CN104578721B - 过零软关断控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过零软关断控制电路，用于功率电子技术领域，该电路包括电流互感器、整流电路、取样电路、基准电压源、比较电路和过零关断电路，电流互感器接入整流电路的输入端，整流电路整流后的电流信号接入取样电路，取样电路和基准电压源的输出信号同时接入比较电路的输入端，比较电路的输出端连接过零关断电路。本发明主要应用于串联谐振式开关电源中，以达到在谐振频率变化，引起第一个过零点在开关时序上移动时，通过可靠过零检测与数字处理电路，得到一个关断脉冲，用其对开关管进行关断很好的解决了因谐振频率动态变化而造成开关处于硬关断状态的问题，使得串联谐振中开关管始终保持软关断状态。

Description

过零软关断控制电路

技术领域

本发明涉及用于功率电子技术领域，具体涉及一种过零软关断控制电路，特别适用于串联谐振式开关电源中过零软关断控制。

背景技术

随着开关电源技术的不断更新与快速发展，以及大功率半导体器件的小型化与高频化、高可靠性化，高频开关电源已涉透到多行多业，串联谐振式开关电源也因其自身谐振过零特性，开关工作于过零软关断状态，同时因其具有很好的恒流特性，而被广泛用于充电电源中，同时也是高压静电除尘电源的发展趋势。

然而，串联谐振过零状态怎么与开关关断同步却是一个疑难问题，因为谐振频率并不是固定保持不变的，而是受负载变化较大、温升、变压器分布电容等因素的影响，谐振频率不是一个定值，而是在一定范围内呈动态变化，使得开关管处于硬开关状态，进而形成较大尖峰电压电流，形成强电磁干扰，这样会使电源无法工作，甚至元器件爆毁。对于此情况通常做法是：一、提高电路控制精度，利用标准负载调试时尽力使开关管处于谐振过零软关断状态；二、对开关元件尽量选用高耐压大电流器件，同时增加突波吸收电路；三、在控制电路增加有源戓无源滤波电路，以提高抗干扰能力。这些做法在负载相对较稳的充电电源尚可利用，但对负载很容易打火(形成很高的dv/dt与di/dt)的高压静电除尘电源，很难满足要求，即使能使用，其对电网EMI干扰与强电磁辐射也是很难得到相关认证。

发明内容

本发明为了解决现有技术的不足，克服因谐振频率动态变化而造成开关处于硬关断状态的问题，本发明提供一种过零软关断控制电路，该电路主要应用于串联谐振式开关电源中，以达到在谐振频率变化，引起第一个过零点在开关时序上移动时，通过可靠过零检测与数字处理电路，得到一个关断脉冲，用其对开关管进行关断很好的解决了因谐振频率动态变化而造成开关处于硬关断状态的问题，使得串联谐振中开关管始终保持软关断状态。

本发明的技术方案是：一种过零软关断控制电路，所述的过零软关断控制电路包括电流互感器、整流电路、取样电路、基准电压源、比较电路和过零关断电路，电流互感器接入整流电路的输入端，整流电路整流后的电流信号接入取样电路，取样电路和基准电压源的输出信号同时接入比较电路的输入端，比较电路的输出端连接过零关断电路

所述的整流电路为电流型桥式整流电路，电流型桥式整流电路由四个二极管连接构成，整流电路的正负极之间并联接入取样电路，整流电路的正极并联取样电路的一端作为电路信号的输出端，整流电路的负极并联取样电路的另一端接入公共地。

所述的比较电路包括集成运算放大器N1，电阻R7与电容C5，电阻R7与电容C5并联连接后，并联的一端接入电源，并联的另一端接入集成运算放大器N1输出极，集成运算放大器N1的输入负极接入取样电路的输出信号，集成运算放大器N1地输入正极接入基准电压源的输出信号。

所述的基准电压源包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C2、精密稳压器N2，电阻R2的一端与电源连接，电阻R2的另一端与精密稳压器N2的第三引脚连接，精密稳压器N2的第二引脚与第三引脚短接，精密稳压器N2的第一引脚接入公共地，电阻R3的一端接入精密稳压器N2的第三脚，电阻R3的另一端与电阻R4的一端、以及电容C4的正极相连接后作为输出信号再接入比较电路的输入端，电阻R4的另一端与电容C4的负极相连接后接入公共地。

所述的过零关断电路包括两组相同的驱动电路A和驱动电路B，其相序可以组合，以满足不同相序下，同步工作。所述的驱动电路A是由多个电阻、多个电容、多个二极管和多个与门组成的，进行第一个谐振过零点识别和形成关断脉冲。所述的驱动电路A中的电阻R5、二极管V5、电容C3构成前沿延时网络电路，电阻R5和二极管V5并联，二极管V5的正极连接电容C3的一端，二极管V5的负极接入驱动电路的驱动信号。所述的驱动电路A中的电阻R8、二极管V7、电容C6构成后沿延时网络电路，电阻R8和二极管V7并联连接，二极管V7得正极接入输入信号，二极管V7的负极接入电容C6。

本发明有如下积极效果：1)、本发明使得谐振开关管不受环境温度、负载变化、变压器寄生电容等因素影响造成谐振频率变化处于硬开关状态，而一直保持谐振过零软关断状态，同时结合串联谐振固有开关管零电流开通特性，从而实现串联谐振开关管完整零电流开关(ZCS Zero Current Switching)。2)、本发明用于高压静电除尘电源中时，使得电源效率达90％以上，相对采用工频50Hz可控硅相控高压静电除尘电源的50％以下效率，效率提高了40％以上。3)、本实用新型电路简单可靠，与开关驱动波形完全同步，不存数字控制上响应时间滞后问题。4)、本实用新型因串联谐振开关管完整ZCS，大幅降低了开关损耗，降低了电磁辐射，减少了开关电源对电网的干挠，同时减少了电源金属材料与磁性材料使用量，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明串联谐振过零软关断控制设计电路图；

图2是本发明串联谐振过零软关断控制电路原理框图；

图3是本发明在串联谐振式高压静电除尘电源中电路连接位置示图；

图4是本发明串联谐振过零软关断控制电路第一部分波形时序图；

图5是本发明串联谐振过零软关断控制电路第二部分波形时序图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

一种过零软关断控制电路，控制电路的工作原理如图1和图2所示，控制电路包括电流互感器、整流电路、取样电路、基准电压源、比较电路和过零关断电路。电流互感器用于对谐振电流波形进行隔离检测；本发明中的整流电路选用电流型桥式整流电路，电流型桥式整流电路用于对电流互感器互感出来的电流信号进行整流，以将负电流信号转换成正电流信号；取样电路为电流取样电路，电流取样电路用于将电流信号转换成电压信号；基准电压源用于得到175mV精密基准比较电压；比较电路用于对谐振电流转换而来的电压信号与175mV精密基准比较电压进行比较，以将谐振电流波形转换成，可以反应出谐振电流过零点的脉冲信号；过零关断电路，用于将来源于开关管的数字或模拟控制驱动信号与高速比较产生的可反应出谐振电流过零点的脉冲信号进行识别处理，得到一个与第一个谐振过零点相对应的关断脉冲信号，将该谐振过零关断脉冲通过一个三极管与驱动信号结合形成一个具有谐振过零软关断的驱动波形，以控制开关管，得到串联谐振式开关电源中过零软关断控制，所有电路按顺序电连接。

如图1所示，整流电路即电流型桥式整流电路，包括V1、V2、V3、V4四个二极管构全桥整流电路，其中V2的阴极与V1的阳极构成全桥电路输入端，V4的阴极与V3的阳极构成全桥电路另一输入端，V2的阳极与V4的阳极相连接构成全桥电路的负极，V1的阴极与V3的阴极相连构成全桥电路的正极；所述电流取样电路包括电阻R1与电容C1，R1与C1并联连接，R1与C1并联连接，一端接入电流型桥式整流电路(全桥电路)的负极，另一端接入电流型桥式整流电路的正极。

比较电路包括集成运算放大器N1，电阻R7与电容C5，电阻R7与电容C5并联连接后，一端接入电源(+5V)，另一端接入N1输出极。精密基准电压源包括电阻R2、R3、R4，电容C2，精密稳压器N2，其中电阻R2的一端与电源(+5V)连接，电阻R2的另一端与精密稳压器N2的第三引脚连接，精密稳压器N2的第二引脚与第三引脚短接，精密稳压器N2的第一引脚接入公共地，电阻R3的一端接入精密稳压器N2的第三引脚，电阻R3的另一端与R4的一端、以及C4的正极相连接后再接入高速电压比运放N1的输入正极，R4的另一端与C4的负极相连接后接入公共地，电流型桥式整流电路的正极接入高速电压比运放N1的输入负极。

如图1所示，过零关断电路包括两路相对称的驱动A与驱动B，其中驱动A包括电阻R5、R8、R10、R12，电容C3、C6，二极管V5、V7，与门N3-A、N3-C，三极管V9，其中驱动B包括电阻R6、R9、R11、R13，电容C4、C7，二极管V6、V8，与门N3-B、N3-D，三极管V10。高速电压比运放N1的输出正极分别与与门N3-A的输入端第一脚、与门N3-B的输入端第五脚相连接；驱动A输入波形(DRA)与V5的阴极相连接，电阻R5并联连接在电阻V5上，电阻V5的阳极与电容C3的一端相连接后，接入与门N3-A的输入端第二脚，电容C3的另一端接入公共地，与门N3-A的输出端第三脚与二极管V7的阳极相连接，电阻R8并联连接在二极管V7上，二极管V7的阴极与电容C6的一端相连接后接入与门N3-C的输入端第八与第九脚，电容C6的另一端接入公共地，与门N3-C输出端第十一脚与电阻R10的一端相连接，电阻R10的另一端接入三极管V9的B极，二极管V9的E极接入公共地，二极管V9的C极与电阻R12一端相连接后，作为驱动A带有过零软关断控制的驱动波形输出，R12的另一端接入驱动A输入波形(DRA)。驱动B输入波形(DRB)与二极管V6的阴极相连接，电阻R6并联连接在二极管V6上，二极管V6的阳极与电容C4的一端相连接后，接入与门N3-B的输入端第六脚，电容C4的另一端接入公共地，与门N3-B的输出端第四脚与二极管V8的阳极相连接，电阻R9并联连接在二极管V8上，二极管V8的阴极与电容C7的一端相连接后接入与门N3-D的输入端第十二与第十三脚，电容C7的另一端接入公共地，N3-D输出端第十一脚与R11的一端相连接，R11的另一端接入三极管V10的B极，V10的E极接入公共地，V10的C极与电阻R13一端相连接后，作为驱动B带有过零软关断控制的驱动波形输出，R13的另一端接入驱动B输入波形(DRB)。

如图3所示，是本发明在串联谐振式高压静电除尘电源中电路连接位置示图，在图3所示高压静电除尘电源实际运用中，由电感L2与电容C3、以及逆变压器T2构成LC串联谐振网络，由IGBT模块V4、V5、V6、V7构成全桥式串联谐振控制开关管，在串联谐振网中插入电流互感器T1，以互感出谐振电流波形。其中T1电流互感器输出电流信号，如图4中‘T1输出谐振电流波形’所示(对于实际运用中谐振电流波峰值与谷值的变化，不影响本发明电路处理结果，本说明不再作论述)，该信号加载到如图1所示由二极管V1、V2、V3、V4构成电流型桥式整流电路上，经电阻R1取样后(电容C1是R1的高频旁路电容，有滤除高频噪音的作用)得到如图4中‘整流后谐振电流波形’所示谐振电流波形电压信号，该信号加载到图1所示高速电压比较器N1的输入负极上，与加载到高速电压比较器N1的输入正极的175mV精密电压进行比较，得到如图5所示的‘比较输出谐振过零脉冲’，该信号分别接入驱动电路A与电路驱动B第一个脉冲识别的与门N3-A的第一脚本与N3-B的第五脚。

驱动电路A输入驱动号(如图4中‘驱动A波形’所示)，经过由电阻R5、二极管V5、电容C3构成的前沿延时网络延时后，接入与门N3-A和第二脚，由与门N3-A对图5中‘比较输出谐振过零脉冲’与图4中‘驱动A波形’前沿延时后产生的脉冲(即虚线部分)相与后，得到图5中‘与驱动波形相与得到第一个谐振过零脉冲’谐振过零脉冲，该脉冲经过由电阻R8、二极管V7、电容C6构成的后沿延时网络延时后接入与门N3-C的第八与第九脚，由与门进行整形后到如图5中‘与驱动波形相与得到第一个谐振过零脉冲’后沿延时脉冲(即虚线部分)，该脉冲通过电阻R10使三极管V9导通，实现驱动A经过电阻R12加载到三极管V9的C极的驱动信号与谐振第一个过零点同步关断，进而产生新的如图5中‘过零软关断驱动A波形’所示驱动信号。

驱动电路B输入驱动号(如图4中‘驱动B波形’所示)，经过由电阻R6、二极管V6、电容C4构成的前沿延时网络延时后，接入与门N3-B和第六脚，由与门N3-B对图5中‘比较输出谐振过零脉冲’与图4中‘驱动B波形’前沿延时后产生的脉冲(即虚线部分)相与后，得到图5中‘与驱动波形相与得到第一个谐振过零脉冲’谐振过零脉冲，该脉冲经过由电阻R9、二极管V8、电容C7构成的后沿延时网络延时后接入与门N3-D的第十一与第十三脚，由与门进行整形后到如图5中‘与驱动波形相与得到第一个谐振过零脉冲’后沿延时脉冲(即虚线部分)，该脉冲通过电阻R11使三极管V10导通，实现驱动B经过电阻R13加载到三极管V10的C极的驱动信号与谐振第一个过零点同步关断，进而产生新的如图5中‘过零软关断驱动B波形’所示驱动信号。新的驱动信号经过图3中‘IGBT驱动器’控制谐振开关管的通断，从而达到串联谐振开关管过零软关断控制的发明目的，实现串联谐振开关管完整ZCS。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种过零软关断控制电路，其特征在于，所述过零软关断控制电路包括电流互感器、整流电路、取样电路、基准电压源、比较电路和过零关断电路，电流互感器接入整流电路的输入端，整流电路整流后的电流信号接入取样电路，取样电路和基准电压源的输出信号同时接入比较电路的输入端，比较电路的输出端连接过零关断电路，所述过零关断电路包括两组相同的驱动电路A和驱动电路B，所述的驱动电路A是由多个电阻、多个电容、多个二极管、多个与门、多个三极管组成，进行第一个谐振过零点识别和形成关断脉冲，所述驱动电路A中的电阻R5、二极管V5、电容C3构成前沿延时网络电路，电阻R5和二极管V5并联，二极管V5的正极连接电容C3的一端，二极管V5的负极接入驱动电路的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的过零软关断控制电路，其特征在于，所述整流电路为电流型桥式整流电路，电流型桥式整流电路由四个二极管连接构成，整流电路的正负极之间并联接入取样电路，整流电路的正极并联取样电路的一端作为电路信号的输出端，整流电路的负极并联取样电路的另一端接入公共地。

3.根据权利要求1所述的过零软关断控制电路，其特征在于，所述比较电路包括集成运算放大器N1，电阻R7与电容C5，电阻R7与电容C5并联连接后，并联的一端接入电源，并联的另一端接入集成运算放大器N1输出极，集成运算放大器N1的输入负极接入取样电路的输出信号，集成运算放大器N1的输入正极接入基准电压源的输出信号。

4.根据权利要求1所述的过零软关断控制电路，其特征在于，所述基准电压源包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C2、精密稳压器N2，电阻R2的一端与电源连接，电阻R2的另一端与精密稳压器N2的第三引脚连接，精密稳压器N2的第二引脚与第三引脚短接，精密稳压器N2的第一引脚接入公共地，电阻R3的一端接入精密稳压器N2的第三脚，电阻R3的另一端与电阻R4的一端、以及电容C4的正极相连接后作为输出信号再接入比较电路的输入端，电阻R4的另一端与电容C4的负极相连接后接入公共地。

5.根据权利要求1所述的过零软关断控制电路，其特征在于，所述驱动电路A中的电阻R8、二极管V7、电容C6构成后沿延时网络电路，电阻R8和二极管V7并联连接，二极管V7的正极接入输入信号，二极管V7的负极接入电容C6。