电力转换装置及其控制方法与流程

本申请涉及电流传感器，更具体地，涉及减少电流传感器的功率损耗。

背景技术：

分流电阻器和磁性电流传感器广泛用于诸如转换器和逆变器这样的电力转换装置中的电流测量。然而，分流电阻器和磁性电流传感器两者都受到热性能的限制。经由电阻式电流传感器的功率损耗提高了系统温度，因此常规的分流电阻器和磁性电流传感器不太适用于高电流测量，这限制了其应用领域。可以使用较小的电阻装置，但是更昂贵。可以重新设计封装以降低电流传感器的热阻。然而，这种解决方案也会增加成本，并且新的设计可能与早期版本不兼容。

技术实现要素：

电力转换装置具有使用定义多个开关电压矢量和零电压矢量的调制技术的一个或更多个支路(leg)，每个开关电压矢量定义电力转换装置的输出电压具有非零的幅值和相位的状态，而零电压矢量定义输出电压具有零幅值和相位的状态，每个支路具有与该支路串联连接的电流传感器。根据控制电力转换装置的方法的实施例，该方法包括：定义在由开关电压矢量中的第一开关电压矢量和第二开关电压矢量定义的扇区(sector)中的目标电压矢量；在固定开关周期的第一子周期内将第一开关电压矢量施加到每个支路，在开关周期的第二子周期内将第二开关电压矢量施加到每个支路，并且在开关周期的第三子周期内将零电压矢量的分配施加到每个支路，使得电力转换装置在开关周期期间大致输出由目标电压矢量定义的电压；以及基于针对电流传感器指定的用于准确地感测电流的最小时间量，确定零电压矢量在第三子周期内的分配，使得与不致使电流流过电流传感器的零电压矢量相比，在所述第三子周期的不同长度内施加致使电流流过电流传感器的零电压矢量。

根据另一实施例，提供一种电力转换装置，其用于使用定义多个开关电压矢量和零电压矢量的调制技术来将ac(交流)转换为dc(直流)或dc转换为ac，每个开关电压矢量定义电力转换装置的输出电压具有非零的幅值和相位的状态，而零电压矢量定义输出电压具有零幅值和相位的状态。电力转换装置包括：一个或更多个支路，每个支路连接在正电压轨和负电压轨或地之间；与每个支路串联连接的电流传感器。控制器可操作成：定义在由开关电压矢量中的第一开关电压矢量和第二开关电压矢量定义的扇区中的目标电压矢量；在固定开关周期的第一子周期内将第一开关电压矢量施加到每个支路，在开关周期的第二子周期内将第二开关电压矢量施加到每个支路，并且在开关周期的第三子周期内将零电压矢量的分配施加到每个支路，使得电力转换装置在开关周期期间大致输出由目标电压矢量定义的电压；以及基于针对电流传感器指定的用于准确地感测电流的最小时间量，确定零电压矢量在第三子周期内的分配，使得与不致使电流流过电流传感器的零电压矢量相比，在第三子周期的不同长度内施加致使电流流过电流传感器的零电压矢量。

根据使用空间矢量pwm(svpwm)调制技术来控制电力转换装置的方法的另一实施例，其中，电力转换装置的输出电压具有非零幅值和相位并且零电压矢量定义输出电压具有零幅值和相位的状态，每个支路包括与该支路串联连接的电流传感器，方法包括：定义在由开关电压矢量中的第一开关电压矢量和第二开关电压矢量定义的扇区中的目标电压矢量；施加开关周期的第一子周期以使电力转换装置保持在由第一空间矢量定义的状态、施加开关周期的第二子周期以使电力转换装置保持在由第二空间矢量定义的状态，以及施加开关周期的第三子周期以使电力转换装置保持在由零电压矢量定义的状态，使得电力转换装置在开关周期期间大致输出由目标电压矢量定义的电压；以及在开关周期期间，将第三子周期的较小份额分配给零电压矢量中的导致电流流过电流传感器的第一零电压矢量，并且将第三子周期的较大份额分配给零电压矢量中的不导致电流流过电流传感器的第二零电压矢量。

阅读下面的详细描述以及查看附图时，本领域技术人员会认识到附加的特征和优点。

附图说明

附图的元素不一定相对于彼此成比例。相同的附图标记表示相应的相似部分。各种所示实施例的特征可以组合，除非它们彼此排斥。在附图中示出实施例，并在下面的描述中对其进行详细描述。

图1示出了三相逆变器的实施例的示意图；

图2至图6示出了与控制图1所示的电力转换装置的方法的实施例相关联的各种图；

图7示出了三相逆变器的另一实施例的示意图；

图8示出了与控制图7所示的电力转换装置的方法的实施例相关联的图；

图9示出了与在重负载条件期间控制电力转换装置的方法的实施例相关联的图。

具体实施方式

本文所描述的实施例提供了一种空间矢量脉宽调制(svpwm)技术，其用于控制诸如逆变器或转换器这样的电力转换装置，以便减少经由用于感测装置中的电流的电流传感器的功率损耗。空间矢量调制(svm)是一种用于控制脉冲宽度调制(pwm)的算法，并且在逆变器的情况下被用于从直流(dc)源创建交流(ac)波形，或者在转换器的情况下被用于从ac波形创建dc信号。电力转换装置的每个支路被连接在正电压轨与负电压轨或地之间，并且电流传感器与每个支路串联连接。每个支路的开关均被控制，使得在同一支路中，两个开关决不会同时接通(导通)。该要求是通过每个支路内的开关的互补操作来实现的。如果高边(顶部)开关接通，则相应的低边(底部)开关关断，反之亦然，以防止损坏性的直通电流。在三相逆变器或转换器的情况下，这导致八个可能的空间矢量u0至u7，其中六个空间矢量u1至u6是有效的开关电压矢量而两个空间矢量u0和u7是零电压矢量。每个开关电压矢量定义电力转换装置的输出电压具有非零的幅值和相位的状态，而每个零电压矢量定义输出电压具有零幅值和相位的状态。

本文所描述的svpwm(spacevectorpulsewidthmodulation)技术定义在由两个开关电压矢量定义的扇区中的目标电压矢量，在固定开关周期的第一子周期内将第一开关电压矢量施加到电力转换装置的每个支路，在开关周期的第二子周期内将第二开关电压矢量施加到每个支路，并且在开关周期的第三子周期内将零电压矢量的一些预定义分配施加到每个支路，使得电力转换装置在开关周期期间大致输出由目标电压矢量定义的电压。svpwm技术对零电压矢量进行分配，使得与不导致电流流过电力转换装置的电流传感器的零电压矢量相比，在第三子周期的不同长度内施加导致电流流过电流传感器的零电压矢量。例如，在电力转换装置没有在全功率下工作的饱和余度(back-off)条件下，可以在第三子周期内分配零电压矢量，使得：仅在针对电流传感器指定的用于准确地感测流过支路的电流的最小时间量内，施加致使电流流过电流传感器的零电压矢量。在第三子周期的剩余部分内，施加不致使电流流过电流传感器的零电压矢量。通过这种方式，电流仅在准确地感测该电流所需的最小时间量内流过电流传感器，从而使经由电流传感器的功率损耗最小。下面参照图1至图9更详细地描述svpwm技术。

图1示出三相逆变器100的实施例。逆变器100针对每个相具有支路102，每个支路102包括与低边(底部)开关器件106串联连接以形成相应的公共开关节点(a，b，c)的高边(顶部)开关器件104。电流传感器108与每个支路102串联连接。实现本文所描述的svpwm技术的控制器110控制三相逆变器100的每个支路102，以使逆变器100将由udc提供的直流(dc)改变为三相(a，b，c)交流(ac)。控制器110可以包括数字和/或模拟电路，诸如一个或更多个控制器、处理器、asic(专用集成电路)、adc(模数转换器)、dac(数模转换器)等，用于执行本文所描述的svpwm技术。每个支路102的开关器件104、106被示为功率mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)，但也可以是其它类型的功率晶体管，例如igbt(绝缘栅双极晶体管)、hemt(高电子迁移率晶体管)等。与电力转换装置100的每个支路102串联连接的电流传感器108被示为电阻性元件sx，并且通常可以是分流电阻器、磁性电流传感器或任何其它类型的受热性能限制的电流传感器。在图1中，每个电流传感器108串联连接在相应的低边开关器件106和负电压轨或地(gnd)之间。接下来，参照图2至图6更详细地描述对电力转换装置100的控制。

下面的表1基于如下要求来描述逆变器100的状态：如果一个支路102的高边开关器件104接通，则该支路102的相应低边开关器件106必须关断。在表1中，三个相由“a”、“b”和“c”表示，线到线电压由“vab”、“vbc”和“vca”表示，每个相的高边开关器件104由“+”表示，而每个相的低边开关器件106由“-”表示。这样，“a⁺”指示相a的高边开关器件104，“a^-”指示相a的低边开关器件106，“b⁺”指示相b的高边开关器件104，等等。

每个开关电压矢量u1至u6定义电力转换装置100的输出电压具有非零的幅值和相位的状态。零电压矢量u0和u7定义输出电压具有零幅值和相位的状态。

如表1所示，开关器件a⁺、b^-和c^-为“接通”而相应的开关器件a^-、b⁺和c⁺为“关断”的状态由符号(+，-，-)表示。开关器件a^-，b⁺和c^-为“接通”而相应的开关器件a⁺、b^-和c⁺为“关断”的状态由符号(-，+，-)表示，等等。

通过表1所示的开关序列运行逆变器100会产生图2所示的线到中性电压van、vbn、vcn。由控制器110实现的svpwm技术是基于图2所示的多阶梯模式的，但是通过平均技术来使阶梯平滑。例如，如果两个阶梯电压之间需要一个电压，则可以激活相应的逆变器状态，使得阶梯电压的平均值产生期望的输出。可以使用等效几何模型来开发产生平均效应所需的等式。首先将多阶梯模式的逆变器电压转换成空间矢量u0至u7。由于线到中性电压van、vbn和vcn总和为零，因此可以使用以下变换将其转换成空间矢量us：

us＝van(t)e^j0+vbn(t)e^j2π/3+vcn(t)e^-j2π/3(1)

由于空间矢量的分量沿恒定角度(0、2π/3和-2π/3)投影，因此空间矢量us可以如图3所示的那样以图形方式表示。通常，时变量是具有120°相移的相同幅度和频率的正弦波。在这种情况下，空间矢量在任何给定时间均保持其幅值。随着时间的增加，空间矢量的角度增加，从而导致矢量以等于正弦波频率的频率旋转。通过将图2所示的线到中性电压转换成在复平面上绘制的空间矢量，对于三相系统，随着时间的增加，空间矢量呈现6个不同角度中之一。

图4示出空间矢量随着时间的增加所取的值，其中u1至u6是开关电压矢量，即，定义电力转换装置的输出电压具有非零的幅值和相位的状态的矢量。控制器110生成被施加到开关器件104、106的栅极的适当的pwm信号(pwmx+/-)，使得可以对目标电压矢量us进行近似。例如，控制器110可以通过如下方式来对在由开关电压矢量u1和u2定义的扇区0中的目标电压矢量us进行近似：在一部分时间(ta)内施加开关电压矢量u1并且在一部分时间(tb)内施加开关电压矢量u2，使得

ta＊u1+tb＊u2＝us(2)

这引出针对ta和tb的以下公式：

tb＝2∪(3^-1/2)sin(α)(3)

ta＝∪[cos(α)-(3^-1/2)sin(α)](4)

其中，u＝|us|(调制指数)，α＝∠us。

因此，可以通过施加如下两个开关电压矢量来对调制指数u和角度α(在扇区0中的)的目标电压矢量进行近似：这两个开关电压矢量分别定义在一部分时间ta和tb内目标电压矢量所在的扇区，其中0＜u＜1。这在图5中以图形方式针对在由开关电压矢量u1和u2定义的扇区0中的目标电压矢量us而被展示。

svpwm技术使用恒定频率(即，具有可变占空比的固定开关周期)的pwm脉冲来控制逆变器支路102的开关器件104、106，其中载波频率的固定开关周期表示为t0。为了对图5中的目标电压矢量us进行近似，控制器110在ta×t0秒内激活与开关电压矢量u1对应的逆变器状态，并在tb×t0秒内激活与开关电压矢量u2对应的逆变器状态。当调制指数足够小(例如小于1/2(3^1/2))时，ta和tb之和小于1，这意味着ta×t0+tb×t0小于固定开关周期t0。电力转换装置100在剩余(余留)时间t0期间没有输出电压，使得电力转换装置100在固定开关周期t0内大致输出由目标电压矢量us定义的电压。余留时间t0由下式给出：

t0＝t0(1-ta-tb)(5)

电力转换装置100可以两种方式不输出电压。第一种方式是将所有相连接到逆变器100的负轨，这在本文中称为逆变器状态0并且具有相应的开关模式(-，-，-)。不输出电压的第二种方式是将所有相连接到逆变器100的正轨，这在本文中称为逆变器状态7并且具有相应的开关模式(+，+，+)。为了在固定开关周期t0期间对目标电压us进行近似，剩余(余留)时间t0通常对半分，并且在固定开关周期t0的起始和结尾处通过施加零电压矢量u0和u7而等同地施加。然而，通过这种方法，在大约t0的1/2内，电流流过电流传感器108，这增加了经由电流传感器108的功率损耗。

图6示出了由控制器110实现的用于在每个固定开关周期t0的余留时间t0期间减小经由电流传感器108的功率损耗的svpwm技术。控制器110在固定开关期间t0的第一子周期tk内将第一开关电压矢量uk(图5中的目标电压矢量示例的u1)施加到电力转换装置100的每个支路102，在开关期间的第二子周期tk+1内将第二开关电压矢量uk+1(图5中的目标电压矢量示例的u2)施加到每个支路102，并且在开关期间t0的第三子周期t0’+t0”内将零电压矢量u0和u7的分配施加到每个支路102，使得电力转换装置100在固定开关周期t0期间，大致输出由目标电压矢量us定义的电压。在等式(5)中，第一子周期tk和第二子周期tk+1分别对应于ta和tb。

控制器110还基于针对电流传感器指定的用于准确地感测电流的最小时间量来确定零电压矢量u0和u7在第三子周期t0’+t0”内的分配，使得与不致使电流流过电流传感器的零电压矢量相比，在第三子周期的不同长度(t0’)内施加致使电流流过电流传感器的零电压矢量。通过在第三子周期t0’+t0”内分配零电压矢量u0和u7，开关电压矢量uk和uk+1(图5中的目标电压矢量示例的u1和u2)的子周期tk和tk+1保持不变。因此，最终的电压调制输出不受影响。

对于图1所示的电力转换装置实施例，每个电流传感器108串联连接在相应的低边(底部)开关器件106与负电压轨或地之间。零电压矢量u0使得每个低边开关器件106接通并且每个高边(顶部)开关器件104关断，而零电压矢量u7使得每个高边开关器件104接通并且每个低边开关器件106关断。控制器110基于图1所示的电流传感器位置来确定零电压矢量u0和u7的分配，使得在开关周期t0的第三子周期t0’+t0”期间，即在等式(5)中的余留时间t0期间，低边开关器件106比高边开关器件104的导通时间(t0’)更少。

如图6所示，由控制器110实现的svpwm技术将电流传感器108的接通时间从近似余留时间t0的一半缩短至t0’，其中t0’是施加零电压矢量u0的持续时间。为了保持相同的固定pwm频率或周期，另一个零电压矢量u7的持续时间延长到t0”。控制器110确保子周期t0’和t0”满足以下等式：

t0′＝tz-tx(6)

t0″＝tz+tx(7)

其中，2tz＝t0’+t0”是第三子周期，并且tx是调整量。

可以将缩短的时间t0’调节到最小，只要可以准确地捕获相电流即可。t0’的最小时间可以基于与电流感测相关的以下参数来被确定：开关延迟、采样时间、噪声过滤、数据采集延迟等。通常，几微秒就足够了。通过上述方法，有效电压矢量tk和tk+1的持续时间保持不变。因此，该方法不会改变最终的电压调制输出。

在电源转换装置100没有在全功率下工作(例如，在小于调制指数的90％的情况下工作)的饱和余度条件期间，控制器110可以确定零电压矢量u0和u7在开关周期t0的第三子周期t0’+t0’内的分配，使得与不致使电流流过电流传感器108的零电压矢量(图1所示的电流传感器布置的u7)相比，在第三子周期t0’+t0”的更短长度(t0’)内施加致使电流流过电流传感器的零电压矢量(图1所示的电流传感器布置的u0)。

在一些情况下，控制器110确定零电压矢量u0和u7在固定开关周期t0的第三子周期t0’+t0”内的分配，使得仅在针对电流传感器108指定的用于准确地感测流过支路102的电流的最小时间量(t0’＝最小)内，施加导致电流流过电流传感器的零电压矢量(图1所示的电流传感器布置的u0)，并且在第三子周期t0’+t0”的剩余部分t0”内，施加不导致电流流过电流传感器的零电压矢量(图1所示的电流传感器布置的u7)。在一个实施例中，针对电流传感器108指定的用于准确地感测流过支路102的电流的最小时间量是电流传感器108的开关延迟。在另一实施例中，针对电流传感器108指定的用于准确地感测流过支路102的电流的最小时间量是电流传感器108的采样时间。在又一实施例中，针对电流传感器108指定的用于准确地感测流过支路102的电流的最小时间量是电流传感器108的噪声过滤要求。在又另一实施例中，针对电流传感器108指定的用于准确地感测流过支路102的电流的最小时间量是电流传感器108的数据采集时延。在其他情况下，控制器110在确定t0’时向最小指定时间添加余量以例如应对变化。

目前已经关于将电流传感器放置在电力转换装置的每个支路的下部而对svpwm技术进行了描述。接下来描述将电流传感器放置在每个支路的上部的实施例。

图7示出了三相逆变器200的另一实施例。图7所示的逆变器实施例类似于图1所示的逆变器实施例。然而，不同的是，每个电流传感器108串联连接在相应的高边开关104与正电压轨udc之间。因此，零电压矢量u7使得每个高边开关器件104接通，并且使得每个低边开关器件106关断。相反，零电压矢量u0使得每个低边开关器件106接通，并且使得每个高边开关器件104关断。控制器110确定零电压矢量u0和u7的分配，使得在开关周期t0的第三子周期t0’+t0”的期间，高边开关器件104与低边开关器件106相比导通时间更少。

图8示出了由控制器110实现的、用于图7的三相逆变器200的svpwm技术。控制器110将电流传感器108的接通时间从大约余留时间t0的一半缩短至t0”，其中t0”是施加零电压矢量u7的持续时间，并且满足上述等式(6)和(7)。可以将缩短的时间t0”调节到最小，只要可以捕获准确的相电流即可。如前所述，t0”的最小时间可以基于与电流感测相关的以下参数来被确定：开关延迟、采样时间、噪声过滤、数据采集延迟等。与前述实施例一样，通过上述方法，有效电压矢量tk和tk+1的持续时间保持不变。因此，该方法不会改变最终的电压调制输出。

在电力转换装置100没有在全功率下工作(例如，在小于调制指数的90％的情况下工作)的饱和余度条件期间，控制器110可以确定零电压矢量u0和u7在固定开关周期t0的第三子周期t0’+t0”内的分配，使得与零电压矢量u0相比，在第三子周期t0’+t0”的更短长度内(t0”)施加零电压矢量u7，以便电流在与准确地感测该电流所需的时间一样少的时间内流过电流传感器108。

在重负载条件下，例如当调制指数大于90％、例如几乎接近100％时，控制器110确定零电压矢量u0和u7在固定开关周期t0的第三子周期t0’+t0”内的分配，使得在整个第三子周期内施加致使电流流过电流传感器108的零电压矢量，并且在第三子周期期间不施加不致使电流流过电流传感器的零电压矢量。回到图1所示的示例性低边电流传感器实现，a相低边开关器件106(图1中标记为“a^-”)的接通时间在重负载条件期间可能太短，以至于不能捕获准确的电流测量。在这种情况下，可以消除在固定pwm开关周期中间的、所有3个高边开关器件104均导通时的零电压矢量u7的持续时间。由图9的上半部分中的虚线圆圈指示的第三子周期的这部分可以被添加到第三子周期的所有3相低边开关器件106均接通时的部分。这样做使a相电流的原始采样时间加倍，如图9的下半部分所示。也就是说，第三子周期的初始分配给零电压矢量u0的部分(t0’)增加到t0’+t0”。如前所述，开关电压矢量tk和tk+1的持续时间保持不受这种变化的影响。

实际上，这种方法在重负载条件期间将初始7扇区svpwm改变为5扇区svpwm。捕获的a相电流可被用于正常控制或功能安全目的。例如，对于具有星形连接绕组的电机负载，所有3个相电流的总和应等于零。在重载条件期间，相同的实现可以被应用于图8所示的逆变器拓扑，其中电流传感器108串联连接在相应的高边开关器件104与正电压轨udc之间。

为了便于描述，空间相对性的术语，如“在...之下”、“在...以下”、“下”、“上方”、“上”等用于解释一个元件相对于第二个元件的定位。这些术语旨在包括器件的除了与在附图中所描绘的那些不同取向以外的不同取向。进一步，术语诸如“第一”、“第二”等也用来描述各种元素、区域、区段等，并且也不旨在是限制性的。贯穿本说明书，相同的术语指代相同的元素。

如本文所使用的，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，其指示所陈述的元件或特征的存在，但不排除附加的元件或特征。冠词“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在包含复数以及单数，除非上下文另外清楚地指示。

考虑到变化和应用的上面的范围，应当理解的是，本发明不是由前面描述所限制的，也不是由附图所限制的。相反，本发明仅由所附的权利要求书以及它们的法律等同物所限制。