CN212278122U - 一种准谐振电机驱动拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种准谐振电机驱动拓扑电路，其特征在于：包括主开关、辅助开关、主开关并联二极管、第一二极管、第二二极管、电感、电容、逆变器和电源；电源为直流电源；电源与主开关并联二极管、主开关、辅助开关相交于点a；主开关并联二极管内并有续流二极管；主开关、主开关并联二极管与第二二极管相交于点b；电容与逆变器相交于点c；点c连接点b；第二二极管连接电感；电感、辅助开关与第一二极管相交于点d；第一二极管与电源相交于点e；电容与逆变器相交于点f；点f连接点e。本实用新型的有益效果是：平衡了***体积尺寸和谐振功能的实现，具有高功率密度、较低的发热量和低EMI水平。

Description

一种准谐振电机驱动拓扑电路

技术领域

本实用新型涉及软开关，特别涉及一种准谐振电机驱动拓扑电路。

背景技术

目前最常用的电机驱动主电路拓扑结构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，开通或者关断的瞬间，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***散热的要求；另外，“硬”开关会引起电路***极高的dv/dt或者di/dt，从而产生较高的EMI。以上缺点，使得这种电路拓扑实现的驱动***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，电机驱动器需要高功率密度，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***尺寸，并且降低EMI。但是要实现“软”开关技术，一般需要在原有电路结构上增加额外元器件使得电路处于谐振状态，谐振单元的增加使得***成本和复杂性提高，有些解决方案甚至顾此失彼，即“软”开关是实现了，但额外增加的部分造成***复杂度，或者成本，或者体积等甚至超过了原有逆变器本身，缺点极其突出。

如下所示例专利就实现了软开关技术，并对其优缺点做初步分析。

如实用新型专利申请号为CN 106533224A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。该专利中的拓扑结构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。

但是，该专利提出的拓扑结构也有其缺点，一是采用的谐振元器件数量较多，功率开关3只，功率电感2只，功率二极管4只，谐振电容3只，另外还需要在6只逆变器的功率开关管上并联电容以辅助谐振，较多的谐振元件及电路结构，不仅大大增加***成本和复杂性，而且使得控制复杂度和调试难度增加；二是***需要配合特殊的SPWM调制方法进行控制，否则其控制效果优势就大大降低，这一调制方法不具备通用性；三是对于目前广泛应用的高性能电机控制SVPWM方法不一定适用，即使能够采用，因为其与该实用新型提出的特殊的SPWM方法不同，就无法发挥该实用新型的优势。

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***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谐振元件要少，从而降低电路成本和复杂性，并减小逆变器整体体积尺寸。

但该实用新型的缺点之一是还是采用了多达3只功率开关，对3只功率开关分别需要驱动控制，***控制复杂度提高；另外，该实用新型的另一缺点在于，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只功率开关并未并联谐振电容，这在一定程度上影响了三相桥上下臂上的功率开关的对称和工作特性一致性，会导致潜在的开关状态不一致，电机电流电压成分中出现较大谐波，潜在的增加了功率开关的工作安全风险，***可靠性降低；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，这样的变压器集成在***中时，必然会造成***体积尺寸增加，而且当驱动器功率等级增大时，该变压器功率需要相应增加。

因此，既要实现电路的谐振，以便实现软开关功能，又要避免顾此失彼因谐振电路的存在而增加了***复杂性、***体积以及成本的大幅增加，是这类软开关电路面临的挑战。

故市场亟需一种可以在实现软开关功能的同时，***谐振单元功率器件少，整体紧凑，控制简单，谐振单元体积尺寸较小，较好的平衡了***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水平的电机驱动电路。

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准谐振电机驱动拓扑电路，本实用新型的技术方案是这样实施的：

一种准谐振电机驱动拓扑电路，其特征在于：包括主开关、辅助开关、主开关并联二极管、第一二极管、第二二极管、电感、电容、逆变器和电源；所述电源为直流电源；所述电源与所述主开关并联二极管、主开关、辅助开关相交于点a；所述主开关并联二极管内并有续流二极管；所述主开关、所述主开关并联二极管与所述第二二极管相交于点b；所述电容与所述逆变器相交于点c；所述点c连接所述点b；所述第二二极管连接电感；所述电感、所述辅助开关与所述第一二极管相交于点d；所述第一二极管与所述电源相交于点e；所述电容与所述逆变器相交于点f；所述点f连接所述点e。

优选地，所述主开关、所述辅助开关和所述主开关为功率开关。

优选地，所述第一二极管、所述第二二极管和所述主开关并联二极管为功率二极管。

优选地，所述电感为功率电感。

优选地，所述主开关与所述逆变器桥臂上的功率开关的类型一致。

实施本实用新型的技术方案可解决现有技术中***谐振单元功率器件多，***复杂，谐振单元体积尺寸较大，无法平衡***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***谐振单元功率器件少，整体紧凑，控制简单，谐振单元体积尺寸较小，较好的平衡了***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附图。

图1为一种准谐振电机驱动拓扑电路的整体电路状态图；

图2为一种准谐振电机驱动拓扑电路的初始状态通路图；

图3为一种准谐振电机驱动拓扑电路的t₀-t₁状态通路图；

图4为一种准谐振电机驱动拓扑电路的t₁-t₂状态通路图；

图5为一种准谐振电机驱动拓扑电路的t₂-t₃状态通路图；

图6为一种准谐振电机驱动拓扑电路的t₃-t₄状态通路图；

图7为一种准谐振电机驱动拓扑电路的t₄-t₅状态通路图

图8为一种准谐振电机驱动拓扑电路的各部件在不同的时间段的状态图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

主开关(1)、辅助开关(2)、主开关并联二极管(3)、第一二极管(4)、第二二极管(5)、电感(6)、电容(7)、逆变器(8)、电源(9)

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。

为了便于描述，对以下内容做出定义：

V_cr：电容(7)两端的电压；

V_dc：电源(9)电压；

i_DC：在工作状态下的负载电流；

i_cr：流经电容(7)的电流；

i_lr：流经电感(6)的电流；

T₁：主开关(1)；

T₂：辅助开关(2)。

在一种具体的实施例中，如图1-6所示，一种准谐振电机驱动拓扑电路，其特征在于：包括主开关(1)、辅助开关(2)、主开关并联二极管(3)、第一二极管(4)、第二二极管(5)、电感(6)、电容(7)、逆变器(8)和电源(9)；所述电源(9)为直流电源(9)；所述电源(9)与所述主开关并联二极管(3)、主开关(1)、辅助开关(2)相交于点a；所述主开关(1)内部并联有续流二极管(3)；所述主开关(1)、所述主开关并联二极管(3)与所述第二二极管(5)相交于点b；所述电容(7)与所述逆变器(8)相交于点c；所述点c连接所述点b；所述第二二极管(5)连接电感(6)；所述电感(6)、所述辅助开关(2)与所述第一二极管(4)相交于点d；所述第一二极管(4)与所述电源(9)相交于点e；所述电容(7)与所述逆变器(8)相交于点f；所述点f连接所述点e；所述主开关(1)、所述辅助开关(2)为功率开关；所述第一二极管(4)、所述第二二极管(5)和所述主开关并联二极管(3)为功率二极管；所述电感(6)为功率电感；所述主开关(1)与所述逆变器(8)的桥臂上的功率开关的类型一致。

在该种具体的实施例中，在初始状态下，主开关(1)处于导通状态，辅助开关(2)处于关断状态，电容(7)和逆变器(8)处于共同工作的状态下，谐振单元无能量存储，电流方向为a、b、c、f、e；在t₀-t₁时刻，关断主开关(1)，电源(9)停止向逆变器(8)供电，电容(7)开始放电，向逆变器(8)供电直至V_cr两端电压为零，此后一段时间一直到t₁时刻，逆变器(8)上的功率开关在此期间进行开关状态的切换，完全实现零电压开关动作，电流方向为c、f；在t₁时刻，辅助开关(2)导通，电源(9)电流方向为a、d、b、c、f、e，电流i_lr从零开始逐渐增加，到t₂时刻，电感(6)电流达到负载电流i_DC幅值，同时开始对谐振电容(7)进行充电，此时电容(7)与电感(6)之间形成串联谐振电路，电容(7)两端的电压开始增加，当V_cr高于V_dc时，并联在主开关(1)两端的二极管(3)正向导通，则V_cr被钳位为电源电压V_DC。至t₃时刻，主开关管(1)零电压开通，主开关(1)的开通导致辅助开关(2)零电压关断条件满足，于是辅助开关管(2)关断。从t₃时刻起，主开关(1)导通，辅助开关(2)关断，流过电感(6)的电流通过第一二极管(4)续流，同时，主开关并联二极管(3)继续处于正向导通状态，电感(6)电流逐渐下降，幅值降至负载电流。随着流过电感(6)的电流逐渐下降，从t₄时刻起，主开关并联二极管(3)截至，直至电流下降至零时，第一二极管(4)续流结束从而转为截至状态，电路回到初始状态。

通过上述模块之间的交互，可以实现***谐振单元功率器件少，整体紧凑，控制简单，谐振单元体积尺寸较小，较好的平衡了***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。

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 (5)

1.一种准谐振电机驱动拓扑电路，其特征在于：包括主开关、辅助开关、主开关并联二极管、第一二极管、第二二极管、电感、电容、逆变器和电源；所述电源为直流电源；

所述电源与所述主开关并联二极管、主开关、辅助开关相交于点a；所述主开关并联二极管内并有续流二极管；

所述主开关、所述主开关并联二极管与所述第二二极管相交于点b；

所述电容与所述逆变器相交于点c；所述点c连接所述点b；

所述第二二极管连接电感；

所述电感、所述辅助开关与所述第一二极管相交于点d；

所述第一二极管与所述电源相交于点e；

所述电容与所述逆变器相交于点f；所述点f连接所述点e。

2.根据权利要求1所述的一种准谐振电机驱动拓扑电路，其特征在于：所述主开关、所述辅助开关和所述主开关并联二极管为功率半导体开关。

3.根据权利要求1所述的一种准谐振电机驱动拓扑电路，其特征在于：所述第一二极管、所述第二二极管和所述主开关并联二极管为功率二极管。

4.根据权利要求1所述的一种准谐振电机驱动拓扑电路，其特征在于：所述电感为功率电感。

5.根据权利要求1所述的一种准谐振电机驱动拓扑电路，其特征在于：所述主开关与所述逆变器的桥臂上的功率开关的种类一致。

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