CN104348368A - 在变速驱动器中实现的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变速驱动器中实现的控制方法，所述方法包括：●对于整流器级(1)的晶体管(100)的开关动作，确定与要施加到将进行开关动作的晶体管的栅极的第一栅极电流对应的第一控制信号(C_e)，从而作用于由开关动作产生的第一电压(Vrec)的变化速率，●对于逆变器级(2)的晶体管(200)的开关动作，确定与要施加到将进行开关动作的晶体管的栅极的第二栅极电流对应的第二控制信号(C_s)，从而作用于由开关动作产生的第二电压(Vinv)的变化速率，●确定整流器级的晶体管的第一开关时刻(t_e)和逆变器级的晶体管的第二开关时刻(t_s)，●确定第一控制信号、第二控制信号、第一开关时刻和第二开关时刻以便最小化第一电压和第二电压之间的差。

Description

在变速驱动器中实现的控制方法

技术领域

本发明属于在变速驱动器中实现的用于减少共模电压和电流的控制方法以及对应的变速驱动器。

背景技术

变速驱动器包括连接至网络的几个输入相，例如如果它连接至三相网络则为三个输入相。连接到它的输入相，传统的变速驱动器包括整流器级，使得可以将网络提供的AC(交流)电压变换为DC(直流)电压。变速驱动器也包括DC电源总线，其装备有处于正电势的第一电源线和处于负电势的第二电源线以及在其间施加DC电压，以及连接在第一电源线和第二电源线之间并且意在维持总线上的DC电压恒定的总线电容器。总线电容器的下游，变速驱动器类型的电力转换器也包括逆变器级，其装备有几个开关臂，作为一般规则的三开关臂，每个连接到连线到电气负载的输出相。每个开关臂连接在总线的第一电源线和第二电源线之间，并且，例如在具有两个等级的转换器的情况下，每个开关臂包括用于将DC电压变换为用于电气负载的可变电压的两个受控功率晶体管。

安置在转换器的输入处的整流器级通过也包括几个开关臂(每个装备有例如至少两个功率晶体管)而能够是有源类型。这些晶体管每个由栅控制设备控制从而能够将网络的AC电压变换为施加到电源总线的DC电压。通常将在输入处具有有源整流器级的这种类型的转换器叫做“有源前端”。

在传统的方式中，逆变器级和整流器级的功率晶体管的命令是通过脉宽调制(以下，PWM)控制。交集(intersective)类型的PWM在于比较对称或不对称的三角载波与一个或多个模(modulant)。对于逆变器级或整流器级的功率晶体管，在载波和一个或多个模之间的交集定义晶体管的接通和切断的时刻。

已知提高施加到逆变器级的斩波频率导致共模电流的增加。所产生的共模电流可以沿着在变速驱动器和电气负载之间的不同路径。这些路径由在将变速驱动器链接到电气负载的线缆的导体之间，在发动机的绕组和定子之间或在功率半导体和接地消散器之间等产生的电容耦合创建。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。

已经开发出各种解决方案用于降低共模电流。这些解决方案可以包括增加无源滤波器和/或对整流器级和逆变器级的控制的动作。

例如，文献JP2003018853提出一种过程，用于通过同步整流器级的三个功率晶体管的接通(或切断)(高或低)与逆变器级的对应的三个晶体管的接通(或切断)(各自高或低)来降低变速驱动器中的共模电流。这种解决方案可以减小用于对共模电流滤波的滤波器的尺寸，因此减小了转换器的成本。然而，它不可能充分地降低共模电流。

专利US6,185,115也描述了一种可以同步整流器级的开关动作与逆变器级的开关动作从而减小共模电压的过程。正如关于上面引用的文献，这个过程不能令人满意，因为它不可以充分地减小在变速驱动器中的共模电压。事实上，所提出的方法在于：在上升和下降沿处，同步逆变器级的单个开关臂的开关动作与整流器级的单个开关臂的开关动作，从而在斩波周期上，可以在全部开关臂上只变为从十二个电压沿到八个电压沿。

专利申请EP2442436A2也描述了用于同步在整流器级和逆变器级之间的开关动作的过程。该过程可以同步整流器级的晶体管的每个开关动作和逆变器级的开关动作，从而可以减小产生的总的共模电压。

然而，在早先的这些专利中描述的解决方案是不够的。仅通过开关动作的同步，在整流器侧产生的共模电压和在逆变器侧产生的共模电压没有消除彼此。

本发明的目的是提出一种具有有源整流器的变速驱动器，其装备有用于以更显著的方式减少在整流器级的层级和逆变器级的层级产生的共模电压的解决方案。

发明内容

此目的通过在变速驱动器中实现的控制方法来完成，该变速驱动器包括：

●整流器级，连接到接收输入电流的若干输入相，以及逆变器级，连接到若干输出相，在输出相上流动有去往电气负载的输出电流，

●DC电源总线，将整流器级链接到逆变器级，并且包括第一电源线和第二电源线，

●整流器级和逆变器级每个包括连接到第一电源线和第二电源线的至少两个开关臂，每个开关臂包括至少两个晶体管，

该控制方法包括如下步骤：

●对于整流器级的晶体管的开关动作，确定与第一栅极电流对应的第一控制信号，该第一栅极电流要施加到将进行开关动作的晶体管的栅极，从而作用于由开关动作产生的第一电压的变化的速率，

●对于逆变器级的晶体管的开关动作，确定与第二栅极电流对应的第二控制信号，该第二栅极电流要施加到将进行开关动作的晶体管的栅极，从而作用于由开关动作产生的第二电压的变化的速率，

●确定整流器级的晶体管的第一开关动作时刻和逆变器级的晶体管的第二开关动作时刻，

●第一控制信号、第二控制信号、第一开关动作时刻和第二开关动作时刻被确定以便最小化在第一电压和第二电压之间的差。

根据特定特征，第一控制信号的确定考虑输入电流来执行。

根据另一特定特征，第二控制信号的确定考虑输出电流来执行。

本发明也涉及变速驱动器，包括：

●整流器级，连接到接收输入电流的若干输入相，以及逆变器级，连接到若干输出相，在输出相上流动有去往电气负载的输出电流，

●DC电源总线，将整流器级链接到逆变器级，并且包括第一电源线和第二电源线，

●整流器级和逆变器级每个包括连接到第一电源线和第二电源线的至少两个开关臂，每个开关臂包括至少两个晶体管，

该变速驱动器包括：

●对于整流器级的晶体管的开关动作，包括第一模块，用于确定与第一栅极电流对应的第一控制信号，该第一栅极电流要施加到将进行开关动作的晶体管的栅极，从而作用于由开关动作产生的第一电压的变化的速率，

●对于逆变器级的晶体管的开关动作，包括第二模块，用于确定与第二栅极电流对应的第二控制信号，该第二栅极电流要施加到将进行开关动作的晶体管的栅极，从而作用于由开关动作产生的第二电压的变化的速率，

●第三模块，用于确定整流器级的晶体管的第一开关动作时刻和逆变器级的晶体管的第二开关动作时刻，

●第一控制信号、第二控制信号、第一开关动作时刻和第二开关动作时刻被确定以便最小化在第一电压和第二电压之间的差。

根据特定特征，考虑输入电流来设计第一确定模块。

根据另一特定特征，考虑输出电流来设计第二确定模块。

根据另一特定特征，变速驱动器包括连接到每个晶体管的栅极的一组电阻器从而能够改变其栅极电流。

根据另一特定特征，考虑在整流器级的将进行开关动作的晶体管中产生的开关损耗来设计第一确定模块。

根据另一特定特征，考虑在逆变器级的将进行开关动作的晶体管中产生的开关损耗来设计第二确定模块。

附图说明

在关于附图提供的以下详细的描述中，其他特征和优点将变得显然，附图中：

●图1以示意方式表示根据本发明的变速驱动器；

●图2示出在本发明的变速驱动器中实现的本发明的控制方法；

●图3A和3B表示用于改变要控制的晶体管的栅电流的在本发明的变速驱动器中实现的两个可能的变型；

●图4A和4B表示两条曲线，使得可以示出本发明的解决方案的益处；

●图5A和5B表示示出本发明的变型实施例的操作原理的两条曲线。

具体实施方式

参考图1，按照已知的方式，变速驱动器包括整流器级1、DC电源总线和逆变器级2。变速驱动器的不同配置是可能的。本发明尤其最适合于包括有源整流器级的变速驱动器。

例如，图1表示装备了有源整流器级1的两个层级的变速驱动器。

参考图1，整流器级1经由例如在用于三相整流器级1的三个输入相R、S、T上的电感AC(未示出)连接至网络。通常，在变速驱动器中，整流器级由二极管电桥组成。然而，整流器级1通过包括一个或多个同样的受控的开关臂10a，10b，10c，也可以是有源类型的。整流器级1因而被驱动，以便控制从网络分出(tap off)的电流并将网络提供的AC电压变换为施加到DC电源总线的DC电压。在三相网络上，整流器级1包括三个开关臂10a，10b，10c，每个通过电感AC连接到三相网络的三个输入相R，S，T之一。在传统配置中，每个开关臂包括例如两个功率晶体管100(例如IGBT或JFET型)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电源总线将整流器级1链接到逆变器级2。它包括在正电势V+的电源线和在负电势V-的电源线。至少一个总线电容器Cbus连接到总线的两条电源线的每条，使得可以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电源总线，总线电容器Cbus的下游。它包括若干个同样的开关臂20a，20b，20c，每个连接到与电气负载C链接的输出相U，V，W。对于工作在三相模式中的电气负载C，逆变器级2从而包括三个开关臂20a，20b，20c。在传统配置(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气负载的连接中点Pa，Pb，Pc。

可变驱动器还包括控制单元3，使得可以控制整流器级1的每个开关臂的开关动作和逆变器级2的每个开关臂的开关动作。对于开关臂的功率晶体管的每个开关动作，控制单元3使用依据脉宽调制(PWM)的控制，使得可以定义整流器级1和逆变器级2的每个晶体管的开关动作时刻。传统的PWM控制是交集类型并且在于比较对称或不对称的三角载波与一个或多个模。在载波和模之间的交集定义功率晶体管的接通和切断的时刻。

本发明的控制方法适用于在整流器级1和逆变器级2上包括一定并且相同数量的开关臂(例如3个开关臂)的变速驱动器，每个臂包括至少两个功率晶体管。优选地，整流器级1的层级的数量与逆变器级2的层级的数量相同。在图1中，具有两个层级的整流器级1因而与具有两个层级的传统的逆变器级2相关联。

本发明专注于以必然的(consequent)方式降低在变速驱动器中的共模电流，该变速驱动器包括有源整流器级1和逆变器级2。

事实上此变速驱动器结构展示与在逆变器级2和整流器级1上的开关动作的存在相关的两个共模电压源。通过开关动作，逆变器级2产生称为Vmcinv的共模电压而整流器级1产生共模电压Vmcrec，通过以下的关系定义：

$\mathrm{Vmcinv}=\frac{V_{U0}+V_{V0}+V_{W0}}{3}$

$\mathrm{Vmcrec}=\frac{V_{R0}+V_{S0}+V_{T0}}{3}$

其中：

●V_U0，V_V0，V_W0对应于在逆变器级的输出相U，V，W上并且参考DC电源总线的低点(O)的简单电压，

●V_R0，V_S0，V_T0对应于整流器级的每个臂的并且参考DC电源总线的低点(O)的简单电压。

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。由于通过整流器级1和逆变器级2产生的共模电压具有相反的符号，所以获得表示在变速驱动器上产生的总的共模电压的如下关系：

$\mathrm{Vmc}=\frac{V_{U0}+V_{V0}+V_{W0}}{3}-\frac{V_{R0}+V_{S0}+V_{T0}}{3}$

考虑到整流器级1和逆变器级2以相同的开关动作频率进行开关动作，因此具有有源整流器的变速驱动器产生为传统变速驱动器的两倍多的共模电压的变化。

从专利申请EP2442436A2已知一种用于同步在整流器级和逆变器级之间的开关动作的过程，使得可以通过整流器级1产生的共模电压补偿逆变器级2产生的共模电压，或反之亦然。其他更不那么有效的过程也已在较早的文献中描述。

在专利申请EP2442436A2中描述的控制方法在于：以同步(时间上)的方式控制逆变器级2和整流器级1，以这样的方式从而施加到输入相R，S，T的在电势中的变化(＝上升沿或下降沿)总是对应于施加到输出相U，V，W的相同符号的电势中的变化(＝上升沿或下降沿)。

优选地，在本申请中描述的本发明的原理被叠加在诸如在申请EP2442436A2中描述的过程的用于同步的开关动作的早先的过程中。

本发明的控制方法还专注于考虑由逆变器级2的晶体管和整流器级1的晶体管的每个开关所产生的电压变化(dv/dt)。本发明的方法的目的是通过同步在整流器级1和逆变器级2上的两个开关动作所产生的电压变化来削弱，甚至除去共模电压。

在随后的描述中，我们将考虑整流器级1的晶体管100的开关动作和逆变器级2的晶体管200的对应开关动作。按照已知方式，通过向晶体管的栅极施加恒定栅极电流来执行晶体管的开关动作。

由两个开关动作的每个产生的电压变化的同步在于：对于两个电压变化，获得一定并且相同的变化速率，或者如果考虑由两个开关动作的每个所产生的电压变化的两条曲线，则另外说成一个并且相同的斜率。

为了改变此斜率，本发明在于作用于施加到整流器级的晶体管100的栅极电流Ige和施加到逆变器级的晶体管200的栅极电流Igs。

各种解决方案可以改变栅极电流。示例性实施例被表示在图3A和3B中。在图3A中，一组受控电阻器40被安置在受控晶体管的控制设备的输出处，并连接到受控晶体管100，200的栅极。该电阻器被并联连接，但也有可能将它们串联放置。在图3B中表示的另一种解决方案例如在于采用由模拟电路41控制的电流源。

根据诸如在图2中表示的本发明，控制单元3接收作为输入的在输入相R，S，T上存在的输入电流Ie，在输出相U，V，W上存在的输出电流Is，整流器级1的PWM控制的模m_e和逆变器级2的PWM控制的模m_s。在这些数据的基础上，本发明的方法因此在于在控制单元3的计算模块30中实现，所述计算模块30包括：

●第一模块，用于确定与要施加到整流器级1的晶体管的栅极的第一栅极电流Ige对应的第一控制信号C_e，

●第二模块，用于确定与要施加到逆变器级2的晶体管的栅极的第二栅极电流Igs对应的第二控制信号C_s，和

●第三模块，用于确定整流器级1的晶体管的第一开关动作时刻t_e和逆变器级2的晶体管的第二开关动作时刻t_s。

为了确定表示要施加到晶体管的栅极电流的两个控制信号，确定模块考虑加载该晶体管的栅极的电容的输入电流或输出电流。在此栅极电容的电流中加载的演进是已知的，可以查明电压的变化的斜率并且因此调整将施加到受控晶体管的栅极电流的值。

第一控制信号C_e和第二控制信号C_s每个被分派到控制设备50，使得可以改变去往受控的晶体管的栅极电流Ige，Igs，所述栅极电流正常通过传统的栅极控制设备CT(“栅极驱动器”)产生。优选地，两个控制设备50形成控制单元3的一部分。

第一控制信号C_e，第二控制信号C_s，第一开关动作时刻t_e和第二开关动作时刻t_s由控制单元3确定，以便最小化在由整流器级1的晶体管的开关动作产生的电压Vrec和由逆变器级2的晶体管的开关动作产生的电压Vinv之间的差。

优选地，如在早先的专利中所描述，第一开关动作时刻t_e和第二开关动作时刻t_s是同样的，以便同步开关动作，并且因而最小化所产生的共模电压。

除了开关动作的同步，第一控制信号C_e和第二控制信号C_s使得可以作用于在开关动作期间产生的电压的变化的速率。优选地，以这样的方式确定两个控制信号使得这两个速率相等。在图4A中，开关动作时刻t_e、t_s是同步的，但对电压的变化的速率不采取动作。可以看出，在整流器侧产生的电压Vrec与在逆变器侧产生的电压Vinv之间的差不为零，从而导致共模电压。在图4B中，开关动作时刻t_e、t_s是同步的，电压变化的斜率也一样。在这种方式下电压差是零，因而不产生共模电压。

根据本发明，第一确定模块和第二确定模块可以被设计为考虑在受控晶体管中产生的开关损耗。事实上，如果损耗趋向于相当大，则为控制每个晶体管产生的栅极电流Ige，Igs被调整以考虑所带来的焦耳效应损耗。此外，在这种情况下，第一开关动作时刻和第二开关动作时刻被去同步，以便减少由在开关动作产生的两个电压之间的差所产生的幅度。其原理通过图5A和5B所示。在图5A中，已考虑到带来的损耗来产生两个控制信号，导致具有不同变化速率的电压。两个开关动作时刻t_e、t_s是同步的，可以看出，在整流器侧的电压Vrev与在逆变器侧的电压Vinv之间的差相当大。为了最小化电压差的幅度，两个开关动作时刻t_e、t_s被去同步，如图5B中所示。

Claims (9)

1.一种在变速驱动器中实现的控制方法，该变速驱动器包括：

●整流器级(1)，连接到接收输入电流(Ie)的若干输入相(R、S、T)，以及逆变器级(2)，连接到若干输出相(U，V，W)，在输出相上流动有去往电气负载(C)的输出电流(Is)，

●DC电源总线，将整流器级(1)链接到逆变器级(2)，并且包括第一电源线(V+)和第二电源线(V-)，

●整流器级(1)和逆变器级(2)每个包括连接到第一电源线和第二电源线的至少两个开关臂(10a,10b,10c,20a,20b,20c)，每个开关臂包括至少两个晶体管，

其特征在于该控制方法包括如下步骤：

●对于整流器级(1)的晶体管(100)的开关动作，确定与第一栅极电流(Ige)对应的第一控制信号(C_e)，该第一栅极电流(Ige)要施加到该将进行开关动作的晶体管的栅极，从而作用于由开关动作产生的第一电压(Vrec)的变化的速率，

●对于逆变器级(2)的晶体管(200)的开关动作，确定与第二栅极电流(Igs)对应的第二控制信号(C_s)，该第二栅极电流(Igs)要施加到该将进行开关动作的晶体管的栅极，从而作用于由开关动作产生的第二电压(Vinv)的变化的速率，

●确定整流器级的晶体管的第一开关动作时刻(t_e)和逆变器级(2)的晶体管的第二开关动作时刻(t_s)，

●确定第一控制信号(C_e)、第二控制信号(C_s)、第一开关动作时刻和第二开关动作时刻以便最小化在第一电压(Vrec)和第二电压(Vinv)之间的差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于考虑输入电流(Ie)来执行第一控制信号的确定。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于考虑输出电流(Is)来执行第二控制信号的确定。

4.一种变速驱动器，包括：

●整流器级(1)，连接到接收输入电流的若干输入相(R、S、T)，以及逆变器级(2)，连接到若干输出相(U，V，W)，在输出相上流动有去往电气负载的输出电流，

●DC电源总线，将整流器级(1)链接到逆变器级(2)，并且包括第一电源线(V+)和第二电源线(V-)，

●整流器级(1)和逆变器级(2)每个包括连接到第一电源线和第二电源线的至少两个开关臂(10a,10b,10c,20a,20b,20c)，每个开关臂包括至少两个晶体管，

其特征在于该变速驱动器包括：

●对于整流器级的晶体管(100)的开关动作，包括第一确定模块，用于确定与第一栅极电流(Ige)对应的第一控制信号(C_e)，该第一栅极电流(Ige)要施加到该将进行开关动作的晶体管的栅极，从而作用于由开关动作产生的第一电压的变化的速率，

●对于逆变器级的晶体管(200)的开关动作，包括第二确定模块，用于确定与第二栅极电流(Igs)对应的第二控制信号(C_s)，该第二栅极电流(Igs)要施加到该将进行开关动作的晶体管的栅极，从而作用于由开关动作产生的第二电压的变化的速率，

●第三确定模块，用于确定整流器级(1)的晶体管的第一开关动作时刻(t_e)和逆变器级的晶体管的第二开关动作时刻(t_s)，

●确定第一控制信号、第二控制信号、第一开关动作时刻和第二开关动作时刻以便最小化在第一电压和第二电压之间的差。

5.根据权利要求4所述的变速驱动器，其特征在于考虑输入电流来设计第一确定模块。

6.根据权利要求4所述的变速驱动器，其特征在于考虑输出电流来设计第二确定模块。

7.根据权利要求4所述的变速驱动器，其特征在于变速驱动器包括连接到每个晶体管的栅极的一组电阻器(40)从而能够改变其栅极电流(Ige，Igs)。

8.根据权利要求4所述的变速驱动器，其特征在于考虑在整流器级的该将进行开关动作的晶体管中产生的开关损耗来设计第一确定模块。

9.根据权利要求4所述的变速驱动器，其特征在于考虑在逆变器级的该将进行开关动作的晶体管中产生的开关损耗来设计第二确定模块。