一种全桥逆变软开关电路及控制方法与流程

1.本发明涉及到电力电子领域，尤其涉及到一种全桥逆变软开关电路及控制方法。


背景技术：

2.全桥逆变电路及其软开关的功能一般是用在大功率高频设备上的，如：开关电源、感应加热设备、电焊机、直流充电桩等。
3.现有的常用逆变方式包括：单端反激、单端正激、推挽式、半桥、全桥等，以及上述电路的相关拓补。软开关的主要作用是替代传统硬开关，既开关管(可控硅、mos管、igbt等)，因为硬开关在高频率下的工作容易烧坏，并且电能浪费严重。
4.软开关的是指零电压导通，零电流关断。即在电路中加入一些元器件，同时运用开关管驱动信号控制，制造出零电压或零电流状态，让开关管在这种状态下开通和关断，进而大幅度降低开关管的损耗。
5.而现有的全桥逆变电路，存在使用大量硬开关，导致损坏大、无法高频运行、开关管要求大电流大功率的问题；再是电感桥臂两端的开关管有直通风险，会因失误而导致同时开通造成短路，还有存在直通损耗，导致难以上高频。内部使用mos管或igbt的由于极间电容、续流二极管的存在，使得快回复二极管由正向转为反相截止，需要几十到几百纳秒的恢复时间，而这段时间是能够通过很大的反向电流的，虽然时间很短，但对高频运作时的影响不容忽略。
6.因此，亟需一种能够解决以上一种或多种问题的全桥逆变软开关电路及控制方法。


技术实现要素：

7.为解决现有技术中存在的一种或多种问题，本发明提供了一种全桥逆变软开关电路及控制方法。本发明为解决上述问题采用的技术方案是：一种全桥逆变软开关电路，包括：全桥逆变基础电路，所述全桥逆变基础电路设置有两个桥臂和四个开关管v1、v2、v3、v4，开关管v1、v2同一桥臂，开关管v3、v4同一桥臂，开关管v1、v3的集电极接同一输入端，开关管v2、v4的发射极接同一输出端；
8.软开关电路，所述软开关电路分别为pwm式软开关电路和调频式软开关电路，所述软开关电路电连接在所述全桥逆变基础电路的前端；
9.驱动电路，所述驱动电路与所述软开关电路、所述全桥逆变基础电路电连接，所述驱动电路用于驱动所述软开关电路和所述全桥逆变基础电路；
10.所述pwm式软开关电路包括：第一开关管、第二开关管、第一电感、第一电阻、快恢复二极管和第一电容，所述第一开关管和所述第一电感串联在主电路上，所述第一电阻和所述快恢复二极管串联并记为保护电路，所述保护电路与所述第一电感并联，所述保护电路与所述第一开关管串联，所述第一电容和所述第二开关管串联并记为工作电路，所述工作电路与所述保护电路并联，所述工作电路与所述第一开关管串联，所述工作电路与所述
第一电感串联；
11.在减去所述第二开关管后，所述pwm式软开关电路变为所述调频式软开关电路。
12.进一步地，所述第一开关管和所述第二开关管内带或外置有续流二极管或电容。
13.以及一种全桥逆变软开关电路的控制方法，全桥逆变基础电路的两桥臂的切换在第一开关管断开的情况下进行，在pwm式软开关电路中所述第一开关管导通前先关闭第二开关管，所述第一开关管断开前先导通所述第二开关管；
14.在软开关电路为所述pwm式软开关电路时，取全桥的工作周期为t，控制方法包括：
15.上半周期：所述第二开关管关闭，开关管v1、v4导通/关闭，接着开关管v3、v2关闭/导通，接着所述第一开关管导通，在所述第一开关管导通x微秒后导通所述第二开关管，然后关闭所述第一开关管，接着延时y微秒；
16.下半周期：所述第二开关管关闭，开关管v3、v2导通/关闭，接着开关管v1、v4关闭/导通，接着所述第一开关管导通，在所述第一开关管导通x微秒后导通所述第二开关管，然后关闭所述第一开关管，接着延时y微秒；
17.上半周期和下半周期的步骤根据需要反复循环，x微秒为所述第一开关管的导通时间，也是负载在上半周期和下半周期的通电时间。
18.进一步地，在软开关电路为所述调频式软开关电路时，取全桥的工作周期为t，控制方法包括：
19.上半周期：开关管v1、v4导通/关闭，接着开关管v3、v2关闭/导通，接着所述第一开关管导通x微秒后关闭，然后延时y微秒；
20.下半周期：开关管v3、v2导通/关闭，接着开关管v1、v4关闭/导通，接着所述第一开关管导通x微秒后关闭，然后延时y微秒；
21.上半周期和下半周期的步骤根据需要反复循环，x微秒为所述第一开关管的导通时间，也是负载在上半周期和下半周期的通电时间。
22.进一步地，x的取值小于0.5t，y等于0.5t-x。
23.进一步地，停机时，所有开关管断开。
24.进一步地，在输入电压和输出功率变化较大时，采用所述pwm式软开关电路及其控制方法；
25.在输入电压和输出功率变化不大时，采用所述调频式软开关电路及其控制方法。
26.本发明取得的有益价值是：本发明通过将所述软开关电路接在现有的全桥逆变基础电路上，配合对应的开关管驱动电路和控制方法，并针对不同的需求划分pwm式和调频式控制电路、方法，实现了做高频和软开关功能的目的，并且获得直通保护，消除续流二极管和极间电容带来的直通损耗，使得负载电感或变压器可以选用更小的铁芯和电感量，节省铁芯和铜线绕组等贵重材料；具备很强的通用性，无需特定设备、电路来配合，对变压器的二次侧电路也无特定要求，进而大幅提高兼用性；所述第二开关管属于辅助电路，能够取小号使用，全桥逆变基础电路内的开关管是在所述第一开关管切断主电路后进行软开关切换的，损耗非常低，可以取小号使用，所以即便增加了一个所述第一开关管，总体的开关管成本也是降低的；应用在大功率电路上时，获得的节能效果更为显著。以上极大地提高了本发明的实用价值。
附图说明
27.图1为本发明的pwm式软开关电路的实施示意图i；
28.图2为本发明的pwm式软开关电路的实施示意ii；
29.图3为本发明的调频式软开关电路的实施示意图i；
30.图4为本发明的调频式软开关电路的实施示意图ii；
31.图5为本发明的调频式软开关电路的实施示意图iii；
32.图6为本发明pwm式软开关电路的实施波形图；
33.图7为本发明调频式软开关电路的实施波形图。
具体实施方式
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加浅显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例限制。
35.如图1-图5所示，本发明公开了一种全桥逆变软开关电路，包括：全桥逆变基础电路，所述全桥逆变基础电路设置有两个桥臂和四个开关管v1、v2、v3、v4，开关管v1、v2同一桥臂，开关管v3、v4同一桥臂，开关管v1、v3的集电极接同一输入端，开关管v2、v4的发射极接同一输出端；
36.软开关电路，所述软开关电路分别为pwm式软开关电路和调频式软开关电路，所述软开关电路电连接在所述全桥逆变基础电路的前端；
37.驱动电路，所述驱动电路与所述软开关电路、所述全桥逆变基础电路电连接，所述驱动电路用于驱动所述软开关电路和所述全桥逆变基础电路；
38.所述pwm式软开关电路包括：第一开关管v0、第二开关管q0、第一电感l0、第一电阻r01、快恢复二极管d01和第一电容c0，所述第一开关管v0和所述第一电感l0串联在主电路上，所述第一电阻r01和所述快恢复二极管d01串联并记为保护电路，所述保护电路与所述第一电感l0并联，所述保护电路与所述第一开关管v0串联，所述第一电容c0和所述第二开关管q0串联并记为工作电路，所述工作电路与所述保护电路并联，所述工作电路与所述第一开关管v0串联，所述工作电路与所述第一电感l0串联；
39.在减去所述第二开关管q0后(即所述工作电路不包含所述第二开关管q0，仅有所述第一电容c0)，所述pwm式软开关电路变为所述调频式软开关电路。图1-图5内的所述驱动电路内的开关管数量根据需要设置。
40.需要说明的是，所述全桥逆变基础电路为现有常用技术，可有多种不同的变形。所述第一开关管v0一般需用大号开关管使用，所述第一电容c0、所述第一电感l0，工作频率越大取值越小；在pwm式软开关电路中所述第二开关管q0只承受来自所述第一电容c0的放电电流，因此功耗不大，取小号开关管。如图4、图5所述第一、二开关管内设或外接有续流二极管或电容，电容和续流二极管可以互相替代使用。所述全桥逆变基础电路的负载l包括电感和变压器。
41.需要指出的是，所述保护电路的运作是：在电路故障时，所述第一开关管v0需要立刻关闭，此时可能是硬开关进行关闭，则需要所述快恢复二极管d01来给所述第一电感l0续
流；所述第一电阻r01用来限制所述第一开关管v0导通时形成的反向电流，因此所述快恢复二极管d01的恢复时间尽量取小，以减小所述第一电阻r01的功耗。在正常工作的情况下，所述第一电阻r01和所述快恢复二极管d01的功耗很小，可选择小号元件。
42.以及一种全桥逆变软开关电路的控制方法，其包括：全桥逆变基础电路的两桥臂的切换在第一开关管v0断开的情况下进行，在pwm式软开关电路中所述第一开关管v0导通前先关闭第二开关管q0，所述第一开关管v0断开前先导通所述第二开关管q0；
43.在软开关电路为所述pwm式软开关电路时，取全桥的工作周期为t，控制方法包括：
44.上半周期：所述第二开关管q0关闭，开关管v1、v4导通/关闭，接着开关管v3、v2关闭/导通，接着所述第一开关管v0导通，在所述第一开关管v0导通x微秒后导通所述第二开关管q0，然后关闭所述第一开关管v0，接着延时y微秒；
45.下半周期：所述第二开关管q0关闭，开关管v3、v2导通/关闭，接着开关管v1、v4关闭/导通，接着所述第一开关管v0导通，在所述第一开关管v0导通x微秒后导通所述第二开关管q0，然后关闭所述第一开关管v0，接着延时y微秒；
46.如上述，两桥臂的开关顺序能够颠倒。
47.上半周期和下半周期的步骤根据需要反复循环，x微秒为所述第一开关管v0的导通时间，也是负载在上半周期和下半周期的通电时间。如图1，负载电流由线圈l的a到b，再由b到a反复切换，使得负载线圈l得到高频率的交流电。
48.在软开关电路为所述调频式软开关电路时，取全桥的工作周期为t，控制方法包括：
49.上半周期：开关管v1、v4导通/关闭，接着开关管v3、v2关闭/导通，接着所述第一开关管v0导通x微秒后关闭，然后延时y微秒；
50.下半周期：开关管v3、v2导通/关闭，接着开关管v1、v4关闭/导通，接着所述第一开关管v0导通x微秒后关闭，然后延时y微秒；
51.如上述，两桥臂的开关顺序能够颠倒。
52.上半周期和下半周期的步骤根据需要反复循环，x微秒为所述第一开关管v0的导通时间，也是负载在上半周期和下半周期的通电时间。如图3，负载电流由线圈l的a到b，再由b到a反复切换，使得负载线圈l得到高频率的交流电。
53.需要指出的是，x的取值小于0.5t，y等于0.5t-x。在停机时，所有开关管断开。为更好地适应使用场景，在输入电压和输出功率变化较大时，采用所述pwm式软开关电路及其控制方法；在输入电压和输出功率变化不大时，采用所述调频式软开关电路及其控制方法。
54.需要说明的是，在所述pwm式软开关电路及其控制方法中，导通时间x是用于调控输出功率的，x的值越大，输出功率越大，反之输出功率越小。在所述调频式软开关电路及其控制方法中，输出功率是靠工作周期t来调控的，t越小频率越大，输出功率就越大，反之输出功率就越小，在需要高频时，选取较小的所述第一电感l0和所述第一电容c0，则导通时间x能够取得很小；特别地，这里的频率越小，不意味着负载线圈l这半个周期的导通时间越长，从而需要越大的铁芯和电感量，导通时间始终是x微秒不变，负载线圈l的设计、选型，铁芯和电感量的选取，只需要按这点考虑。
55.具体地，如图6所示，t＝t1时进入一个周期，此时关闭所述第二开关管q0，导通开关管v1、v4，关闭开关管v2、v3，接着导通所述第一开关管v0。在所述第一开关管v0导通时，
所述第一电感l0产生跟vd一样大的电动势以阻止电流的突变，可以使得所述第一开关管v0实现零电压开通。在所述第一开关管v0导通后，负载线圈l的电流由a到b并不断增大，同时所述第二开关管q0的续流二极管qd0对所述第一电容c0进行充电，所述第一电容c0的电压不断升高直至输入电压vd的两倍后，由于所述第二开关管q0关闭及其续流二极管qd0的阻断，所述第一电容c0无法放电，所述第一电容的电压vc0维持在2倍的vd不变，负载线圈l继续得到电流；
56.t＝t2时，到了所述第一开关管v0的断开时间，先导通所述第二开关管q0，使得所述第一电容c0放电，所述第一电感l0的电流快速下降，同时所述第一电容的电压vc0也向负载线圈l放电而下降，当所述第一电感l0的电流下降到0时，所述第一电容的电压vc0依然高于输入电压vd，接着所述第一电感l0反激，电流方向向左，所述第一开关管的续流二极管d0导通，所述第一电容c0向输入电源vd放电，这时候驱动所述第一开关管v0断开，实现零电流关断；
57.所述第一开关管v0断开后，所述第一电容c0以及开关管v3、v2的寄生电容向负载线圈l放电，由于此时负载线圈l企图维持原先的电流，电流较大，所述第一电容c0较小，开关管v3、v2的寄生电容更小，很短时间就放完，按公式it＝cu，电流*时间＝电容容量*电压，通过电路设计可以做到几百纳秒以内。
58.所述第一电容c0放完电后，负载线圈l通过开关管v3的续流二极管d3和开关管v1续流，由a点——b点——d3——v1——a点。同时也通过开关管v4和开关管v2的续流二极管d2续流，由a点——b点——v4——d2——a点。此时开关管v3、v2寄生电容的两端电压已放完电为零。这种状态一只保持着。
59.t＝t3时，到了切换另半个周期的时间，所述第二开关管q0断开，由于负载线圈l保持续流，开关管v3、v2导通时，实现零电压导通。接着开关管v1、v4断开，断开过程中，由于此时所述第一电容c0的电压为0，负载线圈l的续流转向所述第一电容c0进行充电，使得开关管v1、v4实现零电流关断。l续流的环路是：a点——b点——d3——c0——d2——a点。所述第二开关管q0导通时只承受所述第一电容c0的放电电流，关闭时vc0接近0，消耗不大。所述第一开关管v0导通，继续进行下半周期，所述第一开关管v0在导通x微秒后断开，其过程与上半周期一样。
60.需要指出的是，如在全桥桥内，先断开正在导通的桥臂，再导通还在关断的另一对桥臂都是可以的。如上面t＝t3时，可先断开开关管v1、v4，再导通开关管v3、v2，则软开关过程为：所述第二开关管q0断开，接着断开开关管v1、v4，断开过程中，由于此时所述第一电容c0的电压为0，负载线圈l的续流转向所述第一电容c0，使得开关管v1、v4实现零电流关断。负载线圈l续流的环路是：a点——b点——d3——c0——d2——a点。接着，在负载线圈l续流向所述第一电容c0充电的过程未结束之前，开关管v3、v2开通，实现零电压开通。
61.在所述pwm式软开关电路中，所述第一电容c0和所述第一电感l0的值不能选得太大，让它们的谐振频率大一些较好，进而降低负载线圈l的得电占空比的损失。所述驱动电路可以是单片机或pwm驱动芯片+运放+定时器实现。用单片机时，通过独立对所述驱动电路供电，差模共模滤波以及隔离和金属壳屏蔽等，保障稳定性。
62.具体地，如图6、图7所示，图7为所述调频式软开关电路的一个周期的工作波形图，图6和图7实现软开关的工作原理是一样的，但去除所述第二开关管后，其高频能力更强。特
别地，结合图3、图4、图7，所述第一开关管v0导通后，所述第一电容c0的电压上升到2vd后，由于没有了所述第二开关管q0的续流二极管d01的阻断，所述第一电容c0可以放点而使电压下降，所述第一电容的电压没有维持在2vd，接着所述第一电感l0反激，方向向左，所述第一开关管v0的续流二极管d0导通，所述第一电容c0向输入电源vd放电，而所述第一开关管v0在此时断开，获得软开关。
63.在所述调频式软开关电路中当所述第一电容c0向输入电源vd放电，所述第一电感l0电流反向，能量反馈回电源，使得电感磁通讯迅速复位，这个过程占用一定时间，使得负载得电占空比有所损失，但由于频率可以做得很高，同样功率的情况下，依然可以使得负载线圈l或变压器的电感量和磁芯做得更小，节约材料成本。
64.综上所述，本发明通过将所述软开关电路接在现有的全桥逆变基础电路上，配合对应的开关管驱动电路和控制方法，并针对不同的需求划分pwm式和调频式控制电路、方法，实现了做高频和软开关功能的目的，并且获得直通保护，消除续流二极管和极间电容带来的直通损耗，使得负载电感或变压器可以选用更小的铁芯和电感量，节省铁芯和铜线绕组等贵重材料；具备很强的通用性，无需特定设备、电路来配合，对变压器的二次侧电路也无特定要求，进而大幅提高兼用性；所述第二开关管属于辅助电路，能够取小号使用，全桥逆变基础电路内的开关管是在所述第一开关管切断主电路后进行软开关切换的，损耗非常低，可以取小号使用，所以即便增加了一个所述第一开关管，总体的开关管成本也是降低的；应用在大功率电路上时，获得的节能效果更为显著。以上极大地提高了本发明的实用价值。
65.以上所述的实施例仅表达了本发明的一种或多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明专利的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。