一种用于功率因数校正的电机驱动电路的制作方法

本发明涉及功率因数校正技术及电机控制领域，具体涉及一种用于功率因数校正的电机驱动电路。

背景技术：

随着电器设备日益广泛的应用，电网驱动电机时使用的普通变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成直流，然后采用igbt逆变模块将直流转化成电压频率皆可调整的交流电控制交流电机，普通整流桥从电网获取能量使得电网遭受越来越严重的谐波污染，解决这个问题最好的办法就是功率因数校正(pfc)，传统的提高ac-dc电路输入端功率因子和减小电流谐波的主要方法是采用无源器件，例如lc滤波，虽然电路结构简单、成本低，但难以得到高功率因子(一般可提高到到0.9左右)。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于提供一种能够解决功率因素校正问题，同时实现对低电压和高电压电机驱动的用于功率因数校正的电机驱动电路。

技术方案：本发明包括顺次连接的电网、pfc电路、zeta型dc-dc模块、电机驱动电路、电机；其中，所述电网为系统提供能量，pfc电路用于系统工作时实现pfc功能，zeta型dc-dc模块用于电感、电容储能和释放能量，电机驱动电路用于系统实现电机控制。

所述zeta型dc-dc模块作为系统中间级连接在pfc电路和电机驱动电路之间；所述zeta型dc-dc模块包括电容c1、二极管d13以及电感l1、l2、l3，电感l1一端与pfc电路以及电容c1一端相连，电感l1另一端与pfc电路以及二极管d13阳极相连；所述二极管d13阳极还与电感l3一端相连，二极管d13阴极与电容c1另一端以及电感l2一端相连；所述电感l2、电感l3另一端连接电机驱动电路。

所述电网包括a、b、c三相互成120°的三个正弦电压源，a、b、c三相电压源的一端相连。

所述pfc电路、电机驱动电路均包括多个功率开关管以及多个二极管，其中，功率开关管采用n型mosfet或igbt，且均内含反并联二极管。

所述pfc电路中的二极管d1构成a相上桥臂，二极管d4构成a相下桥臂，a相上桥臂中二极管d1的阳极和a相下桥臂中极管d4的阴极相连构成第一条串联通路；所述pfc电路中的二极管d2构成b相上桥臂，二极管d5构成b相下桥臂，b相上桥臂中二极管d2的阳极和b相下桥臂中二极管d5的阴极相连构成第二条串联通路；所述pfc电路中的二极管d3构成c相上桥臂，二极管d6构成c相下桥臂，c相上桥臂中二极管d3的阳极和c相下桥臂中二极管d6的阴极相连构成第三条串联通路。

所述第一、第二、第三条串联通路中的二极管d1、二极管d2、二极管d3的阴极相连，二极管d4、二极管d5、二极管d6的阳极相连。

所述电网的a相电压源的另一端与功率开关管q1的集电极相连，功率开关管q1的发射极与功率开关管q2的发射极相连，功率开关管q2的集电极与第一条串联通路中二极管d1的阳极相连；所述电网的b相电压源的另一端与功率开关管q3的集电极相连，功率开关管q3的发射极与功率开关管q4的发射极相连，功率开关管q4的集电极与第二条串联通路中二极管d2的阳极相连；所述电网的c相电压源的另一端与功率开关管q5的集电极相连，功率开关管q5的发射极与功率开关管q6的发射极相连，功率开关管q6的集电极与第三条串联通路中二极管d3的阳极相连。

所述电机驱动电路中二极管d7的阳极与功率开关管q7的发射极相连构成u相上桥臂，二极管d10的阳极和功率开关管q10的发射极相连构成u相下桥臂，u相上桥臂中二极管d7的阴极和u相下桥臂中功率开关管q10的集电极相连构成第四条串联通路；所述电机驱动电路中二极管d8的阳极与功率开关管q8的发射极相连构成v相上桥臂，二极管d11的阳极和功率开关管q11的发射极相连构成v相下桥臂，v相上桥臂中二极管d8的阴极和v相下桥臂中功率开关管q11的集电极相连构成第五条串联通路；所述电机驱动电路中二极管d9的阳极与功率开关管q9的发射极相连构成w相上桥臂，二极管d12的阳极和功率开关管q12的发射极相连构成w相下桥臂，w相上桥臂中二极管d9的阴极和w相下桥臂中功率开关管q12的集电极相连构成第六条串联通路。

所述第四、第五、第六条串联通路中的功率开关管q7、q8、q9的集电极相连，二极管d10、二极管d11、二极管d12的阴极相连。

所述电机的u相与电机驱动电路的第四条串联通路中二极管d7的阴极相连，v相与第五条串联通路中二极管d8的阴极相连，w相与第六条串联通路中二极管d9的阴极相连。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)与传统的变频装置相比，不需要母线电容，也不需要软启动电路，不需要并联在母线电容上的能耗电阻及开关，能够提升系统功率密度，减小体积；(2)与传统的变频装置比，能够实现pfc；(3)传统的变频装置所能输出的最高驱动电压为电网电压，本发明电机驱动电压可以不受制于电网电压的大小，可以实现对更高电压电机的驱动，扩展了电机驱动的应用场合。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为本发明电路工作时，ua>0>ub>uc典型控制方式为例的pfc电路电流流出a相，流入b相时的流向示意图；

图3为本发明电路工作时，ua>0>ub>uc典型控制方式为例的pfc电路电流流出a相，流入c相时的流向示意图；

图4为本发明关断pfc高频调制开关管q4、q6后的电路结构示意图；

图5为本发明电路工作时，ua<0<ub<uc典型控制方式为例的pfc电路电流流入a相，流出b相时的流向示意图；

图6为本发明电路工作时，ua<0<ub<uc典型控制方式为例的pfc电路电流流入a相，流出c相时的流向示意图；

图7为本发明电路pfc阶段开关动作完成后，u相为电机电流绝对值最大相且电流方向为流入电机，v相电流方向流出电机示意图；

图8为本发明电路pfc阶段开关动作完成后，u相为电机电流绝对值最大相且电流方向为流入电机，w相电流方向流出电机示意图；

图9为本发明电路pfc阶段开关动作完成后，u相为电机电流绝对值最大相且电流方向为流出电机，v相电流方向流入电机示意图；

图10为本发明电路pfc阶段开关动作完成后，u相为电机电流绝对值最大相且电流方向为流出电机，w相电流方向流入电机示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，本发明包括电网100、pfc电路200、zeta型dc-dc模块300、电机驱动电路400、电机500；其中，电网100为系统提供能量，电网100包括a、b、c三相互成120°的三个正弦电压源，a、b、c三相电压源的一端相连，另一端分别与pfc电路200相连。pfc电路200用于系统工作时实现pfc功能，zeta型dc-dc模块300用于电感、电容储能和释放能量，电机驱动电路400用于系统实现电机控制。

pfc电路200包括功率开关管q1～q6以及二极管d1～d6，二极管d1构成a相上桥臂，二极管d4构成a相下桥臂，a相上桥臂中二极管d1的阳极和a相下桥臂中极管d4的阴极相连构成第一条串联通路；二极管d2构成b相上桥臂，二极管d5构成b相下桥臂，b相上桥臂中二极管d2的阳极和b相下桥臂中二极管d5的阴极相连构成第二条串联通路；二极管d3构成c相上桥臂，二极管d6构成c相下桥臂，c相上桥臂中二极管d3的阳极和c相下桥臂中二极管d6的阴极相连构成第三条串联通路。此外，第一、第二、第三条串联通路中二极管d1、二极管d2、二极管d3的阴极连在一起，二极管d4、二极管d5、二极管d6的阳极连在一起。

电网100的a相电压源的另一端与pfc电路200的功率开关管q1的集电极相连，功率开关管q1的发射极与功率开关管q2的发射极相连，功率开关管q2的集电极与第一条串联通路中二极管d1的阳极相连；电网100的b相电压源的另一端与pfc电路200的功率开关管q3的集电极相连，功率开关管q3的发射极与功率开关管q4的发射极相连，功率开关管q4的集电极与第二条串联通路中二极管d2的阳极相连；电网100的c相电压源的另一端与pfc电路200功率开关管q5的集电极相连，功率开关管q5的发射极与功率开关管q6的发射极相连，功率开关管q6的集电极与第三条串联通路中二极管d3的阳极相连。

zeta型dc-dc模块300作为系统中间级连接在pfc电路200和电机驱动电路400之间。zeta型dc-dc模块300包括电容c1、二极管d13以及电感l1、l2、l3，电感l1一端与pfc电路200中二极管d1、d2、d3的阴极以及电容c1一端相连，电感l1另一端与pfc电路200中二极管d4、d5、d6的阳极以及二极管d13阳极相连；二极管d13阳极还与电感l3一端相连，二极管d13阴极与电容c1另一端以及电感l2一端相连；电感l2另一端与电机驱动电路400中功率开关管q7、q8、q9的集电极相连，电感l3另一端与电机驱动电路400中二极管d10、d11、d12的阴极相连。

电机驱动电路400由功率开关管q7、q8、q9、q10、q11、q12以及二极管d7、d8、d9、d10、d11、d12组成。二极管d7的阳极与功率开关管q7的发射极相连构成u相上桥臂，二极管d10的阳极和功率开关管q10的发射极相连构成u相下桥臂，u相上桥臂中二极管d7的阴极和u相下桥臂中功率开关管q10的集电极相连构成第四条串联通路；二极管d8的阳极与功率开关管q8的发射极相连构成v相上桥臂，二极管d11的阳极和功率开关管q11的发射极相连构成v相下桥臂，v相上桥臂中二极管d8的阴极和v相下桥臂中功率开关管q11的集电极相连构成第五条串联通路；二极管d9的阳极与功率开关管q9的发射极相连构成w相上桥臂，二极管d12的阳极和功率开关管q12的发射极相连构成w相下桥臂，w相上桥臂中二极管d9的阴极和w相下桥臂中功率开关管q12的集电极相连构成第六条串联通路。此外，第四、第五、第六条串联通路中的功率开关管q7、q8、q9的集电极相连，二极管d10、二极管d11、二极管d12的阴极相连。电机500的u相与电机驱动电路400的第四条串联通路中二极管d7的阴极相连，v相与第五条串联通路中二极管d8的阴极相连，w相与第六条串联通路中二极管d9的阴极相连。本实施例中，功率开关管q1～q14采用n型mosfet或igbt，且均内含反并联二极管。

介于电网100与pfc电路200之间或者电机驱动电路400与电机500之间设置有滤波器，或者去掉滤波器，具体的，滤波器设置在pfc电路200前端和电机500前端，接何种滤波器都不影响本发明的工作原理；在其他变通实施例中，也可以不加入滤波器，其符合本发明的实质。

为了简化分析，认为三相电网电压对称，则对于其他电网电压情况，本领域技术人员应能理解本实施例中三相可控整流电路的一种控制方式。三相电压实际值中间相、最小相对应的功率开关管进行pwm调制，其中三相电压绝对值最大相对应的功率开关管处于常通状态。由于三相对称，则ia+ib+ic＝0，且异号相电流绝对值等于同号相电流绝对值之和。

如图2至图6所示，电路工作时，利用功率开关管q1～q6来实现pfc，控制电感l1上的电流，以a相为绝对值最大且ua>0>ub>uc为例分析，此时a相电流流出电网，b相和c相电流流入电网，功率开关管q1常通，q4、q6高频pwm调制，a相、b相和c相电流分别经功率开关管q2、q3、q5，此时电路工作状态如图2、图3所示，当功率开关管q4、q6关断后，电感l1释放能量，向电容c1充电，同时电感l2、l3上的电流经电机驱动电路进行电机控制，此时电路工作状态如图4所示；当a相为绝对值最大且ua<0<ub<uc时，此时a相电流流入电网，b相和c相电流流出电网，功率开关管q2常通，功率开关管q3、q5高频pwm调制，a相、b相和c相电流分别经功率开关管q1、q4、q6，此时pfc电路200电流流向如图5和图6所示。当功率开关管q3、q5关断后，电感l1释放能量，向电容c1充电，同时电感l2、l3上的电流经电机驱动电路400进行电机控制，此时电路工作状态见图4，其余情况同理分析。

如图7至图10所示，pfc进行控制的同时，在电感l2、l3上的电流为连续状态，并通过功率开关管q7～q12实现电机控制，若u相为电机电流绝对值最大相且电流方向为流入电机，则功率开关管q7常通，功率开关管q10，q8，q9关断，对功率开关管q11、q12进行高频pwm调制，此时电路工作状态如图7、图8所示；若u相为电机电流绝对值最大相且电流为流出电机，则功率开关管q10常通，功率开关管q7、q11、q12关断，对q8，q9进行高频pwm调制，占空比大小分别由控制器得到，此时电路工作状态如图9、图10所示。其余情况同理分析。