CN102447400B

CN102447400B - 用于减小功率变换器中的共模电流的控制方法和系统

Info

Publication number: CN102447400B
Application number: CN201110300746.0A
Authority: CN
Inventors: A.维德特; P.罗伊泽莱特; M.西亚姆
Original assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Current assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: ES2707231T3; US20120081932A1; JP2012080765A; FR2965684A1; FR2965684B1; EP2442436A3; CN102447400A; JP5826579B2; US8817499B2; EP2442436A2; EP2442436B1

Abstract

本发明涉及一种用来减小功率变换器中的共模电流的控制方法和系统，其包括连接到多个输入相(R、S、T)的整流器级(1、1′)和连接到多个输出相(U、V、W)的逆变器级(2、2′)。在每个开关周期上，以同步方式控制整流器级(1、1′)和逆变器级(2、2′)，以使得施加到输入相(R、S、T)的电势的变化总是对应于施加到输出相(U、V、W)的相同符号的电势的变化。

Description

用于减小功率变换器中的共模电流的控制方法和系统

技术领域

本发明涉及用于减小功率变换器中的电压和共模电流的控制方法和系统。

背景技术

功率变换器包括连接到干线电源的多个输入相，例如如果连接到三相干线电源，则为三个输入相。连接到它的输入相，传统的变换器包括用于将由干线电源提供的AC电压转换成DC电压的整流器级。变换器还包括施加DC电压的供电总线，具有正电势的第一供电线和负电势的第二供电线，还包括总线电容器，连接在第一供电线和第二供电线之间并且用来在总线上保持DC电压恒定。在总线电容器的下游，变速驱动器类型的功率变换器还包括逆变器级，具有多个开关臂，通常为三个开关臂，每个开关臂连接到输出相，输出相连接到电力负载。每个开关臂连接在总线的第一供电线和第二供电线之间，并且在两电平变换器的情况下，包括例如两个受控功率晶体管，用于将DC电压转换成针对电力负载的可变电压。

位于变换器的输入处的整流器级可以是有源型的，也包括多个开关臂，每个开关臂例如具有至少两个功率晶体管。这些晶体管每个由栅极控制器件控制，以便能够将来自于干线电源的AC电压转换成施加到供电总线的DC电压。这类在输入处具有有源整流器级的变换器通常被称为“有源前端”。

传统上，整流器级和逆变器级的功率开关的控制由脉冲宽度调制(以下为PWM)产生。交叉类型的PWM在于将对称或不对称的三角载波与一个或多个调制信号(modulant)相比较。对于逆变器级或整流器级的功率晶体管，载波和一个或多个调制信号之间的交叉点定义晶体管闭合和断开的切换时刻。

众所周知，施加到逆变器级的开关频率的增大会引起共模电流上升，这是由于共模电压的dv/dt变化的密度增大引起的。生成的共模电流可以采取变速驱动器和电力负载之间的不同的路径。这些路径由在将变速驱动器链接到电力负载的电缆的导体之间、在电动机的绕组和定子之间或在功率半导体和链接到地的耗散器之间产生的电容耦合产生。当变速驱动器包括逆变器级和有源整流器级时，变速驱动器的总的共模电压是由整流器级和逆变器级提供的干扰的总和。

已经开发了各种解决方案来减小共模电流。这些解决方案可以包含添加无源滤波器或对整流器级和逆变器级的控制的作用。

例如，文献JP2003018853提出一种通过将整流器级的三个功率开关(高或低)的闭合(或断开)的切换与逆变器级的三个对应开关(分别为高或低)的闭合(或断开)的切换同步来减小变速驱动器中的共模电流的方法。此解决方案使得可以减小为了将共模电流滤波而采用的滤波器的尺寸，因此降低变换器的成本。但是，它不能使得充分减小变速驱动器中的共模电流。

专利US 6,185,115也描述了一种用于将整流器级的切换与逆变器级的切换同步以便减小共模电压的方法。对于前面引用的文献，此方法不能令人满意，因为它不能使得充分减小变速驱动器中的共模电压。事实上，提出的方法在于将逆变器级的单个开关臂在上升和下降沿的切换与整流器级的单个开关臂的切换同步，这使得可以在开关周期内在所有开关臂上仅仅从12个电压沿变为8个电压沿。

发明内容

本发明的目的是提出一种使得可以显著地减小功率变换器中的共模电压和电流的控制方法。

此目的是由用来减小功率变换器中的共模电流的控制方法实现的，其包括：

-连接到多个输入相的整流器级和连接到多个输出相的逆变器级，

-DC供电总线，将该整流器级链接到逆变器级，以及包括每个施加有电势的第一供电线和第二供电线，

-该整流器级和逆变器级每个包括连接到第一供电线和第二供电线的至少两个开关臂，

-该整流器级的第一控制装置，用于在切换时间期间将每个输入相有选择地连接到第一供电线或第二供电线，

-该逆变器级的第二控制装置，用于在切换时间期间将每个输出相有选择地连接到第一供电线或第二供电线，

-在每个开关周期上，以同步方式控制整流器级和逆变器级，以使得施加到输入相的电势的变化总是对应于施加到输出相的相同符号的电势的变化。

根据特定特征，通过对施加到整流器级和逆变器级的脉冲宽度调制的作用来以同步方式控制整流器级和逆变器级。

根据另一个特定特征，通过遵循确定规则来以同步方式控制整流器级和逆变器级，每个确定规则考虑逆变器级和整流器级的每个开关臂的切换时间。

本发明还涉及一种用来减小功率变换器中的共负载电流的控制系统，其包括：

-该整流器级的第一控制装置采用脉冲宽度调制来将每个输入相有选择地连接到第一供电线或第二供电线，

-该逆变器级的第二控制装置采用脉冲宽度调制来将每个输出相有选择地连接到第一供电线或第二供电线，

-其特征在于，将该整流器级的第一控制装置和逆变器级的第二控制装置同步，以使得施加到输入相的电势的变化总是对应于施加到输出相的相同符号的电势的变化。

根据特定特征，整流器级和逆变器级每个包括三个开关臂，在每个开关臂上具有两个功率晶体管。

根据另一个特定特征，整流器级和逆变器级被配置以便能够生成相同数目的电势电平。

根据另一个特定特征，逆变器级例如是NPC类型的。

附图说明

其它的特征和优点将通过参考以示例方式给出并由附图示出的实施例、从下面的详细描述中显露出来，其中：

-图1表示具有两电平的逆变器级和有源整流器的变速驱动器类型的功率变换器，

-图2表示具有NPC(中性点钳位)类型的三电平的逆变器级和维氏电桥类型的三电平的有源整流器的变速驱动器类型的功率变换器，

-图3示出了整流器级的开关臂的控制和逆变器级的开关臂的控制之间的同步的原理，

-图4以功能图的形式表示在本发明的控制方法中实施的示范性算法。

具体实施方式

参考图1和2，如已知的，功率变换器，例如变速驱动器类型的功率变换器，包括整流器级1、1′、DC供电总线和逆变器级2、2′。可以有不同的功率变换器配置。本发明大部分具体地应用于包括有源整流器级的功率变换器。

图1表示例如具有有源整流器级1的两电平的变速驱动器。图2表示例如采用NPC(中性点钳位)类型的逆变器级2′和维氏电桥类型的有源整流器级1′的三电平的变速驱动器。也可以存在其它的配置，诸如使用具有回扫电容器的逆变器级。

参考图1，整流器级1经由AC电感(没有示出)例如在用于三相整流器级1的三个输入相R、S、T上连接到干线电源。通常，在变速驱动器中，整流器级由二极管电桥构成。但是，通过包括一个或多个同等受控的开关臂10a、10b、10c，整流器级1也可以是有源类型的。从而整流器级1受控以控制取自干线电源的电流并且将由干线电源提供的AC电压转换成施加到DC供电总线的DC电压。在三相干线电源上，整流器级1包括三个开关臂10a、10b、10c，每个通过AC电感连接到三相干线电源的三个输入相R、S、T的一个。在常规配置中，每个开关臂包括例如IGBT或JFET类型的例如两个功率晶体管100，以及位于两个晶体管之间并连接到输入相R、S、T的连接中点Ma、Mb、Mc。DC供电总线将整流器级1链接到逆变器级2。它包括具有正电势V+的供电线和具有负电势V-的供电线。至少一个总线电容器Cbus连接到总线的两个供电线的每一个并且将总线的电压保持在恒定值。

在图1中，逆变器级2连接到DC供电总线，在总线电容器Cbus的下游。它包括多个相同的开关臂20a、20b、20c，每个连接到输出相U、V、W，输出相链接到电力负载C。对于工作在三相模式的电力负载C，因而逆变器级2包括三个开关臂20a、20b、20c。在常规配置(图1)的逆变器级2中，每个开关臂20a、20b、20c包括两个功率晶体管200和位于两个晶体管之间并且连接到电力负载的连接中点Pa、Pb、Pc。

在与图1相似的配置中，图2的变速驱动器包括维氏电桥类型的三电平的有源整流器级1′和NPC类型的三电平的逆变器级2′。然后DC供电总线包括多个总线电容器Cbusl、Cbus2以及具有中间电位的一条或多条供电线。在本申请中不详细描述此公知的拓扑，但是应当理解，如下所述的本发明可以完美地应用于此以及其它的拓扑。

变速驱动器还包括用于控制整流器级1、1′的开关臂的每一个的切换的第一控制装置3和用于控制逆变器级2、2′的开关臂的每一个的切换的第二控制装置4。对于开关臂的功率晶体管的每一个切换，第一或第二控制装置3、4使用脉冲宽度调制(PWM)的控制，其使得可以定义整流器级1、1′和逆变器级2、2′的每个晶体管的切换的时刻。PWM的常规控制是交叉类型的并且引起将对称或不对称的三角载波与一个或多个调制信号相比较。载波和调制信号之间的交叉点定义功率晶体管的闭合和断开的切换的时刻。

根据本发明，可以共用第一控制装置和第二控制装置，并且它们可以包括公共的微处理器，管理整流器级1、1′和逆变器级2、2′二者的控制。

本发明的控制方法应用于在整流器级1、1′和逆变器级2、2′上包括相同数目的开关臂(例如，三个开关臂)的变换器，每个臂包括至少两个功率晶体管。优先地，整流器级1、1′的电平的数目等于逆变器级2、2′的电平的数目。在图1中，因而双电平的整流器级1与传统的双电平的逆变器级2关联。类似地，在图2中，“维氏”类型的三电平的整流器级1′与NPC类型的三电平的逆变器级2′关联。

以下在描述中，我们将集中于图1所示的传统的双电平的变速驱动器的情况。

本发明的目的是显著地减小功率变换器中的共模电流，例如变速驱动器类型的功率变换器，其包括有源整流器级1和逆变器级2。

此变速驱动器结构事实上具有链接到逆变器级2和整流器级1上切换的存在的共模电压的两个源极。通过切换，逆变器级2生成被称为Vmcinv的共模电压，以及整流器级1生成共模电压Vmcrec，这些由以下关系定义：

Vmcinv = \frac{V_{U 0} + V_{V 0} + V_{W 0}}{3}

Vmcrec = \frac{V_{R 0} + V_{S 0} + V_{T 0}}{3}

其中：

-V_U0、V_V0、V_W0对应于逆变器级的输出相U、V、W上的单个电压，参考DC供电总线的底部点(O)，

-V_R0、V_s0、V_T0对应于整流器级的每个臂的单个电压，参考DC供电总线的底部点(O)。

变速驱动器的总的共模电压等于由整流器级1和逆变器级2提供的干扰的总和。由于由整流器级1和逆变器级2生成的共模电压具有相反的符号，因此获得表示变速驱动器上生成的总的共模电压的以下关系：

Vmc = \frac{V_{U 0} + V_{V 0} + V_{W 0}}{3} - \frac{V_{R 0} + V_{S 0} + V_{T 0}}{3}

假定整流器级1和逆变器级2以相同的开关频率切换，因此，与传统的变速驱动器相比，具有有源整流器的变速驱动器生成两倍的共模电压的变化。

因此，本发明的原理是利用由整流器级1生成的共模电压来抵消逆变器级2生成的共模电压，或反之亦然。

为此，本发明的控制方法在于以同步方式(在时间上同步)控制逆变器级2和整流器级1，以使得施加到输入相R、S、T的电势的变化(＝上升沿或下降沿)总是对应于施加到输出相U、V、W的相同符号的电势的变化(＝上升沿或下降沿)。为此，专用于整流器级1的第一控制装置3因此不得不与专用于逆变器级2的第二控制装置4同步。

因而，理论上，它涉及实施整流器级1和逆变器级2之间的两倍切换，以使得由整流器级1的开关臂的切换产生的上升电压沿FM或下降电压沿FD的产生分别与由逆变器级2的开关臂的切换产生的上升电压沿FM和下降电压沿FD的产生一致。更具体地，对于逆变器级2的开关臂上的脉冲，对于此脉冲的上升电压沿的产生与由整流器级的开关臂生成的脉冲的上升电压沿的产生一致，以及此脉冲的下降电压沿的产生与因此由整流器级的另一个开关臂生成的另一个脉冲的下降电压沿的产生一致。因此利用整流器级的两个不同的开关臂执行由逆变器级的开关臂产生的两个沿(上升和下降)的同步。显然，相同的推理从来自于整流器级1的脉冲开始应用。以这种方式，因而可以通过观察确定的选择定则，诸如如下结合图4所述的选择定则，来产生所有切换的总同步。

这样的结果是由整流器级1上的臂的切换生成的共模电压和由逆变器级2上的臂的切换生成的共模电压抵消。

为了产生总同步，第一和第二控制装置3、4被配置以便能够在时间上移动分别由整流器级1和逆变器级2的开关臂生成的每个电压脉冲。

逆变器级(图3中的INV)和整流器级(图3中的REC)之间的总同步的示例如图3所示。在此图3中，由整流器级1的开关臂10a、10b、10c的控制生成的每个上升电压沿FM在时间上与由逆变器级2的开关臂20a、20b、20c的控制产生的上升电压沿FM的产生同步。类似地，由整流器级1的开关臂10a、10b、10c的控制生成的每个下降电压沿FD在时间上与由逆变器级2的开关臂20a、20b、20c的控制产生的下降电压沿FD的产生同步。

使得可以实现这样的总同步的示范性算法如图4所示。

此算法包括由控制装置3、4实施的多个连续步骤。

第一比较步骤E在于确定要被施加到整流器级1的最长脉冲MaxRec是否比要被施加到逆变器级2的最长脉冲MaxInv长。

如果不，则：

要被施加到逆变器级2的最长脉冲MaxInv的下降电压沿FD与要被施加到整流器级1的最长脉冲MaxRec的下降电压沿FD同步(E0)。

如果要被施加到逆变器级2的中间持续时间的脉冲IntInv比要被施加到整流器级1的中间持续时间的脉冲IntRec长(E1)，则：

·与要被施加到整流器级1的最长脉冲MaxRec对应的上升电压沿FM与要被施加到逆变器级2的中间持续时间的脉冲IntInv的上升电压沿FM同步(E10)，

·要被施加到逆变器级2的中间持续时间的脉冲IntInv的下降电压沿FD与要被施加到整流器级1的中间持续时间的脉冲IntRec的下降沿FD同步(E11)，

·要被施加到整流器级的中间持续时间的脉冲IntRec的上升电压沿FM与要被施加到逆变器级2的最短持续时间的脉冲MinInv的上升电压沿FM同步(E12)，

·要被施加到逆变器级2的最短短脉冲MinInv的下降电压沿FD与要被施加到整流器级的最短脉冲MinRec的下降电压沿FD同步(E13)，

·要被施加到整流器级1的最短脉冲MinRec的上升电压沿FM与要被施加到逆变器级2的最长脉冲MaxInv的上升电压沿FM同步(E14)。

如果要被施加到逆变器级的中间持续时间的脉冲IntInv比要被施加到整流器级1的中间持续时间的脉冲IntRec短(E1)，则：

·要被施加到整流器级的最长脉冲MaxRec的上升电压沿FM与要被施加到逆变器级的最短脉冲MinInv的上升电压沿FM同步(E100)，

·要被施加到逆变器级的最短脉冲MinInv的下降电压沿FD与要被施加到整流器级的最短脉冲MinRec的下降电压沿FD同步(E101)，

·要被施加到整流器级1的最短脉冲MinRec的上升电压沿FM与要被施加到逆变器级的中间持续时间的脉冲IntInv的上升电压沿FM同步(E102)，

·要被施加到逆变器级2的中间持续时间的脉冲IntInv的下降电压沿FD与要被施加到整流器级的中间持续时间的脉冲IntRec的下降电压沿FD同步(E103)，

·要被施加到整流器级1的中间持续时间的脉冲IntRec的上升电压沿FM与要被施加到逆变器级的最长脉冲MaxInv的上升电压沿FM同步(E104)，

如果是，则：

要被施加到整流器级1的最长脉冲MaxRec的下降电压沿FD与要被施加到逆变器级2的最长脉冲MaxInv的下降沿FD同步(E00)。

如果要被施加到整流器级1的中间持续时间的脉冲IntRec比要被施加到逆变器级2的中间持续时间的脉冲IntInv长(E2)，则：

·要被施加到逆变器模块2的最长脉冲MaxInv的上升电压沿FM与要被施加到整流器模块的中间持续时间的脉冲IntRec的上升电压沿FM同步(E20)，

·要被施加到整流器模块的中间持续时间的脉冲IntRec的下降电压沿FD与要被施加到逆变器模块2的中间持续时间的脉冲IntInv的下降电压沿FD同步(E21)，

·要被施加到逆变器模块2的中间持续时间的脉冲IntInv的上升电压沿FM与要被施加到整流器模块的最短脉冲MinRec的上升电压沿FM同步(E22)，

·要被施加到整流器模块的最短脉冲MinRec的下降电压沿FD与要被施加到逆变器模块的最短脉冲MinInv的下降电压沿FD同步(E23)，

·要被施加到逆变器模块的最短脉冲MinInv的上升电压沿FM与要被施加到整流器模块的最长脉冲MaxRec的上升电压沿FM同步(E24)。

如果要被施加到整流器级的中间持续时间的脉冲IntRec比要被施加到逆变器级的中间持续时间的脉冲IntInv短(E2)，则：

·要被施加到逆变器级的最长脉冲MaxInv的上升电压沿FM与要被施加到整流器模块的最短脉冲MinRec的上升电压沿FM同步(E200)，

·要被施加到整流器模块的最短脉冲MinRec的下降电压沿FD与要被施加到逆变器模块的最短脉冲MinInv的下降电压沿FD同步(E201)，

·要被施加到逆变器模块的最短脉冲MinInv的上升电压沿FM与要被施加到整流器模块的中间持续时间的脉冲IntRec的上升电压沿FM同步(E202)，

·要被施加到整流器模块的中间持续时间的脉冲IntRec的下降电压沿FD与要被施加到逆变器模块的中间持续时间的脉冲IntInv的下降电压沿FD同步(E203)，

·要被施加到逆变器模块2的中间持续时间的脉冲IntInv的上升电压沿FM与要被施加到整流器级的最长脉冲MaxRec的上升电压沿FM同步(E204)。

根据本发明，上文结合图3和4描述的整流器级1和逆变器级2之间的总同步可以对于每一个开关周期实现，并且有系统地操作，最后两个上升电压沿被自动同步。这具体地由以下事实说明：施加到整流器级1的脉冲的宽度的总和等于施加到逆变器级2的脉冲的宽度的总和，以及在整流器部分上增加脉冲宽度(在图3中向右的过程)而减少在逆变器部分上的脉冲宽度(在图3中向左的过程)。

显然，在不脱离本发明的框架下，可以设计其它的变型和细节的细化以及类似地考虑等效的装置的使用。

Claims

1.一种用来减小功率变换器中的共模电流的控制方法，其包括：

-连接到多个输入相(R、S、T)的整流器级(1、1')和连接到多个输出相(U、V、W)的逆变器级(2、2')，

-DC供电总线，将整流器级(1、1')链接到逆变器级(2、2')，并且包括第一供电线和第二供电线，每条供电线施加电势，

-整流器级(1、1')和逆变器级(2、2')每个包括连接到第一供电线和第二供电线的2-3个开关臂(10a、10b、10c、20a、20b、20c)，

-整流器级(1、1')的第一控制装置(3)，用于在切换时间期间将每个输入相(R、S、T)有选择地连接到第一供电线或第二供电线，

-逆变器级(2、2')的第二控制装置(4)，用于在切换时间期间将输出相(U、V、W)有选择地连接到第一供电线或第二供电线，

-其特征在于，在每个开关周期上，以同步方式控制整流器级(1、1')和逆变器级(2、2')，以使得施加到输入相(R、S、T)的电势的变化总是对应于施加到输出相(U、V、W)的相同符号的电势的变化，

在开关周期上，由逆变器级(2)的第一开关臂产生的脉冲的上升电压沿(FM)的产生与由整流器级的第一开关臂产生的脉冲的上升电压沿(FM)的产生一致，以及由逆变器级(2)的第一开关臂产生的脉冲的下降电压沿(FD)的产生与由整流器级(1)的第二开关臂产生的脉冲的下降电压沿(FD)的产生一致。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对施加到整流器级(1、1')和逆变器级(2、2')的脉冲宽度调制的作用，以同步方式控制该整流器级(1、1')和逆变器级(2、2')。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过遵循确定规则来以同步方式控制该整流器级(1、1')和逆变器级(2、2')，每个确定规则考虑逆变器级和整流器级的每个开关臂的切换时间。

4.一种用来减小功率变换器中的共模电流的控制系统，其包括：

-连接到多个输入相(R、S、T)的整流器级(1、1')，和连接到多个输出相(U、V、W)的逆变器级(2、2')，

-DC供电总线，将整流器级(1、1')链接到逆变器级(2、2')，以及包括每个施加有电势的第一供电线和第二供电线，

-整流器级(1、1')的第一控制装置(3)，采用脉冲宽度调制来将每个输入相(R、S、T)有选择地连接到第一供电线或第二供电线，

-逆变器级(2、2')的第二控制装置(4)，采用脉冲宽度调制来将输出相(U、V、W)有选择地连接到第一供电线或第二供电线，

-其特征在于，同步该整流器级(1、1')的第一控制装置(3)和逆变器级(2、2')的第二控制装置(4)，以使得施加到输入相(R、S、T)的电势的变化总是对应于施加到输出相(U、V、W)的相同符号的电势的变化，

在开关周期上，该第一控制装置和第二控制装置被布置为以使得由逆变器级(2)的第一开关臂产生的脉冲的上升电压沿(FM)的产生与由整流器级的第一开关臂产生的脉冲的上升电压沿(FM)的产生一致，以及由逆变器级(2)的第一开关臂产生的脉冲的下降电压沿(FD)的产生与由整流器级(1)的第二开关臂产生的脉冲的下降电压沿(FD)的产生一致。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，第一控制装置(3)和第二控制装置(4)被配置以便能够在时间上移动分别由整流器级(1)和逆变器级(2)的开关臂生成的每个电压脉冲。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，该整流器级(1、1')和逆变器级(2、2')每个包括三个开关臂(10a、10b、10c、20a、20b、20c)，在每个开关臂上具有两个功率晶体管(100)。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，该整流器级(1、1')和逆变器级(2、2')被配置以便能够生成相同数目的电势电平。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，该逆变器级(2、2')是NPC类型的。