CN106787753B - 开关电路、开关电路的控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电路、开关电路的控制方法及装置。该开关电路，用于直流变换电路的开关模块，直流变换电路的负载并联有支撑电容C2，开关模块包括串联连接的正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2，开关电路包括在正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2的连接点与负载之间串联连接的电容C1和电感L1，以及与电容C1并联的依次串联的开关元件Q3、单向导通元件D1和电感L2，其中，单向导通元件D1使电流可以自开关元件Q3流入电感L2。

Description

开关电路、开关电路的控制方法及装置
技术领域
本发明属于开关电路技术领域，尤其涉及一种开关电路、开关电路的控制方法及装置。
背景技术
直流变换电路(D.C.converting circuit)是将幅值固定的直流电压变换成幅值和极性为可变的直流电压的变换电路。传统的电力电子直流变换电路均采用硬开关，存在开关损耗，电路效率低的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种开关电路、开关电路的控制方法及装置，能够采用较少的电器元件，显著提高电路效率、减小开关元件上的损耗。
第一方面，提供了一种开关电路，用于直流变换电路的开关模块，直流变换电路的负载并联有支撑电容C2，开关模块包括串联连接的正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2，开关电路包括在正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2的连接点与负载之间串联连接的电容C1和电感L1，以及电容C1并联的依次串联的开关元件Q3、其中，单向导通元件D1和电感L2，单向导通元件D1使电流可以自开关元件Q3流入电感L2。
第二方面，提供了一种开关电路的控制方法，用于上述的开关电路，该方法包括：获取负载两端的当前电压U2的步骤；基于负载两端的当前电压U2、负载两端的目标电压电容C1的电容值和电感L1的电感值获得正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2的占空比的步骤；根据占空比对正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2进行接通及关断控制，以使正极侧开关元件Q1实现零电流关断的步骤。
第三方面，提供了一种开关电路的控制装置，用于上述的开关电路，包括：获取单元、第一计算单元和控制单元，该获取单元用于获取负载两端的当前电压U2；该第一计算单元用于基于负载两端的当前电压U2、负载两端的目标电压电容C1的电容值和电感L1的电感值获得正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2的占空比；该控制单元用于根据占空比对正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2进行接通及关断控制，以使正极侧开关元件Q1实现零电流关断。
根据本发明实施例提供的开关电路、开关电路的控制方法及装置，通过在开关元件桥臂和负载电感之间增加一个电感和一个电容的电路拓扑，利用电感和电容的谐振输出电流的高频正弦化，从而实现开关元件零电流的接通关断。同时在电容两端并联辅助开关器件和另一个电感，以另一个电感和电容上的谐振来实现电容上电压方向的转换，以使整个开关电路能够持续以软开关的形式工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种实施例的直流变换软开关电路的拓扑图；
图2是本发明的一种实施例的开关电路的拓扑图；
图3是本发明的一种实施例的开关电路的各个工作模态中流过电容C1的电流和电容C1两端的电压的波形图；
图4是本发明的一种实施例的开关电路的控制方法的方法流程图；
图5是本发明的另一种实施例的开关电路的控制方法的方法流程图；
图6是本发明的一种实施例的开关电路的控制装置的示意性框图；
图7是本发明的另一种实施例的开关电路的控制装置的示意性框图；
图8是本发明的一种实施例的开关电路的控制装置的计算设备实现的示意性框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是一种实施例的直流变换软开关电路的拓扑图。如图1所示，该软开关电路包括两个开关元件Q1和Q2，以及串联在开关元件Q1和Q2连接点与负载之间的包括电容C1’与电感L1’的谐振LLC变换电路，虽然该开关电路能达到软开关的基本要求，但是由于该LLC变换电路输出电流为正负双方向，需要在负载前增加整流单元，例如二极管。该开关电路中负载电位相对电源电位为时变，并且由于在谐振LLC变换电路中需要采用变压器或相当于变压器自感大小的电感进行隔离，使得该直流变换软开关电路仍然需要较多电器元件实现其功能，由此加大了直流变换器及其应用电路的成本，且由于半导体器件数量较多导致增加直流变换器及其应用电路的封装难度的技术问题。
基于上述问题，本发明实施例提供一种开关电路，能够采用较少的电器元件，显著提高电路效率、减小开关元件上的损耗。
图2是本发明的一种实施例的开关电路的拓扑图。该开关电路可以用于直流变换电路的开关模块。如图2所示，该直流变换电路的负载并联有支撑电容C2，开关模块包括串联连接的正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2。开关电路包括在正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2的连接点与负载之间串联连接的电容C1和电感L1，以及与电容C1并联的依次串联的开关元件Q3、单向导通元件D1和电感L2，其中，单向导通元件D1使电流可以自开关元件Q3流入电感L2。在一些实施例中，上述开关元件可以包括绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物场效应晶体管或集成门极换流晶闸管。在一些示例中，上述单向导通元件D1可以为二极管。在一些示例中，该支撑电容C2的电容量远大于电容C1的电容量，例如支撑电容C2的电容量大于电容C1的电容量的10倍。
图3是本发明的一种实施例的开关电路的各个工作模态中流过电容C1的电流和电容C1两端的电压的波形图。如图3所示，纵坐标分别代表流过电容C1电流iC1和电容C两端的电压uC1。现结合图3对该开关电路的工作模态进行详细说明。在一些实施例中，该开关电路在负载满载时可以包括以下工作模态：
第一工作模态：起始状态电容C1两端的电压为零或者负值，例如，起始状态电容C1两端的电压uC1为负的最大值，此时流过C1的电流iC1为零，接通开关元件Q1关断开关元件Q2，由于与负载并联的支撑电容C2的电容值远大于电容C1的电容值，可以认为负载两端电压恒定，电容C1和电感L1的发生谐振，通过开关元件Q1流入支撑电容C2和负载的电流为正弦，频率为电容C1和电感L1的谐振频率，当该电流幅值iC1回到零时，进入第二工作模态。
第二工作模态：关断开关元件Q1，这时由于主回路上电流幅值已回到0，所以实现了开关元件Q1上的零电流关断，降低了开关损耗，电容C1上电压uC1达到正最大值，进入第三工作模态。
第三工作模态：接通开关元件Q3，使电容C1和电感L2发送谐振，谐振到电感L2上电流幅值达到零，电容C1上电压回到负的最大值，由于单项导通元件D1的反向阻断，此模态会一直维持直到进入第四工作模态。
第四工作模态：关断开关元件Q3，再次接通开关元件Q1又重新进入第一工作模态，需要说明的是接下来在每次进入第一工作模态时，电容C1两端的电压值uC1可以保持为负的最大值。
在一些实施例中，在负载的功率出现变化时，例如在负载为轻载时需要较小的电流，该开关电路在负载轻载时可以包括以下工作模态：
第五工作模态：起始状态电容C1两端的电压为零或者负值，例如衔接第四工作状态，此时电容C1两端电压uC1为负的最大值，接通开关元件Q1关断开关元件Q2，由于与负载并联的支撑电容C2的电容值远大于电容C1的电容值，可以认为负载两端电压恒定，此时通过开关元件Q1流入支撑电容C2和负载的电流为正弦，频率为电容C1和电感L1的谐振频率，当电流的积分满足负载的需求，进入第六工作模态。
第六工作模态：关断开关元件Q1接通开关元件Q2，电容C1和电感L1继续谐振，继续向负载输出能量，此时的能量来源为第五工作模态中电容C1和电感L1存储的能量，当流过电容C1的电流iC1降为零时进入第七工作模态。
第七工作模态：关断开关元件Q2，接通开关元件Q3，使电容C1和电感L2谐振，谐振到L2上电流为零，电容C1两端电压uC1回到负的最大值，由于单相导通元件D1的反向阻断，第七工作模态会一直维持直到进入第八工作。
第八工作模态：关断开关元件Q3，接通开关元件Q1，再次进入第五工作模态。
上述开关电路通过在开关元件桥臂和负载电感之间增加一个电感和一个电容的电路拓扑，利用电感和电容的谐振输出电流的高频正弦化，从而实现开关元件零电流的接通关断。同时在电容两端并联辅助开关器件和另一个电感，以另一个电感和电容上的谐振来实现电容上电压方向的转换，以使整个开关电路能够持续以软开关的形式工作。同时该开关电路由于采用了较少的电器元件不仅节约了成本，而且避免了电器元件较多导致增加电路的封装难度的技术问题。
上文中结合图2和图3，详细描述了根据本发明实施例的开关电路以及其各个工作模态。下面将结合图4和图5，详细描述根据本发明实施例的开关电路的控制方法，该开关电路的控制方法根据负载两端的目标电流计算获得开关元件Q1和开关元件Q2的适当的占空比，从而可以实现对流入负载电流的控制。
图4是本发明的一种实施例的开关电路的控制方法的方法流程图。如图4所述，该开关电路的控制方法用于上述的开关电路，该方法包括：S410，获取负载两端的当前电压U2；S420，基于负载两端的当前电压U2、负载两端的目标电压电容C1的电容值和电感L1的电感值获得正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2的占空比，例如，可以根据电容C1的电容值和电感L1的电感值获得电容C1的电容值和电感L1的谐振频率，根据该谐振频率及当前电压U2、负载两端的目标电压可以计算出正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2的占空比；S430，根据占空比对正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2进行接通及关断控制，以使正极侧开关元件Q1实现零电流关断。
该控制方法根据负载两端的目标电流计算获得开关元件Q1和开关元件Q2的适当的占空比，从而控制上述开关电路，利用电感和电容的谐振输出电流的高频正弦化，从而实现开关元件零电流的接通关断。
在一些实施例中，该控制方法的S420还可以包括基于负载两端的当前电压U2、负载两端的目标电压获得负载两端的目标电流根据当前负载两端的目标电流负载两端的当前电流i2、电容C1的电容值和电感L1的电感值获得正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2的占空比。
在一些实施例中，该控制方法还可以控制在电容两端并联的辅助开关元件Q3和另一个电感，以另一个电感和电容上的谐振来实现电容上电压方向的转换，以使整个开关电路能够持续以软开关的形式工作。
图5是本发明的另一种实施例的开关电路的控制方法的方法流程图。该控制方法还可以包括：S510，基于电容C1的电容值和电感L2的电感值获得开关元件Q3的占空比；S520，根据开关元件Q3的占空比对开关元件Q3进行接通及关断控制，以使开关元件Q3在电容C1两端的电压达到负的最大值后关断，例如，可以根据电容C1的电容值和电感L1的电感值获得电容C1的电容值和电感L2的谐振频率，根据该谐振频率及当前电压U2、负载两端的目标电压可以计算出正极侧开关元件Q3的占空比。
上文中结合图2至图5，详细描述根据本发明实施例的开关电路的控制方法，下面将结合图6和图7，详细描述根据本发明实施例的开关电路的控制装置，该开关电路的控制装置根据负载两端的目标电流计算获得开关元件Q1和开关元件Q2的适当的占空比，从而可以实现对流入负载电流的控制。
图6是本发明的一种实施例的开关电路的控制装置的示意性框图。如图6所示，该开关电路的控制装置600，用于上述的开关电路，包括：获取单元610、第一计算单元620和控制单元630，该获取单元610用于获取负载两端的当前电压U2；该第一计算单元620用于基于负载两端的当前电压U2、负载两端的目标电压电容C1的电容值和电感L1的电感值获得正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2的占空比；该控制单元630用于根据占空比对正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2进行接通及关断控制，以使正极侧开关元件Q1实现零电流关断。
根据本发明实施例的开关电路的控制装置600可对应于根据本发明实施例的开关电路的控制方法中的执行主体，并且开关电路的控制装置600中的各个单元的上述和其它操作和/或功能分别为了实现图4和图5中的各个方法的相应流程，为了简洁，在此不再赘述。
该控制装置根据负载两端的目标电流计算获得开关元件Q1、开关元件Q2及开关元件Q3的适当的占空比，从而控制上述开关电路，利用电感和电容的谐振输出电流的高频正弦化，从而实现开关元件零电流的接通关断。同时控制在电容两端并联的辅助开关元件Q3和另一个电感，以另一个电感和电容上的谐振来实现电容上电压方向的转换，以使整个开关电路能够持续以软开关的形式工作。
在一些实施例中，该装置的第一计算单元还可以用于基于负载两端的当前电压U2、负载两端的目标电压获得负载两端的目标电流根据当前负载两端的目标电流负载两端的当前电流i2、电容C1的电容值和电感L1的电感值获得正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2的占空比。
在一些实施例中，该控制装置还可以控制在电容两端并联的辅助开关元件Q3和另一个电感，以另一个电感和电容上的谐振来实现电容上电压方向的转换，以使整个开关电路能够持续以软开关的形式工作。
图7是本发明的另一种实施例的开关电路的控制装置的示意性框图。如图7所示，该开关电路的控制装置700，用于上述的开关电路，包括：获取单元710、第一计算单元720、第二计算单元730和控制单元630，该获取单元710用于获取负载两端的当前电压U2；该第一计算单元620基于负载两端的当前电压U2、负载两端的目标电压电容C1的电容值和电感L1的电感值获得正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2的占空比；第二计算单元，用于基于电容C1的电容值和电感L2的电感值获得开关元件Q3的占空比。该控制单元630用于根据占空比对正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2进行接通及关断控制，以使正极侧开关元件Q1实现零电流关断，该控制单元还可以用于根据获得开关元件Q3的占空比对开关元件Q3进行接通及关断控制，以使开关元件Q3在所述电容C1两端的电压达到负的最大值后关断。
图8是本发明的一种实施例的开关电路的控制装置的计算设备实现的示意性框图。如图8所示，结合图6或图7描述的开关电路的控制装置至少一部分可以由计算设备800实现，包括存储器804、处理器803和总线810；该存储器804和处理器803通过总线810连接并完成相互间的通信；该存储器804用于存储程序代码；该处理器830通过读取存储器804中存储的可执行程序代码来运行与可执行程序代码对应的程序，以用于执行如图4和图5所示的开关电路的控制方法。在一些示例中，该计算设备800还可以包括输入设备801、输入端口802、输出端口805、以及输出设备806。其中，输入端口802、处理器803、存储器804、以及输出端口805通过总线810相互连接，输入设备801和输出设备806分别通过输入端口802和输出端口805与总线810连接，进而与计算设备800的其他组件连接。需要说明的是，这里的输出端口805和输入端口802也可以用I/O接口表示。具体地，输入设备801接收来自外部的输入信息，并通过输入端口802将输入信息传送到处理器803；处理器803基于存储器804中存储的计算机可执行指令对输入信息进行处理以生成输出信息，将输出信息临时或者永久地存储在存储器804中，然后通过输出端口805将输出信息传送到输出设备806；输出设备806将输出信息输出到计算设备800的外部。
上述存储器804包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器804可包括HDD、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器804可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器804可在计算设备800的内部或外部。在特定实施例中，存储器804是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储器804包括只读存储器(ROM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、电可改写ROM(EAROM)或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。
总线610包括硬件、软件或两者，将计算设备800的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线810可包括加速图形端口(AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(EISA)总线、前端总线(FSB)、超传输(HT)互连、工业标准架构(ISA)总线、无限带宽互连、低引脚数(LPC)总线、存储器总线、微信道架构(MCA)总线、外围组件互连(PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(SATA)总线、视频电子标准协会局部(VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线810可包括一个或多个总线810。尽管本发明实施例描述和示出了特定的总线，但本发明考虑任何合适的总线或互连。
在合适的情况下，可执行程序代码可包括一个或多个基于半导体的或其他集成电路(IC)(例如，诸如现场可编程门阵列(FPGA)或专用IC(ASIC))、硬盘驱动器(HDD)、混合硬盘驱动器(HHD)、光盘、光盘驱动器(ODD)、磁光盘、磁光盘驱动器、软盘、软盘驱动器(FDD)、磁带、全息存储介质、固态驱动器(SSD)、RAM驱动器、安全数字卡或驱动或其他合适的计算机可读非临时性存储介质或者两个或更多个以上这些的组合。
需要明确，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种开关电路，用于直流变换电路的开关模块，所述直流变换电路的负载并联有支撑电容C2，所述开关模块包括串联连接的正极侧开关元件Q1和负极侧开关元件Q2，其特征在于，所述开关电路包括在所述正极侧开关元件Q1和所述负极侧开关元件Q2的连接点与负载之间串联连接的电容C1和电感L1，以及与所述电容C1并联的依次串联的开关元件Q3、单向导通元件D1和电感L2，其中，所述单向导通元件D1使电流自开关元件Q3流入电感L2。
2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，所述开关元件包括绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物场效应晶体管或集成门极换流晶闸管。
3.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，所述单向导通元件D1为二极管。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的开关电路，其特征在于，所述支撑电容C2的电容量远大于电容C1的电容量。
5.根据权利要求4所述的开关电路，其特征在于，所述支撑电容C2的电容量大于电容C1的电容量的10倍。
6.一种开关电路的控制方法，其特征在于，用于权利要求1至5任一项所述的开关电路，该方法包括：
获取所述负载两端的当前电压U2；
基于负载两端的当前电压U2、负载两端的目标电压所述电容C1的电容值和所述电感L1的电感值获得所述正极侧开关元件Q1和所述负极侧开关元件Q2的占空比；
根据所述占空比对所述正极侧开关元件Q1和所述负极侧开关元件Q2进行接通及关断控制，以使所述正极侧开关元件Q1实现零电流关断。
7.根据权利要求6所述的开关电路的控制方法，其特征在于，所述基于负载两端的当前电压U2、负载两端的目标电压所述电容C1的电容值和所述电感L1的电感值获得所述正极侧开关元件Q1和所述负极侧开关元件Q2的占空比的步骤还包括：
基于所述负载两端的当前电压U2、所述负载两端的目标电压获得所述负载两端的目标电流根据当前所述负载两端的目标电流所述负载两端的当前电流i2、所述电容C1的电容值和所述电感L1的电感值获得所述正极侧开关元件Q1和所述负极侧开关元件Q2的占空比。
8.根据权利要求6所述的开关电路的控制方法，其特征在于，该方法还包括：
基于所述电容C1的电容值和所述电感L2的电感值获得所述开关元件Q3的占空比；
根据所述开关元件Q3的占空比对所述开关元件Q3进行接通及关断控制，以使所述开关元件Q3在所述电容C1两端的电压达到负的最大值后关断。
9.一种开关电路的控制装置，其特征在于，用于权利要求1至5任一项所述的开关电路，包括：
获取单元，用于获取负载两端的当前电压U2；
第一计算单元，用于基于负载两端的当前电压U2、负载两端的目标电压所述电容C1的电容值和所述电感L1的电感值获得所述正极侧开关元件Q1和所述负极侧开关元件Q2的占空比；
控制单元，用于根据所述占空比对所述正极侧开关元件Q1和所述负极侧开关元件Q2进行接通及关断控制，以使所述正极侧开关元件Q1实现零电流关断。
10.根据权利要求9所述的开关电路的控制装置，其特征在于，所述第一计算单元还用于：
基于所述负载两端的当前电压U2、所述负载两端的目标电压获得所述负载两端的目标电流根据当前所述负载两端的目标电流所述负载两端的当前电流i2、所述电容C1的电容值和所述电感L1的电感值获得所述正极侧开关元件Q1和所述负极侧开关元件Q2的占空比。
11.根据权利要求9所述的开关电路的控制装置，其特征在于，还包括：
第二计算单元，用于基于所述电容C1的电容值和所述电感L2的电感值获得开关元件Q3的占空比；
所述控制单元还用于根据所述获得开关元件Q3的占空比对所述开关元件Q3进行接通及关断控制，以使所述开关元件Q3在所述电容C1两端的电压达到负的最大值后关断。
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