CN203193514U

CN203193514U - 一种无源次级钳位软开关pwm变换器的控制系统

Info

Publication number: CN203193514U
Application number: CN2013202294937U
Authority: CN
Inventors: 徐向华; 张加胜; 郝秀杰; 敖志勇
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2023-04-28

Abstract

本实用新型公开了一种无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统，包括数字信号处理器、驱动电路装置、直流电源Ud、输出电压Uo、单相H桥装置和次级钳位装置，所述数字信号处理器与驱动电路装置相连，所述驱动电路装置与单相H桥装置相连，所述单相H桥装置和直流电源Ud相连，所述电阻R指所有直流负载。由于所述PWM变换器采用无源次级自动钳位全桥零电压零电流软开关装置，能有效提高H桥PWM变换器的效率，负载范围宽，PWM控制信号调制效果好，能减少硬件成本和体积。

Description

一种无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统。

背景技术

开关电源高频化的发展趋势，可带来电源功率的密度提高，但同时加剧了开关损耗、电磁干扰等问题，为解决这些问题，提出了大量诸如零电压零电流多谐振等软开关技术方案，这些方案在部分程度上能减少一些损耗，但都多少引入了附加器件的成本、体积占用、设计难度等，在控制信号上多采用脉宽调制芯片（PWM），无法充分利用目前现有的数字控制一体化的单片机、dsp等芯片。

为降低变换器高频工作下的开关损耗，亦即开关状态变化瞬间的电压—电流乘积量、二极管的反向恢复能量、开关管寄生电容的放电能量等，可采用有源和无源两种有效的方法。其中有源方式利用额外的开关管使主开关管工作于软开关状态，无源方式则利用无源器件通过参数匹配达到同样的效果。从实现的复杂性及性价比来看，无源软开关技术有一定优势，当然它无法消除开关管寄生电容的影响，但考虑到有源方式中辅助开关管引入的损耗及功率半导体技术的发展，无源软开关技术是很有发展前景的。

单相H桥PWM变换器，由于其结构简单、性能优越，除了用作逆变器之外，还常用于双端式中大功率DC/DC变换器，现在许多行业对基于这类变换器的电力电子电源装置的要求越来越高，不但要有较高的精度，而且要有较高效率，这就导致我们在不得不优化H桥的软件控制，并且不得不减少变换器自身功率损耗。在PWM控制信号的产生方面上，目前基于H桥PWM变换器的电源装置大都伴随着数字控制，这就离不开了各种各样的单片机，而目前单片机所提供的内置PWM波形发生器，几乎都是为三相两电平PWM逆变器及变频调速、无功与谐波补偿等控制系统而设计的，无法直接用来实现H桥变换器的移相PWM控制和DC/DC变换占空比控制。在提高变换器效率方面，现有变换器多采用软开关转换电路拓扑，其核心就是增加辅助电路，主要有两类，第一类是辅助电路位于在变压器一次侧，在原边串入饱和电感和隔直电容，这样会带来磁滞损耗和涡流损耗以及冷却问题，并且增大了变换器的体积，也有采用辅助变压器和整流电路实现原边电流复位，这就引入了辅助变压器的损耗以及装置体积和成本。更有采用耗能电路复位原边电流，这是得不偿失的方法。第二类是辅助电路位于变压器二次侧，采用增加有源钳位等辅助电路实现滞后桥臂的ZCS，这势必增加了控制的复杂度，钳位开关工作在硬开关状态，也增加了硬件开销，也带来了有源开关管的附加损耗。也有采用与输出电感耦合的辅助电感的感应电动势作为反向阻断电压源的，这样增加了电感耦合的设计，续流二极管的电压应力，并且受负载电流大小尤其轻载时影响较大。也有用开关管代替输出整流二极管的，这样又带来了新的开关损耗问题和控制难度问题，且增加了硬件成本。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种能增加效率、负载范围、提高精度、减少硬件成本和体积的无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统。

为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：一种无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统，包括数字信号处理器、驱动电路装置、直流电源U_d、输出电压Uo、单相H桥装置和次级钳位装置，所述数字信号处理器与驱动电路装置相连，所述驱动电路装置与单相H桥装置相连，所述单相H桥装置和直流电源U_d相连。

作为优选，所述单相H桥装置包括IGBT开关管V₁、IGBT开关管V₂、IGBT开关管V₃及IGBT开关管V₄、电容和变压器，所述IGBT开关管V₁、IGBT开关管V₂为超前桥臂，所述IGBT开关管V₃、IGBT开关管V₄为滞后桥臂，所述IGBT开关管V₁、IGBT开关管V₂、IGBT开关管V₃及IGBT开关管V₄包括开关管内部自身附属的二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃及二极管D₄，所述电容包括电容C₁和电容C₂，所述电容C₁是外加的电容、且与IGBT开关管V₁并联，所述电容C₂是外加的电容、且与IGBT开关管V₂并联，所述变压器T设置有a端、b端、c端和d端，所述变压器T设置有附属的漏感L_lk，所述变压器T中的a端设置在IGBT开关管V₁和IGBT开关管V₂之间，所述变压器T中的b端设置在IGBT开关管V₃和IGBT开关管V₄之间，所述变压器T和a端相连，所述漏感L_lk设置在变压器T和变压器T的b端之间。

作为优选，所述次级钳位装置包括钳位电容Cc、输出滤波储能电容Co、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈和二极管D₉和输出滤波电感Lo，所述二极管D₅和二极管D₆相连，所述二极管D₇和二极管D₈相连，所述输出滤波电感Lo和电容Co相连，所述二极管D₉设置在钳位电容Cc和输出滤波储能电容Co之间、且与输出滤波电感Lo反并联，所述变压器T中的d端设置在二极管D₅和二极管D₆之间，所述变压器T中的c端设置在二极管D₇和二极管D₈之间。

作为优选，所述数字信号处理器采用PIC30F4011或带有PWM模块的微处理器。

本实用新型无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统的有益效果是：由于所述PWM变换器采用无源次级自动钳位全桥零电压零电流软开关装置，采用方波调制下H桥移相式PWM控制和死区时间调制下H桥DC/DC变换占空比控制的方法能有效提高H桥PWM变换器的效率，负载范围宽，PWM控制信号调制效果好，能增加效率、提高精度、减少硬件成本和体积。

附图说明

图1为本实用新型无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统的电路结构原理图；

图2为本实用新型无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统的方波调制下的移相式PWM控制信号原理图；

图3为本实用新型无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统的方波调制下的移相式PWM控制流程图；

图4为本实用新型无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统的死区时间调制下的PWM占空比控制信号原理图；

图5为本实用新型无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统的死区时间调制下的PWM占空比控制流程图。

具体实施方式

参阅图1至图5所示，一种无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统，包括数字信号处理器、驱动电路装置、直流电源U_d、输出电压Uo、单相H桥装置和次级钳位装置，所述数字信号处理器与驱动电路装置相连，所述驱动电路装置与单相H桥装置相连，所述单相H桥装置和直流电源U_d相连。所述电阻R指所有直流负载。

所述单相H桥装置包括IGBT开关管V₁、IGBT开关管V₂、IGBT开关管V₃及IGBT开关管V₄、电容和变压器，所述IGBT开关管V₁、IGBT开关管V₂为超前桥臂，所述IGBT开关管V₃、IGBT开关管V₄为滞后桥臂，所述IGBT开关管V₁、IGBT开关管V₂、IGBT开关管V₃及IGBT开关管V₄包括开关管内部自身附属的二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃及二极管D₄，所述电容包括电容C₁和电容C₂，所述电容C₁是外加的电容、且与IGBT开关管V₁并联，所述电容C₂是外加的电容、且与IGBT开关管V₂并联，所述变压器T设置有a端、b端、c端和d端，所述变压器T设置有附属的漏感L_lk，所述变压器T中的a端设置在IGBT开关管V₁和IGBT开关管V₂之间，所述变压器T中的b端设置在IGBT开关管V₃和IGBT开关管V₄之间，所述变压器T和a端相连，所述漏感L_lk设置在变压器T和变压器T的b端之间。

所述次级钳位装置包括钳位电容Cc、输出滤波储能电容Co、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈和二极管D₉和输出滤波电感Lo，所述二极管D₅和二极管D₆相连，所述二极管D₇和二极管D₈相连，所述输出滤波电感Lo和电容Co相连，所述二极管D₉设置在钳位电容Cc和输出滤波储能电容Co之间、且与输出滤波电感Lo反并联，所述变压器T中的d端设置在二极管D₅和二极管D₆之间，所述变压器T中的c端设置在二极管D₇和二极管D₈之间。所述数字信号处理器采用PIC30F4011或带有PWM模块的微处理器。但所述思想不局限于此种单片机或其他数字信号处理器。

方波调制时初始化MCPWM、m、n，通过不断查询输出电压设定值，确定移相角θ，计算b值，根据PWM时基向上是否计数，确定时n的值写入PDC1，b的值写入PDC2，转入其他功能，继续进行不断查询输出电压设定值，确定移相角，计算b值，否定时m的值写入PDC1，a的值写入PDC2，转入其他功能，继续进行不断查询输出电压设定值，确定移相角，计算b值。

死区时间调制下，初始化MCPWM、DTCON1，将PTPET值的一半写入PDC1、PDC2，不断查询输出电压设定值，确定占空比后计算DEAD_TIME值，再将DEAD_TIME的值赋给DTCON1，进入其他功能，循环至不断查询输出电压设定值，确定占空比后计算DEADTIME值的步骤。

本实用新型无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统的有益效果是：由于所述PWM变换器采用无源次级自动钳位全桥零电压零电流软开关装置，能有效提高H桥PWM变换器的效率，负载范围宽，PWM控制信号调制效果好，能减少硬件成本和体积。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统，其特征在于：包括数字信号处理器、驱动电路装置、直流电源（U_d）、输出电压（Uo）、单相H桥装置和次级钳位装置，所述数字信号处理器与驱动电路装置相连，所述驱动电路装置与单相H桥装置相连，所述单相H桥装置和直流电源（U_d）相连。

2.根据权利要求1所述的无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统，其特征在于：所述单相H桥装置包括IGBT开关管（V₁）、IGBT开关管（V₂）、IGBT开关管（V₃）及IGBT开关管（V₄）、电容和变压器，所述IGBT开关管（V₁）、IGBT开关管（V₂）为超前桥臂，所述IGBT开关管（V₃）、IGBT开关管（V₄）为滞后桥臂，所述IGBT开关管（V₁）、IGBT开关管（V₂）、IGBT开关管（V₃）及IGBT开关管（V₄）包括开关管内部自身附属的二极管（D₁）、二极管（D₂）、二极管（D₃）及二极管（D₄），所述电容包括电容（C₁）和电容（C₂），所述电容（C₁）是外加的电容、且与IGBT开关管（V₁）并联，所述电容（C₂）是外加的电容、且与IGBT开关管（V₂）并联，所述变压器（T）设置有a端、b端、c端和d端，所述变压器（T）设置有附属的漏感（L_lk），所述变压器（T）中的a端设置在IGBT开关管（V₁）和IGBT开关管（V₂）之间，所述变压器（T）中的b端设置在IGBT开关管（V₃）和IGBT开关管（V₄）之间，所述变压器（T）和a端相连，所述漏感（L_lk）设置在变压器（T）和变压器（T）的b端之间。

3.根据权利要求2所述的无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统，其特征在于：所述次级钳位装置包括钳位电容（Cc）、输出滤波储能电容（Co）、二极管（D₅）、二极管（D₆）、二极管（D₇）、二极管（D₈）、二极管（D₉）和输出滤波电感（Lo），所述二极管（D₅）和二极管（D₆）相连，所述二极管（D₇）和二极管（D₈）相连，所述输出滤波电感（Lo）和电容（Co）相连，所述二极管（D₉）设置在钳位电容（Cc）和输出滤波储能电容（Co）之间、且与输出滤波电感（Lo）反并联，所述变压器（T）中的d端设置在二极管（D₅）和二极管（D₆）之间，所述变压器（T）中的c端设置在二极管（D₇）和二极管（D₈）之间。

4.根据权利要求1所述的无源次级钳位软开关PWM变换器的控制系统，其特征在于：所述数字信号处理器采用PIC30F4011或带有PWM模块的微处理器。