控制方法、控制系统及开关功率变换器技术方案

本发明专利技术提供一种控制方法、控制系统及开关功率变换器，该方法根据调制方案控制功率变换器的开关装置。该开关装置耦合直流电源以在特定的开关频率提供交流输出。该方法包括以下步骤：在每个开关周期，将该开关装置在提供有限电压输出的有效配置和提供零电压输出的无效配置之间进行切换。该开关装置处于有效配置的总时间和处于无效配置的总时间之间的比例对于每个开关周期是相同的，并由期望的交流输出电压确定。然而，在每个开关周期，至少有两个时间段中该开关装置处于无效配置，且这两个时间段之间的比例取决于与该开关装置相关的温度。

【技术实现步骤摘要】
控制方法、控制系统及开关功率变换器
本专利技术涉及一种通过功率变换器的开关装置中的调制开关信号来控制功率变换器的一种控制方法、控制系统及开关功率变换器。
技术介绍
图1示出了众所周知的三相功率变换器100，用于把直流电源101变换为可连接到负载(未示出)的交流输出103。该逆变器包括三个单独的相200、300和400(也被分别称为U、V和W相)。每相包含两个串联开关：200a和200b位于相200/U；300a和300b位于相300/V；且400a和400b位于相400/W。开关200a、300a和400a连接到正极端105(也被称为“上游”开关)而开关200b、300b和400b连接到负极端107(也被称为“下游”开关)。在图1中，每个开关均是IGBT(绝缘栅双极晶体管)，并且，对于每一个IGBT，还示出一个相关的反并联二极管。然而，可以使用任何具有快速开关性能的开关。控制系统(比如处理器)(未示出)控制开关200a、200b、300a、300b、400a和400b的开关动作以控制逆变器100的交流输出。通过六个开关的开关状态的组合，可在交流输出103产生正弦的输出电流。然而，必须控制逆变器100以便同一相的两个开关永远不会同时接通，这样直流电源101不会被短路。因此，若200a接通，200b必须关断，反之亦然；若300a接通，300b必须关断，反之亦然；若400a接通，400b必须关断，反之亦然。这样该逆变器会产生八个可能的开关矢量，如表1所示。在表1中，矢量值是三个上游开关200a、300a和400a的状态，且三个下游开关200b、300b和400b为正好相反的状态以避免短路该直流电源。表1矢量200a300a400a200b300b400bVUWVWVVVUV0＝{000}关断关断关断接通接通接通000零V1＝{100}接通关断关断关断接通接通+Vdc0-Vdc有效V2＝{110}接通接通关断关断关断接通0+Vdc-Vdc有效V3＝{010}关断接通关断接通关断接通-Vdc+Vdc0有效V4＝{011}关断接通接通接通关断关断-Vdc0+Vdc有效V5＝{001}关断关断接通接通接通关断0-Vdc+Vdc有效V6＝{101}接通关断接通关断接通关断+Vdc-Vdc0有效V7＝{111}接通接通接通关断关断关断000零图2在逆变器电压开关六边形中生动地示出了表1中的六个有效矢量和两个零矢量。本领域技术人员都熟悉这种三相系统的矢量表示方法，所以这里就不再详述。然而，一般情况下，任何三相系统都可以用如图2中所示的旋转矢量VS来表示。旋转矢量VS包含如表1和图2中所示的六个有效矢量。这就是所谓的空间矢量调制(SWM)。可以采用脉冲宽度调制(PWM)技术通过改变零电压矢量V0和V7与有效矢量VS(包含V1到V6的分量)之间的比例(调制系数)来改变交流输出103的电压。图3示出了现有技术的在两个开关周期上施加的脉宽空间矢量调制的例子。每个上游开关200a、300a和400a的开关函数是时间波形，当上游开关接通时，其值为1，当上游开关关断时，其值为0(正如所期望的，每个下游开关200b、300b和400b的开关函数正好和与其相应的上游开关的开关函数相反)，并具有死区时间以避免短路。这样，“低”代表该相的下游开关(即200b、300b和400b)接通，“高”代表该相的上游开关(即200a、300a和400a)接通(忽略死区时间保护)。参考图3，在第一时间段t_0期间，所有三个上游开关200a、300a和400a关断(值为0)，并产生表1中的矢量V0。V0是一个零电压矢量，因此在该时间段t_0是无效时间段。在第二时间段t_1，开关200a值为1，而开关300a和400a值为0，产生矢量V1，且是有效矢量。在第三时间段t_2，开关200a和300a1值为1，而开关400a值为0，产生矢量V2，也是有效矢量。最后，在第四时间段t_3，所有三个上游开关200a、300a和400a都接通(值为1)，产生表1中的零电压矢量V7。因此，有效时间段是t_1和t_2，无效时间段ti为t_0和t_3。总的有效时间段(在此情况下为t_1+t_2)和总的无效时间段(在此情况下为t_0+t_3＝ti)之间的比例决定了交流输出的输出电压。图3示出50％占空比(即50％有效)作为一个例子。其它的占空比也可工作。图3示出了在对称开关时间下(即t_0＝t_3)，典型的空间矢量调制(SVM)在两个PWM周期上的时间波形图。图3中的t_0与t_3的比例是1：1。图4示出了两个输出波形周期上，D轴和Q轴上期望的输出电压分量和输出电压相角之间关系。图5示出了D轴和Q轴上期望的输出电压分量绘制在X-Y轴坐标系上的图形。图6示出了具有对称开关时间(t_0＝t_3)的相电压(相对于图1中所示的0V线，其为直流母线电压的一半)和输出电压相角(具有250V直流母线电压和200Vll峰值需求)之间的关系。图7示出了电机负载下产生的线间电压。在低输出频率(比如输出频率低于1Hz)下，即使驱动器传递的电流小于逆变器额定输出电流，每个单个开关200a、200b、300a、300b、400a和400b的温度也可变的过高，这是因为每个单个开关的接通时间可能足够使开关产生过高的温度。正是这个原因，以及其它问题，使得功率变换器的开关控制成为人们感兴趣的领域。本专利技术所描述的技术旨在给功率变换器提供一种改进的方法和控制系统。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供一种控制方法、控制系统及开关功率变换器，该方法用于根据调制方案控制功率变换器中的开关装置，该开关装置耦合直流电源以在特定的开关频率提供交流输出，该方法包括以下操作：在每个开关周期，将所述开关装置在有效配置和无效配置之间进行切换，其中有效配置提供有限限电压输出，无效配置提供零电压输出；其中所述开关装置处于有效配置的总时间和处于无效配置的总时间之间的比例对于每个开关周期都是相同的，且所述比例由期望的交流输出电压确定；并且在每个开关周期，至少有两个时间段所述开关装置处于无效配置，且这两个时间段之间的比例根据与所述开关装置相关的温度进行变化。该方法可改变调制方案中的无效(零电压)部分。根据期望的输出电压，总的无效部分和总的有效部分之间的比例对于所有开关周期都保持相同。然而，在每个开关周期，开关装置处于无效配置的至少两个时间段之间的比例随着与开关装置中的单个开关装置相关的温度读数的变化而变化，而与此同时总的无效时间保持不变。专利技术者发现这有助于在低开关频率下控制开关的温度，且无需改变开关周期或在开关频率间切换。该方法不需要有复杂的脉宽调制器。该方法也不需要对电流测量或增益做持续的调整。t_0和t_3的比例可以用来更改上游开关和下游开关的导通时间的比例，与此同时，线间电压保持不变(只要t_0和t_3的和保持恒定即可)。在一个实施例中，可以通过偏置输出相电压来改变上游IGBT和下游IGBT的温度比例，从而可改变导通时间和导通损耗。这可以通过控制PWM开关波形来实现，且对PWM开关波形的控制可以改变开关的导通时间。这样的目的是减少驱动器由于逆变器温度过高而产生故障的几率。该方法对于低输出频率特别具有优势，比如1Hz或更低频率。该方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制方法，用于根据调制方案控制功率变换器的开关装置，所述开关装置用于耦合直流电源以在特定的开关频率提供交流输出，其特征在于，该方法包括以下操作：在每个开关周期，将所述开关装置在有效配置和无效配置之间进行切换，其中有效配置提供有限电压输出，无效配置提供零电压输出；其中所述开关装置处于有效配置的总时间和处于无效配置的总时间之间的比例对于每个开关周期都是相同的，且所述比例由期望的交流输出电压确定；及在每个开关周期，至少有两个时间段所述开关装置处于无效配置，且这两个时间段之间的比例根据与所述开关装置相关的温度进行变化。

【技术特征摘要】
2013.07.30 GB 1313576.91.一种控制方法，用于根据调制方案控制功率变换器的开关装置，所述开关装置用于耦合直流电源以在特定的开关频率提供交流输出，其特征在于，该方法包括以下操作：在每个开关周期，将所述开关装置在有效配置和无效配置之间进行切换，其中有效配置提供有限电压输出，无效配置提供零电压输出；其中所述开关装置处于有效配置的总时间和处于无效配置的总时间之间的比例对于每个开关周期都是相同的，且所述比例由期望的交流输出电压确定；及在每个开关周期，至少有两个时间段所述开关装置处于无效配置，且这两个时间段之间的比例根据与所述开关装置相关的温度进行变化。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述开关装置包含多个单个的开关，其中在一个开关周期中，所述开关装置处于无效配置的至少两个时间段之间的比例随着与所述开关装置中的单个开关相关的温度读数的变化而变化。3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括：当至少一个温度读数高于阈值时，调节所述开关装置处于无效配置的至少两个时间段以减少其中一个无效时间段并增加另一个无效时间段，使得改变所述开关周期内有效时间段的产生时间点。4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述开关装置是多相装置，所述开关装置的每一相具有两个开关，其中所述开关装置处于无效配置的至少两个时间段之间的比例随着与所述开关装置中的单个开关相关的温度读数的变化而变化。5.根据权利要求1至4任一项所述的控制方法，其特征在于，该方法进一步包括：接收来自与所述开关装置中的开关相关的温度传感器的温度读数；确定是否有任何一个温度读数超出阈值；当确定至少一个温度读数超出阈值时，调节所述开关装置处于无效配置的第一时间段，以减少该第一时间段，并调节所述开关处于无效配置的第二时间段，以增加该第二时间段。6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述开关装置包括多相装置，所述开关装置的每一相具有两个开关，该两个开关中的一个连接到高电压端，另一个连接到低电压端，其中，为减少所述开关装置处于无效配置的第一时间段而对该第一时间段进行的调节使得连接到高电压端的开关的导通时间少于连接到低电压端的开关的导通时间。7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述开关装置包括多相装置，所述开关装置的每一相具有两个开关，该两个开关中的一个连接到高电压端，另一个连接到低电压端，其中，为减少所述开关装置处于无效配置的第一时间段而对该第一时间段进行的调节使得连接到低电压端的开关的导通时间少于连接到高电压端的开关的导通时间。8.根据权利要求1至4任一项所述的控制方法，其特征在于，所述至少两个时间段之间的比例按照递增的方式变化。9.根据权利要求1至4任一项所述的控制方法，其特征在于，所述至少两个时间段之间的比例按照递增的方式变化，且增量取决于温度幅值。10.根据权利要求1至4任一项所述的控制方法，其特征在于，所述至少两个时间段之间的比例按照比例和积分控制技术的方式变化。11.根据权利要求1至4任一项所述的控制方法，其特征在于，所述功率变换器包含三相功率逆变器。12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述三相逆变器中的至少一个开关是绝缘栅双极晶体管IGBT。13.一种控制系统，用于控制功率变换器的开关装置，其特征在于，所述开关装置用于耦合直流电源以在特定的开关频率提供交流输出，所述控制系统包括：控制器，根据调制方案对功率变换器中的开关装置进行切换，该控制器用于在每个开关周期中将所述开关装置在提供有限电压输出的有效配置和提供零电压输出的无效配置之间进行切换；其中所述开关装置处于有效配置的总时间和所述开关装置处于无效配置的总时间之间的比例对于每个开关周期是相同的，并由期望的交流输出电压确定；并且其中，在每个开关周期中，至少有两个时间段所述开关装置处于无效配置，且这两个时间段之间的比例根据与所述开关装置相关的温度进行变化。14.根据权利要求13所述的控制系统，其特征在于，所述开关装置包含多个单个的开关，其中所述开关装置处于无效配置的至少两个时间段之间的比例随着与所述开关装置中的单个开关相关的温度读数的变化而变化。15.根据权利要求14所述的控制系统，其特征在于，当至少一个所述温度读数高于阈值时，所述控制器调节所述开关装...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼·约翰·韦伯斯特，西蒙·大卫·哈特，
申请(专利权)人：控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB