CN102055326A - 一种软开关关断过程控制方法和一种软开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软开关关断过程控制方法，当需要关断该软开关中的任一主功率开关管时，包括：开通与待关断主功率开关管位于不同桥臂位置的辅助开关管，然后向LC二阶谐振电路充入能量，并确定为满足谐振电流最大值等于当前的负载电流，能量充入结束时刻；当到达能量充入结束时刻时，结束能量充入，关断与待关断主功率开关管位于不同桥臂位置的辅助开关管，并开通与待关断主功率开关管位于相同桥臂位置的辅助开关管；确定谐振电流为零时刻，从该时刻起，经过1/4谐振周期后，同时关断与待关断主功率开关管位于相同桥臂位置的辅助开关管以及待关断主功率开关管。本发明同时公开了一种软开关。应用本发明所述的技术方案，能够降低软开关关断过程中的额外损耗。

Description

一种软开关关断过程控制方法和一种软开关

技术领域

本发明涉及软开关技术，特别涉及一种软开关关断过程控制方法和一种软开关。

背景技术

通常，100KW-1000KW的大功率逆变电源均采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transisitor)作为功率开关器件，IGBT自身的开关频率可达到20KHz以上。但由于逆变电源的输出电流较大，高频响应下的开关损耗也较大，所以限制了IGBT的实际开关频率，一般在2K左右，并且需要配备体积巨大的散热器。这使得逆变电源的输出波形存在严重的畸变，且谐波分量大大增加；另外，在大电流的条件下开关IGBT，会产生强烈的电磁干扰。因此，希望能够使IGBT“轻柔”的开关，以避免上述问题。

为此，现有技术中提出一种软开关技术，图1为现有软开关的电路拓扑结构示意图。如图1所示，S₁和S₄为主功率开关管，S_1x和S_4x为辅助开关管，S₁和S₄串联构成主开关桥臂，S_4x和S_1x串联构成辅开关桥臂，其中，S₁和S_4x分别位于各自所在桥臂的上桥臂，S₄和S_1x分别位于各自所在桥臂的下桥臂；两个桥臂并联在直流母线之间，其中点之间连接有一由谐振电感L_r和谐振电容C_r组成的LC二阶谐振电路；C_d为直流母线电容，并联在直流母线之间。

图1所示软开关的工作原理为：在主功率开关管进行开关之前，通过操纵辅助开关管，引起LC二阶谐振电路谐振，将主功率开关管中流动的负载电流i_a沿正弦变化规律逐步转移到LC二阶谐振电路中，使负载电流i_a仅反向流经主功率开关管的反并联二极管，从而实现零电流开关主功率开关管。

通用控制方式如下：假设主功率开关管处于关断状态，负载电流i_a的方向如图1所示，此时负载电流i_a必然通过主功率开关管S₁的反并联二极管回流到直流母线，因此，主功率开关管S₁为零电流开关，而主功率开关管S₄要实现零电流开关则要借助于辅助开关管S_4x。

图2为现有主功率开关管S₄的开通和关断过程示意图。如图2所示，在开通主功率开关管S₄之前，首先开通辅助开关管S_4x，利用谐振电容C_r上储存的能量引起LC二阶谐振电路自由谐振；t₂时刻，谐振电流i_x等于负载电流i_a，负载电流i_a全部流经LC二阶谐振电路，此时，关断辅助开关管S_4x并同时打开主功率开关管S₄，LC二阶谐振电路中的大部分能量回馈到直流母线。

在关断主功率开关管S₄之前，同样需要先开通辅助开关管S_4x，利用直流母线电压u_d(即直流电容C_d上的电压)激励二阶谐振回路；在t₅～t₆时刻，直流母线向LC二阶谐振电路充入能量；在t₇～t₉时刻，谐振电流i_x开始超过负载电流i_a，此时关断辅助开关管S_4x和主功率开关管S₄，谐振能量储存在电容C_r中。

但是，从图2可以看出，上述控制方式存在一个明显的缺陷，即在关断主功率开关管时，谐振电流i_x的峰值需要大于或等于额定的负载电流i_a，以保证在全负载范围内实现零电流关断；然而，在大部分时间里，逆变电源均不会运行在满负载条件下，也就是说，在低负载条件下，关断过程中的谐振电流i_x的峰值远远大于当前的负载电流i_a，该较大的谐振电流i_x流过辅助管开关管和主功率开关管时，将造成额外的损耗。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种软开关关断过程控制方法，能够降低软开关关断过程中的额外损耗。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种软开关关断过程控制方法，所述软开关中包括两个主功率开关管S₁和S₄以及两个辅助开关管S_1x和S_4x，所述S₁和S₄串联构成主开关桥臂，所述S_4x和S_1x串联构成辅开关桥臂，其中，所述S₁和S_4x分别位于各自所在桥臂的上桥臂，所述S₄和S_1x分别位于各自所在桥臂的下桥臂；所述两个桥臂并联在直流母线之间，所述两个桥臂的中点之间连接有一个由谐振电感和谐振电容组成的LC二阶谐振电路；同时，所述软开关中进一步包括一并联于所述直流母线之间的直流母线电容；当需要关断任一主功率开关管时，该方法包括：

开通与待关断主功率开关管位于不同桥臂位置的辅助开关管，向所述LC二阶谐振电路充入能量，并确定为满足谐振电流最大值等于当前的负载电流的能量充入结束时刻；

当到达能量充入结束时刻时，结束能量充入，关断与所述待关断主功率开关管位于不同桥臂位置的辅助开关管，并开通与所述待关断主功率开关管位于相同桥臂位置的辅助开关管；

确定谐振电流为零时刻，并从该时刻起，经过1/4谐振周期后，同时关断所述待关断主功率开关管以及与所述待关断主功率开关管位于相同桥臂位置的辅助开关管。

较佳地，所述确定为满足谐振电流最大值等于当前的负载电流的能量充入结束时刻包括：

A、根据所述LC二阶谐振电路当前的状态函数

计算得到所述谐振电容C_r上的电压函数u_x(t)＝-u_d(1-cosω(t-t₅))以及所述谐振电感L_r上的电流函数

其中，

所述u_d表示直流母线电压，所述t₅表示与待关断主功率开关管位于不同桥臂位置的辅助开关管的开通时刻；

B、根据步骤A中的计算结果，确定为满足谐振电流最大值等于当前的负载电流，需要向所述LC二阶谐振电路充入的能量：

其中，所述t₆表示能量充入结束时刻，所述i_a表示当前的负载电流；

进一步求得： $t_6=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\arccos (1-\frac{Z^2{i}_a^2}{2u_d^2})+t_5.$

较佳地，所述确定谐振电流为零时刻包括：

C、根据所述LC二阶谐振电路当前的状态函数

以及计算得到的t₆时刻谐振电容C_r上的电压

和谐振电感L_r上的电流

计算得到所述谐振电容C_r上的电压函数u_x(t)＝u_x(t₆)cosω(t-t₆)+Zi_x(t₆)sinω(t-t₆)以及所述谐振电感L_r上的电流函数

并根据谐振电流波形的对称性，通过将谐振电流波形的原点移到谐振电流为零时刻t₇处，将其分别简化为u_x(t)＝u_x(t₇)cosω(t-t₇)和

D、确定谐振电流为零时所述谐振电容C_r上的电压u_x(t₇)＝-Zi_a以及所述谐振电感L_r上的电流i_x(t₇)＝0；

E、综合步骤C和D的计算结果得到：

并进一步求得：

一种软开关，所述软开关中包括：两个主功率开关管S₁和S₄以及两个辅助开关管S_1x和S_4x，所述S₁和S₄串联构成主开关桥臂，所述S_4x和S_1x串联构成辅开关桥臂，其中，所述S₁和S_4x分别位于各自所在桥臂的上桥臂，所述S₄和S_1x分别位于各自所在桥臂的下桥臂；所述两个桥臂并联在直流母线之间，所述两个桥臂的中点之间连接有一个由谐振电感和谐振电容组成的LC二阶谐振电路；同时，所述软开关中进一步包括一并联于所述直流母线之间的直流母线电容；

初始状态，与待关断主功率开关管位于不同桥臂位置的辅助开关管开通，向所述LC二阶谐振电路充入能量；

在确定出的为满足谐振电流最大值等于当前的负载电流的能量充入结束时刻，结束能量充入；同时，与所述待关断主功率开关管位于不同桥臂位置的辅助开关管关断，与所述待关断主功率开关管位于相同桥臂位置的辅助开关管开通；

在确定出的谐振电流为零时刻起，经过1/4谐振周期后，与所述待关断主功率开关管位于相同桥臂位置的辅助开关管以及所述待关断主功率开关管同时关断。

可见，采用本发明的技术方案，根据负载电流的大小来控制关断过程开始时充入到LC二阶谐振电回路中的能量的大小，使得充入的能量正好满足谐振电流的峰值等于当前的负载电流，并在谐振电流的峰值点进行开关管的切换，从而降低了过大的谐振电流所造成的额外损耗。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为现有软开关的电路拓扑结构示意图；

图2为现有主功率开关管S₄的开通和关断过程示意图；

图3为本发明方法实施例的流程图；

图4为本发明所述主功率开关管S₄的开通和关断过程示意图；

图5(a)～5(d)为本发明所述方法实施例中不同时刻的谐振电流流动路径示意图。

具体实施方式

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种全新的软开关控制方案，由于现有技术中存在的问题主要是由关断过程所引起的，因此本发明所述方案只针对现有关断过程进行改进，即根据负载电流的大小来控制关断过程开始时充入到LC二阶谐振电回路中的能量的大小，使得充入的能量正好满足谐振电流的峰值等于当前的负载电流，并在谐振电流的峰值点进行开关管的切换，从而避免过大的谐振电流所造成的额外损耗。

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图3为本发明方法实施例的流程图。假设本实施例中需要关断主功率开关管S₄，如图3所示，包括以下步骤：

步骤301：开通辅助开关管S_4x，向LC二阶谐振电路充入能量，并确定为满足谐振电流最大值等于当前的负载电流，能量充入结束时刻。

图4为本发明所述主功率开关管S₄的开通和关断过程示意图。如图4所示，其中的t₀～t₄对应开通过程，具体实现与现有技术中相同，不再赘述。在t₅时刻，开通辅助开关管S_4x，此时，能量从直流母线电容C_d充入到LC二阶谐振电路，谐振电流i_x按照图5(a)中的虚线所示路径进行流动。

另外，除了初始上电时刻，谐振电容C_r上将存在一个比较小的初始电压：

$u_x=\left(t_5\right)=-\sqrt{u_d^2+u_{\mathrm{xm}}^2}+u_d$

其中，u_xm表示t₀时刻谐振电容C_r上残留的电压，u_d表示直流母线电压。

为了使充入的能量有一定的冗余，并简化计算，可忽略该初始电压，并假设u_x(t₅)＝0，i_x(t₅)＝0，从而可得到LC二阶谐振回路的状态函数如下：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_r\frac{{\mathrm{du}}_x}{\mathrm{dt}}=i_x\\ L_r\frac{{\mathrm{di}}_x}{\mathrm{dt}}=-u_x-u_d\end{array}\right.---\left(2\right)$

解得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t\right)=-u_d(1-\cos \mathrm{\ω}(t-t_5))\\ i_x\left(t\right)=-\frac{u_d}{Z}\sin \mathrm{\ω}(t-t_5)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中， $\mathrm{\ω}=\frac{1}{\sqrt{L_r{C}_r}},$ $Z=\sqrt{\frac{L_r}{C_r}}.$

为了使谐振电流i_x的峰值等于当前的负载电流i_a(由于开关的频率很高，因此负载电流在一个开关周期中可以近似认为恒定)，输入LC二阶谐振回路的能量应当满足：

$\frac{1}{2}{L}_r{i}_a^2=\frac{1}{2}{L}_r{i}_x^2(t_6-t_5)+\frac{1}{2}{C}_r{u}_x^2(t_6-t_5)=C_r{u}_d^2[1-\cos \mathrm{\ω}(t_6-t_5)]---\left(4\right)$

由于当谐振电流i_x的峰值等于当前的负载电流i_a时，谐振电容C_r上将不存在电压，也就是说，LC二阶谐振回路中的能量只存在于谐振电感L_r上，其能量为

假设能量充入结束时刻为t₆，那么能量

将等同于t₆到t₅时间段内谐振电容C_r和谐振电感L_r上的能量总和，即如公式(4)所示。

根据公式(3)和(4)，可求得：

$t_6-t_5=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\arccos (1-\frac{Z^2{i}_a^2}{2u_d^2})$

或 $t_6=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\arccos (1-\frac{Z^2{i}_a^2}{2u_d^2})+t_5---\left(5\right)$

t₆时刻一定位于的范围内。

进一步求得t₆时刻谐振电容C_r上的电压和谐振电感L_r上的电流如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t_6\right)=-\frac{Z^2{i}_a^2}{2u_d}\\ i_x\left(t_6\right)=-\frac{u_d}{Z}\sqrt{1-{(1-\frac{Z^2{i}_a^2}{2u_d^2})}^2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

步骤302：当到达能量充入结束时刻时，结束能量充入，关断辅助开关管S_4x，并在死区时间结束后，开通辅助开关管S_1x。

此时，谐振电流i_x将按照图5(b)中的虚线所示路径进行流动，并不断为谐振电容C_r反向充电。

此时，LC二阶谐振回路的状态函数如下：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_r\frac{{\mathrm{du}}_x}{\mathrm{dt}}=i_x\\ L_r\frac{{\mathrm{di}}_x}{\mathrm{dt}}=-u_x\end{array}\right.---\left(7\right)$

解得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t\right)=u_x\left(t_6\right)\cos \mathrm{\ω}(t-t_6)+{\mathrm{Zi}}_x\left(t_6\right)\sin \mathrm{\ω}(t-t_6)\\ i_x\left(t\right)=-\frac{1}{Z}{u}_x\left(t_6\right)\sin \mathrm{\ω}(t-t_6)+i_x\left(t_6\right)\cos \mathrm{\ω}(t-t_6)\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中， $\mathrm{\ω}=\frac{1}{\sqrt{L_r{C}_r}},$ $Z=\sqrt{\frac{L_r}{C_r}}.$

步骤303：确定谐振电流为零的时刻，并从该时刻起，经过1/4谐振周期后，同时关断辅助开关管S_1x和主功率开关管S4。

假设谐振电流i_x为0的时刻为t₇，那么可确定t₇时刻谐振电容C_r上的电压和谐振电感L_r上的电流如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t_7\right)=-{\mathrm{Zi}}_a\\ i_x\left(t_7\right)=0\end{array}\right.---\left(9\right)$

为便于确定t₇时刻，可将谐振电流i_x的波形的原点移到t₇处，根据波形的对称性，t₇～t₆的时间等同于从t₇时刻到谐振电容C_r的电压增长到u_x(t₇)的时间，所以有：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_r=\frac{{\mathrm{du}}_x}{\mathrm{dt}}=i_x\\ L_r\frac{{\mathrm{di}}_x}{\mathrm{dt}}=-u_x\end{array}\right.---\left(7\right)$

解得(公式8简化后的结果)：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t\right)=u_x\left(t_7\right)\cos \mathrm{\ω}(t-t_7)=-{\mathrm{Zi}}_a\cos \mathrm{\ω}(t-t_7)\\ i_x\left(t\right)=-\frac{1}{Z}{u}_x\left(t_7\right)\sin \mathrm{\ω}(t-t_7)=i_a\sin \mathrm{\ω}(t-t_7)\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中， $\mathrm{\ω}=\frac{1}{\sqrt{L_r{C}_r}},$ $Z=\sqrt{\frac{L_r}{C_r}}.$

并结合公式(6)进一步可得：

$-{\mathrm{Zi}}_a\cos \mathrm{\ω}(t_7-t_6)=u_x\left(t_6\right)=-\frac{Z^2{i}_a^2}{2u_d}---\left(11\right)$

即： $t_7-t_6=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\arccos \frac{{\mathrm{Zi}}_a}{{2u}_d}$

或 $t_7=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\arccos \frac{{\mathrm{Zi}}_a}{2u_d}+t_6---\left(12\right)$

从t₇时刻开始，谐振电流i_x将按照图5(c)中的虚线所示路径进行流动，并不断与当前的负载电流i_x4换流。此时，LC二阶谐振电路的状态函数如下：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_r\frac{{\mathrm{du}}_x}{\mathrm{dt}}=i_x\\ L_r\frac{{\mathrm{di}}_x}{\mathrm{dt}}=-u_x\end{array}\right.---\left(7\right)$

经过1/4个谐振周期后，假设为t8时刻，将有：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t_8\right)=0\\ i_x\left(t_8\right)=i_a\end{array}\right.---\left(13\right)$

从t₈时刻开始，同时关断主功率开关管S₄和辅助开关管S_1x，谐振电流i_x沿S_4x的反并联二极管向上流动，同时逐渐向主功率开关管S₁的反并联二极管换流，如图5(d)中的虚线所示。此时，LC二阶谐振电路的状态函数如下：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_r\frac{{\mathrm{du}}_x}{\mathrm{dt}}=i_x\\ L_r\frac{{\mathrm{di}}_x}{\mathrm{dt}}=-u_x\end{array}\right.---\left(7\right)$

解得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t\right)=i_{a}Z\sin \mathrm{\ω}(t-t_8)\\ i_x\left(t\right)=i_a\cos \mathrm{\ω}(t-t_8)\end{array}\right.---\left(14\right)$

其中， $\mathrm{\ω}=\frac{1}{\sqrt{L_r{C}_r}},$ $Z=\sqrt{\frac{L_r}{C_r}}.$

经过1/4个谐振周期后的t₉时刻有

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t_9\right)=i_{a}Z=u_{\mathrm{xm}}\\ i_x\left(t_9\right)=0\end{array}\right.---\left(15\right)$

至此，完成整个关断过程。

需要说明的是，上述仅以主功率开关管S₄的关断过程为例进行说明，对于主功率开关管S₁的关断过程，其实现原理与主功率开关管S₄相同，不再赘述。

总之，采用本发明的技术方案，根据负载电流的大小来控制关断过程开始时充入到LC二阶谐振电回路中的能量的大小，使得充入的能量正好满足谐振电流的峰值等于当前的负载电流，并在谐振电流的峰值点进行开关管的切换，从而降低了过大的谐振电流所造成的额外损耗。

上述实施例仅用于举例说明，并不用于限制本发明的技术方案。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种软开关关断过程控制方法，所述软开关中包括两个主功率开关管S₁和S₄以及两个辅助开关管S_1x和S_4x，所述S₁和S₄串联构成主开关桥臂，所述S_4x和S_1x串联构成辅开关桥臂，其中，所述S₁和S_4x分别位于各自所在桥臂的上桥臂，所述S₄和S_1x分别位于各自所在桥臂的下桥臂；所述两个桥臂并联在直流母线之间，所述两个桥臂的中点之间连接有一个由谐振电感和谐振电容组成的LC二阶谐振电路；同时，所述软开关中进一步包括一并联于所述直流母线之间的直流母线电容；其特征在于，当需要关断任一主功率开关管时，该方法包括：

开通与待关断主功率开关管位于不同桥臂位置的辅助开关管，向所述LC二阶谐振电路充入能量，并确定为满足谐振电流最大值等于当前的负载电流的能量充入结束时刻；

当到达能量充入结束时刻时，结束能量充入，关断与所述待关断主功率开关管位于不同桥臂位置的辅助开关管，并开通与所述待关断主功率开关管位于相同桥臂位置的辅助开关管；

确定谐振电流为零时刻，并从该时刻起，经过1/4谐振周期后，同时关断所述与待关断主功率开关管位于相同桥臂位置的辅助开关管以及所述待关断主功率开关管。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定为满足谐振电流最大值等于当前的负载电流的能量充入结束时刻包括：

A、根据所述LC二阶谐振电路当前的状态函数

计算得到所述谐振电容C_r上的电压函数u_x(t)＝-u_d(1-cosω(t-t₅))以及所述谐振电感L_r上的电流函数

其中，

所述u_d表示直流母线电压，所述t₅表示与待关断主功率开关管位于不同桥臂位置的辅助开关管的开通时刻；

B、根据步骤A中的计算结果，确定为满足谐振电流最大值等于当前的负载电流，需要向所述LC二阶谐振电路充入的能量：

其中，所述t₆表示能量充入结束时刻，所述i_a表示当前的负载电流；

进一步求得：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定谐振电流为零时刻包括：

C、根据所述LC二阶谐振电路当前的状态函数

以及计算得到的t₆时刻谐振电容C_r上的电压

和谐振电感L_r上的电流

计算得到所述谐振电容C_r上的电压函数u_x(t)＝u_x(t₆)cosω(t-t₆)+Zi_x(t₆)sinω(t-t₆)以及所述谐振电感L_r上的电流函数

并根据谐振电流波形的对称性，通过将谐振电流波形的原点移到谐振电流为零时刻t₇处，将其分别简化为u_x(t)＝u_x(t₇)cosω(t-t₇)和

D、确定谐振电流为零时所述谐振电容C_r上的电压u_x(t₇)＝-Zi_a以及所述谐振电感L_r上的电流i_x(t₇)＝0；

E、综合步骤C和D的计算结果得到：并进一步求得：

4.一种软开关，所述软开关中包括：两个主功率开关管S₁和S₄以及两个辅助开关管S_1x和S_4x，所述S₁和S₄串联构成主开关桥臂，所述S_4x和S_1x串联构成辅开关桥臂，其中，所述S₁和S_4x分别位于各自所在桥臂的上桥臂，所述S₄和S_1x分别位于各自所在桥臂的下桥臂；所述两个桥臂并联在直流母线之间，所述两个桥臂的中点之间连接有一个由谐振电感和谐振电容组成的LC二阶谐振电路；同时，所述软开关中进一步包括一并联于所述直流母线之间的直流母线电容；其特征在于，

初始状态，与待关断主功率开关管位于不同桥臂位置的辅助开关管开通，向所述LC二阶谐振电路充入能量；

在确定出的为满足谐振电流最大值等于当前的负载电流的能量充入结束时刻，结束能量充入；同时，与所述待关断主功率开关管位于不同桥臂位置的辅助开关管关断，与所述待关断主功率开关管位于相同桥臂位置的辅助开关管开通；

在确定出的谐振电流为零时刻起，经过1/4谐振周期后，与所述待关断主功率开关管位于相同桥臂位置的辅助开关管以及所述待关断主功率开关管同时关断。

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