CN103427689A - 逆变器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及逆变器装置，用于在由具备开关元件的多个相的桥臂开关构成的逆变器电路装置中，抑制恢复电流以短路状态向桥臂开关流动。由分别具有一对开关元件的主桥臂开关以及辅助桥臂开关构成一个相，在用于将直流电力变换成交流电力的主桥臂开关的一对开关元件的公共连接点与用于通过恢复电流的辅助桥臂开关的一对开关元件的公共连接点之间连接限流电抗器。
Description
技术领域
本发明的实施方式涉及具有开关元件桥接的构成的逆变器装置。
背景技术
逆变器装置、例如电压型三相逆变器装置具备3相的量的桥臂开关（switching leg），该桥臂开关由串联连接的一对开关元件（将一方称为正侧，将另一方称为负侧）构成。通过对各桥臂开关的开关元件的接通断开进行PWM（Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制）控制，来将直流电力变换成交流电力。由于此时的开关控制模式（switching pattern）按照在一个桥臂开关内一对开关元件不同时接通的方式而夹设有两者都处于断开状态的时间段（死区时间（dead time）），所以不会发生直流电源经由桥臂开关被短路的情况。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平5－111263号公报
但是，应该防止的短路电流除了因上述那样的原因引起之外，还存在经过续流二极管的短路电流的问题。即，与构成逆变器的一对开关元件通常以反向并联的方式具备续流二极管（free-wheeling diode）。公知如果从一对正侧及负侧开关元件在死区时间中都断开的状态起例如正侧开关元件转向接通，则经过该接通的开关元件的电流成为在负侧开关的续流二极管中反向通过的短路电流。还公知其原因在于因续流二极管的残留载流子引起的恢复电流（recovery current）。
由于恢复电流为尖锐的针状波形，所以带来大的浪涌电压，引起激烈的噪声，因此导致使底盘电位变动、使控制的误差放大、使开关损失增大等各种故障。专利文献1中公开了一种用于避免该情况的降低三相电压型逆变器中的恢复电流的技术。其公开的解决方案是与所有的各开关元件串联夹设限流电抗器，与该开关元件和电抗器的串联电路并联具备续流二极管的构成。该构成不需要软件的辅助，但稳定电流总是通过限流电抗器，在想要避免损失增大的用途上是不利的。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够有效抑制恢复电流，而且不招致控制方面的复杂化，并且能够将恢复电流能量利用为负载能量的逆变器装置。
该逆变器装置具有：正侧及负侧的直流输入线、将分别反向并联具备二极管的一对开关元件串联连接而成的主桥臂开关、和将分别反向并联具备二极管的一对开关元件串联连接而成的辅助桥臂开关。在上述正侧及负侧的直流输入线间连接以上述主桥臂开关与辅助桥臂开关的组作为1相的多个相，在各相内的主桥臂开关的两个开关元件的公共连接点与辅助桥臂开关的两个开关元件的公共连接点之间连接限流电抗器。
附图说明
图1是该实施方式的逆变器装置的电路图。
图2是摘录图1的电路图的一部分进行表示的电路图。
图3是用于对图1的动作进行说明的信号以及电流波形图。
具体实施方式
该实施方式的逆变器电路1是从与直流电源2连接的正侧直流输入线3以及负侧直流输入线4接收直流电力，并将其转换成交流电力的电路。直流电源2可以是电池，也可以是DC—DC转换器。该逆变器电路1由多相例如U、V、W这3相的主桥臂开关5U、5V、5W和与这些各主桥臂开关分别构成组的辅助桥臂开关6U、6V、6W构成。将这些桥臂开关5U～6W连接在直流输入线3以及4间。U相的主桥臂开关5U通过将2个开关元件7UP和7UN串联连接而成，同样，主桥臂开关5V由2个开关元件7VP与7VN构成，主桥臂开关5W由2个开关元件7WP与7WN构成。而且，U相的辅助桥臂开关6U通过将2个开关元件8UP与8UN串联连接而成，同样，V相的辅助桥臂开关6V由2个开关元件8VP与8VN构成，W相的辅助桥臂开关6W由2个开关元件8WP与8WN构成。
在U相的主桥臂开关5U的两个开关元件7UP和7UN的公共连接点9U与U相的辅助桥臂开关6U的两个开关元件8UP和8UN的公共连接点10U之间连接限流电抗器11U。与此相同，对于其他各相，也在公共连接点9V与10V之间、以及9W与10W之间分别连接限流电抗器11V以及11W。主桥臂开关5U、5V、5W的公共连接点9U、9V、9W也是逆变器电路1的输出端子，它们与作为负载的旋转电机、例如无刷马达12的各定子绕组12U、12V、12W连接。构成主桥臂开关的6个开关元件7UP～7WN以及构成辅助桥臂开关的6个开关元件8UP～8WN由半导体开关元件、例如FET构成，分别具备反向并联的续流二极管D1。该续流二极管D1也可以是寄生于FET的电容成分。
本实施方式的逆变器装置包括控制部13，该控制部13输出对12个开关元件7UP～7WN以及8UP～8WN进行接通断开控制的开关控制信号。该控制信号是在这种逆变器装置中广泛公知的PWM信号。其中，图中14是平滑电容器。
接着，参照图2以及图3对上述构成的作用进行说明。逆变器电路1的UVW相的主桥臂开关5U、5V、5W中的开关元件7UP～7WN、以及辅助桥臂开关6U、6V、6W中的开关元件8UP～8WN的接通断开模式通过控制部13中的PWM控制，与将直流输入变换成三相正弦波交流的通常逆变器电路的接通断开模式相同。若基于图3对此进行说明，则U相主桥臂开关6U的开关元件7UP以及7UN的接通断开模式如图3的（b）、（d）所示，T1是所谓的死区时间。
在本实施方式中，辅助桥臂开关的开关元件的接通定时以规定时间先行于与该辅助桥臂开关具有组关系的主桥臂开关的开关元件的接通定时（提前了规定时间），断开定时也被定为先行于主桥臂开关的开关元件的断开定时的关系。若利用图3对此进行说明，则如图3的（a）、（b）所示，对于主桥臂开关5U的正侧开关元件7UP与辅助桥臂开关6U的正侧开关元件8UP的关系而言，在主桥臂开关的元件7UP接通的情况下，辅助桥臂开关的元件8UP在先行与此时的时刻t1接通。另外，将（a）（b）对比可知，辅助桥臂开关的元件8UP的断开动作先行于主桥臂开关的元件7UP的断开动作（时刻t2）。
对于这样的定时关系而言，U相中的主桥臂开关5U的负侧开关元件7UN与辅助桥臂开关6U的负侧开关元件8UN的关系也如图3（c）、（d）所示那样是同样的。基于上述那样的接通断开模式的电流路径如图2所示，其接通断开定时以及电流模式如图3所示，以构成直流‐交流变换的主体的主桥臂开关，作为一个例子是U相的主桥臂开关5U的下述那样的开关控制模式（一）、（二）为中心，对电流的流动进行说明。
（一）是从在死区时间T1内主桥臂开关5U的两个开关元件7UP、7UN都断开的状态正侧开关元件7UP接通（时刻t2）→该元件断开（t4）的模式。（二）是从在死区时间T1内主桥臂开关5U的两个开关元件7UP、7UN都断开的状态负侧开关元件7UN接通（时刻t6）→该元件断开（时刻t8）的模式。
在模式（一）中，首先在先行的时刻t1辅助桥臂开关6U的正侧开关元件8PU接通。于是如路径L1所示，电流Ia经由元件8PU以及限流电抗器11U，在与主桥臂开关5U的处于断开状态的负侧开关元件7UN反向并联的续流二极管D1中反向通过而到达负侧直流输入线4。如此产生在续流二极管D1中反向通过的电流是因为在上次的开关周期中由定子绕组保存的电能作为续流电流在该二极管D1中正向通过所产生的残留载流子引起的，是所谓的恢复电流。
该恢复电流的急剧上升通过限流电抗器11U被钝化，不会成为大的短路电流。随后，在时刻t2主桥臂开关5U的正侧开关元件7UP转为接通，转移到基于主桥臂开关5U的通常的PWM开关控制周期。先行接通的辅助桥臂开关6U的开关元件8UP在元件7UP的刚刚接通之后（时刻t3）断开。随着接通占空比（ON duty）的经过，正侧开关元件7UP断开（时刻t4）。
在紧接着上述模式（一）的模式（二）中，辅助桥臂开关6U的负侧开关元件8UN在先行于主桥臂开关5U的负侧开关元件7UN的接通的时刻t5接通。于是如路径L2所示，电流Ib在与处于断开状态的正侧开关元件7UP反向并联的续流二极管D1中反向通过，经过限流电抗器11U、先行接通的上述开关元件8UN而到达负侧直流输入线4。
这里，续流二极管D1中反向流过的电流也是因来自定子绕组的续流电流在与处于断开状态的正侧开关元件7UP反向并联的续流二极管D1中正向续流引起的恢复电流。该情况下，恢复电流的增大也被限流电抗器11U抑制。随后，主桥臂开关5U的负侧开关元件7UN在时刻t6转为接通，转移到基于主桥臂开关5U的通常的PWM开关控制周期。先行接通的辅助桥臂开关6U的开关元件8UN在元件7UN刚刚接通之后（时刻t7）断开。
基于上述那样的恢复电流的通过，在限流电抗器11U中通过辅助桥臂开关6U的开关元件8UP或者8UN的断开而保存电能，其在经过作为负载的定子绕组12U～12W的任意一个、在该时刻接通的主桥臂开关5U的开关元件、以及与辅助桥臂开关5U的成为断开的开关元件反向并联的续流二极管D1的闭环中的定子绕组内，作为电力被利用。其中，在图2以及图3中，电流Iu是U相的定子绕组电流，电流IUP以及IUN分别是通过开关元件7UP以及7UN的电流。
在该实施方式中，关于主以及辅助桥臂开关的开关元件的接通断开定时，在使辅助桥臂开关的接通断开定时比主桥臂开关的接通断开定时先行的过程中，对PWM控制的高速化而言，优选尽量缩短辅助桥臂开关的开关元件的接通期间。作为其方案，可以通过适当设定限流电抗器的时间常量，来使辅助桥臂开关的开关元件的接通期间比主桥臂开关的开关元件基于PWM控制的接通断开周期短，或者为了使其更短而使辅助桥臂开关的开关元件的断开时刻紧接在主桥臂开关的开关元件的接通时刻之后。
如上所述，根据该实施方式，能够提供下述的逆变器装置：可以有效地抑制带来各种弊端的恢复电流，并且由于使辅助桥臂开关的接通断开定时先行于主桥臂开关的接通断开定时，所以还不招致控制的复杂化，另外，能够将限流电抗器中在恢复电流抑制时保存的电能有效活用为电力。
Claims (4)
1.一种逆变器装置，其特征在于，具备：
正侧及负侧的直流输入线、将分别具备反向并联的二极管的一对开关元件串联连接而成的主桥臂开关、将分别具备反向并联的二极管的一对开关元件串联连接而成的辅助桥臂开关、和限流电抗器，
在上述正侧及负侧的直流输入线间连接以上述主桥臂开关与辅助桥臂开关的组作为1个相的多个相，在各相内的主桥臂开关的两个开关元件的公共连接点与辅助桥臂开关的两个开关元件的公共连接点之间连接上述限流电抗器。
2.根据权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，
具有对构成上述主桥臂开关的上述各开关元件的接通断开动作进行脉冲宽度调制控制的控制部，将上述限流电抗器的电感选定为作为时间常量的值，该时间常量小于等于主桥臂开关的开关元件的接通断开周期。
3.根据权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于，
上述控制部是使上述辅助桥臂开关的正侧及负侧的开关元件的接通动作分别先行于主桥臂开关的正侧及负侧的开关元件的接通动作而开始的构成。
4.根据权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于，
上述控制部是使上述辅助桥臂开关的正侧及负侧的开关元件的断开动作分别紧接在主桥臂开关的正侧及负侧的开关元件的接通动作之后开始的构成。
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