CN1109654A

CN1109654A - 脉冲宽度调制与零电流零电压谐振开关联合控制逆变方法

Info

Publication number: CN1109654A
Application number: CN 94113331
Authority: CN
Inventors: 韦伟平; 雷丽平
Original assignee: JINTAI ENTERPRISE GROUP CO GUANGDONG
Current assignee: JINTAI ENTERPRISE GROUP CO GUANGDONG
Priority date: 1994-12-29
Filing date: 1994-12-29
Publication date: 1995-10-04

Abstract

一种脉冲宽度调制与零电流、零电压谐振开关联合控制逆变方法，应用脉冲宽度调节逆变电源的输出量，利用全桥式逆变回路中的负载及线路寄生电感、电容在开关过程中形成电压和电流的谐振，采用电流过零时关断开关器件，电压为零时开通开关器件，使逆变回路极为简单，减少了开通瞬间电流峰值，消除了关断瞬间电压尖峰，使逆变时的可靠性大为提高，开关损耗大幅度降低。为逆变技术在大或超大功率电源上的应用开辟了新途径。

Description

本发明涉及一种脉冲宽度调制与零电流零电压谐振开关联合控制逆变的方法即PWM-ZCC/ZVC（简称），属电源技术领域，特别是涉及大功率直流稳压电源领域。

开关逆变电源是一种高频电源变换电器，它采用直流变交流的方式高效率地产生一路或多路经调整的稳定的直流电压、电流或稳定的高频交流电压、电流，随着在计算机、微处理器、家用电器（如电视机）、通讯系统、机械电子产品中获得广泛的应用，使开关逆变电源成为当代的主流。

开关电源电路结构分为五种，即单端反激式、单端正激式、推挽式、半桥变换式、全桥变换式。其中全桥变换式是几种方式中传输功率范围最大，尤其是今后大或超大功率逆变电源所采用的主要方式，目前其控制技术绝大多数局限于脉冲频率（PFM）调制技术或脉冲宽度（PWM）调制技术。PFM技术随着高速大功率电子器件的出现而逐渐被PWM技术取代，有PFM+PWM混合控制方式。但无论采取何种调制方式及何种开关器件，如中国专利90221541.8号《绝缘栅型双极性晶体管弧焊逆变器》所述的开关器件，对逆变开关器件的控制皆为强迫通断的强制控制方式。其不足在于：

1、高频逆变的变换器中，开关器件的损耗主要来自断开与闭合的瞬间，而开关的通态损耗是次要的。开关器件由断态向通态转换的瞬间，器件上承受的电压由高压变为零（近似为零），其电流由零变为通态电流皆存在一过滤时间（上升与开启时间），在此时间内，开关器件的瞬时电压、电流均不为零，势必造成开通损耗;同理，开关器件由通态转变为断态变存在一过滤时间（下降、关断时间），此过程必然造成器件的关断损耗。而器件的通断损耗与逆变的频率的提高、输出的功率增大成正比的增加，极大的影响逆变电源的工作效率及其可靠性。

2、强迫通断开关器件，给开关器件本身以及逆变电路中的其他器件、以至整个电源装置造成极大的瞬间电压和电流冲击，并对电源本身以及外界产生很大的干扰。当器件强迫开通时，其电压、电流的突变引起逆变回路中固有和分布的电感、电容产生极大的反激尖峰电压，造成对开关器件以及相关器件的冲击。当逆变回路中的电流愈大，电压愈高，这种通断冲击愈强烈，甚至影响整个系统的正常工作，这使逆变电源难于在大功率范围内获得可靠的应用。

3、为减少强迫通断带来的开关损耗和冲击，就必须对开关器件及其他相关器件采用各种吸收保护电路，增加了整个电源电路的复杂程度，并带来不必要的能量损耗。

可见强迫通断控制技术阻碍了开关逆变电源技术的进一步发展，使逆变（开关）频率难于进一步提高;逆变效率低;难于在大或超大功率逆变技术上应用。为此，近年提出了谐振变换技术，目的是改善功率半导体器件的开关条件。先后提出了零电流开关（ZCC）和零电压开关（ZVC）技术，这类技术的核心是通过特殊设计电路中的电感、电容以及寄生的电感、电容产生电流、电压谐振，在开关器件为零电压和零电流时开和关，从而大大降低开关过程的通断损耗和冲击，解决了PFM、PWM技术中存在的多种技术难点。目前，ZCC或ZVC控制技术在小功系范围获得了初步应用，主要电路结构是以单端正激、单端反激变换器为基础，辅以为产生谐振而附加的电感、电容，应用单独的ZCC或ZVC控制来实现。但问题在于：

1、大及超大功率（千瓦级以上）逆变电源中如何引入ZCC或ZVC控制;

2、在最适合大功率逆变的桥式变换结构中，能否用最简单的方式实现零电流零电压切换;

3、如何解决开关（逆变）频率与谐振频率的约束关系使逆变过程顺利进行;

4、如何解决谐振逆变过程中的输出调节问题。

本发明的目的是提出一种谐振开关逆变技术，即完整的脉宽调制与零电流零电压谐振控制技术联合调控桥式逆变过程（PWM-ZCC/ZVC），运用此技术可克服或解决上述桥式逆变技术中的下列问题：

1、如何成倍减小强迫通断桥式逆变电路中开关器件的通断损耗;

2、如何改善逆变电路次级整流器件（主要是快速恢复二极管）的工作条件，使整流器件导通与截止瞬间的损耗减少;

3、如何彻底消除逆变桥中开关器件关断时产生的瞬时反激电压，并减弱开通瞬间电流、电压冲击，使开关器件不需任何瞬态吸收保护，逆变回路简单，并使回路中的固有及分布电感、电容上的储存能量得以合理利用;

4、如何减小逆变过程中开和关所需的过滤时间及开关损耗，使逆变频率成倍提高，为电源的小型化提供手段;

5、如何保留传统的PWM调制来控制电源输出功率，使控制系统简单实用;

6、如何将PWM、ZCC、ZVC三者有机地结合起来，合理地解决三者间的约束关系，产生互补效应，使系统能在各种负载变化条件下正常工作;

7、如何在大功率的桥式逆变中，不加入任何吸收保护及附加其他谐振结构，用最简单的方式实现PWM调制及ZCC/ZVC的切换。

本发明的技术方案如图所示。

附图1是本发明PWM-ZCC/ZVC工作原理图;

附图2是逆变回路等效电路图，其中图2（a）是半桥通态示意图;图2（b）是半桥断态过滤示意图;图2（c）是半桥断态示意图;

附图3是PWM-ZCC/ZVC主控电路原理框图;

附图4是驱动电路原理图;

附图5是采用PWM-ZCC/ZVC逆变技术的大功率直流稳压电源原理图。

参照图1，逆变即为直流变交流的过程。PWM-ZCC/ZVC主控电路接收由负载送来的输出信号、高频变压器B₁送来的逆变电压信号和逆变回路电流传感器T₁送来的逆变电流信号，在主控电路的控制下，通过零电流零电压ZCC/ZVC驱动电路产生合理的开关驱动信号，并输送到逆变桥中开关元件的控制端，促使逆变主回路中开关器件（晶体管、达林顿管、场效应管、IGBT管）Q₁-Q₄合理、有序地导通和关断，从而使高频变压器B₁初级两端获得高频交流电压、电流，将能量高效、快速地传输给次级负载。

如图1，直流电源E可从网路工频交流直接整流获得，或是其他可获得为桥式逆变电路供电的直流电源。桥式逆变电路由四个相同的Q₁-Q₄开关管组成两个桥臂，开关管可为晶体管、达林顿管、场效应管或IGBT管等开关均可控的器件，其中每个开关管对应并联有一二极管D₁-D₄，某一桥臂上如Q₂、Q₄桥臂，Q₂、Q₄还分别并联有电容C₁、C₂;逆变桥经隔直电容C₃与高频变压器B₁初级线圈相连，该逆变桥中无须任何吸收保护电路。次级回路一般由次级高速整流器件、滤波电感、电容及负载组成，可根据不同产品的性能需要而设计，在此要求逆变主回路负载即B₁初级两端的总等效负载呈感性负载（包括纯阻性）。

在主控电路控制下，逆变桥中Q₁、Q₃一组桥臂作为零电流关断（ZCC桥臂）单元，采用强迫开通，过零或为零关断;另一组桥臂Q₃、Q₄组成零电压开通（ZVC桥臂）单元，实行零电压开通，强迫关断。两个桥臂的通断方式互补以克服ZCC、ZVC各自的局限性。由主控电路提供Q₁-Q₄所需的驱动脉冲，即ZVC桥臂中Q₂、Q₄开关管采用超前脉冲驱动，保证Q₂、Q₄在电压为零时自然开通，即时脉冲降落时强迫关断;ZCC桥臂中Q₁、Q₃采用即时驱动脉冲强迫开通，检测电流过零或为零使脉冲降落关断。

在主控电路中，由PWM调制器输出两路频率固定、脉宽可调的脉冲信号，经脉冲分配单元分配出四路分别为驱动Q₁-Q₄作准备的脉冲信号a、b、c、d;a、b、c、d四路信号经驱动电路进行隔离及分离处理，得到与控制电路隔离并相互独立的四路驱动脉冲A、B、C、D。其中A、B用于驱动ZVC桥臂中的Q₂、Q₄管，其与Q₂、Q₄管两端电压U_CE2、U_CE4的逻辑关系为A＝a＊

_CE4、B＝b＊

_CE2;即当a或b脉冲出现时，A或B并不一定出现，必须等待U_CE2或U_CE4＝0时，才能使A或B＝1;当a或b脉冲消失时A或B＝0，这样就保证了Q₂、Q₄桥臂零电压开通，即时脉冲关断的驱动条件。而C、D用于驱动ZCC桥臂中的Q₁、Q₃管，其于时序的关系满足：C＝c，D＝d。即c或d脉冲出现时，C或D出现，等待ZVC桥臂关断促使Q₁、Q₃的电流过零或为零，使C、D脉冲降落，从而满足零电流关断强迫开通的驱动条件。

参照图2，其中L_K为高频变压器B₁的漏感、寄生电感、次级折算到初级电感之总和，C′₃为串联电容C₃以及等效串联电容之总和，C′₁和C′₂分别为C₁和C₂及Q₂、Q₄输出电容及二极管D₂、D₄结电容之等效电容。设在某一时刻，主控电路输出驱动脉冲D和A（见图2（a）），使Q₁、Q₄导通，电流I经电源流经Q₁、C′₃、L_K、R_L及Q₄形成回路，此时为正常逆变通态过程，通过B₁将电能传输给负载，通态时间由PWM调制控制即脉宽控制，以调节传输功率的大小;通态时间结束，A脉冲消失，开始关断Q₄，于此同时控制输出脉冲B，为Q₂管零电压开通作准备。图2（b）中，此时Q₄断，L_K、C′₃、C′₁、C′₂、R_L组成LCR谐振，即谐振过渡或断态过渡，Q₄两端的电压由零过渡到高压，而Q₂电压由高压变为零，满足了零压条件而开通。此后，逆变电流i由通态值过渡到零，过零检测电路检出过零信号，通过主控电路使C脉冲降落，关断Q₁（见图2（c）），这样就完成了PWM-ZCC/ZVC控制半个周期的逆变过程。同理，当C脉冲到来时，使Q₃导通，通过Q₂、Q₃完成另一半周期的逆变，形成一完整的逆变周期。

参照图3，PWM-ZCC/ZVC主控电路是基于上述逆变回路工作原理而设计，主要完成：产生频率固定、脉宽可调的脉冲以调节逆变过程的输出功率;产生符合ZCC/ZVC桥式逆变所需的时序脉冲信号，为驱动Q₁-Q₄服务;具备反馈调节功能以控制所输出量的大小;具备多重保护功能;具备启动、停止等顺序控制功能。

图中以脉宽调制器SG3525开关集成电路及其外围元件构成整个系统的控制核心，完成下列工作：1）由电阻R_S、电容C_S和其内部构成振荡器，从而决定整个控制系统的逆变频率，R_S、C_S振荡产生的固定脉冲和波形提供给SG3525内部其他电路以产生相应的脉冲信号;2）接收给定电路GD送来的电压信号，以及反馈放大电路送来的信号，将两者经误差放大器进行比较放大，并通过比较器将振荡波形调制成宽度取决于误差放大信号、而频率固定的脉冲波形;3）上述脉冲波形经内部脉冲分配电路，输出两路脉冲信号P₁、P₂;4）SG3525同时接收由偏磁检出电路检出的信号，根据信号的大小来分别调节P₁或P₂的脉冲宽度，达到逆变平衡过程;5）接收由各保护电路送来的关断信号以关断P₁和P₂输出，实现系统的过程保护和程序控制目的。

图3中，ZCC/ZVC电路由逻辑处理电路LC、触发器1^＃-4^＃、脉冲驱动电路QD、以及零电流检测电路GLJ、同步识别电路TS、脉冲整形电路MZ等组成。首先P₁、P₂脉冲输入到逻辑处理电路LC中，根据对P₁、P₂脉冲时序关系的处理，向1^＃-4^＃触发器输出多路脉冲信号以控制触发器之触发、置位、复位等功能，1^＃、2^＃触发器输出对称方波脉冲a、b，其相位相错180度，并与P₁、P₂保持确定的对位关系;c、d触发器发出宽度由P₁、P₂以及逆变回路谐振参数即过零条件决定的脉冲c、d，其相位相错180度。该回路脉冲以各自的推挽电路驱动后输出，同时这些信号（包括其反相信号）反输至逻辑处理电路LC中以实现信号间的相互约束，保证有序而不出现紊乱现象。

零电流ZCC检测电路GLJ接收逆变回路中电流传感器T₁送来的电流和高频变压器B₁送来的电压信号，通过同步识别电路TS加以判断，然后经过脉冲整形MZ而获得零电流关断脉冲，并送至逻辑处理电路LC中处理，以控制3^＃、4^＃触发器输出关断信号，由此可见ZCC/ZVC电路是一时序上的部分闭环输出数字控制电路。

见图3。为了保证系统稳定的工作，设置了过流GL、缺相QS、过热GZ、偏磁PT、程序保护CK及故障保护GZB、逐脉冲保护ZM、输出过流保护SG等保护环节。

图3中，反馈电路为系统闭环控制所必不可少的环节，反馈信号根据系统所需控制输出量而取，可以是输出电流、电压或其他间接参数，反馈信号经反馈电路放大后，再经滤波器获得平滑的反馈控制信号，该信号送入SG3525集成电路中与给定信号相比较以调制脉冲宽度，从而控制逆变电源的输出功率大小。给定电路GD是通过调节给定电压信号大小，利用反馈控制系统实现对输出量的调节。而直流稳压电路WY产生所需的直流电压、电流，为整个控制系统正常工作稳定地提供能量。

图4中，驱动电路为逆变桥中各开关管提供通、断脉冲，是连接PWM-ZCC/ZVC主控电路与逆变回路的不可缺少的中间环节。由PWM-ZCC/ZVC输出a-d四路脉冲信号，经光电隔离为四个独立的驱动电路，其中a、b路为ZVC驱动电路，c、d路为ZCC驱动电路。ZVC驱动电路工作过程如下：由PWM-ZCC/ZVC主控电路输出脉冲a，经光电隔离传输到脉冲整形电路ZX整形后输出至与门入端;同时，由开关管集电极或漏极等电压信号经非门输入至与门另一端。当a脉冲出现、开关管电压（集电极或漏极电压）为零时，与门才能获得输出，经推挽驱动相应的开关管。当a脉冲消失时，驱动脉冲亦消失，实现了ZVC控制。同时ZVC驱动亦有自保护功能，如出现开关管电压不为零等异常情况时会自动关闭。b路驱动原理与a路相同。

ZCC驱动电路与ZVC驱动电路稍有不同，其工作过程如下：脉冲C输入经光电隔离、整形ZX后输入至与门入端，由与门直接输出高电平，经推挽驱动相应的开关管，使其导通。同时该驱动脉冲经RC延时后，选通非门电路，以检测开关管集电极电压。当电压为零（近似为零）时，非门输出仍为高电平，以保持与门驱动脉冲输出;相反，当电压不为零时，非门输出为零以关闭与门输出，起保护开关管作用，此功能为保护开关管过流而设。d路与c路同理。由上述可见，ZCC/ZVC驱动电路必须与PWM-ZCC/ZVC主控电路相配合才能使逆变回路PWM-ZCC/ZVC完整过程。

图5为采用PWM-ZCC/ZVC逆变技术实现的大功率直流稳压电源。从工频电源直接通过整流桥ZL₁以及C₄整流获得高压电源，该高压电源直接与四个IGBT管或晶体管、场效应管以及C₁、C₂组成的全桥逆变结构连接，电容C₃和高频变压器B₁为全桥之负载，T₁串联于回路中用以检测逆变电流。B₁的次级采用中心抽头绕组输出方式，输出通过D₁、D₂整流以及L₁、C₅滤波而获得直流电源，该直流电源的电压、电流信号反馈到PWM-ZCC/ZVC电路中，通过其控制输出四路脉冲信号，经ZCC/ZVC驱动电路而获得四路独立的驱动脉冲，驱动四个开关元件有序的通断。

该稳压电源额定输出直流电压5-60V可调，额定输出电流100A，效率＞＝0.85，功率因数＞＝0.95，重量约12公斤。该机采用IGBT管作开关器件，使用PWM-ZCC/ZVC控制技术，使常规逆变电源难于克服的技术难点得以妥善解决。该机采用四只IGBT管构成两个桥臂，电路控制由PWM-ZCC/ZVC主控电路和IGBT驱动电路完成，主变压器采用铁氧体铁芯并以漏磁最小方式绕制线圈;次级整流用快速恢复二极管模块，次级滤波电感采用非晶态铁芯作磁芯，通过整个系统的闭环控制获得高质量、大功率的直流稳压输出。

本发明为逆变技术在大或超大功率范围内应用、提高电源系统性能尤其是可靠性能方面开辟了新的途径。与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、使桥式逆变过程中的开关损耗降低一倍以上;

2、使逆变过程开关器件的关断冲击电压（关断反激尖峰）消除或消失，使开通电流冲击减小;

3、使逆变桥无须吸收保护，逆变主电路变得非常简单实用;

4、使逆变频率提高到原来的2倍以上;

5、使次级整流过程更合理;

6、使逆变电源整体性能大幅度提高，性能更可靠、效率更高、体积及重量进一步减小、更大的适用范围、更好的经济效益及社会效益。

Claims

1、一种脉冲宽度调制与零电流零电压谐振开关PWM-ZCC/ZVC联合控制逆变的方法，以脉冲宽度调制技术和零电流、零电压开关技术为基础，采用全桥式逆变方法，其特征是PWM-ZCC/ZVC主控电路接收由负载送来的输出信号、高频变压器B₁送来的逆变电压信号和逆变主回路电流传感器T₁送来的逆变电流信号，向零电流零电压ZCC/ZVC驱动电路输送脉冲信号，由该驱动电路处理出驱动信号，输到逆变桥中开关元件的控制端，控制开关元件的开通和关断，从而变直流为交流，输到B₁的初级并通过其向负载输出。

2、如权利要求1所述的逆变方法，其特征是逆变桥由四个相同的Q₁-Q₄开关管组成两个桥臂，每个开关管均并联有一个二极管D₁-D₄，该二极管可隐含在各开关管内或独立于其外，开关管可为晶体管、达林顿管、场效应管或IGBT管等开关均可控的电力电子元件。

3、如权利要求2所述的逆变方法，其特征是逆变桥中Q₂、Q₄两开关管还各自并联一电容C₁、C₂，Q₂、Q₄开关管组成零电压ZVC开通半桥臂，Q₁、Q₃组成零电流ZCC关断半桥臂，在两桥臂之间串联有隔直电容C₃。

4、如权利要求1所述的逆变方法，其特征是主控电路包括PWM脉宽调制器SG3525、零电流零电压ZCC/ZVC电路、反馈电路FF、给定电路GD，GD电路给定电压信号，与从输出电路获得并经FF电路处理的反馈信号一起输入到SG3525，SG3525输出两路脉冲信号P₁、P₂到ZCC/ZVC电路，由其处理后输出四路脉冲信号到ZCC/ZVC驱动电路。

5、如权利要求4所述的逆变方法，其特征是主控电路还设置了保证系统稳定工作的过流GL、过热GZ、偏磁PT、程序保护CK及故障保护GZB、逐脉冲保护ZM、输出过流保护SG等电路。

6、如权利要求4所述的逆变方法，其特征是主控电路中的调制器SG3525内部与其外部的电阻R_S、电容C_S构成决定整个控制系统逆变频率的振荡器。

7、如权利要求4所述的逆变方法，其特征是主控电路中的零电流零电压ZCC/ZVC电路包括逻辑处理电路LC、触发器1^＃-4^＃、脉冲驱动电路QD以及零电流检测电路GLJ、同步识别电路TS、脉冲整形电路MZ等，LC电路接收SG3525送来的两路脉冲后，向1^＃-4^＃触发器输出多路控制其触发、置位、复位等功能的脉冲信号，各触发器输出的脉冲经各自的QD电路驱动后输出到ZCC/ZVC驱动电路，GLJ电路接收逆变回路中电流传感器T₁送来的电流信号和高频变压器B₁送来的电压信号，通过TS电路加以判断后，经MZ电路而获得零电流关断脉冲，并送到LC电路中处理。

8、如权利要求1所述的逆变方法，其特征是ZCC/ZVC驱动电路包括四路相互独立的驱动电路，其中两路为零电压ZVC驱动电路，接受1^＃、2^＃触发器发出并经相应QD电路驱动的脉冲，以便驱动Q₂、Q₄开关管，另两路为零电流ZCC驱动电路，接受3^＃、4^＃触发器发出开经相应QD电路驱动的脉冲，用于驱动Q₁、Q₃开关管。

9、如权利要求8所述的逆变方法，其特征是ZCC/ZVC驱动电路中，ZVC驱动电路包括光电耦合器、整形电路ZX、与门电路、非门电路及推挽输出电路，ZCC驱动电路包括光耦合电路、整形电路ZX、RC电路、与门电路、非门电路及推挽输出电路。

10、一种采用脉冲宽度调制与零电流零电压谐振开关PWM-ZCC/ZVC联合控制逆变的方法的直流稳压电源，该电源直接从整流桥ZL₁及C₄整流获得高压直流电源，其特征是该电源直接与四个IGBT管或晶体管、场效应管及C₁、C₂组成的全桥逆变结构连接，电容C₃和高频变压器B₁为全桥的负载，电流传感器T₁串联于该回路中用以检测逆变电流，B₁的次级采用中心抽头绕组输出方式，输出通过D₁、D₂整流以及L₁、C₅滤波而获得直流电源，该直流电源的电压、电流信号反馈到PWM-ZCC/ZVC电路中，通过其控制输出四路脉冲信号，经ZCC/ZVC驱动电路而获得四路独立的驱动脉冲，驱动四个开关元件有序的通断。