基于智能功率模块开关磁阻电机功率电路的研究

基于智能功率模块开关磁阻电机

功率电路的研究

孙鹤旭,张炜,董砚,郑易

(河北工业大学电气与自动化学院,天津300130)

摘要:为了改善开关磁阻电机功率电路的工作性能,降低功率电路的复杂程度,介绍了一种基于智能功率模块的新型开关磁阻电机功率电路。研究了飞兆(FA IRCHILD )公司生产的智能功率模块FCAS50SN60的工作原理并设计了其特有的驱动电路、自举电路和保护电路。相关实验在一台0.75kW 的开关磁阻电机上实现,实验结果证明此电路是一种切实可行的开关磁阻电机功率电路。

关键词:开关磁阻电动机;智能功率模块;功率电路;自举充电中图分类号:TM352 文献标识码:A

Pow er Circuit of SRM R esearch B ased on SPM

SUN He 2xu ,ZHAN G Wei ,DON G Yan ,ZH EN G Y i

(A utomation Institute ,Hebei University of T echnology ,Tianjin 300130,China )

Abstract :To improve the performance of power circuit of SRM and reduce the complexity of power circuit ,a new power circuit of SRM based on SPM was introduced.Researched the SPM of Fairchild ′s FCAS50SN60and its working principle.Designed exclusive drive circuit and bootstrap charge circuit of SPM.Experiment was achieved on a 0.75kW SRM.The result of experiment proves that the circuit based on SPM is feasible.

K ey w ords :switched reluctance motor (SRM );smart power module (SPM );power circuit ;bootstrap charge circuit

基金项目:863先进制造技术重点项目(2006AA01030);河北省自然科学基金项目(E2007000084) 作者简介:孙鹤旭(1956-),男,教授,Email :hxsun @

1　引言

开关磁阻电机(SRM )发展的几十年中,功率变换电路的研究一直是热点和难点。合理设计功率变换电路,是保证开关磁阻电机调速系统具有较高的效率、可靠的工作稳定性和良好的性价比的关键。在功率变换电路的设计中,力求尽量采用较少的开关器件,以减少系统制造成本,且要求具有良好的可控性和可保护性。本系统采用FA IRC HILD 公司生产的智能功率模块FCAS50SN60构成的功率变换电路是集成度高、性能好、控制灵活的一种方案。

2　功率电路概述

开关磁阻电机调速(switched reluctance drive )系统简称SRD ,是由双凸极开关磁阻电动

机(SRM )、功率变换器、控制器以及检测装置等

组成的调速系统。传统8/6极开关磁阻电机大都采用如图1所示的功率变换电路。由于传统的功率变换器工作频率不高,硬件保护电路复杂从而给设计工作带来了较高的难度。由各种分立原件组成的电路集成度不高,体积庞大,也是突出的缺点。所以本文以FA IRC HILD 公司生产的智能功率模块FCAS50SN60为核心设计开关磁阻电动机功率变换电路

。

图1　常用的功率变换电路框图

Fig.1　Frame of common power circuit

7

7EL ECTRIC DRIV E 2009　Vol.39　No.1电气传动　2009年　第39卷　第1期

3　功率电路设计

3.1　功率电路基本结构

飞兆(FAIRCHILD )公司生产的FCAS50SN60是专门为开关磁阻电机设计的一款智能功率模块。新型智能功率模块将高压IC (HV IC )和低压IC (L V IC )、IG B T 、快速恢复二极管和电热调节器集成在超紧凑(44mm ×26.8mm )的Mini DIP 封装中。封装采用“铜直接合”

(DBC )技术,能显著提高热性能。与一般分立解决方案相比,可减

小功率线路空间多达40%,可以将控制器并入SRM 组件中。FCAS50SN60具有内置HV IC ,提供无光耦、单电源IG B T 栅极驱动等特点,可进一步减小系统总体尺寸,并同时增强其可靠性。而且FCAS50SN60还集成欠电压锁定(UVLO )、短路(SC )保护和热保护等功能,保证其实现出色的可靠性。FCAS50SN60的优化转换速度可满足电磁干扰要求。FCAS50SN60模块额定电流为50A ,额定电压600V ,完全可以满足系统的要求。功率转换电路的基本结构如图2所示

。

图2　功率转换电路的基本结构

Fig.2　Basic structure of power circuit

功率转换电路的拓扑结构采用传统的两相绕组通电结构,主要由两块SPM 组成。其中IG 2B T 1和D 1组成SPM 1的上侧,IG B T 2和D 2组成SPM 1的下侧。同理在SPM 2中IG B T 3,D 3组成

上侧,IG B T 4,D 4组成下侧,4个IG B T 分别连接

A ,

B ,

C ,

D 4相绕组。图2中N 为中性点,R 1,R 2

是电流短路检测电阻。SPM 的驱动控制信号由DSP 内含的全比较单元相对应的PWM 1～PWM 4经过CPLD 处理后产生。3.2　SPM 驱动电路的设计

SPM 驱动电路的设计如图3所示。控制电

路输出PWM 信号经R 1限流,经高速光耦隔离并放大后接PN P 三极管的基极,由于IG B T 是高电平触发,所以须经反相后输出SPM 内部驱动电路。其中每个光电开关管控制电源均采用独立的+5V 电源供电,且接0.1μF 的去耦电容。控制信号经过CPLD 的处理生成幅值相同,极性相反的两路PWM 信号,这样可以更加有效地保证导通和关断。本系统PWM 频率为5k Hz ,本文选取高速光耦SF H6156,其开关频率达250k Hz ,可以满足系统要求。R 1的选取应该考虑使光耦饱和导通,但又不能使光耦烧坏,根据光耦的最大前向电流值,并且考虑一定的余量,R 1取200Ω。PN P 管采用S9012快速恢复三极管,其开关频率

达30M Hz ,满足系统要求。R 2的选取不能太小,否则PN P 管基极电流过大,但也不能过大而使基极电位过低,不能饱和导通。考虑上述因素,R 2取1k Ω。R 3,R 4和C 1组成的延时电路是为了避免高速的开关信号对SPM 内部电路的冲击而设计的,要求延时在3～4μs 。IN 为输入SPM 的驱动信号

。

图3　SPM 驱动电路

Fig.3　Driver circuit of SPM

3.3　SPM 自举电路的设计

FCAS50SN60内部的IG B T 是电压驱动型

器件,必须加入自举充电电路,如图4所示。充电

回路包括电阻、快速二极管D bs 、电解电容C bs 和反馈电阻R E (h )。其中,R E (h )的大小关系到IG B T 的开关特性,其值不宜过大,否则开关损耗将会增大,而且充电的时间将会延长,影响工作特性,本文选取R E (h )=10Ω。自举电阻R bs 的选取要考虑两方面:从防止过大的瞬间充电电流方面考虑

,

图4　SPM 自举充电电路

Fig.4　Boot strap charge circuit of SPM

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7电气传动　2009年　第39卷　第1期孙鹤旭,等:基于智能功率模块开关磁阻电机功率电路的研究