CN213461541U - 一种软开关电机驱动电路拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种软开关电机驱动电路拓扑电路，其特征在于：包括电源(1)、主开关(2)、辅助开关一(3)、辅助开关二(4)、二极管一(5)、二极管二(6)、电容一(7)、电容二(8)、电感(9)和逆变器(10)；所述电源为直流电源。本实用新型的有益效果是：整体拓扑电路体积尺寸较小，较好的平衡了系统体积尺寸和谐振功能的实现之间的关系，从而可以实现提高驱动器的功率密度的目的，且具有较低的发热量和低EMI水平。

Description

一种软开关电机驱动电路拓扑电路

技术领域

本实用新型涉及电机驱动电路或驱动器，特别涉及一种软开关电机驱动电路拓扑电路。

背景技术

传统的电机驱动主电路拓扑电路为三相桥式逆变电路，该逆变电路依靠功率开关的高频PWM动作实现对电机的驱动控制。功率开关的开、关动作是在各自的栅极驱动脉冲的作用下实现的，开或者关的瞬间，加在开关两端的电压或者流过开关的电流均不为零，是强制开或者关的，这种开关被称为“硬”开关。这种“硬”开通或“硬”关断，会引起很高的开关损耗，使开关模块发热量增加，从而增加了对系统散热的要求；另外，“硬”开关会引起电路系统极高的dv/dt或者di/dt，从而产生较高的EMI。以上缺点，使得采用这种电路拓扑电路的驱动系统要取得较高的功率密度是很有难度的。

随着技术和生产发展要求提高，越来越多的电机驱动器需要高功率密度，具有较小体积尺寸，以便于更容易集成安装到特殊的使用空间或者场合。“软”开关技术应运而生，利用“软”开关技术，理论上可以降低功耗，从而提升驱动器的功率密度，减小系统尺寸，并且降低EMI。如下面所示例的专利就实现了软开关技术，但同时也具有自身缺点。

如实用新型专利申请号为CN106533224A的专利，其递交了一种具有谐振直流环节软开关逆变器及其调制方法。该专利中的拓扑电路实现了逆变桥臂上的功率开关的ZVS(零电压)开关。该专利声称的优点是，消除了辅助谐振电感的电流反向过程，从而缓解了电感的磁饱和问题；通过特殊改进的SPWM调制方法降低谐振电路的动作频率，降低了谐振电路的导通损耗。这是该专利主要解决的问题。

但是，该专利提出的拓扑电路也有其缺点：首先，谐振电路采用了2只电感，谐振时其中一只电感电流峰值达到或者超过负载电流，虽然谐振期间电感流过的是脉冲电流，但在工作期间总的电感等效电流很大，且该电流随负载电流的增加而增加，这造成该电感器需要设计的线圈截面积尺寸较大，从而整体电感(9) 尺寸较大，虽然后级逆变器实现了软开关，降低了逆变桥部分的发热量，能够降低散热器要求，但因大尺寸电感的存在造成无法实现驱动器整体尺寸的减小，也就无从谈起高功率密度驱动器的实现；其次，该拓扑电路只有配合其改进的特殊的SPWM调制方法才能实现谐振电路的功耗的进一步降低，这是该实用新型声称的另一优点；然而，对于目前高性能电机驱动，尤其是伺服驱动一般采用的 SVPWM(空间矢量PWM)调制方法，如果用到该拓扑电路中，该实用新型声称的优点可能就大打折扣。

另一实用新型，申请公布号为，CN106787903A，提出了一种用于无刷直流电机驱动的谐振极软开关逆变电路。该实用新型提出的谐振电路方案声称的优点在于消除了传统谐振电路中串联在直流母线上的功率开关，从而消除了这部分的通态损耗，以提高系统效率；另外，该实用新型声称采用的谐振电路比之传统的谐振电路要少用些谐振元件，从而降低电路成本和复杂性，并减小逆变器整体体积尺寸。

但是，该实用新型的缺点在于，在逆变桥下臂的开关管并联了谐振电容，和其他谐振元件共同构成谐振电路；而上桥臂的3个功率开关并未并联谐振电容，这破坏了三相桥上下臂上的功率开关的对称和工作特性一致性，会导致电机电流电压成分中出现较大谐波以及上下桥臂开关管工作动态过程不一致从而影响工作可靠性；另外，该实用新型设计了一个单相变压器并联在直流母线回路中并和其他辅助开关一起完成电路的谐振，当电路谐振时，流过该变压器一次侧的电流幅值可高达负载电流的2倍，这种大电流幅值直接导致该变压器线圈线径增加，从而变压器体积增大，整合在电路系统中时根本无法实现整体驱动器体积尺寸减小，实现高功率密度更是一句空话。

因此，一方面，要实现电路的谐振，以便实现软开关功能；另一方面，又要避免因谐振电路而过高的增加系统成本以及过多的增加系统体积尺寸，最终无法提升驱动器的功率密度的问题。

故市场亟需一种可以不仅具有软开关功能，而且整体谐振电路拓扑电路体积尺寸较小，较好的平衡了系统体积尺寸和谐振功能的实现之间的关系，从而可以实现提高驱动器的功率密度的目的，且具有较低的发热量和低EMI水平的电机驱动器。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型中披露了一种软开关电机驱动拓扑电路的方法，本实用新型的技术方案是这样实施的：

一种软开关电机驱动电路拓扑电路，其特征在于：包括电源、主开关(2)、辅助开关一(3)、辅助开关二(4)、二极管一(5)、二极管二(6)、电容一(7)、电容二(8)、电感(9)和逆变器(10)；所述电源为直流电源；所述电源、所述主开关(2)、所述辅助开关一(3)、所述二极管一(5)相交于点a；所述二极管二(6)、所述主开关(2)、所述辅助开关二(4)相交于点b；所述点b连接所述点c；所述电容一(7)、所述电容二(8)和所述逆变器(10)相交于点c与点 h；所述辅助开关一(3)、所述二极管二(6)和所述二极管相交于点d；所述二极管、所述辅助开关二(4)和所述电容一(7)、所述电容二(8)的一端相交于点e；所述电源和所述二极管二(6)相交于点f；所述电容一(7)、所述电容二 (8)的另一端连接点g，所述点f连接所述点g，所述点g连接所述点h。

优选地，所述主开关(2)、所述辅助开关一(3)和所述辅助开关二(4)为功率半导体开关。

优选地，所述辅助开关一(3)和所述辅助开关二(4)的功率容量小于主开关(2)。

优选地，所述二极管二(6)、所述二极管C和所述二极管一(5)为功率二极管。

优选地，所述电容一(7)、所述电容二(8)为电容。

优选地，所述电感(9)为功率电感(9)。

优选地，所述主开关(2)与所述逆变器(10)的桥臂上的功率开关的种类一致。

优选地，所述二极管二(6)并联有丙电容(11)。

实施本实用新型的技术方案可解决现有技术中系统谐振单元功率器件多，控制复杂，谐振单元体积尺寸较大，无法平衡系统体积尺寸和谐振功能的实现之间的关系，进而导致驱动器功率密度低，发热量高并且EMI水平高的技术问题；实施本实用新型的技术方案，可实现系统谐振单元功率器件少，控制简单，谐振单元体积尺寸较小，较好的平衡了系统体积尺寸和谐振功能的实现之间的关系，从而可以实现驱动器的高功率密度，具有较低的发热量和低EMI水平的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实现方式。

图1为一种软开关电机驱动电路拓扑图；

图2为一种软开关电机驱动电路拓扑电路的初始状态通路图；

图3为一种软开关电机驱动电路拓扑电路的t₀-t₁的通路图；

图4为一种软开关电机驱动电路拓扑电路的t₁-t₂的通路图；

图5为一种软开关电机驱动电路拓扑电路的t₂-t₃的通路图；

图6为一种软开关电机驱动电路拓扑电路的t₃-t₄的通路图；

图8为一种软开关电机驱动电路拓扑电路的电路拓扑的一种优选的实施例的电路拓扑图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1-电源、2-主开关(2)、3-辅助开关一(3)、4-辅助开关二(4)、5-二极管一 (5)、6-二极管二(6)、7-电容一(7)、8-电容二(8)、9-电感(9)、10-逆变器 (10)、11-丙电容(11)。

图7为一种软开关电机驱动电路拓扑电路的各个时间段通路图。

在图7中，各图号标记分别表示：

T1-主开关(2)的状态、T2-辅助开关一(3)的状态、T3-辅助开关二(4) 的状态、V_cr1-电容一(7)的电压、V_cr2-电容二(8)的电压、i_Lr-电感(9)的电流、 i_cr2-二极管二(6)的电流、i_DC-负载电流。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在一种具体的实施例中，如图1-6所示，一种软开关电机驱动电路拓扑电路，其特征在于：包括电源(1)、主开关(2)、辅助开关一(3)、辅助开关二(4)、二极管一(5)、二极管二(6)、电容一(7)、电容二(8)、电感(9)和逆变器 (10)；所述电源(1)为直流电源(1)；所述电源(1)、所述主开关(2)、所述辅助开关一(3)、所述二极管一(5)相交于点a；所述二极管二(6)、所述主开关(2)、所述辅助开关二(4)相交于点b；所述点b连接所述点c；所述电容一(7)、所述电容二(8)(7)和所述逆变器(10)相交于点c与点h；所述辅助开关一(3)、所述二极管二(6)和所述二极管相交于点d；所述二极管、所述辅助开关二(4)和所述电容一(7)、所述电容二(8)的一端相交于点e；所述电源 (1)和所述二极管二(6)相交于点f；所述电容一(7)、所述电容二(8)的另一端连接点g，所述点f连接所述点g，所述点g连接所述点h；所述主开关(2)、所述辅助开关一(3)和所述二极管一(5)为功率开关；所述电容一(7)、所述电容二(8)为电容；所述电感(9)为功率电感(9)；所述主开关(2)与所述逆变器(10)的桥臂上的功率开关的种类一致，以保证二者的功率等级一致。

在该种具体的实施例中，在初始状态下即t₀时，主开关(2)处于导通状态，辅助开关一(3)和辅助开关二(4)处于关闭状态，逆变器(10)开关管也处于导通状态，电流的运动方向为a、b、c、h、g、f；然后关闭主开关(2)，电容一 (7)放电，等待电容一(7)完毕，电压降为0，此时即t₁时，逆变器(10)输入端电压降为0，逆变器(10)上的功率开关实现零电压状态切换，从而实现ZVS 开关；在逆变器(10)功率开关实现ZVS状态切换后，辅助开关一(3)开通，电流沿a、d、e、g、f方向流动，对电容二(8)进行充电，直到电容二(8)电压达到电源(1)电压，到达t₂时刻，然后再打开辅助开关二(4)，此时电流的方向为a、d、e、b、c、h、g、f，此时，流经电感(9)的电流持续增加，直到电感(9)的电流达到峰值，此时即t₃时，关闭辅助开关一(3)，此时电流的流动方向为从a、b、c、h、g、(f、d、e)/(e)、b，同时，由于电感(9)变换为续流状态导致辅助开关二(4)的后级电压高于前级直流母线电压，直流电压瞬间被抬高，高于电源(1)电压，从而导致主开关(2)并联的二极管一(5)正向导通，在二极管一(5)正向导通之后，主开关(2)也同时导通，从而实现了主开关(2)的零电压开通，在主开关(2)开通之后，电源(1)电压通过主开关(2)向负载提供电流，同时因为辅助开关二(4)还处于导通的状态，所以续流仍在进行，同时电容继续放电，从而导致在c点的电流高于负载电流，进而导致向电容一(7)充电，当续流结束时即t₄时，断开辅助开关二(4)，从而回到初始状态；通过上述电路的谐振工作过程，不仅实现了软开关功能，而且整体谐振电路拓扑电路体积尺寸较小，较好的平衡了系统体积尺寸和谐振功能的实现之间的关系，从而可以实现提高驱动器的功率密度的目的，且具有较低的发热量和低EMI水平。

在一种优选地实施例中，如图8所示，所述二极管二(6)并联有丙电容(11)。

在该种优选地实施例中，在二极管二(6)两端并联一只较小功率容量的电容，即丙电容(11)，用以辅助电感(9)续流期间后级直流母线电压瞬间抬升从而迫使二极管一(5)导通的目的，从而有助于在轻载时更容易实现主开关(2) 的零电压导通。

需要指出的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种软开关电机驱动电路拓扑电路，其特征在于：包括电源、主开关(2)、辅助开关一(3)、辅助开关二(4)、二极管一(5)、二极管二(6)、电容一(7)、电容二(8)、电感(9)和逆变器(10)；

所述电源为直流电源；

所述电源、所述主开关(2)、所述辅助开关一(3)、所述二极管一(5)相交于点a；

所述二极管二(6)、所述主开关(2)、所述辅助开关二(4)相交于点b；所述点b连接点c；

所述电容一(7)、所述电容二(8)和所述逆变器(10)相交于点c与点h；

所述辅助开关一(3)、所述二极管二(6)和所述二极管相交于点d；

所述二极管、所述辅助开关二(4)和所述电容一(7)、所述电容二(8)的一端相交于点e；

所述电源和所述二极管二(6)相交于点f；

所述电容一(7)、所述电容二(8)的另一端连接点g，所述点f连接所述点g，所述点g连接所述点h。

2.根据权利要求1所述的一种软开关电机驱动电路拓扑电路，其特征在于：所述主开关(2)、所述辅助开关一(3)和所述辅助开关二(4)为功率半导体开关。

3.根据权利要求2所述的一种软开关电机驱动电路拓扑电路，其特征在于：所述辅助开关一(3)和所述辅助开关二(4)的功率容量小于主开关(2)。

4.根据权利要求1所述的一种软开关电机驱动电路拓扑电路，其特征在于：所述二极管二(6)、所述二极管C和所述二极管一(5)为功率二极管。

5.根据权利要求1所述的一种软开关电机驱动电路拓扑电路，其特征在于：所述电感(9)为功率电感(9)。

6.根据权利要求1所述的一种软开关电机驱动电路拓扑电路，其特征在于：所述主开关(2)与所述逆变器(10)的桥臂上的功率半导体开关的种类一致。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种软开关电机驱动电路拓扑电路，其特征在于：所述二极管二(6)并联有丙电容(11)。

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