專利名稱：用于將直流功率轉換為交流功率的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及功率逆變器，且更具體地涉及用于將直流功率轉換 為交流功率的方法和系統。
背景技術：
近年來，技術的進步以及不斷發展的風格喜好已引起汽車設計的重 大變化。其中一個變化涉及汽車內的電氣和驅動系統的復雜性，特別是 代用燃料車輛，諸如混合動力車輛、電動車輛和燃料電池車。這些代用 燃料車輛通常使用電動機(或許結合另一個致動器)來驅動車輪。
在這些車輛中使用的包括電動機(electric motor)的許多電氣部件 從交流(AC)電源接收電功率。然而，在這些應用中使用的功率源(即， 電池)僅提供直流(DC)功率。因而，稱為為功率逆變器的裝置被用來 將直流功率轉換為交流功率，所述功率逆變器經常利用以各種時間間隔 操作的若干開關或晶體管來將直流功率轉換為交流功率。
近年來，已經研發出"z源，，逆變器，其相比常規的功率逆變器具 有若干優點。例如，由于包含在其中的阻抗源(例如，包括一個或多個 電感器)，z源逆變器具有產生大于或小于所提供的直流功率的電壓的 輸出電壓的能力。然而，諸如脈寬調制(PWM)之類的用于控制逆變器 內開關的常^見方法導致紋波電流(ripple current)以相對4氐的頻率流過 電感器。結果，必須在這種功率逆變器中使用非常大且昂貴的電感器， 因為所需的電感器尺寸與紋波電流的頻率成比例。
因此，希望提供 一 種用于將直流功率轉換為交流功率的方法和系 統，該方法和系統允許使用較小且較便宜的電感器。此外，結合附圖和 前述的技術領域及背景技術，本發明的其它可取特征和特性將根據隨后 的詳細描述及所附權利要求書而變得顯而易見。
發明內容
在一個實施例中，提供了一種用于將直流(DC)功率轉換為交流 (AC)功率的方法。基于第一載波信號產生交流功率的第一相位。基于
第二載波信號產生交流功率的第二相位。
在另一實施例中，提供了一種用于通過功率逆變器操作多相電機
(motor)的方法，對于該電;f幾的每個相位，所述功率逆變器都具有一 對開關。產生第一載波信號，且產生第一調制信號。第一載波信號和第 一調制信號共同確定第一波形。基于第一波形操作功率逆變器中的第一 對開關。產生第二載波信號，且產生第二調制信號。第二載波信號和第 一調制信號共同確定第二波形。基于第二波形操作功率逆變器中的第二 對開關。
在又一實施例中，提供了一種汽車驅動系統。該汽車驅動系統包括 直流(DC)電源、電動機、功率逆變器和處理器。直流電源耦合到電動 機。功率逆變器包括第一對開關和第二對開關，且耦合到電動機和直流 電源以接收來自直流電源的直流功率，并提供交流(A C )功率給電動機。 處理器與電動機、直流電源和功率逆變器成可操作通信。處理器配置成 產生第一載波信號，基于第一載波信號操作功率逆變器中的第一對開 關，產生第二載波信號，并且基于第二載波信號操作功率逆變器中的第 二對開關。
將在下文中結合下列附圖描述本發明，其中相同的數字表示相同的 元件，且
圖1是根據本發明一個實施例的示范性汽車的示意圖2是在圖1的汽車內的逆變器系統的方塊圖3是在圖1的汽車內的功率逆變器的示意圖4是由圖2的逆變器系統產生的用來控制圖3的功率逆變器的第 一、第二和第三組載波信號與調制信號以及直通調制(shoot-through modulation)信號及相關聯波形的圖示；
圖5是圖4的第一組載波信號與調制信號以及相關聯波形的圖示；
圖6是圖4的第二組載波信號與調制信號以及相關聯波形的圖示；
和
圖7是圖4的第三組載波信號與調制信號以及相關聯波形的圖示。
具體實施例方式
下列詳細描述本質上僅是示范性的，且并不打算限制本發明或本發 明的應用及用途。此外，不打算受前面的技術領域、背景技術、發明內 容或下面的具體描述中給出的明示或暗示的理論的約束。
下列描述涉及被"連接"或"耦合"到一起的元件或零件。如本文 中所使用的，除非另有明確聲明，"連接"是指一個元件/零件直接接合 到另一元件/零件(或直接與其通信)，且不一定是通過機械方式。同樣， 除非另有明確聲明，"耦合"是指一個元件/零件直接或間接接合到另一 元件/零件(或者直接或間接地與其通信)，且不一定是通過機械方式。 然而，應當理解到，盡管下面可能在一個實施例中說明兩個元件是"連 接"的，但是在可選實施例中類似元件可以是"耦合"的，且反之亦然。 因而，盡管這里示出的示意圖描繪了元件的示范性布置，但在實際實施
例中可以存在其它插入(intervening)元件、裝置、零件或部件。也應 該理解到，圖1 - 7僅僅是說明性的且可以不按比例繪制。
圖1到圖7示出了一種用于將直流功率轉換為交流功率的方法和系 統。基于第一載波信號產生交流功率的第一相位。基于第二載波信號產 生交流功率的第二相位。在一個實施例中，第一相位的產生包括基于第 一載波信號操作功率逆變器中的第一組開關，且第二相位的產生包括基 于第二載波信號操作功率逆變器中的第二組開關。
圖1示出了根據本發明一個實施例的車輛10或"汽車"。汽車10 包括底盤12、車體14、四個車輪16和電子控制系統(或電子控制單元 (ECU) 18)。車體14布置在底盤12上且基本上封閉汽車10的其它 部件。車體14和底盤12可以共同形成車架。車輪16的每一個均在車 體14的相應拐角附近轉動地耦合到底盤12。
汽車10可以是許多不同類型汽車中的任一種，諸如轎車、貨車、 卡車、或運動型多功能車(SUV),且可以是兩輪驅動(2WD)(即后 輪驅動或前輪驅動)、四輪驅動(4WD)或全輪驅動(AWD)。車輛 10也可以合并許多不同類型發動機(或致動器)中額任一種或它們的組 合，所述發動機諸如汽油燃料內燃機或柴油燃料內燃機、"靈活燃料型 車輛，，(FFV)發動機(即，使用汽油和酒精的混合物)、氣態化合物 (例如，氫氣和/或天然氣)燃料發動機、或燃料電池、燃燒/電動機混 合發動才幾，以及電動才幾。
在圖1所示出的示范性實施例中，汽車IO是混合動力車輛、且還
包括致動器(actuator)組件(或動力系)20、電池22、功率逆變器(或 逆變器)24和散熱器26。致動器組件20包括內燃機28和電動機/發電 機(或電機)系統(或組件)30。在一個實施例中，電動機系統30包 括一個或多個正弦纏繞的(sinusoidally-wound )三相交流(AC)電機/ 發電機(或電機)(例如，永磁式或感應式電機)，諸如通常在機動車 輛(例如，牽引驅動控制系統等等)中使用的電機。如本領域技術人員 將理解的，每個電動機包括定子組件(包括導電線圈)、轉子組件(包 括鐵磁芯)、和冷卻流體(即，冷卻劑)。正如通常所理解的，電動機 內的定子組件和/或轉子組件可以包括多個(例如，十六個)電磁極。
仍參考圖1,且如下面更詳細說明的，內燃機28和電動機系統30 是集成的，從而使得兩者都通過一個或多個驅動軸32機械地耦合到至 少一些車輪16。散熱器26連接到車架的外部，且盡管沒有詳細示出， 散熱器包括貫穿其中的包含冷卻流體(即，冷卻劑)的多個冷卻通道， 所述冷卻流體諸如水和/或乙二醇(即，"防凍劑")，且所述散熱器耦 合到發動機28和逆變器24。再參考圖1,在所描繪的實施例中，逆變 器24接收冷卻劑并與電動機30 —起共享冷卻劑。散熱器26可以類似 地連接到逆變器24和/或電動機30。
電子控制系統18與致動器組件20、電池22和逆變器24可操作通 信。盡管沒有詳細示出，電子控制系統18包括諸如逆變器控制模塊和 車輛控制器的各種傳感器和汽車控制模塊，或電子控制單元(ECU)， 以及至少一個處理器和/或存儲器，所述存儲器包括存儲在其上(或另一 種計算機可讀介質中)的用于執行如下所述的過程和方法的若干指令。
參考圖2，圖示了根據本發明示范性實施例的電壓源逆變器系統(或 電力驅動系統)34。電壓源逆變器系統34包括控制器36、耦合到控制 器36的輸出的逆變器24、耦合到逆變器24的第一輸出的電機30,以 及調制器38,所述調制器38的輸入耦合到逆變器24的笫二輸出，且其 輸出耦合到控制器36的輸入。控制器36和調制器38可以是與圖1所 示的電子控制系統集成。
圖3更詳細地示出了圖1和圖2的逆變器24。逆變器24包括耦合 到電機30的三相電路。更具體地，逆變器24包括開關網絡，所述開關 網絡具有耦合到電壓源Vdc (例如，電池22)的第一輸入和耦合到電機 30的輸出。盡管圖示了單個電壓源，但是可以使用帶有兩個串聯源的分
布式直流鏈路。
該開關網絡包括具有對應于每個相位的反并聯二極管(即，與每個
開關反并聯)的三對(a、 b和c)串聯開關。每對串聯開關包括第一 開關或晶體管(即，"高"開關)40、 42和44,其具有耦合到電壓源 22的正電極的第一端子；和第二開關(即，"低，，開關)46、 48和50, 其具有耦合到電壓源22的負電極的第二端子并具有耦合到相應第一開 關40、 42和44的第二端子的第一端子。
在一個實施例中，如通常所理解的，逆變器24是"z源，，逆變器且 包括耦合在電池22與第一、第二和第三對開關之間的阻抗源52，阻抗 源52包括電感部件(或至少一個電感器)和電容部件(或至少一個電 容器)。在所描述的實施例中，電感部件包括具有第一電感部分54和 第二電感部分56的分離電感器(split inductor),每個電感部分都具有 第一側和第二側。第一電感部分54連接在第一開關40、 42和44與電 池22的正電極之間。第二電感部分56連接在第二開關46、 48和50與 電池22的負端子之間。
電容部件包括笫一電容器58和第二電容器60,它們以"X"形配 置連接到第一電感部分54和笫二電感部分56。也就是說，第一電容器 58具有連接到第一電感部分54的第一側的第一端子以及連接到第二電 感部分56的第二側的第二端子。第二電容器60具有連接到第一電感部 分54的第二側的第一端子以及連接到第二電感部分56的第一側的第二 端子。在所描述的實施例中，逆變器24還包括附加開關62,附加開關 62可以類似于開關40-50且用來允許在直流總線的逆變器側上維持較高 電壓。
根據本特定發明的各方面，在操作期間，仍參考圖1,通過以交替 的方式用內燃機28和電動機組件30給車輪16提供功率和/或同時用內 燃機28和電動機組件30給車輪16提供功率，來操作車輛10。為了給 電動機組件30供電，乂人電池22給逆變器24提供直流功率，所述逆變 器在將功率傳送到電動機30之前將直流功率轉化為交流功率。正如本 領域技術人員將理解的，直流功率到交流功率的轉換基本上是通過以 "切換頻率"操作(即，重復地切換)逆變器24內的開關40- 50而實 行的，所述切換頻率諸如12千赫茲(kHz)。
再參考圖2, —般而言，控制器36產生脈寬調制(PWM)信號用于控制逆變器24的切換動作。在優選實施例中，控制器36優選地產生 連續PWM (CPWM)信號，其中每個上部和下部開關在逆變器24的每 個切換循環(switching cycle )的一部分時間導通。逆變器24然后將PWM 信號轉換為經調制的電壓波形，用于操作電機30。
圖4用圖形示出了根據本發明一個實施例的由控制器36 (和/或調 制器38)產生的用于操作開關40-50的PWM信號。如圖所示，產生了 三個單獨的載波信號和三個單獨的調制信號，每個用于圖3所示開關(a、 b和c)中的相應一對。特別地，控制器36 (和/或調制器38)產生第一 載波信號64、第一調制信號66、第二載波信號68、第二調制信號70、 第三載波信號72、和第三調制信號74。在一個實施例中，控制器36還 產生高直通調制信號76和低直通調制信號78。
如將在下面更詳細說明的，每組載波信號和調制信號以及直通調制 信號76和78可以組合以產生"高，，波形80和"低，，波形82。應注意 到，圖4中所示波形80和82對應于第一載波信號64和第一調制信號 66。如本領域技術人員將理解的，三組單獨的載波信號和調制信號增加 了流過逆變器24內的電感部件的紋波電流的頻率，如也在圖4中描繪 的紋波電力t 84所示。
為清晰起見，圖5、 6和7的每一個均用圖形示出了除直通調制信 號76和78以外的僅一組載波信號和調制信號以及相關聯的波形。圖5 示出了第一載波信號64和第一調制信號66。如從圖5中明顯可見的是， 當第 一調制信號66具有大于第 一載波信號64的幅值時和/或每當第 一載 波信號64超過(pass beyond)直通載波信號76和78時，高波形80處 于"高"或"開(on)"狀態。圖5中所示的高波形80用來控制逆變器 24內的第一對開關(a)中的第一開關或高開關40。當第一調制信號66具 有小于第 一載波信號64的幅值時和/或每當第 一載波信號64超過直通載 波信號76和78時，低波形82處于"高"或"開"狀態。圖5中所示 的低波形82用來控制逆變器24內的第一對開關(a)中的第二開關或 低開關46。
圖6示出了第二載波信號68和第二調制信號70。按照類似于上述 的方式，高波形86和低波形88是根據第二載波信號68和第二調制信 號70以及直通載波信號76和78形成的。圖6所示高波形86用來控制 逆變器24內的第二對開關(b)中的第一開關42,且圖6所示的低波形88
用來控制逆變器24內的第二對開關(b)中的第二開關48。
圖7示出了第三載波信號72和第三調制信號74。按照類似于上述 的方式，高波形90和低波形92是根據第三載波信號72和第三調制信 號74以及直通載波信號76和78形成的。圖7中所示的高波形90用來 控制逆變器24內的第三對開關(c)中的第一開關44,且圖7中所示的低 波形92用來控制逆變器24內的第三對開關(c)中的第二開關50。
如通常所理解的，波形80、 82、 86、 88、 90和92以及開關的對應 操作確定了逆變器24的不同橋臂的輸出電壓，且因而確定了施加在電 機30內的繞組兩端的電壓。照此，每對開關(a、 b和c)的操作產生了 傳送到電才幾30的交流功率的相應相位。
上述方法和系統的 一 個優點是由于用于操作每對開關(或電動機每 個相位)的單獨且交錯的載波信號，增加了逆變器內電感部件中的紋波 電流頻率。在利用三相電才幾的一個實施例中，紋波電流的頻率與對所有 三個相位使用單載波信號的情況(24kHz、或者兩倍于12kHz的載波頻 率)相比增至三倍(例如，到72kHz)。因此，逆變器內的電感部件的 尺寸可以被減小(例如，減小到使用單載波信號時其尺寸的1/3)。
在除了汽車以外的實施方式中，諸如水運工具和航空器，其它實施 例可以利用上述的方法和系統。電動才幾和功率逆變器可以具有不同數量 的相位，諸如兩個或四個。可以l吏用其它形式的功率源，諸如電流源和 負載，所述負載包括二極管整流器、可控硅變流器、燃料電池、電感器、 電容器、和/或它們的任意組合。
盡管已經在前述詳細描述中給出了至少一個示范性實施例，應理解 存在大量的變型。也應理解， 一個或多個示范性實施例僅是例子，且不 打算以任何方式限定本發明的范圍、適用性或配置。相反，前面的詳細
可以對元件的功能與布置作出多種改變，而不脫離由所附的權利要J書 及其法律等效物記載的本發明的范圍。
權利要求
1. 一種用于將直流(DC)功率轉換為交流(AC)功率的方法，該方法包括基于第一載波信號產生交流功率的第一相位；和基于第二載波信號產生交流功率的第二相位。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中第一相位的產生包括基于第一 載波信號操作功率逆變器中的第 一組開關，且第二相位的產生包括基于 第二載波信號操作功率逆變器中的第二組開關。
3. 根據權利要求2所述的方法，還包括 產生第一和第二載波信號；產生第一調制信號，且其中第一組開關的操作進一步基于第一調制 信號；和產生第二調制信號，且其中第二組開關的操作進一步基于笫二調制信號。
4. 根據權利要求3所述的方法，其中第一載波信號和第一調制信號 共同確定第 一波形，且其中第 一組開關的操作進一步基于第 一波形。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中第二載波信號和第二調制信號 共同確定第二波形，且其中第二組開關的操作進一步基于第二波形。
6. 根據權利要求5所述的方法，還包括 產生第三載波信號；和基于第三載波信號產生交流功率的第三相位。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中第三相位的產生包括基于第三 載波信號操作功率逆變器中的第三組開關。
8. 根據權利要求7所述的方法，還包括產生第三調制信號，第三載 波信號和第三調制信號共同確定第三波形，且其中第三組開關的操作進 一步基于第三波形。
9. 一種通過功率逆變器操作多相電機的方法，對于電機的每個相位， 所述功率逆變器都具有用于該相位的一對開關，該方法包括產生第一載波信號；產生第一調制信號，第一載波信號和第一調制信號共同確定第一波形；基于第一波形操作功率逆變器中的第一對開關； 產生第二載波信號；產生第二調制信號，第二載波信號和第一調制信號共同確定第二 波形；和基于第二波形操作功率逆變器中的第二對開關。
10. 根據權利要求9所述的方法，還包括 產生第三載波信號；產生第三調制信號，第三載波信號和第三調制信號共同確定第三 波形；和基于第三波形操作功率逆變器中的第三對開關。
11. 一種汽車驅動系統，包括 電動才幾；耦合到電動才幾的直流(DC)電源；包括第一對開關和第二對開關的功率逆變器，所述功率逆變器耦 合到電動才幾和直流電源以接收來自直流電源的直流功率并提供交流 (AC)功率給電動才幾；和處理器，其與電動機、直流電源和功率逆變器可操作通信，所述 處理器配置成產生第一載波信號；基于第一載波信號操作功率逆變器中的第一對開關； 產生第二載波信號；和基于第二載波信號操作功率逆變器中的第二對開關。
12. 根據權利要求11所述的汽車驅動系統，其中處理器還配置成 產生第一調制信號，第一載波信號和第一調制信號共同確定第一波形，且第一對開關的操作進一步基于第一波形；和產生第二調制信號，第二載波信號和第二調制信號共同確定第二 波形，且第二對開關的操作進一步基于第二波形。
13. 根據權利要求12所述的汽車驅動系統，其中電動機是多相電 動機，且其中功率逆變器中的第一和第二對開關中的每一對是與電動機 的相應第一相位和第二相位相關耳關的。
14. 根據權利要求13所述的汽車驅動系統，其中電動機是三相電 動機，且其中功率逆變器還包括與電動機的第三相位相關聯的第三對開關。
15. 根據權利要求14所述的汽車驅動系統，其中處理器還配置成 產生第三載波信號；和 基于第三載波信號操作第三對開關。
16. 根據權利要求15所述的汽車驅動系統，其中處理器還配置成 產生第三調制信號，第三載波信號和第三調制信號共同確定第三波形， 且第三對開關的操作進一 步基于第三波形。
17. 根據權利要求16所述的汽車驅動系統，其中功率逆變器還包 括耦合在直流功率源和第 一 、第二及第三對開關之間的阻抗源。
18. 根據權利要求17所述的汽車驅動系統，其中阻抗源包括至少 一個電感器和至少一個電容器。
19. 根據權利要求18所述的汽車驅動系統，其中該至少一個電感 器包括具有第一和第二電感部分的分離電感器，所述第一和第二電感部 分具有第一和第二側，且該至少一個電容器包括第一和第二電容器，第 一電容器具有連接到第一電感部分的第一側的第一端子和連接到第二 電感部分的第二側的第二端子，且第二電容器具有連接到第一電感部分 的第二側的第一端子和連接到第二電感部分的第一側的第二端子。
20. 根據權利要求19所述的汽車驅動系統，其中第一、第二和第 三對開關包括多個晶體管。
全文摘要
本發明涉及用于將直流功率轉換為交流功率的方法和系統。提供了用于將直流(DC)功率轉換為交流(AC)功率的方法。基于第一載波信號產生交流功率的第一相位。基于第二載波信號而產生交流功率的第二相位。
文檔編號B60L15/00GK101388615SQ200810215930
公開日2009年3月18日 申請日期2008年9月12日 優先權日2007年9月12日
發明者B·A·韋爾奇科, L·A·卡尤克 申請人:通用汽車環球科技運作公司