本發(fā)明涉及用于將電能進行轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，其尤其適用于高速和/或變速電機。

背景技術(shù)：

固態(tài)轉(zhuǎn)換器是一種使得將電信號轉(zhuǎn)換成具有不同特性的另一種電信號成為可能的系統(tǒng)。例如，轉(zhuǎn)換器可以使得將交流電壓轉(zhuǎn)換成具有不同頻率和/或幅值的另一交流電壓成為可能，那么這被稱作交/交或者AC/AC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)另一種例子，轉(zhuǎn)換器可使得將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓成為可能，那么這被稱作交/直或者AC/DC轉(zhuǎn)換器。對于相反的直/交轉(zhuǎn)換，應(yīng)用術(shù)語DC/AC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)最后的例子，轉(zhuǎn)換器可將直流電壓轉(zhuǎn)換成具有不同電壓的直流電壓，那么這稱作DC/DC轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器可以是反向的，或者也可以是非反向的?？偟膩碚f，這些轉(zhuǎn)換可通過受控開關(guān)來實現(xiàn)。

為了從電能存儲系統(tǒng)(例如，電池)驅(qū)動電機，特別的是，具有永磁體的電機，必須將直流電能轉(zhuǎn)換成三相交流電能。這種轉(zhuǎn)換可以通過DC/AC轉(zhuǎn)換器的方式來進行。這種轉(zhuǎn)換器必須提供彼此相對電氣相移120度的三個正弦電壓，其幅值直接取決于扭矩需求(但是也取決于轉(zhuǎn)速)，并且其頻率單獨取決于與轉(zhuǎn)換器連接的電機轉(zhuǎn)速。

常規(guī)上，DC/AC轉(zhuǎn)換器包括三個開關(guān)臂。每個開關(guān)臂包括兩個受控開關(guān)和兩個二極管。根據(jù)負載電流需求，一個臂可以由幾個“子臂”并聯(lián)組成。電機各相連接到每個臂的中點。每個臂通過在斬波周期上驅(qū)動開關(guān)的打開和閉合而單獨進行控制，從而形成三相信號。在一種非限定性的方式中，DC/AC轉(zhuǎn)換器可包括兩個電流探針，用于測量兩個相的電流。此外，DC/AC轉(zhuǎn)換器可包括兩個絕緣的電壓探針，用于測量三相之間的合成電壓。

圖1示出了這種常規(guī)的DC/AC轉(zhuǎn)換器。來自電能存儲裝置的直流電壓表示為Udc。三相電動機M示意性地由三個線圈表示，分別由電流Ia，Ib和Ic來供電。該轉(zhuǎn)換器包括三個開關(guān)臂A，B，C，每個開關(guān)臂A，B，C連接到電機M的一相上。每個開關(guān)臂包括兩個開關(guān)1和兩個二極管2。開關(guān)臂A，B，C并聯(lián)設(shè)置在電壓轉(zhuǎn)換器兩個直流輸入相Udc之間。開關(guān)臂A，B，C的輸出相連接到開關(guān)臂的中點(兩個開關(guān)之間)上。

圖2代表了對于常規(guī)DC/AC轉(zhuǎn)換器(如上參考圖1所述)的用于開關(guān)的控制信號COM，開關(guān)端子上的電壓Udc和電流Ic，其中控制信號COM具有50％的恒定占空比。對于控制信號COM，脈沖的低部對應(yīng)于開關(guān)打開，脈沖的高部對應(yīng)于開關(guān)閉合。這種開關(guān)情形稱作硬開關(guān)或者《開/斷》式開關(guān)。注意，對于轉(zhuǎn)換器的這種設(shè)計，將出現(xiàn)電壓Udc和電流Io的過沖(overshoot)。Io對應(yīng)于Ic的永久值。Io對應(yīng)于發(fā)送到電動機上的電流。

因此，這種常規(guī)的轉(zhuǎn)換器設(shè)計的主要缺陷如下：

·開關(guān)損耗：這種設(shè)計顯示出明顯的開關(guān)損耗，其將導(dǎo)致其使用與高開關(guān)頻率不兼容，因此對于非常高速度使用的電機將不兼容，

·電流/電壓過沖：如圖2所示，這種策略在開關(guān)的瞬時切換時表現(xiàn)出電壓和電流過沖。因此，這種類型的驅(qū)動要求在轉(zhuǎn)換器(也稱作逆變器)的設(shè)計中需要在不同組件上的電壓和電流上采用裕量。這樣將使得所使用的組件超尺寸，(例如，對于300伏特的DC母線電壓，使用額定電壓為600伏特的IGBT開關(guān))，以及

·明顯的電磁輻射(EMC)。

通過從“硬開關(guān)”策略的缺陷(損耗，與高速電動機的不兼容)入手，研究了一種所謂的軟開關(guān)設(shè)計。因此，為了限制開關(guān)上電流和電壓的過沖，將線圈和電容器添加到前述電路中。該線圈調(diào)制電流的變化di/dt(導(dǎo)通)，電容器調(diào)制電壓的變化dv/dt(關(guān)斷)。此外，為了確保電路的操作，并且因此確保零能量平衡，將電阻器添加到電路中的在所使用的電源電壓和電容性電路之間。該電阻器使得確保該電路的操作，并降低回該電容性電路終端的電壓成為可能。這種DC/AC轉(zhuǎn)換器設(shè)計特別地在專利申請WO 11016854中描述。

圖3表示了開關(guān)臂(具有兩個開關(guān)1)的簡化示意圖，其具有用于軟開關(guān)的電容器Cs，線圈Ls，電阻器R以及電容器Cov。該電路作為“Undeland緩沖器”已被公知。電壓Udc對應(yīng)于直流電能存儲裝置的端子處的電壓。線圈Ls設(shè)置在直流輸入相Udc和開關(guān)臂A之間。支路從線圈Ls和開關(guān)臂A之間的節(jié)點開始，該支路包括兩個二極管D，到達電阻器R和電容器Cov之間的節(jié)點上。電阻器R的另一端連接到轉(zhuǎn)換器的直流輸入相上。電容器Cs的另一端連接到開關(guān)臂A的交流輸出相上。電容器Cov的另一端連接到地。電容器Cs使得調(diào)制開關(guān)端子處的電壓變化成為可能。因為開關(guān)的軟開關(guān)，該電容器存儲了能量的一部分。該能量的另一部分存儲在較高值的電容器Cov中。接下來，存儲在電路電容器中的能量通過電阻器返回到所使用的存儲系統(tǒng)(電池)中。線圈Ls使得調(diào)制開關(guān)端子處的電流變化成為可能。事實上，由線圈Ls產(chǎn)生的能量并不完全存儲在電容器Cs中，因此，需要比Cs值更高的第二電容器Cov。該電阻器確保了系統(tǒng)的操作，并使得降低回電壓Vrec成為可能。

以與圖2類似的方式，圖4展現(xiàn)了基于所謂的“軟”開關(guān)的開關(guān)信號COM，開關(guān)的電壓Udc和電流Ic的變化。對于控制信號COM，該脈沖的低部對應(yīng)于開關(guān)打開，該脈沖的高部對應(yīng)于開關(guān)閉合。在該附圖中，應(yīng)該注意到，電壓Udc和電流Ic的過沖與所謂的“硬”開關(guān)相比減小了。

軟開關(guān)的優(yōu)點在于：

·降低開關(guān)損耗，該轉(zhuǎn)換器的這種設(shè)計與高開關(guān)頻率兼容，因此，該設(shè)計可用于驅(qū)動高速電機，

·開關(guān)上電壓和電流的過沖小，因此，不再需要超尺寸的組件，以及

·在轉(zhuǎn)換期間開關(guān)端子處的電壓和電流變化分別通過Ls和Cs的選擇進行調(diào)制。

然而，該轉(zhuǎn)換器的這種設(shè)計呈現(xiàn)出一個主要的缺點，其需要在電阻器中消耗能量，其目的是使得無源元件的能量平衡為零，因此降低回電壓Vrec，這意味著能量損耗，因此降低了轉(zhuǎn)換器效率。

為了克服這些缺陷，本發(fā)明涉及一種DC/AC轉(zhuǎn)換器，包括電壓和電流變化調(diào)制電路(從而產(chǎn)生軟開關(guān))以及電能采集模塊。該電壓和電流變化調(diào)制電路使得降低損耗，并限制開關(guān)上的電壓和電流過沖成為可能。電能采集模塊使得替代調(diào)制電路的電阻器，從而減小了能量損耗成為可能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)

本發(fā)明涉及一種用于將直流電功率轉(zhuǎn)換成三相交流電功率的系統(tǒng)，包括三個開關(guān)臂，電壓和電流變化調(diào)制電路，該電壓和電流變化調(diào)制電路包括用于所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的每個交流輸出相的電容器和線圈。所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括連接到所述開關(guān)臂和所述調(diào)制電路的電能采集模塊。

根據(jù)本發(fā)明，所述電能采集模塊包括至少一個電感器，以及至少一個開關(guān)。

有利的是，所述電能采集模塊包括連接在節(jié)點上的三個支路，其中：

-第一支路包括開關(guān)，

-第二支路包括二極管，以及

-第三支路包括電感器。

優(yōu)選的是，所述電能采集模塊包括位于所述第一支路上的第一電容器。

根據(jù)一個實施例，所述調(diào)制電路包括設(shè)置在所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的直流輸入相和所述開關(guān)臂的節(jié)點之間的線圈。

有利的是，所述調(diào)制電路的每個電容器連接到所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的交流輸出相并連接到所述調(diào)制電流的所述線圈和所述開關(guān)臂之間的節(jié)點，和一電容器。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述電能能量采集模塊設(shè)置在所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的直流輸入相和所述開關(guān)臂和所述調(diào)制電路的所述電容器之間的節(jié)點之間。

根據(jù)一個特點，該能量采集模塊連接到所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的所述直流輸入相的點是所述能量采集模塊的所述第三支路在所述電感器和地之間的點，所述能量采集模塊連接到所述開關(guān)臂和所述調(diào)制電路的所述電容器之間的所述節(jié)點上的點是所述能量采集模塊的所述第一支路在所述開關(guān)和所述第一電容器之間的點。

根據(jù)一個變形實施例，每個開關(guān)臂包括兩個開關(guān)和兩個二極管，所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出相連接到每個開關(guān)臂的中點。

優(yōu)選的是，所述開關(guān)是MOSFET和/或IGBT開關(guān)。

根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計，所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括至少兩個電流探針。

此外，所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可包括至少兩個電壓探針。

優(yōu)選的是，所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是雙向的。

此外，本發(fā)明還涉及一種電動機系統(tǒng)，包括至少一個電能存儲裝置和一個三相電機。該電動機系統(tǒng)包括根據(jù)前述特點中的一個的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，用于將所述電能存儲裝置中的直流電能轉(zhuǎn)換成用于所述電機的三相交流電能。

附圖說明

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的其他特點和優(yōu)點將結(jié)合下面描述的附圖來閱讀下面非限制性示意實施例的描述變得清楚。

圖1，已經(jīng)描述過，示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有硬開關(guān)的常規(guī)DC/AC轉(zhuǎn)換器。

圖2，已經(jīng)描述過，示出了用于根據(jù)圖1設(shè)計的DC/AC轉(zhuǎn)換器的一個相中的開關(guān)信號，電壓和電流。

圖3，已經(jīng)描述過，示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有軟開關(guān)的DC/AC轉(zhuǎn)換器。

圖4，已經(jīng)描述過，示出了用于根據(jù)圖3設(shè)計的DC/AC轉(zhuǎn)換器的一個相中的開關(guān)信號，電壓和電流。

圖5a示出了用于根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的電能采集模塊的一個實施例。

圖5b示出了圖5a的電能采集模塊的電阻等效模型。

具體實施方式

本發(fā)明涉及DC/AC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(轉(zhuǎn)換器)，其使得將直流電能轉(zhuǎn)換成三相交流電能成為可能。有利的是，根據(jù)本發(fā)明的該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以是雙向(可逆的)的。因此，通過根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可將三相交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能。

常規(guī)上，根據(jù)本發(fā)明的該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括三個開關(guān)臂，一個直流輸入相以及三個交流輸出相。三個開關(guān)臂的設(shè)計可以與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的DC/AC轉(zhuǎn)換器的類似，例如，該設(shè)計可以遵照圖1的設(shè)計。因此，每個轉(zhuǎn)換器臂可以包括兩個受控開關(guān)和兩個二極管。這些二極管與開關(guān)并聯(lián)設(shè)置，并允許電流可以在單個方向上通行。如所公知的，開關(guān)的控制使得產(chǎn)生交流電壓成為可能。該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的交流輸出相連接到每個開關(guān)臂的中點，也就是說連接在兩個開關(guān)之間。

根據(jù)本發(fā)明的一個特點，根據(jù)DC母線輸入電壓，這些開關(guān)可以是MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)和/或IGBT(絕緣柵雙極晶體管)型的開關(guān)。

優(yōu)選的是，這些開關(guān)可以由脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法來進行控制。該調(diào)制方法的總體原則是，通過將一連串的離散狀態(tài)施加于選擇好的時間段，就可能得到基于特定時間段上平均值的任何中間值。

根據(jù)本發(fā)明，該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還包括電壓和電流調(diào)制電路。該電壓和電流調(diào)制電路可以允許軟開關(guān)，其使得限制開關(guān)損耗，限制開關(guān)上的電壓和電流過沖成為可能。該調(diào)制電路包括線圈以及用于每一相的電容器，其中線圈調(diào)制電流的變化，電容器調(diào)制電壓的變化。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該調(diào)制電路包括連接開關(guān)系統(tǒng)的直流輸入相與開關(guān)臂的線圈。此外，該開關(guān)電路包括用于每一相的電容器(因此，共計三個電容器，三個開關(guān)臂中的每個開關(guān)臂用一個電容器)，其連接交流輸出相與調(diào)制電路的線圈和調(diào)制臂之間的節(jié)點。根據(jù)一個示意性實施例，根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的調(diào)制電路的設(shè)計可對應(yīng)于圖3所示的軟開關(guān)的設(shè)計，而沒有電阻器R。此外，為了產(chǎn)生該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的三個臂，該方案可重復(fù)三次(每個開關(guān)臂一次)。此外，到儲能系統(tǒng)以及電機的連接可以與圖1所示的常規(guī)轉(zhuǎn)換器的連接類似。

根據(jù)本發(fā)明，該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還包括電能采集模塊。因此，該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)并不包括任何電阻器，在現(xiàn)有技術(shù)中電阻器消耗了能量。相反，替代了電阻器的該電能采集模塊通過采集在所謂的軟開關(guān)中提供的能量并且通過將其發(fā)送到連接到該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)直流相上的電能存儲裝置(例如電池)中，使得采集所述軟開關(guān)中提供或產(chǎn)生的能量成為可能。因此，極大減小了電損耗。該電能采集模塊連接到開關(guān)臂和調(diào)制電路上。

根據(jù)一種可行設(shè)計，該電能采集模塊可包括至少一個電感器，至少一個二極管，至少一個電容器以及至少一個開關(guān)。該開關(guān)被控制成可以允許能量采集以及將其轉(zhuǎn)移到電能存儲裝置中。

根據(jù)本發(fā)明的變形實施例，該電能采集模塊可包括在一個節(jié)點連接的三個支路，其中：

-第一支路包括開關(guān)，

-第二支路包括二極管，以及

-第三支路包括電感器。

因此，可將該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的印刷電路板專門修改成使用與高開關(guān)頻率兼容的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，同時由于為了確保該調(diào)制電路的操作而加入的無源電路使得損耗最小化。

圖5a以非限制性的方式示意性地表示了這種電能采集模塊。該電能采集模塊包括在節(jié)點P處連接的三個支路，其中：

-第一支路具有開關(guān)6，

-第二支路包括二極管4(其中，電流iL取決于其端子環(huán)路上的電壓)，以及

-第三支路包括電感器Lrec。

在圖5a中，電容器5表示電能儲能裝置(電池)的電容，并且不是能量采集模塊的組件。電容器5設(shè)置在電感器Lrec和接地之間。

此外，電容器3表示了電容Crec，其是能量采集模塊的組件。該電容器3設(shè)置在開關(guān)和接地之間。

二極管4設(shè)置在三個支路的節(jié)點和接地之間。

通過驅(qū)動開關(guān)(其占空比)，使得驅(qū)動在Vrec和Udc之間循環(huán)的電流iL(發(fā)送給電池的電流)成為可能。

因此，通過考慮由能量采集模塊和電能存儲裝置的電容器形成的裝配件，該裝配件由設(shè)置在點P和接地之間的三條并聯(lián)支路形成，其中：

-第一支路包括開關(guān)6和電容器3，

-第二支路包括二極管4，以及

-第三支路包括電感器Lrec和電能存儲裝置的電容5。

當(dāng)開關(guān)閉合時，二極管處于阻斷模式，并且在線圈Lrec(圖5a所示)中循環(huán)的電流iL等于

當(dāng)開關(guān)打開時，二極管處于導(dǎo)通模式，并且在線圈Lrec(圖5a所示)中循環(huán)的電流iL等于

因此，通過驅(qū)動開關(guān)的打開和閉合時間，使得控制電流iL的平均值，并且具有與電阻電路等效的操作成為可能。

圖5b以非限制性的方式表示了圖5a所示的電能采集模塊的等效電路圖。因此，電能采集模塊等效于等效電阻Req，其中電流iL循環(huán)，但是不消耗電能。

對于該變形實施例，該電路的平均電流可以表達為下面的形式：

其中，

-T是開關(guān)的開關(guān)周期，

-Vrec是能量采集電壓，

-Udc是直流輸入相電壓，

-Lrec是能量采集模塊的電感，

-Req是等效電阻，

-Fsw表示開關(guān)的開關(guān)頻率。

優(yōu)選的是，這種能量采集模塊安裝在配備有調(diào)制電路的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，這樣電能采集模塊設(shè)置在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的直流輸入相和開關(guān)臂與調(diào)制電路的電容器間的節(jié)點之間。對于圖5a的實施例，該電能采集模塊可以這樣連接，使得：

-能量采集模塊連接到該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的直流輸入相(電壓Udc)的點對應(yīng)于該能量采集模塊的第三支路在電感器Lrec和第二電容器5(該電容器是電池的電容)之間的點，以及

-能量采集模塊連接到開關(guān)臂(電壓Vrec)和調(diào)制電路的電容器之間的節(jié)點的點對應(yīng)于能量采集模塊的第一支路在開關(guān)6和第一電容器3之間的點。

根據(jù)本發(fā)明的一個變形實施例，該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可包括用于測量兩相中的電流的至少兩個電流探針。

根據(jù)本發(fā)明的一個變形實施例，該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可包括用于測量各相之間的合成電壓的至少兩個絕緣的電壓探針。

這些電流和電壓傳感器可用于控制開關(guān)臂。

根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)使得驅(qū)動用于各種場合的電機，尤其是具有高逆變器(轉(zhuǎn)換器)效率的非常高速旋轉(zhuǎn)的電機，成為可能。

根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器可以提供嵌入式用途，尤其是在車輛中，特別是陸、空或者海的。

根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還可用于非嵌入式電能產(chǎn)生系統(tǒng)，例如渦輪，微型渦輪或者風(fēng)輪機。

此外，本發(fā)明涉及一種電動機系統(tǒng)，包括至少一個電能存儲裝置，例如電池，以及一個三相電機，例如永磁電機。該電動機系統(tǒng)包括根據(jù)上述實施例中的一個實施例的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將來自所述電能存儲裝置的直流電能轉(zhuǎn)換成用于所述電機的三相交流電能，并且可以反向。因此，通過該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可驅(qū)動該電機，同時限制了電氣損耗。此外，如果該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是雙向的(可逆的)，那么其也使得存儲通過電機旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電能(例如，在電池中)成為可能。

比較例：

提供一個比較例，以便比較根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的損耗和根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的DC/AC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的損耗。測試的根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)對應(yīng)于圖5的實施例?，F(xiàn)有技術(shù)的DC/AC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分別對應(yīng)于根據(jù)圖1和3的實施例的硬開關(guān)和軟開關(guān)。

對于該例，用于額定功率為50kW的逆變器的值如下：

-Ls～＝300microH，

-Cs～＝6.8nanoF，

-Cov～＝1410nanoF，

-Vrec～＝1.5Vbus，

-Lrec＝56microH，

-Crec＝20nanoF，

-開關(guān)類型：IGBT。

表1-比較例

應(yīng)該注意，與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相比，該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)使得減小總損耗約42.5％成為可能。這種減小是由于減小了與軟開關(guān)關(guān)聯(lián)的開關(guān)損耗(相對于硬開關(guān)開關(guān)損耗減小了50％)，并且還通過減小了所加入電路中消耗的損耗(相對于軟開關(guān)消耗損耗減小了85％)。