CN107707139B - 一种具有开关桥臂的电路的控制方法及装置 - Google Patents

一种具有开关桥臂的电路的控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有开关桥臂的电路的控制方法及装置，所述软开关转换器包括至少两个开关桥臂、以及辅助所述开关桥臂的主开关管开关的辅助开关管，所述控制方法包括如下步骤：S1、控制所述辅助开关管导通第一时长后，控制每个开关桥臂设定的相同位置的主开关同时导通；S2、在每个开关桥臂设定的相同位置的主开关同时导通的时刻之后第二时长后，关闭所述辅助开关管。本发明可以降低***损耗和噪音，提升效率。

Description

一种具有开关桥臂的电路的控制方法及装置
【技术领域】
本发明涉及电路领域，尤其涉及一种具有开关桥臂的电路的控制方法及装置。
【背景技术】
电力电子装置的发展方向是小型化、轻量化、高效化、低成本化。传统的电力电源***中，功率半导体器件处于硬开关工作状态，电压与电流存在较大的交叠区域，导致开关损耗大、电磁干扰噪音、振铃等问题，造成***的成本高、体积庞大、效率低。如果要想具备高性能，则需要很高的成本。电力电子市场竞争愈演愈烈，半导体行业发展迅速，高性能器件仍没有大规模使用，所以软开关电路拓扑的研究仍然是绝大多数电源厂商提高产品竞争力的选择。
如图1所示，是一种现有技术中常见的三相软开关NPC1型逆变器的电路拓扑图，其由三个NPC1开关桥臂组成，包括S相桥臂、R相桥臂和T相桥臂，其中，R相桥臂包括主开关管R.up1、主开关管R.up2、主开关管R.down2、主开关管R.down1，S相桥臂包括主开关管S.up1、主开关管S.up2、主开关管S.down2、主开关管S.down1，T相桥臂包括主开关管T.up1、主开关管T.up2、主开关管T.down2、主开关管T.down1。每个桥臂由上下桥臂组成(例如，R相桥臂的上桥臂包括主开关管R.up1和主开关管R.up2，下桥臂包括主开关管S.down1和主开关管S.down2)，分别用于正负半周控制，四个开关管可以是IGBT、MOSFET、GTO或SCR等半导体器件，二极管R.d1、R.d2用于对输出点电压进行钳位、Buck输出续流、Boost输出储能等功能。主开关管(功率开关管)上并联的二极管为体二极管或者外置二极管，并联的电容为结电容或者外置并联，输出滤波电容C.R、C.S和C.T和电感L.R、L.S和L.T大小由***功率和开关频率等因数决定，辅助开关管回路包括辅助开关管Up.Aux1、Down.Aux1，耦合电感Tx.up.Aux、Tx.Down.Aux等，是为实现主功率开关器件零电压开通(ZVS)、二级管软恢复所增加的，主功率器件(即主开关管)上并联结电容可以软化关断过程，对开通过程中扮演谐振的关键元件。多个桥臂通过二极管逻辑线与可以实现三相主功率开关器件零电压开通(ZVS)，辅助开关管驱动电路根据控制方法和逻辑而不同，对***实现软开关原理和效率提升也会有所差异。BUS+与BUS-之差为母线电压，BUS.C1与BUS.C2分别正负稳压母线电容，分析时可视为恒定电压源。
通过辅助开关管回路，激化电流进入辅助开关管回路，使主开关管回路续流电流向储能电流的开关过程软化，最大化的减小电压和电流交叠面积。
图2是现有技术的三相软开关NPC1型逆变器的单相主开关管回路的工作波形图，图3是现有技术的三相软开关NPC1型逆变器的单相辅助开关管回路的工作波形图。
参考图1至图3，假设R相输出电压在正半周，且PF＝1，此时正桥臂工作在Buck工作模式，主开关管R.up1为高频管，主开关管R.down1为低频管且一直导通。假设初始状态时续流二极管R.d1导通放磁，辅助开关管Up.Aux1和主开关管R.up1关断，电流由续流二极管R.d1、主开关管R.down1、电感L.R流出去。
Model1(t1～t2):开通辅助开关管Up.Aux1，由于耦合电感Tx.up.Aux限制了辅助开关管回路电流上升率di/dt，即可软化辅助开关管Up.Aux1的开通过程，同时耦合电感Tx.up.Aux也降低了续流二极管R.d1的电流下降率di/dt，有效抑制了续流二极管R.d1的反向恢复电流，实现了续流二极管R.d1的软恢复。由于耦合电感Tx.up.Aux的均流作用，辅助开关管Up.Aux1的电流应力会均分到每个辅助开关管，降低辅助电流应力。
Model2(t2～t3):待开通辅助开关管Up.Aux1一段时间后，电流全部转移至辅助开关管Up.Aux1，伴随LC谐振，实现主开关管R.up1并联电容方向充电，下正上负，当电容电压大于主开关管R.up1体二极管导通电压时，即实现主开关管R.up1体二极管正向导通，LC谐振终止，此时控制开通主开关管R.up1，同时可以实现主开关管R.up1的零电压开通，开始主管Buck充磁模式。
Model3(t3～t4):零电压开通主开关管R.up1后，电流从辅管回路转移至主管回路，当电流完全转移时，关断辅助开关管Up.Aux1，由于主开关管R.up1导通钳位功能，即可实现辅管的近似零电压零电流关断，加上二极管D.up.Aux1单向电流流动特性，LC谐振到零后，即可实现辅助二极管自然换流。
Model4(t4～t5):当需要关断主开关管R.up1时，由于电容电压不能突变的特性，且LC谐振阻尼小的特性，LC高频谐振，同样实现主开关管R.up1结电容的反向充电，可软化主开关管R.up1的关断过程。此时辅助开关管回路和主续流二极管同时承担续流放磁功能。
Model5(t5～t6):当关断主开关管R.up1后，同样由于二极管D.up.Aux1单向电流流动特性，LC谐振结束，主续流二极管承担所有续流充磁过程。
Model6(t0/t6):一个开关周期结束，开始下一个开关周期，过程如上。
输出电压负半周各器件工作原理与正半周各器件工作原理相同，其它两相的工作原理同R相工作原理一样，不再赘述。
图2和图3中，R.up1.ge、Up.Aux1.ge、P.sw.up1、R.down1.i、R.d1.V、R.d1.i、R.up1.i、R.up1.Vce、Up.Aux1.Vce、Up.Aux1.i、Tx.up.Aux.s.i、Tx.up.Aux.p.i、D.up.Aux1.i分别表示：主开关管R.up1的控制电平、辅助开关管Up.Aux1的控制电平、主开关管R.down1的电流、续流二极管R.d1的电压、续流二极管R.d1的电流、主开关管R.up1的电流、主开关管R.up1的ce压降、辅助开关管Up.Aux1的ce压降、辅助开关管Up.Aux1的电流、耦合电感Tx.up.Aux原边S电流、耦合电感Tx.up.Aux副边p电流、二极管D.up.Aux1电流。相比于三相硬开关NPC1型逆变器，三相软开关NPC1型逆变器的主开关管R.up1的开通关断损耗减小。从图3可以看出，耦合电感原边电流Tx.up.Aux.s.i和副边电流Tx.up.Aux.p.i相等，且为D.up.Aux1.i的1/2。
通过上述分析可以得到如下结论，零电压软开关转换器软开关拓扑可以实现主功率开关管零电压开关、二极管软恢复、通过并联电容实现主功率器件软关断、从而提高***效率；实现了辅助开关管软开通、零电流零电压关断、辅助二极管自然换流。
在AC/DC或DC/AC电源中，在一个开关周期内，通常对基本电压矢量加以组合、使其平均值与给定电压矢量相等、在某个时刻、电压矢量旋转加以组合、使其平均值与给定电压矢量相等、在某个时刻、电压矢量旋转到某个区域中、可由其组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到、两个矢量的作用时间在一个开关周期内分多次施加、从而控制各个电压矢量的作用时间,使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转而产生相对应PWM波形，PWM波形驱动开关管动作，经过LC滤波即可得到需要的给定波形。
常用PWM控制方法中，载波有频率、相位、幅值和偏移量等多个控制自由度。调制波也至少有频率、幅值、零序分量和形状等多个控制自由度，这些控制自由度的不同组合，可以产生大量的PWM控制方法。
虽然上述现有的三相软开关NPC1型逆变器有很多优点，但是整机损耗仍然较大，***效率难以进一步提升。
【发明内容】
经过对上述现有的三相软开关NPC1型逆变器的研究发现，其控制方法存在如下缺陷:
从原理图和波形分析中可以看到，因为每相主开关管都不是同时导通的，此电路若需要实现每相功率开关管(主开关管)的软开关，必须在每相主开关管动作时，辅管动作一次，增加了辅助开关管的开关频次，从而会增大辅助开关管回路的损耗，如无源谐振损耗、辅助开关管的开通损耗，这是软开关效率无法提升的一个原因。辅助开关管每动作一次，都会伴随震荡、振铃都可能引起EMI噪声等问题；且辅助开关管回路的驱动需要有逻辑或的功能，即当有任何一个上桥臂主开关管或下桥臂主开关管导通时，辅助开关管的驱动都要动作，驱动电路会变得复杂，这样***效率的提升和稳定性都会受到限制，大大限制了其使用范围和可靠性。
为了克服上述技术问题，本发明提供了一种具有开关桥臂的电路的控制方法及装置，以降低***损耗和噪音，提升效率。
一种具有开关桥臂的电路的控制方法，其中，所述软开关转换器包括至少两个开关桥臂、以及辅助所述开关桥臂的主开关管开关的辅助开关管，所述控制方法包括如下步骤：
S1、控制所述辅助开关管导通第一时长后，控制每个开关桥臂设定的相同位置的主开关同时导通；
S2、在每个开关桥臂设定的相同位置的主开关同时导通的时刻之后第二时长后，关闭所述辅助开关管。
在一个实施例中，在步骤S1中，在电流从主开关管回路完全转移至辅助开关管回路的时刻，控制每个开关桥臂设定的相同位置的主开关同时导通；
在步骤S2中，在电流从辅助开关管回路完全转移至主开关管回路的时刻，关闭所述辅助开关管。
在一个实施例中，所述开关桥臂为NPC开关桥臂。
在一个实施例中，在所述步骤S1中，控制每个开关桥臂的与母线连接的相同位置的主开关管同时导通。
在一个实施例中，所述开关桥臂的主开关管和所述辅助开关管的控制信号通过载波信号调制而成；
在步骤S1之前，所述控制方法还包括如下步骤：
检测是否出现所述载波信号的上升沿，若出现，则开始执行步骤S1。
在一个实施例中，所述载波信号为直角锯齿波，所述有效沿为所述直角锯齿波的上升沿。
在一个实施例中，所述电路为软开关转换器。
在一个实施例中，所述电路为AC/DC电路或DC/AC电路。
为了克服上述技术问题，本发明还提供了一种具有开关桥臂的电路的控制装置，其中，所述软开关转换器包括至少两个开关桥臂、以及辅助所述开关桥臂的主开关管开关的辅助开关管，所述控制装置包括如下单元：
第一控制单元，用于控制所述辅助开关管导通第一时长后，控制每个开关桥臂设定的相同位置的主开关同时导通；
第二控制单元，用于在每个开关桥臂设定的相同位置的主开关同时导通的时刻之后第二时长后，关闭所述辅助开关管。
在一个实施例中，所述第一控制单元用于，在电流从主开关管回路完全转移至辅助开关管回路的时刻，控制每个开关桥臂设定的相同位置的主开关同时导通；
所述第二控制单元用于，在电流从辅助开关管回路完全转移至主开关管回路的时刻，关闭所述辅助开关管。
本发明的主开关管和辅助开关管可以是si器件IGBT、MOSFET、DIODE也可以SiC器件MOSFET或者DIODE等功率器件。
本发明的有益效果是：
1)通过减小辅助开关管动作的频次，降低LC谐振无源损耗，降低辅助开关管损耗、优化EMI、减小振铃和噪音、优化辅助驱动电路、降低***成本，还可以优化功率器件开关过程中电压及电流的波形、减小开关过程中电压及电流应力，软化波形、提高***稳定性和效率、减小散热片尺寸。
2)通过特定的直角锯齿载波，可以有效地降低开关变换的次数，可以抵消特定次数的谐波，改善输入的谐波特性，降低输入电流THDi；
3)本发明可以适用于含有多个开关桥臂的电路的控制，例如AC/DC、DC/AC电路；或者交错电路；或者多态电路；或者两电平、多电平逆变或整流电路中。
4)灵活采用特定直角锯齿波调制，简化PWM控制，控制结构更简单，让***的控制特性更优更好。
5)保持原来的实现软开关的功能，通过弥补之前拓扑缺陷。进一步提高***效率和***稳定性。
【附图说明】
图1是现有技术的三相软开关NPC1型逆变器的拓扑结构图；
图2是图1的三相软开关NPC1型逆变器的软开关控制方法的R相部分器件的波形图；
图3是图1的三相软开关NPC1型逆变器的辅助开关管回路的部分器件的波形图；
图4是本发明一种实施例的具有开关桥臂的电路的控制方法的流程图；
图5a是图1的三相软开关NPC1型逆变器的等腰三角载波调制波形示意图；
图5b是本发明的具有开关桥臂的电路的控制方法的直角锯齿波调制波形示意图；
图6a是图1的三相软开关NPC1型逆变器的等腰三角载波调制下的开关组合示意图；
图6b是本发明的具有开关桥臂的电路的控制方法的直角锯齿波调制下的开关组合示意图。
【具体实施方式】
以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。
请参考图1和图6a和图6b，参考图2、图3、图4，以R相、S相和T相输出电压在正半周为例，且假设功率因数PF＝1，此时每相的正桥臂工作在Buck工作模式。假设初始状态时续流二极管R.d1导通放磁，辅助开关管Up.Aux1、主开关管R.up1、主开关管S.up1和主开关管T.up1关断，对于R相桥臂来说，电流由续流二极管R.d1、主开关管R.down1、电感L.R流出至负载R1，S相桥臂和T相桥臂的电流流向与R相桥臂相似。
一种实施例的三相NPC型逆变器的控制方法，包括如下步骤：
S1、检测辅助开关管Up.Aux1的控制信号是否出现有效沿，若出现有效沿则执行步骤S2，否则继续检测是否出现有效沿。例如，当开关桥臂的主开关管和辅助开关管Up.Aux1的控制信号通过直角锯齿波载波信号调制而成，则检测出否出现上升沿，若出现则开始执行步骤S2，否则继续执行步骤S1，即继续检测是否出现上升沿。
S2、控制辅助开关管Up.Aux1导通，此时，由于耦合电感Tx.up.Aux限制了辅助开关管回路电流上升率di/dt，即可软化辅助开关管Up.Aux1的开通过程，同时耦合电感Tx.up.Aux也降低了续流二极管R.d1电流下降率di/dt，有效抑制了续流二极管R.d1的反向恢复电流，实现了续流二极管R.d1的软恢复(同样，S相桥臂的S.d1和T相桥臂也实现软恢复)。
S3、如图6b所示，在辅助开关管Up.Aux1导通第一时长Δt1后，也即在t01时刻，电流全部转移至辅助开关管Up.Aux1，伴随LC谐振，实现主开关管R.up1并联电容充电，下正上负(如图1所示)，当电容电压大于主开关管R.up1的体二极管导通电压时，即实现主开关管R.up1的体二极管正向导通，LC谐振终止(S相桥臂和T相桥臂的对应的工作过程相同)，此时即t01时刻，控制R相开关桥臂的主开关管R.up1、S相开关桥臂的主开关管S.up1和T相开关桥臂的主开关管T.up1同时导通，这三个主开关管均是每相桥臂的上桥臂的与母线直接连接的主开关管，也就是说这三个主开关管在每相桥臂中的位置相同。
S4、从主开关管R.up1、主开关管S.up1和主开关管T.up1同时导通时刻起，电流从辅助开关管回路转移至主开关管回路，从导通时刻起经过第二时长Δt2后，当电流完全转移至主开关管回路时，关断辅助开关管Up.Aux1。由于主开关管R.up1导通钳位功能(同理，主开关管S.up1和主开关管T.up1也起到了导通钳位功能)，即可实现辅管的近似零电压零电流关断。
而现有的三相NPC型逆变器的控制方法，如图6a所示，主开关管R.up1、主开关管S.up1和主开关管T.up1分别在t01、t02和t03时刻导通，为了起到软化三个主开关管的作用，辅助开关管Up.Aux1需要开关动作三次，导致了辅助开关管Up.Aux1的损耗增大，且控制复杂。
因此，本实施例中辅助开关管Up.Aux1的一次动作，即可以起到对主开关管R.up1、主开关管S.up1和主开关管T.up1的软化作用，降低了辅助开关管Up.Aux1的损耗，并且控制更加简单。
其中，Δt1和Δt2的大小由谐振能量、工作频率、开关速度决定。
同理，当R相、S相和T相输出电压在负半周，在上述步骤S1中，需要检测辅助开关管Down.Aux1的控制信号的有效沿，如果出现有效沿，在步骤S3中，控制R相开关桥臂的主开关管R.down1、S相开关桥臂的主开关管S.down1和T相开关桥臂的主开关管T.down1同时导通，这三个主开关管均是每相桥臂的下桥臂的与母线直接连接的主开关管，也就是说这三个主开关管在每相桥臂中的位置相同。
同样，位于R相桥臂的主开关管R.down1、位于S相桥臂的主开关管S.down1和位于T相桥臂的主开关管T.down1也可以按照上述方法进行控制。
在NPC型逆变器中，根据控制原理可知，主开关管R.up1、主开关管R.down1的开关动作频率要比主开关管R.down2、主开关管R.up2的开关动作频率要高(同样，S相桥臂和T相桥臂类似，例如，主开关管S.up1、主开关管S.down1的开关动作频率要比主开关管S.down2、主开关管S.up2的开关动作频率要高)，主开关管R.up1和主开关管R.down1通常采用高频管，主开关管R.up1和主开关管R.down1的开关(还包括S相桥臂和T相桥臂对应的主开关管)动作是引起辅助开关管Up.Aux1频繁开关动作的主要原因，因此，本实施例的方法，针对这些位置的主开关管的控制，降低辅助开关管Up.Aux1动作频率效果更加明显。
在步骤S4中，每相桥臂的主开关管导通的时长，可以根据每相输出电压的大小进行控制，如图6b所示，在一个实施例中，从t00时刻开始，主开关管回路的开关状态组合(R.up1、S.up1、T.up1)依次为：000-111-110-100-000，也即，主开关管R.up1、主开关管S.up1和主开关管T.up1的导通时长依次减小。当然，如果三相NPC型逆变器需要输出其他电压，上述开关状态组合还可以是其他的组合方式。
由于主开关管R.up1、主开关管S.up1和主开关管T.up1同时导通，为了配合这种控制方式，采用直角锯齿波为载波信号对信号波进行调制得到控制主开关管R.up1、主开关管S.up1、主开关管T.up1和辅助开关管Up.Aux1的控制信号，这样既方便检测载波信号的上升沿，也能够保持原有的三相NPC型逆变器的控制方法的优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种具有开关桥臂的电路的控制方法，其中，所述电路包括至少两个开关桥臂、以及辅助所述开关桥臂的主开关管开关的辅助开关管，所述开关桥臂包括：
第一主开关管、第二主开关管、第三主开关管及第四主开关管，所述第一主开关管、所述第二主开关管、所述第三主开关管及所述第四主开关管串联连接于母线电容的正负极之间；
第一续流二极管，所述第一续流二极管连接于第一连接点与所述母线电容中性点之间，所述第一连接点为所述第一主开关管与所述第二主开关管的连接点；
第二续流二极管，所述第二续流二极管连接于第二连接点与所述母线电容中性点之间，所述第二连接点为所述第三主开关管与所述第四主开关管的连接点；以及
第一耦合电感和第二耦合电感，所述第一耦合电感的一端和所述第二耦合电感的一端共同连接于所述母线电容的中性点，所述第一耦合电感的另一端连接于所述第一连接点，所述第二耦合电感的另一端连接于所述第二连接点；
其特征是，所述控制方法包括如下步骤：
S1、控制所述辅助开关管导通第一时长后，控制每个开关桥臂设定的相同位置的主开关管同时导通，其中，相同位置的每个所述主开关管均是每相桥臂的上桥臂上直接与母线连接的主开关管或者均是每相桥臂的下桥臂上直接与母线连接的主开关管；
S2、在每个所述开关桥臂设定的相同位置的所述主开关管同时导通的时刻之后第二时长后，关闭所述辅助开关管。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征是：
在步骤S1中，在电流从所述主开关管回路完全转移至所述辅助开关管回路的时刻，控制每个所述开关桥臂设定的相同位置的所述主开关管同时导通；
在步骤S2中，在电流从所述辅助开关管回路完全转移至所述主开关管回路的时刻，关闭所述辅助开关管。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征是：
所述开关桥臂为NPC开关桥臂。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征是，
所述开关桥臂的主开关管和所述辅助开关管的控制信号通过载波信号调制而成；
在步骤S1之前，所述控制方法还包括如下步骤：
检测是否出现所述载波信号的有效沿，若出现，则开始执行步骤S1。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征是，
所述载波信号为直角锯齿波，所述有效沿为所述直角锯齿波的上升沿。
6.如权利要求1所述的控制方法，其特征是，
所述电路为软开关转换器。
7.如权利要求1所述的控制方法，其特征是，
所述电路为AC/DC电路或DC/AC电路。
8.一种具有开关桥臂的电路的控制装置，其中，所述电路包括至少两个开关桥臂、以及辅助所述开关桥臂的主开关管开关的辅助开关管，所述开关桥臂包括：
第一主开关管、第二主开关管、第三主开关管及第四主开关管，所述第一主开关管、所述第二主开关管、所述第三主开关管及所述第四主开关管串联连接于总线电容的正负极之间；
第一续流二极管，所述第一续流二极管连接于第一连接点与所述总线电容中性点之间，所述第一连接点为所述第一主开关管与所述第二主开关管的连接点；
第二续流二极管，所述第二续流二极管连接于第二连接点与所述总线电容中性点之间，所述第二连接点为所述第三主开关管与所述第四主开关管的连接点；以及
第一耦合电感和第二耦合电感，所述第一耦合电感的一端和所述第二耦合电感的一端共同连接于所述总线电容的中性点，所述第一耦合电感的另一端连接于所述第一连接点，所述第二耦合电感的另一端连接于所述第二连接点；其特征是，所述控制装置包括如下单元：
第一控制单元，用于控制所述辅助开关管导通第一时长后，控制每个所述开关桥臂设定的相同位置的所述主开关管同时导通，其中，相同位置的每个所述主开关管均是每相桥臂的上桥臂上直接与母线连接的主开关管或者均是每相桥臂的下桥臂上直接与母线连接的主开关管；
第二控制单元，用于在每个所述开关桥臂设定的相同位置的所述主开关管同时导通的时刻之后第二时长后，关闭所述辅助开关管。
9.如权利要求8所述的控制装置，其特征是：
所述第一控制单元用于，在电流从所述主开关管回路完全转移至所述辅助开关管回路的时刻，控制每个所述开关桥臂设定的相同位置的所述主开关管同时导通；
所述第二控制单元用于，在电流从所述辅助开关管回路完全转移至所述主开关管回路的时刻，关闭所述辅助开关管。
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