CN105450141A - 交流电机驱动装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种交流电机驱动装置及驱动方法。所述交流电机驱动装置包括：整流电路，所述整流电路包括多个二极管，用于将交流输入电压整流成脉动直流电压；以及开关电路，所述开关电路包括多个晶体管，用于将脉动直流电压转变成交流输出电压，其中，所述多个晶体管中的至少一个晶体管从整流电路获得控制信号，实现工频周期内交替导通或关断。该交流电机驱动装置可以利用整流电路提供至少一个晶体管的控制信号以获得交流输出电压，从而简化驱动电路。在优选的实施例中，利用开关或者另一个晶体管进行斩波，从而实现无级调速。

Description

交流电机驱动装置及其驱动方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术，更具体地，涉及交流电机驱动装置及其驱动方法。

背景技术

交流电机是在交流电压驱动下运转的旋转电磁机械，用于实现电能和机械能之间的转换。交流电机的结构简单、输出功率大、工作可靠，广泛地应用于机械制造和家用电器中。例如，交流电机是风扇、风机、水泵等电器的主要动力源。

现有的交流电机驱动装置不仅提供交流电机所需的驱动信号，而且包括调速和保护功能。在风扇等应用中，无级调速可以获得更好的用户体验。现有的调速方法包括串联电感调速、电机绕组内部抽头调速、交流晶闸管调速及变频调速。通过改变驱动信号的电压、电流和频率等，可以实现交流电机的调速，使得交流电机的转速与负载匹配最佳化，从而实现高使用性能。

然而，上述的调速方法使用附加的电路元件(例如串联电感)，或者改变电机内部的结构(例如电机绕组抽头)，或者改变交流电机驱动装置的驱动方法(例如变频)。在串联电感调速中，电感的体积较大且对电机的功率因数有较大的影响。在交流晶闸管调节中，交流晶闸管在工作时产生较大的噪声，而且运行不平衡。电机绕组抽头调速的成本低，在应用中使用较多。在电机绕组中不可能设置大量的抽头，因而电机绕组抽头调速不能实现无级调速。交流电机变频调速可以实现无级调速且节能高效，由于交流电机驱动装置的电路复杂化和高成本，限制了变频调速的广泛应用。

因此，期望进一步改进交流电机驱动装置以实现无级调速并且降低成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种交流电机驱动装置及其驱动方法，该驱动装置利用交流输入信号产生开关控制信号，从而可以简化电路结构，实现电机的斩波控制，实现无级调速。

根据本发明的一方面，提供一种交流电机驱动装置，包括：整流电路，所述整流电路包括多个二极管，用于将交流输入电压整流成脉动直流电压；以及开关电路，所述开关电路包括多个晶体管，用于将脉动直流电压转变成交流输出电压，其中，所述多个晶体管中的至少一个晶体管从整流电路从整流电路获得控制信号，实现工频周期内交替导通或关断。

优选地，所述整流电路的所述多个二极管组成全桥整流电路，包括连接至外部交流电源的第一输入端和第二输入端，以及提供脉动直流电压的第一输出端和第二输出端。

优选地，所述开关电路的所述多个晶体管组成第一支路和第二支路，所述第一支路和所述第二支路并联连接在所述整流电路的第一输出端和第二输出端之间，所述第一支路包括彼此互补类型且串联连接的第一晶体管和第二晶体管，并且所述第一晶体管和所述第二晶体管之间的第一节点连接至所述开关电路的第一输出端，所述第二支路包括彼此互补类型且串联连接的第三晶体管和第四晶体管，并且所述第三晶体管和所述第四晶体管之间的第二节点连接至所述开关电路的第二输出端。

优选地，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管分别包括第一端、第二端和控制端，使得相应的晶体管根据控制端的控制信号导通或断开，并且在导通状态下电流从第一端流向第二端。

优选地，所述第一晶体管的第一端连接至所述整流电路的第一输出端，所述第二晶体管的第二端连接至所述整流电路的第二输出端，所述第一晶体管的第二端连接至所述第二晶体管的第一端，所述第三晶体管的第一端连接至所述整流电路的第一输出端，所述第四晶体管的第二端连接至所述整流电路的第二输出端，所述第三晶体管的第二端连接至所述第四晶体管的第一端。

优选地，所述多个晶体管中的所述至少两个晶体管各自的控制端连接至所述整流电路的第一输入端和第二输入端之一，使得所述至少两个晶体管在交流输入电压的正半周期或负半周期中的一个半周期期间正向偏置而导通，在另一个半周期期间反向偏置而断开。

优选地，所述交流电机驱动装置还包括至少两个电阻，所述至少两个晶体管各自的控制端分别经由所述至少两个电阻中相应的电阻连接至所述整流电路的第一输入端和第二输入端之一，以获取所述控制信号。

优选地，所述交流电机驱动装置还包括至少两个二极管，所述至少两个晶体管各自的控制端分别经由所述至少两个电阻中相应的电阻和所述至少两个二极管中相应的二极管连接至所述整流电路的第一输入端和第二输入端之一，以获取所述控制信号。

优选地，所述第一晶体管和所述第三晶体管分别为PNP三极管和NPN三极管中的一个，所述第二晶体管和所述第四晶体管分别为PNP三极管和NPN三极管中的另一个。

优选地，所述PNP三极管和所述NPN三极管分别为达林顿管。

优选地，所述多个晶体管中的至少另一个晶体管从外部获得PWM信号，从而对所述交流输出电压进行斩波。

优选地，所述至少另一个晶体管在交流输入电压的正半周期或负半周期中的一个半周期期间周期性导通，在另一个半周期期间始终断开。

优选地，所述多个晶体管中的所述至少另一个晶体管选自金属氧化物半导体场将效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管之一。

优选地，所述交流电机驱动装置还包括开关，所述开关连接在所述整流电路的第一输出端和第二输出端之一和所述第一支路的相应一端之间。

优选地，所述开关从外部获得PWM信号，从而对所述交流输出电压进行斩波。

根据本发明的另一方面，提供一种交流电机驱动方法，包括：采用整流电路将交流输入电压整流成脉动直流电压；采用开关电路将脉动直流电压转变成交流输出电压，其中，所述开关电路包括多个晶体管，并且从所述整流电路获得控制信号以控制所述多个晶体管中的至少两个晶体管的导通或断开。

优选地，所述整流电路包括多个二极管，所述至少一个晶体管利用所述多个二极管中的至少两个二极管在导通状态的压降正向偏置而导通。

优选地，所述至少两个晶体管在交流输入电压的正半周期或负半周期中的一个半周期期间正向偏置而导通，在另一个半周期期间反向偏置而断开。

优选地，所述多个晶体管中的至少另一个晶体管从外部获得PWM信号，从而对所述交流输出电压进行斩波。

优选地，所述至少另一个晶体管在交流输入电压的正半周期或负半周期中的一个半周期期间周期性导通，在另一个半周期期间始终断开。

优选地，所述开关电路包括开关，经由开关所向所述多个晶体管提供脉动直流电压，所述开关从外部获得PWM信号，从而对所述交流输出电压进行斩波。

该交流电机驱动装置可以利用整流电路提供至少一个晶体管的控制信号以改变电流流动路径，从而周期性改变交流输出电压的极性。由于利用整流电路的信号作为控制信号，因此可以减少晶体管的外部PWM信号的数量。开关电路中的四个开关管仅仅需要2路或更少的PWM信号，从而简化驱动电路。

进一步地，该交流电机驱动装置的开关电路直接以脉动直流电压作为输入电压，从而可以省去母线电容，降低的系统成本，更提高的系统的可靠性和寿命。

在优选的实施例中，该交流电机驱动装置利用开关或者另一个晶体管进行斩波，从而实现无级调速。

与单相交流电机的传统串联电感调速、电动机绕组内部抽头调速、交流晶闸管调速等相比，本方案通过可控开关管的驱动信号可以实现连续、无极调节，所以可以实现电机端电压的连续、无极调节，最终使电机达到无极调速的效果。在风扇等应用场合，无极调速可以给用户带来更好的体验。此外本方案具有更稳定的调速效果。且由于可控开关的开关频率较高，不产生人耳可听范围内的噪音，具有更好的静音运行效果。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据本发明的交流电机驱动装置的示意性框图。

图2示出根据本发明的第一实施例的交流电机驱动装置的电路图。

图3示出根据本发明的第二实施例的交流电机驱动装置的电路图。

图4示出根据本发明的第三实施例的交流电机驱动装置的电路图。

图5示出根据本发明的第一至第三实施例的交流电机驱动装置的波形图。

图6示出根据本发明的第四实施例的交流电机驱动装置的电路图。

图7示出根据本发明的第五实施例的交流电机驱动装置的电路图。

图8示出根据本发明的第四和第五实施例的交流电机驱动装置的波形图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出根据本发明的交流电机驱动装置的示意性框图。该交流电机驱动装置包括整流电路200和开关电路300。外部的交流电源100与整流电路200之间经由火线L和零线N相连接。交流电源100例如是220V的供电电网。整流电路200从交流电源100接收交流输入电压Vac，经整流后提供直流母线电压Vdc。开关电路300进一步将直流母线电压Vdc转换成交流驱动电压Vout，从而驱动电机M运行。

如图1所示，该交流电机驱动装置省去了母线电容。参见图5所示的波形图，供电电网提供的交流输出电压Vac通常是正弦波，经过整流后的直流母线电压Vdc为脉动直流电压，作为开关电路300的输入电压。该交流电机驱动装置无需利用母线电容进行滤波以获得平直的直流电压。

进一步地，开关电路300利用交流输入电压Vac控制电流流动路径的切换，从而与交流输入电压Vac同步地产生交流驱动电压Vout。在交流电源100为供电电网时，交流输入电压Vac和交流驱动电压Vout均为工频周期。在每个工频周期内，开关电路300进行高频斩波，从而改变交流输出电压Vout的有效值。通过高频斩波实现电机M的无级调速。

图2示出根据本发明的第一实施例的交流电机驱动装置的电路图。该交流电机驱动装置包括整流电路200和开关电路300。

整流电路200的两个输入端经由火线L和零线N连接至外部的交流电源100，两个输出端连接至开关电路300。在图2所示的实例中，整流电路200为第一至第四二极管D1至D4组成的全桥整流电路。第一二极管D1和第二二极管D2、以及第三二极管D3和第四二极管D4分别串联连接在整流电路200的第一输出端和第二输出端之间。整流电路200的第一输入端是第一二极管D1和第二二极管D2的中间节点，该第一输入端连接至火线L。整流电路200的第二输入端是第三二极管D3和第四二极管D4的中间节点，该第二输入端连接至零线N。

在整流电路200的工作期间，在交流输入电压Vin的正半周期内，第一二极管D1和第四二极管D4导通，在交流输入电压Vin的负半周期内，第二二极管D2和第三二极管D3导通，使得电流始终从整流电路200的第一输出端流向第二输出端，从而产生脉动直流电压，作为直流母线电压Vdc。

开关电路300的第一输入端和第二输入端分别连接整流电路200的第一输出端和第二输出端，从而接收直流母线电压Vdc。开关电路300的第三输入端和第四输入端分别连接整流电路200的第二输入端。开关电路300的第一输出端和第二输出端之间与交流电机M连接，从而向后者提供交流驱动电压Vdc。

开关电路300包括第一至第四晶体管Q1至Q4、第一和第二电阻R1和R2、以及第五和第六二极管D5和D6。第一晶体管Q1和第二晶体管Q2串联连接在开关电路300的第一输入端和第二输入端之间，从而形成开关电路的第一支路。第三晶体管Q3和第四晶体管Q4串联连接在开关电路300的第一输入端和第二输入端之间，从而形成开关电路的第二支路。

在该实施例中，第一晶体管Q1为PNP三极管，第二晶体管Q2为NPN三极管。例如，前述三极管可以为达林顿管。第一晶体管Q1的发射极连接至开关电路300的第一输入端，基极经由第一电阻R1连接至整流电路200的第二输入端。第二晶体管Q2的发射极连接至开关电路300的第二输入端，基极经由第二电阻R2连接至整流电路200的第二输入端。第一晶体管Q1的集电极与第二晶体管Q2的集电极连接至公共的第一节点，作为开关电路300的第一输出端。

在该实施例中，第三晶体管Q3和第四晶体管Q4为任意类型的开关管。例如，前述开关管可以为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。第三晶体管Q3的第一端连接至开关电路300的第一输入端，控制端接收PWM信号Vctrl1。第四晶体管Q4的第一端连接至开关电路300的第二输入端，控制端接收PWM信号Vctrl2。第三晶体管Q2的第二端与第四晶体管Q4的第二端连接至公共的第二节点，作为开关电路300的第二输出端。

在该实施例中，第五二极管D5反向并联在第三晶体管Q3的第一端和第二端之间，第六二极管D6反向并联在和第四晶体管Q4的第一端和第二端之间。第五二极管D5和第六二极管D6作为续流二极管，用于在晶体管断开时提供反向电流的泄放路径，从而保护晶体管。在替代的实施例中，开关电路300中的续流二极管D5、D6可以是晶体管Q3、Q4的寄生二极管。

在开关电路300的工作期间，开关电路300利用交流输入电压Vac控制电流流动路径的切换，从而将直流母线电压Vdc转换成交流驱动电压Vout，并且利用PWM信号Vctrl1和Vctrl2进行斩波。如图5所示，第三晶体管Q3仅在交流输入电压Vin的负半周期导通，第四晶体管Q4仅在交流输入电压Vin的正半周期导通，从而四个晶体管协同控制电流流动路径。

在交流输入电压Vin的正半周期内，整流电路200中的第一二极管D1和第四二极管D4导通。由于第一二极管D1和第四二极管D4在导通状态的压降，第一晶体管Q1的发射极和基极之间正向偏置，从而自动导通。同时，第二晶体管Q2的基极和发射极之间反向偏置，从而自动断开。因此，在交流输入电压Vin的正半周期内，交流电机驱动装置中的电流依次流经第一二极管D1、第一晶体管Q1、外部的交流电机M、第四晶体管Q4、以及第四二极管D4，从而形成交流驱动电压Vout的正半周期的波形。

在交流输入电压Vin的负半周期内，整流电路200中的第三二极管D3和第二二极管D2导通。由于第三二极管D3和第二二极管D2在导通状态的压降，第二晶体管Q2的基极和发射极之间正向偏置，从而自动导通。同时，第二晶体管Q1的发射极和基极之间反向偏置，从而自动断开。因此，在交流输入电压Vin的负半周期内，交流电机驱动装置中的电流依次流经第三二极管D3、第二晶体管Q2、外部的交流电机M、第三晶体管Q3、以及第二二极管D2，从而形成交流驱动电压Vout的负半周期的波形。

由于第一晶体管Q1和第二晶体管Q2在交流输入电压Vin的工频周期内的自动导通和断开，用于驱动交流电机M的交流驱动电压Vout与外部交流电源100提供的交流输入电压Vin基本上是同步的。

进一步地，在交流输入电压Vin的半工频周期期间，第三晶体管Q3和第四晶体管Q4在PWM信号Vctrl1和Vctrl2的控制下周期性导通和断开，从而对交流驱动电压Vout进行斩波。PWM信号Vctrl1和Vctrl2例如是具有占空比的方波信号，经过斩波的交流驱动电压Vout并非完整的正弦波，而是在PWM信号Vctrl1和Vctrl2的低电平期间幅值为零的修正正弦波，如图5所示。

在该实施例中，通过改变PWM信号Vctrl1和Vctrl2的占空比，就可以改变交流输出电压Vout的有效值，从而实现电机M的无级调速。

图3示出根据本发明的第二实施例的交流电机驱动装置的电路图。该交流电机驱动装置包括整流电路200和开关电路400。在第二实施例中使用的整流电路200与第一实施例相同，因此不再详述。

开关电路400的第一输入端和第二输入端分别连接整流电路200的第一输出端和第二输出端，从而接收直流母线电压Vdc。开关电路400的第三输入端和第四输入端分别连接整流电路200的第一输入端和第二输入端。开关电路400的第一输出端和第二输出端之间与交流电机M连接，从而向后者提供交流驱动电压Vdc。

开关电路400包括第一至第四晶体管Q1至Q4、第一和第二电阻R1和R2、以及第五和第六二极管D5和D6。第一晶体管Q1和第三晶体管Q3串联连接在开关电路400的第一输入端和第二输入端之间，从而形成开关电路的第一支路。第二晶体管Q2和第四晶体管Q4串联连接在开关电路400的第一输入端和第二输入端之间，从而形成开关电路的第二支路。

在该实施例中，第一晶体管Q1为PNP三极管，第二晶体管Q2为PNP三极管。例如，前述三极管可以为达林顿管。第一晶体管Q1的发射极连接至开关电路400的第一输入端，基极经由第一电阻R1连接至整流电路200的第二输入端。第二晶体管Q2的发射极连接至开关电路400的第一输入端，基极经由第二电阻R2连接至整流电路200的第一输入端。

在该实施例中，第三晶体管Q3和第四晶体管Q4为任意类型的开关管。例如，前述开关管可以为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。第三晶体管Q3的第一端与第一晶体管Q1的集电极连接至公开的第一节点，作为开关电路400的第一输出端。第三晶体管Q3的第二端连接至开关电路400的第二输入端，控制端接收PWM信号Vctrl1。第四晶体管Q4的第一端与第二晶体管Q2的集电极连接至公开的第二节点，作为开关电路400的第二输出端。第四晶体管Q4的第二端连接至开关电路400的第二输入端，控制端接收PWM信号Vctrl2。

在该实施例中，第五二极管D5反向并联在第一晶体管Q1的第一端和第二端之间，第六二极管D6反向并联在和第二晶体管Q2的第一端和第二端之间。第五二极管D5和第六二极管D6作为续流二极管，用于在晶体管断开时提供反向电流的泄放路径，从而保护晶体管。在替代的实施例中，开关电路400中的续流二极管D5、D6可以是晶体管Q1、Q2的寄生二极管。

在开关电路400的工作期间，开关电路400利用交流输入电压Vac控制电流流动路径的切换，从而将直流母线电压Vdc转换成交流驱动电压Vout，并且利用PWM信号Vctrl1和Vctrl2进行斩波。如图5所示，第三晶体管Q3仅在交流输入电压Vin的负半周期导通，第四晶体管Q4仅在交流输入电压Vin的正半周期导通，从而四个晶体管协同控制电流流动路径。

在交流输入电压Vin的正半周期内，整流电路200中的第一二极管D1和第四二极管D4导通。由于第一二极管D1和第四二极管D4在导通状态的压降，第一晶体管Q1的发射极和基极之间正向偏置，从而自动导通。同时，第二晶体管Q2的发射极和基极之间反向偏置，从而自动断开。因此，在交流输入电压Vin的正半周期内，交流电机驱动装置中的电流依次流经第一二极管D1、第一晶体管Q1、外部的交流电机M、第四晶体管Q4、以及第四二极管D4，从而形成交流驱动电压Vout的正半周期的波形。

在交流输入电压Vin的负半周期内，整流电路200中的第三二极管D3和第二二极管D2导通。由于第三二极管D3和第二二极管D2在导通状态的压降，第二晶体管Q2的发射极和基极之间正向偏置，从而自动导通。同时，第一晶体管Q1的发射极和基极之间反向偏置，从而自动断开。因此，在交流输入电压Vin的正半周期内，交流电机驱动装置中的电流依次流经第三二极管D3、第二晶体管Q2、外部的交流电机M、第三晶体管Q3、以及第二二极管D2，从而形成交流驱动电压Vout的正半周期的波形。

由于第一晶体管Q1和第二晶体管Q2在交流输入电压Vin的工频周期内的自动导通和断开，用于驱动交流电机M的交流驱动电压Vout与外部交流电源100提供的交流输入电压Vin基本上是同步的。

进一步地，在交流输入电压Vin的半工频周期期间，第三晶体管Q3和第四晶体管Q4在PWM信号Vctrl1和Vctrl2的控制下周期性导通和断开，从而对交流驱动电压Vout进行斩波。PWM信号Vctrl1和Vctrl2例如是具有占空比的方波信号，经过斩波的交流驱动电压Vout并非完整的正弦波，而是在PWM信号Vctrl1和Vctrl2的低电平期间幅值为零的修正正弦波，如图5所示。

在该实施例中，通过改变PWM信号Vctrl1和Vctrl2的占空比，就可以改变交流输出电压Vout的有效值，从而实现电机M的无级调速。

图4示出根据本发明的第三实施例的交流电机驱动装置的电路图。该交流电机驱动装置包括整流电路200和开关电路500。在第三实施例中使用的整流电路200与第一实施例相同，因此不再详述。

开关电路500的第一输入端和第二输入端分别连接整流电路200的第一输出端和第二输出端，从而接收直流母线电压Vdc。开关电路500的第三输入端和第四输入端分别连接整流电路200的第一输入端和第二输入端。开关电路500的第一输出端和第二输出端之间与交流电机M连接，从而向后者提供交流驱动电压Vdc。

开关电路500包括第一至第四晶体管Q1至Q4、第一和第二电阻R1和R2、以及第五和第六二极管D5和D6。第三晶体管Q3和第一晶体管Q1串联连接在开关电路500的第一输入端和第二输入端之间，从而形成开关电路的第一支路。第四晶体管Q4和第二晶体管Q2串联连接在开关电路500的第一输入端和第二输入端之间，从而形成开关电路的第二支路。

在该实施例中，第一晶体管Q1为NPN三极管，第二晶体管Q2为NPN三极管。例如，前述三极管可以为达林顿管。第一晶体管Q1的发射极连接至开关电路500的第二输入端，基极经由第一电阻R1连接至整流电路200的第二输入端。第二晶体管Q2的发射极连接至开关电路500的第二输入端，基极经由第二电阻R2连接至整流电路200的第一输入端。

在该实施例中，第三晶体管Q3和第四晶体管Q4为任意类型的开关管。例如，前述开关管可以为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。第三晶体管Q3的第二端与第一晶体管Q1的集电极连接至公开的第一节点，作为开关电路500的第一输出端。第三晶体管Q3的第一端连接至开关电路500的第二输入端，控制端接收PWM信号Vctrl2。第四晶体管Q4的第二端与第二晶体管Q2的集电极连接至公开的第二节点，作为开关电路500的第二输出端。第四晶体管Q4的第一端连接至开关电路500的第二输入端，控制端接收PWM信号Vctrl1。

在该实施例中，第五二极管D5反向并联在第一晶体管Q1的第一端和第二端之间，第六二极管D6反向并联在和第二晶体管Q2的第一端和第二端之间。第五二极管D5和第六二极管D6作为续流二极管，用于在晶体管断开时提供反向电流的泄放路径，从而保护晶体管。在替代的实施例中，开关电路500中的续流二极管D5、D6可以是晶体管Q1、Q2的寄生二极管。

在开关电路500的工作期间，开关电路500利用交流输入电压Vac控制电流流动路径的切换，从而将直流母线电压Vdc转换成交流驱动电压Vout，并且利用PWM信号Vctrl1和Vctrl2进行斩波。如图5所示，第三晶体管Q3仅在交流输入电压Vin的正半周期导通，第四晶体管Q4仅在交流输入电压Vin的负半周期导通，从而四个晶体管协同控制电流流动路径。

在交流输入电压Vin的正半周期内，整流电路200中的第一二极管D1和第四二极管D4导通。由于第一二极管D1和第四二极管D4在导通状态的压降，第二晶体管Q2的基极和发射极之间正向偏置，从而自动导通。同时，第一晶体管Q1的基极和发射极之间反向偏置，从而自动断开。因此，在交流输入电压Vin的正半周期内，交流电机驱动装置中的电流依次流经第一二极管D1、第三晶体管Q3、外部的交流电机M、第二晶体管Q2、以及第四二极管D4，从而形成交流驱动电压Vout的正半周期的波形。

在交流输入电压Vin的负半周期内，整流电路200中的第三二极管D3和第二二极管D2导通。由于第三二极管D3和第二二极管D2在导通状态的压降，第一晶体管Q1的基极和发射极之间正向偏置，从而自动导通。同时，第二晶体管Q2的基极和发射极之间反向偏置，从而自动断开。因此，在交流输入电压Vin的正半周期内，交流电机驱动装置中的电流依次流经第三二极管D3、第四晶体管Q4、外部的交流电机M、第一晶体管Q1、以及第二二极管D2，从而形成交流驱动电压Vout的正半周期的波形。

由于第一晶体管Q1和第二晶体管Q2在交流输入电压Vin的工频周期内的自动导通和断开，用于驱动交流电机M的交流驱动电压Vout与外部交流电源100提供的交流输入电压Vin基本上是同步的。

进一步地，在交流输入电压Vin的半工频周期期间，第三晶体管Q3和第四晶体管Q4在PWM信号Vctrl1和Vctrl2的控制下周期性导通和断开，从而对交流驱动电压Vout进行斩波。PWM信号Vctrl1和Vctrl2例如是具有占空比的方波信号，经过斩波的交流驱动电压Vout并非完整的正弦波，而是在PWM信号Vctrl1和Vctrl2的低电平期间幅值为零的修正正弦波，如图5所示。

在该实施例中，通过改变PWM信号Vctrl1和Vctrl2的占空比，就可以改变交流输出电压Vout的有效值，从而实现电机M的无级调速。

图6示出根据本发明的第四实施例的交流电机驱动装置的电路图。该交流电机驱动装置包括整流电路200和开关电路600。

整流电路200的两个输入端经由火线L和零线N连接至外部的交流电源100，两个输出端连接至开关电路600。在图6所示的实例中，整流电路200为第一至第四二极管D1至D4组成的全桥整流电路。第一二极管D1和第二二极管D2、以及第三二极管D3和第四二极管D4分别串联连接在整流电路200的第一输出端和第二输出端之间。整流电路200的第一输入端是第一二极管D1和第二二极管D2的中间节点，该第一输入端连接至火线L。整流电路200的第二输入端是第三二极管D3和第四二极管D4的中间节点，该第二输入端连接至零线N。

在整流电路200的工作期间，在交流输入电压Vin的正半周期内，第一二极管D1和第四二极管D4导通，在交流输入电压Vin的负半周期内，第二二极管D2和第三二极管D3导通，使得电流始终从整流电路200的第一输出端流向第二输出端，从而产生脉动直流电压，作为直流母线电压Vdc。

开关电路600的第一输入端和第二输入端分别连接整流电路200的第一输出端和第二输出端，从而接收直流母线电压Vdc。开关电路600的第三输入端和第四输入端分别连接整流电路200的第二输入端。开关电路600的第一输出端和第二输出端之间与交流电机M连接，从而向后者提供交流驱动电压Vdc。

开关电路600包括开关K1、第一至第四晶体管Q1至Q4、第一至第四电阻R1至R4。开关K1的第一端连接至开关电路600的第一输入端。第一晶体管Q1和第二晶体管Q2串联连接在开关K1的第二端和开关电路600的第二输入端之间，从而形成开关电路的第一支路。第三晶体管Q3和第四晶体管Q4串联连接在开关K1的第二端和开关电路600的第二输入端之间，从而形成开关电路的第二支路。

在该实施例中，第一晶体管Q1和第三晶体管Q3为PNP三极管，第二晶体管Q2和第四晶体管Q4为NPN三极管。例如，前述三极管可以为达林顿管。第一晶体管Q1的发射极连接至开关K1的第二端，基极经由第一电阻R1连接至整流电路200的第二输入端。第二晶体管Q2的发射极连接至开关电路600的第二输入端，基极经由第二电阻R2连接至整流电路200的第二输入端。第三晶体管Q3的发射极连接至开关K1的第二端，基极经由第三电阻R3连接至整流电路200的第一输入端。第四晶体管Q4的发射极连接至开关电路600的第二输入端，基极经由第四电阻R4连接至整流电路200的第一输入端。第一晶体管Q1的集电极与第二晶体管Q2的集电极连接至公共的第一节点，作为开关电路600的第一输出端。第三晶体管Q3的集电极与第四晶体管Q4的集电极连接至公共的第二节点，作为开关电路600的第二输出端。

在该实施例中，开关K1可以为任意类型的开关管。例如，前述开关管可以为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。开关K1的控制端接收PWM信号Vctrl0。

在该实施例中，第五二极管D5反向并联在第一晶体管Q1的第一端和第二端之间，第六二极管D6反向并联在和第三晶体管Q3的第一端和第二端之间。第五二极管D5和第六二极管D6作为续流二极管，用于在晶体管断开时提供反向电流的泄放路径，从而保护晶体管。在替代的实施例中，开关电路600中的续流二极管D5、D6可以是晶体管Q1、Q3的寄生二极管。

在开关电路600的工作期间，开关电路600利用交流输入电压Vac控制电流流动路径的切换，从而四个晶体管协同控制电流流动路径，将直流母线电压Vdc转换成交流驱动电压Vout，并且利用PWM信号Vctrl0进行斩波。如图8所示，开关K1在交流输入电压Vin的正半周期和负半周期均进行斩波。

在交流输入电压Vin的正半周期内，整流电路200中的第一二极管D1和第四二极管D4导通。由于第一二极管D1和第四二极管D4在导通状态的压降，第一晶体管Q1的发射极和基极之间正向偏置，第四晶体管Q4的基极和发射极之间正向偏置，从而自动导通。同时，第二晶体管Q2的基极和发射极之间反向偏置，第三晶体管Q3的发射极和基极之间反向偏置，从而自动断开。因此，在交流输入电压Vin的正半周期内，交流电机驱动装置中的电流依次流经第一二极管D1、第一晶体管Q1、外部的交流电机M、第四晶体管Q4、以及第四二极管D4，从而形成交流驱动电压Vout的正半周期的波形。

在交流输入电压Vin的负半周期内，整流电路200中的第三二极管D3和第二二极管D2导通。由于第三二极管D3和第二二极管D2在导通状态的压降，第三晶体管Q3的发射极和基极之间正向偏置，第二晶体管Q2的基极和发射极之间正向偏置，从而自动导通。同时，第四晶体管Q4的基极和发射极之间反向偏置，第一晶体管Q1的发射极和基极之间反向偏置，从而自动断开。因此，在交流输入电压Vin的负半周期内，交流电机驱动装置中的电流依次流经第三二极管D3、第二晶体管Q2、外部的交流电机M、第三晶体管Q3、以及第二二极管D2，从而形成交流驱动电压Vout的负半周期的波形。

由于第一至第二晶体管Q1至Q4在交流输入电压Vin的工频周期内的自动导通和断开，用于驱动交流电机M的交流驱动电压Vout与外部交流电源100提供的交流输入电压Vin基本上是同步的。

进一步地，在交流输入电压Vin的半工频周期期间，开关K1在PWM信号Vctrl0的控制下周期性导通和断开，从而对交流驱动电压Vout进行斩波。PWM信号Vctrl0例如是具有占空比的方波信号，经过斩波的交流驱动电压Vout并非完整的正弦波，而是在PWM信号Vctrl0的低电平期间幅值为零的修正正弦波，如图8所示。

在该实施例中，通过改变PWM信号Vctrl0的占空比，就可以改变交流输出电压Vout的有效值，从而实现电机M的无级调速。

图7示出根据本发明的第五实施例的交流电机驱动装置的电路图。根据第五实施例的交流电机驱动装置与根据第四实施例的交流电机驱动装置的电路结构和工作波形基本相同，区别仅在于开关K1的第一端连接至开关电路600的第二输入端，在此不再详述。

在上述交流电极驱动装置的各个实施例中，描述了开关电路包括并联连接的第一支路和第二支路，每个支路包括串联连接的两个互补类型的晶体管，其发射极分别连接高电位端和低电位端，其集电极彼此连接，用于连接高电位端的晶体管为PNP型晶体管，用于连接低电位端的晶体管为NPN型晶体管。在替代的实施例中，在每个支路中，可以互换两个晶体管的位置，使得用于连接高电位端的晶体管为NPN型晶体管，用于连接低电位端的晶体管为PNP型晶体管，其集电极分别连接高电位端和低电位端，其发射极彼此连接。

此外，在上述的实施例中，描述了所述多个晶体管中的至少两个晶体管各自的控制端连接至所述整流电路的第一输入端和第二输入端之一，使得所述至少两个晶体管在交流输入电压的正半周期或负半周期中的一个半周期期间正向偏置而导通，在另一个半周期期间反向偏置而断开。所述至少两个晶体管经由各自的控制端连接的电阻从整流电源获取控制信号。在替代的实施例中，所述至少两个晶体管经由各自的控制端连接的电阻和附加二极管从整流电源获取控制信号。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (21)

1.一种交流电机驱动装置，包括：

整流电路，所述整流电路包括多个二极管，用于将交流输入电压整流成脉动直流电压；以及

开关电路，所述开关电路包括多个晶体管，用于将脉动直流电压转变成交流输出电压，

其中，所述多个晶体管中的至少两个晶体管从整流电路从整流电路获得控制信号，实现工频周期内交替导通或关断。

2.根据权利要求1所述的交流电机驱动装置，其中，所述整流电路的所述多个二极管组成全桥整流电路，包括连接至外部交流电源的第一输入端和第二输入端，以及提供脉动直流电压的第一输出端和第二输出端。

3.根据权利要求2所述的交流电机驱动装置，其中，所述开关电路的所述多个晶体管组成第一支路和第二支路，所述第一支路和所述第二支路并联连接在所述整流电路的第一输出端和第二输出端之间，

所述第一支路包括彼此互补类型且串联连接的第一晶体管和第二晶体管，并且所述第一晶体管和所述第二晶体管之间的第一节点连接至所述开关电路的第一输出端，

所述第二支路包括彼此互补类型且串联连接的第三晶体管和第四晶体管，并且所述第三晶体管和所述第四晶体管之间的第二节点连接至所述开关电路的第二输出端。

4.根据权利要求3所述的交流电机驱动装置，其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管分别包括第一端、第二端和控制端，使得相应的晶体管根据控制端的控制信号导通或断开，并且在导通状态下电流从第一端流向第二端。

5.根据权利要求4所述的交流电机驱动装置，其中，所述第一晶体管的第一端连接至所述整流电路的第一输出端，所述第二晶体管的第二端连接至所述整流电路的第二输出端，所述第一晶体管的第二端连接至所述第二晶体管的第一端，

所述第三晶体管的第一端连接至所述整流电路的第一输出端，所述第四晶体管的第二端连接至所述整流电路的第二输出端，所述第三晶体管的第二端连接至所述第四晶体管的第一端。

6.根据权利要求4所述的交流电机驱动装置，其中，所述多个晶体管中的所述至少两个晶体管各自的控制端连接至所述整流电路的第一输入端和第二输入端之一，使得所述至少两个晶体管在交流输入电压的正半周期或负半周期中的一个半周期期间正向偏置而导通，在另一个半周期期间反向偏置而断开。

7.根据权利要求6所述的交流电机驱动装置，还包括至少两个电阻，所述至少两个晶体管各自的控制端分别经由所述至少两个电阻中相应的电阻连接至所述整流电路的第一输入端和第二输入端之一，以获取所述控制信号。

8.根据权利要求7所述的交流电机驱动装置，还包括至少两个二极管，所述至少两个晶体管各自的控制端分别经由所述至少两个电阻中相应的电阻和所述至少两个二极管中相应的二极管连接至所述整流电路的第一输入端和第二输入端之一，以获取所述控制信号。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的交流电机驱动装置，其中，所述第一晶体管和所述第三晶体管分别为PNP三极管和NPN三极管中的一个，所述第二晶体管和所述第四晶体管分别为PNP三极管和NPN三极管中的另一个。

10.根据权利要求9所述的交流电机驱动装置，其中，所述PNP三极管和所述NPN三极管分别为达林顿管。

11.根据权利要求3所述的交流电机驱动装置，其中，所述多个晶体管中的至少另一个晶体管从外部获得PWM信号，从而对所述交流输出电压进行斩波。

12.根据权利要求11所述的交流电机驱动装置，其中，所述至少另一个晶体管在交流输入电压的正半周期或负半周期中的一个半周期期间周期性导通，在另一个半周期期间始终断开。

13.根据权利要求11和12中任一项所述的交流电机驱动装置，其中，所述多个晶体管中的所述至少另一个晶体管选自金属氧化物半导体场将效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管之一。

14.根据权利要求3所述的交流电机驱动装置，还包括开关，所述开关连接在所述整流电路的第一输出端和第二输出端之一和所述第一支路的相应一端之间。

15.根据权利要求14所述的交流电机驱动装置，其中，所述开关从外部获得PWM信号，从而对所述交流输出电压进行斩波。

16.一种交流电机驱动方法，包括：

采用整流电路将交流输入电压整流成脉动直流电压；

采用开关电路将脉动直流电压转变成交流输出电压，

其中，所述开关电路包括多个晶体管，并且从所述整流电路获得控制信号以控制所述多个晶体管中的至少两个晶体管的导通或断开。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述整流电路包括多个二极管，所述至少两个晶体管利用所述多个二极管中的至少一个二极管在导通状态的压降正向偏置而导通。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述至少两个晶体管在交流输入电压的正半周期或负半周期中的一个半周期期间正向偏置而导通，在另一个半周期期间反向偏置而断开。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多个晶体管中的至少另一个晶体管从外部获得PWM信号，从而对所述交流输出电压进行斩波。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述至少另一个晶体管在交流输入电压的正半周期或负半周期中的一个半周期期间周期性导通，在另一个半周期期间始终断开。

21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述开关电路包括开关，经由开关所向所述多个晶体管提供脉动直流电压，所述开关从外部获得PWM信号，从而对所述交流输出电压进行斩波。