CN102315822A - 在脉宽调制控制中补偿死区时间的控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在应用于逆变器的切换臂(1)的PWM型控制中补偿死区时间(TM)的方法，所述切换臂包含第一开关(T1₁)和第二开关(T2₁)。所述方法包含如下步骤：在包括死区时间(TM)的确定时间窗口(Wint)期间积分输出电压(V_ph)，以便确定补偿的持续时间；以及应用补偿的持续时间以便校正当前脉冲的宽度或随后脉冲的宽度。

Description

在脉宽调制控制中补偿死区时间的控制方法和系统

技术领域

本发明涉及在切换臂的PWM(脉宽调制)控制中补偿死区时间的方法和系统，该切换臂应用在例如带有电压源的逆变器中。

背景技术

众所周知，通常应用在变速驱动器中的逆变器包含每一条与要控制的电负载连接的几条切换臂。这些切换臂并联在与电压源连接的两条供电线之间。每条臂包含，例如，串联在两条供电线之间的至少两个开关、和位于第一开关与第二开关之间并与电负载连接的连接中点。每个开关尤其包含，例如，与二极管相联系的IGBT(绝缘栅双极晶体管)型的晶体管。

在表示在图1中的逆变器的切换臂中，通过互补PWM信号(图2)控制两个开关，也就是说，当开关之一处在闭合状态下时，另一个开关处在打开状态下，反之亦然。而且，为了防止两个开关同时处在闭合状态下，将死区时间插入到两个开关的闭合状态的切换时间之间。在这个死区时间期间，两个开关因此都处在打开状态下。这样就有把握地避免两个开关都处在闭合状态下时两条供电线之间的短路以及这种短路引起的电流尖峰。

在死区时间期间，输出电压由流入切换臂的电流的符号决定。例如，正电流(流向负载)产生负输出电压，而负电流(从负载流向开关)产生正输出电压。这种状况主要引起了在死区时间期间实际施加的输出电压的不确定性。图2示意性地示出了输出电压随电流符号的演变。

为了控制这种状况，已知应用考虑到死区时间的补偿。

在现有技术中，已经应用了几种过程来进行这种补偿。

描述在，例如，专利申请US2009/278621或US7,286,375中的这些过程之一的要点在于查看切换臂的输出端上电流的符号，以及采用切换脉冲的持续时间作为这个符号的函数。不过，一旦这个电流接近零，这种估计就不准确，因为它不反映切换斜率，该切换斜率可能变得非常缓慢，并且仍然小于当在死区时间之后(例如，在接通开关T2₁的时刻)电压上升仍然未终止时(图2，曲线V_{ph_is～0})发生的非线性切换。

另一种已知过程的要点在于应用快速比较器来检测电压经过其预期变化的一半(也就是说，在传统逆变器上二等分的母线电压)的时刻。这种过程比前一种过程更有效，但不是最佳，因为它不可能考虑到非线性切换，而后者在逆变器输送小频率和振幅的电压来例如控制低速负载时是经常发生的。

描述在专利US5,450,306中的另一种已知过程的要点在于在切换周期上积分负载的电压，并且将这个信息发送给微控制器，以便用于随后的补偿。在这种解决方案中，以数字方式进行积分，从而使其特别昂贵，并且需要高频时钟来精确感测死区时间。

发明内容

本发明的目的是提出可以在PWM型控制中补偿死区时间的控制方法，该方法是可靠的，易于实现的和可以缓解上文展示的早期过程的缺点的。

这个目的是通过在应用于连接在两条供电线之间的切换臂的PWM型控制中补偿死区时间的方法实现的，所述切换臂包含第一开关、第二开关、和位于所述第一开关与所述第二开关之间并与电负载连接的连接中点，对于一个脉冲，所述PWM控制的要点在于进行所述第一开关的切换和所述第二开关的切换，以及在所述第一开关的切换与所述第二开关的切换之间插入死区时间，以便将输出电压施加于负载，所述方法的特征在于，它包含如下步骤：

-在包括死区时间的确定时间窗口期间积分输出电压，以便确定补偿的持续时间；以及

-应用补偿的持续时间以便校正当前脉冲的宽度或随后脉冲的宽度。

按照一种特征，将所述时间窗口定义成包括单个死区时间。

按照一种特征，借助于包含电容器的模拟积分器进行积分。

按照另一种特征，通过在所述电容器的充电/放电期间检测的瞬时确定补偿的持续时间。

按照另一种特征，使时间窗口的起点与打开开关之一的命令同步。

本发明还涉及在应用于连接在两条供电线之间的切换臂的PWM型控制中补偿死区时间的系统，所述切换臂包含第一开关、第二开关、和位于所述第一开关与所述第二开关之间并与电负载连接的连接中点，对于一个脉冲，所述PWM控制的要点在于进行所述第一开关的切换和所述第二开关的切换，以及在所述第一开关的切换与所述第二开关的切换之间插入死区时间，以便将输出电压施加于负载，所述系统的特征在于，它包含：

-模拟积分器，旨在在包括死区时间的确定时间窗口期间积分输出电压，以便确定补偿的持续时间；以及

-控制部件，用于通过应用所确定的补偿的持续时间校正当前脉冲的宽度或随后脉冲的宽度。

按照一种特征，使时间窗口的起点与打开开关之一的命令同步。

按照另一种特征，所述模拟积分器包含电容器。

按照另一种特征，通过在所述电容器的充电/放电期间检测的循环结束瞬时确定补偿的持续时间。

按照另一种特征，所述系统包含旨在激活所述积分器的电容器的充电或放电的所述模拟积分器的控制部件、和检测所述电容器两端之间的电压在所述时间窗口之后返回到它的静态值的循环结束瞬时的部件。

附图说明

通过参照通过例子给出和通过附图表示的实施例对本发明进行如下详细描述，本发明的其它特征和优点将显而易见，在附图中：

-图1表示了与电负载连接的逆变器；

-图2以示意方式表示了切换臂上在切换期间输出电压的演变；

-图3示意性地表示了本发明的系统的架构；

-图4以简化方式例示了本发明的工作原理；

-图5表示了应用在本发明的系统中和按照表示在图4中的工作原理工作的电子设备；以及

-图6表示了通过例示在图5中的设备获得的模拟。

具体实施方式

本发明应用于在应用于切换臂的PWM控制中对死区时间的补偿。该切换臂可以应用在有源整流器或带有电压源的逆变器中。

应该明白，表述“带有电压源的逆变器”指的是正如所谓的飞跨电容逆变器和矩阵转换器型的逆变器那样，包含DC(直流)供电母线的具有两个或更多个电平的所有传统逆变器。随后的描述涉及具有两个电平的传统逆变器，但必须明白，本发明可应用于上文所述的所有逆变器。

众所周知，像表示在图1中和例如应用在变速驱动器中的传统逆变器INV包含两条供电线，即，正供电线和负供电线，母线电容器Cbus和几条切换臂1、2、3连接在两条供电线之间。通常，每条切换臂1、2、3包含连接在两条供电线之间的至少两个切换开关(T1₁，T2₁，T1₂，T2₂，T1₃，T2₃)。在每条臂上，位于两个开关间的连接中点与电负载M连接。

本发明的方法可以独立应用于逆变器的每条切换臂。因此，随后的描述将基于包含例如晶体管T1₁和T2₁的单条切换臂1。

参考图2，控制部件进行的PWM控制的脉冲按时序包含，例如：

-使开关T1₁在某个持续时间内保持在闭合状态下(曲线CdT1₁)；

-打开开关T1₁的命令(曲线CdT1₁)；

-两个晶体管T1₁、T2₁处在打开状态下的死区时间TM；

-闭合开关T2₁的命令(曲线CdT2₁)；

-使开关T2₁在某个持续时间内保持在闭合状态下(曲线CdT2₁)；

-打开开关T2₁的命令(曲线CdT2₁)；

-新死区时间；

-闭合开关T1₁的命令(曲线CdT1₁)。

开关的切换持续时间按照希望施加于电负载M的输出电压V_ph来确定。在死区时间TM的外面，由于开关之一总是处在闭合状态下，所以输出电压V_ph得到控制。另一方面，在避免DC母线短路所需要的死区时间TM期间，电压的演变取决于电流i_s的符号和数值。图2例示了这个方面。在这个图2中，可以看到，在切换臂的输出端上实际获得的输出电压V_ph呈现取决于电流是正(V_{ph_is}＞0)、是负(V_{ph_is}＜0)还是接近零(V_{ph_is～0})的不同轮廓。图2还示出了希望获得的理想电压V_{ph_id}。

因此，本发明的要点在于精确地查明死区时间TM期间电压的演变，以便对死区时间TM的强制应用引起的误差进行补偿。

因此，本发明的目的是补偿施加于电负载M的输出电压中受PWM控制的第一开关的切换与第二开关的切换之间的死区时间的强制存在引起的不确定性。

为此目的，本发明提出了可以在包括死区时间TM的积分窗口Wint上进行输出电压(V_ph)的积分的方法。因此，该方法可以确定在积分窗口上施加在切换臂的输出端上的伏特-秒(电压-时间)。

将积分窗口Wint定义成包含单个死区时间TM。因此，对应用在PWM控制中的每个死区时间进行不同积分。对于每个新死区时间TM，都开始新积分窗口Wint，并且刚好终止在死区时间结束之后。

使积分窗口Wint的起点与打开切换臂的开关之一的逻辑命令同步。积分窗口可以在打开开关之一的命令之前开始，但在这种情况下，有必要知道存在于窗口的起点与打开开关的逻辑命令之间的偏移。积分窗口Wint刚好终止在死区时间结束之后，以便能够考虑到任何传播滞后和开关的切换时间。如果死区时间TM的持续时间总是相同，则积分窗口Wint的持续时间可以一直在控制中被固定和预记录，或者，例如，通过在该死区时间结束之后的确定持续时间(例如，1μs(微秒))之后系统地失效可以使它与该死区时间的持续时间相适应。

通过测量积分窗口Wint的持续时间上输出电压V_ph的积分，这使得恰好在电压最不确定的地方使测量的精度达到最大。的确，如上文所回想的那样，在死区时间TM的外面，输出电压V_ph得到控制，因此，它的测量值不是至关紧要的。在理想情况下，对每个死区时间进行积分。

按照本发明，因此采用的原理的要点在于：

-定义包含死区时间TM的积分窗口Wint，所述窗口具有稍大于死区时间的持续时间的可观持续时间(例如，死区时间+1μs)。

-积分在这个积分窗口期间测量的输出电压，以便从中导出补偿的持续时间。

-一旦经过了窗口的持续时间，就在当前脉冲的宽度上或在随后脉冲的宽度上应用所确定补偿的持续时间。

按照本发明，为了进行积分，利用基于与要积分的电压成比例的电流对电容器的充电的模拟积分器(INT)。一旦经过了积分窗口，就以与在积分阶段期间引起的电压变化成比例的时间的形式检索形成在电容器的两端之间的电压。检测并处理电容器两端之间的电压返回到它的初始值的瞬时，以便确定补偿的持续时间。

电容器的放电是，例如，借助于电流源进行的，该电流源可以是：

-恒定的，也就是说，由所应用的部件的特性决定。在这种情况下，在电容器的放电期间，伏特-秒实际上被恢复和此后必须通过DC母线的电压归一化，以便校正脉冲的宽度以进行补偿。

-取决于逆变器的输入端上DC母线的电压，也就是说，与逆变器的输入端上DC母线的电压成比例。在这种情况下，测量的积分已经通过DC母线的电压归一化，并且对应于可以直接用于进行补偿的时间。

作为一个变体实施例，可以在电容器的放电期间进行积分，电流源进行电容器的充电。

图4例示了本发明的工作原理。本发明的要点实际上在于简化成由电流源充电的电容器，该电流源的值取决于系统的状态。

在区段1(Z1)中，也就是说，直到瞬时t₀(对应于打开命令)，开关T1₁保持在闭合状态下，电容器两端之间的电压是固定的，并等于指定的静态电压V_C0。没有电流流入电容器中。

在t₀上，向T1₁发送打开命令。使积分窗口Wint的起点与这个命令的发送同步。

区段2(Z2)从t₀持续到t₁，且对应于积分窗口Wint，这个窗口终止在死区时间TM结束之后。在积分窗口Wint期间，电容器两端之间的电压V_c(t)按照如下关系作为电流i(t)的函数演变：

i(t)＝K₁V_ph(t)，其中，V_ph(t)对应于输出电压，和K₁是恒定系数。

因此，在t₁上，通过如下关系表达电容器两端之间的电压V_C：

$V_C\left(t_1\right)=V_{C0}+\frac{K_1}{C}{\∫}_{t_0}^{t_1}{V}_{\mathrm{ph}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，C对应于电容器的电容。

当积分窗口Wint终止时，也就是说，在瞬时t₁上，等效装置的电流源使电流反向，迫使V_C(t)的演变沿着与积分期间V_C(t)的演变方向相反的方向。因此，V_C(t)逐渐接近静态电压V_C0，并且在瞬时t₂到达静态电压V_C0。

如果电流源依照i(t)＝-K₂关系保持恒定，则电压V_C(t)的演变遵循如下关系：

$V_C\left(t\right)=V_C\left(t_1\right)-\frac{K_2}{C}(t-t_1)$

以及V_C(t₂)＝V_C0，然后，根据上文的关系(1)，我们获得：

$t_2-t_1=\frac{K_1}{K_2}{\∫}_{t_0}^{t_1}{V}_{\mathrm{ph}}\left(t\right)\mathrm{dt}$

如果电流源按照i(t)＝-K₃V_bus关系取决于DC母线的电压，则我们在区段3(Z3)中获得：

$V_C\left(t\right)=V_C\left(t1\right)-\frac{K_3}{C}{\∫}_t^t{V}_{\mathrm{bus}}\left(u\right)\mathrm{du}$

即，假设电压V_bus在t₁与t₂之间恒定并等于它在t₁上的值的如下关系 $V_C\left(t\right)\≈V_C\left(t_1\right)-\frac{K_3{V}_{\mathrm{bus}}}{C}(t-t_1).$ 然后，我们获得：

$t_2-t_1=\frac{K_1}{K_3}{\∫}_{t_0}^{t_1}\frac{V_{\mathrm{ph}}\left(t\right)}{V_{\mathrm{bus}}}\mathrm{dt}$

在t₂之后，该系统返回到它的稳定状态，并准备为新的切换(Z4)工作。

因此，本发明的要点在于检测循环结束瞬时t₂，或换句话说，电容器返回到初始电压(V_C0)的瞬时t₂，此后应用这个瞬时来计算要应用在PWM控制中的补偿的持续时间，以便校正当前脉冲的宽度或随后脉冲的宽度。补偿的持续时间可以通过，例如，t₂-t₁关系或t₂-t₀关系来表达，必须将检测的瞬时t₂与像例如t₀、t₁、或甚至以前切换的t₂那样通过控制已知和存储的瞬时相联系。

按照本发明，参考图3，可以实现所述控制逆变器INV的方法的系统因此尤其包含可以按照上文定义的原理进行积分的电子设备100、和控制部件200，控制部件200包含可以确定补偿的计算部件201和通过考虑每条臂的所计算补偿生成切换臂(Cd(1、2、3))的PWM控制的部件202。在图3中，将切换臂1、2、3每一条的输出电压V_ph发送到电子设备100加以积分。作为部件202发送以便为积分窗口Wint作准备的电压信号V_in的函数，计算部件201恢复可以为每条臂检测用于计算补偿的持续时间的瞬时的电压信号V_out。

图5示出了可以在积分窗口(Wint)的期间进行输出电压V_ph的积分和检测上文定义的瞬时t₂的电子设备的示范性实施例。显示在图5中的设备按照上文结合图4所述的原理工作。

在这个实施例中，该设备包括包含电容器(C3)的模拟积分器(INT)、旨在激活积分器(INT)的电容器的充电或放电的模拟积分器的控制部件4、和检测电容器两端之间的电压在积分窗口(Wint)之后返回到它的静态值的循环结束瞬时t₂的部件5。

更确切地说，在图5中，该设备包含两个不同电流源CCS、DCS，以便再现图4的区段Z2和Z3所例示的操作。

第一电流源CCS是简单电阻器R5，和用作旨在对电容器C3充电的电流源。第二电流源DCS是旨在使电容器C3放电的“有源”源，和由晶体管Q1、齐纳二极管D5和电阻器R3的联合组成。在这个实施例中，两个电源永久地与电容器3和可以保证在一个与另一个之间切换的控制部件4连接，以便处在图4中的区段Z2或区段Z3所例示的状况下。这个命令借助于受控制信号V_in控制的晶体管Q2来执行。使可以开启积分窗口Wint的晶体管Q2的打开与打开切换臂的每个开关的命令同步，这个切换命令系统地标记死区时间的起点。闭合晶体管Q2的命令对应于积分窗口的终点。检测部件5可以检测上文定义的瞬时t₂。

因此，当信号V_in在0V上时，晶体管Q2打开。第一电流源CCS工作，而另一个电流源DCS失效。因此，跨过电阻器R5和二极管D1对积分器的电容器C3充电。

当信号V_in在电位Vcc2(＝7V)上时，晶体管Q2接通，由V_ph引起的电流流过晶体管Q2，然后断开二极管D1。考虑到电容器C3，第一电源CCS失效。同时，齐纳二极管D5两端之间的电压出现在第二电流源DCS中的晶体管Q1的基极上。然后，第二电流源DCS起作用，使电容器C3放电。因此，控制信号V_in可以切换电流源，这种装置构成区段Z2和Z3中，表示在图3中的一般原理的实施例。

当电容器C3两端之间的电压在第二电流源DCS的影响下降低，直到下降到稍低于Vcc2时，晶体管Q5导通，且电压V_out从等于0V的电压切换到与要检测的瞬时t₂相对应的电压Vcc2。

此外，第二电源DCS仍然起作用，但它的所有电流都通过Vcc2和检测部件5。因此，现在没有电流流入电容器C3中。因此，这是与图4的区段Z1和Z4相对应的稳定状态，其间，考虑到电容器C3，所有电流源都失效。

当控制信号V_in再次返回到0V(根据新切换)时，第二电源DCS实际上已失效，而第一电流源CCS将电容器C3充电到超过电压Vcc2，从而断开二极管D2，并且也断开晶体管Q5。然后，电压V_out在这个阶段降回到0V。

因此，概括起来，这个设备的工作顺序如下：

初始稳定状态(切换臂的开关之一处在闭合状态下)：

-V_in＝+7V-晶体管Q2像晶体管Q1那样闭合，然后，电压V_out处在+7V上。

-电容器C3放电。

积分窗口的起点(＝打开开关T1₁或T2₁之一的命令)：

-V_in＝0V-晶体管Q1和Q2都打开。

-经由电阻器R5对电容器C3充电，以便积分输出电压V_ph.

-晶体管Q5断开，因此，电压V_out下降到0V。

积分窗口的终点(＝刚好在死区时间结束之后)：

-V_in＝+7V-晶体管Q2闭合，从而接通二极管D3和断开二极管D1，

-齐纳二极管D5导通，从而闭合使电流流入电阻器R3中的晶体管Q1。

-然后，电容器C3线性放电。

-当电容器C3两端之间的电压稍低于7V时，晶体管Q5导通。然后，电压V_out升高到7V。检测和随后处理电压V_out到达7V的时刻，以确定补偿死区时间的持续时间。此后，通过切换臂的PWM控制应用所确定的补偿持续时间。

下一次切换：

-返回到初始状态。

图6表示了与图5的设备相对应的模拟曲线。在这些曲线中，尤其可以看出，要检测的瞬时t₂对应于电容器C3两端之间的电压返回到它的静态值(未必是零)的瞬时。同样，这个模拟用灰色示出了在积分窗口Wint期间，由输出电压V_ph的曲线界定的待积分区域。

可以设想出这种设备的变体实施例或细化实施例来实现图4所例示的工作原理。这里以非穷尽方式列出几个可能修改要素：

-在电流源与电容器之间直接应用电子开关；

-应用可以呈现各种值的单个电流源；

-应用各种布局的电流源。它们可以通过单个RC电路、通过有源电路(像图5的第二电源DCS那样)、通过电流镜像、或此外通过任何其它手段具体化；

-电流源的值可以如上文所述，取决于像例如逆变器的母线的电压那样的外部信号；

-电容器C3可以让它的端子之一处在固定电位上，但未必如此；

-电容器C3的电压可以在区段Z3期间升高而在区段Z4期间降低，但反过来也可以。

Claims (10)

1.一种在应用于连接在两条供电线之间的切换臂(1)的PWM型控制中补偿死区时间(TM)的方法，所述切换臂包含第一开关(T1₁)、第二开关(T2₁)、和位于所述第一开关与所述第二开关之间且与电负载(M)连接的连接中点，对于一个脉冲，所述PWM控制的要点在于进行所述第一开关(T1₁)的切换和所述第二开关(T2₁)的切换，以及在所述第一开关的切换与所述第二开关的切换之间插入死区时间，以便将输出电压(V_ph)施加于负载(M)，所述方法的特征在于，它包含如下步骤：

-在包括单个死区时间(TM)的确定时间窗口(Wint)期间积分输出电压(V_ph)，以便确定补偿的持续时间；以及

-应用补偿的持续时间以便校正当前脉冲的宽度或随后脉冲的宽度。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于模拟积分器(INT)进行积分。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述模拟积分器(INT)包含电容器(C3)。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，通过在所述电容器(C3)的充电/放电期间检测的瞬时(t₂)确定补偿的持续时间。

5.按照前面权利要求之一所述的方法，其特征在于，使时间窗口(Wint)的起点与打开开关之一的命令同步。

6.一种在应用于连接在两条供电线之间的切换臂(1)的PWM型控制中补偿死区时间(TM)的系统，所述切换臂包含第一开关(T1₁)、第二开关(T2₁)、和位于所述第一开关与所述第二开关之间且与电负载(M)连接的连接中点，对于一个脉冲，所述PWM控制的要点在于进行所述第一开关的切换和所述第二开关的切换，以及在所述第一开关的切换与所述第二开关的切换之间插入死区时间(TM)，以便将输出电压(V_ph)施加于负载，所述系统的特征在于，它包含：

-模拟积分器(INT)，旨在在包括单个死区时间(TM)的确定时间窗口(Wint)期间积分输出电压(V_ph)，以便确定补偿的持续时间；以及

-控制部件(200)，用于通过应用所确定的补偿持续时间校正当前脉冲的宽度或随后脉冲的宽度。

7.按照权利要求6所述的系统，其特征在于，使时间窗口(Wint)的起点与打开开关之一的命令同步。

8.按照权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述模拟积分器(INT)包含电容器。

9.按照权利要求8所述的系统，其特征在于，通过在所述电容器(C3)的充电/放电期间检测的循环结果瞬时(t₂)确定补偿的持续时间。

10.按照权利要求9所述的系统，其特征在于，它包含旨在激活所述积分器(INT)的电容器(C3)的充电或放电的所述模拟积分器(INT)的控制部件(4)、和检测所述电容器(C3)两端之间的电压在所述时间窗口(Wint)之后返回到它的静态值的循环结束瞬时(t₂)的部件(5)。

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