一种基于三电平拓扑的高可靠高效率控制驱动器的制作方法

本发明涉及一种基于三电平拓扑的高可靠高效率控制驱动器，属于驱动器领域。

背景技术：

t型三电平拓扑具有低谐波和高效率的特性，对降低电机运行过程中的振动和噪声有较为明显的作用，目前已逐渐被人们所关注。当前在实际应用中，还较少考虑其可靠性。结合图1，当有一只igbt开关管发生故障后，控制驱动器只能停机，影响产品的可靠性。

近年已有关于三电平冗余拓扑结构的研究，但其增加了igbt开关管的数目，在工作过程中增大了损耗，影响控制驱动器的效率。如何在不增加开关管且不影响控制驱动器工作效率的基础上，提高驱动器工作的可靠性，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于三电平改进型拓扑结构的高可靠控制驱动器，在不增加igbt开关管数目的基础上，可实时监测igbt的状态，在保证系统低噪性、高效率的同时，通过较少的硬件改进，增加了系统的可靠性。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种基于三电平拓扑的控制驱动器拓扑结构，包括t型三相驱动桥、母线支撑电容、6个开关；

t型三相驱动桥将电源母线直流电逆变成交流电驱动三相电机；

母线支撑电容包括第二母线支撑电容和第三母线支撑电容，二者串联后在经第一开关的并联在电源两端；

第二开关与第二母线支撑电容并联，第三开关与第三母线支撑电容并联，第四开关连接在第二母线支撑电容的正极与t型三相驱动桥的电源正输入端之间，第五开关连接在第三母线支撑电容的负极与t型三相驱动桥的电源负输入端之间；第六开关的一端连接在第二母线支撑电容和第三母线支撑电容之间，另一端连接在t型三相驱动桥的零输入端。

优选的，t型三相驱动桥包括3个结构相同的驱动臂，每个驱动臂包括4个igbt开关管，第i个驱动臂的结构如下：第一igbt开关管的一端作为电源正输入端，另一端连接第四igbt开关管的一端，第四igbt开关管的另一端作为电源负输入端，第一igbt开关管的另一端还连接三相电机的第i相；第二igbt开关管一端连接在三相电机的第i相，第二igbt开关管的另一端连接第三igbt开关管的一端，第三igbt开关管的另一端作为t型三相驱动桥的零输入端，i为1，2或3。

优选的，正常工作时，基于三电平拓扑的高可靠高效率控制驱动器的主控电路控制第一开关、第四开关、第五开关、第六开关闭合，其他开关断开。

优选的，当判断一相或多相驱动臂第一开关管出现故障时，主控电路控制第二开关闭合，第四开关关断，将三相的第三开关管设为全开模式；

当判断一相或多相驱动臂第四开关管发生故障时，主控电路控制第三开关闭合，第五开关关断，将三相的第二开关管设为全开模式；

当判断第二开关管或第三开关管中的一个或多个发生故障时，主控电路控制第六开关断开。

同时供一种基于三电平拓扑的控制驱动器，驱动器拓扑结构包括t型三相驱动桥、母线支撑电容、6个开关；

t型三相驱动桥将直流电逆变成交流电驱动三相电机；

母线支撑电容包括第二母线支撑电容和第三母线支撑电容，二者串联后经第一开关并联在电源两端；

第二开关与第二母线支撑电容并联，第三开关与第三母线支撑电容并联，第四开关连接在第二母线支撑电容的正极与t型三相驱动桥的电源正输入端之间，第五开关连接在第三母线支撑电容的负极与t型三相驱动桥的电源负输入端之间；第六开关的一端连接在第二母线支撑电容和第三母线支撑电容之间，另一端连接在t型三相驱动桥的零输入端。

优选的，还包括故障检测电路，故障检测电路包括三相电压检测单元以及主控单元，电压检测单元，用于检测电机每相与第二母线支撑电容和第三母线支撑电容连接点之间的电压作为电机每相输入电压并发送给主控单元；主控单元接收三相电压，并判断是否发生故障以及故障位置。

优选的，主控单元判断是否发生故障以及故障位置方法如下：

当t型三相驱动桥正常时，电机每相输入电压均为-0.5udc、0、0.5udc交替出现，当第i相的输入电压没有0.5udc时，判断该相的驱动臂中第一igbt开关管出现故障；当第i相的输入电压没有0电压时，判断该相的驱动臂的第二或第三igbt开关管出现故障；当第i相的入出电压没有-0.5udc时，判断该相的驱动臂中第四igbt开关管出现故障，udc为电源母线直流电电压。

优选的，当判断一相或多相驱动臂第一开关管出现故障时，主控电路控制第二开关闭合，第四开关关断，将三相的第三开关管设为全开模式；

当判断一相或多相驱动臂第四开关管发生故障时，主控电路控制第三开关闭合，第五开关关断，将三相的第二开关管设为全开模式；

当判断第二开关管或第三开关管中的一个或多个发生故障时，主控电路控制第六开关断开。

优选的，主控单元采用dsp芯片。

优选的，还包括第一母线支撑电容，通过第一开关的并联在电源两端。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明仅使用6个开关，即可实现故障恢复，没有增加开关管的数量，故障切换方便、控制方式灵活，系统的功能丰富、可靠性高。

(2)对比以往的三电平冗余拓扑结构，在正常工作过程中，本发明在保证系统低噪性的前提下没有增加系统损耗，保证系统的高效率，无干扰，且硬件成本增加极少。

(3)本发明实时监测三电平拓扑中各相桥臂的工作状态，监测电路简单，判断方法易于实现，对控制驱动器中的关键部件进行有效监测，提高了控制驱动器的可靠性。

附图说明

图1为现有的三电平控制拓扑结构示意图；

图2为本发明的三电平控制拓扑结构示意图；

图3为本发明的控制算法流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于三电平拓扑的高可靠高效率控制驱动器拓扑结构，针对t型拓扑结构的三电平驱动器，进行改进，通过增加开关，形成故障恢复回路，以实现故障恢复，提供其可靠性。

结合图2，控制驱动器拓扑包括t型三相驱动桥、3个母线支撑电容、六个开关，t型三相驱动桥采用现有的t型三相驱动桥结构，将直流电逆变成交流电驱动三相电机，第一母线支撑电容c1通过第一开关t15与电源并联，为t型三相驱动桥结构提供电源，第二母线支撑电容c2和第三母线支撑电容c3串联后与第一母线支撑电容c1并联，第二开关t13与第二母线支撑电容c2并联，第三开关t14与第三母线支撑电容c3并联，第四开关t16连接在第二母线支撑电容c2的正极与t型三相驱动桥的电源正输入端之间，第五开关t17连接在第三母线支撑电容c3的负极与t型三相驱动桥的电源负输入端之间；第六开关t18的一端连接在第二母线支撑电容c2和第三母线支撑电容c3之间，另一端连接在t型三相驱动桥的零输入端。

t型三相驱动桥包括12个igbt开关管，三相驱动桥包括3个结构相同的驱动臂，每个驱动臂包括4个igbt开关管，电机的第i相连接第i个驱动臂，第i个驱动臂的结构如下，第一igbt开关管(t1，t5，t9)的一端作为电源正输入端，另一端连接第四igbt开关管(t4，t8，t12)的一端，第四igbt开关管(t4，t8，t12)的另一端作为电源负输入端，第一igbt开关管(t1，t5，t9)的另一端还连接三相电机的第i相；第二igbt开关管(t2，t6，t10)一端连接在三相电机的第i相，第二igbt开关管(t2，t6，t10)的另一端连接第三igbt开关管(t3，t7，t11)的一端，第三igbt开关管(t3，t7，t11)的另一端作为t型三相驱动桥的零输入端，i为1，2或3。

正常工作时，主控电路控制第一开关t15、第四开关t16、第五开关t17、第六开关t18闭合，其他开关断开。

本发明还设置故障检测电路，该部分电路主要是通过电机的三相电压检测出电路当前的工作状态。如出现工作异常情况，通过检测到的信号，控制芯片依据预先设计好的逻辑，可以判断出故障开关管在电路拓扑中的具体位置，然后做出相关动作，通过控制电路拓扑中几个开关的导通和关断，做出相应的电路拓扑异构，从而保证将直流母线逆变成三相交流电压，达到控制电机的目的；

故障检测电路包括三相电压检测单元u13、u14、u15以及主控单元。u13、u14、u15为三相电压检测单元，分别用于检测电机三相的电压(电机某一相与c2，c3连接点之间的电压)并发送给主控单元。当t型拓扑驱动电路发生故障时，各故障检测部分能迅速检测出相应电路当前的运行状态，然后将信息传送给dsp，dsp检测到故障状态以后，再根据其内部程序逻辑做出故障诊断。主控单元判断方法如下，当t型三相驱动桥正常时，u13、u14、u15输出均为-0.5udc、0、0.5udc(udc为电源母线电压)交替出现，当第i相的电压检测没有0.5udc时，表明该相的驱动臂中第一igbt开关管出现故障；当第i相的电压检测没有0电压时，表明该相的驱动臂中第二或第三igbt开关管出现故障；当第i相的电压检测没有-0.5udc时，表明该相的驱动臂中第四igbt开关管出现故障。以上三种故障模式下通过开关切换，可以实现故障恢复，继续驱动三相电机。如果电压仅有一种状态，则无法实现故障恢复。

如图3所示，当主控电路检测到故障检测单元发送来的信息状态以后。在程序执行的每个循环周期内都会对故障的状态信息进行逻辑分析和判断。

主控单元故障恢复的处理方法如下：

当判断一相或多相驱动臂第一开关管出现故障时，将第二开关t13闭合，第四开关t16关断，此时相对应地将三相的第三开关管t3、t7、t11设为全开模式。这时，由t2、t6、t10、t4、t8、t12组成两电平拓扑结构继续进行工作；当判断一相或多相驱动臂第四开关管发生故障时，将第三开关t14闭合，第五开关t17关断，此时将将三相的第二开关管t2、t6、t10设为全开模式。这时，由t3、t7、t11、t1、t5、t9组成两电平拓扑结构继续进行工作。当判断一相或多相驱动臂第二开关管或第三开关管中的一个或多个发生故障时，将第六开关t18断开，由t1、t5、t9、t4、t8、t12组成典型两电平拓扑结构进行控制。这样，通过控制t13、t14、t16、t17、t18来实现电路的变换，将三电平拓扑改为两电平拓扑，保证在发生故障时，控制驱动器仍然能正常工作，保证电机运行。即便驱动电路故障过多，控制器也能及时停止电机运转保证人员和后端设备安全。

主控单元采用具备硬件自检测的高速dsp，其具备丰富的i/o口，能够实现供电、时钟、锁相环、cpu、ram、flash、外设模块内存、寄存器读写、ad等环节的自检测。主控单元依据三电平svpwm算法计算出的时序，完成功率开关管的通断。从而把直流母线电压逆变成三相交流电压，实现控制电机三相电流的目的。

通过t13、t14、t16、t17、t18五个开关的不同逻辑组合，选择原t型电路拓扑的异构电路组合形式，从而组成新的三相桥式拓扑，达到控制三相电机的目的。当故障检测电路检测出相关故障时，在开关管不同的选通组合下，t型电路拓扑可以被切换成传统三相全桥电路拓扑，这样仍然能够实现电机的三相全桥控制。如果检测到故障模式已无法通过电路切换实现电机的正常运行，控制单元会及时停机，第一开关t15断开，保障人员及后端设备安全。

工作过程中，当某个相电路发生故障时，主控单元在开关切换或负责将电机停止运转的同时，将故障信息传递给主控单元，实现故障隔离。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。