一种正弦波调制电路及调制方法
【专利摘要】本发明提供了一种正弦波调制电路及方法。正弦波调制电路包括：电源电路、功率变换电路、闭环控制单元、正弦波调制比较电路以及负载；其中，电源电路用于产生三相/单相正弦输入交流电压/电流信号，输出给功率变换电路和闭环控制单元；功率变换电路用于电能变换；闭环控制单元用于根据三相/单相正弦输入交流电压/电流信号以及功率变换电路输出的反馈信号，结合相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法，生成正弦控制量；正弦波调制比较电路根据正弦控制量和开关频率可变的载波信号，生成驱动方波脉冲信号；驱动方波脉冲信号驱动功率变换电路中的功率开关管，实现电路的电能变换，以产生稳定的电压/电流信号提供给负载使用。
【专利说明】—种正弦波调制电路及调制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种变开关频率的正弦波调制电路及调制方法。
【背景技术】
[0002]在进行正弦波调制时，针对减小系统的损耗和降低电流的谐波成分和提高系统的输入功率因数，主要采用以下两种方法:1)拓扑结构:使用新型的拓扑结构，利用电路中的谐振关系来改变开关频率，达到降低系统损耗的目的；2)闭环控制算法:采用特殊的矢量调制控制算法，在特定状态下插入瞬态变频，从而有效抑制偶次谐波分量输出。
[0003]但是，针对改善某一项性能，方法I)容易增加系统拓扑结构的复杂性和成本?’方法2)中各种改进的闭环控制算法，一方面只适用于特定的应用前提，另一方面可能会引入新的输入信号的需求，从而带来额外的元件成本，再则很难满足宽功率范围内的所有性能要求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种正弦波调制电路及方法，根据系统提出的性能要求，其载波频率可随系统功率等级的不同而进行有序的分段变化，从而实现在尽可能大的功率范围内，系统达到较高的性能特性。
[0005]为了达到上述目的，本发明实施例提供一种正弦波调制电路，包括:电源电路、功率变换电路、闭环控制单元、正弦波调制比较电路以及负载；其中，所述电源电路用于产生三相/单相正弦输入交流电压/电流信号，输出给所述功率变换电路和所述闭环控制单元；所述功率变换电路用于电能变换；所述闭环控制单元用于根据所述三相/单相正弦输入交流电压/电流信号以及所述功率变换电路输出的反馈信号，结合相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法，生成正弦控制量；所述正弦波调制比较电路根据所述正弦控制量和开关频率可变的载波信号，生成驱动方波脉冲信号，其中，根据所述负载所在功率段选择所述载波信号的开关频率；所述驱动方波脉冲信号驱动所述功率变换电路中的功率开关管，实现电路的电能变换，以产生稳定的电压/电流信号提供给所述负载使用。
[0006]进一步地，在一实施例中，所述载波信号的开关频率是可变的，在所述开关频率进行切换对应的阀值附近加入一个滞环，使所述开关频率的取值在滞环的阀值区域内实现平滑的切换。
[0007]进一步地，在一实施例中，所述滞环的宽度能够涵盖所述开关频率进行切换时的振荡区间。
[0008]进一步地，在一实施例中，所述闭环控制单元用于根据所述三相/单相输入正弦交流电压/电流信号以及所述功率变换电路输出的反馈信号，结合相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法，生成正弦控制量，包括:将所述三相/单相输入正弦交流电压/电流信号、功率变换电路输出的反馈信号分别与对应的期望的电压/电流预定值比较，分别产生所述闭环控制单元中的闭环控制器的输入信号，即误差信号；根据所述误差信号和所述相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法，生成所述正弦控制量。
[0009]进一步地，在一实施例中，所述正弦波调制比较电路根据所述正弦控制量和开关频率可变的载波信号，生成驱动方波脉冲信号，其中，所述载波信号为三角波或锯齿波。
[0010]为了达到上述目的，本发明实施例还提供一种正弦波调制方法，包括:根据三相/单相正弦输入交流电压/电流信号以及电压/电流反馈信号，结合相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法生成正弦控制量；根据所述正弦控制量和开关频率可变的载波信号，通过比较器比较后生成驱动方波脉冲信号，其中，根据负载所在功率段选择所述载波信号的开关频率；所述驱动方波脉冲信号驱动所述功率开关管，实现电路的电能转换，产生稳定的电压/电流信号提供给负载使用。
[0011]本发明实施例的正弦波调制电路及方法及调制方法，可根据系统提出的性能要求，其载波频率可随系统功率等级的不同而进行有序的分段变化，从而实现在尽可能大的功率范围内，系统达到较高的性能特性；并且，可避免在频率切换点附近振荡，从而实现不同开关频率的平滑过渡。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0013]图1为本发明实施例的正弦波调制电路的结构示意图；
[0014]图2为本发明实施例的正弦波调制方法的流程示意图；
[0015]图3为正弦波调制比较单元400的波形实现示意图；
[0016]图4为本发明的变开关频率的切换基本规则示意图；
[0017]图5是应用图4中的开关频率的切换基本规则进行切换后的结果不意图；
[0018]图6为本发明的变开关频率的改进切换规则示意图；
[0019]图7是应用图6所不的变开关频率的改进切换规则进行切换后的结果不意图。【具体实施方式】
[0020]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]本发明的正弦波调制方法是一种基于开关频率变频技术的正弦波调制方法，即:在进行正弦波调制时，载波的频率随系统功率等级的不同而进行有序的分段变化，并且针对切换点附近极可能产生的开关频率频繁切换的振荡状况，提出了相应的抑制方法。本发明的方法可以有效地提高系统在全功率范围的性能，特别是，在高功率段，在保持高功率因数、输入电流低谐波含量的同时，有效降低系统的损耗；在低功率段，在保持系统低损耗的同时，获得高功率因数、输入电流低谐波含量，从而能最大限度地满足相关产品的国际标准和行业标准。并且本发明的方法对系统原有的设计及控制硬件电路不提出新的要求，只需要加入本发明的控制算法即可。
[0022]图1为本发明实施例的正弦波调制电路的结构示意图。如图所示，本实施例的正弦波调制电路包括:电源电路100、功率变换电路200、闭环控制单元300、正弦波调制比较电路400以及负载500。
[0023]其中，所述电源电路100用于产生三相/单相正弦输入交流电压/电流信号，输出给所述功率变换电路200和所述闭环控制单元300 ;所述功率变换电路200用于电能变换；所述闭环控制单元300用于根据所述三相/单相正弦输入交流电压/电流信号以及所述功率变换电路200输出的反馈信号，结合相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法，生成正弦控制量；所述正弦波调制比较电路400根据所述正弦控制量和开关频率可变的载波信号，生成驱动方波脉冲信号，其中，根据所述负载500所在功率段选择所述载波信号的开关频率；所述驱动方波脉冲信号驱动所述功率变换电路200中的功率开关管，实现电路的电能变换，以产生稳定的电压/电流信号提供给所述负载500使用。
[0024]在本实施例中，电源电路100可为单相电源或三相电源，产生三相/单相正弦输入交流电压/电流信号；所述功率变换电路200是电能变换环节，包括前级的滤波电路和电能变换电路两部分。其中电能变换电路可为三相有源功率因数校正电路、单相有源功率因数校正电路，或其他三相和单相电路；负载500可为阻性或感性负载；300是系统的闭环控制单元，用于实现系统的电能变换控制算法，包括各个闭环控制环的给定信号的定义，将所述三相/单相输入正弦交流电压/电流信号、功率变换电路200输出的反馈信号分别与对应的期望的电压/电流预定值比较，分别产生所述闭环控制单元300中的闭环控制器的输入信号，即误差信号；根据所述误差信号和所述相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法，生成所述正弦控制量Vmod。
[0025]在本实施例中，400是正弦波调制比较电路，其中比较器的正负两个输入端口，正极是前端闭环控制单元300输出的正弦控制量Vmod，负极是开关频率可变的载波Vcarr，可以是三角载波、锯齿波或其它信号，其中Ts是载波的周期值，也代表功率开关管的开关频率。在本发明实施例中，Ts是数值可变的变量。这两个信号分别是比较器的输入信号。这两者比较后，产生功率开关管的驱动方波脉冲信号，其脉冲的周期根据载波周期的变化而变化，其脉冲的宽度随电路的输出量与期望输出量的出入，从而通过闭环控制单元300实时地调整，从而实现整个电路稳定的电能转换功能。
[0026]在本发明实施例中，在所述开关频率进行切换对应的阀值附近加入一个滞环，使所述开关频率的取值在滞环的阀值区域内实现平滑的切换，所述滞环的宽度能够涵盖所述开关频率进行切换时的振荡区间。
[0027]图2为本发明实施例的正弦波调制方法的流程示意图，如图所示，本实施例的正弦波调制方法包括:
[0028]步骤S101，根据三相/单相正弦输入交流电压/电流信号以及电压/电流反馈信号，结合相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法生成正弦控制量；步骤S102，根据所述正弦控制量和开关频率可变的载波信号，通过比较器比较后生成驱动方波脉冲信号，其中，根据负载所在功率段选择所述载波信号的开关频率；步骤S103，所述驱动方波脉冲信号驱动所述功率开关管，实现电路的电能转换，产生稳定的电压/电流信号提供给负载使用。
[0029]在本实施例中，在所述开关频率进行切换对应的阀值附近加入一个滞环，使所述开关频率的取值在滞环的阀值区域内实现平滑的切换，所述滞环的宽度能够涵盖所述开关频率进行切换时的振荡区间。
[0030]该发明实施例的正弦波调制电路各部分协调完成正弦波调制功能的详细过程，以一个三相有源功率校正电路为例进行说明(其它三相/单相电路的协调工作原理类似)。例如，三相有源功率校正电路实现的电能转换功能是将电源电路100的三相正弦输入交流电压，在闭环控制单元300和正弦波调制比较单元400的控制作用下，输出稳定的周期方波脉冲信号，驱动功率变换电路200中的开关管，使功率变换电路200输出稳定的直流期望电压提供给后级的负载500使用。如果电路在运行过程中，因为各种外/内部的扰动使功率变换电路200实际的输出电压偏离了期望的预定电压值，则电路将从原有的稳定工作状态瞬时进入动态工作状态，此时需要通过闭环控制单元300和正弦波调制比较单元400协调作用，让电路尽快重新恢复到稳定工作状态。此时电压采样反馈信号301在闭环控制单元300中，将与期望的电压预定值将产生一个误差信号，再经过相应的闭环控制算法，得到一个新的控制动态变量Vmod，再经过正弦波调制比较单元400得到新的脉冲宽度的方波信号改变开关管的开通闭合时间，从而迫使电路的输出电压向反方向变化。这样经过几个控制周期的调节后，输出电压将逐渐回归到期望的电压值，系统重新进入到新的稳定工作状态，继续输出稳定的直流电压提供给后级的负载500使用。在电路的调试过程中，可以通过检测功率开关管的驱动信号，监测到开关频率的变化及变化区间。
[0031]图3为正弦波调制比较单元400的波形实现示意图。其中，Vmod是前级闭环控制单元300输出的周期固定的正弦波控制量，在稳定工作状态时其幅值恒定。Vcarr是载波信号，其周期Ts是可变的，幅值是Vc。pulse是这两个信号经过比较器比较后的输出方波信号，在电路中用于驱动功率变换电路200中的功率开关管，控制功率开关管的开通和闭合时间，最终实现功率变换电路200输出稳定的期望电压。这里将Vmod接在比较器的正极输入端，Vcarr接在比较器的负极输入端(实际应用中，可根据控制的需要自行定义比较器正、负极输入端对应的接入信号)。从图3中可以看出，当载波信号Vcarr的周期由Tsl->Ts2时，比较器输出的方波信号pulse的周期也随之变化(Tsl->Ts2)。若载波信号Vcarr的周期Ts保持不变，则比较器输出的方波信号pulse的周期Ts也将保持不变。
[0032]当开关频率在切换点附近跳变时，极易由于判断变量的测量值或计算值的漂移，从而发生在切换点附近频繁的来回切换的振荡现象，这将会给系统的稳定运行带来严重的干扰。在本发明实施例中，在所述开关频率进行切换对应的阀值附近加入一个滞环，使所述开关频率的取值在滞环的阀值区域内实现平滑的切换，所述滞环的宽度能够涵盖所述开关频率进行切换时的振荡区间。
[0033]图4为本发明的变开关频率的切换基本规则示意图。其中，参考变量X可以是输入电流、输出电流、输出电压或功率等，XdruXup分别是参考变量的上、下限值；X1是开关频率切换对应的阀值。Fsw是开关频率值，Fswl、Fsw2分别是XdruXup对应的开关频率值。图4是以两段式可变开关频率为例，同样可根据系统性能要求采用更多的分段式。
[0034]图5是应用图4中的开关频率的切换基本规则进行切换后的结果不意图。由图5可知，在阀值Xl附近，由于Xl的AD采样精度等原因，极容易造成在阀值Xl附近(土 Λ X)区域内出现开关频率值频繁切换的振荡现象，这将给系统的正常运行带入额外的扰动，从而导致整个电路的控制出现不期望的动态振荡。
[0035]图6为本发明的变开关频率的改进切换规则示意图。本发明实施例采用了滞环控制实现开关频率的调节。其中:Xdn、Xup分别是参考变量的上、下限值；X1和X2是开关频率切换的滞环对应的阀值。Fsw是开关频率值，FswU Fsw2分别是Xdn、Xup对应的开关频率值。 [0036]图7是应用图6所示的变开关频率的改进切换规则进行切换后的结果示意图。由图7可知，由于在阀值Xl附近加入了一个滞环，此滞环的宽度应包含AD采样精度的最大误差值，即(X2-X1)≥2*ΛΧ。从而使开关频率的取值在滞环的阀值区域内实现平滑地切换，让电路有效地避免了图5中开关频率切换过程中的动态振荡过程，最终实现在全功率范围内，电路均获得期望的满意的性能。
[0037]由图5和图7所不的开关频率切换结果不意图可知，在应用图6所不的变开关频率的改进切换规则后，将有效避免在阀值区域内切换时可能出现的开关频率频繁来回切换的现象，从而实现开关频率的平滑切换，保证在全功率范围内，电路均获得期望的满意的性能。并且，滞环区间的大小可根据具体应用适当地调整。滞环的宽度不宜过大，以正好能涵盖振荡区间为宜。
[0038]通过本发明的以上实施例，可以得出，本发明的基于可变开关频率的正弦波调制方法及装置，可以根据系统提出的性能要求，使载波频率可随系统功率等级的不同而进行有序的分段变化，从而实现在尽可能大的功率范围内，系统达到较高的性能特性。本发明可以实现开关频率的分段选择和避免在频率切换点附近振荡，从而实现不同开关频率平滑过渡的方法。并且，本发明的方法不会带来额外的硬件成本。
[0039]本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【权利要求】
1.一种正弦波调制电路，其特征在于，所述正弦波调制电路包括:电源电路、功率变换电路、闭环控制单元、正弦波调制比较电路以及负载；其中， 所述电源电路用于产生三相/单相正弦输入交流电压/电流信号，输出给所述功率变换电路和所述闭环控制单元； 所述功率变换电路用于电能变换； 所述闭环控制单元用于根据所述三相/单相正弦输入交流电压/电流信号以及所述功率变换电路输出的反馈信号，结合相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法，生成正弦控制量； 所述正弦波调制比较电路根据所述正弦控制量和开关频率可变的载波信号，生成驱动方波脉冲信号，其中，根据所述负载所在功率段选择所述载波信号的开关频率； 所述驱动方波脉冲信号驱动所述功率变换电路中的功率开关管，实现电路的电能变换，以产生稳定的电压/电流信号提供给所述负载使用。
2.根据权利要求1所述的正弦波调制电路，其特征在于，所述载波信号的开关频率是可变的，在所述开关频率进行切换对应的阀值附近加入一个滞环，使所述开关频率的取值在滞环的阀值区域内实现平滑的切换。
3.根据权利要求2所述的正弦波调制电路，其特征在于，所述滞环的宽度能够涵盖所述开关频率进行切换时的振荡区间。
4.根据权利要求1所述的正弦波调制电路，其特征在于，所述闭环控制单元用于根据所述三相/单相输入正弦交流电压/电流信号以及所述功率变换电路输出的反馈信号，结合相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法，生成正弦控制量，包括: 将所述三相/单相输入正弦交流电压/电流信号、功率变换电路输出的反馈信号分别与对应的期望的电压/电流预定值比较，分别产生所述闭环控制单元中的闭环控制器的输入信号，即误差信号； 根据所述误差信号和所述相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法，生成所述正弦控制量。
5.根据权利要求1所述的正弦波调制电路，其特征在于，所述正弦波调制比较电路根据所述正弦控制量和开关频率可变的载波信号，生成驱动方波脉冲信号，其中，所述载波信号为三角波或锯齿波。
6.一种正弦波调制方法，其特征在于，所述正弦波调制方法包括: 根据三相/单相正弦输入交流电压/电流信号以及电压/电流反馈信号，结合相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法生成正弦控制量； 根据所述正弦控制量和开关频率可变的载波信号，通过比较器比较后生成驱动方波脉冲信号，其中，根据负载所在功率段选择所述载波信号的开关频率； 所述驱动方波脉冲信号驱动所述功率开关管，实现电路的电能转换，产生稳定的电压/电流信号提供给负载使用。
7.根据权利要求6所述的正弦波调制方法，其特征在于，所述载波信号的开关频率是可变的，在所述开关频率进行切换对应的阀值附近加入一个滞环，使所述开关频率的取值在滞环的阀值区域内实现平滑的切换。
8.根据权利要求7所述的正弦波调制方法，其特征在于，所述滞环的宽度能够涵盖所述开关频率进行切换时的振荡区间。
9.根据权利要求6所述的正弦波调制方法，其特征在于，根据三相/单相正弦输入交流电压/电流信号以及电压/电流反馈信号，结合相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法生成正弦控制量，包括: 将所述三相/单相输入正弦交流电压/电流信号以及电压/电流反馈信号分别与对应的期望的电压/电流预定值比较，分别产生闭环控制器的输入信号，即误差信号； 根据所述误差信号和所述相应的单闭环、双闭环或多闭环的控制环路算法，生成所述正弦控制量。
10.根据权利要求6所述的正弦波调制方法，其特征在于，所述根据所述正弦控制量和开关频率可变的载波信号，生成驱动方波脉冲信号，其中，所述载波信号为三角波或锯齿波。
【文档编号】H02M1/08GK103607104SQ201310596250
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】罗泠 申请人:乐金电子研发中心(上海)有限公司