專利名稱：電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用開關(guān)元件的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
已經(jīng)廣泛地進(jìn)行對(duì)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的各個(gè)部分的電流的測量。
例如，用電流的測量結(jié)果來判斷在諸如IGBT(絕緣柵雙極晶體管)或MOSFET之類的元件中是否由于在元件中發(fā)生短路而有過電流流過。因?yàn)橹T如IGBT之類的元件具有電流飽和特性，即輸出電流由柵壓限制，故如果電流在發(fā)生短路狀態(tài)(電源電壓直接提供給元件)的幾十us內(nèi)關(guān)斷，電流可以被關(guān)斷而不擊穿。因此，越來越普遍地，電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包含一些能夠判斷發(fā)生短路狀態(tài)的裝置，并含有短路保護(hù)單元，用于在判斷元件中發(fā)生短路狀態(tài)時(shí)，自己關(guān)斷元件。
一般使用的判斷發(fā)生短路狀態(tài)的方法是，測量元件中的電流，并當(dāng)測量的電流超過一參考值時(shí)，判斷發(fā)生短路狀態(tài)。已經(jīng)知道了一些檢測電流的方法。例如，第5-267580號(hào)日本專利申請(qǐng)公告中揭示的一種技術(shù)。在這種方法中，將用于測量流過元件的輔助元件并聯(lián)到元件，并且通過串聯(lián)到輔助元件的電阻器中所產(chǎn)生的電壓測量電流。這種方法具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其中因?yàn)榱鬟^主元件的電流的一部分流過輔助元件，故可以測量大的電流。其中，輔助元件通常和主元件一起包含在一個(gè)芯片中。
還有其它測量流過元件的電流的方法，一種方法是，通過將電阻器直接串聯(lián)到元件而測量電壓，而不使用輔助元件，另外一種方法是通過在主元件的一個(gè)配線中設(shè)置一個(gè)變流器來測量電壓。這些方法具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即，因?yàn)橹苯幼x出流過元件的電流，故可以高度精確地讀出電流。
近來的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不只配置有上述保護(hù)單元，還在PWM控制的性能上有改進(jìn)。作為一個(gè)例子，有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制。雖然因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單牢靠，價(jià)格低而被廣泛使用，但是為了穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，需要使用矢量控制技術(shù)。
類似于短路的保護(hù)，矢量控制也需要高度精確地測量電流。在矢量控制中，必須讀出流入電動(dòng)機(jī)的電流作為控制信息，并且通常通過插入變換器和電動(dòng)機(jī)之間的配線中的電阻器的兩端之間產(chǎn)生的電壓，或者通過裝到配線中的諸如變流器之類的電流檢測器測量電流。
如上所述，電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要高度精確地測量開關(guān)元件和電動(dòng)機(jī)中的電流，并且使用輔助元件、電阻器或變流器測量電流。
但是，傳統(tǒng)的測量電流的方法具有以下問題。
在使用輔助元件的測量電流的方法中，將輔助元件和電阻器的串聯(lián)電路并聯(lián)到主元件，并從電阻器中產(chǎn)生的電壓讀出電流。由于主元件的兩端之間提供的電壓由輔助元件和輔助元件側(cè)的電阻器分壓，故主元件兩端的電壓不同于輔助元件兩端之間的之間的電壓。另外，由于電阻器上產(chǎn)生的電壓與電阻器中流過的電流成比例地增加，故提供給主元件的電壓與提供給輔助元件的電壓的比值根據(jù)電流值變化。由此，使用輔助元件的方法難以高度精確地量電流，因?yàn)榱鬟^主元件的電流與流過輔助元件的電流的比值根據(jù)電流值而變化。
另一方面，通過將電阻器串聯(lián)到主元件來測量電流的方法可以高度精確地測量電流，因?yàn)榱鬟^主電路的電流都流過電阻器，但是在電阻器中發(fā)生大的損耗。因此，難以測量高于幾十安培的電流。
另外，使用變流器測量電流的方法可以高度精確地測量電流，但是，難以使系統(tǒng)尺寸小，成本低，因?yàn)樽兞髌鞯某叽绱?，價(jià)格高。
為了克服上述問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它包含精確度高的電流檢測裝置。
根據(jù)本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包含開關(guān)元件；連接到開關(guān)元件的主端子的電感器；用于對(duì)電感器的兩端之間產(chǎn)生的電壓積分的積分電路。
當(dāng)流過開關(guān)元件的電流接通或關(guān)斷時(shí)，在電感器的兩端之間產(chǎn)生電壓，該電壓與根據(jù)時(shí)間的電流微分成比例。電感器中產(chǎn)生的電壓由積分電路積分。與流過開關(guān)元件的電流成比例的電壓產(chǎn)生在積分電路的輸出中。
根據(jù)本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的詳細(xì)的配置如下。由電路構(gòu)成三相變換器，并且在每一個(gè)電路中，一個(gè)實(shí)際上能夠由一個(gè)配線形成的小電感器連接到由開關(guān)元件和反相并聯(lián)到開關(guān)元件的二極管構(gòu)成的并聯(lián)電路。將驅(qū)動(dòng)電路連接到每一個(gè)開關(guān)電路的柵，并且將積分電路連接在電感器兩端之間。通過通信接口，將驅(qū)動(dòng)電路和積分電路連接到主控制單元。將用于檢測旋轉(zhuǎn)位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測器安裝到電動(dòng)機(jī)。主控制單元根據(jù)開關(guān)元件的ON/OFF工作時(shí)的即時(shí)電流得到的相電流調(diào)節(jié)變換器每一相的開關(guān)時(shí)間。通過這樣做，可以執(zhí)行高度精確的電動(dòng)機(jī)控制。
從下面的描述，本發(fā)明的其它特點(diǎn)將是清楚的。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明，測量開關(guān)元件的電流的電路的實(shí)施例的示圖；圖2是示出另一個(gè)實(shí)施例的電路圖；圖3是示出IGBT模塊和IGBT模塊的等效電路圖的透視圖；圖4是示出檢測電流的方法的另一個(gè)實(shí)施例的電路圖；圖5是用于估計(jì)的電路的示圖，以及示出測量結(jié)果的圖表；圖6是示出積分電路的另一個(gè)實(shí)施例的方框圖；圖7是示出另一個(gè)實(shí)施例的方框圖，其中信號(hào)被數(shù)字化處理；圖8是示出短路保護(hù)電路的方框圖和詳細(xì)的電路圖；圖9是示出用于抑制dV/dt的實(shí)施例的曲線圖和方框圖；圖10是示出三相變換器的方框圖；圖11是揭示得到相電流的方法的圖表；圖12是示出具有矢量控制功能的變換器的方框圖。
圖1、圖2、圖3和圖4是示出測量開關(guān)元件的電流的電路的實(shí)施例的示圖。圖5是示出測量電流的電路的示圖，以及示出測量結(jié)果的曲線圖。開關(guān)元件不必限定為IGBT，但是，下面將根據(jù)IGBT進(jìn)行描述。
圖1中的配置如下。將一電感器L串聯(lián)到IGBT的發(fā)射端。將驅(qū)動(dòng)電路11連接到IGBT的柵接線端G。電感器的另外一端Em連接到積分電路10。發(fā)射端E連接到驅(qū)動(dòng)電路11和積分電路10的地端。積分電路10對(duì)電感器L中產(chǎn)生的電壓積分，以輸出流過電感器L的電流值?？刂齐娐?2根據(jù)積分電路10的電流信息確定驅(qū)動(dòng)電路11的控制條件。由電感器LM和二極管D構(gòu)成的并聯(lián)電路與電源Vcc串聯(lián)在端子C和Em之間。IGBT通過來自驅(qū)動(dòng)電路11的信號(hào)接通/斷開，將電流提供給電感器LM。由圖1的電路圖示出的電路是圖10或圖12所示的電力轉(zhuǎn)換器的一個(gè)部分。
圖2示出另一個(gè)實(shí)施例，其中將電感器L2串聯(lián)到IGBT的集電極引線端C。將驅(qū)動(dòng)電路11連接到IGBT的柵接線端。將電感器的另一端Cm連接到積分電路10。將集電極引線端C聯(lián)到積分電路10的地端，并將發(fā)射極引線端子E連接到驅(qū)動(dòng)電路11的地端。積分電路10對(duì)電感器L2中產(chǎn)生的電壓積分，并輸出流過電感器L2的電流的值?？刂齐娐?根據(jù)來自積分電路10的電流的信息，確定驅(qū)動(dòng)電路11的控制條件。這里，積分電路10和驅(qū)動(dòng)電路11積分電路10和控制電路12之間，或在驅(qū)動(dòng)電路11和控制電路12之間的某一個(gè)位置相互隔離。
圖3是透視圖，示出IGBT模塊和IGBT模塊的等效電路圖。將一個(gè)絕緣板29放置在由金屬制成的散熱片211上，并將金屬板25放置在絕緣板29上。在金屬板25上，設(shè)置IGBT芯片和二極管芯片DF。IGBT芯片的集電極和二極管芯片DF的陰極電極都通過金屬板25連接到集電極引線端C。另外，將IGBT芯片的發(fā)射極電極和二極管芯片DF的陽極電極都通過發(fā)射極電極板24，由電線28連接到發(fā)射極引線端子Em。將測量發(fā)射極引線端子Es連接到發(fā)射極引線端子板。發(fā)射極引線端子Em是用于傳導(dǎo)主電流的端子。另一方面，測量發(fā)射極引線端子Es是用于傳導(dǎo)用于控制IGBT的柵的電流的端子，并且通常不傳導(dǎo)主電流。將柵接線端G通過柵電極板210連接到IGBT芯片的柵電極。上述配置包含在塑料封裝212內(nèi)，并且將每一個(gè)端子都引出塑料封裝212外。
將由電感器LM和二極管D構(gòu)成的并聯(lián)電路和直流電源Vcc串聯(lián)而形成的主電路連接在集電極引線端C和發(fā)射極引線端子Em之間。將積分電路10連接在發(fā)射端Em和測量發(fā)射端Es之間，并將驅(qū)動(dòng)電路11連接在柵接線端G和測量發(fā)射極引線端子Es之間。另外，將積分電路的輸出傳送到控制電路，并將控制電路的輸出傳送到驅(qū)動(dòng)電路。
圖3(B)示出IGBT模塊M的等效電路。將IGBT和二極管DF相互地反向并聯(lián)。反向并聯(lián)電路串聯(lián)到寄生電感Le，該電感由圖3(A)所示的發(fā)射極電極板24和發(fā)射極引線端子Em構(gòu)成。將驅(qū)動(dòng)電路11連接到柵接線端G，并將積分電路10連接到發(fā)射極引線端子Em。將測量發(fā)射極引線端連接到驅(qū)動(dòng)電路11和積分電路10的地端。這里，測量發(fā)射極引線端Es不總是必須連接到積分電路10的地端，發(fā)射極引線端Em也可以連接到積分電路的地端，并且測量發(fā)射極引線端Es可以被積分，以作為一個(gè)信號(hào)。但是，在這種情況下，必須使積分電路10和驅(qū)動(dòng)電路11相互絕緣。
圖4示出另外的不同的實(shí)施例。圖4(A)示出一個(gè)實(shí)施例，其中，單獨(dú)用于連接到積分電路的引線端子Em2設(shè)置在模塊M的發(fā)射極側(cè)。通常，傳導(dǎo)主電流的引線端子必須尺寸大，并使用大的螺絲釘連接到外部的主電路。另一方面，可以將小的螺絲釘用于至積分電路的輸出端，因?yàn)樗鼈鲗?dǎo)非常小的電流。因此，難以將主電路和積分電路這兩個(gè)電路連接到一個(gè)發(fā)射極引線端。圖4(A)的實(shí)施例從這一觀點(diǎn)上修改，并且提供單獨(dú)地用于連接到積分電路的引線端子Em2。
在圖4(B)的實(shí)施例中，電感器分成兩個(gè)部分，并從電感器的中間引出一個(gè)引線端子，單獨(dú)用于積分電路。較好地使用由發(fā)射極電極板24和模塊M的發(fā)射極引線端Em構(gòu)成的寄生電感，因?yàn)榭墒惯@部分的零數(shù)量不增加。但是，由于寄生電感依賴于發(fā)射極電極板24和發(fā)射極引線端Em的結(jié)構(gòu)，故有時(shí)寄生電感的大小根據(jù)模塊的結(jié)構(gòu)變大。由于電感器的兩端產(chǎn)生的電壓與電感值成比例，故當(dāng)電感的值變大時(shí)，輸入到積分電路的電壓增加。由于積分電路一般的設(shè)計(jì)是以低于±20V的電源電壓工作的，故產(chǎn)生一個(gè)問題，即，當(dāng)輸入到積分電路的電壓太高時(shí)，積分電路被高壓損壞。由此，通過從發(fā)射極引線端板24和發(fā)射極電極板Em之間的中間部分取出用于積分電路的引線端子，可以減小輸入到積分電路的輸入電壓，以解決上述問題。
圖5是示出用于估計(jì)的電路圖，以及示出測量結(jié)果的曲線圖。圖5(A)所示的用于估算的電路是這樣構(gòu)成的，即，串聯(lián)圖3(B)所示的兩個(gè)電路，并且將串聯(lián)電路的主引線端子連接到直流電源的引線端子T1和T2。另外，將電感器LM連接在模塊M11的主引線端子之間。運(yùn)算放大器31和連接到運(yùn)算放大器31的電阻器和電感器構(gòu)成積分電路。在圖6中描述積分電路的細(xì)節(jié)。圖5(A)的這個(gè)電路對(duì)應(yīng)于圖10和圖12中所示的三相逆變器中的一個(gè)相。
圖5(B)示出當(dāng)模塊M12的IGBT12接通時(shí)，模塊M12側(cè)中的波形。波形Ve是根據(jù)根據(jù)測量發(fā)射極引線端Es，在電感器Le中產(chǎn)生的電壓。波形Vcc是集電極引線端的電壓。關(guān)于電流，示出了由變流器測量的流過發(fā)射極電線的電流的波形，以及通過對(duì)反應(yīng)器Le中產(chǎn)生的電壓Ve積分得到的波形Ie*。這兩者相互吻合得很好。由此，可以知道，能夠通過反應(yīng)器Le中產(chǎn)生的電壓Ve積分測量該電流。
測量如下執(zhí)行。將IGBT12的柵G設(shè)置為高壓，以使IGBT12處于ON狀態(tài)。然后，電流流過電感器LM、IGBT12和電感器Le。由于電感LM的值大，故大部分的直流電壓提供給電感器LM。由此，電流與時(shí)間成比例地增加。接著，當(dāng)電流達(dá)到200A時(shí)，IGBT12的柵信號(hào)減小至低電壓，使IGBT12處于OFF狀態(tài)，以關(guān)斷電流。然后，將流過電感器LM的電流交換至二極管DF11一側(cè)。當(dāng)在幾十us后再次接通IGBT12時(shí)，流過電感器LM的電流從二極管DF11轉(zhuǎn)換到IGBT12。由此，在電感器Le中產(chǎn)生與電流的改變率成比例的電壓Ve。圖5(B)的波形是當(dāng)接通IGBT12時(shí)的波形。
當(dāng)IGBT12接通時(shí)，一大于流過電感器LM的電流的電流流過幾百ns。原因如下。當(dāng)電流沿正向在二極管DF11中傳導(dǎo)時(shí)，載流子積聚在二極管DF11內(nèi)側(cè)。由此，當(dāng)接通IGBT12，將反向電壓提供給二極管DF11時(shí)，電流由于二極管內(nèi)積聚的載流子，電源沿反向流過二極管DF11。該電流稱為二極管的恢復(fù)電流。由于在接通IGBT12時(shí)的電流稱變成二極管DF11的恢復(fù)電流和通流過電感器LM的電流的總和，故大于流過電感器LM的電流的電流在接通的啟起始階段流過。結(jié)果，在要測量流過電感器LM的電流的情況下，必須在二極管的恢復(fù)電流消失后讀出電流值。復(fù)原電流流過的時(shí)間對(duì)于耐壓低于100V的二極管，一般是幾十到幾百ns，對(duì)于耐壓低于1000V的二極管接近于1un，對(duì)于耐壓為幾千V的二極管，是3到4us。
圖6是方框圖，示出積分電路的另外的實(shí)施例。在圖6(A)的實(shí)施例中，將發(fā)射極引線端Em通過電阻器R1連接到運(yùn)算放大器31的負(fù)引線端子。將運(yùn)算放大器31的正引線端子連接到測量發(fā)射極引線端Es。另外，將電容器Ci和電阻器R2連接在運(yùn)算放大器31的負(fù)引線端子和運(yùn)算放大器的輸出引線端子42之間。運(yùn)算放大器31、電阻器R1和電容器Ci構(gòu)成積分電路，用于對(duì)來自發(fā)射極引線端的輸出電壓Ve積分。電阻器R2是用于防止運(yùn)算放大器31的積分錯(cuò)誤的電阻器，并且通常具有100K歐姆到幾M歐姆的電阻。積分錯(cuò)誤由通過在運(yùn)算放大器31的正引線端子和負(fù)引線端子之間流過的偏流，對(duì)電阻器R1中產(chǎn)生的電壓進(jìn)行積分而產(chǎn)生。
圖6(A)插入電阻器R2的配置用作高通濾波器，其中低頻信號(hào)成份不能通過。截止頻率是1/(2πCi·R2)，并且頻率低于該值的信號(hào)不能通過積分電路。由此，為了使積分電路能夠用于直到低頻信號(hào)的積分器，需要值Ci和R2更大。
圖6(B)的實(shí)施例是可以用于直到低頻信號(hào)的電路的例子，并且圖6(A)的電阻器R2由開關(guān)SW代替。作為開關(guān)SW，較好地使用模擬開關(guān)，其電阻在ON狀態(tài)下小，在OFF狀態(tài)下大。開關(guān)SW用于通過對(duì)電容器Ci放電，對(duì)積分電路復(fù)位。由接通一關(guān)斷脈沖形成窄一寬脈沖，以開關(guān)IGBT。當(dāng)窄一寬脈沖輸入到開關(guān)SW，以使開關(guān)SW處于ON狀態(tài)時(shí)，電容器Ci中的電荷被放電，并且積分電路的輸出為0V。由于IGBT的柵信號(hào)由延遲電路延遲，在積分電路復(fù)位時(shí)間后有一個(gè)延遲，然后IGBT啟動(dòng)開關(guān)操作。在接通操作中，在0V輸出的條件下接通IGBT，因?yàn)榉e分電路已經(jīng)在電流在IGBT中流動(dòng)之前復(fù)位。由此，可以精確地測量流過IGBT的電流。類似地，在關(guān)斷操作時(shí)，雖然來自積分電路的電壓是反向的，但在IGBT的關(guān)斷操作之前，積分電路的輸出為0V。由此，可以精確地測量流過IGBT的電流。其中，使用MOSFET形成模擬開關(guān)，并且在ON的狀態(tài)下，電阻通常只有幾十歐姆那么小，而在OFF狀態(tài)下，有幾十M歐姆到幾百M(fèi)歐姆那么大。由此，在模擬開關(guān)處于OFF狀態(tài)時(shí)，積分電路的截止頻率比圖6(A)的方法中的截止頻率低2到3個(gè)數(shù)量級(jí)，并且相應(yīng)地，可以測量更低頻率的電流。另外，復(fù)位時(shí)間由運(yùn)算放大器的通過速率(能夠改變輸出電壓的速度)和復(fù)位前的輸出電壓確定。在一般使用的運(yùn)算放大器中，通過速率接近于10v/us。因此，當(dāng)將輸出電壓設(shè)計(jì)成例如大約±15V時(shí)，將復(fù)位周期設(shè)置為1.5us是可以接受的。這些脈沖之間的時(shí)間關(guān)系也示于圖6(B)中。
圖6(C)示出另一個(gè)實(shí)施例，其中使用無源部分構(gòu)成積分電路。積分電路由電子琴R3和電容器Ci構(gòu)成。電路具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即，積分電路可以只由電容器和電阻器構(gòu)成，并且，相應(yīng)地，零件的數(shù)量減小。類似于圖6(B)的實(shí)施例，可以將開關(guān)SW并聯(lián)到電容器Ci，可以通過在切換IGBT之間，接通開關(guān)SW使積分電路復(fù)位。
圖7(A)示出另一個(gè)實(shí)施例的方框圖，其中信號(hào)被數(shù)字化處理。在將電感器Le的電壓從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，數(shù)字信號(hào)被數(shù)字化處理，以得到電流值。因?yàn)榭梢允褂矛F(xiàn)有技術(shù)，故這里省略了對(duì)數(shù)字積分方法的詳細(xì)的描述。在數(shù)字積分中，通過在切換IGBT之前，在清除積分值后開始積分，可以執(zhí)行具有小的誤差的電流測量。
圖7(A)的配置具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即，可以執(zhí)行具有小誤差的積分，因?yàn)殡姼衅鞯碾妷褐苯愚D(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)行積分。但是，從圖5(B)的測量結(jié)果顯然的，在電感器中產(chǎn)生的電壓通常具有幾十MHz的信號(hào)成份，相應(yīng)地，為了對(duì)電壓積分，需要A/D轉(zhuǎn)換器以至少幾十MHz工作。雖然這種A/D轉(zhuǎn)換器可以通過使用現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成，但是，如果驅(qū)動(dòng)頻率增加，則A/D轉(zhuǎn)換器的成本變高。圖7B的實(shí)施例能夠解決這種問題。電感器中產(chǎn)生的電壓的模擬信號(hào)被積分，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。如圖5B所述，IGBT的電流可以通過讀出在切換IGBT后幾u(yù)s時(shí)的電流得到。通常，在使用IGBT的電力轉(zhuǎn)換器時(shí)，IGBT的開關(guān)頻率是幾kHz到幾十kHz，并且A/D轉(zhuǎn)換器的工作頻率也在相同的范圍內(nèi)。由此，可以使用經(jīng)濟(jì)的A/D轉(zhuǎn)換器。
圖8是方框圖和詳細(xì)的電路圖，示出短路保護(hù)電路。從積分電路的輸出通過比較電路與命令值比較。當(dāng)電流超過命令值時(shí)，比較電路輸出OFF脈沖，并且開關(guān)電路輸出OFF脈沖至驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路將IGBT的柵電壓降低，以關(guān)斷IGBT。通過上述途徑執(zhí)行短路保護(hù)。下面，參照?qǐng)D8B的詳細(xì)的電路圖，描述當(dāng)在IGBT中發(fā)生短路時(shí)的保護(hù)工作。
當(dāng)將ON-OFF脈沖設(shè)置到高電壓時(shí)，接通晶體管Q2，關(guān)斷晶體管Q3，因?yàn)榫w管Q2和Q3的基極電壓VB達(dá)到高電壓。由此，IGBT的柵電壓增加，并且IGBT處于ON狀態(tài)，以允許電流在集電極引線端C和發(fā)射極引線端Em之間流動(dòng)。當(dāng)電流流過IGBT時(shí)，在電感器Le中產(chǎn)生與IGBT的電流di/dt的變化率成比例的電壓Ve。由此，由運(yùn)算放大器IC2構(gòu)成的積分電路輸出IGBT的電流作為電壓Ve’。將通過積分得到的電壓Ve’傳送到由比較器IC1構(gòu)成的比較電路，以與由電源電壓、電阻器R8和電阻器R9確定的電壓命令值比較。當(dāng)電流的積分值Ve*成為大于命令值Vref的值時(shí)，比較器的輸出為高壓狀態(tài)，接通晶體管Q5。由此，晶體管Q2關(guān)斷，并且晶體管Q3接通，因?yàn)榫w管Q2和Q3的基極電壓VB降低，并且IGBT的柵電壓降低，以使IGBT處于OFF狀態(tài)。換句話說，當(dāng)大于電壓命令值Vref的電流流入IGBT時(shí)，不論ON-OFF脈沖的命令如何，IGBT都進(jìn)入切斷狀態(tài)。
在短路保護(hù)的情況下，積分條件可以如下確定。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，IGBT的電流迅速增加。電流的增加速度由電源電壓、主電路的電感和IGBT的接通速度確定。例如圖10的U相短路的主電路的電感是由引線端子T1、模塊M11、模塊M12、引線端子T2和電源構(gòu)成的回路支配的電感。在IGBT逆變器的情況下，由于主電路的電感通常只有0.1uH到1uH那么小，故在短路時(shí)電流的增加速率di/dt有幾百a/us到幾千A/us那么大。由此，這種情況下的頻率成份有幾百kHz到幾千kHz那么高。從這些關(guān)系中，在通過對(duì)短路時(shí)的電流積分的短路保護(hù)中，可以將積分電路的截止頻率設(shè)置為從10kHz到100kHz，其容限為一個(gè)數(shù)量。
另外，可以將比較器IC1的輸出輸入到閂鎖住電路，雖然圖8中沒有示出?？紤]到發(fā)生短路的原因有各種例子，諸如由于(信號(hào))前緣導(dǎo)致錯(cuò)誤操作、錯(cuò)誤控制等等。在前面的情況下，由于考慮不連續(xù)發(fā)生短路，故當(dāng)電流超過預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，IGBT關(guān)斷，并且當(dāng)電流低于預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，通過免除保護(hù)，返回到正常的操作。另一方面，在后面的情況下，由于產(chǎn)生短路的原因持續(xù)長時(shí)間，故較好地，IGBT關(guān)斷，并且同時(shí)將發(fā)生短路的信息傳送到主控制單元，并且保持OFF狀態(tài)，直至接收到免除命令。由于可以考慮各種對(duì)付短路的方法，故可以根據(jù)系統(tǒng)的目的使用適當(dāng)?shù)姆椒ā?br> 由于IGBT迅速切換，故發(fā)生快速的電壓變化(dv/dt)。當(dāng)值大時(shí)，不僅產(chǎn)生開關(guān)前緣，還在電動(dòng)機(jī)的引線端子之間產(chǎn)生過電流，以引起電動(dòng)機(jī)的損壞。由此，在例如第10-150764號(hào)日本專利申請(qǐng)公開公告中提出了減小電壓的變化(dv/dt)。圖9的實(shí)施例的一個(gè)目的是抑制電壓變化dV/dt。當(dāng)IGBT的電壓變化dv/dt減小時(shí)，開關(guān)損耗增加。這是因?yàn)殡妷旱纳吆徒档途徍停栽黾与娏骱碗妷旱某朔e。因此，將電壓變化dv/dt減小到不必要的小是不好的。
圖9(A)示出在IGBT接通時(shí)開關(guān)波形，B示出在關(guān)斷時(shí)的開關(guān)波形。參考特征Ig表示柵電流，參考特征Ie表示發(fā)射極電流，參考特征Vc表示集電極電壓，參考特征Vd表示另一個(gè)模塊中的二極管(IGBT模塊以外的相互串聯(lián)的另一個(gè)模塊中的二極管)的電壓。用于這種測量中的IGBT模塊的耐壓為3.3kV，并且額定電流為1200A。由于由恢復(fù)產(chǎn)生的電壓變化dv/dt大大地大于IGBT接通時(shí)產(chǎn)生的電壓變化dv/dt，故在圖9C的曲線圖的縱坐標(biāo)上取得恢復(fù)dv/dt。
發(fā)現(xiàn)，可以通過在電壓正在變化期間減小IGBT的柵電流以減小IGBT的電壓變化dv/dt。電壓變化的期間意思是由對(duì)于接通操作，參考特征Tf示出的期間，以及對(duì)于關(guān)斷操作，由參考特征Tr示出的期間。另外，從在恒定的柵控制條件下對(duì)dv/dt的電流相關(guān)性的研究發(fā)現(xiàn)，恢復(fù)dv/dt隨著電流的增加而降低。另一方面，還發(fā)現(xiàn)，在關(guān)斷時(shí)，當(dāng)電流增加接近于600A時(shí)，電壓變化dv/dt增加，并在大約600A時(shí)達(dá)到恒定。由此，可以知道，在接通狀態(tài)期間，通過在電流小時(shí)減小柵電流Ig，并在電流大時(shí)增加?xùn)烹娏鱅g來驅(qū)動(dòng)IGBT，防止由于在大電流時(shí)過度抑制dv/dt引起的IGBT的開關(guān)損失。
圖9E是方框圖，示出用于控制電壓變化dv/dt使其恒定的電路，并且電路說明了三相逆變器中的一個(gè)相部分。電感器Le的電壓Ve被積分，并且將恢復(fù)電流消失后的電流讀出并暫時(shí)存儲(chǔ)。然后，相應(yīng)于存儲(chǔ)的值，通過控制從驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的柵的電流Ig使電壓變化dv/dt和損失最小化。為了控制對(duì)應(yīng)于IGBT的電流值的電壓變化dv/dt，較好地，與讀出電流同步地控制柵電流Ig。但是，這是不可能的，因?yàn)橹钡絀GBT切換，才能夠執(zhí)行讀出電流。這個(gè)問題通過利用這樣的事實(shí)來解決，即，電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換頻率高于電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的負(fù)載電流的頻率1到3個(gè)數(shù)量級(jí)。在接通控制中，接通時(shí)的柵電流Ig用關(guān)斷前剛剛測量的柵電流確定。如果在上一次接通時(shí)測量電流，則差別并不如此大。另一方面，關(guān)斷時(shí)的柵電流類似于地使用在剛剛接通前測量的電流值確定。通過這樣做，不需要高速判斷，將可以將電壓變化dv/dt控制得恒定。
另外，還可以通過控制切換時(shí)的柵電流，控制切換時(shí)的電流變化di/dt。在這種情況下，通過類似于控制電壓變化的方法，控制電流變化di/dt。
下面將描述得到相電流的方法。通常，在電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中測量負(fù)載電流。例如，在對(duì)有效旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制中，必須測量電動(dòng)機(jī)電流。
圖10是方框圖，示出用于控制三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的三相逆變器。將控制電路連接到柵引線端子G、測量發(fā)射極引線端Es和模塊M11的發(fā)射極引線端Em。如果采取圖1所示的配置作為例子，則這里所示的控制電路意思是由積分電路10、驅(qū)動(dòng)電路11和控制電路12構(gòu)成的電路。將這兩個(gè)都由模塊和控制電路構(gòu)成的電路串聯(lián)，以構(gòu)成三相逆變器的單相部分。另外，三個(gè)單相部分相連，以形成三相逆變器。下面，將模塊M11、M21、M31稱為上臂模塊，并將模塊M12、M22、M32稱為下臂模塊。上臂模塊的控制器引線端子連接到直流電壓Vcc的正引線端子T1，并且上臂模塊的發(fā)射極引線端連接到直流電壓Vcc的負(fù)引線端子T2。將上臂模塊和下臂模塊的每一個(gè)分支點(diǎn)連接到三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。另外，將每一個(gè)控制電路連接到主控制電路，以執(zhí)行對(duì)三相逆變器的PWM控制。
圖11是曲線圖，解釋得到相電流的方法。從載波信號(hào)和對(duì)每一相的電壓命令確定對(duì)每一相的開關(guān)命令。例如，通過取U相為例解釋，當(dāng)U相電壓是Vcc時(shí)，IGBT11處于ON狀態(tài)，而IGBT12處于OFF狀態(tài)，相反，當(dāng)U相是0V時(shí)，IGBT11處于OFF狀態(tài)，而IGBT12處于ON狀態(tài)。其中，關(guān)斷兩個(gè)IGBT的時(shí)間設(shè)置在實(shí)際切換IGBT11和IGBT12的時(shí)候，以防止在直流引線端子之間發(fā)生短路。
當(dāng)相電壓是Vcc時(shí)，流過負(fù)載的電流增加，當(dāng)相電壓是0V時(shí)，流過負(fù)載的電流減小。當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的U相電流是正時(shí)，在模塊M11中發(fā)現(xiàn)由參考特征a示出的波形。另一方面，當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的U相電流是負(fù)時(shí)，在模塊M12側(cè)發(fā)現(xiàn)參考特征b表示的波形。圖11B是放大的電路圖，示出發(fā)現(xiàn)的一部分波形，其中點(diǎn)d表示當(dāng)IGBT11接通的時(shí)間，點(diǎn)c和e表示IGBT11關(guān)斷的時(shí)間。在從點(diǎn)c到點(diǎn)d的過程中，IGBT11處于OFF狀態(tài)，并且U相電流流過二極管DF12。在這個(gè)過程中，電流減小，因?yàn)殡娏鞑皇菑闹绷麟娫刺峁┑?。在從點(diǎn)d到點(diǎn)e的過程中，IGBT11處于ON狀態(tài)，并且電流增加，因?yàn)殡娏魇峭ㄟ^IGBT11，從直流電源Vcc提供的。IGBT11的電流通過電線W1流到電線W2和W3。因此，在IGBT22和IGBT32都處于ON狀態(tài)時(shí)，電流的變化率大于當(dāng)IGBT22和IGBT32中的一個(gè)處于ON狀態(tài)時(shí)的電流的變化率。圖11B示出這種特點(diǎn)，并且當(dāng)流過IGBT都處于ON狀態(tài)時(shí)，電流增加的梯度變得更陡。其中，參考特征f表示電流的平均值。
電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的開關(guān)元件通過開關(guān)操作，將電流和電壓從電源提供給負(fù)載。流過開關(guān)元件的電流在切換時(shí)迅速變化，但是在切換和切換之間的間隔內(nèi)的電流的變化小，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的電感有幾個(gè)mH那么大。通常，雖然當(dāng)在切換時(shí)的電流變化率di/dt是幾百A/μs到幾千A/μs時(shí)，在切換和切換之間的間隔內(nèi)的電流的變化率是幾百mA/μs，它接近于切換時(shí)的電流變化率的1/10000。在逆變器系統(tǒng)中，通常將發(fā)射極電線部分的電感設(shè)計(jì)為幾個(gè)nH那么小，因?yàn)橹麟娐冯娋€中的電感需要盡可能地小，以防止在切換時(shí)的過電流。由此，由于在切換和切換之間的間隔中，發(fā)射極電線的電感器中產(chǎn)生的電壓只有幾百μV那么小，故難以使用低成本的積分電路高度精確地測量電壓。
但是，由于電動(dòng)機(jī)的電感有幾mH那么大，故可以通過使用流入電動(dòng)機(jī)的電流線性變化的事實(shí)，得到在切換和切換之間的間隔中的電流。例如，通過測量IGBT接通和關(guān)斷后即刻的電流，并通過連接在線性電流之間，得到流入電動(dòng)機(jī)的電流。即使按照這種方式，仍有一個(gè)小的誤差，這在圖11B中是顯然的。如上所述，流入電動(dòng)機(jī)的相電流(流過電動(dòng)機(jī)的輸入電線的電流)可以通過對(duì)發(fā)射極電感中產(chǎn)生的電壓積分，此后馬上讀出該電流，并線性地連接在兩者之間而得到?？梢匀菀椎刂?，當(dāng)相電流是負(fù)時(shí)，相電流可以通過對(duì)IGBT12進(jìn)行類似的處理而得到。因此，這里省略了對(duì)這種情況的描述。
IGBT模塊的發(fā)射極電感的值根據(jù)每一個(gè)模塊稍有不同，并且電感的值有時(shí)根據(jù)每一個(gè)模塊而變化，這是由于當(dāng)安裝模塊以形成逆變器時(shí)，模塊之間的布線構(gòu)件的互感引起的。一種解決這個(gè)問題的方法是，在例如圖10的電路中，通過執(zhí)行開關(guān)操作、使用變流器測量流過發(fā)射極電感的電流以及從由兩個(gè)引線端子中產(chǎn)生的電壓得到電感值而調(diào)節(jié)各個(gè)控制電路中的積分器的積分常數(shù)。但是，這種方法需要大量時(shí)間和勞動(dòng)，相應(yīng)地，這是不實(shí)際的方法。這種麻煩可以通過重新設(shè)計(jì)圖10的控制電路，從而各個(gè)控制電路中的積分器的積分常數(shù)可以自動(dòng)地變化，將已知值的電流傳導(dǎo)至IGBT，以自動(dòng)改變積分常數(shù)，從而積分器的讀出值等于電流的已知值。這種流過已知值的電流的方法可以通過三相負(fù)載代替三相電動(dòng)機(jī)和執(zhí)行開關(guān)操作來實(shí)現(xiàn)。例如，通過使IGBT22處于ON狀態(tài)，并切換IGBT11，可以將已知值的電流傳導(dǎo)通過IGBT11，因?yàn)榱鬟^IGBT11的電流由負(fù)載電阻和直流電源的電壓確定。如果圖10的控制電路具有如圖6或7所示的配置，可以通過對(duì)積分電路的輸出的A/D轉(zhuǎn)換，以及通過數(shù)字處理進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)改變積分常數(shù)的方法。由于顯然地，可以通過數(shù)字處理方法執(zhí)行校正，故將省略對(duì)這種方法的描述。
作為傳導(dǎo)已知值的電流的方法，可以將三相感應(yīng)負(fù)載連接到電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在這種情況下，由于電流與時(shí)間成比例地增加，故可以通過電源電壓、電感的值以及傳導(dǎo)時(shí)間來確定已知值的電流。另外，將轉(zhuǎn)換的電流插入負(fù)載的配線中，積分常數(shù)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而通過直接比較讀出值和積分器的輸出值，這兩個(gè)值一致。
在為了通過控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使其處于最適宜的條件而執(zhí)行平滑驅(qū)動(dòng)或停止的電動(dòng)機(jī)的矢量控制中，使用流過電動(dòng)機(jī)的電流的平均值。如上所述，當(dāng)使用逆變器控制電動(dòng)機(jī)時(shí)，具有由IGBT的切換操作引起的波動(dòng)(電流的波動(dòng))成份的電流流過電動(dòng)機(jī)。由此，在矢量控制中，通常讀出在載波信號(hào)的峰值部分的電流。其原因是，載波信號(hào)的峰值點(diǎn)處于切換和切換之間的間隔的中間的時(shí)間點(diǎn)，而在切換和切換之間的間隔的中間的時(shí)間點(diǎn)處的電流的值是流過電動(dòng)機(jī)的電流的平均值。因此，通過測量每一次切換時(shí)的電流，并計(jì)算測量點(diǎn)的中間時(shí)間處的電流，可以得到用于矢量控制的平均電流。在所有時(shí)間周期的平均電流的情況下，可以通過線性地連接在每一個(gè)測量點(diǎn)之間，得到平均值，并且將這些值對(duì)時(shí)間求平均，作為各個(gè)時(shí)間點(diǎn)處的電流值。
圖12是方框圖，示出具有矢量控制功能的逆變器?？刂齐娐愤B接到每一個(gè)IGBT的柵引線端子G、測量發(fā)射極引線端Es和發(fā)射極引線端Em。將通信I/O設(shè)置在每一個(gè)控制電路的更高的電平中，并將切換信息SW從通信I/O傳送到每一個(gè)控制電路，并將電流信息I從每一個(gè)控制電路傳送到通信I/O。將通信I/O與每一個(gè)控制電路電氣絕緣。將電流控制器、速度控制器和位置控制器設(shè)置在通信I/O的更高的電平中。將PWM命令從電流控制器傳送到通信I/O，并將電流值從通信I/O傳送到電流控制器。將位置和速度檢測器設(shè)置在三相電動(dòng)機(jī)中，以檢測電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度。將旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度的信號(hào)發(fā)送到位置控制器和速度控制器，以分別和位置命令和速度命令比較。在這種配置的具有矢量控制功能的逆變器中，將通過對(duì)發(fā)射極電感中產(chǎn)生的電流值積分得到的電流值用于控制電動(dòng)機(jī)。在傳統(tǒng)的矢量控制逆變器中，通過將諸如變流器之類的電流傳感器插入到電線W1、W2和W3測量電流。但是，由于根據(jù)本發(fā)明的配置不需要諸如變流器之類的電流傳感器，故可以使逆變器系統(tǒng)小型化并且成本低。
圖12示出矢量控制的一個(gè)例子，其中通過檢測電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置和旋轉(zhuǎn)速度控制電動(dòng)機(jī)。但是，顯然地，在不檢測旋轉(zhuǎn)位置和旋轉(zhuǎn)速度而控制電動(dòng)機(jī)的矢量控制中，本發(fā)明仍然是有效的。由此，省略了對(duì)這一點(diǎn)的描述。
雖然已經(jīng)描述了在IGBT情況下的本發(fā)明的實(shí)施例，但是，可以使用其它種類的開關(guān)元件代替IGBT。
根據(jù)本發(fā)明，負(fù)載中流過的電流可以被高度精確地測量，因?yàn)殡娏魇峭ㄟ^對(duì)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的主電路中的電感器中產(chǎn)生的電壓積分得到的。
權(quán)利要求
1.一種電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于包含開關(guān)元件；連接到所述開關(guān)元件的主端子的電感器；和用于對(duì)所述電感器兩端產(chǎn)生的電壓進(jìn)行積分的積分電路。
2.如權(quán)利要求1所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于流過所述開關(guān)元件的電流通過內(nèi)插在所述開關(guān)元件接通和關(guān)斷時(shí)讀出的電流之間而得到。
3.如權(quán)利要求1所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于所述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出電流通過內(nèi)插在所述開關(guān)元件接通和關(guān)斷時(shí)讀出的電流而得到。
4.一種電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于包含開關(guān)元件；用于接通和關(guān)斷所述開關(guān)元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路；連接到所述開關(guān)元件的主端子的電感器；用于對(duì)所述電感器的兩端產(chǎn)生的電壓積分的積分電路；用于比較所述積分電路的輸出與命令值的比較電路；和用于當(dāng)從所述比較電路輸出OFF脈沖時(shí)，將輸出到所述驅(qū)動(dòng)電路的輸出轉(zhuǎn)換為OFF脈沖的切換電路，其中當(dāng)所述積分電路的輸出超過命令值時(shí)，關(guān)斷所述開關(guān)元件。
5.一種電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于包含開關(guān)元件；用于接通和關(guān)斷所述開關(guān)元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路；連接到所述開關(guān)元件的主端子的電感器；用于對(duì)所述電感器的兩端之間產(chǎn)生的電壓積分的積分電路；用于從所述積分電路的輸出讀出電流值的電流讀出電路；和用于暫存電流值的暫時(shí)存儲(chǔ)電路，其中當(dāng)所述開關(guān)元件的主端子之間的電壓變化時(shí)，輸入到所述開關(guān)元件的柵極的電流的大小相應(yīng)于存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)電路中的電流值而變化。
6.如權(quán)利要求5所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)在接通期間流過所述開關(guān)元件的電流增加得更大時(shí)，當(dāng)所述開關(guān)元件的主端子之間的電壓變化時(shí)要輸入到所述開關(guān)元件的柵的電流增加更多。
7.如權(quán)利要求5所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)在接通期間，流過所述開關(guān)元件的電流增加更多時(shí)，當(dāng)所述開關(guān)元件的主端子之間的電壓變化時(shí)，要輸入到所述開關(guān)元件的柵的電流減小到更小。
8.如權(quán)利要求1、4和5所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于包含模塊，所述模塊含有所述開關(guān)元件、串聯(lián)到所述開關(guān)元件的主端子的所述電感器，所述電感器是由所述模塊內(nèi)側(cè)的一配線包含的寄生電感。
9.如權(quán)利要求1、4和5所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于所述積分電路包含運(yùn)算放大器；電容器；和電阻器。
10.如權(quán)利要求1、4和5所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于在切換所述開關(guān)元件前，復(fù)位積分電路。
11.如權(quán)利要求10所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述積分電路包含至少一個(gè)運(yùn)算放大器；連接到所述運(yùn)算放大器的負(fù)端的電阻器；連接在運(yùn)算放大器輸出端和負(fù)端子之間的電容器和開關(guān)，通過在切換所述開關(guān)元件前進(jìn)行所述切換使積分電路的輸出復(fù)位。
全文摘要
為了高度精確地檢測電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的電流,將電感器串聯(lián)到開關(guān)元件的主端子,并使用積分電路對(duì)切換時(shí)電感器的兩端產(chǎn)生的電壓積分,來檢測電流。
文檔編號(hào)H02M7/00GK1274192SQ0010868
公開日2000年11月22日 申請(qǐng)日期2000年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月14日
發(fā)明者長洲正浩, 木村新, 森睦宏, 仲田清, 照沼睦弘 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所