专利名称：软开关有源吸收电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于减小开关电路开关应力的吸收电路。更具体地讲是用于任何电力开关应用中的一个开关元件和一个高效、可靠的软开关有源吸收电路。
吸收电路被用来减小开关元件的开关应力。开关应力包括电流冲击、电压尖峰和开关损耗。开关损耗包括开关开通时的开通损耗和开关关断时的关断损耗。电流冲击发生在开关元件导通时，由续流二极管的反向恢复电流造成。电压尖峰是由于布线和电路中的杂散电感，在开关元件关断时产生。一个完整的吸收电路包括两个部分开通吸收器，在开关开通，电流开始增加前，允许开关两端的电压迅速下降，其结果是，使由于电压和电流交叉产生的开通损耗显著减小，它还限制了电流的上升率，从而也减小了电流冲击；关断吸收器，通过限制电压的上升率来减小开关的关断损耗和电压尖峰。在任何吸收电路中有至少两个基本部件吸收和复原部件，开通吸收器中最简单的吸收部件为一个与开关元件串联的电感；关断吸收器中最简单的吸收部件为一个与开关元件并联的电容。大多数吸收电路是以复原部件的不同来区分。
传统的消耗型吸收电路，如以电阻、电容和二极管组成的RCD吸收电路，用电阻来消耗吸收部件所吸收的能量，使其在下一个工作周期前复原。这种吸收电路减小了开关元件关断时的关断损耗和电压尖峰。但这是以高功率损耗为代价，所以不适合于大功率、高频率的电力变换应用中。美国专利说明书U.S.5,055,990描述了另一种消耗型吸收电路，它使用一个齐纳二极管作为消耗元件。该吸收电路抑制了开关元件的尖峰电压，但并不能减小开关损耗。
其它的一些吸收电路使用无损耗、无源复原元件。其中具有代表性的，在文献“晶体管变换器中低损耗吸收技术综述”，IEEE PESC 1982会议录第466至477页；“无损耗关断吸收电路应用于一正激变换器分析、设计步骤和实验验证”，PCI 1985十月会议录第54至68页；美国专利说明书U.S.5,260,607和4,977,493中已详细描述。所有这些吸收电路存在一共同缺点，它们的关断吸收部件并不是直接跨接在开关元件上。由于体积和线路杂散电感的限制，在大功率高频电力变换应用中这不是一个理想的特性。
美国专利说明书U.S.5,075,838详细描述了另一种使用无源复原元件的吸收电路。虽然其吸收部件是直接跨接在开关元件上，它的应用只局限于低频大功率半桥型电路。这是因为在其一最好方式中，一个只有1.4伏复原电压的变压器需要很长的复原时间。虽然在另一个最好方式中，变压器的初级串接了一个电容来加速复原过程，但是这个电容本身还需要一个与其并联的电阻来消耗掉它所吸收的能量。这个能量损耗使其不适合于高频电力变换应用。
美国专利说明书U.S.4,899,270描述了又一种不同的方法。在这个电路中，由于吸收电路与电力变换电路被集成在一起，其中的二极管和电容的额定标称值达到了变换电路的满功率值。另外这个电路也不提供能减小开关损耗的软开关特性。
许多有源吸收电路，为解决上述无源吸收电路中存在的各种问题被提出。有源吸收电路在吸收部件或复原部件中包含有一个或多个附加开关元件。美国专利说明书U.S.5,130,917介绍了一种含有源吸收部件的吸收电路。在绝大多数吸收电路中，当主开关元件关断时，切换到吸收部件的电流最大可达满负载电流值。由于吸收电路的目的是减小主开关元件的开关应力，如果吸收电路中的附加开关元件也需承受满负载电流，吸收电路将不切实际，至少不是最优化的。
在文献“晶体管变换电路低损耗吸收技术综述”，IEEE PESC 1982会议记录，第466至477页，以及美国专利说明书U.S.4,438,486和5,379,206中，详细描述了其它一些使用有源复原部件的吸收电路。这些电路复原部件中都使用了一个附加开关元件来回收吸收部件吸收的能量。虽然这个附加开关元件中的电流远小于满负载电流，但附加开关上的应力和其可靠性又成为一个新的问题焦点。为此，许多具有减小附加开关应力的软开关吸收电路应运而生。文献“用于高频开关应用的开关型吸收电路”，IEEE PESC 1990会议记录，第181至188页中所描述的一个软开关有源吸收电路代表了一种类型的软开关有源吸收电路。但其中，吸收电路中的能量没有极小化。吸收电路附加开关中的峰值电流最高可达到满负载电流。为保持主开关和附加开关的软开关特性，续流二极管中的电流被加倍。同时一个较大的，不属于电力变换电路固有运作的反向电流被引入到主开关元件中，导致主开关元件有效使用率下降。
美国专利说明书U.S.5,235,501描述了一个将吸收电路及其工作与电力变换电路有机集成在一起的软开关电力变换电路。其中，各个主开关元件在完成电力变换功能的同时，相互之间创造软开关条件，并且吸收电路中的能量被极小化。但也是由于这种特殊的依存关系，决定了这类电路只适用于一些有限的应用中。同时这种软开关电路保持软开关特性的工作范围也是有限的。如果失去软开关条件，开关元件的可靠性将再次成为不可忽视的问题。
文献“有源输入电流波形整形方法在零开关损耗三相二极管整流器中的应用”，IEEE IAS年会，1991会议记录，第932至938页所描述的一个软开关有源吸收电路中，两个隔离二极管被用来防止主开关元件对吸收电容进行自放电，同时也为两个主开关元件创造了软开关条件。但因为两个二极管处于主电流回路中，在大功率电路应用中，将增加损耗和电路组装难度。因此，任何吸收电路部件都不应放在主电流回路中。
美国专利说明书U.S.5,414,613我以前的发明中，提出了一个新的软开关有源吸收电路。它解决了以上吸收电路中存在的各种问题。但由于其复原电路的要求，它的最佳应用是工作在不连续导电模式下的电力变换电路。同时，因为吸收电路中附加开关元件的软开关条件并不是由吸收电路自己的部件所提供，使这种吸收电路的应用范围局限在有限种类的电力变换电路中。
据此，一个最优化的吸收电路应该包括开通和关断吸收部件。它的工作不应依赖于电力变换电路中的其它部件。所有开关元件，不论是主开关元件还是吸收电路中的附加开关元件都应具有软开关特性。吸收电路中的能量应被极小化。关断吸收部件应直接连接在开关元件上，同时所有吸收电路的部件都不应在主电流回路中。最后，吸收电路应可靠工作在任何工作状态下。
本发明的目的是提供一个优化的吸收电路，它将是一个通用的、高效的、可靠的和智能的吸收电路。
本发明的另一个目的是提供一个软开关器件，它可以被用于任何使用开关器件的应用中。
在以下的详细描述和图示中，本发明的目的和有益效果将得到进一步的体现。
本发明通过提供一个可用于任何开关器件和电力电子电路中的软开关有源吸收电路，克服了现有技术中的问题和不足。
本发明的软开关有源吸收电路包括一个整流器和一个电容，整流器与电容串接后，并联在一主开关元件上，为其提供软开关特性；一个软开关有源复原部件连接在整流器和电容上，其中一个电感与一个附加开关元件串接后并接在整流器上，为电容复原提供了一个可控放电回路；一个嵌位二极管连接在电感与附加开关元件的连接点和电容与主开关元件的连接点之间，为附加开关元件提供了一个软开关关断条件，同时也为回收电容放电过程中转移到电感中的能量提供了一条通路。
本发明另一实施例中还包括一个开通吸收器，其中有一个第二电感与主开关元件串接，一个循环二极管并接到主开关元件和第二电感上。开通吸收器可显著地减小由于二极管的反向恢复电流所产生的电流冲击和主开关元件的开通损耗。
本发明的软开关有源吸收电路提出了一种新的电力电子标准元件。它可以被串联和并联使用。有源吸收电路中的附加开关使优化吸收电路性能所需附加控制得以实现。
本发明的软开关有源吸收电路与一个功率半导体开关元件组合，确保了功率半导体开关元件有一个可控的、高效的和可靠的软开关关断特性，并构成了本发明的软开关器件。
本发明的软开关器件是一个自成一体的软开关器件。它可以被用在任何种类的，需要高效可靠开关器件的电力变换电路中，而无需对软开关器件或电力变换电路，如电路结构和接线进行任何修改。同时，由于使用软开关器件对电力变换电路的静态和动态特性影响不大，它可以作为一个直接替换器件来改善现有系统的效率和可靠性。另外，因为具有一个可控的软开关复原特性，适当的附加控制可以满足各种电力变换电路的不同要求，这使得软开关器件可以被更加容易和灵活地应用于新的电力变换电路的设计中。
以下附图，作为本发明的一个组成部分，以例图来具体表现本发明的实施方式，并结合具体实施方式
的描述对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明软开关器件的线路图，或具体为一个软开关有源吸收电路和其所应用于的开关元件的线路图；图2是与图1相对应的一个电气上完全等效的电路线路图，或图1的对偶电路线路图；图3(a)至(k)是图1所示电路中各主要点的电压和电流波形图；图4是图1所示软开关器件应用于降压变换器的线路图；图5是图1所示软开关器件应用于升压变换器的线路图；图6是一个具有变压器复原电路的软开关器件的线路图；图7是与图6相对应的一个电气上完全等效的电路线路图，或图6的对偶电路线路图；图8是图6所示软开关器件应用于降压变换器的线路图；图9是图6所示软开关器件应用于升压变换器的线路图；图10(a)至(k)是图6所示电路中各主要点的电压和电流波形图；图11是一个具有开通吸收器的软开关器件的线路图；图12是与图11相对应的一个电气上完全等效的电路线路图，或图11的对偶电路线路图；图13是图11所示软开关器件应用于降压变换器的线路图；图14是图11所示软开关器件应用于升压变换器的线路图；图15是具有一个饱和电感开通吸收器的软开关器件的线路图；图16是与图15相对应的一个电气上完全等效的电路线路图，或图15的对偶电路线路图；图17是一个具有两个饱和电感开通吸收器的软开关器件的线路图；图18是与图17相对应的一个电气上完全等效的电路线路图，或图17的对偶电路线路图；图19是图16所示软开关器件应用于降压变换器的线路图；图20是图18所示软开关器件应用于降压变换器的线路图；图21是软开关有源吸收电路和其所应用于的二极管的线路图；图22是与图21相对应的一个电气上完全等效的电路线路图，或图21的对偶电路线路图；图23是图21所示软开关器件应用于反激变换器的线路图24是图21所示软开关器件应用于正激变换器的线路图；图25至30是不同的软开关有源吸收电路应用于半桥型部件的线路图；图31是软开关有源吸收电路应用于三相逆变器的线路图；图32是软开关有源吸收电路应用于一个电子电路的线路图；图33是一个双向软开关器件线路图。
图1所描述的是本发明第一个实施例，其中软开关有源吸收电路60用于减小主开关元件52的开关应力。在图1中开关52是一个绝缘栅双极晶体管，但门极可关断晶闸管、双极晶体管、MOS场效应管、MOS控制晶闸管、静电感应晶体管和其它类似的开关器件也可在本发明中使用。有源吸收电路60包含一个直接并接在开关52上的吸收部件或电流旁路，其中一个整流器62与一个电容64串联为开关52关断时提供了电流旁路。在图1中整流器62是一个二极管，但也可以使用可控硅和其它类似整流器。有源吸收电路60还包括一个连接在吸收部件上，具有第一端73，第二端75和第三端77的软开关有源复原部件70，它为电容64的复原提供了一个可控放电回路，一个附加开关元件72与一个电感74串接后并接在整流器62上组成了这一放电回路。在图1中附加开关72是一个绝缘栅双极晶体管，但也可使用门极可关断晶闸管、双极晶体管、MOS场效应管、MOS控制晶闸管、静电感应晶体管和其它类似的开关器件。在开关52导通时，附加开关72导通为电容64放电。一个嵌位二极管76连接在第三端77与连接点79之间，为附加开关72提供了一个软开关关断条件，同时也为回收电容64放电过程中转移到电感74中的能量提供了一条通路。
开关52和有源吸收电路60的组合代表了一个新的开关器件类型，被定义为软开关器件或软开关。图1所示的软开关50有一个输入端51和一个输出端53。根据本发明软开关50可以作为一个开关元件用于任何形式的电力开关应用中。
参见波形图3(a)至(k)，图1中软开关50的详细工作情况如下。假设初始电感电流I74为零，附加开关72截止，电容电压V64有一初始值。在时间t0时，开关52导通，一负载电流由输入端51流向输出端53，同时附加开关72导通，开始了有源吸收电路60的放电过程。电容64通过附加开关72、电感74和开关52放电直到电容电压V64在时间t1时降至零。在时间t1时，嵌位二极管76导通将电容电压V64嵌位在零电压，电感电流I74循环在电感74，嵌位二极管76和开关52构成的回路中直到开关52和72在时间t2同时关断。值得注意的是附加开关72的关断是在零电压和零电流状态，同时流经开关52的负载电流和电感74中的电流经整流器62被电容64旁路，为开关52提供了零电压开关条件。负载电流和电感74中的电流向电容64充电直到电容电压V64达到满截止电压。电感74中的剩余能量造成了从输出端53通过嵌位二极管76流向输入端51的反向电流，并被由开关52所承受的电压源回收。在时间t4剩余能量完全回收后电感电流I74减小到零。当开关52和72再一次导通时，下一个工作周期开始，值得注意的是附加开关72的开通是在零电压和零电流状态。
理论上，在时间t1时整流器62也可以导通，在这种情况下电感电流I74将也会通过整流器62和附加开关72循环。而实际上，为了减小吸收电路的应力和成本，通过电路元件的选择可使在时间t1后附加开关72中的电流减小到最低或基本为零。事实上，由于电路工作需要整流器62的额定电流远大于嵌位二极管76的额定电流，所以嵌位二极管76的开关速度、正向恢复电压和时间将会比整流器62的更快和更小。
在电力变换电路应用中，大部分电力变换电路的工作模式可归类为降压或升压两种基本类型。在图4和图5中软开关50被分别应用于降压和升压变换电路中，仅作为具体了解本发明工作原理的实例。
在图4中软开关50被应用于降压变换电路中，输入端51与一个输入电源54连接，输出端53通过滤波电感56与负载57连接。当开关52导通时，电力从电源54被输送到负载57。当开关52截止后，截断了电源54到负载57的通路，续流二极管55导通使滤波电感56中的电流继续流向负载57，同时将电容电压V64嵌位在电源54的电压值。电感74中的剩余能量经二极管76和55返回电源54。
在图5中软开关50被应用于升压变换电路中，当开关52导通时，电力由电源54被传输到滤波电感56。在开关52截止后，二极管55将电力输送到负载57，同时将电容电压V64嵌位在负载57的电压值。电感74中的剩余能量经二极管76和55被输送到负载57。软开关50的四个独特性能，使其在实际应用中非常容易使用，具有高可靠性、高效率和很强的通用性。第一，在有源吸收电路60工作在正常工作状态时，附加开关72没有开关损耗，因为它的开通与关断都是在零电压和零电流状态下。另外，除了从t2到t4的一小段时间外，在大部分时间中附加开关72所承受的电压为零。这些特点保证了软开关50的可靠性和高效率。第二，从以上对电路工作的详细描述中不难看出，有源吸收电路60与主开关52协作为主开关52和附加开关72提供了软开关条件，而不需要其它变换电路元件的协作。也就是说，吸收电路的运行基本上独立于变换电路的电力传输运行，使软开关50可作为一个通用开关元件用于任何电力开关应用或开关型变换电路中。如普通开关元件一样，软开关50可以串联和并联使用。第三，附加开关72提供了更多控制吸收电路的方式，更多智能化性能进一步增强了软开关50的通用性。第四，如同其它所有电容型关断吸收电路一样，吸收电路的引进在开关元件的电力变换工作中增加了一个额外的工作模式。如图3中时间t2至t3所示，虽然在满负载状态下它仅占开关周期的很小一部分，但是在轻负载状态下，这一时间将显著增加，因为电容64被一小电流充电需要更长的充电时间。然而在有源吸收电路60中，电容64在其电压达到最后截止电压之前也被来自电感74的电流充电。由于电感74中的电流只与有源吸收电路60的控制和设计有关，而不随负载电流变化，因此它使附加时间在轻负载状态下只在小范围中变化。这使软开关对原应用电路的工作状态影响降到最低。
图2所示第二实施例是与图1相对应的一个电气上完全等效的电路，或图1的对偶电路。图2与图1中电路的区别是整流器62与电容64位置互换，电感74与嵌位二极管76位置互换，附加开关72的方向调换以对应放电电流方向的变化。图2中软开关50′的工作原理与图1中软开关50的基本相同，这里不再赘述。
图6所示软开关50A为本发明又一实施例，其中元件52、62、64、72和76的连接与图1相同。电感74被一个变压器78的初级线圈替代，初级线圈的同名端连接在连接点79上。变压器78次级线圈的同名端连接在一个次级二极管82的输入端，次级二极管82的输出端连接到一个用来连接外部电压源或负载的正端点86上。变压器78次级线圈的另一端通过一个次级电感84接到一个用来连接外部电压源或负载的负端点88上。同名端的定义与惯例相同，即变压器的同名端在同一时刻具有相同的电压极性。
在图8中软开关50A被应用于降压变换电路中，端点86和88连接到负载57上。参见波形图10(a)至(k)，图6中软开关50A的详细工作情况如下。假设电源54的电压远大于负载57的电压，或变压器78有一适当的变比使得变压器的次级电压远大于其初级电压。开关52和附加开关72在时间t0同时导通，电容64通过附加开关72、变压器78的初级线圈和开关52放电。在时间t1时，电容电压V64降到某一电压使电感84的压降为零，电感84保持变压器中的电流继续流动。在时间t2时，电容电压V64降为零，嵌位二极管76导通并将电容电压V64嵌位在零电压。电感电流I84在变压器78初级线圈的反射电流通过嵌位二极管76和开关52循环，直到时间t3时，电感84中的能量完全被负载57吸收。其后变压器78有一较小的磁化电流继续通过二极管76和开关52循环，直到开关52和72在时间t4同时关断。
软开关50和50A的不同点是软开关50A中电容64的放电和能量回收过程几乎是同时发生。如图10所示，放电过程从时间t0开始到时间t2结束，回收过程从时间t0开始到时间t3结束。由于电容64中的大部分能量在导通期间被回收，软开关50A中开关52和二极管76的循环电流将远小于软开关50中的。另外，变压器78磁化电感中的能量在时间t5至t6期间被电源54回收。在软开关50A中，由于这个能量很小，回收时间也远小于软开关50的。
在图9中软开关50A被应用于升压变换电路中，电容64中的大部分能量在开关52导通期间通过变压器78由电源54回收。当变压器78磁化电感中的能量经二极管76和55被全部传输到负载57后，变压器78被完全复原。
图7是与图6相对应的一个电气上完全等效的电路，或图6的对偶电路。图7与图6中电路的区别是整流器62与电容64位置互换，变压器78与嵌位二极管76位置互换，附加开关72和变压器78初级线圈的方向调换以对应放电电流方向的变化。图7中软开关50A′的工作原理与图6中软开关50A的基本相同，这里不再赘述。
图11所示的软开关50B包括了一个开通吸收器，其中一个第二电感66与开关52相串联，一个循环二极管68与电感66和开关52并联。软开关50B的详细工作情况将参见图13和图14，其中软开关50B被分别应用于降压和升压变换电路中。假设电感66的初始电流为零，电感56中的负载电流经二极管55流向负载57。当开关52导通时，电感66限制了电流的上升率并允许开关52两端的电压迅速下降，开关52由电压和电流交叉产生的开通损耗大大减小。当电感66中的电流等于滤波电感56中的电流时，由于反向恢复电流二极管55反向导通，电感66限制了反向恢复电流使电流冲击显著减小。当二极管55完全截止后，电感66中过多的电流由循环二极管68负担。软开关50B中的有源吸收电路60的放电和软开关关断过程与图1中的相同，这里不再赘述。不同的是在开关52关断后，电感66中的能量被电容64吸收，开关52将承受的一个比原嵌位电压高但定义明确的电压，直到电感66中产生一个与电感74中的电流相等的反向电流。当电感66和74中的能量被完全回收后，开关52的截止状态电压将被嵌位在电源54的电压(降压变换电路)或负载57的电压(升压变换电路)。
图12是与图11相对应的一个电气上完全等效的电路，或图11的对偶电路。图12与图11中电路的区别是有源吸收电路60′替换了有源吸收电路60，电感66与开关52位置互换。图12中软开关50B′的工作原理与图11中软开关50B的基本相同，这里不再赘述。
图11和12中，第二电感66可使用饱和电感来减小开通吸收器中的能量和开关52关断时所承受的电压。如图15所示的软开关50C，其中元件52、62、64、68、72和76的连接与图11中相同。另外，电感74连接在连接点79和输入端5 1之间。饱和电感67替代了电感66。
图16是与图15相对应的一个电气上完全等效的电路，或图15的对偶电路。其中，元件52、62、64、68、72和76的连接与图12相同。另外，电感74连接在连接点79和输出端53之间。饱和电感67替代了电感66。图15中软开关50C的工作原理与图16中软开关50C′基本相同，这里不再赘述。
软开关50C′工作情况的详细描述将参见图19，其中软开关50C′被应用于降压变换电路中。图19中软开关50C′的工作原理与图13中软开关50B基本相同。不同的是，当开关52导通时，饱和电感67呈现高阻抗阻止电流通过并允许开关52两端的电压迅速下降，开关52由电压和电流交叉产生的开通损耗大大减小。等饱和电感76由高阻抗转变低阻抗(饱和)后，开关52中的开关电流开始迅速上升，当它等于滤波电感56中的电流时，由于反向恢复电流二极管55反向导通，开关电流继续增加直到二极管55完全截止。由于饱和电感67在低阻抗状态下只有一很小的电感值，因此对二极管55的反向恢复电流几乎没有限制作用。也正是因为饱和电感67这一很小的电感值使由循环二极管68负担的循环电流比图13中的大大减小。
在图20中，被应用在降压变换电路的图18所示软开关50D′可对二极管55反向恢复电流加以限制。图18所示软开关50D′是由图16所示软开关50C′衍生而来，第二饱和电感69插在饱和电感67和循环二极管68之间，在第二饱和电感69和循环二极管68的连接点加入一个二极管端点58用来连接二极管55。在工作中，当二极管55中的正向电流减小到零以后，第二饱和电感69阻止了反向恢复电流的流动，并使二极管55得以恢复。
图17是与图18相对应的一个电气上完全等效的电路，或图18的对偶电路。图17所示软开关50D是由图15所示软开关50C衍生而来，与以上图18所示软开关50D′由图16所示软开关50C′衍生过程一样。图17中软开关50D的工作原理与图18中软开关50D′的基本相同，这里不再赘述。
虽然两对基本的软开关有源吸收电路60、60′、60a和60a′的工作原理是通过一个使用半导体开关元件的软开关器件为实例来描述的，软开关有源吸收电路的应用并不应局限于此。根据本发明，软开关有源吸收电路可以作为一个分立元件使用，用来减小任何开关元件、二极管、机械开关、继电器和电子电路的开关损耗、电压尖峰和开关噪音等。
如图21所示，软开关有源吸收电路60连接到一个二极管59为其提供软开关特性。电感66限制了由于二极管59的反向恢复电流而产生的电流冲击。有源吸收电路60、二极管59和电感66的组合构成了一个新的软开关元件50E。
软开关元件50E的详细工作情况将通过图23描述，其中软开关50E被应用于一个反激变换器中。假设电感66的初始电流为零，开关52导通，电容电压V64有一初始值。当开关52关断时，二极管59和附加开关72导通。电容64通过附加开关72和电感74放电。有源吸收电路60的放电过程与图1所示电路的相同。当开关52导通时，二极管59开始关断，在二极管59的正向电流减小到零后，由于反向恢复特性二极管59开始反向导通，电感66限制了反向恢复电流，极大地减小了电流冲击。当二极管59完成反向恢复并最终关断时，电容64限制了二极管59反向电压的上升率，进而减小了其电压应力。电感66中的能量将被电容64吸收直到电感66中建立了一个与电感74中的电流相等的正向电流，其后电感66和74中剩余的能量被转送到负载57。
图22是与图21相对应的一个电气上完全等效的电路，或图21的对偶电路。图22中软开关元件50E′的工作原理与图21中软开关元件50E的基本相同，这里不再赘述。
在图24中软开关元件50E被应用在一个正激变换器中，它减小了二极管59的开关损耗和电压尖峰。显然，有源吸收电路60也可以用在二极管55上(没有在图24中画出)，而且软开关元件50E和50E′的应用也不仅限于图23和24中的电路。它们可以作为软开关整流器用于任何使用整流器的应用当中，并且可以被串联和并联使用。
根据本发明，有源吸收电路60族和软开关元件50族为电力电子引入了新的一类标准元件。它们可以被串联、并联或组合使用，其中组合可以有不同的变化方式和简化形式。图25至29中，软开关元件以不同的组合变化和简化形式用于减小一个半桥型部件中开关元件的开关应力。
在图25中，四个有源吸收电路和两个电感的组合用于全面地减小开关元件52、52′和二极管59、59′的各种开关应力，其中电感66和66′为开关吸收部件，可显著地减小开关52、52′的开通损耗和二极管59、59′由反向恢复电流产生的电流冲击。由于电路的对称性，有源吸收电路60和60*的组合的工作情况与组合60′和60*′的相同，因此以下只对组合60和60*的工作原理进行详细描述。在实际电路中，因二极管59的反向恢复电流远小于开关52中的负载电流，所以电容64远大于电容64*。有源吸收电路60经合理的设计与适当的控制可使电容64在开关52以全导通比和满负载电流状态下导通后达到完全放电，这就为有源吸收电路60在开关52关断时极大地减小其关断损耗和电压尖峰创造了有利条件。有源吸收电路也可用于减小二极管59经反向恢复后关断时的反向电压尖峰。有源吸收电路60*的设计和控制要求是在开关52或二极管59导通时可以迅速放电。当二极管59历经反向恢复关断时，吸收电路60*将限制其反向电压的上升率。同时吸收电路60*也可减小开关52在无论是轻负载还是满负载状态下关断时的关断损耗。
如前所述，有源吸收电路的一个独特特性是其附加开关72允许对吸收电路进行更进一步的控制。为了提供以上所述电路工作中所要求的控制，可以实施许多不同的控制方法。有源吸收电路60*的控制电路包括一个电压传感器和一个电压比较器。电压传感器产生一个与整流器62*两端电压成正比的电压信号，电压比较器将此电压信号与一个预置导通和预置关断电压比较如果电压信号大于预置导通电压，将输出一个导通信号开通附加开关72*；如果电压信号小于预置关断电压，将输出一个关断信号关断附加开关72*。这种控制电路使有源吸收电路60*在开关52或二极管59导通时都将被放电。有源吸收电路60*′可使用同样的控制方法。
以上所描述的控制方法适用于所有应用不同的有源吸收电路。这一控制方法有三个优点。在只有一个开关元件的电力变换电路的应用中，吸收电路由于不需要来自开关元件的控制信号而得到简化。在桥式电力变换电路的应用中，如果一个桥臂的两个开关元件在同一开关周期内是交替导通，使用以上控制使得在一个开关元件关断后，另一个开关元件上的吸收电路可立即开始放电过程，减少了开关之间的转换时间。此外，可以将预置导通和预置关断电压与负载电流联系在一起使得放电过程与负载电流相对应。这一控制对于某些应用是需要的，例如工作在连续导电模式的直流/直流变换器，它的导通比不随负载电流变化。
在一些应用，如逆变器中，一个桥臂中的两个开关元件在一个开关周期内并不是交替导通和关断，因此可以实施另一种控制方法控制电路利用开关52的导通信号启动有源吸收电路60的放电过程，避免了在另一开关52′关断时有源吸收电路60不必要的放电。换句话说，有源吸收电路60只在开关52导通时放电。由于有源吸收电路60也被用于减小二极管59的反向电压尖峰，因此还需要一个附加的保护控制来释放有源吸收电路60所吸收的过多能量。附加控制电路包括一个电压传感器和一个电压比较器。电压传感器产生一个与整流器62两端电压成正比的电压信号，电压比较器将此电压信号与一个预置导通电压范围和预置关断电压比较如果电压信号在预置导通电压范围，将输出一个导通信号开通附加开关72；如果电压信号小于预置关断电压，将输出一个关断信号关断附加开关72。这种控制电路使有源吸收电路60只在开关52和二极管59都关断和电容64的电压高于一预定值时将被放电。有源吸收电路60′可使用同样的控制方法。
有源吸收电路有一个重要的固有特性使它尤其适合于逆变电路应用中。在大多数的逆变电路应用中，负载电流与开关导通比成正比。如果有源吸收电路经设计，在相应主开关以全导通比导通后刚好达到完全放电，与此相对应的将是主开关在满负载电流状态下关断，同时创造了有源吸收电路最大可能地减小开关关断损耗的条件。通过比例控制，即有源吸收电路中的附加开关与相应主开关用同一个信号控制通断，有源吸收电路的放电过程将与相应主开关的导通比成正比。其结果是较小负载电流对应的较小导通比使有源吸收电路只能达到部分放电，提供了一个与负载电流成比例的，部分减小开关关断损耗的条件。通过比例控制，有源吸收电路实际可以看作为一个可变电容，其等效电容值随负载电流而变化。比例控制将电容型关断吸收器用于半桥型电路时所产生的两个附加工作模式消除或减到最小。
如前所述，图3中时间t2至t3是开关电力变换工作模式中增加的一个附加工作模式。在轻负载状态下，这一时间将显著增加。比例控制使得小开关导通比相对应的小电流只需要对一个部分放电的电容充电，因而使时间t2至t3可以在各种负载条件下基本保持不变。
在图25中，如果电容64在开关52′导通时只是被部分充电，将增加一个由开关52′向电容64充电的另一个附加工作模式，这使开关52′增加了不必要电流负荷。如果采用恰当设计的比例控制可以保证在开关52导通前电容64已充满电，从而消除这一附加工作模式。比例控制的最终目的是有源吸收电路应用于任何电路时，在首先保证为电路中的开关元件提供保护和降低损耗的同时尽可能地消除或减低对原电路原有工作的影响。这也是衡量一个吸收电路是否优化和具有很强通用性的一个条件。
应该指出的是电感66和66′可以使用饱和电感来减少吸收能量，也可以用耦合电感。由于有源吸收电路60和66′已极大地减小了开关52、52′和二极管59、59′的开关应力，在很多应用中可用图26至图28所示的简化电路。尤其是，在半桥型部件的应用中，如果同一开关周期内，两个开关总是轮流导通，电路可进一步简化为如图29所示电路。有源吸收电路60也可用来减小半桥功率开关模块或三相功率开关模块的电压尖峰，其应用如图30和31所示。实际上如图32所示，有源吸收电路60可用于减小任何电子电路中需要消除的电压尖峰或快速电压变化，其控制方法可以与图25中减小二极管59电压尖峰的有源吸收电路的相同。
在图33中，有源吸收电路被用于一个双向开关应用中。有源吸收电路60和60′分别用于减小开关52和52′的关断损耗和电压尖峰。每个有源吸收电路的工作原理与图1中所描述的是一样的。唯一不同的是每个吸收电路用于能量回收和电路复原的反向电流路径是由与其互补的开关元件提供。
虽然本发明是通过至少一个具有一定特殊性的最佳实施例被详细描述，需要指出的是本说明书中的典型实施例只应用来说明本发明而不应用来限制本发明的范围。对于那些所属技术领域的技术人员，按照以下权利要求，对本发明进行适当的修改、变换、元件的摆放和一些细节上的变化而不偏离本发明的精神实质和范围是显而易见的。
权利要求
1.一种软开关有源吸收电路，包括一个电容(64)与一个整流器(62)串联，并联在一个主开关元件(52)上，为其减小开关应力；软开关有源复原电路(70)，具有第一端点(73)、第二端点(75)和第三端点(77)，其中第一端点连接在主开关元件(52)与整流器(62)的连接点；第二端点连接在电容(64)与整流器(62)的连接点，为电容(64)提供了一条可控放电通路；第三端点连接在主开关(52)与电容(64)的连接点，提供了一条能量回收通路；其特征是软开关有源复原电路为电容(64)提供一可控的放电与能量回收过程，使软开关有源吸收电路高效和可靠地减小了主开关元件(52)的开关应力。
2.根据权利要求1所述的软开关有源吸收电路，其中软开关有源复原电路(70)包括电感型元件，具有一个连接在复原电路(70)第一端点的第一边和一个第二边；附加开关元件(72)，连接在复原电路(70)第二端点与电感型元件第二边之间，为电容(64)提供了一条可控放电通路；一个嵌位二极管(76)，连接在复原电路(70)第三端点与电感型元件第二边之间，为附加开关元件(72)提供一个软开关关断特性，也为回收在电容(64)放电过程中转移到电感型元件中的能量提供一个通路。
3.根据权利要求2所述的软开关有源吸收电路，其中主开关元件(52)是一个绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管、双极晶体管或MOS控制晶闸管。
4.根据权利要求3所述的软开关有源吸收电路，其中附加开关元件(72)是一个绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管、双极晶体管或MOS控制晶闸管。
5.根据权利要求4所述的软开关有源吸收电路，其中一个第二电感型元件与主开关元件(52)串联，对主开关元件(52)开通时的电流变化进行限制。
6.根据权利要求5所述的软开关有源吸收电路，其中一个循环二极管(68)与第二电感型元件和主开关元件(52)并联，为第二电感型元件在主开关元件(52)开通时吸收的额外能量提供一个循环回路。
7.根据权利要求5或6所述的软开关有源吸收电路，其中第二电感型元件是一个电感(66)或饱和电感(67)。
8.根据权利要求2、3、4、5或6所述的软开关有源吸收电路，其中电感型元件是一个电感(74)。
9.根据权利要求2、3、4、5或6所述的软开关有源吸收电路，其中电感型元件包括一个变压器(78)，具有一个初级线圈和一个次级线圈，其中初级线圈的第一端连接在复原电路(70)第一端点，初级线圈的第二端连接在嵌位二极管(76)与附加开关(72)的连接点上；一个电感(84)，与次级线圈串联；回收电路，连接在电感(84)上，将电感(84)中的能量回收到一个外部电源。
10.一种用于电力变换电路的、具有一个控制端和两个主电流端的、高效和可靠的软开关元件，包括一个主开关元件(52)，具有一个控制极和两个电流极，其中控制极连接到软开关元件的控制端；一个软开关有源吸收电路，跨接在主开关元件(52)上，为其提供一个软开关特性；其中软开关有源吸收电路包括一个电容(64)，用于吸收能量，具有第一极板和第二极板，其中第一极板连接到主开关元件(52)两个电流极之一的第一极和软开关元件两个主电流端之一的第一端上；电感型元件，用于能量转移和回收，具有第一边和第二边，其中第一边连接到主开关元件(52)两个电流极之一的第二极和软开关元件两个主电流端之一的第二端上；半导体元件，具有第一接点、电容接点、电感接点和第二接点，其中第一接点连接到主开关元件(52)两个电流极之一的第二极；电容接点连接到电容(64)的第二极板，当主开关元件(52)关断时，使电容(64)通过能量吸收为主开关元件(52)提供软开关特性；电感接点连接到电感型元件第二边，当收到一个复原信号时，使电容(64)所吸收的能量转移到电感型元件中；第二接点连接到电容(64)第一极板，为电容(64)提供一可控的软开关复原过程。
11.根据权利要求10所述的软开关元件，其中半导体元件包括一个整流器(62)，连接在半导体元件的第一和电容接点之间；附加开关部件，连接在半导体元件的电容和电感接点之间，为电容(64)提供一可控放电通路；一个嵌位二极管(76)，连接在半导体元件的第二和电感接点之间，为附加开关部件提供一软开关关断特性，也为回收在电容(64)放电过程中转移到电感型元件中的能量提供一个通路。
12.根据权利要求11所述的软开关元件，其中附加开关部件包括一个附加开关(72)，为转移电容(64)吸收的能量提供了控制手段；控制电路，连接在附加开关(72)的控制输入端，控制附加开关(72)的开通和关断。
13.根据权利要求12所述的软开关元件，其中一个第二电感型元件插入在软开关元件两个主电流端之一的一个主电流端和两个电流极之一的一个电流极之间，对主开关元件(52)开通时的电流变化进行限制。
14.根据权利要求13所述的软开关元件，其中一个循环二极管(68)跨接在软开关元件两个主电流端之间，为第二电感型元件在主开关元件(52)开通时吸收的额外能量提供一个循环回路。
15.根据权利要求14所述的软开关元件，其中还包括第三电感型元件，与循环二极管(68)串联；一个二极管接点，连接在第三电感型元件与循环二极管的连接点上，为连接一个外接二极管提供了接点；其中第三电感型元件限制了连接在二极管接点上外接二极管的反向恢复电流。
16.根据权利要求15所述的软开关元件，其中第二电感型元件是一个电感或饱和电感；第三电感型元件是一个电感或饱和电感。
17.一种控制双向功率流动的双向开关组合，包括第一和第二根据权利要求12所述的软开关元件，其中第一软开关元件与第二软开关元件反向串联连接；第一和第二反向二极管，分别反向并联在第一和第二软开关元件上；由此第一软开关元件和第二反向二极管提供一条正向电流通路；第二软开关元件和第一反向二极管提供一条反向电流通路。
18.一种用于单相和三相逆变器或直流/直流变换器中的软开关半桥型电路，包括直流电源(54)，用于提供直流电力；第一和第二根据权利要求13所述的软开关元件，其中第一软开关元件与第二软开关元件的串联连接组合跨接在直流电源(54)上；变换而来的交流电力经第一软开关元件与第二软开关元件的连接点输出。
19.根据权利要求18所述的软开关半桥型电路，其中第一和第二反向二极管，分别反向并联在第一和第二软开关元件上。
全文摘要
本发明是用于电力电子开关应用的一个软开关元件。这个软开关元件包括一个主开关元件和一个软开关有源吸收电路。有源吸收电路为主开关元件和有源吸收电路中的一个附加开关提供软开关特性，保证了高效、可靠的电路工作。有源吸收电路通过附加控制可实现智能化软开关元件。本发明的软开关元件可作为一个高效、可靠、通用和智能功率开关用于任何使用功率开关的应用中，并可作为电力电子的标准元件串联和并联使用。
文档编号H02M1/32GK1168021SQ9710364
公开日1997年12月17日 申请日期1997年3月25日 优先权日1997年3月25日
发明者陈可民 申请人:陈可民