三相逆变器制造技术

提供一种三相逆变器，其具备与直流电压源并联的电容器和由半导体开关元件构成的三相桥式电路，将两个开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子，并生成一个开关动作周期内的、包含三相的PWM脉冲中的除了正侧脉冲的脉冲宽度为最大的相之外的其他两相的正侧脉冲的相互位置关系是与一相的正侧脉冲包含了另一相的正侧脉冲的状态相比时间轴上的重复范围较少的位置关系的其他两相的PWM脉冲的三相的PWM脉冲。

Three phase inverter

【技术实现步骤摘要】
三相逆变器
本专利技术涉及一种通过对用于驱动三相逆变器(inverter)的半导体开关元件的PWM(脉冲宽度调制)脉冲的生成时机(timing)进行操作，以降低直流部的电容器中流动的高频电流(纹波电流(ripplecurrent))，从而对电容器的发热进行抑制的技术。
技术介绍
图10是对感应电动机(inductionmotor)等的负载M进行驱动的三相二级全桥(2levelfull-bridge)逆变器(下面称“逆变器”)的主电路构成图。图10中，Sup、Sun、Svp、Svn、Swp、及Swn为IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)等的半导体开关元件，M为负载，CDC为与逆变器的直流部连接的电容器，EDC为逆变器的直流输入电压，iDCin为直流母线电流，iu、iv、及iw为各相的交流输出电流，vuv、vvw、及vwu为各线之间的电压。图11示出了由逆变器输出的电压向量(瞬时空间向量)、与各电压向量相对应的U相、V相、及W相的开关动作模式(pattern)(Su，Sv，Sw)、及iDCin。开关动作模式(Su，Sv，Sw)中，「1」表示上臂的开关元件为ON(连通)的状态，「0」表示下臂的开关元件为ON的状态，例如，(1，0，0)表示U相的上臂的开关元件Sup为ON且V相和W相的下臂的开关元件Svn和Swn为ON的状态。由图11显然可知，就直流母线电流iDCin的瞬时值而言，根据电压向量即开关动作模式，其绝对值与逆变器的各相的输出电流中的一个相等，并且其极性也唯一确定。例如，在电压向量V1中，开关动作模式为上述的(1，0，0)，开关元件Sup、Svn、及Swn为ON，所以iDCin与+iu相等。接着，对逆变器产生三相交流电压，并向负载M供给三相交流电流的情况下的动作进行说明。图12(a)是表示逆变器的各相的输出电压vu、vv、及vw和电流iu、iv、及iw的波形图。这里，电压和电流为三相正弦波，电压振幅(相当于调制率)＝0.7[pu]，电流振幅＝0.5[pu]，功率因数(powerfactor)＝1。需要说明的是，pu是“每单位”(perunit)的略称，表示相对于基准值(例如，最大值)的比率。一般而言，三相逆变器按照交流的相位角60°来调换相和上下臂的开关元件以反复进行相同的动作，所以只要对60°的期间的动作进行规定，就可对整个期间的动作进行规定。这里，以三相中的U相电压vu取最大值的电压相位角θ＝60°～120°的期间为例进行说明。需要说明的是，忽略了开关动作时的电压和电流的纹波成分。图12(b)示出了通过将相当于图12(a)的电压相位角θ＝80°的纵线部分的各相输出电压vu、vv、及vw的电压指令值与载波(三角波)进行比较而得到的开关动作模式(Su，Sv，Sw)和与该模式相对应的电压向量、直流母线电流iDCin及其平均值iDCave。这里，开关动作模式(Su，Sv，Sw)仅是用于将各相的输出电压控制为预定值的输出电压脉冲、即各相的PWM脉冲，所以在下面的说明中，也将记号Su、Sv、及Sw使用为各相的PWM脉冲(或仅称为“脉冲”)。就图12(b)的脉冲Su、Sv、及Sw中的High电平(Level)的部分而言，相当于开关动作模式的「1」，是上臂的开关元件为ON的状态，下面，为了方便起见将该部分称为“正侧脉冲”。另外，就脉冲Su、Sv、及Sw中的Low电平的部分而言，相当于开关动作模式的「0」，是下臂的开关元件为ON的状态，下面，为了方便起见将该部分称为“负侧脉冲”。图12(b)中示出了载波(其周期为Ts)的一个周期，并假设该周期Ts内的电压指令值为一定。由该图可知，iDCin取与三相交流电流中的一相电流相等的值，并为呈阶梯波状变化的电流。需要说明的是，图13是表示图12(b)中的直流母线电流iDCin及其平均值iDCave的波形图。此外，图12(b)中，通过在载波周期(开关动作周期)Ts内使电压向量按照V0→V1→V6→V7→V6→V1→V0的顺序进行变迁(transition)，相对于各相的上臂的开关元件Sup、Svp、及Swp的正侧脉冲宽度可分别变为tsu、tsv、及tsw，这些脉冲宽度会原样地成为各开关元件Sup、Svp、及Swp的ON期间。另外，逆变器的直流部上设置的电容器CDC起到使iDCin中包含的高频成分(纹波成分)输出的作用。一般而言，对逆变器进行PWM控制时的载波频率为数[kHz]～数十[kHz]，根据规格的不同，也存在数百[kHz]的情况，为此，iDCin包含了其频率以上的高频成分。为了响应性良好地对该高频成分进行供给，需要具有与主电路的开关元件接近并与其连接的电容器。另一方面，iDCin的高频成分的流通会导致电容器发生损失，该损失会使电容器的温度上升。温度一旦上升，电容器的寿命就会变短，所以，为了抑制温度的上升，需要使用大型(大容量)的电容器，或者需要采取提高电容器的冷却装置的能力等的措施，这些都是会引起装置整体的大型化和/或高成本化的原因。鉴于上述问题，例如，非专利文献1中公开了如下一种技术，即：根据负载功率因数的波动，在以往一般常用的空间向量控制方式和对输出线间电压脉冲的重复(overlap)为最小那样的空间向量进行选择的控制方式之间进行切换，藉此降低三相逆变器的直流母线电流的高频成分甚至电容器中流动的高频电流。[现有技术文献][非专利文献1]西澤是呂久ほか，「三相インバータの功率因数変化に対応した入力電流高調波を低減する空間ベクトル変調方式」，半導体電力変換/モータドライブ合同研究会論文，電気学会北海道支部，SPC－15－133，2015年8月28日
技术实现思路
[专利技术要解决的课题]非专利文献1记载的控制方式以所谓的两相调制为基础，该两相调制中，在多个周期内，电流在被固定为ON状态的开关元件中连续流动。为此，逆变器的输出频率等的条件会导致出现如下问题等，即：1)特定的开关元件过热，2)与三相调制相比，开关动作次数变少，招致噪音增加，3)执行两相调制时，各相的电压指令值发生骤变，所以会引起电气紊乱和/或冲击(shock)。因此，本专利技术要解决的课题在于，通过使PWM脉冲按照预定的规则进行移动(shift)，并对其产生时机进行调整，可不会出现非专利文献1中存在的各种问题地降低三相逆变器的直流母线电流中包含的高频成分，由此可抑制电容器温度的上升，并可防止包括冷却装置在内的装置整体的大型化和/或高成本化。[用于解决课题的手段]为了解决上述课题，根据本专利技术的一方面，提供一种三相逆变器，其为三个由两个半导体开关元件进行了串联的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器相互并联、将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子、并按照每个预定的开关动作周期根据各相的PWM脉冲对所述半导体开关元件进行控制的三相逆变器，其特征在于，生成一个开关动作周期中的三相的PWM脉冲，所述三相的PWM脉冲包含三相的PWM脉冲中的除了正侧脉冲的脉冲宽度为最大的相之外的其他两相的正侧脉冲，所述其他两相的正侧脉冲的相互位置关系是如下位置关系，即：与一相的正侧脉冲包含了另一相的正侧脉冲的状态相比，时间轴上的重复范围较少的位置关系。[专利技术效果]根据本专利技术，通过使用于驱动三相逆变器的半导体开关元件的PWM本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三相逆变器，其为三个由两个半导体开关元件进行了串联的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器相互并联、将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子、并按照每个预定的开关动作周期根据各相的PWM脉冲对所述半导体开关元件进行控制的三相逆变器，其特征在于，生成一个开关动作周期内的三相的PWM脉冲，所述三相的PWM脉冲包括三相的PWM脉冲中的除了正侧脉冲的脉冲宽度为最大的相之外的其他两相的PWM脉冲，所述其他两相的正侧脉冲的相互位置关系是如下位置关系，即：与一相的正侧脉冲包含了另一相的正侧脉冲的状态相比，时间轴上的重复范围较少的位置关系。

【技术特征摘要】
2018.04.27 JP 2018-0858991.一种三相逆变器，其为三个由两个半导体开关元件进行了串联的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器相互并联、将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子、并按照每个预定的开关动作周期根据各相的PWM脉冲对所述半导体开关元件进行控制的三相逆变器，其特征在于，生成一个开关动作周期内的三相的PWM脉冲，所述三相的PWM脉冲包括三相的PWM脉冲中的除了正侧脉冲的脉冲宽度为最大的相之外的其他两相的PWM脉冲，所述其他两相的正侧脉冲的相互位置关系是如下位置关系，即：与一相的正侧脉冲包含了另一相的正侧脉冲的状态相比，时间轴上的重复范围较少的位置关系。2.如权利要求1所述的三相逆变器，其特征在于，所述脉冲宽度为最大的相的正侧脉冲包含所述其他两相的正侧脉冲。3.一种三相逆变器，其为三个由两个半导体开关元件进行了串联的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器相互并联、将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子、并按照每个预定的开关动作周期根据各相的PWM脉冲对所述半导体开关元件进行控制的三相逆变器，其特征在于，生成一个开关动作周期中的三相的PWM脉冲，所述三相的PWM脉冲包括三相的PWM脉冲中的除了负侧脉冲的脉冲宽度为最大的相之外的其他两相的PWM脉冲，所述其他两相的负侧脉冲的相互位置关系是如下位置关系，即：与一相的负侧脉冲包含了另一相的负侧脉冲的状态相比，时间轴上的重复范围较少的位置关系。4.如权利要求3所述的三相逆变器，其特征在于，所述脉冲宽度为最大的相的负侧脉冲包括所述其他两相的负侧脉冲。5.一种三相逆变器，其特征在于，可对第1控制模式和第2控制模式进行切换，所述第1控制模式使用一个开关动作周期内的、包括三相的PWM脉冲中的除了正侧脉冲的脉冲宽度为最大的相之外的其他两相...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊东淳一，西泽是吕久，鸟羽章夫，小高章弘，
申请(专利权)人：国立大学法人长冈技术科学大学，富士电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP