CN103595286A - 一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法和电路，该电路通过反并联二极管导通检测电路检测出逆变桥中某一个功率开关管的反并联二极管的导通关断状态，并将在同一逆变桥的另一个功率管的输出PWM信号进行一个反向延时电路的处理，然后将这二个信号与检测反向并联二极管功率管的原始PWM信号通过逻辑与输出PWM信号，再送往驱动电路。同理可以相同的得到同一桥臂的另外一路PWM信号。这二个信号通过此电路，不会在同一时间同时导通，并且在电流大于小于零的时候，会关断无效的功率管，使得输出的PWM信号无死区效应。从而达到了死区补偿的效果，抑制死区效应带来的影响。

Description

一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法和电路
技术领域
本发明涉及一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法和电路，该电路包括反并联二极管通断检测电路、逻辑电路以及PWM驱动电路。
背景技术
对于脉宽调制的逆变器而言，功率开关管不是理想开关，开通关断需要有一定的时间。为了防止在同一上下功率管会发生直通现象，因此必须在其驱动信号中设置一段死区时间。 死区时间保证了器件工作的安全、可靠。但是逆变桥加入死区时间会导致逆变器输出产生基波电压损失、低次谐波的增加、输出电流畸变等死区效应。随着现代智能电网的不断发展，对并网逆变技术要求不断提高，而逆变器与电网之间的低阻抗更加剧了死区效应对电网侧的影响。主要表现在输出电流畸变，尤其是引入低次电流谐波时，容易与网侧谐波发生交互作用，这是电网系统的稳定运行的一个潜在威胁。因此，并网系统对死区补偿效果的期待更高。
图1为逆变桥拓扑结构图。其中T 1、T 2、T 3、T 4为IGBT管，D 1、D 2、D 3、D 4为反并联二极管，V dc为直流母线电压。为了防止直流母线电压短路，必须在同一桥臂的功率器件导通之前加入一定的死区时间。即在关断T 1，开通T 2之间增加一段时间(称为死区时间)，在该时间内，当a相电流i a>0，逆变器桥臂a相中的T 1已关断，同时T 2尚未开通，则电流i a通过二极管D 2来续流，此时a相电压在该死区时间内钳位于-V dc/2；而理想情况下，此时输出电压应为V dc/2，加入死区时间造成了V dc的电压损失。相反，在死区时间内，如a相电流i a<0，当T 2关断时，同时T 1尚未开通，则电流通过二极管D 1续流，a相电压在整个死区时间内钳位于V dc/2，而理想情况下，此时输出电压应为-V dc/2，加入死区时间造成了-V dc的电压损失。由此可见加入死区时间后，逆变桥输出电压波形与理想情况下的输出电压波形相比发生畸变，会引入低次谐波，甚至造成系统不稳定。
然而从上述的逆变桥实际开关管的有效工作状态发现，功率管附带的反并联二极管的导通情况，与电流以及功率管的使能信号密切相关。在双极性调制方式下，当逆变器电流大于零且功率管T 1、T 4开通，T 2、T 3关断时，此时所有的反并联二极管都是关断的；当功率管T 1、T 4关断，T 2、T 3开通时，此时T 2、T 3的反并联二极管是导通的，T 1、T 4反并联二极管是关断的。同理当电流小于零时可以得出相应的结论。因此，可以通过反并联二极管的导通信号，已经输出的PWM信号，共同作用使得功率管在电流大于零时，使能功率管T 1、T 4，禁止T 2、T 3；而在电流小于零时，使能功率管T 2、T 3，禁止T 1、T 4。从而达到死区补偿的效果，消除了死区效应带来的影响。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的问题：提供一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法和电路，该电路通过一些逻辑电路组成，使得上下功率管在同一时间不会同时开通，又可在电流大于小于零时使能不同的功率管，从而大大减小死区带来的影响。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法，其具体操作步骤如下：
Figure 2013105696522100002DEST_PATH_IMAGE002
通过一个反并联二极管导通检测电路，检测出逆变桥功率下管的反并联二极管的导通状态信号，然后通过光电耦合器进行隔离，得出二极管导通信号；
Figure 2013105696522100002DEST_PATH_IMAGE004
将同一逆变桥上管的输出PWM信号通过反向延时电路，得到PWM反向延时信号；
将步骤
Figure 372216DEST_PATH_IMAGE002
和步骤
Figure 101137DEST_PATH_IMAGE004
中得到的反并联二极管的导通信号、PWM反向延时信号以及输入下管的PWM信号通过一个逻辑电路，然后输出下管PWM信号，接着送至驱动电路，从而完成死区补偿的效果。
所述步骤
Figure 117635DEST_PATH_IMAGE002
中的反并联二极管导通检测电路是通过一个比较器电路检测出逆变桥中的一个反向并联二极管的导通关断状态。
所述步骤中的光电耦合器是将检测到的反向并联二极管导通信号进行一个信号的隔离，安全性更高。
所述步骤
Figure 387259DEST_PATH_IMAGE004
中的PWM信号，是检测反并联二极管的功率管同一桥臂的另一个功率管输入驱动电路前的PWM信号。
所述步骤
Figure 337898DEST_PATH_IMAGE004
中的反向延时电路，由逻辑非门进行反向，再通过RC比较延时，而延时时间是通过调节电阻R的阻值来完成。
所述步骤中的逻辑电路，由来自控制器的理想PWM信号、所得同一桥臂功率管反并联二极管和同一桥臂另外一个功率管的输出PWM反向延时信号作为逻辑电路输入，输出具有死区补偿效果的驱动信号。使能T 1、T 4，禁止T 2、T 3，或者使能T 2、T 3，禁止T 1、T 4。
一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿电路，应用于根据权利要求1所述的用于双极性调制逆变桥的死区补偿电路，包括反并联二极管导通检测电路、逻辑电路、反向延时电路、驱动电路。其特征在于：反并联二极管导通检测电路的输出连接至逻辑电路的一端输入，同时反向延时电路的输出连接到逻辑电路的一端输入，PWM输入信号连接至逻辑电路的第三端输入，逻辑电路的输出连接至驱动电路的输入和反向延时电路的输入，驱动电路的输出产生PWM驱动输出。功能上通过反并联二极管导通检测电路（1）得到的反并联二极管的导通信号，PWM输出信号通过反向延时电路得到PWM反向延时信号，以及输入下管的PWM信号通过一个逻辑电路，然后输出下管PWM信号，接着送至驱动电路驱动IGBT，完成死区补偿。
根据权利要求1所述的用于双极性调制逆变桥的死区补偿电路，具体特征在于：所述反并联二极管导通检测电路的结构：通过反向高压二极管D5的阴极连接至IGBT的集电极，D5的阳极连接至比较器B1的正极，比较器B1的正极通过上拉电阻R1连接至V++电源，比较器B1的负极连接比较电平V ref1，比较器的输出端连接光电耦合器B2中的二极管阴极，并将二极管阳极通过电阻R2上拉至V++电源，光电耦合器B2的输出端集电极通过上拉电阻R3连接至电源V++1，而输出端发射极连接至地信号。
根据权利要求1所述的用于双极性调制逆变桥的死区补偿电路，具体特征在于：所述反向延时电路的结构：将PWM输出信号输入逻辑非门，逻辑非门输出连接至由R4的一端，R4的另一端和C1连接构成延时电路，C1的一端连接到地，C1和R4的公共端输出至比较器B3的正极，而比较器B3的负极连接至比较电平V ref2，比较器B3的输出为PWM反向延时信号。
根据权利要求1所述的用于双极性调制逆变桥的死区补偿电路，具体特征在于：所述逻辑电路的结构：所述逻辑电路的结构：将PWM输入信号1、二极管导通信号1、以及其所对应的另一路的PWM输出反向延时信号2连接至逻辑与门的输入后输出PWM输出信号1；将PWM输入信号2、二极管导通信号2、以及其所对应的另一路的PWM输出反向延时信号1连接至逻辑与门的输入后输出PWM输出信号2；将PWM输出反向延时信号2经过反向延时电路输出PWM输出信号3；将PWM输出反向延时信号1经过反向延时电路输出PWM输出信号4；所得4路PWM信号输出至驱动电路用于驱动逆变桥。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
本发明采用低成本的纯硬件电路，加入到传统的门极驱动电路上，无需依靠数字控制器的任何处理，便可达到死区补偿的效果，大大减小了死区效应对拓扑带来的影响。
附图说明
图1为逆变器拓扑结构图。
图2为反并联二极管导通检测电路。
图3为反向延时电路。
图4为完成死区补偿的逻辑电路。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例作详细说明：
实施例一：
参见图1，本发明一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法，其具体操作步骤如下：
Figure 510570DEST_PATH_IMAGE002
通过一个反并联二极管导通检测电路（1），检测出逆变桥功率下管的反并联二极管的导通状态信号，然后通过光电耦合器进行隔离，得出二极管导通信号；
Figure 453118DEST_PATH_IMAGE004
将同一逆变桥上管的输出PWM信号通过反向延时电路（3），得到PWM反向延时信号；
Figure 891053DEST_PATH_IMAGE006
将步骤
Figure 747888DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 220458DEST_PATH_IMAGE004
中得到的反并联二极管的导通信号、PWM反向延时信号以及输入下管的PWM信号通过一个逻辑电路（2），然后输出下管PWM信号，接着送至驱动电路（4），从而完成死区补偿的效果。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：
所述步骤
Figure 333907DEST_PATH_IMAGE002
中的反并联二极管导通检测电路是通过一个比较器电路检测出逆变桥中功率管的反向并联二极管的导通关断状态。
所述步骤中的光电耦合器是将检测出的反并联二极管导通状态信号进行一个隔离输出得到反并联二极管导通信号。
所述步骤
Figure 421129DEST_PATH_IMAGE004
中的输出PWM信号，是检测反并联二极管的功率管同一桥臂的另一个功率管输入驱动电路前的PWM信号。
所述步骤中的反向延时电路（3），通过逻辑非门进行反向，再通过RC比较延时。
所述步骤中的延时时间为死区时间。
所述步骤
Figure 179504DEST_PATH_IMAGE006
中的逻辑电路（2），由来自控制器的理想PWM信号、所得同一桥臂功率管反并联二极管和同一桥臂另外一个功率管的输出PWM反向延时信号作为逻辑电路输入，输出具有死区补偿效果的驱动信号。使能T 1、T 4，禁止T 2、T 3，或者使能T 2、T 3，禁止T 1、T 4。
实施例三：
    本用于双极性调制逆变桥的死区补偿电路，应用于上述方法，结构如下，
图1为本发明的逆变桥拓扑结构图。如图1所示，通过反并联二极管导通检测电路（1）得到的反并联二极管的导通信号、PWM输出信号通过反向延时电路（3）得到PWM反向延时信号、以及输入下管的PWM信号通过一个逻辑电路（2），然后输出下管PWM信号，接着送至驱动电路（4）驱动IGBT。完成死区补偿。由反并联二极管检测电路检测逆变桥中的功率管T 2 的反向并联二极管的导通关断情况。然后将输出到驱动功率管T 1 的PWM信号经过一个反向延时电路得到反向输出PWM信号1，然后将T 2 的反向并联二极管导通信号与反向输出PWM信号1与控制器输入的PWM信号1进行一个与逻辑的处理，即可得到我们所需要的PWM输出信号2，同理可以得到PWM输出信号1，通过以上的死区补偿电路，这样一组PWM输出信号1与PWM输出信号2在电流大于小于零时，是交替工作。电流大于零时PWM信号1工作，电流小于零时PWM输出信号2工作。这样就可实现了死区补偿电路的作用。
图1中的反并联二极管检测电路（1），如图2所示。通过反向高压二极管连接至IGBT的集电极，通过其连接至比较器的正极，并通过上拉电阻R1连接至V++电源，比较器的负极则连接比较电平V ref1，输出端则通过连接光电耦合器来实现隔离信号。隔离输出端则通过上拉电阻R3连接至电源V++1。该反并联二极管检测电路通过一个比较器与选定可调的比较电压V ref1进行比较，此V ref1的取值是在IGTB导通压降+高压反向二极管导通压降与高压反向二极管导通压降-反并联二极管导通压降之间取值。
如图3所示，将PWM输出信号通过一个逻辑非门，再通过R4和C1的并联延时电路，参数可调，再连接至比较器的正极，通过比较V ref2，然后输出了PWM反向延时信号。V ref2取值可调。
如图4所示，是将一路PWM输入信号、二极管导通信号、以及其所对应的另一路的PWM输出反向延时信号通过一个逻辑与门一并输出，同样可以输出同一桥臂的另一路PWM信号，然后通过这二路信号输入到驱动电路。
在逻辑电路（3）中由T 2的反并联二极管检测电路检测到的信号、功率管T 1的PWM输出信号通过反向延时电路得到的信号、原始PWM输入信号2三组信号作为逻辑输入，通过逻辑与门输出一路PWM输出信号2，同理可以输出一路PWM输出信号1。由于由T 2的反并联二极管检测信号，当二极管导通为低电平，关断为高电平。所以在电流大于时，T 2的反并联二极管检测信号与输入PWM信号2是相同电平，二个通过与逻辑电路则输出为低电平，此时输出的PWM信号2为低电平。而此时输出的PWM信号1与原始输入的PWM信号1是相同的。所以电流大于零时为PWM输出信号1用于驱动T 1、T 4功率管，。PWM输出信号2用于驱动T 2、T 3功率管。通过此逻辑电路，即可在电流大于零时使能T 1、T 4功率管，禁止T 2、T 3功率管；在电流大于零时使能T 2、T 3功率管，禁止T 1、T 4功率管。
当然本发明还可以有其它多种实施例子，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。 

Claims (11)

1.一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法，其具体实施步骤如下：
Figure 2013105696522100001DEST_PATH_IMAGE002
通过一个反并联二极管导通检测电路（1），检测出逆变桥功率下管的反并联二极管的导通状态信号，然后通过光电耦合器进行隔离，得出二极管导通信号；
将同一逆变桥上管的输出PWM信号通过反向延时电路（3），得到PWM反向延时信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
将步骤
Figure 622643DEST_PATH_IMAGE002
和步骤
Figure 376972DEST_PATH_IMAGE004
中得到的反并联二极管的导通信号、PWM反向延时信号以及输入下管的PWM信号通过一个逻辑电路（2），然后输出下管PWM信号，接着送至驱动电路（4），从而完成死区补偿的效果。
2.根据权利要求1所述一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法，其特征在于所述步骤
Figure 113984DEST_PATH_IMAGE002
中的反并联二极管导通检测电路（1）是通过一个比较器电路检测出逆变桥中功率管的反向并联二极管的导通关断状态。
3.根据权利要求1所述一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法，其特征在于所述步骤
Figure 575052DEST_PATH_IMAGE002
中的光电耦合器是将检测出的反并联二极管导通状态信号进行一个隔离输出得到反并联二极管导通信号。
4.根据权利要求1所述一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法，其特征在于所述步骤
Figure 4897DEST_PATH_IMAGE004
中的输出PWM信号，是检测反并联二极管的功率管同一桥臂的另一个功率管输入驱动电路前的PWM信号。
5.根据权利要求1所述一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法，其特征在于所述步骤
Figure 246522DEST_PATH_IMAGE004
中的反向延时电路（3），通过逻辑非门进行反向，再通过RC比较延时。
6.根据权利要求1所述一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法，其特征在于所述步骤
Figure 521646DEST_PATH_IMAGE004
中的延时时间为死区时间。
7.根据权利要求1所述基于逆变器无效开关的死区消除方法，其特征在于所述步骤
Figure 102800DEST_PATH_IMAGE006
中的逻辑电路（2），由来自控制器的理想PWM信号、所得同一桥臂功率管反并联二极管和同一桥臂另外一个功率管的输出PWM反向延时信号作为逻辑电路输入，输出具有死区补偿效果的驱动信号；使能T 1、T 4，禁止T 2、T 3，或者使能T 2、T 3，禁止T 1、T 4。
8.一种用于双极性调制逆变桥的死区补偿电路，应用于根据权利要求1所述的用于双极性调制逆变桥的死区补偿方法，包括反并联二极管导通检测电路（1）、逻辑电路（2）、反向延时电路（3）和驱动电路（4），其特征在于：反并联二极管导通检测电路（1）的输出连接至逻辑电路（2）的一端输入，同时反向延时电路（3）的输出连接到逻辑电路（2）的一端输入，PWM输入信号连接至逻辑电路（2）的第三端输入，逻辑电路（2）的输出连接至驱动电路（4）的输入和反向延时电路（3）的输入，驱动电路（4）的输出产生PWM驱动输出；功能上通过反并联二极管导通检测电路（1）得到的反并联二极管的导通信号，PWM输出信号通过反向延时电路（3）得到PWM反向延时信号，以及输入下管的PWM信号通过一个逻辑电路（2），然后输出下管PWM信号，接着送至驱动电路（4）驱动IGBT，完成死区补偿。
9.根据权利要求8所述的用于双极性调制逆变桥的死区补偿电路，其特征在于：所述反并联二极管导通检测电路（1）的结构：一个反向高压二极管D5的阴极连接至IGBT的集电极，D5的阳极连接至一个比较器B1的正极，比较器B1的正极通过一个上拉电阻R1连接至V++电源，比较器B1的负极连接比较电平V ref1，比较器B1的输出端连接一个光电耦合器B2中的二极管阴极，并将二极管阳极通过一个电阻R2上拉至V++电源，光电耦合器B2的输出端集电极通过一个上拉电阻R3连接至电源V++1，而输出端发射极连接至地信号。
10.根据权利要求1所述的用于双极性调制逆变桥的死区补偿电路，其特征在于：所述反向延时电路（3）的结构：将PWM输出信号输入一个逻辑非门，该逻辑非门输出连接至一个R4的一端，R4的另一端和一个C1连接构成延时电路，C1的一端连接到地，C1和R4的公共端输出至一个比较器B3的正极，而该比较器B3的负极连接至比较电平V ref2，比较器B3的输出为PWM反向延时信号。
11.根据权利要求1所述的用于双极性调制逆变桥的死区补偿电路，其特征在于：所述逻辑电路（2）的结构：将PWM输入信号1、二极管导通信号1、以及其所对应的另一路的PWM输出反向延时信号2连接至一个逻辑与门的输入后输出PWM输出信号1；将PWM输入信号2、二极管导通信号2、以及其所对应的另一路的PWM输出反向延时信号1连接至另一个逻辑与门的输入后输出PWM输出信号2；将PWM输出反向延时信号2经过一个反向延时电路输出PWM输出信号3；将PWM输出反向延时信号1经过另一个反向延时电路输出PWM输出信号4；所得4路PWM信号输出至所述驱动电路（4）用于驱动逆变桥。
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