全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動方法。所述全橋軟開關(guān)逆變電路包括兩超前臂Q1、Q2和兩滯后臂Q3、Q4，所述超前臂Q1與所述滯后臂Q4成對導(dǎo)通，所述超前臂Q2與所述滯后臂Q3成對導(dǎo)通。所述驅(qū)動方法包括對兩滯后臂Q3和Q4進(jìn)行控制，使得所述兩滯后臂Q3和Q4的導(dǎo)通時(shí)間和單周期內(nèi)的開通時(shí)刻固定；對所述兩超前臂Q1和Q2進(jìn)行PWM控制，使得所述兩超前臂Q1和Q2的開通時(shí)刻位于所述兩滯后臂Q3和Q4的死區(qū)時(shí)間范圍內(nèi)。本發(fā)明能夠有效降低功率開關(guān)器件的功耗，提高逆變頻率，并且使得全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動控制更為簡便。
【專利說明】 全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動方法
[【技術(shù)領(lǐng)域】]
[0001]本發(fā)明涉及一種全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動技術(shù)。
[【背景技術(shù)】]
[0002]逆變電路已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。例如，各種開關(guān)電源、電機(jī)調(diào)速、變頻器以及牽引傳動等。逆變電路包括半橋逆變電路和全橋逆變電路。相對于半橋逆變電路，全橋逆變電路的開關(guān)電流減小了一半，因此廣泛應(yīng)用于大功率場合。
[0003]傳統(tǒng)上，全橋逆變電路按照開關(guān)方式分為硬開關(guān)和軟開關(guān)。硬開關(guān)方式是指功率開關(guān)器件在開通或關(guān)斷時(shí)電流、電壓全不為零的一種控制方式。硬開關(guān)方式存在著功率開關(guān)器件溫升高、損耗大等缺點(diǎn)，因此在硬開關(guān)方式下很難提高逆變頻率，并且可靠性低。
[0004]為了克服硬開關(guān)的上述缺點(diǎn)，近年來，提出了軟開關(guān)的技術(shù)。理想的軟關(guān)斷過程是電流先降到零，然后，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零；理想的軟開通過程是電壓先降到零，然后，電流再緩慢上升到通態(tài)值，所以開通損耗近似為零。
[0005]現(xiàn)有全橋軟開關(guān)逆變技術(shù)多采用移相全橋軟開關(guān)，但移相全橋軟開關(guān)在進(jìn)行有效占空比(超前臂與滯后臂的重疊部分)調(diào)整時(shí)會帶來控制復(fù)雜的問題。圖5A和圖5B示出了與現(xiàn)有移相全橋軟開關(guān)技術(shù)所使用的驅(qū)動方法相對應(yīng)的驅(qū)動電壓波形圖。在圖5A和圖5B中，Q1和Q2為超前臂，Q3和Q4為滯后臂。其中，超前臂Q1和滯后臂Q4成對導(dǎo)通，超前臂Q2和滯后臂Q3成對導(dǎo)通。如圖5A所示，當(dāng)增大有效占空比時(shí)，需要超前臂Q1后移(開通時(shí)刻后移)，從而增加超前臂Q1與Q2之間的死區(qū)時(shí)間(同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)器件同時(shí)不導(dǎo)通的時(shí)間)；而當(dāng)將有效占空比減小時(shí)，如圖5B所示，需要將滯后臂Q4后移(開通時(shí)刻后移)，從而增加滯后臂Q3和Q4之間的死區(qū)時(shí)間。以上描述均以Ql、Q4的導(dǎo)通為例進(jìn)行半周期說明，Q2、Q3的導(dǎo)通同理可知。這樣一來，在進(jìn)行調(diào)整時(shí)，不論是超前臂之間還是滯后臂之間的死區(qū)時(shí)間都會發(fā)生變化，因此使得全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動控制復(fù)雜。
[
【發(fā)明內(nèi)容】
]
[技術(shù)問題]
[0006]本發(fā)明旨在針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動方法，其能夠有效降低功率開關(guān)器件的功耗，提高逆變頻率，并且使得全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動控制更為簡便。
[解決方案]
[0007]本發(fā)明提供一種全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動方法，所述全橋軟開關(guān)逆變電路包括兩超前臂和兩滯后臂，所述驅(qū)動方法包括如下步驟:對兩滯后臂進(jìn)行控制，使得所述兩滯后臂的導(dǎo)通時(shí)間和單周期內(nèi)的開通時(shí)刻固定；對所述兩超前臂進(jìn)行PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制，使得所述兩超前臂的開通時(shí)刻位于所述兩滯后臂的死區(qū)時(shí)間范圍內(nèi)。
[發(fā)明有益效果]
[0008]本發(fā)明通過上述技術(shù)方案，能夠有效降低功率開關(guān)器件的功耗，提高逆變頻率，并且使得全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動控制更為簡便。
[【專利附圖】

【附圖說明】]
[0009]圖1是本發(fā)明的全橋軟開關(guān)逆變電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1所不逆變電路中功率開關(guān)器件(IGBT)的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例的全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動電壓波形圖；
圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例的全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動電壓波形圖；以及圖5A和圖5B是現(xiàn)有的全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動電壓波形圖。
[【具體實(shí)施方式】]
[0010]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行說明。
[第一實(shí)施例]
[0011]下面參照圖1和圖2描述本發(fā)明的全橋軟開關(guān)逆變電路的硬件電路。
[0012]如圖1所示，全橋軟開關(guān)逆變電路包括功率開關(guān)器件Q1?Q4(帶體內(nèi)二極管的IGBT)、主變壓器TR1、外部電感L1、隔直電容C4以及吸收電容C2、C3。其中，Q1和Q2為超前臂，Q3和Q4為滯后臂。如圖所示，所述超前臂Q1與所述滯后臂Q4成對導(dǎo)通，所述超前臂Q2與所述滯后臂Q3成對導(dǎo)通。
[0013]圖2示出了圖1所示Q1?Q4中各個(gè)功率開關(guān)器件的驅(qū)動電路。Q1?Q4中的每個(gè)均連接有該驅(qū)動電路。在本實(shí)施例中，所述驅(qū)動電路采用脈沖變壓器進(jìn)行隔離。
[0014]以下，參照圖2描述驅(qū)動電路的工作原理。
[0015]如圖2所示，當(dāng)驅(qū)動電路左側(cè)施加高電平時(shí)，變壓器T1次級同樣感應(yīng)出高電平，電流經(jīng)過變壓器T1次級、R5、IGBT的G極和E極、電容C1、二極管D5、電阻R1形成環(huán)路，同時(shí)電容C1上電壓不斷升高(右邊電壓為高)。當(dāng)變壓器T1初級電壓變?yōu)榈碗娖剑渭墰]有感應(yīng)電壓，電容C1上電壓將通過IGBT的E極和G極、電阻R5、變壓器T1次級、電阻R1、電阻R9施加在三級管Q5的B極上，此時(shí)，三極管Q5導(dǎo)通，大部分電流經(jīng)過IGBT的E極和G極、三極管Q5的C極和E極流通，所以，IGBT的EG結(jié)電容快速放電，從而實(shí)現(xiàn)IGBT的快速關(guān)斷。
[0016]接下來，描述本發(fā)明的全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動方法。
[0017]本發(fā)明的全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動方法是:將對兩滯后臂進(jìn)行控制，使得所述兩滯后臂的導(dǎo)通時(shí)間和單周期內(nèi)的開通時(shí)刻固定；對所述兩超前臂進(jìn)行PWM控制，使得所述兩超前臂的開通時(shí)刻位于所述兩滯后臂的死區(qū)時(shí)間范圍內(nèi)。需要注意的是，在以下描述中，兩滯后臂的死區(qū)時(shí)間范圍包括兩滯后臂從導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷的時(shí)刻，但是不包括兩滯后臂開通的時(shí)刻。
[0018]圖3是采用上述驅(qū)動方法的優(yōu)選電壓驅(qū)動波形圖。
[0019]如圖3所示，兩滯后臂Q3和Q4的電壓驅(qū)動波形的相位和占空比固定(即兩滯后臂的導(dǎo)通時(shí)間和單周期內(nèi)的開通時(shí)刻固定，參見t2)。超前臂Q1的開通與滯后臂Q3的關(guān)斷同時(shí)發(fā)生(參見tl)，超前臂Q2的開通與滯后臂Q4的關(guān)斷同時(shí)發(fā)生(參見tl)。
[0020]下面，結(jié)合圖1和圖3，描述全橋軟開關(guān)逆變電路的工作過程(軟開關(guān)過程)。
1)超前臂Q1、滯后臂Q4導(dǎo)通時(shí)，電容C4充電(左邊電壓高)，電容C2兩端電壓為0，電容C3電壓充電至DC電壓。
2)滯后臂Q4導(dǎo)通，超前臂Q1提前關(guān)斷，因電感L1自感電壓的存在，電容C4繼續(xù)充電，電容C2從0V開始充電，同時(shí)電容C3放電。C2電壓緩升，而超前臂Q1電流快速降低，超前臂Q1實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。
3)當(dāng)電容C3電壓降為0之后，電流通過超前臂Q2體內(nèi)二極管形成環(huán)流，直至電流降低為零，此時(shí)滯后臂Q4關(guān)斷，滯后臂Q4實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。
4)滯后臂Q4關(guān)斷的同時(shí)超前臂Q2開通，因電容C3兩端電壓為0，超前臂Q2開通時(shí)沒有電流流過，超前臂Q2實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。經(jīng)過一個(gè)死區(qū)時(shí)間后滯后臂Q3開通，由于電感L1的存在，產(chǎn)生緩升電流，所以滯后臂Q3同樣認(rèn)為是零電壓開通，電容C4開始反向充電。
5)滯后臂Q3導(dǎo)通，超前臂Q2提前關(guān)斷，因電感L1自感電壓的存在，電容C4繼續(xù)反向充電，電容C3從0V開始充電，同時(shí)電容C2放電。C3電壓緩升，而超前臂Q2電流快速降低，超前臂Q2實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。
6)當(dāng)電容C2電壓降為0之后，電流通過超前臂Q1體內(nèi)二極管形成環(huán)流，直至電流降低為零，此時(shí)滯后臂Q3關(guān)斷，滯后臂Q3實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。
7)滯后臂Q3關(guān)斷的同時(shí)超前臂Q1開通，因電容C2兩端電壓為0，超前臂Q1開通時(shí)沒有電流流過，超前臂Q1實(shí)現(xiàn)了零電壓開通；經(jīng)過一個(gè)死區(qū)時(shí)間后滯后臂Q4開通。由于電感L1的存在，產(chǎn)生緩升電流，所以滯后臂Q4同樣認(rèn)為是零電壓開通，電容C4開始正向充電。
[0021]以上為一個(gè)周期的工作過程。實(shí)際中，根據(jù)逆變頻率，反復(fù)進(jìn)行上述周期的工作過程。
[0022]由于在本發(fā)明的驅(qū)動方法中，僅需對兩超前臂進(jìn)行PWM控制，而無需對滯后臂進(jìn)行PWM控制，因此相對于傳統(tǒng)的驅(qū)動方法，控制更為簡單。
[0023]此外，由于驅(qū)動電路采用脈沖變壓器進(jìn)行隔離，因此采用上述驅(qū)動方法還能夠避免如下缺點(diǎn):當(dāng)有效占空比較小時(shí)，超前臂Q1和Q2正向開通時(shí)間太小而使驅(qū)動電路中的電容C1無法正常充電，從而無法產(chǎn)生反向關(guān)斷電壓，影響了 IGBT的關(guān)斷速度。這是因?yàn)閮沙氨鄣拈_通時(shí)刻位于所述兩滯后臂Q3和Q4的死區(qū)時(shí)間范圍內(nèi)，因此即使有效占空比接近0 (極限情況下)，從超前臂Q1和Q2的開通到與其分別對應(yīng)的滯后臂Q4或Q3的開通仍然存在一段時(shí)間，從而能夠保證電容C1的正常充電。而兩滯后臂的導(dǎo)通時(shí)間固定，因此不存在上述缺點(diǎn)。
[0024]需要注意的是，在本發(fā)明的驅(qū)動方法中，四個(gè)臂的驅(qū)動方式可以不采用脈沖變壓器進(jìn)行隔離，例如可以采用光耦隔離的驅(qū)動方式。由于逆變頻率不斷提高，采用傳統(tǒng)的普通光耦隔離驅(qū)動已經(jīng)無法滿足要求，而如果采用高速光耦，則價(jià)格較高。因此在本發(fā)明中，兩滯后臂可以采用脈沖變壓器或者普通光耦進(jìn)行隔離，而兩超前臂優(yōu)選采用脈沖變壓器隔離方式驅(qū)動。
[第二實(shí)施例]
[0025]下面，描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。
[0026]第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的硬件電路構(gòu)成完全相同(參見圖1和圖2)，在此不再重復(fù)描述。以下，僅描述二者的不同之處。
[0027]第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同之處僅在于:超前臂Q1的開通與滯后臂Q3的關(guān)斷不是同時(shí)發(fā)生，而是滯后臂Q3先關(guān)斷，之后超前臂Q1開通。另外，超前臂Q2的開通與滯后臂Q4的關(guān)斷也不是同時(shí)發(fā)生，而是滯后臂Q4先關(guān)斷，之后超前臂Q2開通(參見圖4)。但是需要注意的是，超前臂Q1和Q2的開通時(shí)刻仍然位于滯后臂Q3和Q4的死區(qū)時(shí)間范圍內(nèi)。
[0028]與第一實(shí)施例相同，第二實(shí)施例的驅(qū)動方法相對于傳統(tǒng)的驅(qū)動方法，控制更為簡單，并且能夠保證超前臂Q1和Q2的關(guān)斷速度。
[0029]需要注意的是，就第一實(shí)施例和第二實(shí)施例而言，由于第一實(shí)施例中，超前臂Q1的開通與滯后臂Q3的關(guān)斷同時(shí)發(fā)生，超前臂Q2的開通與滯后臂Q4的關(guān)斷同時(shí)發(fā)生，因此第一實(shí)施例中超前臂Q1和Q2的驅(qū)動電路中的電容C1的充電時(shí)間更長。
[0030]此外，在上述實(shí)施例中，功率開關(guān)器件均采用IGBT，但是實(shí)際上，本發(fā)明不限于此，可以采用M0S系列等其它開關(guān)器件。
[0031]另外，上述實(shí)施例中的全橋軟開關(guān)逆變電路也僅為示例，可以采用其他公知電路。并且也可以對上述實(shí)施例中的全橋軟開關(guān)逆變電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行變型，例如可以取消外部電感L1，僅依靠主變壓器TR1的自感。
[0032]以上，已參照詳細(xì)或特定的實(shí)施方式，對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員理解:可以在不脫離本發(fā)明的思想與范圍的前提下進(jìn)行各種變更及修正。
[工業(yè)實(shí)用性]
[0033]本發(fā)明能夠應(yīng)用到使用全橋軟開關(guān)逆變電路的各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。
【權(quán)利要求】
1.一種全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動方法，所述全橋軟開關(guān)逆變電路包括兩超前臂Q1、Q2和兩滯后臂Q3、Q4，所述超前臂Ql與所述滯后臂Q4成對導(dǎo)通，所述超前臂Q2與所述滯后臂Q3成對導(dǎo)通；所述驅(qū)動方法包括如下步驟: 對兩滯后臂Q3和Q4進(jìn)行控制，使得所述兩滯后臂Q3和Q4的導(dǎo)通時(shí)間和單周期內(nèi)的開通時(shí)刻固定； 對所述兩超前臂Ql和Q2進(jìn)行PWM控制，使得所述兩超前臂Ql和Q2的開通時(shí)刻位于所述兩滯后臂Q3和Q4的死區(qū)時(shí)間范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動方法，其中，在對所述兩超前臂Ql和Q2進(jìn)行PWM控制時(shí)，使得所述超前臂Ql的開通與所述滯后臂Q3的關(guān)斷同時(shí)發(fā)生，所述超前臂Q2的開通與所述滯后臂Q4的關(guān)斷同時(shí)發(fā)生。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全橋軟開關(guān)逆變電路的驅(qū)動方法，其中，所述兩超前臂Ql、Q2均采用脈沖變壓器隔離方式驅(qū)動。
【文檔編號】H02M1/08GK104410315SQ201410706594
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】陳建輝, 劉作英, 何雙旺 申請人:唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司