一種無刷直流電機驅動器拓撲結構及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無刷直流電機驅動控制技術領域，具體為一種無刷直流電機驅動器拓撲結構及其控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著稀土永磁電機的技術的逐漸成熟，無刷直流電機作為一種結構簡單、控制技術成熟，并且運行效率較高的無刷結構電機，逐漸開始成為驅動應用領域替代傳統的有刷直流電機、異步電機等驅動應用的場合的高效能電機，尤其在一些轉速要求要求較高，并且供電電源電壓較高的應用場合，如工業驅動應用領域、航空高速電機驅動場合，傳統的有刷直流電機難以滿足高速應用場合，異步電機驅動系統雖然結合變換器能夠實現有效的驅動控制，但是在高速應用場合，高轉速對變頻器的控制系統提出了嚴格的要求，異步電機矢量控制、直接轉矩控制由于復雜程度較高，導致高速應用場合難以獲得良好的驅動應用效果。
[0003]無刷直流電機作為一種結構、控制方式簡單，并且運行效率高的永磁結構形式電機，隨著稀土永磁體價格的逐漸趨于穩定，其高效、可靠的運行特性尤其適合與高速、高壓運行場合。然而，傳統的高速、高壓運行場合，通常采用IGBT拓撲構成變換器拓撲，以耐受系統的高工作電壓要求，但是高壓IGBT的固有的開關頻率的限制，使得無刷直流電機在高速應用場合，由于開關頻率的限定，導致電流閉環控制難以達到所需的效果，直接使其輸出轉矩脈動較大，影響輸出特性；采用MOSFET替代IGBT存在高壓MOSFET的價格成本較高，并且器件的選擇余地較小的問題，雖然MOSFET可以通過開關頻率的提高，有效控制電機電流，改善電機驅動應用效果，但是由于MOSFET體二極管的反向恢復特性較差，無刷直流電機需要通過該二極管進行續流，由于其反向恢復速度比較低，反向恢復電荷也較大，不僅導致二極管的開關損耗增加，降低系統的效率，也會在反向恢復過程中產生電壓尖峰，影響功率MOSFET的安全工作，因此MOSFET構成的變換器應用無刷直流電機驅動過程中通常為滿足續流過程快速性等需求，需要在MOSFET的基礎上，并聯同等功率等級的快恢復二極管，或者增加額外的裝置進行續流電流的切換和由此產生的電壓尖峰的吸收電路，這些都使得系統變換器的復雜程度增加，并且增加了系統的體積、重量和成本。
[0004]專利號為ZL200680027846.8的專利“逆變器裝置和循環冷凍裝置”給出了一種通過IGBT和MOSFET組合的電機驅動變換器拓撲，通過對MOSFET配備額外的反向電壓施加電路，以抑制電機驅動系統中導通邏輯切換過程中在MOSFET中產生反向電流，其目的在于通過IGBT和MOSFET的組合，在低載條件下，利用MOSFET的低損耗特性，提高系統的運行效率，在高負載條件下，增加IGBT的導通時間比率，以平衡功率器件的損耗，目標使得由IGBT和MOSFET組成的變換器，在各種負載條件下損耗最小，以謀求系統效率的提高。即該專利是利用MOSFET和IGBT在開關條件下的損耗差異，組合構成電機驅動變換器拓撲，通過增加反向電壓施加電路降低MOSFET的損耗特性，并結合IGBT和MOSFET的導通時間，平衡變換器的損耗，以提高變換器系統的運行效率。雖然專利也涉及到無刷直流電機的驅動系統，但是變換器的控制方式沒有與無刷直流電機固有的導通邏輯、續流特性相聯系，并且沒有考慮MOSFET、IGBT器件中寄生二極管的特性差異，其中MOSFET的體二極管的特性較差，存在明顯的反向恢復特性問題，導致其構成的變換器在管子在開關過程，由于無刷直流電機的續流特性存在明顯的電壓尖峰，尤其在高電壓應用場合，對MOSFET存在電壓擊穿的危險，而IGBT的體二極管通常為快恢復二極管，在無刷直流電機續流過程中具有良好的開關特性，但是IGBT存在的開關頻率的限定又使其難以滿足高速運行條件下，無刷直流電機的電流控制需求。
【發明內容】
[0005]為了解決上述問題，本發明提供了一種無刷直流電機驅動器拓撲結構及其控制方法，其能夠滿足當前高電壓、高速、高效運行電機驅動系統的要求，提高運行效率，成本低。
[0006]其技術方案是這樣的:一種無刷直流電機驅動器拓撲結構，其包括無刷直流電機，所述無刷直流電機通過驅動變換器連接電源，其特征在于，所述驅動變換器的一個橋臂的一只功率晶體管為M0SFET、另一只功率晶體管為三個IGBT。
[0007]其進一步特征在于，所述上臂功率晶體管為三個M0SFET、下臂功率晶體管為三個IGBT，形成上管MOSFET下管IGBT的三相橋式拓撲結構；
所述上臂功率晶體管為三個IGBT、下臂功率晶體管為三個MOSFET形成上管IGBT下管MOSFET的三相橋式拓撲結構；
一種無刷直流電機驅動器拓撲結構控制方法，其特征在于，無刷直流電機的驅動變換器的上臂由三個M0SFET、下臂由三個IGBT組成，采用PWM-ON控制模式，上臂的三個MOSFET采用PWM控制方式，對高速運行條件下的無刷直流電機進行電流閉環斬波控制，下臂的三個IGBT采用常通ON模式，不工作在斬波狀態，根據無刷直流電機的導通邏輯開通和關斷，處于低頻運行條件。
[0008]一種無刷直流電機驅動器拓撲結構控制方法，其特征在于，無刷直流電機的驅動變換器的上臂由三個IGBT、下臂由三個MOSFET組成，采用ON-PWM控制模式，上臂的三個IGBT根據無刷直流電機的導通邏輯開通和關斷，處于低頻運行條件，下臂的三個MOSEFT采用PWM控制方式，對高速條件下的無刷直流電機的電流進行閉環PWM控制。
[0009]采用本發明的拓撲結構和控制方法后，采用一個臂的一只功率晶體管為M0SFET、另一只功率晶體管為IGBT的三相橋式變換器拓撲結構，無需增加額外的器件，使得結構更加緊湊，MOSFET器件與IGBT器件共同配合實現使得驅動變換器既能夠滿足高速應用場合電流控制需求的高開關頻率要求，又無需增加額外的功率器件而增加系統成本，并且采用合適的開關方式以提尚無刷直流電機驅動系統的運彳丁效率，滿足當如尚電壓、尚速、尚效運行電機驅動系統的要求。
【附圖說明】
[0010]圖1上管MOSFET下管IGBT的三相橋式拓撲結構；
圖2上管IGBT下管MOSFET的三相橋式拓撲結構；
圖3上管MOSFET下管IGBT的三相橋式拓撲結構PWM-ON開通模式示意圖；
圖4上管MOSFET下管IGBT的三相橋式拓撲結構PWM-ON續流模式示意圖；
圖5上管IGBT下管MOSFET的三相橋式拓撲結構PWM-ON開通模式示意圖； 圖6上管IGBT下管MOSFET的三相橋式拓撲結構PWM-ON續流模式示意圖。
【具體實施方式】
[0011]見圖1所示，上臂功率晶體管為三個M0SFET、下臂功率晶體管