專利名稱：含智能功率模塊的開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置及實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于以智能功率模塊(Intelligent Power Modules,簡稱IPM)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的功率器 件的功率電路實(shí)現(xiàn)方法及其裝置，特別涉及一種基于七單元IPM的開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor,簡稱SRM)功率電路及實(shí)現(xiàn)方法。
技術(shù)背景目前，常用的四相電機(jī)功率變換器電路主要是雙極性電源型和不對(duì)稱半橋型。雙極性電 源型功率變換器的主要優(yōu)點(diǎn)是每相只使用一只主開關(guān)，未能用足開關(guān)器件的額定電壓和電源 的容量。在雙相運(yùn)行時(shí)，相電流可能流過dL/d6〈0的區(qū)域，這時(shí)電動(dòng)轉(zhuǎn)矩的有效性將降低， 而且，當(dāng)兩相同時(shí)通電時(shí)，電機(jī)磁路飽和加劇，進(jìn)一步降低了電流產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩的有效性。 不對(duì)稱半橋型雖然用足了主開關(guān)管的額定電壓，可避免電機(jī)與電源間的無功能量交換，在增 加轉(zhuǎn)矩、提高功率變換器容量的利用率、減少斬波次數(shù)、抑制電源電壓波動(dòng)、降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 方面都是有利的，但是每一相都需要兩只主開關(guān)，未能充分體現(xiàn)較其他交流調(diào)速系統(tǒng)變流器 固有的優(yōu)勢。從性能上看，不對(duì)稱半橋型較之雙極性電源型有很大優(yōu)勢，其唯一不足是所用 開關(guān)器件數(shù)量多，明顯增加了功率變換器的成本，經(jīng)濟(jì)性差。主要應(yīng)用在高電壓大功率而且 相數(shù)較少的場合。為了保持不對(duì)稱橋式變換器的優(yōu)良性能，又盡量減少元件，進(jìn)而出現(xiàn)了不少 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在不對(duì)稱半橋型的基礎(chǔ)上作了部分改進(jìn)，諸如增加電容的電容式儲(chǔ)能變換器。用 此方式來將能量從附加電容傳到下一個(gè)繞組中，可以保證電容不會(huì)過放電或者是過充電，關(guān)閉 電壓可以得到精確控制。不足之處在于元件數(shù)量增多，控制難度較大，而且器件的設(shè)計(jì)要求達(dá) 到高頻，但是僅在電機(jī)繞組開通或關(guān)斷時(shí)工作,造成一定的浪費(fèi)。("(8/6極)開關(guān)磁阻電動(dòng) 機(jī)功率電路的設(shè)計(jì)和保護(hù)"，2006. 3,《微電機(jī)》)。對(duì)四相(8/6極)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 而言，采用雙相運(yùn)行時(shí)，因?yàn)槠渲袃上嚅g的電流一般不會(huì)重疊，因此，在傳統(tǒng)的不對(duì)稱半橋 型結(jié)構(gòu)中，兩相一組分別可共用一只上橋臂主開關(guān)(共用一只下臂時(shí)相對(duì)需多增加兩套獨(dú)立 的驅(qū)動(dòng)電路供電電源，增加了成本)，從而減少兩個(gè)主開關(guān)。如果系統(tǒng)采用三相交流電源供 電時(shí)，由三相整流器和可控功率器件及其他相關(guān)器件組成功率開關(guān)電路。由于開關(guān)磁阻電機(jī) 定子繞組的電流是單向的，功率開關(guān)元件與電機(jī)繞組相串聯(lián)，這使得功率電路設(shè)計(jì)簡單化， 并且不會(huì)出現(xiàn)類似變頻器的上下橋臂由于控制錯(cuò)誤而造成直通短路的嚴(yán)重事故，故而開關(guān)磁 阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主電路具有很高的工作可靠性。開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換電路主開關(guān)器件的選擇與電動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)、供電電壓、峰值電 流、成本等有關(guān)，還與主開關(guān)器件本身的開關(guān)速度、觸發(fā)難易、開關(guān)損耗、抗沖擊性、耐用 性及市場普及性有關(guān)系。迄今為止，晶閘管(SCR)是使用時(shí)間最長、伏安容量最大的半導(dǎo)體 器件，而且價(jià)格便宜。但是SCR無自關(guān)斷能力?？申P(guān)斷晶閘管(GT0)具有普通晶閘管的全部 優(yōu)點(diǎn)，如耐壓高、電流大、浪涌能力強(qiáng)和價(jià)格低，同時(shí)又具有雙極型功率晶鬧管(GTR)的一 些優(yōu)點(diǎn)，具有自關(guān)斷能力、工作頻率較高，使用方便，由于給GTO提供較大的反向門極電流不 是件容易的事，所以選用可關(guān)斷晶閘管作為功率電路的開關(guān)并不廣泛。GTR的開關(guān)頻率高，具有自關(guān)斷能力，在中、小容量的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但GTR輸入阻抗小， 要求驅(qū)動(dòng)電路的功率很大。功率場效應(yīng)管(M0SFET)是一種單極型的電壓控制器件，驅(qū)動(dòng)功 率小、驅(qū)動(dòng)電路簡單、開關(guān)速度快、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬、熱穩(wěn)定性好。適用于 低電壓、小功率的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。它的缺點(diǎn)是較GTR的通態(tài)壓降大。絕緣柵雙極型 晶體管(IGBT)是80年代出現(xiàn)的新型復(fù)合開關(guān)元件，是MOSFET和GTR復(fù)合而成的，它綜合了 MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，具有前者的輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡單的特點(diǎn)， 又具有后者的通態(tài)電壓低、耐壓高和承受大電流的特點(diǎn)，但大功率IGBT需要專門的驅(qū)動(dòng)電路， 同時(shí)還需要用戶設(shè)計(jì)各種保護(hù)電路，給其應(yīng)用帶來諸多不便。("開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器 主電路拓?fù)涞难芯?，2003.6,《電機(jī)電器技術(shù)》)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種含智能功率模塊的開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置及實(shí)現(xiàn)方法，它 是基于七單元IPM的(8/6極)開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路的裝置及實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明使用的智 能功率模塊就是以功率器件IGBT為主體，內(nèi)含電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)，即把驅(qū)動(dòng) 電路和過流保護(hù)、短路保護(hù)、過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)等多種保護(hù)集成在同一模塊內(nèi)的新型混合 集成電路。IPM的集成度高，具有諸多的優(yōu)點(diǎn)開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電流小，控制驅(qū)動(dòng)更為簡單； 內(nèi)含的電流傳感器可以高效迅速地檢測出過電流和短路電流；能對(duì)功率芯片給予足夠的保護(hù)， 故障率大大降低，因此本發(fā)明具有較高的性能價(jià)格比，在開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中有很大的 實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明解決了功率變換器應(yīng)與電機(jī)結(jié)構(gòu)匹配、效率高、控制方便、結(jié)構(gòu)簡單等問 題，并提出基于七單元IPM四相((8/6極))開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路的設(shè)計(jì)。本發(fā)明提供的一種開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置主要包括智能功率模塊(IPM)、功率驅(qū)動(dòng) 電路、電流采樣電路、過壓、欠壓檢測電路、故障檢測電路、數(shù)字電源部分和開關(guān)磁阻電機(jī)； 其連接方式是數(shù)字電源部分分別與IPM和功率驅(qū)動(dòng)電路相連接，整流電路輸出直接接到IPM 的直流側(cè)正、負(fù)電壓輸入端，IPM輸出與故障檢測電路相連，開關(guān)磁阻電機(jī)的四相和IPM相 連接，各相電流與電流采樣電路連接，IPM同時(shí)與過壓、欠壓檢測電路相連。本發(fā)明提供的一種開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置主要包括:七單元智能功率模塊(IPM)、功 率驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣電路、過壓、欠壓檢測電路、故障檢測電路、數(shù)字電源部分和開關(guān)磁 阻電機(jī)；其連接方式是數(shù)字電源部分分別與七單元IPM和功率驅(qū)動(dòng)電路相連接，整流電路 輸出直接接到七單元IPM的直流側(cè)正、負(fù)電壓輸入端，七單元IPM輸出與故障檢測電路相連， 開關(guān)磁阻電機(jī)的A、 B、 C、 D四相和七單元IPM相連接，各相電流與電流采樣電路連接，七 單元IPM同時(shí)與過壓、欠壓檢測電路相連。所述的開關(guān)磁阻電機(jī)的四相A、 B、 C分別和IPM的其中三個(gè)單元相連，D相與IPM的制 動(dòng)單元相連接。所述的故障檢測電路經(jīng)由光耦合器與七單元IPM相連接。所述的光耦合器是SFH6345和SFH6156。本發(fā)明提供的一種開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置的實(shí)現(xiàn)方法包括下述的步驟 1)、數(shù)字電源部分分別與IPM和功率驅(qū)動(dòng)電路相連接，整流電路輸出直接接到IPM的直 流側(cè)正、負(fù)電壓輸入端； 2) 、開關(guān)磁阻電機(jī)的四相A、 B、 C、 D分別和IPM的其中三個(gè)單元及其制動(dòng)單元相連接， 各相電流與電流采樣電路連接，IPM同時(shí)與過壓、欠壓檢測電路相連；3) 、七單元IPM包含的部分引腳及其與開關(guān)磁阻電機(jī)A相的具體連接方式是交流電經(jīng) 整流電路整流濾波后直接接到IPM直流側(cè)正引腳P、負(fù)引腳N電壓輸入端，引腳VUPC和光耦 合器SFH6345的發(fā)射極相連，引腳UP則和光耦合器SFH6345的集電極相連，引腳UFO接至 SFH6156中發(fā)光二極管的陰極，電源信號(hào)VCC通過濾波電容接至引腳VUP1，直接將引腳U、 引腳V、引腳W、引腳B分別接至開關(guān)磁阻電機(jī)的A、 B、 C、 D四相。引腳UN、引腳VN、弓|腳 WN分別與下橋臂相連。本發(fā)明應(yīng)用范圍廣泛，除可以取代己有的電氣傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)(如直流調(diào)速、變頻調(diào)速系 統(tǒng))夕卜，該開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)還十分適用于運(yùn)輸車輛驅(qū)動(dòng)、龍門刨床、各種機(jī)械等需要 重載起動(dòng)，頻繁起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)，長期低速運(yùn)行等場合。本發(fā)明所述的智能功率模塊屬于七合一封裝，其內(nèi)置續(xù)流二極管，具有快速的反向恢復(fù) 特性，可較好地抑制電磁干擾噪聲。且內(nèi)部含有門極驅(qū)動(dòng)控制、故障檢測和多路保護(hù)電路， 內(nèi)部傳感器用于檢測功率器件IGBT的狀態(tài)，內(nèi)部故障保護(hù)電路用于實(shí)現(xiàn)過流、短路、過熱、 欠壓等故障保護(hù)，并可將檢測信號(hào)送到CPU。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)電路 以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證IPM自身不受損壞。當(dāng) 出現(xiàn)任何一個(gè)故障時(shí)，內(nèi)部電路會(huì)封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)并外送一個(gè)"故障"信號(hào)。與普通功率器件 相比，由于IPM的開關(guān)損耗和通態(tài)損耗都比較低，使散熱器尺寸減少，從而整個(gè)系統(tǒng)尺寸減 小。在系統(tǒng)性能上有進(jìn)一步提高，可靠性也得到了改善。本發(fā)明所述的基于七單元IPM的開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路所使用的光耦合器(optical coupler,英文縮寫為0C，簡稱光耦)以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良 好的隔離作用。光耦合器一般由三部分組成光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信 號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過 進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。由于 光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力 和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模 抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù) 字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。本發(fā)明 所用的光耦合器型號(hào)分別為SFH6345、 SFH6156 。其中高速光耦SFH6345的作用是電氣隔離 IPM與外部電路，低速光耦SFH6156的作用是故障輸出和制動(dòng)輸入端。智能功率模塊是異步交流電機(jī)控制常用的功率器件,產(chǎn)量大且成本低,本發(fā)明將七單元集 成化的IPM用于開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，有效地保證了功率器件的可靠性,進(jìn)而提高了系統(tǒng) 的穩(wěn)定性。而市場上未能提供適用于四相(8/6極)開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路的四相集成在一 起的功率器件，因此在傳統(tǒng)應(yīng)用中，其多采用四個(gè)雙單元的功率器件，這就無疑既增加了系 統(tǒng)成本，又加大了電路體積。本發(fā)明可組成高性能的開關(guān)磁阻電機(jī)伺服系統(tǒng)，并且由于智能功率模塊內(nèi)部連線和驅(qū)動(dòng) 電路的配線在設(shè)計(jì)時(shí)都做了優(yōu)化，所以浪涌電壓、門極振蕩、噪聲引起的干擾等問題能有效 得到控制，極大地提高了控制系統(tǒng)的精度和可靠性。其突出特點(diǎn)是效率高、節(jié)能效果好，調(diào) 速范圍廣，無起動(dòng)沖擊電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，控制靈活，此外，還具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固可靠， 成本低等優(yōu)點(diǎn)。


圖l:本發(fā)明的各部分整體連接框圖。 圖2:本發(fā)明的系統(tǒng)電路連接示意圖。 圖3:本發(fā)明所用的七單元IPM原理圖。
具體實(shí)施方式
如圖所示，圖1為本發(fā)明的各部分整體連接框圖；圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)電路連接示意圖 (僅以A相為例畫出電路連接關(guān)系，略去了必要的電阻電容等元器件)；圖3為本發(fā)明所用的 七單元IPM原理圖(僅畫出本發(fā)明所用的智能功率模塊其中四個(gè)單元的電路原理圖)。本發(fā)明提供的七單元IPM的(8/6極)開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置主要包括七單元IPM、 功率驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣電路、過壓、欠壓檢測電路、數(shù)字電源部分和開關(guān)磁阻電機(jī)；其整體連接方式是數(shù)字電源部分分別與IPM和功率驅(qū)動(dòng)電路相連接，整流電路輸出直 接接到IPM的直流側(cè)正、負(fù)電壓輸入端，IPM輸出與故障檢測電路相連，開關(guān)磁阻電機(jī)的四 相和IPM相連接，各相電流與電流采樣電路連接，IPM同時(shí)與過壓、欠壓檢測電路相連。智能功率模塊IPM的具體連接方式是引腳21 (P)、引腳20 (N)為主電路的直流側(cè)正 負(fù)電壓輸入端，交流電經(jīng)整流電路整流濾波后直接接到該端上。IPM四個(gè)單元的輸入信號(hào)基 本類似，僅以A相為例進(jìn)行說明，其它相的具體連接方式可參見附圖光耦合器SFH6345接 收來自DSP給定的P麗觸發(fā)信號(hào)，引腳1 (VUPC)和光耦合器SFH6345的發(fā)射極相連，引腳3 (UP)則和光耦合器SFH6345的集電極相連，PWM經(jīng)光耦合器隔離后，供給控制端子，進(jìn)一 步控制功率器件的開通和關(guān)斷，引腳2(UF0)接至SFH6156中發(fā)光二極管的陰極，實(shí)現(xiàn)對(duì)故 障信號(hào)的檢測與輸出，電源信號(hào)VCC通過濾波電容接至引腳4 (VUP1),為IPM供電。整個(gè)系 統(tǒng)使用該IPM的其中三個(gè)單元及其制動(dòng)單元的輸出信號(hào)分別控制開關(guān)磁阻電機(jī)的A、 B、 C、 D 相，即直接將引腳23 (U)、引腳24 (V)、引腳25 (W)、引腳22 (B)引腳分別接至開關(guān)磁阻 電機(jī)的四相。引腳16 (UN)、引腳17 (VN)、引腳18 (WN)分別給下橋臂一個(gè)信號(hào)，使其強(qiáng) 制關(guān)斷。
權(quán)利要求
1、 一種開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置，其特征在于該裝置主要包括智能功率模塊(IPM)、 功率驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣電路、過壓、欠壓檢測電路、故障檢測電路、數(shù)字電源部分和開關(guān) 磁阻電機(jī)；其連接方式是數(shù)字電源部分分別與IPM和功率驅(qū)動(dòng)電路相連接，整流電路輸出 直接接到IPM的直流側(cè)正、負(fù)電壓輸入端，IPM輸出與故障檢測電路相連，開關(guān)磁阻電機(jī)的 四相和IPM相連接，各相電流與電流采樣電路連接，IPM同時(shí)與過壓、欠壓檢測電路相連。
2、 一種開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置，其特征在于該裝置主要包括:七單元智能功率模 塊(IPM)、功率驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣電路、過壓、欠壓檢測電路、故障檢測電路、數(shù)字電源 部分和開關(guān)磁阻電機(jī)；其連接方式是數(shù)字電源部分分別與七單元IPM和功率驅(qū)動(dòng)電路相連 接，整流電路輸出直接接到七單元IPM的直流側(cè)正、負(fù)電壓輸入端，七單元IPM輸出與故障 檢測電路相連，開關(guān)磁阻電機(jī)的A、 B、 C、 D四相和七單元IPM相連接，各相電流與電流采 樣電路連接，七單元IPM同時(shí)與過壓、欠壓檢測電路相連。
3、 按照權(quán)利要求2所述的開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置，其特征在于所述的開關(guān)磁阻電 機(jī)的四相A、 B、 C分別和IPM的其中三個(gè)單元相連，D相與IPM的制動(dòng)單元相連接。
4、 按照權(quán)利要求2所述的開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置，其特征在于所述的故障檢測電 路經(jīng)由光耦合器與七單元IPM相連接。
5、 按照權(quán)利要求4所述的開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置，其特征在于所述的光耦合器是 SF朋345和SFH6156。
6、 一種開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于它包括下述的步驟1) 、數(shù)字電源部分分別與IPM和功率驅(qū)動(dòng)電路相連接，整流電路輸出直接接到IPM的直 流側(cè)正、負(fù)電壓輸入端；2) 、開關(guān)磁阻電機(jī)的四相A、 B、 C、 D分別和IPM的其中三個(gè)單元及其制動(dòng)單元相連接， 各相電流與電流采樣電路連接，IPM同時(shí)與過壓、欠壓檢測電路相連；3) 、七單元IPM包含的部分引腳及其與開關(guān)磁阻電機(jī)A相的具體連接方式是交流電經(jīng) 整流電路整流濾波后直接接到IPM直流側(cè)正引腳P、負(fù)引腳N電壓輸入端，引腳VUPC和光耦 合器SFH6345的發(fā)射極相連，引腳UP則和光耦合器SFH6345的集電極相連，引腳UFO接至 SFH6156中發(fā)光二極管的陰極，電源信號(hào)VCC通過濾波電容接至引腳VUP1，直接將引腳U、 引腳V、引腳沐、引腳B分別接至開關(guān)磁阻電機(jī)的A、 B、 C、 D四相。引腳UN、引腳VN、弓|腳 WN分別與下橋臂相連。
7、 權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置的應(yīng)用，其特征在于它應(yīng)用于電氣傳動(dòng) 調(diào)速系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及含智能功率模塊的開關(guān)磁阻電機(jī)功率電路裝置及實(shí)現(xiàn)方法。該裝置主要包括七單元IPM、功率驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣電路、過壓、欠壓檢測電路、故障檢測電路、數(shù)字電源部分和開關(guān)磁阻電機(jī)。本發(fā)明可組成高性能的開關(guān)磁阻電機(jī)伺服系統(tǒng)，其突出特點(diǎn)是效率高、節(jié)能效果好，調(diào)速范圍廣，無起動(dòng)沖擊電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，控制靈活，此外，還具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固可靠，成本低等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明應(yīng)用廣泛，除可以取代已有的電氣傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)(如直流調(diào)速、變頻調(diào)速系統(tǒng))外，并且適用于運(yùn)輸車輛驅(qū)動(dòng)、龍門刨床、各種機(jī)械等需要重載起動(dòng)，頻繁起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)，長期低速運(yùn)行等場合。
文檔編號(hào)H02P6/00GK101145747SQ20071005995
公開日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2007年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月19日
發(fā)明者孫鶴旭, 濤 梁, 娜 王, 王磊靜, 硯 董, 易 鄭 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)