[发明专利]用于大功率高速电动机控制的前端Buck变换器无损缓冲电路

说明书

技术领域

本发明涉及用于大功率高速电动机控制的前端Buck变换器的无损缓冲电路，属于电机控制技术。

背景技术

随着电机设计与制造技术的发展，大功率高速电机因其转速高，体积小，功率密度大而成为国内外电工领域的研究热点之一。目前常规电机的控制策略为：电动机运行时，输入直流电，经三相桥式逆变电路工作。但是高速电机工作在高速场合，其相应的开关管的工作频率高，损耗大。高频调制方式下的续流阶段，电流是通过功率开关管的体二极管或集成二极管实现的，损耗大，通常的功率管体二极管存在反向恢复时间较长的缺点。有学者提出在直流输入端后接高频功率斩波管和续流二极管组成的Buck电路，再通过三相桥式逆变电路与绕组连接，但是在高速大功率的应用场合中，Buck电路由于开关频率高，开关损耗大，导致功率开关管的寿命和整个电路的效率降低，且功率等级由于开关管本身电压电流容量的限制也很难提高。

本专利提出了一种用于大功率高速电动机控制的前端Buck变换器无损缓冲电路——在高速大功率电动机前端的Buck变换器中加入由续流二极管、电容和电感组成的无损缓冲电路，在功率开关管进行高频斩波的时候，该缓冲电路可以实现功率开关管的零电压关断。大功率下采用n(n为大于0的自然数)路Buck变换器并联的结构，并采用交错控制方式可实现多支路的无损缓冲电路共用一个电感。本发明的电路简单灵活，有效降低了高速大功率电机控制中的功率开关管的损耗，方便扩容。

发明内容

本发明旨在传统高速电机控制电路的基础上，结合无损缓冲电路损耗小、效率高以及多路直流变换器并联的优点，提出了一种新型的用于高速电机前端控制的多路交错并联Buck变换器的无损缓冲电路，以降低开关损耗，提高高速电动机控制系统效率，并简化电路。

该控制电路的主要特征在于：在三相逆变桥的前端的Buck变换器上采用附加电容、电感以及二极管的结构。利用电感、电容以及二极管组成的缓冲电路来确保功率开关管实现软关断，大功率下采用n路Buck变换器并联的结构，并采用交错控制方式可实现多支路的无损缓冲电路共用一个电感。功率开关管S₁～S_n开通时间依次相差n/360个开关周期，其占空比可以在0.1～0.9的宽范围内变化，且进行高频斩波调制。这种结构和控制方式提高了系统的功率等级，同时减少了输出电流纹波，减少了无损缓冲电路电感的体积。

本专利采用的三相逆变电路前附加电容、电感以及二极管组成的Buck变换器缓冲电路，适用于高速电机的控制。其优点是：

(1)三相逆变电路前的Buck电路中加入电感和电容组成的缓冲电路，实现功率开关零电压关断，降低了高速大功率场合开关管的损耗。

(2)由一个电感与n路电容和箝位二极管的串联电路组合实现缓冲电路设计，减少了缓冲电路中电感的总体积，方便扩容。

(3)功率开关管开通时间依次相差n/360个周期，占空比在0.1～0.9的宽范围内变化，实现转速的宽范围调节。

附图说明

图1是三相逆变桥前端附加电容、电感及二极管组成的4路Buck变换器缓冲电路图。

图2为4路Buck变换器缓冲电路中各个主要信号的模态图。