CN112994499B - 一种三电平半桥软开关变流电路、控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种三电平半桥软开关变流电路、控制系统及其控制方法，包括：相并联的第一输入电容组、第二输入电容组及三电平半桥逆变电路；以及第一电感、隔直电容、变压器和输出电路；其中，所述第一电感、隔直电容、变压器原边串联以后，其一端连接三电平半桥逆变电路的桥臂中点，另一端连接第一输入电容组的中点，所述三电平半桥逆变电路的嵌位二极管连接中点与第二输入电容组电路中点相连，所述变压器副边与输出电路相连。能够使各开关管在导通关断时均处于软开关状态。以及实现输入电容中点电位平衡。

Description

一种三电平半桥软开关变流电路、控制系统及其控制方法

技术领域

本公开属于DC-AC-DC变流电路技术领域，尤其涉及一种三电平半桥软开关变流电路及其控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

传统的两电平变流电路，具有拓扑结构简单、易于控制等优点，广泛应用于各种DC-AC-DC变流电路中。但两电平变流电路也存在着开关管耐压值要求高，开关应力大，频率提升困难等问题，在高电压输入场合，受到了较大限制。三电平半桥逆变电路由于开关管承受电压值为两电平逆变电路的一半，开关应力小，更容易实现高频，在高电压输入场合下，应用优势明显。

现有技术中虽然存在变流电路采用软开关的拓扑形式，但各开关管在关断时均为硬关断，只能够实现零电压导通，软开关效果较差，或者采用无源辅助网络实现三电平半桥电路的零电压开关，但辅助网络增加了系统的复杂度和成本，或者采用辅助硬件电路实现输入电容中点电位平衡，但是电路较复杂，降低系统可靠性，或通过检测电容电压修正调制波实现输入电容中点电位平衡，但需要增加电压检测电路，控制算法也较复杂。

因此，如何实现开关管的软开关和输入电容中点电位平衡是本申请所主要解决的技术问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种三电平半桥软开关变流电路，实现开关管的软开关和输入电容中点电位平衡。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种三电平半桥软开关变流电路，包括：

相并联的第一输入电容组、第二输入电容组及三电平半桥逆变电路；

以及第一电感、隔直电容、变压器和输出电路；

其中，所述第一电感、隔直电容、变压器原边串联以后，其一端连接三电平半桥逆变电路的桥臂中点，另一端连接第一输入电容组的中点，所述三电平半桥逆变电路的嵌位二极管连接中点与第二输入电容组电路中点相连，所述变压器副边与输出电路相连。

进一步的技术方案，所述第一输入电容组、第二输入电容组分别包括两个相串联的电容，其中，第一输入电容组电路中点与第二输入电容组电路中点不相连。

进一步的技术方案，所述三电平半桥逆变电路包括开关管桥臂电路和开关管钳位电路，所述开关管桥臂电路包括串联连接的开关管上桥臂电路和开关管下桥臂电路，所述开关管钳位电路一端与开关管上桥臂中点相连，另一端与开关管下桥臂中点相连。

进一步的技术方案，还包括第二电感，所述第二电感一端接开关管桥臂电路中点，另一端接第二输入电容组中点。

优选的，所述的第二电感为单一电感或者采用多个串联或并联的电感。

更进一步的技术方案，所述开关管桥臂电路包括4个带有反并联二极管的开关管，所述开关管依次串联，上面两个开关管组成开关管上桥臂，下面两个开关管组成开关管下桥臂。

更进一步的技术方案，所述开关管钳位电路包括2个钳位二极管，所述钳位二极管串联连接。

进一步的，所述三电平半桥逆变电路的各开关管两端分别并联有电容，需要增加额外电路来保证在轻载和空载状态下，并联的电容不会直接通过开关管放电。

进一步的，所述开关管钳位电路两端并联设置有飞跨电容。

第二方面，公开了一种三电平半桥软开关变流电路的控制系统，包括：

控制器及三电平半桥软开关变流电路，所述控制器用于控制所述三电平半桥软开关变流电路中开关管的工作状态。

第三方面，公开了一种三电平半桥软开关变流电路的控制方法，包括：

控制三电平半桥逆变电路中开关管桥臂电路上桥臂的开关管与下桥臂的分别互补导通；

其中，上桥臂及下桥臂的开关管分别在同一脉冲时间段内导通和关断，每一桥臂，其中一个开关管滞后导通及超前关断，另外一个开关管超前导通及滞后关断。

进一步的，还包括对三电平半桥逆变电路的开关管PWM调制，具体包括：

当上桥臂及下桥臂的超前臂脉宽小于等于设定值时，上桥臂及下桥臂的其余开关管均进行PWM调制，其中上桥臂及下桥臂开关管超前臂与滞后臂关断死区为固定值；否则，对上桥臂及下桥臂的一个开关管进行PWM调制，上桥臂及下桥臂的其余开关管不进行PWM调制。

第四方面，公开了一种焊机，包括了上述的任一种三电平半桥软开关变流电路；

和/或，

采用上述的任一种三电平半桥软开关变流电路的控制方法。

第五方面，进一步公开了一种电解水电源，

包括了上述的任一种三电平半桥软开关变流电路；

和/或，

采用上述的任一种三电平半桥软开关变流电路的控制方法。

第六方面，进一步公开了一种充电机，

包括了上述的任一种三电平半桥软开关变流电路；

和/或，

采用上述的任一种三电平半桥软开关变流电路的控制方法。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明提供了一种新型三电平半桥软开关变流电路及控制方法，能够使各开关管在导通关断时均处于软开关状态。以及实现输入电容中点电位平衡。

本发明利用三电平半桥逆变电路的部分开关管(Q1、Q4)可以受到输入电容电压钳位的特性，通过控制方法实现各开关管动态电压钳位的效果。

经实验验证，本发明一种三电平半桥软开关变流电路及其控制方法能够实现与理论分析一致的效果，是一种控制简单方便，能够有效实现各开关管动态电压钳位、输入电容中点电位平衡的三电平软开关拓扑及控制方法。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本发明一种三电平半桥软开关变流电路典型拓扑结构原理图；

图2是本发明实施例2的电路原理图；

图3是本发明实施例3的电路原理图；

图4、5是本发明各开关管导通、关断时序图；

图6为本发明典型拓扑结构下工作模式1阶段等效电路及电流回路图；

图7为本发明典型拓扑结构下工作模式2阶段等效电路及电流回路图；

图8为本发明典型拓扑结构下工作模式3阶段等效电路及电流回路图；

图9为本发明典型拓扑结构下工作模式4阶段等效电路及电流回路图；

图10、11为本发明典型拓扑结构下工作模式5阶段等效电路及电流回路图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种三电平半桥软开关变流电路。如图1所示，一种三电平半桥软开关变流电路，包括输入电容组1、输入电容组2、三电平半桥逆变电路、饱和电感Lx1、均压电感Lx2、隔直电容Cx、变压器T和输出电路，所述输入电容组1、输入电容组2与三电平半桥逆变电路并联，所述饱和电感、隔直电容、变压器原边串联以后，其一端连接三电平半桥逆变电路的桥臂中点，另一端连接输入电容组1的中点，所述三电平半桥逆变电路的嵌位二极管连接中点与输入电容组2电路中点相连，所述变压器副边与输出电路相连。

输入电容组1包括输入电容C1和输入电容C2，所述输入电容C1和输入电容C2串联连接。所述输入电容组2包括输入电容C3和输入电容C4，所述输入电容C3和输入电容C4串联连接。输入电容组1电路中点与输入电容组2电路中点不相连。

上述方案中，输入电容组1功能是功率传输，通过输入电容组1上下电容交替充放电实现；输入电容组2功能是开关管电压钳位，通过钳位二级管实现；三电平半桥逆变电路主要是通过上下桥臂交替导通实现功率输出；饱和电感主要是通过小电流电感量大、大电流电感量小特性降低开关管的导通损耗，实现软开关；均压电感主要是通过无功能量交换实现输入电容组2的中点电位均衡；隔直电容主要是通过续流阶段阻挡作用实现电流复位，降低滞后臂关断损耗；变压器T是功率传输。

需要说明的是，输入电容组2主要功能是开关管电压钳位，保证开关管可靠性，输入电容组1上电位是动态平衡的，输入电容组1与输入电容组2中点分离，保证输入电容组2上中点电位不受输入电容组1上电位影响。

三电平半桥逆变电路包括带有反并联二极管的开关管Q1～Q4以及钳位二极管D1和D2，所述开关管Q1～Q4依次串联，组成开关管桥臂电路，其中开关管Q1和开关管Q2组成开关管上桥臂电路，开关管Q3和开关管Q4组成开关管下桥臂电路，所述钳位二极管D1和D2串联连接，组成开关管钳位电路，所述开关管钳位电路一端(即D1的阴极)与开关管上桥臂中点相连，另一端(即D2的阳极)与开关管下桥臂中点相连。

所述饱和电感Lx1采用铁氧体、非晶等磁芯进行无气隙装配，在小电流时电感量很大，随着电流增大，磁芯饱和，电感量变为很小。

三电平半桥软开关变流电路的具体控制方式为：开关管Q1与Q4为互补导通，开关管Q2与Q3为互补导通；开关管Q1和Q2在同一脉冲时间段内导通和关断，其中，Q2超前导通，Q1滞后导通，Q1超前关断，Q2滞后关断；开关管Q3和Q4在同一脉冲时间段内导通和关断，其中，Q3超前导通，Q4滞后导通，Q4超前关断，Q3滞后关断。开关管PWM调制方式：Q1、Q4脉宽≤3uS时，Q1～Q4都进行PWM调制，其中Q1与Q2、Q3与Q4关断死区固定,导通、关断时序图如图4所示；Q1、Q4脉宽＞3uS时，Q1、Q4进行PWM调制，Q2、Q3不进行PWM调制，导通、关断时序图如图5所示。本发明利用Q1、Q4分别可以受到输入电容C3、C4电压钳位的特性，实现各个开关管动态电压钳位的效果，同时，配合饱和电感Lx1和隔直电容Cx实现软开关的效果。在该实施例子中，Q1、Q4为超前臂开关管，电流峰值关断，电压尖峰较高，如果没有C3、C4动态电压钳位，易造成过压损坏。开关管开通时，由于饱和电感电感量较大，电流上升缓慢，开关管开通近似零电流开通，实现软开关；续流阶段，在隔直电容阻挡下回路电流快速复位，降低滞后管关断损耗，实现软开关。

需要说明的是，本申请针对三电平半桥变流电路不对称续流造成输入电容中点电位偏移的原因，设计基于均压电感电路的均压控制策略，小脉宽下超前臂与滞后臂关断死区固定为某设定值，减少不对称续流对输入电容中点电位的影响，保证各工况下输入电容中点偏移满足要求。

在具体实施中，以实施例一为例，本发明的工作模式如下：

工作模式1

如图6所示，开关管Q1、Q2处于导通状态，电流通路为O→C1→Q1→Q2→Lx1→T→Cx→O，假设饱和电感在此阶段已经饱和，对电路的影响可以忽略，Lo足够大，可等效为恒流源且折算至一次电流为Ix，此阶段工作原理等效为恒流源给Cx充电，Cx上的电压线性上升。

工作模式2

如图7所示，Q1关断，Q2保持导通，Q1的结电容或并联电容在变压器原边电流Ix的作用下充电，电压逐渐升高，Q1实现零电压关断，同时，Q3、Q4两端电压逐渐降低，当Q1电压升高到C3电压时，D1导通，电路进入工作模式3。

工作模式3

如图8所示，二极管D1与开关管Q2导通，电流通路为O→C1→C3→D1→Q2→Lx1→T→Cx→O，副边整流二极管D5、D6同时导通，将变压器短路，电路等效为由Lx1、Cx组成的LC震荡电路，由于回路寄生电感及变压器漏感的存在，回路中电流不会立刻消失，但是在Cx阻挡作用下，回路中的电流在不断衰减，当电流小到Lx1的饱和电流值时，Lx1参与工作，Lx1是饱和电感，一旦退出饱和，电感值将增加至很大，此时回路中的电流基本衰减为零。

工作模式4

如图9所示，开关管Q2关断，二极管D1导通，当Q2关断时，回路中流过的电流为Lx1饱和电流，电流很小，Q2可以等效为零电流关断，Q2结电容在Ix的作用下进行充电，电压逐渐升高，Q3、Q4两端电压逐渐降低，当Q2升高到C4电压时，Q3、Q4反并联二极管导通，电路进入工作模式5。

工作模式5

如图10所示，Q3、Q4反并联二极管导通，回路电流在母线电压的作用下迅速降为0，经过一定的死区时间后，Q3、Q4导通，如图11所示，由于饱和电感的存在，回路电流很小，Q3、Q4可以等效为零电流开通。

另外半个周期的工作状态是对称的。

从以上的开关过程可以看出，所有开关管在导通关断时均能够实现软开关的效果。

本公开技术方案做出技术改进的原因进行解释说明如下，现有专利CN207910685U，电路中电容C1、C2具有两个功能，一是传输功率，二是电压钳位，防止Q1、Q4过压，存在问题是，由于控制及元器件分散性，C1、C2会有压差，由于隔直电容Cx存在，压差不会导致功率传输中主变饱和，出现偏磁，但是C1、C2压差会影响对Q1、Q4的电压钳位功能，对可靠性有影响，因此本公开技术方案中增加专门的电压钳位电容C3、C4。续流阶段(工作模式3、4，对应图8-9)，由于C1与C2有压差，隔直电容Cx正负电压不对称，不对称续流电流会造成C3、C4上有压差，因此增加均压电感Lx2，保证C3、C4上电压均衡，但是均压电感存在一个问题是小脉宽(≤3uS)时，均压能力有限，C3、C4压差增大，为避免这种情况，故控制策略上进行调整，脉宽≤3uS与脉宽＞3uS情况下PWM调制策略不同，经实验测试，满足设计要求。

上述方案中，增加一组电容是为了Q1、Q4的电压钳位，电感和控制策略的调整是为了保证C3、C4的均压。

实施例二：

如图2所示，本发明的实施例二为在实施例一的三电平半桥软开关变流电路的基础上，在三电平半桥逆变电路桥臂的各开关管两端分别并联电容，用于进一步地降低开关管的关断损耗。但在并联电容以后，需要增加额外的电路，保证空载或轻载状态下并联电容不会通过开关管直接放电。或者应用在基本不会出现空载或轻载状态的场合下，限制了变流电路的应用环境。或者并联电容容值较小，软开关效果有限。

本实施例的电路其他结构以及电路工作原理与实施例一相同，在此不再赘述。

实施例三：

如图3所示，本发明的实施例三为在实施例一的三电平半桥软开关变流电路的基础上，在开关管钳位电路的两端并联飞跨电容Cs1，用以实现上下桥臂开关管的一对一换压，在使用更为简单的控制方式的前提下，实现开关管动态电压钳位，但会增加电路的复杂程度。

本实施例的电路其他结构以及电路工作原理与实施例一相同，在此不再赘述。

实施例四：

还公开了一种三电平半桥软开关变流电路的控制系统，包括：

控制器及三电平半桥软开关变流电路，所述控制器用于控制所述三电平半桥软开关变流电路中开关管的工作状态。

具体的，控制器与三电平半桥软开关变流电路相连，控制器根据实际需要选择对应的型号及类型。

实施例五：

公开了一种三电平半桥软开关变流电路的控制方法，包括：

控制三电平半桥逆变电路中开关管桥臂电路上桥臂的开关管与下桥臂分别互补导通；

其中，上桥臂及下桥臂的开关管分别在同一脉冲时间段内导通和关断，每一桥臂，其中一个开关管滞后导通及超前关断(超前臂)，另外一个开关管超前导通及滞后关断(滞后臂)。

具体实现时，还包括对三电平半桥逆变电路的开关管PWM调制，具体包括：

当上桥臂及下桥臂的一个开关管脉宽小于等于设定值时，上桥臂及下桥臂开关管均进行PWM调制，其中上桥臂及下桥臂开关管关断死区分别为固定值；否则，对上桥臂及下桥臂的一个开关管进行PWM调制，上桥臂及下桥臂的其余开关管不进行PWM调制。

实施例六，公开了关于上述三电平半桥软开关变流电路的具体应用，包括焊机、电解水电源及充电机等等。

其中，一种焊机，包括了上述的任一种三电平半桥软开关变流电路；

和/或，

采用上述的任一种三电平半桥软开关变流电路的控制方法。

关于电解水电源，包括了上述的任一种三电平半桥软开关变流电路；

和/或，

采用上述的任一种三电平半桥软开关变流电路的控制方法。

关于充电机，

包括了上述的任一种三电平半桥软开关变流电路；

和/或，

采用上述的任一种三电平半桥软开关变流电路的控制方法。

以上实施例的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种三电平半桥软开关变流电路，其特征是，包括：

相并联的第一输入电容组、第二输入电容组及三电平半桥逆变电路；

以及第一电感、隔直电容、变压器和输出电路；

其中，所述第一电感、隔直电容、变压器原边串联以后，其一端连接三电平半桥逆变电路的桥臂中点，另一端连接第一输入电容组的中点，所述三电平半桥逆变电路的嵌位二极管连接中点与第二输入电容组电路中点相连，所述变压器副边与输出电路相连；

所述三电平半桥逆变电路包括开关管桥臂电路和开关管钳位电路，所述开关管桥臂电路包括串联连接的开关管上桥臂电路和开关管下桥臂电路，所述开关管钳位电路一端与开关管上桥臂中点相连，另一端与开关管下桥臂中点相连；

控制三电平半桥逆变电路中开关管桥臂电路上桥臂的开关管与下桥臂的分别互补导通；

其中，上桥臂及下桥臂的开关管分别在同一脉冲时间段内导通和关断，每一桥臂，其中一个开关管超前导通及滞后关断，另外一个开关管滞后导通及超前关断；

还包括对三电平半桥逆变电路的开关管PWM调制，具体包括：

当上桥臂及下桥臂的超前臂脉宽小于等于设定值时，上桥臂及下桥臂的其余开关管均进行PWM调制，其中上桥臂及下桥臂开关管超前臂与滞后臂关断死区为固定值；否则，对上桥臂及下桥臂的一个开关管进行PWM调制，上桥臂及下桥臂的其余开关管不进行PWM调制。

2.如权利要求1所述的一种三电平半桥软开关变流电路，其特征是，所述第一输入电容组、第二输入电容组分别包括两个相串联的电容，其中，第一输入电容组电路中点与第二输入电容组电路中点不相连。

3.如权利要求1所述的一种三电平半桥软开关变流电路，其特征是，还包括第二电感，所述第二电感一端接开关管桥臂电路中点，另一端接第二输入电容组中点；

所述的第二电感为单一电感或者采用多个串联或并联的电感。

4.如权利要求1所述的一种三电平半桥软开关变流电路，其特征是，所述开关管桥臂电路包括4个带有反并联二极管的开关管，所述开关管依次串联，上面两个开关管组成开关管上桥臂，下面两个开关管组成开关管下桥臂；

所述开关管钳位电路包括2个钳位二极管，所述钳位二极管串联连接；

所述三电平半桥逆变电路的各开关管两端分别并联有电容，需要增加额外电路来保证在轻载和空载状态下，并联的电容不会直接通过开关管放电；

所述开关管钳位电路两端并联设置有飞跨电容。

5.一种三电平半桥软开关变流电路的控制系统，其特征是，包括：

控制器及权利要求1-4任一所述的三电平半桥软开关变流电路，所述控制器用于控制所述三电平半桥软开关变流电路中开关管的工作状态。

6.一种焊机，其特征是，包括了上述权利要求1-4的任一种三电平半桥软开关变流电路。

7.一种电解水电源，其特征是，包括了上述权利要求1-4的任一种三电平半桥软开关变流电路。

8.一种充电机，其特征是，包括了上述权利要求1-4的任一种三电平半桥软开关变流电路。

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