一种电动汽车用集成直直变换器的电机驱动器

摘要

本发明涉及一种电动汽车用集成直直变换器的电机驱动器，属于电力电子设备领域。它包括三相全桥逆变器、半桥电路、高频变压器、全桥不控整流电路。其特点是：将电机驱动电路与直直变换电路集成在一起，三相全桥逆变电路采用矢量调制方式驱动电机，然后通过单个桥臂电路和电机中性点给高频变压器注入脉冲电压，经过高频变压器副边整流电路得到直流电压。这与电动汽车传统供电系统电路相比，减少了一个桥臂，从而元器件数量减少，减少了开关损耗，降低了体积、重量和成本，并且，整个系统既具有驱动电机的功能也有直流变压的功能，适合应用于电动汽车等对重量和体积要求较高的场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成直直变换器的电机驱动系统，其应用在电动汽车领域，既可以实现 驱动电机的功能，又可以起到直流变换器的功能。属电力电子设备领域技术。

背景技术

由于电动汽车具有无污染、噪声小等优点，越来越受到人们的关注。在汽车制造领域， 更低成本、更小体积和更轻重量是三个推进该行业发展的最主要的目标。在电动汽车中，配 电系统在其体积和重量上占有很大的比重，某种程度上限制了电动汽车更进一步的发展。

传统的电动汽车供电系统如图1所示，其包括两个不同的电压等级，分别为14V低压和 200～600V的高压。供电系统通过直直变换器将低压直流电变换到200V～600V的高压直流，然 后再通过三相逆变器供给电机，驱动其工作。这种两级式供电结构增加了整个供电系统的体 积和重量，不利于电动汽车更小体积和重量要求的实现。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种电动汽车用集成直直变换器的电机驱动器， 既能够给低压直流负载供电同时又能够驱动电机的集成供电驱动器，这样与电动汽车中传统 的供电系统相比简化了整个电路，减少了元器件数，同时也减小了整个供电系统的空间和重 量，相当于增加了整个电动汽车的空间。

本发明的技术方案是：一种电动汽车用集成直直变换器的电机驱动器，包括电机驱动电 路和半桥直直变换电路；所述电机驱动电路由三相开关逆变电路组成，采用空间矢量控制方 式控制电机负载，每相开关逆变电路引出一根输出线，与电机三相线相连接；所述半桥直直 变换电路由开关逆变电路、高频变压器和全桥整流电路组成，采用PWM脉宽调制实现直直电 压变换；所述半桥直直变换电路的原边只有一个开关逆变电路的输出线与高频变压器原边绕 组的一端相连接，高频变压器原边绕组的另一端与电机绕组的中性点相连接；将电机驱动电 路和半桥直直变换电路集成在一起。

进一步的，所述三相开关逆变电路由六个开关管S₁～S₆组成，开关管S₁与开关管S₄顺向 串联构成一个桥臂，开关管S₂与开关管S₅顺向串联构成第二个桥臂，开关管S₃与开关管S₆顺向串联构成第三个桥臂，三个桥臂同方向并联构成一个三相桥式逆变电路，在开关管S₁与 开关管S₄的连接处、开关管S₂与开关管S₅连接处、开关管S₃与开关管S₆连接处分别引出一根 输出线，与电机三相线相连接；每个开关管反并联一只二极管，为电机绕组提供能量回馈通 道。

进一步的，所述半桥直直变换电路由开关管S₇、开关管S₈、高频变压器、整流二极管D₁～D₄和蓄电池组成，开关管S₇与开关管S₈顺向串联构成一个桥臂，开关管S₇与开关管S₈的连接处 引出一根输出线与高频变压器原边绕组的一端相连接，高频变压器原边绕组的另一端与电机 中性点相连接；所述高频变压器的副边整流电路由四个二极管组成两个桥臂电路，分别是D₁和D₃顺向串联构成一个桥臂，D₂和D₄顺向串联构成一个桥臂，D₁与D₃的连接处、D₂与D₄的连 接处分别引出一根输出线与高频变压器副边绕组两端相连接。

本发明的有益效果：本发明的集成直直变换器的电机驱动器是一种涉及电动汽车、航空 航天等中小功率的电力变换装置，有以下优点：(1)将电机驱动器与直直变换器结合在一起， 利用了电机零序电压作为高频变压器的一个端子输入，既具有驱动电机的功能也有给负载供 电功能；(2)通过高频变压器将原副边隔离，保证了电气隔离和负载的安全；(3)利用电机 零序电压作为高频变压器的一个端子输入，与传统分离式电动汽车驱动系统相比，减少了直 直变换器中的一个桥臂，节省了电动汽车的空间、重量和成本，且开关损耗减少，在一定程 度上增加了系统的效率。

附图说明

图1是本发明的背景技术中电动汽车传统供电系统示意图。

图2是本发明的集成直直变换器的电机驱动器主电路拓扑结构示意图。

图3是本发明的等效电路拓扑结构示意图。

图4是本发明中工作状态波形示意图。

图5是本发明中开关管在一个周期内的开关时序图。

图1中：B为蓄电池，leg1、leg2、leg3、leg4分别为四个桥臂，与原副边匝比为1：n 的变压器构成直直变换器，S₁～S₆组成的三个桥臂构成三相逆变器，驱动电机工作；图2中： V_in为输入端电压，leg1、leg2、leg3、leg4分别为开关管构成的四个桥臂，变压器原副边匝 比为n：1，B为蓄电池；图3为等效电路，图3中：v_z为电机零序电压，L_o、R_o代表电机零序 电抗，v_t为变压器原边电压，v_s4为leg4桥臂中点电压，v_lr为电机零序阻抗上的电压，i_t为高 频变压器原边电流；图4为等效电路中各点的电压波形图，自上而下分别为leg4上电压、电 机零序电压v_z、高频变压器输入电压v_t、高频变压器电流i_t、等效阻抗上电压v_lr、输出电压 V_out；图5是本发明中为实现图4所示的工作状态，开关管S₁～S₈在一个周期内的开关时序图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本实例以输入400V直流电为例进行说明。集成辅助直直变换器的电机驱动器电路拓扑如 图2所示，其电路结构是由三相逆变电路与半桥直直变换器组成。三相开关逆变电路由六个 开关管S₁～S₆组成，开关管S₁与开关管S₄顺向串联构成一个桥臂，开关管S₂与开关管S₅顺向 串联构成第二个桥臂，开关管S₃与开关管S₆顺向串联构成第三个桥臂，三个桥臂同方向并联 构成一个三相桥式逆变电路，在开关管S₁与开关管S₄的连接处、开关管S₂与开关管S₅连接处、 开关管S₃与开关管S₆连接处分别引出一根输出线，与电机三相线相连接；每个开关管反并联 一只二极管，为电机绕组提供能量回馈通道。半桥直直变换电路由开关管S₇、开关管S₈、高 频变压器、整流二极管D₁～D₄和蓄电池组成，开关管S₇与开关管S₈顺向串联构成一个桥臂，开 关管S₇与开关管S₈的连接处引出一根输出线与高频变压器原边绕组的一端相连接，高频变压 器原边绕组的另一端与电机中性点相连接；所述高频变压器的副边整流电路由四个二极管组 成两个桥臂电路，分别是D₁和D₃顺向串联构成一个桥臂，D₂和D₄顺向串联构成一个桥臂，D₁与D₃的连接处、D₂与D₄的连接处分别引出一根输出线与高频变压器副边绕组两端相连接。控 制器按照设定的逻辑关系，产生开关管S₁～S₈的驱动信号，控制直直变换器和电机驱动器。

本发明的工作原理为：如前所述，集成直直变换器的电机驱动器是融合在一个整体的电 路中，对其工作原理进行分析。如图2所示，控制器通过空间矢量调制控制电机驱动器，leg4 通过控制器给出互补的PWM波，为了防止高频变压器饱和，需要保持leg4的驱动信号与电机 驱动信号完全同步。

图3为图2的等效电路，v_z为电机零序电压，L_o、R_o代表电机零序阻抗，v_t为变压器原边 电压，v_s4为leg4与变压器相连电压，v_lr为电机零序阻抗上的电压，i_t为高频变压器原边电流。

图4为图2中各点电压电流波形，自上而下分别为leg4上电压v_s4、电机零序列电压v_z、 高频变压器输入电压v_t、高频变压器电流i_t、等效阻抗上电压v_lr、输出电压V_out。其控制方 式按照图5中的波形控制整个电机驱动器。

以上实施例知识本发明的一个具体的实施电路原理图，并不以此限定本发明的保护范围。 任何基于本发明所作的等效变化电路，均属于本发明的保护范围。