一种简易的自适应死区时间产生电路的制作方法

本发明涉及一种简易的自适应死区时间产生电路，属于电力电子方面死区自适应控制领域。

背景技术：

航天领域卫星对电源分系统的功率、重量和体积提出了越来越高的要求，供电母线电压等级越来越高，移相全桥电路拓扑逐渐应用于航天电源大功率单机产品，采用软开关优势，对提高航天电源单机在轨能量利用率具有非常重要的意义。在移相全桥电路中，开关管实现软开关是靠变压器漏感能量，且死区时间是变压器原边电流的传递函数，与变压器原边电流大体呈反比例特性，原边电流越大，死区时间越小，若重载和轻载工况死区时间一致，滞后桥臂开关管的结电容能量在重载设定的死区时间内还未被抽完就开通，此时滞后管是硬开通，无法实现zvs开通，开关损耗变大，效率变低。而现有分立式控制技术中，移相全桥电路驱动电路的死区时间是不可调的。故本发明可以解决此问题，可根据负载实时动态调节死区时间。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有分立式控制技术的不足，提供一种简易的自适应死区时间产生电路，解决了移相全桥电路(但不局限于此电路)中，超前、滞后桥臂开关管统一死区时间下，尤其轻载时效率低，不能实现软开关的问题。

本发明解决技术的方案是：一种简易的自适应死区时间产生电路，该电路包括第一死区产生电路、第二死区产生电路、比较受控电压电路、取反电路、比较器n2、比较器n3；

外部输入的pwm信号分成两路，一路记为pwm原始信号，输出给第一死区电路，另一路经过取反电路取反之后得到pwm取反信号，输出给第二死区电路；

当pwm原始信号为高电平时，第一死区电路作为充电电路，由pwm原始信号的高电平对该充电电路进行充电，得到第一驱动电压信号，第一驱动电压信号接入至比较器n2正相输入端；比较器n2的反相输入端连接受控比较电压信号；当第一驱动电压信号的电压高于受控比较电压信号的电压值vref时，比较器n2的输出端输出高电平信号，该高电平信号相对于pwm原始信号的高电平滞后的一段时间，即为死区时间；

当pwm原始信号为低电平时，第一死区电路作为放电电路，由pwm原始信号的低电平对该放电电路进行放电，第一驱动电压信号的电压值迅速降为0v，第一驱动电压信号的电压值低于受控比较电压信号的电压值vref时，比较器n2的输出端输出相对于pwm原始信号无延迟的低电平；

当pwm取反信号为高电平时，第二死区电路作为充电电路，由pwm取反信号的高电平对该充电电路进行充电，得到第二驱动电压信号，第二驱动电压信号接入至比较器n3正相输入端；比较器n3的反相输入端连接受控比较电压信号；当第二驱动电压信号的电压值高于受控比较电压的电压值vref时，比较器n3的输出端输出高电平信号，该延迟高电平信号相对于pwm取反信号的高电平滞后的一段时间，即为死区时间；

当pwm取反信号为低电平时，第二死区电路作为放电电路，由pwm取反信号的低电平对该放电电路进行放电，第二驱动电压信号的电压值迅速降为0v，第二驱动电压信号的电压值低于受控比较电压信号的电压值vref时，比较器n3的输出端输出相对于pwm取反信号无延迟的低电平；

比较器n2和比较器n3的输出端信号为一组带死区的互补pwm信号；

比较受控电压电路，外部输入的控制信号vo，产生受控比较电压vref，受控比较电压vref与控制信号vo呈线性关系。

所述比较受控电压电路包括直流偏置电阻r3、受控电阻rc和受控三极管q3以及驱动限流电阻r4；

受控电阻rc一端连接电源vcc，另一端连接受控三极管q3的集电极，受控三极管q3的发射极接地，直流偏置电阻r3一端连接受控三极管q3的基极，另一端连接电源vcc，驱动限流电阻r4一端连接控制信号vo，另一端连接受控三极管q3的基极，受控三极管q3的集电极信号即为受控比较电压信号；控制信号vo通过驱动限流电阻r4降压之后到达受控三极管q3基极，使受控三极管q3工作于线性区，从而产生与控制信号vo呈线性关系的受控比较电压vref。

所述第一死区产生电路包括死区充电电阻rt1、死区充电电容ct1、放电三极管q1和驱动电阻r1、放电电阻r5；

死区充电电阻rt1的一端连接pwm原始信号，另一端为第一死区产生电路的输出端，即第一驱动电压信号，驱动电阻r1一端连接pwm原始信号，另一端连接放电三极管q1的基极，放电三极管q1的发射极连接第一驱动电压信号，放电三极管q1的集电极连接放电电阻r5的一端，放电电阻r5的另一端接地，死区充电电容ct1连接在第一驱动电压信号和地之间。

所述第二死区产生电路包括死区充电电阻rt2、死区充电电容ct2、放电三极管q2和驱动电阻r6、放电电阻r7；

死区充电电阻rt2的一端连接pwm取反信号，另一端为第二死区产生电路的输出端，即第二驱动电压信号，驱动电阻r6一端连接pwm原始信号，另一端连接放电三极管q2的基极，放电三极管q2的发射极连接第一驱动电压信号，放电三极管q2的集电极连接放电电阻r7的一端，放电电阻r7的另一端接地，死区充电电容ct2连接在第二驱动电压信号和地之间。

所述取反电路包括比较器n1、电阻r2；

电阻r2的一端为取反电路的输入端，连接pwm取反信号；电阻r2的另一端连接比较器n1的反相输入端；比较器n1的正相输入端连接参考电压，所述参考电压为电源电压的一半；比较器n1的输出端为取反电路的输出端。

所述放电三极管pnp型三极管。

所述受控三极管为npn型三极管。

所述直流偏置电阻的取值范围为k欧量级。

所述第一死区充电电容、第二死区充电电容的容值相同且固定。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明能以较少的器件产生一路死区时间自适应的互补pwm信号。可应用于移相全桥电路的驱动，满足不同负载下滞后桥臂的开关管死区自适应控制。

(2)、本发明采用自适应死区调节方法，由一路pwm信号产生带死区时间可控可调的一组pwm互补信号，器件简单可靠，它能提高变换器的传输效率，提高卫星能源的利用率。

(3)、本发明自适应死区产生电路死区时间受控于实际输出电流，输出电流越大，比较电压值越小，死区时间越小，自动快速调节死区时间，可以大大提高能量传输效率。

附图说明

图1为本发明实施例一种简易的自适应死区时间产生电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种简易的自适应死区时间产生电路，该电路包括第一死区产生电路、第二死区产生电路、比较受控电压电路、取反电路、比较器n2、比较器n3。

外部输入的pwm信号分成两路，一路记为pwm原始信号，输出给第一死区电路，另一路经过取反电路取反之后得到pwm取反信号，输出给第二死区电路；pwm信号为pwm脉宽调制电路产生的脉宽调制信号(12v或者0v)。

当pwm原始信号为高电平时，第一死区电路作为充电电路，由pwm原始信号的高电平对该充电电路进行充电，得到第一驱动电压信号，第一驱动电压信号接入至比较器n2正相输入端；比较器n2的反相输入端连接受控比较电压信号；当第一驱动电压信号的电压高于受控比较电压信号的电压值vref时，比较器n2的输出端输出高电平信号，该高电平信号相对于pwm原始信号的高电平滞后的一段时间，即为死区时间；

当pwm原始信号为低电平时，第一死区电路作为放电电路，由pwm原始信号的低电平对该放电电路进行放电，第一驱动电压信号的电压值迅速降为0v，第一驱动电压信号的电压值低于受控比较电压信号的电压值vref时，比较器n2的输出端输出相对于pwm原始信号无延迟的低电平；

当pwm取反信号为高电平时，第二死区电路作为充电电路，由pwm取反信号的高电平对该充电电路进行充电，得到第二驱动电压信号，第二驱动电压信号接入至比较器n3正相输入端；比较器n3的反相输入端连接受控比较电压信号；当第二驱动电压信号的电压值高于受控比较电压的电压值vref时，比较器n3的输出端输出高电平信号，该延迟高电平信号相对于pwm取反信号的高电平滞后的一段时间，即为死区时间；

当pwm取反信号为低电平时，第二死区电路作为放电电路，由pwm取反信号的低电平对该放电电路进行放电，第二驱动电压信号的电压值迅速降为0v，第二驱动电压信号的电压值低于受控比较电压信号的电压值vref时，比较器n3的输出端输出相对于pwm取反信号无延迟的低电平；

比较器n2和比较器n3的输出端信号为一组带死区的互补pwm信号；可以说，比较器n2和比较器n3构成新pwm以及pwm互补信号产生电路。

比较受控电压电路，外部输入的控制信号vo，产生受控比较电压vref，受控比较电压vref与控制信号vo呈线性关系。

所述比较受控电压电路包括直流偏置电阻r3、受控电阻rc和受控三极管q3以及驱动限流电阻r4；

受控电阻rc一端连接电源vcc，另一端连接受控三极管q3的集电极，受控三极管q3的发射极接地，直流偏置电阻r3一端连接受控三极管q3的基极，另一端连接电源vcc，驱动限流电阻r4一端连接控制信号vo，另一端连接受控三极管q3的基极，受控三极管q3的集电极信号即为受控比较电压信号；控制信号vo通过驱动限流电阻r4降压之后到达受控三极管q3基极，使受控三极管q3工作于线性区，从而产生与控制信号vo呈线性关系的受控比较电压vref。

由于受控三极管工作于线性状态，故vref的值受控于三极管的基极输入电流。基极输入电流分为两部分，一部分来源于基极偏置电阻，主要提供稳态直流工作点，并保证vref的值不为0v，用以保证死区时间的最小值，使得死区时间不至于太小，另一部分来源于主电路输出电流转换的电压信号激励，用以控制vref的值，受控电阻rc用以匹配电压值。受控三极管为npn型三极管，对死区电容迅速放电，简单易搭建。所述比较电压受控电路中受控电阻提供稳定的直流工作点，使之满足比较电压值的最小不为0v，起到产生限流，电压匹配的作用，直流偏置电阻的取值范围为k欧量级，降低损耗。述受控三极管构成了线性放大电路，将主电路电流信号进行放大，实现死区时间的自动调节。

所述第一死区产生电路包括死区充电电阻rt1、死区充电电容ct1、放电三极管q1和驱动电阻r1、放电电阻r5。

死区充电电阻rt1的一端连接pwm原始信号，另一端为第一死区产生电路的输出端，即第一驱动电压信号，驱动电阻r1一端连接pwm原始信号，另一端连接放电三极管q1的基极，放电三极管q1的发射极连接第一驱动电压信号，放电三极管q1的集电极连接放电电阻r5的一端，放电电阻r5的另一端接地，死区充电电容ct1连接在第一驱动电压信号和地之间，可以对原始pwm信号进行rc滤波，增大上升时间。所述放电三极管pnp型三极管，利用其线性特性，产生受控的比较电压值vref。

当pwm原始信号为高电平时，死区充电电阻rt1、死区充电电容ct1组成了充电电路，由于一阶系统的惯性，死区充电电容ct1的电压vc(即第一驱动电压信号)缓慢上升，当vc的值比受控比较电压vref值大时，比较器n2的输出端a输出高电平，此时n2输出的高电平信号相比于初始pwm的高电平滞后一段时间，即为死区时间，且其大小受控于vref的值。

当pwm初始信号为低电平时，放电三极管q1和驱动电阻r1、放电电阻r5组成了死区充电电容ct1的放电回路，通过pnp管的快速开通达到放电的目的，能量消耗均消耗在放电电阻r5上。

所述第二死区产生电路包括死区充电电阻rt2、死区充电电容ct2、放电三极管q2和驱动电阻r6、放电电阻r7。

死区充电电阻rt2的一端连接pwm取反信号，另一端为第二死区产生电路的输出端，即第二驱动电压信号，驱动电阻r6一端连接pwm原始信号，另一端连接放电三极管q2的基极，放电三极管q2的发射极连接第一驱动电压信号，放电三极管q2的集电极连接放电电阻r7的一端，放电电阻r7的另一端接地，死区充电电容ct2连接在第二驱动电压信号和地之间。

所述取反电路包括比较器n1、电阻r2。

电阻r2的一端为取反电路的输入端，连接pwm取反信号；电阻r2的另一端连接比较器n1的反相输入端；比较器n1的正相输入端连接参考电压，所述参考电压为电源电压的一半；比较器n1的输出端为取反电路的输出端。

另一路互补pwm产生电路具有相同的死区产生过程，需要对原始pwm信号进行取反，取反电路采用比较器n1完成，原始pwm信号与vcc/2电平比较，产生反向的pwm信号，(vcc为比较器的供电电压，一般为12v)，然后再进行上述死区产生流程，在比较器n3上产生pwm脉冲b，a与b为新的带死区的一组互补pwm信号。

第一死区充电电容、第二死区充电电容的容值可根据pwm频率自行调整范围。作为一种改进方案，所述第一死区充电电容、第二死区充电电容容值相同且固定。所述死区充电电阻值均可通过调节匹配不同最大输出死区时间。

第一死区充电电容的一阶阶跃输出响应c(t)如下式:

其中，t时间常数，t＝rt1ct1，v为pwm高电平的幅值；

假设死区时间为tdead，vref＝0.632v时，tdead＝rt1ct1。

以上规律同样适用于第二死区充电电容。

综上所述，第一死区充电电阻和充电电容组成rc充电电路，使pwm的高电平缓慢上升。第一放电三极管和驱动电阻、放电电阻组成放电回路，使pwm的低电平快速下降，充电电容上电压与受控电路产生的比较电压进行比较，产生新的pwm高低电平信号，与之前pwm信号相比较，pwm的上升沿延迟了一定时间，而下降沿无延迟。第二死区电路是先将脉宽调制信号与比较器供电电压(12v)的一半进行比较，产生互补的pwm信号，然后再执行与上述第一死区电路一致的控制流程，产生上升沿延迟，下降沿不变的pwm信号。与第一死区电路产生的pwm信号相比，是互补并带死区的关系。两个死区时间均可通过调节充电电阻阻值(充电电容参数固定)来调节死区时间，还可通过调整受控电路产生的比较电压来调节死区时间，采集输出电流转化为合适的电压信号，来控制受控三极管的b极，来调节比较电压值，使之工作在线性区。本发明是一种简易的自适应死区时间产生电路简单、可靠，能采用较少的器件产生一组死区受主电路输出电流控制的自适应互补pwm信号。

本发明的有益效果是，一种简易的自适应死区时间产生电路。它器件简单，死区时间受控自适应，减少移相全桥开关管的损耗、进而提高充放电电路的效率，提高卫星能源的利用率。

本发明的简易的自适应死区控制电路，当不能以此限定本发明实施的范围，故举凡数值的变更或等效组件的电路，或依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，都应仍属本发明专利涵盖的范畴。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。