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一种采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置

阅读：29发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置，涉及电力电子技术领域，技术方案包括由依次连接的三相电网、LCL 滤波器、整流器、直流母线、逆变器、 LC滤波器、长线电缆及永磁同步电动机；整流器和逆变器采用开关速度快且损耗小的SiC MOSFET作为功率开关器件。本发明的有益效果为：采用开关速度快、开关损耗低、导通电阻小、工作温度高的SiC MOSFET作为功率开关器件，能将驱动装置的开关频率提高到50kHz以上，从而减小所用LCL和LC滤波器的重量和体积、增加系统控制精度、提高驱动装置的效率、提升驱动装置的工作温度、简化冷却环节。，下面是一种采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置，其特征在于：依次连接
的三相电网、LCL滤波器、整流器、直流母线、逆变器、LC滤波器、长线电缆及永磁同步电动机；
本驱动装置的控制回路包括：与所述永磁同步电动机同轴连接的增量式光电编码器；
所述逆变器的输出端与LC滤波电路的电容端分别设置电流采样模块，所述增量式光电编码
器的输出端连接PI调节器一(1)，调节器一(1)的输出端与所述逆变器电流采样模块的输出
端连接PI调节器二(2)的输入端；所述逆变器电流采样模块的输出端还连接PI调节器三(3)
的输入端，所述PI调节器二(2)、PI调节器三(3)的输出端均与电压空间矢量脉宽调制模块
连接，所述电压空间矢量脉宽调制模块连接所述逆变器。
2.根据权利要求1所述的采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置，其特
征在于，所述LCL滤波器包含网侧三相滤波电感Lga、Lgb、Lgc，整流器侧三相滤波电感Lra、Lrb、Lrc，三相滤波电容Cga、Cgb、Cgc；
所述LC滤波器包含三相滤波电感Lia、Lib、Lic和三相滤波电容Cia、Cib、Cic；直流母线电容Cdc用于稳定DC-link的直流母线电压Vdc。
3.根据权利要求1所述的采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置，其特
征在于，所述整流器和逆变器中的功率开关器件采用SiC MOSFET。
4.根据权利要求1所述的采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置，其特
征在于，所述LC滤波器由三相滤波电感Lia、Lib、Lic和三相滤波电容Cia、Cib、Cic组成。
5.根据权利要求1所述的采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置，其特
征在于，所述电流采样模块为电流采样电路或者电流传感器。
6.根据权利要求1所述的采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置，其特
征在于，基于本装置的一种永磁同步电机控制方法：
在转速外环中，转速给定值nref与所述量式光电编码器获得的永磁同步电动机转速n比
较，通过所述PI调节器一(1)输出q轴给定参考电流iq_ref；
在电流内环中，检测abc 坐标系下的逆变器输出三相电流ia、ib、ic，经过CLARK变换得到
αβ坐标系的逆变器输出电流iα、iβ；
αβ坐标系的逆变器输出电流iα、iβ和永磁同步电动机的转子位置电角度θe经过PARK变换得到dq坐标系的逆变器输出电流id、iq；
在d轴的电流调节环中，将d轴给定参考电流id_ref设定为零，从而可以使转矩与q轴电流
iq成正比关系，方便控制。id_ref与反馈的电流id比较通过PI调节器三(3)获得电压ud；在q轴电流调节环中，q轴给定参考电流iq_ref来自于转速外环的输出；iq_ref与反馈的电流iq比较通过PI调节器二(2)获得电压uq。ud、uq和永磁同步电动机的转子位置电角度θe经过反PARK变换得到vα、vβ。
检测LC滤波器的三相电容电流ica、icb、icc，经过CLARK变换得到αβ坐标系下LC滤波器的电容电流icα、icβ，icα、icβ经过电容电流反馈系数Kci获得电压vcα、vcβ；将vcα、vcβ叠加到αβ坐标系电流内环PI调节器输出的电压vα、vβ，获得电压空间矢量调制SVPWM的调制电压uα、uβ，经过调制获得驱动信号，最终驱动逆变器Inverter的六个功率开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。
7.根据权利要求6所述的采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置，其特
征在于，所述CLARK变换的计算公式为：
所述PARK变换的计算公式为：
所述反PARK变换的计算公式为：
8.基于SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置的一种永磁同步电机控制方
法，其特征在于，在转速外环中，转速给定值nref与所述量式光电编码器获得的永磁同步电动机转速n比较，通过所述PI调节器一(1)输出q轴给定参考电流iq_ref；
在电流内环中，检测abc坐标系下的逆变器输出三相电流ia、ib、ic，经过CLARK变换得到
αβ坐标系的逆变器输出电流iα、iβ；
αβ坐标系的逆变器输出电流iα、iβ和永磁同步电动机的转子位置电角度θe经过PARK变换得到dq坐标系的逆变器输出电流id、iq；
在d轴的电流调节环中，将d轴给定参考电流id_ref设定为零，从而可以使转矩与q轴电流
iq成正比关系，方便控制。id_ref与反馈的电流id比较通过PI调节器三3获得电压ud；在q轴电流调节环中，q轴给定参考电流iq_ref来自于转速外环的输出；iq_ref与反馈的电流iq比较通过PI调节器二2获得电压uq。ud、uq和永磁同步电动机的转子位置电角度θe经过反PARK变换得到vα、vβ。
检测LC滤波器的三相电容电流ica、icb、icc，经过CLARK变换得到αβ坐标系下LC滤波器的电容电流icα、icβ，icα、icβ经过电容电流反馈系数Kci获得电压vcα、vcβ；将vcα、vcβ叠加到αβ坐标系电流内环PI调节器输出的电压vα、vβ，获得电压空间矢量调制SVPWM的调制电压uα、uβ，经过调制获得驱动信号，最终驱动逆变器Inverter的六个功率开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。
9.根据权利要求8所述的采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置，其特
征在于，所述CLARK变换的计算公式为：
所述PARK变换的计算公式为：
所述反PARK变换的计算公式为：

说明书全文

一种采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子技术领域，具体地，涉及一种采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置

背景技术

[0002] 永磁同步电动机在稳定运行时没有转子损耗，运行过程中无需较大的励磁电流分量，其效率和功率密度都要高于同容量的异步电动机。近年来，随着电子技术、电机控制理论和永磁材料的发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。

[0003] 但现有的永磁同步电动机驱动装置采用的功半导体开关器件是硅(Si)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，开关和导通损耗较大，限制了驱动装置的效率提升。为了降低器件损耗，IGBT的开关频率一般被设定在20kHz以下。较低的开关频率使驱动系统控制精度有限，还会导致输入和输出电流波形质量降低，在输入侧成为电网的污染源，在输出侧则使永磁同步电动机转矩发生脉冲、影响其正常运行。

[0004] 此外，现有的永磁同步电动机驱动装置只在整流器侧采用输入滤波器，逆变器侧直接连接永磁同步电动机。逆变器侧的高频电压脉冲信号直接作用在永磁同步电动机上，会造成绝缘加速老化、电磁噪声增加等问题，降低了永磁同步电动机的使用寿命。并且，在实际应用中，驱动装置和永磁同步电动机的距离一般较远，需要长线电缆进行连接。长线电缆存在分布电感和分布电容，会对高频电压产生行波反射现象，导致电机过电压，长期运行会降低永磁同步电动机的使用寿命。

[0005] 为此，本发明针对上述技术问题，提出一种采用碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的双边滤波永磁同步电动机驱动装置，用于提升驱动装置输入和输出电流质量、增加控制精度、提高系统效率、减缓电机绝缘老化、提升永磁同步电动机寿命。

发明内容

[0006] 为了实现上述发明目的，本发明提供一种采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置。

[0007] 一种采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置，包括依次连接的三相电网Grid、LCL滤波器、整流器Rectifier、直流母线DC-link、逆变器Inverter、LC滤波器、长线电缆LW及永磁同步电动机PMSM；

[0008] 本驱动装置的控制回路包括：与所述永磁同步电动机PMSM同轴连接的增量式光电编码器EC，增量式光电编码器EC同时获得永磁同步电动机的转子位置电角度θe和转速n，用于永磁同步电动机的矢量控制；

[0009] 所述逆变器Inverter的输出端与LC滤波电路的电容端分别设置电流采样模块，所述增量式光电编码器EC的输出端连接PI调节器一1，调节器一1的输出端与所述逆变器Inverter电流采样模块的输出端连接PI调节器二2的输入端；所述逆变器Inverter电流采样模块的输出端还连接PI调节器三3的输入端，所述PI调节器二2、PI调节器三3的输出端均与电压空间矢量脉宽调制模块SVPWM连接，所述微SVPWM模块连接所述逆变器Inverter。电压空间矢量脉宽调制模块选用可实现电压空间矢量脉宽调制SVPWM的控制器。

[0010] 优选为，所述LCL滤波器包含网侧三相滤波电感Lga、Lgb、Lgc，整流器侧三相滤波电感Lra、Lrb、Lrc，三相滤波电容Cga、Cgb、Cgc，用于滤除从电网流入整流器Rectifier的开关频率次高频电流；

[0011] 所述LC滤波器包含三相滤波电感Lia、Lib、Lic和三相滤波电容Cia、Cib、Cic，用于滤除逆变器Inverter输出的高频谐波电流，缓冲高频电压，从而减轻永磁同步电动机的电磁转矩脉动、抑制电磁噪声、减缓绝缘老化。并且，可以抑制高频电压在长线电缆LW上产生的行波反射现象，防止永磁同步电动机PMSM发生过电压；直流母线电容Cdc用于稳定DC-link的直流母线电压Vdc。

[0012] 优选为，所述整流器Rectifier和逆变器Inverter中的功率开关器件S1、S2、S3、S4、S5，S6、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6采用SiC MOSFET。相对于Si IGBT，SiC MOSFET的开关速度更快、开关损耗和导通电阻更低、工作温度更高。采用SiC MOSFET能将开关频率提高到50kHz以上，从而减小所用LCL和LC滤波器的重量和体积、增加系统控制精度、提高驱动装置的效率和工作温度、简化冷却环节。

[0013] 优选为，虽然在逆变器Inverter和永磁同步电动机PMSM之间添加LC滤波器可以滤除高频谐波电流、缓冲高频电压，但由于永磁同步电动机存在漏感，LC滤波器和漏感一起可以构成与LCL滤波器类似的结构，所述LC滤波器由三相滤波电感Lia、Lib、Lic和三相滤波电容Cia、Cib、Cic组成，以及永磁同步电动机漏感之间会产生谐振问题。本发明通过检测LC滤波器的三相电容电流ica、icb、icc，反馈到永磁同步电动机的控制环路中，以抑制LC滤波器与永磁同步电动机漏感之间的谐振问题。

[0014] 优选为，所述电流采样模块为电流采样电路或者电流传感器。

[0015] 优选为，基于本装置的一种永磁同步电机控制方法：

[0016] 在转速外环中，转速给定值nref与所述量式光电编码器EC获得的永磁同步电动机转速n比较，通过所述PI调节器一1输出q轴给定参考电流iq_ref；

[0017] 在电流内环中，检测abc 坐标系下的逆变器输出三相电流ia、ib、ic，经过CLARK变换得到αβ坐标系的逆变器输出电流iα、iβ；

[0018] αβ坐标系的逆变器输出电流iα、iβ和永磁同步电动机的转子位置电角度θe经过PARK变换得到dq坐标系的逆变器输出电流id、iq；

[0019] 在d轴的电流调节环中，将d轴给定参考电流id_ref设定为零，从而可以使转矩与q轴电流iq成正比关系，方便控制。id_ref与反馈的电流id比较通过PI调节器三3获得电压ud；在q轴电流调节环中，q轴给定参考电流iq_ref来自于转速外环的输出；iq_ref与反馈的电流iq比较通过PI调节器二2获得电压uq。ud、uq和永磁同步电动机的转子位置电角度θe经过反PARK变换得到vα、vβ。

[0020] 为抑制LC滤波器与永磁同步电动机漏感之间的谐振问题，检测LC滤波器的三相电容电流ica、icb、icc，经过CLARK变换得到αβ坐标系下LC滤波器的电容电流icα、icβ，icα、icβ经过电容电流反馈系数Kci获得电压vcα、vcβ；将vcα、vcβ叠加到αβ坐标系电流内环PI调节器输出的电压vα、vβ，获得电压空间矢量调制SVPWM的调制电压uα、uβ，经过调制获得驱动信号，最终驱动逆变器Inverter的六个功率开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。

[0021] 通过所述电压空间矢量脉宽调制SVPWM对所述逆变器的SiC MOSFET功率开关器件进行开通和关断的控制。

[0022] 整流器Rectifier可以采用现有的控制方法，不再赘述。

[0023] 优选为，所述CLARK变换的计算公式为：

[0024]

[0025] 所述PARK变换的计算公式为：

[0026]

[0027] 所述反PARK变换的计算公式为：

[0028]

[0029] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

[0030] (1)采用开关速度快、开关损耗低、导通电阻小、工作温度高的SiC MOSFET作为功率开关器件，能将驱动装置的开关频率提高到50kHz以上，从而减小所用LCL和LC滤波器的重量和体积、增加系统控制精度、提高驱动装置的效率、提升驱动装置的工作温度、简化冷却环节。

[0031] (2)采用整流器侧和逆变器侧双边滤波的方案。在整流器侧采用LCL滤波器，用于滤除从电网流入整流器的开关频率次高频电流。在逆变器侧采用LC滤波器，用于滤除逆变器输出的高频电流、缓冲高频电压，从而减轻永磁同步电动机的电磁转矩脉动、抑制电磁噪声、减缓绝缘老化。并且，可以抑制高频电压在长线电缆上产生的行波反射现象，防止永磁同步电动机发生过电压。

[0032] (3)通过检测LC滤波器的三相电容电流，反馈到永磁同步电动机的控制环路中，以达到抑制LC滤波器与永磁同步电动机漏感之间的谐振问题，保证驱动装置的稳定可靠运行。附图说明

[0033] 图1为本发明实施例的电路原理示意图。

[0034] 其中，附图标记为：1、PI调节器一；2、PI调节器二；3、PI调节器三。

具体实施方式

[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0036] 实施例1

[0037] 参见图1，本发明提供一种采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置，包括依次连接的三相电网Grid、LCL滤波器、整流器Rectifier、直流母线DC-link、逆变器Inverter、LC滤波器、长线电缆LW及永磁同步电动机PMSM。

[0038] 实施例2

[0039] 参见图1，在实施例1的基础上，本驱动装置的控制回路包括：与永磁同步电动机PMSM同轴连接的增量式光电编码器EC，增量式光电编码器EC同时获得永磁同步电动机的转子位置电角度θe和转速n，用于永磁同步电动机的矢量控制；

[0040] 逆变器Inverter的输出端与LC滤波电路的电容端分别设置电流采样模块，增量式光电编码器EC的输出端连接PI调节器一1，调节器一1的输出端与逆变器Inverter电流采样模块的输出端连接PI调节器二2的输入端；逆变器Inverter电流采样模块的输出端还连接PI调节器三3的输入端，PI调节器二2、PI调节器三3的输出端均与电压空间矢量脉宽调制模块SVPWM连接，所述微SVPWM模块连接所述逆变器Inverter。

[0041] LCL滤波器包含网侧三相滤波电感Lga、Lgb、Lgc，整流器侧三相滤波电感Lra、Lrb、Lrc，三相滤波电容Cga、Cgb、Cgc，用于滤除从电网流入整流器Rectifier的开关频率次高频电流；

[0042] LC滤波器包含三相滤波电感Lia、Lib、Lic和三相滤波电容Cia、Cib、Cic，用于滤除逆变器Inverter输出的高频谐波电流，缓冲高频电压，从而减轻永磁同步电动机的电磁转矩脉动、抑制电磁噪声、减缓绝缘老化。并且，可以抑制高频电压在长线电缆LW上产生的行波反射现象，防止永磁同步电动机PMSM发生过电压；直流母线电容Cdc用于稳定DC-link的直流母线电压Vdc。

[0043] 整流器Rectifier和逆变器Inverter中的功率开关器件S1、S2、S3、S4、S5，S6、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6采用SiC MOSFET。相对于Si IGBT，SiC MOSFET的开关速度更快、开关损耗和导通电阻更低、工作温度更高。采用SiC MOSFET能将开关频率提高到50kHz以上，从而减小所用LCL和LC滤波器的重量和体积、增加系统控制精度、提高驱动装置的效率和工作温度、简化冷却环节。

[0044] 虽然在逆变器Inverter和永磁同步电动机PMSM之间添加LC滤波器可以滤除高频谐波电流、缓冲高频电压，但由于永磁同步电动机存在漏感，LC滤波器和漏感一起可以构成与LCL滤波器类似的结构，LC滤波器由三相滤波电感Lia、Lib、Lic和三相滤波电容Cia、Cib、Cic组成，以及永磁同步电动机漏感之间会产生谐振问题。本发明通过检测LC滤波器的三相电容电流ica、icb、icc，反馈到永磁同步电动机的控制环路中，以抑制LC滤波器与永磁同步电动机漏感之间的谐振问题。

[0045] 电流采样模块为电流采样电路或者电流传感器。

[0046] 图1中，Grid为三相电网；

[0047] ea、eb、ec为三相电网的电压；

[0048] LCL为LCL滤波器；

[0049] Lga、Lgb、Lgc为LCL滤波器的网侧三相滤波电感；

[0050] Lra、Lrb、Lrc为LCL滤波器的整流器侧三相滤波电感；

[0051] Cga、Cgb、Cgc为LCL滤波器的三相滤波电容；

[0052] Rectifier为整流器；

[0053] S1、S2、S3、S4、S5、S6为整流器Rectifier的六个SiC MOSFET；

[0054] DC-link为直流母线；

[0055] Cdc为直流母线电容；

[0056] Vdc为直流母线电压；

[0057] Inverter为逆变器；

[0058] Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6为逆变器Inverter的六个SiC MOSFET；

[0059] LC为LC滤波器；

[0060] Lia、Lib、Lic为LC滤波器的三相滤波电感；

[0061] Cia、Cib、Cic为LC滤波器的三相滤波电容；

[0062] PMSM为永磁同步电动机；

[0063] LW为LC滤波器与永磁同步电动机之间的长线电缆；

[0064] ia、ib、ic为abc坐标系的逆变器输出三相电流；

[0065] iα、iβ为αβ坐标系的逆变器输出电流；

[0066] id、iq为dq坐标系的逆变器输出电流；

[0067] id_ref、iq_ref为dq坐标系的给定参考电流；

[0068] EC为增量式光电编码器；

[0069] n为增量式光电编码器EC获得的永磁同步电动机转速；

[0070] nref为给定的永磁同步电动机参考转速；

[0071] θe为增量式光电编码器EC获得的转子位置的电角度；

[0072] ica、icb、icc为abc坐标系的LC滤波器的三相电容电流；

[0073] icα、icβ为αβ坐标系的LC滤波器的电容电流；

[0074] Kci为电容电流反馈系数；

[0075] vcα、vcβ为电容电流经过反馈系数Kci获得的电压；

[0076] vd、vq为dq坐标系电流内环PI调节器输出的电压；

[0077] vα、vβ为αβ坐标系电流内环PI调节器输出的电压；

[0078] SVPWM为电压空间矢量脉宽调制；

[0079] uα、uβ为SVPWM的调制电压。

[0080] 实施例3

[0081] 在实施例2的基础上，基于本装置的一种永磁同步电机控制方法：

[0082] 在转速外环中，转速给定值nref与量式光电编码器EC获得的永磁同步电动机转速n比较，通过PI调节器一1输出q轴给定参考电流iq_ref；

[0083] 在电流内环中，检测abc坐标系下的逆变器输出三相电流ia、ib、ic，经过CLARK变换得到αβ坐标系的逆变器输出电流iα、iβ；

[0084] αβ坐标系的逆变器输出电流iα、iβ和永磁同步电动机的转子位置电角度θe经过PARK变换得到dq坐标系的逆变器输出电流id、iq；

[0085] 在d轴的电流调节环中，将d轴给定参考电流id_ref设定为零，从而可以使转矩与q轴电流iq成正比关系，方便控制。id_ref与反馈的电流id比较通过PI调节器三3获得电压ud；在q轴电流调节环中，q轴给定参考电流iq_ref来自于转速外环的输出；iq_ref与反馈的电流iq比较通过PI调节器二2获得电压uq。ud、uq和永磁同步电动机的转子位置电角度θe经过反PARK变换得到vα、vβ。

[0086] 为抑制LC滤波器与永磁同步电动机漏感之间的谐振问题，检测LC滤波器的三相电容电流ica、icb、icc，经过CLARK变换得到αβ坐标系下LC滤波器的电容电流icα、icβ，icα、icβ经过电容电流反馈系数Kci获得电压vcα、vcβ；将vcα、vcβ叠加到αβ坐标系电流内环PI调节器输出的电压vα、vβ，获得电压空间矢量调制SVPWM的调制电压uα、uβ，经过调制获得驱动信号，最终驱动逆变器Inverter的六个功率开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。

[0087] 整流器Rectifier可以采用现有的控制方法，不再赘述。

[0088] CLARK变换的计算公式为：

[0089]

[0090] PARK变换的计算公式为：

[0091]

[0092] 反PARK变换的计算公式为：

[0093]

[0094] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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一种采用SiC MOSFET的双边滤波永磁同步电动机驱动装置

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