CN101517881A - 逆变器装置 - Google Patents

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CN101517881A CNA2007800353196A CN200780035319A CN101517881A CN 101517881 A CN101517881 A CN 101517881A CN A2007800353196 A CNA2007800353196 A CN A2007800353196A CN 200780035319 A CN200780035319 A CN 200780035319A CN 101517881 A CN101517881 A CN 101517881A
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Abstract

一种使用多对开关元件构成逆变器电路，对该逆变器电路的各相的准交流电压利用PWM发生器进行的脉冲调制进行控制，并施加在供电对象的逆变器装置，通过检测将在逆变器电路和供电对象之间设置的电压检测电路的各相连接的公共点的电压，检测提供给供电对象的输出电压的各相平均电压，作为与供电对象的中性点电压对应的虚拟中性点电压，通过将检测出的虚拟中性点电压反馈至所述PWM发生器进行的各相的输出占空比控制，将来自所述逆变器电路的各相的输出电压控制为目标输出电压。能够使作为目标的输出电压经常保持稳定，得到高精度的输出电压。

Description

逆变器装置
技术领域
本发明涉及逆变器装置，尤其涉及在使用多个开关元件将车用的直流电源的直流电压转换为脉冲序列状的准交流电压时，即使电源电压变动也能使输出电压不变地，使逆变器电路的输出稳定的逆变器装置。
背景技术
例如在汽车上搭载直流电源(电池)，该直流电源的直流电压被用于各种动力和控制。而且，使用具有多个开关元件的逆变器电路，将该直流电源的直流电压转换为脉冲序列状的准交流电压，将其使用作为例如向车用空调装置的压缩机驱动用电动机(例如电动压缩机的无刷电动机等)、其他电动机(例如磁阻电动机或感应电动机)或者变压器等的输出电压。
在用于车用空调装置的压缩机(制冷压缩机)中，也有只将发动机的旋转力作为其驱动动力源的压缩机，但在电动压缩机或混合压缩机中，通常使用内置无刷电动机的压缩机。该无刷电动机被由逆变器电路转换为脉冲序列状的准交流电压驱动，其旋转速度利用改变上述准交流电压的占空比以使提供的有效电压改变的方法、即PWM(脉宽调制)方法控制。
然而，搭载在车辆上的电池等直流电源由于与电负载的关系而容易产生电压变动，例如，在具备行驶用电动机的电力汽车或混合动力车等车辆中，会产生由于加速时在行驶用电动机中会流过较大的负载电流而导致直流电源电压急剧下降，反之，在减速时由于来自行驶用电动机的再生电流而导致直流电源电压急剧上升的现象。另外，在通常的发动机驱动的车辆中，若直流电源消耗大量电力，则直流电源电压也会急剧下降。
若产生这样的直流电源电压的变动，则输出电压会与其成比例地变动。例如驱动上述的无刷电动机时，随着其电压变动，电动机转速会急加速或急减速。另外，减速等情况下流过过电流等，在最差的情况下保护电路会工作，电动机会停止。
为处理这样的问题，在专利文献1披露了一种检测直流电源电压，根据该检测电压值使占空比改变的技术。另外，在专利文献2披露了一种检测从逆变器电路向电动机输出的电压，根据检测的电压值使占空比改变的技术。
专利文献1：日本专利3084941号公报
专利文献2：日本专利特开2005-57974号公报
发明内容
然而，在以上述专利文献1所记载的方法进行控制时，有时难以使期望的输出始终稳定，难以高精度地得到期望的输出。即，在上述控制中，从识别出直流电源电压的变动到校正占空比，会产生取决于控制装置的处理速度等的时间延迟，因此，会产生无法迅速且适当地对占空比进行校正的情况，结果无刷电动机有可能发生转速变动、过电流、转矩不足等不理想的情况。另外，检测的电源电压不是可以施加在电动机端子上的电压，所以不能考虑逆变器电路的开关元件的电压降分量，由于该影响，会产生无法得知三相低时的电压被施加到何种程度这样的问题，且也有控制精度恶化这样的问题。
另外，在以上述专利文献2所记载的方法进行控制时，在只检测到向电动机的输出侧1相的电压时，无法得知在其余2相检测到何种程度的电压，因此控制精度有可能相应恶化。另外，若想要检测所有三相的电压，则必须对三相都进行检测处理，会带来电压检测的处理量增大这样的问题。另外，存在由此带来电路、控制都会复杂化这样的问题。
因此，本发明的目的在于提供一种逆变器装置，即在使用包括多个开关元件的逆变器电路将直流电源电压转换为脉冲序列状的准交流电压时，即使电源电压变动也能使期望的输出电压始终稳定，可以高精度地得到期望的输出电压，且能以简单的电路结构容易且可靠地对其进行控制的逆变器装置。
为解决上述问题，本发明所涉及的逆变器装置，将串联连接的一对开关元件的元件组，相对于直流电源并联连接为多组，构成将上述直流电源的直流电压转换为脉冲序列状的多相的准交流电压并输出的逆变器电路，在该逆变器电路连接输出控制电路，上述输出控制电路包括可将各相的上述准交流电压通过脉冲调制调整的PWM发生器，将来自上述逆变器电路的输出电压施加在供电对象，其特征是，通过检测将在逆变器电路和供电对象之间设置的电压检测电路的各相连接的公共点的电压，检测提供给所述供电对象的输出电压的各相平均电压，作为与所述供电对象的中性点电压对应的虚拟中性点电压，通过将检测出的虚拟中性点电压反馈至所述PWM发生器进行的各相的输出占空比的控制，将来自上述逆变器电路的各相的输出电压控制为目标输出电压。
即在本发明所涉及的逆变器装置中，检测的不是电源电压，而是实际从逆变器电路输出的电压，且不是检测每相，而是检测各相的平均输出电压，将其作为与供电对象的中性点电压对应的虚拟中性点电压检测。所以，在解决检测电源电压的上述专利文献1的控制精度恶化等问题的同时，还解决了为提高控制精度而需要检测每相的输出电压的上述专利文献2的电路、控制复杂化等问题，其结构简单，且能以高精度控制，并能实施迅速的反馈控制。
在本发明的逆变器装置中，较为理想的是，在逆变器电路的输出的所有各相为高电平的期间检测虚拟中性点电压(高)。以此在下一定时的高电平时可以极其迅速地反馈检测结果，提高控制精度。各相的输出占空比利用基于下式的计算实施可变控制即可。
输出占空比＝目标输出电压/检测出的虚拟中性点电压(高)
此处，输出为高电平的状态是表示上述脉冲序列状的准交流电压为最高电压值的状态。
另外，为进一步提高控制精度，较为理想的是，还检测低电平时的输出。即较为理想的是，还在逆变器电路的输出的所有各相为低电平的期间检测虚拟中性点电压(低)，对各相的输出占空比利用基于下式的计算实施可变控制。输出占空比＝目标输出电压/(检测出的虚拟中性点电压(高)-检测出的虚拟中性点电压(低))
此处，输出为低电平的状态是表示上述脉冲序列状的准交流电压为最低电压值的状态。
本发明中，对上述供电对象没有特别限定，只要是使用来自逆变器电路的输出的电气设备即可，特别是，在供电对象是需要进行转速控制的电动机时，由于通过高精度控制输出电压可以高精度控制转速，所以本发明特别合适。
其中，在上述电动机是压缩机驱动用电动机时，特别是设置在车用空调装置的制冷剂回路中的压缩机的驱动用电动机时，本发明特别理想。在这样的压缩机的驱动用电动机中，电动机被装入压缩机内，电动机往往暴露在制冷剂中，往往无法检测出电动机本身的中性点电压。但是，如本发明所述，通过检测虚拟中性点电压，可以将该虚拟中性点电压作为实际平均输出电压检测，而不必检测所有各相的输出电压，可以简便且高精度地检测控制所需的实际输出电压，可以将其用作各相的输出占空比控制。
这样，如果采用本发明所涉及的逆变器装置，实际输出的电压被检测作为虚拟中性点电压，基于该电压计算各相的输出占空比，进行PWM控制，使其为该计算出的输出占空比。从而能够与功率元件的电压降和电源电压的变动无关地，始终稳定地得到作为目标的所希望的输出电压。
附图说明
图1是本发明的一实施方式所涉及的逆变器装置的概略结构图。
图2是表示图1的逆变器装置的电压检测的定时例的时序图。
图3是表示图1的逆变器装置的控制的一个例子的流程图。
标号说明
1逆变器装置
2a、2b、2c、2d、2e、2f开关元件
3直流电源
4逆变器电路
5PWM发生器
6电动机三相输出控制电路
7作为供电对象的电动机
8电压检测电路
9虚拟中性点
10计算装置
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的理想的实施方式。
图1表示本发明的一实施方式所涉及的逆变器装置，特别表示构成作为向作为供电对象的三相电动机(例如内置在车用空调装置的压缩机的三相无刷电动机)输出脉冲序列状的准交流电压的电动机驱动电源电路的情况。图1中，1表示逆变器装置，在该逆变器装置1，将串联连接的一对开关元件(2a和2b、2c和2d、2e和2f)的元件组，相对于直流电源3(例如电池)并联连接为多组(本实施方式中为三组)，构成将直流电源3的直流电压转换为脉冲序列状的准交流电压输出的逆变器电路4。在逆变器电路4连接作为输出控制电路的电动机三相输出控制电路6，电动机三相输出控制电路6包括可对上述准交流电压通过脉冲调制实施调整的PWM发生器5。来自逆变器电路4的三相的各输出相U、V、W与电动机7(例如三相无刷电动机，但也可以是通过施加准交流电压进行驱动的其他任何电动机)的对应的极连接，施加规定的电压，使电动机7以规定的转速被驱动。向电动机7输出脉冲序列状的准交流电压，该脉冲序列状的准交流电压的平均电压是施加在电动机7的有效电压，电动机7以与该有效电压对应的转速被旋转驱动。
在逆变器电路4和电动机7之间，设置有检测向电动机7输出的电压的各相平均电压的电压检测电路8。该电压检测电路8可通过分割电阻检测电压，但在接地前，形成从各相引出的电路被集中于一处连接的公共点，该公共点作为与电动机7内的中性点对应的虚拟中性点9，因此可以检测与电动机7的中性点电压对应的虚拟中性点电压。在该虚拟中性点9检测出的虚拟中性点电压被传送至进行后述计算的计算装置10，计算的值被反馈至由PWM发生器6进行的各相的输出占空比控制。借助于该反馈，来自逆变器电路4的各相的输出电压被控制为目标输出电压。
即在本发明所涉及的逆变器装置1中，检测的不是电源电压，而是实际从逆变器电路4输出的电压，且不是检测每相，而是检测作为各相的平均输出电压，将其检测作为与电动机7的中性点电压对应的虚拟中性点电压。由于不是检测电源侧的电压，而是检测实际输出的电压，所以提高了控制精度，由于不必检测每相的输出电压，所以电路结构、控制都变得简单。使用作为所有各相的平均电压的虚拟中性点电压，进行输出占空比的计算、控制，通过这样可以高精度地控制电动机7的有效电压，还能提高其转速控制的精度。
上述虚拟中性点电压例如可以在图2所示的定时被检测。
在图2中，在来自逆变器电路4的三相的U、V、W输出相都为高电平的期间检测出虚拟中性点电压(高)。另外，在图示的例子中，在来自逆变器电路4的三相的U、V、W输出相都为低电平的期间检测出虚拟中性点电压(低)。若在这样的定时进行检测，可以反馈至下一(紧接其后的)定时的输出占空比的控制，可以迅速且高精度地进行控制。
此处，基于其工作原理说明本发明的具体的动作。
在三相为高电平的状态输出时，各相的输出电压Vu、Vv、Vw由
Vu＝Vcc-Vu′(IGBT，Di)，
Vv＝Vcc-Vv′(IGBT，Di)，
Vw＝Vcc-Vw′(IGBT，Di)表达，
在三相为低电平的状态输出时，各相的输出电压Vu、Vv、Vw由
Vu＝-Vu′(IGBT，Di)，
Vv＝-Vv′(IGBT，Di)，
Vw＝-Vw′(IGBT，Di)表达。
此处，Vu′，Vv′，Vw′表示开关元件的二极管或功率晶体管的电压降分量，IGBT表示功率晶体管的电压降，Di表示二极管的电压降。
三相高电平运转时输出至本发明的输出电路上的电压值
Vhi＝1/3(Vu+Vv+Vw)
＝Vcc-1/3[Vu′(IGBT，Di)+Vv′(IGBT，Di)+Vw′(IGBT，Di)]。
在三相低电平输出时输出至本发明的输出电路上的电压值
Vlo＝1/3(Vu+Vv+Vw)
＝-1/3[Vu′(IGBT，Di)+Vv′(IGBT，Di)+Vw′(IGBT，Di)]。
而且，通过以本发明的电压检测电路8检测虚拟中性点电压，可以求出考虑使功率晶体管接通时，使其断开时的开关元件造成的电压降的，可以施加于电动机7的平均的电位差，能以简单的方法检测输出电压。
设Vcc＝Vhi-Vlo，从如上所述计算的结果，根据
U相占空比值＝Vu(希望施加在U相的电压值)/Vcc，
V相占空比值＝Vv(希望施加在V相的电压值)/Vcc，
W相占空比值＝Vw(希望施加在W相的的电压值)/Vcc，
计算各相的占空比并输出，则可以使希望施加的电压为矩形脉冲序列，在电动机7施加目标电压。
作为电压检测后的控制流程，例如可以使用图3所示的流程图。图3表示的是U相，但对于V相、W相也一样。
首先，为了在图2所示的定时检测虚拟中性点电压，判断三相是否都是高电平输出(步骤S1)，在判断为是时，检测虚拟中性点电压，获取虚拟中性点电压(高)(步骤S2、S3)，在判断为否时，检测虚拟中性点电压，获取虚拟中性点电压(低)(步骤S4、S5)。而且，利用(虚拟中性点电压(高)-虚拟中性点电压(低))求出作为电动机电压的平均电压值(步骤S6)，使用该电动机电压，利用目标施加电压(U相)/电动机电压计算输出占空比(U相)(步骤S7)。在步骤S8，将计算出的输出占空比(U相)输出至PWM发生器，控制U相的输出电压为目标施加电压。同样控制使V相和W相的输出电压为目标施加电压，进行高精度地控制，使输出至电动机7的输出电压(有效电压)为目标值。该流程图的检测、计算实际上经常反复进行。
工业上的实用性
上述实施方式主要说明将本发明使用于三相无刷电动机的施加电压电路的情况，但本发明可以适用于将来自直流电源的直流电压转换为脉冲序列状的准交流电压的所有逆变器装置，特别是适用于直流电源电压易于产生变动的车用空调装置的压缩机驱动用电动机的施加电压电路为最佳。

Claims (6)

1.一种逆变器装置，在该逆变器装置中，将串联连接一对开关元件的元件组，相对于直流电源并联连接为多组，构成将所述直流电源的直流电压转换为脉冲序列状的多相的准交流电压并输出的逆变器电路，在该逆变器电路连接输出控制电路，所述输出控制电路包括能够通过脉冲调制来调整各相的所述准交流电压的PWM发生器，将来自所述逆变器电路的输出电压施加在供电对象，其特征在于，
通过检测连接设置于逆变器电路和供电对象之间的电压检测电路的各相的公共点的电压，检测提供给所述供电对象的输出电压的各相平均电压，以作为与所述供电对象的中性点电压对应的虚拟中性点电压，通过将检测出的虚拟中性点电压反馈至由所述PWM发生器进行的各相的输出占空比的控制，将来自所述逆变器电路的各相的输出电压控制为目标输出电压。
2.如权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，
在逆变器电路的输出的所有各相为高电平的期间检测虚拟中性点电压(高)，并通过基于下式的计算对各相的输出占空比进行可变控制，
输出占空比＝目标输出电压/检测出的虚拟中性点电压(高)，
此处，输出为高电平的状态是所述脉冲序列状的准交流电压表示最高电压值的状态。
3.如权利要求2所述的逆变器装置，其特征在于，
还在逆变器电路的输出的所有各相为低电平的期间检测虚拟中性点电压(低)，并通过基于下式的计算对各相的输出占空比进行可变控制，
输出占空比＝目标输出电压/(检测出的虚拟中性点电压(高)-检测出的虚拟中性点电压(低))，
此处，输出为低电平的状态是所述脉冲序列状的准交流电压表示最低电压值的状态。
4.如权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，
所述供电对象是电动机。
5.如权利要求4所述的逆变器装置，其特征在于，
所述电动机是压缩机驱动用电动机。
6.如权利要求5所述的逆变器装置，其特征在于，
所述电动机是设置于车用空调装置的制冷剂回路中的压缩机的驱动用电动机。
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