CN103427688A - 一种有源死区补偿电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种有源死区补偿电路，其连接于基于半桥输出电路的直流-交流逆变器中，该补偿电路包括第一谐振电容C1、第二谐振电容C2和辅助谐振回路，所述第一、二谐振电容C1、C2分别并联于半桥输出电路的上、下管，所述辅助谐振回路的一端与半桥输出电路的中点相连，另一端与半桥输出电路的正、负电源的中点即地相连。本发明在确保逆变器半桥结构输出电路的上下管工作安全的条件下，通过对死区进行补偿，使得该电路的输出谐波失真大为减小，令死区的设置与输出波形的失真这对矛盾得到很好的解决。
Description
技术领域
本发明属于电能变换装置的直流-交流逆变器领域，具体涉及一种有源死区补偿电路及其控制方法。
背景技术
伴随计算机的应用及信息技术的飞速发展，人们越来越重视交流供电的质量，为保证计算机等设备安全可靠的工作，对供电电压的稳定度及电压的谐波都提出了较高的要求。时至今日，人们对高质量的供电要求已无处不在了，已广泛深入到各行各业的众多环节，诸如通信、金融、半导体工业，科研及国防等领域，都离不开高质量的供电。为适应对高质量的供电要求，对中、大功率的直流-交流逆变设备的需求也越来越大，而且逆变器单机的功率也越来越大，从数百瓦到数千瓦，直到目前的数十千瓦数百千瓦。大部分中大输出功率的逆变电源均采用半桥结构的输出电路，在SPWM的调制规则下，该结构电路的上管及下管交替互补导通，由其中点输出经SPWM调制的高频脉冲，滤波后得到所需的正弦电压。随着单机的功率越来越大，所采用的功率电子开关的功率级别也越来越大。而功率越大的器件其导通及关断的速度就越慢，所需的时间也就越来越长。因为半桥结构的输出电路在SPWM的调制规则下，其上管及下管是交替互补导通的，如果对控制信号不作处理，就用上述控制信号去控制半桥电路的上、下管，必然会由于上、下管开关速度的原因，造成上、下管有一段时间同时导通，其产生结果是：轻则使开关管发热严重整机效率低下，重则导致机内高压直流母线短路，大功率开关管烧毁。
为确保半桥结构的输出电路的工作安全，确保半桥的上管及下管不同时导通，人们通常会在上、下管导通区之间插入一个死区，在死区中令上下管都不导通，从而保证该结构电路的工作安全。仅从安全的角度看，插入的死区是十分有效的，插入的死区越大越安全，但死区的插入也带来了某些负面的影响。当工作频率一定时，插入的死区越大，其输出的波形失真就越大，这与要求高质量的交流电源是相矛盾的。如何既确保电路工作安全，又使得输出的波形失真最小，是逆变电源必须要解决的问题。
一般情况下，死区的形成通过将由SPWM调制器输出的控制信号脉冲，去掉前沿一块来形成。且由于死区时间是因为功率管的开关速度不够快，为保证功率管的工作安全而设置的，其时长是固定的。在原SPWM的控制信号脉冲上，等时长的减掉一块，这就破坏了原控制脉冲信号所包含的信息，产生谐波失真也是必然的了。因为插入死区而带来的不利结果，在某些数字调制方案的电路中，影响可能会更大一些，诸如那些对控制信号的相对位置要求更高的调制电路。
在没有补偿的条件下，以控制信号为模拟调制的SPWM的调制器为例，令逆变电路的直流母线工作电压为正、负395V，工作频率为12.15kHZ，死区时间为2.44μs，输出为4000W，其输出电压波形图见图4，由图4可见其输出电压波形有明显的失真，其输出电压总谐波失真（THD）图见图5，输出电压总谐波失真（THD）为2.7%左右，其谐波频谱图见图6。由以上图可见，设置了死区后，输出的电压波形有了明显的失真，高次谐波成分有所增加，且当工作频率不变时，死区越大失真就越大。
发明内容
本发明的目的是提出一种有源死区补偿电路，在确保逆变器半桥结构输出电路的上下管工作安全的条件下，通过对死区进行补偿，使得该电路的输出谐波失真大为减小，令死区的设置与输出波形的失真这对矛盾得到很好的解决。
一种有源死区补偿电路，其连接于基于半桥输出电路的直流-交流逆变器中，该补偿电路包括第一谐振电容C1、第二谐振电容C2和辅助谐振回路，所述第一、二谐振电容C1、C2分别并联于半桥输出电路的上、下管，所述辅助谐振回路的一端与半桥输出电路的中点相连，另一端与半桥输出电路的正、负电源的中点即地相连；
半桥输出电路的上管关断时刻往前计时预定时段，利用半桥输出电路的上管及正电源对所述辅助谐振回路预储能直到上管关断，上管关断后所述辅助谐振回路因预储能产生的谐振电流同时对第一谐振电容C1充电和第二谐振电容C2放电，直到与半桥输出电路的下管反向并联的二极管导通；半桥输出电路的下管关断时刻往前计时预定时段，利用半桥输出电路的下管及负电源对所述辅助谐振回路预储能直到下管关断，下管关断后所述辅助谐振回路因预储能产生的谐振电流同时对第二谐振电容C2充电和第一谐振电容C1放电，直到与半桥输出电路的上管反向并联的二极管导通。
进一步地，所述辅助谐振回路包括依次串接的第一电子开关S3、第二电子开关S4和辅助谐振电感L1，第一电子开关S3与第二电子开关S4背靠背串接，第一电子开关S3和第二电子开关S4分别反向并联一个二极管；第一电子开关S3与半桥输出电路的正、负电源的中点即地相连，所述辅助谐振电感L1与半桥输出电路的中点相连。
进一步地，所述第一电子开关S3和第二电子开关S4的开通时段大于预定时段和死区时段之和，以保证辅助谐振回路的谐振电流能够回零。
进一步地，还包括连接半桥输出电路上、下管的控制信号输入端的延时电路和连接所述辅助谐振回路的定时电路；所述延时电路将半桥输出电路的控制信号延时预定时段后传送给半桥输出电路上、下管的控制信号输入端，所述定时电路依据半桥输出电路的控制信号计时控制所述辅助谐振回路的启闭时间。
进一步地，所述辅助谐振电感L1和预定时段相匹配使得在预储能时间结束时，谐振电流应达到半桥输出电路所额定输出交流电流峰值的1.1～1.3倍。
本发明的技术效果体现在：
本发明桥输出电路的上管关断前，利用半桥输出电路的上管及正电源对辅助谐振回路预储能，上管关断后预储能产生的谐振电流同时对第一谐振电容C1充电和第二谐振电容C2放电；半桥输出电路的下管关断前，利用半桥输出电路的下管及负电源对所述辅助谐振回路预储能，预储能产生的谐振电流同时对第二谐振电容C2充电和第一谐振电容C1放电，从而对死区进行了有效补偿，使得逆变器的输出谐波失真大为减小，令死区的设置与输出波形的失真这对矛盾得到很好的解决。
附图说明
图1为本发明一种有源死区补偿电路结构示意图；
图2为本发明一种有源死区补偿电路的控制电路结构示意图；
图3为本发明一种有源死区补偿电路控制及输出波形示意图；
图4为未加补偿电路的半桥输出电路输出4000W时的输出电压波形图；
图5为未加补偿电路的半桥输出电路输出4000W时的输出电压总谐波失真（THD）图；
图6为未加补偿电路的半桥输出电路输出4000W时的输出电压谐波频谱图；
图7为加有补偿电路的半桥输出电路输出4000W时的输出电压波形图；
图8为加有补偿电路的半桥输出电路输出4000W时的输出电压总谐波失真（THD）图；
图9为加有补偿电路的半桥输出电路输出4000W时的输出电压谐波频谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1给出了本发明一个实施例，实施例中有源死区补偿电路由谐振电容C1、C2、辅助谐振回路及相应的控制电路构成。其谐振电容C1、C2分别并联于半桥输出电路的上、下管，辅助谐振回路由两只反向并联有二极管的背靠背的电子开关元件S3、S4及相连的辅助谐振电感L1构成，辅助谐振回路一端与半桥电路的中点相连，另一端与该电路正、负电源的中点即地相连。
如图2所示，本发明的控制电路由两个相同的时序电路构成，该时序电路为：将原控制半桥电路上管S1及下管S2的控制信号分别连接于一个延时T1的电路，延时T1的电路的输出再去控制半桥电路上管S1及下管S2；同时将原控制信号反向后，分别去触发一个定时T2的电路，定时T2的电路的输出即为控制开关S3、S4的控制信号。
本发明一种有源死区补偿电路的控制电路输出的控制信号的特征为：在半桥电路上管S1控制信号关断前一段时间T1，令与上管相关联的辅助谐振回路控制元件S3开通，S3的开通时间为T2；同样，在半桥电路下管S2控制信号关断前一段时间T1，令与下管相关联的辅助谐振回路控制元件S4开通，S4的开通时间为T2。T1为给辅助谐振回路谐振电感预储能的时间，为取得较好的补偿效果，其特征还在于辅助谐振电感的值应与T1相配合，使得在预储能时间结束时，该电感的电流应达到该半桥电路所额定输出的交流电流峰值的1.2倍左右。T2的时间长度要求稍大于T1的时间长度加上死区的时间长度，以不影响辅助谐振回路的电感电流回零为原则。谐振电容C1、C2的确定：C1=C2，并联在一起的C1与C2与辅助谐振电感L1的谐振频率的半周期的时长，应为二分之一的T1的时长加上死区的时长和的0.9倍至1.1倍之间。
其工作过程为：当加入死区的SPWM上管控制信号控制半桥电路上管S1导通时，输出电流的路径为：正电源-S1-L2-负载-地，在S1关断前的一段时间T1，令与辅助谐振回路的相对应的控制开关S3开通，开始对辅助谐振电感L1预储能，此时的储能电流的路径为：正电源-S1-L1-S3-地，当上管S1关断时辅助谐振电感的储能过程完成。上管S1关断后，流经S1的电流都转移到与之相并联的谐振电容C1上。因为输出滤波电感L2远大于辅助谐振电感L1，相对于L1，L2的电流在一个短的时间内可以看成基本不变，因此谐振过程主要由L1及电容C1、C2完成。该谐振电流给C1充电，给C2放电，直到与半桥电路下管S2反向并联的二极管导通然后下管S2导通，S3的关断时间为辅助谐振电感电流回零后即可关断。
同理，当加入死区的SPWM下管控制信号控制半桥电路下管S2导通时，输出电流的路径为：地-负载-L2-S2-负电源，在S2关断前的一段时间T1，令与辅助谐振回路的相对应的控制开关S4开通，开始对辅助谐振电感L1预储能，此时的储能电流的路径为：地-S4-L1-S2-负电源，当下管S2关断时辅助谐振电感的储能过程完成。下管S2关断后，流经S2的电流都转移到与之相并联的谐振电容C2上。因为输出滤波电感L2远大于辅助谐振电感L1，相对于L1，L2的电流在一个短的时间内可以看成基本不变，因此谐振过程主要由L1及电容C1、C2完成。该谐振电流给C2充电，给C1放电，直到与半桥电路上管S1反向并联的二极管导通然后上管S1导通，S4的关断时间为辅助谐振电感电流回零后即可关断。
由以上的叙述可见，当半桥输出电路的上开关管S1关断的时刻，此刻为上管S1输出的下降沿，同时此刻也可认为是下管S2的上升沿，该上升沿的形成是因S1的关断及谐振回路的谐振形成的，与经过死区时间后下管S2的导通无关；同样，当半桥电路的下开关管S2关断的时刻，此刻为下管S2输出的下降沿，同时此刻也可认为是上管S1的上升沿，该上升沿的形成是因S2的关断及谐振回路的谐振形成的，与经过死区时间后上管S1的导通无关；其工作过程的波形图请参见图3，图3中G1为上管S1的控制信号，G2为下管S2的控制信号，Vc为半桥输出电路的中点输出的波形，G3为辅助谐振回路控制元件S3的控制信号，G4为辅助谐振回路控制元件S4的控制信号，I（L1）为辅助谐振电感的谐振电流。结合图3可以得出以下结论：输出波形的前后沿均是由控制波形的后沿产生的，与控制波形的前沿无关。当忽略输出波形上升沿或者下降沿时间影响的条件下，可以看成控制信号没有死区。由此，为工作安全所设定的死区得到了很好的补偿。
在加入本发明有源死区补偿电路后，仍以控制信号为模拟调制的SPWM的调制器为例，令逆变电路的直流母线工作电压为正、负395V，工作频率为12.15kHZ，死区时间为2.44μS，输出为4000W，电路的其它元器件参数均与前述未加补偿的相同。其输出电压波形图见图7，由图7可见其输出电压波形已很好了，几乎看不到失真现象；其输出电压总谐波失真（THD）图见图8，电压总谐波失真（THD）仅为0.5%左右，其谐波频谱图见图9。由以上图可见，虽设置了死区，由于增加了本发明一种有源死区补偿电路，其输出的电压波形有了十分明显提高，输出电压总谐波失真（THD）明显地减小，加入死区的影响基本可以忽略不计，很好地解决了死区设置与输出波形的失真这对矛盾。
所述时序电路的具体实施方案为：将原SPWM控制信号送入CMOS门电路D1、D2，使其输出脉冲幅度为0V至5V，经电阻R1、C1及R2、C2构成的一阶电路后，将输出的信号送入由集成电路N1、N2、及2.5V电压基准构成的比较电路，比较电路的输出即为延时了的原SPWM信号，延时时间T1由R1、C1及R2、C2的时间常数决定。同时将原SPWM信号送入一个精密定时的单稳态电路的反向触发端，定时的脉宽为T2，单稳态电路的输出即为辅助谐振回路相关电子开关元件S3、S4的控制信号。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的条件下，还可以作出若干改进及修饰，这些改进及修饰也应该视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种有源死区补偿电路，其连接于基于半桥输出电路的直流-交流逆变器中，该补偿电路包括第一谐振电容（C1）、第二谐振电容（C2）和辅助谐振回路，所述第一、二谐振电容（C1、C2）分别并联于半桥输出电路的上、下管，所述辅助谐振回路的一端与半桥输出电路的中点相连，另一端与半桥输出电路的正、负电源的中点即地相连；
半桥输出电路的上管关断时刻往前计时预定时段，利用半桥输出电路的上管及正电源对所述辅助谐振回路预储能直到上管关断，上管关断后所述辅助谐振回路因预储能产生的谐振电流同时对第一谐振电容（C1）充电和第二谐振电容（C2）放电，直到与半桥输出电路的下管反向并联的二极管导通；半桥输出电路的下管关断时刻往前计时预定时段，利用半桥输出电路的下管及负电源对所述辅助谐振回路预储能直到下管关断，下管关断后所述辅助谐振回路因预储能产生的谐振电流同时对第二谐振电容（C2）充电和第一谐振电容（C1）放电，直到与半桥输出电路的上管反向并联的二极管导通。
2.根据权利要求1所述的有源死区补偿电路，其特征在于，所述辅助谐振回路包括依次串接的第一电子开关（S3）、第二电子开关（S4）和辅助谐振电感（L1，第一电子开关（S3与第二电子开关（S4背靠背串接，第一电子开关（S3）和第二电子开关（S4）分别反向并联一个二极管；第一电子开关（S3）与半桥输出电路的正、负电源的中点即地相连，所述辅助谐振电感（L1）与半桥输出电路的中点相连。
3.根据权利要求2所述的有源死区补偿电路，其特征在于，所述第一电子开关（S3）和第二电子开关（S4）的开通时段大于预定时段和死区时段之和，以保证辅助谐振回路的谐振电流能够回零。
4.根据权利要求1所述的有源死区补偿电路，其特征在于，还包括连接半桥输出电路上、下管的控制信号输入端的延时电路和连接所述辅助谐振回路的定时电路；所述延时电路将半桥输出电路的控制信号延时预定时段后传送给半桥输出电路上、下管的控制信号输入端，所述定时电路依据半桥输出电路的控制信号计时控制所述辅助谐振回路的启闭时间。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的有源死区补偿电路，其特征在于，所述辅助谐振电感（L1）和预定时段相匹配使得在预储能时间结束时，谐振电流应达到半桥输出电路所额定输出交流电流峰值的1.1～1.3倍。
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