CN105099251B - 一种spwm二分频交错驱动控制的中频逆变电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种SPWM二分频交错驱动控制的中频逆变电路，包括逆变桥及分别与该逆变桥连接的直流输入滤波电路、交流输出滤波电路、二分频交错分配电路和驱动电路；所述逆变桥包括四组IGBT管组，每组IGBT管组包括两个并联的IGBT管，所述二分频交错分配电路共有四组，分别与所述四组IGBT管组连接，用于将高频SPWM驱动信号交替驱动IGBT管组的两个并联的IGBT管。本发明的IGBT管无需降额使用，无需考虑多只IGBT管并联应用时的均流问题。IGBT管的驱动电路无需特殊设计，可实现IGBT功率开关的高频工作。可提高SPWM逆变电路的载波频率比，有效降低输出波形失真度和输出电压谐波，显著降低工作噪声。

Description

一种SPWM二分频交错驱动控制的中频逆变电路

技术领域

本发明涉及中频静变电源领域，具体是一种SPWM二分频交错驱动控制的中频逆变电路。

背景技术

中频静变电源属于航空军用供电电源中的一种，是专门为航空及军用电子电气设备设计制造的电源，通常输出相电压115V，输出频率为400Hz。也需要300-800Hz或1000HZ等全中频范围的交流电源。用于飞机及机载设备、雷达、导航等军用电子设备，以及其他需要模拟飞机机载电源的实验场合。它要具备高性能和高可靠性的特点，典型的指标是：输出波形失真度小，快速的动态性能，输出电压谐波及畸变率低的高品质正弦波电压，否则会影响航空电子设备的工作和寿命。

中频电源中的逆变器通常采用SPWM方式实现变频变压控制。SPWM型逆变电路的输出为正弦脉宽调制的矩形波，处理不好它产生的高次谐波对其负载和周围电气装置会产生很大负面影响。对于负载感应电机，谐波电压和电流增加电动机的铁损和铜损，使电动机温度上升，效率下降，并产生噪声，甚至造成电机损坏；谐波还对通信以及电子设备产生严重干扰，影响功率处理器的正常运行。

要想得到较小的失真度和较低的输出谐波的有效办法是：高的电压调制比，高的载波频率比。前者通过输出中频变压器的变比，可以实现电压匹配。而后者高的载波频率比会使功率器件工作在30KHz以上、硬开关工作条件下，大功率中频静变电源中的IGBT模块难以长期安全运行。针对小功率中频电源，可以选用功率MOSFET；针对中功率的中频电源，可以将选用的IGBT降额使用，但IGBT的实际利用率非常低。

由于逆变电路的IGBT工作于硬开关状态。对于50Hz、60Hz逆变器的载波频率范围一般为1KHz-15KHz之间选择，可见15KHz的最高载波频率是为IGBT的实际应用而考虑的，因为IGBT的硬开关的工作频率一般最高工作频率为20KHZ左右，为了长期安全运行考虑，还要留些余量。

传统的做法，IGBT降额使用以适合高频应用，多模块并联以适合大电流。这样IGBT模块的利用率非常低，高频隔离驱动也是一项难题，因为一般隔离驱动器的极限工作频率一般在20KHZ，IGBT在高频隔离驱动和工作时都遇到了困难。

发明内容

本发明提出一种SPWM二分频交错驱动控制的中频逆变电路，以解决现有技术中，低载波频率时，输出波形失真、输出电压谐波及畸变率高；而高载波频率时，IGBT需降额使用的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种SPWM二分频交错驱动控制的中频逆变电路，包括逆变桥及分别与该逆变桥连接的直流输入滤波电路、交流输出滤波电路、二分频交错分配电路和驱动电路；

所述逆变桥包括四组IGBT管组，依次为IGBT管组Q1、IGBT管组Q2、IGBT管组Q3和IGBT管组Q4；

每组IGBT管组包括两个并联的IGBT管，依次为并联的Q1A和Q1B、并联的Q2A和Q2B、并联的Q3A和Q3B、并联的Q4A和Q4B；

IGBT管组Q1和IGBT管组Q2串联后接于直流输入滤波电路的两个输出端之间；IGBT管组Q3和IGBT管组Q4串联后接于直流输入滤波电路的两个输出端之间；

IGBT管组Q1和IGBT管组Q2的连接点作为逆变桥的一个输出端，IGBT管组Q3和IGBT管组Q4的连接点作为逆变桥的另一个输出端；

所述二分频交错分配电路共有四组，分别与所述四组IGBT管组连接，用于将高频SPWM驱动信号交替驱动IGBT管组的两个并联的IGBT管。

进一步地，所述直流输入滤波电路包括均压电阻R1、均压电阻R2、电容C1和电容C2；

所述电容C1与电容C2串联，所述均压电阻R1并联于电容C1两端，所述均压电阻R2并联于电容C2两端。

进一步地，所述交流输出滤波电路包括电感Lo和电容Co；

所述电感Lo和电容Co串联接于所述逆变桥的两个输出端之间，所述电容Co两端作为交流输出滤波电路的输出端。

进一步地，所述二分频交错分配电路为采用双D触发器的二分频交错分配电路。

进一步地，所述双D触发器为CD4013触发器。

本发明的有益效果为：

1、每只IGBT管无需降额使用，无需考虑多只IGBT管并联应用时的均流问题。

2、IGBT管的驱动电路无需特殊设计，使用两个通用驱动电路，可实现IGBT功率开关的高频工作。

3、可提高SPWM逆变电路的载波频率比，有效地降低输出波形失真度和输出电压谐波，显著地降低工作噪声。

4、可以显著地提升后级电路中铁基非晶逆变变压器的铁芯利用率。

5、可以显著地减小输出滤波电感。

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是现有技术中逆变电路的示意图；

图2是本发明一个实施例的逆变电路的示意图；

图3是本发明的一组二分频交错分配电路的示意图；

图4是图3中电路交错分频模式下的电路中各节点的脉冲时序图；

图5是图3中电路不分频模式下的电路中各节点的脉冲时序图；

图6是图3中二分频交错分配电路的波形对比图。

图中：

101、直流输入滤波电路；102、交流输出滤波电路。

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。

图1是现有技术中逆变电路的示意图，对比图1，参看图2、3，本实施例中的一种SPWM二分频交错驱动控制的中频逆变电路，包括逆变桥及分别与该逆变桥连接的直流输入滤波电路101、交流输出滤波电路102、二分频交错分配电路和驱动电路；

具体见图2，所述逆变桥包括四组IGBT管组，依次为IGBT管组Q1、IGBT管组Q2、IGBT管组Q3和IGBT管组Q4；

每组IGBT管组包括两个并联的IGBT管，依次为并联的Q1A和Q1B、并联的Q2A和Q2B、并联的Q3A和Q3B、并联的Q4A和Q4B；

IGBT管组Q1和IGBT管组Q2串联后接于直流输入滤波电路101的两个输出端之间；IGBT管组Q3和IGBT管组Q4串联后接于直流输入滤波电路101的两个输出端之间；

IGBT管组Q1和IGBT管组Q2的连接点作为逆变桥的一个输出端，IGBT管组Q3和IGBT管组Q4的连接点作为逆变桥的另一个输出端；

所述二分频交错分配电路共有四组，分别与所述四组IGBT管组连接，用于将高频SPWM驱动信号交替驱动IGBT管组的两个并联的IGBT管。

本实施例中，所述直流输入滤波电路101包括均压电阻R1、均压电阻R2、电容C1和电容C2；所述电容C1与电容C2串联，所述均压电阻R1并联于电容C1两端，所述均压电阻R2并联于电容C2两端。直流输入滤波电路101对输入的直流电进行滤波，消除噪声。

本实施例中，所述交流输出滤波电路102包括电感Lo和电容Co；所述电感Lo和电容Co组成LC二阶滤波器接于所述逆变桥的两个输出端之间，所述电容Co两端作为交流输出滤波电路102的输出端。交流输出滤波电路102将功率放大后的SPWM波进行滤波，去除高频噪声，输出电压谐波及畸变率低的高品质中频正弦波电压。

本实施例中，所述二分频交错分配电路由采用双D触发器的二分频电路和SPWM脉宽传递电路和工作模式选择电路组成。下面以IGBT管组Q1的二分频交错分配电路为例进行说明。具体电路实施方式见图3，整个电路，由U1A、U2B组成二分频电路，由U3A、U3B组成SPWM脉宽传递电路，由U1B、U1C、K1组成工作模式选择电路。图中U1A、U1B和U1C为CD4011与非门，U3A和U3B为CD4081与门，U2B为CD4013D触发器。U3A的输出端与IGBT管Q1A连接，U3B的输出端与IGBT管Q1B连接。

通过开关K1来设定模式，即开关K1接高电平Vcc时，SPWM信号交错分频，传递给IGBT管Q1A的信号如图6中波形S1A所示，传递给IGBT管Q1B的信号如图6中波形S1B所示，此时交替驱动两只并联的IGBT管来代替曾经一只IGBT管的工作而实现降频分流的目的；

开关K1接低电平GND时，SPWM信号保持不变，不分频，此时U3A和U3B和输出信号一样，如图6中所示的波形S1所示。设置开关K1，是因为像300Hz-800Hz如此宽的基波频率范围，可以方便地适应不同的载波需求，使用方便。

具体的工作原理说明如下：

将CD4013D触发器的Q非端接到D端，R端、S端接地即可组成二分频电路。SPWM信号S1经过U1A输出一个反向的SPWM信号S2输入至U2B的CK端，每一个上升沿触发有效，使Q端电平翻转一次，输出两路二分频的方波信号S3、S4。S3、S4不具备SPWM信号的脉宽特性。S1先进行反向再分频，是由脉宽传递电路的逻辑时序所决定的。

二分频的方波信号通过工作模式选择电路，K1接高电平，分频方波信号S5、S6继续传递给下级，K1接低电平，分频方波信号被屏蔽，S5、S6输出高电平。

SPWM脉宽传递电路由两个与门电路组成。交错分频工作模式下，S1与S5进行与运算取出SPWM波一半的脉冲信号S1A，S1与S6进行与运算取出SPWM波另一半的脉冲信号S1B。不分频模式下，S5、S6输出为高电平，S1与S5进行与运算，S1A输出与S1信号相同；S1与S6进行与运算，S1B输出与S1信号相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种SPWM二分频交错驱动控制的中频逆变电路，其特征在于，包括逆变桥及分别与该逆变桥连接的直流输入滤波电路、交流输出滤波电路、二分频交错分配电路和驱动电路；

所述逆变桥包括四组IGBT管组，依次为IGBT管组Q1、IGBT管组Q2、IGBT管组Q3和IGBT管组Q4；

每组IGBT管组包括两个并联的IGBT管，依次为并联的Q1A和Q1B、并联的Q2A和Q2B、并联的Q3A和Q3B、并联的Q4A和Q4B；

IGBT管组Q1和IGBT管组Q2串联后接于直流输入滤波电路的两个输出端之间；IGBT管组Q3和IGBT管组Q4串联后接于直流输入滤波电路的两个输出端之间；

IGBT管组Q1和IGBT管组Q2的连接点作为逆变桥的一个输出端，IGBT管组Q3和IGBT管组Q4的连接点作为逆变桥的另一个输出端；

所述二分频交错分配电路共有四组，分别与所述四组IGBT管组连接，用于将高频SPWM驱动信号交替驱动IGBT管组的两个并联的IGBT管；

所述二分频交错分配电路由采用双D触发器的二分频电路、SPWM脉宽传递电路和工作模式选择电路组成；所述二分频电路由与非门U1A和双D触发器U2B组成；所述SPWM脉宽传递电路由与门U3A和与门U3B组成；所述工作模式选择电路由与非门U1B、与非门U1C和开关K1组成；所述与非门U1A的两个输入端连接，所述与非门U1A的输出端与所述双D触发器U2B的CK端连接，所述双D触发器U2B的S端和R端接地；所述双D触发器U2B的Q端与所述与非门U1B的一个输入端连接，所述双D触发器U2B的Q非端与D端连接并与所述与非门U1C的一个输入端连接，所述与非门U1B的另一个输入端和所述与非门U1C的一个输入端与所述开关K1连接；所述与非门U1B的输出端与所述与门U3A的一个输入端连接，所述与非门U1C的输出端与所述与门U3B的一个输入端连接；所述与门U3A的另一个输入端和所述与门U3B的另一个输入端与所述与非门U1A的两个输入端连接。

2.如权利要求1所述的一种SPWM二分频交错驱动控制的中频逆变电路，其特征在于，所述直流输入滤波电路包括均压电阻R1、均压电阻R2、电容C1和电容C2；

所述电容C1与电容C2串联，所述均压电阻R1并联于电容C1两端，所述均压电阻R2并联于电容C2两端。

3.如权利要求1所述的一种SPWM二分频交错驱动控制的中频逆变电路，其特征在于，所述交流输出滤波电路包括电感Lo和电容Co；

所述电感Lo和电容Co串联接于所述逆变桥的两个输出端之间，所述电容Co两端作为交流输出滤波电路的输出端。

4.如权利要求1所述的一种SPWM二分频交错驱动控制的中频逆变电路，其特征在于，所述双D触发器为CD4013触发器。