CN111147020A - 一种大功率lc振荡电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出大功率LC振荡电路，涉及高频振荡电路技术领域，包括直流电压源、谐振电感以及若干级与电容并联的IGBT单元，第一级与电容并联的IGBT单元与直流电压源连接，若干级与电容并联的IGBT单元与谐振电感串联，谐振电感设于两级与电容并联的IGBT单元之间，或设于直流电压源与第一级与电容并联的IGBT单元之间，或设于最末级与电容并联的IGBT单元与接地端之间。本发明提出一种能够驱动LC结构进行谐振，能够产生远高于电源电压的谐振电压，能够输出更高功率的拓扑结构；且不存在损坏电路结构的问题，拓扑结构简单，可做出几十千瓦功率级别的大功率电源，成本低，控制简单，并且任何部分IGBT单元短路不影响谐振过程，开路只会停止工作没有其它后果，因此更可靠。
Description
技术领域
本发明涉及高频振荡电路技术领域，尤其是一种大功率LC振荡电路。
背景技术
在电力能量转换的过程中，比如变压器，在初级线圈把电能转换成磁场能量，次级线圈用不同的绕组圈数捕获磁场能量，将磁场能量转换成不同电压或电流的电场能量。
这种能量转换方式在是重要的电力应用的基础理论，也是最常用的技术，它被广泛使用，随着开关电源的发明，人们意识到，如果用高频率的磁场可以大幅度降低成本和重量，能让变压器体积小，重量更轻，一般高频变压器的体积和重量能做到只有传统工频变压器十分之一左右，成本也大大降低。
把低频磁场能量转换成高频磁场能量，需要转换电路，在小功率电源中可用的拓扑结构有正激拓扑结构、反激拓扑结构、推挽拓扑结构、半桥拓扑结构、全桥拓扑结构等等，每种拓扑结构都有各自的优缺点，在大功率的能量转换场合，比如超过几千瓦甚至几十千瓦的大功率能量转换，在高频情况下，必须要采用LC谐振结构才能实现，利用LC在谐振时能产生数倍于电源电压的放大作用，实现更高要求的输出功率，这时，上述的拓扑结构只有半桥拓扑和全桥拓扑能够实现，但是，半桥拓扑和全桥拓扑有一个重要的缺点，它们在谐振工作时，严禁工作频率接近或低于LC固有谐振频率，否则会产生电流相位超前，损坏全桥或半桥的电路结构，特别是在大功率输出时，这种情况越是难以避免，这也是目前几十千瓦大功率电路研发困难的根本原因。
发明内容
本发明提出了一种大功率LC振荡电路，能够产生远高于电源电压的谐振电压，能够输出更高功率的拓扑结构。
本发明具体采用如下技术方案实现：
一种大功率LC振荡电路，包括直流电压源、谐振电感以及若干级与电容并联的IGBT单元，第一级的所述与电容并联的IGBT单元与所述直流电压源连接，若干级的所述与电容并联的IGBT单元与所述谐振电感串联，所述谐振电感设于两级所述与电容并联的IGBT单元之间，或设于所述直流电压源与第一级的与电容并联的IGBT单元之间，或设于最末级的与电容并联的IGBT单元与接地端之间。
作为优选，若干级所述与电容并联的IGBT单元包括IGBT管，所述IGBT管与电容并联，其中，所述IGBT管的栅极与驱动电路连接，所述IGBT管的集电极和发射极连接在所述电容的两端。
作为优选，所述谐振电路的电感与若干级所述IGBT单元的电容构成谐振。
作为优选，若干级所述与电容并联的IGBT单元的驱动电路均输入相同相位的驱动，使每个所述IGBT管同步开启或关闭。
作为优选，所述IGBT管为带阻尼二极管的IGBT场效应管。
本发明提供的一种大功率LC振荡电路，其有益效果在于：提出一种能够驱动LC结构进行谐振，能够产生远高于电源电压的谐振电压，能够输出更高功率的拓扑结构；且不存在全桥拓扑或半桥拓扑电路在高功率时可能会产生电流相位超前时会产生损坏电路结构的问题，拓扑结构也更简单，采用该拓扑结构，很容易能做出几十千瓦功率级别的大功率电源，而且成本也更低，控制也更简单；当部分IGBT单元发生短路，不影响谐振工作；当部分IGBT单元开路，只会停止工作，没有其它后果。
附图说明
图1是本发明大功率LC振荡电路实施例1的电路原理图；
图2是本发明大功率LC振荡电路实施例1中工作点1的工作波形图；
图3是本发明大功率LC振荡电路实施例1中工作点2的工作波形图；
图4是本发明大功率LC振荡电路实施例1中工作点1与工作点2之间相对的工作波形图；
图5是本发明大功率LC振荡电路实施例2的电路原理图；
图6是本发明大功率LC振荡电路实施例3的电路原理图；
图7是本发明大功率LC振荡电路实施例4的电路原理图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种大功率LC振荡电路，包括直流电压源、电感与电容构成的谐振电路以及两级IGBT单元，其中，
第一级的IGBT单元包括第一场效应管Q1，第一IGBT管Q1的栅极与第一驱动电路连接，第一IGBT管Q1的集电极与直流电压源VCC连接，第一IGBT管Q1的集电极与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与第一IGBT管Q1的发射极连接，第一IGBT管Q1的发射极还与谐振电路的电感L连接，电感L也可以并联有电容C，构成并联谐振关系；
第二级的IGBT单元包括第二IGBT管Q2，第二IGBT管Q2的栅极与第二驱动电路连接，第二IGBT管Q2的集电极与电感L的一端连接，第二IGBT管Q2的集电极与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与第二IGBT管Q2的发射极连接，第二IGBT管Q2的发射极接地。
电感L与第一电容C1和第二电容C2构成串联谐振，电感L可以并联电容也可以不并联电容，不影响谐振过程。
在使用时，第一驱动电路和第二驱动电路输入相同相位的驱动，保证第一IGBT管Q1和第二IGBT管Q2同步开启或关闭，本实施例中，第一IGBT管Q1和第二IGBT管Q2优选带阻尼二极管的IGBT管。
工作时，每个IGBT同步开启导通，导通时间长短决定谐振能量的大小，也决定谐振电压的大小。IGBT关闭后，谐振电压产生，在谐振电压回落到0时，IGBT再开始导通，周而复始，完成谐振过程。具体工作波形图，如图2-4所示，从图2中，可看出工作点1的谐振电压峰值约为电源电压的2倍；从图3中，可看出工作点2的谐振电压峰值也约为电源电压的2倍，只是谐振波形为负向；从图4中，可看出工作点1和工作点2之间相对电压波形，也是LC回路电感两端的谐振电压峰值约为电源电压的4倍。
实施例2
如图5所示，与实施例1所不同的是，包括三级IGBT单元，第三级的IGBT单元的第三IGBT管Q3的栅极与第三驱动电路连接，第三IGBT管Q3的集电极与第二IGBT管Q2的发射极连接，第三IGBT管Q3的集电极与第三电容C3的一端连接，第三电容C3的另一端与第三IGBT管Q3的发射极连接，第三IGBT管Q3的发射极接地。
实施例3
如图6所示，与实施例2所不同的是，虽然都包括三级IGBT单元，只是第一级的IGBT单元和第二级的IGBT单元串联，第二级的IGBT单元与第三级的IGBT单元之间设有谐振电感。
实施例4
如图7所示，与实施例2所不同的是，包括四级IGBT单元，第四级的IGBT单元的第四IGBT管Q4的栅极与第四驱动电路连接，第四IGBT管Q4的集电极与第三IGBT管Q3的发射极连接，第四IGBT管Q4的集电极与第四电容C4的一端连接，第四电容C4的另一端与第四IGBT管Q4的发射极连接，第四IGBT管Q4的发射极接地。
需要说明的是，上述实施例1-4是本电路的其中一种结构，如果对本电路进行变换，比如仅简单改变串联的次序，比如电感L和电容C的部分不在工作点1和工作点2之间，而把它放在电源和功率管之间，或是放在功率管Q2和地之间，并不影响本发明的结构和原理。
另外，本发明可以任意增加或减少功率管和相关的并联电容，不会影响工作过程。同时，由于每个IGBT在电路结构上呈串联分布，和IGBT相并联和电容对谐振电压有分压作用，所以，采用的串联的IGBT单元越多，每个IGBT承受的谐振电压就越低，工作就越可靠。但是，也应该注意到，增加的IGBT单元越多，每个IGBT导通时插入的导通功耗也会相应增加。
四个实施例所展示的电路结构都是合理的，不影响电路的工作性质，而且，采用越多的IGBT单元，谐振电路的可靠性就越高，以下是部分可能的电路方式，用来表示，任一部分IGBT单元的增加或减小，不影响电路的谐振过程，仅和电路的可靠性相关。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种大功率LC振荡电路，其特征在于，包括直流电压源、谐振电感以及若干级与电容并联的IGBT单元，第一级的所述与电容并联的IGBT单元与所述直流电压源连接，若干级的所述与电容并联的IGBT单元与所述谐振电感串联，所述谐振电感设于两级所述与电容并联的IGBT单元之间，或设于所述直流电压源与第一级的与电容并联的IGBT单元之间，或设于最末级的与电容并联的IGBT单元与接地端之间。
2.根据权利要求1所述的一种大功率LC振荡电路，其特征在于，若干级所述与电容并联的IGBT单元包括IGBT管，所述IGBT管与电容并联，其中，所述IGBT管的栅极与驱动电路连接，所述IGBT管的集电极和发射极连接在所述电容的两端。
3.根据权利要求2所述的一种大功率LC振荡电路，其特征在于，所述谐振电路的电感与若干级所述IGBT单元的电容构成谐振。
4.根据权利要求2所述的一种大功率LC振荡电路，其特征在于，若干级所述与电容并联的IGBT单元的驱动电路均输入相同相位的驱动，使每个所述IGBT管同步开启或关闭。
5.根据权利要求2-4任一所述的一种大功率LC振荡电路，其特征在于，所述IGBT管为带阻尼二极管的IGBT场效应管。
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