CN103441662A - 一种用于开关磁阻电机的准谐振软开关功率变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于开关磁阻电机的准谐振软开关功率变换器，在传统的不对称半桥功率变换器与直流电源之间添加谐振辅助电路，用控制电路控制不对称半桥功率变换器和谐振辅助电路，控制辅助开关及不对称半桥功率变换器中功率开关器件的导通与关断。本发明谐振时间较短，且只用一个电感，谐振单元消耗的能量较小；不对称半桥功率变换器主开关操作为零电压开关，谐振单元辅助开关器件的操作为零电压开关或零电流开关，克服了电磁干扰问题，降低了开关损耗，提高了不对称功率变换器的运行效率；使开关器件可以运行在更高的开关频率，有利于提高电机功率密度；谐振网络无谐振阀值的限值。

Description

一种用于开关磁阻电机的准谐振软开关功率变换器
技术领域
本发明涉及一种开关变换电路，尤其是用于开关磁阻电机的开关变换电路。
背景技术
开关磁阻电机（SRM）由于其起动转矩大、调速范围宽、控制灵活、适应恶劣环境以及成本较低等优良性能，在多电飞机、电动汽车、风力发电等军民用领域具有广阔的应用空间和巨大的发展潜力。同时，出色的高速性能，使得SRM常被用于高速驱动(比如机床主轴驱动)，随着功率器件开关频率的增加，SRM驱动器的开关损耗和电磁干扰也会增大，从而使系统效率降低，整体性能下降。同时，高的开关损耗会导致功率器件温升增大、寿命缩短甚至烧毁，严重威胁SRM驱动系统的安全运行。软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一。该技术通过在驱动电路中加入辅助器件，利用谐振原理以减小功率器件的电压与电流的重叠区域，从而降低开关损耗，抑制硬开关造成的电磁干扰。软开关在开关电源、无刷直流电机、异步电机等领域已达到较高的发展水平，先后出现了辅助谐振环流极，辅助准谐振直流环，有源钳位直流环等典型的拓扑结构，但由于开关磁阻电机与上述电机的电流变换规律有较大的差别，妨碍了其软开关拓扑结构在开关磁阻电机上的运用。随着开关磁阻电机的不断发展，也逐渐有适用于其功率变换器的软开关。文献“Development of an improvedswitched reluctance motor drive using a soft-switching converter”的电路，谐振电感位于母线上，电源提供的能量均通过该电感，使电感本身的容量、体积和损耗都比较大。文献“Development of a high-efficiency switched reluctance drive using soft-switchingtechniques”提出的电路只能实现相开关的零电压开通，由于相绕组上产生的反电势使开关上关断时的电压不能为零，无法实现软关断。文献“simulation study of resonant DClink inverter for current controlled switched reluctance motors”提出的方案只适合于单开关型SRD变换器，当电机低速运行时会产生较大的转矩脉动与噪声。文献“Acapacitor-boosted soft-switched switched-reluctance motor drive”提出的电路在谐振回路中加入了变压器，增大了电路体积与损耗。文献“一种新型开关磁阻电机软开关功率变换器的研究”提出的电路只能实现不对称半桥结构上的开关的软开通与关断，并不能实现所有辅助开关的软开通与关断。
发明内容
为了克服现有软开关技术难以应用于开关磁阻电机、不对称半桥功率变换器功率密度低等不足，本发明提供一种能够实现不对称半桥功率器件软开关操作的电路，以降低开关磁阻电机中功率器件的开关损耗和电应力、抑制由硬开关引起的电磁干扰。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明包括一个直流电源、一个控制电路、一个不对称半桥功率变换器和一个谐振辅助电路；
本发明所述的直流电源是将交流电整流为直流电的整流电源或者电池串并联产生的直流电源；
本发明所述的不对称半桥功率变换器是连接直流电源和电动机绕组的功率开关部件；
本发明在传统的不对称半桥功率变换器与直流电源之间添加谐振辅助电路，谐振辅助电路包括一号辅助开关VT1、二号辅助开关VT2和三号辅助开关VT3，一号二极管Dc、二号二极管Df和三号二极管Dr，一号到六号电容c1～c6和七号电容cr，电感Lr；其中一号辅助开关VT1位于直流母线上，一号辅助开关VT1的一端接直流电源Ed的正端，另一端与七号电容Cr的一端相连；七号电容Cr的另一端与直流母线的负端相连；二号辅助开关VT2与电感Lr串联之后再与七号电容Cr并联；一号二极管Dc与一号辅助开关VT1并联，一号二极管Dc阳极与三号辅助开关VT3的一端相连，一号二极管Dc的阴极与直流电源Ed的正极相连；三号辅助开关VT3的另一端与二号二极管Df的阳极相连，二号二极管Df的阴极与直流电源Ed的负极相连，三号二极管Dr阳极与直流母线负端相连，阴极与直流母线正端相连；不对称半桥功率变换器中的每个功率开关器件V1～V6上分别并联一号到六号电容C1～C6；
本发明所述的控制电路控制不对称半桥功率变换器和谐振辅助电路，控制辅助开关及不对称半桥功率变换器中功率开关器件的导通与关断。
本发明所述的不对称半桥功率变换器中的功率开关器件V1～V6的关断均采用零电压关断。
本发明所述的不对称半桥功率变换器和辅助谐振电路中的功率开关器件均为绝缘栅双极型晶体管。
本发明所述的不对称半桥功率变换器中的二极管以及谐振辅助电路中的二极管均使用快恢复二极管或高频二极管，反向恢复时间trr≤5μs。
本发明的有益效果是：①谐振时间较短，且只用一个电感，谐振单元消耗的能量较小；②不对称半桥功率变换器主开关操作为零电压开关(ZVS)，谐振单元辅助开关器件的操作为零电压开关(ZVS)或零电流开关（ZCS），克服了电磁干扰（EMI）问题，降低了开关损耗，提高了不对称功率变换器的运行效率；③使开关器件可以运行在更高的开关频率，有利于提高电机功率密度；④谐振网络无谐振阀值的限值。
附图说明
图1是本发明所述功率变换器电路。
图2是本发明所述功率变换器电路的时序波形。
图3是本发明所述功率变换器电路的谐振动作模式电路，(a)是模式a的电路图，(b)是模式b的电路图，(c)是模式c的电路图，(d)是模式d的电路图，(e)是模式e的电路图，(f)是模式f的电路图。
图中，1-直流电源，2-谐振辅助电路，3-不对称半桥功率变换器，4-控制电路，Ed--直流电源电压，VT1、VT2、VT3--辅助单元功率开关器件，dVT1、dVT2、dVT3--辅助单元功率开关器件的驱动信号，UVT1、UVT2、UVT3--辅助单元功率开关器件的端电压，IVT1、IVT2、1VT3--辅助单元功率开关器件的电流，V1、V2、V3、V4、V5、V6--不对称半桥功率变换器功率开关器件，dV1、dV2、dV3、dV4、dV5、dV6--不对称半桥功率变换器功率开关器件的驱动信号，UV4--开关V4的端电压，Iv4--V4的电流，Cr--谐振电容，Ucr--电容Cr的端电压，Lr--谐振电感，Dr、Dc、Df--二极管，RA、RB、RC--电机相绕组电阻；t0～t6--不同模式的起止时间点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明如图1所示，提供了一种新型开关磁阻电机软开关不对称半桥功率变换器，包括一个直流电源、一个控制电路、一个不对称半桥功率变换器和一个谐振辅助电路。
本发明所述的直流电源是将交流电整流为直流电的整流电源或者电池串并联产生的直流电源；
本发明所述的不对称半桥功率变换器是连接直流电源和电动机绕组的功率开关部件。
本发明在传统的不对称半桥功率变换器与直流电源之间添加谐振辅助电路，谐振辅助电路包括一号辅助开关VT1、二号辅助开关VT2和三号辅助开关VT3，一号二极管Dc、二号二极管Df和三号二极管Dr，一号到六号电容Cl～C6和七号电容Cr，电感Lr；其中一号辅助开关VT1位于直流母线上，一号辅助开关VT1的一端接直流电源Ed的正端，另一端与七号电容Cr的一端相连；七号电容Cr的另一端与直流母线的负端相连；二号辅助开关VT2与电感Lr串联之后再与七号电容Cr并联；一号二极管Dc与一号辅助开关VT1并联，一号二极管Dc阳极与三号辅助开关VT3的一端相连，一号二极管Dc的阴极与直流电源Ed的正极相连；三号辅助开关VT3的另一端与二号二极管Df的阳极相连，二号二极管Df的阴极与直流电源Ed的负极相连，三号二极管Dr阳极与直流母线负端相连，阴极与直流母线正端相连；不对称半桥功率变换器中的每个功率开关器件V1～V6上分别并联一号到六号电容C1～C6。
为了说明本发明辅助电路的工作原理，假定与不对称半桥中功率开关器件V1、V2连接的绕组LA为当前导通绕组，以下工作原理分析基于绕组LA与绕组LB的换向过程分析。开关器件动作的时序图如图2所示。A相绕组上开关V1、V2导通，电源给绕组供电，电容Cr上的电压维持在Ed，关断开关VT1，由于电容Cr上的电压等于电源电压，开关VT1实现了ZVS关断。VT1开关过程结束后，电容Cr给绕组LA放电，直到电压降到零，此时开通VT3、V3、V4由于母线电压为零，此时VT3、V3、V4均为ZVS开通。控制电路4输出开关器件VT2的驱动信号dVT2，由于电感Lr的作用，功率开关器件VT2为ZCS开通，电感Lr电流上升导致通过开关VT3的电流下降到零，此时关断VT3，为ZCS关断。同时关断VT2，由于电容电压为零，因此为ZVS关断。电容Cr与电机绕组LA谐振，使得电容Cr两端的电压上升到Ed，开通VT1，电源开始给B相绕组供电，完成了一次开关磁阻电机的换向过程。
开关磁阻电机采用角度位置(APC)方式控制时，同一相绕组的上下桥臂上的开关同时开通与关断，不对称半桥功率变换器中的每个功率开关器件上分别并联了一个电容，即C1～C6，由于电容电压不能突变，所以不对称半桥功率变换器中的功率开关器件V1～V6在任何时候关断均为零电压关断。
本发明所述的不对称半桥功率变换器和辅助谐振电路中的功率开关器件均为绝缘栅双极型晶体管，是一种全控型器件，开关电路完全由控制电路直接控制，无需增加开通或关断辅助电路。
下面分析图1的开关动作，它由6个工作模式组成，图3给出了不对称半桥功率变换器在电机换向期间的等效电路。
模式a[t0～t1]
在t=t0时与绕组LA相连的开关V1、V2与母线开关VT1处于导通状态，电源Wd通过路径(Ed+)→VT1→V1→LA→RA→V2→（Ed-)，给绕组LA供电。
模式b[t1～t2]
在t＝t1时刻关断VT1，因为此时UCr＝Ed，所以VT1两端电压为0，为ZVS软关断，此时电容Cr与绕组LA谐振，直到UCr＝0，二极管Dr导通。
模式c[t2～t3]
在t＝t2时刻UCr＝0，导通VT3、V3、V4，由于母线电压为零，此时VT3、V3、V4均为ZVS开通。关断V1、V2，由于电容C1、C2的作用，开关两端的电压不能突变，V1、V2实现了ZVS关断。电流IVT3开始上升。
模式d[t3～t4]
在t3时刻，开通VT2，由于电感Lr的作用，通过开关的电流不能突变，功率开关器件VT2为ZCS开通。绕组A通过电感Lr续流，电流IVT2开始上升，电流IVT3开始下降直到IVT3＝0。
模式e[t4～t5]
在t4时刻，关断VT3，由于IVT3＝0，实现了ZCS关断。同时关断VT2，由于电容电压为0，因此为ZVS关断。同时绕组LA与电容Cr谐振，电容Cr两端电压开始上升，直到UCr＝Ed。
模式f[t5～t6]
在t5开通VT1，由于电容Cr两端电压等于电源电压，开关VT1两端电压为零，实现了ZVS开通。VT1开通后，电源通过路径(Ed+)→VT3→V3→LB→RB→V4→(Ed-)给B相绕组供电，完成了一次换相过程。

Claims (4)

1.一种用于开关磁阻电机的准谐振软开关功率变换器，包括一个直流电源、一个控制电路、一个不对称半桥功率变换器和一个谐振辅助电路，其特征在于：
所述的直流电源是将交流电整流为直流电的整流电源或者电池串并联产生的直流电源；
所述的不对称半桥功率变换器是连接直流电源和电动机绕组的功率开关部件；
本发明在传统的不对称半桥功率变换器与直流电源之间添加谐振辅助电路，谐振辅助电路包括一号辅助开关VT1、二号辅助开关VT2和三号辅助开关VT3，一号二极管Dc、二号二极管Df和三号二极管Dr，一号到六号电容C1～C6和七号电容Cr，电感Lr；其中一号辅助开关VT1位于直流母线上，一号辅助开关VT1的一端接直流电源Ed的正端，另一端与七号电容Cr的一端相连；七号电容Cr的另一端与直流母线的负端相连；二号辅助开关CT2与电感Lr串联之后再与七号电容Cr并联；一号二极管Dc与一号辅助开关VT1并联，一号二极管Dc阳极与三号辅助开关VT3的一端相连，一号二极管Dc的阴极与直流电源Ed的正极相连；三号辅助开关VT3的另一端与二号二极管Df的阳极相连，二号二极管Df的阴极与直流电源Ed的负极相连，三号二极管Dr阳极与直流母线负端相连，阴极与直流母线正端相连；不对称半桥功率变换器中的每个功率开关器件V1～V6上分别并联一号到六号电容C1～C6；
本发明所述的控制电路控制不对称半桥功率变换器和谐振辅助电路，控制辅助开关及不对称半桥功率变换器中功率开关器件的导通与关断。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的准谐振软开关功率变换器，其特征在于：所述的不对称半桥功率变换器中的功率开关器件V1～V6的关断均采用零电压关断。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的准谐振软开关功率变换器，其特征在于：所述的不对称半桥功率变换器和辅助谐振电路中的功率开关器件均为绝缘栅双极型晶体管。
4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的准谐振软开关功率变换器，其特征在于：所述的不对称半桥功率变换器中的二极管以及谐振辅助电路中的二极管均使用快恢复二极管或高频二极管，反向恢复时间trr≤5μs。
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