專利名稱：用于具有電容器的功率變換系統的放電控制設備的制作方法
技術領域：
本公開涉及用于功率變換系統的放電控制設備，該功率變換系統包括DC (直流)電源、具有與該DC電源電氣連接的開關元件的功率變換器、以及電氣地插入在其間的電容器。這些功率變換系統可操作為通過打開和閉合開關元件來將DC電源的功率變換成期望功率。更具體地，本公開涉及可操作為使電容器的兩個電極短路以將電容器放電的這些放電控制設備。
背景技術：
作為上面闡述的這些功率變換系統的示例，在日本專利申請公開2009-232620中
公開了以下功率變換系統。為了防止電容器中充有的電荷歸于作為與電容器斷開的負載的逆變器，功率變換系統進行放電控制以通過驅動器同時接通逆變器的高側開關和對應的低側開關元件，以使電容器的兩個電極短路。這使電容器放電。為了防止流經電容器的電流過度增大，相比于正常情況下施加給作為系統的開關元件的IGBT的柵極的電壓，功率變換系統減小要施加給IGBT的柵極的電壓。引用列表專利文獻PTLl :專利 2009-232620
發明內容
發明人已經發現在日本專利申請公開2009-232620中公開的功率變換系統中存在問題。當進行放電控制時，開關元件(IGBT)中生成的熱量會外部地增加。因為熱量取決于流經開關元件的電流的量，所以減小要施加給開關元件的柵極(控制端子)的電壓會限制開關元件中生成的熱量。然而，由于以下原因，導致會難以以高準確度控制實際流經開關元件的電流由于開關元件各自的差異以及其老化變化而導致的開關元件的特性變化；以及由于驅動器的各自差異以及驅動器的老化變化而產生的所施加電壓的變化。這會導致難以控制開關元件中的熱量。鑒于上面闡述的情形，本公開的一個方面試圖提供用于具有電容器的功率變換系統的放電控制設備；這些放電控制設備被設計成解決在上面闡述的傳統功率變換系統中提出的問題。具體地，本公開的替代方面旨在提供能夠在進行放電控制時以高準確度控制開關元件中的熱量的新方法。根據本公開的一個方面，提供了一種用于功率變換系統的放電控制設備。所述功率變換系統包括功率變換器，所述功率變換器包括電壓受控的高側開關元件和電壓受控的低側開關元件的串聯連接構件。所述電壓受控的高側開關元件和所述電壓受控的低側開關元件中的每個開關元件均具有導通控制端子。所述功率變換器被配置成將直流電源的功率變換成期望功率。所述功率變換系統包括電容器，所述電容器電氣地插入在所述功率變換器與所述直流電源之間；以及打開-閉合構件，所述打開-閉合構件被配置成打開和閉合所述功率變換器與所述直流電源之間的電氣路徑。所述放電控制設備包括放電控制器，所述放電控制器通過如下方式進行放電控制確定要施加給所述高側開關元件和所述低側開關元件中的每個開關元件的導通控制端子的電壓，使得所述高側開關元件和所述低側開關元件中的一個開關元件的非飽和區中的電流低于所述高側開關元件和所述低側開關元件中的另一個開關元件的非飽和區中的電流；以及在所述打開-閉合構件打開所述電氣路徑的情況下，對所述高側開關元件和所述低側開關元件中的每個開關元件的導通控制端子施加所述電壓，以接通所述高側開關元件和所述低側開關元件兩者。這導致所述電容器的兩個電極短路，以使得基于所述放電控制從所述電容器輸出放電電流。所述放電控制設備還包括操縱器，所述操縱器基于所述放電電流的值來操縱如何將所述電壓施加給所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的導通控制端子，以控制所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件中要生成的熱量。 結合附圖，根據以下描述將進一步理解本公開的各方面的以上和/或其它特征、和/或優點。在合適的情況下，本公開的各方面可以包括和/或不包括不同的特征和/或優點。此外，在合適的情況下，本公開的各方面能夠將其它實施例的一個或更多個特征組合。特定實施例的特征和/或優點的描述不應被構建為限制其它實施例或權利要求。
參照附圖，根據實施例的以下描述，本公開的其它方面將變得明顯，在附圖中圖I是根據本發明的第一實施例的功率變換系統的電路和框圖；圖2中的(a)是示意性示出了根據第一實施例的V相和W相開關元件的每個驅動單元的結構的示例的電路圖；圖2中的(b)是示意性示出了根據第一實施例的U相繞組的低側(下臂)開關元件的驅動單元的結構的示例的電路圖；圖2中的(C)是示意性示出了根據第一實施例的U相繞組的高側(上臂)開關元件的驅動單元的結構的示例的電路圖；圖3是示意性示出了根據第一實施例的U相高側開關元件的驅動單元DU的操作的時序圖，該驅動單元DU基于針對異常的放電命令而在放電控制模式下操作；圖4是示意性示出了根據第一實施例的集電極電流與要施加給開關元件的柵極的電壓之間的關系的圖；以及圖5是示意性示出了根據本發明的第二實施例的U相繞組的高側(上臂)開關元件的驅動單元的結構的示例的電路圖。
具體實施例方式下文中將參照附圖描述本公開的實施例。在每個實施例中，功率變換系統的放電控制設備例如被應用于混合動力車輛，該混合動力車輛中安裝有作為主電機的三相電動發電機10。
第一實施例參照附圖，特別是圖I，示出了如下功率變換系統該功率變換系統用于將DC功率變換成AC功率，以供應給機械連接到混合動力車輛的驅動輪的三相電動發電機10 (簡稱為電動發電機10)。功率變換系統包括用作功率變換器的逆變器IV、繼電器SMR1、繼電器SMR2、電阻器14、以及高電壓電池(電池)12。電動發電機10通過由繼電器SMR2和電阻器14的串聯電路與繼電器SMRl構成的并聯電路而與電池12電氣連接；繼電器SMRl和該串聯電路彼此并聯連接。電池12具有例如數百伏以上的端電壓。逆變器IV具有與寄存器18和電容器16并聯連接的高側輸入端子和低側輸入端子。即，逆變器IV的高側輸入端子經由該并聯電路而與電池12電氣連接，并且寄存器18和電容器16被布置在逆變器IV與電池12之間。例如，電動發電機10由三相電樞繞組和勵磁構件(field member)構成。當供應作為電動發電機10的驅動電流的示例的三相正弦驅動電流以經由逆變器IV分別流經三相電樞繞組時,三相電樞繞組生成磁場。所生成的磁場和由勵磁構件生成的磁場使電樞和勵磁構件中的任一個相對于其中的另一個旋轉，以由此使電動發電機10旋轉(使電動發電機10的轉子旋轉)。另一方面，當使勵磁構件旋轉時，旋轉的勵磁構件產生磁通量。產生的磁通量在三相電樞繞組中感生出三相AC電壓，以使得經由逆變器IV和電容器16將該三相AC電壓作為DC電壓而供應給電池12，從而對電池12充電。逆變器IV被設計為三相逆變器。逆變器IV由三對串聯連接的高側開關元件和低 側開關元件Swp和Swu構成；這三對高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn在橋配置中彼此并聯連接。使高側開關元件(上臂)Swp的端部集合在一起作為共用連接端子(DC輸入端子)，并且該共用連接端子與電容器16的一個電極連接、與電阻器18的一端連接、并且經由并聯電路而與電池12的正電極連接。使低側開關元件(下臂)Swn的端部集合在一起作為共用連接端子(DC輸入端子)，并且該共用連接端子與電容器16的另一個電極、電阻器18的另一端、以及電池12的負電極連接。例如，例如在星形配置中，三相電樞繞組(U相、V相和W相繞組)均具有連接到共用接合點(中性點)的一端以及連接到獨立端子的另一端。星形配置中的三相電樞繞組具有120度的相對相移。U相、V相和W相繞組中的每個的獨立端子與三對高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn中的相應的一對高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn之間的連接點連接。逆變器IV還包括連接在每個高側開關元件Swp的其輸入端子和輸出端子(集電極和發射極)之間的續流二極管FDp。類似地，逆變器IV包括連接在每個低側開關元件Swn的其輸入端子和輸出端子(集電極和發射極)之間的續流二極管FDn。具體地，每個續流二極管FDp的陰極與開關元件Swp中的對應的開關元件的集電極連接，并且其陽極與開關元件Swn中的對應的開關元件的源極連接。開關元件Swp和Swn中的每個均具有感測端子St，用于輸出與在其輸入端子和輸出端子之間流動的電流相關聯的微小電流。功率變換系統還包括六個分流電阻器19和六個驅動單元DU，每個分流電阻器與開關元件Swp和Swn中的對應開關元件的感測端子St電氣連接。每個驅動單元DU與分流電阻器19中的對應的分流電阻器的兩個端子電氣連接，并且與開關元件Swp和Swn中的每個的柵極(導通控制端子)電氣連接。從開關元件Sw# (#是表示p或n的索引)的感測端子St輸出的微小電流流經分流電阻器19，以使得由分流電阻器19導致的電壓降被用于驅動開關元件Sw#的驅動單元
DU捕獲。 驅動單元DU可操作為基于捕獲的電壓降，確定開關元件Sw#的輸入端子和輸出端子之間流過的電流是否等于或大于閾值電流Ith，以及當確定開關元件Sw#的輸入端子和輸出端子之間流過的電流等于或大于閾值電流Ith時，強制斷開開關元件Sw#。功率變換系統還包括控制器30。控制器30例如被設計為基本上由例如CPU、I/O接口和存儲器單元構成的計算機電路，并且在作為其電源的、比電池12低的低電壓電池20上進行操作。因此，控制器30構成低電壓系統。控制器30被設計成驅動逆變器IV以基于電池12的端電壓將三相正弦驅動電流供應給三相電樞繞組(U相、V相和W相繞組U、V和W)，由此使電動發電機10的轉子旋轉。控制器30還被設計成在正常控制摸下將作為其控制目標的電動發電機10的受控變量調節為期望值。具體地，根據從各個傳感器(例如電流傳感器和角度傳感器)發送的各個數據，控制器30可操作為生成用于驅動U相繞組的開關元件Swp的驅動信號gup ；用于驅動U相繞組的開關元件Swn的驅動信號gun ；用于驅動V相繞組的開關元件Swp的驅動信號gvp ；用于驅動V相繞組的開關元件Swn的驅動信號gvn ；用于驅動W相繞組的開關元件Swp的驅動信號gwp ；用于驅動W相繞組的開關元件Swn的驅動信號gwn ；驅動信號gup、gun、gvp、gvn、gwp和gwn中的每個例如是具有可控占空比(即，可控的脈沖寬度或可控的接通時間與對應的周期(接通時間+斷開時間)的比率)的脈沖信號。具體地，控制器30可操作為經由驅動單元DU供應給開關元件Swp和Swn中的每個的柵極，從而各自調節驅動信號gup、gun、gvp、gvn、gwp和gwn中的每個的占空比。這調節了占空比(諸如開關元件Swp和Swn中的每個的接通時間相比于其周期(接通時間和斷開時間))，由此將電動發電機10的受控變量調整到期望值。功率變換系統包括與控制器30電氣連接的加速度傳感器(G傳感器)22。加速度傳感器22被設計成基于對其施加的力來測量加速度，并基于所測量的加速度來確定是否存在混合動力車輛的碰撞。如果存在混合動力車輛的碰撞，則加速度傳感器22被設計成向U相開關元件Swp和Swn中的每個的驅動單元DU輸出針對異常的放電命令dis,該放電命令dis以放電控制模式強制地使電容器16放電。注意，包括逆變器IV和電池12的高電壓系統以及包括控制器30的低電壓系統通過例如像光耦合器的絕緣器(圖I中的“絕緣”)而彼此連接。絕緣器被配置成在低電壓系統(控制器30)與高電壓系統(電池12和逆變器IV)之間建立電氣絕緣，并且允許其間的通信。因此，驅動信號g*# (*是表示U、V或W的索引，而#是表示P或n的索引)以及放電命令dis經由絕緣器而被輸出到高電壓系統。圖2示出了用于接通和斷開對應的開關元件Sw#的驅動單元DU的結構視圖。具體地，圖2中的(a)示出了 V相和W相開關元件Sw#的驅動單元DU中的每個的結構的示例，并且圖2中的(b)示出了 U相繞組的低側(下臂)開關元件Swn的驅動單元DU的結構的示例。此外，圖2中的(c)示出了 U相繞組的高側(上臂)開關元件Swp的驅動單元DU的結構的示例。如圖2中的(a)所示，V相和W相開關元件Sw#中的每個的驅動單元DU包括具有端電壓VH的電源40、充電開關元件42、柵極電阻器44、放電開關元件46、以及驅動控制器48。電源40的端電壓VH經由充電開關元件42和柵極電阻器44被施加給開關元件Sw#的導通控制端子(柵極)。開關元件Sw#的柵極經由柵極電阻器44和放電開關元件46而與其 輸出端子(發射極)電氣連接；這一路徑用作放電路徑。由驅動控制器48根據驅動信號gj#(j=v或w)接通或斷開充電開關元件42和放電開關元件46。這導致開關元件Sw#被接通和斷開。如圖2中的(b)所示，U相繞組的低側開關元件Swn的驅動單元DU除了以下方面之外，基本上具有與圖2中的(a)所示的驅動單元DU的結構相同的結構。具體地，U相繞組的低側開關元件Swn的驅動單元DU還包括或電路49，驅動信號gun和放電命令dis被輸入到該或電路49。或電路49向驅動控制器48供應驅動信號gun與放電命令dis之間的邏輯和信號。換言之，或電路49向驅動控制器48供應驅動信號gun或放電命令dis。如圖2中的(C)所示，U相繞組的高側開關元件Swp的驅動單元DU除了以下方面之外，基本上具有與圖2中的(a)所示的驅動單元DU的結構相同的結構。具體地，U相高側開關元件Swp的驅動單元DU還包括用于異常的調節器58、開關元件71、充電開關元件52、放電開關54、以及驅動控制器56。U相高側開關元件Swp的驅動單元DU還包括電流傳感器59、鎖存器60、比較器62、振蕩器64、溫度敏感二極管SD、以及恒定電流電路74。調節器58逐步減小電源40的端電壓VH。開關元件71被設計成根據放電命令dis而打開或閉合，以打開或閉合電源40與調節器58之間的電氣路徑。這允許經由充電開關元件52和柵極電阻器44將低于端電壓VH的調節器58的輸出電壓VL施加給開關元件Swp的柵極。開關元件Swp的柵極經由柵極電阻器44和放電開關54與其發射極電氣連接。在輸出放電命令dis的情形下，由驅動控制器56接通和斷開充電開關元件52和放電開關元件54。注意，開關元件71是通常是打開的開關，其在輸入放電命令dis時進行接觸。由電流傳感器59來測量由響應于放電命令dis而進行的放電控制(稍后詳細描述)所導致的、來自電容器16的通過開關元件Swp的放電電流，電流傳感器59例如具有作為電壓的霍爾元件。經由鎖存器60，將所測量的電壓作為例如用于控制開關元件Swp和Swn中的每個中要生成的熱量的操縱變量而施加給比較器62的反相輸入端子。向比較器62的非反相輸入端子施加從振蕩器64輸出的且具有預定頻率的電輸出信號(載波)。這允許比較器62在由電流傳感器59測量的電壓的值低于載波的對應值的情況下，將邏輯高的信號輸出到驅動控制器56。注意,鎖存器60可操作為如下響應于比較器62的輸出信號是邏輯高的信號的情形，而鎖存向其輸入的所測量的電壓的值。比較器62的輸出信號被輸入到驅動控制器56。這允許在比較器62的輸出信號為邏輯高的情況下，使高側開關元件Swp接通。溫度敏感二極管SD被布置為靠近高側開關元件Swp并且可操作為測量高側開關元件Swp的溫度。具體地，溫度敏感二極管SD的陰極與開關元件Swp的發射極電氣連接，并且陽極與恒定電流電路74的輸出端子電氣連接，該恒定電流電路74基于電源40的端電壓VH進行操作。溫度敏感二極管SD的陽極處的電壓被捕獲到調節器58。調節器58根據由溫度敏感二極管SD測量的溫度來可變地確定低于端電壓VH的輸出電壓VL。注意，溫度敏感二極管SD的輸出電壓和要測量的目標的溫度互相之間是負相關的。圖3示意性示出了 U相高側開關元件Swp的驅動單元DU的操作，其基于放電命
令dis而以放電控制模式操作。具體地，圖3中的(a)示意性示出了放電命令dis的轉變，并且圖3中的(b)示意性示出了鎖存器60的輸出信號的轉變(參見虛線)、以及要從振蕩器64輸出的載波的轉變。圖3中的(c)示意性示出了 U相高側開關元件Swp的轉變，并且圖3中的(d)示意性示出了 U相低側開關元件Swn的轉變。如圖3所示，在第一實施例中，在保持U相低側開關元件Swn接通的情況下，U相高側開關元件Swp被周期性地接通和斷開。因此，存在高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn同時接通的時段，并且在每個時段內，經由開關元件Swp和Swn使電容器16的兩個電極短路，以使得將電容器16放電。此時，U相高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn的驅動單元DU的結構允許施加給高側開關元件Swp的柵極的電壓低于施加給低側開關元件Swn的柵極的電壓(參見圖3中的(e)和(f))。注意，圖3中的(e)示意性示出了高側開關元件Swp的柵極-發射極電壓Vge的轉變，并且圖3中的(f)示意性示出了低側開關元件Swn的柵極-發射極電壓Vge的轉變。例如，調節器58隨著溫度敏感二極管SD的輸出(所測量的溫度)下降而減小輸出電壓VL (參見圖3中的(e))。利用U相高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn的驅動單元DU的結構，高側開關元件Swp被驅動成處于其非飽和區并且低側開關元件Swn被驅動成處于其飽和區。注意，如圖4所示，開關元件的飽和區是下述區域在該區域內，開關元件的輸入端子和輸出端子之間的電壓(集電極-發射極電壓Vce)根據輸出電流(集電極電流Ic)而增大。另一方面，開關元件的非飽和區是下述區域在該區域內，開關元件的輸入端子和輸出端子之間的集電極-發射極電壓Vce增大，而不會增大輸出電流(集電極電流Ic)。非飽和區中的集電極電流Ic隨著要施加給開關元件的柵極的電壓(柵極-發射極電壓Vge)的增大而增大。要施加給低側開關元件Swn的柵極的柵極電壓(其低于要施加給高側開關元件Swp的柵極的柵極電壓)相比于低側開關元件Swn的非飽和區中的電流的水平而降低了高側開關元件Swp的非飽和區中的電流的水平。這允許由上面提到的放電控制所導致的流經高側開關元件和低側開關元件中的每個的電流被限制為高側開關元件Swp的非飽和區中的電流。注意，高側開關元件Swp的非飽和區中的電流優選地被設置成低于由對應的驅動單元DU限定的閾值電流Ith。注意，端電壓TH允許閾值電流Ith處于飽和區內。S卩，在以正常控制模式控制電動發電機10的受控變量時，開關元件Swp和Swn被驅動成處于飽和區。
注意，對于使用上面提到的放電命令dis作為觸發信號的放電控制(開環控制)，優選地，防止U相高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn中的每個中要生成的熱量過度增力口。這防止了 U相高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn中的每個的可靠性降低。每單位時間在開關元件Swp和Swn中的每個中要生成的熱量取決于流經開關元件Swp和Swn中的對應開關元件的電流。開關元件Swp和Swn中的每個中要生成的熱量還取決于開關元件Swp的一次切換的接通時間和開關元件Swp的一次切換的斷開時間。如上所述，可以基于要施加給開關元件Swp的柵極的電壓來控制流經開關元件Swp和Swn中的每個的電流，但是可能難以增強流經開關元件Swp和Swn中的每個的電流的可控性。這是因為由于因驅動單元DU的各自差異和其老化變化所產生的施加電壓的變化，可能導致要施加給開關元件Swp的柵極的電壓發生變化；以及 由于因開關元件Swp的各自差異和其老化變化所產生的開關元件Swp的特性變化,可能導致非飽和區中的電流發生變化。為了解決這樣的情況，根據本實施例的放電控制設備被配置成由溫度敏感二極管SD測量作為受控變量的開關元件Swp的溫度，并進行所測量的溫度的反饋控制，以使得所測量的溫度不會過度增加。反饋控制的受控變量是開關元件Swp的溫度的原因是由放電控制而導致生成的大部分熱量是基于在被驅動成處于非飽和區的高側開關元件中Swp生成的熱量。注意，由于驅動單元DU和開關元件Swp、Swn的各自差異以及它們的老化變化，通過將高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn兩者均驅動成處于其非飽和區而平均地劃分熱量可能是非常難的。具體地，這些各自差異和老化變化可能經受開關元件Swp的非飽和區中的電流與開關元件Swn的非飽和區中的電流之間的差別。該差異會增加在開關元件Swp和Swn中的一個開關元件中的生成的熱量；開關元件Swp和Swn中的該一個開關元件中在非飽和區中電流比另一個開關元件低。注意，如果受控變量是開關元件Swp和Swn中的每個的溫度，則反饋控制會變得非常復雜。由于此原因，在本實施例中，要施加給高側開關元件Swp的柵極的電壓被設置為低于要施加給開關元件Swn的柵極的電壓。這預先指定了開關元件Swp作為受控變量的源開關元件Swp中要生成的熱量比開關元件Swn中要生成的熱量大。如圖2所示，在本實施例中，作為溫度反饋控制的操縱變量，使用要施加給開關元件Swp的柵極的電壓。這會在溫度敏感二極管SD的輸出電壓減小(即，由溫度敏感二極管SD測量的溫度增加)時減小要施加給開關元件Swp的柵極的電壓(參見圖3中的(e))。這允許開關元件Swp的非飽和區中的電流減小，從而使得可以減小放電電流。根據本實施例的放電控制設備被配置成控制開關元件Swp中要生成的熱量作為直接受控變量，以使得防止該熱量過度增加；基于通過放電控制生成的放電電流來得到該熱量。這使得可以減小反饋控制的裕度。具體地，反饋控制使用用于防止開關元件Swp和Swn中的每個的可靠性降低的參數(所施加的電壓)，作為直接控制變量。由于此原因，為了可靠地防止可靠性降低，可能要求反饋控制的裕度的量增加。為了解決這樣的要求，根據本實施例的放電控制設備被配置成關注作為生成熱的原因的流經開關元件Swp的電流，而不是關注作為生成熱的結果的開關元件Swp的溫度。這會對下述情況做出立即響應在該情況下，由于使用放電命令dis作為觸發信號的放電控制(開環控制)而導致的單位時間內開關元件Swp和Swn中的每個中要生成的熱量與預測值偏離。具體地，圖3中示出的放電控制的執行允許占空比(即，高側開關元件Swp的接通時間相比于其周期(接通時間和斷開時間))隨著鎖存器60的輸出信號的值的增加(換言之，隨著放電電流的增加)而減小。這會在放電電流高的情況下控制成減小單位時間(例如，載波的一個周期)內開關元件Swp中要生成的熱量，由此防止單位時間內開關元件Swp中要生成的熱量。注意，如圖3所示，根據本實施例的放電控制設備被配置成數次接通和斷開高側 開關元件Swp，同時將低側開關元件Swn保持在接通狀態。該配置旨在防止流經高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn中的每個的電流的可控性降低。電流的可控性降低的示例是過高的電流流過高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn中的每個。具體地，如果根據本實施例的放電控制設備數次接通和斷開低側開關元件Swn，同時將高側開關元件Swpn保持在接通狀態，則將顯現發明人所發現的要改進的以下方面。具體地，在低側開關元件Swn從其斷開狀態切換成其接通狀態的瞬變時段，要施加給高側開關元件Swp的柵極的電壓會增加超過調節器58的輸出電壓VL。這會導致流經開關元件Swp和Swn中的每個的電流的可控性降低，而發明人已經發現了這一點。圖3中示出的放電控制在放電命令dis的輸出之后接通低側開關元件Swn、并且在低側開關元件Swn接通之后接通高側開關元件Swp,該放電控制可靠地防止了流經開關元件Swp和Swn中的每個的電流的可控性降低。注意，用于數次同時接通和斷開高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn的替選放電控制需要可變地設置高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn中的每個的相比于其周期(接通時間和斷開時間)的占空比(接通時間)，以作為操縱變量。這會導致要改進的以下方面。具體地，在替選放電控制中，如果上臂開關元件和下臂開關元件Swp和Swn中的每個的占空比被單獨控制，則這將會降低上臂開關元件和下臂開關元件Swp和Swn中的每個中要生成的熱量的可控性。此外，如果上臂開關元件和下臂開關元件的接通和斷開操作沒有通過其間的通信進行，則在低側開關元件Swn處于斷開狀態期間，將會難以改變高側開關元件Swp的開關狀態。注意，在本實施例中，用于控制開關元件Swp和Swn中的每個中要生成的熱量的、基于放電電流而得到的操縱變量與用于溫度反饋控制的操縱變量不同。這簡化了放電控制設備的結構。如上所述，根據本實施例的放電控制設備被配置如下在進行放電控制以將高側開關元件Swp驅動成處于其非飽和區、同時將低側開關元件Swn驅動成處于其飽和區時，基于放電電流的測量的值來控制高側開關元件Swp中要生成的熱量。該配置防止了單位時間內高側開關元件Swp中要生成的熱量過度增加，而與驅動單元DU和開關元件Swp、Swn的各自差別以及它們的老化變化無關。根據本實施例的放電控制設備被配置成數次接通和斷開要被驅動成處于其非飽和區的高側開關元件Swp，同時將要被驅動成處于其飽和區的低側開關元件Swn保持在接通狀態，以使電容器16的兩個電極短路。這控制了開關元件Swp的占空比，以由此減小單位時間內開關元件Swp中要生成的熱量。此外，根據本實施例的放電控制設備被配置成控制高側開關元件Swp的占空比。與用于控制低側開關元件Swn的占空比的配置相比，該配置防止了直通電流增加。根據本實施例的放電控制設備被配置成操縱要施加給被驅使成處于其非飽和區的高側開關元件Swp的柵極的電壓，以進行高側開關元件Swp的溫度的反饋控制。該配置防止開關元件Swp和Swn中的每個由于放電控制而過度增加。此外，根據本實施例的放電控制設備被配置成使得用于控制開關元件Swp和Swn中的每個中要生成的熱量的、基于放電電流而得到的操縱變量與用于溫度反饋控制的操縱變量不同。這有利于放電控制設備的結構簡化。第二實施例下文中，將參照圖5描述根據本公開的第二實施例的放電控制設備。根據第二實施例的放電控制設備的結構除了以下不同點之外，基本上與根據第一實施例的放電控制設備的結構相同。因此，對根據第一實施例和第二實施例的放電控制設備之間的相似部件分配相似的附圖標記，并省略或簡化其描述。根據本實施例的放電控制設備被配置成使得根據第一實施例的用于控制開關元件Swp和Swn中的每個中要生成的熱量的、基于放電電流得到的操縱變量與用于溫度反饋控制的操縱變量彼此替換。圖5示出了根據本實施例的U相高側(上臂)開關元件Swp的驅動單元DU的結構的示例。參照圖5，U相高側開關元件Swp的驅動單元DU包括比較器80和振蕩器82，比較器80除了省略鎖存器60之外與比較器62完全相同，而振蕩器82與振蕩器64完全相同。溫度敏感二極管SD的陽極與比較器80的非反相輸入端子而非調節器58電氣連接。U相高側開關元件Swp的驅動單元DU還包括電氣連接在電流傳感器59與調節器58之間的峰值保持電路86。溫度敏感傳感器SD的輸出電壓被施加給比較器80的非反相輸入端子。從振蕩器82輸出的載波被施加給比較器80的反相輸入端子。這允許高側開關元件Swp的相比于其周期(接通時間和斷開時間)的占空比(接通時間)隨著溫度敏感二極管SD的輸出電壓的減小(換言之，隨著由溫度敏感二極管SD測量的溫度的增加)而減小。這會在由溫度敏感二極管SD測量的溫度大的情況下控制成減小單位時間(例如，載波的一個周期)內開關元件Swp中要生成的熱量，由此防止單位時間內開關元件Swp中要生成的熱量。另一方面，由電流傳感器59測量由響應于放電命令dis而進行的放電控制所導致的來自電容器16的通過開關元件Swp的放電電流。所測量的電壓的峰值由峰值保持電路86來保持，并被輸出到調節器58。調節器58根據所輸出的所測量的電壓的峰值來可變地確定低于端電壓VH的輸出電壓VL。這會隨著由電流傳感器59測量的放電電流的增加而減小要施加給開關元件Swp的柵極的電壓。如上所述，根據本實施例的放電控制設備實現了與根據第一實施例的放電控制設備所要實現的技術效果相同的技術效果。第一實施例和第二實施例均可以進行如下修改。在第一和第二實施例的每個中，例如驅動控制器56的操縱器被配置成使用基于放電電流而得到的用于控制開關元件Swp和Swn中的每個中要生成的熱量的操縱變量和用于溫度反饋控制的操縱變量，作為不同的參數，但是本公開不限于此。具體地，操縱器可以被配置成使用要施加給U相高側開關元件Swp的電壓作為這些操縱變量。例如，操縱器包括如下信息該信息表示要由溫度敏感二極管SD測量的溫度的變量與要施加給開關元件Swp的柵極的電壓的變量之間的函數。操縱器還包括如下信息該信息表示要由電流傳感器59測量的放電電流的變量與要施加給開關元件Swp的柵極的電壓的變量之間的函數。操縱器被配置成取得基于這些函數而定義的要施加給開關元件Swp的柵極的電壓的一對值。操縱器還被配置成使用所取得的要施加給開關元件Swp的柵極的電壓的該對值中的一個值作為共用操縱變量；所取得的該對值中的這一個值允許開關元件Swp的非飽和區中的電流低于通過使用所取得的該對值中的另一個值作為共用操縱變量而獲得的開關元件Swp的非飽和區中的電流。根據本公開的操縱器不限于進行上面提到的溫度反饋控制的配置。作為測量用于得到開關元件Swp中生成的熱量的放電電流的測量計(測量單元)，在第一實施例和第二實施例的每個中均使用了具有霍爾元件的電流傳感器，但是本公開不限于此。具體地，作為測量用于得到開關元件Swp中生成的熱量的放電電流的測量計，可以 使用具有分流電阻器的電流感測電路。電流感測電路可以被配置成當放電電流流過分流電阻器時，測量分流電阻器兩端的電壓降作為表示放電電流的參數(操縱變量)。根據第一實施例和第二實施例中的每個的放電控制器(例如，放電開關元件54、比較器62、鎖存器60、振蕩器64和溫度敏感二極管SD的組合)被配置成數次接通和斷開高側開關元件Swp，同時將低側開關元件Swn保持在接通狀態，以由此使電容器16的兩個電極短路數個時段。本公開不限于該配置。具體地，放電控制器可以被配置成數次接通和斷開低側開關元件Swn，同時將高側開關元件Swpn保持在接通狀態，以由此使電容器16的兩個電極短路數個時段。在該配置中，要施加給開關元件Swn的柵極的電壓低于要施加給開關元件Swp的柵極的電壓，并且開關元件Swn被驅動成處于其非飽和區。雖然上面提到的要改進的方面仍存在，但是該配置可以實現與由根據第一實施例的放電控制設備實現的技術效果完全相同的技術效果。此外，放電控制器還可以被配置成數次同時接通和斷開高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn，以由此使電容器16的兩個電極短路數個時段。在該配置中，要施加給開關元件Swp和Swn中的每個的柵極的電壓被調節為使得開關元件Swp和Swn中的任一個可以被驅動成處于其非飽和區。在該配置中，優選地，被驅動成處于其非飽和區的一個開關元件被切換，而被驅動成處于其飽和區的另一個開關元件處于接通狀態。此外，在執行放電控制期間能夠同時接通高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn兩者。在該配置中，要施加給開關元件Swp和Swn中的每個的柵極的電壓被調節為使得開關元件Swp和Swn中的任一個能夠被驅使成處于其非飽和區。在每個實施的配置中僅使用用于將電壓供應給電動發電機10的一相繞組的一對高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn來進行放電控制，而本公開不限于該配置。具體地，可以將三對高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn切換為被連續接通。本公開不限于使用由控制器30針對異常而生成的放電命令dis作為觸發的每個實施例的配置。具體地，根據每個實施例的放電控制設備可以配備有高電壓系統中的特定元件，該特定元件用于針對異常來生成放電命令dis，以作為觸發。除了異常狀況之外，在正常狀況下也可以進行用于接通高側開關元件和低側開關元件Swp和Swn兩者的放電控制，每次切換繼電器SMR I。在本公開中，U相上臂驅動單元DU不限于下述配置該配置分別包括正常狀況下的一對充電開關元件42和放電開關元件46、以及異常狀況下的一對充電開關元件52和放電開關元件54。例如，U相上臂驅動單元DU可以包括一對充電開關元件和放電開關元件、以及一對用于將電壓施加給正常狀態下的充電開關元件的輸入端子的第一裝置和用于將電壓施加給異常狀態下的充電開關元件的輸入端子的第二裝置。
本公開能夠不包括強制斷開開關元件Sw#的功能。作為用于接通一對高側開關元件和低側開關元件中的兩個開關元件、以由此進行放電控制的DC/AC逆變器(逆變器IV)，本公開不限于用于對作為安裝在混合動力車輛中的主電機的電動發電機10與高電壓電池12之間的功率傳遞起中介作用的逆變器IV。例如，本公開可以被配置成對作為安裝在混合動力車輛中的另一電機的旋轉電機與高電壓電池12之間的功率傳遞起中介作用。在第一實施例和第二實施例的每個中，鎖存器60在一個放電控制周期期間鎖存由電流傳感器測量的電壓的值作為放電電流的測量值，之后保持所鎖存的值，但是本公開不限于該配置。具體地，鎖存器60可以優選地被配置成鎖存由電流傳感器測量的電壓的峰值(局部最大值)作為放電電流的峰值(局部最大值)，并且每當對被控制成重復地接通和斷開的開關元件的操作，就將先前鎖存的值更新成新鎖存的值。在第一實施例和第二實施例的每個中，作為開關元件Swp和Swn，分別使用了IGBT,但是可以使用場效應晶體管，諸如功率M0SFET。當功率MOSFET用作開關元件Swp和Swn時，功率MOSFET的本征二極管可以用作續流二極管，由此去除續流二極管。升壓變換器可以與逆變器IV的輸入端子電氣連接；該升壓變換器包括電抗器、與電容器16并聯電氣連接的開關構件、與該開關元件串聯電氣連接的續流二極管、以及電容器，該電容器與升壓變換器的輸出端子以及由開關元件和續流二極管構成的串聯構件電氣連接。逆變器IV可以與升壓變換器的輸出端子電氣連接。在該修改中，與升壓變換器的輸出端子電氣連接的電容器和電容器16是放電控制的目標，因此，隨著升壓變換器的電容器兩端的電壓下降，電容器16的兩個電極兩端的電壓通過續流二極管而放電。注意，如果高側開關元件與升壓變換器的續流二極管電氣連接，則接通電氣連接在升壓變換器的輸出端子之間的一對開關元件可以進行放電控制。功率變換系統的放電控制設備應用于混合動力車輛，但是電動車輛，在電動車輛中僅存儲用于安裝在該車輛中的主電機的電能。放電控制設備可以應用于用于將DC功率變換成AC功率的功率變換系統；該功率變換系統被設置在對應的房屋中。在該修改中，如果檢測到地震，則加速度傳感器22被設計成確定房屋中發生異常，并且進行放電控制。雖然這里已經描述了本發明的示例性實施例，但是本公開不限于這里描述的實施例，而包括如本領域技術人員基于本公開會理解的具有修改、省略、(例如，各個實施例之間的各個方面的)組合、適應性改變和/或變型的任何和所有實施例。權利要求中的限制應被廣泛地解釋為基于權利要求中采用的語言并且不限于在本說明書中或在本申請的執行期間所描述的示例，這些示例應被理解為非排他性的。
權利要求
1.一種用于功率變換系統的放電控制設備，所述功率變換系統包括功率變換器，所述功率變換器包括電壓受控的高側開關元件和電壓受控的低側開關元件的串聯連接構件，所述電壓受控的高側開關元件和所述電壓受控的低側開關元件中的每個開關元件均具有導通控制端子，所述功率變換器被配置成將直流電源的功率變換成期望功率；電容器，所述電容器電氣地插入在所述功率變換器與所述直流電源之間；以及打開-閉合構件，所述打開-閉合構件被配置成打開和閉合所述功率變換器與所述直流電源之間的電氣路徑，所述放電控制設備包括 放電控制器，所述放電控制器通過如下方式進行放電控制 確定要施加給所述高側開關元件和所述低側開關元件中的每個開關元件的導通控制端子的電壓，使得所述高側開關元件和所述低側開關元件中的一個開關元件的非飽和區中的電流低于所述高側開關元件和所述低側開關元件中的另一個開關元件的非飽和區中的電流；以及 在所述打開-閉合構件打開所述電氣路徑的情況下，對所述高側開關元件和所述低側開關元件中的每個開關元件的導通控制端子施加所述電壓，以接通所述高側開關元件和所述低側開關元件兩者，從而導致所述電容器的兩個電極短路，以使得基于所述放電控制從所述電容器輸出放電電流；以及 操縱器，所述操縱器基于所述放電電流的值來操縱如何將所述電壓施加給所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的導通控制端子，以控制所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件中要生成的熱量。
2.根據權利要求I所述的放電控制設備，其中，所述放電控制器多次接通和斷開所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件，同時將所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述另一個開關元件保持在接通狀態，以由此使所述電容器的兩個電極多次短路。
3.根據權利要求2所述的放電控制設備，其中，所述操縱器使用所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的接通時間與對應于所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的接通時間和斷開時間之和的周期相比的比率，作為用于控制所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件中要生成的熱量的操縱變量。
4.根據權利要求2所述的放電控制設備，其中，所述操縱器使用要施加給所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的導通控制端子的電壓的值，作為用于控制所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件中要生成的熱量的操縱變量。
5.根據權利要求I所述的放電控制設備，還包括用于測量所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的溫度的值的溫度測量計，其中，所述操縱器基于從所述溫度測量計反饋的所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的溫度的測量值來操縱如何將所述電壓施加給所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的導通控制端子，以由此控制所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的溫度，作為所述操縱器的操縱的結果。
6.根據權利要求I所述的放電控制設備，其中，所述放電控制器多次接通和斷開所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件，同時將所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述另一個開關元件保持在接通狀態，以由此使所述電容器的兩個電極多次短路，并且所述操縱器被配置成 使用下述值中的一個作為用于控制所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件中要生成的熱量的操縱變量所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的接通時間與對應于所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的接通時間和斷開時間之和的周期相比的比率；以及要施加給所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的導通控制端子的電壓的值；以及 使用下述值中的另一個作為用于控制所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的溫度的操縱變量所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的接通時間與對應于所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的接通時間和斷開時間之和的周期相比的比率；以及要施加給所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的導通控制端子的電壓的值。
7.根據權利要求I所述的放電控制設備，其中，所述放電控制器多次接通和斷開所述高側開關元件，同時將所述低側開關元件保持在接通狀態，以由此使所述電容器的兩個電極多次短路。
8.根據權利要求I所述的放電控制設備，其中，所述放電控制器將所述電壓施加給所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的導通控制端子，以使得所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件被驅動成處于其非飽和區，并且所述放電控制器將電壓施加給所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述另一個開關元件的導通控制端子，以使得所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述另一個開關元件被驅動成處于其飽和區。
9.根據權利要求I所述的放電控制設備，還包括用于測量所述放電電流的值的電流傳感器，其中，所述操縱器基于由所述電流傳感器測量的所述放電電流的值來操縱如何將所述電壓施加給所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件的導通控制端子，以控制所述高側開關元件和所述低側開關元件中的所述一個開關元件中要生成的熱量。
10.根據權利要求I所述的放電控制設備，還包括用于確定是否存在與所述功率變換系統相關聯的異常的異常確定裝置，其中，響應于確定存在與所述功率變換系統相關聯的異常的情形，所述放電控制器進行所述放電控制。
全文摘要
放電控制器通過如下方式進行放電控制確定要施加給開關元件中的每個開關元件的導通控制端子的電壓，使得所述開關元件中的一個開關元件的非飽和區中的電流低于所述開關元件中的另一個開關元件的非飽和區中的電流；以及在打開-閉合構件打開電氣路徑的情況下，對每個開關元件的導通控制端子施加所述電壓，以接通所述開關元件，從而導致電容器的兩個電極短路，以使得基于放電控制從電容器輸出放電電流。操縱器基于放電電流的值來操縱如何將電壓施加給所述開關元件中的所述一個開關元件的導通控制端子，由此控制所述開關元件中的所述一個開關元件中要生成的熱量。
文檔編號H02M7/48GK102742141SQ20118000832
公開日2012年10月17日 申請日期2011年3月30日 優先權日2010年3月31日
發明者前原恒男, 坂田浩一, 濱中義行, 進藤祐輔 申請人:豐田自動車株式會社, 株式會社電裝