CN101150283B

CN101150283B - 双pwm混合斩波控制开关器件的方法及电路

Info

Publication number: CN101150283B
Application number: CN2007101852136A
Authority: CN
Inventors: 董清; 颜湘武
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: CN101150283A

Abstract

一种双PWM混合斩波控制开关器件的方法及电路，属控制技术领域，用于解决斩波控制电路调节死区大的问题。其技术方案是，它利用斩波控制电路控制开关器件的通断，所述开关器件为IGBT，所述斩波控制电路设置两个，两者输出的信号通过一个与非门共同对同一个IGBT进行控制；其中辅PWM斩波控制电路输出信号的周期较大且为主PWM斩波控制电路输出信号周期的整数倍，辅PWM斩波控制电路的最小关断时间等于主PWM斩波控制电路所输出脉冲控制信号的一个周期，由主、辅两个PWM斩波控制电路输出的脉冲信号作与非逻辑运算后控制IGBT的通断。本发明开通调节死区小、连续调节性能优良，调节范围可达0-99％以上。

Description

双PWM混合斩波控制开关器件的方法及电路

技术领域

本发明涉及一种采用PWM斩波控制电路对IGBT进行控制的方法，属控制技术领域。

背景技术

高频斩波控制电路因具有造价低、性能优良等特点而被广泛应用于异步电动机的串极调速装置之中，尤其是在电力、矿山、石油、建材等行业的大中型风机、水泵的调速节能控制装置中，更是倍受青睐。目前，异步电动机的串极调速普遍采用对IGBT进行高频斩波控制的方式，由于IGBT的开通和关断过程都需要一定的时间，在斩波控制过程中，为了保证IGBT能够可靠关断和开通，IGBT每次处于关断状态的时间应不小于一个最小持续时间，该最小持续时间约占高频斩波控制的PWM信号周期的10％左右，导致PWM斩波控制IGBT存在一个约为10％的关断死区，高频斩波控制的调节范围仅为0-90％左右。因此，现有PWM高频斩波控制装置存在开通调节死区大、开通连续调节性能差的缺点。

发明内容

本发明用于克服现有技术的缺陷、提供一种开通调节死区小、开通连续调节性能优良的双PWM混合斩波控制开关器件的方法，本发明同时还要给出实现该方法的电路。

本发明所称问题是以下述技术方案实现的：

一种双PWM混合斩波控制开关器件的方法，它利用斩波控制电路控制开关器件的通断，所述开关器件为绝缘栅双极晶体管IGBT，所述斩波控制电路设置两个，分别称之为主PWM斩波控制电路和辅PWM斩波控制电路，两者输出的信号通过一个与非门共同对同一个IGBT进行控制；其中辅PWM斩波控制电路输出信号的周期较大且为主PWM斩波控制电路输出信号周期的整数倍，辅PWM斩波控制电路的最小关断时间等于主PWM斩波控制电路所输出脉冲控制信号的一个周期，由主、辅两个PWM斩波控制电路输出的脉冲信号作与非逻辑运算后控制IGBT的通断。

上述双PWM混合斩波控制开关器件的方法，为了使主、辅两个PWM斩波控制电路始终保持同步，主、辅PWM斩波控制电路的激励源采用同一个方波发生器，所述方波发生器的输出送至主PWM斩波控制电路，辅PWM斩波控制电路则使用该脉冲信号经分频电路分频后的信号。

上述双PWM混合斩波控制开关器件的方法，所述主、辅PWM斩波控制电路的频率之比为100∶1。

一种双PWM混合斩波控制电路，它包括主、辅两个PWM斩波电路，它们的输出端经一个与非门T2接IGBT的栅极，所述主PWM斩波电路由第二三角波发生器、运算放大器F2和钳位二极管D2构成，运算放大器F2接成比较器，其正向输入端接第二三角波发生器，反向输入端经两个串联连接的电阻接调节电压U0，输出端接与非门T2，两电阻的串接点经钳位二极管D2接限幅电压U2；所述辅PWM斩波电路由第一三角波发生器、运算放大器F1、钳位二极管D1和非门T1构成，运算放大器F1接成比较器，其反向输入端接第一三角波发生器，正向输入端经两个串联连接的电阻接调节电压U0，输出端经非门T1接与非门T2，两电阻的串接点经钳位二极管D1接限幅电压U1。

上述双PWM混合斩波控制电路，所述第二三角波发生器由方波生成器和第二积分电路构成，第二积分电路的输入端接方波生成器的输出端，输出端接运算放大器F2的正向输入端；所述第一三角波发生器由方波生成器、分频电路和第一积分电路构成，方波生成器的输出端接分频电路的输入端，第一积分电路的输入端接分频电路的输出端，输出端接运算放大器F1的反向输入端。

上述双PWM混合斩波控制电路，所述主PWM斩波电路的限幅电压U2低于辅PWM斩波电路的限幅电压U1。

上述双PWM混合斩波控制电路，所述分频电路的输出信号与输入信号的频率之比为1∶100。

本发明设置了两个频率不同的PWM斩波控制电路，它们的输出信号经一个与非门作逻辑运算后对IGBT进行控制，因而任何一个PWM斩波控制电路输出低电平信号时都能使IGBT导通。主PWM斩波电路的频率依照一般高频PWM斩波电路的频率来选择时，其单独工作时的上限死区为10％，辅PWM斩波控制电路的频率为主PWM斩波电路的百分之一，当两PWM斩波控制电路的开通时间均调整到最大时，主PWM斩波电路输出信号中，每100个周期内仅有对应于辅PWM斩波电路输出高电平关断信号的一个周期内的死区未被开通，其它99个周期内的死区都因辅PWM斩波控制电路输出低电平开通信号而开通，因而有效扩大了开通调节范围。本发明开通调节死区小、连续调节性能优良，调节范围可达0-99％以上。

附图说明

图1是本发明的电原理图；

图2是主、辅两个PWM斩波电路的同步电路原理图。

图中各标号为：F1、F2、运算放大器，T1、非门，T2、与非门，D1、D2、钳位二极管，R1～R6、电阻。

具体实施方式

参看图1，本发明采用主、辅两个PWM斩波电路同时对IGBT进行控制，在辅PWM斩波电路中，给定调节输入量U0依次经过电阻R1、电阻R2接运算放大器F1的正向输入端，限幅二极管D1的阳极接电阻R1、电阻R2的串接点，阴极接限幅电压U1，第一三角波发生器的输出端经过一个耦合电阻R3后接运算放大器F1的反向输入端，运算放大器F1的输出端经非门T1后接与非门T2的一个输入端；在主PWM斩波电路中，给定调节输入量U0依次经过电阻R4、电阻R5接运算放大器F2的反向输入端，限幅二极管D2的阳极接电阻R4、电阻R5的串接点，阴极接限幅电压U2，第二三角波发生器的输出端经过一个耦合电阻R6后接运算放大器F2的正向输入端，运算放大器F2的输出端接与非门T2的一个输入端，与非门T2的输出端接IGBT的栅极，与非门T2输出的信号即为PWM斩波控制信号。主、辅两个PWM斩波电路参数设定值的区别有两点：1、主PWM斩波电路中的三角波发生器的信号频率高于辅PWM斩波电路中的三角波发生器的信号频率，2、主PWM斩波电路中的限幅电压U2低于辅PWM斩波电路中的限幅电压U1。

表1是变量之间的逻辑关系：

对于高频斩波控制电路而言，PWM信号控制的是IGBT的开通和关断状态，当PWM＝0时，一般对应IGBT的关断；由于IGBT器件在开通和关断过程中，都存在一定固有的延时时间，为了保证IGBT的可靠关断或开通，控制IGBT的PWM信号，在由1变为0又由0变为1的过程中必须有一定的最小持续时间，该最小持续时间即为PWM的开通上限死区，对于由单一PWM构成的高频斩波控制电路而言，开通上限死区一般为10％，与之对应的PWM斩波控制调节范围为0-90％。针对一个对连续性调节性能要求较高的场合，该10％的上限死区是无法满足要求的。

如果采用图1所示的双PWM混合斩波控制开关器件的电路，第一三角波发生器的输出电压UF和第二三角波发生器的输出电压UH由图2所示电路给出。在图2中，方波发生器产生一个高频的方波信号，该方波信号一路接第二积分电路，第二积分电路的输出端为三角波信号UH；该方波信号另外一路接100分频电路的输入端，100分频电路的输出端接第一积分电路，第一积分电路的输出端为三角波信号UF。由于第一三角波发生器的输出信号UF与第二三角波发生器的输出信号UH是由同一个方波信号积分后生成的，所以，UF与UH的零点以及电压最大值点是同步的(分频电路产生的延时可忽略)，即第一三角波发生器的输出电压最大值点对应第二三角波发生器某一个周期信号的电压最大值点。

第二三角波发生器的频率按照高频来选择，调整限幅电压U2，使UE为1的上限死区仍然为10％，若定义三角波发生器2的周期为T₂，则UE为1的上限死区对应的关断时间ΔT为：ΔT＝0.1×T₂，由于第一三角波发生器的频率为第二三角波发生器频率的1/100，即若定义第一三角波发生器的周期为T₁，则：T₁＝100×T₂，调整限幅电压U1，使UC为0的上限死区对应的时间为T₂，而且使U1>U2。则当调高给定电压U0使之达到限幅电压U1时，由于U1>U2，故UC和UE都处于输出上限限幅死区状态，按照表1逻辑关系所示，则总输出PWM为0的最小关断时间等于UE为1的上限死区对应的时间ΔT，所以此时PWM对应的关断死区ΔPWM为：

ΔPWM = \frac{ΔT}{T_{1}} = \frac{0.1 \times T_{2}}{100 \times T_{2}} = 0.1 %

由于本发明已将关断死区减少至0.1％，故PWM的调节范围将扩大至0-99.9％。所以，本发明能够极大减少开通上限死区的限制，使PWM斩波控制能够满足高精度、宽范围的连续调节性能的要求。

Claims

1.一种双PWM混合斩波控制开关器件的方法，其特征是，它利用斩波控制电路控制开关器件的通断，所述开关器件为绝缘栅双极晶体管IGBT，所述斩波控制电路设置有两个，分别称之为主PWM斩波控制电路和辅PWM斩波控制电路，两者所输出的脉冲控制信号通过一个与非门共同对同一个IGBT进行控制；其中，辅PWM斩波控制电路所输出的脉冲控制信号的周期较大且为主PWM斩波控制电路所输出的脉冲控制信号周期的整数倍，辅PWM斩波控制电路的最小关断时间等于主PWM斩波控制电路所输出的脉冲控制信号的一个周期，由主、辅两个PWM斩波控制电路所输出的脉冲控制信号作与非逻辑运算后控制IGBT的通断。

2.根据权利要求1所述双PWM混合斩波控制开关器件的方法，其特征是，所述主、辅PWM斩波控制电路的激励源采用同一个方波发生器，所述方波发生器的输出送至主PWM斩波控制电路，辅PWM斩波控制电路则使用该方波发生器的输出经分频电路分频后的信号。

3.根据权利要求1或2所述双PWM混合斩波控制开关器件的方法，其特征是，所述主、辅PWM斩波控制电路的频率之比为100∶1。