配置为根据基于转换器的预期升压比的PWM栅极信号来驱动开关。当预期升压比大于预定升压比时，PWM栅极信号对于上部和下部开关器件都插入标称死区时间。当预期升压比小于预定升压比时，PWM栅极信号对于上部开关器件不插入死区时间并且使下部开关器件保持持续关断。附图说明图1是示出用于实施本专利技术的混合动力电动车辆的电驱动装置的示意性框图；图2A、2B、和2C分别是PWM载波、没有死区时间的PWM栅极信号、和插入死区时间的PWM栅极信号的波形图；图3是示出常规的插入死区时间可获得的升压比的坐标图；图4是示出当可变电压转换器处于再生模式时用于实现更大范围的升压比的本专利技术的PWM栅极信号模式的波形图；图5是示出使用本专利技术可获得的额外升压比的坐标图；图6是示出本专利技术的一个优选方法的流程图。具体实施方式参考图1，电动车辆驱动系统10包括通过接触器开关12和13连接到输入电容器14的DC电源11(诸如电池组或燃料电池)。接触器12和13优选地是具有打开状态和关闭状态的机械开关，用于根据驱动系统10的驱动模式选择性地将电池11连接到输入电容器14。例如，可变电压转换器(VVC)15将输入电容器14连接到主电容器16，主电容器16用作逆变器17和变频器19的链路电容器。每个逆变器和变频器包括桥式配置中的多个开关器件。以所需的方式切换逆变器17中的开关以驱动马达18。切换变频器19以将来自发电机20的能量再生到主电容器16上。在VVC15的马达操作中，电力从DC电源11通过VVC15流向逆变器17(例如用于车辆推进)。在VVC15的再生操作中，电力从变频器19通过VVC15流向DC电源11(例如使用在再生制动期间回收的能量对电池组再充电)。逆变器17和变频器19中的每个相位开关器件优选地包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。每个IGBT优选地包括反向并联二极管。例如，逆变器17的第一支路21示为具有相位开关22。每个IGBT具有连接到控制器30的相应控制(即栅极)端子，控制器30根据逆变器和变频器的各种操作模式通过本领域已知的PWM信号来控制开关。VVC15的已知配置包括上部开关器件23、下部开关器件24、和反向二极管25和26。开关23和24串联在正母线31和负母线32之间。开关24和25之间的连接点通过电感器27连接到输入电容器14。VVC15可以如本领域中已知的在马达操作(例如，为了驱动马达18而将输入电容器14上的电池电压VB转换成电容器16两端的较高的DC链路电压VDC)或再生操作(例如，为了对电池11充电而将来自发电机20和变频器19的电容器16上的电压转换成电容器14两端的电压)中，在电容器14和16之间双向传送电荷。VVC15中的每个开关器件同样优选地包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。每个IGBT具有连接到控制器30的相应的控制(例如基极)端子，控制器30根据转换器和逆变器和变频器的各种操作模式来控制开关。控制器30可以包括市售类型的马达-发电机控制单元(motor-generatorcontrolunit，MGCU)，并且符合在2015年8月11日公布的美国专利9,106,162(该专利通过引用整体并入本文)中的描述。为了在VVC15两端获得所需的升压比，通常使用已知的脉冲宽度调制(PWM)方法来生成用于IGBT23和24的栅极信号。VVC15两端(即从电池电压VB到主DC链路电压VDC)的升压比定义为使用图1所示的VVC15的拓扑结构，升压比根据上部开关器件23的导通时间占空比D确定为图2A-2C中示出了用于插入标称死时间Td的脉冲宽度调制(PWM)方法。图2A示出了例如以10kHz左右的频率产生的三角波形的PWM载波信号35。PWM调制信号36由MGCU或其他控制器根据电驱动单元的当前状态下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电驱动系统中的可变电压转换器，包括：在正母线和负母线之间串联的上部开关器件和下部开关器件；将所述上部开关器件和所述下部开关器件之间的连接点连接到DC电源的电感器；和控制器，所述控制器配置为根据基于所述转换器的预期升压比的PWM栅极信号来驱动所述开关，其中当所述预期升压比大于预定升压比时所述PWM栅极信号对于所述上部开关器件和所述下部开关器件都插入标称死区时间，并且其中当所述预期升压比小于所述预定升压比时所述PWM栅极信号对于所述上部开关器件不插入死区时间并且使所述下部开关器件保持持续关断。

【技术特征摘要】
2017.01.12 US 15/404,3931.一种电驱动系统中的可变电压转换器，包括：在正母线和负母线之间串联的上部开关器件和下部开关器件；将所述上部开关器件和所述下部开关器件之间的连接点连接到DC电源的电感器；和控制器，所述控制器配置为根据基于所述转换器的预期升压比的PWM栅极信号来驱动所述开关，其中当所述预期升压比大于预定升压比时所述PWM栅极信号对于所述上部开关器件和所述下部开关器件都插入标称死区时间，并且其中当所述预期升压比小于所述预定升压比时所述PWM栅极信号对于所述上部开关器件不插入死区时间并且使所述下部开关器件保持持续关断。2.根据权利要求1所述的转换器，其中所述转换器具有电力从所述DC电源流动通过所述转换器的马达操作，并且具有电力从所述转换器流到所述DC电源的再生操作，并且其中用于所述上部开关器件的不插入死区时间的所述PWM栅极信号仅在所述再生操作时用于驱动所述开关。3.根据权利要求1所述的转换器，其中用于所述上部开关器件的所述PWM栅极信号具有根据所述预期升压比而变化的占空比。4.根据权利要求1所述的转换器，其中所述预定升压比是对应于下式的最小死区时间升压比Gmin：Gmin＝1/(1-2Dd)其中Dd是基于所述PWM栅极信号的载波频率的所述标称死区时间的占空比当量。5.根据权利要求1所述的转换器，其中所述开关器件包括绝缘栅双极型晶体管，并且其中每个所述晶体管与相应的反向二极管并联。6.一种控制可变电压转换器的方法，包括以下步骤：确定由所述转换器产生的预期升压比；识别所述转换器是否处于再生操作中；如果所述转换器不处于所述再生操作中，则对上部开关器件和下部开关器件二者使用插入标称死区时间的PWM栅极信号来驱动所述转换器的所述上部开关器件和所述下部开关器件；如果所述转换器处于所述再生操作中并且所述预期升压比大于预定升压比，则对所述上部开关器件和所述下部开关器件二者使用插入所述标称死区时间的所述PWM栅极信号来驱动所述转换器的所述上部开关器件和所述下部开关器件；和如果所述转换器处于所述再生操作中并且所述预期升压比小于所述预定...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔根德拉·辛格·索恩加姆，杨水涛，默罕默德·胡尔希德·阿拉姆，陈礼华，徐帆，周彦，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US