CN115733416A - 一种大功率伺服控制器和设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大功率伺服控制器和设计方法，解决现有大功率伺服控制器可靠性和安全性设计存在潜在运行风险的技术问题。包括的功率电路中还包括设置在三相整流电路输出端的叠层母排，叠层母排的一层铜排连接三相整流模块输出端的负极母线作为负母排，叠层母排的另一层铜排连接三相整流模块输出端的正极母线作为正母排，通过叠层母排的正负母排分别连接软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块的正负极。有利于采用更加紧凑的结构设计，有利于控制器内部结构布线和优化，有效提升了控制器的功率密度。主回路具有较低的电感，可避免功率器件由于浪涌电压而引起的击穿。保证系统可靠稳定运行。提高了伺服控制器在复杂工况下的自适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域电源技术领域，具体涉及一种大功率伺服控制器和设计方法。
背景技术
现有技术中，随着特种重型车辆电动化水平的不断提高，大功率永磁同步电机在电动执行系统的应用越来越多。
传统的大功率伺服控制器的主回路设计往往关注控制电路、电源转接电路和功率电路的基础功能实现，往往忽略了伺服控制器的可靠性和安全性设计。在伺服控制器的功率电路主回路中复杂的电路连接拓扑结构极易造成控制器内部局部过热，甚至引发功率器件损坏导致控制器失效，造成流程中止或失败，甚至造成机械机构或相关重要产品不可逆的损伤。另外，若功率电路由于部分主回路电路连接结构设计不合理，整机内部存在电磁干扰，会导致信号传输混乱，造成某些应用下(例如机械结构无自锁，需靠电机抱闸实现锁止)的电机反拖，会给人员或设备的带来伤害。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种大功率伺服控制器和设计方法，解决现有大功率伺服控制器可靠性和安全性设计存在潜在运行风险的技术问题。
本发明实施例的大功率伺服控制器，包括功率电路，所述功率电路包括三相整流模块、软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块，还包括设置在三相整流电路输出端的叠层母排，叠层母排的一层铜排连接三相整流模块输出端的负极母线作为负母排，叠层母排的另一层铜排连接三相整流模块输出端的正极母线作为正母排，通过叠层母排的正负母排分别连接软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块的正负极。
本发明一实施例中，所述三相整流模块采用采用三相桥式整流电路。
本发明一实施例中，所述软启动电路包括上电开关和充电电阻。
本发明一实施例中，所述三相逆变模块可以采用三相桥式逆变电路。
本发明一实施例中，所述叠层母排的两层铜排为平板状，两层铜排设置绝缘层，绝缘层采用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜材料。
本发明一实施例中，所述支撑电容器组采用支撑电容并联形成。
本发明一实施例中，所述支撑电容器组中的电容器成二维矩阵排列。
本发明一实施例中，所述三相逆变模块中的IGBT部件、三相整流模块中的二极管部件和支撑电容器组中的电容器分区设置。
本发明实施例的大功率伺服控制器设计方法，包括：
设置叠层母排，叠层母排中第一铜排与功率电路中软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块的正极连接，叠层母排中第二铜排与功率电路中软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块的负极连接；
功率电路中三相整流模块输出端的正极母线连接第一铜母排，负极母线连接第二铜排。
本发明实施例的还包括：
支撑电容器组中的电容器成二维矩阵排列，沿叠层母排的延展面布设，形成功率电路远端；
三相逆变模块中的IGBT部件呈线性排列，在叠层母排的端部布设，形成功率电路中部；
三相整流模块中的二极管部件呈线性排列，与三相逆变模块平行布设，形成功率电路近端。
本发明实施例的大功率伺服控制器和设计方法使得大功率伺服控制器具有较低的总体成本和整体高可靠性，高安全性。有利于采用更加紧凑的结构设计，有利于控制器内部结构布线和优化，有效提升了控制器的功率密度。主回路具有较低的电感，可避免功率器件由于浪涌电压而引起的击穿。保证系统可靠稳定运行。提高了伺服控制器在复杂工况下的自适应能力。
附图说明
图1所示为本发明一实施例大功率伺服控制器中功率电路的架构示意图。
图2所示为现有技术中功率电路采用分立铜排形成的回路拓扑结构示意图。
图3所示为现有技术中功率电路采用分立铜排时电流密度分布仿真示意图。
图4所示为本发明一实施例大功率伺服控制器中功率电路采用层叠母排形成的回路拓扑结构示意图。
图5所示为本发明一实施例大功率伺服控制器中功率电路采用层叠母排时电流密度幅值分布仿真示意图。
图6所示为本发明一实施例大功率伺服控制器中功率电路采用层叠母排时母排杂散参数的等效电路示意图。
图7所示为采用分立铜排、叠层母排时母线电压波形对比示意图。
图8所示为采用分立铜排、叠层母排时功率电路管压降波形对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例大功率伺服控制器中功率电路如图1所示。在图1中，本发明实施例的功率电路包括三相整流模块、软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块，其中：
三相整流模块，用于兼容接入交流电源进行交直流转换形成脉动直流输出电压；三相整流模块可以采用三相桥式整流电路，包括三组二极管。可以用于接入高压直流电源。
软启动充电模块，用于对直流母线进行平滑充电，形成直流母线上平稳的直流电压；软启动电路包括上电开关和充电电阻。
支撑电容器组，用于连接在正负母线间，滤除脉动直流电压的纹波电压及限制负载突变时的直流电源脉动；支撑电容可以采用并联形式形成支撑电容器组。
三相逆变模块，用于将平稳直流电压转换为高压交流电压输出。三相逆变模块可以采用三相桥式逆变电路，包括三相逆变电路分支，每个逆变电路分支包括两个IGBT。
在三相整流电路输出端设置叠层母排，叠层母排平板状的一层铜排连接三相整流模块输出端的负极母线作为负母排，叠层母排平板状的另一层铜排连接三相整流模块输出端的正极母线作为正母排，两层铜排间设置绝缘层，绝缘层采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜材料。两层铜排和中间层绝缘膜一体成型。
通过叠层母排的正负母排分别连接软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块的正负极。
在本发明一实施例中，输入三相整流电路的三相交流电为380V/50Hz，可以得到540VDC等级的直流输出电压Ud。直流输出电压Ud在主回路上的传递均采用叠层母排。
本发明实施例的大功率伺服控制器通过叠层母排简化功率电路中分立设置的回路拓扑结构有效优化了控制器内部空间布局。叠层母排导电层之间的间距小，导电层流过的电流方向相反，产生了相互抵消的磁场，从而大大降低了线路中的分布电感。进一步，利用叠层母排形成的扁平截面使导电层面积在相同的电流截面下增大，降低电流密度，避免产生局部热效应，同时能够优化元器件排列，优化电流密度分布。利用本发明实施例的功率电路形成的大功率伺服控制器具有较低的总体成本和整体高可靠性，高安全性。有利于采用更加紧凑的结构设计，有利于控制器内部结构布线和优化，有效提升了控制器的功率密度。主回路具有较低的电感，可避免功率器件由于浪涌电压而引起的击穿。保证系统可靠稳定运行。
在本发明一实施例中，三相逆变模块、三相整流模块和支撑电容器组中的元器件分区设置，以保证功能分区易于维护。
现有技术中功率电路的元件正负母线采用分立铜排形成的回路拓扑结构如图2所示。在图2中，分立铜排间形成空间立体结构，各分立铜排间距、长度，宽度以及延展弯折数量从整体分布上具有分布离散性。
现有技术中分立铜排形成的回路拓扑结构工况时电流密度分布仿真如图3所示。在图3中，电流密度幅值在多个铜排局部位置存在大幅差异，形成整体回路拓扑结构中的热量聚集导致局部过热。具体表现在电流密度分布很不均匀，在最靠近直流进线处，电流密度分布高于位置，且正负铜排在主回路器件附近形成涡流，导致功率器件容易出现过热问题。如图3所示，热量聚集局部过多，缺乏优化条件，由于空间立体结构也不利于采用有效散热手段。
本发明一实施例大功率伺服控制器中功率电路采用层叠母排形成的回路拓扑结构如图4所示。在图4中，层叠母排的相邻正负母排间间距小而均匀，铜排延展平整且连续。功率电路各模块的组成元器件在与层叠母排的连接中分布均衡。叠层母排优化了控制器内部元器件布局，简化了控制器组装，提升了工艺性和可操作性。
本发明一实施例大功率伺服控制器中功率电路采用层叠母排形成的回路拓扑结构工况时电流密度分布仿真如图5所示。在图5中，电流密度幅值在多个可预期的母排局部位置存在较小幅值差异，整体回路拓扑结构中的热量分布比较均匀，未出现热量聚集导致局部过热。具体表现在主回路器件上方无正负母排，不会产生涡流。如图5所示，热量聚集局部可预期，由于层叠母排平面化，且元件布设结构趋于二维空间，有利于采用有效散热手段。
本发明一实施例大功率伺服控制器中功率电路采用层叠母排时母排杂散参数的等效电路如图6所示。为验证叠层母排降低杂散电感以及优化电流密度分布的效果，在Q3D软件中，设置仿真频率为控制器内部IGBT的开关频率8kHz，因高频电流经由正负母排所连接的IGBT支路与直流母线电容器形成回路，故仿真计算各相IGBT的正负端口至母排支撑电容器正负端口处的杂散参数，并对正负母排上的电流密度进行仿真分析。如图6所示，设置直流正负母排上A、B、C三相各相功率IGBT模块的正、负输入端口分别为电流的源AP、源AN、源BP、源BN、源CP、源CN，母排与电容器连接的正、负端口分别为电流的汇聚处汇capP、汇capN，三相中每相抽取得到两个电感，各电感之间又存在互感。在各源端施加电流激励，仿真抽取母排的杂散参数。
采用分立铜排的杂散电感仿真计算结果(认为靠近直流进线处为A相)如表1所示。
表1采用分立铜排的杂散电感仿真结果
| 电感(nH | AN | BN | CN | AP | BP | CP |
| AN | 190.86 | 189.42 | 189.61 | 30.014 | 30.117 | 30.251 |
| BN | 189.42 | 214.24 | 214.65 | 32.296 | 43.922 | 44.56 |
| CN | 189.61 | 214.65 | 241.47 | 32.747 | 45.871 | 58.062 |
| AP | 30.014 | 32.296 | 32.747 | 269.63 | 270.51 | 270.86 |
| BP | 30.117 | 43.922 | 45.871 | 270.51 | 293.5 | 294.21 |
| CP | 3.251 | 44.56 | 58.062 | 270.86 | 294.21 | 317.12 |
根据上表数据计算得到各相自感参数如下：
A相：190.86+269.63-2*30.014＝400.5nH
B相：214.24+293.5-2*43.922＝419.9nH
C相：241.47+317.12-2*58.062＝442.5nH
采用叠层母排的杂散电感仿真计算结果(认为靠近直流进线处为A相)如表2所示。
表2采用叠层母排的杂散电感仿真结果
| 电感(nH) | AN | BN | CN | P | BP | CP |
| AN | 11.504 | 4.1327 | 2.246 | 4.7771 | 1.973 | 0.72604 |
| BN | 4.1327 | 9.9604 | 3.8986 | 1.3454 | 4.0726 | 1.8161 |
| CN | 2.246 | 3.8986 | 11.038 | 0.51988 | 1.2557 | 4.5429 |
| AP | 4.7771 | 1.3454 | 0.51988 | 7.0431 | 1.4569 | 0.38528 |
| BP | 1.973 | 4.0726 | 1.2557 | 1.4569 | 5.9128 | 1.2709 |
| CP | 0.72604 | 1.8161 | 4.5429 | 0.38528 | 1.2709 | 6.2418 |
根据上表数据计算得到各相自感参数如下：
A相：11.504+7.0431-2*4.7771＝9.0nH
B相：9.9604+5.9128-2*4.0726＝7.7nH
C相：11.038+6.2418-2*4.5429＝8.2nH
对比以上杂散参数可以看出，控制器改进采用叠层母排结构后，杂散参数明显降低，对降低功率管电压、电流波形上的寄生振荡效果明显。
采用分立铜排、叠层母排时母线电压波形对比如图7所示。在图7中，可以直观得到采用叠层母排可有效减小母线纹波电压。
采用分立铜排、叠层母排时功率电路管压降波形对比如图8所示。在图7中，可以直观得到采用叠层母排可有效优化管压降波形，提升功率器件可靠性。
本发明一实施例大功率伺服控制器的设计方法，包括：
设置叠层母排，叠层母排中第一铜排与功率电路中软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块的正极连接，叠层母排中第二铜排与功率电路中软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块的负极连接；
功率电路中三相整流模块输出端的正极母线连接第一铜母排，负极母线连接第二铜排。
在本发明一实施例中，在上述设计方法的基础上，还包括：
支撑电容器组中的电容器成二维矩阵排列，沿叠层母排的延展面布设，形成功率电路远端；
三相逆变模块中的IGBT部件间保持平行呈(带状)线性排列，在叠层母排的端部布设，形成功率电路中部；
三相整流模块中的二极管部件间保持平行呈(带状)线性排列，与三相逆变模块平行布设，形成功率电路近端。
本发明实施例的大功率伺服控制器的设计方法有效节约了电路元器件的布设空间。同时简化了控制器组装，提升了工艺性和可操作性。各模块的有序排列避免了装配缺陷，保证了可靠性和安全性，提高控制器在复杂工况下的自适应能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种大功率伺服控制器，包括功率电路，其特征在于，所述功率电路包括三相整流模块、软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块，还包括设置在三相整流电路输出端的叠层母排，叠层母排的一层铜排连接三相整流模块输出端的负极母线作为负母排，叠层母排的另一层铜排连接三相整流模块输出端的正极母线作为正母排，通过叠层母排的正负母排分别连接软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块的正负极。
2.如权利要求1所述的大功率伺服控制器，其特征在于，所述三相整流模块采用采用三相桥式整流电路。
3.如权利要求1所述的大功率伺服控制器，其特征在于，所述软启动电路包括上电开关和充电电阻。
4.如权利要求1所述的大功率伺服控制器，其特征在于，所述三相逆变模块可以采用三相桥式逆变电路。
5.如权利要求1所述的大功率伺服控制器，其特征在于，所述叠层母排的两层铜排为平板状，两层铜排设置绝缘层，绝缘层采用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜材料。
6.如权利要求1所述的大功率伺服控制器，其特征在于，所述支撑电容器组采用支撑电容并联形成。
7.如权利要求1所述的大功率伺服控制器，其特征在于，所述支撑电容器组中的电容器成二维矩阵排列。
8.如权利要求1所述的大功率伺服控制器，其特征在于，所述三相逆变模块中的IGBT部件、三相整流模块中的二极管部件和支撑电容器组中的电容器分区设置。
9.一种大功率伺服控制器设计方法，其特征在于，包括：
设置叠层母排，叠层母排中第一铜排与功率电路中软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块的正极连接，叠层母排中第二铜排与功率电路中软启动充电模块、支撑电容器组和三相逆变模块的负极连接；
功率电路中三相整流模块输出端的正极母线连接第一铜母排，负极母线连接第二铜排。
10.如权利要求9所述的大功率伺服控制器设计方法其特征在于，还包括：
支撑电容器组中的电容器成二维矩阵排列，沿叠层母排的延展面布设，形成功率电路远端；
三相逆变模块中的IGBT部件呈线性排列，在叠层母排的端部布设，形成功率电路中部；
三相整流模块中的二极管部件呈线性排列，与三相逆变模块平行布设，形成功率电路近端。
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| CN202211378391.1A Pending CN115733416A (zh) | 2022-11-04 | 2022-11-04 | 一种大功率伺服控制器和设计方法 |
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