一种双向PFC软开关及其控制方法技术

本发明专利技术一种双向PFC软开关及其控制方法，属于电路拓扑领域；提供了提高变换器整体效率的双向PFC软开关及其控制方法；技术方案为：一种双向PFC软开关，包括主回路和辅助支路，主回路包括第一、第二开关管S1、S2，第一、第二谐振电容C1、C2，电感L、第一、第二滤波电容Co1、Co2，辅助支路包括第三、第四开关管S3、S4，谐振电感Lr，变压器T和全桥整流桥，主回路是双向半桥PFC变换器，辅助支路协助完成主回路在升压模式、降压模式下的软开关，且辅助支路的开关管也实现软开关。

A Bidirectional PFC Soft Switch and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
一种双向PFC软开关及其控制方法
本专利技术一种双向PFC软开关及其控制方法，属于电力电子电路拓扑

技术介绍
近年来，随着国家对能源利用和消耗的日益重视，人们对电源系统提出了更高的要求，直流电源变换器有着不可或缺的作用。能充放电的电源系统被广泛的应用到了国家大力扶持的众多产业，比如电动汽车，不间断电源，光伏发电，航空电力等场合，要求能量可以双向自由流通，这使得双向变换器的应用前景更加广泛。双向变换器高频化是其发展的方向，高频化使变换器小型化，特别是在高新
的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。然而，硬开关变换器的开关损耗随着开关频率的增加而增加，由于输出电容引起的开关管的通断损耗和二极管反向恢复特性引起的关断损耗在高频的情况下就显得尤为严重，电磁干扰也会增加。因此，降低开关管的通断损耗和二极管的反向恢复损耗就显得尤为重要。目前，解决上述损耗的比较成熟的方法是应用软开关技术。即在传统的双向变换器的基础上增加一个或多个辅助回路，使主开关管在开通之前把寄生电容存储的能量和电感续流时续流二极管正向导通时存储的能量转移到辅助回路中，从而使主开关管软开通，这种方法可以有效的减小损耗。以上这类基于软开关技术的方法，虽然可以成功的解决主电路的能量损耗问题，但是所增加的辅助回路中的能量又无法回馈到输入或者输出中，只是形式上的能量转移，实质上并没有降低能量损耗；此外，辅助开关管是在硬开关的情况下导通和关断的，开关损耗也比较大。因此，系统的整体效率依旧没有得到提高。
技术实现思路
本专利技术一种双向PFC软开关及其控制方法，克服了现有技术存在的不足，提供了一种提高变换器整体效率的双向PFC软开关实现及其控制方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为一种双向PFC软开关，包括主回路和辅助支路；主回路包括第一、第二开关管S1、S2，第一、第二谐振电容C1、C2，电感L、第一、第二滤波电容Co1、Co2；辅助支路包括第三、第四开关管S3、S4，谐振电感Lr，变压器T和全桥整流桥；第一谐振电容C1与第一开关管S1并联，第二谐振电容C2与第二开关管S2并联；第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极、电感L的一端相连，电感L的另一端分别与全桥整流桥的正极输出端m、第二滤波电容Co2的一端相连，第二滤波电容Co2的另一端与第二开关管S2的源极相连；第一滤波电容Co1的两端分别与第一开关管S1的漏极、第二开关管S2的源极相连；第一、第三开关管S1、S3的漏极相连，第三开关管S3的源极与第四开关管S4的漏极相连，第二、第四开关管S2、S4的源极相连；全桥整流桥的负极输出端n与第四开关管S4的源极相连；谐振电感Lr的一端与第一开关管S1的源极相连，谐振电感Lr的另一端与变压器T原边的异名端相连，变压器T原边的同名端与第三开关管S3的源极相连；变压器T副边的同名端与全桥整流桥的第一交流输入端p相连，变压器T副边的异名端与全桥整流桥的第二交流输入端q相连。进一步，所述第一、第二、第三、第四开关管S1、S2、S3、S4均为具有反并联二极管特性的功率开关管。进一步，还包括第一、第二、第三、第四二极管D1、D2、D3、D4，第一、第二、第三、第四二极管D1、D2、D3、D4依次为第一、第二、第三、第四开关管S1、S2、S3、S4的反并联二极管。进一步，所述全桥整流桥包括第五、第六、第七、第八二极管D5、D6、D7、D8，第五、第六二极管D5、D6串联形成的支路与第七、第八二极管D7、D8串联形成的支路并联。一种双向PFC软开关的控制方法，基于上述的一种双向PFC软开关完成，包括降压模式控制方法和升压模式控制方法；所述PFC软开关在降压模式下，第一电压源V1与所述第一滤波电容Co1并联，所述第一滤波电容Co1的两端为电压输入端，所述第二滤波电容Co2的两端为电压输出端；所述PFC软开关在升压模式下，第二电压源V2与所述第二滤波电容Co2并联，所述第二滤波电容Co2的两端为电压输入端，所述第一滤波电容Co1的两端为电压输出端。进一步，所述降压模式控制方法包括九个模态，九个模态依序进行完成一个周期，具体包括：降压模式第一模态发生在t0-t1阶段，t0时刻，谐振电感Lr上的电流iLr＝0，仅第一开关管S1处于导通状态，电感L的电流方向由第一电压源V1流向第二电压源V2，该模态第一电压源V1的能量向电感L转移，当电感L上存储的能量达到最大时，关断第一开关管S1，由于第一谐振电容C1的存在，第一开关管S1实现软关断，此模态结束；降压模式第二模态发生在t1-t2阶段，t1时刻软关断第一开关管S1，流过电感L的电流方向由于不能发生突变，第一谐振电容C1充电，第二谐振电容C2放电，电感L的电感值相对第一、第二谐振电容C1、C2电容值很大，通过电感L的电流IL1近似不变，当第二谐振电容C2端电压由V1下降至0V时，此模态结束，持续时间为：t12＝V1·2Cr/IL1，其中，Cr＝C1＝C2，Cr为谐振电容；降压模式第三模态发生在t2-t3阶段，t2时刻第二谐振电容C2端电压下降至0V，第二二极管D2自然导通续流，并将第二开关管S2漏源电压钳位至接近于0V，这时在零电压下开通第二开关管S2，第二开关管S2实现软开通，开通第二开关管S2时，此模态结束；降压模式第四模态发生在t3-t4阶段，t3时刻软开通第二开关管S2，电感L中存储的能量通过第二开关管S2释放，在关断第二开关管S2前的短时间内使第三开关管S3导通，由于开通第三开关管S3前辅助支路中的电流为0A，第三开关管S3实现软开通，此模态结束；降压模式第五模态发生在t4-t5阶段，t4时刻软开通第三开关管S3，变压器T原边绕组Np同名端为正，副边绕组Ns同名端感应正电动势，第五、第八二极管D5、D8导通，变压器T的副边绕组Ns电压钳位在电压源V2的电压V2，变压器T原边绕组Np电压钳位在V2/K，其中，K＝ns/np，ns、np分别表示副边绕组、原边绕组的匝数，谐振电感Lr两端的电压被钳位在V1-V2/K，此时谐振电感Lr电流iLr线性增加；当谐振电感Lr电流iLr增至电感L电流iL，即iLr＝iL时，关断第二开关管S2，由于第二谐振电容C2的存在，第二开关管S2实现软关断，此模态结束，持续时间为：降压模式第六模态发生在t5-t6阶段，t5时刻软关断第二开关管S2，谐振电感Lr开始与第一、第二谐振电容C1、C2谐振，谐振电感Lr中的电流iLr继续增加，第一谐振电容C1放电，第二谐振电容C2充电，第一谐振电容C1端电压逐渐减小，第二谐振电容C2端电压逐渐增加，当C2端电压增加至V1-V2/K时，谐振电感Lr中的电流iLr达到最大值，此模态结束，持续时间：降压模式第七模态发生在t6-t7阶段，t6时刻谐振电感Lr电流iLr达到最大值，之后第一谐振电容C1继续放电、第二谐振电容C2继续充电，谐振电感电流iLr开始减小，第一谐振电容C1端电压逐渐减小，第二谐振电容C2端电压逐渐增加，当第一谐振电容C1端电压减小至0V、第二谐振电容C2端电压增加至V1时，此模态结束，持续时间为：降压模式第八模态发生在t7-t8阶段，t7时刻第一谐振电容C1端电压减小至0V，第一二极管D1开始自然导通续流，并将第一开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向PFC软开关，其特征在于：包括主回路和辅助支路；主回路包括第一、第二开关管S1、S2，第一、第二谐振电容C1、C2，电感L、第一、第二滤波电容Co1、Co2；辅助支路包括第三、第四开关管S3、S4，谐振电感Lr，变压器T和全桥整流桥；第一谐振电容C1与第一开关管S1并联，第二谐振电容C2与第二开关管S2并联；第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极、电感L的一端相连，电感L的另一端分别与全桥整流桥的正极输出端m、第二滤波电容Co2的一端相连，第二滤波电容Co2的另一端与第二开关管S2的源极相连；第一滤波电容Co1的两端分别与第一开关管S1的漏极、第二开关管S2的源极相连；第一、第三开关管S1、S3的漏极相连，第三开关管S3的源极与第四开关管S4的漏极相连，第二、第四开关管S2、S4的源极相连；全桥整流桥的负极输出端n与第四开关管S4的源极相连；谐振电感Lr的一端与第一开关管S1的源极相连，谐振电感Lr的另一端与变压器T原边的异名端相连，变压器T原边的同名端与第三开关管S3的源极相连；变压器T副边的同名端与全桥整流桥的第一交流输入端p相连，变压器T副边的异名端与全桥整流桥的第二交流输入端q相连。...

【技术特征摘要】
1.一种双向PFC软开关，其特征在于：包括主回路和辅助支路；主回路包括第一、第二开关管S1、S2，第一、第二谐振电容C1、C2，电感L、第一、第二滤波电容Co1、Co2；辅助支路包括第三、第四开关管S3、S4，谐振电感Lr，变压器T和全桥整流桥；第一谐振电容C1与第一开关管S1并联，第二谐振电容C2与第二开关管S2并联；第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极、电感L的一端相连，电感L的另一端分别与全桥整流桥的正极输出端m、第二滤波电容Co2的一端相连，第二滤波电容Co2的另一端与第二开关管S2的源极相连；第一滤波电容Co1的两端分别与第一开关管S1的漏极、第二开关管S2的源极相连；第一、第三开关管S1、S3的漏极相连，第三开关管S3的源极与第四开关管S4的漏极相连，第二、第四开关管S2、S4的源极相连；全桥整流桥的负极输出端n与第四开关管S4的源极相连；谐振电感Lr的一端与第一开关管S1的源极相连，谐振电感Lr的另一端与变压器T原边的异名端相连，变压器T原边的同名端与第三开关管S3的源极相连；变压器T副边的同名端与全桥整流桥的第一交流输入端p相连，变压器T副边的异名端与全桥整流桥的第二交流输入端q相连。2.根据权利要求1所述的一种双向PFC软开关，其特征在于：所述第一、第二、第三、第四开关管S1、S2、S3、S4均为具有反并联二极管特性的功率开关管。3.根据权利要求1-2所述的一种双向PFC软开关，其特征在于：还包括第一、第二、第三、第四二极管D1、D2、D3、D4，第一、第二、第三、第四二极管D1、D2、D3、D4依次为第一、第二、第三、第四开关管S1、S2、S3、S4的反并联二极管。4.根据权利要求1所述的一种双向PFC软开关，其特征在于：所述全桥整流桥包括第五、第六、第七、第八二极管D5、D6、D7、D8，第五、第六二极管D5、D6串联形成的支路与第七、第八二极管D7、D8串联形成的支路并联。5.一种双向PFC软开关的控制方法，其特征在于：基于权利要求1-4任一所述的一种双向PFC软开关完成，包括降压模式控制方法和升压模式控制方法；所述PFC软开关在降压模式下，第一电压源V1与所述第一滤波电容Co1并联，所述第一滤波电容Co1的两端为电压输入端，所述第二滤波电容Co2的两端为电压输出端；所述PFC软开关在升压模式下，第二电压源V2与所述第二滤波电容Co2并联，所述第二滤波电容Co2的两端为电压输入端，所述第一滤波电容Co1的两端为电压输出端。6.根据权利要求5所述的一种双向PFC软开关的控制方法，其特征在于：所述降压模式控制方法包括九个模态，九个模态依序进行完成一个周期，具体包括：降压模式第一模态发生在t0-t1阶段，t0时刻，谐振电感Lr上的电流iLr=0，仅第一开关管S1处于导通状态，电感L的电流方向由第一电压源V1流向第二电压源V2，该模态第一电压源V1的能量向电感L转移，当电感L上存储的能量达到最大时，关断第一开关管S1，由于第一谐振电容C1的存在，第一开关管S1实现软关断，此模态结束；降压模式第二模态发生在t1-t2阶段，t1时刻软关断第一开关管S1，流过电感L的电流方向由于不能发生突变，第一谐振电容C1充电，第二谐振电容C2放电，电感L的电感值相对第一、第二谐振电容C1、C2电容值很大，通过电感L的电流IL1近似不变，当第二谐振电容C2端电压由V1下降至0V时，此模态结束，持续时间为：，其中，Cr=C1=C2，Cr为谐振电容；降压模式第三模态发生在t2-t3阶段，t2时刻第二谐振电容C2端电压下降至0V，第二二极管D2自然导通续流，并将第二开关管S2漏源电压钳位至接近于0V，这时在零电压下开通第二开关管S2，第二开关管S2实现软开通，开通第二开关管S2时，此模态结束；降压模式第四模态发生在t3-t4阶段，t3时刻软开通第二开关管S2，电感L中存储的能量通过第二开关管S2释放，在关断第二开关管S2前的短时间内使第三开关管S3导通，由于开通第三开关管S3前辅助支路中的电流为0A，第三开关管S3实现软开通，此模态结束；降压模式第五模态发生在t4-t5阶段，t4时刻软开通第三开关管S3，变压器T原边绕组Np同名端为正，副边绕组Ns同名端感应正电动势，第五、第八二极管D5、D8导通，变压器T的副边绕组Ns电压钳位在电压源V2的电压V2，变压器T原边绕组Np电压钳位在V2/K，其中，K=ns/np，ns、np分别表示副边绕组、原边绕组的匝数，谐振电感Lr两端的电压被钳位在V1-V2/K，此时谐振电感Lr电流iLr线性增加；当谐振电感Lr电流iLr增至电感L电流iL，即iLr=iL时，关断第二开关管S2，由于第二谐振电容C2的存在，第二开关管S2实现软关断，此模态结束，持续时间为：；降压模式第六模态发生在t5-t6阶段，t5时刻软关断第二开关管S2，谐振电感Lr开始与第一、第二谐振电容C1、C2谐振，谐振电感Lr中的电流iLr继续增加，第一谐振...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏淑靖，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14