全桥软开关逆变电路的驱动方法
【专利摘要】本发明提供一种全桥软开关逆变电路的驱动方法。所述全桥软开关逆变电路包括两超前臂Q1、Q2和两滞后臂Q3、Q4，所述超前臂Q1与所述滞后臂Q4成对导通，所述超前臂Q2与所述滞后臂Q3成对导通。所述驱动方法包括对两滞后臂Q3和Q4进行控制，使得所述两滞后臂Q3和Q4的导通时间和单周期内的开通时刻固定；对所述两超前臂Q1和Q2进行PWM控制，使得所述两超前臂Q1和Q2的开通时刻位于所述两滞后臂Q3和Q4的死区时间范围内。本发明能够有效降低功率开关器件的功耗，提高逆变频率，并且使得全桥软开关逆变电路的驱动控制更为简便。
【专利说明】 全桥软开关逆变电路的驱动方法
[【技术领域】]
[0001]本发明涉及一种全桥软开关逆变电路的驱动技术。
[【背景技术】]
[0002]逆变电路已经广泛应用于各个工业领域。例如，各种开关电源、电机调速、变频器以及牵引传动等。逆变电路包括半桥逆变电路和全桥逆变电路。相对于半桥逆变电路，全桥逆变电路的开关电流减小了一半，因此广泛应用于大功率场合。
[0003]传统上，全桥逆变电路按照开关方式分为硬开关和软开关。硬开关方式是指功率开关器件在开通或关断时电流、电压全不为零的一种控制方式。硬开关方式存在着功率开关器件温升高、损耗大等缺点，因此在硬开关方式下很难提高逆变频率，并且可靠性低。
[0004]为了克服硬开关的上述缺点，近年来，提出了软开关的技术。理想的软关断过程是电流先降到零，然后，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零；理想的软开通过程是电压先降到零，然后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零。
[0005]现有全桥软开关逆变技术多采用移相全桥软开关，但移相全桥软开关在进行有效占空比(超前臂与滞后臂的重叠部分)调整时会带来控制复杂的问题。图5A和图5B示出了与现有移相全桥软开关技术所使用的驱动方法相对应的驱动电压波形图。在图5A和图5B中，Q1和Q2为超前臂，Q3和Q4为滞后臂。其中，超前臂Q1和滞后臂Q4成对导通，超前臂Q2和滞后臂Q3成对导通。如图5A所示，当增大有效占空比时，需要超前臂Q1后移(开通时刻后移)，从而增加超前臂Q1与Q2之间的死区时间(同一桥臂的两个开关器件同时不导通的时间)；而当将有效占空比减小时，如图5B所示，需要将滞后臂Q4后移(开通时刻后移)，从而增加滞后臂Q3和Q4之间的死区时间。以上描述均以Ql、Q4的导通为例进行半周期说明，Q2、Q3的导通同理可知。这样一来，在进行调整时，不论是超前臂之间还是滞后臂之间的死区时间都会发生变化，因此使得全桥软开关逆变电路的驱动控制复杂。
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【发明内容】
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[技术问题]
[0006]本发明旨在针对现有技术中的问题，提供一种全桥软开关逆变电路的驱动方法，其能够有效降低功率开关器件的功耗，提高逆变频率，并且使得全桥软开关逆变电路的驱动控制更为简便。
[解决方案]
[0007]本发明提供一种全桥软开关逆变电路的驱动方法，所述全桥软开关逆变电路包括两超前臂和两滞后臂，所述驱动方法包括如下步骤:对两滞后臂进行控制，使得所述两滞后臂的导通时间和单周期内的开通时刻固定；对所述两超前臂进行PWM(脉冲宽度调制)控制，使得所述两超前臂的开通时刻位于所述两滞后臂的死区时间范围内。
[发明有益效果]
[0008]本发明通过上述技术方案，能够有效降低功率开关器件的功耗，提高逆变频率，并且使得全桥软开关逆变电路的驱动控制更为简便。
[【专利附图】
【附图说明】]
[0009]图1是本发明的全桥软开关逆变电路的结构示意图；
图2是图1所不逆变电路中功率开关器件(IGBT)的驱动电路的结构不意图；
图3是本发明第一实施例的全桥软开关逆变电路的驱动电压波形图；
图4是本发明第二实施例的全桥软开关逆变电路的驱动电压波形图；以及图5A和图5B是现有的全桥软开关逆变电路的驱动电压波形图。
[【具体实施方式】]
[0010]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行说明。
[第一实施例]
[0011]下面参照图1和图2描述本发明的全桥软开关逆变电路的硬件电路。
[0012]如图1所示，全桥软开关逆变电路包括功率开关器件Q1?Q4(带体内二极管的IGBT)、主变压器TR1、外部电感L1、隔直电容C4以及吸收电容C2、C3。其中，Q1和Q2为超前臂，Q3和Q4为滞后臂。如图所示，所述超前臂Q1与所述滞后臂Q4成对导通，所述超前臂Q2与所述滞后臂Q3成对导通。
[0013]图2示出了图1所示Q1?Q4中各个功率开关器件的驱动电路。Q1?Q4中的每个均连接有该驱动电路。在本实施例中，所述驱动电路采用脉冲变压器进行隔离。
[0014]以下，参照图2描述驱动电路的工作原理。
[0015]如图2所示，当驱动电路左侧施加高电平时，变压器T1次级同样感应出高电平，电流经过变压器T1次级、R5、IGBT的G极和E极、电容C1、二极管D5、电阻R1形成环路，同时电容C1上电压不断升高(右边电压为高)。当变压器T1初级电压变为低电平，次级没有感应电压，电容C1上电压将通过IGBT的E极和G极、电阻R5、变压器T1次级、电阻R1、电阻R9施加在三级管Q5的B极上，此时，三极管Q5导通，大部分电流经过IGBT的E极和G极、三极管Q5的C极和E极流通，所以，IGBT的EG结电容快速放电，从而实现IGBT的快速关断。
[0016]接下来，描述本发明的全桥软开关逆变电路的驱动方法。
[0017]本发明的全桥软开关逆变电路的驱动方法是:将对两滞后臂进行控制，使得所述两滞后臂的导通时间和单周期内的开通时刻固定；对所述两超前臂进行PWM控制，使得所述两超前臂的开通时刻位于所述两滞后臂的死区时间范围内。需要注意的是，在以下描述中，两滞后臂的死区时间范围包括两滞后臂从导通变为关断的时刻，但是不包括两滞后臂开通的时刻。
[0018]图3是采用上述驱动方法的优选电压驱动波形图。
[0019]如图3所示，两滞后臂Q3和Q4的电压驱动波形的相位和占空比固定(即两滞后臂的导通时间和单周期内的开通时刻固定，参见t2)。超前臂Q1的开通与滞后臂Q3的关断同时发生(参见tl)，超前臂Q2的开通与滞后臂Q4的关断同时发生(参见tl)。
[0020]下面，结合图1和图3，描述全桥软开关逆变电路的工作过程(软开关过程)。
1)超前臂Q1、滞后臂Q4导通时，电容C4充电(左边电压高)，电容C2两端电压为0，电容C3电压充电至DC电压。
2)滞后臂Q4导通，超前臂Q1提前关断，因电感L1自感电压的存在，电容C4继续充电，电容C2从0V开始充电，同时电容C3放电。C2电压缓升，而超前臂Q1电流快速降低，超前臂Q1实现零电流关断。
3)当电容C3电压降为0之后，电流通过超前臂Q2体内二极管形成环流，直至电流降低为零，此时滞后臂Q4关断，滞后臂Q4实现了零电流关断。
4)滞后臂Q4关断的同时超前臂Q2开通，因电容C3两端电压为0，超前臂Q2开通时没有电流流过，超前臂Q2实现了零电压开通。经过一个死区时间后滞后臂Q3开通，由于电感L1的存在，产生缓升电流，所以滞后臂Q3同样认为是零电压开通，电容C4开始反向充电。
5)滞后臂Q3导通，超前臂Q2提前关断，因电感L1自感电压的存在，电容C4继续反向充电，电容C3从0V开始充电，同时电容C2放电。C3电压缓升，而超前臂Q2电流快速降低，超前臂Q2实现零电流关断。
6)当电容C2电压降为0之后，电流通过超前臂Q1体内二极管形成环流，直至电流降低为零，此时滞后臂Q3关断，滞后臂Q3实现了零电流关断。
7)滞后臂Q3关断的同时超前臂Q1开通，因电容C2两端电压为0，超前臂Q1开通时没有电流流过，超前臂Q1实现了零电压开通；经过一个死区时间后滞后臂Q4开通。由于电感L1的存在，产生缓升电流，所以滞后臂Q4同样认为是零电压开通，电容C4开始正向充电。
[0021]以上为一个周期的工作过程。实际中，根据逆变频率，反复进行上述周期的工作过程。
[0022]由于在本发明的驱动方法中，仅需对两超前臂进行PWM控制，而无需对滞后臂进行PWM控制，因此相对于传统的驱动方法，控制更为简单。
[0023]此外，由于驱动电路采用脉冲变压器进行隔离，因此采用上述驱动方法还能够避免如下缺点:当有效占空比较小时，超前臂Q1和Q2正向开通时间太小而使驱动电路中的电容C1无法正常充电，从而无法产生反向关断电压，影响了 IGBT的关断速度。这是因为两超前臂的开通时刻位于所述两滞后臂Q3和Q4的死区时间范围内，因此即使有效占空比接近0 (极限情况下)，从超前臂Q1和Q2的开通到与其分别对应的滞后臂Q4或Q3的开通仍然存在一段时间，从而能够保证电容C1的正常充电。而两滞后臂的导通时间固定，因此不存在上述缺点。
[0024]需要注意的是，在本发明的驱动方法中，四个臂的驱动方式可以不采用脉冲变压器进行隔离，例如可以采用光耦隔离的驱动方式。由于逆变频率不断提高，采用传统的普通光耦隔离驱动已经无法满足要求，而如果采用高速光耦，则价格较高。因此在本发明中，两滞后臂可以采用脉冲变压器或者普通光耦进行隔离，而两超前臂优选采用脉冲变压器隔离方式驱动。
[第二实施例]
[0025]下面，描述本发明的第二实施例。
[0026]第二实施例与第一实施例的硬件电路构成完全相同(参见图1和图2)，在此不再重复描述。以下，仅描述二者的不同之处。
[0027]第二实施例与第一实施例的不同之处仅在于:超前臂Q1的开通与滞后臂Q3的关断不是同时发生，而是滞后臂Q3先关断，之后超前臂Q1开通。另外，超前臂Q2的开通与滞后臂Q4的关断也不是同时发生，而是滞后臂Q4先关断，之后超前臂Q2开通(参见图4)。但是需要注意的是，超前臂Q1和Q2的开通时刻仍然位于滞后臂Q3和Q4的死区时间范围内。
[0028]与第一实施例相同，第二实施例的驱动方法相对于传统的驱动方法，控制更为简单，并且能够保证超前臂Q1和Q2的关断速度。
[0029]需要注意的是，就第一实施例和第二实施例而言，由于第一实施例中，超前臂Q1的开通与滞后臂Q3的关断同时发生，超前臂Q2的开通与滞后臂Q4的关断同时发生，因此第一实施例中超前臂Q1和Q2的驱动电路中的电容C1的充电时间更长。
[0030]此外，在上述实施例中，功率开关器件均采用IGBT，但是实际上，本发明不限于此，可以采用M0S系列等其它开关器件。
[0031]另外，上述实施例中的全桥软开关逆变电路也仅为示例，可以采用其他公知电路。并且也可以对上述实施例中的全桥软开关逆变电路结构进行变型，例如可以取消外部电感L1，仅依靠主变压器TR1的自感。
[0032]以上，已参照详细或特定的实施方式，对本发明进行了说明，但本领域技术人员理解:可以在不脱离本发明的思想与范围的前提下进行各种变更及修正。
[工业实用性]
[0033]本发明能够应用到使用全桥软开关逆变电路的各个工业领域。
【权利要求】
1.一种全桥软开关逆变电路的驱动方法，所述全桥软开关逆变电路包括两超前臂Q1、Q2和两滞后臂Q3、Q4，所述超前臂Ql与所述滞后臂Q4成对导通，所述超前臂Q2与所述滞后臂Q3成对导通；所述驱动方法包括如下步骤: 对两滞后臂Q3和Q4进行控制，使得所述两滞后臂Q3和Q4的导通时间和单周期内的开通时刻固定； 对所述两超前臂Ql和Q2进行PWM控制，使得所述两超前臂Ql和Q2的开通时刻位于所述两滞后臂Q3和Q4的死区时间范围内。
2.根据权利要求1所述的全桥软开关逆变电路的驱动方法，其中，在对所述两超前臂Ql和Q2进行PWM控制时，使得所述超前臂Ql的开通与所述滞后臂Q3的关断同时发生，所述超前臂Q2的开通与所述滞后臂Q4的关断同时发生。
3.根据权利要求1或2所述的全桥软开关逆变电路的驱动方法，其中，所述两超前臂Ql、Q2均采用脉冲变压器隔离方式驱动。
【文档编号】H02M1/08GK104410315SQ201410706594
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】陈建辉, 刘作英, 何双旺 申请人:唐山松下产业机器有限公司