CN102723851B - 一种桥臂电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种桥臂电路，包括：组成桥臂的第一开关器件和第二开关器件；所述第一开关器件与第二开关器件串联，所述第一开关器件和第二开关器件为反向恢复时间小于死区时间或小于移相角时间的开关器件。通过采用反向恢复性达到要求的开关器件，避免组成桥臂的两个开关器件在开和关的过程中出现同时导通的情况，从而提高桥臂电路可靠性。

Description

一种桥臂电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种桥臂电路。

背景技术

在电力电子常用拓扑中，如：图腾柱无桥(Totem-pole bridgeless，PFC)电路、半桥电路、全桥电路等电路中，两个开关器件串联组成一个桥臂。具有桥臂的电路统称为桥臂电路。

如图1所示的图腾柱无桥(Totem-pole bridgeless PFC)电路，包括：第一交流输入电源Vac1、第一交流电感Ls1、第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一输出电容Cb1和第一负载RL1；所述Q1和Q2组成桥臂电路。

如图2所示的半桥电路，包括：第一直流输入电源Vin1、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第一谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1、第二励磁电感Lm1和组成理想变压器1的第一原边绕组np1、第一副边绕组ns1、第二副边绕组ns2；所述Q3和Q4组成桥臂电路。

如图3所示的全桥电路，包括：第二直流输入电源Vin2、第五开关器件Q5、第六开关器件Q6、第七开关器件Q7、第八开关器件Q8、和组成理想变压器2的第二原边绕组np2、第三副边绕组ns3、第四副边绕组ns4；所述Q5和Q6组成一个桥臂电路；所述Q7和Q8组成另一个桥臂电路。

如图4A所示的交错并联图腾柱无桥电路，包括：第四交流输入电源Vac2、第二交流电感Ls2、第三交流电感Ls3、第十一开关器件Q11、第十二开关器件Q12、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、第二滤波电容Cb2，第二负载RL2；所述Q9和Q11组成一个桥臂电路，所述Q10和Q12组成另一个桥臂电路。

如4B所示的并联图腾柱无桥电路，包括：第三交流输入电源Vac3、第四交流电感Ls4、第五交流电感Ls5、第十六开关器件Q16、第十五开关器件Q15、第十三开关器件Q13、第十四开关器件Q14、第五整流二极管D5、第六整流二极管D6、第七整流二极管D7、第八整流二极管D8、第三滤波电容Cb3，第三负载RL3；所述Q13和Q15组成一个桥臂，所述Q14和Q16组成另一个桥臂。

为了保证桥臂电路的可靠性，同一桥臂的两个开关器件不能够同时导通。为了实现同一桥臂的两个开关器件不同时导通，一般控制发波来达到这一目的，具体地：图腾柱无桥电路和半桥电路的发波方式一般可以采用：对称发波、死区固定对称发波、互补发波等；全桥电路的发波方式则可以是：移相发波、对称发波、有限双极性发波等。

另外，在实际应用中，桥臂电路在电流断续模式(Current discontinuousmode，DCM)的工作状态运行，因为在电流连续模式(Curret continuous mode，CCM)工作状态下不稳定。另外，当桥臂电路的开关器件的开关频率高的情况下，桥臂电路工作状态也不稳定。因此目前的桥臂电路的可靠性差。

发明内容

本发明实施例要解决的技术问题是提供一种桥臂电路，提高桥臂电路可靠性。

一种桥臂电路，包括：组成桥臂的第一开关器件和第二开关器件；所述第一开关器件与第二开关器件串联，所述第一开关器件和第二开关器件为反向恢复时间小于死区时间或小于移相角时间的开关器件。

可选地，所述死区时间或移相角时间为100纳秒。

可选地，所述反向恢复时间小于死区时间或小于移相角时间的第一开关器件和第二开关器件为：氮化镓开关器件或者碳化硅开关器件。

一种图腾柱无桥电路，所述图腾柱无桥电路包含本发明实施例提供的任意一项的桥臂电路；所述图腾柱无桥电路包括：

第一交流输入电源Vac1、第一交流电感Ls1、第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一输出电容Cb1和第一负载RL1；所述Q1和Q2组成桥臂电路；

Vac1的第一端和Ls1的一端连接，Q1和Q2组成第一串联电路，D1和D2组成第二串联电路，Ls1的另一端与第一串联电路的中间点连接，Vac1的第二端与第二串联电路的中间点连接；第一串联电路、第二串联电路、Cb1、RL1并联。

一种半桥电路，所述半桥电路包含本发明实施例提供的任意一项的桥臂电路；所述半桥电路包括：

第一直流输入电源Vin1、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第一谐振电容Cr1、第一谐振电感Lr1、第一励磁电感Lm1和组成理想变压器1的第一原边绕组np1、第一副边绕组ns1、第二副边绕组ns2；所述Q3和Q4组成桥臂电路；

Q3、Q4串联组成第三串联回路，Vin1与第三串联回路并联；Cr1的第一端与第三串联回路的中点连接，Cr1的第二端与Lr1的第一端，Lr1的第二端与Lm1的第一端连接，np1和Lm1并联，Lm1的第二端与Vin1的负端连接。

一种全桥电路，所述全桥电路包含本发明实施例提供的任意一项的桥臂电路；所述全桥电路包括：

第二直流输入电源Vin2、第五开关器件Q5、第六开关器件Q6、第七开关器件Q7、第八开关器件Q8、和组成理想变压器2的第二原边绕组np2、第三副边绕组ns3、第四副边绕组ns4；所述Q5和Q6组成一个桥臂电路；所述Q7和Q8组成另一个桥臂电路；

Q5、Q6串联起组成第四串联回路，Q7、Q8串联在一起组成第五串联回路，Vin2与第四、五串联回路并联；第四串联回路的中点与np2的第一端连接，第五串联回路的中点与np2的第二端连接。

一种交错并联图腾柱无桥电路，所述交错并联图腾柱无桥电路包含本发明实施例提供的任意一项的桥臂电路；所述交错并联图腾柱无桥电路包括：

第二交流输入电源Vac2、第二交流电感Ls2、第三交流电感Ls3、第十一开关器件Q11、第十二开关器件Q12、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、第二滤波电容Cb2，第二负载RL2；所述Q9和Q11组成一个桥臂电路，所述Q10和Q12组成另一个桥臂电路；

Q9和Q11串联组成第六串联电路，Q10和Q12串联组成第七串联电路，D3和D4串联组成第八串联电路，第六串联电路、第七串联电路、第八串联电路、Cb2、RL2并联；Ls2、Ls3的第一端和Vac2的第一端连接，Ls2的第二端与第六串联电路的中点连接，Ls3的第二端与第七串联电路的中点连接，Vac2的第二端与第八串联电路的中点连接。

一种并联图腾柱无桥电路：所述并联图腾柱无桥电路包含本发明实施例提供的任意一项的桥臂电路；所述并联图腾柱无桥电路包括：

第三交流输入电源Vac3、第四交流电感Ls4、第五交流电感Ls5、第十六开关器件Q16、第十五开关器件Q15、第十三开关器件Q13、第十四开关器件Q14、第五整流二极管D5、第六整流二极管D6、第七整流二极管D7、第八整流二极管D8、第三滤波电容Cb3，第三负载RL3；所述Q13和Q15组成一个桥臂电路，所述Q14和Q16组成另一个桥臂电路；

Q13和Q15串联组成第九串联电路，D5和D6串联组成第十串联电路，Q14和Q16串联组成第十一串联电路，D7和D8串联组成第十二串联电路，第十二串联电路、第九串联电路、第十串联电路、第十一串联电路、Cb3、RL3并联；Ls4、Ls5的第一端和Vac3的第一端连接，Ls4的第二端与第九串联电路的中点连接，Ls5的第二端与第十一串联电路的中点连接，Vac3的第二端与第十串联电路和十二串联电路的中点连接。

上述技术方案具有如下有益效果：通过采用反向恢复性达到要求的开关器件，避免组成桥臂的两个开关器件在开和关的过程中出现同时导通的情况，从而提高桥臂电路可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例图腾柱无桥电路示意图；

图2为本发明实施例半桥电路示意图；

图3为本发明实施例全桥电路示意图；

图4A为本发明实施例交错并联图腾柱无桥示意图；

图4B为本发明实施例并联图腾柱无桥示意图；

图5A为本发明实施例对称发波方式示意图；

图5B为本发明实施例死区固定对称发波方式示意图；

图5C为本发明实施例互补发波方式示意图；

图6A为本发明实施例移相发波方式示意图；

图6B为本发明实施例对称发波方式示意图；

图6C为本发明实施例有限双极性发波方式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

发明人对桥臂电路不稳定的问题进行了研究，其中图1～3的图例可以分为两类，具体如下：

一、图腾柱无桥电路

图1为图腾柱无桥电路，其中的Q1、Q2使用反向恢复特性差的开关器件，输入电感(Ls)的电流连续时，会导致Q1、Q2短时直通导致装置损坏，所以图腾柱无桥电路现在一般工作在电流断续模式(Current discontinuous mode，DCM)，如果Q1、Q2使用反向恢复特性好或无反向恢复特性的开关器件，如：GaN(氮化镓)开关器件、SiC(碳化硅)开关器件，可以图腾柱无桥电路工作在CCM态，并可以使S1、S2的开关频率进一步提高至数百KHz，进一步提升了图腾柱无桥电路的性能。

图4A和图4B所示的交错并联图腾柱无桥电路以及并联图腾柱无桥电路，与图1的图腾柱无桥电路类似，在此不再赘述。

二、在桥式谐振电路

在图2所示的半桥电路中，Q1、Q2组成一串联电路，Q1为上管，Q2为下管。在图3所示的全桥电路中，Q1、Q2组成一串联电路，Q1为上管，Q2为下管，Q3、Q4组成一串联电路，Q4为上管，Q3为下管。在这些串联电路中，不可避免的会出现上管开通、下管处于反向恢复，或者下管开通、上管处于反向恢复的危险工作阶段，使用反向恢复特性差的开关器件时，在上述危险工作阶段时，由于反向恢复特性差的开关器件的反向恢复时间达不到小于等于100纳秒(ns)的级别，会造成装置的损坏。

因此，本发明实施例提出采用反向恢复特性好或无反向恢复特性的开关器件(如GaN、SiC)，应用在图腾柱无桥电路、半桥电路和全桥电路中，可以提高桥臂电路的可靠性。

可以理解的是：桥臂电路有很多，以上图1～3以及图4A、图4B仅作为桥臂电路的示例，由于发明人无法对桥臂电路进行穷举，因此以上示例不应理解为对本发明实施例的限定。

基于以上分析本发明实施例提供了一种桥臂电路，可以参阅图1～3以及图4A、图4B，包括：

组成桥臂的开关器件；

所述开关器件为：具有的反向恢复特性达到预定标准的开关器件。

更具体地，上述具有的反向恢复特性达到预定标准的开关器件可以为：反向恢复时间小于死区时间或小于移相角时间的开关器件。在后续实施例中将就此作更详细的说明。

可选地，所述开关器件为：反向恢复时间小于等于100纳秒的开关器件。需要说明的是，反向恢复时间小于死区时间或移相角时间就可以了，并不是必须小于等于100纳秒。

可选地，所述开关器件为：氮化镓开关器件或者碳化硅开关器件。

以上对开关器件的可选材料进行了举例，可以理解的是，只要达到开关器件的反向恢复时间小于死区时间或移相角时间就可以了，这些开关器件有很多可供选择，以上举例不是穷举，因此不应理解为对本发明实施例的限定。

可选地，所述桥臂电路为：图腾柱无桥电路、交错图腾柱电路、半桥电路、全桥电路中的任意一项。可以理解的是，其他用到桥臂的电路，也可以使用本发明实施例的方案，本发明实施例并不限定桥臂电路为以上四类桥臂电路。

如图1所示，本发明实施例提供了一种图腾柱无桥电路，所述图腾柱无桥电路本发明实施例提供的任意一项的桥臂电路；所述图腾柱无桥电路包括：

第一交流输入电源Vac1、第一交流电感Ls1、第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一输出电容Cb1和第一负载RL1；所述Q1和Q2组成桥臂；

Vac1的第一端和Ls1的一端连接，Q1和Q2组成第一串联电路，D1和D2组成第二串联电路，Ls1的另一端与第一串联电路的中间点连接，Vac1的第二端与第二串联电路的中间点连接；第一串联电路、第二串联电路、Cb1、RL1并联。

如图2所示，本发明实施例提供了一种交半桥电路，所述半桥电路包含本发明实施例提供的任意一项的桥臂电路；所述半桥电路包括：

第一直流输入电源Vin1、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第一谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1、第二励磁电感Lm1和组成理想变压器1的第一原边绕组np1、第一副边绕组ns1、第二副边绕组ns2；所述Q3和Q4组成桥臂；

Q3、Q4串联组成第三串联回路，Vin1与第三串联回路并联；Cr1的第一端与第三串联回路的中点连接，Cr1的第二端与Lr1的第一端连接，Lr1的第二端与Lm1的第一端连接，np1和Lm1并联，Lm1的第二端与Vin1的负端连接。

如图3所示，本发明实施例提供了一种全桥电路，所述全桥电路包含本发明实施例提供的任意一项的桥臂电路；所述全桥电路包括：

第二直流输入电源Vin2、第五开关器件Q5、第六开关器件Q6、第七开关器件Q7、第八开关器件Q8、和组成理想变压器2的第二原边绕组np2、第三副边绕组ns3、第四副边绕组ns4；所述Q5和Q6组成桥臂；

Q5、Q6串联起组成第四串联回路，Q7、Q8串联在一起组成第五串联回路，Vin2与第四、五串联回路并联；第四串联回路的中点与np2的第一端连接，第五串联回路的中点与np2的第二端连接。

如图4A所示，本发明实施例提供了一种交错并联图腾柱无桥电路，所述交错并联图腾柱无桥电路包含本发明实施例提供的任意一项的桥臂电路；所述交错并联图腾柱无桥电路包括：

第四交流输入电源Vac2、第二交流电感Ls2、第三交流电感Ls3、第十一开关器件Q11、第十二开关器件Q12、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、第二滤波电容Cb2，第二负载RL2；所述Q9和Q11组成一个桥臂，所述Q10和Q12组成另一个桥臂；

Q9和Q11串联组成第六串联电路，Q10和Q12串联组成第七串联电路，D3和D4串联组成第八串联电路，第六串联电路、第七串联电路、第八串联电路、Cb2、RL2并联；Ls2、Ls3的第一端和Vac2的第一端连接，Ls2的第二端与第六串联电路的中点连接，Ls3的第二端与第七串联电路的中点连接，Vac2的第二端与第八串联电路的中点连接。

如图4B所示，本发明实施例提供了一种并联图腾柱无桥电路：所述并联图腾柱无桥电路包含本发明实施例提供的任意一项的桥臂电路；所述并联图腾柱无桥电路包括：

第三交流输入电源Vac3、第四交流电感Ls4、第五交流电感Ls5、第十六开关器件Q16、第十五开关器件Q15、第十三开关器件Q13、第十四开关器件Q14、第五整流二极管D5、第六整流二极管D6、第七整流二极管D7、第八整流二极管D8、第三滤波电容Cb3，第三负载RL3；所述Q13和Q15组成一个桥臂，所述Q14和Q16组成另一个桥臂；

Q13和Q15串联组成第九串联电路，D5和D6串联组成第十串联电路，Q14和Q16串联组成第十一串联电路，D7和D8串联组成第十二串联电路，第十二串联电路、第九串联电路、第十串联电路、第十一串联电路、Cb3、RL3并联；Ls4、Ls5的第一端和Vac3的第一端连接，Ls4的第二端与第九串联电路的中点连接，Ls5的第二端与第十一串联电路的中点连接，Vac3的第二端与第十串联电路和十二串联电路的中点连接。

以下对死区时间或移相角时间进行说明：

请参阅图1、图2以及图4A、图4B，图腾柱无桥电路、半桥电路、交错并联图腾柱无桥电路以及并联图腾柱无桥电路的发波方式可以采用：对称发波、死区固定对称发波、互补发波。

如图5A～图5C依次为：对称发波、死区固定对称发波、互补发波，请参阅图5A～图5C中标注的死区时间。其中Q1和Q2表示组成一个桥臂的两个开关。

请参阅图3，全桥电路的发波方式则可以是：移相发波、对称发波、有限双极性发波等。

如图6A～图6C依次为：移相发波、对称发波、有限双极性发波，请参阅图6A～图6C中标注的死区时间或移相角时间。其中Q1和Q3组成一个桥臂，Q2Q4组成另一个桥臂。

本发明实施例，通过采用反向恢复性达到要求的开关器件，避免组成桥臂的两个开关器件在开和关的过程中出现同时闭合的情况，从而提高桥臂电路可靠性。

以上对本发明实施例所提供的一种桥臂电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种桥臂电路，包括：组成桥臂的第一开关器件和第二开关器件；所述第一开关器件与第二开关器件串联，其特征在于，

所述第一开关器件和第二开关器件为反向恢复时间小于死区时间或小于移相角时间的开关器件；所述死区时间或移相角时间为100纳秒。

2.根据权利要求1所述桥臂电路，其特征在于，

所述反向恢复时间小于死区时间或小于移相角时间的第一开关器件和第二开关器件为：氮化镓开关器件或者碳化硅开关器件。

3.一种图腾柱无桥电路，其特征在于，所述图腾柱无桥电路包含权利要求1或2所述的桥臂电路；所述图腾柱无桥电路包括：

第一交流输入电源Vac1、第一交流电感Ls1、第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一输出电容Cb1和第一负载RL1；所述Q1和Q2组成桥臂电路；

Vac1的第一端和Ls1的一端连接，Q1和Q2组成第一串联电路，D1和D2组成第二串联电路，Ls1的另一端与第一串联电路的中间点连接，Vac1的第二端与第二串联电路的中间点连接；第一串联电路、第二串联电路、Cb1、RL1并联。

4.一种半桥电路，其特征在于，所述半桥电路包含权利要求1或2所述的桥臂电路；所述半桥电路包括：

第一直流输入电源Vin1、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第一谐振电容Cr1、第一谐振电感Lr1、第一励磁电感Lm1和组成理想变压器1的第一原边绕组np1、第一副边绕组ns1、第二副边绕组ns2；所述Q3和Q4组成桥臂电路；

Q3、Q4串联组成第三串联回路，Vin1与第三串联回路并联；Cr1的第一端与第三串联回路的中点连接，Cr1的第二端与Lr1的第一端，Lr1的第二端与Lm1的第一端连接，np1和Lm1并联，Lm1的第二端与Vin1的负端连接。

5.一种全桥电路，其特征在于，所述全桥电路包含权利要求1或2所述的桥臂电路；所述全桥电路包括：

第二直流输入电源Vin2、第五开关器件Q5、第六开关器件Q6、第七开关器件Q7、第八开关器件Q8、和组成理想变压器2的第二原边绕组np2、第三副边绕组ns3、第四副边绕组ns4；所述Q5和Q6组成一个桥臂电路；所述Q7和Q8组成另一个桥臂电路；

Q5、Q6串联起组成第四串联回路，Q7、Q8串联在一起组成第五串联回路，Vin2与第四、五串联回路并联；第四串联回路的中点与np2的第一端连接，第五串联回路的中点与np2的第二端连接。

6.一种交错并联图腾柱无桥电路，其特征在于，所述交错并联图腾柱无桥电路包含权利要求1或2所述的桥臂电路；所述交错并联图腾柱无桥电路包括：

第二交流输入电源Vac2、第二交流电感Ls2、第三交流电感Ls3、第十一开关器件Q11、第十二开关器件Q12、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、第二滤波电容Cb2，第二负载RL2；所述Q9和Q11组成一个桥臂电路，所述Q10和Q12组成另一个桥臂电路；

Q9和Q11串联组成第六串联电路，Q10和Q12串联组成第七串联电路，D3和D4串联组成第八串联电路，第六串联电路、第七串联电路、第八串联电路、Cb2、RL2并联；Ls2、Ls3的第一端和Vac2的第一端连接，Ls2的第二端与第六串联电路的中点连接，Ls3的第二端与第七串联电路的中点连接，Vac2的第二端与第八串联电路的中点连接。

7.一种并联图腾柱无桥电路：其特征在于，所述并联图腾柱无桥电路包含权利要求1或2所述的桥臂电路；所述并联图腾柱无桥电路包括：

第三交流输入电源Vac3、第四交流电感Ls4、第五交流电感Ls5、第十六开关器件Q16、第十五开关器件Q15、第十三开关器件Q13、第十四开关器件Q14、第五整流二极管D5、第六整流二极管D6、第七整流二极管D7、第八整流二极管D8、第三滤波电容Cb3，第三负载RL3；所述Q13和Q15组成一个桥臂电路，所述Q14和Q16组成另一个桥臂电路；

Q13和Q15串联组成第九串联电路，D5和D6串联组成第十串联电路，Q14和Q16串联组成第十一串联电路，D7和D8串联组成第十二串联电路，第十二串联电路、第九串联电路、第十串联电路、第十一串联电路、Cb3、RL3并联；Ls4、Ls5的第一端和Vac3的第一端连接，Ls4的第二端与第九串联电路的中点连接，Ls5的第二端与第十一串联电路的中点连接，Vac3的第二端与第十串联电路和十二串联电路的中点连接。