用于将DC电力转换为三相AC电力的转换系统以及包括该转换系统的电动机系统的制作方法

本实用新型涉及用于电能转换的转换器领域，尤其涉及高速和/或变速电机。

背景技术：

静态转换器是准许将电信号转换为具有不同特性的另一电信号的系统。例如，转换器可准许将交流电压转换为不同频率和/或振幅的另一交流电压，称为交流/交流或AC/AC转换器。根据进一步示例，转换器可准许将交流电压转换为直流电压，称为交流/直流或AC/DC转换器。用于直流至交流电压的逆转换的设备被称为DC/AC转换器。根据最终示例，转换器可将直流电压转换为不同额定的直流电压，称为DC/DC转换器。转换器可以是可逆的或不可逆的。一般来说，藉由受控换向器(开关)来部署转换。

为了使用一个或多个储电系统(例如，电池)来操作电机，特别是永磁电机，将DC电能转换为三相AC电能是必要的。该转换可藉由DC/AC转换器来达成。要求这种类型的转换器提供具有120°的相互相位移的三个正弦电压，这三个正弦电压的振幅直接取决于所需扭矩(但是也取决于转速)，并且这三个正弦电压的频率排他性地取决于连接至转换器的电机的转速。

常规地，DC/AC转换器包括三个换向臂。每个换向臂包括两个受控换向器和与受控换向器并联布置的两个二极管。取决于所需电流负载，臂可由平行布置的多个“子臂”构成。电机的各相连接至每个臂的中点。通过在断路区间上致动换向器的打开和闭合来分开地控制每个臂以生成三相信号。

图1解说了常规的这种类型的DC/AC转换器。储电装置的DC电压由Udc 来指示。三相电动机M由分别由电流Ia、Ib和Ic供电的三个线圈来示意性地表示。转换器包括三个换向臂A、B、C，其中每个换向臂A、B、C连接至电机M的一个相。每个换向臂包括两个换向器1和两个二极管2。换向臂A、B、C平行布置在电压转换器两个DC输入相Udc之间。换向臂A、B、C的输出相连接至换向臂的中点(在两个换向器之间)。

图2表示常规DC/AC转换器(如以上参照图1所述)中恒定循环比为50 ％的开关上的命令信号COM、换向器的端子上的电压Udc和电流Ic。在命令信号COM中，矩形脉冲的下部对应于打开的换向器，而矩形脉冲的上部对应于闭合的换向器。这种类型的换向被称为硬或‘开/关’(或“硬开关”)。可以看到，在转换器的这种设计中，发生了电压Udc和电流Io的过冲。电流Io对应于Ic的永久值，并且对应于传送给电机的电流。

因此，这种常规设计的转换器的主要劣势在于以下：

·开关损耗：该设计与大量的开关损耗相关联，这往往使得其应用与高开关频率不兼容，并且因此与以非常高的速度操作的电机不兼容，

·电流/电压过冲：如图2中所表示的，这种策略涉及与开关的瞬时换向相关联的电压和电流过冲。因此，这种类型的操作要求在转换器 (也被称为逆变器)的设计中结合各种组件的额定电压和额定电流的裕量。这涉及所采用的组件的超尺寸(over-dimensioning)(例如：对于300V的DC总线电压，采用具有600V额定电压的IGBT 换向器，以考虑这些电压和电流过冲)，以及

·大量电磁辐射(EMC)。

基于对“硬开关”策略的劣势(损耗、与高速电动机不兼容)的考虑，已经开发了“软开关”设计。因此，为了限制换向器上的电流和电压过冲，线圈和电容器被添加至先前电路。线圈调节电流的变化di/dt(“导通”)，而电容器调节电压的变化dv/dt(“断开”)。此外，为了确保电路操作并且因此确保零能量平衡，在采用的能源的电压与电容电路之间的电路中增加电阻器。该电阻器确保该电路的操作，并且准许下拉电容电路的端子上的电压。专利申请WO11016854 中具体描述了这种类型的DC/AC转换器设计。

图3示出了具有电容器Cs、线圈Ls、电阻器R和电容器Cov的用于软开关的换向臂(具有两个换向器1)的简化示意图。该电路的英文名称为“Undeland snubber”。电压Udc对应于DC储电装置的端子处的电压。线圈Ls安排在一个DC输入相Udc与换向臂A之间。一分支离开线圈Ls和换向臂A的连接点，其中该分支包括两个二极管D，并且被路由至电阻器R和电容器Cov的连接点。电阻器R的另一端连接至转换器的DC输入相。电容器Cs的另一端连接至换向臂A的AC输出相。电容器Cov的另一端连接至接地。电容器Cs准许调节换向器的端子处的电压移动。该电容器存储与开关的软开关相关联的一部分能量。该能量的其余部分被存储在更高额定的电容器Cov中。存储在电容器中的能量随后经由电阻器返回至所采用的储能系统(电池)。线圈Ls准许调节换向器的端子处的电流移动。实际上，由线圈Ls生成的能量不完全被存储在电容器Cs中，因此需要比Cs更高额定的第二电器Cov。电阻器确保系统的操作，并且准许下拉电压Vrec。

图4以与图2类似的方式表示换向信号COM、与“软”开关相关联的换向器上的电压Udc和电路Ic的移动。在命令信号COM中，矩形脉冲的下部对应于打开的换向器，而矩形脉冲的上部对应于闭合的换向器。在该图中，将看到电压Udc和电流Ic的过冲相对于“硬”开关而言被降低。

软开关的优势在于以下：

·降低的开关损耗：转换器的这种设计与高开关频率兼容，并且因此该设计可被用于高速电机的操作，

·换向器上受限的电压和电流过冲，并且因此没有对各组件的超尺寸的进一步要求，以及

·通过分别选择Ls和Cs来调节转换期间换向器的端子处的电压和电流移动。

这种设计的转换器要求各种电组件的特定安排，因此使得其组装冗长而且复杂。此外，这种设计的转换器具有主要缺点，在于能量必须在电阻器中消散，其目的是达成无源组件上的零能量平衡，并且因此下拉电压Vrec，由此涉及能量损耗并且因此降低转换器的效率。

而且，该设计的转换器上的另一约束是其占用空间，其必须是有限的。

技术实现要素：

为了纠正这些缺点，本实用新型涉及一种用于将DC电力转换为三相电力的转换系统，其包括三个换向臂、调节电路、电能回收模块和滤波装置。滤波装置包括电容器和由与二极管串联连接的滤波线圈形成的组装件。二极管与线圈的组合使得选择具有较低电感因此具有缩小体积的线圈成为可能。此外，藉由调节电路，部署了软开关，由此特别降低了开关损耗以及换向器上的电压和电流过冲。此外，电能回收模块准许转换器的效率最优化。

根据本实用新型的系统

本实用新型涉及用于将DC电力转换为三相电力的转换系统，包括：三个换向臂，针对电压和电流变化的、包括电容器以及线圈的调节电路，其中所述转换系统的每一AC输出相有一个电容器，以及连接至所述换向臂并且连接至所述调节电路的电能回收模块。所述转换系统包括针对所述转换系统的每个输出相的、包括滤波电容器和由与二极管串联连接的滤波线圈形成的组装件的滤波装置。

根据一个实施例，所述滤波线圈具有0.5-50μH之间的电感。

有利地，所述滤波装置的所述二极管是肖特基二极管。

根据一个实现，由所述滤波线圈和所述二极管形成的所述滤波装置的每个组装件被安装在滤波模块上。

较佳地，每个滤波模块被安装在印刷电路板上，该印刷电路板包括所述换向臂、所述调节电路和所述电能回收模块。

根据实施例的一种变体，所述滤波装置位于所述转换系统的所述换向臂与所述电能回收模块之间。

根据一个特征，所述电能回收模块包括至少一个电感和至少一个换向器。

根据一种设计，所述电能回收模块包括连接至单个接合点的三个分支，其中：

-第一分支，包括换向器，

-第二分支，包括二极管，以及

-第三分支，包括电感。

有利地，所述调节电路的所述线圈位于所述转换系统的DC输入相与所述换向臂的连接点之间。

较佳地，所述调节电路的每个电容器连接至所述转换系统的一个AC输出相并连接至所述调节电路的所述线圈、所述换向臂和电容器之间的连接点。

根据一种变体，所述电能回收模块位于所述转换系统的DC输入相与所述换向臂和所述调节电路的所述电容器之间的连接点之间。

根据一个实施例，每个换向臂包括两个换向器和两个二极管，所述转换系统的输出相连接至每个换向臂的中点。

此外，所述转换系统可以是双向的。

另外，本实用新型涉及一种电动机系统，其包括至少一个储电装置和三相电机。该电动机系统包括根据上述特性之一的转换系统，该转换系统用于将来自所述储电装置的DC电能转换为用于所述电机的三相AC电能。

附图说明

从以下参照所附附图并在其后描述的非限定示例性实施例中将标识根据本实用新型的系统的进一步特性和优势。

从以下参照所附附图并在其后描述的非限定示例性实施例中将标识根据本实用新型的系统的进一步特性和优势。

已经描述的图1解说了根据现有技术的具有硬开关的常规DC/AC转换器。

已经描述的图2解说了图1中解说的设计的DC/AC转换器的一个相中的换向信号、电压和电流。

已经描述的图3解说了根据现有技术的具有软开关的DC/AC转换器。

已经描述的图4解说了图3中解说的设计的DC/AC转换器的一个相中的换向信号、电压和电流。

图5a解说了根据本实用新型的一种实施例形式的用于转换器的电能回收模块的示例性实施例。

图5b解说了图5a中示出的电能回收模块的等效电阻模型。

图6解说了根据本实用新型的一种实施例形式的转换系统的一个相的电路。

图7示出了根据本实用新型的滤波模块的示意解说。

具体实施方式

本实用新型涉及一种用于将DC电能转换为三相AC电能的DC/AC转换系统(转换器)。有利地，根据本实用新型的转换系统可以是双向的(可逆的)。由此，藉由根据本实用新型的转换系统，三相AC电能可被转换为DC电能。

常规地，根据本实用新型的转换系统包括三个换向臂、一个DC输入相和三个AC输出相。三个换向臂的设计可类似于根据现有技术的AC/DC转换器的换向臂，例如该设计可以根据图1的设计。由此，每个转换器臂可包括两个受控换向器(开关)和两个二极管。各二极管与换向器平行放置，并且准许电流在单个方向通过。在已知模式中，换向器的控制准许生成AC电压。转换系统的输出相连接至每个换向臂的中点，即在两个换向器之间。

根据本实用新型的一个特性，换向器可以是MOSFET类型的换向器(是“金属氧化物半导体场效应晶体管”的英文缩写)和/或IGBT类型的换向器(英文是“Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极晶体管)”)。

较佳地，换向器由脉宽调制方法控制(也用针对“脉宽调制”的英文PWM 来表示)。根据该调制方法的一般原理，通过在仔细选择的时间区间上应用一连串离散状态，在给定时间区间上达成任何平均中间值是可能的。

为了组合其效果和其优势，可将以下描述的各种实施例模式进行组合。

根据本实用新型，转换系统还包括电压和电流调节电路。电压和电流调节电路准许软开关，由此准许约束开关损耗并约束换向器上的电流和电压过冲。调节电路包括一个线圈(该线圈调节电流变动)以及每相一个电容器(用于调节电压变动)。

根据本实用新型的一个实施例形式，调节电路包括调节线圈，该调节线圈连接换向系统的一个DC输入相和换向臂。而且，换向电路包括每相一个调节电容器(因此有三个电容器，一个电容器针对三个换向臂中的一个换向臂)，该调节电容器连接AC输出相和调节电路的线圈与调节臂之间的连接点。线圈调节电流的变化di/dt(“导通”)，而电容器调节电压的变化dv/dt(“断开”)。根据一个示例性实施例，根据本实用新型的转换器系统的调节电路的设计可对应于图3中解说的软开关设计，没有电阻器R。而且，为了产生转换系统的三个臂，该电路可被重复三次(一次针对一个换向臂)。另外，至储能系统和至电机的连接可类似于图1中解说的常规转换器的连接。

根据本实用新型，转换系统还包括电能回收模块。转换系统由此不包括在其中电能根据现有技术被消散的电阻器。相反，通过回收与软开关相关联的可用电能并将其传送至连接至转换系统的DC相的储电装置(例如，电池)，取代电阻器的电能回收模块准许回收结合“软开关”可用或生成的电能。电损耗由此被显著降低。电能回收模块连接至换向臂并连接至调节电路。

根据本实用新型，转换系统还包括滤波装置。滤波装置准许平滑AC输出相中的电压和电流。按已知方式，滤波装置在转换器的每个输出相上包括滤波线圈和滤波电容器。并且，滤波装置包括与滤波线圈串联连接的二极管。以此方式，降低滤波装置的线圈的电感是可能的，这具有降低转换系统的占用空间的效果。实际上，在没有二极管的情况下，为了确保最优滤波，采用额定几百微亨的滤波线圈是必要的，该线圈可具有10cm*5cm数量级的占用空间，而在适合了二极管(根据本实用新型)的情况下，滤波线圈具有额定0.5-50微亨是可能的，这代表1cm*1cm数量级的占用空间。线圈电感中的该降低的进一步效果是降低所产生的热，这准许简化转换系统的冷却。

根据本实用新型的一种执行形式，每个滤波装置被安排在转换系统的换向臂与电能回收模块之间。

较佳地，与滤波装置中的滤波线圈串联安排的二极管是肖特基类型的二极管(它是具有极低直流电压阈值和极短开关时间的二极管)。布置该二极管以准许电流从换向臂通过电能回收模块。二极管准许降低或消除电能回收模块的端子处的电压尖峰。较佳地，二极管在电流方向上安排在滤波线圈的上游。

根据本实用新型的一种实施例形式，由滤波装置的线圈和二极管形成的组合被适合成独立的滤波模块。术语“模块”描述了单位形式的独立元件，该元件组合了所有电子组件以供执行给定功能。模块形式的该实施例准许简化组装件，并确保转换系统的模块化。较佳地，滤波模块可被安装在印刷电路板上，该印刷电路板包括换向臂、调节电路和电能回收模块。有利地，换向臂也可按模块形式生产，称为功率模块。由此，可通过在印刷电路板上组装滤波模块(每输出相一个)、功率模块(每输出相至少一个)以及电能回收模块来产生转换系统。由此，可分开并以标准方式制造各单元，并且转换系统由在印刷电路板上组装的各种模块(单元)构成。由此，在单个元件上组装转换系统的所有电组件不是必需的。并且，模式形式的该实施例准许维护的便利：仅更换有缺陷的模块而无需更换整个转换器是可能的。该设计的进一步优势是使用标准模块的便利，该标准模块可根据所需应用来选择。

根据一种潜在设计，电能回收模块可包括至少一个电感、至少一个二极管、至少一个电容器和至少一个换向器。控制换向器以准许回收电能和将其传递给储电装置。

根据本实用新型的实施例的一种变体，电能回收模块可包括连接至单个接合点的三个分支，包括：

-第一分支，包括换向器，

-第二分支，包括二极管，以及

-第三分支，包括电感。

由此可以特定方式修改转换系统的印刷电路板以供采用软开关转换器的设计(它与高开关频率兼容)，同时将与出于调节电路操作的目的而添加的无源电路相关联的损耗最小化。

图5a以示意和非限制方式表示该类型的电能回收模块。电能回收模块包括连接至单个接合点P的三个分支，包括：

-第一分支，包括换向器6，

-第二分支，包括二极管4(其中电流iL流过，该电流是二极管4的端子处的电压的函数)，以及

-第三分支，包括电感Lrec。

在图5a中，电容器5表示储电装置(电池)的电容，并且不是回收模块的组件。电容器5安排在电感Lrec和接地之间。

并且，电容器3表示电容Crec，并且是回收模块的组件。电容器3安排在换向器和接地之间。

二极管4安排在三个分支的接合点和接地之间。

通过控制换向器(其循环比)，控制在Vrec与Udc之间流动的电流iL(传送至电池的电流)是可能的。

因此，考虑到由回收模块和储电装置的电容器形成的组合，结果所得的组合是由安排在点P与接地之间的三个并联分支形成的，这三个分支包括：

-第一分支，包括换向器6和电容器3，

-第二分支，包括二极管4，以及

-第三分支，包括储电装置的电感Lrec和电容5。

当换向器闭合时，二极管处于阻塞模式，且在线圈Lrec中流动的电流iL (在图5a中表示)等于

当换向器打开时，二极管处于导通模式，且在线圈Lrec中流动的电流iL (在图5a中表示)等于

由此，通过控制换向器的打开和闭合时间，控制电流iL的平均值并且达成电阻电路的等效功能是可能的。

图5b以非限制方式表示图5a中解说的电能回收模块的等效电路图。由此，电能回收模块等效于其中流动电流iL的等效电阻Req，但没有消散电能。

在实施例的该变体中，电能回收电路中的平均电流可被如下表示：

其中：

T是换向器的开关周期，

Vrec是回收电压，

Udc是DC输入相电压，

Lrec是回收模块的电感，

Req是等效电阻，以及

Fsw表示开关的开关频率。

较佳地，该类型的电能回收模块被安排在装备有调节电路的转换系统中，从而该电能回收模块被安排在转换系统的一个DC输入相与换向臂和调节电路上的电容器之间的连接点之间。在图5a中表示的实施例形式中，电能回收模块可被连接成使得：

-连接至转换系统的所述DC输入相(在电压Udc处)的回收模块的点对应于电感Lrec与第二电容器5(该电容器是电池的电容)之间的回收模块的第三分支的点，以及

-连接至换向臂(在电压Vrec处)与调节电路的电容器之间的连接点的回收模块的点对应于换向器6与第一电容器3之间的回收模块的第一分支的点。

图6以示意和非限制性方式解说了根据本实用新型的一种实施例形式的转换系统的电路(其中二极管与滤波线圈串联连接)。为了促进对该附图的理解，该附图表示具有针对转换系统的一个三相输出的单个换向臂的电路，其中为其他两个相重复该电路。转换系统包括：

-相对于接地，向DC输入相提供电压Udc，

-调节线圈Ls，其第一端连接至DC输入相，

-换向臂12，其连接至调节线圈Ls的第二端，其中换向臂12包括：

o一个分支上的两个串联连接的换向器1，其中该分支在一侧连接至调节线圈Ls的第二端，而在另一侧接地，

o一个分支上的两个串联连接的二极管，其连接至调节线圈Ls的第二端与包括两个换向器1的分支之间的接合点，

o针对电流Io的AC输出E，位于两个换向器1之间的中点，

-调节电容器Cs，一端连接至换向臂12上的两个二极管D之间的接合点，而另一端连接至换向臂12的输出E，

-电容器Cov，其准许存储一部分电能，其中电容器Cov安排在包括两个二极管D的换向臂12的分支的一端(未连接至调节线圈Ls的一端)

和接地之间，

-滤波装置7，与电容器Cov并联安排，即也连接在包括两个二极管D 的换向臂12的分支的该端与接地之间，其中该滤波装置包括：

o与滤波线圈Lf串联连接的二极管9构成的单元，执行滤波功能，其中该单元连接在携带两个二极管D的换向臂12上的分支的该端与滤波线圈Lf的该端处的接合点J之间，

o滤波电容器Cf，连接在该接合点J与接地之间，

-电能回收模块8，与图5a中解说的相同，且包括连接至接合点P的三个分支，包括：

o第一分支，包括换向器6，其中第一分支的该端连接至滤波装置 7的接合点J，

o第二分支，包括二极管4，其中第二分支的该端连接至接地，以及

o第三分支，包括电感Lrec，其中第三分支的该端连接至转换系统的DC输入相，以及

-电容器5，标记为Crec，连接在电能回收模块8的第三分支的该端(即，连接至线圈Lrec)与接地之间。

对于图6中解说的实施例的形式，作为解说而非作为限制，具有以下额定值的组件是可能的：

Ls～＝30微亨，

Cs～＝6.8nF，

Cov～＝2820nF(6×470nf：由6个并联连接的电容器形成)，

Vref～＝1.15Vbus，

Lref＝21μH，

Crec＝27.2nF(6.8nF×4：由4个并联连接的电容器形成)，

Lf＝2.2μH，

Cf＝10μF+470nF＝10.47μF，以及

换向器类型：IGBT。

图7以示意性且非限制性方式解说了根据本实用新型的一种实施例形式的滤波模块。滤波模块10包括与线圈Lf串联连接的二极管9。在二极管9和线圈Lf的各端，滤波模块包括电连接装置12，用于与转换器的其他元件的电连接。并且，滤波模块包括孔口11，用于将滤波模块11适合到印刷电路板。适合可藉由用螺丝拧紧、卡扣装接(夹子附连)、焊接、或任何类似装置来达成。

根据本实用新型的实施例的一种变体，转换系统可包括用于测量两相中的电流的至少两个电流探针。

根据本实用新型的实施例的一种变体，转换系统可包括用于测量两相之间的复合电压的至少两个隔离电压探针。

这些电流和电压传感器可用于控制换向臂。

根据本实用新型的转换系统准许在所有类型应用中操作电机(尤其针对具有极高转速和高逆变器(转换器)输出的电机)。

根据本实用新型的转换器可被设计成用于板载应用，尤其是在交通工具中，特别是陆地、航空或海事交通工具。

还可在针对电能生产的场外(off-board)应用(包括涡轮机、微涡轮机或风力涡轮机)中采用根据本实用新型的转换系统。

本实用新型还涉及一种包括至少一个用于储电的装置(例如，电池)以及一个三相电机(例如，永磁电机)的电动机系统。该电动机系统包括根据上述实施例形式之一(或这些实施例形式的组合之一)用于将来自所述储电装置的 DC电能转换为用于所述电机的三相AC电能(并且潜在地反之亦然)的转换系统。由此，藉由该转换系统，可操作电机，同时限制电损耗。并且，如果转换系统是双向的(可逆的)，则(例如在电池中)存储通过电机旋转生成的电能也是可能的。