一种高频链逆变器的软开关控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种高频链逆变器的软开关控制方法。高频链逆变器的主回路包括依次连接的DC/DC变换模块、同步整流模块、极性选择模块和LC低通滤波器，以及分别连接至DC/DC变换模块、同步整流模块和极性选择模块的驱动控制模块；控制同步整流模块的正向功率开关管超前DC/DC变换模块的正向功率开关管开通，滞后于DC/DC变换模块的正向功率开关管关断；控制同步整流模块的负向功率开关管超前DC/DC变换模块的负向功率开关管开通，滞后于DC/DC变换模块的负向功率开关管关断，实现同步整流模块的功率开关管处于零电压开通零电流关断的软开关工作模式。本发明降低同步整流模块的开关损耗，提高高频链逆变器的效率和功率密度。
【专利说明】一种高频链逆变器的软开关控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种软开关控制方法，特别涉及一种高频链逆变器的软开关控制方法。
【背景技术】
[0002]随着能源与环境问题的冲突日益严峻，逆变器应用越来越广泛。逆变器可直接将蓄电池、燃料电池、光伏太阳能等直流电源转换为交流电源，为用电设备提供可靠电能，同时为提高能量转换效率，对逆变器的效率和功率密度要求越来越高，因此高频链逆变器成为逆变器主流发展方向。如附图2所示为高频链逆变器原理框图，将输入直流电压经DC/DC变换模块和同步整流模块变换为高频直流脉冲电压，通过工频周期导通的极性选择模块和LC低通滤波器，得到稳定的交流电。
[0003]现有高频链逆变器的同步整流模块功率开关管一般采用硬开关控制方法，同步整流模块功率开关管与DC/DC变换模块的功率开关管同步导通关断，此时同步整流模块的功率开关管处于硬开关状态，开关损耗会非常大，特别是开关频率高频化应用时，开关管的开关损耗对于逆变器效率的影响更加明显。
[0004]软开关技术能有效地减小功率开关管的开关损耗。而现有的开关管软开关技术的方案一般归为两类，一类是增加电容、电感和二极管等谐振元器件来实现开关管的零电压开通和零电流关断，另一类是增加辅助功率开关管进行控制(如附图1所示)，触发谐振电容和谐振电感进行谐振，从而使主功率开关管实现零电压开通或零电流关断。这些现有的软开关技术都是通过增加额外谐振电路或谐振元件来实现的，使得逆变器体积增大，成本增加，同时控制难度加大，降低了逆变器的可靠性和功率密度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种在不增加额外谐振元器件的前提下，降低同步整流模块的开关损耗，提高高频链逆变器的效率和功率密度的软开关控制方法。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种高频链逆变器的软开关控制方法，所述高频链逆变器的主回路包括依次连接的DC/DC变换模块、同步整流模块、极性选择模块和LC低通滤波器，所述高频链逆变器的主回路还设有一驱动控制模块，分别连接至DC/DC变换模块、同步整流模块和极性选择模块，其特征在于:
所述驱动控制模块产生两组交替的SPWM驱动波分别送至DC/DC变换模块的正向功率开关管和负向功率开关管；
所述驱动控制模块产生与所述两组SPWM驱动波互补的两组驱动波分别送至对应的同步整流模块的正向功率开关管和负向功率开关管；
所述驱动控制模块还产生两组互补的工频驱动波送至极性选择模块；
所述方法具体为控制同步整流模块的正向功率开关管超前于所述DC/DC变换模块的正向功率开关管开通，滞后于所述DC/DC变换模块的正向功率开关管关断；控制所述同步整流模块的负向功率开关管超前于所述DC/DC变换模块的负向功率开关管开通，滞后于所述DC/DC变换模块的负向功率开关管关断，实现同步整流模块的功率开关管处于零电压开通零电流关断的软开关工作模式。
[0007]进一步的，所述的传送至DC/DC变换模块的正向功率开关管和负向功率开关管的两组SPWM驱动波，是将一组完整的SPWM驱动波交替拆分产生。
[0008]在一实施例中，所述DC/DC变换模块为推挽升压式DC/DC变换模块，所述DC/DC变换模块的正向功率开关管为推挽升压上管，DC/DC变换模块的负向功率开关管为推挽升压下管；所述同步整流模块为桥式同步整流模块。
[0009]需要指出的是本发明中的DC/DC变化模块不限于推挽升压式DC/DC变换模块，可以是单端反激变换模块、单端正激变换模块，其中正向功率开关管和负向功率开关管均为同一功率开关管，通过时序，使控制单个功率开关管在不同阶段依次交替作为正向功率开关管和负向功率开关管；也可以是半桥式DC/DC变化模块、全桥式DC/DC变化模块等。
[0010]在一实施例中，所述同步整流模块为桥式同步整流模块，本发明同步整流模块不限于桥式同步整流模块。
[0011]进一步的，所述推挽升压式DC/DC变换模块包括串联连接的推挽升压上管、钳位电容、推挽升压下管，还包括一变压器，所述推挽升压上管为DC/DC变换模块的正向功率开关管，推挽升压下管为DC/DC变换模块的负向功率开关管，所述推挽升压上管的源极接钳位电容一端及变压器的第二初级绕组同名端，所述推挽升压管上管的漏极接变压器的第一初级绕组异名端，所述推挽升压管下管的漏极接钳位电容另一端及变压器的第一初级绕组同名端，所述推挽升压管下管的源极接变压器的第二初级绕组异名端。
[0012]进一步的，所述桥式同步整流模块由第一功率开关管组和第二功率开关管组并联连接而成；所述第一功率开关管组由第一功率开关管和第二功率开关管串联连接而成，第二功率开关管组由第三功率开关管和第四功率开关管串联连接而成，其中第一功率开关管和第四功率开关管均为正向功率开关管，第二功率开关管和第三功率开关管均为负向功率开关管，所述第一功率开关管的漏极和第三功率开关管的漏极相连接作为桥式同步整流模块的一输出端，，所述第二功率开关管的源极和第四功率开关管的源极相连接作为桥式同步整流模块的另一输出端，，所述第一功率开关管的源极接至第二功率开关管的漏极及变压器的次级绕组的一端作为桥式同步整流模块的一输入端，所述第三功率开关管的源极接至第四功率开关管的漏极及变压器的次级绕组的另一端作为桥式同步整流模块的另一输入端。
[0013]进一步的，所述极性选择模块第三功率开关管组和第四功率开关管组并联连接而成；所述第三功率开关管组由第五功率开关管和第六功率开关管串联连接而成，第四功率开关管组由第七功率开关管和第八功率开关管串联连接而成，所述第五功率开关管和第六功率开关管的连接点以及第七功率开关管和第八功率开关管的连接点分别作为极性选择模块的输出端；所述的第五功率开关管和第七功率开关管的连接点作为极性选择模块的第一输入端，第六功率开关管和第八功率开关管的连接点作为极性选择模块的第二输入端。
[0014]进一步的，所述第五功率开关管的漏极与第七功率开关管的漏极相连接至第一功率开关管的漏极及第三功率开关管的漏极，所述第六功率开关管的源极与第八功率开关管的源极相连接至第二功率开关管的源极及第四功率开关管的源极，所述第五功率开关管的源极与第六功率开关管漏极相连接，所述第七功率开关管的源极与第八功率开关管的漏极相连接。
[0015]进一步的，所述推挽升压式DC/DC变换模块与桥式同步整流模块的工作过程分为可循环的四个阶段:
第一阶段:推挽升压上管处于关断状态，推挽升压下管在第一阶段起始时刻关断，第二功率开关管和第三功率开关管均处于导通状态，第一功率开关管和第四功率开关管在第一阶段起始时刻导通，导通时刻电压为零，实现零电压开通；
第二阶段:推挽升压上管在第二阶段起始时刻导通，推挽升压下管保持关断，第一功率开关管和第四功率开关管保持导通，第二功率开关管和第三功率开关管在第二阶段起始时刻关断，关断电流为零，实现零电流关断；
第三阶段:推挽升压上管在第三阶段起始时刻关断，推挽升压下管保持关断，第一功率开关管和第四功率开关管保持导通，第二功率开关管和第三功率开关管在第三阶段起始时刻导通，导通时刻电压为零，实现零电压开通；
第四阶段:推挽升压上管保持关断，推挽升压下管在第四阶段起始时刻导通，第二功率开关管和第三功率开关管保持导通，第一功率开关管和第四功率开关管在第四阶段起始时刻关断，关断时刻电流为零，实现零电流关断。
[0016]进一步的，所述LC低通滤波器由电感和电容串联连接而成。
[0017]相较于现有技术，本发明具有以下有益效果:
1、本发明的软开关控制方法不通过额外增加辅助元器件实现功率开关管的关断；
2、减少功率开关管的开关损耗，提高逆变效率和功率密度；
3、减少高频EMI干扰，提高整个数字控制逆变系统的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是传统的增加辅助元器件实现软开关控制技术的示例图。
[0019]图2是高频链逆变器原理框图。
[0020]图3是本发明一具体实施例中的高频链逆变器原理图。
[0021]图4是本发明一具体实施例中高频链逆变器功率开关管的工作逻辑时序图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0023]如图2所示，本发明提供了一种高频链逆变器的软开关控制方法，所述高频链逆变器的主回路包括依次连接的DC/DC变换模块、同步整流模块、极性选择模块和LC低通滤波器，所述高频链逆变器的主回路还设有一驱动控制模块，分别连接至DC/DC变换模块、同步整流模块和极性选择模块，其特征在于:
所述驱动控制模块产生交替的两组SPWM驱动波送至DC/DC变换模块的正向功率开关管和负向功率开关管；
所述驱动控制模块产生与所述两组SPWM驱动波互补的两组驱动波送至对应的同步整流模块的正向功率开关管和负向功率开关管； 所述驱动控制模块还产生两组互补的工频驱动波送至极性选择模块；
所述方法具体为控制同步整流模块的正向功率开关管超前于所述DC/DC变换模块的正向功率开关管开通，滞后于所述DC/DC变换模块的正向功率开关管关断；控制所述同步整流模块的负向功率开关管超前于所述DC/DC变换模块的负向功率开关管开通，滞后于所述DC/DC变换模块的负向功率开关管关断，实现同步整流模块的功率开关管处于零电压开通零电流关断的软开关工作模式。
[0024]以下为本发明具体实施例。
[0025]如图3本发明一具体实施例中的高频链逆变器原理图所示，主回路由推挽升压式DC/DC变换模块、桥式同步整流模块、极性选择模块、LC低通滤波器依次连接构成，其中DC/DC变换模块、同步整流模块、极性选择模块的控制信号分别连接至一驱动控制模块，其中推挽升压式DC/DC变换模块由推挽升压上管MOS1、推挽升压下管M0S2、钳位电容C2、变压器Tl组成；桥式同步整流模块由功率开关管M0S11、功率开关管M0S12、功率开关管M0S21和功率开关管M0S22组成；极性选择模块由功率开关管M0S41、功率开关管M0S42、功率开关管M0S51、功率开关管M0S52组成；LC低通滤波器由电感LI和电容Cl组成。
[0026]所述推挽升压管上管MOSl的源极接钳位电容C2—端、变压器Tl的第二初级绕组同名端，所述功率开关管MOSl的漏极接变压器Tl的第一初级绕组异名端，所述推挽升压管下管M0S2的漏极接钳位电容C2另一端、变压器Tl的第一初级绕组同名端，所述推挽升压管下管M0S2的源极接变压器Tl的第二初级绕组异名端；所述功率开关管MOSll的漏极、功率开关管M0S21的漏极、功率开关管M0S41的漏极、功率开关管M0S51的漏极相连接,所述功率开关管M0S22的源极、功率开关管M0S12的源极、功率开关管M0S51的源极、功率开关管M0S41的源极相连接，所述功率开关管MOSll的源极接至功率开关管M0S22的漏极、变压器Tl的次级绕组的一端，所述功率开关管M0S21的源极接至功率开关管M0S12的漏极、变压器Tl的次级绕组的另一端，所述功率开关管M0S41的源极接至功率开关管M0S52的漏极，所述功率开关管M0S51的源极接至功率开关管M0S42的漏极。
[0027]所述的驱动控制模块，将一组完整的SPWM驱动波交替拆分，产生两组交替的SPWM驱动波送至推挽升压式DC/DC变换模块的功率开关管MOSl和功率开关管M0S2 ；
所述的驱动控制模块，产生一组与推挽升压上管MOSl的SPWM驱动互补的驱动波送至桥式同步整流模块的功率开关管M0S21和功率开关管M0S22 ；
所述的驱动控制模块，产生一组与推挽升压下管M0S2的SPWM驱动互补的驱动波送至桥式同步整流模块的功率开关管MOSll和功率开关管M0S12 ；
所述的驱动控制模块，产生两组互补的工频周期驱动波分别送至桥式极性选择电路的功率开关管M0S41、M0S42和功率开关管M0S51、M0S52。
[0028]整个电路工作原理如下:
功率开关管MOSl、功率开关管MOSl1、功率开关管M0S12、电容C2和变压器Tl构成正向升压整流电路，功率开关管M0S2、功率开关管M0S21、功率开关管M0S22、电容C2和变压器Tl构成负向升压整流电路，将输入直流电压变换成高频直流脉冲电压，高频直流脉冲电压经极性选择模块与LC低通滤波器输出稳定的交流电压。
[0029]其中推挽升压上管MOSl为DC/DC变化模块的正向功率开关管，推挽升压下管M0S2为DC/DC变化模块的负向功率开关管、功率开关管M0S11、MOS12均为同步整流模块正向功率开关管，功率开关管M0S21、M0S22均为同步整流模块负向功率开关管。
[0030]其中在升压整流电路，控制整流模块功率开关管MOSll和功率开关管M0S12超前于推挽升压上管MOSl开通，滞后于推挽升压上管MOSl关断，控制功率开关管M0S21和功率开关管M0S22超前于推挽升压下管M0S2开通，滞后于推挽升压下管M0S2关断，桥式同步整流模块的功率开关管工作于零电压开通零电流关断的软开关模式。
[0031]附图4为推挽升压式DC/DC变换模块和桥式同步整流模块各个功率开关管的工作逻辑时序图，其中推挽升压上管MOSl和推挽升压下管M0S2的驱动波为相互交替的SPWM驱动，桥式同步整流模块的功率开关管M0S11、功率开关管M0S12的驱动波与推挽升压下管M0S2的SPWM驱动互补，桥式同步整流模块的功率开关管M0S21、功率开关管M0S22的驱动波与推挽升压上管MOSl的SP丽驱动互补。
[0032]推挽升压式DC/DC变换模块与桥式同步整流模块的工作过程分为可循环的四个工作区间:
[I]在[to, tl]时段:
推挽升压上管MOSl保持关断状态；
——推挽升压下管M0S2在t0时刻关断并保持关断状态；
——桥式同步整流模块功率开关管MOSll和功率开关管M0S12在t0时刻导通并保持导通状态；
——桥式同步整流模块功率开关管M0S21和功率开关管M0S22保持导通状态。
[0033]因推挽升压上管MOSl和推挽升压下管M0S2均处于关断状态，则变压器的次级输出端电压为零，而同步整流模块的功率开关管MOSll和功率开关管M0S12在t0时刻导通，实现零电压开通，为下阶段的能量传递提前做好准备。
[0034][2]在[tl, t2]时段:
——推挽升压上管MOSl在tl时刻导通并保持导通状态；
——推挽升压下管M0S2保持关断状态；
——桥式同步整流模块功率开关管MOSll和功率开关管M0S12保持导通状态；
——桥式同步整流模块功率开关管M0S21和功率开关管M0S22在tl时刻关断并保持关断状态。
[0035]推挽升压上管MOSl在tl时刻导通时，相应的桥式同步整流模块功率开关管MOSll和功率开关管M0S12超前于推挽升压上管MOSl在t0时刻导通，输入直流电通过推挽升压上管MOSl及桥式同步整流模功率开关管MOSl 1、M0S12进行正向升压整流，输出高频直流脉冲电压。
[0036]因推挽升压下管M0S2在tft2时段保持关断状态，则桥式同步整流模块的负向整流电路电流为零，而桥式同步整流模块功率开关管M0S21和功率开关管M0S22在tl时刻关断，实现零电流关断。
[0037] [3]在[t2, t3]时段:
——推挽升压上管MOSl在t2时刻关断并保持关断状态；
——推挽升压下管M0S2保持关断状态；
——桥式同步整流模块功率开关管M0S11和功率开关管M0S12保持导通状态；
——桥式同步整流模块功率开关管M0S21和功率开关管M0S22在t2时刻导通并保持导通状态。
[0038]因推挽升压上管MOSl和推挽升压下管M0S2均处于关断状态，则变压器的次级输出端电压为零，而同步整流模块的功率开关管M0S21和功率开关管M0S22在t2时刻导通，实现零电压开通，为下阶段的能量传递提前做好准备。
[0039][4]在[t3, t4]时段:
推挽升压上管MOSl保持关断状态；
——推挽升压下管M0S2在t3时刻导通并保持导通状态；
——桥式同步整流模块功率开关管MOSll和功率开关管M0S12在t3时刻关断并保持关断状态； ——桥式同步整流模块功率开关管M0S21和功率开关管M0S22保持导通状态。
[0040]推挽升压下管M0S2在t3时刻导通时，相应的桥式同步整流模块功率开关管M0S21和功率开关管M0S22超前于推挽升压下管M0S2在t2时刻导通，输入直流电通过推挽升压下管M0S2及桥式同步整流模块功率开关管M0S21、M0S22进行负向升压整流，输出高频直流脉冲电压。
[0041]因推挽升压上管MOSl在t3、4时段保持关断状态，则桥式同步整流模块的正向整流电路电流为零，而桥式同步整流模块功率开关管MOSll和功率开关管M0S12在t3时刻关断，实现零电流关断。
[0042]其中，t(Tt4为高频链逆变器的一个升压整流工作循环控制周期，在推挽升压式DC/DC变换模块与桥式同步整流模块之间的逻辑时序上实现桥式同步整流模块的功率开关管处于零电压开通零电流关断的软开关工作模式。
[0043]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种高频链逆变器的软开关控制方法，所述高频链逆变器的主回路包括依次连接的DC/DC变换模块、同步整流模块、极性选择模块和LC低通滤波器，所述高频链逆变器的主回路还设有一驱动控制模块，分别连接至DC/DC变换模块、同步整流模块和极性选择模块，其特征在于: 所述驱动控制模块产生两组交替的SPWM驱动波分别送至DC/DC变换模块的正向功率开关管和负向功率开关管； 所述驱动控制模块产生与所述两组SPWM驱动波互补的两组驱动波分别送至对应的同步整流模块的正向功率开关管和负向功率开关管； 所述驱动控制模块还产生两组互补的工频驱动波送至极性选择模块； 所述方法具体为控制同步整流模块的正向功率开关管超前于所述DC/DC变换模块的正向功率开关管开通，滞后于所述DC/DC变换模块的正向功率开关管关断；控制所述同步整流模块的负向功率开关管超前于所述DC/DC变换模块的负向功率开关管开通，滞后于所述DC/DC变换模块的负向功率开关管关断，实现同步整流模块的功率开关管处于零电压开通零电流关断的软开关工作模式。
2.根据权利要求1所述的高频链逆变器的软开关控制方法，其特征在于:所述的传送至DC/DC变换模块的正向功率开关管和负向功率开关管的两组SPWM驱动波，是将一组完整的SPWM驱动波交替拆分产生。
3.根据权利要求1所述的高频链逆变器的软开关控制方法，其特征在于:所述DC/DC变换模块为推挽升压式DC/DC变换模块，所述同步整流模块为桥式同步整流模块。
4.根据权利要求3所述的高频链逆变器的软开关控制方法，其特征在于:所述推挽升压式DC/DC变换模块包括串联连接的推挽升压上管、钳位电容、推挽升压下管，还包括一变压器，所述推挽升压上管为DC/DC变换模块的正向功率开关管，推挽升压下管为DC/DC变换模块的负向功率开关管，所述推挽升压上管的源极接钳位电容一端及变压器的第二初级绕组同名端，所述推挽升压管上管的漏极接变压器的第一初级绕组异名端，所述推挽升压管下管的漏极接钳位电容另一端及变压器的第一初级绕组同名端，所述推挽升压管下管的源极接变压器的第二初级绕组异名端。
5.根据权利要求4所述的高频链逆变器的软开关控制方法，其特征在于:所述桥式同步整流模块由第一功率开关管组和第二功率开关管组并联连接而成；所述第一功率开关管组由第一功率开关管和第二功率开关管串联连接而成，第二功率开关管组由第三功率开关管和第四功率开关管串联连接而成，其中第一功率开关管和第四功率开关管均为正向功率开关管，第二功率开关管和第三功率开关管均为负向功率开关管，所述第一功率开关管的漏极和第三功率开关管的漏极相连接作为桥式同步整流模块的一输出端，所述第二功率开关管的源极和第四功率开关管的源极相连接作为桥式同步整流模块的另一输出端，所述第一功率开关管的源极接至第二功率开关管的漏极及变压器的次级绕组的一端作为桥式同步整流模块的一输入端，所述第三功率开关管的源极接至第四功率开关管的漏极及变压器的次级绕组的另一端作为桥式同步整流模块的另一输入端。
6.根据权利要求1所述的高频链逆变器的软开关控制方法，其特征在于:所述极性选择模块第三功率开关管组和第四功率开关管组并联连接而成；所述第三功率开关管组由第五功率开关管和第六功率开关管串联连接而成，第四功率开关管组由第七功率开关管和第八功率开关管串联连接而成，所述第五功率开关管和第六功率开关管的连接点以及第七功率开关管和第八功率开关管的连接点分别作为极性选择模块的输出端；所述的第五功率开关管和第七功率开关管的连接点作为极性选择模块的第一输入端，第六功率开关管和第八功率开关管的连接点作为极性选择模块的第二输入端。
7.根据权利要求5所述的高频链逆变器的软开关控制方法，其特征在于:所述推挽升压式DC/DC变换模块与桥式同步整流模块的工作过程分为可循环的四个阶段: 第一阶段:推挽升压上管处于关断状态，推挽升压下管在第一阶段起始时刻关断，第二功率开关管和第三功率开关管均处于导通状态，第一功率开关管和第四功率开关管在第一阶段起始时刻导通，导通时刻电压为零，实现零电压开通； 第二阶段:推挽升压上管在第二阶段起始时刻导通，推挽升压下管保持关断，第一功率开关管和第四功率开关管保持导通，第二功率开关管和第三功率开关管在第二阶段起始时刻关断，关断电流为零，实现零电流关断； 第三阶段:推挽升压上管在第三阶段起始时刻关断，推挽升压下管保持关断，第一功率开关管和第四功率开关管保持导通，第二功率开关管和第三功率开关管在第三阶段起始时刻导通，导通时刻电压为零，实现零电压开通； 第四阶段:推挽升压上管保持关断，推挽升压下管在第四阶段起始时刻导通，第二功率开关管和第三功率开关管保持导通，第一功率开关管和第四功率开关管在第四阶段起始时刻关断，关断时刻电流为零 ，实现零电流关断。
【文档编号】H02M7/217GK103701353SQ201310555137
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】魏图明, 陈成辉, 陈四雄, 曾奕彰, 钟伟龙 申请人:漳州科华技术有限责任公司