CN102332833B - 一种基于ipm的开关磁阻电机通用功率变换器 - Google Patents
一种基于ipm的开关磁阻电机通用功率变换器 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器,可解决功率变换器拓扑结构单一、适应性差问题;本发明包括整流电路、隔离式开关电源、IPM接口电路、IPM单元、电源分裂电路、IPM故障保护和报警电路;整流电路为三相桥式不可控整流电路,其输入端接电网交流电压,输出端接隔离式开关电源的输入端;隔离式开关电源输入端接整流电路的输出端,输出端接至IPM接口电路的电源输入端;IPM接口电路包括4个芯片74HC245和电容、电阻;IPM单元包括两块IPM,每块IPM由6个IGBT单元组成;电源分裂电路包括电容C1、电容C2、电阻R1、R2;IPM故障保护和报警电路包括8个芯片PC817和电容、电阻;其输入端接IPM1和IPM2输出的8路故障信号FO。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于智能功率模块IPM的通用功率变换器。
技术背景
功率变换器是开关磁阻电机调速系统(SRD)的重要组成部分,可采用绝缘栅双极型晶体管IGBT或智能功率模块IPM构成,而IGBT开关器件构成的SRM功率变换器,需针对每个开关管设计专门的驱动电路和保护电路,电路结构复杂,可靠性较差。另外,一般的SRM功率变换器只能提供一种固定拓扑结构的功率电路,当SRD系统使用环境发生变化时或对系统控制性能提出不同要求时,都要求功率电路拓扑结构做出相应变化,固定拓扑结构的功率电路无法满足上述要求。对于普通功率变换器,只能局限于某一种固定拓扑结构的功率变换器,当系统对功率电路提出不同要求时,只能更换一套新的功率变换器。
发明内容
本发明目的是克服上述已有技术的不足,提供一种可解决功率变换器拓扑结构单一、适应性差问题的基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器。
本发明包括整流电路、隔离式开关电源、IPM接口电路、IPM单元、电源分裂电路、IPM故障保护和报警电路。整流电路为三相桥式不可控整流电路,其输入端接电网交流电压,输出端接隔离式开关电源的输入端;隔离式开关电源输入端接整流电路的输出端,输出端的四路相互隔离的+15V电压分别接至IPM接口电路的电源输入端;IPM接口电路包括4个芯片74HC245和电容、电阻;芯片74HC245为具有使能控制输入端OE的4入4出总线驱动器;4个芯片HCPL4504为高速光耦,构成4路隔离电路,起到电气隔离IPM与外部电路的作用;4个HCPL4504芯片的引脚2分别接至芯片74HC245的4个输出端,引脚6分别接至IPM单元的控制输入端;其中一路隔离电路的内部结构为,引脚3通过电阻R3接地,引脚5接地,引脚8接+15V电源,引脚5和引脚8之间接去耦电容C5和滤波电容C6,引脚6通过上拉电阻R4接至+15V电源;IPM接口电路输入端接CPU发出的PWM信号,输出端接IPM单元的控制端口。IPM单元包括两块IPM,每块IPM由6个IGBT单元组成,其电源输入端接整流电路输出端,信号输入端接IPM接口电路输出端,输出端直接与电机的绕组连接。PM接口电路输出端与IPM单元控制电压输入端的连接关系取决于开关磁阻电机绕组与IPM单元U1、V1、W1、U2、V2、W2的连接形式,每个IPM模块有4路故障信号输出端FO,当IPM发生欠压、短路、过流和过热故障时,故障信号输出端FO输出低电平信号;电源分裂电路包括电容C1、电容C2、电阻R1、R2;电容C1和电容C2串联后并联在整流电路的输出端,电阻R1、R2串联后并联在整流电路的输出端,将电容C1、C2的连接点与电阻R1和电阻R2连接点连接,作为直流电压的中性点G。IPM故障保护和报警电路包括8个芯片PC817和电容、电阻;其输入端接IPM1和IPM2输出的8路故障信号FO,当8路中的1路或1路以上FO为低电平时,IPM故障保护和报警电路输出高电平,该高电平送至IPM接口电路以阻断PWM信号的传输,同时也送至CPU的PDPINTA引脚以停止PWM信号的发送;电容C1、C2和电阻R1、R2构成电源分裂电路,电容C1、C2串联后并联在整流电路的输出端,电阻R1、R2串联后并联在整流电路的输出端,将电容C1、C2的连接点与电阻R1、R2连接点连接,作为直流电压的中性点G,中性点G将整流器输出的直流电压一分为二。
整流电路将交流供电电压转换为直流电压后,向隔离式开关电源和IPM单元供电;隔离式开关电源输入为整流电路输出的直流电压,输出为四路相互隔离的+15V电压,为IPM接口电路供电;IPM接口电路输入为CPU发出的PWM信号,对PWM信号进行滤波、隔离和电平转换后,输出至IPM单元,用于控制IPM中开关管的开通和关断。
IPM单元包括两块IPM模块IPM1和IPM2,IPM1的电压输入端P1和N1并联在整流电路的输出端,IPM2的电压输入端P2和N2也并联在整流电路的输出端,C3和C4为吸收电容,用来吸收由于电感的开关瞬间产生的浪涌电压;IPM1的6个控制电压输入端UP1、VP1、WP1、UN1、VN1、WN1分别控制IPM1内部的6个开关管,IPM2的6个控制电压输入端UP2、VP2、WP2、UN2、VN2、WN2分别控制IPM2内部的6个开关管,IPM1和IPM2共12个控制电压输入端,IPM单元U1、V1、W1、U2、V2、W2端子为IPM与开关磁阻电机绕组的连接点。
IPM故障保护和报警电路的输入为8路IPM报警信号FO,分别接至8个低速光耦PC817的引脚2,PC817起到电气隔离IPM与外部电路的作用;其中一路隔离电路的内部结构为,引脚1通过上拉电阻R11接至+15V电源,引脚3接地,引脚4通过上拉电阻R12接至+5V电源;8个PC817的引脚6分别接至8输入与非门的输入端,当8路IPM报警信号FO中有1路或1路以上为低电平时,与非门输出高电平,再经R17和C13构成的低通滤波器去除高频信号干扰后,一路输出至IPM接口电路74HC245的使能输入端以阻断PWM信号的传输,另一路送至CPU的PDPINTA引脚以停止PWM信号的发送。
本发明采用模块化的系统结构,由整流电路,隔离式开关电源,IPM接口电路,IPM单元,电源分裂电路和IPM故障保护和报警电路连接成一个完整的系统。可通过切换接线端子实现不同拓扑结构形式的功率电路,适应不同相数的开关磁阻电机,通用性强。当IPM中有一部分开关管损坏时,可通过切换接线端子,利用冗余开关管使系统尽快恢复工作,提高系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的系统结构图;
图2为本发明的IPM接口电路图;
图3为是本发明的IPM故障保护和报警电路图;
图4为本发明连接为电容分裂式功率电路的原理图;
图5为本发明连接为中间型功率电路的原理图;
图6为本发明连接为双开关型功率电路的原理图;
图7为本发明连接为不对称半桥式功率电路的原理图。
具体实施方式
整流电路为桥式整流电路,其输入为电网交流电压,输出为直流电压;隔离式开关电源为IPM接口电路提供4路相互隔离的+15V控制电压;IPM接口电路用于对CPU发出的PWM控制信号进行隔离和电平转换;IPM单元是用来连接电源和绕组的开关器件,通过开通和关断开关器件,对相应绕组供电和断电,实现电机的正常运转;电源分裂电路可等分整流电路输出的直流电压;IPM故障保护和报警电路在IPM发生过流、短路、过热和欠压故障时,能及时关断IPM,保护功率变换器。
图1为本发明装置的系统结构图。整流电路将交流供电电压转换为直流电压后,向隔离式开关电源和IPM单元供电;隔离式开关电源输入为整流电路输出的直流电压,输出为四路相互隔离的+15V电压,为IPM接口电路供电;IPM接口电路输入为CPU发出的PWM信号,对PWM信号进行滤波、隔离和电平转换后,输出至IPM单元,用于控制IPM中开关管的开通和关断;IPM单元包括两块IPM模块IPM1和IPM2,IPM1的电压输入端P1和N1并联在整流电路的输出端,IPM2的电压输入端P2和N2也并联在整流电路的输出端,C3和C4为吸收电容,用来吸收由于电感的开关瞬间产生的浪涌电压;IPM1的6个控制电压输入端UP1、VP1、WP1、UN1、VN1、WN1分别控制IPM1内部的6个开关管,IPM2的6个控制电压输入端UP2、VP2、WP2、UN2、VN2、WN2分别控制IPM2内部的6个开关管,IPM1和IPM2共12个控制电压输入端,IPM单元U1、V1、W1、U2、V2、W2端子为IPM与开关磁阻电机绕组的连接点,IPM接口电路输出端与IPM单元控制电压输入端的连接关系取决于开关磁阻电机绕组与IPM单元U1、V1、W1、U2、V2、W2的连接形式,每个IPM模块有4路故障信号输出端FO,当IPM发生欠压、短路、过流和过热故障时,故障信号输出端FO输出低电平信号;IPM故障保护和报警电路其输入端接IPM1和IPM2输出的8路故障信号FO,当8路中的1路或1路以上FO为低电平时,IPM故障保护和报警电路输出高电平,该高电平送至IPM接口电路以阻断PWM信号的传输,同时也送至CPU的PDPINTA引脚以停止PWM信号的发送;电容C1、C2和电阻R1、R2构成电源分裂电路,电容C1、C2串联后并联在整流电路的输出端,电阻R1、R2串联后并联在整流电路的输出端,将电容C1、C2的连接点与电阻R1、R2连接点连接,作为直流电压的中性点G,中性点G将整流器输出的直流电压一分为二。
图2为本发明IPM接口电路图。芯片74HC245为具有使能控制输入端OE的4入4出总线驱动器;4个芯片HCPL4504为高速光耦,构成4路隔离电路,起到电气隔离IPM与外部电路的作用;4个HCPL4504芯片的引脚2分别接至芯片74HC245的4个输出端,引脚6分别接至IPM单元的控制输入端;其中一路隔离电路的内部结构为,引脚3通过电阻R3接地,引脚5接地,引脚8接+15V电源,引脚5和引脚8之间接去耦电容C5和滤波电容C6,引脚6通过上拉电阻R4接至+15V电源。
图3为本发明IPM故障保护和报警电路原理图。IPM故障保护和报警电路的输入为8路IPM报警信号FO,分别接至8个低速光耦PC817的引脚2,PC817起到电气隔离IPM与外部电路的作用;其中一路隔离电路的内部结构为,引脚1通过上拉电阻R11接至+15V电源,引脚3接地,引脚4通过上拉电阻R12接至+5V电源;8个PC817的引脚6分别接至8输入与非门的输入端,当8路IPM报警信号FO中有1路或1路以上为低电平时,与非门输出高电平,再经R17和C13构成的低通滤波器去除高频信号干扰后,一路输出至IPM接口电路74HC245的使能输入端以阻断PWM信号的传输,另一路送至CPU的PDPINTA引脚以停止PWM信号发送。
本发明可通过切换接线端子实现不同拓扑结构形式的功率电路,适应不同相数的开关磁阻电机,通用性强;当IPM中有一部分开关管损坏时,可以通过切换接线端子,利用冗余开关管使系统尽快恢复工作,提高系统的可靠性。具体实施例如下:
实施例1:图4为本发明连接为电容分裂式功率电路的原理图,该功率电路结构适用于8/6极四相开关磁阻电机。在图1中,将A相绕组一端接至U1端,将C相绕组一端接至V1端,将B相绕组一端接至U2端,将D相绕组一端接至V2端,A、B、C、D共4相绕组的另一端均接至中性点G,就构成了图4所示的电容分裂式功率电路。该电路的冗余性体现在:A相和C相绕组导通分别依靠T11和T13的导通,若T11管烧坏,可将A相绕组接至U1的端子改接至W1端子;或者若T13管烧坏,可将C相绕组接至V1的端子改接至W1端子;B相和D相绕组导通分别依靠T22和T24的导通,若T22管烧坏,可将B相绕组接至U2的端子改接至W2端子;或者若T24管烧坏,可将D相绕组接至V2的端子改接至W2端子;若IPM1中的三个上管T11、T13、T15均损坏,IPM2中的三个下管T22、T24、T26均损坏,可以对调IPM1和IPM2位置后继续使用。
实施例2:图5为本发明连接为中间型功率电路的原理图,该功率电路结构适用于6/4极3相和12/8极3相开关磁阻电机。在图1中,将A相绕组两端分别接至U1和V1端子,C相绕组两端分别接至V1和W1端子,B相绕组两端分别接至W1和U1端子,就构成了中间型功率电路。该电路的冗余性体现在:当IPM1模块损坏时,使用IPM2;图5中的6个桥臂有3个或3个以上是完好的,电路就能继续正常工作。
实施例3:图6为本发明连接为双开关型功率电路的原理图,该功率电路结构适用于8/6极四相开关磁阻电机。在图1中,将A相绕组两端分别接至U1和V1端子,C相绕组两端分别接至V1和W1端子,B相绕组两端分别接至U2和V2端子,D相绕组两端分别接至V2和W2端子,就构成了图5所示的双开关型功率电路。该电路的冗余性体现在:A相绕组导通依靠T11和T14的导通,C相绕组导通依靠T13和T16的导通,若T11和T14损坏后,可将A相绕组改接至W1和U1两端,A相绕组依靠T15和T12的导通;也可以将A相绕组改接至W1和U2两端,A相绕组依靠T15和T22的导通;还可以将A相绕组改接至W2和U1两端,A相绕组依靠T25和T12的导通;同理,B相、C相、D相的导通管损坏后,做类似处理。
实施例4:图7为本发明连接为不对称半桥式功率电路的原理图,该功率电路结构适用于6/4极3相和12/8极3相开关磁阻电机。在图1中,将A相绕组两端分别接至U1和V1,将B相绕组两端分别接至W1和U2端子,将C相绕组两端分别接至V2和W2端子,就构成了不对称半桥式功率电路。该电路的冗余性体现在:A相绕组依靠T11和T14的导通,若T11和T14损坏后,A相绕组可依靠T13和T12导通;同理B相和C相的导通管损坏后,做类似处理。
Claims (4)
1.一种基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器,其特征是包括整流电路、隔离式开关电源、IPM接口电路、IPM单元、电源分裂电路、IPM故障保护和报警电路;整流电路为三相桥式不可控整流电路,其输入端接电网交流电压,输出端接隔离式开关电源的输入端;隔离式开关电源输入端接整流电路的输出端,输出端的四路相互隔离的+15V电压分别接至IPM接口电路的电源输入端;IPM接口电路包括4个芯片74HC245和电容、电阻;芯片74HC245为具有使能控制输入端OE的4入4出总线驱动器;4个芯片HCPL4504为高速光耦,构成4路隔离电路,起到电气隔离IPM与外部电路的作用;4个HCPL4504芯片的引脚2分别接至芯片74HC245的4个输出端,引脚6分别接至IPM单元的控制输入端;其中一路隔离电路的内部结构为,引脚3通过电阻R3接地,引脚5接地,引脚8接+15V电源,引脚5和引脚8之间接去耦电容C5和滤波电容C6,引脚6通过上拉电阻R4接至+15V电源;IPM接口电路输入端接CPU发出的PWM信号,输出端接IPM单元的控制端口;IPM单元包括两块IPM,每块IPM由6个IGBT单元组成,其电源输入端接整流电路输出端,信号输入端接IPM接口电路输出端,输出端直接与电机的绕组连接;IPM接口电路输出端与IPM单元控制电压输入端的连接关系取决于开关磁阻电机绕组与IPM单元U1、V1、W1、U2、V2、W2的连接形式,每个IPM模块有4路故障信号输出端FO,当IPM发生欠压、短路、过流和过热故障时,故障信号输出端FO输出低电平信号;IPM故障保护和报警电路包括8个芯片PC817和电容、电阻;其输入端接IPM1和IPM2输出的8路故障信号FO,当8路中的1路或1路以上FO为低电平时,IPM故障保护和报警电路输出高电平,该高电平送至IPM接口电路以阻断PWM信号的传输,同时也送至CPU的PDPINTA引脚以停止PWM信号的发送;电容C1、C2和电阻R1、R2构成电源分裂电路,电容C1、C2串联后并联在整流电路的输出端,电阻R1、R2串联后并联在整流电路的输出端,将电容C1、C2的连接点与电阻R1、R2连接点连接,作为直流电压的中性点G,中性点G将整流器输出的直流电压一分为二。
2.如权利要求1所述的基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器,其特征是整流电路将交流供电电压转换为直流电压后,向隔离式开关电源和IPM单元供电;隔离式开关电源输入为整流电路输出的直流电压,输出为四路相互隔离的+15V电压,为IPM接口电路供电;IPM接口电路输入为CPU发出的PWM信号,对PWM信号进行滤波、隔离和电平转换后,输出至IPM单元,用于控制IPM中开关管的开通和关断。
3.如权利要求1所述的基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器,其特征是IPM单元包括两块IPM模块IPM1和IPM2,IPM1的电压输入端P1和N1并联在整流电路的输出端,IPM2的电压输入端P2和N2也并联在整流电路的输出端,C3和C4为吸收电容,用来吸收由于电感的开关瞬间产生的浪涌电压;IPM1的6个控制电压输入端UP1、VP1、WP1、UN1、VN1、WN1分别控制IPM1内部的6个开关管,IPM2的6个控制电压输入端UP2、VP2、WP2、UN2、VN2、WN2分别控制IPM2内部的6个开关管,IPM1和IPM2共12个控制电压输入端,IPM单元U1、V1、W1、U2、V2、W2端子为IPM与开关磁阻电机绕组的连接点。
4.如权利要求1所述的基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器,其特征是IPM故障保护和报警电路的输入为8路IPM报警信号FO,分别接至8个低速光耦PC817的引脚2,PC817起到电气隔离IPM与外部电路的作用;其中一路隔离电路的内部结构为,引脚1通过上拉电阻R11接至+15V电源,引脚3接地,引脚4通过上拉电阻R12接至+5V电源;8个PC817的引脚6分别接至8输入与非门的输入端,当8路IPM报警信号FO中有1路或1路以上为低电平时,与非门输出高电平,再经R17和C13构成的低通滤波器去除高频信号干扰后,一路输出至IPM接口电路74HC245的使能输入端以阻断PWM信号的传输,另一路送至CPU的PDPINTA引脚以停止PWM信号的发送。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20151125 |