CN1685597A - 具有减少的部件额定值的功率转移系统 - Google Patents

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Abstract

一种功率反相器控制器调节输入功率使其跟踪输出功率，从而减小反相器DC总线的能量处理需求。到功率反相器电路的输入功率被测量并与反相器输出功率相比较。比较结果施加于功率因数校正电路，以便调节输入功率使其跟踪输出功率，同时获得用于功率反相器电路的良好功率因数。减少了能量需求和DC总线上的波动电压或波动电流，导致DC总线上的无源能量存储元件的额定指定的减少。

Description

具有减少的部件额定值的功率转移系统
相关申请
本发明基于2002年7月29日提交的标题为“具有降低的能量的功率反相器”的美国临时申请No.60/399,747，并要求其优先权。
技术领域
本发明一般涉及一种能量转移器件，特别涉及一种具有减小部件额定值的功率反相器(power inverter)电路。
背景技术
用于在输入端和输出端之间转移能量的典型功率系统通常采用具有DC输入和转换输出(switched output)的功率反相器电路，其中所述转换输出可以是单相或多相。例如，参见图1，用于驱动三相电机M的反相器一般作为反相器10表示。反相器10通过将由加和减DC总线供给的功率转换成电机线U、V和W从而操作电机M来工作。开关12a-12f导通和关断，以便适当地将功率引导到电机M和从电机M引导过来，这取决于所希望功率输出、控制方案、可获得的DC总线功率和成为获得高性能电机驱动的因素的其它参数。连接在+DCBUS线和-DCBUS线之间的每对开关形成用于给电机线U、V和W输送功率的转换半桥(switching half bridge)。例如，开关12a和12b形成转换半桥，以便驱动电机线U上的功率信号。
由开关12a-12b形成的半桥的工作是通过标准的转换实践来实现的，以便避免与部件限制相关的问题如转换损失，并提高系统性能。因而，开关12a和12b不会同时导通，以便避免在电机驱动中电流射穿(current shoot)。此外，在半桥中的两个开关改变状态时，在转换间隔之间提供空闲时间(dead time)。例如，如果开关12a将要关断以及开关12b将要导通，则这些事件不会同时发生，而是在开关12a关断和开关12b导通之间存在延迟。当使用高频反相器驱动用于高性能电机控制时，为了提高转换频率而不发生上述缺陷，空闲时间变得很重要。
高频转换还产生从反相器向电机转移的功率的快速变化，反之亦然。转换功率的这些快速变化暗示着需要用于反相器中开关的高功率额定值，例如，以便处理潜在的大范围的功率波动。
同样，耦合到反相器的其它部件，如无源能量存储部件，被额定能承受包括高峰值电流和电压以及大波动电流和电压的潜在的大功率波动。参见图2A和2B，无源电能存储部件耦合到反相器10，以便储存输入能量，并且通过反相器10供给被储存的能量。图2A示出了耦合在输入到功率反相器10的DC总线之间的存储电容器CBUS，而图2B示出了在连接到功率反相器10的正DC总线中的电感器Li。在图2A中，电容器CBUS将用于用作电压源反相器的功率反相器10的电能储存起来，而图2B中的电感器Li用作功率反相器10的DC链接电感器，其中功率反相器10用作电流源反相器。由于上述的与功率反相器10中的能量转移相关的难题，用于存储部件CBUS和Li的功率额定值必须选择的足够高，以便处理功率的波动而不使无源能量存储部件饱和或受到损伤。
当适当地选择与功率反相器10一起使用的额定无源部件时，具有合适额定值的部件通常很大，并且有时是昂贵的。例如，通常总线电容器CBUS占了电机驱动尺寸和成本的大百分比。应该希望减少额定值，因此减少与典型电机驱动系统一起使用的无源部件的尺寸和成本。
发明内容
根据本发明，发明人已经发现用于在功率反相器的能量转移电路中包括无源部件的主要目的是吸收或传送反相器的瞬时输入功率和施加于负载的输出功率之间的差值。施加于负载的输出功率可以传送给电机或电源负载。当瞬时输入功率跟踪瞬时输出功率时，瞬时输入功率和瞬时输出功率之间的差值可以最小化。因而，被无源部件如总线电容器或DC链接电感器存储或输送的能量可以最小化。例如，DC总线波动电压可以最小化，以及DC链接波动电流可以最小化。通过确定由特殊应用所允许的特定电压或电流波动值，DC总线电容器或DC链接电感器的尺寸可以相应地最小化。
本发明提供一种用于给连接到功率反相器的DC总线输送功率的前端有源控制器。前端有源控制器包括具有功率因数校正(PFC)的功率转换器，以便使功率转移系统呈现为对输入功率线的纯电阻负载。PFC功率转换器控制瞬时输入功率，以便使瞬时输入功率和瞬时输出功率之间的差值最小，由此减少耦合到DC总线上的无源部件的需求。瞬时输出功率可以通过获得用于如输出电流或电压的参数的值来测量或计算。通常，在大多数功率转移系统中，特别是在电机驱动系统中，测量这些参数的一个或多个，其中高性能取决于用检测参数反馈的闭合回路。
通过减少波动电流或电压的变化以及瞬时输入和瞬时输出功率的变化，额定无源部件可以被规定为很低的值，由此提供减小的封装尺寸并实现了直接降低成本。
附图说明
下面参照图详细介绍本发明，其中：
图1是耦合到电机上的功率反相器的电路图；
图2A-2B是分别表示电压源反相器和电流源反相器的电机驱动的电路方框图；和
图3是根据本发明的电路方框图。
具体实施方式
现在参见图3，其中示出了用于电机驱动系统31的控制器30。控制器30包括反相器控制器32、评估器33和功率控制器34。反相器控制器32是用于反相器10的闭合回路控制器，使用总线电压VDC和总线电流IDC作为反馈信号。反相器控制器32根据合适的分布提供用于转换反相器10中的功率开关的信号，以便获得用于电机M的所希望的控制输出。例如，电机M可以在从反相器控制器32获得的开关信号基础上并结合总线反馈信号VDC和IDC用于扭距控制或速度控制而工作。反相器控制器32还用于实现软转换，或者利用零电流的转换，以便避免转换损失。应该明白，反相器控制器32可以提供转换信号，以便作为单相或多相电源而操作反相器10。由于存在总线电容器CBUS，电机驱动系统31中的功率反相器10是电压源反相器。电容器CBUS储存来自功率因数校正(PFC)电源35的能量并将能量输送给反相器10，以便驱动由反相器10中的功率开关的操作调节的输出信号。因而，在电机驱动系统31工作其间电容器CBUS被充电和放电，这取决于总线电压的条件和被储存在电容器CBUS中的能量大小。
PFC功率转换器35将能量切换在DC总线上，以便提供由功率反相器10使用的全波整流输入信号的有效功率转换，同时牵引与输入AC电压同相的正弦电流，从而获得高功率因数。因而，电机驱动系统31呈现为相对于耦合到全波整流器36的AC输入线的电阻负载。通过关于输入电压Vin和输入电流Iin的简单计算，可以在全波整流器36的输出上很容易地测量瞬时输入功率。如图3所示，代表输入电流Iin和输入电压Vin的信号乘在一起，产生代表Pin的信号，而该信号Pin施加于功率控制器34。功率控制器34在测量总线电流IDC基础上还从评估器33接收瞬时输出功率的评估值。
功率控制器34接收代表输入功率Pin和反相器输出功率Po的信号，并给PFC功率转换器35提供总线调整和控制指令，从而驱动DC总线电压，因而瞬时输入功率Pin跟踪瞬时输出功率PO。通过跟踪输入功率Pin跟踪输出功率PO，PFC功率转换器35控制总线电容器CBUS必须处理的DC总线上的能量。利用这个标准，总线电容器CBUS中的能量EC被最小化。
通常测量输入电压Vin和输入电流Iin，以便获得用于PFC功率转换器35的闭合回路控制，从而获得良好的功率因数。相应地，代表输入电流Iin和输入电压Vin的输入信号通常可以在电机驱动系统31中获得。此外，经常是如下情况：用传感器件直接测量电机速度和/或扭距。例如，为获得代表输出功率PO的信号不必需要评估器33。就是说，直接测量电机速度和扭距提供合适的信号，以便计算代表输出功率PO的信号。由于电机速度和扭距通常在电机驱动系统31中进行测量，因此可以进一步简化控制器30。
本发明提供简单的技术来减少与反相器功率转移系统结合使用的无源部件的额定需求。不管无源部件是用于电压源反相器的总线电容器还是用于电流源反相器的DC链接电感器，本发明减小了部件所需的最大额定值。部件额定需求的减小大大减小了电机驱动系统的尺寸，并且还大大降低了总成本，因为所需无源部件占了系统成本和尺寸的大百分比。只稍微改变PFC功率转换器工作，以便确保输入功率跟踪输出功率，同时还牵引与输入电压同相的正弦输入电流。DC总线波动电压或DC链接波动电流被最小化，以便产生无源部件的较低波动需求。此外，在应用的基础上使由无源部件处理的能量最小，再次为无源部件提供减小的额定值。
尽管前面已经结合其特殊实施例介绍了本发明，但是很多其它改变和修改以及其它用途对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，优选本发明不受这里具体公开的限制，而是只受到所附权利要求书的限制。

Claims (19)

1.一种用于电功率转移器件的功率控制电路，包括：
用于转换输入功率以获得所希望的功率条件的输入功率调节电路；
耦合到功率调节电路上的功率控制电路，用于控制由功率调节电路牵引的输入功率；
表示输入功率并耦合到功率控制电路的输入信号；和
表示输出功率并耦合到功率控制电路的输出信号，该功率控制电路可操作以控制功率调节电路，从而输入功率跟踪输出功率。
2.根据权利要求1所述的电路，还包括：
耦合到功率调节电路的DC总线，用于转移由功率调节电路输送的DC功率；和
耦合到DC总线的评估器，它可操作以便在从DC总线获得的测量值的基础上提供表示输出功率的输出信号。
3.根据权利要求1所述的电路，其中功率调节电路是功率因数校正功率转换器。
4.根据权利要求1所述的电路，其中表示输入功率的输入信号包括：
表示提供给功率调节电路的输入电流的输入电流信号；和
表示输送给功率调节电路的电压的输入电压信号。
5.根据权利要求4所述的电路，其中输入电流和输入电压是彼此同相的。
6.根据权利要求5所述的电路，其中表示输入功率的输入功率信号是通过包括输入电流和输入电压的算法操作而获得的。
7.根据权利要求2所述的电路，还包括耦合到DC总线的功率反相器，用于提供被转换的功率输出。
8.根据权利要求7所述的电路，还包括耦合到功率反相器并具有减小的指定额定值的总线电容器。
9.根据权利要求7所述的电路，还包括在DC总线上并耦合到功率反相器上的电感器，该电感器具有减小的指定额定值。
10.根据权利要求7所述的电路，其中表示输出功率的功率输出信号是基于耦合到功率反相器上的电机的速度和扭距的直接测量获得的。
11.一种用于控制功率转移器件中的功率的方法，包括：
获得输送给功率转移器件的输入功率的指示；
获得从功率转移器件输送的输出功率的指示；
控制功率转换器件，以便在输入功率指示和输出功率指示的基础上牵引跟踪输出功率的输入功率。
12.一种用于使功率转移器件中的无源部件的能量需求最小化的方法，包括：
获得给功率转移器件的输入功率的指示；
获得由功率转移器件输送的输出功率的指示；和
控制耦合到输入功率的功率转换电路，以便牵引输入功率，从而分别在输入和输出功率的指示基础上使输入功率跟踪输出功率。
13.一种功率因数校正电路，包括：
耦合到功率因数校正电路的输入端的输入功率线，用于给功率因数校正电路输送输入功率；
耦合到功率因数校正电路的输出端的DC总线，用于从功率因数校正电路接收输出功率；
耦合到DC总线上的无源部件，用于存储和传送DC总线上的功率；和
耦合到功率因数校正电路上的功率控制信号输入，用于控制功率因数校正电路，以便基于涉及DC总线上的功率的输出功率指示牵引来自输入功率线的输入功率。
14.根据权利要求13所述的电路，其中输出功率指示是从DC总线的测量获得的。
15.根据权利要求13所述的电路，其中输出功率指示是从扭距和速度输出中的至少一个的测量获得的。
16.一种用于控制功率转移电路中功率的功率控制电路，该功率控制器包括：
用于提供输入功率指示的输入电流和电压的至少一个的指示；
涉及功率转移电路的功率输出的输入功率信号；
耦合到功率转移电路上的控制操作器电路，它可操作地给功率转移电路提供功率控制信号，以便基于功率控制电路的输入牵引跟踪输出功率的输入功率。
17.根据权利要求16所述的电路，还包括评估器电路，它可操作地提供功率转移电路的输出功率的指示并耦合到功率控制电路。
18.一种反相器控制器，包括：
用于给功率反相器提供转换信号的反相器控制器；
耦合到反相器控制器并表示输送给功率反相器的总线电压的DC电压输入；
功率控制电路，它可操作地提供控制信号以便控制功率反相电路中的功率；
表示到反相器电路的输入功率并耦合到功率控制电路的输入功率信号；和
表示反相器电路的输出功率并耦合到功率控制电路的输出功率信号，由功率控制电路提供的信号受到输入和输出功率信号的影响，以便控制功率反相器电路中的功率，从而使输入功率跟踪输出功率。
19.一种用于控制功率反相器电路的集成电路，它包括权利要求18的控制器。
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