CN215897612U - 一种h桥控制的软开关斩波电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种H桥控制的软开关斩波电路，其包括一正端、一负端、第一电容、第一电阻、第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关，正端经第一电容的一端与第一功率开关的第一端、第三功率开关的第一端连接，负端经第一电容的另一端与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端与第二功率开关的第二端、第四功率开关的第二端连接，第一功率开关的第二端与第二功率开关的第一端连接，第三功率开关的第二端与第四功率开关的第一端连接。应用本实用新型可以减小使用H桥斩波控制器的功率损耗，减少发热，提升能效比，减少功率半导体的开关损耗，从而提高产品寿命。

Description

一种H桥控制的软开关斩波电路

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种H桥控制的软开关斩波电路。

背景技术

直流斩波是指采用降压斩波电路，通过改变占空比的大小来调节直流输出电压，实现对输出功率的调节。该调功方式的主电路采用二极管不可控整流电路，和晶闸管相控整流电路相比提高了电网侧功率因数，减小了对电网的污染。但是Buck电路中的功率开关器件的接通和断开属于硬开关，在开关过程中，器件上存在电压和电流重叠时间，开关损耗比较大，所以不适于应用在高频及大容量系统中。

目前，在H桥斩波控制中，导通相桥臂以相同频率、占空比进行开关，上下桥臂插入死区时间，互补动作。在高频应用上，功率半导体开关损耗很大，导致设备能效很低，发热严重，并且严重影响功率半导体寿命。

因此，传统H桥斩波拓扑，导通相桥臂功率开关管进行相同的开关动作，开关损耗高，发热严重，设备能效低，并且开关噪声大，EMC效果不好。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种可以减小使用H桥斩波控制器的功率损耗，减少发热，提升能效比，减少功率半导体的开关损耗，从而提高产品寿命的H桥控制的软开关斩波电路。

为了实现上述主要目的，本实用新型提供的一种H桥控制的软开关斩波电路，包括一正端、一负端、第一电容、第一电阻、第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关，所述正端经所述第一电容的一端与所述第一功率开关的第一端、第三功率开关的第一端连接，所述负端经所述第一电容的另一端与所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第二功率开关的第二端、第四功率开关的第二端连接，所述第一功率开关的第二端与所述第二功率开关的第一端连接，所述第三功率开关的第二端与所述第四功率开关的第一端连接；其中，所述第一功率开关的第二端与所述第二功率开关的第一端之间接入中性点U，所述第一功率开关的第二端与所述第二功率开关的第一端之间接入中性点V。

进一步的方案中，所述软开关斩波电路还包括第五功率开关、第六功率开关，所述正端经所述第一电容的一端与所述第一功率开关的第一端、第三功率开关的第一端连接，第五功率开关的第一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第二功率开关的第二端、第四功率开关的第二端、第六功率开关的第二端连接，所述第五功率开关的第二端与所述第六功率开关的第一端连接；其中，所述第五功率开关的第二端与所述第六功率开关的第一端之间接入中性点W。

更进一步的方案中，所述软开关斩波电路还包括第二电阻、第三电阻以及第二电容，所述第二电阻、第三电阻为分压电阻，所述第二电阻的第一端连接在所述第一电容的第一端与所述第一功率开关的第一端之间，所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端连接在所述第一电容的第二端与所述第一电阻的第一端之间；其中，在所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端之间接入电压检测点，所述第二电容的第一端接所述电压检测点，所述第二电容的第二端连接在所述第三电阻的第二端与所述第一电阻的第一端之间。

更进一步的方案中，所述软开关斩波电路还包括一控制器，所述控制器用于依据一PWM信号控制对应的所述功率开关处于导通状态或关断状态。

更进一步的方案中，由所述控制器输出PWM信号以控制第二功率开关、第四功率开关导通固定时间，对第一功率开关、第三功率开关的控制电路进行自举充电。

更进一步的方案中，当第一功率开关、第四功率开关的桥臂导通时，第一功率开关由所述控制器输出PWM信号控制导通，所述第四功率开关持续导通，所述第二功率开关和第三功率开关一直保持断开；或者，所述第四功率开关由所述控制器输出PWM信号控制导通，所述第一功率开关持续导通，所述第二功率开关和第三功率开关一直保持断开。

更进一步的方案中，当所述第二功率开关和第三功率开关的桥臂导通时，所述第三功率开关由所述控制器输出PWM信号控制导通，所述第二功率开关持续导通，所述第一功率开关、第四功率开关一直保持断开；或者，所述第二功率开关由所述控制器输出PWM信号控制导通，所述第三功率开关持续导通，所述第一功率开关、第四功率开关一直保持断开。

更进一步的方案中，在所述第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关或第四功率开关者导通时，检测所述第一电阻上的电流，若超过限定值，则停止电路工作并向上位机发送过流故障。

更进一步的方案中，所述第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关、第五功率开关、第六功率开关均为MOSFET或IGBT。

由此可见，相较于常规斩波方式，使用本实用新型的H桥斩波拓扑进行斩波时，导通相仅需要一个桥臂进行开关斩波，另外一个桥臂保持直通，非导通相桥臂为断开状态，功率半导体的开关损耗可以减少50％，并可以减少相应的发热量，降低散热需求，提高能效比。

所以，在开关电源和直流无刷电机大量使用H桥和三相桥拓扑，采用本实用新型可以节省很多电能，降低生产成本。并且，由于进行开关动作的功率半导体数量较少，整个装置的EMC效果也会得到很大的改善。

附图说明

图1是本实用新型一种H桥控制的软开关斩波电路实施例的电路原理图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，本实用新型的一种H桥控制的软开关斩波电路，包括一正端P、一负端N、第一电容C1、第一电阻R1、第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功率开关Q4，正端P经第一电容C1的一端与第一功率开关Q1的第一端、第三功率开关Q3的第一端连接，负端N经第一电容C1的另一端与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端与第二功率开关Q2的第二端、第四功率开关Q4的第二端连接，第一功率开关Q1的第二端与第二功率开关Q2的第一端连接，第三功率开关Q3的第二端与第四功率开关Q4的第一端连接。

其中，第一功率开关Q1的第二端与第二功率开关Q2的第一端之间接入中性点U，第一功率开关Q1的第二端与第二功率开关Q2的第一端之间接入中性点V。

在本实施例中，软开关斩波电路还包括第五功率开关Q5、第六功率开关Q6，正端P经第一电容C1的一端与第一功率开关Q1的第一端、第三功率开关Q3的第一端连接，第五功率开关Q5的第一端连接，第一电阻R1的另一端与第二功率开关Q2的第二端、第四功率开关Q4的第二端、第六功率开关Q6的第二端连接，第五功率开关Q5的第二端与第六功率开关Q6的第一端连接.

其中，第五功率开关Q5的第二端与第六功率开关Q6的第一端之间接入中性点W。

在本实施例中，软开关斩波电路还包括第二电阻R2、第三电阻R3以及第二电容C2，第二电阻R2、第三电阻R3为分压电阻，第二电阻R2的第一端连接在第一电容C1的第一端与第一功率开关Q1的第一端之间，第二电阻R2的第二端与第三电阻R3的第一端连接，第三电阻R3的第二端连接在第一电容C1的第二端与第一电阻R1的第一端之间。

其中，在第二电阻R2的第二端与第三电阻R3的第一端之间接入电压检测点，第二电容C2的第一端接电压检测点，第二电容C2的第二端连接在第三电阻R3的第二端与第一电阻R1的第一端之间。

在本实施例中，软开关斩波电路还包括一控制器(未示出)，控制器用于依据一PWM信号控制对应的功率开关处于导通状态或关断状态。

其中，由控制器输出PWM信号以控制第二功率开关Q2、第四功率开关Q4导通固定时间，对第一功率开关Q1、第三功率开关Q3的控制电路进行自举充电。

具体的，当第一功率开关Q1、第四功率开关Q4的桥臂导通时，第一功率开关Q1由控制器输出PWM信号控制导通，第四功率开关Q4持续导通，第二功率开关Q2和第三功率开关Q3一直保持断开。

或者，第四功率开关Q4由控制器输出PWM信号控制导通，第一功率开关Q1持续导通，第二功率开关Q2和第三功率开关Q3一直保持断开。

当第二功率开关Q2和第三功率开关Q3的桥臂导通时，第三功率开关Q3由控制器输出PWM信号控制导通，第二功率开关Q2持续导通，第一功率开关Q1、第四功率开关Q4一直保持断开。

或者，第二功率开关Q2由控制器输出PWM信号控制导通，第三功率开关Q3持续导通，第一功率开关Q1、第四功率开关Q4一直保持断开。

在第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3或第四功率开关Q4者导通时，检测第一电阻R1上的电流，若超过限定值，则停止电路工作并向上位机发送过流故障。

作为优选，第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功率开关Q4、第五功率开关Q5、第六功率开关Q6均为MOSFET或IGBT。

在本实施例中，本实用新型一种H桥控制的软开关斩波电路具体包括：

第一检测模块，用于检测Vp-n电压。

第一判断模块，用于判断Vp-n电压是否符合期望值。

第一控制模块，控制Q2、Q4导通，进行自举充电

第二检测模块，检测自举充电情况

第二判断模块，用于判断自举充电是否完成

第三控制模块，用于控制第一功率开关Q1、第四功率开关Q4动作，其中，第一功率开关Q1为PWM开关控制，第四功率开关Q4为一直导通，或者第四功率开关Q4为PWM开关控制，第一功率开关Q1为一直导通，第二功率开关Q2，第三功率开关Q3一直断开。

第四控制模块，用于控制第二功率开关Q2、第三功率开关Q3动作，其中第三功率开关Q3为PWM开关控制，第二功率开关Q2为一直导通，或者第二功率开关Q2以PWM开关控制，第三功率开关Q3一直导通，第一功率开关Q1，第四功率开关Q4一直断开。

第三检测模块，用于检测流过电阻R1电流。

第三判断模块，用于判断流过电阻R1电流是否过流，过流则报故障。

其中，上述功能模块可以是本实施例中的一控制器。

在实际应用中，首先，检测Vp-n电压是否符合期望值，不符合则报错，并传递给上位机。

然后，分别配置第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功率开关Q4的控制方式为单独控制。

接着，控制第二功率开关Q2、第四功率开关Q4导通固定时间，对第一功率开关Q1、第三功率开关Q3的控制电路进行自举充电。

当需要第一功率开关Q1和第四功率开关Q4的桥臂导通时，第一功率开关Q1以PWM开关控制方式动作，第四功率开关Q4一直导通，或者第四功率开关Q4以PWM开关控制方式动作，第一功率开关Q1一直导通，第二功率开关Q2和第三功率开关Q3一直断开。

当需要第三功率开关Q3和第二功率开关Q2的桥臂导通时，第三功率开关Q3以PWM开关控制方式动作，第二功率开关Q2一直导通，或者第二功率开关Q2以PWM开关控制方式动作，第三功率开关Q3一直导通，第一功率开关Q1和第四功率开关Q4一直断开。

在第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3或者第四功率开关Q4开关导通时刻的中点检测电阻R1电流，如果超过限定值，则报过流故障，停止并发送故障给上位机。

如图1所示，图1可以为无刷直流电机控制拓扑图，在采用“六步方波”控制方法时，具体包括以下步骤：

1、如果U-V通电，UH＝PWM(duty，fs)，VN＝ON，VH＝OFF，UN＝OFF，WH＝OFF，WN＝OFF。

2、如果U-W通电，UH＝PWM(duty，fs)，WN＝ON，WH＝OFF，UN＝OFF，VH＝OFF，VN＝OFF。

3、如果V-W通电，VH＝PWM(duty，fs)，WN＝ON，WH＝OFF，VN＝OFF，UH＝OFF，UN＝OFF。

4、如果V-U通电，VH＝PWM(duty，fs)，UN＝ON，UH＝OFF，VN＝OFF，WH＝OFF，WN＝OFF。

5、如果W-U通电，WH＝PWM(duty，fs)，UN＝ON，UH＝OFF，WN＝OFF，VH＝OFF，VN＝OFF。

6、如果W-V通电，WH＝PWM(duty，fs)，VN＝ON，VH＝OFF，WN＝OFF，UH＝OFF，UN＝OFF。

由此可见，相较于常规斩波方式，使用本实用新型的H桥斩波拓扑进行斩波时，导通相仅需要一个桥臂进行开关斩波，另外一个桥臂保持直通，非导通相桥臂为断开状态，功率半导体的开关损耗可以减少50％，并可以减少相应的发热量，降低散热需求，提高能效比。

所以，在开关电源和直流无刷电机大量使用H桥和三相桥拓扑，采用本实用新型可以节省很多电能，降低生产成本。并且，由于进行开关动作的功率半导体数量较少，整个装置的EMC效果也会得到很大的改善。

需要说明的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，但实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型做出的非实质性修改，也均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种H桥控制的软开关斩波电路，其特征在于，包括：

一正端、一负端、第一电容、第一电阻、第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关，所述正端经所述第一电容的一端与所述第一功率开关的第一端、第三功率开关的第一端连接，所述负端经所述第一电容的另一端与所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第二功率开关的第二端、第四功率开关的第二端连接，所述第一功率开关的第二端与所述第二功率开关的第一端连接，所述第三功率开关的第二端与所述第四功率开关的第一端连接；

其中，所述第一功率开关的第二端与所述第二功率开关的第一端之间接入中性点U，所述第一功率开关的第二端与所述第二功率开关的第一端之间接入中性点V。

2.根据权利要求1所述的H桥控制的软开关斩波电路，其特征在于：

所述软开关斩波电路还包括第五功率开关、第六功率开关，所述正端经所述第一电容的一端与所述第一功率开关的第一端、第三功率开关的第一端连接，第五功率开关的第一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第二功率开关的第二端、第四功率开关的第二端、第六功率开关的第二端连接，所述第五功率开关的第二端与所述第六功率开关的第一端连接；

其中，所述第五功率开关的第二端与所述第六功率开关的第一端之间接入中性点W。

3.根据权利要求2所述的H桥控制的软开关斩波电路，其特征在于：

所述软开关斩波电路还包括第二电阻、第三电阻以及第二电容，所述第二电阻、第三电阻为分压电阻，所述第二电阻的第一端连接在所述第一电容的第一端与所述第一功率开关的第一端之间，所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端连接在所述第一电容的第二端与所述第一电阻的第一端之间；

其中，在所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端之间接入电压检测点，所述第二电容的第一端接所述电压检测点，所述第二电容的第二端连接在所述第三电阻的第二端与所述第一电阻的第一端之间。

4.根据权利要求3所述的H桥控制的软开关斩波电路，其特征在于：

所述软开关斩波电路还包括一控制器，所述控制器用于依据一PWM信号控制对应的所述功率开关处于导通状态或关断状态。

5.根据权利要求4所述的H桥控制的软开关斩波电路，其特征在于：

由所述控制器输出PWM信号以控制第二功率开关、第四功率开关导通固定时间，对第一功率开关、第三功率开关的控制电路进行自举充电。

6.根据权利要求5所述的H桥控制的软开关斩波电路，其特征在于：

当第一功率开关、第四功率开关的桥臂导通时，第一功率开关由所述控制器输出PWM信号控制导通，所述第四功率开关持续导通，所述第二功率开关和第三功率开关一直保持断开；

或者，所述第四功率开关由所述控制器输出PWM信号控制导通，所述第一功率开关持续导通，所述第二功率开关和第三功率开关一直保持断开。

7.根据权利要求6所述的H桥控制的软开关斩波电路，其特征在于：

当所述第二功率开关和第三功率开关的桥臂导通时，所述第三功率开关由所述控制器输出PWM信号控制导通，所述第二功率开关持续导通，所述第一功率开关、第四功率开关一直保持断开；

或者，所述第二功率开关由所述控制器输出PWM信号控制导通，所述第三功率开关持续导通，所述第一功率开关、第四功率开关一直保持断开。

8.根据权利要求7所述的H桥控制的软开关斩波电路，其特征在于：

在所述第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关或第四功率开关者导通时，检测所述第一电阻上的电流，若超过限定值，则停止电路工作并向上位机发送过流故障。

9.根据权利要求2至8任一项所述的H桥控制的软开关斩波电路，其特征在于：

所述第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关、第五功率开关、第六功率开关均为MOSFET或IGBT。

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