CN218570083U - 一种新型全桥逆变开关电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型全桥逆变开关电路，其包括：全桥逆变基础电路、控制电路、能量回收电路、连接单元、驱动电路；能量回收电路又分为非隔离式回收电路和隔离式回收电路，驱动电路用于驱动控制电路、全桥逆变基础电路中的开关管；避免了在过载的情况下，控制开关管的零电流关断被破坏；通过零电流、电压通断，使得元器件使用IGBT时也能够获得高频率，使得前端可用两电平PFC，进而降低成本；能够合并前端的PFC电路，成为单级AC/DC变换电路，相对现有全桥软开关而言，降低对输入电压变化的要求。

Description

一种新型全桥逆变开关电路

技术领域

本实用新型涉及到电力电子领域，尤其涉及到一种新型全桥逆变开关电路。

背景技术

全桥逆变电路及其软开关的功能一般是用在大功率高频设备上的，如：开关电源、感应加热设备、电焊机、直流充电桩等。

现有的常用逆变方式包括：单端反激、单端正激、推挽式、半桥、全桥等，以及上述电路的相关拓补。软开关的主要作用是替代传统硬开关，既开关管(可控硅、mos管、igbt等)，因为硬开关在高频率下的工作容易烧坏，并且电能浪费严重。

软开关的是指零电压导通，零电流关断。即在电路中加入一些元器件，同时运用开关管驱动信号控制，制造出零电压或零电流状态，让开关管在这种状态下开通和关断，进而大幅度降低开关管的损耗。

现有的全桥逆***开关电路，全桥开关管所承受的最高电压接近输入电压的两倍，需要使用的高等级耐压开关管的成本较高；再是软开关电路中的控制开关管过电流为负载电感/变压器的一次侧电流与储能电容的电流之和，需要进一步降低电流的损耗；再是当负载超过设计所允许的最大电流时，储能电容的充电电压无法超过输入电压，使得软开关电路失效变为硬开关电路，而现有的全桥逆变开关电路中的过载保护，还不能实现不破坏软开关电路中的开关管的零电流关断。

一般大功率电源产品，是两级AC/DC变换电路，即PFC+DC/DC。将PFC和DC/DC的开关管及部分元件合并复用，称为单级AC/DC变换电路，大大降低成本。但因为没有合适的全桥软开关电路，硬开关单级AC/DC变换电路只能做小功率。

因此，亟需一种能够解决以上一种或多种问题的新型全桥逆变开关电路。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的一种或多种问题，本实用新型提供了一种新型全桥逆变开关电路。本实用新型为解决上述问题采用的技术方案是：一种新型全桥逆变开关电路，包括：全桥逆变基础电路；控制电路，所述控制电路设置有第一环路，所述第一环路至少包括第一控制开关管、第一控制二极管、第一电容；

能量回收电路，所述能量回收电路为非隔离式回收电路或隔离式回收电路，所述能量回收电路与第二控制开关管串联并记为能量控制电路，所述能量控制电路与所述控制电路并联；

所述能量控制电路和所述控制电路组合并记为软开关电路，所述软开关电路电连接在全桥逆变基础电路的前端或后端；

连接单元，所述连接单元为导线或连接电感，所述软开关电路通过所述连接单元与全桥逆变基础电路电连接；

驱动电路，所述驱动电路与所述软开关电路电连接，所述驱动电路用于控制所述软开关电路内的开关管；

所述软开关电路电连接在全桥逆变基础电路后端时，所述软开关电路通过辅助二极管与前端电连接，所述软开关电路电连接在全桥逆变基础电路前端时，所述软开关电路通过所述辅助二极管与后端电连接。

进一步地，所述隔离式回收电路设置有变压器，所述变压器的输入端设置有第二环路，所述第二环路至少包括所述变压器的输入绕组、第十一电容、第十一二极管，所述第十一电容并联有第十一电阻并记为第三环路，所述变压器的输出端设置有第四环路，所述第四环路至少包括所述变压器的输出绕组、第二十一二极管、第二十一电容，所述第四环路与负载或控制电源电连接；

在所述能量回收电路为所述隔离式回收电路时，所述第二控制开关管与所述第二环路串联。

进一步地，所述非隔离式回收电路设置有第一电感，所述第一电感与所述第二控制开关管串联，所述第一电感与第二二极管串联，所述第二控制开关管与所述第二二极管并联，所述第二控制开关管、所述第二二极管、第一电容组成第五环路。

进一步地，输入端可为交流输入，所述输入端中可电连接有LC低通滤波电路。

进一步地，所述输入端为三相交流输入，三个单相组成三相AC/DC变换电路。

进一步地，输入端可为三相输入，所述输入端中可电连接有三相LC低通滤波电路。

进一步地，三个单相输入通过电容互相并联。

进一步地，在所述能量回收电路为隔离式回收电路时，输入端可为三相交流输入，所述辅助二极管并联有辅助电容组成第六环路，所述第六环路与辅助电感串联，所述辅助电感与所述输入端电连接。

本实用新型取得的有益价值是：本实用新型通过将全桥逆变基础电路、控制电路、能量回收电路、驱动电路以及内部其他环路电连接在一起，实现了降低全桥开关管的耐压等级，进而降低成本，如：三相PFC输出800V时，耐压开关管可使用1200V等级的；软开关电路中的开关管的过电流为负载电感/变压器的一次侧电流，减少了储能电容输出的过电流，进而降低电流损耗；再是实现了过载也不会导致软开关电路中的控制开关的零电流关断功能被破坏；通过实现全桥开关管零电流、电压通断，使得在使用IGBT时也能够获得高频率，进而使得前端可使用两电平的PFC电路，以降低成本；相对现有全桥软开关而言，降低对输入电压变化的要求，本技术方案为无要求，进而降低前端电路的要求，软开关电路中的开关管能够在0到Vd(输入电压最大值)变化范围内正常工作。以上极大地提高了本实用新型的实用价值。

附图说明

图1为本发明的隔离式回收电路的应用原理图；

图2为本发明的非隔离式回收电路的应用原理图；

图3为本发明的三相输入和隔离式回收电路的应用原理图；

图4为本发明的三相PFC输入电路和隔离式回收电路的应用原理图；

图5为本发明的三相PFC输入电路和非隔离式回收电路的应用原理图；

图6为本发明的三相输入和非隔离式回收电路的应用原理图；

图7为图1中的原理图使用时的时序配合波形图。

【附图标记】

10···能量回收电路

20···连接单元。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加浅显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例限制。

如图1-图6所示，本实用新型公开了一种新型全桥逆变开关电路，包括：全桥逆变基础电路；控制电路，所述控制电路设置有第一环路，所述第一环路至少包括第一控制开关管V0、第一控制二极管D01、第一电容C0；

能量回收电路10，所述能量回收电路10为非隔离式回收电路或隔离式回收电路，所述能量回收电路10与第二控制开关管Q0串联并记为能量控制电路，所述能量控制电路与所述控制电路并联；

所述能量控制电路和所述控制电路组合并记为软开关电路，所述软开关电路电连接在全桥逆变基础电路的前端或后端；

连接单元20，所述连接单元20为导线或连接电感L0，所述软开关电路通过所述连接单元20与全桥逆变基础电路电连接；

驱动电路，所述驱动电路与所述软开关电路电连接，所述驱动电路用于控制所述软开关电路内的开关管，所述驱动电路控制6个开关管(时序配合)V0、Q0、V1、V2、V3、V4；

所述软开关电路电连接在全桥逆变基础电路后端时，所述软开关电路通过辅助二极管D与前端电连接，所述软开关电路电连接在全桥逆变基础电路前端时(图中未给出)，所述软开关电路通过所述辅助二极管D与后端电连接。

需要指出的是，全桥逆变基础电路为现有常规电路，其内可设置电感L或设置变压器B1连接到输出。

具体地，如图1所示，所述隔离式回收电路设置有变压器B2，所述变压器B2的输入端设置有第二环路，所述第二环路至少包括所述变压器的输入绕组1-2、第十一电容C11、第十一二极管D11，所述第十一电容C11并联有第十一电阻R11并记为第三环路，所述变压器的输出端设置有第四环路，所述第四环路至少包括所述变压器的输出绕组3-4、第二十一二极管D21、第二十一电容C21，所述第四环路与负载或控制电源电连接；

在所述能量回收电路10为所述隔离式回收电路时，所述第二控制开关管Q0与所述第二环路串联。

具体地，如图2所示，所述非隔离式回收电路设置有第一电感L01，所述第一电感L01与所述第二控制开关管Q0串联，所述第一电感L01与第二二极管D02串联，所述第二控制开关管Q0与所述第二二极管D02并联，所述第二控制开关管Q0、所述第二二极管D02、第一电容C01组成第五环路。

因为可以在输入电压(0～Vd)的范围内工作，本新型全桥逆变开关电路能实现大功率单级AC/DC变换。

具体地，如图3所示，在所述能量回收电路10为隔离式回收电路时，输入端可为交流输入，所述输入端连接有LC低通滤波电路(Lr-Cr)，在控制信号的配合之下，组成单级AC/DC变换电路，PFC与DC\DC合并；图3中L、C属于辅助元器件，目的是减缓负载变压器B1的一次侧电压、电流的上升和下降的速度，进而减小二次侧反射电压对PFC质量的影响，但L、C会增加开关管通断的应力，所以L、C的取值必须很小或直接去掉，这需要根据二次反射电压的影响情况而定。当输入端为三相交流输入时，可用三个图3电路并联组成单级三相AD/DC变换电路。

具体地，如图4、图5所示，所述能量回收电路10为隔离式或非隔离式回收电路，输入端可为三相电源，输入端电连接有三个LC低通滤波(Lr-Cr)，然后再与主体电路电连接，组成单级三相AC/DC变换电路，即三相单开关PFC和全桥DC/DC合并。

具体地，如图6所示，所述能量回收电路10为非隔离式回收电路时，输入端可为交流输入，输入端电连接有LC低通滤波电路(Lr-Cr)，然后再与主体电路电连接，在控制信号的配合之下，组成单级AC/DC电路，PFC与DC/DC合并；当输入端为三相交流输入时，可用三个图6电路并联组成三相AD/DC变换电路。

需要指出的是，如图3、图4所示，输入端可为三相交流输入，所述辅助二极管D并联有辅助电容C组成第六环路，所述第六环路与辅助电感L串联，所述辅助电感L与所述输入端电连接。

如图1所示，通过6个开关管V0、Q0、V1、V2、V3、V4的时序配合，让全桥交流方向进行切换，而V1、V2、V3、V4四个开关管的启闭都是在V0切断输入的情况下进行的，进而使得开关损耗为0；再是，由于V0也属于软开关通断，这进一步地降低了整个电路的开关损耗，进而可以选择更小的开关管。因此，虽然主电路增加了一个开关管，但是其成本还是相对硬开关的全桥电路要低，通过极低的开关损耗，可以让电路以更高的频率运行，进而可以减小磁芯尺寸和负载电感/变压器的匝数，节约成本。

如图1所示，V0开通时，由于V0～V4开关管有极间电容，其续流二极管有反向恢复电流，负载电感或变压器有分布电容。如果他们都比较大，V0开通的瞬间会有较大的直通电流，增加开关损耗。所以串接电感L0才能使V0零电压开通。而L0匝数很少，分布电容可以忽略不计。

如果开关管极间电容很小，续流二极管反向恢复瞬间超快，负载电感或变压器分布电容也小。则L0可以取很小的电感值，甚至可以去掉，这样可以降低V0关断时所承受的应力，视情况而定。因为V0开通时，负载电感或变压器的电流为零，它产生的阻碍电流突然增大的感应电动势等于Vd，使V0获得零电压导通。

如图1、图5所示，开关管V0导通后，Q0立即导通。由Q0和变压器B2等组成的反激式开关电源，将C0所储存的电量反馈给负载或控制电源。B2输出的能量，只跟C0的容量有关，跟V0的导通时间无关，稳压后可以单独作为某部分电路的供电电源。Q0导通后，C0通过B2的一次绕组和Q0放电，C0放完电关闭Q0。当开关管V0断开时，此时电容C0放完电，电压为零。所以开关管V0关断过程中，所承受的电流转移到对C0的充电，实现零电流关断。

还需指出的是，Q0也可以提前V0一点开通。也就是V0开通之前的几百微妙内开通Q0。这样B2能够吸收由于开关管极间电容、续流二极管反向电流、分布电容等等产生的直通电流，对V0的导通更有益。可以减小甚至取消L0。但这样会稍微减小了V0的PWM的占空比。虽然只有几百纳秒时间，但在频率很高，PWM周期很小的情况下，会有一定的影响。所以Q0是否提前V0导通，视情况而定。

工作过程中，主电路开关管V0～V4所承受的最高电压是Vd。V0的截止电压，等于Vd加上电感L0断电产生的电压。L0电感量远远小于负载电感，所以形成的电压不大，基本上可以认为V0的截止电压等于Vd。而流过V0的电流，等于负载电感或者变压器一次侧的电流。

输出功率由V0通断的PWM调整。全桥V1～V4的切换，这一次到下一次的时间t是固定的。当负载较大时，V0关断之后，几百个纳秒，负载线圈或变压器的能量就能全部释放，一次侧电流变为0，则全桥V1～V4可以进行零电流零电压切换，切换几百纳秒，完毕后V0就可以再次导通。当负载不大时，负载线圈或变压器的能量全部释放时间较长，但轻载时V0也会提早关闭，导通时间Ton较小，而关闭时间Toff较大，负载线圈或变压器有足够的时间释放能量。所以V0的导通时间Ton可以在0到(t-1uS)之间调整，就是全桥频率达到100K时，电路依然获得80％的较高的占空比。

在输入为三相380ACV的电源产品中，全桥电路的前端是三相PFC，三相PFC有两电平输出和三电平输出。两电平电压较高，无法使用综合性能最好的耐压650V以下的MOSFET，而用IBGT开关损耗较大，又无法得到较高的运行频率。为了后端全桥DC/DC能获得高频率，前端要采用三电PFC，但三电平PFC本身电路控制复杂，后端全桥DC\DC采用MOSFET关串联，控制也比较复杂，况且三电平的成本比两电平的高。而本技术方案的全桥软开关电路，全桥的四个开关管都是零电流零电压通断，用IGBT也能获得高频率，所以前端可以使用两电平PFC，降低成本。

结合图3、图6所示，本技术方案的全桥软开关电路可以在输入电压为0～Vd变化范围内工作，不会影响5个开关管的软开关。所以引入电网交流输入正弦电压的波形，跟反馈输出电压以及反馈输入平均电流一起，共同控制V0的PWM驱动，则还可以同时实现PFC的功能，让输入电流波形跟随电源电压的变化。即PFC和全桥DC/DC的合并，成为单级AC/DC变换电路，大大降低成本。

综上所述，本实用新型通过将全桥逆变基础电路、控制电路、能量回收电路、驱动电路以及内部其他环路电连接在一起，实现了降低全桥开关管的耐压等级，进而降低成本，如：三相PFC输出800V时，耐压开关管可使用1200V等级的；软开关电路中的开关管的过电流为负载电感/变压器的一次侧电流，减少了储能电容输出的过电流，进而降低电流损耗；再是实现了过载也不会导致软开关电路中的控制开关的零电流关断功能被破坏；通过实现全桥开关管零电流、电压通断，使得在使用IGBT时也能够获得高频率，进而使得前端可使用两电平的PFC电路，以降低成本；相对现有全桥软开关而言，降低对输入电压变化的要求，本技术方案为无要求，进而降低前端电路的要求，软开关电路中的开关管能够在0到Vd(输入电压最大值)变化范围内正常工作。以上极大地提高了本实用新型的实用价值。

以上所述的实施例仅表达了本实用新型的一种或多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本实用新型专利的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种新型全桥逆变开关电路，包括：全桥逆变基础电路，其特征在于，控制电路，所述控制电路设置有第一环路，所述第一环路至少包括第一控制开关管、第一控制二极管、第一电容；

能量回收电路，所述能量回收电路为非隔离式回收电路或隔离式回收电路，所述能量回收电路与第二控制开关管串联并记为能量控制电路，所述能量控制电路与所述控制电路并联；

所述能量控制电路和所述控制电路组合并记为软开关电路，所述软开关电路电连接在全桥逆变基础电路的前端或后端；

连接单元，所述连接单元为导线或连接电感，所述软开关电路通过所述连接单元与全桥逆变基础电路电连接；

驱动电路，所述驱动电路与所述软开关电路电连接，所述驱动电路用于控制所述软开关电路内的开关管；

所述软开关电路电连接在全桥逆变基础电路后端时，所述软开关电路通过辅助二极管与前端电连接，所述软开关电路电连接在全桥逆变基础电路前端时，所述软开关电路通过所述辅助二极管与后端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型全桥逆变开关电路，其特征在于，所述隔离式回收电路设置有变压器，所述变压器的输入端设置有第二环路，所述第二环路至少包括所述变压器的输入绕组、第十一电容、第十一二极管，所述第十一电容并联有第十一电阻并记为第三环路，所述变压器的输出端设置有第四环路，所述第四环路至少包括所述变压器的输出绕组、第二十一二极管、第二十一电容，所述第四环路与负载或控制电源电连接；

在所述能量回收电路为所述隔离式回收电路时，所述第二控制开关管与所述第二环路串联。

3.根据权利要求1所述的一种新型全桥逆变开关电路，其特征在于，所述非隔离式回收电路设置有第一电感，所述第一电感与所述第二控制开关管串联，所述第一电感与第二二极管串联，所述第二控制开关管与所述第二二极管并联，所述第二控制开关管、所述第二二极管、第一电容组成第五环路。

4.根据权利要求1所述的一种新型全桥逆变开关电路，其特征在于，输入端为交流输入，所述输入端中电连接有LC低通滤波电路。

5.根据权利要求4所述的一种新型全桥逆变开关电路，其特征在于，所述输入端为三相交流输入，三个单相组成三相AC/DC变换电路。

6.根据权利要求1所述的一种新型全桥逆变开关电路，其特征在于，输入端为三相输入，所述输入端中电连接有三相LC低通滤波电路。

7.根据权利要求6所述的一种新型全桥逆变开关电路，其特征在于，三个单相输入通过电容互相并联。

8.根据权利要求1所述的一种新型全桥逆变开关电路，其特征在于，在所述能量回收电路为隔离式回收电路时，输入端为三相交流输入，所述辅助二极管并联有辅助电容组成第六环路，所述第六环路与辅助电感串联，所述辅助电感与所述输入端电连接。

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