CN111033990A - 电力变换装置以及逆变器电路 - Google Patents

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Abstract

提供能够响应性良好地输出低电力的交流电力的电力变换装置。电力变换装置包括：逆变器电路，设置了限制流过各桥臂的电流的1个或者多个电流限制电路；以及控制部，在逆变器电路的目标电压或者目标电流为规定范围外的情况下，控制所述1个或者多个电流限制电路以使流过各桥臂的电流不被限制，并且将各桥臂的两个开关元件夹着死区时间而交替地进行接通/关断控制，在目标电压或者目标电流为规定范围内的情况下，控制1个或者多个电流限制电路以使流过各桥臂的电流被限制，并且将所述逆变器电路的各桥臂的两个开关元件不夹着死区时间而交替地进行接通/关断控制。

Description

电力变换装置以及逆变器电路
技术领域
本发明涉及电力变换装置和逆变器电路。
背景技术
通过对具有多个桥臂(leg)的逆变器电路进行PWM(pulse width modulation，脉宽调制)控制，从而将直流电力变换为交流电力，但是，在构成各桥臂的开关元件(IGBT等)中具有开关延迟时间。因此，如果将各桥臂的2个开关元件同时地进行接通/关断，则会产生各桥臂短路的期间(2个开关元件都成为导通的期间)。若存在那样的期间，则会导致在各开关元件中会流过过大的电流，因此，在逆变器电路的PWM控制时，在各桥臂的2个开关元件的控制信号中插入了死区时间(Dead time)(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:(日本)特开2016－111776号公报
发明内容
发明要解决的课题
若插入死区时间，则与死区时间的长度相应地，输出电压会降低或者产生死区，但是在逆变器电路的PWM控制时，进行用于使输出电压或者电流与目标值一致的电压或者电流反馈控制。因此，即使设置死区时间，最终也能够将输出电压或者电流设为目标值。但是，由于在低输出时反馈中的偏差小，因此为了输出成为目标值而花费时间，因此，在以往的具有死区时间的PWM控制中，难以在低输出时中响应性良好地控制电力变换装置或逆变器。另一方面，若要消除死区时间而提高响应性，这需要对逆变器电路进行线性控制而不是开关控制，尤其在处理大电力的情况下，电路的损耗大、效率低，或者装置变大，实用方面困难。
本发明鉴于上述现状而完成，其目的在于，提供能够响应性良好地输出低输出的交流电力，并且即使是大输出时效率也良好的电力变换装置、以及能够作为那样的电力变换装置的构成要素来使用的逆变器电路。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的一观点的电力变换装置包括：逆变器电路，具有串联连接了两个开关元件的1个以上的桥臂；以及控制部，进行所述逆变器电路内的各开关元件的接通/关断控制。此外，在电力变换装置的逆变器电路中，设置了用于限制流过各桥臂的电流的1个或者多个电流限制电路。并且，在应输出到所述逆变器电路的目标电压或者目标电流为规定范围外的情况下，电力变换装置的控制部控制所述1个或者多个电流限制电路以使流过各桥臂的电流不被限制，并且对所述逆变器电路的各桥臂的两个开关元件夹着死区时间而交替地进行接通/关断控制，在所述目标电压或者所述目标电流为所述规定范围内的情况下，控制所述1个或者多个电流限制电路以使流过各桥臂的电流被限制，并且将所述逆变器电路的各桥臂的两个开关元件不夹着死区时间而交替地进行接通/关断控制。
即，本发明的一观点的电力变换装置具有如下结构，即在低输出时，逆变器电路的各桥臂的两个开关元件不夹着死区时间而被进行接通/关断，且因那样的控制而在各桥臂中流过过大的电流的情况通过1个或者多个电流限制电路被抑制。因此，根据该电力变换装置，能够响应性良好地输出低输出的交流电力，并且即使是大输出时也能够效率良好地变换电力。
在电力变换装置中，既可以采用在逆变器电路的总线上设置了电流限制电路的结构，也可以采用对逆变器电路的每个桥臂设置了用于限制流过该桥臂的电流的所述电流限制电路的结构。
在电力变换装置中采用后者的结构的情况下，还可以采用如下结构：“所述电流限制电路是通过调整成为了电流的控制对象的桥臂的一方的开关元件的栅极电压或者基极电流，而限制流过该桥臂的电流的电路，所述控制部在所述目标电压或者目标电流为所述规定范围内的情况下，控制所述电流限制电路，以使在所述一方的开关元件的接通时，流过所述一方的开关元件的电流为规定电流以下，在所述目标电压或者目标电流为所述规定范围外的情况下，控制所述电流限制电路，以使在所述一方的开关元件的接通时，流过所述一方的开关元件的电流不被限制为所述规定电流以下”。
在采用该结构的情况下，为了使得即使电流限制电路的响应速度慢，也不流过贯通电流，也可以采用如下结构：“所述控制部在所述目标电压或者目标电流为所述规定范围内的情况下，当接通所述一方的开关元件时，控制所述电流限制电路，以使在基于所述电流限制电路的响应速度所确定的上升模式以及上升开始定时，在所述一方的开关元件的接通定时以前所述一方的开关元件的栅极电压或者基极电流开始上升。”
在电力变换装置中，也可以采用如下结构：“所述一方的开关元件是带电流感测的开关元件，所述电流限制电路是基于流过所述一方的开关元件的电流感测端子的电流，限制流过所述桥臂的电流的电路”。
此外，本发明的一观点的逆变器电路是用于将直流电力变换为交流电力的逆变器电路，具有：串联连接了两个开关元件的1个以上的桥臂；以及限制流过各桥臂的电流的1个或者多个电流限制电路。因此，如果使用该逆变器电路，则能够实现能够响应性良好地输出低输出的交流电力的电力变换装置。
发明效果
按照本发明，能够提供能够响应性良好地输出低输出的交流电力，并且即使是大输出时也能够效率良好的对电力进行变换的电力变换装置、和能够作为那样的电力变换装置的构成要素而使用的逆变器电路。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的电力变换装置的概略结构以及使用方式的说明图。
图2是第1实施方式的电力变换装置具有的逆变器电路的各桥臂的电路结构的说明图。
图3是第1实施方式的电力变换装置具有的控制部的功能框图。
图4是IGBT的正向特性的说明图。
图5是用于说明实施方式的电力变换装置的功能的图。
图6A是本发明的第2实施方式的电力变换装置中的第2控制信号的控制例的说明图。
图6B是第2实施方式的电力变换装置中的第2控制信号的控制例的说明图。
图7是实施方式的电力变换装置的变形例的说明图。
图8是实施方式的电力变换装置的变形例的说明图。
图9是实施方式的电力变换装置的变形例的说明图。
图10是能够在图8、图9所示的电力变换装置中使用的电流限制电路的电路结构例的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施的方式。
《第1实施方式》
图1表示本发明的第1实施方式的电力变换装置20的概略结构以及使用方式。本实施方式的电力变换装置20是用于对电动机(三相电动机)40进行驱动的装置。如图示，电力变换装置20具有电源电路21和控制部10。
电源电路21是用于生成对电动机40提供的三相交流的电路。如图示，电源电路21具有用于对来自三相电源50的三相交流进行整流的整流电路22以及平滑电容器23。进而，电源电路21具有用于将通过平滑电容器23平滑化后的整流电路22的输出电压变换为三相交流电压的逆变器电路24。
逆变器电路24是在正负的母线间并联连接了U相用的桥臂25、V相用的桥臂25以及W相用的桥臂25的电路。细节后述，但该逆变器电路24的各桥臂25由串联连接的两个开关元件、用于限制流过本桥臂25的电流的大小的电流限制电路(图示略)构成。另外，在图1中，作为各开关元件，示出了IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)，但是构成各桥臂25的各开关元件也可以是IGBT以外的开关元件(MOS－FET、双极晶体管等)。
在电力变换装置20中，设置了用于测量逆变器电路24的各桥臂25的输出电流的电流传感器28。以下，将各电流传感器28的U、V、W相的输出电流的测量结果分别记述为U相电流测量值、V相电流测量值、W相电流测量值。
控制部10是按照来自PLC(Programmable logic controller，可编程逻辑控制器)等的上位装置30的指示，控制逆变器电路24的单元。控制部10由处理器和其外围电路构成，在控制部10中，被输入来自各电流传感器28的信号、来自在电动机40中安装的编码器41(绝对编码器或增量编码器)的信号等。
以下，进一步具体说明电力变换装置20的结构。
首先，说明逆变器电路24的各桥臂25的电路结构。另外，以下，为了便于说明，将各桥臂25的高侧的开关元件、低侧的开关元件分别记述为第1开关元件、第2开关元件。
图2中表示本实施方式的逆变器电路24的各桥臂25的电路结构。如图示，逆变器电路24的各桥臂25基本上是串联连接了两个开关元件的单元(电路)。但是，各桥臂25中设置了由运算放大器和电阻R1以及电阻R2构成的、用于对第2开关元件的栅电极施加电压的电流限制电路26。以下，电阻R1的电阻值也记述为R1。
从图示的电路结构可以明确，电流限制电路26是，通过调整对第2栅电极的施加电压，以使作为第2控制信号所输入的电压Vin和电阻R1的两端间的电压一致，从而将流过第2开关元件的电流值限制为Vin/R1的电路。另外，电流限制电路26内的电阻R2是用于防止过电流流过的电阻。因此，电阻R2也可以省略。
接着，说明控制部10(图1)进行的逆变器电路24的控制内容。
图3表示控制部10的功能框图。
如图示，控制部10作为电流控制部33以及控制信号生成部35进行动作。
电流控制部33是基于电流指令值、U相电流测量值、V相电流测量值以及W相电流测量值，生成U相用的电压指令值Vu、V相用的电压指令值Vv以及W相用的电压指令值Vw的单元(功能块)。
更具体地说，电流控制部33基于电流指令值，生成各相用的电流指令值，通过已生成的各相用的电流指令值和各相的电流测量值的偏差的PI运算，生成各相用的电压指令值。另外，就输入到电流控制部33的电流指令值而言，其可以是从上位装置30输入的值自身，也可以是基于从上位装置30输入的信息或指示而在控制部10内所生成的值。
控制信号生成部35是基于来自电流控制部33的各相的电压指令值(Vu、Vv、Vw)，生成用于对逆变器电路24内的各开关元件进行接通/关断(ON/OFF)控制的控制信号的单元。
控制信号生成部35为了控制各桥臂25的第1开关元件而生成的第1控制信号，是被提供给各桥臂25的第1开关元件的栅电极的通常的PWM信号。另一方面，控制信号生成部35为了控制各桥臂25的第2开关元件而生成的第2控制信号，成为被提供给各桥臂25的电流限制电路26内的运算放大器的信号(参照图2)。并且，控制信号生成部35被构成为，基于电压指令值V(Vu、Vv或者Vw)来变更第1控制信号以及第2控制信号的生成算法。
具体地说，控制信号生成部35在电压指令值V为－VLMT以上并且VLMT以下的值的情况下，基于该电压指令值V，生成没有夹着(没有插入)死区时间的第1控制信号以及第2控制信号。此外，在该情况下，控制信号生成部35将使第2开关元件接通(ON)时的第2控制信号的级别(电压值)，控制为在处于接通状态的第2开关元件中仅流过作为短路电流允许值而预先确定的电流值(以下，记述为规定电流值)的电流的级别。更具体地说，IGBT具有图4所示的正向特性。控制部10经由电流限制电路26控制IGBT(第2开关元件)的栅极电压，使得IGBT(第2开关元件)的有源区被利用而IGBT(第2开关元件)的集电极电流(ICE)成为规定电流值以下。
另一方面，在电压指令值V不是－VLMT以上并且VLMT以下的值的情况下，控制信号生成部35基于该电压指令值V，生成夹着死区时间的第1控制信号以及第2控制信号。此外，在该情况下，控制信号生成部35将使第2开关元件接通时的第2控制信号的级别，控制为流过第2开关元件的电流值不会因电流限制电路26而受到限制的级别。即，控制信号生成部35经由电流限制电路26控制IGBT(第2开关元件)的栅极电压，使得IGBT(第2开关元件)的饱和区(参照图4)被利用而在IGBT(第2开关元件)中流过足够的电流。
以下，如说明的那样，在本实施方式的电力变换装置20具有的逆变器电路24的各桥臂25中，设置了可限制流过各桥臂25的电流值的电流限制电路26。
此外，电力变换装置20具有的控制部10(控制信号生成部35)，在各桥臂25的目标输出电压(各相的电压指令值)不是规定电压范围内(－VLMT～VLMT的范围内)的情况下，不对流过处于接通状态的第2开关元件的电流值(以下，记述为接通电流值)施加特别限制，而夹着死区时间使第1开关元件以及第2开关元件交替地接通/关断(ON/OFF)。
进而，控制部10在目标输出电压为规定电压范围内的情况下，生成接通电流值成为规定电流值以下的级别的第2控制信号，不夹着死区时间地将第1开关元件和第2开关元件交替地进行接通/关断。如图5中示意性地表示那样，在使某一桥臂25内的2个开关元件的控制信号同时变化的情况下，如果在该桥臂25中没有设置电流限制电路26，则会流过大的短路电流，但是如果在该桥臂25中设置了电流限制电路26，则能够将短路电流的大小降低至不产生问题的级别。更具体地说，在第2开关元件的关断
Figure BDA0002387870680000071
接通时，由电流限制电路26直接地限制流过第2开关元件的电流。此外，在第1开关元件的关断
Figure BDA0002387870680000072
接通时(即，第2开关元件的接通
Figure BDA0002387870680000073
关断时)，即使在第1开关元件中要流过大电流，也由于第2开关元件要转移为接通
Figure BDA0002387870680000074
关断，所以不会流过由电流限制电路26限制的电流以上的电流。
然后，如果将各桥臂25的2开关元件不夹着死区时间地进行接通/关断，则能够以没有死区时间引起的输出降低的方式控制逆变器电路24。
因此，该电力变换装置20能够响应性良好地输出低输出的交流电力，并且，即使是大输出时也能够作为效率良好的装置发挥作用。
《第2实施方式》
以下，使用在第1实施方式的电力变换装置20的说明时使用的标号相同的标号，说明本发明的第2实施方式的电力变换装置20。另外，以下，将第N(N＝1，2)实施方式的电力变换装置20、该电力变换装置20的控制部10分别也记述为第N电力控制装置20、第N控制部10。
在上述的第1电力变换装置20中，在各桥臂25的电流限制电路26的响应速度不足够快的情况下，有可能无法限制流过第2开关元件的电流值，而在各桥臂25中流过超过规定电流值的短路电流。第2电力变换装置20是对第1电力变换装置20进行改良后的装置，使得即使各桥臂25的电流限制电路26的响应速度慢，在各桥臂25中也不会流过超过规定电流值的短路电流。
详细地说，第2电力控制装置20(第2实施方式的电力控制装置20)具有与第1电力控制装置20相同的硬件结构。而且，第2控制部10(第2电力控制装置20的控制部10)在各桥臂25的目标输出电压不是规定电压范围内的情况下，与第1控制部10同样，不对接通电流值(流过处于接通状态的第2开关元件的电流值)施加特别限制，而夹着死区时间将第1开关元件以及第2开关元件交替地进行接通/关断。
第2控制部10在各桥臂25的目标输出电压为规定电压范围内的情况下，也与第1控制部10同样，生成接通电流值为规定电流值以下的级别(以下，记述为电流限制用级别)的第2控制信号，不夹着死区时间地将第1开关元件和第2开关元件交替地进行接通/关断。但是，在接通第2开关元件的情况下，第2控制部10控制电流限制电路26，以使在与电流限制电路26的响应速度对应的上升模式以及上升开始定时，在第2开关元件的接通定时以前第2控制信号的级别(即，第2开关元件的栅极电压)开始上升。
另外，与电流限制电路26的响应速度对应的上升模式以及上升开始定时是指，被确定使得即使是正在使用的电流限制电路26的响应速度，流过处于接通状态的第2开关元件的电流值也成为规定电流值以下的第2控制信号的上升模式以及上升开始定时。这些参数通过模拟或实验确定即可，使得即使是正在使用的电流限制电路26的响应速度，接通电流值也为规定电流值以下。此外，第2控制信号的上升模式也可以如图6A所示，从上升开始定时(第2开关元件的接通定时－Δt)至第2开关元件的接通定时为止以一定比率增加。第2控制信号的上升模式也可以如图6B所示，在成为第2开关元件的接通定时前，第2控制信号达到电流限制用级别。进而，第2控制信号的上升模式也可以是上升率根据时间而发生变化。
以上，如说明那样，本实施方式的电力控制装置20的控制部10(第2控制部10)，在接通第2开关元件的情况下，控制电流限制电路26，以使在与电流限制电路26的响应速度对应的上升模式以及上升开始定时，在第2开关元件的接通定时以前第2控制信号的级别开始上升。因此，本实施方式的电力控制装置20，作为即使各桥臂25的电流限制电路26的响应速度慢，在各桥臂25中也不流过超过规定电流值的短路电流的装置发挥作用。
《变形例》
上述的各实施方式的电力变换装置20能够进行各种变形。例如，也可以将各实施方式的电力变换装置20的逆变器电路24，变形为包括具有图7的电路结构的桥臂25的电路。即，也可以将逆变器电路24变形为包括如下的桥臂25的电路，即该桥臂25使用带电流感测的开关元件作为第2开关元件，并且，该桥臂25设置了基于流过第2开关元件的电流传感器端子27的电流值来限制流过第2开关元件的电流的电流限制电路26。
也可以将各实施方式的电力变换装置20的控制部10，变形为基于目标输出电流而不是基于目标输出电压，来变更对各开关元件的控制内容的控制部。
电流限制电路26是以电阻R1或R3检测流过开关元件的电流的电路，但是，作为电流限制电路26，也可以采用针对流过开关元件的电流，以与该电流一起变化的其他值进行检测的电路。而且，作为其他值，在开关元件为FET的情况下，能够例示Vds，在开关元件为IGBT或晶体管的情况下，能够例示Vce。
此外，上述的电流限制电路26是通过第2开关元件(IGBT)的栅极电压的控制，限制流过桥臂的电流的电路，但是也可以如图8示意性地表示那样，在各桥臂25中与各开关元件分开设置的电流限制电路42。此外，也可以图9中示意性地表示那样，在逆变器电路24的总线上设置一个电流限制电路43。
另外，作为能够以上述方式使用的电流限制电路42、43，能够例示图10(A)、(B)所示的电路结构的电路。此外，在采用图8或者图9所示的结构的情况下，将控制部10设为如下的单元即可：在应输出到逆变器电路24的目标电压或者目标电流为规定范围外的情况下，控制各电流限制电路42或者电流限制电路43以使流过各桥臂25的电流不被限制，并且将各桥臂25的两个开关元件夹着死区时间交替地进行接通/关断控制，在目标电压或者目标电流为规定范围内的情况下，控制各电流限制电路42或者电流限制电路43以使流过各桥臂25的电流被限制，并且将各桥臂25的两个开关元件不夹着死区时间交替地进行接通/关断控制。
也可以将电力变换装置20变形为对电动机40以外的设备提供交流电力的装置、或者逆变器电路24内的桥臂25的数量不是3的装置。此外，也可以将电力变换装置20变形为具体的处理过程与上述不同的装置(例如，通过变更PWM脉冲的上升沿、下降沿位置而插入死区时间的装置)。
《附记》
(1)电力变换装置，其特征在于，包括：
具有将两个开关元件串联连接的1个以上的桥臂(25)的逆变器电路(24)；以及
进行所述逆变器电路(24)内的各开关元件的接通/关断控制的控制部(10)，
在所述逆变器电路(24)中设置了限制流过各桥臂的电流的1个或者多个电流限制电路(26；42；43)，
所述控制部(10)，在应输出到所述逆变器电路(24)的目标电压或者目标电流为规定范围外的情况下，控制所述1个或者多个电流限制电路(26；42；43)以使流过各桥臂(25)的电流不被限制，并且对所述逆变器电路(24)的各桥臂(25)的两个开关元件夹着死区时间交替地进行接通/关断控制，在所述目标电压或者目标电流为所述规定范围内的情况下，控制所述1个或者多个电流限制电路(26；42；43)以使流过各桥臂(25)的电流被限制，并且对所述逆变器电路(24)的各桥臂(25)的两个开关元件不夹着死区时间而交替地进行接通/关断控制。
(2)用于将直流电力变换为交流电力的逆变器电路(24)，其特征在于，包括：
串联连接了两个开关元件的1つ以上的桥臂(25)；以及
限制流过各桥臂(25)的电流的1个或者多个电流限制电路(26；42；43)。
标号说明
10 控制部
20 电力变换装置
21 电源电路
22 整流电路
23 平滑电容器
24 逆变器电路
25 桥臂
26，42，43 电流限制电路
28 电流传感器
30 上位装置
33 电流控制部
35 PWM信号生成部
40 电动机
41 编码器
50 三相电源

Claims (7)

1.一种电力变换装置，其特征在于，包括：
逆变器电路，具有串联连接了两个开关元件的1个以上的桥臂；以及
控制部，进行所述逆变器电路内的各开关元件的接通/关断控制，
在所述逆变器电路中，设置了用于限制流过各桥臂的电流的1个或者多个电流限制电路，
所述控制部在应输出到所述逆变器电路的目标电压或者目标电流为规定范围外的情况下，控制所述1个或者多个电流限制电路以使流过各桥臂的电流不被限制，并且将所述逆变器电路的各桥臂的两个开关元件夹着死区时间而交替地进行接通/关断控制，在所述目标电压或者目标电流为所述规定范围内的情况下，控制所述1个或者多个电流限制电路以使流过各桥臂的电流被限制，并且将所述逆变器电路的各桥臂的两个开关元件不夹着死区时间而交替地进行接通/关断控制。
2.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
对于所述逆变器电路的每个桥臂，设置了用于限制流过该桥臂的电流的所述电流限制电路。
3.如权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于，
所述电流限制电路是通过调整成为了电流的控制对象的桥臂的一方的开关元件的栅极电压或者基极电流，而限制流过该桥臂的电流的电路，
所述控制部在所述目标电压或者目标电流为所述规定范围内的情况下，控制所述电流限制电路，以使在所述一方的开关元件的接通时，流过所述一方的开关元件的电流成为规定电流以下，在所述目标电压或者目标电流为所述规定范围外的情况下，控制所述电流限制电路，以使在所述一方的开关元件的接通时，流过所述一方的开关元件的电流不被限制为所述规定电流以下。
4.如权利要求3所述的电力变换装置，其特征在于，
所述控制部在所述目标电压或者目标电流为所述规定范围内的情况下，当接通所述一方的开关元件时，控制所述电流限制电路，以使在基于所述电流限制电路的响应速度所确定的上升模式以及上升开始定时，在所述一方的开关元件的接通定时以前所述一方的开关元件的栅极电压或者基极电流开始上升。
5.如权利要求3或4所述的电力变换装置，其特征在于，
所述一方的开关元件为带电流感测的开关元件，
所述电流限制电路是基于流过所述一方的开关元件的电流感测端子的电流，而限制流过所述桥臂的电流的电路。
6.一种逆变器电路，是用于将直流电力变换为交流电力的逆变器电路，其特征在于，包括：
串联连接了两个开关元件的1个以上的桥臂；以及
限制流过各桥臂的电流的1个或者多个电流限制电路。
7.如权利要求6所述的逆变器电路，其特征在于，
所述电流限制电路是通过调整对每个桥臂设置的、各桥臂的一方的开关元件的栅极电压或者基极电流，而限制流过各桥臂的电流的电路。
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