CN104868775B - 一种pwm调制方法、pwm驱动控制系统和桥式逆变器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种PWM调制方法、PWM驱动控制系统和桥式逆变器，该方法应用于桥式逆变器中的任意一个桥臂，在桥臂上下管为工频开关管的情况下，该方法为按照第一预设规则计算上下桥臂PWM，该规则为，逆变电压过零点时：当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移Td，Td为该死区时间长短；当逆变电流滞后逆变电压时维持不变；或者，在桥臂上下管为高频开关管的情况下，该方法为按照第二预设规则计算上下桥臂PWM，该规则为，逆变电压过零点时：当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移Td；当逆变电流超前逆变电压时维持不变，消除了过零点死区时间引起的逆变电流畸变。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种PWM调制方法、PWM驱动控制系统和桥式逆变器。
背景技术
桥式逆变器要求同一桥臂上下两个开关管互补导通，但是任何电力电子器件的开通和关断都需要一定的时间才能完成，若其中一个开关管没有完成关断之前另一个开关管已经导通，就会形成两个开关管直通而造成短路，因此，必须保证向一个开关管发送关断信号之后延迟一段时间再向另一个开关管发送开通信号，该延迟时间被定义为死区时间。
但是，逆变电压过零点处设置的死区时间(简称过零点死区时间)会导致桥式逆变器实际输出的逆变电压发生跳变，引起逆变电流畸变。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种PWM调制方法、PWM驱动控制系统和桥式逆变器，以消除过零点死区时间引起的逆变电流畸变。
一种PWM调制方法，应用于桥式逆变器中的任意一个桥臂，其中：
在桥臂上下管为工频开关管的情况下，该方法为，按照第一预设规则计算上下桥臂PWM；
其中，所述第一预设规则为，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移Td，Td为所述过零点死区时间的长短；当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM维持不变；
或者，在桥臂上下管为高频开关管的情况下，该方法为，按照第二预设规则计算上下桥臂PWM；
其中，所述第二预设规则为，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移Td；当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM维持不变。
一种PWM驱动控制系统，应用于桥式逆变器中的任意一个桥臂，其中：
在桥臂上下管为工频开关管的情况下，该系统包括：用于按照第一预设规则计算上下桥臂PWM的第一主控单元，以及与所述第一主控单元相连、用于生成并输出所述上下桥臂PWM的第一输出电路；
其中，所述第一预设规则为，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移Td，Td为所述过零点死区时间的长短；当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM维持不变；
或者，在桥臂上下管为高频开关管的情况下，该系统包括：用于按照第二预设规则计算上下桥臂PWM的第二主控单元，以及与所述第二主控单元相连、用于生成并输出所述上下桥臂PWM的第二输出电路；
其中，所述第二预设规则为，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移TdTd；当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM维持不变。
一种桥式逆变器，包括主电路以及上述任一种PWM驱动控制系统。
其中，所述桥式逆变器为高频隔离并网逆变器。
其中，所述高频隔离并网逆变器的主电路采用单相H桥逆变拓扑，该拓扑包括两个桥臂：第一桥臂上下两个高频管的公共端接电网火线，第二桥臂上下两个工频管的公共端接电网零线。
其中，所述高频隔离并网逆变器的主电路采用单相H桥逆变拓扑，该拓扑包括两个桥臂：第一桥臂上下两个高频管的公共端接电网零线，第二桥臂上下两个工频管的公共端接电网火线。
从上述的技术方案可以看出，本发明在现有PWM的基础上，重新设计桥式逆变器中各个桥臂的PWM波形，结合桥式逆变器的工作原理可知，重新设计出的PWM在应用到桥式逆变器中时，可使得逆变电压过零点前后均输出接近零的等效电压，因此不会引起逆变电流畸变；并且，重新设定出的PWM达到了在向一个开关管发送开通信号前先向同一桥臂上另一开关管发送关断信号的效果，因此在开关切换时同样可避免同一桥臂上下两个开关管直通而造成短路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术公开的一种单相H桥逆变拓扑图；
图2为所述单相H桥逆变拓扑理想的PWM调试方式示意图；
图3为所述单相H桥逆变拓扑目前采用的加入死区时间后的PWM调制方式及其对应的逆变电流波形图；
图4为逆变电压由负到正过零时，所述单相H桥逆变拓扑理想的PWM调制方式示意图；
图5为逆变电压由负到正过零时，所述单相H桥逆变拓扑目前采用的PWM调试方式及对应的逆变电流波形图；
图6为采用图5所示PWM调试方式时，在LF_Deadband期间，所述单相H桥逆变拓扑的电流方向示意图；
图7为逆变电压由正到负过零时，所述单相H桥逆变拓扑的理想PWM调试方式示意图；
图8为逆变电压由正到负过零时，所述单相H桥逆变拓扑目前采用的PWM及其对应的逆变电流波形图；
图9为逆变电压由负到正过零且逆变电流超前逆变电压时，所述单相H桥逆变拓扑采用的本实施例公开的PWM调制方式及其对应的逆变电流波形图；
图10为逆变电压由正到负过零且逆变电流超前逆变电压时，所述单相H桥逆变拓扑采用的本实施例公开的PWM调制方式及其对应的逆变电流波形图；
图11为本发明实施例公开的一种PWM驱动控制系统结构示意图；
图12为本发明实施例公开的又一种PWM驱动控制系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种PWM调制方法，应用于桥式逆变器中的任意一个桥臂，以消除过零点死区时间引起的逆变电流畸变，具体的：
在桥臂上下管为工频开关管的情况下，该方法为，按照第一预设规则计算上下桥臂PWM；
其中，所述第一预设规则为，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻(也就是所述过零点死区时间的起止点对应的上下桥臂PWM的翻转时刻)前移Td，Td为所述过零点死区时间的长短；当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM维持不变；
或者，在桥臂上下管为高频开关管的情况下，该方法为，按照第二预设规则计算上下桥臂PWM；
其中，所述第二预设规则为，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移Td；当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM维持不变。
本实施例在现有PWM的基础上，重新设计桥式逆变器中各个桥臂的PWM波形，结合桥式逆变器的工作原理可知，重新设计出的PWM在应用到桥式逆变器中时，可使得逆变电压过零点前后均输出接近零的等效电压，因此不会引起逆变电流畸变；并且，重新设定出的PWM达到了在向一个开关管发送开通信号前先向同一桥臂上另一开关管发送关断信号的效果，因此在开关切换时同样可避免同一桥臂上下两个开关管直通而造成短路。
为了更清楚的描述本实施例所述的技术方案，下面，首先以高频隔离并网逆变器(桥式逆变器中的一种)中常采用的单相H桥逆变拓扑为例，对过零点死区时间会引起逆变电流畸变的原因进行剖析。
图1所示的单相H桥逆变拓扑包括两个桥臂，第一桥臂上下两个开关管S1、S2的公共端(即第一桥臂中点)接电网grid的火线L，第二桥臂上下两个开关管S3、S4的公共端(即第二桥臂中点)接电网grid的零线N，Ubus表示直流母线电压。开关管S1、S2工作在高频PWM，被称为高频管，常采用开关速度较快的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)；开关管S3、S4工作在工频PWM，被称为工频管，常采用开关速度较慢的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)。
对图1所示的单相H桥逆变进行PWM分析，当要求具有感性/容性无功功率输出功能时，其理想的PWM调制方式如图2所示，上下桥臂PWM互补，也就是说，第一桥臂中上半桥的高频管S1与下半桥的高频管S2满足PWM互补，第二桥臂中上半桥的工频管S3与下半桥的工频管S4满足PWM互补。图2中，Ugrid表示逆变电压波形，S1-PWM表示开关管S1的PWM波形，S2-PWM表示开关管S2的PWM波形，S3-PWM表示开关管S3的PWM波形，S4-PWM表示开关管S4的PWM波形。
图2所示的PWM调制方式在实际应用时，工频PWM、高频PWM中都需要加入相应死区，如图3所示，因为：每个桥臂的上半桥和下半桥是绝对不能同时导通的，但PWM驱动信号在到达开关管的控制极时，往往会由于各种各样的原因产生延迟，造成某个半桥上的开关管在应该关断时没有关断，致使桥臂直通而短路，因此需要在上半桥关断后，延迟一段时间再打开下半桥，或在下半桥关断后，延迟一段时间再打开上半桥，从而避免桥臂直通，这段延迟时间就是死区时间。死区时间的长短视开关管的开关速度而定，开关速度越快，设置的死区时间就越小。
但是，设置在逆变电压过零点处的死区时间，也就是过零点死区时间，将导致实际逆变电压发生错误，引起电流畸变，且过零点死区时间越大，对实际逆变电压影响就越大，逆变电流畸变就越严重。仍参见图3，工频PWM进入过零点死区期间会引起超前电流Ilead(电路要求输出无功功率时把逆变电流控制为超前逆变电压，该电流称为超前电流)发生严重畸变，而高频PWM进入过零点死区期间仅引起滞后电流Ilag(电路要求输出有功功率时把逆变电流控制为滞后逆变电压，该电流称为滞后电流)发生微小畸变，基本可忽略不计，如图3所示。
下面，从原理上深入分析过零点死区时间引起逆变电流畸变的原因(为便于描述，下面将加入到工频PWM、高频PWM中的过零点死区分别表示为LF_Deadband和HF_Deadband)：
1)逆变电压由负到正过零时，理想的PWM调制方式如图4所示，加入LF_Deadband和HF_Deadband后的PWM调制方式如图5所示。
首先，在LF_Deadband期间：当逆变电流超前逆变电压时，单相H桥逆变电路的电流通路是S2→grid→S3(如图6所示)，期望输出接近零的正等效电压，实际输出接近Ubus的负电压，故超前电流迅速向负变化、形成超前电流畸变；在LF_Deadband期间，当逆变电流滞后逆变电压时，单相H桥逆变电路的电流通路是S4→grid→S2，实际输出接近零的正电压，与期望电压一致，故滞后电流保持正常、没有滞后电流畸变。
其次，在HF_Deadband期间：当逆变电流超前逆变电压时，没有超前电流畸变；当逆变电流滞后逆变电压时，存在滞后电流畸变，其分析方法与上述LF_Deadband期间的分析方法同理，不再赘述。
2)当逆变电压由正到负过零时，理想的PWM调制方式如图7所示，加入LF_Deadband和HF_Deadband后的PWM调制方式如图8所示。
首先，在LF_Deadband期间：当逆变电流超前逆变电压时，单相H桥逆变电路的电流通路是S4→grid→S1，期望输出接近零的负等效电压，实际输出接近Ubus的正电压，故超前电流迅速向正变化、形成超前电流畸变；在LF_Deadband时刻，当逆变电流滞后逆变电压时，单相H桥逆变电路的电流通路是S1→grid→S3，实际输出接近零的负电压，与期望电压一致，故滞后电流保持正常、没有滞后电流畸变。
其次，在HF_Deadband期间：当逆变电流超前逆变电压时，没有超前电流畸变；当逆变电流滞后逆变电压时，存在滞后电流畸变，其分析方法与上述LF_Deadband期间的分析方法同理，不再赘述。
基于上述对LF_Deadband引起超前电流畸变原因的分析，本案做出如下改进：
1)在逆变电压由负到正过零时：当逆变电流超前逆变电压时，将图5所示上下桥臂PWM设置LF_Deadband的翻转时刻前移Td-1，Td-1为LF_Deadband的长短(如图9所示)，这样逆变电压由负到正过零前的电流回路是S1→grid→S3、逆变电压由负到正过零后的电流回路是S2→grid→S4，分别输出接近零的负电压、接近零的正电压，与期望电压一致，超前电流畸变消除。当逆变电流滞后逆变电压时，保持图5所示PWM不变，不需要处理。
2)在逆变电压由正到负过零时：当逆变电流超前逆变电压时，将图8所示上下桥臂PWM设置LF_Deadband的翻转时刻前移Td-1，Td-1为LF_Deadband的长短(如图10所示)，这样逆变电压由正到负过零前的电流回路是S4→grid→S2、逆变电压由正到负过零后的电流回路是S3→grid→S1，分别输出接近零的正电压、接近零的负电压，与期望电压一致，超前电流畸变消除。当逆变电流滞后逆变电压时，保持图8所示PWM不变，不需要处理。
可见，针对图1所示拓扑中的第二桥臂，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流超前逆变电压时，通过将现有工频PWM设置LF_Deadband的翻转时刻前移Td-1，Td-1为LF_Deadband的长短，即可消除超前电流畸变；当逆变电流滞后逆变电压时，维持现有工频PWM即可。并且，观察图9-图10可知，该方案在应用到桥式逆变器的第二桥臂时，可达到在向一个工频管发送开通信号前先向同一桥臂上另一工频管发送关断信号的效果，因此在开关切换时同样可避免同一桥臂上下两个工频管直通而短路。
同时，基于前述对HF_Deadband引起滞后电流畸变原因的分析，本案做出如下改进：
针对图1所示拓扑中的第一桥臂，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流滞后逆变电压时，通过将现有高频PWM设置HF_Deadband的翻转时刻前移Td-2，Td-2为HF_Deadband的长短，即可消除滞后电流畸变；当逆变电流超前逆变电压时，维持现有高频PWM即可。且该方案应用到桥式逆变器的第一桥臂时，同样可起到在开关切换时同样可避免同一桥臂上下两个高频管直通而短路的效果。其分析方法与前述消除LF_Deadband内超前电流畸变的分析方法同理，不再赘述。
另外，需要特殊说明的是，针对图1所示拓扑，在对逆变电流波形要求较高的场合，需要对现有工频PWM和现有高频PWM同时进行改进，以消除LF_Deadband、HF_Deadband引起的逆变电流畸变；但在对逆变电流波形要求不太严格的场合，也可以仅对现有工频PWM进行改进，因为现有高频PWM中加入的HF_Deadband所引起的逆变电流畸变非常小，基本可以忽略不计。
此外，本发明实施例还公开了一种PWM驱动控制系统，应用于桥式逆变器中的任意一个桥臂，以消除过零点死区时间引起的逆变电流畸变，具体的：
参见图11，在桥臂上下管为工频开关管的情况下，该系统包括：用于按照第一预设规则计算上下桥臂PWM的第一主控单元101，以及与第一主控单元101相连、用于生成并输出所述上下桥臂PWM的第一输出电路102；
其中，所述第一预设规则为，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移Td，Td为所述过零点死区时间的长短；当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM维持不变；
或者，参见图12，在桥臂上下管为高频开关管的情况下，该系统包括：用于按照第二预设规则计算上下桥臂PWM的第二主控单元201，以及与第二主控单元201相连、用于生成并输出所述上下桥臂PWM的第二输出电路202；
其中，所述第二预设规则为，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移Td；当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM维持不变；。
此外，本发明实施例还公开了一种桥式逆变器，以消除过零点死区时间引起的逆变电流畸变，包括主电路和上述公开的任一种PWM驱动控制系统；所述任一种PWM驱动控制系统用于向所述主电路中的开关管提供PWM驱动信号。
其中，所述PWM驱动控制系统可以是高频隔离并网逆变器，也可以是其他类型的逆变器。
具体的，所述高频隔离并网逆变器可采用图1所示拓扑，该拓扑包括两个桥臂，第一桥臂上下两个高频管的公共端接电网火线，第二桥臂上下两个工频管的公共端接电网零线。
综上所述，本发明在现有PWM的基础上，重新设计桥式逆变器中各个桥臂的PWM波形，结合桥式逆变器的工作原理可知，由于重新设计出的PWM在应用到桥式逆变器中时，可使得逆变电压过零点前后均输出接近零的等效电压，因此不会引起逆变电流畸变；并且，重新设定出的PWM达到了在向一个开关管发送开通信号前先向同一桥臂上另一开关管发送关断信号的效果，因此在开关切换时同样可避免同一桥臂上下两个开关管直通而造成短路。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的PWM驱动控制系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种PWM调制方法，应用于桥式逆变器中的任意一个桥臂，其特征在于，当高频桥臂连接火线，工频桥臂连接零线时：
在桥臂上下管为工频开关管的情况下，该方法为，按照第一预设规则计算上下桥臂PWM；
其中，所述第一预设规则为，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移Td，Td为所述过零点死区时间的长短；当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM维持不变；
或者，在桥臂上下管为高频开关管的情况下，该方法为，按照第二预设规则计算上下桥臂PWM；
其中，所述第二预设规则为，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移Td；当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM维持不变。
2.一种PWM驱动控制系统，应用于桥式逆变器中的任意一个桥臂，其特征在于，当高频桥臂连接火线，工频桥臂连接零线时：
在桥臂上下管为工频开关管的情况下，该系统包括：用于按照第一预设规则计算上下桥臂PWM的第一主控单元，以及与所述第一主控单元相连、用于生成并输出所述上下桥臂PWM的第一输出电路；
其中，所述第一预设规则为，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移Td，Td为所述过零点死区时间的长短；当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM维持不变；
或者，在桥臂上下管为高频开关管的情况下，该系统包括：用于按照第二预设规则计算上下桥臂PWM的第二主控单元，以及与所述第二主控单元相连、用于生成并输出所述上下桥臂PWM的第二输出电路；
其中，所述第二预设规则为，在逆变电压过零点时刻：当逆变电流滞后逆变电压时，上下桥臂PWM设置过零点死区时间的翻转时刻前移Td；当逆变电流超前逆变电压时，上下桥臂PWM维持不变。
3.一种桥式逆变器，其特征在于，包括主电路和权利要求2所述的PWM驱动控制系统。
4.根据权利要求3所述的桥式逆变器，其特征在于，所述桥式逆变器为高频隔离并网逆变器。
5.根据权利要求4所述的桥式逆变器，其特征在于，所述高频隔离并网逆变器的主电路采用单相H桥逆变拓扑，该拓扑包括两个桥臂：第一桥臂上下两个高频管的公共端接电网火线，第二桥臂上下两个工频管的公共端接电网零线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |