CN104242707A - 多重化斩波器输入控制电路 - Google Patents

Abstract

一种多重化斩波器输入控制电路，利用数字信号处理器和现场可编程门阵列脉冲分配器实现多重化的PWM控制，将两个以上数目的IGBT模块的开关过程叠加到斩波器中的电抗器上，IGBT的工作频率无须提高，而电抗器的工作频率得到大幅提高，从而可以实现高压大功率BUKE斩波器的电抗器的高频化，设备噪声低的同时，IGBT可以工作在低频状态下，很好解决了目前高压IGBT的高频运行时发热的问题。本发明利用现场可编程门阵列元件实现脉冲分配，配置灵活，升级简单，可以将电抗器的工作频率提升到MHz级别。此外，电抗器工作频率的高频化可以减少斩波电抗器的体积，减少输出电流的纹波。

Description

多重化斩波器输入控制电路

技术领域:

本发明涉及电学领域，尤其涉及将直流信号转换成交流信号的技术，特别是一种多重化斩波器输入控制电路。

背景技术:

BUKE斩波器(以下简称斩波器)由于电路构成简单，成本较低，系统效率高而得到广泛的使用。但是，在大功率和高电压使用的工况下，往往要求采用高压(1700V以上)、大电流IGBT模块，而高压大功率IGBT无法实现较高的开关频率，IGBT生产商推荐的开关频率在2KHz左右。实验表明，在高开关频率(大于16KHz)的工作条件下，采用英飞凌的FF1400R17IP4作为开关管，在输入电压为1150VDC，输出电压为750VDC，输出电流为100A，散热器为50℃的情况下，IGBT晶片的温度是超过了极限运行温度。可见，影响IGBT的温升的主要技术指标是IGBT工作的开关频率。如果将IGBT的开关频率降低到2KHz，输出负载电流为800A时，IGBT的晶片温度也在极限的工作范围。但是，斩波器工作在2KHz-12KHz的频率时，电抗器的噪声很高。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种多重化斩波器输入控制电路，所述的这种多重化斩波器输入控制电路要解决现有技术中斩波器工作在2KHz～12KHz的频率时电抗器的噪声较高的技术问题。

本发明的这种多重化斩波器输入控制电路，包括直流正极输入端、直流负极输入端、直流正极输出端、直流负极输出端、一个数字信号处理器和一个现场可编程门阵列脉冲分配器，其中，所述的直流负极输入端与所述的直流负极输出端直接连接，所述的直流正极输入端与直流负极输入端之间连接有一个第一电容器，所述的直流正极输出端与直流负极输出端之间连接有一个第二电容器，直流正极输入端与直流正极输出端之间设置有一个第一电流传感器、一个电感器和一个第二电流传感器，所述的第一电流传感器的输入端与直流正极输入端连接，第一电流传感器的输出端与一个第一单管绝缘栅双极型晶体管模块的集电极连接，所述的第一单管绝缘栅双极型晶体管模块的发射极与所述的电感器的输入端连接，电感器的输出端与所述的第二电流传感器的输入端连接，第二电流传感器的输出端与直流正极输出端连接，第一电流传感器的输出端与直流负极输入端之间连接有一个第一电压传感器，电感器的输入端与一个第一二极管的负极连接，所述的第一二极管的正极与直流负极输入端连接，第二电流传感器的输出端与直流负极输出端之间连接有一个第二电压传感器，直流正极输入端与至少一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的集电极连接，任意一个所述的第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的发射极均与电感器的输入端连接，任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的发射极均各自与一个第二二极管的负极连接，任意一个所述的第二二极管的正极均各自与直流负极输入端连接，所述的数字信号处理器与所述的现场可编程门阵列脉冲分配器通过脉冲宽度调制控制信号线连接，现场可编程门阵列脉冲分配器包括有两个以上数目的脉冲信号输出端，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块的栅极和任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的栅极均各自通过一个绝缘栅双极型晶体管驱动器各自与一个所述的脉冲信号输出端连接，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块的集电极和任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的集电极均各自与一个高压快恢复二极管的负极连接，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块的发射极和任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的发射极均各自与所述的高压快恢复二极管的正极连接。

进一步的，直流正极输出端和直流负极输出端与一个斩波器的输入端连接，所述的斩波器中包括有一个电抗器，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块和任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块均采用同一工作频率，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块和第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的数目之和等于所述的电抗器的工作频率除以第一单管绝缘栅双极型晶体管模块或者任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的工作频率。

进一步的，第一二极管和任意一个第二二极管均采用高压快恢复二极管。

进一步的，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块和第二单管绝缘栅双极型晶体管模块轮流导通，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块和任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的最大导通时间均等于电抗器的工作周期。

本发明的工作原理是：本发明利用数字信号处理器和现场可编程门阵列脉冲分配器实现多重化的PWM控制，将两个以上数目的IGBT(即绝缘栅双极型晶体管)模块的开关过程叠加到斩波器中的电抗器上，IGBT的工作频率无须提高，而电抗器的工作频率得到大幅提高。多个IGBT模块采用并联方式工作，IGBT模块的数目由所选择的IGBT允许工作的开关频率和要求电抗器的工作频率决定。例如，要求电抗器工作在16KHz，每个IGBT允许工作在2KHz，则IGBT的并联单元数为16÷2＝8。每个PWM信号的占空比由数字信号处理器产生，PWM的频率与电抗器L的工作频率相等；而脉冲的分配由现场可编程门阵列脉冲分配器来实现。

本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明利用数字信号处理器和现场可编程门阵列脉冲分配器实现多重化的PWM控制，将两个以上数目的IGBT模块的开关过程叠加到斩波器中的电抗器上，IGBT的工作频率无须提高，而电抗器的工作频率得到大幅提高，从而可以实现高压大功率BUKE斩波器的电抗器的高频化，设备噪声低的同时，IGBT可以工作在低频状态下，很好解决了目前高压IGBT的高频运行时发热的问题。本发明利用现场可编程门阵列元件实现脉冲分配，配置灵活，升级简单，可以将电抗器的工作频率提升到MHz级别。此外，电抗器工作频率的高频化可以减少斩波电抗器的体积，减少输出电流的纹波。

附图说明

图1是本发明的多重化斩波器输入控制电路中的主电路的示意图。

图2是本发明的多重化斩波器输入控制电路中信号流程示意图。

图3是本发明的多重化斩波器输入控制电路的一个实施例中的时序逻辑图。

图4是本发明的多重化斩波器输入控制电路的一个实施例中的另一个时序逻辑图。

具体实施方式：

实施例1:

如图1和图2所示，本发明的多重化斩波器输入控制电路，包括直流正极输入端10、直流负极输入端20、直流正极输出端30、直流负极输出端40、一个数字信号处理器100和一个现场可编程门阵列脉冲分配器200，其中，直流负极输入端20与直流负极输出端40直接连接，直流正极输入端10与直流负极输入端20之间连接有一个第一电容器C1，直流正极输出端30与直流负极输出端40之间连接有一个第二电容器C2，直流正极输入端10与直流正极输出端30之间设置有一个第一电流传感器SC1、一个电感器L1和一个第二电流传感器SC2，第一电流传感器SC1的输入端与直流正极输入端10连接，第一电流传感器SC1的输出端与一个第一单管绝缘栅双极型晶体管模块T1的集电极连接，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块T1的发射极与电感器L1的输入端连接，电感器L1的输出端与第二电流传感器SC2的输入端连接，第二电流传感器SC2的输出端与直流正极输出端30连接，第一电流传感器SC1的输出端与直流负极输入端20之间连接有一个第一电压传感器SV1，电感器L1的输入端与一个第一二极管D1的负极连接，第一二极管D1的正极与直流负极输入端20连接，第二电流传感器SC2的输出端与直流负极输出端40之间连接有一个第二电压传感器SV2，直流正极输入端10与一个单管绝缘栅双极型晶体管模块T2、一个单管绝缘栅双极型晶体管模块T3、......、一个单管绝缘栅双极型晶体管模块Tn的集电极连接，单管绝缘栅双极型晶体管模块T2、单管绝缘栅双极型晶体管模块T3、......、单管绝缘栅双极型晶体管模块Tn的发射极均与电感器L1的输入端连接，单管绝缘栅双极型晶体管模块T2、单管绝缘栅双极型晶体管模块T3、......、单管绝缘栅双极型晶体管模块Tn的发射极各自与一个二极管D2、一个二极管D3、......、一个二极管Dn的负极连接，二极管D2、二极管D3、......、二极管Dn的正极均各自与直流负极输入端20连接，数字信号处理器100与现场可编程门阵列脉冲分配器200通过脉冲宽度调制控制信号线连接，现场可编程门阵列脉冲分配器200包括有两个以上数目的脉冲信号输出端，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块T1、单管绝缘栅双极型晶体管模块T2、单管绝缘栅双极型晶体管模块T3、......、单管绝缘栅双极型晶体管模块Tn的栅极均各自通过一个绝缘栅双极型晶体管驱动器300各自与一个所述的脉冲信号输出端连接，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块T1、单管绝缘栅双极型晶体管模块T2、单管绝缘栅双极型晶体管模块T3、......、单管绝缘栅双极型晶体管模块Tn的集电极均各自与一个高压快恢复二极管的负极连接，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块T1、单管绝缘栅双极型晶体管模块T2、单管绝缘栅双极型晶体管模块T3、......、单管绝缘栅双极型晶体管模块Tn的的发射极均各自与所述的高压快恢复二极管的正极连接。

进一步的，直流正极输出端30和直流负极输出端40与一个斩波器(图中未示)的输入端连接，斩波器中包括有一个电抗器，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块T1、单管绝缘栅双极型晶体管模块T2、单管绝缘栅双极型晶体管模块T3、......、单管绝缘栅双极型晶体管模块Tn均采用同一工作频率，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块T1、单管绝缘栅双极型晶体管模块T2、单管绝缘栅双极型晶体管模块T3、......、单管绝缘栅双极型晶体管模块Tn的数目之和即n等于电抗器的工作频率除以第一单管绝缘栅双极型晶体管模块T1或者任意一个单管绝缘栅双极型晶体管模块的工作频率。

进一步的，第一二极管D1/二极管D2、二极管D3、......、二极管Dn采用高压快恢复二极管。

进一步的，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块T1、单管绝缘栅双极型晶体管模块T2、单管绝缘栅双极型晶体管模块T3、......、单管绝缘栅双极型晶体管模块Tn轮流导通，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块T1、单管绝缘栅双极型晶体管模块T2、单管绝缘栅双极型晶体管模块T3、......、单管绝缘栅双极型晶体管模块Tn的最大导通时间均等于电抗器的工作周期。

本发明的工作原理是：本发明利用数字信号处理器100和现场可编程门阵列脉冲分配器200实现多重化的PWM控制，将两个以上数目的IGBT(即绝缘栅双极型晶体管)模块的开关过程叠加到斩波器中的电抗器上，IGBT的工作频率无须提高，而电抗器的工作频率得到大幅提高。多个IGBT模块采用并联方式工作，IGBT模块的数目由所选择的IGBT允许工作的开关频率和要求电抗器的工作频率决定。例如，要求电抗器工作在16KHz，每个IGBT允许工作在2KHz，则IGBT的并联单元数为16÷2＝8。每个PWM信号的占空比由数字信号处理器100产生，PWM的频率与电抗器L的工作频率相等；而脉冲的分配由现场可编程门阵列脉冲分配器200来实现。

图3和图4分别表示了本发明的一个采用四路IGBT模块并联的实施例中的两个时序逻辑图。其中，数字信号处理器100采用TMS320F2812集成电路，每个PWM信号的占空比由TMS320F2812产生，PWM的频率与电抗器L的工作频率相等；脉冲的分配由现场可编程门阵列脉冲分配器200来实现。现场可编程门阵列脉冲分配器200采用4进制计数器，计数器输出1时，输出与T1的驱动脉冲同步脉冲；计数器输出2时，输出与T2的驱动脉冲同步脉冲；计数器输出3时，输出与T3的驱动脉冲同步脉冲；计数器输出4时，输出与T4的驱动脉冲同步脉冲,同时将计数结果清零，一个循环完成，下一个循环开始。

数字信号处理器100TMS320LF2812产生的PWM脉冲由事件管理器的定时器产生的PWM脉冲，由输出电流的反馈计算得到。

如图3所示，数字信号处理器TMS320LF2812产生的与PWM的同步脉冲由事件管理器的定时器产生的PWM脉冲，该PWM占空比是恒定的50％，时间与TMS320LF2812产生的PWM同步。

如图4所示，现场可编程门阵列脉冲分配器200采用与门，将TMS320LF2812产生的PWM信号同与IGBT的PWM同步取与的关系，就得到IGBT的实际驱动信号。

具体的，C1构成输入的滤波电容，C2构成输出的滤波电容；T1、T2、T3…..Tn构成斩波开关管，D1、D2、D3……Dn构成电感L1的续流二极管；SC1构成输入的电流检测的电流传感器，SC2构成输出的电流检测的电流传感器；SV1构成输入的电压检测的电压传感器，SV2构成输出的电压检测的电压传感器。其中电流传感器SC1、SC2的型号为HAT1500S，最大的测试电流为±2500A，电流传感器SC1、SC2可以根据不同的功率大小进行合理的选择；电压传感器SV1、SV2的型号为HNV-025T，测试最高电压为2500V，电压传感器SV1、SV2可以根据实际设备的电压等级进行合理的选择。

T1、T2、T3…..Tn构成的开关管导通时间是轮流的，每个开关管导通的最大时间如下：

Tmax＝T

其中：Tmax：单个开关管的最大导通时间

T：电抗器工作的周期

T1、T2、T3…..Tn构成的开关管导通时间是轮流的，每个开关管工作的开关频率为：

f＝1/(nT)

其中：f为单个开关管的开关频率，T为电抗器工作的周期。

Claims (4)

1.一种多重化斩波器输入控制电路，包括直流正极输入端、直流负极输入端、直流正极输出端、直流负极输出端、一个数字信号处理器和一个现场可编程门阵列脉冲分配器，其特征在于：所述的直流负极输入端与所述的直流负极输出端直接连接，所述的直流正极输入端与直流负极输入端之间连接有一个第一电容器，所述的直流正极输出端与直流负极输出端之间连接有一个第二电容器，直流正极输入端与直流正极输出端之间设置有一个第一电流传感器、一个电感器和一个第二电流传感器，所述的第一电流传感器的输入端与直流正极输入端连接，第一电流传感器的输出端与一个第一单管绝缘栅双极型晶体管模块的集电极连接，所述的第一单管绝缘栅双极型晶体管模块的发射极与所述的电感器的输入端连接，电感器的输出端与所述的第二电流传感器的输入端连接， 第二电流传感器的输出端与直流正极输出端连接，第一电流传感器的输出端与直流负极输入端之间连接有一个第一电压传感器，电感器的输入端与一个第一二极管的负极连接，所述的第一二极管的正极与直流负极输入端连接，第二电流传感器的输出端与直流负极输出端之间连接有一个第二电压传感器， 直流正极输入端与至少一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的集电极连接，任意一个所述的第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的发射极均与电感器的输入端连接，任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的发射极均各自与一个第二二极管的负极连接，任意一个所述的第二二极管的正极均各自与直流负极输入端连接，所述的数字信号处理器与所述的现场可编程门阵列脉冲分配器通过脉冲宽度调制控制信号线连接，现场可编程门阵列脉冲分配器包括有两个以上数目的脉冲信号输出端，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块的栅极和任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的栅极均各自通过一个绝缘栅双极型晶体管驱动器各自与一个所述的脉冲信号输出端连接，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块的集电极和任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的集电极均各自与一个高压快恢复二极管的负极连接，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块的发射极和任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的发射极均各自与所述的高压快恢复二极管的正极连接。

2.如权利要求1所述的多重化斩波器输入控制电路，其特征在于：直流正极输出端和直流负极输出端与一个斩波器的输入端连接，所述的斩波器中包括有一个电抗器，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块和任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块均采用同一工作频率，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块和第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的数目之和等于所述的电抗器的工作频率除以第一单管绝缘栅双极型晶体管模块或者任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的工作频率。

3.如权利要求1所述的多重化斩波器输入控制电路，其特征在于：第一二极管和任意一个第二二极管均采用高压快恢复二极管。

4.如权利要求2所述的多重化斩波器输入控制电路，其特征在于：第一单管绝缘栅双极型晶体管模块和第二单管绝缘栅双极型晶体管模块轮流导通，第一单管绝缘栅双极型晶体管模块和任意一个第二单管绝缘栅双极型晶体管模块的最大导通时间均等于电抗器的工作周期。