多重化斬波器輸入控制電路的制作方法
【專利摘要】一種多重化斬波器輸入控制電路，利用數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器實(shí)現(xiàn)多重化的PWM控制，將兩個(gè)以上數(shù)目的IGBT模塊的開關(guān)過程疊加到斬波器中的電抗器上，IGBT的工作頻率無須提高，而電抗器的工作頻率得到大幅提高，從而可以實(shí)現(xiàn)高壓大功率BUKE斬波器的電抗器的高頻化，設(shè)備噪聲低的同時(shí)，IGBT可以工作在低頻狀態(tài)下，很好解決了目前高壓IGBT的高頻運(yùn)行時(shí)發(fā)熱的問題。本發(fā)明利用現(xiàn)場可編程門陣列元件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，配置靈活，升級簡單，可以將電抗器的工作頻率提升到MHz級別。此外，電抗器工作頻率的高頻化可以減少斬波電抗器的體積，減少輸出電流的紋波。
【專利說明】多重化斬波器輸入控制電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明涉及電學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及將直流信號轉(zhuǎn)換成交流信號的技術(shù)，特別是一種多重化斬波器輸入控制電路。

【背景技術(shù)】
:
[0002]BUKE斬波器(以下簡稱斬波器)由于電路構(gòu)成簡單，成本較低，系統(tǒng)效率高而得到廣泛的使用。但是，在大功率和高電壓使用的工況下，往往要求采用高壓(1700V以上)、大電流IGBT模塊，而高壓大功率IGBT無法實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，IGBT生產(chǎn)商推薦的開關(guān)頻率在2KHz左右。實(shí)驗(yàn)表明，在高開關(guān)頻率(大于16KHz)的工作條件下，采用英飛凌的FF1400R17IP4作為開關(guān)管，在輸入電壓為1150VDC，輸出電壓為750VDC，輸出電流為100A，散熱器為50°C的情況下，IGBT晶片的溫度是超過了極限運(yùn)行溫度。可見，影響IGBT的溫升的主要技術(shù)指標(biāo)是IGBT工作的開關(guān)頻率。如果將IGBT的開關(guān)頻率降低到2KHz，輸出負(fù)載電流為800A時(shí)，IGBT的晶片溫度也在極限的工作范圍。但是，斬波器工作在2KHz-12KHz的頻率時(shí)，電抗器的噪聲很高。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種多重化斬波器輸入控制電路，所述的這種多重化斬波器輸入控制電路要解決現(xiàn)有技術(shù)中斬波器工作在2KHz?12KHz的頻率時(shí)電抗器的噪聲較高的技術(shù)問題。
[0004]本發(fā)明的這種多重化斬波器輸入控制電路，包括直流正極輸入端、直流負(fù)極輸入端、直流正極輸出端、直流負(fù)極輸出端、一個(gè)數(shù)字信號處理器和一個(gè)現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器，其中，所述的直流負(fù)極輸入端與所述的直流負(fù)極輸出端直接連接，所述的直流正極輸入端與直流負(fù)極輸入端之間連接有一個(gè)第一電容器，所述的直流正極輸出端與直流負(fù)極輸出端之間連接有一個(gè)第二電容器，直流正極輸入端與直流正極輸出端之間設(shè)置有一個(gè)第一電流傳感器、一個(gè)電感器和一個(gè)第二電流傳感器，所述的第一電流傳感器的輸入端與直流正極輸入端連接，第一電流傳感器的輸出端與一個(gè)第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的集電極連接，所述的第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的發(fā)射極與所述的電感器的輸入端連接，電感器的輸出端與所述的第二電流傳感器的輸入端連接，第二電流傳感器的輸出端與直流正極輸出端連接，第一電流傳感器的輸出端與直流負(fù)極輸入端之間連接有一個(gè)第一電壓傳感器，電感器的輸入端與一個(gè)第一二極管的負(fù)極連接，所述的第一二極管的正極與直流負(fù)極輸入端連接，第二電流傳感器的輸出端與直流負(fù)極輸出端之間連接有一個(gè)第二電壓傳感器，直流正極輸入端與至少一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的集電極連接，任意一個(gè)所述的第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的發(fā)射極均與電感器的輸入端連接，任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的發(fā)射極均各自與一個(gè)第二二極管的負(fù)極連接，任意一個(gè)所述的第二二極管的正極均各自與直流負(fù)極輸入端連接，所述的數(shù)字信號處理器與所述的現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器通過脈沖寬度調(diào)制控制信號線連接，現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器包括有兩個(gè)以上數(shù)目的脈沖信號輸出端，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的柵極和任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的柵極均各自通過一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)器各自與一個(gè)所述的脈沖信號輸出端連接，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的集電極和任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的集電極均各自與一個(gè)高壓快恢復(fù)二極管的負(fù)極連接，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的發(fā)射極和任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的發(fā)射極均各自與所述的高壓快恢復(fù)二極管的正極連接。
[0005]進(jìn)一步的，直流正極輸出端和直流負(fù)極輸出端與一個(gè)斬波器的輸入端連接，所述的斬波器中包括有一個(gè)電抗器，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊和任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊均采用同一工作頻率，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊和第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的數(shù)目之和等于所述的電抗器的工作頻率除以第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊或者任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的工作頻率。
[0006]進(jìn)一步的，第一二極管和任意一個(gè)第二二極管均采用高壓快恢復(fù)二極管。
[0007]進(jìn)一步的，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊和第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊輪流導(dǎo)通，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊和任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的最大導(dǎo)通時(shí)間均等于電抗器的工作周期。
[0008]本發(fā)明的工作原理是:本發(fā)明利用數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器實(shí)現(xiàn)多重化的PWM控制，將兩個(gè)以上數(shù)目的IGBT(即絕緣柵雙極型晶體管)模塊的開關(guān)過程疊加到斬波器中的電抗器上，IGBT的工作頻率無須提高，而電抗器的工作頻率得到大幅提高。多個(gè)IGBT模塊采用并聯(lián)方式工作，IGBT模塊的數(shù)目由所選擇的IGBT允許工作的開關(guān)頻率和要求電抗器的工作頻率決定。例如，要求電抗器工作在16KHz，每個(gè)IGBT允許工作在2KHz，則IGBT的并聯(lián)單元數(shù)為16 + 2 = 8。每個(gè)PWM信號的占空比由數(shù)字信號處理器產(chǎn)生，PWM的頻率與電抗器L的工作頻率相等；而脈沖的分配由現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器來實(shí)現(xiàn)。
[0009]本發(fā)明和已有技術(shù)相比較，其效果是積極和明顯的。本發(fā)明利用數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器實(shí)現(xiàn)多重化的PWM控制，將兩個(gè)以上數(shù)目的IGBT模塊的開關(guān)過程疊加到斬波器中的電抗器上，IGBT的工作頻率無須提高，而電抗器的工作頻率得到大幅提高，從而可以實(shí)現(xiàn)高壓大功率BUKE斬波器的電抗器的高頻化，設(shè)備噪聲低的同時(shí)，IGBT可以工作在低頻狀態(tài)下，很好解決了目前高壓IGBT的高頻運(yùn)行時(shí)發(fā)熱的問題。本發(fā)明利用現(xiàn)場可編程門陣列元件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，配置靈活，升級簡單，可以將電抗器的工作頻率提升到MHz級別。此外，電抗器工作頻率的高頻化可以減少斬波電抗器的體積，減少輸出電流的紋波。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的多重化斬波器輸入控制電路中的主電路的示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明的多重化斬波器輸入控制電路中信號流程示意圖。
[0012]圖3是本發(fā)明的多重化斬波器輸入控制電路的一個(gè)實(shí)施例中的時(shí)序邏輯圖。
[0013]圖4是本發(fā)明的多重化斬波器輸入控制電路的一個(gè)實(shí)施例中的另一個(gè)時(shí)序邏輯圖?！揪唧w實(shí)施方式】:
[0014]實(shí)施例1:
[0015]如圖1和圖2所示，本發(fā)明的多重化斬波器輸入控制電路，包括直流正極輸入端
10、直流負(fù)極輸入端20、直流正極輸出端30、直流負(fù)極輸出端40、一個(gè)數(shù)字信號處理器100和一個(gè)現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器200，其中，直流負(fù)極輸入端20與直流負(fù)極輸出端40直接連接，直流正極輸入端10與直流負(fù)極輸入端20之間連接有一個(gè)第一電容器Cl，直流正極輸出端30與直流負(fù)極輸出端40之間連接有一個(gè)第二電容器C2，直流正極輸入端10與直流正極輸出端30之間設(shè)置有一個(gè)第一電流傳感器SC1、一個(gè)電感器LI和一個(gè)第二電流傳感器SC2，第一電流傳感器SCl的輸入端與直流正極輸入端10連接，第一電流傳感器SCl的輸出端與一個(gè)第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tl的集電極連接，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tl的發(fā)射極與電感器LI的輸入端連接，電感器LI的輸出端與第二電流傳感器SC2的輸入端連接，第二電流傳感器SC2的輸出端與直流正極輸出端30連接，第一電流傳感器SCl的輸出端與直流負(fù)極輸入端20之間連接有一個(gè)第一電壓傳感器SVl，電感器LI的輸入端與一個(gè)第一二極管Dl的負(fù)極連接，第一二極管Dl的正極與直流負(fù)極輸入端20連接，第二電流傳感器SC2的輸出端與直流負(fù)極輸出端40之間連接有一個(gè)第二電壓傳感器SV2，直流正極輸入端10與一個(gè)單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T2、一個(gè)單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T3........—個(gè)單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tn的集電極連接，單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T2、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T3........單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tn的發(fā)射極均與電感器LI的輸入端連接，單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T2、
單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T3........單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tn的發(fā)射極各自與一個(gè)二極管D2、一個(gè)二極管D3、......、一個(gè)二極管Dn的負(fù)極連接，二極管D2、二極管
D3........二極管Dn的正極均各自與直流負(fù)極輸入端20連接，數(shù)字信號處理器100與現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器200通過脈沖寬度調(diào)制控制信號線連接，現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器200包括有兩個(gè)以上數(shù)目的脈沖信號輸出端，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊
Tl、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T2、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T3........單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tn的柵極均各自通過一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)器300各自與一個(gè)所述的脈沖信號輸出端連接，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tl、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T2、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T3........單管絕緣柵雙極型晶體管模塊
Tn的集電極均各自與一個(gè)高壓快恢復(fù)二極管的負(fù)極連接，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tl、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T2、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T3........單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tn的的發(fā)射極均各自與所述的高壓快恢復(fù)二極管的正極連接。
[0016]進(jìn)一步的，直流正極輸出端30和直流負(fù)極輸出端40與一個(gè)斬波器(圖中未示)的輸入端連接，斬波器中包括有一個(gè)電抗器，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tl、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T2、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T3........單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tn均采用同一工作頻率，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tl、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T2、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T3........單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tn的數(shù)目之和即η等于電抗器的工作頻率除以第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tl或者任意一個(gè)單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的工作頻率。
[0017]進(jìn)一步的，第一二極管Dl/二極管D2、二極管D3、......、二極管Dn采用高壓快恢復(fù)二極管。
[0018]進(jìn)一步的，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tl、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊
T2、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T3........單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tn輪流導(dǎo)通，
第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tl、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T2、單管絕緣柵雙極型晶體管模塊T3........單管絕緣柵雙極型晶體管模塊Tn的最大導(dǎo)通時(shí)間均等于電抗器的工作周期。
[0019]本發(fā)明的工作原理是:本發(fā)明利用數(shù)字信號處理器100和現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器200實(shí)現(xiàn)多重化的PWM控制，將兩個(gè)以上數(shù)目的IGBT (即絕緣柵雙極型晶體管)模塊的開關(guān)過程疊加到斬波器中的電抗器上，IGBT的工作頻率無須提高，而電抗器的工作頻率得到大幅提高。多個(gè)IGBT模塊采用并聯(lián)方式工作，IGBT模塊的數(shù)目由所選擇的IGBT允許工作的開關(guān)頻率和要求電抗器的工作頻率決定。例如，要求電抗器工作在16KHz，每個(gè)IGBT允許工作在2KHz，則IGBT的并聯(lián)單元數(shù)為16 + 2 = 8。每個(gè)PWM信號的占空比由數(shù)字信號處理器100產(chǎn)生，PWM的頻率與電抗器L的工作頻率相等；而脈沖的分配由現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器200來實(shí)現(xiàn)。
[0020]圖3和圖4分別表示了本發(fā)明的一個(gè)采用四路IGBT模塊并聯(lián)的實(shí)施例中的兩個(gè)時(shí)序邏輯圖。其中，數(shù)字信號處理器100采用TMS320F2812集成電路，每個(gè)PWM信號的占空比由TMS320F2812產(chǎn)生，PWM的頻率與電抗器L的工作頻率相等；脈沖的分配由現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器200來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器200采用4進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器輸出I時(shí)，輸出與Tl的驅(qū)動(dòng)脈沖同步脈沖；計(jì)數(shù)器輸出2時(shí)，輸出與T2的驅(qū)動(dòng)脈沖同步脈沖；計(jì)數(shù)器輸出3時(shí)，輸出與T3的驅(qū)動(dòng)脈沖同步脈沖；計(jì)數(shù)器輸出4時(shí)，輸出與T4的驅(qū)動(dòng)脈沖同步脈沖，同時(shí)將計(jì)數(shù)結(jié)果清零，一個(gè)循環(huán)完成，下一個(gè)循環(huán)開始。
[0021]數(shù)字信號處理器100TMS320LF2812產(chǎn)生的PWM脈沖由事件管理器的定時(shí)器產(chǎn)生的PWM脈沖，由輸出電流的反饋計(jì)算得到。
[0022]如圖3所示，數(shù)字信號處理器TMS320LF2812產(chǎn)生的與PWM的同步脈沖由事件管理器的定時(shí)器產(chǎn)生的PWM脈沖，該P(yáng)WM占空比是恒定的50 %，時(shí)間與TMS320LF2812產(chǎn)生的PWM同步。
[0023]如圖4所示，現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器200采用與門，將TMS320LF2812產(chǎn)生的PWM信號同與IGBT的PWM同步取與的關(guān)系，就得到IGBT的實(shí)際驅(qū)動(dòng)信號。
[0024]具體的，Cl構(gòu)成輸入的濾波電容，C2構(gòu)成輸出的濾波電容；T1、T2、T3.....Tn構(gòu)成斬波開關(guān)管，D1、D2、D3……Dn構(gòu)成電感LI的續(xù)流二極管；SC1構(gòu)成輸入的電流檢測的電流傳感器，SC2構(gòu)成輸出的電流檢測的電流傳感器；SV1構(gòu)成輸入的電壓檢測的電壓傳感器，SV2構(gòu)成輸出的電壓檢測的電壓傳感器。其中電流傳感器SC1、SC2的型號為HAT1500S，最大的測試電流為±2500A，電流傳感器SC1、SC2可以根據(jù)不同的功率大小進(jìn)行合理的選擇；電壓傳感器SV1、SV2的型號為HNV-025T，測試最高電壓為2500V，電壓傳感器SV1、SV2可以根據(jù)實(shí)際設(shè)備的電壓等級進(jìn)行合理的選擇。
[0025]T1、T2、T3.....Tn構(gòu)成的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間是輪流的，每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通的最大時(shí)間如下:
[0026]Tmax = T
[0027]其中:Tmax:單個(gè)開關(guān)管的最大導(dǎo)通時(shí)間
[0028]T:電抗器工作的周期
[0029]Tl、T2、T3…..Tn構(gòu)成的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間是輪流的，每個(gè)開關(guān)管工作的開關(guān)頻率為:
[0030]f = 1/(ηΤ)
[0031]其中:f為單個(gè)開關(guān)管的開關(guān)頻率，T為電抗器工作的周期。
【權(quán)利要求】
1.一種多重化斬波器輸入控制電路，包括直流正極輸入端、直流負(fù)極輸入端、直流正極輸出端、直流負(fù)極輸出端、一個(gè)數(shù)字信號處理器和一個(gè)現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器，其特征在于:所述的直流負(fù)極輸入端與所述的直流負(fù)極輸出端直接連接，所述的直流正極輸入端與直流負(fù)極輸入端之間連接有一個(gè)第一電容器，所述的直流正極輸出端與直流負(fù)極輸出端之間連接有一個(gè)第二電容器，直流正極輸入端與直流正極輸出端之間設(shè)置有一個(gè)第一電流傳感器、一個(gè)電感器和一個(gè)第二電流傳感器，所述的第一電流傳感器的輸入端與直流正極輸入端連接，第一電流傳感器的輸出端與一個(gè)第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的集電極連接，所述的第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的發(fā)射極與所述的電感器的輸入端連接，電感器的輸出端與所述的第二電流傳感器的輸入端連接，第二電流傳感器的輸出端與直流正極輸出端連接，第一電流傳感器的輸出端與直流負(fù)極輸入端之間連接有一個(gè)第一電壓傳感器，電感器的輸入端與一個(gè)第一二極管的負(fù)極連接，所述的第一二極管的正極與直流負(fù)極輸入端連接，第二電流傳感器的輸出端與直流負(fù)極輸出端之間連接有一個(gè)第二電壓傳感器，直流正極輸入端與至少一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的集電極連接，任意一個(gè)所述的第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的發(fā)射極均與電感器的輸入端連接，任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的發(fā)射極均各自與一個(gè)第二二極管的負(fù)極連接，任意一個(gè)所述的第二二極管的正極均各自與直流負(fù)極輸入端連接，所述的數(shù)字信號處理器與所述的現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器通過脈沖寬度調(diào)制控制信號線連接，現(xiàn)場可編程門陣列脈沖分配器包括有兩個(gè)以上數(shù)目的脈沖信號輸出端，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的柵極和任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的柵極均各自通過一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)器各自與一個(gè)所述的脈沖信號輸出端連接，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的集電極和任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的集電極均各自與一個(gè)高壓快恢復(fù)二極管的負(fù)極連接，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的發(fā)射極和任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的發(fā)射極均各自與所述的高壓快恢復(fù)二極管的正極連接。
2.如權(quán)利要求1所述的多重化斬波器輸入控制電路，其特征在于:直流正極輸出端和直流負(fù)極輸出端與一個(gè)斬波器的輸入端連接，所述的斬波器中包括有一個(gè)電抗器，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊和任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊均采用同一工作頻率，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊和第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的數(shù)目之和等于所述的電抗器的工作頻率除以第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊或者任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的工作頻率。
3.如權(quán)利要求1所述的多重化斬波器輸入控制電路，其特征在于:第一二極管和任意一個(gè)第二二極管均采用高壓快恢復(fù)二極管。
4.如權(quán)利要求2所述的多重化斬波器輸入控制電路，其特征在于:第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊和第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊輪流導(dǎo)通，第一單管絕緣柵雙極型晶體管模塊和任意一個(gè)第二單管絕緣柵雙極型晶體管模塊的最大導(dǎo)通時(shí)間均等于電抗器的工作周期。
【文檔編號】H02M7/48GK104242707SQ201410458717
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】龍民敬, 王勛 申請人:上海瑞伯德智能系統(tǒng)科技有限公司