专利名称：一种基于ipm的开关磁阻电机通用功率变换器的制作方法
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。
背景技术：
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74HCM5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 U1JpWpHW2的连接形式，每个IPM模块有4路故障信号输出端F0，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Cl、 电容C2、电阻R1、R2 ；电容Cl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Cl、C2的连接点与电阻Rl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IPMl和IPM2输出的8路故障信号F0，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Cl、C2的连接点与电阻Rl、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IPMl和IPM2，IPMl的电压输入端Pl和附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；IPMl的6个控制电压输入端^、VP1、 Wpi>UN1, VN1,Wni分别控制IPMl内部的6个开关管，IPM2的6个控制电压输入端UP2、VP2、WP2、 UN2、VN2, ffN2分别控制IPM2内部的6个开关管，IPMl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F0，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Rll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74HCM5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。
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。
具体实施例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IPMl和IPM2，IPMl的电压输入端Pl和附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；IPMl的6个控制电压输入端UP1、 Vpi、Wpi、Uni、Vni、Wni分别控制IPMl内部的6个开关管，IPM2的6个控制电压输入端UP2、VP2、 WP2, UN2, VN2, Wn2分别控制IPM2内部的6个开关管，IPMl和IPM2共12个控制电压输入端， IPM单元UrV1JpHWdiii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单元仏、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F0，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 IPMl和IPM2输出的8路故障信号F0，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Cl、C2的连接点与电阻Rl、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，弓丨脚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F0，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Rll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IPMl中的三个上管 Tn、T13、T15均损坏，ΙΡΜ2中的三个下管Τ22、Τ24、Τ26均损坏，可以对调IPMl和ΙΡΜ2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IPMl模块损坏时，使用ΙΡΜ2 ；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Ujnvi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Α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Ul 和Vl，将B相绕组两端分别接至Wl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Α相绕组依靠Tll和Τ14的导通， 若Tll和Τ14损坏后，A相绕组可依靠Τ13和Τ12导通；同理B相和C相的导通管损坏后， 做类似处理。
权利要求
1.一种基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器，其特征是包括整流电路、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74HCM5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0^单元肌、￥1、11、似、￥2、12的连接形式，每个IPM模块有4 路故障信号输出端F0，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Cl、电容C2、电阻Rl、R2 ；电容Cl和电容C2串联后并联在整流电路的输出端，电阻Rl、R2串联后并联在整流电路的输出端，将电容Cl、C2的连接点与电阻Rl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IPMl和IPM2输出的8路故障信号F0，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Cl、C2和电阻Rl、R2构成电源分裂电路，电容Cl、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Rl、 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。
2.如权利要求1所述的基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器，其特征是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。
3.如权利要求1所述的基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器，其特征是IPM单元包括两块IPM模块IPMl和IPM2，IPMl的电压输入端Pl和附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；IPMl的6个控制电压输入端UPl、VPl、WPl、UNl、VNl、 WNl分别控制IPMl内部的6个开关管，IPM2的6个控制电压输入端UP2、VP2、WP2、UN2、 VN2、WN2分别控制IPM2内部的6个开关管，IPMl和IPM2共12个控制电压输入端，IPM单元Ul、Vl、Wl、U2、V2、W2端子为IPM与开关磁阻电机绕组的连接点。
4.如权利要求1所述的基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器，其特征是IPM故障保护和报警电路的输入为8路IPM报警信号F0，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Rll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74HCM5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。
全文摘要
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。
文档编号H02M7/02GK102332833SQ20111028274
公开日2012年1月25日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者宋建成, 宋渊, 曲兵妮, 郑建斌, 高云广 申请人:太原理工大学