CN107070218B - 一种大功率软开关斩波电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及感应加热电源领域，公开的一种大功率软开关斩波电路，包括软开关斩波模块、变压器T1、高频整流半导体器件D7、D8、D9、D10、电抗器L2、电容器C3，由软开关斩波模块通过变压器T1、与电抗器L2、电容器C3电连接构成，桥式电路由高频整流半导体器件D7、D8、D9、D10组成；所述的软开关斩波模块由三相整流器通过电抗器L1、直流接触器KM1、电容器C1与谐振H桥电连接构成，本发明提高了电网侧功率因数，减小了对电网的污染，软开关斩波电路，功率器件开关过程损耗大大减小，理想状态几乎为零，可通过将多个软开关斩波模块并联、变压器输出串联、并联运行等多种方式增大电源容量。

Description

一种大功率软开关斩波电路

技术领域

本发明属感应加热电源领域，涉及感应加热电源的一种大功率感应加热电源软开关斩波电路。

背景技术

感应加热电源是根据电磁感应原理和焦耳－楞次定理，利用涡流进行加热，加热速度快，效率高，自动化程高，节能环保。感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展密切相关，随着功率器件的大容量化、高频化，进而带动了感应加热电源的大容量化和高频化。

目前，并联谐振型感应加热电源输出功率的调节主要是通过调节直流侧电压来实现，直流侧调功主要有晶闸管相控整流调压调功和直流斩波调压调功两大类。

晶闸管相控整流技术是指通过调节晶闸管的导通角，使其输出电压值连续可调，实现***的功率调节，在感应加热***中，一般采用三相桥式相控整流电路。这种调功方式已经比较成熟，成本较低。但是，晶闸管相控整流调压电路在控制角较大的情况下，输入功率因数很低，输入电流波形为尖峰脉冲，谐波含量很高，对电网形成了较大的污染。而且晶闸管整流调压电路的EMI非常大，对周边的电气设备以及自身的控制电路将产生较大干扰。

直流斩波调压调功是指在直流母线侧采用降压斩波电路，通过改变占空比的大小来调节直流输出电压，实现对输出功率的调节。该调功方式的主电路采用二极管不可控整流电路，和晶闸管相控整流电路相比提高了电网侧功率因数，减小了对电网的污染。但是Buck电路中的功率开关器件的接通和断开属于硬开关，在开关过程中，器件上存在电压和电流重叠时间，开关损耗比较大，所以不适于应用在高频及大容量***中。

发明内容

随着感应加热电源朝着高频化及大容量化的方向发展，为了充分发挥直流调压调功电路的优点，同时克服其缺点，本发明公开一种大功率软开关斩波电路。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案是：

一种大功率软开关斩波电路，包括软开关斩波模块、变压器T1、高频整流半导体器件D7、D8、D9、D10、电抗器L2、电容器C3，由软开关斩波模块通过变压器T1、与电抗器L2、电容器C3电连接构成，桥式电路由高频整流半导体器件D7、D8、D9、D10组成；

所述的软开关斩波模块由三相整流器通过电抗器L1、直流接触器KM1、电容器C1与谐振H桥电连接构成，所述谐振H桥由MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、整流管DQ1、DQ2、DQ3、DQ4、电容CQ1、CQ2、Cb和变压器T1组成，一路由一个MOS管Q1输出端通过整流管DQ1、电容CQ1的并联电路，与另一个MOS管Q2输出端通过整流管DQ2、电容CQ2的并联电路再串联构成；该串联点a通过电容Cb、变压器漏感L1k电连接构成的输出端为H桥输出电压Uinv一端；另一路由一个MOS管Q3输出端通过整流管DQ3串联电路，与一个MOS管Q4输出端通过整流管DQ4串联电路再串联构成；该串联点b的输出端为H桥输出电压Uinv另一端；构成全桥软开关斩波模块；其中电容器C1的两端连接有霍尔电压传感器CHV1，直流接触器KM1与电容器C1之间连接有霍尔电流传感器CHK1。

一种大功率斩波开关电路，所述MOS管Q1、Q2、Q3、Q4或替换为晶闸管、IGBT ；其中Q1栅源极驱动信号连接G1、E1， Q2栅源极驱动信号连接G2、E2， Q3栅源极驱动信号连接G3、E3， Q4栅源极驱动信号连接G4、E4。

一种大功率软开关斩波电路，所述的霍尔电压传感器电源端CHV1的15V+、15V-连接外部电源+15V、-15V；采样端DCVP、DCVN为采样输出电压信号。

一种大功率软开关斩波电路，所述的若干个软开关斩波模块与变压器电连接组成的软开关斩波电路，其中的变压器包括：单个变压器初级多绕组次级单绕组输出，多个变压器次级绕组串联输出，多个变压器次级绕组并联输出。

第一种由若干个软开关斩波模块的输出端分别与单个次级单绕组、初级多绕组的变压器对应的初级多绕组相连构成；

第二种由若干个软开关斩波模块的输出端分别与多个一比一绕组变压器次级绕组串联的变压器对应的初级绕组相连构成；

第三种由若干个软开关斩波模块的输出端分别与多个一比一绕组变压器次级绕组并联的变压器对应的初级绕组相连构成。

一种大功率软开关斩波电路的工作方法，整流二极管D1、D2、D3、D4组成的三相不控整流电路，将工频三相交流电变为脉动的直流，电抗器L1限制整流后直流脉动的副值，使其变为平滑的直流；

启动时，直流接触器与电容器C1形成软启动回路，谐振H桥直流母线电压Ud1缓慢上升，减少启动过程中的电流冲击；

当开关管Q1、Q4或Q2、Q3同时导通时，变压器原边向负载提供能量；通过移相控制，在关断Q1时并不马上关断Q4，而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断Q4，在关断Q1之前，由于Q1导通，其并联电容CQ1上电压等于Q1的导通压降，理想状况下其值为零；

当关断Q1时刻，CQ1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，Q1即是零电压关断；由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，Q1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时CQ2也通过原边放电；

当CQ2电压降到零后，DQ2自然导通，这时开通Q2，则Q2即是零电压开通；

当CQ1充满电、CQ2放电完毕后，由于DQ2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb充电，直到原边电流为零，这时由于DQ4的阻断作用，电容Cb不能通过Q2、Q4、DQ4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过Q4电流为零，关断Q4即是零电流关断；

Q1、Q2、Q3、Q4、DQ1、DQ2、DQ3、DQ4、CQ1、CQ2、Cb和变压器T1组成的全桥软开关斩波模块，大大降低了开关管开通和关断时的损耗，从面提高了该软开关斩波器的效率；

该软开关斩波模块通过移相调压方式调整H桥输出电压Uinv，变压器副边通过不控全桥整流、LC滤波电路，输出平滑可控的直流电压Ud2；其中G1、E1接Q1栅源极驱动信号，G2、E2接Q2栅源极驱动信号，G3、E3接Q3栅源极驱动信号，G4、E4接Q4栅源极驱动信号。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

一种大功率软开关斩波电路，提高了电网侧功率因数，减小了对电网的污染，软开关斩波电路，功率器件开关过程损耗大大减小，理想状态几乎为零，可通过将多个软开关斩波模块并联、变压器输出串联、并联运行等多种方式增大电源容量。

附图说明

图1是软开关斩波模块的原理图。

图2是单个软开关斩波电路，单个输出变压器初级单绕组、次级单绕组输出原理图。

图3是多个软开关斩波电路并联，多个输出变压器初级多绕组、次级单绕组输出原理图。

图4是多个软开关斩波电路并联，多个输出变压器次级绕组串联输出原理图。

图5是多个软开关斩波电路并联，多个输出变压器次级绕组并联输出原理图。

图6是关键节点波形图。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5、6所示，一种大功率软开关斩波电路，包括软开关斩波模块、变压器T1、高频整流半导体器件D7、D8、D9、D10、电抗器L2、电容器C3，由软开关斩波模块通过变压器T1、与电抗器L2、电容器C3电连接构成，桥式电路由高频整流半导体器件D7、D8、D9、D10组成；

所述的软开关斩波模块由三相整流器通过电抗器L1、直流接触器KM1、电容器C1与谐振H桥电连接构成，所述谐振H桥由MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、整流管DQ1、DQ2、DQ3、DQ4、电容CQ1、CQ2、Cb和变压器T1组成，一路由一个MOS管Q1输出端通过整流管DQ1、电容CQ1的并联电路，与另一个MOS管Q2输出端通过整流管DQ2、电容CQ2的并联电路再串联构成；该串联点a通过电容Cb、变压器漏感L1k电连接构成的输出端为H桥输出电压Uinv一端；另一路由一个MOS管Q3输出端通过整流管DQ3串联电路，与一个MOS管Q4输出端通过整流管DQ4串联电路再串联构成；该串联点b的输出端为H桥输出电压Uinv另一端；构成全桥软开关斩波模块；其中电容器C1的两端连接有霍尔电压传感器CHV1，直流接触器KM1与电容器C1之间连接有霍尔电流传感器CHK1。

在图1中，整流二极管D1、D2、D3、D4组成的三相不控整流电路，将工频三相交流电变为脉动的直流，电抗器L1限制整流后直流脉动的副值，使其变为平滑的直流。启动时，直流接触器与电容器C1形成软启动回路，谐振H桥直流母线电压Ud1缓慢上升，减少启动过程中的电流冲击。

当开关管Q1、Q4或Q2、Q3同时导通时，变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断Q1时并不马上关断Q4，而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断Q4，在关断Q1之前，由于Q1导通，其并联电容CQ1上电压等于Q1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断Q1时刻，CQ1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，Q1即是零电压关断。由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，Q1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时CQ2也通过原边放电，当CQ2电压降到零后，DQ2自然导通，这时开通Q2，则Q2即是零电压开通。当CQ1充满电、CQ2放电完毕后，由于DQ2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb充电，直到原边电流为零，这时由于DQ4的阻断作用，电容Cb不能通过Q2、Q4、DQ4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过Q4电流为零，关断Q4即是零电流关断。

Q1、Q2、Q3、Q4、DQ1、DQ2、DQ3、DQ4、CQ1、CQ2、Cb和变压器T1组成的全桥软开关斩波模块，大大降低了开关管开通和关断时的损耗，从面提高了该软开关斩波器的效率。该软开关斩波模块通过移相调压方式调整H桥输出电压Uinv，变压器副边通过不控全桥整流、LC滤波电路，输出平滑可控的直流电压Ud2。G1、E1接Q1栅源极驱动信号，G2、E2接Q2栅源极驱动信号，G3、E3接Q3栅源极驱动信号，G4、E4接Q4栅源极驱动信号。

在图2中，单个软开关斩波模块接在单个变压器初级绕组上，次级单绕组输出，每个软开关斩波模块实施方式与图1中所述相同。

在图3中，多个软开关斩波模块分别接在单个变压器多个初级绕组上，次级单绕组输出，每个软开关斩波模块实施方式与图1中所述相同。

在图4中，多个软开关斩波模块并联，多个输出变压器次级绕组串联输出，每个软开关斩波模块实施方式与图1中所述相同。

在图5中，多个软开关斩波模块并联，多个输出变压器次级绕组并联输出，每个软开关斩波模块实施方式与图1中所述相同。

在图6中，Uab表示图1中a、b两点之间的电压，Ucb为阻断电容Ub上的电压，Ip为图2变压器T1原边电流，Urect是变压器T1副边整流后的电压。

上述T1、T2、T3、T4型号为功率晶闸管MTC500Y12； U1A、U1B、U2A、U2B型号均为单稳态触发器CD4098、U3型号为CD4001、U4型号为CD4081、U5型号为CD4071、U6型号为CD4011；上述型号还可采用功能相同的替代型号，属于同样发明创造。

Claims (4)

1.一种大功率软开关斩波电路的工作方法，采用的大功率软开关斩波电路，其特征是：包括软开关斩波模块、变压器T1、高频整流半导体器件D7、D8、D9、D10、电抗器L2、电容器C3，由软开关斩波模块通过变压器T1、与电抗器L2、电容器C3电连接构成，桥式电路由高频整流半导体器件D7、D8、D9、D10组成；

所述的软开关斩波模块由三相整流器通过电抗器L1、直流接触器KM1、电容器C1与谐振H桥电连接构成，所述谐振H桥由MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、整流管DQ1、DQ2、DQ3、DQ4、电容CQ1、CQ2、Cb和变压器T1组成，一路由一个MOS管Q1输出端通过整流管DQ1、电容CQ1的并联电路，与另一个MOS管Q2输出端通过整流管DQ2、电容CQ2的并联电路再串联构成；该串联点a通过电容Cb、变压器漏感L1k电连接构成的输出端为H桥输出电压Uinv一端；另一路由一个MOS管Q3输出端通过整流管DQ3串联电路，与一个MOS管Q4输出端通过整流管DQ4串联电路再串联构成；该串联点b的输出端为H桥输出电压Uinv另一端；构成全桥软开关斩波模块；其中电容器C1的两端连接有霍尔电压传感器CHV1，直流接触器KM1与电容器C1之间连接有霍尔电流传感器CHK1；整流二极管D1、D2、D3、D4组成的三相不控整流电路，将工频三相交流电变为脉动的直流，电抗器L1限制整流后直流脉动的副值，使其变为平滑的直流；

启动时，直流接触器与电容器C1形成软启动回路，谐振H桥直流母线电压Ud1缓慢上升，减少启动过程中的电流冲击；

当开关管Q1、Q4或Q2、Q3同时导通时，变压器原边向负载提供能量；通过移相控制，在关断Q1时并不马上关断Q4，而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断Q4，在关断Q1之前，由于Q1导通，其并联电容CQ1上电压等于Q1的导通压降，理想状况下其值为零；

当关断Q1时刻，CQ1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，Q1即是零电压关断；由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，Q1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时CQ2也通过原边放电；

当CQ2电压降到零后，DQ2自然导通，这时开通Q2，则Q2即是零电压开通；

当CQ1充满电、CQ2放电完毕后，由于DQ2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb充电，直到原边电流为零，这时由于DQ4的阻断作用，电容Cb不能通过Q2、Q4、DQ4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过Q4电流为零，关断Q4即是零电流关断；

Q1、Q2、Q3、Q4、DQ1、DQ2、DQ3、DQ4、CQ1、CQ2、Cb和变压器T1组成的全桥软开关斩波模块，降低了开关管开通和关断时的损耗，从而提高了该软开关斩波器的效率；

该软开关斩波模块通过移相调压方式调整H桥输出电压Uinv，变压器副边通过不控全桥整流、LC滤波电路，输出平滑可控的直流电压Ud2；其中G1、E1接Q1栅源极驱动信号，G2、E2接Q2栅源极驱动信号，G3、E3接Q3栅源极驱动信号，G4、E4接Q4栅源极驱动信号。

2.根据权利要求1所述的一种大功率软开关斩波电路的工作方法，其特征是：所述MOS管Q1、Q2、Q3、Q4或替换为晶闸管、IGBT；其中Q1栅源极驱动信号连接G1、E1， Q2栅源极驱动信号连接G2、E2， Q3栅源极驱动信号连接G3、E3， Q4栅源极驱动信号连接G4、E4。

3.根据权利要求1所述的一种大功率软开关斩波电路的工作方法，所述的霍尔电压传感器电源端CHV1的15V+、15V-接外部电源+15V、-15V；采样端DCVP、DCVN为采样输出电压信号，霍尔电流传感器CHK1的15V+、15V-接外部电源+15V、-15V；DCIP、DCIN为采样输出电流信号。

4.根据权利要求1所述的一种大功率软开关斩波电路的工作方法，其特征在于：所述的若干个软开关斩波模块与变压器电连接组成的软开关斩波电路，其中的变压器包括：单个变压器初级多绕组次级单绕组输出，多个变压器次级绕组串联输出，多个变压器次级绕组并联输出；

第一种由若干个软开关斩波模块的输出端分别与单个次级单绕组、初级多绕组的变压器对应的初级多绕组相连构成；

第二种由若干个软开关斩波模块的输出端分别与多个一比一绕组变压器次级绕组串联的变压器对应的初级绕组相连构成；

第三种由若干个软开关斩波模块的输出端分别与多个一比一绕组变压器次级绕组并联的变压器对应的初级绕组相连构成。