三相半桥-串联绕组拓扑结构切换的逆变器及其切换方法技术

本发明专利技术公开了一种三相半桥‑串联绕组拓扑结构切换的逆变器及其切换方法，逆变器包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂以及第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、第三双向晶闸管、第四双向晶闸管，驱动四个双向晶闸管的导通状态，可以切换逆变器的三种模式，分别对应三相半桥拓扑结构、暂态结构和串联绕组拓扑结构。本发明专利技术在模式切换时利用了两相电流的过零点进行模式切换，使切换过程短暂迅速，在切换过程中不对电机的转速转矩造成影响，从而避免了对用户的影响，同时保证逆变器低速时的转矩输出能力和高速时的转速输出能力，实现电机工作区间的最大化。

Three phase half bridge series winding topology switching inverter and its switching method

【技术实现步骤摘要】
三相半桥-串联绕组拓扑结构切换的逆变器及其切换方法
本专利技术属于交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及一种三相半桥-串联绕组拓扑结构切换的逆变器及其切换方法。
技术介绍
采用逆变器控制交流电机是现代电力传动的主要方法。目前应用最广泛的逆变器拓扑是三相半桥拓扑。该拓扑采用负载Y型连接，只包含三个桥臂，成本低，体积小，效率高。但在脉宽调制(PWM)驱动下，该逆变器输出线电压峰值不能超过直流母线电压，即电机的相电压仅能达到直流电压的57％，这大大限制了逆变器在电机高速时的转速输出能力。采用三相开绕组的H桥逆变器可以实现相电压达到100％的直流电压利用率，但是增加了一倍的开关器件，以及对应的辅助元件。中国专利技术专利《一种开绕组电机驱动器拓扑及其调制方法》(申请号：CN201810051626.3，申请日：2018.01.19)公开了一种三相串联绕组拓扑结构。通过增加一个桥臂并改变相绕组的连接方式，该拓扑的直流电压利用率是三相半桥拓扑的两倍，因此逆变器具有宽广的调速区间。但该拓扑的连接方式会导致桥臂的电流应力增加，功率损耗变大，限制了逆变器在电机低速时的转矩输出能力。因此，目前的用于电机控制器的逆变器难以同时保证转矩输出能力和转速输出范围，不能最大化的利用电机的工作区间。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于结合三相半桥拓扑结构和三相串联绕组拓扑结构，在不影响电机工作的情况下，实现两种拓扑的切换，从而同时保证逆变器低速时的转矩输出能力和高速时的转速输出能力，实现电机工作区间的最大化。为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提供了一种三相半桥-串联绕组拓扑结构切换的逆变器，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂以及第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、第三双向晶闸管、第四双向晶闸管；每个桥臂包含一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，每个桥臂的上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点；A相绕组的左节点连接第一桥臂的输出节点，A相绕组的右节点连接第一双向晶闸管的右节点和第二双向晶闸管的左节点；B相绕组的左节点连接第二桥臂的输出节点，B相绕组的右节点连接第三双向晶闸管的右节点和第四双向晶闸管的左节点；C相绕组的左节点连接第三桥臂的输出节点，C相绕组的右节点连接第四桥臂的输出节点；第一双向晶闸管的左节点连接第二桥臂的输出节点，第三双向晶闸管的左节点连接第三桥臂的输出节点，第二双向晶闸管和第四双向晶闸管的右节点均连接第四桥臂的输出节点。进一步地，四个双向晶闸管用于切换逆变器的拓扑结构：当第二双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第一双向晶闸管和第三双向晶闸管关断时，为三相半桥拓扑结构，可以提供大电流但不能提供高直流电压利用率，因此适用于电机在低速大转矩工况下运行；当第一双向晶闸管和第三双向晶闸管导通，第二双向晶闸管和第四双向晶闸管关断时，为串联绕组拓扑结构，可以提供高直流电压利用率但不能提供大电流，因此适用于电机在高速工况下运行，但转矩需要降额运行；当第一双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第二双向晶闸管和第三双向晶闸管关断时，为暂态结构。优选地，功率开关器件为电流全控型开关，如MOSFET或带反并联二极管的IGBT。按照本专利技术的另一方面，提供了一种针对上述三相半桥-串联绕组拓扑结构切换的逆变器的拓扑结构切换方法，该切换方法的目的是为了平滑地任意地切换两种拓扑结构，使切换过程尽快短暂迅速，且在切换过程中不对电机的转速转矩造成影响，从而避免影响用户的体验。该控制方法包括：驱动第二双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第一双向晶闸管和第三双向晶闸管关断，当接收到从第一模式切换到第二模式的指令，撤除第二双向晶闸管的驱动信号，等待A相电流自然过零后，关断第二双向晶闸管，驱动第一双向晶闸管导通，并同时撤除第四双向晶闸管的驱动信号，模式切换为暂态模式，等待B相电流自然过零后，关断第四双向晶闸管，驱动第三双向晶闸管导通，模式切换为第二模式；驱动第一双向晶闸管和第三双向晶闸管导通，第二双向晶闸管和第四双向晶闸管关断，当接收到从第二模式切换到第一模式的指令，撤除第三双向晶闸管的驱动信号，等待B相电流自然过零后，关断第三双向晶闸管，驱动第四双向晶闸管导通，并同时撤除第一双向晶闸管的驱动信号，模式切换为暂态模式，等待A相电流自然过零后，关断第一双向晶闸管，驱动第二双向晶闸管导通，模式切换为第一模式。进一步地，第一模式下，逆变器为三相半桥拓扑结构，第二双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第一双向晶闸管和第三双向晶闸管关断；第二模式下，逆变器为串联绕组拓扑结构，第一双向晶闸管和第三双向晶闸管导通，第二双向晶闸管和第四双向晶闸管关断；暂态模式下，逆变器为暂态结构，第一双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第二双向晶闸管和第三双向晶闸管关断。进一步地，第一模式下，流入各个桥臂的电流可以用三相交流电机的定子电流表示为：其中，i1、i2、i3以及i4分别表示流入第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂的电流，ia、ib以及ic分别表示A相定子绕组、B相定子绕组以及C相定子绕组的电流，Iac为定子绕组电流中交流电流成分的有效值，θe为电角度，与转子角度有关。进一步地，第二模式下，流入各个桥臂的电流可以用三相交流电机的定子电流表示为：其中，i1、i2、i3以及i4分别表示流入第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂的电流，ia、ib以及ic分别表示A相定子绕组、B相定子绕组以及C相定子绕组的电流，Iac为定子绕组电流中交流电流成分的有效值，θe为电角度，与转子角度有关。进一步地，暂态模式下，流入各个桥臂的电流可以用三相交流电机的定子电流表示为：其中，i1、i2、i3以及i4分别表示流入第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂的电流，ia、ib以及ic分别表示A相定子绕组、B相定子绕组以及C相定子绕组的电流，Iac为定子绕组电流中交流电流成分的有效值，θe为电角度，与转子角度有关。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：1、本专利技术所提出的三相半桥-串联绕组拓扑结构切换的逆变器在模式切换时利用了两相电流的过零点进行模式切换，使切换过程短暂迅速，在切换过程中不对电机的转速转矩造成影响，从而避免了对用户的影响，同时保证逆变器低速时的转矩输出能力和高速时的转速输出能力，利用两种拓扑各自的优势实现电机工作区间的最大化；2、相比三相半桥拓扑，本专利技术所提出的逆变器可以在不弱磁的情况下扩展近一倍的转速范围，另外该逆变器具有全部的电流控制自由度，并具有更好的容错性能；3、相比三相全桥拓扑，本专利技术所提出的逆变器在相同的工作范围下所需的开关器件数量更少，且触发电路简单，因此可以大大降低控制器的成本体积，由于电流流通路径的改变，流入功率开关的电流应力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三相半桥-串联绕组拓扑结构切换的逆变器，其特征在于，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂以及第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、第三双向晶闸管、第四双向晶闸管；每个桥臂包含一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，每个桥臂的上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点；/nA相绕组的左节点连接第一桥臂的输出节点，A相绕组的右节点连接第一双向晶闸管的右节点和第二双向晶闸管的左节点；/nB相绕组的左节点连接第二桥臂的输出节点，B相绕组的右节点连接第三双向晶闸管的右节点和第四双向晶闸管的左节点；/nC相绕组的左节点连接第三桥臂的输出节点，C相绕组的右节点连接第四桥臂的输出节点；/n第一双向晶闸管的左节点连接第二桥臂的输出节点，第三双向晶闸管的左节点连接第三桥臂的输出节点，第二双向晶闸管和第四双向晶闸管的右节点均连接第四桥臂的输出节点。/n

【技术特征摘要】
1.一种三相半桥-串联绕组拓扑结构切换的逆变器，其特征在于，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂以及第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、第三双向晶闸管、第四双向晶闸管；每个桥臂包含一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，每个桥臂的上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点；
A相绕组的左节点连接第一桥臂的输出节点，A相绕组的右节点连接第一双向晶闸管的右节点和第二双向晶闸管的左节点；
B相绕组的左节点连接第二桥臂的输出节点，B相绕组的右节点连接第三双向晶闸管的右节点和第四双向晶闸管的左节点；
C相绕组的左节点连接第三桥臂的输出节点，C相绕组的右节点连接第四桥臂的输出节点；
第一双向晶闸管的左节点连接第二桥臂的输出节点，第三双向晶闸管的左节点连接第三桥臂的输出节点，第二双向晶闸管和第四双向晶闸管的右节点均连接第四桥臂的输出节点。


2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述四个双向晶闸管用于切换逆变器的拓扑结构：
当第二双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第一双向晶闸管和第三双向晶闸管关断时，为三相半桥拓扑结构；
当第一双向晶闸管和第三双向晶闸管导通，第二双向晶闸管和第四双向晶闸管关断时，为串联绕组拓扑结构；
当第一双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第二双向晶闸管和第三双向晶闸管关断时，为暂态结构。


3.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述功率开关器件为电流全控型开关，MOSFET或带反并联二极管的IGBT。


4.一种三相半桥-串联绕组拓扑结构切换的逆变器的拓扑结构切换方法，其特征在于，包括：
驱动第二双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第一双向晶闸管和第三双向晶闸管关断，当接收到从第一模式切换到第二模式的指令，撤除第二双向晶闸管的驱动信号，等待A相电流自然过零后，关断第二双向晶闸管，驱动第一双向晶闸管导通，并同时撤除第四双向晶闸管的驱动信号，模式切换为暂态模式，等待B相电流自然过零后，...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋栋，李安，刘自程，孙翔文，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42