用于电力电子变流器的通用脉冲宽度调制集成电路制造技术

本发明专利技术涉及一种用于电力电子变流器的通用脉冲宽度调制集成电路，属于电力电子变流器的脉冲控制技术领域和专用集成电路技术领域。本发明专利技术集成电路包括：一组参数设置寄存器，一个数据接口电路，一个三相同步相位角度数字跟踪电路，一个采样时钟分频电路，一个采样触发信号发生电路，一个参考电压计算电路，一个参考电压数据格式转换电路，一个脉冲宽度调制计算电路，Ｋ个相同的开关状态输出时序控制电路，Ｋ个相同的开关状态转换电路。本发明专利技术集成电路能够实现各种多电平变流器ＰＷＭ信号发生，同时能够实现基于载波移相的多电平ＰＷＭ控制策略，具有高集成度、高计算速度、高可靠性等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于电力电子变流器的通用脉冲宽度调制集成电路，以实现对各种电平数目的多电平变流器的通用脉冲宽度调制(以下简称PWM)控制，并同时能够实现各种级数的载波移相PWM控制方式，属于电力电子变流器的脉冲控制
和专用集成电路

技术介绍
电力电子变流器在工业系统中所起到的作用越来约重要，在输配电、电力驱动与调速以及新能源利用等领域都显示了极大的优越性和不可替代的作用。随着电力电子技术的不断发展，在变流器拓扑结构方面已经从传统的二电平技术发展到多电平技术，而且各种不同的多电平拓扑结构也层出不穷，使电力电子变流器在高压大容量化和高性能化之间实现了很好的结合。脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)是电力电子变流器领域最为普遍的控制方法，也是变流器的一个关键性技术。但是变流器等拓扑结构的复杂化使变流器的控制和脉冲发生系统的软硬件设计都变得极为复杂，给控制的实时性和可靠性都带来了极大困难。在以往的电力电子变流器的脉冲发生发生器方案中，大多是采用如专利号为00100551的专利技术专利“用于柔性交流输电装置的通用控制器”所公开的方法，基于数字信号处理器(DSP)等微处理器实现变流器的脉冲宽度调制。但是微处理器是基于顺序执行指令的结构，随着变流器拓扑结构的复杂性和采样频率的提高，复杂的脉冲发生方法会给使DSP面临的计算资源问题会变得越来越严重，限制了用DSP完成复杂控制算法的能力，增加了硬件设计的复杂程度。基于微处理器实现脉冲发生的方法的另一个主要缺点是每次产品设计时都要考虑脉冲发生算法的软件实现，使技术难度加大，软件设计复杂化，不利于产品的标准化设计。随着大规模集成电路技术的发展，使用的专用集成电路来实现通用的脉冲发生器成为可能。在文献“基于FPGA的三相逆变器空间矢量PWM控制IC”(IEEE Transon Power Electronics，1997，12(6))中记述了一种基于FPGA实现的常规二电平变流器的PWM控制集成电路，但是这种技术无法应用在多电平变流器或更复杂的拓扑结构中。目前对于多电平变流器通用的PWM控制集成电路还没有记述。更进一步，现在的变流器拓扑结构也趋于多样化，例如对于N电平的单相桥级联变流器，由于需要平衡各开关器件的利用率和各级直流电容电压，往往并不适于用N电平的空间矢量方法直接控制控制，而是将其分解为多个低电平(2电平或3电平)数目的变流器后并基于载波移相的方法再进行脉冲发生控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种用于电力电子变流器的通用脉冲宽度调制集成电路，以实现各种多电平变流器PWM信号发生，同时能够实现基于载波移相的PWM策略。本专利技术提出的用于电力电子变流器的通用脉冲宽度调制集成电路，包括三个调制比寄存器，用于存放三相参考脉冲宽度调制比设置值；三个相移角度寄存器，用于存放三相参考脉冲宽度调制相移角度设置值；一个基波频率寄存器，用于存放参考脉冲宽度调制基波频率设置值；一个开关频率寄存器，用于存放脉冲宽度调制采样开关频率设置值；一个电平数目寄存器，用于存放脉冲宽度调制电平数目设置值；一个级联数目寄存器，用于存放脉冲宽度调制级联数目设置值；一个零序注入标志位寄存器，用于存放脉冲宽度调制零序注入标志位；一个数据接口电路，用于外部电路修改或读取上述各寄存器的值；一个三相同步相位角度数字跟踪电路，用于跟踪外部输入的同步方波信号频率和相位，或者根据上述脉冲宽度调制参考基波频率设置值，产生基准相位角度，并在产生的基准相位角度上加入上述三相脉冲宽度调制参考相移角度设置值，产生三相参考电压相位角度；一个采样时钟分频电路，用于以外部晶振信号为时钟输入信号，根据上述脉冲宽度调制采样开关频率设置值，得到频率为采样频率设置值的1000倍的采样计数时钟信号；一个采样触发信号发生电路，用于以上述采样计数时钟信号为时钟输入，在上述脉冲宽度调制级联数目设置值的控制下，通过移相产生K级方向控制信号、K级采样触发信号和总采样触发信号，其中K是脉冲宽度调制级联数目设置值，K＝1～31；一个参考电压计算电路，用于在上述总采样触发信号的触发下，根据上述三相参考脉冲宽度调制比设置值和三相脉冲宽度调制参考相移角度，分别计算并锁存输出三相瞬时参考电压原始值，并产生调制触发信号；一个参考电压数据格式转换电路，用于根据上述脉冲宽度调制电平数目设置值和脉冲宽度调制零序注入标志位，将上述三相瞬时参考电压原始值转为所需的数据格式，得到三相瞬时参考电压计算值；一个脉冲宽度调制计算电路，用于在上述调制触发信号触发下，并根据上述三相瞬时参考电压计算值，计算并锁存输出下一个采样周期的开关状态及与开关状态相对应的作用时间计数值，并产生输出触发信号；K个相同的开关状态输出时序控制电路，用于在上述输出触发信号的触发下，根据上述开关状态及与开关状态相对应的作用时间计数值，分别控制K级脉冲宽度调制在一个采样周期内的开关状态输出时序；K个相同的开关状态转换电路，用于将开关状态转为对应的电力电子开关门极触发信号。本专利技术提出的用于电力电子变流器的通用脉冲宽度调制集成电路，能够实现各种多电平变流器PWM信号发生，同时能够实现基于载波移相的多电平PWM控制策略。本专利技术是基于大规模数字电路的硬件实现，相对于现有的基于微处理器的脉冲发生方法，速度快而且脉冲精度高，彻底解决了实现复杂控制算法时的计算资源和计算时间的限制问题。本专利技术已经将复杂的多电平脉冲宽度调制算法和载波移相调制方法集成到一块数字电路中，在电力电子变流器控制器的设计中无需再考虑复杂的脉冲发生算法，外接电路设计十分简单，稳定性和可靠性大为提高。本专利技术适用于各种二电平或多电平变流器的脉冲发生控制，对各种电平数目的变流器通用，并且可以通过选择直接多电平PWM或载波移相多电平PWM的策略，对各种多电平变流器实现最优的控制方式。附图说明图1为本专利技术提出的集成电路的原理框图。图2为本专利技术集成电路中第k级方向控制信号和第k级采样触发信号之间的时序关系图。图3所示为本专利技术集成电路中K级采样控制信号及总采样控制信号之间的时序关系图。图4为本专利技术集成电路中的三相同步相位角度数字跟踪电路部分的原理框图。图5为本专利技术集成电路中参考电压计算电路的框图。图6为本专利技术集成电路的典型应用电路示意图。图7为采用本专利技术集成电路对一个7电平变流器进行直接PWM控制时效果波形图。图8为采用本专利技术集成电路对一个五电平变流器进行载波移相PWM控制时的效果波形图。具体实施例方式本专利技术提出的用于电力电子变流器的通用脉冲宽度调制集成电路，其原理框图如图1所示，包括三个调制比寄存器，用于存放三相参考脉冲宽度调制比设置值；三个相移角度寄存器，用于存放三相参考脉冲宽度调制相移角度设置值；一个基波频率寄存器，用于存放参考脉冲宽度调制基波频率设置值；一个开关频率寄存器，用于存放脉冲宽度调制采样开关频率设置值；一个电平数目寄存器，用于存放脉冲宽度调制电平数目设置值；一个级联数目寄存器，用于存放脉冲宽度调制级联数目设置值；一个零序注入标志位寄存器，用于存放脉冲宽度调制零序注入标志位；一个数据接口电路，用于外部电路修改或读取上述各寄存器的值；一个三相同步相位角度数字跟踪电路，用于跟踪外部输入的同步方波信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电力电子变流器的通用脉冲宽度调制集成电路，其特征在于该集成电路包括：三个调制比寄存器，用于存放三相参考脉冲宽度调制比设置值；三个相移角度寄存器，用于存放三相参考脉冲宽度调制相移角度设置值；一个基波频率寄存器， 用于存放参考脉冲宽度调制基波频率设置值；一个开关频率寄存器，用于存放脉冲宽度调制采样开关频率设置值；一个电平数目寄存器，用于存放脉冲宽度调制电平数目设置值；一个级联数目寄存器，用于存放脉冲宽度调制级联数目设置值； 一个零序注入标志位寄存器，用于存放脉冲宽度调制零序注入标志位；一个数据接口电路，用于外部电路修改或读取上述各寄存器的值；一个三相同步相位角度数字跟踪电路，用于跟踪外部输入的同步方波信号频率和相位，或者根据上述脉冲宽度调制 参考基波频率设置值，产生基准相位角度，并在产生的基准相位角度上加入上述三相脉冲宽度调制参考相移角度设置值，产生三相参考电压相位角度；一个采样时钟分频电路，用于以外部晶振信号为时钟输入信号，根据上述脉冲宽度调制采样开关频率设置值，得到 频率为采样频率设置值的１０００倍的采样计数时钟信号；一个采样触发信号发生电路，用于以上述采样计数时钟信号为时钟输入，在上述脉冲宽度调制级联数目设置值的控制下，通过移相产生Ｋ级方向控制信号、Ｋ级采样触发信号和总采样触发信号，其中Ｋ是脉 冲宽度调制级联数目设置值，Ｋ＝１～３１；一个参考电压计算电路，用于在上述总采样触发信号的触发下，根据上述三相参考脉冲宽度调制比设置值和三相脉冲宽度调制参考相移角度，分别计算并锁存输出三相瞬时参考电压原始值，并产生调制触发信号；　 　一个参考电压数据格式转换电路，用于根据上述脉冲宽度调制电平数目设置值和脉冲宽度调制零序注入标志位，将上述三相瞬时参考电压原始值转为所需的数据格式，得到三相瞬时参考电压计算值；一个脉冲宽度调制计算电路，用于在上述调制触发信号触发下， 并根据上述三相瞬时参考电压计算值，计算并锁存输出下一个采样周期的开关状态及与开关状态相对应的作用时间计数值，并产生输出触发信号；Ｋ个相同的开关状态输出时序控制电路，用于在上述输出触发信号的触发下，根据上述开关状态及与开关状态相对应的 作用时间计数值，分别控制Ｋ级脉冲宽度调制在一个采样周期内的开关状态输出时序；Ｋ个相同的开关状态转换电路，用于将开关状态转为对应...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋强，刘文华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]