CN1091972C

CN1091972C - 一种软开关脉宽调制电路

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Publication number: CN1091972C
Application number: CN96120581A
Authority: CN
Inventors: 高健; 李林柯
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-11-22
Filing date: 1996-11-22
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2016-11-22
Also published as: CN1175123A

Abstract

本发明涉及一种软开关脉宽调制(PWM)电路，适用于脉宽调制技术应用的各个领域，如开关电源、逆变焊机、UPS、变频调速等。它是由双管正激电路、谐振电路和联接上述两电路的二极管以及控制电路组成的双管正激软开关逆变电路组成，谐振电路由一个辅助开关、一个谐振电感、以及谐振电容和二极管串联组成。也可以由上述两个双管正激软开关逆变电路演变为全桥方式软开关脉宽调制电路。本发明的优点是结构简单，主开关与辅助开关通断关系简单、灵活，辅助开关的电流可小于主开关的电流。

Description

一种软开关脉宽调制电路

本发明涉及一种软开关脉宽调制(PWM)电路，适用于脉宽调制(PWM)技术应用的各个领域，如开关电源、逆变焊机、UPS、变频调速等。

目前，软开关脉宽调制电路种类很多，但都存在结构较复杂、辅助开关的电流峰值大，主开关与辅助开关的通断关系很严格等问题。在《现代电能变换技术讲座》(1996年10月14日在北京由功率电子企业家联谊会主办)第二期中刊登一篇题为“一个新型的ZCS-PWM双管正激变换器”的文章，文中所述的ZCS-PWM双管正激变换器包括有两个辅助开关和两个谐振电感。流过辅助开关的电流峰值要大于或等于流过主开关的电流，而且辅助开关必须在主开关关断前的确定时刻导通，主开关必须在辅助开关的电流大于或等于主开关的电流时关断。其缺点是结构复杂，辅助开关的电流峰值大，主开关与辅助开关的通断关系严格，其控制电路的难度也较大。

本发明的目的是针对上述现有技术中的缺点，而提供一种结构简单、主开关与辅助开关通断关系简单、灵活，辅助开关的电流可小于主开关的电流的一种软开关脉宽调制电路。

本发明的目的是这样实现的：

第一个实施方案为：采用双管正激软开关逆电路，即它由双管正激电路、谐振电路和联接上述两电路的二极管以及控制电路组成的双管正激软开关逆变电路组成，谐振电路由一个辅助开关、一个谐振电感、以及谐振电容和二极管串联组成。双管正激电路由主开关S1、S2、直流电源Ec、负载等效电感Lr、负载等效电阻R组成，主开关S2、负载等效电阻R、负载等效电感Lr和主开关S1串联后接入直流电源Ec，S2的一端接Ec的正极，S1的一端接Ec的负极，谐振电路由电容C1、C2、电感L、辅助开关S3、二极管D3串联组成，C2的一端接Ec的正极，C1的一端接Ec的负极，二极管D1的正极接Lr与S1的节点，D1的负极接S3与C1的节点，D2的负极接S2与R的节点，D2的正极接C2与D3负极的节点。

第二个实施方案为采用全桥方式软开关PWM电路，它是由第一个实施方案所述的两个双管正激软开关逆变电路演变而来，即它由四个主开关，两个辅助开关、两个谐振电路以及直流电源、负载电路和控制电路组成的全桥逆变电路组成。主开关S4和S6分别为全桥逆变电路的一对相对的桥臂，主开关S5和S7分别为全桥逆变电路的另一对相对的桥臂，由负载等效电感Lr和负载等效电阻R串联组成的负载电路接在全桥逆变电路的输出端A与B之间，S4和S5的一端接直流电源Ec的正极，S6和S7的一端接Ec的负极，二极管D14-D17分别并联在S4-S7两端，一个谐振支路由电容C3、C6、电感L1、辅助开关S8、二极管D12串联组成，C3接Ec的正极，C6接Ec的负极，C3与D12的负极的节点通过二极管D8接输出端A点，S8与C6的节点通过二极管D10接输出端B点，另一谐振支路由电容C4、C5、电感L2、辅助开关S9、二极管D13串联组成，C4接Ec的正极，C5接Ec的负极，C4与D13的负极的节点通过二极管D9接输出端B点，S9与C5的节点通过二极管D11接输出端A点。

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的实施例1(双管正激软开关逆变电路)的电路原理图。

图2为图1的波形关系图。

图3为图1的另一种波形关系图。

图4为本发明的实施例2(全桥方式软开关PWM)的电路原理图。

由图1所示的实施例1可知，它是一个双管正激软开关逆变电路，它是由双管正激电路、谐振电路和联接上述两电路的二极管以及控制电路组成的双管正激软开关逆变电路组成，谐振电路由一个辅助开关、一个谐振电感、以及谐振电容和二极管串联组成。

双管正激电路由主开关S1、S2、直流电源Ec、负载等效电感Lr、负载等效电阻R组成，主开关S2、负载等效电阻R、负载等效电感Lr和主开关S1串联后接入直流电源Ec，S2的一端接Ec的正极，S1的一端接Ec的负极，谐振电路由电容C1、C2、电感L、辅助开关S3、二极管D3串联组成，C2的一端接Ec的正极，C1的一端接Ec的负极，二极管D1的正极接Lr与S1的节点，D1的负极接S3与C1的节点，D2的负极接S2与R的节点，D2的正极接C2与D3负极的节点。

在双管正激电路中还接有箝位二极管D5、D6，D5的负极接S2与R的节点处，D5的正极接电源Ec的负极，D6的负极接Ec的正极，D6的正极接Lr与S1的节点处。

主开关S1、S2和辅助开关S3为可控电子开关器件。

在图1中，箝位二极管D5、D6也可以改接至图1中的虚线位置，即箝位二极管D5的正极接Ec的负极，D5的负极接C2与D3的节点处，D6的正极接S3与C1的节点处，D6的负极接Ec的正极。改接后其工作原理不变。

图1所示实施例1的工作原理如下：

主开关S1、S2和辅助开关S3可以是任何可控电子开关器件，如：可关断可控硅(GTO)、双极晶体管(GTR)、场效应管(MOSFET)以及绝缘门极晶体管(IGBT)等。负载可以是变压器隔离的方式，也可如图直接连接。Lr为负载等效电感，R为负载等效电阻。C1、C2和L为谐振电路的谐振电容和电感，且C1＝C2。D1-D6为二极管，其中D4是为保护S3所设，与基本工作原理无关。输入直流电源Ec可以是电池、也可以是整流电源。负载电流为ir，流过主开关S1和S2的电流为ic，流过辅助开关S3、谐振电感L和二极管D3的电流为it。谐振电容C1和C2的端电压分别为Uc1和Uc2。主开关S1、S2和辅助开关S3的导通与关断由控制电路控制。这里主要需说明主电路的工作原理，未给出控制电路。电路初始状态为：S1、S2、S3未导通。C1和C2已被充电为Uc1和Uc2，且Uc1＝Uc2＝Ec。ic＝ir＝0。

当工作方式如图2所示波形关系时，其工作过程为：当时间t＝T0时，S3导通，C1和C2经S3、L、D3和Ec开始谐振放电，放电电流ir按正弦规律上升。当t＝T1时，Uc1＝Uc2＝1/2Ec，L储能达最大值，即：it达最大值。此时S1和S2导通(从辅助开关S3导通，到谐振电感L的电流达最大值，这段时间内，主开关S1和S2均可导通)，负载电流ir＝ic开始指数上升。同时，L开始释放电能，it按正弦规律开始下降。经过一段时间，Uc1＝Uc2＝0，it＝0。当it将要反向流过L时，二极管D3截止，Uc1和Uc2保持为0。此时S3已无电流通过，在S1和S2关断前的这段时间内S3均可关断，也可经过一段时间后S3与S1、S2同时关断。当t＝T2时，S1、S2及S3同时关断，Lr开始释放电能，ic立即为0，而ir经D1、C1、Ec、C2、D2和R回路向C1、C2放电，Uc1和Uc2开始缓慢上升，当Uc1＝Uc2＝Ec时，D5和D6导通，Uc1和Uc2不再上升。Lr放电完毕后，负载电压回零，D1、D2、D5和D6截止，电路回到初始状态。

当工作方式如图3所示波形关系时，其工作过程为：当时间t＝T0时，、S1、S2、及S3同时导通，负载电流ir＝ic开始指数上升。与此同时，C1、C2经S3、L、D3和Ec谐振放电，放电电流it按正弦规律上升。当Uc1＝Uc2＝1/2Ec时，L储能达最大值，即：it达最大值。此时L开始释放电能，it按正弦规律开始下降。经过一段时间，Uc1＝Uc2＝0，it＝0。当it将要反向流过L时，二极管D3截止，Uc1和Uc2保持为0。此时S3已无电流通过，在S1和S2关断前的这段时间内S3均可关断，也可经过一段时间后S3与S1、S2同时关断。当t＝T1时，S1、S2及S3同时关断，Lr开始释放电能，ic立即为0，而ir经D1、C1、Ec、C2、D2和R回路向C1、C2放电，Uc1和Uc2开始缓慢上升。当Uc1＝Uc2＝Ec时，D5和D6导通，Uc1和Uc2不再上升。Lr放电完毕后，负载电压回零，D1、D2、D5和D6截止，电路回到初始状态。

由图4所示的实施例2可知，它为全桥式软开关PWM电路，它是由实施例1所示的两个双管正激软开关逆变电路演变而来，即它由四个主开关，两个辅助开关、两个谐振电路以及直流电源、负载电路和控制电路组成的全桥逆变电路。

主开关S4和S6分别为全桥逆变电路的一对相对的桥臂，主开关S5和S7分别为全桥逆变电路的另一对相对的桥臂，由负载等效电感Lr和负载等效电阻R串联组成的负载电路接在全桥逆变电路的输出端A与B之间，S4和S5的一端接直流电源Ec的正极，S6和S7的一端接Ec的负极，二极管D14-D17分别并联在S4-S7两端，一个谐振支路由电容C3、C6、电感L1、辅助开关S8、二极管D12串联组成，C3接Ec的正极，C6接Ec的负极，C3与D12的负极的节点通过二极管D8接输出端A点，S8与C6的节点通过二极管D10接输出端B点，另一谐振支路由电容C4、C5、电感L2、辅助开关S9、二极管D13串联组成，C4接Ec的正极，C5接Ec的负极，C4与D13的负极的节点通过二极管D9接输出端B点，S9与C5的节点通过二极管D11接输出端A点。

图4所示实施例2的工作原理与图1所示的双管正激软开关电路相类似，不再详述。

本发明的优点为：1、结构简单。如：在双管正激逆变电路中只用一个辅助开关和一个谐振电感。2、主开关与辅助开关的通断关系较简单、灵活，甚至可同时通断，从而简化了控制电路。3、辅助开关的峰值电流可小于主开关的电流，因此可在满足需要的前提下，选用额定电流较小的器件做辅助开关。4、本设计既可用在双管正激逆变电路，也可用在全桥逆变电路中。另外，本设计的工作频率恒定。其辅助开关也是软开关。

Claims

1、一种软开关脉宽调制电路，其特征在于它由双管正激电路、谐振电路和联接上述两电路的二极管以及控制电路组成的双管正激软开关逆变电路组成，谐振电路由一个辅助开关、一个谐振电感、以及谐振电容和二极管串联组成，双管正激电路由主开关S1、S2、直流电源Ec、负载等效电感Lr、负载等效电阻R组成，主开关S2、负载等效电阻R、负载等效电感Lr和主开关S1串联后接入直流电源Ec，S2的一端接Ec的正极，S1的一端接Ec的负极，谐振电路由电容C1、C2、电感L、辅助开关S3、二极管D3串联组成，C2的一端接Ec的正极，C1的一端接Ec的负极，二极管D1的正极接Lr与S1的节点，D1的负极接S3与C1的节点，D2的负极接S2与R的节点，D2的正极接C2与D3负极的节点。

2、根据权利要求1的所述的一种软开关脉宽调制电路，其特征在于在双管正激电路中还接有箝位二极管D5、D6，D5的负极接S2与R的节点处，D5的正极接电源Ec的负极，D6的负极接Ec的正极，D6的正极接Lr与S1的节点处。

3、根据权利要求1的所述的一种软开关脉宽调制电路，其特征在于箝位二极管D5的正极接Ec的负极，D5的负极接C2与D3的节点处，D6的正极接S3与C1的节点处，D6的负极接Ec的正极。

4、根据权利要求1或2的所述的一种软开关脉宽调制电路，其特征在于主开关S1、S2和辅助开关S3为可控电子开关器件。

5、一种软开关脉宽调制电路，其特征在于它由四个主开关，两个辅助开关、两个谐振电路以及直流电源、负载电路和控制电路组成的全桥逆变电路组成，主开关S4和S6分别为全桥逆变电路的一对相对的桥臂，主开关S5和S7分别为全桥逆变电路的另一对相对的桥臂，由负载等效电感Lr和负载等效电阻R串联组成的负载电路接在全桥逆变电路的输出端A与B之间，S4和S5的一端接直流电源Ec的正极，S6和S7的一端接Ec的负极，二极管D14-D17分别并联在S4-S7两端，一个谐振支路由电容C3、C6、电感L1、辅助开关S8、二极管D12串联组成，C3接Ec的正极，C6接Ec的负极，C3与D12的负极的节点通过二极管D8接输出端A点，S8与C6的节点通过二极管D10接输出端B点，另一谐振支路由电容C4、C5、电感L2、辅助开关S9、二极管D13串联组成，C4接Ec的正极，C5接Ec的负极，C4与D13的负极的节点通过二极管D9接输出端B点，S9与C5的节点通过二极管D11接输出端A点。