專利名稱：用于電力變換的軟開關電路拓撲的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力靜止變換的方法和電路，尤其涉及用于直流升壓或降壓的軟開關電路拓撲。
現(xiàn)有用于電力靜止變換的技術，例如常規(guī)的Boost(升壓型)電路，如

圖1所示，包括電壓源Ui、儲能電感Lm、MOSFET(電力場效應晶體管)開關器件VS、超快恢復二極管VD、輸出濾波電容CD和負載電阻RL。在圖2上繪出了該電路的工作時序。例如，在t＝t0時刻，開關器件VS導通，二極管VD硬關斷。由于二極管VD的載流子存儲效應，造成它有很大的反向恢復電流。在t＝t1時刻，二極管VD的電流IVD反向恢復達到最大值IR，通過開關器件VS的電流Id-s＝Ii+IR。正是這個很大的反向恢復電流，使得二極管VD的關斷損耗和開關器件VS的開通損耗都很大，以致電路效率低下，只能達到η＝95.5％左右，EMI(電磁干擾)噪音也很大。圖2上t＝t2時刻，開關器件VS關斷，儲能電感Lm的電流通過二極管VD向輸出濾波電容CO充電，磁場儲能轉變?yōu)殡妶鰞δ堋?br> 本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術的不足之處而提出一種具有更高電路效率和降低EMI噪音的用于電力變換的軟開關電路拓樸方法及其構成。本發(fā)明的目的可以通過采用以下技術方案來實現(xiàn)；提出一種用于電力變換的軟開關電路拓撲方法及其構成，借助半導體功率開關及其控制邏輯，再適當連接儲能元件，來開關電力電路，變換輸入電力使之具有所需電壓、頻率、相數或波形。這就是，在一電流源之后或之前構筑并聯(lián)的兩開關支路，該兩支路各自都包括功率開關和小電感，二者串聯(lián)連接，并且從它們相應的串聯(lián)連接點分別通過二極管引出電路；所述兩功率開關按照各自的控制邏輯交替導通和截止，使在每一開關周期中功率開關有零電流開通，二極管有軟恢復關斷，從而獲得高效率電力變換。
附圖的圖面說明如下圖1是現(xiàn)有技術Boost電路的原理圖；圖2是所述Boost電路工作時的電壓、電流時序圖圖3是本發(fā)明軟開關電路拓撲方法及構成的原理圖之一；圖4是本發(fā)明軟開關電路拓撲方法及構成的原理圖之二；圖5是用本發(fā)明方法構成的Boost電路原理圖；圖6是圖5的Boost電路工作時序圖；圓7是用本發(fā)明方法構成的Buck電路原理圖；圖8是用本發(fā)明方法構成橋式電路一個臂的原理圖；圖9是本發(fā)明用于PFC(功率因數校正)電路的一個最佳實施例具體電路圖。
以下結合附圖所示各最佳實施例作進一步詳述；本發(fā)明提出的是一種用于電力變換的軟開關電路拓撲方法，借助半導體功率開關及其控制邏輯，再適當聯(lián)接儲能元件，來開關電力電路，變換輸入電力使之具有所需電壓、頻率、相數或波形。如圖3、圖4所示，在一電流源IO之后或之前，構筑并聯(lián)的第一和第二開關支路，所述第一支路包括功率開關SA1和小電感L1，兩者串聯(lián)連接，所述第二支路包括功率開關SA2和小電感L2，二者同樣串聯(lián)連接，并且從該兩支路相應的串聯(lián)連接點p1和p2分別通過二極管D1和D2引出電路。所述功率開關SA1和SA2按照各自的控制邏輯交替導通和截止，使在每一開關周期TS中，開關SA1或SA2有零電流開通，二極管D1或D2有軟恢復關斷，從而獲得高效率的電力變換。這里所述功率開關SA1和SA2是MOSFET(電力場效應晶體管)，或者是IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)加上反并聯(lián)的快恢復二極管。所述二極管D1和D2是快恢復二極管。本發(fā)明用于電力變換的軟開關電路拓撲構成，包括半導體開關器件及其控制電路，以及儲能電感、濾波電容。參照圖3、圖4所示，在一電流源IO之后或之前并聯(lián)連接兩開關支路，其一由開關器件VS1和小電感L1串聯(lián)組成，另一由開關器件VS2和小電感L2串聯(lián)組成，從該兩支路相應的串聯(lián)連接點q1和q2又分別通過二極管VD1和VD2引出電路。所述控制電路令開關器件VS1和VS2交替導通和截止，從而在任一開關周期TS內，器件VS1或VS2都是零電流開通，二極管VD1或VD2則是軟恢復關斷。利用本發(fā)明方法構成的升壓型Boost電路，見圖5，其并聯(lián)連接的兩開關支路在一電流源之后，該電流源包括輸入電壓源Ui和主電感Lm，二者串聯(lián)連接。兩二極管VD3和VD4的陽極分別連接該兩支路相應的串聯(lián)連接點q3和q4，所述兩二極管的陰極并聯(lián)連接至濾波電容CO的正極，兩開關器件VS3和VS4未與小電感L3、L4串聯(lián)的一端相互并聯(lián)，并同電容CO的負極相接，同時作為輸入、輸出端的公共線。以上所述開關器件VS1～VS4，以及下面要涉及的VS5～VS8、VS7′和VS8′，都是MOSFET，或者是IGBT加上反并聯(lián)的快恢復二極管。所述二極管VD1～VD4，連同下面要涉及的VD5～VD8、VD7′和VD8′，都是超快恢復二極管。圖5Boost電路工作時電壓和電流時序見圖6。在t＝t0時刻，控制電路令開關管VS3開通，輸入電流Ii從小電感L4轉移至L3流入VS3管，因為L3內電流不能突變，從而實現(xiàn)開關管VS3的零電流開通。又因為小電感L4的電流也不能突變，從而經L4和二極管VD4流至負載的電流只能逐漸衰減，至t＝t1時刻實現(xiàn)二極管VD4的軟關斷。在t＝t2時刻，控制電路令VS3管關斷，主電感Lm和小電感L3的磁場儲能以連續(xù)電流形式經二極管VD3向濾波電容CO充電。至t＝t3時刻，控制電路又令開關管VS4開通，同樣由于電感電流不能突變，借助小電感L4和L3實現(xiàn)二極管VD3軟關斷和開關管VS4零電流開通。至t＝t4時刻，二極管VD3關斷。至t＝t5時刻，VS4管關新，Lm和L4的儲能經二極管VD4向電容CO饋送。正是本發(fā)明的電路拓撲和控制時序，令所述開關管VS3、VS4交替工作，從而保證該兩開關管零電流開通和二極管VD3、VD4軟關斷，提高了電路效率，并顯著降低EMI噪音。本發(fā)明的電路拓樸及其控制時序同樣可用于降壓型Buck電路，見圖7，并聯(lián)連接的兩開關支路在一電流源之前，該電流源包括主電感Lm和輸出濾波電容CO，二者串聯(lián)連接；兩二極管VD5和VD6的陰極分別連接該兩支路相應的串聯(lián)連接點q5和q6，所述兩二極管的陽極并聯(lián)連接至濾波電容CO的負極，同時作為輸入、輸出端的公共線。兩開關器件VS5和VS6未與小電感L5、L6串聯(lián)的一端相互并聯(lián)，接輸入電壓源Ui正端。圖8展示本發(fā)明軟開關電路拓樸用于橋式電路一個臂的具體構成。據此可完成高效率、低噪音的交流頻率變換、相數變換和可變極性的直流變換。所述一個臂的具體構成是，將Boost電路和Buck電路揉合成為一個整體，就是，同時在主電感Lm之前和之后分別并聯(lián)連接兩開關支路。在Lm之前的兩支路，其一由開關器件VS7和小電感L7串聯(lián)組成，另一由開關器件VS8和小電感L8串聯(lián)組成，兩二極管VD7和VD8的陰極分別連接該兩支路相應的串聯(lián)連接點q7和q8，該兩二極管的陽極并聯(lián)連接至輸入電壓源Ui負端，兩開關器件VS7和VS8未與小電感L7、L8連接的一端相互并聯(lián)，接輸入電壓源Ui正端。在Lm之后的兩支路，其一由開關器件VS7′和小電感L7′串聯(lián)組成，另一由開關器件VS8′和小電感L8′串聯(lián)組成，兩二極管VD7′和VD8′的陽極分別連接該兩支路相應的串聯(lián)連接點q7′和q8′，該兩二極管的陰極并聯(lián)連接至輸入電壓源Ui正端。兩開關器件VS7′和VS8′未與小電感L7′、L8′連接的一端相互并聯(lián)，接輸入電壓源Ui負端。所有各小電感L7、L8、L7′和L8′未與各自的開關器件VS7、VS8、VS7′和VS8′連接的一端全部并聯(lián)、接主電感Lm。本發(fā)明的電路拓撲及其控制時序用于2千瓦PFC(功率因數校正)電路的實例見圖9，這是一個具有軟開關電路拓撲的升壓型Boost電路，其主電路路徑是，交流輸入經EMI抑制網絡1、整流橋2，變換為直流中間電壓Ui，再經主電感Lm和兩條并聯(lián)連接的開關支路，最后在濾波電容CO上獲得直流415伏輸出。功能塊4是該PFC電路的控制電路，由它發(fā)出的控制脈沖經D觸發(fā)器分頻，再經兩與門電路5和6變換為互相錯開的差拍信號，又經過驅動電路7和8，驅動主電路各MOSFET的柵極，令其交替開通和截止。實驗表明，本發(fā)明的這個最佳實施例已經取得較為滿意的效果，其電力變換效率高達97.0％，而現(xiàn)有技術如圖1所示的Boost電路用于PFC電路，只取得95.5％左右的效率。以下是本發(fā)明圖9實施例所用元器件明細表標號或電路符號元器件名稱 型號或參數VS電力場效應晶體管 IXFH 20N60Lm主電感 500微亨L 換能電感 10微亨VD快恢復二極管 DSEI 30-06ACO濾波電容 3×330微法D D觸發(fā)器 CD40135、6 “與”門電路 CD4081同現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明的軟開關電路拓撲具有更高的電力變換效率，而且還降低了EMI噪音。
權利要求
1.用于電力變換的軟開關電路拓撲方法，借助半導體功率開關及其控制邏輯，再適當連接儲能元件，來開關電力電路，變換輸入電力使之具有所需電壓、頻率、相數或波形，其特征在于在一電流源IO之后或之前，構筑并聯(lián)的第一和第二開關支路，所述第一支路包括功率開關SA1和小電感L1，兩者串聯(lián)連接，所述第二支路包括功率開關SA2和小電感L2，二者同樣串聯(lián)連接，并且從該兩支路相應的串聯(lián)連接點p1和p2分別通過二極管D1和D2引出電路；所述功率開關SA1和SA2按照各自的控制邏輯交替導通和截止，使在每一開關周期TS中，開關SA1或SA2有零電流開通，二極管D1或D2有軟恢復關斷，從而獲得高效率的電力變換。
2.按照權利要求1所述的用于電力變換的軟開關電路拓撲方法，其特征在于所述功率開關SA1和SA2是MOSFET(電力場效應晶體管)，或者是IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)加上反并聯(lián)的快恢復二極管。
3.按照權利要求1所述的用于電力變換的軟開關電路拓撲方法，其特征在于所述二極管D1和D2是快恢復二極管。
4.用于電力變換的軟開關電路拓撲構成，包括半導體開關器件及其控制電路，以及儲能電感、濾波電容，其特征在于在一電流源IO之后或之前并聯(lián)連接兩開關支路，其一由開關器件VS1和小電感L1串聯(lián)組成，另一由開關器件VS4和小電感L2串聯(lián)組成。從該兩支路相應的串聯(lián)連接點q1和q2又分別通過二極管VD1和VD2引出電路；所述控制電路令開關器件VS1和VS2交替導通和截止，從而在任一開關周期TS內，器件VS1或VS2都是零電流開通，二極管VD1或VD2則是軟恢復關斷。
5.按照權利要求4所述的用于電力變換的軟開關電路拓撲構成，其特征在于所述并聯(lián)連接的兩開關支路在一電流源之后，該電流源包括輸入電壓源Ui和主電感Lm、二者串聯(lián)連接；兩二極管VD3和VD4的陽極分別連接該兩支路相應的串聯(lián)連接點q3和q4，所述兩二極管的陰極并聯(lián)連接至濾波電容CO的正極，兩開關器件VS3和VS4未與小電感L3、L4串聯(lián)的一端相互并聯(lián)，并同電容CO的負極相接，同時作為輸入、輸出端的公共線，構成升壓型Boost電路。
6.按照權利要求4所述的用于電力變換的軟開關電路拓撲構成，其特征在于所述并聯(lián)連接的兩開關支路在一電流源之前，該電流源包括主電感Lm和輸出濾波電容CO，二者率聯(lián)連接；兩二極管VD5和VD6的陰極分別連接該兩支路相應的串聯(lián)連接點q5和q6，所述兩二極管的陽極并聯(lián)連接至濾波電容CO的負極，同時作為輸入、輸出端的公共線，兩開關器件VS5和VS6未與小電感L5、L6串聯(lián)的一端相互并聯(lián)，接輸入電壓源Ui正端，構成降壓型Buck電路。
7.按照權利要求4所述的用于電力變換的軟開關電路拓撲構成，其特征在于將Boost電路和Buck電路揉合成為一個整體，就是，同時在主電感Lm之前和之后分別并聯(lián)連接兩開關支路；在Lm之前的兩支路，其一由開關器件VS7和小電感L7串聯(lián)組成，另一由開關器件VS8和小電感L8串聯(lián)組成，兩二極管VD7和VD8的陰極分別連接該兩支路相應的串聯(lián)連接點q7和q8，該兩二極管的陽極并聯(lián)連接至輸入電壓源Ui負端，兩開關器件VS7和VS8未與小電感L7、L8連接的一端相互并聯(lián)，接輸入電壓源Ui正端；在Lm之后的兩支路，其一由開關器件VS7′和小電感L7′串聯(lián)組成，另一由開關器件VS8′和小電感L8′串聯(lián)組成，兩二極管VD7′和VD8′的陽極分別連接該兩支路相應的串聯(lián)連接點q7′和q8′，該兩二極管的陰極并聯(lián)連接至輸入電壓源Ui正端，兩開關器件VS7′和VS8′未與小電感L7′、L8′連接的一墻相互并聯(lián)，接輸入電壓源Ui負端；所有各小電感L7、L8、L7′和L8′未與各自的開關器件VS7、VS8、VS7′和VS8′連接的一端全部并聯(lián)，接主電感Lm，構成橋式電路的一個臂。
8.按照權利要求5～7之一所述的用于電力變換的軟開關電路拓撲構成，其特征在于所述開關器件VS3～VS8以及VS7′、VS8′都是MOSFET(電力場效應晶體管)，或者是IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)加上反并聯(lián)的快恢復二極管。
9.按照權利要求5～7之一所述的用于電力變換的軟開關電路拓撲構成，其特征在于所述二極管VD3～VD8以及VD7′、VD8′都是超快恢復二極管。
全文摘要
用于電力變換的軟開關電路拓樸方法及構成,借助半導體功率開關及其控制邏輯以及儲能元件,來變換輸入電力使之具有所需電壓、頻率、相數或波形。它是在一電流源I
文檔編號H02M3/04GK1202759SQ9811321
公開日1998年12月23日 申請日期1998年5月13日 優(yōu)先權日1998年5月13日
發(fā)明者趙林沖 申請人:深圳市華為通信股份有限公司