CN100466445C

CN100466445C - Pwm三电平逆变器触发信号的译码电路

Info

Publication number: CN100466445C
Application number: CNB2004100246559A
Authority: CN
Inventors: 李耀华; 李海山; 葛琼璇; 张树田; 王晓新
Original assignee: Shanghai Maglev Transportation Engineering Technology Research Center
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: CN1585251A

Abstract

一种PWM三电平逆变器触发信号的译码电路，由编码器和三组逻辑延时电路组成，每组逻辑延时电路由一个二输入与门、一个二输入或门、二个非门和四个延时器组成，该编码器产生的三组第一和第二调制信号PWM1和PWM2分别接至对应的各组逻辑延时电路，通过逻辑运算延时二输入与门的一路输出和第一非门、第一延时器依次串接，输出第一控制信号S1；该与门另一路输出直接和第二延时器连接，输出第三控制信号S3；二输入或门一路输出和第二非门、第三延时器依次串接，输出第二控制信号S2，另一路输出直接和第四延时器连接，输出第四控制信号S4。解决现有技术产生12路PWM控制信号复杂、并确保同一桥臂中的开关器件在切换时的互锁和消除译码电路本身延时的死区效应的技术问题。

Description

PWM三电平逆变器触发信号的译码电路

技术领域：

本发明是关于变电，尤其是关于三电平逆变器的PWM触发信号的译码电路。

背景技术：

工业和交通运输的发展，不仅对电力的需求量日益增加，而且对电力器件的性能要求也越来越高。近年来，逆变器作为一种可将直流输入电功率转换成一种电压、频率均可变的正弦交变输出电功率装置正不断地扩大其使用范围。与此同时，对逆变器的调制和控制对其运行性能的影响也逐渐受到业者的普遍重视。尤其现在大功率的逆变器正倾向于采用门极可控的开关器件作为逆变器的主功率开关器件，采用调制触发脉冲信号的宽度实现开关器件的开通或关断时间长短，也即PWM调制。由于触发开关器件动作电路存在一定的时间滞后，在这段时间内逆变器本身不受触发信号的控制，这就是所谓的“死区”，因为“死区”的存在，使逆变器的输出电压产生了畸变并带来不必要的谐波，影响了逆变器的工作性能，即通常所说的死区效应。“死区”是目前PWM逆变器的一种客观现实，就现有技术来说，要想根除“死区”是很困难的，而采取补偿的办法—即增加或减少一个与死区相等的滞后时间，来抵消死区，从而消除死区效应。电气与电子工程师协会出版的工业电子仪器会刊(IEEE Transaction On IndustrialElctronics)1991年第38卷发表的《PWM逆变器死区的分析和补偿》(TheAnalysis and Compensation of Dead-Time in PWM Inverters)揭示了一种逆变器死区补偿控制的逻辑合成法和其相对应的逆变器PWM译码电路(参见图1)。该逻辑合成法是通过移位寄存器1将PWM方波控制信号S分别生成具有延迟一个死区时间(T_d)的方波控制信号S1和延迟二个死区时间(2T_d)的方波控制信号S2(参见图2)，然后根据D型触发器3保持的逆变器输出端2电流方向对控制信号S、S1、S2进行一系列的与非、以及非和与非的逻辑运算生成了所期望的实际驱动信号B1和B2，该驱动信号B1和B2分别驱动逆变器一个桥臂的两个开关器件的导通与截止。这一方法的不足之处在于补偿机制过于复杂，从而导致逻辑运算过程的复杂。就目前三电平逆变器每相桥臂各有四个开关器件(参见图3)来说，总计需要12路控制信号；如此一来，整个PWM译码电路就显得太复杂庞大了。另外译码电路本身也带来了时延问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种PWM三电平逆变器触发信号的译码电路，解决以现有技术产生12路PWM控制信号复杂性的技术问题，并确保同一桥臂中的开关器件在切换时的互锁和消除译码电路本身带来的延时而造成的死区效应的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种PWM三电平逆变器触发信号的译码电路，其特征在于：译码电路由编码器和三组逻辑延时电路组成，该编码器产生的调制逆变器三相电路的三组PWM调制信号分别接至对应的各组逻辑延时电路，每组PWM调制信号包括一对调制信号，即第一调制信号PWM1和第二调制信号PWM2，每组第一调制信号PWM1和第二调制信号PWM2共同作为对应的各组逻辑延时电路二输与门和二输入或门的两个输入端的输入，每组逻辑延时电路由一个二输入与门、一个二输入或门、二个非门和四个延时器组成，按下列连接将每相的调制信号通过逻辑运算和延时输出逆变器每相电路的第一至第四控制信号S1～S4：

二输入与门输出分两路，一路输出和第一非门、第一延时器依次串接，输出第一控制信号S1；该与门另一路输出直接和第二延时器连接，输出第三控制信号S3；

二输入或门输出分两路，一路和第二非门、第三延时器依次串接，输出第二控制信号S2；该或门另一路输出直接和第四延时器连接，输出第四控制信号S4。

所述的PWM三电平逆变器触发信号的译码电路，其特征在于：所述的延时器由移位寄存器和一个或非门组成，当输入由低电平0变为高电平1时，输出反向由高电平1变为低电平0；当输入高电平1变为低电平0时，则输出在延迟一个死区时间T_d后反向输出，由低电平0变为高电平1。

所述的PWM三电平逆变器触发信号的译码电路，其特征在于：该编码器为数字信号处理器DSP、或者是单片机。

所述的PWM三电平逆变器触发信号的译码电路，其特征在于：该三组逻辑延时电路为一个可编程逻辑器件PLD。

本发明的优点如下：

1.极大地简化了生成12路PWM控制信号电路的复杂性。

2.实现了逆变器的开关器件在切换瞬间的互锁，确保其运行安全。

3.死区补偿改善了输出电压的畸变且消除了每一个PWM周期实际所发出脉冲的不对称性，减少了系统输出电压的谐波含量，提高逆变器的工作性能。

4.可适用于任何三电平逆变器和整流器，具有广泛的工业应用性。

附图说明：

图1是现有的基于死区补偿逻辑合成的逆变器PWM译码电路(单相)。

图2是图1的波形合成示意图。

图3是三电平逆变器电路示意图。

图4是本发明译码电路逻辑延时电路图。

图5是本发明延时器的电路和其输入、输出信号波形图。

图6是当逆变器输出电压为正时本发明的波形时序和死区补偿控制方法的原理图。

图7是当逆变器输出电压为负时本发明的波形时序和死区补偿控制方法的原理图。

图8是本发明的一种译码电路结构示意图。

具体实施方式：

本发明的译码电路由编码器和三组逻辑延时电路组成。编码器输出的三对PWM调制信号分别输入对应的一组逻辑延时电路经过简单的逻辑运算和延时处理输出控制逆变器三相桥臂开关器件的控制信号。由于各组逻辑延时电路是相同的，均由一个二输入与门AND、一个二输入或门OR、二个非门NOT和四个延时器DELAY构成。故以其中一组为例给予详细的说明。

请参阅图4所示，为对三电平逆变器进行PWM调制，编码器(图中未表示)对每相逆变器电路发出一对调制信号，即第一调制信号PWM1和第二调制信号PWM2。第一调制信号PWM1为一调制脉冲信号，在1个PWM调制周期内电平值由0→1→0或1→0→1变化。第二调制信号PWM2为控制每相电压的调制信号，在1个PWM调制周期内，第二调制信号PWM2恒定为高电平1时，表明该相电压在0～+V_dc(V_dc为1/2直流母线电压)之间跳变；第二调制信号PWM2恒定为低电平0时，该相在0～-V_dc之间跳变。在一个PWM调制周期内，当第二调制信号PWM2为高电平1时，第一调制信号PWM1为0→1→0电平变化的脉冲；当第二调制信号PWM2为低电平0时，第一调制信号PWM1为1→0→1电平变化的脉冲(参见图6(a)和(b)所示)。该一对第一调制信号PWM1和第二调制信号PWM2分别输入对应的逻辑延时电路通过逻辑运算和延时处理同时产生对逆变器一相桥臂的四个开关S1’～S4’(参见图3)实行开通或关断操作的四路控制信号，即第一控制信号S1至第四控制信号S4，其中：

1.第一调制信号PWM1和第二调制信号PWM2输入二输入与门AND进行逻辑与运算后，分二路输出，其中一路输出经依次串联的第一非门NOT和第一延时器DELAY进行逻辑非运算和延时处理输出第一控制信号S1；二输入与门AND另一路输出直接通过第二延时器DELAY输出第三控制信号S3；

2.第一调制信号PWM1和第二调制信号PWM2输入二输入或门OR进行逻辑或运算后分二路输出，其中一路输出经依次串联的第二非门NOT和第三延时器DELAY进行逻辑非运算和延时处理后输出第二控制信号S2；二输入或门另一路输出直接通过第四延时器DELAY延时处理后输出第四控制信号S4。

上述的延时器DELAY是一个由移位寄存器和一个或非门NOR组成的电路(图5)，在延时处理过程中，输出信号B的电平值正好与输入信号A相反，当输入信号A由低电平0变为高电平1时，输出信号B反向由高电平1变为低电平0，且在输入信号A由高电平1变为低电平0时，输出信号B则延迟一个死区时间T_d后与输入信号A反向。

图6是本发明在逆变器输出相电压为正时PWM调制信号在译码过程中的波形图。现就其中图(a)输出电流i≥0为例作详细说明；此时第一调制信号PWM1为一由低电平0→1→0的矩形脉冲，第二调制信号PWM2为高电平1，表示该相电压(Ua、Ub、或Uc)在0到+Vdc之间跳变：

1.t0≤t<t1时间段内，第一调制信号PWM1电平值为0、第二调制信号PWM2电平值为1，两者逻辑与后为低电平0，通过延时处理后输出的第三控制信号S3为高电平1；逻辑与后的低电平经逻辑非和延时处理后输出的第一控制信号S1为低电平0。第一调制信号PWM1和第二调制信号PWM2逻辑或后为高电平1，经延时处理后输出第四控制信号S4为低电平0；逻辑或后的高电平1经延时处理后输出第二控制信号S2为高电平1。对应该四个控制信号的电平值，逆变器该相电路中的开关器件S1’、S4’关断，S2’、S3’导通，该相电压输出为0。

2.t1≤t<t2时间段内，第一调制信号PWM1变为高电平1、第二调制信号PWM2仍为高电平1，两者逻辑与后为高电平1，经延时处理后输出的第三控制信号S3为低电平，逻辑与后的高电平1经逻辑非和延时处理，由于存在一个死区时间T_d的时间延迟，所以第一控制信号S1仍为低电平。而第一调制信号PWM1和第二调制信号PWM2的逻辑或仍为高电平1不变，所以第二控制信号S2、第四控制信号S4不变。即在此时间段内，只有第三控制信号S3起变化，其它控制信号不变，对应的逆变器该相电路中开关器件S3’关断，其它开关器件保持原状不变。

3.t2≤t<t3时间段。第一调制信号PWM1和第二调制信号PWM2高电平值1保持不变，除第一控制信号S1在延迟了一个死区时间T_d后，其电平值由低电平0变为高电平1，将开关器件S1’开通外，其余第二至第四控制信号S2～S4保持不变，相关的开关器件S2’～S4’也维持原状不变，该相输出电压为+Vdc。而且在开关器件S1’开通时，开关器件S3’已经可靠的关断了，这种开关器件S1’与S3’的互锁功能避免了上下桥臂的直接导通，保证逆变器的运行安全性。

4.t3≤t<t4时间段。第一调制信号PWM1变为低电平0，第二调制信号PWM2仍为高电平1，两者逻辑与后为高电平1，经延时处理后，处于死区时间T_d的延时期内，故第三控制信号S3仍保持在低电平0不变，逻辑与后的高电平1经逻辑非和延时处理输出的第一控制信号S1变为低电平，从而关断开关器件S1’。第一调制信号PWM1和第二调制信号PWM2逻辑或后仍为高电平1不变，故第二控制信号S2和第四控制信号S4仍保持原状不变。

5.t4≤t<t5时段。第一调制信号PWM1继续处在低电平0、第二调制信号PWM2仍为高平1，除第三控制信号S3因延时处理已过死区时间T_d的延时期由低电平0变为高电平1输出外，而其它第一、第二、第四控制信号S1、S2、S4未变。此阶段逆变器开关器件S3’导通，但开关器件S1’早已有效关断了，故实现了互锁功能，逆变器该相输出电压为0。

从图6(a)中可见，当i≥0时，为要使第一控制信号S1输出真实的脉冲宽度为2ta，且在一个PWM周期2Ts中处于左右对称的位置，则必须使第一调制信号PWM1在PWM前半周期Ts增加一个死区时间T_d脉冲占空比，使在该Ts周期内脉冲宽度为ta+T_d；而PWM在后半周期内仍保持该第一调制信号PWM1的脉冲占空比不变，这样第三控制信号S3也在2Ts周期中处于左右对称位置。从图6(b)中可见，当i<0时，为使第三控制信号S3输出真实的脉冲宽度2ta’在一个PWM周期2Ts处于左右对称位置，则必须使第一调制信号PWM1在PWM后半周期Ts减少一个死区时间T_d的脉冲占空比，使该Ts周期内的脉冲宽度为ta’-T_d，而保持PWM前半周期Ts内的脉冲占空比不变。这样也使第一控制信号S1在一个PWM周期2Ts内处于左右对称位置。

本发明在逆变器输出相电压为负时，PWM调制信号的译码波形如图7所示。从图7(a)可见，当i≤0时，为输出真实的脉冲宽度为2ta的第四控制信号S4，且使其在一个PWM周期2Ts中处于左右对称位置，则必须使第一调制信号PWM1在PWM前半周期Ts增加一个死区时间Td脉冲占空比，使该Ts周期内脉冲宽度为ta+Td，而在PWM后半周期内仍保持该第一调制信号PWM1脉冲占空比不变。这样第二控制信号S2也在2Ts周期内中处于左右对称位置。由图7(b)中可见，当i>0时，为使第二控制信号S2输出真实的脉冲宽度为2ta’，且在一个PWM周期2Ts中处于左右对称位置，则必须使第一调制信号PWM1在PWM后半周期Ts减少一个死区时间Td的脉冲占空比，使该Ts周期内的脉冲宽度为ta-Td，而保持PWM前半周期Ts内的脉冲占空比不变。这样第四控制信号S4也在2Ts周期中处于左右对称位置。

通过上述改变第一调制信号PWM1脉冲宽度的方式可使逆变器输出有效的相电压，并使真实的有效第一控制信号S1和第三控制信号S3、或第二控制信号S2和第四控制信号S4在一个PWM周期2Ts内处于中心对称位置，从而达到了消除逆变器输出电压的畸变，补偿了死区的不利影响。

正因为如此，本发明轻易地解决了传统技术中控制信号的时间滞后，减少了系统输出电压的谐波含量。而这一根据输出电流i的方向和第二调制信号PWM2的电平值来对第一调制信号PWM1的增、减脉冲占空比的死区补偿方法是通过对产生PWM调制信号的编码器的软件编程来实现的。

根据上述，本发明可用数字信号处理器DSP或单片机来作编码器，并用可编程逻辑器件PLD替代三个并列的逻辑延时电路来实现(参见图8所示)：在数字信号处理器DSP(例如由T1公司或Motorola公司的型号为TMS320LF240、DSP56807或具有同样性能的其它型号的数字信号处理器，或Microchip Technology公司的PIC18FXX31系列单片机)中通过其软件的程序判断每相电流i的方向和该相调制信号PWM2的电平值，并据此调整该相第一调制信号PWM1的脉冲宽度，从而产生三组共六路的PWM调制信号第一调制信号PWM1a和第二调制信号PWM2a、第一调制信号PWM1b和第二调制信号PWM2b、第一调制信号PWM1c和第二调制信号PWM2c。再由可编程逻辑器件PLD(型号为ISPLI1032E-70LJ，或具有相同性能的其它型号)，对该三组PWM调制信号的第一和第二调制信号PWM1a和PWM2a、PWM1b和PWM2b、PWM1c和PWM2c进行逻辑运算和延时处理产生三电平逆变器A、B、C三相12路的第一至第四控制信号S1a～S4a、S1b～S4b、S1c～S4c。如此，可提高线路的集成化程度，简化了线路的连接。

Claims

1、一种PWM三电平逆变器触发信号的译码电路，其特征在于：译码电路由编码器和三组逻辑延时电路组成，该编码器产生的调制逆变器三相电路的三组PWM调制信号分别接至对应的各组逻辑延时电路，每组PWM调制信号包括一对调制信号，即第一调制信号(PWM1)和第二调制信号(PWM2)，每组第一调制信号(PWM1)和第二调制信号(PWM2)共同作为对应的各组逻辑延时电路二输入与门和二输入或门的两个输入端的输入，每组逻辑延时电路由一个二输入与门、一个二输入或门、二个非门和四个延时器组成，按下列连接将每相的调制信号通过逻辑运算和延时输出逆变器每相电路的第一至第四控制信号(S1～S4)：

二输入与门输出分两路，一路输出和第一非门、第一延时器依次串接，输出第一控制信号(S1)；该与门另一路输出直接和第二延时器连接，输出第三控制信号(S3)；

二输入或门输出分两路，一路和第二非门、第三延时器依次串接，输出第二控制信号(S2)；该或门另一路输出直接和第四延时器连接，输出第四控制信号(S4)。

2、根据权利要求1所述的PWM三电平逆变器触发信号的译码电路，其特征在于：所述的延时器由移位寄存器和一个或非门组成，当输入由低电平0变为高电平1时，输出反向由高电平1变为低电平0；当输入高电平1变为低电平0时，则输出在延迟一个死区时间(T_d)后反向输出，由低电平0变为高电平1。

3、根据权利要求1所述的PWM三电平逆变器触发信号的译码电路，其特征在于：该编码器为数字信号处理器DSP或单片机。

4、根据权利要求2所述的PWM三电平逆变器触发信号的译码电路，其特征在于：该编码器为数字信号处理器DSP或单片机。

5、根据权利要求1、或2、或3、或4所述的PWM三电平逆变器触发信号的译码电路，其特征在于：该三组逻辑延时电路为一个可编程逻辑器件PLD。