專利名稱：一種有源死區(qū)補償電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電能變換裝置的直流-交流逆變器領(lǐng)域，具體涉及一種有源死區(qū)補償電路及其控制方法。
背景技術(shù)：
伴隨計算機的應(yīng)用及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們越來越重視交流供電的質(zhì)量，為保證計算機等設(shè)備安全可靠的工作，對供電電壓的穩(wěn)定度及電壓的諧波都提出了較高的要求。時至今日，人們對高質(zhì)量的供電要求已無處不在了，已廣泛深入到各行各業(yè)的眾多環(huán)節(jié)，諸如通信、金融、半導(dǎo)體工業(yè)，科研及國防等領(lǐng)域，都離不開高質(zhì)量的供電。為適應(yīng)對高質(zhì)量的供電要求，對中、大功率的直流-交流逆變設(shè)備的需求也越 來越大，而且逆變器單機的功率也越來越大，從數(shù)百瓦到數(shù)千瓦，直到目前的數(shù)十千瓦數(shù)百千瓦。大部分中大輸出功率的逆變電源均采用半橋結(jié)構(gòu)的輸出電路，在SPWM的調(diào)制規(guī)則下，該結(jié)構(gòu)電路的上管及下管交替互補導(dǎo)通，由其中點輸出經(jīng)SPWM調(diào)制的高頻脈沖，濾波后得到所需的正弦電壓。隨著單機的功率越來越大，所采用的功率電子開關(guān)的功率級別也越來越大。而功率越大的器件其導(dǎo)通及關(guān)斷的速度就越慢，所需的時間也就越來越長。因為半橋結(jié)構(gòu)的輸出電路在SPWM的調(diào)制規(guī)則下，其上管及下管是交替互補導(dǎo)通的，如果對控制信號不作處理，就用上述控制信號去控制半橋電路的上、下管，必然會由于上、下管開關(guān)速度的原因，造成上、下管有一段時間同時導(dǎo)通，其產(chǎn)生結(jié)果是輕則使開關(guān)管發(fā)熱嚴(yán)重整機效率低下，重則導(dǎo)致機內(nèi)高壓直流母線短路，大功率開關(guān)管燒毀。為確保半橋結(jié)構(gòu)的輸出電路的工作安全，確保半橋的上管及下管不同時導(dǎo)通，人們通常會在上、下管導(dǎo)通區(qū)之間插入一個死區(qū)，在死區(qū)中令上下管都不導(dǎo)通，從而保證該結(jié)構(gòu)電路的工作安全。僅從安全的角度看，插入的死區(qū)是十分有效的，插入的死區(qū)越大越安全，但死區(qū)的插入也帶來了某些負(fù)面的影響。當(dāng)工作頻率一定時，插入的死區(qū)越大，其輸出的波形失真就越大，這與要求高質(zhì)量的交流電源是相矛盾的。如何既確保電路工作安全，又使得輸出的波形失真最小，是逆變電源必須要解決的問題。一般情況下，死區(qū)的形成通過將由SPWM調(diào)制器輸出的控制信號脈沖，去掉前沿一塊來形成。且由于死區(qū)時間是因為功率管的開關(guān)速度不夠快，為保證功率管的工作安全而設(shè)置的，其時長是固定的。在原SPWM的控制信號脈沖上，等時長的減掉一塊，這就破壞了原控制脈沖信號所包含的信息，產(chǎn)生諧波失真也是必然的了。因為插入死區(qū)而帶來的不利結(jié)果，在某些數(shù)字調(diào)制方案的電路中，影響可能會更大一些，諸如那些對控制信號的相對位置要求更高的調(diào)制電路。在沒有補償?shù)臈l件下，以控制信號為模擬調(diào)制的SPWM的調(diào)制器為例，令逆變電路的直流母線工作電壓為正、負(fù)395V，工作頻率為12. 15kHZ，死區(qū)時間為2. 44μ S，輸出為4000W，其輸出電壓波形圖見圖4，由圖4可見其輸出電壓波形有明顯的失真，其輸出電壓總諧波失真(THD)圖見圖5，輸出電壓總諧波失真(THD)為2. 7%左右，其諧波頻譜圖見圖6。由以上圖可見，設(shè)置了死區(qū)后，輸出的電壓波形有了明顯的失真，高次諧波成分有所增加，且當(dāng)工作頻率不變時，死區(qū)越大失真就越大。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提出一種有源死區(qū)補償電路，在確保逆變器半橋結(jié)構(gòu)輸出電路的上下管工作安全的條件下，通過對死區(qū)進行補償，使得該電路的輸出諧波失真大為減小，令死區(qū)的設(shè)置與輸出波形的失真這對矛盾得到很好的解決。—種有源死區(qū)補償電路，其連接于基于半橋輸出電路的直流-交流逆變器中，該補償電路包括第一諧振電容C1、第二諧振電容C2和輔助諧振回路，所述第一、二諧振電容C1, C2分別并聯(lián)于半橋輸出電路的上、下管，所述輔助諧振回路的一端與半橋輸出電路的中點相連，另一端與半橋輸出電路的正、負(fù)電源的中點即地相連；半橋輸出電路的上管關(guān)斷時刻往前計時預(yù)定時段，利用半橋 輸出電路的上管及正電源對所述輔助諧振回路預(yù)儲能直到上管關(guān)斷，上管關(guān)斷后所述輔助諧振回路因預(yù)儲能產(chǎn)生的諧振電流同時對第一諧振電容C1充電和第二諧振電容C2放電,直到與半橋輸出電路的下管反向并聯(lián)的二極管導(dǎo)通；半橋輸出電路的下管關(guān)斷時刻往前計時預(yù)定時段，利用半橋輸出電路的下管及負(fù)電源對所述輔助諧振回路預(yù)儲能直到下管關(guān)斷，下管關(guān)斷后所述輔助諧振回路因預(yù)儲能產(chǎn)生的諧振電流同時對第二諧振電容C2充電和第一諧振電容C1放電，直到與半橋輸出電路的上管反向并聯(lián)的二極管導(dǎo)通。進一步地，所述輔助諧振回路包括依次串接的第一電子開關(guān)S3、第二電子開關(guān)S4和輔助諧振電感L1,第一電子開關(guān)S3與第二電子開關(guān)S4背靠背串接,第一電子開關(guān)S3和第二電子開關(guān)S4分別反向并聯(lián)一個二極管；第一電子開關(guān)S3與半橋輸出電路的正、負(fù)電源的中點即地相連，所述輔助諧振電感L1與半橋輸出電路的中點相連。進一步地，所述第一電子開關(guān)&和第二電子開關(guān)S4的開通時段大于預(yù)定時段和死區(qū)時段之和，以保證輔助諧振回路的諧振電流能夠回零。進一步地，還包括連接半橋輸出電路上、下管的控制信號輸入端的延時電路和連接所述輔助諧振回路的定時電路；所述延時電路將半橋輸出電路的控制信號延時預(yù)定時段后傳送給半橋輸出電路上、下管的控制信號輸入端，所述定時電路依據(jù)半橋輸出電路的控制信號計時控制所述輔助諧振回路的啟閉時間。進一步地，所述輔助諧振電感L1和預(yù)定時段相匹配使得在預(yù)儲能時間結(jié)束時，諧振電流應(yīng)達到半橋輸出電路所額定輸出交流電流峰值的I. I I. 3倍。本實用新型的技術(shù)效果體現(xiàn)在本實用新型橋輸出電路的上管關(guān)斷前，利用半橋輸出電路的上管及正電源對輔助諧振回路預(yù)儲能，上管關(guān)斷后預(yù)儲能產(chǎn)生的諧振電流同時對第一諧振電容C1充電和第二諧振電容C2放電；半橋輸出電路的下管關(guān)斷前，利用半橋輸出電路的下管及負(fù)電源對所述輔助諧振回路預(yù)儲能，預(yù)儲能產(chǎn)生的諧振電流同時對第二諧振電容C2充電和第一諧振電容C1放電，從而對死區(qū)進行了有效補償，使得逆變器的輸出諧波失真大為減小，令死區(qū)的設(shè)置與輸出波形的失真這對矛盾得到很好的解決。

圖I為本實用新型一種有源死區(qū)補償電路結(jié)構(gòu)示意圖；[0016]圖2為本實用新型一種有源死區(qū)補償電路的控制電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型一種有源死區(qū)補償電路控制及輸出波形示意圖；圖4為未加補償電路的半橋輸出電路輸出4000W時的輸出電壓波形圖；圖5為未加補償電路的半橋輸出電路輸出4000W時的輸出電壓總諧波失真(THD)圖；圖6為未加補償電路的半橋輸出電路輸出4000W時的輸出電壓諧波頻譜圖；圖7為加有補償電路的半橋輸出電路輸出4000W時的輸出電壓波形圖；圖8為加有補償電路的半橋輸出電路輸出4000W時的輸 出電壓總諧波失真(THD)圖；圖9為加有補償電路的半橋輸出電路輸出4000W時的輸出電壓諧波頻譜圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細(xì)的說明。圖I給出了本實用新型一個實施例，實施例中有源死區(qū)補償電路由諧振電容CpC2、輔助諧振回路及相應(yīng)的控制電路構(gòu)成。其諧振電容Cp C2分別并聯(lián)于半橋輸出電路的上、下管，輔助諧振回路由兩只反向并聯(lián)有二極管的背靠背的電子開關(guān)元件s3、S4及相連的輔助諧振電感L1構(gòu)成，輔助諧振回路一端與半橋電路的中點相連，另一端與該電路正、負(fù)電源的中點即地相連。如圖2所示，本實用新型的控制電路由兩個相同的時序電路構(gòu)成，該時序電路為將原控制半橋電路上管S1及下管S2的控制信號分別連接于一個延時T1的電路，延時T1的電路的輸出再去控制半橋電路上管S1及下管S2 ;同時將原控制信號反向后，分別去觸發(fā)一個定時T2的電路，定時T2的電路的輸出即為控制開關(guān)s3、s4的控制信號。本實用新型一種有源死區(qū)補償電路的控制電路輸出的控制信號的特征為在半橋電路上管S1控制信號關(guān)斷前一段時間T1，令與上管相關(guān)聯(lián)的輔助諧振回路控制元件S3開通，S3的開通時間為T2 ;同樣，在半橋電路下管S2控制信號關(guān)斷前一段時間T1，令與下管相關(guān)聯(lián)的輔助諧振回路控制元件S4開通，S4的開通時間為T2。T1為給輔助諧振回路諧振電感預(yù)儲能的時間，為取得較好的補償效果，其特征還在于輔助諧振電感的值應(yīng)與T1相配合，使得在預(yù)儲能時間結(jié)束時，該電感的電流應(yīng)達到該半橋電路所額定輸出的交流電流峰值的I. 2倍左右。T2的時間長度要求稍大于T1的時間長度加上死區(qū)的時間長度，以不影響輔助諧振回路的電感電流回零為原則。諧振電容Cp C2的確定A1=C2,并聯(lián)在一起的C1與C2與輔助諧振電感L1的諧振頻率的半周期的時長，應(yīng)為二分之一的T1的時長加上死區(qū)的時長和的O. 9倍至I. I倍之間。其工作過程為當(dāng)加入死區(qū)的SPWM上管控制信號控制半橋電路上管S1導(dǎo)通時，輸出電流的路徑為正電源-S1-L2-負(fù)載-地，在S1關(guān)斷前的一段時間T1，令與輔助諧振回路的相對應(yīng)的控制開關(guān)S3開通，開始對輔助諧振電感1^預(yù)儲能，此時的儲能電流的路徑為正電源-S1-L1-S3-地，當(dāng)上管S1關(guān)斷時輔助諧振電感的儲能過程完成。上管S1關(guān)斷后，流經(jīng)S1的電流都轉(zhuǎn)移到與之相并聯(lián)的諧振電容C1上。因為輸出濾波電感L2遠(yuǎn)大于輔助諧振電感L1，相對于L1;L2的電流在一個短的時間內(nèi)可以看成基本不變，因此諧振過程主要由L1及電容Cp C2完成。該諧振電流給C1充電，給C2放電，直到與半橋電路下管S2反向并聯(lián)的二極管導(dǎo)通然后下管S2導(dǎo)通，S3的關(guān)斷時間為輔助諧振電感電流回零后即可關(guān)斷。同理，當(dāng)加入死區(qū)的SPWM下管控制信號控制半橋電路下管S2導(dǎo)通時，輸出電流的路徑為地-負(fù)載-L2-S2-負(fù)電源，在S2關(guān)斷前的一段時間T1，令與輔助諧振回路的相對應(yīng)的控制開關(guān)S4開通，開始對輔助諧振電感L1預(yù)儲能，此時的儲能電流的路徑為地-S4-L1-S2-負(fù)電源，當(dāng)下管S2關(guān)斷時輔助諧振電感的儲能過程完成。下管S2關(guān)斷后，流經(jīng)S2的電流都轉(zhuǎn)移到與之相并聯(lián)的諧振電容C2上。因為輸出濾波電感L2遠(yuǎn)大于輔助諧振電感L1，相對于L1, L2的電流在一個短的時間內(nèi)可以看成基本不變，因此諧振過程主要由L1及電容Cp C2完成。該諧振電流給C2充電，給C1放電，直到與半橋電路上管S1反向并聯(lián)的二極管導(dǎo)通然后上管S1導(dǎo)通，S4的關(guān)斷時間為輔助諧振電感電流回零后即可關(guān)斷。由以上的敘述可見，當(dāng)半橋輸出電路的上開關(guān)管S1關(guān)斷的時刻，此刻為上管S1輸出的下降沿，同時此刻也可認(rèn)為是下管S2的上升沿，該上升沿的形 成是因S1的關(guān)斷及諧振回路的諧振形成的，與經(jīng)過死區(qū)時間后下管S2的導(dǎo)通無關(guān)；同樣，當(dāng)半橋電路的下開關(guān)管S2關(guān)斷的時刻，此刻為下管S2輸出的下降沿，同時此刻也可認(rèn)為是上管S1的上升沿，該上升沿的形成是因S2的關(guān)斷及諧振回路的諧振形成的，與經(jīng)過死區(qū)時間后上管S1的導(dǎo)通無關(guān)；其工作過程的波形圖請參見圖3，圖3中G1為上管S1的控制信號，G2為下管S2的控制信號，Vc為半橋輸出電路的中點輸出的波形，G3為輔助諧振回路控制元件S3的控制信號，G4為輔助諧振回路控制元件S4的控制信號，I (L1)為輔助諧振電感的諧振電流。結(jié)合圖3可以得出以下結(jié)論輸出波形的前后沿均是由控制波形的后沿產(chǎn)生的，與控制波形的前沿?zé)o關(guān)。當(dāng)忽略輸出波形上升沿或者下降沿時間影響的條件下，可以看成控制信號沒有死區(qū)。由此，為工作安全所設(shè)定的死區(qū)得到了很好的補償。在加入本實用新型有源死區(qū)補償電路后，仍以控制信號為模擬調(diào)制的SPWM的調(diào)制器為例，令逆變電路的直流母線工作電壓為正、負(fù)395V，工作頻率為12. 15kHZ，死區(qū)時間為2. 44μ S，輸出為4000W，電路的其它元器件參數(shù)均與前述未加補償?shù)南嗤Ｆ漭敵鲭妷翰ㄐ螆D見圖7，由圖7可見其輸出電壓波形已很好了，幾乎看不到失真現(xiàn)象；其輸出電壓總諧波失真(THD)圖見圖8，電壓總諧波失真(THD)僅為O. 5%左右，其諧波頻譜圖見圖9。由以上圖可見，雖設(shè)置了死區(qū)，由于增加了本實用新型一種有源死區(qū)補償電路，其輸出的電壓波形有了十分明顯提高，輸出電壓總諧波失真(THD)明顯地減小，加入死區(qū)的影響基本可以忽略不計，很好地解決了死區(qū)設(shè)置與輸出波形的失真這對矛盾。所述時序電路的具體實施方案為將原SPWM控制信號送入CMOS門電路D1' D2,使其輸出脈沖幅度為OV至5V，經(jīng)電阻R1X1及R2、C2構(gòu)成的一階電路后，將輸出的信號送入由集成電路K、N2、及2. 5V電壓基準(zhǔn)構(gòu)成的比較電路，比較電路的輸出即為延時了的原SPWM信號，延時時間T1由％、C1及R2、C2的時間常數(shù)決定。同時將原SPWM信號送入一個精密定時的單穩(wěn)態(tài)電路的反向觸發(fā)端，定時的脈寬為T2，單穩(wěn)態(tài)電路的輸出即為輔助諧振回路相關(guān)電子開關(guān)元件S3、S4的控制信號。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型技術(shù)原理的條件下，還可以作出若干改進及修飾，這些改進及修飾也應(yīng)該視為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種有源死區(qū)補償電路，其連接于基于半橋輸出電路的直流-交流逆變器中，其特征在于，該補償電路包括第一諧振電容(C1X第二諧振電容(C2)和輔助諧振回路，所述第一、二諧振電容(C1X2)分別并聯(lián)于半橋輸出電路的上、下管，所述輔助諧振回路的一端與半橋輸出電路的中點相連，另一端與半橋輸出電路的正、負(fù)電源的中點即地相連； 半橋輸出電路的上管關(guān)斷時刻往前計時預(yù)定時段，利用半橋輸出電路的上管及正電源對所述輔助諧振回路預(yù)儲能直到上管關(guān)斷，上管關(guān)斷后所述輔助諧振回路因預(yù)儲能產(chǎn)生的諧振電流同時對第一諧振電容(C1)充電和第二諧振電容(C2)放電,直到與半橋輸出電路的下管反向并聯(lián)的二極管導(dǎo)通；半橋輸出電路的下管關(guān)斷時刻往前計時預(yù)定時段，利用半橋輸出電路的下管及負(fù)電源對所述輔助諧振回路預(yù)儲能直到下管關(guān)斷，下管關(guān)斷后所述輔助諧振回路因預(yù)儲能產(chǎn)生的諧振電流同時對第二諧振電容(C2)充電和第一諧振電容(C1)放電，直到與半橋輸出電路的上管反向并聯(lián)的二極管導(dǎo)通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的有源死區(qū)補償電路，其特征在于，所述輔助諧振回路包括依次串接的第一電子開關(guān)(s3)、第二電子開關(guān)(S4)和輔助諧振電感化義第一電子開關(guān)(S3)與第二電子開關(guān)(S4)背靠背串接,第一電子開關(guān)(S3)和第二電子開關(guān)(S4)分別反向并聯(lián)一個二極管；第一電子開關(guān)(S3)與半橋輸出電路的正、負(fù)電源的中點即地相連，所述輔助諧振電感(L1)與半橋輸出電路的中點相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有源死區(qū)補償電路，其特征在于，所述第一電子開關(guān)(S3)和第二電子開關(guān)(S4)的開通時段大于預(yù)定時段和死區(qū)時段之和，以保證輔助諧振回路的諧振電流能夠回零。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的有源死區(qū)補償電路，其特征在于，還包括連接半橋輸出電路上、下管的控制信號輸入端的延時電路和連接所述輔助諧振回路的定時電路；所述延時電路將半橋輸出電路的控制信號延時預(yù)定時段后傳送給半橋輸出電路上、下管的控制信號輸入端，所述定時電路依據(jù)半橋輸出電路的控制信號計時控制所述輔助諧振回路的啟閉時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3或4所述的有源死區(qū)補償電路，其特征在于，所述輔助諧振電感(L1)和預(yù)定時段相匹配使得在預(yù)儲能時間結(jié)束時，諧振電流應(yīng)達到半橋輸出電路所額定輸出交流電流峰值的I. I I. 3倍。
專利摘要本實用新型提供了一種有源死區(qū)補償電路，其連接于基于半橋輸出電路的直流-交流逆變器中，該補償電路包括第一諧振電容C1、第二諧振電容C2和輔助諧振回路，所述第一、二諧振電容C1、C2分別并聯(lián)于半橋輸出電路的上、下管，所述輔助諧振回路的一端與半橋輸出電路的中點相連，另一端與半橋輸出電路的正、負(fù)電源的中點即地相連。本實用新型在確保逆變器半橋結(jié)構(gòu)輸出電路的上下管工作安全的條件下，通過對死區(qū)進行補償，使得該電路的輸出諧波失真大為減小，令死區(qū)的設(shè)置與輸出波形的失真這對矛盾得到很好的解決。
文檔編號H02M7/48GK202586795SQ20122023757
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者張黎明, 林杰 申請人:武漢永力電源技術(shù)有限公司