三相交流電機驅動裝置及方法
2023-10-06 11:16:49 2
三相交流電機驅動裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種三相交流電機驅動裝置及方法。所述三相交流電機驅動裝置包括：第一橋臂，包括串聯在直流電壓源兩端的第一上開關管和第一下開關管，以及兩個開關管之間的第一節點；第二橋臂，包括串聯在直流電壓源兩端的第二上開關管和第二下開關管，以及兩個開關管之間的第二節點；連接至直流偏置電壓的第三節點，其中，第一上開關管和第一下開關管在第一PWM信號的控制下閉合和導通，第二上開關管和第二下開關管在第二PWM信號的控制下閉合和導通，從而在第一節點和第二節點之間、第二節點和第三節點之間、以及第三節點和第一節點之間產生用於驅動三相交流電機的三相交流輸出電壓。該三相交流電機驅動裝置用於驅動星形連接或三角形連接的三相交流電機。
【專利說明】三相交流電機驅動裝置及方法【技術領域】
[0001]本發明涉及三相交流電機驅動裝置及方法，具體地涉及採用脈寬調製(PWM)信號控制的三相交流電機驅動裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在許多應用中希望將三相交流電機從供電幹線供電切換為從直流電源供電。例如，混合動力汽車和純電動汽車均包括直流電源、逆變器和交流電機作為動力源。逆變器作為交流電機的驅動裝置，用於將直流電轉換成用於驅動交流電機的交流電。由於高效率和調速的特性，採用脈寬調製(PWM)信號的交流電機驅動裝置得到越來越廣泛的應用。 [0003]在PWM信號的控制下，三相交流電機驅動裝置產生三路相位差恆定的交流輸出。已知的三相交流電機驅動裝置包括3個橋臂，分別產生各自的交流輸出，共使用6個開關管，其中每個橋臂使用2個開關管。這種三相交流電機驅動裝置可以按照矢量和低功耗正弦波驅動方式控制。在矢量控制中，在每個周期中，每個橋臂的開關管都需要閉合和斷開。在低功耗正弦波驅動方式中，在每個周期中，僅兩個橋臂的開關管閉合和斷開，另一個橋臂的開關管不動作。相對於矢量控制，低功耗正弦波驅動方式減少了開關管的開關次數，從而減小了功耗。
[0004]然而，不論是矢量控制方式還是低功耗正弦波控制方式，已知的三相交流電機驅動裝置均需要使用6個開關管，這導致控制電路的複雜化以及功耗增加。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種可以減少開關管數量的三相交流電機驅動裝置及方法。
[0006]根據本發明的第一方面，提供一種三相交流電機驅動裝置，包括:第一橋臂，包括串聯在直流電壓源兩端的第一上開關管和第一下開關管，以及第一上開關管和第一下開關管之間的第一節點；第二橋臂，包括串聯在直流電壓源兩端的第二上開關管和第二下開關管，以及第二上開關管和第二下開關管之間的第二節點；連接至直流偏置電壓的第三節點，其中，第一上開關管和第一下開關管在第一 PWM信號的控制下閉合和導通，第二上開關管和第二下開關管在第二 PWM信號的控制下閉合和導通，從而在第一節點和第二節點之間、第二節點和第三節點之間、以及第三節點和第一節點之間產生用於驅動三相交流電機的三相交流輸出電壓。
[0007]優選地，在所述三相交流電機驅動裝置中，所述第一 PWM信號和所述第二 PWM信號相位差為1/3 η。
[0008]優選地，在所述三相交流電機驅動裝置中，三相交流輸出電壓的相位差為2/3 。
[0009]優選地，所述三相交流電機驅動裝置還包括:用於產生第一PWM信號的第一PWM信號發生器；以及用於產生第二 PWM信號的第二 PWM信號發生器。
[0010]優選地，在所述三相交流電機驅動裝置中，第一 PWM信號發生器和第二 PWM信號發生器中的每一個包括:比較器，用於根據載波和正弦波產生PWM信號。[0011 ] 優選地，在所述三相交流電機驅動裝置中，第一 PWM信號發生器和第二 PWM信號發生器中的每一個還包括:放大器，用於將所述直流偏置電壓轉換成恆定電壓；以及加法器，用於將所述正弦波與所述恆定電壓相加，以及將兩者之和提供至所述比較器的輸入端。
[0012]優選地，所述恆定電壓為所述直流偏置電壓乘以母線電壓係數k，該母線電壓係數k等於Vtripp/A,其中Vtripp為載波的幅值，A為交流輸出電壓的幅值。
[0013]優選地，所述三相交流電機驅動裝置還包括偏置電壓源，並且所述第三節點是所述偏置電壓源的高電位端。
[0014]優選地，在所述三相交流電機驅動裝置中，所述直流電壓源為雙極性直流電壓源，並且所述第三節點接地。
[0015]根據本發明的第二方面，提供一種三相交流電機驅動方法，包括:在第一 PWM信號的控制下，在第一節點處產生第一交流輸出信號；在第二 PWM信號的控制下，在第二節點處產生第二交流輸出信號；將第三節點連接至直流偏置電壓，其中，在第一節點和第二節點之間、第二節點和第三節點之間、以及第三節點和第一節點之間產生三相交流輸出電壓，用於驅動三相交流電機。
[0016]優選地，在所述方法中，所述第一PWM信號和所述第二 PWM信號相位差為1/3π。
[0017]優選地，在所述方法中，三相交流輸出電壓的相位差為2/3 31。
[0018]優選地，在所述方法中，採用第一 PWM信號控制第一上開關管和第一下開關管的閉合和斷開，並且，所述第一節點是第一上開關管和第一下開關管之間的節點。
[0019]優選地，在所述方法中，採用第二 PWM信號控制第二上開關管和第二下開關管的閉合和斷開，並且，所述第二節點是第二上開關管和第二下開關管之間的節點。
[0020]優選地，在所述方法中，採用正弦波調製載波以產生所述第一 PWM信號和所述第二 PWM信號。
[0021]優選地，在所述方法中，採用正弦波調製載波包括:將所述直流偏置電壓轉換成恆定電壓；將所述正弦波與所述恆定電壓相加；以及將所述載波和所述正弦波與所述恆定電壓之和進行比較。
[0022]本發明的三相交流電機驅動裝置及方法可以用於驅動星形連接或三角形連接的三相交流電機。
[0023]本發明的三相交流電機驅動裝置及方法只需要使用4個開關管，就可以實現三相正弦波驅動方式。由於減少了開關管的數量，因而相應地降低了三相交流電機驅動裝置的成本和功耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]通過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其他目的、特徵和優點將更為清楚，在附圖中:
[0025]圖1示出根據現有技術的三相交流電機驅動裝置的示意性電路圖；
[0026]圖2示出根據現有技術的三相交流電機驅動裝置中使用的PWM信號發生器的一個實例；
[0027]圖3示出根據現有技術的三相交流電機驅動裝置的波形圖；
[0028]圖4示出根據本發明的第一實施例的三相交流電機驅動裝置的示意性電路圖；[0029]圖5示出根據本發明的第二實施例的三相交流電機驅動裝置的示意性電路圖；
[0030]圖6示出根據本發明的實施例的三相交流電機驅動裝置中使用的PWM信號發生器的一個實例；以及
[0031]圖7示出根據本發明的實施例的三相交流電機驅動裝置的波形圖。
【具體實施方式】
[0032]以下結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細描述。雖然本發明是結合以下的優選實施例進行描述的，但是本發明並不僅僅限於這些實施例。在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來所沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。為了避免混淆本發明的實質，公知的方法、過程、流程、元件和電路並沒有詳細敘述。
[0033]此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。應當理解，當稱元件「耦接到」或「連接到」另一元件時，它可以是直接耦接或連接到另一元件或者可以存在中間元件，元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結合。相反，當稱元件「直接耦接到」或「直接連接到」另一元件時，意味著兩者不存在中間元件。除非上下文明確要求，否則整個說明書和權利要求書中的「包括」、「包含」等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮開關電源控制電路、開關電源及其控制方法舉的含義；也就是說，是「包括但不限於」的含義。
[0034]在本發明的描述中，需要理解的是，術語「第一」、「第二」等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。此外，術語「佔空比」是指在矩形波脈衝串的一個周期中，導通時間Ton(通常是一個周期內高電平信號的持續時間)與開關周期T (即，一個周期的長度)的比值。「佔空比測量單元」是指測量與矩形波脈衝串的佔空比相關的參數(例如導通時間Ton和/或開關周期T)的電路模塊。
[0035]圖1示出根據現有技術的三相交流電機驅動裝置100的示意性電路圖。三相交流電機驅動裝置100包括3個驅動器、3個反相器和3個橋臂。3個橋臂分別提供各自的交流輸出，從而共同驅動電機Ml。雙極性電壓源的輸入端母線電壓為+Vbus和-Vbus。
[0036]第一 PWM信號Vam、第二 PWM信號Vbm和第三PWM信號Vcm分別由各自的PWM信號發生器產生。例如，第一 PWM信號Vam、第二 PWM信號Vbm和第三PWM信號Vcm分別是信號周期恆定但佔空比可變的雙極性矩形波信號，彼此之間的相位差為2/3 π。
[0037]第一橋臂包括串聯在電壓源兩端的上開關管Kl和下開關管Κ2。第一 PWM信號Vam經由第一驅動電路Dl產生第一開關控制信號。然後將第一開關控制信號直接提供至上開關管Kl的控制端，以及經由反相器Al提供至下開關管Κ2的控制端，使得上開關管Kl和下開關管Κ2交替閉合或斷開。。
[0038]類似地，第二橋臂包括串聯在電壓源兩端的上開關管Κ3和下開關管Κ4。第二 PWM信號Vbm經由第二驅動電路D2產生第二開關控制信號。然後將第二開關控制信號直接提供至上開關管Κ3的控制端，以及經由反相器Α2提供至下開關管Κ4的控制端，使得上開關管Κ3和下開關管Κ4交替閉合或斷開。。
[0039]類似地，第三橋臂包括串聯在電壓源兩端的上開關管Κ5和下開關管Κ6。第三PWM信號Vcm經由第三驅動電路D3產生第三開關控制信號。然後將第三開關控制信號直接提供至上開關管K5的控制端，以及經由反相器A3提供至下開關管K6的控制端，使得上開關管K5和下開關管K6交替閉合或斷開。。
[0040]在一個實例中，三相交流電機驅動裝置100還可以包括並聯在電壓源兩端的電容Cl，以去除電壓源的高頻分量。
[0041]在第一橋臂中，在輸入的第一 PWM信號Vam為高電平時，直接施加至上開關管Kl的控制端的控制信號為高電平，經反相器Al反相後施加至下開關管K2的控制端的控制信號為低電平，從而上開關管Kl閉合，下開關管K2斷開。反之，在輸入的第一 PWM信號Vam為低電平時，直接施加至上開關管Kl的控制端的控制信號為低電平，經反相器Al反相後施加至下開關管K2的控制端的控制信號為高電平，從而上開關管Kl斷開，下開關管K2閉合。在連續的第一 PWM信號Vam的控制下，上開關管Kl和下開關管K2交替閉合和斷開，從而在上開關管Kl和下開關管K2之間的節點a處提供第一交流輸出信號。
[0042]類似地，在第二橋臂中，在連續的第二 PWM信號Vbm的控制下，上開關管K3和下開關管K4交替閉合和斷開，從而在上開關管K3和下開關管K4之間的節點b處提供第二交流輸出信號。
[0043]類似地，在第三橋臂中，在連續的第三PWM信號Vcm的控制下，上開關管K5和下開關管K6交替閉合和斷開，從而在上開關管K5和下開關管K6之間的節點c處提供第三交流輸出信號。
[0044]第一交流輸出信號、第二交流輸出信號和第三交流輸出信號的低頻分量分別為Va、Vb和Vc，如圖3所示。結果，在三相交流電機上提供的線電壓是包括基波和高次諧波的電壓信號，其中基波是正弦波輸出電壓Vab、Vbc和Vca，如圖3所示。
[0045]圖2示出根據現有技術的三相交流電機驅動裝置100中使用的PWM信號發生器110的一個實例。該PWM信號發生器110包括比較器A4。
[0046]載波Val例如是三角波，輸入至比較器A4的反相端，其幅值以Vtripp示出。調製波Va2例如是正弦波，輸入至比較器A4的同相端。載波Val的幅值大於等於調製波Va2的幅值。結果，比較器A4的輸出信號是信號周期恆定但佔空比可變的矩形波，例如第一 PWM信號Vam。該輸出信號的頻率與載波Val相同。在任意一個周期,該輸出信號的佔空比與相應時間段的調製波Va2的瞬態信號的強度成比例。
[0047]在三相交流電機驅動裝置100中，使用三個上述的PWM信號發生器，分別產生第一PWM信號Vam、第二 PWM信號Vbm和第三PWM信號Vcm，從而為每一個橋臂提供一個相應的PWM信號。由於每個橋臂使用2個開關管，總共需要6個開關管。這導致了電路的複雜化，以及相應的成本和功耗增加。
[0048]圖4示出根據本發明的第一實施例的三相交流電機驅動裝置200的示意性電路圖。三相交流電機驅動裝置200包括2個驅動器、2個反相器和2個橋臂。2個橋臂分別提供各自的交流輸出。此外，三相交流電機驅動裝置200還包括I個偏置電壓源Ul。上述兩路交流輸出與偏置電壓源Ul的直流偏置電壓Vc —起，產生三路交流驅動電壓，從而共同驅動電機Ml。雙極性電壓源的輸入端母線電壓為+Vbus和-Vbus。
[0049]第一 PWM信號Vam和第二 PWM信號Vbm分別由各自的PWM信號發生器產生。例如，第一 PWM信號Vam和第二 PWM信號Vbm分別是信號周期恆定但佔空比可變的雙極性矩形波信號，彼此之間的相位差為1/3 π。
[0050]第一橋臂包括串聯在電壓源兩端的上開關管Kl和下開關管Κ2。第一 PWM信號Vam經由第一驅動電路Dl產生第一開關控制信號。然後，將第一開關控制信號直接提供至上開關管Kl的控制端，以及經由反相器Al提供至下開關管Κ2的控制端，使得上開關管Kl和下開關管Κ2交替閉合或斷開。
[0051]類似地，第二橋臂包括串聯在電壓源兩端的上開關管Κ3和下開關管Κ4。第二 PWM信號Vbm經由第二驅動電路D2產生第二開關控制信號。然後，將第二開關控制信號直接提供至上開關管Κ3的控制端，以及經由反相器Α2提供至下開關管Κ4的控制端，使得上開關管Κ3和下開關管Κ4交替閉合或斷開。
[0052]在一個實例中，三相交流電機驅動裝置200還可以包括並聯在電壓源兩端的電容Cl，以去除電壓源的高頻分量。
[0053]在第一橋臂中，第一 PWM信號Vam為高電平時，直接施加至上開關管Kl的控制端的控制信號為高電平，經反相器Al反相後施加至下開關管Κ2的控制端的控制信號為低電平，從而上開關管Kl閉合，下開關管Κ2斷開。反之，在第一 PWM信號Vam為低電平時，直接施加至上開關管Kl的控制端的控制信號為低電平，經反相器Al反相後施加至下開關管Κ2的控制端的控制信號為高電平，從而上開關管Kl斷開，下開關管Κ2閉合。在連續的第一PWM信號Vam的控制下，上開關管Kl和下開關管Κ2交替閉合和斷開，在上開關管Kl和下開關管Κ2之間的節點a處提供第一交流輸出信號。第一交流輸出信號的低頻分量Va如下式所示，
[0054]
【權利要求】
1.一種三相交流電機驅動裝置，包括: 第一橋臂，包括串聯在直流電壓源兩端的第一上開關管和第一下開關管，以及第一上開關管和第一下開關管之間的第一節點； 第二橋臂，包括串聯在直流電壓源兩端的第二上開關管和第二下開關管，以及第二上開關管和第二下開關管之間的第二節點； 連接至直流偏置電壓的第三節點， 其中，第一上開關管和第一下開關管在第一 PWM信號的控制下閉合和導通，第二上開關管和第二下開關管在第二 PWM信號的控制下閉合和導通，從而在第一節點和第二節點之間、第二節點和第三節點之間、以及第三節點和第一節點之間產生用於驅動三相交流電機的三相交流輸出電壓。
2.根據權利要求1所述的三相交流電機驅動裝置，其中，所述第一PWM信號和所述第二PWM信號相位差為1/3 Ji。
3.根據權利要求1所述的三相交流電機驅動裝置，其中三相交流輸出電壓的相位差為2/3 π。
4.根據權利要求1所述的三相交流電機驅動裝置，還包括: 用於產生第一 PWM信號的第一 PWM信號發生器；以及 用於產生第二 PWM信號的第二 PWM信號發生器。
5.根據權利要求4所述的三相交流電機驅動裝置，其中第一PWM信號發生器和第二PWM信號發生器中的每一個包括:` 比較器，用於根據載波和正弦波產生PWM信號。
6.根據權利要求5所述的三相交流電機驅動裝置，其中第一PWM信號發生器和第二PWM信號發生器中的每一個還包括: 放大器，用於將所述直流偏置電壓轉換成恆定電壓；以及 加法器，用於將所述正弦波與所述恆定電壓相加，以及將兩者之和提供至所述比較器的輸入端。
7.根據權利要求6所述的三相交流電機驅動裝置，其中所述恆定電壓為所述直流偏置電壓乘以母線電壓係數k，該母線電壓係數k等於Vtripp/A，其中Vtripp為載波的幅值，A為交流輸出電壓的幅值。
8.根據權利要求1所述的三相交流電機驅動裝置，還包括偏置電壓源，並且所述第三節點是所述偏置電壓源的高電位端。
9.根據權利要求1所述的三相交流電機驅動裝置，其中所述直流電壓源為雙極性直流電壓源，並且所述第三節點接地。
10.一種三相交流電機驅動方法，包括: 在第一 PWM信號的控制下，在第一節點處產生第一交流輸出信號； 在第二 PWM信號的控制下，在第二節點處產生第二交流輸出信號； 將第三節點連接至直流偏置電壓， 其中，在所述第一節點和所述第二節點之間、所述第二節點和所述第三節點之間、以及所述第三節點和所述第一節點之間產生三相交流輸出電壓，用於驅動三相交流電機。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述第一PWM信號和所述第二 PWM信號相位差為 1/3 η。
12.根據權利要求10所述的方法，其中所述三相交流輸出電壓的相位差為2/3π。
13.根據權利要求10所述的方法，其中採用所述第一PWM信號控制第一上開關管和第一下開關管的閉合和斷開，並且，所述第一節點是所述第一上開關管和所述第一下開關管之間的節點。
14.根據權利要求10所述的方法，其中採用所述第二PWM信號控制第二上開關管和第二下開關管的閉合和斷開，並且，所述第二節點是所述第二上開關管和所述第二下開關管之間的節點。
15.根據權利要求10所述的方法，其中採用正弦波調製載波以產生所述第一PWM信號和所述第二 PWM信號。
16.根據權利要求15所述的方法，其中採用正弦波調製載波包括: 將所述直流偏置電壓轉換成恆定電壓； 將所述正弦波與所述恆定電壓相加；以及 將所述載波和所述正弦波`與所述恆定電壓之和進行比較。
【文檔編號】H02P27/08GK103701402SQ201410005759
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月3日 優先權日:2014年1月3日
【發明者】曹何金生 申請人:矽力傑半導體技術(杭州)有限公司