实现快速励磁和退磁的开关磁阻电机用五电平功率变换器

本发明属于电机的功率变换器，具体涉及一种实现快速励磁和退磁的开关磁阻电机用五电平功率变换器。

背景技术：

1、据公安部统计，截止2023年底，我国汽车保有量达3.36亿辆，其中绝大部分为燃油汽车。而燃油汽车极其依赖化石能源，化石能源的大量使用加剧了能源匮乏和环境污染问题，对人们的正常优质生活造成了影响。为有效缓解能源匮乏和环境污染问题，并满足人们对于出行的需求，人们将目光投向新能源电动汽车。

2、驱动电机技术是新能源电动汽车的核心技术之一，其性能好坏会直接影响汽车的工作性能。由于开关磁阻电机结构简单、成本低廉、机械强度与可靠性高、对稀土资源的依赖度较低、调速范围大、具有一定的容错能力的优点以及起动转矩大、电流小的特征，正逐渐在电动汽车领域中发挥着其他电机无法取代的作用。

3、开关磁阻电机驱动系统由电机本体、功率变换器、控制器、电流和转子位置检测电路构成。其中功率变换器与电源、控制器和开关磁阻电机直接连接，控制器通过产生控制信号改变功率变换电路中各开关器件的通断组合方式，让电源能够为绕组提供不同的电压，功率变换器的性能对开关磁阻电机驱动系统的输出特性产生直接影响。

4、目前不对称半桥三电平功率变换器应用最为广泛，其电路结构如图8所示。不对称半桥功率变换器的每相输出只有1、0、-1三种电平状态，如图9所示，当开关管都导通时，绕组工作在励磁模式；如图10所示，当只有一个开关管开通时，绕组工作在零压续流模式；如图11所示，当开关管都关断时，绕组工作在退磁模式。其输出电压的电压等级较为单一，无法满足电机在不同转速和负载下的需求，对于器件的耐压性有较高要求，另外由于自身的功率限制，导致其无法在大功率情况下使用，并且励磁和退磁也较为缓慢。

5、针对上述三电平功率变换器存在的问题，国内外学者设计出了多种不同结构的多电平功率变换器。文献“reduced switch multilevel converter topology to improvemagnetization and demagnetization characteristics of an srm”在传统不对称半桥功率变换电路基础上加以改进，提出了如图12所示的五电平功率变换电路，虽然该结构通过各相共用一相桥臂、一个开关管和一个二极管，在降低器件的使用数量的同时，使每相可以输出+2、+1、0、-1、-2五种电平，但是当任一相工作于快速励磁状态(+2)时，以a相为例，s1、s2和s5导通，使d1、d2和d5截止，从而强制其它相只能工作于零压续流状态(0)和快速励磁状态(+2)，同样当a相工作于常压励磁状态(+1)，其余各相只能工作在零压续流状态(0)和常压励磁状态(+1)。总的来说在两相至多相重叠导通时，存在相间制约，使得每相的电平状态不能独立切换，极大地限制了该功率变换器的进一步应用。同样的，文献“a multileveltopology based on the t-type converter for srm drives”所提出的如图13所示的五电平功率变换器，以及文献“anovel four-level converter and instantaneousswitching angle detector for high speed srm drive”所提出的如图14所示的四电平功率变换器也存在上述类似的各相无法独立工作的问题。

6、发明专利“运用于混动汽车领域的开关磁阻电机五电平功率变换器(cn115051584a)”所提出的如图15所示的五电平功率变换器，虽然可以实现各相的独立工作，但是每相需要使用4个开关管，8个二极管以及2个储能电容，增加了成本。文献“基于五电平变换器的开关磁阻电动机转矩脉动抑制方法”所提出的如图16所示的五电平功率变换器，通过相位上不相邻的两相共用同一桥臂，在实现各相独立工作的同时，极大地减少了器件的使用，但其仅仅能够用于四相及以上的具有偶数相的开关磁阻电机，不能用于奇数相开关磁阻电机。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述方案中的一个或多个问题，而提供了能够实现各相相互独立工作、且结构简单的一种实现快速励磁和退磁的开关磁阻电机用五电平功率变换器。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

3、一种实现快速励磁和退磁的开关磁阻电机用五电平功率变换器，包括电源模块、左桥臂、右桥臂、横向二极管模块以及各相绕组；

4、电源模块由第一电源模块与第二电源模块串联组成；

5、左桥臂由第一每相开关管模块、第二每相二极管模块组成；

6、右桥臂由第一每相二极管模块、第二每相开关管模块组成；

7、第一电源模块的输出分别与第一每相开关管模块、第一每相二极管模块的输入连接，第一每相开关管模块的输出与第二每相二极管模块的输入连接，第一每相二极管模块的输出与第二每相开关管模块连接；

8、第二电源模块的输入分别与第二每相二极管模块、第二每相开关管模块的输出连接，第二电源模块的输出与横向二极管模块的输入连接，横向二极管模块的输出与第二每相开关管模块内部的公共连接点连接；

9、各相绕组两端分别与第一每相开关管模块的输出、第一每相二极管模块和第二每相开关管模块的公共连接点连接。

10、进一步的，第一每相开关管模块的集电极与第一电源模块的正极连接，发射极与第二每相二极管模块的阴极连接，第二每相二极管模块的阳极与第二电源模块的负极连接。

11、进一步的，第二每相开关管模块包括第二每相第一开关管、第二每相第二开关管，第二每相第一开关管的发射极与第二每相第二开关管的集电极连接，集电极与第一每相二极管模块的阳极连接，第二每相第二开关管的发射极与第二电源模块的负极连接。

12、进一步的，第二每相开关管模块内部的公共连接点具体为：第二每相第一开关管的发射极与第二每相第二开关管的集电极的连接点；横向二极管模块的阳极与公共连接点连接，阴极与第二电源模块的正极连接。

13、进一步的，第一每相二极管模块和第二每相开关管模块的公共连接点具体为：第一每相二极管模块的阳极与第二每相第一开关管的集电极的连接点；第一每相二极管模块的阴极与第一电源模块的正极连接。

14、本发明的优点是：

15、本发明在传统不对称半桥功率变换器基础上，通过在每相增加一个开关管和一个二极管，使每相可以输出五个不同电压状态。并通过对每相三个开关管的导通与关断组合的控制，实现五个电平的切换，在提高电机控制的灵活性的同时，也可以加快绕组的励磁和退磁速度，来有效降低转矩脉动，提高系统效率，并进一步扩展调速范围。相较于已经提出的多电平功率变换电路结构，该结构在保证每相输出五电平的同时，还减少了开关管和二极管的使用数量，从而降低了开关损耗和功率变换器的制造成本、尺寸和重量，同时因为各相没有共用任何器件，不存在相间制约，从而能够实现各相的独立运行。另外，通过桥臂和横向二极管的扩展，其可适用于任意相数的电机，是一种更加普遍适用的结构。