CN106899222B - 一种三电平逆变器及其驱动过零切换控制方法 - Google Patents

一种三电平逆变器及其驱动过零切换控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三电平逆变器及其驱动过零切换控制方法，其中的控制方法包括以下步骤：生成不带死区的外管PWM驱动信号并发送，并生成正负半周切换信号并发送；接收所述外管PWM驱动信号、正负半周切换信号，并生成不带死区的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号；当所述外管PWM驱动信号为负半周或正半周时，驱动生成与所述第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号分别对应的带死区的第一开关管的驱动信号、带死区的第二开关管的驱动信号、带死区的第三开关管的驱动信号和带死区的第四开关管的驱动信号；然后输出。本发明的技术方案结构简单，可靠性高；且过零点畸变低。

Description

一种三电平逆变器及其驱动过零切换控制方法
技术领域
本发明属于电子电路设计技术领域，尤其涉及一种三电平逆变器及其驱动过零切换控制方法。
背景技术
在逆变器领域三电平使用的越来越多，在分配三电平的4个开关器件的驱动时，通常有两种分配方法：一种是使用DSP/ARM/MCU等发出两个外管的驱动，再利用CPLD/FPGA等互补产生4个驱动；另一种是使用DSP/ARM/MCU等发出本半周处于开关状态的两个开关器件的驱动，再利用CPLD/FPGA等互补产生4个驱动。
三电平拓扑使用在交流领域时，在正半周工作时，通常连接正母线的外管和两个内管工作，连接负母线的外管处于关闭状态；负半周工作时，通常连接负母线的外管和两个内管工作，连接正母线的外管处于关闭状态。上述两种方法在正负半周切换时，如果时序逻辑没控制好，容易造成正负母线对N短路，甚至正负母线短路。
专利号为201010143915X的技术方案，需要根据当前驱动的高，低状态来调制过零点附近的驱动。其本质原因是死区先使用DSP/ARM/MCU来产生的，包含死区的PWM（PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制）驱动再利用CPLD（Complex Programmable LogicDevice，复杂可编程逻辑器件）/FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）针对过零点调整驱动，调整时由于过零点附近，内管会由开关状态转为强制导通状态，破坏了原有的PWM死区，导致死区失效，需要再增加死区产生单元，方法很复杂。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种三电平逆变器及其驱动过零切换控制方法，DSP/ARM/MCU处理器只产生本半周工作外管的驱动，不产生对应内管的驱动，也不产生死区。死区和4个开关管的驱动完全由CPLD/FPGA产生，方法简单可靠，同时过零出畸变相比现有技术的要低。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种三电平逆变器的驱动过零切换控制方法，所述三电平逆变器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其包括以下步骤：
步骤S1，生成不带死区的外管PWM驱动信号并发送，并生成正负半周切换信号并发送；其中，所述正负半周切换信号为指示当前驱动信号是正半周还是负半周的指示信号；
步骤S2，接收所述外管PWM驱动信号、正负半周切换信号，并生成不带死区的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号；
步骤S3，产生死区，当所述外管PWM驱动信号为负半周或正半周时，驱动生成与所述第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号分别对应的带死区的第一开关管的驱动信号、带死区的第二开关管的驱动信号、带死区的第三开关管的驱动信号和带死区的第四开关管的驱动信号；然后输出。
作为本发明的进一步改进，所述第一驱动信号与第三驱动信号互补，第二驱动信号和第四驱动信号互补。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中，通过CPLD或FPGA产生死区。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，采用CPLD或FPGA生成不带死区的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，采用DSP、ARM或MCU产生不带死区的外管PWM驱动。
作为本发明的进一步改进，所述三电平逆变器的驱动过零切换控制方法包括：
首先，由DSP/ARM/MCU等产生不带死区的外管PWM驱动，且发出一个信号指示当前是正半周还是负半周；
其次，CPLD/FPGA等利用正负半周切换信号来产生第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的驱动波形；
最后，CPLD/FPGA产生死区，产生带死区的第一开关管的驱动信号、带死区的第二开关管的驱动信号、带死区的第三开关管的驱动信号和带死区的第四开关管的驱动信号；然后输出。
作为本发明的进一步改进，所述带死区的第二开关管的驱动信号在所述第二驱动信号为高电平向低电平转换时，延时高电平信号的时间。
所述带死区的第三开关管的驱动信号在所述第三驱动信号为高电平向低电平转换时，延时高电平信号的时间；
所述带死区的第一开关管的驱动信号在所述第一驱动信号由低电平转化为高电平时，延时低电平信号的时间；
所述带死区的第四开关管的驱动信号在所述第四驱动信号由低电平转化为高电平时，延时低电平信号的时间。
作为本发明的进一步改进，所述不带死区的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号的过零点与不带死区的外管PWM驱动信号的正负半周切换信号的过零点相同。
作为本发明的进一步改进，所述不带死区的外管PWM驱动信号的正负半周切换信号的过零点与带死区的第三开关管的驱动信号的过零点相同，与所述带死区的第一开关管的驱动信号的过零点、带死区的第二开关管的驱动信号的过零点不同，与带死区的第四开关管的驱动信号的过零点相同。
本发明还公开了一种三电平逆变器的驱动过零切换控制***，其分别与第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管连接，所述***采用如上任意一项所述的三电平逆变器的驱动过零切换控制方法，所述***包括：
第一生成模块，用于生成不带死区的外管PWM驱动信号和正负半周切换信号；
第一发送模块，用于发送不带死区的外管PWM驱动信号和正负半周切换信号；
第二生成模块，用于生成不带死区的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号；
第三生成模块，用于生成带死区的第一开关管的驱动信号、带死区的第二开关管的驱动信号、带死区的第三开关管的驱动信号和带死区的第四开关管的驱动信号；
第一输出模块，用于向三电平逆变器输出所述第三生成模块生成的驱动所述第一开关管的带死区的第一开关管的驱动信号，驱动所述第二开关管的带死区的第二开关管的驱动信号、驱动所述第三开关管的带死区的第三开关管的驱动信号以及驱动所述第四开关管的带死区的第四开关管的驱动信号。
本发明还公开了一种三电平逆变器，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管，以及三电平逆变器的驱动过零切换控制***，优选的，所述三电平逆变器的驱动过零切换控制***采用如上所述的三电平逆变器的驱动过零切换控制***。
优选的，所述三电平逆变器的驱动过零切换控制***为采用如上任意一项所述的三电平逆变器的驱动过零切换控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
第一，采用本发明的技术方案，结构简单，可靠性高，方便实现。
第二，采用本发明的技术方案，过零点畸变低，如果用于电压源，也就是THDu低，如果用于电流源，也就是THDi低。如果应用在一个模块化UPS产品里，稳定可靠，同时测试显示输出电压THDu要降低0.2%。
附图说明
图1是本发明一种实施例的I型三电平的电路结构示意图。
图2是本发明一种实施例的外管PWM驱动及正负半周切换信号示意图。
图3是本发明一种实施例的不含死区的4个开关管驱动信号示意图。
图4是本发明一种实施例的包含死区的4个开关管驱动信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。应当理解，以下所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
常见的三电平拓扑有I型三电平和T型三电平两种，本发明以I型为例来阐述，对T型同样适用，开关器件以IGBT为例，对于MOSFET同样适用，I型半桥拓扑以及开关器件电路图如图1所示。所述三电平逆变器包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，所述三电平逆变器的驱动过零切换控制方法，包括以下步骤：
步骤101：由DSP/ARM/MCU生成不带死区的外管PWM驱动信号并发送，并生成正负半周切换信号并发送，外管PWM驱动及正负半周切换信号示意图如图2所示；
步骤201：CPLD/FPGA接收所述外管PWM驱动信号、正负半周切换信号，并生成不带死区的第一PWM驱动信号、第二PWM驱动信号、第三PWM驱动信号和第四PWM驱动信号，如图3所示；
步骤301：CPLD/FPGA产生死区；即当所述外管PWM驱动信号为负半周或正半周时，驱动生成与所述第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号分别对应的带死区的第一开关管的PWM驱动信号、带死区的第二开关管的PWM驱动信号、带死区的第三开关管的PWM驱动信号和带死区的第四开关管的PWM驱动信号；如图4所示；
步骤401：然后输出相应的驱动信号进行驱动。
由图3和图4可见，其中，所述第一PWM驱动信号与第三PWM驱动信号互补，第二PWM驱动信号和第四PWM驱动信号互补。所述不带死区的第一PWM驱动信号、第二PWM驱动信号、第三PWM驱动信号和第四PWM驱动信号的过零点与不带死区的外管PWM驱动信号的正负半周切换信号的过零点相同。所述不带死区的外管PWM驱动信号的正负半周切换信号的过零点与带死区的第三开关管的PWM驱动信号的过零点相同，与所述带死区的第一开关管的PWM驱动信号的过零点、带死区的第二开关管的PWM驱动信号的过零点不同，与带死区的第四开关管的PWM驱动信号的过零点相同。
由图4可见，所述带死区的第二开关管的PWM驱动信号在所述第二PWM驱动信号为高电平向低电平转换时，延时高电平信号的时间；
所述带死区的第三开关管的PWM驱动信号在所述第三PWM驱动信号为高电平向低电平转换时，延时高电平信号的时间；
所述带死区的第一开关管的PWM驱动信号在所述第一PWM驱动信号由低电平转化为高电平时，延时低电平信号的时间；
所述带死区的第四开关管的PWM驱动信号在所述第四PWM驱动信号由低电平转化为高电平时，延时低电平信号的时间。
实施例2
一种三电平逆变器的驱动过零切换控制***，采用实施例1所述的三电平逆变器的驱动过零切换控制方法，其分别与第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4连接，所述***包括：
第一生成模块，用于生成不带死区的外管PWM驱动信号和正负半周切换信号；
第一发送模块，用于发送不带死区的外管PWM驱动信号和正负半周切换信号；
第二生成模块，用于生成不带死区的第一PWM驱动信号、第二PWM驱动信号、第三PWM驱动信号和第四PWM驱动信号；
第三生成模块，用于生成带死区的第一开关管的PWM驱动信号、带死区的第二开关管的PWM驱动信号、带死区的第三开关管的PWM驱动信号和带死区的第四开关管的PWM驱动信号；
第一输出模块，用于向三电平逆变器输出所述第三生成模块生成的驱动所述第一开关管的带死区的第一开关管的PWM驱动信号，驱动所述第二开关管的带死区的第二开关管的PWM驱动信号、驱动所述第三开关管的带死区的第三开关管的PWM驱动信号以及驱动所述第四开关管的带死区的第四开关管的PWM驱动信号。
实施例3
一种三电平逆变器，电路图如图1所示，其包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3以及第四开关管Q4，以及三电平逆变器的驱动过零切换控制***，所述三电平逆变器的驱动过零切换控制***为采用实施例1所述的三电平逆变器的驱动过零切换控制方法。
将该三电平逆变器应用在一个模块化UPS产品里，与常规方案比较，测试显示输出电压THDu要降低0.2%；更加稳定可靠。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三电平逆变器的驱动过零切换控制方法，所述三电平逆变器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，先生成不带死区的外管PWM驱动信号并发送，并生成正负半周切换信号并发送；
步骤S2，接收所述外管PWM驱动信号、正负半周切换信号，并生成不带死区的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号；
步骤S3，产生死区，当所述外管PWM驱动信号为负半周或正半周时，驱动生成与所述第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号分别对应的带死区的第一开关管的驱动信号、带死区的第二开关管的驱动信号、带死区的第三开关管的驱动信号和带死区的第四开关管的驱动信号；然后输出；
步骤S3中，通过CPLD或FPGA产生死区；
所述不带死区的外管PWM驱动信号的正负半周切换信号的过零点与带死区的第三开关管的驱动信号的过零点相同，与所述带死区的第一开关管的驱动信号的过零点、带死区的第二开关管的驱动信号的过零点不同，与带死区的第四开关管的驱动信号的过零点相同。
2.根据权利要求1所述的三电平逆变器的驱动过零切换控制方法，其特征在于：所述第一驱动信号与第三驱动信号互补，所述第二驱动信号和第四驱动信号互补。
3.根据权利要求2所述的三电平逆变器的驱动过零切换控制方法，其特征在于：所述不带死区的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号的过零点与不带死区的外管PWM驱动信号的正负半周切换信号的过零点相同。
4.根据权利要求1所述的三电平逆变器的驱动过零切换控制方法，其特征在于：步骤S2中，采用CPLD或FPGA生成不带死区的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号。
5.根据权利要求4所述的三电平逆变器的驱动过零切换控制方法，其特征在于：步骤S1中，采用DSP、ARM或MCU产生不带死区的外管PWM驱动。
6.一种三电平逆变器的驱动过零切换控制***，其分别与第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管连接，其特征在于，所述三电平逆变器的驱动过零切换控制***采用如权利要求1~5任意一项所述的三电平逆变器的驱动过零切换控制方法，所述***包括：
第一生成模块，用于生成不带死区的外管PWM驱动信号和正负半周切换信号；
第一发送模块，用于发送不带死区的外管PWM驱动信号和正负半周切换信号；
第二生成模块，用于生成不带死区的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号；
第三生成模块，用于生成带死区的第一开关管的驱动信号、带死区的第二开关管的驱动信号、带死区的第三开关管的驱动信号和带死区的第四开关管的驱动信号；
第一输出模块，用于向三电平逆变器输出所述第三生成模块生成的驱动所述第一开关管的带死区的第一开关管的驱动信号，驱动所述第二开关管的带死区的第二开关管的驱动信号、驱动所述第三开关管的带死区的第三开关管的驱动信号以及驱动所述第四开关管的带死区的第四开关管的驱动信号。
7.一种三电平逆变器，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管，以及三电平逆变器的驱动过零切换控制***，其特征在于，所述三电平逆变器的驱动过零切换控制***为采用权利要求1~5任意一项所述的三电平逆变器的驱动过零切换控制方法。
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