專利名稱：并行功率逆變器電機驅(qū)動系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的領(lǐng)域并且更具體地涉及逆變器及其控制。
背景技術(shù)：
大量的功率轉(zhuǎn)換電路的形態(tài)和類型是已知的并且正在使用。許多這些電路依賴于用于將直流(DC)功率轉(zhuǎn)換為頻率受控交流(AC)功率的逆變器拓撲。在許多拓撲中提供整流器或其他轉(zhuǎn)換器以接收典型地從電網(wǎng)輸入AC功率，并且將AC功率轉(zhuǎn)換為施加到DC總線的DC功率，其用于向逆變器電路饋電。這些拓撲用在多種應(yīng)用中，諸如用于控制電機的速度和操作特性。利用逆變器拓撲的電機驅(qū)動器常常使用通過單個DC總線彼此耦合的單個轉(zhuǎn)換器和單個逆變器。傳統(tǒng)的逆變器由成對提供的固態(tài)開關(guān)形成并且在導(dǎo)通和不導(dǎo)通狀態(tài)之間交替地切換以提供典型地具有受控頻率的期望的輸出波形。這些拓撲足以用于許多較小的應(yīng)用，并且可以根據(jù)驅(qū)動電機的額定功率、安裝尺寸、電壓和其他規(guī)格而在尺寸上變化。然而， 對于較大的電機，這些驅(qū)動器的部件成比例地變大并且變昂貴。于是有吸引力的是使用可替選的拓撲，其中并行地提供多個逆變器，它們的輸出連結(jié)以向負載提供公共AC輸出。這些并行逆變器應(yīng)用造成了獨特的困難。例如，由于逆變器的輸出基本上彼此短接，因此需要各種磁結(jié)構(gòu)以防止由于逆變器中的功率電子開關(guān)的不匹配的開關(guān)定時而建立環(huán)流。例如，如果第一逆變器中的開關(guān)以未充分與并行逆變器的開關(guān)同步的方式開關(guān)，則由于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，可能允許輸出功率重新進入一個或其他的逆變器。而且，由于這些逆變器部件的開關(guān)頻率非常高，因此在沒有現(xiàn)有技術(shù)中使用的類型的磁結(jié)構(gòu)的情況下，將需要高精度以防止這種環(huán)流。仍必須提出充分精確的開關(guān)拓撲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了設(shè)計用于響應(yīng)于這些需要的用于驅(qū)動逆變器開關(guān)的技術(shù)。根據(jù)本技術(shù)的一個方面，一種電機驅(qū)動系統(tǒng)包括多個驅(qū)動模塊，每個驅(qū)動模塊包括用于將輸入AC功率轉(zhuǎn)換為DC功率的轉(zhuǎn)換器和用于將DC功率轉(zhuǎn)換為頻率受控AC功率的耦合到轉(zhuǎn)換器的逆變器，以及共享線路側(cè)總線，其耦合到驅(qū)動模塊的轉(zhuǎn)換器，用于提供輸入AC功率。共享負載側(cè)總線耦合到逆變器，用于將來自所有驅(qū)動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出。公共控制器耦合到所有逆變器并且被配置為向逆變器提供信號以允許每個逆變器彼此分離地和并行地生成用于各個逆變器的功率電子開關(guān)的柵極驅(qū)動信號。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種電機驅(qū)動系統(tǒng)包括多個驅(qū)動模塊，每個驅(qū)動模塊包括用于將輸入AC功率轉(zhuǎn)換為DC功率的轉(zhuǎn)換器和用于將DC功率轉(zhuǎn)換為頻率受控AC功率的耦合到轉(zhuǎn)換器的逆變器。公共控制器耦合到所有逆變器并且被配置為向逆變器提供信號以允許每個逆變器彼此分離地和并行地生成用于各個逆變器的功率電子開關(guān)的柵極驅(qū)動信號。共享線路側(cè)總線耦合到驅(qū)動模塊的轉(zhuǎn)換器，用于提供輸入AC功率，并且共享負載側(cè)總線耦合到逆變器，用于將來自所有驅(qū)動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量。每個逆變器包括功率層處理電路，其在操作期間從公共控制器接收信號并且基于接收信號生成關(guān)于柵極驅(qū)動信號的定時。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種電機驅(qū)動系統(tǒng)包括多個驅(qū)動模塊，每個驅(qū)動模塊包括用于將輸入AC功率轉(zhuǎn)換為DC功率的轉(zhuǎn)換器和用于將DC功率轉(zhuǎn)換為頻率受控AC功率的耦合到轉(zhuǎn)換器的逆變器，以及公共控制器，其耦合到所有逆變器并且被配置為向逆變器提供信號以允許每個逆變器彼此分離地和并行地生成用于各個逆變器的功率電子開關(guān)的柵極驅(qū)動信號。共享線路側(cè)總線耦合到驅(qū)動模塊的轉(zhuǎn)換器，用于提供輸入AC功率，并且共享負載側(cè)總線耦合到逆變器，用于將來自所有驅(qū)動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量。每個逆變器經(jīng)由各個光纜耦合到公共控制電路并且包括功率層處理電路，其在操作期間經(jīng)由各個光纜從公共控制器接收信號并且基于接收信號生成關(guān)于柵極驅(qū)動信號的定時，任何兩個逆變器的柵極驅(qū)動信號的定時彼此之間相差不超過 40ns。


當(dāng)參照附圖閱讀下面的詳細描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點，在附圖通篇中相同的附圖標記表示相同的部件，其中圖1是根據(jù)本公開的某些方面的電機驅(qū)動系統(tǒng)的示圖；圖2是圖示多個并行電機驅(qū)動器中使用的功率層接口電路的圖1的系統(tǒng)的一部分的進一步的示圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的方面的用于在控制電路和功率電路之間通信的某些功能電路和數(shù)據(jù)交換設(shè)備的示圖；圖4是逆變器的一相中的功率電子開關(guān)的示意圖；圖5是控制電路和功率層電路之間的數(shù)據(jù)互換的示圖；圖6是圖示根據(jù)本技術(shù)的方面的各個逆變器的功率電路中的柵極驅(qū)動信號的重建的時序圖；圖7是遵循圖6中圖示的信號時序的功率電路中的時鐘恢復(fù)的曲線圖；圖8是圖示用于協(xié)調(diào)并行驅(qū)動器中的功率電路的操作的示例性邏輯的框圖；圖9是其中提供時鐘信號導(dǎo)體用于傳送時鐘信號的可替選的實施例的示圖；圖10是多驅(qū)動器系統(tǒng)中的若干個并行驅(qū)動部分的示例性物理示圖；圖11是關(guān)于并行操作的三個這種驅(qū)動部分的電流失衡測量結(jié)果的曲線圖；圖12是同一布置中的接通柵極驅(qū)動同步測量結(jié)果的曲線圖；以及圖13是斷開柵極同步測量結(jié)果的曲線圖。
具體實施例方式圖1呈現(xiàn)了根據(jù)本公開的方面的驅(qū)動系統(tǒng)10。該驅(qū)動系統(tǒng)被配置為耦合到如附圖標記12指示的諸如電網(wǎng)的AC電源，并且向電機14或者任何其他適當(dāng)?shù)呢撦d遞送經(jīng)調(diào)理的功率。系統(tǒng)10包括多個單獨的驅(qū)動器，它們彼此并行耦合以向負載提供功率。在圖1中圖示的示例中，例如，第一驅(qū)動器16被圖示為耦合到第二驅(qū)動器18和另一驅(qū)動器20，該另一驅(qū)動器20可以是第三、第四、第五或者任何適當(dāng)?shù)哪┒司幪柕尿?qū)動器。當(dāng)前考慮的實施例可以容納高達5個并行驅(qū)動器，盡管可以同一方式配置更少或更多的并行驅(qū)動器。應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的技術(shù)的某些方面可以與單個驅(qū)動器一起使用。然而，其他方面特別良好地適用于多個并行驅(qū)動器。如下文更全面地描述的，控制器22耦合到每個驅(qū)動器的電路并且被配置為控制電路的操作。在當(dāng)前考慮的實施例中，控制器可以容納在一個驅(qū)動器中或者分立的殼體中。 提供適當(dāng)?shù)木€纜(例如，光纖線纜)以在控制器和各個驅(qū)動器的電路之間傳遞控制和反饋信號。控制器將協(xié)調(diào)驅(qū)動器的操作以確保共享功率供應(yīng)并且驅(qū)動器的操作充分地同步以向電機提供期望的功率輸出。在圖1中圖示的實施例中，可以在電機驅(qū)動器的上游提供功率濾波電路M。該電路可以在線路側(cè)總線26的上游提供，或者相似的電路可以在每個驅(qū)動器中的總線下游提供。該電路可以包括設(shè)計和應(yīng)用中通常傳統(tǒng)的電感器、電容器、斷路器、熔絲等。功率總線沈在各個驅(qū)動器之間分送三相AC功率。在該總線的下游，每個驅(qū)動器包括轉(zhuǎn)換器電路觀，其將三相AC功率轉(zhuǎn)換為施加到DC總線30的DC功率。轉(zhuǎn)換器電路觀可以是無源的或有源的。就是說，在當(dāng)前考慮的實施例中，非柵極驅(qū)動電路單獨地用于限定全波整流器，其將輸入AC功率轉(zhuǎn)換為施加到總線的DC功率。在其他實施例中，轉(zhuǎn)換器電路觀可以是有源的或柵極驅(qū)動的，包括在導(dǎo)通和不導(dǎo)通狀態(tài)之間切換以控制施加到總線的 DC功率的特性的受控功率電子開關(guān)。繼續(xù)每個驅(qū)動器的部件的描述，可以提供總線濾波電路34，其調(diào)理沿DC總線30傳送的DC功率。該濾波電路可以包括例如，電容器、電感器(例如，扼流器)、制動電阻器等。 在一些實施例中，可以在DC總線上提供公共器件，其可以通過由附圖標記32圖示的鏈路彼此華禹合。每個驅(qū)動器進一步包括逆變器電路36。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的，該電路將典型地包括成組的功率電子開關(guān)，諸如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和二極管，其被布置為允許將來自總線的DC功率轉(zhuǎn)換為頻率受控AC輸出波形。逆變器因此創(chuàng)建了三相頻率受控輸出，每相沿輸出總線38短接或組合。組合的功率可以施加到輸出濾波電路40，其可以包括耦合各相之間的輸出功率的磁部件。該電路也可以沿負載側(cè)總線38提供。控制器將典型地包括控制電路42，其被配置為通過適當(dāng)?shù)叵蚰孀兤麟娐?并且在適當(dāng)?shù)那闆r中，向變換器電路)發(fā)信號以控制這些電路中的功率電子開關(guān)來實現(xiàn)各種控制方案?？刂齐娐?2可以例如包括任何適當(dāng)?shù)奶幚砥?，諸如微處理器、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)、存儲器電路、支持電源等。在電機驅(qū)動應(yīng)用中，控制電路可以被配置為實現(xiàn)各種期望的控制方案，諸如用于速度調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制、啟動方案等。在圖1中圖示的實施例中，各種功能電路板44鏈接到控制電路并且可以被設(shè)置用于特定的功能。例如，通過使用該電路可以實現(xiàn)范圍廣泛的選項，包括上文提到的控制方案、以及各種通信選項、安全選項等?？刂破鲗⒌湫偷卦试S連接到操作者接口，其可以位于控制器本地和/或遠離控制器。在當(dāng)前考慮的實施例中，例如，操作者接口 46可以在物理上位于控制器上但是可移除用于手持接駁。接口電路(例如，便攜式計算機)也可以諸如經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)線纜或者其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(包括標準工業(yè)控制協(xié)議)永久地或臨時地耦合到控制器。最后，控制器可以耦合到如附圖標記48指示的各種遠程監(jiān)控和控制電路。該電路可以包括監(jiān)控站、控制站、控制室、遠程編程站等。應(yīng)當(dāng)注意，該電路還可以包括其他驅(qū)動器，使得系統(tǒng)10的操作可以在期望的情況中與其他設(shè)備的操作協(xié)調(diào)。該協(xié)調(diào)在自動設(shè)置中是特別有用的，其中以協(xié)調(diào)的方式執(zhí)行大量的操作。因此，控制電路42可以與自動控制器、分立的計算機等實現(xiàn)的邏輯協(xié)調(diào)地形成其控制。圖2圖示了上述各個驅(qū)動器中可以包括的某些部件。例如，控制電路42被圖示為耦合到功率層接口電路50。該電路將設(shè)置在每個驅(qū)動器中并且將在驅(qū)動器中獨立地但是在控制電路的控制下協(xié)調(diào)地操作。功率層接口電路可以包括一定范圍的電路，諸如專用處理器、存儲器等。在當(dāng)前考慮的實施例中，功率層接口電路50包括FPGA，其實現(xiàn)用于執(zhí)行各個驅(qū)動器中的功率電子開關(guān)的控制的編程。功率層接口電路因此與如附圖標記52指示的功率層通信，其自身包括成組的功率電子器件，諸如IGBT和二極管。這些開關(guān)通常由附圖標記M圖示。在典型的布置中，開關(guān)可以設(shè)置在單個支持部上或多個支持部上。例如，在當(dāng)前考慮的實施例中，對于每相功率提供分立的支持部，多個IGBT和二極管設(shè)置在每個支持部上。這些器件自身可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞綐?gòu)造，諸如直接接合銅堆疊、引線框封裝等。通常，在如附圖標記56指示的電路中提供一種或數(shù)種類型的反饋。這種反饋可以包括例如， 輸出電壓、輸出電流、溫度等?？梢栽谙到y(tǒng)各處提供其他反饋信號，諸如以允許控制電路監(jiān)控輸入功率、輸出功率、DC總線功率等的電氣參數(shù)?？刂齐娐返慕Y(jié)構(gòu)和操作可以基本上與Campbell等人在2008年11月17日提交的題為"Motor Controller with Deterministic Synchronous Interrupt having Multiple Serial Interface Backplane”的美國公布專利申請第20100123422號中描述的內(nèi)容相似， 其通過引用并入本公開。圖3圖示了其中各個驅(qū)動器的某些功能部件可以耦合以提供系統(tǒng)中的驅(qū)動器的協(xié)調(diào)操作的示例性方式。如圖3中所示，控制電路42通過光學(xué)接口的媒介耦合到逆變器電路36。如上文指示的，控制電路將包括任何適當(dāng)?shù)奶幚黼娐罚T如圖3中圖示的實施例中的 FPGA 58。該FPGA可以包括其自身的存儲器或者可以提供分立的存儲器(未示出)。亦如上文提到的，F(xiàn)PGA 58可以與如附圖標記60指示的各種功能板合作地執(zhí)行各種功能。FPGA 通過光纖接口 62與各種逆變器通信，光纖接口 62與相配的光纖接口 64通信。該接口將信號分送到各個驅(qū)動器的系列光纖接口 66。這些部件依次地在每個逆變器的功率級與光纖接口 68通信。該功率級的電路將典型地包括另外的FPGA 70，其可以設(shè)置在功率電路接口 72的公共的支持部(例如，電路板)上。該支持部(其在當(dāng)前上下文中可以被稱為功率層接口)用于從控制電路接收信號，將信號報告回控制電路，生成用于功率電子開關(guān)的驅(qū)動信號等。電路還可以執(zhí)行某些測試功能，諸如在期望時驗證一個或多個驅(qū)動器可以被禁用。 功率電路接口 72可以將控制信號轉(zhuǎn)換為用于驅(qū)動如附圖標記74通常指示的功率電路的驅(qū)動信號。功率電路74將包括如上文描述的功率電子開關(guān)。應(yīng)當(dāng)注意，在某些實施例中，控制電路和功率層電路之間的信號傳送可以在光纖以外的導(dǎo)體上執(zhí)行。例如，可以利用傳統(tǒng)的銅或其他導(dǎo)體。在這些情況中，結(jié)合圖3討論的光纖接口可以被省略，并且控制電路直接耦合到功率層電路。當(dāng)前上下文中的功率層電路的特定功能包括基于由控制電路42提供的信號生成柵極驅(qū)動信號。就是說，不同于直接從控制電路42提供柵極驅(qū)動信號，這里描述的電路允許將某些數(shù)據(jù)提供給每個驅(qū)動器的功率層，并且基于針對功率層電路中的FPGA運行的時
7鐘，可以在每個功率層中并行地生成或計算定時信號。定時信號用于生成典型地如圖4中圖示的那樣布置的功率電子器件的柵極驅(qū)動信號。就是說，每個逆變器的每相將包括如附圖標記76指示的成組的開關(guān)，特別是高邊開關(guān)78和低邊開關(guān)80。這些功率開關(guān)跨越DC總線30耦合并且輸出82耦合在高邊開關(guān)和低邊開關(guān)之間。開關(guān)在導(dǎo)通和不導(dǎo)通狀態(tài)之間的協(xié)調(diào)開關(guān)允許在輸出線路82上生成受控輸出波形。實際上，許多這樣的開關(guān)可以設(shè)置在公共支持部上并且彼此耦合以提供期望的功率容量。圖5是考慮用于建立功率層處的功率電子器件的柵極驅(qū)動信號的、并行驅(qū)動器的拓撲和驅(qū)動器之間的通信的圖示。特別地，控制電路FPGA 58將沿第一、傳送(TX)光纖提供某種數(shù)據(jù)并且經(jīng)由第二、并行接收(RX)光纖接收數(shù)據(jù)。由附圖標記84、86和88指示的相似的光纖對被設(shè)置用于每個逆變器。對于每個逆變器，光纖對并行地傳送數(shù)據(jù)并且接收數(shù)據(jù)，使得每個逆變器中的功率層接口電路，并且特別地與該電路關(guān)聯(lián)的處理器可以重新計算來自控制電路FPGA的時鐘或定時信息而不需要向逆變器傳送時鐘數(shù)據(jù)。在當(dāng)前考慮的實施例中，這些光纖對的長度90基本上相等以減少由于控制電路和功率層電路之間的信號傳播引起的差別性能。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的，由于逆變器的輸出基本上短接，因此每個逆變器的功率層之間的開關(guān)和開關(guān)定時的差異可能引起通常要避免的環(huán)流。圖5中圖示的并且下文更詳細地描述的布置允許維持逆變器之間的開關(guān)定時中的嚴密的容差，諸如約20至 40ns。在當(dāng)前考慮的實施例中，從控制板FPGA發(fā)送到每個逆變器的功率層的數(shù)據(jù)包括控制狀態(tài)，載波增量，死時間值，以及U、V和W(輸出)相比較值。由每個功率層提供回控制板 FPGA的數(shù)據(jù)包括總線電壓，溫度，故障狀態(tài)，以及U、V和W相電流。如下文所述，基于提供給每個功率層的信息，可以并行地生成固有地同步的柵極驅(qū)動信號而沒有傳送時鐘信號的開銷。就是說，根據(jù)其自身的振蕩器和時鐘操作的每個功率層的FPGA可以準確地生成或重新計算各個逆變器的開關(guān)與其他逆變器的開關(guān)同步的柵極驅(qū)動信號的定時。如參照圖6和 7更詳細描述的，在當(dāng)前考慮的實施例中電路通過傳輸用于同步的數(shù)據(jù)工作，該數(shù)據(jù)嵌入在沿傳送光纖提供的數(shù)據(jù)中。該數(shù)據(jù)允許功率層處的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)。而且，從控制電路發(fā)送方便時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)的載波波形信號。最后，結(jié)合恢復(fù)時鐘數(shù)據(jù)允許柵極驅(qū)動信號的同步，由每個功率層執(zhí)行相位比較。在操作中，控制電路向每個逆變器的功率層電路發(fā)送信號，其允許功率層電路計算或重新計算用于改變每個逆變器中的固態(tài)開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)的定時。在當(dāng)前考慮的實施例中，這些計算基于參照恢復(fù)時鐘步長和三角波形累加器的載波波形的重構(gòu)。為了允許計算或重新計算定時，控制電路發(fā)送允許載波三角波形的重構(gòu)的三角增量信號。其還發(fā)送用于三個輸出相U、v和W中的每個的比較值。還發(fā)送死時間或延遲信號以允許避免將每個逆變器橋臂的高邊和低邊開關(guān)同時置于導(dǎo)通狀態(tài)(例如，圖3)。圖6呈現(xiàn)了關(guān)于每個逆變器橋臂的圖3中圖示類型的高邊和低邊開關(guān)的示例性時序圖。應(yīng)當(dāng)注意，這種開關(guān)是針對并行逆變器的相同橋臂執(zhí)行的，并且盡管存在相移，針對逆變器的其他橋臂執(zhí)行相似的開關(guān)。還應(yīng)當(dāng)注意，不同于可以在控制電路級執(zhí)行用于生成柵極驅(qū)動定時的相似處理的現(xiàn)有的拓撲，下文描述的處理在功率層處執(zhí)行。計算自身的某些方面可以基本上與在1999年6月四日授予Kerkman等人的題為“Apparatus for Reducing the Effects of Turn on Delay Errors in Motor Control，，的美國專利第5，917，721 號；在 1999年 11 月 23 日授予Kerkman等人的題為“Apparatus for Controlling Reflected Voltage on Motor Supply Lines” 的美國專利第 5，990，658 號；在 2010 年 6 月 15 日授予 Tallam 等人的題為"Systems and Methods for Common-mode Voltage Reduction in AC Drives”的美國專利第7，738，洸7號；以及在2008年3月11日授予 Kerkman等人的題為“System and Method for Adjustabl e Carrier Waveform Generator，， 的美國專利第 , 342，380號中描述的內(nèi)容相似，所有這些專利通過引用并入本公開。如圖6中所示，基于從控制電路接收到的信息在每個功率層接口電路中重新計算三角載波92。三角載波波形的改變速率或斜率取決于波形的步長增量和恢復(fù)的時鐘信號。 在下文中參照圖7討論載波信號的重新計算。在圖6中三角載波波形與由附圖標記94指示的相位計數(shù)線交叉。該相位計數(shù)線允許改變固態(tài)開關(guān)的占空周期，使其升高或降低以改變其與載波的交點。相位計數(shù)94的豎直位置的移位由從控制電路傳送到功率層接口電路的相比較值提供。交點導(dǎo)致如圖6中的附圖標記96指示的相位比較器輸出的計算。在圖 6中，開關(guān)對中的上固態(tài)開關(guān)的時序在圖的上部分中圖示，而開關(guān)對中的下固態(tài)開關(guān)的時序在圖的下部分中指示。應(yīng)當(dāng)注意，對于上開關(guān)和下開關(guān)兩者，比較器輸出96通常相同但是反相。相位計數(shù)線和載波的交點在時間102和104處產(chǎn)生了這些比較器輸出中的每個中的上升沿98和下降沿100，上和下開關(guān)中的上升和下降彼此相反。而且，在圖6中圖示的實施例中，結(jié)合相位比較器輸出考慮死時間或延遲以產(chǎn)生分別由附圖標記106和108指示的上開關(guān)驅(qū)動定時和下開關(guān)驅(qū)動定時。就是說，控制電路向功率層電路傳送死時間或延遲信號，其使上和下開關(guān)的OFF(斷開)或不導(dǎo)通時段延長并且ON(接通)或?qū)〞r段減少，從而避免將這兩個開關(guān)同時置于導(dǎo)通狀態(tài)，即導(dǎo)致電流“直通”的條件。在圖6中由附圖標記110指示的該延遲導(dǎo)致提供如下時段的計算定時，在該時段中各開關(guān)處于導(dǎo)通和不導(dǎo)通狀態(tài)以產(chǎn)生施加到固態(tài)開關(guān)的柵極的脈沖寬度調(diào)制信號。就是說，如圖6中所示，時段112表示其中上開關(guān)導(dǎo)通的時段，而附圖標記114表示其中下固態(tài)開關(guān)不導(dǎo)通的時段。可以注意，死時間允許在下開關(guān)移至導(dǎo)通狀態(tài)之前將上開關(guān)置于不導(dǎo)通狀態(tài)。這樣附圖標記116表示其中上固態(tài)開關(guān)處于不導(dǎo)通狀態(tài)的時段，而附圖標記118 表示其中下固態(tài)開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)的時段。這里再次地，死時間允許避免這兩個開關(guān)同時導(dǎo)通。這些定時信號隨后被施加到柵極以按傳統(tǒng)的方式控制固態(tài)開關(guān)的通電。然而，應(yīng)當(dāng)注意，如果死時間不改變，則用于該參數(shù)的值可以不常發(fā)送或者在電路初始化時發(fā)送，并且不需要由控制電路重復(fù)發(fā)送。而且，如果死時間是固定的，則一些實施例可以簡單地將死時間值存儲在功率層電路中。圖7呈現(xiàn)了用于通過在功率層接口電路中使用累加器來重新計算三角波形的示例性技術(shù)。圖7的示示了對應(yīng)于圖6的載波92的載波計數(shù)器120。計數(shù)器波形被圖示為由累加器值122和恢復(fù)時鐘時間124限定。時鐘時間被分為時間增量1 并且隨后基于累加的時間步長1 計算載波計數(shù)器。將該載波計數(shù)器的三角增量從控制電路傳送到每個逆變器的功率層電路。應(yīng)當(dāng)注意，從控制電路傳送到每個逆變器的功率層電路的信號足以重新計算載波和定時信號，因此允許每個逆變器獨立地和并行地、高保真地重新計算定時信號。在當(dāng)前考慮的實施例中，例如，逆變器的定時之間的偏差不超過約40ns，并且在某些實施例中可以不超過約20ns?？梢远ㄆ诘貙⑼矫}沖從控制電路發(fā)送到功率層接口電路以重新建立時鐘之間的同步性。就是說，在功率層接口電路的處理器的振蕩器未以相同的速率操作的情況下， 通過使用同步脈沖可以定期地(例如，每隔250ys)校正任何變化。然而，在功率層電路處重新計算定時信號的能力實現(xiàn)了逆變器的并行，同時顯著地減少了環(huán)流。圖8呈現(xiàn)了用于執(zhí)行這些操作的示例性邏輯。通常由圖8中的附圖標記130指示的邏輯開始于如步驟132指示的在控制電路中生成參考數(shù)據(jù)。該參考數(shù)據(jù)將典型地包括定時或者可用于計算定時的數(shù)據(jù)，在本實施例中，該數(shù)據(jù)包括載波三角波形增量，U、V和W相比較值以及死時間或延遲值。如步驟134處指示的，隨后將這些值并行地傳送到各逆變器， 并且特別地傳送到功率層接口電路。如步驟136處指示的，基于功率層接口電路的時鐘間隔和三角增量，在如圖7中指示的逆變器中恢復(fù)時鐘定時。在步驟138處，隨后在功率層接口電路中重構(gòu)定時信號并且生成具有調(diào)制信號的脈沖用于驅(qū)動每個逆變器的固態(tài)開關(guān)。在步驟140處，可以將信號從每個逆變器發(fā)送回控制電路。如上文提及的，在當(dāng)前考慮的實施例中，該信息可以包括U、V和W相電流、總線電壓、溫度、故障狀態(tài)等。如上文提及的，前面的處理允許公共三相輸出中的具有公共控制電路的并行耦合的逆變器的開關(guān)的準確同步。波形或者用于重新計算波形的數(shù)據(jù)由控制電路FPGA生成并且通過功率層FPGA中的相同的波形進行鏡像。該定時信號的重新計算便于控制任務(wù)中斷生成，簡化控制電路和功率層電路之間的信息傳送，并且在需要的情況下允許驅(qū)動器與驅(qū)動器的同步(例如，經(jīng)由ΙΕΕΕ-1588)。這種驅(qū)動器與驅(qū)動器的同步可以如Campbell等人在 2008 年 11 月 17 日提交的題為"Motor Drive Synchronization System and Method，，的美國公布專利申請第20100123425號中公開的那樣執(zhí)行，其通過引用并入本公開。在某些實施例中，還考慮在控制電路和每個功率層接口之間提供另外的光學(xué)導(dǎo)體，可以在該光學(xué)導(dǎo)體上傳送時鐘信號。圖9圖示了該類型的系統(tǒng)。如上文討論的，每個逆變器36可以經(jīng)由包括一對光纖的并行的串行線纜耦合到控制電路?？梢蕴峁┑谌饫w 144，在該第三光纖144上將時鐘信號從控制電路提供給每個功率層接口。該時鐘信號的提供可以通過如圖7中圖示的三角波形的重新計算來避免對時鐘恢復(fù)的需要。因此，定時信號的重新計算可以基于所傳送的時鐘信號同步地執(zhí)行。盡管在并行逆變器的背景下描述了前面的技術(shù)，但是應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)控制單個逆變器的開關(guān)時可以使用相同的技術(shù)。就是說，控制電路可以適于生成定時信號或者可以從其得到定時信號的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以被發(fā)送到單個逆變器的功率層接口，其如上文討論的那樣重構(gòu)用于改變單個逆變器的固態(tài)開關(guān)的狀態(tài)的定時信號。在某些背景下，這可以允許簡化產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)線、逆變器的模塊化功率層、這種電路的編程的模塊性等。還應(yīng)當(dāng)注意，盡管這里公開了用于驅(qū)動逆變器的固態(tài)開關(guān)的定時信號的計算或重新計算的特定技術(shù)，但是也可以使用其他技術(shù)。就是說，控制電路可以將信息傳送到功率層電路，該信息允許通過其他算法在功率層電路處建立開關(guān)定時。圖10呈現(xiàn)了具有上述類型的系統(tǒng)的多個、并行驅(qū)動器布置的示例性實施例。在圖 10的實現(xiàn)方案中，提供了多個模塊化電氣殼體，其彼此連結(jié)以形成包括若干個并行驅(qū)動器 16、18和20的公共驅(qū)動器。通常由附圖標記146指示的殼體均具有門148，其可以打開以接入各個并行驅(qū)動器的內(nèi)部部件。如上文提到的，這些殼體中的一個可以容器控制器22，其如上文所述通過光纖耦合到該同一驅(qū)動器和其他并行驅(qū)動器。在每個驅(qū)動器中，在逆變器 152上方容納轉(zhuǎn)換器150。殼體中的這些電路的特定布置可以改變，但是已發(fā)現(xiàn)圖示實施例允許便利地組合地或分立地移除各個電路用于服務(wù)、更換等。轉(zhuǎn)換器耦合到每個殼體(未示出)中的線路側(cè)總線，用于從線路拉出功率以轉(zhuǎn)換為DC功率，該DC功率由DC總線導(dǎo)體 (未示出)傳送到各個逆變器。相似地，每個逆變器耦合到各個殼體中的公共負載側(cè)總線， 其向負載提供輸出功率。除了圖10中圖示的殼體，可以提供分立的殼體用于配線連接、通信連接等。每個部分的基部處的吹風(fēng)機1 允許冷卻空氣在電路的散熱器或者其他冷卻部件上流通。該冷卻空氣可以由每個驅(qū)動器部分的頂部處的通風(fēng)孔156排出。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如圖11、12和13中所示，在每個驅(qū)動器的功率層并行地生成柵極驅(qū)動信號允許高度的同步性。特別地，圖11是如上文所述操作的三個并行驅(qū)動器的輸出電流的電流跡線158。通過沿豎直軸160的電流幅值以及沿水平軸162的時間以圖形方式圖示了該電流跡線。如可以從圖中看出的，在輸出電流之間測量的極小的電流失衡疊加到這些電流，導(dǎo)致了極小的環(huán)流。圖12呈現(xiàn)了如通常由附圖標記164指示的開關(guān)接通門控同步測量結(jié)果。在該圖中，通過沿豎直軸166的幅值和沿水平軸168的時間表示柵極信號。圖示了三個柵極驅(qū)動信號170、172、174，其示出了驅(qū)動器之間的接通定時中的優(yōu)秀的同步性。相似地，圖13呈現(xiàn)了如通常由附圖標記176指示的關(guān)于斷開的開關(guān)門控同步測量結(jié)果。這里再次地，如軸178 相對時間180指示的，豎直地圖示柵極驅(qū)動信號。三個斷開信號182、184和186被再次圖示為具有定時的高度同步性。而且，可以注意，前面的技術(shù)有效地建立了可以被稱為“主/從”系統(tǒng)的系統(tǒng)以及用于生成功率層電路使用的柵極驅(qū)動信號的方法。就是說，控制電路生成三角載波并且確定U、V和W相柵極定時。重新計算該定時所需的數(shù)據(jù)被發(fā)送到功率層電路。不論使用單個功率層(用于單個逆變器)還是多個功率層(例如，在所描述的并行布置中)，情況都是這樣。當(dāng)使用多個并行功率層時，相同的數(shù)據(jù)被同時并行地發(fā)送到所有功率層。隨后各功率層用作從設(shè)備，基于相同的信息重新計算定時。同步脈沖的使用允許功率層保持與控制電路同步并且保持彼此同步(同步脈沖有效地重新設(shè)置每個功率層中的計數(shù)器)。隨后將時鐘增量寫入到功率層中的波形生成器，并且通過每個同步脈沖處的中斷來鎖存數(shù)據(jù)。本發(fā)明公開了以下技術(shù)方案，包括但不限于方案1. 一種電機驅(qū)動系統(tǒng)包括多個驅(qū)動模塊，每個驅(qū)動模塊包括用于將輸入交流AC功率轉(zhuǎn)換為直流DC功率的轉(zhuǎn)換器和用于將DC功率轉(zhuǎn)換為頻率受控AC功率的、耦合到所述轉(zhuǎn)換器的逆變器；共享線路側(cè)總線，耦合到所述驅(qū)動模塊的所述轉(zhuǎn)換器，用于提供輸入AC功率；共享負載側(cè)總線，耦合到所述逆變器，用于將來自所有驅(qū)動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出；以及公共控制器，耦合到所有逆變器并且被配置為向所述逆變器提供信號，以允許每個逆變器彼此分離地以及并行地生成用于各個逆變器的功率電子開關(guān)的柵極驅(qū)動信號。方案2.根據(jù)方案1所述的系統(tǒng)，其中每個逆變器包括功率層處理電路，其在操作期間從所述公共控制器接收信號并且基于接收信號生成關(guān)于所述柵極驅(qū)動信號的定時。方案3.根據(jù)方案2所述的系統(tǒng)，其中每個逆變器的所述功率層處理電路從所述公共控制電路接收足以計算載波波形以及關(guān)于輸出功率的三相的所述功率電子開關(guān)的占空周期的信號。
方案4.根據(jù)方案3所述的系統(tǒng)，其中來自所述公共控制電路的信號包括三角載波波形增量、死時間以及輸出相比較值。方案5.根據(jù)方案1所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路經(jīng)由并行的光纜耦合到所述逆變器。方案6.根據(jù)方案5所述的系統(tǒng)，其中所述光纜具有基本上相同的長度。方案7.根據(jù)方案5所述的系統(tǒng)，其中所述光纜均包括僅2個并行的光纖。方案8.根據(jù)方案7所述的系統(tǒng)，其中所述光纖中的一個專用于從所述公共控制電路到各個逆變器的數(shù)據(jù)傳送，以及所述光纖中的另一個專用于從各個逆變器到所述公共控制電路的數(shù)據(jù)傳送。方案9.根據(jù)方案5所述的系統(tǒng)，其中所述光纜均僅包括3個并行的光纖。方案10.根據(jù)方案9所述的系統(tǒng)，其中所述光纖中的第一個專用于從所述公共控制電路到各個逆變器的數(shù)據(jù)傳送，所述光纖中的第二個專用于從各個逆變器到所述公共控制電路的數(shù)據(jù)傳送，以及所述光纖中的第三個專用于從所述公共控制電路向各個逆變器提供時鐘信號。方案11.根據(jù)方案1所述的系統(tǒng)，其中直接經(jīng)由所述共享負載側(cè)總線將來自所有驅(qū)動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量。方案12. —種電機驅(qū)動系統(tǒng)包括多個驅(qū)動模塊，每個驅(qū)動模塊包括用于將輸入交流AC功率轉(zhuǎn)換為直流DC功率的轉(zhuǎn)換器和用于將DC功率轉(zhuǎn)換為頻率受控AC功率的、耦合到所述轉(zhuǎn)換器的逆變器；公共控制器，耦合到所有逆變器并且被配置為向所述逆變器提供信號，以允許每個逆變器彼此分離地和并行地生成用于各個逆變器的功率電子開關(guān)的柵極驅(qū)動信號；共享線路側(cè)總線，耦合到所述驅(qū)動模塊的所述轉(zhuǎn)換器，用于提供輸入AC功率；以及共享負載側(cè)總線，耦合到所述逆變器，用于將來自所有驅(qū)動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量；其中每個逆變器包括功率層處理電路，其在操作期間從所述公共控制器接收信號并且基于接收信號生成關(guān)于所述柵極驅(qū)動信號的定時。方案13.根據(jù)方案12所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路經(jīng)由具有基本上相同長度的并行的光纜耦合到所述逆變器。方案14.根據(jù)方案13所述的系統(tǒng)，其中所述光纜均包括僅2個并行的光纖，所述光纖中的一個專用于從所述公共控制電路到各個逆變器的數(shù)據(jù)傳送，以及所述光纖中的另一個專用于從各個逆變器到所述公共控制電路的數(shù)據(jù)傳送。方案15.根據(jù)方案12所述的系統(tǒng)，其中每個逆變器的所述功率層處理電路從所述公共控制電路接收足以計算載波波形以及關(guān)于輸出功率的三相的所述功率電子開關(guān)的占空周期的信號。方案16.根據(jù)方案15所述的系統(tǒng)，其中來自所述公共控制電路的信號包括三角載波波形增量、死時間以及輸出相比較值。方案17. —種電機驅(qū)動系統(tǒng)包括多個驅(qū)動模塊，每個驅(qū)動模塊包括用于將輸入交流AC功率轉(zhuǎn)換為直流DC功率的轉(zhuǎn)換器和用于將DC功率轉(zhuǎn)換為頻率受控AC功率的、耦合到所述轉(zhuǎn)換器的逆變器；公共控制器，其耦合到所有逆變器并且被配置為向所述逆變器提供信號，以允許每個逆變器彼此分離地和并行地生成用于各個逆變器的功率電子開關(guān)的柵極驅(qū)動信號；共享線路側(cè)總線，耦合到所述驅(qū)動模塊的所述轉(zhuǎn)換器，用于提供輸入AC功率；共享負載側(cè)總線，耦合到所述逆變器，用于將來自所有驅(qū)動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量；其中每個逆變器經(jīng)由各個光纜耦合到所述公共控制電路，并且包括功率層處理電路，其在操作期間經(jīng)由各個光纜從所述公共控制器接收信號并且基于接收信號生成關(guān)于所述柵極驅(qū)動信號的定時，任何兩個逆變器的柵極驅(qū)動信號的定時彼此之間相差不超過 40ns ο方案18.根據(jù)方案17所述的系統(tǒng)，其中所述光纜均包括僅2個并行的光纖，所述光纖中的一個專用于從所述公共控制電路到各個逆變器的數(shù)據(jù)傳送，以及所述光纖中的另一個專用于從各個逆變器到所述公共控制電路的數(shù)據(jù)傳送。方案19.根據(jù)方案17所述的系統(tǒng)，其中每個逆變器的所述功率層處理電路從所述公共控制電路接收足以計算載波波形以及關(guān)于輸出功率的三相的所述功率電子開關(guān)的占空周期的信號。方案20.根據(jù)方案19所述的系統(tǒng)，其中來自所述公共控制電路的信號包括三角載波波形增量、死時間以及輸出相比較值。盡管這里圖示和描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將想到許多修改和改變。因此，應(yīng)當(dāng)理解，所附權(quán)利要求旨在涵蓋落在本發(fā)明的真實精神內(nèi)的所有這樣的修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種電機驅(qū)動系統(tǒng)包括多個驅(qū)動模塊，每個驅(qū)動模塊包括用于將輸入交流AC功率轉(zhuǎn)換為直流DC功率的轉(zhuǎn)換器和用于將DC功率轉(zhuǎn)換為頻率受控AC功率的、耦合到所述轉(zhuǎn)換器的逆變器； 共享線路側(cè)總線，耦合到所述驅(qū)動模塊的所述轉(zhuǎn)換器，用于提供輸入AC功率； 共享負載側(cè)總線，耦合到所述逆變器，用于將來自所有驅(qū)動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出；以及公共控制器，耦合到所有逆變器并且被配置為向所述逆變器提供信號，以允許每個逆變器彼此分離地以及并行地生成用于各個逆變器的功率電子開關(guān)的柵極驅(qū)動信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中每個逆變器包括功率層處理電路，其在操作期間從所述公共控制器接收信號并且基于接收信號生成關(guān)于所述柵極驅(qū)動信號的定時。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中每個逆變器的所述功率層處理電路從所述公共控制電路接收足以計算載波波形以及關(guān)于輸出功率的三相的所述功率電子開關(guān)的占空周期的信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中直接經(jīng)由所述共享負載側(cè)總線將來自所有驅(qū)動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量。
5.一種電機驅(qū)動系統(tǒng)包括多個驅(qū)動模塊，每個驅(qū)動模塊包括用于將輸入交流AC功率轉(zhuǎn)換為直流DC功率的轉(zhuǎn)換器和用于將DC功率轉(zhuǎn)換為頻率受控AC功率的、耦合到所述轉(zhuǎn)換器的逆變器；公共控制器，耦合到所有逆變器并且被配置為向所述逆變器提供信號，以允許每個逆變器彼此分離地和并行地生成用于各個逆變器的功率電子開關(guān)的柵極驅(qū)動信號；共享線路側(cè)總線，耦合到所述驅(qū)動模塊的所述轉(zhuǎn)換器，用于提供輸入AC功率；以及共享負載側(cè)總線，耦合到所述逆變器，用于將來自所有驅(qū)動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量；其中每個逆變器包括功率層處理電路，其在操作期間從所述公共控制器接收信號并且基于接收信號生成關(guān)于所述柵極驅(qū)動信號的定時。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路經(jīng)由具有基本上相同長度的并行的光纜耦合到所述逆變器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述光纜均包括僅2個并行的光纖，所述光纖中的一個專用于從所述公共控制電路到各個逆變器的數(shù)據(jù)傳送，以及所述光纖中的另一個專用于從各個逆變器到所述公共控制電路的數(shù)據(jù)傳送。
8.一種電機驅(qū)動系統(tǒng)包括多個驅(qū)動模塊，每個驅(qū)動模塊包括用于將輸入交流AC功率轉(zhuǎn)換為直流DC功率的轉(zhuǎn)換器和用于將DC功率轉(zhuǎn)換為頻率受控AC功率的、耦合到所述轉(zhuǎn)換器的逆變器；公共控制器，其耦合到所有逆變器并且被配置為向所述逆變器提供信號，以允許每個逆變器彼此分離地和并行地生成用于各個逆變器的功率電子開關(guān)的柵極驅(qū)動信號； 共享線路側(cè)總線，耦合到所述驅(qū)動模塊的所述轉(zhuǎn)換器，用于提供輸入AC功率； 共享負載側(cè)總線，耦合到所述逆變器，用于將來自所有驅(qū)動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量；其中每個逆變器經(jīng)由各個光纜耦合到所述公共控制電路，并且包括功率層處理電路，其在操作期間經(jīng)由各個光纜從所述公共控制器接收信號并且基于接收信號生成關(guān)于所述柵極驅(qū)動信號的定時，任何兩個逆變器的柵極驅(qū)動信號的定時彼此之間相差不超過40ns。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述光纜均包括僅2個并行的光纖，所述光纖中的一個專用于從所述公共控制電路到各個逆變器的數(shù)據(jù)傳送，以及所述光纖中的另一個專用于從各個逆變器到所述公共控制電路的數(shù)據(jù)傳送。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中每個逆變器的所述功率層處理電路從所述公共控制電路接收足以計算載波波形以及關(guān)于輸出功率的三相的所述功率電子開關(guān)的占空周期的信號。
全文摘要
多個逆變器電機驅(qū)動器并行地互連以向電機提供公共輸出。公共控制電路經(jīng)由光纜耦合到所有并行驅(qū)動器并且向每個逆變器的功率層電路提供信號，用于在功率層處生成關(guān)于各個逆變器功率電子開關(guān)的柵極驅(qū)動信號的定時。得到的定時呈現(xiàn)了高度的同步性，使得在并行驅(qū)動器的輸出中出現(xiàn)極小的失衡，導(dǎo)致非常低的環(huán)流。
文檔編號H02P27/06GK102340280SQ201110213048
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者蘭加拉詹·M·塔拉姆, 拉塞爾·J·克爾克曼, 理查德·H·拉多舍維奇, 阿蘭·J·坎貝爾 申請人:洛克威爾自動控制技術(shù)股份有限公司