用于无刷电机的驱动电路的制作方法

1.本发明涉及一种用于无刷电机的驱动电路。


背景技术：

2.用于无刷电机的驱动电路负责控制电机的相绕组的激励。当由ac电压供电时，驱动电路通常包括整流器、有源功率因数校正(pfc)级和链路电容器。整流器、有源pfc级和链路电容器共同输出相对稳定的dc电压，用于激励相绕组。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种用于无刷电机的驱动电路，该驱动电路包括：用于连接到电机相绕组的转换器，其中该转换器包括多个支路，每个支路包括高侧开关和低侧开关，每个开关包括对应于以下的四种状态：(i)接通(on)，其中开关在第一方向和第二方向上都导通；(ii)d1，其中开关在第一方向上导通并且在第二方向上不导通；(iii)d2，其中开关在第一方向上不导通并且在第二方向上导通；(iv)断开(off)，其中开关在第一方向和第二方向上都不导通；以及控制器，用于控制开关的状态以将转换器配置为多个配置之一，包括：第二配置，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关的状态是d1和d2中的一个，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关的状态是d1和d2中的另一个。
4.通过提供可以在两个方向上被控制的开关(即，可以在两个方向上导通并且可以在两个方向上不导通)，驱动电路能够向相绕组施加任一极性的电压，而与转换器两端的电压极性无关。也就是说，与电源电压的极性无关，驱动电路能够向相绕组施加正电压以便在第一方向(例如从左到右)上激励相绕组，并且能够向相绕组施加负电压以便在第二相反方向(例如从右到左)上激励相绕组。因此，驱动电路可以与ac电源一起使用，而不需要整流器、pfc级或dc链路电容器。
5.然而，具有在两个方向上导通的开关确实存在挑战，特别是当电源电压的极性改变时。因此，控制器以减轻一些问题的方式配置转换器。
6.控制器将转换器配置成第二配置，在第二配置中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关的状态是d1和d2中的一个，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关的状态是d1和d2中的另一个。因此，第一对开关是d1，而另一对开关是d2。
7.第二配置可以用于确保当电源电压的极性改变时，即当电源电压转变通过零时，相绕组继续在相同方向上被激励。例如，当电源电压的极性为正时，第一对开关(即处于d1的开关)正向偏置，第二对开关(即处于d2的开关)反向偏置。相反，当电源电压的极性为负时，第一对开关现在被反向偏置，而第二对开关被正向偏置。因此，尽管电源电压的极性发生变化，相绕组继续以相同的方向被激励。
8.第二配置还可以用于确保当电源电压的极性改变时，相电流继续从相绕组提取。例如，当电源电压的极性为正时，转换器可以具有第一配置。在该第一配置中，第一对开关为d1，第二对开关为断开。然后，第一对开关被跨相绕组两端的自感电压正向偏置，使得存
储在电机中的感应能量被转移到电源，即自感电压与电源电压相反。如果电源电压的极性改变，则第一对开关将被电源电压正向偏置。因此，当电源电压的极性为负时，转换器可以具有第三配置。在该第三配置中，第一对开关是断开的，第二对开关是d2。然后，第二对开关被跨相绕组两端的自感应电压正向偏置，使得存储在电机中的感应能量继续传递到电源。然后，第二配置可以用于从第一配置安全地转换到第三配置。特别地，当两对开关都处于二极管模式时，为相绕组中的电流连续地提供路径。
9.虽然转换器可以包括附加配置，例如第一和/或第三配置，但不应仅仅因为参考了具有第二配置的转换器而认为这种附加配置是必要的。
10.控制器可以包括用于接收指示电压极性的信号的输入端，并且控制器可以响应于电压极性的改变而将转换器配置成第二配置。因此，转换器响应于电压极性的改变而将转换器配置成第二配置。通过将转换器配置成第二配置，可以减轻当电源电压的极性改变时可能出现的一些问题。
11.所述多个配置可以包括第一配置，在第一配置中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关的状态是d1和d2中的一个，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关的状态是断开的，并且控制器可以将转换器从第一配置配置到第二配置。如上所述，第一配置可以用于在特定方向上激励相绕组。响应于电源电压极性的改变，控制器可以将转换器配置成第二配置，使得相绕组继续在相同方向上被激励。替代地，第一配置可以用于将能量从电机传递到电源。例如，处于二极管状态(即d1或d2)的开关可以被相绕组两端的自感电压正向偏置，自感电压与电源电压相反。响应于电源电压极性的改变，控制器可以将转换器配置成第二配置，以准备安全地转换到第三配置。
12.控制器可以包括用于接收指示电压极性的信号的输入端，并且控制器可以将转换器配置成第一配置，使得当极性为正时第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关的状态为d1，当极性为负时为d2。因此，二极管状态(即d1或d2)的选择取决于电压的极性。可以选择任一二极管状态，使得能量从电源转移到电机(即相绕组被激励)或从电机转移到电源。
13.所述多个配置可以包括第三配置，在第三配置中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关的状态为断开，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关的状态为d1和d2中的另一个，并且控制器可以将转换器从第二配置配置到第三配置。当处于第三配置时，相绕组可以由电源电压激励。通过从第二配置转换到第三配置，例如，如果相绕组中感应的反emf超过电源，则能量可能沿着该路径从电机转移到电源的路径被移除。替代地，第三配置可以用于将能量从电机传递到电源。通过从第二配置转换到第三配置，能量可能沿着该路径从电源转移到电机的路径被移除，即防止电源对相绕组的激励。
14.所述多个配置可以包括第四配置，在第四配置中第一和第二支路的高侧开关和低侧开关的状态为断开，并且控制器可以将转换器从第三配置配置到第四配置。如上所述，第三配置可以用于将能量从电机传递到电源。随着相电流在第三配置中减小，当相电流达到零时(例如，在一段时间之后或者通过监测相电流)，转换器可以安全地转换到第四配置。在第四配置中所有开关都断开的情况下，驱动电路可以安全地转换到另一状态。
15.控制器可以包括用于接收指示转换器中的电流的信号的输入端，并且当电流的幅度为零时，控制器可以将转换器从第三配置配置到第四配置。于是，这确保了从第三配置到第四配置的安全转换。
附图说明
16.现在将参考附图以示例的方式描述实施例，其中：
17.图1是电机系统的框图；
18.图2是电机系统的示意图；
19.图3详细示出了电机系统开关的不同状态；
20.图4是电机系统的转换器的配置序列的第一示例；
21.图5是转换器配置序列的第二示例；
22.图6是转换器配置序列的第三示例；
23.图7是转换器配置序列的第四示例；
24.图8是转换器配置序列的第五示例；
25.图9示出了采用图8的配置序列时电源电压、反emf和相电流的示例波形；
26.图10示出了采用图8的配置序列时电源电压、反emf和相电流的另一示例波形；
27.图11是转换器配置序列的第六示例；
28.图12示出了采用图8或图11的配置序列时电源电压、反emf和相电流的示例波形；
29.图13示出了由电机系统的相位激励的不正确定时导致的电源电压、反emf和相电流的示例波形；
30.图14详细示出了转换器的特定配置的四种排列，该排列取决于电源电压和相电流的极性；以及
31.图15是转换器配置序列的第七示例。
具体实施方式
32.图1和2的电机系统10包括无刷电机20和驱动电路30。电机系统10由ac电源40供电，例如家用电源。
33.无刷电机20是永磁电机，除其他外，包括相绕组21和位置传感器22。位置传感器22感测电机20的转子的角位置并输出信号pos。位置传感器22的合适示例包括霍尔效应传感器或光学编码器。
34.驱动电路30包括一对电力线31、输入滤波器32、转换器33、电压极性检测器34、电流传感器35、电流极性检测器36、门驱动器37和控制器38。
35.电力线31旨在连接到ac电源40的火线和中性端子。因此，电力线31承载交流电压。
36.输入滤波器32包括电容器c1和电感器l1。电容器c1用于平滑转换器的相对较高的开关效应。另外，电容器c1为电机2产生的任何能量提供存储；下文将进一步详细讨论这一点。不需要电容器c1来平滑基频的ac电压。因此，可以使用电容相对较低的电容器。电感器l1用于平滑任何剩余电流纹波。电感器l1旨在减少电机频率下的纹波，因此可以使用相对低电感的电感器，特别是当电机20以相对高的速度运行或具有相对高数量的极时。
37.转换器33是单相全桥转换器，有时称为h桥转换器。转换器33连接到电机20的相绕组21，并包括跨电力线31并联连接的两条支路。每个支路包括高侧开关sw1、sw3和低侧开关sw2、sw4。
38.开关sw1-sw4中的每一个都是双向的并且包括四种状态：接通(on)，d1，d2，断开(off)。当开关的状态为接通时，开关在第一方向和第二方向上都导通。当开关的状态为d1
时，开关在第一方向上导通而在第二方向上不导通。相反，当开关的状态为d2时，开关在第一方向上不导通，而在第二方向上导通。因此，d1和d2可以被视为二极管状态。对于图2中所示的开关的特定布置，第一方向可以被认为是向下的(即d1＝向下导通)，并且第二方向可以被认为是向上的(即d2＝向上导通)。最后，当开关的状态为断开时，开关在第一方向和第二方向上都不导通。
39.图3示出了每个开关的不同状态以及等效电路。
40.与具有体二极管的mofset或具有等效反并联二极管的igbt相比，双向开关具有两个额外的开关状态。例如，当mosfet接通时，开关双向导通。当mosfet断开时，由于固有的体二极管，开关继续单向导通。与上述双向开关相反，mosfet不具有开关在两个方向上不导通的开路状态。此外，虽然mosfet仅在断开时能够在第一方向上导通(即通过体二极管)，但开关不能仅在第二相反方向上导通。
41.如下文更详细地描述的，提供具有双向开关的转换器33的优点是，不管电力线上的电压的极性如何，开关都可以被控制，使得任一极性的电压都可以施加到相绕组。因此，驱动电路可以与ac电源一起使用，而不需要整流器。然而，当管理存储在电机中的感应能量以及电机可能产生的任何能量时，没有反并联二极管带来了挑战。
42.每个开关可以包括氮化镓开关，其具有相对高的击穿电压，因此非常适合于在电源电压下工作。然而，可以使用能够在两个方向上被控制的其他类型的双向开关。
43.电压极性检测器34检测电源电压的极性并输出信号v_pol。v_pol可以是数字信号，当电源电压的极性例如为正时，该数字信号在逻辑上为高，而当极性为负时，该数字信号在逻辑上为低。电压极性检测器34的合适示例包括以地为基准的比较器或商业上可获得的集成封装，可能提供电隔离。
44.电流传感器35包括一对感测电阻r1、r2，每个电阻位于转换器的支路上。跨感测电阻r1、r2两端的电压作为电流感测信号i_sense1和i_sense2输出。这些信号提供了转换器和相绕组中电流的测量值。虽然电流传感器包括一对感测电阻，但是应当理解，可以使用其它装置来感测转换器和相绕组中的电流，例如电流换能器或电流互感器。
45.电流极性检测器36检测转换器33和相绕组21中的电流的极性，并输出信号i_pol。i_pol可以是数字信号，例如，当电流的极性为正时，该数字信号在逻辑上为高，而当极性为负时，该数字信号在逻辑上为低。在图2的示意图中，当电流沿从左到右的方向流过相绕组21时，电流的极性可以说是正的，而当电流沿从右到左的方向流过流过相绕组21时，电流的极性可以说是负的。在一个示例中，电流极性检测器36可以包括具有i_sense1和i_sense2作为输入的比较器。
46.门驱动器37负责驱动转换器33的开关sw1-sw4。图示实施例的门驱动器37包括一对半桥驱动器37a、37b，每个半桥驱动器37a、37b负责驱动转换器33的相应支路的开关。然而，可以想象门驱动器37可以包括单个全桥驱动器。半桥驱动器37a、37b中的每一个包括用于接收输入信号的多个输入端和用于输出门信号的多个输出端。响应于输入信号，半桥驱动器37a、37b产生用于驱动转换器的支路的开关的门信号。每个开关包括两个门，因此半桥驱动器37a、37b为每个开关产生一对门信号。
47.控制器38负责控制电机系统10的操作。控制器38包括用于接收输入信号的多个输入端和用于输出控制信号的多个输出端。由控制器38接收的输入信号包括位置信号pos、电
压极性信号v_pol、电流极性信号i_pol和电流感测信号i_sense1和i_sense2。响应于输入信号，控制器38产生并输出四个控制信号s1-s4。每个控制信号用于控制转换器33的相应开关sw1-sw4的状态。每个开关有四种状态，即：接通(on)、d1、d2和断开(off)。因此，每个控制信号具有四个电平。控制信号被输出到门驱动器37，门驱动器37作为响应驱动开关sw1-sw4。如下所述，控制器38输出控制信号，以便将转换器33配置成多个不同配置中的一个。
48.现在将描述电机系统1的操作。
49.为了激励相绕组21，控制器38将转换器33配置为转换器的第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关断开的配置。接通开关的具体选择取决于所需的激励方向和电源电压极性，由信号v_pol决定。例如，为了从左到右激励相绕组21，当电源电压的极性为正时，开关sw1和sw4接通，当电源电压的极性为负时，开关sw2和sw3接通。相反，为了从右向左激励相绕组21，当电源电压的极性为正时，开关sw2和sw3接通，当电源电压的极性为负时，开关sw1和sw4接通。
50.因此，控制器38能够配置转换器33，使得无论电源电压的极性如何，相绕组21都可以在任一方向上被激励，即，任一极性的电压都可以施加到相绕组21。因此，驱动电路30能够使用ac电源电压激励相绕组21，而不需要整流器或pfc级。
51.为了使相绕组21续流(freewheel)，控制器38将转换器33配置成另外的配置，其中(i)第一支路和第二支路的高侧开关接通，并且第一支路和第二支路的低侧开关断开，或者(ii)第一支路和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路和第二支路的高侧开关断开。在这两种情况下，为相绕组21中的电流提供了绕转换器33续流或循环的路径。在高侧开关接通的第一种场景下，电流绕转换器33的高侧环路续流。在低侧开关接通的第二种场景下，电流绕转换器33的低侧环路续流。在图2所示的示意图中，电流传感器的感测电阻r1、r2位于转换器33的支路的下部。因此，通过围绕转换器33的低侧环路的续流，控制器38能够感测续流期间的电流以及激励。然而，围绕转换器33的高侧环路的续流是完全可行的，特别是如果在续流期间不需要电流感测或者如果通过其他方式感测电流。
52.在正常操作期间，控制器38可以控制转换器33以便在激励和续流之间重复地改变。例如，控制器38可以配置转换器33以便在设定的时间段内激励相绕组21，或者直到相绕组21中的电流超过上限阈值，此时控制器38可以配置转换器33以便使相绕组21续流。然后，续流可以持续一段设定的时间段，或者直到相绕组21中的电流下降到低于较低阈值的时间，此时控制器38可以配置转换器33以激励相绕组21。然后可以重复序列地激励相绕组21和使相绕组21续流的过程。
53.转换器33的开关sw1-sw4不具有反并联二极管，这在激励和续流之间改变时提出了挑战。例如，考虑开关sw1和sw4接通的情况。为了绕转换器33的低侧环路续流，通常将断开开关sw1，然后接通开关sw2。然而，当sw1被断开时，不再为存储在电机20中的感应能量提供路径。对于包括体二极管或反并联二极管的开关，不会出现这个问题，因为二极管继续提供路径。然而，二极管的缺乏不仅对存储在电机20中的感应能量，而且对可能由电机20产生的任何能量都提出了挑战。因此，当在不同操作状态之间移动时，控制器38以一系列配置来配置转换器33。
54.激励到续流
55.让我们首先考虑从激励移动到续流时的配置序列。
56.该序列以第一配置中的转换器33开始，其中转换器的第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关断开。该第一配置使相绕组21被电源电压激励。如上所述，激励方向(即施加电压的极性)将取决于哪个开关被接通以及电源电压的极性。
57.图4(a)示出了第一配置中转换器的特定示例。在该特定示例中，开关sw1和sw4被接通，并且开关sw2和sw3被断开。电源电压的极性为正，因此相绕组被从左向右激励。
58.然后，控制器38将转换器33配置成第二配置，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关接通，第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关中的一个断开，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关中的另一个为d1或d2。在第一配置上发生的唯一变化是，先前断开的开关之一现在是d1或d2。开关的具体选择将取决于续流围绕转换器的高侧环路还是低侧环路发生。二极管状态(即d1或d2)的特定选择取决于电源电压的极性，并且被选择成使得开关被电源电压反向偏置。因此，如果电源电压的极性为正，则开关从断开转变为d2(即向上导通)。相反，如果电源电压的极性为负，则开关从断开转变为d1(即向下导通)。两个开关仍然处于接通状态，因此相绕组21在第二配置中继续被激励。
59.图4(b)示出了第二配置中转换器的具体示例。在该特定示例中，电源电压的极性为正，续流将围绕低侧环路发生。因此，低侧开关sw2从断开变为d2。
60.然后，控制器38将转换器33配置成第三配置，其中(i)第一支路和第二支路的低侧开关断开，第一支路的高侧开关接通，第二支路的高侧开关为d1或d2，或者(ii)第一支路和第二支路的高侧开关断开，第二支路的低侧开关接通，第一支路的低侧开关为d1或d2。在第二配置上发生的唯一变化是，先前接通的一个开关现在断开了。从接通到断开的开关的特定选择取决于续流围绕转换器33的高侧环路还是低侧环路发生。当转换器33处于第三配置时，相绕组21不再被电源电压激励，并且相电流在转换器33的高侧或低侧环路周围续流或循环。
61.图4(c)示出了第三配置中转换器的具体示例。续流围绕低侧环路发生，因此高侧开关sw1从接通变为断开。
62.当在第三配置中时，转换器33中的电流流经处于接通状态的第一开关和处于二极管状态(即d1或d2)的第二开关。例如，在图4(c)的示例中，电流向下流经处于接通状态的开关sw4，向上流经处于二极管状态的开关sw2。随着转换器33处于第三配置，续流可以以这种方式继续。然而，与二极管状态相比，当开关处于接通状态时，传导损耗可能更低。因此，控制器38可以将转换器33配置成第四配置，其中(i)第一支路和第二支路的高侧开关接通，并且第一支路和第二支路的低侧开关断开，或者(ii)第一支路和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路和第二支路的高侧开关断开。在第三配置上发生的唯一变化是，先前处于二极管状态的开关现在处于接通状态。当处于第四配置时，电流继续围绕转换器33的高侧或低侧环路续流。然而，电流现在流经处于接通状态的开关，从而降低了传导损耗。
63.图4(d)示出了第四配置中转换器的具体示例。电流继续围绕转换器的低侧环路续流，因此两个低侧开关sw2、sw4都接通。
64.续流到激励
65.接下来，让我们考虑从续流移动到激励时的配置序列。此外，让我们考虑相绕组在保持相电流与续流期间相同方向的方向上被激励的情况。
66.该序列以第一配置中的转换器33开始，其中(i)第一支路和第二支路的高侧开关接通，并且第一支路和第二支路的低侧开关断开，或者(ii)第一支路和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路和第二支路的高侧开关断开。然后，相电流围绕转换器33的高侧或低侧环路续流。
67.图5(a)示出了第一配置中转换器的特定示例。在该特定示例中，高侧开关sw1、sw3断开，低侧开关sw2、sw4接通。然后，电流围绕转换器的低侧环路续流。
68.然后，控制器38将转换器33配置成第二配置，其中(i)第一支路和第二支路的高侧开关中的一个接通，而另一个高侧开关为d1或d2，并且第一支路和第二支路的低侧开关断开，或者(ii)第一支路和第二支路的低侧开关中的一个接通，而另一个低侧开关为d1或d2，并且第一支路和第二支路的高侧开关断开。在第一配置上发生的唯一变化是，先前接通的开关之一现在是d1或d2。开关的特定选择取决于预期的激励方向，因此取决于电源电压的极性和相电流的极性。如下所述，该特定开关在激励期间不被使用(即不导通)，并且最终被断开。选择开关的二极管状态(即d1或d2)，使得相电流继续围绕转换器的高侧环路或低侧环路续流。因此，d1或d2的选择取决于开关所属转换器的支路以及相电流的极性。当转换器处于第二配置时，相电流继续围绕转换器33的高侧或低侧环路续流。然而，电流现在流经处于接通状态的第一开关和处于二极管状态的第二开关(即d1或d2)。
69.图5(b)示出了第二配置中转换器的具体示例。在该特定示例中，开关sw1和sw3断开，开关sw4接通，并且开关sw2为d2。因此，电流继续通过开关sw2和sw4围绕转换器的低侧环路续流。
70.控制器38将转换器33配置成第三配置，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关接通，第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关中的一个为d1或d2，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关中的另一个断开。在第二配置上发生的唯一变化是，先前断开的一个开关现在接通了。此外，接通的开关与处于二极管状态(无论是d1还是d2)的开关在同一支路上。相绕组21现在借助于处于接通状态的两个开关被电源电压激励。处于二极管状态的开关现在被电源电压反向偏置。
71.图5(c)示出了第三配置中转换器的具体示例。在该特定示例中，开关sw1和sw4接通，开关sw2为d2，并且开关sw3断开。
72.可以想象，激励可以在第三配置中继续，而没有任何进一步的变化。然而，如果电源电压的极性改变，将沿着具有二极管状态的开关的转换器33的支路发生直通。因此，控制器38将转换器33配置成第四配置，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关断开。在第三配置上发生的唯一变化是，先前处于二极管状态(即d1或d2)的开关现在断开。
73.图5(d)示出了第四配置中的转换器的特定示例，其中开关sw1、sw4接通，并且开关sw2、sw3断开。
74.这里描述的当从续流移动到激励时的特定配置序列与上面描述的当从激励移动到续流时的配置序列相反。例如，可以看出，图4和图5中所示的配置序列是反向互补。因此，可以说控制器38以第一序列配置转换器33，以便激励相绕组21，并以第二反向序列配置转换器33，以便使相绕组21续流。
75.续流到反向激励(换向)
76.接下来让我们考虑从续流到反向激励时的配置序列。在这种情况下，相绕组以与相电流相反的方向被激励，从而导致相绕组中的电流被换向。
77.同样，该序列以第一配置中的转换器33开始，其中(i)第一支路和第二支路的高侧开关接通，并且第一支路和第二支路的低侧开关断开，或者(ii)第一支路和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路和第二支路的高侧开关断开。因此，相电流围绕转换器33的高侧或低侧环路续流。
78.图6(a)示出了第一配置中的转换器的特定示例，其中开关sw1、sw3断开，而开关sw2、sw4接通。此外，电流沿顺时针方向绕转换器的低侧环路续流。
79.然后，控制器38将转换器33配置成第二配置，其中(i)第一支路和第二支路的高侧开关接通，第一支路和第二支路的低侧开关之一为d1或d2，而另一个低侧开关断开，或者(ii)第一支路和第二支路的低侧开关接通，第一支路和第二支路的高侧开关之一为d1或d2，而另一个高侧开关断开。与第一配置相比发生的唯一变化是，先前断开的开关之一现在是d1或d2。开关的具体选择取决于预期的激励方向，因此取决于电源电压的极性。如下所述，该特定开关在激励期间被使用(即导通)，并最终被接通。二极管状态(即d1或d2)的特定选择同样取决于电源电压的极性，并且被选择成使得开关被电源电压反向偏置。因此，如果电源电压的极性为正，则开关从断开转变为d2(即向上导通)。相反，如果电源电压的极性为负，则开关从断开转变为d1(即向下导通)。
80.图6(b)示出了第二配置中转换器的特定示例，其中开关sw2、sw4接通(因此电流继续围绕转换器的低侧环路续流)，开关sw1断开，开关sw3为d2。
81.控制器38将转换器33配置成第三配置，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关断开，第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关中的一个接通，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关中的另一个为d1或d2。在第二配置上发生的唯一变化是，先前接通的一个开关现在断开了。此外，断开的开关与处于二极管状态(无论是d1还是d2)的开关处于同一支路。当转换器33处于第三配置时，存储在电机20中的感应能量被传递到电容器c1。
82.图6(c)示出了第三配置中的转换器的特定示例，其中开关sw1、sw4断开，开关sw2接通，开关sw3为d2。
83.最后，控制器38将转换器33配置成第四配置，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关断开，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关接通。在第三配置上发生的唯一变化是，先前处于二极管状态(即d1或d2)的开关现在接通。当转换器33处于第四配置时，相绕组21以与先前相反的方向被电源电压激励。存储在电机20中的任何剩余感应能量被传递到电容器c1。当所有的感应能量都转移到电容器时，相绕组中的电流就会换向。
84.图6(d)示出了第四配置中的转换器的特定示例，其中开关sw1和sw4断开，开关sw2和sw3接通。因此，相绕组现在被从右向左激励。
85.激励到反向激励(换向)
86.可能存在在激励期间期望或确实需要反转激励方向(即换向相绕组)的情况，并且控制器可以采用以下序列来配置转换器。
87.该序列以第一配置中的转换器33开始，其中转换器的第一支路的高侧开关和第二
支路的低侧开关接通，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关断开。因此，相绕组在取决于接通开关的特定选择和电源电压极性的方向上被激励。
88.图7(a)示出了第一配置中转换器的特定示例。在该特定示例中，开关sw1、sw4接通，而开关sw2、sw3断开。电源电压的极性为正，因此相绕组被从左向右激励。
89.控制器38然后将转换器33配置成第二配置，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关为d1或d2。在第一配置上发生的唯一变化是，先前断开的两个开关现在是d1或d2。二极管状态(即d1或d2)的特定选择取决于电源电压的极性，并且被选择成使得开关被电源电压反向偏置。因此，如果电源电压的极性为正，则开关从断开转变为d2(即向上导通)。相反，如果电源电压的极性为负，则开关从断开转变为d1(即向下导通)。当转换器33处于第二配置时，相绕组21继续在与第一配置相同的方向上被激励。
90.图7(b)示出了第二配置中转换器的具体示例。在该特定示例中，电源电压的极性是正的。因此，开关sw1、sw4接通，开关sw2、sw3为d2(即向上导通)。因此，相绕组继续被从左向右激励。
91.控制器38将转换器33配置成第三配置，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关断开，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关为d1或d2。在第二配置上发生的唯一变化是，先前接通的两个开关现在断开。当转换器处于第三配置时，存储在电机20中的感应能量经由二极管状态的开关传递到电容器c1。
92.图7(c)示出了第三配置中的转换器的特定示例，其中开关sw1、sw4断开，并且开关sw2、sw3为d2(即向上导通)。存储在电机中的感应能量然后经由开关sw2和sw3传递到电容器(未示出)。
93.最后，控制器38将转换器33配置成第四配置，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关断开，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关接通。在第四配置上发生的唯一变化是，先前处于二极管状态(即d1或d2)的开关现在接通。当转换器33处于第四配置时，相绕组21以与先前相反的方向被电源电压激励。存储在电机20中的任何剩余感应能量被传递到电容器c1。当所有的感应能量都转移到电容器时，相绕组中的电流就会换向。
94.图7(d)示出了第四配置中的转换器的特定示例，其中开关sw1、sw4断开，并且开关sw2、sw3接通。因此，相绕组现在被从右向左激励。
95.无功电流
96.当电机20的转子旋转时，在相绕组21中感应反emf。在电源电压过零点附近，反emf的幅度可能超过电源电压。因此，相电流的幅度和极性可能变得不受控制。此外，此时的相电流主要是无功的，因为在电源电压相对较小或没有电源电压的情况下，有功功率相对较小或没有有功功率。该无功电流可能很大，并且可能影响电机系统的效率。电机20可以被设计成使得电机的机器参数，例如峰值反emf和相电感，有助于减轻无功电流。然而，这不可避免地损害了电机的性能。如现在将解释的，转换器可以被配置成在电源电压的过零附近保持对相电流的控制。这样，电机的设计就可以从无功电流的考虑因素中分离出来。
97.在一个示例中，控制器38可以配置转换器33，使得所有开关sw1-sw4在电源电压的过零处或附近断开。因此，没有相电流流动。这样就没有无功功率，但同样也没有有功功率。
然而，有功功率的损失不太可能是一个问题。即使存在相电流，电源电压过零处或过零附近的有功功率也是低的或为零，因为电源电压的幅度是低的或为零。因此，由于断开所有开关而导致的总有功功率的减少可能很小，并且不太可能对电机的整体性能产生不利影响。
98.在具有包括体二极管或反并联二极管的开关的电机系统中，相电流不能以这种方式控制。特别是，即使当开关断开时，二极管也继续为无功电流提供路径。因此，这里描述的电机系统能够以其他电机系统根本不可能的方式控制相电流。
99.通过断开转换器33的所有开关，现在存在不从电源电压汲取电流的时段。因此，从电源电压汲取的电流的谐波含量可能会增加。因此，控制器38可以以不同的方式配置转换器，使得相电流继续受到控制，同时更好地成形从电源电压汲取的电流。现在将描述两个配置序列。
100.无功电流-第一配置序列
101.第一序列以第一配置中的转换器33开始，其中转换器的第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关断开。因此，相绕组21在取决于接通的开关的特定选择和电源电压的极性的方向上被激励。
102.图8(a)示出了第一配置中转换器的特定示例。在该特定示例中，开关sw1、sw4接通，而开关sw2、sw3断开。电源电压的极性为正，因此相绕组被从左向右激励。
103.控制器38经由电流检测信号i_sense1和i_sense2监测相绕组中的电流的幅度。在相电流的幅度的变化率小于阈值的情况下，控制器38将转换器33配置成第二配置，其中转换器的第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关是d1或d2，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关断开。在第一配置上发生的唯一变化是，先前接通的两个开关现在是d1或d2。二极管状态(即d1或d2)的特定选择取决于电源电压的极性，并且被选择为使得开关被电源电压正向偏置。因此，如果电源电压的极性为正，则开关从接通转变为d1(即向下导通)。相反，如果电源电压的极性为负，则开关从接通转变为d2(即向上导通)。
104.图8(b)示出了第二配置中转换器的具体示例。电源电压的极性为正，因此开关sw1、sw4为d1，开关sw2、sw3断开。
105.控制器38继续监测相绕组21中的电流的幅度。如果相电流的幅度达到零，控制器38将转换器33配置成第三配置，其中转换器33的所有开关都断开。控制器将转换器33保持在第三配置，直到再次激励相绕组21为止。
106.现在将参考图9描述该特定配置序列的实现，图9示出了电源电压、相绕组中感应的反emf和相电流。
107.在t0，转换器被配置成第一配置，并且相绕组被激励(例如，从左到右)。在该特定示例中，当反emf与电源电压的极性相反时，相绕组被激励。因此，电源电压被反emf提升。最终结果是相绕组中的电流上升。在该特定示例中，相电流的极性是正的。如果相绕组被以相反的方向(例如从右到左)激励，相电流的极性将为负。然而，相电流的幅度(即绝对值)的行为是相同的。在t0和t1之间，反emf的幅度降低，从零过渡，然后增加。反emf的极性现在已经改变，因此与电源电压相反。因此，相电流的幅度的变化率在t0至t1期间减小。在t1，反emf的幅度与电源电压的幅度相同。此外，如前所述，反emf与电源电压相反。因此，相电流的变化率在t1为零。在t1和t2之间，反emf的幅度大于电源电压，因此相电流的幅度减小，即相电流幅度的变化率现在为负。在相电流的幅度的变化率小于阈值的情况下，控制器将转换器
配置成第二配置。在该特定示例中，阈值为零。因此，当相电流的幅度的变化率变为负值时，转换器被配置成第二配置。在第二配置中，之前接通的开关现在处于二极管状态。通过相绕组两端的电源电压和自感电压的组合，开关被正向偏置。因此，电流继续以与以前相同的方向流动(例如，从左到右)。当相电流的幅度达到零时，开关现在被反emf反向偏置。因此，相电流被箝位(clamped)为零。最后，在t2和t3之间，控制器将转换器配置成第三配置。当所有开关现在断开时，相电流保持为零。
108.利用这种特定的配置序列，电流继续从电源40汲取，从而改善电流波形的形状。然而，相电流始终受到控制。特别地，开关被配置成二极管状态，其将电流箝位在零，并防止反emf反转相电流的极性。
109.图10示出了该特定配置序列的实现的另一个示例。
110.再次，在t0处，转换器被配置成第一配置，相绕组被激励，相电流上升。在t0和t1之间，反emf的幅度降低，从零过渡，然后增加。因此，相电流的幅度的变化率在t0至t1期间减小。在t1，反emf的幅度与电源电压的幅度相同，因此相电流的变化率为零，反emf的幅度现在与电源电压相反。在t1和t2之间，反emf的幅度大于电源电压，因此相电流的幅度下降。再次，在该特定示例中，当相电流的幅度的变化率小于零时，控制器将转换器配置成第二配置。因此，当相电流的幅度的变化率变为负值时，转换器被配置成第二配置。开关通过相绕组两端的电源电压和自感电压的组合被正向偏置，因此电流继续流动。在t1和t2之间，反emf的幅度上升、达到峰值，并开始下降。在t2，反emf的幅度再次与电源电压相同，因此相电流的变化率为零。从t2到t3，电源电压的幅度大于反emf，因此相电流的幅度再次上升。因此，与图9的示例相反，相电流永远不会达到零。然后，控制器将转换器保持在第二配置中，直到续流或换向相绕组的时间到来。
111.在图10的示例中，开关sw1和sw4可以一直保持接通。事实上，保持开关接通可能是有益的，因为当开关处于二极管状态时，传导损耗可能更高。因此，当(i)相电流的幅度的变化率小于阈值，以及(ii)相电流的幅度小于另一阈值时，控制器可以将转换器配置成第二配置。以这种方式，仅在相电流可能下降到零的情况下，通过切换到第二配置，可以提高电机系统的效率。在图10所示的示例中，另一阈值可被设置得足够低，使得尽管相电流的幅度瞬时减小，开关sw1和sw4仍保持接通。
112.无功电流-第二配置序列
113.第二序列再次以第一配置中的转换器33开始，其中转换器的第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关断开。因此，相绕组21在取决于接通开关的特定选择和电源电压极性的方向上被激励。
114.图11(a)示出了第一配置中转换器的特定示例。在该特定示例中，开关sw1、sw4接通，而开关sw2、sw3断开。电源电压的极性为正，因此相绕组被从左向右激励。
115.控制器38监测转换器33中的相电流的幅度。在相电流的幅度的变化率小于阈值的情况下，控制器38将转换器33配置成第二配置，其中转换器的第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关为d1或d2。在第一配置上发生的唯一变化是，先前断开的两个开关现在是d1或d2。d1或d2的特定选择取决于电源电压的极性，并且被选择为使得开关被电源电压反向偏置。因此，如果电源电压的极性为正，则开关从断开转变为d2(即向上导通)。相反，如果电源电压的极性为负，则开关从断
开转变为d1(即向下导通)。
116.图11(b)示出了第二配置中转换器的具体示例。电源电压的极性为正，因此开关sw1、sw4接通，开关sw2、sw3为d2。
117.然后，控制器38将转换器33配置成第三配置，其中转换器的第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关断开，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关为d1或d2。在第二配置上发生的唯一变化是，先前接通的两个开关现在断开。处于二极管状态(即d1或d2)的开关现在被相绕组两端的自感电压正向偏置。自感电压与电源电压和反emf相反。因此，相电流的幅度减小。
118.图11(c)示出了第三配置中的转换器的特定示例，其中开关sw1、sw4现在断开，并且开关sw2、sw3继续为d2。
119.控制器38继续监测第三配置中的相电流。当相电流的幅度为零时，控制器38将转换器33配置成第四配置，其中转换器33的所有开关都断开。
120.很明显，本节中描述的两个配置序列是相似的。这两个序列的共同概念是，控制器38最初将转换器33配置成一对开关接通(并且一对开关断开)的配置，以便激励相绕组并在特定方向上驱动电流通过相绕组21。控制器38监测相电流，并且在相电流的幅度的变化率小于阈值的情况下，控制器38将转换器33配置成另一配置，其中一对开关处于二极管状态(并且一对开关断开)，使得相电流继续沿相同方向流动。尽管开关的选择(即sw1/sw4或sw2/sw3)和二极管状态的选择(即d1或d2)在两个序列中是不同的，但两者的共同点是，当相电流为零时，开关被反emf反向偏置，从而防止相电流极性的反向。尽管第二序列包括一个附加配置(即第二配置)，但是仅仅需要该附加配置来安全地从第一配置转换到第三配置。
121.虽然这两种配置序列相似，但仍有差异。当第一序列的开关处于二极管状态时，开关的导通方向与电源电压的导通方向相同(例如，参见图8(b))。因此，如果电源电压随后超过反emf，则开关正向偏置，相电流上升，如图10中的示例所示。相反，当第二序列的开关处于二极管状态时，开关的导通方向与电源电压的导通方向相反(例如，参见图11(b))。因此，如果电源电压随后超过反emf，则相电流继续箝位在零。两个序列之间的另一个区别是，当第一序列的开关处于二极管状态时，相绕组两端的自感电压仅与反emf相反。相反，当第二序列的开关处于二极管状态时，相绕组两端的自感电压与反emf和电源电压相反。因此，相电流以更快的速率下降，并且控制器在下一个事件之前有更长的时间断开所有开关。
122.上述两个序列不是互斥的，并且当控制相绕组的激励时，控制器可以采用一个或两个序列。
123.电源电压的极性变化
124.已经描述了两种配置序列，它们更好地控制电源电压中过零点附近的相电流。特别是，这两种序列都防止了当反emf超过电源电压时可能发生的相电流极性反转。如现在将解释的，在激励期间电源电压改变极性的情况下，两种配置序列还防止相电流的反转。
125.让我们考虑上面描述的两个配置序列中的第一个，即图8中所示的配置序列。图12示出了激励期间电源电压极性变化的场景示例。
126.在t0，控制器将转换器配置成第一配置(例如，sw1/sw4接通，sw2/sw3断开)。因此，相绕组被激励，相电流上升。在t1，反emf的幅度与电源电压的幅度相同，因此相电流的变化
率为零。在t1和t2之间，反emf的幅度大于电源电压，因此相电流的幅度下降。在该特定示例中，当相电流的幅度的变化率小于零时，控制器将转换器配置成第二配置。因此，控制器在t1之后不久将转换器配置成第二配置(例如，sw/sw4为d1，sw2/sw3断开)。在t2，电源电压的极性改变。因此，电源电压与反emf一起与相绕组两端的自感电压相反。在t3，相电流已经下降到零。现在，处于二极管状态的开关被反emf和电源电压反向偏置。因此，无论电源电压的极性如何变化，相电流都被箝位为零。然后，在t3之后的某个时间，控制器将转换器配置成第三配置(即sw1-sw4断开)。
127.现在让我们考虑第二配置序列，即图11所示的配置序列。如将变得明显的，该情况与上面针对第一配置序列所描述的情况几乎没有不同。再次参考图12。
128.在t0，控制器将转换器配置成第一配置(例如，sw1/sw4接通，sw2/sw3断开)。因此，相绕组被激励，相电流上升。在t1，反emf的幅度与电源电压的幅度相同，因此相电流的变化率为零。在t1和t2之间，反emf的幅度大于电源电压，因此相电流的幅度下降。当相电流的幅度的变化率小于零时，控制器将转换器配置成第三配置。因此，控制器将转换器配置成第二配置(例如，sw1/sw4接通，sw2/sw3为d2)，紧接着在t1之后不久配置成第三配置(例如，sw1/sw4断开，sw2/sw3为d2)。现在，电源电压与反emf一起与相绕组两端的自感电压相反。然而，在t2，电源电压的极性改变。电源电压现在的作用方向与自感电压相同。然而，反emf的幅度明显大于电源电压，因此相电流继续下降。在t3，相电流达到零。处于二极管状态的开关现在被反emf反向偏置。因此，相电流被箝位为零。然后，在t3之后的某个时间，控制器以另外的配置(即，sw1-sw4断开)配置转换器。
129.可以想象，当开关仍处于二极管状态时，可能会出现极性改变的电源电压可能超过反emf的情况。虽然在图12所示的情况下不太可能发生这种情况，但可以想象，在反emf幅度较小的较低速度下可能会发生这种情况。在这种情况下，开关将被电源电压正向偏置，相电流将再次上升。然而，相电流的极性不变。这种情况有些类似于图10。
130.不正确的定时
131.相绕组21可能在错误的时间被无意地激励。例如，位置信号pos中的噪声可能导致控制器38在错误的时间激励相绕组21。激励的不正确定时可能会导致相电流向与所需方向相反的方向流动。
132.图13示出了激励时间不正确的示例。在t0，通过接通开关sw1和sw4来激励相绕组。t0应当发生在反emf过零之前。然而，不管出于什么原因，t0恰好发生在反emf过零之后。因此，当反emf与电源电压相反时，相绕组被激励。此外，在t0处，反emf的幅度大于电源电压的幅度。因此，当相绕组被激励时(即，当开关sw1/sw4被接通时)，相电流在与反emf所期望的方向相反的方向上被驱动。因此，在图13的示例中，如所期望的，相电流是负的，而不是正的。
133.一旦感测到相电流的极性与预期的相反，控制器38可以配置转换器33，使得接通的开关现在被置于二极管状态。二极管状态(即d1或d2)的选择使得继续为相电流提供从相绕组21流向电容器c1的路径。因此，在图13的示例中，控制器可以在t0之后不久将开关sw1和sw4配置为d1(即，向下导通)。
134.在t0和t1之间，反emf的幅度增加、达到峰值，然后降低。然而，在整个t0至t1期间，反emf大于电源电压。因此，在时间段t0至t1期间，相电流的幅度增加，尽管具有负极性。在
t1，反emf的幅度和电源电压相同，因此相电流的变化率为零。在t1和t2之间，电源电压的幅度大于反emf。此外，反emf变为零，并提升电源电压。因此，相电流的幅度在时间段t1至t2期间减小。在t2，相电流为零，然后被开关箝位。然后，控制器38在t2之后不久配置转换器33，使得所有开关都被断开。
135.尽管控制器38可以采用上述配置序列来管理具有错误极性的相电流，但是可以完全避免这种情况。在上述每一个其中相绕组被激励的示例中，序列从第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关断开的配置开始。然而，该序列可以替代地以第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关为d1或d2，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关断开的配置开始。d1或d2的选择使得开关被电源电压正向偏置。由于开关在二极管状态而不是接通状态下启动，防止了相电流流向错误的方向。控制器然后可以监测相电流，即经由电流感测信号监测相电流。在相电流上升的情况下，控制器可以恢复到上述配置序列之一。具体地，控制器可以以上述序列的第一配置来配置转换器，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关接通，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关断开。替代地，如果相电流没有上升，控制器可以配置转换器，使得所有开关都断开，以准备下一个事件。
136.在这种特定的配置序列中，开关在接通前首先进入二极管状态。因此，当相电流已经以相反的方向(即与激励方向相反的方向)流过转换器时，不能使用该特定序列。如上所述，在电源电压的过零处或过零附近，在每个激励周期之后，相电流可以被箝位到零。因此，该配置序列可以与上面结合无功电流描述的两个序列中的任一个结合使用。
137.关闭
138.可能需要在任何时候关闭电机系统。关闭可以作为正常操作的一部分发生，也可以作为对故障条件的响应而发生。如果转换器的开关包括体二极管或反并联二极管，关闭可能只需断开所有开关。然后，二极管将提供一条路径，用于将存储在电机中的感应能量传递到输入滤波器的电容器。对于本电机系统10，开关sw1-sw4不具有这样的二极管，因此转换器33必须以这样的方式配置，以便在开关sw1-sw4可以断开之前处理电机20的感应能量。
139.响应于关闭，控制器38将转换器33配置成第一配置，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关为d1或d2，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关为断开。将开关(即sw1/sw4或sw2/sw3)置于二极管状态的选择取决于电源电压的极性和相电流的极性，并且被选择成使得存储在电机20中的感应能量被传递到电容器c1。二极管状态(即d1或d2)的选择取决于电源电压的极性，并且被选择成使得开关被电源电压反向偏置。因此，如果电源电压的极性为正，则开关转变为d2(即向上导通)。相反，如果电源电压的极性为负，则开关转变为d1(即向下导通)。因此，第一配置有四种可能的排列，如图14中详细所示。
140.取决于紧接在关闭之前的转换器33的配置，控制器38可以在第一配置之前以一个或多个预配置来配置转换器33，使得转换器33安全地转换到第一配置。例如，如果开关sw1、sw4在关闭点接通，则控制器可以在预配置中配置转换器，其中开关sw1、sw4接通并且开关sw2、sw3处于二极管状态。控制器38然后将转换器33配置成第一配置，其中，在这种情况下，开关sw2、sw3处于二极管状态，而开关sw1、sw4处于断开状态。
141.当在第一配置中时，存储在电机20中的感应能量被传递到电容器c1，并且相电流的幅度减小。当电流降低到零时，电流被开关箝位，并且控制器38将转换器33配置成所有开
关都断开的配置。
142.如上所述，第一配置中开关和二极管状态的特定选择取决于电源电压的极性。特别地，选择开关和二极管状态，使得电源电压与相绕组两端的自感电压相反。然而，当转换器33处于第一配置时，电源电压的极性可以改变。在这种情况下，控制器38重新配置转换器33，使得电源电压继续与自感电压相反地作用。
143.在重新配置转换器时，控制器38将转换器33配置成第二配置，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关是d1和d2中的一个，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关是d1和d2中的另一个。在第一配置上发生的唯一变化是，先前断开的两个开关现在处于二极管状态。此外，这两个开关具有与其他两个开关相反的二极管状态。因此，例如，如果开关sw1和sw4是d1，那么开关sw2和sw3是d2，反之亦然。因此，转换器33具有所有开关sw1-sw4都处于二极管状态的配置。
144.控制器38然后将转换器33配置成第三配置，其中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关断开，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关为d1或d2。在第二配置上发生的唯一变化是，先前在第一配置中处于二极管状态的两个开关现在断开。存储在电机20中的感应能量继续传递到电容器c1，因此相电流的幅度减小。在降低到零时，电流被开关箝位，并且控制器38将转换器33配置成其中所有开关都断开的最终配置。
145.图15示出了关机期间的一个示例序列。图15(a)示出了第一配置中的转换器。在该特定示例中，相电流的极性是正的(即电流从左向右流动)，电源电压的极性是正的。因此，开关sw2、sw3处于二极管状态d2，并且开关sw1、sw4断开。开关sw2、sw3被相绕组两端的自感应电压正向偏置，因此相电流继续沿从左向右的方向流动，存储在电机中的感应能量被传递到电容器。图15(b)示出了第二配置中的转换器。先前断开的开关sw1和sw4现在处于二极管状态d1。如上所述，响应于电源电压极性的改变，转换器被配置成第二配置。因此，在本示例中，电源电压的极性现在为负。因此，开关sw2和sw3现在被电源电压正向偏置，并且开关sw1和sw4被反向偏置。图15(c)示出了第三配置中的转换器，其中开关sw2、sw3断开。然后，开关sw1和sw4被相绕组两端的自感电压正向偏置。因此，相电流继续从左向右流动，储存在电机中的感应能量被转移到电容器。最后，尽管未示出，但当相电流下降到零时，转换器被配置成所有开关sw1-sw4断开的最终配置。
146.门驱动器
147.如上所述，在发生故障的情况下，可能需要断开电机系统10。虽然通常期望控制器38控制关机序列，但是故障可能存在于控制器38内。因此，门驱动器37还被配置为在发生故障的情况下关闭电机系统10。该故障可能由于来自控制器的控制信号缺失或冲突而产生，或者由于一个或多个开关上的过电流而产生。
148.门驱动器37接收信号v_pol和i_pol，它们分别提供电源电压和相电流的极性的指示。在发生故障的情况下，门驱动器使用这些信号来使用与上述相同的序列关闭电机系统10，即门驱动器37产生取决于电压极性和电流极性的门信号序列。
149.如图14所示，序列的第一配置有四种可能的排列。因此，响应于故障，门驱动器产生门信号，用于：(i)当电压的极性为正且电流的极性为正时，将第一对开关驱动至d1并且将第二对开关驱动至断开；(ii)当电压的极性为负且电流的极性为正时，将第一对开关驱动至d2并且将第二对开关驱动至断开；(iii)当电压的极性为正且电流的极性为负时，将第
一对开关驱动至断开并且将第二对开关驱动至d1；以及(iv)当电压的极性为负且电流的极性为负时，将第一对开关驱动至断开并且将第二对开关驱动至d2。
150.尽管图2中未示出，门驱动器37也接收提供相电流幅度的测量的输入信号。输入信号可以是模拟的或数字的。例如，门驱动器可以接收电流感测信号i_sense1和i_sense2。替代地，输入信号可以是数字信号，当相电流不为零时，该数字信号在逻辑上为高，当相电流为零时，该数字信号在逻辑上为低。当相电流的幅度为零时，门驱动器使用输入信号驱动所有开关断开。
151.如果在第一配置中电源电压的极性发生变化，门驱动器37将转换器33配置成第二配置，然后是第三配置。在第二配置中，门驱动器37产生用于将第一对开关驱动到d1和将第二对开关驱动到d2的门信号。更具体地，门驱动器37产生门信号，用于：(i)当电流的极性为正时，将第一对开关驱动至d1，将第二对开关驱动至d2，以及(ii)当电流的极性为负时，将第一对开关驱动至d2，将第二对开关驱动至d1。
152.当在第三配置中时，门驱动器37采用与第一配置中相同的逻辑。电源电压的极性已经改变，因此不同的开关对处于不同的二极管状态，但是决定哪个开关和哪个二极管状态(即d1或d2)的逻辑没有改变。因此，门驱动器产生门信号，用于：(i)当电压的极性为正且电流的极性为正时，将第一对开关驱动至d1并且将第二对开关驱动至断开；(ii)当电压的极性为负且电流的极性为正时，将第一对开关驱动至d2并且将第二对开关驱动至断开；(iii)当电压的极性为正且电流的极性为负时，将第一对开关驱动至断开并且将第二对开关驱动至d1；以及(iv)当电压的极性为负且电流的极性为负时，将第一对开关驱动至断开并且将第二对开关驱动至d2。
153.尽管门驱动器包括故障保护逻辑并非未知，但门驱动器监测电压的极性和/或电流的极性并随后响应地生成门信号既未知又不寻常。尽管这里描述的门驱动器使用电源电压的极性和相电流的极性来生成门信号，但是存在门驱动器可以仅使用电源电压的极性或相电流的极性的情况。
154.利用本文描述的驱动电路，可以使用ac电源电压来驱动电机，而不需要整流器或pfc级。这通过提供具有双向开关的转换器而成为可能。特别地，可以控制开关，使得不管电源电压的极性如何，任一极性的电压都可以施加到相绕组。然而，提供双向开关并非没有困难。特别是，当管理存储在电机中的感应能量以及电机可能产生的任何能量时，没有反并联二极管带来了挑战。因此，控制器以不同的配置序列配置转换器，以确保电机系统安全地从一个操作状态转换到下一个操作状态。虽然已经描述了各种配置序列，但是控制器不一定要采用每一个配置序列。

技术特征：
1.一种用于无刷电机的驱动电路，所述驱动电路包括：转换器，用于连接到所述电机的相绕组，其中，所述转换器包括多个支路，每个支路包括高侧开关和低侧开关，并且每个开关包括对应于以下的四种状态：(i)接通，其中开关在第一方向和第二方向上都导通；(ii)d1，其中开关在第一方向上导通并且在第二方向上不导通；(iii)d2，其中开关在第一方向上不导通并且在第二方向上导通；(iv)断开，其中开关在第一方向和第二方向上都不导通；以及控制器，用于控制所述开关的状态以将所述转换器配置成多个配置中的一种，所述多个配置包括：第二配置，在第二配置中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关的状态是d1和d2中的一个，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关的状态是d1和d2中的另一个。2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述控制器包括用于接收指示电压极性的信号的输入端，并且所述控制器响应于电压极性的改变而将所述转换器配置成第二配置。3.根据权利要求1或2所述的驱动电路，其中：所述多个配置包括第一配置，在第一配置中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关的状态为d1和d2中的一个，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关的状态为断开；并且所述控制器将所述转换器从第一配置配置到第二配置。4.根据权利要求3所述的驱动电路，其中，所述控制器包括用于接收指示电压极性的信号的输入端，并且所述控制器响应于电压极性的改变而将所述转换器从第一配置配置到第二配置。5.根据权利要求3或4所述的驱动电路，其中，所述控制器包括用于接收指示电压极性的信号的输入端，并且所述控制器将所述转换器配置成第一配置，使得当极性为正时，第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关的状态为d1，当极性为负时，第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关的状态为d2。6.根据前述权利要求中任一项所述的驱动电路，其中：所述多个配置包括第三配置，在第三配置中第一支路的高侧开关和第二支路的低侧开关的状态为断开，并且第一支路的低侧开关和第二支路的高侧开关的状态为d1和d2中的另一个；并且所述控制器将所述转换器从第二配置配置到第三配置。7.根据权利要求6所述的驱动电路，其中，所述多个配置包括第四配置，在第四配置中第一和第二支路的高侧开关和低侧开关的状态为断开；并且所述控制器将所述转换器从第三配置配置到第四配置。8.根据权利要求7所述的驱动电路，其中，所述控制器包括用于接收指示所述转换器中的电流的信号的输入端，并且当电流的幅度为零时，所述控制器将所述转换器从第三配置配置到第四配置。

技术总结
描述了一种用于无刷电机的驱动电路。驱动电路包括用于连接到电机的相绕组的转换器和控制器。转换器包括多个支路，每个支路包括高侧开关和低侧开关。每个开关包括四种状态：(i)接通，其中开关在第一方向和第二方向上都导通，(ii)D1，其中开关仅在第一方向上导通，(iii)D2，其中开关仅在第二方向上导通，以及(iv)断开，其中开关在第一方向和第二方向上都不导通。控制器控制开关的状态以将转换器配置成多个配置中的一个。成多个配置中的一个。成多个配置中的一个。


技术研发人员：S
受保护的技术使用者：戴森技术有限公司
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2023/8/8