CN1156079C - 用附加耦合绕组软化电子开关过渡过程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用附加耦合绕组软化电子开关过渡过程的方法，它有别于各种缓冲技术与软开关技术，属电工学科，电力电子学分支领域。通用于一般变换器电路，它是在传统的关断缓冲电路基础上，用附加的一个耦合绕组、隔离用二极管、电容器及高阻值放电电阻，构成一种缓冲能量的低损复位网络，使缓冲吸能电容器能在几乎不产生环流下低损耗地向输入电压源回馈能量，以简捷能量转换方式显著减轻了电子开关开通与关断过渡过程的缺陷。

Description

用附加耦合绕组软化电子开关过渡过程的方法

1.技术领域

本发明涉及用附加耦合绕组软化电子开关过渡过程的技术，有别于现有的各种缓冲技术与软开关技术，属电工学科，电力电子学分支领域。

2.背景技术

脉冲斩波变流技术是现代电力电子技术的核心，其结合高频全控型电力电子器件与脉冲时间比率调制控制技术，构成基本电力变流电路，应用于各种变流装置。但是，在脉冲斩波变流电路中，由于电路中存在电感、电容储能元件以及电路存在分布电容、引线电感、器件寄生电容，变压器漏感等，在高速开关变流过程中，不可避免存在开关过渡过程，发生异常高幅值的电压或电流；由于电力电子器件本身是非理想电子开关，亦存在开关过渡时间，这样电力电子器件在此暂态过程中，必然存在其电压波形与电流波形的高度交叠，这种交叠加上暂态下的高幅值电压或电流，由开关功率损耗P_T表达式(1)知，这种开关损耗很大。在电力电子技术领域，称此脉冲斩波方式为硬开关电路。

$P_T=\frac{1}{T}\underset{\mathrm{\Δt}}{\∫}u\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt},$ T为开关工作周期，Δt为开关暂态时间；

硬开关电路造成脉冲斩波变流电路损耗大、电磁干扰严重、可靠性降低，而且随着开关工作频率的提高，此现象更为严重。为此，必须在电力电子电路中加接缓冲电路(snubber)。缓冲电路的加入改变了电力电子开关器件的开关工作点轨迹，使其在过渡期间电压波形、电流波形的交叠部分显著减少，并使暂态过程的能量有了泄放地方，显著地降低了暂态电压、电流峰值。缓冲技术只是一种权宜之计，它虽然降低了电力电子开关器件的开关损耗，提高了器件工作可靠性，但它只是将此损耗转移到缓冲电路的功率电阻上，并不能根本降低变流电路的开关损耗，必然对大功率电路的应用强加了功率限制。

现在，为了节能，为了支持信息技术的发展，为了更高程度的自动化与机电一体化，社会迫切要求电力电子变流装置具有更高的效率、更好的电磁兼容性、更低的成本费用、更高的工作频率以获得更小的体积与重量。为了达到上述目标，人们提出许多新技术以克服缓冲电路的缺陷。目前国内外在这方面的工作可分为两大途径。其一为改良性方法，它是在缓冲技术基础上，改变暂态能量的泄放方式，设法将有损耗的缓冲电路改变为无损耗的缓冲电路；其二为近年来提出的抛弃传统做法，构造新型的电路拓扑，将硬开关电路改为软开关(softswitch)电路的革命性的新方法。前者要附加二极管、功率电感器、电容器，在传统缓冲电路基础上，去掉耗能电阻，将吸收电容器上的电场能量，在开关管开通时再转换为附加电感器的磁能，该磁能在下一个关断阶段将此能量回馈给输入电压源或负载，以构成损耗很低的缓冲电路；其特性类同传统缓冲电路一样，只能解决开关关断或开通两个暂态阶段的其中一个阶段的缓冲，并且一个暂态阶段(如关断)缓冲的实现是以增大另一个暂态阶段(如开通)的硬开关效应为代价，若两者都要实现无损耗的缓冲，则电路相当复杂，此外还存在能量多次回馈时产生的高电流附加损耗，及依赖于工作条件而很困难在不同工作条件下取得良好缓冲效果等缺陷。后者则为了克服前者缺陷，或者利用增加的辅助有源电力电子开关器件、二极管、功率电感器、电容器等，选择适当的辅助控制电路，构成辅助有源谐振换流电路，或者在强电路约束条件下增加功率电感器、电容器等，以特殊的控制方法，使开关管在每个开关暂态过渡期间都工作在零电压或零电流状态，使开关关断或开通两个暂态阶段都能实现开关功率损耗最小。显然，这两种方法都因增加功率元器件等增大了成本、体积、重量。总的来说，前者代价大，效果不够好，后者在效果上虽然优于前者，但除了代价更大外，还因不通用以及增大了电路与控制的复杂度，故推广应用受到了很大的限制。而且，实际上所谓的无损耗是不存在的，电流在元器件中流动，必然伴随着一定的功率损耗，上述两种方法都存在能量的多次传递，因此不可避免地存在损耗。此外电路与控制的复杂度也带来了成本的提高与可靠性的降低。为此，寻找传统缓冲电路的更好替代技术或性价比更优越的通用软开关电路，一直是电力电子技术领域的热门研发课题。

经检索可知：近年来国内及IEEE主要电力电子技术期刊、国内外著名的有关学术会议论文集，都没有发现与“用附加耦合绕组软化电子开关过渡过程的技术”类似的缓冲技术及类似的软开关电路。

3.发明内容

本发明目的在于它借助于变换器电感元件上的一个附加耦合绕组、隔离用二极管与电容器及高阻值放电电阻，在开关开通时由漏电感与电容器构成串联谐振，使吸收电容器能在几乎不产生环流下谐振馈能，以简捷能量转换方式显著减轻了电子开关开通与关断过渡过程的缺陷，而提出一种新型的用附加耦合绕组软化电子开关过渡过程的技术。

为达到上述目的，本发明的用附加耦合绕组软化电子开关过渡过程的方法是在电力电子领域内，在传统的有损耗关断复合缓冲器的基础上，去掉能量复位用的有损耗功率电阻器，保留第一隔离二极管、电容器，加入提出的一个由无源元件构成的新型低损耗复位网络来取代电阻器，该复位网络由在原有变压器上附加的一个附加耦合绕组、一个高频隔离电容器、一个有一定极性接法要求的第二隔离二极管一个有较高阻值的功率电阻器共四个基本元器件构成。

技术方案为：在电力电子开关管的开关电极两端并联一个由第一隔离二极管、高频无感吸收电容器组成的直流串联电路，第一隔离二极管的接法为使其阳极与电力电子开关管的正极连接，第一隔离二极管的阴极与电容器一端连接，电容器的另一端接电力电子开关管的负极，电容器的取值为使电力电子开关管在关断时达到接近零电压开关效果的值，电力电子开关管的负极也接至输入电压源的负极，由第一隔离二极管与电容器构成的串联电路的公共端点接至另一个隔离用的高速开关第二隔离二极管的阳极，第二隔离二极管的接法为使其与第一隔离二极管构成正向串联接法，将第一隔离二极管的阴极与第二隔离二极管的阳极连接，第二隔离二极管的阴极接至由高频隔离电容器与电阻器组成的并联电路的一端，第二隔离二极管的阴极与并联电路连接，并联电路的另一端，接至高频变压器的附加耦合绕组的非同名端上，这里高频隔离电容器电容量的取值为电容器值的10倍到20倍之间，以保证电容器中的电荷通过高频隔离电容器与输入电压源的放电回路能完全放电而使其电势差为零，电阻器阻值的取值为使留在高频隔离电容器中的电荷得到放电而使高频隔离电容器的电势差为一个大于输入电压源值的二十分之一而小于输入电压源值的十分之一的范围值。高频变压器原边绕组就是变换器原有的原边绕组，次边绕组为变换器原有的次边绕组，附加耦合绕组与原边绕组共用一个磁芯，附加耦合绕组的同名端与高频变压器原边绕组的同名端并联，共同接至输入电压源正极，原边绕组的非同名端接至电力电子开关管的正极，以保证上述附加耦合绕组的感应电势有正确极性，附加耦合绕组与原边绕组的绕组匝数相同，附加耦合绕组的接法要求是使附加耦合绕组在电力电子开关管导通时的感应电势的极性与第二隔离二极管的极性形成正向连接，使得电容器的充电电势与附加耦合绕组的感应电势在电路上构成电势叠加，使得该电容器、附加耦合绕组电路的电流方向为流向输入电压源。

本发明在于改造传统的有损缓冲电路。这是在传统的RDC串联关断缓冲电路基础上，去掉功率电阻，以附加在于变换器电感元件上的一个附加耦合绕组、隔离用二极管、电容器及高阻值放电电阻这四个元器件，构成基本的低损复位网络，在开关开通时由漏电感与电容器构成串联谐振，使吸收缓冲能量的电容器能在几乎不产生环流下低损耗地向输入电压源回馈缓冲能量，以简捷能量转换方式显著减轻了电子开关开通与关断过渡过程的缺陷。也就是说，通用于一般变换器电路，能以最少的附加无源元器件、最简捷的能量转换形式、最低成本代价、较少的附加损耗方式解决电力电子开关在开通与关断两个过渡过程中产生的电路缺陷问题。

4.附图说明：

图1为所提出的本发明的基本电路图。

图2为图1电路在电力电子开关管S1开通时的等效电路图。

图3为图1电路在电力电子开关管S1关断时的等效电路图。

图4为本发明在直流变换器输出电路中应用的基本电路图。

图5为本发明在双管变换器电路中应用的基本电路图。

图6为图1电路的计算机仿真波形图。

在图中：C0为输出电容器；C1为电容器；C2为高频隔离电容器；C3为吸收电容器；D1为第一隔离二极管；D2为第二隔离二极管；D3为续流二极管；La为附加耦合绕组；L0为耦合电感器；Lp为原边绕组；Ls为次边绕组；R0为输出负载端；R1为电阻器；S1为电力电子开关管；S2为高端电子开关管；TX1为高频变压器；V1为输入电压源；V2为输出电压源。

电力电子开关管S1的开关电极，对功率MOSFET管，就是漏极(正极)与源极(负极)，对IGBT管，就是集电极(正极)与发射极(负极)。图1中的同名端就是打*点端。该低损复位网络各元件的功率容量不超过缓冲电容器C1的功率容量。电容器C1的取值为使电力电子开关管S1在关断时达到接近零电压开关效果的值，也就是使开关管关断时的电压、电流波形(工作点轨迹)明显错开，重叠部分最少。高频隔离电容器C2的数值就是应保证能将电容器C1所吸收的电能大部份通过高频隔离电容器C2转移至输入源，小部分留在高频隔离电容器C2上，电阻器R1应在开关一个周期内将在高频隔离电容器C2上的电荷泄放，并使高频隔离电容器C2上的电压很低。与不加任何缓冲与软开关电路的基本变换器电路相比，图1电路只增加电容器C1、高频隔离电容器C2、第一隔离二极管D1、第二隔离二极管D2、电阻器R1及与变换器原有高频变压器TX1共用一个磁芯的附加耦合绕组La五个元件，这些元器件全部为较小功率，就能在最低损耗下完成关断时电感暂态磁场能的吸收、开通时电容电场能对输入源在高频变压器TX1漏感Lleak与C＝C1C2/(C1+C2)组成的LC串联谐振下释放，而且由于高频隔离电容器C2、电阻器R1对直流电路的隔离作用，在此电感元件上不产生明显的的电流环流，不明显增大电感元件损耗，也不显著加大开通损耗；此外由于这些能量的吸收与释放都在电子开关的开通与关断两个动态过程完成的，从而不影响变换器稳态阶段的工作。

它以巧妙的技术方法去实现软化电子开关过渡过程的要求。其基本电路(图1)的工作原理如下：图1在电子开关开通与关断期间的等效电路见图2与图3。图2中ia为附加的馈能电路的等效电流，Lleak为变压器的等效漏电感，图中还标明了电路的电流方向。由此知其技术原理是在传统的RCD型缓冲电路基础上，去掉耗能的大功率放电电阻R，也不必附加功率电感器，而是借助一个附加在变换器中的电感元件上的小功率附加耦合绕组La，当附加耦合绕组La的绕组匝数与原边绕组Lp的绕组匝数相同时，根据物理学中的法拉第电磁感应定律，此与原有的电感元件共用一个磁芯的辅助耦合绕组在开关管导通时产生了感应电势，该感应电势的量值V附加耦合绕组La等于输入电压源V1，此感应电势的极性是使该感应电势与储能后的电容器C1上的电势形成电势叠加，以这种电势将具有吸收关断暂态时产生的电感磁场能转换为电场能量功能的充电电容器C1上的电压提高到高于输入源电压，按能量来说就是使电场能的能级提高，利用高频隔离电容器C2与高阻值电阻器R1的隔离作用，足以在电感元件上基本不形成电流环流下，将该电场能量以电荷放电形式向输入电压源V1及输出负载释放，不同于传统无损耗缓冲电路，这种电场能量的释放是以电感器漏感Lleak与吸收电容器构成串联谐振所形成的谐振电流，谐振电流以正弦函数量形式在电子开关管开通时流向输入电压源V1或通过变压器传递给负载，正弦函数量的特点是幅值以零为始点，逐渐增大，L与C量值很小，谐振周期很短，因此不但不显著增大开关管的开通涌流而且还使电子开关的开通过程软化。放电电阻器R1用于将高频隔离电容器C2上的部分电荷泄放掉，并使高频隔离电容器C2处于一个较低电势差的电平状态下。高频隔离电容器C2有较低电势差的电平用于电路的直流脉冲电流隔离。而电阻器R1由于阻值较高，自身损耗较低。利用并联在电力电子开关管上的吸收电容器吸收开关管断开电感器时暂态磁场能，转换为储存在吸收电容器中的电场能，这一过程类同传统RCD型缓冲电路，但由于拥有其后的低损耗放电过程，故可将吸收电容器C1的容量取较大，以达到较好的关断缓冲目的。以此最简单的无源软缓冲方式在不受变换器工作条件影响下，也在不会影响变换器稳态工作条件下，只在最简单的一个开关周期内，利用关断或开通两个暂态阶段，就能以较少附加元器件、较简捷的能量转换形式、较低成本代价、较少的附加损耗方式同时达到软化关断与开通两个过渡过程，实现有效利用暂态能量的目的。从优化角度来看，此技术具有高性价比。与传统RCD型缓冲电路相比，此种软缓冲电路不用耗能的大功率电阻器，而只增加一个小功率辅助绕组及防止电流环流的隔离二极管与隔离电容器以及较小功率的放电电阻。但要指出此技术不能解决问题不是很严重的电力电子开关管自身的寄生电容的开通涌流效应问题。图6就是本发明提出的基本电路图1的计算机仿真波形图。在图6中显示了电子开关管S1的电压、电流波形，从中易知图1应用的发明新技术可以达到软化关断与开通两个过渡过程的要求。在图6中还显示了通过高频隔离电容器C2与电阻器R1的电流波形，从中易知电容器C1的电能主要通过高频隔离电容器C2馈能到输入源与次边绕组Ls电路，电阻器R1损耗的电能很少。故图1体现了能以最少的附加无源元器件、最简捷的能量转换形式、最低成本代价、较少的附加损耗方式解决电力电子开关在开通与关断两个过渡过程中产生的电路缺陷问题的发明特点。

5.具体实施方式

由于本发明提出的基本电路仅涉及输入电压源与电感元件，一般变换器均含有这两部分，故可认为此发明技术是一种通用技术。依此发明提出的技术方法推广到一般变换器上，其具体实施示例见图1、图4、图5。

图1适用于单管变换器电路与半桥变换器电路。将图1扩展得到图5，其适用于多管变换器电路，如双管正激式电路、全桥式电路，此时与输入电压源V1的负极连接的低端电力电子开关管S1及其外围元器件第一隔离二极管D1，第二隔离二极管D2，电容器C1，高频隔离电容器C2，电阻器R1及高频变压器TX1的原边绕组Lp的非同名端与附加耦合绕组La的非同名端的接法同图1，附加耦合绕组La与原边绕组Lp的绕组匝数相同，用于多管变流电路，这里所增加的元器件为高端电子开关管S2，吸收电容器C3，续流二极管D3，它们的接法是将高端电子开关管S2的正极接输入电压源V1的正极，高频变压器TX1的原边绕组Lp的同名端改接在高端电子开关管S2的负极上，在这一接点上还连接有隔离用高速开关续流二极管D3的负极，续流二极管D3的正极接高频无感吸收电容器C3的一端，附加耦合绕组La的同名端也与续流二极管D3的正极相连接，吸收电容器C3的另一端与高端电子开关管S2的正极连接，这样就是使附加耦合绕组La在电力电子开关管S1与高端电子开关管S2同步导通时产生的感应电势的极性与第二隔离二极管D2的极性形成正向连接，使得电容器C1与吸收电容器C3的充电电势与附加耦合绕组La的感应电势在电路上构成电势叠加，这样可以用最少的附加元器件，同时完成两个同步工作电力电子开关管S1、高端电子开关管S2的软化过渡过程的要求。

将图1扩展得到图4，其适用于直流变换器输出电路，如单端正向式直流变换器半波输出电路、双端直流变换器全波输出电路，将图1的电力电子开关管S1以续流二极管D3来代替，并以耦合电感器L0代替高频变压器TX1，附加耦合绕组La与电感器原边绕组Lp共用一个磁芯，构成耦合电感器L0，变换器的输出电感器的原来绕组作为耦合电感器的原边绕组Lp，附加耦合绕组La与原边绕组Lp的绕组匝数相同，原边绕组Lp的非同名端与附加耦合绕组La的非同名端连接在一起并一同接在输出负载端的正极上，使附加耦合绕组La在续流二极管D3导通时产生的感应电势的极性与第二隔离二极管D2的极性形成正向连接，使得电容器C1的充电电势与附加耦合绕组La的感应电势在电路上构成电势叠加，使得该电容器C1附加耦合绕组La电路的电流方向是流向输出负载端R0。

Claims (3)

1.用附加耦合绕组软化电子开关过渡过程的方法，其特征在于：在电力电子开关管(S1)的开关电极两端并联一个由第一隔离二极管(D1)、高频无感吸收电容器(C1)组成的直流串联电路，第一隔离二极管(D1)的接法为使其阳极与电力电子开关管(S1)的正极连接，第一隔离二极管(D1)的阴极与电容器(C1)一端连接，电容器(C1)的另一端接电力电子开关管(S1)的负极，电容器(C1)的取值为使电力电子开关管(S1)在关断时达到接近零电压开关效果的值，电力电子开关管(S1)的负极也接至输入电压源(V1)的负极，由第一隔离二极管(D1)与电容器(C1)构成的串联电路的公共端点接至另一个隔离用的高速开关第二隔离二极管(D2)的阳极，第二隔离二极管(D2)的接法为使其与第一隔离二极管(D1)构成正向串联接法，将第一隔离二极管(D1)的阴极与第二隔离二极管(D2)的阳极连接，第二隔离二极管(D2)的阴极接至由高频隔离电容器(C2)与电阻器(R1)组成的并联电路的一端，第二隔离二极管(D2)的阴极与并联电路连接，并联电路的另一端接至高频变压器(TX1)的附加耦合绕组(La)的非同名端上，这里高频隔离电容器(C2)电容量的取值为电容器(C1)值的10倍到20倍之间，以保证电容器(C1)中的电荷通过高频隔离电容器(C2)与输入电压源(V1)的放电回路能完全放电而使其电势差为零，电阻器(R1)阻值的取值为使留在高频隔离电容器(C2)中的电荷得到放电而使高频隔离电容器(C2)的电势差为一个大于输入电压源(V1)值的二十分之一而小于输入电压源(V1)值的十分之一的范围值，高频变压器(TX1)原边绕组(Lp)就是变换器原有的原边绕组，次边绕组(Ls)为变换器原有的次边绕组，附加耦合绕组(La)与原边绕组(Lp)共用一个磁芯，附加耦合绕组(La)的同名端与高频变压器(TX1)原边绕组(Lp)的同名端并联，共同接至输入电压源(V1)正极，原边绕组(Lp)的非同名端接至电力电子开关管(S1)的正极，以保证上述附加耦合绕组(La)的感应电势有正确极性，附加耦合绕组(La)与原边绕组(Lp)的绕组匝数相同，附加耦合绕组(La)的接法要求是使附加耦合绕组(La)在电力电子开关管(S1)导通时的感应电势的极性与第二隔离二极管(D2)的极性形成正向连接，使得电容器(C1)的充电电势与附加耦合绕组(La)的感应电势在电路上构成电势叠加。

2.根据权利要求1所述的用附加耦合绕组软化电子开关过渡过程的方法，其特征在于：用于多管变流电路，所增加的元器件为高端电子开关管(S2)，吸收电容器(C3)，续流二极管(D3)，它们的接法是将高端电子开关管(S2)的正极接输入电压源(V1)的正极，高频变压器(TX1)的原边绕组(Lp)的同名端改接在高端电子开关管(S2)的负极上，在这一接点上还连接有隔离用高速开关续流二极管(D3)的阴极，续流二极管(D3)的阳极接高频无感吸收电容器(C3)的一端，附加耦合绕组(La)的同名端也与续流二极管(D3)的阳极相连接，吸收电容器(C3)的另一端与高端电子开关管(S2)的正极连接，这样就是使附加耦合绕组(La)在电力电子开关管(S1)与高端电子开关管(S2)同步导通时产生的感应电势的极性与第二隔离二极管(D2)的极性形成正向连接，使得电容器(C1)与吸收电容器(C3)的充电电势与附加耦合绕组(La)的感应电势在电路上构成电势叠加。

3.根据权利要求1所述的用附加耦合绕组软化电子开关过渡过程的方法，其特征在于：用于直流变换器的输出电路，电力电子开关管(S1)以续流二极管(D3)来代替，并以耦合电感器(L0)代替高频变压器(TX1)，附加耦合绕组(La)与电感器原边绕组(Lp)共用一个磁芯，构成耦合电感器(L0)，变换器的输出电感器的原来绕组作为耦合电感器的原边绕组(Lp)，附加耦合绕组(La)与原边绕组(Lp)的绕组匝数相同，原边绕组(Lp)的非同名端与附加耦合绕组(La)的非同名端连接在一起并一同接在输出负载端(R0)的正极上，使附加耦合绕组(La)在续流二极管(D3)导通时产生的感应电势的极性与第二隔离二极管(D2)的极性形成正向连接，使得电容器(C1)的充电电势与附加耦合绕组(La)的感应电势在电路上构成电势叠加。

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