一种变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路及方法技术

一种变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路及方法，电路由缓冲电容、储能电容、电感、二极管、变压器和辅助开关管构成。缓冲电容实现被保护开关管的软关断。在被保护开关管开通时，缓冲电容的能量经被保护开关管、电感和二极管转移到储能电容。储能电容的电压在每次被保护开关管开通时逐步上升。当储能电容电压上升到最高阀值电压时，辅助开关管动作，将储能电容的能量经变压器迅速转移到直流吸收环节，实现能量回馈。所述的电路在一个变流器中可以有多个，分别对应不同的受保护开关管。本发明专利技术既可以实现受保护开关管的软关断，又可以将缓冲电容中的能量以较小的损耗回馈到电路的直流侧，简单易行，可提高高频变流器的开关频率，降低电路损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路及方法
本专利技术涉及一种变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路及方法，即中大功率变流器的效率提升，属高频变流器

技术介绍
在高频变流器中，功率开关管的开关损耗是总损耗的主要部分，严重影响了电路的效率。开关管的开关损耗包括开通→关断过程中的关断损耗，以及关断→开通的开通损耗。要降低功率管的关断损耗，传统的方法是在功率管Q的两端并联一个RCD（R代表电阻，C代表电容，D代表二极管）缓冲电路，如附图1所示。当功率管Q开通→关断时，并联的电容C使得电压uce缓慢上升，降低了uce和ic的重叠区面积，从而降低了关断损耗，如附图2所示。当电容C足够大时，关断损耗就可以忽略了。然而，在功率管Q从关断→开通过程中，电容C要通过电阻R放电以限制流过IGBT的冲击电流。在此过程中，几乎所有的电容C上的储能都通过电阻R消耗掉了。所以，电容C越大，电阻R的损耗就越大。这就使得电容C实际上不可能设计得很大，功率管Q仍然会有不小的关断损耗，大大制约了该电路的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的，旨在于提供一种变流器中应用的实现开关管软关断及能量回馈的电路，降低开关管的关断损耗，提高变流器效率和可靠性。本专利技术一种变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路是通过以下技术方案实现的：如附图3中虚线框内图所示，电路由缓冲电容C1、储能电容C2、电感L1、续流二极管D1和D2、整流二极管D3和D4、变压器TX1、辅助开关管Q2构成。其中，电路输入侧的正极（缓冲电容C1的上端）接受保护开关管Q1（IGBT）的集电极，缓冲电容C1的下端接续流二极管D1的阳极和续流二极管D2的阴极，电路输入侧的负极（续流二极管D1的阴极）接受保护开关管Q1的发射极和储能电容C2的阳极以及整流二极管D3的阳极，续流二极管D2的阳极接电感L1的左端，电感L1的右端接储能电容C2的阴极以及辅助开关管Q2（功率MOSFET）的源极，整流二极管D3的阴极接变压器原边绕组P1的上端（异名端），原边绕组P1的下端（同名端*）接辅助开关管Q2的漏极，变压器副边绕组S1的上端（同名端*）接整流二极管D4的阳极，整流二极管D4的阴极接电路输出侧的阳极及直流吸收环节US的阳极、副边绕组S1的下端（异名端）接电路输出侧的阴极及直流吸收环节US的阴极。所述的直流吸收环节US可以是变流器中的电池，也可以是直流电容构成的直流母线储能环节。所述的辅助开关管Q2依据储能电容C2的电压幅值大小来做开通关断。当储能电容C2的电压uc2大于设定的最高阀值电压UH时，辅助管开关Q2进入工作区，被高频脉冲驱动ugs工作。当储能电容C2的电压uc2小于设定的最小阀值电压UL时，辅助开关管Q2进入停止区，ugs始终为低电平，不再动作。所述的电路应用在一个变流器中可以有N个，其输入侧分别对应N个不同的受保护开关管Q1，其输出侧可以根据需要对应M（1≦M≦N）个不同的直流吸收环节US。本专利技术提出了一种变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路及控制方法，与现有技术相比，具有如下优点，（1）缓冲电容C1可以设计的很大，消除开关管的关断损耗，及减小开关管的关断电压尖峰，（2）缓冲电容C1中的能量转移存贮到一个储能电容后又间歇式集中转移到直流环节，降低了电路自身的损耗，增加了回馈的能量，提高了电路的效率。本专利技术提出的变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路，普遍适用于中大功率变流器。本专利技术简单易行，可以作为一个模块设计在现有的各类相关高频电力电子装置中实现功率管软关断及缓冲电容能量回馈的功能，提高高频电力电子装置的开关频率，降低电路损耗。附图说明图1为传统的有损耗无源RCD型箝位电路；图2为附图1电路中受保护开关管Q1关断过程中的波形；图3为本专利技术变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路；图4为本专利技术在一个半桥电路中的应用实例；图5为附图4中对实验测试信号标示了部分图；图6为测试的受保护开关管Q1的uce和ic波形图；图7为测试的uc2和ugs3波形图。具体实施方式以下结合附图4的一个具体实施例对本专利技术做进一步的详细说明。仅用以说明而非限制本专利技术的技术方案。本实施例参见图4，其为一个采用了本专利技术所述电路和方法的半桥式逆变器原理框图。如各个虚线框所示，该电路原理框图包括主电路301、缓冲及馈能电路302、缓冲及馈能电路303、馈能控制方法电路304及馈能控制方法电路305。主电路301是一个半桥逆变电路，实现将直流±360VDC电压转变成交流220VAC电压的逆变功能，由输入电源US1、US2、功率管Q1及其反并二极管D1、功率管Q2及其反并二极管D2、逆变电感L0、逆变电容C0、负载电阻R0构成。其中，输入电源US1正极接功率管Q1的集电极及其反并二极管D1的阴极，功率管Q1的发射极及其反并二极管D1的阳极接功率管Q2的集电极及其反并二极管D2的阴极和逆变电感的L0的右端，功率管Q2的发射极及其反并二极管D2的阳极接输入电源US2负极，输入电源US2正极接输入电源US1负极和地，逆变电感L0的左端接逆变电容C0的上端和负载电阻R0的上端，逆变电容C0的下端和负载电阻R0的下端接地。图中的直流电源US1和US2采用30节额定电压为12V的铅酸蓄电池构成，功率管Q1和Q2采用IR公司的IGBT，型号为IRG4PH50UD，D1和D2只是该型号IGBT内部固有的二极管。电感L0和电容C0构成滤波电路，电阻R0为负载电阻。缓冲及馈能电路302是实现功率管Q1的软关断，并将并联缓冲电容C1的能量转移反馈到直流环节US1的电路，由电容C1和C2、二极管D3、D4、D5和D6，电感L1，变压器TX1构成。其中，电容C1的上端接功率管Q1的集电极，电容C1的下端接二极管D3的阳极和二极管D4的阴极，二极管D3的阴极接功率管Q1的发射极和电容C2的阳极以及二极管D5的阳极，二极管D4的阳极接电感L1的左端，电感L1的右端接电容C2的阴极以及辅助功率管Q3的源极，二极管D5的阴极接变压器TX1原边绕组P1的上端，原边绕组P1的下端（同名端*）接辅助功率管Q3的漏极，变压器TX1副边绕组S1的上端（同名端*）接二极管D6的阳极，二极管D6的阴极接输入电源US1的阳极，变压器TX1副边绕组S1的下端接输入电源US1的阴极。图中的电容C1容值是10nF，C2是20uF的电解电容，电感L1是12uH，二极管D3和D4的型号为RHRP15120，二极管D5的型号为MUR460，二极管D6的型号为RHRP8120。辅助管Q3采用的是功率MOSFET，型号为IRF860，变压器变比为1:4。缓冲及馈能电路303与缓冲及馈能电路302的结构一样，是实现功率管Q2的软关断，并将并联缓冲电容C7的能量转移反馈到直流环节US2的电路，由电容C7和C8、二极管D7、D8、D9和D10，电感L2，变压器TX2构成。其中，电容C7的上端接功率管Q2的集电极，电容C7的下端接二极管D7的阳极和二极管D8的阴极，二极管D7的阴极接功率管Q2的发射极和电容C8的阳极以及二极管D9的阳极，二极管D8的阳极接电感L2的左端，电感L2的右端接电容C8的阴极以及辅助功率管Q3的源极，二极管D9的阴极接变压器TX2原边绕组P2的上端，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路，其特征在于，所述电路由缓冲电容C1、储能电容C2、电感L1、续流二极管D1和D2、整流二极管D3和D4、变压器TX1和辅助开关管Q2构成；所述电路输入侧的正极接缓冲电容C1的阳极端和是保护开关管Q1的集电极，缓冲电容C1的阴极端接续流二极管D1的阳极和续流二极管D2的阴极；所述电路输入侧的负极接续流二极管D1的阴极和受保护开关管Q1的发射极和储能电容C2的阳极以及整流二极管D3的阳极，续流二极管D2的阳极接电感L1的一端，电感L1的另一端接储能电容C2的阴极以及辅助开关管Q2的源极，整流二极管D3的阴极接变压器原边绕组P1的异名端，原边绕组P1的同名端接辅助开关管Q2的漏极，变压器副边绕组S1的同名端接整流二极管D4的阳极，整流二极管D4的阴极接电路输出侧的阳极及直流吸收环节US的阳极、副边绕组S1的异名端接电路输出侧的阴极及直流吸收环节US的阴极。

【技术特征摘要】
1.一种变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路，其特征在于，所述电路由缓冲电容C1、储能电容C2、电感L1、续流二极管D1和D2、整流二极管D3和D4、变压器TX1和辅助开关管Q2构成；所述电路输入侧的正极接缓冲电容C1的阳极端和保护开关管Q1的集电极，缓冲电容C1的阴极端接续流二极管D1的阳极和续流二极管D2的阴极；所述电路输入侧的负极接续流二极管D1的阴极和保护开关管Q1的发射极和储能电容C2的阳极以及整流二极管D3的阳极，续流二极管D2的阳极接电感L1的一端，电感L1的另一端接储能电容C2的阴极以及辅助开关管Q2的源极，整流二极管D3的阴极接变压器原边绕组P1的异名端，原边绕组P1的同名端接辅助开关管Q2的漏极，变压器副边绕组S1的同名端接整流二极管D4的阳极，整流二极管D4的阴极接电路输出侧的阳极及直流吸收环节US的阳极、副边绕组S1的异名端接电路输出侧的阴极及直流吸收环...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁义生，彭春华，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西;36