CN114337456B

CN114337456B - 一种两相电机的不对称半桥拓扑电路

Info

Publication number: CN114337456B
Application number: CN202111677430.3A
Authority: CN
Inventors: 王连可; 付东山; 雷厉; 司洪宇
Original assignee: Siberian Motor Technology Suzhou Co ltd; China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: Siberian Motor Technology Suzhou Co ltd; China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2023-08-15
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114337456A

Abstract

本申请提供一种两相电机的不对称半桥拓扑电路，在保证驱动效果的前提下，极大的减少开关管数量和电容元件，降低系统体积与成本。不对称半桥拓扑电路包括两个桥臂，两个桥臂的两端分别与电源的正负极连接，第一桥臂由第二开关管和励磁绕组串联组成，第二桥臂由第一开关管和第三开关管串联组成，电枢绕组的一端与第一开关管和第三开关管之间的导线连接、另一端与第二开关管和励磁绕组之间的导线连接，励磁绕组的一端与电源正极连接，第二开关管的一端与电源负极连接，励磁绕组并联有一个二极管，通过控制第一桥臂和第二桥臂的开关管的导通或关断来实现电枢绕组的正向导通及反向导通。

Description

一种两相电机的不对称半桥拓扑电路

技术领域

本发明涉及电机技术领域，更具体地，涉及适用于一种两相电机的不对称半桥拓扑电路。

背景技术

开关磁阻电机（switched reluctance motor, SRM）具有坚固耐用、调速范围广、启动转矩大等一系列优点，在宽转速与高功率范围内均具有高输出与高效率，非常适合应用于高速运行及恶劣的环境中。两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路中， A为电枢绕组，F为励磁绕组，+、﹣分别表示规定的绕组电流正负方向，该电机能实现正常运行的驱动要求是：在一个电周期内，励磁绕组单向持续导通，电枢绕组双向交替导通。

两相开关磁阻电机作为整个开关磁阻电机系列的一种，具有很多突出优势，在结构进一步简化的同时，减少了电机与驱动电路间的连线，此外，非对称大气隙结构也提高了电感比值，因此，在不要求同时具备正、反转向，应首先考虑采用具有自启动能力的两相开关磁阻电机。但是目前，对于两相SRM驱动拓扑电路的研究相对较少，传统通用的SRM拓扑主要包括：不对称半桥驱动拓扑，其每相由两个开关器件和两个二极管单独控制，相间耦合程度低，通用性高；容性储能驱动拓扑，其利用容性储能元件帮助绕组续流，有多种结构形式，且减少了开关器件与二极管；双绕组驱动拓扑，每相有成对的第一绕组与第二绕组，因此每一相仅用一个开关器件控制即可。现有SRM驱动拓扑电路能基本实现各类SRM的正常运行，但是每一类都有其具体限制，难以广泛应用于各类场景中。其中，不对称半桥驱动拓扑每一相需要两个开关管与两个二极管，开关损耗更大，对两相SRM而言，这种拓扑控制成本较高且效率较低；容性储能驱动拓扑中采用了电容，储能元件的利用增大了驱动电路的体积，增加了控制系统成本，且在相数较少的情况下可利用的结构数较少；双绕组驱动拓扑中额外增加的第二绕组增大了电机的体积，削弱了两相SRM槽空间大的优势。

有鉴于此，本申请提供一种两相电机的不对称半桥拓扑电路,在保证驱动效果的前提下，能够极大的减少开关管数量和电容元件，降低系统体积与成本。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种两相电机的不对称半桥拓扑电路, 在保证驱动效果的前提下，能够极大的减少开关管数量和电容元件，降低系统体积与成本。

一种两相电机的不对称半桥拓扑电路, 所述不对称半桥拓扑电路包括两个桥臂，两个桥臂的两端分别与电源的正负极连接，所述第一桥臂由第二开关管和励磁绕组串联组成，第二桥臂由第一开关管和第三开关管串联组成，电枢绕组的一端与第一开关管和第三开关管之间的导线连接、另一端与第二开关管和励磁绕组之间的导线连接，励磁绕组的一端与电源正极连接，第二开关管的一端与电源负极连接，励磁绕组并联有一个二极管，通过控制第一桥臂和第二桥臂的开关管的导通或关断来实现电枢绕组的正向导通及反向导通。

在一些实施方式中，所述二极管的阳极与第二开关管连接、阴极与电源正极（正母线）连接，第一开关管的一端与电源正极连接，第三开关管的一端与电源负极连接。

进一步的，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管为三极管。

进一步的，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管为NPN型三极管。

进一步的，所述第二开关管的集电极与励磁绕组连接、发射极与电源负极连接、基极与电枢绕组正向导通控制信号输出端连接，励磁绕组的另一端与电源正极连接，第一开关管的集电极与电源正极连接、发射极与第三开关管的集电极连接、基极与电枢绕组正向导通控制信号输出端连接，第三开关管的发射极与电源负极连接、基极与电枢绕组反向导通控制信号输出端连接。

在一些实施方式中，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管设置有内部二极管，内部二极管与开关管反向并联，内部二极管的阳极与开关管的发射极连接、阴极与开关管的集电极连接，电枢绕组通过第一桥臂和第二桥臂的开关管的反向并联的内部二极管进行续流。

进一步的，在电力电子管中，所有的开关管无论IGBT还是MOSFET，其工艺和原理决定了这些管子只能控制单相导通关断，反向是二极管，因此，开关管内部天然内置有反并联的内部二极管。

在一些实施方式中，所述第三开关管关断、第一开关管和第二开关管导通，电枢绕组正向导通，电枢绕组正向导通时的电流回路为：电源正极、第一开关管、电枢绕组、第二开关管和电源负极，以及电源正极、励磁绕组、第二开关管和电源负极；所述第一开关管和第二开关管关断、第三开关管导通，电枢绕组反向导通，电枢绕组反向导通时的电流回路为：电源正极、励磁绕组、电枢绕组、第三开关管和电源负极。

进一步的，电枢绕组在换向的过程中，电枢绕组和励磁绕组存在并联与串联或串联与并联的切换过程，在电枢绕组正向导通时，电枢绕组与励磁绕组并联，电枢绕组和励磁绕组的电压为电源电压；在电枢绕组反向导通时，电枢绕组和励磁绕组串联并与电源相连；第二开关管导通且第一开关管和第三开关管关断时，励磁绕组的电压为电源电压；第二开关管和第三开关管关断时，电枢绕组和励磁绕组的电压为零。

进一步的，在电枢绕组正向导通时，通过调节第二开关管的占空比来控制总电流，通过调节第一开关管的占空比来控制电枢绕组的电流。

进一步的，第二开关管的占空比为1/2时，每相电压为1/2U_dc，以使得换向时两绕组的平均电压与串联时保持一致。

在一些实施方式中，电枢绕组在换向的过程中，励磁绕组通过与其并联的二极管形成续流回路，续流回路依次为二极管阳极、二极管阴极、励磁绕组和二极管阳极。

在一些实施方式中，通过电枢绕组的是双向交替的电流，当第三开关管导通、第一开关管和第二开关管关断时，电枢绕组的正向续流回路为：电源负极、第三开关管的内部二极管、电枢绕组、二极管和电源正极；当第三开关管关断、第一开关管和第二开关管导通时，电枢绕组的反向续流回路为：电源负极、第二开关管的内部二极管、电枢绕组、第一开关管的内部二极管和电源正极。

在一些实施方式，由于第二开关管与电源负极（负母线）连接，因此对应驱动可以不采用隔离措施。

在一些实施方式中，在两相电机中，所述励磁绕组和电枢绕组分别由两套绕组组成，同一相中的两套绕组进行串联或并联，电机所有绕组中的电流由各绕组标号为纯数字端流入为正方向，因此，当绕组以端部连接方式缠绕于电机上可以使得电机中规定的正电流方向与拓扑电路中规定的正电流方向一致。

进一步的，通过励磁绕组的电流方向不变，因此通过绕组端部1、1’、2、2’的电流方向是不变的，通过电枢绕组的电流方向在一个电周期内变化两次，电枢绕组正向导通及反向导通的变化，绕组端部3、3’、4、4’中的电流方向同步变化。

本发明相较于现有技术的不对称半桥拓扑，极大的减少了开关管和二极管的数量，仅适用一个二极管和三个开关管，使得控制成本降低，效率提高；且无需额外的储能元件，减少了系统体积与成本；没有占用额外的槽空间，保持了电机成本低的优势。本发明所提出的驱动拓扑，成本低廉，控制容易，若应用于两相SRM能进一步拓宽其应用领域，具有较好的应用前景。

附图说明

结合以下附图一起阅读时，将会更加充分地描述本申请内容的上述和其他特征。可以理解，这些附图仅描绘了本申请内容的若干实施方式，因此不应认为是对本申请内容范围的限定。通过采用附图，本申请内容将会得到更加明确和详细地说明。

图1为本申请实施例1的两相电机的不对称半桥拓扑电路的示意图。

图2为本申请的整距式SRM运行一个电周期的原理图，其中，图2a为绕组电流为正方向的示意图，图2b为电机正电流方向与驱动拓扑电路正电流方向一致的示意图。

图3为本申请的不对称半桥拓扑电路在电枢绕组正向导通时的电流回路示意图。

图4为本申请的不对称半桥拓扑电路在电枢绕组反向导通时的电流回路示意图。

图5为本申请的不对称半桥拓扑电路中励磁绕组的续流回路示意图。

图6为本申请的不对称半桥拓扑电路中电枢绕组的正向续流回路示意图。

图7为本申请的不对称半桥拓扑电路中电枢绕组的反向续流回路示意图。

在图中，各开关管的内部二极管有绘出，虚线框内的开关管及内部二极管实际为一个总体的开关管。

实施方式

描述以下实施例以辅助对本申请的理解，实施例不是也不应当以任何方式解释为限制本申请的保护范围。

在以下描述中，本领域的技术人员将认识到，在本论述的全文中，组件可描述为单独的功能单元(可包括子单元)，但是本领域的技术人员将认识到，各种组件或其部分可划分成单独组件，或者可整合在一起(包括整合在单个的系统或组件内)。

同时，组件或系统之间的连接并不旨在限于直接连接，相反，在这些组件之间的数据可由中间组件修改、重格式化、或以其它方式改变。另外，可使用另外或更少的连接。还应注意，术语“联接”、“连接”、或“输入”应理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备来进行的间接连接、和无线连接。

实施例

一种两相电机的不对称半桥拓扑电路, 所述不对称半桥拓扑电路包括两个桥臂，两个桥臂的两端分别与电源的正负极连接，所述第一桥臂由第二开关管VT2和励磁绕组F串联组成，第二桥臂由第一开关管VT1和第三开关管VT3串联组成，电枢绕组A的一端与第一开关管VT1和第三开关管VT3之间的导线连接、另一端与第二开关管VT2和励磁绕组F之间的导线连接，励磁绕组F的一端与电源正极连接，第二开关管VT2的一端与电源负极连接，励磁绕组F并联有一个二极管VD，通过控制第一桥臂和第二桥臂的开关管的导通或关断来实现电枢绕组A的正向导通及反向导通。所述二极管VD的阳极与第二开关管VT2连接、阴极与电源正极（正母线）连接，第一开关管VT1的一端与电源正极连接，第三开关管VT3的一端与电源负极连接。所述第一开关管VT1、第二开关管VT2和第三开关管VT3为三极管。所述第一开关管VT1、第二开关管VT2和第三开关管VT3为NPN型三极管。所述第二开关管VT2的集电极与励磁绕组F连接、发射极与电源负极连接、基极与电枢绕组A正向导通控制信号输出端连接，励磁绕组F的另一端与电源正极连接，第一开关管VT1的集电极与电源正极连接、发射极与第三开关管VT3的集电极连接、基极与电枢绕组A正向导通控制信号输出端连接，第三开关管VT3的发射极与电源负极连接、基极与电枢绕组A反向导通控制信号输出端连接，如图1所示。

所述第一开关管VT1、第二开关管VT2和第三开关管VT3设置有内部二极管VD，内部二极管VD与开关管反向并联，内部二极管VD的阳极与开关管的发射极连接、阴极与开关管的集电极连接，电枢绕组A通过第一桥臂和第二桥臂的开关管的反向并联的内部二极管VD进行续流。在电力电子管中，所有的开关管无论IGBT还是MOSFET，其工艺和原理决定了这些管子只能控制单相导通关断，反向是二极管VD，因此，开关管内部天然内置有反并联的内部二极管VD。所述第三开关管VT3关断、第一开关管VT1和第二开关管VT2导通，电枢绕组A正向导通，电枢绕组A正向导通时的电流回路为：电源正极、第一开关管VT1、电枢绕组A、第二开关管VT2和电源负极，以及电源正极、励磁绕组F、第二开关管VT2和电源负极（如图3所示）；所述第一开关管VT1和第二开关管VT2关断、第三开关管VT3导通，电枢绕组A反向导通，电枢绕组A反向导通时的电流回路为：电源正极、励磁绕组F、电枢绕组A、第三开关管VT3和电源负极（如图4所示）。电枢绕组A在换向的过程中，电枢绕组A和励磁绕组F存在并联与串联或串联与并联的切换过程，在电枢绕组A正向导通时，电枢绕组A与励磁绕组F并联，电枢绕组A和励磁绕组F的电压为电源电压；在电枢绕组A反向导通时，电枢绕组A和励磁绕组F串联并与电源相连；第二开关管VT2导通且第一开关管VT1和第三开关管VT3关断时，励磁绕组F的电压为电源电压；第二开关管VT2和第三开关管VT3关断时，电枢绕组A和励磁绕组F的电压为零。在电枢绕组A正向导通时，通过调节第二开关管VT2的占空比来控制总电流，通过调节第一开关管VT1的占空比来控制电枢绕组A的电流。第二开关管VT2的占空比为1/2时，每相电压为1/2U_dc，以使得换向时两绕组的平均电压与串联时保持一致。

电枢绕组A在换向的过程中，励磁绕组F通过与其并联的二极管VD形成续流回路，续流回路依次为二极管VD阳极、二极管VD阴极、励磁绕组F和二极管VD阳极（如图5所示）。通过电枢绕组A的是双向交替的电流，当第三开关管VT3导通、第一开关管VT1和第二开关管VT2关断时，电枢绕组A的正向续流回路为：电源负极、第三开关管VT3的内部二极管VD、电枢绕组A、二极管VD和电源正极（如图6所示）；当第三开关管VT3关断、第一开关管VT1和第二开关管VT2导通时，电枢绕组A的反向续流回路为：电源负极、第二开关管VT2的内部二极管VD、电枢绕组A、第一开关管VT1的内部二极管VD和电源正极（如图7所示）。由于第二开关管VT2与电源负极（负母线）连接，因此对应驱动可以不采用隔离措施。

在两相电机中，所述励磁绕组F和电枢绕组A分别由两套绕组组成，同一相中的两套绕组进行串联或并联，电机所有绕组中的电流由各绕组标号为纯数字端流入为正方向（如图2a所示），因此，当绕组以端部连接方式缠绕于电机上可以使得电机中规定的正电流方向与拓扑电路中规定的正电流方向一致（如图2b所示）。通过励磁绕组F的电流方向不变，因此通过绕组端部1、1’、2、2’的电流方向是不变的，通过电枢绕组A的电流方向在一个电周期内变化两次，电枢绕组A正向导通及反向导通的变化，绕组端部3、3’、4、4’中的电流方向同步变化。

尽管本申请已公开了多个方面和实施方式，但是其它方面和实施方式对本领域技术人员而言将是显而易见的，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。本申请公开的多个方面和实施方式仅用于举例说明，其并非旨在限制本申请，本申请的实际保护范围以权利要求为准。

Claims

1.一种两相电机的不对称半桥拓扑电路, 其特征在于，所述不对称半桥拓扑电路包括两个桥臂，两个桥臂的两端分别与电源的正负极连接，第一桥臂由第二开关管和励磁绕组串联组成，第二桥臂由第一开关管和第三开关管串联组成，电枢绕组的一端与第一开关管和第三开关管之间的导线连接、另一端与第二开关管和励磁绕组之间的导线连接，励磁绕组的一端与电源正极连接，第二开关管的一端与电源负极连接，励磁绕组并联有一个二极管，二极管的阳极与第二开关管连接、阴极与电源正极连接，第一开关管的一端与电源正极连接，第三开关管的一端与电源负极连接，通过控制第一桥臂和第二桥臂的开关管的导通或关断来实现电枢绕组的正向导通及反向导通。

2.如权利要求1所述的两相电机的不对称半桥拓扑电路, 其特征在于，所述二极管的阳极与第二开关管连接、阴极与电源正极连接，第一开关管的一端与电源正极连接，第三开关管的一端与电源负极连接，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管为三极管。

3.如权利要求1所述的两相电机的不对称半桥拓扑电路, 其特征在于，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管为NPN型三极管；所述第二开关管的集电极与励磁绕组连接、发射极与电源负极连接、基极与电枢绕组正向导通控制信号输出端连接，励磁绕组的另一端与电源正极连接，第一开关管的集电极与电源正极连接、发射极与第三开关管的集电极连接、基极与电枢绕组正向导通控制信号输出端连接，第三开关管的发射极与电源负极连接、基极与电枢绕组反向导通控制信号输出端连接。

4.如权利要求1所述的两相电机的不对称半桥拓扑电路, 其特征在于，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管设置有内部二极管，内部二极管与开关管反向并联，内部二极管的阳极与开关管的发射极连接、阴极与开关管的集电极连接，电枢绕组通过第一桥臂和第二桥臂的开关管的反向并联的内部二极管进行续流。

5.如权利要求1所述的两相电机的不对称半桥拓扑电路, 其特征在于，所述第三开关管关断、第一开关管和第二开关管导通，电枢绕组正向导通，电枢绕组正向导通时的电流回路为：电源正极、第一开关管、电枢绕组、第二开关管和电源负极，以及电源正极、励磁绕组、第二开关管和电源负极；所述第一开关管和第二开关管关断、第三开关管导通，电枢绕组反向导通，电枢绕组反向导通时的电流回路为：电源正极、励磁绕组、电枢绕组、第三开关管和电源负极。

6.如权利要求5所述的两相电机的不对称半桥拓扑电路, 其特征在于，枢绕组在换向的过程中，电枢绕组和励磁绕组存在并联与串联的切换过程，在电枢绕组正向导通时，电枢绕组与励磁绕组并联，电枢绕组和励磁绕组的电压为电源电压；在电枢绕组反向导通时，电枢绕组和励磁绕组串联并与电源相连；第二开关管导通且第一开关管和第三开关管关断时，励磁绕组的电压为电源电压；第二开关管和第三开关管关断时，电枢绕组和励磁绕组的电压为零。

7.如权利要求5所述的两相电机的不对称半桥拓扑电路, 其特征在于，在电枢绕组正向导通时，通过调节第二开关管的占空比来控制总电流，通过调节第一开关管的占空比来控制电枢绕组的电流。

8.如权利要求1所述的两相电机的不对称半桥拓扑电路, 其特征在于，电枢绕组在换向的过程中，励磁绕组通过与其并联的二极管形成续流回路，续流回路依次为二极管阳极、二极管阴极、励磁绕组和二极管阳极。

9.如权利要求1所述的两相电机的不对称半桥拓扑电路, 其特征在于，通过电枢绕组的是双向交替的电流，当第三开关管导通、第一开关管和第二开关管关断时，电枢绕组的正向续流回路为：电源负极、第三开关管的内部二极管、电枢绕组、与励磁绕组并联的二极管和电源正极；当第三开关管关断、第一开关管和第二开关管导通时，电枢绕组的反向续流回路为：电源负极、第二开关管的内部二极管、电枢绕组、第一开关管的内部二极管和电源正极。