专利名称：一种开关电源中软开关电路的控制方法
技术领域：
本发明涉及开关电源，尤其涉及一种开关电源中软开关电路的控制方法。
背景技术：
目前开关电源发展趋势为高频小型化，高功率密度，高效率，低成 本。而传统的开关电源由于半导体器件处于硬开关工作状态，其损耗非常 大，无法提高自身效率，从而使体积庞大，逐渐失去市场竞争力。由于受 到半导体器件行业发展以及价格等方面因素的限制，软开关电路拓扑成为 绝大多数开关电源厂商提高产品竞争力的选择，关于软开关电路方面的研
究以及专利非常多，其中一种"电感+开关"串连形式的软开关电路ARCP
(auxiliary resonant commutated pole辅助谐振换流极)因硬件电路简单， 控制易实现，效果好，得到很多开关电源行业人员青睐。如中国实用新型 专利ZL 200620131113.6公开了一种ARCP软开关电路，即属此类软开关 电路的改进。
上述"电感+开关"串连形式的软开关电路的工作原理示意图如图1， 其工作原理如下
正负直流输入电压源士l/2Ud与主功率开关管SW1、 SW2组成主功率 半桥逆变电路，通过SW1、 SW2不断开通与关断，在B点得到il/2Ud的 高频脉冲电压，通过主功率滤波电路，在滤波电容C3两端得到设计需要 的工频输出电压Uo，同时在滤波电感L1上形成了主功率滤波电流Il。这 时，主功率开关器件SW1、 SW2属于传统硬开关电路，其损耗非常大。
为降低主功率开关器件SW1、 SW2的损耗，ARCP软开关电路增加了 两个单向辅助开关器件SW3、 SW4和谐振电感L2，同时在主功率开关器 件SW1、 SW2两端分别并联相对其自身寄生电容较大的谐振电容C1、 C2。 通过控制单向辅助开关器件SW3、 SW4的开通与关断，在谐振电感L2上 形成谐振电流I2，其电流在方向上与主功率滤波电流I1保持一致，通过谐 振电感L2与谐振电容C3发生的谐振，实现主功率开关器件SW1、 SW2 零电压开通。同时，由于在主功率开关器件SW1、 SW2两端分别并联容值 相对自身寄生电容大得很多的谐振电容Cl、 C2，从而实现主功率开关器
件的零电压关断。这样，ARCP软开关电路能够实现主功率开关器件SW1、 SW2的零电压开通和零电压关断，从而大大降低了主功率开关器件的损 耗。同时对于新增加的单向辅助开关器件SW3、 SW4，由于与其串连的谐 振电感L2的存在，电流不会发生突变，从而实现零电流开通,通过合理 有效的控制SW3、 SW4的开通和关断时间，可以实现辅助开关器件SW3、 SW4的零电流关断，这样对于新增加的辅助开关器件SW3、 SW4而言， 其工作状态属于零电流开通和零电流关断，其开关损耗非常小。此ARCP 软开关电路正、负半周的开关逻辑示意图分别如图2A、 2B所示。
通过上述分析我们可以看到，ARCP软开关电路不但实现主功率开关 器件SW1、 SW2的零电压开关，降低其损耗，而且还实现了单向辅助器件 SW3、 SW4的零电流开关，其开关损耗非常小，基本可以忽略其开关损耗。 从而电路整体工作效率有非常明显的提高，整机损耗大大降低，其体积也 可以明显縮小，从而提高产品整机竞争力。
此ARCP软开关电路在降低开关器件损耗，提高效率方面效果的确很 好，但此电路存在一个很大缺陷，即正负直流输入电压源输出功率不平衡， 导致正负直流输入电压不平衡。而一旦出现不平衡，会引发一系列问题， 如
1) 电压较高会导致器件无法正常工作或损坏；
2) 输出电压正负半周不对称，输出电压精度以及失真度等指标达不到要 求；
3) 负载无法正常工作。
综上所述，由于ARCP软开关电路在正负直流输入电压源土l/2Ud中 点N和半桥电路输出点B之间引入一个谐振电流，此电流的引入会导致正 负直流输入电压源士l/2Ud的输出功率不一致，从而导致两者电压出现偏 差，进一步引发一系列问题。这是ARCP软开关电路拓扑必然和致命缺陷， 大大限制了其使用范围和可靠性。
为解决此问题通常做法是增加一个外部平衡电路来平衡输入电压，如 图3所示，在平衡电路和正负直流输入电压源中点N之间引入一个平衡电 流Ib，通过此平衡电流来抵消因谐振电流I2产生的问题，可以通过控制实 现化=12，即谐振电流I2与平衡电流Ib大小时刻相等，方向时刻相同，有 (I+)+(I2)=(I-)+(Ib)，因为Ib=I2，从而有(1+)=(1-)，这表示正负直流输入电
压源输出功率完全一样，从而解决正负直流输入电压不平衡的问题。
上述外加平衡电路的方法虽然可以解决正负直流输入电压不平衡的 问题，但可以看到，由于需额外增加平衡电路，使得整机电路变得复杂， 而且整机会因新增加电路导致成本增加，体积增大，效率降低，可靠性大
大降低，这就等效于使用ARCP软开关电路必须要附带一个平衡电路，而 且此平衡电路会随主功率电路功率增加而增加，如果主功率的输出功率在 几十 几百千瓦的话，则新增的平衡电路体积、成本、效率和可靠性等弊 端就越发突出，甚至可能会抵消因采用ARCP软开关电路带来的好处。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在不额外增加平衡电路的情况下克服 上述正负直流输入电压源输出功率不平衡问题。
为解决上述技术问题，本发明介绍一种全新的基于ARCP软开关电路
的控制方法，在现有软开关电路的控制步骤下，通过进一步控制正向和负 向辅助开关器件的开通与关断，在谐振电流歇止期间的至少一段时间内在 谐振支路上形成与随后形成的谐振电流大小相等、方向相反的平衡电流， 使一个开关周期内谐振支路上平均电流为零，从而解决正负直流输入电压 不平衡的问题。
作为本发明的一个优选方案，其具体的控制方法是在正半周即主功 率电流为正向时，所述正向辅助开关器件在第一主功率开关器件开通期间 开通并在第一主功率开关器件关断的时刻关断，在谐振支路上形成与谐振 电流大小相等、方向相反的平衡电流，使正半周内谐振支路上平均电流为 零；在负半周即主功率电流为负向时，所述负向辅助开关器件在第二主功
率开关器件开通期间开通并在第二主功率开关器件关断的时刻关断，在谐 振支路上形成与谐振电流大小相等、方向相反的平衡电流，使负半周内谐 振支路上平均电流为零。
作为本发明的另一个优选方案，其具体的控制方法是在正半周即主 功率电流为正向时，所述正向辅助开关器件在第一主功率开关器件开通期 间开通并在第一死区期间关断，在谐振支路上形成与谐振电流大小相等、 方向相反的平衡电流，使正半周内谐振支路上平均电流为零；在负半周即 主功率电流为负向时，所述负向辅助开关器件在第二主功率开关器件开通 期间开通并在第二死区期间关断，在谐振支路上形成与谐振电流大小相等、 方向相反的平衡电流，使负半周内谐振支路上平均电流为零。
作为本发明的再一个优选方案，其具体的控制方法是在正半周即主 功率电流为正向时，所述正向辅助开关器件在第一主功率开关器件开通期 间开通并在第一主功率开关器件关断的时刻之前关断，在谐振支路上形成 与谐振电流大小相等、方向相反的平衡电流，使正半周内谐振支路上平均 电流为零；在负半周即主功率电流为负向时，，所述负向辅助开关器件在第 二主功率开关器件开通期间开通并在第二主功率开关器件关断的时刻之前 关断，在谐振支路上形成与谐振电流大小相等、方向相反的平衡电流，使 负半周内谐振支路上平均电流为零。
所述的主功率开关器件和辅助开关器件可以是IGBT、 MOSFET、 GTO 或SCR。
本发明与现有技术对比的有益效果是
本发明在不增加任何外部电路条件下就可以弥补ARCP软开关电路自
身缺陷，不但具有原来的实现软开关的功能，还克服了正负直流输入电压 源输出功率不平衡问题，避免了正负直流输入电压不平衡所引发的一系列 问题。同时，由于无需额外增加平衡电路，从而大大简化了电路，减小了 整机体积，降低了成本，提高了效率，取得了显著的技术效果。
图1是现有ARCP软开关电路的工作原理示意图。 图2A、 2B是现有ARCP软开关电路正、负半周的开关逻辑示意图。 图3是外加平衡电路法的工作原理示意图。 图4是本发明实施例一在正半周SW4开通时刻工作状态示意图。 图5是本发明实施例一在正半周SW3开通时刻工作状态示意图。 图6是本发明实施例一在负半周SW3开通时刻工作状态示意图。 图7是本发明实施例一在负半周SW4开通时刻工作状态示意图。 图8A、 8B是本发明实施例一正、负半周的开关逻辑示意图。 图9A、 9B是本发明实施例二正、负半周的开关逻辑示意图。 图10A、 IOB是本发明实施例三正、负半周的开关逻辑示意图。
具体实施例方式
下面对照附图并结合具体实施方式
进一步详细介绍本发明的控制方法。
为解决现有ARCP软开关电路固有的缺陷，必须对其所存在的缺陷做 一分析。从工作原理示意1中可以看到，此电路实质是在半桥电路输 出点B与正负直流输入电压源中点N之间增加了谐振支路，在此支路上通 过产生谐振电流来实现主功率开关器件SW1、 SW2的软开关。为了实现软 开关，谐振电流I2必须保持与主功率电流I1方向一致，当谐振电流I2为 正方向时，对于士l/2Ud直流输入电源而言，相当于有电流从N流向B，此 时有关系式(1+)+(12)=(1-)， g卩有(I+) <(1-)，这就表示誦l/2Ud放电电流(I-)大 于+l/2Ud放电电流，也就是说负电源输出功率大于正电源输出功率，这就 会导致负电源-l/2Ud电压会比正电源+l/2Ud高，即正负直流输入电压出现 不平衡。
同理，如果谐振电流12为负方向，有关系式(1-)+(12)=(1+)，即有 (I+)〉(I-)，这就表示+l/2Ud放电电流(I+)大于-l/2Ud放电电流(I-)，也就是 说正电源输出功率大于负电源输出功率，这就会导致正电源+l/2Ud电压会 比负电源-l/2Ud高，同样正负直流输入电压出现不平衡。
根据以上分析，本发明提出如下实施例。
实施例一
如图4，是本发明软开关电路正半周正向辅助开关器件SW4开通时刻 对应的电路工作状态示意图，图5是本发明软开关电路正半周负向辅助开 关器件SW3开通时刻对应的电路工作状态示意图，图6是本发明软开关电 路负半周负向辅助开关器件SW3开通时刻对应的电路工作状态示意图，图 7是本发明软开关电路负半周正向辅助开关器件SW4开通时刻对应的电路 工作状态示意图。该电路包括正负直流输入电压源与主功率开关器件 SW1、 SW2组成的主功率半桥逆变电路，形成工频输出电压Uo和主功率 滤波电流Il的主功率滤波电路，该主功率滤波电路还包括用于降低主功率 开关器件SW1 、 SW2损耗的单向辅助开关器件SW3、 SW4和谐振电感L2, 以及用于控制所述主功率开关器件SW1、 SW2和辅助开关器件SW3、 SW4 开通与关断的PWM信号发生器。
上述用于控制所述主功率开关器件SW1、 SW2和正向、负向辅助开关 器件SW4、 SW3开通与关断的PWM信号发生器，也可以是PFM信号发 生器、PWM-PFM混合信号发生器、其他类型的方波信号发生器或者CPU 等。
如图8A所示，在正半周即主功率电流Il为正方向时，本发明在上述
ARCP软开关电路的控制步骤下，还通过PWM信号发生器进一步控制正 向辅助开关器件SW4，使之在第一主功率开关器件SW1开通期间开通并 在第一主功率开关器件SW1关断的时刻Tl关断，从而形成负向平衡电流 14，该负向平衡电流14与随后负向辅助开关器件SW3开通后形成的谐振 电流I2大小相等、方向相反，此时有关系I2二I4，也即有关系式12+14=0， 这就意味着在一个开关周期内平衡主路上平均电流为零，而且由于开关频 率比较高，周期短，通常开关频率在几千赫兹 几十千赫兹内，开关周期 为几微秒 几十微秒，在一个微秒级的时间内正负输入电压完全可以认为 没有变化，而在一个开关周期内谐振主路上由于负向平衡电流14和谐振电 流12的总电流为零，也就意味着在谐振支路N与B之间电流平均值为零， 也可理解为谐振支路上无电流，从而有(1+)=(1-)关系存在，解决了正负直流 输入电压源输出功率不平衡的问题。
如图8B所示，在负半周即主功率电流Il为负方向时，本发明在上述 ARCP软开关电路的控制步骤下，还通过PWM信号发生器进一步控制负 向辅助开关器件SW3，使之在第二主功率开关器件SW2开通期间开通并 在第二主功率开关器件SW1关断的时刻Tl关断，从而形成正向平衡电流 13，该正向平衡电流I3与随后第一主功率开关器件(SW1)开通后形成的 谐振电流I2大小相等、方向相反，即有关系式12+13=0，与正半周同样道 理有(1+)=(1-)关系存在，可以解决正负直流输入电压源输出功率不平衡的问 题。
本发明还可以通过以下实施例解决正负直流输入电压源输出功率不平 衡问题。
实施例二
按照图9A、 9B所示的开关逻辑示意图进行开关器件的时序控制。即 在上述ARCP软开关电路的控制逻辑下，在正半周还让SW4在SW1开通 期间开通并在第一死区时间[T1 T2]内关断，形成与随后形成的谐振电流 12大小相等、方向相反的平衡电流I4;在负半周还让SW3在SW2开通期 间开通并在第二死区时间[T3 T4]内关断，形成与随后形成的谐振电流12 大小相等、方向相反的平衡电流I3。
实施例三
按照图IOA、 IOB所示的开关逻辑示意图进行开关元件的时序控制。 即在上述ARCP软开关电路的控制逻辑下，在正半周还让SW4在SW1开 通期间开通并在SW1关断的时刻Tl之前关断，形成与随后形成的谐振电 流12大小相等、方向相反的平衡电流14;在负半周还让SW3在SW2开通 期间开通并在SW2关断的时刻T3之前关断，形成与随后形成的谐振电流 12大小相等、方向相反的平衡电流I3。
本发明全文将所述两个单向辅助开关器件分别定义为正向、负向辅助 开关器件，以示两者在电路中单向导通的方向不同，而并不代表任何实际 的电流方向。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1. 一种开关电源中软开关电路的控制方法，通过控制第一、二主功率开关器件(SW1、SW2)不断开通与关断，形成交变的主功率滤波电流(I1)；并且通过控制正向和负向辅助开关器件(SW4、SW3)的开通与关断，在谐振支路上形成与主功率电流(I1)同方向的间歇交变谐振电流(I2)，以实现第一、二主功率开关器件(SW1、SW2)的零电压开通；其特征是进一步控制正向和负向辅助开关器件(SW4、SW3)的开通与关断，在谐振电流(I2)歇止期间的至少一段时间(t)内在谐振支路上形成与谐振电流(I2)大小相等、方向相反的平衡电流(I4、I3)，使一个开关周期内谐振支路上平均电流为零。
2. 如权利要求1所述的开关电源中软开关电路的控制方法，其特征是所 述在谐振支路上形成与谐振电流(12)大小相等、方向相反的平衡电流(14、 13)的步骤如下在正半周即主功率电流(I1)为正向时，所述正向辅助开关器件(SW4) 在第一主功率开关器件(SW1)开通期间开通并在第一主功率开关器件 (SW1)关断的时刻(Tl)关断，在谐振支路上形成与谐振电流(12)大 小相等、方向相反的平衡电流(14)，使正半周内谐振支路上平均电流为零； 在负半周即主功率电流(I1)为负向时，所述负向辅助开关器件(SW3) 在第二主功率开关器件(SW2)开通期间开通并在第二主功率开关器件 (SW2)关断的时刻(T3)关断，在谐振支路上形成与谐振电流(12)大 小相等、方向相反的平衡电流(13)，使负半周内谐振支路上平均电流为零。
3. 如权利要求1所述的开关电源中软开关电路的控制方法，其特征是所 述在谐振支路上形成与谐振电流(12)大小相等、方向相反的平衡电流(14、 13)的步骤如下在正半周即主功率电流(I1)为正向时，所述正向辅助开关器件(SW4) 在第一主功率开关器件(SW1)开通期间开通并在第一死区期间[T1 T2] 关断，在谐振支路上形成与谐振电流(12)大小相等、方向相反的平衡电 流(14)，使正半周内谐振支路上平均电流为零；在负半周即主功率电流(I1)为负向时，所述负向辅助开关器件(SW3) 在第二主功率开关器件(SW2)开通期间开通并在第二死区期间[T3 T4] 关断，在谐振支路上形成与谐振电流(12)大小相等、方向相反的平衡电 流(13)，使负半周内谐振支路上平均电流为零。
4. 如权利要求1所述的开关电源中软开关电路的控制方法，其特征是所述在谐振支路上形成与谐振电流(12)大小相等、方向相反的平衡电流(14、13)的步骤如下在正半周即主功率电流(I1)为正向时，所述正向辅助开关器件(SW4) 在第一主功率开关器件(SW1)开通期间开通并在第一主功率开关器件 (SW1)关断的时刻(Tl)之前关断，在谐振支路上形成与谐振电流(12) 大小相等、方向相反的平衡电流(14)，使正半周内谐振支路上平均电流为 零；在负半周即主功率电流(I1)为负向时，，所述负向辅助开关器件(SW3) 在第二主功率开关器件(SW2)开通期间开通并在第二主功率开关器件 (SW2)关断的时刻(T3)之前关断，在谐振支路上形成与谐振电流(12) 大小相等、方向相反的平衡电流(13),使负半周内谐振支路上平均电流为 零。
5. 如权利要求1 4任一所述的软开关电路的控制方法，其特征是所述的 主功率开关器件和辅助开关器件有至少一个是IGBT、 MOSFET、 GTO或 SCR。
全文摘要
本发明公开了一种开关电源中软开关电路的控制方法，通过控制第一、二主功率开关器件不断开通与关断，形成交变的主功率滤波电流；并且通过控制正向和负向辅助开关器件的开通与关断，在谐振支路上形成与主功率滤波电流同方向的间歇交变谐振电流，以实现第一、二主功率开关器件的零电压开通；还进一步控制正向和负向辅助开关器件的开通与关断，在谐振电流歇止期间的至少一段时间内在谐振支路上形成与谐振电流大小相等、方向相反的平衡电流，使一个开关周期内谐振支路上平均电流为零。该控制方法在不额外增加平衡电路的情况下解决了现有开关电源中软开关电路存在的正负直流输入电压源输出功率不平衡问题。
文档编号H02M7/48GK101383562SQ20071014738
公开日2009年3月11日 申请日期2007年9月5日 优先权日2007年9月5日
发明者张春涛, 张晓飞, 肖学礼 申请人:力博特公司