CN102136803B - 一种脉宽调制变频电源及其死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脉宽调制变频电源及其死区补偿方法。本发明的技术方案中，在相电流的正、负半周各设置一个比较点电平，在输出相电压达到设定值时，反馈信号电平才会动作，由此获得需要的补偿量。通过对相电流进行采样，确定相电流的正、负半周时间，并在相电流的正负、峰值附近切换比较点。实施本发明，具有以下有益效果：可以有效解决电流过零点嵌位问题，准确地测量输出脉冲的宽度，进而准确地调整逆变回路上、下桥臂功率开关器件的通/断时间，以获得期望输出脉冲的宽度；提高电流波形正弦度、改善控制效果。

Description

一种脉宽调制变频电源及其死区补偿方法

技术领域

本发明涉及变频电源，更具体地说，涉及脉宽调制变频电源的死区补偿。

背景技术

电压源型变频电源大都使用PWM（Pulse Width Modulation）发波技术。它的主回路拓扑结构为：通过整流和电容滤波获得一个直流电压，然后通过逆变回路，产生频率和电压可调的脉冲输出。对于逆变回路，它的每一相电路，由两个带续流二极管的功率开关器件串联组成，通常称与直流电源正极相联的为上桥臂，与负极相联的为下桥臂。功率开关器件的开关需要一定的时间，因此在这种拓扑结构下，为了避免两个器件同时导通，引起短路，必须在一个器件关闭后，延时一定时间，另一个器件才允许导通，这段时间被称为死区时间。死区时间的加入，会造成功率开关器件实际开通时间与理论计算值不符，导致控制效果变差。

如果负载是感性的，在死区时间内，电流会经过续流二极管续流，通过哪个续流二极管，由电流方向决定，假如电流是由直流电源流向负载，那么死区时间内下桥臂的续流二极管开通，对负载来说，等效于下桥臂功率开关器件开通。在功率开关器件的一个开关周期内，存在两个死区时间，如果电流方向不变，那么两次死区时间内，都是下桥臂功率开关器件开通，或者说，下桥臂开通时间比期望值多了一个死区时间，上桥臂则少开通了一个死区时间。在这种情况下，采用的一种死区补偿方法是：如果电流方向是由电源流向负载，那么就让上桥臂的导通时间等于理论计算值加死区时间；反之，则是减小一个死区时间。

所以，死区补偿的关键，就是判断电流方向。采用这种死区补偿方法的变频电源通常都设计有电流采样电路，依靠采样到的相电流，判断电流方向。但是存在以下问题：

1）PWM发波输出电压为脉冲形式，电流波动较大。在电流过零点，也就是电流方向发生变化过程中，很难准确判断电流方向；

2）死区补偿会影响电流波形，尤其是在电流过零点时，电流幅值较小，死区补偿错误，很容易导致电流方向改变，依赖错误的电流方向补偿，结果必然也是错误的。

另一种死区补偿方法就是直接采样输出电压的脉冲宽度，跟期望脉冲进行对比，其偏差值作为死区补偿量。这种方案需要额外的电压采样电路。

相电压脉冲在高低电平之间变化，设置一个接近中点电压的比较点，将实际电压与比较点电压对比，判断输出电平的高低。这也是当前已经产品化的做法。如附图1所示，E1表示理论计算的脉冲宽度，E2表示实际测量的脉冲宽度，由于采样电路有延迟，所以捕获的延都有滞后。

这种方案也存在一个缺点，问题仍然是出在电流过零点的位置。由于电流过零点附近电流很小，无法使功率开关器件有效导通。此时测量输出电压，死区时间内的波形将会如附图2所示，出现台阶状上升。当电流继续减小，死区时间内，功率开关器件，包括续流二极管都无法导通。此时测量的输出电压，实际上是功率开关器件内寄生电容两端电压。由于没有放电回路，寄生电容两端电压将维持功率开关器件关断前的电压不变。它们都无法反映上下桥臂导通情况，此时的反馈量，也就不能用于死区补偿。当比较点在接近中点位置时，通常认为此时无需做任何补偿，或者补偿量受台阶电压出现位置的影响，变得不准确。不补偿，或者不准确的补偿，都将导致电流长时间在零附近波动，被称作“电流嵌位”。

现有技术中的这种方案，当开关器件中电流很小时，由于寄生电容的存在，使输出电压出现不确定状态，呈阶梯状上升和下降，而且台阶出现的位置不固定，此时无论如何设置比较点电平，都无法准确测量功率开关器件实际开通时间，导致补偿错误。在电流过零点，不补偿或补偿错误，都会造成嵌位和电流波形畸变，导致控制性能下降。

所以，只有一个比较点的相电压反馈死区补偿，仍然没有解决电流过零点问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中直接采样输出电压的脉冲宽度进行控制的脉宽调制变频电源，当开关器件中电流很小时，无法准确测量功率开关器件实际开通时间的缺陷，提供一种脉宽调制变频电源，其通过设置两个比较点来准确地测量输出脉冲的宽度，进而对功率开关器件的通/断时间进行控制，以获得期望输出脉冲的宽度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种脉宽调制变频电源，包括用于控制逆变回路中上、下桥臂功率开关器件通/断时间的控制器，所述控制器包括：

相电压采样电路，用于对输出端的相电压进行采样；

基准电压信号产生电路，用于产生基准电压信号；

比较器，其第一输入端连接于所述相电压采样电路，第二输入端连接于所述基准电压信号产生电路，用于将所述相电压的采样信号与所述基准电压信号进行比较，并输出比较结果信号；

处理器，其基于所述比较结果信号的持续时间计算反馈脉冲宽度，并将计算得出的反馈脉冲宽度和期望输出脉冲宽度进行比较，基于所述反馈脉冲宽度和期望输出脉冲宽度的比较结果输出控制信号，用以调整下一载波周期中逆变回路中上、下桥臂功率开关器件的通/断时间；

还包括：

相电流采样电路，用于对输出端的相电流进行采样；

比较点切换信号产生电路，用于判断所述相电流的正、负半周，并当所述相电流处于正半周时，生成促使所述基准电压信号产生电路产生第一基准电压信号的第一切换控制信号；当所述相电流处于负半周时，生成促使所述基准电压信号产生电路产生第二基准电压信号的第二切换控制信号；

所述基准电压信号产生电路接收比较点切换信号产生电路传送来的第一切换控制信号或第二切换控制信号，并基于第一切换控制信号产生第一基准电压信号或者基于第二切换控制信号产生第二基准电压信号，所产生的第一基准电压信号或第二基准电压信号被传送至比较器的第二输入端。

在本发明所述的脉宽调制变频电源中，所述第一基准电压信号为高电平信号，所述第二基准电压信号为低电平信号；或者所述第一基准电压信号为低电平信号，所述第二基准电压信号为高电平信号。

在本发明所述的脉宽调制变频电源中，所述第一切换控制信号和第二切换控制信号分别在所述相电流的正峰值和负峰值处生成。

在本发明所述的脉宽调制变频电源中，所述第一切换控制信号和第二切换控制信号分别在所述相电流的正峰值之前和负峰值之前生成。

在本发明所述的脉宽调制变频电源中，所述第一切换控制信号和第二切换控制信号分别在所述相电流的正峰值之后和负峰值之后生成。

在本发明所述的脉宽调制变频电源中，所述基准电压信号产生电路包括第一光电耦合器U2；所述第一光电耦合器原边的发光二极管正极接一恒定电压源，负极通过第一电阻R10连接至比较点切换信号产生电路的输出端；所述第一光电耦合器副边的三极管集电极与所述比较器的第二输入端相连、并通过第七电阻R7与母线电压正极P+相连，发射集通过接地电阻R9接地，所述三极管的集电极和发射集之间并联有第八电阻R8。

在本发明所述的脉宽调制变频电源中，所述比较器输出端与所述处理器之间连接有第二光电耦合器。

本发明要解决的另一技术问题在于，针对现有技术中直接采样输出电压的脉冲宽度进行控制的脉宽调制变频电源，当开关器件中电流很小时，无法准确测量功率开关器件实际开通时间的缺陷，提供一种脉宽调制变频电源的死区补偿方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种脉宽调制变频电源的死区补偿方法，包括：

采样相电压，并将其传送至比较器的第一输入端：

产生基准电压信号，并将其传送至比较器的第二输入端；

将所述相电压的采样值与所述基准电压信号进行比较，并输出比较结果信号；

基于所述比较结果信号的持续时间计算反馈脉冲宽度，并将计算得出的反馈脉冲宽度和期望输出脉冲宽度进行比较，基于所述反馈脉冲宽度和期望输出脉冲宽度的比较结果输出控制信号，用以调整下一载波周期中逆变回路中上、下桥臂功率开关器件的通/断时间；

所述产生基准电压信号包括产生第一基准电压信号和第二基准电压信号；所述方法还包括：

采样相电流，判断所述相电流的正负半周时间；

当所述相电流处于正半周时，生成第一切换控制信号；当所述相电流处于负半周时，生成第二切换控制信号；

基于第一切换控制信号产生第一基准电压信号或者基于第二切换控制信号产生第二基准电压信号，所产生的第一基准电压信号或第二基准电压信号被传送至比较器的第二输入端。

实施本发明，具有以下有益效果：可以有效解决电流过零点嵌位问题，准确地测量输出脉冲的宽度，进而准确地调整逆变回路上、下桥臂功率开关器件的通/断时间，以获得期望输出脉冲的宽度；提高电流波形正弦度、改善控制效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是相电压反馈比较原理图；

图2是功率开关器件没有有效导通时相电压检测波形图；

图3是根据本发明的脉宽调制变频电源的控制器的电路结构框图；

图4是根据本发明一实施例的脉宽调制变频电源控制器的部分电路的原理图；

图5是根据本发明一实施例的电流波形和比较点切换控制信的波形图。

具体实施方式

本发明提出一种双比较点相电压反馈死区补偿方法，用于PWM（脉冲宽度调制）发波变频设备的死区补偿。通过设置两个比较点，可以获得需要的补偿量，能够消除开关器件中寄生电容对反馈量的影响。这种死区补偿方法，依赖的是反馈脉冲和期望输出脉冲的宽度差异。

针对直接采样输出电压的脉冲宽度进行控制的脉宽调制变频电源，通过分析相电流过零点时相电压反馈存在的问题，提出了双比较点相电压反馈。假定当前电流方向是由电源到负载，那么死区时间内，下桥臂导通，过零点后，电流方向变为由负载到电源，此时，死区时间内应该是上桥臂导通，输出电压为高电平。既然是高电平，那么在设置比较点时，就应该将比较点设置在接近高电平的位置，这样，无论是功率开关器件无法有效导通时产生的台阶状电压变化，还是电压悬浮时，寄生电容引起的电压不变，都不会导致反馈量错误。反之，如果当前电流方向是由负载到电源，电流过零点后就变为由电源到负载，死区内下桥臂导通，所以比较点需要设置在接近低电平的位置。比较点位置的切换，需要避开电流过零点，本发明中，最好选择在电流正负峰值位置附近，实现比较点切换。

图3是根据本发明的脉宽调制变频电源的控制器的电路结构框图。如图3所示，控制器300包括电流采样电路10、比较点切换控制信号产生电路20、基准电压信号产生电路30、相电压采样电路40、比较器50和处理器60；其中处理器60包括计时模块62、脉宽比较模块64和脉宽调整模块66。

在操作过程中，相电压采样电路40对脉宽调制变频电源输出端的相电压进行采样，并将相电压的采样信号传送到比较器的第一输出端51。

相电流采样电路10对输出端的相电流进行采样，并将相电流采样结果传送至比较点切换信号产生电路20。

比较点切换信号产生电路20判断相电流的正、负半周，并当相电流处于正半周时，生成第一切换控制信号；当所述相电流处于负半周时，生成第二切换控制信号。

基准电压信号产生电路30接收比较点切换信号产生电路20传送来的第一切换控制信号或第二切换控制信号，并基于第一切换控制信号产生第一基准电压信号或者基于第二切换控制信号产生第二基准电压信号。所产生的第一基准电压信号或第二基准电压信号被传送至比较器50的第二输入端52。

比较器50将其第一输入端接收到相电压的采样信号与其第二输入端接收到的第一基准电压信号或第二基准电压信号进行比较，并将该比较的结果信号传送至处理器60。

在处理器60中，计时模块62基于比较器输出的比较结果信号的持续时间计算反馈脉冲宽度，脉宽比较模块64将计算得出的反馈脉冲宽度和期望输出脉冲宽度进行比较，脉宽调整模块66根据反馈脉冲宽度和期望输出脉冲宽度的比较结果输出脉宽调整控制信号，用以调整下一载波周期中逆变回路中上、下桥臂功率开关器件的通/断时间，从而获得期望输出脉冲宽度的输出。

在本发明的实施例中，可以设定第一基准电压信号为高比较点信号，第二基准电压信号为低比较点信号；或者设定第一基准电压信号为低比较点信号，第二基准电压信号为高比较点信号；有关这一点，可以根据主回路和电流采样电路的逻辑（主要是电流的方向、驱动信号的模式）而确定。

另外，第一切换控制信号和第二切换控制信号的生成时间可分别选择在相电流的正峰值和负峰值处、或者在所述相电流的正峰值和负峰值之前、或者在所述相电流的正峰值和负峰值之后。该切换信号生成时间只要避开过相电流零点附近即可。

图4是根据本发明一实施例的脉宽调制变频电源控制器的部分电路的原理图。图4中示出了基准电压信号产生电路30、相电压采样电路40、比较器50及处理器60。

如图4所示，基准电压信号产生电路30包括第一光电耦合器U2。该第一光电耦合器U2原边的发光二极管正极接一恒定电压源，负极通过第十电阻R10连接至比较点切换信号产生电路20的输出端以接收第一或第二切换控制信号。第一光电耦合器U2副边的三极管集电极与所述比较器的第二输入端52相连、并通过第七电阻R7与母线电压正极P+相连，发射集通过第九电阻R9接地，三极管的集电极和发射集之间并联有第八电阻R8。在相电流的正、负峰值附近，比较点切换信号产生电路20发出切换控制信号，控制光耦开关。当光耦关断时，与其副边并联的第八电阻R8生效，比较点电压被抬高；光耦导通，第八电阻R8被短接，比较点电压拉低。

相电压采样电路40包括降压电阻(第一电阻)R1和由第一二极管D1、第二电阻R2、第一电容C1并联构成的稳压电路。比较器50的第一输入端51通过降压电阻R1连接至相电压输出端，稳压电路连接在比较器50的第一输入端51和地之间。

所述比较器50输出端与处理器60之间连接有第二光电耦合器U5。

在本发明的一个实施例中，本发明脉宽调制变频电源中的控制器通过采样相电流信号，判断相电流峰值位置（不需要很准确），如果当前是正向峰值，则发出一个低电平信号，光耦导通，与光耦副边并联的电阻被短路，比较点拉低，接近低电平位置。如果当前是电流负向峰值，则发出一个高电平信号，光耦关断，与光耦副边并联的电阻起作用，比较点抬高，接近高电平位置。由此获得的相电压反馈信号，与期望脉冲进行对比，其偏差用于下一脉冲周期的死区补偿，用于解决单一比较点在电流很小时，无法准确测量输出脉冲宽度的问题。本发明的技术方案可以有效解决电流过零点嵌位问题，提高电流波形正弦度，改善控制效果。

图5是根据本发明一实施例的电流波形和比较点切换控制信的波形图。如图所示，正弦波代表的是相电流信号，矩形波是比较点切换控制信号。在本实施例中，分别在相电流的正、负峰值处生成第一切换信号(高电平)和第二切换信号(低电平)。需要说明的是，切换控制信号也可以在相电流的正、负半周其它位置处生成，只要避开过零点位置附近即可。

综上所述，单一比较点的采样电路，当电流很小时，由于功率开关器件无法完全导通，此时采样到的电压是寄生电容两端电压，无法通过比较脉冲偏差获得补偿量。本发明通过合理设定两个不同电位比较点，检测电压浮动量，获得与补偿量相吻合的脉冲宽度。在本发明的脉宽调制变频电源的死区补偿方法中，通过硬件电路采样相电压输出脉冲宽度，比较反馈脉冲和期望输出脉冲宽度差异，作为下一载波周期死区补偿量。本发明用于脉宽调制变频电源的死区补偿，主要是改善相电流在零值附近时的补偿效果。当电流很小时，功率开关器件无法有效导通，此时检测的输出电压，受寄生电容影响，不能反映真实值。通过设置两个比较点，在输出电压达到设定值时，反馈信号电平才会动作，由此获得需要的补偿量。

Claims (10)

1.一种脉宽调制变频电源，包括用于控制逆变回路中上、下桥臂功率开关器件通/断时间的控制器，所述控制器包括：

相电压采样电路，用于对输出端的相电压进行采样；

基准电压信号产生电路，用于产生基准电压信号；

比较器，其第一输入端连接于所述相电压采样电路，第二输入端连接于所述基准电压信号产生电路，用于将所述相电压的采样信号与所述基准电压信号进行比较，并输出比较结果信号；

处理器，其基于所述比较结果信号的持续时间计算反馈脉冲宽度，并将计算得出的反馈脉冲宽度和期望输出脉冲宽度进行比较，基于所述反馈脉冲宽度和期望输出脉冲宽度的比较结果输出脉宽调整控制信号，用以调整下一载波周期中逆变回路中上、下桥臂功率开关器件的通/断时间；

其特征在于，还包括：

相电流采样电路，用于对输出端的相电流进行采样；

比较点切换信号产生电路，用于判断所述相电流的正、负半周，并当所述相电流处于正半周时，生成促使所述基准电压信号产生电路产生第一基准电压信号的第一切换控制信号；当所述相电流处于负半周时，生成促使所述基准电压信号产生电路产生第二基准电压信号的第二切换控制信号；

所述基准电压信号产生电路接收比较点切换信号产生电路传送来的第一切换控制信号或第二切换控制信号，并基于第一切换控制信号产生第一基准电压信号或者基于第二切换控制信号产生第二基准电压信号，所产生的第一基准电压信号或第二基准电压信号被传送至比较器的第二输入端。

2.根据权利要求1所述的脉宽调制变频电源，其特征在于，所述第一基准电压信号为高电平信号，所述第二基准电压信号为低电平信号；或者所述第一基准电压信号为低电平信号，所述第二基准电压信号为高电平信号。

3.根据权利要求1所述的脉宽调制变频电源，其特征在于，所述第一切换控制信号和第二切换控制信号分别在所述相电流的正峰值和负峰值处生成。

4.根据权利要求1所述的脉宽调制变频电源，其特征在于，所述第一切换控制信号和第二切换控制信号分别在所述相电流的正峰值之前和负峰值之前生成。

5.根据权利要求1所述的脉宽调制变频电源，其特征在于，所述第一切换控制信号和第二切换控制信号分别在所述相电流的正峰值之后和负峰值之后生成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的脉宽调制变频电源，其特征在于，所述基准电压信号产生电路包括第一光电耦合器U2；所述第一光电耦合器原边的发光二极管正极接一恒定电压源，负极通过第一电阻R10连接至比较点切换信号产生电路的输出端；所述第一光电耦合器副边的三极管集电极与所述比较器的第二输入端相连、并通过第七电阻R7与母线电压正极P+相连，发射集通过接地电阻R9接地，所述三极管的集电极和发射集之间并联有第八电阻R8。

7.根据权利要求6所述的脉宽调制变频电源，其特征在于，所述比较器输出端与所述处理器之间连接有第二光电耦合器。

8.一种脉宽调制变频电源的死区补偿方法，包括：

采样相电压，并将其传送至比较器的第一输入端：

产生基准电压信号，并将其传送至比较器的第二输入端；

将所述相电压的采样值与所述基准电压信号进行比较，并输出比较结果信号；

基于所述比较结果信号的持续时间计算反馈脉冲宽度，并将计算得出的反馈脉冲宽度和期望输出脉冲宽度进行比较，基于所述反馈脉冲宽度和期望输出脉冲宽度的比较结果输出脉宽调整控制信号，用以调整下一载波周期中逆变回路中上、下桥臂功率开关器件的通/断时间；

其特征在于，所述产生基准电压信号包括产生第一基准电压信号和第二基准电压信号；所述方法还包括：

采样相电流，判断所述相电流的正负半周时间；

当所述相电流处于正半周时，生成第一切换控制信号；当所述相电流处于负半周时，生成第二切换控制信号；

基于第一切换控制信号产生第一基准电压信号或者基于第二切换控制信号产生第二基准电压信号，所产生的第一基准电压信号或第二基准电压信号被传送至比较器的第二输入端。

9.根据权利要求8所述的脉宽调制变频电源的死区补偿方法，其特征在于，所述第一基准电压信号为高电平信号，所述第二基准电压信号为低电平信号；或者所述第一基准电压信号为低电平信号，所述第二基准电压信号为高电平信号。

10.根据权利要求8所述的脉宽调制变频电源的死区补偿方法，其特征在于，所述第一切换控制信号和第二切换控制信号分别在所述相电流的正峰值和负峰值处生成、或者在所述相电流的正峰值和负峰值之前生成、或者在所述相电流的正峰值和负峰值之后生成。

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