具有半桥自适应死区时间的变换器控制器、电路和方法
【专利摘要】本公开涉及用于控制采用脉冲宽度调制(PWM)的电力变换器的控制器、电路和方法。控制器的至少一个逻辑块(13、15、16)被配置为清除被配置成控制半桥(1、2)中的其他电力半导体开关(2)的指令(4)，以便其他电力半导体开关(2)保持在非导通状态，而反并联二极管(6)允许电流(5)在一个方向上通过，称为二极管的正向，同时在相反的方向上阻断电流。如果在指令的状态的持续时间期间，二极管(6)而不是其他电力半导体开关导通，则后者的切换指令(4)被忽略。控制器还被配置为修改从电力半导体开关(3)切换到另一电力半导体开关(4)或反之亦然之间的死区时间间隔(T死区)，以避免传递函数(25)中的不连续。
【专利说明】具有半桥自适应死区时间的变换器控制器、电路和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及一种用于电力变换器的控制器。更具体地，本公开涉及一种用于控制采用脉冲宽度调制(PWM)的电力变换器的控制器、电路和方法。
[0002]背景
[0003]本领域中，电力变换器通过脉冲宽度调制后(PWM，脉冲宽度调制)的电压源逆变器驱动向输出端提供了可调的电压和频率。电力变换器可以被用于不间断电源(UPS)、电动机，等。PWM指令在电力变换器中被用于控制到电气设备的电力，通过现代电子电力开关这变得切实可行。开关的占空比(导通-时间与整个周期时间的比率)被改变以实现当求随时间的平均值时的期望的平均输出电压、平均输出电流等。
[0004]典型的电力变换器是开关电力变换器。它具有两个或更多的电力半导体器件，例如电力半导体开关。电力半导体开关可以，例如，通过绝缘-栅双极晶体管(IGBT)来实现。在正确或错误的情况下，一个简单的逻辑错误一在错误的时刻接通晶体管一可能导致灾难性故障。当由于所要求的PWM，晶体管的状态必须改变时，导通的晶体管被关断。然后，延迟(称为死区时间)之后，另一个晶体管导通。该延迟被添加以确保没有两个晶体管同时导通的可能性。死区时间是必要的以防止开关电力变换器的电源的短路。
[0005]尽管死区时间短，但它导致了与所期望的输出的偏离。该偏离导致降低的输出电压、畸变的机器电流和转矩脉动。在开关输出级的死区时间还导致电力电路传递函数的非线性，其可能是难以清除的。
[0006]由于死区时间，也永不可能达到最大调制深度。PWM的最大实际占空比被电力变换器指令之间的死区时间限制。死区时间限制了电力变换器可以消耗在激活状态的作为所考虑的总时间的一部分的时间。电力变换器对于最小允许指令脉冲的系统要求也限制了占空比。由于这些限制，电力变换器的容量没有被充分利用。例如，具有15kHz的开关频率、2μ S的死区时间和2μ S最小脉冲的逆变器可以达到最大调制深度的仅94%。损失理论上调制范围的6%，其转化为6%的效率损耗。这导致最大可达到的输出电压上的大部分损耗以及闭环系统中输出电压波形上的另外的负面影响，例如由于PWM指令的过早饱和。
[0007]—种已知的改善损耗和性能的解决方案已经增加了 DC母线电压以补偿调制深度的损耗。然而，这增加了电力变换器系统的成本。本发明旨在克服如上所述的问题中的一个或多个。
[0008]发明概述
[0009]在一个方面，本公开涉及一种用于采用脉冲宽度调制的电力变换器的控制器。所述控制器包括配置为使所述控制器生成用于在导通和非导通状态之间切换电力半导体开关的指令的至少一个控制模块。所述控制器被配置为生成从所述电力半导体开关切换到另一个电力半导体开关之间的延迟时间间隔。所述控制器还被配置为清除被配置为控制所述电力半导体开关的指令以便所述电力半导体开关保持在非导通状态。现在二极管允许电流在一个方向上通过所述电力半导体开关，同时在相反的方向上阻断电流。所述控制器还被配置为修改从所述电力半导体开关切换到所述另一电力半导体开关之间的所述延迟时间间隔。
[0010]在另一个方面，本公开涉及一种电路，该电路包括所述控制器，其中，至少一个电路块包括至少一个逻辑模块。
[0011]在另一个方面，本公开涉及用于控制采用脉宽调制的电力变换器的方法。所述方法包括生成用于在导通和非导通状态之间切换电力半导体开关的指令。所述方法包括:生成从所述电力半导体开关切换到另一个电力半导体开关之间的延迟时间间隔。所述方法还包括清除被配置为控制所述电力半导体开关的指令以便所述电力半导体开关保持在打开状态。所述方法仍然允许电流在一个方向上通过，同时在相反的方向上阻断电流。所述方法还包括修改从所述电力半导体开关切换到所述另一个电力半导体开关之间的所述延迟时间间隔。
[0012]上述方面中的至少一个提供了针对【背景技术】中存在的问题和缺点的一种或多种解决方案。从下面的描述和权利要求书中，本公开的其他技术优点对本领域的技术人员将是明显的。本申请的各种实施方式仅得到所阐述的优点的子集。没有一个优点是各实施方式的关键。任何要求保护权利的实施方式可以在技术上与任何其它要求保护权利的实施方式相结合。
[0013]附图简述
[0014]附图示例了本公开的典型实施方式，并且与上面给出的一般描述和下面给出的实施方式的详细描述一起，借助实例，用于解释本公开的原理。
[0015]图1示出了电力变换器的电路图，其中根据本公开的典型实施方式上部指令被驱动；
[0016]图2示出了在根据本公开的典型实施方式的死区时间期间，电力变换器的电路图；
[0017]图3示出了电力变换器控制器的电路图，其中根据本公开的典型实施方式下部指令被驱动；
[0018]图4是根据本公开的典型实施方式，示出了用于电力变换器的控制器的操作的波形图，其中死区时间被施加；
[0019]图5示出了用于电力变换器的控制器的状态图，其中根据本公开的典型实施方式控制器清除电力半导体器件的指令。
[0020]图6示出了用于电力变换器的控制器的状态图，其中根据本公开的典型实施方式，控制器清除电力半导体器件的指令并且可变的死区时间被施加；
[0021]图7示出了根据本公开的典型实施方式的可变的死区时间的函数；
[0022]图8示出了根据本公开的典型实施方式的用于电力变换器的控制器的方框图；以及
[0023]图9示出了根据本公开的典型实施方式的控制器的传递函数。
[0024]详细描述
[0025]本公开的典型实施方式提供了用于控制电力变换器的控制器、电路和方法，该电力变换器采用脉冲宽度调制(PWM)。控制器包括被配置成使控制器生成用于在导通和非导通状态之间切换电力半导体开关的指令的一个或多个逻辑块。控制器被配置为生成从电力半导体开关切换到另一个电力半导体开关之间的延迟时间间隔。控制器还被配置为清除被配置为控制电力半导体开关的指令以便电力半导体开关保持在非导通状态。然而二极管允许电流在一个方向上通过电力半导体开关，称为二极管的正向，同时在相反的方向上阻断电流。控制器还被配置为修改从电力半导体开关切换到另一个电力半导体开关之间的时间间隔。控制器清除其是不适用的电力半导体指令，因为二极管而不是电力半导体开关被使用以在指令的状态的持续时间期间传导电流。从电力半导体开关切换到另一个电力半导体开关之间的时间间隔也被修改了。该时间间隔可以被消除或减少。因此，由于更好的控制，占空比和电力变换器的效率可以得到改善，因为降低占空比的不必要的死区时间延迟可以被消减。
[0026]图1示出了电力变换器的电路图，其中根据本公开的典型实施方式上部指令被驱动。图1示例了采用PWM调制驱动的电力变换器的操作。图1假设在所有的切换周期期间电流保持为正。电力变换器包括两个电力半导体开关1、2。电力半导体开关1、2可以是，例如，功率MOSFET或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。第一电力半导体开关I由上部指令3操作(并可以替代地被称为上部电力半导体开关)。第二电力半导体开关2由下部指令操作(并且可以替代地被称为下部电力半导体开关)。上部指令3处于激活状态，即导通，其命令电力半导体开关I。电力半导体开关I被相应地闭合并导通(处于激活状态)和传导电流。电流流动5由图1中的虚线示出。下部指令4是关断并且处于非-激活状态。因此，电力半导体开关2打开并关断(处于非-激活状态)且不传导电流。
[0027]图2示出了电力变换器的电路图，其中根据本公开的典型实施方式死区时间是激活的。切换电力半导体开关1、2之间发生的时间延迟被称为死区时间。死区时间是各状态过渡之间所需要的:从上到下，以及从下到上。死区时间防止电力变换器的任何交叉导通，例如DC电压的DC短路，其由两个电力半导体开关1、2被同时闭合引起。该交叉导通可能导致IGBT桥的破坏。在图2中，上部指令3是关断的，使得电力半导体开关I打开。下部指令4是关断的并且因此电力半导体开关2没有被驱动。因此，没有死区时间的特定的指令。然而，电流只能流动通过二极管6，如电流流动5所示。二极管6可以是续流二极管或反激二极管。在控制器中，二极管6允许电流在一个方向上通过电力半导体开关2，其也可以称为二极管的正向，同时在相反的方向上阻断电流。电流可以流过二极管6，二极管6相对于电力半导体开关2是并联耦合的。在切换周期期间当该电流保持为正时该电流流动。
[0028]图3示出了电力变换器控制器的电路图，其中根据本公开的典型实施方式下部指令4被驱动。下部指令4处于激活状态，即导通。电力半导体开关2，例如下部IGBT，被驱动。开关2不能闭合。电流继续流过二极管6并且电流路径5与图2的实例中的相同。当清除用于不导通电流的电力半导体开关的指令时这个事实可以被利用。在图3的实例中，上部指令3是关断的以便电力半导体器件1，例如上部IGBT，是打开并且非-激活的。
[0029]参看图4，其示出了示例了用于电力变换器的控制器的操作的波形图，其中施加了死区时间。图4示出了所期望的PWM波形7。所期望的PWM7示例了 PWM输出，其被期望从电力控制器输出。控制器接收PWM请求7，以便控制电力变换器产生所要求的PWM电力输出。上部指令3和下部指令4的状态图也被示出。死区时间8 (或者称为死区时间的持续时间或从第一电力半导体开关切换到第二电力半导体开关且反之亦然之间的延迟的持续时间)被示出并且也可以被称作最小脉冲9示例了最小允许脉冲它是电力半导体开关指令的最小持续时间并且代表了标准的安全措施来安全防范由于过短的脉冲而具有系统故障的电力半导体开关。切换周期10或1^&是在切换循环的周期。是当电力变换器处于关断或非-激活状态时的实际持续时间。
[0030]根据示出了在电力变换器的三个可能的状态(上部指令，下部指令和死区时间)下的电流流动5的图1、2和3，关断时间的持续时间对应于以下函数:
[0〇31] T最小关断=t最小脉冲+2 Xt死区时间
[0032]然后最大实际占空比(激活状态的持续时间与整个周期的比率)是:
[0033]
【权利要求】
1.一种用于采用脉冲宽度调制的电力变换器的控制器，包括:至少一个控制模块，所述至少一个控制模块被配置为使所述控制器: 生成用于在导通状态和非导通状态之间切换电力半导体开关的指令； 生成从所述电力半导体开关切换到另一电力半导体开关之间的延迟时间间隔； 清除被配置为控制所述电力半导体开关的所述指令以便所述电力半导体开关保持在所述非导通状态，其中二极管允许电流在一个方向上通过所述电力半导体开关，同时在相反的方向上阻断电流；以及 修改从所述电力半导体开关切换到所述另一电力半导体开关之间的所述延迟时间间隔。
2.如权利要求1所述的控制器，其中所述控制器被配置为清除所述延迟时间。
3.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置为相对于接收到的所述延迟时间的指示修改所述延迟时间的持续时间。
4.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置为相对于所要求的所述脉冲宽度调制修改所述延迟时间间隔的持续时间。
5.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置为相对于所要求的所述脉冲宽度调制的占空比修改所述延迟时间间隔的持续时间。
6.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置为相对于所述脉冲宽度调制处于关断状态的时间修改所述延迟时间间隔的持续时间。
7.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置为相对于所述脉冲宽度调制处于导通状态的时间修改所述延迟时间间隔的持续时间。
8.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置为相对于函数修改所述延迟时间间隔的持续时间。
9.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述函数包括在预定时间间隔内的线性函数。
10.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述函数包括在预定时间间隔内的恒定值。
11.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置为控制所述另一电力半导体开关以便所述电力半导体开关生成相对于所述指令的脉冲宽度调制。
12.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述控制器被配置为接收用于控制所述另一电力半导体开关的脉冲宽度调制指令。
13.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述二极管与所述电力半导体开关并联耦合。
14.如任一前述权利要求所述的控制器，包括电流电平控制器，所述电流电平控制器被配置为检测电流是否超过阈值并且向所述控制器发送用于清除所述指令的允许消息。
15.一种电路，包括根据任一前述权利要求所述的控制器，其中至少一个电路块包括所述至少一个逻辑模块。
16.一种用于控制采用脉冲宽度调制的电力变换器的方法，包括: 生成用于在导通状态和非导通状态之间切换电力半导体开关的指令； 生成从所述电力半导体开关切换到另一电力半导体开关之间的延迟时间间隔；清除被配置为控制所述电力半导体开关的指令以便所述电力半导体开关保持在打开状态并且仍然允许电流在一个方向上通过，同时在相反的方向上阻断电流；以及 修改从所述电力半导 体开关切换到所述另一电力半导体开关之间的所述延迟时间间隔。
【文档编号】H02M1/38GK104040857SQ201280065941
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年1月5日 优先权日:2012年1月5日
【发明者】丹尼尔·罗赞德, 帕特里克·尚邦, 斯特凡诺·德塞萨瑞斯 申请人:美国能量变换公司