[发明专利]新型开关磁阻电机多电平变换器拓扑及其控制方法

说明书

一种用于驱动开关磁阻电机的有源中性点箝位多电平变换器拓扑结构及拓扑调制控制方法,该结构的每个桥臂是由不对称有源中性点箝位三电平变换器桥臂与不对称飞跨电容胞级联而成。称相桥臂可产生的最大电平数为该拓扑的电平数，不对称有源中性点箝位三电平变换器的每个桥臂可产生三个电平，与之级联的不对称飞跨电容胞可以产生M电平。N=M+3电平有源中性点箝位多电平变换器拓扑共需2*(M/2+3）个开关管，共需M+6个二极管以及M/2+M/2+2=M+2个电容.本拓扑具有开关损耗小，效率高的优点，同时不对称飞跨电容胞的加入又避免了随着电平数增多需要大量箝位二极管和桥臂内外侧器件导通时间不同造成的负荷不一致的问题，为开关磁阻电机的驱动提供了多电平拓扑方案。

技术领域

本发明设计一种用于驱动开关磁阻电机的有源中性点箝位多电平变换器拓扑结构及 拓扑调制控制方法，属于电力电子与电力传动领域。

背景技术

用于开关磁阻电机驱动的多电平功率变换技术主要包括:多电平变换器拓扑、多电平调 制策略及提高多电平逆变器运行性能的相关控制策略。但传统的二极管箝位(也称中性点箝位) 多电平变换器随着电平数升高，所需的箝位二极管急剧增加，但可用于中性点电位调节的开 关冗余状态增加并不明显，造成了高电平数下，中性点电位难以控制的问题。 而传统的飞跨 电容多电平变换器是利用多个耐压不同且越靠近直流侧耐压越高的飞跨电容来实现箝位功 能，所需电容容量各不相同，造成体积大、效率低、成本高等问题，极大地限制了其实际应 用范围。特别是电平数较高情况下电容电压的不平衡问题，成为限制多电平变换器在实际中 应用的主要因素。近些年来， 很少有新型的用于开关磁阻电机驱动的多电平拓扑被提出和研 究。仅有的一些拓扑或者是结构较为复杂，可拓展性不强，或者是其控制算法很复杂，不易 于实现。针对这些现实问题，构建可以综合不对称中性点箝位多电平变换器和不对称飞跨电 容箝位多电平变换器各自优点的多电平拓扑及其调制、控制策略来行之有效地解决以上问题， 还未见报道。

发明内容

发明目的： 本发明提出一种用于驱动开关磁阻电机的有源中性点箝位多电平变换器拓扑结构及拓 扑调制控制方法，其目的是解决传统的用于开关磁阻电机驱动的不对称中性点箝位多电平拓 扑随电平数增加，所需二极管急剧增加以及中性点电位难以控制的问题，可以实现随电平数 增加，所需的用于中性点箝位的二极管数量不变，但具有大量冗余开关状态可用于电压平衡 控制的目标，且只需一个直流源供电。 技术方案： 图 1 为一种用于驱动开关磁阻电机的有源中性点箝位多电平变换器拓扑结构， 其特征在 于：该结构的每个桥臂可以看成是由不对称有源中性点箝位三电平变换器桥臂与不对称飞跨 电容胞级联而成的多电平拓扑(故名有源中性点箝位多电平变换器)。本发明的多电平拓扑具有不对称有源中性点箝位三电平拓扑在阶梯波调制时，器件在基频工作，开关损耗小，效率高的优点，同时不对称飞跨电容胞的加入又避免了随着电平数增多需要大量箝位二极管和桥臂内外侧器件导通时间不同造成的负荷不一致的问题，此外，不对称飞跨电容胞的加入使得 该拓扑具有了不对称飞跨电容多电平变换器有大量开关状态冗余，可用于电压平衡的控制的 优点，为开关磁阻电机的驱动提供了多电平拓扑方案。 一种用于驱动开关磁阻电机的有源中性点箝位多电平变换器拓扑结构的第一种控制方 法，其特征在于： 该方法采用左右桥臂独立分析的方法，充分利用总调制占空比信号与各桥 臂调制占空比信号的数学关系，将总调制占空比信号合理分配到左右桥臂上，再利用三角载 波在相位上的控制自由度，采用载波移相脉宽调制方式产生所需目标电压的占空比(对每个桥 臂而言，各载波依次移相 1/(N-1)个载波周期)，与开关磁阻电机的换向逻辑输出和限流逻辑输 出进行与逻辑运算，最终产生三相各自的开关信号驱动本拓扑的开关工作。 一种用于驱动开关磁阻电机的有源中性点箝位多电平变换器拓扑结构的第二种控制方 法，其特征在于： 该方法采用左右桥臂独立分析的方法，采用一维空间矢量调制方式， 利用 伏秒平衡原理计算出各矢量作用时间，在各矢量作用的时间段内，利用电平具有冗余状态， 实现飞跨电容和直流侧电容的平衡并输出对应开关状态， 与开关磁阻电机的换向逻辑输出和 限流逻辑输出进行与逻辑运算，最终产生三相各自的开关信号驱动本拓扑的开关工作。 通过分析输出电压与主开关管驱动逻辑的关系可知，除了最高和最低电平只对应一种开 关状态以外，介于最高和最低电平之间的电平数均具有冗余开关状态与之对应，冗余的开关 状态可以用来实现该拓扑的容错控制,悬浮电容电压平衡控制和直流侧电容电压平衡控制，负 电平与正电平对应的开关状态个数相同。 附图说明 图 1 为用于驱动开关磁阻电机的 N 电平有源中性点箝位多电平变换器拓扑结构； 图 2 用于驱动开关磁阻电机的三电平有源中性点箝位多电平变换器拓扑结构； 图 3 用于驱动开关磁阻电机的五电平有源中性点箝位多电平变换器拓扑结构； 具体实施方式 图 2 为用于驱动开关磁阻电机的有源中性点箝位三电平变换器拓扑结构实例，该结构是 由两个有源中性点箝位三电平桥臂构成， 没有级联的不对称飞跨电容胞， 该拓扑桥臂可以产 生三个电平，相绕组最多可具有五电平。 该拓朴共需 6 个开关管， 6 个二极管和 2 个直流侧 电容，没有飞跨电容。 图 3 为用于驱动开关磁阻电机的有源中性点箝位五电平变换器拓扑结构实例， 该结构是 由两个有源中性点箝位三电平桥臂分别级联一个不对称飞跨电容胞构成，该拓扑桥臂可以产 生五个电平，相绕组最多可具有九电平。该拓朴共需 8 个开关管， 8 个二极管和 4 个电容， 其中有 2个直流侧电容和 4 个飞跨电容。对于五电平有源中性点箝位变换器拓扑而言，利用第一种控制方式：载波移相脉宽调制 技术， 对每个桥臂而言，位于最外侧的三电平中性点箝位桥臂处于基频调制状态，所级联的 不对称飞跨电容胞各载波依次移相 1/(5-3)个载波周期，便可在相绕组两端得到九电平输出电 压。 对于五电平不对称层叠式多单元变换器拓扑而言，利用第二种控制方式： 一维空间矢量 调制，利用伏秒平衡原理计算出各矢量作用时间，在各矢量作用的时间段内，利用电平具有 冗余状态，实现飞跨电容和直流侧电容的平衡并输出对应开关状态，可在相绕组两端得到九 电平输出电压， 易于数字实现。