用附加耦合繞組軟化電子開關過渡過程的技術的製作方法

2023-06-07 18:03:36 3

專利名稱：用附加耦合繞組軟化電子開關過渡過程的技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及用附加耦合繞組軟化電子開關過渡過程的技術，有別於現有的各種緩衝技術與軟開關技術，屬電工學科，電力電子學分支領域。
經檢索可知近年來國內及IEEE主要電力電子技術期刊、國內外著名的有關學術會議論文集，都沒有發現與「用附加耦合繞組軟化電子開關過渡過程的技術」類似的緩衝技術及類似的軟開關電路。
脈衝斬波變流技術是現代電力電子技術的核心，其結合高頻全控型電力電子器件與脈衝時間比率調製控制技術，構成基本電力變流電路，應用於各種變流裝置。但是，在脈衝斬波變流電路中，由於電路中存在電感、電容儲能元件以及電路存在分布電容、引線電感、器件寄生電容，變壓器漏感等，在高速開關變流過程中，不可避免存在開關過渡過程，發生異常高幅值的電壓或電流；由於電力電子器件本身是非理想電子開關，亦存在開關過渡時間，這樣電力電子器件在此暫態過程中，必然存在其電壓波形與電流波形的高度交疊，這種交疊加上暫態下的高幅值電壓或電流，由開關功率損耗PT表達式(1)知，這種開關損耗很大。在電力電子技術領域，稱此脈衝斬波方式為硬開關電路。
PT=1Ttu(t)i(t)dt]]>，T為開關工作周期，Δt為開關暫態時間；(1)硬開關電路造成脈衝斬波變流電路損耗大、電磁幹擾嚴重、可靠性降低，而且隨著開關工作頻率的提高，此現象更為嚴重。為此，必須在電力電子電路中加接緩衝電路(snubber)。緩衝電路的加入改變了電力電子開關器件的開關工作點軌跡，使其在過渡期間電壓波形、電流波形的交疊部分顯著減少，並使暫態過程的能量有了洩放地方，顯著地降低了暫態電壓、電流峰值。緩衝技術只是一種權宜之計，它雖然降低了電力電子開關器件的開關損耗，提高了器件工作可靠性，但它只是將此損耗轉移到緩衝電路的功率電阻上，並不能根本降低變流電路的開關損耗，必然對大功率電路的應用強加了功率限制。
現在，為了節能，為了支持信息技術的發展，為了更高程度的自動化與機電一體化，社會迫切要求電力電子變流裝置具有更高的效率、更好的電磁兼容性、更低的成本費用、更高的工作頻率以獲得更小的體積與重量。為了達到上述目標，人們提出許多新技術以克服緩衝電路的缺陷。目前國內外在這方面的工作可分為兩大途徑。其一為改良性方法，它是在緩衝技術基礎上，改變暫態能量的洩放方式，設法將有損耗的緩衝電路改變為無損耗的緩衝電路；其二為近年來提出的拋棄傳統做法，構造新型的電路拓撲，將硬開關電路改為軟開關(softswitch)電路的革命性的新方法。前者要附加二極體、功率電感器、電容器，在傳統緩衝電路基礎上，去掉耗能電阻，將吸收電容器上的電場能量，在開關管開通時再轉換為附加電感器的磁能，該磁能在下一個關斷階段將此能量回饋給輸入電壓源或負載，以構成損耗很低的緩衝電路；其特性類同傳統緩衝電路一樣，只能解決開關關斷或開通兩個暫態階段的其中一個階段的緩衝，並且一個暫態階段(如關斷)緩衝的實現是以增大另一個暫態階段(如開通)的硬開關效應為代價，若兩者都要實現無損耗的緩衝，則電路相當複雜，此外還存在能量多次回饋時產生的高電流附加損耗，及依賴於工作條件而很困難在不同工作條件下取得良好緩衝效果等缺陷。後者則為了克服前者缺陷，或者利用增加的輔助有源電力電子開關器件、二極體、功率電感器、電容器等，選擇適當的輔助控制電路，構成輔助有源諧振換流電路，或者在強電路約束條件下增加功率電感器、電容器等，以特殊的控制方法，使開關管在每個開關暫態過渡期間都工作在零電壓或零電流狀態，使開關關斷或開通兩個暫態階段都能實現開關功率損耗最小。顯然，這兩種方法都因增加功率元器件等增大了成本、體積、重量。總的來說，前者代價大，效果不夠好，後者在效果上雖然優於前者，但除了代價更大外，還因不通用以及增大了電路與控制的複雜度，故推廣應用受到了很大的限制。而且，實際上所謂的無損耗是不存在的，電流在元器件中流動，必然伴隨著一定的功率損耗，上述兩種方法都存在能量的多次傳遞，因此不可避免地存在損耗。此外電路與控制的複雜度也帶來了成本的提高與可靠性的降低。為此，尋找傳統緩衝電路的更好替代技術或性價比更優越的通用軟開關電路，一直是電力電子技術領域的熱門研發課題。
本發明目的在於它藉助於變流器電感元件上的一個附加耦合繞組、隔離用二極體與電容器及高阻值放電電阻，在開關開通時由漏電感與電容器構成串聯諧振，使吸收電容器能在幾乎不產生環流下諧振饋能，以簡捷能量轉換方式顯著減輕了電子開關開通與關斷過渡過程的缺陷，而提出一種新型的用附加耦合繞組軟化電子開關過渡過程的技術。
本發明的技術方案為在電力電子開關管S1的主電極兩端並聯一個由隔離用高速開關二極體D1、高頻無感吸收電容器C1組成的DC串聯電路，隔離二極體D1的接法為使其正極性與電力電子開關管S1的正極在連線上朝向相同(對功率MOSFET管，就是使S1的漏極與D1的正極最靠近，對IGBT管，就是使S1的集電極與D1的正極最靠近)，在這裡(即

圖1)就是將隔離二極體D1的正極與電力電子開關管S1的正極連接，D1的負極與電容器C1一端連接，C1的另一端接S1的負極，電力電子開關管S1的負極也接至輸入電壓源的負極，由D1與C1構成的串聯電路的公共端點接至另一個隔離用高速開關二極體D2的一端，隔離二極體D2的接法為使其與D1構成正向串聯接法，即D1的負極在連線上與D2的正極最靠近，在這裡就是將D1的負極與D2的正極連接，D2的另一端接至由高頻隔離電容器C2與電阻器R1組成的並聯RC電路的一端，在這裡為D2的負極與並聯RC電路連接，C2與R1並聯的另一端，接至高頻變壓器TX1的附加耦合繞組La上，TX1的原邊繞組Lp就是變流器原有的原邊繞組，Ls為變流器原有的次邊繞組，附加耦合繞組La與Lp共用一個磁芯，La與Lp的繞組匝數相同，La的接法要求是使La在S1導通時的感應電勢的極性與D2的極性形成正向連接，使得C1的充電電勢與La的感應電勢在電路上構成電勢疊加，在這裡為La的非同名端(無打*點端)與C2與R1並聯的另一端連接，La的另一端，即同名端(打*點端)與TX1原邊繞組Lp的同名端(打*點端)並聯，共同接至輸入電壓源V1正極，Lp的非同名端(無打*點端)接至開關管的正極，La的同名端與TX1原邊繞組Lp的同名端並聯，共同接至輸入電壓源正極，以保證上述La的感應電勢有正確的極性，這樣對於原有的變流電路，所增加部分的元器件參數要求是，即對圖1電路參數的選擇是，La的功率容量為C1US12f/2,US1為電子開關管S1在關斷時的最高電壓，f為變換器開關頻率，La與Lp的匝數比為1，高頻無感吸收電容器C1的量值應選取能基本吸收S1關斷時加在開關管S1上的暫態磁能，也就是使開關管關斷時的電壓、電流波形(工作點軌跡)明顯錯開，重疊部分最少，高頻電容器C2典型取值為C1的兩倍以上，電阻器R1典型取值為1/2.2C2f，即C2應保證能將C1所吸收的電能全部通過C2轉移至輸入源、次邊Ls的負載電路上及部分留在C2上，R1應在開關一個周期內將殘留在C2上的電荷基本洩放掉，以使C2上的電壓很低，達到不超過原來C1上充電電壓的十分之一，其依據是對RC電路，其時間常數約為2.2時電容器上的電荷已基本放電完，與不加任何緩衝與軟開關電路的基本變流器電路相比，圖1電路只增加C1、C2、D1、D2、R1及與變流器原有高頻變壓器TX1共用一個磁芯的附加耦合繞組La五個元件，這些元器件全部為較小功率，就能在最低損耗下完成關斷時電感暫態磁場能的吸收、開通時電容電場能對輸入源在TX1漏感Lleak與C=C1C2/(C1+C2)組成的LC串聯諧振下釋放，而且由於C2、R1對直流電路的隔離作用，在此電感元件上不產生明顯的的電流環流，不明顯增大電感元件損耗，也不顯著加大開通損耗；此外由於這些能量的吸收與釋放都在電子開關的開通與關斷兩個動態過程完成的，從而不影響變流器穩態階段的工作。
該技術通用於一般變流器電路，能以最少的附加無源元器件、最簡捷的能量轉換形式、最低成本代價、較少的附加損耗方式解決電力電子開關在開通與關斷兩個過渡過程中產生的電路缺陷問題。
在上述說明中圖1為所提出的本發明的基本電路圖。
圖2為圖1電路在電子開關S1開通時的等效電路圖。
圖3為圖1電路在電子開關S1關斷時的等效電路圖。
圖4為本發明在直流變換器輸出電路中應用的基本電路圖。
圖5為本發明在雙管變流器電路中應用的基本電路圖。
圖6為圖1電路的計算機仿真波形圖。
它以巧妙的技術方法去實現軟化電子開關過渡過程的要求。其基本電路見圖1，圖1在電子開關開通與關斷期間的等效電路見圖2與圖3。圖2中ia為附加的饋能電路的等效電流，Lleak為變壓器的等效漏電感，圖中還標明了電路的電流方向。由此知其技術原理是在傳統的RCD型緩衝電路基礎上，去掉耗能的大功率放電電阻R，也不必附加功率電感器，而是藉助一個附加在變流器中的電感元件上的小功率耦合繞組La，當La的繞組匝數與Lp的繞組匝數相同時，根據物理學中的法拉第電磁感應定律，此與原有的電感元件共用一個磁芯的輔助耦合繞組在開關管導通時產生了感應電勢，該感應電勢的量值VLa等於輸入源電壓V1，此感應電勢的極性是使該感應電勢與儲能後的電容器C1上的電勢形成電勢疊加，以這種電勢將具有吸收關斷暫態時產生的電感磁場能轉換為電場能量功能的充電電容器C1上的電壓提高到高於輸入源電壓，按能量來說就是使電場能的能級提高，利用電容器C2與高阻值電阻R1的隔離作用，足以在電感元件上基本不形成電流環流下，將該電場能量以電荷放電形式向輸入電壓源V1及輸出負載釋放，不同於傳統無損耗緩衝電路，這種電場能量的釋放是以電感器漏感Lleak與吸收電容器構成串聯諧振所形成的諧振電流，諧振電流以正弦函數量形式在電子開關管開通時流向輸入電壓源V1或通過變壓器傳遞給負載，正弦函數量的特點是幅值以零為始點，逐漸增大，L與C量值很小，諧振周期很短，因此不但不顯著增大開關管的開通湧流而且還使電子開關的開通過程軟化。放電電阻R1用於將隔離電容器C2上的電荷洩放掉，由於阻值較高，自身損耗較低。利用並聯在電力電子開關管上的吸收電容器吸收開關管斷開電感器時暫態磁場能，轉換為儲存在吸收電容器中的電場能，這一過程類同傳統RCD型緩衝電路，但由於擁有其後的低損耗放電過程，故可將吸收電容器的容量取大，以達到較好的關斷緩衝目的。以此最簡單的無源軟緩衝方式在不受變換器工作條件影響下，也在不會影響變換器穩態工作條件下，只在最簡單的一個開關周期內，利用關斷或開通兩個暫態階段，就能以最少附加元器件、最簡捷的能量轉換形式、最低成本代價、較少的附加損耗方式同時達到軟化關斷與開通兩個過渡過程，實現有效利用暫態能量的目的。從優化角度來看，此技術具有高性價比。與傳統RCD型緩衝電路相比，此種軟緩衝電路不用耗能的大功率電阻器，而只增加一個小功率輔助繞組及防止電流環流的隔離二極體與隔離電容器以及較小功率的放電電阻。但要指出此技術不能解決問題不是很嚴重的電力電子開關管自身的寄生電容的開通湧流效應問題。圖6就是本發明提出的基本電路圖1的計算機仿真波形圖。在圖6中顯示了電子開關管S1的電壓、電流波形，從中易知圖1應用的發明新技術可以同時達到軟化關斷與開通兩個過渡過程的要求。在圖6中還顯示了通過C2與R1的電流波形，從中易知C1的電能主要通過C2饋能到輸入源與次邊Ls電路，R1損耗的電能很少。故圖1體現了能以最少的附加無源元器件、最簡捷的能量轉換形式、最低成本代價、較少的附加損耗方式解決電力電子開關在開通與關斷兩個過渡過程中產生的電路缺陷問題的發明特點。
由於本發明提出的基本電路僅涉及輸入電壓源與電感元件，一般變流器均含有這兩部分，故可認為此發明技術是一種通用技術。依此發明提出的技術方法推廣到一般變流器上，其具體實施示例見圖1、圖5、圖6。
圖1適用於單管變流器電路與半橋變流器電路。將圖1擴展得到圖6，其適用於多管變流器電路，如雙管正激式電路、全橋式電路，此時與輸入電壓源V1的負極連接的低端電子開關管S1及其外圍元器件D1,D2,C1,C2,R1及高頻變壓器TX1的原邊繞組Lp的非同名端與附加耦合繞組La的非同名端的接法同圖1，附加耦合繞組La與Lp的繞組匝數相同，這裡所增加的元器件為S2,C3,D3,它們的接法是將高端電子開關管S2的正極接輸入電壓源V1的正極，高頻變壓器TX1的原邊繞組Lp的同名端改接在高端電子開關管S2的負極上，在這一接點上還連接有隔離用高速開關二極體D3的負極，二極體D3的正極接高頻無感吸收電容器C3的一端，附加耦合繞組La的同名端也與D3的正極相連接，吸收電容器C3的另一端與高端電子開關管S2的正極連接，這樣就是使附加耦合繞組La在電力電子開關管S1與S2同步導通時產生的感應電勢的極性與隔離二極體D2的極性形成正向連接，使得電容器C1與C3的充電電勢與附加耦合繞組La的感應電勢在電路上構成電勢疊加，這樣可以用最少的附加元器件，同時完成兩個同步工作開關管S1、S2的軟化過渡過程的要求。
將圖1擴展得到圖5，其適用於直流變換器輸出電路，如單端正向式直流變換器半波輸出電路、雙端直流變換器全波輸出電路，將圖1的電力電子開關管S1以續流二極體D3來代替，並以輸出電感器L0代替高頻變壓器TX1，附加耦合繞組La與L0共用一個磁芯，構成耦合電感器L0,L0的原來繞組作為耦合電感器的原邊繞組Lp，附加耦合繞組La與Lp的繞組匝數相同，Lp的非同名端與附加耦合繞組La的非同名端連接在一起並一同接在輸出負載端的正極上，使附加耦合繞組La在續流二極體D3導通時產生的感應電勢的極性與隔離二極體D2的極性形成正向連接，使得電容器C1的充電電勢與附加耦合繞組La的感應電勢在電路上構成電勢疊加，饋能方向是對輸出負載R0端。
權利要求
1．用附加耦合繞組軟化電子開關過渡過程的技術，其特徵在於在電力電子開關管(S1)的主電極兩端並聯一個隔離二極體(D1)、高頻無感吸收電容器(C1)組成的DC串聯電路，隔離二極體(D1)的接法為使其正極與電力電子開關管(S1)的正極在連線上朝向相同，隔離二極體(D1)的正極與電力電子開關管(S1)的正極連接，隔離二極體(D1)的負極與電容器(C1)一端連接，電容器(C1)的另一端接電力電子開關管(S1)的負極，電力電子開關管(S1)的負極也至輸入電壓源(V1)的負極，由隔離二極體(D1)與電容器(C1)構成的串聯電路的公共端點接至另一個隔離用的高速開關隔離二極體(D2)的一端，隔離二極體(D2)的接法為使其與隔離二極體(D1)構成正向串聯接法，即隔離二極體(D1)的負極在連線上與隔離二極體(D2)的正極最靠近，將隔離二極體(D1)的負極與隔離二極體(D2)的正極連接，隔離二極體(D2)的負極接至由高頻隔離電容器(C2)與電阻器(R1)組成的並聯RC電路的一端，隔離二極體(D2)的負極與並聯RC電路連接，高頻隔離電容器(C2)與電阻器(R1)並聯的另一端，接至高頻變壓器(TX1)的附加耦合繞組(La)的非同名端上，變壓器(TX1)的原邊繞組(Lp)就是變流器原有的原邊繞組，(Ls)為變流器原有的次邊繞組，附加耦合繞組(La)與原邊繞組(Lp)共用一個磁芯，附加耦合繞組(La)的同名端與變壓器(TX1)原邊繞組(Lp)的同名端並聯，共同接至輸入電壓源(V1)正極，原邊繞組(Lp)的非同名端接至開關管(S1)的正極，以保證上述附加耦合繞組(La)的感應電勢有正確極性，附加耦合繞組(La)與原邊繞組(Lp)的繞組匝數相同，附加耦合繞組(La)的接法要求是使附加耦合繞組(La)在電力電子開關管(S1)導通時的感應電勢的極性與隔離二極體(D2)的極性形成正向連接，使得電容器(C1)的充電電勢與附加耦合繞組(La)的感應電勢在電路上構成電勢疊加。
2．根據權利要求1所述的用附加耦合繞組軟化電子開關過渡過程的技術，其特徵在於用於多管變流電路，與輸入電壓源(V1)的負極連接的低端電子開關管(S1)及其外圍元器件(D1)，隔離二極體(D2)，電容器(C1)，高頻隔離電容器(C2)，電阻器(R1)及高頻變壓器(TX1)的原邊繞組(Lp)的非同名端與附加耦合繞組(La)的非同名端的接法不變，附加耦合繞組(La)與原邊繞組(Lp)的繞組匝數相同，所增加的元器件為高端電子開關管(S2)，吸收電容器(C3)，二極體(D3)，它們的接法是將高端電子開關管(S2)的正極接輸入電壓源(V1)的正極，高頻變壓器(TX1)的原邊繞組(Lp)的同名端改接在高端電子開關管(S2)的負極上，在這一接點上還連接有隔離用高速開關二極體(D3)的負極，二極體(D3)的正極接高頻無感吸收電容器(C3)的一端，附加耦合繞組(La)的同名端也與(D3)的正極相連接，吸收電容器(C3)的另一端與高端電子開關管(S2)的正極連接，這樣就是使附加耦合繞組(La)在電力電子開關管(S1)與高端電子開關管(S2)同步導通時產生的感應電勢的極性與隔離二極體(D2)的極性形成正向連接，使得電容器(C1)與吸收電容器(C3)的充電電勢與附加耦合繞組(La)的感應電勢在電路上構成電勢疊加。
3．根據權利要求1所述的用附加耦合繞組軟化電子開關過渡過程的技術，其特徵在於用於直流變換器的輸出電路，電力電子開關管(S1)以續流二極體(D3)來代替，並以輸出電感器(L0)代替高頻變壓器(TX1)，附加耦合繞組(La)與(L0)共用一個磁芯，構成耦合電感器(L0)，耦合電感器(L0)的原來繞組作為耦合電感器的原邊繞組(Lp)，附加耦合繞組(La)與原邊繞組(Lp)的繞組匝數相同，原邊繞組(Lp)的非同名端與附加耦合繞組(La)的非同名端連接在一起並一同接在輸出負載端(R0)的正極上，使附加耦合繞組(La)在續流二極體(D3)導通時產生的感應電勢的極性與隔離二極體(D2)的極性形成正向連接，使得電容器(C1)的充電電勢與附加耦合繞組(La)的感應電勢在電路上構成電勢疊加，饋能方向是對輸出負載(R0)端。
全文摘要
本發明公開了一種用附加耦合繞組軟化電子開關過渡過程的技術,通用於一般變流器電路,與其它緩衝、軟開關技術不同,它藉助於變流器電感元件上的一個附加耦合繞組、隔離用二極體與電容器及高阻值放電電阻,在開關開通時由漏電感與電容器構成串聯諧振,使吸收電容器能在幾乎不產生環流下諧振饋能,以簡捷能量轉換方式顯著減輕了電子開關開通與關斷過渡過程的缺陷。
文檔編號H03K17/08GK1312614SQ0110821
公開日2001年9月12日 申請日期2001年2月17日 優先權日2001年2月17日
發明者林周布 申請人:福州大學