CN117578902A - 一种实现自适应死区时间优化的逆变电路控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种实现自适应死区时间优化的逆变电路控制方法，涉及逆变电路领域，该方法考虑功率管的开关速度受负载大小的影响，根据负载电流的方向确定桥臂中的一个功率管的调制波为基准波形、另一个功率管的调制波是对基准波形调整偏移电压后的波形，偏移电压与负载电流的大小相关；从而即可生成与负载电流匹配的上管和下管的调制波继而驱动信号，从而可以根据负载电流准确调整死区时间，能够有效减小二极管续流损耗和输出电容损耗，并提高逆变器输出电流的波形质量，且无需增加额外的硬件结构，易于实现，在高开关频率、大功率应用下的表现尤为突出。
Description
技术领域
本申请涉及逆变器领域，尤其是一种实现自适应死区时间优化的逆变电路控制方法。
背景技术
逆变电路在电机控制领域被广泛使用，典型的三相桥逆变器驱动三相负载ABC的电路结构如图1所示，逆变电路中有多个并联的桥臂，每个桥臂都有两个功率管分别称为上管和下管，逆变电路在工作过程中需要控制切换各个功率管的通断。为了防止同一个桥臂的上管和下管同时导通(称为桥臂直通)，在控制各个功率管切换通断状态时，会存在一段同一个桥臂的上管和下管均关断的时间，称为死区时间。在死区时间内，同一个桥臂的上管和下管都关断，但阻感性的负载导致电流并不会立即截断，而是通过功率管两端反接的续流二极管进行续流，这会造成输出电压损失，被称为死区效应，影响逆变电路的性能。
目前的死区时间大多是凭借经验设定的一个固定时长，死区时间设定的是否合理严重影响逆变电路的性能。而且随着功率半导体技术的进步，高开关频率、高功率等级的SiC MOSFET得到愈发广泛的应用，更高的开关频率能够提高逆变器功率密度、减小输出电流畸变。但由于SiC MOSFET开关速度随着负载大小而变化，应用于逆变器时，在一个基波周期内，SiC MOSFET的实际开关速度是变化的，尤其是关断速度是变化的，这会加剧死区效应，影响逆变电路的性能：当死区时间设置的较长时，当SiC MOSFET的关断时间随着负载而变短时，就会多余一段额外的死区时间，增加二极管续流损耗；当死区时间设置的较短时，当SiC MOSFET的关断时间随着负载而变长时，将会因为死区时间过短而导致输出电容损耗增加，甚至可能导致桥臂直通而损坏功率管。
发明内容
本申请针对上述问题及技术需求，提出了一种实现自适应死区时间优化的逆变电路控制方法，本申请的技术方案如下：
一种实现自适应死区时间优化的逆变电路控制方法，该逆变电路控制方法包括对于逆变电路中的任意一个桥臂：
采集桥臂连接的负载上流过的负载电流的大小和方向，以负载电流从桥臂中点流向负载的方向为正方向；
根据负载电流的方向确定桥臂中的一个功率管的调制波为基准波形、另一个功率管的调制波是对基准波形调整偏移电压后的波形，偏移电压与负载电流的大小相关；
基于载波以及上管的调制波生成上管驱动信号，基于载波以及下管的调制波生成下管驱动信号，按照上管驱动信号控制桥臂的上管、按照下管驱动信号控制桥臂的下管。
其进一步的技术方案为，根据负载电流的方向确定桥臂中的一个功率管的调制波为基准波形、另一个功率管的调制波是对基准波形调整偏移电压后的波形包括：
当负载电流为正方向时，确定桥臂中的上管的调制波为基准波形、下管的调制波是对基准波形增加偏移电压后的波形；
当负载电流为负方向时，确定桥臂中的下管的调制波为基准波形、上管的调制波是对基准波形减小偏移电压后的波形。
其进一步的技术方案为，确定偏移电压的方法包括：
基于负载电流的大小确定死区时间瞬时值Td；
确定偏移电压△u＝Td*k，k是载波的斜率。
其进一步的技术方案为，基于负载电流的大小确定死区时间瞬时值Td包括：
根据逆变电路中使用的功率管的开通时间曲线确定与负载电流的大小对应的开通时间Ton，开通时间曲线是预先拟合的曲线且反映功率管的开通时间随着负载电流的大小的变化曲线；
根据逆变电路中使用的功率管的关断时间曲线确定与负载电流的大小对应的关断时间Toff，关断时间曲线是预先拟合的曲线且反映功率管的关断时间随着负载电流的大小的变化曲线；
根据开通时间Ton和关断时间Toff确定死区时间瞬时值Td。
其进一步的技术方案为，根据开通时间Ton和关断时间Toff确定死区时间瞬时值Td包括确定Td＝n*(Toff-Ton)，n是裕量参数。
其进一步的技术方案为，预先拟合开通时间曲线和关断时间曲线的方法包括：
对逆变电路中使用的功率管进行双脉冲测试得到测试数据，测试数据包括功率管在不同大小的负载电流下的开通时间和关断时间；
基于测试数据对功率管的开通时间与负载电流的大小之间的关系进行二次函数拟合得到开通时间曲线，基于测试数据对功率管的关断时间与负载电流的大小之间的关系进行指数函数拟合得到关断时间曲线。
其进一步的技术方案为，生成上管驱动信号和下管驱动信号包括：
当载波小于上管的调制波时，上管驱动信号为高电平；当载波大于上管的调制波时，上管驱动信号为低电平，从而生成上管驱动信号；
当载波小于下管的调制波时，下管驱动信号为低电平；当载波大于上管的调制波时，下管驱动信号为高电平，从而生成下管驱动信号。
其进一步的技术方案为，逆变电路中使用的功率管为SiC MOSFET。
本申请的有益技术效果是：
本申请公开了一种实现自适应死区时间优化的逆变电路控制方法，该方法考虑功率管的开关速度受负载大小的影响，基于负载电流的大小和方向来分别确定桥臂的上管和下管的调制波，继而生成功率管的驱动信号，从而可以根据负载电流准确调整死区时间，能够有效减小二极管续流损耗和输出电容损耗，并提高逆变器输出电流的波形质量，在高开关频率、大功率应用下的改善效果尤为突出，尤其适用于SiC MOSFET。
该方法直接利用逆变电路自带的电流传感器即可采集负载电流，无需新增额外的硬件，而且该方法并没有封锁被动管的脉冲，仅使被动管的上升沿前移，下降沿后移，因此能够从源头消除死区效应，且不会增加导致续流二极管损耗，能够在不增加续流损耗的基础上有效抑制死区效应。
附图说明
图1是常规的逆变电路的电路结构图。
图2是对图1中的A相桥臂未考虑死区时间、考虑死区时间以及考虑功率管的开关延时情况下的驱动波形、栅源电压以及桥臂中点电压的波形对比图。
图3是本申请一个实施例的逆变电路控制方法的方法流程图。
图4是本申请的逆变电路控制方法确定的调制波以及驱动信号的波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种实现自适应死区时间优化的逆变电路控制方法，该逆变电路控制方法用于对逆变电路中的功率管进行控制以进行自适应死区时间优化从而提高逆变电路的电路性能。尤其适用于逆变电路中使用的功率管为SiC MOSFET的情况。逆变电路的结构可以参考图1所示的常规电路结构。
本申请控制方法的设计思路如下：
请参考图2，以图1中的A相桥臂为例。未考虑死区时间时对逆变电路中同一个桥臂的上管和下管的驱动信号的波形图如图2中的(a)所示，VPWMH表示上管驱动信号，VPWML表示下管驱动信号，Van表示A相桥臂的桥臂中点电压的理想波形。驱动信号为高电平时对应的功率管导通，驱动信号为低电平时对应的功率管关断。按照现有方法设置固定的死区时间△t1＝t2-t0＝t6-t4时上管和下管的驱动信号的波形图如图2中的(b)所示。如图(b)所示，在t0～t2以及t4～t6时段内上管和下管均关断。而在考虑功率管的开关延时，比如典型的为SiCMOSFET的开关延时的情况下，上管的栅源电压VgsH和下管的栅源电压VgsL的波形图如图2中的(c)所示，其中功率管开通的延时为t3-t2，功率管关断的延时为t1-t0。
以负载电流从桥臂中点流向负载的方向为正方向。对比图2可以看出，当桥臂连接的负载上流过的负载电流为正方向时，如图2中的(c)示出的IA＞0时的Van波形，该桥臂中的上管关断时的实际桥臂中点电压波形Van与(a)中的理想波形一致，无死区效应；而下管关断时，由于是下管两端反接的续流二极管导通续流，因此实际桥臂中点电压波形与理想波形相差了t3-t1的宽度，造成相电压丢失。当桥臂连接的负载上流过的负载电流为负方向时，如图2中的(c)示出的IA＜0时的Van波形，桥臂中的下管关断时的实际桥臂中点电压波形Van与(a)中的理想波形一致，无死区效应；而上管关断时，由于是上管两端反接的续流二极管导通续流，因此实际桥臂中点电压波形与理想波形相差了t7–t5的宽度，造成相电压冗余。
基于上述分析，该逆变电路控制方法包括对于逆变电路中的任意一个桥臂，请结合图3所示的控制方法流程图：
首先采集桥臂连接的负载上流过的负载电流的大小和方向，采集到的负载电流的大小为电流瞬时值，采集到的负载电流的方向为正方向或负方向。负载电流的采集利用逆变电路自带的电流传感器即可采集，因此该方法无需增加额外的硬件结构。
然后根据负载电流的方向确定桥臂中的一个功率管的调制波为基准波形、另一个功率管的调制波是对基准波形调整偏移电压后的波形。包括两种情况：
(1)当负载电流为正方向时，确定桥臂中的上管的调制波为基准波形、下管的调制波是对基准波形增加偏移电压△u后的波形。
(2)当负载电流为负方向时，确定桥臂中的下管的调制波为基准波形、上管的调制波是对基准波形减小偏移电压△u后的波形。
请参考图4所示的示意图，以负载电流IL大于0时为正方向、负载电流IL小于0时为负方向，则图4中实线形式的矩形调制波为上管的调制波、虚线形式的矩形调制波为下管的调制波，实线形式的三角波为使用的载波。
而SiC MOSFET的开关速度还与负载电流的大小相关，当负载电流较大时，SiCMOSFET的关断时间会变短，而负载电流较小时，SiC MOSFET的关断时间会变长。所以这里调整的偏移电压△u也不是一个固定值，而是与负载电流的大小相关。
在一个实施例中，根据负载电流的大小确定偏移电压△u包括：
首先基于负载电流的大小确定死区时间瞬时值Td，包括：根据逆变电路中使用的功率管的开通时间曲线确定与负载电流的大小对应的开通时间Ton，开通时间曲线是预先拟合的曲线且反映功率管的开通时间随着负载电流的大小的变化曲线。以及根据逆变电路中使用的功率管的关断时间曲线确定与负载电流的大小对应的关断时间Toff，关断时间曲线是预先拟合的曲线且反映功率管的关断时间随着负载电流的大小的变化曲线。然后根据开通时间Ton和关断时间Toff确定死区时间瞬时值Td。一般设置死区时间瞬时值Td＝n*(Toff-Ton)，n是裕量参数，以防止出现桥臂直通的情况，比如可以取n＝2。
上述使用到的开通时间曲线和关断时间曲线都是预先拟合确定的，则该方法在应用之前还包括拟合这两条曲线的步骤，包括对逆变电路中使用的功率管进行双脉冲测试得到测试数据，测试数据包括功率管在不同大小的负载电流下的开通时间和关断时间。然后基于测试数据对功率管的开通时间与负载电流的大小之间的关系进行二次函数拟合得到开通时间曲线，基于测试数据对功率管的关断时间与负载电流的大小之间的关系进行指数函数拟合得到关断时间曲线。开通时间曲线可以表示为Ton＝ai2+bi+c，关断时间曲线可以表示为Toff＝AiB，a、b、c、A、B均为参数且B为负数，i是负载电流的大小，具体参数的取值根据实际拟合情况确定。
基于负载电流的大小确定死区时间瞬时值Td后，即可确定偏移电压△u＝Td*k，k是使用的载波的斜率。
然后即可基于载波以及上管的调制波生成上管驱动信号VPWMH，基于载波以及下管的调制波生成下管驱动信号VPWML。包括：当载波小于上管的调制波时，上管驱动信号为高电平；当载波大于上管的调制波时，上管驱动信号为低电平，从而生成上管驱动信号。当载波小于下管的调制波时，下管驱动信号为低电平；当载波大于上管的调制波时，下管驱动信号为高电平，从而生成下管驱动信号。请参考图4所示的示意图，死区时间以阴影填充表示。
然后按照上管驱动信号控制桥臂的上管、按照下管驱动信号控制桥臂的下管，即可实现对死区时间的自适应优化。而且现有一些做法会以桥臂的上管为主动管、下管为被动管，通过封锁被动管的驱动信号，在不改变逆变器拓扑的情况下使其天然无死区，从源头上避免了死区效应，提高逆变器输出电流质量，但是其带来的二极管续流损耗也会降低逆变器效率。而本申请与现有的这种死区消除方法不同，本申请并没有封锁被动管的脉冲信号，仅使被动管的上升沿前移，下降沿后移，不会增加导致续流二极管损耗。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种实现自适应死区时间优化的逆变电路控制方法，其特征在于，所述逆变电路控制方法包括对于逆变电路中的任意一个桥臂：
采集所述桥臂连接的负载上流过的负载电流的大小和方向，以负载电流从桥臂中点流向负载的方向为正方向；
根据负载电流的方向确定所述桥臂中的一个功率管的调制波为基准波形、另一个功率管的调制波是对所述基准波形调整偏移电压后的波形，所述偏移电压与所述负载电流的大小相关；
基于载波以及上管的调制波生成上管驱动信号，基于载波以及下管的调制波生成下管驱动信号，按照所述上管驱动信号控制所述桥臂的上管、按照所述下管驱动信号控制所述桥臂的下管。
2.根据权利要求1所述的逆变电路控制方法，其特征在于，所述根据负载电流的方向确定所述桥臂中的一个功率管的调制波为基准波形、另一个功率管的调制波是对所述基准波形调整偏移电压后的波形包括：
当所述负载电流为正方向时，确定所述桥臂中的上管的调制波为基准波形、下管的调制波是对所述基准波形增加所述偏移电压后的波形；
当所述负载电流为负方向时，确定所述桥臂中的下管的调制波为基准波形、上管的调制波是对所述基准波形减小所述偏移电压后的波形。
3.根据权利要求1所述的逆变电路控制方法，其特征在于，确定所述偏移电压的方法包括：
基于所述负载电流的大小确定死区时间瞬时值Td；
确定所述偏移电压△u＝Td*k，k是所述载波的斜率。
4.根据权利要求3所述的逆变电路控制方法，其特征在于，所述基于所述负载电流的大小确定死区时间瞬时值Td包括：
根据所述逆变电路中使用的功率管的开通时间曲线确定与所述负载电流的大小对应的开通时间Ton，开通时间曲线是预先拟合的曲线且反映功率管的开通时间随着负载电流的大小的变化曲线；
根据所述逆变电路中使用的功率管的关断时间曲线确定与所述负载电流的大小对应的关断时间Toff，关断时间曲线是预先拟合的曲线且反映功率管的关断时间随着负载电流的大小的变化曲线；
根据开通时间Ton和关断时间Toff确定死区时间瞬时值Td。
5.根据权利要求4所述的逆变电路控制方法，其特征在于，所述根据开通时间Ton和关断时间Toff确定死区时间瞬时值Td包括确定Td＝n*(Toff-Ton)，n是裕量参数。
6.根据权利要求4所述的逆变电路控制方法，其特征在于，预先拟合开通时间曲线和关断时间曲线的方法包括：
对所述逆变电路中使用的功率管进行双脉冲测试得到测试数据，测试数据包括功率管在不同大小的负载电流下的开通时间和关断时间；
基于所述测试数据对功率管的开通时间与负载电流的大小之间的关系进行二次函数拟合得到开通时间曲线，基于所述测试数据对功率管的关断时间与负载电流的大小之间的关系进行指数函数拟合得到关断时间曲线。
7.根据权利要求1所述的逆变电路控制方法，其特征在于，生成上管驱动信号和下管驱动信号包括：
当载波小于上管的调制波时，上管驱动信号为高电平；当载波大于上管的调制波时，上管驱动信号为低电平，从而生成上管驱动信号；
当载波小于下管的调制波时，下管驱动信号为低电平；当载波大于上管的调制波时，下管驱动信号为高电平，从而生成下管驱动信号。
8.根据权利要求1所述的逆变电路控制方法，其特征在于，所述逆变电路中使用的功率管为SiC MOSFET。
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