CN112769314A - 一种逆变器pwm电压采样前处理装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种逆变器PWM电压采样前处理装置，包括充放电支路和用于隔离的光耦支路，充放电支路包括与逆变器直流侧并联的电阻，与开关管输出电容组成充放电回路以使充放电回路在死区时间内完成充放电过程；光耦支路包括与逆变器直流侧并联的发光二极管和其集电极用于输出至PWM电压采样设备的光敏三极管。本方案通过充放电支路解决了逆变器空载时由于没有输出电流而造成死区检测困难的问题，构造了同一桥臂上下管全关时逆变器输出电压与单管开关期间输出电压的差异，使得PWM死区电压可以被检测出来，从而提高了PWM电压采样的精度。另外还可通过钳位支路过滤采样信号噪声，进一步提高检测准确性。此外还可通过电阻网络防范散热风险。

Description

一种逆变器PWM电压采样前处理装置

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域和电机控制硬件在环仿真领域，尤其涉及一种逆变器PWM电压采样前处理装置。

背景技术

逆变器是一种DC(直流)to AC(交流)的变压器，可将直流电能转变成定频定压或调频调压交流电。逆变器通常都会采用PWM(脉宽调制)技术，PWM的基本原理是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形，也即在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

硬件在环仿真技术能够方便地模拟实际电机控制场景，是电机控制器走向实际测试前最强有力的仿真环境。电机控制***的硬件在环仿真平台需要对逆变器的输出PWM电压进行采样，这样一方面保证仿真***的正常运行，另一方面能扩大电机控制***的测试范围，因此，逆变器输出PWM电压采样的精度对整个硬件在环仿真***性能的影响十分关键。

然而，发明人在实现本申请方案的过程中发现，逆变器在空载时，即不接负载的情况下，由于逆变器输出侧没有输出电流，造成逆变器同一桥臂上下管全关的状态(例如处于死区时间)难以被检测出来，从而对PWM电压采样精度产生负面影响。逆变器空载时死区难以检测的问题成为基于电机控制的硬件在环仿真应用场合的一大难点。

在一种现有技术中，可以直接采用控制板卡发出的PWM信号进行硬件在环仿真，此方式虽然可靠，但是没有覆盖驱动电路，即PWM信号没有经过驱动电路及其逆变器，因此测试范围较小，与真实场景存在一定差距。在另外一种现有技术中，可以采用周期平均法直接采样逆变器输出的PWM电压，通过积分器积分获取一个开关周期的平均值，在此方式中，虽然逆变器输出电压能够容易被获取，但是损失了PWM信号的开关信息，更无法将逆变器空载时的死区状态检测出来。

发明内容

本申请提供一种逆变器PWM电压采样前处理装置，以解决对逆变器输出PWM电压采样时，由于同一桥臂上下管全关的状态而导致采样精度受到影响的问题。

本申请实施例提供了一种逆变器PWM电压采样前处理装置，所述前处理装置用于连接所述逆变器的同一桥臂，所述前处理装置包括充放电支路和用于隔离的光耦支路，其中：

所述充放电支路包括与所述逆变器直流侧并联的电阻，所述电阻用于与所述逆变器开关管的输出电容组成充放电回路以使所述充放电回路在所述逆变器死区时间内完成充放电过程；

所述光耦支路包括用于信号发生的发光二极管和对应的用于信号接收的光敏三极管，所述发光二极管与所述逆变器直流侧并联，所述光敏三极管的集电极用于连接PWM电压采样设备。

可选的，所述开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT。

可选的，所述开关管包括第一开关管和第二开关管，所述充放电支路中的电阻包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻与所述第一开关管并联，所述第二电阻与所述第二开关管并联。

可选的，所述第一电阻和\或第二电阻具体为电阻网络，所述电阻网络包括以串并联方式连接的多个电阻。

可选的，所述第一电阻和\或第二电阻的阻值通过如下方式确定：

根据所述逆变器死区时间及预设比例关系确定时间常数τ，其中所述时间常数τ是所述充放电回路的时间常数τ；

根据所述时间常数τ及所述输出电容确定所述阻值，以使所述充放电回路在所述逆变器死区时间内完成充放电过程。

可选的，所述预设比例关系为：

时间常数τ为所述逆变器死区时间的1/10。

可选的，所述开关管包括第一开关管和第二开关管，所述光耦支路包括第一发光二极管以及与所述第一发光二极管对应的第一光敏三极管、第二发光二极管以及与所述第二发光二极管对应的第二光敏三极管，所述第一发光二极管与所述第一开关管并联，所述第二发光二极管与所述第二开关管并联。

可选的，所述前处理装置还包括：

钳位支路，所述钳位支路包括与所述光耦电路发光二极管并联的钳位二极管，所述钳位支路用于提供电压阈值范围以过滤采样信号的噪声。

可选的，所述钳位二极管具体为齐纳二极管。

可选的，所述钳位二极管的钳位电压值通过如下方式确定：

按照采样信号的噪声质量确定所述钳位电压值，使所述电压阈值范围的上限在所述开关管所产生的电压高电平以下且距离所述高电平第一指定距离、所述电压阈值范围的下限在所述开关管所产生的电压低电平以上且距离所述低电平第二指定距离。

本申请实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请提供了一种逆变器PWM电压采样前处理装置，用于连接逆变器的同一桥臂，该前处理装置可以包括充放电支路和用于隔离的光耦支路，其中充放电支路包括与逆变器直流侧并联的电阻，光耦支路包括用于信号发生的发光二极管和对应的用于信号接收的光敏三极管。本申请的技术方案不但通过直接采样逆变器输出PWM电压的方式扩大了硬件在环仿真的测试范围，更好地逼近真实状况，具有较好的应用前景和实用意义，而且更重要的是，通过充放电支路解决了逆变器空载时由于没有输出电流而造成的死区检测困难的问题，即构造了死区期间等同一桥臂上下管全关状态下逆变器输出电压与单管开通/关断期间输出电压的差异，使得死区期间的PWM电压采样可以被检测出来，从而提高了PWM电压采样的精度。同时，光耦支路解决了由于采用直接采样逆变器输出PWM电压的方式扩大了硬件在环仿真的测试范围而导致的电压等级升高带来的隔离问题。

另外，还可以通过钳位支路提供电压阈值范围来过滤采样信号的噪声，进一步提高了对死区时间检测的准确性。此外，还可以使用电阻网络充当充放电支路中的电阻，以进一步防范散热风险。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。此外，这些介绍并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是逆变器空载时三相PWM输出电压示意图；

图2是逆变器空载时其中一相PWM输出电压示意图；

图3是本申请实施例提供的一种逆变器PWM电压采样前处理装置的示意图；

图4是本申请实施例提供的一种逆变器PWM电压采样前处理装置的示意图；

图5是死区期间空载逆变器一相充放电过程示意图；

图6是一相桥臂输出电压随开关信号变化的示意图；

图7是电阻网络示意图；

图8是本申请实施例提供的一种逆变器PWM电压采样前处理装置的示意图；

图9是本申请实施例中发光二极管和钳位二极管的局部图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行详细描述。当涉及附图时，除非另有说明，否则不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。显然，以下所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，或者说以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

当本申请实施例的说明书、权利要求书及上述附图中出现术语“第一”、“第二”、“第三”等时，是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序。在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”等的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

图1是逆变器空载时三相PWM输出电压示意图。在电机控制硬件在环仿真等应用场合中，需要对逆变器输出的PWM电压进行采样。在图1中，Vdc为直流电源，三个桥臂上均有两个开关管，U、V、W为逆变器所产生的三相交流电压。对逆变器输出PWM电压采样的精度十分重要，但逆变器在空载时，即不接负载的情况下，由于逆变器输出侧没有输出电流，造成逆变器死区等同一桥臂上下管全关的状态难以被检测。

图2是逆变器空载时其中一相PWM输出电压示意图。简单的讲，同一桥臂中上下两个开关管会有三种状态，即上开下关、上关下开、全关，而采样只有高电平、低电平两种状态(分别反映上开下关、上关下开的状态)，这就无法将三种状态中的全关状态识别出来。

例如可参见图2所示，图2是图1中的一个桥臂(图1虚线框内)，桥臂中点也即采样点，两个开关管用S1、S2表示，0代表开关管关闭，1代表开关管打开，则如图2所示，S1＝0,S2＝1时产生低电平，S1＝1,S2＝0时产生高电平，但S1＝0,S2＝0即同一桥臂上两个开关管都关闭时，所产生的电平信号无法检测。不接负载的情况下逆变器死区等同一桥臂上下管全关的状态难以被检测这一问题对基于电机控制的硬件在环仿真应用场合来讲是一大难点。

图3是本申请实施例提供的一种逆变器PWM电压采样前处理装置的示意图。

本申请实施例提供的逆变器PWM电压采样前处理装置能够应用在电机控制硬件在环仿真领域等领域。当然以电机控制硬件在环仿真应用场景为例仅为示例性的，在实际应用中，本申请方案也可以适用于其它应用场景。

该前处理装置可用于对逆变器PWM电压采样进行预处理，以使死区期间等同一桥臂上下管全关状态下逆变器输出电压可以被检测出来，其输入端(输入端可以有多个)可以用于连接所述逆变器的同一桥臂，输出端可以用于连接PWM电压采样设备，例如硬件在环仿真***中的PWM电压采样设备。

具体可参见图3所示，前处理装置300可以包括充放电支路301和用于隔离的光耦支路302，其中：

所述充放电支路包括与所述逆变器直流侧并联的电阻，所述电阻用于与所述逆变器开关管的输出电容组成充放电回路以使所述充放电回路在所述逆变器死区时间内完成充放电过程；

所述光耦支路包括用于信号发生的发光二极管和对应的用于信号接收的光敏三极管，所述发光二极管与所述逆变器直流侧并联，所述光敏三极管的集电极用于连接PWM电压采样设备。

对于开关管的具体类型，本实施例并不进行限制，本领域技术人员可以根据不同需求\不同场景而自行选择、设计，可以在此处使用的这些选择和设计都没有背离本申请的精神和保护范围。作为示例，所述开关管具体可以为绝缘栅双极型晶体管IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)。

作为示例，在具体实施时，所述开关管包括第一开关管和第二开关管，所述充放电支路中的电阻包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻与所述第一开关管并联，所述第二电阻与所述第二开关管并联。

类似的，所述光耦支路可以包括第一发光二极管以及与所述第一发光二极管对应的第一光敏三极管、第二发光二极管以及与所述第二发光二极管对应的第二光敏三极管，所述第一发光二极管与所述第一开关管并联，所述第二发光二极管与所述第二开关管并联。

可参见图4，在图4中，S1是第一开关管，S2是第二开关管，301a是与S1并联的第一电阻，301b是与S2并联的第二电阻，302a是与S1并联的第一发光二极管，302b是与S2并联的第二发光二极管。

光耦支路用以解决由于测试范围增加，导致电压等级升高带来的隔离问题。充放电支路则用以为逆变器的IGBT输出电容提供充放电回路，IGBT的输出电路与其并联的电阻构成RC回路，以解决逆变器空载时，由于没有输出电流，造成的死区检测困难的问题。

通过增加直流侧并联电阻，为逆变器的IGBT输出电容构成RC电路提供充放电回路，通过合理设计并联电阻值使得在死区时间内能够将PWM输出电压快速充放电至1/2Vdc，构造死区时间逆变器输出电压与单管开通/关断期间输出电压的差异，进而可以将死区时间这一状态检测出来。

作为示例可参见图5所示，图5是死区期间空载逆变器一相充放电过程示意图，其中左边a为上关下开切换至死区时的充放电示意图，右边b为上开下关切换至死区时的充放电示意图，图中虚线代表非死区时间内电流通路，点画线代表死区时间内电流通路，Vph代表逆变器单相桥臂中点的输出电压。另外容易理解的是，在图5中与开关管并联的电容并非新增的电容，而是代表开关管的输出电容。

图6是一相桥臂输出电压随开关信号变化的示意图。通过增加直流侧并联电阻，为逆变器的IGBT输出电容提供充放电回路，则充放电过程可能出现的结果有三种，参见图6所示，图中：①代表死区期间内充放电完全，②代表死区期间内刚好充放电完毕，③代表死区期间内充放电不完全。另外图中S1、S2分别代表两个开关管，Tdt代表死区时间。

情况①为并联电阻较小，导致充放电时间常数很小，充放电过程能在死区结束前完成；情况②是充放电时间常数刚好使得充放电过程在死区结束时刻完成；情况③是并联电阻较大，导致充放电时间常数较大，充放电过程无法及时在死区结束前完成。

通过合理设计并联电阻值可将死区状态的充放电过程控制为情况①，构建死区状态与开通/关断状态的区别。并联电阻值的选取设计可以依据输出电容C与并联电阻R构成的时间常数τ，例如设置τ为1/10的死区时间以确定并联电阻值的大小。

换句话说，在本实施例或本申请其他某些实施例中，所述第一电阻和\或第二电阻的阻值可以通过如下方式确定：

根据所述逆变器死区时间及预设比例关系确定时间常数τ，其中所述时间常数τ是所述充放电回路的时间常数τ；

根据所述时间常数τ及所述输出电容确定所述阻值，以使所述充放电回路在所述逆变器死区时间内完成充放电过程。

作为示例，所述预设比例关系可以为：

时间常数τ为所述逆变器死区时间的1/10。

本实施例的技术方案不但通过直接采样逆变器输出PWM电压的方式扩大了硬件在环仿真的测试范围，更好地逼近真实状况，具有较好的应用前景和实用意义，而且更重要的是，通过充放电支路解决了逆变器空载时由于没有输出电流而造成的死区检测困难的问题，即构造了死区期间等同一桥臂上下管全关状态下逆变器输出电压与单管开通/关断期间输出电压的差异，使得死区期间的PWM电压采样可以被检测出来，从而提高了PWM电压采样的精度。同时，光耦支路解决了由于采用直接采样逆变器输出PWM电压的方式扩大了硬件在环仿真的测试范围而导致的电压等级升高带来的隔离问题。

另外，在本实施例或本申请其他某些实施例中，所述第一电阻和\或第二电阻具体可以为电阻网络，所述电阻网络包括以串并联方式连接的多个电阻。

这是由于图6情况①在一般状态下并联电阻阻值较小，存在发热等风险，因此可以采用电阻网络等效同一电阻值的方式解决。

作为示例可参见图7所示，电阻网络301a’将电阻以串并联的方式等效原来的电阻301a，用以解决充放电支路的并联电阻301a由于阻值过小引入的散热风险。另一种可选的方案是301a可用耐热强的电阻替代。

此外，还可以通过钳位支路提供电压阈值范围来过滤采样信号的噪声，进一步提高对死区时间检测的准确性。因此在本实施例或本申请其他某些实施例中，所述装置还可以包括：

钳位支路，所述钳位支路包括与所述光耦电路发光二极管并联的钳位二极管，所述钳位支路用于提供电压阈值范围以过滤采样信号的噪声。

例如，所述钳位二极管具体可以为齐纳二极管。

作为示例可参见图8及图9所示，在图8中，303为钳位支路，在图9中，303a为一个钳位二极管。

另外参见图9所示，图9为图8中涉及发光二极管和钳位二极管的局部图，容易理解的是，在实际应用时为了保护、限流等目的还可灵活增加r1和r2等电阻(图中r1与发光二极管串联)，对此不再赘述。

在本实施例或本申请其他某些实施例中，所述钳位二极管的钳位电压值通过如下方式确定：

按照采样信号的噪声质量确定所述钳位电压值，使所述电压阈值范围的上限在所述开关管所产生的电压高电平以下且距离所述高电平第一指定距离、所述电压阈值范围的下限在所述开关管所产生的电压低电平以上且距离所述低电平第二指定距离。

作为示例可参见图9所示，由于钳位二极管可采用齐纳二极管，齐纳二极管具有稳压的特性，即二极管的反偏电压大于一定值后便钳位住不再增加，因此需要保证桥臂输出电压高于303b钳位二极管钳位电压值，302b发光二极管发光导通，桥臂输出电压低于303a钳位二极管钳位电压值，302a发光二极管发光导通，除此之外齐纳二极管反偏电压很小不致发光二极管工作，起到屏蔽作用。以此构造阈值范围。其中第一指定距离和第二指定距离可以相同也可以不同，由选取的齐纳二极管的属性决定，距离值例如可以为1～2V等。

作为示例可参见图6所示，在图6中，横向虚线H代表高阈值，也即电压阈值范围的上限，横向虚线L代表低阈值，也即电压阈值范围的下限。通常电压阈值范围与高低电平之间留出1～2V左右的裕量即可。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种逆变器PWM电压采样前处理装置，其特征在于，所述前处理装置用于连接所述逆变器的同一桥臂，所述前处理装置包括充放电支路和用于隔离的光耦支路，其中：

所述充放电支路包括与所述逆变器直流侧并联的电阻，所述电阻用于与所述逆变器开关管的输出电容组成充放电回路以使所述充放电回路在所述逆变器死区时间内完成充放电过程；

所述光耦支路包括用于信号发生的发光二极管和对应的用于信号接收的光敏三极管，所述发光二极管与所述逆变器直流侧并联，所述光敏三极管的集电极用于连接PWM电压采样设备。

2.根据权利要求1所述的前处理装置，其特征在于，所述开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT。

3.根据权利要求1所述的前处理装置，其特征在于，所述开关管包括第一开关管和第二开关管，所述充放电支路中的电阻包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻与所述第一开关管并联，所述第二电阻与所述第二开关管并联。

4.根据权利要求3所述的前处理装置，其特征在于，所述第一电阻和\或第二电阻具体为电阻网络，所述电阻网络包括以串并联方式连接的多个电阻。

5.根据权利要求3所述的前处理装置，其特征在于，所述第一电阻和\或第二电阻的阻值通过如下方式确定：

根据所述逆变器死区时间及预设比例关系确定时间常数τ，其中所述时间常数τ是所述充放电回路的时间常数τ；

根据所述时间常数τ及所述输出电容确定所述阻值，以使所述充放电回路在所述逆变器死区时间内完成充放电过程。

6.根据权利要求5所述的前处理装置，其特征在于，所述预设比例关系为：

时间常数τ为所述逆变器死区时间的1/10。

7.根据权利要求1所述的前处理装置，其特征在于，所述开关管包括第一开关管和第二开关管，所述光耦支路包括第一发光二极管以及与所述第一发光二极管对应的第一光敏三极管、第二发光二极管以及与所述第二发光二极管对应的第二光敏三极管，所述第一发光二极管与所述第一开关管并联，所述第二发光二极管与所述第二开关管并联。

8.根据权利要求1所述的前处理装置，其特征在于，所述前处理装置还包括：

钳位支路，所述钳位支路包括与所述光耦电路发光二极管并联的钳位二极管，所述钳位支路用于提供电压阈值范围以过滤采样信号的噪声。

9.根据权利要求8所述的前处理装置，其特征在于，所述钳位二极管具体为齐纳二极管。

10.根据权利要求8所述的前处理装置，其特征在于，所述钳位二极管的钳位电压值通过如下方式确定：

按照采样信号的噪声质量确定所述钳位电压值，使所述电压阈值范围的上限在所述开关管所产生的电压高电平以下且距离所述高电平第一指定距离、所述电压阈值范围的下限在所述开关管所产生的电压低电平以上且距离所述低电平第二指定距离。

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