[发明专利]一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑

说明书

本发明公开了一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑。本发明属于软开关领域和电机控制领域，包括前级LC谐振电路、后级逆变电路、永磁无刷直流电机和系统控制电路。谐振环节的工作过程总共有四个模态，与传统的软开关逆变器相比较，控制过程更加简单。无刷直流电机的控制方式采用直接转矩控制，通过电压矢量控制来对电机的磁链和转矩进行直接控制，通过改变逆变器开关的通断来选择电压矢量。与传统的无刷直流电机的硬开关工作模式相比较，大大减小了无刷直流电机的换向转矩波动，减小了电机的功率损耗，提高了电机的运行效率，同时减小了电机受到的电磁干扰，延长了电机的工作寿命。

技术领域

本发明属于软开关电路领域，具体设计一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑，使用电感Lr和电容Cr的谐振单元，通过控制电感Lr和电容Cr谐振过程，使电容Cr在每一个谐振周期内充分充放电，其电压表现为零直流偏置的脉冲式波形，电容的充放电控制保证了前级LC谐振电路的工作于软开关工作模式，同时电容Cr的零电压区间为无刷直流电机中的三相全桥逆变电路开关管的通断过程提供了零电压条件，这样逆变电路的工作过程也为软开关过程。

本发明属于电机控制领域，具体设计一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑，无刷直流电机在逆变器软开关模式下进行工作，大大减小了无刷直流电机的换向转矩波动，减小了电机的功率损耗，提高了电机的运行效率，同时减小了电机受到的电磁干扰，延长了电机的工作寿命。

背景技术

传统的无刷直流电机的工作过程，逆变器通常是在硬开关的工作模式下，通过脉宽调制进行驱动的。电机工作在硬开关的工作模式下，会产生较大的换向转矩波动，工作效率也比较低，当开关管的工作频率比较高时，开关损耗迅速增加，此时功率器件中存在的极间寄生电容在开关管导通与关断过程中会产生较大的电压和电流变化，可能耦合到输入端造成较高的电磁干扰EMI和二极管反向恢复电流问题。本发明采用新型LC谐振可控单元，基于独特的单脉冲驱动控制谐振过程，从而为系统电路提供零电压和零电流条件，使得前后级升压及逆变单元都可以在软开关模式下进行工作。本发明提出一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑，降低了无刷直流电机的功率损耗，同时大大减小了无刷直流电机的换向转矩波动，提高了电机的运行效率，相比较传统的软开关逆变电路，做到了更小的体积，同时大大简化了系统电路的控制过程。

发明内容

为了实现无刷直流电机的软开关模式运行，本发明采用谐振电感Lr与电容Cr作为系统电路的谐振部分，基于独特的单脉冲驱动来合理地控制谐振过程，为系统电路提供零电压和零电流条件，可以使电机工作在软开关模式下，消除了电机工作在硬开关模式下的带来的问题，大大减小了无刷直流电机的换向转矩波动，减小了电机的开关功率损耗，提高了电机的运行效率，同时减小了电机受到的电磁干扰，延长了电机的工作寿命。

本发明的技术方案如下：

其特征在于：该软开关驱动电路拓扑包括前级LC谐振电路、后级三相全桥逆变电路、永磁无刷直流电机、系统控制电路。前级LC谐振电路由谐振电感Lr与电容Cr及开关器件构成桥式电路结构，采用单脉冲驱动来控制电感Lr与电容Cr的谐振过程，保证系统可以工作在软开关的模式下。永磁无刷直流电机包含无刷直流电机本体和位置检测装置，位置检测装置用于检测电机转子位置和电机转速。系统控制电路包括LC谐振电路的控制电路和三相全桥逆变电路的控制电路，LC谐振电路的控制电路通过控制前级LC谐振电路的开关管的通断来控制谐振电感Lr与Cr的谐振过程，同时采集谐振电感电流与谐振电容电压，为后级逆变电路的驱动提供同步信号，保证后级开关工作于零电压条件下。三相全桥逆变电路的控制电路通过控制后级三相全桥逆变电路来实现电机的启停、正反转和电机的转速控制和伺服驱动。

前级LC谐振电路的电容Cr为谐振电容，其容值远远小于稳压电容，从而减小了整个电路的体积。

前级LC谐振电路工作过程共有四个模态，电路状态相对较少，大大简化了整个电路的控制部分的复杂程度，四个模态的工作过程为整个电路提供了零电压和零电流条件，前后级电路均通过电感Lr与电感Cr的谐振实现开关管的ZCS和ZVS。