CN1049537C - 用于电力变换的软开关电路拓扑方法及电路 - Google Patents
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Abstract
用于电力变换的软开关电路拓朴方法及构成，借助半导体功率开关及其控制逻辑以及储能元件。来变换输入电力使之具有所需电压、频率、相数或波形。它是在一电流源Io之后或之前构筑并联的两开关支路，分别由功率开关SA1、小电感L1和功率开关SA2、小电感L2串联组成，并从相应串联点通过二极管D1、D2引出电路。开关SA1、SA2按各自的控制逻辑交替导通和截止，在每一开关周期Ts中都是零电流开通，D1或D2则是软恢复关断，从而获得高效率的电力变换，并且EMI噪音很低。
Description
本发明涉及电力静止变换的方法和电路，尤其涉及用于直流升压或降压的软开关电路拓扑方法及电路。
现有用于电力静止变换的技术，例如常规的Boost(升压型)电路，如图1所示，包括电压源Ui、储能电感Lm、MOSFET(电力场效应晶体管)开关器件VS、超快恢复二极管VD、输出滤波电容CO和负载电阻RL。在图2上绘出了该电路的工作时序。例如，在t＝t0时刻，开关器件VS导通，二极管VD硬关断。由于二极管VD的载流子存储效应，造成它有很大的反向恢复电流。在t＝t1时刻，二极管VD的电流IVD反向恢复达到最大值IR，通过开关器件VS的电流Id-s＝Ii+IR。正是这个很大的反向恢复电流，使得二极管VD的关断损耗和开关器件VS的开通损耗都很大，以致电路效率低下，只能达到η＝95.5％左右，EMI(电磁干扰)噪音也很大。图2上t＝t2时刻，开关器件VS关断，储能电感Lm的电流通过二极管VD向输出滤波电容CO充电，磁场储能转变为电场储能。目前单相整流电源的PFC(功率因数校正)技术大多采用这种升压型电路。为降低所述电路的开关损耗，抑制该电路开关器件VS关断时产生的尖峰电压和开关噪声，现有技术有用ZVT(零电压转换)软开关技术克服上述缺点的，例如西安交通大学姚为正、杨旭、王兆安的论文“零电压转换单相PFC整流电路的实验研究”，《电力电子技术》1998年第1期，46～48页，1998年2月。该技术是通过在开关器件VM两端并联含有辅助开关VM1的LC谐振回路来获得ZVS(零电压开关)，它使主开关VM在零电压条件下开通。本发明则是通过采用另一技术方案来提高电路变换效率，这就是增加一个并联的开关支路，见图3和图4，其中两支路都各包括功率开关和小电感。该两功率开关交替导通和截止，因而每一开关的工作频率都比较低，变换效率于是提高。不过这种各包括功率开关和小电感的并联开关支路连接方法是现有技术，例如中国专利88 2 15771.X“恒流变频器”公开的电力变流技术，其中的晶体管斩波逆变线路4同样由各包括功率开关和小电感的两并联开关支路组成。但是，该两并联开关支路并非是交替直通和截止，而是各包括两个桥臂晶体管，总共4个桥臂晶体管构成所述斩波逆变线路4，其负载，焊接变压器HB连接在所述线路斩波桥5的对角线上，接受交流电力输出。显然，本发明的发明目的和采用的方法及电路都是和它不同的。
本发明的目的在于避免上述现有技术的不足之处而提出一种借助两并联开关支路差拍工作，从而获得更高电路变换效率和降低EMI噪音的用于电力变换的软开关电路拓朴方法及电路。
本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现：提出一种用于电力变换的软开关电路拓扑方法及电路，借助半导体功率开关及其控制逻辑，再适当连接储能元件，来开关电力电路，变换输入电力使之具有所需电压、频率、相数或波形。就是，在一电流源之后或之前构筑并联的两开关支路，该两支路各自都包括功率开关和小电感，二者串联连接，并且从它们相应的串联连接点分别通过二极管引出电路；所述两功率开关按照各自的控制逻辑交替导通和截止，使在每一开关周期中功率开关有零电流开通，二极管有软恢复关断，从而获得高效率电力变换。
附图的图面说明如下：图1是现有技术Boost电路的原理图；图2是所述Boost电路工作时的电压、电流时序图；图3是本发明软开关电路拓扑方法及电路的原理图之一；图4是本发明软开关电路拓扑方法及电路的原理图之二；图5是用本发明方法构成的Boost电路原理图；图6是图5的Boost电路工作时序图；图7是用本发明方法构成的Buck电路原理图；图8是用本发明方法构成桥式电路一个臂的原理图；图9是本发明用于PFC(功率因数校正)电路的一个最佳实施例具体电路图。
以下结合附图所示各最佳实施例作进一步详述：
本发明提出的用于电力变换的软开关电路拓扑方法，借助半导体功率开关及其控制逻辑，再适当联接储能元件，来开关电力电路，变换输入电力使之具有所需电压、频率、相数或波形。如图3、图4所示，在一电流源IO之后或之前，构筑并联的第一和第二开关支路，所述第一支路包括功率开关SA1和小电感L1，两者串联连接，所述第二支路包括功率开关SA2和小电感L2，二者同样串联连接，并且从该两支路相应的串联连接点p1和p2分别通过二极管D1和D2引出电路。所述功率开关SA1和SA2按照各自的控制逻辑交替导通和截止，使在每一开关周期TS中，开关SA1或SA2有零电流开通，二极管D1或D2有软恢复关断，从而获得高效率电力变换。这里所述功率开关SA1和SA2是MOSFET(电力场效应晶体管)，或者是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)加上反并联的快恢复二极管。所述二极管D1和D2是快恢复二极管。
本发明用于电力变换的软开关电路拓扑的电路，包括半导体开关器件及其控制电路，以及储能电感、滤波电容。参照图3、图4所示，它是在一电流源IO之后或之前并联连接两开关支路，其一由开关器件VS1和小电感L1串联组成，另一由开关器件VS2和小电感L2串联组成，从该两支路相应的串联连接点q1和q2又分别通过二极管VD1和VD2引出电路。所述控制电路令开关器件VS1和VS2交替导通和截止，从而在任一开关周期TS内，器件VS1或VS2都是零电流开通，二极管VD1或VD2则是软恢复关断。
利用本发明方法构成的升压型Boost电路，见图5，其并联连接的两开关支路在一电流源之后，该电流源包括输入电压源Ui和主电感Lm，二者串联连接。两二极管VD3和VD4的阳极分别连接该两支路相应的串联连接点q3和q4，所述两二极管的阴极并联连接至滤波电容CO的正极，两开关器件VS3和VS4未与小电感L3、L4串联的一端相互并联，并同电容CO的负极相接，同时作为输入、输出端的公共线。
以上所述开关器件VS1～VS4，以及下面要涉及的VS5～VS8、VS7′和VS8′，都是MOSFET，或者是IGBT加上反并联的快恢复二极管。所述二极管VD1～VD4，连同下面要涉及的VD5～VD3、VD7′和VD8′，都是超快恢复二极管。
图5Boost电路工作时电压和电流时序见图6。在t＝t0时刻，控制电路令开关管VS3开通，输入电流Ii从小电感L4转移至L3流入VS3管，因为L3内电流不能突变，从而实现开关管VS3的零电流开通。又因为小电感L4的电流也不能突变，从而经L4和二极管VD4流至负载的电流只能逐渐衰减，至t＝t1时刻实现二极管VD4的软关断。在t＝t2时刻，控制电路令VS3管关断，主电感Lm和小电感L3的磁场储能以连续电流形式经二极管VD3向滤波电容CO充电。至t＝t3时刻，控制电路又令开关管VS4开通，同样由于电感电流不能突变，借助小电感L4和L3实现二极管VD3软关断和开关管VS4零电流开通。至t＝t4时刻，二极管VD3关断。至t＝t5时刻，VS4管关断，Lm和L4的储能经二极管VD4向电容CO馈送。正是本发明的电路拓扑和控制时序，令所述开关管VS3、VS4交替工作，从而保证该两开关管零电流开通和二极管VD3、VD4软关断，提高了电路效率，并显著降低EMI噪音。
本发明的电路拓朴方法及其控制时序同样可用于降压型Buck电路，见图7，并联连接的两开关支路在一电流源之前，该电流源包括主电感Lm和输出滤波电容CO，二者串联连接；两二极管VD5和VD6的阴极分别连接该两支路相应的串联连接点q5和q6，所述两二极管的阳极并联连接至滤波电容CO的负极，同时作为输入、输出端的公共线。两开关器件VS5和VS6未与小电感L5、L6串联的一端相互并联，接输入电压源Ui正端。
图8展示本发明软开关电路拓朴方法用于桥式电路一个臂的实例，据此可完成高效率、低噪音的交流频率变换、相数变换和可变极性的直流变换。所述一个臂的具体构成是，将Boost电路和Buck电路揉合成为一个整体，就是，同时在主电感Lm之前和之后分别并联连接两开关支路。在Lm之前的两支路，其一由开关器件VS7和小电感L7串联组成，另一由开关器件VS8和小电感L8串联组成，两二极管VD7和VD8的阴极分别连接该两支路相应的串联连接点q7和q8，该两二极管的阳极并联连接至输入电压源Ui负端，两开关器件VS7和VS8未与小电感L7、L8连接的一端相互并联，接输入电压源Ui正端。在Lm之后的两支路，其一由开关器件VS7′和小电感L7′串联组成，另一由开关器件VS8′和小电感L8′串联组成，两二极管VD7′和VD8′的阳极分别连接该两支路相应的串联连接点q7′和q8′，该两二极管的阴极并联连接至输入电压源Ui正端。两开关器件VS7′和VS8′未与小电感L7′、L8′连接的一端相互并联，接输入电压源Ui负端。所有各小电感L7、L8、L7′和L8′未与各自的开关器件VS7、VS8、VS7′和VS8′连接的一端全部并联，接主电感Lm。
本发明的电路拓朴方法及其控制时序用于2千瓦PFC(功率因数校正)电路的实例见图9，这是一个使用软开关电路拓朴方法的升压型Boost电路，其主电路路径是，交流输入经EMI抑制网络1、整流桥2，变换为直流中间电压Ui，再经主电感Lm和两条并联连接的开关支路，最后在滤波电容CO上获得直流415伏输出。功能块4是该PFC电路的控制电路，由它发出的控制脉冲经D触发器分频，再经两与门电路5和6变换为互相错开的差拍信号，又经过驱动电路7和8，分别驱动主电路各两个MOSFET的栅极，令其交替开通和截止。实验表明，本发明的这个最佳实施例已经取得较为满意的效果，其电力变换效率高达97.0％，而现有技术如图1所示的Boost电路用于PFC电路，只取得95.5％左右的效率。
以下是本发明图9实施例所用元器件明细表：
标号或电路符号 元器件名称 型号或参数
VS 电力场效应晶体管 IXFH 20N60
Lm 主电感 500微亨
L 换能电感 10微亨
VD 快恢复二极管 DSEI30-06A
CO 滤波电容 3×330微法
D D触发器 CD4013
5、6 “与”门电路 CD4081同现有技术相比较，本发明的软开关电路拓朴方法及电路具有更高的电力变换效率，而且还降低了EMI噪音。
Claims (9)
1.用于电力变换的软开关电路拓扑方法，借助半导体功率开关及其控制逻辑，再适当连接储能元件，来开关电力电路，变换输入电力使之具有所需电压、频率、相数或波形，这就是，在一电流源(IO)之后或之前，构筑并联的第一和第二开关支路，所述第一支路包括功率开关(SA1)和小电感(L1)，两者串联连接，所述第二支路包括功率开关(SA2)和小电感(L2)二者同样串联连接，其特征在于：
还从该两支路相应的串联连接点(p1)和(p2)分别通过二极管(D1)和(D2)引出电路；所述功率开关(SA1)和(SA2)按照各自的控制逻辑交替导通和截止，使在每一开关周期(TS)中，开关(SA1)或(SA2)有零电流开通，二极管(D1)或(D2)有软恢复关断，从而获得高效率电力变换。
2.按照权利要求1所述的用于电力变换的软开关电路拓扑方法，其特征在于：
所述功率开关(SA1)和(SA2)是MOSFET(电力场效应晶体管)，或者是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)加上反并联的快恢复二极管。
3.按照权利要求1所述的用于电力变换的软开关电路拓扑方法，其特征在于：
所述二极管(D1)和(D2)是快恢复二极管。
4.用于电力变换的软开关电路拓扑电路，包括半导体开关器件及其控制电路，以及储能电感、滤波电容，它是在一电流源(IO)之后或之前并联连接两开关支路，其一由开关器件(VS1)和小电感(L1)串联组成，另一由开关器件(VS2)和小电感(L2)串联组成，其特征在于：
从该两支路相应的串联连接点(q1)和(q2)又分别通过二极管(VD1)和(VD2)引出电路；所述控制电路令开关器件(VS1)和(VS2)交替导通和截止，从而在任一开关周期(TS)内，器件(VS1)或(VS2)都是零电流开通，二极管(VD1)或(VD2)则是软恢复关断。
5.按照权利要求4所述的用于电力变换的软开关电路拓扑电路，其特征在于：
所述并联连接的两开关支路在一电流源之后，该电流源包括输入电压源(Ui)和主电感(Lm)，二者串联连接；两二极管(VD3)和(VD4)的阳极分别连接该两支路相应的串联连接点(q3)和(q4)，所述两二极管的阴极并联连接至滤波电容(CO)的正极，两开关器件(VS3)和(VS4)未与小电感(L3、L4)串联的一端相互并联，并同电容(CO)的负极相接，同时作为输入、输出端的公共线，构成升压型Boost电路。
6.按照权利要求4所述的用于电力变换的软开关电路拓扑电路，其特征在于：
所述并联连接的两开关支路在一电流源之前，该电流源包括主电感(Lm)和输出滤波电容(CO)，二者串联连接；两二极管(VD5)和(VD6)的阴极分别连接该两支路相应的串联连接点(q5)和(q6)，所述两二极管的阳极并联连接至滤波电容(CO)的负极，同时作为输入、输出端的公共线，两开关器件(VS5)和(VS6)未与小电感(L5、L6)串联的一端相互并联，接输入电压源(Ui)正端，构成降压型Buck电路。
7.按照权利要求4所述的用于电力变换的软开关电路拓扑电路，其特征在于：
将Boost电路和Buck电路揉合成为一个整体，就是，同时在主电感(Lm)之前和之后分别并联连接两开关支路；在(Lm)之前的两支路，其一由开关器件(VS7)和小电感(L7)串联组成，另一由开关器件(VS3)和小电感(L8)串联组成，两二极管(VD7)和(VD8)的阴极分别连接该两支路相应的串联连接点(q7)和(q8)，该两二极管的阳极并联连接至输入电压源(Ui)负端，两开关器件(VS7)和(VS8)未与小电感(L7、L8)连接的一端相互并联，接输入电压源Ui正端；在(Lm)之后的两支路，其一由开关器件(VS7′)和小电感(L7′)串联组成，另一由开关器件(VS8′)和小电感(L8′)串联组成，两二极管(VD7′)和(VD8′)的阳极分别连接该两支路相应的串联连接点(q7′)和(q8′)，该两二极管的阴极并联连接至输入电压源(Ui)正端，两开关器件(VS7′)和(VS8′)未与小电感(L7′、L8′)连接的一端相互并联，接输入电压源(Ui)负端；所有各小电感(L7、L8、L7′和L8′)未与各自的开关器件(VS7、VS8、VS7′和VS8′)连接的一端全部并联，接主电感(Lm)，构成桥式电路的一个臂。
8.按照权利要求5～7之一所述的用于电力变换的软开关电路拓扑电路，其特征在于：所述开关器件(VS3～VS8)以及(VS7′、VS8′)都是MOSFET(电力场效应晶体管)，或者是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)加上反并联的快恢复二极管。
9.按照权利要求5～7之一所述的用于电力变换的软开关电路拓扑电路，其特征在于：所述二极管(VD3～VD8)以及(VD7′、VD8′)都是超快恢复二极管。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHENZHEN ANSHENG ELECTRICAL CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: SHENZHEN HUAWEI ELECTRICAL CO., LTD. Effective date: 20010626 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20010626 Address after: The first floor and the third floor of the electrical workshop of HUAWEI base, industrial zone, Longgang District, Guangdong, China Patentee after: Ansheng Electric Co., Ltd., Shenzhen City Address before: Building seven, science and Technology Industrial Park, Nanshan District science and Technology Park, Shenzhen, Guangdong Patentee before: Huawei Electric Co., Ltd., Shenzhen |
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| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: EMERSON NETWORK POWER CO., LTD Free format text: FORMER NAME OR ADDRESS: SHENZHEN ANSHENG ELECTRICAL CO., LTD. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Patentee after: Aimosheng Network Energy Source Co., Ltd. Patentee before: Ansheng Electric Co., Ltd., Shenzhen City |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 518054 electric factory building, third floor, HUAWEI base, sakamogang industrial area, Longgang District, Shenzhen, Guangdong Patentee after: Vitamin Technology Co., Ltd. Address before: 518054 electric factory building, third floor, HUAWEI base, sakamogang industrial area, Longgang District, Shenzhen, Guangdong Patentee before: Aimosheng Network Energy Source Co., Ltd. |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20000216 |