CN107408913A - 电机驱动设备 - Google Patents

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Abstract

一种电机驱动设备包括：AC‑DC转换单元，被配置为对从外部AC电源供应的AC电力进行整流；DC链接单元，被配置为使得由AC‑DC转换单元整流的电压稳定；DC‑AC转换单元，被配置为使用来自DC链接单元的DC电压将AC电力供应给电机。DC链接单元可包括被配置为去除整流的电压的纹波的一对薄膜电容器，DC‑AC转换单元可包括从所述一对薄膜电容器接收DC电压以将AC电力供应给电机的3级逆变器。

Description

电机驱动设备
技术领域
本公开涉及一种电机驱动设备，更具体地讲，涉及一种用于驱动/控制三相电机的电机驱动设备。
背景技术
电机不仅被广泛用于诸如洗衣机、冰箱、空调、吸尘器等的家电，还被用于最近正受到关注的电动车辆(electric vehicle)、混合动力车辆(hybrid vehicle)等。
电机的类型之中，使用永久磁体的永磁电机使用由电流流过的线圈产生的磁场与由永久磁体产生的磁场之间的磁相互作用来使转子旋转。
需要驱动设备(诸如，能够施加驱动电压的逆变器)来驱动永磁电机。因为由永磁电机的转子产生的磁场是根据转子的位置来确定的，所以逆变器必须考虑转子的位置来施加驱动电压。
此外，具有设置的频率的交流(AC)电力被供应给家庭和企业。与此相比，电机驱动设备将能够改变频率和电平的AC电力供应给永磁电机，从而使永磁电机旋转。
为此，商用AC电力被整流以被转换成直流(DC)电力，使用诸如逆变器的驱动设备，将DC电力重新转换成具有期望的频率和电平的AC电力。
这里，电解电容器被广泛用于稳定从AC电力整流的DC电力。然而，电解电容器具有拥有短寿命的问题。此外，虽然高电容电容器被用于供应稳定的DC电力，但是高电容电容器具有拥有大体积的问题。
技术问题
为解决上面讨论的缺陷，主要目标是提供具有足够寿命和小体积的电机驱动设备。
本公开的另一方面是提供一种即使当低电容电容器被用在DC端时也能够将DC电压和中性点电压稳定提供给3级逆变器的电机驱动设备。
技术方案
根据本公开的一方面，一种电机驱动设备包括：AC-DC转换单元，被配置为对从外部AC电源供应的AC电力进行整流；DC链接单元，被配置为使得由AC-DC转换单元整流的电压稳定；DC-AC转换单元，被配置为使用来自DC链接单元的DC电压将AC电力供应给电机。DC链接单元可包括被配置为去除整流的电压的纹波的至少一个薄膜电容器，DC-AC转换单元可包括用于使用所述至少一个薄膜电容器的DC电压将AC电力供应给电机的3级逆变器。
根据实施例，DC链接单元可包括彼此串联连接的第一薄膜电容器和第二薄膜电容器，并可输出第一薄膜电容器与第二薄膜电容器之间的DC电压和第二薄膜电容器两端之间的中性点电压。
根据实施例，DC-AC转换单元还可包括被配置为控制供应给电机的AC电力、DC电压和中性点电压的控制模块。
根据实施例，控制模块可包括：电机速度控制模块，用于控制3级逆变器使得电机以从外部装置输入的目标速度进行旋转；DC电压控制模块，用于控制3级逆变器使得DC电压稳定；中性点电压控制模块，用于控制3级逆变器使得中性点电压稳定。
根据实施例，电机速度控制模块可根据从外部装置输入的目标速度和由3级逆变器输出的驱动电流来输出用于控制3级逆变器的电压参考。
根据实施例，电机速度控制模块可包括：速度控制器，被配置为从目标速度与电机的旋转速度之间的差计算电流参考；电流控制器，被配置为从电流参考与驱动电流之间的差计算电压参考。
根据实施例，DC电压控制模块可根据DC电压和电压参考输出阻尼电压，以防止DC电压的发散。
根据实施例，DC电压控制模块可从自外部AC电源施加的电压的平均值与DC电压之间的差计算阻尼电压。
根据实施例，中性点电压控制模块可根据DC电压、中性点电压、电压参考和电流参考输出偏置电压，以减小中性点电压的波动。
根据实施例，中性点电压控制模块可包括：中性点电流计算器，被配置为从DC电压和中性点电压计算中性点电流；偏置电压计算器，被配置为从电流参考、中性点电流和电压参考计算使得中性点电压稳定的偏置电压。
根据实施例，3级逆变器可包括：6开关逆变器模块，被配置为从第一薄膜电容器和第二薄膜电容器的两端接收DC电压，并经由U-相端子、V-相端子和W-相端子将AC电力供应给电机；中性点开关模块，被配置为从第一薄膜电容器与第二薄膜电容器连接的中性点接收中性点电压，并经由U-相端子、V-相端子和W-相端子将AC电力供应给电机。
根据实施例，6开关逆变器模块可包括连接到第一薄膜电容器的三个上开关元件和连接到第二薄膜电容器的三个下开关元件。所述三个上开关元件和所述三个下开关元件可分别串联连接，所述三个上开关元件和所述三个下开关元件串联连接的三个输出节点可分别连接到U-相端子、V-相端子和W-相端子。
根据实施例，中性点开关模块可包括：三对开关元件，分别设置在U-相端子与中性点之间、V-相端子与中性点之间以及W-相端子与中性点之间。
根据实施例，6开关逆变器模块和中性点开关模块可被配置在分开的芯片上。
根据实施例，6开关逆变器模块和中性点开关模块可被配置在一个芯片上。
根据实施例，6开关逆变器模块的U-相端子、V-相端子和W-相端子可分别连接到中性点开关模块的U-相端子、V-相端子和W-相端子。
根据实施例，DC-AC转换单元还可包括用于从控制模块接收控制信号并驱动3级逆变器的驱动电路，驱动电路可包括：分别将驱动信号提供给包括在3级逆变器中的多个开关元件的多个栅极驱动器。
根据实施例，所述电机驱动设备还可包括：DC电源单元，用于将DC电力供应给控制模块和驱动电路。
根据实施例，DC电压单元可包括：单相整流电路，被配置为对AC电力进行整流；DC链接电路，被配置为使得由单相整流电路整流的电压稳定；DC-DC转换电路，被配置为改变从DC链接电路施加的DC电压的电压值，以将具有改变后的电压值的DC电压施加到所述多个栅极驱动器中的每个。
根据实施例，所述多个开关元件和所述多个栅极驱动器可根据所述多个开关元件的射级端是否彼此连接而被分类成多个组。
根据实施例，DC电源单元可将独立的DC电力供应给属于所述多个组的所述多个栅极驱动器中的每个。
有益效果
根据本公开的一方面，可通过使用低电容薄膜电容器来提供一种具有足够寿命和小体积的电机驱动设备。
根据本公开的另一方面，可通过使用阻尼电流控制DC电压并且使用偏置电压控制中性点电压，来提供一种即使当在DC端使用低电容电容器时也能够将DC电压和中性点电压稳定提供给3级逆变器的电机驱动设备。
附图说明
为了更全面理解本公开和它的优点，现在结合附图对下面的描述进行参考，其中，相同的附图标记表示相同的部件。
图1示出根据实施例的电机驱动设备。
图2示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的AC-DC转换单元的示例。
图3示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的AC-DC转换单元的另一示例。
图4示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的DC链接单元的示例。
图5示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的DC链接单元的另一示例。
图6示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的DC-AC转换单元的示例。
图7示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的3级逆变器的示例。
图8示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的3级逆变器的配置。
图9示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的3级逆变器的连接。
图10示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的3级逆变器的另一示例。
图11示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的驱动电路。
图12示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的控制模块的硬件配置。
图13示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的控制模块的软件配置。
图14示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的电机速度控制模块的配置。
图15是对外部电源、电机驱动设备和电机进行简单建模的等价电路。
图16是包括用于防止DC电压的发散的阻尼电流源的等价电路。
图17示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的DC电压控制模块的配置。
图18示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的DC链接单元的中性点中流动的电流。
图19示出根据实施例的由电机驱动设备输出的相位电压。
图20示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的中性点电压控制模块的配置。
图21示出根据另一实施例的电机驱动设备。
图22示出根据另一实施例的电机驱动设备的DC电源单元的配置。
图23A和23B示出根据另一实施例的电机驱动设备的DC-DC转换电路的配置。
图24示出被分类为多个组的包括在根据另一实施例的电机驱动设备的3级逆变器中的开关元件。
图25、26和27示出根据另一实施例的供应给电机驱动设备的驱动电路的电力。
具体实施方式
在进行下面的具体描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的特定词和短语的定义可能是有益的：术语“包括”以及其衍生物意味着没有限制的包括；术语“或”是包括的，意味着和/或；短语“与……相关联”以及其衍生物可意味着包括或被包括在……内、与…内连接、包含、被包含在……内、连接到或与……连接、结合到或与……结合、与……可通信、与……协作、交织、并列、近似于、必定或与……相关或者具有……的特性等；术语“控制器”意味着控制至少一个操作的任何装置、***或其部件，这样的装置可以以硬件、固件或软件或者它们中的至少两个的一些组合而被实现。应注意，无论是本地还是远程，与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的。贯穿本专利文件提供了针对特定词和短语的定义，本领域普通技术人员应理解，在很多实例中，而不是大多数实例中，这样的定义应用于现有技术，并且在未来使用这样定义的词和短语。
用于描述本专利文件中的本公开的原理的下面讨论的图1至27和各种实施例仅通过示出的方式，并不应以任何方式被解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解，本公开的原理可被实现在任何可合适地布置的装置或***中。以下，将参照附图对本公开的实施例进行详细描述。
图1示出根据实施例的电机驱动设备。
参照图1，根据实施例的电机驱动设备1从外部电源ES接收AC电力，并将驱动电力供应给电机MO以使电机MO旋转。
这里，外部电源ES可以是广泛用于家庭的110V或220V的单相AC电力或者广泛用于工业应用的380V、400V或460V的三相AC电力。此外，外部电源ES可以是由太阳能发电机等供应的DC电力。
此外，电机MO可以是包括永久磁体的永磁同步电机或使用电磁感应的感应电机。
永磁同步电机可包括具有永久磁体的转子和具有线圈的定子。当将AC电流供应到到线圈时，可产生旋转的磁场；可通过永久磁体的磁场与线圈的旋转的磁场之间的磁相互作用使转子旋转。
感应电机包括：为导体的转子和具有线圈的定子。当将AC电流供应到线圈时，在转子导体产生感应电流以及旋转的磁场。此外，可通过由感应电流产生的磁场与由线圈产生的磁场之间的磁相互作用使转子旋转。
此外，电机MO可包括用于检测转子的旋转位移(rotational displacement)的霍尔传感器。霍尔传感器布置在包括在电机MO中的定子的合适位置，以根据转子的旋转检测磁场变化，并根据检测到的磁场变化检测转子的位置。
用于检测电机MO的转子的旋转位移的配置不限于霍尔传感器。
例如，电机MO可包括编码器。编码器可根据转子的旋转输出脉冲型信号，以基于脉冲的周期和数量来检测转子的旋转位移或旋转速度。
在另一示例中，电机MO可包括分解器(resolver)。分解器可根据转子的旋转输出典型波(typicaI wave)，并基于典型波的周期和数量来检测转子的旋转位移或旋转速度。
电机MO将检测到的转子的旋转位移提供给电机驱动设备1，这将在下面进行描述。
电机驱动设备1包括AC-DC转换单元2、DC-AC转换单元100和DC链接单元6，其中，AC-DC转换单元2用于将从外部电源ES施加的AC电压和AC电流转换成DC电压和DC电流；DC-AC转换单元100用于将转换的DC电压和DC电流转换为具有特定频率的AC电压和AC电流；DC链接单元6设置在AC-DC转换单元2与DC-AC转换单元100之间，用于使得由AC-DC转换单元2输出的DC电压Vdc稳定，以将DC电压Vdc发送到DC-AC转换单元100。
AC-DC转换单元2通过R-相端子R、S-相端子S、T-相端子T和地端子G从外部电源ES接收三相AC电力，并对三相AC电力进行整流以在正端子H与负端子I之间输出DC电压Vdc和DC电流。这里，外部电源ES与AC-DC转换单元2之间的地端子G是可选的。换言之，当外部电源ES不包括地端子时，AC-DC转换单元2可不包括地端子G。
DC链接单元6从AC-DC转换单元2输入有正端子H与负端子I之间的DC电压Vdc和DC电流，并通过去除DC电压Vdc的纹波经由正DC端子P、中性端子C和负DC端子N来输出稳定的DC电压Vdc和DC电流。
DC-AC转换单元100从DC链接单元6输入有DC电压Vdc和DC电流，并通过脉冲宽度调制将包括U相、V相和W相的三相AC电力供应给电机MO。
电机驱动设备1将外部电源ES的AC电力转换成具有特定频率的AC电力，并将转换的AC电力供应给电机MO，以使电机MO旋转并控制电机MO的旋转速度。
以下，将对形成电机驱动设备1的AC-DC转换单元2、DC链接单元6和DC-AC转换单元100进行更详细地描述。
图2示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的AC-DC转换单元的示例，图3示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的AC-DC转换单元的另一示例。
如图2所示，AC-DC转换单元2可包括用于对外部电源ES的AC电力进行整流的整流电路3。
整流电路3可采用包括6个二极管D31至D36的二极管桥。具体地，三个上二极管D31、D33和D35连接到正端子H，三个下二极管D32、D34和D36连接到负端子L。
此外，三个上二极管D31、D33和D35与三个下二极管D32、D34和D36一对一对应地串联连接，并且三个上二极管D31、D33和D35与三个下二极管D32、D34和D36串联连接的三个连接节点分别连接到外部电源ES的R-相端子R、S-相端子S和T-相端子T。
这里，6个二极管D31至D36被布置使得从外部电源ES施加的AC电压沿一个方向被施加，AC电流沿另一方向被供应。换言之，如图2所示，6个二极管D31至D36中的每个二极管被布置使得从外部电源ES施加的AC电压被施加到正端子H，并且AC电流朝正端子H流动。
AC-DC转换单元2的配置不限于整流电路3。
如图3所示，除整流电路3之外，AC-DC转换单元2还可包括电磁干扰滤波器(EMI滤波器)4和功率因数校正器(PFC)5，其中，EMI滤波器4用于去除包括在从外部电源ES供应的AC电力中的噪声，PFC 5用于提高功率因数。
如图3所示，EMI滤波器4可设置在整流电路3的前端，并可去除包括在从外部电源ES供应的AC电力中的高频噪声。
EMI滤波器4通常具有阻止高频信号并允许低频信号通过以去除高频噪声的低通滤波器的形式。例如，如图3所示，EMI滤波器4可包括三个电感器I41、I42和I43和三个电容器C41、C42和C43，其中，三个电感器I41、I42和I43分别串联连接到从外部电源ES供应电力的R-相端子R、S-相端子S和T-相端子T，三个电容器C41、C42和C43设置在三个电感器I41、I42和I43与地端子G之间。
然而，图3中示出的EMI滤波器4仅是可采用的滤波器的一个示例，并且EMI滤波器4可具有各种配置。具体地，EMI滤波器4可不仅具有图3中示出的串并联(series-shunt)配置，还可具有并串联(shunt-series)配置、II配置和T配置。
如图3所示，PFC 5可设置在整流电路3的后端，以提高电机驱动设备1的功率因数。
功率因数表示相对于视在功率(apparent power)的有源功率。也就是说，功率因数可被视为由电机驱动设备1实际使用的功率与从外部电源ES供应的功率的比。高功率因数意味着电机驱动设备1使用从外部电源ES供应的电力的大部分，低功率因数意味着电机驱动设备1仅使用供应的电力的小部分。
为了使用AC电力，从外部电源ES施加的AC电压的相位与供应给电机驱动设备1的电流的相位应是相同的。当施加的AC电压的相位与供应的电流的相位不同时，从外部电源ES供应到电机驱动设备1的电力的效率可降低或者电力可不被供应。由于施加的AC电压的相位与供应的电流的相位不同而不能被电机驱动设备1使用的功率被称为无功功率(reactive power)，由于施加的AC电压的相位与供应的电流的相位相同而被发送到电机驱动设备1的功率被称为有功功率(active power)。
PFC 5使用电感器I5和电容器C5，使从外部电源ES施加的AC电压的相位与供应到DC链接单元6和DC-AC转换单元100的电流的相位相同，这将在下面进行描述。因此，PFC 5可提高从外部电源ES供应的AC电力的功率因数。
然而，PFC 5不限于图3中示出的无源PFC。例如，PFC 5可采用包括开关(未示出)和二极管(未示出)的有源PFC。此外，二极管(未示出)可被开关(未示出)替代。
此外，PFC 5不限于设置在整流电路3的后端，并且PFC 5可设置在整流电路3的前端，或者与整流电路3被整体地设置。
如上所述，AC-DC转换单元2可包括整流电路3、EMI滤波器4和PFC 5。
图4示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的DC链接单元的示例，图5示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的DC链接单元的另一示例。
如图4所示，DC链接单元6可包括用于去除包括在由AC-DC转换单元2整流的电压中的纹波的平滑电路7。
平滑电路7可包括彼此串联连接的上电容器C7a和下电容器C7b。这里，一对电容器C7a和C7b可具有相同的电容。
平滑电路7去除包括在由AC-DC转换单元2整流的电压中的纹波，并将稳定的DC电压Vdc输出到DC-AC转换单元100。具体地，DC链接单元6输出正DC端子P与中性端子C之间的上电容器C7a的电压，并输出中性端子C与负DC端子N之间的下电容器C7b的电压。
此外，平滑电路7还用作将DC电力供应给DC-AC转换单元100的DC电源。具体地，构成平滑电路7的一对电容器C7a和C7b存储由AC-DC转换单元2提供的电能，并将存储的电能供应给DC-AC转换单元100。
此外，传统的电机驱动设备使用高电容的电容器作为平滑电路7，以将稳定的DC电力提供给DC-AC转换单元100。例如，传统的电机驱动设备使用具有几毫法(mF)的电容的电解电容器。
电解电容器可由于它的特性而每单位体积获得高电容。然而，电解电容器具有大的等效电阻。因为高热耗由于大的等效电阻而发生，所以电介质由于高热耗而脱水，电容器的寿命被缩短。
作为结果，电解电容器的可接受的均方根(RMS)电流小于其他电容器。多个电解电容器并联连接，以增加传统地可接受的RMS电流，然而，作为结果，电机驱动设备的体积增大。
由于这个原因，根据实施例的电机驱动设备1使用低容量(几十μF)薄膜电容器作为构成DC链接单元6的平滑电路7。换言之，构成平滑电路7的一对电容器C7a和C7b使用低容量薄膜电容器。
薄膜电容器具有电解电容器的等效电阻的大约1/10的小的等效电阻。因此，电解电容器具有大约5,000小时至10,000小时的寿命，然而薄膜电容器具有大约100,000小时的寿命。
DC链接单元6的配置不限于平滑电路7。
如图5所示，除平滑电路7之外，DC链接单元6还可包括用于防止平滑电路7的过电压的过电压保护电路8。
过电压保护电路8可包括用于耗电的电阻元件R8、用于防止逆电流的二极管D8以及在检测到过电压时接通的开关元件Q8。此外，电阻元件R8和二极管D8并联到正端子H，开关元件R8串联连接到电阻元件R8和二极管D8。这里，电阻元件R8可采用具有恒定电阻值的电阻器或具有根据施加的电压而改变的电阻值的变阻器。
当平滑电路7的过电压被检测到时，开关元件Q8被接通，电流经由电阻元件R8和开关元件Q8从平滑电路7流过。作为结果，存储在平滑电路7中的电能被消耗，并且平滑电路7的电压减小。
如上所述，DC链接单元6可包括平滑电路7和过电压保护电路8，具体地，平滑电路7包括由薄膜电容器形成的上电容器C7a和下电容器C7b。
图6示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的DC-AC转换单元。此外，图7示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的3级逆变器的示例，图8示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的3级逆变器的配置，图9示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的3级逆变器的连接。此外，图10示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的3级逆变器的另一示例。
DC-AC转换单元100包括3级逆变器110、电流检测单元120、电压检测单元130、控制模块200和驱动电路140，其中，3级逆变器110用于将驱动电压和驱动电流供应给电机MO，电流检测单元120用于检测供应给电机MO的驱动电流，电压检测单元130用于检测施加到3级逆变器110的DC电压Vdc，控制模块200用于根据电流检测单元120和电压检测单元130的检测结果来输出用于控制3级逆变器110的控制信号，驱动电路140用于根据控制模块200的控制信号将驱动信号输出到3级逆变器110。
DC电压Vdc经由正DC端子P、中性端子C和负DC端子N而从DC链接单元6施加到3级逆变器110。此外，3级逆变器110根据驱动电路140的驱动信号将驱动电压和驱动电流供应给电机MO。这里，由3级逆变器110输出的驱动电压和驱动电流可具有AC电压和AC电流的形式。
可使用各种拓扑结构实现3级逆变器110。例如，3级逆变器110可采用T型中性点箝位型逆变器110a、二极管箝位型逆变器110b等。
首先，将对图7中示出的T型中性点箝位型逆变器110a进行描述。
T型中性点箝位型逆变器110a可包括：六个开关逆变器Q11、Q12、Q21、Q22、Q31和Q32、一对中性点开关元件Q14和Q13、一对中性点开关元件Q24和Q23以及一对中性点开关元件Q34和Q33，其中，一对中性点开关元件Q14和Q13连接在中性端子C与U-相端子U之间，一对中性点开关元件Q24和Q23连接在中性端子C与V-相端子V之间，一对中性点开关元件Q34和Q33连接在中性端子C与W-相端子W之间。这里，一对中性点开关元件Q14和Q13、一对中性点开关元件Q24和Q23以及一对中性点开关元件Q34和Q33的顺序可被改变。
具体地，第一上开关元件Q11、第二上开关元件Q21和第三上开关元件Q31设置在三个输出端子U、V和W中的每个与正DC端子P之间，第一下开关元件Q12、第二下开关元件Q22和第三下开关元件Q32设置在三相输出端子U、V和W中的每个与负DC端子N之间。
此外，如上所述，三对中性点开关元件Q14和Q13、Q24和Q23以及Q34和Q33分别设置在三相输出端子U、V和W与中性端子C之间。具体地，第一左开关元件Q14和第一右开关元件Q13设置在中性端子C与U-相端子U之间，第二左开关元件Q24和第二右开关元件Q23设置在中性端子C与V-相端子V之间，第三左开关元件Q34和第三右开关元件Q33设置在中性端子C与W-相端子W之间。
通过由驱动电路140输出的驱动信号来断开和接通三个上开关元件Q11、Q21和Q31、三个下开关元件Q12、Q22和Q32以及三对中性点开关元件Q14和Q13、Q24和Q23以及Q34和Q33。
例如，当第一上开关元件Q11和第二左开关元件Q24被接通时，驱动电流可经由第一上开关元件Q11和U-相端子U而从正DC端子P流向电机MO，并经由V-相端子V和第二左开关元件Q24而从电机MO流向中性端子C。
在另一示例中，当第一右开关元件Q13和第二下开关元件Q22被接通时，驱动电流可经由第一右开关元件Q13和U-相端子U而从中性端子C流向电机MO，并经由V-相端子V和第二下开关元件Q22而从电机MO流向负DC端子N。
最终，驱动电流经由电机MO从正DC端子P流向中性端子C，或者经由电机MO从中性端子流向负DC端子N。
形成T型中性点箝位型逆变器110a的开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34可采用用于阻止或传导高电压和高电流的绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率场效应晶体管(功率FET)。
3级逆变器110不限于包括T型中性点箝位型逆变器110a。例如，如图8所示，3级逆变器110可包括二极管箝位型逆变器110b。
如图8所示，T型中性点箝位型逆变器110a可由6开关逆变器模块111a和6中性点开关模块112a形成。此外，6开关逆变器模块111a和6中性点开关模块112a中的每个可由单独的芯片形成。
6开关逆变器被广泛用于商业。与此相比，T型中性点箝位型逆变器110a没有被广泛用于商业。因此，在很多产品中供应了具有各种规格的6开关型逆变器，而在很多产品中未供应T型中性点箝位型逆变器110a，并且它的需求也低。
在这个方面，可通过组合6开关逆变器模块111a和6中性点开关模块112a来产生T型中性点箝位型逆变器110a，其中，6开关逆变器模块111a由六个上/下开关元件Q11和Q12、Q21和Q22以及Q31和Q32形成，6中性点开关模块112a由六个中性点开关元件Q14和Q13、Q24和Q23以及Q34和Q33形成。
6开关逆变器模块111a可具有如图8所示的一般的6开关逆变器的形式。
具体地，第一U-相端子U1、第一V-相端子V1和第一W-相端子W1、正DC端子P和负DC端子N以及多个开关信号端子V11、V21、V31、V12、V22和V32可设置在6开关逆变器模块111a，其中，第一U-相端子U1、第一V-相端子V1和第一W-相端子W1具有输入到6开关逆变器模块111a的外部的驱动电流或者从6开关逆变器模块111a的外部输出的驱动电流，DC电力被供应给正DC端子P和负DC端子N，驱动信号输入到多个开关信号端子V11、V21、V31、V12、V22和V32。
第一上开关元件Q11、第二上开关元件Q21和第三上开关元件Q31以及第一下开关元件Q12、第二下开关元件Q22和第三下开关元件Q32可设置在6开关逆变器模块111a中。
此外，连接第一上开关元件Q11与第一下开关元件Q12的节点可连接到第一U-相端子U1，连接第二上开关元件Q21与第二下开关元件Q22的节点可连接到第一V-相端子V1，连接第三上开关元件Q31与第三下开关元件Q32的节点可连接到第一W-相端子W1。
此外，第一上开关元件Q11可通过经由第一上开关信号端子V11输入的驱动信号来断开和接通，第二上开关元件Q21可通过经由第二上开关信号端子V21输入的驱动信号来断开和接通，第三上开关元件Q31可通过经由第三上开关信号端子V31输入的驱动信号来断开和接通。此外，第一下开关元件Q12可通过经由第一下开关信号端子V12输入的驱动信号来断开和接通，第二下开关元件Q22可通过经由第二下开关信号端子V22输入的驱动信号来断开和接通，第三下开关元件Q32可通过经由第三下开关信号端子V32输入的驱动信号来断开和接通。
如图8所示，第二U-相端子U2、第二V-相端子V2和第二W-相端子W2、中性端子C以及多个开关信号端子V13、V14、V23、V24、V33和V34可设置在6中性点开关模块112a，其中，第二U-相端子U2、第二V-相端子V2和第二W-相端子W2具有输入到6中性点开关模块112a的外部或者从6中性点开关模块112a的外部输出的驱动电流，DC电力被供应给中性端子C，驱动信号被输入到多个开关信号端子V13、V14、V23、V24、V33和V34。
此外，三对中性点开关元件Q14和Q13、Q24和Q23以及Q34和Q33可设置在6中性点开关模块112a中。第一左开关元件Q14和第一右开关元件Q13彼此串联连接，第二左开关元件Q24和第二右开关元件Q13彼此串联连接，第三左开关元件Q34和第三右开关元件Q33彼此串联连接。
此外，第一左开关元件Q14、第二左开关元件Q24和第三左开关元件Q34连接到外部的中性端子C。
此外，第一右开关元件Q13连接到第二U-相端子U2，第二右开关元件Q23连接到第二V-相端子V2，第三右开关元件Q33连接到第二W-相端子W2。
此外，第一左开关元件Q14可通过经由第一左开关信号端子V14输入的驱动信号来断开和接通，第一右开关元件Q13可通过经由第一右开关信号端子V13输入的驱动信号来断开和接通。此外，第二左开关元件Q24可通过经由第二左开关信号端子V24输入的驱动信号来断开和接通，第二右开关元件Q23可通过经由第二右开关信号端子V23输入的驱动信号来断开和接通。此外，第三左开关元件Q34可通过经由第三左开关信号端子V34输入的驱动信号来断开和接通，第三右开关元件Q33可通过经由第三右开关信号端子V33输入的驱动信号来断开和接通。
如上，T型中性点箝位型逆变器110a可被形成为6开关逆变器模块111a和6中性点开关模块112a的组合。此外，6开关逆变器模块111a和6中性点开关模块112a中的每个可以是安装在印刷电路板(PCB)上的单个芯片。
6开关逆变器模块111a和6中性点开关模块112a可如图9所示地连接。
具体地，6开关逆变器模块111a的第一U-相端子U1与6中性点开关模块112a的第二U-相端子U2连接，6开关逆变器模块111a的第一V-相端子V1与6中性点开关模块112a的第二V-相端子V2连接，6开关逆变器模块111a的第一W-相端子W1与6中性点开关模块112a的第二W-相端子W2连接。
此外，6开关逆变器模块111a的正DC端子P连接到DC链接单元6的正DC端子P，6开关逆变器模块111a的负DC端子N连接到DC链接单元6的负DC端子N。此外，6中性点开关模块112a的中性端子C连接到DC链接单元6的中性端子C。
6开关逆变器模块111a经由第一上开关信号端子V11、第二上开关信号端子V21、第三上开关信号端子V31、第一下开关信号端子V12、第二下开关信号端子V22和第三下开关信号端子V32从驱动电路140接收驱动信号。
此外，6中性点开关模块112a经由第一左开关信号端子V14、第一右开关信号端子V13、第二左开关信号端子V24、第二右开关信号端子V23、第三左开关信号端子V34、第三右开关信号端子V33接收驱动信号。
3级逆变器110不限于包括T型中性点箝位型逆变器110a。例如，如图10所示，3级逆变器110可包括二极管箝位型逆变器110b。
三对上开关元件Q41和Q42、Q51和Q52以及Q61和Q62设置在正DC端子P与三个输出端子U、V和W之间，三对下开关元件Q43和Q44、Q53和Q54以及Q63和Q64设置在三个输出端子U、V和W与负DC端子N之间。
三个上二极管D41、D51和D61分别设置在三对上开关元件Q41和Q42、Q51和Q52以及Q61和Q62连接的节点与中性端子C之间，三个下二极管D43、D53和D63分别设置在三对下开关元件Q43和Q44、Q53和Q54以及Q63和Q64连接的节点与中性端子C之间。
此外，三对上开关元件Q41和Q42、Q51和Q52、Q61和Q62以及三对下开关元件Q43和Q44、Q53和Q54、Q63和Q64可通过从驱动电路140输出的驱动信号来断开和接通。
然而，3级逆变器110被假设为包括T型中性点箝位型逆变器110a，以帮助理解本公开。
电流检测单元120可包括至少两个电流传感器。例如，电流检测单元120可包括a-相电流传感器121和b-相电流传感器123，其中，a-相电流传感器121用于检测经由U-相端子供应到电机MO的a-相电流，b-相电流传感器123用于检测经由V-相端子供应到电机MO的b-相电流。此外，可通过将在下面描述的控制模块200根据a-相电流和b-相电流，来计算经由W-相端子供应到电机MO的c-相电流。
电流检测单元120不限于包括a-相电流传感器121和b-相电流传感器123。例如，电流检测单元120可包括用于检测b-相电流的b-相电流传感器和用于检测c-相电流的c-相电流传感器，或者电流检测单元120可包括用于检测c-相电流的c-相电流传感器和用于检测a-相电流的a-相电流传感器。
几安培(A)至几百A的高电流被供应到电机MO。为了检测高电流，包括在电流检测单元120中的至少两个电流传感器可包括用于按比例减小驱动电流的电平的电流互感器(CT，current transformer)和用于检测按比例减小的电流的电平的电流表。换言之，至少两个电流传感器可通过使用CT按比例减小驱动电流的电平并测量按比例减小的电流的电平，来检测驱动电流。
虽然包括CT和电流表的至少两个电流传感器作为与电流检测单元120有关的示例而被给出，但是实施例不限于此，电流检测单元120可包括包含分流电阻器(shuntresistor)的电流传感器。
电压检测单元130可包括用于检测正DC端子P与负DC端子N之间的电压的DC点电压传感器131以及用于检测中性端子C与负DC端子N之间的中性点电压Vdcn的中性点电压传感器133。
当外部电源ES是380V的三相电力时，正DC端子P与负DC端子N之间的电压变为大约540V。此外，中性端子C与负DC端子N之间的电压变为大约270V。
为了检测高电压，DC点电压传感器131和中性点电压传感器133可包括电压分配器。具体地，DC点电压传感器131可使用电压分配器按比例减小正DC端子P与负DC端子N之间的电压，并测量按比例减小的电压。此外，中性点电压传感器133可使用电压分配器按比例减小中性端子C与负DC端子N之间的电压，并测量按比例减小的电压。
驱动电路140根据将在下面描述的控制模块200的控制信号，将用于断开和接通包括在3级逆变器110中的多个开关Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34的驱动信号提供给3级逆变器110。
例如，如图11所示，驱动电路140可包括用于分别断开和接通多个开关Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34的多个栅极驱动器141a至141d、142a至142d和143a至143d。
具体地，第一上栅极驱动器141a可产生用于断开和接通3级逆变器110a的第一上开关元件Q11的第一上开关信号，第一下栅极驱动器141b可产生用于断开和接通第一下开关元件Q12的第一下开关信号，第一右栅极驱动器141c可产生用于断开和接通第一右开关元件Q13的第一右开关信号，第一左栅极驱动器141d可产生用于断开和接通第一左开关元件Q14的第一左开关信号。
此外，第二上栅极驱动器142a可产生用于断开和接通第二上开关元件Q21的第二上开关信号，第二下栅极驱动器142b可产生用于断开和接通第二下开关元件Q22的第二下开关信号，第二右栅极驱动器142c可产生用于断开和接通第二右开关元件Q23的第二右开关信号，第二左栅极驱动器142d可产生用于断开和接通第二左开关元件Q24的第二左开关信号。
此外，第三上栅极驱动器143a可产生用于断开和接通第三上开关元件Q31的第三上开关信号，第三下栅极驱动器143b可产生用于断开和接通第三下开关元件Q32的第三下开关信号，第三右栅极驱动器143c可产生用于断开和接通第三右开关元件Q33的第三右开关信号，第三左栅极驱动器143d可产生用于断开和接通第三左开关元件Q34的第三左开关信号。
控制模块200根据电流检测单元120的输出和电压检测单元130的输出产生用于断开和接通包括在3级逆变器中的多个开关Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34的控制信号，并将产生的控制信号提供给驱动电路140。
下面将对控制模块200的配置和操作进行更详细地描述。
图12示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的控制模块的硬件配置，图13示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的控制模块的软件配置。
首先，参照图12，控制模块200包括模数转换器(ADC)205、存储器203和处理器201，其中，ADC 205用于将由电流检测单元120检测的驱动电流值和由电压检测单元120检测的DC电压值转换成数字信号，存储器203用于存储用于控制3级逆变器110的程序和数据，处理器201用于根据驱动电流值和DC电压值产生用于控制3级逆变器110的控制信号。
ADC 205将模拟信号的驱动电流值和DC电压值转换成可被处理器201识别的数字信号。
如上所述的电流检测单元120输出具有与驱动电流值对应的电平的电信号，电压检测单元130也输出与DC电压值对应的电平的电信号。由电流检测单元120和电压检测单元130输出的电信号对应于模拟信号，而处理器201不能处理模拟信号。
由于这个原因，控制模块200可包括用于将由电流检测单元120和电压检测单元130输出的电信号转换成数字信号的ADC 205。
存储器203可存储用于控制电机驱动设备1的操作的控制程序和控制数据，或者记住由处理器201输出的控制信号、由电流检测单元120检测的驱动电流值、由电压检测单元130检测的DC电压值等。
存储器203可包括易失性存储器(诸如，静态随机存取存储器(S-RAM)、动态随机存取存储器(D-RAM))和非易失性存储器(诸如，闪存、只读存储器(ROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)和电可擦除可编程ROM(EEPROM))。
非易失性存储器可作为易失性存储器的辅助存储器装置来进行操作，并且存储用于控制电机驱动设备1的操作的控制程序和控制数据。此外，即使在电机驱动设备1的电力被关掉时，存储在非易失性存储器中的数据也不会丢失。
易失性存储器可从非易失性存储器加载控制程序和控制数据，或召回由处理器201输出的控制信号、由电流检测单元120检测的驱动电流值和由电压检测单元130检测的DC电压值。与非易失性存储器不同，当电机驱动设备1被关掉时，易失性存储器中召回的数据丢失。
处理器201根据由电流检测单元120检测的驱动电流值、由电压检测单元130检测的DC电压值和存储在存储器203中的程序和数据，来产生用于控制3级逆变器110的控制信号。
具体地，处理器201处理由电流检测单元120检测的驱动电流值和由电压检测单元130检测的DC电压值，并产生用于控制3级逆变器110的控制信号，使得电机MO以目标速度旋转，并使得DC电压和中性点电压Vdcn稳定。
如上所述，控制模块200在硬件方面包括ADC 205、存储器203和处理器201。
此外，控制模块200在软件方面可包括各种软件模块。如上所述，处理器201可执行用于控制电机驱动设备1的各种处理功能。
此外，控制模块200可根据由处理器201执行的各种处理功能而被分类成多个软件模块。
具体地，如图13所示，控制模块200可包括：用于控制电机MO的旋转速度的电机速度控制模块210、用于稳定DC电压Vdc的DC电压控制模块220、用于稳定中性点电压Vdcn的中性点电压控制模块230、用于对电机速度控制模块210、DC电压控制模块220和中性点电压控制模块230的输出进行合成的加法器240、用于限制加法器240的输出的电压限制器260以及用于调制电压限制器260的输出的脉冲宽度的脉冲宽度调制器250。
电机速度控制模块210从外部装置接收速度参考ω*，从电机MO接收旋转位移θ，从电流检测单元120接收驱动电流Iabc，并输出用于使电机MO以与速度参考ω*对应的旋转速度进行旋转的第一电压参考Vabcs*、dq-轴电压参考Vdq*和电流参考Iabcs*。
这里，可从包括电机驱动设备1的外部装置接收速度参考ω*。例如，当电机MO和电机驱动设备1包括在空调(未示出)中时，空调的控制设备(未示出)可将速度参考ω*提供给电机驱动设备1，使得电机MO以目标速度进行旋转。换言之，电机速度控制模块210可从包括电机驱动设备1的产品(例如，空调、冰箱和车辆)接收速度参考ω*。
此外，DC电压控制模块220从电机速度控制模块210接收dq-轴电压参考Vdq*，从电压检测单元130接收DC电压Vdc，从电机MO接收旋转位移θ，并输出用于稳定DC电压Vdc的第二电压参考Vabch*。
这里，在电机速度控制模块210控制电机MO的速度的计算处理中产生dq-轴电压参考Vdq*。下面将对dq-轴电压参考Vdq*连同电机速度控制模块210进行详细描述。
此外，中性点电压控制模块230从电机速度控制模块210接收第一电压参考Vabcs*、从电流检测单元120接收DC电压Vdc和中性点电压Vdcn，从电机速度控制模块210接收电流参考Iabcs*，并输出用于稳定中性点电压Vdcn的第三电压参考Vsn*。
加法器240对由电机速度控制模块210输出的第一电压参考Vabcs*、由DC电压控制模块220输出的第二电压参考Vabch*和由中性点电压控制模块230输出的第三电压参考Vsn*进行合成，并输出合成的第四电压参考Vabcn*。
这里，第一电压参考Vabcs*和第二电压参考Vabch*是施加到电机MO的U-相端子U、V-相端子V和W-相端子W的a-相电压、b-相电压和c-相电压，第三电压参考Vsn*是一个电压值。
因此，加法器240可将第一电压参考Vabcs*的a-相电压、b-相电压和c-相电压分别加到第二电压参考Vabch*的a-相电压、b-相电压和c-相电压，并将第三电压参考Vsn*加到第一电压参考Vabcs*和第二电压参考Vabch*的各个和。换言之，第一电压参考Vabcs*的a-相电压、第二电压参考Vabch*的a-相电压和第三电压参考Vsn*进行相加，第一电压参考Vabcs*的b-相电压、第二电压参考Vabch*的b-相电压和第三电压参考Vsn*进行相加，第一电压参考Vabcs*的c-相电压、第二电压参考Vabch*的c-相电压和第三电压参考Vsn*进行相加。
电压限制器260将由加法器240输出的第四电压参考Vabcn*限制为至多DC电压Vdc。
DC-AC转换单元100使用从DC链接单元6供应的DC电力，将AC电力供应给电机MO。因此，由DC-AC转换单元100供应到电机MO的AC电力受从DC链接单元6供应的DC电力限制。具体地，由DC-AC转换单元100供应到电机MO的驱动电压不能高于从DC链接单元6施加的DC电压Vdc。
因此，电压限制器260将第四电压参考Vabcn*限制为至多DC电压Vdc。例如，当第四电压参考Vabcn*等于或低于DC电压Vdc时，电压限制器260输出第四电压参考Vabcn*；当第四电压参考Vabcn*高于DC电压Vdc时，电压限制器260输出DC电压Vdc。
脉冲宽度调制器250根据电压限制器260的输出来产生将被提供给驱动电路140的控制信号。具体地，脉冲宽度调制器250可通过对电压限制器260的输出的a-相电压、b-相电压和c-相电压的脉冲宽度进行调制，来输出控制信号。
下面将对电机速度控制模块210、DC电压控制模块220和中性点电压控制模块230的操作进行更详细地描述。
首先，将对电机速度控制模块210进行描述。
图14示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的电机速度控制模块的配置。
参照图14，电机速度控制模块210可包括：速度计算器212、坐标系转换器213、速度控制器214、电流控制器215和反向坐标系转换器216。
速度计算器212从包括在电机MO中的转子的旋转位移θ计算电机MO的旋转速度ω。这里，如上所述，可从包括在电机MO中的旋转位移检测传感器(诸如，霍尔传感器、编码器和分解器)接收转子的旋转位移θ。
此外，当电机MO不包括旋转位移检测传感器时，速度计算器212可从由电流检测单元120检测的驱动电流Iabc计算电机MO的旋转速度ω。使用驱动电流Iabc计算电机MO的旋转速度被称为“无传感器控制(sensor-less control)”。
具体地，速度计算器212可通过关于时间对转子的旋转位移θ进行微分来计算电机MO的旋转速度ω。例如，当速度计算器212在每个预定采样周期接收转子的旋转位移θ时，速度计算器212可通过将先前采样时间输入的转子的旋转位移θ与当前输入的转子的旋转位移θ之间的差除以采样周期，来计算电机MO的旋转速度ω。
坐标系转换器213根据转子的旋转位移θ将三相驱动电流Iabc转换成dq-轴电流Idq。
这里，d-轴表示沿着与由电机MO的转子产生的磁场的方向对应的方向的轴，q轴表示沿着具有与由电机MO的转子产生的磁场的方向相差90°的方向的轴。这里，90°不表示转子的机械角度，而是表示从依据360°转换包括在转子中的相邻N级之间的角度或相邻S级之间的角度得到的电角度。
此外，d-轴电流Id表示沿三相驱动电流Iabc的d-轴方向产生磁场的电流分量。如上所述，电机MO的定子包括多个线圈，当电流被供应给线圈时，线圈产生磁场。这里，沿供应给线圈的电流的d-轴方向产生磁场的电流分量变为d-轴电流Id。
此外，q-轴电流Iq表示沿三相驱动电流Iabc的q-轴方向产生磁场的电流分量。换言之，沿供应给线圈的电流的q-轴方向产生磁场的电流分量变为q-轴电流Iq。
坐标系转换器213可使用[等式1]从三相驱动电流Iabc计算dq-轴电流Idq。
[等式1]
(这里，Id表示d-轴电流Id，Iq表示q-轴电流Iq，θ表示转子的旋转位移，Ia表示a-相电流，Ib表示b-相电流，Ic表示c-相电流。)
速度控制器214将从外部输入的速度参考ω*与电机MO的旋转速度ω进行比较，并根据比较的结果输出dq-轴电流参考Idq*。具体地，速度控制器214可输出将被供应给电机MO的dq-轴电流，以减小速度参考ω*与旋转速度ω之间的差。
q-轴电流参考Iq*与由电机MO产生的旋转力(扭矩)直接相关。换言之，由电机MO产生的旋转力随着q-轴电流参考Iq*增加而增加。此外，d-轴电流参考Id*是与由电机MO产生的旋转力(扭矩)不相关的分量。然而，可根据d-轴电流参考Id*改变施加到电机MO的驱动电压Vabc。速度控制器214可将d-轴电流参考Id*输出为“0”，以降低能量损失。
这里，反电动势(counter electromotive force)随着电机MO的旋转速度增加而增加，施加到电机MO的驱动电压Vabc也随着反电动势增加而增加。这里，驱动电压Vabc受从DC链接单元6施加的DC电压Vdc限制。也就是说，驱动电压Vabc不能高于DC电压Vdc。
当驱动电压Vabc正在受DC电压Vdc限制时，速度控制器214可向电机MO输出负d-轴电流参考Id*，以产生更大的旋转力。当速度控制器214输出负d-轴电流参考Id*时，可减小驱动电压Vabc。
通过速度控制器214在电机MO的快速旋转范围内输出负d-轴电流参考Id*一般被称为“弱磁通量控制(weak magnetic flux control)”。
速度控制器214可包括比例控制器、比例积分控制器以及比例积分和微分控制器中的至少一个。
电流控制器215将由速度控制器214输出的dq-轴电流参考Idq*与电机MO的dq-轴电流Idq进行比较，并根据比较的结果输出dq-轴电压参考Vdq*。具体地，电流控制器215输出将被施加到电机MO的dq-轴电压，以减小dq-轴电流参考Idq*与dq-轴电流Idq之间的差。
这里，dq-轴电流Idq是由如上所述的坐标系转换器213输出的dq-轴电流Idq。此外，dq-轴电压参考Vdq*表示与dq-轴电流参考Idq*对应的电压。换言之，dq-轴电压参考Vdq*表示应被施加到电机MO以将dq-轴电流参考Idq*供应给电机MO的dq-轴电压。
电流控制器215还可包括比例控制器、比例积分控制器以及比例积分和微分控制器中的至少一个。
反向坐标系转换器216根据转子的旋转位移θ将dq-轴电压参考Vdq*转换成第一电压参考Vabcs*。
如上所述，dq-轴电压参考Vdq*表示应被施加到电机MO以将dq-轴电流参考Idq*供应给电机MO的dq-轴电压。
反向坐标系转换器216可使用[等式2]从dq-轴电压Vdq计算第一电压参考Vabcs*。具体地，反向坐标系转换器216针对将被施加到电机MO的dq-轴电压参考Vdq*而输出应实际被施加到电机MO的U-相端子U、V-相端子V和W-相端子W的驱动电压。
[等式2]
(这里，Vd表示d-轴电压，Vq表示q-轴电压，θ表示转子的旋转位移，Va表示a-相电压，Vb表示b-相电压，Vc表示c-相电压)。
此外，反向坐标系转换器216从dq-轴电流Idq计算电流参考Iabcs*。具体地，反向坐标系转换器216可使用[等式2]的关系从dq-轴Idq计算电流参考Iabcs*。
如上，电机速度控制模块210根据转子的旋转位移θ、供应给电机MO的每个相位的驱动电流Iabc和从外部装置输入的速度参考ω*，将用于使电机MO以速度参考ω*旋转的第一电压参考Vabcs*输出到加法器240。此外，电机速度控制模块210将dq-轴电压参考Vdq*输出到DC电压控制模块220，这将在下面进行描述。
接下来，将对DC电压控制模块220进行描述。
图15是对外部电源、电机驱动设备和电机进行简单建模的等价电路，图16是包括用于防止DC电压的发散(divergence)的阻尼电流源的等价电路，图17示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的DC电压控制模块的配置。
首先，将参照图15对DC电压Vdc的变化进行描述。
如图15的部分(a)所示，可使用等价电压源Vs、等价电阻器Rs和等价电感器Ls对外部电源ES进行简单建模，可使用等价电容器Cdc对DC链接单元6进行简单建模，可使用电流源Iinv对电机MO和DC-AC转换单元100进行简单建模。
这里，等价电压源Vs将如图15的部分(b)所示的电压施加到等价电容器Cdc。具体地，等价电压源Vs以由整流电路3整流的三相AC电压的形式将电压施加到等价电容器Cdc。然而，使用等价电感器Ls和等价电容器Cdc测量由等价电压源Vs输出的电压可能是不可行的。
由于这个原因，下文将假设，由等价电压源Vs输出的电压是从外部电源ES施加的电压的平均值。
此外，等价电感器Ls表示外部电源ES内的电感，等价电阻器Rs表示电线的电阻等。
此外，电机驱动设备1的等价电容器Cdc表示包括在电机驱动设备1的DC链接单元6中的薄膜电容器C7a和C7b。
如图15的部分(a)所示，外部电源ES、电机驱动设备1和电机MO的等价电路包括外部电源ES的等价电感器Ls和电机驱动设备1的等价电容器Cdc。作为结果，等价电感器Ls与等价电容器Cdc之间发生谐振现象，谐振现象使得等价电容器Cdc的两端之间的电压不稳定。
将对谐振现象进行数学检查。
可通过[等式3]和[等式4]表示图15的部分(a)中示出的等价电路。
[等式3]
(这里，Vdc表示DC电压，Cdc表示等价电容器的电容，Is表示从电压源供应的供应电流，Iinv表示供应给电机的驱动电流。)
[等式4]
(这里，Is表示从电压源供应的供应电流，Ls表示等价电感器的电感，Vs表示从电压源施加的电压源电压，Vdc表示DC电压，Rs表示等价电阻器的电阻值。)
此外，当DC电压Vdc改变时，可执行小信号分析，以分析电压的稳定性。
在[等式5]中示出图15的部分(a)中的电路的小信号分析。
[等式5]
Iinv＝Pinv/Vdc
＝Pinv/Vdc(0)+Pinv/Vdc(0)2(Vdc(0)-Vdc)
＝Iinv(0)+ΔVdc/Rinv
＝2Iinv(0)-Vdc/Rinv
(这里，Iinv表示供应给电机的等价驱动电流，Pinv表示电机的消耗功率，Vdc表示包括纹波的DC电压，Vdc(0)表示DC电压的DC分量，Rinv表示电机的等价电阻，Iinv(0)表示由DC电压的DC分量引起的驱动电流。)
在[等式6]中示出将[等式5]代入[等式3]中的结果。
[等式6]
(这里，Vdc表示包括纹波的等价驱动DC电压，Cdc表示等价电容器的电容，Is表示从等价电压源供应的电流，Iinv表示供应给电机的驱动电流，Rinv表示电机的等价电阻。)
[等式6]中示出的微分等式的值具有指数函数的形式，使得DC电压Vdc随时间过去而逐渐增加。也就是说，DC电压Vdc发散，而不是稳定的。
为防止DC电压Vdc的发散，可如图16所示地设置阻尼电流源Idamp。
为防止根据[等式6]的DC电压Vdc的发散，可如等式[7]设置阻尼电流源Idamp的阻尼电流。
[等式7]
(这里，Idamp表示阻尼电流源的阻尼电流，k表示大于1的任意常数，Pinv表示电机的消耗功率，Vdc表示包括纹波的DC电压，Vdc(0)表示DC电压的DC分量。)
在[等式8]中示出图16的电路的小信号分析。
[等式8]
(这里，Iinv表示供应给电机的等价驱动电流，Pinv表示电机的消耗功率，Vdc表示包括纹波的DC电压，Vdc(0)表示DC电压的DC分量，k表示大于1的任意常数，Rinv表示电机的等价电阻，Iinv(0)表示由DC电压的DC分量引起的驱动电流。)
在[等式9]中示出将[等式8]代入[等式3]中的结果。
[等式9]
(这里，Vdc表示包括纹波的DC电压，Cdc表示等价电容器的电容，Is表示从电压源供应的电流，Iinv表示供应给电机的驱动电流，Rinv表示电机的等价电阻，K表示大于1的任意常数，Iinv(0)表示由DC电压的DC分量引起的驱动电流。)
根据[等式9]，当k的值大于1时，DC电压Vdc没有发散，并在某一值收敛。此外，随着常数k的值增加，DC电压Vdc更加稳定。
DC电压控制模块220可输出与阻尼电流Idamp对应的电压参考Vabch*，以稳定DC电压Vdc。
可使用[等式7]、[等式10]和[等式11]计算与阻尼电流Idamp对应的阻尼电压Vdamp。
[等式10]
(这里，Pinv表示d-轴阻尼电压参考，Id表示d-轴电流参考，Vdamp,q表示q-轴阻尼电压参考，Iq表示q-轴电流参考。)
[等式11]
(这里，Pinv表示电机的消耗功率，Vdc表示DC电压，Iinv表示供应给电机的驱动电流，Id表示d-轴电流参考，Iq表示q-轴电流参考，Vd表示d-轴电压参考，Vq表示q-轴电压参考。)
当简化[等式10]，并将[等式7]和[等式11]代入其中时，在[等式12]中示出结果。
[等式12]
(这里，Vdamp,dq表示dq-轴阻尼电压参考，Idq表示dq-轴电流参考，Vdc表示DC电压，Vdc(0)表示DC电压的DC分量，Vs表示电压源的电压，k表示大于1的任意常数。)
根据[等式12]，应计算等价电压源Vs的输出电压，以计算dq-轴阻尼电压参考Vdamp,dq。
可从[等式3]和[等式4]计算等价电压源Vs的电压。换言之，可使用DC电压Vdc和供应给电机MO的等价驱动电流Iinv来估计等价电压源Vs的输出电压。此外，设计者可根据外部电源ES的输出电压和电机MO的额定电流给定等价电压源Vs的电压。例如，可将等价电压源Vs的电压设置为从外部电源ES施加的电压的平均值。以下，将等价电压源Vs的电压假设为从外部电源ES施加的电压的平均值，以帮助理解本公开。
此外，当将dq-轴阻尼电压参考Vdamp,dq转换为反向坐标时，计算第二电压参考Vabch*。换言之，当将dq-轴坐标系中的dq-轴阻尼电压参考Vdamp,dq转换为abc相时，获得第二电压参考Vabch*。
基于上述理论，DC电压控制模块220可使用等式[12]计算dq-轴阻尼电压参考Vdamp,dq，并可从dq-轴阻尼电压参考Vdamp,dq计算第二电压参考Vabch*。
具体地，如图17所示，DC电压控制模块220可包括减法器221、除法器223、乘法器225、放大器227和反向坐标系转换器229。
减法器221计算电压源电压Vs与DC电压Vdc之间的差，除法器223计算将电压源电压Vs与DC电压Vdc之间的差除以电压源电压Vs的平方而得到的值。此外，乘法器225计算除法器223的输出、DC电压Vdc和dq-轴电压参考Vdq的乘积，放大器227将除法器225的输出放大-k倍。
通过减法器221、除法器223、乘法器225和放大器227实现[等式12]。作为结果，放大器227的输出与dq-轴阻尼电压参考Vdamp,dq相同。
反向坐标系转换器229根据转子的旋转位移θ将dq-轴阻尼电压参考Vdamp,dq转换成第二电压参考Vabch*。
如上所述，DC电压控制模块220可计算使DC电压Vdc稳定的阻尼电压Vdamp,dq(即，第二电压参考Vabch*)。
接下来，将对中性点电压控制模块230进行描述。
图18示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的DC链接单元的中性点中流动的电流，图19示出根据实施例的由电机驱动设备输出的相位电压。此外，图20示出根据实施例的包括在电机驱动设备中的中性点电压控制模块的配置。
如上所述，电流根据3级逆变器110的操作而流到DC链接单元6的中性端子C，或者从DC链接单元6的中性端子C流出。
例如，当3级逆变器110的第一上开关元件Q11和第二左开关元件Q24接通时，驱动电流可经由第一上开关元件Q11和U-相端子U从正DC端子P流到电机MO，并经由V-相端子V和第二左开关元件Q24从电机MO流到中性端子C。
在另一示例中，当3级逆变器110的第一右开关元件Q13和第二下开关元件Q22接通时，驱动电流可经由第一右开关元件Q13和U-相端子U从中性端子C流到电机MO，并经由V-相端子V和第二下开关元件Q22从电机MO流到负DC端子N。
具体地，如图18所示，流到中性端子C的电流具有阶梯波(stepped wave)形式。换言之，电流周期性地流入和流出中性端子C，以驱动电机MO。
由于上电容器C7a和下电容器C7b经由中性端子C连接，所以存储在上电容器C7a和下电容器C7b中的电荷量改变，并且上电容器C7a两端之间的电压和下电容器C7b两端之间的电压也根据流到中性端子C的电流而改变。
例如，当电流经由电机MO从正DC端子P流到中性端子C时，存储在上电容器C7a中的电荷量减小，存储在下电容器C7b中的电荷量增大。换言之，如图18所示，当流到中性端子C的中性点电流Idcn增大时，上电容器C7a与下电容器C7b产生电荷量的差ΔQ。存储在下电容器C7b中的电荷量变得比存储在上电容器C7a中的电荷量大ΔQ。
电荷量的差ΔQ引起上电容器C7a两端之间的电压与下电容器C7b两端之间的电压之间的差ΔVdc。换言之，下电容器C7b两端之间的电压VdcL变得比上电容器C7a两端之间的电压VdcH大ΔVdc。
此外，当电流经由电机MO从中性端子C流到负DC端子N时，发生与上述相反的现象。换言之，当流到中性端子C的中性电流Idcn沿负方向增加时，存储在上电容器C7a中的电荷量变得比存储在下电容器C7b中的电荷量大ΔQ。此外，上电容器C7a两端之间的电压VdcH变得比下电容器C7b两端之间的电压VdcL大ΔVdc。
如上，中性点电压Vdcn由于中性点电流Idcn而不稳定和摇摆。
尤其，当低电容薄膜电容器被用作上电容器C7a与下电容器C7b时，由中性点电流Idcn引起的中性点电压Vdcn的摇摆的幅度可能进一步增大。
作为结果，不仅难于稳定地控制电机MO的旋转速度，而且可能损坏包括在3级逆变器110中的开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34。
将对中性点摇摆Vdcn的摇摆进行检查。
可通过[等式13]表示由中性点电流Idcn引起的中性点电压Vdcn的变化。
[等式13]
(这里，ΔVdcH表示上电容器的电压的变化，Cdc表示上电容器和下电容器的电容，IdcH表示流到上电容器的电流，ΔVdcL表示上电容器的电压的变化，IdcL表示流到下电容器的电流，ΔVdcn表示中性点电压的变化，Idcn表示中性点电流。)
根据[等式13]，中性点电压的变化ΔVdcn由中性点电流Idcn确定。
此外，可通过[等式14]表示在包括在3级逆变器110中的中性点开关元件Q14、Q13、Q24、Q23、Q34和Q33的接通/断开周期期间的中性点电流Idcn。
[等式14]
(这里，Idcn表示中性点电流，Txn表示中性点开关的接通时间，Tsw表示开关的接通/断开周期，Ix表示相电流。)
当将中性点电压Vdcn保持为DC电压Vdc的一半时，可将[等式14]表示为[等式15]。
[等式15]
(这里，Idcn表示中性点电流，Vx表示相电压，Ix表示相电流、Vdc表示DC电压，Vx,norm表示归一化相电压(normalized phase voltage)。)
根据[等式15]，中性点电流Idcn由相电压Va、Vb和Vc以及相电流Ia、Ib和Ic确定。此外，[等式15]中的归一化相电压Vx,norm可具有-1与1之间的值。归一化相电压Vx,norm表示相电压Va、Vb和Vc相对于DC电压Vdc的一半的比。
这里，相电流Ia、Ib和Ic是与电机MO的扭矩有关的重要因数，并可由上述电机速度控制模块210控制。因此，中性点电压控制模块230难以控制相电流Ia、Ib和Ic。
相电压Va、Vb和Vc与相电流Ia、Ib和Ic有关。具体地，相电流Ia、Ib和Ic由于相电压Va、Vb和Vc之间的差而改变。
当相电压Va、Vb和Vc在恒定保持相电压Va、Vb和Vc之间的差的同时改变时，相电流Ia、Ib和Ic没有改变。换言之，当相电压Va、Vb和Bc中的全部改变相同电平时，相电流Ia、Ib和Ic没有改变。
由于这个原因，可通过向相电压Va、Vb和Vc中的全部添加偏置电压(零序电压)Voffset来改变相电压Va、Vb和Vc，这里，相电流Ia、Ib和Ic没有改变。
因此，当向相电压Va、Vb和Vc中的全部添加偏置电压Voffset，并控制偏置电压Voffset时，可控制中性点电压Vdcn。
如上所述，根据[等式15]，中性点电流Idcn由相电压Va、Vb和Vc与相电流Ia、Ib和Ic之间的乘法确定。
此外，相电压Va、Vb和Vc和相电流Ia、Ib和Ic具有正弦波形。这里，可在采样时间T1、T2和T3中的每个设置最大电压Vmax、中间电压Vmid和最小电压Vmin。
例如，如图19的部分(a)所示，在第一采样时间T1，a-相电压Va变为最大电压Vmax，c-相电压Vc变为中间电压Vmid，b-相电压Vb变为最小电压Vmin。此外，在第二采样时间T2，b-相电压Vb变为最大电压Vmax，a-相电压Va变为中间电压Vmid，c-相电压Vc变为最小电压Vmin。此外，在第三采样时间T3，c-相电压Vc变为最大电压Vmax，b-相电压Vb变为中间电压Vmid，a-相电压Va变为最小电压Vmin。
如果如图19的部分(a)中的相电压Va、Vb和Vc被输出，则最大电压Vmax、中间电压Vmid和最小电压Vmin可图19的部分(b)所示地被确定。
此外，具有与最大电压Vmax相同的相位(例如，在第一采样时间的a-相、在第二采样时间的b-相和在第三采样时间的c-相)的相电流可被定义为最大电流Imax，具有与中间电压Vmid相同的相位的相电流可被定义为中间电流Imid，具有与最小电压Vmin相同的相位的相电流可被定义为最小电流Imin。
例如，在第一采样时间T1，a-相电流Ia变为最大电流Imax，c-相电流Ic变为中间电流Imid，b-相电流Ib变为最小电流Imin。此外，在第二采样时间T2，b-相电流Ib变为最大电流Imax，a-相电流Ia变为中间电流Imid，c-相电流Ic变为最小电流Imin。此外，在第三采样时间T3，c-相电流Ic变为最大电流Imax，b-相电流Ib变为中间电流Imid，a-相电流Ia变为最小电流Imin。
换言之，最大电压Vmax、中间电压Vmid和最小电压Vmin根据相电压Va、Vb和Vc的每个电平而被设置，最大电流Imax、中间电流Imid和最小电流Imin可根据相电压Va、Vb和Vc的电平而被设置。
此外，可通过最大电压Vmax与最大电流Imax的乘法、中间电压Vmid与中间电流Imid的乘法和最小电压Vmin与最小电流Imin的乘法的总和，来表示中性点电流Idcn。
这里，当将偏置电压Voffset加到相电压Va、Vb和Vc中的每个时，中性点电流Idcn可根据偏置电压Voffset的电平而变化。
将针对根据偏置电压Voffset的电平的每个情况来对中性点电流Idcn进行分析。下文，未添加偏置电压Voffset的最大电压、中间电压和最小电压将被分别表示为Vmax、Vmid和Vmin，添加了偏置电压Voffset的最大电压、中间电压和最小电压将被分别表示为Vmax1、Vmid1和Vmin1。
换言之，未添加偏置电压Voffset的最大电压Vmax、中间电压Vmid和最小电压Vmin以及添加了偏置电压Voffset的最大电压Vmax1、中间电压Vmid1和最小电压Vmin1如[等式16]所示地相关。
[等式16]
Vmax1，mid1，min1＝Vmax，mid，min+Voffset
(这里，Vmax1表示添加了偏置电压的最大电压，Vmid1表示添加了偏置电压的中间电压，Vmin1表示添加了偏置电压的最小电压，Vmax表示未添加偏置电压的最大电压，Vmid表示未添加偏置电压的中间电压，Vmin表示未添加偏置电压的最小电压，Voffset表示偏置电压。)
然而，由于即使在添加了偏置电压Voffset时，相电流也没有差别，所以最大电流Imax、中间电流Imid和最小电流Imin没有变化。此外，由于相电流Ia、Ib和Ic的总和变成零，所以最大电流Imax、中间电流Imid和最小电流Imin的总和也变成零。
首先，将对-Vmin<Voffset的情况进行描述。
当-Vmin<Voffset时，添加了偏置电压Voffset的最大电压Vmax1、中间电压Vmid1和最小电压Vmin1中的全部变成正值。
作为结果，可通过[等式17]表示中性点电流Idcn。
[等式17]
(这里，Vmax1表示添加了偏置电压的最大电压，Vmid1表示添加了偏置电压的中间电压，Vmin1表示添加了偏置电压的最小电压，Vmax表示未添加偏置电压的最大电压，Vmid表示未添加偏置电压的中间电压，Vmin表示未添加偏置电压的最小电压，Imax表示最大电流，Imid表示中间电流，Imix表示最小电流，Voffset表示偏置电压。)
当-Vmin<Voffset时，根据[等式17]，无论偏置电压Voffset的电平如何，中性点电流Idcn都具有恒定值。
接下来，将对-Vmid<Voffset<-Vmin的情况进行描述。
当-Vmid<Voffset<-Vmin时，添加了偏置电压Voffset的最大电压Vmax1、中间电压Vmid1变成正值，添加了偏置电压Voffset的最小电压Vmin1变成负值。
作为结果，可通过[等式18]表示中性点电流Idcn。
[等式18]
(这里，Vmax1表示添加了偏置电压的最大电压，Vmid1表示添加了偏置电压的中间电压，Vmin1表示添加了偏置电压的最小电压，Vmax表示未添加偏置电压的最大电压，Vmid表示未添加偏置电压的中间电压，Vmin表示未添加偏置电压的最小电压，Imax表示最大电流，Imid表示中间电流，Imix表示最小电流，Voffset表示偏置电压。)
当-Vmid<Voffset<-Vmin时，根据[等式18]，中性点电流Idcn根据偏置电压Voffset的电平线性地改变。
接下来，将对-Vmax<Voffset<-Vmid的情况进行描述。
当-Vmax<Voffset<-Vmid时，添加了偏置电压Voffset的最大电压Vmax1变成正值，添加了偏置电压Voffset的中间电压Vmid1和最小电压Vmin1变成负值。
作为结果，可通过[等式19]表示中性点电流Idcn。
[等式19]
(这里，Vmax1表示添加了偏置电压的最大电压，Vmid1表示添加了偏置电压的中间电压，Vmin1表示添加了偏置电压的最小电压，Vmax表示未添加偏置电压的最大电压，Vmid表示未添加偏置电压的中间电压，Vmin表示未添加偏置电压的最小电压，Imax表示最大电流，Imid表示中间电流，Imix表示最小电流，Voffset表示偏置电压。)
当-Vmax<Voffset<-Vmid时，根据[等式19]，中性点电流Idcn根据偏置电压Voffset的电平线性地改变。
接下来，将对Voffset<-Vmax的情况进行描述。
当Voffset<-Vmax时，添加了偏置电压Voffset的最大电压Vmax1、中间电压Vmid1和最小电压Vmin1中的全部变成负值。
作为结果，可通过[等式20]表示中性点电流Idcn。
[等式20]
(这里，Vmax1表示添加了偏置电压的最大电压，Vmid1表示添加了偏置电压的中间电压，Vmin1表示添加了偏置电压的最小电压，Vmax表示未添加偏置电压的最大电压，Vmid表示未添加偏置电压的中间电压，Vmin表示未添加偏置电压的最小电压，Imax表示最大电流，Imid表示中间电流，Imix表示最小电流，Voffset表示偏置电压。)
当Voffset<-Vmax时，根据[等式20]，无论偏置电压Voffset的电平如何，中性点电流Idcn都具有恒定值。
如上所述，中性点电流Idcn根据偏置电压Voffset改变。因此，可从偏置电压Voffset计算中性点电流Idcn。
此外，当用于最小化中性点电压Vdcn的变化的中性点电流Idcn被确定时，偏置电压Voffset可根据确定的中性点电流Idcn而被确定。
此外，从上电容器C7a两端之间的电压VdcH与下电容器C7b两端之间的电压VdcL之间的差ΔVdcn计算中性点电流Idcn。
基于上述理论，如图20所示，中性点电压控制模块230可包括中性点电流计算器231和偏置电压计算器233。
中性点电流计算器231从由电压检测单元130检测的DC电压Vdc和中性点电压Vdcn计算中性点电流Idcn。
具体地，中性点电流计算器231可从DC电压Vdc和中性点电压Vdcn计算上电容器C7a两端之间的电压VdcH与下电容器C7b两端之间的电压VdcL之间的差ΔVdcn，并可从上电容器C7a两端之间的电压VdcH与下电容器C7b两端之间的电压VdcL之间的差ΔVdcn计算中性点电流参考Idcn*。
中性点电流计算器231可包括输入有上电容器C7a两端之间的电压VdcH与下电容器C7b两端之间的电压VdcL之间的差ΔVdcn并输出中性点电流参考Idcn*的比例控制器、比例积分控制器以及比例积分和微分控制器中的至少一个。
偏置电压计算器233从由电机速度控制模块210输出的第一电压参考Vabcs*和由中性点电流计算器231输出的中性点电流Idcn，计算第三电压参考Vsn*(即，偏置电压Voffset)。
具体地，偏置电压计算器233可从电机速度控制模块210的第一电压参考Vabcs*和电流参考Iabcs*，计算最大电压Vmax、中间电压Vmid、最小电压Vmin、最大电流Imax、中间电流Imid和最小电流Imin。然后，偏置电压计算器233可通过将最大电压Vmax、中间电压Vmid、最小电压Vmin、最大电流Imax、中间电流Imid和最小电流Imin应用到[等式17]至[等式20]来计算偏置电压Voffset(即，第三电压参考Vsn*)。
如上所述，中性点电压控制模块230可计算使中性点电压Vdcn稳定的偏置电压Voffset(即，第三电压参考Vsn*)。
控制模块200对由电机速度控制模块210输出的第一电压参考Vabcs*、由DC电压控制模块220输出的第二电压参考Vabch*和由中性点电压控制模块230输出的第三电压参考Vsn*进行求和，并对作为和的第四电压参考Vabsn*的脉冲宽度进行调制。
作为结果，控制模块200可控制电机MO的旋转速度，并将使DC电压Vdc和中性点电压Vdcn稳定的控制信号提供给驱动电路140。
如上所述，电机驱动设备1包括AC-DC转换单元2、DC链接单元6和DC-AC转换单元100。此外，DC链接单元6包括一对低电容薄膜电容器C7a和C7b，DC-AC转换单元100包括3级逆变110。
当低电容薄膜电容器C7a和C7b被用在DC链接单元6时，众所周知，DC链接单元6难以将稳定的DC电压施加到DC-AC转换单元6。此外，由于DC-AC转换单元100包括3级逆变器110，所以DC链接单元6不仅要将稳定的DC电压施加到DC-AC转换单元100，还要将稳定的中性点电压施加到DC-AC转换单元100。
由于DC链接单元6必须将稳定的DC电压和稳定的中性点电压二者施加到DC-AC转换单元100，所以电机驱动设备1难以控制DC电压和中性点电压二者。由于这个原因，包括低电容薄膜电容器C7a和C7b的DC链接单元6和包括3级逆变器110的DC-AC转换单元100到目前为止还没有被尝试过。
然而，根据本公开的实施例的电机驱动设备1独立地执行DC电压的控制和中性点电压的控制，使得DC链接单元6可将稳定的DC电压和稳定的中性点电压提供给DC-AC转换单元100。
DC链接单元6包括低电容薄膜电容器C7a和C7b，使得电机驱动设备1的耐久性提高，并且使得电机驱动设备1的整个体积可减小。低电容薄膜电容器C7a和C7b被使用，使得电机驱动设备1可去除用于对高电容电解电容器进行充电的初始充电电路。
此外，DC-AC转换单元100包括3级逆变器110，使得DC-AC转换单元100的开关损耗可降低。当低电容薄膜电容器和2级逆变器被一起使用时，下面的问题可能发生。
可在电机被驱动时由于电容器的低电容而发生正反馈现象。DC电压可由于正反馈现象而发散。
此外，外部电源的电感与电容器之间由于电容器的低电容而发生谐振。DC电压由于谐振现象而变化，并且发生电磁干扰、电磁敏感性和电磁兼容性。
尤其，当DC电压在脉冲宽度调制的一个周期内变化时，由电压参考Vabcs*实际施加到电机MO的电压变得与电压参考Vabcs*不同。为了减小在脉冲宽度调制的一个周期内变化的DC电压，可增加脉冲宽度调制的频率。然而，在2级逆变器的情况下，开关损耗由于脉冲宽度调制的频率的增加而增加。
与此相比，由于3级逆变器由于它的结构特性而具有小开关损耗，所以可充分增加脉冲宽度调制的频率。
此外，可通过使用3级逆变器降低电机MO的铁损耗(iron loss)。
在上面，已经描述了根据实施例的电机驱动设备1的配置和操作。
以下，将对根据另一实施例的电机驱动设备1’的配置和操作进行描述。
图21示出根据另一实施例的电机驱动设备。
参照图21，电机驱动设备1’包括AC-DC转换单元2、DC-AC转换单元100、DC链接单元6和DC电源单元10，其中，AC-DC转换单元2用于将从外部电源ES施加的AC电压和AC电流转换成DC电压和DC电流；DC-AC转换单元100用于将转换的DC电压和DC电流转换为具有特定频率的AC电压和AC电流；DC链接单元6设置在AC-DC转换单元2与DC-AC转换单元100之间，用于稳定由AC-DC转换单元2输出的DC电压Vdc以将DC电压Vdc发送到DC-AC转换单元100；DC电源单元10用于将低电压DC电力供应给DC-AC转换单元100。
AC-DC转换单元2、DC-AC转换单元100和DC链接单元6与根据上述实施例的电机驱动设备1(参照图1)中的AC-DC转换单元2、DC-AC转换单元100、DC链接单元6相同。具体地，AC-DC转换单元2可包括EMI滤波器4(参照图3)、整流电路3(参照图3)和PFC 5(参照图3)，并且DC链接单元6(参照图1)可包括过电压保护电流8(参照图5)和平滑电路7(参照图5)。此外，DC-AC转换单元100可包括3级逆变器110、电流检测单元120、电压检测单元130、驱动电路140和控制模块200。
DC电源单元10从AC-DC转换单元2接收未整流的AC电力，并将低电压DC电力供应给DC-AC转换单元100。
如上所述，DC-AC转换单元100可包括3级逆变器110、电流检测单元120、电压检测单元130、驱动电路140和控制模块200。
3级逆变器110直接从DC链接单元6接收DC电力。例如，当外部电源ES是220V单相AC电源时，DC链接单元6将310V DC电力供应给3级逆变器110。此外，当外部电源ES是380V三相AC电源时，DC链接单元6将540V DC电力供应给3级逆变器110。
与此相比，驱动电路140和控制模块200可从DC电源单元10接收低电压DC电力。例如，驱动电路140可从DC电源单元10接收大约12V至18V的DC电力，控制模块200可从DC电源单元10接收大约3.3V至5V的DC电力。
与此类似，DC电源单元10可将具有各种电压范围(诸如，12V至18V和3.3V至5V)的DC电力供应给控制和驱动3级逆变器110的驱动电路140和控制模块200。
以下，将对DC电源单元10的配置进行分析。
图22示出根据另一实施例的电机驱动设备的DC电源单元的配置，图23A和23B示出根据另一实施例的电机驱动设备的DC-DC转换电路的配置。
参照图22、23A和23B，DC电压单元10可包括单相整流电路11、DC链接电路12和DC-DC转换电路13。
单相整流电路11从AC-DC转换单元2的EMI滤波器4接收AC电力，以整流并输出AC电力。
具体地，单相整流电路11可从包括在AC-DC转换单元2中的EMI滤波器4的R-相端子R、T-相端子T和S-相端子S中的任何一个端子和地端子G接收AC电力。由于从DC电源单元10接收DC电力的驱动电路140和控制模块200比3级逆变器110消耗更少的电力，所以即使当DC电源单元10经由R-相端子R、T-相端子T和S-相端子S中的任何一个端子和地端子G接收AC电力时，DC电源单元10也可将充足的DC电力供应给驱动电路140和控制模块200。
此外，单相整流电路11对从EMI滤波器4接收的AC电压和AC电流进行整流，并输出全波整流的电压和电流。单相整流电路11可采用诸如上述整流电路3(参照图3)的二极管桥(未示出)。
DC链接电路12从单相整流电路11接收整流的电压，并去除包括在整流的电压中的纹波，以将DC电压施加到DC-DC转换电路13。
DC链接电路12可包括用于去除包括在整流的电压中的纹波的压扁电容器(flattening capacitor)(未示出)。此外，压扁电容器可采用低电容(几十μF)电解或薄膜电容器。
DC-DC转换电路13对从DC链接电路12接收的DC电压的电压值进行转换，并输出各种电压电平的DC电力。例如，DC-DC转换电路13可从DC链接电路12接收DC电压，并将12V至18V的DC电力供应给驱动电路140，并将3.3V至5V的DC电力供应给控制模块200。
DC-DC转换电路13可包括用于改变从DC链接电路12接收的DC电力的电压的多个DC-DC转换单元(未示出)。
例如，图23A所示，DC-DC转换电路13可包括第一转换单元13a、第二转换单元13b、第三转换单元13c、第四转换电路单元13d、第五转换单元13e和第六转换单元13f，其中，第一转换单元13a用于经由第一DC端子Vdc1和第一地端子GND1输出第一DC电压，第二转换单元13b用于经由第二DC端子Vdc2和第二地端子GND2输出第二DC电压，第三转换单元13c用于经由第三DC端子Vdc3和第三地端子GND3输出第三DC电压，第四转换单元13d用于经由第四DC端子Vdc4和第四地端子GND4输出第四DC电压，第五转换单元13e用于经由第五DC端子Vdc5和第五地端子GND5输出第五DC电压，第六转换单元13f用于经由第六DC端子Vdc6和第六地端子GND6输出第六DC电压。
此外，第一至第五转换单元13a至13e可输出12V至18V的DC电力，由第一至第五转换单元13a至13e输出的DC电力可被供应给驱动电路140。此外，第六转换单元13f可输出3.3V至5V的DC电力，由第六转换单元13f输出的DC电力可被供应给控制模块200。
此外，每个DC-DC转换单元可采用降压转换单元、升压转换单元、降压-升压转换单元、回扫转换单元(flyback conversion unit)等。
在另一示例中，如图23B所示，DC-DC转换电路13可采用多输出回扫转换单元。多输出回扫转换单元可包括一个初级线圈L13a和多个次级线圈L13b、L13c、L13d、L13e、L13f和L13g。
多输出回扫转换单元可根据初级线圈L13a的匝数与多个次级线圈L13b、L13c、L13d、L13e、L13f和L13g的匝数的比来输出不同电平的电压。
如上所述，除AC-DC转换单元2、DC链接单元6和DC-AC转换单元100之外，电机驱动设备1’还包括DC电源单元10，并且DC电源单元将低电压DC电力供应给包括在DC-AC转换单元100中的驱动电路140和控制模块200。
以下，将描述将12V至18V的DC电力供应给驱动电路140的DC电源单元10。
图24示出根据到驱动电路的DC电力供应分类的包括在根据另一实施例的电机驱动设备的3级逆变器中的开关元件，图25、26和27示出根据另一实施例的供应给电机驱动设备的驱动电路的电力。
如图24所示，包括在驱动电路140中的多个栅极驱动器141a至141d、142a至142d和143a至143d分别将驱动信号提供给包括在3级逆变器110中的多个开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34。此外，DC电源单元10可将12V至18V的DC电力供应给多个栅极驱动器141a至141d、142a至142d和143a至143d中的每个。
尤其，断开和接通多个开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34的驱动信号被施加，作为多个开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34的栅极G11至G14、G21至G24和G31至G34与射级端E11至E14、E21至E24和E31至E34之间的电压。
射级端E11至E14、E21至E24和E31至E34的电势变为驱动信号的参考点。换言之，当与射级端E11至E14、E21至E24和E31至E34的电压相同的电压被施加到栅极G11至G14、G21至G24和G31至G34时，开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34断开。此外，当针对射级端E11至E14、E21至E24和E31至E34的12V至18V的电压被施加到栅极G11至G14、G21至G24和G31至G34时，开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34接通。
因此，为了接通或断开开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34，栅极驱动器141a至141d、142a至142d和143a至143d必须将针对开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34的射级端E11至E14、E21至E24和E31至E34的12V至18V的驱动信号提供给开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34的栅极G11至G14、G21至G24和G31至G34。
这里，由于由栅极驱动器141a至141d、142a至142d和143a至143d输出的驱动信号的参考电势不同，所以对DC电源单元10来说，将DC电力供应给栅极驱动器141a至141d、142a至142d和143a至143d中的每个是正常的。
然而，当DC电源单元10将DC电力供应给栅极驱动器141a至141d、142a至142d和143a至143d中的每个时，电路的尺寸增大，消耗功率增加。
为了补偿这个问题，包括在电机驱动设备1’中的DC电源单元10可将开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34划分为多个组，其中，射级端E11至E14、E21至E24和E31至E34被分类到开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34。
例如，根据图23所示，第一上开关元件Q11的射级端E11和第一右开关元件Q13的射级端E13彼此连接。因此，第一上开关元件Q11和第一右开关元件Q13可被分类为第一组G1。此外，将驱动信号提供给属于第一组G1的第一上开关元件Q11和第一右开关元件Q13的第一上栅极驱动器141a和第一右栅极驱动器141c也可被分类为第一组G1。
此外，第二上开关元件Q21的射级端E21和第二右开关元件Q23的射级端E23彼此连接。因此，第二上开关元件Q21和第二右开关元件Q23可被分类为第二组G2。此外，将驱动信号提供给属于第二组G2的第二上开关元件Q21和第二右开关元件Q23的第二上栅极驱动器142a和第二右栅极驱动器142c也可被分类为第二组G2。
此外，第三上开关元件Q31的射级端E31和第三右开关元件Q33的射级端E33彼此连接。因此，第三上开关元件Q31和第三右开关元件Q33可被分类为第三组G3。此外，将驱动信号提供给属于第三组G3的第三上开关元件Q31和第三右开关元件Q33的第三上栅极驱动器143a和第三右栅极驱动器143c也可被分类为第三组G3。
此外，第一下开关元件Q12的射级E12、第二下开关元件Q22的射级E22和第三下开关元件Q32的射级E32彼此连接。因此，第一下开关元件Q12、第二下开关元件Q22和第三下开关元件Q32可被分类为第四组G4。此外，将驱动信号提供给第一下开关元件Q12、第二下开关元件Q22和第三下开关元件Q32的第一下栅极驱动器141b、第二下栅极驱动器142b和第三下栅极驱动器143b也可被分类为第四组G4。
此外，第一左开关元件Q14的射级E14、第二左开关元件Q24的射级E24和第三左开关元件Q34的射级E34彼此连接。因此，第一左开关元件Q14、第二左开关元件Q24和第三左开关元件Q34可被分类为第五组G5。此外，将驱动信号提供给第一左开关元件Q14、第二左开关元件Q24和第三左开关元件Q34的第一左栅极驱动器141d、第二左栅极驱动器142d和第三左栅极驱动器143d也可被分类为第五组G5。
此外，DC电源单元10可将第一至第五DC电力供应给分别将驱动信号供应给第一至第五组G1至G5的栅极驱动器141a至141d、142a至142d和143a至143d。
例如，如图25所示，DC电源单元10可将第一DC电力供应给属于第一组G1的第一上栅极驱动器141a和第一右栅极驱动器141c。换言之，第一上栅极驱动器141a和第一右栅极驱动器141c可经由第一DC端子Vdc1和第一地端子GND1接收DC电力。
此外，如图26所示，DC电源单元10可将第二DC电力供应给属于第二组G2的第二上栅极驱动器142a和第二右栅极驱动器142c。换言之，第二上栅极驱动器142a和第二右栅极驱动器142c可经由第二DC端子Vdc2和第二地端子GND2接收DC电力。
此外，如图27所示，DC电源单元10可将第三DC电力供应给属于第三组G3的第三上栅极驱动器143a和第三右栅极驱动器143c。换言之，第三上栅极驱动器143a和第三右栅极驱动器143c可经由第三DC端子Vdc3和第三地端子GND3接收DC电力。
此外，如图25至27所示，DC电源单元10可将第四DC电力供应给属于第四组G4的第一下栅极驱动器141b、第二下栅极驱动器142b和第三下栅极驱动器143b。换言之，第一下栅极驱动器141b、第二下栅极驱动器142b和第三下栅极驱动器143b可经由第四DC端子Vdc4和第四地端子GND4接收DC电力。
此外，如图25至27所示，DC电源单元10可将第五DC电力供应给属于第五组G5的第一左栅极驱动器141d、第二左栅极驱动器142d和第三左栅极驱动器143d。换言之，第一左栅极驱动器141d、第二左栅极驱动器142d和第三左栅极驱动器143d可经由第五DC端子Vdc5和第五地端子GND5接收DC电力。
如上所述，开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34可根据射级端E11至E14、E21至E24和E31至E34是否彼此连接而被分类为多个组G1至G5，并且DC电源单元10可将第一至第五DC电力分别供应给栅极驱动器141a至141d、142a至142d和143a至143d，其中，栅极驱动器141a至141d、142a至142d和143a至143d将驱动信号提供给属于组G1至G5中的每个组的开关元件Q11至Q14、Q21至Q24和Q31至Q34。
因此，可减少包括在DC电源单元10中的DC-DC转换单元13a至13f的数量，并可减小实现DC电源单元10的电路的面积。
虽然已经参照示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员可想到各种改变和修改。意图在于，本公开包含落入在所附权利要求的范围内的这样的改变和修改。

Claims (15)

1.一种电机驱动设备，包括：
AC-DC转换单元，被配置为对从外部AC电源供应的AC电力进行整流；
DC链接单元，被配置为使得由AC-DC转换单元整流的电压稳定；
DC-AC转换单元，被配置为使用来自DC链接单元的DC电压将AC电力供应给电机，其中：
DC链接单元包括被配置为去除整流的电压的纹波的至少一个薄膜电容器；
DC-AC转换单元包括被配置为使用所述至少一个薄膜电容器的DC电压将AC电力供应给电机的3级逆变器。
2.如权利要求1所述的电机驱动设备，其中，DC链接单元包括彼此串联连接的第一薄膜电容器和第二薄膜电容器，并且DC链接单元被配置为输出第一薄膜电容器与第二薄膜电容器之间的DC电压和第二薄膜电容器两端之间的中性点电压。
3.如权利要求2所述的电机驱动设备，其中，DC-AC转换单元还包括被配置为控制供应给电机的AC电力、DC电压和中性点电压的控制模块。
4.如权利要求3所述的电机驱动设备，其中，控制模块包括：
电机速度控制模块，被配置为控制3级逆变器使得电机以从外部装置输入的目标速度进行旋转；
DC电压控制模块，被配置为控制3级逆变器使得DC电压稳定；
中性点电压控制模块，被配置为控制3级逆变器使得中性点电压稳定。
5.如权利要求4所述的电机驱动设备，其中，电机速度控制模块根据从外部装置输入的目标速度和由3级逆变器输出的驱动电流来输出用于控制3级逆变器的电压参考。
6.如权利要求5所述的电机驱动设备，其中，电机速度控制模块包括：
速度控制器，被配置为从目标速度与电机的旋转速度之间的差计算电流参考；
电流控制器，被配置为从电流参考与驱动电流之间的差计算电压参考。
7.如权利要求5所述的电机驱动设备，其中，DC电压控制模块被配置为根据DC电压和电压参考输出阻尼电压，以防止DC电压的发散。
8.如权利要求7所述的电机驱动设备，其中，DC电压控制模块被配置为从自外部AC电源施加的电压的平均值与DC电压之间的差，计算阻尼电压。
9.如权利要求5所述的电机驱动设备，其中，中性点电压控制模块被配置为根据DC电压、中性点电压、电压参考和电流参考输出偏置电压，以减小中性点电压的波动。
10.如权利要求9所述的电机驱动设备，其中，中性点电压控制模块包括：
中性点电流计算器，被配置为从DC电压和中性点电压计算中性点电流；
偏置电压计算器，被配置为从电流参考、中性点电流和电压参考计算使得中性点电压稳定的偏置电压。
11.如权利要求3所述的电机驱动设备，其中：
DC-AC转换单元还包括：被配置为从控制模块接收控制信号并驱动3级逆变器的驱动电路，
驱动电路包括：被配置为分别将驱动信号提供给包括在3级逆变器中的多个开关元件的多个栅极驱动器。
12.如权利要求11所述的电机驱动设备，还包括：被配置为将DC电力供应给控制模块和驱动电路的DC电源单元。
13.如权利要求12所述的电机驱动设备，其中，DC电源单元包括：
单相整流电路，被配置为：对AC电力进行整流；
DC链接电路，被配置为：使得由单相整流电路整流的电压稳定；
DC-DC转换电路，被配置为：改变从DC链接电路施加的DC电压的电压值，以将具有改变后的电压值的DC电力施加到所述多个栅极驱动器中的每个。
14.如权利要求12所述的电机驱动设备，其中，所述多个开关元件和所述多个栅极驱动器根据所述多个开关元件的射级端是否彼此连接而被分类成多个组。
15.如权利要求14所述的电机驱动设备，其中，DC电源单元将独立的DC电力供应给属于所述多个组的所述多个栅极驱动器中的每个。
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