[发明专利]应用于无刷直流电机的谐振极软开关逆变电路及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关变换电路及其控制方法，尤其是用于无刷直流电机控制器的开关逆变电路和控制方法。

背景技术

无刷直流电机以其优越的性能获得了迅猛发展，然而，无刷直流电机通常采用硬开关逆变器驱动，硬开关逆变器的系统效率较低，开关器件的电压、电流应力大，散热器的体积和重量较大，而且硬性通/断产生的过高du/dt和di/dt给系统带来非常严重的电磁干扰，影响电机的绝缘寿命，功率开关器件开通和关断瞬间的电压和电流尖峰可能使功率器件的运行轨迹超出安全工作区，从而导致功率开关器件的损坏，影响系统的可靠性。因此，硬开关逆变器限制了大功率无刷直流电机驱动系统功率密度和性能的进一步提高，控制器效率、电磁干扰、体积重量问题日益突显，成为制约其快速发展的主要因素。为了解决硬开关逆变器的诸多问题，人们将更多的努力投向了软开关技术。专利200610105134.5实现了无刷直流电机的软开关逆变器驱动，但谐振直流环节有一个功率开关位于直流母线的主回路，当逆变桥的任意一个开关管需要开关动作时，整个母线电压必须谐振到零，使母线电压出现很多零电压凹槽，既影响了谐振频率的进一步提高，又增加了导通功耗。专利200710017363.6解决了谐振直流环节带来的不利因素，但无刷直流电机的PWM调制方式只能选用HON_LPWM，即上桥侧开关器件在导通的120°区间保持恒通，下桥侧开关在导通的120°区间工作于PWM调制频率，当逆变桥功率开关选用自举电路驱动时，无刷直流电机将不能正常工作。

发明内容

为了克服上述开关逆变器驱动无刷直流电机的不足，本发明提供一种应用于无刷直流电机的零电压开关(ZVS)谐振极软开关逆变电路及其控制方法，它不仅实现所有功率器件的软开关操作，而且可以实现直流母线中点电位的不平衡控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括一个直流电源、一个输入分压电路、一个控制电路、一个逆变桥和一个谐振极辅助电路。直流电源可以是把交流电整流为直流电的整流电源或者电池串并联产生的直流电源；输入分压电路由两个电容串接而成，分压电路的两端连接直流电源；逆变桥把直流电转换成交流电，且各下桥臂带有缓冲电容；逆变桥桥臂的中点称之为极。逆变桥的三个极点与无刷直流电机相连。本发明在逆变桥的极点和输入分压电路中点之间添加辅助谐振电路，包括三个辅助双向开关和一个电感。三个辅助双向开关的一端连接于一点，然后和电感的一端相接；三个辅助双向开关的另一端分别接三相逆变桥的三个极点；电感的另一端与输入分压电路中点相连。由控制电路发出信号控制辅助双向开关及逆变桥开关器件的导通和关断。

逆变桥开关需要开通时，谐振极辅助电路为逆变桥开关器件创造零电压条件，在脉宽调制信号(PWM)的上升沿，控制电路发出信号使辅助电路双向开关动作，电感与电容谐振使逆变桥开关的端电压降到零。在逆变桥开关的端电压下降到零时，逆变桥开关进行零电压开关开通。逆变桥开关需要关断时，因缓冲电容的存在，可在PWM信号的下降沿直接ZVS关断。

本发明采用的控制方法为单周调制+单周恒通(TPWM+TON)，即逆变桥开关器件在导通的120°的区间里，在一个PWM开关周期进行PWM调制，在另一个PWM开关周期处于恒通状态，并依次循环工作；在同一个PWM开关周期中，两个工作开关器件的工作状态不同，一个开关器件进行PWM调制，另一个处于恒通工作状态。

TPWM+TON控制时，在相邻两个PWM开关周期中，一个周期对输入分压电路中点进行较短时间的充电，另一周期中进行相同能量的放电，有利于维持中点电位的平衡，减小电容的容量。

所述的逆变桥中的开关器件是全控性器件，包括功率晶体管(GTR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率场效应晶体管(MOSFET)和智能功率模块(IPM)。这样，开关电路完全由控制电路直接控制，无须增加开通或关断辅助电路。

所述的辅助双向开关器件是由全控性器件构成，包括功率晶体管(GTR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率场效应晶体管(MOSFET)和智能功率模块(IPM)。

所述的逆变桥中的二极管是快恢复二极管或高频二极管，因为本发明所述逆变桥所需的二极管不仅要有足够的耐压、最大整流电流，而且要求其描述频率特性的反向恢复时间足够短。