专利名称：控制装置和转换器及其处理以及包含该转换器的电器装备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种转换器的控制装置，包括一用于控制多个功率半导体通过至少一个电源线的至少两个导体将至少一个脉冲电压从一电源提供给连接到该转换器上的一电子负载的装置。
本发明还涉及一种电子转换器，包括一DC电源；多个连接在所述DC电源和至少一个负载提供输出线之间的功率半导体；一装置，用于提供位于一负压值和一正压值之间的一值的中间DC电压；和一这样的控制装置。
本发明还涉及一种电器装备，包括这种转换器、用于接收由所述转换器提供的脉冲电压的电子负载以及用于将所述电子负载连接到所述转换器的电线。
本发明还涉及一种转换器的控制处理，以将一脉冲电压提供给一电子负载。
背景技术：
诸如图1所示电马达2的变速器型的转换器1包括用于在脉宽调制中切断DC电压Vc的多个功率半导体3。这种转换器的结构通常由具有连接到一AC市电上的输入端和用于将至少一个DC或整流电压VC提供给包括多个功率半导体支路3的一逆变器或斩波器的输出端的整流器或电源9组成。在所述支路的输出端，电源线4被连接到同步或异步马达型的一电子负载2以提供一脉冲电压。所述转换器的控制装置5控制该半导体的导通和截止。
在利用长电缆将多个转换器连接到负载的情况中，在将特定的变速转换器1中连接到马达2时，上升或下降波前(front)6和/或电压波前7所产生的干扰可能会伤害所述电子元件。例如，位于变速器若干米的一马达2的绕组的绝缘体承受的电应力是由于电压波前6和7具有由一脉宽调制转换器1产生的极大的电压变化引起的。当电源线4具有一长电缆时，由于所述负载上的电压波前反射产生所述电压的浪涌和所述转换器能够被施加两倍于所述DC电源电压Vc的电压。该电压浪涌也是能够在小于一微秒的上升时间内容易切换所述DC电源电压的功率半导体的性能的结果。图2示出了表示所述转换器的电压脉冲VI和由于所述脉冲的电压反射所导致的电压浪涌VR的信号。所述电压浪涌包括由于在线上所述波前的传播上升和下降导致的震荡。在线上每单位长度上的传播速度取决于电源电缆的构成，反射和衰减速度取决于所连接的负载。所述震荡频率是转播时间本身的函数，其取决于电缆的长度和传播速度。
由马达绕组导致的重复电压浪涌导致绝缘体的过早老化并因此大大减少了所述马达的寿命。
另外，由于在所述马达上发生电压浪涌，所以，电压的变化引起很大的电磁干扰。
已知使用无源滤波器来限制电压浪涌的影响和干扰。安装在负载或马达一侧的无源滤波器减少了由于电源线电缆的长度引起的电压浪涌。安装在转换器一侧的无源滤波器减少了由于半导体的切断产生的电压变化。
由于所使用的无源元件的尺寸的关系，具有电感线圈和电容器的负载侧滤波器非常昂贵且体积庞大。另外，这些滤波器很有可能根据所述负载和所述转换器的某个频率而引起谐振。这种滤波器的另一个缺点是涉及必须根据所述负载通过改变元件进行调整的截止频率。在转换器侧，限制电压和电流变化的滤波器的体积较小但仍存在由于大电流流过它们而导致的大损耗的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种转换器控制装置和使由于切换产生的电压浪涌被限制在一个负载上及避免了过于庞大的无源滤波器的处理，以及提供一种转换器和/或包括这种装置的电器装备。
在根据本发明的控制装置中，所述控制装置控制多个功率半导体在所述线的半导体上提供第一脉冲电压，其具有位于第一低或零值和一中间值之间的一第一波前，以及然后提供位于所述中间值和被延迟预定时间后的一幅值之间的一第二波前，以便补偿在所述线上的电压反射影响。
最好，所述时间延迟包括在所述线上一电压波前传播时间的1到3倍之间。
有益的，所述时间延迟包括在所述线上所述传播时间的1.5到2.5倍之间。特别是，所述时间延迟基本上等于所述线上所述传播时间的两倍。
最好是，所述脉冲电压的中间值基本上等于所述电源电压的一半。
在一最佳实施例中，所述控制装置控制所述功率半导体中止在所述线的导体上提供脉冲电压，其具有位于所述幅值和一中间值之间的第三波前、以及然后是位于所述中间值和一预定时间延迟后的一低电平或零值之间的第四波前。
最好是，减少中的所述时间延迟包括在所述线上一电压波前的传播时间的1到3倍之间。
有益的，所述控制装置包括一用于限制至少一个所述波前的电压变化的装置。
在本实施例中，用于限制电压变化的装置将电压变化控制到所述第一波前和/或第三波前的第一值以及低于所述第二波前和/或第四波前的所述第一变化值的第二变化值。
最好是，所述控制装置包括一用于确定在一电源线上一电压波前传播时间的装置。
有益的，所述控制装置包括一用于存储一表示在一电源线上一电压波前的传播时间的值的装置。
根据本发明的电子转换器包括一DC电源；在所述DC电源和至少一个负载提供输出线之间连接的多个功率半导体；和一用于提供一具有位于一负压值和一正压值之间的值的中间DC电压的装置，还包括如上所定义的一控制装置，用于控制所述功率半导体。
根据本发明的电器装备包括一转换器，包括一DC电源；
在所述DC电源和至少一个负载提供输出线之间连接的多个功率半导体；和一用于提供一具有位于一负压值和一正压值之间的值的中间DC电压的装置；一所提供的用于接收由所述转换器提供的脉冲电压电子负载，和一电线，用于将所述电子负载连接到所述转换器上。
所述转换器包括如上定义的一控制装置，用于控制所述功率半导体。
根据本发明用于将一脉冲电压提供给一电子负载的转换器的控制处理包括第一电压波前步骤，用于提供位于一初始值和一中间值之间的第一电压波前；第一延迟步骤，用于引入一时间延迟；和第二电压波前步骤，用于提供位于所述中间值和一脉冲幅值之间的第二电压波前以补偿电压反射影响。
所述控制处理最好包括一脉冲持续时间步骤，用于在一脉冲持续时间周期内使一脉冲持续；一第三电压波前步骤，用于使位于一脉冲幅值和一中间值之间的电压波前减小；一第二延迟步骤，用于引入一时间延迟；和一第四电压波前步骤，用于使位于一中间值和一初始值之间的电压波前减小。
有益的，所述第一电压波前步骤、第二电压波前步骤、第三电压波前步骤和/或第四电压波前步骤通过限制所述电压变化控制所述电压波前。
对在下面结合附图对非限制性例子目的而给出的本发明特定实施例的描述，本发明的其它优点和特性将会变得更加明显，其中图1表示一装备图，包括用做变速器向马达供电的一现有技术的转换器；图2示出了在一电源线上流动的由一现有技术的转换器所引起的电压信号和电压波前；图3A到3C的曲线示出了根据本发明第一实施例的在一连接到一转换器上的线上的电压信号；图4的框图示出了包括根据本发明一实施例的用做向马达提供变速器的一转换器的装备；图5A到5C的曲线示出了根据本发明第一实施例在一由转换器连接的线上的电压信号；图6A到6C的曲线示出了根据本发明第二实施例在一由转换器连接的线上的电压信号；图7的曲线示出了根据本发明第一实施例一由转换器提供的电压信号；图8的曲线示出了根据本发明第二实施例一由转换器提供的电压信号；图9的曲线示出了根据本发明第三实施例一由转换器提供的电压信号；图10示出了根据本发明一实施例在一装置中的脉宽调制调节信号；图11示出了根据本发明一实施例用于控制作为变速器的一转换器的控制装置；图12和13的流程示出了根据本发明所述实施例的处理；图14、15和16示出了一转换器的电压曲线和所述负载的电压曲线分别与现有技术装置、与根据本发明第一实施例的装置和与根据本发明第二实施例的装置的比较。
具体实施例方式
在根据本发明一实施例的装置中，控制电路5控制半导体3在线4的导体上提供在传播的具有位于低电平或零值V0和一低于电源电压VC的中间值VM之间的第一上升波前10的第一脉冲电压VI，以及在小于传播时间T两倍的一预定传播时间延迟T2之后，在位于所述转换器和一负载之间的所述线上提供位于所述中间值VM和基本上等于所述电源电压VC的一高值之间的第二上升波前11。
在利用变速器控制马达的情况下，马达绕组的阻抗高于所述线的阻抗，转换器的阻抗低于所述线的阻抗，这意味着在马达一侧所述反射是最大值为+1的正值，而在具有反向电压(voltage inversion)的转换器一侧，所述反射是低到-1的负值。在图3A中表示的上升波前10产生其频率是所述线上传播时间T4倍的震荡12。通过在时间t1处在所述马达上的反射而导致上升的电压增加、通过在时间t2处在转换器上的反射而导致降低的电压反相以及在所述马达上的进一步的反射使所述幅值被衰减(broken down)。在根据本发明一实施例的装置中，第二上升波前11最好具有被延迟约两倍于如图3B所示的传播时间以和所述线上的波前上升和下降相对应的一时间延迟T2。第二波前11也产生一具有与由第一波前10引起的震荡12类似特性的震荡13。所述第二波前的时间延迟T2使得由第一波前10产生的震荡和干扰得到补偿。图3C示出了所述第一和第二电压波前相互结合以构成加载脉冲(load supplypulse)VI。从两个交错上升波前开始的脉冲VI产生具有极大地被减小的电压浪涌的干扰VR。
在转换器和例如马达的负载之间的所述线上，在1和3倍于所述传播时间T之间选择位于两个上升波前之间的时间延迟T2。最好是，所述时间延迟T2包括在1.5倍和2.5倍所述传播时间T之间。为了非常有效地进行补偿，所述时间延迟T2有利地选择为基本上约是所述传播时间T的两倍。
图4示出了根据本发明一实施例的具有控制装置的转换器的结构。在该转换器中，在所述DC电源VC的正电压V+和负电压V-之间串联的两个电容器18和19的公共点上产生一中间电压VM。该转换器包括三个支路(leg)20、21和22以产生提供给马达2的三相电压。每个支路包括能够提供所述第一波前和所述第二波前的功率半导体。
所述波前包括三个电压电平，依据从每个支路输出到所述线的一导体的电流符号，该三个电压电平可以是上升或下降方向和可以是正或负极性的。根据所述上升或下降波前的方向，所述半导体对应于传导(conduction)的开始而被导通和截止以便提供该三个电压电平。
在从所述转换器输出的电流为正的情况下，每个支路包括半导体20A、21A或22A，其可以被导通以经过多个二极管24之一以提供第一正中间电压波前VM和可以被截止以从可由半导体20B-20D、21B-21D或22B-22D的二极管可使用(accessible)的负电源线V-提供第二负电压波前。每个支路还包括半导体20C、21C或22C，其可以被导通以便从所述正电源线V+提供所述第二正电压波前以及可以被截止以便经过所述二极管24之一提供第一负中间电压波前VM。
在从所述转换器输出的电流为负的情况下，每个支路包括半导体20B、21B或22B，其可以被导通以便经过所述二极管25之一提供第一负中间电压波前VM以及可以被截止以便从可由半导体20A-20C、21A-21C或22A-22C的二极管(accessible)的正电源线V+提供第二正电压波前。每个支路也包括半导体20D、21D或22D，其可以被导通以便从所述负电源线V-提供第二负电压波前以及可以被截止以便经过所述二极管25之一提供第一正中间电压波前VM。
特别是所述半导体最好是具有一集成反并联(anti-parallel)二极管的双极性半导体或具有绝缘栅金属氧化物的场效应晶体管。
为了通过交错组合经过补偿的所述脉冲波前，最好是按照顺序控制所述半导体。由此，在晶体管20A被偏移时间延迟T2之后使晶体管20C导通和在晶体管20A被偏移时间延迟T2之前使晶体管20C截止。类似的，在晶体管20B被偏移时间延迟T2之后使晶体管20D导通和在晶体管20B被偏移时间延迟T2之前使晶体管20D截止。以相同的方式执行其它支路分别为21C-21A、21D-21B、22C-22A和22D-22B的晶体管的控制顺序。
在图4的实施例中，最好以成对的方式控制所述半导体。由此，晶体管20C的控制脉冲是给出或采用超时(time-out)的晶体管20B的控制脉冲的互补脉冲，所述超时是通过延迟晶体管20C和20B的导通实现的。类似的，晶体管20A的控制脉冲是给出或采用所述超时的晶体管20D的控制脉冲的互补脉冲，所述超时是通过延迟晶体管20A和晶体管20D的导通实现的。以相同的方式控制分别是21C-21B、21A-21D、22C-22B和22A-22D的其它支路的晶体管对。所述半导体控制之间的超时与时间延迟T2无关。
也可以利用为此目的而提供的元件或电路调节或平衡在电容器18和19的公共点上提供的中间值电压VM。
在图4中，控制电路5根据脉宽调节30和传播时间T的参数设置31控制所述晶体管。
当在负载一侧和/或转换器一侧上的反射系数不是非常高时，例如，当它们分别并不接近于+1或-1时，少量没有被两个交错波前的补偿完全消除的残余电压浪涌仍然被保留下来。如图5A到5C所示，通过例如约0.6的不良反射系数使所述震荡12和13迅速被衰减。然后在脉冲信号VI中含有残余的电压浪涌VR。与图2所述能够被有益减小的电压浪涌相比，这些电压浪涌被大大地减小了。
在本发明的有益的实施例中，控制装置包括一用于控制所述脉冲的电压波前的变化的装置。有益地，所述第二波前的电压变化小于所述第一波前的电压变化。由此，在图6A到6C中，第一波前具有高电压变化并产生由不良反射使之迅速衰减的大幅值震荡，由此，波前11具有由图6B中的斜坡表示的有限电压变化。该变化产生适于对所述第一波前的衰减震荡进行补偿的较小幅值震荡。由于所述第二波前的变化减小，所以，由所述第二波前11产生的震荡13也被减小。在图6C中表示的所述波前的组合示出了具有非常低的震荡电压浪涌VR的脉冲VI。
有益地，也可以特别在脉冲的结束处使用连续的波前，以减小震荡和电磁干扰。
图7、8和9示出了一完整的脉宽调制脉冲，其中，所述支路的晶体管依据将被施加在线导体中的电流和电压的方向成功地截止和/或导通。由此，根据将在所述线上提供的电压，所述电压V1、VM和V2是正或负。
在图7中，脉冲VI开始于第一低电平或零值V1和中间值VM之间的第一波前10，后面跟随有在所述中间值VM和被延迟了时间延迟T2的脉冲幅度值V2之间的第二波前，然后，在脉冲持续时间T3期间内，所述电压保持在约V2处。为结束该脉冲，第三波前30减小所述值V2和一中间值VM之间的电压，然后，在时间延迟T2之后，第四波前减小所述中间值VM和一低电平或零值V1之间的电压。
在图8的最佳实施例中，所述信号包括对所述第二和第四波前的电压变化dv/dt进行控制，以便当所述反射不是太好时改善补偿和有效减少所传导和辐射的电磁干扰。为了更加有效地减少所述电磁干扰，图9的脉冲信号VI包括对所有波前的电压变化控制。最好是，为了在保持高效率的同时均衡地最小化和分配在所述半导体中的损耗，对所述第二波前的电压变化进行控制，以使其小于所述第二波前的电压变化，和对所述第四波前的电压变化进行控制以使其小于所述第三波前的电压变化。
例如，第一和/或第三波前的电压变化可以是大于5kV/μs，并第二和/或第四波前的变化可以是1到5kVμs。根据所述电压的方向，这些最佳值可以是正或负。
图10示出了在根据本发明一实施例的装置中的脉宽调制调节信号。曲线40明显表示了一作为正弦信号的基准信号。在分别由曲线45和46表示的特定晶体管20C和20A中，调制信号41和42与该基准信号40进行比较以命令所述功率半导体的截止或导通。在调制信号41和42之间的偏移43使能所述半导体命令之间的时间延迟T2，以提供连续的电压波前。
控制电路的框图示出了转换器支路20的导通或截止控制用于在一线的导体50上提供一电压。该控制电路包括脉宽调制控制电路51，该电路51具有用于接收电源电压信号53和负载电压信号54的调节模块52。脉宽调制模块55接收来自调节模块52的多个信号和表示时间延迟T2的多个信号，以便将控制信号提供给功率半导体导通和截止控制模块56。模块56经过电压变化控制电路57将控制信号提供给所述功率半导体。利用激活电路58控制电压变化限制的激活。还可以由电路58提供电压值或变化值。
位于第一波前和第二波前之间的时间延迟T2的值可以被存储在参数设定电路59中。通过在装备开始瞬间的时间测量或通过提供时间值T的传播时间测量装置自动测量可以根据所述线的特征确定取决于在所述转换器和负载之间传播时间的T2的值。
图12示出了根据本发明一实施例的转换器控制处理的流程。步骤100定义所述脉冲的开始，然后，在步骤101，提供位于初始值V1和中间值VM之间的第一电压波前。然后，时间延迟步骤102提供值T2的时间延迟。然后在步骤103，提供位于中间值和脉冲幅度值V2之间的第二电压波前。在步骤104，一脉冲持续由脉宽调制定义的周期T3。然后在步骤105，第三波前减小位于值V2和中间值VM之间的所述脉冲。然后，时间延迟步骤106在步骤107使第四波前减小中间值VM的电压到值V1之前引入时间延迟T2。步骤108定义所述脉冲的结束。
在图13中示出的流程表示一处理，其中，涉及波前的步骤101、103、105和107分别被替换为具有相同功能的步骤101B、103B、105B和107B，并包括一个附加dv/dt电压变化量控制。
图14、15和16示出了在脉冲VI开始处在转换器一侧的电压信号VA和在马达一侧的VB的曲线。在图14中，所述信号对应于其中只有一单一电压波前的现有技术的装备。图15示出了根据本发明第一实施例具有两个连续延迟波前的一装置的信号。图16示出了根据本发明第二实施例具有两个连续的延迟波前和对所述第二波前的电压变化进行限制的一装置的信号。
在上述的实施例和附图中，以正电压的方式表示了所述电压，但是，本发明也可以涉及负电压。功率半导体可以具有多种方式，例如最好是具有绝缘栅的双极性晶体管或场效应晶体管。
所述转换器可以被应用到多领域，特别是，本发明可以被应用到用于马达的变速。
权利要求
1.一种转换器的控制装置，包括一用于控制功率半导体(3、20、21、22)通过至少一个电源线(4)的至少二个导体从电源(VC)向连接到所述转换器上的一电子负载(2)提供至少一个脉冲电压(VI)的装置(5)，其特征在于所述控制装置控制功率半导体(20、20A-20D、21A-21D，22A-22D)在所述线的多个导体上提供一第一脉冲电压，其具有位于第一低电平或零值(V0，V1)和一中间值(VM)之间的第一波前(10)，以及在一预定时间延迟(T2)之后提供位于所述中间值(VM)和一幅度值(VC，V2)之间的第二波前(11)，以补偿所述线上的电压反射影响。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述时间延迟包括在所述线上的一电压波前的传播时间(T)的1和3倍之间。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述时间延迟(T2)包括在所述线上的所述传播时间的1.5和2.5倍之间。
4.根据权利要求1到3中任何一个权利要求所述的装置，其特征在于所述时间延迟(T2)基本上等于所述线上所述传播时间的两倍。
5.根据权利要求1到4中任何一个权利要求所述的装置，其特征在于所述脉冲电压的中间值(VM)基本上等于所述电源电压(VC)的一半。
6.根据权利要求1到5中任何一个权利要求所述的装置，其特征在于所述控制装置(5)控制功率半导体以在所述线的导体上中止提供一的脉冲电压(VI)，其具有位于所述幅度值(VC，V2)和中间值(VM)之间的第三波前(30)和在预定时间延迟(T2)之后位于所述中间值和一低或零值(V0，V1)之间的第四波前。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于减小中的时间延迟(T2)包括在所述线上一电压波前的传播时间(T)的1和3倍之间。
8.根据权利要求1到7中任何一个权利要求所述的装置，其特征在于所述控制装置包括用于限制至少一个所述波前(10、11、30、31)的电压变化(dv/dt)的装置(57、101B、103B、105B、107B)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于用于限制电压变化的装置将电压变化控制到第一波前(10)和/或第三波前(30)的第一值和低于所述第二波前(11)和/或第四波前(31)的第一变化值的第二变化值。
10.根据权利要求1到9中任何一个权利要求所述的装置，其特征在于它包括一用于确定在一电源线(4)上一电压波前的传播时间(59)的装置。
11.根据权利要求1到10中任何一个权利要求所述的装置，其特征在于它包括一用于存储表示在一电源线上电压波前(4)的传播时间的值的装置(59)。
12.一种电子转换器，包括一DC电源(9)；在所述DC电源和至少一个负载供给输出线(4)之间连接的多个功率半导体(20、20A-20D、21、21A-21D、22、22A-22D)；和一用于提供具有位于一负电压值(V-)和一正电压值(V+)之间的值的中间DC电压(VM)的装置(18，19)，其特征在于它还包括一根据权利要求1到11中任何一个权利要求所述的控制装置，用于控制所述功率半导体。
13.一种电子装备，包括一转换器，包括一DC电源(9)；在所述DC电源和至少一个负载供给输出线(4)之间连接的多个功率半导体(20、21A-21D、21、21A-21D、22、22A-22D)，和一用于提供其值位于一负电压值(V-)和一正电压值(V+)之间的中间DC电压(VM)的装置(18，19)；一被提供用于接收由所述转换器提供的脉冲电压(VI)的电子负载；和一电线(4)，用于将所述电子负载连接到所述转换器，其特征在于所述转换器包括一根据权利要求1到11中任何一个权利要求所述的控制装置，用于控制所述功率半导体。
14.一种用于将一脉冲电压(VI)提供给一电子负载(2)的转换器的控制处理，其特征在于包括第一电压波前步骤(101、101B)，用于提供位于一初始值(V0，V1)和一中间值(VM)之间的一第一电压波前(10)；一第一延迟步骤(102)，用于引入一时间延迟(T2)；和一第二电压波前步骤(103，103B)，用于提供位于一中间值(VM)和一脉冲幅度值(VC，V2)之间的一第二电压波前(11)以补偿电压反射影响。
15.根据权利要求13所述的控制处理，其特征在于包括一脉冲持续时间步骤(104)，用于使一脉冲持续一脉冲持续时间周期(T3)；第三电压波前步骤(105，105B)，用于使一电压减小波前(30)位于一脉冲幅度值(VC，V2)和一中间值(VM)之间；一第二延迟步骤(106)，用于引入一时间延迟(T2)；和一第四电压波前步骤(107，107B)，用于使一电压减小波前(31)位于一中间值(VM)和一初始值(V0，V1)之间。
16.根据权利要求14所述的控制处理，其特征在于所述第一电压波前步骤(101B)、第二电压波前步骤(103B)、第三电压波前步骤(105B)和/或第四电压波前步骤(107B)通过限制电压变化(dv/dt)控制所述电压波前。
全文摘要
一转换器的控制装置，包括一控制电路，用于控制多个功率半导体(3、20、21、22)通过至少一个电源线(4)的至少两个导体从电源(VC)向连接到所述转换器的一电子负载(2)提供至少一个脉冲电压(VI)。所述电路控制功率半导体在所述线的导体上提供第一脉冲电压，其具有第一波前(10)，以及在一预定时间延迟(T2)后提供一第二波前(11)，以补偿在所述线上的电压反射的影响，所述时间延迟包括在所述线上一电压波前传播时间(T)的1和3倍之间。转换器和装备包括这样的控制装置。一处理包括提供具有所述波前的电压脉冲的步骤。
文档编号H02M7/487GK1674427SQ200510054900
公开日2005年9月28日 申请日期2005年3月22日 优先权日2004年3月22日
发明者菲利普·鲍德森, 弗朗科伊斯·布维特 申请人:施耐德电器工业公司