三相功率转换器的输出电流的箝位控制方法与流程

1.本发明涉及一种功率转换器的输出电流的控制方法，尤其涉及一种三相功率转换器的输出电流的箝位控制方法。


背景技术：

2.图1为传统马达驱动器的系统架构图，其中马达900通过功率转换器100的驱动对欲控制的负载进行控制，另可配合参见图3。图2为传统三相功率转换器的电路图。功率转换器100由六个开关构成的三臂(各包含一上臂开关s
u1
,s
v1
,s
w1
与一下臂开关s
u2
,s
v2
,s
w2
)架构所组成，每相输出接至一臂上、下臂开关的中心点，为一已知且广泛应用于工业产品的电路架构。
3.在各种不同的工业应用上，常会使用到功率转换器(power converter)100来进行电能的转换，如图3所示，设置于交流侧与直流侧的的功率转换器100将电池200的电能转换，且提供功率给负载300使用。在此，功率转换器100连接电池200的处可称为“直流侧”，不同实际应用中可以为电池、太阳能板、电容
…
等等。而图3中的负载侧亦可称为“交流侧”，不同实际应用中可以为马达、电网、工业产品
…
等等。
4.具体地，图3为应用于功率转换器100的脉波宽度调制(pulse-width modulation,pwm)系统架构图，根据不同实际应用，功率转换器100对应的控制器400设计的方式也会不同。例如当负载300是电压源(voltage source)时，功率转换器100常应用为主动式前级(active front end)，此时控制器400就必须调节交流侧的功率因子(power factor)。若负载300为马达时，功率转换器100就必须设计控制各种不同类型的马达。因此，随着应用的场合不同，功率转换器100对应的控制器400设计也不同，但目的皆为控制交流侧的电压，来达到控制的目的。因此，控制器400会产生对应的电压命令v
ref
，用以希望控制的交流侧输出电压。再者，通过脉波宽度调制技术500可以转换(调制)电压命令v
ref
以输出开关信号给功率转换器100上的开关组件模块切换来输出对应的电压。由图3所示，功率转换器100的输出电压为脉波形式的电压，理想上，如果系统没有任何损失的情况下，此脉波电压的平均值会为电压命令v
ref
。
5.大多数应用于传统三相功率转换器的脉波宽度调制技术为称作向量空间脉波宽度调制技术(svpwm)的开关切换方式，其方法为将三相各相的电压命令跟一载波epwm比较。如图4所示，当该相电压命令v
ref
大于载波epwm时，该臂的上开关导通，下开关则关闭。如图5所示，若将三相电压命令(vu*,vv*,vw*)一起与载波epwm比较，则可以将三相各臂的开关整理出如图5所示(当vu*》vv*》vw*时)，若分析各种不同的电压命令组合，并将其输出电压转至d-q同步框，则可以整理成由电压向量v
0-v7组成的空间向量图(space vector diagram)，如图6所示。举例来说v1(100)代表u相上臂开关导通，v和w相下臂开关导通，另外v0(000)和v7(111)所产生出来的输出电压皆为零，故称作零向量，其余v
1-v6向量则称为主动向量。此pwm方式已广泛应用于各种功率转换器产品上。
6.由图6可以解释svpwm的基本概念：三相电压vu*,vv*,vw*命令转至同步框后为v*，
转框过程中会得到电压命令v*跟q轴的角度θ，不同的θ角度使得v*落在图6的任一个向量三角形内。此电压命令在一个开关周期内将由组成该三角形的电压向量来合成。此时的电压命令v*落在由v1,v2,v0/v7组成的三角形区间，此时在一个pwm切换周期内，如图5所示，输出的电压向量依序为v
7-v
2-v
1-v
0-v
1-v
2-v7。因此，当电压命令v*落在图6任一个三角形区间内，是由该三角形内的两个主动向量v
x
,vy和两个零序向量v0,v7组合而成。表1为定义电压区间与角度的关系。
7.表1
8.电压区间(r
vol
)电压命令v*的角度(θ)i0
°
～60
°
ii60
°
～120
°
iii120
°
～180
°
iv180
°
～240
°
v240
°
～300
°
vi300
°
～360
°
9.然而，为了避免过电流损坏功率转换器的组件，通常在马达驱动器系统中，都会设计一套过电流的保护机制。为此，如何设计出一种功率转换器的输出电流的控制方法，尤指一种三相功率转换器的输出电流的箝位控制方法，解决现有技术所存在的问题与技术瓶颈，乃为本案发明人所研究的重要课题。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供一种功率转换器的输出电流的控制方法，解决现有技术的问题。
11.为达成前揭目的，本发明所提出的功率转换器的输出电流的控制方法，其中三相功率转换器包含三组开关桥臂，且每组开关桥臂具有串联的上开关与下开关，且提供三相输出电压命令。箝位控制方法包括：(a)判断输出电流大于第一电流阈值时，启动电流箝位控制程序；(b)比较载波信号与三相输出电压命令，且在载波信号为上升区间，以第一零向量控制下开关导通，且在载波信号为下降区间，以第二零向量控制上开关导通；以及(c)判断输出电流大于第二电流阈值时，启动过电流保护程序，其中第二电流阈值大于第一电流阈值。
12.在一实施例中，在步骤(b)，在载波信号到达波峰值时，以第一零向量控制下开关导通；在载波信号到达波谷值时，以第二零向量控制上开关导通。
13.在一实施例中，在步骤(c)，过电流保护程序控制三组开关桥臂的所有上开关与下开关关断。
14.在一实施例中，执行该电流箝位控制程序时，该第一零向量与该第二零向量之间存在两个相异的主动向量。
15.在一实施例中，第一零向量为用以控制三组开关桥臂的所有下开关皆导通的向量；第二零向量为用以控制三组开关桥臂的所有上开关皆导通的向量。
16.在一实施例中，在载波信号到达波峰值或波谷值时，中断电流箝位控制程序。
17.在一实施例中，当载波信号为上升到波峰值时进行中断电流箝位控制程序，第一
零向量接续控制下开关导通；当载波信号为下降到波谷值时进行中断电流箝位控制程序，第二零向量接续控制上开关导通。
18.在一实施例中，在步骤(b)与步骤(c)之间还包含：(d)判断输出电流大于第三电流阈值时，启动第二电流箝位控制程序，其中第三电流阈值大于第一电流阈值且小于第二电流阈值。
19.在一实施例中，执行第二电流箝位控制程序通过控制三组开关桥臂的上开关关断与下开关关断。
20.在一实施例中，三相功率转换器输出所连接的负载为发电机或操作于发电机模式下的马达。
21.藉此，本发明所提出的功率转换器的输出电流的控制方法，使马达可以大幅地降低振动、输出电流的涟波明显下降、避免输出电流(能量)回灌至直流侧电压侧以及降低切换损失。
22.为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
23.图1：为传统马达驱动器的系统架构图；
24.图2：为传统三相功率转换器的电路图；
25.图3：为传统应用于功率转换器的脉波宽度调制的系统架构方块图；
26.图4：为传统功率转换器的pwm切换方式的示意波形图；
27.图5：为传统三相功率转换器svpwm切换方式的示意波形图；
28.图6：为传统svpwm切换下的电压向量组成的向量空间图；
29.图7：为应用于马达驱动器的电流保护机制的示意图；
30.图8：为电流箝位控制方法的示意图；
31.图9：为电流箝位控制三相功率转换器的等效电路图；
32.图10：为控制功率转换器的开关全部关闭的示意图；
33.图11：为本发明以零向量控制功率转换器的开关的示意图；
34.图12a：为功率转换器切换至零向量的第一实施例的电路图；
35.图12b：为功率转换器切换至零向量的第二实施例的电路图；
36.图13：为本发明以零向量控制功率转换器的开关的第一实施例的具体示意图；
37.图14：为本发明以零向量控制功率转换器的开关的等效电路图；
38.图15：为本发明以零向量控制功率转换器的开关的第二实施例的具体示意图；
39.图16：为本发明三相功率转换器的输出电流的箝位控制方法的流程图。
40.附图标号说明：
41.100:功率转换器
42.200:电池
43.300:负载
44.400:控制器
45.500:脉波宽度调制技术
46.900:马达
47.s
cc
:箝位电流信号
48.s
cc1
:第一箝位电流信号
49.s
cc2
:第二箝位电流信号
[0050]vref
:电压命令
[0051]
epwm:载波
[0052]su1
,s
v1
,s
w1
:上臂开关
[0053]su2
,s
v2
,s
w2
:下臂开关
[0054]iu
,iv,iw:输出电流
[0055]vu
*,vv*,vw*:三相电压命令
[0056]vref_max
,v
ref_mid
,v
ref_min
:三相输出电压命令
[0057]vx
,vy,v1～v6:主动向量
[0058]
v0,v7:零向量
[0059]
s1～s2:步骤
[0060]
s11～s13:步骤
具体实施方式
[0061]
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下。
[0062]
承前所述，为了避免过电流损坏功率转换器的组件，通常在马达驱动器系统中，都会设计一套过电流的保护机制，如图7所示，其为应用于马达驱动器的电流保护机制的示意图。系统的硬件或是固件会反馈输出电流iu,iv,iw进行电流大小的判定。当任一相输出电流iu,iv,iw瞬间大于上限电流值或超过过电流保护命令(即步骤s2的判断为”是”)时，则功率转换器100进入过电流保护，会将功率转换器100所有的开关截止且系统停止运转。
[0063]
但有时候马达负载只是发生急遽的瞬时变化(例如瞬间加载、瞬间断载或控制器失灵)，当此急遽瞬时变化过了之后，输出电流iu,iv,iw就能稳定输出。然而，此过电流保护机制就会限制功率转换器100的操作弹性。因此，为了使增加马达驱动器的操作范围，保护机制会加入一个”箝位电流控制”，来协助功率转换器100度过过电流的瞬时。意即，当任一相输出电流iu,iv,iw瞬间大于箝位电流值或超过箝位电流保护命令(即步骤s1的判断为”是”)时，则功率转换器100不会直接进入过电流保护，换言之，当输出电流iu,iv,iw小于上限电流值或未超过过电流保护命令(即步骤s2的判断为”否”)时，会将功率转换器100进入箝位电流控制，以抑制输出电流iu,iv,iw的大小，而暂不会将功率转换器100所有的开关截止且避免系统停止运转，使得增加功率转换器100的操作范围，能够度过某些瞬时操作。然而，若当电流箝位控制仍无法抑制输出电流iu,iv,iw大小时，系统还是会进入过电流保护。
[0064]
电流箝位控制方法如图8所示，图中三相电压命令(或称三相输出电压命令)依最大值、中间值以及最小值依序为v
ref_max
,v
ref_mid
,v
ref_min
，分别与图中三角波(载波)比较后产生pwm信号。每个切换周期内，都由两个主动向量v
x
,vy和零(序)向量v0,v7组合而成。配合参见图7，当检测系统任一相输出电流iu,iv,iw超过箝位电流值时(即步骤s1的判断为”是”)，电流保护系统会产生箝位电流信号(clamping current signal)s
cc
给控制器。当控制器接
收到箝位电流信号s
cc
，如图8用箭头标示的旗标信号，会立即将所有的开关信号截止(gate off)。如图10所示，第一个或第三个旗标信号生效时，在主动向量v
x
时则立即进入gate off状态。若是在gate off状态时出现(第二个)旗标信号，则仍持续维持gate off状态。
[0065]
图8中所示的s
intr
为控制器的中断信号(interrupt signal)，通常会在一个切换周期的波峰或波谷时产生，用以重置(reset)箝位电流信号s
cc
的旗标信号。当控制器接收到中断信号s
intr
后，会再对输出电流大小做一次判定，若判定电流大小仍大于箝位电流值，则持续维持箝位电流控制，以持续对输出电流进行抑制。反之，若判定电流大小已经小于箝位电流值(因为通过箝位电流控制的抑制)，则通过在波峰或波谷时的中断操作，使得切回pwm输出的正常运作，此时的等效电路如图9所示。若当下电流流向为iu《0,iv》0,iw》0，则依据当下电流的流向导通对应的背接二极管(而非上、下开关)进行放电，以达到对输出电流的箝位抑制，然而，马达侧的线对线跨压为直流侧电压v
dc
变动较大，例如由+v
dc
跳动至-v
dc
或者由-v
dc
跳动至+v
dc
，如此会造成输出侧电流有较大的电流涟波，使得机械马达有较大的振动。
[0066]
再者，通过将所有开关关断的方式来达成输出电流抑制的方式另外会发生的现象为输出电流(能量)回灌至直流侧电压侧，如此将造成直流侧电压升高，则会启动过电压保护。
[0067]
请参见图16所示，其为本发明三相功率转换器的输出电流的箝位控制方法的流程图。三相功率转换器包含三组开关桥臂，且每组开关桥臂具有串联的上开关与下开关，且提供三相输出电压命令。所述箝位控制方法的步骤详述如下。
[0068]
首先，判断输出电流大于第一电流阈值时，启动电流箝位控制程序(s11)。如前所述，箝位电流控制方法对于马达输出侧跨压较大，容易使得马达电流涟波增加，造成马达振动。因此，本发明提出的三相功率转换器的输出电流的箝位控制方法，不使用将功率转换器的开关全部关闭的方式(如图10所示)，而是将功率转换器100切换至零向量(如图11所示)。具体地，如图11所示，当控制器接收到箝位电流信号s
cc
的第一个旗标信号时，则以第一零向量v0控制三相桥臂的上、下开关，意即，控制所有下开关导通且控制所有上开关关断，而非采用对所有的上、下开关皆关断控制。同理，当控制器接收到箝位电流信号s
cc
的第二个旗标信号时，则以第二零向量v7控制所有上开关导通且控制所有下开关关断。值得一提，配合参见图13，当载波信号为上升到波峰值时进行中断电流箝位控制程序，第一零向量v0接续控制下开关导通，并且当载波信号为下降到波谷值时进行中断电流箝位控制程序，第二零向量v7接续控制上开关导通，如此可降低切换损失。
[0069]
此时，等效电路如图12a与图12b所示，其中图12a为功率转换器100切换至零向量v7，而图12b为功率转换器100切换至零向量v0。由于电流在功率转换器100内部流动，因此可达成输出电流的抑制，并且可避免输出电流(能量)回灌至直流侧电压侧。此时，马达900的输出电压在零向量切换时线对线跨压为零，大大降低了输出电流的涟波，使马达900即使在箝位电流控制操作下，可以大幅地降低振动。
[0070]
然后，比较载波信号与三相输出电压命令，且在载波信号为上升区间，以第一零向量控制下开关导通，且在载波信号为下降区间，以第二零向量控制上开关导通(s12)。零向量切换方式可参见图6所示，有零向量v0和零向量v7两种切换方式。如图5所示，在载波波峰时的零向量为v0，而在载波波谷时零向量为v7。再者，为了降低在电流箝位控制期间的切换
损失，当箝位电流信号s
cc
为载波信号由波谷往波峰往上升(即上升区间或上升段)时(即第一个旗标信号)，则箝位电流控制将选择零向量v0。反之，当箝位电流信号s
cc
为载波信号由波峰往波谷往下降(即下降区间或下降段)时(即第二个旗标信号)，则箝位电流控制将选择零向量v7。
[0071]
请参见图13所示，其为本发明以零向量控制功率转换器的开关的第一实施例的具体示意图。开关切换的电压向量由三相电压命令(v
ref_max
,v
ref_mid
,v
ref_min
)与载波比较来决定。在图13中，将三相电压命令分类为最大值(v
ref_max
)、中间值(v
ref_mid
)以及最小值(v
ref_min
)的电压命令。当检测到箝位电流信号s
cc
，若在载波信号为上升区间或上升段时，将三相电压命令全部箝制在最小的电压命令(v
ref_min
)，即可产生零向量v0。另一方面，当检测到箝位电流信号s
cc
，若在载波信号为下降区间或下降段时，将三相电压命令全部箝制在最大的电压命令(v
ref_max
)，即可产生零向量v7。
[0072]
承前所述，本发明所提出的三相功率转换器的输出电流的箝位控制方法主要是以零向量取代将功率转换器的开关全关闭的方式，来降低输出电流的涟波，但此方式只适用于马达操作于”电动机”模式下可行，若马达此时操作为”发电机”模式，则使用零向量操作是无法降低输出电流的涟波，在这种情况下，还是要必须将功率转换器的全部开关关闭，让交流侧的能量灌至直流侧的煞车电阻r
dc
来消耗，藉此降低交流电流大小，如图14所示。
[0073]
然而，对马达驱动器而言，其操作时不一定可知道目前马达是操作在”电动机(motor)”模式或是”发电机(generator)”模式，因此，箝位电流控制策略上可以通过两个箝位电流信号，例如第一箝位电流信号s
cc1
与第二箝位电流信号s
cc2
来作为判定的依据，如图15所示。具体地，若输出电流iu,iv,iw的大小超过第一电流阈值时，其中第一电流阈值对应作为判断之用的第一箝位电流信号s
cc1
时，意即若输出电流iu,iv,iw的大小超过第一箝位电流信号s
cc1
时，依据前述的方式切换至零向量。若马达操作在”电动机”模式时，则输出电流iu,iv,iw的大小可被抑制，因此输出电流iu,iv,iw将会逐渐收敛，且可输出较小的电流涟波。反之，马达操作在”发电机”模式时，则输出电流iu,iv,iw还是会持续变大。换言之，马达操作在”发电机”模式时，仅通过单一电流箝位控制程序则无法有效地将输出电流iu,iv,iw的大小进行抑制。
[0074]
因此，本案进一步可提供第二电流箝位控制程序，其为更进一步地执行电流箝位控制程序，用以当输出电流iu,iv,iw的大小超过第一电流阈值，但经过零向量操作仍无法降低输出电流iu,iv,iw的涟波时，则启动第二电流箝位控制程序。具体地，进一步判断当输出电流iu,iv,iw大于第三电流阈值时，其中第三电流阈值大于第一电流阈值，通过控制三组开关桥臂的该等上开关关断与该等下开关关断，换言之，通过将功率转换器的全部开关关闭，让交流侧的能量灌至直流侧的煞车电阻r
dc
来消耗，藉此降低交流电流大小。
[0075]
最后，当判断输出电流大于第二电流阈值时，启动过电流保护程序(s13)。其中第二电流阈值大于第一电流阈值(亦大于第三电流阈值)，并且第二电流阈值对应作为判断之用的第二箝位电流信号s
cc2
。当输出电流iu,iv,iw的大小超过第二电流阈值时，意即当输出电流iu,iv,iw的大小超过第二箝位电流信号s
cc2
时，表示前述两阶段的电流箝位控制程序皆无法有效抑制输出电流iu,iv,iw的大小，则功率转换器100进入过电流保护，会将功率转换器100所有的开关截止且系统停止运转，进而达到降低输出电流大小的目的。
[0076]
综上所述，本发明具有以下的特征与优点：
[0077]
1、本发明提出的三相功率转换器的输出电流的箝位控制方法，不使用将功率转换器的开关全部关闭的策略，而是将功率转换器切换至零向量，使马达即使在箝位电流控制操作下，可以大幅地降低振动。
[0078]
2、本发明案提出的箝位控制方法，通过利用零向量来降低输出电压的跨压，使输出电流的涟波明显下降。
[0079]
3、本发明案提出的箝位控制方法，不仅可达成输出电流的抑制，并且可避免输出电流(能量)回灌至直流侧电压侧。
[0080]
4、当载波信号为上升到波峰值时或为下降到波谷值时进行中断电流箝位控制程序，相同的零向量接续控制开关导通，如此可降低切换损失。
[0081]
以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与附图，本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求范围为准，凡合于本发明权利要求范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本案的专利范围。

技术特征：
1.一种三相功率转换器的输出电流的箝位控制方法，所述三相功率转换器包含三组开关桥臂，且每组开关桥臂具有串联的上开关与下开关，且提供三相输出电压命令，所述箝位控制方法包括：(a)判断所述输出电流大于第一电流阈值时，启动电流箝位控制程序；(b)比较载波信号与所述三相输出电压命令，且在所述载波信号为上升区间，以第一零向量控制下开关导通，且在所述载波信号为下降区间，以第二零向量控制上开关导通；以及(c)判断所述输出电流大于第二电流阈值时，启动过电流保护程序，其中所述第二电流阈值大于所述第一电流阈值。2.根据权利要求1所述的箝位控制方法，其中在步骤(b)，在所述载波信号到达波峰值时，以所述第一零向量控制所述下开关导通；在所述载波信号到达波谷值时，以所述第二零向量控制所述上开关导通。3.根据权利要求1所述的箝位控制方法，其中在步骤(c)，所述过电流保护程序控制三组开关桥臂的所有所述上开关与所述下开关关断。4.根据权利要求1所述的箝位控制方法，其中执行所述电流箝位控制程序时，所述第一零向量与所述第二零向量之间存在两个相异的主动向量。5.根据权利要求1所述的箝位控制方法，其中所述第一零向量为用以控制三组开关桥臂的所有所述下开关皆导通的向量；所述第二零向量为用以控制三组开关桥臂的所有所述上开关皆导通的向量。6.根据权利要求1所述的箝位控制方法，其中在步骤(b)，在所述载波信号到达波峰值或波谷值时，中断所述电流箝位控制程序。7.根据权利要求6所述的箝位控制方法，其中在步骤(b)，当所述载波信号为上升到所述波峰值时进行中断所述电流箝位控制程序，所述第一零向量接续控制所述下开关导通；当所述载波信号为下降到所述波谷值时进行中断所述电流箝位控制程序，所述第二零向量接续控制所述上开关导通。8.根据权利要求1所述的箝位控制方法，其中在步骤(b)与步骤(c)之间还包含：(d)判断所述输出电流大于第三电流阈值时，启动第二电流箝位控制程序，其中所述第三电流阈值大于所述第一电流阈值且小于所述第二电流阈值。9.根据权利要求8所述的箝位控制方法，其中执行所述第二电流箝位控制程序通过控制三组开关桥臂的所述上开关关断与所述下开关关断。10.根据权利要求8所述的箝位控制方法，其中所述三相功率转换器输出所连接的负载为发电机或操作于发电机模式下的马达。

技术总结
本发明提供一种三相功率转换器的输出电流的箝位控制方法，所述三相功率转换器包含三组开关桥臂，且每组开关桥臂具有串联的上开关与下开关，且提供三相输出电压命令。箝位控制方法包括：判断输出电流大于第一电流阈值时，启动电流箝位控制程序；比较载波信号与三相输出电压命令，且在载波信号为上升区间，以第一零向量控制下开关导通，且在载波信号为下降区间，以第二零向量控制上开关导通；判断输出电流大于第二电流阈值时，启动过电流保护程序，其中第二电流阈值大于第一电流阈值。其中第二电流阈值大于第一电流阈值。其中第二电流阈值大于第一电流阈值。


技术研发人员：胡凯维 吴秉衡 邢雷锺
受保护的技术使用者：台达电子工业股份有限公司
技术研发日：2022.01.12
技术公布日：2023/7/25