一种用于半桥串联谐振拓扑的电流过零检测装置及方法与流程

1.本发明属于直流交流逆变技术领域，尤其涉及一种用于半桥串联谐振拓扑的电流过零检测装置及方法。


背景技术：

2.目前8～25kw功率范围的商用电磁灶感应加热控制器主流拓扑是半桥串联谐振拓扑，实际工作情况下，半桥串联谐振逆变器工作在保证其安全的感性负载区，如果进入容性负载区，功率管上会出现很高的电流尖峰，而且负载越重，尖峰越明显。
3.为了保证逆变器工作于感性状态，逆变器开始工作时由高到低扫频，当负载工作频率达到接近并且略大于负载谐振频率的某个值时采用锁相环控制将频率锁定，使负载工作频率自动跟踪负载谐振频率。
4.为确保负载工作频率达到接近并且略大于负载谐振频率，常规的做法是在线圈盘上设置电流互感器、电流传感器等方法检测线圈盘电流的过零点。在电感电流过零点到来之前提前一定时间关断功率管，即使负载工作频率达到接近并且略大于负载谐振频率。
5.使用电流互感器、电流传感器等元件会增加成本，且此类元件在高温环境下内部磁芯参数变化，还需设置补偿，有些传感器还需要额外配置电源模块，在高频使用场合信号会存在失真等问题。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明的第一方面提出了一种用于半桥串联谐振拓扑的电流过零检测装置，所述装置包括：连接在半桥变换电路的一个谐振电容两端的电压采样电路，电压采样电路的采样输出分成相位和幅度相同的二路采样输出信号，其中一路采样输出信号连接到移相电路的输入端，另一路采样输出连接到比较电路的一个输入端，移相电路的输出端连接比较电路的另一个输入端，所述比较电路根据二个输入端的信号生成一个脉冲输出用于控制半桥变换电路的开关元件的导通或关断。
7.如本发明的第一方面所述的装置，所述电压采样电路用于采集谐振电容两端的正弦电压信号，所述移相电路将所述正弦电压信号超前移相预定角度。
8.如本发明的第一方面所述的装置，所述移相电路为rc正弦波移相电路，所述比较电路是二输入比较器。
9.如本发明的第一方面所述的装置，所述电压采样电路使用模拟数字转换器对谐振电容两端的电压执行采样和模拟数字转换；所述电压采样电路输出的数字采样信号输入到微控制器中，所述微控制器内置电路模块构成移相电路模块和比较电路模块，对所述数字采样信号执行移相和比较，以生成所述脉冲输出。
10.如本发明的第一方面所述的装置，所述电压采样电路内置于微控制器内部。
11.如本发明的第一方面所述的装置，所述电压采样电路、移相电路和比较电路均内置于微处理器内部，由微处理器内置的软件控制构成电压采样和模拟数字转换模块、移相
电路模块和比较电路模块，在微处理器内部由软件控制下执行对谐振电容两端的电压采样，对采样输出信号执行移相，将采样输出信号和移相后的采样输出信号进行比较生成脉冲输出。
12.本发明的第二方面提供一种用于半桥串联谐振拓扑的电流过零检测方法，用于操作前述的电流过零检测电路，所述方法包括如下步骤：
13.步骤1，连接在半桥变换电路的一个谐振电容两端的电压采样电路检测谐振电容两端的正弦波电压，根据所述正弦波电压生成二路相位和幅度相同的采样输出信号；
14.步骤2，步骤1生成的二路采样输出信号中的一路采样输出信号经过移相电路移相预定的相位，以生成移相的采样输出信号；并将移相的采样输出信号输入到比较电路的一个输入；
15.步骤1生成的二路采样输出信号中的另一路采样输出直接连接到比较电路的另一个输入，
16.步骤3，所述比较电路比较二个输入信号生成一个脉冲输出用于控制半桥变换电路的开关元件的导通或关断。
17.如本发明的第二方面所述的方法，步骤2中所述移相预定的相位包括，获得谐振电容两端电压的峰值点，以所述峰值点为基准，通过移相电路将所述正弦波电压超前谐振电容两端电压的峰值点移相ψ角度。
18.如本发明的第二方面所述的方法，步骤3还包括：以步骤2中所述超前ψ角度的起始点生成所述脉冲输出的上升沿和下降沿。
19.如本发明的第二方面所述的方法，当移相的采样输出信号幅度上升时，生成所述脉冲输出的上升沿，当移相的采样输出信号幅度下降时，生成所述脉冲输出的下降沿。
20.采用本发明的方案，所述超前移相电路作用是在电容电压达到峰值点(也是电感电流过零点)之前输出一个硬件开关控制信号，半桥逆变系统可以通过此开关控制信号对开关元件进行有效闭环控制。
附图说明
21.图1为现有技术的半桥串联谐振拓扑示意图；
22.图2为现有技术的半桥串联谐振拓扑负载工作于感性状态电压电流状态图；
23.图3是本发明的电容电压超前移相电路框图；
24.图4是本发明的超前移相电压与采样电容电压逻辑关系示意图；
25.图5是rc超前移相基本网络原理图；
26.图6是电流过零前后当上管导通时的电流方向示意图，
27.图7是简化的图6中电流方向图。
28.其中，c0为母线电容，t1.上功率管,t2.下功率管，d1.上续流二极管,d2.下续流二极管，l.为线圈盘电感，r.等效电阻，c1.上谐振电容,c2.下谐振电容。
具体实施方式
29.本发明公开一种用于半桥串联谐振拓扑的电流过零检测方法，包括检测原理、硬件电路、判断逻辑。
30.如图1所示，是半桥串联谐振拓扑，其中c0为母线电容，t1、t2为上、下功率管，d1、d2为上、下续流二极管，l为线圈盘电感，r为等效电阻，c1、c2为谐振电容。常规方式为在cd线路上套电流传感器检测线圈盘电流，经过信号滤波电路检测出电流信号的过零点。上、下功率管通常为igbt，也可以采用功率mos管或大功率晶体管。
31.半桥串联谐振拓扑中，线圈盘电感l、等效电阻r、谐振电容c1/c2串联，外加激励为直流母线电压，在一个功率管导通期间，电感电流会经历变小
→
过零
→
反向增大
→
到达峰值
→
减小，开关管关断前电感电流不过零，系统处于感性状态，电流滞后于电压。见图2半桥串联谐振拓扑负载工作于感性状态电压电流状态图。ul为电感电压，il为电感电流，uc为电容电压，t1时刻上管开通，t2时刻电感电流过零，t3时刻上管关断，下关开通，t4时刻电感电流过零。
32.由上图可知，电感和电容产生震荡电路，当电感电流过零时，谐振电容的电压达到峰值，检测谐振电容的电压峰值就相当于检测电感电流的过零点。
33.以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
34.本发明的第一方面提出了一种用于半桥串联谐振拓扑的电流过零检测装置，所述装置包括：连接在半桥变换电路的一个谐振电容两端的电压采样电路，电压采样电路的采样输出分成相位和幅度相同的二路采样输出信号，其中一路采样输出信号连接到移相电路的输入端，另一路采样输出连接到比较电路的一个输入端，移相电路的输出端连接比较电路的另一个输入端，所述比较电路根据二个输入端的信号生成一个脉冲输出用于控制半桥变换电路的开关元件的导通或关断。
35.如本发明的第一方面所述的装置，所述电压采样电路用于采集谐振电容两端的正弦电压信号，所述移相电路将所述正弦电压信号超前移相预定角度。
36.如本发明的第一方面所述的装置，所述移相电路为rc正弦波移相电路，所述比较电路是二输入比较器。
37.如本发明的第一方面所述的装置，所述电压采样电路使用模拟数字转换器对谐振电容两端的电压执行采样和模拟数字转换；所述电压采样电路输出的数字采样信号输入到微控制器中，所述微控制器内置电路模块构成移相电路模块和比较电路模块，对所述数字采样信号执行移相和比较，以生成所述脉冲输出。
38.如本发明的第一方面所述的装置，所述电压采样电路内置于微控制器内部。
39.如本发明的第一方面所述的装置，所述电压采样电路、移相电路和比较电路均内置于微处理器内部，由微处理器内置的软件控制构成电压采样和模拟数字转换模块、移相电路模块和比较电路模块，在微处理器内部由软件控制下执行对谐振电容两端的电压采样，对采样输出信号执行移相，将采样输出信号和移相后的采样输出信号进行比较生成脉冲输出。
40.本发明的第二方面提供一种用于半桥串联谐振拓扑的电流过零检测方法，用于操作前述的电流过零检测电路，所述方法包括如下步骤：
41.步骤1，连接在半桥变换电路的一个谐振电容两端的电压采样电路检测谐振电容两端的正弦波电压，根据所述正弦波电压生成二路相位和幅度相同的采样输出信号；
42.步骤2，步骤1生成的二路采样输出信号中的一路采样输出信号经过移相电路移相预定的相位，以生成移相的采样输出信号；并将移相的采样输出信号输入到比较电路的一
个输入；
43.步骤1生成的二路采样输出信号中的另一路采样输出直接连接到比较电路的另一个输入，
44.步骤3，所述比较电路比较二个输入信号生成一个脉冲输出用于控制半桥变换电路的开关元件的导通或关断。
45.如本发明的第二方面所述的方法，步骤2中所述移相预定的相位包括，获得谐振电容两端电压的峰值点，以所述峰值点为基准，通过移相电路将所述正弦波电压超前谐振电容两端电压的峰值点移相ψ角度。
46.如本发明的第二方面所述的方法，步骤3还包括：以步骤2中所述超前ψ角度的起始点生成所述脉冲输出的上升沿和下降沿。
47.如本发明的第二方面所述的方法，当移相的采样输出信号幅度上升时，生成所述脉冲输出的上升沿，当移相的采样输出信号幅度下降时，生成所述脉冲输出的下降沿。
48.实施例
49.硬件电路：
50.电容电压通过电阻采样获得模拟信号，搭建rc正弦波移相电路，将电容电压正弦波超前移相一定角度后和采样信号进行比较，输出脉冲方波用于控制。电容电压超前移相电路框图见图3。
51.其中，电压采样电路用于采集c2电容上的正弦电压信号，移相电路将电容电压信号超前移相ψ角度，通过比较电路与原波形进行比较，当超前移相电压大于采样电容电压时，比较器输出高电平，超前移相电压与采样电容电压逻辑关系示意图见图4。
52.判断逻辑：
53.系统工作时，如果线盘电感参数偏小，谐振频率前移时，按正常频率控制系统易进入容性工作区，导致功率管承受冲击电流，降低可靠性。
54.所以运行中需时刻检测电感电流的过零点，硬件检测到过零点后参与功率管的关断逻辑。常规做法是硬件通过电流传感器检测到过零信号，经过信号滤波电路处理后到达芯片，中间过程存在延迟环节，导致系统进入容性工作区，所以硬件检测点需前移，而电感电流过零时刻和电容电压到达峰值时刻一致，所以通过超前移相电路产生一个脉冲信号，实现提前ψ角度(10％开关周期对应的电角度内调节)检测到电流过零点。
55.利用电阻r和电容c搭建超前移相电路，基本原理如图5，电阻和电容串联，当ui交流信号输入，该阻抗网络有一个响应电流i，在电容上产生压降uc，电阻上产生压降ur，uc相量滞后于ur相量90
°
，uc相量和ur相量合成ui相量，可知，uo与ur相等，ui相量始终滞后于ur，也就是输出uo相量超前输入ui相量，相位角由rc参数决定。利用此原理可将超前信号和实际信号进行比较，得出ψ角度。
56.rc超前移相基本网络
57.由图6所示，假设电流过零前上管导通，电流路径如自左至右的箭头所示，当电流过零后，电容由充电进入放电，电感电流反向，如自右到左的箭头所示，下管如果此时开通，冲击电流很大，容易损坏。图7为其简化电流方向图。
58.根据kvl得：ur+u
l
+uc＝us59.串联电流：
[0060][0061][0062][0063]
代入kvl方程后整理可得：
[0064][0065]
根据公式(1)可以推出电感电流的过零时电容电压达到峰值，根据需求，在电感电流过零前需要提前ψ角度进行控制，因为硬件采样加软件处理需要1～2us，根据每个谐振网络参数的不同，电流下降区间不一样，ψ角度可在10％开关周期对应的电角度内调节为最宜。
[0066]
在一个开关周期内，恒功率算法运行时，上开关管工作周期内未检测到过零脉冲，上管按逻辑正常关断，如果在工作周期内检测到过零脉冲，则对上开关管进行立刻关断处理，防止在工作周期内电感电流过零后关断，同理，下管也是同样逻辑操作。
[0067]
超前移相电路作用是在电容电压达到峰值点(也是电感电流过零点)之前输出一个硬件信号，系统可以通过此信号进行有效闭环控制，此电路可以通过其他电路方式实现，也可以通过软件预测估算实现。
[0068]
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。