一種橋臂軟開關電路及其控制方法與應用系統的製作方法
2023-06-02 20:59:51 1
專利名稱：一種橋臂軟開關電路及其控制方法與應用系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種開通和關斷逆變橋中開關器件的軟開關電路其實現方法與應用。
背景技術：
目前，逆變器橋臂的開通和關斷方式有兩種硬開關和軟開關；軟開關可分為零電流開通或零電壓開通，零電壓關斷或零電流關斷。傳統無源軟開關在全電流、全電壓範圍內實現軟開關時，空載損耗大。而有源軟開關含又有複雜的檢測、運算電路等，系統可靠性差；而且電路中連接有輔助電感，因此造成能量的損耗，導致逆變器的工作效率的降低。
發明內容
為了克服以上所述現有技術不足，本發明提供一種結構簡單、損耗少、可靠的橋臂軟開關電路以及該電路的控制方法，含有這種電路的逆變器等系統有利於工作效率的提高。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種橋臂軟開關電路，其包括兩個主開關，兩個主開關分別與兩個二極體反並聯，其中一個主開關的輸出端與另一個主開關的輸入端串接組成一組橋臂，兩個主開關組成的支路與由兩個電容串接組成的支路並聯連接，兩個電容的連接處與兩個主開關的連接處之間連接有輔助支路，主開關連接處與飽和電感的輸入端連接，所述輔助支路由兩個帶反並聯二極體的輔助開關反串聯組成。
一種橋臂軟開關電路的控制方法，驅動信號驅動主開關和輔助開關開通和關斷，包括如下過程1)兩個主開關和兩個輔助開關處於關斷狀態，首先其中一個主開關開通，同時或延時一個相應的輔助開關開通，利用飽和電感電流不能突變，實現該主開關的零電流開通；；接著主開關關斷，利用輔助支路實現零電壓關斷；輔助開關在主開關關斷後延遲至少一個關斷時間才關斷；2)另一主開關在前一輔助開關關閉後開通，同時或延時另一輔助開關開通，利用飽和電感電流不能突變，實現該主開關的零電流開通；接著主開關關斷，利用輔助支路實現零電壓關斷；輔助開關在主開關關斷後延遲至少一個關斷時間才關斷；上述1)和2)的過程包括在一個周期內，下一個周期重複上述過程。
其中，所述開關為絕緣柵電晶體或場效應管等全控電力半導體開關。
本發明的有益效果是由於本發明主要由開關、二極體、電容和飽和電感組成，因此具有結構簡單的優點；而且，由於本發明在輔助開關下實現橋臂零電流開通、零電壓關斷，與傳統無源軟開關相比，在適合的驅動信號下可以在全電流、全電壓範圍內實現軟開關，空載損耗少；與其它有源軟開關相比，省去複雜的檢測、運算電路，系統可靠性高，成本低，並省去了輔助電感的電能消耗；有利於逆變器工作效率的提高。
另外，所述輔助支路串接有電容，從而降低輔助支路器件的電氣要求，減少生產的成本。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是橋臂軟開關電路的一種實施例結構示意圖；圖2是橋臂軟開關電路的另一種實施例結構示意圖；圖3是應用了橋臂軟開關電路的有源全橋軟開關DC/DC變換器；圖4是圖3驅動波形圖；圖5是用本發明製作出來的變頻器；圖6是圖5的a相驅動波形圖；圖7是輔助開關驅動模塊電路原理圖；圖8是帶有輔助開關驅動模塊的輔助模塊結構示意圖；圖9是帶有輔助開關驅動模塊的一體化模塊結構示意圖。
具體實施例方式
參照圖1，一種橋臂軟開關電路，其包括主開關Q1、Q2，主開關Q1、Q2分別與二極體D1、D2反並聯，主開關Q1的輸出端與主開關Q2的輸入端串接組成一組橋臂，主開關Q1的輸入端與主開關Q2的輸出端之間串接有電容C1、C2，電容C1、C2的連接處A與主開關Q1、Q2的連接處B之間連接有輔助支路，連接處B與飽和電感LS的輸入端連接，所述輔助支路由兩個帶反並聯二極體D3、D4的輔助開關Q3、Q4反串聯組成。其中，所述主、輔助開關Q1、Q2、Q3和Q4為絕緣柵電晶體IGBT或場效應管DMOS等全控電力半導體器件。實際上可在原有主開關上加裝輔助支路，即可實現主開關的由硬開關變為軟開關。如果原開關的負載為感性元件，則可省去飽和電感。
參照圖2，為了降低輔助支路器件的要求，所述輔助支路串接有電容C3，從而降低了生產成本。
為了使上述橋臂軟開關電路實現橋臂零電流開通、零電壓關斷，該電路的控制方法如下1)兩個主開關Q1、Q2和兩個輔助開關Q3、Q4處於關斷狀態，首先其中一個主開關Q1開通，同時或延時一個相應的輔助開關Q4開通，利用飽和電感LS電流不能突變，實現該主開關Q1的零電流開通；接著主開關Q1關斷，利用輔助支路實現零電壓關斷；輔助開關Q4在主開關Q1關斷後延遲至少一個關斷時間toff才關斷。
2)另一主開關Q2在前一輔助開關Q4關閉後開通，同時或延時另一輔助開關Q3開通，利用飽和電感LS電流不能突變，實現該主開關Q2的零電流開通；接著主開關Q2關斷，利用輔助支路實現零電壓關斷；輔助開關Q3在主開關Q2關斷後延遲至少一個關斷時間toff才關斷。
上述1)和2)的過程包括在一個周期內，下一個周期重複上述過程。
參照圖3和圖4所示本實施例為由兩個相同的橋臂軟開關電路組成的有源全橋軟開關DC/DC變換器，其可在合理的多種驅動信號下實現軟開關工作模式如脈寬調製方式、有限雙極控制方式和移相控制方式等。但是脈寬調製方式在死區期間由於雜散、分布電容和電感而引起寄生振蕩。而有限雙極控制方式和移相控制方式都可以在全負載範圍(空載、滿載、短路)內實現軟開關。現再介紹一種反有限雙極控制方式，使其實現工作在軟開關模式，而且減少死區期間由於雜散、分布電容和電感而引起寄生振蕩。其工作過程如下t0時刻，Q11開通(零電流和零電壓開通)，消除死區期間的寄生振蕩；t1時刻，Q11』開通；t2時刻，Q44開通(零電流開通)，電流由+E1→Q11→LS』→T→Q44→-E1；t3時刻，Q44』開通；t4時刻，Q11、Q44關(零電壓關斷)，電流由+E1→C1』C3』→Q11』→D33』→LS』→T→Q44』→D22』→C2』C4』→-E1；t5時刻，Q11』、Q44』關，電流由-E1→D33→LS』→T→D22→+E1；t6時刻，Q33開通(零電流和零電壓開通)，消除死區期間的寄生振蕩；t7時刻，Q33』開通；t8時刻，Q22開通(零電流開通)，電流由+E1→Q22→T→LS』→Q33→-E1；t9時刻，Q22』開通；t10時刻，Q22、Q33關(零電壓關斷)，電流由+E1→C2』C4』→Q22』→D44』→T→LS』→Q33』→D11』→C1』C3』→-E1；t11時刻，Q22』、Q33』關，電流由-E1→D44→T→LS』→D11→+E1；
t12，Q11開通，新一個周期的工作開始，重複上一周期的工作。
在上面的過程中，Q11』比Q11、Q44』比Q44、Q22』比Q22、Q33』比Q33延遲至少一個關斷時間toff才關斷，才能確保Q11、Q44、Q22、Q33實現零電壓關斷。另外，Q11』、Q22』、Q33』、Q44』要工作在零電流關斷，必須有工作電流大於臨界電流。
其中，如果Q11、Q33、Q22、Q44的死區時間不少於3μs，Q11』、Q33』、Q22』、Q44』的死區時間不大於1.6μs，使Q11、Q11』，Q44、Q44』，Q22、Q22』，Q33、Q33』同時開通，從而確保Q11』、Q44』比Q11、Q44遲至少1.4μs關斷，Q22』、Q33』比Q22、Q33遲1.4μs關斷。也就是要使Q11』、Q44』比Q11、Q44遲1個關斷時間toff，Q22』、Q33』比Q22、Q33遲1個關斷時間toff，以實現軟開關模式。驅動波形如圖4所示。
在如圖3電路中，C1』＝C2』＝C3』＝C4』＝0.5C，根據CV＝I·toff，應以最大峰值負載電流最低電源電壓取值。電源電壓E1若以250V算，若電源變壓器T最大電流為50A(峰值)，toff＝1μs，則C＝50A·1μs/250V＝0.2μ。取標稱為0.1μ的電容。
若主開關管的死區時間t死為3μs，臨界電流可確定。
若負載電流為恆定，則有I臨＝C·V/t死＝16.7A。
當電流大於等於I臨時，C上的電壓已上升為E1，Q11』、Q33』、Q22』、Q44』零電流關斷；當電流小於I臨時Q11』、Q33』、Q22』、Q44』仍為硬開關。
由上面分析可得當I』≥I臨時，系統工作在全橋軟開關狀態，主開關器件工作在零電壓關斷、零電流開通工作狀態，輔助開關工作在零電流開通、關斷狀態。
當I』＜I臨時，主開關工作在零電流開通(由於LS存在)、零電壓關斷狀態，輔助開關工作在硬開關狀態。
Q11』、Q33』工作電壓為Q11、Q33工作電壓一樣，電流標稱容量可為主開關的容量的1/3～1/4，系統可以在全負載範圍實現軟開關。
與傳統的全橋軟開關相比，本實施例的全橋軟開關具有明顯的優點(1)、在全負載範圍內實現軟開關且無需假負載。
(2)、採用的元器件少，實現輔助開關在超過臨界電流時實現零電流關斷。
(3)、該變換器工作狀態與高頻變壓器副邊繞組及整流器件連結方式無關。
(4)、關斷時能量損耗少，發熱量小，空載損耗低。
參照圖5、圖6所示本實施例為由三個相同的橋臂軟開關電路組成的變頻器。
在圖中，t2-t1＞toff，t3-t2＞toff，t5-t4＞toff，t6-t5＞toff。
t0時刻，Qa1、Qa4開通，電流由+E2→Qa1→LSa→a，Qa1零電流開通；t1時刻，Qa1關斷，電流由+E2→Ca1Ca2→Qa4→Da3→LSa→a，Qa1零電壓判斷；t2時刻，Qa4關斷，電流由-E2→Da2→LSa→a；
t3時刻，Qa2、Qa3開通，電流由a→LSa→Qa2→-E2，Qa2零電流開通；t4時刻，Qa2關斷，電流由a→LSa→Qa3→Da4→Ca1Ca2→-E2，Qa2零電壓關斷；t5時刻，Qa3關斷，電流由a→LSa→Da1→+E2；t6時刻，Qa1、Qa4開通，重複上述的開通過程。
同樣，當I＞2(Ca1+Ca2)(E2++E2-)/(t3-t1)時，Qa4零電流關斷；當I＞(Ca1+Ca2)(E2++E2-)/(t6-t4)時，Qa3零電流關斷。
其中，在b、c相中，工作過程與a相相同；本發明與目前變頻器中的軟開關相比，省去了輔助電感和高速檢測運算電路，具有節能、可靠的優點。
當然，本發明的保護範圍不局限於上述的實施例，與本發明等同的技術方案也屬於本發明的保護範圍。
根據橋臂軟開關電路控制方法可知，輔助開關的控制信號跟隨主開關的驅動信號變化，只要對原主開關驅動信號進行處理即可獲得輔助開關的驅動信號。因此本發明還在橋臂軟開關電路的基礎上設計了輔助開關驅動模塊。參照圖7，輔助開關驅動模塊包括電源部分U1和延時驅動部分U2，延時驅動部分U2輸入端G1、G2分別與主開關Q1、Q2控制端連接，其輸出端G4、G3相應的與輔助開關Q4、Q3的控制端連接。輔助開關驅動模塊的延時驅動部分U2由兩個子電路組成，每個子電路包括光電開關支路U21和延時支路U22，光電開關支路U21與延時支路U22並聯後串聯二極體D1、D3和可變電阻R4、R8後與主開關Q1、Q2控制端連接；所述光電開關支路U21由光電耦合器O1、O2輸入端串聯電阻R6、R9和發光二極體LED1、LED2組成，光電耦合器O1、O2的輸出端串聯電阻R7、R11後與輔助開關Q4、Q3控制端連接；所述延時支路U22由電容C10、C12串聯帶反並聯二極體D2、D4的電阻R5、R10組成。
下面以其中一個子電路為例說明輔助開關驅動模塊的工作原理當主開關Q1的驅動信號為高電平，二極體D1導通，該高電平驅動光電耦合器O1開通，輸出高電平到輔助開關Q4控制端，使輔助開關Q4打開。同時高電平經電阻R5對電容C10充電。當主開關Q1的驅動信號變為低電平，二極體D1截至，電容C10經過二極體D2、電阻R6、發光二極體LED1和光電耦合器O1放電，使光電耦合器O1保持開通，直到電容C10放電至光電耦合器O1的閥值，光電耦合器O1關斷，輸出低電平到輔助開關Q4控制端使其關閉。這樣就可以實現輔助開關比主開關延遲1個關斷時間toff關閉，實現軟開關模式。關斷時間toff由電容C10、C12的容量決定。
根據實際應用的需要，由輔助支路和輔助開關驅動模塊構成的輔助模塊U3，參照圖8，如果原硬開關系統中已經存在主開關Q1、Q2，只要加入輔助模塊U3，即可將原硬開關系統變成軟開關系統。參照圖9，當然，橋臂軟開關電路加入輔助開關驅動模塊後即可以作為一體化模塊U4，只要將原硬開關系統完全拆除後安裝一體化U4模塊即可，十分方便，而且節約了成本、系統更加可靠。
權利要求
1.一種橋臂軟開關電路，其包括主開關(Q1)、(Q2)，主開關(Q1)、(Q2)分別與二極體(D1)、(D2)反並聯，主開關(Q1)的輸出端與主開關(Q2)的輸入端串接組成一組橋臂，主開關(Q1)的輸入端與主開關(Q2)的輸出端之間串接有電容(C1)、(C2)，其特徵在於電容(C1)、(C2)的連接處(A)與主開關(Q1)、(Q2)的連接處(B)之間連接有輔助支路，連接處(B)與飽和電感(LS)的輸入端連接，所述輔助支路由兩個帶反並聯二極體(D3)、(D4)的輔助開關(Q3)、(Q4)反串聯組成。
2.一種橋臂軟開關電路的控制方法，其特徵在於橋臂軟開關電路包括主開關(Q1)、(Q2)，主開關(Q1)、(Q2)分別與二極體(D1)、(D2)反並聯，主開關(Q1)的輸出端與主開關(Q2)的輸入端串接組成一組橋臂，主開關(Q1)的輸入端與主開關(Q2)的輸出端之間串接有電容(C1)、(C2)，其特徵在於電容(C1)、(C2)的連接處(A)與主開關(Q1)、(Q2)的連接處(B)之間連接有輔助支路，連接處(B)與飽和電感(LS)的輸入端連接，所述輔助支路由兩個帶反並聯二極體(D3)、(D4)的輔助開關(Q3)、(Q4)反串聯組成；有驅動信號驅動主開關(Q1)、(Q2)和輔助開關(Q3)、(Q4)開通和關斷，包括如下過程1)兩個主開關(Q1)、(Q2)和兩個輔助開關(Q3)、(Q4)處於關斷狀態，首先其中一個主開關(Q1)開通，同時或延時一個相應的輔助開關(Q4)開通，利用飽和電感(LS)電流不能突變，實現該主開關(Q1)的零電流開通；接著主開關(Q1)關斷，利用輔助支路實現零電壓關斷；輔助開關(Q4)在主開關(Q1)關斷後延遲至少一個關斷時間才關斷；2)另一主開關(Q2)在前一輔助開關(Q4)關閉後開通，同時或延時另一輔助開關(Q3)開通，利用飽和電感(LS)電流不能突變，實現該主開關(Q2)的零電流開通；接著主開關(Q2)關斷，利用輔助支路實現零電壓關斷；輔助開關(Q3)在主開關(Q2)關斷後延遲至少一個關斷時間才關斷；上述1)和2)的過程包括在一個周期內，下一個周期重複上述過程。
3.根據權利要求1所述的一種橋臂軟開關電路，其特徵在於所述主、輔助開關(Q1)、(Q2)、(Q3)和(Q4)為絕緣柵電晶體(IGBT)或場效應管(DMOS)全控電力半導體器件。
4.根據權利要求1所述的一種橋臂軟開關電路，其特徵在於所述輔助支路串接有電容(C3)。
5.根據權利要求1所述的一種橋臂軟開關系統，其特徵在於有輔助開關驅動模塊，其輸入端分別與主開關(Q1)、(Q2)控制端連接，其輸出端相應的與輔助開關(Q4)、(Q3)的控制端連接。
6.根據權利要求5所述的一種橋臂軟開關系統，其特徵在於輔助開關驅動模塊包括電源部分(U1)和延時驅動部分(U2)，延時驅動部分(U2)輸入端(G1)、(G2)分別與主開關(Q1)、(Q2)控制端連接，其輸出端(G4)、(G3)相應的與輔助開關(Q4)、(Q3)的控制端連接。
7.根據權利要求6所述的一種橋臂軟開關系統，其特徵在於輔助開關驅動模塊的延時驅動部分(U2)由兩個子電路組成，每個子電路包括光電開關支路(U21)和延時支路(U22)，光電開關支路(U21)與延時支路(U22)並聯後串聯二極體(D1、D3)和可變電阻(R4、R8)後與主開關(Q1、Q2)控制端連接；所述光電開關支路(U21)由光電耦合器(O1、O2)輸入端串聯電阻(R6、R9)和發光二極體(LED1、LED2)組成，光電耦合器(O1、O2)的輸出端串聯電阻(R7、R11)後與輔助開關(Q4、Q3)控制端連接；所述延時支路(U22)由電容(C10、C12)串聯帶反並聯二極體(D2、D4)的電阻(R5、R10)組成。
全文摘要
本發明公開了一種橋臂軟開關電路及其控制方法與應用系統，其中電路包括兩個主開關，兩個主開關分別與兩個二極體反並聯，其中一個主開關的輸出端與另一個主開關的輸入端串接組成一組橋臂，兩個主開關組成的支路與由兩個電容串接組成的支路並聯連接，兩個電容的連接處與兩個主開關的連接處之間連接有輔助支路，主開關連接處與飽和電感的輸入端連接，所述輔助支路由兩個帶反並聯二極體的輔助開關反串聯組成；本發明具有結構簡單、損耗少、可靠的優點，含有這種電路的逆變器、變頻器有利於工作效率的提高。
文檔編號H02M7/48GK1866715SQ20051013632
公開日2006年11月22日 申請日期2005年12月26日 優先權日2005年5月18日
發明者陳小龍 申請人:陳小龍