CN111555672A - 能量回收电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能量回收电路。具体而言是具有单相绕组的电动马达的能量回收电路，单相绕组由两个具有中间抽头的子线圈构成，其中，子线圈的两个绕组端部分别通过开关元件与接地端连接。因此，本发明的任务是，在按类属的电动马达中提供明显更高的效率、更好的和限定的绕组开关元件布线、开关元件的去热负荷、更好的运转平稳性、更小的电路板变热、更好的电磁兼容特性、更稳定的整个电路设计、有针对性的损耗传导和附加的保护以防来自供应网络的其他的过压脉冲。在本发明的能量回收电路运行时，存储在子线圈中的能量的一部分在开关元件关断的情况下通过二极管传导到存储电容器中，存储电容器由此被充电，并且暂时存储回收的能量。

Description

能量回收电路
技术领域
本发明涉及一种具有单相绕组的电动马达的能量回收电路，单相绕组由两个具有中间抽头的子线圈构成，其中，子线圈的两个绕组端部分别通过开关元件与接地端连接。
背景技术
按类属的具有单相绕组的电动马达的换向以如下方式实现，即与马达的电转速同步地交替切换两个开关元件。通过交替的切换，在电动马达的定子中产生旋转磁场，旋转磁场带动永磁转子运动。这种电路也被称为M电路。在变换马达绕组时必须减小存储在各自子线圈中的电能。因为在所提到的接线的情况下不存在续流运行，所以开关元件上的电压升高，直到达到开关元件的击穿电压(雪崩击穿)，并且电流通过该开关元件进一步流至接地端。这导致电流的陡峭的升高。在此，损耗功率由时间(脉冲在该时间内升高)、击穿电压和在此流动的电流计算出。因为雪崩击穿是高能量的，所以器件在此非常强地被热加载。用于开关元件的可热加载性的公差由于经济的原因是非常受限的。如果力求达到更高的马达功率，那么必须考虑到器件的热损坏。所描述的雪崩击穿占据总损耗的大部分，并且因此明显减小了总效率。
开关元件、如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)通常通过微控制器操控。但可用的电压不足够用于正确和限定地接通MOSFET。
发明内容
因此，本发明的任务是，在按类属的电动马达中提供更高的效率、更好的和限定的绕组开关元件布线、对开关元件的去热负荷、更好的运转平稳性、更小的电路板变热、更好的电磁兼容(EMV)特性、更稳定的整个电路设计、有针对性的损耗传导和附加的保护以防来自供应网络的其他的过压脉冲。
该任务根据本发明通过权利要求1的特征解决。由于在运行时，存储在子线圈中的能量的一部分在开关元件关断的情况下通过二极管传导到存储电容器中，存储电容器由此被充电，并且暂时存储回收的能量，关断能量的一部分可以从开关元件导出，并且使开关元件去热负荷。
本发明的改进方案在从属权利要求中详细阐述。被充电的存储电容器的暂时存储的能量产生输出电压，输出电压的电压水平可以通过齐纳二极管与存储电容器的并联部来稳定，例如稳定到15V。
输出电压充当用于尽可能地不依赖载具电气系统电压的应用、电路或子电路的输入电压。
根据本发明的特别有利的改进方案设置的是，输出电压用于运行驱动电路，其中，驱动电路切换开关元件。电压水平在此明显位于常见的驱动电压的电压电平以上。由此，可以限定地切换开关元件，由此，总体上改进开关特性。
除了驱动电路以外，也能够通过输出电压实现反极性保护的运行。
来自子线圈的关断电流的不能够通过驱动电路或反极性保护消耗的那一部分受控地通过电功率器件导出，该电功率器件与开关元件并联。
作为用于将剩余的关断电流转换为热量的功率器件可以使用功率齐纳二极管或双极型功率晶体管。
能量回收电路可以非常好地使用在用于驱动离心泵或用于驱动油雾分离器的电动马达中。通常，针对这些应用使用无刷式的直流马达。
附图说明
下面借助附图详细阐述本发明的实施例。其中：
图1示出了能量回收电路；
图2示出了MOSFET的电阻/电压示意图；并且
图3示出了能量回收电路的变型方案。
注意：具有字母标注的附图标记和相应的没有字母标注的附图标记在附图和附图描述中表示相同的内容。在此涉及在其他的实施方式、现有技术中的应用，和/或该内容是一种变型方案。权利要求、说明书、附图标记列表和摘要为了清楚起见仅包含没有字母标注的附图标记。
具体实施方式
图1示出了具有单相绕组的电动马达的能量回收电路，单相绕组由两个具有中间抽头的子线圈构成。图1中示出了具有子线圈5a和等效电阻16a的等效电路27a。等效电路27a仅示出了定子绕组的一个分支。子线圈5a置于马达供电电压4a上，马达供电电压在机动车应用中通常相应于蓄电池电压。子线圈在运行时通过开关元件8a(在此实施为MOSFET)交替通断。开关元件8a通过驱动电路22a运行，驱动电路本身通过电路逻辑的控制输入端23a控制。驱动供电接头21a提供开关元件8a的栅极电压。在此基础的绕组接线不允许续流运行，因此，在关断子线圈5a时，存储在子线圈内的能量被导回到开关元件8a中。在关断子线圈5a时，子线圈的电感朝相同的方向进一步驱动电流。这导致的是，二极管24a上的电压升高直到二极管变为能传导，并且电流的一部分从子线圈5a通过电阻26a流至存储电容器20a。该存储电容器充电，从而电压置于存储电容器上。
在开关元件8a上的电压进一步升高到开关元件的击穿电压，并且电流在雪崩运行(Avalanche-Betrieb)中通过开关的通道流至接地端10a。线圈能量的最大部分在此在开关元件8a中转换为热量。如提到的那样，线圈能量的较小部分通过二极管24a和电阻26a导出到存储电容器20a。由此，开关元件8a被减负荷。电压峰值通过存储电容器20a变平滑。二极管24a阻止的是，存储电容器20a可以通过线圈分支继续放电。与存储电容器20a并联地，齐纳二极管25a提供大约15V的稳定的电压，该电压充当驱动电压接头21a上的用于运行驱动电路的驱动电压。与来自控制逻辑的常见的5V相比，在15V的电压水平中，开关元件可以更受限定地并且具有较少损耗更少地接通。
附加地示出了形成缓冲网络的缓冲电阻(Snubber-Widerstand)17a和缓冲电容器(Snubber-Kondensator)18a。该缓冲网络促成切换边缘的整齐切换，并且因此对晶体管中的损耗和电磁兼容特性具有正面影响。
图2中示出了MOSFET的电阻-栅极电压示意图，该示意图示出了在不同的温度的情况下漏源电阻与栅源电压之间的关系。漏源电阻在5V至10V之间的区域内明显减小，并且直至15V地进一步减小(在此不能看到)。在较小的漏源电阻的情况下产生较少的热量并且升高效率。由此，在开关元件切换时进一步减小电流峰值的梯度，由此实现更好的噪音和电磁兼容特性。也由此限制击穿电压幅度。由此减小对开关元件的耐压强度的要求。这正面地影响需要的结构空间和电路的经济性。产生的驱动电压在此始终是足够可以正确地和限定地接通功率晶体管。总体上，利用该电路的设计方案可以实现相对于现有技术更稳定的设计。
图3示出了具有单相绕组的电动马达的能量回收电路的变型方案，其由两个具有中间抽头的子线圈(在此仅示出一个分支)构成。图3中示出了具有子线圈5b和等效电阻16b的等效电路27b。等效电路27b示出了仅具有一个子线圈的定子绕组的分支。子线圈5b置于马达供电电压4b上，马达供电电压在机动车应用中通常相应于蓄电池电压。子线圈5b在运行时通过开关元件8b(在此实施为MOSFET)交替通断。开关元件8b通过驱动电路22b运行，驱动电路本身通过电路逻辑的控制输入端23b控制。驱动供电接头21b提供开关元件8b的栅极电压。在此基础的绕组接线不允许续流运行，因此，在关断子线圈5b时，存储在子线圈内的能量被导回到开关元件8b。在关断子线圈5b时，子线圈的电感朝相同的方向进一步驱动电流。这导致的是，二极管24b上的电压升高直到二极管变为能传导，并且电流的一部分从子线圈5b通过电阻26b流至存储电容器20b。该存储电容器充电，从而电压出现在存储电容器上。电压峰值通过存储电容器20b变平滑。二极管24b阻止的是，存储电容器20b可以通过线圈分支继续放电。与存储电容器20b并联地，齐纳二极管25b提供大约15V的稳定的电压，该电压充当驱动电压接头21b上的用于运行驱动电路的驱动电压。与来自控制逻辑的常见的5V相比，在15V的电压水平中，开关元件可以更受限定地并且具有较少损耗地接通。
在关断子线圈5b时释放的能量的大部分不能够被暂时存储，并且不得不转换为热量。为了随着该热量的形成不给开关元件8b加负载，分流电路28b是有意义的。分流电路28b由控制齐纳二极管15b、控制电阻29b、双极型功率晶体管13b和控制晶体管14b构成。双极型功率晶体管13b的基极与控制晶体管14b的发射极连接。控制晶体管14b的基极与控制齐纳二极管15b和控制电阻29b连接。控制电阻29b用作下拉电阻(Pull-Down-Widerstand)，并且用于使控制晶体管14b在初始状态下是非传导的。在出现关断脉冲时并且在达到最小电压电平之后，控制齐纳二极管15b将控制晶体管14b的基极电压拉至使控制晶体管14b导通的电平。剩余的关断能量随后通过双极型功率晶体管13b导出，并且转换为热量，热量随后被输出至周围环境。
总体上，分流电路28b性能如同齐纳二极管，然而明显改进损耗功率极限和可控制性。通过晶体管14b、13b的基极电流的高度，并且通过晶体管14b、13b的电流放大可以调整切换，从而可以调节电流边缘的陡度。
附加地示出了形成缓冲网络的缓冲电阻17b和缓冲电容器18b。该缓冲网络促成切换边缘的整齐切换，并且因此对晶体管中的损耗和电磁兼容特性具有正面影响。
附图标记列表
1 能量回收电路
4 马达供电电压(电压源)
5 子线圈
8 开关元件
10 接地端
13 双极型功率晶体管
14 控制晶体管
15 控制齐纳二极管
16 等效电阻
17 缓冲电阻
18 缓冲电容器
20 存储电容器
21 驱动供电接头
22 驱动电路
23 控制输入端(V栅极)
24 二极管
25 齐纳二极管
26 电阻
27 等效电路
28 分流电路
29 控制电阻

Claims (11)

1.具有单相绕组(3)的电动马达的能量回收电路，所述单相绕组由两个具有中间抽头(7)的子线圈(5)构成，其中，所述子线圈(5)的两个绕组端部分别通过开关元件(8)、例如场效应晶体管或双极型晶体管与接地端(10)连接，并且在运行时，存储在所述子线圈(5)中的能量的一部分在所述开关元件(8)关断的情况下通过二极管(24)传导到存储电容器(20)中，所述存储电容器由此被充电，并且暂时存储回收的能量。
2.根据权利要求1所述的能量回收电路，其特征在于，被充电的存储电容器(20)的暂时存储的能量产生输出电压(21)。
3.根据权利要求2所述的能量回收电路，其特征在于，所述输出电压(21)的电压水平通过与所述存储电容器(20)并联的齐纳二极管(25)来稳定。
4.根据权利要求2或3所述的能量回收电路，其特征在于，所述输出电压(21)充当用于尽可能地不依赖载具电气系统电压的应用、电路或子电路的输入电压。
5.根据权利要求2、3或4所述的能量回收电路，其特征在于，所述输出电压(21)充当用于操控所述开关元件(8)的驱动电路的供电电压。
6.根据权利要求2、3或4所述的能量回收电路，其特征在于，所述输出电压(21)充当用于反极性保护的驱动电压。
7.根据前述权利要求中至少任一项所述的能量回收电路，其特征在于，来自所述子线圈(5)的关断电流的大部分通过与所述开关元件(8)并联的电功率器件导出。
8.根据权利要求7所述的能量回收电路，其特征在于，所述子线圈(5)的关断电流是能控制的。
9.根据权利要求7或8所述的能量回收电路，其特征在于，所述功率器件是功率齐纳二极管或双极型功率晶体管(13)。
10.具有根据前述权利要求中任一项所述的能量回收电路的电离心泵。
11.具有根据权利要求1至9中任一项所述的能量回收电路的电油雾分离器。
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