CN101369771B

CN101369771B - 一种arcp软开关电路

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Publication number: CN101369771B
Application number: CN2007101407922A
Authority: CN
Inventors: 张春涛; 张晓飞; 肖学礼
Original assignee: Liebert Corp
Current assignee: Vertiv Corp
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2027-08-17
Also published as: CN101369771A

Abstract

本发明公开了一种ARCP软开关电路，包括依次级联的主功率半桥逆变电路和滤波电路，所述主功率半桥逆变电路包括依次串联的正负直流电源、第一主功率开关器件和第二主功率开关器件；所述滤波电路包括依次串联的滤波电感和滤波电容；在电源地和滤波电路之间还连接有相串联的辅助开关组和谐振电感，所述辅助开关组包括并联的单向第一辅助开关器件和第二辅助开关器件；所述谐振电感是软磁芯的谐振电感。本发明通过采用线性度较差即磁导率随直流偏移量变化较明显的软磁芯的谐振电感，使ARCP软开关电路零电压开通的范围扩大，使其对于任何输出电流都能够实现完全软开关，改进了ARCP软开关电路的工作特性、提高了整机的效率和可靠性。

Description

一种ARCP软开关电路

技术领域

本发明涉及开关电路，尤其是涉及一种ARCP软开关电路。

背景技术

目前开关电源发展趋势为：高频小型化，高功率密度，高效率，低成本。而传统的开关电路由于半导体器件处于硬开关工作状态，其损耗非常大，无法提高自身效率，从而使体积庞大，逐渐失去市场竞争力。由于受到半导体器件行业发展以及价格等方面因素的限制，软开关电路拓扑成为绝大多数开关电源厂商提高产品竞争力的选择，关于软开关电路方面的研究已非常多，其中名称为辅助谐振换流极(Auxiliary Resonant CommutatedPole，简称ARCP)的软开关电路，其电路简单，使用较为广泛，具体结构如图1所示。

图1中，+1/2U_d、-1/2U_d分别是以N点为参考点的直流电压；SW₁、SW₂是主功率开关器件；D₃、C₁是主功率开关器件SW₁内部寄生或外加的续流二极管和电容；D₄、C₂是主功率开关器件SW₂内部寄生或外加的续流二极管和电容；L₁、C₃为主功率输出滤波电感、电容；SW₃、SW₄是为了实现主功率开关器件SW₁、SW₂零电压开通所增加的单向辅助开关器件；L₂是为实现主功率开关器件SW₁、SW₂过零电压开通所增加的与SW₃、SW₄串连的谐振电感；I₁是主功率滤波电流，方向可以与图中表示方向相同或相反；I₂是为SW₁、SW₂实现软开关额外引进的与I₁方向相同的谐振电流；I₃、I₄分别为通过SW₁、SW₂的单向谐振电流；U_o是工频正弦波输出电压。

如图1所示，为降低主功率开关器件SW₁、SW₂的损耗，ARCP软开关电路设置了两个单向辅助开关器件SW₃、SW₄和谐振电感L₂，同时在主功率开关器件SW₁、SW₂两端分别并联相对其自身寄生电容较大的谐振电容C₁、C₂。通过控制辅助开关器件SW₃、SW₄的开通与关断，在谐振电感L₂上形成谐振电流I₂，通过谐振电感L₂与谐振电容C₃发生的谐振，实现主功率开关器件SW₁与SW₂零电压开通。同时，由于在主功率开关器件SW₁和SW₂两端并联容值相对自身寄生电容大得很多的谐振电容C₁和C₂，从而实现主功率开关器件的零电压关断。这样，ARCP软开关电路能够实现主功率开关器件SW₁、SW₂的零电压开通和零电压关断，从而大大降低了主功率器件的损耗。同时对于新增加的辅助开关器件SW₃、SW₄，由于与其串连的谐振电感L₂的存在，电流不会发生突变，从而实现零电流开通，通过合理地控制辅助开关器件SW₃、SW₄的开通和关断的时间，可以实现辅助开关器件SW₃、SW₄的零电流关断，这样对于新增加的辅助开关器件SW₃，SW₄而言，其工作状态属于零电流开通和零电流关断，其开关损耗非常小。

传统的ARCP软开关电路，正负直流电源±1/2U_d与主功率开关器件SW₁与SW₂组成主功率半桥逆变电路通过SW₁与SW₂不断开通与关断，在B点得到±1/2U_d的高频脉冲电压，通过主功率滤波电路L₁与C₃，在C₃两端得到设计需要的工频输出电压，同时在L₁上形成了主功率滤波电流I₁。这时，SW₁与SW₂属于传统硬开关电路，其损耗非常大。

为降低SW₁与SW₂的损耗，改进后的ARCP软开关电路增加了两个单相开关SW₃，SW₄和谐振电感L₂，同时在SW₁与SW₂两端并联相对其自身寄生电容较大的谐振电容。通过控制SW₃与SW₄的开通与关断，在谐振电感L₂上形成谐振电流I₂，其电流在方向上与I₁保持一致，通过谐振电感L₂与谐振电容C₂，C₃发生的谐振，实现开关器件SW₁与SW₂零电压开通；同时，由于在主功率开关器件SW₁和SW₂两端并联容值相对自身寄生电容大得多的谐振电容，从而实现开关器件的零电压关断；因此，ARCP软开关电路能够实现主功率开关器件SW₁、SW₂的零电压开通和零电压关断，从而大大降低了主功率管的损耗。同时对于新增加的谐振开关SW₃、SW₄，由于与其串连的谐振电感L₂的存在，电流不会发生突变，从而实现零电流开通，通过合理有效的控制方式，可以实现SW₃、SW₄的零电流关断，这样对于新增加的辅助开关器件SW₃、SW₄而言，其工作状态属于零电流开通和零电流关断，其开关损耗非常小。

上述分析表明，ARCP软开关拓扑不但实现了主功率开关器件SW₁与SW₂零电压开关，降低了其损耗，而且还实现了辅助管SW₃、SW₄的零电流开关，其开关损耗非常小，基本可以忽略其开关损耗。从而电路整体工作效率有非常明显的提高，整机损耗大大降低，其体积也可以明显缩小，从而提高产品整机竞争力。

但是，此电路存在明显的缺陷，就是主功率开关器件只能当主功率滤波电流I₁等于完全谐振电流值I_n，I_n＝[T_d-π×(2×L₂×C₁)^0.5]×U_d÷L₂时才能实现完全的零电压开通，当主功率滤波电流I₁大于或者小于I_n时，开关器件只能实现不完全零电压开通，具体分三种情况：

(1)I₁＜I_n 主开关器件实现“过谐振”；

(2)I₁＝I_n 主开关器件实现“完全谐振”；

(3)I₁＞I_n 主开关器件实现“欠谐振谐振”。

由于ARCP软开关电路的主功率开关器件实现软开通的条件为：L₂×I₁/U_d+π×(2×L₂×C₁)^0.5＝T_d，其中L₂是谐振电感的电感值；I₁是主功率滤波电流；U_d是直流输入电压；C₁是谐振电容容值；T_d是上下主功率驱动死区；等式中的L₂、U_d、C₁、T_d这四个参数对于一个固定的电路是无法改变的，唯一可变化的就是主功率滤波电流I₁，其电流值大小随输出负载和时间变化而不断变化。

因此，当I₁＝I_n时，上述公式成立，有L₂×I_n/U_d+π×(2×L₂×C₁)^0.5＝T_d，为完全谐振状态；当I₁＜I_n时，L₂×I₁/U_d+π×(2×L₂×C₁)^0.5＜T_d，为过谐振状态；当I₁＞I_n时，L₂×I₁/U_d+π×(2×L₂×C₁)^0.5＞T_d，为欠谐振状态。

如图2所示，I₁＝I_n完全谐振状态时，SW₁导通时刻对应两端电压U_c1＝0，无开通损耗；如图3所示，I₁＜I_n过谐振状态时，SW₁导通时刻对应两端电压U_c1＝U_x，开通损耗为：0.5×C₁×U_x ²×f_w；如图4所示，I₁＞I_n欠谐振状态时，SW₁导通时刻对应两端电压U_c1＝U_x，开通损耗0.5×C₁×U_x ²×f_w；其中，f_w为主功率开关器件驱动频率。

从以上分析可知，由于主功输出滤波电流I₁是正弦波，其电流值从零到最大值不断变化，线路参数一旦选定，由谐振电感感值、谐振电容、死区时间等参数所确定的特定电流I_n＝[T_d-π×(2×L₂×C₁)^0.5]×U_d÷L₂为定值，当不断变化的电流I₁＝I_n时，主功率开关管就可以实现完全谐振，当I₁＜I_n或I₁＞I_n时，主功率开关管对应过谐振和欠谐振，这两种状态开关损耗都非常大，即ARCP软开关电路只能针对某一个电流实现真正的零电压软开通，而当主功率滤波电流过大或过小的时候，都无法实现软开通，其开通损耗为0.5×C₁×U_x ²×f_w，由于并联的谐振电容C₁非常大，通常在几十纳法～几百纳法，而主功率开关器件驱动频率通常在几千赫兹～几十千赫兹范围内，U_x通常在100伏～400伏，因此，其对应开通损耗0.5×C₁×U_x ²×f_w相当大，甚至会超过采用硬开关器件的损耗，从而使得SW₁损耗加大，电路工作效率下降，整机体积变大，整机可靠性也会下降，这与采用ARCP软开关的初衷相矛盾。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是降低ARCP软开关电路中的主功率开关器件的开通损耗，提供一种低损耗的ARCP软开关电路。

为解决此技术问题，提出了一种ARCP软开关电路，包括级联的主功率半桥逆变电路和滤波电路，所述主功率半桥逆变电路包括依次串联的正负直流电源、第一主功率开关器件和第二主功率开关器件；所述滤波电路包括依次串联的滤波电感和滤波电容；在电源地和滤波电路之间还连接有相串联的辅助开关组和谐振电感，所述辅助开关组包括并联的单向第一辅助开关器件和单向第二辅助开关器件；所述谐振电感是软磁芯的谐振电感；所述磁芯为美国MAGNETIC公司生产的磁导率为125u或90u的铁硅铝磁粉芯，或美国MAGNETIC公司生产的磁导率为300u、200u、160u或125u的坡莫合金磁粉芯，或美国MAGNETIC公司生产的磁导率为300u、200u、160u或125u的高磁通密度磁粉芯，或日本ARNOLD公司生产的磁导率为125u或90u的铁硅铝磁粉芯，或日本ARNOLD公司生产的磁导率为350u、300u、250u、205u、200u、173u、160u、147u或125u系列的坡莫合金磁粉芯，或日本ARNOLD公司生产的的磁导率为160u、147u或125u的高磁通密度磁粉芯。

所述软磁芯为铁硅铝磁粉芯、坡莫合金磁粉芯或高磁通密度磁粉芯。

优选地，所述主功率开关器件为绝缘栅双极晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，简称IGBT)、金属氧化物半导体场效应管(MetalOxideSemicoductor Field Effect Transistor，简称MOSFET)、门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor，简称GTO)或可控硅整流器(Silicon ConrolledRectifier，简称SCR)。

优选地，所述辅助开关器件为IGBT、MOSFET、GTO或SCR。

本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明通过选用线性度较差即磁导率随电流直流偏移量变化比较明显的软磁芯的谐振电感，使得主开关管发生谐振时的主功率滤波电流可以不断变化(谐振电感采用硬磁芯时，主开关管发生谐振时主功率滤波电流的值是固定值)，原来无法变化的谐振电感值会随着主功率滤波电流的不断变化而变化，可以实现无论主功率滤波电流为何值，都会有相对应的谐振电感值，使主开关管时时刻刻实现完全谐振，消除了过谐振和欠谐振两种工作状态，因此ARCP软开关电路零电压开通范围扩大了，其对于任何输出电流值都能够实现完全软开关，从而降低了损耗，提高了效率。

附图说明

图1是本发明具体实施方式ARCP软开关电路结构示意图；

图2是图1电路完全谐振状态时特性曲线图；

图3是图1电路过谐振状态时特性曲线图；

图4是图1电路欠谐振状态时特性曲线图；

图5是Magnetic公司出品的磁芯的磁特性曲线图；

图6是图1电路采用磁导率为26μ的硬磁芯的电路特性示意图；

图7是图1电路采用磁导率为125μ的软磁芯的电路特性示意图。

具体实施方式

如图1所示，+1/2U_d、-1/2U_d分别是以N线为参考点的直流电压；SW₁、SW₂是主功率开关管；D₃、C₁是主功率开关管SW1内部寄生或外加的续流二极管和电容；D₄、C₂是主功率开关管SW2内部寄生或外加的续流二极管和电容；L₁、C₃为主功率输出滤波电感、电容；SW₃、SW₄是为了实现主功率开关管SW₁、SW₂零电压开通所增加的单向辅助开关管；L₂是为实现主功率开关管SW₁、SW₂过零电压开通所增加的与SW₃、SW₄串连的谐振电感；I₁是主功率滤波电流，方向可以与图中表示方向相同或相反；I₂是为SW₁、SW₂实现软开关额外引进的与I₁方向相同的谐振电流；I₃、I₄分别为通过SW₁、SW₂的单向谐振电流；U_o是工频正弦波输出电压。

为降低SW₁与SW₂的损耗，ARCP软开关电路增加了两个单相辅助开关管SW₃，SW₄和谐振电感L₂；在SW₁与SW₂两端并联相对其自身寄生电容大得多的谐振电容C₁和C₂，还包括分别与C₁和C₂相并联的续流二极管D₃和D₄。所述谐振电感L₂为磁导率为125μ的铁硅铝磁粉芯。

性能检测：以美国Magnetic公司出品的磁芯为例，其磁芯特性曲线如图5所示，所述图的横坐标是奥斯特，纵坐标为比值(0～1)，图中26μ对应的磁芯是硬磁芯，125μ对应的磁芯是软磁芯。利用软磁芯的特点：当电流I₁较大时，电感感值L₂会下降，而当电流I₁较小时，电感感值L₂会上升，从而保持公式L₂×I₁/U_d+π×(2×L₂×C₁)^0.5＝T_d中L₂×I₁保持定值，也就是利用电感值L₂的变化来弥补I₁的变化，从而保证对于任何电流I₁都有关系式L₂×I₁/U_d+π×(2×L₂×C₁)^0.5＝T_d成立，所以对于任何大小的电流I₁，开关管SW₁都能够实现零电压开通，都没有开通损耗，即使得：0.5×C₁×U_x ²×f_w中的U_x时刻为零。从而实现了大范围的软开关，降低了开关管SW₁的开通损耗，提高了电路工作效率以及可靠性。

表1为120KVA三进三出不间断电源(Uninterruptible Power System，简称UPS)分别采用硬磁芯和软磁芯时整机效率的比较表，其中的硬磁芯和软磁芯分别采用美国Magnetic公司出品的磁导率为26μ和125μ的铁硅铝磁粉芯：

表1

从上述数据可以看到，由于采用了软磁芯，消除了开关管的开通损耗，扩大了软开关范围，从而提高整机效率，使得ARCP软开关电路工作趋于完美，电路与整机可靠性大大提高，尤其是在整机效率方面，使得机器在市场中更有竞争力。

ARCP软开关电路的磁芯分别使用美国Magnetic公司出品的磁导率为26μ、125μ的铁硅铝磁粉芯，其特性曲线如图6和图7所示。其中曲线A₁和A₂分别为主功率滤波电流I₁；B₁和B₂分别为谐振电流I₂；曲线C₁和C₂分别对应主功率开关管SW₁的驱动信号波形，对于IGBT来说，是栅极与发射极之间的电压V_ge；对于MOSFET来说，是栅极与源极之间的电压V_gs；曲线D₁和D₂分别对应主功率开关管SW₁两端电压波形。对比图6和图7可知：采用磁导率为26μ的硬磁芯时，SW₁两端的电压在电流较小时，存在严重过谐振，电压明显上翘，最大值甚至可达到300V，参见图6中画圈的部分，0.5×C₁×U_x ²×f_w中的U_x较大，所以SW₁存在较大的开通损耗；相同条件下，采用125μ的磁芯时，SW₁两端的电压在电流较小时，可以实现完全谐振，导通压降为零，参见图7中画圈的部分，即0.5×C₁×U_x ²×f_w中的U_x＝0，从而SW₁无开通损耗。

磁芯，即谐振电感L₂除了可以使用前面提到的磁导率为125μ的铁硅铝粉芯以外，还可以选用其它的软磁材料，同样可以取得无开通损耗的效果，比如，还可以使用以下所述软磁材料之一：

1)美国MAGNETIC公司生产的磁导率为125u和90u的铁硅铝磁粉芯；

2)美国MAGNETIC公司生产的磁导率为300u、200u、160u、125u的坡莫合金磁粉芯；

3)美国MAGNETIC公司生产的磁导率为300u、200u、160u、125u的高磁通密度磁粉芯；

4)日本ARNOLD公司生产的磁导率为125u和90u的铁硅铝磁粉芯；

5)日本ARNOLD公司生产的磁导率为350u、300u、250u、205u、200u、173u、160u、147u、125u系列的坡莫合金磁粉芯；

6)日本ARNOLD公司生产的的磁导率为160u、147u、125u的高磁通密度磁粉芯。

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的保护范围。

Claims

1.一种ARCP软开关电路，包括级联的主功率半桥逆变电路和滤波电路，所述主功率半桥逆变电路包括依次串联的正负直流电源、第一主功率开关器件和第二主功率开关器件；所述滤波电路包括依次串联的滤波电感和滤波电容；在电源地和滤波电路之间还连接有相串联的辅助开关组和谐振电感，所述辅助开关组包括相并联的单向第一辅助开关器件和第二辅助开关器件；其特征是：所述谐振电感是软磁芯的谐振电感；所述磁芯为美国MAGNETIC公司生产的磁导率为125u或90u的铁硅铝磁粉芯，或美国MAGNETIC公司生产的磁导率为300u、200u、160u或125u的坡莫合金磁粉芯，或美国MAGNETIC公司生产的磁导率为300u、200u、160u或125u的高磁通密度磁粉芯，或日本ARNOLD公司生产的磁导率为125u或90u的铁硅铝磁粉芯，或日本ARNOLD公司生产的磁导率为350u、300u、250u、205u、200u、173u、160u、147u或125u系列的坡莫合金磁粉芯，或日本ARNOLD公司生产的磁导率为160u、147u或125u的高磁通密度磁粉芯。

2.根据权利要求1所述的ARCP软开关电路，其特征是：所述软磁芯为铁硅铝磁粉芯。

3.根据权利要求1所述的ARCP软开关电路，其特征是：所述软磁芯为坡莫合金磁粉芯。

4.根据权利要求1所述的ARCP软开关电路，其特征是：所述软磁芯为高磁通密度磁粉芯。

5.根据权利要求1至4中任一所述的ARCP软开关电路，其特征是：所述第一主功率开关器件与第二主功率开关器件为IGBT、MOSFET、GTO或SCR。

6.根据权利要求1至4中任一所述的ARCP软开关电路，其特征是：所述第一辅助开关器件与第二辅助开关器件为IGBT、MOSFET、GTO或SCR。

7.根据权利要求5所述的ARCP软开关电路，其特征是：所述第一辅助开关器件与第二辅助开关器件为IGBT、MOSFET、GTO或SCR。