CN116526818B - 一种三电平pwm整流器开机关机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三电平PWM整流器开机关机控制方法，开机过程始终保持了开机瞬间PWM整流器的母线电压Udc小于0.87倍开关管耐压Vces，开关管处于安全状态，不需要关注内外管的开关顺序，关机过程对软件检测到的报警或者人为停止PWM整流器工作的操作和硬件电路检测到的过压过流等异常停机区别对待，对这两种情况分别提出了安全的关机方法，在硬件异常时能够直接关停，更安全更稳定。
Description
技术领域
本发明涉及三电平变换器控制技术领域，具体涉及一种三电平PWM整流器开机关机控制方法。
背景技术
三电平PWM整流器谐波含量低、开关损耗小、对器件耐压要求低、易出高压，在高压大功率双向交直流变换器中凸显出明显的优势。但是，三电平PWM整流器也有很多固有的问题存在。比如中点电位平衡问题、内外管不均压问题、损耗不均匀问题、寄生电感引起的开关电压尖峰问题、窄脉冲问题、并联环流问题、开机关机过程逻辑控制问题。这些都是用好三电平PWM整流器要解决的关键技术问题。
开机关机过程逻辑控制问题当然就分为开机逻辑控制和关机逻辑控制。通用的开机逻辑控制就是通过各种方法使内管先开、外管后开，通用的关机逻辑控制只是使外管先关、内管后关。不合理的开机关机逻辑会导致部分开关管因承受全母线电压而过压损坏。针对开机关机过程逻辑控制问题，常见的解决方法是实现内管先于外管打开，针对开机关机过程逻辑控制问题，有一种方法是在内管集电极和发射级之间并联RC，减慢内管的关断速度，这样会增加内管的关断损耗。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种复杂度降低，稳定性提高的三电平PWM整流器开机关机控制电路及方法，开机过程无需控制开关顺序，关机过程可靠关机。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种三电平PWM整流器开机关机控制方法，包括步骤：
S01) 构建PWM整流器开机关机控制电路，包括PWM死区产生和逻辑调整电路、关管顺序调整电路、封锁信号产生电路；
开机时，
S11) 机器上电，启停信号输出低电平，PWM整流器不启动；
S12) 检测母线电压Udc是否大于耐压阈值；
S13) 母线电压Udc大于耐压阈值，提示Udc高于开关管耐压禁止启动PWM整流器，等待到母线电压降至低于或等于耐压阈值；
S14) 母线电压Udc小于或等于耐压阈值，启停信号START_PWM输出高电平，启动PWM整流器，输出PWM驱动波形；；
S15) 母线电压给定值从当前母线电压值Udc到目标值Udc_ref线性缓升；
S16) 开机结束，正常运行；
关机时，
S21) 判定是软件检测到的报警或者人为停止PWM整流器工作，或是硬件电路检测到的异常；
若是软件检测到的报警或者人为停止PWM整流器工作，执行步骤S221-S224：
S221) 控制器IO输出信号SPWM_1_3置高，SPWM_2_4置低，经过PWM死区产生和逻辑调整电路和关管顺序调整电路使开关管T1、T4关闭，T2、T3开通；
S222) 启停信号START_PWM输出低电平；
S223) 经过封锁信号产生电路，脉冲封锁信号PWM_LOCK置低；
S224) 经过关管顺序调整电路， 2、3两路PWM驱动信号滞后置低，关机结束，维持关机状态；
若是硬件电路检测到异常，执行步骤S231-S233：
S231) 产生低电平硬件报警HD_ALARM；
S232) 经过封锁信号产生电路，脉冲封锁信号PWM_LOCK置低；
S233) 经过关管顺序调整电路，先输出1、4两路低电平PWM驱动信号，2、3两路PWM驱动信号滞后置低，关机结束，维持关机状态。
进一步的，步骤S221逻辑控制关系为：
信号SPWM_1_3、SPWM_2_4经过PWM死区产生和逻辑调整电路，输出信号SPWM1置低、SPWM2置高、SPWM3置高、SPWM4置低，再经过关管顺序调整电路输出PWM驱动信号SPWM11置低、SPWM22置高、SPWM33置高、SPWM44置低。
优选的，耐压阈值为0.87倍开关管耐压Vces。
进一步的，2、3两路PWM驱动信号滞后置低的实现方式为：
关管顺序调整电路包括与非门U12A、U12B、U12C、U12D，非门U810A、U810B、U810C、U810D、U810E、U810F和电容C1，所述信号SPWM1、SPWM2、SPWM3、SPWM4分别连接U12A、U12B、U12C、U12D输入端，，PWM_LOCK作为输入进入U810E、U12D、U12A，U810E输出端连接U810F输入端，U810F输出端串联电容C1接地，U810F输出信号PWM_LOCK_T2T4，信号PWM_LOCK_T2T4输入U12B和U12C，U12A、U12B、U12C、U12D的输出端分别连接U810A 、U810B、U810C、U810D的输入端，U810A 、U810B、U810C、U810D的输出端分别输出PWM驱动信号SPWM11、SPWM22、SPWM33、SPWM44；
其中，C1的大小为，其中/>为HEF40106和MC14093输入输出电流，td为死区时间，/>为MC14093向低电平反转的额电压阈值，从而实现SPWM22、SPWM33延时2td后置低。
进一步的，封锁信号产生电路包括与非门U11A、U11B、U11C、U11D、U13B和开关三极管Q3、N2，启停信号START_PWM连接开关三极管Q3的基极，Q3集电极连接U13B两路输入，U13B和U11C的输出端连接U11B的输入端，硬件报警信号HD_ALARM和U11B的输出端连接U11C的输入端，U11C的输出端连接开关三极管N2基极，N2集电极输出报警输入信号HD_PWM，U11B输出端和U13B输出端连接U11D两路输入，U11D输出连接U11A两路输入，U11A输出脉冲封锁信号PWM_LOCK。
进一步的，PWM死区产生和逻辑调整电路包括三极管N10、N11，非门U14A、U14B、U14C、U14D，控制器IO输出信号SPWM_1_3连接三极管N10的基极，N10发射极与基极中间串联电容C70，集电极与U14A输入端连接，U14A输出信号SPWM3，U14A输出作为输入进入U14B，U14B输出信号SPWM1；SPWM_2_4连接三极管N11基极，N11发射机与基极之间串联电容C71，集电极与U14C输入端连接，U14C输出信号SPWM4，U14C输出作为输入进入U14D，U14D输出信号SPWM2。
进一步的，封锁信号产生电路还包括二极管D8，所述二极管D8负极与信号HD_ALARM连接，正极与与非门U11C输入端连接。
进一步的，PWM死区产生和逻辑调整电路还包括二极管D1、D2、D3、D4电阻R10、R11、R12、R13，电容C22、C23、C25、C26，所述二极管D1与电阻R11并联，负极连接U14B输出端，正极连接输出信号SPWMA1，电容C23一端连接D1正极另一端接地；所述二极管D2与电阻R10并联，负极连接U14A输出端，正极连接输出信号SPWMA3，电容C22一端连接D2正极另一端接地；所述二极管D3与电阻R13并联，负极连接U14D输出端，正极连接输出信号SPWMA2，电容C26一端连接D3正极另一端接地；所述二极管D4与电阻R12并联，负极连接U14C输出端，正极连接输出信号SPWMA4，电容C25一端连接D4正极另一端接地。
优选的，与非门为施密特与非门，所述非门为施密特非门。
本发明的优点在于：三电平PWM整流器开机关机控制电路及方法实现了开机过程无需控制开关管的开关顺序，母线正负之间并联10kΩ600W功率电阻，实测母线从最大电压降到0.87倍开关管耐压Vces小于15S，c）步骤的等待时间在15S以内，符合设计标准和用户体验；开机过程始终保持了开机瞬间PWM整流器的整流目标值小于0.87倍开关管耐压Vces，开关管处于安全状态，不需要关注内外管的开关顺序。
关机过程对软件检测到的报警或者人为停止PWM整流器工作的操作和硬件电路检测到的过压过流等异常产生低电平硬件报警HD_ALARM停机区别对待，对这两种情况分别提出了安全的关机方法，在硬件异常时能够直接关停，更安全更稳定，此方法提高了系统性能指标，降低了复杂度，提高了稳定性。
附图说明
图1为本发明的控制原理框图；
图2为本发明的PWM整流器开机控制流程图；
图3为本发明的母线电压给定值线性缓升图；
图4为本发明的PWM整流器关机控制流程图；
图5为本发明的PWM死区产生和逻辑调整电路图；
图6为本发明的关管顺序调整电路图；
图7为本发明的封锁信号产生电路图；
图8为三电平PWM整流器中开关管T1、T2、T3、T4的位置表征图。
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。
本发明公开了一种三电平PWM整流器开机关机控制方法，包括步骤：
S01) 构建PWM整流器开机关机控制电路，包括PWM死区产生和逻辑调整电路、关管顺序调整电路、封锁信号产生电路，本实施例以三相电路中的A相电路为例进行说明，B相、C相与A相相同。连接关系请参照图1，三电平PWM整流器经母线电压采样模块采样得到母线电压Udc作为输入进入控制器。
开机流程请参照图2，有以下步骤：
S11) 机器上电，启停信号输出低电平，PWM整流器不启动；
S12) 检测母线电压Udc是否大于0.87倍开关管耐压Vces；
S13) 母线电压Udc大于耐压阈值，提示Udc高于开关管耐压禁止启动PWM整流器，等待到母线电压降至低于或等于0.87倍开关管耐压Vces；
S14) 母线电压Udc小于或等于耐压阈值，启停信号START_PWM输出高电平，启动PWM整流器，输出PWM驱动波形；；
S15) 母线电压给定值从当前母线电压值Udc到目标值Udc_ref经800ms线性缓升，请参照图3；
S16) 开机结束，正常运行。
关机流程请参照图4，有以下步骤：
S21) 判定是软件检测到的报警或者人为停止PWM整流器工作，或是硬件电路检测到的异常；
若是软件检测到的报警或者人为停止PWM整流器工作，执行步骤S221-S224：
S221) 以A相为例，控制器IO输出信号SPWM_A1_A3置高，SPWM_A2_A4置低，, 经过PWM死区产生和逻辑调整电路，输出信号SPWMA1置低、SPWMA2置高、SPWMA3置高、SPWMA4置低；再经过关管顺序调整电路输出PWM驱动信号SPWMA11置低、SPWMA22置高、SPWMA33置高、SPWMA44置低，使开关管T1、T4关闭，T2、T3开通；
S222) 启停信号START_PWM输出低电平；
S223) 经过封锁信号产生电路，脉冲封锁信号PWM_LOCK置低；
S224) 经过关管顺序调整电路， 2、3两路PWM驱动信号滞后置低，关机结束，维持关机状态；
若是硬件电路检测到异常，执行步骤S231-S233：
S231) 产生低电平硬件报警HD_ALARM；
S232) 经过封锁信号产生电路，脉冲封锁信号PWM_LOCK置低；
S233) 经过关管顺序调整电路，先输出1、4两路低电平PWM驱动信号，2、3两路PWM驱动信号滞后置低，关机结束，维持关机状态。
关管顺序调整电路请参照图6，包括与非门U12A、U12B、U12C、U12D，非门U810A、U810B、U810C、U810D、U810E、U810F和电容C1，所述信号SPWMA1、SPWMA2、SPWMA3、SPWMA4分别连接U12A、U12B、U12C、U12D输入端，，PWM_LOCK作为输入进入U810E、U12D、U12A，U810E输出端连接U810F输入端，U810F输出端串联电容C1接地，U810F输出信号PWM_LOCK_T2T4，信号PWM_LOCK_T2T4输入U12B和U12C，U12A、U12B、U12C、U12D的输出端分别连接U810A 、U810B、U810C、U810D的输入端，U810A 、U810B、U810C、U810D的输出端输出PWM驱动信号SPWMA11、SPWMA22、SPWMA33、SPWMA44，分别驱动开关管T1、T2、T3、T4，SPWMA11与SPWMA33互补，SPWMA22与SPWMA44互补。
C1的大小为，其中/>为HEF40106和MC14093输入输出电流，td为死区时间，/>为MC14093向低电平反转的额电压阈值，从而实现SPWM22、SPWM33延时2td后置低。
PWM死区产生和逻辑调整电路图请参照图5，输入信号为控制器IO输出信号SPWM_A1_A3和SPWM_A2_A4，输出信号SPWMA1、SPWMA2、SPWMA3、SPWMA4均作为输入信号进入关管顺序调整电路，电路包括三极管N10、N11，非门U14A、U14B、U14C、U14D.
控制器IO输出信号SPWM_A1_A3经过电阻R90连接三极管N10的基极，N10发射极与基极中间串联电容C70，集电极分别与上拉电阻R92和U14A输入端连接，U14A经过并联的电阻R10和反向二极管D2输出信号SPWMA3，电容C23一端连接D1正极另一端接地，U14A输出作为输入进入U14B，U14B经过并联的R11和反向二极管D1输出信号SPWMA1，电容C23一端接D1正极一端接地。
SPWM_A2_A4经过电阻R93连接三极管N11基极，N11发射机与基极之间串联电容C71，集电极分别与上拉电阻R95和U14C输入端连接，U14C经过并联的电阻R12和反向二极管D4输出信号SPWMA4，C25电容一端连接D4正极一端接地；U14C作为输入进入U14D，U14D经过并联的电阻R13和反向二极管D3输出信号SPWMA2。电容C26一端接D3正极一端接地。
封锁信号产生电路图请参照图7，输入信号为硬件报警信号HD_ALARM和启停信号START_PWM，输出报警输入信号HD_PWM和脉冲封锁信号PWM_LOCK，信号PWM_LOCK作为输入信号进入关管顺序调整电路。该电路包括二极管D8，与非门U11A、U11B、U11C、U11D、U13B和开关三极管Q3、N2。
启停信号START_PWM经过电阻R88连接开关三极管Q3的基极，Q3基极还连接电容C66和电阻R26的并联电路接地，Q3发射极接地，Q3集电极接上拉电阻R87和U13B两路输入，U13B和U11C的输出端连接U11B的输入端，硬件报警信号HD_ALARM经过反向二极管D8和电阻R23和U11C的输入端连接，，U11B输出端和U13B输出端连接U11D两路输入，U11D输出连接U11A两路输入，U11A输出脉冲封锁信号PWM_LOCK ；
U11B的输出端也连接U11C的输入端，U11C的输出端经过电阻R24连接开关三极管N2基极，基极还连接电容C34和电阻R28的并联电路后接地，N2的发射极接地，集电极输出报警输入信号HD_PWM。
三电平PWM整流器中开关管T1、T2、T3、T4的位置表征电路请参照图8，位置表征电路包括串联在Udc正负极之间的开关管T1、T2、T3、T4和对应的体二极管D1、D2、D3、D4，T2、T3两端还与串联的二极管D5、D6并联，母线中点分别连接二极管D5、D6的正极。
上述与非门为施密特与非门，所述非门为施密特非门。
关机工作时，控制器将SPWM_A1_A3置高，SPWM_A2_A4置低，经过PWM死区产生和逻辑调整电路，SPWM_A1_A3置高则N10基极高电平，集电极低电平，U14A输入端低电平，输出端高电平，SPWMA3高电平，U14B输入端高电平，输出端低电平，SPWMA1低电平；SPWM_A2_A4置低，则N11基极低电平，集电极高电平，U14C输入高电平，输出低电平，SPWMA4低电平，U14D输入低电平，输出高电平，SPWMA2高电平；因此最终得到SPWMA1置低，SPWMA2置高，SPWMA3置高，SPWMA4置低。
SPWMA1低电平，U12A输出端高电平，U810A输出端低电平，即SPWMA11置低；PWM_LOCK高电平，SPWMA2高电平，U12B输出低电平，U810B输出高电平， 即SPWMA33置高；U810E输出低电平，U810F输出高电平，PWM_LOCK_T2T4高电平，SPWMA3高电平，U12C输出低电平，U810C输出高电平，即SPWMA22置高；SPWMA4低电平，U12D输出端高电平，U810D输出端低电平，即SPWMA44置低。
START_PWM信号置低，经过封锁信号产生电路，START_PWM低电平则开关三极管Q3不导通，U13B输入端高电平，输出端即U11D输入端存在低电平，因此U11D输出端高电平，U11A输出端即PWM_LOCK置低；经过关管顺序调整电路，滞后2td 时间，PWM_LOCK低电平，SPWMA2低电平，U12B输出高电平，U810B输出低电平， 即SPWMA33置低；U810E输出高电平，U810F输出低电平，PWM_LOCK_T2T4低电平，SPWMA3低电平，U12C输出高电平，U810C输出低电平，即SPWMA22置低。
当产生低电平硬件报警HD_ALARM时，U11C输出高电平，开关二极管N2导通，产生低电平信号HD_PWM进行报警；START_PWM高电平，开关三极管导通，U13B输入低电平，输出高电平，U11B输出低电平，U11D输出高电平，U11A输出信号PWM_LOCK置低，经过关管顺序调整电路，SPWMA11置低，SPWMA44置低，经过2td，SPWMA22置低，SPWMA33置低。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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 (9)
1.一种三电平PWM整流器开机关机控制方法，其特征在于，包括步骤：
S01)构建PWM整流器开机关机控制电路，包括PWM死区产生和逻辑调整电路、关管顺序调整电路、封锁信号产生电路；
开机时，
S11)机器上电，启停信号输出低电平，PWM整流器不启动；
S12)检测母线电压Udc是否大于耐压阈值；
S13)母线电压Udc大于耐压阈值，提示Udc高于开关管耐压禁止启动PWM整流器，等待到母线电压降至低于或等于耐压阈值；
S14)母线电压Udc小于或等于耐压阈值，启停信号START_PWM输出高电平，启动PWM整流器，输出PWM驱动波形；
S15)母线电压给定值从当前母线电压值Udc到目标值Udc_ref线性缓升；
S16)开机结束，正常运行；
关机时，
S21)判定是软件检测到的报警或者人为停止PWM整流器工作，或是硬件电路检测到的异常；
若是软件检测到的报警或者人为停止PWM整流器工作，执行步骤S221-S224：
S221)控制器IO输出信号SPWM_1_3置高，SPWM_2_4置低，经过PWM死区产生和逻辑调整电路和关管顺序调整电路使开关管T1、T4关闭，T2、T3开通；
S222)启停信号START_PWM输出低电平；
S223)经过封锁信号产生电路，脉冲封锁信号PWM_LOCK置低；
S224)经过关管顺序调整电路，2、3两路PWM驱动信号滞后置低，关机结束，维持关机状态；
若是硬件电路检测到异常，执行步骤S231-S233：
S231)产生低电平硬件报警HD_ALARM；
S232)经过封锁信号产生电路，脉冲封锁信号PWM_LOCK置低；
S233)经过关管顺序调整电路，先输出1、4两路低电平PWM驱动信号，2、3两路PWM驱动信号滞后置低，关机结束，维持关机状态。
2.根据权利要求1所述的三电平PWM整流器开机关机控制方法，其特征在于，步骤S221逻辑控制关系为：
信号SPWM_1_3、SPWM_2_4经过PWM死区产生和逻辑调整电路，输出信号SPWM1置低、SPWM2置高、SPWM3置高、SPWM4置低，再经过关管顺序调整电路输出PWM驱动信号SPWM11置低、SPWM22置高、SPWM33置高、SPWM44置低。
3.根据权利要求1所述的三电平PWM整流器开机关机控制方法，其特征在于，所述耐压阈值为0.87倍开关管耐压Vces。
4.根据权利要求2所述的三电平PWM整流器开机关机控制方法，其特征在于，所述2、3两路PWM驱动信号滞后置低的实现方式为：
所述关管顺序调整电路包括与非门U12A、U12B、U12C、U12D，非门U810A、U810B、U810C、U810D、U810E、U810F和电容C1，所述信号SPWM1、SPWM2、SPWM3、SPWM4分别连接U12A、U12B、U12C、U12D输入端，PWM_LOCK作为输入进入U810E、U12D、U12A，U810E输出端连接U810F输入端，U810F输出端串联电容C1接地，U810F输出信号PWM_LOCK_T2T4，信号PWM_LOCK_T2T4输入U12B和U12C，U12A、U12B、U12C、U12D的输出端分别连接U810A、U810B、U810C、U810D的输入端，U810A、U810B、U810C、U810D的输出端分别输出PWM驱动信号SPWM11、SPWM22、SPWM33、SPWM44；
其中，C1的大小为C1＝2*Ii/o*td/(10-VT-)，其中Ii/o为HEF40106和MC14093输入输出电流，td为死区时间，VT-为MC14093向低电平反转的额电压阈值，从而实现SPWM22、SPWM33延时2td后置低。
5.根据权利要求1所述的三电平PWM整流器开机关机控制方法，其特征在于，所述封锁信号产生电路包括与非门U11A、U11B、U11C、U11D、U13B和开关三极管Q3、N2，启停信号START_PWM连接开关三极管Q3的基极，Q3集电极连接U13B两路输入，U13B和U11C的输出端连接U11B的输入端，硬件报警信号HD_ALARM和U11B的输出端连接U11C的输入端，U11C的输出端连接开关三极管N2基极，N2集电极输出报警输入信号HD_PWM，U11B输出端和U13B输出端连接U11D两路输入，U11D输出连接U11A两路输入，U11A输出脉冲封锁信号PWM_LOCK。
6.根据权利要求2所述的三电平PWM整流器开机关机控制方法，其特征在于，所述PWM死区产生和逻辑调整电路包括三极管N10、N11，非门U14A、U14B、U14C、U14D，控制器IO输出信号SPWM_1_3连接三极管N10的基极，N10发射极与基极中间串联电容C70，集电极与U14A输入端连接，U14A输出信号SPWM3，U14A输出作为输入进入U14B，U14B输出信号SPWM1；SPWM_2_4连接三极管N11基极，N11发射机与基极之间串联电容C71，集电极与U14C输入端连接，U14C输出信号SPWM4，U14C输出作为输入进入U14D，U14D输出信号SPWM2。
7.根据权利要求5所述的三电平PWM整流器开机关机控制方法，其特征在于，所述封锁信号产生电路还包括二极管D8，所述二极管D8负极与信号HD_ALARM连接，正极与与非门U11C输入端连接。
8.根据权利要求6所述的三电平PWM整流器开机关机控制方法，其特征在于，所述PWM死区产生和逻辑调整电路还包括二极管D1、D2、D3、D4电阻R10、R11、R12、R13，电容C22、C23、C25、C26，所述二极管D1与电阻R11并联，负极连接U14B输出端，正极连接输出信号SPWMA1，电容C23一端连接D1正极另一端接地；所述二极管D2与电阻R10并联，负极连接U14A输出端，正极连接输出信号SPWMA3，电容C22一端连接D2正极另一端接地；所述二极管D3与电阻R13并联，负极连接U14D输出端，正极连接输出信号SPWMA2，电容C26一端连接D3正极另一端接地；所述二极管D4与电阻R12并联，负极连接U14C输出端，正极连接输出信号SPWMA4，电容C25一端连接D4正极另一端接地。
9.根据权利要求4或5所述的三电平PWM整流器开机关机控制方法，其特征在于，所述与非门为施密特与非门，所述非门为施密特非门。
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2023
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