基于HPWM调制的逆变电路[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号 CN 206251000 U(45)授权公告日 2017.06.13

(21)申请号 201621397199.7(22)申请日 2016.12.19

(73)专利权人 西南交通大学

地址 610031 四川省成都市金牛区二环路

北一段西南交通大学(72)发明人 许鹏　黄治清　胡德旺　(74)专利代理机构 成都希盛知识产权代理有限

公司 51226

代理人 濮云杉　杨冬(51)Int.Cl.

H02M 7/5387(2007.01)H02M 7/5395(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图1页

CN 206251000 U(54)实用新型名称

基于HPWM调制的逆变电路(57)摘要

本实用新型涉及基于HPWM调制的逆变电路，包括通过驱动电路驱动的DC/AC主功率回路、与所述驱动电路连接的数字控制模块、分别与所述数字控制模块连接输出信号检测电路和输入信号检测电路，以及供电的辅助电源电路，其中在DC/AC主功率回路中包括了由四个MOSFET构成的H桥拓扑结构，所述四个MOSFET的基极分别连接驱动电路的输出端；驱动电路中通过两个双通道栅极驱动芯片驱动所述的四个MOSFET，并且和DC/AC主功率回路隔离。本实用新型能够实现输出交流正弦波形的失真度和效率同时保证最优化，并且实现了DC/AC功率主回路和数字控制模块的相互隔离，避免了因功率主回路发生短路等故障对数字处理芯片造成损坏，同时还实现了对HPWM波的死区和重叠时间的硬件现场编程功能。

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权　利　要　求　书

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1.基于HPWM调制的逆变电路，其特征为：包括通过驱动电路驱动的用于实现逆变的DC/AC主功率回路、与所述驱动电路连接的数字控制模块、分别与所述数字控制模块连接输出信号检测电路和输入信号检测电路，以及为所述驱动电路、数字控制模块、输出信号检测电路和输入信号检测电路供电的辅助电源电路，其中在DC/AC主功率回路中包括了由四个MOSFET(VT1、VT2、VT3、VT4)构成的H桥拓扑结构，所述四个MOSFET(VT1、VT2、VT3、VT4)的基极分别连接驱动电路的输出端；驱动电路中通过两个双通道栅极驱动芯片驱动所述的四个MOSFET(VT1、VT2、VT3、VT4)，并且DC/AC主功率回路通过所述的双通道栅极驱动芯片与所述数字控制模块隔离。

2.如权利要求1所述的基于HPWM调制的逆变电路，其特征为：与DC/AC主功率回路的输入端并联有输入电容Cin。

3.如权利要求1所述的基于HPWM调制的逆变电路，其特征为：所述H桥拓扑结构的两对桥臂之间设有电容和电感构成的滤波电路。

4.如权利要求1至3之一所述的基于HPWM调制的逆变电路，其特征为：设有与数字控制模块连接的键盘。

5.如权利要求1至3之一所述的基于HPWM调制的逆变电路，其特征为：所述的数字控制模块为基于STM32F407型ARM处理器芯片的模块。

6.如权利要求1至3之一所述的基于HPWM调制的逆变电路，其特征为：驱动电路中包括两个UCC21520型的双通道栅极驱动芯片。

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基于HPWM调制的逆变电路

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技术领域[0001]本实用新型涉及电路结构，具体的讲是基于HPWM调制的逆变电路。

背景技术[0002]逆变电源技术是一门综合了电力电子开关器件的应用、功率变换、模拟和数字电子技术、PWM(脉冲宽度调制)技术、频率及相位调制技术、开关电源技术和控制技术等的综合性学科，已被广泛应用于交流电动机变速调速、电动机制动再生能源回馈、不间断电源系统、感应加热、弧焊电源、变频电源等工业领域和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。在电力电子技术的应用及各种电源系统中，逆变电源技术均处于核心地位。[0003]目前，传统的逆变电源系统多采用模拟电路控制或者模拟电路与数字电路相结合的控制方式。逆变电源的模拟电路控制系统技术已经发展的相当成熟，但是，模拟电路控制却存在着固有缺点，不仅其控制电路的分立元器件比较多,电路复杂,器件老化和热漂等因素会影响整个系统的性能，而且其灵活性和可移植性很差，硬件控制电路一旦设计完成，就很难再改变其控制策略。[0004]近年来，随着各种数字控制器的发展，逆变电源的控制系统逐渐向数字化方向发展。但是，目前的逆变电源系统中的正弦脉宽调制多采用双极性调制(Bipolar PWM)方式或单极性调制(Unipolar PWM)方式。在这两种调制方式下，逆变器的功率管均以较高的开关频率工作，尽管得到了较理想的输出正弦电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。开关频率越高，波形越理想，但损耗越大，二者相互矛盾。由于目前常见的数字型的逆变电源控制器多采用上述两种调制控制方式，而双极性调制(Bipolar PWM)方式和单极性调制(Unipolar PWM)方式自身存在的固有缺点，致使基于其原理的逆变电源系统总是不能满足失真度和效率同时提高的要求。[0005]同时，传统数字型逆变电源系统的PWM波的死区调节一般通过修改控制器的程序进行，不能在线对其进行修改和调试。且其DC/AC功率主回路和数字控制模块未施加措施进行隔离，以至DC/AC功率主回路的故障往往对成本昂贵的数字控制模块造成不可预知的损坏。因此需要设计出一种新的调制技术以适应高效率低失真度的多功能逆变电源系统，使其具有较高的应用价值和经济效益。

实用新型内容[0006]本实用新型提供了一种基于HPWM调制的逆变电路，可实现输出交流正弦波形的失真度和效率同时最优化，并且实现DC/AC功率主回路和数字控制模块的相互隔离。[0007]本实用新型基于HPWM调制的逆变电路，包括通过驱动电路驱动的用于实现逆变的DC/AC主功率回路、与所述驱动电路连接的数字控制模块、分别与所述数字控制模块连接输出信号检测电路和输入信号检测电路，以及为所述驱动电路、数字控制模块、输出信号检测电路和输入信号检测电路供电的辅助电源电路，其中在DC/AC主功率回路中包括了由四个MOSFET(金氧半场效晶体管)构成的H桥拓扑结构，所述四个MOSFET的基极分别连接驱动电

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路的输出端；驱动电路中通过两个双通道栅极驱动芯片驱动所述的四个MOSFET，并且DC/AC主功率回路通过所述的双通道栅极驱动芯片与所述数字控制模块隔离，将DC/AC主功率回路的故障产生的不可预测影响排除在数字控制模块之外。所述的四个MOSFET，可以采用功率MOSFET，即可以输出较大工作电流的MOSFET。[0008]HPWM调制指的是混合单极性SPWM调制技术(Hybird PWM,HPWM)，是一种基于双极性调制和单极性调制的改进的一种调制技术。工作时H桥拓扑结构中的其中一个桥臂的两只MOSFET工作在高频，以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压波形，而另一个桥臂的两只MOSFET工作在低频，以较低的输出电压基波频率工作，很大程度的减小了开关损耗。通过这种调制方式，实现了逆变电源系统整体效率和输出正弦波电压失真度同时达到最优化。[0009]进一步的，与DC/AC主功率回路的输入端并联有输入电容，用以去耦和滤波。[0010]进一步的，所述H桥拓扑结构的两对桥臂之间设有电容和电感构成的滤波电路。LC滤波电路是一种常见的滤波结构，通过LC滤波电路能够消除高频分量，得到只含基波分量的正弦波电压。[0011]在此基础上，还设有与数字控制模块连接的键盘。所述键盘可以为普通的3×3形式的键盘，用户可以通过键盘输入期望的输出端正弦波的频率和幅值，实现人机交互。[0012]优选的，所述的数字控制模块为基于STM32F407型ARM处理器芯片的模块。该模块以及该模块的应用是目前的成熟技术，在此不做详述。[0013]优选的，驱动电路中包括两个UCC21520型的双通道栅极驱动芯片，通过改变UCC21520驱动芯片的DT(死区编程端)和GND(接地端)之间电位器的阻值实现了HPWM波死区和重叠时间的硬件在线编程，避免了为调节死区重新烧录控制程序的步骤，提高了调试系统的效率。[0014]本实用新型基于HPWM调制的逆变电路，能够实现输出交流正弦波形的失真度和效率同时保证最优化，并且实现了DC/AC功率主回路和数字控制模块的相互隔离，避免了因功率主回路发生短路等故障对数字处理芯片造成损坏，同时还实现了对HPWM波的死区和重叠时间的硬件现场编程功能。[0015]以下结合实施例的具体实施方式，对本实用新型的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本实用新型上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本实用新型的范围内。

附图说明[0016]图1为本实用新型基于HPWM调制的逆变电路的电路图。

具体实施方式[0017]如图1所示本实用新型的基于HPWM调制的逆变电路，包括通过驱动电路驱动的用于实现逆变的DC/AC主功率回路、与所述驱动电路连接的数字控制模块、分别与所述数字控制模块连接的输出信号检测电路和输入信号检测电路，以及为所述驱动电路、数字控制模块、输出信号检测电路和输入信号检测电路供电的辅助电源电路。其中在DC/AC主功率回路

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中包括了由四个功率管形式的MOSFET(金氧半场效晶体管)VT1、VT2、VT3、VT4构成的H桥拓扑结构，用以实现直流电到交流电的变换。所述四个MOSFET(金氧半场效晶体管)VT1、VT2、VT3、VT4的基极分别连接驱动电路的输出端。与DC/AC主功率回路的输入端并联有输入电容Cin，用以去耦和滤波。H桥拓扑结构的两对桥臂之间串联第一电感L1和第二电感L2，以及电容Cout，通过双边LC滤波电路消除高频分量，得到只含基波分量的正弦波电压Uout。[0018]驱动电路中通过两个UCC21520型的双通道栅极驱动芯片驱动所述的四个MOSFET(金氧半场效晶体管)VT1、VT2、VT3、VT4，并且DC/AC主功率回路通过所述的双通道栅极驱动芯片与所述数字控制模块隔离。并且还可以在UCC21520驱动芯片的DT(死区编程端)和GND(接地端)之间串联一个50K的电位器，实现HPWM波死区和重叠时间0到500ns的硬件在线编程，避免了为调节死区重新烧录控制程序的步骤。[0019]数字控制模块采用目前成熟的基于STM32F407型ARM处理器芯片的模块。数字控制模块通过HPWM波调制技术实现对DC/AC主功率回路的逆变控制，使输出交流正弦波形的失真度和效率同时达到最优化。还设有与数字控制模块连接的键盘。键盘采用普通的3×3形式，用户可以通过键盘输入期望的输出端正弦波的频率和幅值，实现人机交互。[0020]在输出信号检测电路中，RL为负载电阻，Rt为采样电阻，是与负载电阻RL串联的毫欧量级的电阻，用以检测输出电流Iout。当逆变电源DC/AC主功率回路工作时，采样电阻Rt两端会产生一定的采样电压Ut，这样即实现了将输出电流Iout转换为采样电压Ut，便于电流的检测。将输入直流电压Uin、输出交流电压Uout和采样电压Ut对应的输入到输出信号检测电路和输入信号检测电路中，并对三者的幅值线性地调节，以满足数字控制模块中的A/D转换器采样输入的电压幅度要求。在输出信号检测电路和输入信号检测电路中，通过对输入电压的分压和对输出交流电流的采样放大，送至STM32F407型的数字控制模块的A/D转换器，并由数字控制模块实现整个逆变电路的输入过压保护和输出过流保护，最大化的保证对整个系统的保护。[0021]在控制方面，数字控制模块的STM32F407芯片通过捕获定时器中断，并增量式地读取写进ROM中的数据，发出HPWM波实现对DC/AC主功率回路的控制。数字控制模块中的A/D转换器将输出信号检测电路输出的模拟量变换为数字量后由STM32F407芯片进行处理，当数字控制模块检测到电压达到预设的阈值时，进入失能定时器，从而实现输入过压保护，输出过流保护以及实时监测输出电压的幅值、频率和相位的功能。Up为外加的输入正弦波的参考信号，输出信号检测电路通过比较器分别将参考信号Up和输出交流电压Uout处理为方波信号输送给数字控制模块STM32F407芯片，数字控制模块输入捕获信号TIM_CH1(定时器通道1)上升沿和TIM_CH2(定时器通道2)上升沿并逐次消除相位差，以此实现了输出正弦波跟踪输入正弦波参考信号相位的功能。

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