专利名称：一种桥臂软开关电路及其控制方法与应用系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开通和关断逆变桥中开关器件的软开关电路其实现方法与应用。
背景技术：
目前，逆变器桥臂的开通和关断方式有两种硬开关和软开关；软开关可分为零电流开通或零电压开通，零电压关断或零电流关断。传统无源软开关在全电流、全电压范围内实现软开关时，空载损耗大。而有源软开关含又有复杂的检测、运算电路等，系统可靠性差；而且电路中连接有辅助电感，因此造成能量的损耗，导致逆变器的工作效率的降低。
发明内容
为了克服以上所述现有技术不足，本发明提供一种结构简单、损耗少、可靠的桥臂软开关电路以及该电路的控制方法，含有这种电路的逆变器等系统有利于工作效率的提高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种桥臂软开关电路，其包括两个主开关，两个主开关分别与两个二极管反并联，其中一个主开关的输出端与另一个主开关的输入端串接组成一组桥臂，两个主开关组成的支路与由两个电容串接组成的支路并联连接，两个电容的连接处与两个主开关的连接处之间连接有辅助支路，主开关连接处与饱和电感的输入端连接，所述辅助支路由两个带反并联二极管的辅助开关反串联组成。
一种桥臂软开关电路的控制方法，驱动信号驱动主开关和辅助开关开通和关断，包括如下过程1)两个主开关和两个辅助开关处于关断状态，首先其中一个主开关开通，同时或延时一个相应的辅助开关开通，利用饱和电感电流不能突变，实现该主开关的零电流开通；；接着主开关关断，利用辅助支路实现零电压关断；辅助开关在主开关关断后延迟至少一个关断时间才关断；2)另一主开关在前一辅助开关关闭后开通，同时或延时另一辅助开关开通，利用饱和电感电流不能突变，实现该主开关的零电流开通；接着主开关关断，利用辅助支路实现零电压关断；辅助开关在主开关关断后延迟至少一个关断时间才关断；上述1)和2)的过程包括在一个周期内，下一个周期重复上述过程。
其中，所述开关为绝缘栅晶体管或场效应管等全控电力半导体开关。
本发明的有益效果是由于本发明主要由开关、二极管、电容和饱和电感组成，因此具有结构简单的优点；而且，由于本发明在辅助开关下实现桥臂零电流开通、零电压关断，与传统无源软开关相比，在适合的驱动信号下可以在全电流、全电压范围内实现软开关，空载损耗少；与其它有源软开关相比，省去复杂的检测、运算电路，系统可靠性高，成本低，并省去了辅助电感的电能消耗；有利于逆变器工作效率的提高。
另外，所述辅助支路串接有电容，从而降低辅助支路器件的电气要求，减少生产的成本。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是桥臂软开关电路的一种实施例结构示意图；图2是桥臂软开关电路的另一种实施例结构示意图；图3是应用了桥臂软开关电路的有源全桥软开关DC/DC变换器；图4是图3驱动波形图；图5是用本发明制作出来的变频器；图6是图5的a相驱动波形图；图7是辅助开关驱动模块电路原理图；图8是带有辅助开关驱动模块的辅助模块结构示意图；图9是带有辅助开关驱动模块的一体化模块结构示意图。
具体实施例方式
参照图1，一种桥臂软开关电路，其包括主开关Q1、Q2，主开关Q1、Q2分别与二极管D1、D2反并联，主开关Q1的输出端与主开关Q2的输入端串接组成一组桥臂，主开关Q1的输入端与主开关Q2的输出端之间串接有电容C1、C2，电容C1、C2的连接处A与主开关Q1、Q2的连接处B之间连接有辅助支路，连接处B与饱和电感LS的输入端连接，所述辅助支路由两个带反并联二极管D3、D4的辅助开关Q3、Q4反串联组成。其中，所述主、辅助开关Q1、Q2、Q3和Q4为绝缘栅晶体管IGBT或场效应管DMOS等全控电力半导体器件。实际上可在原有主开关上加装辅助支路，即可实现主开关的由硬开关变为软开关。如果原开关的负载为感性元件，则可省去饱和电感。
参照图2，为了降低辅助支路器件的要求，所述辅助支路串接有电容C3，从而降低了生产成本。
为了使上述桥臂软开关电路实现桥臂零电流开通、零电压关断，该电路的控制方法如下1)两个主开关Q1、Q2和两个辅助开关Q3、Q4处于关断状态，首先其中一个主开关Q1开通，同时或延时一个相应的辅助开关Q4开通，利用饱和电感LS电流不能突变，实现该主开关Q1的零电流开通；接着主开关Q1关断，利用辅助支路实现零电压关断；辅助开关Q4在主开关Q1关断后延迟至少一个关断时间toff才关断。
2)另一主开关Q2在前一辅助开关Q4关闭后开通，同时或延时另一辅助开关Q3开通，利用饱和电感LS电流不能突变，实现该主开关Q2的零电流开通；接着主开关Q2关断，利用辅助支路实现零电压关断；辅助开关Q3在主开关Q2关断后延迟至少一个关断时间toff才关断。
上述1)和2)的过程包括在一个周期内，下一个周期重复上述过程。
参照图3和图4所示本实施例为由两个相同的桥臂软开关电路组成的有源全桥软开关DC/DC变换器，其可在合理的多种驱动信号下实现软开关工作模式如脉宽调制方式、有限双极控制方式和移相控制方式等。但是脉宽调制方式在死区期间由于杂散、分布电容和电感而引起寄生振荡。而有限双极控制方式和移相控制方式都可以在全负载范围(空载、满载、短路)内实现软开关。现再介绍一种反有限双极控制方式，使其实现工作在软开关模式，而且减少死区期间由于杂散、分布电容和电感而引起寄生振荡。其工作过程如下t0时刻，Q11开通(零电流和零电压开通)，消除死区期间的寄生振荡；t1时刻，Q11’开通；t2时刻，Q44开通(零电流开通)，电流由+E1→Q11→LS’→T→Q44→-E1；t3时刻，Q44’开通；t4时刻，Q11、Q44关(零电压关断)，电流由+E1→C1’C3’→Q11’→D33’→LS’→T→Q44’→D22’→C2’C4’→-E1；t5时刻，Q11’、Q44’关，电流由-E1→D33→LS’→T→D22→+E1；t6时刻，Q33开通(零电流和零电压开通)，消除死区期间的寄生振荡；t7时刻，Q33’开通；t8时刻，Q22开通(零电流开通)，电流由+E1→Q22→T→LS’→Q33→-E1；t9时刻，Q22’开通；t10时刻，Q22、Q33关(零电压关断)，电流由+E1→C2’C4’→Q22’→D44’→T→LS’→Q33’→D11’→C1’C3’→-E1；t11时刻，Q22’、Q33’关，电流由-E1→D44→T→LS’→D11→+E1；
t12，Q11开通，新一个周期的工作开始，重复上一周期的工作。
在上面的过程中，Q11’比Q11、Q44’比Q44、Q22’比Q22、Q33’比Q33延迟至少一个关断时间toff才关断，才能确保Q11、Q44、Q22、Q33实现零电压关断。另外，Q11’、Q22’、Q33’、Q44’要工作在零电流关断，必须有工作电流大于临界电流。
其中，如果Q11、Q33、Q22、Q44的死区时间不少于3μs，Q11’、Q33’、Q22’、Q44’的死区时间不大于1.6μs，使Q11、Q11’，Q44、Q44’，Q22、Q22’，Q33、Q33’同时开通，从而确保Q11’、Q44’比Q11、Q44迟至少1.4μs关断，Q22’、Q33’比Q22、Q33迟1.4μs关断。也就是要使Q11’、Q44’比Q11、Q44迟1个关断时间toff，Q22’、Q33’比Q22、Q33迟1个关断时间toff，以实现软开关模式。驱动波形如图4所示。
在如图3电路中，C1’＝C2’＝C3’＝C4’＝0.5C，根据CV＝I·toff，应以最大峰值负载电流最低电源电压取值。电源电压E1若以250V算，若电源变压器T最大电流为50A(峰值)，toff＝1μs，则C＝50A·1μs/250V＝0.2μ。取标称为0.1μ的电容。
若主开关管的死区时间t死为3μs，临界电流可确定。
若负载电流为恒定，则有I临＝C·V/t死＝16.7A。
当电流大于等于I临时，C上的电压已上升为E1，Q11’、Q33’、Q22’、Q44’零电流关断；当电流小于I临时Q11’、Q33’、Q22’、Q44’仍为硬开关。
由上面分析可得当I’≥I临时，系统工作在全桥软开关状态，主开关器件工作在零电压关断、零电流开通工作状态，辅助开关工作在零电流开通、关断状态。
当I’＜I临时，主开关工作在零电流开通(由于LS存在)、零电压关断状态，辅助开关工作在硬开关状态。
Q11’、Q33’工作电压为Q11、Q33工作电压一样，电流标称容量可为主开关的容量的1/3～1/4，系统可以在全负载范围实现软开关。
与传统的全桥软开关相比，本实施例的全桥软开关具有明显的优点(1)、在全负载范围内实现软开关且无需假负载。
(2)、采用的元器件少，实现辅助开关在超过临界电流时实现零电流关断。
(3)、该变换器工作状态与高频变压器副边绕组及整流器件连结方式无关。
(4)、关断时能量损耗少，发热量小，空载损耗低。
参照图5、图6所示本实施例为由三个相同的桥臂软开关电路组成的变频器。
在图中，t2-t1＞toff，t3-t2＞toff，t5-t4＞toff，t6-t5＞toff。
t0时刻，Qa1、Qa4开通，电流由+E2→Qa1→LSa→a，Qa1零电流开通；t1时刻，Qa1关断，电流由+E2→Ca1Ca2→Qa4→Da3→LSa→a，Qa1零电压判断；t2时刻，Qa4关断，电流由-E2→Da2→LSa→a；
t3时刻，Qa2、Qa3开通，电流由a→LSa→Qa2→-E2，Qa2零电流开通；t4时刻，Qa2关断，电流由a→LSa→Qa3→Da4→Ca1Ca2→-E2，Qa2零电压关断；t5时刻，Qa3关断，电流由a→LSa→Da1→+E2；t6时刻，Qa1、Qa4开通，重复上述的开通过程。
同样，当I＞2(Ca1+Ca2)(E2++E2-)/(t3-t1)时，Qa4零电流关断；当I＞(Ca1+Ca2)(E2++E2-)/(t6-t4)时，Qa3零电流关断。
其中，在b、c相中，工作过程与a相相同；本发明与目前变频器中的软开关相比，省去了辅助电感和高速检测运算电路，具有节能、可靠的优点。
当然，本发明的保护范围不局限于上述的实施例，与本发明等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
根据桥臂软开关电路控制方法可知，辅助开关的控制信号跟随主开关的驱动信号变化，只要对原主开关驱动信号进行处理即可获得辅助开关的驱动信号。因此本发明还在桥臂软开关电路的基础上设计了辅助开关驱动模块。参照图7，辅助开关驱动模块包括电源部分U1和延时驱动部分U2，延时驱动部分U2输入端G1、G2分别与主开关Q1、Q2控制端连接，其输出端G4、G3相应的与辅助开关Q4、Q3的控制端连接。辅助开关驱动模块的延时驱动部分U2由两个子电路组成，每个子电路包括光电开关支路U21和延时支路U22，光电开关支路U21与延时支路U22并联后串联二极管D1、D3和可变电阻R4、R8后与主开关Q1、Q2控制端连接；所述光电开关支路U21由光电耦合器O1、O2输入端串联电阻R6、R9和发光二极管LED1、LED2组成，光电耦合器O1、O2的输出端串联电阻R7、R11后与辅助开关Q4、Q3控制端连接；所述延时支路U22由电容C10、C12串联带反并联二极管D2、D4的电阻R5、R10组成。
下面以其中一个子电路为例说明辅助开关驱动模块的工作原理当主开关Q1的驱动信号为高电平，二极管D1导通，该高电平驱动光电耦合器O1开通，输出高电平到辅助开关Q4控制端，使辅助开关Q4打开。同时高电平经电阻R5对电容C10充电。当主开关Q1的驱动信号变为低电平，二极管D1截至，电容C10经过二极管D2、电阻R6、发光二极管LED1和光电耦合器O1放电，使光电耦合器O1保持开通，直到电容C10放电至光电耦合器O1的阀值，光电耦合器O1关断，输出低电平到辅助开关Q4控制端使其关闭。这样就可以实现辅助开关比主开关延迟1个关断时间toff关闭，实现软开关模式。关断时间toff由电容C10、C12的容量决定。
根据实际应用的需要，由辅助支路和辅助开关驱动模块构成的辅助模块U3，参照图8，如果原硬开关系统中已经存在主开关Q1、Q2，只要加入辅助模块U3，即可将原硬开关系统变成软开关系统。参照图9，当然，桥臂软开关电路加入辅助开关驱动模块后即可以作为一体化模块U4，只要将原硬开关系统完全拆除后安装一体化U4模块即可，十分方便，而且节约了成本、系统更加可靠。
权利要求
1.一种桥臂软开关电路，其包括主开关(Q1)、(Q2)，主开关(Q1)、(Q2)分别与二极管(D1)、(D2)反并联，主开关(Q1)的输出端与主开关(Q2)的输入端串接组成一组桥臂，主开关(Q1)的输入端与主开关(Q2)的输出端之间串接有电容(C1)、(C2)，其特征在于电容(C1)、(C2)的连接处(A)与主开关(Q1)、(Q2)的连接处(B)之间连接有辅助支路，连接处(B)与饱和电感(LS)的输入端连接，所述辅助支路由两个带反并联二极管(D3)、(D4)的辅助开关(Q3)、(Q4)反串联组成。
2.一种桥臂软开关电路的控制方法，其特征在于桥臂软开关电路包括主开关(Q1)、(Q2)，主开关(Q1)、(Q2)分别与二极管(D1)、(D2)反并联，主开关(Q1)的输出端与主开关(Q2)的输入端串接组成一组桥臂，主开关(Q1)的输入端与主开关(Q2)的输出端之间串接有电容(C1)、(C2)，其特征在于电容(C1)、(C2)的连接处(A)与主开关(Q1)、(Q2)的连接处(B)之间连接有辅助支路，连接处(B)与饱和电感(LS)的输入端连接，所述辅助支路由两个带反并联二极管(D3)、(D4)的辅助开关(Q3)、(Q4)反串联组成；有驱动信号驱动主开关(Q1)、(Q2)和辅助开关(Q3)、(Q4)开通和关断，包括如下过程1)两个主开关(Q1)、(Q2)和两个辅助开关(Q3)、(Q4)处于关断状态，首先其中一个主开关(Q1)开通，同时或延时一个相应的辅助开关(Q4)开通，利用饱和电感(LS)电流不能突变，实现该主开关(Q1)的零电流开通；接着主开关(Q1)关断，利用辅助支路实现零电压关断；辅助开关(Q4)在主开关(Q1)关断后延迟至少一个关断时间才关断；2)另一主开关(Q2)在前一辅助开关(Q4)关闭后开通，同时或延时另一辅助开关(Q3)开通，利用饱和电感(LS)电流不能突变，实现该主开关(Q2)的零电流开通；接着主开关(Q2)关断，利用辅助支路实现零电压关断；辅助开关(Q3)在主开关(Q2)关断后延迟至少一个关断时间才关断；上述1)和2)的过程包括在一个周期内，下一个周期重复上述过程。
3.根据权利要求1所述的一种桥臂软开关电路，其特征在于所述主、辅助开关(Q1)、(Q2)、(Q3)和(Q4)为绝缘栅晶体管(IGBT)或场效应管(DMOS)全控电力半导体器件。
4.根据权利要求1所述的一种桥臂软开关电路，其特征在于所述辅助支路串接有电容(C3)。
5.根据权利要求1所述的一种桥臂软开关系统，其特征在于有辅助开关驱动模块，其输入端分别与主开关(Q1)、(Q2)控制端连接，其输出端相应的与辅助开关(Q4)、(Q3)的控制端连接。
6.根据权利要求5所述的一种桥臂软开关系统，其特征在于辅助开关驱动模块包括电源部分(U1)和延时驱动部分(U2)，延时驱动部分(U2)输入端(G1)、(G2)分别与主开关(Q1)、(Q2)控制端连接，其输出端(G4)、(G3)相应的与辅助开关(Q4)、(Q3)的控制端连接。
7.根据权利要求6所述的一种桥臂软开关系统，其特征在于辅助开关驱动模块的延时驱动部分(U2)由两个子电路组成，每个子电路包括光电开关支路(U21)和延时支路(U22)，光电开关支路(U21)与延时支路(U22)并联后串联二极管(D1、D3)和可变电阻(R4、R8)后与主开关(Q1、Q2)控制端连接；所述光电开关支路(U21)由光电耦合器(O1、O2)输入端串联电阻(R6、R9)和发光二极管(LED1、LED2)组成，光电耦合器(O1、O2)的输出端串联电阻(R7、R11)后与辅助开关(Q4、Q3)控制端连接；所述延时支路(U22)由电容(C10、C12)串联带反并联二极管(D2、D4)的电阻(R5、R10)组成。
全文摘要
本发明公开了一种桥臂软开关电路及其控制方法与应用系统，其中电路包括两个主开关，两个主开关分别与两个二极管反并联，其中一个主开关的输出端与另一个主开关的输入端串接组成一组桥臂，两个主开关组成的支路与由两个电容串接组成的支路并联连接，两个电容的连接处与两个主开关的连接处之间连接有辅助支路，主开关连接处与饱和电感的输入端连接，所述辅助支路由两个带反并联二极管的辅助开关反串联组成；本发明具有结构简单、损耗少、可靠的优点，含有这种电路的逆变器、变频器有利于工作效率的提高。
文档编号H02M7/48GK1866715SQ20051013632
公开日2006年11月22日 申请日期2005年12月26日 优先权日2005年5月18日
发明者陈小龙 申请人:陈小龙