CN104967374B - 一种无刷直流电机驱动器拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无刷直流电机驱动控制技术领域，具体为一种无刷直流电机驱动器拓扑结构及其控制方法，其能够满足当前高电压、高速、高效运行电机驱动系统的要求，提高运行效率，成本低，其包括无刷直流电机，所述无刷直流电机通过驱动变换器连接电源，其特征在于，所述驱动变换器的一个桥臂的一只功率晶体管为MOSFET、另一只功率晶体管为三个IGBT，采用PWM‑ON控制模式或ON‑PWM控制模式满足高速应用场合电流控制需求的高开关频率要求。

Description

一种无刷直流电机驱动器拓扑结构及其控制方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机驱动控制技术领域，具体为一种无刷直流电机驱动器拓扑结构及其控制方法。

背景技术

随着稀土永磁电机的技术的逐渐成熟，无刷直流电机作为一种结构简单、控制技术成熟，并且运行效率较高的无刷结构电机，逐渐开始成为驱动应用领域替代传统的有刷直流电机、异步电机等驱动应用的场合的高效能电机，尤其在一些转速要求要求较高，并且供电电源电压较高的应用场合，如工业驱动应用领域、航空高速电机驱动场合，传统的有刷直流电机难以满足高速应用场合，异步电机驱动系统虽然结合变换器能够实现有效的驱动控制，但是在高速应用场合，高转速对变频器的控制系统提出了严格的要求，异步电机矢量控制、直接转矩控制由于复杂程度较高，导致高速应用场合难以获得良好的驱动应用效果。

无刷直流电机作为一种结构、控制方式简单，并且运行效率高的永磁结构形式电机，随着稀土永磁体价格的逐渐趋于稳定，其高效、可靠的运行特性尤其适合与高速、高压运行场合。然而，传统的高速、高压运行场合，通常采用IGBT拓扑构成变换器拓扑，以耐受系统的高工作电压要求，但是高压IGBT的固有的开关频率的限制，使得无刷直流电机在高速应用场合，由于开关频率的限定，导致电流闭环控制难以达到所需的效果，直接使其输出转矩脉动较大，影响输出特性；采用MOSFET替代IGBT存在高压MOSFET的价格成本较高，并且器件的选择余地较小的问题，虽然MOSFET可以通过开关频率的提高，有效控制电机电流，改善电机驱动应用效果，但是由于MOSFET体二极管的反向恢复特性较差，无刷直流电机需要通过该二极管进行续流，由于其反向恢复速度比较低，反向恢复电荷也较大，不仅导致二极管的开关损耗增加，降低系统的效率，也会在反向恢复过程中产生电压尖峰，影响功率MOSFET的安全工作 ，因此MOSFET构成的变换器应用无刷直流电机驱动过程中通常为满足续流过程快速性等需求，需要在MOSFET的基础上，并联同等功率等级的快恢复二极管，或者增加额外的装置进行续流电流的切换和由此产生的电压尖峰的吸收电路，这些都使得系统变换器的复杂程度增加，并且增加了系统的体积、重量和成本。

专利号为ZL200680027846.8的专利“逆变器装置和循环冷冻装置”给出了一种通过IGBT和MOSFET组合的电机驱动变换器拓扑，通过对MOSFET配备额外的反向电压施加电路，以抑制电机驱动系统中导通逻辑切换过程中在MOSFET中产生反向电流，其目的在于通过IGBT和MOSFET的组合，在低载条件下，利用MOSFET的低损耗特性，提高系统的运行效率，在高负载条件下，增加IGBT的导通时间比率，以平衡功率器件的损耗，目标使得由IGBT和MOSFET组成的变换器，在各种负载条件下损耗最小，以谋求系统效率的提高。即该专利是利用MOSFET和IGBT在开关条件下的损耗差异，组合构成电机驱动变换器拓扑，通过增加反向电压施加电路降低MOSFET的损耗特性，并结合IGBT和MOSFET的导通时间，平衡变换器的损耗，以提高变换器系统的运行效率。虽然专利也涉及到无刷直流电机的驱动系统，但是变换器的控制方式没有与无刷直流电机固有的导通逻辑、续流特性相联系，并且没有考虑MOSFET、IGBT器件中寄生二极管的特性差异，其中MOSFET的体二极管的特性较差，存在明显的反向恢复特性问题，导致其构成的变换器在管子在开关过程，由于无刷直流电机的续流特性存在明显的电压尖峰，尤其在高电压应用场合，对MOSFET存在电压击穿的危险，而IGBT的体二极管通常为快恢复二极管，在无刷直流电机续流过程中具有良好的开关特性，但是IGBT存在的开关频率的限定又使其难以满足高速运行条件下，无刷直流电机的电流控制需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种无刷直流电机驱动器拓扑结构及其控制方法，其能够满足当前高电压、高速、高效运行电机驱动系统的要求，提高运行效率，成本低。

其技术方案是这样的：一种无刷直流电机驱动器拓扑结构，其包括无刷直流电机，所述无刷直流电机通过驱动变换器连接电源，其特征在于，所述驱动变换器的一个桥臂的一只功率晶体管为MOSFET、另一只功率晶体管为三个IGBT。

其进一步特征在于，所述上臂功率晶体管为三个MOSFET、下臂功率晶体管为三个IGBT，形成上管MOSFET下管IGBT的三相桥式拓扑结构；

所述上臂功率晶体管为三个IGBT、下臂功率晶体管为三个MOSFET形成上管IGBT下管MOSFET的三相桥式拓扑结构；

一种无刷直流电机驱动器拓扑结构控制方法，其特征在于，无刷直流电机的驱动变换器的上臂由三个MOSFET、下臂由三个IGBT组成，采用PWM-ON控制模式，上臂的三个MOSFET采用PWM控制方式，对高速运行条件下的无刷直流电机进行电流闭环斩波控制，下臂的三个IGBT采用常通ON模式，不工作在斩波状态，根据无刷直流电机的导通逻辑开通和关断，处于低频运行条件。

一种无刷直流电机驱动器拓扑结构控制方法，其特征在于，无刷直流电机的驱动变换器的上臂由三个IGBT、下臂由三个MOSFET组成，采用ON-PWM控制模式，上臂的三个IGBT根据无刷直流电机的导通逻辑开通和关断，处于低频运行条件，下臂的三个MOSEFT采用PWM控制方式，对高速条件下的无刷直流电机的电流进行闭环PWM控制。

采用本发明的拓扑结构和控制方法后，采用一个臂的一只功率晶体管为MOSFET、另一只功率晶体管为IGBT的三相桥式变换器拓扑结构，无需增加额外的器件，使得结构更加紧凑，MOSFET器件与IGBT器件共同配合实现使得驱动变换器既能够满足高速应用场合电流控制需求的高开关频率要求，又无需增加额外的功率器件而增加系统成本，并且采用合适的开关方式以提高无刷直流电机驱动系统的运行效率，满足当前高电压、高速、高效运行电机驱动系统的要求。

附图说明

图1上管MOSFET下管IGBT的三相桥式拓扑结构；

图2上管IGBT下管MOSFET的三相桥式拓扑结构；

图3上管MOSFET下管IGBT的三相桥式拓扑结构PWM-ON开通模式示意图；

图4上管MOSFET下管IGBT的三相桥式拓扑结构PWM-ON续流模式示意图；

图5上管IGBT下管MOSFET的三相桥式拓扑结构PWM-ON开通模式示意图；

图6上管IGBT下管MOSFET的三相桥式拓扑结构PWM-ON续流模式示意图。

具体实施方式

见图1所示，上臂功率晶体管为三个MOSFET、下臂功率晶体管为三个IGBT形成上管MOSFET下管IGBT的三相桥式拓扑结构，三个MOSFET分别为晶体管T1、晶体管T3、晶体管T5，三个IGBT对应分别为晶体管T4、晶体管T6、晶体管T2，图中二极管均为其自带的体二极管，上臂的晶体管T1、晶体管T3、晶体管T5工作于斩波状态，下臂的晶体管T1、晶体管T3、晶体管T5根据无刷直流电机的换向逻辑工作于常通状态，在开关周期中，上臂的MOSFET关断时通过下臂的IGBT的寄生快恢复二极管进行续流，续流电流不流经上臂的MOSEFT，因此上臂的MOSFET无需额外并联快恢复二极管器件，驱动变换器拓扑结构较为简单。

见图2所示，上臂功率晶体管为三个IGBT、下臂功率晶体管为三个MOSFET形成上管IGBT下管MOSFET的三相桥式拓扑结构，此时三个IGBT分别为晶体管T1、晶体管T3、晶体管T5，以及其寄生二极管，三个MOSFET对应分别为晶体管T4、晶体管T6、晶体管T2，图中二极管为其自带的体二极管，此时上臂的IGBT根据无刷直流电机的换向逻辑工作于常通状态，下臂的MOSFET工作于斩波状态，在开关周期中，下臂的MOSEFT关断，通过上臂IGBT的寄生二极管进行续流，续流电流不流经下臂的MOSEFT，因此下臂的MOSFET也无需并联快恢复二极管，类似地，驱动变换器拓扑结构也较为简单。

无刷直流电机驱动器拓扑结构控制方法具体实施步骤以上管MOSFET下管IGBT的三相桥式拓扑结构的PWM-ON控制模式为例具体说明：

图3为所示，采用PWM-ON控制模式的开通模式，根据无刷直流电机的换向导通模式T1、T6——T5、T6——T4、T5——T3、T4——T2、T3——T1、T2——T1、T6……，此时为T1、T6导通模式，晶体管T1工作于高频PWM模式，利用MOSFET的高频开关特性，可以有效提高PWM的斩波频率，使得高速运行条件下，在一个电流周期内具备足够的开关次数，以实现对绕组电流的有效控制。例如两对极电机，在12000r/min条件下，电流周期为400Hz，采用传统的IGBT器件，受限于其20kHz的开关频率，在该转速下，对于无刷直流电机，其一个周期内电流斩波次数最多为50次，对应半周期电流来说斩波次数约为16次，相电流将存在较为明显的纹波，并且随着转速继续上升，如24000r/min条件下，无刷直流电机的绕组电流在半个周期内仅斩波8次左右，很难实现对电机绕组电流的有效控制，将导致明显的电流纹波，使得电机输出存在明显的稳态转矩脉动，影响其高速运行条件下的驱动特性。

如图4所示，采用PWM-ON控制方式下的关断模式，晶体管T1关断，晶体管T6继续导通，无刷直流电机绕组电流通过变换器的A相桥臂的晶体管T4的寄生二极管进行续流，该寄生二极管能够有效降低换相过程中由于不存在采用MOSFET时由于下管体二极管的反向恢复特性引起的电压尖峰，并且无需并联额外的反并二极管，使得驱动变换器的拓扑结构较为紧凑。

在上管MOSFET下管IGBT的三相桥式拓扑中，晶体管T1采用PWM控制方式，由于MOSFET自身的开关频率特性，其高频开关过程中开关损耗相对较低，并且晶体管T6工作于常通状态，不存在开关损耗，常通状态下的IGBT损耗也较低，即该变换器拓扑结合PWM-ON开通方式能够有效降低变换器的损耗，实现无刷直流电机驱动的高效驱动运行。在上臂的MOSFET斩波过程中，T1、T6导通模式中，晶体管T1关断后，晶体管T4的寄生二极管续流，晶体管T1再开通时，晶体管T4的寄生二极管续流电流换流，由于该二极管具备快恢复特性，反向电流值很小，使得晶体管T4的电压尖峰值很小，能够适应高电压场合。但是如果下臂为MOSFET的话，由于其体二极管反向恢复时间比较长，恢复电荷比较大，将导致现在为晶体管T4处的MOSFET产生明显的电压尖峰，限制了在高电压场合的应用，因此通过MOSFET和IGBT的组合式拓扑，能够有效解决高压电压尖峰存在的问题，适应高电压应用场合的需求。

对应上管IGBT下管MOSFET的三相桥式拓扑结合ON-PWM导通模式，类似的对下臂的MOSFET采用PWM控制方式，上臂的IGBT根据导通逻辑进行开通，如图5，图6所示，也能够实现无刷直流电机在高电压条件下的高速、高效运行。

Claims (2)

1.一种无刷直流电机驱动器拓扑结构控制方法，其特征在于，无刷直流电机的驱动变换器的上臂由三个MOSFET、下臂由三个IGBT组成，采用PWM-ON控制模式，上臂的三个MOSFET采用PWM控制方式，对高速运行条件下的无刷直流电机进行电流闭环斩波控制，下臂的三个IGBT采用常通ON模式，不工作在斩波状态，根据无刷直流电机的导通逻辑开通和关断，处于低频运行条件。

2.权利要求1所述的一种无刷直流电机驱动器拓扑结构控制方法，其特征在于，无刷直流电机的驱动变换器的上臂由三个IGBT、下臂由三个MOSFET组成，采用ON-PWM控制模式，上臂的三个IGBT根据无刷直流电机的导通逻辑开通和关断，处于低频运行条件，下臂的三个MOSEFT采用PWM控制方式，对高速条件下的无刷直流电机的电流进行闭环PWM控制。