CN113824355A - 一种适用于大功率开关磁阻电机控制的功率变换拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种适用于大功率开关磁阻电机控制的功率变换拓扑结构，包括双通道三相不对称半桥模块、输入滤波器电容和发电输出滤波器；双通道三相不对称半桥模块各由6组半桥模块组成通道1和通道2三相不对称半桥模块；通道1的A1相、B1相、C1相不对称半桥模块与通道2的A2相、B2相、C2相不对称半桥模块结构一致；A1相不对称半桥模块由2组型号一致的半桥模块构成。本发明利用市场主流大功率半桥模块实现了相电流峰值超过600A，电压270V双三相不对称半桥功率拓扑，为开关磁阻电机应用于航空起动/发电搭建了功率平台，为装机应用提供了技术路线；而且本发明拓扑结构简单，各相独立控制，具有容错能力，避免了复杂并联控制和缺相故障带来的不稳定性。

Description

一种适用于大功率开关磁阻电机控制的功率变换拓扑结构
技术领域
本发明属于航空电气技术，涉及一种航空发动机起动和飞机发电用大功率开关磁阻电机功率变换拓扑结构。
背景技术
开关磁阻起动/发电功率变换拓扑结构，国内外研究较多，但主要集中在小功率等级，功率拓扑以单三相不对称半桥居多，功率变换拓扑如图1所示，其中每相可控功率管与二极管独立组成或者由不对称半桥模块组成，如图2所示。
随着多电飞机发展，起动/发电一体化和大功率发电需求已然成为必然，开关磁阻电机系统因其转速高、耐高温等优势，成为大功率高压直流起动/发电的主要方向，然而传统的功率拓扑已无法满足系统要求。传统的三相不对称半桥拓扑有以下不足：
1、由于市场需求量不大，目前没有成熟的高压大电流专用不对称半桥功率模块，使得单三相不对称半桥拓扑无法单一应用在270V/600A及其以上的大功率高压直流应用场景，需要复杂的控制算法才能使多个小功率控制器并联输出大功率，如图3所示；
2、全部使用单管可控功率管与二极管组成不对称半桥模块，使得系统体积和重量严重增加；
3、无容错能力，任意一相故障，都会使得飞机发动机无法实现电起动，且在发电时严重降低发电品质。
因此需要一种相电流峰值超过600A，电压270V的具有容错能力的高效大功率不对称半桥拓扑，以满足航空高压大功率开关磁阻起动/发电系统。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种适用于大功率开关磁阻电机控制的功率变换拓扑结构，在现有低等级功率器件要求下，在不增加控制复杂度的前提下，使得系统满足大功率起动/发电功率和可靠性要求，为后续开关磁阻大功率起动/发电系统应用奠定了基础，同时也为其他同类系统提供参考。
本发明的技术方案为：
一种适用于大功率开关磁阻电机控制的功率变换拓扑结构，包括双通道三相不对称半桥模块、输入滤波器电容和发电输出滤波器；
所述双通道三相不对称半桥模块由第一通道三相不对称半桥模块和第二通道三相不对称半桥模块组成；第一通道三相不对称半桥模块具有输入滤波器电容C1，第二通道三相不对称半桥模块具有输入滤波电容为C2；所述发电输出滤波器由电容C3、电感L1和电容C4组成CLC型滤波器；
每个通道三相不对称半桥模块均由6组半桥模块组成；第一通道三相不对称半桥模块的A1相不对称半桥模块、B1相不对称半桥模块和C1相不对称半桥模块与第二通道的A2相不对称半桥模块、B2相不对称半桥模块和C2相不对称半桥模块结构对应一致；
A1相不对称半桥模块由2组型号一致的半桥模块构成，其中A1相+半桥模块 IGBT上管命名G1、下管命名G2，二极管上管命名D1、下管命名D2，A1相-半桥模块IGBT上管命名G3、下管命名G4，二极管上管命名D3、下管命名D4；通过对G2、 G3给关断信号，对G1、G4给正常控制信号，G1和G4、D2和D3组成了一相不对称半桥功率拓扑；
B1相+半桥模块IGBT上管命名G5、下管命名G6，二极管上管命名D5、下管命名D6，B1相-半桥模块IGBT上管命名G7、下管命名G8，二极管上管命名D7、下管命名D8；通过对G6、G7给关断信号，对G5、G8给正常控制信号，G5和G8、D6 和D7组成了一相不对称半桥功率拓扑；
C1相+半桥模块IGBT上管命名G9、下管命名G10，二极管上管命名D9、下管命名D10，C1相-半桥模块IGBT上管命名G11、下管命名G12，二极管上管命名D11、下管命名D12；通过对G10、G11给关断信号，对G9、G12给正常控制信号，G9和 G12、D10和D11组成了一相不对称半桥功率拓扑；
A2相+半桥模块IGBT上管命名G13、下管命名G14，二极管上管命名D13、下管命名D14，A2相-半桥模块IGBT上管命名G15、下管命名G16，二极管上管命名 D15、下管命名D16；通过对G14、G15给关断信号，对G13、G16给正常控制信号，G13和G16、D14和D15组成了一相不对称半桥功率拓扑；
B2相+半桥模块IGBT上管命名G17、下管命名G18，二极管上管命名D17、下管命名D18，B2相-半桥模块IGBT上管命名G19、下管命名G20，二极管上管命名 D19、下管命名D20；通过对G18、G19给关断信号，对G17、G20给正常控制信号， G17和G20、D18和D19组成了一相不对称半桥功率拓扑；
C2相+半桥模块IGBT上管命名G21、下管命名G22，二极管上管命名D21、下管命名D22，C2相-半桥模块IGBT上管命名G23、下管命名G24，二极管上管命名 D23、下管命名D24；通过对G22、G23给关断信号，对G21、G24给正常控制信号， G21和G24、D22和D23组成了一相不对称半桥功率拓扑；
A1相+功率管G1的集电极a3端与B1相+功率管G5的集电极a4端、C1相+功率管G9的集电极a5端、输入电容C1的a2端、输入电容C2的aa2端、A2相+功率管G13的集电极aa3端与B2相+功率管G17的集电极aa4端、C2相+功率管G21的集电极aa5端，以及二极管D25阴极，通过汇流条连接成一个电气参考点，命名为起动输入+；
A1相-功率管G3的集电极b1端与B1相-功率管G7的集电极b2端、C1相-功率管G11的集电极b3端、发电电容C3的b5端、A2相-功率管G15的集电极bb1端与 B2相-功率管G19的集电极bb2端、C2相-功率管G23的集电极bb3端，以及二极管 D25阳极，通过汇流条连接成一个电气参考点，命名为并联母线+；
A1相+功率管G2的发射极c2端与A1相-功率管G4的发射极c3端、B1相+功率管G6的发射极c4端、B1相-功率管G8的发射极c5端、C1相+功率管G10的发射极c6端、C1相-功率管G12的发射极c7端、A2相+功率管G14的发射极cc2端与 A2相-功率管G16的发射极cc3端、B2相+功率管G18的发射极cc4端、B2相-功率管G20的发射极cc5端、C2相+功率管G22的发射极cc6端、C2相-功率管G24的发射极cc7端、发电滤波器C3的c8端、发电滤波器C4的c9端，通过汇流条连接成一个电气参考点，分2个接线端子命名为起动输入-和发电输出-；
A1相电机+绕组连接到功率管G1的发射级与功率管G2的集电极公共点d1，A1 相电机-绕组连接到功率管G3的发射级与功率管G4的集电极公共点e1；B1相电机+ 绕组连接到功率管G5的发射级与功率管G6的集电极公共点f1，B1相电机-绕组连接到功率管G7的发射级与功率管G8的集电极公共点g1；C1相电机+绕组连接到功率管G9的发射级与功率管G10的集电极公共点h1，C1相电机-绕组连接到功率管G11 的发射级与功率管G12的集电极公共点j1；A2相电机+绕组连接到功率管G13的发射级与功率管G14的集电极公共点dd1，A2相电机-绕组连接到功率管G15的发射级与功率管G16的集电极公共点ee1；B2相电机+绕组连接到功率管G17的发射级与功率管G18的集电极公共点ff1，B2相电机-绕组连接到功率管G19的发射级与功率管G20 的集电极公共点gg1；C2相电机+绕组连接到功率管G21的发射级与功率管G22的集电极公共点hh1，C2相电机-绕组连接到功率管G23的发射级与功率管G24的集电极公共点jj1。
进一步的，第一通道三相不对称半桥模块和第二通道三相不对称半桥模块的对应相相位差能够根据需要进行调整。
在发动机起动阶段，起动电源通过起动输入+和起动输入-端，给双通道三相不对称半桥模块供电。在A相工作期间，当A相电流偏低时，A1相的G1和G4同时导通，相电流增大；当A相电流偏高时，A1相的G1关断、G4导通，相电流减小。
在发电阶段，通过起动输入+和起动励磁电源，在A相发电工作期间，通过A1 相的G1和G4同时导通，对电机进行励磁，当励磁电流达到满足要求后，关断G1和 G4，进行发电，电机电感电流通过二极管D2和D3给后级供电，通过C3、L1、C4 组成的滤波器输出直流电。
有益效果
1)本发明利用市场主流大功率半桥模块实现了相电流峰值超过600A，电压270V双三相不对称半桥功率拓扑，为开关磁阻电机应用于航空起动/发电搭建了功率平台，为装机应用提供了技术路线；
2)拓扑结构简单，使得各相独立控制，具有容错能力，避免了复杂并联控制和缺相故障带来的不稳定性，提高了航空供电系统安全性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：传统的开关磁阻单三相不对称半桥功率拓扑；
图2：(a)传统的单个不对称半桥功率模块；(b)传统的独立单管模块；
图3：基于复杂控制算法的多控制器并联原理示意图；
图4：本发明功率拓扑原理示意图；
图5：大功率单相不对称半桥模块原理示意图；
图6：大功率双三相不对称不半桥并联原理示意图；
图7：本发明功率拓扑实物应用。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例中针对开关磁阻电机的大功率功率变换拓扑结构，如图4所示，主要由双通道三相不对称半桥模块、输入滤波器电容、发电输出滤波器等组成。其中，通道 1输入滤波电容为C1，通道2输入滤波电容为C2，发电输出滤波器由C3、L1和C4 组成CLC型滤波器。
双通道三相不对称半桥模块各由6组半桥模块组成通道1和通道2三相不对称半桥模块。通道1的A1相、B1相、C1相不对称半桥模块与通道2的A2相、B2相、 C2相不对称半桥模块结构一致，以A1相不对称半桥模块结构为例说明。如图5所示，在现有器件等级条件下，利用大功率半桥模块的一个可控管和体二极管，实现了大功率不对称半桥功率拓扑，其中A1相不对称半桥模块主要由2组型号一致的半桥模块构成，其中A1相+半桥模块IGBT上管命名G1、下管命名G2，二极管上管命名D1、下管命名D2，A1相-半桥模块IGBT上管命名G3、下管命名G4，二极管上管命名D3、下管命名D4。通过对G2、G3一直给-15V关断信号，G1和G4给正常控制信号，由 G1和G4、D2和D3组成了一相不对称半桥功率拓扑，使得A1相可以利用现有成熟的大功率半桥模块组成了大功率不对称半桥模块。
如图4所示，A1相+功率管G1的集电极a3端与B1相+G5的集电极a4端、C1 相+G9的集电极a5端、输入电容C1的a2端、输入电容C2的aa2端、A2相+功率管 G13的集电极aa3端与B2相+G17的集电极aa4端、C2相+G21的集电极aa5端、D25 二极管阴极，通过汇流条连接成一个电气参考点，命名为起动输入+；
A1相-功率管G3的集电极b1端与B1相-G7的集电极b2端、C1相-G11的集电极b3端、发电电容C3的b5端、A2相-功率管G15的集电极bb1端与B2相-G19的集电极bb2端、C2相-G23的集电极bb3端、D25二极管阳极，通过汇流条连接成一个电气参考点，命名为并联母线+。本接法利用通道1二极管D3、D7、D11，通道2 二极管D15、D19、D23的二极管单向导电性，使得通道1的A1、B1、C1和通道2 的A2、B2、C2电机绕组发电时不相互影响，可实现独立控制，避免了复杂的并联控制策略，提高了系统可靠性，即如图6所示，双通道不对称半桥功率拓扑利用二极管单向导通性能，通过D3、D7、D11、D15、D19、D23二极管实现并联，无需并联均流等复杂控制算法，实现了解耦，可实现各相电流与功率独立控制，简化了控制复杂度。
A1相+功率管G2的发射极c2端与A1相-功率管G4的发射极c3端、B1相+功率管G6的发射极c4端、B1相-功率管G8的发射极c5端、C1相+功率管G10的发射极c6端、C1相-功率管G12的发射极c7端、A2相+功率管G14的发射极cc2端与 A2相-功率管G16的发射极cc3端、B2相+功率管G18的发射极cc4端、B2相-功率管G20的发射极cc5端、C2相+功率管G22的发射极cc6端、C2相-功率管G24的发射极cc7端、发电滤波器C3的c8端、发电滤波器C4的c9端，通过汇流条连接成一个电气参考点，分2个接线端子命名为起动输入-和发电输出-。
通道1的A1相电机+绕组连接到功率拓扑A1相+半桥模块G1的发射级与G2的集电极公共点d1，通道1的A1相电机-绕组连接到功率拓扑A1相-半桥模块G3的发射级与G4的集电极公共点e1，其他电机相绕组与功率拓扑接法类似，不再详述。
根据需要，三相不对称功率通道1和通道2的对应相相位差可以任意调整。以下以A1相和A2相无相位差进行A1相工作介绍，其他相类似不再详述。
在发动机起动阶段，起动电源通过起动输入+和起动输入-端，给双通道不对称功率通道1和通道2进行供电，为了满足起动功率或者力矩要求，在A相工作期间，当A相电流偏低时，A1相的G1和G4同时导通，相电流增大；当A相电流偏高时，A1 相的G1关断、G4导通，相电流减小；
在发电阶段，首先通过起动输入+和起动励磁电源，在A相发电工作期间，通过 A1相的G1和G4同时导通，对电机进行励磁，当励磁电流达到满足要求后，关断G1 和G4，进行发电，电机电感电流通过二极管D2和D3给后级供电，通过C3、L1、 C4组成的滤波器输出直流电。
如图7所示，本发明目前应用在“2016~2020”航空起动/发电系统预研课题中，设计简单可靠，满足了航空150kW高压直流大功率起动/发电一体化需求。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种适用于大功率开关磁阻电机控制的功率变换拓扑结构，其特征在于：包括双通道三相不对称半桥模块、输入滤波器电容和发电输出滤波器；
所述双通道三相不对称半桥模块由第一通道三相不对称半桥模块和第二通道三相不对称半桥模块组成；第一通道三相不对称半桥模块具有输入滤波器电容C1，第二通道三相不对称半桥模块具有输入滤波电容为C2；所述发电输出滤波器由电容C3、电感L1和电容C4组成CLC型滤波器；
每个通道三相不对称半桥模块均由6组半桥模块组成；第一通道三相不对称半桥模块的A1相不对称半桥模块、B1相不对称半桥模块和C1相不对称半桥模块与第二通道的A2相不对称半桥模块、B2相不对称半桥模块和C2相不对称半桥模块结构对应一致；
A1相不对称半桥模块由2组型号一致的半桥模块构成，其中A1相+半桥模块IGBT上管命名G1、下管命名G2，二极管上管命名D1、下管命名D2，A1相-半桥模块IGBT上管命名G3、下管命名G4，二极管上管命名D3、下管命名D4；通过对G2、G3给关断信号，对G1、G4给正常控制信号，G1和G4、D2和D3组成了一相不对称半桥功率拓扑；
B1相+半桥模块IGBT上管命名G5、下管命名G6，二极管上管命名D5、下管命名D6，B1相-半桥模块IGBT上管命名G7、下管命名G8，二极管上管命名D7、下管命名D8；通过对G6、G7给关断信号，对G5、G8给正常控制信号，G5和G8、D6和D7组成了一相不对称半桥功率拓扑；
C1相+半桥模块IGBT上管命名G9、下管命名G10，二极管上管命名D9、下管命名D10，C1相-半桥模块IGBT上管命名G11、下管命名G12，二极管上管命名D11、下管命名D12；通过对G10、G11给关断信号，对G9、G12给正常控制信号，G9和G12、D10和D11组成了一相不对称半桥功率拓扑；
A2相+半桥模块IGBT上管命名G13、下管命名G14，二极管上管命名D13、下管命名D14，A2相-半桥模块IGBT上管命名G15、下管命名G16，二极管上管命名D15、下管命名D16；通过对G14、G15给关断信号，对G13、G16给正常控制信号，G13和G16、D14和D15组成了一相不对称半桥功率拓扑；
B2相+半桥模块IGBT上管命名G17、下管命名G18，二极管上管命名D17、下管命名D18，B2相-半桥模块IGBT上管命名G19、下管命名G20，二极管上管命名D19、下管命名D20；通过对G18、G19给关断信号，对G17、G20给正常控制信号，G17和G20、D18和D19组成了一相不对称半桥功率拓扑；
C2相+半桥模块IGBT上管命名G21、下管命名G22，二极管上管命名D21、下管命名D22，C2相-半桥模块IGBT上管命名G23、下管命名G24，二极管上管命名D23、下管命名D24；通过对G22、G23给关断信号，对G21、G24给正常控制信号，G21和G24、D22和D23组成了一相不对称半桥功率拓扑；
A1相+功率管G1的集电极a3端与B1相+功率管G5的集电极a4端、C1相+功率管G9的集电极a5端、输入电容C1的a2端、输入电容C2的aa2端、A2相+功率管G13的集电极aa3端与B2相+功率管G17的集电极aa4端、C2相+功率管G21的集电极aa5端，以及二极管D25阴极，通过汇流条连接成一个电气参考点，命名为起动输入+；
A1相-功率管G3的集电极b1端与B1相-功率管G7的集电极b2端、C1相-功率管G11的集电极b3端、发电电容C3的b5端、A2相-功率管G15的集电极bb1端与B2相-功率管G19的集电极bb2端、C2相-功率管G23的集电极bb3端，以及二极管D25阳极，通过汇流条连接成一个电气参考点，命名为并联母线+；
A1相+功率管G2的发射极c2端与A1相-功率管G4的发射极c3端、B1相+功率管G6的发射极c4端、B1相-功率管G8的发射极c5端、C1相+功率管G10的发射极c6端、C1相-功率管G12的发射极c7端、A2相+功率管G14的发射极cc2端与A2相-功率管G16的发射极cc3端、B2相+功率管G18的发射极cc4端、B2相-功率管G20的发射极cc5端、C2相+功率管G22的发射极cc6端、C2相-功率管G24的发射极cc7端、发电滤波器C3的c8端、发电滤波器C4的c9端，通过汇流条连接成一个电气参考点，分2个接线端子命名为起动输入-和发电输出-；
A1相电机+绕组连接到功率管G1的发射级与功率管G2的集电极公共点d1，A1相电机-绕组连接到功率管G3的发射级与功率管G4的集电极公共点e1；
B1相电机+绕组连接到功率管G5的发射级与功率管G6的集电极公共点f1，B1相电机-绕组连接到功率管G7的发射级与功率管G8的集电极公共点g1；
C1相电机+绕组连接到功率管G9的发射级与功率管G10的集电极公共点h1，C1相电机-绕组连接到功率管G11的发射级与功率管G12的集电极公共点j1；
A2相电机+绕组连接到功率管G13的发射级与功率管G14的集电极公共点dd1，A2相电机-绕组连接到功率管G15的发射级与功率管G16的集电极公共点ee1；
B2相电机+绕组连接到功率管G17的发射级与功率管G18的集电极公共点ff1，B2相电机-绕组连接到功率管G19的发射级与功率管G20的集电极公共点gg1；
C2相电机+绕组连接到功率管G21的发射级与功率管G22的集电极公共点hh1，C2相电机-绕组连接到功率管G23的发射级与功率管G24的集电极公共点jj1。
2.根据权利要求1所述一种适用于大功率开关磁阻电机控制的功率变换拓扑结构，其特征在于：第一通道三相不对称半桥模块和第二通道三相不对称半桥模块的对应相相位差能够根据需要进行调整。
3.根据权利要求1所述一种适用于大功率开关磁阻电机控制的功率变换拓扑结构，其特征在于：在发动机起动阶段，起动电源通过起动输入+和起动输入-端，给双通道三相不对称半桥模块供电。
4.根据权利要求3所述一种适用于大功率开关磁阻电机控制的功率变换拓扑结构，其特征在于：在A相工作期间，当A相电流偏低时，A1相的G1和G4同时导通，相电流增大；当A相电流偏高时，A1相的G1关断、G4导通，相电流减小。
5.根据权利要求1所述一种适用于大功率开关磁阻电机控制的功率变换拓扑结构，其特征在于：在发电阶段，通过起动输入+和起动励磁电源，在A相发电工作期间，通过A1相的G1和G4同时导通，对电机进行励磁，当励磁电流达到满足要求后，关断G1和G4，进行发电，电机电感电流通过二极管D2和D3给后级供电，通过C3、L1、C4组成的滤波器输出直流电。
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