专利名称：一种基于Matrix变换器的电流型中频数字电源及控制方法
技术领域：
本发明涉及数字开关电源领域，特别是涉及一种基于Matrix变换器的电流型中频数字电源及控制方法。
背景技术：
传统的电流型正弦波调制电路往往采用交直交变换，先将交流输入整流为400V直流高压电，直流侧加入大电容储能，再通过全桥电路SPWM控制算法，实现负载正弦波电流调制功能，缺点在于高压储能电容体积较大，在高温工作环境下，电容量降低明显，增大电路低频纹波，不利于小型化设计，同时SPWM调制全桥电路各开关管均处于高频工作状态，开关损耗较大，由于SPWM为定频控制，因此开关管高频工作所产生的噪声频率较为集中，相关EMI抑制电路需要精确设计以减少CM、DM和总的噪声干扰。
发明内容
本发明的目的是在解决上述现有问题上，为了便于小型化设计，提供一种基于Matrix变换器的电流型开关电源，不使用传统的高压储能电容，直接完成交交变频控制，通过DSP芯片实现该电源的数字控制和相关过压、过流保护功能，控制算法采用三态滞环电流控制，利用DSP自带PWM发生器生成数字电流控制所需PWM调制脉冲。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于Matrix变换器的电流型中频数字电源，包括电源输入单元、模拟信号采样单元、Matrix变换器变频电路、DSP控制驱动电路、保护单元、负载输出；电源经所述电源输入单元输入Matrix变换器变频电路，所述Matrix变换器变频电路产生电压、电流等相关模拟信号经模拟信号采样单元处理后传输入DSP控制驱动电路，所述DSP控制驱动电路发出控制信号至Matrix变换器变频电路控制输出电流至输出负载，在所述的DSP控制驱动电路、Matrix变换器变频电路和输出负载上连接保护单元；其特征为所述Matrix变换器变频电路可以将来自电源输入单元的直流电源或交流电源转换为设定频率的中频正弦波电流。在上述技术方案中，所述模拟信号采样单元包括精密整流电路和同步信号产生电路，所述精密整流电路和同步信号产生电路能给DSP控制驱动电路提供完整的待采样电流幅度和相位信息。在上述技术方案中，所述DSP控制驱动电路包括DSP和驱动电路，所述DSP产生的PWM信号由驱动电路转换为八路独立控制信号分别控制Matrix变换器的八个开关。在上述技术方案中，基于Matrix变换器的电流型中频数字电源的控制方法，该控制方法为
DSP以180KHz的采样频率通过模拟信号采样单元对Matrix变换器变频电路输出滤波电感上的电流进行采样，启动PWM输出端；
通过比较采样电流信号与参考电流信号，采用三态滞环电流控制方式产生开关管驱动所需PWM脉冲信号；
根据所需输出的正弦波电流频率，对Matrix变换器所需工作区域个数进行划分；
DSP通过判断参考信号和输入交流电源同步信号，对Matrix变换器开关管通、断进行调制，从而产生对应极性的负载电流波形；
通过各个相关模拟信号数字量的采集，完成相关的控制、保护功能，同时实现负载电流正弦波调制。在上述方案中，所述三态滞环电流控制方式为通过比较采样信号和参考电流，若高于参考电流的上限，则将该相对应桥臂的上管控制信号置为高，下管为低；若低于参考电流的下限，则将上管控制信号不变，下关控制信号置低，同时辅助环流管控制信号置高，辅助换流管与上管形成电感电流放电回路；若介于参考电流的上限与下限之间，则PWM脉冲状态不变。在上述方案中，于所述的采样信号为O 3V的直流信号。以现有技术相比，本发明具有以下有益效果小型化电路设计，去掉传统电路中的AC/DC整流电路和高压储能电容，直接完成交交变频控制；模拟信号采样单元中的精密整流电路能解决传统二极管整流电路中的二极管压降问题以及输入小信号时造成的采样精度误差问题，为DSP提供精确的采样信息；可以将输入的电源转换为设置好的中频正弦波电流，电源总体功耗相比传统电路更低，效率更高，EMI噪声频谱范围分散为多点，幅度低。
本发明将通过实施例并参照附图的方式说明，其中
图I是传统的变频电路框图2是基于Matrix变换器变频电路框图3是精密整流电路；
图4是同步信号产生电路；
图5是DSP工作流程图6是DSP中PWM工作流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的说明。如图I所示，现有技术中的电流电源包括电源输入单元、AC/DC整流电路、高压储能电容、全桥电路、模拟信号采样单元、控制驱动电路、保护单元、负载输出；整个电路采用交直交变换，先将交流输入整流为400V直流高压电，再通过全桥电路SPWM控制算法，实现负载正弦波电流调制功能。如图2所示，在本方案中基于Matrix变换器的电流型中频数字电源，包括电源输入单元、模拟信号采样单元、Matrix变换器变频电路、DSP控制驱动电路、保护单元、负载输出；主电路采用Matrix变换器，直流侧无高压储能电容，采用DSP做主控单元，采用三态数字滞环控制算法控制驱动PWM控制信号的输出，以达到对电流的变频输出，可得到预先设定好的中频正弦波电流。如图3、图4所示，为模拟信号采样单元中的精密整流电路和同步信号产生电路，由于DSP内置AD只能接受O 3V的直流信号，而待测电压为交流信号，经传感器变换以后幅度一般在-3V +3V之间，故精密整流电路需要将其调制到O 3V的范围内；为了使DSP得到传感器信号的全部幅值、相位信息，同步信号产生电路还需要向DSP提供一个相应的能够表示采样信号相位信息的同步信号。如图3所示，首先将来自于传感器的测量信号通过分压电阻调制成幅度在-3V +3V之间的电压信号VI，Vl是一个交流信号，以正弦波信号为例
取，当VDO时，；
当V1〈0时，；
取，运算放大器UlD的输出端得到的信号为
所整流过后的信号为双半波波形，这种整流方法消除了传统二极管整流电路中的二极管压降问题，能提供稳定可靠的整流信号，因为整流信号幅度较小，所以能安全的提供给DSP采样。如图4所示，交流信号Vl经过二极管D1、D2限幅后得到一个_0. 7V +0. 7V的梯形波信号V2 ；
取，将V2通过运算放大器进行放大，得到一个过零点信息明显的近似方波信号V3 ；
V3通过比较器U7C与零值进行比较，当V3>0时，比较器的输出为高电平，当V3〈0时，比较器输出为低电平；
通过适当选择分压电阻R4和R5，便得到O 3. 3V的方波信号Vls，即可以送入DSP的通用I/O 口作为采样的同步信号。除此之外，还有一种信号调制的方法首先将待测信号变换成为-I. 5V +1. 5V的信号，然后再将其抬高I. 5V，则变为O 3V的直流信号，经AD转换得到的值在参与运算时将其减去I. 5V对应的AD值，再扩大一倍即可得到真实的值。这种调理方法电路结构简单，但是对于DSP采样电路来说如此微小的信号会增大一倍系统的相对误差。因此本系统采用了 “精密整流电路+同步信号电路”的采样方法，降低了信号误差和采样误差。在上述的方案中，DSP经采样后驱动控制算法，即产生的PWM信号由驱动电路转换为八路独立控制信号分别控制Matrix变换器的八个开关,最后由Matrix变换器完成对电流的变频输出。如图5、图6所示，为DSP在采样后的工作流程图，DSP以180KHz的采样频率对Matrix中频数字电源输出电感上的电流进行采样，然后不断地与参考电流信号进行比较，若高于参考电流的上限，则将该相对应桥臂的上管控制信号置为高，下管为低；反之若低于参考电流的下限，则将上管控制信号不变，下关控制信号置低，同时辅助环流管控制信号置高，辅助换流管与上管形成电感电流放电回路；若介于参考电流的上限与下限之间，则PWM脉冲状态不变。参考电流的上限与下限之差为滞环带宽。DSP根据所需输出的正弦波电流频率，对Matrix变换器所需工作区域个数进行划分，DSP通过判断参考信号和输入交流电源同步信号，对Matrix变换器开关管通、断进行调制，从而产生对应极性的负载电流波形，利用三态数字滞环控制，得到了不断翻转的PWM脉冲信号和在参考电流滞环带内折线变化的中频调制输出电流，将Matrix变换器输出电流进行滤波，即可得到预先设定频率的中频正弦波电流。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于Matrix变换器的电流型中频数字电源，包括电源输入单元、模拟信号采样单元、Matrix变换器变频电路、DSP控制驱动电路、保护单元、负载输出；电源经所述电源输入单元输入Matrix变换器变频电路,所述Matrix变换器变频电路产生电压、电流等相关模拟信号经模拟信号采样单元处理后传输入DSP控制驱动电路，所述DSP控制驱动电路发出控制信号至Matrix变换器变频电路控制输出电流至输出负载，在所述的DSP控制驱动电路、Matrix变换器变频电路和输出负载上连接保护单元；其特征为所述Matrix变换器变频电路将来自电源输入单元的直流电源或交流电源转换为设定频率的中频正弦波电流。
2.根据权利要求I所述的一种基于Matrix变换器的电流型中频数字电源，其特征在于所述模拟信号采样单元包括精密整流电路和同步信号产生电路，所述精密整流电路和同步信号产生电路能给DSP控制驱动电路提供完整的待采样电流信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于Matrix变换器的电流型中频数字电源，其特征在于所述DSP控制驱动电路包括DSP和驱动电路，所述DSP产生的PWM信号由驱动电路转换为八路独立控制信号分别控制Matrix变换器的八个开关。
4.根据权利要求I到3所述的基于Matrix变换器的电流型中频数字电源的控制方法，其特征为 DSP以180KHz的采样频率通过模拟信号采样单元对Matrix变换器变频电路输出滤波电感上的电流进行采样，启动PWM输出端； 通过比较采样电流信号与参考电流信号，采用三态滞环电流控制方式产生开关管驱动所需PWM脉冲信号； 根据所需输出的正弦波电流频率，对Matrix变换器所需工作区域个数进行划分； DSP通过判断参考信号和输入交流电源同步信号，对Matrix变换器开关管通、断进行调制，从而产生对应极性的负载电流波形； 通过各个相关模拟信号数字量的采集，完成相关的控制、保护功能，同时实现负载电流正弦波调制。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征为所述三态滞环电流控制方式为通过比较采样信号和参考电流，若高于参考电流的上限，则将该相对应桥臂的上管控制信号置为高，下管为低；若低于参考电流的下限，则将上管控制信号不变，下关控制信号置低，同时辅助环流管控制信号置高，辅助换流管与上管形成电感电流放电回路；若介于参考电流的上限与下限之间，则PWM脉冲状态不变。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于所述的采样信号为O 3V的直流信号。
全文摘要
本发明为一种基于Matrix变换器的电流型中频数字电源及控制方法，包括电源输入模块、模拟信号采样单元、Matrix变换器变频电路、DSP控制驱动电路、保护单元、负载输出；通过DSP采样电流信号，采用三态数字滞环控制算法控制PWM驱动信号的输出，实现将来自电源输入模块的直流电源或交流电源通过Matrix变换器变频电路可以转换为设定频率的中频正弦波电流；电源总体功耗相比传统电路更低，效率更高，EMI噪声频谱范围分散为多点，幅度低，更有利于小型化设计。
文档编号H02M5/297GK102931850SQ20121039961
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者张波, 许涛, 李建 申请人:四川九洲空管科技有限责任公司