CN1056965A - 三相场控桥式逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高效率的简易三相逆变电源，主电 路只用六只功率开关器件，或只用一块大功率组合集 成电路，控制电路使用较简单的环形分配器。这种逆 变器能输出高达几百千周的频率，可用于驱动各种转 速、特别是高速三相异步电动机。

Description

本发明与电力变流技术和交流电机传动技术有关。

在一些直流供电的场合，如各种电动车辆，火车、汽车电扇等，都普遍采用直流电机传动来满足，使用50周单相交流电的各种高速电动工具和设备，以及飞机和船舶的导航设备所用的400周、500周变流机，也都使用有换向器和电刷的直流电机来拖动。直流电机的换向器和电刷须经常维护，故障率高。现有技术中的单相逆变器和单相交流电动机效率低，特别是小功率单相电动机，效率和功率因数都比三相交流电机低得多，且体积、重量均较大。三相交流电机的体积、重量比直流电机和单相交流电机都小，可靠性高，维护工作量很小。然而，现有技术中的三相逆变电源，除体积、重量大外，主电路结构和控制电路都很复杂，如：三相晶闸管（SCR）逆变器，主电路需要一批大功率电容和电感组成关断六个晶闸管的补助电路来强迫关断晶闸管。而在强迫关断过程中的损耗大，使逆变器噪声高，效率低，发热严重，过载能力很低，而价格却十分昂贵。特别是用电池供电的小功率场合，问题更加突出。

本发明的目的在于，提供一种电路简单可靠，比现有三相逆变器***逆变效率高，且成本低廉的微型化三相逆变器。

本发明的技术构成见图1，图1为三相场控桥式逆变器的主回路电路以及六个场控功率开关的栅极驱动电路。由电池组E1、E2、E3，P沟道功率MOS场效应管（1）、（3）、（5），N沟道功率MOS场效应管（2）、（4）、（6），NPN三极管G1至G6，以及六个1K左右的电阻构成。当需要三相场控桥式逆变器输出的脉冲电压很高（500伏以上）或功率较大（5KW以上）时，需将六个场控功率开关MOSFET（1）至（6），用SIT、SITH场控功率开关器件代替。六个NPN三极管在这里是作为向场控功率开关器件施加电场的开关。六个三极管的基极K1至K6与六相环形脉冲分配器的六个输出端相接，使用六相六拍环形脉冲分配器时，向六个三极管G1至G6提供120°电角度的正向方波脉冲信号，按时序（G1）、（G2）→（G2）、（G3）→（G3）、（G4）→（G4）、（G5）→（G5）、（G6）→（G6）、（G1），使其每隔60°电角度就有一个三极管导通和另一个三极管截止。使用六相十二拍环分配器时，向六个三极管（G1至G6）提供150°电角度的正向方波脉冲信号，按时序（G1）、（G2）→（G1）、（G2）、（G3）→（G2）、（G3）→……→（G6）、（G1）→（G6）、（G1）、（G2）的顺序，每隔30°电角度，有一个三极管导通或一个三极管截止。六相环形脉冲信号分配器可用各种步进电机用的环形分配器集成块，也可用各种门电路组成分立式环形分配器。当然，采用单片机控制时，就不再需要环形分配器了。

当这种三相场控桥式逆变器和三相永磁转子电机配套使用时，须将六个作信号开关用的NPN三极管G1至G6，改用六个霍尔开关集成块。市场上出售的各种霍尔开关集成电路，体积都很小，一般只有0.05-0.08CM³，所以容易胶接在三相永磁电机定子铁芯的一端接近转子磁极的部位，或设置在能感受永磁转子极性，检测出转子磁极角度的位置上。

场控功率开关器件（1）、（3）、（5），受（接通到三个栅极上的）霍尔开关集成块输出端低电平的导通控制，（2）、（4）、（6）受（接通到三个栅极上的）霍尔开关集成块高电平导通控制，这时需将1K电阻R2、R4、R6串联到栅极与正11伏的信号电源之间。

三相场控开关桥上半桥，是由三个P沟道功率MOS场效应管（1）、（3）、（5）构成的共源极开关电路，源极接直流正极。下半桥由三个N沟道功率MOS场效应管（2）、（4）、（6）构成的共源极开关电路，源极接直流负极。通过六相环形分配器的逻辑信号，或单片机输出的六相逻辑信号以及上半桥每个场控开关管的栅极驱动电路，分别控制与A、B、C三相绕组相接的（1）、（3）、（5）管的漏极，向三相电机绕组（或三相变压器绕组）提供120°或150°电角度的正向方波电压脉冲（7），再通过下半桥每个场控功率开关的栅极驱动电路，分别控制与A、B、C三相绕组相接的（2）、（4）、（6）管的漏极，向三相绕组提供（比每相正电压脉冲滞后180°电角度的）120°或150°电角度的反向方波电压脉冲（8）。

由于三相电动机（或三相变压器）绕组的感性特性，以及功率MOS场效应管反向导通特性的存在，致使流过三相绕组的电流波形成为图2（9）的这种近似正弦波的波形，加上电机三相绕组合成磁场与鼠笼转子电感的平波作用，电机定子旋转磁场是接近均速的。使用这种电源的电机，比使用三相50周交流市电的效率还高，经过用同一个鼠笼电动机的测试，证明了这一点，这是由于50周工频电路中，有整流器和铁芯电抗器等非绕性元件，使电流波形产生较大畸变所造成。

功率MOS场效应管，是一种多数载流子场控器件，它又具有反向导通特性，这相当于一个PN结二极管，而且在反向导通时，具有比一般PN结二极管低几倍的通态电阻，因此，有低的压降损耗和快速恢复整流器的作用。

在三相绕组中，每相电流的0°-90°波形曲绕由电机绕组建立磁场的电抗造成，90°-180波形曲线由每相绕组的去磁电势通过桥臂的另一个（正向未开通的）场控功率开关的反向续流造成，续流将0°-60°处三角形面积（10）的能量，转移到120°-180°处的三角形面积（11）上。由于开关桥能通过同臂的另一个功率开关器件的反向自然导通，来完成被关断一相的续流，定子绕组不能产生使关断器件被击穿的去磁尖峰电压。因此，开关桥中的每个功率开关就不需再设置续流二极管和保护电容了。

本发明的优点是：

一、采用反向能导通，且通态电阻比普通二极管小好几倍的场控功率开关器件，作逆变器主电路功率开关，能减少电压损耗，提高逆变效率。

二、采用反向能导通的场控功率器件，作主电路功率开关，能成倍的减少主电路功率器件的数量，从而使逆变器可靠性提高、成本降低，同时也使逆变器小型化。

三、采用场控多数载流子功率器件，能使逆变器的开关频率比双极晶体管或可关断晶闸管组成的递变器，开关频率高十倍以上，因此，能大幅度提高多极数的，大转矩三相交流电机的转速和效率，能使各种机械设备、电气设备轻量化和微型化。

四、相同功率和相同质量的VMOS场效应管（MOSFET），价格只有可关断晶闸管（GTO）的三分之一左右，如果使用CD和TR系列大功率组合场效应集成电路，或MOSFET复合管系列功率器件时，其价格只有GTO的十分之一，能进一步使三相场控递变器成本下降。因为振荡器和环形分配器的体积和重量对整个递变器来说，是可以忽略不计的，当采用大功率组合场效应集成电路时，递变器的体积还可进一步减小。

五、这种场控三相桥式递变器，可以变速驱动一个，或多个三相鼠笼电动机，也能直接驱动不同转速的永磁转子高效率电动机。

六、由于VMOS场效应管的生产工艺简单，产品价格低廉，没有二次击穿问题，又容易多只并联，因此，可将功率开关大幅度降额使用，以保证逆变器的高效率（达97%）和高的过载能力（15倍），以及高可靠性。

附图1是，三相场控桥式递变器主电路与功率开关管栅极驱动电路图。图中，（1）、（3）、（5）为P沟道功率MOS场效应管，或场控晶闸管SIT，（2）、（4）、（6）为N沟道功率MOS场效应管，或场控晶闸管SIT，G1、G2、G3、G4、G5、G6为NPN三极管，R1、R2、R3、R4、R5、R6为1K电阻，E1、E2、E3为电池组，K1、K2、K3、K4、K5、K6，分别与六相环形信号分配器，或单片机的六个逻辑信号输出端相接，A、B、C接三相电动机星形绕组的首端。

附图2是，三相场控桥式逆变器主电路输出的A、B、C三相方波电压波形图，与经过三相变压器绕组电感续流后，形成近似正弦波的电流波形图。图中，（7）和（8）是A、B、C三相输出的电压波形，（9）是电流波形，（10）和（11）是由变压器绕组电感造成电流滞后电压的三角形区域。

下面是本递变器最佳实施方案;

用一只由三个P沟道和三个N沟道组成的大功率组合场效应集成电路TRFT001或TRFT002，按图1中的六个功率开关栅极驱动电路，配上六个1K电阻和六个NPN三极管，组成功率场效应集成电路中的三个N沟道功率开关和三个P沟道功率开关的六个栅极驱动电路，再将六个NPN三极管的基极K1至K6与一只输出六相十二拍方波脉冲信号的8位单片机六个输出端相连接。G1、G3、G5的集电极与三个P沟道功率开关（1）、（3）、（5）的栅极连接，G2、G4、G6的发射极与三个N沟道功率开关（2）、（4）、（6）的栅极连接。六个NPN三极管由单片机输出的方波脉冲控制，使其工作在开关状态。逆变器的直流侧，可同蓄电池相联接，也可同三相或单相整流器联接。交流侧，可直接同三相交流电机联接，也可同三相变压器联接。

由于组成这种三相场控逆变器的元器件数量很少，其焊点的总数也大大减小，从而有效的提高了可靠性。

Claims (7)

1、一种三相场控桥式逆变器，由逻辑触发电路、功率开关驱动电路、开关桥、散热器与壳体组成，本发明的特征在于，三相场控开关桥由三个P沟道功率MOS场效应管(1)、(3)、(5)，组成接直流正极的共源极开关电路，通过(1)、(3)、(5)管的漏极，分别向三相绕组提供120°或150°电角度的正向方波电压脉冲，再由三个N沟道功率MOS场效应管(2)、(4)、(6)组成接直流负极的共源极开关电路，通过(2)、(4)、(6)三管的漏极，分别向三相绕组提供比正脉冲滞后180°的反向120°或150°电角度的方波电压脉冲，并有一个六相六拍或六相十二拍的控制器。

2、按权利要求1规定的逆变器，其特征在于，三相场控开关桥中的六个场控功率开关（1）至（6）采用SIT、SITH场控功率开关器件。

3、按权利要求1或2规定的逆变器，其特征在于三相场控开关桥向三相电机或三相变压器绕组提供150°电角度的方波正负电压脉冲，是由一个六相十二拍环形分配器，或由一个输出六相十二拍脉冲信号的单片机控制。

4、按权利要求1或2规定的逆变器，其特征在于，由一个输出六相六拍方波脉冲信号的单片机，或一个六相六拍环形脉冲信号分配器，对三相场控开关桥中的六个场控功率开关进行控制。

5、按权利要求1规定的逆变器，其特征在于，上半桥（1）、（3）、（5）三个功率开关管的栅极驱动电压，由比逆变器直流电源正极柢11±3伏，最好是11伏的电压驱动，下半桥（2）、（4）、（6）三管的栅极驱动电压，由比逆变器电源负极高11±3伏，最好是11伏的电压驱动。

6、按权利要求1或2规定的逆变器，其特征在于，三相场控开关桥中的六个场控功率开关（1）至（6），由六个霍尔开关电路输出的方波脉冲电压信号控制。

7、按权利要求1规定的逆变器，其特征在于，三个N沟道和三个P沟道的栅极驱动，全是通过1K左右的电阻和一个电子开关，或一个霍尔开关电路来完成。

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