一种基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器

摘要

一种基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器，可解决功率变换器拓扑结构单一、适应性差问题；本发明包括整流电路、隔离式开关电源、IPM接口电路、IPM单元、电源分裂电路、IPM故障保护和报警电路；整流电路为三相桥式不可控整流电路，其输入端接电网交流电压，输出端接隔离式开关电源的输入端；隔离式开关电源输入端接整流电路的输出端，输出端接至IPM接口电路的电源输入端；IPM接口电路包括4个芯片74HC245和电容、电阻；IPM单元包括两块IPM，每块IPM由6个IGBT单元组成；电源分裂电路包括电容C1、电容C2、电阻R1、R2；IPM故障保护和报警电路包括8个芯片PC817和电容、电阻；其输入端接IPM1和IPM2输出的8路故障信号FO。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于智能功率模块IPM的通用功率变换器。

技术背景

功率变换器是开关磁阻电机调速系统(SRD)的重要组成部分，可采用绝缘栅双极型 晶体管IGBT或智能功率模块IPM构成，而IGBT开关器件构成的SRM功率变换器，需 针对每个开关管设计专门的驱动电路和保护电路，电路结构复杂，可靠性较差。另外，一 般的SRM功率变换器只能提供一种固定拓扑结构的功率电路，当SRD系统使用环境发生 变化时或对系统控制性能提出不同要求时，都要求功率电路拓扑结构做出相应变化，固定 拓扑结构的功率电路无法满足上述要求。对于普通功率变换器，只能局限于某一种固定拓 扑结构的功率变换器，当系统对功率电路提出不同要求时，只能更换一套新的功率变换器。

发明内容

本发明目的是克服上述已有技术的不足，提供一种可解决功率变换器拓扑结构单一、 适应性差问题的基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器。

本发明包括整流电路、隔离式开关电源、IPM接口电路、IPM单元、电源分裂电路、 IPM故障保护和报警电路。整流电路为三相桥式不可控整流电路，其输入端接电网交流电 压，输出端接隔离式开关电源的输入端；隔离式开关电源输入端接整流电路的输出端，输 出端的四路相互隔离的+15V电压分别接至IPM接口电路的电源输入端；IPM接口电路包 括4个芯片74HC245和电容、电阻；芯片74HC245为具有使能控制输入端OE的4入4 出总线驱动器；4个芯片HCPL4504为高速光耦，构成4路隔离电路，起到电气隔离IPM 与外部电路的作用；4个HCPL4504芯片的引脚2分别接至芯片74HC245的4个输出端， 引脚6分别接至IPM单元的控制输入端；其中一路隔离电路的内部结构为，引脚3通过电 阻R3接地，引脚5接地，引脚8接+15V电源，引脚5和引脚8之间接去耦电容C5和滤 波电容C6，引脚6通过上拉电阻R4接至+15V电源；IPM接口电路输入端接CPU发出的 PWM信号，输出端接IPM单元的控制端口。IPM单元包括两块IPM，每块IPM由6个IGBT 单元组成，其电源输入端接整流电路输出端，信号输入端接IPM接口电路输出端，输出端 直接与电机的绕组连接。PM接口电路输出端与IPM单元控制电压输入端的连接关系取决 于开关磁阻电机绕组与IPM单元U₁、V₁、W₁、U₂、V₂、W₂的连接形式，每个IPM模块 有4路故障信号输出端FO，当IPM发生欠压、短路、过流和过热故障时，故障信号输出 端FO输出低电平信号；电源分裂电路包括电容C1、电容C2、电阻R1、R2；电容C1和 电容C2串联后并联在整流电路的输出端，电阻R1、R2串联后并联在整流电路的输出端， 将电容C1、C2的连接点与电阻R1和电阻R2连接点连接，作为直流电压的中性点G。IPM 故障保护和报警电路包括8个芯片PC817和电容、电阻；其输入端接IPM1和IPM2输出 的8路故障信号FO，当8路中的1路或1路以上FO为低电平时，IPM故障保护和报警电 路输出高电平，该高电平送至IPM接口电路以阻断PWM信号的传输，同时也送至CPU 的PDPINTA引脚以停止PWM信号的发送；电容C1、C2和电阻R1、R2构成电源分裂电 路，电容C1、C2串联后并联在整流电路的输出端，电阻R1、R2串联后并联在整流电路 的输出端，将电容C1、C2的连接点与电阻R1、R2连接点连接，作为直流电压的中性点 G，中性点G将整流器输出的直流电压一分为二。

整流电路将交流供电电压转换为直流电压后，向隔离式开关电源和IPM单元供电； 隔离式开关电源输入为整流电路输出的直流电压，输出为四路相互隔离的+15V电压，为 IPM接口电路供电；IPM接口电路输入为CPU发出的PWM信号，对PWM信号进行滤波、 隔离和电平转换后，输出至IPM单元，用于控制IPM中开关管的开通和关断。

IPM单元包括两块IPM模块IPM1和IPM2，IPM1的电压输入端P1和N1并联在整 流电路的输出端，IPM2的电压输入端P2和N2也并联在整流电路的输出端，C₃和C₄为 吸收电容，用来吸收由于电感的开关瞬间产生的浪涌电压；IPM1的6个控制电压输入端 U_P1、V_P1、W_P1、U_N1、V_N1、W_N1分别控制IPM1内部的6个开关管，IPM2的6个控制电 压输入端U_P2、V_P2、W_P2、U_N2、V_N2、W_N2分别控制IPM2内部的6个开关管，IPM1和IPM2 共12个控制电压输入端，IPM单元U₁、V₁、W₁、U₂、V₂、W₂端子为IPM与开关磁阻电 机绕组的连接点。

IPM故障保护和报警电路的输入为8路IPM报警信号FO，分别接至8个低速光耦PC817 的引脚2，PC817起到电气隔离IPM与外部电路的作用；其中一路隔离电路的内部结构为， 引脚1通过上拉电阻R11接至+15V电源，引脚3接地，引脚4通过上拉电阻R12接至+5V电源； 8个PC817的引脚6分别接至8输入与非门的输入端，当8路IPM报警信号FO中有1路或1路以 上为低电平时，与非门输出高电平，再经R17和C13构成的低通滤波器去除高频信号干扰后， 一路输出至IPM接口电路74HC245的使能输入端以阻断PWM信号的传输，另一路送至CPU 的PDPINTA引脚以停止PWM信号的发送。

本发明采用模块化的系统结构，由整流电路，隔离式开关电源，IPM接口电路，IPM 单元，电源分裂电路和IPM故障保护和报警电路连接成一个完整的系统。可通过切换接线 端子实现不同拓扑结构形式的功率电路，适应不同相数的开关磁阻电机，通用性强。当IPM 中有一部分开关管损坏时，可通过切换接线端子，利用冗余开关管使系统尽快恢复工作， 提高系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的IPM接口电路图；

图3为是本发明的IPM故障保护和报警电路图；

图4为本发明连接为电容分裂式功率电路的原理图；

图5为本发明连接为中间型功率电路的原理图；

图6为本发明连接为双开关型功率电路的原理图；

图7为本发明连接为不对称半桥式功率电路的原理图。

具体实施方式

整流电路为桥式整流电路，其输入为电网交流电压，输出为直流电压；隔离式开关电 源为IPM接口电路提供4路相互隔离的+15V控制电压；IPM接口电路用于对CPU发出的 PWM控制信号进行隔离和电平转换；IPM单元是用来连接电源和绕组的开关器件，通过 开通和关断开关器件，对相应绕组供电和断电，实现电机的正常运转；电源分裂电路可等 分整流电路输出的直流电压；IPM故障保护和报警电路在IPM发生过流、短路、过热和欠 压故障时，能及时关断IPM，保护功率变换器。

图1为本发明装置的系统结构图。整流电路将交流供电电压转换为直流电压后，向隔 离式开关电源和IPM单元供电；隔离式开关电源输入为整流电路输出的直流电压，输出为 四路相互隔离的+15V电压，为IPM接口电路供电；IPM接口电路输入为CPU发出的PWM 信号，对PWM信号进行滤波、隔离和电平转换后，输出至IPM单元，用于控制IPM中开 关管的开通和关断；IPM单元包括两块IPM模块IPM1和IPM2，IPM1的电压输入端P1和 N1并联在整流电路的输出端，IPM2的电压输入端P2和N2也并联在整流电路的输出端， C₃和C₄为吸收电容，用来吸收由于电感的开关瞬间产生的浪涌电压；IPM1的6个控制电 压输入端U_P1、V_P1、W_P1、U_N1、V_N1、W_N1分别控制IPM1内部的6个开关管，IPM2的6 个控制电压输入端U_P2、V_P2、W_P2、U_N2、V_N2、W_N2分别控制IPM2内部的6个开关管，IPM1 和IPM2共12个控制电压输入端，IPM单元U₁、V₁、W₁、U₂、V₂、W₂端子为IPM与开 关磁阻电机绕组的连接点，IPM接口电路输出端与IPM单元控制电压输入端的连接关系取 决于开关磁阻电机绕组与IPM单元U₁、V₁、W₁、U₂、V₂、W₂的连接形式，每个IPM模 块有4路故障信号输出端FO，当IPM发生欠压、短路、过流和过热故障时，故障信号输 出端FO输出低电平信号；IPM故障保护和报警电路其输入端接IPM1和IPM2输出的8 路故障信号FO，当8路中的1路或1路以上FO为低电平时，IPM故障保护和报警电路输 出高电平，该高电平送至IPM接口电路以阻断PWM信号的传输，同时也送至CPU的 PDPINTA引脚以停止PWM信号的发送；电容C1、C2和电阻R1、R2构成电源分裂电路， 电容C1、C2串联后并联在整流电路的输出端，电阻R1、R2串联后并联在整流电路的输 出端，将电容C1、C2的连接点与电阻R1、R2连接点连接，作为直流电压的中性点G， 中性点G将整流器输出的直流电压一分为二。

图2为本发明IPM接口电路图。芯片74HC245为具有使能控制输入端OE的4入4 出总线驱动器；4个芯片HCPL4504为高速光耦，构成4路隔离电路，起到电气隔离IPM 与外部电路的作用；4个HCPL4504芯片的引脚2分别接至芯片74HC245的4个输出端， 引脚6分别接至IPM单元的控制输入端；其中一路隔离电路的内部结构为，引脚3通过电 阻R3接地，引脚5接地，引脚8接+15V电源，引脚5和引脚8之间接去耦电容C5和滤 波电容C6，引脚6通过上拉电阻R4接至+15V电源。

图3为本发明IPM故障保护和报警电路原理图。IPM故障保护和报警电路的输入为8路 IPM报警信号FO，分别接至8个低速光耦PC817的引脚2，PC817起到电气隔离IPM与外部电 路的作用；其中一路隔离电路的内部结构为，引脚1通过上拉电阻R11接至+15V电源，引脚 3接地，引脚4通过上拉电阻R12接至+5V电源；8个PC817的引脚6分别接至8输入与非门的 输入端，当8路IPM报警信号FO中有1路或1路以上为低电平时，与非门输出高电平，再经 R17和C13构成的低通滤波器去除高频信号干扰后，一路输出至IPM接口电路74HC245的使 能输入端以阻断PWM信号的传输，另一路送至CPU的PDPINTA引脚以停止PWM信号发送。

本发明可通过切换接线端子实现不同拓扑结构形式的功率电路，适应不同相数的开关 磁阻电机，通用性强；当IPM中有一部分开关管损坏时，可以通过切换接线端子，利用冗 余开关管使系统尽快恢复工作，提高系统的可靠性。具体实施例如下：

实施例1：图4为本发明连接为电容分裂式功率电路的原理图，该功率电路结构适用 于8/6极四相开关磁阻电机。在图1中，将A相绕组一端接至U₁端，将C相绕组一端接 至V₁端，将B相绕组一端接至U₂端，将D相绕组一端接至V₂端，A、B、C、D共4相 绕组的另一端均接至中性点G，就构成了图4所示的电容分裂式功率电路。该电路的冗余 性体现在：A相和C相绕组导通分别依靠T₁₁和T₁₃的导通，若T₁₁管烧坏，可将A相绕组 接至U₁的端子改接至W₁端子；或者若T₁₃管烧坏，可将C相绕组接至V₁的端子改接至 W₁端子；B相和D相绕组导通分别依靠T₂₂和T₂₄的导通，若T₂₂管烧坏，可将B相绕组 接至U₂的端子改接至W₂端子；或者若T₂₄管烧坏，可将D相绕组接至V₂的端子改接至 W₂端子；若IPM1中的三个上管T₁₁、T₁₃、T₁₅均损坏，IPM2中的三个下管T₂₂、T₂₄、T₂₆均损坏，可以对调IPM1和IPM2位置后继续使用。

实施例2：图5为本发明连接为中间型功率电路的原理图，该功率电路结构适用于6/4 极3相和12/8极3相开关磁阻电机。在图1中，将A相绕组两端分别接至U₁和V₁端子， C相绕组两端分别接至V₁和W₁端子，B相绕组两端分别接至W₁和U₁端子，就构成了中 间型功率电路。该电路的冗余性体现在：当IPM1模块损坏时，使用IPM2；图5中的6个 桥臂有3个或3个以上是完好的，电路就能继续正常工作。

实施例3：图6为本发明连接为双开关型功率电路的原理图，该功率电路结构适用于 8/6极四相开关磁阻电机。在图1中，将A相绕组两端分别接至U₁和V₁端子，C相绕组 两端分别接至V₁和W₁端子，B相绕组两端分别接至U₂和V₂端子，D相绕组两端分别接 至V₂和W₂端子，就构成了图5所示的双开关型功率电路。该电路的冗余性体现在：A相 绕组导通依靠T₁₁和T₁₄的导通，C相绕组导通依靠T₁₃和T₁₆的导通，若T₁₁和T₁₄损坏后， 可将A相绕组改接至W₁和U₁两端，A相绕组依靠T₁₅和T₁₂的导通；也可以将A相绕组 改接至W₁和U₂两端，A相绕组依靠T₁₅和T₂₂的导通；还可以将A相绕组改接至W₂和 U₁两端，A相绕组依靠T₂₅和T₁₂的导通；同理，B相、C相、D相的导通管损坏后，做类 似处理。

实施例4：图7为本发明连接为不对称半桥式功率电路的原理图，该功率电路结构适 用于6/4极3相和12/8极3相开关磁阻电机。在图1中，将A相绕组两端分别接至U1和 V1，将B相绕组两端分别接至W1和U2端子，将C相绕组两端分别接至V2和W2端子， 就构成了不对称半桥式功率电路。该电路的冗余性体现在：A相绕组依靠T11和T14的导 通，若T11和T14损坏后，A相绕组可依靠T13和T12导通；同理B相和C相的导通管 损坏后，做类似处理。