專利名稱：用于大功率高速電動機控制的前端Buck變換器無損緩沖電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于大功率高速電動機控制的前端Buck變換器的無損緩沖電路，屬于電機控制技術。
背景技術：
隨著電機設計與制造技術的發展，大功率高速電機因其轉速高，體積小，功率密度大而成為國內外電工領域的研究熱點之一。目前常規電機的控制策略為電動機運行時，輸入直流電，經三相橋式逆變電路工作。但是高速電機工作在高速場合，其相應的開關管的工作頻率高，損耗大。高頻調制方式下的續流階段，電流是通過功率開關管的體二極管或集成二極管實現的，損耗大，通常的功率管體二極管存在反向恢復時間較長的缺點。有學者提出在直流輸入端后接高頻功率斬波管和續流二極管組成的Buck電路，再通過三相橋式逆變電路與繞組連接，但是在聞速大功率的應用場合中，Buck電路由于開關頻率聞，開關損耗大，導致功率開關管的壽命和整個電路的效率降低，且功率等級由于開關管本身電壓電流容量的限制也很難提高。本專利提出了一種用于大功率高速電動機控制的前端Buck變換器無損緩沖電路——在高速大功率電動機前端的Buck變換器中加入由續流二極管、電容和電感組成的無損緩沖電路，在功率開關管進行高頻斬波的時候，該緩沖電路可以實現功率開關管的零電壓關斷。大功率下采用n(n為大于0的自然數)路Buck變換器并聯的結構，并采用交錯控制方式可實現多支路的無損緩沖電路共用一個電感。本發明的電路簡單靈活，有效降低了高速大功率電機控制中的功率開關管的損耗，方便擴容。
發明內容
本發明旨在傳統聞速電機控制電路的基礎上，結合無損緩沖電路損耗小、效率聞以及多路直流變換器并聯的優點，提出了一種新型的用于高速電機前端控制的多路交錯并聯Buck變換器的無損緩沖電路，以降低開關損耗，提高高速電動機控制系統效率，并簡化電路。該控制電路的主要特征在于在三相逆變橋的前端的Buck變換器上采用附加電容、電感以及二極管的結構。利用電感、電容以及二極管組成的緩沖電路來確保功率開關管實現軟關斷，大功率下采用n路Buck變換器并聯的結構，并采用交錯控制方式可實現多支路的無損緩沖電路共用一個電感。功率開關管S1 Sn開通時間依次相差n/360個開關周期，其占空比可以在0. I 0.9的寬范圍內變化，且進行高頻斬波調制。這種結構和控制方式提高了系統的功率等級，同時減少了輸出電流紋波，減少了無損緩沖電路電感的體積。本專利采用的三相逆變電路前附加電容、電感以及二極管組成的Buck變換器緩沖電路，適用于高速電機的控制。其優點是(I)三相逆變電路前的Buck電路中加入電感和電容組成的緩沖電路，實現功率開關零電壓關斷，降低了高速大功率場合開關管的損耗。(2)由一個電感與n路電容和箝位二極管的串聯電路組合實現緩沖電路設計，減少了緩沖電路中電感的總體積，方便擴容。(3)功率開關管開通時間依次相差n/360個周期，占空比在0. I 0. 9的寬范圍內變化，實現轉速的寬范圍調節。
圖I是三相逆變橋前端附加電容、電感及二極管組成的4路Buck變換器緩沖電路圖。圖2為4路Buck變換器緩沖電路中各個主要信號的模態圖。圖I——圖2的主要符號名稱(I)Uin——輸入直流電壓。OS1-S4——高頻功率開關管。⑷Dal-Da4——箝位二極管。(5)L——緩沖電路中的電感。^)C「C4——緩沖電路中的電容。WL1-L4——輸出電感。(8)D「D4——Buck電路中的續流二極管。(9)C——輸出濾波電容(IO)Q11-Q16——分別為三相橋式逆變電路的功率開關管。(Il)D11-D16——功率管的體內二極管或集成二極管。(12)Ugs—驅動信號。(13)Ugs—開關管兩端電壓。(14)iD1—主續流二極管D1I電流。(15)Ua—諧振電容兩端電壓。(16)ia—諧振電容上的
電流。(17);^-流過諧振電感電流。(18)iDal-箝位二極管Dal中的電流。(19) i—-
電路輸出電流。
具體實施例方式本專利的電路拓撲如圖I所示，是在傳統的高速電動機控制電路的基礎上，增加了電感、電容、二極管組成的Buck緩沖電路結構。主電路拓撲如圖I所示。主體上由直流輸入,功率開關管，電容和電感,二極管,輸出電容，三相逆變橋，電機。其連接方式為功率開關51、52、53、54的漏極與輸入直流電源1的正輸入端相連，柵極輸入為高頻調制信號，源極分別與電感U、L2, L3、L4正端相連。緩沖電路電容Cp C2, C3> C4分別連接在功率開關Sp S2, S3> S4的源極和緩沖電路二極管Dal、Da2、Da3> Da4的陰極之間，緩沖電路二極管Dal、Da2, Da3> Da4陽極與直流電源Uin的負輸入端相連，緩沖電路電感L連接在緩沖電路電容Cp C2, C3> C4和直流電源Uin的負輸入端之間，續流二級管D1' D2、D3、D4的陰極分別與電感L1、L2、L3、L4正端相連，二級管D1' D2、D3、D4的陽極分別與輸入直流電源Uin的負輸入端相連，輸出電容C正端與輸出電感U、L2, L3> L4的負端相連，負端與直流電源Uin的負輸入端相連，且與三相逆變橋的上橋臂相連。主電路采用常規電機控制策略，功率管S11漏極與輸出電感U、L2、L3> L4的負端相連，功率管S11源極與功率管S14漏極相連組成串聯電路，功率管S14源極與直流電源Uin負輸入端相連。同理，功率管S13與S16，S15與S12組成串聯方式，并聯于電感U、L2, L3> L4的負輸入端和直流電源Uin負輸入端的兩端。模態分析(以四路并聯電路為例)模態l[t0-tj開關管開通時，電流經過諧振電感L和諧振電容C1進行諧振充電，電感電流在每次諧振時充電，且沒有放電回路，所以其電流逐漸增大，直到達到穩態，由L = iDr+iCr,、iDr ^ o可知，在極限情況下，續流二極管Dal上電流為零時，電感電流達到最大穩態值，其值與諧振電容C1和負載電流有關。當開關管開通時，通過諧振電容C1的電流值增大，而由于電感環流不能突變的緣故，通過二極管的電流會相應減少。通過計算可知,C1兩端電壓在h時刻達到輸入電壓Uin的大小，此后箝位二極管Dal分別將電容C1兩端電壓箝位在輸入電壓值，為后面關斷時實現零電壓關斷提供條件。模態2[t「t2]無損緩沖電路中，在此時間段內，諧振電容兩端電壓被箝位在輸入電壓Uin。諧振電感電流由于二級管以及自身的導通壓降，會有所減小，因為L = iDr+iCr,所以箝位二極管上的電流也會有所減小，這樣導通損耗相對會減小。模態3 [t2-t3]t2時刻，第2支路開關管導通，此時第2支路的無損吸收電路的電感電容和二極管部分的電壓電流波形與模態1、2中完全相同。在t2-t3時刻，對于I支路共用電感L由于2支路開關管的開通使得電感電流增加，直到時刻Uc2上電壓達到輸入電壓Uin模態結束。模態4 [t3-t4]時刻Uc2上電壓達到輸入電壓Uin，此后電感電流重復模態2的情況，直至t4時刻。模態5 [t4-t5]t4時刻，開關管關斷，結電容近似線性充電，直到結電容的電壓上升至輸入電壓Uin0在無損緩沖電路中，諧振電容經箝位二極管，濾波電感L1和負載回路進行諧振放電。開關管開通時刻，諧振電容C兩端電壓與輸入電壓Uin電壓相等，功率開關管兩端電壓為0，能夠實現零電壓關斷。模態6 [t5-t6]這一階段諧振電容兩端電壓繼續經箝位二極管，濾波電感L1和負載回路進行諧振放電，直至t6時刻放電結束。t5時刻，開關管S4導通，支路3繼續給共用電感L充電，電感電流線性上升。模態7 [t6-t7]在該模態下，t6時刻電容C3兩端電壓充電至Uin,共用電感L上電流開始逐漸降低，而開關管S1的電壓上升至輸入電壓，主續流二極管Dal開始導通。模態8 [t7-t8]在該模態下，共用電感L上電流繼續由于二極管的導通壓降以及電感阻抗的存在減小。
模態9 [t8-t9]在該模態下，開關管S1兩端電壓為輸入電壓Uin,而共用電感電流在開關管S4導通時電流線性上升，在諧振電容C4兩端電壓箝位在Uin時，電感電流開始下降，知道下一個周期S1導通。這樣，諧振電感的諧振頻率為開關頻率的4倍，這就減少了電感的體積和重量，同時四路交錯也使得諧振電感的環流值得到抑制。(注對于2、3、4支路的諧振電容和箝位二極管的電流電壓的I支路完全一樣，僅僅在相位上相差90° )。
權利要求
1.高速大功率電動機的主電路由前端的Buck和后端的橋式逆變電路組成。橋式逆變電路前端的n(n為大于O的自然數)路并聯Buck變換器上加一個電感與η路電容和箝位ニ極管的串聯電路組成緩沖電路，以實現功率開關的零電壓關斷。緩沖電路中的功率開關管實行交錯控制，S1 Sn開通時間依次相差η/360個周期，其占空比可以在O. I O. 9的寬范圍內變化，且進行高頻斬波調制，保證輸出電流穩定。三相橋式電路中功率開關管導通區間為120°電角度，每360°電角度開關一次。
全文摘要
高速大功率電動機的主電路由前端的Buck和后端的橋式逆變電路組成，Buck變換器的主功率管開關頻率高，損耗大。本發明提出一種用于大功率高速電動機控制的前端Buck變換器無損緩沖電路，在Buck變換器中加入由續流二極管、電容和電感組成的無損緩沖電路，在功率開關管進行高頻斬波時，該緩沖電路可以實現功率開關管的零電壓關斷。大功率下采用n(n為大于0的自然數)路Buck變換器并聯的結構，并采用交錯控制方式實現多支路的無損緩沖電路共用一個電感，開關管的占空比在0.1～0.9寬范圍內變化，這樣減少了輸出電流紋波，降低開關管的電壓電流應力，使得整個電路的功率等級得到提高，有效降低了高速大功率電機控制中的功率開關管損耗，方便擴容。
文檔編號H02P27/06GK102638221SQ20121012475
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月26日 優先權日2012年4月26日
發明者張海波, 王慧貞, 趙耀, 鄒愛龍, 陳晨 申請人:南京航空航天大學