CN110299875A - 一种基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路及控制方法，十二个MOSFET开关管，各相上、下桥臂分别由两个MOSFET开关管反向串联，组成对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路。在电动状态时和发电状态时，根据永磁无刷电机一个工作周期共有六个工作状态，分别开通桥臂上的相关MOSFET开关管，形成电流通路以及续流回路。图1为采用的本发明的拓扑结构，将永磁无刷电机的逆变器和后级的功率变换器融合在一起的控制方法，既能实现电机起动发电一体化，又可以实现对输出电压的可控整流，减小了发电系统的体积和重量，可以满足无人机供电系统对高功率密度的要求。

Description

一种基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路及控制方法

技术领域

本发明属于永磁可控发电方法，涉及一种基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路及控制方法。

背景技术

无人机领域的迅速发展对高功率密度起动发电系统产生了很大的需求。目前常用的发电方式有三级式电励磁电机发电和永磁同步电机发电两种发电方式，其中三级式发电的结构包括副励磁机，主励磁机和主发电机，缺点是结构相对复杂，体积和重量比较大。而永磁同步电机发电方式，磁场不可调节，发动机直接带动永磁同步电机发电，后级需要加入直流变换器等稳压装置，来保证输出稳定的直流电压。

现有技术中，电路存在的环流现象，降低了电机发电效率；因续流通道不顺畅造成的母线电压泵升现象。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路及控制方法，将永磁同步电机的逆变器同时作为桥式可控整流来使用，发电系统避免了后级直流变换器，减小了发电系统的体积和重量，也可以方便的实现起动发电一体化。

技术方案

一种基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路，其特征在于包括十二个MOSFET开关管；十二个MOSFET开关管组成六个桥臂，每个桥臂由两个MOSFET开关管反向串联，S极相连接；两个桥臂的D极相连接，形成三个上、下桥臂；三个上桥臂的D极与电源正极相连接，下桥臂的D极与电源负极相连接；三个上、下桥臂的中点分别与发电机的A相、B相和C相连接。

所述十二个MOSFET开关管为同一型号。

所述十二个MOSFET开关管编号为：VT1H、VT2H、VT3H、VT4H、VT5H、VT6H、VT1L、VT2L、VT3L、VT4L、VT5L、VT6L；连接关系为：

VT1H与VT1L反向串联S极相连接为第一桥臂；

VT2H与VT2L反向串联S极相连接为第二桥臂；

VT3H与VT3L反向串联S极相连接为第三桥臂；

VT4H与VT4L反向串联S极相连接为第四桥臂；

VT5H与VT5L反向串联S极相连接为第五桥臂；

VT6H与VT6L反向串联S极相连接为第六桥臂；

第一桥臂的VT1L的D极与第四桥臂的VT4H的D极相连接，并与电机的A相连接；VT1H的D极与电源正极相连接，VT4L的D极电源负极相连接；

第三桥臂的VT3L的D极与第六桥臂的VT6H的D极相连接，并与电机的B相连接；VT3H的D极与电源正极相连接，VT6L的D极电源负极相连接；

第五桥臂的VT5L的D极与第二桥臂的VT2H的D极相连接，并与电机的C相连接；VT5H的D极与电源正极相连接，VT2L的D极电源负极相连接。

一种在电动状态时利用所述基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路对永磁可控发电的控制方法，其特征在于：

[1]状态101：A→B相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT1H、VT6H、VT4L、VT2L；电流回路为U→VT1H→VD1L→ea→eb→VT6H→VD6L→U；

[2]状态001：A→C相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT1H、VT2H、VT4L、VT3L；电流回路为U→VT1H→VD1L→ea→ec→VT2H→VD2L→U；

[3]状态011：B→C相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT3H、VT2H、VT6L、VT4L；电流回路为U→VT3H→VD3L→eb→ec→VT2H→VD2L→U；

[4]状态010：B→A相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT3H、VT4H、VT6L、VT5L；电流回路为U→VT3H→VD3L→eb→ea→VT4H→VD4L→U；

[5]状态110：C→A相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT5H、VT4H、VT2L、VT6L；电流回路为U→VT5H→VD5L→ec→ea→VT4H→VD4L→U；

[6]状态100：C→B相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT5H、VT6H、VT2L、VT1L；电流回路为U→VT5H→VD5L→ec→eb→VT6H→VD6L→U。

一种在发电状态时利用所述基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路对永磁可控发电的控制方法，其特征在于：

[1]状态101：A→B相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT1L、VT6L、VT5L；电流回路为ea→VT1L→VD1H→U→VT6L→VD6H→eb；

[2]状态001：A→C相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT1L、VT2L、VT6L；电流回路为ea→VT1L→VD1H→U→VT2L→VD2H→ec；

[3]状态011：B→C相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT3L、VT2L、VT1L；电流回路为eb→VT3L→VD3H→U→VT2L→VD2H→ec；

[4]状态010：B→A相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT3L、VT4L、VT2L；电流回路为eb→VT3L→VD3H→U→VT4L→VD4H→ea；

[5]状态110：C→A相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT5L、VT4L、VT3L；电流回路为ec→VT5L→VD5H→U→VT4L→VD4H→ea；

[6]状态100：C→B相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT5L、VT6L、VT4L；电流回路为ec→VT5L→VD5H→U→VT6L→VD6H→eb。

有益效果

本发明提出的一种基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路及控制方法，十二个MOSFET开关管，各相上、下桥臂分别由两个MOSFET开关管反向串联，组成对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路。在电动状态时和发电状态时，根据永磁无刷电机一个工作周期共有六个工作状态，分别开通桥臂上的相关MOSFET开关管，形成电流通路以及续流回路。图1为采用的本发明的拓扑结构，将永磁无刷电机的逆变器和后级的功率变换器融合在一起的控制方法，既能实现电机起动发电一体化，又可以实现对输出电压的可控整流，减小了发电系统的体积和重量，可以满足无人机供电系统对高功率密度的要求。

本发明具有如下有益的技术效果：

1、本发明提出的可控整流控制方法将电机的逆变器作为可控整流器使用，避免传统永磁发电拓扑中后级的直流变换器，减小了永磁发电系统的体积和重量；

2、本发明容易实现永磁发电系统的起动发电一体化，还可以实现较宽的发电电压输出范围。

附图说明

图1逆变器对管拓扑

图2电动状态电流回路

图3传统拓扑发电等效电路

图4对管拓扑发电等效电路

图5对管拓扑发电电流回路

图6可控整流仿真结果

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明采用的技术方案是：包括十二个同一型号的MOSFET开关管；十二个MOSFET开关管组成六个桥臂，每个桥臂由两个MOSFET开关管反向串联，S极相连接；两个桥臂的D极相连接，形成三个上、下桥臂；三个上桥臂的D极与电源正极相连接，下桥臂的D极与电源负极相连接；三个上、下桥臂的中点分别与发电机的A相、B相和C相连接。

电动状态时，与传统拓扑的控制逻辑相比，需要多开通两个开关管。图2中虚线1是以永磁无刷电机作为控制对象时，假设A、C相导通时的电流回路，那么需要开通的是VT1H和VT2H，当采用上斩波控制或者由A、C导通切换到B、C导通时，需要将VT4L开通，以提供续流回路(虚线2)，其他状态类似。

发电状态时，图3和图4分别是传统拓扑和对管拓扑的等效电路。很明显，与传统拓扑相比，对管拓扑的等效电路变成了可控整流电路，即可以通过选择六个开关管的导通关断实现稳定电压的输出，只需要控制对管的下管，使用上管寄生的二极管进行整流即可，下面具体分析可控整流的控制逻辑。处于发电状态时，若A相反电势最大，C相反电势最小，那么应该控制开关管使A→C相导通，即需要开通图4中的VT1、VT2，当下一个状态是B相反电势最大，C相反电势最小到来时，需要开通的是VT3、VT2，由于A相需要续流回路，所以VT1必须仍然开通，图5中虚线是A-C导通时的电流回路。

实施例中的MOSFET开关管编号为：VT1H、VT2H、VT3H、VT4H、VT5H、VT6H、VT1L、VT2L、VT3L、VT4L、VT5L、VT6L；

具体的连接关系为：

VT1H与VT1L反向串联S极相连接为第一桥臂；

VT2H与VT2L反向串联S极相连接为第二桥臂；

VT3H与VT3L反向串联S极相连接为第三桥臂；

VT4H与VT4L反向串联S极相连接为第四桥臂；

VT5H与VT5L反向串联S极相连接为第五桥臂；

VT6H与VT6L反向串联S极相连接为第六桥臂；

第一桥臂的VT1L的D极与第四桥臂的VT4H的D极相连接，并与电机的A相连接；VT1H的D极与电源正极相连接，VT4L的D极电源负极相连接；

第三桥臂的VT3L的D极与第六桥臂的VT6H的D极相连接，并与电机的B相连接；VT3H的D极与电源正极相连接，VT6L的D极电源负极相连接；

第五桥臂的VT5L的D极与第二桥臂的VT2H的D极相连接，并与电机的C相连接；VT5H的D极与电源正极相连接，VT2L的D极电源负极相连接；

永磁无刷电机一个工作周期共有六个工作状态，分别是101，001，011，010，110，100，在每一个工作状态都需要合理控制各个开关管的开通与关断，提供电流通路以及续流回路。下面是在对管拓扑中，不同工作状态下的控制方法：

电动状态控制逻辑：

[1]状态101：A→B相导通，需要开通的开关管为：VT1H、VT6H、VT4L、VT2L；电流回路为U→VT1H→VD1L→ea→eb→VT6H→VD6L→U；

[2]状态001：A→C相导通，需要开通的开关管为：VT1H、VT2H、VT4L、VT3L；电流回路为U→VT1H→VD1L→ea→ec→VT2H→VD2L→U；

[3]状态011：B→C相导通，需要开通的开关管为：VT3H、VT2H、VT6L、VT4L；电流回路为U→VT3H→VD3L→eb→ec→VT2H→VD2L→U；

[4]状态010：B→A相导通，需要开通的开关管为：VT3H、VT4H、VT6L、VT5L；电流回路为U→VT3H→VD3L→eb→ea→VT4H→VD4L→U；

[5]状态110：C→A相导通，需要开通的开关管为：VT5H、VT4H、VT2L、VT6L；电流回路为U→VT5H→VD5L→ec→ea→VT4H→VD4L→U；

[6]状态100：C→B相导通，需要开通的开关管为：VT5H、VT6H、VT2L、VT1L；电流回路为U→VT5H→VD5L→ec→eb→VT6H→VD6L→U；

发电状态控制逻辑：

[1]状态101：A→B相导通，需要开通的开关管为：VT1L、VT6L、VT5L；电流回路为ea→VT1L→VD1H→U→VT6L→VD6H→eb；

[2]状态001：A→C相导通，需要开通的开关管为：VT1L、VT2L、VT6L；电流回路为ea→VT1L→VD1H→U→VT2L→VD2H→ec；

[3]状态011：B→C相导通，需要开通的开关管为：VT3L、VT2L、VT1L；电流回路为eb→VT3L→VD3H→U→VT2L→VD2H→ec；

[4]状态010：B→A相导通，需要开通的开关管为：VT3L、VT4L、VT2L；电流回路为eb→VT3L→VD3H→U→VT4L→VD4H→ea；

[5]状态110：C→A相导通，需要开通的开关管为：VT5L、VT4L、VT3L；电流回路为ec→VT5L→VD5H→U→VT4L→VD4H→ea；

[6]状态100：C→B相导通，需要开通的开关管为：VT5L、VT6L、VT4L；电流回路为ec→VT5L→VD5H→U→VT6L→VD6H→eb；

与传统拓扑相比，VT1L、VT3L、VT5L、VT4L、VT6L、VT2L的寄生二极管阻断了电路中存在的环流，提高了电机的效率。

通过控制VT1L、VT3L、VT5L、VT4L、VT6L、VT2L可以为电流提供安全的续流通道，防止母线电压泵升。

将VT1L、VT3L、VT5L、VT4L、VT6L、VT2L作为开关使用，将VT1H、VT3H、VT5H、VT4H、VT6H、VT2H作为二极管使用，可以实现可控发电。

将VT1H、VT3H、VT5H、VT4H、VT6H、VT2H作为开关使用，将VT1L、VT3L、VT5L、VT4L、VT6L、VT2L作为二极管使用，可以实现反相电压输出。

对本发明提出的控制方法进行了建模仿真，图6是仿真结果。图6为可控整流输出电压波形，从仿真波形中可以看出，当发电机转速发生变化时，采用提出的控制逻辑可以实现稳压输出，达到了可控整流的目的。

Claims (5)

1.一种基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路，其特征在于包括十二个MOSFET开关管；十二个MOSFET开关管组成六个桥臂，每个桥臂由两个MOSFET开关管反向串联，S极相连接；两个桥臂的D极相连接，形成三个上、下桥臂；三个上桥臂的D极与电源正极相连接，下桥臂的D极与电源负极相连接；三个上、下桥臂的中点分别与发电机的A相、B相和C相连接。

2.根据权利要求1所述基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路，其特征在于：所述十二个MOSFET开关管为同一型号。

3.根据权利要求1所述基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路，其特征在于：所述十二个MOSFET开关管编号为：VT1H、VT2H、VT3H、VT4H、VT5H、VT6H、VT1L、VT2L、VT3L、VT4L、VT5L、VT6L；连接关系为：

VT1H与VT1L反向串联S极相连接为第一桥臂；

VT2H与VT2L反向串联S极相连接为第二桥臂；

VT3H与VT3L反向串联S极相连接为第三桥臂；

VT4H与VT4L反向串联S极相连接为第四桥臂；

VT5H与VT5L反向串联S极相连接为第五桥臂；

VT6H与VT6L反向串联S极相连接为第六桥臂；

第一桥臂的VT1L的D极与第四桥臂的VT4H的D极相连接，并与电机的A相连接；VT1H的D极与电源正极相连接，VT4L的D极电源负极相连接；

第三桥臂的VT3L的D极与第六桥臂的VT6H的D极相连接，并与电机的B相连接；VT3H的D极与电源正极相连接，VT6L的D极电源负极相连接；

第五桥臂的VT5L的D极与第二桥臂的VT2H的D极相连接，并与电机的C相连接；VT5H的D极与电源正极相连接，VT2L的D极电源负极相连接。

4.一种在电动状态时利用权利要求1～3所述任一项基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路对永磁可控发电的控制方法，其特征在于：

[1]状态101：A→B相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT1H、VT6H、VT4L、VT2L；电流回路为U→VT1H→VD1L→ea→eb→VT6H→VD6L→U；

[2]状态001：A→C相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT1H、VT2H、VT4L、VT3L；电流回路为U→VT1H→VD1L→ea→ec→VT2H→VD2L→U；

[3]状态011：B→C相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT3H、VT2H、VT6L、VT4L；电流回路为U→VT3H→VD3L→eb→ec→VT2H→VD2L→U；

[4]状态010：B→A相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT3H、VT4H、VT6L、VT5L；电流回路为U→VT3H→VD3L→eb→ea→VT4H→VD4L→U；

[5]状态110：C→A相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT5H、VT4H、VT2L、VT6L；电流回路为U→VT5H→VD5L→ec→ea→VT4H→VD4L→U；

[6]状态100：C→B相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT5H、VT6H、VT2L、VT1L；电流回路为U→VT5H→VD5L→ec→eb→VT6H→VD6L→U。

5.一种在发电状态时利用权利要求1～3所述任一项基于对管拓扑的永磁可控发电拓扑电路对永磁可控发电的控制方法，其特征在于：

[1]状态101：A→B相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT1L、VT6L、VT5L；电流回路为ea→VT1L→VD1H→U→VT6L→VD6H→eb；

[2]状态001：A→C相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT1L、VT2L、VT6L；电流回路为ea→VT1L→VD1H→U→VT2L→VD2H→ec；

[3]状态011：B→C相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT3L、VT2L、VT1L；电流回路为eb→VT3L→VD3H→U→VT2L→VD2H→ec；

[4]状态010：B→A相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT3L、VT4L、VT2L；电流回路为eb→VT3L→VD3H→U→VT4L→VD4H→ea；

[5]状态110：C→A相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT5L、VT4L、VT3L；电流回路为ec→VT5L→VD5H→U→VT4L→VD4H→ea；

[6]状态100：C→B相导通，需要开通的MOSFET开关管为：VT5L、VT6L、VT4L；电流回路为ec→VT5L→VD5H→U→VT6L→VD6H→eb。