CN101145728A - 一种具有电压箝位功能的arcp软开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电压箝位功能的ARCP软开关电路，包括一端分别与直流电源正极和负极相连、另一端与滤波电路相连的第一主功率开关和第二主功率开关，以及由第三开关和谐振电感组成的串联支路，串联支路一端与直流电源零电位参考端相连，另一端与滤波电路的输入端相连；还包括一端分别与直流电源正极和负极相连、另一端与第三开关和谐振电感之间一点相连的第四箝位续流开关和第五箝位续流开关，用于在第三开关关断时，将所述串联支路中的多余能量导入电路回路中。本发明电路可消耗或吸收谐振电感中的多余能量，降低ARCP电路因谐振电感的寄生电容而造成的尖峰高压，提高电路可靠性及效率，同时具有成本低的优点。

Description

一种具有电压箝位功能的ARCP软开关电路

技术领域

本发明涉及一种软开关电路，具体的，涉及一种具有电压箝位功能的ARCP软开关电路。

背景技术

目前的软开关电路中有一种“电感+开关”串连形式的ARCP(auxiliaryresonant commutated pole)软开关电路因其硬件电路简单、控制易实现、效果好，得到很多开关电源行业人员青睐。其电路原理图如图1所示。此电路的主导思想是通过辅助开关SW3在谐振电感L2上产生一个与主路滤波电感L1电流I1方向相同的谐振电流I2，通过此电流可以实现主功率开关管SW1与SW2的软开关(ZVS)。

从电路工作原理分析可以看到，对于辅助开关管SW3而言，理论上只要保证SW3的开通时间足够长，就可完全实现辅助开关SW3的零电流关断，但在实际应用中，SW3并非理想开关器件，其两端存在寄生电容C4，对于绝大多数的电路拓扑来说，此寄生电容不会对电路造成很大的影响，通常可忽略，单对于ARCP这种“开关+电感”形式的电路而言，由于开关管与电感是串连的，电路中并没有任何泻放回路，此时该寄生电容就会造成非常大的负面作用，具体如下：谐振电感L2电流降到零后并不会保持零电流状态，而是会与寄生电容C4振荡，在谐振电路中产生振荡电流I3。这样在开关管SW3关断的瞬间在电感L2中会有P＝1/2*L2*(13)2的能量，而在原始电路中既没有提供消耗此部分能量的电路，也没有提供泻放通路，因此这部分能量会在SW3两端——即A点对N点之间产生非常高的SPIKE尖峰电压，理论上为无穷大，足以损坏开关管SW3，造成电路失效。

不仅仅因为存在寄生电容C4会导致以上问题：在电路输入电压、输出负载等参考量发生突变时，或者主开关管SW1、SW2驱动发生异常时，以及电路刚刚开始启动时都会出现以上问题。一旦发生以上所描述的问题，开关器件SW3就会被损坏，从而导致系统无法正常工作。图2所示为在实际开关电源中应用现有ARCP软开关电路时AN两点电压波形图。

在一般的电力电子电路中，这种开关管两端的尖峰电压问题非常普遍，但不同的是，对于其它电路来说，通常是由于变压器的漏感或线路上的寄生电感造成的，但无论是变压器的漏感还是线路上的寄生电感，其感值都非常小(通常为纳亨数量级)，所以通常简单的解决方式是在开关管两端并联RC或RCDsnubber电路来吸收，RC或RCD snubber因电路简单，成本低，效果好，在电力电子电路中被广泛的使用。但对于ARCP软开关电路拓扑来说，情况就完全不同：造成开关管两端尖峰电压的电感不是漏感或寄生电感，而是为实现软开关而使用的谐振电感L2，通常此电感感值为毫亨数量级(以单相30KVA/480V的半桥逆变电路来说，此谐振电感感值为10毫亨)，电感中储存的产生尖峰电压的能量P＝1/2*L2*(I3)2与电感感值成正比，由于ARCP电路中电感感值比通常电力电子电路中的漏感或寄生电感大了一个数量级(1000倍)，所以在相同电流下电感中的能量也相应大了1000倍，如果采用一般电路使用的RC或RCD snubber电路的话，其吸收电路电容与电阻要求功率也要相应增大1000倍左右，这就会使吸收电路体积非常大，而且由于RC和RCDsnubber吸收电路属于能量消耗型，即把P＝1/2*L2*(I3)2完全消耗掉，如果ARCP软开关电路也采用常用的消耗吸收的话，不但会造成体积过大，还会造成效率低下，使软开关电路完全失去了提高效率的使用价值，而且如果考虑电流13随功率增大而增大的话，很有可能出现采用ARCP电路后效率不升反降。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种具有电压箝位功能的ARCP软开关电路，其可以解决开关尖峰电压问题，同时可将辅助开关产生的多余能量反馈给电路。

本发明的技术方案是：一种具有电压箝位功能的ARCP软开关电路，包括一端分别与直流电源正极和负极相连、另一端与滤波电路相连的第一主功率开关和第二主功率开关，以及由第三开关和谐振电感组成的串联支路，所述串联支路一端与直流电源零电位参考端相连，另一端与滤波电路的输入端相连；还包括一端分别与直流电源正极和负极相连、另一端与第三开关和谐振电感之间一点相连的第四箝位续流开关和第五箝位续流开关，用于在第三开关关断时，将所述串联支路中的多余能量导入电路回路中。其中，所述直流源是指两端具有固定的直流电压的电容、电池或有源负载等。

其中，所述第四箝位续流开关和第五箝位续流开关为单向开关；第四箝位续流开关的负极与直流电源正极相连，其负极与第三开关和谐振电感之间一点相连；第五箝位续流开关的正极与直流电源负极相连，其正极与第三开关和谐振电感之间一点相连。所述第四箝位续流开关和第五箝位续流开关为下列开关管中的一种：二极管、稳压管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、场效应管(MOSFET)、晶闸管(SCR)或门极可关断晶闸管(GTO)。

本发明所述电路可进一步包括第六开关，串联连接在第三开关和谐振电感组成的串联支路中。

作为本发明的一种实施方式，所述第六开关可串联连接在第三开关和谐振电感之间，所述第四箝位续流开关的阳极和第五箝位续流开关的阴极与所述第三开关和第六开关的连接点相连。

作为本发明的一种实施方式，所述第六开关可串联连接在第三开关和谐振电感之间，所述第四箝位续流开关的阳极与所述第三开关和第六开关的连接点相连，所述第五箝位续流开关的阴极与第六开关和谐振电感的连接点相连。

作为本发明的另一种实施方式，所述第六开关可串联连接在第三开关和谐振电感之间，所述第四箝位续流开关的阳极和第五箝位续流开关的阴极与所述第六开关和谐振电感的连接点相连。

进一步的，所述滤波电路包括滤波电感和第三电容；所述滤波电感的一端与第一主功率开关和第二主功率开关的连接点相连，一端与第三电容的一端相连，同时作为滤波电路的输出端；所述第三电容的另一端接地。

进一步的，本发明电路还可包括第四电容和第五电容，分别连接在直流电源正极、直流电源负极与直流电源零电位参考端之间。

本发明的有益效果在于：通过在电路中增加两个开关管，吸收谐振电感中的多余能量，降低电路因谐振电感能量无吸收或泻放回路而造成的SPIKE尖峰高压，同时还把谐振电感中的剩余能量返回到电路中，提高电路可靠性及效率，同时具有成本低的优点，提高产品竞争力。

附图说明

图1是现有一种ARCP软开关电路的电路结构原理图。

图2是在实际开关电源中应用现有ARCP软开关电路时AN两点电压波形图。

图3是本发明一种具有电压箝位功能的ARCP软开关电路的电路结构原理图。

图4是本发明实施例一的电路结构原理图。

图5是本发明实施例一中在实际开关电源中应用本发明软开关电路时AN两点电压波形图。

图6是本发明实施例二的电路结构原理图。

图7是本发明实施例三的电路结构原理图。

图8是本发明实施例四的电路结构原理图。

具体实施方式

下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步阐述。

如图3示，本发明一种ARCP软开关电路主要包括第一电容C1、第二电容C2、第一主功率开关SW1、第二主功率开关SW2、辅助开关SW3、第四箝位续流开关SW4、第五箝位续流开关SW5、谐振电感L2和滤波电路。第一主功率开关SW1和第二主功率开关SW2的一端分别与直流电源正极和直流电源负极相连，另一端与滤波电路的输入端相连。辅助开关SW3和谐振电感L2串联连接后一端与直流电源零电位参考端N相连，另一端与滤波电路的输入端相连，其中，第四电容C4为辅助开关SW3的内部寄生电容。第四箝位续流开关SW4和第五箝位续流开关SW5的一端分别与直流电源正极和直流电源负极相连，另一端与辅助开关SW3和谐振电感L2的连接点相连。第一电容C1连接于直流电源正极与直流电源零电位参考端N之间。第二电容C2连接于直流电源负极与直流电源零电位参考端N之间。滤波电路包括滤波电感L1和第三电容C3。滤波电感L1的一端与第一主功率开关SW1和第二主功率开关SW2的连接点相连，一端与第三电容C3的一端相连，同时作为滤波电路的输出端，第三电容C3的另一端接地。

图3中，Ud表示直流电源的直流电压。+1/2Ud表示以N线为参考点的+1/2Ud直流电压。-1/2Ud表示以N线为参考点-1/2Ud直流电压。第一主功率开关SW1和第二主功率开关SW2可以是IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(场效应管)、SCR(晶闸管)或GTO(门极可关断晶闸管)等半导体器件。与第一主功率开关SW1和第二主功率开关SW2相并联的二极管和电容可以是第一主功率开关SW1和第二主功率开关SW2的内部寄生二极管和电容，也可以是外加的续流二极管和电容。辅助开关SW3和谐振电感L2是为实现第一主功率开关SW1和第二主功率开关SW2零电压开通(ZVS)所增加的开关器件和电感。辅助开关SW3可以是IGBT，MOSFET，GTO，SCR等半导体器件。第四箝位续流开关SW4和第五箝位续流开关SW5是为克服在谐振电感L2电流未到零的时候关断辅助开关SW3在A点造成的高电压而增加的。SW4和SW5可以是二极管、稳压管或IGBT、MOSFET、SCR、GTO等半导体开关管。

其中，I1是主功率输出电流，方向可以与表示方向相同或相反。I2是为实现SW1和SW2的软开关而额外引进的、与I1方向相同的谐振电流。I3和I4为分别通过开关SW4和SW5的单向谐振电流。

上述电路的工作原理是：通过在电路A点与直流电源正负极之间增加两路续流通路(第四箝位续流开关SW4和第五箝位续流开关SW5)，使得当辅助开关SW3在流过自身的电流未到零就关断的时候，其寄生电容C4上的剩余的部分电流会通过泻放通路SW4或SW5(视电流方向)导入到直流电源中，同时将电感中存贮的能量P＝1/2*L2*I32导入回电源，从而A点电位因续流电路的导通而被钳制在±1/2Ud，从根本上解决了此电路的致命弱点，使得本发明ARCP软开关电路更加稳定可靠地工作，提高整机效率。同时，辅助开关SW3因SPIKE尖峰电压的降低可以选择耐压等级更低的的器件，理论上只要比1/2Ud电压高即可，这样使产品在成本以及效率方面更具有竞争力。

实施例一：

如图4所示，本实施例中，第四箝位续流开关SW4和第五箝位续流开关SW5采用二极管，如图中D1和D2。

如图5所示，当本发明一种ARCP软开关电路在实际中应用到开关电源中时，当辅助开关SW3关断，或在电路输入电压、输出负载等参考量发生突变时，或者主开关管SW1、SW2驱动发生异常时，或电路刚刚开始启动时AN两点电压波形图。与图2相比较可知，SPIKE尖峰电压有了显著的降低。

实施例二：

如图6所示，本实施例与实施例一的区别在于还包括第六开关SW6，其串联连接在辅助开关SW3和谐振电感L2之间，第四箝位续流开关SW4的阳极和第五箝位续流开关SW5的阴极与辅助开关SW3和第六开关SW6的连接点相连。第六开关SW6可以是IGBT，MOSFET，GTO，SCR等半导体器件。其中，第六开关SW6与辅助开关SW3的工作完全同步。其工作原理与实施例一中电路相似。

实施例三：

如图7所示，本实施例与实施例二的区别在于：第五箝位续流开关SW5的阴极与谐振电感L2和第六开关SW6的连接点相连，其阳极与直流电源的负极相连。其中，第六开关SW6与辅助开关SW3的工作完全同步。其工作原理与图6所示电路相似。

实施例四：

如图8所示，本实施例与实施例一的区别在于：还包括第六开关SW6，其串联连接在辅助开关SW3和谐振电感L2之间，第四箝位续流开关SW4的阳极和第五箝位续流开关SW5的阴极与谐振电感L2和第六开关SW6的连接点相连。其中，第六开关SW6与辅助开关SW3的工作完全同步。其工作原理与图6所示电路相似。

Claims (9)

1.一种具有电压箝位功能的ARCP软开关电路，包括一端分别与直流电源正极和负极相连、另一端与滤波电路相连的第一主功率开关和第二主功率开关，以及由第三开关和谐振电感组成的串联支路，所述串联支路一端与直流电源零电位参考端相连，另一端与滤波电路的输入端相连；其特征在于：

还包括一端分别与直流电源正极和负极相连、另一端与第三开关和谐振电感之间一点相连的第四箝位续流开关和第五箝位续流开关，用于在第三开关关断时，将所述串联支路中的多余能量导入电路回路中。

2.根据权利要求1所述的ARCP软开关电路，其特征在于：所述第四箝位续流开关和第五箝位续流开关为单向开关；第四箝位续流开关的负极与直流电源正极相连，其负极与第三开关和谐振电感之间一点相连；第五箝位续流开关的正极与直流电源负极相连，其正极与第三开关和谐振电感之间一点相连。

3.根据权利要求2所述的ARCP软开关电路，其特征在于，所述第四箝位续流开关和第五箝位续流开关为下列开关管中的一种：二极管、稳压管、绝缘栅双极晶体管、场效应管、晶闸管或门极可关断晶闸管。

4.根据权利要求1或2或3所述的ARCP软开关电路，其特征在于：还包括第六开关，串联连接在第三开关和谐振电感组成的串联支路中。

5.根据权利要求4所述的ARCP软开关电路，其特征在于：所述第六开关串联连接在第三开关和谐振电感之间，所述第四箝位续流开关的阳极和第五箝位续流开关的阴极与所述第三开关和第六开关的连接点相连。

6.根据权利要求4所述的ARCP软开关电路，其特征在于：所述第六开关串联连接在第三开关和谐振电感之间，所述第四箝位续流开关的阳极与所述第三开关和第六开关的连接点相连，所述第五箝位续流开关的阴极与第六开关和谐振电感的连接点相连。

7.根据权利要求4所述的ARCP软开关电路，其特征在于：所述第六开关串联连接在第三开关和谐振电感之间，所述第四箝位续流开关的阳极和第五箝位续流开关的阴极与所述第六开关和谐振电感的连接点相连。

8.根据权利要求1所述的ARCP软开关电路，其特征在于：所述滤波电路包括滤波电感和第三电容；所述滤波电感的一端与第一主功率开关和第二主功率开关的连接点相连，一端与第三电容的一端相连，同时作为滤波电路的输出端；所述第三电容的另一端接地。

9.根据权利要求1所述的ARCP软开关电路，其特征在于：还包括第四电容和第五电容，分别连接在直流电源正极、直流电源负极与直流电源零电位参考端之间。

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