CN2938558Y - 一种arcp软开关电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种ARCP软开关电路，包括一端分别与直流电源正极和负极相连、另一端与滤波电路相连的第一主功率开关和第二主功率开关，以及由双向开关电路和谐振电感组成的串联支路，串联支路一端与直流电源零电位参考端相连，另一端与滤波电路的输入端相连；双向开关电路包括第三二极管和第一单向开关顺次串联而成的第一串联支路、第四二极管和第二单向开关顺次串联而成的第二串联支路，第一串联支路的阳极与第二串联支路的阴极相连，其阴极与第二串联支路的阳极相连。本实用新型通过采用普通的二极管和单向开关管即可实现软开关功能，降低了电路半导体器件的体积，提高了产品可靠性，从而提高产品的市场竞争力。大大降低了产品采购风险和成本。

Description

一种ARCP软开关电路
技术领域
本实用新型涉及一种软开关电路，具体的，涉及一种ARCP软开关电路。
背景技术
目前开关电源发展趋势为：高频小型化，高功率密度，高效率，低成本。而传统的开关电路由于半导体器件处于硬开关工作状态，其损耗非常大，无法提高自身效率，从而使体积庞大，逐渐失去市场竞争力。由于受到半导体器件行业发展以及价格等方面因素的限制，软开关电路拓扑成为绝大多数开关电源厂商提高产品竞争力的选择。
软开关电路中有一种“电感+开关”串联形式的ARCP(auxiliary resonantcommutated pole)软开关电路，因其硬件电路简单、控制易实现、效果好而得到很多开关电源行业人员青睐。但此电路架构需要两个方向相反的开关管(如图1中Q1和Q2)串联来实现软开关效果。目前有两种方法实现上述对管：①使用两个独立的半导体单向开关管(如IGBT，MOSFET，GTO等)串联而成；②将两个半导体单向开关管做成一个模块封装形式。方法①中，虽然使用的是比较通用的单向开关管，但两个IGBT、MOSFET、GTO等器件组合起来体积非常大，费用比较高，尤其是在大功率开关电源中尤其明显，从而造成产品体积庞大，成本提高，竞争力下降。方法②中，虽然将两个半导体器件封装在一起，使得体积变小，但此种对管半导体封装形式的模块在目前半导体市场中非常少见，必须通过和厂商采用特殊定制的形式、供货不稳定，导致器件成本非常高，而且这种对管在电气特性上也不稳定，存在一定风险，使产品存在成本以及采购方面的风险，同样会导致产品竞争力下降。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种ARCP软开关电路，其采用普通器件即可实现ARCP软开关的功能。
本实用新型的技术方案是：一种ARCP软开关电路，包括一端分别与直流电源正极和负极相连、另一端与滤波电路相连的第一主功率开关和第二主功率开关，以及由双向开关电路和谐振电感组成的串联支路，所述串联支路一端与直流电源零电位参考端相连，另一端与滤波电路的输入端相连；所述双向开关电路包括第三二极管和第一单向开关顺次串联而成的第一串联支路、第四二极管和第二单向开关顺次串联而成的第二串联支路，所述第一串联支路的阳极与第二串联支路的阴极相连、作为双向开关电路的输入端，其阴极与第二串联支路的阳极相连、作为双向开关电路的输出端。
其中，所述第一单向开关和第二单向开关可以是下列开关管中的一种：IGBT、MOSFET、SCR或GTO。所述第三二极管和第四二极管为封装在一起的标准二极管模块。所述第一单向开关和第二单向开关为封装在一起的标准单向开关模块。所述滤波电路包括滤波电感和第三电容；所述滤波电感的一端与第一主功率开关和第二主功率开关的连接点相连，一端与第三电容的一端相连，同时作为滤波电路的输出端；所述第三电容的另一端接地。
作为本实用新型的一种实施方式，本实用新型电路还可以包括与所述双向开关电路和谐振电感相串联的第二谐振电感，所述双向开关电路串联连接于谐振电感和第二谐振电感之间。
本实用新型电路种还可以包括第四电容和第五电容，分别连接在直流电源正极、直流电源负极与直流电源零电位参考端之间。当然也可以是其它电位固定不变的直流电压源。
本实用新型的有益效果在于：通过采用普通的二极管和单向开关管即可实现软开关功能，降低了电路半导体器件的体积，提高了产品可靠性，从而提高产品的市场竞争力。大大降低了产品采购风险和成本。
附图说明
图1是现有ARCP软开关电路的电路结构原理图。
图2是本实用新型一种ARCP软开关电路的电路结构原理图。
图3是本实用新型实施例一的电路结构原理图。
图4是本实用新型实施例二的电路结构原理图。
具体实施方式
下面根据附图和具体实施例对本实用新型作进一步阐述。
如图2所示，本实用新型一种ARCP软开关电路主要包括第四电容C4、第五电容C5、第一主功率开关SW1、第二主功率开关SW2、双向开关电路、谐振电感L2和滤波电路。第一主功率开关SW1和第二主功率开关SW2的一端分别与直流电源正极和直流电源负极相连，另一端与滤波电路的输入端相连。双向开关电路和谐振电感L2串联连接后一端与直流电源零电位参考端N相连，另一端与滤波电路的输入端相连。第四电容C4连接于直流电源正极与直流电源零电位参考端N之间。第五电容C5连接于直流电源负极与直流电源零电位参考端N之间。滤波电路包括滤波电感L1和第三电容C3。滤波电感L1的一端与第一主功率开关SW1和第二主功率开关SW2的连接点相连，一端与第三电容C3的一端相连，同时作为滤波电路的输出端，第三电容C3的另一端接地。
双向开关电路包括第三二极管D3和第一单向开关SW3顺次串联而成的第一串联支路，以及第四二极管D4和第二单向开关SW4顺次串联而成的第二串联支路。所述第一串联支路的阳极与第二串联支路的阴极相连，作为双向开关电路的输入端，与直流电源零电位参考端N(或滤波电路的输入端)相连；其阴极与第二串联支路的阳极相连，作为双向开关电路的输出端，与谐振电感L2的一端相连。
图2中，Ud表示直流电源的直流电压。+1/2Ud表示以N线为参考点的+1/2Ud直流电压。-1/2Ud表示以N线为参考点-1/2Ud直流电压。第一主功率开关SW1和第二主功率开关SW2可以是IGBT，MOSFET，GTO，SCR等半导体器件。与第一主功率开关SW1和第二主功率开关SW2相并联的二极管和电容可以是第一主功率开关SW1和第二主功率开关SW2的内部寄生二极管和电容，也可以是外加的续流二极管和电容。谐振电感L2是为实现第一主功率开关SW1和第二主功率开关SW2零电压开通(ZVS)所增加的电感。
其中，I1是主功率输出电流，方向可以与表示方向相同或相反。I2是为实现SW1和SW2的软开关而额外引进的、与I1方向相同的谐振电流。I3和I4为分别通过开关SW3和SW4的单向谐振电流。即：通过控制第一单向开关SW3和第二单向开关SW4在谐振电感L2上产生一个与滤波电感L1电流I1方向相同的谐振电流I2。通过此电流可以实现第一主功率开关SW1与第二主功率开关SW2的软开关(ZVS)。
上述电路的工作原理是：电路输出电压即第三电容C3两端电压为工频(50HZ~60HZ)正弦波信号，输出滤波电感L1的电流为工频正弦电流信号，电路原理要求谐振电感L2的电流(高频开关电流)方向与滤波电感L1方向相同。
当滤波电感L1电流为正时(电流流向C3为正方向)，谐振电感L2电流也必须为正(流向L1方向为正方向)，控制第一单向开关SW3导通，第二单向开关SW4截止。此时谐振支路上电流方向为：N→D3→SW3→L2→L1。由于第二单向开关SW4处于截止状态，谐振电感L2中不可能出现负电流。
当滤波电感L1电流为负时(电流流向C3为负方向)，谐振电感L2电流也必须为负(流向L1方向为负方向)，此时控制第二单向开关SW4导通，第一单向开关SW3截止。此时谐振支路上电流方向为：L1→L2→SW4→D4→N。由于第一单向开关SW3处于截止状态，谐振电感L2中不可能出现正电流。
具体工作原理可参考IEEE-IAS Conference Records 1990pp.1228-1235“The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter”-R.W.De Doncker and J.P.Lyons。
实施例一：
如图3所示，在本实施例中，采用一个封装好的标准IGBT模块，该模块中封装了两个IGBT(每个IGBT上都反并联一个二极管，用于保护IGBT)，分别作为本实用新型电路中的第一单向开关SW3和第二单向开关SW4。同时采用一个封装好的标准二极管模块。该二极管模块中包括两个二极管，分别作为本实用新型电路中的第三二极管D3和第四二极管D4。模块上电后，当电流方向如I3方向所示时，第一单向开关SW3导通，电流由第三二极管D3到第一单向开关SW3通过电路，由于第四二极管D4的存在，电流无法通过第四二极管D4和第二单向开关SW4的通路。当电流方向如I4方向所示时，第二单向开关SW4导通，电流由第二单向开关SW4到第四二极管D4通过电路。这样，采用非常普通的二极管模块和IGBT模块即可实现第一和第二主功率开关SW2的软开关。无论从成本上，还是从品质、可靠性上，都大大得到提高，从而提高了产品在市场中的竞争力。
当然，也可以采用标准封装的MOSFET、SCR或GTO模块。其工作原理与采用IGBT模块相同。
这样，通过一个标准封装的二极管模块和一个标准封装的IGBT模块的组合，便实现了ARCP软开关电路中必需的单向可控辅助开关通路，从而大大降低产品采购风险和成本，降低电路半导体器件体积，提高产品可靠性，从而提高产品的市场竞争力。
实施例二：
如图4所示本实施例与实施例一的区别在于，电路中还包括与双向开关电路和谐振电感L2相串联的第二谐振电感L3。双向开关电路串联连接于谐振电感L2和第二谐振电感L3之间。其工作原理与实施例一的相似。

Claims (7)

1、一种ARCP软开关电路，包括一端分别与直流电源正极和负极相连、另一端与滤波电路相连的第一主功率开关和第二主功率开关，以及由双向开关电路和谐振电感组成的串联支路，所述串联支路一端与直流电源零电位参考端相连，另一端与滤波电路的输入端相连；其特征在于：
所述双向开关电路包括第三二极管和第一单向开关顺次串联而成的第一串联支路、第四二极管和第二单向开关顺次串联而成的第二串联支路，所述第一串联支路的阳极与第二串联支路的阴极相连、作为双向开关电路的输入端，其阴极与第二串联支路的阳极相连、作为双向开关电路的输出端。
2、根据权利要求1所述的ARCP软开关电路，其特征在于：所述第一单向开关和第二单向开关为下列开关管中的一种：IGBT、MOSFET、SCR或GTO。
3、根据权利要求1所述的ARCP软开关电路，其特征在于：还包括与所述双向开关电路和谐振电感相串联的第二谐振电感，所述双向开关电路串联连接于谐振电感和第二谐振电感之间。
4、根据权利要求1或2或3所述的ARCP软开关电路，其特征在于：所述第三二极管和第四二极管为封装在一起的标准二极管模块。
5、根据权利要求1或2或3所述的ARCP软开关电路，其特征在于：所述第一单向开关和第二单向开关为封装在一起的标准单向开关模块。
6、根据权利要求1所述的软开关电路，其特征在于：所述滤波电路包括滤波电感和第三电容；所述滤波电感的一端与第一主功率开关和第二主功率开关的连接点相连，一端与第三电容的一端相连，同时作为滤波电路的输出端；所述第三电容的另一端接地。
7、根据权利要求1所述的软开关电路，其特征在于：还包括第四电容和第五电容，分别连接在直流电源正极、直流电源负极与直流电源零电位参考端之间。
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