用于产生三相电压的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于产生三相电压的方法和装置，具体描述一种调制技术，其中，控制器通过对输出交流电压进行调制而在达到最大正值或最大负值的相中引入偏移量，从而在当相应的相达到最大正值时，使得该相钳位至正直流电源轨，而且在当相应的相达到最大负值时，使得该相钳位至负直流电源轨。所述偏移量通过在多个输出角度区段内在所有相中引入共模分量电压的方式实现。为了减小噪声、振动与声振粗糙度(NVH)和EMI，在各个区段内，共模分量电压幅度随输出角度在最小值与最大值之间变化，以控制三相交流输出电压上升沿或下降沿的压摆率。三相交流输出电压上升沿或下降沿的压摆率。三相交流输出电压上升沿或下降沿的压摆率。

【技术实现步骤摘要】
用于产生三相电压的方法和装置


[0001]本专利技术涉及一种产生三相电压的方法以及一种用于产生三相电压的装置。本专利技术尤其涉及一种产生三相电压的方法，一种用于产生用于驱动电机等负载的三相电压的装置，以及一种用于驱动电机等负载、加热器或任何其他类型电气负载的逆变器。

技术介绍

[0002]电源逆变器遍为人知。其中一例可见US8958222，该文的图1摘录于此，该图所示为用于将直流电源101转换为交流输出端103的三相电源逆变器100，所述交流输出端随后可连接至负载(未图示)。所述逆变器包括三个单独的相200，300，400(也分别称为U相、V相、W相)。每一相包括串联的两个开关：相200(U相)包括200a，200b；相300(V相)包括300a，300b；相400(W相)包括400a，400b。开关200a，300a，400a与正电源轨105连接(也可称为“上”开关)，开关200b，300b，400b与负电源轨107连接(也可称为“下”开关)。在图1中，每一开关可以为IGBT(绝缘栅双极晶体管)，而且针对每一IGBT，均可设置相应的反并联二极管(未图示)。然而，除此之外，也可使用任何具有快速切换能力的开关。控制系统(如处理器)(未图示)通过控制开关200a，200b，300a，300b，400a，400b的通断而控制逆变器100的交流输出。该电源逆变器还包括直流总线电容器102，用于提供更为稳定的直流电压，以限制逆变器偶然需要大电流时引起的波动。
[0003]通过对上述六个开关的通断状态进行组合，交流输出端103可产生正弦输出电流。然而，逆变器100的控制必须使得同一相的两个开关永不同时接通，以防止直流电源101发生短路。也就是说，如果200a接通，则200b必须关断，反之亦然；如果300a接通，则300b必须关断，反之亦然；如果400a接通，则400b必须关断，反之亦然。如此，使得逆变器共存在表1所示的八种可能通断矢量。在表1中，各矢量值为三个上开关200a，300a，400a以及三个下开关200b，300b，400b的通断状态，其中，上下开关的通断状态必须相反，以防止直流电源短路。
[0004]矢量200a300a400a200b300b400bV
UW
V
WV
V
VU V0＝{000}断断断通通通000零V1＝{100}通断断断通通+Vdc0
‑
Vdc有效V2＝{110}通通断断断通0+Vdc
‑
Vdc有效V3＝{010}断通断通断通
‑
Vdc+Vdc0有效V4＝{011}断通通通断断
‑
Vdc0+Vdc有效V5＝{001}断断通通通断0
‑
Vdc+Vdc有效V6＝{101}通断通断通断+Vdc
‑
Vdc0有效V7＝{101}通通通断断断000零
[0005]图2所示为表1中的六个有效矢量和两个零电压矢量绘成的逆变器电压通断六边形图。三相系统的此类矢量表示形式为本领域技术人员所熟知，因此不再赘述。总体上说，任何三相系统均能由图2所示的旋转矢量V
S
唯一表示。旋转矢量V
S
包含表1和图2所示的六个有效矢量。该方法即所谓的空间矢量调制(SVM)法。通过以脉冲宽度调制(PWM)技术改变零
电压矢量V0和V7与有效矢量V
S
(包括分量V1～V6)之比(调制系数)，可以调节交流输出端103的电压。
[0006]图3所示为现有技术中一个开关周期的脉冲宽度空间矢量调制示例。每一开关200a，300a，400a的开关功能均为开关导通时取值为1且开关关断时取值为0的时间波形。参考图3，在第一时间段t0/2内，所有的三个开关200a，300a，400a均关断(取值为0)，对应于表1中的矢量V0。由于V0为零电压矢量，因此该时间段为无效时间段。在第二时间段t1内，开关200a取值为1，开关300a和400a取值为0，对应于矢量V1，该矢量为有效矢量。在第三时间段t2内，开关200a和300a取值为1，开关400a取值为0，对应于矢量V2，该矢量也为有效矢量。最后，在第四时间段t0/2内，所有的三个开关200a，300a，400a均导通(取值为1)，对应于表1中的零电压矢量V7。因此，有效时间段为t1和t2，无效时间段为t0。总有效时间段(在该情形中为t1+t2)与总无效时间段(在该情形中为t0/2+t0/2＝t0)之比决定了交流输出端的输出电压。
[0007]图4所示为具有对称切换特性的相电压(相对于图1所示0V线路，该线路构成直流总线的一半)与输出电压角度(直流总线250V，峰值需求200V)关系图。图5所示为电机负载的相应线间电压。
[0008]对于逆变器，功率输出越低，通断损耗越成为主要损耗。对于导电损耗极低的SiC及其他宽带隙器件而言，尤其如此。通过减少开关的每秒跃迁边沿数，可以一定程度上减小此类通断损耗。
[0009]现有技术采用所谓的“总线钳位”方案，该方案通过每一PWM周期内的脉冲下降和脉冲扩展，减少通断次数。此类方法可将通断次数减至SVM的2/3，从而将通断损耗成比例地减小33％。然而，此类总线钳位方法的主要缺点在于，其会在相电压内引入陡峭的边沿，从而导致较高的噪声、振动与声振粗糙度(NVH)，且增大电磁干扰(EMI)。
[0010]图6所示为现有的总线钳位技术。该图所示为标准空间矢量调制(SVM)的输出频率波形。上方分图为相电压图，下方分图为电气负载的相应线间电压图。
[0011]在该技术中，当某一相的输出电压相对于其他相达到最大正值或最大负值时，控制器将该相的输出电压进行一定的偏移(即将该输出电压钳位至电源轨)。其中，当达到最大正值时，偏移至正直流电源轨，当达到最大负值时，偏移至负直流电源轨。该偏移通过在所有相中引入共模分量电压的方式实现。由于共模分量电压加至所有相，因此在进行不同相之间的测量时，需去除该共模分量，以使得负载电压仍呈现为正弦电压。
[0012]当某一相被钳位至正直流总线或负直流总线时，其可停止通断切换。当钳位至正直流总线时，该相的上开关保持常通(脉冲扩展)，而下开关保持常断(脉冲下降)。由于该相的开关停止跃迁(停止通断)，因此该相的通断损耗降为零。与此同时，由于其他相仍继续通断，因此通断损耗的有效降低量为1/3。
[0013]由于输出波形角度在整个周期内保持变动，因此各相依次钳位。每一相钳位至正总线的时间占输出波形的1/6，钳位至负总线的时间占输出波形的1/6，因此总线钳位达到对称。
[0014]然而，如上所述，此类现有技术会导致NVH和EMI的增大。因此，专利技术人意识到，需要一种产生三相交流输出电压的改进方法。

技术实现思路

[0015]因此，本专利技术提供一种产生用于驱动电气负载的三相输出电压的方法，以及一种产生用于驱动电气负载的三相输出电压的逆变器。
[0016]此外，还提供有利实施方式。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种产生三相电压的方法，该三相电压用于为电气负载供电，其特征在于，该方法包括：从电压源接收输入电压，并在多个脉冲宽度调制周期内通过脉冲宽度调制对多个开关进行控制，以产生用于电气负载的三相交流输出，所述输入电压具有正电源轨电压和负电源轨电压，每一所述三相交流输出具有在多个区段内变化的幅度和角度，每一所述区段代表角度位置时间段，每一所述三相交流输出均在角度上彼此偏移；针对每一区段：识别出趋向所述正电源轨的所述三相交流输出电压中具有最大正值电压的输出电压，或者识别出趋向所述负电源轨的所述三相交流输出电压中具有最大负值电压的输出电压；控制所述多个开关，以在对应的所述区段内向所述三相中的每一相施加共模分量电压，该共模分量电压的最大幅度足以将识别出的相应相的电压钳位至相应的所述正电源轨或相应的所述负电源轨，其中，所述共模分量电压幅度在相应的所述区段内变化最小值与最大值之间的角度；其中，改变该共模分量电压幅度，以对所述三相交流输出电压的相应上升沿或相应下降沿的压摆率进行控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过压摆值令所述共模分量电压在相应的所述区段内变化所述最小值与所述最大值之间的角度，所述压摆值包括在该区段内处于相应的最小压摆值与相应的最大压摆值之间的可变标量值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压摆值在每一所述区段内根据交流输出的所述角度位置在所述最小压摆值与所述最大压摆值之间变化。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压摆值在所述区段的与所识别出的相的交流输出的相应上升沿或相应下降沿的部分重合的部分内低于所述最大压摆值。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压摆值在所述区段的一部分内处于所述最大压摆值，以将所识别出的相的交流输出钳位至相应的所述正电源轨或相应的所述负电源轨。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压摆值在所述最小压摆值与所述最大压摆值之间的跃迁具有由三角函数的一部分限定的形状。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对于所述区段的第一部分内的交流输出电压的角度位置，该区段具有跨越30
°
的角度位置，在该第一部分内，所述压摆值的幅度由正弦曲线的处于所述最小压摆值与所述最大压摆值之间的上升部分限定。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述区段的所述第一部分的持续时间基于压摆系数，该压摆系数为对所述最小压摆值与所述最大压摆值之间的所述跃迁的持续时间进行控制的标量值。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一部分由所述交流输出电压限定，该交流输出电压的角度位置与所述压摆系数之积具有小于30
°
的角度。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一部分的所述压摆值由正弦曲线限定，该正弦曲线的时间长度限定为所述交流输出电压的电气频率的6倍与所述压摆系数之积。11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一部分的所述压摆值由
压摆值＝
‑
0.5*cos(6*(压摆系数*γ))+0.5限定，其中，γ表示所述交流输出电压的角度位置。12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述压摆系数的值根据调制系数和/或所述输出交流电压的输出频率从多个值中选出。13.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述压摆值在相应的所述区段的第二部分内具有最大压摆值，该第二部分与所述第一部分接续。14.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对于相应的所述区段的第一部分内的交流输出电压的角度位置，该区段具有跨越30
°
的角度位置，所述压摆值在所述第一部分内具有最大压摆值。15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述压摆值的形状由正弦曲线在所述第二部分内的处于所述最大压摆值与所述最小压摆值之间的下降部分限定，该第二部分与所述第一部分接续。16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二部分的持续时间基于压摆系数，该压摆系数为对所述最小压摆值与所述最大压摆值之间的所述跃迁的持续时间进行控制的标量值。17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第二部分的所述压摆值由正弦曲线限定，该正弦曲线的时间长度限定为所述交流输出电压的电气频率的6倍与所述压摆系数之积。18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述正弦曲线发生相移。19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述压摆值由压摆值＝0.5*cos(6*(压摆系数*(γ
‑
压摆偏移量)))+0.5限定，其中，γ表示所述交流输出电压的角度位置，所述压摆偏移量表示所述第二部分的起始角度。20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第二部分的起始角度由所述交流输出电压限定，该交流输出电压的角度位置大于区段持续时间与该区段持续时间和所述压摆系数的商之差。21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述压摆系数的值根据调制系数和/或所述输出交流电压的输出频率从多个值中选出。22.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压摆值在所述最小压摆值与所述最大压摆值之间以线性方式、指数方式或对数方式进行跃迁。23.根据前述任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述共模分量电压在调制系数和/或所述输出电压的输出频率大于阈值时施加。24.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电气负载包括电动机或发电机。25.一种用于产生三相电压的逆变器，所述三相电压用于为电气负载供电，其特征在于，该逆变器包括：接收输入电压的输入端，该输入电压具有正电源轨电压和负电源轨电压；三个交流输出端，每个相分配其中一个所述交流输出端，所述三个交流输出端用于输出为电气负载供电的三相交流输出电压；多个开关，连接于所述输入电压与所述三个交流输出端之间，用于产生所述三相交流
...

【专利技术属性】
技术研发人员：西蒙，
申请(专利权)人：YASA有限公司，
类型：发明
国别省市：