三相交流电机驱动装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种三相交流电机驱动装置及方法。所述三相交流电机驱动装置包括：第一桥臂，包括串联在直流电压源两端的第一上开关管和第一下开关管，以及两个开关管之间的第一节点；第二桥臂，包括串联在直流电压源两端的第二上开关管和第二下开关管，以及两个开关管之间的第二节点；连接至直流偏置电压的第三节点，其中，第一上开关管和第一下开关管在第一PWM信号的控制下闭合和导通，第二上开关管和第二下开关管在第二PWM信号的控制下闭合和导通，从而在第一节点和第二节点之间、第二节点和第三节点之间、以及第三节点和第一节点之间产生用于驱动三相交流电机的三相交流输出电压。该三相交流电机驱动装置用于驱动星形连接或三角形连接的三相交流电机。
【专利说明】三相交流电机驱动装置及方法【技术领域】
[0001]本发明涉及三相交流电机驱动装置及方法，具体地涉及采用脉宽调制(PWM)信号控制的三相交流电机驱动装置及方法。
【背景技术】
[0002]在许多应用中希望将三相交流电机从供电干线供电切换为从直流电源供电。例如，混合动力汽车和纯电动汽车均包括直流电源、逆变器和交流电机作为动力源。逆变器作为交流电机的驱动装置，用于将直流电转换成用于驱动交流电机的交流电。由于高效率和调速的特性，采用脉宽调制(PWM)信号的交流电机驱动装置得到越来越广泛的应用。 [0003]在PWM信号的控制下，三相交流电机驱动装置产生三路相位差恒定的交流输出。已知的三相交流电机驱动装置包括3个桥臂，分别产生各自的交流输出，共使用6个开关管，其中每个桥臂使用2个开关管。这种三相交流电机驱动装置可以按照矢量和低功耗正弦波驱动方式控制。在矢量控制中，在每个周期中，每个桥臂的开关管都需要闭合和断开。在低功耗正弦波驱动方式中，在每个周期中，仅两个桥臂的开关管闭合和断开，另一个桥臂的开关管不动作。相对于矢量控制，低功耗正弦波驱动方式减少了开关管的开关次数，从而减小了功耗。
[0004]然而，不论是矢量控制方式还是低功耗正弦波控制方式，已知的三相交流电机驱动装置均需要使用6个开关管，这导致控制电路的复杂化以及功耗增加。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种可以减少开关管数量的三相交流电机驱动装置及方法。
[0006]根据本发明的第一方面，提供一种三相交流电机驱动装置，包括:第一桥臂，包括串联在直流电压源两端的第一上开关管和第一下开关管，以及第一上开关管和第一下开关管之间的第一节点；第二桥臂，包括串联在直流电压源两端的第二上开关管和第二下开关管，以及第二上开关管和第二下开关管之间的第二节点；连接至直流偏置电压的第三节点，其中，第一上开关管和第一下开关管在第一 PWM信号的控制下闭合和导通，第二上开关管和第二下开关管在第二 PWM信号的控制下闭合和导通，从而在第一节点和第二节点之间、第二节点和第三节点之间、以及第三节点和第一节点之间产生用于驱动三相交流电机的三相交流输出电压。
[0007]优选地，在所述三相交流电机驱动装置中，所述第一 PWM信号和所述第二 PWM信号相位差为1/3 η。
[0008]优选地，在所述三相交流电机驱动装置中，三相交流输出电压的相位差为2/3 。
[0009]优选地，所述三相交流电机驱动装置还包括:用于产生第一PWM信号的第一PWM信号发生器；以及用于产生第二 PWM信号的第二 PWM信号发生器。
[0010]优选地，在所述三相交流电机驱动装置中，第一 PWM信号发生器和第二 PWM信号发生器中的每一个包括:比较器，用于根据载波和正弦波产生PWM信号。[0011 ] 优选地，在所述三相交流电机驱动装置中，第一 PWM信号发生器和第二 PWM信号发生器中的每一个还包括:放大器，用于将所述直流偏置电压转换成恒定电压；以及加法器，用于将所述正弦波与所述恒定电压相加，以及将两者之和提供至所述比较器的输入端。
[0012]优选地，所述恒定电压为所述直流偏置电压乘以母线电压系数k，该母线电压系数k等于Vtripp/A,其中Vtripp为载波的幅值，A为交流输出电压的幅值。
[0013]优选地，所述三相交流电机驱动装置还包括偏置电压源，并且所述第三节点是所述偏置电压源的高电位端。
[0014]优选地，在所述三相交流电机驱动装置中，所述直流电压源为双极性直流电压源，并且所述第三节点接地。
[0015]根据本发明的第二方面，提供一种三相交流电机驱动方法，包括:在第一 PWM信号的控制下，在第一节点处产生第一交流输出信号；在第二 PWM信号的控制下，在第二节点处产生第二交流输出信号；将第三节点连接至直流偏置电压，其中，在第一节点和第二节点之间、第二节点和第三节点之间、以及第三节点和第一节点之间产生三相交流输出电压，用于驱动三相交流电机。
[0016]优选地，在所述方法中，所述第一PWM信号和所述第二 PWM信号相位差为1/3π。
[0017]优选地，在所述方法中，三相交流输出电压的相位差为2/3 31。
[0018]优选地，在所述方法中，采用第一 PWM信号控制第一上开关管和第一下开关管的闭合和断开，并且，所述第一节点是第一上开关管和第一下开关管之间的节点。
[0019]优选地，在所述方法中，采用第二 PWM信号控制第二上开关管和第二下开关管的闭合和断开，并且，所述第二节点是第二上开关管和第二下开关管之间的节点。
[0020]优选地，在所述方法中，采用正弦波调制载波以产生所述第一 PWM信号和所述第二 PWM信号。
[0021]优选地，在所述方法中，采用正弦波调制载波包括:将所述直流偏置电压转换成恒定电压；将所述正弦波与所述恒定电压相加；以及将所述载波和所述正弦波与所述恒定电压之和进行比较。
[0022]本发明的三相交流电机驱动装置及方法可以用于驱动星形连接或三角形连接的三相交流电机。
[0023]本发明的三相交流电机驱动装置及方法只需要使用4个开关管，就可以实现三相正弦波驱动方式。由于减少了开关管的数量，因而相应地降低了三相交流电机驱动装置的成本和功耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中:
[0025]图1示出根据现有技术的三相交流电机驱动装置的示意性电路图；
[0026]图2示出根据现有技术的三相交流电机驱动装置中使用的PWM信号发生器的一个实例；
[0027]图3示出根据现有技术的三相交流电机驱动装置的波形图；
[0028]图4示出根据本发明的第一实施例的三相交流电机驱动装置的示意性电路图；[0029]图5示出根据本发明的第二实施例的三相交流电机驱动装置的示意性电路图；
[0030]图6示出根据本发明的实施例的三相交流电机驱动装置中使用的PWM信号发生器的一个实例；以及
[0031]图7示出根据本发明的实施例的三相交流电机驱动装置的波形图。
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述。虽然本发明是结合以下的优选实施例进行描述的，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来所没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
[0033]此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷开关电源控制电路、开关电源及其控制方法举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
[0034]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，术语“占空比”是指在矩形波脉冲串的一个周期中，导通时间Ton(通常是一个周期内高电平信号的持续时间)与开关周期T (即，一个周期的长度)的比值。“占空比测量单元”是指测量与矩形波脉冲串的占空比相关的参数(例如导通时间Ton和/或开关周期T)的电路模块。
[0035]图1示出根据现有技术的三相交流电机驱动装置100的示意性电路图。三相交流电机驱动装置100包括3个驱动器、3个反相器和3个桥臂。3个桥臂分别提供各自的交流输出，从而共同驱动电机Ml。双极性电压源的输入端母线电压为+Vbus和-Vbus。
[0036]第一 PWM信号Vam、第二 PWM信号Vbm和第三PWM信号Vcm分别由各自的PWM信号发生器产生。例如，第一 PWM信号Vam、第二 PWM信号Vbm和第三PWM信号Vcm分别是信号周期恒定但占空比可变的双极性矩形波信号，彼此之间的相位差为2/3 π。
[0037]第一桥臂包括串联在电压源两端的上开关管Kl和下开关管Κ2。第一 PWM信号Vam经由第一驱动电路Dl产生第一开关控制信号。然后将第一开关控制信号直接提供至上开关管Kl的控制端，以及经由反相器Al提供至下开关管Κ2的控制端，使得上开关管Kl和下开关管Κ2交替闭合或断开。。
[0038]类似地，第二桥臂包括串联在电压源两端的上开关管Κ3和下开关管Κ4。第二 PWM信号Vbm经由第二驱动电路D2产生第二开关控制信号。然后将第二开关控制信号直接提供至上开关管Κ3的控制端，以及经由反相器Α2提供至下开关管Κ4的控制端，使得上开关管Κ3和下开关管Κ4交替闭合或断开。。
[0039]类似地，第三桥臂包括串联在电压源两端的上开关管Κ5和下开关管Κ6。第三PWM信号Vcm经由第三驱动电路D3产生第三开关控制信号。然后将第三开关控制信号直接提供至上开关管K5的控制端，以及经由反相器A3提供至下开关管K6的控制端，使得上开关管K5和下开关管K6交替闭合或断开。。
[0040]在一个实例中，三相交流电机驱动装置100还可以包括并联在电压源两端的电容Cl，以去除电压源的高频分量。
[0041]在第一桥臂中，在输入的第一 PWM信号Vam为高电平时，直接施加至上开关管Kl的控制端的控制信号为高电平，经反相器Al反相后施加至下开关管K2的控制端的控制信号为低电平，从而上开关管Kl闭合，下开关管K2断开。反之，在输入的第一 PWM信号Vam为低电平时，直接施加至上开关管Kl的控制端的控制信号为低电平，经反相器Al反相后施加至下开关管K2的控制端的控制信号为高电平，从而上开关管Kl断开，下开关管K2闭合。在连续的第一 PWM信号Vam的控制下，上开关管Kl和下开关管K2交替闭合和断开，从而在上开关管Kl和下开关管K2之间的节点a处提供第一交流输出信号。
[0042]类似地，在第二桥臂中，在连续的第二 PWM信号Vbm的控制下，上开关管K3和下开关管K4交替闭合和断开，从而在上开关管K3和下开关管K4之间的节点b处提供第二交流输出信号。
[0043]类似地，在第三桥臂中，在连续的第三PWM信号Vcm的控制下，上开关管K5和下开关管K6交替闭合和断开，从而在上开关管K5和下开关管K6之间的节点c处提供第三交流输出信号。
[0044]第一交流输出信号、第二交流输出信号和第三交流输出信号的低频分量分别为Va、Vb和Vc，如图3所示。结果，在三相交流电机上提供的线电压是包括基波和高次谐波的电压信号，其中基波是正弦波输出电压Vab、Vbc和Vca，如图3所示。
[0045]图2示出根据现有技术的三相交流电机驱动装置100中使用的PWM信号发生器110的一个实例。该PWM信号发生器110包括比较器A4。
[0046]载波Val例如是三角波，输入至比较器A4的反相端，其幅值以Vtripp示出。调制波Va2例如是正弦波，输入至比较器A4的同相端。载波Val的幅值大于等于调制波Va2的幅值。结果，比较器A4的输出信号是信号周期恒定但占空比可变的矩形波，例如第一 PWM信号Vam。该输出信号的频率与载波Val相同。在任意一个周期,该输出信号的占空比与相应时间段的调制波Va2的瞬态信号的强度成比例。
[0047]在三相交流电机驱动装置100中，使用三个上述的PWM信号发生器，分别产生第一PWM信号Vam、第二 PWM信号Vbm和第三PWM信号Vcm，从而为每一个桥臂提供一个相应的PWM信号。由于每个桥臂使用2个开关管，总共需要6个开关管。这导致了电路的复杂化，以及相应的成本和功耗增加。
[0048]图4示出根据本发明的第一实施例的三相交流电机驱动装置200的示意性电路图。三相交流电机驱动装置200包括2个驱动器、2个反相器和2个桥臂。2个桥臂分别提供各自的交流输出。此外，三相交流电机驱动装置200还包括I个偏置电压源Ul。上述两路交流输出与偏置电压源Ul的直流偏置电压Vc —起，产生三路交流驱动电压，从而共同驱动电机Ml。双极性电压源的输入端母线电压为+Vbus和-Vbus。
[0049]第一 PWM信号Vam和第二 PWM信号Vbm分别由各自的PWM信号发生器产生。例如，第一 PWM信号Vam和第二 PWM信号Vbm分别是信号周期恒定但占空比可变的双极性矩形波信号，彼此之间的相位差为1/3 π。
[0050]第一桥臂包括串联在电压源两端的上开关管Kl和下开关管Κ2。第一 PWM信号Vam经由第一驱动电路Dl产生第一开关控制信号。然后，将第一开关控制信号直接提供至上开关管Kl的控制端，以及经由反相器Al提供至下开关管Κ2的控制端，使得上开关管Kl和下开关管Κ2交替闭合或断开。
[0051]类似地，第二桥臂包括串联在电压源两端的上开关管Κ3和下开关管Κ4。第二 PWM信号Vbm经由第二驱动电路D2产生第二开关控制信号。然后，将第二开关控制信号直接提供至上开关管Κ3的控制端，以及经由反相器Α2提供至下开关管Κ4的控制端，使得上开关管Κ3和下开关管Κ4交替闭合或断开。
[0052]在一个实例中，三相交流电机驱动装置200还可以包括并联在电压源两端的电容Cl，以去除电压源的高频分量。
[0053]在第一桥臂中，第一 PWM信号Vam为高电平时，直接施加至上开关管Kl的控制端的控制信号为高电平，经反相器Al反相后施加至下开关管Κ2的控制端的控制信号为低电平，从而上开关管Kl闭合，下开关管Κ2断开。反之，在第一 PWM信号Vam为低电平时，直接施加至上开关管Kl的控制端的控制信号为低电平，经反相器Al反相后施加至下开关管Κ2的控制端的控制信号为高电平，从而上开关管Kl断开，下开关管Κ2闭合。在连续的第一PWM信号Vam的控制下，上开关管Kl和下开关管Κ2交替闭合和断开，在上开关管Kl和下开关管Κ2之间的节点a处提供第一交流输出信号。第一交流输出信号的低频分量Va如下式所示，
[0054]
【权利要求】
1.一种三相交流电机驱动装置，包括: 第一桥臂，包括串联在直流电压源两端的第一上开关管和第一下开关管，以及第一上开关管和第一下开关管之间的第一节点； 第二桥臂，包括串联在直流电压源两端的第二上开关管和第二下开关管，以及第二上开关管和第二下开关管之间的第二节点； 连接至直流偏置电压的第三节点， 其中，第一上开关管和第一下开关管在第一 PWM信号的控制下闭合和导通，第二上开关管和第二下开关管在第二 PWM信号的控制下闭合和导通，从而在第一节点和第二节点之间、第二节点和第三节点之间、以及第三节点和第一节点之间产生用于驱动三相交流电机的三相交流输出电压。
2.根据权利要求1所述的三相交流电机驱动装置，其中，所述第一PWM信号和所述第二PWM信号相位差为1/3 Ji。
3.根据权利要求1所述的三相交流电机驱动装置，其中三相交流输出电压的相位差为2/3 π。
4.根据权利要求1所述的三相交流电机驱动装置，还包括: 用于产生第一 PWM信号的第一 PWM信号发生器；以及 用于产生第二 PWM信号的第二 PWM信号发生器。
5.根据权利要求4所述的三相交流电机驱动装置，其中第一PWM信号发生器和第二PWM信号发生器中的每一个包括:` 比较器，用于根据载波和正弦波产生PWM信号。
6.根据权利要求5所述的三相交流电机驱动装置，其中第一PWM信号发生器和第二PWM信号发生器中的每一个还包括: 放大器，用于将所述直流偏置电压转换成恒定电压；以及 加法器，用于将所述正弦波与所述恒定电压相加，以及将两者之和提供至所述比较器的输入端。
7.根据权利要求6所述的三相交流电机驱动装置，其中所述恒定电压为所述直流偏置电压乘以母线电压系数k，该母线电压系数k等于Vtripp/A，其中Vtripp为载波的幅值，A为交流输出电压的幅值。
8.根据权利要求1所述的三相交流电机驱动装置，还包括偏置电压源，并且所述第三节点是所述偏置电压源的高电位端。
9.根据权利要求1所述的三相交流电机驱动装置，其中所述直流电压源为双极性直流电压源，并且所述第三节点接地。
10.一种三相交流电机驱动方法，包括: 在第一 PWM信号的控制下，在第一节点处产生第一交流输出信号； 在第二 PWM信号的控制下，在第二节点处产生第二交流输出信号； 将第三节点连接至直流偏置电压， 其中，在所述第一节点和所述第二节点之间、所述第二节点和所述第三节点之间、以及所述第三节点和所述第一节点之间产生三相交流输出电压，用于驱动三相交流电机。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一PWM信号和所述第二 PWM信号相位差为 1/3 η。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述三相交流输出电压的相位差为2/3π。
13.根据权利要求10所述的方法，其中采用所述第一PWM信号控制第一上开关管和第一下开关管的闭合和断开，并且，所述第一节点是所述第一上开关管和所述第一下开关管之间的节点。
14.根据权利要求10所述的方法，其中采用所述第二PWM信号控制第二上开关管和第二下开关管的闭合和断开，并且，所述第二节点是所述第二上开关管和所述第二下开关管之间的节点。
15.根据权利要求10所述的方法，其中采用正弦波调制载波以产生所述第一PWM信号和所述第二 PWM信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中采用正弦波调制载波包括: 将所述直流偏置电压转换成恒定电压； 将所述正弦波与所述恒定电压相加；以及 将所述载波和所述正弦波`与所述恒定电压之和进行比较。
【文档编号】H02P27/08GK103701402SQ201410005759
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】曹何金生 申请人:矽力杰半导体技术(杭州)有限公司