CN117335645A - 一种延时启动的逆变高压驱动器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种延时启动的逆变高压驱动器，延时启动单元，用于获取控制信号以及检测信号，并将控制信号进行延时处理后输出；获取到检测信号时，对延时启动单元进行复位清零后延时输出控制信号，所述控制信号用于控制逆变高压驱动单元的工作状态；逆变高压驱动单元，用于根据控制信号将输入的24V的直流电升高到320V的直流电，再进行逆变过程将320V的直流电转换为220V/50Hz的交流电并输出；检测电路单元，用于实时检测并判断逆变高压驱动单元升压至24V的延时是否满足预设的延时要求。实现了更小型轻量化的驱动器，同时采用二次变换的方式提高了输出电压以及降低了谐波失真。采用延时启动的控制方法，提高了驱动器在负载条件下的稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及逆变高压驱动技术领域，尤其涉及一种延时启动的逆变高压驱动器及其控制方法。
背景技术
逆变高压驱动器是一种电力转换装置，其功能在于将直流电能转化为交流电能。为了提升逆变器的转换效率，通常在逆变高压驱动器内部设置了一个升压电路。这升压电路的作用是在将直流电信号转变为交流电之前，先将输入的直流电信号进行升压处理。然后，经过逆变电路的操作，升压后的直流电信号被转化成交流电信号。然而，目前大多数现有的逆变高压驱动器直接根据控制信号进行升压操作。这种方式可能导致问题，因为在电路正常运行之前，后续电路未达到准备状态就会触发升压操作。这可能会引发电路损坏的风险，对逆变高压驱动器的效率和功耗等方面产生不利影响。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种延时启动的逆变高压驱动器及其控制方法。
本发明提出的一种延时启动的逆变高压驱动器，包括：
延时启动单元，用于获取控制信号以及检测信号，并将控制信号进行延时处理后输出；获取到检测信号时，对延时启动单元进行复位清零后延时输出控制信号，所述控制信号用于控制逆变高压驱动单元的工作状态；
逆变高压驱动单元，用于根据控制信号将输入的24V的直流电升高到320V的直流电，再进行逆变过程将320V的直流电转换为220V/50Hz的交流电并输出；
检测电路单元，用于实时检测并判断逆变高压驱动单元升压至24V的延时是否满足预设的延时要求。
优选地，逆变高压驱动单元具体包括：
高频升压模块，用于将24V直流电转换为100kHz的高频方波，并经高频变压器TB进行升压，达到320V方波后交流输出；
整流滤波模块，用于对交流输出的320V方波进行高频整流；
SPWM逆变模块，用于将整流后的320V方波转换为220V/50Hz的交流电并输出；
其中，高频升压模块的输出端与整流滤波模块的输入端电性连接，整流滤波模块的输出端与SPWM逆变模块的输入端电性连接。
优选地，在检测电路单元中，预设的延时要求具体为：逆变高压驱动单元升压至24V的延时为140ms；
当逆变高压驱动单元升压至24V的延时不满足140ms时，检测电路单元生成检测信号并反馈至延时启动单元。
优选地，延时启动单元具体包括555定时器U1、电容C1、电容C2、开关S1、电阻R1、二极管D1，电阻R1的一端、电容C2的一端、二极管D1的正极以及555定时器U1的GND端共地；电阻R1的另一端、电容C1的一端、开关S1的一端、555定时器U1的OUT端之间电性连接；电容C1的另一端、555定时器U1的RST端以及开关S1的另一端共电源VCC；电容C2的另一端与555定时器U1的CON端电性连接；二极管D1的负极与555定时器U1的THR端电性连接；二极管D1的负极与555定时器U1的TRI端电性连接。
优选地，检测电路单元的输入端与逆变高压驱动单元电性连接，检测电路单元的输出端与延时启动单元电性连接。
本发明提出的一种延时启动的逆变高压驱动的控制方法，包括：
获取控制信号以及检测信号，并将控制信号进行延时处理后输出；获取到检测信号时，对延时启动单元进行复位清零后延时输出控制信号，所述控制信号用于控制逆变高压驱动单元的工作状态；
根据控制信号将输入的24V的直流电升高到320V的直流电，再进行逆变过程将320V的直流电转换为220V/50Hz的交流电并输出；
实时检测并判断逆变高压驱动单元升压至24V的延时是否满足预设的延时要求。
优选地，预设的延时要求具体为：逆变高压驱动单元升压至24V的延时为140ms；
当逆变高压驱动单元升压至24V的延时不满足140ms时，检测电路单元生成检测信号并反馈至延时启动单元。
本发明中，所提出的延时启动的逆变高压驱动器及其控制方法，延时启动单元将输入的控制信号延时处理后输出，确保了在电路正常运行之前不会触发可能损坏电路的操作，同时确保了其他必要的条件或信号已准备就绪。逆变高压驱动单元接收到控制信号后可以为系统提供一个将24V直流电转化为220V/50Hz稳定的交流电输出。检测电路单元为电压采样检测电路，主要是判断待逆变升压的直流电信号是否满足延时要求，确保了在非稳定状态下可以给逆变高压驱动单元一种校正系统时间偏差的方法，以确保对于系统的准确控制。从而提高了耗功率密度，采用高效的电路拓扑结构，实现了更小型轻量化的驱动器，同时采用二次变换的方式提高了输出电压以及降低了谐波失真。采用延时启动的控制方法，可以在短时间内达到最大的工作效率，提高了驱动器在负载条件下的稳定运行。
附图说明
图1为本发明提出的一种延时启动的逆变高压驱动器的系统原理示意图；
图2为本发明提出的一种延时启动的逆变高压驱动器的延时启动单元的机构示意图；
图3为本发明提出的一种延时启动的逆变高压驱动器的逆变高压驱动单元的结构示意图；
图4为本发明提出的一种延时启动的逆变高压驱动器的T1、T2轮流导通的波形示意图；
图5为本发明提出的一种延时启动的逆变高压驱动器的磁感的利用示意图；
图6为本发明提出的一种延时启动的逆变高压驱动器的SPWM逆变模块的结构示意图；
图7为本发明提出的一种延时启动的逆变高压驱动器的检测电路单元结构示意图；
图8为本发明提出的一种延时启动的逆变高压驱动的控制方法的工作流程结构示意图。
具体实施方式
参照图1-7，本发明提出的一种延时启动的逆变高压驱动器，包括：
延时启动单元，用于获取控制信号以及检测信号，并将控制信号进行延时处理后输出；获取到检测信号时，对延时启动单元进行复位清零后延时输出控制信号，控制信号用于控制逆变高压驱动单元的工作状态。
具体的，如图2所示，延时启动单元具体包括555定时器U1、电容C1、电容C2、开关S1、电阻R1、二极管D1，电阻R1的一端、电容C2的一端、二极管D1的正极以及555定时器U1的GND端共地；电阻R1的另一端、电容C1的一端、开关S1的一端、555定时器U1的OUT端之间电性连接；电容C1的另一端、555定时器U1的RST端以及开关S1的另一端共电源VCC；电容C2的另一端与555定时器U1的CON端电性连接；二极管D1的负极与555定时器U1的THR端电性连接；二极管D1的负极与555定时器U1的TRI端电性连接。
在本实施例中，延时启动单元是系统开机时产生一个输出低电平的定时电路，经时间140ms延迟后，555定时器的3脚保持输出高电平不变。这是因为开机时，由于电容C1两端电压不能突变，所以555定时器的6脚为高电平，555定时器复位，3脚输出低电平。然后电源经电阻R1向电容C1充电，使C1两端电压不断升高，这就使555定时器的2脚电平不断下降，经延迟时间140ms后，2脚电平降至时基电路置位，3脚就保持输出高电平不变。若要电路再次输出一个延迟时间为140ms的低电平，只需按下开关S1即可。控制信号为整个系统提供一个延时控制的激励。
其中，这个电路的定时时间t(实质上为变形单稳态电路的暂态时间)可由公式t＝1.1RtCt求得。
二极管D1为电容C1在电路关机后提供一个放电通路。在电路处于定时结束稳定态时，电容C1均充满了电荷，当电路关机后，C1储存的电荷可通过二极管D1经555定时器内部的3只全等分压电阻泄放，这就确保在开机时电路只有一个定时输出。
逆变高压驱动单元，用于根据控制信号将输入的24V的直流电升高到320V的直流电，再进行逆变过程将320V的直流电转换为220V/50Hz的交流电并输出。
具体的，如图3所示，逆变高压驱动单元具体包括：
高频升压模块1，用于将24V直流电转换为100kHz的高频方波，并经高频变压器TB进行升压，达到320V方波后交流输出。
具体地，高频升压模块1包括三极管T1、三极管T2、二极管D6、二极管D5、24V直流电源；三极管T1的发射极、三极管T2的发射极、24V电源的负极共地，三极管T2的发射极与集电极之间并上一个二极管，三极管T2的发射极与集电极之间并上一个二极管，24V电源的正极与二极管D6的正极电性连接，高频升压模块与变压器TB电性连接，二极管D5的正极与三极管T1的集电极电性连接，二极管D6的负极与三极管T2的发射极电性连接。
具体地，结点5与6为检测电路单元的输入端，结点7与8为SPWM逆变电路输入端。
在本实施例中，高频升压模块1通过交替导通的方式，将24V直流电转换为100kHz的高频方波，并经高频变压器TB进行升压，达到320V方波后交流输出。
高频变压器TB采用铁氧体磁芯，最高可支持工作频率达到200kHz。
如图4所示，导通的交替由低压降的三极管(T1、T2)控制，三极管(T1、T2)的占空比为0.4。在三极管(T1、T2)关闭期间，由二极管D2和D3提供续流，确保电流的连续性。
高频变压器的铁芯参数计算可以通过公式计算来求得，公式如下：
AP为变压器面积的乘积数；P0为输出功率，指的是变压器能够提供的功率量；KW为绕线窗口填充系数，用于衡量绕线在窗口内的填充程度，通常取值范围为0.35至0.5，而此处我们选择了0.4作为示例值；KP为绕线系数，绕线的特定性质，取值为0.43；BW为工作磁感应强度，是根据所采用的电路而确定的数值，以表示磁芯所经受的磁场强度。
如图5所示，单端正激和反激两种高频电路只能利用磁芯动态范围的一半，而推挽式电路可以利用磁芯的两个象限，因此推挽式方式的磁芯利用率较高，在此示例中取值为0.2T。综合指数的简化表达方式为1.136。
将参数代入之后可计算得到：AP＝5.33cm4，AP值大也就是磁芯的横截面积Ae和绕线的窗口面积AW的乘积大，意味着磁芯的体积大，而励磁电感正比于Ae，Ae越大获得相同的感值需要的匝数越少，AW越大意味着可以绕更多匝获得更大的电感值，或者可以增加导线截面积使得铜损在允许范围内，在此电路中选择EI50磁芯，AP＝5.52cm4。
绕组匝数的数量根据变压器导磁面积等参数计算，公式为：
考虑到三极管T1与T2的压降损耗，U1按照12V计算，便可以计算得到变压器的初级绕组数，其中变压器的原边匝数为N1。初级电压U1采用了12V的蓄电池电压。波形系数Kf用于描述波形特征，在本发明中使用的方波波形，Kf取值为4.0。输出频率(工作频率)用f0在本发明中为100kHz。通过代入上述公式和已知参数，计算出变压器的原边匝数为1.36匝。为了降低变压器的空载激磁电流和功耗，可以适当增加原边匝数。高频变压器具有匝数较少、磁芯较小和价格较低等显著优势。在本例中，变压器的初级绕组采用带有中心抽头的绕组，即3+3匝的设计。计算次级匝数要考虑变压器传输效率η按下式计算：取值为110匝。
高频变压器的绕组主要承载高频电流，而在这种情况下会出现集肤效应。实际上，由于高频变压器的匝数非常少，绕组中的铜损耗非常微小，从而变压器的温升不会显著增加。因此，高频变压器的绕组可以承载更大的电流负载。在选择绕线径的过程中，本发明采取J＝8A/mm2作为载流量的取值。根据公式可以求得初级绕组导线截面积，同理可以求得次级绕组导线，同时为了便于绕制，次级绕组采用了较多的匝数并采用了单股绕制。而通过初级的多股绕制方法，导线表面积得到了增加(周长比为3.98倍)，这有利于高频电流的流通。此外，手工绕制过程也更加方便。
整流滤波模块2，用于对交流输出的320V方波进行高频整流。
具体地，整流滤波模块2包括二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5，二极管D5的正极与二极管D4的正极电性连接，二极管D5的负极与二极管D2的正极电性连接，二极管D2的负极与二极管D3的负极电性连接，二极管D3的正极与二极管D4的负极电性连接。
在本实施例中，通过快速二极管来构成整流桥，为了满足高频整流的目的，采用快速二极管参数满足关断最大时间150ns要求，由于本逆变高压驱动器频率较高，滤波电容器电流规格越小，滤波效果越好。在电压正半周时，TB次级上端为正，下端为负，整流二极管D2和D4导通，电流由变压器TB次级上端经过D2、右侧的SPWM逆变网络通过戴维南等效方法，整体的作用就等效为一个大电阻R1、D4回到变压器TB次级下端；在电源负半周时，TB次级下端为正，上端为负，整流二极管D3和D5导通，电流由变压器TB次级下端经过D3、R1、D5回到变压器TB次级上端。R1两端的电压始终是上正下负，其波形与全波整流时一致。设TB次级电压为E，理想状态下负载R1两端的电压可用下面的公式求出：
SPWM逆变模块3，用于将整流后的320V方波转换为220V/50Hz的交流电并输出。
如图6所示，在本实施例中，由SM2001芯片生成SPWM调频脉冲信号，T3/T6、T4/T5按照SPWM方式交替导通逆变产生50Hz交流电。三极管T3到T6组成了一个H型逆变桥。IC3和IC4是MOSFET管驱动芯片IR2107。采用低电平逻辑输入，符合SM2001的逻辑电平要求。二极管D8和电容C7用于T4的自举电路，而D2和C8用于T3的自举电路。使得T3或T4获得超过VB(320V)的驱动电压。图中左侧标注的U1和U2表示SPWM脉冲信号。这些信号经过IR2306放大和自举后，用于驱动H型逆变桥中的四个MOSFET功率管，以实现正弦调制逆变。在选择功率管时，T3到T6选择5A/400V以上的功率管。
本发明中选用的MOSFET管是IRFP460，其额定电压为500V，最大电流为20A，开通时间为18ns，关断时间为110ns。
其中，高频升压模块1的输出端与整流滤波模块2的输入端电性连接，整流滤波模块2的输出端与SPWM逆变模块3的输入端电性连接。
检测电路单元，用于实时检测并判断逆变高压驱动单元升压至24V的延时是否满足预设的延时要求。
具体的，如图3和图7所示，检测电路单元为电压采样检测电路，主要是判断逆变高压驱动单元升压至24V的延时是否满足延时要求，目的是确保在非稳定状态下可以给逆变高压驱动单元一种校正系统时间偏差的方法，以确保对于系统的准确控制。
在本实施例中，将采集到的24V电压信号进行分压，再进行差分放大并采用电压跟随即可以得到3.3V电压并进行检测。电容C6、C7作用是滤波，二极管D10作用是稳压。
具体的，如图7所示，在检测电路单元中，预设的延时要求具体为：逆变高压驱动单元升压至24V的延时为140ms；
当逆变高压驱动单元升压至24V的延时不满足140ms时，检测电路单元生成检测信号并反馈至延时启动单元。
具体的，如图7所示，检测电路单元的输入端与逆变高压驱动单元电性连接，检测电路单元的输出端与延时启动单元电性连接。
参照图1-8，本发明提出的一种延时启动的逆变高压驱动的控制方法，包括：
获取控制信号以及检测信号，并将控制信号进行延时处理后输出；获取到检测信号时，对延时启动单元进行复位清零后延时输出控制信号，控制信号用于控制逆变高压驱动单元的工作状态；
根据控制信号将输入的24V的直流电升高到320V的直流电，再进行逆变过程将320V的直流电转换为220V/50Hz的交流电并输出；
实时检测并判断逆变高压驱动单元升压至24V的延时是否满足预设的延时要求。
具体的，如图8所示，预设的延时要求具体为：逆变高压驱动单元升压至24V的延时为140ms；
当逆变高压驱动单元升压至24V的延时不满足140ms时，检测电路单元生成检测信号并反馈至延时启动单元。
本实施例的延时启动的逆变高压驱动器及其控制方法的具体工作过程中，延时启动单元将输入的控制信号延时处理后输出，确保在电路正常运行之前不会触发可能损坏电路的操作，同时确保其他必要的条件或信号已准备就绪。逆变高压驱动单元接收到控制信号后可以为系统提供一个将24V直流电转化为220V/50Hz稳定的交流电输出。检测电路单元为电压采样检测电路，主要是判断待逆变升压的直流电信号是否满足延时要求，目的是确保在非稳定状态下可以给逆变高压驱动单元一种校正系统时间偏差的方法，以确保对于系统的准确控制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种延时启动的逆变高压驱动器，其特征在于，包括：
延时启动单元，用于获取控制信号以及检测信号，并将控制信号进行延时处理后输出；获取到检测信号时，对延时启动单元进行复位清零后延时输出控制信号，所述控制信号用于控制逆变高压驱动单元的工作状态；
逆变高压驱动单元，用于根据控制信号将输入的24V的直流电升高到320V的直流电，再进行逆变过程将320V的直流电转换为220V/50Hz的交流电并输出；
检测电路单元，用于实时检测并判断逆变高压驱动单元升压至24V的延时是否满足预设的延时要求。
2.根据权利要求1所述的延时启动的逆变高压驱动器，其特征在于，逆变高压驱动单元具体包括：
高频升压模块，用于将24V直流电转换为100kHz的高频方波，并经高频变压器TB进行升压，达到320V方波后交流输出；
整流滤波模块，用于对交流输出的320V方波进行高频整流；
SPWM逆变模块，用于将整流后的320V方波转换为220V/50Hz的交流电并输出；
其中，高频升压模块的输出端与整流滤波模块的输入端电性连接，整流滤波模块的输出端与SPWM逆变模块的输入端电性连接。
3.根据权利要求1所述的延时启动的逆变高压驱动器，其特征在于，在检测电路单元中，预设的延时要求具体为：逆变高压驱动单元升压至24V的延时为140ms；
当逆变高压驱动单元升压至24V的延时不满足140ms时，检测电路单元生成检测信号并反馈至延时启动单元。
4.根据权利要求1所述的延时启动的逆变高压驱动器，其特征在于，延时启动单元具体包括555定时器U1、电容C1、电容C2、开关S1、电阻R1、二极管D1，电阻R1的一端、电容C2的一端、二极管D1的正极以及555定时器U1的GND端共地；电阻R1的另一端、电容C1的一端、开关S1的一端、555定时器U1的OUT端之间电性连接；电容C1的另一端、555定时器U1的RST端以及开关S1的另一端共电源VCC；电容C2的另一端与555定时器U1的CON端电性连接；二极管D1的负极与555定时器U1的THR端电性连接；二极管D1的负极与555定时器U1的TRI端电性连接。
5.根据权利要求1所述的延时启动的逆变高压驱动器，其特征在于，检测电路单元的输入端与逆变高压驱动单元电性连接，检测电路单元的输出端与延时启动单元电性连接。
6.一种延时启动的逆变高压驱动的控制方法，其特征在于，包括：
获取控制信号以及检测信号，并将控制信号进行延时处理后输出；获取到检测信号时，对延时启动单元进行复位清零后延时输出控制信号，所述控制信号用于控制逆变高压驱动单元的工作状态；
根据控制信号将输入的24V的直流电升高到320V的直流电，再进行逆变过程将320V的直流电转换为220V/50Hz的交流电并输出；
实时检测并判断逆变高压驱动单元升压至24V的延时是否满足预设的延时要求。
7.根据权利要求6所述的延时启动的逆变高压驱动的控制方法，其特征在于，预设的延时要求具体为：逆变高压驱动单元升压至24V的延时为140ms；
当逆变高压驱动单元升压至24V的延时不满足140ms时，检测电路单元生成检测信号并反馈至延时启动单元。
Priority Applications (1)
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| CN202311260880.1A CN117335645A (zh) | 2023-09-27 | 2023-09-27 | 一种延时启动的逆变高压驱动器及其控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202311260880.1A CN117335645A (zh) | 2023-09-27 | 2023-09-27 | 一种延时启动的逆变高压驱动器及其控制方法 |
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2023
- 2023-09-27 CN CN202311260880.1A patent/CN117335645A/zh active Pending
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