调制波控制方法及三相三线三电平电路

摘要

本发明公开了一种调制波控制方法及三相三线三电平电路，该调制波控制方法用于三相三线三电平电路。三相三线三电平电路的三个桥臂分别对应三个调制波，通过比较三个调制波与载波以对三相三线三电平电路进行控制。调制波控制方法包括：根据三相三线三电平电路的各相分别对应的电流，以由该三个调制波中取得一当前调制波；以及对该三个调制波叠加平移量，使得当前调制波平移至该载波的峰值、谷值或介于峰值与谷值之间的中间值。本发明通过提供一种三相三线三电平电路及调制波控制方法，借以有效降低半导体开关器件的开关损耗，并减小半导体开关器件热应力，且提高整体系统效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种波形控制方法及电路，且特别涉及一种调制波控制方法及三相三线三电平电路。

背景技术

随着电力电子技术的发展，应用半导体开关器件的变换器广泛地被业界采用，其中并网、离网式的三相三线变换器应用越来越多，诸如逆变器(Inverter)、整流器(Rectifier)、静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)等。

于上述电路中，均使用半导体开关器件，如绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)、碳化硅(SiC)MOSFET等。当电路工作时，其内的半导体开关器件将会产生开关损耗和导通损耗，上述开关损耗与半导体开关器件本身的特性、驱动电路、直流电压、流过的电流及开关频率有关，而导通损耗与半导体开关器件特性及流过的电流有关。

现阶段为了追求高功率密度、减小滤波器体积等目标，通常会选择更高的开关频率。然而，一旦开关频率提高，半导体开关器件的开关损耗将相应地增加，若开关损耗过大，将直接影响半导体开关器件的工作温度及系统效率。

由此可见，上述现有的方式，显然仍存在不便与缺陷，而有待改进。为了解决上述问题，相关领域莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来仍未发展出适当的解决方案。

发明内容

发明内容旨在提供本公开内容的简化摘要，以使阅读者对本公开内容具 备基本的理解。此发明内容并非本公开内容的完整概述，且其用意并非在指出本发明实施例的重要/关键元件或界定本发明的范围。

本发明内容的一目的是在提供一种三相三线三电平电路及调制波控制方法，借以改善现有技术的问题。

为达上述目的，本发明内容的一方面涉及一种调制波控制方法，用于三相三线三电平电路。三相三线三电平电路的三个桥臂分别对应三个调制波，通过比较三个调制波与载波以对三相三线三电平电路进行控制。调制波控制方法包括：根据三相三线三电平电路的各相分别对应的电流，以由三个调制波中取得当前调制波；以及对三个调制波叠加平移量，使得当前调制波平移至载波的峰值、谷值或介于峰值与谷值之间的中间值。

为达上述目的，本发明内容的另一方面涉及一种调制波控制方法，用于三相三线三电平电路。三相三线三电平电路的三个桥臂分别对应三个调制波，通过比较三个调制波与载波以对三相三线三电平电路进行控制。调制波控制方法包括：根据三相三线三电平电路的各相分别对应的电流，以由三个调制波中取得当前调制波；以及对三个调制波叠加平移量，使得当前调制波平移至载波的高值、低值或介于高值与低值之间的中间值。

为达上述目的，本发明内容的又一方面涉及一种三相三线三电平电路，此三相三线三电平电路采用上述调制波控制方法。

因此，根据本发明的技术内容，本发明实施例通过提供一种三相三线三电平电路及调制波控制方法，借以有效降低半导体开关器件的开关损耗，并减小半导体开关器件热应力，且提高整体系统效率。

在参阅下文实施方式后，本发明所属技术领域中技术人员当可轻易了解本发明的基本精神及其他发明目的，以及本发明所采用的技术手段与实施方式。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例更明显易懂，说明书附图的说明如下：

图1是依照本发明一实施例绘示一种三电平电路的桥臂的示意图。

图2是绘示依照本发明另一实施方式的一种正弦波调制方法的示意图。

图3是绘示依照本发明再一实施方式的一种调制波控制方法的示意图。

图4是绘示依照本发明又一实施方式的一种调制波控制方法的示意图。

图5是绘示依照本发明另一实施方式的一种调制波控制方法的示意图。

图6是绘示依照本发明一实施方式的一种调制波控制方法的流程示意图。

图7是绘示依照本发明另一实施方式的一种调制波控制方法的流程示意图。

图8是绘示依照本发明再一实施方式的一种调制波控制方法的流程示意图。

根据惯常的作业方式，图中各种特征与元件并未依比例绘制，其绘制方式是为了以最佳的方式呈现与本发明相关的具体特征与元件。此外，在不同附图间，以相同或相似的元件符号来指称相似的元件/部件。

其中，附图标记说明如下：

401、403、405、407、409、411、413、415、417、419、421、423、501、503、505、507、509、511、513、515、601、603、605、607、609、611、613、615：步骤

具体实施方式

为了使本公开内容的叙述更加详尽与完备，下文针对了本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其他具体实施例来实现相同或均等的功能与步骤顺序。

除非本说明书另有定义，此处所用的科学与技术词汇的含义与本发明所属技术领域中技术人员所理解与惯用的意义相同。此外，在不和上下文冲突的情形下，本说明书所用的单数名词涵盖该名词的复数型；而所用的复数名词时亦涵盖该名词的单数型。

另外，关于本文中所使用的「耦接」，可指两个或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，亦可指两个或多个元件相互操作或动作。

图1是依照本发明一实施例绘示一种三电平电路的桥臂的示意图。如图 所示，三电平电路的桥臂以输出电平V_AN来划分出三种工作状态，其中在该桥臂的各种工作状态下，可能具有不同的开关组合，只要能输出该种工作状态下所要求的电平即可，例如开关管S1和S3互补开通，S2和S4互补开通。上述三种工作状态详述如后：

结合图2，在工作状态P下，开关组合例如开关管S1和S2导通，开关管S3和S4关断，此时输出电平为：

在工作状态O下，开关组合例如开关管S2和S3导通，开关管S1和S4关断，此时输出电平为：

V_AN＝0

在工作状态N下，开关组合例如开关管S3和S4导通，开关管S1和S2关断，此时输出电平为：

基于上述三种工作状态，图2绘示正弦波调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)方式下，一个开关周期内各相的开关动作情况。其中上下两个三角形为载波W1、W2，标号Va～Vc则分别代表三相三线三电平电路的三个桥臂分别对应的调制波。可以以三角载波两个相邻的顶点作为一个开关周期，并且假定在一个开关周期内调制波基本保持不变。此外，调制波与载波比较的一种逻辑为：调制波大于上载波W1时，桥臂工作于P工作状态；调制波小于下载波W2时，桥臂工作于N工作状态；调制波介于上下载波中间时，桥臂工作于O工作状态。由此可以得到一个开关周期内，三相桥臂的动作情况，但本发明并不以此为限。图2中的一个开关周期内，三相三线三电平电路的三个桥臂分别对应的三个调制波Va～Vc均各动作两次。

需先行说明的是，在三相三线三电平电路中，当对三相调制波Va～Vc同时向相同方向移动相同的量，亦即调制波Va～Vc注入零序分量时，不会影响各相的输出电压和电流。依据上述特性，本发明实施例公开一种调制波控制方法，通过对三相调制波Va～Vc同时向相同方向移动相同的量，以使开关管的整体开关次数减少，如此，即可对应降低开关损耗，详细说明如后。

请参阅图3～图5，本实施例的调制波控制方法通过比较三个调制波 Va～Vc与载波W1～W2以对三相三线三电平电路进行控制。上述调制波控制方法包含以下步骤：

根据三相三线三电平电路的各相分别对应的电流，以由三个调制波Va～Vc中取得当前调制波；以及

对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波平移至载波W1～W2的峰值Pe(如图3所示)、谷值V(如图4所示)或介于峰值与谷值之间的中间值M(如图5所示)。其中，叠加平移量既包含一次叠加单个平移量，也包含对平移量多次调整后一次叠加，还包含多次叠加多个相同或不同的平移量，能满足经过本方法调节后，三个调制波相较于调制前具有相同的平移量即可，本发明并不以此为限。

如此一来，相较于图2的调制波Va～Vc于一个开关周期内会各动作两次，图3～图5的调制波Va～Vc于一个开关周期内皆至少有一相保持在同一种工作状态，诸如图3中A相桥臂一直保持P工作状态，图4中C相桥臂一直保持N工作状态，以及图5中B相桥臂一直保持O工作状态。一旦桥臂于一个开关周期内保持在同一工作状态，则此桥臂没有开关动作，因此，采用本实施例的调制波控制方法，可使开关管的整体开关次数减少，如此，即可有效降低开关损耗，并减小半导体开关器件热应力，且提高整体系统效率。然而，本发明并不以上述实施例为限，本领域技术人员当可视实际电路配置状况，以对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波平移至载波W1～W2的载波的高值、低值或介于高值与低值之间的中间值，而不限于载波W1～W2的峰值Pe、谷值V或介于峰值与谷值之间的中间值M，其中，高值例如为0.9～1，低值例如为-1～-0.9。

请参阅图3～图5，在一实施例中，上述由三个调制波Va～Vc中取得当前调制波的步骤包含：

判断三相三线三电平电路的各相分别对应的电流中之电流值最大者；以及

取对应该电流值最大者的调制波为当前调制波。

本发明实施例的调制波控制方法的解决问题的技术手段说明如上，以下举几个实现调制波控制方法的实施例，以使本发明更易于理解，然本发明并不以后续实施例为限，合先叙明。

请参阅图6，其是绘示依照本发明一实施方式的一种调制波控制方法的流程示意图。首先，于步骤401中，采样三相三线三电平电路的各相分别对应的电流ia、ib、ic，例如可以直接采样流经各相电感的电流，或者是采用三相相应桥臂开关管的电流，然后比较三相电流值，但本发明并不以此为限。于步骤403中，找出电流值最大者所对应的相x，取电流值最大者所对应的相x的调制波为当前调制波Vx。其中，所述电流值的比较通常采用绝对值比较，但本发明并不以此为限。随后，于步骤407中，判断当前调制波Vx为三个调制波Va～Vc中的最大者、最小者或介于最大者与最小者之间的中间者。

于步骤407中，若判定当前调制波Vx为三个调制波Va～Vc中的最大者，则执行步骤409，对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波Vx平移至载波的峰值Pe。为使本步骤易于理解，请参阅图3，若判定当前调制波为三个调制波Va～Vc中的最大者，如A相调制波，则对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波Va平移至载波的峰值Pe，如此，图3中A相桥臂一直保持P工作状态，以降低开关管的整体开关次数，而能有效降低开关损耗。

请继续参阅步骤407，若判定当前调制波Vx为三个调制波Va～Vc中的最小者，则执行步骤413，对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波Vx平移至载波的谷值V。为使本步骤易于理解，请参阅图4，若判定当前调制波为该三个调制波Va～Vc中的最小者，如C相调制波，则对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波Vc平移至载波的谷值V，如此，图4中C相桥臂一直保持N工作状态，以降低开关管的整体开关次数，而能有效降低开关损耗。

请继续参阅步骤407，若判定当前调制波Vx为三个调制波Va～Vc中的中间者，则执行步骤411，对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波Vx平移至载波的中间值M。为使本步骤易于理解，请参阅图5，若判定当前调制波为三个调制波Va～Vc中的中间者，如B相调制波，则对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波Vb平移至载波的中间值M，如此，图5中B相桥臂一直保持O工作状态，以降低开关管的整体开关次数，而能有效降低开关损耗。

需说明的是，若采用步骤411，当前调制波Vx虽然可以平移到载波的中 间值M，却可能造成其它相调制波超出载波的峰值Pe或谷值V，而发生过调制现象，导致三电平电路产生错误。此时，可以使用一种修正方式，来改善上述状况，说明如后，但本发明并不以此为限。

在步骤411之后，可以执行步骤415，判断当前调制波Vx平移至载波的中间值后，三个调制波Va～Vc的任一者是否超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，但本发明并不以此为限。倘若当前调制波Vx平移至载波的中间值后，三个调制波Va～Vc皆未超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，则未发生过调制现象，本实施例之调制波控制方法在这一开关周期的作用可以结束，并在下一开关周期内继续作用，但本发明并不以此为限。此外，倘若当前调制波Vx平移至载波的中间值后，三个调制波Va～Vc的任一者超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，亦即发生过调制现象，此时，采用的修正方式可以如后续步骤417、419、421、423所示。

于步骤417中，判断三相三线三电平电路的各相分别对应的电流中的电流值次大者，取对应电流值次大者的调制波为次要调制波Vy。随后，于步骤419中，判断次要调制波Vy为三个调制波Va～Vc中的最大者或最小者。若判定次要调制波Vy为三个调制波Va～Vc中的最大者，则执行步骤421，对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得次要调制波Vy平移至载波的峰值Pe。若判定次要调制波Vy为三个调制波Va～Vc中的最小者，则执行步骤423，对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得次要调制波Vy平移至载波的谷值V。由上述说明可知，采用修正方式，确实可避免过调制现象发生，但本发明并不以此为限，如根据电流值最小者的调制波为次要调制波亦可。

请参阅图7，其是绘示依照本发明另一实施方式的一种调制波控制方法的流程示意图。首先，于步骤501中，根据采样的三相电流信息，以比较出电流最大者所对应的相x，取电流值最大者所对应的相x的调制波为当前调制波Vx。其中，所述电流值的比较通常采用绝对值比较，但有效值或其他能表征电流量的比较方法均可，本发明并不以此为限。于步骤503中，判断当前调制波Vx的极性。若当前调制波Vx大于零，则执行步骤505，对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波Vx平移至载波的峰值Pe。若当前调制波Vx小于零，则执行步骤507，对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波Vx平移至载波的谷值V。

需说明的是，在执行上述步骤505、507后，有可能产生过调制现象，因此，可以执行步骤509以判断是否产生过调制现象。详细而言，执行步骤509以判断当前调制波Vx平移至载波的峰值Pe或谷值V后，三个调制波Va～Vc的任一者是否超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V。倘若当前调制波Vx平移后，三个调制波Va～Vc皆未超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，则未发生过调制现象，本实施例的调制波控制方法在本开关周期内可以结束。此外，若当前调制波平移至载波的峰值Pe或谷值V后，三个调制波Va～Vc的任一者超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，则执行步骤511，对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波平移至载波的中间值M。

需说明的是，在执行上述步骤511后，仍有可能产生过调制现象，因此，可以执行步骤513以判断是否产生过调制现象。详细而言，执行步骤513以判断当前调制波Vx平移至载波的中间值M后，三个调制波Va～Vc的任一者是否超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V。倘若当前调制波Vx平移后，三个调制波Va～Vc皆未超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，则未发生过调制现象，本实施例的调制波控制方法在本开关周期的作用可以结束，并在下一开关周期内继续作用，但本发明并不以此为限。此外，若当前调制波Vx平移至载波的中间值M后，三个调制波Va～Vc的任一者超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，则可以采用步骤515的修正方式。详细而言，执行步骤515以判断三相三线三电平电路的各相分别对应的电流中的电流值次大者，取对应该电流值次大者的调制波为次要调制波Vy。然后，对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得次要调制波平移至载波的峰值Pe或谷值V，例如图6中步骤417、419、421、423所示，本发明并不以此为限。由上述说明可知，采用修正方式，确实可避免过调制现象发生。

请参阅图8，其是绘示依照本发明又一实施方式的一种调制波控制方法的流程示意图。首先，于步骤601中，根据采样的三相电流信息，以比较出电流最大者所对应的相x，取电流值最大者所对应的相x的调制波为当前调制波Vx。其中，所述电流值的比较通常采用绝对值比较，但采用有效值或其他能表征电流量的比较方法均可，本发明并不以此为限。于步骤603中，对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波Vx平移至载波的峰值Pe。需说明的是，在执行上述步骤603后，有可能产生过调制现象，因此，执行 步骤605以判断是否产生过调制现象。详细而言，执行步骤605以判断当前调制波Vx平移至载波的峰值Pe后，三个调制波Va～Vc的任一者是否超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V。倘若当前调制波Vx平移后，三个调制波Va～Vc皆未超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，则未发生过调制现象，本实施例的调制波控制方法在本开关周期的作用可以结束，并在下一开关周期内继续作用，但本发明并不以此为限。此外，若当前调制波平移至载波的峰值Pe后，三个调制波Va～Vc的任一者超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，则执行步骤607，对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波平移至载波的谷值V。

需说明的是，在执行上述步骤607后，有可能产生过调制现象，因此，执行步骤609以判断是否产生过调制现象。详细而言，执行步骤609以判断当前调制波Vx平移至载波的谷值V后，三个调制波Va～Vc的任一者是否超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V。倘若当前调制波Vx平移后，三个调制波Va～Vc皆未超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，则未发生过调制现象，本实施例的调制波控制方法在本开关周期的作用可以结束，并在下一开关周期内继续作用，但本发明并不以此为限。此外，若当前调制波平移至载波的谷值V后，三个调制波Va～Vc的任一者超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，则执行步骤611，对三个调制波Va～Vc叠加平移量，使得当前调制波平移至载波的中间值M。

需说明的是，在执行上述步骤611后，有可能产生过调制现象，因此，执行步骤613以判断是否产生过调制现象。详细而言，执行步骤613以判断当前调制波Vx平移至载波的中间值M后，三个调制波Va～Vc的任一者是否超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V。倘若当前调制波Vx平移后，三个调制波Va～Vc皆未超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，则未发生过调制现象，本实施例的调制波控制方法在本开关周期的作用可以结束，并在下一开关周期内继续作用，但本发明并不以此为限。此外，若当前调制波平移至载波的中间值M后，三个调制波Va～Vc的任一者超过载波的峰值Pe或低于载波的谷值V，则采用步骤615的修正方式。详细而言，执行步骤615以判断三相三线三电平电路的各相分别对应的电流中的电流值次大者，取对应电流值次大者的调制波为次要调制波Vy。然后，对三个调制波Va～Vc叠加 该平移量，使得次要调制波平移至载波的峰值Pe或谷值V，例如图6中步骤417、419、421、423所示，本发明并不以此为限。由上述说明可知，采用修正方式，确实可避免过调制现象发生。本实施例中，步骤603、607、611的顺序可以调换和变化，本发明并不以此为限。

在一实施例中，本发明提出一种三相三线三电平电路，其可采用图3至图5所示的调制波控制方法，并可执行图6至图8所示的调制波控制方法的流程。在另一实施例中，三相三线三电平电路为二极管钳位型三电平电路(DNPC)、T型三电平电路(TNPC)、有源器件钳位型三电平电路(ANPC)或飞跨电容式三电平电路，本发明并不以此为限。

所属技术领域中技术人员当可明白，调制波控制方法中的各步骤依其执行的功能予以命名，仅是为了让本发明的技术更加明显易懂，并非用以限定该等步骤。将各步骤予以整合成同一步骤或分拆成多个步骤，或者将任一步骤更换到另一步骤中执行，皆仍属于本公开内容的实施方式。

由上述本发明实施方式可知，应用本发明具有下列优点。本发明实施例通过提供一种三相三线三电平电路及调制波控制方法，借以有效降低半导体开关器件的开关损耗，并减小半导体开关器件热应力，且提高整体系统效率。

虽然上文实施方式中公开了本发明的具体实施例，然其并非用以限定本发明，本发明所属技术领域中技术人员，在不悖离本发明的原理与精神的情形下，当可对其进行各种变动与修饰，因此本发明的保护范围当以附随权利要求所界定的范围为准。