具有温度补偿的脉冲宽度调制型逆变器制造技术

一种工作在可变频率和可变幅值上的脉冲宽度调制型逆变器，并能根据温度、输出电流和输出频率等的变化修改载波频率。逆变器工作在高载频范围中以减少音频噪声。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于提供可变电压和可变频率的交流电流的脉冲宽度调制型逆变器，尤其涉及对使用高载频频率的逆变器中脉冲宽度调制信号（以下称为“PWM”信号）的控制。图10表明一种传统PWM逆变器的结构，参看该附图，这种已知的PWM逆变器包含：直流电源100和由可控元件和一对反向并联二极管组成的逆变变换器200。该逆变器能把一直流电流变换为一电压可变和频率可变的交流电流。该交流电流可用于驱动一电动机300或类似装置。一基准电压发生器400产生一基准电压波形，该基准电压波形用作输出频率和输出电压的基准。实践中，基准电压的波形是使电机运行有最佳波形，但是在没有商用电源的情况下这样形成的波形不能获得足够的功率。因此，把一个具有足够功率的载波波形与基准波相混合，且形成与基准电压波有相同面积的脉冲波形，才能够驱动电动机或类似装置。如需改变基准波形，用户可以重新设定输出频率设定装置900，该装置连到基准波形发生器的输入端。一个合适的载波产生器500将产生载波信号、例如频率为fc的三角波。一个PWM电路600接受来自基准电压产生器400和载波发生器500的信号，产生控制逆变器200的可控元件的控制信号。驱动电路700按照来自PWM电路600和输出频率设定装置900的信号，驱动逆变器200的可控元件。这种已知逆变器的工作将参照图11描述，该图表明了在一个典型的PWM工作期间出现的几种波形。请注意：说明仅涉及一相，具体说即仅涉及在一个实际逆变器中为驱动电机或类似装置而产生的三相-->交流电源U、V和W三相中的U相。参看图11（a），载波产生器500输出的三角波形和由基准电压发生器400输出的正弦波形叠加在同一时间段中。这种叠加波形是为了在作为逆变器的输出频率和输出电压的基准的基准电压和调制该基准电压的信号、例如三角载波波形之间进行比较。图11（b）中的波形是在图11（a）中基准电压波形和载波波形相交的那些点为基础产生的。图11（b）中波形之一是PWM信号Upo。该信号用于生成U相的上边，且该信号在基准电压高于载波电压期间为ON（通）、在基准电压低于载波电压期间为OFF（断）。图11（b）中的另一波形是PWM信号Uno。该信号用于生成U相的下边，只要把信号Upo反相即可获得。图11（c）示出了实际用来驱动可控元件的PWM信号Up和Un，这些信号是将Upo和Uno经过短路防止处理，即对ON（通）脉冲延迟一个时间Td而产生的。延迟后所获得的脉冲宽度调制输出电压就是U相输出，表示在图11（d）中。V相和W相输出可用来类似的方法获得。再来看图10，图11（a）中的基准电压波形是由基准电压波形发生器400产生的，它为输出频率和输出电压提供标准。图11（a）中的三角载波是由载波发生器500产生的。PWM电路600响应图11（a）的波形并产生图11（c）所示的PWM信号。驱动电路700对电路600的输出进行放大并驱动逆变器200的可控元件。因为驱动信号将随基准电压波形而变化，所以从逆变器可获得一个具有可变电压和可变频率的交流电流。当一台电动机用这种类型的PWM波形驱动时，载波的高次谐波将在音频范围内产生。这些音频信号会增加工作环境中的噪声电平。避免这一问题的一种对策，是把载波频提高到人类音频范围的上限（如15KHz）或者更高。当载频增加时，噪声电平会显著减少。事实上，当载频在10KHz和15KHz之间，这种噪声频率接近音频范围-->的上限并且噪声电平是很低的。当载频增加超过20KHz时，就超过了音频范围，人耳将不能检听到高次谐波。结果，噪声电平将减少到接近于当负载由商用电源驱动时的水平。为了获得伴有低噪声的高载波频率、可使用工作在频率10-20KHz之间的高速开关元件、如金属氧化物半导体场效应功率晶体管、绝缘桥式管（IGBT）等。这种设计的缺点在于这种开关元件必然伴有相当数量的电源损耗。具体说，具有反相并联两极管的可控元件产生的损耗P可用下式计算：P＝PON+PSW＝一般损耗+开关损耗＝PON（I）+PSW（fc，I）（1）“一般损耗”是ON时间内流动的电流和电压降的乘积，而“开关损耗”是可控元件接通和切断时电压和电流的乘积。在如等式（1）表示的简化形式中，总的“一般损耗”PON仅仅是电流大小（I）的函数，而总的“开关损耗”PSW则是电流（I）和控制开关元件的载波频率（fc）的函数。当载波频率fc增加时，开关损耗PSW也随之增加。当电流接近逆变器的额定电流电平时，损耗PON∶PSW的比率是大的。当逆变器的工作产生相当高的开关损耗即工作于高fc和高电流时，由于开关元件的散热设计要求它的结温保持在额定值以下，冷却要求将愈加重要。所以，高载频工作的逆变器虽会减少音频噪声，但会增加冷却能力的要求并增大逆变器的尺寸。当逆变器驱动的电动机工作在低速时，所产生的噪声会成为一严重问题。在低电机速度时，由电机驱动的负载所产生的噪声是相当低的，而电机本身的噪声处于主导地位。在高电机速度时，电机驱动的负载的噪声增大，由电机产生的高次谐波的声音不再是主要的，且不-->起关键的作用。然而在传统的逆变器中，当电机速度增大时，fc保持较高，以致于由于高开关损耗使损耗增大。为满足开关元件的散热要求，传统的逆变器必须设计得维持得开关元件的温度低于最大允许温度。显然，当环境温度低时，逆变器能安全工作，即使当负载增加后需要保持高的fc也是如此。然而当环境温度开始上升时，载波频率fc将成为控制开关元件的温度低于允许值的最有效参数。如果为了减少由于开关功率损耗引起的温升把载频fc降低，则有效地抑制音频噪声的工作将变得困难起来。本专利技术打算解决上述已有技术的问题。于是本专利技术的目的在于提供一种这样的逆变器装置，它能以低音频噪声工作，并且能补偿损耗的增加、而不需增加逆变器的尺寸或不需特殊的冷却。本专利技术的再一目的是根据逆变器输出频率或可控元件的温度或输出电流来控制载波频率，以便抑制所产生的噪声和减少功率损耗。在本专利技术的逆变器装置中，载波频率在上限载频fcmax和下限载频fcmin之间的范围内是可变的，上限载频fcmax取决于可接受的损耗和逆变器的响应时间，下限载频fcmin取决于可接受的噪声特性和输出电流的失真。例如，载频可按照逆变器装置中可控元件的温度来控制，即按照所检测的可控元件的温度的增加和减小相应地减小和增加载频。载频也可以根据逆变器的输出频率以这样的方式来控制，即按照逆变器的输出频率是增加还是减小相应地使载频减少或增加。载频还可以根据逆变器装置的输出电流以这样的方式来控制，即根据逆变器输出电流是增加还是减小相应地使载频减小和增加。本专利技术的逆变器装置中的载波发生器根据逆变器中可控元件的温度，或逆变器的输出电流或输出频率来决定载波频率。更具体地说，当检测到的温度或电动机的速度低时，或当逆变器的输出电流小时，则增加载频，由此抑制噪声的产生，而当检测到的温度或电机速度增-->加时或逆变器输出电流大时，则减低载频，以便在可控元件中减少所产生的损耗。图1是本专利技术一个实施例的逆变器装置的方框图。图2是本专利技术另一实施例的逆变器装置的方框图。图3表示了图1中可控元件的温度和载频之间的关系。图4表示图2的输出频率和载频之间的关系。图5是本专利技术中使用的一种电路的方框图，该电路用来根据输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲宽度调制型逆变器包含：含有可控元件能把直流电流变换为具有可变输出电压和输出频率的交流电流的逆变器装置；能输出基准电压波形用来作为所述输出频率和输出电压的基准的基准电压产生装置；产生并输出具有载频的载波波形的载波发生装置； 比较所述基准电压和所述载波并产生控制所述逆变器的所述控制元件的信号的脉冲宽度调制电路；响应来自所述脉冲宽度调制电路的信号，驱动所述可控元件的驱动装置；和响应所检测的工作参数并在预定范围内控制所述载频的控制装置。

【技术特征摘要】
JP 1989-8-23 216479/891、一种脉冲宽度调制型逆变器包含：含有可控元件能把直流电流变换为具有可变输出电压和输出频率的交流电流的逆变器装置；能输出基准电压波形用来作为所述输出频率和输出电压的基准的基准电压产生装置；产生并输出具有载频的载波波形的载波发生装置；比较所述基准电压和所述载波并产生控制所述逆变器的所述控制元件的信号的脉冲宽度调制电路；响应来自所述脉冲宽度调制电路的信号，驱动所述可控元件的驱动装置；和响应所检测的工作参数并在预定范围内控制所述载频的控制装置；2、如权利要求1所述的逆变器，其特征在于所述工作参数包含输出频率，并且所述的控制装置能根据所述输出频率的减低增加所述载频，能根据所述输出频率的增加减少所述载频。3、如权利要求1所述的逆变器，其特征在于所述工作参数包含所述逆变器的负载电流，并且所述控制装置能按照所述负载电流的减小增加所述载频、和按照所述负载电流的增加减低所述载频。4、如权利要求3所述逆变器，其特征在于还进...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊藤友隆，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]