CN101207326A - 具有pwm信号用的延迟电路的逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种具有在延迟电路(D)的输入端(e)处所施加的PWM信号(A，nA)用的延迟电路的逆变器，通过所述延迟电路，将PWM信号(A，nA)的上升沿延迟接通延迟(Ton)，和将PWM信号(A，nA)的下降沿延迟关断延迟(Toff)，用于为半导体开关元件(TH，TL)形成施加在延迟电路(D)的输出端(a)上的控制信号(A’，nA’)。延迟电路(D)含有两个电阻(R1，R2)、两个电容器(C1，C2)、二极管(D1)和比较器(K)，并且因此可以特别简单地予以实现。

Description

具有PWM信号用的延迟电路的逆变器
技术领域
本发明涉及一种具有PWM信号用的延迟电路的逆变器。这种逆变器例如在驱动技术领域中得到广泛应用，以便给电动机供应电流。
背景技术
为了给电动机供应电流，公知的是，借助半桥电路将在中间回路中可供使用的直流电压转换成各个电动机相用的交变电流。每一电动机相为此需要半桥电路，利用所述半桥电路的两个半导体开关元件将电动机相交替地切换到中间回路的正或负的汇流排上。脉宽调制法(PWM法)通常在此得到采用，其中如此处理PWM信号，使得因此可以控制两个半导体开关元件。
DE 102005020805 A1描述了这种按照PWM法运行的半桥电路，并且说明，当在两个半导体开关元件之间转接时，对锁定时间或闭锁时间(Blockzeit)的遵守是重要的，在该锁定时间或闭锁时间期间，两个半导体开关元件是关断的和因此是不导通的，因为否则在正的和负的汇流排之间即将发生短路。DE 102005020805 A1也阐述了可以如何生成这种闭锁时间：通过使PWM信号的上升沿延迟来确保遵守闭锁时间。根据所述文献中的至少一个实施例，也使PWM信号的下降沿延迟，而且延迟关断延迟(td1)，所述关断延迟小于上升沿的接通延迟(te1+td1)。于是闭锁时间是两个延迟时间的差。
发明内容
本发明的任务是说明一种具有尽可能简单的延迟电路的逆变器(Umrichter)，利用所述延迟电路可以实现PWM信号的上升沿的接通延迟和下降沿的关断延迟。
通过根据权利要求1的逆变器来解决该任务。
延迟电路含有第一电容器，该电容器的充电状态确定比较器的输入端处的电压电平。如果延迟电路的输入端处的PWM信号从低电平切换到高电平，则通过由第一和第二电阻组成的串联电路使第一电容器充电。如果在PWM信号从高电平切换到低电平之后使第一电容器放电，则通过与第二电阻并联的二极管来跨接该第二电阻。因此电容器的放电快于充电。
由于电容器的充电状态确定比较器的输入端处的电压电平，并且在超过接通电平时，该比较器将其输出端从低电平切换到高电平，并且在未超出关断电平时，将其输出端从高电平接通到低电平，因此可以不同地延迟PWM信号的上升的和下降的切换沿。利用大于关断延迟的接通延迟来延迟上升沿，利用所述关断延迟来延迟PWM信号的下降沿。
同时关断半桥的两个半导体开关元件的闭锁时间对应于接通延迟和关断延迟的差。
此外，所述的延迟电路负责：用于切换半导体开关所使用的信号超过对应于关断延迟的最小脉冲持续时间。因此可以避免半导体开关元件的太短接通持续时间的负效应。因为这种太短的接通持续时间可能导致，在与半导体开关元件并联的空转二极管(Freilaufdiode)中出现电流截断特性，由此电流很快变化，并且通过存在的漏电感感应出高电压，所述高电压可能破坏参与的功率半导体。
附图说明
借助附图从优选实施形式的以下说明中得出本发明的其它优点以及细节。在此：
图1展示了逆变器中的半桥，
图2展示了用于控制半桥的PWM信号，
图3展示了用于PWM信号的延迟电路，
图4展示了信号和电位图。
具体实施方式
图1展示了逆变器的片段。中间回路提供直流电压Uzk。借助半桥电路，将电动机M(或一般地：负载)的相交替地切换到中间回路的正的和负的电位。在此，半桥电路由两个半导体开关元件TH、TL组成，所述半导体开关元件TH、TL交替地导通或截止，并且在任何时候都不允许两者导通。这些半导体开关元件TH、TL例如是IGBT或功率MOSFET。空转二极管DH、DL与半导体开关元件TH、TL并联。通过切断负载电流，由于负载的电感而感应出电压，所述电压抵制(entgegenwirken)切断。通过空转二极管DH、DL经由中间回路继续引导从中产生的电流。
为了控制通常的三相电动机，需要三个如在图1中所示的半桥。
下面应说明对半桥的控制、即半导体开关元件TH、TL的切换。数字的、即在高电平和低电平之间来回跳跃的PWM信号A施加在半桥上。A的占空比在此对应于应施加在电动机M的相(Phase)上的电压。因此在占空比为0.5时，相正好位于中间回路的正和负电位之间、即处在0V。因此，在占空比为0和1之间的情况下，可以在电动机M的相处在中间回路的负和正电位之间调整每个电压。
由于必须相反地切换两个半导体开关元件TH、TL(直至遵守闭锁时间)，因此由PWM信号A借助反相器(Inverter)I生成与A相反的PWM信号nA。不仅A而且nA各流经延迟电路D，该延迟电路D又生成信号A’或nA’，并且在下面详细说明该延迟电路D的工作方式。该延迟电路D基本上负责遵守闭锁时间。闭锁时间是在关断一个半导体开关元件(TH或TL)和接通另一个半导体开关元件(TH或TL)之间的时间间距，并且例如为2μs。
延迟电路D使A或nA的上升沿延迟一段确定的、这里称为接通延迟的时间。同样使下降沿延迟一段确定的、这里称为关断延迟的时间。关断延迟在此稍短于接通延迟。
在延迟电路D和相应的半导体开关元件TH、TL之间还可以存在其它的电路，诸如驱动器电路或还有逻辑电路，只有在存在脉冲释放时，所述逻辑电路才将PWM信号A’、nA’给予半导体开关元件TH、TL。为此将逻辑释放信号与相应的PWM信号A’、nA’与(UND)逻辑连接。如果不存在释放，则两个半导体开关元件截止。
图2以信号A中的PWM脉冲的时间特性曲线的方式展示了上面提及的PWM信号A、nA、A’、nA’。
信号nA对应于在反相器4中被逆转的信号A。
通过将A的上升沿(即从低电平L到高电平H的变换)延迟接通延迟Ton，和将A的下降沿(即从高电平H到低电平L的变换)延迟关断延迟Toff，得出A’。
通过将nA的上升沿延迟接通延迟Ton，和将nA的下降沿延迟关断延迟Toff，得出信号nA’。这意味着，nA’不是A’的逆转(Invertierung)，而是由延迟电路D所改变的信号nA。
在对最后用于控制半导体开关元件TH、TL所考虑的信号A’和nA’进行比较时，认识到，现在遵守闭锁时间Tb＝Ton-Toff。典型的值对于Ton是2.5μs并且对于Toff是0.5μs，由此又得出上面提及的2μs的闭锁时间。
图3现在展示了延迟电路D本身，每半桥存在两次所述延迟电路D，因为用于控制每一个半导体开关元件TH、TL所使用的控制信号A’或nA’源自每一个这种延迟电路D。因此为了运行三相电动机M需要六个这种延迟电路D。
在延迟电路D的输入端e处施加还未延迟的PWM信号A。信号A通过由第一电阻R1和第二电阻R2所组成的串联电路到达电容器C1的第一端子，该电容器C1的第二端子固定地处于低电平。此外，电容器C1的第一端子与比较器K的输入端相连接，该比较器K的输出端形成延迟电路D的输出端a。与在比较器K的输入端上的电压电平有关地，比较器K的输出端和因此延迟电路D的输出端a处于低电平或高电平。
二极管D1如此与第二电阻R2并联，使得在延迟电路D的输入端e处在从低电平L向高电平H变换时，该第二电阻R2与第一电阻R1一起限制第一电容器C1的充电电流，而在输入端e处在从高电平H向低电平L变换时，仅由第一电阻R1限制该第一电容器C1的放电电流。如果在输入端e的高电平H时和在比较器K的输入端的低电平时二极管D1截止，而在相反的电平关系时(即在已充电的电容器C1和输入端e的低电平L时)二极管D1导通，并且短接第二电阻R2，则这得到确保。
第二电容器C2与比较器K并联，即连接在该比较器K的输入端和输出端之间。借助图4更详细地阐述该电容器的功能。
图4a展示了在延迟电路D的输入端e处所施加的信号A。该信号仅仅含有上升的和下降的沿。
图4b与比较器K的接通电平Son和关断电平Soff一起展示了在比较器K的输入端上的电压特性曲线。
图4c展示了在延迟电路D的输出端a处的得出的信号A’。
在时刻t1，信号A从低电平L变换到高电平H。从该时刻t1起，通过第一和第二电阻R1和R2使电容器C1和电容器C2充电，比较器K的输入端处的电压因此上升。在时刻t2，达到比较器K的接通电平Son，在该瞬间该比较器K的输出端从低电平L切换到高电平H。由于比较器K的输出端同时是延迟电路D的输出端a，所以在该瞬间A’也切换到高电平H，相对于信号A稍迟了接通延迟Ton(Ton＝t2-t1)。时间Ton因此是第一电容器C1和第二电容器C2直至达到接通电平Son的充电时间，并且通过对充电电流进行限制的两个电阻R1和R2的串联电路确定该时间。
在没有第二电容器C2的情况下，在比较器K的输入端处的电平在时刻t2之后会跟随虚线，并且接近于高电平H。如果在比较器K的输入端处施加满的高电平H之前，信号A现在重新下降到低电平L，则会不清楚地定义直至在时刻t3达到关断电平Soff的时间和因此关断延迟Toff。也即电容器C1的放电于是会从较低的电平出发来开始。
由于关断延迟Toff也限定了具有所分配的半导体开关元件TH、TL的最短接通持续时间的切换脉冲，所以缩短的关断延迟可能会导致如此短的PWM脉冲，使得像上面提及的那样，受到破坏半导体开关元件TH、TL的威胁。
通过第二电容器C2避免了该问题。由于将在比较器的输出端处的电容器C2推移到高电平H，在电容器C2中直至时刻t2所存储的电荷可用于对第一电容器C1完全充电。因此像在图4b中所示出的那样，实际上在t2之后无时滞地实现在比较器K的输入端处向高电平H的跳跃。因此使信号A中的跟随时刻t2的下降沿总是延迟完全的关断延迟Toff，由此始终遵守所分配的半导体开关元件TH、TL的最小接通持续时间。
在时刻t3，信号A跳回到低电平L，现在通过R1使电容器C1放电，因为在放电时通过二极管D1跨接了电阻R2。放电过程因此显著快于充电过程，直至在时刻t4达到比较器K的关断电平Soff的时间和因此关断延迟Toff(Toff＝t4-t3)相应地短于接通延迟Ton。因此通过适当地选择电阻R1和R2以及电容器C1和C2，可以确定(较短的)关断延迟Toff和(较长的)接通延迟Ton。
第二电容器C2在时刻t4也负责，在比较器K的输入端处的电平实际上立刻下降到低电平L，使得比较器K对于A的下一上升沿是准备好的。
还应该示范性地说明用于确定延迟电路D的器件的尺寸的值：
R1＝2kΩ，R2＝2.5kΩ，C1＝300pF，C2＝150pF。
对于延迟时间近似地适用：
Ton＝(R1+R2)*(C1+C2)
Toff＝R1*(C1+C2)。

Claims (4)

1.具有在延迟电路(D)输入端(e)处所施加的PWM信号(A，nA)用的延迟电路的逆变器，通过所述延迟电路，将所述PWM信号(A，nA)的上升沿延迟接通延迟(Ton)，和将PWM信号(A，nA)的下降沿延迟关断延迟(Toff)，用于为半导体开关元件(TH，TL)形成在延迟电路(D)的输出端(a)处所施加的控制信号(A’，nA’)，其中，
-所述输入端(e)通过由第一电阻(R1)和第二电阻(R2)所组成的串联电路与第一电容器(C1)的第一端子相连接，该第一电容器(C1)的第二端子恒定地处于低电平(L)，
-第一电容器(C1)的第一端子与比较器(K)的输入端相连接，该比较器(K)的输出端构成延迟电路(D)的输出端(a)，该输出端(a)与比较器(K)的输入端处的电压电平有关地在高电平(H)和低电平(L)之间变换，其中比较器(K)的输入端处的电压电平与第一电容器(C1)的充电状态有关，
-二极管(D1)如此与第二电阻(R2)并联，使得在延迟电路(D)的输入端(e)处从低电平(L)向高电平(H)变换时，该第二电阻(R2)与第一电阻(R1)一起限制第一电容器(C1)的充电电流，而在输出端(a)处从高电平(H)向低电平(L)变换时，仅通过第一电阻(R1)限制该第一电容器(C1)的放电电流。
2.按权利要求1的具有延迟电路的逆变器，其中所述延迟电路(D)此外具有连接在比较器(K)的输入端和输出端之间的第二电容器(C2)。
3.按权利要求1的具有延迟电路的逆变器，其中所述接通延迟(Ton)大于所述关断延迟(Toff)。
4.按权利要求1的具有延迟电路的逆变器，其中比较器(K)的接通电平位于低电平(L)和高电平(H)之间，而比较器(K)的关断电平位于低电平(L)和接通电平之间。
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