CN101267160A - 一种软开关电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种软开关电路，包括全桥电路，其与一个具有分压平衡点(C)的分压电路串联，并在其前桥中点(A)和后桥中点(B)之间连有串联谐振电路和变压器(T1)，其中，在所述变压器(T1)原边的中间抽头端(D)和所述分压电路的分压平衡点(C)之间连接有一个辅助限流电路(L1)。实施本发明所述的软开关电路，通过增加了一条从变压器到分压电路的分压平衡点的辅助通路，可简单方便地控制输出电压，损耗较小，且能在全工作范围实现软开关。

Description

一种软开关电路
技术领域
本发明涉及开关电路，更具体地说，涉及一种软开关电路。
背景技术
全桥软开关技术在大功率电力电子装置中得到广泛应用。目前全桥软开关电路主要包括全桥移相软开关和全桥串联谐振软开关，它们分别存在以下缺陷。现有的全桥移相软开关在轻载时可能无法实现软开关，损耗较大。现有的全桥串联谐振软开关(如图1所示)采用变频控制方式，通过改变开关频率的方法调节输出电压，控制方法比较复杂，而且在输出空载或短路时，开关必须工作在很高的开关频率，实现比较困难。
因此需要一种可简单方便地控制输出电压，损耗较小，且能在全工作范围实现软开关的电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可简单方便地控制输出电压，损耗较小，且能在全工作范围实现软开关的软开关电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种软开关电路，包括全桥电路，其与一个具有分压平衡点的分压电路串联，并在其前桥中点和后桥中点之间连有串联谐振电路和变压器，其中，在所述变压器原边的中间抽头端和所述分压电路的分压平衡点之间连接一个辅助限流电路，用于为所述全桥电路提供能量。
根据本发明所述的软开关电路，其中，所述辅助限流电路包括一个电感。
根据本发明所述的软开关电路，其中，所述辅助限流电路是LC电路，其进一步包括一个与所述电感相连的电容。
根据本发明所述的软开关电路，其中，所述辅助限流电路是LRC电路，其进一步包括一个与所述电感、电容相连的电阻。
根据本发明所述的软开关电路，其中，所述变压器原边的下端和后桥中点之间还连接有由第二谐振电容和第二谐振电感串联形成的第二串联谐振电路。
根据本发明所述的软开关电路，其中，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管分别是三电平组合这样可降低每个开关管的电压应力。
根据本发明所述的软开关电路，其中，所述全桥电路采用移相控制。
根据本发明所述的软开关电路，其中，还包括其正极和负极分别与第一开关管的输入端和输出端相连的第一二极管的，其正极和负极分别与第二开关管的输入端和输出端相连的第二二极管，其正极和负极分别与第三开关管的输入端和输出端相连的第三二极管，其正极和负极分别与第四开关管的输入端和输出端相连的第四二极管。
根据本发明所述的软开关电路，其中，所述分压电路的输入电压的正极和负极分别施加在所述第一开关管的输出端和第二开关管的输入端。
根据本发明所述的软开关电路，其中，所述第一谐振电路由第一谐振电容和第一谐振电感串联形成。
根据本发明所述的软开关电路，其中，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管分别与电容器并连以减少关断损耗。
根据本发明所述的软开关电路，其中，所述变压器的输出电路采用全桥整流。
根据本发明所述的软开关电路，其中，所述变压器的输出电路采用全波整流。
根据本发明所述的软开关电路，其中，所述变压器的原边并联电感。
根据本发明所述的软开关电路，其中，对所述变压器开气隙以调节磁电感。
根据本发明所述的软开关电路，其中，采用集成磁路的方法合成变压器和所述第一和第二谐振电感。
实施本发明所述的软开关电路，具有以下有益效果：
通过增加了一条从变压器到输入滤波电容中点的辅助通路，可采用移相的方法简单方便地控制输出电压，损耗较小，且能在全工作范围实现软开关。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是通用型全桥串联谐振软开关电路图；
图2是本发明的软开关电路的一个实施例的电路图；
图3是本发明的软开关电路的部分电量的波形图；
图4是第一开关管Q1与第四开关管Q4的移相角为0时，本发明的软开关电路的主要电量的波形图；
图5是当第一开关管Q1与第四开关管Q4移相角为180时，本发明的软开关电路的主要电量的波形图；
图6是第一开关管Q1与第三开关管Q3导通，第二开关管Q2与第四开关管Q4截止时图2的等效电路图。
图7是开关管的三电平组合的电路图。
具体实施方式
在本发明的软开关电路中，包括全桥电路，其与一个具有分压平衡点的分压电路串联，并在其前桥中点和后桥中点之间连有串联谐振电路和变压器，在所述变压器原边的中间抽头端和所述分压电路的分压平衡点之间连接有一个辅助限流电路。所述全桥电路包括由第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管连接而成的开关管电桥，其中，第二开关管和第四开关管的输入端相互连接，第二开关管的输出端与第一开关管的输入端相连，第一开关管和第三开关管的输出端相互连接，第三开关管的输入端与第四开关管的输出端相连；第一二极管的正极和负极分别与第一开关管的输入端和输出端相连，第二二极管的正极和负极分别与第二开关管的输入端和输出端相连，第三二极管的正极和负极分别与第三开关管的输入端和输出端相连，第四二极管的正极和负极分别与第四开关管的输入端和输出端相连；为了减少关断损耗，可在开关管的输出端和输入端并联电容。此处的第一、第二、第三和第四二极管通常可以是MOSFET本身的寄生二极管，也可以是外接的二极管。
在本发明的软开关电路的优选实施例中，图2中示出的所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4可采用三电平形式，此处的三电平形式是指由两只相同的开关管串联组成三电平形式，对这个电路则需要8只管子，其连接方式可参考图7。如图7A所示，开关管Q11的输入端与开关管Q12的输出端连接。寄生二极管d11的正极和负极分别与开关管Q11的输入端和输出端相连，寄生二极管d12的正极和负极分别与开关管Q12的输入端和输出端相连，寄生二极管d13的负极与开关管Q11的输入端以及开关管Q12的输出端相连，正极连入开关管电路。在图7B中，寄生二极管d13的正极与开关管Q11的输入端以及开关管Q12的输出端相连，负极连入开关管电路。
第一谐振电容Cr1和第一谐振电感Lr1串联后并联到第一开关管Q1的输入端和变压器T1原边的上端S。变压器T1原边的下端X连接到第四开关管Q4的输入端。分压电路的正极连接到第一变压器T1的输出端，负极连接到第二变压器Q2的输入端。在变压器T1的原边可并联电感，也可对变压器T1开气隙调节励磁电感，也可以将谐振电感和变压器T1采用集成磁路的方法合成，则电路等效为LLC谐振电路。变压器T1副边与输出电路相连，其中，用于为开关管电桥提供能量的辅助限流电感L1连接到所述变压器T1的原边的中间抽头端D和分压电路的分压平衡点C，所述分压平衡点的位置可根据第一串联谐振电路的谐振电容Cr1和谐振电感Lr2的值进行相应的调整，以能够实现开关管电桥的软开关为准。
在图2所示的本发明的软开关电路的优选实施例中，所述变压器T1的负极和第四开关管Q4的输出端之间还连接有由第二谐振电容Cr2和第二谐振电感Lr2串联组成的串联谐振电路。当第一开关管Q1与第四开关管Q4之间的移相角为0时，即第一开关管Q1与第四开关管Q4同时导通或截止，第二开关管Q2与第三开关管Q3同时导通或截止时，图2所示的软开关电路等效于图1所示的通用型全桥串联谐振软开关电路。当开关管Q1、Q2、Q3和Q4的开关频率大于由第一谐振电容Cr1和第一谐振电感Lr1串联形成的串联谐振电路的固有频率时，可以实现开关管电桥的软开关。采用图1中所示的通用型全桥电路，当调整输出电压时，只能通过改变开关管开关频率来实现。而采用本发明的软开关电路，当所需的输出电压发生改变时，可通过调节第一开关管Q1和第三开关管Q3间的移相角来实现。
图2中所示的分压电路为串联滤波电容C1和C2，辅助限流电感L1连接到所述变压器T1的原边的中间抽头端D和串联的滤波电容C1和C2的分压平衡点C，输入电压的正负极分别施加在滤波电容C1的正极和滤波电容C2的负极。在本发明的其他实施例中，所述分压电路也可以是蓄电池，所述辅助限流电路L1连接到所述变压器T1的原边的中间抽头端D和蓄电池的分压平衡点C之间。
如图2所示，由于增加了一条从变压器T1到输入滤波电容C1和C2中点的辅助通路，从而保证在移相控制时，在任何移相角度的情况下，辅助通路L1有足够的能量实现开关管的软开关。使用这种改进电路只需要简单的移相PWM控制(通过硬件IC或软件实现)就可以使电路在任意移相角
Figure A20081006685900081
(0-180度)实现软开关的工作。
图3是本发明的软开关电路的部分电量的波形图。如图3.1-4所示，保证第一开关管Q1和第二开关管Q2互补导通，第三开关管Q3和第四开关管Q4互补导通；并通过调节第一开关管Q1和第三开关管Q3间的移相角
Figure A20081006685900082
调节输出电压。图3.5-7示出了图2所示电路中AB点间的电压，CD点间的电压和Lr1、Lr2、L1的电流波形。当移相角为0度时，可以近似认为CD间的电压为0，因此这时图2完全等效于图1，可以按照通用型的软开关电路分析。当移相角
Figure A20081006685900083
为180时，即第一开关管Q1和第三开关管Q3同时导通或第一开关管Q1和第四开关管Q4同时导通。
图4是第一开关管Q1和第四开关管Q4的移相角为0时，本发明的软开关电路的部分电量的波形图。当第一开关管Q1和第四开关管Q4的移相角为0时，即第一开关管Q1和第四开关管Q4同时导通或截止，第二开关管Q2和第三开关管Q3同时导通或截止，如图4.1和4.2。此时电路完全等效为图1，AB两点间的电压波形和谐振电感Lr1的电流波形如图4.3。
图5是当第一开关管Q1和第四开关管Q4移相角为180时，本发明的软开关电路的部分电量的波形图。当第一开关管Q1和第四开关管Q4移相角为180时，则第一开关管Q1和第三开关管Q3同时导通，第二开关管Q2和第四开关管Q4同时导通，如图5.1、5.2。图5.3为UC-D的电压和辅助通路L1的电流波形。
图6是第一开关管Q1和第三开关管Q3导通，第二开关管Q2和第四开关管Q4截止时，图2的等效电路图。这种改进电路只需要简单的移相PWM控制就可以使电路在任意移相角(0-180度)实现软开关的工作。
在图2中示出的本发明的软开关电路的一个实施例中，所述辅助电流通路L1是电感。这是由于电感器电阻很大，可以控制通过辅助电流通路L1的电流并控制电路损耗，为开关管电桥提供软开关的能量。
在本发明的软开关电路的另一实施例中，所述辅助限流电路可以是LC电路。在本发明的软开关电路的又一实施例中，所述辅助限流电路可以是LRC电路。
在本发明的软开关电路中，变压器T1的副边的输出电路可以使用全桥整流，也可采用全波整流。
在图2中示出的本发明所述的软开关电路的优选实施例中，在变压器T1的下端X和第四开关管Q4的输出端之间还连接有由第二谐振电容Cr2和第二谐振电感Lr2串联组成的第二串联谐振电路。第一谐振电路和第二谐振电路更有利于开关管电桥的各开关管的协调工作，使得电路完全对称，更好地实现软开关，控制输出电压。
在本发明所述的软开关电路的简化实施例中，仅采用第一谐振电路，通过调节电路的电流电压，也能通过移向的方式实现软开关并控制输出电压。

Claims (10)

1、一种软开关电路，包括全桥电路，其与一个具有分压平衡点(C)的分压电路串联，并在其前桥中点(A)和后桥中点(B)之间连有串联谐振电路和变压器(T1)，其特征在于，在所述变压器(T1)原边的中间抽头端(D)和所述分压电路的分压平衡点(C)之间连接有一个辅助限流电路(L1)。
2、根据权利要求1所述的软开关电路，其特征在于，所述辅助限流电路(L1)包括一个电感。
3、根据权利要求2所述的软开关电路，其特征在于，所述辅助限流电路(L1)是LC电路，其进一步包括一个与所述电感相连的电容。
4、根据权利要求3所述的软开关电路，其特征在于，所述辅助限流电路(L1)是LRC电路，其进一步包括一个与所述电感、电容相连的电阻。
5、根据权利要求2至4中任一权利要求所述的软开关电路，其特征在于，所述变压器(T1)原边的下端(X)和后桥中点(B)之间还连接有由第二谐振电容(Cr2)和第二谐振电感(Lr2)串联形成的第二串联谐振电路。
6、根据权利要求5所述的软开关电路，其特征在于，所述第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)和第四开关管(Q4)分别是三电平组合。
7、根据权利要求5所述的软开关电路，其特征在于，所述全桥电路采取移相控制。
8、根据权利要求7所述的软开关电路，其特征在于，还包括其正极和负极分别与第一开关管(Q1)的输入端和输出端相连的第一二极管(d1)，其正极和负极分别与第二开关管(Q2)的输入端和输出端相连的第二二极管(d2)，其正极和负极分别与第三开关管(Q3)的输入端和输出端相连的第三二极管(d3)，其正极和负极分别与第四开关管(Q4)的输入端和输出端相连的第四二极管(d4)。
9、根据权利要求8所述的软开关电路，其特征在于，所述分压电路的输入电压的正极和负极分别施加在所述第一开关管(Q1)的输出端和第二开关管(Q2)的输入端。
10、根据权利要求9所述的软开关电路，其特征在于，所述变压器(T1)的输出电路采用全桥整流或全波整流。
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