CN110336497B - 直流起动发电一体化功率变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种直流起动发电一体化功率变换器及其控制方法，该功率变换器用一套三相桥电路实现起动模式下的逆变和发电模式下的整流双功能。逆变工作方式下，三相变换器MosFET根据控制逻辑正常开关控制；在整流工作方式下，根据检测的电机电枢电压和电流，判定体二极管导通状态，控制三相变换器MosFET的开关逻辑，开通MosFET替代体二极管实现整流功能，利用MosFET导通阻抗小的特点，替代传统整流方式下的二极管，提高直流起动发电系统的一体化变换器的效率。

Description

直流起动发电一体化功率变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种直流起动发电一体化功率变换器及其开关控制策略，属于直流起动发电机控制领域。
背景技术
飞机、汽车发动机在投入运行前，需用起动机起动。实现起动的方案有多种，如液压起动、冷气起动和电起动等。其中液压和冷气起动都存在着设备复杂、受环境影响大等缺点，电起动发展迅速。
由于有刷直流电机具有发展早、技术成熟的优点，大量使用在飞机和汽车上。但是有刷电机存在机械寿命短，需要定期清洗电刷和换向器、定期维护等缺点，电机的无刷化成为主流。
大部分起动发动机用的电机和发电用的电机是分开的，需要两台电机分别实现起动和发电功能。随着技术的进步和发展，越来越多的做法是将起动用的电机和发电用的电机合二为一，构成起动发电双功能电机。
由此发展了直流无刷起动发电机。直流无刷起动发电机的电机本体是交流电机，当电机作为起动机工作时，需要逆变器将电网中的直流电逆变为三相交流电控制电机工作，当电机作为发电机工作时，需要整流器将三相交流电整流为直流电输入电网。因此既需要整流器又需要逆变器。两套功率变换设备同时存在增加了系统的体积重量，增加了成本，降低了系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提出一种直流起动发电一体化功率变换器及其开关控制策略，把起动用的逆变器和发电用的整流器合二为一，构成一体化的双功能功率变换器。变换器使用MosFET模块的体内反并联二极管构成整流桥，由于该体二极管导通压降大，会带来较大的热损耗。因此提出一种开关控制策略，利用MosFET双向可控导通的特点以及MosFET导通压降小于体二极管导通压降的特点，将MosFET在起动和发电过程中复用，降低发热损耗，减小散热需求。
本发明采用如下技术方案：
一种直流起动发电一体化功率变换器，其特征在于包括起动发电机、三相变换器、外部直流电源、电压和电流检测与信号调理电路、AD转换电路、FPGA电路和栅极驱动电路；所述起动发电机与三相变换器连接，所述三相变换器与外部直流电源连接，所述电压和电流检测与信号调理电路的检测输入端连接在起动发电机与三相变换器之间，输出端连接AD转换电路，所述AD转换电路连接FPGA电路，所述FPGA电路连接栅极驱动电路，所述栅极驱动电路连接三相变换器；
所述三相变换器主要由6个MosFET及其反并联体二极管组成，MosFET双向可控导通，体二极管单向导通，6个MosFET在起动逆变模式下构成逆变电路，在发电整流模式下构成整流电路。
优选地，所述FPGA电路包括AD读逻辑单元、整流开关控制逻辑单元、起动逆变控制逻辑单元和三态门；所述AD读逻辑单元的输入端连接AD转换电路的输出端，AD读逻辑单元的一个输出端连接整流开关控制逻辑单元的输入端，另一个输出端连接起动逆变控制逻辑单元的输入端，所述整流开关控制逻辑单元和起动逆变控制逻辑单元的输出端分别连接至所述三态门的两个输入端，所述三态门的输出端连接至所述栅极驱动电路。
本发明功率变换器起动逆变和发电整流都由三相逆变桥完成，无需增加额外整流模块。三相逆变桥由T1、T2、T3、T4、T5、T6六个MosFET及其体二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成。工作于起动时，由起动逆变控制逻辑完成电机矢量控制算法，即在旋转座标下完成电枢电流在d轴和q轴的闭环控制，同时在静止座标下完成空间电压矢量调制。工作于整流状态时，MosFET器件内部寄生的反并联二极管先导通，接着整流开关控制逻辑驱动MosFET导通，并在二极管关断之前关断MosFET。由于MosFET导通阻抗小，最终降低系统热损耗并提高效率。
控制系统既可工作于起动逆变模式，也可以工作于整流发电模式。具体工作于何种方式，由系统运行情况决定。FPGA电路固化了电机矢量控制程序、整流开关控制逻辑和AD采样逻辑，实现了功率变换器和控制系统的复用。其中电机矢量控制和发电控制逻辑都需要检测电枢电流和电枢电压，无需增加额外的硬件检测电路。
整流模式下时，FPGA电路通过实时判断MosFET体反并联二极管导通状态，驱动相关MosFET，如果出现误判，存在桥臂直通和相间短路的风险。因此宁可出现关断误判，也不能出现导通误判。
本发明结合三相电枢电流和三相电枢电压进行两维度冗余判断，同时加入电流判断阀值和电压判断阀值，使MosFET能够在其二极管导通之后滞后导通，并在二极管关断之前提前关断，增强了系统的抗干扰能力。
本发明的功率变换器用一套三相桥电路实现起动模式下的逆变和发电模式下的整流双功能。逆变工作方式下，三相变换器MosFET根据控制逻辑正常开关控制；在整流工作方式下，根据检测的电机电枢电压和电流，判定体二极管导通状态，控制三相变换器MosFET的开关逻辑，开通MosFET替代体二极管实现整流功能，利用MosFET导通阻抗小的特点，替代传统整流方式下的二极管，提高直流起动发电系统的一体化变换器的效率。
本发明的有益效果是：
(1)减小了直流无刷起动发电系统的部件数量，减轻了系统的体积重量，提高了可靠性。
(2)减小了直流无刷起动发电控制器的发热损耗，提高了控制器的效率。
(3)提高了起动发电控制器的性能，为汽车、飞机等运载工具实现电机的起动发电机双功能提供了新的解决方案。
附图说明
图1为直流起动发电一体化功率变换器结构图；
图2为整流模式下MosFET滞后导通和提前关断波形示意图(以A相桥臂为例)。
图3为T1的整流开关控制逻辑
图4为T2的整流开关控制逻辑
图5为三相整流线电压出力区间示意图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图1，直流起动发电一体化功率变换器包括飞机起动发电一体化电机、三相变换器、外部直流电源以及控制系统。起动发电电机与三相变换器连接，三相变换器与外部直流电源连接。三相变换器不外加整流二极管，由一个三相逆变桥电路构成。直流起动发电一体化功率变换器正是用同一套三相逆变桥电路在不外加整流二极管的情况下，实现电机起动模式下逆变和发电模式下整流的双功能控制。起动逆变和发电整流都由三相逆变桥完成，无需增加额外整流模块。三相逆变桥主要由T1、T2、T3、T4、T5、T6六个MosFET及其反并联体二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成，MosFET在控制信号控制下可双向导通，体二极管单向导通。
控制系统包括电压和电流检测及信号调理电路、AD转换电路、FPGA电路和栅极驱动电路，具有很强的实时性。为了配合FPGA的高速并行的特点，采用转换速度较高的AD转换芯片，比如AD7946，采样速率为2MSPS，工作频率为40M。当以FPGA SPI总线读取时，从采样到读取需要的时间为32个CLK，需要0.8微秒。三相电压和三相电流经信号调理变成AD芯片可接受的弱电信号，电流变换可采用霍耳电流传感器，电压采样可用电阻分压隔离采样。
FPGA电路包括AD读逻辑单元、整流开关控制逻辑单元、起动逆变控制逻辑单元和三态门。AD读逻辑单元的输入端连接AD转换电路的输出端，AD读逻辑单元的一个输出端连接整流开关控制逻辑单元的输入端，另一个输出端连接起动逆变控制逻辑单元的输入端。整流开关控制逻辑单元和起动逆变控制逻辑单元的输出端分别连接至三态门的两个输入端，三态门的输出端连接至栅极驱动电路。三态门利用高低电平控制整流开关控制逻辑单元或起动逆变控制逻辑单元输出控制信号至栅极驱动电路，控制六个MosFET打开或关断。
控制系统既可工作于起动逆变模式，也可以工作于整流发电模式。FPGA软件固化了电机矢量控制程序、整流开关控制逻辑和AD采样逻辑，实现了功率变换器和控制系统的复用。
本发明的功率变换器的控制方法如下：
工作于起动逆变状态时，由起动逆变控制逻辑完成电机矢量控制算法，即在旋转坐标下完成电枢电流在d轴和q轴的闭环控制，同时在静止坐标下完成空间电压矢量调制。工作于发电整流状态时，MosFET器件内部寄生的反并联二极管先导通，接着整流开关控制逻辑驱动MosFET导通，并在二极管关断之前关断MosFET。使MosFET代替其体二极管在整流模式下工作，利用MosFET自身导通阻抗较低的特性，可以减小整流模式下的功率变换器损耗并提高效率。
以整流模式下的功率变换器的A相桥臂为例。期望的电压电流波形如图2所示。当电枢电流流进整流桥时，对应A相桥臂的上二极管D1导通；当电枢电流流出整流桥时，对应A相桥臂的下二极管D2导通。当D1导通后，控制系统控制T1导通，电流从D1转移到T1管。当A相电压下降使得A相上关接近关断时，提前关断T1管，电流又从T1转移到D1管。实现了T1滞后于D1开通，提前于D1关断。
图3、图4分别是为T1和T2两个开关管整流模式下的控制逻辑算法。通过FPGA电路，在检测到电流大于一定阀值△I时，打开T1，当检测到电流小于一定阀值-△I时，打开T2。如图5，当A相电压处于比其它两相电压都高的区域时，T1具有导通的条件，当A相电压处于比其它两相电压都低的区域时，T2具有导通的条件。当T1导通时，通过FPGA电路计算A相电压与其它两相的电压差值，当(Ua-Uc)<△U或(Ua-Ub)<△U时，关断T1。；当T2导通时，如果(Ua-Ub)>(-△U)或(Ua-Uc)>(-△U)时，关断T2。根据额定运行工况，选择合适△I和△U，该判断逻辑不会出现MosFET导通误判，不会带来相间短路等严重后果。
△I的值取决于额定运行工况，运行频率，采样精度等参数。△U的值取决于额定运行工况，运行频率，传感器采样延时，采样精度和采样延时等参数，可按额定工况的5％取值。

Claims (6)

1.一种直流起动发电一体化功率变换器，其特征在于包括起动发电机、三相变换器、外部直流电源、电压和电流检测与信号调理电路、AD转换电路、FPGA电路和栅极驱动电路；所述起动发电机与三相变换器连接，所述三相变换器与外部直流电源连接，所述电压和电流检测与信号调理电路的检测输入端连接在起动发电机与三相变换器之间，输出端连接AD转换电路，所述AD转换电路连接FPGA电路，所述FPGA电路连接栅极驱动电路，所述栅极驱动电路连接三相变换器；
所述三相变换器主要由6个MosFET及其反并联体二极管组成，MosFET双向可控导通，体二极管单向导通，6个MosFET在起动逆变模式下构成逆变电路，在发电整流模式下构成整流电路；在发电整流模式下，FPGA电路根据电压和电流检测与信号调理电路检测的电机电枢电压和电流，判断三相变换器中MosFET的体二极管的导通状态，控制MosFET在体二极管导通后滞后一段时间开通，替代体二极管实现整流功能，并在体二极管关断之前将MosFET关断。
2.如权利要求1所述的直流起动发电一体化功率变换器，其特征在于所述FPGA电路包括AD读逻辑单元、整流开关控制逻辑单元、起动逆变控制逻辑单元和三态门；所述AD读逻辑单元的输入端连接AD转换电路的输出端，AD读逻辑单元的一个输出端连接整流开关控制逻辑单元的输入端，另一个输出端连接起动逆变控制逻辑单元的输入端，所述整流开关控制逻辑单元和起动逆变控制逻辑单元的输出端分别连接至所述三态门的两个输入端，所述三态门的输出端连接至所述栅极驱动电路。
3.根据权利要求2所述的直流起动发电一体化功率变换器的控制方法，其特征在于：
在起动逆变工作模式下，由起动逆变控制逻辑单元完成电机矢量控制算法，即在旋转坐标下完成电枢电流在d轴和q轴的闭环控制，同时在静止坐标下完成空间电压矢量调制；
在发电整流工作模式下，MosFET的体二极管先导通，接着整流开关控制逻辑单元驱动MosFET导通，并在体二极管关断之前关断MosFET。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：在发电整流工作模式下，根据实时检测的发电机三相电枢电压和三相电枢电流，判断MosFET的体二极管的导通状态，控制MosFET在体二极管导通后滞后一段时间开通，并在体二极管关断之前将MosFET关断。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：在发电整流工作模式下，在判断MosFET的体二极管的导通状态时，加入一个电流阀值ΔI，当某相电流大于-ΔI且小于ΔI时，判定该相桥臂上管MosFET的体二极管不导通，当某相电流大于ΔI时，判定该相桥臂上管MosFET的体二极管导通，当某相电流小于-ΔI时，判定该相桥臂下管MosFET的体二极管导通；在进行提前关断MosFET判断时，加入一个电压阀值ΔU，当某相电压与另两相任一相电压之差小于ΔU，关断该相桥臂上管MosFET，当某相电压与另两相任一相电压之差大于-ΔU，关断该相桥臂下管MosFET。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：在发电整流工作模式下，当检测到电枢电流流进某相桥臂时，判定该相桥臂的上管MosFET的体二极管导通；当检测到电枢电流流出某相桥臂时，判定该相桥臂的下管MosFET的体二极管导通；当检测到某相电枢电压高于另外两相电枢电压时，判定该相桥臂的上管MosFET的体二极管具有导通的条件；当检测到某相电枢电压低于另外两相电压时，判定该相桥臂的下管MosFET的体二极管具有导通的条件。
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Denomination of invention: Integrated power converter for DC starting power generation and its control method

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Pledgor: Nanjing Xinghang Power Technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980000684