CN212627706U - 功率单元和电机驱动系统 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及功率单元和电机驱动系统。该功率单元包括：转换单元，被配置为将输入电压经过调制后输出；检测单元，被配置为响应于检测到该转换单元的异常而输出故障信号；旁路单元，被配置为响应于该检测单元输出该故障信号而将该功率单元从由多个该功率单元串联组成的电路中旁路；其中该旁路单元为双向全控开关器件。在此提出的功率单元提高了系统的鲁棒性，减小了旁路单元的体积，降低了电路成本。

Description

功率单元和电机驱动系统

技术领域

本实用新型的实施例总体上涉及功率单元和电机驱动系统，并且更具体地，涉及用于中/高压变频器的功率单元和电机驱动系统。

背景技术

现有的中压变速驱动器中通常使用诸如晶闸管之类的半控型器件来实现旁路功能。但是在实际应用中，由于晶闸管对于其两端电压随时间的变化du/dt和流过其的电流随时间的变化di/dt比较敏感而容易发生故障或误动作。利用晶闸管实现的旁路单元还需要额外的整流器以实现双向导通，导致旁路单元体积较大。同时，由于晶闸管不能通过控制而被关断，导致利用晶闸管实现的旁路单元的拓扑和驱动电路十分复杂且存在安全隐患。

实用新型内容

本公开的实施例提供了一种功率单元和电机驱动系统，以全控型器件代替半控型器件，从而至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。

在本公开的第一方面，提供了一种功率单元。该功率单元包括：转换单元，被配置为将输入电压经过调制后输出；检测单元，被配置为响应于检测到该转换单元的异常而输出故障信号；旁路单元，被配置为响应于该检测单元输出该故障信号而将该功率单元从由多个该功率单元串联组成的电路中旁路；其中该旁路单元为双向全控型开关器件。

根据本公开的实施例，通过以双向全控型开关器件代替半控型器件实现旁路单元，提高了系统的鲁棒性。同时，本公开的旁路单元无需额外的整流器，减小了旁路单元的体积，简化了旁路单元的拓扑和驱动。与以半控型器件实现的旁路单元相比，本公开的旁路单元使用较少的器件来实现，从而节约了电路成本。

在一个实施例中，该转换单元为变频电路，包括：整流电路，被配置为接收输入电压，并将该输入电压整流成直流电压；逆变电路，被配置为接收该直流电压，并将该直流电压逆变成交流电压输出。在这样的实施例中，通过该转换单元可以将输入电压转换成期望的输出电压，以实现中压变速驱动器甚至高压变速驱动器。

在一个实施例中，该整流电路包括：第一二极管，该第一二极管的阳极连接该输入电压的第一相输入，该第一二极管的阴极连接该整流电路的正输出端；第二二极管，该第二二极管的阳极连接该输入电压的第二相输入，该第二二极管的阴极连接该整流电路的该正输出端；第三二极管，该第三二极管的阳极连接该输入电压的第三相输入，该第三二极管的阴极连接该整流电路的该正输出端；第四二极管，该第四二极管的阴极连接该输入电压的第一相输入，该第四二极管的阳极连接该整流电路的负输出端；第五二极管，该第五二极管的阴极连接该输入电压的第二相输入，该第五二极管的阳极连接该整流电路的该负输出端；第六二极管，该第六二极管的阴极连接该输入电压的第三相输入，该第六二极管的阳极连接该整流电路的该负输出端；电容，该电容的一端连接该整流电路的正输出端，该电容的另一端连接该整流电路的负输出端。在这样的实施例中，能够实现对三相电的不控整流，以最简单的电路实现三相交流电到直流电的转换。

在一个实施例中，该逆变电路包括：第一IGBT，该第一IGBT的漏极连接该整流电路的正输出端，该第一IGBT的源极连接该转换单元的第一输出端；第二IGBT，该第二IGBT的漏极连接该整流电路的正输出端，该第二IGBT的源极连接该转换单元的第二输出端；第三IGBT，该第三IGBT的源极连接该整流电路的负输出端，该第三IGBT的漏极连接该转换单元的该第一输出端；第四IGBT，该第四IGBT的源极连接该整流电路的负输出端，该第四IGBT的漏极连接该转换单元的该第二输出端。在这样的实施例中，能够可靠地将直流电逆变成所需的交流电输出。

在一个实施例中，该第一IGBT、该第二IGBT、该第三IGBT和该第四IGBT为相同类型的IGBT。在这样的实施例中，能够减少器件选型带来的设计成本。

在一个实施例中，该旁路单元包括反向串联的第五IGBT模块和第六IGBT模块；该第五IGBT模块和该第六IGBT模块各自包括IGBT和二极管，该IGBT的漏极连接该二极管的阴极，该IGBT的源极连接该二极管的阳极；该第五IGBT模块中的IGBT的漏极连接该转换单元的第一输出端；该第五IGBT模块中的IGBT的源极连接该第六IGBT模块中的IGBT的源极；该第六IGBT模块中的IGBT的漏极连接该转换单元的第二输出端。在这样的实施例中，能够在实现电流在旁路系统中的双向流动的同时，减少实现旁路单元所需的器件的数目，因此也减小了旁路单元的体积和成本。

在一个实施例中，该二极管为该IGBT的体二极管。在这样的实施例中，能够进一步减小实现旁路单元所需的器件的数目，从而进一步减小了旁路单元的体积和成本

在一个实施例中，该检测单元包括过流检测电路、过压检测电路和过温检测电路中的至少一种。在这样的实施例中，能够实现对过流、过压、过温等多种故障的检测，保证了电路安全。

在本公开的第二方面，提供了一种电机驱动系统。该电机驱动系统包括：多相输入电路，被配置为为电机提供输入电压，每相输入电路由前述多个实施例中该的功率单元串联组成。

根据本公开的实施例，通过以串联连接多个功率单元的方式实现较高电压等级的单相输入电压，可以以较低的电压等级的器件实现每一个功率单元，降低了电路的成本。同时，通过对串联电路中发生故障的功率单元进行旁路，可以使得未发生故障的其他功率单元正常工作，从而提高系统的鲁棒性。

在一个实施例中，该电机驱动系统还包括：控制器，被配置为控制该功率单元以输出期望电压。在这样的实施例中，能够使得即使串联电路中存在故障的功率单元，也能够稳定地输出期望的输出电压。

附图说明

通过参照附图的以下详细描述，本公开实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本公开的多个实施例进行说明，其中：

图1示出了根据本公开的实施例的功率单元的电路框图；

图2示出了图1中所示的功率单元中的转换单元的电路框图；

图3示出了图2中所示的转换单元中的整流电路的示例电路结构图；

图4示出了图2中所示的转换单元中的逆变电路的示例电路结构图；

图5示出了图1中所示的旁路单元的示例电路结构图；以及

图6示出了根据本公开的实施例的电机驱动系统的电路框图。

具体实施方式

现在将参照附图中所示的各种示例性实施例对本公开的原理进行说明。应当理解，这些实施例的描述仅仅为了使得本领域的技术人员能够更好地理解并进一步实现本公开，而并不意在以任何方式限制本公开的范围。应当注意的是，在可行情况下可以在图中使用类似或相同的附图标记，并且类似或相同的附图标记可以表示类似或相同的功能。本领域的技术人员将容易地认识到，从下面的描述中，本文中所说明的结构和方法的替代实施例可以被采用而不脱离通过本文描述的本实用新型的原理。

下面将结合图1至图5详细说明根据本公开的示例实施例的功率单元的电路结构。首先参考图1，图1示出了根据本公开的实施例的功率单元的电路框图。

在图1所示的实施例中，功率单元1适于串联连接在由多个功率单元1串联组成的电路中，以为负载(例如，电机)提供期望的高电压。

总体上，功率单元1包括：转换单元11、检测单元12和旁路单元13。在某些实施例中，转换单元11、检测单元12和旁路单元13彼此之间可以以有线方式连接，例如可以通过导线连接。备选地，在其他实施例中，为了确保电路的安全，转换单元11与检测单元12之间、以及旁路单元13与检测单元12之间可以通过无线方式连接，例如可以通过光耦器件连接。

转换单元11被配置为接收交流输入电压，并将交流输入电压转换成期望的电压等级和频率的交流输出电压，电压等级和频率的大小可以根据负载来确定。在某些实施例中，转换单元11例如可以接收三相交流输入电压。在其他实施例中，转换单元11例如可以接收单相交流输入电压，这可以根据功率单元应用的场合来确定。在某些实施例中，转换单元11例如可以是AC/AC转换电路。在其他实施例中，转换单元11例如可以是AC/DC/AC转换电路，这可以根据具体电路设计要求和成本来确定。

检测单元12被配置为检测转换单元11中各器件的状态，并在检测到状态异常的情况下发出故障信号。在某些实施例中，检测单元12例如可以检测转换单元11中的开关器件的电压、电流、温度、驱动信号中的一个或多个，在电压过高或过低、电流过高或过低、温度过高或过低以及驱动信号不正确的情况下，发出故障信号。在某些实施例中，检测单元12例如也可以检测转换单元11中的其他部件的电压、电流、温度、驱动信号或其他状态，这可以根据具体电路设计要求和成本来确定。

旁路单元13被配置为在接收到检测单元12输出的故障信号的情况下，将功率单元1从由多个功率单元1串联组成的主电路中旁路，以将发生故障的功率单元1与主电路隔离，从而保证主电路中其他功率单元1的正常运行。旁路单元13为双向全控型开关器件。在某些实施例中，旁路单元13例如可以通过IGBT、MOSFET、GTO、FET等全控型器件的同种器件或不同种器件的反向串联或反向并联实现，这可以根据电路的电压等级和具体的设计要求以及成本来确定。

图2示出了图1中所示的功率单元中的转换单元的电路框图，其中转换单元11被配置为采用AC/DC/AC型变频电路，其首先将交流输入电压转换成中间直流电压，再将中间直流电压转换成期望的交流输出电压。这种电路拓扑可以同时调节交流输出电压的幅值和频率。

在图2所示的实施例中，转换单元11包括整流电路101和逆变电路102。其中整流电路101被配置为将交流输入电压转换成中间直流电压，而逆变电路102被配置为将中间直流电压转换成期望的交流输出电压。

在某些实施例中，为了简化电路结构，整流电路101例如可以使用不可控型器件(例如，二极管)构建。备选的，在其他实施例中，整流电路101也可以以全控型器件(例如，MOSFET)或半控型器件(例如，晶闸管)构建，也可以以二极管和晶闸管的组合构建，这可以根据具体电路设计要求和成本来确定。

在某些实施例中，为了使交流输出电压的幅值和频率可调，逆变电路102例如可以使用全控型器件(例如，IGBT)来构建。

图3示出了图2中所示的转换单元中的整流电路的示例电路结构图。

在图3所示的实施例中，整流电路101被配置为对三相交流输入电压进行不可控全波整流。整流电路101包括六个二极管D1-D6和一个电容器C，第一二极管D1的阳极和第四二极管D4阴极连接三相交流输入电压的第一相输入，第一二极管D1的阴极连接整流电路101的正输出端，第四二极管D4的阳极连接整流电路101的负输出端；第二二极管D2的阳极和第五二极管D5的阴极连接三相交流输入电压的第二相输入，第二二极管D2的阴极连接整流电路101的正输出端，第五二极管D5的阳极连接整流电路101的负输出端；第三二极管D3的阳极和第六二极管D6的阴极连接三相交流输入电压的第三相输入，第三二极管D3的阴极连接整流电路101的正输出端，第六二极管D6的阳极连接整流电路101的负输出端。电容C连接在整流电路的正输出端和负输出端之间，以提供中间直流电压的支撑。

在某些实施例中，为了降低设计成本，二极管D1-D6例如可以选择使用相同型号的二极管。备选地，在其他实施例中，二极管D1-D6例如可以选择使用不同型号的二极管，这可以根据具体电路设计要求和成本来确定。

在某些实施例中，二极管D1-D6例如可以被替换为MOSFET，以提供对三相交流输入电压的可控整流。备选地，在其他实施例中，二极管D1-D6例如可以被替换为其他类型的开关器件，这可以根据具体电路设计要求和成本来确定。

在某些实施例中，二极管D1-D6例如可以减少到4个，以提供对单相交流输入电压的不可控全波整流。在其他实施例中，二极管D1-D6例如可以减少到2个，以提供对单相交流输入电压的不可控半波整流，这可以根据具体电路设计要求和成本来确定。

图4示出了图2中所示的转换单元中的逆变电路的示例电路结构图。

在图4所示的实施例中，逆变电路102被配置为对中间直流电压进行全桥逆变。逆变电路102包括四个IGBT S1-S4，第一IGBT S1的漏极连接整流电路101的正输出端，第一IGBT S1的源极连接转换单元11的第一输出端；第二IGBT S2的漏极连接整流电路101的正输出端，第二IGBT S2的源极连接转换单元11的第二输出端；第三IGBT S3的源极连接整流电路101的负输出端，第三IGBT S3的漏极连接转换单元11的第一输出端；第四IGBT S4的源极连接整流电路101的负输出端，第四IGBT S4的漏极连接转换单元11的第二输出端。在这样的实施例中，第一IGBT S1和第四IGBT S4同时导通和关断，第二IGBT S2和第三IGBT S3同时导通和关断，第一IGBT S1和第二IGBT S2互补导通和关断，从而能够将中间直流电压逆变成所需的交流输出电压，通过控制IGBT S1-S4的占空比，可以调节交流输出电压的幅值和频率。

在某些实施例中，为了降低设计成本，IGBT S1-S4例如可以选择使用相同型号的IGBT。备选地，在其他实施例中，IGBT S1-S4例如可以选择使用不同型号的IGBT，这可以根据具体电路设计要求和成本来确定。

在某些实施例中，出于电压等级和功耗的考虑，IGBT S1-S4例如可以被替换为MOSFET。备选地，在其他实施例中，IGBT S1-S4例如可以被替换为其他类型的开关器件，这可以根据具体电路设计要求和成本来确定。

在某些实施例中，IGBT S1-S4例如可以减少到2个，以提供对中间直流电压的半桥逆变，这可以根据具体电路设计要求和成本来确定。

图5示出了图1中所示的旁路单元的示例电路结构图。

在图5所示的实施例中，旁路单元13被配置为在接收到检测单元12发出的故障信号的情况下导通，将将功率单元1从由多个功率单元1串联组成的主电路中旁路，而在未接收到检测单元12发出的故障信号的情况下保持断开。

如图5所示，旁路单元13包括两个IGBT模块S5-S6，每个IGBT模块包括IGBT和二极管，其中IGBT的漏极连接二极管的阴极，IGBT的源极连接二极管的阳极。IGBT模块S5的源极端子连接IGBT模块S6的源极端子，IGBT模块S5的漏极端子连接转换单元11的第一输出端，IGBT模块S6的漏极端子连接转换单元11的第二输出端。

在接收到检测单元12发出的故障信号的情况下，转换单元12被停用，旁路单元中13中的IGBT模块S5中的IGBT和IGBT模块S6中的IGBT被导通。IGBT模块S5和S6的控制信号相同，IGBT模块根据旁路单元13两端的电压来被导通。在旁路单元13两端之间为正电压的情况下，IGBT模块S5中的IGBT导通，电流从旁路单元13的第一端流经IGBT模块S5中的IGBT和IGBT模块S6中的二极管到达旁路单元13的第二端；而在旁路单元13的两端之间为负电压的情况下，IGBT模块S6中的IGBT导通，电流从旁路单元13的第二端流经IGBT模块S6中的IGBT和IGBT模块S5中的二极管到达旁路单元13的第一端，由此实现了双向导通。

通过以这种方式连接全控型开关器件，可以以较少的器件实现双向导通，从而减少了旁路单元的体积，例如可以减少散热器的尺寸。同时，由于采用了全控型开关器件，即使在旁路过程中，全控型开关器件本身发生了故障，也能够及时关断旁路单元，提高了系统的安全性。

在某些实施例中，为了降低设计成本，IGBT模块S5-S6例如可以选择使用相同型号的IGBT模块。备选地，在其他实施例中，IGBT模块S5-S6例如可以选择使用不同型号的IGBT模块，这可以根据具体电路设计要求和成本来确定。

在某些实施例中，出于电压等级和功耗的考虑，IGBT模块S5-S6例如可以被替换为MOSFET模块。备选地，在其他实施例中，IGBT模块S5-S6例如可以被替换为其他类型的开关器件，这可以根据具体电路设计要求和成本来确定。

在某些实施例中，为了进一步降低电路中使用的器件数量，IGBT模块S5-S6中的二极管例如可以是IGBT的体二极管，这可以根据具体电路设计要求和成本来确定。

下面将结合图6详细说明根据本公开的示例实施例的电机驱动系统。图6示出了根据本公开的实施例的电机驱动系统2的电路框图。

在图6所示的实施例中，电机驱动系统2被配置为为电机提供输入电压。总体上，电机驱动系统2具有三相输入电路，每相输入电路具有多个串联连接的功率单元1，串联的功率单元1的数量可以根据电机的输入电压等级和每个功率单元1的输出电压等级来确定。通过这样的设置方式，每个功率单元1中的器件的电压等级被降低，使得器件的选择变得容易，降低了选型的难度。同时，在某相的串联电路中出现了故障的功率单元的情况下，通过其旁路单元将该故障的功率单元与串联电路中的其他功率单元隔离，从而保证了电机的正常工作，提高了系统的鲁棒性。

在某些实施例中，电机驱动系统2还包括控制器，其被配置为控制所述功率单元以输出期望电压。通过这样的设置，在所有功率单元正常工作的情况下，控制器确保三相输入电路的输出电压稳定；而在某个功率单元发生故障而被旁路的情况下，控制器可以提高该故障功率单元所在串联电路中其他功率单元的输出电压，以暂时弥补故障功率单元被旁路带来的电压缺失，从而进一步提高了系统的鲁棒性。

根据本公开的实施例，通过以双向全控型开关器件代替半控型器件实现旁路单元，使得能够同时控制旁路单元的导通和关断，能确保系统的安全，提高了系统的鲁棒性。同时，与传统的旁路单元相比，本公开的旁路单元无需额外的整流器，从而使用较少的器件来实现旁路单元，减小了旁路单元的体积，简化了旁路单元的拓扑和驱动，降低了电路成本。

虽然在本申请中权利要求书已针对特征的特定组合而制定，但是应当理解，本公开的范围还包括本文所公开的明确或隐含或对其任何概括的任何新颖特征或特征的任何新颖的组合，不论它是否涉及目前所要求保护的任何权利要求中的相同方案。申请人据此告知，新的权利要求可以在本申请的审查过程中或由其衍生的任何进一步的申请中被制定成这些特征和/或这些特征的组合。

Claims (10)

1.一种功率单元，其特征在于，所述功率单元(1)包括：

转换单元(11)，被配置为将输入电压经过调制后输出；

检测单元(12)，被配置为响应于检测到所述转换单元(11)的异常而输出故障信号；

旁路单元(13)，被配置为响应于所述检测单元输出所述故障信号而将所述功率单元(1)从由多个所述功率单元(1)串联组成的电路中旁路；

其中所述旁路单元(13)为双向全控开关器件。

2.根据权利要求1所述的功率单元，其特征在于，所述转换单元(11)为变频电路，包括：

整流电路(101)，被配置为接收输入电压，并将所述输入电压整流成直流电压；

逆变电路(102)，被配置为接收所述直流电压，并将所述直流电压逆变成交流电压输出。

3.根据权利要求2所述的功率单元，其特征在于，所述整流电路(101)包括：

第一二极管(D1)，所述第一二极管(D1)的阳极连接所述输入电压的第一相输入，所述第一二极管(D1)的阴极连接所述整流电路(101)的正输出端；

第二二极管(D2)，所述第二二极管(D2)的阳极连接所述输入电压的第二相输入，所述第二二极管(D2)的阴极连接所述整流电路(101)的所述正输出端；

第三二极管(D3)，所述第三二极管(D3)的阳极连接所述输入电压的第三相输入，所述第三二极管(D3)的阴极连接所述整流电路(101)的所述正输出端；

第四二极管(D4)，所述第四二极管(D4)的阴极连接所述输入电压的第一相输入，所述第四二极管(D4)的阳极连接所述整流电路(101)的负输出端；

第五二极管(D5)，所述第五二极管(D5)的阴极连接所述输入电压的第二相输入，所述第五二极管(D5)的阳极连接所述整流电路(101)的所述负输出端；

第六二极管(D6)，所述第六二极管(D6)的阴极连接所述输入电压的第三相输入，所述第六二极管(D6)的阳极连接所述整流电路(101)的所述负输出端；

电容(C)，所述电容(C)的一端连接所述整流电路(101)的正输出端，所述电容(C)的另一端连接所述整流电路(101)的负输出端。

4.根据权利要求2所述的功率单元，其特征在于，所述逆变电路(102)包括：

第一IGBT(S1)，所述第一IGBT(S1)的漏极连接所述整流电路(101)的正输出端，所述第一IGBT(S1)的源极连接所述转换单元(11)的第一输出端；

第二IGBT(S2)，所述第二IGBT(S2)的漏极连接所述整流电路(101)的正输出端，所述第二IGBT(S2)的源极连接所述转换单元(11)的第二输出端；

第三IGBT(S3)，所述第三IGBT(S3)的源极连接所述整流电路(101)的负输出端，所述第三IGBT(S3)的漏极连接所述转换单元(11)的所述第一输出端；

第四IGBT(S4)，所述第四IGBT(S4)的源极连接所述整流电路(101)的负输出端，所述第四IGBT(S4)的漏极连接所述转换单元(11)的所述第二输出端。

5.根据权利要求4所述的功率单元，其特征在于，所述第一IGBT(S1)、所述第二IGBT(S2)、所述第三IGBT(S3)和所述第四IGBT(S4)为相同类型的IGBT。

6.根据权利要求1所述的功率单元，其特征在于，所述旁路单元(13)包括反向串联的第五IGBT(S5)模块和第六IGBT(S6)模块；所述第五IGBT(S5)模块和所述第六IGBT(S6)模块各自包括IGBT和二极管，所述IGBT的漏极连接所述二极管的阴极，所述IGBT的源极连接所述二极管的阳极；

所述第五IGBT(S5)模块中的IGBT的漏极连接所述转换单元(11)的第一输出端；

所述第五IGBT(S5)模块中的IGBT的源极连接所述第六IGBT(S6)模块中的IGBT的源极；

所述第六IGBT(S6)模块中的IGBT的漏极连接所述转换单元(11)的第二输出端。

7.根据权利要求6所述的功率单元，其特征在于，所述二极管为所述IGBT的体二极管。

8.根据权利要求1所述的功率单元，其特征在于，所述检测单元(12)包括过流检测电路、过压检测电路和过温检测电路中的至少一种。

9.一种电机驱动系统，其特征在于，所述电机驱动系统(2)包括：

多相输入电路，被配置为为电机提供输入电压，每相输入电路由多个权利要求1-7中任一项所述的功率单元串联组成。

10.根据权利要求9所述的电机驱动系统，其特征在于，所述电机驱动系统(2)还包括：

控制器，被配置为控制所述功率单元以输出期望电压。

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