抑制控制器功率器件关断电压尖峰的方法、设备和介质与流程

1.本发明涉及电机控制器领域，尤其是涉及一种抑制控制器功率器件关断电压尖峰的方法、设备和介质。


背景技术：

2.在考虑成本的前提下，电机控制器功率器件的选择尤为重要，功率器件的耐压值和成本息息相关，需在兼顾性能的情况下，选择合适的耐压等级。当功率器件耐压值已确定，峰值工况下，必然有较大的电流需求，而功率模块不可避免地存在寄生电感，在关断较大电流时则会产生较大的电压尖峰，δv＝l*di/dt，其中l为功率模块的寄生电感，di/dt为电流的变化率。目前电机控制器中的逆变器大都采用svpwm进行调制，在调制过程中可能会出现三相上桥或者下桥中的任意两相功率器件在某一时刻输出的pwm占空比相同的情况，在关断时刻，将会产生两相关断电压尖峰叠加的现象，这将导致更高的电压尖峰，甚至超过功率器件的耐压值，进而造成功率器件过压损坏。
3.这种情况一般可以通过以下两种方式来解决：1)调整驱动参数来降低逆变器开关速度，也就是降低di/dt；2)增加吸收回路。这两种方式一个会增加逆变器损耗，降低逆变器性能，另一个会增加硬件成本。因此，迫切需要设计一种抑制逆变器电压关断尖峰的方法，在不增加硬件成本及牺牲逆变器性能的情况下，降低逆变器的电压尖峰，提升电机控制器的可靠性。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抑制控制器功率器件关断电压尖峰的方法、设备和介质，在不改变硬件电路拓扑的情况下，降低控制器功率器件关断电压尖峰，提升控制器系统的可靠性，特别适用于关断电流较大而功率器件耐压较小的应用场合。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种抑制控制器功率器件关断电压尖峰的方法，电机控制器内设有三相逆变器，该三相逆变器包括三个上桥臂和三个下桥臂，在功率器件的相电流为最大的正电流或负电流时，执行以下步骤：
7.判断三个下桥臂中任意两个下桥臂的占空比是否满足控制条件一，若是，则通过变量deltat，即最小调节时间，来调节其中一个下桥臂的占空比；若否，则直接输出原有占空比；
8.同时，判断三个上桥臂中任意两个上桥臂的占空比是否满足条件二，若是，则通过变量deltat来调节其中一个上桥臂的占空比；若否，则直接输出原有占空比；
9.所述条件一为：任意两个下桥臂中的一个下桥臂的占空比与其关断时间之和，同另一个下桥臂的占空比、死区时间，以及上桥臂功率器件开通造成下桥臂二极管反向恢复电压到达峰值的时间之和，相等或者两个和的差值在设定区间内；
10.所述条件二为：任意两个上桥臂中的一个上桥臂的占空比与其关断时间之和，同另一个上桥臂的占空比、死区时间，以及下桥臂功率器件开通造成上桥臂二极管反向恢复电压到达峰值的时间之和，相等或者两个和的差值在设定区间内。
11.进一步地，对交流电的三相按照相电流进行排序，从大到小依次定义为a相、b相和c相，占空比自动调节包括以下步骤：
12.s1、输出c相占空比dutyco为当前c相占空比dutyc；
13.s2、判断是否满足dutya-dutyc≥deltat deltadelay，若是，则执行步骤s3；若否，则执行步骤s4；其中，dutya为a相占空比，dutyc为c相占空比，deltadelay为延迟量；
14.s3、判断是否满足b相电流ib《0，若是，则进入a、b两相占空比自动调节程序，若否，则进入b、c两相占空比自动调节程序；
15.s4、判断是否满足dutya-dutyc≥deltadelay，
16.若是，则输出b相占空比dutybo为当前b相占空比dutyb，同时，输出a相占空比dutyao为dutyc deltat deltadelay；若否，则执行步骤s4；
17.s5、判断是否满足dutya-dutyc≥deltadelay-deltat，
18.若是，则输出b相占空比dutybo为当前b相占空比dutyb，同时，输出a相占空比dutyao为dutyc-deltat deltadelay；
19.若否，判断是否满足b相电流ib《0，若是，则进入a、b两相占空比自动调节程序，若否，则进入b、c两相占空比自动调节程序。
20.进一步地，所述a、b两相占空比自动调节程序包括以下步骤：
21.a1、判断是否满足|dutya-dutyb-deltat|≥deltadelay，若是，则输出a相占空比dutyao为当前a相占空比dutya，执行步骤a2；若否，则执行步骤a4；
22.a2、判断是否满足|dutyc-dutyb|≥deltat，若是，则输出b相占空比dutybo为当前b相占空比dutyb；若否，则执行步骤a3；
23.a3、判断是否满足dutyc-dutyb≥0，若是，则输出b相占空比dutybo为dutyc-deltat；若否，则输出b相占空比dutybo为dutyc deltat
24.a4、判断是否满足dutya-dutyb≥deltadelay，若是，则输出b相占空比dutybo为当前b相占空比dutyb，输出a相占空比dutyao为dutyb deltat deltadelay；若否，则输出b相占空比dutybo为当前b相占空比dutyb，输出a相占空比dutyao为dutyb-deltat deltadelay。
25.进一步地，所述b、c两相占空比自动调节程序包括以下步骤：
26.b1、判断是否满足|dutya-dutyb|≥deltat，若是，则输出a相占空比dutyao为当前a相占空比dutya，执行步骤b2；若否，执行步骤b4；
27.b2、判断是否满足|dutyb-dutyc-deltadelay|≥deltat，若是，则输出b相占空比dutybo为当前b相占空比dutyb；若否，则执行步骤b3；
28.b3、判断是否满足dutyb-dutyc≥deltadelay，若是，则输出b相占空比dutybo为dutyc deltat deltadelay；若否，则输出b相占空比dutybo为dutyc-deltat deltadelay；
29.b4、判断是否满足dutya-dutyb》0，若是，则输出a相占空比dutyao为当前a相占空比dutya，同时，输出b相占空比dutybo为dutya-deltat；若否，则输出a相占空比dutyao为当前a相占空比dutya，同时，输出b相占空比dutybo为dutya deltat。
30.进一步地，上桥臂占空比调节时：
31.deltadelay＝deltadbduty tdhl-tfalllo
32.其中，deltadbduty为上下桥臂驱动信号vgs间的死区时间，tdhl为上桥臂功率器件开通造成下桥臂二极管反向恢复电压到达峰值的时间，tfalllo为下桥臂关断时间。
33.进一步地，下桥臂占空比调节时：
34.deltadelay＝deltadbduty tdlh-tfallhi
35.其中，deltadbduty为上下桥臂驱动信号vgs间的死区时间，tdlh为下桥臂功率器件开通造成上桥臂二极管反向恢复电压到达峰值的时间，tfallhi为上桥臂关断时间。
36.一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，其特征在于，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如上任一所述的抑制控制器功率器件关断电压尖峰的方法。
37.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一所述的抑制控制器功率器件关断电压尖峰的方法。
38.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
39.1.本发明的方法是是强制对开通/关断时刻进行改变，也就是改变了pwm的占空比，但这种改变只在电压叠加严重的时候插入。由于占空比代表了电压，占空比相等就是相电压相等，而对于正弦电压来讲，一个基波周期内两相电压只可能有两个交点，因此插入的次数非常有限。更重要的是自动调节的时间宽度很小，相对于至少100us(10khz)的周期和1～4us的死区来说，其影响都很小，所以控制器的性能基本没有影响。由此，实现了不需要增加硬件成本，且不影响控制器性能的情况下，降低关断电压尖峰，提升电机控制器的可靠性。
40.2.与传统解决电压尖峰过高问题的方法相比，本发明不需要调整既定的驱动参数，也不需要额外增加吸收回路，即无需改变现有的电路拓扑结构。
41.3.本发明只需要在现有软件算法中集成自调节功能，可移植性强，便于调试和推广应用。
附图说明
42.图1为pwm占空比自调节功能算法框图。
43.图2a为上桥关通波形示意图。
44.图2b为下桥关通波形示意图。
45.图2c为上桥开通下桥关闭波形及下桥开通上桥关闭波形示意图。
46.图3为a、b相上桥出现关断电压尖峰叠加示意图。
47.图4a为a、c两相占空比调整的流程示意图。
48.图4b为a、b两相占空比调整的流程示意图。
49.图4c为b、c两相占空比调整的流程示意图。
具体实施方式
50.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案
为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
51.本实施例提供了一种抑制控制器功率器件关断电压尖峰的方法，电机控制器内设有三相逆变器，该三相逆变器包括三个上桥臂和三个下桥臂。如图1所示，三相逆变器在常规的svpwm算法基础上集成pwm占空比自动调节功能，当输出的pwm占空比导致控制器上桥(或下桥)中的两个功率器件同时动作时，则自动调节最终输出的pwm占空比，防止因功率器件同时动作而造成的关断电压尖峰叠加。
52.本方法先对功率器件的相电流进行排序，从大到小依次定义为a相、b相和c相。在最大的正电流或负电流时，判断当三个下桥臂中的两个下桥满足其中一桥臂占空比与其关断时间之和，同另一桥臂的占空比、死区时间与上桥臂功率器件开通造成下桥臂二极管反向恢复电压到达峰值的时间之和，相等或者之和在设定阈值范围内时，自动调节这个桥臂的占空比，防止出现两个下桥臂关断电压尖峰的叠加；同理，当三个上桥臂中的两个上桥满足其中一桥臂占空比与其关断时间之和，同另一桥臂的占空比、死区时间与下桥臂功率器件开通造成上桥臂二极管反向恢复电压到达峰值的时间之和，相等或者之和在设定阈值范围内时，自动调节这个桥臂的占空比，防止出现两个上桥臂关断电压尖峰的叠加。
53.如图2a～图2c所示，实施例中对变量进行如下定义：
54.tfalllo
‑‑‑‑
下桥臂关断时间；
55.tfallhi
‑‑‑‑
上桥臂关断时间；
56.tdhl
‑‑‑
上桥臂功率器件开通造成下桥臂二极管反向恢复电压到达峰值的时间；
57.tdlh
‑‑‑
下桥臂功率器件开通造成上桥臂二极管反向恢复电压到达峰值的时间；
58.deltadbduty—上下桥臂驱动信号vgs间的死区时间；
59.deltat—最小调节时间；deltatdutyen—自动调节功能使能。
60.如图3所示，以a、b相为例本实施例的原理如下：
61.如果有dutya tfalllo＝dutyb deltadbduty tdhl，则下桥臂峰值a相电压叠加上了b相的震荡；如果有dutya tfallhi＝dutyb deltadbduty tdlh，则上桥臂峰值a相电压叠加上了b相的震荡。由上述定义可知：deltadbduty，tfallhi，tfalllo，tdlh，tdhl都可以当作是常量，可以由实际测量获得。为了保证不产生叠加，需要改变a相占空比dutya、b相占空比dutyb和c相占空比dutyc。
62.定义误差deltadelay，这是任意两相理论上的占空比的时间差。上桥臂进行调整时，deltadelay＝dutya-dutyb＝deltadbduty tdhl-tfalllo；上桥臂进行调整时，deltadelay＝dutya-dutyb＝deltadbduty tdlh-tfallhi。
63.本实施例的具体执行步骤如下：
64.如图4a所示，先假定dutyco＝dutyc(意思为c相占空比不变)，ia》ib》ic，且ia》0，ic《0，此时需要做以下判断：dutya-dutyc≥deltat deltadelay是否成立，其中deltat为需要标定的参数。如果条件成立，表明a、c两相不会出现叠加，需利用b相的电流方向来判断a、b和b、c相是否出现叠加。
65.(1)当dutya-dutyc≥deltat deltadelay成立时：
66.如果此时ib《0，进入a、b两相占空比自动调节程序；如果此时ib》0，进入b、c两相占空比自动调节程序。
67.(2)当dutya-dutyc≥deltat deltadelay不成立时，
68.需判断dutya-dutyc≥deltadelay是否成立：
69.如果成立，则有dutybo＝dutyb；dutyao＝dutyc deltat deltadelay；
70.如果不成立，则还需要判断dutya-dutyc≥deltadelay-deltat是否成立，如果成立则有dutybo＝dutyb；dutyao＝dutyc-deltat deltadelay；如果不成立，需根据b相的电流方向来决定进入哪一个两相占空比自动调节程序，如果ib《0，则进入a、b两相是否叠加子程序；如果ib》0，则进入b、c两相占空比自动调节程序。
71.如图4b所示，当已经确定a、c相不会出现电压叠加，且ib《0时，进入a、b两相占空比自动调节程序。此时需判断|dutya-dutyb-deltat|≥deltadelay是否成立：
72.(1)当|dutya-dutyb-deltat|≥deltadelay成立：
73.则有dutyao＝dutya，再判断|dutyc-dutyb|≥deltat是否成立，来确定dutybo的情况，当其成立时，则有dutybo＝dutyb；当其不成立时，还需再判断dutyc-dutyb≥0是否成立，如果成立则有dutybo＝dutyc-deltat；如果不成立，则有dutybo＝dutyc deltat。
74.(2)当|dutya-dutyb-deltat|≥deltadelay不成立：
75.则还需再判断dutya-dutyb≥deltadelay是否成立来确定dutyao和dutybo的情况，当其成立时，则有dutybo＝dutyb；dutyao＝dutyb deltat deltadelay；当其不成立时，则有dutybo＝dutyb；dutyao＝dutyb-deltat deltadelay。
76.如图4c所示，当已经确定a、c相不会出现电压叠加，且ib》0时，进入b、c两相占空比自动调节程序。此时需判断|dutya-dutyb|≥deltat是否成立。
77.(1)当|dutya-dutyb|≥deltat成立：
78.则有dutyao＝dutya，再根据|dutyb-dutyc-deltadelay|≥deltat是否成立来决定dutybo的情况，如果其成立，则有dutybo＝dutyb；
79.如果其不成立，还需再判断dutyb-dutyc≥deltadelay是否成立，
80.如果成立，则有dutybo＝dutyc deltat deltadelay；
81.如果不成立，则有dutybo＝dutyc-deltat deltadelay。
82.(2)当|dutya-dutyb|≥deltat不成立：
83.还需要再判断dutya-dutyb》0是否成立，如果成立，则有dutyao＝dutya；dutybo＝dutya-deltat；如果不成立，则有dutyao＝dutya；dutybo＝dutya deltat。
84.本实施例的目标为：控制任意两相之间的占空比的差值，在一定的范围内，通过变量deltat，来调整最终输出的dutyao，dutybo，dutyco，使特定条件的两相占空比不相同；从而防止功率器件关断时刻因上桥臂(下桥臂)的两个开关管同时动作而造成关断电压尖峰的叠加，进而导致更高的电压尖峰。
85.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。