專利名稱：用于電動和混合動力汽車的y形開關(guān)變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁交流同步電動機(jī)和無刷直流電動機(jī)的電動機(jī)控制。
背景技術(shù)：
在圖1中，描繪一種公知的用于電動機(jī)PM的三相電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有功率變換器和包括電池BAT及電容CAP的電源。功率變換器包括初級換向開關(guān)Q1-Q6以及如所示的那樣配置的旁路二極管D1-D6。永磁電動機(jī)PM是由三個(gè)定子繞組A、B和C所驅(qū)動的三相電動機(jī)。為了用一個(gè)方向的電流激勵繞組A和B，開關(guān)Q1和Q5被接通，而所有其它開關(guān)被斷開。為了用另一方向的電流激勵繞組A和B，開關(guān)Q2和Q4被接通，而所有其它開關(guān)被斷開。為了用一個(gè)方向的電流激勵繞組A和C，開關(guān)Q1和Q6被接通，而所有其它開關(guān)被斷開。為了用另一方向的電流激勵繞組A和C，開關(guān)Q3和Q4被接通，而所有其它開關(guān)被斷開。為了用一個(gè)方向的電流激勵繞組B和C，開關(guān)Q2和Q6被接通，而所有其它開關(guān)被斷開。為了用另一方向的電流激勵繞組B和C，開關(guān)Q3和Q5被接通，而所有其它開關(guān)被斷開。
如在Lawler等人的美國專利No.6,236,179中所討論的那樣，該美國專利在此引入作為參考，交流同步電動機(jī)和無刷直流電動機(jī)通過被連接到其定子繞組的固態(tài)開關(guān)裝置的換向來控制。這些電動機(jī)可以是永磁(PM)型的，其中永久磁鐵被用在轉(zhuǎn)子上而不是被用在轉(zhuǎn)子繞組上。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度增加時(shí)，定子中產(chǎn)生的電壓(被稱作“反向電動勢”)也增長。這又要求施加越來越高的終端電壓來產(chǎn)生所期望的轉(zhuǎn)矩?；舅俣仁窃诤戕D(zhuǎn)矩范圍頂部和在恒馬力范圍的起始處的速度。在許多應(yīng)用中，期望以某種速度限定終端電壓并還在高于基本速度的某一速度范圍上維持恒定的馬力。所能達(dá)到的最高速度與以其達(dá)到終端電壓的界限的基本速度之比被稱為恒功率速度比。當(dāng)電動機(jī)感應(yīng)系數(shù)處于微亨范圍內(nèi)時(shí)，達(dá)到期望的恒功率速度比會更困難。
具有內(nèi)置式磁鐵的PM電動機(jī)(IPM)已表明具有7.5∶1的恒功率速度比。然而，這些類型的PM電動機(jī)無法買到。
在諸如電動車輛的牽引設(shè)備中，轉(zhuǎn)矩-速度技術(shù)規(guī)范要求高達(dá)某個(gè)基本速度的恒轉(zhuǎn)矩，并且然后要求高達(dá)更高速度的恒馬力運(yùn)行。具有稀土表面組裝的永久磁鐵的PM電動機(jī)由于其功率密度和效率而是用于這樣的應(yīng)用的可行的候選對象。這些電動機(jī)被電氣換向并由變換器驅(qū)動。
Camber等人在1997年10月14日被授權(quán)的美國專利No.5,677,605中公開了無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，該驅(qū)動系統(tǒng)使用PWM變換器和相位定時(shí)提前，以控制在高于基本速度的恒功率范圍中的運(yùn)行。該專利公開了由六步PWM(six-step PWM)驅(qū)動器所驅(qū)動的三相無刷直流電動機(jī)。對于與旁路二極管并聯(lián)的初級開關(guān)裝置，換向開關(guān)包括IGBT(絕緣柵雙極晶體管)和MOSFET(MOS場效應(yīng)晶體管)。
隨著速度的增加和換向的快速發(fā)生，這種裝置考慮到相電流的連續(xù)導(dǎo)通和通過旁路二極管在不期望的時(shí)間的導(dǎo)通，從而導(dǎo)致功率和效率的損失。變換器和電動機(jī)變熱，由此要求額外的冷卻措施。
2001年5月22日被授予Lawler等人的美國專利No.6,236,179的主題在此被引入。圖2描繪了圖1中所描繪的公知系統(tǒng)的、由Lawler等人所教導(dǎo)的修改。用于控制具有帶有三個(gè)定子繞組的定子的三相電機(jī)PM的電路包括控制器(如圖1中所示)、三個(gè)初級換向開關(guān)對、中性線端N和三個(gè)定子繞組電路。第一開關(guān)對包括連接在節(jié)點(diǎn)NA處的第一初級換向開關(guān)(Q1，D1)和第二初級換向開關(guān)(Q4，D4)。第二開關(guān)對包括連接在節(jié)點(diǎn)NB處的第一初級換向開關(guān)(Q2，D2)和第二初級換向開關(guān)(Q5，D5)。第三開關(guān)對包括連接在節(jié)點(diǎn)NC處的第一初級換向開關(guān)(Q3，D3)和第二初級換向開關(guān)(Q6，D6)。第一定子繞組電路包括被連接在節(jié)點(diǎn)NA與三相電動機(jī)PM的繞組A的一端之間的換向控制開關(guān)SWA。繞組A的另一端被連接到中性線端N。第二定子繞組電路包括被連接在節(jié)點(diǎn)NB與三相電動機(jī)PM的繞組B的一端之間的換向控制開關(guān)SWB。繞組B的另一端被連接到中性線端N。第三定子繞組電路包括被連接在節(jié)點(diǎn)NC與三相電動機(jī)PM的繞組C的一端之間的換向控制開關(guān)SWC。繞組C的另一端被連接到中性線端N。
換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC中的每個(gè)由兩個(gè)反并聯(lián)的硅控整流器組成。這些硅控整流器(被稱為SCR)在反向偏置的情形下是不導(dǎo)通的，并且即使在正向偏置時(shí)，這些硅控整流器也是不導(dǎo)通的，除非SCR被正向偏置時(shí)接收到觸發(fā)信號。一旦在正向偏置時(shí)被觸發(fā)，SCR就變成導(dǎo)通的。在SCR導(dǎo)通之后，將該SCR保持導(dǎo)通，直到SCR兩端的電壓降到零或者SCR變成反向偏置。這樣，控制器能給SCR提供觸發(fā)脈沖并由此在SCR被正向偏置時(shí)的任何時(shí)候起動接通循環(huán)；然而，當(dāng)SCR兩端的電壓反向時(shí)，僅在循環(huán)結(jié)束時(shí)，SCR能返回到不導(dǎo)通狀態(tài)?？刂破鞅获詈系絊CR，以控制初級換向開關(guān)相對于其中電源電壓等于反向電動勢的一點(diǎn)的相位提前導(dǎo)通角。
Lawler等人的電路被用于具有低電動機(jī)感應(yīng)系數(shù)的三相電動機(jī)。該電路意圖用于以大大高于基本速度的速度運(yùn)行的電動機(jī)，其中基本速度是以其獲得特定轉(zhuǎn)矩的最高速度。例如，電動機(jī)可被指定要求高達(dá)YYY rpm的速度的XXX轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動機(jī)速度增加時(shí)，定子繞組產(chǎn)生反向電動勢，當(dāng)來自定子繞組的反向電動勢幅度大于電源電壓時(shí)，必須找到某些裝置來進(jìn)一步驅(qū)動電動機(jī)，因?yàn)殡娏魅孕璞蛔⑷腚妱訖C(jī)PM的定子繞組中，以便電動機(jī)繼續(xù)產(chǎn)生功率。通過以提前超過在來自電動機(jī)繞組的反向電動勢幅度變得大于電源電壓的時(shí)候的角度的電動機(jī)旋轉(zhuǎn)角來將電流注入定子繞組，Lawler等人的電路高于基本速度地驅(qū)動該電動機(jī)。Lawler等人的電路通過在提前角使用控制器來觸發(fā)合適的換向控制開關(guān)SWA、SWB或SWC中的SCR之一而在提前角提供該電流。在Lawler等人的電路中，提前角被設(shè)置在零到六十度的范圍中。如在Lawler等人的專利中所解釋的那樣，該提前角控制所產(chǎn)生的功率。當(dāng)SCR兩端的電壓變?yōu)榱慊蜇?fù)值時(shí)，SCR被斷開。以僅僅稍大于基本速度的某些速度和在某些提前角，Lawler等人的電路在該相位被切換回工作之前不會導(dǎo)致輸出相電流達(dá)到零。這導(dǎo)致“換向失敗”，“換向失敗”不是災(zāi)難但的確減小了平均輸出功率和增加了均方根電流。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于控制具有帶有定子繞組的定子的多相電機(jī)的電路包括控制器、初級換向開關(guān)對、中性線端和換向控制開關(guān)。每個(gè)開關(guān)對包括連接在一節(jié)點(diǎn)處的第一初級換向開關(guān)和第二初級換向開關(guān)。每個(gè)換向控制開關(guān)被耦合到一繞組，使得在中性線端與節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間形成定子繞組電路。每個(gè)換向控制開關(guān)包括與串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管。每個(gè)串聯(lián)開關(guān)電路包括第二二極管和串聯(lián)的開關(guān)元件?？刂破鞅获詈系介_關(guān)元件和初級換向開關(guān)對，以相對于其中電源電壓等于反向電動勢的一點(diǎn)來控制初級換向開關(guān)的接通時(shí)間和斷開時(shí)間。
一種機(jī)動車輛引擎包括具有帶有多個(gè)定子繞組的定子的多相電機(jī)、控制器、初級換向開關(guān)對、中性線端和被耦合到多相電機(jī)的換向控制開關(guān)。每個(gè)開關(guān)對包括連接在一節(jié)點(diǎn)處的第一初級換向開關(guān)和第二初級換向開關(guān)。每個(gè)換向控制開關(guān)被耦合到一繞組，使得在中性線端與節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間形成定子繞組電路。每個(gè)換向控制開關(guān)包括與串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管。每個(gè)串聯(lián)開關(guān)電路包括第二二極管和串聯(lián)的開關(guān)元件?？刂破鞅获詈系介_關(guān)元件和初級換向開關(guān)對，以相對于其中電源電壓等于反向電動勢的一點(diǎn)來控制初級換向開關(guān)的接通時(shí)間和斷開時(shí)間。
電動機(jī)系統(tǒng)包括電源、具有帶有多個(gè)定子繞組的定子的多相電機(jī)、控制器、被耦合到電源的初級換向開關(guān)對、中性線端和被耦合到多相電機(jī)的換向控制開關(guān)。每個(gè)開關(guān)對包括連接在一節(jié)點(diǎn)處的第一初級換向開關(guān)和第二初級換向開關(guān)。每個(gè)換向控制開關(guān)被耦合到繞組，以便在中性線端與節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間形成定子繞組電路。每個(gè)換向控制開關(guān)包括與串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管。每個(gè)串聯(lián)開關(guān)電路包括第二二極管和串聯(lián)的開關(guān)元件?？刂破鞅获詈系介_關(guān)元件和初級換向開關(guān)對，以相對于其中電源電壓等于反向電動勢的一點(diǎn)來控制初級換向開關(guān)的接通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間。


參考下列附圖將在下面對優(yōu)選實(shí)施例的描述中對本發(fā)明進(jìn)行說明。
圖1是用于電動和混合動力汽車的公知類型的變換器的示意圖。
圖2是用于電動和混合動力汽車的另一公知類型的變換器的示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的變換器的示意圖。
圖4是圖3的變換器的變形的示意圖。
圖5是圖3的變換器的另一變形的示意圖。
圖6是圖3的變換器的又一變形的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在圖3中，描繪了用于控制具有帶有多個(gè)定子繞組的定子的多相電機(jī)的電路。該電路包括控制器(未示出)、中性線端N、多個(gè)初級換向開關(guān)對和多個(gè)換向控制開關(guān)。多個(gè)初級換向開關(guān)對中的每個(gè)開關(guān)對包括連接在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的第一初級換向開關(guān)和第二初級換向開關(guān)。第一開關(guān)對包括連接在節(jié)點(diǎn)NA處的第一初級換向開關(guān)(Q1，D1)和第二初級換向開關(guān)(Q4，D4)。第二開關(guān)對包括連接在節(jié)點(diǎn)NB處的第一初級換向開關(guān)(Q2，D2)和第二初級換向開關(guān)(Q5，D5)。第三開關(guān)對包括連接在節(jié)點(diǎn)NC處的第一初級換向開關(guān)(Q3，D3)和第二初級換向開關(guān)(Q6，D6)。
多個(gè)換向控制開關(guān)中的每個(gè)被耦合到定子繞組的相對應(yīng)繞組，使得相對應(yīng)的定子繞組電路被形成在中性線端與節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間。多個(gè)定子繞組電路中的每個(gè)被耦合在中性線端N與節(jié)點(diǎn)NA、NB和NC中的相應(yīng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間。對設(shè)計(jì)者來說，兩種可替換的結(jié)構(gòu)可用于每個(gè)定子繞組電路。
在第一可替換的結(jié)構(gòu)中，第一定子繞組電路包括連接在節(jié)點(diǎn)NA與三相電動機(jī)PM的繞組A的一端之間的換向控制開關(guān)SWA，而繞組A的另一端被連接到中性線端N。第二定子繞組電路包括連接在節(jié)點(diǎn)NB與三相電動機(jī)PM的繞組B的一端之間的換向控制開關(guān)SWB，而繞組B的另一端被連接到中性線端N。第三定子繞組電路包括連接在節(jié)點(diǎn)NC與三相電動機(jī)PM的繞組C的一端之間的換向控制開關(guān)SWC，而繞組C的另一端被連接到中性線端N。
在第二可替換的結(jié)構(gòu)中，第一定子繞組電路包括連接在中性線端N與三相電動機(jī)PM的繞組A的一端之間的換向控制開關(guān)SWA，而繞組A的另一端被連接到節(jié)點(diǎn)NA。第二定子繞組電路包括連接在中性線端N與三相電動機(jī)PM的繞組B的一端之間的換向控制開關(guān)SWB，而繞組B的另一端被連接到節(jié)點(diǎn)NB。第三定子繞組電路包括連接在中性線端N與三相電動機(jī)PM的繞組C的一端之間的換向控制開關(guān)SWC，而繞組C的另一端被連接到節(jié)點(diǎn)NC。設(shè)計(jì)者甚至可選擇在電動機(jī)PM與中性線端N之間連接一個(gè)或多個(gè)換向控制開關(guān)，并選擇在電動機(jī)PM與節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連接其它換向控制開關(guān)。
在圖3中，每個(gè)換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC包括與串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管，并且每個(gè)串聯(lián)開關(guān)電路包括第二二極管和開關(guān)元件，該開關(guān)元件與第二二極管串聯(lián)。例如，換向控制開關(guān)SWA包括與含有與開關(guān)元件QA串聯(lián)的第二二極管DA2的串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管DA1。同樣地，換向控制開關(guān)SWB包括與含有與開關(guān)元件QB串聯(lián)的第二二極管DB2的串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管DB1，而換向控制開關(guān)SWC包括與含有與開關(guān)元件QC串聯(lián)的第二二極管DC2的串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管DC1。開關(guān)元件QA、QB和QC中的每個(gè)優(yōu)選的是PNP IGBT、NPN IGBT或者是MOSFET。在圖3中描繪了NPN IGBT。開關(guān)二極管對QA和DA2、QB和DB2、QC和DC2中的每對在本發(fā)明中還可利用能夠既正向又反向阻斷電壓的IGBT開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。這種類型的開關(guān)通常被稱作反向阻斷IGBT(RBIGBT)。
應(yīng)該注意到，對于每個(gè)換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC，Lawler等人的美國專利No.6,236,179使用了兩個(gè)反并聯(lián)硅控整流器(SCR)或Lawler等人所稱的半導(dǎo)體閘流管。當(dāng)SCR既被正向偏置又被觸發(fā)時(shí)，這些反并聯(lián)SCR可運(yùn)行來形成電流，并且只有當(dāng)SCR兩端的電壓減小到零或變成反向偏置時(shí)，這些SCR才可運(yùn)行來自動中斷電流。
再次參考圖3，當(dāng)三個(gè)開關(guān)元件QA、QB和QC中的每一個(gè)閉合或被接通時(shí)，電流可沿任一方向流過換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC。結(jié)果，隨著換向控制開關(guān)的閉合，可使用任意控制方法來控制初級換向開關(guān)Q1-Q6并由此控制電動機(jī)PM。
另一方面，當(dāng)三個(gè)開關(guān)元件QA、QB和QC打開或被斷開時(shí)，即使二極管DA1、DB1和DC1仍在該電路中，電流也無法流過電動機(jī)繞組。這是因?yàn)?，?dāng)二極管DA1、DB1和DC1如圖3所示連接時(shí)，Y形連接的電動機(jī)PM沒有針對電流的來源。此外，當(dāng)三個(gè)開關(guān)元件QA、QB和QC中只有兩個(gè)打開或被斷開時(shí)，即使第三開關(guān)元件仍是閉合的或被接通，電流仍然無法流經(jīng)電動機(jī)繞組。基爾霍夫(Kirchoff)法則要求，流經(jīng)Y形連接的電動機(jī)PM的繞組的電流總和為零，否則，在Y形連接的電動機(jī)PM的中性連接上聚集電荷，或從Y形連接的電動機(jī)PM的中性連接放電。
控制器被耦合到每個(gè)換向控制開關(guān)中的開關(guān)元件以及被耦合到初級換向開關(guān)對，以相對于其中電源電壓等于反向電動勢的一點(diǎn)來控制初級換向開關(guān)的接通時(shí)間和斷開時(shí)間。這樣，流到電動機(jī)的電流可在任何時(shí)間停止，而不是等待其中SCR兩端的電壓降到零的循環(huán)結(jié)束，。
在電動機(jī)PM高速運(yùn)行期間，電動機(jī)的基于磁鐵的反向電動勢可上升至比變換器的初級換向開關(guān)的可能的輸出電壓大一過電壓。在公知的用于控制電動機(jī)PM的電路中，該過電壓使得功率從電動機(jī)流入變換器并通過變換器流到電池BAT。這就是發(fā)電模式，該發(fā)電模式引起了兩個(gè)效應(yīng)。第一，電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行且電池被再充電。第二，電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是負(fù)的，并且這充當(dāng)斷路器。在當(dāng)電動機(jī)高速運(yùn)行期間期望零轉(zhuǎn)矩時(shí)的情形中，磁場削弱電流(fieldweakening current)必須由變換器的初級換向開關(guān)施加到電動機(jī)上，以便將反向電動勢減小到其中反向電動勢精確地等于變換器的初級換向開關(guān)的輸出電壓的點(diǎn)，使得電動機(jī)轉(zhuǎn)矩為零。為了實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)矩，即使電動機(jī)不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，該磁場削弱電流也必須被施加到電動機(jī)上。必須流過的磁場削弱電流引起電池上的功率消耗，并且這損失高速運(yùn)行期間的功率，其中不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩被稱作“自旋損失(spin loss)”。
在公知電路中，自旋損失在電動機(jī)PM的無負(fù)載高速運(yùn)行期間被引起。然而，在圖3的電路中，換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC可在任何時(shí)間被斷開(也就是開路)，以通過消除否則會承載磁場削弱電流的導(dǎo)通路徑來完全消除自旋損失。因此，電流并不必由變換器施加來可控制地產(chǎn)生零輸出轉(zhuǎn)矩。通過斷開換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC的所有開關(guān)元件QA、QB和QC，能消除流過電動機(jī)的電流，以及因此消除自旋損失。
電動機(jī)PM的無負(fù)載高速運(yùn)行還具有其它后果，其中電動機(jī)的反向電動勢能夠升高到大于變換器的初級換向開關(guān)的可能輸出電壓一過電壓。無需斷開電路中的換向控制開關(guān)，變換器的節(jié)點(diǎn)上的電壓將穿過初級換向開關(guān)中的通常被反向偏置的二極管D1-D6。在電動機(jī)PM的無負(fù)載高速運(yùn)行期間，電流可從電動機(jī)PM的一個(gè)或多個(gè)繞組通過一個(gè)或多個(gè)二極管D1-D3流到充電電池BAT，并通過一個(gè)或多個(gè)二極管D4-D6返回以及流入電動機(jī)PM的一個(gè)或多個(gè)繞組中。這被稱作不受控制的發(fā)電機(jī)模式。不受控制的發(fā)電機(jī)模式中的充電電流能引起要由電動機(jī)經(jīng)歷的制動力矩并能損害變換器、電容CAP或者甚至損害電池BAT。如果電池不能以由不受控制的發(fā)電機(jī)模式所施加的速率充電，則電容CAP將充電直至反向電動勢的電壓并然后電流中斷。為了避免對變換器的損害，電池BAT、電容CAP、和包括二極管D1-D6的初級換向開關(guān)Q1-Q6必須被認(rèn)為能承受最大預(yù)期反向電動勢電壓以及電動機(jī)PM可能產(chǎn)生的任何有關(guān)的電流浪涌。
然而，在圖3的電路中，換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC能在任何時(shí)間被斷開(也就是開路)，以通過消除否則會將磁場反向電動勢電壓帶給變換器的導(dǎo)通路徑來完全消除不受控制的發(fā)電機(jī)模式。通過斷開換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC的所有開關(guān)元件QA、QB和QC，可能在不受控制的發(fā)電機(jī)模式下產(chǎn)生的反向電動勢電壓沒有被施加在電池BAT、電容CAP、和包括二極管D1-D6的初級換向開關(guān)Q1-Q6的兩端，并且這些部件不必被認(rèn)為能承受可能在不受控制的發(fā)電機(jī)模式下產(chǎn)生的反向電動勢電壓。結(jié)果，在電動機(jī)PM的無負(fù)載高速運(yùn)行期間避免變換器損害。換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC的二極管DA1、DA2、DB1、DB2、DC1和DC2以及開關(guān)元件QA、QB和QC需要被認(rèn)為能承受可能在不受控制的發(fā)電機(jī)模式下產(chǎn)生的反向電動勢電壓；然而，由于增加的額定值僅在換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC上被要求，所以這相對于現(xiàn)有技術(shù)表現(xiàn)出顯著的成本節(jié)省。
相反，當(dāng)循環(huán)將SCR兩端的電壓減小到零時(shí)，Lawler等人的電路只能斷開換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC。
在圖4中描繪圖3中所描繪的電路的變形，其中，每個(gè)換向控制開關(guān)SWA、SWB或SWC中的開關(guān)元件QA、QB或QC包括NPN IGBT。圖4描繪了換向控制開關(guān)SWA的二極管DA1，該二極管DA1的陽極被連接到電動機(jī)PM而其陰極被連接到初級換向開關(guān)對的節(jié)點(diǎn)。二極管DA2的陰極被連接到二極管DA1的陽極，并且開關(guān)元件QA被連接到初級換向開關(guān)對的節(jié)點(diǎn)。換向控制開關(guān)SWB或SWC類似地被配置。
可替換地，換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC可首尾反向連接，并且這些開關(guān)運(yùn)行良好。利用首尾反向連接的換向控制開關(guān)SWA，二極管DA1的陰極被連接到電動機(jī)PM，而二極管DA1的陽極被連接到初級換向開關(guān)對的節(jié)點(diǎn)。二極管DA2的陰極仍被連接到二極管DA1的陽極，并且開關(guān)元件QA被連接到電動機(jī)PM。換向控制開關(guān)SWB或SWC類似地首尾反向連接。
在圖5中描繪圖3中所描繪的電路的另一變形，其中，每個(gè)換向控制開關(guān)SWA、SWB或SWC中的開關(guān)元件QA、QB或QC包括PNP IGBT。圖5描繪了換向控制開關(guān)SWA的二極管DA1，該二極管DA1的陽極被連接到電動機(jī)PM而其陰極被連接到初級換向開關(guān)對的節(jié)點(diǎn)。二極管DA1的陰極被連接到二極管DA2的陽極，并且開關(guān)元件QA被連接到電動機(jī)PM。換向控制開關(guān)SWB或SWC類似地被配置。
可替換地，以與相對于圖4所討論的方式類似的方式，換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC可首尾反向連接，并且這些開關(guān)運(yùn)行良好。
在圖6中描繪圖3中所描繪的電路的另一變形，其中，每個(gè)換向控制開關(guān)SWA、SWB或SWC中的開關(guān)元件QA、QB或QC包括MOSFET。圖6描繪了換向控制開關(guān)SWA的二極管DA1，該二極管DA1的陽極被連接到電動機(jī)PM而其陰極被連接到初級換向開關(guān)對的節(jié)點(diǎn)。二極管DA1的陰極被連接到二極管DA2的陽極，并且開關(guān)元件QA被連接到電動機(jī)PM。換向控制開關(guān)SWB或SWC類似地被配置。
可替換地，二極管DA2和開關(guān)元件QA的位置也可互換，使得二極管DA2的陰極被連接到二極管DA1的陽極。
可替換地，以與相對于圖4所討論的方式類似的方式，換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC可首尾反向連接，并且這些開關(guān)運(yùn)行良好。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，機(jī)動車輛引擎包括具有帶有多個(gè)定子繞組A、B、C的定子的多相電機(jī)PM、控制器、多個(gè)初級換向開關(guān)對Q1-Q6和D1-D6、中性線端N以及多個(gè)換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC。該多相電機(jī)可以是三相電動機(jī)或是任何在定子中具有多于三個(gè)相繞組的電動機(jī)。多個(gè)初級換向開關(guān)對中的每一對包括連接在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的第一初級換向開關(guān)和第二初級換向開關(guān)。第一開關(guān)對包括連接在節(jié)點(diǎn)NA處的第一初級換向開關(guān)(Q1，D1)和第二初級換向開關(guān)(Q4，D4)。第二開關(guān)對包括連接在節(jié)點(diǎn)NB處的第一初級換向開關(guān)(Q2，D2)和第二初級換向開關(guān)(Q5，D5)。第三開關(guān)對包括連接在節(jié)點(diǎn)NC處的第一初級換向開關(guān)(Q3，D3)和第二初級換向開關(guān)(Q6，D6)。
多個(gè)換向控制開關(guān)中的每個(gè)被耦合到定子繞組中的相對應(yīng)的繞組，使得相對應(yīng)的定子繞組電路形成于中性線端與節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間。多個(gè)定子繞組電路中的每個(gè)被耦合在中性線端N與節(jié)點(diǎn)NA、NB或NC中的相應(yīng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間。對設(shè)計(jì)者來說，兩種可替換的結(jié)構(gòu)都可用于每個(gè)定子繞組電路。
在第一可替換的結(jié)構(gòu)中，第一定子繞組電路包括連接在節(jié)點(diǎn)NA與三相電動機(jī)PM的繞組A的一端之間的換向控制開關(guān)SWA，而繞組A的另一端被連接到中性線端N。第二定子繞組電路包括連接在節(jié)點(diǎn)NB與三相電動機(jī)PM的繞組B的一端之間的換向控制開關(guān)SWB，而繞組B的另一端被連接到中性線端N。第三定子繞組電路包括連接在節(jié)點(diǎn)NC與三相電動機(jī)PM的繞組C的一端之間的換向控制開關(guān)SWC，而繞組C的另一端被連接到中性線端N。
在第二可替換的結(jié)構(gòu)中，第一定子繞組電路包括連接在中性線端N與三相電動機(jī)PM的繞組A的一端之間的換向控制開關(guān)SWA，而繞組A的另一端被連接到節(jié)點(diǎn)NA。第二定子繞組電路包括連接在中性線端N與三相電動機(jī)PM的繞組B的一端之間的換向控制開關(guān)SWB，而繞組B的另一端被連接到節(jié)點(diǎn)NB。第三定子繞組電路包括連接在中性線端N與三相電動機(jī)PM的繞組C的一端之間的換向控制開關(guān)SWC，而繞組C的另一端被連接到節(jié)點(diǎn)NC。設(shè)計(jì)者甚至可選擇在電動機(jī)PM與中性線端N之間連接一個(gè)或多個(gè)換向控制開關(guān)，并選擇在電動機(jī)PM與節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連接其它換向控制開關(guān)。
如上面相對于圖3所討論的那樣，每個(gè)換向控制開關(guān)包括與串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管，并且每個(gè)串聯(lián)開關(guān)電路包括第二二極管和開關(guān)元件。該開關(guān)元件與第二二極管串聯(lián)。同樣如上面相對于圖3所討論的那樣，控制器被耦合到每個(gè)換向控制開關(guān)中的開關(guān)元件以及被耦合到初級換向開關(guān)對，以相對于其中電源電壓等于反向電動勢的一點(diǎn)來控制初級換向開關(guān)的接通時(shí)間和斷開時(shí)間。
在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例中，電動機(jī)系統(tǒng)包括電源、具有帶有多個(gè)定子繞組A、B、C的定子的多相電機(jī)PM、控制器、被耦合到電源的多個(gè)初級換向開關(guān)對Q1-Q6和D1-D6、中性線端N以及被耦合到該多相電機(jī)的多個(gè)換向控制開關(guān)SWA、SWB和SWC。該多相電機(jī)可以是三相電動機(jī)或可以是任何在定子中具有多于三個(gè)相繞組的電動機(jī)。該電源可以是電池BAT、燃料電池等等。優(yōu)選地，電容CAP與電源并聯(lián)。多個(gè)初級換向開關(guān)對中的每個(gè)開關(guān)對包括連接在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的第一初級換向開關(guān)和第二初級換向開關(guān)。第一開關(guān)對包括連接在節(jié)點(diǎn)NA處的第一初級換向開關(guān)(Q1，D1)和第二初級換向開關(guān)(Q4，D4)。第二開關(guān)對包括連接在節(jié)點(diǎn)NB處的第一初級換向開關(guān)(Q2，D2)和第二初級換向開關(guān)(Q5，D5)。第三開關(guān)對包括連接在節(jié)點(diǎn)NC處的第一初級換向開關(guān)(Q3，D3)和第二初級換向開關(guān)(Q6，D6)。
如上面相對于圖3所討論的那樣，多個(gè)換向控制開關(guān)中的每個(gè)被耦合到定子繞組中的相對應(yīng)的繞組，使得相對應(yīng)的定子繞組電路形成于中性線端與節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間。多個(gè)定子繞組電路中的每個(gè)被耦合在中性線端N與節(jié)點(diǎn)NA、NB或NC中的相應(yīng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間。如上文相對于圖3所討論的那樣，對設(shè)計(jì)者來說，兩種可替換的結(jié)構(gòu)都可用于每個(gè)定子繞組電路。
如上面相對于圖3所討論的那樣，每個(gè)換向控制開關(guān)包括與串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管，并且每個(gè)串聯(lián)開關(guān)電路包括第二二極管和開關(guān)元件。該開關(guān)元件與第二二極管串聯(lián)。同樣如上面相對于圖3所討論的那樣，控制器被耦合到每個(gè)換向控制開關(guān)中的開關(guān)元件以及被耦合到初級換向開關(guān)對，以相對于其中電源電壓等于反向電動勢的一點(diǎn)來控制初級換向開關(guān)的接通時(shí)間和斷開時(shí)間。
已說明用于控制多相電機(jī)的新穎電路的優(yōu)選實(shí)施例(這些實(shí)施例意圖是示例性的而不是限制性的)，應(yīng)注意，根據(jù)上面的教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可做出修改和變化。因此應(yīng)理解，在所公開的本發(fā)明的特定實(shí)施例中可做出改變，這些改變在如由所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
因此已對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明并且說明了專利法所要求的特性，在所附的權(quán)利要求中闡述了所要求保護(hù)的內(nèi)容和期望被專利證書所保護(hù)的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于控制具有帶有多個(gè)定子繞組的定子的多相電機(jī)的電路，該電路包括控制器；多個(gè)初級換向開關(guān)對，每個(gè)開關(guān)對包括連接在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的第一初級換向開關(guān)和第二初級換向開關(guān)；中性線端；以及多個(gè)換向控制開關(guān)，每個(gè)換向控制開關(guān)被耦合到定子繞組中的相對應(yīng)的繞組，使得在中性線端與所述節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間形成相對應(yīng)的定子繞組電路；其中，每個(gè)換向控制開關(guān)包括與串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管；其中，每個(gè)串聯(lián)開關(guān)電路包括第二二極管和開關(guān)元件，該開關(guān)元件與第二二極管串聯(lián)；以及其中，控制器被耦合到每個(gè)換向控制開關(guān)中的開關(guān)元件以及被耦合到初級換向開關(guān)對，以相對于其中電源電壓等于反向電動勢的一點(diǎn)來控制初級換向開關(guān)的接通時(shí)間和斷開時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，每個(gè)換向控制開關(guān)中的開關(guān)元件包括NPNIGBT、PNPIGBT和MOSFET中的一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中，在每個(gè)換向控制開關(guān)中，第一二極管和第二二極管中的一個(gè)的陽極被連接到第一二極管和第二二極管中的另一個(gè)的陰極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，在每個(gè)換向控制開關(guān)中，第一二極管和第二二極管中的一個(gè)的陽極被連接到第一二極管和第二二極管中的另一個(gè)的陰極。
5.一種機(jī)動車輛引擎，其包括具有帶有多個(gè)定子繞組的定子的多相電機(jī)；控制器；多個(gè)初級換向開關(guān)對，每個(gè)開關(guān)對包括連接在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的第一初級換向開關(guān)和第二初級換向開關(guān)；中性線端；和被耦合到多相電機(jī)的多個(gè)換向控制開關(guān)，每個(gè)換向控制開關(guān)被耦合到定子繞組中的相對應(yīng)的繞組，使得在中性線端與所述節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間形成相對應(yīng)的定子繞組電路；其中，每個(gè)換向控制開關(guān)包括與串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管，其中，每個(gè)串聯(lián)開關(guān)電路包括第二二極管和開關(guān)元件，該開關(guān)元件與第二二極管串聯(lián)；以及其中，控制器被耦合到每個(gè)換向控制開關(guān)中的開關(guān)元件以及被耦合到初級換向開關(guān)對，以相對于其中電源電壓等于反向電動勢的一點(diǎn)來控制初級換向開關(guān)的接通時(shí)間和斷開時(shí)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)動車輛引擎，其中，每個(gè)換向控制開關(guān)中的開關(guān)元件包括NPNIGBT、PNPIGBT和MOSFET中的一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)動車輛引擎，其中，在每個(gè)換向控制開關(guān)中，第一二極管和第二二極管中的一個(gè)的陽極被連接到第一二極管和第二二極管中的另一個(gè)的陰極。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)動車輛引擎，其中，在每個(gè)換向控制開關(guān)中，第一二極管和第二二極管中的一個(gè)的陽極被連接到第一二極管和第二二極管中的另一個(gè)的陰極。
9.一種電動機(jī)系統(tǒng)，其包括電源；具有帶有多個(gè)定子繞組的定子的多相電機(jī)；控制器；被耦合到電源的多個(gè)初級換向開關(guān)對，每個(gè)開關(guān)對包括連接在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的第一初級換向開關(guān)和第二初級換向開關(guān)；中性線端；和被耦合到多相電機(jī)的多個(gè)換向控制開關(guān)，每個(gè)換向控制開關(guān)被耦合到定子繞組中的相對應(yīng)的繞組，使得在中性線端與所述節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間形成相對應(yīng)的定子繞組電路；其中，每個(gè)換向控制開關(guān)包括與串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管；其中，每個(gè)串聯(lián)開關(guān)電路包括第二二極管和開關(guān)元件，該開關(guān)元件與第二二極管串聯(lián)；以及其中，控制器被耦合到每個(gè)換向控制開關(guān)中的開關(guān)元件以及被耦合到初級換向開關(guān)對，以相對于其中電源電壓等于反向電動勢的一點(diǎn)來控制初級換向開關(guān)的接通時(shí)間和斷開時(shí)間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，每個(gè)換向控制開關(guān)中的開關(guān)元件包括NPNIGBT、PNPIGBT和MOSFET中的一個(gè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，在每個(gè)換向控制開關(guān)中，第一二極管和第二二極管中的一個(gè)的陽極被連接到第一二極管和第二二極管中的另一個(gè)的陰極。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，在每個(gè)換向控制開關(guān)中，第一二極管和第二二極管中的一個(gè)的陽極被連接到第一二極管和第二二極管中的另一個(gè)的陰極。
全文摘要
一種用于控制具有帶有定子繞組的定子的多相電機(jī)的電路包括控制器、初級換向開關(guān)對、中性線端和換向控制開關(guān)。每個(gè)開關(guān)對包括連接在一節(jié)點(diǎn)處的第一初級換向開關(guān)和第二初級換向開關(guān)。每個(gè)換向控制開關(guān)被耦合到一繞組，使得在中性線端與節(jié)點(diǎn)中的相應(yīng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間形成定子繞組電路。每個(gè)換向控制開關(guān)包括與串聯(lián)開關(guān)電路并聯(lián)的第一二極管。每個(gè)串聯(lián)開關(guān)電路包括第二二極管和串聯(lián)的開關(guān)元件?？刂破鞅获詈系皆撻_關(guān)元件和初級換向開關(guān)對，以相對于其中電源電壓等于反向電動勢的一點(diǎn)來控制初級換向開關(guān)的接通時(shí)間和斷開時(shí)間。
文檔編號H02P6/18GK101060302SQ20071010532
公開日2007年10月24日 申請日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月14日
發(fā)明者B·韋爾奇科 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司