CN102545672A - 三级逆变器器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三相逆变器器件，该三相逆变器器件可有效地将直流电压源的输出电压转换成具有宽范围的电压波动的交流电压。采用将直流电源的电压串联分压的电容器、由以反并联连接的方式连接有二极管的桥接半导体开关元件构成的逆变器电路、以及连接在电容器的连接点C和逆变器电路的交流输出端子之间的双向开关；当直流电源的电压低于指定值时，使逆变器电路作为普通三相逆变器操作，并且当直流电源的电压高于指定值时，使逆变器电路作为V形连接的逆变器操作，并且当使其作为V形连接的逆变器操作时，根据线电压或输出电流按顺序开关停止的相。

Description

三级逆变器器件

技术领域

本发明涉及三相逆变器器件，该三相逆变器器件将直流电压转换成三相交流电压。 

背景技术

太阳能电池、燃料电池及其类似物所生成的直流电功率被逆变器器件转换成交流功率并直接供应给负载，或者经转换交流功率与系统互联并供应给负载。然而，太阳能电池、燃料电池和其他电源具有输出电流增加越大，输出电压下降越多的特性。此外，太阳能电池及其类似物具有输出电压上升伴随着环境温度下降的特性。 

当具有这些特性的直流电源的输出电压被逆变器器件转换成交流电压时，一般而言，斩波电路设置在直流电源和逆变器器件之间。通过斩波电路的动作，将逆变器器件输入电压保持在指定值，并且可改进逆变器器件的电压利用率。 

然而，斩波电路的提供可以是阻止功率转换器件成本降低的因素。因此，采用一种不设置斩波电路且直流电源的电压直接转换成电流电压的方法。然而，该方法存在的问题在于，当直流电源的输出电压高时，逆变器器件的开关损耗增加且器件效率下降。 

因此，在日本专利公开No.3759334中，与驱动三相电动机的方法相关的，提出一种其中三相逆变器器件作为所谓V形连接的逆变器操作的方法(参见图8)。 

在图8中，1是直流电源。2是通过串联连接电容器21和电容器22来形成的电容器串联电路，并且连接到直流电源1的两端。电容器21和直流电源1的连接点是第一端子P，电容器22和直流电源1的连接点是第二端子N，并且电容器21和22的连接点是第三端子C。电容器21和22是平分直流电源1的电压的第一和第二直流电压源。 

3是三相逆变器电路，正极侧和负极侧上的输入端子连接到电容器串联电路的第一端子P和第二端子N。逆变器电路3包括其中连接到第一端子P的正 极侧半导体开关元件Qu至Qw和连接到第二端子N的负极侧半导体开关元件Qx至Qz连接成三相桥式配置的电路。此外，半导体开关元件Qu至Qw和Qx至Qz反并联连接到二极管Du至Dw和Dx至Dz。半导体开关元件Qu和Qx的连接点、Qv和Qy的连接点、以及Qw和Qz的连接点分别是逆变器电路3的交流输出端子U、V和W。 

4a是通过并联连接机械开关41和双向开关42来形成的开关电路。开关电路4a的一端连接到第三端子C，而另一端连接到交流输出端子V。5a是作为逆变器电路3的负载的电动机。6a是生成逆变器电路3和开关电路4a的控制信号的控制电路。 

在上述三相逆变器器件中，当电动机5a的旋转速度指令高于指定值时，逆变器电路3作为普通三相逆变器操作。此时，开关电路4a的机械开关41和双向开关42两者截止，并且所有三相半导体开关元件执行开关操作。结果，发生在三相逆变器器件中的大多数损耗发生在逆变器电路3的半导体开关元件中。 

另一方面，当电动机5a的旋转速度指令低于指定值时，逆变器电路3作为所谓V形连接的逆变器操作。此时，开关电路4a的机械开关41和双向开关42导通，且仅U相和W相的半导体开关元件执行开关操作。 

结果，发生在三相逆变器器件中的大多数损耗发生在U相和W相的半导体开关元件中。因此，与使逆变器电路3执行三相逆变器操作的情况相比，三相逆变器器件的损耗减少约2/3。 

然而，当使三相逆变器器件作为三相逆变器操作时，损耗一致在所有相的半导体开关元件中发生。另一方面，当使图8所示的三相逆变器器件作为V形连接的逆变器操作时，损耗只发生在U相和W相的半导体开关元件中。此外，发生在一个半导体开关元件中的损耗在使器件作为V形连接的逆变器操作时比在作为三相逆变器操作时大。 

发明内容

结果，在相同冷却条件下，存在的问题在于，V形连接的逆变器操作与三相逆变器操作相比输出容量减少。 

本发明被设计成解决以上问题，并且其目的在于，提供三相逆变器器件，该三相逆变器器件在作为V形连接的逆变器操作时使半导体开关元件的损耗呈 现均匀、并且实现器件的输出容量的改进。 

为了达到以上目的，本发明的三相逆变器器件包括：通过第一直流电压源和第二直流电压源串联连接来形成的直流电压源串联电路；连接到直流电压源串联电路的正极侧端子的第一端子，连接到直流电压源串联电路的负极侧端子的第二端子和连接到第一直流电压源和第二直流电压源的连接点的第三端子；以及各自以反并联连接的方式连接有二极管的三个开关元件串联电路组，这些开关元件串联电路组的每一个通过正极侧和负极侧半导体开关元件的串联连接来形成；开关元件串联电路各自的一端连接到第一端子而另一端连接到第二端子；并且正极侧半导体开关元件和负极侧半导体开关元件的连接点的每一个是三相交流输出端子，其中三相逆变器器件的每一相的交流输出端子经由双向开关连接到第三端子；以及当直流电压源串联电路两端之间的电压高于指定值时，使相中的一个相的正极侧和负极侧半导体开关元件不导通，并且使连接该相的交流输出端子和第三端子的双向开关导通，并且另外使另两相的正极侧和负极侧半导体开关元件以及连接到这些相的双向开关执行开关操作，但是当直流电压源串联电路两端之间的电压低于指定值时，使三相逆变器器件的所有相的正极侧和负极侧半导体开关元件以及双向开关执行开关操作。 

此外，本发明的另一优选实施例表征为，当直流电压源串联电路两端之间的电压高于指定值时，使交流输出端子之间的电压的绝对值最高的两个相的正极侧和负极侧半导体开关元件以及连接这些相的双向开关执行开关操作，并且使其余一个相的正极侧和负极侧半导体开关元件不导通，并且此外使连接到该相的双向开关导通。 

此外，本发明的另一优选实施例表征为，当在上述三相逆变器器件中直流电压源串联电路两端之间的电压高于指定值时，使从交流输出端子输出的电流的绝对值最大的相的正极侧和负极侧半导体开关元件不导通，并且此外使连接到该相的双向开关导通，并且另外使连接到另两相的正极侧和负极侧半导体开关元件以及双向开关执行开关操作。 

借助于本发明，取决于三相线之间的电压的状态或输出电流状态，当作为V形连接的逆变器顺序地开关执行开关操作的相时，可输出期望的三相交流电压。由此，半导体开关元件的损耗可呈现为均匀。 

此外，半导体开关元件的损耗可呈现为均匀，以使与相固定且执行V形逆变器操作的情况相比，可提供具有更高输出容量的三相逆变器器件。 

附图说明

图1用于解释本发明的三相逆变器器件； 

图2A用于解释使用RB-IGBT的开关电路，而图2B用于解释使用普通IGBT的开关电路； 

图3是用于解释本发明的三相逆变器器件的控制电路的框图； 

图4A用于解释本发明中的U相调制信号和载波信号之间的关系，图4B用于解释Qu控制信号，图4C用于解释Su控制信号，而图4D用于解释U相的相电压； 

图5A用于解释线电压指令的绝对值信号，而图5B用于解释调制信号； 

图6是用于解释本发明的三相逆变器器件的控制电路的框图； 

图7A用于解释输出电流的绝对值信号，而图7B用于解释调制信号；以及 

图8用于解释现有技术中的三相逆变器器件。 

具体实施方式

在下文中，参考图1至图7来解释本发明的实施例。在图1至图7中，与图8所示的现有技术中的三相逆变器器件共用的构成元件分配到相同的附图标记，并且省略其解释。 

图1解释本发明的三相逆变器器件的第一实施例。在该附图中，分配到附图标记1至3的构成元件与图8的三相逆变器器件的构成元件相同。 

4b是包括双向开关Sux、Svy和Swz的开关电路。双向开关Sux连接在电容器串联电路2的第三端子C和逆变器电路3的交流输出端子U之间。类似地，双向开关Svy连接在第三端子C和交流输出端子V之间，而双向开关Swz连接在第三端子C和交流输出端子W之间。双向开关Sux、Svy和Swz是其中RB(反向阻断)-IGBT(开关元件Su至Sw以及Sx至Sz)反并联连接的电路，如图2A所示，或者是其中普通IGBT(开关元件Su至Sw以及Sx至Sz)反并联连接的电路，如图2B所示。 

5b是三相交流电源，并且连接到逆变器电路3的交流输出端子U至W。7是检测直流电源1的端子之间的电压的直流电压检测器。8是检测从逆变器电路3输出的电流Iu、Iv和Iw的电流检测器。负载(未示出)连接在电流检测器8和三相电流源5b之间，并且从三相电流源5b或逆变器电路3供应功率。 

6b是基于以上检测器检测到的信号为逆变器电路3的半导体开关元件Qu至Qw和Qx至Qz生成控制信号Gu至Gw和Gx至Gz、为开关电路4b的开关元件Su至Sw和Sx至Sz生成控制信号Gsu至Gsw和Gsx至Gsz的控制电路。详细而言，控制电路6b如图3所示的框图地配置。在图3中，61是模式选择装置，62是逆变器电压指令装置，63是相电压/线电压转换装置，64是调制信号计算装置，而65是PWM计算装置。 

模式选择装置61将直流电压检测器7检测到的直流电源1的电压E和从相电压/线电压转换装置63输出的线电压指令信号Viuv、Vivw和Viwu作为输入。当直流电源1的电压E足以输出线电压指令Viuv、Vivw和Viwu的绝对值的最大值时，模式选择装置61输出指令(在下文中称为V形连接的逆变器指令)以使逆变器电路3作为V形连接的逆变器操作。另一方面，当直流电源1的电压E不足以输出线电压指令Viuv、Vivw和Viwu的绝对值的最大值时，模式选择装置61输出指令(在下文中称为三相逆变器指令)以使逆变器电路3作为普通三相逆变器操作。 

将电流检测器8检测到的逆变器电路3的输出电流Iu、Iv和Iw输入到逆变器电压指令装置62。当逆变器电路3执行与三相交流电源5b的互联操作时，逆变器电压指令装置62计算电压指令值以使输出电流Iu至Iw与指令值一致。计算结果被输出为相电压指令Viu、Viv和Viw。另一方面，当逆变器电路3未执行与三相交流电源5b的互联操作、但相反作为电压源操作时，逆变器电压指令装置62输出期望电压指令值作为相电压指令Viu、Viv和Viw。 

相电压/线电压转换装置63将从逆变器电压指令装置62输出的相电压指令Viu、Viv和Viw转换成线电压指令Viuv、Vivw和Viwu以供输出。 

当来自模式选择装置61的输出是三相逆变器指令时，调制信号计算装置64将逆变器电压指令装置62所输出的相电压指令Viu、Viv和Viw转换成每一相的第一和第二调制信号λu1、λu2、λv1、λv2、λw1和λw2以供输出。另一方面，当来自模式选择装置61的输出是V形连接的逆变器指令时，相电压/线电压转换装置63所输出的线电压指令Viuv、Vivw和Viwu被转换成每一相的第一和第二调制信号λu1、λu2、λv1、λv2、λw1和λw2以供输出。 

PWM计算装置65执行从调制信号计算装置64输出的每一相的第一和第二调制信号λu1、λu2、λv1、λv2、λw1和λw2与载波信号C的比较。PWM计算装置65输出通过比较所获得的信号作为半导体开关元件Qu至Qw和Qx至 Qz的控制信号Gu至Gw以及Gx至Gz、以及开关元件Su至Sw和Sx至Sz的控制信号Gsu至Gsw和Gsx至Gsz。 

接下来，参考图4A至4D和图5，将分开解释控制电路6b的操作与逆变器电路3作为普通三相逆变器的操作和作为V形连接的逆变器的操作。 

首先，当逆变器电路3作为普通三相逆变器操作时解释控制电路6b的操作。此时，模式选择装置61的输出是三相逆变器指令。此外，逆变器电压指令装置62和相电压/线电压转换装置63的操作如上所述。 

调制信号计算装置64基于从逆变器电压指令装置62输出的相电压指令Viu、Viv和Viw来计算每一相的调制信号λu、λv和λw。基于每一相的调制信号λu、λv和λw，计算每一相的第一和第二调制信号λu1、λu2、λV1、λv2、λw1和λw2。 

图4A示出U相的调制信号λu与U相的第一和第二调制信号λu1和λu2之间的关系，如每一相的调制信号以及每一相的第一和第二调制信号所示。U相的调制信号λu以及U相的第一和第二调制信号λu1和λu2通过λu1＝2×λu-1和λu2＝2×λu+1相关。然而，当作为以上关系的结果第一和第二调制信号λu1和λu2取1或1以上或者-1或-1以下的值时，第一和第二调制信号λu1和λu2限于1或-1。 

PWM计算装置65比较U相的第一和第二调制信号λu1和λu2以及载波信号C的幅值。作为比较的结果，PWM计算装置65在调制信号λu1和λu2高于载波信号C时生成高控制信号，并且在这些信号低于载波信号C时生成低控制信号。在图4B和4C中示出所生成的控制信号。图4B示出因U相的第一调制信号λu1和载波信号C相比较而获得的半导体开关元件Qu的控制信号Gu。图4C示出因U相的第二调制信号λu2和载波信号C相比较而获得的开关元件Su的控制信号Gsu。 

当控制信号Gu高时，半导体开关元件Qu导通，而当控制信号Gu低时，半导体开关元件Qu截止。以及当控制信号Gsu高时，开关元件Su导通，而当控制信号Gsu低时，半导体开关元件Su截止。 

U相半导体开关元件Qx的控制信号Gx是通过将开关元件Su的控制信号Gsu反相所获得的信号。而开关元件Sx的控制信号Gsx是通过将半导体开关元件Qu的控制信号Gu反相所获得的信号。 

逆变器电路3的半导体开关元件Qu和Qx以及双向开关Sux的开关元件 Su和Sx根据控制电路6b所生成的以上控制信号执行导通/截止操作。结果，将图4D所示的U相的相电压输出到逆变器电路3的交流输出端子U。 

通过类似过程生成V相和W相的控制信号，并且将V相和W相的相电压输出到逆变器电路3的交流输出端子V和W。结果，逆变器电路3作为普通三相逆变器操作，并且将期望三相交流电压输出到交流输出端子U至W。 

此时，半导体开关元件Qu至Qw和Qx至Qz以及开关元件Su至Sw和Sx至Sz执行一致开关操作，以使所有元件的损耗均匀。 

接下来，解释以下情况：对具有最高线电压的两个相执行开关操作，而其余一相的交流输出端子连接到电容器串联电路2的第三端子C以使逆变器电路3作为V形连接的逆变器操作。 

在此情况下，调制信号计算装置64基于从逆变器电压指令装置62输出的线电压指令Viuv、Vivw和Viwu来计算每一相的调制信号λu、λv和λw。此外，基于每一相的调制信号λu、λv和λw，计算每一相的第一和第二调制信号λu1、λu2、λv1、λv2、λw1和λw2。 

在下文中解释用于计算每一相的调制信号λu、λv和λw的方法的一个示例。首先，计算从逆变器电压指令装置62输出的线电压指令Viuv、Vivw和Viwu各自的绝对值。接下来，未包括在线电压指令Viuv、Vivw和Viwu的绝对值中最高的线电压中的相的相电压指令取0V。在此条件下，计算另两相的相电压指令。 

例如，在由图5A中的间隔UV所指示的间隔中，线电压Viuv的绝对值aViuv最高。因此，未包括在线电压指令Viuv中的W相的相电压指令Viw取0V。结果，U相的相电压指令Viu为Viu＝-Viwu，而V相的相电压指令Viv为Viv＝Viuv。接下来，通过执行间隔Wu、VW等的类似计算，可获得图5B所示的每一相的相电压指令Viu、Viv和Viw。从每一相的相电压指令Viu、Viv和Viw中可获得每一相的调制信号λu、λv和λw。 

此后，控制电路6b的操作与在作为普通三相逆变器操作上述逆变器电路3时相同。 

结果，可获得半导体开关元件Qu至Qw和Qx至Qz以及开关元件Su至Sw和Sx至Sz的控制信号。 

逆变器电路3的半导体开关元件Qu至Qw和Qx至Qz以及开关元件Su至Sw和Sx至Sz根据控制电路6b所生成的上述控制信号执行导通/截止操作。 此时，线电压指令的绝对值最高的两相的半导体开关元件执行开关操作。其余一个相的半导体开关元件处于截止状态，而连接到该相的双向开关处于导通状态。结果，逆变器电路3作为V形连接的逆变器操作。 

此外，当逆变器电路3作为V形连接的逆变器操作时，执行开关操作的相根据线电压指令的绝对值之间的幅度关系按顺序开关。结果，半导体开关元件的损耗呈现为均匀。 

接下来，解释以下情况：输出电流最大的相的交流输出端子连接到电容器串联电路2的第三端子C，而执行其余两相的开关操作以使逆变器电路3作为V形连接的逆变器操作。 

图6是用于解释此情况下的控制电路的框图。控制电路6c的构成元件与图3所示的控制电路6b的构成元件相同。然而，存在的差异在于，将电流检测器8检测到的输出电流Iu、Iv和Iw输入到调制信号计算装置64。此外，调制信号计算装置64的操作在逆变器电路3作为V形连接的逆变器操作时是不同的。 

具体而言，当从模式选择装置61输出V形连接的逆变器指令时，调制信号计算装置64将具有最高输出电流的相的电压指令取为0V，并且计算另两相的相电压指令。 

图7A和7B示出此情况下的输出电流绝对值和调制信号之间的关系的示例。例如，在由图7A中的间隔UV所指示的间隔中，输出电流Iw的绝对值aIw最高。因此，W相的相电压指令Viw被设置为0V。结果，U相的相电压指令Viu变成Viu＝-Viwu，而V相的相电压指令Viv变成Viv＝Viuv。接下来，通过执行间隔Wu、VW等的类似计算，可获得图7B所示的每一相的相电压指令Viu、Viv和Viw。并且从每一相的相电压指令Viu、Viv和Viw中可获得每一相的调制信号λu、λv和λw。 

此后，控制电路6c的操作与在作为普通三相逆变器操作上述逆变器电路3时相同。 

结果，可获得半导体开关元件Qu至Qw和Qx至Qz以及开关元件Su至Sw和Sx至Sz的控制信号。 

逆变器电路3的半导体开关元件Qu至Qw和Qx至Qz以及开关元件Su至Sw和Sx至Sz根据控制电路6c所生成的上述控制信号执行导通/截止操作。此时，具有最大输出电流绝对值的相的半导体开关元件处于截止状态。此外， 连接到该相的双向开关处于导通状态。另一方面，其余两相的半导体开关元件执行开关操作。结果，逆变器电路3作为V形连接的逆变器操作。 

此外，当逆变器电路3作为V形连接的逆变器操作时，执行开关操作的相根据输出电流的绝对值之间的幅度关系按顺序开关。结果，半导体开关元件的损耗呈现为均匀。 

Claims (3)

1.一种三相逆变器器件，包括：

通过第一直流电压源和第二直流电压源的串联连接来形成的直流电压源串联电路；

连接到所述直流电压源串联电路的正极侧端子的第一端子，连接到所述直流电压源串联电路的负极侧端子的第二端子和连接到所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点的第三端子；以及

各自以反并联连接的方式连接有二极管的三个开关元件串联电路组，所述开关元件串联电路组的每一个通过正极侧和负极侧半导体开关元件的串联连接来形成，

所述开关元件串联电路的每一个的一端连接到所述第一端子而另一端连接到所述第二端子，并且

所述正极侧半导体开关元件和负极侧半导体开关元件的连接点的每一个是三相交流输出端子，其中

所述三相逆变器器件的每一相的交流输出端子经由双向开关连接到所述第三端子；

当所述直流电压源串联电路的两个端子之间的电压高于指定值时，使所述相中的一个相的正极侧和负极侧半导体开关元件不导通，并且使连接所述相的交流输出端子和所述第三端子的双向开关导通，并且另外使另两相的正极侧和负极侧半导体开关元件以及连接到这些相的双向开关执行开关操作；以及

当所述直流电压源串联电路的两个端子之间的电压低于指定值时，使所述三相逆变器器件的所有相的正极侧和负极侧半导体开关元件以及双向开关执行开关操作。

2.如权利要求1所述的三相逆变器器件，其特征在于，当所述直流电压源串联电路的两个端子之间的电压高于指定值时，使所述交流输出端子之间的电压的绝对值最高的两相的正极侧和负极侧半导体开关元件以及连接这些相的双向开关执行开关操作，并且使其余一相的正极侧和负极侧半导体开关元件不导通，并且此外使连接到该相的双向开关导通。

3.如权利要求1所述的三相逆变器器件，其特征在于，当所述直流电压源串联电路的两个端子之间的电压高于指定值时，使从所述交流输出端子输出的电流的绝对值最大的相的正极侧和负极侧半导体开关元件不导通，并且此外使连接到该相的双向开关导通，并且另外使连接到其他两相的所述正极侧和负极侧半导体开关元件以及双向开关执行开关操作。

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