CN1136648C - 电力变换装置 - Google Patents
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Abstract
一种电力变换装置,通过适当地控制切换主开关和辅助开关的定时,在主开关和辅助开关双方进行软切换。电力变换装置的控制电路在向主开关发出接通信号之前,即在来自输入电抗器的电流流向该主开关时,向第1和第2辅助开关发出接通信号,通过该第1和第2辅助开关的接通将来自输出端子的电流导入到谐振用电感器中,通过由谐振用电感器和缓冲电容器形成的谐振电路中产生的谐振使谐振用电感器的电流增加并达到输入电抗器的电流,主开关两端的电压几乎为零,此时向主开关发出接通信号。
Description
技术领域
本发明涉及配有接通-关断控制的开关元件的电力变换装置。更详细地说,本发明涉及配有可以实现开关元件软切换的控制电路的电力变换装置。
背景技术
以往,在美国专利第5486752号中提出了如下电路:在将串联连接的输入电抗器和主开关与直流电源连接、通过输出二极管将这些输入电抗器和主开关与输出端子连接、通过接通·断开控制主开关而得到升压输出的PWM升压转换器中,附加由电感器、电容器组成的串联谐振电路和由辅助开关、辅助二极管组成的辅助电路,由此用零电流关断主开关,其结果能够抑制电压浪涌、降低关断损耗。在‘IEEE TRANSACTIONS ON POWERELECTRONICS,Vol.9,No.6,November 1994’的601页至606页中刊载的论文‘Novel Zero-Current-Transition PWM Converters’中也说明了相同的电路。
构成该电路,以便在主开关关断之前接通辅助开关,使谐振电流在串联谐振电路中流过,由此导通与主开关并联连接的二极管而使主开关变为零电流状态,在这期间关断主开关。通过该电路,可以使主开关进行零电流关断,抑制在主开关中发生的电压浪涌。因此,可以省略缓冲电路,而且,可以达到降低关断损耗、高效率、低噪声化。
但是,在该公知的装置中存在如下问题:因为在关断时一定有电流流过辅助开关,所以在辅助开关发生关断损耗。并且,在电流连续流过电抗器的情况下,因为主开关处于接通状态,输出二极管的恢复电流流向主开关,所以发生接通损耗和噪声。这样,在上述文献中记载的公知的电路中,在高效率化和低噪声化方面存在着一定的局限性。
发明内容
为了解决上述PWM升压转换器中的问题,本发明的目的在于适当地控制切换主开关和辅助开关的定时,由此达到在主开关和辅助开关双方之间进行软切换,通过削减在这些开关中发生的切换损耗可以高效率化和降低在切换时发生的电压浪涌和电流浪涌、低噪声化。
本发明的电力变换装置包括:正极和负极的输入端子;正极和负极的输出端子;一端与该正极输入端子连接的输入电抗器;一端与输入电抗器的另一端连接而另一端与负极输入端子和负极输出端子连接的主开关;与主开关并联连接、使得正向从输入端子的负极朝向正极的第1二极管;连接在输入电抗器和主开关的连接点与正极输出端子之间、使得正向朝向正极输出端子的主二极管;以及将输出端子电压输入后形成控制主开关的接通-关断动作的切换信号的控制电路,通过来自该控制电路的切换信号进行主开关的接通-关断控制并产生输出。
为了达到上述目的,在本发明中,缓冲电容器与主开关和第2二极管中的至少一个并联连接。而且,由串联连接的第1辅助开关和第2辅助开关、相对于该第1和第2辅助开关串联连接的谐振用电感器、分别与第1和第2辅助开关并联连接的第1辅助二极管和第2辅助二极管组成的第1辅助谐振电路被连接在主开关和输入电抗器的连接点与负极输入端子之间使得辅助二极管的正向朝向主开关和输入电抗器之间的连接点。并且,由串联连接的第3辅助二极管和第4辅助二极管组成的第2辅助谐振电路被连接在正极输出端子和谐振用电感器之间。设置分别检测主开关和辅助开关的两端电压后产生表示该两端电压的电压信号、并将该电压信号输入到上述控制电路中的电压检测器。控制电路在向主开关发出接通信号之前即在来自输入电抗器的电流流向该主二极管时,向第1和第2辅助开关发出接通信号,通过第1和第2辅助开关的接通将来自输出端子的电流导入到谐振用电感器中,通过由谐振用电感器和缓冲电容器形成的谐振电路中产生的谐振使谐振用电感器的电流增加并达到输入电抗器的电流,主开关两端的电压几乎为零,此时向主开关发出接通信号。
在本发明的一个实施例中,辅助开关用缓冲电容器被连接在第1辅助开关和第2辅助开关的连接点与所述第3辅助二极管和所述第4辅助二极管的连接点之间。并且,设置检测辅助开关用缓冲电容器的充电电压并将电压信号输入到控制电路中的电压检测装置。在主开关接通之后,在辅助开关用缓冲电容器的充电电压与输出端子间电压几乎相等时,控制电路向第1辅助开关发出关断信号,在辅助开关用缓冲电容器的充电电压几乎为零时,第2辅助开关发出关断信号。
具体地,本发明提供一种电力变换装置,包括:正极和负极的输入端子;正极和负极的输出端子;一端与所述正极输入端子连接的输入电抗器;一端与所述输入电抗器的另一端连接而另一端与所述负极输入端子和所述负极输出端子连接的主开关;与所述主开关并联连接、使得正向从所述输入端子的负极朝向正极的第1二极管;连接在所述输入电抗器和所述主开关的连接点与所述正极输出端子之间、使得正向朝向所述正极输出端子的主二极管;以及将输出端子电压输入后形成控制所述主开关的接通-关断动作的切换信号的控制电路,通过来自所述控制电路的切换信号进行所述主开关的接通-关断控制并产生输出,其中:缓冲用电容器与所述主开关和所述主二极管中的至少一个并联连接;由串联连接的第1辅助开关和第2辅助开关、相对于该第1和第2辅助开关串联连接的谐振用电感器、分别与所述第1和第2辅助开关并联连接的第1辅助二极管和第2辅助二极管组成的第1辅助谐振电路被连接在所述主开关和所述输入电抗器的连接点与所述负极输入端子之间使得所述辅助二极管的正向朝向所述主开关和所述输入电抗器之间的连接点;由串联连接的第3辅助二极管和第4辅助二极管组成的第2辅助谐振电路被连接在所述正极输出端子和所述谐振用电感器之间;设置分别检测所述主开关和所述辅助开关的两端电压后产生表示该两端电压的电压信号并将该电压信号输入到所述控制电路中的电压检测器;所述控制电路在向所述主开关发出接通信号之前,即在来自所述输入电抗器的电流流向该主二极管时,向所述第1和第2辅助开关发出接通信号,通过该第1和第2辅助开关的接通,将来自所述输出端子的电流导入到所述谐振用电感器中,通过由所述谐振用电感器和所述缓冲电容器形成的谐振电路中产生的谐振,使所述谐振用电感器的电流增加并达到所述输入电抗器的电流,所述主开关两端的电压几乎为零,此时向所述主开关发出接通信号。其中辅助开关用缓冲电容器被连接在所述第1辅助开关和所述第2辅助开关的连接点与所述第3辅助二极管和所述第4辅助二极管的连接点之间;设置检测所述辅助开关用缓冲电容器的充电电压并将表示该辅助开关用缓冲电容器的充电电压的信号输入到所述控制电路中的电压检测装置;在所述主开关接通之后,在所述辅助开关用缓冲电容器的充电电压与所述输出端子间电压几乎相等时,所述控制电路向所述第1辅助开关发出关断信号,在所述辅助开关用缓冲电容器的充电电压几乎为零时,向所述第2辅助开关发出关断信号。
附图说明
图1是表示本发明一个实施例的电力变换装置的电路图。
图2是表示图1的电路中的辅助谐振整流电路的缓冲电容器的初始电压与输出端子间电压几乎相等状态下的输出开关的接通动作时的动作波形的图表。
图3是表示图1的电路中的辅助谐振整流电路的缓冲电容器的初始电压几乎为零状态下的输出开关的接通动作时的动作波形的图表。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的实施例。首先,参照图1,作为本发明的一个实施例的电力变换装置具有正极输入端子T1、负极输入端子T2、正极输出端子T3和负极输出端子T4。输入电抗器L1的一端与正极输入端子T1连接。输入电抗器L1的另一端通过主开关Q1与负极输入端子T2和负极输出端子T4连接。将二极管D1与主开关Q1并联连接。配置二极管D1,使得其正向从负极输入端子T2朝向正极输入端子T1。
在正极输入端子T1和负极输入端子T2之间的输入电容器Cin与串联连接的输入电抗器L1和主开关Q1并联连接。并且,缓冲电容器C1与主开关Q1并联连接。
输入电抗器L1和主开关Q1之间的连接点通过主二极管D2与正极输出端子T3连接。第2缓冲电容器C2与输出二极管D2并联连接。在输出端子T3、T4之间连接输出电容器Co。
图示的电路具备辅助整流电路。该辅助整流电路包含串联连接的第1辅助开关Q3和第2辅助开关Q4,第1辅助开关Q3与负极输出端子T4连接。第2辅助开关Q4通过谐振用电感器Lr与主开关Q1和主二极管D2之间的连接点连接。第1辅助二极管D3与第1辅助开关Q3并联连接,第2辅助二极管D4与第2辅助开关Q4并联连接。配置辅助二极管D3、D4,使得其正向分别从负极输出端子T4朝向谐振用电感器Lr。
辅助谐振电路还具备串联连接的第3辅助二极管D5和第4辅助二极管D6。第3辅助二极管D5与正极输出端子T3连接。第4辅助二极管D6与谐振用电感器Lr和第2辅助开关Q4之间的连接点连接。配置第3辅助二极管D5和第4辅助二极管D6,使得其正向分别从谐振用电感器Lr朝向正极输出端子T3。将辅助谐振整流电路用缓冲电容器C3连接在第1、第2辅助二极管D3、D4之间的连接点和第3、第4辅助二极管D5、D6之间的连接点之间。
而且,图示的电路具备生成用于控制各开关的切换动作的切换信号的控制电路S。为了将输入信号传送到控制电路S中,设置用于检测输出端子T3、T4之间的输出电压V out、主开关Q1的两端间的电压V(Q1)、第1和第2辅助开关Q3和Q4的两端间的电压V(Q3)和V(Q4)、以及缓冲电容器C3的充电电压V cr的电压检测器。该控制电路S接收来自这些电压检测器的检测电压信号,产生用于接通·断开控制各开关Q1、Q3、Q4的切换信号。
图2是表示图1所示的电路的动作时的动作波形的图表。在主二极管D2处于导通状态、主开关Q1处于关断状态的情况下,在输入电抗器L1中,电流IL1按箭头方向流动。辅助谐振整流电路的缓冲电容器C3的初始电压与输出端子T3、T4的输出V out几乎相等时,如果在时刻t0接通第1辅助开关Q3和第2辅助开关Q4,那么输出端子间电压V out作用于谐振用电感器Lr上,电感器电流Ir直线地增加。同时输出二极管D2的电流相应地直线减少。
在时刻t1,电感器电流Ir和输入电抗器电流IL1相等,此时,谐振电感器Lr和缓冲电容器C1、C2开始产生谐振。其结果,主二极管D2的两端电压开始上升。一到时刻t2,与主开关Q1并联连接的二极管D1正向偏置,电感器电流Ir通过第2辅助开关Q4和第1辅助开关Q3,经过二极管D1开始循环。如图2所示,在时刻t2以后,主开关Q1的两端电压几乎为零,所以在时刻t2以后接通主开关Q1,由此可以进行该主开关Q1的‘零电压接通’。
接通主开关Q1之后,如果关断第1辅助开关Q3,电流的流动成为从与第2辅助开关Q4并联连接的二极管D4经过辅助谐振整流电路用缓冲电容器C3至第3辅助二极管Q5的通路,缓冲电容器C3开始放电。因此,第1辅助开关Q3的两端电压具有倾斜地增加,能够在第1辅助开关Q3中达到软切换。
一到时刻t3,第4辅助二极管D6正向偏置。因此,激励谐振用电感器Lr的能量在经过与主开关Q1并联连接的二极管D1、谐振用电感器Lr、第4辅助二极管D6至第3辅助二极管D5的通路上于输出端子再生。
图3表示辅助谐振整流电路用缓冲电容器C3的初始电压Vcr几乎为零状态的电路各部的动作波形。从时刻t0到时刻t2的动作与图2所示的相同。在时刻t2以后,关断主开关Q1之后,如果关断第2辅助开关Q4,电流的流动趋于从第4辅助二极管D6经过缓冲电容器C3至第1辅助开关Q3的通路。因此,电感器电流Ir一边对缓冲电容器C3进行充电,一边流动,第2辅助开关Q4的两端电压倾斜地上升。其结果,能够在第2辅助开关Q4中达到软切换。
在时刻t3,因为第3辅助二极管D5正向偏置,所以激励谐振电感器Lr的能量在经过与主开关Q1并联连接的二极管D1、谐振用电感器Lr、第4辅助二极管D6至第3辅助二极管D5的通路上于输出端子再生。
接着,主开关Q1由关断状态变为接通状态,主二极管D2为非导通状态时,输入电抗器电流IL1按图1所示的箭头方向流动。在此,如果关断主开关Q1,通过缓冲电容器C1和缓冲电容器C2的任意一个或两个的工作,主开关Q1的两端电压具有倾斜地增加。因此,在主开关Q1中,能够达到软切换,可以降低切换损耗和抑制噪声。
如以上所述,在实施本发明的上述电路中,在输入电抗器电流IL1从主二极管D2到主开关Q1的循环过程和输入电抗器电流IL1从主开关Q1到主二极管D2的循环过程中,可以在包含主开关Q1和辅助开关Q3、Q4的全部开关中达到软切换。并且,为了整流而蓄积在谐振用电感器Lr中的能量在完成整流时全部于输出端子再生。因此,即使附加辅助开关,也不会随之增加而在该辅助开关中产生的切换损耗。而且,在接通输出开关Q1时,不会产生因输出二极管D2的恢复电流造成的接通损耗。因此,可以得到综合的、高效率的、低噪声的升压转换器。
Claims (1)
1.一种电力变换装置,包括:正极和负极的输入端子;正极和负极的输出端子;一端与所述正极输入端子连接的输入电抗器;一端与所述输入电抗器的另一端连接而另一端与所述负极输入端子和所述负极输出端子连接的主开关;与所述主开关并联连接、使得正向从所述输入端子的负极朝向正极的第1二极管;连接在所述输入电抗器和所述主开关的连接点与所述正极输出端子之间、使得正向朝向所述正极输出端子的主二极管;以及将输出端子电压输入后形成控制所述主开关的接通-关断动作的切换信号的控制电路,通过来自所述控制电路的切换信号进行所述主开关的接通-关断控制并产生输出,其特征在于:
缓冲用电容器与所述主开关和所述主二极管中的至少一个并联连接;
由串联连接的第1辅助开关和第2辅助开关、相对于该第1和第2辅助开关串联连接的谐振用电感器、分别与所述第1和第2辅助开关并联连接的第1辅助二极管和第2辅助二极管组成的第1辅助谐振电路被连接在所述主开关和所述输入电抗器的连接点与所述负极输入端子之间使得所述辅助二极管的正向朝向所述主开关和所述输入电抗器之间的连接点;
由串联连接的第3辅助二极管和第4辅助二极管组成的第2辅助谐振电路被连接在所述正极输出端子和所述谐振用电感器之间;
设置分别检测所述主开关和所述辅助开关的两端电压后产生表示该两端电压的电压信号并将该电压信号输入到所述控制电路中的电压检测器;
所述控制电路在向所述主开关发出接通信号之前,即在来自所述输入电抗器的电流流向该主二极管时,向所述第1和第2辅助开关发出接通信号,通过该第1和第2辅助开关的接通,将来自所述输出端子的电流导入到所述谐振用电感器中,通过由所述谐振用电感器和所述缓冲电容器形成的谐振电路中产生的谐振,使所述谐振用电感器的电流增加并达到所述输入电抗器的电流,所述主开关两端的电压几乎为零,此时向所述主开关发出接通信号,
辅助开关用缓冲电容器被连接在所述第1辅助开关和所述第2辅助开关的连接点与所述第3辅助二极管和所述第4辅助二极管的连接点之间;
设置检测所述辅助开关用缓冲电容器的充电电压并将表示该辅助开关用缓冲电容器的充电电压的信号输入到所述控制电路中的电压检测装置;
在所述主开关接通之后,在所述辅助开关用缓冲电容器的充电电压与所述输出端子间电压几乎相等时,所述控制电路向所述第1辅助开关发出关断信号,在所述辅助开关用缓冲电容器的充电电压几乎为零时,向所述第2辅助开关发出关断信号。
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