高效谐振极srd软开关功率电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高效谐振极SRD软开关功率电路，解决了现有SRD软开关功率电路存在功耗大、调试效率不理想的问题。本发明高效谐振极SRD软开关功率电路，包括直流电源Ud、辅助谐振极电路和不对称变换电路，直流电源Ud连接辅助谐振极电路后与不对称变换电路相连接入SR电机，辅助谐振极电路为：谐振电感Lr一端与直流电源Ud正极连接，谐振电感Lr另一端分别连接A相辅助电路、B相辅助电路和C相辅助电路；不对称变换电路包括：A相不对称变换电路、B相不对称变换电路和C相不对称变换电路。本发明降低了SRD功率电路上的辅助开关的损耗，提高了控制电路的工作效率和可靠性。
【专利说明】
高效谐振极SRD软开关功率电路
技术领域
[0001]本发明属于电力电子技术领域，涉及开关磁阻电机调速系统SRD，具体为一种高效谐振极SRD软开关功率电路。
【背景技术】
[0002]开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance motor Drive，简称SRD)，主要由开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，简称SRM或SR电机)、功率变换器、控制器和检测器四部分组成，是近年来迅速发展起来的一种新型电机驱动系统。SRD结构简单，调速范围宽，调速效率高，系统可靠性好，SRD产品已广泛应用于电动机驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服领域等各个领域。
[0003]SRD功率变换器的功率电路常采用开关元器件连续通断的工作方式，提高其开关频率，可扩大系统的调速范围，同时可提高对SR电机绕组电流的控制精度，改善SRD的动态性能。早期传统SRD采用硬开关变换器，损耗会随开关频率的增大而增大，导致效率降低，现在采用软开关技术替代硬开关，可减少功率器件的开关损耗，同时可减少开关过程中产生的电磁干扰和电应力及噪声。
[0004]近年来，SRD软开关技术的已经逐步开始应用，但是这些电路拓扑还有待进一步改善，现有SRD软开关功率电路存在功耗大、调试效率不理想、成本较高的问题。尤其在大负荷时，部分SRD软开关功率电路，因其在直流电源的母线上串有开关元件，此开关元件存在其通态损耗会随着负荷电流及PWM占空比的增大而迅速增加的问题，造成极大的损耗。还有部分SRD软开关功率电路，在其辅助电路中接入直流电源母线上的稳压电容，导致在负荷大波动时，零电压凹槽难以形成，工作的可靠性被降低。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决现有SRD软开关功率电路存在功耗大、调试效率不理想、成本较高的问题，提供一种新的高效谐振极SRD软开关功率电路。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案:
高效谐振极SRD软开关功率电路，包括直流电源Ud、辅助谐振极电路和不对称变换电路，直流电源Ud连接辅助谐振极电路后与不对称变换电路相连接入SR电机；
辅助谐振极电路为:谐振电感Lr 一端与直流电源Ud正极连接，谐振电感Lr另一端分别连接A相辅助电路、B相辅助电路和C相辅助电路;谐振电感Lr的两端反并联有二极管VDuA相辅助电路:A相辅助开关Vra的进端连接谐振电感Lr，A相辅助开关Vra的出端串接A相谐振电容Cra后连接至直流电源Ud负极，在A相辅助开关Vra和A相谐振电容Cra的接点处连接A相辅助二极管VDra的正极，A相辅助二极管VDra的负极连接SR电机的A相绕组进端，A相辅助开关Vra的两端反并联有二极管VDa;
B相辅助电路:B相辅助开关Vrb的进端连接谐振电感Lr，B相辅助开关Vrb的出端串接B相谐振电容Crb后连接至直流电源Ud负极，在B相辅助开关Vrb和B相谐振电容Crb的接点处连接B相辅助二极管VDrb的正极，B相辅助二极管VDrb的负极连接SR电机的B相绕组进端，B相辅助开关Vrb的两端反并联有二极管VDb;
C相辅助电路:C相辅助开关Vrc的进端连接谐振电感Lr，C相辅助开关Vrc的出端串接C相谐振电容Crc后连接至直流电源Ud负极，在C相辅助开关Vrc和C相谐振电容Crc的接点处连接C相辅助二极管VDrc的正极，C相辅助二极管VDrc的负极连接SR电机的C相绕组进端，C相辅助开关Vrc的两端反并联有二极管VDc。
[0007]所述不对称变换电路包括:A相不对称变换电路、B相不对称变换电路和C相不对称变换电路；
A相不对称变换电路:开关Vl进端接直流电源Ud正极，开关Vl出端接A相辅助二极管VDra的负极;开关Vl出端反向连接二极管VD2后连接至直流电源Ud负极;开关V2进端接SR电机的A相绕组出端，开关V2出端接至直流电源Ud负极，开关V2两端并联有电容C2;开关V2进端正向连接二极管VDl后连接至直流电源Ud正极；
B相不对称变换电路:开关V3进端接直流电源Ud正极，开关V3出端接B相辅助二极管VDrb的负极;开关V3出端反向连接二极管VD4后连接至直流电源Ud负极;开关V4进端接SR电机的B相绕组出端，开关V4出端接至直流电源Ud负极，开关V4两端并联有电容C4;开关V4进端正向连接二极管VD3后连接至直流电源Ud正极；
C相不对称变换电路:开关V5进端接直流电源Ud正极，开关V5出端接C相辅助二极管VDrc的负极;开关V5出端反向连接二极管VD6后连接至直流电源Ud负极;开关V6进端接SR电机的C相绕组出端，开关V6出端接至直流电源Ud负极，开关V6两端并联有电容C6;开关V6进端正向连接二极管VD5后连接至直流电源Ud正极。
[0008]所述A相辅助开关Vra、B相辅助开关Vrb、C相辅助开关Vrc和开关Vl、V2、V3、V4、V5、V6均为全控型功率开关器件。
[0009]与现有技术相比，本发明具有以下显著有益效果。
[0010](I)高效谐振极SRD软开关功率电路由全控型功率开关器件、二极管及谐振元件组成，较目前相关软开关电路使用器件成本较低。
[0011](2)本发明的辅助谐振极电路与不对称变换电路连接，直流电源的母线上无外加元件，且辅助谐振极电路仅在不对称变换电路开关动作前后的极短时间内工作，故辅助谐振极电路的功耗小、效率尚。
[0012](3)本发明辅助谐振极电路中没有串接直流电源母线上的稳压电容，在负荷大波动时，保障了零电压凹槽的可靠形成，提高了工作的可靠性。
【附图说明】
[0013]图1为本发明高效谐振极SRD软开关功率电路拓扑图。
[0014]图2为本发明在一个PffM工作周期内的时序控制及谐振波形图。
[00?5]图2中，开关V1、A相辅助开关Vra的控制信号分别用Sn、5Vra表不；A相谐振电容Cra的电压及谐振电感Lr的电流分别用UCra及i‘Lr表不；开关VI的电流、电压分别用i‘Vl、UVl表不，A相辅助开关Vra的电流、电压分别用ivra、t/Vra表不，A相绕组电流用Ιο表不。
【具体实施方式】
[0016]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0017]如附图1所示，高效谐振极SRD软开关功率电路，包括直流电源Ud、辅助谐振极电路2和不对称变换电路3，直流电源Ud连接辅助谐振极电路2后与不对称变换电路3相连接入SR电机5;
辅助谐振极电路2为:谐振电感Lr 一端与直流电源Ud正极连接，谐振电感Lr另一端分别连接A相辅助电路、B相辅助电路和C相辅助电路;谐振电感Lr的两端反并联有二极管VDuA相辅助电路:A相辅助开关Vra的进端连接谐振电感Lr，A相辅助开关Vra的出端串接A相谐振电容Cra后连接至直流电源Ud负极，在A相辅助开关Vra和A相谐振电容Cra的接点处连接A相辅助二极管VDra的正极，A相辅助二极管VDra的负极连接SR电机5的A相绕组进端，A相辅助开关Vra的两端反并联有二极管VDa;
B相辅助电路:B相辅助开关Vrb的进端连接谐振电感Lr，B相辅助开关Vrb的出端串接B相谐振电容Crb后连接至直流电源Ud负极，在B相辅助开关Vrb和B相谐振电容Crb的接点处连接B相辅助二极管VDrb的正极，B相辅助二极管VDrb的负极连接SR电机5的B相绕组进端，B相辅助开关Vrb的两端反并联有二极管VDb;
C相辅助电路:C相辅助开关Vrc的进端连接谐振电感Lr，C相辅助开关Vrc的出端串接C相谐振电容Crc后连接至直流电源Ud负极，在C相辅助开关Vrc和C相谐振电容Crc的接点处连接C相辅助二极管VDrc的正极，C相辅助二极管VDrc的负极连接SR电机5的C相绕组进端，C相辅助开关Vrc的两端反并联有二极管VDc。
[0018]所述不对称变换电路3包括:A相不对称变换电路、B相不对称变换电路和C相不对称变换电路；
A相不对称变换电路:开关Vl进端接直流电源Ud正极，开关Vl出端接A相辅助二极管VDra的负极;开关Vl出端反向连接二极管VD2后连接至直流电源Ud负极;开关V2进端接SR电机5的A相绕组出端，开关V2出端接至直流电源Ud负极，开关V2两端并联有电容C2;开关V2进端正向连接二极管VDl后连接至直流电源Ud正极；
B相不对称变换电路:开关V3进端接直流电源Ud正极，开关V3出端接B相辅助二极管VDrb的负极;开关V3出端反向连接二极管VD4后连接至直流电源Ud负极;开关V4进端接SR电机5的B相绕组出端，开关V4出端接至直流电源Ud负极，开关V4两端并联有电容C4;开关V4进端正向连接二极管VD3后连接至直流电源Ud正极；
C相不对称变换电路:开关V5进端接直流电源Ud正极，开关V5出端接C相辅助二极管VDrc的负极;开关V5出端反向连接二极管VD6后连接至直流电源Ud负极;开关V6进端接SR电机5的C相绕组出端，开关V6出端接至直流电源Ud负极，开关V6两端并联有电容C6;开关V6进端正向连接二极管VD5后连接至直流电源Ud正极。
[0019]所述A相辅助开关Vra、B相辅助开关Vrb、C相辅助开关Vrc和开关Vl、V2、V3、V4、V5、V6均为全控型功率开关器件。
[0020]控制电路4对辅助谐振极电路2及不对称变换电路3中的开关元件发出通断控制信号。本发明中的所有开关元件完全由控制电路4控制，没有其它开通或关断辅助电路。
[0021]在高效谐振极SRD软开关功率电路中，各元器件的作用如下:谐振电感Lr在A相辅助开关Vra、B相辅助开关Vrb、C相辅助开关Vrc开通时起限流作用，使A相辅助开关Vra、B相辅助开关Vrb、C相辅助开关Vrc实现零电流开通。A相辅助开关Vra、B相辅助开关Vrb、C相辅助开关Vrc配合不对称变换电路中相应开关V1、开关V3和开关V5的开通和关断动作，实现开关元件零电压开通和关断或零电流开通和关断。反并联的二极管VDa、VDb、VDc及VDl实现对A相辅助开关Vra、B相辅助开关Vrb、C相辅助开关Vrc及谐振电感Lr的保护。A相谐振电容Cra、B相谐振电容Crb和C相谐振电容Crc实现对A相辅助开关Vra、B相辅助开关Vrb和C相辅助开关Vrc的零电压关断，同时实现对不对称变换电路3的开关Vl、开关V3和开关V5的零电压开通和关断。A相辅助二极管VDra、B相辅助二极管VDrb、C相辅助二极管VDrc的作用是起保护作用，防止不对称变换电路3中的电流倒流入辅助谐振极电路2中。电容C2、C4、C6起缓冲作用，实现开关V2、V4、V6的零电压关断。Svra、Svrb、Svrc是控制电路对A相辅助开关Vra、1^相辅助开关￥1'13、(]相辅助开关￥1'(3发出的驱动信号，3￥1、3￥2、3￥3、3￥4、3￥5、3￥6是控制电路对开关￥1、￥2、￥3、￥4、￥5、￥6发出的驱动信号。
[0022]本发明电路实现控制SR电机5工作过程中，所有开关元件都实现软通断，即零电压开通和关断或零电流开通和关断，以达到了减少了功率损耗及电磁干扰的目的。由于本发明的A、B、C三相电路相互独立，且控制方式相同，因此以控制SR电机5的A相工作过程为例，结合附图2分析其PWM工作过程中开关元件工作状态。同时以A相与B相的换相过程为例，说明其换相工作过程中开关元件工作状态。
[0023]A相工作过程:在SR电机5的Pmi工作过程中，高效谐振极SRD软开关功率电路采用单管工作方式，即开关V2为通态，仅开关Vl工作在PffM方式。
[0024]结合附图2分析附图1所示的高效谐振极SRD软开关功率电路，A相在一个PffM工作周期内的工作过程，可分为7个阶段，各阶段工作方式如下:
阶段1(0??ι)，开关V1、V2保持为闭合，直流电源Ud给A相通电，此时，A相辅助开关Vra保持为关断，A相谐振电容Cra的电压值为Ud。
[0025]阶段2( U?fe)，在?ι时刻，关断开关Vl，由于A相谐振电容Cra电压UcraSUd不能突变，故此时开关Vl是在零电压条件下关断；?ι之后，A相谐振电容Cra电压Ucra开始由Ud放电，其放电路径从A相谐振电容Cra正极开始经过A相辅助二极管VDra、A相绕组、开关V2最终回至IjA相谐振电容Cra负极，iJ寸刻，A相谐振电容Cra电压Ucra放电至零。
[0026]阶段3( O?i5)，之后，A相谐振电容Cra电压t/Cra保持为O，SR电机A相绕组电流10通过二极管VD2续流，路径从A相绕组开始经过开关V2、二极管VD2回到A相绕组，此阶段的时长T2由PffM的占空比来确定。
[0027]阶段4( t3?&)，在再次开通开关Vl前，先开通A相辅助开关Vra，直流电源Ud开始经谐振电感Lr、A相辅助开关Vra、A相辅助二极管VDra给SR电机A相供电。随着谐振电感Lr的电流Ar由零逐渐增加，通过二极管VD2的续流电流由IQ开始等幅衰减，由于谐振电感Lr的电流iLr不能突变，故A相辅助开关Vra开关是在零电流条件下开通。tSi刻，谐振电感Lr的电流iu:升至1，通过二极管VD2的续电流衰减至零，二极管VD2自然截止。
[0028]阶段5(0??5)，O之后，谐振电感Lr的电流iLr大于1且继续增加，此时，直流电源Ud通过A相辅助开关Vra继续给负载供电，其路径为直流电源Ud正极经谐振电感Lr、A相辅助开关Vra、A相辅助二极管VDra、A相绕组最终回到直流电源Ud负极；同时直流电源Ud还给A相谐振电容Cra充电。此时，A相谐振电容电压Ucra由零开始上升。isB寸刻，六相谐振电容电压Ucra上升至Ud，谐振电感Lr两端电压ULr为零，谐振电感电流iLr达到最大值。
[0029]阶段6(?5?化)，A相谐振电容电压t/Cra上升至Ud后，与谐振电感Lr反并联二极管VDr的两端电压为零。因此，二极管VDr导通，释放谐振电感Lr中超过1的多余部分电能。此时，A相谐振电容电压KraSUd保持不变，开关Vl两端电压为零，开通开关VI，属于零电压开通方式。
[0030]阶段7(化??7)，化之后，由于开关Vl已开通，故此时的A绕组电能由两部分提供:一是由直流电源Ud通过开关Vl供给；另一是由谐振电感Lr释放内部存储的电能供给。随着谐振电感电流由I ο衰减至O，流过开关Vl的电流in由O等幅增加，使流入A相绕组电流保持10不变。^之后，因谐振电感电流衰减至零，故A相绕组电流全由直流电源Ud经过开关Vl支路提供，此时关断开关Vra，由于谐振电感电流iLr为0，A相谐振电容电压.AUd，故A相辅助开关Vra属于零电压零电流关断。
[0031]经过以上工作过程分析，可以得知在SR电机5进行Pmi工作时，本发明高效谐振极SRD软开关功率电路中的开关元件，均实现零电压开通和关断或零电流开通和关断，最大限度减少了开关元器件的功耗和电磁干扰。
[0032]A相与B相的换相过程:运用本发明高效谐振极SRD软开关功率电路控制SR电机A绕组换相到B绕组时，需要实现A相关断和B相开通。
[0033]A相的关断存在两种可能:
一是开关Vl为断态，仅需关断开关V2，开关V2关断时，因与电容C2并联，电容C2起缓冲作用，故开关V2亦为零电压关断。
[0034]二是开关V1、开关V2都在开通条件下关断。开关Vl为开通态时，由于A相谐振电容电压uCra为Ud，故开关Vl为零电压关断;开关V2关断时，因与电容C2并联，电容C2起缓冲作用，故开关V2亦为零电压关断。
[0035]B相的开通，应由控制信号触发开关V4开通后，再结合PffM模式中的开通条件，开通开关V3，由于B相起始的电流为零，故换相时，开关V4、开关V3均为零电压零电流开通。
[0036]从A相与B相的换相过程分析，可以看出在换相过程中，本发明电路中所有的开关元件都实现了软通断，降低了电压变化率cAz/W和电流变化率c/i/c/i，减少了功率损耗及电磁干扰。
[0037]从以上具体实施例得出，使用本发明高效谐振极SRD软开关功率电路，用来控制SR电机5工作，可以克服现有技术的不足，减少电路中开关元件的功率损耗及电路中的电磁干扰，提高SR电机5的工作效率。
[0038]结合以上具体实施例，还可得出本发明对于多相电机的SRD功率电路均存在启示作用，例:当SR电机为五相，只需在本发明的基础上增加D相辅助电路、E相辅助电路和D相不对称变换电路、E相不对称变换电路接入电机相应相位绕组即可实现其功能。
【主权项】
1.高效谐振极SRD软开关功率电路，包括直流电源Ud、辅助谐振极电路和不对称变换电路，其特征在于:直流电源Ud连接辅助谐振极电路后与不对称变换电路相连接入SR电机； 辅助谐振极电路为:谐振电感Lr一端与直流电源Ud正极连接，谐振电感Lr另一端分别连接A相辅助电路、B相辅助电路和C相辅助电路;谐振电感Lr的两端反并联有二极管VDu A相辅助电路:A相辅助开关Vra的进端连接谐振电感Lr，A相辅助开关Vra的出端串接A相谐振电容Cra后连接至直流电源Ud负极，在A相辅助开关Vra和A相谐振电容Cra的接点处连接A相辅助二极管VDra的正极，A相辅助二极管VDra的负极连接SR电机的A相绕组进端，A相辅助开关Vra的两端反并联有二极管VDa; B相辅助电路:B相辅助开关Vrb的进端连接谐振电感Lr，B相辅助开关Vrb的出端串接B相谐振电容Crb后连接至直流电源Ud负极，在B相辅助开关Vrb和B相谐振电容Crb的接点处连接B相辅助二极管VDrb的正极，B相辅助二极管VDrb的负极连接SR电机的B相绕组进端，B相辅助开关Vrb的两端反并联有二极管VDb; C相辅助电路:C相辅助开关Vrc的进端连接谐振电感Lr，C相辅助开关Vrc的出端串接C相谐振电容Crc后连接至直流电源Ud负极，在C相辅助开关Vrc和C相谐振电容Crc的接点处连接C相辅助二极管VDrc的正极，C相辅助二极管VDrc的负极连接SR电机的C相绕组进端，C相辅助开关Vrc的两端反并联有二极管VDc。2.根据权利要求1所述的高效谐振极SRD软开关功率电路，其特征在于:所述A相辅助开关Vra、B相辅助开关Vrb、C相辅助开关Vrc均为全控型功率开关器件。3.根据权利要求1或2所述的高效谐振极SRD软开关功率电路，其特征在于:所述不对称变换电路包括:A相不对称变换电路、B相不对称变换电路和C相不对称变换电路； A相不对称变换电路:开关Vl进端接直流电源Ud正极，开关Vl出端接A相辅助二极管VDra的负极;开关Vl出端反向连接二极管VD2后连接至直流电源Ud负极;开关V2进端接SR电机的A相绕组出端，开关V2出端接至直流电源Ud负极，开关V2两端并联有电容C2;开关V2进端正向连接二极管VDl后连接至直流电源Ud正极； B相不对称变换电路:开关V3进端接直流电源Ud正极，开关V3出端接B相辅助二极管VDrb的负极;开关V3出端反向连接二极管VD4后连接至直流电源Ud负极;开关V4进端接SR电机的B相绕组出端，开关V4出端接至直流电源Ud负极，开关V4两端并联有电容C4;开关V4进端正向连接二极管VD3后连接至直流电源Ud正极； C相不对称变换电路:开关V5进端接直流电源Ud正极，开关V5出端接C相辅助二极管VDrc的负极;开关V5出端反向连接二极管VD6后连接至直流电源Ud负极;开关V6进端接SR电机的C相绕组出端，开关V6出端接至直流电源Ud负极，开关V6两端并联有电容C6;开关V6进端正向连接二极管VD5后连接至直流电源Ud正极。4.根据权利要求3所述的高效谐振极SRD软开关功率电路，其特征在于:所述开关V1、V2、V3、V4、V5、V6均为全控型功率开关器件。
【文档编号】H02P25/092GK105932929SQ201610394420
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】杨晋岭, 张英俊, 潘理虎, 刘立群, 郭勇义
【申请人】太原科技大学