电力转换器

背景技术

许多电力电子转换器使用以一个或多个半桥布置的半导体开关，以便在电压之间提供转换。在许多情况下，在直流电压、例如由直流链路提供的电压和交流电压之间进行转换。当通过脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)操作半导体开关时，半导体开关以10kHz和几MHz之间的任意频率的高频进行开关，这导致一定量的开关损耗以及共模噪声(common mode noise，CM噪声)。转换器一般具有被设计为用于处理这种CM噪声的无源滤波器。所需要的滤波器的尺寸取决于噪声的幅值。由于滤波器部件、即电容器和电感器与诸如半导体开关的部件相比已经趋于体积大并且重量重，因此总是期望减小这些部件的尺寸。在CM噪声高的情况下，电感器甚至可能需要专门进行冷却，这使重量和尺寸进一步增加。

降低开关损耗的一种方法是使用不连续PWM(discontinuous PWM，DPWM)方法，其中，对于交流电压的电压周期的连续部分，以保持半桥的开关中的一个处于导通状态以及另一个开关处于关断状态，来取代完全暂停开关。除此之外，根据PWM所使用的开关频率，电压周期的该部分远比开关周期长，并且电压周期的该部分可能延伸到60°。图1示出了用来实现这种DPWM开关方法的参考电压信号10。

使用图1的参考电压信号导致在信号中的出现电压阶跃的点处产生高共模电流尖峰。这些尖峰的幅值通常难以预测，并且也取决于调制指数，因此难以设计正确的用于共模滤波器的电感器，以用于避免磁芯饱和。由于上面提到的原因，滤波器部件的尺寸过大是非常不希望的。

此外，如果进入转换器电路的外部CM噪声高，则CM电感器也可能饱和。外部CM噪声的源例如可能是连接在同一电力线路处的另一个开关设备。外部CM噪声可能不是在所有情况下都是可预见的，而针对潜在的外部CM噪声使用进一步更大的滤波器部件没有吸引力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种改进的电力转换器、特别是具有较小的共模滤波器部件的电力转换器。该技术问题的解决方案是根据权利要求1所述的电力转换器。

根据本发明的电力转换器被布置为用于在第一交流电压和第二电压之间进行转换。电力转换器包括并联连接的至少两个半桥，每一个半桥包括串联连接的两个半导体开关，并且半桥的外部端子形成用于第二电压的端子。此外，电力转换器包括连接在半桥的中点和用于第一电压的端子之间的滤波电路，滤波电路包括电感器和电容器。此外，电力转换器包括用于每一个半桥的电流传感器，其被布置为用于测量在相应的半桥的中点和滤波电路之间的连接中流动的电流。

电力转换器的控制电路被布置为用于操作半导体开关。此外，控制电路被布置为用于，使用修正后的参考电压信号来确定半导体开关的开关时间，从而产生软化的总线钳位调制。控制电路包括控制器，该控制器被布置为用于，使用作为设置点输入的未修正的参考电压信号以及作为测量的输入的来自电流传感器的电流信号的总和，来创建修正后的参考电压信号。

应当注意，未修正的参考电压优选是每一个输出相/半桥的未修正的参考电压信号的总和。将设置点电流信号与作为共模电流信号的测量的电流信号的所述总和进行比较。比较产生共模电流误差信号，所述控制器继而应用该共模电流误差信号，以对所述未修正的参考电压信号进行修正，从而产生所述修正后的参考电压信号。

应用共模电流误差信号作为修正信号进一步改善了平顶调制的转换器中的共模信号的有源衰减。

使用总线钳位调制应当理解为意为，转换器的一个半桥的半导体开关的开关模式包含第一电压的电压周期的直到60°的连续部分，其中，保持该半桥的半导体开关中的一个处于导通状态，同时保持这些半导体开关中的另一个处于关断状态。参考电压信号被布置为用于提供包含参考电压的阶跃变化的该开关模式。对于三相转换器的示例，将类似的开关模式用于每一个半桥，但是相移120°。

软化的总线钳位调制应当理解为意为使用参考电压信号，其中，将阶跃变化软化，以保持参考电压信号的时间导数的绝对值在阈值以下。因为如上面所述的连续部分在转换器的相之间无法重叠，因此对于软化的总线钳位调制，它们将稍微短于60°，但是与半导体开关的开关周期相比仍然非常长。

因此，控制器可以有利地被布置为用于，以如下方式来创建修正后的参考电压信号，即，使其导数是连续的，因此使参考电压信号可微分。应当理解，在实际实现中，术语“连续”和“可微分”仅可能在如下程度上实现，即，不连续或者不可微分的部分可忽略，而无法实现这些术语的真正的数学含义。

本发明提供一种电力转换器，其中，软化的参考电压信号使图1的参考电压信号的电压阶跃创建的噪声减小。作为进一步的改进，控制器基于在半桥中点和滤波器之间的连接中流动的实际电流来影响参考电压信号。作为第一个优点，这通过经由使用电流产生反馈的控制器提供有源补偿，使软化的参考电压信号上的任意过冲反应减小。作为第二个优点，其也对连接到相同线路的诸如附加的电力转换器的外部源可能对电流产生的任意影响进行校正。因此，即使在仅使用软化的参考电压信号不够的情况下，电力转换器也可以使共模噪声减小。可以看到，参考电压信号的静态变化无法对电力转换器外部的所有影响进行补偿。替代地，仅有源的动态的补偿，例如根据本发明的有源的动态的补偿，能够成功地对这些影响进行补偿，同时保持无源滤波器部件的尺寸最小。

在本发明的电力转换器中，第二电压可以是直流电压或者交流电压。电力转换器可以是包括附加部件的转换器的一部分。例如，电力转换器可以连接到包括第二电压的直流链路，直流链路继而可以连接到另一个电力转换器，该另一个电力转换器将直流链路的直流电压转换为第三电压。以这种方式，可以形成由频率固定的交流电源电压为电机提供变频交流电压的电机控制转换器。

在单向电力转换器的情况下，第一和第二电压可以一个是输入电压，另一个是输出电压。电力转换器也可以是双向的，在这种情况下，第一和第二电压都不具体地是输出或输入电压，或者这种指定取决于瞬时功率流方向。

电力转换器包括两个或者更多个半桥，在一般的实施例中包括三个半桥，因此形成三相电力转换器。在这种情况下，每一个半桥与转换器的相中的一个相关联。对于每一个半桥，在其中点和第一电压的对应的相之间存在连接线路。滤波器部件一般存在于(即串联连接在)这些连接线路中的每一个中或者连接到这些连接线路中的每一个。例如，滤波器部件可以在每一个连接线路中包括感应元件，这些感应元件是耦合的。此外，滤波器部件可以包括一个或多个电容器，该一个或多个电容器连接到这些连接线路并且连接到中性电压或者地。

电流传感器被布置为用于提供至少表示连接线路中的电流的总和的信号。将该值用作用于控制器的测量的输入或者处理值。传感器也可以提供单独表示每一个连接线路中的电流的信号。在这种情况下，将这些信号表示的值相加，并且作为测量的值提供给控制器。电流传感器可以有利地具有开关频率的带宽。

控制电路使用作为不连续脉冲宽度调制已知的调制来驱动半导体开关。这种类型的调制使用图1的参考电压信号或者类似的波形来产生半桥的半导体开关的开关时间。开关时间通过使用参考电压信号结合三角形载波波形来创建。参考电压信号导致交流电压周期长度的特定部分，其中，开关中的一个永久导通，而半桥的另一个开关永久关断。这些部分比开关周期长得多，在一般的转换器中，开关周期是100μs或者更小。例如，在使用图1的参考电压信号的脉冲宽度调制(其可以称为60°总线钳位调制)中，两个开关处于永久导通模式或处于永久关断模式的部分是交流波形的60°，即在50Hz系统中，周期的该部分的长度是20ms的1/6、即3.3ms。

本发明的电力转换器使用与图1不同的参考电压信号，与图1的不同之处在于，对参考电压的电压阶跃进行了平滑或者软化。这去除了包含在图1的波形中的电压阶跃。这也意味着出现永久导通和永久关断模式的部分短于60°。然而，其长于10°，即，其包括几个开关周期。

控制器采用经过平滑的参考电压信号以及作为连接线路上的电流的总和的测量的电流，并且由控制器提供结果。在结合载波使用该结果来确定开关时间之前，将该结果作为因子计入参考电压信号中。

可以单独或者一起添加到本发明的示例性实施例中的其它特征包括：

电力转换器可以包括并联连接的恰好3个半桥，因此电力转换器是三相电力转换器。三相电力在所有工业应用中广泛使用。

控制电路可以被布置为用于操作半导体开关，使得在第一电压的电压周期的至少50°的连续部分中，保持半导体开关中的一个处于导通状态，同时保持半导体开关中的另一个处于关断状态。因此，虽然由于参考电压信号的平滑而不使用完全程度的60°总线钳位调制，但是差异小，并且实现了开关损耗的大多数可能的减小。控制电路还可以被布置为用于操作半导体开关，使得在第一电压的电压周期的小于60°的连续部分中，保持半导体开关中的一个处于导通状态，同时保持半导体开关中的另一个处于关断状态。换句话说，不使用完全程度的60°总线钳位调制。

滤波电路可以包括共模滤波器和差模滤波器，其中，共模滤波器在第一电压和半桥之间的每一个连接线路中包括具有线圈的耦合的电感器。

控制器可以被布置为用于对参考电压信号应用低通滤波器或者带通滤波器。该滤波步骤被布置为用于滤除由于脉冲宽度调制而在功率半导体开关的开关频率、例如15kHz或者50kHz以及交流电压频率、一般为50Hz或者60Hz处出现的任意的干扰。在带通滤波器的情况下，其被布置为用于允许150Hz和开关频率之间的频率。

此外，控制器可以被布置为用于对参考电压信号应用除以有效电容值的除法。可以使用共模滤波电容器和差模滤波电容器的等效电容来推导出有效电容值。控制器还可以被布置为用于对参考电压信号应用时间导数。以这种方式，对用作设置点输入的参考电压信号进行修正，以使其等同于在连接线路中流动的电流，这有助于将其与测量的电流信号进行比较。

控制器可以被布置为用于对电流传感器的信号应用低通滤波器或者带通滤波器。该滤波器有利地具有与在参考电压上使用的低通滤波器类似的效果。

控制器可以被布置为用于，通过应用从电流传感器的信号创建的负反馈信号和参考电压信号，来创建修正后的参考电压信号。换句话说，将修正后的参考电压信号和修正后的电流信号组合，并且将组合的结果本身应用于原来的经过平滑的参考电压信号。来自实际电流的该负反馈将使得实际电压更紧密地跟随经过平滑的参考电压信号，尤其是在电力转换器上存在外部影响的情况下。

优选作为算法以及作为控制电路的一部分来实现控制器以及应用低通滤波器和其它信号修正的部分。替换地，其一些部分可以被布置为电子部件。

附图说明

现在，参考附图描述本发明的实施例，本发明不限于此。附图的图示具有示意性的形式。应当注意，在不同的附图中，类似或者相同的元素使用相同的附图标记。

图1示出了从现有技术中已知的不连续脉冲宽度调制的参考电压信号。

图2示出了具有控制电路的三相电力转换器，其实现具有有源补偿的不连续脉冲宽度调制。

图3示出了应用了软化的不连续脉冲宽度调制的参考电压信号。

图4示出了在电力转换器中使用的控制器。

图5示出了具有以及没有有源补偿的共模电流的示例。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的第一实施例的三相电力转换器20。电力转换器20连接到诸如供电网的三相电压源21。电力转换器20的中心部分是6个功率半导体开关221…226的装置，功率半导体开关221…226布置为3个半桥，每一个半桥2个开关221…226，其中，这些半桥并联连接。这些半桥的外部端子连接到直流链路23，在这种情况下，直流链路23包括直流链路电容器231、232。

在该实施例中，电力转换器20进一步从直流链路23连接到在图2中未示出的逆变器电路，并且连接到包括该电路的负载的电机24。

几个滤波器部件布置在这些半桥和电压源21之间。第一和第二差模电感器25、26中的每一个以及共模电感器27分别包括3个线圈，3个线圈分别布置在半桥的中心点和电压源21之间的3个连接线路331…333中。

另外的滤波器部件是3个差模滤波电容器28和一个共模电容器29，3个差模滤波电容器28布置在从连接线路331…333中的每一个朝向地电压的进一步的连接中，共模电容器29布置在差模滤波电容器28和地电压之间。

功率半导体开关221…226由控制电路30控制。控制电路30使用同步参考帧控制。其使用在图3中示出的参考电压信号12来控制功率半导体开关221…226的开关时间。参考电压信号12与参考电压信号10类似，但是与参考电压信号10相比经过平滑处理。对参考电压信号10应用的平滑去除了任意的阶跃、即参考电压信号10中的任意的瞬时变化，这使参考电压信号10成为连续函数。另外，也以使其导数连续的方式来应用平滑，这使参考电压信号12可微分。

另外，控制电路30包括比例反馈环路控制器31，用于进一步影响功率半导体开关221…226的开关。图4示出了包括控制器31所使用的反馈环路的元件。经过平滑的参考电压信号12用作时间变量设置点。将3个相的电压值相加，以形成单个设置点值。在控制器31中使用的测量的值是连接线路331…333上的电流32的总和。为了测量电流，在连接线路331…333中布置有电流传感器321…323。

对于设置点值，第一处理步骤34包括应用低通滤波器。在该示例中，开关221…226的开关频率是150kHz。布置低通滤波器，以允许低于开关频率、例如低于100kHz的频率通过。也可以使截止频率更接近开关频率。作为另一个示例，可以使用145kHz作为截止频率。在又一个实施例中，可以使用带通滤波器来代替低通滤波器，带通滤波器附加地阻止低于150Hz的频率。

在第二步骤35中，将得到的值除以有效共模电容值。该有效共模电容值包括差模电容器28和共模电容器29的串联连接的组合效果。在第三步骤中，创建得到的值的时间导数。

对于测量的值，在第四步骤37中也应用低通滤波器。然后，通过从第三步骤36的结果中减去第四步骤37的结果，将测量的值的得到的值与参考电压组合。然后，作为负反馈从参考电压信号12的3个相的各个电压值中减去该得到的值，以形成修正后的参考电压信号38。

然后，继续传递修正后的参考电压信号38，以将其用作用于产生用于功率半导体开关221…226的栅极脉冲的最终调制参考。以已知的方式通过与三角形载波比较来产生栅极脉冲。

在本发明的该实施例中，控制电路30包括用于执行所描述的诸如应用低通滤波器的各个步骤34...37的算法。也作为软件算法在作为控制电路30的一部分的微控制器上实现控制器31。

图5示出了使用图1的波形并且不使用有源补偿的共模电流51以及使用图3的波形并且使用由控制器31进行的有源补偿的共模电流52。可以看到，可以使共模噪声水平急剧减小。

控制器31可以被布置为以增益值设置作为另一个输入。将增益值应用于比例控制。然后，依据所供应的增益值，更多地衰减或者更少地衰减测量的电流和从参考电压信号获得的设置的点之间的任意的差。以这种方式，可以从控制器外部设置有源补偿的强度，并且可以使有源补偿的强度适配于诸如调制指数的情形。较高的强度衰减导致开关损耗增加，但是共模噪声减小，而较低的强度衰减具有负面效果。

附图标记列表

10 参考电压信号

12 经过平滑的参考电压信号

20 三相电力转换器

21 电压源

221…226 功率半导体开关

23 直流链路

231,232 直流链路电容器

24 电机

25、26 差模电感器

27 共模电感器

28 差模电容器

29 共模电容器

30 控制器

31 比例控制器

32 测量的电流信号

321…323 电流传感器

34 第一步骤，低通滤波器

35 第二步骤，除以有效电容

36 第三步骤，时间导数

37 第四步骤，低通滤波器

38 修正后的参考电压信号

51 没有补偿的共模噪声

52 具有有源补偿的共模噪声。