CN111917303A - 电力电子变压器中功率模块的控制电路 - Google Patents

电力电子变压器中功率模块的控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电力电子变压器中功率模块的控制电路，包括：正半周期检测模块，正半周期检测模块的输入端连接到变压器副边信号输出端，在检测到电流信号处于正半周期时，通过输出端输出高电平；负半周期检测模块，负半周期检测模块的输入端连接到变压器副边信号输出端，在检测到电流信号处于负半周期时，通过输出端输出高电平；第一与门，第一与门的一个输入端与正半周期检测模块的输出端相连、另一个输入端接入驱动信号，第一与门的输出端连接到副边逆变桥中一组开关管的控制极；第二与门，第二与门的一个输入端与负半周期检测模块的输出端相连、另一个输入端接入驱动信号的反相信号，第二与门的输出端连接到副边逆变桥中另一组开关管的控制极。

Description

电力电子变压器中功率模块的控制电路
技术领域
本发明涉及电力电子变压器技术领域，具体涉及一种电力电子变压器中功率模块的控制电路。
背景技术
电力电子变压器的功率单元一般采用桥式拓扑电路，在正向工作时原边桥式电路中的MOS管开关动作，副边桥式电路中的MOS管如果不开通，MOS管中的体二极管起整流作用。同样在反向工作时副边桥式电路中的MOS管开关动作，原边桥式电路中的MOS管如果不开通，MOS管的体二极管起整流作用。MOS管在作为体二极管使用时，压降比较大，功率消耗比较多。为了减少损耗，在二极管整流时打开MOS管使电流流过MOS管，MOS管的管压降比较小，这样能够减少损耗，提高效率。
目前常用的技术方案是将主变压器的另一绕组用以进行过零检测，通过比较器与设置好的阈值进行比较，通过比较器的输出来控制副边桥式电路中的MOS管。这个阈值就是电流过零点，因为在零点会有波动，一般设置的阈值会高于零点很多，这样保证不会出现频繁的开关动作。然而由于该阈值的存在使电流过零后先是走的体二极管，而经过一定时间后才从MOS管流过，这样效率虽得到提高但不是最优的，还有如果阈值设置不好会存在高频导通，反而会增加损耗。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种电力电子变压器中功率模块的控制电路，能够减少损耗，提高电力电子变压器的整机效率。
本发明采用的技术方案如下：
一种电力电子变压器中功率模块的控制电路，所述功率模块包括变压器、与所述变压器原边相连的原边逆变桥和与所述变压器副边相连的副边整流桥，所述原边逆变桥中两组开关管的控制极分别输入驱动信号及其反相信号以实现逆变功能，所述控制电路包括：正半周期检测模块，所述正半周期检测模块的输入端连接到所述变压器副边信号输出端，所述正半周期检测模块在检测到电流信号处于正半周期时，通过所述正半周期检测模块的输出端输出高电平；负半周期检测模块，所述负半周期检测模块的输入端连接到所述变压器副边信号输出端，所述负半周期检测模块在检测到电流信号处于负半周期时，通过所述负半周期检测模块的输出端输出高电平；第一与门，所述第一与门的一个输入端与所述正半周期检测模块的输出端相连，所述第一与门的另一个输入端接入所述驱动信号，所述第一与门的输出端连接到所述副边逆变桥中一组开关管的控制极；第二与门，所述第二与门的一个输入端与所述负半周期检测模块的输出端相连，所述第二与门的另一个输入端接入所述驱动信号的反相信号，所述第二与门的输出端连接到所述副边逆变桥中另一组开关管的控制极。
所述的电力电子变压器中功率模块的控制电路还包括：电流互感器，所述电流互感器的输入侧串接于所述变压器副边，所述电流互感器的输出侧分别与所述正半周期检测模块的输入端和所述负半周期检测模块的输入端相连。
所述正半周期检测模块包括：第一半波整流单元，所述第一半波整流单元的输入端作为所述正半周期检测模块的输入端，与所述电流互感器的输出侧相连，所述第一半波整流单元用于获取所述电流互感器的输出侧输出的正半周期电流信号；第一参考源生成单元，所述第一参考源生成单元用于提供参考源；第一比较器，所述第一比较器的同相输入端与所述第一半波整流单元的输出端相连，所述第一比较器的反相输入端与所述第一参考源生成单元相连，所述第一比较器的输出端作为所述正半周期检测模块的输出端，与所述第一与门的一个输入端相连。
所述负半周期检测模块包括：第二半波整流单元，所述第二半波整流单元的输入端作为所述负半周期检测模块的输入端，与所述电流互感器的输出侧相连，所述第二半波整流单元用于获取所述电流互感器的输出侧输出的负半周期电流信号；第二参考源生成单元，所述第二参考源生成单元用于提供参考源；第二比较器，所述第二比较器的同相输入端与所述第二半波整流单元的输出端相连，所述第二比较器的反相输入端与所述第二参考源生成单元相连，所述第二比较器的输出端作为所述负半周期检测模块的输出端，与所述第二与门的一个输入端相连。
所述驱动信号由驱动信号源提供，其中，所述驱动信号源连接到非门的输入端，所述非门的输出端输出所述驱动信号的反相信号。
所述第一半波整流单元和所述第二半波整流单元均包括两个二极管。
所述第一参考源生成单元和所述第二参考源生成单元均包括预设电源和两个分压电阻。
所述原边逆变桥和所述副边整流桥中的开关管均为MOS管。
本发明的有益效果：
本发明通过设置正半周期检测模块检测变压器副边的电流正半周期，负半周期检测模块检测变压器副边的电流负半周期，并对应正、负半周期检测模块分别设置与门，由此，通过原边逆变桥的驱动信号和电流的正负周期结合，使副边整流桥中的开关管能够在工作周期内流过开关管本身而不是体二极管，从而减少损耗，提高电力电子变压器的整机效率。
本发明通过设置电流互感器对变压器副边的电流进行采样，能够实现控制电路与电力电子变压器的隔离，从而提高电路的安全性和可靠性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的电力电子变压器中功率模块的控制电路的拓扑图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
如图1所示，电力电子变压器中的功率模块可包括变压器T1、与变压器T1原边相连的原边逆变桥和与变压器T1副边相连的副边整流桥，原边逆变桥中两组开关管的控制极分别输入驱动信号及其反相信号以实现逆变功能。具体地，如图1所示，原边逆变桥包括第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂包括上下桥臂开关管Q1和Q2，第二桥臂包括上下桥臂开关管Q3和Q4，副边整流桥包括第三桥臂和第四桥臂，第三桥臂包括上下桥臂开关管Q5和Q6，第四桥臂包括上下桥臂开关管Q7和Q8，原边逆变桥和副边整流桥中还可分别接有电容C3和C4。驱动信号可由驱动信号源V1提供，其中，驱动信号源V1连接到非门U4A的输入端，非门U4A的输出端输出驱动信号的反相信号，即如图1所示，驱动信号源V1可连接到第一桥臂上桥臂开关管Q1和第二桥臂下桥臂开关管Q4，非门U4A的输出端可连接到第一桥臂下桥臂开关管Q2和第二桥臂上桥臂开关管Q3。驱动信号可为PWM信号，通过PWM信号及其反相信号来控制一组开关管Q1和Q4及另一组开关管Q2和Q3的导通关断，实现原边逆变桥的逆变功能。在本发明的一个实施例中，原边逆变桥和副边整流桥中的开关管可均为MOS管，开关管的控制极为MOS管的栅极。
如图1所示，本发明实施例的电力电子变压器中功率模块的控制电路包括正半周期检测模块10、负半周期检测模块20、第一与门30和第二与门40。其中，正半周期检测模块10的输入端连接到变压器T1副边信号输出端，正半周期检测模块10在检测到电流信号处于正半周期时，通过正半周期检测模块10的输出端输出高电平；负半周期检测模块20的输入端连接到变压器T1副边信号输出端，负半周期检测模块20在检测到电流信号处于负半周期时，通过负半周期检测模块20的输出端输出高电平；第一与门30的一个输入端与正半周期检测模块10的输出端相连，第一与门30的另一个输入端接入驱动信号，即连接到驱动信号源V1，第一与门30的输出端连接到副边逆变桥中一组开关管，即Q5和Q8的控制极；第二与门40的一个输入端与负半周期检测模块20的输出端相连，第二与门40的另一个输入端接入驱动信号的反相信号，即连接到非门U4A的输出端，第二与门40的输出端连接到副边逆变桥中另一组开关管，即Q6和Q7的控制极。
进一步地，如图1所示，本发明实施例的电力电子变压器中功率模块的控制电路还可包括电流互感器50，电流互感器50的输入侧串接于变压器T1副边，电流互感器50的输出侧分别与正半周期检测模块10的输入端和负半周期检测模块20的输入端相连。通过设置电流互感器对变压器副边的电流进行采样，能够实现控制电路与电力电子变压器的隔离，从而提高电路的安全性和可靠性。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，正半周期检测模块10包括第一半波整流单元(包括两个二极管D1、D2)、第一参考源生成单元(包括预设电源VCC和两个分压电阻R1、R2)和第一比较器U1B。第一半波整流单元的输入端作为正半周期检测模块10的输入端，与电流互感器50的输出侧相连，具体地，D1的阳极与电流互感器50的输出侧一端相连，D2的阴极与电流互感器50的输出侧另一端相连，D2的阳极接地，D1的阴极与D2的阳极之间还连接有电阻R6，第一半波整流单元用于获取电流互感器50的输出侧输出的正半周期电流信号；第一参考源生成单元用于提供参考源；第一比较器U1B的同相输入端与第一半波整流单元的输出端相连，第一比较器U1B的反相输入端与第一参考源生成单元相连，具体地，第一比较器U1B的同相输入端与D1的阴极相连，第一比较器U1B的反相输入端连接到R1和R2的中间节点，第一比较器U1B的输出端作为正半周期检测模块10的输出端，与第一与门30的一个输入端相连。当电流互感器50的输出侧输出的电流在正半周期时，第一半波整流单元中有电流流过，流向为自D1的阳极、阴极至R6，再至D2的阳极、阴极，第一比较器U1B的同相输入端电压为R6所采样的电压，当该电压大于第一比较器U1B的反相输入端R2所分压的电压，即设定的阈值时，第一比较器U1B的输出端可输出高电平。
如图1所示，负半周期检测模块20包括第二半波整流单元(包括两个二极管D3、D4)、第二参考源生成单元(包括预设电源VCC和两个分压电阻R3、R4)和第二比较器U2A。第二半波整流单元的输入端作为负半周期检测模块20的输入端，与电流互感器50的输出侧相连，具体地，D3的阴极与电流互感器50的输出侧一端相连，D4的阳极与电流互感器50的输出侧另一端相连，D4的阳极接地，D4的阴极与D3的阳极之间还连接有电阻R5，第二半波整流单元用于获取电流互感器50的输出侧输出的负半周期电流信号；第二参考源生成单元用于提供参考源；第二比较器U2A的同相输入端与第二半波整流单元的输出端相连，第二比较器U2A的反相输入端与第二参考源生成单元相连，具体地，第二比较器U2A的同相输入端与D3的阳极相连，第二比较器U2A的反相输入端连接到R3和R4的中间节点，第二比较器U2A的输出端作为负半周期检测模块20的输出端，与第二与门40的一个输入端相连。当电流互感器50的输出侧输出的电流在负半周期时，第二半波整流单元中有电流流过，流向为自D4的阳极、阴极至R5，再至D3的阳极、阴极，第二比较器U2A的同相输入端电压为R5所采样的电压，当该电压大于第二比较器U2A的反相输入端R4所分压的电压，即设定的阈值时，第二比较器U2A的输出端可输出高电平。
由此，在变压器副边的电流正半周期时，驱动信号源V1与第一比较器U1B通过第一与门30后控制开关管Q5和Q8；在变压器副边的电流负半周期时，驱动信号源V1通过非门U4A取反后和第二比较器U2A通过第二与门40后控制开关管Q6和Q7。随着驱动信号频率的变化，副边整流桥中开关管周期也相应的变化。
根据本发明实施例的电力电子变压器中功率模块的控制电路，通过设置正半周期检测模块检测变压器副边的电流正半周期，负半周期检测模块检测变压器副边的电流负半周期，并对应正、负半周期检测模块分别设置与门，由此，通过原边逆变桥的驱动信号和电流的正负周期结合，使副边整流桥中的开关管能够在工作周期内流过开关管本身而不是体二极管，从而减少损耗，提高电力电子变压器的整机效率。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种电力电子变压器中功率模块的控制电路，其特征在于，所述功率模块包括变压器、与所述变压器原边相连的原边逆变桥和与所述变压器副边相连的副边整流桥，所述原边逆变桥中两组开关管的控制极分别输入驱动信号及其反相信号以实现逆变功能，所述控制电路包括：
正半周期检测模块，所述正半周期检测模块的输入端连接到所述变压器副边信号输出端，所述正半周期检测模块在检测到电流信号处于正半周期时，通过所述正半周期检测模块的输出端输出高电平；
负半周期检测模块，所述负半周期检测模块的输入端连接到所述变压器副边信号输出端，所述负半周期检测模块在检测到电流信号处于负半周期时，通过所述负半周期检测模块的输出端输出高电平；
第一与门，所述第一与门的一个输入端与所述正半周期检测模块的输出端相连，所述第一与门的另一个输入端接入所述驱动信号，所述第一与门的输出端连接到所述副边逆变桥中一组开关管的控制极；
第二与门，所述第二与门的一个输入端与所述负半周期检测模块的输出端相连，所述第二与门的另一个输入端接入所述驱动信号的反相信号，所述第二与门的输出端连接到所述副边逆变桥中另一组开关管的控制极。
2.根据权利要求1所述的电力电子变压器中功率模块的控制电路，其特征在于，还包括：
电流互感器，所述电流互感器的输入侧串接于所述变压器副边，所述电流互感器的输出侧分别与所述正半周期检测模块的输入端和所述负半周期检测模块的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的电力电子变压器中功率模块的控制电路，其特征在于，所述正半周期检测模块包括：
第一半波整流单元，所述第一半波整流单元的输入端作为所述正半周期检测模块的输入端，与所述电流互感器的输出侧相连，所述第一半波整流单元用于获取所述电流互感器的输出侧输出的正半周期电流信号；
第一参考源生成单元，所述第一参考源生成单元用于提供参考源；
第一比较器，所述第一比较器的同相输入端与所述第一半波整流单元的输出端相连，所述第一比较器的反相输入端与所述第一参考源生成单元相连，所述第一比较器的输出端作为所述正半周期检测模块的输出端，与所述第一与门的一个输入端相连。
4.根据权利要求3所述的电力电子变压器中功率模块的控制电路，其特征在于，所述负半周期检测模块包括：
第二半波整流单元，所述第二半波整流单元的输入端作为所述负半周期检测模块的输入端，与所述电流互感器的输出侧相连，所述第二半波整流单元用于获取所述电流互感器的输出侧输出的负半周期电流信号；
第二参考源生成单元，所述第二参考源生成单元用于提供参考源；
第二比较器，所述第二比较器的同相输入端与所述第二半波整流单元的输出端相连，所述第二比较器的反相输入端与所述第二参考源生成单元相连，所述第二比较器的输出端作为所述负半周期检测模块的输出端，与所述第二与门的一个输入端相连。
5.根据权利要求4所述的电力电子变压器中功率模块的控制电路，其特征在于，所述驱动信号由驱动信号源提供，其中，所述驱动信号源连接到非门的输入端，所述非门的输出端输出所述驱动信号的反相信号。
6.根据权利要求4所述的电力电子变压器中功率模块的控制电路，其特征在于，所述第一半波整流单元和所述第二半波整流单元均包括两个二极管。
7.根据权利要求4所述的电力电子变压器中功率模块的控制电路，其特征在于，所述第一参考源生成单元和所述第二参考源生成单元均包括预设电源和两个分压电阻。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的电力电子变压器中功率模块的控制电路，其特征在于，所述原边逆变桥和所述副边整流桥中的开关管均为MOS管。
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