CN1236545C - 电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

披露了一种不会产生波纹的电力变换装置，包括在能够实现软开关的定时处产生开关信号的控制电路。串联连接的第1主开关(Q1)和第2主开关(Q2)在第1开关的端部被连接到直流电源的正端，在第2主开关的端部被连接到该直流电源的负端，在各个主开关上并联连接二极管(D1、D2)，使其相对于直流电源成反向偏置，在各个主开关上，并联连接主开关缓冲电容器(C1、C2)，2个主开关的连接点被连接到负载上，通过根据来自控制电路的开关信号进行主开关的开通·关断控制来产生输出。串联连接的第1辅助开关及第2辅助开关(Q3、Q4、Q5、Q6)和第2辅助开关上串联连接的谐振电感器(L1)构成的第1辅助谐振电路将直流电源的正端连接到其与2个主开关的连接点之间，在第1及第2辅助开关上分别连接二极管，使其相对于直流电源成反向偏置。控制电路以分别表示主开关及上述辅助开关的两端电压的、来自电压检测部件的电压信号为输入，在向第1主开关提供作为开关信号的开通信号前向第1及第2辅助开关提供开通信号。

Description

电力变换装置
                            技术领域
本发明总的涉及电流变换装置。更详细地说，本发明涉及包括能够实现开关元件的软开关的控制电路的电力变换装置。
                            背景技术
在变换器或逆变器等电力变换装置中，以减少开关元件的开关损耗、提高开关频率为目的，进行着包括软开关功能的电路的开发。
例如在美国专利第5,047,913号中，披露了下述结构的变换器：将直流电源的电压通过串联连接的2个电容器分压为1/2的电压，将该电容器的连接点经双向开关和电感器的串联连接而连接到2个串联连接的主开关的连接点上。负载被连接到主开关的连接点上。在各个主开关上并联连接二极管，使其相对于直流电源成反向偏置。此外，在各个主开关上，并联连接缓冲电容器(スナバコンデンサ)。在该美国专利记载的电力变换装置中，双向开关和电感器组成的电路构成辅助谐振换流电路，通过该辅助谐振换流电路的谐振，欲得到在所有开关中能进行软开关的条件。
在该电路中，在开通主开关的情况下能进行软开关，但是在关断主开关时发生关断损耗。即，在该电路中，在从一个主开关换流到另一个主开关的情况下，在负载电流回流到该一个主开关上并联连接的二极管的状态下开通双向开关，生成谐振状态，在电感器的电流增加而达到换流所需的电流时，关断上述一个主开关。但是，在该美国专利教示的控制中，不能避免主开关的关断损耗。此外，由于要检测换流所需的谐振电流，所以控制很复杂。
再者，在该公知的电路中，在轻负载状态下，为了使主开关上连接的缓冲电容器中积蓄的能量不在主开关中作为短路损耗被消耗掉，在主开关进行开关、从一个主开关换流到另一个主开关之前，开通辅助开关。在该控制中，随着辅助开关的开通，在主开关中除了负载电流之外，还开始流过电感器电流。在电流达到某个阈值时，通过关断主开关，在缓冲电容器中进行能量的充放电，在换流结束后开通主开关。因此，在主开关中实现零电流开通，缓冲电容器能量不至于损耗。但是，在该美国专利教示的控制中，由于要检测换流所需的电感器电流来控制开关，所以具有控制复杂这一问题。
再者，该美国专利教示的控制在一个主开关中流过负载电流的状态下进行换流、使得另一个主开关上并联连接的二极管中流过负载电流的情况下，在负载电流大的状态下不使辅助谐振换流电路工作，而通过负载电流来进行换流；在负载电流小的状态下使该辅助谐振换流电路工作，通过谐振电流和负载电流之和来进行换流。该控制方法伴有下述问题：在使电力变换装置进行逆变器操作的情况下产生波纹电压。即，如果通过该控制方法来进行逆变器操作，则辅助谐振换流电路的电流在与直流电源串联连接的电容器的中点电位上产生与逆变器输出电压相同周期的波纹。为了将该波纹电压抑制在电压变动的容许范围内，需要使电容器的电容比现有电路的大，使部件大型化。
日本国特开平7-115775号公报披露了下述结构的逆变器：在具有第1电位的第1分割点和具有第2电位的第2分割点上分别连接辅助开关的一端，将这些辅助开关的另一端相互连接，将辅助开关的连接点和2个主开关的连接点经谐振电感器连接。在各个主开关上，并联连接缓冲电容器。此外，在各个主开关上沿相对于直流电源成反向偏置的方向并联连接二极管。在该公开特许公报披露的电力变换装置的电路中，通过辅助开关和谐振电感器、及主开关上并联连接的缓冲电容器来形成辅助谐振换流电路，通过流过该谐振电路的谐振电流能够实现软开关。
在该公开特许公报记载的电力变换装置中，为了得到第1电位和第2电位而使用电池，因此存在使电路大型化这一问题。如果为了使装置小型化而使用电容器，则在第1电位和第2电位之间发生与逆变器输出电压相同周期的波纹电压，产生与前述美国专利记载的电路相同的问题。
                            发明内容
本发明的主要目的在于解决在电力变换装置中实现软开关的情况下的上述问题，提供一种不会产生波纹的电力变换装置，包括在所有开关中能够实现软开关的定时处产生开关信号的控制电路。
为了实现上述目的，在本发明的一种电力变换装置，由串联连接的第1主开关和第2主开关构成的至少2两个主开关在该第1主开关的端部被连接到直流电源的正端，在上述第2主开关的端部被连接到该直流电源的负端，在上述各个主开关上并联连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置，在上述各个主开关上并联连接主开关缓冲电容器，上述两2个主开关的连接点被连接到负载上，设有以负载电压及/或负载电流为输入来形成控制上述主开关的开通·/关断工作的开关信号的控制电路，通过根据来自该控制电路的开关信号进行上述主开关的开通·/关断控制来产生输出，其特征在于，由串联连接的第1辅助开关及第2辅助开关和串联连接在上述第2辅助开关上的谐振电感器构成的第1辅助谐振电路被连接到上述直流电源的正端和上述两2个主开关的连接点之间，在上述第1及第2辅助开关上分别连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置；由被串联连接的第3辅助开关和第4辅助开关，以及与所述第4辅助开关串联连接的所述谐振电感器构成的第2辅助谐振电路被连接在所述直流电源的负侧和所述两个主开关的连接点之间，在所述第3辅助开关和第4辅助开关的每一个上连接二极管，该二极管相对于所述直流电源反向偏置，设有分别检测上述主开关及上述辅助开关的两端电压的电压检测部件；上述控制电路将分别表示上述主开关及上述辅助开关的两端电压的、来自上述电压检测部件的电压信号作为输入；在向上述第1主开关提供作为开关信号的开通信号前向上述第1及第2辅助开关提供开通信号；在上述第2主开关上并联连接的二极管中流过负载电流时向上述第1及第2辅助开关提供开通信号，通过该第1及第2辅助开关的开通将来自上述直流电源的电流引导到上述谐振电感器；在上述谐振电感器的电流增加而大致达到负载电流时，由上述谐振电感器和上述各个主开关上并联连接的上述缓冲电容器形成谐振电路；上述控制电路在该谐振使上述第1主开关的两端电压大致达到零时，输出开通上述第1主开关的信号，在所述第1主开关导通的状态下，该第1主开关中流过负载电流时，在该负载电流是比与前述主开关用缓冲电容器的容量和直流电源的电源电压的积相关联的阈值小的状态下，在向该第2主开关提供作为开关信号的导通信号之前，向所述第3辅助开关和第4辅助开关提供导通信号，通过该第3辅助开关和第4辅助开关的导通进行工作，使得所述谐振电感器中导通来自直流电源的电流，在所述谐振电感器的电流增加而到达所述阈值时，向所述第1主开关提供关断信号，从而使该第1主开关关断。
此外，在本发明的另一种电力变换装置，由串联连接的第1主开关和第2主开关构成的至少两个主开关在该第1主开关的端部被连接到直流电源的正端，在上述第2主开关的端部被连接到该直流电源的负端，在上述各个主开关上并联连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置，在上述各个主开关上并联连接主开关缓冲电容器，上述两个主开关的连接点被连接到负载上，设有以负载电压及/或负载电流为输入来形成控制上述主开关的开通/关断工作的开关信号的控制电路，通过根据来自该控制电路的开关信号进行上述主开关的开通/关断控制来产生输出，其特征在于，由串联连接的第1辅助开关及第2辅助开关和串联连接在上述第2辅助开关上的谐振电感器构成的第1辅助谐振电路被连接到上述直流电源的正端和上述两个主开关的连接点之间，在上述第1及第2辅助开关上分别连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置；由被串联连接的第3辅助开关和第4辅助开关，以及与所述第4辅助开关串联连接的所述谐振电感器构成的第2辅助谐振电路被连接在所述直流电源的负侧和所述两个主开关的连接点之间，在所述第3辅助开关和第4辅助开关的每一个上连接二极管，该二极管相对于所述直流电源反向偏置，设有分别检测上述主开关及上述辅助开关的两端电压的电压检测部件；上述控制电路将分别表示上述主开关及上述辅助开关的两端电压的、来自上述电压检测部件的电压信号作为输入；在上述第2主开关开通的状态下在该第2主开关中流过负载电流时，在该负载电流小于与上述主开关缓冲电容器的电容和直流电源的电源电压之积关联的阈值的状态下，在向上述第1主开关提供作为开关信号的开通信号前向上述第1及第2辅助开关提供开通信号，通过该第1及第2辅助开关的开通将来自上述直流电源的电流引导到上述谐振电感器；在上述谐振电感器的电流增加而达到上述阈值时，向上述第2主开关提供关断信号来关断该第2主开关，在所述第1主开关导通的状态下，该第1主开关中流过负载电流时，在该负载电流是比与前述主开关缓冲电容器的容量和直流电源的电源电压的积相关联的阈值小的状态下，在向该第2主开关提供作为开关信号的导通信号之前，向所述第3辅助开关和第4辅助开关提供导通信号，通过该第3辅助开关和第4辅助开关的导通进行工作，使得所述谐振电感器中导通来自直流电源的电流，在所述谐振电感器的电流增加而到达所述阈值时，向所述第1主开关提供关断信号，从而使该第1主开关关断。
在本发明的另一种电力变换装置，由串联连接的第1主开关和第2主开关构成的至少两个主开关在该第1主开关的端部被连接到直流电源的正端，在上述第2主开关的端部被连接到该直流电源的负端，在上述各个主开关上并联连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置，在上述各个主开关上并联连接主开关缓冲电容器，上述两个主开关的连接点被连接到负载上，设有以负载电压及/或负载电流为输入来形成控制上述主开关的开通/关断工作的开关信号的控制电路，通过根据来自该控制电路的开关信号进行上述主开关的开通/关断控制来产生输出，其特征在于，由串联连接的第1辅助开关及第2辅助开关和串联连接在上述第2辅助开关上的谐振电感器构成的第1辅助谐振电路被连接到上述直流电源的正端和上述两个主开关的连接点之间，在上述第1及第2辅助开关上分别连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置，串联连接的第3辅助开关及第4辅助开关被连接到上述直流电源的负端和上述谐振电感器之间而构成第2辅助谐振电路，在上述第1辅助开关和上述第2辅助开关间的连接点、与上述第3辅助开关和上述第4辅助开关间的连接点之间连接有辅助开关缓冲电容器，在上述第3及第4辅助开关上分别连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置；设有分别检测上述主开关及上述辅助开关的两端电压的电压检测部件；上述控制电路将分别表示上述主开关及上述辅助开关的两端电压的、来自上述电压检测部件的电压信号作为输入；在向上述第2主开关提供作为开关信号的开通信号前向上述第3及第4辅助开关提供开通信号；在上述第1主开关上并联连接的二极管中流过负载电流时向上述第3及第4辅助开关提供开通信号，通过该第3及第4辅助开关的开通将来自上述直流电源的电流引导到上述谐振电感器；在上述谐振电感器的电流增加而大致达到负载电流时，由上述谐振电感器和上述各个主开关上并联连接的上述缓冲电容器形成谐振电路，在通过该谐振电路的谐振而使上述第2主开关的两端电压大致达到零时，输出开通上述第2主开关的信号。
本发明的又一形态的控制电路可以如下实现第3及第4辅助开关的软开关：在辅助开关缓冲电容器的初始电压大致等于直流电源的电压时，在第2主开关被开通后向第3辅助开关提供关断信号，而在辅助开关缓冲电容器的初始电压大致为零时，在第2主开关被开通后向第4辅助开关提供关断信号。此外，控制电路可以如下在第1主开关中实现软开关：在负载电流高于阈值的状态下，不向第3及第4辅助开关提供开通信号，而向第1主开关提供关断信号。上述阈值为下式表示的值：
Ith＝Cr×Vin/tmax
这里，Ith表示阈值，Cr表示与主开关并联连接的状态下的主开关缓冲电容器的电容，Vin表示直流电源的电压，tmax表示负载电流从第1及第2主开关中的一个换流到另一个的时间的最大容许值。
采用该形态的控制，无需检测电流来进行控制，所以能够实现控制简单这一效果。此外，由于主开关中不流过电感器电流，所以主开关中的关断损耗不会增加。
                            附图说明
图1是本发明的电力变换装置的电路结构的电路图。
图2是图1电路中的辅助谐振换流电路的缓冲电容器的初始电压大致等于直流电源电压的状态下主开关的开通工作时的工作波形图。
图3是图1电路中的辅助谐振换流电路的缓冲电容器的初始电压大致为零的状态下主开关的开通工作时的工作波形图。
图4是图1电路中的辅助谐振换流电路的缓冲电容器的初始电压大致等于直流电源电压的状态下主开关的关断工作时的工作波形图。
图5是图1电路中的辅助谐振换流电路的缓冲电容器的初始电压大致为零的状态下主开关的关断工作时的工作波形图。
图6是本发明的电路的应用例的电路图。
图7是本发明的电路的另一应用例的电路图。
图8是本发明的电路的又一应用例的电路图。
图9是图1电路的变形例的电路图。
图10是图9电路中的辅助谐振换流电路的缓冲电容器的初始电压大致等于直流电源电压的状态下主开关的开通工作时的工作波形图。
图11是图9电路中的辅助谐振换流电路的缓冲电容器的初始电压大致为零的状态下主开关的开通工作时的工作波形图。
图12是图9电路中的辅助谐振换流电路的缓冲电容器的初始电压大致等于直流电源电压的状态下主开关的关断工作时的工作波形图。
图13是图9电路中的辅助谐振换流电路的缓冲电容器的初始电压大致为零的状态下主开关的关断工作时的工作波形图。
图14是本发明的另一控制例的与图4同样的工作波形图。
图15是本发明的又一控制例的与图15同样的工作波形图。
                          具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施例。图1是本发明第一实施例的电路图。该电路包括串联连接的第1及第2主开关Q1、Q2，一个主开关Q1被连接在直流电源Vin的正端，另一个主开关Q2被连接在直流电源Vin的负端。在主开关Q1上并联连接有二极管D1，在主开关Q2上并联连接有二极管D2，使其分别相对于直流电源成反向偏置，即二极管的正向朝向直流电源Vin的正端。此外，在主开关Q1上并联连接有主开关缓冲电容器C1，在主开关Q2上并联连接有主开关缓冲电容器C2。与串联连接的主开关Q1、Q2并联连接的电容器C4作为直流电源Vin。输出Vout从主开关Q1、Q2的连接点上被取出。
图示的电路包括辅助谐振换流电路。该辅助谐振换流电路包括串联连接的第1辅助开关Q5和第2辅助开关Q3，第1辅助开关Q5被连接到直流电源Vin的正端。第2辅助开关Q3经谐振电感器L1被连接到主开关Q1、Q2的连接点上。在第1辅助开关Q5上并联连接二极管D5，在第2辅助开关Q3上并联连接二极管D3，使其分别相对于直流电源Vin成反向偏置。
辅助谐振换流电路还包括串联连接的第3辅助开关Q6和第4辅助开关Q4。第3辅助开关Q6的一端被连接到直流电源Vin的负端。第4辅助开关Q4被连接到谐振电感器L1的端部。在第3辅助开关Q6上并联连接二极管D6，在第4辅助开关Q4上并联连接二极管D4，使其分别相对于直流电源Vin成反向偏置。在第1辅助开关Q5和第3辅助开关Q6之间连接辅助谐振换流电路缓冲电容器C3。
再者，图示的电路包括生成用于控制各开关的开关工作的开关信号的控制电路S。该控制电路S接受负载电流Iout及负载电压Vout作为输入信号，计算主开关Q1及主开关Q2的开关定时，生成开关信号。在各开关上设有检测其两端电压的电压检测器，控制电路S接受来自这些电压检测器的电压信号作为输入。控制电路S输出用于控制各开关的开关工作的开关信号。
以上所述的电路的工作波形示于图2。假设在第2主开关Q2从开通状态被关断、接着第1主开关Q1被开通之前的状态下，负载电流Iout从图1箭头所示的方向通过第2主开关Q2上并联连接的二极管D2而回流。在辅助谐振换流电路的缓冲电容器C3的初始电压大致等于直流电源Vin的电压时，如果在时刻t0开通第1辅助开关Q5和第2辅助开关Q3，则直流电源Vin的电压加到谐振电感器L1上，电感器电流Ir直线增加，同时二极管D2的电流相应减少。
到了时刻t1，电感器电流Ir和负载电流Iout相等，在此时刻，谐振电感器L1和主开关缓冲电容器C1、C2开始谐振。其结果是，第2主开关Q2上并联连接的二极管D2的两端电压开始上升。到了时刻t2，第1主开关Q1上并联连接的二极管D1成为正向偏压，电感器电流Ir开始从二极管D1通过第1辅助开关Q5及第2辅助开关Q3回流到电感器L1。在时刻t2以后，第1主开关Q1的两端电压如图2所示大致是零，所以通过在时刻t2以后开通第1主开关Q1，能实现第1主开关Q1的“零电压开通”。
如果在开通第1主开关Q1后关断第1辅助开关Q5，则电流的流动路径为从第3辅助开关Q6上并联连接的二极管D6经辅助谐振换流电路缓冲电容器C3而到达第2辅助开关Q3，开始缓冲电容器C3的放电。因此，第1辅助开关Q5的两端电压倾斜增加，在第1辅助开关Q5中也能够实现软开关。
到了时刻t3，第3辅助开关Q6上并联连接的二极管D6成为正向偏压。因此，谐振电感器L1励磁的能量通过第3辅助开关Q6、第4辅助开关Q4及第1主开关Q1上分别并联连接的二极管D6、D4、D1而回馈到直流电源Vin。
图3示出辅助谐振换流电路缓冲电容器C3的初始电压Vcr大致为零的情况下电路各部的工作波形。从时刻t0到时刻t2的工作与图2所示的相同。在时刻t2以后如果在开通第1主开关Q1后、关断第2辅助开关Q3，则电流的流动路径为从第1辅助开关Q5通过缓冲电容器C3及第4辅助开关Q4上并联连接的二极管D4而到达谐振电感器L1。因此，电感器电流Ir一边对缓冲电容器C3进行充电，一边流过缓冲电容器C3，第2辅助开关Q3的两端电压倾斜上升。其结果是，在第2辅助开关Q3中也能够实现软开关。
在时刻t3，第3辅助开关Q6上并联连接的二极管D6成为正向偏压，所以电感器L1中积蓄的能量沿下述路径而回馈到直流电源Vin：从该二极管D6通过第4辅助开关Q4上并联连接的二极管D4及谐振电感器L1而到达第1主开关Q1上并联连接的二极管D1。
图4是第1主开关Q1处于开通状态时的换流工作的波形图。在负载电流小于下式所示的阈值电流Ith时，进行下述工作。
Ith＝Cr×Vin/tmax
这里，Ith表示阈值，Cr表示与主开关并联连接的状态下的主开关缓冲电容器的电容，Vin表示直流电源的电压，tmax表示负载电流从第1及第2主开关中的一个换流到另一个的时间的最大容许值。
首先，假设辅助谐振换流电路缓冲电容器C3被充电到与直流电源Vin的电压相等的初始电压。在此状态下，如果在时刻T0开通第3辅助开关Q6和第4辅助开关Q4，则直流电源Vin的电压加到从第1主开关Q1通过谐振电感器L1、第4辅助开关Q4及第3辅助开关Q3的路径上，电感器电流Ir直线增加。到了时刻T1，电感器电流Ir达到阈值电流Ith。这时如果关断第1主开关Q1，则谐振电感器L1和缓冲电容器C1、C2开始谐振，第1主开关Q1的两端电压倾斜上升。因此，在第1主开关Q1中能够实现软开关。
到了时刻T2，第2主开关Q2上并联连接的二极管D2成为正向偏压。因此，电流通过下述路径开始回流：从该二极管D2通过电感器L1及第4辅助开关Q4、第3辅助开关Q6而到达二极管D2。在时刻T2以后，通过开通第2主开关Q2，能实现该主开关Q2的零电压开通。
然后，如果在时刻T3关断第3辅助开关Q6，则电流的路径为从第4辅助开关Q4通过缓冲电容器C3流到第1辅助开关Q5上并联连接的二极管D5，对缓冲电容器C3的充电电压进行放电。因此，第3辅助开关Q6的两端电压倾斜增加，在第3辅助开关Q6中实现软开关。
在时刻T4，第2辅助开关Q3上并联连接的二极管D3成为正向偏压，谐振电感器L1中积蓄的能量通过下述路径回馈到直流电源Vin：从第2主开关Q2通过电感器L1及该二极管D3及第1辅助开关Q5上并联连接的二极管D5。
图5示出辅助谐振换流电路缓冲电容器C3的初始电压Vcr大致为零的情况下的工作波形。从时刻T0到时刻T3的工作与图4所示的相同。在图5的工作中，在时刻T3开通第2主开关Q2后，关断第4辅助开关Q4。其结果是，电流的流动路径为从谐振电感器L1通过第2辅助开关Q3上并联连接的二极管D3及缓冲电容器C3而到达第3辅助开关Q6，对缓冲电容器C3进行充电。因此，第4辅助开关Q4的两端电压倾斜上升，能实现该辅助开关Q4的软开关。
在时刻T4，第1辅助开关Q5上并联连接的二极管D5成为正向偏压，谐振电感器L1中积蓄的能量沿下述路径来回馈：从第2主开关Q2通过电感器L1、二极管D3及二极管D5。
在负载电流大于前述阈值的负载状态下，从第1主开关Q1的开通状态开始，在负载电流通过二极管D2回流的过程中，不使辅助谐振换流电路工作。在此情况下，在第1主开关Q1被关断时，第1主开关Q1和第2主开关Q2之间的连接点上的电压由于缓冲电容器C1、C2的作用而倾斜变动，所以在主开关Q1中能够实现软开关。
如上所述，在负载电流从二极管D2换流到主开关Q1的过程中、及在从负载电流主开关Q1换流到二极管D2的过程中，在所有开关中能够实现软开关。此外，为了换流而在谐振电感器中积蓄的能量在换流结束后都回馈到直流电源。因此，在将电容器C4用作直流电源的电路中，即使负载电流在低频因逆变器工作而变动，也不会由于辅助谐振换流电路的工作而在电容器C4上发生低频波纹，所以无需增加电容器C4的电容。
本发明的第2实施例示于图6。该实施例将2个图1所示电路结构的逆变器并联连接而构成单相逆变器。在图6中，逆变器X和逆变器Y为同一电路结构，对与图1的电路中的部分对应的部分附以与图1相同的标号，进而在逆变器Y的标号后附以下标a来表示。逆变器X及Y分别具有输出端子T1、T2。
本发明的第3实施例示于图7。该实施例是将3个图1所示电路结构的逆变器并联连接而成的三相逆变器的例子。逆变器X和逆变器Y与图6中的相同，附以与图6相同的标号。在图7的例子中，还设有第3逆变器Z，具有输出端子T3。该第3逆变器Z的各部分在与图1相同的标号上附以下标b，省略详细说明。
图8示出使用图1所示的电路结构来形成下变换器的例子。在图1所示的电路的第2主开关Q2的两端连接平滑电抗器L0和平滑电容器C0构成的滤波器，在平滑电容器C0的两端设有输出端子T1、T2。根据该电路，通过辅助谐振换流电路的作用，在从轻负载到重负载的所有负载条件下，输入电容器C4的电压都不会发生波纹等变动。
图9是本发明第一实施例的变形例的电路图。该实施例的电路与图1所示的电路大致相同，与图1的电路的不同点只是从第1主开关Q1的两端取出输出。因此，省略对电路结构的详细说明。
图9所示的电路的工作波形示于图10。假设在第1主开关Q1从开通状态被关断、接着第2主开关Q2被开通前的状态下，负载电流Iout沿图9箭头所示的方向通过第1主开关Q1上并联连接的二极管D1而回流。在辅助谐振换流电路的缓冲电容器C3的初始电压大致等于直流电源Vin的电压时，如果在时刻t’0开通第3辅助开关Q6和第4辅助开关Q4，则直流电源Vin的电压加到谐振电感器L1上，电感器电流Ir直线增加，同时二极管D1的电流相应减少。
到了时刻t’1，电感器电流Ir和负载电流Iout相等，在此时刻，谐振电感器L1和主开关缓冲电容器C1、C2开始谐振。其结果是，第1主开关Q1上并联连接的二极管D1的两端电压开始上升。到了时刻t’2，第2主开关Q2上并联连接的二极管D2成为正向偏压，电感器电流Ir开始从二极管D2通过第2辅助开关Q6及第4辅助开关Q4回流到电感器L1。在时刻t’2以后，第2主开关Q2的两端电压如图10所示大致是零，所以通过在时刻t’2以后开通第2主开关Q2，能实现第2主开关Q2的“零电压开通”。
如果在开通第2主开关Q2后关断第3辅助开关Q6，则电流的流动路径为从谐振电感器L1经第4辅助开关Q4及辅助谐振换流电路缓冲电容器C3而到达第1辅助开关Q5上并联连接的二极管D5，开始缓冲电容器C3的放电。因此，第3辅助开关Q6的两端电压倾斜增加，在第3辅助开关Q6中也能够实现软开关。
到了时刻t’3，第2辅助开关Q3上并联连接的二极管D3成为正向偏压。因此，谐振电感器L1励磁的能量通过第1辅助开关Q5、第2辅助开关Q3及第2主开关Q2上分别并联连接的二极管D5、D3、D2而回馈到直流电源Vin。
图11示出辅助谐振换流电路缓冲电容器C3的初始电压Vcr大致为零的情况下电路各部的工作波形。从时刻t’0到时刻t’2的工作与图10所示的相同。在时刻t’2以后如果在开通第2主开关Q2后、关断第4辅助开关Q4，则电流的流动路径为从谐振电感器L1通过第2辅助开关Q3并联连接的二极管D3及缓冲电容器C3而到达第3辅助开关Q6。因此，电感器电流Ir一边对缓冲电容器C3进行充电，一边流过缓冲电容器C3，第4辅助开关Q4的两端电压倾斜上升。其结果是，在第4辅助开关Q4中也能够实现软开关。
在时刻t’3，第1辅助开关Q5上并联连接的二极管D5成为正向偏压，所以电感器L1中积蓄的能量沿下述路径而回馈到直流电源Vin：从该二极管D5通过第2辅助开关Q3上并联连接的二极管D3及谐振电感器L1而到达第2主开关Q2上并联连接的二极管D2。
图12是第2主开关Q2处于开通状态时的换流工作的波形图。在负载电流小于下式所示的阈值电流Ith时，进行下述工作。
Ith＝Cr×Vin/tmax
这里，Ith表示阈值，Cr表示与主开关并联连接的状态下的主开关缓冲电容器的电容，Vin表示直流电源的电压，tmax表示负载电流从第1及第2主开关中的一个换流到另一个的时间的最大容许值。
首先，假设辅助谐振换流电路缓冲电容器C3被充电到与直流电源Vin的电压大致相等的初始电压。在此状态下，如果在时刻T’0开通第1辅助开关Q5和第2辅助开关Q3，则直流电源Vin的电压加到从第1辅助开关Q5通过第2辅助开关Q3、谐振电感器L1及第2主开关Q2的路径上，电感器电流Ir直线增加。到了时刻T’1，电感器电流Ir达到阈值电流Ith。这时如果关断第2主开关Q2，则谐振电感器L1和缓冲电容器C1、C2开始谐振，第2主开关Q2的两端电压倾斜上升。因此，在第2主开关Q2中能够实现软开关。
到了时刻T’2，第1主开关Q1上并联连接的二极管D1成为正向偏压。因此，电流通过下述路径开始回流：从该二极管D1通过第1辅助开关Q5及第2辅助开关Q3、电感器L1而到达二极管D1。在时刻T’2以后，通过开通第1主开关Q1，能实现该主开关Q1的零电压开通。
然后，如果在时刻T’3关断第1辅助开关Q5，则电流的路径为从第3辅助开关Q6上并联连接的二极管D6通过缓冲电容器C3流到第2辅助开关Q3，对缓冲电容器C3的充电电压进行放电。因此，第1辅助开关Q5的两端电压倾斜增加，在第1辅助开关Q5中实现软开关。
在时刻T’4，第4辅助开关Q4上并联连接的二极管D4成为正向偏压，谐振电感器L1中积蓄的能量通过下述路径回馈到直流电源Vin：从第3辅助开关Q6上并联连接的二极管D6及该二极管D4通过电感器L1及第1主开关。
图13示出辅助谐振换流电路缓冲电容器C3的初始电压Vcr大致为零的情况下的工作波形。从时刻T’0到时刻T’3的工作与图12所示的相同。在图13的工作中，在时刻T’3开通第1主开关Q1后，关断第3辅助开关Q3。其结果是，电流的流动路径为从第1辅助开关Q5通过缓冲电容器C3及第4辅助开关Q4上并联连接的二极管D4而到达谐振电感器L1，对缓冲电容器C3进行充电。因此，第2辅助开关Q3的两端电压倾斜上升，能实现该辅助开关Q3的软开关。
在时刻T’4，第3辅助开关Q6上并联连接的二极管D6成为正向偏压，谐振电感器L1中积蓄的能量沿下述路径回馈：从第1主开关Q1通过电感器L1、二极管D4及二极管D6。
在负载电流大于前述阈值的负载状态下，从第2主开关Q2的开通状态开始，在负载电流通过二极管D1回流的过程中，不使辅助谐振换流电路工作。在此情况下，在第2主开关Q2被关断时，第1主开关Q1和第2主开关Q2之间的连接点上的电压由于缓冲电容器C1、C2的作用而倾斜变动，所以在主开关Q2中能够实现软开关。
如上所述，在负载电流从二极管D1换流到主开关Q2的过程中、及在从负载电流主开关Q2换流到二极管D1的过程中，在所有开关中能够实现软开关。此外，为了换流而在谐振电感器中积蓄的能量在换流结束后都回馈到直流电源。因此，在将电容器C4用作直流电源的电路中，即使负载电流在低频因逆变器工作而变动，也不会由于辅助谐振换流电路的工作而在电容器C4上发生低频波纹，所以无需增加电容器C4的电容。
图14及图15示出本发明的另一控制例。图14对应于先前说明过的图4，示出图1的电路中的控制。图15对应于图11，示出图9的电路中的控制。
在图14中，Vg表示开关的驱动信号。假设最初主开关Q1开通。如果关断主开关Q1，则负载电流使主开关开始换流。但是，在负载电流小于阈值Ith时，由于主开关上并联连接的缓冲电容器，换流需要时间，所以在缓冲电容器上残留电压的状态下主开关被开通，电容器中积蓄着的能量被主开关消耗，发生短路损耗。因此，为了避免此问题，在图14所示的波形图的时刻T0关断主开关Q1，同时开通第4辅助开关Q4和第6辅助开关Q6。于是，谐振电感器L1、缓冲电容器C1以及C2开始谐振。该谐振使主开关Q2两端的电压减少，在时刻T1达到零，同时谐振电流Ir沿辅助开关Q4、辅助开关Q6以及二极管D2的路径来回流。通过在时刻T1以后开通主开关Q2，能实现零电压开通。此外，在时刻T1以后如果关断辅助开关Q4，则谐振电感器L1的电流Ir使二极管D3和二极管D5开始导通，谐振电感器L1的励磁能量被回馈到输入Vin，在时刻T2结束回馈。通过以上控制，能够避免在轻负载电流时缓冲电容器引起的短路损耗。采用此控制方法，不用检测电流就能用电压检测来进行控制，能够使检测电路采用简单的结构。
接着，参照图15，Vg表示开关的驱动信号。假设最初主开关Q2开通。如果关断主开关Q2，则负载电流使主开关开始换流。但是，在负载电流小于阈值Ith时，由于主开关上并联连接的缓冲电容器，换流需要时间，所以在缓冲电容器上残留电压的状态下主开关被开通，电容器中积蓄着的能量被主开关消耗，发生短路损耗。因此，为了避免此问题，在图15所示的波形图的时刻T0关断主开关Q2，同时开通第3辅助开关Q3和第5辅助开关Q5。于是，谐振电感器L1、缓冲电容器C1以及C2开始谐振。该谐振使主开关Q1两端的电压减少，在时刻T1达到零，同时谐振电流Ir沿辅助开关Q3、辅助开关Q5以及二极管D1的路径来回流。通过在时刻T1以后开通主开关Q1，能实现零电压开通。此外，在时刻T1以后如果关断辅助开关Q3，则谐振电感器L1的电流Ir使二极管D4和二极管D6开始导通，谐振电感器L1的励磁能量被回馈到输入Vin，在时刻T2结束回馈。通过以上控制，能够避免在轻负载电流时缓冲电容器引起的短路损耗。采用此控制方法，也能得到与图14中的控制同样的效果。

Claims (16)

1、一种电力变换装置，由串联连接的第1主开关和第2主开关构成的至少两个主开关在该第1主开关的端部被连接到直流电源的正端，在上述第2主开关的端部被连接到该直流电源的负端，在上述各个主开关上并联连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置，在上述各个主开关上并联连接主开关缓冲电容器，上述两个主开关的连接点被连接到负载上，设有以负载电压及/或负载电流为输入来形成控制上述主开关的开通/关断工作的开关信号的控制电路，通过根据来自该控制电路的开关信号进行上述主开关的开通/关断控制来产生输出，其特征在于，
由串联连接的第1辅助开关及第2辅助开关和串联连接在上述第2辅助开关上的谐振电感器构成的第1辅助谐振电路被连接到上述直流电源的正端和上述两个主开关的连接点之间，在上述第1及第2辅助开关上分别连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置；
由被串联连接的第3辅助开关和第4辅助开关，以及与所述第4辅助开关串联连接的所述谐振电感器构成的第2辅助谐振电路被连接在所述直流电源的负侧和所述两个主开关的连接点之间，在所述第3辅助开关和第4辅助开关的每一个上连接二极管，该二极管相对于所述直流电源反向偏置，
设有分别检测上述主开关及上述辅助开关的两端电压的电压检测部件；
上述控制电路
将分别表示上述主开关及上述辅助开关的两端电压的、来自上述电压检测部件的电压信号作为输入；
在向上述第1主开关提供作为开关信号的开通信号前向上述第1及第2辅助开关提供开通信号；
在上述第2主开关上并联连接的二极管中流过负载电流时向上述第1及第2辅助开关提供开通信号，通过该第1及第2辅助开关的开通将来自上述直流电源的电流引导到上述谐振电感器；
在上述谐振电感器的电流增加而大致达到负载电流时，由上述谐振电感器和上述各个主开关上并联连接的上述缓冲电容器形成谐振电路；
上述控制电路在该谐振使上述第1主开关的两端电压大致达到零时，输出开通上述第1主开关的信号，
在所述第1主开关导通的状态下，该第1主开关中流过负载电流时，在该负载电流是比与前述主开关缓冲电容器的容量和直流电源的电源电压的积相关联的阈值小的状态下，在向该第2主开关提供作为开关信号的导通信号之前，向所述第3辅助开关和第4辅助开关提供导通信号，通过该第3辅助开关和第4辅助开关的导通进行工作，使得所述谐振电感器中导通来自直流电源的电流，
在所述谐振电感器的电流增加而到达所述阈值时，向所述第1主开关提供关断信号，从而使该第1主开关关断。
2、如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
在上述第1辅助开关和上述第2辅助开关间的连接点、与上述第3辅助开关和上述第4辅助开关间的连接点之间连接有辅助开关缓冲电容器，上述控制电路如下实现上述第1及第2辅助开关的软开关：在上述第1主开关开通后，在上述辅助开关缓冲电容器的初始电压大致等于上述直流电源的电压时向上述第1辅助开关提供关断信号，而在上述辅助开关缓冲电容器的初始电压大致为零时向上述第2辅助开关提供关断信号。
3、如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
在上述第1辅助开关和上述第2辅助开关间的连接点、与上述第3辅助开关和上述第4辅助开关间的连接点之间连接有辅助开关缓冲电容器。
4、如权利要求3所述的电力变换装置，其特征在于，
上述控制电路
在上述第3及第4辅助开关成为开通状态、流过上述谐振电感器的电流从上述第3及第4辅助开关通过上述第2主开关上并联连接的二极管来回流时，向上述第2主开关提供开通信号。
5、如权利要求3所述的电力变换装置，其特征在于，
上述控制电路
在上述第1主开关开通的状态下在该第1主开关中流过负载电流时，在该负载电流小于与上述主开关缓冲电容器的电容和直流电源的电源电压之积关联的阈值的状态下，通过该第3及第4辅助开关的开通来引发上述谐振电感器和该第1主开关上并联连接的缓冲电容器的谐振。
6、一种电力变换装置，由串联连接的第1主开关和第2主开关构成的至少两个主开关在该第1主开关的端部被连接到直流电源的正端，在上述第2主开关的端部被连接到该直流电源的负端，在上述各个主开关上并联连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置，在上述各个主开关上并联连接主开关缓冲电容器，上述两个主开关的连接点被连接到负载上，设有以负载电压及/或负载电流为输入来形成控制上述主开关的开通/关断工作的开关信号的控制电路，通过根据来自该控制电路的开关信号进行上述主开关的开通/关断控制来产生输出，其特征在于，
由串联连接的第1辅助开关及第2辅助开关和串联连接在上述第2辅助开关上的谐振电感器构成的第1辅助谐振电路被连接到上述直流电源的正端和上述两个主开关的连接点之间，在上述第1及第2辅助开关上分别连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置；
由被串联连接的第3辅助开关和第4辅助开关，以及与所述第4辅助开关串联连接的所述谐振电感器构成的第2辅助谐振电路被连接在所述直流电源的负侧和所述两个主开关的连接点之间，在所述第3辅助开关和第4辅助开关的每一个上连接二极管，该二极管相对于所述直流电源反向偏置，
设有分别检测上述主开关及上述辅助开关的两端电压的电压检测部件；
上述控制电路
将分别表示上述主开关及上述辅助开关的两端电压的、来自上述电压检测部件的电压信号作为输入；
在上述第2主开关开通的状态下在该第2主开关中流过负载电流时，在该负载电流小于与上述主开关缓冲电容器的电容和直流电源的电源电压之积关联的阈值的状态下，在向上述第1主开关提供作为开关信号的开通信号前向上述第1及第2辅助开关提供开通信号，通过该第1及第2辅助开关的开通将来自上述直流电源的电流引导到上述谐振电感器；
在上述谐振电感器的电流增加而达到上述阈值时，向上述第2主开关提供关断信号来关断该第2主开关，
在所述第1主开关导通的状态下，该第1主开关中流过负载电流时，在该负载电流是比与前述主开关缓冲电容器的容量和直流电源的电源电压的积相关联的阈值小的状态下，在向该第2主开关提供作为开关信号的导通信号之前，向所述第3辅助开关和第4辅助开关提供导通信号，通过该第3辅助开关和第4辅助开关的导通进行工作，使得所述谐振电感器中导通来自直流电源的电流，
在所述谐振电感器的电流增加而到达所述阈值时，向所述第1主开关提供关断信号，从而使该第1主开关关断。
7、如权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于，
上述控制电路在上述第1及第2辅助开关成为开通状态、流过上述谐振电感器的电流从上述第1及第2辅助开关通过上述第1主开关上并联连接的二极管来回流时，向上述第1主开关提供开通信号。
8、如权利要求7所述的电力变换装置，其特征在于，
在上述第1辅助开关和上述第2辅助开关间的连接点、与上述第3辅助开关和上述第4辅助开关间的连接点之间连接有辅助开关缓冲电容器，上述控制电路在上述辅助开关缓冲电容器的初始电压大致等于上述直流电源的电压时，在上述第1主开关被开通后向上述第1辅助开关提供关断信号，而在上述辅助开关缓冲电容器的初始电压大致为零时，在上述第1主开关被开通后向上述第2辅助开关提供关断信号。
9、如权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于，
上述控制电路在负载电流高于上述阈值的状态下，不向上述第1及第2辅助开关提供开通信号，而向上述第2主开关提供关断信号。
10、如权利要求6至9中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，上述阈值为下式表示的值：
Ith＝Cr×Vin/tmax
这里，Ith表示阈值，Cr表示与主开关并联连接的状态下的主开关缓冲电容器的电容，Vin表示直流电源的电压，tmax表示负载电流从第1及第2主开关中的一个换流到另一个的时间的最大容许值。
11、如权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于，
在上述第2主开关开通的状态下在该第2主开关中流过负载电流时，在该负载电流小于与上述主开关缓冲电容器的电容和直流电源的电源电压之积关联的阈值的状态下，通过该第1及第2辅助开关的开通来引发上述谐振电感器和该第2主开关上并联连接的缓冲电容器的谐振。
12、一种电力变换装置，由串联连接的第1主开关和第2主开关构成的至少两个主开关在该第1主开关的端部被连接到直流电源的正端，在上述第2主开关的端部被连接到该直流电源的负端，在上述各个主开关上并联连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置，在上述各个主开关上并联连接主开关缓冲电容器，上述两个主开关的连接点被连接到负载上，设有以负载电压及/或负载电流为输入来形成控制上述主开关的开通/关断工作的开关信号的控制电路，通过根据来自该控制电路的开关信号进行上述主开关的开通/关断控制来产生输出，其特征在于，
由串联连接的第1辅助开关及第2辅助开关和串联连接在上述第2辅助开关上的谐振电感器构成的第1辅助谐振电路被连接到上述直流电源的正端和上述两个主开关的连接点之间，在上述第1及第2辅助开关上分别连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置，串联连接的第3辅助开关及第4辅助开关被连接到上述直流电源的负端和上述谐振电感器之间而构成第2辅助谐振电路，在上述第1辅助开关和上述第2辅助开关间的连接点、与上述第3辅助开关和上述第4辅助开关间的连接点之间连接有辅助开关缓冲电容器，在上述第3及第4辅助开关上分别连接二极管，使其相对于上述直流电源成反向偏置；
设有分别检测上述主开关及上述辅助开关的两端电压的电压检测部件；
上述控制电路
将分别表示上述主开关及上述辅助开关的两端电压的、来自上述电压检测部件的电压信号作为输入；
在向上述第2主开关提供作为开关信号的开通信号前向上述第3及第4辅助开关提供开通信号；
在上述第1主开关上并联连接的二极管中流过负载电流时向上述第3及第4辅助开关提供开通信号，通过该第3及第4辅助开关的开通将来自上述直流电源的电流引导到上述谐振电感器；
在上述谐振电感器的电流增加而大致达到负载电流时，由上述谐振电感器和上述各个主开关上并联连接的上述缓冲电容器形成谐振电路，在通过该谐振电路的谐振而使上述第2主开关的两端电压大致达到零时，输出开通上述第2主开关的信号。
13、如权利要求12所述的电力变换装置，其特征在于，
上述控制电路如下实现上述第3及第4辅助开关的软开关：
在上述第2主开关开通后，在上述辅助开关缓冲电容器的初始电压大致等于上述直流电源的电压时向上述第3辅助开关提供关断信号，而在上述辅助开关缓冲电容器的初始电压大致为零时向上述第4辅助开关提供关断信号。
14、如权利要求12或13中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
上述控制电路
在上述第2主开关开通的状态下在该第2主开关中流过负载电流时，在该负载电流小于与上述主开关缓冲电容器的电容和直流电源的电源电压之积关联的阈值的状态下，在向上述第1主开关提供作为开关信号的开通信号前向上述第1及第2辅助开关提供开通信号，通过该第1及第2辅助开关的开通将来自上述直流电源的电流引导到上述谐振电感器；
在上述谐振电感器的电流增加而达到上述阈值时，向上述第2主开关提供关断信号来关断该第2主开关。
15、如权利要求14所述的电力变换装置，其特征在于，
上述控制电路
在上述第1及第2辅助开关成为开通状态、流过上述谐振电感器的电流从上述第1及第2辅助开关通过上述第1主开关上并联连接的二极管来回流时，向上述第1主开关提供开通信号。
16、如权利要求14所述的电力变换装置，其特征在于，
上述控制电路
在上述第2主开关开通的状态下在该第2主开关中流过负载电流时，在该负载电流小于与上述主开关缓冲电容器的电容和直流电源的电源电压之积关联的阈值的状态下，通过该第1及第2辅助开关的开通来引发上述谐振电感器和该第2主开关上并联连接的缓冲电容器的谐振。
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