專利名稱：三相場(chǎng)控橋式逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與電力變流技術(shù)和交流電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)有關(guān)。
在一些直流供電的場(chǎng)合，如各種電動(dòng)車輛，火車、汽車電扇等，都普遍采用直流電機(jī)傳動(dòng)來(lái)滿足，使用50周單相交流電的各種高速電動(dòng)工具和設(shè)備，以及飛機(jī)和船舶的導(dǎo)航設(shè)備所用的400周、500周變流機(jī)，也都使用有換向器和電刷的直流電機(jī)來(lái)拖動(dòng)。直流電機(jī)的換向器和電刷須經(jīng)常維護(hù)，故障率高?，F(xiàn)有技術(shù)中的單相逆變器和單相交流電動(dòng)機(jī)效率低，特別是小功率單相電動(dòng)機(jī)，效率和功率因數(shù)都比三相交流電機(jī)低得多，且體積、重量均較大。三相交流電機(jī)的體積、重量比直流電機(jī)和單相交流電機(jī)都小，可靠性高，維護(hù)工作量很小。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的三相逆變電源，除體積、重量大外，主電路結(jié)構(gòu)和控制電路都很復(fù)雜，如三相晶閘管(SCR)逆變器，主電路需要一批大功率電容和電感組成關(guān)斷六個(gè)晶閘管的補(bǔ)助電路來(lái)強(qiáng)迫關(guān)斷晶閘管。而在強(qiáng)迫關(guān)斷過(guò)程中的損耗大，使逆變器噪聲高，效率低，發(fā)熱嚴(yán)重，過(guò)載能力很低，而價(jià)格卻十分昂貴。特別是用電池供電的小功率場(chǎng)合，問(wèn)題更加突出。
本發(fā)明的目的在于，提供一種電路簡(jiǎn)單可靠，比現(xiàn)有三相逆變器系統(tǒng)逆變效率高，且成本低廉的微型化三相逆變器。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)成見(jiàn)

圖1，圖1為三相場(chǎng)控橋式逆變器的主回路電路以及六個(gè)場(chǎng)控功率開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)電路。由電池組E1、E2、E3，P溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管(1)、(3)、(5)，N溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管(2)、(4)、(6)，NPN三極管G1至G6，以及六個(gè)1K左右的電阻構(gòu)成。當(dāng)需要三相場(chǎng)控橋式逆變器輸出的脈沖電壓很高(500伏以上)或功率較大(5KW以上)時(shí)，需將六個(gè)場(chǎng)控功率開(kāi)關(guān)MOSFET(1)至(6)，用SIT、SITH場(chǎng)控功率開(kāi)關(guān)器件代替。六個(gè)NPN三極管在這里是作為向場(chǎng)控功率開(kāi)關(guān)器件施加電場(chǎng)的開(kāi)關(guān)。六個(gè)三極管的基極K1至K6與六相環(huán)形脈沖分配器的六個(gè)輸出端相接，使用六相六拍環(huán)形脈沖分配器時(shí)，向六個(gè)三極管G1至G6提供120°電角度的正向方波脈沖信號(hào)，按時(shí)序(G1)、(G2)→(G2)、(G3)→(G3)、(G4)→(G4)、(G5)→(G5)、(G6)→(G6)、(G1)，使其每隔60°電角度就有一個(gè)三極管導(dǎo)通和另一個(gè)三極管截止。使用六相十二拍環(huán)分配器時(shí)，向六個(gè)三極管(G1至G6)提供150°電角度的正向方波脈沖信號(hào)，按時(shí)序(G1)、(G2)→(G1)、(G2)、(G3)→(G2)、(G3)→……→(G6)、(G1)→(G6)、(G1)、(G2)的順序，每隔30°電角度，有一個(gè)三極管導(dǎo)通或一個(gè)三極管截止。六相環(huán)形脈沖信號(hào)分配器可用各種步進(jìn)電機(jī)用的環(huán)形分配器集成塊，也可用各種門(mén)電路組成分立式環(huán)形分配器。當(dāng)然，采用單片機(jī)控制時(shí)，就不再需要環(huán)形分配器了。
當(dāng)這種三相場(chǎng)控橋式逆變器和三相永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)配套使用時(shí)，須將六個(gè)作信號(hào)開(kāi)關(guān)用的NPN三極管G1至G6，改用六個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)集成塊。市場(chǎng)上出售的各種霍爾開(kāi)關(guān)集成電路，體積都很小，一般只有0.05-0.08CM3，所以容易膠接在三相永磁電機(jī)定子鐵芯的一端接近轉(zhuǎn)子磁極的部位，或設(shè)置在能感受永磁轉(zhuǎn)子極性，檢測(cè)出轉(zhuǎn)子磁極角度的位置上。
場(chǎng)控功率開(kāi)關(guān)器件(1)、(3)、(5)，受(接通到三個(gè)柵極上的)霍爾開(kāi)關(guān)集成塊輸出端低電平的導(dǎo)通控制，(2)、(4)、(6)受(接通到三個(gè)柵極上的)霍爾開(kāi)關(guān)集成塊高電平導(dǎo)通控制，這時(shí)需將1K電阻R2、R4、R6串聯(lián)到柵極與正11伏的信號(hào)電源之間。
三相場(chǎng)控開(kāi)關(guān)橋上半橋，是由三個(gè)P溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管(1)、(3)、(5)構(gòu)成的共源極開(kāi)關(guān)電路，源極接直流正極。下半橋由三個(gè)N溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管(2)、(4)、(6)構(gòu)成的共源極開(kāi)關(guān)電路，源極接直流負(fù)極。通過(guò)六相環(huán)形分配器的邏輯信號(hào)，或單片機(jī)輸出的六相邏輯信號(hào)以及上半橋每個(gè)場(chǎng)控開(kāi)關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)電路，分別控制與A、B、C三相繞組相接的(1)、(3)、(5)管的漏極，向三相電機(jī)繞組(或三相變壓器繞組)提供120°或150°電角度的正向方波電壓脈沖(7)，再通過(guò)下半橋每個(gè)場(chǎng)控功率開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)電路，分別控制與A、B、C三相繞組相接的(2)、(4)、(6)管的漏極，向三相繞組提供(比每相正電壓脈沖滯后180°電角度的)120°或150°電角度的反向方波電壓脈沖(8)。
由于三相電動(dòng)機(jī)(或三相變壓器)繞組的感性特性，以及功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管反向?qū)ㄌ匦缘拇嬖?，致使流過(guò)三相繞組的電流波形成為圖2(9)的這種近似正弦波的波形，加上電機(jī)三相繞組合成磁場(chǎng)與鼠籠轉(zhuǎn)子電感的平波作用，電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是接近均速的。使用這種電源的電機(jī)，比使用三相50周交流市電的效率還高，經(jīng)過(guò)用同一個(gè)鼠籠電動(dòng)機(jī)的測(cè)試，證明了這一點(diǎn)，這是由于50周工頻電路中，有整流器和鐵芯電抗器等非繞性元件，使電流波形產(chǎn)生較大畸變所造成。
功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管，是一種多數(shù)載流子場(chǎng)控器件，它又具有反向?qū)ㄌ匦裕@相當(dāng)于一個(gè)PN結(jié)二極管，而且在反向?qū)〞r(shí)，具有比一般PN結(jié)二極管低幾倍的通態(tài)電阻，因此，有低的壓降損耗和快速恢復(fù)整流器的作用。
在三相繞組中，每相電流的0°-90°波形曲繞由電機(jī)繞組建立磁場(chǎng)的電抗造成，90°-180波形曲線由每相繞組的去磁電勢(shì)通過(guò)橋臂的另一個(gè)(正向未開(kāi)通的)場(chǎng)控功率開(kāi)關(guān)的反向續(xù)流造成，續(xù)流將0°-60°處三角形面積(10)的能量，轉(zhuǎn)移到120°-180°處的三角形面積(11)上。由于開(kāi)關(guān)橋能通過(guò)同臂的另一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的反向自然導(dǎo)通，來(lái)完成被關(guān)斷一相的續(xù)流，定子繞組不能產(chǎn)生使關(guān)斷器件被擊穿的去磁尖峰電壓。因此，開(kāi)關(guān)橋中的每個(gè)功率開(kāi)關(guān)就不需再設(shè)置續(xù)流二極管和保護(hù)電容了。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是一、采用反向能導(dǎo)通，且通態(tài)電阻比普通二極管小好幾倍的場(chǎng)控功率開(kāi)關(guān)器件，作逆變器主電路功率開(kāi)關(guān)，能減少電壓損耗，提高逆變效率。
二、采用反向能導(dǎo)通的場(chǎng)控功率器件，作主電路功率開(kāi)關(guān)，能成倍的減少主電路功率器件的數(shù)量，從而使逆變器可靠性提高、成本降低，同時(shí)也使逆變器小型化。
三、采用場(chǎng)控多數(shù)載流子功率器件，能使逆變器的開(kāi)關(guān)頻率比雙極晶體管或可關(guān)斷晶閘管組成的遞變器，開(kāi)關(guān)頻率高十倍以上，因此，能大幅度提高多極數(shù)的，大轉(zhuǎn)矩三相交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和效率，能使各種機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備輕量化和微型化。
四、相同功率和相同質(zhì)量的VMOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，價(jià)格只有可關(guān)斷晶閘管(GTO)的三分之一左右，如果使用CD和TR系列大功率組合場(chǎng)效應(yīng)集成電路，或MOSFET復(fù)合管系列功率器件時(shí)，其價(jià)格只有GTO的十分之一，能進(jìn)一步使三相場(chǎng)控遞變器成本下降。因?yàn)檎袷幤骱铜h(huán)形分配器的體積和重量對(duì)整個(gè)遞變器來(lái)說(shuō)，是可以忽略不計(jì)的，當(dāng)采用大功率組合場(chǎng)效應(yīng)集成電路時(shí)，遞變器的體積還可進(jìn)一步減小。
五、這種場(chǎng)控三相橋式遞變器，可以變速驅(qū)動(dòng)一個(gè)，或多個(gè)三相鼠籠電動(dòng)機(jī)，也能直接驅(qū)動(dòng)不同轉(zhuǎn)速的永磁轉(zhuǎn)子高效率電動(dòng)機(jī)。
六、由于VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品價(jià)格低廉，沒(méi)有二次擊穿問(wèn)題，又容易多只并聯(lián)，因此，可將功率開(kāi)關(guān)大幅度降額使用，以保證逆變器的高效率(達(dá)97%)和高的過(guò)載能力(15倍)，以及高可靠性。
附圖1是，三相場(chǎng)控橋式遞變器主電路與功率開(kāi)關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)電路圖。圖中，(1)、(3)、(5)為P溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管，或場(chǎng)控晶閘管SIT，(2)、(4)、(6)為N溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管，或場(chǎng)控晶閘管SIT，G1、G2、G3、G4、G5、G6為NPN三極管，R1、R2、R3、R4、R5、R6為1K電阻，E1、E2、E3為電池組，K1、K2、K3、K4、K5、K6，分別與六相環(huán)形信號(hào)分配器，或單片機(jī)的六個(gè)邏輯信號(hào)輸出端相接，A、B、C接三相電動(dòng)機(jī)星形繞組的首端。
附圖2是，三相場(chǎng)控橋式逆變器主電路輸出的A、B、C三相方波電壓波形圖，與經(jīng)過(guò)三相變壓器繞組電感續(xù)流后，形成近似正弦波的電流波形圖。圖中，(7)和(8)是A、B、C三相輸出的電壓波形，(9)是電流波形，(10)和(11)是由變壓器繞組電感造成電流滯后電壓的三角形區(qū)域。
下面是本遞變器最佳實(shí)施方案;
用一只由三個(gè)P溝道和三個(gè)N溝道組成的大功率組合場(chǎng)效應(yīng)集成電路TRFT001或TRFT002，按圖1中的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)電路，配上六個(gè)1K電阻和六個(gè)NPN三極管，組成功率場(chǎng)效應(yīng)集成電路中的三個(gè)N溝道功率開(kāi)關(guān)和三個(gè)P溝道功率開(kāi)關(guān)的六個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，再將六個(gè)NPN三極管的基極K1至K6與一只輸出六相十二拍方波脈沖信號(hào)的8位單片機(jī)六個(gè)輸出端相連接。G1、G3、G5的集電極與三個(gè)P溝道功率開(kāi)關(guān)(1)、(3)、(5)的柵極連接，G2、G4、G6的發(fā)射極與三個(gè)N溝道功率開(kāi)關(guān)(2)、(4)、(6)的柵極連接。六個(gè)NPN三極管由單片機(jī)輸出的方波脈沖控制，使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。逆變器的直流側(cè)，可同蓄電池相聯(lián)接，也可同三相或單相整流器聯(lián)接。交流側(cè)，可直接同三相交流電機(jī)聯(lián)接，也可同三相變壓器聯(lián)接。
由于組成這種三相場(chǎng)控逆變器的元器件數(shù)量很少，其焊點(diǎn)的總數(shù)也大大減小，從而有效的提高了可靠性。
權(quán)利要求
1.一種三相場(chǎng)控橋式逆變器，由邏輯觸發(fā)電路、功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)橋、散熱器與殼體組成，本發(fā)明的特征在于，三相場(chǎng)控開(kāi)關(guān)橋由三個(gè)P溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管(1)、(3)、(5)，組成接直流正極的共源極開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)(1)、(3)、(5)管的漏極，分別向三相繞組提供120°或150°電角度的正向方波電壓脈沖，再由三個(gè)N溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管(2)、(4)、(6)組成接直流負(fù)極的共源極開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)(2)、(4)、(6)三管的漏極，分別向三相繞組提供比正脈沖滯后180°的反向120°或150°電角度的方波電壓脈沖，并有一個(gè)六相六拍或六相十二拍的控制器。
2.按權(quán)利要求1規(guī)定的逆變器，其特征在于，三相場(chǎng)控開(kāi)關(guān)橋中的六個(gè)場(chǎng)控功率開(kāi)關(guān)(1)至(6)采用SIT、SITH場(chǎng)控功率開(kāi)關(guān)器件。
3.按權(quán)利要求1或2規(guī)定的逆變器，其特征在于三相場(chǎng)控開(kāi)關(guān)橋向三相電機(jī)或三相變壓器繞組提供150°電角度的方波正負(fù)電壓脈沖，是由一個(gè)六相十二拍環(huán)形分配器，或由一個(gè)輸出六相十二拍脈沖信號(hào)的單片機(jī)控制。
4.按權(quán)利要求1或2規(guī)定的逆變器，其特征在于，由一個(gè)輸出六相六拍方波脈沖信號(hào)的單片機(jī)，或一個(gè)六相六拍環(huán)形脈沖信號(hào)分配器，對(duì)三相場(chǎng)控開(kāi)關(guān)橋中的六個(gè)場(chǎng)控功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。
5.按權(quán)利要求1規(guī)定的逆變器，其特征在于，上半橋(1)、(3)、(5)三個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，由比逆變器直流電源正極柢11±3伏，最好是11伏的電壓驅(qū)動(dòng)，下半橋(2)、(4)、(6)三管的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，由比逆變器電源負(fù)極高11±3伏，最好是11伏的電壓驅(qū)動(dòng)。
6.按權(quán)利要求1或2規(guī)定的逆變器，其特征在于，三相場(chǎng)控開(kāi)關(guān)橋中的六個(gè)場(chǎng)控功率開(kāi)關(guān)(1)至(6)，由六個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)電路輸出的方波脈沖電壓信號(hào)控制。
7.按權(quán)利要求1規(guī)定的逆變器，其特征在于，三個(gè)N溝道和三個(gè)P溝道的柵極驅(qū)動(dòng)，全是通過(guò)1K左右的電阻和一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，或一個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)電路來(lái)完成。
全文摘要
本發(fā)明是一種高效率的簡(jiǎn)易三相逆變電源，主電路只用六只功率開(kāi)關(guān)器件，或只用一塊大功率組合集成電路，控制電路使用較簡(jiǎn)單的環(huán)形分配器。這種逆變器能輸出高達(dá)幾百千周的頻率，可用于驅(qū)動(dòng)各種轉(zhuǎn)速、特別是高速三相異步電動(dòng)機(jī)。
文檔編號(hào)H02M7/5387GK1056965SQ90104089
公開(kāi)日1991年12月11日 申請(qǐng)日期1990年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月31日
發(fā)明者江允良 申請(qǐng)人:江允良