具有半橋自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間的變換器控制器、電路和方法
【專利摘要】本公開涉及用于控制采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的電力變換器的控制器、電路和方法。控制器的至少一個(gè)邏輯塊(13、15、16)被配置為清除被配置成控制半橋(1、2)中的其他電力半導(dǎo)體開關(guān)(2)的指令(4)，以便其他電力半導(dǎo)體開關(guān)(2)保持在非導(dǎo)通狀態(tài)，而反并聯(lián)二極管(6)允許電流(5)在一個(gè)方向上通過，稱為二極管的正向，同時(shí)在相反的方向上阻斷電流。如果在指令的狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間期間，二極管(6)而不是其他電力半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通，則后者的切換指令(4)被忽略?？刂破鬟€被配置為修改從電力半導(dǎo)體開關(guān)(3)切換到另一電力半導(dǎo)體開關(guān)(4)或反之亦然之間的死區(qū)時(shí)間間隔(T死區(qū))，以避免傳遞函數(shù)(25)中的不連續(xù)。
【專利說明】具有半橋自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間的變換器控制器、電路和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種用于電力變換器的控制器。更具體地，本公開涉及一種用于控制采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的電力變換器的控制器、電路和方法。
[0002]背景
[0003]本領(lǐng)域中，電力變換器通過脈沖寬度調(diào)制后(PWM，脈沖寬度調(diào)制)的電壓源逆變器驅(qū)動(dòng)向輸出端提供了可調(diào)的電壓和頻率。電力變換器可以被用于不間斷電源(UPS)、電動(dòng)機(jī)，等。PWM指令在電力變換器中被用于控制到電氣設(shè)備的電力，通過現(xiàn)代電子電力開關(guān)這變得切實(shí)可行。開關(guān)的占空比(導(dǎo)通-時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比率)被改變以實(shí)現(xiàn)當(dāng)求隨時(shí)間的平均值時(shí)的期望的平均輸出電壓、平均輸出電流等。
[0004]典型的電力變換器是開關(guān)電力變換器。它具有兩個(gè)或更多的電力半導(dǎo)體器件，例如電力半導(dǎo)體開關(guān)。電力半導(dǎo)體開關(guān)可以，例如，通過絕緣-柵雙極晶體管(IGBT)來實(shí)現(xiàn)。在正確或錯(cuò)誤的情況下，一個(gè)簡單的邏輯錯(cuò)誤一在錯(cuò)誤的時(shí)刻接通晶體管一可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障。當(dāng)由于所要求的PWM，晶體管的狀態(tài)必須改變時(shí)，導(dǎo)通的晶體管被關(guān)斷。然后，延遲(稱為死區(qū)時(shí)間)之后，另一個(gè)晶體管導(dǎo)通。該延遲被添加以確保沒有兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通的可能性。死區(qū)時(shí)間是必要的以防止開關(guān)電力變換器的電源的短路。
[0005]盡管死區(qū)時(shí)間短，但它導(dǎo)致了與所期望的輸出的偏離。該偏離導(dǎo)致降低的輸出電壓、畸變的機(jī)器電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在開關(guān)輸出級(jí)的死區(qū)時(shí)間還導(dǎo)致電力電路傳遞函數(shù)的非線性，其可能是難以清除的。
[0006]由于死區(qū)時(shí)間，也永不可能達(dá)到最大調(diào)制深度。PWM的最大實(shí)際占空比被電力變換器指令之間的死區(qū)時(shí)間限制。死區(qū)時(shí)間限制了電力變換器可以消耗在激活狀態(tài)的作為所考慮的總時(shí)間的一部分的時(shí)間。電力變換器對(duì)于最小允許指令脈沖的系統(tǒng)要求也限制了占空比。由于這些限制，電力變換器的容量沒有被充分利用。例如，具有15kHz的開關(guān)頻率、2μ S的死區(qū)時(shí)間和2μ S最小脈沖的逆變器可以達(dá)到最大調(diào)制深度的僅94%。損失理論上調(diào)制范圍的6%，其轉(zhuǎn)化為6%的效率損耗。這導(dǎo)致最大可達(dá)到的輸出電壓上的大部分損耗以及閉環(huán)系統(tǒng)中輸出電壓波形上的另外的負(fù)面影響，例如由于PWM指令的過早飽和。
[0007]—種已知的改善損耗和性能的解決方案已經(jīng)增加了 DC母線電壓以補(bǔ)償調(diào)制深度的損耗。然而，這增加了電力變換器系統(tǒng)的成本。本發(fā)明旨在克服如上所述的問題中的一個(gè)或多個(gè)。
[0008]發(fā)明概述
[0009]在一個(gè)方面，本公開涉及一種用于采用脈沖寬度調(diào)制的電力變換器的控制器。所述控制器包括配置為使所述控制器生成用于在導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)之間切換電力半導(dǎo)體開關(guān)的指令的至少一個(gè)控制模塊。所述控制器被配置為生成從所述電力半導(dǎo)體開關(guān)切換到另一個(gè)電力半導(dǎo)體開關(guān)之間的延遲時(shí)間間隔。所述控制器還被配置為清除被配置為控制所述電力半導(dǎo)體開關(guān)的指令以便所述電力半導(dǎo)體開關(guān)保持在非導(dǎo)通狀態(tài)?，F(xiàn)在二極管允許電流在一個(gè)方向上通過所述電力半導(dǎo)體開關(guān)，同時(shí)在相反的方向上阻斷電流。所述控制器還被配置為修改從所述電力半導(dǎo)體開關(guān)切換到所述另一電力半導(dǎo)體開關(guān)之間的所述延遲時(shí)間間隔。
[0010]在另一個(gè)方面，本公開涉及一種電路，該電路包括所述控制器，其中，至少一個(gè)電路塊包括至少一個(gè)邏輯模塊。
[0011]在另一個(gè)方面，本公開涉及用于控制采用脈寬調(diào)制的電力變換器的方法。所述方法包括生成用于在導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)之間切換電力半導(dǎo)體開關(guān)的指令。所述方法包括:生成從所述電力半導(dǎo)體開關(guān)切換到另一個(gè)電力半導(dǎo)體開關(guān)之間的延遲時(shí)間間隔。所述方法還包括清除被配置為控制所述電力半導(dǎo)體開關(guān)的指令以便所述電力半導(dǎo)體開關(guān)保持在打開狀態(tài)。所述方法仍然允許電流在一個(gè)方向上通過，同時(shí)在相反的方向上阻斷電流。所述方法還包括修改從所述電力半導(dǎo)體開關(guān)切換到所述另一個(gè)電力半導(dǎo)體開關(guān)之間的所述延遲時(shí)間間隔。
[0012]上述方面中的至少一個(gè)提供了針對(duì)【背景技術(shù)】中存在的問題和缺點(diǎn)的一種或多種解決方案。從下面的描述和權(quán)利要求書中，本公開的其他技術(shù)優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是明顯的。本申請的各種實(shí)施方式僅得到所闡述的優(yōu)點(diǎn)的子集。沒有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是各實(shí)施方式的關(guān)鍵。任何要求保護(hù)權(quán)利的實(shí)施方式可以在技術(shù)上與任何其它要求保護(hù)權(quán)利的實(shí)施方式相結(jié)合。
[0013]附圖簡述
[0014]附圖示例了本公開的典型實(shí)施方式，并且與上面給出的一般描述和下面給出的實(shí)施方式的詳細(xì)描述一起，借助實(shí)例，用于解釋本公開的原理。
[0015]圖1示出了電力變換器的電路圖，其中根據(jù)本公開的典型實(shí)施方式上部指令被驅(qū)動(dòng)；
[0016]圖2示出了在根據(jù)本公開的典型實(shí)施方式的死區(qū)時(shí)間期間，電力變換器的電路圖；
[0017]圖3示出了電力變換器控制器的電路圖，其中根據(jù)本公開的典型實(shí)施方式下部指令被驅(qū)動(dòng)；
[0018]圖4是根據(jù)本公開的典型實(shí)施方式，示出了用于電力變換器的控制器的操作的波形圖，其中死區(qū)時(shí)間被施加；
[0019]圖5示出了用于電力變換器的控制器的狀態(tài)圖，其中根據(jù)本公開的典型實(shí)施方式控制器清除電力半導(dǎo)體器件的指令。
[0020]圖6示出了用于電力變換器的控制器的狀態(tài)圖，其中根據(jù)本公開的典型實(shí)施方式，控制器清除電力半導(dǎo)體器件的指令并且可變的死區(qū)時(shí)間被施加；
[0021]圖7示出了根據(jù)本公開的典型實(shí)施方式的可變的死區(qū)時(shí)間的函數(shù)；
[0022]圖8示出了根據(jù)本公開的典型實(shí)施方式的用于電力變換器的控制器的方框圖；以及
[0023]圖9示出了根據(jù)本公開的典型實(shí)施方式的控制器的傳遞函數(shù)。
[0024]詳細(xì)描述
[0025]本公開的典型實(shí)施方式提供了用于控制電力變換器的控制器、電路和方法，該電力變換器采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)?？刂破靼ū慌渲贸墒箍刂破魃捎糜谠趯?dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)之間切換電力半導(dǎo)體開關(guān)的指令的一個(gè)或多個(gè)邏輯塊?？刂破鞅慌渲脼樯蓮碾娏Π雽?dǎo)體開關(guān)切換到另一個(gè)電力半導(dǎo)體開關(guān)之間的延遲時(shí)間間隔?？刂破鬟€被配置為清除被配置為控制電力半導(dǎo)體開關(guān)的指令以便電力半導(dǎo)體開關(guān)保持在非導(dǎo)通狀態(tài)。然而二極管允許電流在一個(gè)方向上通過電力半導(dǎo)體開關(guān)，稱為二極管的正向，同時(shí)在相反的方向上阻斷電流?？刂破鬟€被配置為修改從電力半導(dǎo)體開關(guān)切換到另一個(gè)電力半導(dǎo)體開關(guān)之間的時(shí)間間隔?？刂破髑宄涫遣贿m用的電力半導(dǎo)體指令，因?yàn)槎O管而不是電力半導(dǎo)體開關(guān)被使用以在指令的狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間期間傳導(dǎo)電流。從電力半導(dǎo)體開關(guān)切換到另一個(gè)電力半導(dǎo)體開關(guān)之間的時(shí)間間隔也被修改了。該時(shí)間間隔可以被消除或減少。因此，由于更好的控制，占空比和電力變換器的效率可以得到改善，因?yàn)榻档驼伎毡鹊牟槐匾乃绤^(qū)時(shí)間延遲可以被消減。
[0026]圖1示出了電力變換器的電路圖，其中根據(jù)本公開的典型實(shí)施方式上部指令被驅(qū)動(dòng)。圖1示例了采用PWM調(diào)制驅(qū)動(dòng)的電力變換器的操作。圖1假設(shè)在所有的切換周期期間電流保持為正。電力變換器包括兩個(gè)電力半導(dǎo)體開關(guān)1、2。電力半導(dǎo)體開關(guān)1、2可以是，例如，功率MOSFET或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。第一電力半導(dǎo)體開關(guān)I由上部指令3操作(并可以替代地被稱為上部電力半導(dǎo)體開關(guān))。第二電力半導(dǎo)體開關(guān)2由下部指令操作(并且可以替代地被稱為下部電力半導(dǎo)體開關(guān))。上部指令3處于激活狀態(tài)，即導(dǎo)通，其命令電力半導(dǎo)體開關(guān)I。電力半導(dǎo)體開關(guān)I被相應(yīng)地閉合并導(dǎo)通(處于激活狀態(tài))和傳導(dǎo)電流。電流流動(dòng)5由圖1中的虛線示出。下部指令4是關(guān)斷并且處于非-激活狀態(tài)。因此，電力半導(dǎo)體開關(guān)2打開并關(guān)斷(處于非-激活狀態(tài))且不傳導(dǎo)電流。
[0027]圖2示出了電力變換器的電路圖，其中根據(jù)本公開的典型實(shí)施方式死區(qū)時(shí)間是激活的。切換電力半導(dǎo)體開關(guān)1、2之間發(fā)生的時(shí)間延遲被稱為死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間是各狀態(tài)過渡之間所需要的:從上到下，以及從下到上。死區(qū)時(shí)間防止電力變換器的任何交叉導(dǎo)通，例如DC電壓的DC短路，其由兩個(gè)電力半導(dǎo)體開關(guān)1、2被同時(shí)閉合引起。該交叉導(dǎo)通可能導(dǎo)致IGBT橋的破壞。在圖2中，上部指令3是關(guān)斷的，使得電力半導(dǎo)體開關(guān)I打開。下部指令4是關(guān)斷的并且因此電力半導(dǎo)體開關(guān)2沒有被驅(qū)動(dòng)。因此，沒有死區(qū)時(shí)間的特定的指令。然而，電流只能流動(dòng)通過二極管6，如電流流動(dòng)5所示。二極管6可以是續(xù)流二極管或反激二極管。在控制器中，二極管6允許電流在一個(gè)方向上通過電力半導(dǎo)體開關(guān)2，其也可以稱為二極管的正向，同時(shí)在相反的方向上阻斷電流。電流可以流過二極管6，二極管6相對(duì)于電力半導(dǎo)體開關(guān)2是并聯(lián)耦合的。在切換周期期間當(dāng)該電流保持為正時(shí)該電流流動(dòng)。
[0028]圖3示出了電力變換器控制器的電路圖，其中根據(jù)本公開的典型實(shí)施方式下部指令4被驅(qū)動(dòng)。下部指令4處于激活狀態(tài)，即導(dǎo)通。電力半導(dǎo)體開關(guān)2，例如下部IGBT，被驅(qū)動(dòng)。開關(guān)2不能閉合。電流繼續(xù)流過二極管6并且電流路徑5與圖2的實(shí)例中的相同。當(dāng)清除用于不導(dǎo)通電流的電力半導(dǎo)體開關(guān)的指令時(shí)這個(gè)事實(shí)可以被利用。在圖3的實(shí)例中，上部指令3是關(guān)斷的以便電力半導(dǎo)體器件1，例如上部IGBT，是打開并且非-激活的。
[0029]參看圖4，其示出了示例了用于電力變換器的控制器的操作的波形圖，其中施加了死區(qū)時(shí)間。圖4示出了所期望的PWM波形7。所期望的PWM7示例了 PWM輸出，其被期望從電力控制器輸出?？刂破鹘邮誔WM請求7，以便控制電力變換器產(chǎn)生所要求的PWM電力輸出。上部指令3和下部指令4的狀態(tài)圖也被示出。死區(qū)時(shí)間8 (或者稱為死區(qū)時(shí)間的持續(xù)時(shí)間或從第一電力半導(dǎo)體開關(guān)切換到第二電力半導(dǎo)體開關(guān)且反之亦然之間的延遲的持續(xù)時(shí)間)被示出并且也可以被稱作最小脈沖9示例了最小允許脈沖它是電力半導(dǎo)體開關(guān)指令的最小持續(xù)時(shí)間并且代表了標(biāo)準(zhǔn)的安全措施來安全防范由于過短的脈沖而具有系統(tǒng)故障的電力半導(dǎo)體開關(guān)。切換周期10或1^&是在切換循環(huán)的周期。是當(dāng)電力變換器處于關(guān)斷或非-激活狀態(tài)時(shí)的實(shí)際持續(xù)時(shí)間。
[0030]根據(jù)示出了在電力變換器的三個(gè)可能的狀態(tài)(上部指令，下部指令和死區(qū)時(shí)間)下的電流流動(dòng)5的圖1、2和3，關(guān)斷時(shí)間的持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)于以下函數(shù):
[0〇31] T最小關(guān)斷=t最小脈沖+2 Xt死區(qū)時(shí)間
[0032]然后最大實(shí)際占空比(激活狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間與整個(gè)周期的比率)是:
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種用于采用脈沖寬度調(diào)制的電力變換器的控制器，包括:至少一個(gè)控制模塊，所述至少一個(gè)控制模塊被配置為使所述控制器: 生成用于在導(dǎo)通狀態(tài)和非導(dǎo)通狀態(tài)之間切換電力半導(dǎo)體開關(guān)的指令； 生成從所述電力半導(dǎo)體開關(guān)切換到另一電力半導(dǎo)體開關(guān)之間的延遲時(shí)間間隔； 清除被配置為控制所述電力半導(dǎo)體開關(guān)的所述指令以便所述電力半導(dǎo)體開關(guān)保持在所述非導(dǎo)通狀態(tài)，其中二極管允許電流在一個(gè)方向上通過所述電力半導(dǎo)體開關(guān)，同時(shí)在相反的方向上阻斷電流；以及 修改從所述電力半導(dǎo)體開關(guān)切換到所述另一電力半導(dǎo)體開關(guān)之間的所述延遲時(shí)間間隔。
2.如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述控制器被配置為清除所述延遲時(shí)間。
3.如任一前述權(quán)利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置為相對(duì)于接收到的所述延遲時(shí)間的指示修改所述延遲時(shí)間的持續(xù)時(shí)間。
4.如任一前述權(quán)利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置為相對(duì)于所要求的所述脈沖寬度調(diào)制修改所述延遲時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間。
5.如任一前述權(quán)利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置為相對(duì)于所要求的所述脈沖寬度調(diào)制的占空比修改所述延遲時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間。
6.如任一前述權(quán)利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置為相對(duì)于所述脈沖寬度調(diào)制處于關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)間修改所述延遲時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間。
7.如任一前述權(quán)利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置為相對(duì)于所述脈沖寬度調(diào)制處于導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間修改所述延遲時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間。
8.如任一前述權(quán)利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置為相對(duì)于函數(shù)修改所述延遲時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間。
9.如任一前述權(quán)利要求所述的控制器，其中所述函數(shù)包括在預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)的線性函數(shù)。
10.如任一前述權(quán)利要求所述的控制器，其中所述函數(shù)包括在預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)的恒定值。
11.如任一前述權(quán)利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置為控制所述另一電力半導(dǎo)體開關(guān)以便所述電力半導(dǎo)體開關(guān)生成相對(duì)于所述指令的脈沖寬度調(diào)制。
12.如任一前述權(quán)利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置為接收用于控制所述另一電力半導(dǎo)體開關(guān)的脈沖寬度調(diào)制指令。
13.如任一前述權(quán)利要求所述的控制器，其中所述二極管與所述電力半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)耦合。
14.如任一前述權(quán)利要求所述的控制器，包括電流電平控制器，所述電流電平控制器被配置為檢測電流是否超過閾值并且向所述控制器發(fā)送用于清除所述指令的允許消息。
15.一種電路，包括根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的控制器，其中至少一個(gè)電路塊包括所述至少一個(gè)邏輯模塊。
16.一種用于控制采用脈沖寬度調(diào)制的電力變換器的方法，包括: 生成用于在導(dǎo)通狀態(tài)和非導(dǎo)通狀態(tài)之間切換電力半導(dǎo)體開關(guān)的指令； 生成從所述電力半導(dǎo)體開關(guān)切換到另一電力半導(dǎo)體開關(guān)之間的延遲時(shí)間間隔；清除被配置為控制所述電力半導(dǎo)體開關(guān)的指令以便所述電力半導(dǎo)體開關(guān)保持在打開狀態(tài)并且仍然允許電流在一個(gè)方向上通過，同時(shí)在相反的方向上阻斷電流；以及 修改從所述電力半導(dǎo) 體開關(guān)切換到所述另一電力半導(dǎo)體開關(guān)之間的所述延遲時(shí)間間隔。
【文檔編號(hào)】H02M1/38GK104040857SQ201280065941
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月5日
【發(fā)明者】丹尼爾·羅贊德, 帕特里克·尚邦, 斯特凡諾·德塞薩瑞斯 申請人:美國能量變換公司