CN101860251B - 一种插入可变死区时间的pwm互补输出方法 - Google Patents

Abstract

一种插入可变死区时间的PWM互补输出方法，属三相桥式逆变电路控制技术。由三组相同控制电路实现，每组电路包括边沿检测单元、死区时间设定寄存器、计数器单元、死区时间插入单元和输出互补信号的两个D触发器。边沿检测单元先检测PWM输入信号，当波形变化时，产生边沿变化标志信号CF，计数器输出值的每一位相或后，再和CF相或，得到计数器使能控制信号，在计数器单元中计数到与设定值相等时，其计数值同步复位到0，死区时间插入单元依EN修改PWM输入信号，在PWM输入信号上插入死区经D触发器消除毛刺后，得到互补PWM信号输出。本发明电路简单，死区时间宽范围可调，适于集成到带PWM波形产生器的微控制器中。

Description

一种插入可变死区时间的PWM互补输出方法

所属技术领域

本发明涉及一种插入可变死区时间的PWM互补输出方法属三相桥式逆变电路控制技术领域。

背景技术

PWM是Pulse Width Modulation的缩写，即脉冲宽度调制，它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到变频电源与控制的许多领域中。

在正弦脉宽调制式(SPWM)变频电路中，使用最多的是如图1所示的三相桥式逆变电路，由六个逆变管(IGBT)组成三相逆变桥，在逆变的过程中，互补的PWM信号控制同一桥臂的两个逆变管总是处在不停地交替导通和截止状态，以U相为例，在互补PWM信号UH和UL的控制下，由T1导通时，T2截止，转化为T1截止时，T2导通，如此反复，从而实现直流转化为交流。在交替过程中，一旦出现一管尚未完全截止，而另一管已经开始导通的状况，将立即引起直流高压经T1和T2的直流，相当于短路，T1和T2必将立即被损坏。为避免以上的现象的出现，在交替的SPWM控制电路中，必须留出一定的死区时间。死区是为保护开关器件安全、可靠运行而必须采取的措施。死区时间应根据器件导通、关断速度确定。但是如果原始信号比较宽，死区时间比较短，则容易使逆变电路因电流过大造成支路和输出短路，并使过流保护变得困难，但是若原始信号变窄，死区时间过长，将引起调制过程的非线性，从而影响逆变后输出电压的波形和数值。那么由于PWM原始脉冲宽度在驱动三相桥式逆变电路时是变化的，则死区时间也有时会做相应的微调。如果死区时间通过由死区时间设定寄存器决定，其可以通过程序在微处理器里面进行灵活调整，这种方式可增加运行的可靠性及灵活性。可变死区时间的插入方法见《电子技术应用》2001年第一期73页到74页的《基于FPGA的三相PWM发生器》。其逻辑实现采用一个加法器、一个减法器及多个比较器实现了可变死区时间的插入，这种逻辑实现的方法比较复杂，所用门数比较多，对于降低成本构成不利的影响。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供一种插入可变死区时间的PWM互补输出方法。

本发明是通过以下的技术方案来完成的：

1、一种插入可变死区时间的PWM互补输出方法，它是由三组相同的控制电路来实现的，其中每组控制电路包括边沿检测单元、死区时间设定寄存器、计数器单元、死区时间插入单元和输出互补PPWM和NPWM信号的第一、第二D触发器，其特征在于边沿检测单元包括第三D触发器和异或门，PWM输入信号输入端分别连接到第三D触发器的数据输入端和异或门的一个输入端，时钟信号CLK输入端连接到第三D触发器时钟输入端，第三D触发器的数据输出端连接到异或门的另一个输入端；计数器单元包括加法计数器、或门和比较器，加法计数器的输出端分别连接到或门和比较器的输入端，同时死区时间设定寄存器输出端连接到比较器的另一个输入端，比较器的输出端连接到加法计数器的同步复位端，边沿检测单元的异或门输出端连接到或门的另一个输入端，或门的输出端连接到加法计数器的使能端，时钟信号CLK输入端连接到加法计数器的时钟输入端；死区时间插入单元包括非门、与门和或非门，PWM输入信号的输入端分别连接到与门和或非门的输入端，计数器单元的或门输出端连接到非门的输入端和或非门的另一个输入端，非门的输出端连接到与门的另一个输入端；死区时间插入单元中的与门输出端连接到输出PPWM信号的第一D触发器输入端，或非门输出端连接到输出NPWM信号的第二D触发器输入端，时钟信号CLK输入端分别连接到第一、第二D触发器的时钟输入端，第一、第二D触发器的输出端分别输出PPWM和NPWM信号，该方法步骤如下：

1)、将上述三组控制电路中的第一、第二D触发器的输出端分别连接到三相桥式逆变电路中的六个逆变管IGBT的基极上，在三组控制电路PWM输入信号输入端上提供相应的PWM输入信号PWM_IN，接通电源后则开始工作；

2)、PWM输入信号PWM_IN输入到边沿检测单元中，在边沿检测单元中，PWM_IN通过第三D触发器产生锁存后的信号与PWM输入信号PWM_IN进行异或产生边沿变化标志信号CF；

3)、计数器单元中，加法计数器的计数值每一位相或后，再与步骤2)提供的边沿变化标志信号CF相或，产生有效的加法计数器使能信号EN；比较器对加法计数器计数值与所述的死区时间设定寄存器设定值进行比较，当相等时，产生有效的计数器同步复位信号；加法计数器以时钟信号CLK为加法计数器时钟信号，在加法计数器使能信号EN有效时，加法计数器开始递增计数，当加法计数器的同步复位信号有效时，即加法计数器计数值与所述的死区时间设定寄存器设定值相等时，加法计数器同步复位到0值，重新从0重新开始计数，如此反复；计数器单元输出的计数器使能信号EN同时提供给死区时间插入单元使用；

4)、死区时间插入单元对步骤1)中的PWM输入信号PWM_IN和步骤3)中提供的加法计数器使能信号EN根据逻辑表达式

或其等价逻辑表达式产生一路有毛刺的互补PWM信号PPWM_G，同时根据逻辑表达式

或其等价逻辑表达式产生另一路有毛刺的互补PWM信号NPWM_G；

5)、第一D触发器对步骤4)得到的一路有毛刺的互补PWM信号PPWm_G根据时钟信号CLK进行锁存，输出无毛刺的一路互补PWM信号PPWM；第二D触发器对步骤4)中得到的另一路有毛刺的互补PWM信号NPWM_G根据时钟信号CLK进行锁存，输出另一路无毛刺的互补PWM信号NPWM，从而完成可变死区时间的PWM互补输出。

本发明方法中各单元部件的功能和作用如下：边沿检测单元用于检测PWM输入信号PWM_IN变化；死区时间设定寄存器用于设定加法计数器计数最大值的比较基准值；计数器单元用于对时钟信号CLK计数；死区时间插入单元用于在所述的PWM输入信号PWM_IN上插入死区；第一D触发器和第二D触发器用于消除PWM互补信号上的毛刺。其中：边沿检测单元输入PWM输入信号PWM_IN，输出边沿检测信号CF，提供给计数器单元作为控制信号；死区时间设定寄存器为计数器单元提供死区时间设定值；计数器单元根据所述的边沿检测信号CF和所述的死区时间设定值，对时钟信号CLK进行计数，输出计数器使能信号EN，并提供给死区时间插入单元使用；死区时间插入单元根据所述的计数器使能信号EN在所述的PWM输入信号PWM_IN上插入死区时间，输出有毛刺的互补PWM信号PPWM_G和NPWM_G。第一D触发器和第二D触发器分别输入有毛刺的互补PWM信号PPWM_G和NPWM_G，输出无毛刺的互补PWM信号PWM和NPWM。

本发明控制电路不仅能应用于三相桥式逆变电路上，而且采用如图2所示的一组控制电路还能应用于单相半桥逆变电路上。

本发明方法使用电路结构简单，使用门数少，死区时间根据寄存器设定值可调，特别适合于集成到带有PWM波形发生器的微控制器中。

附图说明

图1是本发明所控制的三相桥式逆变电路的主电路结构示意图。

其中：T1、T2、T3、T4、T5、T6为六个功率开关器件IGBT，各由一个续流二极管反接并联，整个逆变电路由三相整流器提供直流电压U_d供电，输出包括U相，W相和V相的三相交流电，提供给三相负载使用，UH和UL、WH和WL、VH和VL为三对互补的PWM信号，分别控制T1和T2、T3和T4、T5和T6的基极。

图2是本发明电路的结构方框示意图。

其中：1、边沿检测单元，2、死区时间设定寄存器，3、计数器单元，4、死区时间插入单元，5、第一D触发器，6、第二D触发器，7、第三D触发器，8、异或门，9、加法计数器，10、或门，11、比较器，12、非门，13、与门，14、或非门。本发明应用到三相桥式逆变电路的控制器上，采用三组相同的如图2所示的等效电路，输出6路PWM信号，每2路为互补PWM信号PPWM和NPWM，分别作为图1中的UH和UL、WH和WL及VH和VL，实现对三相桥式逆变电路的控制。

图3是图2中标注各点处信号的操作时序图。

从图中可以看出，此种方法在一路PWM输入信号PWM_IN上成功地插入了死区时间，输出两路互补的PWM信号PPWM和NPWM，并且在互补PWM信号上消除了插入死区时间时产生的毛刺，通过改变死区时间寄存器设定值可以实时改变插入的死区时间大小。虽然输出的两路互补PWM信号相对于PWM输入信号PWM_IN延迟了一个时钟周期，但是并不影响PWM信号的控制功能及插入的死区时间大小。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如图1-2所示，一种插入可变死区时间的PWM互补输出方法，它是由三组相同的控制电路来实现的，其中每组控制电路包括边沿检测单元1、死区时间设定寄存器2、计数器单元3、死区时间插入单元4和输出互补PPWM和NPWM信号的第一D触发器5和第二D触发器6；边沿检测单元1包括第三D触发器7和异或门8，PWM输入信号的输入端分别连接到第三D触发器7的数据输入端和异或门8的一个输入端，时钟信号CLK输入端连接到第三D触发器7时钟输入端，第三D触发器7的数据输出端连接到异或门8的另一个输入端；计数器单元3包括加法计数器9、或门10和比较器11，加法计数器9的输出端分别连接到或门10和比较器11的输入端，同时死区时间设定寄存器2输出端连接到比较器11的另一个输入端，比较器11的输出端连接到加法计数器9的同步复位端，边沿检测单元1的异或门8输出端连接到或门10的另一个输入端，或门10的输出端连接到加法计数器9的使能端，时钟信号CLK输入端连接到加法计数器9的时钟输入端；死区时间插入单元4包括非门12、与门13和或非门14，PWM输入信号的输入端分别连接到与门13和或非门14的输入端，计数器单元3的或门10输出端连接到非门12的输入端和或非门14的另一个输入端，非门12的输出端连接到与门13的另一个输入端；死区时间插入单元4中的与门13输出端连接到输出PPWM信号的第一D触发器5输入端，时钟信号CLK输入端连接到上述的第一D触发器5的时钟输入端，第一D触发器5的输出端输出PPWM信号；死区时间插入单元中的或非门14输出端连接到输出NPWM信号的第二D触发器6输入端，时钟信号CLK输入端连接第二D触发器6的时钟输入端，第二D触发器6的输出端输出NPWM信号，该方法步骤如下：

1、将上述三组控制电路中的第一D触发器5、第二D触发器6的输出端分别连接到三相桥式逆变电路中的六个逆变管IGBT的基极上，在三组控制电路PWM输入信号输入端上分别提供相应的PWM输入信号PWM_IN，接通电源后开始工作；

2、PWM输入信号PWM_IN输入到边沿检测单元1中，在边沿检测单元中，第三D触发器7根据时钟信号CLK对PWM输入信号PWM_IN进行锁存，产生锁存后的信号，同时锁存后的信号与PWM输入信号PWM_IN进行异或，产生边沿变化标志信号CF；

3、计数器单元3中，加法计数器9的计数值每一位相或后，再与步骤2提供的边沿变化标志信号CF相或，产生有效的加法计数器9使能信号EN；比较器11对加法计数器9计数值与所述的死区时间设定寄存器2设定值进行比较，当相等时，产生有效的加法计数器9同步复位信号；加法计数器9以时钟信号CLK为加法计数器时钟信号，在加法计数器9使能信号EN有效时，加法计数器9开始递增计数，当加法计数器9的同步复位信号有效时，即加法计数器9计数值与所述的死区时间设定寄存器2设定值相等时，加法计数器9同步复位到0值，重新从0重新开始计数，如此反复；计数器单元3中输出的加法计数器9使能信号EN同时提供给死区时间插入单元使用；

4、死区时间插入单元4对步骤1中的PWM输入信号PWM_IN和步骤3中提供的加法计数器9使能信号EN根据逻辑表达式

或其等价逻辑表达式产生一路有毛刺的互补PWM信号PPWM_G，同时根据逻辑表达式

或其等价逻辑表达式产生另一路有毛刺的互补PWM信号NPWM_G；

5、第一D触发器5对步骤4得到的一路有毛刺的互补PWM信号PPWM_G根据时钟信号CLK进行锁存，输出无毛刺的一路互补PWM信号PPWM；第二D触发器6对步骤4中得到的另一路有毛刺的互补PWM信号NPWM_G根据时钟信号CLK进行锁存，输出另一路无毛刺的互补PWM信号NPWM，从而完成可变死区时间的PWM互补输出。

边沿检测单元1用于检测PWM输入信号PWM_IN的波形变化输出边沿变化标志信号CF。边沿检测单元1包括第三D触发器7和异或门8。其中，第三D触发器7输入PWM输入信号PWM_IN，输出延时一个时钟周期的PWM输入信号；异或门对PWM输入信号PWM_IN与延时一个时钟周期的PWM输入信号进行异或操作，产生有效的边沿变化标志信号CF。

死区时间设定寄存器2用于设定插入的死区时间的大小，插入的死区时间是“死区时间设定寄存器的设定值+1”个时钟周期，其位宽为n位，提供COMP[n-1:0]信号。

计数器单元3用于根据边沿变化标志信号CF、时钟信号CLK及COMP[n-1:0]信号产生死区时间插入使能信号EN。计数器单元包括加法计数器9、或门10和比较器11。其中，加法计数器9根据计数器使能信号和同步复位信号对时钟信号CLK进行计数，其为n位二进制加法计数器；或门10对加法计数器计数值Q[n-1:0]每一位进行或操作，再与边沿变化标志信号CF进行或操作，产生有效的加法计数器使能信号EN，连接到计数器Enable，同时所述的加法计数器使能信号EN可作为死区时间插入单元的控制信号；比较器11用于对加法计数器计数值Q[n-1:0]和n位死区时间设定寄存器设定值COMP[n-1:0]进行比较，并且当前值等于后值时生成有效的计数器同步复位信号，连接到计数器Reset端，对加法计数器进行复位为0的操作。

死区时间插入单元4根据加法计数器使能信号EN在PWM输入信号PWM_IN上插入死区产生有毛刺的两路互补的PWM信号。死区时间插入单元包括非门12、与门13和或非门14。其中，非门12对加法计数器使能信号EN反向获得反向的加法计数器使能信号EN；与门13对PMW输入信号PWM_IN和反向的加法计数器使能信号EN进行与操作，输出一路有毛刺的互补PWM信号PPWM_G；或非门14对PWM输入信号PWM_IN和加法计数器插入使能信号EN进行或非操作，输出另一路有毛刺的互补PWM信号NPWM_G。

第一D触发器5根据CLK时钟信号对一路有毛刺的互补PWM信号PPWM_G进行锁存，输出一路无毛刺的互补PWM信号PPWM。

第二D触发器6根据CLK时钟信号对另一路有毛刺的互补PWM信号NPWM_G进行锁存，输出另一路无毛刺的互补PWM信号NPWM。

图2中各点A、B、C、D、E、F、G、H、I、J的时序信号如图3所示，I、J点是具有互补输出无毛刺的带有死区时间的PWM信号，A点是时钟信号CLK的时序输入信号，B点是PWM输入信号的波形时序图，死区时间设定寄存器中设定的值为“3”。该实现逻辑简单，并且此电路为同步设计，特别适合于集成到带有PWM波形产生器的微控制器中。

本发明应用到三相桥式逆变电路的控制器上，采用三组相同的如图2所示的等效电路，PPWM可控制UH、WH或VH，NPWM可控制UL、WL或VL。以U相为例，当PPWM作为UH信号控制T1管的开启与关闭时，则NPWM作为UL信号控制T2管的开启与关闭。这样三组相等的如图2的等效电路实现了三相桥式逆变电路的控制，达到直流转化为交流的目的。

Claims (1)

1.一种插入可变死区时间的PWM互补输出方法，它是由三组相同的控制电路来实现的，其中每组控制电路包括边沿检测单元、死区时间设定寄存器、计数器单元、死区时间插入单元和输出互补PPWM和NPWM信号的第一、第二D触发器，其特征在于边沿检测单元包括第三D触发器和异或门，PWM输入信号输入端分别连接到第三D触发器的数据输入端和异或门的一个输入端，时钟信号CLK输入端连接到第三D触发器时钟输入端，第三D触发器的数据输出端连接到异或门的另一个输入端；计数器单元包括加法计数器、或门和比较器，加法计数器的输出端分别连接到或门和比较器的输入端，同时死区时间设定寄存器输出端连接到比较器的另一个输入端，比较器的输出端连接到加法计数器的同步复位端，边沿检测单元的异或门输出端连接到或门的另一个输入端，或门的输出端连接到加法计数器的使能端，时钟信号CLK输入端连接到加法计数器的时钟输入端；死区时间插入单元包括非门、与门和或非门，PWM输入信号的输入端分别连接到与门和或非门的输入端，计数器单元的或门输出端连接到非门的输入端和或非门的另一个输入端，非门的输出端连接到与门的另一个输入端；死区时间插入单元中的与门输出端连接到输出PPWM信号的第一D触发器输入端，或非门输出端连接到输出NPWM信号的第二D触发器输入端，时钟信号CLK输入端分别连接到第一、第二D触发器的时钟输入端，第一、第二D触发器的输出端分别输出PPWM和NPWM信号，该方法步骤如下：

1)、将上述三组控制电路中的第一、第二D触发器的输出端分别连接到三相桥式逆变电路中的六个逆变管IGBT的基极上，在三组控制电路PWM输入信号输入端上提供相应的PWM输入信号PWM_IN，接通电源后则开始工作；

2)、PWM输入信号PWM_IN输入到边沿检测单元中，在边沿检测单元中，PWM_IN通过第三D触发器产生锁存后的信号与PWM输入信号PWM_IN进行异或产生边沿变化标志信号CF；

3)、计数器单元中，加法计数器的计数值每一位相或后，再与步骤2)提供的边沿变化标志信号CF相或，产生有效的加法计数器使能信号EN；比较器对加法计数器计数值与所述的死区时间设定寄存器设定值进行比较，当相等时，产生有效的计数器同步复位信号；加法计数器以时钟信号CLK为加法计数器时钟信号，在加法计数器使能信号EN有效时，加法计数器开始递增计数，当加法计数器的同步复位信号有效时，即加法计数器计数值与所述的死区时间设定寄存器设定值相等时，加法计数器同步复位到0值，重新从0重新开始计数，如此反复；计数器单元输出的计数器使能信号EN同时提供给死区时间插入单元使用；

4)、死区时间插入单元对步骤1)中的PWM输入信号PWM_IN和步骤3)中提供的加法计数器使能信号EN根据逻辑表达式或其等价逻辑表达式产生一路有毛刺的互补PWM信号PPWM_G，同时根据逻辑表达式

或其等价逻辑表达式产生另一路有毛刺的互补PWM信号NPWM_G；

5)、第一D触发器对步骤4)得到的一路有毛刺的互补PWM信号PPWM_G根据时钟信号CLK进行锁存，输出无毛刺的一路互补PWM信号PPWM；第二D触发器对步骤4)中得到的另一路有毛刺的互补PWM信号NPWM_G根据时钟信号CLK进行锁存，输出另一路无毛刺的互补PWM信号NPWM，从而完成可变死区时间的PWM互补输出。

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