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CN103516246A - 电力变换器 - Google Patents

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CN103516246A
CN103516246A CN201310261951.XA CN201310261951A CN103516246A CN 103516246 A CN103516246 A CN 103516246A CN 201310261951 A CN201310261951 A CN 201310261951A CN 103516246 A CN103516246 A CN 103516246A
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Abstract

一种电力变换器包括输出电路（10）和控制电路（20）。输出电路具有连接到直流电源（E）的上开关装置（SH）和与上开关装置串联连接的下开关装置（SL）。输出电路从开关装置之间的连接点向负载供电。控制电路向开关装置提供PWM控制信号，以接通和断开开关装置。控制电路以随着开关速度变得更慢而死区时间变得更长的方式可变地设定开关装置的开关速度和死区时间。

Description

电力变换器
技术领域
本公开内容涉及电力变换器，其包括两个连接到直流电源的开关装置的串联电路，并从开关装置之间的连接点向负载供电。
背景技术
与JP-A-2001-169407对应的US2001/0002782公开了一种电力变换器，用于控制安装于电动车辆以驱动该车辆的电机。电力变换器包括逆变器电路，用以将直流（DC）电变换为交流（AC）电。
通常，用于控制电机的逆变器电路连接到DC电源，并包括上开关装置和下开关装置，上开关装置和下开关装置串联连接以形成所谓的逆变器电路的支路（leg）。逆变器电路将电力从上和下开关装置之间的连接点提供给电感性负载。例如，用于三相电机的逆变器电路具有以桥结构连接的三个支路。将PWM信号施加到逆变器电路的开关装置，开关装置根据PWM信号接通和断开。因此，逆变器电路由DC电源产生AC电。
在驱动电感性负载的逆变器电路中，二极管与每一个开关装置反并联连接。当上和下开关装置中的一个断开时，电流通过电感性负载以及上和下开关装置中的另一个的二极管循环。通常，提供上和下开关装置都保持断开的死区（dead）时间，以避免上和下开关同时接通，从而避免了电源中的短路。
实践中，需要包括逆变器电路的电力变换器以通过克服具有折衷关系的两个挑战来实现稳定且有效的操作。第一个挑战是保护开关装置免于浪涌电压。第二个挑战是减小损耗。具体地，在诸如用于逆变器电路中的IGBT或功率MOS晶体管的开关装置中，尽管开关损耗（即热生成）随开关速度的增大而减小，但浪涌电压随开关速度的增大而增大。就是说，随着开关装置根据PWM信号而接通和断开的开关速度变得更快，浪涌电压变得更大。当浪涌电压超过开关装置可允许的击穿电压时，开关装置被损坏。因此，为了确保开关装置的稳定操作，开关速度要缓慢以使得浪涌电压小于击穿电压。减小开关速度的一个方案是将输入电阻器（即栅极电阻器）串联连接到开关装置的栅极，以便可以平滑栅极信号的波形的上升和下降沿。然而，这一方案增大了开关损耗，因此其难以实现开关装置的有效操作。此外，由于开关损耗的增大造成开关装置中生成的热的增大，存在开关装置的温度超过开关装置可允许的温度。出于这些原因，如果不可能设定开关速度以满足可允许的击穿电压和可允许的温度两者，就需要增大击穿电压和/或开关装置的尺寸。结果，增大了开关装置的尺寸和成本。
在US2001/0002782所公开的技术中，基于开关装置的温度来改变开关速度，以保护开关装置免于浪涌电压并减小开关损耗。然而，根据这一技术，基于开关速度何时缓慢来确定死区时间。因此，当开关速度快时，死区时间太长。过多的死区时间使电力变换器的电压利用率（factor）降低，并且还造成输出电压的波动。因此，例如当将该技术应用于用于电机的电力变换器时，会缩窄电机的可用RPM-转矩范围，并且由于转矩波动还会使安静性降低。
发明内容
鉴于以上，本公开内容的目的是提供一种电力变换器，用于在不增大尺寸和成本的情况下实现稳定和有效的操作。
根据本公开内容的一个方案，电力变换器包括输出电路和控制电路。输出电路具有连接到直流电源的上开关装置和与上开关装置串联连接的下开关装置。输出电路从开关装置之间的连接点向负载供电。控制电路向开关装置提供PWM控制信号，以接通和断开开关装置。控制电路可变地设定开关装置的开关速度和死区时间。当开关速度被设定为第一速度时，死区时间被设定为第一时间长度。当开关速度被设定为比第一速度快的第二速度时，死区时间被设定为比第一时间长度短的第二时间长度。
附图说明
依据以下参考附图做出的详细说明，本公开内容的以上及其他目的、特点和优点会变得更为明显。在附图中：
图1是根据本公开内容的第一实施例的电力变换器的方框图；
图2A是示出典型开关装置的温度特性的图示，图2B是示出IGBT的温度特性的图示，及图2C是示出电力变换器的开关装置的开关速度和死区时间的设定的图示；
图3是电力变换器的时序图；
图4A是示出电力变换器的确定电路的具体示例的图示，图4B是示出在温度信号与温度之间关系的图示，及图4C是示出在非门的输出与开关速度和死区时间的设定之间关系的图示；
图5A是示出电力变换器的开关速度切换器的具体第一示例的图示，及图5B是示出开关速度切换器的具体第二示例的图示；
图6是示出电力变换器的死区时间发生器的具体第一示例的图示；
图7是图6中所示的死区时间发生器的时序图；
图8是示出死区时间发生器的第二具体示例的图示；
图9是图8中所示的死区时间发生器22的时序图；
图10是用以改变开关速度和死区时间的控制方法的第一示例的时序图；
图11是用以改变开关速度和死区时间的控制方法的第二示例的时序图；
图12是用以改变开关速度和死区时间的控制方法的第三示例的时序图；
图13是用以改变开关速度和死区时间的控制方法的第四示例的时序图；
图14是根据本公开内容的第二实施例的电力变换器的方框图；
图15A示出了相对于输入电压开关装置用以驱动电机的必要特性，及图15B是示出开关装置的开关速度和死区时间的设定的图示；
图16A和16B是示出由发明人执行的用以评价图15B中所示设定的效果的实验的结果的图示；
图17A是示出图14中所示确定电路的第一具体示例的图示，及图17B是示出比较器的输出与开关速度和死区时间的设定之间关系的图示；
图18是示出开关装置的相对于负载电流的特性的图示；
图19A是示出图14中所示确定电路的第二具体示例的图示，及图19B是示出逻辑电路的输出与开关速度和死区时间的设定之间关系的图示；
图20A是示出图14中所示确定电路的第三具体示例的图示，及图20B是示出逻辑电路的输出与开关速度和死区时间的设定之间关系的图示；
图21A是示出图19A和20A中所示逻辑电路的第一具体示例的图示；及图21B是示出图21A中所示逻辑电路的逻辑表的图示；以及
图22A是示出图19A和20A中所示逻辑电路的第二具体示例的图示；及图22B是示出图22A中所示逻辑电路的逻辑表的图示。
具体实施方式
以下参照附图来说明本公开内容的实施例。
（第一实施例）
图1示出根据本公开内容的第一实施例的电力变换器100的方框图。
电力变换器100用作用于将DC电变换为AC电的逆变器电路。电力变换器100包括输出电路10和门控制电路20。
输出电路10具有上开关装置SH和下开关装置SL。例如，上开关装置SH和下开关装置SL可以是IGBT或功率MOS晶体管。上开关装置SH和下开关装置SL串联连接，以形成DC电源E与地之间的U相支路。二极管DH与上开关装置SH反并联连接。二极管DL与下开关装置SL反并联连接。
将AC电从上开关装置SH和下开关装置SL之间的连接点P（即，从二极管DH与二极管DL之间的连接点）提供给三相电机M的U相，其是电感性负载。尽管图中未示出，但输出电路10进一步包括V相支路和W相支路。以与U相支路相同的方式配置V相支路与W相支路。U相支路、V相支路和W相支路以桥结构连接。为了简单，在以下说明中省略了关于V相支路与W相支路的解释。输出电路10的上开关装置SH和下开关装置SL根据PWM信号来接通和断开，以使得可以从DC电源E产生提供给电机M的AC电。
当上开关装置SH和下开关装置SL中的一个断开时，电流循环通过电机M与二极管DH或DL，二极管DH或DL与上开关装置SH和下开关装置SL中的另一个反并联连接。提供死区时间以防止上开关装置SH和下开关装置SL被同时接通，从而避免了DC电源E中的短路，该死区时间是上开关装置SH和下开关装置SL都保持断开的时间段。根据第一实施例，死区时间可以由门控制电路20改变。就是说，死区时间是可变的。此外，上开关装置SH和下开关装置SL的开关速度（SW速度）可以由门控制电路20改变。
具体地，门控制电路20分别向上开关装置SH和下开关装置SL输出脉冲调制门信号GU和脉冲调制门信号GL。根据第一实施例，脉冲调制门信号GU和GL是脉冲宽度调制（PWM）信号。门控制电路20包括驱动信号发生器21、死区时间发生器22、确定电路23和开关速度切换器24、以及电平移位器LS。例如，驱动信号发生器21、死区时间发生器22和确定电路23可以结合在车辆的电子控制单元（ECU）中。开关速度切换器24改变上开关装置SH和下开关装置SL的栅极输入电阻。开关速度切换器24包括电阻器R1、电阻器R2和开关K1。开关K1改变电阻器R1与R2之间的连接状况。具体地，当开关K1接通（即闭合）时，电阻器R2与电阻器R1并联。相反地，当开关K1断开（即打开）时，电阻器R2与电阻器R1断开连接。
电力变换器100进一步包括温度传感器30，用于检测上开关装置SH和下开关装置SL的温度。温度传感器30向门控制电路20的确定电路23输出指示所检测到的温度的温度信号S1。例如，温度传感器30可以包括在输出电路10中。确定电路23向死区时间发生器22输出死区时间改变信号S2。死区时间发生器22基于死区时间改变信号S2和从驱动信号发生器21输入的PWM信号S3来输出驱动信号d_H与d_L。分别为上和下开关装置SH和SL产生驱动信号d_H与d_L，以提供死区时间。确定电路23进一步向开关速度切换器24输出开关速度改变信号S4。开关速度改变信号S4接通和断开开关K1，以改变电阻器R1与R2之间的连接状况，从而将预定开关速度设定为从死区时间发生器22输入的驱动信号d_H和d_L。RPM/转矩命令信号S5输入到驱动信号发生器21，驱动信号发生器21基于RPM/转矩命令信号S5输出PWM信号S3。
如下所述，根据第一实施例，当将开关速度设定为较低速度时，将死区时间设定为较长时间长度，而当开关速度设定为较快速度时，将死区时间设定为较短时间长度。
图2A示出诸如IGBT或功率MOSFET的典型开关装置的温度特性。如图2A所示，随着开关装置的温度变得更高，开关装置的击穿电压也变得更高，开关装置可允许的浪涌电压变得更大，开关装置可允许的损耗变得更小。例如，如图2B所示，随着IGBT的温度变得更高，IGBT可允许的击穿电压变得更大。
图2C示出根据第一实施例的电压变换器100的开关装置SH和SL的开关速度和死区时间的设定。根据第一实施例，当开关装置SH和SL的温度低于预定阈值温度时，将开关速度设定为第一速度，并且将死区时间设定为第一时间长度。相反地，当开关装置SH和SL的温度不低于阈值温度时，将开关速度设定为快于第一速度的第二速度，并且将死区时间设定为短于第一时间长度的第二时间长度。
图3示出电力变换器100的时序图，并示出温度信号S1、PWM信号S3、驱动信号d_H、驱动信号d_L、死区时间、门信号GU、门信号GL和开关速度。
如上所述，在电力变换器100的输出电路10中，上和下开关装置SH和SL串联连接在DC电源E与地之间，并且从上开关装置SH和下开关装置SL之间的连接点P向三相电机M提供AC电。在这样的电路结构中，如在说明书背景技术部分中论述的，需要克服具有折衷关系的两个挑战，以实现稳定和有效的操作。第一个挑战是保护开关装置SH和SL免于浪涌电压，第二个挑战是减小开关装置SH和SL的开关损耗（即热生成）。就是说，在诸如IGBT或功率MOS晶体管的开关装置中，尽管开关损耗随开关速度的增大而减小，但浪涌电压随开关速度的增大而增大。因此，随着开关速度变得更快，开关装置更容易击穿。
然而，如果减小开关速度，开关损耗变大。相应地，操作效率减小。因此，只要浪涌电压小于开关装置可允许的击穿电压，就需要尽可能大地增大开关速度，以减小开关损耗。
本发明人关注到以下事实：开关装置的击穿电压取决于开关装置的温度而改变。就是说，如图2A所示，随着温度变得更高，击穿电压变得更高。通过使用开关装置的击穿电压的这一温度依赖性，可以在每一个温度将开关装置的开关速度设定为尽可能快，同时保持浪涌电压小于击穿电压。在将开关装置的开关速度设定为尽可能快时，减小上开关装置和下开关装置两者均保持断开的死区时间，以使得能够改进电力变换器的总的电压利用率。
如上所述，根据第一实施例，可以由门控制电路20改变死区时间，门控制电路20分别向上开关装置SH和下开关装置SL输出PWM门信号GU和PWM门信号GL。此外，可以由门控制电路20改变上开关装置SH和下开关装置SL的开关速度。具体地，如图2C所示，当开关装置SH和SL的温度不低于阈值温度时，将开关速度设定为较快的速度，并且死区时间设定为较短的时间长度。相反地，当开关装置SH和SL的温度低于阈值温度时，将开关速度设定为较慢的速度，并且死区时间设定为较长的时间长度。在这样的方案中，在每一个温度都将开关速度设定为尽可能快，同时保持浪涌电压小于击穿电压。因此，尽可能多地减小了死区时间。这一方案允许通常的开关装置用于开关装置SH和SL。换句话说，无需为开关装置SH和SL使用具有高击穿电压和大尺寸的专用开关装置。因此，可以避免开关装置SH和SL的尺寸和成本的增加。
例如，根据第一实施例，如图3的时序图所示的，在开关装置SH和SL的温度低于阈值温度T0的较低温度条件下，将开关速度设定为第一速度Sp1，死区时间设定为第一时间长度DT1。相反地，在开关装置SH和SL的温度不低于阈值温度T0的较高温度条件下，将开关速度设定为快于第一速度Sp1的第二速度Sp2，死区时间设定为短于第一时间长度DT1的第二时间长度DT2。在这样的方案中，在较低温度条件下保持浪涌电压小于击穿电压的同时，在较高温度条件下尽可能大地减小开关损耗和温度增大。如图3所见的，将第一时间长度DT1和第二时间长度DT2中的每一个定义为驱动信号d_H和d_L两者均断开的死区时间。根据门信号GU和GL两者均断开情况下的实际停滞DT0来调整第一时间长度DT1和第二时间长度DT2。在图3所示的示例中，在开关装置SH和SL的温度改变跨过阈值温度T0后，同时改变开关速度和死区时间。可替换地，在开关速度改变的时间与死区时间改变的时间之间可以存在延迟。以下有时将第一速度Sp1、第二速度Sp2、第一时间长度DT1和第二时间长度DT2分别称为“较慢速度Sp1”、“较快速度Sp2”、“较长时间长度DT1”和“较短时间长度DT2”。
在电力变换器100中，门控制电路20的确定电路23基于来自温度传感器30的温度信号S1监测开关装置SH和SL的温度。在较低温度条件下，门控制电路20的开关速度切换器24和死区时间发生器22将开关速度设定为较慢速度Sp1，将死区时间设定为较长时间长度DT1。在较高温度条件下，门控制电路20的开关速度切换器24和死区时间发生器22将开关速度设定为较快速度Sp2，将死区时间设定为较短时间长度DT2。
可替换地，可以根据开关装置SH和SL的负载状况来估计开关装置SH和SL的温度。例如，可以基于输入到电力变换器100中的信号来检测开关装置SH和SL的负载状况。
如上所述，根据第一实施例，由温度传感器30测量开关装置SH和SL的温度。在开关装置SH和SL的温度低于阈值温度T0的较低温度条件下，门控制电路20将开关速度设定为较慢速度Sp1，将死区时间设定为较长时间长度DT1，以使得浪涌电压可以保持小于击穿电压。在开关装置SH和SL的温度不低于阈值温度T0的较高温度条件下，门控制电路20将开关速度设定为较快速度Sp2，将死区时间设定为较短时间长度DT2，以使得尽可能大地减小开关损耗。
在这样的方案中，通过将通常的开关装置用于开关装置SH和SL，可以克服具有折衷关系的两个挑战（即，保护开关装置SH和SL免于浪涌电压以及减小开关装置SH和SL的开关损耗）。此外，由于由温度传感器30直接测量开关装置SH和SL的温度，可以准确地测量到开关装置SH和SL的温度。因此，可以以有效的方式克服这两个挑战。此外，由于根据在每一个温度下优化的开关速度来设定死区时间，改进了电力变换器100的总的电压利用率。
在图3所示的示例中，在从较低温度条件到较高温度条件的第一变换中，门控制电路20将开关速度从较慢速度Sp1改变为较快速度Sp2。相反地，在从较高温度条件到较低温度条件的第二变换中，门控制电路20将开关速度从较快速度Sp2改变为较慢速度Sp1。在第一变换的情况下，优选的是应在改变开关速度之后改变死区时间。在第二变换的情况下，优选的是应在改变开关速度之前改变死区时间。在这样的方案中，提供了开关速度改变的时间与死区时间改变的时间之间的延迟，以使得能够确定地避免DC电源E中的短路。
此外，阈值温度T0可以包括第一阈值温度和不同于第一阈值温度的第二阈值温度。第一阈值温度用作用于第一变换的阈值，第二阈值温度用作用于第二变换的阈值。具体地，当开关装置SH和SL的温度从低于第一阈值温度增大到高于第一阈值温度时，可以将开关速度从较慢速度Sp1改变为较快速度Sp2，并且死区时间可以从较长时间长度DT1改变为较短时间长度DT2。随后，当开关装置SH和SL的温度从高于第二阈值温度降低到低于第二阈值温度时，可以将开关速度从较快速度Sp2改变为较慢速度Sp1，并且死区时间可以从较短时间长度DT2改变为较长时间长度DT1。
以此方式，在根据第一实施例的电力变换器100中，在将浪涌电压保持为小于击穿电压的同时，尽可能大地减小了开关损耗。因此，电力变换器100在不增大尺寸和成本的情况下实现了稳定且有效的操作。
接下来，详细说明电力变换器100的确定电路23、开关速度切换器24和死区时间发生器22。
图4A示出作为确定电路23的具体示例的确定电路23a。
如图4A所示，确定电路23a包括比较器Cp1和非门（即反相器）I1。比较器Cp1在温度信号S1与参考电压Vr1之间进行比较。如图4B所示，参考电压Vr1对应于图3所示的阈值温度T0。比较器Cp1基于比较结果输出逻辑高信号或逻辑低信号。比较器Cp1的输出信号输入到非门I1，并由其逻辑反相。输出非门I1的输出信号，作为来自确定电路23a的开关速度改变信号S4和死区时间改变信号S2。具体地，如图4C所示，当非门I1输出逻辑低信号时，将开关速度设定为较快速度Sp2，死区时间设定为较短时间长度DT2。相反地，当非门I1输出逻辑高信号时，将开关速度设定为较慢速度Sp1，死区时间设定为较长时间长度DT1。
图5A示出作为开关速度切换器24的第一具体示例的开关速度切换器24a。图5B示出作为开关速度切换器24的第二具体示例的开关速度切换器24b。
如图5A所示，开关速度切换器24a包括驱动晶体管Q1U和Q1L、电阻器R1和R2、以及开关K1。如前所述，开关K1根据来自确定电路23的开关速度改变信号S4接通和断开，以便可以改变下开关装置SL的栅极输入电阻。
如图5B所示，开关速度切换器24包括驱动晶体管Q1U和Q1L、驱动晶体管Q2U和Q2L、开关K2和K3、以及电阻器R3。驱动晶体管Q1U通过开关K2与驱动晶体管Q2U并联连接。驱动晶体管Q1L通过开关K3与驱动晶体管Q2L并联连接。开关K2和K31根据来自确定电路23的开关速度改变信号S4接通和断开，以便可以改变并联连接的驱动晶体管的数量。因此，开关速度切换器24b的接通电阻被改变，以使得可以改变下开关装置SL的开关速度。
图5A和5B中所示的具体示例对应于用以将门信号GL施加到下开关装置SL的开关速度切换器24的下部。尽管图中未示出，但可以以与开关速度切换器24的下部相同的方式配置用以将门信号GU施加到上开关装置SH的开关速度切换器24的上部。
图6示出作为死区时间发生器22的第一具体示例的死区时间发生器22a。死区时间发生器22a被配置为模拟电路。用以输出驱动信号d_H的死区时间发生器22a的上部包括电阻器R4和R5、电容器C1、二极管D1、开关K4和放大器A1。电阻器R4和R5与电容器C1连接，以形成RC电路。二极管D1与电阻器R4反并联连接。开关K1使电阻器R5与电阻器R4连接和断开连接。就是说，开关K1改变电阻器R5的连接状况。放大器A1从RC电路接收电压波形VH，并输出驱动信号d_H。
如图6所示，可以以与死区时间发生器22a的上部几乎相同的方式配置用以输出驱动信号d_L的死区时间发生器22a的下部。死区时间发生器22a的上部与下部之间的区别在于死区时间发生器22a的下部进一步具有非门（即反相器）I2。来自驱动信号发生器21的PWM信号S3直接输入到死区时间发生器22a的上部的RC电路。相反地，PWM信号S3通过非门I2输入到死区时间发生器22a的下部的RC电路。因此，输入到死区时间发生器22的下部的PWM信号S3的逻辑电平与输入到死区时间发生器22a的上部的PWM信号S3的逻辑电平相反。死区时间发生器22a的上部和下部中每一个的开关K4根据来自确定电路23的死区时间改变信号S2而接通和断开。
当开关K4根据死区时间改变信号S2接通和断开时，电阻器R5的连接状况被改变，使得RC电路的时间常数可以被改变。相应地，从RC电路输出的电压波形VH和VL的上升时间被改变。于是，由放大器A1将电压波形VH和HL整形为分别对应于驱动信号d_H和d_L的脉冲波形。因此，如图7所示，死区时间可以在较长时间长度DT1与较短时间长度DT2之间改变。
图8示出作为死区时间发生器22的第二具体示例的死区时间发生器22b。死区时间发生器22b被配置为数字电路。图9是图8所示的死区时间发生器22b的时序图。
死区时间发生器22b包括第一部22b1和第二部22b2。第一部22b1包括两个触发器（flip-flop）FF1和FF2、两个与门AN1和AN2、以及用于使从第二部22b2输出的时钟信号CLK1的逻辑电平反相的非门I3。第二部22b2包括触发器FF10、时钟脉冲发生器CPG、非门I4、两个与门A3和A4、以及或门OR1。
以下参照图8和9说明死区时间发生器22b2的操作。
死区时间改变信号S2的逻辑低电平用作用于将死区时间设定为较短时间长度DT2的命令。相反地，死区时间改变信号S2的逻辑高电平用作用于将死区时间设定为较长时间长度DT1的命令。时钟脉冲发生器CPG产生基础时钟信号CLK。基础时钟信号CLK输入到触发器FF0的时钟输入CK0。响应于基础时钟信号CLK，触发器FF0输出信号Q0。如图9所示，信号Q0的周期是基础时钟信号CLK的周期的两倍长。当死区时间改变信号S2处于逻辑低电平时，从与门AN3输出信号Q0。相反地，当死区时间改变信号S2处于逻辑高电平时，从与门AN4输出基础时钟信号CLK。因此，从或门OR1输出的时钟信号CLK1如图9所示地改变。
从或门OR1输出的时钟信号CLK1直接输入到触发器FF1的时钟输入CK1。相反地，时钟信号CLK1通过非门I3输入到触发器FF2的时钟输入CK2。因此，输入到触发器FF2的时钟输入CK2的时钟信号CLK2的逻辑电平与输入到触发器FF1的时钟输入CK1的时钟信号CLK1的逻辑电平相反。
来自驱动信号发生器21的PWM信号S3直接输入到触发器FF1的输入端D1。响应于PWM信号S3，触发器FF1输出信号Q1和信号Q1的反相信号。由于时钟信号CLK1，信号Q1具有相对于PWM信号S3的预定时间延迟。信号Q1的反相信号输入到触发器FF2的输入端D2。响应于信号Q1的反相信号，触发器FF2输出信号Q2和信号Q2的反相信号。由于时钟信号CLK2，信号Q2具有相对于信号Q1的反相信号的预定时间延迟。
与门AN1在来自触发器FF1的信号Q1与来自触发器FF2的信号Q2的反相信号之间执行与运算，从而输出驱动信号d_H。与门AN2在来自触发器FF1的信号Q1的反相信号与来自触发器FF2的信号Q2之间执行与运算，从而输出驱动信号d_L。以此方式，如图9所示，当死区时间改变信号S2处于逻辑低电平时，死区时间设定为较短时间长度DT2，而当死区时间改变信号S2处于逻辑高电平时，死区时间设定为较长时间长度DT1。
在电力变换器100中，需要在适当的时刻改变开关速度和死区时间，以避免DC电源E中的短路，并提供适量的死区时间。图10、11、12和13示出在门控制电路20中执行的控制方法，用以在适当的时刻改变开关速度和死区时间。为了简化，图10-13没有将开关速度与死区时间的变化反映至门信号GU和GL。
图10示出用以改变开关速度和死区时间的控制方法的第一示例。
在图10中，开关速度的改变时刻由点划线表示，死区时间的改变时刻由双点划线表示。如图10所示，开关速度的改变时刻与死区时间的改变时刻移位门信号GU或GL的一个脉冲。具体地，在从低温度状况到高温度状况的第一变换中，在温度信号S1在时间ta超过阈值温度T0a之后，响应于门信号GU的脉冲UPa，将开关速度从较慢速度Sp1改变为较快速度Sp2，随后响应于紧接着脉冲UPa之后的门信号GL的脉冲LPa，将死区时间从较长时间长度DT1改变为较短时间长度DT2。相反地，在从高温度状况到低温度状况的第二变换中，在温度信号S1在时间tb下降到低于阈值温度T0b之后，响应于门信号GU的脉冲UPb，将死区时间从较短时间长度DT2改变为较长时间长度DT1，随后响应于紧接着脉冲UPb之后的门信号GL的脉冲LPb，将开关速度从较快速度Sp2改变为较慢速度Sp1。图10中所示的控制方法确定地避免DC电源E中的短路，并且还尽可能大地提高了电力变换器100的电压利用率。
图11示出用以改变开关速度和死区时间的控制方法的第二示例。
如在图11中由双点划线表示的，根据第二示例，在提供给下开关装置SL的门信号GL的一个脉冲被去除的时间段期间开关速度和死区时间同时改变。具体地，在从低温度状况到高温度状况的第一变换中，紧接着温度信号S1在时间tc超过阈值温度T0c之后去除门信号GL的一个脉冲LPc，开关速度和死区时间在脉冲LPc被去除的时间段期间同时改变。相反地，在从高温度状况到低温度状况的第二变换中，紧接着温度信号S1在时间td下降到低于阈值温度T0d之后去除门信号GL的一个脉冲LPd，开关速度和死区时间在脉冲LPd被去除的时间段期间同时改变。注意，当二极管DL被激励以使得下开关装置SL可被去激励的当前相位期间去除门信号GL的脉冲时，施加到电机M的电压波形没有受到去除门信号GL的脉冲的影响。通过在二极管DH被激励的当前相位期间去除施加到上开关装置SH的门信号GU的脉冲，可以实现相同的操作。
图12示出用以改变开关速度和死区时间的控制方法的第三示例。
如在图12中由双点划线表示的，根据第三示例，在提供给下开关装置SL的门信号GL的一个脉冲被去除的时间段期间，开关速度和死区时间同时改变。具体地，在从低温度状况到高温度状况的第一变换中，紧接着温度信号S1在时间te超过阈值温度T0e之后去除门信号GL的一个脉冲LPe。此外，在门信号GL的断开时间段期间保持提供给上开关装置SU的门信号GU接通，以使得门信号GU的脉冲UPe的宽度可以增至三倍。在门信号GU的脉冲UPe的宽度增至三倍的时间段期间，开关速度和死区时间同时改变。相反地，在从高温度状况到低温度状况的第二变换中，紧接着温度信号S1在时间tf下降到低于阈值温度T0f之后去除门信号GL的一个脉冲LPf。此外，在门信号GL的断开时间段期间保持门信号GU接通，以使得门信号GU的脉冲UPf的宽度可以增至三倍。在门信号GU的脉冲UPf的宽度增至三倍的时间段期间，开关速度和死区时间同时改变。在图12所示的示例中，门信号GL的脉冲被去除。可替换地，门信号GU的脉冲可以被去除。
如上所述，根据图11和12中所示的第二和第三示例，在温度信号S1改变跨过阈值时去除门信号GU和门信号GL中至少一个的脉冲，在脉冲被去除的时间段期间开关速度和死区时间改变。在这样的方案中，可以确定地避免DC电源E中的短路。
图13示出用以改变开关速度和死区时间的控制方法的第四示例。第四示例设计为用于电机M由两相调制方法驱动的情况。
如图13所示，在两相调制方法中，控制信号在电机M的电气角度的一个周期中具有PWM时间段、连续的接通时间段和连续的断开时间段。在此情况下，优选地，开关速度和死区时间在除了PWM时间段以外的时间段期间改变。在图13所示的示例中，在温度信号S1在时间tg超过阈值温度T0g之后，在控制信号的连续接通时间段期间同时改变开关速度和死区时间。在这样的方案中，可以确定地避免DC电源E中的短路。
在图10-13所示的第一到第四示例中，优选地，开关速度和死区时间改变的改变时刻应设定为门信号GU或GL的接通时间段或断开时间段的中心。在这样的方案中，可以更加确定地避免DC电源E中的短路。
（第二实施例）
图14示出根据本公开内容的第二实施例的电力变换器101的方框图。第一实施例与第二实施例的区别如下。
通过比较图1与14可见，电力变换器101进一步包括电压传感器25，用于检测来自DC电源E的输入电压。例如，电压传感器25可以结合到门控制电路20a的ECU中。电压传感器25向门控制电路20a的确定电路23b输出指示检测到的输入电压的输入电压信号S6。
在电力变换器101的输出电路10a中，将分流电阻器Rs插入到上和下开关装置SH和SL的串联电路中。电力变换器101进一步包括电流传感器31，用于通过检测分流电阻器Rs两端的电压来检测流过串联电路的电流（即负载电流）。电流传感器31向确定电路23a输出指示检测到的电流的电流信号S7。确定电路23a基于来自温度传感器30的温度信号S1、来自电压传感器25的输入电压信号S6和来自电流传感器31的电流信号S7设定开关速度和死区时间。
通常，在用于车辆系统的电力变换器中，输入电压具有大的变化量。因此，假定将电机设计为在预定输入电压下执行所需的操作，最大输入电压足以允许电机执行所需的操作，但最小输入电压会不足以允许电机执行所需的操作。电力变换器101的电压传感器25用于在输入电压具有大的变化量时优化开关速度和死区时间。
具体地，在来自DC电源E的输入电压高于预定参考电压的高电压条件下，将开关速度设定为较慢速度，并且死区时间设定为较长时间长度。相反地，在输入电压不高于参考电压的低电压条件下，将开关速度设定为较快速度，并且死区时间设定为较短时间长度。
图15A示出相对于来自DC电源E的输入电压的上和下开关装置SU和SL用以驱动电机M的必要特性。
电力变换器101的调制系数定义为施加到电机M的线电压与输入电压的比率。当输入电压为低时，大调制系数是必要的，以使得电机M产生与输入电压为高时相同的RPM和转矩。在输出相同转矩时，电机的传导损耗与调制系数成比例地增大。在相同环境温度下，可允许的开关损耗随传导损耗的增大而减小。
基于图15A所示的必要特性，根据第二实施例，如图15B所示地设定开关装置SH和SL的开关速度和死区时间。就是说，如上所述，在输入电压高于预定参考电压的高电压条件下，将开关速度设定为较慢速度，死区时间设定为较长时间长度。相反地，在输入电压不高于预定参考电压的低电压条件下，将开关速度设定为较快速度，死区时间设定为较短时间长度。
如图15A所示，在低电压条件下，由于可允许的开关损耗小，将开关速度设定为较快速度以减小开关速度。此外，在低电压条件下，由于必要的调制系数大，将死区时间设定为较短时间长度以增大调制系数。在这样的方案中，如稍后参考图16A和16B所述的，扩展了可用的RPM-转矩范围。相反地，在高电压条件下，由于可允许的浪涌电压小，将开关速度设定为较慢速度以减小浪涌电压。将开关速度设定为较慢速度的缺点在于增大了开关损耗且减小了调制系数。然而，如稍后参考图16A和16B所述的，在高电压条件下，开关损耗和调制系数具有较大裕度。因此，该缺点并不是大问题。然而，取决于诸如PWM频率和调制方法之类的系统配置，存在开关损耗与传导损耗的比率变大的可能性。此外，由于在相同开关速度下，开关损耗与输入电压成比例地增大，开关损耗的裕度在高电压条件下会变小。即使在此情况下，也可以在低电压条件下通过改变开关速度和死区时间来扩展可用的PRM-转矩范围。
图16A和16B示出由发明人执行的用以评价图15B中所示设定的效果的实验的结果。
实验在将PWM频率设定为20kHz（即，周期为50μs）的条件下进行。在三相调制方法中，当死区时间为0时，理论上的电压利用率为0.866(=√3/2)。如图16A所示，当死区时间为3μs时，对应于最大调制系数的电压利用率为0.814(=0.866×(50-3)/50)，当死区时间为2μs时，电压利用率为0.831(=0.866×(50-2)/50)。
如图16B所示，在可允许浪涌电压小的高电压条件下，由于输入电压足以允许电机M执行所需的操作，则将开关速度设定为较慢速度以减小浪涌电压。相反地，在低电压条件下，输入电压不足以允许电机执行所需的操作。因此，将开关速度设定为较快速度，死区时间设定为较短时间长度以增大调制系数。以此方式，根据第二实施例，基于输入电压来设定开关速度和死区时间，以使得可用的PRM-转矩范围能够被扩展。
图17A示出作为图14所示的确定电路23b的第一具体示例的确定电路23c。
如图17A所示，确定电路23c仅包括比较器Cp2。比较器Cp2在从电压传感器25输出的输入电压信号S6与预定参考电压Vr2之间进行比较。比较器Cp2基于比较的结果输出逻辑高或逻辑低信号。具体地，当输入电压信号S6不高于参考电压Vr2时，比较器Cp2输出逻辑低信号，而当输入电压信号S6高于参考电压Vr2时，比较器Cp2输出逻辑高信号。比较器Cp2的输出信号被输出作为来自确定电路23c的开关速度改变信号S4和死区时间改变信号S2。
如图17B所示，当比较器Cp2输出逻辑低信号时，将开关速度设定为较快速度，死区时间设定为较短时间长度。相反地，当比较器Cp2输出逻辑高信号时，将开关速度设定为较慢速度，死区时间设定为较长时间长度。因此，如图15B所示，在低电压条件下，将开关速度设定为较快速度，死区时间设定为较短时间长度。相反地，在高电压条件下，将开关速度设定为较慢速度，死区时间设定为较长时间长度。
如上所述，电力变换器101包括电流传感器31，用于检测流过开关装置SU和SL的负载电流。根据第二实施例，可以基于从电流传感器31输出的电流信号S7来设定开关速度和死区时间。
图18示出相对于负载电流的开关装置SU和SL的特性。
通过考虑图18所示的特性，可以基于温度信号S1与输入电压信号S6的组合来控制开关装置SU和SL。
例如，如图18所示，当负载电流大时，开关装置SU和SL的损耗大。因此，如果在负载电流大时开关装置SU和SL的温度高，则增大开关速度以便减小损耗是有效的。此外，当负载电流大时，可允许的浪涌电压小。因此，如果在负载电流大时开关装置SU和SL的温度低或者输入电压高，则减小开关速度以便减小浪涌电压是有效的。
如果开关装置SU和SL具有足够裕度的可允许浪涌电压，则可以随着负载电流的增大而增大开关速度，而无论开关装置SU和SL的温度和输入电压为何。相反地，如果开关装置SU和SL具有足够裕度的耐热性，则可以随着负载电流的增大而减小开关速度。
如公知的，如果二极管DH和DL在少量电流流过二极管DH和DL的条件下恢复，则出现振铃现象。在负载电流小时，通过增大开关装置SU和SL的栅极电阻可以避免振铃现象。在此情况下，例如，仅在开关装置SU和SL接通时可以增大栅极电阻。
类似地，仅在开关装置SU和SL接通或断开时可以改变开关速度。此外，开关速度可以在开关装置SU和SL的接通和断开之间以不同方式（例如，差别阈值或不同逻辑）改变。
图19A示出作为图14中所示确定电路23b的第二具体示例的确定电路23d。确定电路23d基于所有的温度信号S1、输入电压信号S6和电流信号S7来设定开关速度和死区时间。
除了比较器Cp1和Cp2之外，确定电路23d还包括比较器Cp3。比较器Cp3在电流信号S7与对应于预定参考电流的预定参考电压Vr3之间进行比较。比较器Cp3基于比较的结果输出逻辑高或逻辑低信号。具体地，当电流信号S7不高于参考电压Vr3时，比较器Cp3输出逻辑低信号，而当电流信号S7高于参考电压Vr3时，比较器Cp3输出逻辑高信号。
确定电路23d进一步包括逻辑电路26。逻辑电路26执行来自比较器Cp1、Cp2和Cp3的输出信号的预定逻辑运算，并基于逻辑运算的结果输出逻辑高信号或逻辑低信号。
如图19B所示，当逻辑电路26输出逻辑低信号时，将开关速度设定为较快速度，死区时间设定为较短时间长度，而当逻辑电路26输出逻辑高信号时，将开关速度设定为较慢速度，死区时间设定为较长时间长度。可替换地，当逻辑电路26输出逻辑低信号时，开关速度可以设定为较慢速度，死区时间可以设定为较长时间长度，而当逻辑电路26输出逻辑高信号时，开关速度可以设定为较快速度，死区时间设定为较短时间长度。此外，可以用A/D变换器代替比较器Cp1、Cp2和Cp3。此外，逻辑电路26可以输出两比特或多比特，以在两个或多个级别上改变开关速度和死区时间。
确定电路23d进一步包括延迟电路27a。逻辑电路26的输出信号输入到延迟电路27a。此外，从驱动信号发生器21输出的PWM信号S3输入到延迟电路27a。延迟电路27a与PWM信号S3的脉冲中心同步地输出开关速度改变信号S4和死区时间改变信号S2。代替PWM信号S3，具有与PWM信号S3相同相位的信号可以输入到延迟电路27a。例如，用于产生PWM信号S3的载波信号（例如，三角波信号）可以输入到延迟电路27a。
以此方式，确定电路23d与PWM信号S3的脉冲中心同步地输出开关速度改变信号S4和死区时间改变信号S2。开关速度改变信号S4和死区时间改变信号S2分别输入到开关速度切换器24和死区时间发生器22。
图20A示出作为图14中所示确定电路23b的第三具体示例的确定电路23e。
在图19A所示的确定电路23d与图20A所示的确定电路23e之间的区别在于确定电路23e包括延迟电路27b和27c，以代替延迟电路27a。延迟电路27b输出开关速度改变信号S4，延迟电路27c输出死区时间改变信号S2。
在确定电路23e中，大量的延迟增加到开关速度改变信号S4和死区时间改变信号S2的其中之一，以实现稳定操作而无需使用PWM信号S3。例如，当逻辑电路26的输出信号从逻辑高电平变为逻辑低电平时，大量的延迟（例如等于一个PWM信号）可以增加到死区时间改变信号S2上。在这样的方案中，在将死区时间改变为较短时间长度之前将开关速度改变为较快速度。相反地，当逻辑电路26的输出信号从逻辑低电平变为逻辑高电平时，大量的延迟（例如等于一个PWM信号）可以增加到开关速度改变信号S4上。在这样的方案中，在将死区时间改变为较长时间长度之后将开关速度改变为较慢速度。
图21A示出作为图19A和20A中所示逻辑电路26的第一具体示例的逻辑电路26a。
逻辑电路26a包括非门I5和具有两个输入的与门AN5。根据图21B所示的逻辑表，逻辑电路26a基于温度信号S1和输入电压信号S6来设定开关速度和死区时间。图21B所示的逻辑表是为最严格的可允许浪涌电压而设计的。就是说，根据图21B所示的逻辑表，仅在温度信号S1低于参考电压Vr1，且输入电压信号S6高于参考电压Vr2时，与门AN5的输出信号OUT变为逻辑高，以使得开关速度可以设定为较慢速度。注意，在将开关速度设定为较慢速度时，死区时间设定为较长时间长度。
图22A示出作为图19A和20A中所示逻辑电路26的第二具体示例的逻辑电路26b。
逻辑电路26b包括非门I6和具有三个输入的与门AN6。根据图22B所示的逻辑表，逻辑电路26b基于温度信号S1、输入电压信号S6和电流信号S7来设定开关速度和死区时间。图22B所示的逻辑表是为最严格的可允许浪涌电压而设计的。就是说，根据图22B所示的逻辑表，仅在温度信号S1低于参考电压Vr1，输入电压信号S6高于参考电压Vr2，且电流信号S7高于参考电压Vr3时，与门AN6的输出信号OUT变为逻辑高，以使得开关速度可以设定为较慢速度。注意，在将开关速度设定为较慢速度时，死区时间设定为较长时间长度。
如上所述，根据第二实施例，电力变换器101可以在不增大尺寸和成本的情况下实现稳定且有效的操作。
例如，根据实施例的电力变换器100和101可以用作逆变器，用于将DC电变换为AC电。此外，由于电力变换器100和101具有较小尺寸，并且即使在恶劣环境下也可以实现稳定且有效的操作，因此电力变换器100和101能够适合用于车辆。
（变型）
尽管参考其实施例说明了本公开内容，但应理解，本公开内容不限于这些实施例和结构。本公开内容旨在覆盖各种变型和等效布置。另外，尽管说明了多种组合及配置，但包括或多或少或者仅单个要素的其他组合及配置也在本公开内容的精神和范围内。
例如，开关装置SH和SL不限于MOSFET。此外，脉冲调制门信号GU和GL不限于是脉冲宽度调制（PWM）信号。例如，脉冲调制门信号GU和GL可以是脉冲频率调制（PFM）信号。

Claims (13)

1.一种电力变换器，包括：
输出电路（10），包括连接到直流电源（E）的上开关装置（SH）以及与所述上开关装置串联连接的下开关装置（SL），所述输出电路配置为从所述开关装置之间的连接点向负载（M）供电；以及
控制电路（20），配置为向所述开关装置提供脉冲调制控制信号，以接通和断开所述开关装置，其中，
所述控制电路可变地设定所述开关装置的开关速度和死区时间，所述死区时间被定义为所述开关装置均保持断开的时间段，
当所述开关速度被设定为第一速度（Sp1）时，所述死区时间被设定为第一时间长度（DT1），并且
当所述开关速度被设定为比所述第一速度快的第二速度（Sp2）时，所述死区时间被设定为比所述第一时间长度短的第二时间长度（DT2）。
2.根据权利要求1所述的电力变换器，进一步包括：
温度传感器（30），配置为检测每一个开关装置的温度，其中，
当所述温度低于预定阈值温度时，所述开关速度被设定为所述第一速度，并且所述死区时间被设定为所述第一时间长度，并且
当所述温度不低于所述阈值温度时，所述开关速度被设定为所述第二速度，并且所述死区时间被设定为所述第二时间长度。
3.根据权利要求2所述的电力变换器，其中：
当所述温度从所述阈值温度以下增大到所述阈值温度以上时，在所述死区时间从所述第一时间长度改变为所述第二时间长度之前，所述开关速度从所述第一速度改变为所述第二速度，并且
当所述温度从所述阈值温度以上减小到所述阈值温度以下时，在所述死区时间从所述第二时间长度改变为所述第一时间长度之后，所述开关速度从所述第二速度改变为所述第一速度。
4.根据权利要求2所述的电力变换器，其中：
所述阈值温度包括第一阈值温度和与所述第一阈值温度不同的第二阈值温度，
当所述温度从所述第一阈值温度以下增大到所述第一阈值温度以上时，所述开关速度从所述第一速度改变为所述第二速度，并且所述死区时间从所述第一时间长度改变为所述第二时间长度，并且
当所述温度从所述第二阈值温度以上减小到所述第二阈值温度以下时，所述开关速度从所述第二速度改变为所述第一速度，并且所述死区时间从所述第二时间长度改变为所述第一时间长度。
5.根据权利要求1所述的电力变换器，进一步包括：
电压传感器（25），配置为检测从所述直流电源输入的电压，其中，
基于所述电压来改变所述开关速度和所述死区时间。
6.根据权利要求1所述的电力变换器，进一步包括：
电流传感器（31），配置为检测流过所述开关装置的电流，其中，
基于所述电流来改变所述开关速度和所述死区时间。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的电力变换器，其中：
在对应于脉冲调制控制信号的一个脉冲的不同时刻改变所述开关速度和所述死区时间。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的电力变换器，其中：
在至少一个所述脉冲调制控制信号的脉冲被去除的时间段期间改变所述开关速度和所述死区时间。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的电力变换器，其中：
通过两相调制方法向所述负载供电，并且
在所述脉冲调制控制信号未被调制的时间段期间改变所述开关速度和所述死区时间。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的电力变换器，其中：
与所述脉冲调制控制信号的接通时间段或断开时间段的中心同步地改变所述开关速度和所述死区时间。
11.根据权利要求1-6中任一项所述的电力变换器，其中：
通过改变所述开关装置的输入电阻来改变所述开关速度。
12.根据权利要求1-6中任一项所述的电力变换器，其中：
所述输出电路配置为逆变器，用于将直流电变换为交流电。
13.根据权利要求1-6中任一项所述的电力变换器，其中：
所述电力变换器用于车辆中。
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