CN110474580B - 一种起动发电系统功率变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种起动发电系统功率变换器及其控制方法，所述功率变换器包括三相全桥逆变模块、驱动电路和控制电路，三相全桥逆变模块由寄生有反并联体二极管的MOSFET模块组成，每一个MOSFET对应一个所述驱动电路，其特征在于，所述驱动电路为复合驱动电路，在起动工作模式下，驱动电路工作于典型的MOSFET驱动方式，MOSFET模块实现逆变桥的功能；在发电工作模式下，驱动电路响应控制电路的选通信号，选择性地驱动MOSFET的开通和关闭，MOSFET模块实现整流桥的功能。本方案用一个三相MOSFET模块实现了起动和发电的功率电路一体化集成，通过MOSFET开关控制大幅降低了发电模式下整流输出的导通损耗，提升了系统效率，控制简单，可靠性高，尤其适用于航空低压大功率起动发电系统。

Description

一种起动发电系统功率变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种起动发电控制系统，尤其涉及一种飞机或汽车用高功率密度高速电机直流起动发电主功率系统及相应控制方法，属于起动发电技术领域。

背景技术

目前飞机或汽车上采用的直流电源系统中，多数起动发电机均为有刷电机。有刷电机技术成熟，起动发电控制简单，但是由于其结构中有电刷和滑环，存在电刷易磨损的缺陷，平均故障维护周期短。因此采用电力电子开关器件取代电机电刷，实现电机电流换向成为电机起动发电领域的一个热门方向。

航空航天领域对搭载的设备体积和重量要求极为严苛，对可靠性要求极高。起动发电机为了满足高功率密度的需求，通常工作在较高的转速状态，通过提高其电频率以提高功率密度。一般的电频率可高达1～2kHz。这么高的电频率使得电机的起动和发电控制难度增加。同时为了提升起动发电系统的功率密度，一般要把起动控制器和发电控制器在硬件上合并，形成起动发电控制器，简称SGCU(Start-Generator Control Unit)。SGCU是一种与起动发电机配合使用的控制装置。他是一种具有四象限运行，能量可双向流动的电力变换器。当工作于电动状态时，SGCU工作于逆变状态，将蓄电池等电源产生的能量经调制以后，输出给电机，转化为机械能驱动与起动发电机相连接的发动机，带动发动机运转完成起动工作。当工作于发电状态时，SGCU工作于整流状态，将电机发出的电能变换成所需要的直流电，供机载或车载设备使用。

目前主要直流起动发电系统主要有以下几种方式：

方案1)全控整流调压，SGCU采用的三相全桥拓扑，通常通过空间矢量调制(SVPWM)算法，通过调节定子电流矢量的幅值和相角，实现电机的起动和发电控制。

方案2)基于移相整流原理，通过调节导通相角的方式调节输出电压。SGCU采用不对称半桥拓扑。三相分别采用一组不对称半桥进行控制。在起动过程和发电过程中，不对称半桥工作于不同角度范围。通过调节导通角和励磁电流大小来实现起动和发电控制。

方案3)不控整流原理，通过调节励磁调压，SGCU采用三相全桥拓扑，额外加一个调节励磁电流的H桥。即随着负载或者发动机转速变化，当输出电压降低时，增加励磁电流以提升输出电压；当输出电压变高时，降低励磁电流甚至施加反向的弱磁电流以降低输出电压。通过调节励磁电流达到输出电压稳定。

方案1)所述的方式较适用于永磁同步电机起动发电系统。其优点是起动发电完全共用一套硬件电路，效率和功率密度高。其主要缺点控制较为复杂，特别是当适配对象为高速永磁同步电机时，由于电机本身极小的电感，发电调节控制难度较大，且该模式下发电为Boost升压发电，只能作升压调节，调压范围窄。由于永磁电机灭磁的问题，极少应用于航空领域，主要应用于民用汽车起动发电系统。方案2)所述的方案，配合开关磁阻电机已经成功应用在航空起动发电上，其主要缺点是，在起动发电过程中，仍然需要准确知道发电机转子的准确位置，准确调节导通角。因在发电过程中需时刻采集电机的转子位置，要增加编码器或者转子位置的辨识方案，相对来说控制亦较为复杂。方案3)的优点在于发电调节的控制非常简单，在航空领域得到了大规模的应用。但随着技术不断发展，机载设备增多，用电的需求越来越大。主功率回路的三相整流桥二极管的压降带来的发热损耗，随着功率变大而成倍的增加，极大的限制了SGCU的效率、功率密度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种结构简单、控制容易、体积小、功率密度高的起动发电系统功率变换器。该控制器结构如图所示，主要依靠以下方式来实现。

一种起动发电系统功率变换器，包括三相全桥逆变模块、驱动电路和控制电路，三相全桥逆变模块由寄生有反并联体二极管的MOSFET模块组成，每一个MOSFET对应一个所述驱动电路，其特征在于，所述驱动电路为复合驱动电路，在起动工作模式下，驱动电路根据输入的开关信号，驱动相应MOSFET的开通和关闭，MOSFET模块实现逆变桥的功能；在发电工作模式下，驱动电路响应控制电路的选通信号，选择性地驱动MOSFET的开通和关闭，MOSFET模块实现整流桥的功能。

本发明起动发电系统功率变换器的控制方法，其特征在于：

在起动工作模式下，选通信号置为PWM方式驱动有效，驱动电路利用控制电路输出的PWM信号驱动MOSFET的开通和关闭，所述PWM信号由起动控制策略决定；

在发电工作模式下采用两种控制策略：

策略1：当选通信号置为硬件方式驱动有效时，驱动电路根据MOSFET两端承受的电压，以MOSFET状态信号驱动MOSFET的开通和关闭；

策略2：当选通信号置为PWM方式驱动有效时，驱动电路利用控制电路输出的PWM信号驱动MOSFET的开通和关闭，所述PWM信号根据电枢电流及MOSFET两端承受的电压状态确定。

功率变换器主功率回路采用三相MOSFET全桥逆变电路，MOSFET寄生有反向并联的二极管。理论上可以利用其进行电机三相交流电的整流，以不控整流方式实现发电控制。但实际上由于二极管的导通压降大，产生的导通损耗较大，严重的发热问题限制了利用MOSFET的寄生二极管整流的发电功率。而MOSFET其导通电阻小，导通压降低。且MOSFET和IGBT相比，具有双向开关的特性。本发明利用这一特性，通过硬件检测电路检测MOSFET源极漏极(即体二极管两端)之间的电压，并借助一定的控制策略，使得在二极管承受正向压降导通时开通MOSFET，在二极管承受反向电压时关闭MOSFET，最终实现MOSFET替代二极管实现整流的作用，从而大大的降低了发电时的导通损耗，极大的提高了SGCU的功率密度。

具体的，在每个MOS管的驱动电路里增加了MOSFET管漏级和源级之间电压V_DS的检测比较电路，比较电路设定一定的滞环宽度，以避免检测比较电路在比较门限值附近反复波动。检测比较电路的供电为驱动电源的供电，属于强电侧浮动电压信号，其输出需经过光耦隔离以后，再送给驱动电路内的二选一选通芯片的其中一个输入引脚，同时通过接口引出驱动电路至控制电路，方便控制器根据需要通过引脚读取检测比较电路的输出信号C。二选一选通芯片的另外一个输入引脚接到控制器的PWM上，选通切换信号K接到控制器的IO口。选通芯片的输出直接接到隔离驱动芯片的输入口。控制器根据控制策略，通过IO的高低电平输出实现驱动信号的选通。

本发明提供了两种控制策略，一种控制策略为起动完成转发电过程中，将选通信号K由高电平切换为低电平，驱动芯片的输入由PWM信号切换至电压检测比较电路的状态信号C。此后，整流发电过程中，MOSFET的导通关闭由电压检测比较电路输出的MOSFET状态信号C来决定。另外一种控制策略为，起动完成转发电过程中，选通信号K为低电平不变，驱动芯片的输入仍为PWM信号。但此时控制器通过检测桥臂的相电流信号，并与MOSFET状态信号C进行逻辑运算，控制PWM信号高低电平的输出实现MOSFET的开通和关闭。第一种控制策略的优点是，在发电过程中，MOSFET的开通关闭完全由硬件电压检测比较电路决定，系统简单，可靠性高。第二种控制策略的优点是，在发电的过程中，MOSFET的开通关闭由硬件逻辑和软件共同决定，根据不同的应用场景，可以更为灵活的控制MOSFET的开通关闭，实现发电控制性能的优化。

本发明相比较传统的起动发电可以实现用一个三相MOSFET模块实现了起动和发电的功率电路一体化集成，通过MOSFET开关控制大幅降低了发电模式下整流输出的导通损耗，提升了系统效率。相比较传统全控整流而言或晶闸管的移相整流而言，本方案的控制简单，可靠性高，尤其适用于航空低压大功率起动发电系统。

本发明可以根据发电机运作的状态及负载状态，通过调整电流过零点滞环环宽，灵活的调整开通和关断的延时时间，实现更优更灵活的控制策略，在不同电机和负载类型的起动发电控制系统中应用更为广泛。

附图说明

图1本发明的起动发电控制系统系统结构图；

图2为本发明驱动电路结构图；

图3为本发明的起动发电控制系统单桥臂示意图；

图4为本发明电流检测比较示意图；

图5本发明控制策略流程示意图；

具体实施方式

以下结合附图，以三相电机的系统为例，对本专利的技术方案进行详细说明。

如图1提供了应用于航空起动发电系统的功率变换器总体的框图，如图显示，包括MOSFET三相全桥，驱动电路、隔离驱动电源、控制电路(布置于如图所示数字控制电路板)和电流采样电路。三相全桥中的每个MOSFET都有一个独立的驱动电路，各驱动电路和控制电路之间分别通过PWM信号、K信号和C信号连接，PWM信号为控制电路发送给驱动电路的开关信号，K信号为控制电路发送给驱动电路的选通信号，C信号为驱动电路发送给控制电路的MOSFET状态信号，反映MOSFET漏源两端承受的电压状态。各驱动电路的PWM信号、C信号和K信号相互独立。隔离驱动电源提供四路隔离的正负电源，下桥臂三个MOSFET共用一路驱动电源，上桥臂三个MOSFET各用一路隔离的驱动电源。为便于表示，图中仅以一路驱动电路模块和一路驱动电源示例。驱动电路和对应MOSFET的栅极G、漏级D和源级S直接相连。如图所示，上三桥臂的MOSFET的漏级直接接到母线的正端，下三桥臂的MOSFET的源级直接接到母线的负端，每个桥臂上桥臂的MOSFET的源级和下桥臂MOSFET的漏级直接相连，并和电机的其中一相端子相连。电机相电流采样信号Iabc送至控制电路，控制电路和驱动电路之间有六个MOSFET的开关PWM信号，六个MOSFET的状态信号C和六路驱动回路的选通信号K直接相连。

如图2提供了驱动电路的结构，包含隔离驱动芯片U4，选通芯片U3、隔离光耦U2、迟滞比较器、电压基准电路。驱动电路的隔离驱动芯片和隔离光耦一起将本驱动电路的强弱电隔离，如图中虚线所示。

其中强电侧，每个驱动电源的参考地端V_GND与MOSFET的S级直接相连，作为每个MOSFET驱动电路强电侧的电路参考地。强电一侧的电压基准Vref直接由电压基准电路产生，以供调节迟滞比较器的门限平均值。因本发明要采集MOSFET的漏源之间电压为双极性电压，因此迟滞比较电路的输入为正负电信号，这就需要Vref为一个负电压基准由V_EE产生，同时迟滞比较电路的运放为双电源供电。其中迟滞比较电路采用经典的比较运放加外围的电阻R1、R2和R3构成，需要特别说明的，本发明可应用于高压的起动发电系统，当应用于高压起动发电系统时，MOSFET两端将会承受高压，这样的高压值送入到电压检测的迟滞比较电路中，会造成迟滞比较运放电路的输入端击穿，为防止此击穿，在电压检测端口D经过一个分压电阻R1后，施加钳位保护电路，即如图中稳压二极管VD。迟滞比较器输出经上拉电阻R4后，送至隔离光耦的输入端。当MOSFET的漏级D电压参考源级电压S高于迟滞比较器上限阈值V_H时，迟滞比较器输出为低电平，隔离光耦导通，输出为低电平。当MOSFET的漏极电压D参考源级电压S低于迟滞比较器下限阈值V_L时，迟滞比较器输出为高电平，隔离光耦截止，输出为高电平。

其中弱电侧，隔离光耦的输出经上拉电阻R6拉到控制电源V5(一般为5V)，其输出信号即代表了MOSFET漏源两端承受的电压状态信号C，该信号接到二选一选通芯片的一个输入端，并接到驱动芯片的输入端。二选一选通芯片的另一个输入端连接控制电路的PWM口，当来自控制电路的选通信号K为高电平时，选通信号将光耦输出信号C直接连接到驱动芯片的输入端，此时MOSFET的开通关断不受控制电路的控制，由上述硬件电路决定。当选通切换信号K为低电平时，选通信号将另一个输入端即来自控制电路的PWM口的PWM开关信号直接连到驱动芯片的输入端，此时MOSFET的开通关断由控制电路的PWM口决定。

如图3所示，以A相桥臂上桥臂MOSFET Q1为例，当系统工作在起动状态时，控制电路将选通信号K1置为低电平，控制电路根据起动控制的控制策略，输出PWM1信号，控制MOSFET的开关，实现电能从母线向电机的传递，驱动电机运转，完成起动功能。

当系统工作在发电状态时，可以有两种方案：

方案1：将选通信号K1置为高电平，如前所述，选通芯片将隔离光耦输出端信号C1直接连接到驱动芯片的输入端。此时，当MOSFET源级漏级之间承受电压超过V_H时，如上所述，光耦输出端信号C1为高电平，此时MOSFET打开。当MOSFET源级漏级之间承受电压低于V_L时，光耦输出端信号C1为低电平，此时MOSFET关闭。使得MOSFET类似于二极管的特性，正向电压导通，反向电压截止。

方案2：将选通信号K1仍保持低电平，如前所述，选通芯片将来自控制电路的PWM信号直接连接到驱动芯片的输入端。此时，控制电路可以将PWM口置为通用的IO口，并通过检测光耦输出端的信号C1和检测到的相电流等信息，通过PWM口控制MOSFET的开通关闭。与方案1相比，方案2的驱动电路支持MOSFET开通关闭受软件的控制，允许控制软件采取更为灵活的控制策略。

针对上述方案2，本发明提供了一种控制策略。因起动发电过程中，需要采集电机的相电流信息，本发明即利用采集的相电流信息，结合与MOSFET两端电压直接相关的检测光耦输出端信号C状态信息，实现了MOSFET的可靠开关控制。以A相单桥臂为例说明，如图3所示，定义相电流I_a从起动发电机流向桥臂方向为正方向，同时如图4所示，定义I_in为相电流为正状态信息，I_out为相电流为负状态信息，且当电流I_a为正且I_a≥ΔI/2时，I_in＝1，否则I_in＝0；I_a为负且I_a≤-ΔI/2时，I_out＝1，否则I_out＝0。ΔI为电流过零点检测环宽，通过一定的检测环宽，可以避免在电流过零点附近，电流状态信号的反复跳变。此时A相上下管开关信号PWM1和PWM2的开关逻辑为PWM1＝I_in&C1，PWM2＝I_out&C2。通过调整电流过零点滞环环宽，灵活的调整开通和关断的延时时间，实现更优更灵活的控制策略，在不同电机和负载类型的起动发电控制系统中应用更为广泛。

综合以上，本发明提供的控制方案在流程上如图5流程图所示，首先执行系统初始化，其次程序读取起动发电控制系统上位机的工作指令，再次判断系统是否已经完成起动功能，若完成起动功能则将工作状态标志位置于发电状态，并进入发电控制子程序。进入发电控制子程序以后，判断系统指令中发电控制策略是上述的策略1还是策略2。若采用策略1，则直接将选通信号置为高电平后，回到控制流程主循环。若采用策略2，一般的起动控制下，PWM端口配置为时间比较器输出端口，此时需要PWM口配置为通用的IO口。然后控制电路先检测相电流信息并经处理后得到电流的状态信息I_in、I_out，再检测光耦输出端信号信息C1、C2。根据策略2的控制策略，计算得到PWM1和PWM2的输出电平信息，并直接置位，实现发电模式下MOSFET的开关控制。

Claims (9)

1.一种起动发电系统功率变换器，包括三相全桥逆变模块、驱动电路和控制电路，三相全桥逆变模块由寄生有反并联体二极管的MOSFET模块组成，每一个MOSFET对应一个所述驱动电路，其特征在于，所述驱动电路为复合驱动电路，在起动工作模式下，驱动电路根据输入的开关信号，驱动相应MOSFET的开通和关闭，MOSFET模块实现逆变桥的功能；在发电工作模式下，驱动电路响应控制电路的选通信号，选择性地驱动MOSFET的开通和关闭，MOSFET模块实现整流桥的功能；

所述驱动电路包括钳位稳压管、迟滞比较器、隔离光耦、基准电压电路、选通芯片和驱动芯片，MOSFET的漏极经电阻R1连接至钳位稳压管的负端及迟滞比较器的负端；钳位稳压管的正端直接连接到驱动芯片的负驱动电源V_EE，经过钳位处理的电压信号与基准电压电路产生的电压基准信号经过迟滞比较器比较后，输出连接到隔离光耦的负向输入端；所述隔离光耦的正向输入端连接到驱动芯片的正驱动电源V_CC，隔离光耦的输出信号作为驱动电路的输出信号；所述选通芯片包含两个信号输入端、一个选通控制端和一个信号输出端，其中一个信号输入端连接隔离光耦的输出信号，另一个信号输入端连接控制电路输出的PWM信号，选通控制端连接控制电路输出的选通信号，信号输出端连接驱动芯片的输入端；驱动芯片的负驱动电源V_EE连接MOSFET的源极，正、负输出端分别经电阻连接至MOSFET的栅极。

2.如权利要求1所述的起动发电系统功率变换器，其特征在于所述驱动电路和控制电路之间通过PWM信号、K信号和C信号连接，PWM信号为控制电路发送给驱动电路的开关信号，K信号为控制电路发送给驱动电路的选通信号，C信号为驱动电路发送给控制电路的MOSFET状态信号。

3.如权利要求1所述的起动发电系统功率变换器，其特征在于还包括隔离驱动电源模块，所述隔离驱动电源模块为驱动电路提供正驱动电源V_CC，驱动电源参考地V_GND和负驱动电源V_EE。

4.如权利要求1所述的起动发电系统功率变换器，其特征在于所述驱动电路和MOSFET的源极S、漏极D和栅极G直接相连。

5.如权利要求1所述起动发电系统功率变换器的控制方法，其特征在于：

在起动工作模式下，选通信号置为PWM方式驱动有效，驱动电路利用控制电路输出的PWM信号驱动MOSFET的开通和关闭，所述PWM信号由起动控制策略决定；

在发电工作模式下采用两种控制策略：

策略1：当选通信号置为硬件方式驱动有效时，驱动电路根据MOSFET两端承受的电压，以MOSFET状态信号驱动MOSFET的开通和关闭；

策略2：当选通信号置为PWM方式驱动有效时，驱动电路利用控制电路输出的PWM信号驱动MOSFET的开通和关闭，所述PWM信号根据电枢电流及MOSFET两端承受的电压状态确定。

6.如权利要求1所述起动发电系统功率变换器的控制方法，其特征在于： 发电工作模式下，MOSFET的开通和关断采用两种控制策略：

（1）策略1：选通信号置为硬件方式驱动有效，选通芯片将隔离光耦的输出信号即MOSFET状态信号连接到信号输出端，作为驱动芯片的输入，此时MOSFET的开通和关闭由隔离光耦的输出信号控制；

（2）策略2：选通信号置为PWM方式驱动有效，选通芯片将控制电路输出的PWM信号连接到信号输出端，作为驱动芯片的输入，此时，MOSFET的开通和关闭由PWM信号控制。

7.如权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于策略1中，当MOSFET源极漏极之间承受的电压为正，且高于设定的上限阈值时，MOSFET状态信号为高，导通MOSFET；当MOSFET源极漏极之间承受的电压为负，且低于设定的下门限阈值时，MOSFET状态信号为低，关闭MOSFET。

8.如权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于策略2中，控制电路接受驱动电路输出的MOSFET状态信号，同时采集发电机的电枢电流，根据电枢电流及MOSFET两端承受的电压状态，控制MOSFET的开通和关断：当电流方向为流入整流桥且MOSFET两端承受电压为正时，电流方向标志位为高，隔离光耦的输出信号为高，两者逻辑与运算结果为高，将PWM信号置高，导通MOSFET；当电流方向为流出整流桥或者MOSFET两端承受电压为负时，此时电流方向标志位为低或隔离光耦的输出信号为低，两者逻辑与运算结果为低，将PWM信号置低，关闭MOSFET。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于在电流方向判定上引入滞环，当电流方向为流入整流桥且电流高于上限阈值时，将电流方向标志位置高；当电流方向为流出整流桥且电流低于下限阈值时，将电流方向标志位置低。

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