CN1058819C

CN1058819C - 给负载供电的电路装置

Info

Publication number: CN1058819C
Application number: CN96110053A
Authority: CN
Inventors: H·范德布罗克; M·文特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1995-05-26
Filing date: 1996-05-25
Publication date: 2000-11-22
Anticipated expiration: 2016-05-25
Also published as: EP0744820B1; US5793182A; DE59610931D1; ATE261629T1; EP0744820A2; CN1147725A; DE19519369A1; SG55202A1; EP0744820A3; JPH08331864A

Abstract

一种给负载供电的电路装置，其中，一个负载端子，可以任选地与电压电源的第一或第二端子连接。将n个分量的电压向量提供给负载，每个分量能够假设有二个值。该装置包含一个控制电路，它将电压电源的n个分量在给定时序中设为二个可能的值。使得电压向量遵守给定的时间函数，其中所有的n个分量假设有相同的值，在电压向量的至少一个分量假设在给定的时间周期内只有二个值中的第一个值的情况时，下一个零向量由二个值中的第二值形成。

Description

给负载供电的电路装置

本发明涉及到给负载供电的电路装置。

US-PS4,626,763描述随可变频率的和斩波器脉冲的矩形信号变化的控制电机速度的电机控制装置。在这样的装置中，用具有与电机速度和可变宽度的叠加脉冲相对应的基本频率的矩形波形成的矩形电压，激励三相电机。其频率对应于六倍于该频率或电机的旋转速度的第一矩形信号以及由其频率相对于第一信号频率要高的第二信号获得矩形电压。然后，在某些时间间隔里，在第一信号的每次的二个脉冲之间，合成电压连续地具有常数值，并且，在这些时间间隔的其它时间里，变为高频的矩形脉冲。

具有随跨接三相电机的位相的电压的时间变化而相应变化的相类似的装置也被揭示在US-PS4602,201中。

在所说的文件所揭示的电路装置中，第一信号的频率决定被驱动的三相电机的速度。因此，按照电机所需要的或通常的速度来变化第一信号的频率。对于低的速度，这导致第一信号的低的频率，因此而引起的在构成这种信号的脉冲之间的大的时间间隔。同样，跨接电机相位的各自的电压具有大的时间间隔，大的时间间隔带有不变的电压值。然而，可能需要减小这些时间间隔，其中，电机运行不受影响，速度不受影响。

根据已知的GB-OS2,142,194，为了改变三相异步电机的供电电压的谐波量，尤其是为了减少在低速时的低阶谐波的负效应，在开始和朝着矩形供电电压的每一个半周的结束时施加脉冲调制，另外，在矩形电压脉冲中间时施加电压削波。这不仅使得三相电机的矩形供电电压中的不变电压的间隔过度减小，而且，也引起过量的电压波形的改变。

然而，当用包含电源倒相器的电路装置的装置给负载供电时，这样的情况可能发生：在给定的运行条件下，给定极性的恒定电压被施加于负载的一个端子超出给定的时间周期。如果需要限制给定极性的这个恒定电压的电源于所述的时间间隔，那么，电压值的变化将引起被加到负载的电压波形按不希望的方式改变。例如，在被驱动的三相电机的速度足够低时，电压变化将发生，从更高的速度上，偏移到一个不可控制的范围。尤其是，如果对于高速度的电压变化已经被选定为电机的优化的运行条件，例如，为了使得不需要的谐波的量最小化，或者为了减小不需要的瞬时效应，在低速时，这些优化运行条件可能严重地被干扰。

本发明的目的是要提供一种给负载供电的电路装置，在所有的运行条件下，防止一个负载端子上的电压在超出给定时间周期仍保持在给定电压值上，而使运行不受损害。

按照本发明，通过一个包含有n个分支的电源倒相器，给具有n个端子数的负载供电的电路装置的装置，来达到这一目的，其中，通过每一个分支，负载的一端，任意地可与电压电源的第一或第二端子连接，结果，具有n个分量的电压向量被施加于负载，每一个分量能够呈现二个值，这二个值由在电源的端子上的电压电源产生的电压值组成，这种装置包括一个控制电路，通过该控制电路，电压向量的n个分量以给定的时序设置成二个可能的值，使得电压向量遵守一个给定的时间函数，其中，在正常的再现时间间隔中，所有的n个分量呈现相同的值(称为零向量)，在至少有电压向量的分量之一呈现只有二个值中的第一个值用于给定的时间周期的情况下，下一个零向量由二个值的第二个值形成。

按照本发明的电路装置通常能够被用于各种类型的多相负载。它特别适合于可变速度的多相驱动的供电电源。最重要的要求是零向量再现于正常的时间间隔处。这意味着电压向量的所有分量，即所有出现在负载端子上的电压，呈现相同的值。在这种情况发生的时间间隔中，负载对于所有的它的端子被短接。在这种情况中，通过哪一个产生短接供电电源端子，这是没有关系的。因此，通过所需要的供电电源端子，即通过所需的电压向量的分量的二个值中的一个值，它可能被产生。因此，对于电压向量的所有的分量，它可能有效地限制在它能够单独地呈现二个值之一期间的时间间隔，因此，不影响负载的运行。尤其是，它不增加任何不需要的谐波或者瞬时效应。

如果至少电压向量的n个分量中的某些分量是作为时间的函数暂时被脉冲宽度调制的，那么，就能够获得本发明的优选的使用。至少这一时间函数的单个脉冲定期地形成再现的时间间隔，其中，最好有零向量出现。在不是全部的电压向量的n个分量是被脉冲宽度调制的情况下，特别合适的使用领域被获得，其中，在任选的情况时，一些分量可能是主要地或连续地被脉冲宽度调制，而其它分量可能被小范围的或者完全没有脉冲宽度调制，但是，作为替换，连接的所有的分量可能是交替地以一个给定的顺序、以给定的时间周期的脉冲宽度调制的，而在其它的时间周期中可能是不变的。对于按本发明的电路装置，这就导致很宽阔的使用领域，因为，按照本发明，它可能使用各种不同的变化来驱动负载。

在使用按照本发明的电路装置的有利的情况中，电压源的第一端子实际上载有高的电压值作为分量的二个值的第一个值，而电压电源的第二个端子载有零电势作为分量的二个值中的第二个值。这样选择的电压值特别适合于按照本发明的电路装置的实施例，其特征在于：电源倒相器的每一个分支包含二个半导体开关，第一个开关被安置在电压源的第一个端子和相关联的负载的端子之间，而第二个开关被安置在相关联的负载的端子和电压电源的第二个端子之间。那里，已经为每一个半导体开关配备一个驱动器电路，并且，由通常的驱动供电的电压源，来驱动电源倒相器的一个分支的驱动器电路，对此，通过一个二极管，第一个半导体开关的(第一)驱动器电路被连接，而第二个半导体开关的(第二)驱动器电路被直接连接。这样的配置是很简单的结构，因此，很适合于在大批量生产中使用。本发明使它可能使用很便宜的装置获得高效的和可靠的驱动。

结合实例，本发明的实施例被表示在附图中，其中：

附图1说明由直流电压电源的装置驱动的三相电机的基本电路图，

附图2表示与附图1相关的一些信号的波形，

附图3表示实施例的一个实例，

附图4详细说明使用本发明的电源倒相器。

在附图1中，参考号1表示具有第一端子2和第二端子3的电压电源。一般地，在其端子2、3之间，电压电源载有其幅值为U0的直流电压。第二端子3与地连接，因此，它是零电势。因此，电压电源1的第一个端子是高电压值U0。

图1进一步用图说明电源倒相器4和构成负载5的电机。负载5具有数量n＝3的端子51、52和53，每一个端子连接于相关联的电源倒相器4的分支41、42或43。通过每一个分支41、42和43，负载5的相关联的端子51、52或53能够任选地连接于电压源1的第一个端子2或第二个端子3。在附图1中，电源倒相器4的分支41、42、43因此而用图解的方法表示为开关。通过电源倒相器4的分支41、42、43，电压U1、U2和U3被施加于负载5的各自的端子51、52和53。这些电压U1、U2、U3表示电压向量，在通常的形式中，它包含多个分量，按通常的术语，n个分量是U1、U2、U3……Un。这些分量的每一个能够呈现有二个不同的值，这二个值由电压值U0和0组成，这二个值由电压源1在其端子2、3上产生。在分支41、42、43(一般最多为4n)里的开关能够被控制电路设置成这样一种方式(没有表示在附图1中)，给定的电压向量，按照给定的时间顺序，能够被施加于负载5，即：电压向量的n个分量，按照给定的时间顺序，能够被设置成它们的二个可能的值0和U0。因此，电压向量是给定的时间函数。

图2表示附图1中的驱动负载5的一系列的信号波形的图。用上述的控制电路的装置能够处理或生成这些信号波形。在引言部分中提到的美国专利4,626,763和4,602,201中；能够找到这样的电路的例子，它们在这里被一起引用。因此，本发明的实施例的说明不包括这样的控制电路的结构和操作的详细说明。

构成负载5的电机的控制是以在附图2a)中所示的矩形信号为基础的，并且具有一个与六倍的电机的旋转频率(在最简单的情况中)相对应的频率。限定电机5的旋转频率的第一信号S1把电机5的一个旋转周期T划分成六个相等的时间间隔，它开始于第一信号S1的上升边缘，边缘与瞬间t0到t5对应；瞬间t6与旋转周期T的结束时刻对应。在附图2中所示的图中，字母t表示时间轴。

附图2b)表示第二信号S2的时间中的变化，它也是矩形的，并且，与第一信号S1的频率相比，其频率是高的。TS2是第二信号S2的周期，而ATS2是在这个TS2周期内的脉冲持续的时间。第二信号S2的频率被维持在一个常数值，与电机5的运行条件无关，即：与第一信号的频率无关。然而，第二信号S2的脉冲持续时间ATS2能够是被脉冲宽度调制的，即：能够按照需要在0和TS2之间变化。这用于获得电压向量U1、U2、U3的时间变化，这在引言部分中引证的文献中有详细描述。为了简化起见，附图2只引用具有不变比率的信号波形，即：在脉冲持续时间STS2和周期TS2之间的占空比不变。

在已知的方式中，脉冲宽度调制电路，由所谓的二个信号S1和S2，形成具有分量P1、P2、P3(通常最多到Pn)的信号向量，用附图2c)、2d)和2e)中的时间函数表示这些分量。通过这些信号P1、P2、P3的装置，以这样一种方式能够控制在附图1中的电源倒相器4的分支41、42或43：电源倒相器4的相关联的分支41、42或43分别与负载5的各端子51、52和53连接，当高的信号电平发生在P1、P2和P3中的一个时，负载5与电压电源1的第一个端子2连接，并且，在信号P1、P2和P3的低的信号电平的情况时，负载5与第二端子3相连接。因此，信号向量P1、P2、P3能够产生跨接负载5的与三相系统对应的电压向量U1、U2、U3。在本实施例中，信号向量的分量P1、P2、P3仅在按照第二信号S2的形状的间隔处产生脉冲，而在其它的时间间隔时是不变的。例如，信号向量的第一个分量P1以及因此作为跨接负载5的电压向量的第一分量的电压U1，在瞬间t0和t1之间的第一个时间间隔中，具有不变的值，按照S2在t1和t2之间的时间间隔中产生脉冲，在t2和t3之间具有不变的高值，在t3和t4之间具有不变的低值，在t4和t5之间再次产生脉冲，并且，在t5和t6之间再次具有不变的低值。与连续产生脉冲的形式相比较，这种信号波形具有这样的优点：每个单位时间的切换动作的次数比较少，结果，发生在电源倒相器分支41、42、43中的切换损耗比较少。

其中的信号P1、……以及因此电压U1、……具有不变的值的时间间隔，与第二个信号S2的周期TS2相比其间隔是长的，在电机5的低的旋转频率的情况中，它可能被不需要地延长。然后，在这些时间间隔里，至少简短地，它可能需要改变信号向量或电压向量的有关系的分量的值。它的运行或设计的理由是多种多样的；它的一个实例，将参考附图3和附图4，这在后面被描述。而附图2的这个实例是以这样的情况为基础的：至少电压向量U1、……的分量中的一个呈现其高值U0在由瞬间t0到t6定界的时间间隔里超出给定的时间周期。按照本发明的目的，所说的电压向量U1、……的分量应该在这一给定时间周期期满后最后处至少呈现低值0，不会改变所产生的电压向量U1，……，而引起负载5的端子51，52，53之间电压的变化。附图2i)表示在第二个端子52和第三个端子53之间的电压U2和U3的差，它作为在电机5的端子51、52、53之间的电压之一的一个实例。这是明显的：在t0和t1之间的时间间隔中，附图2e)中的P3的信号波形的中断将导致这一区域中的附图2i)的电压波形的改变。然而，这样的改变是不需要的。

按照本发明，在附图2中被指示为ZSP的给定的时间周期期满以后，在电压向量U1、……的下一个零向量被倒相。这个零向量，即：电压向量U1、……的状态，其中电压向量的所有分量U1、……呈现有相同的值，将总是发生在瞬间t0和t1之间的时间间隔中，如果电压向量的所有分量U1、……呈现有高值的话。当在这一时间间隔中分量U3也不变地具有高值U0时，在电压U2的每一个脉冲中，零向量与高值U0一起出现。在给定的时间期限ZSP期满以后，这种出现将发生在时间间隔Z1里。通过对这种零向量倒相，在时间间隔Z1期间，电压向量的所有分量U1、……被改变，超过低值0。在附图2f)、2g)和2h)中，这被表示为电压向量的分量U1、……。由附图2i)可以明白：这种切换不意味着跨接负载5的端子51、52和53的电压的变化。

在瞬间t1和t2之间的时间间隔里，电压向量的分量U2和U3不断地假定为低值0，而按照第二个信号S2，U1在高值U0和低值0之间被切换。因此，在这个时间间隔中，在电压电源1的第二个端子上，在与第二个信号S2的频率对应的重复频率一起定期再现的时间间隔中，通过低的电压值0，形成零向量。因为在零向量发生的这些时间间隔之间的空闲小于给定的时间周期ZSP，所以，在瞬间t1和t2之间，零向量不被倒相。

与应用到在瞬间t3和t4以及t5和t6之间的时间间隔情况相同。相反地，在瞬间t2和t3以及t4和t5之间的时间间隔里，以比给定的时间周期ZSP更长的时间，不变的高值分别出现在分量P1和P2以及P2和P3中。结果，在这些时间间隔中，即在附图2中的标有Z2和Z3的时间间隔中，零向量再次被倒相。

在附图3中的框图表示的实施例是使用按照本发明的电路装置的多相电机的供电电源。在附图1和2中已经描述的元件再次具有相同的参考符号。控制电路6被连接于第一个信号源8，通过第一输入7，它提供第二个信号S2给控制电路6。通过第二输入9，第一个信号S1被作用于控制电路6。在控制级10中，该第一信号从标称值信号获得，它表示电机5期望的速度，并且，它通过标称值输入端11被施加于控制级10，并且该第一信号还由连接于电机5的旋转位置探测器12来的实际值信号获得，并且，通过实际值输入端13供给控制级10。作用于控制电路8的信号的脉冲保持时间与间歇时间之比也将按照电机的特性，按照所需要的电机的速度11而被变化。通过电源倒相器的控制端子21、22、……、2n，控制电路6与电源倒相器4连接。电源倒相器的控制端子21、22、……、2n的每一个与电源倒相器4的分支41、42、……、4n中的一个分支相连接，如在附图1中的三相电机5的简图和在附图4的通常的实例的详图中所示的那样。附图4中所示的电源倒相器4，在它的分支41、42、……、4n中，分别包含二个负载晶体管411、421；412、422、……、41n、42n，具有它们的主电流通路，主电流通路以串联形式安排在电源1的第一个端子2和第二个端子3之间。负载晶体管411、412……构成电源倒相器4的半导体开关，每次，第一个被安置在电压电源1的第一端子2和负载5的相关端子51、……之间，而第二个被安置在负载5的端子51、……和电压电源1的第二个端子3之间。每一个负载晶体管411、421、……具有一个相关联的驱动电路431、441；432、442、……43n，44n，其输出被连接到相关联的负载晶体管411、421、……的控制端子。每一个分支41、42……4n的各自的驱动电路431、441、432、442、……43n、44n每个具有它们的输入端，通过选用高的反相电压的电源倒相器451、452、……45n，它们的输入端互相连接，用于第二负载晶体管421、422……42n的第二驱动电路441、442……44n具有与相关联的电源倒相器控制端子21、22……2n连接的输入端。第一驱动电路431、432……43n的每一个，其第一个供电电压端子461、462……46n与负载5的相关端子51、52……5n连接，即也与相关的负载晶体管411、421；412、422……41n、42n的主电流通路之间的节点连接。同样，第二驱动电路441、442……44n的每一个，其第一个供电电压端子471、472……47n，与电压电源1的第二端子3连接。第二供电电压端子491、492、……49n的每一个被连接于公用驱动供电电压电源15的第一端子14，其第二端子16，与电压电源1一起，与地电势0相连接。此外，在电源倒相器4的每一个分支41、42……4n中，二极管31、32……3n将驱动供电电压电源15的第一端子14连到与各自的分支相关的第一驱动电路431、432……43n的第二供电电压端部481、482……48n。驱动电路431、432……43n的每一个的第一和第二供电电压端子，通过各自的供电电容器511、521；512、522……51n、52n被互相连接。因此，在本实施例中，不仅电源倒相器4的一个分支41、……的驱动电路431、441、……，而且所有的驱动电路都从公用的驱动供电电压电源15接受它们的电源供应。

在附图4中所示的电源倒相器的实际的方案中，每一个分支41、……的驱动电路431、441、……，可以组合成一个，最好是集成的装置。所有的驱动电路431仅仅需要一个驱动供电电压电源15，它提供一个供电电压Uv。这就显著地简化了电源倒相器4的电源供应。从原理上讲，电压Uv可以小于电压值Uo。在电源倒相器4的分支41、……中，第一负载晶体管411、……导通时间间隔里，从而，第二负载晶体管421、……被截止，相关的二极管31、……也被截止，而第一驱动电路431、……与驱动供电电压电源15绝缘。然后，第一驱动电路431、……被相连接的供电电容器511、……驱动。现在，如果第一负载晶体管411、……超出给定的时间周期ZSP继续保持导通，结果，在这个时间周期ZSP期间，供电电容511、……不被再次充电，第一驱动电路431、……的供电电压可能减少到在容许的最小值以下。然后，再次给相关的供电电容511、……充电是必要的。为了这个目的，电源倒相器4的相关的分支41、……的第二负载晶体管421、……必须导通，并且，相关的第一负载晶体管411、……必须被截止。参考附图2解释的本发明保证这个要求，并且也确保这一切换操作没有影响负载5。

附图4表示电源倒相器4的第二分支4n的等价的符号图，这是为了说明与附图1的关系。

附图3说明按照本发明的电路配置的实施的例子，按照该装置，在附图2f到2h中所示的信号波形能够被生成，并且能够与附图4中所示的电源倒相器4一起被使用。在附图3中所示的控制电路6包括脉冲宽度调制电路17，由在引言部分中引证的文献已知的方式中，通过控制电路6的输入7和9，从施加于它的信号，获得在附图2c)到2e)中所示的信号向量P1、P2、……Pn，并且在信号输出端171、172、……17n传送它。每一个信号输出171、……被连接于各自的异或门71、72……7n的第一输入61、62、……6n，异或门的输出81、82……8n被连接于电源倒相器4的分支41、42、……4n的电源倒相器控制端子21、22……2n，对信号向量P1、……Pn的相关的分量P1、P2……Pn被施加该电源倒相器。异或门71、72……7n用作能够通过它们的第二输入91、92……9n控制的倒相器。按照通过第二输入91、92……9n施加的信号，信号向量P1、……Pn，以倒相的或没有倒相的形式被传输。

脉冲宽度调制电路17的信号输出171、……17n也被连接到OR门18的输入181、182……18n以及AND门19的输入191、192……19n。在它的输出180处，OR门18产生一个带有这样一种信息的信号：是否至少信号向量的分量P1、……中的一个分量具有高值。OR门18的输出180形成一个计数器100的一个有效输入，通过时钟输入101，来自控制电路6的的第一输入7的第二信号S2被施加该计数器100。只要允许输入(或者OR门18的输出180)载有一个这样的指示信号：至少信号向量P1、……Pn的分量中的一个具有高值，计数器100就给第二信号S2的脉冲计数。当数N被达到时，它对应于构成给定时间周期ZSP的周期TS2的数字，通过译码器电路102，计数器100提供逻辑高电平信号到AND门19的另外输入20。当下一个零向量出现时，它通过在电压电源1的第一端子2上的高电压值被形成，即当信号向量的所有的分量P1、……呈现为高值时，另一个逻辑的高电平信号出现在AND门19的输出190上。当这个门给施加的零向量倒相时，它被施加于异或门71的第二个输入端91、……。

Claims

1.一种通过包含n个分支的电源倒相器给具有n个端子的负载供电的电路装置，其中，负载的端子之一，通过每一个分支，任选地与电压电源的第一或第二端子连接，结果，具有n个分量的电压向量被施加于该负载，每一个分量呈现二个值，这二个值由这一电源端子上的电压电源产生的电压值构成，

其特征在于，所述电路装置包含一个控制电路，通过该控制电路，电压向量的n个分量以给定的时间顺序被设置成二个可能的值，使得电压向量遵守一个给定的时间函数，其中，在定期的再现时间间隔里，所有的n个分量呈现相同的值(称为零向量)，在至少有电压向量的分量中的一个分量呈现在给定时间周期内只有二个值中的第一个值的情况时，下一个零向量由二个值中的第二个值形成。

2.一种如权利要求1所述的电路装置，其特征在于：至少电压向量的n个分量中的某些分量作为时间的函数受瞬时脉冲宽度调制。

3.一种如权利要求1或2中所述的电路装置，其特征在于；电压电源的第一端子实际上带高的电压值(U₀)作为二个分量值中的第一个，并且，电压电源的第二个端子带地电势(0)作为分量的二个值中的第二个值。

4.一种如在权利要求3中所述的电路装置，其特征在于：电源倒相器的每个分支包括二个半导体开关，其第一个被安置在电压电源的第一个端子和负载的相关端子之间，其第二个被安置在负载的相关端子和电压电源的第二个端子之间，那里已经为每一个半导体开关配置一个驱动电路，并且，电源倒相器的一个分支的驱动电路由一个公用驱动供电电压电源驱动，通过一个二极管，第一个半导体开关的(第一)驱动电路被连接到该公用驱动电压源，以及，第二个半导体开关的(第二)驱动电路被直接连接到该公用驱动电压源。