CN104600998A - 一种开关电源开关器件均匀发热的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关电源控制领域，特别涉及一种开关电源开关器件均匀发热的控制方法。所述开关电源包括全桥变换器，所述全桥变换器中的开关器件为开关管，所述全桥变换器中各个开关器件的开关器件顺序为周期交替变换的，其交替周期为各个开关器件的开关控制周期的N倍，N为2以上自然数；本方法通过交替改变开关电源中全桥变换器的各个开关器件（由开关管构成）的关断顺序，使各个开关器件交替进行软关断，从而在较长时间内各个开关器件的发热均匀，延长整个开关电源的寿命。

Description

一种开关电源开关器件均匀发热的控制方法

技术领域

本发明涉及一种开关电源控制领域，特别涉及一种开关电源开关器件均匀发热的控制方法。

背景技术

随着工业技术的发展，电源已由传统的可控硅电源过渡到开关电源，开关电源的应用越来越广泛。开关电源中的直流变换器有多种方法，在高输入电压或中大功率变换器中，常采用全桥变换器。采用传统的硬开关技术，存在功率开关管（如IGBT等）开关应力大、开关器件损耗大、转换效率低等。特别对于工业应用的大功率电源来说，较高的功率损耗，对生产成本影响非常大，而高能耗也造成了高污染。而采用软开关技术，能极大地降低开关电源器件的开关应力，从而大大提高开关电源的效率和可靠性以及转换效率，降低了能源损耗。

在开关电源中，采用软开关技术的电源，由于其控制特性的原因，只可使部分开关器件（开关器件多为开关管）处于软开关状态，而有一半以上的开关管均处于硬开关状态。如此，造成了工作在软开关状态的开关管发热量小、开关应力小，工作在硬开关状态的开关管发热量大、开关应力大的现象，使一个全桥变换中的开关管的发热不均，使用寿命不一致，影响了电源的使用寿命，也增加了开关管散热设计的难度。

下面以全桥变换器为例解释该现象产生的原因：全桥变换器的基本电路结构如图1所示，输入侧直流电Vin为交流电整流而成，4个开关器件Q1、Q2、Q3、Q4均为开关管构成，其中Q1和Q2，Q3和Q4分别构成两个桥臂；通过控制Q1～Q4的导通，改变他们的导通关断时间比（即占空比），在AB两点间就会形成以占空比受控制的高频交变方波电压U1，通过变压器隔离变压后，由副边整流，LC滤波得到直流输出电压。

全桥变换器主要有三种控制方式：双极性控制方式、有限双极性控制方式、移相控制方式。其中，双极性控制方式被认为是电力变换器领域中一项成熟、理想和重要的基本控制技术。但由于构成开关器件的开关管不是理想器件，开关管在开通和关断时由于存在电压和电流的交叠区产生的开通损耗和关断损耗；且电路中的电感、电容等影响，使电路的损耗较高，开关管电应力大，我们也将上述开关管的开通关断过程称为硬开关。为避免上述问题，减小开关管的损耗及电磁干扰，就需要实现开关管的软开关。在图1的主回路基础上增加电感和电容元件，利用电感和电容来对开关器件的开关器件轨迹进行整形，采用有限双极性控制方式或者移相控制方式可实现开关管的软开关。

采用有限双极性控制方式的全桥变换开关电源中，其至少有一个桥臂中的两个开关器件是固定成180°互补导通，在电源工作时，另外一个桥臂的两个开关器件始终先关断而不能实现软开关。两个桥臂的典型控制脉冲如图2所示，有限双极性控制方式中，电源工作时，Q3与Q4即有互成180°互补的固定宽度脉冲输出， Q1与Q2随输出变换而调整脉冲宽度，t0时刻，Q1与Q4同时导通，逆变输出UAB为母线电压Uin；在t1时刻，Q1关断，由于此时开关管上电流最大，所以它为硬开关，同理，Q2关断时也为硬开关。如此，由Q1和Q2组成的桥臂（超前臂）与Q3 和Q4组成的桥臂（滞后臂）相比，开通时状态及损耗均一致，但关断时Q1与Q2组成的桥臂为硬开关，而Q3与Q4组成的桥臂为软开关，造成两个桥臂的发热量和开关应力均不一致。

发明内容

本发明的目的在于克服包含多个开关器件的开关电源中各个开关器件发热不均匀的问题，提供一种可使各个开关器件均匀发热，有效延长开关器件寿命的开关电源开关器件均匀发热的控制方法，所述开关电源包括全桥变换器，所述全桥变换器中的开关器件为开关管，所述全桥变换器中组成超前臂和滞后臂的开关器件组合为周期交替变换的，其交替周期为各个开关器件的开关控制周期的N倍，即，一个交替周期包含N个开关控制周期，N为2以上偶数（如2、4、6、8、10）；所述各个开关器件的开关控制周期是指所述全桥变换器的四个开关器件各自导通、关断一次的脉冲开关控制周期。

所述全桥变换器中组成超前臂和滞后臂的开关器件组合为周期交替变换的是指：在同一交替周期里的N个开关控制周期中，有N/2个开关控制周期中，所述全桥变换器的第一开关器件、第二开关器件作为超前臂，所述全桥变换器的第三开关器件、第四开关器件作为滞后臂，此时，作为滞后臂的第三开关器件、第四开关器件的控制脉冲呈180度互补，第一开关器件与第四开关器件同时导通，但第一开关器件先关断（硬开关），第四开关器件后关断（软开关）；第二开关器件与第三开关器件同时导通，第二开关器件先于第三开关器件关断（硬关断），第三开关器件后关断（软关断）；而在另外N/2个开关控制周期中，所述全桥变换器的第三开关器件、第四开关器件作为超前臂，所述全桥变换器的第一开关器件、第二开关器件作为滞后臂，此时，在同一开关控制周期中，作为滞后臂的第一开关器件、第二开关器件的控制脉冲呈180度互补，第一开关器件与第四开关器件同时导通，但第四开关器件先关断（硬开关），第一开关器件后关断（软开关）；第二开关器件与第三开关器件同时导通，第三开关器件先于第二开关器件关断（硬关断），第二开关器件后关断（软关断）。

在某些实施例中，所述超前臂与所述滞后臂的交替周期为开关控制周期的2倍，即一个交替周期包含2个开关控制周期，其中，在同一交替周期中包含的2个开关控制周期中，有一个开关控制周期中，所述全桥变换器的第一开关器件、第二开关器件作为超前臂，所述全桥变换器的第三开关器件、第四开关器件作为滞后臂，此时，作为滞后臂的第三开关器件、第四开关器件的控制脉冲呈180度互补，第一开关器件与第四开关器件同时导通，但第一开关器件先关断（硬开关），第四开关器件后关断（软开关）；第二开关器件与第三开关器件同时导通，第二开关器件先于第三开关器件关断（硬关断），第三开关器件后关断（软关断）；而在另一个开关控制周期中，所述全桥变换器的第三开关器件、第四开关器件作为超前臂，所述全桥变换器的第一开关器件、第二开关器件作为滞后臂，此时，在同一开关控制周期中，作为滞后臂的第一开关器件、第二开关器件的控制脉冲呈180度互补，第一开关器件与第四开关器件同时导通，但第四开关器件先关断（硬开关），第一开关器件后关断（软开关）；第二开关器件与第三开关器件同时导通，第三开关器件先于第二开关器件关断（硬关断），第二开关器件后关断（软关断）。

所述全桥变换器中的各个开关器件为2个以上的开关管并联组成时，组成每个开关器件的2个以上的开关管的控制脉冲一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果：提供一种开关电源开关管均匀发热的控制方法，通过交替改变开关电源中全桥变换器的各个开关器件（由开关管构成）的关断顺序，使各个开关器件交替进行软关断，从而在较长时间内各个开关器件的发热均匀，延长整个开关电源的寿命。

附图说明：

图1为全桥变换器结构图。

图2为开关电源控制脉冲时序图。

图3为本发明实施例1中开关电源控制脉冲时序图。

图4为本发明实施例2中开关管并联后的全桥变换器结构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1：本实施例的目的在于克服包含开关管的开关电源中各个开关管发热不均匀的问题，提供一种开关电源开关管均匀发热的控制方法，所述开关电源包括全桥变换器，所述全桥变换器结构如图1所示，所述全桥变换器中的4个开关器件Q1（第一开关器件）、Q2（第二开关器件）、Q3（第三开关器件）、Q4（第四开关器件）均为开关管，所述全桥变换器中各个开关器件的开关器件顺序（即打开或关断顺序）为周期交替变换的，即做为超前臂的开关器件与作为滞后臂的开关器件是周期交替变换的，其交替周期Tp为各个开关器件的开关控制周期Ts的2倍；即，一个交替周期Tp包含两个开关控制周期Ts，其中，如一个交替周期Tp内的第一个开关控制周期Ts中Q1、Q2组成滞后臂，Q3、Q4组成超前臂，则在同一个交替周期Tp内的第二个开关控制周期Ts中Q1、Q2组成超前臂，Q3、Q4组成滞后臂。

如图3所示，t0～t12为一个交替周期Tp，其中，t0～t6时间段为一个开关控制周期Ts，t6～t12时间段为另一个开关控制周期Ts；其中，在t0～t6时间段内（即第一个开关控制周期Ts内），Q1、Q2互为180°导通互补，Q3、Q4关断时电流最大，为硬关断；Q1和Q2滞后于Q3和Q4关断，关断时电流为0，为软关断（如图3，t1时刻，Q4关断，一直到t3时刻，Q1才关断）；相反，在t6～t12时间段（即在第二个开关控制周期内Ts内），Q3、Q4互为180°导通互补，Q1、Q2关断时电流最大，为硬关断，Q3和Q4滞后于Q1和Q2关断，关断时电流为0，为软关断（如图3，t7时刻，Q1关断，一直到t9时刻，Q4才关断）。

在t12时刻以后，四个开关器件Q1、Q2、Q3、Q4的关断顺序重复上述过程，从长时间来看，一半工作时间当中开关器件Q1和Q2组成的桥臂先关断，为硬关断，Q3 和Q4组成的桥臂后关断为软关断；而另外一半工作时间开关器件Q3 和Q4组成的桥臂先关断为硬关断，Q1和Q2组成的桥臂后关断为软关断。这样，在一定工作时间内，构成4个开关器件的开关管的开关器件状态一致，发热及开关应力相同。

实施例2：如图4所示，所述全桥变换器中的各个开关器件为2个以上的开关管并联组成，组成每个开关器件的2个以上的开关管的控制脉冲一致。即开关管Q11~Q1n并联，接收同样的开关管控制脉冲；Q21~Q2n并联，接收同样的开关管控制脉冲；Q31~Q3n并联，接收同样的开关管控制脉冲；Q41~Q4n并联，接收同样的开关管控制脉冲；四组脉冲信号可按图3所示控制脉冲发生方式，可实现并联的IGBT。

实施例3：本实施例提供一种开关电源开关管均匀发热的控制方法，所述开关电源包括全桥变换器，所述全桥变换器结构如图1所示，所述全桥变换器中的4个开关器件Q1（第一开关器件）、Q2（第二开关器件）、Q3（第三开关器件）、Q4（第四开关器件）均为开关管，所述全桥变换器中做为超前臂的开关器件与作为滞后臂的开关器件是周期交替变换的，其交替周期Tp为各个开关器件的开关控制周期Ts的6倍；即，一个交替周期Tp包含6个开关控制周期Ts，其中，如一个交替周期Tp内的前三个开关控制周期Ts中Q1、Q2组成滞后臂，Q3、Q4组成超前臂，则在同一个交替周期Tp内的后三个开关控制周期Ts中Q1、Q2组成超前臂，Q3、Q4组成滞后臂。

Claims (3)

1.一种开关电源开关器件均匀发热的控制方法，所述开关电源包括全桥变换器，所述全桥变换器中的开关器件为开关管，其特征在于，所述全桥变换器中组成超前臂和滞后臂的开关器件组合为周期交替变换的，其交替周期为各个开关器件的开关控制周期的N倍，N为2以上的偶数。

2.如权利要求1所述的开关电源开关器件均匀发热的控制方法，其特征在于，所述全桥变换器中组成超前臂和滞后臂的开关器件组合的交替周期为各个开关器件的开关控制周期的2倍。

3.如权利要求1所述的开关电源开关器件均匀发热的控制方法，其特征在于，所述全桥变换器中的各个开关器件为2个以上的开关管并联组成时，组成每个开关器件的2个以上的开关管的控制脉冲一致。