一种三电平逆变器的PWM驱动保护装置的制作方法

一种三电平逆变器的pwm驱动保护装置
技术领域
1.本实用新型涉及电子技术领域，提供了一种三电平逆变器的pwm驱动保护装置。


背景技术：

2.电力电子开关器件现已经被广泛应用于电力电子设备中，其中就三相桥式电力电子变流器的拓扑结构中，电力电子开关器件在开通关断过程中的电压应力问题不予过多考虑，但是随着电力电子设备的应用更广泛，在高电压，大功率场合，我们就需要设计更能适应这种环境的拓扑结构，比如多电平，级联等，目前主要有三种拓扑结构：级联h桥型、飞跨电容型和二极管钳位型。目前研究比较深入和比较常用的是三电平二极管钳位型。但若电压等级越高，串联的开关管数量越多，电平数也越多时，则其开关管的电压应力问题就越来越严重。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于解决三电平逆变器其开关管的电压应力问题。
4.本实用新型为了解决上述技术问题，采用以下技术手段：
5.一种三电平逆变器的pwm驱动保护装置，死区发生电路、与死区发生电路连接的第一多路选择开关，第一多路选择开关连接第二多路选择开关，第二多路选择开关连接开关管的驱动端，还包括与第一多路选择开关和第二多路选择开关连接的状态切换电路。
6.上述技术方案中，包括上升沿定时器，与上升沿定时器连接的第一比较器；
7.包括下降沿定时器，与下降沿定时器连接的第二比较器；
8.包括与第一比较器和第二比较器连接的组合逻辑电路。
9.上述技术方案中，死区发生电路以pwm输入为基准，输出对应于输入电压为正、输入电压过零和输出电压为负时的驱动波形。
10.死区发生电路以pwm输入为基准，产生共3组共12路相互互补的pwm信号，共包含两个定时器、6个比较器和组合逻辑电路。上升沿定时器由not rise3控制，主要完成trise的计数功能，下降沿定时器由not fall3控制，主要完成tfall的计数功能，当pwm＝1时，tfall清零，trise正常计数。tfall反之计数，trise清零。当rise3＝1(not rise3表示rise3取反)或者fall3＝1时，相应的定时器停止计数。上升沿定时器和下降沿定时器各自的计数结果通过各自的3个比较器生成rise1/2/3和fall1/2/3，trise的比较过程如下：trise＝0时，rise1/2/3＝0。trise＝t1时，rise1＝1；trise＝t1 t2时，rise2＝1；trise＝t1 t2 t1时，rise3＝1。tfall的比较过程与trise的比较过程是一样的，t1代表死区时间，t2代表s2/s3管之间的共通时间。rise1/2/3和fall1/2/3经过组合逻辑电路生成s1z/s1p/s1n、s2z/s2p/s2n、s3z/s3p/s3n、s4z/s4p/s4n这12路互补的pwm信号。
11.上述技术方案中，状态切换电路包括：逻辑电路、定时器、比较器、触发器，
12.状态切换时序发生器的输入为电压的极性信号和保护信号，输出为同步后的电压极性信号upnzvectorsyn以及各组驱动信号的切换时序控制信号volswitchrise1/2/3，它
主要由1个定时器、3个比较器和若干个触发器组成。逻辑电路主要是根据upnzvetor生成volswitch，生成的volswitch作为定时器的输入触发信号，定时器的输入使能端由比较器volswitchrise3输出控制，当比较器输出低电平时，定时器维持，定时器的输出为volswitchtrise，volswitchtrise作为比较器的输入，经过比较器后输出volswitchrise1/2/3，具体的比较过程如下：定时器的输出timer＝0时，3个比较器的输出为高电平。控制多路选择开关关闭s1和s4的触发脉冲，s2和s3的触发脉冲由pwm的状态和当前的电压极性决定；当timer＝t1时，volswitchrise1输出低电平，强制同时导通s2和s3管，让s1和s4管建立u
dc
电压；当timer＝t1 t2时，volswitchrise2输出低电平，控制d触发器更新电压矢量输出upnzvectorsyn，实现内管驱动的切换。timer＝t1 t2 t1时，volswitchrise3输出低电平，禁止定时器继续计数，同时接手新的外管驱动信号。
13.上述技术方案中，所述状态切换电路根据输入电压的电平输出电压极性信号upnzvectorsyn以及各组驱动信号的切换时序控制信号volswitchrise1/2/3。
14.上述技术方案中，第一多路选择开关根据状态切换电路的输出的电压极性信号upnzvectorsyn选择对应的驱动波形输出；
15.上述技术方案中，第二多路选择开关根据状态切换电路的输出的切换时序控制信号volswitchrise1/2/3选择输出对应的驱动信号。
16.因为本实用新型采用上述技术手段，因此具备以下有益效果：
17.本实用新型解决了三电平逆变器开关管应力问题，通过死区发生电路和状态切换发生器的结合保证有足够的死区时间，外管关断后，保证了内管有足够的共通时间，保证外管都建立均衡的电压。
附图说明
18.图1为二极管钳位三电平逆变器电路图；
19.图2为二极管钳位三电平逆变器a相开关管导通路径图，其中a、b、c、d、e、f分别为不同情况下的电流路径；
20.图3为三电平逆变器的等效电路图；
21.图4为三电平逆变器的开关波形；
22.图5为三电平逆变器开关信号逻辑导致内管电压应力超标问题演示图,上图：ch1为s1驱动，ch2为s2驱动，ch3为s3电压应力，ch4为s4驱动,下图：ch3为s3电压应力，ch4为电感电流；
23.图6为三电平逆变器的驱动保护电路框图；
24.图7为死区发生电路结构图；
25.图8为死区发生电路内各信号间的时序图；
26.图9为状态切换时序发生器；
27.图10为状态切换时序发生器内部信号逻辑关系图。
具体实施方式
28.为了让本领域技术人员更好的理解本实用新型的技术方案，现结合附图对本实用新型做进一步说明。
29.如图1所示为二极管钳位三电平逆变器电路图，从结构图中可以看到该三电平逆变器的直流侧由上下两个容值相同型号相同的电容串联而成，由此可以将直流侧电压分成三个电压等级，现将上下电容串联的中点定义为中性点n，图中与中性点相连的二极管就是钳位二极管。
30.图1中，vdc代表逆变器直流母线电压，c1和c2是直流侧上下电容，su1、su2是a相上桥臂的两个开关管，sd1、sd2是a相下桥臂的两个开关管，d1、d2是a相桥臂的两个钳位二极管。
31.下面以其中a相为例简要分析下该系统的工作原理：a相分上下两个桥臂，有四个开关管，可以组成16种开关状态，但是我们需要的只有三种开关状态即为su1、su2导通，sd1、sd2关断；su2、sd1导通，su1、sd2关断；sd1、sd2导通，su1、su2关断；以电流从逆变器流出为正，具体的电路情况见下表1
‑
1所示。其余两相的工作原理同a相一样分析。
32.表1
‑
1二极管钳位三电平逆变器a相的开关状态
[0033][0034]
说明：表中的开关状态1对应开关器件开通，0对应开关器件关断。
[0035]
图3所示为三电平逆变器的单相等效电路图。这种三电平逆变器每相使用了4个开关器件，用s1、s2、s3和s4表示。通过恰当地组合s1、s2、s3和s4的开关顺序，它能输出三种电平。
[0036]
通常情况下，三电平逆变器的4个开关管的驱动与电网电压极性有关，如图3所示。当输入电压u
a
为正电压时，s1和s3互补开关，s2导通，s4断开。当输入电压u
a
为负电压时，s2和s4互补开关，s1断开，s3导通。
[0037]
三电平逆变器具有效率高、开关频率高、体积小的优点。但是它对四个开关器件驱动的逻辑关系要求很高，否则很容易引起开关器件的电压应力超标。如图4所示。t1时刻s4关断，s1和s2关断，s3保持导通，s1和s2的电压均为u
dc
。t2时刻，s2导通，同时s3关断(由于驱动信号在驱动板上侧得的，应力是在器件两端测量的，所以应力问题驱动与应力之间存在一个约500ns的延时)。由于此时电感电流恰好等于0，s3和s4均分s2导通前的电压u
dc
，s1两端的电压始终保持为u
dc
。t3时刻，s1开始触发导通，u
dc
电压由s3和s4两个开关管共同承受。由于s3和s4的特性不一致，s3出现电压应力超标的问题。
[0038]
为了解决开关器件的应力问题，三电平逆变器的各个开关器件驱动信号之间必须遵守以下切换原则：
[0039]
(1)任何时刻保证先开通内管(s2/s3)，再开通外管(s1/s4)。
[0040]
(2)s1/s3之间必须互补，并留有足够的死区时间。
[0041]
(3)s2/s4之间必须互补，并留有足够的死区时间。
[0042]
(4)任何时刻保证先关断外管，后关断内管。
[0043]
(5)外管关断后，必须保证内管有足够的共通时间，以便外管都建立均衡的电压。
[0044]
图6所示是一种实用的三电平逆变装置的pwm驱动保护逻辑电路框图。图中，“pwm”为输入的pwm信号，upnzvector1/2为输入电压的极性，00代表输入电压为正，01输入电压为过零点，10为输入电压为负。protect为保护信号和关机信号。
[0045]
整个三电平逆变器的驱动保护电路总共分为两大功能模块：(1)死区发生电路模块。这个模块主要功能在于根据pwm信号输入，产生3组对应于正电压、过零点和负电压的驱动信号，并且保证各个驱动信号之间的死区满足要求。(2)状态切换模块。这个模块的主要功能是根据当前电压的极性选择一组恰当的驱动信号。当电压状态发生切换时，保证两个状态切换期间，驱动信号满足以下切换顺序：“先封锁外管驱动—死区时间—强制导通内管—接手新的内管驱动—死区—接手新的外管驱动”。并且以同样的时序完成逐波限流保护和开关机保护功能。死区发生电路
[0046]
死区发生电路以pwm输入为基准，产生共3组共12路相互互补的pwm信号，这3组互补的pwm信号分别对应于输入电压为正、输入电压过零和输出电压为负时的驱动波形。分别以p/z/n为后缀。例如，s
1p
代表输入电压为正时s1管的驱动信号。s
1z
代表输入电压过零点附近s1管的驱动信号。s
1n
代表输入电压为负时s1管的驱动信号，依次类推。
[0047]
死区发生电路共包含两个定时器、6个比较器和组合逻辑电路，如图7所示。图8中各个信号之间的时序图。图中，t1代表死区时间，t2代表s2/s3管之间的共通时间。
[0048]
由图8可知，pwm＝1时，tfall清零，trise正常计数。tfall反之计数，trise清零。当rise3＝1或者fall3＝1时，相应的定时器停止计数。
[0049]
trise＝0时，rise1/2/3＝0。trise＝t1时，rise1＝1；trise＝t1 t2时，rise2＝1；trise＝t1 t2 t1时，rise3＝1。tfall的比较过程与trise的比较过程是一样的。下表为所示是s1～s4的真值表。
[0050][0051]
表2
‑
5 s
1n
和s
3n
真值表，x代表无关项
[0052]
pwms
1n
s
3n
x01
[0053]
[0054][0055]
表2
‑
10 s
2n
和s
4n
真值表，x代表无关项
[0056]
pwms
2n
s
4n
x10
[0057]
状态切换时序发生器
[0058]
状态切换时序发生器的输入为电压的极性以及保护信号。它根据电压的极性和当前保护信号的状态选取死区发生电路的三组输出中的一组作为脉冲。并且保证每个状态之间切换时，各个开关管之间的驱动信号时序满足三电平逆变器驱动时序的基本原则。
[0059]
状态切换时序发生器的输入为电压的极性信号和保护信号，输出为同步后的电压极性信号upnzvectorsyn以及各组驱动信号的切换时序控制信号volswitchrise1/2/3。它主要有一个定时器、3个比较器和若干个触发器组成，如图9所示。
[0060]
在图9中，逻辑电路的功能为在upnzvector电平发生变化时产生一个宽度约为3个时钟周期的窄脉冲，用于清零定时器输出。
[0061]
定时器的输入使能端由比较器输出控制，当比较器输出低电平时，定时器维持。
[0062]
定时器的输出timer＝0时，3个比较器的输出为高电平。控制多路选择开关关闭s1和s4的触发脉冲，s2和s3的触发脉冲由pwm的状态和当前的电压极性决定。当timer＝t1时，volswitchrise1输出低电平，强制同时导通s2和s3管，让s1和s4管建立u
dc
电压。当timer＝t1 t2时，volswitchrise2输出低电平，控制d输出器更新电压矢量输出upnzvectorsyn，实现内管驱动的切换。timer＝t1 t2 t1时，volswitchrise3输出低电平，禁止定时器继续计数，同时接手新的外管驱动信号。从而保证在电压极性或者系统开关机过程中始终保证各管的驱动信号满足“先封锁外管驱动—死区时间—强制导通内管—接手新的内管驱动—死区—接手新的外管驱动”。
[0063]
状态切换时序发生器的内部信号逻辑如图10所示。
[0064]
多路选择开关阵列
[0065]
多路选择开关阵列的功能是根据状态切换时序发生器的输出选择恰当的触发脉冲用于控制三电平逆变器。
[0066]
多路选择开关阵列的逻辑表见下两表。
[0067]
表3
‑
1第一多路选择开关阵列逻辑表
[0068]
upnzvectorsyn2upnzvectorsyn1s1temps2temps3temps4temp00s1ps2ps3ps4p01s1zs2zs3zs4z
10s1ns2ns3ns4n110000
[0069]
表3
‑
2第二多路选择开关阵列逻辑表
[0070][0071]
表格中s1temp代表s1temp端的输出。