CN216751538U - 一种软开关升压斩波电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种软开关升压斩波电路，该电路包括有主回路、辅助回路以及开关驱动器；相比于现有技术，在本实用新型当中提供的斩波升压电路增加了辅助回路，帮助主回路中的开关元件在整个周期中均工作在软开关状态的同时，辅助回路自身的开关元件也实现了全周期内以软开关状态工作，保证电路实现原预期的斩波升压功能的同时，电路中所有开关元件还都取得损耗小、寿命长、发热少、工作稳定的效果，提升了电路的整体性能。

Description

一种软开关升压斩波电路

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，特别涉及一种斩波电路。

背景技术

斩波电路，又称直接直流变流电路，应用在电力设备中时，一般用于将直流电转变成为另一固定电压或可调电压的直流电，是电力设备中重要的组成部分。传统的斩波电路按照其电路功能划分，通常可分为降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路等。这其中，升压斩波电路作为斩波电路的一种基本形制，被广泛地应用在直流电动机传动、单相功率因数校正、需求变压或换流的交直流电源等等场景中，其电路结构及其电气性能，将直接影响整个电力设备的整体性能。

请参阅图1，现有技术中提供的升压斩波电路，其电路结构如图1所示。在该电路中，设置较大的电感L值和电容C值，向开关元件施加驱动波形，当开关元件V导通时，电源E向电感L充电，此过程中充电电流恒为I₁，同时电容C上的电压向负载R供电，由于电容C值较大，因此电容C向负载R充电的过程中，电容C保持恒定的输出电压U₀。记施加在开关元件上的驱动波形的一个周期为T、开关元件导通的时间为T_on、开关元件处于截止状态的时间为T_off，则可知：上述升压斩波电路处于稳态时，对于电路中的电感L而言，恒有：EI₁T_on＝(U₀-E)I₁T_off，化简该式可得：

由此可见该电路具有升压能力，调节施加在开关元件上的驱动波形，控制开关元件的通断情况，改变开关元件截止状态时间T_off与周期T的比值T/T_off，即可得到预期大小的输出电压U₀。

实践可知，应用到实际中的升压斩波电路将不可避免地面临开关元件的开关损耗问题：应用在实际中的开关元件并非理想开关，其开通与关断均需要一定的时间。

以上文所载的现有技术中提供的升压斩波电路为例，电路中的开关元件V在经历其驱动脉冲的下降沿时，开关元件V上的电流以一定速率下降、其发射极与集电极之间的电压以一定速率上升，则在开关元件V经历其驱动脉冲的下降沿的一段时间内，开关元件V上将存在关断损耗；而在下一个驱动脉冲到来时，当开关元件V经历驱动脉冲的上升沿，此时开关元件V上的电流重新以一定的速率上升，其发射极与集电极之间的电压以一定速率下降，开关元件V上将存在存在开通损耗。可以说，在该电路中的开关元件V始终工作在硬开关的状态下，存在不能消除的开关损耗，该电路工作时，其开关元件V的通断频率越高，其开关损耗越多，开关元件V发热越明显，器件的稳定性越差，其使用寿命也将越短。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种软开关升压斩波电路，该电路降低了电路中开关元件的开关损耗，促使电路中开关元件均近似工作于软开关工作状态。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种软开关升压斩波电路，该斩波电路包括有主回路，主回路包括有主电感、主IGBT管、主二极管以及主电容；主电感的一端连接外部电源的正极，主电感的另一端连接主IGBT管的集电极，主IGBT管的发射极连接外部电源的负极；主二极管的阳极与主电感的与主IGBT管的公共端连接，主二极管的阴极连接主电容的一端，主电容的另一端连接主IGBT管与外部电源负极的公共端；主电容的两端向外部负载输出；

该斩波电路还包括有用于调节开关时主IGBT管尚电压或电流的变化速度，促使主IGBT管开关过程接近软开关的辅助回路；以及，用于按需分别驱动主回路以及辅助回路工作的驱动器；

进一步的，辅助回路包括有辅助IGBT管、辅助电感以及第一辅助二极管；辅助电感的一端连接主电感与主IGBT管的公共端，辅助电感的另一端连接辅助IGBT管的集电极，第一辅助二极管的阳极连接辅助电感与辅助IGBT管的公共端，第一辅助二极管的阴极连接主二极管与主电容的公共端，辅助IGBT管的发射极连接主电容和外部电源负极的公共端。

进一步的，辅助回路还包括有辅助电容和第二辅助二极管，辅助电容的其中一端连接辅助电感与主IGBT管的公共端，辅助电容的另一端连接第一辅助二极管的阴极，第二辅助二极管的阳极连接辅助电容与第一辅助二极管的公共端，第二辅助二极管的阴极连接主二极管与主电容的公共端。

进一步的，驱动器具备用于输出主驱动脉冲的第一输出端，以及用于输出辅助驱动脉冲的第二输出端；第一输出端接入主IGBT管的基极，第二输出端接入辅助IGBT管的基极；在每一个周期中，主驱动脉冲均晚于辅助驱动脉冲，当辅助驱动脉冲经历其下降沿时，就主驱动脉冲经历其上升沿。

上述电路在具体工作时，其工作原理如下：

驱动器分别与主回路以及辅助回路连接，其第一输出端处输出的主驱动脉冲控制主IGBT管的通断，其第二输出端处输出的辅助驱动脉冲对应控制辅助IGBT管的通断。

以某一驱动周期为例，在该驱动周期中，驱动器首先发出辅助驱动脉冲，在辅助驱动脉冲经历其下降沿的时刻点处，主驱动脉冲经历其上升沿。则在该驱动周期内，首先将经历辅助驱动脉冲的上升沿。

当驱动器发出辅助驱动脉冲时，辅助IGBT管受控导通，此时辅助IGBT管的集电极与发射极之间电压急剧下降至零，而受辅助IGBT管的集电极处连接的辅助电感影响，经历辅助驱动脉冲上升沿的辅助IGBT管上电流抬升缓慢，由此可以观察到在驱动器发出辅助驱动脉冲的上升沿后，辅助IGBT管经历了近似为零压开通的过程。

驱动器保持输出辅助驱动脉冲的时段内，辅助IGBT管保持导通，辅助IGBT管上电流不断抬升的，辅助电感在此过程中不断积蓄电量。

当驱动器停止发出辅助驱动脉冲，辅助驱动脉冲经历其下降沿的时刻点时，辅助IGBT管受控截止，此时辅助IGBT管上的电流受其导通状态影响开始骤变，从最高幅值位置处开始下降，由于辅助IGBT管的集电极处连接着辅助电感，辅助电感将释放电量，阻止该电流骤变的情况；辅助电感释放的电量一方面阻止辅助IGBT管上电流骤变，降低其电流下降速度，另一方面也将对辅助电容充电，因此，受制于辅助电感与辅助电容，在驱动器发出辅助驱动脉冲的下降沿后，辅助IGBT管的集电极与发射极之间的电压开始以较为缓慢的速率抬升，上升至主回路输出电压的幅值水平处。由此可以观察到在驱动器发出辅助驱动脉冲的下降沿后，辅助IGBT管经历了近似为零压开通的过程。

在驱动器发出辅助驱动脉冲的过程中，由于主IGBT管的集电极与发射极也与外部电源的正负极连接，因此，在辅助IGBT管经历辅助驱动脉冲、其上流过的电流逐渐抬升的过程中，主IGBT管的集电极与发射极之间的电压也将随之缓慢下降，并在辅助驱动脉冲的下降沿处降至零；而在辅助驱动脉冲经历其下降沿的同时，驱动器发出主驱动脉冲，主IGBT管受主驱动脉冲控制开通，由此可知，在主驱动脉冲经历其上升沿的时刻点处，主IGBT管经历了零压开通的过程。

驱动器保持主驱动脉冲输出的过程中，主IGBT管保持开通，其集电极与发射极之间仅保持几乎为零的导通压降，而由于主IGBT管的集电极处连接有电感量较大的主电感，则在主驱动脉冲维持的过程中，受制于主电感，主IGBT管上电流将以一定速率抬升。

保持主IGBT管导通一段时间后，驱动器将停止输出主驱动脉冲，主驱动脉冲经经历其下降沿，此时主IGBT管受控截止，主IGBT管上电流骤降，由于在前序的辅助IGBT管关断的过程中，辅助电容被充电，积蓄了足够的电量，因此，在主驱动脉冲经历其下降沿的过程中，主IGBT管受制于辅助电容和主二极管，其集电极与发射极之间电压无法快速抬升，因此可以明显观察到，在驱动器停止输出主驱动脉冲、主驱动脉冲经历其下降沿时，主IGBT管经历了近似与零流关断的过程。

综上，在一个驱动周期内，驱动器首先输出辅助驱动脉冲、后输出主驱动脉冲，先控制辅助IGBT管导通、后关断辅助IGBT管而开通主IGBT管，在整个驱动周期中，通过电路之间不同元器件的配合，使得主IGBT管零压开通、零流关断，而辅助IGBT管零压开通、零压关断，最大程度上降低了电路中所有开关器件的开关损耗，整个电路中的所有开关器件在其开通与关断的过程中，均表现出近似软开关的状态。

本实用新型的优势在于：相比于现有技术，在本实用新型当中提供的斩波升压电路增加了辅助回路，帮助主回路中的开关元件在整个周期中均工作在软开关状态的同时，辅助回路自身的开关元件也实现了全周期内以软开关状态工作，保证电路实现原预期的斩波升压功能的同时，电路中所有开关元件还都取得损耗小、寿命长、发热少、工作稳定的效果，提升了电路的整体性能。

附图说明

图1是现有技术中提供的升压斩波电路的电路原理图。

图2是现有技术中提供的升压斩波电路的电路具体应用时施加在开关元件V上的驱动脉冲的时序图。

图3是现有技术中提供的升压斩波电路的电路对在开关元件V上施加了驱动脉冲后，开关元件V上电压U_V和电流I_V的变化示意图。

图4是具体实施方式中提供的软开关升压斩波电路的电路原理图。

图5是具体实施方式中提供的软开关升压斩波电路中驱动器输出的某一驱动周期内主驱动脉冲与辅助驱动脉冲之间的波动关系，以及软开关升压斩波电路在驱动器的驱动下，电路中主IGBT管与辅助IGBT管中电压与电流的波动关系示意图。

图6是具体实施方式中提供的软开关升压斩波电路中驱动器输出的某一驱动周期内主驱动脉冲与辅助驱动脉冲之间的波动关系，以及软开关升压斩波电路在驱动器的驱动下，电路中主IGBT管的电压U1与电流I1波动关系示意图。

图7是具体实施方式中提供的软开关升压斩波电路中驱动器输出的某一驱动周期内主驱动脉冲与辅助驱动脉冲之间的波动关系，以及软开关升压斩波电路在驱动器的驱动下，电路中辅助IGBT管的电压U2与电流I2波动关系示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

请参阅图4-7。

在本具体实施方式中提供一种软开关升压斩波电路，该电路包括有主回路、辅助回路以及开关驱动器；

主回路包括有主电感L1、主IGBT管Q1、主二极管D1以及主电容C1；主电感L1的一端连接外部电源的正极，主电感L1的另一端连接主IGBT管Q1的集电极，主IGBT管Q1的发射极连接外部电源的负极；主二极管D1的阳极与主电感L1的与主IGBT管Q1的公共端连接，主二极管D1的阴极连接主电容C1的一端，主电容C1的另一端连接主IGBT管Q1与外部电源负极的公共端；主电容C1的两端向外部负载输出；

辅助回路包括有辅助IGBT管Q2、辅助电感L2、第一辅助二极管D2、辅助电容C2和第二辅助二极管D3；辅助电感L2的一端连接主电感L1与主IGBT管Q1的公共端，辅助电感L2的另一端连接辅助IGBT管Q2的集电极，第一辅助二极管D2的阳极连接辅助电感L2与辅助IGBT管Q2的公共端，第一辅助二极管D2的阴极连接主二极管D1与主电容C1的公共端，辅助IGBT管Q2的发射极连接主电容C1与外部电源负极的公共端；辅助电容C2的其中一端连接辅助电感L2与主IGBT管Q1的公共端，辅助电容C2的另一端连接第一辅助二极管D2的阴极，第二辅助二极管D3的阳极连接辅助电容C2与第一辅助二极管D2的公共端，第二辅助二极管D3的阴极连接主二极管D1与主电容C1的公共端。

开关驱动器输出主驱动脉冲P1与辅助驱动脉冲P2，主驱动脉冲P1接入主IGBT管Q1的基极；辅助驱动脉冲P2接入辅助IGBT管Q2的基极。

记主IGBT管Q1的集电极与发射极间电压为U1，记主IGBT管Q1上电流为I1；记辅助IGBT管Q2的集电极与发射极间电压为U2，记辅助IGBT管Q2上电流为I2，即外部电源两输出端之间的电压为E，记主电容两端向外部负载输出的电压为U_O。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种软开关升压斩波电路，该斩波电路包括有主回路，所述主回路包括有主电感、主IGBT管、主二极管以及主电容；所述主电感的一端连接外部电源的正极，所述主电感的另一端连接主IGBT管的集电极，所述主IGBT管的发射极连接外部电源的负极；所述主二极管的阳极与所述主电感的与所述主IGBT管的公共端连接，所述主二极管的阴极连接所述主电容的一端，所述主电容的另一端连接所述主IGBT管与外部电源负极的公共端；所述主电容的两端向外部负载输出；

其特征在于，该斩波电路还包括有用于调节开关时所述主IGBT管尚电压或电流的变化速度，促使所述主IGBT管开关过程接近软开关的辅助回路；

以及，用于按需分别驱动所述主回路以及所述辅助回路工作的驱动器；

所述辅助回路与所述主回路连接，所述驱动器分别与所述主回路或所述辅助回路连接。

2.如权利要求1所述的软开关升压斩波电路，其特征在于，所述辅助回路包括有辅助IGBT管、辅助电感以及第一辅助二极管；所述辅助电感的一端连接所述主电感与所述主IGBT管的公共端，所述辅助电感的另一端连接所述辅助IGBT管的集电极，所述第一辅助二极管的阳极连接所述辅助电感与所述辅助IGBT管的公共端，所述第一辅助二极管的阴极连接所述主二极管与所述主电容的公共端，所述辅助IGBT管的发射极连接所述主电容和外部电源负极的公共端。

3.如权利要求2所述的软开关升压斩波电路，其特征在于，所述辅助回路还包括有辅助电容和第二辅助二极管，所述辅助电容的其中一端连接所述辅助电感与所述主IGBT管的公共端，所述辅助电容的另一端连接所述第一辅助二极管的阴极，所述第二辅助二极管的阳极连接所述辅助电容与所述第一辅助二极管的公共端，所述第二辅助二极管的阴极连接所述主二极管与所述主电容的公共端。

4.如权利要求3所述的软开关升压斩波电路，其特征在于，所述驱动器具备用于输出主驱动脉冲的第一输出端，以及用于输出辅助驱动脉冲的第二输出端；所述第一输出端接入所述主IGBT管的基极，所述第二输出端接入所述辅助IGBT管的基极；在每一个周期中，主驱动脉冲均晚于辅助驱动脉冲，当辅助驱动脉冲经历其下降沿时，就主驱动脉冲经历其上升沿。

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