[发明专利]一种故障容错功率变换器及其脉宽调制方法

说明书

技术领域

本发明属于功率变换领域，具体涉及一种故障容错功率变换器及其脉宽调制方法，应用于电动汽车、机车牵引等领域。

背景技术

目前，电池技术、驱动电机及其控制器技术、电动汽车能量管理系统是电动汽车的三大关键技术。其中，驱动电机及其控制器技术主要由三部分组成：牵引电机、功率变换器和电子控制器。电动汽车牵引电机主要有：直流电机，异步电机，永磁电机和开关磁阻电机。近10年来，随着交流传动技术的发展，交流电机被广泛采用。无论采用何种交流电机，功率变换器均由全控型电力电子器件组成，如图1所示。这其中，变换器能量密度高，电力电子器件又相对“脆弱”，一旦变换器某只功率管发生开路(F1)或短路(F2)故障，整个电动汽车便丧失了正常工作的能力。

对于功率管故障，一般采取事后维修、定期更换的方式，但这样做一方面降低了器件的利用率造成浪费，更重要的是这样做仍然无法保证电动汽车能在功率变换器故障情况下继续可靠稳定运行。当然，可以利用冗余的思想在机车上配备一套相同的功率变换器装置，在检测到功率管故障后自动将该备份投入运行，但这样无疑又增加了成本，增大了设备安装的体积。

发明内容

本发明旨在不增加功率变换器冗余备份的前提下，提出一种电动汽车故障容错功率变换器及其脉宽调制方法，以保证电动汽车能在故障情况下继续可靠稳定运行。

一种电动汽车故障容错功率变换器，包括直流母线和三相六开关逆变器，其特征在于，所述三相六开关逆变器的三个桥臂中点与所述直流母线的中点之间分别接有一个两路开关，所述两路开关的常闭触点连接其对应的桥臂中点，所述两路开关的常开触点连接所述直流母线中点，所述两路开关的公共触点连接电机；在桥臂正常时，其对应两路开关的常闭触点闭合，在桥臂故障时，其对应两路开关的常开触点闭合。

所述两路开关为继电器或交流接触器。

用于所述电动汽车故障容错功率变换器的脉宽调制方法，具体为：在某桥臂出现故障时，该故障桥臂对应的两路开关的常开触点闭合，计算电压差值u_aN-u_dc/2，对其标幺化处理后作为补偿量注入其它两个桥臂的正弦调制波，其中，u_aN为直流母线中点与直流母线负极之间的电压，u_dc为直流母线电压。

本发明的技术效果体现在：本发明故障容错拓扑所需额外器件少，结构简单、可靠、可行；脉宽调制方法数学机理清晰，实现简单可靠。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围将不仅局限于下列内容的表示。

图1为电动汽车正常运行时功率变换器拓扑结构；

图2为本发明以T1管故障为例时功率变换器容错拓扑结构；

图3为本发明功率变换器容错拓扑结构下电机正(反)转供电电压相量图；

图4为脉宽调制过程示意图；

图5为本发明功率变换器容错拓扑结构下脉宽调制方法。

具体实施方式

为了实现上述目的，以功率管T1开路故障为例，如图2所示，本发明可按如下方式实现：

在T1管所在桥臂输出端a’点和相应电机输出端a点间接入交流接触器KM，同时母线电容中点o也接至KM。其中，a点接公共触点，a’接常闭触点，o接常开触点。在T1管出现故障前，a点与a’点连通，此时变换器和图1所示正常运行时拓扑结构一致。当检测到T1管故障后，首先封锁剩余全部功率管，这样做的目的是为了实现平滑无冲击地切换到容错拓扑结构。然后，控制KM使其常开触点闭合，此时a点将与母线电容中点o连通。

虽然上述容错结构只是以T1管开路为例，但实际上对于任意一只功率管故障，或者同一桥臂两只功率管故障，本发明所提出的容错拓扑方案均是可行的，只不过故障后连接到母线中点o的端点(a、b、c)不同。

有了上述拓扑结构，现在的重点就是如何对T3～T6功率管进行脉宽调制，使其输出交流电机所需的三相平衡电压。图3给出了交流电机正(反)转运行时的电压相量图。从图中可以看出，虽然容错拓扑结构下a点接至母线中点o，但电机所需线电压u_ba和u_ca仍然可以通过脉宽调制剩余两个桥臂而得到，两电压相位相差60度，这也正是该拓扑结构能够实现容错的基础。另外，由于a点与o点相连，所以相电流i_A势必流经母线电容C₁和C₂，导致两只电容电压波动从而影响调制效果。