CN102324856B - 一种基于mosfet的拼波功率调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于MOSFET的拼波功率调节装置，根据需要的功率，调节导通角α，使其在0-π范围内变化，即可实现输出电压在第二级电压与第一级电压范围内的连续调节，从而实现对用电设备所需要功率的调节。由于每组绝缘栅型电力场效应管均由一个正向绝缘栅型电力场效应管和一个反向绝缘栅型电力场效应管串联组成，在对每组绝缘栅型电力场效应管关断后，为一个反向串联的本征二极管构成的输出电路，不会导通形成回路，这样，克服了绝缘栅型电力场效应管本身的结构所致的在漏极和源极之间反向并联的本征二极管的影响，避免了两级次级同时输出引起短路的情况发生，就可以将MOSFET应用于拼波功率调节装置了。

Description

一种基于MOSFET的拼波功率调节装置

技术领域

本发明属于用电设备的功率调节技术领域，更为具体地讲，涉及到一种拼波功率调节装置。

背景技术

电力场效应管分为结型和绝缘栅型，通常主要是指绝缘栅型，简称MOSFET。具有驱动功率低、工作频率高、热稳定性好、通态阻抗小、体积小等特点，是一种应用于电力电子线路的功率型半导体器件。

MOSFET是一种电压控制型三端器件，其电气符号如图1所示，具有栅极G、漏极D和源极S，由栅源电压u_GS控制漏源之间的通断，工作在开关状态。当MOSFET栅极和源极之间施加一个高于阈值电压的正向电压u_GS时，漏极和源极导通，漏源电流I_DS从漏极指向源极；当栅源电压u_GS低于阈值电压时，漏极和源极截止。导通时，MOSFET的漏极和源极之间的导通电阻R_DS(on)为数毫欧量级，因此管耗很低；截止时，漏极和源极之间有一个低至数微安的泄漏电流I_DSS,可以认为MOSFET处于完全关断状态。

从上面的分析可知，MOSFET是一种全控型器件，可以通过改变施加在栅极和源极之间的电压来导通或者关断漏极和源极之间的大电压，使漏极和源极之间流过一个大电流，从而实现小电压对大电压、大电流的控制。

由于MOSFET本身的结构所致，在漏极和源极之间有一个反向并联的本征二极管，因此在漏极和源极之间施加反向电压时器件将导通，这种导通是不可控的。

功率调节装置是通过微控制电路控制加在用电设备两端的电压，对用电设备功率进行控制的装置。传统的通过交流电压调压进行功率调节的方式有抽波调压和斩波调压。

所谓抽波调压，如图2所示，按一定的比例对输入电压u_i的周波个数抽取，控制加载到用电设备两端电压完整周波的个数，实现功率的控制。这种调压方式的优点是输出电压u_o和电流I_o均为完整的正弦波，电网中不会产生谐波分量，功率因数较高，但是存在的一个问题是输出能量的不连续将导致负载，即用电设备的震荡，对于大功率的用电设备，这一点表现的尤为突出。

所谓斩波调压，如图3所示，是指通过控制开关器件的导通角度α切削正弦波，使其在一个周期内只有一部分能量加在负载，即用电设备两端。这种调压方式的优点是输出能量不会发生太大的波动，控制精度较高，但是存在的问题是，输出电压波形畸变严重，产生大量高次谐波分量，降低功率因数，电能利用率不高。

在2010年12月29日公布的、申请公布号为CN 101931236A、名称为“一种基于可控硅的功率调节装置”的发明专利申请公布了一种通过拼波方式调节电压对用电设备功率进行控制的装置。所谓拼波调压，如图4所示，通过控制可控硅的导通角度，在半个周期内分别控制同频同相、幅值不等的两级电压的导通和关断，将这两级电压叠加后产生一个新的波形施加在负载两端。这种调压方式兼有抽波调压和斩波调压的优点，输出能量连续，谐波分量小，控制精度好，功率因数高。但该功率调节装置基于可控硅对输出电压进行拼波，由于MOSFET本身的结构所致，在漏极和源极之间有一个反向并联的本征二极管，这样在漏极和源极之间施加反向电压时器件将导通，且这种导通是不可控的，因此不适用于MOSFET。

发明内容

本发明的目的在于利用MOSFET的良好电气性能，提供一种基于MOSFET的拼波功率调节装置。

为实现上述发明目的，本发明基于MOSFET的拼波功率调节装置，包括：

一台变压器，该变压器具有两个不同变比的第一级次级输出、第二级次级输出，变压器的初级接电网主回路，两个次级输出相位相同、电压不同的第一级电压和第二级电压，其中，第一级电压小于第二级电压；

其特征在于，还包括：

第一组、第二组绝缘栅型电力场效应管，分别接变压器的第一级、第二级次级输出；第一级、第二级次级输出分别经过第一组、第二组绝缘栅型电力场效应管后，输出给需要进行功率调节的用电设备；第一组、第二组绝缘栅型电力场效应管均由一个正向绝缘栅型电力场效应管和一个反向绝缘栅型电力场效应管串联组成，其中正向绝缘栅型电力场效应管是指漏极D到源极S与输出方向一致，反向绝缘栅型电力场效应管是指漏极D到源极S与输出方向相反；

一个控制器，控制器的相位捕获模块与变压器的次级输出连接，用于获得次级输出电压的相位；控制器根据用电设备需要的功率，0-π范围内调节导通角α，然后输出驱动信号给两组绝缘栅型电力场效应管，按照控制时序（1）、（2）控制其导通或关断：

（1）、当次级输出电压过零点后，第一组绝缘栅型电力场效应管导通，第二组绝缘栅型电力场效应管关断；

（2）、当次级输出电压位于导通角α处时，第一组绝缘栅型电力场效应管关断，第二组绝缘栅型电力场效应管导通；

控制器按照上述控制时序（1）、（2），周期性地控制两组绝缘栅型电力场效应管导通或关断，调节用电设备需要的功率；

在次级输出电压过零点处加入死区时间，将两组绝缘栅型电力场效应管全部关断；

所述的当次级输出电压位于导通角α处时，第一组绝缘栅型电力场效应管关断为：在次级输出电压位于导通角α前加入续流时间，在正半周期续流时间开始时，关断第一组绝缘栅型电力场效应管中的反向绝缘栅型电力场效应管，在负半周期续流时间开始时，关断第一组绝缘栅型电力场效应管中的正向绝缘栅型电力场效应管，从而第二组绝缘栅型电力场效应管导通时，在正半周期，依靠反向绝缘栅型电力场效应管的本征二极管箝断，在负半周期，依靠正向绝缘栅型电力场效应管的本征二极管箝断来将第一组绝缘栅型电力场效应管关断。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于MOSFET的拼波功率调节装置中，根据需要的功率，调节导通角α，使其在0-π范围内变化，即可实现输出电压在第二级电压与第一级电压范围内的连续调节，从而实现对用电设备所需要功率的调节。由于每组绝缘栅型电力场效应管均由一个正向绝缘栅型电力场效应管和一个反向绝缘栅型电力场效应管串联组成，在对每组绝缘栅型电力场效应管关断后，为一个反向串联的本征二极管构成的输出电路，不会导通形成回路，这样，克服了绝缘栅型电力场效应管本身的结构所致的在漏极和源极之间反向并联的本征二极管的影响，避免了两级次级同时输出引起短路的情况发生，就可以将MOSFET应用于拼波功率调节装置了。

附图说明

图1是绝缘栅型电力场效应管电原理图；

图2是抽波调压调节功率原理图；

图3是斩波调压调节功率原理图；

图4是拼波调压调节功率原理图；

图5是本发明基于MOSFET的拼波功率调节装置一种具体实施方式原理图；

图6是图5所示的基于MOSFET的拼波功率调节装置一具体控制策略下的拼波波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例1

图5是本发明基于MOSFET的拼波功率调节装置一种具体实施方式原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明基于MOSFET的拼波功率调节装置包括一台变压器T、两组绝缘栅型电力场效应管以及一个控制器。

变压器T具有两个不同变比的第一级次级输出S₁、第二级次级输出S₂，变压器T的初级接电网主回路V_s，两个次级输出S₁、S₂输出相位相同、电压不同的第一级电压u₁和第二级电压u₂，其中，第一级电压u₁小于第二级电压u₂；

第一组、第二组绝缘栅型电力场效应管，分别接变压器T的第一级、第二级次级输出S₁、S₂；第一级、第二级次级输出S₁、S₂分别经过第一组、第二组绝缘栅型电力场效应管后，输出给需要进行功率调节的用电设备R_load。

第一组、第二组绝缘栅型电力场效应管均由一个正向绝缘栅型电力场效应管和一个反向绝缘栅型电力场效应管串联组成，其中正向绝缘栅型电力场效应管是指漏极D到源极S与输出方向一致，反向绝缘栅型电力场效应管是指漏极D到源极S与输出方向相反。在本实施例中，第一组绝缘栅型电力场效应管为正向绝缘栅型电力场效应管Q₃和一个反向绝缘栅型电力场效应管Q₄串联组成；第二组绝缘栅型电力场效应管为正向绝缘栅型电力场效应管Q₁和一个反向绝缘栅型电力场效应管Q₂串联组成。

一个控制器，控制器的相位捕获模块与变压器T的次级输出S₂连接，用于获得次级输出电压的相位；控制器根据用电设备R_load需要的功率，0-π范围内调节导通角α，然后控制器的驱动模块输出驱动信号给两组绝缘栅型电力场效应管，控制其导通或关断：

（1）、当次级输出电压过零点后，第一组绝缘栅型电力场效应管，即导通正向绝缘栅型电力场效应管Q₃和反向绝缘栅型电力场效应管Q₄导通，第二组绝缘栅型电力场效应管，正向绝缘栅型电力场效应管Q₁和反向绝缘栅型电力场效应管Q₂关断；此时，用电设备R_load以第一级电压u₁进行供电；

（2）、当次级输出电压位于导通角α处时，即导通正向绝缘栅型电力场效应管Q₃和反向绝缘栅型电力场效应管Q₄关断，第二组绝缘栅型电力场效应管，正向绝缘栅型电力场效应管Q₁和反向绝缘栅型电力场效应管Q₂导通，此时，用电设备R_load以第二级电压u₂进行供电；

控制器按照上述控制时序，周期性地控制两组绝缘栅型电力场效应管导通、关闭，调节用电设备需要的功率。

如图1所示，根据需要的功率，调节导通角α，使其在0-π范围内变化，即可实现输出电压在第二级电压u₂与第一级电压u₁范围内的连续调节，从而实现对用电设备R_load所需要功率的调节。

如图1所示，由于每组绝缘栅型电力场效应管均由一个正向绝缘栅型电力场效应管和一个反向绝缘栅型电力场效应管串联组成，在对每组绝缘栅型电力场效应管关断后，为一个反向串联的本征二极管构成的输出电路，不会导通形成回路，这样，克服了绝缘栅型电力场效应管本身的结构所致的在漏极和源极之间反向并联的本征二极管的影响，避免了两级次级同时输出引起短路的情况发生，就可以将MOSFET应用于拼波功率调节装置了。

具体来讲，如图1所示，在输出电压由负向正过零后，第二组绝缘栅型电力场效应管，即正向绝缘栅型电力场效应管Q₁和反向绝缘栅型电力场效应管Q₂关断；此时，由于正向绝缘栅型电力场效应管Q₁反向并联的本征二极管处于反向电压而箝断，因此，第二级电压u₂不会输出。同时，在输出电压由正向负过零后，第二组绝缘栅型电力场效应管，即向绝缘栅型电力场效应管Q₁和反向绝缘栅型电力场效应管Q₂关断；此时，由于负向绝缘栅型电力场效应管Q₂反向并联的本征二极管处于反向电压而箝断，因此，第二级电压u₂也不会输出。

在导通角α处，在第一级次级输出电压向第二级次级输出电压换挡时，在正半周期，由于第一组绝缘栅型电力场效应管中反向绝缘栅型电力场效应管Q₄的并联本征二极管处于受到反向电压而箝断，从而使得在第二组绝缘栅型电力场效应管导通时，第一级次级电压输出而箝断；在负半周期，由于第一组绝缘栅型电力场效应管中正向绝缘栅型电力场效应管Q₃的并联本征二极管处于受到反向电压而箝位，从而使得在第二组绝缘栅型电力场效应管导通时，第一级次级电压输出而箝断。

这样就不会出现两级次级同时输出引起短路的情况发生，可以将MOSFET应用于拼波功率调节装置了。

在本实施例中，如图1所示，所述的控制器还包括微控制单元、数据采集单元，微控制单元完成三个任务：1、与上位机通信获取所需要的数据，这个数据是由上位机计算出来的用电设备R_load需要达到的功率，并完成人机界面的显示功能；2、数据采集单元负责采集用电设备R_load两端的电压和电流值，计算当前情况下用电设备R_load的阻值，并和从上位机通信所获取的数据一起，计算出导通角α；3、根据相位捕获模块捕获的相位信息，通过驱动模块控制两组绝缘栅型电力场效应管导通和关断，完成两级电压的拼波，即完成功率的控制。

在本实施例中，如图1所示，为了防止拼波过程中，第一、二级电压u₁、u₂换挡时发生共态导通，即两组绝缘栅型电力场效应管同时导通，在次级输出电压过零点处加入死区时间，将两组绝缘栅型电力场效应管全部关断；在次级输出电压位于导通角α前加入续流时间，在正半周期续流时间开始时，关断第一组绝缘栅型电力场效应管中的反向绝缘栅型电力场效应管Q₄，这样在关断反向绝缘栅型电力场效应管Q₄后，在续流时间内，可以依赖反向绝缘栅型电力场效应管Q₄的本征二极管维持第一级电压u₁的输出，在到达导通角α时，第二组绝缘栅型电力场效应管，即正向绝缘栅型电力场效应管Q₁和反向绝缘栅型电力场效应管Q₂导通，此时，由于第二级电压u₂大于第一级电压u₁，反向绝缘栅型电力场效应管Q₄的本征二极管受到反向电压而关断，即第一组绝缘栅型电力场效应管关断，正向绝缘栅型电力场效应管Q₃是否断开不影响第二级电压u₂的输出。同理，在负半周期续流时间开始时，关断第一组绝缘栅型电力场效应管中的正向绝缘栅型电力场效应管Q₃，这样在关断正向绝缘栅型电力场效应管Q₃后，在续流时间内，可以依赖正向绝缘栅型电力场效应管Q₃的本征二极管维持第一级电压u₁的输出，在到达导通角α时，第二组绝缘栅型电力场效应管，即正向绝缘栅型电力场效应管Q₁和反向绝缘栅型电力场效应管Q₂导通，此时，由于第二级电压u₂大于第一级电压u₁（此处只幅度值），此时电压为负值，正向绝缘栅型电力场效应管Q₃的本征二极管收到反向电压而关断，即第一组绝缘栅型电力场效应管关断，反向绝缘栅型电力场效应管Q₄是否断开不影响第二级电压u₂的输出。

图6是图5所示的基于MOSFET的拼波功率调节装置一具体控制策略下的拼波波形图。

表1给出了图5所示的基于MOSFET的拼波功率调节装置中，对两组绝缘栅型电力场效应管的控制过程。

t	Q1	Q2	Q3	Q4	功能
						0～t0	0	0	0	0	死区时间
t0～t1	0	0	1	1	正向第一级导通输出
						t1～t2	0	0	1	0	正向第一级续流输出
t2～t3	1	1	1	0	正向第二级导通输出
						t3～t4	1	0	0	0	正向第二级续流输出
t4～t5	0	0	0	0	死区时间
						t5～t6	0	0	1	1	负向第一级导通输出
t6～t7	0	0	0	1	负向第一级续流输出
						t7～t8	1	1	0	1	负向第二级导通输出
t8～t9	0	1	0	0	负向第二级续流输出
						t9～t10	0	0	0	0	死区时间

表1

表1中，0表示关断，1表示导通。

下面结合表1和图6，分析主回路的工作状态：

0～t0：绝缘栅型电力场效应管，即Q_1～4均关断，作为死区时间；

t0～t1：第一组绝缘栅型电力场效应管，即Q₃、Q₄导通。正半周变压器小电压档，即第一级次级输出导通，输出第一级电压u₁；

t1～t2：第一组绝缘栅型电力场效应管中的反向绝缘栅型电力场效应管，即Q₄关断，正向绝缘栅型电力场效应管，即Q₃仍处于导通状态和反向绝缘栅型电力场效应管Q₄的本征二极管一起继续为正半周第一级电压u₁提供输出回路，称为正向小波续流输出；

t2～t3：第二组绝缘栅型电力场效应管，即Q₁、Q₂导通。正半周变压器大电压档，即第二级次级输出导通，输出第二级电压u₂；第一组绝缘栅型电力场效应管中的反向绝缘栅型电力场效应管，即Q₄的本征二极管此时受到反向电压，因此，第一级电压u₁被自动钳断；

t3～t4：第二组绝缘栅型电力场效应管中的反向绝缘栅型电力场效应管Q₂、第一组绝缘栅型电力场效应管中的正向绝缘栅型电力场效应管Q₃关断；第二组绝缘栅型电力场效应管中的正向绝缘栅型电力场效应管，即Q₁仍处于导通状态和反向绝缘栅型电力场效应管Q₂的本征二极管一起继续提供正半周第二级电压u₁提供输出回路，称为正向大波续流输出；此时，如果Q₃、Q₄导通，反向绝缘栅型电力场效应管Q₂的本征二极管为受到反向电压而关断的，不会造成第一级次级和第二级次级同时导通；

t4～t5：绝缘栅型电力场效应管，即Q_1～4均关断，作为死区时间；

t5～t6：：第一组绝缘栅型电力场效应管，即Q₃、Q₄导通。负半周变压器小电压档，即第一级次级输出导通，输出第一级电压u₁；

t6～t7：第一组绝缘栅型电力场效应管中的正向绝缘栅型电力场效应管，即Q₃关断，反向绝缘栅型电力场效应管，即Q₄仍处于导通状态和正向绝缘栅型电力场效应管Q₃的本征二极管一起继续为负半周第一级电压u₁提供输出回路，称为负向小波续流输出；

t7～t8：第二组绝缘栅型电力场效应管，即Q₁、Q₂导通。负半周变压器大电压档，即第二级次级输出导通，输出第二级电压u₂；第一组绝缘栅型电力场效应管中的正向绝缘栅型电力场效应管，即Q₃的本征二极管此时受到反向电压，因此，第一级电压u₁被自动钳断；

t8～t9：第二组绝缘栅型电力场效应管中的正向绝缘栅型电力场效应管Q₁、第一组绝缘栅型电力场效应管中的反向绝缘栅型电力场效应管Q₄关断；第二组绝缘栅型电力场效应管中的反向绝缘栅型电力场效应管，即Q₂仍处于导通状态和正向绝缘栅型电力场效应管Q₁的本征二极管一起继续提供负半周第二级电压u₁提供输出回路，称为负向大波续流输出；此时，如果Q₃、Q₄导通，正向绝缘栅型电力场效应管Q₁的本征二极管为受到反向电压而关断的，不会造成第一级次级和第二级次级同时导通；

t9～t10：绝缘栅型电力场效应管，即Q_1～4均关断，作为死区时间。

在本实施例中，加入了正向、负向大波续流输出，在正半周期，第一组绝缘栅型电力场效应管导通前一定时间将第二组绝缘栅型电力场效应管中反向绝缘栅型电力场效应管Q₂关断，在负半周期，第一组绝缘栅型电力场效应管导通前一定时间将第二组绝缘栅型电力场效应管中正向绝缘栅型电力场效应管Q₁关断。这就避免第一、二级电压u₁、u₂换挡时发生共态导通，即两组绝缘栅型电力场效应管同时导通，其作用同死区时间相同，此时，可以去掉死区时间，即二选一或两种方式都采用。

对于实际的基于MOSFET的拼波功率调节装置，采用以下两种优化方案：

1、多支MOSFET并联使用，即将图5所示的单支MOSFET改为多支并联的MOSFET，以提高主回路的通流能力。多支MOSFET的并联使用，涉及电力电子器件的均流技术，在此不再赘述。

2、采用多级电压输出方式，可在保证较高功率因数的同时实现大动态范围电压的输出，提高控制精度。多级拼波方案可以分解为若干两级拼波的组合，其控制策略与两级拼波类似。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于MOSFET的拼波功率调节装置，包括：

一台变压器，该变压器具有两个不同变比的第一级次级输出、第二级次级输出，变压器的初级接电网主回路，两个次级输出相位相同、电压不同的第一级电压和第二级电压，其中，第一级电压小于第二级电压；

其特征在于，还包括：

第一组、第二组绝缘栅型电力场效应管，分别接变压器的第一级、第二级次级输出；第一级、第二级次级输出分别经过第一组、第二组绝缘栅型电力场效应管后，输出给需要进行功率调节的用电设备；第一组、第二组绝缘栅型电力场效应管均由一个正向绝缘栅型电力场效应管和一个反向绝缘栅型电力场效应管串联组成，其中正向绝缘栅型电力场效应管是指漏极D到源极S与输出方向一致，反向绝缘栅型电力场效应管是指漏极D到源极S与输出方向相反；

一个控制器，控制器的相位捕获模块与变压器的次级输出连接，用于获得次级输出电压的相位；控制器根据用电设备需要的功率，0-π范围内调节导通角α，然后输出驱动信号给两组绝缘栅型电力场效应管，按照控制时序（1）、（2）控制其导通或关断：

（1）、当次级输出电压过零点后，第一组绝缘栅型电力场效应管导通，第二组绝缘栅型电力场效应管关断；

（2）、当次级输出电压位于导通角α处时，第一组绝缘栅型电力场效应管关断，第二组绝缘栅型电力场效应管导通；

控制器按照上述控制时序（1）、（2），周期性地控制两组绝缘栅型电力场效应管导通或关断，调节用电设备需要的功率；

在次级输出电压过零点处加入死区时间，将两组绝缘栅型电力场效应管全部关断；

所述的当次级输出电压位于导通角α处时，第一组绝缘栅型电力场效应管关断为：在次级输出电压位于导通角α前加入续流时间，在正半周期续流时间开始时，关断第一组绝缘栅型电力场效应管中的反向绝缘栅型电力场效应管，在负半周期续流时间开始时，关断第一组绝缘栅型电力场效应管中的正向绝缘栅型电力场效应管，从而第二组绝缘栅型电力场效应管导通时，在正半周期，依靠反向绝缘栅型电力场效应管的本征二极管箝断，在负半周期，依靠正向绝缘栅型电力场效应管的本征二极管箝断来将第一组绝缘栅型电力场效应管关断。

2.根据权利要求1所述的基于MOSFET的拼波功率调节装置，其特征在于，在正半周期，第一组绝缘栅型电力场效应管导通前一定时间将第二组绝缘栅型电力场效应管中反向绝缘栅型电力场效应管关断，在负半周期，第一组绝缘栅型电力场效应管导通前一定时间将第二组绝缘栅型电力场效应管中正向绝缘栅型电力场效应管关断；

所述的当次级输出电压位于导通角α处时，第一组绝缘栅型电力场效应管关断为：在次级输出电压位于导通角α前加入续流时间，在正半周期续流时间开始时，关断第一组绝缘栅型电力场效应管中的反向绝缘栅型电力场效应管，在负半周期续流时间开始时，关断第一组绝缘栅型电力场效应管中的正向绝缘栅型电力场效应管，从而第二组绝缘栅型电力场效应管导通时，在正半周期，依靠反向绝缘栅型电力场效应管的本征二极管箝断，在负半周期，依靠正向绝缘栅型电力场效应管的本征二极管箝断来将第一组绝缘栅型电力场效应管关断。

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