專利名稱：降低電動車車載逆變器損耗并提高其電流輸出能力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種汽車電子電氣方法，具體涉及一種用于電動車車載逆變器的電子電氣方法。
背景技術(shù)：
在電動/混合動力汽車中，車用逆變器是高壓電池的主負(fù)載，直接向車用拖動電機(jī)提供能量其電流大，其功率為幾十甚至上百千瓦。所以即使其效率很高，也會產(chǎn)生幾千瓦的損耗。電動車一大技術(shù)瓶為其續(xù)航里程短，所以能夠提高效率是十分有意義的。再者幾千瓦的損耗會對逆變器散熱提出了很高的要求，電動車的冷卻水泵功率小，高損耗使其很難承擔(dān)。普通的SVPWM調(diào)制方式，電動車電機(jī)在拖動或制動時(shí)，其電流方向相反，導(dǎo)致其在逆變器流經(jīng)路徑不同，拖動時(shí)電流主要由逆變器中的IGBT承擔(dān)，制動時(shí)則由逆變器中的二極管承擔(dān)，導(dǎo)致其功耗產(chǎn)生在同一工況嚴(yán)重不對稱，從而造成結(jié)溫嚴(yán)重不對稱。比如說拖動時(shí)IGBT的結(jié)溫已經(jīng)達(dá)到了 150度所能承受最高結(jié)溫，而此時(shí)二極管的結(jié)溫僅為100度。但是此時(shí)已經(jīng)無法再提高電流了，因?yàn)镮GBT已經(jīng)到了瓶頸，反之亦然。所以，普通調(diào)制方式使逆變器的輸出能力大受限制。現(xiàn)代的交流電機(jī)已經(jīng)用空間矢量控制(SVPWM)由于其可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)控制，母線利用率高已經(jīng)全面取代了傳統(tǒng)的變壓變頻控制。對于普通的SVPWM方式，在一個(gè)開關(guān)周期Tp 中，任一個(gè)給定電壓矢量是由六個(gè)基本的電壓矢量加上兩個(gè)零電流矢量(000，111)組合而成的，其中000代表逆變器三相橋低端三管開，而111代表高端三管全開。從而等效成了圓形電壓旋轉(zhuǎn)矢量，如圖1所示，給定的由矢量相鄰的及組合而成，由矢量組合法則，得到其作用時(shí)間分別為tl及t2，則剩余的時(shí)間為零矢量作用時(shí)間，兩個(gè)零矢量作用時(shí)間各占一半。則一個(gè)Tp中，U，V，W三相的作用時(shí)間如圖2所示。則當(dāng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)了一個(gè)圓周后， 三相的作用時(shí)間形成了馬鞍形波，其與三角載波相比較得到了三相IGBT的開關(guān)信號，如圖 3所示，在電壓正半周，主要是高端IGBT在開通，在負(fù)半周，主要是低端IGBT在開通。由于 IGBT的單向?qū)ㄐ裕贗GBT開通時(shí)，電流正向時(shí)(正半周)流經(jīng)IGBT，反向時(shí)電流流經(jīng)二極管。對于拖動工況，電流相位滯后于電壓相位一個(gè)較小的角度(一般小于45度)，如圖4所示。圖5給出了拖動工況，PWM開關(guān)信號與一個(gè)半橋四個(gè)管子的導(dǎo)通損耗的對應(yīng)關(guān)系，在電流信號正半周絕大部分電流由高端IGBT承擔(dān)，這是由于拖動時(shí)電壓電流幾乎同相位，高端IGBT開通的時(shí)間很長，而關(guān)斷的時(shí)間很短。同理，在電流負(fù)半周，電流主要由低端 IGBT提供?？梢姡藭r(shí)的IGBT的導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二極管，這便是拖動工況IGBT與二極管功耗不平衡的原因。圖6所示的為普通SVPWM的功耗仿真結(jié)果，在一秒鐘的仿真時(shí)間里，一個(gè)半橋的四個(gè)管子發(fā)熱功耗嚴(yán)重不對稱，仿真基于如下參數(shù)，300V母線電壓，300A輸出rms 電流，功率因數(shù)為0. 7，英飛凌HP2模塊的損耗參數(shù)。圖7所示的為普通SVPWM方式的開關(guān)損耗，在一個(gè)調(diào)制周期，由于一直在開關(guān)，所以其開關(guān)損耗比較大，可以看出高端IGBT的開通損耗與低端二極管的反向恢復(fù)損耗發(fā)生在同一 PWM上升沿，即高端IGBT開通瞬間。圖8為累積一秒鐘的開關(guān)損耗功率。將一個(gè)半橋四個(gè)開關(guān)管的開通關(guān)斷損耗加起來，則四個(gè)管子的總損耗為高端IGBT200W，高端二極管80W，低端IGBT200W，低端二極管80W，三個(gè)半橋總損耗為1680W，IGBT與二極管的損耗差異為120W，雖然二極管此時(shí)的損耗很低，但是IGBT的功耗過大已經(jīng)不容許電流進(jìn)一步增加。對于制動工況，電流相位滯后電壓相位很大(一般大于135度)，在電流正半周電流主要由低端二極管承擔(dān)，因?yàn)榇藭r(shí)高端IGBT的開通時(shí)間非常短，而在電流負(fù)半周，主要是高端二極管在承擔(dān)電流，所以制動工況二極管的發(fā)熱比IGBT嚴(yán)重很多，如圖9所示。由于頻繁開關(guān)，故開關(guān)損耗也很大，如圖10所示。得到仿真結(jié)果顯示，高端 IGBT121W，高端二極管190W，低端IGBT121W，低端二極管190W，三個(gè)半橋總損耗為1866W， IGBT與二極管的損耗差異為69W。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種降低電動車車載逆變器損耗并提高其電流輸出能力的方法，它主要解決目前電動車逆變器損耗高，效率低；冷卻系統(tǒng)散熱負(fù)荷過大；逆變器中IGBT及二極管負(fù)荷嚴(yán)重不對稱，使逆變器的電流輸出能力大大受限的問題。為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種降低電動車車載逆變器損耗并提高其電流輸出能力的方法；包括給定電壓矢量是由六個(gè)基本的電壓矢量加上兩個(gè)零電流矢量組合而成的，從而等效成了圓形電壓旋轉(zhuǎn)矢量，零電流矢量時(shí)間為完全的111，其中111代表高端三管全開。本發(fā)明的有益效果在于引入一種新的控制策略來解決傳統(tǒng)調(diào)制方式帶來的開關(guān)次數(shù)多，效率低，負(fù)荷不對稱的問題，從而達(dá)到減小發(fā)熱，提高逆變器效率以及減小IGBT，二極管間的熱不對稱性，提高逆變器的電流輸出能力。優(yōu)選的，包括以下步驟通過矢量控制的方法計(jì)算出當(dāng)前需要的電壓矢量；通過平行四邊形法則得到相鄰兩個(gè)非零電壓矢量的作用時(shí)間、與t2 ；開關(guān)周期內(nèi)的其他時(shí)間為 111零矢量作用時(shí)間t7。優(yōu)選的，其形成的電壓調(diào)制波在三分之一的基波周期內(nèi)其調(diào)制度保持為1。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1是現(xiàn)有技術(shù)圓形電壓旋轉(zhuǎn)矢量示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)U、V、W三相的作用時(shí)間示意圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)三相IGBT的開關(guān)信號示意圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)拖動工況電流相位滯后于電壓相位的示意圖；圖5是現(xiàn)有技術(shù)拖動工況，PWM開關(guān)信號與一個(gè)半橋四個(gè)管子的導(dǎo)通損耗的對應(yīng)關(guān)系示意圖；圖6是現(xiàn)有技術(shù)拖動工況SVPWM的導(dǎo)通功耗仿真結(jié)果示意圖；圖7是現(xiàn)有技術(shù)拖動工況SVPWM方式的開關(guān)損耗示意圖；圖8是現(xiàn)有技術(shù)拖動工況累積一秒鐘的開關(guān)損耗功率示意圖
圖9是現(xiàn)有技術(shù)制動工況導(dǎo)通功耗仿真結(jié)果示意圖；圖10是現(xiàn)有技術(shù)制動工況開關(guān)損耗功率示意圖；圖11是本發(fā)明實(shí)施例所述方案圓形電壓旋轉(zhuǎn)矢量示意圖；圖12是本發(fā)明實(shí)施例所述方案U、V、W三相的作用時(shí)間示意圖；圖13是本發(fā)明實(shí)施例所述方案拖動工況的導(dǎo)通功耗示意圖；圖14是本發(fā)明實(shí)施例所述方案拖動工況的開關(guān)損耗示意圖；圖15是本發(fā)明實(shí)施例所述方案制動工況導(dǎo)通功耗仿真結(jié)果示意圖；圖16是本發(fā)明實(shí)施例所述方案制動工況開關(guān)損耗功率示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過重新分配零矢量，可以完全改變電壓調(diào)制波波形，從而改變損耗大小。 由于六個(gè)有效矢量的作用時(shí)間沒有發(fā)生改變，所以對于矢量控制控制上沒有任何改變。將零矢量時(shí)間由000，111均分改為完全的111，如圖11所示，得到了如圖12的調(diào)制波形，相對于圖3，很明顯看到，在一個(gè)周期內(nèi)，有三分之一的時(shí)間內(nèi)IGBT沒有開關(guān)，這主要是集中在電流的正半周，可以預(yù)見高端IGBT及低端二極管的開關(guān)損耗可以明顯降低。在電流負(fù)半周，相對于圖3，由于電壓調(diào)制波整體上移(每相開通時(shí)間比原來長t7/2)，導(dǎo)致低端IGBT 的導(dǎo)通時(shí)間降低，導(dǎo)通損耗降低，高端二極管的導(dǎo)通損耗增加。從以上分析得出，逆變器整體損耗會降低，而且拖動時(shí)逆變器的限制瓶頸IGBT的發(fā)熱會降低，使逆變器輸出能力提高。此時(shí)設(shè)定與之前相同的仿真條件，得到圖13及圖14的仿真結(jié)果。高端IGBT160W，高端二極管105W，低端IGBT175W，低端二極管40W，三個(gè)半橋總損耗為1440W，IGBT與二極管的損耗差異為701故逆變器總損耗比之前降低了 MOW，損耗差異也大大降低，故逆變器的電流輸出能力整體有所提高。將同樣的SVPWM方法應(yīng)用于制動工況，得到了如圖15，圖16所示的結(jié)果。高端 IGBT134W，高端二極管183W，低端IGBI~47W，低端二極管155W，三個(gè)半橋總損耗為1557W， IGBT與二極管的損耗差異為49W?？梢姡孀兤鲹p耗降低了 309W，損耗差異降低了 20W。本發(fā)明通過引入一種新的控制策略來解決傳統(tǒng)調(diào)制方式帶來的開關(guān)次數(shù)多，效率低，負(fù)荷不對稱的問題，從而達(dá)到減小發(fā)熱，提高逆變器效率以及減小IGBT，二極管間的熱不對稱性，提高逆變器的電流輸出能力。本發(fā)明并不限于上文討論的實(shí)施方式。以上對具體實(shí)施方式
的描述旨在于為了描述和說明本發(fā)明涉及的技術(shù)方案?；诒景l(fā)明啟示的顯而易見的變換或替代也應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。以上的具體實(shí)施方式
用來揭示本發(fā)明的最佳實(shí)施方法，以使得本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠應(yīng)用本發(fā)明的多種實(shí)施方式以及多種替代方式來達(dá)到本發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1.一種降低電動車車載逆變器損耗并提高其電流輸出能力的方法；包括給定電壓矢量是由六個(gè)基本的電壓矢量加上兩個(gè)零電流矢量組合而成的，從而等效成了圓形電壓旋轉(zhuǎn)矢量，其特征在于，零電流矢量時(shí)間為完全的111，其中111代表高端三管全開。
2.如權(quán)利要求1所述的降低電動車車載逆變器損耗并提高其電流輸出能力的方法，其特征在于，包括以下步驟通過矢量控制的方法計(jì)算出當(dāng)前需要的電壓矢量；通過平行四邊形法則得到相鄰兩個(gè)非零電壓矢量的作用時(shí)間、與t2 ；開關(guān)周期內(nèi)的其他時(shí)間為111零矢量作用時(shí)間t7。
3.如權(quán)利要求1所述的降低電動車車載逆變器損耗并提高其電流輸出能力的方法，其特征在于，其形成的電壓調(diào)制波在三分之一的基波周期內(nèi)其調(diào)制度保持為1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種降低電動車車載逆變器損耗并提高其電流輸出能力的方法；包括給定電壓矢量是由六個(gè)基本的電壓矢量加上兩個(gè)零電流矢量組合而成的，從而等效成了圓形電壓旋轉(zhuǎn)矢量，零電流矢量時(shí)間為完全的111，其中111代表高端三管全開。本發(fā)明的引入一種新的控制策略來解決傳統(tǒng)調(diào)制方式帶來的開關(guān)次數(shù)多，效率低，負(fù)荷不對稱的問題，從而達(dá)到減小發(fā)熱，提高逆變器效率以及減小IGBT，二極管間的熱不對稱性，提高逆變器的電流輸出能力。
文檔編號H02M7/48GK102368668SQ20111023541
公開日2012年3月7日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者周偉波, 孫儒文, 孫輝 申請人:聯(lián)合汽車電子有限公司