CN101145747B

CN101145747B - 含智能功率模块的开关磁阻电机功率电路装置及实现方法

Info

Publication number: CN101145747B
Application number: CN2007100599573A
Authority: CN
Inventors: 孙鹤旭; 董砚; 郑易; 梁涛; 王磊静; 王娜
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2027-10-19
Also published as: CN101145747A

Abstract

本发明涉及含智能功率模块的开关磁阻电机功率电路装置及实现方法。该装置主要包括：七单元IPM、功率驱动电路、电流采样电路、过压、欠压检测电路、故障检测电路、数字电源部分和开关磁阻电机。本发明可组成高性能的开关磁阻电机伺服系统，其突出特点是效率高、节能效果好，调速范围广，无起动冲击电流，起动转矩大，控制灵活，此外，还具有结构简单、坚固可靠，成本低等优点。本发明应用广泛，除可以取代已有的电气传动调速系统(如直流调速、变频调速系统)外，并且适用于运输车辆驱动、龙门刨床、各种机械等需要重载起动，频繁起动、正反转，长期低速运行等场合。

Description

含智能功率模块的开关磁阻电机功率电路装置及实现方法

技术领域

本发明属于以智能功率模块(Intelligent Power Modules，简称IPM)代替传统的功率器件的功率电路实现方法及其装置，特别涉及一种基于七单元IPM的开关磁阻电机(SwitchedReluctance Motor，简称SRM)功率电路及实现方法。

背景技术

目前，常用的四相电机功率变换器电路主要是双极性电源型和不对称半桥型。双极性电源型功率变换器的主要优点是每相只使用一只主开关，未能用足开关器件的额定电压和电源的容量。在双相运行时，相电流可能流过dL/dθ＜0的区域，这时电动转矩的有效性将降低，而且，当两相同时通电时，电机磁路饱和加剧，进一步降低了电流产生电动转矩的有效性。不对称半桥型虽然用足了主开关管的额定电压，可避免电机与电源间的无功能量交换，在增加转矩、提高功率变换器容量的利用率、减少斩波次数、抑制电源电压波动、降低转矩脉动方面都是有利的，但是每一相都需要两只主开关，未能充分体现较其他交流调速系统变流器固有的优势。从性能上看，不对称半桥型较之双极性电源型有很大优势，其唯一不足是所用开关器件数量多，明显增加了功率变换器的成本，经济性差。主要应用在高电压大功率而且相数较少的场合。为了保持不对称桥式变换器的优良性能，又尽量减少元件，进而出现了不少拓扑结构，在不对称半桥型的基础上作了部分改进，诸如增加电容的电容式储能变换器。用此方式来将能量从附加电容传到下一个绕组中，可以保证电容不会过放电或者是过充电，关闭电压可以得到精确控制。不足之处在于元件数量增多，控制难度较大，而且器件的设计要求达到高频，但是仅在电机绕组开通或关断时工作，造成一定的浪费。(“(8/6极)开关磁阻电动机功率电路的设计和保护”，2006.3，《微电机》)。对四相(8/6极)开关磁阻电机调速系统而言，采用双相运行时，因为其中两相间的电流一般不会重叠，因此，在传统的不对称半桥型结构中，两相一组分别可共用一只上桥臂主开关(共用一只下臂时相对需多增加两套独立的驱动电路供电电源，增加了成本)，从而减少两个主开关。如果系统采用三相交流电源供电时，由三相整流器和可控功率器件及其他相关器件组成功率开关电路。由于开关磁阻电机定子绕组的电流是单向的，功率开关元件与电机绕组相串联，这使得功率电路设计简单化，并且不会出现类似变频器的上下桥臂由于控制错误而造成直通短路的严重事故，故而开关磁阻电机调速系统的主电路具有很高的工作可靠性。

开关磁阻电机功率变换电路主开关器件的选择与电动机的功率等级、供电电压、峰值电流、成本等有关，还与主开关器件本身的开关速度、触发难易、开关损耗、抗冲击性、耐用性及市场普及性有关系。迄今为止，晶闸管(SCR)是使用时间最长、伏安容量最大的半导体器件，而且价格便宜。但是SCR无自关断能力。可关断晶闸管(GTO)具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大、浪涌能力强和价格低，同时又具有双极型功率晶闸管(GTR)的一些优点，具有自关断能力、工作频率较高，使用方便，由于给GTO提供较大的反向门极电流不是件容易的事，所以选用可关断晶闸管作为功率电路的开关并不广泛。GTR的开关频率高，具有自关断能力，在中、小容量的开关磁阻电机调速系统中得到广泛应用。但GTR输入阻抗小，要求驱动电路的功率很大。功率场效应管(MOSFET)是一种单极型的电压控制器件，驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快、无二次击穿问题、安全工作区宽、热稳定性好。适用于低电压、小功率的开关磁阻电机调速系统中。它的缺点是较GTR的通态压降大。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是80年代出现的新型复合开关元件，是MOSFET和GTR复合而成的，它综合了MOSFET和GTR的优点，具有前者的输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有后者的通态电压低、耐压高和承受大电流的特点，但大功率IGBT需要专门的驱动电路，同时还需要用户设计各种保护电路，给其应用带来诸多不便。(“开关磁阻电机功率变换器主电路拓扑的研究”，2003.6，《电机电器技术》)。

发明内容

本发明的目的是提供一种含智能功率模块的开关磁阻电机功率电路装置及实现方法，它是基于七单元IPM的(8/6极)开关磁阻电机功率电路的装置及实现方法。本发明使用的智能功率模块就是以功率器件IGBT为主体，内含电流传感器及驱动电路的集成结构，即把驱动电路和过流保护、短路保护、过热保护、欠压保护等多种保护集成在同一模块内的新型混合集成电路。IPM的集成度高，具有诸多的优点：开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单；内含的电流传感器可以高效迅速地检测出过电流和短路电流；能对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低，因此本发明具有较高的性能价格比，在开关磁阻电机调速系统中有很大的实用价值。本发明解决了功率变换器应与电机结构匹配、效率高、控制方便、结构简单等问题，并提出基于七单元IPM四相((8/6极))开关磁阻电机功率电路的设计。

本发明提供的一种开关磁阻电机功率电路装置主要包括：智能功率模块(IPM)、功率驱动电路、电流采样电路、过压、欠压检测电路、故障检测电路、数字电源部分和开关磁阻电机；其连接方式是：数字电源部分分别与IPM和功率驱动电路相连接，整流电路输出直接接到IPM的直流侧正、负电压输入端，IPM输出与故障检测电路相连，开关磁阻电机的四相和IPM相连接，各相电流与电流采样电路连接，IPM同时与过压、欠压检测电路相连。

本发明提供的一种开关磁阻电机功率电路装置主要包括：七单元智能功率模块(IPM)、功率驱动电路、电流采样电路、过压、欠压检测电路、故障检测电路、数字电源部分和开关磁阻电机；其连接方式是：数字电源部分分别与七单元IPM和功率驱动电路相连接，整流电路输出直接接到七单元IPM的直流侧正、负电压输入端，七单元IPM输出与故障检测电路相连，开关磁阻电机的A、B、C、D四相和七单元IPM相连接，各相电流与电流采样电路连接，七单元IPM同时与过压、欠压检测电路相连。

所述的开关磁阻电机的四相A、B、C分别和IPM的其中三个单元相连，D相与IPM的制动单元相连接。

所述的故障检测电路经由光耦合器与七单元IPM相连接。

所述的光耦合器是SFH6345和SFH6156。

本发明提供的一种开关磁阻电机功率电路装置的实现方法包括下述的步骤：

1)、数字电源部分分别与IPM和功率驱动电路相连接，整流电路输出直接接到IPM的直流侧正、负电压输入端；

2)、开关磁阻电机的四相A、B、C、D分别和IPM的其中三个单元及其制动单元相连接，各相电流与电流采样电路连接，IPM同时与过压、欠压检测电路相连；

3)、七单元IPM包含的部分引脚及其与开关磁阻电机A相的具体连接方式是：交流电经整流电路整流滤波后直接接到IPM直流侧正引脚P、负引脚N电压输入端，引脚VUPC和光耦合器SFH6345的发射极相连，引脚UP则和光耦合器SFH6345的集电极相连，引脚UF0接至SFH6156中发光二极管的阴极，电源信号VCC通过滤波电容接至引脚VUP1，直接将引脚U、引脚V、引脚W、引脚B分别接至开关磁阻电机的A、B、C、D四相。引脚UN、引脚VN、引脚WN分别与下桥臂相连。

本发明应用范围广泛，除可以取代已有的电气传动调速系统(如直流调速、变频调速系统)外，该开关磁阻电机调速系统还十分适用于运输车辆驱动、龙门刨床、各种机械等需要重载起动，频繁起动、正反转，长期低速运行等场合。

本发明所述的智能功率模块属于七合一封装，其内置续流二极管，具有快速的反向恢复特性，可较好地抑制电磁干扰噪声。且内部含有门极驱动控制、故障检测和多路保护电路，内部传感器用于检测功率器件IGBT的状态，内部故障保护电路用于实现过流、短路、过热、欠压等故障保护，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。当出现任何一个故障时，内部电路会封锁驱动信号并外送一个“故障”信号。与普通功率器件相比，由于IPM的开关损耗和通态损耗都比较低，使散热器尺寸减少，从而整个系统尺寸减小。在系统性能上有进一步提高，可靠性也得到了改善。

本发明所述的基于七单元IPM的开关磁阻电机功率电路所使用的光耦合器(opticalcoupler，英文缩写为OC，简称光耦)以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。本发明所用的光耦合器型号分别为：SFH6345、SFH6156。其中高速光耦SFH6345的作用是电气隔离IPM与外部电路，低速光耦SFH6156的作用是故障输出和制动输入端。

智能功率模块是异步交流电机控制常用的功率器件，产量大且成本低，本发明将七单元集成化的IPM用于开关磁阻电机调速系统中，有效地保证了功率器件的可靠性，进而提高了系统的稳定性。而市场上未能提供适用于四相(8/6极)开关磁阻电机功率电路的四相集成在一起的功率器件，因此在传统应用中，其多采用四个双单元的功率器件，这就无疑既增加了系统成本，又加大了电路体积。

本发明可组成高性能的开关磁阻电机伺服系统，并且由于智能功率模块内部连线和驱动电路的配线在设计时都做了优化，所以浪涌电压、门极振荡、噪声引起的干扰等问题能有效得到控制，极大地提高了控制系统的精度和可靠性。其突出特点是效率高、节能效果好，调速范围广，无起动冲击电流，起动转矩大，控制灵活，此外，还具有结构简单、坚固可靠，成本低等优点。

附图说明

图1：本发明的各部分整体连接框图。

图2：本发明的系统电路连接示意图。

图3：本发明所用的七单元IPM原理图。

具体实施方式

如图所示，图1为本发明的各部分整体连接框图；图2为本发明的系统电路连接示意图(仅以A相为例画出电路连接关系，略去了必要的电阻电容等元器件)；图3为本发明所用的七单元IPM原理图(仅画出本发明所用的智能功率模块其中四个单元的电路原理图)。

本发明提供的七单元IPM的(8/6极)开关磁阻电机功率电路装置主要包括：七单元IPM、功率驱动电路、电流采样电路、过压、欠压检测电路、数字电源部分和开关磁阻电机；

其整体连接方式是：数字电源部分分别与IPM和功率驱动电路相连接，整流电路输出直接接到IPM的直流侧正、负电压输入端，IPM输出与故障检测电路相连，开关磁阻电机的四相和IPM相连接，各相电流与电流采样电路连接，IPM同时与过压、欠压检测电路相连。

智能功率模块IPM的具体连接方式是：引脚21(P)、引脚20(N)为主电路的直流侧正负电压输入端，交流电经整流电路整流滤波后直接接到该端上。IPM四个单元的输入信号基本类似，仅以A相为例进行说明，其它相的具体连接方式可参见附图：光耦合器SFH6345接收来自DSP给定的PWM触发信号，引脚1(VUPC)和光耦合器SFH6345的发射极相连，引脚3(UP)则和光耦合器SFH6345的集电极相连，PWM经光耦合器隔离后，供给控制端子，进一步控制功率器件的开通和关断，引脚2(UF0)接至SFH6156中发光二极管的阴极，实现对故障信号的检测与输出，电源信号VCC通过滤波电容接至引脚4(VUP1)，为IPM供电。整个系统使用该IPM的其中三个单元及其制动单元的输出信号分别控制开关磁阻电机的A、B、C、D相，即直接将引脚23(U)、引脚24(V)、引脚25(W)、引脚22(B)引脚分别接至开关磁阻电机的四相。引脚16(UN)、引脚17(VN)、引脚18(WN)分别给下桥臂一个信号，使其强制关断。

Claims

1.一种开关磁阻电机功率电路装置，该装置主要包括智能功率模块IPM、功率驱动电路、数字电源部分和开关磁阻电机，数字电源部分分别与IPM和功率驱动电路相连接，整流电路输出直接接到IPM的直流侧正、负电压输入端，该装置还包括：电流采样电路、过压、欠压检测电路和故障检测电路；所述的IPM为七单元IPM，数字电源部分分别与七单元IPM和功率驱动电路相连接，整流电路输出直接接到七单元IPM的直流侧正、负电压输入端，七单元IPM输出与故障检测电路相连，开关磁阻电机的A、B、C、D四相和七单元IPM相连接，各相电流与电流采样电路连接，七单元IPM同时与过压、欠压检测电路相连；其特征在于：

2.按照权利要求1所述的开关磁阻电机功率电路装置，其特征在于：所述的故障检测电路经由光耦合器与七单元IPM相连接。

3.按照权利要求2所述的开关磁阻电机功率电路装置，其特征在于：所述的光耦合器是SFH6345和SFH6156。

4.一种开关磁阻电机功率电路装置的实现方法，其特征在于它包括下述的步骤：

3)、七单元IPM包含的部分引脚及其与开关磁阻电机A相的具体连接方式是：交流电经整流电路整流滤波后直接接到IPM直流侧正引脚P、负引脚N电压输入端，引脚VUPC和光耦合器SFH6345的发射极相连，引脚UP则和光耦合器SFH6345的集电极相连，引脚UFO接至SFH6156中发光二极管的阴极，电源信号VCC通过滤波电容接至引脚VUP1，直接将引脚U、引脚V、引脚W、引脚B分别接至开关磁阻电机的A、B、C、D四相；引脚UN、引脚VN、引脚WN分别与下桥臂相连。

5.权利要求1所述的开关磁阻电机功率电路装置的应用，其特征在于它应用于电气传动调速系统。