CN109842309A - 无辅助电路单相准z源整流器软开关控制方法 - Google Patents

无辅助电路单相准z源整流器软开关控制方法 Download PDF

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Abstract

无辅助电路单相准Z源整流器软开关控制方法。它涉及准Z源整流器软开关的控制方法。它解决了现有技术需要额外的谐振电路，同时还需要耐压等级更高的功率器件的问题。本方法基于单相准Z源可控整流器实现，S7为准Z源的功率开关，S1‑S4为可控整流H桥的四个功率开关。S7关断系统工作在直通状态，S7开通系统工作在非直通状态。直通状态准Z源电感通过H桥的反并联二极管对准Z源电容放电，反并联二极管开通，H桥功率开关两端电压被钳制为0，实现零电压开通和关断。准Z源电感电流工作在临界或断续状态，实现每个开关管的零电压或零电流开通关断。本方法不需要辅助电路，只需要设计合适的准Z源电感值，就可以实现软开关功能。

Description

无辅助电路单相准Z源整流器软开关控制方法
技术领域
本发明涉及单相整流器开关的控制方法，具体涉及准Z源整流器软开关的控制方法。
背景技术
在没有应用软开关技术时，单相整流器每个开关管在状态改变时，都会产生开关损耗。为了解决这个问题，谐振辅助电路被提出。通过谐振电路，功率开关管可以实现在零电压状态关断。但是谐振电路有明显的缺点，谐振电路工作原理是让电压谐振，虽然可以令功率开关管两端电压为零，但谐振电压最大值会高于直流侧的电压，增大功率器件两端的电压。这样，除了需要额外的谐振电路，同时还需要耐压等级更高的功率器件，这将会增大电路的成本和体积。
发明内容
本发明的目的是提供一种无辅助电路单相准Z源整流器软开关控制方法，以解决现有技术需要额外的谐振电路，同时还需要耐压等级更高的功率器件的问题。
本发明方法基于单相准Z源可控整流器实现，方法的过程为：在t1时刻，开关管S7开通，此时整流器系统工作在非直通状态；在t2时刻，开关管S7关断，整流器系统进入到直通状态，同时开关管S1开通和开关管S2关断；直通状态下反并联的二极管D1和二极管D2导通，将开关管S1和开关管S2两端电压钳制为零，开关管S1和开关管S2实现ZVS开通和关断；在直通状态下，准Z源网络电感电流一直下降直到为零；在t3时刻，开关管S7开通，准Z源网络的电感电流为零，开关管S7电流为零；在t3到t4期间整流器系统工作在非直通状态，准Z源网络电感电流上升；在t4时刻开关管S7关断，同时开关管S3开通和开关管S4关断，反并联的二极管D3和二极管D4将开关管S3和开关管S4两端电压钳制为零，其实现ZVS开通和关断；在t5时刻，准Z源网络电感电流降为零，反并联的二极管D3关断；在t6时刻开关管S7关断，整流器系统进入直通工作状态，所有的反并联二极管导通，开关管S2、开关管S3和开关管S4两端的电压被这些反并联二极管钳制于零，而开关管S1、开关管S2和开关管S4没有电流流过，这些开关管实现ZCS和ZVS开通和关断；上述过程在一个开关周期内实现，并循环往复。
本发明提出一种新型单相准Z源整流器调制方法，准Z源电感电流工作在临界或是断续状态，可以实现每个开关管的零电压或零电流开通关断。这个方法不需要任何辅助电路，只需要设计合适的准Z源电感值，就可以实现软开关功能。本发明提出的调制方法可以以最小成本实现单相准Z源整流器各个功率器件的软开关。同时，准Z源电感电流工作在临界或断续状态，电感值也较小。因此本发明在实现单相准Z源可控整流软开关技术同时，降低成本，节约体积和空间。本发明在不使用任何辅助电路的前提下，令单相准Z源整流器每个开关管可以实现零电压(ZVS)或零电流(ZCS)开通关断，同时功率开关管两端的电压最大值不会高于直流侧电压，不需要耐压等级更高的器件。由于本发明提出的调制方法并没有用到谐振原理，每个功率开关管两端的电压等于直流侧电压。因此，本发明可以更广泛的应用于各种可控整流电路中。
附图说明
图1为单相准Z源可控整流器的电路结构示意图。图2为本发明提出的调制方法的开关管动作时序图。图3为一个开关周期内，每个开关管开通与关断时的电流和电压变化情况示意图。图4为准Z源网络工作在非直通状态下的等效电路。图5为准Z源网络工作在直通状态下的等效电路。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式本发明方法基于单相准Z源可控整流器实现，所述单相准Z源可控整流器包括交流电源X、电感LS、可控整流H桥、Z源网络电路、输出电容C0和输出电阻R，所述可控整流H桥由开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4和二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成，Z源网络电路由电感L1、电感L2、电容C1、电容C2和开关管S7组成；
交流电源X的一个输出端连接电感LS的一端，电感LS的另一端连接开关管S1的源极、开关管S2的漏极、二极管D1的正极和二极管D2的负极；交流电源X的另一个输出端连接开关管S3的源极、开关管S4的漏极、二极管D3的正极和二极管D4的负极；开关管S1的漏极、开关管S3的漏极、二极管D1的负极和二极管D3的负极连接电容C1的一端和电感L1的一端，电感L1的另一端连接电容C2的一端和开关管S7的漏极，电容C2的另一端连接输出电容C0的一端、输出电阻R的一端、开关管S2的源极、开关管S4的源极、二极管D2的正极和二极管D4的正极；电容C1的另一端连接开关管S7的源极和电感L2的一端，电感L2的另一端连接输出电容C0的另一端和输出电阻R的另一端。
方法的过程为：在一个开关周期内，在t1时刻，开关管S7开通，此时系统工作在非直通状态；直到t2时刻，开关管S7关断，系统进入到直通状态，同时开关管S1开通和开关管S2关断。此时，由于直通状态下反并联二管D1和D2导通，将开关管S1和开关管S2两端电压钳制为零，因此开关管S1和开关管S2可以实现ZVS开通和关断。在直通状态下，准Z源网络电感电流一直下降直到为零。在t3时刻开关管S7开通时，由于准Z源网络的电感电流为零，由基尔霍夫电流定律可知此时开关管S7电流为零，因此开关管S7可以ZCS开通。在t3到t4期间系统工作在非直通状态，此时准Z源网络电感电流上升。在t4时刻开关管S7关断，同时开关管S3开通和开关管S4关断。与t2时刻相同，直通状态下反并联二极管D3和D4导通，因此将开关管S3和开关管S4两端电压钳制为零，其可以ZVS开通和关断。在t5时刻，准Z源网络电感电流降为零，反并联二极管D3关断。在t6时刻开关管S7关断，单相准Z源整流器进入直通工作状态。所有的反并联二极管导通，开关管S2、开关管S3和开关管S4两端的电压将会被这些反并联二极管钳制于零。因此，开关管S3可以ZVS关断。而开关管S1、开关管S2和开关管S4没有电流流过，因此，这些开关管可以实现ZCS和ZVS开通和关断。在这个过程中并没有任何开关损耗产生，可以实现完全的软开关。
上文所述一个开关周期是指一个载波周期，因为应用的载波为三角波，而所有开关管动作切换都是在一个三角载波周期中调制波与载波比较产生的，又称为开关周期。
准Z源网络工作时存在两种状态，分别为直通状态和非直通状态，直通状态时开关管S7关断，非直通状态时开关管S7导通；电感L1和L2的电流值在直通状态和非直通状态时都相等，说明书附图的图2中IL即为电感L1和L2的电流值。
准Z源网络工作在非直通状态下的等效电路如图4所示，工作在直通状态下的等效电路如图5所示。首先，根据电感电流变化可以给出电感两端电压表达式，
当工作在非直通状态时，有表达式，
当工作在直通状态时，有表达式，
在一个开关周期中，假设非直通状态工作时间为T,直通状态时间为BT，根据电感伏秒平衡关系可以得出，
将公式(1.4)代入到(1.2)(1.3)中，可以得出在直通状态和非直通状态下均满足条件VL1＝VL2。因此当准Z源电感值相等时，即L1＝L2，根据公式(1.1)可知电流iL1＝iL2。
在设计准Z源电感值时，保证了准Z源网络的电感工作在电流临界或电流断续状态下。

Claims (9)

1.无辅助电路单相准Z源整流器软开关控制方法，该方法基于单相准Z源可控整流器实现，其特征是方法的过程为：在t1时刻，开关管S7开通，此时整流器系统工作在非直通状态；在t2时刻，开关管S7关断，整流器系统进入到直通状态，同时开关管S1开通和开关管S2关断；直通状态下反并联的二极管D1和二极管D2导通，将开关管S1和开关管S2两端电压钳制为零，开关管S1和开关管S2实现ZVS开通和关断；在直通状态下，准Z源网络电感电流一直下降直到为零；在t3时刻，开关管S7开通，准Z源网络的电感电流为零，开关管S7电流为零；在t3到t4期间整流器系统工作在非直通状态，准Z源网络电感电流上升；在t4时刻开关管S7关断，同时开关管S3开通和开关管S4关断，反并联的二极管D3和二极管D4将开关管S3和开关管S4两端电压钳制为零，其实现ZVS开通和关断；在t5时刻，准Z源网络电感电流降为零，反并联的二极管D3关断；在t6时刻开关管S7关断，整流器系统进入直通工作状态，所有的反并联二极管导通，开关管S2、开关管S3和开关管S4两端的电压被这些反并联二极管钳制于零，而开关管S1、开关管S2和开关管S4没有电流流过，这些开关管实现ZCS和ZVS开通和关断；上述过程在一个开关周期内实现，并循环往复。
2.根据权利要求1所述的无辅助电路单相准Z源整流器软开关控制方法，其特征在于所述单相准Z源可控整流器包括交流电源X、电感LS、可控整流H桥、Z源网络电路、输出电容C0和输出电阻R，所述可控整流H桥由开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4和二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成，Z源网络电路由电感L1、电感L2、电容C1、电容C2和开关管S7组成；
交流电源X的一个输出端连接电感LS的一端，电感LS的另一端连接开关管S1的源极、开关管S2的漏极、二极管D1的正极和二极管D2的负极；交流电源X的另一个输出端连接开关管S3的源极、开关管S4的漏极、二极管D3的正极和二极管D4的负极；开关管S1的漏极、开关管S3的漏极、二极管D1的负极和二极管D3的负极连接电容C1的一端和电感L1的一端，电感L1的另一端连接电容C2的一端和开关管S7的漏极，电容C2的另一端连接输出电容C0的一端、输出电阻R的一端、开关管S2的源极、开关管S4的源极、二极管D2的正极和二极管D4的正极；电容C1的另一端连接开关管S7的源极和电感L2的一端，电感L2的另一端连接输出电容C0的另一端和输出电阻R的另一端。
3.根据权利要求1所述的无辅助电路单相准Z源整流器软开关控制方法，其特征在于一个开关周期指一个载波周期。
4.根据权利要求1所述的无辅助电路单相准Z源整流器软开关控制方法，其特征在于直通状态为开关管S7关断。
5.根据权利要求1所述的无辅助电路单相准Z源整流器软开关控制方法，其特征在于非直通状态为开关管S7导通。
6.根据权利要求3所述的无辅助电路单相准Z源整流器软开关控制方法，其特征在于载波为三角波。
7.根据权利要求4或5所述的无辅助电路单相准Z源整流器软开关控制方法，其特征在于电感L1和L2的电流值在直通状态和非直通状态时都相等。
8.根据权利要求2所述的无辅助电路单相准Z源整流器软开关控制方法，其特征在于电感L1的电感值等于电感L2的电感值。
9.根据权利要求1所述的无辅助电路单相准Z源整流器软开关控制方法，其特征在于准Z源网络的电感工作在电流临界或电流断续状态下。
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