CN1024619C - 中性点钳位的电力逆变设备的控制装置 - Google Patents

中性点钳位的电力逆变设备的控制装置 Download PDF

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Abstract

一种控制中性点箝位电力逆变装置的控制装置，包括串联在具有中间端电压(Vd1，Vd2)两端间的自关断元件S1～S4，与S1～S4反向并联的二极管(D1～D4)，与S2、S3反向并联的二极管D5、D6串联电路，具有电源中间端节点。该控制装置包括：产生第一PWM控制信号的电路(Cu，Gu(S))，把第一PWM信号转换为第二PWM控制信号(g1，g2)的电路，并将其送给S1～S4。

Description

本发明涉及一种中性点钳位的电力逆变设备的控制装置，用来产生一种三级输出电压，应用于将交流电源变成直流电源的脉宽调制（PWM）控制的换流设备上，以及把直流电源变成交流电源的PWM控制的逆变设备上。还应用于其它类似的设备上。
在如图1所示的常规的中性点钳位的电力逆变设备的主电路中，标号Vd1和Vd2代表直流电源，S1到S4代表自关断元件，D1到D4代表续流二极管，D5和D6是钳位二极管，LOAD是负载。这种逆变设备的输出电压Vu按下述方式根据S1到S44个元件的通/断操作改变。注意总的直流电压Vd用下式表示：
Vd1＝Vd2＝Vd/2
当S1和S2导通时Vu＝+Vd/2
当S2和S3导通时，Vu＝0
当S3和S4导通时，Vu＝-Vd/2
在这种情况下，自关断元件必须成对导通。如果一旦有三个元件同时导通，相应的直流电源就被短路，并且这些元件将因过流而损坏。
例如，如果ON信号被分别输入给S1到S3元件，直流电源Vd1就会通过元件S1、S2、S3以及二极管D6短路。结果使这些元件流过一过量的短路电流而损坏。
为了防止这种直流短路，元件S1和S3被相反地操作，而元件S2与S4被相反地操作。即当元件S1导通时，元件S3截止，反之亦然。这种情况下，因为元件S1和S3收到OFF门极控制信号时不是立即截止，一个OFF信号被保持供给这些元件之一直到另一个元件完全截止为止。相应的这一段时间称为空闲时间，它被认为是一个必不可少的因素。类似地，当元件S2导通时，元件S4具有一个空间时间截止，反之亦然。
因此，常规的中性点钳位电力逆变设备是按图2所示的时间图表示的脉宽调制控制方法运行的。
参见图2，标号X、Y代表PWM控制的载波信号，信号X是其电平在+EMAX和-EMAX之间变化的三角波。信号X具有与信号X相反的值（或相位差为180°的三角波）。此外，标号ei代表PWM控制输入信号。
元件S1至S4的门极控制信号g1和g2借助于把输入信号ei与三角波X、Y进行比较而形成，更具体地说，
如果ei＞X并ei＞Y，g1＝1，使元件S1导通并且使元件S3截止。
如果ei≤X或ei≤Y，g1＝0，使元件S1截止，元件S3导通。
如果ei＜X并ei＜Y，g2＝1，使元件S4导通，元件S2截止。
如果ei≥X或ei≥Y，g2＝0，使元件S4截止，元件S2导通。
结果，输出电压Vu具有图2中最下部所示的波形。以此方式，
在中性点钳位的电力逆变设备中，可以获得一具有三级（+Vd/2，O，-Vd/2）电压波形并有少量高频分量的输出电压Vu。当此电压被加于电动机负载时，可减少电流脉动，从而实现减小转矩波动。
不过，在上述的常规的中性点钳位的电力逆变设备中提出了如下的问题。
如图3所示，在输入信号ei的电平很低时，每个门极控制信号g1与g2的脉冲宽度被减小了。如果这一脉冲宽度小于组成逆变器设备的元件S1至S4的最小导通时间△t，就会提出如下的问题。
在大容量的逆变装置中，使用GTO（控制极截止，gate.turn-off）晶闸管作为自关断元件，并在晶闸管上连接有缓冲电路用来限制截止期间内的过电压。当GTO晶闸管导通以便把缓冲电路中电容器的电压清除（放电）时，GTO晶闸管的导通状态必须维持一预定的时间间隔（最小导通时间△t，例如大约100微秒）。
在图3所示情况下，输入信号ei的电平被减小了，因此门极控制信号g1是“1”电平的时间间隔，即元件S1处于导通状态的时间间隔（元件S3是截止的）变得小于最小导通时间△t。因此，为了确保元件的最小导通时间，控制信号g1被修正以形成信号g1′，它具有一相应于最小导通时间△t的脉冲宽度。类似地，控制信号g2也被修正以形成信号g2′。结果使输出电压Vu具有图3中最下部所示的波形。因而，输出电压的平均值Vu为一恒定的正值或负值，而与输入信号ei的值无关，如图3中虚线所示。
这就是说，按照常规的中性点钳位的电力逆变装置的控制装置，当输入信号ei的电平减小时，输出电压V4成为常数而与输入信号ei无关。这便不能控制负截电流Iu。尤其当输出频率低时，电压误差
被积累以增加负载电流Iu，在最坏的情况下，相应的元件被损坏。
此外，如果输入信号ei的电平发生突变时，控制信号g1的脉宽被增加以确保元件S1的最小的导通时间△t。结果，因为其脉宽增加了的控制信号g1部分地与控制信号g2重选，元件S1导通，元件S2截止，元件S3截止，元件S4导通。因此，总的直流电压Vd＝Vd1+Vd2被加于元件S2或S4上，从而使元件S2或S4损坏。
上述的一般问题可以被归纳如下：
a.当输入信号ei的电平低时，控制自关断元件是不可能的。
b.为了防止直流短路，需要一个空闲时间来控制每个自关断元件。
c.如果输入信号ei的电平发生突变时，一个过压将加于相应的自关断元件上，因而使该元件损坏。
本发明的目的在于提供一种中性点钳位的电力逆变设备的控制装置，它可以确保每个元件的最小导通时间，并且在输入信号电平低时也能产生一正比于输入信号ei的输出电压，借以减少不可控范围。
本发明的另一目的在于，提供一种中性点钳位的电力逆变设备的控制装置，它不需要用无用的截止时间来控制每个自关断元件。
本发明的另一目的在于，提供一种中性点钳位的电力逆变设备的控制装置，它可以阻止每个元件由于输入信号电平的突变而被破坏。
按照本发明的第一个方面，提供了一种用来控制一种中性点钳位的电力逆变设备的电力逆变器控制装置，它包括第一至第四个自关断元件，依次地串联连接在具有一中间端子的电源端子之间，4个续流二极管与自关断元件反向并联接，一个第一和第二钳位二极管的串联
电路，与第二和第三个自关断元件反向并联连接，并具有一连接于电源中间端子的节点;一个控制装置，包括：一个用来按照一个输入信号电平产生一个初始的PWM控制信号的电路，一个PWM控制信号产生装置，用来把初始PWM控制信号转换或PWM控制信号，该信号的脉冲宽度等于初始PWM控制信号的脉冲宽度和相应于每个自关断元件的导通和截止时间之一的宽度之和，并把转换过的PWM控制信号供给第1至4个自关断元件。
按照本发明的第二方面，提供了一种用来控制一种中性点钳位的电力逆变设备的电力逆变器控制装置，包括：依次串联连接在具有一中间端子的电源端子之间的第一至第四个自关断元件;4个续流二极管，与自关断元件反向并联连接;一个第一、第二钳位二极管的串联电路，与第二第三个自关断元件的串联电路反向并联连接，并具有一个连接于电源中间端子的节点;一个控制装置，包括，一个三角波信号发生电路，用来产生一个其电平在正向改变的第一三角波信号和一个与第一三角波信号同相，其电平在负向改变的第二三角波信号;一个用来比较输入信号和三角波信号产生电路产生的第一和第二三角波信号从而产生PWM控制信号的电路，每个都具有相应于输入信号一个电平的宽度，并把控制信号施加到自关断元件上。
按照本发明的第三个方面，提供了一种用来控制一种中性点钳位的电力逆变设备的电力逆变器控制装置，包括：依次串联连接在具有一中间端子的电源端子之间的第1至第4个自关断元件;四个续流二极管，与自关断元件反向并联连接;一个第一第二钳位二极管的串联电路，与第二，第三个自关断元件的串联电路反向并联连接，并具有一个与电源中间端子相连的节点;一个控制装置，它包括一个给自关
断元件提供控制信号的电路，以便转换一种正输出型，此时第一，第二自关断元件导通，一种零输出型，此时第二，第三自关断元件导通，一种负输出型，此时第3，4自关断元件导通。以这种方式转换，即通过零输出型总能实现从正输出型到负输出型或从负输出型到正输出型的转换。
按照本发明的第4个方面，提供了一种用来控制一种中性点钳位电力逆变设备的电力逆变器控制装置，包括：依次串联连接在具有一中间端子的电源的端子之间的第一至第四个自关断元件;4个与自关断元件反向并联连接的续流二极管;一个第一，第二钳位二极管的串连电路，与第二第三自关断元件的串联电路反向并联连接，并具有一与电源中间端子相连的节点;一个控制装置，包括：一个用来检测电力逆变设备输出电流的方向的电流方向检测电路，并分别按照第一方向和第二方向（与第一方向相反）输出第一，第二方向检测信号，一个响应第一检测信号使第一，第二自关断元件截止，以及响应第二检测信号使第三，第四自关断元件截止的电路。
本发明的另外的目的和优点将在后面的说明中提出，部分优点中描述中可显然看出，或可通过实施发明知道。本发明的目的和优点可借助于权利要求中具体指出的技术方案理解和实现。
作为说明书一部分的附图说明了本发明现在的最佳实施例，结合上面一般的描述以及下面给出的最佳实施例的详细描述，本发明的原理将被解释。
图1所示为常规的中性点钳位电力逆变设备的主电路图;
图2是用来说明被常规的控制装置控制的设备的操作的时间;
图3是用来说明常规控制装置中存在的问题的时间图;
图4是带有主电路的本发明的一个实施例的中性点钳位电力逆变设备的控制装置的方块图;
图5是用来说明本发明运转的时间图;
图6是带有主电路的本发明的另一个实施例的中性点钳位电力逆变设备的控制装置的方块图;
图7是说明图6中控制装置的运转的时间图;
图8是说明图6所示实施例的运转时间的图;
图9是图8所示时间图的局部放大图;
图10是带有主电路的本发明的再一实施例的中性点钳位电力逆变设备的控制装置的方块图;
图11是说明图10所示装置的运转的时间图;
图12是说明应用本发明的中性点钳位的三相电力逆变设备的电路图。
图4是带有主电路的本发明的一个实施例的中性点钳位电力逆变设备的控制装置的方块图。显然此图所示为一单相（U相）的控制装置，其它两相（U和W相）的结构类似于U相控制装置。
电流检测器CTV的输出端连接到控制电路中的比较器Cu的另一输入端。电流设定值Iu＊被输入到比较器Cu的另一输入端。比较器Cu的输出端通过一个电流控制补偿电路GU（S）连接到限制器电路LIM1和LIM2的输入端。每个限制器电路LIMI和LIM2的输出端连接到相应的一个加法器A1和A2的一个输入端。每个加法器A1和A2的另一输入端施加一偏压△e。每个加法器A1和A2的输出端分别连接到比较器C1和C2的相应的一个输入端。比较器C1和C2的另一输入端被分别连接到三角波发生器TRG的输出端
X、Y。比较器C1和C2的输出端分别连接到Schmitt（施密特）电路SH1和SH2的输入端。
在上述电路中，U相负载电流被电流检测器CTu检测到并被输入到电流控制电路中的比较器Cu。比较器电路把电流设定值Iu＊与电流检测值Iu进行比较，获得一个差值εv＝Iu＊-Iu。偏差εv被电流控制补偿电路Gu（S）放大。被放大后的偏差作为一个输入信号ei然后被输入到限制器电路LIM1和LIM2。
输入信号ei被限制器电路LIM1和LIM2分成一正信号ei（+）和一负信号ei（-）。更具体地说，当输入信号ei＞0时，限制器电路LIM1输出ei（+）＝ei，当输入信号ei＜0时限制器电路LIM2输出ei（-）＝ei。
限制器电路的输出信号ei（+）和ei（-）被分别输入到加法器A1和A2。结果，偏压±△e被分别加到输出信号上：
ei（+）＊＝ei（+）+△e
ei（-）＊＝ei（-）-△e
三角波发生器产生两个三角波信号X、Y，并把它们分别送入比较器C1、C2。比较器C1把三角波X与输入信号ei（+）＊进行比较，通过Schmitt（施密特）电路SH1形成元件S1和S3的门极控制信号g1。比较器C2把三角波信号Y和输入信号ei（-）＊进行比较，通过Schmitt电路SH2产生元件S2和S4的控制信号g2。
图5是说明本发明工作的时间图。
作为PWM控制的载波信号X是一个三角波信号，它具有恒定的频率，并且其电平在O和+EMAX之间变化。载波信号Y是一三角波信号，它具有恒定的频率，其电平在O和-EMAX之间变化，并
与载波信号X同期。即：
当X＝+EMAX时，Y＝0
当X＝0时，Y＝-EMAX;
信号ei是电流控制补偿电路GU（S）的一个输出信号，信号ei（+）＊和ei（-）＊是通过限制器电路LIM1和LIM2以及加法器A1和A2获得的新的PWM控制输入信号。
门极控制信号g1和g2借助于将新的PWM控制输入信号ei（+）＊和ei（-）＊与上述的三角波信号X和Y进行比较得到：
当ei（+）＊＞X时，g1＝1，使元件S1导通（元件S3截止）。
当ei（+）＊≤X时，g1＝0，使元件S1截止（元件S3导通）。
当ei（-）＊＜Y时，g2＝1，使元件S4导通（元件S2截止）。
当ei（-）＊≥Y时，g2＝0，使元件S4截止（元件S2导通）。
在这种情况下，因为三角波信号Y和三角波信号X同相，当g1＝1时，不会产生g2＝1。
当门极控制信号g1、g2是借助于比较原始输入信号ei和三角波信号X而得到时，信号g1、g2分别具有图5中虚线所示的波形。在图5中虚线所示的波形中，每个控制信号g1＝1和g2＝1的实际时间间隔总是被延长了△t。更具体地说，按照本发明，每个元件的导通和截止信号的脉冲宽度不会减少到△t以下，而不管原始输入信号ei的幅值如何。这就确保了每个元件的最小导通时间和最小截止时间。
逆变设备的输出电压Vu根据元件S1、S2、S3和S4的通断操作按如下方式改变，注意到总的直流电压由Vd表示，并且Vd1＝Vd2＝Vd/2。
当元件S1、S2导通时，Vu＝+Vd/2。
当元件S2、S3导通时，Vu＝0。
当元件S3、S4导通时，Vu＝-Vd/2
因此，可以获得三个电平的输出电压。
输出电压Vu＝+Vd/2的时间间隔由元件S1的导通期间确定（g1＝1的时间间隔）。输出电压Vu的正的电压分量的平均值Vu（+）正比于新的PWM输入信号ei（+）＊。类似地，输出电压Vu＝-Vd/2的时间间隔由元件S4的导通期间确定（g2＝1的时间间隔）。输出电压Vu的负的电压分量的平均值正比于新的PWM输入信号ei（-）＊的值。
虽然正比于偏压△e的电压被加到正、负电压上，但从总的输出电压看来，这些电压彼此抵消了，因而平均电压Vu正比于初始输入信号ei。
这就是说，当初始输入信号为正时，所有正电压分量Vu（+）的脉冲宽度分别增加了△t，因而平均值是增加的。不过，在各个脉冲之间，输出了脉冲宽度为△t的负脉冲，从而抵消这个增加，当输入信号ei为负时，所有的负电压分量Vu（-）的脉冲宽度分别增加了-△t值，从而使平均值增加。不过，在各个负的偏移之间，输出了各自的脉冲宽度为△t的正脉冲，从而抵有了这个增加。照这种方式，逆变设备的输出电压Vu成为一正比于初始输入信号ei的值。即使初始输入信号ei的电平被减小，也能达到上述的效果。按照本发明，不管输入信号ei的幅值如何，总可以获得一正比于输入信号ei的输出电压，从而消除了不可控区，这是常规设备中存在的问题之一。
虽然在上述说明中载波信号X和Y的频率是恒定的，本发明同样
适用于载波信号X和Y的频度是可变的情况，只要这些波形的相位彼此一致即可。
在上述的实施例中，加法器A1、A2被分别联接在限制器电路LIM1和比较器C1以及限制器电路LIM2和比较器C2之间。不过，加法器A1、A2可以分别联接在比较器C1和C2与三角波发生器TRG的输出端之间。也就是说，偏压△e可以反方向地加到三角波信号上而不把偏压加到PWM控制输入信号ei（+）和ei（-）上。这种情况下，初始输入信号ei被分成正信号ei（+）和负信号ei（-），并且信号ei（+）与矩形波X′进行比较来产生元件S1和S3析控制信号g1。使用把偏压-△e加到三角波发生器TRG的信号X上获得的值作为三角波X，即
X′＝X-△e
当ei（+）＞X′时，g1＝1，使元件S1导通（元件S3截止）。
当ei（+）≤X′时，g1＝0，使元件S1截止（元件S3导通）。
此外，信号ei（-）与三角波信号Y′进行比较来获得元件S2和S4的门极控制信号g2。注意Y′＝Y+△e。
当ei（-）＜Y′时，g1＝1，使元件S4导通（元件S2截止）。
当ei（-）≥Y′时，g1＝0，使元件S4截止（元件S2导通）。
与图5所示的控制信号类似，以这种方式形成的每个门极控制信号g1、g2具有总是大于最小，导通时间（或最小截止时间）△t
的脉冲宽度。因此，即使初始输入信号ei减小，也可以获得与输入信号ei成正比的输出电压Vu。也就是说，PWM控制可全部范围内连续地实现，从而解决了常规设备中存在的问题。
如果把偏压△e加到输入信号ei（t）或ei（-）上来完成PWM控制，PWM控制的控制范围将变窄一个与偏压△e相应的量，这就减低了逆变设备的使用效率。尤其是在输入信号ei的绝对值增加的情况下，逆变设备使用效率的减低会带来问题。借助于仅当输入信号ei的绝对值小时才把偏压△e加到输入信号ei上并且当输入信号ei的绝对值增加时把偏压△e设定为零，可以防止逆变设备的利用率的降低。
当输入信号ei的绝对值增加设置偏压△e为零时，借助于使用初始输入信号ei而不使其通过限制器电路LIM1和LIM2来实现PWM控制可以避免相应的运转误差。尤其在逆变设备由模拟电路构成时，限制器电路或加法器偏移会带来的问题。不过，在这种情况下，由于初始输入信号被直接地输入以进行PWM控制，不会出现偏移带来的问题。
一般说来，在电动机或类似负载的情况下，输出电压与用于PWM控制的输入信号ei的幅值（峰值）基本上与逆变设备输出频率成正比地增加。在交流负载情况下，输入信号ei每1/2周经过零点，在零点附近可能发生不可控状态，不过，随着输出频率增加，相应的不可控期间被缩短了，这便基本上消除了不可控状态的影响。
因此，逆变设备的使用效率可借助仅当输出频率低时才把偏压△e加到输入信号ei上，并且当输出频率增加时将△e置零来消除不可控区来提高。
如上所述，在上述实施例的中性点钳位电力逆变设备的控制装置
中，即使用作PWM控制的输入信号ei的电平被减小，借助于每个元件的最小导通或截止时间△t可以避免不可控状态，并且可以得到正比于输入信号ei的输出电压Vu。此外，借助于根据输入信号ei的幅值或输出频率来转变偏压△e从一个值到另一个值，可以避免逆变设备利用效率的降低。
这就是说，提供了一个中性点钳位电力逆变设备的控制装置，其中每个元件的最小导通与截止时间被保证了，从而在即使输入信号电平低时也能产生正比于输入信号的输出电压，从而消除了不可控区。
按照本发明另一实施例的中性点钳位电力逆变设备的控制装置，将参照图6描述如下。
因为这一逆变设备的主电路与图4所示的相同，对该电路布置的说明将被略去。
用来控制逆变设备的一种控制装置，包括：用来比较电流检测器CTO的检测信号和电流给定信号Iu＊的比较器Cu;其输入端与比较器Cu的输出端相连的电流控制补偿电路GU（S）;与电流控制补偿电路GU（S）的输出端以及三角波发生器TRG的输出端X、Y分别相连的比较器C1C2;分别与比较器C1、C2的输出端相连的Schmitt电路SH1、SH2;分别与Schmitt电路SH1、SH2的输出端相连的单稳多谐振荡器MM1与MM2;分别与Schmitt电路SH1、SH2的输出端以及单稳多谐振荡器MM1、MM2的输出端相连的与门电路AND1、AND2。
按照上述的实施例，电流检测器CTU检测到U相负载电流Iu并输入到电流检测电路的比较器Cu。比较器Cu把电流给定值Iu＊与电流
检测值进行比较获得一个差值εv＝Iu＊-Iu。偏差εv被电流控制补偿电路GU（S）放大，放大后的偏差然后作为输入信号ei输入到比较器C1、C2。
三角波发生器TRG产生一三角波信号X、Y并将其送到比较器C1、C2。比较器C1比较三角波信号X与输入信号ei，从而通过Schmitt电路SH1形成一元件S1和S3的控制信号g1。比较器C2比较三角波信号Y与输入信号ei，从而通过Schmitt电路SH2产生一元件S2和S4的控制信号g2。
图7是说明本实施例工作的时间图。
用作PWM控制的载波信号X是一个三角波信号，其频率是恒定的，电平在O和+EMAX之间变化。载波信号Y是一具有恒定频率的，其电平在O和-EMAX之间变化的，并且与载波信号X同相位的三角波信号。即：
当X＝+EMAX时，Y＝0且
当X＝0时，Y＝-EMAX。
因此，b1点（X＝0）与b2点（Y＝-EMAX）之间的电压差相当于EMAX。
借助于把PWM控制输入信号ei与三角波信号X与Y进行比较形成门极控制信号g1、g2：
当ei＞X时，g1＝1，使元件S1导通（元件S3截止）。
当ei≤X时，产生g1＝0，使元件S1截止（元件S3导通）。
当ei＜Y时，产生g3＝1，使元件S4导通（元件S2截止）。
当ei≥Y时，产生g3＝0，使元件S4截止（元件S2导通）。
在这种情况下，逆变设备的输出电压Vu按如下变化。注意总直流电压用Vd表示，并Vd1＝Vd2＝Vd/2。
当元件S1、S2导通时，Vu＝+Vd/2。
当元件S2、S3导通时，Vu＝0。
当元件S3、S4导通时，Vu＝-Vd/2。
这样就得到了三个电平的输出电压，平均值Vu与输入信号ei成正比。
假定输入信号ei的值在a点突然改变，在这种情况下，因为门极控制信号g1的脉冲宽度变得小于元件S1的最小导通时间△t，信号g1被转换成图7中虚线所示的信号g1′以确保最小导通时间△t。不过，如果输入信号ei的电平变化小于EMAX，则信号ei在点a就不与三角波Y相交，门极控制信号g2保持为“0”，因此，g1′＝1和g2＝1的时间间隔彼此便不重迭，元件S1导通时元件S2总是导通的。类似地，当元件S4导通时，元件S3也总是保持在导通状态。
换句话说，当元件S2截止时，元件S1是截止的。在这种情况下，如果图6中的输出电流按箭头所示方向流动，二极管D3、D4就被导通使得总电压Vd被施加于元件S1和S2的串联电路上。不过，因为这两个元件是截止的，每个元件所加电压为Vd/2。类似地，当元件S3截止时，元件S4是截止的，使得每个元件所加电压不会超过Vd/2。
按照常规的PWM控制装置，如果输入信号ei在接近零点处改变，则可能存在总电压Vd被加在处于中间位置的一个元件S2或S3上面的错误。不过，按照本发明，这种错误可以消除。
当制备一种多个的中性点钳位的电力逆变设备时，要借助于在用于PWM控制的载波信号之间设定合适的的相位差来实现逆变设备的多路PWM，图7所示的两三角波信号X和Y之间保持的那种相位关系的载波信号被分别加于逆变设备上，从而阻止被由于负载的突然变化产生的过电压引起的破坏。
在按照上述实施例的中性点钳位电力逆变设备的控制装置中，即使输入信号的电平突然改变，也可以实现避免把点的直流电压加在一个元件上控制，从而消除了元件破坏的可能性，只要电平的变化不超出允许值。
下面将描述阻止输入信号ei的电平在一个宽的范围内突变的措施。
如图6所示的电路中，单稳多谐振荡器mml在门极控制信号g1的后沿开始工作，作为触发定时。在这一时刻，单稳多谐振荡器MM1产生一输出信号，它在一时间间隔△tM被置“0”，如图8中的定时图所示。类似地，单稳多谐振荡器MM2在门极控制信号g2的后沿开始工作，作为触发定时。按这一操作，单稳定谐振荡器MM2产生一信号，它在时间间隔△tM内被置“0”。
门极控制信号g1和单稳多谐振荡器MM2的输出信号被送到与门电路AND1相“与”，从而形成一新的控制信号g11，当单稳多谐振荡器MM2的输出信号为“0”时，控制信号g11被置在“0”，并在其它时间间隔内，控制信号g11被置于与控制信号g1相同的电平。
类似地，与门电路AND2完成控制信号g2和单稳多谐振荡器MM1输出信号的“与”操作，从而形成一新的门控制信号g22。当单稳多谐振荡器MM1的输出信号为“0”时，控制信号g22被置在“0”，
并且在其它时间间隔内被置成与控制信号g2相同的电平。
假定，在包括上述的单稳多谐振荡器控制电路中，PWM控制截波信号X是一三角波信号，其电平在0和+EMAX之间变化，频率恒定，以及载波信号Y也是一三角波信号，它与载波信号X同相，其电平在0和-EMAX之间变化，频率恒定，它们被分别施加于比较器C1和C2，并PWM控制输入信号ei在a点呈阶式变化。
在这种情况下，比较器C1、C2把PWM控制输入信号ei分别与三角波信号X、Y进行比较，以下述方式产生控制信号g1和g2：
当ei＞X时，g1＝1，
当ei≤X时，g1＝0，
当ei≥Y时，g2＝0，
当ei＜Y时，g2＝1，
单稳多谐振荡器MM1在门极控制信号g1的后沿工作并在时间间隔△tM内输出一“0”电平。类似地单稳多谐振荡器MM2在门极控制信号g2的后沿工作并在时间间隔的△tM内输出-“0”电平。
与门电路AND1计算门极控制信号g1和单稳多谐振荡器的输出信号m2的逻辑“与”。与门电路AND2计算门极控制信号g2和单稳多谐振荡器MM1的输出信号之间的逻辑“与”，并输出一新的门极控制信号g22，这就是说，“与”电路AND1与AND2输出下式表示的信号：
g11＝g1·m2;g22＝g2·m1
构成逆变设备的元件S1、S2、S3和S4被新的控制信号g11和g22控制通断如下：
当g11＝1时，元件S1导通（元件S3截止）
当g11＝0时，元件S3导通（元件S1截止）
当g22＝0时，元件S2导通（元件S4截止）
当g22＝1时，元件S4导通（元件S2截止）。
逆变设备的输出电压Vu按照元件S1、S2、S3和S4的通/断操作变化如下。注意总直流电压用Vd表示，且Vd1＝Vd2＝Vd/2。
当元件S1、S2导通时，Vu＝+Vd/2。
当元件S2、S3导通时，Vu＝0。
当元件S3、S4导通时，Vu＝-Vd/2。
也就是说，获得了一个三值输出电压。平均值Vu与输入信号ei成正比。
假定输入信号ei的电平在a点突然变化，在此情况下，因为控制信号g1的脉冲宽度变得小于元件S1的最小导通时间，信号g1就被转换成图8中虚线所示的新的控制信号g11，从而保证了最小导通时间△t。
虽然门极控制信号g2在点a时刻变成“1”，因为单稳多谐振荡器MM1输出m′被置在的“0”，新的控制信号g22在单移多谐振荡器MM1的设定时间△tM内保持为“0”。
如图9所示，它是用来表明在点a附近波形的放大的图。即使单稳多谐振荡器MM1在点a工作以在时间间隔△tM内输出信号M1＝0，以及门极控制信号g2的电平在a点由“0”变到“1”，新的控制信号g22也被保持在“0”。虽然另一个新的控制信号g11的脉冲宽度增加了一个与元件最小导通时间△t相应的量，通过设定△tM＞△t
便可阻止发生具有常规设备存在问题的运转方式。
虽然元件S1在g11＝1时被导通，当g11＝1时g22＝0，当元件S1导通时，元件S2也被导通，如图9所示，从而阻止了总的直流电压加在元件S2上，类似地，当g22＝1时，g11＝0，当元件S3导通时元件被导通，从而阻止了总的直流电压加在元件S3上。
换句话说，当元件S2截止时，元件S1截止。在这种情况下，如果图6中的逆变设备的输出电流Iu按箭头所示方向流通，二极管D3和D4就成为导通的，从而使得总电压Vd施加于元件S1和S2的串联电路上。不过，因为两个元件都截止，每个元件上所加电压为Vd/2，类似地当元件S3截止时，元件S4也截止，从而使加在每个元件上的电压不超过Vd/2。
按照常规的PWM控制装置，如果输出信号ei突然变化，则可能存在总的直流电压Vd加在元件S1至S4中的元件S2或S3中一个上的错误，这两个元件处于中间位置。不过，按照本发明这种错误可被消除。
在按照上述实施例的中性点钳位电力逆变设备的控制装置中，即使PWM控制输入信号的电平突变，也能实现避免把总直流电压加在一个元件上的控制，借此消除了损坏元件的可能性。
本发明的另一个实施例将参考图10说明如下。因为这一实施例的逆变设备的电路结构和前一实施例的相同，且同一标号代表同一部分，故对电路的说明将被省略。
按照这一实施例的控制电路，用来比较负载电流Iu和给定电流Iu＊的比较器Cu的输出端，通过电流控制补偿电路GU（S）连接于每个比较器C1和C2的输入端，比较器C1、C2中每一个的另一输入端
连接于三角波发生器TRG的X和Y输出端中相应的一个输出端、比较器C1、C2的输出端分别连接到Schmitt电路SH1和SH2的输入端。Schmitt电路SH1的输出端连接到与门电路AND1的一个输入端和反相器IV1的输入端，而Shmitt电路SH2的输出端连接到与门电路AND4的一个输入端和反相器IV2的输入端。每个反相器IV1和IV2的输出端连接到与门电路AND3和AND2中相应的一个的一个输入端。
被输入负载电流Iu的滞后电路HS的输出端连接到每个与门电路AND1和AND2的另一输入端，也通过反相器IV3连接到每个与门电路AND3和AND4的另一端输入端。
在图10所示的电路中，当U相负载电流被电流检测器CTU检测到并输入到电流控制电路的比较器Cu时，比较器Cu就把电流定值Iu＊与电流检测值Iu进行比较，从而得到一个偏差εv＝Iu＊-Iu。偏差εv被电流控制补偿电路GU（S）放大。然后将放大后的偏差作为实现PWM控制的输入信号ei输入到比较器C1和C2。
比较器C1把三角波发生器TRG的三角波信号X和输入信号ei进行比较，并把比较结果输入到Schmitt电路SH1。由于这一操作，从Schmitt电路SH1输出一个用于元件S1和S3的控制信号g1，类似地，比较器C2把三角波发生器TRG的三角波信号Y和输入信号ei进行比较，并把比较结果输入到Schmitt电路SH2，由此形成用于元件S2和S4的控制信号。
滞后电路HS用来检测逆变设备输出电流Iu的方向，并输出一个信号Sig如下：
当Iu≥0时，Sig＝1
当Iu＜0时，Sig＝0
信号g1、g2和Sig由反相器IV1至3IV1以及与门电路AND1至AND4按下述方式进行逻辑处理，从而形成控制信号gS1至gS4，用来控制元件S1至S4：
gS1＝g1·Sig
gS2＝ g2 ·Sig
g3＝ g1 · Sig
gS4＝g2· Sig
图10所示装置的运转将在下面参考图11的定时图进行说明。
PWM控制载波信号X为一三角波信号，其电平在0和+EMAX之间变化，频率恒定;载波信号Y为一三角波信号，与载波信号X同相，其电平在0和-EMAX之间变化，频率恒定。这两个载波信号被分别输入到比较器C1和C2。借此把PWM控制输入信号ei和三角波信号X、Y进行相互比较，从而形成下列信号g1和g2：
当ei＞X时，g1＝1，
当ei≤X时，g1＝0，
当ei＜Y时，g2＝1，
当ei≥Y时，g2＝0，
如果逆变设备的输出电流以图11中虚线所示的方式变化，滞后电路SH的输出信号Sig的电平在点a变从“0”变到“1”，在点b由“1”变为“0”。在这种情况下，用于元件S1的控制信号gS1变化如下：
当Sig＝1（Iu＞0）时，gS1＝g1使元件S1导通与截止。
当Sig＝0（Iu＜0）时，gS1＝0，使元件S1截止。
用于元件S2的控制信号gS2变化如下：
当Sig＝1（Iu＞0）时，gS2＝g2使元件S2导通与截止。
当Sig＝0（Iu＜0）时，gS2＝0，使元件S2截止。
用于元件S3的控制信号gS3变化如下：
当Sig＝1（Iu≥0）时，gS3＝0，使元件S3截止。
当Sig＝0（Iu＜0）时，gS3＝g1，使元件S3导通与截止。
用于元件S4的门极控制信号gS4的变化如下：
当Sig＝1（Iu≥0）时，gS4＝0，使元件S4截止。
当Sig＝0（Iu＜0）时，gS4＝g2，使元件S4导通与截止。
这就是说，当Iu≥0时，处于下部的元件S3和S4截止，而处于上部的元件S1和S2按照初始信号g1与g2进行通/断操作，借此实现PWM控制。
当Iu＜0时，处在上部的元件S1和S2截止，而处在下部的元件S3和S4按照初始信号g1和g2进行通/断操作，借此实现PWM控制。
由于这一操作，一个常规的空闲时间（idletime）△tD不需要了，并且逆变设备输出电压Vu具有取决于初始信号g1和g2的波形，初始信号g1和g2是借助于比PWM控制三角波X、Y和输入信号ei得到的。输出电压Vu的平均值正比于输入信号ei。
图10所示装置设计成借助于检测实际电流Iu来确定输出电流
的方向。在这种情况下，如果输出电流包含脉动分量，在零点附近电流将经常变为正或负，这使得判断困难。
为此，当逆变设备要被控制时，输出电流的方向最好用电流参考信号Iu＊确定。因为电流参考信号Iu＊不含脉动分量，零点的确定可以容易实现。特别是如果认为借助于电流控制，Iu＝Iu＊被设定，方向的判断仅含有少量误差。即使一个略微的相移发生，电流控制波形也只有轻微的畸变，从而不可能损坏元件。
如上所述，在按照本发明的中性点钳位电力逆变设备的控制装置中，借助于根据逆变器输出电流的方向使上部的两个自关断元件中的一个或使下部的两个自关断元件中的一个截止，消除了直流电源短路的运转方式。
因此，常规装置中需要的空闲时间不需要设定了。因此，提供了一种中性点钳位的电力逆变器设备的控制装置，用这种装置使逆变设备的使用效率得到了改善，减少了设备的尺寸，重量和成本，阻止了由于空闲时间引起的对电流控制系统的外部干扰，从而使负载可以得到一个无畸变的正弦波电流。
在上述的实施例中，仅以U相逆变器的控制为例进行了说明。不过，本发明也可以应用于V相和W相逆变器。此外，本发明可以应用于三相NPC逆变设备以为-三相三线负载供电，如图12所示。
按照12所示的三相NPC逆变设备V、V和W相逆变器电路INVu、INVv和INVw与直流电源Vd1和Vd2的串联电路并联连接。每个逆变器电路INVu、INVv和INVw具有参照上述实施例描述的V相逆变器电路的相同的电路结构。逆变器电路的输出端被分别连接于三相负载的端子上。
三相NPC逆变器设备的每个逆变器电路被一个上述实施例中描述的控制装置控制。
在上述实施例中，载波信号X和Y具有恒定的频率。不过，显然本发明也可应用于X、Y具有可变频率的情况，只要载波信号彼此同相。
为了描述方便的缘故，本发明用硬件的框图表示，不过，显然本发明可使用微机或其类似物借助于软件用算法操作来实现。
而且，在上述实施例中，本发明应用于把直流变成交流的逆变设备，不过，本发明也可应用于把交流变为直流的变流设备上。
对熟悉本领域的人来说，容易得到附加的优点和改型，因此，本发明在其较宽的方面并不限于具体细节以及此处所描述和表示的装置。因面，不脱离由待批权利要求限定的基本发明思想可以做出各种改型。

Claims (10)

1、一种用于控制中性点钳位电力逆变装置的电力逆变器控制装置，包括：依次串联连接在具有一个中间端子的电源(Vd1、Vd2)的两个终端之间的第一至第四个自关断元件(S1至S4)；与所述自关断元件反向并联连接的四个续流二极管(D1至D4)；第一和第二钳位二极管(D5、D6)的串联电路，与所述第二和第三自关断元件(S2、S3)的串联电路反向并联，并且有连接于所述电源中间端子的节点，其特征在于，所述控制装置包括：
第一个PWM控制信号发生装置(Cu、Gu(S))，用来产生一个具有与电流检测值(IU)相应的脉冲宽度的第一PWM控制信号(ei)；以及
第二PWM控制信号发生装置(LTM1、LIM2、A1、A2、C1、C2、SH1、SH2、TRG)用来把第一PWM控制信号转换成第二PWM控制信号(g1、g2)，每个控制信号具有等于第一PWM控制信号的脉宽和相应于每个所述自关断元件的一个导通或截止期间的脉宽之和的脉宽，并把第二PWM控制信号输送给所述第一至第四自关断元件。
2、按照权利要求1所述的电力逆变器控制装置，其特征在于，所述第一PWM控制信号发生装置包括：用来检测从所述逆变装置供给负载的电流的检测装置（CTU），检测得的电流作为电流检测值（IU）;一个用来输出一个偏差信号的偏差信号输出装置，所述偏差信号作为第一PWM控制信号，它相当于外部供给的电流给定信号（IU＊）和电流检测值（IU）之间的差。
3、按照权利要求1所述的电力逆变器控制装置，其特征在于，所述第二PWM控制信号发生装置包括：限制器装置（LIM1、LIM2），用来把第一PWM控制信号（ei）分成正，负信号;偏压装置，用来把一预定的偏压加到从限制器装置输出的正、负信号上，并输出偏移的正负信号;三角波发生装置（TRG），用来产生其电平沿正侧变化的第一三角波信号和其电平沿负侧变化的、和第一三角波信号同频率同相位的第二三角波信号;控制装置（C1、C2），用来把正信号和负信号分别与第一个和第二个三角波信号进行比较，从而各自获得一个差值，并用与这差相应的两个第二PWM控制信号对所述的第一、第三个自关断元件及所述的第二、第四自关断元件进行通/断控制。
4、一种用于控制一种中性点钳位的电力逆变装置的电力逆变器控制装置，包括：依次串联连接在具有一个中间端子的电源（Vd1、Vd2）的两个终端之间的第一至第四个自关断元件（S1至S4）;与所述自关断元件反向并联连接的四个连续二极管（D1至D4）;第一和第二钳位二极管（D5、D6）的串联电路，反向并联连接在所述第二和第三自关断元件（S2、S3）的串联电路上，并具有连接于所述电源中间端子的节点，其特征在于所述控制装置包括：
PWM控制信号发生装置（Cu，Gu（S）），产生PWM控制信号（ei），该信号的脉冲宽度相应于电流检测值（IU）;
三角波信号发生装置，用来产生其电平沿正侧变化的第一三角波信号（X）和其电平沿负侧变化的与第一三角波信号同相位的第二三角波信号（Y）;以及
控制装置（C1、C2），用来把所述PWM控制信号（ei）和来自所述三角波发生装置的第一、第二三角波信号进行比较，从而至少产生第一、第二门极信号（g1、g2），每个门极信号具有与PWM控制信号（ei）相应的脉冲宽度，并借助于此控制信号对所述自关断元件进行通/断控制。
5、一种如权利要求4所述的电力逆变器控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：检测装置（CTU），用来检测逆变器供给负载的电流用作电流检测值（IU）;偏差信号输出装置（Cu），用来输出一相当于外部提供的电流给定值信号（IU＊）和电流检测值（IU）之差的偏差信号;控制信号输出装置（C1、C2），用来把偏差信号和第一、第二三角波信号进行比较，并输出第一、第二门极控制信号（g1、g2）。
6、如权利要求5所述的电力逆变器控制装置，其特征在于，所述控制装置进一步包括：第一、第二单稳多谐振荡器（MM1，MM2），用来分别响应第一、第二控制信号（g1、g2）的后沿产生第一、第二脉冲信号（m1、m2），每个具有大于最小导通时间的脉冲宽度;用来把第一门极控制信号（g1）和第二脉冲信号（m2）相“与”，从而产生第二“与”信号的装置，所述控制装置借助于第一第二“与”信号控制所述自关断元件。
7、一种用于控制中性点钳位的电力逆变设备的电力逆变器控制装置，包括：依次串联连接在具有一个中间端子的电源（Vd1、Vd2）的两个终端之间的第一至第四个自关断元件（S1至S4）;与所述自关断元件反向并联连接的四个续流二极管（D1至D4）;第一和第二钳位二极管（D5和D6）的串联电路，反向并联连接在所述第二和第三自关断元件（S2、S3）的串联电路上，并且有连接于所述电源中间端子的节点，其特征在于，所述控制装置包括：
PWM控制信号发生装置（Cu，Gu（S）），产生PWM控制信号（ei），该信号的脉冲宽度相应于电流检测值（IU）;
三角波信号发生装置（TRG），用来产生其电平沿正侧变化的第一三角波信号（X）和其电平沿负侧变化的与第一三角波信号同相位的第二三角波信号（Y）;
控制装置（C1、C2），用来把所述PWM控制信号（ei）和来自所述三角波发生装置的第一、第二三角波信号进行比较，从而产生门极信号，为所述自关断元件供给该门极信号，从而实现使所述第一、第二自关断元件导通的正输出方式，使所述第二、第三个自关断元件导通的零输出方式和使所述第三、第四个自关断元件导通的负输出方式之间的转换，转换的方式是，从正输出方式到负输出方式或从负输出方式到正输出方式的转换总要通过零输出方式实现。
8、如权利要求7所述的电力逆变器控制装置，其特征在于，所述控制信号供给装置包括：当第一、第二门极控制信号（g1、g2）彼此重迭时，只充许一个PWM控制信号通过的装置（AND1、AND2）。
9、如权利要求7所述的电力逆变器控制装置，其特征在于，所述门极控制信号供给装置包括用来输出具有至少一个相应于每个所述自关断元件的一个导通或截止的期间的脉冲宽度的控制信号的装置。
10、一种如权利要求7所述的电力逆变设备的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：
电流方向检测装置（HS），用来检测所述电力逆变器输出电流的方向，并输出分别相当于第一方向和与其相反的第二方向的第一、第二检测信号;以及
用来响应第一检测信号使所述第一、第二自关断元件截止以及响应第二检测信号使所述第三、第四自关断元件截止的装置（C1、C2、IV1、IV2、AND1、AND2、AND3、AND4）。
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